天然氣輸送用過濾分離設備性能測定與分析

姬忠禮

(中國石油大學機械與儲運工程學院,北京 102249）

天然氣輸送用過濾分離設備性能測定與分析

姬忠禮

(中國石油大學機械與儲運工程學院,北京 102249）

采用高壓管道粉塵在線檢測裝置對天然氣站場內多管旋風分離器和過濾分離器進出口管道內顆粒物濃度和粒徑分布進行測定,得到多管旋風分離器和過濾分離器的實際分離性能。現場測試結果與常壓常溫下過濾分離設備的性能測定結果對比表明：多管旋風分離器現場的分離效率與實驗室測試結果相一致,常壓常溫工況下的性能測定數據可以作為評價高壓實際工況運行的指標。過濾分離器現場測試結果與常壓常溫下測試結果存在差別,主要原因在于濾芯現場使用過程中,濾芯纖維失效會導致較大顆粒穿透,使過濾分離器效率下降。

天然氣管道;多管旋風分離器;過濾分離器;顆粒物在線檢測

在高壓天然氣處理和長距離管道輸送過程中,其中的固體粉塵和液滴等雜質會造成大型壓縮機組損壞、計量儀器失效以及站場停輸等重大事故,嚴重影響管道的供氣安全和長周期運行。過濾分離設備用于去除天然氣中的石英砂和鐵銹等固體雜質以及輸送過程中冷凝析出的游離水和輕烴等液滴。Shin等[1]利用兩臺光散射氣溶膠計數器同時對旋風分離器進出口氣體中顆粒的粒徑分布及計數濃度進行了測量,確定出旋風分離器的分離效率。Iozia等[2]利用光散射顆粒分析儀測量了氣溶膠顆粒的濃度和粒徑分布。Kim等[3]利用TSI 3300氣動粒度儀對旋風分離器上下游的顆粒濃度進行了測量。Yoshida[4]用激光散射法測量了分離器內顆粒的粒徑分布情況。Huang等[5]利用TSI 3936掃描電遷移粒徑儀及TSI 3321空氣動力學粒徑分析儀測量了過濾分離器上下游氣溶膠濃度和粒徑分布,從而確定氣溶膠粒子透過率。Charvet等[6]利用光學粒子計數器測量了粒徑在0.3～20 μm的顆粒,計算出過濾器的過濾效率。Yun等[7]利用TSI 3025凝結核粒子計數器對過濾分離器上下游顆粒濃度進行了測量,得到了過濾分離器的顆粒透過率。目前對高壓工況下過濾分離設備的性能通常采用離線取樣檢測的方式對管道內顆粒物進行測定,許喬奇等[8]利用顆粒物取樣橇對國內某天然氣主管道的含塵情況進行了測定。Xiong等[9]利用高壓天然氣管道內粉塵離線采樣檢測裝置分別對天然氣長輸站場內高壓多管旋風分離器和工藝氣過濾器的性能進行了檢測。張星等[10]研制了一套高壓天然氣顆粒在線檢測系統,可以在線檢測天然氣管道內粉塵變化情況,但需要先利用減壓裝置將高壓天然氣的壓力降低到常壓后,再采用在線粒徑分析儀進行檢測。筆者研究了可直接用于高壓工況下氣體管道內顆粒物的在線測定裝置,無需減壓裝置,提高顆粒物在線檢測儀的耐壓能力,整體結構簡單可靠。利用該套裝置對天然氣長輸站場內的旋風分離器和過濾器的性能進行測定,并通過常溫常壓下的實驗對比高壓工況下過濾分離設備的分離性能。

1 過濾分離設備分離性能檢測裝置與方法

1.1 高壓天然氣管道內顆粒物在線檢測裝置

高壓氣體管道內顆粒物在線檢測流程如圖1所示。在線檢測裝置可分為等速采樣、流量控制、粒子在線分析和減壓放空等5部分。通過兩種方法可實現等速采樣：一是采用皮托管測量管路的氣速,皮托管與采樣嘴的設計與匹配方法參照文獻[11],根據已知氣速及采樣嘴尺寸可確定采樣流量,進而實現等速采樣;二是利用靜壓平衡型取樣器[9]使等速采樣管的內外靜壓差為零,此時即可認為采樣管內流速等于管道內測點上的流速。通過等速取樣獲得具有代表性的顆粒物后,再采用具有耐高壓的光學粒子分析儀進行測量。

圖1 高壓管道內顆粒在線檢測流程Fig.1 Particle online measurement device at high pressure

由于在線檢測分析儀在恒定流量下才能實現準確測量,因此等速取樣后的氣體首先通過流量分配器,將一部分含塵氣體分配給在線檢測儀器。進行在線檢測的同時利用離線采樣裝置對管道內粉塵取樣,用于后期數據分析比對,最后兩路氣體分別計量后減壓放空。整套系統通過PLC進行控制,實現數據的自動采集、存儲與實時分析。

1.2 常溫常壓下過濾分離設備分離效率的測定

常溫常壓下在線檢測裝置同高壓工況類似,由于不受高壓限制,只須將取樣嘴伸入過濾分離設備的進出口管路進行等速取樣,利用真空泵從含塵氣體管路中抽取具有代表性的顆粒樣品后進行在線分析,同時采用高精度濾膜驗證在線檢測的準確性。

圖2 常壓常溫在線檢測流程Fig.2 Particle online measurement device at atmospheric temperature and pressure

2 測定結果分析

2.1 多管旋風分離器性能評價

2.1.1 高壓工況下

利用顆粒物在線檢測裝置對國內長輸天然氣管道計量站內多管旋風分離器的實際分離性能進行了測定。被測粉塵的物性和氣體壓力、氣體溫度對測量結果的影響,采用許喬奇等[12]提出的模型進行修正。該站配置有4臺高壓多管旋風分離器,單臺多管分離器的設計氣量為103.75×103m3/h(標準工況下）,設計壓力6.3 MPa,分離器直徑為1200 mm,內部安裝19個旋風子,進出口的管道規格為Φ219 mm×8 mm,實際工作壓力5.0 MPa左右。選取站內一臺旋風分離器的進出口管道進行測定,開孔位置及取樣位置的確定依據相關標準[13]。

在性能測試過程中,同時進行顆粒物在線檢測和離線檢測。即采用0.2 μm過濾精度的濾筒捕集粉塵時,同時采用Welas 3000氣溶膠粒徑譜儀及耐高壓氣溶膠導管技術[14],從而實現了高壓工況下對天然氣中顆粒物含量情況的在線分析,并以離線采樣得到的結果為基準評價在線測量結果。在現場工況下共進行了8組離線取樣,每次取樣時間為2 h,同時記錄累積采樣流量。在線檢測裝置可以實時顯示管道內粉塵顆粒物的粒徑分布和含塵濃度,離線檢測結果為2 h內管道顆粒物的平均濃度。在測試前后將離線取樣的濾筒分別置于真空干燥箱中,在150℃下干燥4 h后,利用精度為0.1 mg的瑞士MettlerToledo公司AL204-IC型電子分析天平稱重,得到粉塵樣品的質量,由采樣氣流的流量獲得離線采樣的質量濃度,利用美國Multisizer 3型Coulter粒度分析儀分析離線取樣樣品的粒度分布。

所測定的旋風分離器進口管段天然氣含粉塵濃度為10.04～61.54 mg/m3,在線檢測和離線檢測所得的顆粒物濃度如圖3所示。由圖3中可以看出,在線檢測所得粉塵濃度在一定范圍內波動,說明天然氣管道內粉塵濃度不穩定,在所測試的16 h內,可計算得到在線、離線檢測平均濃度分別為26.32和28.94 mg/m3,兩種檢測方法所得粉塵濃度變化范圍基本一致。

圖3 多管旋風分離器進口濃度變化Fig.3 Particle concentration change in multi-cyclone inlet

旋風分離器出口管路天然氣含粉塵濃度為1.02～8.76 mg/m3,顆粒粒徑分布如圖4所示。可見大部分粉塵顆粒集中在10 μm以下,10 μm以上粉塵顆粒個數比例非常小。

圖4 多管旋風分離器出口管路粉塵粒徑分布Fig.4 Particle size distribution in multi-cyclone outlet

受現場條件所限,進出口管道內粉塵在線測量不是同時進行,而是采用交替檢測的方式進行,因此在計算旋風分離器分級效率時通過對旋風分離器出口管路進出口2 h內所有在線粒徑分布的平均來計算,圖5為離線測試中一組濾筒對應的在線粒徑分布計算得到的旋風分離器的分級效率曲線。整體而言,隨著粒徑的增大,旋風分離器的過濾效率逐漸升高。在粒徑大于6 μm后,分級效率升高緩慢,在10 μm處達到100%。因此旋風分離器可去除10 μm以上的粒子,達到了設計指標。

圖5 多管旋風分離器的分級效率Fig.5 Grade efficiency of multi-cyclone

2.1.2 常溫常壓下

選取結構尺寸與高壓多管旋風分離器中旋風管完全相同的分離單管,測定了其常溫常壓狀態下的分離性能。選用平均粒徑8～9 μm的滑石粉作為實驗粉塵,測定不同進口氣速及濃度工況下旋風子的性能。入口速度為15 m/s時旋風管的分離效率見圖6。該旋風管在不同氣速下,除去10 μm以上顆粒的能力如表1所示。

圖6 vin=15 m/s時入口濃度對顆粒分級效率的影響Fig.6 Effect of inlet particle concentration on grade efficiency for vin=15 m/s

表1 不同風速、濃度下旋風管去除10 μm以上顆粒的分離效率Table 1 Separation efficiency for particles size larger than 10 μm at different inlet velocity and particle concentration %

由表1中可以看出,在不同入口速度和濃度下旋風管除去10 μm以上顆粒的效率都接近100%,即便是濃度較低的工況,也能夠除去10 μm以上的顆粒,這與JI等[15]的研究結果相一致。由此可知,旋風分離器在常溫常壓下分離10 μm以上顆粒的效率同高壓工況下的效率接近,常溫常壓下旋風分離器的性能測試數據可用于指導高壓現場用旋風分離器的選型、操作運行和性能評價。

2.2 長輸管道用過濾分離器性能評價

2.2.1 高壓工況下

對某天然氣長輸站場內的臥式過濾分離器進出口管路內粉塵濃度和粒徑進行檢測。該站配置有5臺過濾分離器,輸氣總量為30.9×104m3/h(標準工況下）,設計壓力6.4 MPa,實際工作壓力3.5 MPa左右,單臺分離器設計氣量13×104m3/h。選定站內一臺過濾器作為試驗測定對象。

同樣采用在線檢測與離線檢測相結合的方式,共進行8組離線取樣,單次取樣時間為2 h。

圖7為在線檢測得到的過濾分離器進口管段粉塵粒徑分布。可見10 μm以上的顆粒的個數和所占體積比例較小,大部分粉塵顆粒粒徑在10 μm以下。圖8為兩種檢測方法所得到的粉塵濃度對比圖。在所測試的16 h內,可計算得到在線、離線檢測平均濃度分別為3.64和3.36 mg/m3,二者吻合較好。

圖7 過濾分離器進口粉塵粒徑分布Fig.7 Particle size distribution at inlet of filter

過濾分離器出口管路粉塵濃度為1.58～3.25 mg/m3,粒徑為0.56～8.98 μm。圖9為計算得到的過濾分離器的累積效率。由圖9可知,隨著粒徑的增大,累積效率逐漸升高。對于粒徑小于1 μm的顆粒,過濾效率約為60%。對于粒徑大于5 μm的顆粒,其最低過濾效率為90%。但在4～6 μm內顆粒累積效率有所下降,這可能是由于經濾分離器過濾后的小粒子發生團聚,在此范圍內形成了大粒子而造成的。

該輸氣站過濾分離器濾芯給定的設計性能參數為：粒徑大于1 μm的粉塵,過濾效率99.9%。由此可知,該過濾分離器不能完全除去5 μm以上的顆粒,對于粒徑大于1 μm的粉塵,過濾效率也達不到99.9%,該過濾分離器沒有達到設計的性能指標。

圖8 過濾分離器進口濃度變化Fig.8 Particle concentration change in filter inlet

圖9 過濾分離器累積效率變化Fig.9 Cumulative efficiency change of dust particle for filter

2.2.2 常溫常壓下

圖10 濾芯過濾性能測試流程Fig.10 Test workflow of filtration performance of filter candle

依據國內、美國和歐洲有關空氣濾材過濾性能測定標準[16-18],建立了全尺寸濾芯性能檢測裝置,圖10所示為流程圖。利用氣溶膠發生器,以DEHS作為實驗液滴,以KCl顆粒作為實驗用粉塵,顆粒濃度控制在180～200 mg/m3,粒徑為0.31～17.17 μm。測試期間控制系統內的溫度為(23±5）℃,相對濕度為(55±15）%。

選取與現場同一廠家相同規格的新濾芯,對現場分別運行3、6及9個月的濾芯進行了常壓常溫下性能測試,濾芯氣-液、氣-固過濾累積效率如圖11所示。濾芯出口氣體內的液滴濃度、相應的粒徑分布及累積效率見表2,而粉塵濃度、粒徑分布及不同粒徑的累積效率見表3。

圖11 濾芯氣-液、氣-固過濾累積效率Fig.11 Cumulative efficiency of liquid droplet and dust particle for filter candle

表2 不同運行時間下的濾芯氣液累積效率Table 2 Cumulative efficiency of liquid droplet for filter candle at different operation period

由表2可知,對于粒徑大于1 μm的液滴,隨著運行時間增加,濾芯的累積效率逐漸降低。當濾芯使用9個月后,其平均濃度約為新濾芯下游平均濃度的16倍,下游液滴濃度明顯增大。而對于粒徑大于5 μm的顆粒,濾芯累積效率沒有變化,均為100%,可完全除去5 μm以上的大顆粒。

表3 不同運行時間段濾芯氣固分離性能Table 3 Cumulative efficiency of dust particles for filter candle at different operation period

表3表明,對于粒徑大于1 μm的液滴,隨著運行時間的增加,濾芯的累積效率逐漸降低,當濾芯使用9個月后,下游最大粉塵濃度從0.01增長為0.52 mg/m3。而對于粒徑大于5 μm的顆粒,濾芯累積效率沒有變化,均為100%,可完全除去5 μm以上的大顆粒。分析認為該輸氣站使用的是聚酯纖維濾芯,其濾材纖維和孔徑會隨著阻力增加發生改變,造成過濾分離器出口濃度的上升和分離效率的降低。此外,由于天然氣長輸管道中常含有液滴,使得濾芯出口處的小顆粒聚結成大顆粒,導致過濾分離器實際運行中1 μm和5 μm顆粒效率偏低。此時過濾分離器濾芯的壓降增長緩慢,因此不能將壓降作為過濾分離器是否正常運行的唯一判別指標。

3 結 論

(1）研發的高壓氣體管道內顆粒物在線檢測裝置具有操作安全、性能可靠和數據重復性好等特點,滿足天然氣長輸管道站場過濾分離設備的性能測定要求。

(2）旋風分離器可以除去10 μm以上顆粒,同實驗室常壓常溫工況下性能測試結果一致,常溫常壓下旋風分離器的性能測試數據可用于指導高壓現場用旋風分離器的選型、操作運行和性能指標。

(3）高壓工況下過濾分離器的濾芯分離性能隨著運行周期的增加而降低,當天然氣中含有液體雜質時,過濾分離器濾芯的壓降增長緩慢,壓降變化不能完全反映過濾器的過濾性能,因此不能將壓降作為評判過濾分離器是否正常運行的唯一指標。

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(編輯 沈玉英）

Performance measurement and analysis of filtration and separation equipment for natural gas transportation

JI Zhong-li
(College of Mechanical and Transportation Engineering in China University of Petroleum, Beijing 102249,China）

The concentration and size distribution of dust particles at the inlet and outlet of multi-cyclone separators and filters in two domestic natural gas stations are measured by the particle online measuring devices for high pressure gas,and the separation performances of in-site cyclones and filters are evaluated.These field test results are compared with the laboratory test results under atmospheric temperature and pressure.The field test results of multi-cyclone separators are in agreement with the laboratory test results,and so the data measured under atmospheric temperature and pressure can be used as the indicator for evaluating separation performance of multi-cyclone under high pressure condition.However,the field test results of filters show some differences from the laboratory test results.The overall efficiency of filters decreases with the operation period because some large particles can penetrate the filter candle.

gas pipeline;multi-cyclone;filter;particle online measurement

TE 931.1

A

1673-5005(2013）05-0145-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.05.021

2013-07-02

國家“十二五”重大科技專項課題(2011ZX05017-005）

姬忠禮(1963-）,男,教授,博士生導師,研究方向為多相流動與分離技術。E-mail：jizhongli63@vip.sina.com。