CNG站脫水裝置節能技術

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實驗室·西南石油大學 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械有限責任公司

CNG加氣站脫水裝置的脫水效果對加氣站的安全運行至關重要［1］。車用壓縮天然氣增壓后的水露點應符合GB 18047的規定，CNG加氣站脫水裝置宜采用吸附法脫水［2－4］。為保證CNG加氣站連續運行，至少需要2個脫水塔，一個塔進行脫水操作，另一個塔進行吸附再生和冷卻，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、操作次數多等問題［8－14］。為此，結合CNG站脫水裝置實際工藝流程，提出了再生氣余熱利用節能技術，使能量（熱量和冷量）互補利用，實現脫水裝置節能降耗與優化再生效果的雙重目的［15－16］。試驗數據表明：在不改變其他設備及參數的條件下，節能改造后再生時間縮短了3h，節能比為27．3%；單次再生氣用量減少了60．7m3，節能比為18．4%；加熱爐的電耗降低了28．6%。

1 脫水裝置工藝流程

兩塔脫水裝置運行時，保持一個塔處于吸附狀態，另一個塔處于再生狀態。其單塔循環過程為：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。現假設塔A進行脫水操作，塔B進行再生操作，對其工藝流程進行簡述［18－19］。

脫水操作流程：被壓縮后的高壓天然氣經前置過濾分離器分離可能存在的游離水、油和雜質，然后經A高進閥從塔A頂部進入，與塔內分子篩充分接觸，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A高出閥進入后置過濾分離器分離后進入高壓儲氣容器。后置過濾分離器主要濾掉氣流中攜帶的分子篩粉末，以免堵塞后續設備。

再生操作流程：再生氣（儲氣容器內的干氣）經調壓柜節流降壓后進入加熱爐加熱，溫度上升至210℃左右，經B熱進閥從塔B底部進入，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。當脫水塔頂部溫控儀溫度顯示為125℃左右時，標志加熱再生階段完成。隨后進入脫水塔的冷吹再生階段，關閉加熱爐電源，繼續通干氣對分子篩進行冷吹降溫，當脫水塔頂部溫度降至40℃以下時，分子篩恢復吸附能力，停止冷吹，脫水塔再生完成。再生氣經脫水塔頂部排出，經B熱出閥進入冷凝分離器冷卻分離后進入回收罐。

圖1 脫水裝置高壓脫水工藝流程圖

2 再生氣余熱利用節能技術

由脫水裝置工藝流程知，再生氣從塔A頂部排出時攜帶了大量的熱量直接進入冷凝分離器，存在如下問題：①冷凝分離器進口溫度較高，不利于氣液分離，影響分離效果；②再生氣的熱量大量浪費，沒能得到再次利用，同時也提高了回收罐的溫度。再生氣調壓后存在節流降壓積霜現象（圖2），導致加熱爐的進氣溫度很低，而脫水塔頂部出口溫度較高，致使冷凝分離器進口溫度較高，不利于CNG分離，由此提出了再生氣余熱利用節能技術，即利用再生氣的余熱預熱調壓后的低溫再生氣，同時利用調壓閥節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）互補利用，實現節能降耗的目的。節能技術有如下效果：①提高再生氣進入加熱爐的進氣溫度，降低加熱爐的電耗；②減少再生氣加熱時間，減少再生氣的用量；③降低冷凝分離器進口溫度，提高分離效果。

圖2 再生氣調壓積霜現象圖

再生氣余熱利用節能技術的工藝流程如圖3所示，增加了再生氣換熱器及其相關轉換流程。現仍然假定塔A進行脫水操作，塔B進行再生操作，對其工藝流程進行簡述。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（圖4）。加熱再生時，打開閥1，關閉閥2，調壓后的低溫再生氣進入新增加的換熱器殼程，塔A出口的高溫再生氣進入換熱器管程，實現換熱，從而提高加熱爐再生氣的進口溫度、降低冷凝分離器的進口溫度。冷吹再生時，打開閥2，關閉閥1，調壓后的低溫再生氣經過加熱爐旁通（避免換熱器把熱量再次帶入塔B），直接進入塔B冷吹分子篩，使分子篩快速冷卻，完成分子篩再生。

圖3 再生氣余熱利用節能技術工藝流程圖

圖4 換熱器與加熱爐的工作關系圖

3 節能技術效果分析

為分析節能技術的可行性和節能效果，按圖3的工藝流程，結合脫水裝置的工藝流程，完成了脫水裝置的節能技術改造，脫水裝置節能改造前后現場見圖5。為完成節能技術的效果分析，分別統計了節能技術改造前后，在不改變其他設備及參數的條件下，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的試驗數據（加熱再生時間、電耗量、再生氣用量）見表1，改造前后加熱爐進口管壁溫度變化曲線、加熱爐單位時間電耗量變化趨勢見圖6、7。

圖5 脫水裝置節能改造前后現場圖

表1 脫水裝置再生操作時統計數據表

圖6 加熱爐進口管壁溫度變化曲線圖

圖7 加熱爐單位時間電耗量變化趨勢圖

分析上述圖表數據可以得出：①改造后加熱時間減少了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自身循環預熱的過程，大約1h之后，換熱爐才開始對再生氣預熱，隨后加熱爐進口溫度緩慢升高，最后管壁溫度穩定在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，達到了節能運行的目的。

4 結論

1）應用再生氣余熱利用的節能技術提高了加熱爐的進氣溫度，減少了加熱時間和電耗量，降低了脫水裝置的能耗，技術上可行。

2）利用再生氣節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口溫度，改善了CNG分離效果。

3）能量互補利用的模式可用于類似的工藝流程，實現節能降耗、經濟運行的目的。

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