压缩空气干燥净化设备的选型关系电力安全生产和企业效益

2021-03-30 11:00:04 郭朝芳 17

20%压缩空气系统是电厂中非常重要的动力系统,为机组自动控制系统中的众多气动执行机构提供仪用操作气源,同时还提供杂用空气。其工作的可靠性,直接影响电厂机组的安全运行,对安全生产极为重要。保证压缩空气系统的安全从某种程度上讲也就是保证全厂生产的安全,因此该系统被喻为电厂的“神经系统”。压缩空气占电厂能耗近20% , 压缩空气是电力企业重要动力能源,品质要求高,需求量巨大。因此, 合理科学做好压缩空气的干燥净化设备选型,做好压缩空气的品质达标和节能工作,对于节能减排和企业效益是十分重要的。

痛  点

1)目前电厂压缩空气净化系统大多采用传统的冷冻式干燥机(压力露点2~10℃td以上)/双塔吸附式干燥机(压力露点不稳定),压缩空气品质不达标,深受压缩空气带水问题的困扰,卡住控制阀、损坏密封造成泄漏、致使执行机构运行迟缓、仪器仪表工作失效、加剧元件磨损等,特别在冬季环境温度下,压缩空气冷凝水量大大增加,压缩空气表管路及压缩空气主管理道结冰现象经常发生,气源时断时续,造成室外气动控制系统基本陷于瘫痪状态,严重影响到脱硫设备、仪表等运行和使用效果,直接危胁到正常的安全生产;

2)用气末端还含有一定的液态水,会腐蚀管道和气动设备,给阀门、气缸、仪表等气动设备工具的故障率和寿命产生影响,更换成本偏高,实践证明,压缩空气的合理的净化处理费用要远远少于对压缩空气不处理或净化处理不达标所导致设备损坏造成的经济损失。

3)输灰系统压缩空气含水量过高,造成灰体流动性下降,灰体重量显著增加,仓泵流化盘内进水,带水的灰体由于重力作用沉积在输灰管底部并板结,严重影响正常的系统运行。特别在冬天气温较低时,压缩空气中含水量较大时,压缩空气管路内结冰严重,且有部分析出的水份在节流孔板处冻结,影响到安全生产。

4)压缩空气后处理系统运行能耗高,运行成本和维护成本高。

标  准

现代工业使用压缩空气时都有一整套设备、设施,我们把由生产、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。典型的气源系统由下列几部分组成:空气压缩机、后部冷却器、缓冲罐、过滤器(包括油水分离器、预过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等)、干燥机(冷冻式或吸附式)、稳压储气罐、自动排水排污器及输气管道、管路阀件、仪表等。上述设备根据工艺流程的不同需要,组成完整的气源系统。 

空压机排出的压缩空气是不干净的,除了含有水(包括水蒸气、凝结水)和悬浮物外,还有油(包括油雾、油蒸气)。这些污染物对提高生产效率、降低运行成本、提高产品质量是不利的,因此就需要进行干燥净化处理。为了统一标准,国际标准组织(ISO)所属压缩机、气动机械及工具委员会(TC118)在1986年提出了关于压缩空气干燥净化设备和压缩空气品质的国际标准,其中压缩空气质量等级标准ISO8573.1把压缩空气中的污染物分为固体杂质、水和油三种(我国等同采用了ISO8573即国家标准GB/T13277-91《一般用压缩空气质量等级》),具体如表1-3。

表1-3 ISO8573.1-1

质量等级

固体颗粒最大直径

(μm)

水压力露点℃ 0.7MPa g

油(包括蒸气)

mg/m3

1

0.1

-70

0.01

2

1

-40

0.1

3

5

-20

1.0

4

15

+3

5

5

40

+7

25

6

-

+10

-

除了上述标准外其他标准名称如下: 

——ISO7183 压缩空气干燥器 规范与试验 
——ISO8573-1 一般用压缩空气 第一部分:污染物和质量等级 
——ISO8573-2 一般用压缩空气 第二部分:悬浮油粒的测试方法 
——ISO8573-3 一般用压缩空气 第三部分:湿度测量 
——ISO8573-4 一般用压缩空气 第四部分:固体粒子的测量 
——ISO8573-5 一般用压缩空气 第五部分:油蒸汽的测量 
——ISO8573-6 一般用压缩空气 第六部分:气体污染物的测量 
——ISO8573-7 一般用压缩空气 第七部分:微生物的测量 
    ISO标准组织已着手对ISO8573.1进行修改,其主要变化表现在对固体颗粒的要求上。新标准对固体颗粒的数量进行了规定,这一变化是结合了纤维过滤器的实际性能,而且比较容易检测。具体内容见ISO8573.1-2001。

表1-4 ISO8573.1 : 2001

QUALITY
CLASS

SOLID PARTICLES
maximum number of particles per m
³

WATER Pressure Dewpoint °C (ppm.vol.)
at 7 bar g

OIL
(Including vapour)
mg/m3

0.1-0.5 micron

0.5-1.0 micron

1.0-5.0 micron

1

100

1

0

-70 (0.3)

0.01

2

100,000

1,000

10

-40 (16)

0.1

3

-

10,000

500

-20 (128)

1.0

4

-

-

1,000

+3 (940)

5

5

-

-

20,000

+7 (1240)

-

6

-

-

-

+10 (1500)

-

压缩空气的净化主要分干燥和过滤两个部分,用过滤器去除油和尘,用干燥机去除压缩空气中的水分,但水分的去除是较难的技术。目前压缩空气干燥设备主要有:冷冻式干燥机、双塔吸附式干燥机、组合式干燥机、模块吸附式干燥机、模芯吸附式干燥机、干燥净化一体机等,冷冻干燥机及双塔吸附式干燥机由于技术和结构的缺陷,处理后的压缩空气品质不仅不能达标,而且含水值超出标准要求100-200倍,干燥设备自身运行能耗也较大,模块吸附式干燥机是对双塔吸附式干燥机的改良和升级。

电厂压缩空气标准要求:

1、控制仪表用压缩空气系统:含水3级,油量2级,尘2级,火力发电机组的运行需要大量的控制仪表来支持操作。

2、水处理压缩空气系统:含水3级,油量2级,尘2级

3、输灰压缩空气系统:含水3级,油量2级,尘2级

4、工厂杂用气压缩空气系统:含水6级,油量5级,尘4级,用于检修机器,吹扫管道。

压缩空气质量现状

我国发电厂的压缩空系统的投资是非常重视空压机,而忽略干燥净化设备,空压机大都选用业界知名的三大品牌,干燥净化设备的选择比较随意,而且选型配置不合理,不完善,导致电厂压缩空气质量普遍不达标,重复技术改造,重复投资,造成巨大 压缩空气组合式干燥机,压缩空气干燥机,冷冻式干燥机,吸干机,精密过滤器,吸附式干燥机             常见的压缩空气后处理系统

冷干机的使用往往是通过降温除大量的液态水,起预冷作用,其工作原理是利用冷媒(氟利昂)通过换热器对高温压缩空气进行降温,在降温过程中水份会冷凝成液态水,再利用自动排水器排出机外,从而达到干燥目的。

冷冻式干燥机因其工作原理所限,冷媒温度不允许设定在2℃以下,否则冷凝后的水会结冰而堵塞冷干机内部管道,导致压缩空气无法通过,且冷干机的换热器效率与分水效率决定了其干燥能力不可能达到设定值,也就是说,通过冷干机处理后,压缩空气内还含有大量气态水分,压缩空气品质很难达标。

双塔吸附式干燥机在处理效果优于冷冻式干燥机。新设备处理效果可满足行业要求,但干燥效果不稳定,在正常使用半年(或一年)后,露点大幅提升,远高于生产要求;综合能耗比(再生耗气量和加热器功率)高,折合耗能可达空压机设备总运行成本的14%~18%;

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模块吸附式干燥机主要以国外品牌为主导,价格高昂,处理效果可达到行业要求, 但后期吸附剂更换难度大,且更换效果不稳定,维护费用高,综合能耗占空压机设备总运行成本的7%~10%;

模芯干燥机是基于全球最新的吸附模芯干燥技术为主导研发出的新型吸附式干燥机,该技术彻底解决了原有吸附式干燥机的诸多隐患;具有干燥露点低(-20~-70℃),效果稳定,后期维护简单,维修成本低等优点。工作原理图如下:

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 吸附阶段

湿压缩空气自入口进入进气缓冲腔,自下而上均匀通过各模芯吸附腔体;内分子筛利用自身毛细作用吸取压缩空气中的水分,达到干燥效果。

 再生阶段

无热再生:再生干空气经再生气流调节阀进入再生组出气缓冲腔,干气体在再生组模芯吸附腔内膨胀减压至大气压后,自上而下对再生组分子筛进行吹扫,吸附剂体内水分与吸附剂分离,解析于干空气中,同再生气体一起自消音器排出。

微热再生:出气缓冲腔内加热后,进入再生模芯吸附腔内,吸附剂内水分在高温环境下加快解析速度,大大降低了再生吹扫气量。

干燥净化一体机为贝腾第八代产品,在模芯干燥机(深度除水分子)的基础上集成了贝腾独特的制冷系统(预降温除液态水)和贝腾高效精密过滤系统(深度除油除尘),可一站式解决压缩空气品质达标问题,体积小,压降小,安装简单。

影响吸附式干燥机效果的主要因素

1、吸附剂:

在常用的三种吸附剂中,硅胶使用较少,活性氧化铝最常使用,而分子筛常用在要求较高的场合。 这三种吸附剂的主要性能已列在表2-2中。表2-3列出了三种吸附剂的使用条件。在使用条件栏中指的是压缩空气中含有的某些杂质。

表2-3 各种吸附剂使用条件

使用环境

硅胶

活性氧化铝

分子筛

碱性

不可

酸性

不可

不可

三种吸附剂的吸附性能曲线列于图2-19、图2-20和图2-21。 

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                          图2-19

图2-19表示了吸附剂在不同相对湿度下吸附量,常用的三种吸附剂具有共同的一个性质:吸附量随着压缩空气相对湿度的增高而上升;与之相对,三种吸附剂的吸附能力随着压缩空气相对湿度的降低而减小。但是我们发现分子筛在低湿度下仍然具有较强的吸附能力,我们常在吸附剂双层床中利用分子筛的这一特点。

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               图2-20                                                                                                     图2-21

不同水蒸气分压下吸附容量(等温线)                                                       不同吸附温度下吸附能力(等压线)

图2-20告诉我们,吸附剂的吸附能力随着水蒸气分压的降低而降低,在水蒸气分压很低的情况下,分子筛仍然具有吸附能力。 

图2-21说明了吸附剂在不同温度下的吸附能力变化情况:吸附温度越低,吸附剂吸附能力越强。

2、隧道效应:

1)隧道一旦形成,压缩空气通过速度加快,水分还来不及被彻底吸附,压缩空气就已经通过,致使吸附效果明显降低,露点升高;

2)吸附剂之间的碰撞摩擦加剧,吸附剂粉化严重,吸水性能降低;

3)吸附剂粉尘易堵塞吸干机的消声器及后置管道过滤器,造成过滤器吸附作用降低

3、气流分布不均匀:

在一般情况下,吸干机进气管道比吸附筒直径小很多,压缩空气在初始压力及速度的共同作用下,气流往往呈汇集撞他通过容器内的填料,气体分配不均衡。

有相当一部分填料无法得到充分的利用,也就形成了吸附死角,从而造成吸附剂利用率大大降低,吸附效率降低。

4、吸干机填充不紧密:

双塔吸干机进气管与吸附塔塔体体积比很大,从气体流动特性来说,会造成气体流体分配不均衡,使得塔体中部吸附剂被长期急剧冲刷,塔体内外围部分吸附剂利用较差,这样会导致中部吸附剂过早粉化失效,造成叠加的隧道效应,导致吸干机在短时间内失去吸附效果,这是导致双塔吸干机露点漂移严重的主要原因。

针对双塔吸干机的这几点不足,贝腾模芯吸附干燥机在相关的技术上做出了重大的突破,解决了双塔机“隧道效应”、气流分布不均匀、填充不紧密的问题,从而很好的改善了吸附式干燥机的深度的干燥效果。

5、吸干机结构及运行特点:

1)由于模芯式干燥机每个进气腔体横截面都与压缩空气成90°,保证了压缩空气与吸附剂可以做到充分接触,不会形成隧道效应,同时也降低了对吸附剂的冲刷,所以模芯式干燥机的吸附剂采用全分子筛填充,同样的介质再通过工厂机器有序的填充,使过滤的压缩空气不会存在吸附死角,这是模芯式干燥机露点可以做到更低的技术保证。

2)为了提高露点,双塔式干燥机厂商会采取增高塔体,增加吸附剂填充量,并且有的双塔吸干机厂商,会在吸附塔内增加扩散孔板,以使气流可以分配的均匀。而增加吸附塔高度,增加吸附剂填充量,使得脱附的时候水分通过的距离增加,扩上孔板的存在,又会阻碍水份的排出,塔体和排气管的体积差,也会造成水份排出的困难,为了解决脱附排水,双塔干燥机只能加到气耗来对水分吹扫,传统干燥机气耗过大和吸附剂填充过多的原因。

由于模芯式干燥机可以做到吸附剂与压缩空气充分接触,而且分析筛的吸附效率又远远强于氧化铝,所以不需要填充太多的吸附剂,也不需要添加扩散孔板,并且在排气的时候每一根吸附腔体的截面积又远远小于进气腔体,更加有利于水份的排出,模芯式干燥机只需要很少的气体就可以做到瞬时排放,吸附剂填充又少,减少了运行成本。

1)由于隧道效应的存在,传统式干燥机的耗材使用周期较短,更换吸附剂的时候,只能现场人工更换,人工更换吸附剂又会出现填充不紧密的现象,(经过多年技术跟踪发现,传统式干燥机在跟换吸附剂三个月左右,塔体会出现1/3的左右的空体),而这又会产生更严重的沟流效应,使得吸附效果急剧变差甚至失效。为了降低吸附剂更换后露点变差,传统式干燥机在吸附剂跟换后,只能加大再生耗气,如此进入一个恶性循环的过程,就使得传统式干燥机更换吸附剂后露点变得更差以及耗气更大。

模芯式干燥机采取自主研发自主专利的模芯管可拆卸技术,在吸附剂跟换的时候,只需要跟换装有工厂机器填充好的模芯管就可以,这样就完全保证了所更换的吸附剂和新机器具有同样的吸附效果,并且采取采用非焊接,拆卸维护方便。

设备投资关注点

4.1投资目的要有利于生产:设备技术指标完全符合行业标准,设备运行效果稳定、可靠,设备维护保养方便,设备可实时监控管理等。

4.2综合成本低:设备成本、系统搭建成本、运行成本、维护成本等综合成本低。

设备选择原则 

压缩空气干燥净化工艺因供气气源、用户使用特点、干燥装置的形式、净化方法及其设备配置方式的不同而有较大的差异,其中干燥装置、净化单体的选用和设置、输送管道的设计,将直接影响到干燥净化效果和压缩空气的供气质量。 

因此,压缩空气干燥净化工艺应根据所使用的气源参数——压力、温度、湿度及杂质的组成、含量等,需处理的空气量以及用户对压缩空气的要求——允许的阻力损失、露点、过滤精度、残余油分等,经技术经济综合比较后进行确定,选用适宜的干燥净化工艺及其设备,以达到技术可靠,经济合理的目的。 

选择压缩空气的干燥工艺,往往需要和应用的实际情况结合,以下只是建议,供参考: 

5.1对空气压力露点要求大于等于10℃的系统,通常采用冷冻干燥工艺,反之,则采用吸附干燥工艺;

5.2对空气处理量大,且含湿量高的系统,结合用户要求,进行能耗、设备一次费用等技术经济比较后确定是采用冷冻干燥工艺,还是采用吸附干燥工艺或冷冻、吸附干燥组合工艺;

5.3无热再生吸附干燥工艺运行压力不宜低于0.5MPa,当压力过低时会导致再生气量增大,从而增加电耗和运行费用,不经济。当干燥空气露点低于-60℃时,宜采用冷冻干燥与吸附干燥有机组合的工艺,以减少能量消耗且运行管理方便;

5.4当采用无热再生吸附干燥工艺时,待处理压缩空气进入吸附塔前应是无油和液体水的,因此,须在进入吸附干燥装置前采取有效的除油措施;

5.5压力露点持续稳定达标,满足ISO8573国际行业标准和JB-T 5967—2007标准中要求:-40℃,满足发电行业生产工艺要求;

5.6设备数字化、自动化、智能化程度高,确保设备选型5到10年技术不落后;

5.7设备具备压力露点检测功能,实时监测压缩空气压力露点数据,可实现压缩空气品质有效管控(选配);

5.8设备具有再生气耗自动调节功能,保证机器运行在最佳状态,实现更低的运行成本;

5.9具有独立的模芯结构,模芯耗材整体更换(3年一换),实现更低的维护成本;

5.10充分考虑极端条件下的工况,系统配置有充分的冗余,设备性能稳定可靠;

5.11采用并机运行方式,以更低的成本实现备用机,且方便实现系统扩容;

5.12具备物联网+大数据,可提供更多的增值服务。

能耗成本分析

背景:处理流量100m³/min ,年运行时间8000h,电价0.8元/kwh,冷却水运行费用0.15元/T

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通过上表数据分析,干燥净化一体机和模芯干燥机属于绿色低碳环保的工业产品,引领行业的发展趋势,与冷干机+双塔吸附式干燥机方案相比,既可持续稳定地解决了压缩空气品质达标问题,又可每年可节能运行费用约35万元运行成本,1年左右将可收回投资成本,具备非常强的产品综合成本优势,十分适合发电行业普及应用。


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