減溫減壓裝置選型及計算

                   上海申弘閥門有限公司

之前介紹 豎式安裝自力式壓力減壓閥注意事項，現在介紹減溫減壓裝置選型及計算減溫減壓器是一種將一次（新）蒸汽壓力P1、溫度t1進行減溫減壓，使其二次蒸汽壓力P2、溫度t2達到生產工藝所需的要求。廣泛用于熱電廠、集中供熱、食品工業、石化工業、紡織工業、橡膠工業、造紙和紙槳工業、煙草工業、制藥等其它很多行業。在以供熱為主的電廠中主要應用于鍋爐過熱器出口、汽輪機旁路、電廠內部各品質蒸汽管網之間的旁路系統等。以鍋爐過熱器出口為例，鍋爐產生蒸汽經過熱器出口到汽輪機做功，汽輪機對于進入的蒸汽參數有個范圍要求，如果過熱器出口的蒸汽參數超出汽輪機所要求的高限，就會對汽輪機造成損壞，所以必須用減溫減壓器將參數調整至適用范圍以內。該文結合工程實踐，著重闡述減溫減壓器系統的設置及工藝計算。
減溫減壓裝置選型及計算通過對其CGCC 的再分析進一步提高熱回收量，兩步工作反復進行直到得到令人滿意的結果。Briones 等[3]成功地應用了Liebmann 的方法進行了降低原油精餾系統能耗的改造。Bagajewicz 等對Liebmann 的方法作了進一步改進[4]。Mamdouh等提出了一種可以同時對現有蒸餾系統及其換熱網絡進行優化改造的系統方法[5]。由此可見，常減壓裝置生產的總拔出率和節能必須同時考慮，才能實現裝置整體優化。
1 流程概述
原油經過脫前換熱網絡、脫鹽罐和脫后換熱網絡后加熱到270℃進入初餾塔。初餾塔側線油
進入常壓塔第28 塊板。初底油經拔頭原油換熱系統換熱至300℃左右進入常壓爐，被加熱到362℃后進入常壓塔。常壓塔有三個側線產品，自上而下依次抽出常一線，常二線和常三線，首入各自汽提塔，經蒸汽汽提后，分別用泵抽出經換熱冷卻送出裝置。塔中部設常一中和常二中兩個中段回流，以保證塔的內回流和熱平衡。減壓塔開設四個側線，減一線餾分用泵抽出經換熱冷卻后部分出裝置，部分再冷卻作減頂回流。減二線餾分用泵抽出后經換熱冷卻后部分出裝置，部分再經換熱作減一中回流。減三線餾分用泵抽出后部分作重洗油，其余換熱冷卻后部分送出裝置，部分作減二中回流。減四線、減渣餾分用泵抽出分別換熱冷卻后送出裝置。

2 求解策略
2.1 常減壓裝置模擬與優化
用流程模擬軟件對常減壓裝置建立模型，選擇合適的物性方法，對不同工況下進行模擬和分析，并與裝置現狀進行對比，確認模型的可靠性。在保證產品質量的基礎上，分析各種因素對總撥出率的影響，得到*操作參數及下一步工作中所需的冷、熱物流基礎數據。
2.2 進行換熱網絡的*化合成
利用得到的物流數據，進行常減壓換熱網絡的*化合成，以確定理論上換熱網絡的大回收量和原油的換后溫度，為后續的優化設計確立目標。
2.3 對現有換熱網絡進行*分析
為使改造工程量小，對現有換熱網絡進行*分析，這是提高已有換熱網絡熱回收量的簡單而比較有效的方法。經分析，各個換熱單元熱負荷及物流進出口溫度分配可接近*，換熱面積可作相應的合理調整，換熱網絡結構得以優化，熱回收量大大提高。
2.4 對換熱網絡的進行優化設計
在前期所作過程模擬、換熱網絡的*合成和*分析等工作的基礎上開展進一步的工作，對其換熱網絡進行詳細的優化設計，其中包括換熱器的核算與優化設計，包括換熱網絡的全流程模擬等。經過進一步調優后，確定出改進后的換熱網絡優化的詳細結構，該結構將具備如下特點：充分利用現有設備，新增換熱器選用大殼徑以減少冷換設備數，各換熱單元熱負荷、傳熱溫差和壓強降分配合理。

3 常減壓裝置模擬優化
常減壓蒸餾裝置煉制原油的過程中，各線質量流率的總和占原油加工量的百分數稱為該原油的總拔出率。拔出率越高，所產生的經濟效益也越大。由于裝置的復雜性，影響拔出率的因素有很多，如常減壓塔各線采出、塔底蒸汽量、側線蒸汽量、泵回流的流量和溫度等等。本文采用基于敏感度分析的優化策略和方法[6]，在Aspen plus軟件中建立了常減壓裝置的模型，不包括換熱網絡，進行模擬分析，調節這些影響參數，使常減
壓的總拔出率大。

如將初頂油質量流率作為自變量，將初頂油干點、常頂油干點、常一線干點、常二線閃點和常三線72%點作為因變量。橫坐標為初頂油質量流率，縱坐標為各線產品質量，間隔為0.5℃。由于各線產品質量對應的溫度數量級不同，所以未能在圖中列出具體數值。圖中各線產品對應曲線斜率的大小與其對于初頂油質量流率的敏感度成正比，斜率越大，敏感度越大。從圖2 可以看出，初頂油質量流率對其干點影響顯著，隨著采出量的增加，干點急劇增大，質量迅速降低。其對常一線干點（EP）、常三線72%點（此處將產品體積餾出量為72%的沸點數據簡稱為72%點）、常二線閃點影響逐個減小，對常頂油干點幾乎沒有影響。通過上述方法，可以得到各線產品質量對其中某線采出量等影響因素的敏感度規律，為調優提供指導。
    對常減壓裝置進行調優，首先根據常減壓蒸餾裝置煉制某種原油的過程模擬，從前到后、從輕到重，在不考慮產品質量要求的情況下，逐個增大各線的質量流率，即將輕餾分盡量從輕產品中采出，而不是置于比其重的產品中采出，直至達到各線的大采出量。此時，各線質量流率的總和占原油加工量的百分數稱為該原油的理論拔出率，它是現有裝置煉制該種原油時的極限拔出率。根據各線產品質量流率對相鄰線產品質量的影響情況，如ASTM 干點、72%點和閃點等。根據敏感度分析結論，按照從前到后、從輕到重的原則和影響程度的大小依次減少各線的質量流率，直到各線產品均能滿足質量要求。此時，各線質量流率的總和占原油加工量的百分數稱為該原油的實際大拔出率。實際大拔出率對應的原油生產的工藝條件稱為優化方案。
    根據敏感度分析的優化結果，和現有操作相比如表1 所示，裝置的實際大拔出率為68.3%，比現有拔出率提高3.8%，主要是提高了常頂油、常三線和減一線的采出量，降低了減二線和減三線的采出量。

2 減溫裝置 
減溫裝置通常的形式主要有一體式減溫閥，分體式減溫閥兩種；一體式的減溫閥所具有的優點在于檢修與安裝都十分方便，但由于此種減溫閥的噴嘴與套筒部分筒體都處于被減溫的高溫蒸汽之中，而被減溫蒸汽的溫度又遠高于減溫水的飽和溫度，通過套筒筒體的傳熱，部分減溫水已經在筒體內部汽化，由于一般減溫水都有著很高的壓力，產生的氣泡被壓縮到很小，但隨著減溫水經噴嘴噴注到蒸汽管道中后，蒸汽的壓力小于減溫水的壓力，小氣泡在極短的時間內在噴嘴出口處擴容，釋放的能量較大，運行的結果是減溫閥的噴嘴部分磨損很嚴重，影響減溫水的霧化效果。分體式減溫閥是由減溫水調節閥外加一個插入被減溫管道的噴嘴共同組成。（見圖1） 
本項目采用的減溫裝置是由一個單獨設置在減溫減壓器外部的減溫水調節閥與設置在減溫減壓器本體尾部的環狀減溫水噴嘴組成，一次蒸汽水平進，二次蒸汽下出。（見圖2） 
其優點是有效的控制了減溫水在噴嘴內部的汽化，多噴嘴在減溫段噴射，保證減溫水與一次蒸汽的充分混合，再結合角式減壓裝置，即使在蒸汽流速較低的情況下，減溫水在與一次蒸汽混合后向下流動，也可有效的控制低溫的減溫水汽化之前由于重力的因素與高溫的管道內壁接觸而產生管道材料的淬脆現象。 
上面兩圖中，水平設置的減溫管道在蒸汽流速較低或者噴嘴霧化效果不佳的情況下極易產生金屬淬脆現象，將影響管道的安全運行。豎直設置的減溫管道減溫水小液滴隨二次蒸汽向下流動，可有效的避免未汽化的液滴與高溫金屬內壁的接觸，從而減小發生金屬淬脆現象的產生。 
接下來根據下式： 
G2=G3（H1- H3）/（ H1- H2） 
G2―減溫水流量；H2―減溫水焓；H1 ―一次蒸汽焓；H3―二次蒸汽焓；G3―二次蒸汽流量。 根據250t/h的4.6MPa（G）、405℃二次蒸汽量，計算得到減溫水量為：20.2t/h；而后供貨商根據本設備所選噴嘴特性及霧化程度提供霧化后的減溫水所需汽化時間，根據二次蒸汽流速計算得到減溫混合段長度，對減溫減壓器后二次蒸汽管道進行設置。 

3 安全排放裝置的選型和計算步驟主要有下面幾點 
（1）減溫減壓器的安全閥其排放介質為過熱蒸汽，我們一般應選取全啟式安全閥。 
（2）根據被保護管道的設計壓力確定安全閥的整定壓力。 
高壓蒸汽管道設計壓力：5.2MPa（a） 
安全閥整定壓力：Ps=5.2MPa（a） 
積聚壓力Pa=0.03Ps=0.156 MPa（a） 
高泄放壓力：Pm=Ps+Pa=5.2+ 
0.156=5.356 MPa（a） 
（3）確定安全閥泄放量。 
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥因為減溫減壓器本身是由壓力調節閥與溫度調節閥組成，故其安全泄放量應定性的確定為控制閥故障及減溫減壓器后系統閥門誤關閉兩種情況。 
①減溫減壓器后系統閥門誤關閉工況時，其安全閥泄放量應為被關閉管道的正常大流量； 
②控制閥故障工況時，其安全閥泄放量應根據下式確定。 
W―安全閥泄放質量流量，kg/h；Cv1―控制閥的Cv值；Cv2―控制閥小流量下的Cv值；Ph―高壓側工作壓力，MPa；Gg ―汽相密度，kg/m3；T―泄放溫度，K。 
但在熱電廠內的減溫減壓器作為汽輪機旁路時，其控制方式與一般過程控制調節方式的不同之處在于其大多數情況不是持續的過程控制，而是作為事故工況下，比如抽凝式汽輪機跳車時，作為補充工業可調抽汽因抽凝機組跳車所損失的抽汽量的手段，故我認為一般此類型減溫減壓器計算安全泄放量時可考慮將減溫減壓器二次蒸汽的大流量作為其安全泄放量。 
根據以上兩種工況，我們選定安全閥的泄放量為250t/h（二次蒸汽全量放空），但由于一般與界外整個化工裝置區域的管網相比，動力中心內部管網總的容積并不大，這里考慮并聯兩臺125t/h排量的安全閥，且設置不同的整定壓力，使其在管道超壓時可依次起跳，以盡可能減小安全閥起跳對管網壓力的影響。 
（4）根據泄放量計算安全閥的小泄放面積。 
根據美國石油學會標準API RP-520中的規定首先應判斷是否為臨界流動 
Pb ―安全閥背壓，MPa；Pcf― 臨界流動壓力，MPa；P― 泄放壓力，MPa；k―絕熱指數。 
因安全閥后為接消音器排大氣，故根據安全閥泄放壓力計算屬臨界流動。氣體或蒸汽在臨界流動條件下的小泄放面積： 
a= 
a―小泄放面積，mm2；W―質量泄放流量，kg/h；C0―流量系數，對于全啟式安全閥取C0=0.67；X―氣體特性系數，取349.4；P―泄放壓力，MPa；Kb―背壓修正系數，彈簧式安全閥取Kb=1.0；T―泄放溫度，K；Z―氣體壓縮因子；M―分子量，水蒸汽為18。 
根據125t/h的泄放量，計算可得小泄放面積為：a=7682.01mm2，故，安全閥喉徑為：d=98.90mm，根據計算出的喉徑，初步選取國標安全閥，型號為：DN150 A48Y-64I，完成安全閥采購數據表。至此，關于減溫減壓器系統各裝置的設置及選型計算完成。 
綜上所述，我們在鎮海煉化100萬噸/年乙烯工程動力中心內所選擇的減溫減壓器為水平進下出的一體式減溫減壓器，減溫水調節閥至于減溫減壓器外部，一次蒸汽：操作壓力12.3MPa（G），操作溫度535℃，流量：229.8t/h；二次蒸汽操作壓力4.6MPa（G），操作溫度405℃，流量：250t/h；減溫水：操作壓6.0MPa（G），操作溫度158℃，流量：20.2t/h；減溫減壓器安全排放裝置選擇兩臺125t/h的安全閥，整定壓力分別為：Ps=5.2MPa（a）和Ps=5.1MPa（a），初部選取型號為：DN150 A48Y-64I。與本產品相關論文：Y42X-600LB美標彈簧薄膜式減壓閥