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        基于Unisim動態(tài)模擬的高壓緩沖罐內氣體狀態(tài)的分析

        2021-03-09 08:26:56
        低溫與特氣 2021年1期
        關鍵詞:空分環(huán)境溫度高壓氧

        賴 寒

        [林德工程(杭州)有限公司,浙江 杭州 蓮花街333號 蓮花商務中心 北樓 310012]

        0 引 言

        近幾年來,隨著煤化工、煉化一體化項目的大力推進,與之配套的空分規(guī)模越來越大,呈現(xiàn)出單套空分裝置能力趨于8萬、10萬甚至更大等級、多系列的特點。空分裝置作為全廠的供輔單元,其重要性不言而喻,不穩(wěn)定供氣的空分單元將造成全廠輕則減產,重者全廠停車,甚至造成安全事故。因此對于空分裝置的供氣可靠性提出了嚴苛要求。為了提高空分單元供氣的可靠性,一套完善的后備系統(tǒng)將是完美的解決辦法。

        對于煤化工項目來說,其最重要的特點是要求穩(wěn)定運行,牽一發(fā)而動全身,即使在裝置跳車的情況下,也要求空分單元連續(xù)供氣,維持生產??辗盅b置跳車,后備系統(tǒng)啟動,中間一定會留下一定時間的真空期,出現(xiàn)沒有氣體供入管道而下游持續(xù)生產的情況,管網壓力瞬時降低。為了解決這一問題,現(xiàn)在大多數(shù)大型空分的后備系統(tǒng)均配置高壓緩沖罐,特別是高壓氧緩沖罐,在收到裝置停車信號和管網壓力降低的瞬間,即可打開閥門向管網補氣,有效的解決了管網壓力下降的問題,維持下游穩(wěn)定運行,后備系統(tǒng)簡圖如圖1。

        圖1 后備系統(tǒng)簡圖

        高壓緩沖罐的工作特點屬于養(yǎng)兵千日,用兵一時。平時處于備用狀態(tài)時,里面充滿高壓氣體進行保壓,當下游需要時則迅速釋放高壓氣體送入管網,維持管網壓力的穩(wěn)定,泄壓結束后需要再次對緩沖罐進行補氣,維持備用能力。由熱力學狀態(tài)方程得知,氣體在壓縮、膨脹時均會產生溫度變化,或者在溫度變化時對壓力會有影響,不同的壓力、溫度對于緩沖罐的備用能力產生較明顯的變化。就此,筆者擬從充壓、泄壓、大氣環(huán)境三個因素對高壓緩沖罐內氣體的溫度、壓力變化進行研究,并且借助于Unisim的動態(tài)模擬功能,以便能正確的描述紊態(tài)狀況下的氣體狀況。

        1 緩沖罐泄壓過程

        由于其具備穩(wěn)定管網壓力的特殊作用,要求高壓緩沖罐具備快速泄壓的能力,約30~60 s內將罐內壓力從超高壓降低至適合的管網工作壓力,例如從15 MPa(A)降至10 MPa(A)。由于時間非常短,罐內氣體與緩沖罐的傳熱系數(shù)較低,所以在30~60 s內的泄壓狀態(tài)下可近似認為絕熱過程,絕熱過程中工質與外界無熱量交換。罐內氣體可用絕熱膨脹來描述,該狀態(tài)方程如公式(1)。

        (1)

        式中,T1,p1表示初始的溫度K和壓力MPa(A);T2,p2表示終態(tài)的溫度K和壓力MPa(A);k表示氣體的絕熱指數(shù)。

        以50 m3的高壓氧緩沖罐在不同地域的泄壓過程為例說明,見表1。

        表1 高壓氧罐的泄壓過程

        從表1可以看出,泄壓過程中罐內氣體溫度迅速下降約30 K,表明在不同的地域、不同的環(huán)境溫度下,泄壓過程結束時氣體溫度略有不同,取決于環(huán)境溫度,終態(tài)時溫度可低至零下。由絕熱膨脹公式可知,越大的壓降將會導致更大的溫度降低。氣體的溫度降低,隨著時間的推移,必然導致緩沖罐本體溫度有所下降,在緩沖罐的設計選材上,還應考慮緩沖罐的溫度,選擇合理的材料。

        2 緩沖罐充壓過程

        充壓不同于泄壓過程,條件允許的情況下可適當降低充壓速度,沒有嚴格的時間要求。但是多長時間充滿,取決于設計人員對于空分裝置可靠性的判斷,裝置先進、可靠性高,則可以以最少的充壓設備投資,緩慢充壓??紤]到充壓時間較長,長達幾個小時,這時考慮到實際情況,罐內氣體和緩沖罐之間的傳熱以及同外界環(huán)境的換熱不可忽略,本文將采用Unisim的動態(tài)模擬功能來加以描述。

        1.表2為不考慮與外界環(huán)境的換熱,環(huán)境溫度T=293 K,依然考慮絕熱壓縮,則可以得出絕熱壓縮后終態(tài)氣體溫度達到328.8 K,溫升達到35.8 K。

        表2 高壓氧罐的絕熱充壓過程

        2.表3為環(huán)境溫度T=293 K,考慮環(huán)境換熱,采用動態(tài)模擬得出的數(shù)據,終態(tài)時氣體溫升為28 K,小于絕熱壓縮的35.8 K,假定外表面換熱系數(shù)為10 W/(m2·℃),則與環(huán)境的換熱量為13.5 kW。

        表3 高壓氧罐的快速充壓過程

        從圖2可以看出,在經過約20 min即完成了對緩沖罐的充壓。

        圖2 罐內氧氣溫升

        3.如果采用更加慢速的充壓,溫升會是多少呢。見表4,環(huán)境溫度T=293 K,考慮與環(huán)境換熱,實行緩慢充壓,約60 min充滿緩沖罐,終態(tài)時氣體溫度為311 K,溫升僅18 K。慢速充壓可減少壓縮熱量,降低罐內的氣體溫度,還可以降低充壓設備的投資,經濟性較高。

        表4 高壓氧罐的慢速充壓過程

        建議在實際中,可采用更慢的方式充壓,將充壓時間延長至幾個小時,則氣體溫升可大大降低,經濟性更高。

        4.充壓結束后,緩沖罐處于備用狀態(tài),由于緩沖罐與環(huán)境溫度存在著溫差,隨著與環(huán)境的換熱,罐內氣體溫度下降,壓力降低,從圖3可以得出,約7~8 h后,換熱趨于平穩(wěn),壓力穩(wěn)定在13.83 MPa(A),降低了1.17 MPa(A)。為了保證緩沖罐的足夠的備用能力,還應重新對緩沖罐進行充壓,然后靜置,直至將緩沖罐壓力維持在設計狀態(tài)。

        圖3 與環(huán)境換熱的罐內氧氣溫度

        3 大氣溫度的影響

        從圖3觀察到,環(huán)境溫度的高低會影響罐內氣體壓力的變化。如果高壓緩沖罐安裝在西北區(qū)域,具有春夏季早晚溫差大的特點,對于一個正常備用的緩沖罐,其內部氣體壓力的影響,將借助于Unisim的動態(tài)模擬進行計算。

        假設如下條件:夏季凌晨溫度為10℃,在正午12點溫度升高至35℃。

        高壓緩沖罐設計的常規(guī)工作壓力為15 MPa(A),機械設計壓力16.8 MPa(A)。從圖4看出,到正午12點時,由于環(huán)境溫度的升高,罐內壓力可提升至16.8 MPa(A),達到設計壓力值。如果某個地區(qū)早晚溫差更大,那么罐內壓力肯定存在超過機械設計壓力的風險,那么在設計上可采取以下幾個防范措施。

        圖4 高溫環(huán)境下的罐內氧氣溫升

        1.配置熱力安全閥;

        2.早晚溫差大的地區(qū)將常規(guī)工作壓力維持在低于15 MPa(A)的水平。

        4 總 結

        通過前面的幾個因素分析,可知高壓緩沖罐在充壓、泄壓、備用時均存在壓力、溫度變化的情況,如果不采取合理的措施,可能會出現(xiàn)備用能力短缺、超過機械設計壓力等風險,在實際操作中,應隨時關注以下工況。

        1.充壓時,應盡可能降低充罐速度,拉長時間,減少壓縮熱,避免出現(xiàn)備用能力不足的問題;

        2.泄壓時,由于近似于絕熱膨脹,罐內氣體溫度降低明顯,在緩沖罐設計時應加以考慮;

        3.備用時,還應隨時關注天氣溫度狀況,在早晚溫差大的地區(qū),罐內工作壓力宜維持在稍低的水平,避免超壓的風險;

        本文結合Unisim的動態(tài)模擬功能,針對高壓緩沖罐在實際應用中可能出現(xiàn)的幾種工況作了研究。希望在緩沖罐設計時,能結合實際情況,設計出完善的后備系統(tǒng)。

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