高空臺氣源空氣干燥系統工藝方案優化設計

莊春龍，何 雄，陳宏輝，王方舟

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000）

0 引言

空氣干燥系統是對壓縮機組供出的空氣進行降溫、除濕、干燥、除塵處理，獲得低溫干燥的壓縮空氣，供給各試驗設備以滿足試驗需求。

依據項目的總體規劃，按照規劃中建設的試驗設備的能力需求，需要新建1套空氣干燥系統，以滿足試驗設備對空氣干燥能力的需求。建設指標是流量 XX kg/s、壓力（0.7～2.5）MPa、空氣露點-38℃。

1 初步方案規劃

在前期的方案咨詢中，現有的噴淋降溫、除濕干燥、除塵的方案因為建設成本高、占地面積大等原因被排除，改用微熱再生干燥方案。微熱再生流程：吸附干燥器采用雙塔設計，一塔吸附干燥時，另一塔進行加熱再生。從壓縮機出來的空氣，經過蝶閥進入A塔，經吸附劑吸附干燥后，由止回閥排出干燥的空氣；與此同時，大約有10%～12%的再生氣體通過JF閥進入再生加熱器，加熱后的氣體流入B塔對吸附劑進行再生，通過消音器排到大氣中。加熱再生持續一段時間后，出口再生空氣溫度達到設定值，再生氣加熱器就停止加熱。未加熱的再生干燥空氣進入B塔內對吸附床層進行冷卻，使其恢復至吸附時的溫度，重新具有吸附功能。此時完成一個上半周期。下半周期和上半周期一樣，只是B塔吸附，A塔再生。微熱再生主要存在3方面的問題。

（1）微熱再生有部分流量損耗，無法滿足某些試驗點的流量需求，甚至可能會多啟動1臺機組；

（2）微熱再生要建設兩個干燥塔，建設成本增大；

（3）微熱再生是將高壓氣（0.7～2.5）MPa減壓至0.14 MPa再進行再生，存在比較嚴重的能源浪費。

因此，需要對微熱再生干燥方案進行優化設計。

2 干燥方案設計

根據實際的試驗使用需求，針對微熱再生干燥方案存在的問題，結合微熱再生方案和現有的噴淋降溫、除濕干燥、除塵的方案，特提出最終的干燥方案，具體的流程是：機組供出的40℃的壓縮空氣經過換熱器降溫至10℃，經過氣水分離器除去游離水，再經過干燥器進行吸附干燥，最后經過除塵過濾器后供入供氣總管。

系統具備空氣干燥模式、空氣旁通模式和系統再生模式等3種自動運行模式。系統可根據需要選擇任一模式運行。3種模式工藝流程說明如下。

（1）空氣干燥模式。①壓縮機組供給的40℃的壓縮空氣進入系統，經過換熱器進行冷卻，冷卻后溫度約10℃；②進入氣水分離器除去液態游離水；③進入吸附式干燥器（吸附劑為活性氧化鋁）進行吸附干燥（此時干燥器旁通閥關閉），保證出口空氣的大氣露點低于-38℃；④通過除塵過濾器后，供入試驗管網。

（2）空氣旁通模式。①壓縮機組供給的40℃的壓縮空氣進入系統，經過換熱器進行冷卻，冷卻后溫度約10℃；②進入氣水分離器除去液態游離水；③進入吸附式干燥器旁路（此時干燥器進、出口閥門關閉，旁通閥打開）；④通過除塵過濾器后，供入試驗管網。

（3）系統再生模式，與吸附干燥流程相反，此時干燥器進、出口閥門關閉，系統進入再生流程。空氣系統流程見圖1。

圖1 空氣系統流程

3 再生方案設計

空氣干燥系統是通過干燥劑進行吸附干燥達到所需露點要求，吸附完成后進行干燥劑再生，包括再生和冷吹2個階段。

3.1 冷吹工藝設計

干燥劑再生時由風機供出低壓空氣，經電加熱器加溫后供入干燥器，干燥器中的干燥劑溫度升高而析出水分，空氣將水分帶走排入大氣。再生后進行冷吹，干燥器出口的空氣冷卻（在水冷器中空氣——水換熱）后送入風機形成閉式循環，冷空氣對干燥劑進行強制降溫，使干燥劑冷卻到接近環境溫度后，整個再生過程結束。

冷吹時在風機進口設有1臺水冷器，因為水冷器是采用自然循環水進行換熱，受環境因素影響很大，夏天水溫超過30℃，冷卻后的空氣溫度很高，風機后溫度超過50℃，造成冷吹時間加長，且冷吹效果不好，硅膠干燥器內干燥劑的溫度最高超過55℃，試驗時很長時間才能將出口溫度降至需求溫度。

通過分析發現，干燥劑冷吹的溫度主要跟風機出口的溫度有關，降低風機出口溫度，就能降低干燥劑的溫度，同時還能減少冷吹時間。

工藝設計時，在原有再生系統冷吹工藝的基礎上，在風機出口增加了水冷器2，通過換熱進一步降低進入干燥器冷吹的空氣溫度，再生系統流程見圖2。

圖2 再生系統流程

3.2 冷卻水流程設計

在之前的使用過程中，水冷器都是采用自然循環水進行冷卻，該種冷卻模式受環境溫度影響很大，尤其在夏天，起不到很好的冷卻效果。目前，系統內有冷水機組可以提供5℃的冷凍水，為此，設計了新的冷卻水流程，如圖3所示。

水冷器1采用自然循環水進行換熱冷卻。水冷器2有2種供水模式：如果冷水機組啟動，采用5℃冷凍水進行換熱將出口空氣溫度降至15℃以下；如果冷水機組未啟動，則采用自然循環水進行換熱冷卻。

在大部分的試驗工況下，水冷器2都可以采用5℃冷凍水進行換熱，則冷吹的流程為：干燥器出口150℃的熱空氣，經水冷器1冷卻降至40℃后進入風機，增壓后再經水冷器2冷卻至15℃后進入干燥器對床層降溫。當干燥器出口溫度冷卻至30℃以下時，整個流程結束。

圖3 冷卻水系統原理

4 效果

4.1 干燥方案設計優化的效果

采用單塔運行比雙塔運行，每個單元減少了一個干燥塔，增加了一個再生風機，每個干燥器60萬元人民幣，每個風機10萬元人民幣，則減少建設成本200萬元人民幣。再生氣量增壓到某個壓力所需的功率見表1。

表1 再生空氣功率計算

從表1中可以看出，采用風機再生比低壓供氣引氣減少功率1636 kW；采用鼓風機再生比中壓供氣引氣減少功率3241 kW。

折合成最大供氣量計算，每年進行120次試驗，低壓供氣試驗和中壓供氣試驗各60次，每次試驗時長8 h，試驗用電按2元人民幣/（kW·h）計算，采用風機再生每年可降低試驗運行成本468萬元人民幣。優化設計后的干燥方案，是根據實際試驗需求，將微熱再生方案與傳統干燥再生方案結合并進行優化設計后提出的，既解決了微熱再生存在的問題，增加了系統的運行靈活性，同時還能節約建設成本和使用成本，取得了很好的效果。

4.2 再生方案設計優化的效果

單臺水冷器2耗水量23.3 t/h，保證干燥器進口冷空氣溫度≤30℃，能夠減少冷吹時間，降低干燥劑的溫度，在試驗時能夠快速的達到試驗溫度。

采用5℃冷凍水供水，能夠在試驗過程中提高0.5 h進入試驗狀態。折合成最大供氣量計算，每年進行120次試驗，低壓供氣試驗和中壓供氣試驗各60次，試驗用電按2元人民幣/（kW·h）計算，則每年可降低試驗運行成本271.8萬元人民幣。該方案是在現有再生冷吹方案的基礎上進行優化設計，同時根據實際試驗情況采用兩種供水模式，增加運行的靈活性。新的方案解決了冷水受環境影響大的問題，還能在一定程度上降低運行成本，取得了很好的效果。

5 總結

通過對空氣干燥系統干燥方案和再生方案的改進設計，解決了原有方案存在的問題，工藝流程優化，系統運行的靈活性增加，建設成本和運行成本降低，達到降溫增效的目的。同時，空氣干燥系統廣泛應用在石油、化工、醫藥、航空等領域，本方案為其他項目的建設及改造提高的借鑒實例，具有很好的推廣作用。