天然氣濾芯性能試驗方法的探討

張昱威，李方俊

（北京化工大學(xué)， 北京100029）

天然氣濾芯性能試驗方法的探討

張昱威，李方俊

（北京化工大學(xué)， 北京100029）

天然氣需求量的快速增加，為天然氣管網(wǎng)的建設(shè)與開發(fā)提供了巨大的發(fā)展空間。而天然氣管道中的污染物雜質(zhì)會對天然氣管線及儀表設(shè)備等安全運行產(chǎn)生不利影響。天然氣濾芯是去除天然氣污染物的主要元件，其性能好壞直接影響到管道與設(shè)備的穩(wěn)定運行。研究了現(xiàn)有天然氣濾芯性能試驗方法，在分析濾芯實際工作條件與運行狀況的情況下，提出將容塵效率測試加入到天然氣濾芯性能測試中，并給出了新的天然氣濾芯測試方法和流程。該方法更能體現(xiàn)天然氣濾芯在實際工況下的過濾效率，對天然氣濾芯測試和新型天然氣濾芯的研發(fā)，有一定的指導(dǎo)意義。

天然氣濾芯；天然氣凈化；濾芯性能測試方法；容塵效率

天然氣由于其清潔化、高效化、低碳化的優(yōu)點，成為當(dāng)今最重要的化石能源之一。而隨著天然氣開采和需求量的不斷升高越來越多的天然氣輸送管道和沿途壓氣站被建成。自1963年我國建成第一條現(xiàn)代天然氣管道巴渝線以來，經(jīng)過50多年的發(fā)展，截至 2012年底，我國已建成天然氣主干道總里程約5.5萬km，初步形成了“西氣東輸、北氣南下、海氣上岸、就近供應(yīng)”的輸氣格局[1]，表 1介紹了國內(nèi)已建和在建天然氣管線的相關(guān)情況。

天然氣輸送管道中的污染物雜質(zhì)會對管道及沿途儀表設(shè)備的安全運行帶來危害，因此，采用天然氣過濾器和氣液聚結(jié)分離器對天然氣進(jìn)行凈化處理，而濾芯是其進(jìn)行天然氣凈化的核心元件，濾芯在使用過程中的性能好壞直接影響到管道與設(shè)備的穩(wěn)定運行，所以需要對天然氣濾芯的性能測試方法進(jìn)行研究。

表1 國內(nèi)已建和在建天然氣管線Table 1 Domestic natural gas pipelines

1 天然氣污染物的危害及去除措施

天然氣在管道運輸?shù)倪^程中會夾帶固體粉塵，同時也會有硫化氫、凝析油、水等液態(tài)污染物。這些污染物會對天然氣管道以及管道沿線的壓氣站設(shè)備和儀表造成不利影響。天然氣管道中氣流速度較快，固體顆粒在高速氣流的作用下，會對天然氣管道內(nèi)壁造成沖蝕磨損，管道中的顆粒物會堵塞管路或設(shè)備儀表的采樣口，使得儀表測量發(fā)生偏差或失效，造成安全隱患。同時天然氣管道中的顆粒雜質(zhì)會對壓氣站中的壓縮機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)葉片造成沖蝕磨損，并在局部葉片迎風(fēng)表面形成結(jié)垢，使壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不平衡，嚴(yán)重時會振動超限而被迫停機(jī)。天然氣中的硫化氫和水發(fā)生反應(yīng)會形成酸性環(huán)境，對天然氣管道和設(shè)備部件，例如壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等都會造成腐蝕，易引發(fā)安全事故。同時管道中的液態(tài)污染物在溫度降低時極易凝結(jié)，甚至造成冰堵[2]，使管路的輸送阻力增大。

天然氣管道中的固態(tài)顆粒和液態(tài)污染物的過濾十分重要?，F(xiàn)在較成熟的解決方案是使用過濾分離器和氣液聚結(jié)分離器對固態(tài)顆粒和液態(tài)污染物進(jìn)行去除[3]。過濾分離器主要是臥式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有過濾濾芯及除霧裝置，主要用來去除天然氣中較小粒徑的固體粉塵和較大粒徑的液滴。氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入過濾分離器，從濾芯外部流入濾芯內(nèi)部，固體顆粒和液滴被過濾去除。氣液聚結(jié)分離器一般是立式結(jié)構(gòu)，氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入后首先經(jīng)過下部的旋風(fēng)分離器去除氣流中粒徑較大的固體顆粒，之后從濾芯內(nèi)部流入濾芯外部，依靠濾芯聚結(jié)層去除氣流內(nèi)部的小液滴及固體顆粒。過濾分離器和氣液聚結(jié)分離器的應(yīng)用可以有效分離出天然氣中的粉塵和小液滴，保護(hù)輸氣管道、儀表以及壓縮機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備，其在天然氣現(xiàn)場中的應(yīng)用見圖1所示。

圖1 天然氣凈化流程Fig.1 Natural gas purification

2 天然氣濾芯性能測試方法及其問題

國內(nèi)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6883-2012《輸氣管道工程過濾分離設(shè)備規(guī)范》[4]中對天然氣濾芯性能測試方法進(jìn)行了規(guī)定，其將天然氣濾芯測試分為氣固分離性能測試和氣液分離性能測試兩部分。

濾芯氣液分離性能測試方法采用清潔空氣作為測試氣源，首先對濾芯進(jìn)行流量壓降關(guān)系測試，啟動風(fēng)機(jī)，逐漸開啟控制閥門增大氣體流量，同時記錄各對應(yīng)氣量下濾芯的壓降值，達(dá)濾芯規(guī)定的最大允許壓降值（一般為1.2倍額定流量下的壓降）后，逐漸關(guān)閉調(diào)節(jié)閥門減小氣體流量，同時記錄各對應(yīng)氣量下濾芯的壓降值。重復(fù)上述步驟，直到各次測量數(shù)值穩(wěn)定為止。 然后測試濾芯清潔效率，使用氣溶膠發(fā)生器發(fā)生液態(tài)氣溶膠 DEHS（癸二酸二辛脂）。使用激光粒子計數(shù)器測量濾芯上下游粒子數(shù)計算出濾芯清潔效率。清潔效率測試完后還要求測試濾芯的穩(wěn)態(tài)效率。對于氣液分離性能測試，濾芯穩(wěn)態(tài)效率要求2 h內(nèi)濾芯壓降變化不大于2%時的效率。濾芯氣液分離性能測試要求在測試濾芯清潔效率和穩(wěn)態(tài)效率的過程中測出濾芯上、下游粒徑≥0.3 μm、≥0.5μm、≥1.0μm和≥2.0μm的粒子計數(shù)濃度作為該濾芯的氣液分級效率。

濾芯氣固分離性能測試方法采用清潔空氣作為測試氣源，首先也要對濾芯進(jìn)行流量壓差關(guān)系測試，測試方法同氣液分離性能測試相同。完成后進(jìn)行濾芯清潔效率測試，選用ISO 12103標(biāo)準(zhǔn)A2粉塵作為試驗用粉塵。使用激光粒子計數(shù)器測量濾芯上下游粒子數(shù)計算出濾芯清潔效率。最后進(jìn)行濾芯的穩(wěn)態(tài)效率測試。對于氣固分離性能測試，其穩(wěn)態(tài)效率是指2 h內(nèi)出口顆粒濃度大小波動不大于5%。濾芯氣固分離測試要求在測試濾芯清潔效率和穩(wěn)態(tài)效率時測出粒徑大于或等于1μm、3μm、5μm的粒子計數(shù)濃度作為該濾芯的氣固分級效率。

天然氣濾芯主要分為過濾濾芯和聚結(jié)濾芯兩種，過濾濾芯主要由內(nèi)襯骨架、過濾層和密封結(jié)構(gòu)等組成，天然氣由外向內(nèi)通過濾芯，利用過濾層攔截和吸附固體粉塵及粒徑較大液滴，聚結(jié)濾芯結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)襯骨架、聚結(jié)層、脫液層和密封結(jié)構(gòu)等組成，天然氣由內(nèi)向外通過濾芯，氣體中的小液滴在聚結(jié)層表面被纖維攔截并吸附而在纖維間形成水膜，在氣流作用下水膜脫離吸附，小液滴之間互相碰撞后聚結(jié)成大液滴，當(dāng)液滴的重力大于氣體的浮力時，液滴就從脫液層脫落下來，而氣體則從濾芯的外表面排出，從而達(dá)到氣液分離的目的。

過濾濾芯在使用過程中過濾層表面不斷累積粉塵，形成濾餅，根據(jù)相關(guān)研究表明，濾餅層對小于濾網(wǎng)孔徑的細(xì)顆粒的過濾發(fā)揮著重要的作用[5]。這時整個濾芯的過濾效果是由濾餅的過濾效果和濾芯過濾介質(zhì)深層過濾綜合作用的結(jié)果，所以濾餅對于過濾效率的影響都是不容忽視的，而濾芯在不同壽命階段，濾餅的厚度、結(jié)構(gòu)以及其中粉塵的粒度分布都各不相同，對于不同壽命階段的濾芯過濾效率也應(yīng)該考慮濾餅和過濾濾芯的綜合過濾效果。

聚結(jié)濾芯主要是靠聚結(jié)原理分離天然氣中的細(xì)小液滴，小液滴聚結(jié)成大液滴后從天然氣中分離出來。聚結(jié)濾芯在實際使用中，表面也會有濾餅層的產(chǎn)生，隨著含粉塵及液滴的天然氣不斷經(jīng)過聚結(jié)濾芯，濾芯表面濾餅中的粉塵含量以及液體飽和度都會發(fā)生變化，對于之后濾芯的聚結(jié)過程會造成影響。

綜上所述，天然氣濾芯性能測試充分考慮到了濾芯對固體顆粒和液體顆粒過濾效果的差異性，但其效率測試也僅僅是測試清潔效率和穩(wěn)態(tài)效率，僅僅測量濾芯的清潔效率并沒有考慮到濾餅對于天然氣濾芯過濾效率的影響，而這里的穩(wěn)態(tài)效率還只是濾芯在2 h時內(nèi)濾芯壓差或下游顆粒物濃度不在較大變化時的效率，并沒有考慮天然氣濾芯在整個壽命周期內(nèi)對顆粒效率的變化情況，所以需要對濾芯進(jìn)行全壓差條件下的天然氣濾芯性能測試，來考察濾芯在不同壽命階段的過濾效率（圖2）。

圖2 實際工況下的濾芯Fig.2 Filter element in actual working condition

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，濾芯內(nèi)部過濾層表面布滿了泥沙等污染物，圖2為某壓氣站現(xiàn)場拆下的濾芯，濾芯通常在很臟的環(huán)境下工作，在這種情況下濾芯的效率能否達(dá)到天然氣凈化的要求，同時濾芯在過濾的過程中表面不斷的積累粉塵，壓差不斷升高，這也必然會影響到濾芯的過濾效率，綜上所述需要對濾芯進(jìn)行全壓差范圍下的性能測試來“模擬”濾芯在實際較臟工況下，不同累積粉塵量的過濾性能評價，只是對清潔濾芯的效率進(jìn)行評價與現(xiàn)場的實際工況不是很相符。

考慮對天然氣濾芯加入容塵效率測試，來“模擬”天然氣濾芯在現(xiàn)場使用工況下，不同壽命階段的效率情況。容塵效率測試采用 A2標(biāo)準(zhǔn)粉塵作為人工粉塵，模擬工況條件下的污染物，一般天然氣濾芯的更換壓差不大于 120 kPa，即濾芯終阻力為120 kPa，則第一次發(fā)塵應(yīng)在濾芯壓差達(dá)到終阻力的25%時，即30 kPa停止發(fā)塵，然后測量一次計數(shù)效率，之后在達(dá)到50%、75%、100%終阻力，即60、90、120 kPa時停止發(fā)塵，測量相應(yīng)計數(shù)效率。氣液分離性能試驗時，采用DEHS液態(tài)氣溶膠作為效率測試用氣溶膠。而氣固分離性能試驗時，與 SY/T 6883不同，考慮采用KCL顆粒作為氣固分離效率用粉塵，因為氣溶膠發(fā)生器發(fā)生的固體KCL顆粒粒徑在0.3 ～10μm之間，而標(biāo)準(zhǔn)A2粉塵的顆粒分布在1～120μm，而氣固分級效率主要是粒徑大于或等于1、3、5μm的粒子計數(shù)濃度，標(biāo)準(zhǔn)A2粉塵的粒徑分布太寬泛，而且在5μm以下的顆粒最大僅占總體積的36%，不如KCL顆粒對于分級粒徑的針對性更好。將不同容塵階段效率的進(jìn)行平均，作為進(jìn)行濾芯效率分級的依據(jù)。容塵效率測試的加入，使得對于天然氣濾芯性能的評價變得更加的全面和完整。

3 天然氣濾芯性能試驗方法的改進(jìn)

基于以上討論，本文擬對天然氣濾芯性能測試方法提出新的測試方法，下面對于該測試流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，具體實驗流程見表2所示。

Discussion on Test Method for Performance of Natural Gas Filter

ZHANG Yu-wei，LI Fang-jun

（Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China）

The rapid increase in demand for natural gas provides a great development space for the construction and development of the natural gas pipeline. But the natural gas pipeline pollutant impurities will have adverse effect on the safe operation of natural gas pipeline and instrumentation equipment. Natural gas filter is the main component of purifying natural gas pollutant, its performance directly affects the stability of the pipeline and equipment operation. In this paper, the existing natural gas filter performance test method was studied. Through analyzing the actual working conditions and operating conditions of the filter, it's put forward that dust-holding efficiency test should be added to the natural gas filter performance tests, and the new natural gas filter testing method and procedure were determined. This method can reflect the filtration efficiency of natural gas filter in the actual working conditions, and it has certain guiding significance for the research of the natural gas filter and the development of the new natural gas filter.

natural gas filter; natural gas purification; filter performance test method; dust holding efficiency

表2 天然氣濾芯性能測試流程Table 2 Natural gas filter performance testing process

TE93

A

1671-0460（2016）12-2856-04

2016-05-18

張昱威（1990-），男，碩士，2016年畢業(yè)于北京化工大學(xué)，研究方向：天然氣過濾。E-mail：309637701@qq.com。