邵丹丹,艾 明,周 琴

(安徽華東化工醫(yī)藥工程有限責(zé)任公司上海分公司，上海 201315)

油品加氫裝置包括加氫處理、加氫精制、加氫裂化等，目的在于脫除原料油中的硫、氮、氧、金屬、不飽和烴等雜質(zhì)，得到性能更為優(yōu)良的產(chǎn)品。由于其操作條件為高溫、高壓、臨氫、易燃、易爆，且加氫反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，安全操作至關(guān)重要。因此，加氫裝置均設(shè)有緊急泄壓系統(tǒng)，用于在反應(yīng)器床層飛溫、關(guān)鍵設(shè)備故障、電力故障、火災(zāi)等非正常操作工況下，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有可能積聚熱量時，將系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)排放至火炬，從而保障人員和設(shè)備安全，避免重大損失。加氫精制裝置往往設(shè)置0.7MPa/min緊急泄壓系統(tǒng)，加氫裂化裝置除0.7MPa/min緊急泄壓系統(tǒng)外還需設(shè)置2.1MPa/min緊急泄壓系統(tǒng)。對于加氫裂化裝置來說緊急泄壓是控制反應(yīng)器飛溫的最有效的方法[1]，且飛溫事故的處理必須堅持"一泄到底"的原則[2]。圖1為加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)流程圖。

緊急泄壓系統(tǒng)由緊急泄壓開關(guān)閥和限流孔板組成。開關(guān)閥正常操作時處于關(guān)閉狀態(tài)，事故工況下，由安全儀表系統(tǒng)自動聯(lián)鎖或人工判斷后手動按下泄壓按鈕，打開泄壓閥。限流孔板位于泄壓閥后，其作用在于控制合適的泄壓速率，泄壓速率太小不利于盡快排除熱量，泄壓速率太大容易損壞設(shè)備內(nèi)件。

圖1 加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)流程圖

本文根據(jù)泄壓速度與其他參數(shù)的比例關(guān)系推導(dǎo)了孔板校核公式。用測試孔板進(jìn)行泄壓試驗后由試驗泄壓速度計算得到測試孔板在正常操作工況下的泄壓速度，然后根據(jù)要求泄壓速度修正計算得到所需孔板孔徑。推導(dǎo)方法相較于其它文獻(xiàn)[3]更為簡便。

1 泄壓試驗

泄壓試驗的目的一方面是考察反應(yīng)系統(tǒng)事故時自保聯(lián)鎖系統(tǒng)的動作情況，一方面是測試安裝的孔板是否符合泄壓速率要求。通常泄壓試驗在系統(tǒng)氫氣試密合格后進(jìn)行，以氫氣為試驗介質(zhì)。但由于氫氣的分子量較小，泄壓速度過快，也可以采用氮氣、壓縮空氣等作為試驗介質(zhì)。此時系統(tǒng)壓力為正常操作壓力，控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖儀表調(diào)試完畢，聯(lián)鎖處于投用狀態(tài)，人工啟動泄壓按鍵，打開泄壓閥，并每隔一定時間記錄高壓分離器的溫度、壓力。

由于泄壓過程屬于動態(tài)過程，泄壓速率△P/△t隨著系統(tǒng)壓力的降低也持續(xù)變化，泄壓速率一般根據(jù)第1分鐘系統(tǒng)壓力下降特定的值來規(guī)定。0.7MPa/min表示泄壓閥打開的1分鐘內(nèi)系統(tǒng)壓力降低0.7MPa。

2 泄壓孔板孔徑校核

2.1 校核步驟簡述

根據(jù)泄壓試驗所得數(shù)據(jù)對泄壓孔板進(jìn)行校核，步驟如下：

(1)對泄壓試驗原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(2)由泄壓試驗結(jié)果推算測試孔板在正常操作時的泄放速率，即同一孔板不同介質(zhì)的泄放速率，若該速率滿足要求，則說明測試孔板孔徑合格。若該速率偏差較大則需要修正。

本文修正并研究了隨機(jī)梯度和點態(tài)隨機(jī)梯度及其共軛算子的相關(guān)性質(zhì),具體包括以下兩點:一是它們能夠真正描述增生、湮滅系統(tǒng)；二是討論了它們的運算性質(zhì)。給出了修正點態(tài)隨機(jī)梯度及其共軛的典則反交換關(guān)系、典則交換關(guān)系和冪零性。有了這些性質(zhì),進(jìn)一步構(gòu)造了酉算子群{Gσ;Γ}。另外,考慮了{(lán)s,的量子積分,得到了積分過程{Ut}t≥0, {Vt}t≥0和{Wt}t≥0的交換關(guān)系。

(3)若孔板需要修正，則結(jié)合步驟(2)中計算的測試孔板在正常操作條件下的泄放速率和實際需要的泄放速率，根據(jù)同一介質(zhì)不同孔板孔徑的泄放速率的關(guān)系，計算需要的孔板孔徑。

2.2 孔徑校核公式推導(dǎo)

計算公式(1)來自于Gas conditioning and processing[4](equation10.51)，為非穩(wěn)態(tài)氣體排放公式，適用于泄壓閥或孔板前后壓差較大的臨界流，用于準(zhǔn)確計算系統(tǒng)壓力由P1泄放到P2所需要的時間。加氫裝置由高壓反應(yīng)系統(tǒng)泄放至火炬系統(tǒng)，進(jìn)出口壓力相差遠(yuǎn)大于臨界壓力比，適用于該公式。該式表明系統(tǒng)由泄放初始壓力達(dá)到泄放終點壓力所需的時間與介質(zhì)性質(zhì)、系統(tǒng)容積、系統(tǒng)壓力、溫度及測試孔板孔徑有關(guān)。

(1)

式中：t-泄壓時間；B-系數(shù)，0.09;V-系統(tǒng)容積;Cd-泄放系數(shù)0.85;A-泄放閥泄放面積;Rd-氣體比重(M/29，M為氣體分子量);Z-氣體壓縮因子;T-操作溫度;P1-泄放初始壓力;P2-泄放終點壓力。

(2)

(1)式簡化為

(3)

設(shè)泄壓開始時t=0，系統(tǒng)的初始壓力為P0， t時刻的系統(tǒng)壓力為P，則有

lnP=kt+lnP0

(4)

將泄壓試驗記錄的壓力P求對數(shù)，對時間t作圖，可得到一條直線，設(shè)該直線斜率為ke，設(shè)kn為測試孔板在正常操作條件下緊急泄壓時lnP隨t變化的斜率值。由于泄放面積即孔板截面積A相同，根據(jù)式(2)有：

(5)

式中：Ve-泄壓試驗系統(tǒng)容積，m3;Vn-正常操作系統(tǒng)有效容積，m3；Te-泄壓試驗泄放溫度，K；Tn-正常操作泄放溫度，K；Me-泄壓試驗介質(zhì)分子量；Mn-正常操作介質(zhì)(循環(huán)氫)分子量；Ze-泄壓試驗介質(zhì)壓縮因子；Zn-正常操作介質(zhì)壓縮因子。

根據(jù)式(5)計算得到kn，然后根據(jù)式(4)計算使用測試孔板進(jìn)行正常操作緊急泄壓第1分鐘后的系統(tǒng)壓力P，從而判斷測試孔板是否滿足規(guī)定的泄壓速率。若不滿足，則需要對該孔徑進(jìn)行修正。

2.3 孔徑修正

設(shè)測試孔板孔徑為de，要達(dá)到規(guī)定的泄壓速率所需孔板孔徑為dr，正常操作緊急泄壓時lnP-t直線斜率為kr，由規(guī)定的泄壓第1分鐘后系統(tǒng)壓力P根據(jù)式(4)計算需要的kr值。由于介質(zhì)和操作條件、系統(tǒng)容積不變，根據(jù)式(2)，有：

(6)

從而可由de計算修正后的孔板孔徑：

(7)

3 實例應(yīng)用

由我公司設(shè)計的山東某煉廠100萬t/a汽柴油加氫精制裝置設(shè)有0.7MPa/min緊急泄壓系統(tǒng)，首次開工采用壓縮空氣進(jìn)行泄壓試驗(介質(zhì)分子量Me=28.95，壓縮因子Ze=0.99，泄放溫度Te=293K，系統(tǒng)容積Ve=334m3，測試孔板孔徑de=25mm)，表1為實際測得的系統(tǒng)壓力隨泄壓時間的變化。

lnP對t作圖，得到一條直線，如圖2所示。擬合數(shù)據(jù)得到該直線斜率ke=-0.017。

表1 系統(tǒng)壓力隨泄壓時間的變化

圖2 泄壓試驗lnP隨泄放時間t的變化

正常操作條件下泄放介質(zhì)為循環(huán)氫，分子量Mn=3.22，壓縮因子Zn=1.04，泄放溫度Tn=423K，系統(tǒng)有效容積(氣相體積)Vn=246m3，系統(tǒng)初始壓力P0=8.24MPa(絕)，根據(jù)式(5)：

由式(4)計算測試孔板在正常操作條件下第1分鐘后系統(tǒng)壓力：

結(jié)果表明，直徑為25mm的測試孔板可基本滿足0.7MPa/min的泄放要求，不需要修正孔徑。

4 結(jié)論

(1)加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)的泄壓速度與孔板孔徑、介質(zhì)特性、系統(tǒng)體積、壓力、溫度相關(guān)。

(2)本文推導(dǎo)的方法具有一定的實用性，可用于新建和改造的加氫裝置泄壓孔板校核。但由于計算采用的系統(tǒng)體積、溫度、介質(zhì)特性均為估算或模擬值，和實際操作時會有偏差，因而并不能通過孔板準(zhǔn)確控制泄壓速度。