煤層氣集輸系統油污雜質凈化工藝評價及改進

劉紅霞 劉 震 仝世偉 安玉敏 李詠梅 薛 楊

(1.中國石油天然氣集團有限公司山西煤層氣勘探開發分公司，山西 046000；2.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導實驗基地，山西 046000；3.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院/過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京 102200)

1 油污雜質現狀評價

沁水盆地某煤層氣田地面集輸系統采用井口-閥組-集氣站-處理中心的四級集輸方式。集氣站設有往復活塞式壓縮機對工藝氣體由低于0.2MPa增壓至約1.0MPa，處理中心設有往復活塞式壓縮機將工藝氣體由約1.0MPa增壓至約5MPa，在壓縮機上游設有進站臥式過濾器，下游設有出站臥式過濾器和三甘醇脫水裝置。油污雜質的影響主要表現在兩個方面：一是在集氣站至處理中心的管道中存在雜質夾帶和沉積現象。據統計，該處理中心有六條來自集氣站的管線，每年清管作業收集到油污雜質約60t。二是處理中心站外輸至天然氣長輸管道的氣體中仍然存有一定量雜質，在部分極端情況下導致了下游天然氣輸氣站的壓縮機非正常停機、被迫降低輸氣量乃至停輸。

1.1 雜質濃度檢測

依據石油天然氣行業標準SY/T 6892—2012《天然氣管道內粉塵檢測方法》，采用天然氣管道內顆粒物在線檢測裝置方法，對兩條集氣站至處理中心的管線、處理中心站內多個節點開展了管輸氣體中的顆粒物雜質濃度檢測。因現場未預留等速取樣口，取樣方式為從相應位置的壓力表口引出氣體，通過在線檢測后將樣品氣引至安全區域放空。相比于將取樣嘴探入管道內部的等動取樣方法取得的是管道內部較有代表性的流動氣體，壓力表口取樣主要來自管道內壁附近流動相對緩慢的氣體，所測得的顆粒物濃度相比實際值會有一定的降低。由于集氣站和處理中心的運行工況普遍比較穩定，在較短的時間段內采用壓力表口實時取樣分析仍可用于橫向比較不同節點的濃度差異。

所采用的光學顆粒物檢測方法只計量進入光學測量區域的顆粒粒徑并計數，不能區分顆粒物雜質中的液體和固體組分，即所測得的計數濃度是包括粉塵、游離水和潤滑油的總濃度，根據每個顆粒的粒徑和平均密度累計計算得到質量濃度，測試結果見表1。

表1 煤層氣集輸系統多個節點的顆粒物雜質濃度

測試結果發現，兩座集氣站的出站濃度明顯均高于進站濃度，這是由于兩座集氣站的壓縮機上游均設有重力分離器和過濾分離器，下游無過濾分離設備，而壓縮過程析出了大量游離水，并夾帶出潤滑油，未經處理就進入出站管道。對比兩座集氣站出站管路和處理中心的集氣站來氣管路發現，集氣站1來氣濃度降低約70%，集氣站2來氣濃度降低約20%，因集氣站1距離處理中心約20km，而集氣站2距離處理中心約2km。由此證明大量油污雜質沉積在集氣站至處理中心的集輸管道，需要增大清管頻率和工作量以保證管道集輸效率。

對比處理中心的進站過濾器及出站過濾器的進口和出口質量濃度，發現兩臺過濾器的分離效率分別為72%和31%，這一結果明顯低于技術指標要求，尤其是出站過濾器的實際運行效果不理想，使得從出站過濾器逃逸的油污雜質污染了下游三甘醇脫水裝置，進而造成了前面所述的諸多問題。

1.2 雜質組分分析

從集輸系統的多個集輸節點取得了雜質樣品，取樣位置包括分離器、收球筒、生產污水池等。所得樣品預處理流程為：采用四氫呋喃有機溶劑浸泡，置于在磁力攪拌器上以轉速200 r/min攪拌12h，然后通過濾紙過濾得到固體雜質，置于真空干燥箱內干燥3h以上，而后在研缽中研磨充分。處理后的樣品借助集成了X射線能譜儀的場發射式掃描電鏡(日本Hitachi S-4800)、X射線熒光光譜儀(日本Rigaku ZSX Primus II)，獲得了顆粒物雜質中主要元素及含量見表2。

表2 煤層氣集輸系統內多個節點的油污雜質元素分析

分析結果發現，固體雜質中的主要元素為Fe、C、O和S，但不同位置的各元素的比重有較大差異。集氣站3和4同屬于一個采氣區塊，不同元素的比重接近，與另一采氣區塊的集氣站5主要差異在C和S元素。處理中心的雜質樣品均為黑色，Fe元素占比有明顯增加，且固體顆粒中比重90%以上具有鐵磁性。

利用X射線衍射儀(日本Rigaku D/max-rA)和PDF-2粉末衍射數據庫，得出處理中心生產污水池中無機礦物質主要由硫復鐵礦(Fe3S4)、菱鐵礦(FeCO3)、四方硫鐵礦((Fe,Ni)9S8)、石英(SiO2)等，所占比重分別為51%、28%、13%和8%。

綜合以上分析發現，集氣站壓縮機之前的固體雜質主要組分為從井口帶出的煤粉和無機礦物質，經過增壓到達處理中心時，固體雜質以管道腐蝕產物為主，而液體雜質新增了潤滑油。由于不同集輸節點的雜質物性差異較大，在雜質分離設備及元件設計時應考慮雜質組分的差異。

2 雜質處理工藝流程改進

針對現有技術不能有效分離煤層氣集輸系統內的顆粒物雜質的現狀，基于煤層氣田地面集輸過程常用的井-閥組-集氣站-處理中心的四級節點、兩級壓縮的集輸模式，提出了一套逐級分離不同類型顆粒物雜質的處理工藝(圖1)，主要包括煤層氣井口管道分離器、閥組管道過濾器、集氣站進站臥式過濾器(氣體外進內出)、集氣站出站多管超音速分離器、處理中心進站三相分離器、處理中心出站聚結過濾器(氣體內進外出)等。

圖1 煤層氣地面集輸系統不同類型顆粒物雜質逐級處理工藝

圖2 煤層氣井口管道分離器示意圖

由于煤層氣采用排水采氣的工藝，井口煤層氣普遍夾帶有游離水，容易沉積在管徑較小且隨著地形起伏的井口至閥組管線，增大輸送阻力。可在井口采用壓力損失較小的慣性分離器去除游離水，宜選用折流板或旋流器改變一定角度的氣流方向，利用慣性力作用下液滴與氣體實現分離(圖2)。例如閥組管道過濾器是在氣量達到一定規模后，集中處理煤層氣中的粉塵雜質和調壓析出的游離水。可充分利用閥組現有的水平直管段，改造為兩套過濾器并聯的模式，根據氣量選擇一用一備或兩套全開，能在拆裝其中一套過濾元件時確保有一套正常運行。過濾元件宜選用不銹鋼絲網材質的濾筒，可沖洗后重復使用，盡量降低運行成本。

圖3 煤層氣地面集輸系統顆粒物雜質處理工藝效果

現有煤層氣集氣站在壓縮機前設置有重力分離器以及氣流沿過濾元件內進外出的立式過濾器。根據顆粒物在線測試結果，集氣站進站管道內普遍沒有粒徑大于10μm的顆粒，且主要集中在2μm以下，即存在重力分離器未起作用，而立式過濾器的過濾元件更換頻率過高的問題。因此，可撤銷重力分離器，在壓縮機前安裝臥式過濾分離器，氣流沿過濾元件外進內出，可相對延長過濾元件使用壽命。

壓縮機后管道內形成氣液固多相流，且液相同時含有潤滑油和游離水，分離難度更大。現有技術常采用顆粒過濾器或氣液聚結過濾器，但普遍存在粉塵擁堵導致過濾元件更換頻繁，或者過濾效率不理想過濾設備形同虛設的情況。針對這一工況，宜采用超聲速旋流分離器，通過在分離通道內部極短的時間內動態調節壓縮機后氣體的氣速、壓力和溫度，及時析出游離水，并使顆粒物雜質團聚，可同時降低水露點和烴露點。該分離器可同時設置于集氣站和處理中心的壓縮機后，實現油污雜質與氣相的高效分離，但該分離器會造成10%～20%的氣體壓力損失，在設計具體結構和性能參數時需與壓縮機運行特性、外輸氣質要求相結合。

處理中心有多條集氣站的進站管道，需經常清管作業，因此需設置納污量較大的立式三相分離器。在一個分離器筒體內集成導流、預分離和過濾組件，同時起到段塞流捕集和保護壓縮機的目的。此外，保證三甘醇脫水裝置正常運行和煤層氣外輸氣質的關鍵是處理中心出站過濾器，而過濾分離器的核心是過濾元件。現有處理中心出站過濾器為濾芯臥式設置、氣流由濾芯外進內出，難以有效分離大量液體雜質，應設置為立式、氣流由濾芯內進外出的形式，并選用不同于氣固過濾濾芯的氣液聚結濾芯。

綜上所述，基于煤層氣田地面集輸過程常用的井-閥組-集氣站-中央處理廠的四級節點、兩級壓縮的集輸模式，提出了一套逐級分離不同類型顆粒物雜質的處理工藝，相比于現有工藝，可帶來的有益效果如圖3所示，具體包括：通過分離設備過濾管道內顆粒物雜質，降低管道沿線雜質沉積；實現管道內雜質分級收集，降低清管作業頻率，提高集輸效率；保護壓縮機等關鍵設備，保證流量計正常運行，避免經濟損失。

3 壓縮機后過濾器濾芯改進

目前，處理中心的進站過濾器和出站過濾器采用了同樣規格的濾芯，但通過表1發現過濾器的顆粒物分離效率均不理想。因此，通過測試在用濾芯的過濾性能，分析濾芯存在的問題，并針對性的提出改進方案，是最為經濟可行的解決方案。

首先，收集到處理中心現場已使用濾芯和同規格的潔凈狀態濾芯。由于濾芯強度不足以承受濾芯前后的阻力，現場已使用濾芯為壓潰狀態，外表面被油污雜質覆蓋，但兩端端蓋尚滿足密封要求。然后，采用標準SY/T 7034—2016 《管道站場用天然氣過濾器濾芯性能試驗方法》，利用天然氣濾芯性能評價裝置，在同樣測試條件下(表觀氣速0.1 m/s，選用ISO 12103-1 A2標準試驗粉塵)，得到了兩支濾芯的初阻力和粉塵透過率(表3)。由測試結果發現現場使用后的濾芯阻力增大了將近7倍，此時濾芯已被壓潰，難以滿足更換壓差為100 kPa的指標要求。潔凈狀態濾芯對粒徑為0.3μm以上粉塵的穿透率大于1%，雖然已使用濾芯的粉塵穿透率明顯降低，但這是附著在過濾材料上的雜質起到的過濾強化作用。

表3 處理中心濾芯的過濾性能測試結果

針對現場在用濾芯的問題，對濾芯做的改進如圖4a所示。在濾芯外側設置雙層金屬骨架，既能增強濾芯強度，也能對濾芯上方沉降的油污導流，避免再次進入濾芯內部(圖4b)。在濾芯外骨架上鑲嵌較密集的永磁球體陣列，可將具有鐵磁性的固體雜質攔截，避免雜質集中擁堵在過濾材料的表面，效果如圖4c所示，永磁球體不僅可以吸附骨架外側沉積的粉塵，也可吸引已通過氣流通道進入骨架內側的粉塵，起到延緩濾芯壓降增長的作用。最后，采用亞微米級纖維的聚結層與排液層過濾材料，提高對細微液滴的過濾精度。在同樣的實驗室測試條件下，改進后濾芯的初阻力與在用濾芯相比增加了一倍，但過濾效率有顯著提升，如表3所示。

圖4 改進后濾芯結構及使用效果示意圖

為評價改進后濾芯在現場的實際應用效果，選取處理中心兩臺并聯運行的1號和2號出站臥式過濾器開展對比試驗，1號過濾器安裝改進后濾芯、2號過濾器安裝在用濾芯，各可安裝濾芯36支。兩臺過濾器日處理能力均為3.20×106m3，運行工況相近，雜質組成為粉塵、水和潤滑油的混合物。在三個月的現場試驗中運行平穩，改進后的濾芯在拆下時外觀保持良好。通過對分離器前后管道內的顆粒物在線檢測，發現試驗過濾器的整體分離效率保持在85%以上，而同一時間與其并聯運行裝有在用濾芯的過濾器效率約為65%。