基于Unisim動態模擬的高壓緩沖罐內氣體狀態的分析

2021-03-09 08:26:56賴寒

低溫與特氣 2021年1期

賴寒

[林德工程(杭州)有限公司，浙江杭州蓮花街333號蓮花商務中心北樓 310012]

0 引言

近幾年來，隨著煤化工、煉化一體化項目的大力推進，與之配套的空分規模越來越大，呈現出單套空分裝置能力趨于8萬、10萬甚至更大等級、多系列的特點?？辗盅b置作為全廠的供輔單元，其重要性不言而喻，不穩定供氣的空分單元將造成全廠輕則減產，重者全廠停車，甚至造成安全事故。因此對于空分裝置的供氣可靠性提出了嚴苛要求。為了提高空分單元供氣的可靠性，一套完善的后備系統將是完美的解決辦法。

對于煤化工項目來說，其最重要的特點是要求穩定運行，牽一發而動全身，即使在裝置跳車的情況下，也要求空分單元連續供氣，維持生產。空分裝置跳車，后備系統啟動，中間一定會留下一定時間的真空期，出現沒有氣體供入管道而下游持續生產的情況，管網壓力瞬時降低。為了解決這一問題，現在大多數大型空分的后備系統均配置高壓緩沖罐，特別是高壓氧緩沖罐，在收到裝置停車信號和管網壓力降低的瞬間，即可打開閥門向管網補氣，有效的解決了管網壓力下降的問題，維持下游穩定運行，后備系統簡圖如圖1。

圖1 后備系統簡圖

高壓緩沖罐的工作特點屬于養兵千日，用兵一時。平時處于備用狀態時，里面充滿高壓氣體進行保壓，當下游需要時則迅速釋放高壓氣體送入管網，維持管網壓力的穩定，泄壓結束后需要再次對緩沖罐進行補氣，維持備用能力。由熱力學狀態方程得知，氣體在壓縮、膨脹時均會產生溫度變化，或者在溫度變化時對壓力會有影響，不同的壓力、溫度對于緩沖罐的備用能力產生較明顯的變化。就此，筆者擬從充壓、泄壓、大氣環境三個因素對高壓緩沖罐內氣體的溫度、壓力變化進行研究，并且借助于Unisim的動態模擬功能，以便能正確的描述紊態狀況下的氣體狀況。

1 緩沖罐泄壓過程

由于其具備穩定管網壓力的特殊作用，要求高壓緩沖罐具備快速泄壓的能力，約30～60 s內將罐內壓力從超高壓降低至適合的管網工作壓力，例如從15 MPa(A)降至10 MPa(A)。由于時間非常短，罐內氣體與緩沖罐的傳熱系數較低，所以在30～60 s內的泄壓狀態下可近似認為絕熱過程，絕熱過程中工質與外界無熱量交換。罐內氣體可用絕熱膨脹來描述，該狀態方程如公式(1)。

(1)

式中，T1，p1表示初始的溫度K和壓力MPa(A);T2，p2表示終態的溫度K和壓力MPa(A)；k表示氣體的絕熱指數。

以50 m3的高壓氧緩沖罐在不同地域的泄壓過程為例說明，見表1。

表1 高壓氧罐的泄壓過程

從表1可以看出，泄壓過程中罐內氣體溫度迅速下降約30 K，表明在不同的地域、不同的環境溫度下，泄壓過程結束時氣體溫度略有不同，取決于環境溫度，終態時溫度可低至零下。由絕熱膨脹公式可知，越大的壓降將會導致更大的溫度降低。氣體的溫度降低，隨著時間的推移，必然導致緩沖罐本體溫度有所下降，在緩沖罐的設計選材上，還應考慮緩沖罐的溫度，選擇合理的材料。

2 緩沖罐充壓過程

充壓不同于泄壓過程，條件允許的情況下可適當降低充壓速度，沒有嚴格的時間要求。但是多長時間充滿，取決于設計人員對于空分裝置可靠性的判斷，裝置先進、可靠性高，則可以以最少的充壓設備投資，緩慢充壓。考慮到充壓時間較長，長達幾個小時，這時考慮到實際情況，罐內氣體和緩沖罐之間的傳熱以及同外界環境的換熱不可忽略，本文將采用Unisim的動態模擬功能來加以描述。

1.表2為不考慮與外界環境的換熱，環境溫度T=293 K，依然考慮絕熱壓縮，則可以得出絕熱壓縮后終態氣體溫度達到328.8 K，溫升達到35.8 K。

表2 高壓氧罐的絕熱充壓過程

2.表3為環境溫度T=293 K，考慮環境換熱，采用動態模擬得出的數據，終態時氣體溫升為28 K，小于絕熱壓縮的35.8 K，假定外表面換熱系數為10 W/(m2·℃)，則與環境的換熱量為13.5 kW。

表3 高壓氧罐的快速充壓過程

從圖2可以看出，在經過約20 min即完成了對緩沖罐的充壓。

圖2 罐內氧氣溫升

3.如果采用更加慢速的充壓，溫升會是多少呢。見表4，環境溫度T=293 K,考慮與環境換熱,實行緩慢充壓，約60 min充滿緩沖罐，終態時氣體溫度為311 K，溫升僅18 K。慢速充壓可減少壓縮熱量，降低罐內的氣體溫度，還可以降低充壓設備的投資，經濟性較高。

表4 高壓氧罐的慢速充壓過程

建議在實際中，可采用更慢的方式充壓，將充壓時間延長至幾個小時，則氣體溫升可大大降低，經濟性更高。

4.充壓結束后，緩沖罐處于備用狀態，由于緩沖罐與環境溫度存在著溫差，隨著與環境的換熱，罐內氣體溫度下降，壓力降低，從圖3可以得出，約7～8 h后，換熱趨于平穩，壓力穩定在13.83 MPa(A)，降低了1.17 MPa(A)。為了保證緩沖罐的足夠的備用能力，還應重新對緩沖罐進行充壓，然后靜置，直至將緩沖罐壓力維持在設計狀態。