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壓縮熱設備設計及選型問題

  【壓縮機網一、壓縮熱設備流量具體應該選多大的?

  之所以把這個問題放在最前面,是因為干燥機廠家的設計及銷售人員很少有從壓縮機、能源工程等相關專業畢業的。干燥機廠家的從業人員對空壓機在不同地理條件、環境條件下的吸氣量及排氣量的關系并不了解。在空壓機代理商不愿意透露過多用戶信息給干燥機廠家的情況下,往往會因為具體地理條件等影響因素,導致壓縮熱干燥機選型出現重大失誤。

  壓縮熱干燥機選型前,我們需要先了解兩個關于壓縮機吸氣狀態的概念:

  1.0度標方:即在1barA壓力狀態下,0℃,Rh0%狀態進氣。

  2.工況立方:離心機一般設計工況為,1barA壓力狀態下,35℃,Rh65%狀態進氣。

  然后我們需要了解壓縮熱干燥機的設計條件:

  1.吸附入口含濕量:對應溫度、壓力條件下g/kg或對應溫度、壓力條件下g/m3。

  g/kg可用于將設計狀態流量轉化為質量流量來計算周期內進入干燥機的水分;

  g/m3可用于空壓機帶壓狀態下的流量來計算周期內進入干燥機的水分。

  2.吸附入口的流量:此流量與空壓機的吸入流量無關,只等于空壓機在當前壓力下的實際排氣量。為了規范,此時可以將空壓機的實際排氣量轉換為0℃,1barA,Rh 0%狀態下的流量,或者直接使用質量流量來規范干燥機的設計??杀WC無論空壓機的吸氣條件怎么變化,干燥機的設計只認空壓機排出的質量流量對應的各項數據。

  為了更加深刻的理解吸氣條件的改變帶來的干燥機入口流量變化,我們以1600kW軸功率的離心機為例,1barA壓力狀態下,35℃, Rh65%狀態進氣,大約流量為280~300m3/min 之間。我們以最常見的288m3/min為準,通過改變海拔高度可以得到如下數據: 

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  即在沿海地區,夏季條件下,此壓縮機的排氣質量流量為:5.12kg/s;而當海拔上升至2000m時,在同樣35℃,Rh 65%(實際高海拔地區平均溫度會低,相對濕度也會低,排氣質量流量會比表格里大,實際設計需要根據氣象條件修正)的條件下排氣質量流量只有:3.98kg/s了。那么此時我們再選用沿海地區的壓縮熱干燥機,就會出現設備選型過大。若裝機加熱器沒有備用冗余,很可能會存在再生階段無法再生完全的情況?;蛘卟捎梅至骷訜岬牧鞒?,因為入口流量的減少,必然引起分流管道與主管道出現一個壓力降,為了平衡這個壓力差,只能是增大主管道壓力降來保證分流管路的氣流匯入,此時就帶來了設備整體的壓力降的增大。

  所以壓縮熱干燥機在設計或銷售選型時,一定要根據使用條件下空壓機排氣狀態選型,而不是根據空壓機在低海拔的標準吸氣量來選型。有些空壓機代理商或者銷售,會按照標準空壓機數據來詢價,此時是不合理的,需要進行流量轉換。如果不對氣量進行修正,那么就會造成設備報價特別貴的后果。

  二、壓縮熱設備是否需要加熱器?

  這個問題是老生常談了。只要是涉及工藝用氣,壓力露點需求在0℃以下,必須配置加熱器。因為不帶加熱器的情況下,吸附劑在每一次再生時都會增加水分殘余,直到到達殘余水分極大的平衡。根據吸附平衡曲線可知,在循環達到一定的次數后(初始露點可能達到-20℃甚至-40℃以下),120~130℃,三級壓縮,8barG排氣壓力的條件下,壓縮熱零氣耗干燥機的排氣露點會趨于0℃左右,逐漸達到平衡。

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  此種計算再生溫度的算法最早見于資料《分子篩》-1965年,中國工業出版社。后續見于,唐納森、德國超濾、zander、delair、UOP、林德分子篩、PPC分子篩等資料。

  但是若只是長江以南的非山區的工業區,壓縮空氣只作為儀表氣使用,壓縮機排氣溫度在冬天也能達到110℃以上,不增加加熱器是夠用的。

  若出現某些排氣溫度較低的機型,必須需增加加熱器或者推薦使用鼓風熱干燥機。

  其余環境溫度經常達到0℃以下的地區或者壓縮空氣作為工藝氣時,壓縮熱零氣耗干燥機必須增加輔助加熱,加熱器根據需求露點推算再生溫度來配置。

  參考值如下:

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  以上數據均為等比壓縮,末級排氣壓力露點~55℃,且以上數據未考慮吸附過程的床層溫升的理論數據。

  三、壓縮熱零氣耗的床層吸附溫升的控制及利用

  我們在設計吸干機的時候,經常遇到低壓用氣條件,那么我們就會遇上在35~40℃進氣條件下,吸附床層溫升過高導致吸附劑性能急劇下降的問題。我們以3.5barG進氣條件下,以達到最大(以8%計算,保守值)動態吸附容量時,吸附床層溫升狀態模擬計算如下:

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  我們可以看到,當入口溫度高于35℃時,吸附劑若采用硅膠或氧化鋁,吸附性能則幾乎沒有了。在無熱/微熱/鼓風熱干燥機設計時,最理想的做法是吸干機前端加預冷機,可完全解決這個問題。但是我們遇到壓縮熱機型時,就不是那么好加上預冷機?;蛘?a target="_blank" class="keylink">冷凍水消耗量巨大,客戶往往不接受此方案。此項目就會遇上兩種情況:

  1.懂設計的廠家會提出價格昂貴的方案,流程復雜,需輔以冷凍機組或消耗冷凍水。

  2.不懂設計原理的廠家,以常規機型猛沖,價格極其低廉。業主和設計院就會陷于兩難。

  那么如何處理這種情況呢?首先我們將用戶條件分為兩類:

  1.只需冷干機或者壓力露點0度以上的初級用氣條件;

  2.用戶需求PDP-40℃及以下條件的工藝氣。

  這里我們先講第二種情況,因用氣要求高,壓縮熱再生時露點大約為PDP57.3℃@3.5barG, 含水量極高,我們只能采用預冷/冷凍水方案降低吸附入口溫度,以保證需求露點條件下再生平衡,除此再無他法。

  按照壓縮熱吸附入口溫度與再生加熱溫度相關數據,把入口溫度降低至合適的溫度,再選取合適的加熱溫度即可。

  下面我們重點講下第一種情況。我們以200Nm3, 3.5barG為例計算,假定我們不管吸附溫升,可以由壓縮熱設計計算書得出以下數據,設計流程以分流加熱計算:

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  我們可以看到吸附末期床層超溫,吸附周期無余量,分流流量過多,設備整體阻力會超標。

  此時我們忽略了離心機排氣的大量熱量,分流方案雖然減小了,整機裝機功率及降低了設備制造成本,但浪費了大量的熱量。我們將設計流程改為前置全流量加熱,并加大主換熱器換熱面積降低冷卻水溫升至5℃,再看此時的數據。

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  我們可以看到,整個再生過程只需1.6小時就可以完成,我們再調整此時的吸附周期時間為2小時。

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  此時設備整體數據均合理可用,接觸時間、吸附溫升、動態吸附容量、再生周期等均滿足各項使用條件。甚至在離心機排氣溫度超過130℃,需求露點僅為冷干機條件下,可暫停加熱器的使用。此方案可極大限度的利用壓縮熱,同時可避免設備因吸附劑超溫引起的問題。

  四、無油變頻螺桿配置壓縮熱零氣耗干燥機的問題

  類似這種實際設計操作的問題,我們還是以實例數據為主,數據為0海拔地區來看。

  1.空壓機型號:400 VSD - 8.6 bar(e)

  2.冷卻水條件:32℃

  3.工作壓力:7bar(e)

  4.流量范圍:22.3 - 67.3m3/min

  5.空壓機吸氣條件:

  - Relative humidity 0%.

  - Absolute inlet pressure: 1 bar (14.5 psi).

  - Intake air temperature: 20℃/68°F.

  該機型為二級壓縮,在未配置末級后冷時,滿負荷排氣數據為:

  排氣溫度約160℃

  排氣露點約63.68℃@7barG

  此時若需要壓力露點-40℃的壓縮空氣,我們根據吸附平衡曲線及《再生溫度與排氣露點的計算》計算書(設備后冷溫升7℃設計)可以得出如下數據:

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  即:再生溫度約230℃,可以得到壓力露點-40℃以下的品質。

  兩種數據基本吻合,此時其實達到壓力露點-40℃,設備已經非常不經濟了,設備耐溫等級需要250℃,但是考慮到用戶本來經濟能力的問題,成本暫且不表。我們來分析下設備運行條件下,會出現什么問題。

  我們根據上述設備條件,進行設計計算,我們需要得出如下兩組數據對比。

  滿負荷條件下:

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  排氣量50%條件下:

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  其實無油螺桿的排氣溫度不會隨著排氣量的下降呈線性下降,而是在一定范圍之后不再繼續下降多少。上述兩種工況對比,若出現螺桿機變頻卸載幅度較大時,加熱器功率需求會急劇下降;若加熱器分組后不采用SCR調節加熱器排氣溫度,只采用交流接觸器,在工況加卸載頻繁的時候,交流接觸器需要頻發吸合、跳脫,最終只會是短期內就燒毀。

  若上述情況采用SCR調節加熱器功率,在變頻卸載速度比較快的時候,短時間內加熱器在較大功率條件下積累的剩余熱量也會使加熱器排氣溫度超出設計/報警范圍,未采用SCR的加熱器分組交流接觸器依舊存在跳脫的可能性。

  同時,在排氣量降低幅度較大時,不管采用何種電加熱控制方式,都無法避免余熱積累導致加熱器筒體、門、管道、吸附塔局部瞬時遠超設計溫度,影響設備整體使用安全。此時哪怕提前接受空壓卸載信號,直接完全停止加熱以避免超溫,也存在因加卸載頻繁導致交流接觸器頻繁吸合可能燒毀的問題(此種情況與電氣元件質量無關)。在加卸載頻繁的情況下用戶體驗感極差,設備廠家維護也惱火,還存在設備使用的安全風險。

  故基于上述兩個原因:

  1.在需求壓力露點-40℃的條件下,再生溫度過高;

  2.實際控制過程,會出現影響設備安全或出現電氣元件頻繁燒毀。

  變頻無油螺桿不推薦配置壓縮熱設備,優先推薦鼓風零氣耗吸干機。

  理由如下:

  1.鼓風零氣耗干燥機的再生氣完全來源于外界,只需要保證干燥機吸附入口流量上限不超設計值即可,吸附入口流量的下限不會影響再生過程;

  2.因相對于無油螺桿的高含濕量排氣,鼓風熱的再生氣水蒸氣分壓更低,在需求PDP-40℃時,加熱溫度約190℃即可,再生過程也不存在再生氣流量急劇變化的情況,設備整體運行穩定、安全,同時也可以因為露點節能模式的存在,設備處于高效節能的狀態。

來源:本站原創

標簽: 選型設備問題  

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