HYSYS軟件在鍋爐房系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李尹建 陳玉梅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

在傳統(tǒng)鍋爐房設(shè)計(jì)中，工程師在工藝設(shè)計(jì)前需經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算，以確定各個(gè)設(shè)備及工藝狀態(tài)的合理性。而這一系列繁瑣的計(jì)算，往往隨著假設(shè)的工藝參數(shù)不同而異。

HYSYS軟件是主要用在化工系統(tǒng)方面的流程模擬軟件，可以讓系統(tǒng)工程師準(zhǔn)確建模并分析每個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。利用HYSYS軟件建模，可簡(jiǎn)化計(jì)算，利用模塊化模型，可計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，特別是在凝結(jié)水回收及二次蒸汽利用系統(tǒng)中，可以更準(zhǔn)確地觀察各點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，讓存在的問(wèn)題更容易在設(shè)計(jì)過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)鍋爐房計(jì)算

某項(xiàng)目油氣處理廠鍋爐房設(shè)計(jì)工藝資料見(jiàn)表1。

表1 某項(xiàng)目油氣處理廠鍋爐房設(shè)計(jì)工藝資料

根據(jù)蒸汽鍋爐汽水流程，本著充分利用二次蒸汽、節(jié)約能源的原則，選擇圖1所示流程作為鍋爐房汽水流程。

在傳統(tǒng)鍋爐房計(jì)算方法中，根據(jù)基本參數(shù)簡(jiǎn)化基本工藝模型，依據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒和能量守恒原則，列出相關(guān)質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程［1］。

圖1 鍋爐房汽水流程

圖2 鍋爐房工藝過(guò)程簡(jiǎn)化模型

圖3 完善后鍋爐房工藝過(guò)程簡(jiǎn)化模型

由于是工程計(jì)算，需對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化、建模。鍋爐房工藝過(guò)程簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。這是一個(gè)最基本模型，而非鍋爐供熱系統(tǒng)的全部工藝過(guò)程，但模型可基本滿足工程對(duì)各種設(shè)備的選型和工藝設(shè)計(jì)需要。

根據(jù)該模型，建立相應(yīng)的質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程：

由以上方程組可知，由于補(bǔ)水量和閃蒸量是未知量，即在鍋爐房計(jì)算中需要求的量，要計(jì)算出這兩個(gè)值，在傳統(tǒng)的計(jì)算方法中需做以下幾步［2～3］：

a）查詢閃蒸汽焓、凝結(jié)水焓、補(bǔ)水焓、給水焓等參數(shù)；

b）進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)下的計(jì)算；

c）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工藝狀態(tài)并非一次就能確定，而是在計(jì)算多個(gè)狀態(tài)后得出最佳值，因此要根據(jù)各個(gè)點(diǎn)不同的狀態(tài)重復(fù)進(jìn)行步驟a）和b）。

由上可知，傳統(tǒng)鍋爐房設(shè)計(jì)計(jì)算是復(fù)雜的過(guò)程。且該模型還是簡(jiǎn)化模型，和真實(shí)的鍋爐房工藝運(yùn)行模型有一定差距，會(huì)導(dǎo)致在工程投入運(yùn)行后，某些參數(shù)和設(shè)計(jì)時(shí)有差異。這些差異很可能在某些情況下被放大，威脅到鍋爐房運(yùn)行安全。

需建立一個(gè)更完善的模型，讓設(shè)計(jì)計(jì)算在條件可能的情況下與真實(shí)運(yùn)行工況保持一致。可引入除氧器、鍋爐部分的蒸汽產(chǎn)量和連續(xù)排污量及其閃蒸汽，建立的模型見(jiàn)圖3。

若要建立該模型的方程，則更為復(fù)雜，涉及參數(shù)過(guò)多，在求解過(guò)程中容易出錯(cuò)。一旦某個(gè)參數(shù)發(fā)生變化（如最常見(jiàn)的飽和蒸汽量或者凝結(jié)水回收量等），所有的計(jì)算則需重做。因此，在鍋爐房設(shè)計(jì)計(jì)算中，亟待一種更簡(jiǎn)單、更科學(xué)的計(jì)算方法［4～5］。

2 HYSYS軟件建模計(jì)算

2.1 模型建立

選擇H2O為基準(zhǔn)物質(zhì)，PR（Peng-Robinson）方程作為計(jì)算各點(diǎn)參數(shù)的基準(zhǔn)方程。在HYSYS軟件中，提供了各個(gè)工藝設(shè)備，這些工藝設(shè)備是組成模型的基本單位［6］。利用這些設(shè)備模型，可組成相關(guān)的工藝過(guò)程模型，根據(jù)鍋爐房工藝模型，建立HYSYS模型，見(jiàn)圖4。

圖4 HYSYS模型

2.2 系統(tǒng)模擬

建模后應(yīng)根據(jù)鍋爐房設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)定邊界條件。邊界條件包括鍋爐給水量參數(shù)、凝結(jié)水回收量參數(shù)、此時(shí)假設(shè)的凝結(jié)水罐參數(shù)以及除氧器參數(shù)。輸入后，可在模型中查看到每個(gè)工藝管道上的數(shù)據(jù)，包括流量、溫度、壓力等等，見(jiàn)表 2～7。

表2 除鹽水補(bǔ)充量

表3 除氧水補(bǔ)充量

表4 閃蒸汽產(chǎn)量

表5 冷卻器冷卻循環(huán)水供水量

表6 冷卻器冷卻循環(huán)水回水量

表7 除氧器用熱量

2.3 模型分析

模型給定凝結(jié)水回水壓力0.25MPa，二次蒸汽產(chǎn)生壓力0.1MPa，鍋爐給水壓力0.1MPa，凝結(jié)水回收量及鍋爐給水量，可算出二次蒸汽產(chǎn)量為19 600 kg/h，除氧器無(wú)法消耗如此多的熱量，因此，二次蒸汽需冷卻。冷卻二次蒸汽用循環(huán)水進(jìn)水溫度32℃，出水溫度40℃，可得出循環(huán)水用量為517 900 kg/h，經(jīng)過(guò)冷卻后的除氧器用汽為不飽和狀態(tài)，其汽水比為0.610 5。除鹽水補(bǔ)充量為69 300 kg/h。由以上數(shù)據(jù)知，如果在冷卻后不采取任何措施，冷卻后的二次蒸汽為氣液混合態(tài)，汽水比為0.610 5，極易造成管道的水擊。因此必須在冷卻后采取一定措施，保證冷卻后管道內(nèi)為液相，避免水擊現(xiàn)象。此現(xiàn)象在傳統(tǒng)的鍋爐房設(shè)計(jì)計(jì)算中往往被忽視，但在HYSYS模型中卻能清楚看到此現(xiàn)象的存在，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中就能采取措施，解決問(wèn)題。

3 結(jié)論

隨著鍋爐房系統(tǒng)規(guī)模發(fā)展的逐漸壯大，對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程各項(xiàng)數(shù)據(jù)的精確性要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的鍋爐房設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化模型已不能滿足工程需要，而利用HYSYS建模來(lái)計(jì)算鍋爐房系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)，使得計(jì)算更簡(jiǎn)單精確，工藝過(guò)程更一目了然。

［1］GB 50041-2008，鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］洪向道.工業(yè)鍋爐房實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［3］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

［4］張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2008.

［5］趙淑珍，劉宗信.大型鍋爐房系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.天然氣與石油，2011，2（1）：54—57.

［6］劉家洪，周 平.淺析HYSYS軟件在三甘醇脫水工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2000，18（1）：18-20.