沈宗榮 王 剛 廖倫豐 邊 遠(yuǎn)

（中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 莆田 351100）

0 引言

福建LNG 接收站氮?dú)庀到y(tǒng)包括膜制氮系統(tǒng)和液氮系統(tǒng)，在正常情況下，接收站的氮?dú)夤?yīng)主要由膜制氮系統(tǒng)提供，但在設(shè)備檢修、卸船等氮?dú)庥昧枯^大的情況下，則需要膜制氮系統(tǒng)和液氮系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行氮?dú)夤?yīng)。為此，筆者擬對(duì)膜制氮系統(tǒng)運(yùn)行中的空氣質(zhì)量、溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，以提出提高運(yùn)行效能的措施。

1 膜制氮工作原理

兩種或兩種以上的氣體混合物通過高分子膜時(shí)，由于各種氣體在膜中溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的差異，導(dǎo)致不同氣體在膜中相對(duì)滲透率（如圖1）不同。根據(jù)這一特性，可以將各種氣體分為“快氣”和“慢氣”。當(dāng)混合氣體在膜兩側(cè)的壓力差作用下，滲透速率相對(duì)較快的水、氫氣、氦氣、硫化氫、二氧化碳等透過膜后，在膜的滲透?jìng)?cè)被富集，而滲透速率相對(duì)較慢的氣體，如：甲烷、氮?dú)狻⒁谎趸己蜌鍤獾葰怏w則被膜滯留并富集，從而達(dá)到混合氣體分離之目的。

2 膜制氮系統(tǒng)產(chǎn)能與質(zhì)量關(guān)系

圖1 各種氣體的滲透率分布順序圖

膜制氮系統(tǒng)的產(chǎn)能取決于隔膜生產(chǎn)能力，產(chǎn)能和產(chǎn)品氣質(zhì)量相互制約，當(dāng)產(chǎn)能超過隔膜的生產(chǎn)能力時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量就下降。產(chǎn)能體現(xiàn)在產(chǎn)品氣流量上。產(chǎn)品氣質(zhì)量由參數(shù)氧含量和露點(diǎn)表示。

3 提高膜制氮系統(tǒng)產(chǎn)能與質(zhì)量的措施

3.1 改善膜組入口空氣質(zhì)量

隔膜模塊是由不同數(shù)量的聚合物材料制成的柱狀空纖維隔膜束。每個(gè)纖維束中包含有幾百萬(wàn)條纖維，每條纖維的尺寸與人的頭發(fā)絲接近。所以它對(duì)入口空氣的質(zhì)量有一定要求[1]：空氣進(jìn)入隔膜系統(tǒng)時(shí)其殘余油含量不大于0.003 mg／m3；殘余灰塵含量不大于0.01 mg／m3；殘余水分含量不大于5.57 g／m3。如果入口質(zhì)量不合格，將導(dǎo)致露點(diǎn)不合格，需要增加放空量，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

來(lái)自空氣壓縮機(jī)的壓縮空氣經(jīng)初過濾器和二次過濾器除去大部分灰塵及水，進(jìn)入電加熱器加熱后，壓縮空氣中的氣態(tài)水將通過ACS 過濾器清除，殘留的灰塵將通過顆粒過濾器清除后，到達(dá)膜組入口處。過濾器冷凝下來(lái)的水和油污等雜質(zhì)將通過冷凝排放閥排凈，排水時(shí)間為每120 秒排放5 秒。所以，影響膜組入口空氣質(zhì)量的因素有：①排放時(shí)間偏小或間隔時(shí)間偏大，導(dǎo)致過濾器內(nèi)水和油污聚集。②過濾器堵塞或維護(hù)不到位，導(dǎo)致過濾效果不好。因此，宜采取以下措施，以提高產(chǎn)能。

1）根據(jù)氣候條件，調(diào)節(jié)排污時(shí)間。在冬天或者有霧的時(shí)候，空氣中水分較多，會(huì)導(dǎo)致過濾器內(nèi)的水分較多，需要及時(shí)將水或油污等雜質(zhì)排除?？梢詫㈤g隔時(shí)間適當(dāng)縮短或排放時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)。

2）人為提高排放次數(shù)，發(fā)現(xiàn)露點(diǎn)升高時(shí)，通過手動(dòng)排放的方式來(lái)排放過濾器的積液。

3.2 控制膜組入口壓力

膜組入口壓力與產(chǎn)品氣流量關(guān)系如圖2所示。這是根據(jù)環(huán)境溫度為20℃，膜組入口溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度在50.1℃，管網(wǎng)壓力在0.80 MPa，產(chǎn)品氣氧含量為0.95%，露點(diǎn)為-95.6%的情況下，測(cè)得壓縮機(jī)加、卸載過程中膜組入口壓力與產(chǎn)品氣流量的具體數(shù)據(jù)而繪制出來(lái)的。它反映了壓縮機(jī)加、卸載運(yùn)行全過程中壓力與流量關(guān)系，具有普遍性，能夠較精確反映壓力與流量的關(guān)系。膜組入口氣源由空氣壓縮機(jī)提供，壓力在1.02～1.25 MPa 之間，由于壓縮機(jī)出口壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)到膜組入口點(diǎn)有一定距離，壓力損失約0.01 MPa，所以膜組入口壓力在1.01～1.24 MPa之間。值得注意的是，由于流量計(jì)本身的誤差，即流量小于11 Nm3／h時(shí)，流量計(jì)顯示為0。

圖2 膜入口壓力與產(chǎn)品氣流量關(guān)系圖

由圖2可以看出，壓縮機(jī)加載過程中，隨著壓力上升，產(chǎn)品氣流量不斷加大，當(dāng)壓力在1.20 MPa 以上時(shí)，產(chǎn)品氣流量加大趨勢(shì)并不明顯。在壓縮機(jī)卸載過程中，隨著壓力逐漸降低，產(chǎn)品氣流量隨之降低，當(dāng)壓力在1.14 MPa 以上時(shí)，產(chǎn)品氣流量降低趨勢(shì)也不明顯。也就是說，膜組入口壓力在1.14 MPa以上，產(chǎn)品氣更容易達(dá)到產(chǎn)能要求。當(dāng)壓力低于1.05 MPa時(shí)，產(chǎn)品氣流量很小，甚至產(chǎn)不出氮?dú)狻?/p>

根據(jù)以上分析，可將壓縮機(jī)壓力設(shè)定至1.14 MPa，更容易滿足生產(chǎn)能力需求?？紤]壓縮機(jī)本身運(yùn)行穩(wěn)定性，給予一定富裕量，建議將壓縮機(jī)起停壓力設(shè)為1.10～1.28 MPa，以確保產(chǎn)能需要。

3.3 控制和調(diào)整膜組入口空氣溫度

由于壓縮機(jī)壓縮后的氣體經(jīng)過過濾器過濾，加熱器加熱后才進(jìn)入到隔膜單元，膜組入口溫度由隔膜加熱控制系統(tǒng)控制和調(diào)整。

在膜組入口壓力為1.20 MPa、管網(wǎng)壓力為0.80 MPa 時(shí)，測(cè)得在不同環(huán)境溫度下，膜組入口溫度、產(chǎn)品流量和產(chǎn)品氣質(zhì)量等的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 環(huán)境溫度與產(chǎn)品氣流量、產(chǎn)品氣質(zhì)量的關(guān)系表

由表1 可知：環(huán)境溫度越高，膜入口溫度越高，產(chǎn)品氣流量越大；環(huán)境溫度越高，產(chǎn)品氣氧含量相對(duì)較低，露點(diǎn)相對(duì)較高，產(chǎn)品氣質(zhì)量下降。

根據(jù)2008、2009 年冬季運(yùn)行狀況來(lái)看，當(dāng)環(huán)境溫度低于8 ℃時(shí)，產(chǎn)品氣流量損失時(shí)常超過2%，甚至達(dá)到5%，這是因?yàn)?，環(huán)境溫度越低，管道溫度損失逾甚明顯，膜組入口溫度大大低于膜組入口氣所需求溫度，影響氣體的滲透分離速度。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中所述，膜組入口溫度在47 ℃以下時(shí)，對(duì)膜分離效果的影響很明顯，也即環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，對(duì)膜分離效果的影響很明顯。

鑒于以上情況，為了避免環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)能和氧含量的影響，可采取以下措施加以解決：

1）當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，適當(dāng)提高加熱器設(shè)定溫度（但不高于60℃），提高產(chǎn)能。

2）在膜組入口溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)到膜單元入口這段管道（包括入口匯管）加設(shè)保溫層，減少溫度損失，提高產(chǎn)能。

3.4 控制管網(wǎng)壓力

選擇膜組入口壓力為1.20 MPa、環(huán)境溫度為20 ℃以上時(shí)，測(cè)得不同管網(wǎng)壓力與產(chǎn)品氣流量的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 管網(wǎng)壓力與產(chǎn)品氣流量的關(guān)系表

由表2可以看出，管網(wǎng)壓力越低，產(chǎn)品氣流量越高，氧含量也相對(duì)提高。管網(wǎng)壓力取決于氮?dú)夤┙o量與下游氮?dú)庥昧?，下游用氣量越大，氮?dú)夤┙o量不變時(shí)，管網(wǎng)壓力下降速度越快。但當(dāng)管網(wǎng)壓力突然下降，產(chǎn)品氣流量突然增加時(shí)，可能導(dǎo)致氧含量超標(biāo)高報(bào)。

其中管網(wǎng)壓力除了膜制氮提供的壓力外，還有液氮系統(tǒng)提供的氮?dú)鈮毫?，液氮系統(tǒng)投用可根據(jù)需要的壓力進(jìn)行設(shè)定。以前液氮投用壓力設(shè)定都高于0.7 MPa，而氮?dú)夤芫W(wǎng)操作壓力設(shè)定為0.55 MPa，顯然不夠合理。

為更有效地利用膜制氮系統(tǒng)提高膜制氮產(chǎn)能，減少液氮使用量，可在沒有吹掃等大量用氮作業(yè)的情況下，將液氮投用壓力設(shè)為0.55 PMa。

3.5 調(diào)節(jié)手動(dòng)球閥開度

根據(jù)膜制氮工作原理和流程可知，產(chǎn)品氣質(zhì)量主要由產(chǎn)品氣露點(diǎn)和氧含量大小決定。產(chǎn)品氣露點(diǎn)主要取決于干燥塔干燥升壓時(shí)間、吸附時(shí)間和再生塔再生放空流量；氧含量大小取決于空氣質(zhì)量、隔膜性能、膜入口溫度、膜入口壓力、產(chǎn)能大小。

當(dāng)產(chǎn)品氣質(zhì)量合格時(shí)，不考慮管網(wǎng)泄漏等因素，隔膜出口流量等于產(chǎn)品氣流量和干燥塔再生流量之和。

隔膜出口流量、壓力與隔膜單元出口手動(dòng)球閥的開度有關(guān)，手動(dòng)球閥開度大，若產(chǎn)品氣流量一定，后端壓力相對(duì)較小，單位時(shí)間內(nèi)通過膜組的氣體流量相對(duì)更大，即產(chǎn)能提高。但是手動(dòng)球閥開度過大，超過其生產(chǎn)能力時(shí)，會(huì)造成產(chǎn)品氣氧含量或露點(diǎn)不合格，質(zhì)量下降。

反之，手動(dòng)球閥開度小，后端壓力相對(duì)較大，單位時(shí)間內(nèi)通過膜組的氣體流量相對(duì)較小，產(chǎn)能相對(duì)較低。所以隔膜出口手動(dòng)球閥的開度也是影響產(chǎn)能的重要因素。

再生塔再生放空流量取決于針型閥開度。針型閥開度過大，再生塔再生放空流量過大，隔膜出口流量相對(duì)較大，將導(dǎo)致氧含量增大，當(dāng)超過其生產(chǎn)能力時(shí)，氧含量超標(biāo)。產(chǎn)品氣不合格或氧分析儀故障引起排空將直接導(dǎo)致沒有產(chǎn)品氣輸出。

再生塔針型閥開度過小，再生塔再生放空流量過小，干燥塔升壓時(shí)間和吸附時(shí)間短，相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)放空流量變小，產(chǎn)品氣露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)，產(chǎn)能下降。因此，干燥塔升壓時(shí)間和吸附時(shí)間的長(zhǎng)短，也是影響產(chǎn)能的一個(gè)因素。

4.1 深入消落帶適生植物篩選的研究 研究者已經(jīng)通過消落帶植物普查、基地種植實(shí)驗(yàn)、淹沒模擬實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)適合消落帶植被恢復(fù)的植物進(jìn)行篩選并取得了一定的成果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入對(duì)消落帶適生植物篩選的研究仍是消落帶生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)。

根據(jù)以上分析，調(diào)節(jié)膜單元出口手動(dòng)球閥開度和再生塔再生放空流量控制閥開度，也是提高產(chǎn)能的重要措施。由于產(chǎn)品氣達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)只需要露點(diǎn)不大于-60℃，而實(shí)際生產(chǎn)情況是露點(diǎn)很少時(shí)間低于-90℃。所以，可采取以下措施提高產(chǎn)品氣流量。

1）適當(dāng)關(guān)小再生塔再生放空流量控制閥開度，減少再生流量。

2）在保證氧含量低于2%的情況下，可以適當(dāng)增大膜單元出口手動(dòng)球閥開度，將膜組生產(chǎn)能力最大化。

3）滿足產(chǎn)品氣質(zhì)量的情況下，干燥塔升壓時(shí)間和吸附時(shí)間可以適當(dāng)延長(zhǎng)，提高產(chǎn)品氣流量。

以上3個(gè)措施都是解決膜制氮產(chǎn)能降低或氧含量高報(bào)的重要方法。需要注意的是，膜組由3個(gè)膜單元組成，在調(diào)節(jié)膜單元出口手動(dòng)球閥開度時(shí)，盡量將3個(gè)膜單元出口手動(dòng)球閥開度一致，避免對(duì)某一個(gè)或兩個(gè)膜單元過度使用引起壽命縮短。

3.6 及時(shí)更換膜組

據(jù)文獻(xiàn)[1]，氣體在有機(jī)隔膜表面的分離符合溶液擴(kuò)散原理，即有機(jī)隔膜表面滲透率遵循下列公式：

式中，q 為滲透速度，m3／s；P 為滲透系數(shù)；ΔP 為膜組前后壓差，Pa；A 為膜面積，m2；L 為膜的厚度，m。

由于隔膜一定，所以膜的面積、厚度均是一定的，膜滲透率與滲透系數(shù)和隔膜前后壓差有關(guān)。

隔膜前后壓差取決于隔膜入口壓力和出口壓力，入口壓力越高、出口壓力越低，滲透速度越快。

另?yè)?jù)文獻(xiàn)[2]，滲透系數(shù)與膜組入口溫度成正比。所以，入口溫度越高，隔膜表面滲透率越強(qiáng)。

滲透系數(shù)與膜的內(nèi)部真空結(jié)構(gòu)有關(guān)，長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)導(dǎo)致膜的老化及結(jié)構(gòu)變形，影響膜分離氮?dú)獾男?，滲透速度下降，相應(yīng)氮?dú)猱a(chǎn)量也會(huì)變少。

根據(jù)以上分析，在膜組產(chǎn)能下降時(shí)，需要安排系統(tǒng)停運(yùn)檢修，將膜組拆解、檢查，若存在老化及變形，應(yīng)更換膜組。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)膜制氮運(yùn)行中各種參數(shù)的分析，找出影響氮?dú)猱a(chǎn)能的主要因素，包括空氣質(zhì)量、膜組入口壓力、環(huán)境溫度、管網(wǎng)壓力、膜單元出口手動(dòng)球閥開度、再生塔再生放空流量控制閥開度、膜本身的效率等，結(jié)合平時(shí)積累的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)理分析，提出最佳的操作參數(shù)，包括提高壓縮空氣入口質(zhì)量、合理設(shè)定壓縮機(jī)的壓力期間、通過調(diào)節(jié)加熱器溫度來(lái)提高膜組入口溫度、合理設(shè)定管網(wǎng)壓力、調(diào)節(jié)最佳的出口手動(dòng)球閥開度及膜組本身的性能保持等措施，為提高膜制氮設(shè)備運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性奠定良好的基礎(chǔ)。

［1］劉猛，王浚.一種富氧中空纖維膜組件的溫度特性［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（3）.

［2］汪治平，張波.膜制氮技術(shù)及在油氣田中的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（12）：141-143.