提高膜制氮系統(tǒng)運行效能的對策

沈宗榮 王 剛 廖倫豐 邊 遠

（中海福建天然氣有限責任公司，福建 莆田 351100）

0 引言

福建LNG 接收站氮氣系統(tǒng)包括膜制氮系統(tǒng)和液氮系統(tǒng)，在正常情況下，接收站的氮氣供應主要由膜制氮系統(tǒng)提供，但在設(shè)備檢修、卸船等氮氣用量較大的情況下，則需要膜制氮系統(tǒng)和液氮系統(tǒng)同時進行氮氣供應。為此，筆者擬對膜制氮系統(tǒng)運行中的空氣質(zhì)量、溫度、壓力、流量等運行參數(shù)進行分析，以提出提高運行效能的措施。

1 膜制氮工作原理

兩種或兩種以上的氣體混合物通過高分子膜時，由于各種氣體在膜中溶解度和擴散系數(shù)的差異，導致不同氣體在膜中相對滲透率（如圖1）不同。根據(jù)這一特性，可以將各種氣體分為“快氣”和“慢氣”。當混合氣體在膜兩側(cè)的壓力差作用下，滲透速率相對較快的水、氫氣、氦氣、硫化氫、二氧化碳等透過膜后，在膜的滲透側(cè)被富集，而滲透速率相對較慢的氣體，如：甲烷、氮氣、一氧化碳和氬氣等氣體則被膜滯留并富集，從而達到混合氣體分離之目的。

2 膜制氮系統(tǒng)產(chǎn)能與質(zhì)量關(guān)系

圖1 各種氣體的滲透率分布順序圖

膜制氮系統(tǒng)的產(chǎn)能取決于隔膜生產(chǎn)能力，產(chǎn)能和產(chǎn)品氣質(zhì)量相互制約，當產(chǎn)能超過隔膜的生產(chǎn)能力時，產(chǎn)品質(zhì)量就下降。產(chǎn)能體現(xiàn)在產(chǎn)品氣流量上。產(chǎn)品氣質(zhì)量由參數(shù)氧含量和露點表示。

3 提高膜制氮系統(tǒng)產(chǎn)能與質(zhì)量的措施

3.1 改善膜組入口空氣質(zhì)量

隔膜模塊是由不同數(shù)量的聚合物材料制成的柱狀空纖維隔膜束。每個纖維束中包含有幾百萬條纖維，每條纖維的尺寸與人的頭發(fā)絲接近。所以它對入口空氣的質(zhì)量有一定要求[1]：空氣進入隔膜系統(tǒng)時其殘余油含量不大于0.003 mg／m3；殘余灰塵含量不大于0.01 mg／m3；殘余水分含量不大于5.57 g／m3。如果入口質(zhì)量不合格，將導致露點不合格，需要增加放空量，導致產(chǎn)量下降。

來自空氣壓縮機的壓縮空氣經(jīng)初過濾器和二次過濾器除去大部分灰塵及水，進入電加熱器加熱后，壓縮空氣中的氣態(tài)水將通過ACS 過濾器清除，殘留的灰塵將通過顆粒過濾器清除后，到達膜組入口處。過濾器冷凝下來的水和油污等雜質(zhì)將通過冷凝排放閥排凈，排水時間為每120 秒排放5 秒。所以，影響膜組入口空氣質(zhì)量的因素有：①排放時間偏小或間隔時間偏大，導致過濾器內(nèi)水和油污聚集。②過濾器堵塞或維護不到位，導致過濾效果不好。因此，宜采取以下措施，以提高產(chǎn)能。

1）根據(jù)氣候條件，調(diào)節(jié)排污時間。在冬天或者有霧的時候，空氣中水分較多，會導致過濾器內(nèi)的水分較多，需要及時將水或油污等雜質(zhì)排除?？梢詫㈤g隔時間適當縮短或排放時間適當延長。

2）人為提高排放次數(shù)，發(fā)現(xiàn)露點升高時，通過手動排放的方式來排放過濾器的積液。

3.2 控制膜組入口壓力

膜組入口壓力與產(chǎn)品氣流量關(guān)系如圖2所示。這是根據(jù)環(huán)境溫度為20℃，膜組入口溫度監(jiān)測點溫度在50.1℃，管網(wǎng)壓力在0.80 MPa，產(chǎn)品氣氧含量為0.95%，露點為-95.6%的情況下，測得壓縮機加、卸載過程中膜組入口壓力與產(chǎn)品氣流量的具體數(shù)據(jù)而繪制出來的。它反映了壓縮機加、卸載運行全過程中壓力與流量關(guān)系，具有普遍性，能夠較精確反映壓力與流量的關(guān)系。膜組入口氣源由空氣壓縮機提供，壓力在1.02～1.25 MPa 之間，由于壓縮機出口壓力監(jiān)測點到膜組入口點有一定距離，壓力損失約0.01 MPa，所以膜組入口壓力在1.01～1.24 MPa之間。值得注意的是，由于流量計本身的誤差，即流量小于11 Nm3／h時，流量計顯示為0。

圖2 膜入口壓力與產(chǎn)品氣流量關(guān)系圖

由圖2可以看出，壓縮機加載過程中，隨著壓力上升，產(chǎn)品氣流量不斷加大，當壓力在1.20 MPa 以上時，產(chǎn)品氣流量加大趨勢并不明顯。在壓縮機卸載過程中，隨著壓力逐漸降低，產(chǎn)品氣流量隨之降低，當壓力在1.14 MPa 以上時，產(chǎn)品氣流量降低趨勢也不明顯。也就是說，膜組入口壓力在1.14 MPa以上，產(chǎn)品氣更容易達到產(chǎn)能要求。當壓力低于1.05 MPa時，產(chǎn)品氣流量很小，甚至產(chǎn)不出氮氣。

根據(jù)以上分析，可將壓縮機壓力設(shè)定至1.14 MPa，更容易滿足生產(chǎn)能力需求?？紤]壓縮機本身運行穩(wěn)定性，給予一定富裕量，建議將壓縮機起停壓力設(shè)為1.10～1.28 MPa，以確保產(chǎn)能需要。

3.3 控制和調(diào)整膜組入口空氣溫度

由于壓縮機壓縮后的氣體經(jīng)過過濾器過濾，加熱器加熱后才進入到隔膜單元，膜組入口溫度由隔膜加熱控制系統(tǒng)控制和調(diào)整。

在膜組入口壓力為1.20 MPa、管網(wǎng)壓力為0.80 MPa 時，測得在不同環(huán)境溫度下，膜組入口溫度、產(chǎn)品流量和產(chǎn)品氣質(zhì)量等的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 環(huán)境溫度與產(chǎn)品氣流量、產(chǎn)品氣質(zhì)量的關(guān)系表

由表1 可知：環(huán)境溫度越高，膜入口溫度越高，產(chǎn)品氣流量越大；環(huán)境溫度越高，產(chǎn)品氣氧含量相對較低，露點相對較高，產(chǎn)品氣質(zhì)量下降。

根據(jù)2008、2009 年冬季運行狀況來看，當環(huán)境溫度低于8 ℃時，產(chǎn)品氣流量損失時常超過2%，甚至達到5%，這是因為，環(huán)境溫度越低，管道溫度損失逾甚明顯，膜組入口溫度大大低于膜組入口氣所需求溫度，影響氣體的滲透分離速度。根據(jù)文獻[2]中所述，膜組入口溫度在47 ℃以下時，對膜分離效果的影響很明顯，也即環(huán)境溫度低于10℃時，對膜分離效果的影響很明顯。

鑒于以上情況，為了避免環(huán)境溫度對產(chǎn)能和氧含量的影響，可采取以下措施加以解決：

1）當環(huán)境溫度下降時，適當提高加熱器設(shè)定溫度（但不高于60℃），提高產(chǎn)能。

2）在膜組入口溫度監(jiān)測點到膜單元入口這段管道（包括入口匯管）加設(shè)保溫層，減少溫度損失，提高產(chǎn)能。

3.4 控制管網(wǎng)壓力

選擇膜組入口壓力為1.20 MPa、環(huán)境溫度為20 ℃以上時，測得不同管網(wǎng)壓力與產(chǎn)品氣流量的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 管網(wǎng)壓力與產(chǎn)品氣流量的關(guān)系表

由表2可以看出，管網(wǎng)壓力越低，產(chǎn)品氣流量越高，氧含量也相對提高。管網(wǎng)壓力取決于氮氣供給量與下游氮氣用量，下游用氣量越大，氮氣供給量不變時，管網(wǎng)壓力下降速度越快。但當管網(wǎng)壓力突然下降，產(chǎn)品氣流量突然增加時，可能導致氧含量超標高報。

其中管網(wǎng)壓力除了膜制氮提供的壓力外，還有液氮系統(tǒng)提供的氮氣壓力，液氮系統(tǒng)投用可根據(jù)需要的壓力進行設(shè)定。以前液氮投用壓力設(shè)定都高于0.7 MPa，而氮氣管網(wǎng)操作壓力設(shè)定為0.55 MPa，顯然不夠合理。

為更有效地利用膜制氮系統(tǒng)提高膜制氮產(chǎn)能，減少液氮使用量，可在沒有吹掃等大量用氮作業(yè)的情況下，將液氮投用壓力設(shè)為0.55 PMa。

3.5 調(diào)節(jié)手動球閥開度

根據(jù)膜制氮工作原理和流程可知，產(chǎn)品氣質(zhì)量主要由產(chǎn)品氣露點和氧含量大小決定。產(chǎn)品氣露點主要取決于干燥塔干燥升壓時間、吸附時間和再生塔再生放空流量；氧含量大小取決于空氣質(zhì)量、隔膜性能、膜入口溫度、膜入口壓力、產(chǎn)能大小。

當產(chǎn)品氣質(zhì)量合格時，不考慮管網(wǎng)泄漏等因素，隔膜出口流量等于產(chǎn)品氣流量和干燥塔再生流量之和。

隔膜出口流量、壓力與隔膜單元出口手動球閥的開度有關(guān)，手動球閥開度大，若產(chǎn)品氣流量一定，后端壓力相對較小，單位時間內(nèi)通過膜組的氣體流量相對更大，即產(chǎn)能提高。但是手動球閥開度過大，超過其生產(chǎn)能力時，會造成產(chǎn)品氣氧含量或露點不合格，質(zhì)量下降。

反之，手動球閥開度小，后端壓力相對較大，單位時間內(nèi)通過膜組的氣體流量相對較小，產(chǎn)能相對較低。所以隔膜出口手動球閥的開度也是影響產(chǎn)能的重要因素。

再生塔再生放空流量取決于針型閥開度。針型閥開度過大，再生塔再生放空流量過大，隔膜出口流量相對較大，將導致氧含量增大，當超過其生產(chǎn)能力時，氧含量超標。產(chǎn)品氣不合格或氧分析儀故障引起排空將直接導致沒有產(chǎn)品氣輸出。

再生塔針型閥開度過小，再生塔再生放空流量過小，干燥塔升壓時間和吸附時間短，相當于單位時間內(nèi)放空流量變小，產(chǎn)品氣露點不達標，產(chǎn)能下降。因此，干燥塔升壓時間和吸附時間的長短，也是影響產(chǎn)能的一個因素。

4.1 深入消落帶適生植物篩選的研究 研究者已經(jīng)通過消落帶植物普查、基地種植實驗、淹沒模擬實驗等方法對適合消落帶植被恢復的植物進行篩選并取得了一定的成果，在此基礎(chǔ)上進一步深入對消落帶適生植物篩選的研究仍是消落帶生態(tài)修復的重點。

根據(jù)以上分析，調(diào)節(jié)膜單元出口手動球閥開度和再生塔再生放空流量控制閥開度，也是提高產(chǎn)能的重要措施。由于產(chǎn)品氣達標標準只需要露點不大于-60℃，而實際生產(chǎn)情況是露點很少時間低于-90℃。所以，可采取以下措施提高產(chǎn)品氣流量。

1）適當關(guān)小再生塔再生放空流量控制閥開度，減少再生流量。

2）在保證氧含量低于2%的情況下，可以適當增大膜單元出口手動球閥開度，將膜組生產(chǎn)能力最大化。

3）滿足產(chǎn)品氣質(zhì)量的情況下，干燥塔升壓時間和吸附時間可以適當延長，提高產(chǎn)品氣流量。

以上3個措施都是解決膜制氮產(chǎn)能降低或氧含量高報的重要方法。需要注意的是，膜組由3個膜單元組成，在調(diào)節(jié)膜單元出口手動球閥開度時，盡量將3個膜單元出口手動球閥開度一致，避免對某一個或兩個膜單元過度使用引起壽命縮短。

3.6 及時更換膜組

據(jù)文獻[1]，氣體在有機隔膜表面的分離符合溶液擴散原理，即有機隔膜表面滲透率遵循下列公式：

式中，q 為滲透速度，m3／s；P 為滲透系數(shù)；ΔP 為膜組前后壓差，Pa；A 為膜面積，m2；L 為膜的厚度，m。

由于隔膜一定，所以膜的面積、厚度均是一定的，膜滲透率與滲透系數(shù)和隔膜前后壓差有關(guān)。

隔膜前后壓差取決于隔膜入口壓力和出口壓力，入口壓力越高、出口壓力越低，滲透速度越快。

另據(jù)文獻[2]，滲透系數(shù)與膜組入口溫度成正比。所以，入口溫度越高，隔膜表面滲透率越強。

滲透系數(shù)與膜的內(nèi)部真空結(jié)構(gòu)有關(guān)，長時間的使用會導致膜的老化及結(jié)構(gòu)變形，影響膜分離氮氣的效率，滲透速度下降，相應氮氣產(chǎn)量也會變少。

根據(jù)以上分析，在膜組產(chǎn)能下降時，需要安排系統(tǒng)停運檢修，將膜組拆解、檢查，若存在老化及變形，應更換膜組。

4 結(jié)束語

通過對膜制氮運行中各種參數(shù)的分析，找出影響氮氣產(chǎn)能的主要因素，包括空氣質(zhì)量、膜組入口壓力、環(huán)境溫度、管網(wǎng)壓力、膜單元出口手動球閥開度、再生塔再生放空流量控制閥開度、膜本身的效率等，結(jié)合平時積累的數(shù)據(jù)，再進行數(shù)理分析，提出最佳的操作參數(shù)，包括提高壓縮空氣入口質(zhì)量、合理設(shè)定壓縮機的壓力期間、通過調(diào)節(jié)加熱器溫度來提高膜組入口溫度、合理設(shè)定管網(wǎng)壓力、調(diào)節(jié)最佳的出口手動球閥開度及膜組本身的性能保持等措施，為提高膜制氮設(shè)備運行的可靠性與穩(wěn)定性奠定良好的基礎(chǔ)。

［1］劉猛，王浚.一種富氧中空纖維膜組件的溫度特性［J］.北京航空航天大學學報，2004（3）.

［2］汪治平，張波.膜制氮技術(shù)及在油氣田中的應用［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（12）：141-143.