吸附器阀门内部泄漏对VPSA能耗的影响研究

程兆光 武道吉 马义源 刘丽荣

摘要：本文分析了真空变压吸附制氧装置（VPSA）中吸附器切换阀内部泄漏的原因和对装置能耗的影响，论述切换阀内漏的判别及维修方法，并使用Aspen Process Explorer获取维修切换阀前后装置实际运行的工艺数据，进行计算并对比维修切换阀泄漏前后单位氧气电耗的变化，以此来分析切换阀泄漏对装置整体能耗的影响。

关键词：变压吸附;切换阀;泄漏;电耗

Abstract：This essay analyzes the reason of switch valve leakage in VPSA plant and its influence on energy consumption. Summarize leakage distinguishing and maintenance method， obtain process data by Aspen Process Explorer and compare specific energy consumption of O2 before and after valve maintenance， then analyze the influence of valve leakage on plant power consumption.

Key words：Pressure swing adsorption;Switching valve;Leakage;Power consumption

1 切换阀内部泄漏与氧气电耗升高的原因分析

在非高纯氧气（体积分数<95%）的应用场合中，变压吸附制氧（VPSA）是目前世界上获取低成本氧气的主要方法。VPSA通过切换阀开闭使两个吸附器周期性交替工作。每个吸附器运行循环周期约40-60s，周期内各切换阀至少开闭一次，每天开关超过1 400次。频繁开关对阀门动作灵敏性及关闭严密性都有很大挑战。与普通应用场景下的切换阀相比，极高的开关频率加快了阀门密封组件及机械驱动机构的磨损速度，此外，阀门密封件被异物损伤、损坏，阀板关闭位置改变，气缸传动机构磨损导致的阀板关闭不紧，阀板与密封圈之间杂物（如颗粒或碎削）阻滞等均会导致阀门关闭不严。朱狄[1]对PSA装置切换阀维修和处理方法以及对切换阀故障原因的分析具有借鉴意义。更换磨损的组件或执行结构便可恢复阀门的密封性。因此以上原因导致的切换阀内漏进而影响吸附压力与解析真空度情况很常见。正如吕爱会[2]等的研究发现，增加吸附压力可提高氧气浓度和回收率，切换阀内漏使吸附压力降低会影响VPSA的氧气纯度和回收率。而吸附压力和解吸真空度均依赖进气风机和真空风机，进气风机和真空风机电耗占全装置电耗的95%以上。此外吸附器工作压力较低（吸附压力约1 500mbar，真空度约450mbar），且吸附与解析阶段持续时间短，因此，切换阀内漏导致的吸附压力降低与解析真空度变差成为VPSA能耗升高的重要原因。

2 VPSA切换阀内漏的判断与维修

由于切换阀内漏的频发性及众多阀门中判断哪一个阀门存在内漏的困难性，准确、快速地判断存在内漏的阀门成为控制VPSA能耗必须解决的难题。本文通过吸附器密闭性测试来判断阀门内漏，并以测试始末的压力变化来表示阀门泄漏程度。密闭性测试是吸附器充压后保压15min，比较被测吸附器、另一吸附器与氧气缓冲罐的压力变化，来判断哪一个切换阀存在内漏。密闭性测试涉及的压力变送器及阀门如图1所示。

对所研究吸附器A进行密闭性测试，吸附器A充压、B不充压时的测试结果见表1。可见PT2上升不明显，故A与B之间阀门KV7/KV8泄漏不显著，又PT3升高不明显，故A与后端缓冲罐间阀门KV5泄漏不显著，而PT1下降较多，可以推测KV3/KV1存在内漏的可能性较大且泄漏较严重。VPSA装置停机后，现场拆检KV1和KV3，发现其阀芯密封圈均磨损严重。更换磨损的阀芯密封圈后再次对A进行密闭性测试，测试结果显示KV1和KV3维修质量较好，A的密闭性显著改善。

3 切换阀内漏导致气体电耗升高的计算与分析

由于VPSA制氧装置主要消耗电能，主要耗电设备包括：鼓风机K01、抽真空风机K02、仪表气压缩机K03、装置通风、照明等，其中K01、K02功率较大，占整个装置耗电的95%以上，故用K01和K02总电耗表示装置电耗来分析维修泄漏阀门前后装置的能耗变化。本文采用Aspen Process Explorer读取KV1/KV3维修前当天的7：30～8：00AM和维修后第二天7：30～8：00AM的K01/K02平均功率和氧气流量的数据并输出至Excel中進行计算，计算结果如表2所示。

由表2可见维修KV1/KV3后，氧气电耗降低0.00494kw·h/Nm3，约占产品电耗（按0.38180kw·h/Nm3计）的1.3%。由月度电能表的实际电量和供气流量计的月度流量计算得到修阀门后的实际氧气电耗比修阀前降低0.02134kw·h/Nm3，约占产品电耗（按0.38180kw·h/Nm3计）的5.6%。虽然氧气电耗的工艺数据计算值与实际耗电的计算值之间存在偏差，但消除阀门泄漏使氧气能耗降低的结果一致，这说明切换阀内漏对装置能耗有明显的不利影响。这与肖露[3]在变压吸附空气分离过程中?分析的理论结果是一致的，吸附压力的增加，总的?效率下降，切换阀内漏导致吸附压力降低和真空度变差，装置产量降低和效率变差。降低的产量和效率只能通过增加进气风机与真空风机的工作时间来弥补，延长风机工作时间相当于增大了吸附压力，装置?效率降低使氧气电耗升高。与田涛[4]等对小型PSA装置性能的关键参数的研究结果相符，延长进气风机和真空风机工作时间会导致吸附器的吸附时间过长，装置产品电耗也会升高。

环境温度、进气压差及其他公辅设备运行状态等因素对装置能耗均有影响，也是导致维修阀门前后能耗降低的工艺数据计算值与实际耗电的计算值存在偏差的不可忽视的原因，此外，切换阀内部泄漏程度与装置能耗变化之间的定量关系还需对多次切换阀维修前后装置能耗变化计算后进一步研究。

4 结论

通过计算维修切换阀前后的制氧能耗可知切换阀内部泄漏对制氧能耗存在显著影响，制氧能耗的计算结果与理论定性分析结果一致。因此在实际VPSA制氧装置运行中，侦测和消除切换阀泄漏是控制制氧能耗的重要途径。

参考文献

[1]朱狄，高仁鹏，纳赛尔.程控阀故障分析与防控[J].中国设备工程，2019（3）：71-73.

[2]吕爱会，邓橙，朱孟府，等.小型变压吸附制氧工艺技术研究[J].应用化工，2018，47（3）：481-485.

[3]肖露.变压吸附空气分离过程?分析[J].矿业安全与环保，2018，45（5）：99-104.

[4]田涛，高万玉，张彦军，等.小型变压吸附制氧装备主要工艺参数的研究[J].医疗卫生装备，2018，39（7）：16-19.

收稿日期：2020-06-28

作者简介：程兆光（1987-），男，汉族，本科学历，工程师，研究方向为氧气分离与水处理工程技术研究。