CNG站脱水装置节能技术

梁 政 李双双 田家林 朱小华 张力文

1．石油天然气装备教育部重点实验室·西南石油大学 2．中国石油西南油气田公司销售分公司3．中国石油宝鸡石油机械有限责任公司

CNG加气站脱水装置的脱水效果对加气站的安全运行至关重要［1］。车用压缩天然气增压后的水露点应符合GB 18047的规定，CNG加气站脱水装置宜采用吸附法脱水［2－4］。为保证CNG加气站连续运行，至少需要2个脱水塔，一个塔进行脱水操作，另一个塔进行吸附再生和冷却，然后切换操作。按照脱水装置在CNG加气站工艺流程中的位置分为低压脱水、中压脱水、高压脱水3种方式［5－7］。

脱水装置是CNG加气站的主要耗能单元，其能耗主要体现在加热炉电耗、再生气用量上。目前脱水装置存在再生过程能耗较大、再生气用量大、再生时间和温度不合理、分子筛再生不彻底、再生频率较高、操作次数多等问题［8－14］。为此，结合CNG站脱水装置实际工艺流程，提出了再生气余热利用节能技术，使能量（热量和冷量）互补利用，实现脱水装置节能降耗与优化再生效果的双重目的［15－16］。试验数据表明：在不改变其他设备及参数的条件下，节能改造后再生时间缩短了3h，节能比为27．3%；单次再生气用量减少了60．7m3，节能比为18．4%；加热炉的电耗降低了28．6%。

1 脱水装置工艺流程

两塔脱水装置运行时，保持一个塔处于吸附状态，另一个塔处于再生状态。其单塔循环过程为：吸附→卸压→加热再生→冷吹→充压→吸附［17］。脱水装置工艺流程包括脱水操作和再生操作两部分，其高压脱水工艺流程如图1所示。现假设塔A进行脱水操作，塔B进行再生操作，对其工艺流程进行简述［18－19］。

脱水操作流程：被压缩后的高压天然气经前置过滤分离器分离可能存在的游离水、油和杂质，然后经A高进阀从塔A顶部进入，与塔内分子筛充分接触，分子筛吸附高压天然气所含的水和部分烃得到干燥的天然气，干燥后的天然气从塔A底部排出，经A高出阀进入后置过滤分离器分离后进入高压储气容器。后置过滤分离器主要滤掉气流中携带的分子筛粉末，以免堵塞后续设备。

再生操作流程：再生气（储气容器内的干气）经调压柜节流降压后进入加热炉加热，温度上升至210℃左右，经B热进阀从塔B底部进入，与分子筛接触传热，随着分子筛温度升高，分子筛吸附的水分及部分烃被再生气带走，逐步完成分子筛的再生。当脱水塔顶部温控仪温度显示为125℃左右时，标志加热再生阶段完成。随后进入脱水塔的冷吹再生阶段，关闭加热炉电源，继续通干气对分子筛进行冷吹降温，当脱水塔顶部温度降至40℃以下时，分子筛恢复吸附能力，停止冷吹，脱水塔再生完成。再生气经脱水塔顶部排出，经B热出阀进入冷凝分离器冷却分离后进入回收罐。

图1 脱水装置高压脱水工艺流程图

2 再生气余热利用节能技术

由脱水装置工艺流程知，再生气从塔A顶部排出时携带了大量的热量直接进入冷凝分离器，存在如下问题：①冷凝分离器进口温度较高，不利于气液分离，影响分离效果；②再生气的热量大量浪费，没能得到再次利用，同时也提高了回收罐的温度。再生气调压后存在节流降压积霜现象（图2），导致加热炉的进气温度很低，而脱水塔顶部出口温度较高，致使冷凝分离器进口温度较高，不利于CNG分离，由此提出了再生气余热利用节能技术，即利用再生气的余热预热调压后的低温再生气，同时利用调压阀节流降温后的冷量冷却脱水后的高温再生气，两者的能量（热量与冷量）互补利用，实现节能降耗的目的。节能技术有如下效果：①提高再生气进入加热炉的进气温度，降低加热炉的电耗；②减少再生气加热时间，减少再生气的用量；③降低冷凝分离器进口温度，提高分离效果。

图2 再生气调压积霜现象图

再生气余热利用节能技术的工艺流程如图3所示，增加了再生气换热器及其相关转换流程。现仍然假定塔A进行脱水操作，塔B进行再生操作，对其工艺流程进行简述。脱水操作流程保持不变，再生操作流程略有变化，换热器与加热炉处于同步状态（图4）。加热再生时，打开阀1，关闭阀2，调压后的低温再生气进入新增加的换热器壳程，塔A出口的高温再生气进入换热器管程，实现换热，从而提高加热炉再生气的进口温度、降低冷凝分离器的进口温度。冷吹再生时，打开阀2，关闭阀1，调压后的低温再生气经过加热炉旁通（避免换热器把热量再次带入塔B），直接进入塔B冷吹分子筛，使分子筛快速冷却，完成分子筛再生。

图3 再生气余热利用节能技术工艺流程图

图4 换热器与加热炉的工作关系图

3 节能技术效果分析

为分析节能技术的可行性和节能效果，按图3的工艺流程，结合脱水装置的工艺流程，完成了脱水装置的节能技术改造，脱水装置节能改造前后现场见图5。为完成节能技术的效果分析，分别统计了节能技术改造前后，在不改变其他设备及参数的条件下，完成一次分子筛再生所需要的气量和电耗量。改造前后脱水装置再生操作时的试验数据（加热再生时间、电耗量、再生气用量）见表1，改造前后加热炉进口管壁温度变化曲线、加热炉单位时间电耗量变化趋势见图6、7。

图5 脱水装置节能改造前后现场图

表1 脱水装置再生操作时统计数据表

图6 加热炉进口管壁温度变化曲线图

图7 加热炉单位时间电耗量变化趋势图

分析上述图表数据可以得出：①改造后加热时间减少了27．3%，再生气用量减少了18．4%，加热炉电耗量减少了28．6%；②由于再生气余热利用是一个自身循环预热的过程，大约1h之后，换热炉才开始对再生气预热，随后加热炉进口温度缓慢升高，最后管壁温度稳定在47℃左右；③再生气余热利用存在滞后，随着换热器逐渐换热，加热炉单位时间电耗量相比改造前电耗减小，充分说明再生气余热得到利用，达到了节能运行的目的。

4 结论

1）应用再生气余热利用的节能技术提高了加热炉的进气温度，减少了加热时间和电耗量，降低了脱水装置的能耗，技术上可行。

2）利用再生气节流降压的冷量冷却脱水塔出口的再生气，降低了冷凝分离器进口温度，改善了CNG分离效果。

3）能量互补利用的模式可用于类似的工艺流程，实现节能降耗、经济运行的目的。

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