孙海，蒋大风

（1.中国石油工程建设公司设计技术部，北京100011；2.中国石油集团工程设计有限责任公司，北京100011）

油气处理站场压缩空气站设计

孙海1，蒋大风2

（1.中国石油工程建设公司设计技术部，北京100011；2.中国石油集团工程设计有限责任公司，北京100011）

国内目前虽然有压缩空气系统设计方面的标准和规定，但总的来说其内容稍显笼统和宽泛，对压缩空气系统设计上的某些细节阐述不够详细（如压缩空气耗量、压缩空气质量要求等），而这些细节往往会影响压缩空气系统设计的合理与否，因此作者结合自身工作实际经验，详细地阐述油气处理站场中压缩空气站设计需要考虑的各种因素，如压缩空气的性质、压缩空气站流程以及压缩空气系统内主要设备的选型、控制原理以及计算，对压缩空气站的设计具有一定的指导意义。

仪表风；工厂风；空气压缩机；Lead-Lag控制；空气缓冲罐；吸附式干燥

0 引言

随着自动化控制技术在油气行业的普及和应用，油气处理站场的自动化程度也越来越高。自动化控制技术的实现是通过各类控制仪表来完成的，而这些控制仪表的动力源主要有电力驱动、液压驱动和气压驱动，电力驱动和液压驱动往往价格高昂、结构复杂且不易防爆，而采用气压驱动技术，价格低廉、结构简单且易防爆，因此目前油气处理站场上自动化仪表控制动力源大多采用气动控制。自动化仪表气动控制采用的能源是压缩空气，压缩空气是经过一定处理工艺处理后满足一定压力、温度和露点等特殊要求的空气，油气处理站场压缩空气系统的设计就是要选择合理的处理工艺，将普通的空气转化为合格的压缩空气。

目前国内虽然有压缩空气系统设计方面的标准和规定（如GB 50029-2003《压缩空气站设计规范》），但总的来说其内容稍显笼统和宽泛，对压缩空气系统设计上的某些细节阐述不够详细（如压缩空气耗量、压缩空气质量要求等），而这些细节往往会影响压缩空气系统设计的合理与否，因此作者结合自身工作实际经验，详细阐述了油气处理站场压缩空气系统的设计。

1 压缩空气的质量和耗量要求

油气站场压缩空气系统的设计主要目的是保证生产出合格的仪表风气和工厂风气，以满足压缩空气系统下游各类气动控制阀和各类气动设备的驱动要求。

（1） 仪表风气：主要是为各类控制阀、紧急关断阀和紧急泄放阀提供驱动力。仪表风气气源质量要求很高，这主要是为了防止压缩空气析出凝液和杂质堵塞气动阀门驱动装置。

（2） 工厂风气：主要是为气压提升机、气动扳手、喷砂除锈机、油漆喷涂机等气动设备提供动力，同时还要用工厂风气吹扫待维修的油气处理设备，只有在待维修设备吹扫完毕后维修人员方可入内进行焊接、切割等动火操作，这是因为如果烃类蒸气吹扫不干净就进行动火操作可能会引起爆炸，危及人身安全。工厂风气源质量要求不高。

1.1 压缩空气的质量要求

1.1.1仪表风气的质量要求

按照IEC 654-2-1995《工业过程测量和控制设备的工作条件第二部分：动力》、IEC 60654-2-1979《工业过程测量和控制设备的运行条件第二部分：动力》和ISO 8573-1-2001《一般用压缩空气质量等级》的规定，合格的仪表风气应该不含油滴和其他液滴，不含有毒的、有腐蚀性的和易燃易爆的气体，固体颗粒含量少于0.1 g/m3，且最大固体颗粒直径不大于3 μm。

对于仪表风的气源压力规定，IEC 60654-2和GB/T 17214-2005《工业过程测量和控制装置的工作条件》以及GB/T 4830-1984《工业自动化仪表气源压力范围和质量》规定的气源压力范围为：130～150 kPa、130～210 kPa和420～700 kPa，且仪表输入端的气源公称压力值为140、260、350、550和700 kPa。在设计时，为确保站场仪表风压力足够，往往都是取最大气源压力，即仪表风气设计压力取700 kPa。某些气动仪表可能不需要这么大的气源压力，此时往往需要在气动仪表入口安装一个减压阀，从而将气源压力调节至仪表所需的工作压力。除了满足仪表风气设计压力700 kPa的要求外，还要求保证将仪表风输送至最远用户处的剩余压力不低于550 kPa，且仪表风供气系统任何一点处的压力不允许低于420 kPa。

对于仪表风的压力露点值（设计压力下的露点值）规定，不同的规范有不同的要求，IEC 654-2、IEC 60654-2、配管手册《Piping Handbook》以及壳牌Shell公司规定的仪表风压力露点值是在最大工作压力下（700 kPa）露点值比最低环境温度低10℃。但是如果压缩空气系统发生泄漏或系统内设备放空时，膨胀制冷效应会导致系统内析出凝液，并会有结冰现象出现，此时压力露点比最低环境温度低10℃是很容易达到的，因此很多规范认为这个压力露点取值是不安全的。美国气体供应商协会的GPSA标准以及ANSI-ISA 7.0.01-1966《测量气体的质量标准》推荐的压力露点值是在系统最大工作压力（700 kPa）下露点值取-40℃，因此设计过程中在确定仪表风压力露点值时可考虑使用这个数值。

目前，ISO 8573-1是国际公认的压缩空气质量标准，这个标准对压缩空气质量等级划分见表1。

表1 ISO 8573-1对压缩空气质量等级划分

1.1.2工厂风气耗的质量要求

对工厂风气质量没有特殊的要求，压缩机压缩后的空气经后冷器和气—水分离器脱除凝液后即可作为工厂风气使用，此时工厂风气相对湿度达100%，但要求工厂风气的压力要维持在600～700 kPa。

1.2 压缩空气耗量计算

1.2.1仪表风气耗量的计算

一般情况下，油气处理站场内消耗仪表风气的主要设备有：各类控制阀的执行器、紧急关断阀、紧急泄放阀、顺序阀、在线分析仪（如气相色谱仪）等。仪表风气量在正常工况下（101.325 kPa，0℃）耗量的计算可依照如下规定进行估算：

（1） 控制阀门每个控制回路仪表风气耗量：1～1.5 m3/h。

（2） 紧急关断阀和紧急泄放阀（一般采用直角回转球阀）仪表风气耗气量：0.1 m3/h。

（3） 顺序阀仪表风气耗气量：0.2 m3/h。

（4） 气相色谱仪仪表风气耗气量：16 m3/h。

若在油气处理站场内有橇装设备（如透平驱动式离心式压缩机橇、饮用水处理橇、火炬橇等），而设计人员无法获知橇内共有多少控制阀和紧急关断阀的情况下，要向该类橇装设备厂家咨询，以获取仪表风气耗量。

在采用上述规定计算完正常工况下仪表风气耗量后，还要取30%的裕量，以防止可能出现的耗气量波动等情况。

1.2.2工厂风气耗量的计算

油气处理站场一般都需要使用工厂风气来驱动各类气动工具，或使用工厂风气吹扫待维修的油气处理设备，但是使用工厂风气操作的频率一般都不高，且同时使用多种气动工具的几率很小，因此在没有详细规定的情况下，工厂风气的耗量可取70 m3/h，该耗量允许同时运行一台喷枪（耗气量为20 m3/h）和至少一台下列气动设备：风钻和风锤（耗气量为12～80 m3/h）、Φ 76.2～203.2 mm（3～8 in）气动砂轮机（耗气量为20～85 m3/h）、气动扳手（耗气量为30～50 m3/h）。

2 压缩空气系统的设计

2.1 压缩空气系统主要流程描述

压缩空气系统的主要流程如图1所示。经过空气压缩机压缩后的空气温度升高，因此采用后冷器冷却高温压缩空气，冷却后的压缩空气会有水和油滴（喷油螺杆压缩机）析出，此时采用分离器将凝液分离出来。经过分离器处理后的压缩空气首先储存在工厂风缓冲罐内，此时一部分压缩空气即可作为工厂风气输送给工厂风用户，其余的压缩空气则流向仪表风气处理系统：首先通过前置过滤器，对压缩空气进一步过滤，经过过滤净化后的压缩空气进入吸干机，采用吸干机将压缩空气的露点降至要求值，经吸干机吸干后的压缩空气再经过后滤器过滤净化，净化后合格的压缩空气储存在仪表风缓冲罐内，此时即可向仪表风下游用户提供合格的仪表风气了。

从流程描述上可以看出压缩空气系统主要设备有：

主备用电动机驱动空气压缩机、柴油引擎驱动紧急移动式空压机、后冷器、气—水分离器、前置过滤器和后置过滤器、空气干燥机、仪表风缓冲罐和工厂风缓冲罐、自动排液阀和减压阀。

2.2 空气压缩机

压缩空气系统内用到的压缩机主要分为两类：

第一类是主用、备用压缩机，正常运行时压缩空气系统主要采用主用、备用压缩机进行压缩，这类压缩机主要采用电动机驱动，且要有双电源供电系统，即市电和紧急柴油发电机供电，市电为第一电源（在没有市电的边远偏僻地区，可采用燃气发电机供电作为第一电源），紧急柴油发电机供电为第二电源。

第二类是紧急移动式压缩机，它只有在紧急状况下才使用，这类压缩机采用柴油引擎驱动。紧急移动式压缩机不是必需的，只有在对压缩空气系统安全性要求比较高的场合才推荐使用。目前，壳牌公司标准Shell DEP、马来西亚石油公司Petronas标准以及美国Veco设计公司标准都推荐在压缩空气系统内使用紧急移动式压缩机。

当前，使用较多的空气压缩机类型主要有螺杆式压缩机、往复活塞式压缩机和离心式压缩机，当计算出来的压缩空气量Q≤2 500 m3/h时可采用螺杆式压缩机或往复活塞式压缩机，而当计算出来的压缩空气量Q>2 500 m3/h时采用离心式压缩机比较经济。

由于油气站场压缩空气需求量往往不是很大，因此螺杆式压缩机和往复活塞式压缩机在压缩空气系统里应用最广。而与螺杆式压缩机相比，往复活塞式压缩机易损件多、噪音大、效率低且供气不稳定，因此目前应用在油气站场压缩空气系统中的空压机（主用、备用和紧急移动式压缩机）大多采用螺杆式压缩机。

螺杆压缩机通常按照冷却方式将其划分为喷油螺杆式压缩机和干式螺杆压缩机。喷油螺杆压缩机通过对气缸喷入一定压力的润滑油，一方面吸收并带走压缩过程产生的热量，从而改善压缩过程的热交换，降低排气温度等；另一方面起润滑、密封和消声等作用，喷油压缩机由于排气温度低、压比高、泄漏少、噪声小、结构简单、运行可靠等优点，因此比干式螺杆压缩机发展更迅速，在整个压缩机生产中占到80%。喷油螺杆压缩机流程见图2。

图2 喷油螺杆压缩机流程

2.3 空气压缩机的Lead-Lag控制

Lead-Lag控制可以翻译为“压缩机的超前—滞后控制”，它是指将一台空压机作为Lead压缩机，而将另一台备用的压缩机作为Lag压缩机。通过Lead-Lag控制可以自动启停主备用空气压缩机，以防止仪表风气出现压力超高或超低的现象。一般容积式空气压缩机都要有Lead-Lag控制，而离心式压缩机却没有这种控制模式。

容积式空气压缩机的Lead-Lag控制一般是采用4个压力开关测量仪表风缓冲罐的工作压力波动，通过检测到的仪表风缓冲罐的压力来自动启停主备用压缩机。由于压缩空气系统内需要采用Lead-Lag控制模式的压缩机共有主备用2台压缩机，因此要想完成每台压缩机的启动和停止操作，必须采用4个压力开关才能完成。

压力开关安装位置的选择主要有两种方式：一是直接安装在仪表风缓冲罐上；二是安装在仪表风缓冲罐进口管道上。

由于取压点数目比较多，因此目前大多数的压力开关安装位置都放在仪表风缓冲罐进口管道上，如图1所示：在仪表风缓冲罐进口管道上安装4个压力开关，用这4个压力开关感受仪表风缓冲罐的压力变化并控制主备用压缩机的启停。这4个压力开关的设定值分别是PSHH（压力高—高）、PSH（压力高）、PSLL（压力低—低）和PSL（压力低）。

2.3.1仪表风缓冲罐的压力波动范围

为了确定PSHH、PSH、PSLL和PSL的设定值，需要知道仪表风缓冲罐的压力波动范围。

2.3.1.1对于仪表风缓冲罐下游没有减压阀门的情况

此时仪表风缓冲罐的压力波动范围应该是仪表风用户处的压力波动范围再加上输气沿线压降损失，即Pmin=550 kPa+Ploss，Pmax=700 kPa+Ploss。一般取Ploss=100 kPa（这是估计值），则此时可以确定仪表风缓冲罐的压力波动范围为（650 kPa，800 kPa）。

2.3.1.2对于仪表风缓冲罐下游有减压阀门的情况

一般仪表风缓冲罐下游都要有减压阀门，如图1所示：在仪表风罐下游并排安装有2个PCV减压阀，减压阀前仪表风气压力很高，通过减压阀减压后将仪表风的压力降至用户所需的压力。采用减压阀的目的主要是考虑仪表风缓冲罐操作压力升高后，其尺寸会相应减小，否则如果没有减压阀可能缓冲罐的尺寸会很大。此时Pmin=550 kPa+Pvalve+Ploss，Pmax=700 kPa+Pvalve+Ploss。其中Pvalve为减压阀全开时的压降值，一般可取Pvalve=200 kPa（这是估计值），此时仪表风缓冲罐的压力波动范围为850～1 000 kPa。这个压力波动范围规定不是硬性的，不同的设计公司对该压力波动范围可能会有不同的规定，如800～1 000 kPa、800～1 100 kPa等。

2.3.2开关设计值

有了仪表风缓冲罐的压力波动范围就可以设定PSHH、PSH、PSLL和PSL了，一般取PSLL=Pmin，PSH=Pmax，PSL=PSLL+100 kPa，PSHH=PSH+100 kPa。例如对于仪表风缓冲罐下游没有减压阀门的情况，Lead-Lag控制设定值见表2。

表2 仪表风罐下游没有减压阀门时压力开关的设定值

对于仪表风缓冲罐下游有减压阀门的情况，比较典型的压力开关设定值见表3。

表3 仪表风罐下游有减压阀门时压力开关的设定值

2.4 工厂风缓冲罐尺寸的确定

工厂风缓冲罐紧靠空气压缩机并位于后冷器下游，此时工厂风缓冲罐所接收的压缩空气是经过后冷器冷却后而未经干燥器处理的饱和湿空气，即压缩空气相对湿度为100%，因此工厂风缓冲罐也叫做湿空气缓冲罐；并且由于工厂风缓冲罐为仪表风处理系统供气，相对于仪表风缓冲罐它处于上游位置，因此工厂风缓冲罐也叫做一级缓冲罐。容积式空气压缩机（往复式、螺杆式和滑片式）出口的压缩空气在经过后冷器和气—水分离器后都要连到工厂风缓冲罐上，这主要是出于以下考虑：

平衡气源压力波动；进一步分离凝结出来的水和油；储存部分气量，以平衡用户用气消耗和用气需求之间的变化。

目前还没有一个普遍适用的方法或公式来计算缓冲罐的容积，但是设计人员常用下面的公式来计算缓冲罐的容积：

式中V——缓冲罐的容积/m3；

R——常数，8.314 J/（mol·K）；

T——压缩空气温度/K；

Vs——压缩空气流量/（m3/h）；

t——缓冲时间/h；

P1——缓冲罐最大压力/kPa；

P2——缓冲罐最低压力/kPa。

有了缓冲时间和工作压力波动范围，就可以按照公式（1）计算工厂风缓冲罐容积了，计算出容积后，再按照L/D=3这个规定联立求解得出工厂风缓冲罐的筒体长度L和内径D。

2.5 仪表风缓冲罐尺寸的确定

仪表风缓冲罐位于干燥器的下游，用来储存经过干燥器干燥后的仪表风气。一般规定仪表风缓冲罐要有15 min的缓冲时间，为了计算缓冲罐的尺寸，还需要知道缓冲罐的工作压力波动范围：对于仪表风缓冲罐下游没有减压阀的情况，工作压力波动范围为650～800 kPa；对于仪表风缓冲罐下游有减压阀的情况，工作压力可取800～1 000 kPa。

有了缓冲时间和工作压力波动范围，就可以按照公式（1）计算仪表风缓冲罐容积了，计算出容积后，再按照L/D=3这个规定联立求解得出仪表风缓冲罐的筒体长度L和内径D。

2.6 吸附式干燥器

吸附式干燥器的工作原理是采用变压吸附（PSA）或变温吸附（TSA），利用固体吸附剂颗粒表面多孔具有吸附特定气体分子的性质，将压缩空气中的水分吸附出来，采用该法可使压缩空气露点降至-20～-70℃。常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝、活性炭和分子筛。

目前压缩空气吸附式干燥方法主要采用的是无热再生式吸附干燥器。

无热再生吸附式干燥器属于变压吸附式干燥器，它是利用吸附剂（硅胶、活性氧化铝或分子筛）对水的吸附容量与吸附发生时压缩空气中的水蒸气分压力有关这个原理进行吸附操作的，当压缩空气中水蒸气分压力低时吸附剂对水的吸附容量小，而当压缩空气中水蒸气分压力高时吸附剂对水的吸附容量大。利用吸附剂这一特性，在干燥器运行时改变干燥器内压力，在高压下吸附剂开始吸附压缩空气内的水分，而在低压下或在真空下吸附剂内吸收的水分开始蒸发并被干燥的吹扫气带走，从而完成吸附剂床层的再生。

3 结束语

压缩空气（仪表风和工厂风）在油气站场中应用是十分广泛的，但是国内关于压缩空气站的相关标准和规定相对宽泛和不够详细，因此本文结合工作中的经验以及相关标准，较为详细地阐述了压缩空气站设计中需要注意的各个要点和细节，介绍了某些重要设备的原理、选型以及计算方法，对设计人员更好地设计压缩空气站具有一定实际意义。

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

孙海(1980-)，男，辽宁大连人，工程师，2006年毕业于石油大学（华东），硕士，现主要从事压气站项目的工艺设计工作。

2010-05-11