氣源系統壓縮空氣質量提升方案分析與實踐

易 亮

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

0 引言

近年來在海工建造項目實際作業過程中，對噴砂、吹掃、試壓等作業用壓縮空氣的質量指標要求越來越高，而氣源系統空壓站（即空氣壓縮站）壓縮空氣終端含水量高對生產作業和設備管理實效帶來影響。針對海工鋼結構企業氣源系統改進優化，本著改善壓縮空氣質量目的，結合對生產現場實地考查及方案研究，為裝備管理技術人員在氣源系統空壓站壓縮空氣質量提升實施上提供參考。

1 在用空壓站概況

氣源系統空壓站配有3 臺160 Nm3/min 離心式空壓機和2 臺70 Nm3/min 離心式空壓機，單臺離心式空壓機附1 臺冷凍式干燥器。配套自循環冷卻水系統中，冷卻水量139 m3/h 逆流通風機械冷卻塔4 臺，溫差為10 ℃，每臺冷卻塔配1 臺風機；循環水泵房共有5 臺循環水泵，2 臺240 m3/h、1 臺300 m3/h、2 臺110 m3/h。

離心式空壓機三級出口的壓縮空氣溫度約120 ℃、壓力約0.85 MPa，經三級水冷器用循環水后空氣溫度降到44～45 ℃，然后再經過冷干機干燥除水進入儲氣罐，最后經空氣匯集管輸到各用氣車間。

由空壓站出來的氣體分為3 路：一路去噴砂車間，為連續用氣，用量225～275 Nm3/min；一路去設備試壓區，為間歇用氣，間斷時間為0.5 h/d；另外一路去結構下料預制車間，為連續用氣，用量約10 Nm3/min。

2 問題分析

2.1 冷干機干燥設備方面

在用氣源系統采用冷干機干燥設備，壓縮空氣壓力露點3 ℃。

為了保障設備安全運行，外供循環冷卻水溫度高報警值為30 ℃，聯鎖關停冷媒系統運行設備。近年來，因為大氣環境溫度升高，在夏季高溫季節循環冷卻水系統外供循環水溫度一般控制在33～34 ℃，造成冷干機循環水溫度常達高報警值并聯鎖關停冷媒系統，導致壓縮空氣中水含量高，無法滿足噴砂、設備試壓對壓縮空氣質量要求。另外，在冬季冷干機開啟的情況下，因冷干機本身的特性，無法將壓縮空氣露點溫度降到0 ℃以下，同樣會造成空氣含水量高、結露等問題，影響噴砂效果和試壓作業質量。

2.2 管道敷設方面

供氣管路去車間設有壓力自調閥組，管道由高處引至離地面約1.5 m 處后再架高引出。壓縮空氣管道出現較大U 形彎，管路最低點未設排污口，管道低點易產生凝水帶入壓縮空氣。

噴砂車間空氣緩沖罐出口支路從總管側面連接，如果總管有凝水積存，也不會沿支路靠重力自流入緩沖罐內分離，導致進入車間壓縮空氣含水量較高。空氣緩沖罐底部設有排水口，均為承插式球閥，操作員巡檢定時排水，過程或外泄大量壓縮空氣，造成能源浪費；如果沒及時對底部高水位排水，罐內上行空氣夾帶凝水，造成出氣水含量較高，且冬季儲罐底部會結冰。

2.3 循環冷卻水系統

系統夏季冷卻效果不好，供水溫度高至34～36 ℃，不能滿足站用設備對冷卻用水（30 ℃）的要求，影響因素主要有3 個。

（1）所處地區夏季濕度較大，濕球溫度較高（26～27 ℃），接近循環水冷卻塔設計出水溫度（30 ℃），循環水出口溫度較濕球溫度僅相差3～4 ℃，達到冷卻塔冷卻極限溫度，夏季出水溫度較高。

（2）循環水冷卻塔已運行10 年，填料破損使換熱效果下降，導致循環水出口溫度升高。

（3）冷卻塔布置距泵房約3 m，距離近影響通風換熱效果。

3 改進技術方案

3.1 調整氣源系統設備工藝

采用壓縮熱再生零排放吸附式干燥器（以下簡稱“干燥器”）替換在用冷干機，相應地在干燥器出口管道新增除塵過濾器，并改造空氣匯集管道。

整體采用壓縮熱再生零排放吸附式干燥器，吸附劑為活性氧化鋁，在干燥器出口管道新增除塵過濾器，內置濾芯，可以除去壓縮空氣中吸附劑顆粒物雜質，通過除塵過濾器最大灰塵粒子直徑為0.5 μm，外供空氣含塵粒徑≤0.5 μm，壓縮空氣經除塵過濾器壓降≤0.010 34 MPa。改進后壓縮空氣質量可滿足噴砂、設備試壓和切割用氣質量的要求。

3.2 改造附屬空氣管道

3 臺160 Nm3/min 空壓機三級壓縮出口高溫氣（120 ℃）管道增設DN80 支管匯集至連通管，連通管引出兩路支管連接至兩臺干燥器熱空氣進口，每條支路設流量調節閥組控制高溫氣流量（占排氣總量20%～30%）；另外3 臺160 Nm3/min 空壓機三級水冷卻器出口空氣（44～45 ℃，氣量占排氣總量70%～80%）管道匯集至連通管，連通管上引兩路支管連接至兩臺干燥器冷空氣進口。去噴砂車間壓力自調閥組管路低點、緩沖罐底部設自動排水閥。

3.3 對循環冷卻水系統進行處理

（1）根據氣象條件和系統干燥要求，對循環冷卻水系統的4臺冷卻塔進行維修、清洗，去除水系統污垢雜質。

（2）更換冷卻塔填料并適量減小填料層間距，增加與空氣接觸面，提高冷卻效率。

（3）更換循環冷卻水進出管為無縫鋼管。

4 采用壓縮熱再生零排放吸附式干燥工藝

采用離心式空壓機將一定的熱量排出，排出的熱量能對再生干燥劑進行重新加熱，干燥器的整個再生過程不耗氣，可最大限度節省運行費用。為了滿足空氣干燥的要求，需要利用電加熱器系統進行輔助加熱，根據再生干燥器空氣溫度的實際情況合理控制電加熱器系統的啟閉，這樣就能減少壓縮空氣出口露點現象發生的概率，有效提升空氣的干燥程度。

壓縮熱再生冷排放吸附式干燥技術的工作原理表現為：在再生塔中輸入從離心式空壓器內出來的高溫氣體，熱壓縮空氣不會出現排放現象，直接進入到再生干燥器中，在分離器和再生冷卻器的作用下，將120 ℃左右的高溫氣體冷卻至45 ℃，之后再通入吸附塔，在吸附塔內將溫度降低到露點溫度。該干燥工藝被廣泛推廣和應用在無油潤滑離心式壓縮機領域。

壓縮熱再生冷排放吸附式干燥技術的工藝流程主要有3 個。

（1）余熱再生，B 塔余熱再生/A 塔吸附階段。離心空壓機三級壓縮后高溫氣體（約120 ℃）分兩路：一路占空氣總流量30%左右，在調節閥控制作用下通過輔助電加熱系統進入到干燥器B 塔中，經過自上而下的加熱再生，形成壓縮空氣，通過分離器與再生冷卻器，將氣體中的水分排出，最后把空氣送到A 塔，在A 塔中進行充分吸附；另外一路占空氣總流量70%左右，在三級冷卻器中進行降溫處理，降溫之后的氣體傳輸到干燥器A 內進行自下而上的吸附，吸附過程完成后在后置除塵過濾器中對壓縮空氣進行除塵處理，除塵結束后將壓縮空氣排出空氣儲罐。

（2）電加熱再生。如果要求控制出口氣空氣露點較低，或者排氣溫度沒有超過90 ℃，則需要采用電加熱系統對氣體進行再加熱處理。離心空壓機排出過熱壓縮空氣經電加熱器進行加熱后進入干燥器B 塔加熱再生，電加熱器根據加熱器出口溫度變送器來控制啟停，實現節能目標。

（3）冷吹階段。熱再生后再生塔在被切換成吸附塔前需被冷卻，采用部分經離心式空壓機三級冷卻后壓縮空氣對再生塔進行冷卻，冷吹流向和熱再生流向采用對流工藝，保證短時間內將塔內溫度降下來。這部分冷吹氣體通過再生冷卻器和分離器回收利用，整個過程無耗氣、零排放。

5 改進干燥工藝優點

（1）改進后離心式空壓機三級出口溫度≥90 ℃工況下，出干燥器壓縮空氣常壓露點達-60 ℃以下，含水量低，提高空氣質量。

（2）采用大氣量、低溫氣冷吹，露點漂移≤5～10 ℃（0.5 h 內）。

（3）再生過程（加熱/冷吹）抽取壓縮空氣全部在干燥器內回收，100%零氣耗，實現余熱利用、節能降耗。

（4）吸附劑壽命可以達到5 年。

6 總結及建議

由于改進提升方案在現有氣源系統廠房內進行，現場空間受限，為滿足條件，采用壓縮熱再生零排放吸附式干燥器，應成套配置并控制實際總外形尺寸、壓力露點不大于-40 ℃、循環水冷卻塔夏季運行可適當加大循環水泵出口閥門開度，增加循環水流量、流速，減少換熱停留時間，降低循環回水溫度，以保證循環水冷卻塔供水溫度要求。該方案不僅能提高壓縮空氣質量指標，滿足生產用氣要求，還可以利用高溫壓縮空氣余熱，實現節能降耗的目的。