在煤層氣脫水系統(tǒng)中，使用調(diào)節(jié)閥對吸附塔進行升壓和降壓，可以實現(xiàn)脫水裝置的全自動控制。本文根據(jù)調(diào)節(jié)閥設計原則提出閥門的計算方法，并根據(jù)計算結(jié)果提出設備選型原則和調(diào)試方法，使調(diào)節(jié)閥的控制納入脫水系統(tǒng)程控時序中。根據(jù)上述方法，可使脫水吸附塔在滿足規(guī)范要求和安全要求的前提下以最短的時間完成壓力的改變過程。

1、概述

　　煤層氣工業(yè)中用吸附法脫除氣體中的水份十分常用。吸附劑有吸附容量限制，吸附飽和后需要對吸附劑再生，其中高壓有利于吸附，低壓有利于再生，所以常將煤層氣增壓后通入吸附裝置脫水，再生時通入低壓、干凈、干燥的氣體。為保證連續(xù)生產(chǎn)，脫水系統(tǒng)一般配備兩臺或兩臺以上的吸附塔，圖1為兩塔切換吸附的流程示意圖。某塔吸附時，其余塔進行再生。處于吸附狀態(tài)的塔吸附飽和時，處于再生狀態(tài)的塔也再生完畢，此時將吸附塔進行切換，實現(xiàn)不間斷生產(chǎn)。

圖1 吸附脫水流程示意圖

　　吸附和再生處于不同壓力等級，直接切換吸附塔將使塔內(nèi)壓力迅速變化，例如煤層氣液化工藝中，吸附壓力一般為1.5～10MPa，再生壓力可能為幾十千帕，壓力相差較大。按規(guī)范要求，吸附塔內(nèi)壓力變化不應大于0.3MPa/min，壓力變化過快可能沖擊吸附劑，破壞其結(jié)構(gòu)或形狀，影響吸附效果和使用壽命。所以需要將吸附完畢的塔降壓，將再生完畢的塔升壓后再切換，即脫水工藝中的降壓升壓過程。

　　常用的降壓升壓方法有兩種。一是采用多級吸附塔降壓或升壓。壓力最高的吸附塔在降壓時首先和壓力小一級的塔均壓，壓力平衡后再和壓力更小的塔均壓，直到壓力降為設計值。這種辦法可以用僅有開關(guān)功能的程控閥來實現(xiàn)自動控制，壓力相差較大時需配備較多吸附塔。吸附塔越多，壓力變化越平穩(wěn)。升壓時也是如此。

　　另一種方法是通過手動進行調(diào)節(jié)。在升壓和降壓時，通過人工操作閥門控制塔內(nèi)壓力變化。這種方法需要吸附塔少，最少僅需要兩個吸附塔，但無法實現(xiàn)全自動控制。在脫水系統(tǒng)中，除升壓降壓外，其余過程都可自動控制。在自控系統(tǒng)中加入人工操作，使系統(tǒng)存在安全隱患，如工人操作不及時或不到位，真空技術(shù)網(wǎng)(http://resourcemgt.cn/)認為將影響既定的控制過程。

　　綜上所述，需要找到一種簡易準確的方法，使降壓和升壓實現(xiàn)自動控制，并能納入整個脫水系統(tǒng)的自動控制中。在貴州某煤層氣項目中，采用了氣動調(diào)節(jié)閥代替人工操作閥門來實現(xiàn)吸附塔升壓降壓全自動化。

2、調(diào)節(jié)閥的控制方式

　　使用調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)吸附塔升壓降壓過程的自動運行，其目標是在一定時間內(nèi)將吸附塔壓力提高或降低到設計壓力，同時塔內(nèi)壓力變化速度符合規(guī)范要求。壓力變化速度dP是一個連續(xù)變化量，由塔內(nèi)Δt時間內(nèi)壓力變化量ΔP決定：。Δt決定了dP精確度。

　　在降壓和升壓過程中，將dP控制在0.3MPa/min最理想。可以將dP設為調(diào)節(jié)參數(shù)，目標值設為0.3MPa/min。在調(diào)節(jié)過程中，若使吸附塔或再生塔內(nèi)壓力的變化速度穩(wěn)定在0.3MPa/min，則調(diào)節(jié)閥也需要連續(xù)動作，以適應調(diào)節(jié)閥前后壓差的變化。這種調(diào)節(jié)十分精確，完成減壓和升壓所花時間最少，但實現(xiàn)起來有一定難度。原因在于傳感器測量精度、數(shù)據(jù)傳輸及設備動作延遲會影響調(diào)節(jié)精度。另外，脫水流程中閥門切換和設備啟停都通過程控時序控制，即在固定時間點所有設備同時動作。吸附塔升壓降壓作為脫水流程一部分，也需要調(diào)節(jié)閥在固定時間點做出動作。精確調(diào)節(jié)方式中，調(diào)節(jié)過程是否到位判斷依據(jù)是壓力變化速度和吸附塔壓力是否到位。若傳感器出現(xiàn)故障，或每次調(diào)節(jié)到位所花時間不一樣，則調(diào)節(jié)閥將不顧其余程控設備狀態(tài)獨自動作或不動作，破壞工藝流程，甚至造成危險。所以調(diào)節(jié)閥的控制也必須以時間為準，在規(guī)定的時間點上開始和停止動作。

　　在降壓升壓過程中，不必追求最短時間內(nèi)完成調(diào)節(jié)，所以可采用一種模糊調(diào)節(jié)方式。以降壓流程為例，開始降壓時調(diào)節(jié)閥前后壓差最大，吸附塔內(nèi)壓力變化速度最快，此時設定調(diào)節(jié)閥開度使瞬時壓力變化速度達到0.3MPa/min，然后維持這個開度。之后塔內(nèi)壓力變化速度越來越慢，一段時間后改變調(diào)節(jié)閥開度，使該時刻壓力變化值再次達到0.3MPa/min，然后維持這個開度。重復上述過程，則調(diào)節(jié)閥只需動作幾次，每次維持一定時間即可將塔內(nèi)壓力降為再生壓力。閥門動作次數(shù)越多，每次維持的時間越短，降壓所需時間越短;動作次數(shù)越少，每次維持時間越長，總共降壓所需時間越長。可以選取合適的閥門動作次數(shù)和每次的維持時間，使總降壓時間滿足設計要求。降壓所需時間固定，就可以和其他程控設備統(tǒng)一進行控制編程。升壓也可以采用這種方式。

　　精確調(diào)節(jié)和模糊調(diào)節(jié)的區(qū)別見圖2。在模糊調(diào)節(jié)中，時間-壓力曲線起點斜率等于精確調(diào)節(jié)時間-壓力曲線斜率，隨后慢慢變小，當斜率小于一定值后，調(diào)整閥門開度，使曲線斜率再次等于精確調(diào)節(jié)的曲線斜率。幾次調(diào)節(jié)后完成降壓。模糊調(diào)節(jié)所需要的時間比精確調(diào)節(jié)多一些。在圖2中閥門動作了6次后完成降壓過程。

圖2 精確調(diào)節(jié)和模糊調(diào)節(jié)的對比

3、調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)

　　調(diào)節(jié)閥控制方式確定后，需要通過計算對調(diào)節(jié)閥選型，并確定調(diào)節(jié)閥動作次數(shù)及狀態(tài)保持時間。下面以圖1流程為例介紹計算方法。

　　3.1、升壓計算

　　圖1中塔A處于高壓吸附狀態(tài)，有效氣體容積V，吸附壓力P，溫度T。塔B處于再生完畢狀態(tài)，有效氣體容積V，壓力P0，溫度T，需要進行升壓。高壓氣體通過升壓調(diào)節(jié)閥從塔A進入塔B。由于塔A處于吸附狀態(tài)，不斷有工藝氣體流過，所以在升壓過程中塔A的壓力視為恒定不變。

　　升壓過程中，塔A和塔B的溫度T可視為不變。按照理想氣體狀態(tài)方程P=ρRT，壓力P和密度ρ為線性關(guān)系：ρ=kP，，k由工藝氣體物性參數(shù)和溫度確定。

　　規(guī)范中規(guī)定，升壓時塔內(nèi)壓力變化不應超過0.3MPa/min，即0.005MPa/s，在該升壓速度條件下，設每秒后塔B內(nèi)氣體密度變化Δρ，則進入塔B的氣體理論最大質(zhì)量流量為ma=VΔρ=VkΔP=0.005kV。

　　升壓過程中，升壓調(diào)節(jié)閥的閥前壓力P恒定不變，閥后壓力不斷升高。設剛開始升壓時，閥后壓力為P0，第1秒后變?yōu)镻1，第2秒后變?yōu)镻2，以此類推第N秒后變?yōu)镻n。

　　設調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)為KV。升壓開始時，升壓調(diào)節(jié)閥前后壓差ΔP=P-P0，根據(jù)工藝氣體的物性參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，判斷氣體流動是否形成阻塞流。若為阻塞流，則說明閥前后壓差過大，在調(diào)節(jié)閥最小截面處氣流將形成阻塞。此時應根據(jù)公式(1)計算通過調(diào)節(jié)閥的氣體體積流量：

(1)

　　式中：P———塔A內(nèi)壓力

　　KV———調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)

　　κ———工藝氣體的氣體指數(shù)

　　XT———工藝氣體臨界壓差比

　　T———塔A內(nèi)溫度

　　M———工藝氣體分子量

　　Z———工藝氣體壓縮指數(shù)

　　在第1秒后，按照公式(1)計算得到有體積流量為Qg1的氣體進入塔B，換算成質(zhì)量流量為。則塔B壓力變化量ΔP1=，塔B內(nèi)壓力變?yōu)镻1=P0+ΔP1。此時調(diào)節(jié)閥前后壓力為P與P1。再次判斷是否為阻塞流，計算第2秒時間內(nèi)進入塔B的氣體流量Qg2和，并計算第2秒后塔B內(nèi)的壓力P2。通過上述方法可以計算第N秒內(nèi)進入塔B的氣體流量Qgn和，以及第N秒后塔B內(nèi)的壓力Pn。

　　從計算結(jié)果可以看出，塔B內(nèi)壓力會不斷升高。假設到第M秒結(jié)束時，塔B內(nèi)壓力達到臨界值，超過該值后通過調(diào)節(jié)閥的流動為非阻塞流，則此時通過調(diào)節(jié)閥的氣體流量與調(diào)節(jié)閥前后壓差有關(guān)，需要用公式(2)計算氣體流量：

　　(2)

　　式中：P———塔A內(nèi)壓力

　　KV———調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)

　　y———氣體膨脹系數(shù)

　　X———工藝氣體壓差比

　　T———塔A內(nèi)溫度

　　M———工藝氣體分子量

　　Z———工藝氣體壓縮指數(shù)

　　利用公式(2)可以計算第M秒內(nèi)進入塔B的氣體流量Qgm和，再計算第M秒后塔B內(nèi)壓力Pm。

　　當塔A壓力與塔B壓差小于0.2MPa時視為升壓結(jié)束，可以切換吸附塔。

　　將上述計算結(jié)果列表，可以根據(jù)實際流量與理論最大流量的比值來判斷調(diào)節(jié)閥是否該動作。該比值不能大于1，但也不能太小，一般不低于70%，具體見表1。

表1 升壓計算結(jié)果

　　在上述計算中，調(diào)節(jié)閥的開度不變則KV值不變。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，當實際氣體流量約為理論最大流量的70%時，調(diào)節(jié)KV使實際流量等于理論最大流量，并使之維持一定時間。以此類推，直到塔B壓力滿足要求。則調(diào)節(jié)閥一共動作的次數(shù)、每次動作需要的時間，以及升壓共需要的時間都可以從表1中得到，同時調(diào)節(jié)過程中壓力變化速度能滿足規(guī)范要求。

　　3.2、降壓的計算

　　降壓的計算方式與升壓計算方式基本相同，區(qū)別在于降壓時塔A內(nèi)氣體通過降壓調(diào)節(jié)閥進入大氣，降壓調(diào)節(jié)閥的閥后壓力恒定不變，閥前壓力不斷降低。在每一秒的計算中，同樣需要判斷是否為阻塞流，并選取相應的計算公式。根據(jù)計算結(jié)果可以得到表2。降壓結(jié)束的判斷依據(jù)是塔A與大氣壓之差小于0.2MPa。

表2 降壓計算結(jié)果

　　3.3、調(diào)節(jié)閥的參數(shù)確定

　　通過上述計算得到調(diào)節(jié)閥升壓和降壓過程中不同時間段的KV值，按照最大KV值確定調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，并根據(jù)氣體流速和管道口徑確定調(diào)節(jié)閥口徑，最后需要對調(diào)節(jié)閥在不同KV值下的開度進行校核，具體可參考調(diào)節(jié)閥選用手冊和調(diào)節(jié)閥廠家提供的產(chǎn)品資料。

　　在調(diào)節(jié)閥的實際選型中，所選的調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)與計算得到的參數(shù)會有一定差異，所以需要根據(jù)實際選擇的調(diào)節(jié)閥參數(shù)校核調(diào)節(jié)閥在每個開度的維持時間，并以此為基準通過實際調(diào)試得到最后的調(diào)節(jié)閥控制時序。

4、調(diào)節(jié)閥選型要求

　　在升壓和降壓過程中，對調(diào)節(jié)閥還有特殊的要求。一是調(diào)節(jié)閥可能需要雙向流動，二是調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時閥門前后壓差很大，不利于密封。

　　為解決上述問題，一是要求調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器有足夠的力能克服閥門前后壓差所帶來的力，使閥門能有效動作。另外調(diào)節(jié)閥應選用壓力平衡式調(diào)節(jié)閥，使閥門關(guān)閉時能自動平衡閥芯前后壓力，減輕執(zhí)行機構(gòu)負擔，有利于閥門密封。具體可以在廠家提供的技術(shù)資料中選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥類型。

5、結(jié)語

　　利用本文的計算方法可以得到調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)，然后根據(jù)計算所得結(jié)果選擇符合要求的壓力平衡式調(diào)節(jié)閥，并選擇具有足夠能力的執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)調(diào)節(jié)閥實際的技術(shù)參數(shù)進行復核和現(xiàn)場調(diào)試后，就可以將調(diào)節(jié)閥用于吸附脫水工藝流程，實現(xiàn)工藝的全自動控制。在貴陽某項目中，該方法已投入使用，并達到設計要求，滿足實際使用需求。