變壓吸附式空氣干燥器強(qiáng)制再生流程改造及應(yīng)用

, (中國石油 長慶油田分公司 第一采氣廠， 陜西 靖邊　718500)

中國石油長慶油田分公司第一采氣廠第二凈化廠空氮站共有4臺LU型螺桿式空壓機(jī)及配套變壓吸附式干燥器。天然氣脫水露點降指標(biāo)為-40 ℃以下，天然氣脫水用干燥劑為?3～?5 mm的活性氧化鋁瓷球[1]，單塔的干燥劑充裝量為150 kg，體積約135 L。

脫水干燥劑在空氣濕度增大、壓縮空氣冷凝水排放不暢、空壓機(jī)排氣溫度高等情況下時常達(dá)到飽和狀態(tài)。在壓縮空氣露點接近0 ℃條件下，長期飽和的脫水干燥劑顆粒間隙積聚，大量的粉塵被水分浸泡粘接，最終導(dǎo)致干燥劑結(jié)塊失效和干燥器無法正常徹底脫水[2]。脫水干燥器工況的進(jìn)一步不斷惡化，使儀表風(fēng)等壓縮空氣露點降隨之超標(biāo)，最后不得不重新更換干燥器填料。

1　干燥器再生流程改造

1.1　壓縮氣工藝流程

采氣廠各凈化廠的壓縮氣供應(yīng)通常主要包括3種類型，即儀表風(fēng)、氮氣和工廠風(fēng)，其壓縮和干燥工藝流程基本相同。合格儀表風(fēng)的流程為：螺桿壓縮機(jī)—干燥器—壓縮空氣儲罐。合格氮氣的生產(chǎn)流程為：螺桿壓縮機(jī)—干燥器—制氮裝置—壓縮空氣儲罐。合格工廠風(fēng)的生產(chǎn)流程為：螺桿壓縮機(jī)—壓縮空氣儲罐(工廠風(fēng))。各壓縮氣的干燥均采用變壓吸附再生技術(shù)，其所用干燥器填料的再生方式有兩種，分別是微熱再生和無熱再生[3]。長期的生產(chǎn)運行實踐證明，這兩種再生方式均能滿足生產(chǎn)需求。

1.2　干燥填料再生方式

壓縮空氣干燥器填料的再生方式通常包括無熱再生和微熱再生。無熱再生干燥器工作時外界沒有對其輸送熱量，而是采用了PSA(Pressure Swing Adsorption)原理[4]。這類干燥器所需的再生干燥空氣占其處理量的12%～16%。再生干燥空氣壓力要降至大氣壓，以獲得更低的相對濕度[5]。微熱再生干燥器按變溫吸附(TSA)原理進(jìn)行吸附劑再生，再生條件比無熱再生干燥器優(yōu)越，再生干燥空氣占其處理量的7%左右[6]。加熱能脫附吸附劑內(nèi)表面的水蒸氣，使吸附劑實現(xiàn)深層吸附，因此微熱再生干燥器中吸附劑的動態(tài)吸附量遠(yuǎn)比無熱再生干燥器中的吸附劑動態(tài)吸附量大[7]。

無論是微熱再生還是無熱再生，在實際運行過程中因操作不當(dāng)、排水堵塞等原因可能導(dǎo)致干燥器填料過快失效，嚴(yán)重時含水率達(dá)到飽和狀態(tài)并有大量游離水被空氣流帶入下游流程，造成設(shè)備管線銹蝕、堵塞和凍結(jié)。只有通過強(qiáng)制再生才能在較短時間內(nèi)將游離水徹底去除。

1.3　強(qiáng)制再生流程改造

1.3.1改造難點

壓縮氣再生流程改造需要克服3個難點。首先，干燥器填料的再生是一個在空壓機(jī)及干燥器聯(lián)動過程中依賴干燥器雙塔按控制程序切換的過程。干燥器再生過程中，空壓機(jī)處于運行狀態(tài)為填料的再生提供再生氣流。若空壓機(jī)減荷或停機(jī)，則持續(xù)的再生氣流會同時中斷，將導(dǎo)致加熱器干燒損壞[8]，因此必須在較短時間內(nèi)關(guān)閉干燥器電源，以保護(hù)加熱器。其次，現(xiàn)有工藝流程中干燥器或空壓機(jī)至壓縮空氣儲罐流程中的單向閥組設(shè)計，使壓縮空氣不具備倒流返回干燥器的條件。第三，工廠壓縮空氣的儀表風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)常年處于運行狀態(tài)，不具備申請停運進(jìn)行流程改造作業(yè)條件。

1.3.2改造過程

壓縮氣再生流程改造于2011-05實施。在現(xiàn)有流程基礎(chǔ)上增加儲氣罐至干燥器入口回氣管，以便提供持續(xù)的再生用氣流?；貧夤芘c儲氣罐的接入點設(shè)定在儲氣罐單向閥前的儲氣罐壓力表導(dǎo)壓管短接上?；貧夤懿捎肈N15 mm無縫碳鋼管[9]，管路上串接2個手動控制閥和1個單流閥[10]。第一道控制閥用于控制再生氣，第二道控制閥用于控制再生氣流量，使之略大于干燥器再生放空的流量并減少壓縮空氣消耗，使用時只要控制干燥器的壓力高于0.4 MPa就可滿足干燥器再生及切換雙塔運行的需要。干燥器改造接入點和壓縮空氣儲氣罐改造接入點分別見圖1和圖2。

圖1　干燥器改造接入點

圖2　壓縮空氣儲氣罐改造接入點

1.3.3改造效果

改造后的強(qiáng)制再生流程經(jīng)過2 a的運行實踐，取得了操作簡便、效果明顯的良好效果。經(jīng)過1～3個循環(huán)(約8～24 h)就可以將含水超標(biāo)的干燥器填料徹底再生。通過不啟動配套空壓機(jī)的無負(fù)荷再生，可充分?jǐn)y帶填料中的水分，并將導(dǎo)致填料輕度污染的油分子從瓷球上熱吹掃脫離，使填料恢復(fù)活性。

1.3.4改造后管理

為規(guī)范改造后干燥器再生操作，防止干燥器填料含水率過大破壞填料活性，特制訂干燥器填料再生運行定期管理制度，①當(dāng)環(huán)境濕度增大及檢修期間壓縮空氣消耗量比平常增大的情況出現(xiàn)時，在干燥器填料出現(xiàn)露點降變差之前及時進(jìn)行強(qiáng)制再生。②定期進(jìn)行再生(如每月5號)，提前預(yù)防露點不合格引起的故障。

2　改造效果評估及優(yōu)化

2.1　改造效果評估

2.1.1實現(xiàn)了干燥器填料的強(qiáng)制再生手段

改造后干燥器填料再生得到有效控制，在含水率過高及油污染的情況，仍可以通過無負(fù)荷再生最大限度恢復(fù)活性氧化鋁瓷球的脫水效果[11]。有效延長了干燥器填料的使用年限，提高了凈化廠供應(yīng)儀表風(fēng)的穩(wěn)定性。

2.1.2提高了空壓機(jī)運行穩(wěn)定性[12-13]

改造前空壓機(jī)減荷運行期間不再產(chǎn)生壓縮空氣，空壓機(jī)出口至干燥器之間管路中的有限壓縮空氣量持續(xù)被干燥器再生消耗，空壓機(jī)排氣壓力迅速降低到設(shè)定的下限，空壓機(jī)自動加載運行。與此同時，空壓機(jī)出口的壓力與壓縮空氣儲罐的壓力值關(guān)聯(lián)性變小?？諌簷C(jī)加載運行電流為110 A，減荷運行電流為35 A，電流波動高達(dá)75%，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，多次出現(xiàn)接線柱過熱燒壞及控制柜電氣元件老化損壞故障，減荷閥頻繁開啟關(guān)閉故障較多。將加載與空載運行比例由改造前的5∶5降低到5∶2，電能消耗降低30%，具有一定的節(jié)能效果。在該機(jī)型的實際使用中，通常會出現(xiàn)頻繁加載/減荷情況，空壓機(jī)廠家對減荷閥不斷進(jìn)行改進(jìn)，耐用性逐步提高。但頻繁加載/減荷會使運行電流波動，對電動機(jī)的沖擊較大，相應(yīng)地加快電源控制部件，如繼電器、空氣開關(guān)等的老化，同時伴有電機(jī)過熱、接線柱老化損壞等故障。改造之后，空壓機(jī)的加載/減荷切換時間間隔由30 s增加到11～15 min，并不受壓縮空氣消耗量波動影響?？諌簷C(jī)的加載/減荷動作切換順暢平穩(wěn)。當(dāng)壓縮空氣量消耗降低時節(jié)能效果更加明顯。

2.1.3有效降低了干燥器填料消耗[14]

改造前，干燥器填料因濕度大而過快失效，每年需更換1～2次才能保證正常運行。改造后，填料使用周期超過3 a，使干燥器的材料消耗從源頭上得到了有效控制。

2.2　改造流程優(yōu)化

強(qiáng)制再生流程改造完成后近2 a的運行觀察發(fā)現(xiàn)，第一次改造作業(yè)時，將DN15 mm管路連接在空壓機(jī)至干燥器的DN50 mm管線上，通過除油、除塵多級過濾后再進(jìn)入干燥器再生立管，會造成引入的產(chǎn)品壓縮空氣有一定的損耗，總的再生氣消耗量達(dá)0.80 m3/min。

2013-08將強(qiáng)制再生用產(chǎn)品壓縮空氣直接引入到再生控制閥前，減少所通過的管閥及自動排污閥，進(jìn)一步降低再生氣消耗。再生流程優(yōu)化后，減少控制閥5處、過濾器4處、自動排污閥1處，再生氣消耗量明顯降低。改造優(yōu)化后的流程已運行平穩(wěn)至今，再生氣消耗量約0.450 m3/min[15]。優(yōu)化后干燥器接入點見圖3。

圖3　優(yōu)化后干燥器接入點

3　結(jié)語

LU型螺桿壓縮機(jī)及配套干燥器在我廠已使用多年，設(shè)備總體運行穩(wěn)定，主機(jī)故障較少。近年來，隨著各分廠空氮站的擴(kuò)建及設(shè)備更新?lián)Q代，該系列空壓機(jī)及干燥器在天然氣凈化廠的使用數(shù)量日益增多。針對現(xiàn)場運行存在的問題，開展了有針對性的技術(shù)改造，使設(shè)備運行更加平穩(wěn)，運行中出現(xiàn)的干燥器填料失效、儀表風(fēng)露點不合格等常見故障得到了有效控制，進(jìn)一步提高了空氮站設(shè)備的運行穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]練桂香.壓縮空氣干燥器的吸附劑選用[J]. 廣東化工，2016，43(2)：110.

LIAN G X. The selection of adsorbent for the desiccant dryer [J].Guangdong chemical industry，2016，43(2)：110.

[2]施劍林.固相燒結(jié)II——粗化與致密化關(guān)系及物質(zhì)傳輸途徑[J].硅酸鹽學(xué)報，1997，25(6)：33-34.

SHI J L. Solid phase sintering Ⅱ——the relationship between coarsening and densification and the material transport pathway [J].Journal of the Chinese ceramic society，1997，25(6)：33-34.

[3]壓縮空氣干燥器 第2部分：性能參數(shù)：GB/T 10893.2—2006[S].

Compressed air dryers—part 2：performance ratings：GB/T 10893.2—2006[S].

[4 ]Liao S C，Chen Y J，Kear B H，et al. High-pressure/low temperature sintering of nanocrystalline alumina[J]. Nanostructured materials，1998，10(6)：1063-1079.

[5]壓縮空氣干燥器 第1部分：規(guī)范與試驗：GB/T 10893.1—2012[S].

Compressed air dryers—part 1：specification and testing：GB/T 10893.1—2012[S].

[6]趙奕斌.吸附分離技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

ZHAO Y B. Absorption and separation technology [M] .Beijing：Chemical Industrial Press，2000.

[7]中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).2017-2020年中國活性氧化鋁市場深度調(diào)查研究與發(fā)展趨勢分析報告[R/OL].2017:180.http://www.cir.cn/R_NengYunanKuangChan/33/HuoXingYangHuaLvWeiLaiFaZhanQuShiYuCe.html.

China Industry Research.Deep survey research and development trend analysis report for China active alumina market in 2017—2020.http://www.cir.cn/R_NengYunanKuangChan/33/HuoXingYangHuaLvWeiLaiFaZhanQuShiYuCe.html.

[8]熱流道用電加熱器：JB/T 12514—2015[S].

An electric heater for a hot runner：JB/T 12514—2015[S].

[9]程真喜.壓力容器材料及選用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：136-145.

CHENG Z X. Material and selection of pressure vessel [M].Beijing：Chemical Industrial Press，2016：136-145.

[10] 氣體單向閥通用規(guī)范：QJ 1142A—2008[S].

General specification for gas check valve：QJ 1142A—2008[S].

[11] 空氣分離設(shè)備用活性氧化鋁驗收 技術(shù)條件：JB/T 8058—2016[S].

The acceptance of active alumina for air separation equipment：Technical conditions：JB/T 8058—2016[S].

[12] 陳放，任芳，譚孟谞.JB/T 6430—2014《一般用噴油螺桿空氣壓縮機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)的解讀[J].流體機(jī)械,2015,43(12):44-46.

CHEN F，REN F，TAN M X. Interpretation of JB/T 6430—2014 oil injected screw air compressor for general use standard [J]. Fluid machinery，2015，43(12):44-46.

[13] 石油化工設(shè)計能耗計算標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50441—2007[S].

Standard for calculation of energy consumption in chemical engineering design：GB/T 50441—2007[S].

[14] 周瑜.可修系統(tǒng)維修管理及決策優(yōu)化研究[M].北京：科學(xué)出版社，2017：69-71.

ZHOU Y. Study on maintenance and management of repairable system and decision optimization [M].Beijing：Science Press，2017：69-71.

[15] 氣體流量計：GB/T 32201—2015[S].

Gas meters：GB/T 32201—2015[S].