在煤層氣脫水系統中，使用調節閥對吸附塔進行升壓和降壓，可以實現脫水裝置的全自動控制。本文根據調節閥設計原則提出閥門的計算方法，并根據計算結果提出設備選型原則和調試方法，使調節閥的控制納入脫水系統程控時序中。根據上述方法，可使脫水吸附塔在滿足規范要求和安全要求的前提下以最短的時間完成壓力的改變過程。

1、概述

　　煤層氣工業中用吸附法脫除氣體中的水份十分常用。吸附劑有吸附容量限制，吸附飽和后需要對吸附劑再生，其中高壓有利于吸附，低壓有利于再生，所以常將煤層氣增壓后通入吸附裝置脫水，再生時通入低壓、干凈、干燥的氣體。為保證連續生產，脫水系統一般配備兩臺或兩臺以上的吸附塔，圖1為兩塔切換吸附的流程示意圖。某塔吸附時，其余塔進行再生。處于吸附狀態的塔吸附飽和時，處于再生狀態的塔也再生完畢，此時將吸附塔進行切換，實現不間斷生產。

圖1 吸附脫水流程示意圖

　　吸附和再生處于不同壓力等級，直接切換吸附塔將使塔內壓力迅速變化，例如煤層氣液化工藝中，吸附壓力一般為1.5～10MPa，再生壓力可能為幾十千帕，壓力相差較大。按規范要求，吸附塔內壓力變化不應大于0.3MPa/min，壓力變化過快可能沖擊吸附劑，破壞其結構或形狀，影響吸附效果和使用壽命。所以需要將吸附完畢的塔降壓，將再生完畢的塔升壓后再切換，即脫水工藝中的降壓升壓過程。

　　常用的降壓升壓方法有兩種。一是采用多級吸附塔降壓或升壓。壓力最高的吸附塔在降壓時首先和壓力小一級的塔均壓，壓力平衡后再和壓力更小的塔均壓，直到壓力降為設計值。這種辦法可以用僅有開關功能的程控閥來實現自動控制，壓力相差較大時需配備較多吸附塔。吸附塔越多，壓力變化越平穩。升壓時也是如此。

　　另一種方法是通過手動進行調節。在升壓和降壓時，通過人工操作閥門控制塔內壓力變化。這種方法需要吸附塔少，最少僅需要兩個吸附塔，但無法實現全自動控制。在脫水系統中，除升壓降壓外，其余過程都可自動控制。在自控系統中加入人工操作，使系統存在安全隱患，如工人操作不及時或不到位，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為將影響既定的控制過程。

　　綜上所述，需要找到一種簡易準確的方法，使降壓和升壓實現自動控制，并能納入整個脫水系統的自動控制中。在貴州某煤層氣項目中，采用了氣動調節閥代替人工操作閥門來實現吸附塔升壓降壓全自動化。

2、調節閥的控制方式

　　使用調節閥實現吸附塔升壓降壓過程的自動運行，其目標是在一定時間內將吸附塔壓力提高或降低到設計壓力，同時塔內壓力變化速度符合規范要求。壓力變化速度dP是一個連續變化量，由塔內Δt時間內壓力變化量ΔP決定：。Δt決定了dP精確度。

　　在降壓和升壓過程中，將dP控制在0.3MPa/min最理想。可以將dP設為調節參數，目標值設為0.3MPa/min。在調節過程中，若使吸附塔或再生塔內壓力的變化速度穩定在0.3MPa/min，則調節閥也需要連續動作，以適應調節閥前后壓差的變化。這種調節十分精確，完成減壓和升壓所花時間最少，但實現起來有一定難度。原因在于傳感器測量精度、數據傳輸及設備動作延遲會影響調節精度。另外，脫水流程中閥門切換和設備啟停都通過程控時序控制，即在固定時間點所有設備同時動作。吸附塔升壓降壓作為脫水流程一部分，也需要調節閥在固定時間點做出動作。精確調節方式中，調節過程是否到位判斷依據是壓力變化速度和吸附塔壓力是否到位。若傳感器出現故障，或每次調節到位所花時間不一樣，則調節閥將不顧其余程控設備狀態獨自動作或不動作，破壞工藝流程，甚至造成危險。所以調節閥的控制也必須以時間為準，在規定的時間點上開始和停止動作。

　　在降壓升壓過程中，不必追求最短時間內完成調節，所以可采用一種模糊調節方式。以降壓流程為例，開始降壓時調節閥前后壓差最大，吸附塔內壓力變化速度最快，此時設定調節閥開度使瞬時壓力變化速度達到0.3MPa/min，然后維持這個開度。之后塔內壓力變化速度越來越慢，一段時間后改變調節閥開度，使該時刻壓力變化值再次達到0.3MPa/min，然后維持這個開度。重復上述過程，則調節閥只需動作幾次，每次維持一定時間即可將塔內壓力降為再生壓力。閥門動作次數越多，每次維持的時間越短，降壓所需時間越短;動作次數越少，每次維持時間越長，總共降壓所需時間越長。可以選取合適的閥門動作次數和每次的維持時間，使總降壓時間滿足設計要求。降壓所需時間固定，就可以和其他程控設備統一進行控制編程。升壓也可以采用這種方式。

　　精確調節和模糊調節的區別見圖2。在模糊調節中，時間-壓力曲線起點斜率等于精確調節時間-壓力曲線斜率，隨后慢慢變小，當斜率小于一定值后，調整閥門開度，使曲線斜率再次等于精確調節的曲線斜率。幾次調節后完成降壓。模糊調節所需要的時間比精確調節多一些。在圖2中閥門動作了6次后完成降壓過程。

圖2 精確調節和模糊調節的對比

3、調節閥技術參數

　　調節閥控制方式確定后，需要通過計算對調節閥選型，并確定調節閥動作次數及狀態保持時間。下面以圖1流程為例介紹計算方法。

　　3.1、升壓計算

　　圖1中塔A處于高壓吸附狀態，有效氣體容積V，吸附壓力P，溫度T。塔B處于再生完畢狀態，有效氣體容積V，壓力P0，溫度T，需要進行升壓。高壓氣體通過升壓調節閥從塔A進入塔B。由于塔A處于吸附狀態，不斷有工藝氣體流過，所以在升壓過程中塔A的壓力視為恒定不變。

　　升壓過程中，塔A和塔B的溫度T可視為不變。按照理想氣體狀態方程P=ρRT，壓力P和密度ρ為線性關系：ρ=kP，，k由工藝氣體物性參數和溫度確定。

　　規范中規定，升壓時塔內壓力變化不應超過0.3MPa/min，即0.005MPa/s，在該升壓速度條件下，設每秒后塔B內氣體密度變化Δρ，則進入塔B的氣體理論最大質量流量為ma=VΔρ=VkΔP=0.005kV。

　　升壓過程中，升壓調節閥的閥前壓力P恒定不變，閥后壓力不斷升高。設剛開始升壓時，閥后壓力為P0，第1秒后變為P1，第2秒后變為P2，以此類推第N秒后變為Pn。

　　設調節閥的流量系數為KV。升壓開始時，升壓調節閥前后壓差ΔP=P-P0，根據工藝氣體的物性參數和狀態參數，判斷氣體流動是否形成阻塞流。若為阻塞流，則說明閥前后壓差過大，在調節閥最小截面處氣流將形成阻塞。此時應根據公式(1)計算通過調節閥的氣體體積流量：

(1)

　　式中：P———塔A內壓力

　　KV———調節閥流量系數

　　κ———工藝氣體的氣體指數

　　XT———工藝氣體臨界壓差比

　　T———塔A內溫度

　　M———工藝氣體分子量

　　Z———工藝氣體壓縮指數

　　在第1秒后，按照公式(1)計算得到有體積流量為Qg1的氣體進入塔B，換算成質量流量為。則塔B壓力變化量ΔP1=，塔B內壓力變為P1=P0+ΔP1。此時調節閥前后壓力為P與P1。再次判斷是否為阻塞流，計算第2秒時間內進入塔B的氣體流量Qg2和，并計算第2秒后塔B內的壓力P2。通過上述方法可以計算第N秒內進入塔B的氣體流量Qgn和，以及第N秒后塔B內的壓力Pn。

　　從計算結果可以看出，塔B內壓力會不斷升高。假設到第M秒結束時，塔B內壓力達到臨界值，超過該值后通過調節閥的流動為非阻塞流，則此時通過調節閥的氣體流量與調節閥前后壓差有關，需要用公式(2)計算氣體流量：

　　(2)

　　式中：P———塔A內壓力

　　KV———調節閥流量系數

　　y———氣體膨脹系數

　　X———工藝氣體壓差比

　　T———塔A內溫度

　　M———工藝氣體分子量

　　Z———工藝氣體壓縮指數

　　利用公式(2)可以計算第M秒內進入塔B的氣體流量Qgm和，再計算第M秒后塔B內壓力Pm。

　　當塔A壓力與塔B壓差小于0.2MPa時視為升壓結束，可以切換吸附塔。

　　將上述計算結果列表，可以根據實際流量與理論最大流量的比值來判斷調節閥是否該動作。該比值不能大于1，但也不能太小，一般不低于70%，具體見表1。

表1 升壓計算結果

　　在上述計算中，調節閥的開度不變則KV值不變。根據表1中的數據，當實際氣體流量約為理論最大流量的70%時，調節KV使實際流量等于理論最大流量，并使之維持一定時間。以此類推，直到塔B壓力滿足要求。則調節閥一共動作的次數、每次動作需要的時間，以及升壓共需要的時間都可以從表1中得到，同時調節過程中壓力變化速度能滿足規范要求。

　　3.2、降壓的計算

　　降壓的計算方式與升壓計算方式基本相同，區別在于降壓時塔A內氣體通過降壓調節閥進入大氣，降壓調節閥的閥后壓力恒定不變，閥前壓力不斷降低。在每一秒的計算中，同樣需要判斷是否為阻塞流，并選取相應的計算公式。根據計算結果可以得到表2。降壓結束的判斷依據是塔A與大氣壓之差小于0.2MPa。

表2 降壓計算結果

　　3.3、調節閥的參數確定

　　通過上述計算得到調節閥升壓和降壓過程中不同時間段的KV值，按照最大KV值確定調節閥的流量系數，并根據氣體流速和管道口徑確定調節閥口徑，最后需要對調節閥在不同KV值下的開度進行校核，具體可參考調節閥選用手冊和調節閥廠家提供的產品資料。

　　在調節閥的實際選型中，所選的調節閥技術參數與計算得到的參數會有一定差異，所以需要根據實際選擇的調節閥參數校核調節閥在每個開度的維持時間，并以此為基準通過實際調試得到最后的調節閥控制時序。

4、調節閥選型要求

　　在升壓和降壓過程中，對調節閥還有特殊的要求。一是調節閥可能需要雙向流動，二是調節閥關閉時閥門前后壓差很大，不利于密封。

　　為解決上述問題，一是要求調節閥的執行器有足夠的力能克服閥門前后壓差所帶來的力，使閥門能有效動作。另外調節閥應選用壓力平衡式調節閥，使閥門關閉時能自動平衡閥芯前后壓力，減輕執行機構負擔，有利于閥門密封。具體可以在廠家提供的技術資料中選擇合適的執行機構和調節閥類型。

5、結語

　　利用本文的計算方法可以得到調節閥技術參數，然后根據計算所得結果選擇符合要求的壓力平衡式調節閥，并選擇具有足夠能力的執行機構。根據調節閥實際的技術參數進行復核和現場調試后，就可以將調節閥用于吸附脫水工藝流程，實現工藝的全自動控制。在貴陽某項目中，該方法已投入使用，并達到設計要求，滿足實際使用需求。