吸附器閥門內(nèi)部泄漏對(duì)VPSA能耗的影響研究

程兆光 武道吉 馬義源 劉麗榮

摘要：本文分析了真空變壓吸附制氧裝置（VPSA）中吸附器切換閥內(nèi)部泄漏的原因和對(duì)裝置能耗的影響，論述切換閥內(nèi)漏的判別及維修方法，并使用Aspen Process Explorer獲取維修切換閥前后裝置實(shí)際運(yùn)行的工藝數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比維修切換閥泄漏前后單位氧氣電耗的變化，以此來分析切換閥泄漏對(duì)裝置整體能耗的影響。

關(guān)鍵詞：變壓吸附;切換閥;泄漏;電耗

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 切換閥內(nèi)部泄漏與氧氣電耗升高的原因分析

在非高純氧氣（體積分?jǐn)?shù)<95%）的應(yīng)用場(chǎng)合中，變壓吸附制氧（VPSA）是目前世界上獲取低成本氧氣的主要方法。VPSA通過切換閥開閉使兩個(gè)吸附器周期性交替工作。每個(gè)吸附器運(yùn)行循環(huán)周期約40-60s，周期內(nèi)各切換閥至少開閉一次，每天開關(guān)超過1 400次。頻繁開關(guān)對(duì)閥門動(dòng)作靈敏性及關(guān)閉嚴(yán)密性都有很大挑戰(zhàn)。與普通應(yīng)用場(chǎng)景下的切換閥相比，極高的開關(guān)頻率加快了閥門密封組件及機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損速度，此外，閥門密封件被異物損傷、損壞，閥板關(guān)閉位置改變，氣缸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損導(dǎo)致的閥板關(guān)閉不緊，閥板與密封圈之間雜物（如顆?；蛩橄鳎┳铚染鶗?huì)導(dǎo)致閥門關(guān)閉不嚴(yán)。朱狄[1]對(duì)PSA裝置切換閥維修和處理方法以及對(duì)切換閥故障原因的分析具有借鑒意義。更換磨損的組件或執(zhí)行結(jié)構(gòu)便可恢復(fù)閥門的密封性。因此以上原因?qū)е碌那袚Q閥內(nèi)漏進(jìn)而影響吸附壓力與解析真空度情況很常見。正如呂愛會(huì)[2]等的研究發(fā)現(xiàn)，增加吸附壓力可提高氧氣濃度和回收率，切換閥內(nèi)漏使吸附壓力降低會(huì)影響VPSA的氧氣純度和回收率。而吸附壓力和解吸真空度均依賴進(jìn)氣風(fēng)機(jī)和真空風(fēng)機(jī)，進(jìn)氣風(fēng)機(jī)和真空風(fēng)機(jī)電耗占全裝置電耗的95%以上。此外吸附器工作壓力較低（吸附壓力約1 500mbar，真空度約450mbar），且吸附與解析階段持續(xù)時(shí)間短，因此，切換閥內(nèi)漏導(dǎo)致的吸附壓力降低與解析真空度變差成為VPSA能耗升高的重要原因。

2 VPSA切換閥內(nèi)漏的判斷與維修

由于切換閥內(nèi)漏的頻發(fā)性及眾多閥門中判斷哪一個(gè)閥門存在內(nèi)漏的困難性，準(zhǔn)確、快速地判斷存在內(nèi)漏的閥門成為控制VPSA能耗必須解決的難題。本文通過吸附器密閉性測(cè)試來判斷閥門內(nèi)漏，并以測(cè)試始末的壓力變化來表示閥門泄漏程度。密閉性測(cè)試是吸附器充壓后保壓15min，比較被測(cè)吸附器、另一吸附器與氧氣緩沖罐的壓力變化，來判斷哪一個(gè)切換閥存在內(nèi)漏。密閉性測(cè)試涉及的壓力變送器及閥門如圖1所示。

對(duì)所研究吸附器A進(jìn)行密閉性測(cè)試，吸附器A充壓、B不充壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果見表1?？梢奝T2上升不明顯，故A與B之間閥門KV7/KV8泄漏不顯著，又PT3升高不明顯，故A與后端緩沖罐間閥門KV5泄漏不顯著，而PT1下降較多，可以推測(cè)KV3/KV1存在內(nèi)漏的可能性較大且泄漏較嚴(yán)重。VPSA裝置停機(jī)后，現(xiàn)場(chǎng)拆檢KV1和KV3，發(fā)現(xiàn)其閥芯密封圈均磨損嚴(yán)重。更換磨損的閥芯密封圈后再次對(duì)A進(jìn)行密閉性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示KV1和KV3維修質(zhì)量較好，A的密閉性顯著改善。

3 切換閥內(nèi)漏導(dǎo)致氣體電耗升高的計(jì)算與分析

由于VPSA制氧裝置主要消耗電能，主要耗電設(shè)備包括：鼓風(fēng)機(jī)K01、抽真空風(fēng)機(jī)K02、儀表氣壓縮機(jī)K03、裝置通風(fēng)、照明等，其中K01、K02功率較大，占整個(gè)裝置耗電的95%以上，故用K01和K02總電耗表示裝置電耗來分析維修泄漏閥門前后裝置的能耗變化。本文采用Aspen Process Explorer讀取KV1/KV3維修前當(dāng)天的7：30～8：00AM和維修后第二天7：30～8：00AM的K01/K02平均功率和氧氣流量的數(shù)據(jù)并輸出至Excel中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可見維修KV1/KV3后，氧氣電耗降低0.00494kw·h/Nm3，約占產(chǎn)品電耗（按0.38180kw·h/Nm3計(jì)）的1.3%。由月度電能表的實(shí)際電量和供氣流量計(jì)的月度流量計(jì)算得到修閥門后的實(shí)際氧氣電耗比修閥前降低0.02134kw·h/Nm3，約占產(chǎn)品電耗（按0.38180kw·h/Nm3計(jì)）的5.6%。雖然氧氣電耗的工藝數(shù)據(jù)計(jì)算值與實(shí)際耗電的計(jì)算值之間存在偏差，但消除閥門泄漏使氧氣能耗降低的結(jié)果一致，這說明切換閥內(nèi)漏對(duì)裝置能耗有明顯的不利影響。這與肖露[3]在變壓吸附空氣分離過程中?分析的理論結(jié)果是一致的，吸附壓力的增加，總的?效率下降，切換閥內(nèi)漏導(dǎo)致吸附壓力降低和真空度變差，裝置產(chǎn)量降低和效率變差。降低的產(chǎn)量和效率只能通過增加進(jìn)氣風(fēng)機(jī)與真空風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間來彌補(bǔ)，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)間相當(dāng)于增大了吸附壓力，裝置?效率降低使氧氣電耗升高。與田濤[4]等對(duì)小型PSA裝置性能的關(guān)鍵參數(shù)的研究結(jié)果相符，延長(zhǎng)進(jìn)氣風(fēng)機(jī)和真空風(fēng)機(jī)工作時(shí)間會(huì)導(dǎo)致吸附器的吸附時(shí)間過長(zhǎng)，裝置產(chǎn)品電耗也會(huì)升高。

環(huán)境溫度、進(jìn)氣壓差及其他公輔設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等因素對(duì)裝置能耗均有影響，也是導(dǎo)致維修閥門前后能耗降低的工藝數(shù)據(jù)計(jì)算值與實(shí)際耗電的計(jì)算值存在偏差的不可忽視的原因，此外，切換閥內(nèi)部泄漏程度與裝置能耗變化之間的定量關(guān)系還需對(duì)多次切換閥維修前后裝置能耗變化計(jì)算后進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

通過計(jì)算維修切換閥前后的制氧能耗可知切換閥內(nèi)部泄漏對(duì)制氧能耗存在顯著影響，制氧能耗的計(jì)算結(jié)果與理論定性分析結(jié)果一致。因此在實(shí)際VPSA制氧裝置運(yùn)行中，偵測(cè)和消除切換閥泄漏是控制制氧能耗的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]朱狄，高仁鵬，納賽爾.程控閥故障分析與防控[J].中國(guó)設(shè)備工程，2019（3）：71-73.

[2]呂愛會(huì)，鄧橙，朱孟府，等.小型變壓吸附制氧工藝技術(shù)研究[J].應(yīng)用化工，2018，47（3）：481-485.

[3]肖露.變壓吸附空氣分離過程?分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2018，45（5）：99-104.

[4]田濤，高萬玉，張彥軍，等.小型變壓吸附制氧裝備主要工藝參數(shù)的研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2018，39（7）：16-19.

收稿日期：2020-06-28

作者簡(jiǎn)介：程兆光（1987-），男，漢族，本科學(xué)歷，工程師，研究方向?yàn)檠鯕夥蛛x與水處理工程技術(shù)研究。