基于Unisim动态模拟的高压缓冲罐内气体状态的分析

赖 寒

[林德工程(杭州)有限公司，浙江 杭州 莲花街333号 莲花商务中心 北楼 310012]

0 引 言

近几年来，随着煤化工、炼化一体化项目的大力推进，与之配套的空分规模越来越大，呈现出单套空分装置能力趋于8万、10万甚至更大等级、多系列的特点。空分装置作为全厂的供辅单元，其重要性不言而喻，不稳定供气的空分单元将造成全厂轻则减产，重者全厂停车，甚至造成安全事故。因此对于空分装置的供气可靠性提出了严苛要求。为了提高空分单元供气的可靠性，一套完善的后备系统将是完美的解决办法。

对于煤化工项目来说，其最重要的特点是要求稳定运行，牵一发而动全身，即使在装置跳车的情况下，也要求空分单元连续供气，维持生产。空分装置跳车，后备系统启动，中间一定会留下一定时间的真空期，出现没有气体供入管道而下游持续生产的情况，管网压力瞬时降低。为了解决这一问题，现在大多数大型空分的后备系统均配置高压缓冲罐，特别是高压氧缓冲罐，在收到装置停车信号和管网压力降低的瞬间，即可打开阀门向管网补气，有效的解决了管网压力下降的问题，维持下游稳定运行，后备系统简图如图1。

图1 后备系统简图

高压缓冲罐的工作特点属于养兵千日，用兵一时。平时处于备用状态时，里面充满高压气体进行保压，当下游需要时则迅速释放高压气体送入管网，维持管网压力的稳定，泄压结束后需要再次对缓冲罐进行补气，维持备用能力。由热力学状态方程得知，气体在压缩、膨胀时均会产生温度变化，或者在温度变化时对压力会有影响，不同的压力、温度对于缓冲罐的备用能力产生较明显的变化。就此，笔者拟从充压、泄压、大气环境三个因素对高压缓冲罐内气体的温度、压力变化进行研究，并且借助于Unisim的动态模拟功能，以便能正确的描述紊态状况下的气体状况。

1 缓冲罐泄压过程

由于其具备稳定管网压力的特殊作用，要求高压缓冲罐具备快速泄压的能力，约30～60 s内将罐内压力从超高压降低至适合的管网工作压力，例如从15 MPa(A)降至10 MPa(A)。由于时间非常短，罐内气体与缓冲罐的传热系数较低，所以在30～60 s内的泄压状态下可近似认为绝热过程，绝热过程中工质与外界无热量交换。罐内气体可用绝热膨胀来描述，该状态方程如公式(1)。

(1)

式中，T1，p1表示初始的温度K和压力MPa(A);T2，p2表示终态的温度K和压力MPa(A)；k表示气体的绝热指数。

以50 m3的高压氧缓冲罐在不同地域的泄压过程为例说明，见表1。

表1 高压氧罐的泄压过程

从表1可以看出，泄压过程中罐内气体温度迅速下降约30 K，表明在不同的地域、不同的环境温度下，泄压过程结束时气体温度略有不同，取决于环境温度，终态时温度可低至零下。由绝热膨胀公式可知，越大的压降将会导致更大的温度降低。气体的温度降低，随着时间的推移，必然导致缓冲罐本体温度有所下降，在缓冲罐的设计选材上，还应考虑缓冲罐的温度，选择合理的材料。

2 缓冲罐充压过程

充压不同于泄压过程，条件允许的情况下可适当降低充压速度，没有严格的时间要求。但是多长时间充满，取决于设计人员对于空分装置可靠性的判断，装置先进、可靠性高，则可以以最少的充压设备投资，缓慢充压。考虑到充压时间较长，长达几个小时，这时考虑到实际情况，罐内气体和缓冲罐之间的传热以及同外界环境的换热不可忽略，本文将采用Unisim的动态模拟功能来加以描述。

1.表2为不考虑与外界环境的换热，环境温度T=293 K，依然考虑绝热压缩，则可以得出绝热压缩后终态气体温度达到328.8 K，温升达到35.8 K。

表2 高压氧罐的绝热充压过程

2.表3为环境温度T=293 K，考虑环境换热，采用动态模拟得出的数据，终态时气体温升为28 K，小于绝热压缩的35.8 K，假定外表面换热系数为10 W/(m2·℃)，则与环境的换热量为13.5 kW。

表3 高压氧罐的快速充压过程

从图2可以看出，在经过约20 min即完成了对缓冲罐的充压。

图2 罐内氧气温升

3.如果采用更加慢速的充压，温升会是多少呢。见表4，环境温度T=293 K,考虑与环境换热,实行缓慢充压，约60 min充满缓冲罐，终态时气体温度为311 K，温升仅18 K。慢速充压可减少压缩热量，降低罐内的气体温度，还可以降低充压设备的投资，经济性较高。

表4 高压氧罐的慢速充压过程

建议在实际中，可采用更慢的方式充压，将充压时间延长至几个小时，则气体温升可大大降低，经济性更高。

4.充压结束后，缓冲罐处于备用状态，由于缓冲罐与环境温度存在着温差，随着与环境的换热，罐内气体温度下降，压力降低，从图3可以得出，约7～8 h后，换热趋于平稳，压力稳定在13.83 MPa(A)，降低了1.17 MPa(A)。为了保证缓冲罐的足够的备用能力，还应重新对缓冲罐进行充压，然后静置，直至将缓冲罐压力维持在设计状态。

图3 与环境换热的罐内氧气温度

3 大气温度的影响

从图3观察到，环境温度的高低会影响罐内气体压力的变化。如果高压缓冲罐安装在西北区域，具有春夏季早晚温差大的特点，对于一个正常备用的缓冲罐，其内部气体压力的影响，将借助于Unisim的动态模拟进行计算。

假设如下条件：夏季凌晨温度为10℃，在正午12点温度升高至35℃。

高压缓冲罐设计的常规工作压力为15 MPa(A)，机械设计压力16.8 MPa(A)。从图4看出，到正午12点时，由于环境温度的升高，罐内压力可提升至16.8 MPa(A)，达到设计压力值。如果某个地区早晚温差更大，那么罐内压力肯定存在超过机械设计压力的风险，那么在设计上可采取以下几个防范措施。

图4 高温环境下的罐内氧气温升

1.配置热力安全阀；

2.早晚温差大的地区将常规工作压力维持在低于15 MPa(A)的水平。

4 总 结

通过前面的几个因素分析，可知高压缓冲罐在充压、泄压、备用时均存在压力、温度变化的情况，如果不采取合理的措施，可能会出现备用能力短缺、超过机械设计压力等风险，在实际操作中，应随时关注以下工况。

1.充压时，应尽可能降低充罐速度，拉长时间，减少压缩热，避免出现备用能力不足的问题；

2.泄压时，由于近似于绝热膨胀，罐内气体温度降低明显，在缓冲罐设计时应加以考虑；

3.备用时，还应随时关注天气温度状况，在早晚温差大的地区，罐内工作压力宜维持在稍低的水平，避免超压的风险；

本文结合Unisim的动态模拟功能，针对高压缓冲罐在实际应用中可能出现的几种工况作了研究。希望在缓冲罐设计时，能结合实际情况，设计出完善的后备系统。