压缩空气干燥器运行效果慢性恶化的原因分析及改进措施

压缩空气干燥器运行效果慢性恶化的原因分析及改进措施

高鑫

（广东惠州天然气发电有限公司广东惠州516000）

摘要：为节能降耗，某厂运行人员对4台压缩空气干燥器再生管道进行了相同的优化设计，改造后3台干燥器运行良好而唯独#3干燥器运行效果逐渐恶化。运行人员对#3干燥器的异常现象进行分析后，认为#3干燥器再生能耗不足。经再次改造后，彻底解决了该问题。

关键词：压缩空气干燥器；节能改造；再生能耗

前言

压缩空气系统为发电厂必不可少的公用系统之一，保证压缩空气压力稳定且品质合格是发电厂运行的基本前提。广东惠州天然气发电有限公司（以下简称惠电）压缩空气系统共配置五台双螺杆式空压机和四台无热再生吸附式压缩空气干燥器。由于干燥器运行方式和再生管道设计不合理，导致大量压缩空气在干燥器再生中浪费，增加了空压机的运行台数和运行时间。根据干燥器的设计参数和压缩空气系统运行情况，我们组织对干燥器运行方式和再生管道进行了优化改造，降低了厂用电率，并延长了空压机和干燥器的维护周期。本文将对节能改造后#3仪用压缩空气干燥器运行效果逐渐恶化的原因进行了分析总结，为类似问题的处理提供借鉴。

1压缩空气系统运行分析

仪用压缩空气系统主要流程为：空压机→杂用压缩空气储罐→压缩空气干燥器→仪用压缩空气储罐→仪用压缩空气用户。通过对仪用压缩空气用户的分析和仪用压缩空气储罐压力下降试验，我们认为机组正常运行时，一台空压机和一台干燥器即可满足正常的流量需求。而在干燥器优化改造前，四台干燥器均投入连续运行，空压机中有两台长期带载运行，另有一台频繁加载、卸载。空压机所产生的压缩空气绝大部分被四台干燥器再生消耗排到了大气中，造成较大的浪费。

据此，我们对干燥器的运行方式进行了优化，保留两台干燥器运行以保证安全性，并对干燥器再生管道进行改造以降低其再生耗气量。

2无热再生干燥器的改造

2.1无热再生干燥器的工作原理

无热再生干燥器由除油过滤器、除尘过滤器和干燥塔组成。干燥塔是无热再生干燥器最重要的部件，为实现对下游用气设备的不间断供气，干燥器设计为双塔结构，即一个塔在工作压力下对压缩空气进行吸附干燥，同时另一塔在常压下对吸附剂进行脱附再生，经过一段时间后双塔工况进行自动切换。

干燥器原始设计流程如下图一所示。

无热再生式干燥器采用变压吸附原理。干燥器启动后，A塔吸附运行，B塔脱附再生。在预先设定的时序控制下，进气阀A打开、B关闭，排气阀D打开、C关闭，湿空气进入A塔，干燥后的空气通过止回阀E排入下游管线；部分干燥压缩空气在压差的作用下通过再生流量管道流向B塔，其压力被降低，由于降压后空气体积同比例增大，使再生用空气的相对湿度只有干燥空气的几分之一，这样这种特别干燥的再生空气中的水蒸气分压远低于B塔内吸附剂床层的水蒸气分压。吸附床层中的水蒸气在压差的作用下释放至再生空气中并被带走，再生空气通过排气阀排入大气。再生结束后，A、B塔切换时先关闭排气阀D，B塔压力开始升高，当两个吸附塔的压力相同时，控制系统发出信号进行切换，即A塔再生、B塔吸附。

2.2干燥器再生管道改造

由图一无热再生式干燥器原始设计流程不难看出，再生气体可经路径直接流入再生塔，再生流量控制阀在调节再生流量中几乎不起作用，再生管道尺寸直接决定了再生流量，这也直接导致干燥器再生流量过大。通过查阅干燥器设计参数，其再生流量设计值应为干燥流量的14%，实际上远大于这个数值，这也是空压机运行台数增加的主要原因。

干燥器再生管道改造后的流程如图二所示，在原来的再生管道上增加了两个可手动调节的再生流量控制阀G和H。干燥器投运时，全关反吹控制阀（原设计的再生流量控制阀），调节再生流量控制阀G、H至合适开度，使其满足再生需求。

通过干燥器运行方式优化和再生流量改造后，机组正常运行时基本为1台空压机带载运行。即相同工况下空压机运行数量较原来平均减少1~1.5台，全年约可减少厂用电100万~150万度，节能效果明显，且大大延长了空压机和干燥器的维护周期。

3#3干燥器运行效果恶化原因排查

压缩空气干燥器改造后，实现了通过再生流量控制阀调节再生流量的目的，与干燥器原始设计相比，极大地减少了再生损耗。但干燥器运行一段时间后，在#3干燥器投运时，干燥器出口的仪用压缩空气常压露点温度会逐渐上升，最高达到了-10℃（其余干燥器运行时露点温度均可维持在-55℃左右），我们判断#3干燥器运行效果恶化严重。随后我们对#3干燥器进行了较长时间的空载反吹，投运后常压露点温度仍会升高至-10℃，而进行了同样改造的其余3台干燥器却不存在该现象。

通过对干燥器工作原理的分析，我们从以下几个方面对干燥器进行了排查：

检查设备是否故障：如PLC、电磁阀工作异常，消音器堵塞致使再生排气阻力大。检查结果未发现异常。

检查吸附剂是否被污染。

空压机的排气含油量(油雾及油蒸汽)都在几十ppm以上，若装在吸附干燥器前面的除油过滤器的精度不够或者过滤器工作不正常，导致吸附剂表面哪怕只沾染上厚度只有几个μm的油膜，也将导致吸附剂“中毒”，使其永久失去吸附活性。检查进气除油过滤器及更换过滤器芯、吸附剂后，#3干燥器干燥能力没有提高。排除吸附剂被污染的可能。

（3）检查干燥器进气温度是否过高。

由研究平衡吸附量与吸附体系参数温度t、压力p三者之间关系的吸附热力学可知，在给定的吸附体系中，固体对气体的吸附量可用下式来表示。压力p指的干燥器中水蒸气的分压力。在吸附压力恒定时，吸附量随吸附温度升高而减少。因为吸附作用是个放热过程，温度提高不利于吸附。

处理方法：检查空压机后部冷却器的冷却效果，使进入干燥器的空气温度不大于40°。

检查结果：进入干燥器的空气温度不大于40°，#3干燥器运行效果恶化与进气温度无关。

（4）检查进气压力是否过低。

压缩空气压力过低给干燥器造成两个方面负影响:一方面低压空气的饱和含水量比高压时多，使干燥器工作负荷增加；另一方面由于密度降低，压缩空气通过吸附塔时的质量流速增大，这等于减少了压缩空气与吸附剂之间的接触时间，从而导致仪用压缩空气露点上升。

检查结果：空压机出口空气压力一直保持在0.7MPa左右，且其余三台干燥器在此压力下工作时露点温度均保持在-55℃左右。排除此原因。

（5）检查压缩空气处理量是否过大。

当压缩空气处理量（仪用空气用气量）大至超出干燥剂最大的额定处理量时，干燥剂吸湿能力不足，最终导致露点温度升高。

检查方法：对比试验发现，只有#3干燥器投运时，露点温度上升。排除此种可能。

（6）检查干燥器再生流量是否不足。

当干燥器再生流量不足时，将无法满足#3干燥器的最小再生气耗（最小气耗原则：在一定再生压力和排出温度下，再生尾气含水量达到饱和时）要求，会造成吸附剂再生不彻底，导致干燥能力下降。

通过对比试验，在相同再生流量控制阀开度甚至将#3干燥器再生流量控制阀及反吹控制阀全开，#3干燥器投运时，露点温度仍不能符合要求。排除此种可能。

经上述逐项检查处理后，仍未查找到#3干燥器的运行效果恶化的根本原因。#3干燥器在随后投运试验中，出现了干燥筒外壁大量凝露、外壁温度明显低于环境温度且干燥塔接近出口处温度明显低于进口处的现象。据此，我们判断为#3干燥器存在再生性故障，即“再生能耗不足”。拆检#3干燥器再生流量管道，再生流量控制阀G、H如下图四所示，发现：#3干燥器再生流量管道在改造时，使用的两个再生流量控制阀外观虽与其余干燥器相同，但其中一个再生流量控制阀（下图四左一）阀门通流孔径极小，这一极具隐蔽性的配件异常导致#3干燥器再生管道通流能力不足。在将#3干燥器再生流量控制阀更换后，#3干燥器干燥效果符合要求，#3干燥器运行效果恶化的顽疾终于得到彻底解决。

4干燥器再生性故障的理论分析

无热再生干燥器变压吸附再生过程就是在高水分分压下对水进行吸附，在低水分分压下使其脱附。干燥器出口经节流降压后的干燥再生气体不仅为变压吸附提供了物理依据，也为水分重返提供动力。由于吸附循环周期短(我厂设计为10分钟)且吸附剂是热的不良导体，伴随吸附过程所产生的吸附热来不及散失即可供脱附用，因此吸附床温度变化小，可近似看作是等温过程。在吸附循环周期中，干燥器自发完成热量平衡，即吸附剂中水分重返气相所需的脱附热(汽化热)完全由吸附过程中放出并存储在吸附床内的吸附热(凝聚热)来支付，不从外界补充热量。

而在#3干燥器再生管道的首次改造中，由于施工单位使用了孔径不符合要求的再生流量控制阀这一极具隐蔽性的错误，使#3干燥器再生通流能力严重低于设计值，无法满足#3干燥器的最小再生气耗（最小气耗原则：在一定再生压力和排出温度下，再生尾气含水量达到饱和时）要求。造成吸附剂“再生不全”，使得脱附出来的水蒸气积留在塔内，成为“残余水量”。

“残存水量”一方面使得吸附热不能满足脱附热的需要，打破了吸附循环过程中的热量平衡，而从外界补充热量，于是在干燥器外壁形成凝露现象。另一方面，“残存水量”相当于为吸附量增加了一个附加值。尤其是处在吸附床末端的吸附剂。无论是在吸附阶段或在解吸阶段，它的工作状态都是最恶劣的，“残存水量”在吸附床末段的累积增多，最终导致该区域的吸附剂先于其它都分失去吸附作用。这相当于缩短了吸附床的高度，减少了湿空气与吸附剂接触时间，导致干燥器出口空气露点上升。

这类由“再生能耗不足”引起的再生性故障，显性表征有:消声器排气温度过低、排气带水，消声器或排气阀外表结露、再生塔外壁结露等；而隐性弊症则是塔内积水——即由于再生气体供给量不足，脱附的水汽不能在循环周期内全部排出，冷却时剩余水汽就会在吸附床内凝聚成液态水——这是极端有害的。再生性故障由于隐蔽性强、潜伏时间长，而且往往因为工作人员最初选型不当或者有节能降耗心理，所以处理起来比较困难。这类故障对吸附干燥器运行及整体性能都有较大的危害，增加再生气体供给是消除这类故障的直接有效的办法。

5总结

在压缩空气干燥器的变压吸附中，吸附剂由干燥器本身提供的低水分分压空气对水蒸气进行脱附，其分压空压流量的多少由再生管道通流能力（再生管道尺寸、各阀门孔径及调阀开度）来决定。通流能力强，进入再生塔的干燥空气就多，过多会造成再生气浪费；通流能力弱，又会使脱附出来的水蒸气积留在塔内，出现“再生不足”现象。所以再生流量的控制对吸附干燥器的安全和经济运行起着十分关键的作用。

#3干燥器运行效果恶化问题的最终解决，既为同类型仪用压缩空气干燥器的节能降耗改造积累了宝贵的经验，也为类似问题的解决起到了一定的借鉴作用。案例还提醒我们，在工作中，只有对每一个细节严格把关，才能圆满的达成目的。

参考文献

[1]雷霁霞,杨亚芝,毛向禹.空压站吸附式干燥器的选型和能耗分析[J].化工设计.2013(06).

[2]汪国兴,秦宏波.压缩机供气系统空气处理设备节能措施分析[J].上海节能.2005(02).

[3]梁学武.降低压缩空气干燥器耗风量的节能改造[J].节能.2004(01).

作者介绍

高鑫（1989-），男，山东临朐人，工学学士，助理工程师，从事燃气蒸汽联合循环机组运行工作。