吸附式干燥器系列讲座第五讲吸附式干燥器控制及节能运行

收稿日期 : 2002- 09- 04
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李
申 : 吸附式 干燥器控制及节能运行
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一个完善的有热 ( 微热) 干燥器的控制系统, 在每一道工序切换中都应把温度因素考虑进去。 1 2 微电脑 参数控制 当前吸附干燥器广泛采用以集成芯片为核心的 程序控制装置, 通常称作 微电脑 控制器 & & & 其 技术跨度很大: 从只有 简单现场编程 功能的单片
吸附床某点温度 t , 并将其输入 PL C 控制器, 在保 持吸附时间 T!不变的条件下, 由 PLC 控制器按 t 的高低调整再生阀开启时间 T ∀, 干燥器负荷低时, 吸附床温度 t 也低, 再生时间 T ∀缩短 , 这就相应 减少了再生气耗量。这一控制方法比调整节流小孔 通径, 减少再生气流量的方法来得简便且更精确。
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压缩机技术 费现象。 2 2 无热再生
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监控 , 这对吸附干燥器运行中的负荷跟踪、故障评 判和节能运行等起重要作用。 参数控制系统需要相应的硬件支持 & & & 各类传 感器、变送器或执行器的接入使控制线路变得如此 复杂 , 以至在极大多数场合非经专门培训的现场人 员是操作不了的。参数控制系统也要求控制从业人 员不仅要熟练掌握算法语言等编程技能 , 也需较深 入了解吸附分离技术及干燥塔内热质传递的基本过 程, 这对开发新型控制系统是十分必要的。 技术复杂和价格昂贵 ( 不同配置的微电脑控制 器价格可相差几倍乃至几十倍 ) 成了参数控制系统 推广应用的主要障碍。 温度控制和露点控制是最常用的参数 控制方 法。研究表明, 前者适用于不同负荷时再生能耗的 调整 , 即旨在节约再生能耗; 而后者则是获得低露 点干燥空气的必要保证, 运用恰当的话 , 也可节约 再生耗能。
图 4 组合式干燥管 的管线连接
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李Baidu Nhomakorabea
申 : 吸附式 干燥器控制及节能运行
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入冷干机 , 使后者能耗大为降低。 在组合式干燥器中 , 压缩空气先 经冷干机 处 理, 不仅水分负载减少了 80% 以上 , 而且 本身温 度也得以降低, 如此进气条件对降低成品气露点和 减少再生能耗都十分有利。当然, 吸附干燥部分的 再生气耗并不按水分负载同比下降 , 因为再生气耗 还要受其它一些因素 ( 如节流小孔的最小通径、吸 附床阻力、再生排气含水量等 ) 的制约 , 此处不展 开讨论。 在评估组合干燥器的运行能耗时, 应将冷干机 的能耗算进去。考虑到吸附剂活化能力随温度降低 而减弱 , 低温解吸 会造成残存水分积累使吸附 微微 加 剂提前劣化等不利因素, 对再生气进行
图5
需要说明的是 , 吸附床温度并不随吸附时间的 延长 ( 即吸附水量的增多) 而一直升高。当吸附持 续时间超过某值时, 吸 附热的积累与 散失达到平 衡 , 吸附床温度就不再上升 & & & 这也是无热再生的 周期极限。 温度控制法的局限性: 只适用于无热再生干燥 器 , 也只适用于低负荷工况。 2 4 2 露点控制 用露点仪控制再生气量 , 其思路是在固定再生 时间 T ∀的条件下, 通过延长吸附时间 T !的办法使 再生气耗相对减少。负荷低时, 干燥器成品气露点 的 穿透 时间 ( 即高于露点设定值 ) 将延长。只 穿透 前一直进行下去, 要使吸附过程在露点被
都做成双塔并联结构。尽管两塔之间既不存在主从 关系 , 也不存在上下游关系, 但由于相互提供再生 气, 所以两塔协调工作是十分重要的。一个完整的 干燥周期 ( 持续时间为 T ) 要包含 时间为 T !) 与 再生 吸附 ( 持续 ( 持续时间为 T ∀) 两个基
本操作步骤 ( 半周期 ) , 不同类型的干燥器再生半 周期还有多种细分如加热、吹冷及均压、增压等 , 不作详谈。 通常设定 T != T / 2, T∀ # T !, 且要求双塔工 作过程完全对称 , 干燥器就在控制装置作用下有条 不紊的按预先设定的时间次序循环工作。 控制器是干燥器的重要组成部分, 是实现预定 吸附过程 ( PSA 或 T SA) 的指挥 中心, 它对 吸附 干燥器正常运行及更高级的节能控制起举足轻重的 作用。在吸附干燥机理基本成熟后 , 控制技术的进 步成了发展吸附干燥器的主要方向。 1 1 程序控制
/ 驱赶水蒸气外 , 不作他用。一定压力下定量消耗 的再生气量 ( 约占被处理气量的 至少在理论上已达到了再生能耗的 底线 。与同 规格微热再生干燥器比 , 无热再生干燥器不仅综合 再生能耗要小得多 , 而且在正常的再生条件下 , 即 使气耗无热再生干燥器也 比微热再生要 少。所谓 因为加热, 所以省气 之类的说法似嫌依据不足。 2 3 组合式干燥器 在吸附干燥器前串级一台冷冻干燥机并安装在 同一个底盘机架 上, 就成了 所谓的 组合 式干燥 器 。图 4a、b 表示了组合干燥器的两种连接方式, 进入干燥塔的水分负载两种连接方法并无差异。但 从吸附条件看 , a 由于进气温度更低, 可获得露点 更低的成品气, 但 a 方式再生条件不好, 管线连接 复杂、压降大。 组合干燥 器的设计思路与 高温 型冷冻干燥 机 如出一辙 & & & 80 ) 左右的高 温压缩空 气先经 空 气冷 却器 ( 即 后部冷 却器 ) 降 温除 水后 再进
无热再生吸附干 燥器一开始就定位于节能设 备 , 其节 能原理可简单 归结为: 在等 温吸附过程 中 , 干燥器自发完成了热量与质量的两个平衡。 ∋ 热量平衡 & & & 吸附剂解吸过程所需的脱 附热 ( 汽化热) 完全由吸附过程中放出并存储在吸 附床内的吸附热 ( 凝聚热) 来支付 & & & 这就消除了 有热 ( 微热 ) 干燥器由于吸附过程长 , 吸附热大量 散失而不得不从外界大量补充热量的弊病 ; ( 质量平衡 & & & 由一定质量湿空气带入并 被吸附的水蒸气, 在解吸过程中要被相等质量的干 空气带出, 即在吸附和解吸两个半周期里 , 塔内空 气 质量流速 相等。 显然, 在无热再生干燥器中 , 再生气除了吸纳 压力分之一 ) ,
可用多种方法实行预先设定的时序动作。早期 的吸附干燥器多半采用同步电机 & 凸轮控制系统和 以时间继电器为主的分立元件控制系统。无热再生 干燥器由于动作频繁 , 上述机电控制装置已不适使 用而被更先进的电子程序控制器所替代。 单纯的时序控制只适合于可视为等温过程的无 热再生干燥器, 对有热 ( 或微热) 再生干燥器来讲 并不适宜。由于这类干燥器运行时既有吸附热的大 量散失, 又有外热的大量补充 , 塔内热交换关系十 分复杂, 各点温度起伏变化很大, 所以在实行时序 控制时还应将温度因素考虑进去。此时温度选点便 显得十分重要。图 3 所示为微热再生干燥器再生时 的物理模型 , 再生热量 q 由再生气量 v ( kg) 和进 气温度 t 1 确定, 再生过程中 , 大约 60% 的热量用 来支付 d ( kg) 水蒸气脱附所需的汽化热, 只有不 到 40% 小部分热量用来提升吸附剂温度 ( 也即维 持本身温度 ) , 加之塔内沿轴线方向温度梯度的存 在, 底部温度 ( 即 再生尾气离塔 温度 ) t 2 比 进气 温度 t 1 要 低得多 , 而 t 2 直接决 定了再 生气吸 纳 ( 携出 ) 水蒸气的能力 , 再生尾气温度高 , 可吸纳 水蒸气量就多, 再生气量 v 就可相应减少。由于 再生时间 T∀ 在时序控制中已被预先确定 , 在一般 情况下是固定的, 所以 t 2 的高低就直接提示了再 生能量的充足与否 , t 2 低意味再生能量供 给不足 就应调整补充 & & & 或提高进气温度 t 1 或加大再生 气量 v 。所以在微热再生这类干燥器中 , 对再生尾 气温度 t 2 的监察很重要。
图2
机、到智能 化的可编程逻 辑控制器 & & & PL C 控制 器、直到采用现场总线技术、具有网络通讯功能的 大型工控机 ( DCS) 等都可列入 微电脑 控制器 范畴。这些先进的控制装置为吸附干燥器的高级运 行 & & & 例如以负荷随动力基础的节能运行、供气网 络中设备之间的互相联动、运行数据的在线处理以 及与上位机的信号联络等提供了可能。 采用芯片技术的微电脑控制器多半还是以时序 控制为基础 , 但它比传统的时序控制装置更准确可 靠 , 而且可根据干燥器的不同工况和用户当地的地 理、气候、季节情况, 就地在宽范围内进行调整设 置。如西安厚德公司生产的 HD 系列可编程序控制 器周期预设范围 0~ 99 m in59 s ( 0~ 99 h 59 min) 连续可调, 可编程状态达 30 组, 且具有断电保护 功能, 上电后能自动恢复掉电前状态 , 已完全取代 了过去的机电式控制装置。 微电脑控制器的一个强大功能是能方便地实行 参数控制 & & & 即根据干燥器的技术参数和在线 运行参数对其工作过程进行全方位监控。 我们知道, 成品气含水量 ( 露点 ) 及再生能耗 是衡量吸附干燥器工作好坏的两大质量指标。对两 大指标产生重大影响的进气状况 & & & 如压力、温度 和流量等是吸附干燥器的技术参数, 而具体表征在 线工作状况的可测参数 & & & 如吸附床温升、再生尾 气温度及成品气露点是运行参数。无论是技术参数 还是运行参数均可作为系统控制的监察对象, 即可 把上述某一或某几个参数的开关量或模拟量输入微 电脑控制器 , 对干燥器的工作过程进行全面的在线
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节能运行
概述
经吸附干燥器处理的压缩空气可以达到比冷干 机低得多的露点 , 但这是以能耗较高为代价的。据 测算 , 包括空压机在内的整个气源系统仅一年服役 所发生的运行费就要超过全部设备购置费的总和 , 以至再生能耗的大小成了吸附干燥器选用与否的重 要标准。研究如何降低设备的运行耗能具有很大的 实际意义。 普遍认为, 吸附干燥器只适用在对露点要求较 严格 ( 低于冰点 ) 的场合 , 从节能角度看许多领域 应首选冷干机。另一方面 , 使用吸附干燥器的目的 既然是为了获取低露点压缩空气, 那么任何形式的 节能措施都不应以牺牲露点为代价。吸附干燥器使 用中出现的 惜耗 行为 , 实际上也是一种能量浪
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压缩机技术
文章编号 : 1006 2971 ( 2002) 05 0030 05
2002 年第 5 期 ( 总第 175 期 )
辅机应用
吸附式干燥器系列讲座
第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 吸附原理及常用吸附剂 吸附式干燥器工作流程及结构参数 吸附式干燥器露点研究 吸附式干燥器的再生能耗 吸附式干燥器控制及节能运行 吸附式干燥器选型、使用及维护
第五讲
中图分类号 : T Q051 8+ 6
吸附式干燥器控制及节能运行
李
文献标识码 : E
申
杭州 310013)
( 杭州超滤净化设备有限公司 , 浙江
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概述
众所周知, 为解决连续供气问题, 吸附干燥器
时序控制是实现吸附干燥器工作程序最常用的 方法。控制器按预先设定的时间次序对受控阀 ( 主 要是进气阀和再生排气阀 , 包括先导 阀或执行机 构 ) 实行开、断或方向切换 , 使双塔进行周而复始 的有序循环。图 1 为常见的四阀受控的无热再生吸 附干燥器原理图 , 其动作时序如图 2 所示 ( 以 10 min 循环周期为 例) , 图中阴影代表电磁阀处于开 启状态。开 机后电磁阀 F1 首先打 开, A 塔进气, 潮湿空气沿 A 塔吸附床上升 , 经单向阀 a 排出干 燥空气; 2 s 后 , B 塔的再生排气阀 F2 打开, 由 A 塔提供的干燥再生气由节流小孔和针阀 c 进入 B 塔 对吸附剂进行再生 , 携带大量水分的再生尾气经阀 F2 、消声器 E 排 出, B 塔的 再生时间 持续进行 4 min 28 s 后由阀 F2 的关闭而结束 , 继续流通的再 生气促使 B 塔逐 渐升 压而 与 A 塔压 力相 等 ( 即 均压 ) ; 均压过程持续 24 s, 在 4 min 54 s 时 , B 塔进气阀 F3 打开 ( 此时 F 1 尚 未关闭, 形成双塔 同时供气 , 避免用气中断) , 6 s 后 , A 塔进气阀在 开启了 5 min 后关闭, B 塔开 始单独向管网供气, 进入下半个工作循环 ∃ ∃