露點控制系統(tǒng)在儀表風(fēng)節(jié)能降耗工作中的應(yīng)用

劉勝國 潘賁（上海石油天然氣有限公司）

儀表風(fēng)作為天然氣處理廠儀表系統(tǒng)控制用氣，其露點溫度需控制在-40 ℃以下。采用無熱再生吸附式干燥器對壓縮空氣進(jìn)行干燥處理后的空氣作為儀表風(fēng)，設(shè)備原設(shè)計是以10 min為1個標(biāo)準(zhǔn)工作循環(huán)周期，通過電磁閥的頻繁切換來實現(xiàn)兩塔的吸附和再生。

1 無熱再生吸附干燥器

1.1 工作原理

無熱再生吸附式壓縮空氣干燥器是利用多孔性固體物質(zhì)表面的分子力來吸收氣體中的水分，從而獲得較低露點溫度的干燥潔凈氣體的凈化設(shè)備。無熱再生吸附式干燥器由兩個充滿干燥劑的吸附塔組成，兩塔交替進(jìn)行干燥和再生。經(jīng)處理后合格的空氣大部分作為儀表風(fēng)進(jìn)入儀表控制系統(tǒng)，一小部分（約15%）干燥后的空氣進(jìn)入再生塔，對塔中的干燥劑進(jìn)行再生。壓力、溫度的變化使膨脹閥后的低壓空氣變得非常干燥，這部分凈化了的干燥空氣使吸濕后達(dá)到飽和狀態(tài)的干燥劑脫濕再生。

1.2 常規(guī)工作模式

壓縮空氣進(jìn)入A塔（圖1），此時塔內(nèi)空氣中的水蒸氣分壓高于吸附劑表面水蒸氣分壓力，水蒸氣向吸附劑表面轉(zhuǎn)移，常壓露點溫度可達(dá)到-40℃以下。干燥后的壓縮空氣經(jīng)A 塔分成2 路，一路約85%的空氣供應(yīng)儀表風(fēng)，另一路約15%的空氣經(jīng)節(jié)流閥降為常壓后進(jìn)入B塔，對B塔飽和的吸附劑進(jìn)行脫附再生，后經(jīng)消聲器排向大氣。每塔運行時間為5 min，A塔吸附干燥時B塔再生，干燥再生時間為4 min，之后均壓為1 min，均壓時兩個排氣電磁閥均關(guān)閉，切換為A 塔再生，B 塔吸附干燥，如此往復(fù)循環(huán)。

圖1 無熱再生吸附干燥塔

無熱再生干燥器在原設(shè)計控制模式下的全周期是10 min，半周期再生時間為4 min，對于再生氣耗氣率15%的干燥塔，在一個周期內(nèi)再生時間8 min意味著空氣消耗量為16.8 m3（單塔每分鐘壓縮空氣量為14 m3）。

在保證輸出空氣露點與品質(zhì)的基礎(chǔ)上，在再生干燥時間不變的情況下如果能有效延長吸附時間，減少再生排氣次數(shù)，就能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 露點控制系統(tǒng)

2.1 硬件組成

無熱再生干燥器露點監(jiān)測節(jié)能控制系統(tǒng)由露點變送器、進(jìn)口過濾器、引入管道、控制系統(tǒng)和操作顯示系統(tǒng)組成。

1）露點變送器使用Michelle 露點變送器，露點精度±2 ℃露點，使用溫度是-40～60 ℃，可以在-20～50 ℃工作環(huán)境下可靠、穩(wěn)定地進(jìn)行露點監(jiān)測。

2）控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 可編控制器，顯示系統(tǒng)采用HM3701A。

3）露點變送器進(jìn)口過濾器采用高效精密過濾器，能夠最大限度降低壓縮氣含油率，以保護(hù)露點變送器。

4）調(diào)壓閥用來調(diào)整露點變送器的測試壓力，保證所測露點為常壓露點。

2.2 控制及監(jiān)測界面

HM3701A的小型人機界面（HMI）產(chǎn)品，它能以文字、指示燈及圖形等基本元素監(jiān)視和設(shè)定設(shè)備輸出繼電器或寄存器的數(shù)值及狀態(tài)，從而使操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控機器設(shè)備的運行情況。

控制模式有常規(guī)控制模式和露點控制模式兩種選擇，在通常使用過程中選擇露點控制模式，露點模式下時序控制按照變送器所采集的露點溫度再進(jìn)行干燥時間的延長與控制。

在露點控制模式下，塔的再生時間與原常規(guī)模式一致，而吸附時間則比常規(guī)模式長，最長的時間單個塔的吸附時間為70 min。在控制界面上可以對干燥器的工作狀態(tài)、露點溫度等進(jìn)行實時監(jiān)控。

3 循環(huán)周期的確定

對于儀表風(fēng)而言，壓縮空氣露點控制在-40℃就能滿足供氣要求，通過安裝露點變送器將所測得的出口干燥器露點與設(shè)定露點進(jìn)行比對，如果露點變送器測定的露點溫度低于設(shè)定溫度，則延長均壓時間。在這種露點控制模式下既保證空氣品質(zhì)滿足工藝要求的同時，又能達(dá)到節(jié)能的效果。

由于循環(huán)切換周期的改變會影響到吸附效果、節(jié)能量和使用壽命之間的相互關(guān)系，所以合理循環(huán)周期的選擇顯得尤為關(guān)鍵。過長時間的吸附會使底部的吸附劑含濕量一直過高，從而影響到周期內(nèi)露點的穩(wěn)定性。過高的“吸附劑殘存水量”容易導(dǎo)致吸附劑浸泡和吸附劑的粉化，最終導(dǎo)致吸附效果和使用的壽命大打折扣。

根據(jù)塔的干燥時間和再生時間可知：若以每5 min 作為一個延長循環(huán)周期，越到后期節(jié)能效果越不明顯。為達(dá)到氣源品質(zhì)、使用壽命和節(jié)能效果之間的最佳綜合效果，以及經(jīng)過現(xiàn)場實際運行檢驗，我們選取70 min 作為一個經(jīng)濟(jì)合理循環(huán)切換周期。

正常操作模式下每10 min一個周期消耗的空氣量為16.8 m3，那么在24 h 時間內(nèi)共有144 個周期，因此全天排放消耗的壓縮空氣量為2 419.2 m3。在露點控制模式下（70 min一個周期）運行24 h共有20.57個周期，排放消耗的壓縮空氣量為345.576 m3。空氣壓縮機的額定產(chǎn)氣量為9.5549 m3/h，再生氣耗氣率為15%，正常控制模式以10 min周期計算能耗為253.18 kWh/d，露點控制模式以70 min 周期計算能耗為37.65 kWh/d。

4 方案實施效果

自2013年5月安裝露點控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，儀表風(fēng)質(zhì)量穩(wěn)定，基本達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能降耗目的。

1）減少了干燥器的再生排氣頻率，從而減小了壓縮機的無效運行功耗，電流比改造前降了22 A左右，平均每天可節(jié)約電量200 kWh，與理論計算結(jié)果接近，按每度電0.85 元，每年可節(jié)約6.2 萬元左右，半年即收回改造費用。

2）由于循環(huán)運行周期變長，單個閥門動作頻次由原來每年的10萬多次減少到1萬次左右，極大地延長了閥門等易損件的使用壽命。

3）改造后可以更直觀地觀測干燥氣出口成品氣的露點數(shù)值，從而準(zhǔn)確地把握干燥劑的使用情況，在保證氣源品質(zhì)的同時可充分延長干燥劑的使用年限。