孫海，蔣大風

（1.中國石油工程建設公司設計技術部，北京100011；2.中國石油集團工程設計有限責任公司，北京100011）

油氣處理站場壓縮空氣站設計

孫海1，蔣大風2

（1.中國石油工程建設公司設計技術部，北京100011；2.中國石油集團工程設計有限責任公司，北京100011）

國內(nèi)目前雖然有壓縮空氣系統(tǒng)設計方面的標準和規(guī)定，但總的來說其內(nèi)容稍顯籠統(tǒng)和寬泛，對壓縮空氣系統(tǒng)設計上的某些細節(jié)闡述不夠詳細（如壓縮空氣耗量、壓縮空氣質(zhì)量要求等），而這些細節(jié)往往會影響壓縮空氣系統(tǒng)設計的合理與否，因此作者結合自身工作實際經(jīng)驗，詳細地闡述油氣處理站場中壓縮空氣站設計需要考慮的各種因素，如壓縮空氣的性質(zhì)、壓縮空氣站流程以及壓縮空氣系統(tǒng)內(nèi)主要設備的選型、控制原理以及計算，對壓縮空氣站的設計具有一定的指導意義。

儀表風；工廠風；空氣壓縮機；Lead-Lag控制；空氣緩沖罐；吸附式干燥

0 引言

隨著自動化控制技術在油氣行業(yè)的普及和應用，油氣處理站場的自動化程度也越來越高。自動化控制技術的實現(xiàn)是通過各類控制儀表來完成的，而這些控制儀表的動力源主要有電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動，電力驅(qū)動和液壓驅(qū)動往往價格高昂、結構復雜且不易防爆，而采用氣壓驅(qū)動技術，價格低廉、結構簡單且易防爆，因此目前油氣處理站場上自動化儀表控制動力源大多采用氣動控制。自動化儀表氣動控制采用的能源是壓縮空氣，壓縮空氣是經(jīng)過一定處理工藝處理后滿足一定壓力、溫度和露點等特殊要求的空氣，油氣處理站場壓縮空氣系統(tǒng)的設計就是要選擇合理的處理工藝，將普通的空氣轉(zhuǎn)化為合格的壓縮空氣。

目前國內(nèi)雖然有壓縮空氣系統(tǒng)設計方面的標準和規(guī)定（如GB 50029-2003《壓縮空氣站設計規(guī)范》），但總的來說其內(nèi)容稍顯籠統(tǒng)和寬泛，對壓縮空氣系統(tǒng)設計上的某些細節(jié)闡述不夠詳細（如壓縮空氣耗量、壓縮空氣質(zhì)量要求等），而這些細節(jié)往往會影響壓縮空氣系統(tǒng)設計的合理與否，因此作者結合自身工作實際經(jīng)驗，詳細闡述了油氣處理站場壓縮空氣系統(tǒng)的設計。

1 壓縮空氣的質(zhì)量和耗量要求

油氣站場壓縮空氣系統(tǒng)的設計主要目的是保證生產(chǎn)出合格的儀表風氣和工廠風氣，以滿足壓縮空氣系統(tǒng)下游各類氣動控制閥和各類氣動設備的驅(qū)動要求。

（1） 儀表風氣：主要是為各類控制閥、緊急關斷閥和緊急泄放閥提供驅(qū)動力。儀表風氣氣源質(zhì)量要求很高，這主要是為了防止壓縮空氣析出凝液和雜質(zhì)堵塞氣動閥門驅(qū)動裝置。

（2） 工廠風氣：主要是為氣壓提升機、氣動扳手、噴砂除銹機、油漆噴涂機等氣動設備提供動力，同時還要用工廠風氣吹掃待維修的油氣處理設備，只有在待維修設備吹掃完畢后維修人員方可入內(nèi)進行焊接、切割等動火操作，這是因為如果烴類蒸氣吹掃不干凈就進行動火操作可能會引起爆炸，危及人身安全。工廠風氣源質(zhì)量要求不高。

1.1 壓縮空氣的質(zhì)量要求

1.1.1儀表風氣的質(zhì)量要求

按照IEC 654-2-1995《工業(yè)過程測量和控制設備的工作條件第二部分：動力》、IEC 60654-2-1979《工業(yè)過程測量和控制設備的運行條件第二部分：動力》和ISO 8573-1-2001《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級》的規(guī)定，合格的儀表風氣應該不含油滴和其他液滴，不含有毒的、有腐蝕性的和易燃易爆的氣體，固體顆粒含量少于0.1 g/m3，且最大固體顆粒直徑不大于3 μm。

對于儀表風的氣源壓力規(guī)定，IEC 60654-2和GB/T 17214-2005《工業(yè)過程測量和控制裝置的工作條件》以及GB/T 4830-1984《工業(yè)自動化儀表氣源壓力范圍和質(zhì)量》規(guī)定的氣源壓力范圍為：130～150 kPa、130～210 kPa和420～700 kPa，且儀表輸入端的氣源公稱壓力值為140、260、350、550和700 kPa。在設計時，為確保站場儀表風壓力足夠，往往都是取最大氣源壓力，即儀表風氣設計壓力取700 kPa。某些氣動儀表可能不需要這么大的氣源壓力，此時往往需要在氣動儀表入口安裝一個減壓閥，從而將氣源壓力調(diào)節(jié)至儀表所需的工作壓力。除了滿足儀表風氣設計壓力700 kPa的要求外，還要求保證將儀表風輸送至最遠用戶處的剩余壓力不低于550 kPa，且儀表風供氣系統(tǒng)任何一點處的壓力不允許低于420 kPa。

對于儀表風的壓力露點值（設計壓力下的露點值）規(guī)定，不同的規(guī)范有不同的要求，IEC 654-2、IEC 60654-2、配管手冊《Piping Handbook》以及殼牌Shell公司規(guī)定的儀表風壓力露點值是在最大工作壓力下（700 kPa）露點值比最低環(huán)境溫度低10℃。但是如果壓縮空氣系統(tǒng)發(fā)生泄漏或系統(tǒng)內(nèi)設備放空時，膨脹制冷效應會導致系統(tǒng)內(nèi)析出凝液，并會有結冰現(xiàn)象出現(xiàn)，此時壓力露點比最低環(huán)境溫度低10℃是很容易達到的，因此很多規(guī)范認為這個壓力露點取值是不安全的。美國氣體供應商協(xié)會的GPSA標準以及ANSI-ISA 7.0.01-1966《測量氣體的質(zhì)量標準》推薦的壓力露點值是在系統(tǒng)最大工作壓力（700 kPa）下露點值取-40℃，因此設計過程中在確定儀表風壓力露點值時可考慮使用這個數(shù)值。

目前，ISO 8573-1是國際公認的壓縮空氣質(zhì)量標準，這個標準對壓縮空氣質(zhì)量等級劃分見表1。

表1 ISO 8573-1對壓縮空氣質(zhì)量等級劃分

1.1.2工廠風氣耗的質(zhì)量要求

對工廠風氣質(zhì)量沒有特殊的要求，壓縮機壓縮后的空氣經(jīng)后冷器和氣—水分離器脫除凝液后即可作為工廠風氣使用，此時工廠風氣相對濕度達100%，但要求工廠風氣的壓力要維持在600～700 kPa。

1.2 壓縮空氣耗量計算

1.2.1儀表風氣耗量的計算

一般情況下，油氣處理站場內(nèi)消耗儀表風氣的主要設備有：各類控制閥的執(zhí)行器、緊急關斷閥、緊急泄放閥、順序閥、在線分析儀（如氣相色譜儀）等。儀表風氣量在正常工況下（101.325 kPa，0℃）耗量的計算可依照如下規(guī)定進行估算：

（1） 控制閥門每個控制回路儀表風氣耗量：1～1.5 m3/h。

（2） 緊急關斷閥和緊急泄放閥（一般采用直角回轉(zhuǎn)球閥）儀表風氣耗氣量：0.1 m3/h。

（3） 順序閥儀表風氣耗氣量：0.2 m3/h。

（4） 氣相色譜儀儀表風氣耗氣量：16 m3/h。

若在油氣處理站場內(nèi)有橇裝設備（如透平驅(qū)動式離心式壓縮機橇、飲用水處理橇、火炬橇等），而設計人員無法獲知橇內(nèi)共有多少控制閥和緊急關斷閥的情況下，要向該類橇裝設備廠家咨詢，以獲取儀表風氣耗量。

在采用上述規(guī)定計算完正常工況下儀表風氣耗量后，還要取30%的裕量，以防止可能出現(xiàn)的耗氣量波動等情況。

1.2.2工廠風氣耗量的計算

油氣處理站場一般都需要使用工廠風氣來驅(qū)動各類氣動工具，或使用工廠風氣吹掃待維修的油氣處理設備，但是使用工廠風氣操作的頻率一般都不高，且同時使用多種氣動工具的幾率很小，因此在沒有詳細規(guī)定的情況下，工廠風氣的耗量可取70 m3/h，該耗量允許同時運行一臺噴槍（耗氣量為20 m3/h）和至少一臺下列氣動設備：風鉆和風錘（耗氣量為12～80 m3/h）、Φ 76.2～203.2 mm（3～8 in）氣動砂輪機（耗氣量為20～85 m3/h）、氣動扳手（耗氣量為30～50 m3/h）。

2 壓縮空氣系統(tǒng)的設計

2.1 壓縮空氣系統(tǒng)主要流程描述

壓縮空氣系統(tǒng)的主要流程如圖1所示。經(jīng)過空氣壓縮機壓縮后的空氣溫度升高，因此采用后冷器冷卻高溫壓縮空氣，冷卻后的壓縮空氣會有水和油滴（噴油螺桿壓縮機）析出，此時采用分離器將凝液分離出來。經(jīng)過分離器處理后的壓縮空氣首先儲存在工廠風緩沖罐內(nèi)，此時一部分壓縮空氣即可作為工廠風氣輸送給工廠風用戶，其余的壓縮空氣則流向儀表風氣處理系統(tǒng)：首先通過前置過濾器，對壓縮空氣進一步過濾，經(jīng)過過濾凈化后的壓縮空氣進入吸干機，采用吸干機將壓縮空氣的露點降至要求值，經(jīng)吸干機吸干后的壓縮空氣再經(jīng)過后濾器過濾凈化，凈化后合格的壓縮空氣儲存在儀表風緩沖罐內(nèi)，此時即可向儀表風下游用戶提供合格的儀表風氣了。

從流程描述上可以看出壓縮空氣系統(tǒng)主要設備有：

主備用電動機驅(qū)動空氣壓縮機、柴油引擎驅(qū)動緊急移動式空壓機、后冷器、氣—水分離器、前置過濾器和后置過濾器、空氣干燥機、儀表風緩沖罐和工廠風緩沖罐、自動排液閥和減壓閥。

2.2 空氣壓縮機

壓縮空氣系統(tǒng)內(nèi)用到的壓縮機主要分為兩類：

第一類是主用、備用壓縮機，正常運行時壓縮空氣系統(tǒng)主要采用主用、備用壓縮機進行壓縮，這類壓縮機主要采用電動機驅(qū)動，且要有雙電源供電系統(tǒng)，即市電和緊急柴油發(fā)電機供電，市電為第一電源（在沒有市電的邊遠偏僻地區(qū)，可采用燃氣發(fā)電機供電作為第一電源），緊急柴油發(fā)電機供電為第二電源。

第二類是緊急移動式壓縮機，它只有在緊急狀況下才使用，這類壓縮機采用柴油引擎驅(qū)動。緊急移動式壓縮機不是必需的，只有在對壓縮空氣系統(tǒng)安全性要求比較高的場合才推薦使用。目前，殼牌公司標準Shell DEP、馬來西亞石油公司Petronas標準以及美國Veco設計公司標準都推薦在壓縮空氣系統(tǒng)內(nèi)使用緊急移動式壓縮機。

當前，使用較多的空氣壓縮機類型主要有螺桿式壓縮機、往復活塞式壓縮機和離心式壓縮機，當計算出來的壓縮空氣量Q≤2 500 m3/h時可采用螺桿式壓縮機或往復活塞式壓縮機，而當計算出來的壓縮空氣量Q>2 500 m3/h時采用離心式壓縮機比較經(jīng)濟。

由于油氣站場壓縮空氣需求量往往不是很大，因此螺桿式壓縮機和往復活塞式壓縮機在壓縮空氣系統(tǒng)里應用最廣。而與螺桿式壓縮機相比，往復活塞式壓縮機易損件多、噪音大、效率低且供氣不穩(wěn)定，因此目前應用在油氣站場壓縮空氣系統(tǒng)中的空壓機（主用、備用和緊急移動式壓縮機）大多采用螺桿式壓縮機。

螺桿壓縮機通常按照冷卻方式將其劃分為噴油螺桿式壓縮機和干式螺桿壓縮機。噴油螺桿壓縮機通過對氣缸噴入一定壓力的潤滑油，一方面吸收并帶走壓縮過程產(chǎn)生的熱量，從而改善壓縮過程的熱交換，降低排氣溫度等；另一方面起潤滑、密封和消聲等作用，噴油壓縮機由于排氣溫度低、壓比高、泄漏少、噪聲小、結構簡單、運行可靠等優(yōu)點，因此比干式螺桿壓縮機發(fā)展更迅速，在整個壓縮機生產(chǎn)中占到80%。噴油螺桿壓縮機流程見圖2。

圖2 噴油螺桿壓縮機流程

2.3 空氣壓縮機的Lead-Lag控制

Lead-Lag控制可以翻譯為“壓縮機的超前—滯后控制”，它是指將一臺空壓機作為Lead壓縮機，而將另一臺備用的壓縮機作為Lag壓縮機。通過Lead-Lag控制可以自動啟停主備用空氣壓縮機，以防止儀表風氣出現(xiàn)壓力超高或超低的現(xiàn)象。一般容積式空氣壓縮機都要有Lead-Lag控制，而離心式壓縮機卻沒有這種控制模式。

容積式空氣壓縮機的Lead-Lag控制一般是采用4個壓力開關測量儀表風緩沖罐的工作壓力波動，通過檢測到的儀表風緩沖罐的壓力來自動啟停主備用壓縮機。由于壓縮空氣系統(tǒng)內(nèi)需要采用Lead-Lag控制模式的壓縮機共有主備用2臺壓縮機，因此要想完成每臺壓縮機的啟動和停止操作，必須采用4個壓力開關才能完成。

壓力開關安裝位置的選擇主要有兩種方式：一是直接安裝在儀表風緩沖罐上；二是安裝在儀表風緩沖罐進口管道上。

由于取壓點數(shù)目比較多，因此目前大多數(shù)的壓力開關安裝位置都放在儀表風緩沖罐進口管道上，如圖1所示：在儀表風緩沖罐進口管道上安裝4個壓力開關，用這4個壓力開關感受儀表風緩沖罐的壓力變化并控制主備用壓縮機的啟停。這4個壓力開關的設定值分別是PSHH（壓力高—高）、PSH（壓力高）、PSLL（壓力低—低）和PSL（壓力低）。

2.3.1儀表風緩沖罐的壓力波動范圍

為了確定PSHH、PSH、PSLL和PSL的設定值，需要知道儀表風緩沖罐的壓力波動范圍。

2.3.1.1對于儀表風緩沖罐下游沒有減壓閥門的情況

此時儀表風緩沖罐的壓力波動范圍應該是儀表風用戶處的壓力波動范圍再加上輸氣沿線壓降損失，即Pmin=550 kPa+Ploss，Pmax=700 kPa+Ploss。一般取Ploss=100 kPa（這是估計值），則此時可以確定儀表風緩沖罐的壓力波動范圍為（650 kPa，800 kPa）。

2.3.1.2對于儀表風緩沖罐下游有減壓閥門的情況

一般儀表風緩沖罐下游都要有減壓閥門，如圖1所示：在儀表風罐下游并排安裝有2個PCV減壓閥，減壓閥前儀表風氣壓力很高，通過減壓閥減壓后將儀表風的壓力降至用戶所需的壓力。采用減壓閥的目的主要是考慮儀表風緩沖罐操作壓力升高后，其尺寸會相應減小，否則如果沒有減壓閥可能緩沖罐的尺寸會很大。此時Pmin=550 kPa+Pvalve+Ploss，Pmax=700 kPa+Pvalve+Ploss。其中Pvalve為減壓閥全開時的壓降值，一般可取Pvalve=200 kPa（這是估計值），此時儀表風緩沖罐的壓力波動范圍為850～1 000 kPa。這個壓力波動范圍規(guī)定不是硬性的，不同的設計公司對該壓力波動范圍可能會有不同的規(guī)定，如800～1 000 kPa、800～1 100 kPa等。

2.3.2開關設計值

有了儀表風緩沖罐的壓力波動范圍就可以設定PSHH、PSH、PSLL和PSL了，一般取PSLL=Pmin，PSH=Pmax，PSL=PSLL+100 kPa，PSHH=PSH+100 kPa。例如對于儀表風緩沖罐下游沒有減壓閥門的情況，Lead-Lag控制設定值見表2。

表2 儀表風罐下游沒有減壓閥門時壓力開關的設定值

對于儀表風緩沖罐下游有減壓閥門的情況，比較典型的壓力開關設定值見表3。

表3 儀表風罐下游有減壓閥門時壓力開關的設定值

2.4 工廠風緩沖罐尺寸的確定

工廠風緩沖罐緊靠空氣壓縮機并位于后冷器下游，此時工廠風緩沖罐所接收的壓縮空氣是經(jīng)過后冷器冷卻后而未經(jīng)干燥器處理的飽和濕空氣，即壓縮空氣相對濕度為100%，因此工廠風緩沖罐也叫做濕空氣緩沖罐；并且由于工廠風緩沖罐為儀表風處理系統(tǒng)供氣，相對于儀表風緩沖罐它處于上游位置，因此工廠風緩沖罐也叫做一級緩沖罐。容積式空氣壓縮機（往復式、螺桿式和滑片式）出口的壓縮空氣在經(jīng)過后冷器和氣—水分離器后都要連到工廠風緩沖罐上，這主要是出于以下考慮：

平衡氣源壓力波動；進一步分離凝結出來的水和油；儲存部分氣量，以平衡用戶用氣消耗和用氣需求之間的變化。

目前還沒有一個普遍適用的方法或公式來計算緩沖罐的容積，但是設計人員常用下面的公式來計算緩沖罐的容積：

式中V——緩沖罐的容積/m3；

R——常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；

T——壓縮空氣溫度/K；

Vs——壓縮空氣流量/（m3/h）；

t——緩沖時間/h；

P1——緩沖罐最大壓力/kPa；

P2——緩沖罐最低壓力/kPa。

有了緩沖時間和工作壓力波動范圍，就可以按照公式（1）計算工廠風緩沖罐容積了，計算出容積后，再按照L/D=3這個規(guī)定聯(lián)立求解得出工廠風緩沖罐的筒體長度L和內(nèi)徑D。

2.5 儀表風緩沖罐尺寸的確定

儀表風緩沖罐位于干燥器的下游，用來儲存經(jīng)過干燥器干燥后的儀表風氣。一般規(guī)定儀表風緩沖罐要有15 min的緩沖時間，為了計算緩沖罐的尺寸，還需要知道緩沖罐的工作壓力波動范圍：對于儀表風緩沖罐下游沒有減壓閥的情況，工作壓力波動范圍為650～800 kPa；對于儀表風緩沖罐下游有減壓閥的情況，工作壓力可取800～1 000 kPa。

有了緩沖時間和工作壓力波動范圍，就可以按照公式（1）計算儀表風緩沖罐容積了，計算出容積后，再按照L/D=3這個規(guī)定聯(lián)立求解得出儀表風緩沖罐的筒體長度L和內(nèi)徑D。

2.6 吸附式干燥器

吸附式干燥器的工作原理是采用變壓吸附（PSA）或變溫吸附（TSA），利用固體吸附劑顆粒表面多孔具有吸附特定氣體分子的性質(zhì)，將壓縮空氣中的水分吸附出來，采用該法可使壓縮空氣露點降至-20～-70℃。常用的吸附劑有硅膠、活性氧化鋁、活性炭和分子篩。

目前壓縮空氣吸附式干燥方法主要采用的是無熱再生式吸附干燥器。

無熱再生吸附式干燥器屬于變壓吸附式干燥器，它是利用吸附劑（硅膠、活性氧化鋁或分子篩）對水的吸附容量與吸附發(fā)生時壓縮空氣中的水蒸氣分壓力有關這個原理進行吸附操作的，當壓縮空氣中水蒸氣分壓力低時吸附劑對水的吸附容量小，而當壓縮空氣中水蒸氣分壓力高時吸附劑對水的吸附容量大。利用吸附劑這一特性，在干燥器運行時改變干燥器內(nèi)壓力，在高壓下吸附劑開始吸附壓縮空氣內(nèi)的水分，而在低壓下或在真空下吸附劑內(nèi)吸收的水分開始蒸發(fā)并被干燥的吹掃氣帶走，從而完成吸附劑床層的再生。

3 結束語

壓縮空氣（儀表風和工廠風）在油氣站場中應用是十分廣泛的，但是國內(nèi)關于壓縮空氣站的相關標準和規(guī)定相對寬泛和不夠詳細，因此本文結合工作中的經(jīng)驗以及相關標準，較為詳細地闡述了壓縮空氣站設計中需要注意的各個要點和細節(jié)，介紹了某些重要設備的原理、選型以及計算方法，對設計人員更好地設計壓縮空氣站具有一定實際意義。

Abstract：At present,there are several standards and codes relating to compressed air system design in China,but some design details such as compressed air consumption and quality requirement are not involved,that often affects the system design rationality.Therefore，based on practical experience,the authors expound various factors needing considered in compressed air station design for oil and gas plant,such as the properties of compressed air,the flow diagram of compressed air station,the appropriate selection of main facilities of the compressed air system and their control principles as well as calculations.This paper can provide constructive guidance for the detailed design of the compressed air station.

Key words:compressed air station;instrument wind;shop wind;air compressor;Lead-Lag control;air buffering tank;adsorptive desiccation

（26）Compressed Air Station Design for Oil and Gas Plant

SUN Hai（Engineering Department of China Petroleum Engineering&Construction Co.,Beijing 100011,China）,JIANG Da-feng

TE86

A

1001－2206（2011）01－0026－05

孫海(1980-)，男，遼寧大連人，工程師，2006年畢業(yè)于石油大學（華東），碩士，現(xiàn)主要從事壓氣站項目的工藝設計工作。

2010-05-11