CNG站脫水裝置節(jié)能技術(shù)

梁 政 李雙雙 田家林 朱小華 張力文

1．石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2．中國石油西南油氣田公司銷售分公司3．中國石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司

CNG加氣站脫水裝置的脫水效果對加氣站的安全運(yùn)行至關(guān)重要［1］。車用壓縮天然氣增壓后的水露點(diǎn)應(yīng)符合GB 18047的規(guī)定，CNG加氣站脫水裝置宜采用吸附法脫水［2－4］。為保證CNG加氣站連續(xù)運(yùn)行，至少需要2個(gè)脫水塔，一個(gè)塔進(jìn)行脫水操作，另一個(gè)塔進(jìn)行吸附再生和冷卻，然后切換操作。按照脫水裝置在CNG加氣站工藝流程中的位置分為低壓脫水、中壓脫水、高壓脫水3種方式［5－7］。

脫水裝置是CNG加氣站的主要耗能單元，其能耗主要體現(xiàn)在加熱爐電耗、再生氣用量上。目前脫水裝置存在再生過程能耗較大、再生氣用量大、再生時(shí)間和溫度不合理、分子篩再生不徹底、再生頻率較高、操作次數(shù)多等問題［8－14］。為此，結(jié)合CNG站脫水裝置實(shí)際工藝流程，提出了再生氣余熱利用節(jié)能技術(shù)，使能量（熱量和冷量）互補(bǔ)利用，實(shí)現(xiàn)脫水裝置節(jié)能降耗與優(yōu)化再生效果的雙重目的［15－16］。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在不改變其他設(shè)備及參數(shù)的條件下，節(jié)能改造后再生時(shí)間縮短了3h，節(jié)能比為27．3%；單次再生氣用量減少了60．7m3，節(jié)能比為18．4%；加熱爐的電耗降低了28．6%。

1 脫水裝置工藝流程

兩塔脫水裝置運(yùn)行時(shí)，保持一個(gè)塔處于吸附狀態(tài)，另一個(gè)塔處于再生狀態(tài)。其單塔循環(huán)過程為：吸附→卸壓→加熱再生→冷吹→充壓→吸附［17］。脫水裝置工藝流程包括脫水操作和再生操作兩部分，其高壓脫水工藝流程如圖1所示?，F(xiàn)假設(shè)塔A進(jìn)行脫水操作，塔B進(jìn)行再生操作，對其工藝流程進(jìn)行簡述［18－19］。

脫水操作流程：被壓縮后的高壓天然氣經(jīng)前置過濾分離器分離可能存在的游離水、油和雜質(zhì)，然后經(jīng)A高進(jìn)閥從塔A頂部進(jìn)入，與塔內(nèi)分子篩充分接觸，分子篩吸附高壓天然氣所含的水和部分烴得到干燥的天然氣，干燥后的天然氣從塔A底部排出，經(jīng)A高出閥進(jìn)入后置過濾分離器分離后進(jìn)入高壓儲氣容器。后置過濾分離器主要濾掉氣流中攜帶的分子篩粉末，以免堵塞后續(xù)設(shè)備。

再生操作流程：再生氣（儲氣容器內(nèi)的干氣）經(jīng)調(diào)壓柜節(jié)流降壓后進(jìn)入加熱爐加熱，溫度上升至210℃左右，經(jīng)B熱進(jìn)閥從塔B底部進(jìn)入，與分子篩接觸傳熱，隨著分子篩溫度升高，分子篩吸附的水分及部分烴被再生氣帶走，逐步完成分子篩的再生。當(dāng)脫水塔頂部溫控儀溫度顯示為125℃左右時(shí)，標(biāo)志加熱再生階段完成。隨后進(jìn)入脫水塔的冷吹再生階段，關(guān)閉加熱爐電源，繼續(xù)通干氣對分子篩進(jìn)行冷吹降溫，當(dāng)脫水塔頂部溫度降至40℃以下時(shí)，分子篩恢復(fù)吸附能力，停止冷吹，脫水塔再生完成。再生氣經(jīng)脫水塔頂部排出，經(jīng)B熱出閥進(jìn)入冷凝分離器冷卻分離后進(jìn)入回收罐。

圖1 脫水裝置高壓脫水工藝流程圖

2 再生氣余熱利用節(jié)能技術(shù)

由脫水裝置工藝流程知，再生氣從塔A頂部排出時(shí)攜帶了大量的熱量直接進(jìn)入冷凝分離器，存在如下問題：①冷凝分離器進(jìn)口溫度較高，不利于氣液分離，影響分離效果；②再生氣的熱量大量浪費(fèi)，沒能得到再次利用，同時(shí)也提高了回收罐的溫度。再生氣調(diào)壓后存在節(jié)流降壓積霜現(xiàn)象（圖2），導(dǎo)致加熱爐的進(jìn)氣溫度很低，而脫水塔頂部出口溫度較高，致使冷凝分離器進(jìn)口溫度較高，不利于CNG分離，由此提出了再生氣余熱利用節(jié)能技術(shù)，即利用再生氣的余熱預(yù)熱調(diào)壓后的低溫再生氣，同時(shí)利用調(diào)壓閥節(jié)流降溫后的冷量冷卻脫水后的高溫再生氣，兩者的能量（熱量與冷量）互補(bǔ)利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。節(jié)能技術(shù)有如下效果：①提高再生氣進(jìn)入加熱爐的進(jìn)氣溫度，降低加熱爐的電耗；②減少再生氣加熱時(shí)間，減少再生氣的用量；③降低冷凝分離器進(jìn)口溫度，提高分離效果。

圖2 再生氣調(diào)壓積霜現(xiàn)象圖

再生氣余熱利用節(jié)能技術(shù)的工藝流程如圖3所示，增加了再生氣換熱器及其相關(guān)轉(zhuǎn)換流程。現(xiàn)仍然假定塔A進(jìn)行脫水操作，塔B進(jìn)行再生操作，對其工藝流程進(jìn)行簡述。脫水操作流程保持不變，再生操作流程略有變化，換熱器與加熱爐處于同步狀態(tài)（圖4）。加熱再生時(shí)，打開閥1，關(guān)閉閥2，調(diào)壓后的低溫再生氣進(jìn)入新增加的換熱器殼程，塔A出口的高溫再生氣進(jìn)入換熱器管程，實(shí)現(xiàn)換熱，從而提高加熱爐再生氣的進(jìn)口溫度、降低冷凝分離器的進(jìn)口溫度。冷吹再生時(shí)，打開閥2，關(guān)閉閥1，調(diào)壓后的低溫再生氣經(jīng)過加熱爐旁通（避免換熱器把熱量再次帶入塔B），直接進(jìn)入塔B冷吹分子篩，使分子篩快速冷卻，完成分子篩再生。

圖3 再生氣余熱利用節(jié)能技術(shù)工藝流程圖

圖4 換熱器與加熱爐的工作關(guān)系圖

3 節(jié)能技術(shù)效果分析

為分析節(jié)能技術(shù)的可行性和節(jié)能效果，按圖3的工藝流程，結(jié)合脫水裝置的工藝流程，完成了脫水裝置的節(jié)能技術(shù)改造，脫水裝置節(jié)能改造前后現(xiàn)場見圖5。為完成節(jié)能技術(shù)的效果分析，分別統(tǒng)計(jì)了節(jié)能技術(shù)改造前后，在不改變其他設(shè)備及參數(shù)的條件下，完成一次分子篩再生所需要的氣量和電耗量。改造前后脫水裝置再生操作時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（加熱再生時(shí)間、電耗量、再生氣用量）見表1，改造前后加熱爐進(jìn)口管壁溫度變化曲線、加熱爐單位時(shí)間電耗量變化趨勢見圖6、7。

圖5 脫水裝置節(jié)能改造前后現(xiàn)場圖

表1 脫水裝置再生操作時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

圖6 加熱爐進(jìn)口管壁溫度變化曲線圖

圖7 加熱爐單位時(shí)間電耗量變化趨勢圖

分析上述圖表數(shù)據(jù)可以得出：①改造后加熱時(shí)間減少了27．3%，再生氣用量減少了18．4%，加熱爐電耗量減少了28．6%；②由于再生氣余熱利用是一個(gè)自身循環(huán)預(yù)熱的過程，大約1h之后，換熱爐才開始對再生氣預(yù)熱，隨后加熱爐進(jìn)口溫度緩慢升高，最后管壁溫度穩(wěn)定在47℃左右；③再生氣余熱利用存在滯后，隨著換熱器逐漸換熱，加熱爐單位時(shí)間電耗量相比改造前電耗減小，充分說明再生氣余熱得到利用，達(dá)到了節(jié)能運(yùn)行的目的。

4 結(jié)論

1）應(yīng)用再生氣余熱利用的節(jié)能技術(shù)提高了加熱爐的進(jìn)氣溫度，減少了加熱時(shí)間和電耗量，降低了脫水裝置的能耗，技術(shù)上可行。

2）利用再生氣節(jié)流降壓的冷量冷卻脫水塔出口的再生氣，降低了冷凝分離器進(jìn)口溫度，改善了CNG分離效果。

3）能量互補(bǔ)利用的模式可用于類似的工藝流程，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

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