动态模拟在氧气安全系统设计中的应用

彭凤玲，瞿海根

(连云港沃利帕森工程技术有限公司上海分公司　上海　200001)



动态模拟在氧气安全系统设计中的应用

彭凤玲，瞿海根

(连云港沃利帕森工程技术有限公司上海分公司上海200001)

通过模型的建立及参数设置，采用DYNSIM软件对水煤浆气化技术生产合成气的氧气管路进行动态模拟。模拟分析结果表明，在氧气总管阀门出现故障后，启用氧气安全系统可使装置持续运行约85 s，设计中可以考虑在此段时间内积极采取其他相应措施以维持系统安全生产。

动态模拟氧气安全系统应用

采用水煤浆气化技术生产合成气的过程中，氧气与水煤浆须按一定比例送入气化炉。某项目采用GE水煤浆气化技术生产合成气，共配置3台气化炉(2开1备),来自空分主装置冷箱的氧气(99.6%，体积分数，下同)分2路进入气化炉。由于氧气的供应状况对合成气生产异常重要，因此特别设计了1个氧气安全系统和1个后备系统，当氧气安全系统出现异常情况时立即投用后备系统，尽可能减少损失。所设计的后备系统能否满足工艺要求，方法之一是建立生产过程物理模型，通过物理模型模拟分析过程行为，但此方法耗资、耗时，实施起来比较困难。另一个方法是动态模拟，在模拟过程中体现系统各参量值，通过人为改变参数，逼真地再现系统的变化历程[1]。本文采用SIMSCI公司的DYNSIM软件，通过动态模拟分析氧气总管阀门出现故障(本模

型特指氧气总管阀门XV1故障)而启用氧气安全系统后各工艺参量的变化情况，使设计者全面、细致、切合实际地了解流程中各参数的变化规律，更好地完成设计工作。

1　模型的建立及参数设置

空分装置送往气化装置的氧气安全系统工艺流程见图1。系统中的介质为氧气，其中O2占99.6%，Ar占0.4%。热力学方法采用SRK方程，主要设备和管件参数见表1，主要控制器参数见表2。

2　增加扰动，分析各参量的变化

本文主要考察当氧气总管阀门XV1出现故障时，氧气安全系统中的氧气罐(V1)的缓冲能力。根据工艺要求，PIPE2和PIPE3的流量设定值为19 795 m3/h(标态)，且生产过程中不能低于该值的50%。当XV1出现故障时，假设PIPE2和PIPE3的流量不变，当V1压力由16.0 MPa下降至8.5 MPa时所经历的时间用SRK方程来计算，其形式为：

图1　空分装置送往气化装置的氧气安全系统工艺流程

表1主要设备和管件参数

设备/管件名称参数SRC1冷箱8.75MPa,37.5℃,相对标高0.0mSRC2液氧储罐16.0MPa,15.0℃,相对标高0.0mSNK2气化炉6.5MPa,相对标高46.3mSNK3气化炉6.5MPa,相对标高46.3mXV1阀门1Cv100,Timetoopen&close=30sXV5阀门5Cv500,Timetoopen&close=30sXV6阀门6Cv74,Timetoopen&close=20sPIP1管道1内径243mm,长度200mPIP2管道2内径193mm,长度10mPIP3管道3内径193mm,长度10mPIP4管道4内径193mm,长度70mH1HEADER1体积1m3,相对标高39.8mH2HEADER2体积1m3,相对标高5.0mV1氧气罐立式,椭圆封头,Φ1.40m×5.95m,15℃,初始化SRC2

表2主要控制器参数

项 目参数阀门PV1Cv820,EqualPercent,Timetoopen&close=30sPV2Cv45,EqualPercent,Timetoopen&close=30sFV1Cv113,EqualPercent,Timetoopen&close=30sFV2Cv113,EqualPercent,Timetoopen&close=30s控制器PC1Action=SP-PV,SetPoint:8.5MPaPC2Action=SP-PV,SetPoint:8.5MPaFC1Action=PV-SP,SetPoint:19795m3/h(标态)FC2Action=PV-SP,SetPoint:19795m3/h(标态)

对于物质i,则有：

mi=0.480+1.574ω-0.176ω2

式中：Tc——物质的临界温度；

Pc——物质的临界压力；

Tr——对比温度；

ω——偏心因子[2]。

经查，O2的Tc，Pc和ω分别为154.6 K，5.05 MPa和0.021，Ar的Tc，Pc和ω分别为150.8 K，4.87 MPa和0.000。通过SRK方程可以得到对应压力下的物质的量体积，由氧气罐的体积V1计算得到对应的物质的量，再由下式计算时间：

n1-n2=FΔT

式中：n1，n2——分别为氧气罐内起始和终止状态下物质的量；

F——氧气总管流量。

若F=39 590 m3/h(标态)不变，计算得ΔT1为73 s；若F=19 795 m3/h(标态)不变，则计算得ΔT2为146 s。按此计算，氧气罐的缓冲时间应在73～146 s。事实上，氧气总管流量是在不断变化的，那么缓冲时间究竟为多少，此过程中系统各参数的变化趋势如何，就需要借助动态模拟再现系统中各参数的变化。

模型建立之后，首先将XV6关闭，待系统运行至稳态时，记录一个稳态点。人为设置XV1故障，同时打开XV6，氧气总管流量变化见图2(图2中每格为20 s，下同)，氧气总管和支管流量变化见图3，氧气总管压力和氧气罐压力变化见图4，PV2开度变化趋势见图5。

图2　氧气总管流量变化

图3　氧气总管和支管流量变化

图4　氧气总管压力和氧气罐压力变化

图5　PV2开度变化趋势

由图2可看出：在XV1出现故障之后，打开XV6，氧气总管的流量急剧下跌；而启用氧气安全系统的氧气总管流量可以维持一段时间，之后才逐渐下降。

由图3可看出：采用氧气安全系统之后，氧气总管和支管的流量变化趋势相同，总管流量为支管流量的2倍，且2条支管流量相同，曲线重合；经过约85 s，系统中流量降至正常值的50%。

由图4可看出：采用氧气安全系统后，氧气罐压力随流量减小而逐渐降低；氧气总管压力则先略微上升，约20 s后又逐渐下降，这是因为氧气罐的起始压力为16.0 MPa，远大于气化炉工艺烧嘴的压力。

从图5可看出：启用氧气安全系统后，PV2的

开度先略微降低；之后随着氧气罐压力逐渐降低，氧气总管压力逐渐下降，而PV2的开度逐渐增大，直至最后完全打开。

3　结语

通过动态模拟，对系统中各工艺变量的变化趋势有了一个很直观的了解。经分析，在氧气总管阀门出现故障后，采用氧气安全系统可以使系统维持约85 s，在此段时间内，完全可以启动后备系统使装置尽快恢复正常运行(后备系统中泵的开启时间约为70 s)，以减少不必要的损失。

本文用DYNSIM软件模拟了一个小的工艺过程，该软件也可以用于模拟化工装置的开、停车过程，在此过程中不仅有大量的设备需要投用或停止运转，而且有大量的物料需要处理，因此，开、停车过程在整个化工生产中占有极其重要的地位。采用动态模拟可系统地研究开、停车过程，通过人为设定一些故障，分析开、停车过程中可能出现的各种影响因素，提前做好必要的应对措施[3]。此外，采用动态模拟还可方便地寻求技术先进可靠、操作优化合理的工艺流程，也可用其对生产过程中的能量系统进行耦合集成，这些对设计者和生产者都大有裨益。

[1]王健红，陈晓春，魏杰，等.化工装置动态模拟与优化工艺软件平台[J].化工进展，1997(4)：49- 51.

[2]朱自强，徐汛.化工热力学[M].北京：化学工业出版社，1991.

[3]陈晓春，马桂荣.动态模拟技术与化学工程[J].现代化工，2002(3)：14- 17.

Use of Dynamic Simulation in Oxygen Safety System Design

PENG Fengling, QU Haigen

(Worley Parsons Lianyungang Engineering Technology Co., Ltd. Shanghai BranchShanghai200001)

Through model establishment and parameters setting, the dynamic simulation of oxygen pipeline for syngas production with coal water slurry gasification technology is carried out using DYNSIM software. Simulation analysis results show that in case of failure of oxygen pipe main valve, enabling oxygen safety system will keep the unit continue to run for about 85 s, in design, it can be considered that some other relevant measures will be taken actively during the period of time to maintain safe production of the system.

dynamic simulationoxygensafety systemuse

彭凤玲(1980—)，女，工程师，硕士，主要从事化工工艺设计工作；pengfengling@163.com。

TQ546.8

A

1006- 7779(2016)04- 0071- 03

2015- 05- 10)