芳烃装置泄放优化的数值模拟研究

韩小迪，赵延良，孙鹏鹏，耿书林

（1.东营联合石化有限责任公司，山东 东营 257200；2.山东京博石油化工有限公司，山东 滨州 256600）

1 研究对象

模型研究对象设定为某炼厂的高架火炬，其配置高压和低压两条火炬总管，低压火炬设计背压为0.05 MPa(G)，高压火炬设计背压为0.15 MPa(G)，本文采用某专利商提供的火炬泄放数据，通过静、动态模拟消减火炬泄放量。

2 模拟条件

2.1 泄放量叠加原则

1）在全厂性事故工况（本项目中是指全厂停电、全厂停水工况）下，一个装置的总泄放量等于各个泄放源最大泄放量的直接累加。

2）在全厂性事故工况（本项目中是指全厂停电和全厂停水工况）下，全厂总泄放量等于各装置最大泄放量的直接累加。。

2.2 全局性通用假设条件

本文对芳烃装置分析适用的全局性的假设条件，这些假设条件将成为本项目分析的基础。具体如下：

1）全厂停电时循环水全部中断，其余均假设蒸汽供应正常。

2）热媒水、锅炉给水全部由电动泵送。

3）仪表风考虑有超过30 min 的缓冲时间（不考虑全厂断仪表风工况）。

4）各级别蒸汽温度均取最高操作温度。

5）动态分析时，除非特别说明气液分离罐和闪蒸罐的操作液位为50%。

6）空冷器停后考虑到自然对流，仍具有 20%冷负荷。

7）本模拟实验中，全部泄放量均按 100%设计负荷确定。

基于专利商提供的 PFD 及物流数据建立了对二甲苯装置的稳态模型，其中歧化、异构化单元采用末期工况 EOR 数据。由于 PRO/II V9.4 在模拟芳烃抽提单元时，抽提精馏塔能很好模拟，但溶剂回收塔模拟有些误差。故基于 VMGSim V9.5 软件搭建了芳烃抽提单元的稳态模拟模型，基于PRO/II 9.4 搭建了对二甲苯装置的稳态模型。本文仅列出泄放物料为气相的工况，根据数值模拟得出（其中全厂停电、全厂停水工况涉及的被保护设备全部列出）。根据专利商提供的数据可知：

1）全厂停电工况下，对二甲苯装置高压火炬总泄放量为 1 000.6 t·h-1。

2）高压火炬控制性工况为最大单事故工况，泄放量为 2 596.9 t·h-1。

3 静态模拟

3.1 稳态模拟

采用 PRO/II V9.4 建立了对二甲苯装置的稳态模型，采用VMGSim V9.5 建立了芳烃抽提单元的部分稳态模型。稳态模型是静态分析、动态建模和动态分析的基础。

3.2 静态泄放分析目的

首先，核算专利商的泄放量，补充专利商缺失的泄放数据，是动态泄放分析的基础。

基于专利商提供的 PFD 及物流数据采用PRO/II V9.4 建立芳烃装置静态模拟，核算专利商的泄放量、补充专利商缺失的泄放数据。

通过对比静态分析结果与专利商的原始数据可以得出：

1）高压火炬全厂停电总泄放量、最大单事故泄放量静态分析结果与专利商提供的数据基本一致。

2）根据静态分析结果，重点对抽余液塔T-601（以下简称T601）进行动态泄放分析。抽余液塔T-601 的PFD 流程图及静态分析结果如图1、表1所示。

图1 抽余液塔 T-601 的PFD 流程图

表1 静态分析结果

4 动态模拟

4.1 动态泄放过程

1）基于P&ID 搭建严格的设备动态基本模型，验证该模型是否合格的依据是模型运行到稳态时的物料和能量平衡数据与稳态模型一致。

2）根据工况的假设条件，分析各事故工况下该设备的动态行为，以安全阀起跳（或控制阀开启）后的泄放曲线和最大泄放量作为火炬系统的结果。

3）每次分析均设定模型稳定运行 1 min 时发生事故，模型再运行 30 min（紧急泄压的模拟时间则根据泄压要求而定）。

通过对专利商及静态模拟筛选建立动态模型时集成了相关联的塔，并在工况分析中统一考虑。

4.2 动态叠加分析原则

本文考虑将设备按工艺流程连接在一起同时运行，分析发生全厂性事故时的泄放行为。选择叠加分析的对象基本满足如下条件：

1）在全厂停电工况下最大泄放量均大于50 t·h-1。

2）最大泄放量发生的时间不重叠。

3）有物料连接关系或有热耦合关系。

4）PSV 排向同一条火炬。

通过对抽余液塔全厂停电、局部停电、回流中断、回流泵停、侧线泵停等工况进行分析，因 T-601塔底重沸泵停引起重沸炉停，导致 T-601 及以T-601 塔顶气相、侧线抽出气相为热源的塔不发生泄放。因 T-601 局部停电引起的T-601 的泄放是低压火炬最大单事故工况。对于其他消减措施包括变更设备驱动方式、操作工人的干预、变更控制方案等，这些将高度依赖于工厂的实际情况。

4.2 动态模拟结果分析

1）将T-601 塔顶回流泵P-609 正常运行泵改为透平驱动，保留电机驱动的备用泵。

2）考虑到透平驱动泵检修期间需投用备用泵，需将塔顶回流泵（P-609）、侧线泵（P-605）、塔底重沸泵（P-608）电机接至同一母线，降低出现极端泄放工况的概率。

3）T-601 增设压力高高联锁切断塔底重沸炉F-601 燃料气线的 HIPS，SIL 等级要求为3 级，不仅增强系统可靠性，在正常情况下避免超压事故时安全阀起跳，从而减少排放，利于生产安全和减少损失。

4）经优化分析，采取以上建议措施后控制性工况为最大单事故工况，泄放量为1 241.2 t·h-1，比原设计专利商数据减少52%。

5 结 论

通过本次静、动态模拟分析，运用建模技术对于某炼厂高架火炬各工况进行了数值模拟并进行优化消减分析，为后期火炬头、火炬管径的设计、生产运行、环保控制提供便利。该方法对于专利商提供的原始工艺包火炬量分析消减具有很好的指导意义，以期优化火炬系统进而降低项目投资和施工难度。