朱紅梅　黃少杰　喬洪虎　楊向東　中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250000

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石化裝置循環(huán)回路系統(tǒng)工藝優(yōu)化及討論

朱紅梅*黃少杰喬洪虎楊向東中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250000

摘要理論分析結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)優(yōu)化前后的循環(huán)回路工藝流程在操作、運(yùn)行、節(jié)能降耗等方面對(duì)比討論，確定優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。此外，從理論角度對(duì)優(yōu)選循環(huán)回路工藝方案中高位槽接入點(diǎn)位置進(jìn)行分析，討論該位置對(duì)裝置運(yùn)行及制造成本等方面的影響。

關(guān)鍵詞循環(huán)回路工藝優(yōu)化節(jié)能降耗

*朱紅梅：工程師。2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)工業(yè)催化專業(yè)獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)主要從事石油化工配管設(shè)計(jì)工作。

聯(lián)系電話：(0531)55656158，E-mail:zhuhm3@cnooc.com.cn。

循環(huán)回路系統(tǒng)，不僅包括公用工程回路還包括內(nèi)部循環(huán)使用的工藝介質(zhì)回路[1,2]，在石油/化工裝置中最為常見(jiàn)。其設(shè)計(jì)的合理與否直接制約著設(shè)備設(shè)計(jì)、裝置運(yùn)行成本。本文基于理論并結(jié)合具體工程算例分析了兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，并討論高位槽接入點(diǎn)位置對(duì)循環(huán)回路的影響。

一般設(shè)計(jì)中常采用設(shè)置中間儲(chǔ)槽(或集液池)[3]的循環(huán)回路方案，將循環(huán)流體打入儲(chǔ)槽內(nèi)，再由泵加壓打入循環(huán)回路(如敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng))，即本文討論的優(yōu)化前循環(huán)回路工藝流程，其優(yōu)點(diǎn)是操作方便，開(kāi)停車(chē)及檢維修時(shí)可直接將在線流體回流入儲(chǔ)槽。優(yōu)化后流程仍設(shè)置儲(chǔ)槽以便開(kāi)停車(chē)及檢維修時(shí)使用，但在正常運(yùn)行過(guò)程中循環(huán)物流不回儲(chǔ)槽，直接經(jīng)泵進(jìn)行循環(huán)，由高位槽液位控制系統(tǒng)流體液位，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度較高，節(jié)約運(yùn)行成本；相對(duì)優(yōu)化前方案其缺點(diǎn)是開(kāi)停車(chē)階段需設(shè)置開(kāi)車(chē)泵，開(kāi)車(chē)期間需要切換部分閥門(mén)。本文詳細(xì)討論工藝方案優(yōu)化前后在節(jié)能降耗等方面的優(yōu)劣。

1循環(huán)回路系統(tǒng)工藝方案對(duì)比及討論

1.1優(yōu)化前循環(huán)回路工藝流程

圖1為優(yōu)化前循環(huán)回路工藝流程，直接由中間儲(chǔ)槽進(jìn)行回路循環(huán)。

在0-0截面(儲(chǔ)槽內(nèi)近靜止液面)和1-1截面(管口內(nèi))間建立伯努利方程[3]：

(1)

式中，He為泵揚(yáng)程，m；∑Hf為沿程阻力損失，

圖1　優(yōu)化前循環(huán)回路工藝流程

m；Zi為i-i截面標(biāo)高，m；ui為i-i截面介質(zhì)流速，m/s；Pi為i-i截面流體壓強(qiáng)，Pa(G)；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2(文中字母含義同上)。

其中0-0界面按靜液面，儲(chǔ)槽與大氣相通(若儲(chǔ)槽為加壓容器亦適用)，即u0=0，P0=0Pa(G)。則：

(2)

1.2優(yōu)化后循環(huán)回路工藝流程

圖2為優(yōu)化后循環(huán)回路工藝流程，設(shè)置補(bǔ)給泵為開(kāi)車(chē)時(shí)系統(tǒng)上水，設(shè)置液位高值聯(lián)鎖停泵，由高位槽補(bǔ)給泵進(jìn)行體系液體補(bǔ)給及消除熱膨脹影響，正常運(yùn)行過(guò)程中由循環(huán)泵進(jìn)行體系循環(huán)。

圖2　優(yōu)化后循環(huán)回路系統(tǒng)工藝流程

取循環(huán)回路中任意同一重合截面0-0和1-1間建立伯努利方程：

(3)

其中，Z1=Z0,P0=P1,u1=u0，相比優(yōu)化前流程，循環(huán)回路管線及用戶不變，兩增設(shè)支管(高位槽接入管和停車(chē)回液管)造成的阻力降可忽略不計(jì)，則管道阻力不變。

則：

He=∑Hf

(4)

1.3優(yōu)化前后方案的討論

對(duì)比以上理論計(jì)算式(2)和(4)，顯然，在滿足全廠循環(huán)介質(zhì)需求的前提下，優(yōu)化后流程泵揚(yáng)程較小，運(yùn)行費(fèi)用明顯低，優(yōu)化前方案存在勢(shì)能、動(dòng)能和靜壓能損失，兩種工藝流程方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，簡(jiǎn)要對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　循環(huán)回路工藝流程改進(jìn)前后對(duì)比

1.4優(yōu)化前后工藝流程的效益

某化工企業(yè)改造項(xiàng)目中設(shè)有一相同循環(huán)回路，其原儲(chǔ)液罐Φ4m×4m，將低溫流體供應(yīng)到裝置各個(gè)換熱器、冷卻盤(pán)管等(以下統(tǒng)稱用戶)，介質(zhì)密度1037kg/m3，流速1.55m/s，選用兩臺(tái)泵并聯(lián)使用，初步計(jì)算已知回路總阻力降300kPa，方案1中回液壓力P10.2Mpa(G),回液總管管口距離罐內(nèi)靜液面距離2m，將已知參數(shù)代入式(3)、(4)，兩種方案計(jì)算對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

在以上計(jì)算過(guò)程中，視兩種流程中管路總阻力大致相同進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上優(yōu)化前流程中存在中間儲(chǔ)槽出入口的阻力損失，優(yōu)化后流程中由于增設(shè)高位槽接入口同時(shí)也存在部分阻力，但其影響小于前者，粗略計(jì)算時(shí)不考慮該阻力降不同的影響，效益計(jì)算時(shí)更加保守。

表2　循環(huán)回路工藝流程改進(jìn)前后對(duì)比

注：*電費(fèi)按照0.3元/kWh計(jì)。

由表2結(jié)果可見(jiàn)，優(yōu)化前后的方案均能滿足工藝供液需求且工程建設(shè)投資基本相當(dāng)，流程優(yōu)化后年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約50%(僅用電)，達(dá)到了一定的節(jié)能降耗效果。此外，優(yōu)化后流程具備自動(dòng)補(bǔ)液、消除管路中流體膨脹等功能，可根據(jù)工藝需要將其設(shè)置為加壓或者常壓，可靈活控制系統(tǒng)壓力體系，具有明顯優(yōu)勢(shì)。實(shí)際改造后，基本符合計(jì)算結(jié)果。

2高位槽接入點(diǎn)位置

2.1接入點(diǎn)位置對(duì)系統(tǒng)的影響

通常為了保證循環(huán)體系滿液，將高位槽設(shè)置在最高用戶之上，見(jiàn)圖3。

圖3　膨脹槽不同接入位置

取截面1-1和2-2(盡量靠近泵，兩截面間高差不計(jì))，以1-1和2-2為基準(zhǔn)平面。0-0截面為高位槽液面，高位槽接入點(diǎn)所在截面為x-x。

在1-1與x-x之間建立伯努利方程：

(5)

其中，

Px=P0+ρg(Z0-Zx)

P0=0Pa(G)

u1=ux(按接入點(diǎn)為總管計(jì))，z1=0

則：

(6)

同理，式(6)與x-x之間

(7)

泵揚(yáng)程He：

(8)

取接入點(diǎn)為1-1、2-2及任一中間截面x-x時(shí)列伯努利方程，匯總結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　高位槽不同接入點(diǎn)位置對(duì)泵進(jìn)出口壓力影響

由表3對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)高位槽標(biāo)高一定，泵揚(yáng)程一定(或管路阻力一定)時(shí)，其接入點(diǎn)位置越靠近泵入口，則泵出口壓力越大，則循環(huán)體系壓力越大。那么，接入點(diǎn)位置是否越靠近泵入口側(cè)越有利，其影響因素具體分析如下。

2.2膨脹槽接入點(diǎn)位置影響因素

2.2.1用戶壓力需求波動(dòng)

取回路任意用戶所在截面y-y(見(jiàn)圖3)，與1-1截面間建立伯努利方程：

(9)

已知：u1=uy(按接入點(diǎn)為總管路計(jì))，

z1=0

則：

(10)

已知對(duì)于任一高位槽接入點(diǎn)x-x，式(5)成立，式(6)等于式(7)，即：

(11)

對(duì)于正常運(yùn)行回路中的任一用戶而言，其標(biāo)高Zy一定、循環(huán)介質(zhì)流量一定、管道參數(shù)一定，高位槽液位Z0一定，從泵出口至設(shè)備入口側(cè)阻力降∑Hf(1→y)一定，令

C=Zy+∑Hf(1→y)-Z0

(12)

則，回路任一位置對(duì)應(yīng)唯一C值，C為一僅隨位置而改變的常量。

因此：

(13)

用戶壓力供應(yīng)要求通常：

Py-≤Py≤Py+

則：

(14)

因此，對(duì)于回路中的所有用戶需滿足：

(15)

由于

(16)

結(jié)合式(15)、(16)即可計(jì)算出l的取值范圍，l為從泵出口1-1至高位槽接入點(diǎn)x-x間的直管段長(zhǎng)度，即可求得滿足用戶壓力需求的高位槽接入點(diǎn)范圍。

2.2.2泵氣蝕余量限制

泵有效氣蝕余量：

(17)

式中，Pv為泵入口側(cè)飽和蒸汽壓，Pa(G)。

由式(17)可見(jiàn)：當(dāng)流體溫度不變時(shí)，Pv/ρg視為一定值，膨脹槽液面相對(duì)泵基準(zhǔn)面的距離Z0為一定值，則NPSH=f(∑Hf(x→2))，∑Hf(x→2)越小對(duì)泵越有利，即高位槽位置接入點(diǎn)越靠近泵入口側(cè)對(duì)泵氣蝕性能要求越低[3]，反之對(duì)泵越不利。

3結(jié)語(yǔ)

對(duì)循環(huán)回路系統(tǒng)優(yōu)化前后工藝流程的對(duì)比分析可知，優(yōu)化后流程在節(jié)能降耗方面效果明顯，本文所舉工程實(shí)例僅兩臺(tái)泵節(jié)約用電就達(dá)50%，但建設(shè)投資略高。對(duì)于改造項(xiàng)目，可在原流程中直接增設(shè)高位槽及開(kāi)車(chē)泵，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行成本下降，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化后流程也更符合安全環(huán)保要求。

優(yōu)化后工藝流程中高位槽接入點(diǎn)位置對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的壓力具有重要影響，配管上應(yīng)根據(jù)下游用戶壓力波動(dòng)范圍需求(尤其是對(duì)于改造項(xiàng)目)及泵的必需汽蝕余量要求確定具體接入點(diǎn)范圍。在合理范圍內(nèi)，盡可能靠近泵入口側(cè)，有利于降低循環(huán)體系壓力且泵有效氣蝕余量相對(duì)較小。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2015-12 -17 )