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文档简介

CNG加气站天然气脱水技术培训勇于跨越追求卓越CONTENTS目录01天然气脱水概述02脱水基本原理与方法分类03吸附法脱水技术详解04CNG加气站脱水工艺流程设计CONTENTS目录05脱水装置核心设备与选型06操作规程与维护管理07脱水效果检测与质量标准01天然气脱水概述天然气脱水的定义与重要性天然气脱水的定义天然气脱水是指从天然气中脱除水分的过程,通过物理或化学方法降低气体中的水含量,以满足后续加工、储存和使用的要求。天然气中水分的主要来源天然气中的水分主要来源于开采过程中地层水的带入、管道输送过程中吸收的水分以及储存处理过程中因温度压力变化产生的水分。脱水的核心目的防止水合物形成堵塞管道和设备、减少对金属管道和设备的腐蚀、提高天然气的热值和燃烧效率,确保天然气质量符合相关标准。水分存在的主要危害水的析出会降低输气量并增加动力消耗;水分会加速H₂S或CO₂对管线和设备的腐蚀;在低温高压条件下易形成水合物,导致管线和设备堵塞。处理规模与运行特点CNG加气站脱水的特殊性CNG加气站天然气处理量很小,生产过程一般不连续,多在白天加气,与大型天然气处理厂的连续大规模运行模式有显著区别。原料气预处理基础原料气已在上游经过处理,露点通常已符合管输要求,其相对湿度小于100%,无需应对高湿原料气的复杂脱水场景。干燥剂选用倾向美国多为分子筛,俄罗斯以往多用硅胶,目前也用分子筛,我国则普遍采用分子筛作为天然气脱水用的干燥剂。脱水深度的地域差异脱水后干气的露点或水含量依据各国乃至不同地区具体状况而异,我国遵循GB18047《车用压缩天然气》中的相关规定,如在特定地理区域内,最高操作压力下水露点不应高于-13℃等。水合物形成机理与危害水分危害:水合物形成与设备腐蚀

天然气与水在低温高压条件下易形成水合物,这是一种半稳定固态化合物,可在零度以上形成,会堵塞管道、气瓶嘴、充气嘴等,导致加气站在较低环境温度下无法正常加气,汽车在严寒气候下无法启动和运行。其形成温度受混合物中重烃含量、气体组分及压力影响,压力越高,生成水合物的起始温度也越高。游离水冻结风险

当环境温度等于或低于0℃时,天然气中析出的游离水会结冰,冻结系统设备和管道,影响CNG加气站的正常运营流程,对设备的安全稳定运行构成威胁。硫化氢应力开裂(SSC)风险

若CNG中硫分压超过0.00035MPa,加气站内接触CNG的金属设备、管道就达到了硫化氢应力开裂条件,一旦发生SSC,后果不堪设想,对加气站的安全运营造成严重隐患。内壁腐蚀问题

即使硫分压达不到SSC条件,游离水的存在仍会导致加气站内金属设备和管道产生严重的内壁腐蚀,缩短设备使用寿命,增加维护成本和安全风险。输气效率降低与能耗增加

水的析出会降低输气量,增加输气动力消耗,影响CNG加气站的运营效率和经济效益,同时也可能因气流量变化对下游设备造成不利影响。

国内外脱水技术发展现状国际主流技术方向美国CNG加气站天然气脱水普遍采用分子筛作为干燥剂,俄罗斯以往多用硅胶,目前也广泛使用分子筛,两者均注重深度脱水以满足严格的露点要求。

国内技术应用特点我国CNG加气站天然气脱水普遍采用分子筛作为干燥剂,主要有低压、中压、高压三类脱水装置,其中低压和中压脱水装置有半自动、自动和零排放三种方式,高压脱水装置则为全自动方式,脱水后气体水露点通常小于-60℃。

技术发展趋势国内外均朝着深度脱水、高效节能、自动化控制及环保方向发展,如国内零排放脱水装置实现全过程(切换、再生)零排放,国际上对脱水后干气露点或水含量的要求更趋精细化,需依据各国乃至不同地区具体情况确定。02脱水基本原理与方法分类天然气脱水核心原理吸附法脱水原理利用多孔性固体吸附剂(如分子筛、硅胶、活性氧化铝)对水分子的选择性吸附能力,在常温或特定温度下将天然气中的水分吸附,吸附饱和后通过加热或降压等方式使吸附剂再生,恢复吸附能力,实现循环脱水。冷却法脱水原理基于压力不变时天然气含水量随温度降低而减少的原理,通过制冷或节流膨胀等方式降低天然气温度,使其中的水分冷凝析出,从而达到脱水目的,适用于大量水分的粗分离。膜分离法脱水原理利用特殊半透膜对天然气中水分子的优先透过性,在压力差驱动下,水分子透过膜而被分离,其他气体组分则被截留,从而实现天然气脱水,具有操作简便、能耗低等特点。吸收法脱水原理采用具有强吸湿性的液体吸收剂(如三甘醇)与天然气逆流接触,吸收剂选择性吸收天然气中的水分,然后通过加热等方式将吸收的水分脱除,使吸收剂再生并循环使用。

冷却脱水技术特点与应用技术原理冷却脱水利用压力不变时天然气含水量随温度降低而减少的原理,通过加压和降温促使水分冷凝析出。

主要特点适用于大量水分的粗分离;高压天然气可直接节流降压利用焦耳-汤姆孙效应降温脱水;低压天然气需压缩后制冷冷却脱水;通常会同时脱除部分重烃。

应用场景对于井口压力很高的气体,可直接利用井口压力节流降压脱水;对于压力较低的天然气,需采用制冷方式进行冷却脱水;若冷却脱水达不到深度脱水要求,需与其他方法配合使用。

吸收脱水技术(甘醇法)原理基本原理利用甘醇类溶剂(如三甘醇)对天然气中水分的选择性吸收能力,通过气液逆流接触实现脱水。吸收水分后的富甘醇经加热再生后循环使用,可将天然气露点降至-40℃以下。

核心吸收剂特性三甘醇(TEG)是主流吸收剂,具有热稳定性好(分解温度204℃)、蒸气压低(携带损失小)、露点降大(可达42℃)等特点,再生后浓度可达98.7%以上。

工艺关键参数吸收塔操作温度27-38℃,贫甘醇入塔温度高于气体3-8℃;再生系统重沸器温度177-204℃,通过精馏柱脱除水分,确保贫甘醇浓度满足深度脱水要求。

适用场景适用于大流量天然气处理,尤其在原料气露点较高(如川渝地区0℃)时可降低后续分子筛脱水负荷,与吸附法联用可实现-60℃以下深度脱水。01膜分离脱水技术优势与局限膜分离脱水技术的核心优势膜分离技术具有占地面积小、灵活适配不同规模装置的特点,操作简便且能耗较低,无化学试剂消耗,运行成本相对较低。02膜分离脱水技术的主要局限膜材料的性能和使用寿命需要重点关注,对原料气预处理要求较高,以防止膜污染;此外,其脱水深度可能受限于膜的选择性和渗透性,在一些深度脱水场景下需与其他技术配合使用。03膜分离技术在CNG加气站的适用性膜分离技术适用于处理量相对稳定、对脱水深度要求适中的场合,尤其在小型化、模块化设计的CNG加气站中具有应用潜力,但目前在国内CNG加气站中应用不如分子筛吸附法普遍。吸附脱水技术(分子筛法)机理分子筛吸附原理分子筛是具有均匀微孔结构和极高比表面积的吸附剂,对水分子具有极强的选择性吸附能力,通过物理吸附作用将天然气中的水分捕获。其吸附过程为可逆的物理变化,在常温下吸附水分,高温下解析再生,可循环使用。吸附与再生的核心条件吸附过程:降低温度和提高水蒸气分压有利于增加吸附量;再生过程:升高温度(通常为180-200℃)和降低水蒸气分压可促进水分子脱附,恢复吸附剂活性。吸附平衡时,被吸附水分子数与脱离吸附剂表面的水分子数相等,形成动态平衡。常用分子筛类型及特性CNG加气站普遍采用4A或13X分子筛。分子筛脱水深度高,脱水后气体水露点可小于-60℃,能满足我国GB18047《车用压缩天然气》中对水露点的严格要求,且机械强度和热稳定性较好,适用于加气站间断性、小处理量的工况。03吸附法脱水技术详解

吸附剂类型与性能对比01分子筛目前国内外CNG加气站广泛采用的干燥剂,如4A或13X分子筛,具有均匀的微孔结构和极高的比表面积,对水分子有极好的选择性吸附性能,脱水后气体水露点可小于-60℃,能满足深度脱水要求。

02硅胶俄罗斯以往多用硅胶,其对高湿度气体吸附率较大,但吸水后若凝成水滴或遇到液态水时颗粒易破碎,在压缩天然气吸附式干燥器中较少使用,且脱水深度相对分子筛较低。

03活性氧化铝活性氧化铝机械强度和耐热性较高,浸入水中不软、不胀、不裂,比表面积约300m²/g,有很高的吸附能力,用于压缩空气干燥时可将露点降至-64℃左右,但在CNG加气站中不如分子筛应用普遍。

分子筛吸附剂工作特性

高选择性吸附能力分子筛具有均匀微孔结构和极高比表面积,对水分子有优先吸附能力,能将天然气水露点降至-60℃以下,满足CNG深度脱水需求。

良好的热稳定性与再生性可通过加热至180-200℃实现再生,再生后吸附性能恢复,重复使用。如细孔硅胶再生温度180-200℃,分子筛再生需更高温度,确保脱水深度。

吸附容量与操作条件关联吸附量随温度降低和水蒸气分压升高而增加,再生则需升高温度并降低水蒸气分压。在CNG加气站中,需根据原料气湿度、压力等调整操作参数。

机械强度与抗污染性机械强度较高,浸入水中不软、不胀、不裂,能适应加气站间断运行工况。但需避免液态水直接接触,以防颗粒破碎,影响吸附效率和设备寿命。

变温吸附(TSA)工艺原理TSA工艺核心定义变温吸附(TSA)是在常温或较低温度下进行吸附脱水,通过升高温度实现吸附剂再生的工艺。其核心原理是利用吸附剂在不同温度下对水分吸附容量的差异,低温时吸附水分,高温时解吸水分子,恢复吸附能力。

温度对吸附-再生的影响规律温度降低和水蒸气分压提高可增加吸附量,有利于吸附过程;再生时温度升高和水蒸气分压降低,促进吸附剂解吸。例如分子筛在常温下吸附水分,加热至180-200℃时实现再生,吸附热通常低于化学吸附,解吸过程需吸收热量。

典型操作温度参数吸附阶段温度通常为常温(20-35℃);再生加热阶段温度控制在180-220℃,如分子筛再生需加热至180-200℃,出塔温度达110℃后恒温1小时;冷却阶段需将吸附剂温度降至45℃以下,确保下一吸附周期效率。

与变压吸附(PSA)的差异TSA通过温度变化实现吸附与再生,适用于深度脱水(露点≤-60℃),再生能耗较高但脱水深度大;PSA通过压力变化(高压吸附、低压解吸)操作,适用于中等露点要求,能耗较低但脱水深度有限。CNG加气站脱水多采用TSA工艺以满足深度脱水需求。

变压吸附(PSA)工艺原理PSA工艺核心原理变压吸附(PSA)基于吸附剂在较高吸附质分压力下吸附、较低压力(或真空)下解吸的原理,通过压力变化实现水分的分离与吸附剂再生,适用于CNG加气站小流量、深度脱水场景。

吸附阶段工作机制在吸附阶段,原料气在较高压力下进入干燥塔,水分子被分子筛等吸附剂选择性吸附,干气从塔顶输出。吸附周期通常为6-8小时,确保脱水后气体水露点≤-60℃。

再生阶段工作机制再生阶段通过降低塔内压力(或引入低压再生气),使吸附剂吸附的水分解吸,再经加热(180-200℃)、冷却和分离,恢复吸附能力。再生周期一般与吸附周期匹配,实现双塔交替运行。

关键工艺特点PSA工艺具有操作灵活、脱水深度高、自动化程度高的特点,再生过程无需额外溶剂,适用于原料气压力波动大的场景,是CNG加气站主流脱水技术之一。吸附剂再生技术与参数控制

再生技术类型与原理吸附剂再生主要采用变温吸附(TSA)技术,通过电加热将再生气升温至180-200℃,使吸附剂吸附的水分脱附;冷却阶段通入常温气体将吸附剂温度降至45℃以下,恢复吸附能力。

关键再生参数控制再生周期通常为6-8小时,加热阶段需控制出塔温度达到110℃并恒温1小时;冷吹阶段压力应低于0.85MPa,确保吸附剂充分冷却。

再生气体来源与处理低压脱水时再生气采用进站天然气,经加热、冷却分离后返回脱水系统;高压脱水时再生气来自脱除游离液后的压缩天然气,再生后进入压缩机进口或低压管网。

再生系统安全与效率保障再生过程需配备循环风机(风压为系统阻力的1.10-1.15倍),设置安全阀(压力设定0.9MPa),并通过前置过滤除油除水,避免吸附剂污染失效。04CNG加气站脱水工艺流程设计脱水装置在加气站中的位置选择

按增压流程划分的位置类型根据在CNG加气工艺流程中的位置不同,脱水装置可分为低压脱水(压缩机前)、中压脱水(压缩机级间)及高压脱水(压缩机后)三种类型。

低压脱水(压缩机前)设置条件当选用的压缩机在运行中机体限制冷凝水生成量,且天然气进站压力能克服脱水系统阻力时,脱水装置应设置在压缩机前。

中压脱水(压缩机级间)设置条件当选用的压缩机允许从级间导出天然气进行脱水时,宜将脱水装置设置在压缩机级间,进气口来自压缩机一级出口(或二级出口,工作压力不宜超过4MPa)。

高压脱水(压缩机后)设置条件当选用的压缩机在运行中机体不限制冷凝水生成量,并有可靠导出措施时,可将脱水装置设置在压缩机后;进入脱水装置前,压缩天然气需先经冷却、气液分离和除油过滤。

位置选择的其他影响因素压缩机汽缸的润滑方式(无油或注油润滑)也是确定脱水装置位置时必须考虑的因素;不同位置脱水方式各有优缺点,高压脱水在深度脱水时具有优势,但需对压缩机进行必要保护。

低压脱水(压缩机前)工艺流程工艺类型与核心特点低压脱水装置按控制方式分为半自动、自动和零排放三种类型,均采用双塔交替吸附与再生模式,脱水后干气水露点小于-60℃,干燥剂普遍选用4A或13X分子筛。

半自动与全自动流程:预处理与脱水阶段原料气经前置过滤器去除游离液和尘埃后,通过阀门进入干燥器A(吸附塔),脱水后经后置过滤器除吸附剂粉尘,最终送至压缩机入口;再生阶段由循环风机增压再生气,经加热器升温后进入干燥器B(再生塔),冷却分离冷凝水后循环使用。

零排放流程:全封闭循环设计原料气处理流程与半自动/全自动类似,但再生气取自脱水装置出口干气,经加热再生干燥器B后,冷却分离的冷凝水直接返回装置进气口,全过程无天然气排放,适用于环保要求严格场景。

关键操作参数与切换控制吸附周期一般为6-8小时,半自动装置需手动切换阀门,全自动装置通过PLC自动控制;再生加热温度通常为180-200℃,冷吹后出口温度需降至45℃以下,确保吸附剂活性恢复。

中压脱水(压缩机级间)工艺流程工艺定位与适用条件中压脱水装置进气口来自压缩机一级出口(或二级出口,工作压力不宜超过4MPa),出气口去压缩机二级入口(或三级入口),适用于压缩机允许从级间导出天然气进行脱水的场景。

核心流程与低压脱水的共性中压脱水流程与低压脱水(半自动、全自动和零排放方式)基本相同,包含前置过滤、干燥塔吸附、后置过滤等核心环节,采用双塔交替吸附与再生模式,确保连续脱水。

再生气处理特点再生用天然气需采用脱除游离液(水分和油分)后的压缩天然气,由电加热控制系统温度,再生后经冷却、气液分离后返回压缩机进口,保障气体循环利用与系统效率。高压脱水(压缩机后)工艺流程预处理阶段压缩天然气进入脱水装置前,需依次经过前置过滤器、精密过滤器,以除去游离液和尘埃等杂质。吸附脱水阶段净化后的气体经阀1进入干燥器A(装填4A或13X分子筛)进行脱水处理,脱水后气体经后置过滤器和压力保持阀送至顺序盘入口。再生阶段再生气从装置出口或低压气井(低压气瓶组)引入,经减压后进入加热器升温,随后进入干燥器B进行再生,再生后气体经冷却、气液分离后进入压缩机前低压管网或放空。装置特点高压脱水装置通常为全自动控制,脱水后气体水露点小于-60℃,适用于原料气进站前未经深度处理(如川渝地区露点约0℃的商品气)的场景。

不同脱水方式优缺点对比吸附法脱水优点:可实现深度脱水,脱水后气体水露点可达-60℃以下;操作灵活,对原料气流量、温度、压力变化适应性强;无腐蚀、无泡沫问题。缺点:设备投资较大,压力降较高;吸附剂需定期再生,再生能耗较高;吸附剂易中毒或碎裂,需定期更换。

冷却法脱水优点:设备简单,操作稳定,能耗较低;在处理高含湿量及较大气流量时性能较好,可脱除部分重烃。缺点:脱水深度有限,通常只能将压力露点降到-23℃左右;不适用于对深度脱水要求高的场合;需消耗冷却能量。

膜分离法脱水优点:操作简便,能耗低;占地面积小,灵活适配不同规模装置;无化学试剂消耗。缺点:膜材料性能和使用寿命需关注;对原料气预处理要求较高;脱水深度相对有限。

吸收法脱水优点:三甘醇法露点降大(可达33~42℃),运行可靠;一次投资较低,压降小,可节省动力;能连续运行,易于扩建。缺点:需定期更换吸收剂,有携带损失;当有轻质烃液体存在时易起泡,有时需加消泡剂;设备有一定腐蚀性。05脱水装置核心设备与选型

干燥塔结构与工作原理干燥塔核心结构组成干燥塔通常采用双塔交替运行设计,主要由吸附塔体、前置过滤器、后置过滤器、加热器、冷却器、分离器及自动切换阀组构成。塔内装填4A或13X分子筛作为干燥剂,床层高度和直径需根据处理量及脱水周期核算,确保吸附与再生效率。

吸附脱水工作流程原料气经前置过滤器去除游离液和尘埃后进入干燥塔,通过分子筛床层时,水分子被选择性吸附,干气经后置过滤器除粉尘后输出。吸附周期一般为6-16小时,脱水后气体水露点可低于-60℃,满足GB18047对车用CNG的露点要求。

干燥剂再生机制再生过程通过加热-冷却循环实现:再生气经电加热器升温至180-200℃,逆向通入饱和塔解析水分,随后经冷却器降温至45℃以下,分离冷凝水后循环使用或返回低压管网。再生周期通常为6-8小时,确保分子筛吸附性能恢复。

双塔切换控制方式半自动装置需手动切换阀门,全自动装置通过PLC控制实现无人值守,零排放装置则采用闭式循环设计,全过程无气体放空。切换时需确保压力平稳过渡,高压塔切换压力差控制在0.5MPa以内,避免冲击损坏吸附剂。前置过滤器与分离设备

前置过滤器的作用与类型前置过滤器用于去除原料气中的游离液和尘埃,保护后续脱水装置。常见类型包括前置过滤器和精密过滤器,前者去除大颗粒杂质,后者进一步净化气体。气液分离器的功能气液分离器用于分离天然气中的游离水分和油分,防止其进入脱水装置影响吸附剂性能。通常设置在压缩机后或脱水装置前,确保进入干燥器的气体符合要求。设备选型与安装要求前置过滤器和分离器的选型需根据气体流量、压力及杂质含量确定。安装时应确保进出口阀门连接紧密,定期检查滤芯和分离效果,避免堵塞和泄漏。维护与保养要点定期清洗或更换过滤器滤芯,检查分离器排污阀是否正常工作。对于高压脱水装置,前置过滤和分离设备的维护周期一般为3-6个月,确保设备长期稳定运行。

加热与冷却系统设计加热系统核心参数再生用天然气经电加热控制系统温度,加热炉内温度通常控制在180-200℃,当出塔温度达到110℃时需恒温1小时以确保吸附剂再生完全。

冷却系统配置要求再生后的天然气需经冷却器冷却,通常采用板翅式换热器,具有高比表面积、体积小、重量轻的特点,冷却后进入气液分离器分离冷凝水。

高低压脱水温度控制差异高压脱水装置再生用天然气需经减压后加热,低压脱水则直接利用进站天然气加热;冷却阶段均需将气体温度降至45℃以下,确保吸附剂恢复吸附能力。撬装式脱水设备集成方案设备整体结构设计采用双塔交替工作结构,一塔吸附脱水,另一塔再生,确保连续输出干燥气体。塔径设计较小,床层高,分子筛装填量大,提升吸附效率与周期。核心技术特点塔体内结构优化,保证分子筛充分利用;再生方式选用闭式等压循环,减少气源浪费;支持人工切换与全自动控制,可通过上位系统远程监控参数。主要组件配置包含前置过滤器(除游离液和尘埃)、干燥塔(内装4A或13X分子筛)、加热器、冷却器、分离器、循环风机及控制系统,实现脱水、再生全流程集成。性能指标与优势脱水后气体水露点可低于-60℃,满足GB18047标准要求;撬装式设计占地小、安装便捷,适用于不同规模CNG加气站,尤其适合川渝等高湿度地区高压脱水需求。06操作规程与维护管理

吸附与再生切换操作流程01吸附塔切换前准备作业前需向调度室及充装班组告知作业内容,确认无雷暴、动火、泄漏等禁止操作环境,两人配合完成,一人作业一人监护。

02双塔切换操作步骤以A塔吸附转再生、B塔再生转吸附为例:先关闭B塔再生进/出口阀,缓慢打开B塔高压进/出口阀使其进入吸附状态;再关闭A塔高压进/出口阀,打开再生气串通阀,缓慢开启A塔低压出口阀控制压力<0.8MPa,待压力平衡后打开A塔低压进口阀进入再生状态,关闭串通阀。

03吸附与再生周期控制吸附周期一般为12-16小时,再生周期为6-8小时,确保吸附剂充分吸附水分并完成再生,保障脱水装置连续稳定运行。关键工艺参数监控与调节脱水后气体水露点控制标准依据我国GB18047《车用压缩天然气》规定,汽车用压缩天然气在最高操作压力下,水露点不应高于-13℃;当最低气温低于-8℃时,水露点应比最低气温低5℃。实际脱水装置出口干气水露点通常需控制在小于-60℃。吸附与再生温度参数调节吸附阶段温度宜控制在常温,以保证吸附剂对水分的吸附效率。再生阶段,电加热炉温度通常控制在180-200℃,当出塔温度达到110℃时需恒温1小时,确保吸附剂再生完全;冷吹阶段需将出口温度降至45℃以下,为下次吸附做准备。吸附与再生周期设定脱水装置通常采用双塔交替运行,吸附周期一般为6-8小时,部分情况下可根据处理量和吸附剂性能适当延长;再生周期同样为6-8小时,包括加热和冷吹过程,确保吸附剂恢复吸附能力。压力参数监控要点增压前脱水时,再生用天然气压力需能克服脱水系统阻力;增压后或级间脱水时,再生用天然气压力一般控制在0.4-1.8MPa或更高。切换操作时,需控制塔内压力平稳,如高压脱水切换时压力差应小于0.5MPa,避免压力波动对设备造成冲击。

吸附剂更换与活化处理吸附剂更换的判断标准当脱水后气体水露点超过-13℃(符合GB18047标准要求),或吸附周期显著缩短(如从12-16小时降至8小时以下),需考虑更换吸附剂。

吸附剂更换操作步骤1.关闭待更换吸附塔进出气阀门,泄压至0.8MPa以下;2.打开人孔,清除失效吸附剂(如4A或13X分子筛);3.装填新吸附剂前需过筛去除粉尘,分层夯实;4.密封人孔后进行气密性测试,确保无泄漏。

吸附剂活化再生工艺参数再生时电加热炉温度控制在180-200℃,当出塔温度达110℃时恒温1小时;冷吹阶段通入≤0.85MPa高压节流气,将出口温度降至45℃以下,完成活化。

更换与活化注意事项更换时须佩戴防尘口罩,避免分子筛粉尘吸入;活化后需检测干气水露点,确保达到-60℃以下;严禁在雷暴天气或天然气泄漏环境下进行操作。巡检内容与周期设备日常巡检与故障排除

日常巡检需检查脱水装置各阀门状态、压力(吸附压力、再生压力)、温度(吸附塔温度、加热器温度、冷却器进出口温度)是否正常,前置/后置过滤器有无堵塞,分离器排水是否顺畅。巡检周期建议为每2小时一次,每日需对分子筛床

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