动态模拟在塔泄放量计算中的应用

李飞飞(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266000)

1 塔泄放工况描述

为防止超压，塔顶配有泄压阀或其他泄压装置，当塔压超过设计压力时，这些泄放装置就会开启并泄压。来自塔和其他设备的泄放气收集在一个集合管中，并输送至火炬进行燃烧。

通常分馏塔泄压阀和火炬系统的尺寸应适用于调节异常工况，例如电力故障、冷却水中断或其他事故。这些事故导致在再沸器或其他热源连续运行时，塔的冷却中断。电力故障导致回流冷却和侧线冷却的泵及空冷器的风扇停止运行。由于冷却器停止运行，导致冷却水无法带走热量，而再沸器持续运行，冷却水故障可能造成泄放。

通常，部分电力故障是单个塔和单元泄放系统管道的控制工况。然而，全厂性电力故障可能是普通火炬集管和烟囱的控制工况。全厂性电力故障通常是通过将每个单塔电力故障的泄放量相加来确定火炬总量。

2 动态模拟与传统方法的对比

传统方法是用静态方法来解决暂态问题，因此其塔泄放量计算结果是保守的。通过结合以下关键部分，动态模拟可以进行传统方法无法分析的塔动作的模拟。

2.1 机械设计改进

传统计算不包括塔板、再沸器、塔底槽或塔顶系统的机械设计。动态模拟通过包括影响质量和能量积累和传递的机械设计特征来确定塔的泄放量。

2.2 流体组成优化

传统的泄放量计算通常基于简化的质量和能量平衡。动态模拟与静态模拟器使用的严格热力学方法相结合。这些严格的热力学方法与塔模拟相结合，用于确定塔内随时间变化的质量和能量存量。传统计算方法往往过高预测宽馏程进料的塔泄放量。动态模拟降低了塔的计算泄放量，因为它考虑了有限的轻组分存量和剩余液体的热容量，这些液体必须加热以蒸发较重的组分。

2.3 外围工艺设备的影响

传统计算不包括外围设备对分馏塔泄放量的影响。动态模拟可以将上游设备的状况考虑在内，如反应器或进料/塔底换热器，以确定随时间变化的进料速率和进料温度。动态模拟还可以对与所分析的塔热集成在一起的其他塔和设备进行建模。

通过结合这三个部分，动态模拟为传统计算方法提供了一种严格的替代方法。即使在保守应用时，动态模拟也通常比传统方法计算的泄放量低得多。动态模拟分析依照API-521，第3.3节“泄压期间，应研究不同时间间隔内蒸汽速率和分子量的变化，以确定泄放量峰值和蒸汽的组成”，动态模拟用于火炬和泄放系统设计时，应谨慎应用[1-3]。

3 塔泄放过程的动态模拟

3.1 减少进料和回流量

由于塔板上轻组分的存量有限，进料和回流均停

止的塔计算泄放量可能会大幅降低。一旦轻质组分通过泄压阀离开塔，再沸器的热量一定会提高剩余组分的蒸发温度。传统的计算没有考虑到影响泄放时间和大小的轻组分的有限存量。

3.2 再沸器夹点

由于较高的沸点和较低的温度(LMTD)驱动力，在塔压升高时，再沸器传热负荷可能会降低。这种再沸器夹点减低了再沸器的换热和泄放量。动态模拟通过模拟塔存量、塔板排液和塔底槽设计，提供了随时间变化的再沸器组成。

3.3 塔板排液

存在再沸器夹点的塔泄放量取决于塔板排液至再沸器的速率。带阀塔板的塔排液速度可能比筛板塔慢，泄放量可能会更低。使用保守的假设来模拟塔板排液可以实现泄放量的显著降低。

3.4 塔底集液槽的设计

塔底集液槽的设计会影响再沸器的夹点，因为从塔板排出的轻质物料会被现有的塔底集液槽的存液稀释。带有一次通过式再沸器的塔只有很少的初始存液和相对较高的泄放量。初始存液量大的塔会稀释从塔板排出的物料，并具有更大的再沸器夹点和更低的泄放量。

3.5 安全阀定压

通常安全阀定压越高，则再沸器压力和温度越高，从而增加再沸器夹点并降低泄放量。然而，对于塔板排液量大的塔，具有较低设定压力的泄压阀可能会提前打开，以增加塔板蒸汽流量，减少塔板排液，增加再沸器夹点，并降低泄放量。

3.6 气化进料

对于无再沸器的塔，当传统计算的负荷高于气化进料速率时，动态模拟就可以降低泄放量。如果传统方法表明泄放量低于气化进料速率，动态模拟可以提供一个更现实的解决方案，证明干燥塔需要多长的时间。最终，泄放量将升至气化进料速率。

3.7 进料速度或进料温度随时间衰减

有汽化进料的分馏塔，如粗馏塔或延迟焦化分馏塔，如果进料速率或温度的衰减可以被模拟，则计算出的泄放量可以大大减少。对于粗馏装置，在停止对进料加热器的加热过程中，通过建立动态传热模型，可以确定进料温度的衰减情况。对于延迟式焦炭分馏塔，建立了焦炭塔裂化过程的动力学模型，可以确定焦炭塔蒸汽流的衰减情况。

3.8 安全阀位置

安全阀位于塔顶馏出物回收罐上方可能比放置于塔上方更好，前提是塔顶接收罐有足够的缓冲容量来防止冷凝器溢流。位于塔顶馏出物回收罐上的安全阀利用冷凝器的持续冷却，例如空冷器的自然对流，来避免被蒸汽覆盖。

3.9 操作员介入

动态模拟可以准确预测安全阀起升前塔压提升所需的时间，或充分泄放到最大流量所需的时间，以评估操作员干预的可能性。

4 其他影响因素

4.1 控制系统的响应

有时，自动控制器可能采取动作，以减少泄放量。但是，API-521不允许对可能减少泄放量的自动控制动作进行评分。控制系统运行可能会因断电而中断，控制器的调整可能与动态模拟中假设的不同，或者在泄放事件发生时，操作员可能有一个手动控制器。应该假定控制阀锁定在最后的位置。然而，当自动控制动作用于增加泄放量时，它们必须包含在动态模拟中。

4.2 复杂的热集成

塔和其他设备之间复杂的换热可以在泄放工况下持续散热。然而，塔和其他设备通常都必须建模。这增加了模型的复杂性，通常需要对自动控制进行模拟。此外，未来在控制、设计或操作上的改变可能需要在新工况下重新进行塔的模拟。由于没有原始模拟数据，重新对塔进行模拟可能很困难或成本很高。更好的方法是假设出口温度、逆向流体温度和流量或热负荷在泄压期间是恒定的，如果这些假设之一可以被证明是保守的。

4.3 多塔泄放

添加由动态模拟确定的随时间变化的塔泄放曲线可以得出更真实的泄放量峰值，这比每个塔的泄放量峰值相加所得的值要低得多。然而，用于确定单塔的泄放量峰值的动态模拟可能不适用于总火炬系统分析。对于泄放量的假设是保守的，则对于泄放时间的假设可能就不是保守的。例如，压力控制器可以在泄压阀升起之前将塔内物料排放至火炬系统。这可能会影响火炬系统的尺寸，但在确定泄压阀尺寸时不会考虑。

5 动态模拟模型的保守假设

采用动态模拟对塔泄压系统进行设计时，必须保证模型与设计目标相适应。在稳态条件下，动态模型必须与稳态模型严格匹配。在瞬态条件下，塔动态模型应与实际工厂瞬态数据(如果有)进行比较。当物理现象不能很好地理解时，动态模拟模型必须包括保守假设。这些假设必须通过敏感性分析来检查，以评估对塔泄放量的影响。例如，可能需要多次模拟运行来确定不同泡沫相关性对塔板持液率和产生的泄放量的影响。此外，建议让操作人员检查模型的适当方面。使用自定义模型库，仿真模型可以包括以下特征和假设[4-5]：

(1)该模型具有与稳态(静态)仿真模型相同数量的理论板数和组件。动态模型与稳态模型采用的相关物性数据相同。

(2)模型中的每个塔板都有根据实际塔板与理论塔板的比率校正的实际质量和能量存量。泡沫相关性和降液管液柱高度可计算出塔板液体存量。此外，可能需要在蒸气速率降低时的漏液和液泛的详细方程。阀板漏液和液泛的模型必须保守，因为某些阀门会损坏或腐蚀，并且可能无法正确复位。一个保守的阀板排液模型的例子是，假设50%的塔板浮阀不能复位，该模型的泄放量可能比传统方法低得多。

(3)安全阀可以模拟为调节式或突开式安全阀。调节式安全阀模型用于在保持塔压几乎恒定的情况下，得出新建塔的最大可持续泄放量。这种可持续的泄放量是评估火炬系统的重要参数。突开式安全阀模型用于模拟现有的塔和安全阀，以确定系统在泄放工况下是否会超过最大允许的累积量。

(4)空冷器可以使用传热面积来建模，也可以使用经验法则，例如根据公司的设计实践，将自然对流的负荷设置为正常负荷的固定百分比。为了进行更详细的分析，自然对流传热系数可以通过换热器核算程序来确定。这些传热系数可以与动态过程变量相关联，以开发更严格的模型。

(5)塔顶馏出物回收罐模型不应假定汽液始终处于汽液平衡状态。动态模型应具有非平衡界面混合，以模拟热蒸汽旁路，以便回收罐液体凝结蒸汽的能力不被高估。

(6)再沸炉建模时可以取正常操作值，保持负荷恒定。蒸汽再沸器的负荷可根据热驱动力进行建模。热驱动力将随着塔压的增加和再沸器成分的变化而变化。

(7)塔底集液槽应该仔细地建模，以包括热虹吸隔板、带抽板的一次通过式再沸器或其他集液槽配置的正确存液量。考虑模拟是在集液槽的低液位、正常 液位还是高液位开始。

(8)当电机驱动泵由于停电而跳闸时，进出塔的流量通常保持恒定或设为零。因此，通常无需对泵进行详细的建模。此外，可能没有必要对塔控制系统进行建模，因为假设控制阀一直在原位。但是，如果控制措施起到了增大泄放量的作用，则必须对其进行建模。

6 火炬系统分析方法

动态模拟可以确定单塔以及涉及多塔的整个火炬系统的泄放量。采用动态模拟进行的塔泄放量的计算必须遵循API RP 521和运营公司设计规范制定的相同规则，以便使用传统计算方法进行泄放量计算。以下介绍了将动态模拟应用于火炬和泄压分析的一些方法。

6.1 单塔泄放量

如果动态模拟用于确定单塔安全阀的尺寸，则应按照本文前面讨论的方法进行分析。为了确定所需的安全阀孔口面积，模型应使用调节式安全阀来确定恒定塔压下的泄放量峰值。如果采用突开式安全阀，模拟结果只会指出安全阀的容量，而不会指出工艺的泄放需求。可以检查安全阀设计，以确定使用所选的突开式安全阀不会超过最大超压。

6.2 多塔同时泄放

火炬系统分析评估了常见公用设施故障情况下的多塔泄放，如冷却水或电力故障。定义泄放情况的假设，包括自动控制的运行和泵汽轮机的自动启动，无论使用传统计算方法还是动态计算方法，该假设都是相同的。同时泄放是将动态模拟的泄放量峰值与其他来源的泄放量相加的一种直接方法。在某些情况下，塔排放至火炬的泄放量峰值可能来自自动调节阀，而不是安全阀。由于只将泄放量峰值相加，而不考虑泄放的时间，因此得出的火炬系统的总负荷是保守的。由于采用传统方法的火炬系统分析使用的是计算出的塔泄放量，而不是基于阀容量的流量，因此应该通过调节式安全阀对塔进行模拟。对现有工厂来说，一种实用的方法是首先对泄放量降低潜力最大的塔进行动态模拟，将其泄放量峰值与传统方法计算的其他来源的泄放量相加，然后重新评估火炬系统。如果泄放量降低不充分，将动态模拟扩展到下一个泄放量降低潜力最大的塔，直到所需的火炬系统改造被消除或最小化。

6.3 与时间相关的多塔泄放

另一种对公用设施故障情况进行全面火炬系统分析的方法是考虑塔不会同时泄放。添加从动态模拟中得到的与时间相关的塔泄放曲线可以提供一个更真实的峰值，这比假设所有峰值同时出现要低得多。但是，对单个塔的分析变得更加复杂。对于单塔法和多塔同时泄放法，只需在泄放量大小上做出保守假设。对于与时间相关的泄放法，还必须考虑影响泄放时间的因素。

例如，催化裂化装置主分馏塔泄放的单塔模拟假设，由于自动控制动作，塔顶馏出物回收罐的安全阀不会打开。然而，安全阀可能会打开，这将加快达到泄放量峰值的时间。如果采用与时间相关的泄放法，则必须进行敏感性分析，以评估一些因素(如容量过剩的突开式调节阀、自动控制的动作、控制器调整、与其他塔的热集成以及操作者的干预)的影响。

7 结语

炼油厂和石化装置的火炬系统设计通常由塔的泄放量决定。计算塔泄放量负荷的传统方法较为保守，可能造成泄放和火炬系统的过度设计。动态模拟可以降低塔的计算泄放量，为泄放量的计算提供了一个新方法。