煤層氣吸附脫水控制系統調節閥的應用

　　在煤層氣脫水系統中，使用調節閥對吸附塔進(jìn)行升壓和降壓，可以實(shí)現脫水裝置的全自動(dòng)控制。本文根據調節閥設計原則提出閥門(mén)的計算方法，并根據計算結果提出設備選型原則和調試方法，使調節閥的控制納入脫水系統程控時(shí)序中。根據上述方法，可使脫水吸附塔在滿(mǎn)足規范要求和安全要求的前提下以最短的時(shí)間完成壓力的改變過(guò)程。

1、概述

　　煤層氣工業(yè)中用吸附法脫除氣體中的水份十分常用。吸附劑有吸附容量限制，吸附飽和后需要對吸附劑再生，其中高壓有利于吸附，低壓有利于再生，所以常將煤層氣增壓后通入吸附裝置脫水，再生時(shí)通入低壓、干凈、干燥的氣體。為保證連續生產(chǎn)，脫水系統一般配備兩臺或兩臺以上的吸附塔，圖1為兩塔切換吸附的流程示意圖。某塔吸附時(shí)，其余塔進(jìn)行再生。處于吸附狀態(tài)的塔吸附飽和時(shí)，處于再生狀態(tài)的塔也再生完畢，此時(shí)將吸附塔進(jìn)行切換，實(shí)現不間斷生產(chǎn)。

圖1 吸附脫水流程示意圖

　　吸附和再生處于不同壓力等級，直接切換吸附塔將使塔內壓力迅速變化，例如煤層氣液化工藝中，吸附壓力一般為1.5～10MPa，再生壓力可能為幾十千帕，壓力相差較大。按規范要求，吸附塔內壓力變化不應大于0.3MPa/min，壓力變化過(guò)快可能沖擊吸附劑，破壞其結構或形狀，影響吸附效果和使用壽命。所以需要將吸附完畢的塔降壓，將再生完畢的塔升壓后再切換，即脫水工藝中的降壓升壓過(guò)程。

　　常用的降壓升壓方法有兩種。一是采用多級吸附塔降壓或升壓。壓力最高的吸附塔在降壓時(shí)首先和壓力小一級的塔均壓，壓力平衡后再和壓力更小的塔均壓，直到壓力降為設計值。這種辦法可以用僅有開(kāi)關(guān)功能的程控閥來(lái)實(shí)現自動(dòng)控制，壓力相差較大時(shí)需配備較多吸附塔。吸附塔越多，壓力變化越平穩。升壓時(shí)也是如此。

　　另一種方法是通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行調節。在升壓和降壓時(shí)，通過(guò)人工操作閥門(mén)控制塔內壓力變化。這種方法需要吸附塔少，最少僅需要兩個(gè)吸附塔，但無(wú)法實(shí)現全自動(dòng)控制。在脫水系統中，除升壓降壓外，其余過(guò)程都可自動(dòng)控制。在自控系統中加入人工操作，使系統存在安全隱患，如工人操作不及時(shí)或不到位，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為將影響既定的控制過(guò)程。

　　綜上所述，需要找到一種簡(jiǎn)易準確的方法，使降壓和升壓實(shí)現自動(dòng)控制，并能納入整個(gè)脫水系統的自動(dòng)控制中。在貴州某煤層氣項目中，采用了氣動(dòng)調節閥代替人工操作閥門(mén)來(lái)實(shí)現吸附塔升壓降壓全自動(dòng)化。

2、調節閥的控制方式

　　使用調節閥實(shí)現吸附塔升壓降壓過(guò)程的自動(dòng)運行，其目標是在一定時(shí)間內將吸附塔壓力提高或降低到設計壓力，同時(shí)塔內壓力變化速度符合規范要求。壓力變化速度dP是一個(gè)連續變化量，由塔內Δt時(shí)間內壓力變化量ΔP決定：。Δt決定了dP精確度。

　　在降壓和升壓過(guò)程中，將dP控制在0.3MPa/min最理想�？梢詫�dP設為調節參數，目標值設為0.3MPa/min。在調節過(guò)程中，若使吸附塔或再生塔內壓力的變化速度穩定在0.3MPa/min，則調節閥也需要連續動(dòng)作，以適應調節閥前后壓差的變化。這種調節十分精確，完成減壓和升壓所花時(shí)間最少，但實(shí)現起來(lái)有一定難度。原因在于傳感器測量精度、數據傳輸及設備動(dòng)作延遲會(huì )影響調節精度。另外，脫水流程中閥門(mén)切換和設備啟停都通過(guò)程控時(shí)序控制，即在固定時(shí)間點(diǎn)所有設備同時(shí)動(dòng)作。吸附塔升壓降壓作為脫水流程一部分，也需要調節閥在固定時(shí)間點(diǎn)做出動(dòng)作。精確調節方式中，調節過(guò)程是否到位判斷依據是壓力變化速度和吸附塔壓力是否到位。若傳感器出現故障，或每次調節到位所花時(shí)間不一樣，則調節閥將不顧其余程控設備狀態(tài)獨自動(dòng)作或不動(dòng)作，破壞工藝流程，甚至造成危險。所以調節閥的控制也必須以時(shí)間為準，在規定的時(shí)間點(diǎn)上開(kāi)始和停止動(dòng)作。

　　在降壓升壓過(guò)程中，不必追求最短時(shí)間內完成調節，所以可采用一種模糊調節方式。以降壓流程為例，開(kāi)始降壓時(shí)調節閥前后壓差最大，吸附塔內壓力變化速度最快，此時(shí)設定調節閥開(kāi)度使瞬時(shí)壓力變化速度達到0.3MPa/min，然后維持這個(gè)開(kāi)度。之后塔內壓力變化速度越來(lái)越慢，一段時(shí)間后改變調節閥開(kāi)度，使該時(shí)刻壓力變化值再次達到0.3MPa/min，然后維持這個(gè)開(kāi)度。重復上述過(guò)程，則調節閥只需動(dòng)作幾次，每次維持一定時(shí)間即可將塔內壓力降為再生壓力。閥門(mén)動(dòng)作次數越多，每次維持的時(shí)間越短，降壓所需時(shí)間越短;動(dòng)作次數越少，每次維持時(shí)間越長(cháng)，總共降壓所需時(shí)間越長(cháng)�？梢赃x取合適的閥門(mén)動(dòng)作次數和每次的維持時(shí)間，使總降壓時(shí)間滿(mǎn)足設計要求。降壓所需時(shí)間固定，就可以和其他程控設備統一進(jìn)行控制編程。升壓也可以采用這種方式。

　　精確調節和模糊調節的區別見(jiàn)圖2。在模糊調節中，時(shí)間-壓力曲線(xiàn)起點(diǎn)斜率等于精確調節時(shí)間-壓力曲線(xiàn)斜率，隨后慢慢變小，當斜率小于一定值后，調整閥門(mén)開(kāi)度，使曲線(xiàn)斜率再次等于精確調節的曲線(xiàn)斜率。幾次調節后完成降壓。模糊調節所需要的時(shí)間比精確調節多一些。在圖2中閥門(mén)動(dòng)作了6次后完成降壓過(guò)程。

圖2 精確調節和模糊調節的對比

3、調節閥技術(shù)參數

　　調節閥控制方式確定后，需要通過(guò)計算對調節閥選型，并確定調節閥動(dòng)作次數及狀態(tài)保持時(shí)間。下面以圖1流程為例介紹計算方法。

　　3.1、升壓計算

　　圖1中塔A處于高壓吸附狀態(tài)，有效氣體容積V，吸附壓力P，溫度T。塔B處于再生完畢狀態(tài)，有效氣體容積V，壓力P0，溫度T，需要進(jìn)行升壓。高壓氣體通過(guò)升壓調節閥從塔A進(jìn)入塔B。由于塔A處于吸附狀態(tài)，不斷有工藝氣體流過(guò)，所以在升壓過(guò)程中塔A的壓力視為恒定不變。

　　升壓過(guò)程中，塔A和塔B的溫度T可視為不變。按照理想氣體狀態(tài)方程P=ρRT，壓力P和密度ρ為線(xiàn)性關(guān)系：ρ=kP，，k由工藝氣體物性參數和溫度確定。

　　規范中規定，升壓時(shí)塔內壓力變化不應超過(guò)0.3MPa/min，即0.005MPa/s，在該升壓速度條件下，設每秒后塔B內氣體密度變化Δρ，則進(jìn)入塔B的氣體理論最大質(zhì)量流量為ma=VΔρ=VkΔP=0.005kV。

　　升壓過(guò)程中，升壓調節閥的閥前壓力P恒定不變，閥后壓力不斷升高。設剛開(kāi)始升壓時(shí)，閥后壓力為P0，第1秒后變?yōu)镻1，第2秒后變?yōu)镻2，以此類(lèi)推第N秒后變?yōu)镻n。

　　設調節閥的流量系數為KV。升壓開(kāi)始時(shí)，升壓調節閥前后壓差ΔP=P-P0，根據工藝氣體的物性參數和狀態(tài)參數，判斷氣體流動(dòng)是否形成阻塞流。若為阻塞流，則說(shuō)明閥前后壓差過(guò)大，在調節閥最小截面處氣流將形成阻塞。此時(shí)應根據公式(1)計算通過(guò)調節閥的氣體體積流量：

(1)

　　式中：P———塔A內壓力

　　KV———調節閥流量系數

　　κ———工藝氣體的氣體指數

　　XT———工藝氣體臨界壓差比

　　T———塔A內溫度

　　M———工藝氣體分子量

　　Z———工藝氣體壓縮指數

　　在第1秒后，按照公式(1)計算得到有體積流量為Qg1的氣體進(jìn)入塔B，換算成質(zhì)量流量為。則塔B壓力變化量ΔP1=，塔B內壓力變?yōu)镻1=P0+ΔP1。此時(shí)調節閥前后壓力為P與P1。再次判斷是否為阻塞流，計算第2秒時(shí)間內進(jìn)入塔B的氣體流量Qg2和，并計算第2秒后塔B內的壓力P2。通過(guò)上述方法可以計算第N秒內進(jìn)入塔B的氣體流量Qgn和，以及第N秒后塔B內的壓力Pn。

　　從計算結果可以看出，塔B內壓力會(huì )不斷升高。假設到第M秒結束時(shí)，塔B內壓力達到臨界值，超過(guò)該值后通過(guò)調節閥的流動(dòng)為非阻塞流，則此時(shí)通過(guò)調節閥的氣體流量與調節閥前后壓差有關(guān)，需要用公式(2)計算氣體流量：

　　(2)

　　式中：P———塔A內壓力

　　KV———調節閥流量系數

　　y———氣體膨脹系數

　　X———工藝氣體壓差比

　　T———塔A內溫度

　　M———工藝氣體分子量

　　Z———工藝氣體壓縮指數

　　利用公式(2)可以計算第M秒內進(jìn)入塔B的氣體流量Qgm和，再計算第M秒后塔B內壓力Pm。

　　當塔A壓力與塔B壓差小于0.2MPa時(shí)視為升壓結束，可以切換吸附塔。

　　將上述計算結果列表，可以根據實(shí)際流量與理論最大流量的比值來(lái)判斷調節閥是否該動(dòng)作。該比值不能大于1，但也不能太小，一般不低于70%，具體見(jiàn)表1。

表1 升壓計算結果

　　在上述計算中，調節閥的開(kāi)度不變則KV值不變。根據表1中的數據，當實(shí)際氣體流量約為理論最大流量的70%時(shí)，調節KV使實(shí)際流量等于理論最大流量，并使之維持一定時(shí)間。以此類(lèi)推，直到塔B壓力滿(mǎn)足要求。則調節閥一共動(dòng)作的次數、每次動(dòng)作需要的時(shí)間，以及升壓共需要的時(shí)間都可以從表1中得到，同時(shí)調節過(guò)程中壓力變化速度能滿(mǎn)足規范要求。

　　3.2、降壓的計算

　　降壓的計算方式與升壓計算方式基本相同，區別在于降壓時(shí)塔A內氣體通過(guò)降壓調節閥進(jìn)入大氣，降壓調節閥的閥后壓力恒定不變，閥前壓力不斷降低。在每一秒的計算中，同樣需要判斷是否為阻塞流，并選取相應的計算公式。根據計算結果可以得到表2。降壓結束的判斷依據是塔A與大氣壓之差小于0.2MPa。

表2 降壓計算結果

　　3.3、調節閥的參數確定

　　通過(guò)上述計算得到調節閥升壓和降壓過(guò)程中不同時(shí)間段的KV值，按照最大KV值確定調節閥的流量系數，并根據氣體流速和管道口徑確定調節閥口徑，最后需要對調節閥在不同KV值下的開(kāi)度進(jìn)行校核，具體可參考調節閥選用手冊和調節閥廠(chǎng)家提供的產(chǎn)品資料。

　　在調節閥的實(shí)際選型中，所選的調節閥技術(shù)參數與計算得到的參數會(huì )有一定差異，所以需要根據實(shí)際選擇的調節閥參數校核調節閥在每個(gè)開(kāi)度的維持時(shí)間，并以此為基準通過(guò)實(shí)際調試得到最后的調節閥控制時(shí)序。

4、調節閥選型要求

　　在升壓和降壓過(guò)程中，對調節閥還有特殊的要求。一是調節閥可能需要雙向流動(dòng)，二是調節閥關(guān)閉時(shí)閥門(mén)前后壓差很大，不利于密封。

　　為解決上述問(wèn)題，一是要求調節閥的執行器有足夠的力能克服閥門(mén)前后壓差所帶來(lái)的力，使閥門(mén)能有效動(dòng)作。另外調節閥應選用壓力平衡式調節閥，使閥門(mén)關(guān)閉時(shí)能自動(dòng)平衡閥芯前后壓力，減輕執行機構負擔，有利于閥門(mén)密封。具體可以在廠(chǎng)家提供的技術(shù)資料中選擇合適的執行機構和調節閥類(lèi)型。

5、結語(yǔ)

　　利用本文的計算方法可以得到調節閥技術(shù)參數，然后根據計算所得結果選擇符合要求的壓力平衡式調節閥，并選擇具有足夠能力的執行機構。根據調節閥實(shí)際的技術(shù)參數進(jìn)行復核和現場(chǎng)調試后，就可以將調節閥用于吸附脫水工藝流程，實(shí)現工藝的全自動(dòng)控制。在貴陽(yáng)某項目中，該方法已投入使用，并達到設計要求，滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。