基于動態模擬的甲醇精餾三塔流程安全泄放研究

任文珂 徐振華 聶李紅 成都中國成達工程有限公司 610041

關于精餾系統超壓泄放量的確定，傳統方法是針對單臺塔獨立分析，各精餾塔最大泄放量直接疊加作為火炬系統設計能力。實際上，精餾系統物流相互連通，熱量相互耦合，發生極端工況時各塔并未徹底切斷，系統的超壓和泄放等相互作用，很難出現各精餾塔同時達到最大泄放量的情況。傳統方法勢必導致火炬系統設計能力偏大，增加裝置投資。

《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》明確：同一事故導致的多個系統排放時，應按照各系統排放的“流量-時間曲線”進行疊加，取最大值作為該事故工況的最大排放量[1]。API STANDARD 521 指出可通過動態模擬的手段得到各系統泄放的流量-時間曲線。

本文通過Aspen HYSYS 動態模擬某項目180萬噸/年天然氣制甲醇精餾三塔流程在回流失效、過度熱量輸入、火災和停電等工況下各精餾塔塔頂安全閥泄放的流量-時間曲線，確定了各工況的最大泄放量，為優化火炬系統設計提供依據。

1 模型建立

1.1 工藝流程

甲醇精餾系統工藝流程見圖1。

圖1 甲醇精餾系統工藝流程圖

來自甲醇合成單元的粗甲醇經流量調節后進入穩定塔，塔頂氣相經空冷器后，液相進入回流罐，全部回流至穩定塔，不凝氣送燃料氣管網。穩定塔再沸器以前端工藝氣作為熱源，塔釜液經泵加壓后送至低壓精餾塔。低壓塔塔頂甲醇氣經空冷器全部冷凝后，部分回流，部分作為產品抽出。低壓塔再沸器以中壓塔塔頂氣相為熱源，塔釜液經泵加壓后送至中壓精餾塔。中壓塔塔頂甲醇氣經低壓塔再沸器全部冷凝后，部分回流，部分作為產品抽出。中壓塔再沸器以低壓蒸汽為熱源，塔釜含微量甲醇的水經泵加壓后返回前端。少量雜醇油從中壓塔中下部抽出，以確保塔頂產品質量。

三個精餾塔塔頂氣相管線上均設有安全閥，對系統超壓進行保護。安全閥出口氣排放至全廠火炬，火炬管網可能因其他系統排放導致背壓升高。為保證各工況下均能順利泄放，穩定塔和低壓塔的設計壓力為3.5bar(G)。穩定塔頂設置4 臺安全閥，低壓塔頂設置1 臺安全閥，整定壓力為3.5bar(G)。中壓塔設計壓力為5.0bar(G)，塔頂設置4 臺安全閥，整定壓力為5.0bar(G)。安全閥型號均為8T10，允許超壓均為10%。

1.2 穩態模型

根據工藝流程建立穩態模型，選用NRTL 活度系數模型[2,3]。運行模型至收斂，各塔關鍵操作參數見表1。

表1 甲醇精餾系統操作參數

1.3 動態模型

Aspen HYSYS 動態模擬采用固定步長的隱式歐拉算法進行計算。在動態模式前，需要先設置邊界物流（流入系統和流出系統的物流）的壓力-流量規定，以滿足模型自由度。

對于非流導設備（如罐類），流體經過時幾乎不產生壓降，系統的調節與設備尺寸相關，動態模擬時需要給定設備的尺寸，本研究采用項目工程設計尺寸。對于流體經過會產生壓降的流導設備（如閥門、換熱器），則需要給定壓力和流量關系。本研究采用在穩態模式下輸入壓降經驗值、軟件計算阻力系數的方式簡化處理[4]。

動態模擬結果的準確性和控制系統密切相關。如圖2所示，精餾塔的進料采用流量控制，回流采用回流罐液位-流量控制，塔頂產品采用流量控制，塔釜餾出采用液位控制。中壓塔再沸器熱源采用流量控制。完善模型的控制系統后即可進入動態模擬。

圖2 甲醇精餾系統動態模型

2 工況分析與討論

通常，對于精餾系統而言，回流失效、冷媒中斷、過度熱量輸入、停電和火災為常見的事故工況。由于本研究流程塔頂冷卻全部采用空冷，停電會同時導致空冷器風機停轉（冷媒中斷）和所有泵停轉，事故情況更為惡劣，故不再單獨分析冷媒中斷工況。

若采用傳統方法，將各精餾塔塔頂氣相量直接加和作為最大泄放量，則火炬系統設計能力可達1013t/h。

2.1 回流失效

回流泵異常跳車或回流閥故障全關均會導致精餾塔回流失效。模擬時，手動關閉回流閥，系統其余閥門均維持當前開度，塔釜熱源不切斷。分別討論穩定塔、低壓塔和中壓塔回流失效時，精餾塔壓力和泄放情況。三塔同時回流失效僅當裝置停電時會出現。

（1）穩定塔回流失效工況：回流罐滿罐后塔頂壓力快速上升，第33min 達到安全閥設定壓力，安全閥起跳，第39min 安全閥達到最大排放量191t/h。低壓塔和中壓塔未受影響，壓力維持穩定。詳見圖3、圖4。

圖3 穩定塔回流中斷工況壓力-時間曲線

圖4 穩定塔回流中斷工況泄放量- 時間曲線

（2）低壓塔回流失效工況：回流罐液位逐漸上漲，塔頂壓力逐漸升高。42min 后塔釜液位被蒸干，無氣相上升，塔頂壓力開始下降。低壓塔最高壓力420kPa，低于安全閥整定壓力450kPa，安全閥未開啟。穩定塔和中壓塔未受影響，壓力維持穩定。詳見圖5。

圖5 低壓塔回流失效工況壓力-時間曲線

（3）中壓塔回流失效工況：由于塔釜熱量持續供應，塔頂壓力先緩慢升高，至回流罐滿罐后快速升高，第9min 塔壓升高至安全閥整定壓力。第13min 時安全閥達到最大泄放量327t/h。穩定塔未受影響，壓力維持穩定。低壓塔由于塔釜再沸器換熱面積被浸沒，熱負荷降低導致塔頂壓力逐漸降低。詳見圖6、圖7。

圖6 中壓塔回流失效工況壓力- 時間曲線

圖7 中壓塔回流失效工況泄放量- 時間曲線

綜上，中壓塔回流失效時系統的總泄放量最大，約占中壓塔塔頂氣相量的71%，以此確定火炬系統設計能力為傳統方法的32%。

2.2 過度熱量輸入

中壓塔再沸器采用低壓蒸汽做熱源，通過調節閥控制蒸汽冷凝液流量。當調節閥故障全開時，會導致過度熱量輸入。根據調節閥選型反算其故障全開時最大流通能力為正常流通能力的1.73 倍，但該工況實際最大熱負荷還受制于換熱器的傳熱面積。利用HTRI 軟件Simulation 模式進行傳熱計算，發現中壓塔再沸器的熱負荷最大僅為正常值的1.06倍，低壓蒸汽僅部分被冷凝。在該工況下，過度熱量輸入較小，且塔頂空冷器均正常，中壓塔和低壓塔壓力上漲緩慢，穩定塔壓力維持不變，系統基本無超壓風險。該工況壓力-時間曲線見圖8.

圖8 過度熱量輸入工況壓力-時間曲線

2.3 火災

正常火焰高度從可燃液體能夠積聚的地面或者平臺起按照7.5m 計，精餾塔的裙座高度按照5m 計。考慮與塔釜相連的管道亦暴露于火災中，設備濕潤面積取計算值的1.2 倍。在不考慮消防噴淋系統時，環境因子取1.0。按照API STANDARD 521 計算得精餾塔的火災工況下外部輸入熱量見表2。

表2 火災工況下精餾塔外部熱量

當精餾系統遭遇外部池火時，為避免影響上下游裝置，應切斷各精餾塔的進料閥和產品采出閥，塔頂氣相放空閥和回流閥開度維持不變。分別討論當火災發生位置靠近穩定塔、低壓塔和中壓塔塔釜時，精餾塔壓力和泄放情況。

（1）穩定塔塔釜火災工況：31min 后穩定塔壓力達到設定點，安全閥起跳，最大泄放量為52t/h。49min 時中壓塔壓力達到設定點，安全閥最大泄放量為40t/h。低壓塔的熱量來自中壓塔塔頂氣相，其壓力上升至200kPa 后不再升高，安全閥未起跳。根據泄放量-時間曲線，該工況系統最大總泄放量為91t/h。見圖9、圖10.

圖9 穩定塔火災工況精餾塔壓力- 時間曲線

圖10 穩定塔火災工況泄放量- 時間曲線

（2）低壓塔塔釜火災工況：由于系統被隔離，熱源均未被切斷，塔壓均呈上升趨勢。火災發生37min 后，穩定塔壓力達到設定點，安全閥起跳，最大泄放量為49t/h。41min 后中壓塔壓力達到設定點，安全閥最大泄放量為69t/h。低壓塔壓力未達到安全閥整定壓力。根據泄放量-時間曲線，該工況系統最大總泄放量117t/h。見圖11、圖12.

圖12 低壓塔火災工況泄放量- 時間曲線

（3）中壓塔塔釜火災工況：第34min 中壓塔壓力達到安全閥設定壓力，安全閥最大泄放量為76t/h。第38min 穩定塔壓力達到安全閥設定壓力，安全閥最大泄放量為46t/h。低壓塔壓力未達到安全閥整定壓力。根據泄放量-時間曲線，該工況系統最大總泄放量為122t/h。見圖13、圖14.

圖13 中壓塔火災工況壓力- 時間曲線

圖14 中壓塔火災工況泄放量- 時間曲線

綜上，中壓塔塔釜火災工況系統泄放量最大，以此確定火炬系統設計能力為傳統方法的12%。

2.4 停電

裝置停電導致精餾系統塔釜泵、回流泵停轉，穩定塔和低壓塔塔頂冷凝器風機停轉，考慮到自然通風，保留20%的冷卻能力[5]。停電工況多在突然狀態下發生，故模擬時維持穩定塔進料閥和塔頂氣相放空閥開度不變，塔釜熱源均未切斷。

模擬發現，裝置停電信號觸發后，由于塔頂無液體回流，塔釜熱量持續將液體汽化，塔頂空冷器自然冷卻能力不足以使氣相冷凝，故塔頂壓力隨即上升。由于中壓塔塔頂氣相為低壓塔塔釜提供熱源，一定時間內可以被冷凝，故中壓塔先期壓力上漲比較緩慢。由于回流泵停運液體無法排出，回流罐于第5min 滿罐，導致上游再沸器換熱管浸沒，冷卻能力大幅降低，中壓塔壓力快速上升，第8min 安全閥開啟，但塔壓仍然上漲，說明現有安全閥泄放能力不足。低壓塔塔頂壓力至200kPa 后基本保持不變，原因是塔釜再沸器熱側滿液，熱負荷降低。見圖15、圖16。

圖15 停電工況精餾塔壓力-時間曲線

圖16 停電工況精餾塔總泄放量-時間曲線

為了保證在停電工況下系統安全，建議聯鎖切斷塔釜再沸器熱源及穩定塔進料，并對該聯鎖進行SIL 驗算，確保系統安全可靠。

3 結語

本文采用Aspen HYSYS 流程模擬軟件對傳統甲醇精餾三塔流程進行動態模擬，獲得了在回流失效、過度熱量輸入、火災、停電工況下，精餾系統各塔安全閥泄放的流量-時間曲線，為優化火炬系統設計能力提供依據，對其它流程的甲醇精餾系統以及其它產品的精餾系統也具有參考意義。

（1）中壓塔回流失效工況系統泄放量最大，為327t/h，以此確定火炬系統設計能力約為傳統方法的32%。低壓塔回流失效，系統壓力低于安全閥整定壓力，無泄放。

（2）中壓塔再沸器在過度熱量輸入工況時，系統基本無超壓風險。過度熱量輸入應同時考慮調節閥最大流通能力及換熱器的實際傳熱能力，以較小者計算泄放量。

（3）中壓塔火災工況系統泄放量最大，為122t/h，以此確定火炬系統設計能力約為傳統方法的12%。設置火災工況聯鎖切斷再沸器熱源可進一步減少泄放量。

（4）停電工況會同時導致系統回流失效和塔頂冷媒中斷，現有安全閥配置無法實現系統超壓保護，應設置聯鎖切斷中壓塔再沸器熱源及穩定塔進料，并對該聯鎖進行SIL 驗算。