吸附器閥門內部泄漏對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）中吸附器切換閥內部泄漏的原因和對裝置能耗的影響，論述切換閥內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際運行的工藝數據，進行計算并對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裝置整體能耗的影響。

關鍵詞：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 切換閥內部泄漏與氧氣電耗升高的原因分析

在非高純氧氣（體積分數<95%）的應用場合中，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吸附器周期性交替工作。每個吸附器運行循環周期約40-60s，周期內各切換閥至少開閉一次，每天開關超過1 400次。頻繁開關對閥門動作靈敏性及關閉嚴密性都有很大挑戰。與普通應用場景下的切換閥相比，極高的開關頻率加快了閥門密封組件及機械驅動機構的磨損速度，此外，閥門密封件被異物損傷、損壞，閥板關閉位置改變，氣缸傳動機構磨損導致的閥板關閉不緊，閥板與密封圈之間雜物（如顆粒或碎削）阻滯等均會導致閥門關閉不嚴。朱狄[1]對PSA裝置切換閥維修和處理方法以及對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行結構便可恢復閥門的密封性。因此以上原因導致的切換閥內漏進而影響吸附壓力與解析真空度情況很常見。正如呂愛會[2]等的研究發現，增加吸附壓力可提高氧氣濃度和回收率，切換閥內漏使吸附壓力降低會影響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氣風機和真空風機，進氣風機和真空風機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時間短，因此，切換閥內漏導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切換閥內漏的判斷與維修

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

對所研究吸附器A進行密閉性測試，吸附器A充壓、B不充壓時的測試結果見表1。可見PT2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KV3/KV1存在內漏的可能性較大且泄漏較嚴重。VPSA裝置停機后，現場拆檢KV1和KV3，發現其閥芯密封圈均磨損嚴重。更換磨損的閥芯密封圈后再次對A進行密閉性測試，測試結果顯示KV1和KV3維修質量較好，A的密閉性顯著改善。

3 切換閥內漏導致氣體電耗升高的計算與分析

由于VPSA制氧裝置主要消耗電能，主要耗電設備包括：鼓風機K01、抽真空風機K02、儀表氣壓縮機K03、裝置通風、照明等，其中K01、K02功率較大，占整個裝置耗電的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據并輸出至Excel中進行計算，計算結果如表2所示。

由表2可見維修KV1/KV3后，氧氣電耗降低0.00494kw·h/Nm3，約占產品電耗（按0.38180kw·h/Nm3計）的1.3%。由月度電能表的實際電量和供氣流量計的月度流量計算得到修閥門后的實際氧氣電耗比修閥前降低0.02134kw·h/Nm3，約占產品電耗（按0.38180kw·h/Nm3計）的5.6%。雖然氧氣電耗的工藝數據計算值與實際耗電的計算值之間存在偏差，但消除閥門泄漏使氧氣能耗降低的結果一致，這說明切換閥內漏對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?分析的理論結果是一致的，吸附壓力的增加，總的?效率下降，切換閥內漏導致吸附壓力降低和真空度變差，裝置產量降低和效率變差。降低的產量和效率只能通過增加進氣風機與真空風機的工作時間來彌補，延長風機工作時間相當于增大了吸附壓力，裝置?效率降低使氧氣電耗升高。與田濤[4]等對小型PSA裝置性能的關鍵參數的研究結果相符，延長進氣風機和真空風機工作時間會導致吸附器的吸附時間過長，裝置產品電耗也會升高。

環境溫度、進氣壓差及其他公輔設備運行狀態等因素對裝置能耗均有影響，也是導致維修閥門前后能耗降低的工藝數據計算值與實際耗電的計算值存在偏差的不可忽視的原因，此外，切換閥內部泄漏程度與裝置能耗變化之間的定量關系還需對多次切換閥維修前后裝置能耗變化計算后進一步研究。

4 結論

通過計算維修切換閥前后的制氧能耗可知切換閥內部泄漏對制氧能耗存在顯著影響，制氧能耗的計算結果與理論定性分析結果一致。因此在實際VPSA制氧裝置運行中，偵測和消除切換閥泄漏是控制制氧能耗的重要途徑。

參考文獻

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

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

[3]肖露.變壓吸附空氣分離過程?分析[J].礦業安全與環保，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的研究[J].醫療衛生裝備，2018，39（7）：16-19.

收稿日期：2020-06-28

作者簡介：程兆光（1987-），男，漢族，本科學歷，工程師，研究方向為氧氣分離與水處理工程技術研究。