第五讲吸附式干燥器控制及节能运行.docx

文章编号 : 100622971( 2002) 0520030205第五讲吸附式干燥器控制及节能运行李申( 杭州超滤净化设备有限公司 , 浙江 杭州 310013)中图分类号 : TQ05118 + 6文献标识码 : E时序控制是实现吸附干燥器工作程序最常用的方法 。控制器按预先设定的时间次序对受控阀 (主 要是进气阀和再生排气阀 , 包括先导阀或执行机 构) 实行开 、断或方向切换 , 使双塔进行周而复始 的有序循环 。图 1 为常见的四阀受控的无热再生吸 附干燥器原理图 , 其动作时序如图 2 所示 ( 以 10 min 循环周期为例) , 图中阴影代表电磁阀处于开 启状态 。开机后电磁阀 F1 首先打开 , A 塔进气 , 潮湿空气沿 A 塔吸附床上升 , 经单向阀 a 排出干 燥空气 ; 2 s 后 , B 塔的再生排气阀 F2 打开 , 由 A 塔提供的干燥再生气由节流小孔和针阀 c 进入 B 塔 对吸附剂进行再生 , 携带大量水分的再生尾气经阀 F2 、消声器 E 排出 , B 塔的再生时间持续进行 4 min 28 s 后由阀 F2 的关闭而结束 , 继续流通的再 生气促使 B 塔逐渐升压而与 A 塔压力相等 ( 即 “均压”) ; 均压过程持续 24 s , 在 4 min 54 s 时 , B 塔进气阀 F3 打开 ( 此时 F1 尚未关闭 , 形成双塔 同时供气 , 避免用气中断) , 6 s 后 , A 塔进气阀在 开启了 5 min 后关闭 , B 塔开始单独向管网供气 , 进入下半个工作循环概述众所周知 , 为解决连续供气问题 , 吸附干燥器 都做成双塔并联结构 。尽管两塔之间既不存在主从 关系 , 也不存在上下游关系 , 但由于相互提供再生 气 , 所以两塔协调工作是十分重要的 。一个完整的1干燥周期 (持续时间为 T )要包含 “吸附” ( 持续时间为 T)T)与“再生” ( 持续时间为两个基本操作步骤 ( 半周期) , 不同类型的干燥器再生半周期还有多种细分如加热 、吹冷及均压 、增压等 ,不作详谈 。通常设定 T= T / 2 , TT, 且要求双塔工 作过程完全对称 , 干燥器就在控制装置作用下有条 不紊的按预先设定的时间次序循环工作 。控制器是干燥器的重要组成部分 , 是实现预定吸附过程 ( PSA 或 TSA) 的指挥中心 , 它对吸附 干燥器正常运行及更高级的节能控制起举足轻重的 作用 。在吸附干燥机理基本成熟后 , 控制技术的进步成了发展吸附干燥器的主要方向 。111 程序控制收稿日期 : 2002 - 09 - 04吸 附 式 干 燥 器 系 列 讲 座第一讲吸附原理及常用吸附剂第二讲吸附式干燥器工作流程及结构参数 第三讲吸附式干燥器露点研究第四讲吸附式干燥器的再生能耗第五讲吸附式干燥器控制及节能运行 第六讲吸附式干燥器选型 、使用及维护辅机应用31 第 5 期李申 : 吸附式干燥器控制及节能运行图 1图 3一个完善的有热 ( 微热) 干燥器的控制系统 ,在每一道工序切换中都应把温度因素考虑进去 。112 “微电脑”参数控制当前吸附干燥器广泛采用以集成芯片为核心的 程序控制装置 , 通常称作“微电脑”控制器 其技术跨度很大 : 从只有简单现场编程功能的单片机 、到智能化的可编程逻辑控制器 PL C 控制 器 、直到采用现场总线技术 、具有网络通讯功能的大型工控机 (DCS) 等都可列入“微电脑”控制器范畴 。这些先进的控制装置为吸附干燥器的高级运 行 例如以负荷随动力基础的节能运行 、供气网络中设备之间的互相联动 、运行数据的在线处理以及与上位机的信号联络等提供了可能 。 采用芯片技术的微电脑控制器多半还是以时序控制为基础 , 但它比传统的时序控制装置更准确可 靠 , 而且可根据干燥器的不同工况和用户当地的地 理 、气候 、季节情况 , 就地在宽范围内进行调整设 置 。如西安厚德公司生产的 HD 系列可编程序控制 器周期预设范围 099 min59 s ( 099 h 59 min) 连续可调 , 可编程状态达 30 组 , 且具有断电保护 功能 , 上电后能自动恢复掉电前状态 , 已完全取代 了过去的机电式控制装置 。微电脑控制器的一个强大功能是能方便地实行 “参数控制” 即根据干燥器的技术参数和在线 运行参数对其工作过程进行全方位监控 。我们知道 , 成品气含水量 (露点) 及再生能耗 是衡量吸附干燥器工作好坏的两大质量指标 。对两 大指标产生重大影响的进气状况 如压力 、温度 和流量等是吸附干燥器的技术参数 , 而具体表征在 线工作状况的可测参数 如吸附床温升 、再生尾 气温度及成品气露点是运行参数 。无论是技术参数 还是运行参数均可作为系统控制的监察对象 , 即可 把上述某一或某几个参数的开关量或模拟量输入微 电脑控制器 , 对干燥器的工作过程进行全面的在线图 2可用多种方法实行预先设定的时序动作 。早期 的吸附干燥器多半采用同步电机 凸轮控制系统和 以时间继电器为主的分立元件控制系统 。无热再生 干燥器由于动作频繁 , 上述机电控制装置已不适使用而被更先进的电子程序控制器所替代 。 单纯的时序控制只适合于可视为等温过程的无热再生干燥器 , 对有热 (或微热) 再生干燥器来讲 并不适宜 。由于这类干燥器运行时既有吸附热的大 量散失 , 又有外热的大量补充 , 塔内热交换关系十分复杂 , 各点温度起伏变化很大 , 所以在实行时序 控制时还应将温度因素考虑进去 。此时温度选点便 显得十分重要 。图 3 所示为微热再生干燥器再生时的物理模型 , 再生热量 q 由再生气量 v和进( kg)气温度 t 1 确定 , 再生过程中 , 大约 60 %的热量用来支付 d ( kg) 水蒸气脱附所需的汽化热 , 只有不 到 40 %小部分热量用来提升吸附剂温度 ( 也即维 持本身温度) , 加之塔内沿轴线方向温度梯度的存 在 , 底部温度 ( 即再生尾气离塔温度) t 2 比进气 温度 t 1 要低得多 , 而 t 2 直接决定了再生气吸纳(携出) 水蒸气的能力 , 再生尾气温度高 , 可吸纳 水蒸气量就多 , 再生气量 v 就可相应减少 。由于 再生时间 T在时序控制中已被预先确定 , 在一般 情况下是固定的 , 所以 t 2 的高低就直接提示了再 生能量的充足与否 , t 2 低意味再生能量供给不足 就应调整补充 或提高进气温度 t 1 或加大再生气量 v 。所以在微热再生这类干燥器中 , 对再生尾 气温度 t 2 的监察很重要。压缩机技术32 第 5 期监控 , 这对吸附干燥器运行中的负荷跟踪 、故障评判和节能运行等起重要作用 。 参数控制系统需要相应的硬件支持 各类传感器 、变送器或执行器的接入使控制线路变得如此 复杂 , 以至在极大多数场合非经专门培训的现场人员是操作不了的 。参数控制系统也要求控制从业人 员不仅要熟练掌握算法语言等编程技能 , 也需较深 入了解吸附分离技术及干燥塔内热质传递的基本过 程 , 这对开发新型控制系统是十分必要的 。技术复杂和价格昂贵 (不同配置的微电脑控制器价格可相差几倍乃至几十倍) 成了参数控制系统 推广应用的主要障碍 。温度控制和露点控制是最常用的参数控制方 法 。研究表明 , 前者适用于不同负荷时再生能耗的 调整 , 即旨在节约再生能耗 ; 而后者则是获得低露费现象 。212无热再生无热再生吸附干燥器一开始就定位于节能设 其节能原理可简单归结为 : 在等温吸附过程 干燥器自发完成了热量与质量的两个平衡 。“热量平衡” 吸附剂解吸过程所需的脱备 ,中 ,附热 (汽化热) 完全由吸附过程中放出并存储在吸附床内的吸附热 (凝聚热) 来支付 这就消除了 有热 (微热) 干燥器由于吸附过程长 , 吸附热大量 散失而不得不从外界大量补充热量的弊病 ;“质量平衡” 由一定质量湿空气带入并 被吸附的水蒸气 , 在解吸过程中要被相等质量的干 空气带出 , 即在吸附和解吸两个半周期里 , 塔内空 气“质量流速”相等 。显然 , 在无热再生干燥器中 , 再生气除了吸纳/ 驱赶水蒸气外 , 不作他用 。一定压力下定量消耗 的再生气量 ( 约占被处理气量的 “压力分之一”) , 至少在理论上已达到了再生能耗的 “底线”。与同 规格微热再生干燥器比 , 无热再生干燥器不仅综合 再生能耗要小得多 , 而且在正常的再生条件下 , 即使气耗无热再生干燥器也比微热再生要少 。所谓 “因为加热 , 所以省气”之类的说法似嫌依据不足 。213 组合式干燥器在吸附干燥器前串级一台冷冻干燥机并安装在 同一个底盘机架上 , 就成了所谓的 “组合式干燥器”。图 4a 、b 表示了组合干燥器的两种连接方式 , 进入干燥塔的水分负载两种连接方法并无差异 。但 从吸附条件看 , a 由于进气温度更低 , 可获得露点 更低的成品气 , 但 a 方式再生条件不好 , 管线连接 复杂 、压降大 。组合干燥器的设计思路与 “高温型冷冻干燥 机”如出一辙 80 左右的高温压缩空气先经 空气冷却器 ( 即“后部冷却器”) 降温除水后再进点干燥空气的必要保证 ,再生耗能 。运用恰当的话 ,也可节约节能运行2211 概述经吸附干燥器处理的压缩空气可以达到比冷干 机低得多的露点 , 但这是以能耗较高为代价的 。据 测算 , 包括空压机在内的整个气源系统仅一年服役 所发生的运行费就要超过全部设备购置费的总和 , 以至再生能耗的大小成了吸附干燥器选用与否的重要标准 。研究如何降低设备的运行耗能具有很大的 实际意义 。普遍认为 , 吸附干燥器只适用在对露点要求较 严格 (低于冰点) 的场合 , 从节能角度看许多领域 应首选冷干机 。另一方面 , 使用吸附干燥器的目的既然是为了获取低露点压缩空气 , 那么任何形式的 节能措施都不应以牺牲露点为代价 。吸附干燥器使 用中出现的“惜耗”行为 , 实际上也是一种能量浪图 4 组合式干燥管的管线连接33 第 5 期李 申 : 吸附式干燥器控制及节能运行入冷干机 , 使后者能耗大为降低 。在组合式干燥器中 , 压缩空气先经冷干机处 理 , 不仅水分负载减少了 80 %以上 , 而且本身温 度也得以降低 , 如此进气条件对降低成品气露点和 减少再生能耗都十分有利 。当然 , 吸附干燥部分的再生气耗并不按水分负载同比下降 , 因为再生气耗 还要受其它一些因素 (如节流小孔的最小通径 、吸 附床阻力 、再生排气含水量等) 的制约 , 此处不展 开讨论 。在评估组合干燥器的运行能耗时 , 应将冷干机的能耗算进去 。考虑到吸附剂活化能力随温度降低 而减弱 , “低温解吸”会造成残存水分积累使吸附 剂提前劣化等不利因素 , 对再生气进行“微微”加 热有时就显得十分必要 , 因此也会增加运行能耗 。 在满足露点要求前提下 , 组合干燥器吸附塔的体量可比一般吸附干燥器小一些 。在制取极低露点 ( 低于 - 70 ) 压缩空气时 , 对干燥器再生能耗的要求不应是第一位的 , 但组合 式干燥器仍不失为是一种优秀的选择 。组合式干燥器除了可节省安装面积外 , 使用上还有如下不足 : 过多的弯头及连接管使气道阻力上 升 (这也是一种能量损耗) 、换热部件散热条件恶 化易导致设备运行故障 , 运输 、吊装及日常维护检 修比较不便 。所以若非特殊需要 , 宁可把 “先冷 干 、后吸附”作为一种工艺布置 , 也不要把它当作单一设备来应用为好 。组合式干燥器初投资比较大 , 但与昂贵的能耗 费用比起来还是合算的 。214 能量控制按额定处理工况设计的吸附干燥器 , 实际并非 总是在满负荷条件下使用 , 下列情况会使吸干机运转负荷减轻 : 深夜低峰和假日用气量减少 、冬季环境干燥以及与冷干机连用后进气温度和水分负载降 低等 。此时若还按原设置程序运行 , 便会出现“大 马拉小车”的费能现象 。理想的控制系统应能跟随负荷变化自行调整 , 这方面 , 较实用的是“吸附床 温度监控系统”和“露点控制系统”。21411 温度控制在干燥器的吸附半周期里 , 由于放出 “吸附 热”而使吸附床温度上升 。在一定的吸附时间内 ,吸附床温度的高低反映了该段时间里吸附水分的多 少 ; 任何使水分负载减小的因素 , 都会使吸附床温 升比额定负荷温升要低 。图 5 所示 , 用温度计测出吸附床某点温度 t , 并将其输入 PL C 控制器 , 在保持吸附时间 T不变的条件下 , 由 PL C 控制器按 t 的高低调整再生阀开启时间 T, 干燥器负荷低时 , 吸附床温度 t 也低 , 再生时间 T缩短 , 这就相应 减少了再生气耗量 。这一控制方法比调整节流小孔通径 , 减少再生气流量的方法来得简便且更精确 。图 5需要说明的是 , 吸附床温度并不随吸附时间的 延长 (即吸附水量的增多) 而一直升高 。当吸附持 续时间超过某值时 , 吸附热的积累与散失达到平 衡 , 吸附床温度就不再上升 这也是无热再生的 周期极限 。温度控制法的局限性 : 只适用于无热再生干燥 器 , 也只适用于低负荷工况 。21412 露点控制用露点仪控制再生气量 , 其思路是在固定再生 时间 T的条件下 , 通过延长吸附时间 T的办法使再生气耗相对减少 。负荷低时 , 干燥器成品气露点 的“穿透”时间 ( 即高于露点设定值) 将延长 。只 要使吸附过程在露点被 “穿透”前一直进行下去 , 直到露点穿透 , 双塔才进行工序切换 。由于 T/ T之比得到改变 , 从而使周期内的再生气耗得以节省 。露点控制的缺点 : 如果吸附时间延得过长 , 会 导致吸附热散失 , 出现再生能量供应不足现象 。若 能与温度监控相结合效果会更好一些 。另外 , 露点 仪价格很贵 , 控制精度也没有温度计高 , 所以实际 应用并不普遍 。21413 节能组合开关当负荷降低有规律可寻时 , 可用图 6 所示的组 合开关 , 手动设置各开关位置 , 以调整再生时间 。图 6压缩机技术34 第 5 期表 1干燥器为化工流程中应用较多的多塔结构 ; 譬如“十塔干燥器”, 一个工作周期中每塔用 1/ 10 时间 加热再生 , 8/ 10 的时间自然冷却 , 其余 1/ 10 的时 间各塔轮流吸附 , 这就真正做到了 “零气耗”。当 然这种以物耗换能耗办法的技术经济性还有待评估 , 另外也需相应的控制装置作技术保证 。 与一切耗能设备一样 , 吸附干燥器的节能运行是一个既现实又沉重的话题 。这方面的工作既需要 对吸附理论作深入理解 , 也要有新技术的强力保 证 。解吸机理从“变温吸附”发展到“变压吸附”,再生方法从有热再生发展到无热再生 , 再生能耗因 此而获得降低 。但由于吸附剂材料没有变化 , 再生 能耗的降低是受到限制的 。在可预见的时期内 , 控 制技术将在吸附干燥器的节能运行中起关键的作 用 。215零气耗零气耗不等于再生过程不耗能 。吸附干燥器的 “零气耗再生”从理论上讲只能发生在有热干燥器 上 。脱附热量由加热环境空气提供 (为减小电热功率还可利用一部分空压机的 级排气热 即所谓 “余热”再生) , 当然也可利用其它有效高温废气 ; 吹冷介质必须是干燥的 , 虽然由干燥器本身提供最 为经济方便 , 但那就不叫“零气耗”了 。让其自然 冷却 , 则受到再生时间的限制 。一种思路是改双塔(上接第 17 页)采用软阈值处理法 , 小波形式为对称小波 , 分解尺 度为 4 , 对最大尺度上的剩余尺度系数未进行阈值的间隔脉冲 , 这正是由轴径缺陷所产生的 。小结4处理 。图 3 为用