变压吸附式空气干燥器强制再生流程改造及应用
2018-04-09中国石油长庆油田分公司第一采气厂陕西靖边718500
, (中国石油 长庆油田分公司 第一采气厂， 陕西 靖边 718500)
中国石油长庆油田分公司第一采气厂第二净化厂空氮站共有4台LU型螺杆式空压机及配套变压吸附式干燥器。天然气脱水露点降指标为-40 ℃以下，天然气脱水用干燥剂为Ø3～Ø5 mm的活性氧化铝瓷球[1]，单塔的干燥剂充装量为150 kg，体积约135 L。
脱水干燥剂在空气湿度增大、压缩空气冷凝水排放不畅、空压机排气温度高等情况下时常达到饱和状态。在压缩空气露点接近0 ℃条件下，长期饱和的脱水干燥剂颗粒间隙积聚，大量的粉尘被水分浸泡粘接，最终导致干燥剂结块失效和干燥器无法正常彻底脱水[2]。脱水干燥器工况的进一步不断恶化，使仪表风等压缩空气露点降随之超标，最后不得不重新更换干燥器填料。
1 干燥器再生流程改造
1.1 压缩气工艺流程
采气厂各净化厂的压缩气供应通常主要包括3种类型，即仪表风、氮气和工厂风，其压缩和干燥工艺流程基本相同。合格仪表风的流程为：螺杆压缩机—干燥器—压缩空气储罐。合格氮气的生产流程为：螺杆压缩机—干燥器—制氮装置—压缩空气储罐。合格工厂风的生产流程为：螺杆压缩机—压缩空气储罐(工厂风)。各压缩气的干燥均采用变压吸附再生技术，其所用干燥器填料的再生方式有两种，分别是微热再生和无热再生[3]。长期的生产运行实践证明，这两种再生方式均能满足生产需求。
1.2 干燥填料再生方式
压缩空气干燥器填料的再生方式通常包括无热再生和微热再生。无热再生干燥器工作时外界没有对其输送热量，而是采用了PSA(Pressure Swing Adsorption)原理[4]。这类干燥器所需的再生干燥空气占其处理量的12%～16%。再生干燥空气压力要降至大气压，以获得更低的相对湿度[5]。微热再生干燥器按变温吸附(TSA)原理进行吸附剂再生，再生条件比无热再生干燥器优越，再生干燥空气占其处理量的7%左右[6]。加热能脱附吸附剂内表面的水蒸气，使吸附剂实现深层吸附，因此微热再生干燥器中吸附剂的动态吸附量远比无热再生干燥器中的吸附剂动态吸附量大[7]。
无论是微热再生还是无热再生，在实际运行过程中因操作不当、排水堵塞等原因可能导致干燥器填料过快失效，严重时含水率达到饱和状态并有大量游离水被空气流带入下游流程，造成设备管线锈蚀、堵塞和冻结。只有通过强制再生才能在较短时间内将游离水彻底去除。
1.3 强制再生流程改造
1.3.1改造难点
压缩气再生流程改造需要克服3个难点。首先，干燥器填料的再生是一个在空压机及干燥器联动过程中依赖干燥器双塔按控制程序切换的过程。干燥器再生过程中，空压机处于运行状态为填料的再生提供再生气流。若空压机减荷或停机，则持续的再生气流会同时中断，将导致加热器干烧损坏[8]，因此必须在较短时间内关闭干燥器电源，以保护加热器。其次，现有工艺流程中干燥器或空压机至压缩空气储罐流程中的单向阀组设计，使压缩空气不具备倒流返回干燥器的条件。第三，工厂压缩空气的仪表风供应系统常年处于运行状态，不具备申请停运进行流程改造作业条件。
1.3.2改造过程
压缩气再生流程改造于2011-05实施。在现有流程基础上增加储气罐至干燥器入口回气管，以便提供持续的再生用气流。回气管与储气罐的接入点设定在储气罐单向阀前的储气罐压力表导压管短接上。回气管采用DN15 mm无缝碳钢管[9]，管路上串接2个手动控制阀和1个单流阀[10]。第一道控制阀用于控制再生气，第二道控制阀用于控制再生气流量，使之略大于干燥器再生放空的流量并减少压缩空气消耗，使用时只要控制干燥器的压力高于0.4 MPa就可满足干燥器再生及切换双塔运行的需要。干燥器改造接入点和压缩空气储气罐改造接入点分别见图1和图2。
图1 干燥器改造接入点
图2 压缩空气储气罐改造接入点
1.3.3改造效果
改造后的强制再生流程经过2 a的运行实践，取得了操作简便、效果明显的良好效果。经过1～3个循环(约8～24 h)就可以将含水超标的干燥器填料彻底再生。通过不启动配套空压机的无负荷再生，可充分携带填料中的水分，并将导致填料轻度污染的油分子从瓷球上热吹扫脱离，使填料恢复活性。
1.3.4改造后管理
为规范改造后干燥器再生操作，防止干燥器填料含水率过大破坏填料活性，特制订干燥器填料再生运行定期管理制度，①当环境湿度增大及检修期间压缩空气消耗量比平常增大的情况出现时，在干燥器填料出现露点降变差之前及时进行强制再生。②定期进行再生(如每月5号)，提前预防露点不合格引起的故障。
2 改造效果评估及优化
2.1 改造效果评估
2.1.1实现了干燥器填料的强制再生手段
改造后干燥器填料再生得到有效控制，在含水率过高及油污染的情况，仍可以通过无负荷再生最大限度恢复活性氧化铝瓷球的脱水效果[11]。有效延长了干燥器填料的使用年限，提高了净化厂供应仪表风的稳定性。
2.1.2提高了空压机运行稳定性[12-13]
改造前空压机减荷运行期间不再产生压缩空气，空压机出口至干燥器之间管路中的有限压缩空气量持续被干燥器再生消耗，空压机排气压力迅速降低到设定的下限，空压机自动加载运行。与此同时，空压机出口的压力与压缩空气储罐的压力值关联性变小。空压机加载运行电流为110 A，减荷运行电流为35 A，电流波动高达75%，导致电机发热，多次出现接线柱过热烧坏及控制柜电气元件老化损坏故障，减荷阀频繁开启关闭故障较多。将加载与空载运行比例由改造前的5∶5降低到5∶2，电能消耗降低30%，具有一定的节能效果。在该机型的实际使用中，通常会出现频繁加载/减荷情况，空压机厂家对减荷阀不断进行改进，耐用性逐步提高。但频繁加载/减荷会使运行电流波动，对电动机的冲击较大，相应地加快电源控制部件，如继电器、空气开关等的老化，同时伴有电机过热、接线柱老化损坏等故障。改造之后，空压机的加载/减荷切换时间间隔由30 s增加到11～15 min，并不受压缩空气消耗量波动影响。空压机的加载/减荷动作切换顺畅平稳。当压缩空气量消耗降低时节能效果更加明显。
2.1.3有效降低了干燥器填料消耗[14]
改造前，干燥器填料因湿度大而过快失效，每年需更换1～2次才能保证正常运行。改造后，填料使用周期超过3 a，使干燥器的材料消耗从源头上得到了有效控制。
2.2 改造流程优化
强制再生流程改造完成后近2 a的运行观察发现，第一次改造作业时，将DN15 mm管路连接在空压机至干燥器的DN50 mm管线上，通过除油、除尘多级过滤后再进入干燥器再生立管，会造成引入的产品压缩空气有一定的损耗，总的再生气消耗量达0.80 m3/min。
2013-08将强制再生用产品压缩空气直接引入到再生控制阀前，减少所通过的管阀及自动排污阀，进一步降低再生气消耗。再生流程优化后，减少控制阀5处、过滤器4处、自动排污阀1处，再生气消耗量明显降低。改造优化后的流程已运行平稳至今，再生气消耗量约0.450 m3/min[15]。优化后干燥器接入点见图3。
图3 优化后干燥器接入点
3 结语
LU型螺杆压缩机及配套干燥器在我厂已使用多年，设备总体运行稳定，主机故障较少。近年来，随着各分厂空氮站的扩建及设备更新换代，该系列空压机及干燥器在天然气净化厂的使用数量日益增多。针对现场运行存在的问题，开展了有针对性的技术改造，使设备运行更加平稳，运行中出现的干燥器填料失效、仪表风露点不合格等常见故障得到了有效控制，进一步提高了空氮站设备的运行稳定性。
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