加氫裝置緊急泄壓限流孔板孔徑校核方法

邵丹丹,艾 明,周 琴

(安徽華東化工醫藥工程有限責任公司上海分公司，上海 201315)

油品加氫裝置包括加氫處理、加氫精制、加氫裂化等，目的在于脫除原料油中的硫、氮、氧、金屬、不飽和烴等雜質，得到性能更為優良的產品。由于其操作條件為高溫、高壓、臨氫、易燃、易爆，且加氫反應屬于強放熱反應，安全操作至關重要。因此，加氫裝置均設有緊急泄壓系統，用于在反應器床層飛溫、關鍵設備故障、電力故障、火災等非正常操作工況下，反應系統內有可能積聚熱量時，將系統內介質排放至火炬，從而保障人員和設備安全，避免重大損失。加氫精制裝置往往設置0.7MPa/min緊急泄壓系統，加氫裂化裝置除0.7MPa/min緊急泄壓系統外還需設置2.1MPa/min緊急泄壓系統。對于加氫裂化裝置來說緊急泄壓是控制反應器飛溫的最有效的方法[1]，且飛溫事故的處理必須堅持"一泄到底"的原則[2]。圖1為加氫裝置反應系統流程圖。

緊急泄壓系統由緊急泄壓開關閥和限流孔板組成。開關閥正常操作時處于關閉狀態，事故工況下，由安全儀表系統自動聯鎖或人工判斷后手動按下泄壓按鈕，打開泄壓閥。限流孔板位于泄壓閥后，其作用在于控制合適的泄壓速率，泄壓速率太小不利于盡快排除熱量，泄壓速率太大容易損壞設備內件。

圖1 加氫裝置反應系統流程圖

本文根據泄壓速度與其他參數的比例關系推導了孔板校核公式。用測試孔板進行泄壓試驗后由試驗泄壓速度計算得到測試孔板在正常操作工況下的泄壓速度，然后根據要求泄壓速度修正計算得到所需孔板孔徑。推導方法相較于其它文獻[3]更為簡便。

1 泄壓試驗

泄壓試驗的目的一方面是考察反應系統事故時自保聯鎖系統的動作情況，一方面是測試安裝的孔板是否符合泄壓速率要求。通常泄壓試驗在系統氫氣試密合格后進行，以氫氣為試驗介質。但由于氫氣的分子量較小，泄壓速度過快，也可以采用氮氣、壓縮空氣等作為試驗介質。此時系統壓力為正常操作壓力，控制系統、聯鎖儀表調試完畢，聯鎖處于投用狀態，人工啟動泄壓按鍵，打開泄壓閥，并每隔一定時間記錄高壓分離器的溫度、壓力。

由于泄壓過程屬于動態過程，泄壓速率△P/△t隨著系統壓力的降低也持續變化，泄壓速率一般根據第1分鐘系統壓力下降特定的值來規定。0.7MPa/min表示泄壓閥打開的1分鐘內系統壓力降低0.7MPa。

2 泄壓孔板孔徑校核

2.1 校核步驟簡述

根據泄壓試驗所得數據對泄壓孔板進行校核，步驟如下：

(1)對泄壓試驗原始數據進行處理。

(2)由泄壓試驗結果推算測試孔板在正常操作時的泄放速率，即同一孔板不同介質的泄放速率，若該速率滿足要求，則說明測試孔板孔徑合格。若該速率偏差較大則需要修正。

本文修正并研究了隨機梯度和點態隨機梯度及其共軛算子的相關性質,具體包括以下兩點:一是它們能夠真正描述增生、湮滅系統；二是討論了它們的運算性質。給出了修正點態隨機梯度及其共軛的典則反交換關系、典則交換關系和冪零性。有了這些性質,進一步構造了酉算子群{Gσ;Γ}。另外,考慮了{s,的量子積分,得到了積分過程{Ut}t≥0, {Vt}t≥0和{Wt}t≥0的交換關系。

(3)若孔板需要修正，則結合步驟(2)中計算的測試孔板在正常操作條件下的泄放速率和實際需要的泄放速率，根據同一介質不同孔板孔徑的泄放速率的關系，計算需要的孔板孔徑。

2.2 孔徑校核公式推導

計算公式(1)來自于Gas conditioning and processing[4](equation10.51)，為非穩態氣體排放公式，適用于泄壓閥或孔板前后壓差較大的臨界流，用于準確計算系統壓力由P1泄放到P2所需要的時間。加氫裝置由高壓反應系統泄放至火炬系統，進出口壓力相差遠大于臨界壓力比，適用于該公式。該式表明系統由泄放初始壓力達到泄放終點壓力所需的時間與介質性質、系統容積、系統壓力、溫度及測試孔板孔徑有關。

(1)

式中：t-泄壓時間；B-系數，0.09;V-系統容積;Cd-泄放系數0.85;A-泄放閥泄放面積;Rd-氣體比重(M/29，M為氣體分子量);Z-氣體壓縮因子;T-操作溫度;P1-泄放初始壓力;P2-泄放終點壓力。

(2)

(1)式簡化為

(3)

設泄壓開始時t=0，系統的初始壓力為P0， t時刻的系統壓力為P，則有

lnP=kt+lnP0

(4)

將泄壓試驗記錄的壓力P求對數，對時間t作圖，可得到一條直線，設該直線斜率為ke，設kn為測試孔板在正常操作條件下緊急泄壓時lnP隨t變化的斜率值。由于泄放面積即孔板截面積A相同，根據式(2)有：

(5)

式中：Ve-泄壓試驗系統容積，m3;Vn-正常操作系統有效容積，m3；Te-泄壓試驗泄放溫度，K；Tn-正常操作泄放溫度，K；Me-泄壓試驗介質分子量；Mn-正常操作介質(循環氫)分子量；Ze-泄壓試驗介質壓縮因子；Zn-正常操作介質壓縮因子。

根據式(5)計算得到kn，然后根據式(4)計算使用測試孔板進行正常操作緊急泄壓第1分鐘后的系統壓力P，從而判斷測試孔板是否滿足規定的泄壓速率。若不滿足，則需要對該孔徑進行修正。

2.3 孔徑修正

設測試孔板孔徑為de，要達到規定的泄壓速率所需孔板孔徑為dr，正常操作緊急泄壓時lnP-t直線斜率為kr，由規定的泄壓第1分鐘后系統壓力P根據式(4)計算需要的kr值。由于介質和操作條件、系統容積不變，根據式(2)，有：

(6)

從而可由de計算修正后的孔板孔徑：

(7)

3 實例應用

由我公司設計的山東某煉廠100萬t/a汽柴油加氫精制裝置設有0.7MPa/min緊急泄壓系統，首次開工采用壓縮空氣進行泄壓試驗(介質分子量Me=28.95，壓縮因子Ze=0.99，泄放溫度Te=293K，系統容積Ve=334m3，測試孔板孔徑de=25mm)，表1為實際測得的系統壓力隨泄壓時間的變化。

lnP對t作圖，得到一條直線，如圖2所示。擬合數據得到該直線斜率ke=-0.017。

表1 系統壓力隨泄壓時間的變化

圖2 泄壓試驗lnP隨泄放時間t的變化

正常操作條件下泄放介質為循環氫，分子量Mn=3.22，壓縮因子Zn=1.04，泄放溫度Tn=423K，系統有效容積(氣相體積)Vn=246m3，系統初始壓力P0=8.24MPa(絕)，根據式(5)：

由式(4)計算測試孔板在正常操作條件下第1分鐘后系統壓力：

結果表明，直徑為25mm的測試孔板可基本滿足0.7MPa/min的泄放要求，不需要修正孔徑。

4 結論

(1)加氫裝置反應系統的泄壓速度與孔板孔徑、介質特性、系統體積、壓力、溫度相關。

(2)本文推導的方法具有一定的實用性，可用于新建和改造的加氫裝置泄壓孔板校核。但由于計算采用的系統體積、溫度、介質特性均為估算或模擬值，和實際操作時會有偏差，因而并不能通過孔板準確控制泄壓速度。