芳烴裝置泄放優化的數值模擬研究

韓小迪，趙延良，孫鵬鵬，耿書林

（1.東營聯合石化有限責任公司，山東 東營 257200；2.山東京博石油化工有限公司，山東 濱州 256600）

1 研究對象

模型研究對象設定為某煉廠的高架火炬，其配置高壓和低壓兩條火炬總管，低壓火炬設計背壓為0.05 MPa(G)，高壓火炬設計背壓為0.15 MPa(G)，本文采用某專利商提供的火炬泄放數據，通過靜、動態模擬消減火炬泄放量。

2 模擬條件

2.1 泄放量疊加原則

1）在全廠性事故工況（本項目中是指全廠停電、全廠停水工況）下，一個裝置的總泄放量等于各個泄放源最大泄放量的直接累加。

2）在全廠性事故工況（本項目中是指全廠停電和全廠停水工況）下，全廠總泄放量等于各裝置最大泄放量的直接累加。。

2.2 全局性通用假設條件

本文對芳烴裝置分析適用的全局性的假設條件，這些假設條件將成為本項目分析的基礎。具體如下：

1）全廠停電時循環水全部中斷，其余均假設蒸汽供應正常。

2）熱媒水、鍋爐給水全部由電動泵送。

3）儀表風考慮有超過30 min 的緩沖時間（不考慮全廠斷儀表風工況）。

4）各級別蒸汽溫度均取最高操作溫度。

5）動態分析時，除非特別說明氣液分離罐和閃蒸罐的操作液位為50%。

6）空冷器停后考慮到自然對流，仍具有 20%冷負荷。

7）本模擬實驗中，全部泄放量均按 100%設計負荷確定。

基于專利商提供的 PFD 及物流數據建立了對二甲苯裝置的穩態模型，其中歧化、異構化單元采用末期工況 EOR 數據。由于 PRO/II V9.4 在模擬芳烴抽提單元時，抽提精餾塔能很好模擬，但溶劑回收塔模擬有些誤差。故基于 VMGSim V9.5 軟件搭建了芳烴抽提單元的穩態模擬模型，基于PRO/II 9.4 搭建了對二甲苯裝置的穩態模型。本文僅列出泄放物料為氣相的工況，根據數值模擬得出（其中全廠停電、全廠停水工況涉及的被保護設備全部列出）。根據專利商提供的數據可知：

1）全廠停電工況下，對二甲苯裝置高壓火炬總泄放量為 1 000.6 t·h-1。

2）高壓火炬控制性工況為最大單事故工況，泄放量為 2 596.9 t·h-1。

3 靜態模擬

3.1 穩態模擬

采用 PRO/II V9.4 建立了對二甲苯裝置的穩態模型，采用VMGSim V9.5 建立了芳烴抽提單元的部分穩態模型。穩態模型是靜態分析、動態建模和動態分析的基礎。

3.2 靜態泄放分析目的

首先，核算專利商的泄放量，補充專利商缺失的泄放數據，是動態泄放分析的基礎。

基于專利商提供的 PFD 及物流數據采用PRO/II V9.4 建立芳烴裝置靜態模擬，核算專利商的泄放量、補充專利商缺失的泄放數據。

通過對比靜態分析結果與專利商的原始數據可以得出：

1）高壓火炬全廠停電總泄放量、最大單事故泄放量靜態分析結果與專利商提供的數據基本一致。

2）根據靜態分析結果，重點對抽余液塔T-601（以下簡稱T601）進行動態泄放分析。抽余液塔T-601 的PFD 流程圖及靜態分析結果如圖1、表1所示。

圖1 抽余液塔 T-601 的PFD 流程圖

表1 靜態分析結果

4 動態模擬

4.1 動態泄放過程

1）基于P&ID 搭建嚴格的設備動態基本模型，驗證該模型是否合格的依據是模型運行到穩態時的物料和能量平衡數據與穩態模型一致。

2）根據工況的假設條件，分析各事故工況下該設備的動態行為，以安全閥起跳（或控制閥開啟）后的泄放曲線和最大泄放量作為火炬系統的結果。

3）每次分析均設定模型穩定運行 1 min 時發生事故，模型再運行 30 min（緊急泄壓的模擬時間則根據泄壓要求而定）。

通過對專利商及靜態模擬篩選建立動態模型時集成了相關聯的塔，并在工況分析中統一考慮。

4.2 動態疊加分析原則

本文考慮將設備按工藝流程連接在一起同時運行，分析發生全廠性事故時的泄放行為。選擇疊加分析的對象基本滿足如下條件：

1）在全廠停電工況下最大泄放量均大于50 t·h-1。

2）最大泄放量發生的時間不重疊。

3）有物料連接關系或有熱耦合關系。

4）PSV 排向同一條火炬。

通過對抽余液塔全廠停電、局部停電、回流中斷、回流泵停、側線泵停等工況進行分析，因 T-601塔底重沸泵停引起重沸爐停，導致 T-601 及以T-601 塔頂氣相、側線抽出氣相為熱源的塔不發生泄放。因 T-601 局部停電引起的T-601 的泄放是低壓火炬最大單事故工況。對于其他消減措施包括變更設備驅動方式、操作工人的干預、變更控制方案等，這些將高度依賴于工廠的實際情況。

4.2 動態模擬結果分析

1）將T-601 塔頂回流泵P-609 正常運行泵改為透平驅動，保留電機驅動的備用泵。

2）考慮到透平驅動泵檢修期間需投用備用泵，需將塔頂回流泵（P-609）、側線泵（P-605）、塔底重沸泵（P-608）電機接至同一母線，降低出現極端泄放工況的概率。

3）T-601 增設壓力高高聯鎖切斷塔底重沸爐F-601 燃料氣線的 HIPS，SIL 等級要求為3 級，不僅增強系統可靠性，在正常情況下避免超壓事故時安全閥起跳，從而減少排放，利于生產安全和減少損失。

4）經優化分析，采取以上建議措施后控制性工況為最大單事故工況，泄放量為1 241.2 t·h-1，比原設計專利商數據減少52%。

5 結 論

通過本次靜、動態模擬分析，運用建模技術對于某煉廠高架火炬各工況進行了數值模擬并進行優化消減分析，為后期火炬頭、火炬管徑的設計、生產運行、環保控制提供便利。該方法對于專利商提供的原始工藝包火炬量分析消減具有很好的指導意義，以期優化火炬系統進而降低項目投資和施工難度。