動態模擬在塔泄放量計算中的應用

李飛飛(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266000)

1 塔泄放工況描述

為防止超壓，塔頂配有泄壓閥或其他泄壓裝置，當塔壓超過設計壓力時，這些泄放裝置就會開啟并泄壓。來自塔和其他設備的泄放氣收集在一個集合管中，并輸送至火炬進行燃燒。

通常分餾塔泄壓閥和火炬系統的尺寸應適用于調節異常工況，例如電力故障、冷卻水中斷或其他事故。這些事故導致在再沸器或其他熱源連續運行時，塔的冷卻中斷。電力故障導致回流冷卻和側線冷卻的泵及空冷器的風扇停止運行。由于冷卻器停止運行，導致冷卻水無法帶走熱量，而再沸器持續運行，冷卻水故障可能造成泄放。

通常，部分電力故障是單個塔和單元泄放系統管道的控制工況。然而，全廠性電力故障可能是普通火炬集管和煙囪的控制工況。全廠性電力故障通常是通過將每個單塔電力故障的泄放量相加來確定火炬總量。

2 動態模擬與傳統方法的對比

傳統方法是用靜態方法來解決暫態問題，因此其塔泄放量計算結果是保守的。通過結合以下關鍵部分，動態模擬可以進行傳統方法無法分析的塔動作的模擬。

2.1 機械設計改進

傳統計算不包括塔板、再沸器、塔底槽或塔頂系統的機械設計。動態模擬通過包括影響質量和能量積累和傳遞的機械設計特征來確定塔的泄放量。

2.2 流體組成優化

傳統的泄放量計算通常基于簡化的質量和能量平衡。動態模擬與靜態模擬器使用的嚴格熱力學方法相結合。這些嚴格的熱力學方法與塔模擬相結合，用于確定塔內隨時間變化的質量和能量存量。傳統計算方法往往過高預測寬餾程進料的塔泄放量。動態模擬降低了塔的計算泄放量，因為它考慮了有限的輕組分存量和剩余液體的熱容量，這些液體必須加熱以蒸發較重的組分。

2.3 外圍工藝設備的影響

傳統計算不包括外圍設備對分餾塔泄放量的影響。動態模擬可以將上游設備的狀況考慮在內，如反應器或進料/塔底換熱器，以確定隨時間變化的進料速率和進料溫度。動態模擬還可以對與所分析的塔熱集成在一起的其他塔和設備進行建模。

通過結合這三個部分，動態模擬為傳統計算方法提供了一種嚴格的替代方法。即使在保守應用時，動態模擬也通常比傳統方法計算的泄放量低得多。動態模擬分析依照API-521，第3.3節“泄壓期間，應研究不同時間間隔內蒸汽速率和分子量的變化，以確定泄放量峰值和蒸汽的組成”，動態模擬用于火炬和泄放系統設計時，應謹慎應用[1-3]。

3 塔泄放過程的動態模擬

3.1 減少進料和回流量

由于塔板上輕組分的存量有限，進料和回流均停

止的塔計算泄放量可能會大幅降低。一旦輕質組分通過泄壓閥離開塔，再沸器的熱量一定會提高剩余組分的蒸發溫度。傳統的計算沒有考慮到影響泄放時間和大小的輕組分的有限存量。

3.2 再沸器夾點

由于較高的沸點和較低的溫度(LMTD)驅動力，在塔壓升高時，再沸器傳熱負荷可能會降低。這種再沸器夾點減低了再沸器的換熱和泄放量。動態模擬通過模擬塔存量、塔板排液和塔底槽設計，提供了隨時間變化的再沸器組成。

3.3 塔板排液

存在再沸器夾點的塔泄放量取決于塔板排液至再沸器的速率。帶閥塔板的塔排液速度可能比篩板塔慢，泄放量可能會更低。使用保守的假設來模擬塔板排液可以實現泄放量的顯著降低。

3.4 塔底集液槽的設計

塔底集液槽的設計會影響再沸器的夾點，因為從塔板排出的輕質物料會被現有的塔底集液槽的存液稀釋。帶有一次通過式再沸器的塔只有很少的初始存液和相對較高的泄放量。初始存液量大的塔會稀釋從塔板排出的物料，并具有更大的再沸器夾點和更低的泄放量。

3.5 安全閥定壓

通常安全閥定壓越高，則再沸器壓力和溫度越高，從而增加再沸器夾點并降低泄放量。然而，對于塔板排液量大的塔，具有較低設定壓力的泄壓閥可能會提前打開，以增加塔板蒸汽流量，減少塔板排液，增加再沸器夾點，并降低泄放量。

3.6 氣化進料

對于無再沸器的塔，當傳統計算的負荷高于氣化進料速率時，動態模擬就可以降低泄放量。如果傳統方法表明泄放量低于氣化進料速率，動態模擬可以提供一個更現實的解決方案，證明干燥塔需要多長的時間。最終，泄放量將升至氣化進料速率。

3.7 進料速度或進料溫度隨時間衰減

有汽化進料的分餾塔，如粗餾塔或延遲焦化分餾塔，如果進料速率或溫度的衰減可以被模擬，則計算出的泄放量可以大大減少。對于粗餾裝置，在停止對進料加熱器的加熱過程中，通過建立動態傳熱模型，可以確定進料溫度的衰減情況。對于延遲式焦炭分餾塔，建立了焦炭塔裂化過程的動力學模型，可以確定焦炭塔蒸汽流的衰減情況。

3.8 安全閥位置

安全閥位于塔頂餾出物回收罐上方可能比放置于塔上方更好，前提是塔頂接收罐有足夠的緩沖容量來防止冷凝器溢流。位于塔頂餾出物回收罐上的安全閥利用冷凝器的持續冷卻，例如空冷器的自然對流，來避免被蒸汽覆蓋。

3.9 操作員介入

動態模擬可以準確預測安全閥起升前塔壓提升所需的時間，或充分泄放到最大流量所需的時間，以評估操作員干預的可能性。

4 其他影響因素

4.1 控制系統的響應

有時，自動控制器可能采取動作，以減少泄放量。但是，API-521不允許對可能減少泄放量的自動控制動作進行評分。控制系統運行可能會因斷電而中斷，控制器的調整可能與動態模擬中假設的不同，或者在泄放事件發生時，操作員可能有一個手動控制器。應該假定控制閥鎖定在最后的位置。然而，當自動控制動作用于增加泄放量時，它們必須包含在動態模擬中。

4.2 復雜的熱集成

塔和其他設備之間復雜的換熱可以在泄放工況下持續散熱。然而，塔和其他設備通常都必須建模。這增加了模型的復雜性，通常需要對自動控制進行模擬。此外，未來在控制、設計或操作上的改變可能需要在新工況下重新進行塔的模擬。由于沒有原始模擬數據，重新對塔進行模擬可能很困難或成本很高。更好的方法是假設出口溫度、逆向流體溫度和流量或熱負荷在泄壓期間是恒定的，如果這些假設之一可以被證明是保守的。

4.3 多塔泄放

添加由動態模擬確定的隨時間變化的塔泄放曲線可以得出更真實的泄放量峰值，這比每個塔的泄放量峰值相加所得的值要低得多。然而，用于確定單塔的泄放量峰值的動態模擬可能不適用于總火炬系統分析。對于泄放量的假設是保守的，則對于泄放時間的假設可能就不是保守的。例如，壓力控制器可以在泄壓閥升起之前將塔內物料排放至火炬系統。這可能會影響火炬系統的尺寸，但在確定泄壓閥尺寸時不會考慮。

5 動態模擬模型的保守假設

采用動態模擬對塔泄壓系統進行設計時，必須保證模型與設計目標相適應。在穩態條件下，動態模型必須與穩態模型嚴格匹配。在瞬態條件下，塔動態模型應與實際工廠瞬態數據(如果有)進行比較。當物理現象不能很好地理解時，動態模擬模型必須包括保守假設。這些假設必須通過敏感性分析來檢查，以評估對塔泄放量的影響。例如，可能需要多次模擬運行來確定不同泡沫相關性對塔板持液率和產生的泄放量的影響。此外，建議讓操作人員檢查模型的適當方面。使用自定義模型庫，仿真模型可以包括以下特征和假設[4-5]：

(1)該模型具有與穩態(靜態)仿真模型相同數量的理論板數和組件。動態模型與穩態模型采用的相關物性數據相同。

(2)模型中的每個塔板都有根據實際塔板與理論塔板的比率校正的實際質量和能量存量。泡沫相關性和降液管液柱高度可計算出塔板液體存量。此外，可能需要在蒸氣速率降低時的漏液和液泛的詳細方程。閥板漏液和液泛的模型必須保守，因為某些閥門會損壞或腐蝕，并且可能無法正確復位。一個保守的閥板排液模型的例子是，假設50%的塔板浮閥不能復位，該模型的泄放量可能比傳統方法低得多。

(3)安全閥可以模擬為調節式或突開式安全閥。調節式安全閥模型用于在保持塔壓幾乎恒定的情況下，得出新建塔的最大可持續泄放量。這種可持續的泄放量是評估火炬系統的重要參數。突開式安全閥模型用于模擬現有的塔和安全閥，以確定系統在泄放工況下是否會超過最大允許的累積量。

(4)空冷器可以使用傳熱面積來建模，也可以使用經驗法則，例如根據公司的設計實踐，將自然對流的負荷設置為正常負荷的固定百分比。為了進行更詳細的分析，自然對流傳熱系數可以通過換熱器核算程序來確定。這些傳熱系數可以與動態過程變量相關聯，以開發更嚴格的模型。

(5)塔頂餾出物回收罐模型不應假定汽液始終處于汽液平衡狀態。動態模型應具有非平衡界面混合，以模擬熱蒸汽旁路，以便回收罐液體凝結蒸汽的能力不被高估。

(6)再沸爐建模時可以取正常操作值，保持負荷恒定。蒸汽再沸器的負荷可根據熱驅動力進行建模。熱驅動力將隨著塔壓的增加和再沸器成分的變化而變化。

(7)塔底集液槽應該仔細地建模，以包括熱虹吸隔板、帶抽板的一次通過式再沸器或其他集液槽配置的正確存液量。考慮模擬是在集液槽的低液位、正常 液位還是高液位開始。

(8)當電機驅動泵由于停電而跳閘時，進出塔的流量通常保持恒定或設為零。因此，通常無需對泵進行詳細的建模。此外，可能沒有必要對塔控制系統進行建模，因為假設控制閥一直在原位。但是，如果控制措施起到了增大泄放量的作用，則必須對其進行建模。

6 火炬系統分析方法

動態模擬可以確定單塔以及涉及多塔的整個火炬系統的泄放量。采用動態模擬進行的塔泄放量的計算必須遵循API RP 521和運營公司設計規范制定的相同規則，以便使用傳統計算方法進行泄放量計算。以下介紹了將動態模擬應用于火炬和泄壓分析的一些方法。

6.1 單塔泄放量

如果動態模擬用于確定單塔安全閥的尺寸，則應按照本文前面討論的方法進行分析。為了確定所需的安全閥孔口面積，模型應使用調節式安全閥來確定恒定塔壓下的泄放量峰值。如果采用突開式安全閥，模擬結果只會指出安全閥的容量，而不會指出工藝的泄放需求。可以檢查安全閥設計，以確定使用所選的突開式安全閥不會超過最大超壓。

6.2 多塔同時泄放

火炬系統分析評估了常見公用設施故障情況下的多塔泄放，如冷卻水或電力故障。定義泄放情況的假設，包括自動控制的運行和泵汽輪機的自動啟動，無論使用傳統計算方法還是動態計算方法，該假設都是相同的。同時泄放是將動態模擬的泄放量峰值與其他來源的泄放量相加的一種直接方法。在某些情況下，塔排放至火炬的泄放量峰值可能來自自動調節閥，而不是安全閥。由于只將泄放量峰值相加，而不考慮泄放的時間，因此得出的火炬系統的總負荷是保守的。由于采用傳統方法的火炬系統分析使用的是計算出的塔泄放量，而不是基于閥容量的流量，因此應該通過調節式安全閥對塔進行模擬。對現有工廠來說，一種實用的方法是首先對泄放量降低潛力最大的塔進行動態模擬，將其泄放量峰值與傳統方法計算的其他來源的泄放量相加，然后重新評估火炬系統。如果泄放量降低不充分，將動態模擬擴展到下一個泄放量降低潛力最大的塔，直到所需的火炬系統改造被消除或最小化。

6.3 與時間相關的多塔泄放

另一種對公用設施故障情況進行全面火炬系統分析的方法是考慮塔不會同時泄放。添加從動態模擬中得到的與時間相關的塔泄放曲線可以提供一個更真實的峰值，這比假設所有峰值同時出現要低得多。但是，對單個塔的分析變得更加復雜。對于單塔法和多塔同時泄放法，只需在泄放量大小上做出保守假設。對于與時間相關的泄放法，還必須考慮影響泄放時間的因素。

例如，催化裂化裝置主分餾塔泄放的單塔模擬假設，由于自動控制動作，塔頂餾出物回收罐的安全閥不會打開。然而，安全閥可能會打開，這將加快達到泄放量峰值的時間。如果采用與時間相關的泄放法，則必須進行敏感性分析，以評估一些因素(如容量過剩的突開式調節閥、自動控制的動作、控制器調整、與其他塔的熱集成以及操作者的干預)的影響。

7 結語

煉油廠和石化裝置的火炬系統設計通常由塔的泄放量決定。計算塔泄放量負荷的傳統方法較為保守，可能造成泄放和火炬系統的過度設計。動態模擬可以降低塔的計算泄放量，為泄放量的計算提供了一個新方法。