流程模擬在聚乙烯裝置調溫水系統中的應用

劉興冰 中石化上海工程有限公司 上海 200120

聚烯烴工藝中的乙烯或丙烯聚合反應是放熱反應，若反應熱不能及時地被移除，反應系統很容易導致產品不合格及發生爆聚事故[1,2]，甚至發生火災爆炸危險。調溫水系統作為聚烯烴裝置的核心設施之一，其主要作用就是移除單體聚合反應時產生的反應熱[3]。調溫水系統通常由閉路調溫水通過換熱器直接移除反應熱，再利用開路循環冷卻水對閉路調溫水進行冷卻。由于整個聚合反應系統體積龐大、控制邏輯復雜，所以，穩定調溫水的各項參數指標才能保證裝置操作的安全性、穩定性。然而，設計時通?？紤]了裝置長期運行后設備、管道因結垢而阻力增大的工況，這些參數在裝置剛投入運行時往往會與設計值有偏差，特別是在開車過程中，裝置各參數處于調試中還未達到穩定狀態，調溫水系統中的各個操作控制參數包括調溫水量、調溫水溫度、調溫水泵出口壓力等，均需根據每個裝置特性逐一進行調整。而利用實際裝置進行測試確定調整方案難度較大、成本較高，因此，化工流程模擬成為了確定消除該偏差方案的經濟有效方法。

本文針對國內某聚乙烯裝置調溫水系統在開車過程中出現的參數偏差問題，采用Aspen HYSYS軟件對調溫水系統進行了穩態和動態流程模擬，并結合分析現場測試數據，確定了該系統偏差修正的最優方案。

1 聚烯烴調溫水系統

1.1 流程簡述

目前，國內各聚烯烴工藝技術中調溫水系統的設備配置、系統控制方案均大同小異，典型的聚烯烴反應調溫水系統流程圖見圖1。

圖1 典型的聚烯烴反應調溫水系統流程圖

本文研究的聚烯烴裝置采用氣相法聚乙烯技術。氣相反應物自反應器頂部連續排出，經循環氣壓縮機(K001)、循環氣冷卻器(E002)，再循環返回反應器床層。循環氣在循環氣冷卻器的管程，調溫水在殼程。調溫水通過離心式循環水泵(P001)在整個冷卻系統循環。調溫水在調溫水冷卻器(E001)內用開式循環冷卻水冷卻。在反應系統開車時，用蒸汽通過加熱器(E003)加熱調溫水，待反應建立后關閉蒸汽加熱，調溫水僅通過加熱器。該系統還設有一個膨脹罐(D001)。

反應器及調溫水的溫度通過冷水閥(TV001BA/BB)和熱水閥(TV001AA/AB)分別控制冷水、熱水流量，TV001BB、TV001AB分別為TV001BA、TV001AA的在線備用閥。通常，冷、熱水閥開度加和為100%，冷熱水進行混合調溫，以控制反應器溫度穩定[4-6]。但該裝置在調試試車過程中出現了與設計參數不匹配,并導致反應溫度不能穩定運行的情況。

1.2 現場問題

在運行調試過程中發現，調溫水系統中調溫水流量遠超設計值，調溫水泵電機運行功率逼近電機設計功率。若長期運行，不僅能耗高，還可能造成調溫水系統突然失控，影響反應系統撤熱，存在發生財產損失或安全事故的風險。為此，對現場運行數據與設計值進行對比，對比情況見表1。

表1 現場運行數據與設計值對比表

從表1可以明顯看出，現場實際運行的調溫水流量比設計值偏大約1500t/h、出口壓力偏低，調溫水泵電機功率接近額定功率。根據泵的特性方程與管路特性方程分析可知：泵運行點已遠離設計時的額定值。出現這種現象的主要原因可能有以下幾種：①調溫水泵現場實際性能比設計值大；②現場實際管路的阻力降比設計值??；③前面兩種情況同時出現。

為排查原因，現場進行了調溫水泵在線性能測試。通過強制調整調溫水系統管路中調節閥的開度來改變調節調溫水泵流量，并記錄泵出口壓力，得出表2數據。

表2 泵在線性能測試數據

從表2可以看出，泵入口壓力相對穩定，與實際情況相符(泵入口設有固定高度的膨脹罐)。調溫水泵現場測試計算壓差值與其出廠性能曲線計算壓差值相比有一定偏差，最大偏差值為6.6kPa，偏差1.9%。出現這種偏差的主要原因是:現場泵進出口管件數量、大小與出廠測試時有區別，加之泵進出口壓力表安裝位置與出廠測試不一致。但偏差較小，在工程上是可以接受的。因此，可以得出，調溫水泵性能滿足設計要求。那么，出現上述調溫水流量偏差的主要原因可能是：現場實際管路的阻力降比設計值小，從而導致調溫水泵運行點遠離設計額定值。

由于整個調溫水系統阻力降分布在循環氣冷卻器、調溫水冷卻器、調節閥、管路以及其它管件等多個部分，系統比較復雜；若停車進行測試，經濟損失較大。因此，利用實際反應裝置的調溫水系統做相應的測試是不實際的，同時現場也不具備管路系統阻力降測試條件。為此，化工流程模擬技術成為解決該偏差問題的首選方法。

隨著計算機軟件在化工過程模擬系統的廣泛應用，越來越多的工程設計、運營用戶采用流程模擬軟件進行化工工藝設計計算、操作條件的分析及確定[7-10]。而眾多流程模擬軟件中[11]，Aspen HYSYS具有與序貫求解不一樣的信息數據雙向傳遞特點，適合本系統使用。

2 穩態模擬

2.1 穩態流程模擬

按照實際調溫水系統工藝流程圖，結合圖2所示調溫水三維模型中的管道數據，搭建了調溫水系統穩態模擬流程，見圖3。

圖2 調溫水系統三維模型截圖

圖3 調溫水系統穩態模擬流程

將各主要設備在設計時正常操作參數輸入穩態模型，匯總見表3。

表3 穩態模擬輸入參數及運行結果

穩態模擬結果顯示，需要調溫水泵提供壓差為313.2kPa，而實際調溫水泵能提供壓差為463kPa，即，模擬計算系統阻力降比原設計阻力降值少149.8kPa。

從穩態模擬結果可以看出，整個調溫水系統阻力降比設計時偏小，進而造成泵出口流量偏高，電機功率超出正常值。造成這個偏差的主要原因是:設計時考慮了裝置長期運行后設備、管道因結垢而阻力降增大的工況，而現有調溫水管路系統是新系統，初期運行階段裕量相對較大、系統阻力降相對較小。根據穩態模擬結果，建議解決方案：適當調小調溫水泵出口手動蝶閥的開度(正常情況下蝶閥全開)以增加調溫水管路系統阻力降，減少泵流量，降低電機運行功率及能耗。

2.2 現場測試與分析

隨后，對上述建議方案進行了現場測試。詳細測試數據見表4。

表4 調溫水泵出口手動蝶閥開度調節現場試驗數據

通過以上調溫水泵出口手動蝶閥開度調節的現場試驗結果可以看出，當調溫水泵出口手動蝶閥開度在30%時，能夠有效地將調溫水量控制在設計值5000t/h左右，驗證了方案的可行性。

但用戶綜合考慮，認為若采用該方案長期運行，由于沖擊厲害，容易造成蝶閥機械損壞，希望提供更“經濟、有效、穩定”的方案。

通過穩態模擬結果分析知道，增加調溫水管路系統阻力即可。因此。在調溫水泵出口手動蝶閥全開情況下，建議對TIC控制器的最大輸出作調整，例如將冷熱水閥開度加和從100%下調至其它某一值，限制冷、熱水調節閥的最大開度以滿足裝置正常生產需要5000t/h調溫水的要求。此方案既不涉及現場硬件設備的調整或更換，又能保證手動蝶閥全開。

3 動態模擬

3.1 參數輸入

由于穩態模擬中僅考慮了一個正常操作工況，沒有考慮調節閥開度、泵性能變化、換熱器阻力降隨流量變化等情況，所以，穩態模擬無法對控制方案調整后的效果進行評估。需進行動態模擬來確定調溫水系統冷、熱水閥開度加和最優值，得到最優的操作變量，指導現場調試，確定最終方案。

(1)換熱器阻力降

HYSYS中換熱器阻力降與流量的關系可以簡化為如下式(1)：

(1)

式中，flow為流量，kg/h；density為密度，kg/m3；k為換熱器壓力降-流量系數，kg/hr/sqrt(kPa-kg/m3)；P1-P2為換熱器阻力降ΔP，kPa。

通過HTRI換熱器計算軟件，分別對循環氣換熱器E002、開車加熱器E003在不同流量下的阻力降進行核算，并回歸擬合得出系數k分別為17898.8和27384.1kg/h/(kPa-kg/m3)1/2。圖4和圖5分別表示循環氣冷卻器和調溫水加熱器的阻力降(P1-P2)1/2與流量(flow)的關系。

圖4 循環氣換熱器E002阻力降與流量關系

圖5 調溫水加熱器E003阻力降與流量關系

同理，對E001進行計算，得出k為20580.6kg/h/(kPa-kg/m3)1/2。

(2)泵性能曲線

調溫水泵性能曲線由泵廠家提供，揚程H、效率n、軸功率P與流量Q的關系見圖6。

(3)閥門參數

圖6 泵揚程H、效率n、功率P與流量Q的關系

調溫水系統中的調節閥主要是冷、熱水調節閥，流量系數Cv值根據最終選型閥門廠家提供，詳見表5。

表5 主要閥門CV值列表

調溫水泵出口手動蝶閥開度與流量系數曲線根據蝶閥廠家提供，見圖7。

圖7 泵出口手動蝶閥開度與流量系數曲線

(4)其他參數

其他管道及管件參數與穩態模擬一致，根據三維模型輸入?？刂崎yP、I、D參數根據現場實際組態參數輸入。

3.2 動態流程模擬

(1)動態模型驗證

首先，以穩態模擬計算結果為初始值，在正常操作工況下，對上述“調小出口蝶閥開度”方案進行復合驗證。即在正常操作工況穩定運行一段時間后，將蝶閥開度逐步從100%調整為35%，步長為10%，得到圖8所示曲線結果。

圖8 泵出口手動蝶閥開度對流量的影響

從圖8可以看出，開度為50%時，泵流量為6000t/h；開度為40%時，泵流量為5300t/h；開度為35%時，泵流量為4610t/h。模擬結果與表4中現場測試結果接近，但在相同流量下，蝶閥開度與測試值有約5%的偏差，出現這個偏差的主要原因是手動蝶閥的流量系數為估算值，與真實值有偏差。

隨后，修正手動蝶閥Cv估算值，將其調大7%后再次計算，模擬結果與測試值偏差縮小至1%以內。

(2)冷、熱水閥開度加和計算

將泵出口手動蝶閥全開，冷、熱水調節閥開度之和置于100%，調節TIC101自動控制冷水調節閥使調溫水溫度穩定在40℃，熱水調節閥開度等于100%減去冷水調節閥開度。反應熱負荷為定值，開路循環水量由TIC100自動控制。當穩定運行一段時間后，強制調整冷、熱水調節閥開度之和，使其按每小時5%梯度逐漸調小。運行結果見圖9。

圖9 冷、熱水調節閥開度和減小對流量的影響

從圖9可以看出，隨著冷、熱水調節閥開度加和的減小，泵出口流量也隨之減少；當加和從100%減少到85%時，調溫水量從5740t/h減少到5500t/h；繼續減少到65%時，調溫水量達到5000t/h；當冷、熱水調節閥開度之和突然下調時，調溫水溫度會波動下降，最大波動為偏離設定值-1.3℃；當調整結束,泵流量穩定后，溫度會逐漸穩定在設定值附近。

為了驗證改變冷熱水調節閥開度加和后，調溫水系統對反應熱負荷變化的靈敏度，進行如下模擬：當冷、熱水調節閥開度加和為85%時，對反應器熱負荷加以擾動，見圖10。

圖10 反應熱負荷擾動對冷、熱水調節閥開度的影響

可以看出，當反應器負荷變化后，調溫水泵流量始終維持穩定，冷熱調溫水閥能夠快速響應，調溫水水溫波動后快速趨于設定值；當反應器負荷變化5%時，調溫水溫度最大波動為0.7℃，約1小時后逐漸趨于穩定?；謴头€定之后，將控制方案調整為:由反應器進口溫度串級調溫水溫度來控制冷水閥，并對反應器產量變化率波動加以噪音(noise)干擾以觀察反應器進出口溫度及冷水閥開度變化，見圖11。

圖11 產率波動對反應器溫度、熱負荷及冷水閥開度的影響

從圖11可以看出，隨著產率的波動，熱負荷及反應器出口溫度隨之波動；而調溫水溫度、反應器進口溫度則相對比較穩定；冷水閥開度較為穩定。

綜上，強制冷、熱水調節閥開度加和調整至65%-85%時，調溫水量能夠平穩地將流量控制在5000-5500t/h附近；系統對反應器熱負荷擾動變化響應迅速，調溫水溫度及反應器進口溫度能很好地維持。從動態模擬結果看，調小冷、熱水調節閥開度加和的方案在理論上可行。

3.3 現場測試與分析

根據上述動態模擬結果及分析得出：當冷、熱調節閥開度加和調整到65%-85%時，能夠解決調溫水量出現的偏差、調溫水溫度波動較大問題。為了進一步驗證方案的可靠性，進行了該方案的驗證性測試。為了保證調溫水系統有10%余量以應對110%生產負荷，確定測試方案中冷、熱調節閥開度加和為85%。

測試工況一：IC001BA+TIC001AA=100%；通過強制調整TV001BA開度，觀察調溫水流量。

測試工況二：TIC001BA+TIC001AA=85%；通過強制調整TV001BA開度，觀察調溫水流量。

測試結果見圖12。

圖12 工況一、二測試記錄數據(開度加和100%、85%)

工況一時，泵出口總流量在5600t/h左右；TV001BA在80～100%開度時，流量在5600～5300t/h之間變化。工況二時，泵出口總流量在5300t/h左右；TV001BA在80～100%開度時，流量在5300～4900t/h之間變化。二個測試工況，泵出口壓力均在0.51～0.56MPa(G)之間變化。

從以上測試數據可以看出，測試結果與動態模擬計算結果趨勢一致；在開度加和100%下，動態模擬值比測試流量值偏大140t/h左右，偏差約2.5%；在開度加和85%下，動態模擬值比測試流量值偏大200t/h左右，偏差約4%。測試結果與動態模擬結果出現的偏差原因應該在于：動態模擬中流量計、壓力表等少數管件未計算阻力降，此偏差在工程設計可接受范圍內。根據現場反饋，自調溫水系統優化后運行一年多以來，調溫水系統控制穩定，反應器溫度控制良好，表明本動態模擬模型適用于該調溫水系統。

4 結語

(1)通過穩態模擬結果分析，確定了調溫水系統流量偏高主要原因是:調溫水管路系統設計裕量偏大，導致裝置現場實際阻力降較設計值偏小，同時排除調溫水泵性能原因，并通過現場測試驗證了穩態模擬的結果。

(2)通過動態模擬，確定了更優的調整方案，即當冷熱水調節閥開度加和在65%-85%時，能夠將調溫水量穩定控制在5000-5500t/h左右，系統對反應器熱負荷變化擾動反應較快，能夠穩定控制調溫水溫度和反應器進口溫度。

(3)現場測試結果與動態模擬結果接近，與實際運行數據相當，模型適用于該調溫水系統。修改方案在裝置運行中得到驗證，解決了調溫水系統流量偏差問題，穩定了反應器進口溫度。