煤层气吸附脱水控制系统调节阀的应用

    1 概述

    煤层气工业中用吸附法脱除气体中的水份十分常用。吸附剂有吸附容量限制，吸附饱和后需要对吸附剂再生，其中高压有利于吸附，低压有利于再生，所以常将煤层气增压后通入吸附装置脱水，再生时通入低压、干净、干燥的气体。为保证连续生产，脱水系统一般配备两台或两台以上的吸附塔，图1为两塔切换吸附的流程示意图。某塔吸附时，其余塔进行再生。处于吸附状态的塔吸附饱和时，处于再生状态的塔也再生完毕，此时将吸附塔进行切换，实现不间断生产。

图1 吸附脱水流程示意图

    吸附和再生处于不同压力等级，直接切换吸附塔将使塔内压力迅速变化，例如煤层气液化工艺中，吸附压力一般为1.5～10MPa，再生压力可能为几十千帕，压力相差较大。按规范要求，吸附塔内压力变化不应大于0.3MPa/min，压力变化过快可能冲击吸附剂，破坏其结构或形状，影响吸附效果和使用寿命。所以需要将吸附完毕的塔降压，将再生完毕的塔升压后再切换，即脱水工艺中的降压升压过程。

    常用的降压升压方法有两种。一是采用多级吸附塔降压或升压。压力最高的吸附塔在降压时首先和压力小一级的塔均压，压力平衡后再和压力更小的塔均压，直到压力降为设计值。这种办法可以用仅有开关功能的程控阀来实现自动控制，压力相差较大时需配备较多吸附塔。吸附塔越多，压力变化越平稳。升压时也是如此。

    另一种方法是通过手动进行调节。在升压和降压时，通过人工操作阀门控制塔内压力变化。这种方法需要吸附塔少，最少仅需要两个吸附塔，但无法实现全自动控制。在脱水系统中，除升压降压外，其余过程都可自动控制。在自控系统中加入人工操作，使系统存在安全隐患，如工人操作不及时或不到位，将影响既定的控制过程。

    综上所述，需要找到一种简易准确的方法，使降压和升压实现自动控制，并能纳入整个脱水系统的自动控制中。在贵州某煤层气项目中，采用了气动调节阀代替人工操作阀门来实现吸附塔升压降压全自动化。

    2 调节阀的控制方式

    使用调节阀实现吸附塔升压降压过程的自动运行，其目标是在一定时间内将吸附塔压力提高或降低到设计压力，同时塔内压力变化速度符合规范要求。压力变化速度dP是一个连续变化量，由塔内Δt时间内压力变化量ΔP决定：。Δt决定了dP精确度。

    在降压和升压过程中，将dP控制在0.3MPa/min最理想。可以将dP设为调节参数，目标值设为0.3MPa/min。在调节过程中，若使吸附塔或再生塔内压力的变化速度稳定在0.3MPa/min，则调节阀也需要连续动作，以适应调节阀前后压差的变化。这种调节十分精确，完成减压和升压所花时间最少，但实现起来有一定难度。原因在于传感器测量精度、数据传输及设备动作延迟会影响调节精度。另外，脱水流程中阀门切换和设备启停都通过程控时序控制，即在固定时间点所有设备同时动作。吸附塔升压降压作为脱水流程一部分，也需要调节阀在固定时间点做出动作。精确调节方式中，调节过程是否到位判断依据是压力变化速度和吸附塔压力是否到位。若传感器出现故障，或每次调节到位所花时间不一样，则调节阀将不顾其余程控设备状态独自动作或不动作，破坏工艺流程，甚至造成危险。所以调节阀的控制也必须以时间为准，在规定的时间点上开始和停止动作。

    在降压升压过程中，不必追求最短时间内完成调节，所以可采用一种模糊调节方式。以降压流程为例，开始降压时调节阀前后压差最大，吸附塔内压力变化速度最快，此时设定调节阀开度使瞬时压力变化速度达到0.3MPa/min，然后维持这个开度。之后塔内压力变化速度越来越慢，一段时间后改变调节阀开度，使该时刻压力变化值再次达到0.3MPa/min，然后维持这个开度。重复上述过程，则调节阀只需动作几次，每次维持一定时间即可将塔内压力降为再生压力。阀门动作次数越多，每次维持的时间越短，降压所需时间越短；动作次数越少，每次维持时间越长，总共降压所需时间越长。可以选取合适的阀门动作次数和每次的维持时间，使总降压时间满足设计要求。降压所需时间固定，就可以和其他程控设备统一进行控制编程。升压也可以采用这种方式。

    精确调节和模糊调节的区别见图2。在模糊调节中，时间－压力曲线起点斜率等于精确调节时间－压力曲线斜率，随后慢慢变小，当斜率小于一定值后，调整阀门开度，使曲线斜率再次等于精确调节的曲线斜率。几次调节后完成降压。模糊调节所需要的时间比精确调节多一些。在图2中阀门动作了6次后完成降压过程。

图2 精确调节和模糊调节的对比

    3 调节阀技术参数

    调节阀控制方式确定后，需要通过计算对调节阀选型，并确定调节阀动作次数及状态保持时间。下面以图1流程为例介绍计算方法。

    3.1 升压计算

    图1中塔A处于高压吸附状态，有效气体容积V，吸附压力P，温度T。塔B处于再生完毕状态，有效气体容积V，压力P₀，温度T，需要进行升压。高压气体通过升压调节阀从塔A进入塔B。由于塔A处于吸附状态，不断有工艺气体流过，所以在升压过程中塔A的压力视为恒定不变。

    升压过程中，塔A和塔B的温度T可视为不变。按照理想气体状态方程P=ρRT，压力P和密度ρ为线性关系：ρ=kP，，k由工艺气体物性参数和温度确定。

    规范中规定，升压时塔内压力变化不应超过0.3MPa/min，即0.005MPa/s，在该升压速度条件下，设每秒后塔B内气体密度变化Δρ，则进入塔B的气体理论最大质量流量为ma=VΔρ=VkΔP=0.005kV。

    升压过程中，升压调节阀的阀前压力P恒定不变，阀后压力不断升高。设刚开始升压时，阀后压力为P₀，第1秒后变为P₁，第2秒后变为P₂，以此类推第N秒后变为P_n。

    设调节阀的流量系数为K_V。升压开始时，升压调节阀前后压差ΔP=P－P₀，根据工艺气体的物性参数和状态参数，判断气体流动是否形成阻塞流。若为阻塞流，则说明阀前后压差过大，在调节阀最小截面处气流将形成阻塞。此时应根据公式（1）计算通过调节阀的气体体积流量：

        （1）

    式中：P———塔A内压力

    K_V———调节阀流量系数

    κ———工艺气体的气体指数

    X_T———工艺气体临界压差比

    T———塔A内温度

    M———工艺气体分子量

    Z———工艺气体压缩指数

    在第1秒后，按照公式（1）计算得到有体积流量为Q_g1的气体进入塔B，换算成质量流量为。则塔B压力变化量ΔP₁=，塔B内压力变为P₁=P₀+ΔP₁。此时调节阀前后压力为P与P₁。再次判断是否为阻塞流，计算第2秒时间内进入塔B的气体流量Q_g2和，并计算第2秒后塔B内的压力P₂。通过上述方法可以计算第N秒内进入塔B的气体流量Q_gn和，以及第N秒后塔B内的压力P_n。

    从计算结果可以看出，塔B内压力会不断升高。假设到第M秒结束时，塔B内压力达到临界值，超过该值后通过调节阀的流动为非阻塞流，则此时通过调节阀的气体流量与调节阀前后压差有关，需要用公式（2）计算气体流量：

        （2）

    式中：P———塔A内压力

    K_V———调节阀流量系数

    y———气体膨胀系数

    X———工艺气体压差比

    T———塔A内温度

    M———工艺气体分子量

    Z———工艺气体压缩指数

    利用公式（2）可以计算第M秒内进入塔B的气体流量Qgm和，再计算第M秒后塔B内压力P_m。

    当塔A压力与塔B压差小于0.2MPa时视为升压结束，可以切换吸附塔。

    将上述计算结果列表，可以根据实际流量与理论最大流量的比值来判断调节阀是否该动作。该比值不能大于1，但也不能太小，一般不低于70%，具体见表1。

表1 升压计算结果

    在上述计算中，调节阀的开度不变则KV值不变。根据表1中的数据，当实际气体流量约为理论最大流量的70%时，调节K_V使实际流量等于理论最大流量，并使之维持一定时间。以此类推，直到塔B压力满足要求。则调节阀一共动作的次数、每次动作需要的时间，以及升压共需要的时间都可以从表1中得到，同时调节过程中压力变化速度能满足规范要求。

    3.2 降压的计算

    降压的计算方式与升压计算方式基本相同，区别在于降压时塔A内气体通过降压调节阀进入大气，降压调节阀的阀后压力恒定不变，阀前压力不断降低。在每一秒的计算中，同样需要判断是否为阻塞流，并选取相应的计算公式。根据计算结果可以得到表2。降压结束的判断依据是塔A与大气压之差小于0.2MPa。

表2 降压计算结果

    3.3 调节阀的参数确定

    通过上述计算得到调节阀升压和降压过程中不同时间段的K_V值，按照最大KV值确定调节阀的流量系数，并根据气体流速和管道口径确定调节阀口径，最后需要对调节阀在不同K_V值下的开度进行校核，具体可参考调节阀选用手册和调节阀厂家提供的产品资料。

    在调节阀的实际选型中，所选的调节阀技术参数与计算得到的参数会有一定差异，所以需要根据实际选择的调节阀参数校核调节阀在每个开度的维持时间，并以此为基准通过实际调试得到最后的调节阀控制时序。

    4 调节阀选型要求

    在升压和降压过程中，对调节阀还有特殊的要求。一是调节阀可能需要双向流动，二是调节阀关闭时阀门前后压差很大，不利于密封。

    为解决上述问题，一是要求调节阀的执行器有足够的力能克服阀门前后压差所带来的力，使阀门能有效动作。另外调节阀应选用压力平衡式调节阀，使阀门关闭时能自动平衡阀芯前后压力，减轻执行机构负担，有利于阀门密封。具体可以在厂家提供的技术资料中选择合适的执行机构和调节阀类型。

    5 结语

    利用本文的计算方法可以得到调节阀技术参数，然后根据计算所得结果选择符合要求的压力平衡式调节阀，并选择具有足够能力的执行机构。根据调节阀实际的技术参数进行复核和现场调试后，就可以将调节阀用于吸附脱水工艺流程，实现工艺的全自动控制。在贵阳某项目中，该方法已投入使用，并达到设计要求，满足实际使用需求。