采用水煤浆气化技术生产合成气的过程中，氧气与水煤浆须按一定比例送入气化炉。某项目采用GE水煤浆气化技术生产合成气，共配置3台气化炉(2开1备), 来自空分主装置冷箱的氧气(99.6%，体积分数，下同)分2路进入气化炉。由于氧气的供应状况对合成气生产异常重要，因此特别设计了1个氧气安全系统和1个后备系统，当氧气安全系统出现异常情况时立即投用后备系统，尽可能减少损失。所设计的后备系统能否满足工艺要求，方法之一是建立生产过程物理模型，通过物理模型模拟分析过程行为，但此方法耗资、耗时，实施起来比较困难。另一个方法是动态模拟，在模拟过程中体现系统各参量值，通过人为改变参数，逼真地再现系统的变化历程^[1]。本文采用SIMSCI公司的DYNSIM软件，通过动态模拟分析氧气总管阀门出现故障(本模型特指氧气总管阀门XV1故障)而启用氧气安全系统后各工艺参量的变化情况，使设计者全面、细致、切合实际地了解流程中各参数的变化规律，更好地完成设计工作。

空分装置送往气化装置的氧气安全系统工艺流程见图 1。系统中的介质为氧气，其中O₂占99.6%，Ar占0.4%。热力学方法采用SRK方程，主要设备和管件参数见表 1，主要控制器参数见表 2。

图 1

空分装置送往气化装置的氧气安全系统工艺流程

本文主要考察当氧气总管阀门XV1出现故障时，氧气安全系统中的氧气罐(V1)的缓冲能力。根据工艺要求，PIPE2和PIPE3的流量设定值为19 795 m³/h(标态)，且生产过程中不能低于该值的50%。当XV1出现故障时，假设PIPE2和PIPE3的流量不变，当V1压力由16.0 MPa下降至8.5 MPa时所经历的时间用SRK方程来计算，其形式为：

对于物质i, 则有：

式中：T_c—物质的临界温度；

P_c—物质的临界压力；

T_r—对比温度；

ω—偏心因子^[2]。

经查，O₂的T_c，P_c和ω分别为154.6 K，5.05 MPa和0.021，Ar的T_c，P_c和ω分别为150.8 K，4.87 MPa和0.000。通过SRK方程可以得到对应压力下的物质的量体积，由氧气罐的体积V₁计算得到对应的物质的量，再由下式计算时间：

式中：n₁，n₂—分别为氧气罐内起始和终止状态下物质的量；

F—氧气总管流量。

若F=39 590 m³/h(标态)不变，计算得ΔT₁为73 s；若F=19 795 m³/h(标态)不变，则计算得ΔT₂为146 s。按此计算，氧气罐的缓冲时间应在73~146 s。事实上，氧气总管流量是在不断变化的，那么缓冲时间究竟为多少，此过程中系统各参数的变化趋势如何，就需要借助动态模拟再现系统中各参数的变化。

模型建立之后，首先将XV6关闭，待系统运行至稳态时，记录一个稳态点。人为设置XV1故障，同时打开XV6，氧气总管流量变化见图 2(图 2中每格为20 s，下同)，氧气总管和支管流量变化见图 3，氧气总管压力和氧气罐压力变化见图 4，PV2开度变化趋势见图 5。

图 2

氧气总管流量变化

图 3

氧气总管和支管流量变化

图 4

氧气总管压力和氧气罐压力变化

图 5

PV2开度变化趋势

由图 2可看出：在XV1出现故障之后，打开XV6，氧气总管的流量急剧下跌；而启用氧气安全系统的氧气总管流量可以维持一段时间，之后才逐渐下降。

由图 3可看出：采用氧气安全系统之后，氧气总管和支管的流量变化趋势相同，总管流量为支管流量的2倍，且2条支管流量相同，曲线重合；经过约85 s，系统中流量降至正常值的50%。

由图 4可看出：采用氧气安全系统后，氧气罐压力随流量减小而逐渐降低；氧气总管压力则先略微上升，约20 s后又逐渐下降，这是因为氧气罐的起始压力为16.0 MPa，远大于气化炉工艺烧嘴的压力。

从图 5可看出：启用氧气安全系统后，PV2的开度先略微降低；之后随着氧气罐压力逐渐降低，氧气总管压力逐渐下降，而PV2的开度逐渐增大，直至最后完全打开。

通过动态模拟，对系统中各工艺变量的变化趋势有了一个很直观的了解。经分析，在氧气总管阀门出现故障后，采用氧气安全系统可以使系统维持约85 s，在此段时间内，完全可以启动后备系统使装置尽快恢复正常运行(后备系统中泵的开启时间约为70 s)，以减少不必要的损失。

本文用DYNSIM软件模拟了一个小的工艺过程，该软件也可以用于模拟化工装置的开、停车过程，在此过程中不仅有大量的设备需要投用或停止运转，而且有大量的物料需要处理，因此，开、停车过程在整个化工生产中占有极其重要的地位。采用动态模拟可系统地研究开、停车过程，通过人为设定一些故障，分析开、停车过程中可能出现的各种影响因素，提前做好必要的应对措施^[3]。此外，采用动态模拟还可方便地寻求技术先进可靠、操作优化合理的工艺流程，也可用其对生产过程中的能量系统进行耦合集成，这些对设计者和生产者都大有裨益。