脱水装置.doc

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CNG加气站脱水装置

培训教材

CNG加气站脱水装置培训教材

1.天然气脱水的必要性

由于我国管输天然气仅规定进入大管网的净化气不含游离水即可（SY7514-88）。

此外，加上有些地方沿长输管道各站点有大量未经脱水的无硫气及低硫气输入，即使有些净化厂配有三甘醇（TEG）脱水装置，整个天然气管网，除个别地段外水蒸气也基本是饱和的。

在相当长的时间内，我国原料天然气的含水量达到国际管输标准（0.12g/m3）是困难的。

根据《汽车用压缩天然气》（SY/T7546-1996）的规定，压缩天然气在贮存和向汽车充气过程中，在最高储存压力下，气体中水露点应低于当地最低环境温度5℃以下，如果达不到该要求，压缩天然气可能会析出液态水。

液态水的存在将会对汽车及加气站的安全产生如下严重损害。

①系统冰堵压缩天然气压力每下降1bar，温度降低约0.4加气站和汽车内部管道、阀门多处在节流小孔，极易形成大压降、大温差，导致管内气体温度骤降至零下几十度，远低于当地最低环境温度，因此，CNG系统所要求的水分含量也远低于输送管网所要求的气体水分含量。

根据经验，中国大陆南方当气体露点温度高于-35℃，北方地区露点温度高于-45℃，东北、新疆等寒冷地区露点温度高于-55℃，就有可能发生冰堵现象，导致加气站不能实现正常加气，汽车无法启动和运行；

②在高压状态下，液态水的存在会在贮气容器中生成水合物。

压力为25MPa、密度为0.68MPa的天然气在24℃时就可能生成水合物，同样会堵塞管道和阀门。

③液态水的存在加强了酸性组分（H2S、CO2）对压力容器及管道的腐蚀，并可能发生硫化氢应力腐蚀开裂及二氧化碳腐蚀开裂，导致爆炸等灾难性事故的发生。

④水（油、烃）聚集。

出租车气瓶使用两年后，在维护检测时，往往能倒出0.5～1升的油水混合物。

不仅占据了气瓶的有效容积，而且游离水会提供上述裂纹缺陷的生存发展条件。

另据介绍，中国、泰国推广应用液压子站时，某些子站液压油寿命极低，追究原因，发现大部分也是由于母站输送气体含水、含烃量过高所致。

因此，无论是天然气加气站还是天然气汽车，使压缩天然气的含水量达到标准是至关重要的天然气的脱水深度应根据加气站所在地区的最低大气温度来确定，其表示方法为储气瓶储气压力下的水露点（PDP），也可用天然气中的残余水含量来表示。

只要将天然气的含水量脱出到符合标准，无论是加气站还是汽车都不会发生因天然气含湿量引起的有关问题。

2.CNG加气站工艺

图3.1标准型加气站的工艺流程框图

图3.2加气母站的工艺流程框图

图3.3加气子站的工艺流程框图

图3.4加气母站示意图

图3.5加气子站示意图

3.天然气脱水

3.1天然气脱水方法

有许多方法可用于天然气脱水，并使之达到管输要求。

这些方法按其原理可分为冷冻分离、固体干燥剂吸附和溶剂吸收三大类[7]。

近年来国外正大力发展膜分离技术进行天然气脱水，但由于其高成本及应用规模的限制，目前在工业上还应用不多。

压缩天然气脱水属深度脱水，几乎都采用固体干燥剂吸附方法。

固体干燥剂脱水的操作过程是周期性的，用一个或多个干燥塔吸附脱水，干燥剂应采用吸水能力比吸烃类或吸酸性气体能力强的吸附剂。

由于吸附时产生吸附热，用热气流加热就会使吸附剂脱附水分，同时吸附剂得到再生，再生冷却后分离出水分。

3.2吸附剂的选择

当前国内外主要的天然气深度脱水装置，是利用合成氟石分子筛对气体中的水蒸气分子有强烈的吸附作用，达到干燥气体的目的。

合成氟石分子筛是一种有严格骨架结构的硅铝酸盐晶体，其硅铝四面体形成的内部骨架具有三维连通的无数微孔，是一种孔径大小均一的强极性吸附剂，具有很高的选择吸附分离能力。

随Si/Al比值的增加，分子筛的极性逐渐降低，因此低Si/Al比的分子筛具有更强烈的吸附水分的能力，适合于气体或液体的深度脱水干燥。

按不同的分子结晶结构和不同的交换金属离子成分，分子筛微孔孔径的大小也各异。

如KaA型分子筛的有效孔径为0.3～0.33nm（纳米）左右，被称为3A分子筛；而NaA型分子筛的有效孔径为0.42～0.47nm，称为4A分子筛。

3.3脱水装置工作原理

当气体通过分子筛床层时，气体中的水蒸气分子随气流进入分子筛内部的孔道。

由于水分子属于强极性分子，因此被吸附在孔道上不再随气体流动；而甲烷等烃类气体都因属于非极性分子，会顺利通过，气体从而得到干燥。

随着吸附塔内的分子筛吸附的水分增加，分子筛对水分子的吸附能力也逐渐下降；当到达一定值时，从吸附塔出口的气体中的水分子就会超过规定值——说明该塔内分子筛已吸附饱和了。

此时，必须对该吸附塔内分子筛进行再生脱附。

所谓再生流程，就是将分子筛微孔内吸附的水分驱逐，使分子筛重新活化的过程。

由于吸附时产生吸附热，用热气流加热就会使吸附剂脱附水分，同时吸附剂得到再生，再生冷却后分离出水分。

一般加气站大都采用两个吸附罐（双塔）轮流工作，以保证加气站连续运行。

零排放型：

4NG加气站脱水装置常规类型

表4.1CNG加气站脱水装置常规类型

类型划分

天然气脱水装置

按所处工艺位置

（前置）低压脱水装置

（级间）中压脱水装置

（后置）高压脱水装置

按再生工艺

减压排放型、零排放型

开式循环

按控制方式

半自动型、全自动型

手动型、全自动型

按冷却方式

风冷、水冷

图4.1低压（前置）天然气脱水装置图4.2高压（后置）天然气脱水装置

4.1减压再生与零排放等压再生的选择

工艺

流程

适用压力

范围MPa

再生循环方式

及特点

技术特性

价格系数

体积/重量系数

前置减压再生

0.2～1.6

吸附与再生分别为两个独立系统，再生流程为封闭循环

卸压、加热时需向外排放一定量的天然气，取湿气加热再生，半湿气吹冷。

1

1/1

前置等压再生零排放

1.6～8.0

再生气取自产品气，湿气回至吸附塔入口，为半开式循环

①干气再生/吹冷，露点低且稳定。

②加热时引起的气体膨胀随压缩机带走，当压缩机停机时，加热引起的再生系统压力升高为系统大容积分担，全过程为零排放。

③适用于高管网压力、大排量母站。

1.1

（低压）

1.2

（中压）

1.1/1.2

表4.2两种流程的经济技术比较

减压再生工艺因罗茨风机机壳为铸件，耐压性能较差，所以再生时需将再生系统压力降至0.5bar以下，当管网压力较高时，减压排放出的天然气造成浪费和污染环境，且不安全。

零排放等压再生工艺因罗茨风机密闭在容器中，由容器承受管网压

力，罗茨风机仅提供再生系统所需压力降。

该机型可在线压力下实现再生运行，

图4.3中压零排放型天然气脱水装置

4.2控制形式的选择

低压（前置）脱水装置按自动化程度可分为全自动和半自动。

前者可做到无人现场操作，后者需在两塔切换时，到现场手动切换阀门，其后的再生程序自动进行，无需现场操作。

依国内技术和资金能力，笔者推荐半自动控制方式。

按控制柜安装位置可分为现场控制和非防爆区控制。

前者采用正压保护或隔爆箱，后者将控制柜设置在非防爆区，一般与压缩机控制柜同区，推荐后者。

按控制柜功能又可分为：

露点控制、触摸屏/文本/指示灯显示等。

4.3冷却方式的选择

脱水装置的再生系统冷却方式选取通常依设备现场所在地的温湿度和具体情况而定。

对于温湿度较高的南方地区，在现场条件允许的情况下建议优先选用水冷却再生方式。

根据笔者的设计经验，使用了风冷却设备的南方现场往往加大了风机功率也很难达到好的冷却效果，从而影响了设备的再生效果，设备工作周期、成品气露点很难保证；对于干冷的北方地区，风冷却再生则具有很好的优势。

1合理设置排放通道

压缩机的级间分离器、机后除油过滤器、脱水装置前、后置过滤器、再生系统气液分离器以及再生排放气，需分别或合并接入某一个或多个容器。

图4.4系统排放管路类型一

如图4.6所示：

再生排放气与压缩机级间分离器排污管接入同一容器，造成再生气排放背压失稳。

图4.5统排放管路类型二

如图4.7所示：

将脱水装置前置分离器和后置粉尘过滤器排出的油、水、尘直接接入压缩机入口。

这类细小环节看似不起眼，但同样会对系统安全、经济运行造成不必要的损害。

图4.6系统排放管路类型三

如图4.8所示：

脱水装置撬装三个气液分离器与压缩机级间分离器接入排污罐，再生气排放气接入缓冲罐，两罐上部连接，保证足够的贮气容积以容纳再生气（当压缩机停机时）和切换时的高压泄放气。

5.防爆基本知识

①防爆型式

隔爆型电器设备“d”

增安型电器设备“e”

本质安全型电路和电气设备“i”

正压型电器设备“p”

充油型电器设备“o”

充沙型电器设备“q”

无火花型电器设备“n”

②电器设备种类

Ⅰ类：

煤矿井下用电器设备

Ⅱ类：

工厂用电器设备

③Ⅱ类电器设备，按期使用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙或最小点燃电流比分为A、B、C三级；并按其最高温度分为T1～T6六组。

④天然气防爆级别：

dⅡBT4

即为隔爆型，Ⅱ类电器设备，B级，温度组别T4

⑤爆炸性气体环境危险区域划分

a、0区：

连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境；

b、1区：

在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境；

c、2区：

在正常运行时不可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。

操作维护篇

等压零排放型脱水装置操作

1艺流程图

①前置过滤器

②水冷却器

③分离器

④罗茨风机组件

⑤一级加热器

⑥二级加热器

⑦电热防冻带

⑧后置过滤器

A1A塔再生气出气阀

A2A塔湿气进气阀

A3A塔成品气出气阀

A4A塔再生气进气阀

B1B塔再生气出气阀

B2B塔湿气进气阀

B3B塔成品气出气阀

B4B塔再生气进气阀

F1循环加热系统检修切断阀

F2冷却分离系统检修切断阀

F3风机回气旁通球阀

F4吸附回路安全阀

F5吸附回路安全阀前球阀

F6前置过滤器排污阀

F7后置过滤器排污阀

F8分离器排污阀

F9排污球阀

F10露点检测用针阀

F11风机容器排液球阀

T1再生气排气温度表

T2加热器排气温度表

T3A塔温度表

T4B塔温度表

TS1再生气排气温度传感器

TS2加热器排气温度传感器

TS3冷却器排气温度传感器

P1A塔压力表

P2B塔压力表

P3再生管路压力表

12说明

整套装置由两个并列工作的干燥塔及加热器、罗茨风机、水冷却器、分离器、过滤器组成，他们连接在一起组成完整的系统，两个干燥塔以循环的方式交替作为吸附和再生使用。

13流程简述（参见工艺流程图）

置换

设备投入使用前容器及管线内部为空气，必须进行置换操作。

打开阀A2、B2和A3、B3，缓慢打开主管线装置进气阀，进气口接入天然气后关闭阀A1、B1与A4、B4，吸附管路升压，缓慢的打开阀F6、F7，对A、B干燥塔及吸附管路置换，至前、后置过滤器排污口有天然气流出关闭阀A2、B2和A3、B3。

打开阀A1、B1、A4、B4与F1、F2对再生管路进行置换，开启F8阀与F9阀直至排污口有天然气排出时关闭F9阀；开启阀F3和阀F11，直至风机容器排液口有天然气排出时关闭此两阀，最后至前、后置过滤器排污口有天然气流出关闭阀F6、F7。

至此，设备的置换完成。

关闭阀A1、B1、A4、B4。

阀门F1、F2、F5、F8处于开启状态，阀门F9、F1