【文章內(nèi)容簡介】 孔徑/(1010m)化學組成（M2/nOAl2O3x SiO2yH2O）3A（鉀A型）23～2/3K2O1/3Na2OAl2O3SiO24A(鈉A型）2～Na2OAl2O32SiO25A（鈣A型)2～Al2O32SiO210X(鈣X型)～8～9Al2O36H2O13X（鈉X型）～9～10Na2OAl2O38H2OY（鈉Y型）～69～10Na2OAl2O35SiO28H2O鈉絲光沸石～6約5Na2OAl2O310SiO26～7H2O表22 常見的幾種分子公稱直徑分子公稱直徑/(1010m)分子公稱直徑/(1010m)H2CH44CO2C2H6N23C3H8H2OnC4～nC22H2SiC4～iC22CH3OH苯，要用分子篩脫水，選擇4A（或者3A）分子篩是比較合適的，因為3A分子篩的孔徑為(3～)1010m，4A分子篩的孔徑為(～)1010m，1010m。4A分子篩不僅可以吸附水同時還可以吸附COH2S等雜質(zhì)。在上游的脫碳裝置出現(xiàn)短時間波動而導致天然氣沒有達標時,分子篩可以發(fā)揮一定的凈化作用,因此本項目選擇4A分子篩作為脫水吸附劑。分子篩脫水屬于氣固吸附過程,是一個可逆過程。分子篩在低溫高壓下吸附至臨近轉(zhuǎn)效點時,通過升高溫度、降低壓力讓被吸附物質(zhì)從分子篩表面脫附再生。[12]綜上所述，分子篩與活性氧化鋁和硅膠相比較，具有以下顯著優(yōu)點： 1．吸附選擇性強，只吸附臨界直徑比分子篩孔徑小的分子；另外對極性分子也具有高度選擇性，能牢牢地吸附住這些分子。2．脫水用分子篩如3A或4A分子篩，它不吸附重烴，從而避免因吸附重烴而使吸附劑失效。用硅膠或活性氧化鋁進行脫水時，由于共吸附天然氣中的重烴，操作壽命一般比較短，而且脫水的深度也受到限制。3．具有高效吸附性能，在相對濕度或分壓很低時，仍保持相當高的吸附容量，特別適用于深度干燥。4．吸附水時，同時可以進一步脫除殘余酸性氣體。5．不易受液態(tài)水的損害。[13]目前天然氣工業(yè)用的脫水吸附器主要是固定床吸附塔,為保證裝置連續(xù)操作,至少需要兩個吸附塔。分子篩工藝一般分為兩塔流程、三塔或多塔流程。在兩塔流程中,一塔進行脫水操作,另一塔進行吸附劑的再生和冷卻,然后切換操作。在三塔或多塔流程中,受進料條件等因素影響切換程序可以有多種選擇,例如三塔流程可采用一塔吸附、一塔再生、另一塔冷卻或二塔吸附、一塔再生及冷卻的切換程序。在同等吸附周期的情況下,兩塔流程相對三塔流程而言，設備少,投資較為節(jié)省。由于設備數(shù)量的減少,今后的操作維護費用也將大大降低。同時由于減少了設備、工藝管線數(shù)量,實際上也相應削減了管線、設備穿孔泄漏的風險,提高了安全可靠性。 分子篩脫水一般采用兩塔或三塔流程,巴彥淖爾市磴口縣項目中采用的是兩塔流程。正常生產(chǎn)中,一塔吸附,另一塔再生。脫水吸附：吸附時，經(jīng)醇胺法脫碳后，含飽和水的天然氣自上而下通過分子篩（分子篩塔1）床層,從而減少氣流對吸附劑床層的擾動,脫水后的干氣含水量低于1106(φ),再經(jīng)過分子篩塔出口粉塵過濾器濾除氣體中攜帶的分子篩顆粒后去冷箱液化。再生：在加熱期間,再生氣由再生氣加熱爐加熱到300℃后,自下而上地進入分子篩脫水塔(分子篩塔2)并將分子篩加熱并穩(wěn)定在280℃，恒溫一小時后脫水結(jié)束。分子篩脫水塔(分子篩塔2)塔頂出來的再生氣經(jīng)過再生氣換熱器換熱后溫度降低，再經(jīng)過再生氣冷卻器冷卻后進入再生氣分離器分離出凝液,之后再生氣可返回到濕原料氣中,也可摻入產(chǎn)品氣中,還可進入工廠燃料氣系統(tǒng)中。一旦分子篩床層被再生完全后,再生氣將走再生氣加熱器旁通,進入分子篩脫水塔(分子篩塔2)以使床層冷卻下來,當冷吹氣流出口溫度低于40℃時,冷卻過程即可停止。再生后的床層需經(jīng)冷卻降溫后才具有較好的吸附效果,為此進行冷吹,用低溫氣體帶走分子篩的熱量。冷卻氣通常是自上而下流過吸附劑床層，從而使冷卻氣中的水分被吸附在床層的頂部。這樣，在脫水操作中，床層頂部的水分就不會對干燥后的天然氣露點產(chǎn)生過大影響。圖22 分子篩脫水系統(tǒng)工藝流程圖 分子篩脫水的設備⑴分子篩塔 在分子篩脫水系統(tǒng)中需要用到兩個分子篩塔。一塔進行脫水操作,另一塔進行吸附劑的再生和冷卻,然后切換操作。在再生期間,所有被吸附的物質(zhì)通過加熱而被脫吸,為該塔的下一個吸附周期作準備。⑵粉塵過濾器 在分子篩脫水以后設置分子篩粉塵過濾器。粉塵過濾器的作用是分離脫水后的天然氣中攜帶的分子篩粉塵等雜質(zhì)顆粒。在高速流動條件下,細小的固體顆粒會使設備產(chǎn)生很大的磨損,因此粉塵過濾器對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行是必需的。⑶再生氣加熱爐 再生氣加熱爐的作用是對天然氣進行加熱，使再生氣的溫度達到300℃。加熱的再生氣進入分子篩塔恒溫到280℃一段時間后，脫除分子篩上吸附的水，使分子篩塔重新具有吸附功能。⑷再生氣換熱器 本項目的換熱器選用氣氣換熱器。氣氣換熱器的作用是使進口天然氣與輸出的低溫干氣進行換熱,可進一步降低進口天然氣溫度,并且可提高輸出干氣的溫度，達到能源的充分利用。⑸再生器冷卻器 再生氣冷卻器的作用是降低進入分離器的天然氣的溫度,可以采用水冷或氣冷等冷卻方法。降低進口溫度在天然氣低溫冷凝法脫水工藝中的應用是很普遍的,在相同的條件下可以達到更低的露點,有利于提高脫水的深度。⑹再生氣分離器 在分離后的液體中,還包含一些氣體,再生氣分離器的作用是將這部分氣體分離出來, 并將氣體輸入干氣系統(tǒng)。第三章 再生氣加熱爐控制系統(tǒng),氣體自上而下流過脫水塔1吸附劑床層。原料氣中的水分被吸附劑選擇吸收,從床層底部流出的干氣進入后面的液化工藝。整個吸附周期為8 h。塔1進行干燥吸附時,同時塔2則進行再生。再生氣進入加熱爐加熱到300℃后從下而上進入干燥塔2,熱的再生氣將床層加熱,加熱時間為4h。隨著床層溫度的不斷升高,水從吸附劑上脫附,脫附出來的水蒸汽隨再生氣一起進入空冷器冷卻到40℃以下,大部分水蒸汽被冷凝下來并在再生分離器中分離。加熱結(jié)束后,加熱爐停止運行,接著對床層進行冷吹,冷吹時間也為4 h,直到床層溫度低于40℃為止。加熱爐主要是用來加熱再生氣,再生氣的溫度需要加熱到300℃，由于加熱和冷卻時間均為4 h，因此，加熱爐只有50%工作時間。為了保證安全，停止加熱時，冷吹氣仍要通過爐內(nèi)翅管，同時在加熱爐選擇上，選擇了美國生產(chǎn)加熱爐的專業(yè)廠家GTS公司生產(chǎn)的對流式加熱爐。該加熱爐與普通加熱爐不同之處在于增加了一個循環(huán)風機，讓出口煙氣2/3的氣體重新返回燃燒室，不但可防止爐膛溫度超高，而且爐膛溫度分布更均勻，熱效率高于89%，常用的輻射加熱爐熱效率只有69%左右，因此更節(jié)約燃料氣。加熱爐形狀為┛，這種加熱爐主要由兩部分組成：燃燒段和對流傳熱段。在燃燒段,燃燒器采用短火焰燃燒器，防止火焰直接與盤管接觸，燃料氣和空氣混合燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣與循環(huán)氣混合后流向?qū)α鞫蔚谋P管，使工藝流體均勻的被加熱，同時使煙囪的煙道氣溫度低于245℃，遠遠低于天然氣的自燃溫度538℃。在冷吹停爐時，由于有循環(huán)風機，整個爐內(nèi)溫度可很快的均勻冷卻下來，保證冷吹過程不受影響。在加熱爐控制系統(tǒng)中，干氣通過再生氣換熱器升溫后進入加熱爐加熱，再生氣加熱到300℃自下而上進入分子篩再生塔，對分子篩塔加熱并穩(wěn)定在280℃。加熱爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖如圖31所示：圖31 加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖再生氣加熱爐再生冷卻操作參數(shù)：①再生操作 通常在濕原料氣或干燥氣中分出部分氣體作為再生原料氣，當其加熱到一定溫度后進入再生塔床層，然后再進入濕原料氣總管； ②再生溫度 一般為175～260℃，這取決于吸附劉的種類；溫度越高，再生后的吸附劑的濕容量越大，同時也將縮短吸附劑的使用壽命，本項目中再生溫度為280℃； ③再生氣流量 再生氣流量應該滿足在規(guī)定時間內(nèi)把再生吸附劑提高到規(guī)定的溫度，一般為總原料濕氣的5%15%； ④再生時間 使再生吸附器出口溫度達到預定再生溫度的時間約占總時間的65%～75%.若采用周期為8h的雙塔流程，則加熱再生吸附劑床層的時間為5～6h。本項目根據(jù)項目的實際需要，再生時間為4h； ⑤冷卻操作參數(shù) 冷卻氣流量一般與再生氣流量相同，最后的冷卻溫度為40～55℃，床層冷卻時間約占總時間的25%～35%。若采用周期為8h的雙塔流程，則冷卻床層時間為2～3h，本項目的冷卻時間為4h； 自動控制方案的選擇自動化水平是根據(jù)工藝裝置的要求，結(jié)合國內(nèi)外同類生產(chǎn)裝置的自動化水平及業(yè)主方的要求所確定。根據(jù)磴口項目工藝和生產(chǎn)管理的要求，自控系統(tǒng)本著安全、可靠、經(jīng)濟的原則進行設計，自動化水平位于國內(nèi)同類裝置的先進水平。為保證生產(chǎn)裝置的安全、平穩(wěn)、長期運行，采用集散式控制系統(tǒng)（DCSDistributed Control System）對工藝過程進行集中控制、顯示、記錄和報警。全廠生產(chǎn)裝置設置一個控制室（CCR），一個工程師站，兩個操作員站。DCS控制系統(tǒng)采用獨立的主控卡、獨立的操作站，同時設置ESD、Famp。G控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)（DCS）實現(xiàn)對工廠所有生產(chǎn)過程的連續(xù)檢測和控制操作；緊急關斷系統(tǒng)（ESD）實現(xiàn)對工廠裝置進行緊急關斷操作；火災及可燃氣體探測系統(tǒng)（Famp。G）實現(xiàn)對工廠內(nèi)生產(chǎn)區(qū)域進行可燃氣及火焰的探測、報警操作。利用火焰探頭、感溫探頭、感煙探頭和可燃氣體探頭及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的火光、熱、煙和可燃氣體的泄漏，當其超過安全設定時，F(xiàn)amp。G系統(tǒng)將進行報警或啟動滅火設備進行滅火操作；安全監(jiān)視系統(tǒng)CCTV（Close Circuit Television）實現(xiàn)對工廠內(nèi)安全狀況及廠區(qū)環(huán)境進行監(jiān)視。計算機信息管理系統(tǒng)能夠完成整個工廠管控一體化。為了提高整個集散式控制系統(tǒng)的安全性、可靠性，DCS、ESD將獨立設置，并各自完成不同的功能。DCS系統(tǒng)位于中心控制室（CCR）內(nèi)，主要由五部分組成：I/O板、控制器、工程師站、操作站、通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)。DCS控制系統(tǒng)選用浙江中控技術有限公司生產(chǎn)的JX300XP系統(tǒng)，該系統(tǒng)是目前國內(nèi)應用最廣泛的單一型號控制系統(tǒng)產(chǎn)品。本設計中再生氣加熱爐采用計算機控制，操作過程中的信號引進計算機系統(tǒng)，分別實現(xiàn)顯示、報警及連鎖功能。在現(xiàn)場，PLC通過硬線與DCS實現(xiàn)連鎖保護。現(xiàn)場PLC系統(tǒng)采用MODBUS協(xié)議的RS485（倆線）通訊接口送至DCS集散控制系統(tǒng)，提供標準的MODBUS RTU協(xié)議。 被控參數(shù)和控制參數(shù)的選擇一、被控參數(shù)的選擇在加熱爐控制系統(tǒng)中，再生氣的溫度需要加熱到300℃，而再生氣的溫度需要通過加熱爐加熱，這就需要對加熱爐進行控制。在該控制系統(tǒng)中，被控參數(shù)和控制參數(shù)的選擇恰當與否，是保證控制系統(tǒng)達到控制要求的必要保證。被控參數(shù)選擇的一般原則：⑴ 一般選取可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)；⑵ 選擇與直接參數(shù)有單值函數(shù)關系的間接參數(shù)；⑶ 被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度；⑷ 考慮工藝過程的合理性和國內(nèi)、外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。本加熱爐控制系統(tǒng)要求再生氣的溫度達到一定要求，所以選擇再生氣溫度為被控參數(shù)。二﹑控制參數(shù)的選擇（1）放大倍數(shù) Kf的影響Kf越大，系統(tǒng)的余差越大，控制質(zhì)量越差。（2）時間常數(shù) Tf的影響Tf 越大，個數(shù)越多，或者說干擾進入系統(tǒng)的位置越遠離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥，干擾對被控參數(shù)的影響就越小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越高。（3）純滯后 τ0的和容量滯后τc的影響造成控制作用不及時，使控制質(zhì)量下降。τc的影響比純滯后τ0對系統(tǒng)的影響緩和。若引入微分作用，對于克服τc對控制質(zhì)量的影響有顯著的效果。[14]由于在該加熱爐控制系統(tǒng)中，再生氣是通過燃料氣和空氣的燃燒來加熱的，在該加熱爐控制系統(tǒng)中，再生氣溫度作為被控變量，風機的進風量是控制變量，燃料氣和風量以一定的空燃比燃燒加熱再生氣。通過控制風機的風量，控制燃燒的空燃比達到控制再生氣溫度的效果。 測控儀表的選擇1．儀表選型原則①在滿足工藝要求的前提下，儀表選型本著技術先進、性能可靠、操作維護方便、經(jīng)濟合理等原則，盡可能滿足被檢測變量的精度等級要求；②處于爆炸危險區(qū)的儀表應采用相應防爆等級的儀表，并根據(jù)所處環(huán)境條件確定相應的防護等級；③現(xiàn)場儀表除可燃氣探測器、火焰探測器、感煙探測器及熱電阻采用三線制外，其余均采用二線制；④裝置的主要控制操作、報警監(jiān)控、安全停車主要集中在主控室DCS上完成；⑤現(xiàn)場控制盤采用隔爆型儀表；⑥整個工廠所選用的儀表類型、規(guī)格盡量統(tǒng)一。2．儀表選型要求①現(xiàn)場儀表原則上選用電子智能式，模擬量信號的儀表采用4～20mA DC標準信號，調(diào)節(jié)閥氣信號采用20～100KPa標準信號，儀表風采用600KPa標準信號；熱電阻選用Pt100鉑電阻，輸出信號為電阻值；緊急切斷閥、開關及狀態(tài)類輸入的開關信號為干接點信號；電磁閥及現(xiàn)場儀表的供電使用24VDC信號。②所有與工藝介質(zhì)接觸的儀表材質(zhì)，均能滿足工藝介質(zhì)的要求，并且不低于儀表所在管道和設備的材質(zhì)。安裝在火災和爆炸危險場合的儀表設備符合危險區(qū)域等級劃分的要求，在爆炸危險區(qū)域的現(xiàn)場儀表為隔爆型③調(diào)節(jié)閥選型要求：，閥體材質(zhì)和壓力等級與工藝管線要求一致；，在1米處不大于85dB,否則采用降噪措施%，對于線性調(diào)節(jié)閥不超過60%；，由儀表風驅(qū)動。執(zhí)行器的大小要完全滿足調(diào)節(jié)閥在最大關斷差壓下的正常工作需要；，都要求帶有手輪操作機構(gòu)，以便于定位器故障之后，手動控制閥開度；，并帶有保位閥、電磁閥、限位開關等輔助設施以滿足在氣源故障或電磁閥失電的情況下，可保持閥門處于事故前狀態(tài)，所以采用ORBIT軌道式球閥；、切斷閥所使用的三通或四通電磁閥，其供電為24V DC,電磁閥的功率不大于12W，常帶電型。④儀表和控制系統(tǒng)電源應是雙回路自動切換的獨立供電回路，電壓等級為220VAC，50HZ。控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場儀表采用不間斷供源（UPS）供電