高空台气源空气干燥系统工艺方案优化设计

庄春龙，何 雄，陈宏辉，王方舟

（中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳 621000）

0 引言

空气干燥系统是对压缩机组供出的空气进行降温、除湿、干燥、除尘处理，获得低温干燥的压缩空气，供给各试验设备以满足试验需求。

依据项目的总体规划，按照规划中建设的试验设备的能力需求，需要新建1套空气干燥系统，以满足试验设备对空气干燥能力的需求。建设指标是流量 XX kg/s、压力（0.7～2.5）MPa、空气露点-38℃。

1 初步方案规划

在前期的方案咨询中，现有的喷淋降温、除湿干燥、除尘的方案因为建设成本高、占地面积大等原因被排除，改用微热再生干燥方案。微热再生流程：吸附干燥器采用双塔设计，一塔吸附干燥时，另一塔进行加热再生。从压缩机出来的空气，经过蝶阀进入A塔，经吸附剂吸附干燥后，由止回阀排出干燥的空气；与此同时，大约有10%～12%的再生气体通过JF阀进入再生加热器，加热后的气体流入B塔对吸附剂进行再生，通过消音器排到大气中。加热再生持续一段时间后，出口再生空气温度达到设定值，再生气加热器就停止加热。未加热的再生干燥空气进入B塔内对吸附床层进行冷却，使其恢复至吸附时的温度，重新具有吸附功能。此时完成一个上半周期。下半周期和上半周期一样，只是B塔吸附，A塔再生。微热再生主要存在3方面的问题。

（1）微热再生有部分流量损耗，无法满足某些试验点的流量需求，甚至可能会多启动1台机组；

（2）微热再生要建设两个干燥塔，建设成本增大；

（3）微热再生是将高压气（0.7～2.5）MPa减压至0.14 MPa再进行再生，存在比较严重的能源浪费。

因此，需要对微热再生干燥方案进行优化设计。

2 干燥方案设计

根据实际的试验使用需求，针对微热再生干燥方案存在的问题，结合微热再生方案和现有的喷淋降温、除湿干燥、除尘的方案，特提出最终的干燥方案，具体的流程是：机组供出的40℃的压缩空气经过换热器降温至10℃，经过气水分离器除去游离水，再经过干燥器进行吸附干燥，最后经过除尘过滤器后供入供气总管。

系统具备空气干燥模式、空气旁通模式和系统再生模式等3种自动运行模式。系统可根据需要选择任一模式运行。3种模式工艺流程说明如下。

（1）空气干燥模式。①压缩机组供给的40℃的压缩空气进入系统，经过换热器进行冷却，冷却后温度约10℃；②进入气水分离器除去液态游离水；③进入吸附式干燥器（吸附剂为活性氧化铝）进行吸附干燥（此时干燥器旁通阀关闭），保证出口空气的大气露点低于-38℃；④通过除尘过滤器后，供入试验管网。

（2）空气旁通模式。①压缩机组供给的40℃的压缩空气进入系统，经过换热器进行冷却，冷却后温度约10℃；②进入气水分离器除去液态游离水；③进入吸附式干燥器旁路（此时干燥器进、出口阀门关闭，旁通阀打开）；④通过除尘过滤器后，供入试验管网。

（3）系统再生模式，与吸附干燥流程相反，此时干燥器进、出口阀门关闭，系统进入再生流程。空气系统流程见图1。

图1 空气系统流程

3 再生方案设计

空气干燥系统是通过干燥剂进行吸附干燥达到所需露点要求，吸附完成后进行干燥剂再生，包括再生和冷吹2个阶段。

3.1 冷吹工艺设计

干燥剂再生时由风机供出低压空气，经电加热器加温后供入干燥器，干燥器中的干燥剂温度升高而析出水分，空气将水分带走排入大气。再生后进行冷吹，干燥器出口的空气冷却（在水冷器中空气——水换热）后送入风机形成闭式循环，冷空气对干燥剂进行强制降温，使干燥剂冷却到接近环境温度后，整个再生过程结束。

冷吹时在风机进口设有1台水冷器，因为水冷器是采用自然循环水进行换热，受环境因素影响很大，夏天水温超过30℃，冷却后的空气温度很高，风机后温度超过50℃，造成冷吹时间加长，且冷吹效果不好，硅胶干燥器内干燥剂的温度最高超过55℃，试验时很长时间才能将出口温度降至需求温度。

通过分析发现，干燥剂冷吹的温度主要跟风机出口的温度有关，降低风机出口温度，就能降低干燥剂的温度，同时还能减少冷吹时间。

工艺设计时，在原有再生系统冷吹工艺的基础上，在风机出口增加了水冷器2，通过换热进一步降低进入干燥器冷吹的空气温度，再生系统流程见图2。

图2 再生系统流程

3.2 冷却水流程设计

在之前的使用过程中，水冷器都是采用自然循环水进行冷却，该种冷却模式受环境温度影响很大，尤其在夏天，起不到很好的冷却效果。目前，系统内有冷水机组可以提供5℃的冷冻水，为此，设计了新的冷却水流程，如图3所示。

水冷器1采用自然循环水进行换热冷却。水冷器2有2种供水模式：如果冷水机组启动，采用5℃冷冻水进行换热将出口空气温度降至15℃以下；如果冷水机组未启动，则采用自然循环水进行换热冷却。

在大部分的试验工况下，水冷器2都可以采用5℃冷冻水进行换热，则冷吹的流程为：干燥器出口150℃的热空气，经水冷器1冷却降至40℃后进入风机，增压后再经水冷器2冷却至15℃后进入干燥器对床层降温。当干燥器出口温度冷却至30℃以下时，整个流程结束。

图3 冷却水系统原理

4 效果

4.1 干燥方案设计优化的效果

采用单塔运行比双塔运行，每个单元减少了一个干燥塔，增加了一个再生风机，每个干燥器60万元人民币，每个风机10万元人民币，则减少建设成本200万元人民币。再生气量增压到某个压力所需的功率见表1。

表1 再生空气功率计算

从表1中可以看出，采用风机再生比低压供气引气减少功率1636 kW；采用鼓风机再生比中压供气引气减少功率3241 kW。

折合成最大供气量计算，每年进行120次试验，低压供气试验和中压供气试验各60次，每次试验时长8 h，试验用电按2元人民币/（kW·h）计算，采用风机再生每年可降低试验运行成本468万元人民币。优化设计后的干燥方案，是根据实际试验需求，将微热再生方案与传统干燥再生方案结合并进行优化设计后提出的，既解决了微热再生存在的问题，增加了系统的运行灵活性，同时还能节约建设成本和使用成本，取得了很好的效果。

4.2 再生方案设计优化的效果

单台水冷器2耗水量23.3 t/h，保证干燥器进口冷空气温度≤30℃，能够减少冷吹时间，降低干燥剂的温度，在试验时能够快速的达到试验温度。

采用5℃冷冻水供水，能够在试验过程中提高0.5 h进入试验状态。折合成最大供气量计算，每年进行120次试验，低压供气试验和中压供气试验各60次，试验用电按2元人民币/（kW·h）计算，则每年可降低试验运行成本271.8万元人民币。该方案是在现有再生冷吹方案的基础上进行优化设计，同时根据实际试验情况采用两种供水模式，增加运行的灵活性。新的方案解决了冷水受环境影响大的问题，还能在一定程度上降低运行成本，取得了很好的效果。

5 总结

通过对空气干燥系统干燥方案和再生方案的改进设计，解决了原有方案存在的问题，工艺流程优化，系统运行的灵活性增加，建设成本和运行成本降低，达到降温增效的目的。同时，空气干燥系统广泛应用在石油、化工、医药、航空等领域，本方案为其他项目的建设及改造提高的借鉴实例，具有很好的推广作用。