HYSYS动态模拟在空分装置预冷系统中的应用.docx

HYSYS 动态模拟在空分装置预冷系统中的应用杨少越;翁彩妹;孙淑飞;王志威【摘 要】 以某空分装置预冷系统为原型,结合 HYSYS 工艺流程模拟软件的特点,并 运用 HYSYS 软件稳态模拟和动态模拟的功能,对该预冷系统进行了模拟计算,同时 通过改变一些关键工艺参数来观察相应变量的变化,指导实际开车过程中预冷系统 工况调整的方向.【期刊名称】 冶金动力【年(卷),期】 2019(000)007【总页数】 4 页(P31-34)【关键词】 HYSYS;动态模拟;预冷系统【作 者】 杨少越;翁彩妹;孙淑飞;王志威【作者单位】 中国空分工程有限公司,浙江杭州 310051;中国空分工程有限公司,浙 江杭州 310051;中国空分工程有限公司,浙江杭州 310051;中国空分工程有限公司, 浙江杭州 310051【正文语种】 中 文【中图分类】 TB657.7前言空气预冷系统是空气分离设备的一个重要的组成部分，在空分装置中位于空气压缩 机系统之后，分子筛吸附系统之前，主要用来降低进分子筛吸附器的空气的温度与含水量。预冷系统主要由空冷塔、水冷塔、冷却水泵、冷冻水泵组成。在反流污氮 气或其他废气不足、常常增设冷水机组或直接用冷水机组代替水冷塔。而规模较小 的空分装置中会直接使用预冷机组代替空冷塔和水冷塔等组成的预冷系统。笔者所述的预冷系统为主要由空冷塔和水冷塔组成的预冷系统。合理地使用空气预 冷系统，充分利用干燥的返流气体(包括干空气、污氮气或氮气等)的吸附潜热， 有利于降低空分装置能耗，有利于空气分离设备长期安全地运转，特别是高温季节 尤为重要。1 空分装置预冷系统的工艺原理空冷塔和水冷塔均为直接接触式。在水冷塔中，反流干燥气体(主要是污氮气)通 过与循环水接触使其降温。其原理是由于循环水的水蒸汽分压力比未饱和空气的水 蒸汽分压力高，于是产生水表面水汽蒸发。水分蒸发成水汽时，要吸收大量的潜热， 就导致水和气体温度下降，整个过程是空气中的显热量转变成水汽的潜热量的一种 热交换。在空冷塔中，来自空气压缩机的高温空气进入空冷塔下部，经空气分配器 分配均匀后沿塔上升，在下段填料中与来自冷却水泵的循环冷却水换热。空气经初 步冷却后进入塔上段填料中，与来自水冷塔底部的冷冻水作进一步热质交换，最终 被冷却到较低的温度，同时部分 NOX、 SO2、 Cl+等有害物质也会被洗涤下来，最后空气出空冷塔，进入分子筛吸附系统。2 HYSYS 的稳态模拟和动态模拟功能介绍HYSYS 是世界著名油气加工模拟大型专家系统软件，广泛应用于石油开采、储运、 天然气加工、石油化工、精细化工、制药、炼制等领域，在全球石油化工模拟和仿 真技术领域占据主导地位1。 HYSYS 的模拟可以分为稳态模拟和动态模拟，在空 分行业里，稳态模拟可以实现稳态能量和物质平衡，并能评估不同的装置工况。我 们可以利用稳态模拟来优化生产过程，降低工程成本和设备成本，同时最大限度地 提高生产效率，这对我们进行空分装置的工艺和设备设计、优化有很大的帮助。流程动态模拟技术能够了解装置承受动态负荷的能力，分析装置的开停车过程及在 外部干扰作用下装置的动态性能，为装置及其控制系统的设计提供依据2。动态 模拟可以确认装置是否能够以安全和易于操作的方式运行。通过在动态模拟中定义 详细的设备规范，可以验证设备在实际工厂环境中是否正常工作。离线动态模拟还 可以优化控制器的设计，而不影响设备的盈利能力和安全性。在选择合适的控制策 略之前，还可以设计和测试各种控制策略，并检查系统扰动的动态响应，从而优化 控制器的参数。通过动态分析识别装置稳态目标中难以实现的特定区域，提供反馈 并改进稳态模型。在 HYSYS 中，对过程系统的动态分析可以在不可能进行稳态建 模的情况下提供对过程系统的深入了解。在实际工程项目中，空分装置从来没有真 正处于稳定状态。进料和环境的干扰，热交换器的污垢，阀门的开闭，不断扰乱一 个顺利的运行过程的条件。利用 ASPEN HYSYS 动态仿真工具可以对过程系统的 瞬时行为进行研究。3 预冷系统的模拟计算3.1 稳态模拟参数和计算稳态流程模拟是化工流程模拟研究中开发最早、应用最普遍和发展比较成熟的一种 重要技术。稳态模拟的目的就是用适宜的系统数学模型来预测过程的稳态性能。它 包括物料衡算和能量衡算、设备尺寸和费用计算以及过程的技术经济评价。本项目预冷系统首先采用稳态模拟建立系统模型，流程模拟中原料空气各个组分的 具体含量如表 1 所示。预冷系统的主要工艺参数如下：空冷塔空气进口温度：105；空冷塔空气进口压力：0.95 MPa (A)；循环水进水温度：32；循环水回水温度：42；污氮气流量： 18500 m3/h；污氮气温度：25。 表 1 原料空气组分? 根据工艺参数，可以建立相应的稳态模型，由于空气进空冷塔的温度、压力及流量 已经给定，因此只需要根据这些参数，调整冷却水及冷冻水的流量，使进空冷塔的 冷冻水与出空冷塔的空气之间的温差约为 1.5，冷却水出空冷塔的温度约为 42。整个计算调整过程比较简单，这里就不再赘述。由于冷冻水出水冷塔的温 度在 14左右，因此笔者讨论的预冷系统中暂不考虑使用冷水机组。 3.2 动态模拟的控制设定 在 HYSYS 中，要从稳态模拟切换成动态模拟，控制器的使用必不可少，在常规的 动态模拟模型中， PID 控制器是在动态模拟中可以用来操作和控制过程变量的主要 工具。 PID 控制器中的导数作用可以进一步减小 PI 控制器的自然周期，通过测量 误差的变化率，控制器可以预测误差的方向，从而比没有导数作用的控制器更快地 响应。我们可以通过修改 PID 控制器中的优化参数来实现各种反馈控制方案。包 括修改参数调整控制器中的比例、积分和导数动作，从而达到控制的目的。常用的 PID 控制器有如下几种3 ： ( 1 )流量控制器：主要控制系统中的流量，如图 1， FIC-100 主要用于控制空气 进空冷塔流量， FIC-101 主要控制冷却水进空冷塔流量， FIC-102 主要控制冷冻水 进空冷塔流量。 ( 2 )液位控制器：主要通过设置容器中液位比例，达到控制容器液位的目的。如 图 1 中 LIC-100 所示。由于预冷系统静态模拟计算中空冷塔为 Absorber 模型， 没有液位控制参数，所以在动态模拟中将空冷塔换成了带蒸发器的 ReboiledAbsorber 模型，以便设置空冷塔底部液位。 ( 3 )压力控制器：主要用于控制调压阀，以达到调节压力的目的。(4)温度控制器：在控制点温度变化可能比较大的情况下设置，以达到控制温度 的目的。图 1 空冷塔的动态模拟模型在 PID 控制器的设置中， Tuning Parameters 中 Kc 和 Ti 是经常需要设置的参数。 Kc 为增益参数， Ti 为积分常数， Td 为导数常数。在流量控制器中，为使流量测量能更好地跟踪设定点， Kc 值在 0.40.65 之间， 积分常数 Ti 在 0.05 0.25 min 之间。由于流量控制响应快，可以有效地作为串 级控制结构中的二次控制器。控制回路中的非线性会使控制回路在不同的工作条件 下变得不稳定。因此，应该使用最高的 Kc 值来调整控制器。如果达到稳定极限， 则 Kc 值应降低，但 Ti 值不应降低。液位控制本质上是一个单一的支配数值，不会引起死循环。通常情况下使用 P 控 制形式就可以，如果对液位控制要求较高，才需要使用 PI 控制器。如果需要 PI 控 制，则通常将液位控制器 Kc 设置在 2 到 10 之间。积分常数 Ti 应设定在 1 5 min 之间。气体压力控制与液位控制类似。改变进出容器的流量控制容器压力。控制器 Kc 应 设置在 210 之间，积分常数 Ti 应设置在 2 10 min 之间。与液位控制一样，确 定什么对压力影响最大也是必要的。温度动态响应一般较慢，因此采用 PID 控制。通常控制器 Kc 在 210 之间，积 分常数 Ti 应该设置在 2 10 min 之间，导数常数 Td 应该设置在 0 5 min 之间。 3.3 动态模拟的建立和运行分析在进行动态模拟模拟之前，阀门参数和塔设备参数的设置也是十分必要的，一般在 阀门开度为 50%的情况下，点击 Size Valve 按钮自动匹配阀门尺寸。塔器设置直 径、塔板高度、蒸发器尺寸等。设置完成后打开 Dynamics Assistant ，点击测试 并根据提示做相应修改，修改完毕后正式进入动态模拟。菜单栏 Simulation 中的integrator 功能，可以调节当前模拟时间，结束时间及实际时间因子等，也可暂 停、继续、复位等。对于想要观察的变量，可以建立 Stripchart 并设置横坐标和 纵坐标的范围，以便于更好地观察，如图 2 所示。图3 为建立动态模拟后循环水 出空冷塔温度随时间的变化曲线。图 2 循环水出空冷塔动态模拟窗口图 3 循环水出空冷塔温度动态响应图为了更好地匹配项目实际情况，我们往往需要调整 Kc、 Ti、 Td 等常数的值。如图 4 所示，当控制器 FIC-101 中 Kc=0.25，Ti=1 时，冷却水进空冷塔流量从 105 t/h 减到 85 t/h 需要 20 min 左右，阶跃响应速度与实际项目中流量的调节严重不 符。而当调整 Kc=0.5，Ti=0.05 后，相同的冷却水流量变化响应仅需 1 min 便可 完成，与项目实际情况相近，如图 5 所示。图 4 冷却水进空冷塔流量动态响应图图 5 调整后的冷却水进空冷塔流量动态响应图4 结束语笔者基于预冷系统的工艺计算，应用 HYSYS 计算软件先建立稳态模拟模型，再设 置 PID 控制器以及阀门和设备参数建立了空冷塔动态模拟模型，动态模拟工况与 设计工况基本吻合。另外通过动态模拟中变量的阶跃响应，可以更形象地观察装置 的温度、压力、流量、组分等参数的变化规律，对于深入了解装置运行具有较大的 帮助。空分装置的精馏系统也可应用动态模拟，其原理基本相同，只是空分精馏工 况的建立相较预冷系统更为复杂和缓慢，因此对于 Kc 和 Ti 等常数的设置应予以特 别关注。参考文献【相关文献】1 李士富，韩志杰.基本负荷型天然气液化 HYSYS 软件计算(一) J .北京：石油与天然气化工， 2009.2李苏巧.空分 18000 m3/h 纯氮装置流程的稳态及动态模拟D.天津：天津大学硕士学位论文， 2013.3Deepak Kumar Bhunya.Simulation Study of Cryogenic Air Separation Unit Using Aspen Hysys At Rourkela Steel PlantD.India:A thesis for the degree of Master of Technology in Mechanical Engineering,National Institute of Technology Rourkela.