高壓天然氣含油檢測及在除油效果評價中的應(yīng)用

張波，冉紅斌，馮丞科，王俊超，謝強(qiáng)，何鑫，龍儼麗

（中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 401147）

氣體中含油量過大，會嚴(yán)重影響氣體產(chǎn)品的傳熱與傳質(zhì)過程，降低其使用性能[1-2]。因此，定期檢測含油量以及進(jìn)行除油是氣體產(chǎn)品生產(chǎn)使用過程的重要環(huán)節(jié)。

氣體中的油分主要包括以液體微粒存在的氣溶膠和以氣態(tài)大分子烴存在的油蒸氣[3]。目前，油含量主要通過吸收液或吸附材料結(jié)合分析設(shè)備進(jìn)行定量檢測，常用的檢測方法有紅外分光光度法、紫外分光光度法、氣相色譜法、檢氣管法等[4-5]。王國軍[6]對紅外分光光度法采用一次萃取，直接在普通漏斗中吸水和吸附，簡單、快速地測定水和廢水中的油類，取得了良好的效果。劉再華等[7]改進(jìn)了紫外分光光度法，驗(yàn)證了其在氦氣、氮?dú)饧翱諝庵杏秃繖z測的可行性。

氣體的除油裝置是氣體產(chǎn)品的重要組成部分，通過一定的方法將油分與氣體進(jìn)行分離，從而實(shí)現(xiàn)氣體的提純。目前，除油裝置得到了一定的研究與應(yīng)用。劉中海等[8]將除油裝置應(yīng)用到聚氯乙烯氣體的提純，使其含油量控制在0.1×10-6內(nèi)。李志杰等[9]應(yīng)用精濾除油技術(shù)對凈化濾油設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，并在高壓機(jī)出口氣體中驗(yàn)證了其良好的除油效果。

高壓天然氣是城市天然氣中的樞紐，布置點(diǎn)多、覆蓋面廣，起著城市天然氣調(diào)壓、調(diào)峰、配氣、輸送的作用[10]。對于高壓天然氣的含油量檢測，目前還沒有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，其研究與應(yīng)用正在逐步探索中。文中針對重慶相國寺儲氣庫設(shè)備，設(shè)計了一套高壓天然氣含油量檢測及除油器除油效果評價方案，并對現(xiàn)場裝置進(jìn)行了試驗(yàn)與分析。

1 天然氣含油量檢測

天然氣中油的質(zhì)量濃度一般在每立方米幾十毫克以下，組成成分復(fù)雜，無法通過直接測定的方法來定量檢測。需要預(yù)先對天然氣進(jìn)行油分取樣，然后對油分樣本使用紅外分光光度法等方法進(jìn)行計算，從而得到天然氣的油含量。

1.1 油分吸附取樣

天然氣的油分取樣通常采用吸附的方法，通過對油分吸附性強(qiáng)的材質(zhì)將油分從氣體中吸收并提濃。主要的吸附取樣方法有溶劑吸附、纖維材料吸收、冷凝富集吸附等[11]。

纖維材料直徑小，比表面積大，具有更快的吸附速度與能力，在氣體油分吸附取樣中應(yīng)用廣泛。纖維材料吸附即在取樣管中充填一定量的纖維材料（脫脂棉、玻璃纖維、聚丙烯纖維等），取樣時讓天然氣以一定的流速通過取樣管，并用濕式氣體流量計記下氣體的取樣體積。氣體中的油分被吸附材料吸附下來，再通過有機(jī)溶劑將其溶解后測定。

纖維材料吸附通常能取得良好的效果，但對粒徑在0.1 μm 以下的微量油分卻很難吸附。研究表明，結(jié)合定量濾紙與纖維材料，在纖維材料吸附管內(nèi)兩端各加上兩層定量濾紙，與其共同組成油分吸附取樣系統(tǒng)的吸附效果會顯著提高[12]。

1.2 紅外分光光度法

紅外分光光度法是以油品中的某些基團(tuán)對紅外光的特征吸收為基礎(chǔ)，通過最基本的光吸收規(guī)律——比爾定律來進(jìn)行定量的[13]。采用四氯化碳萃取油類物質(zhì)，測定總萃取物，然后將萃取液用硅酸鎂吸附，經(jīng)脫除動植物油等極性物質(zhì)后，通過不同波段光譜的吸光度來測定油分含量。操作簡單、抗干擾、靈敏度高、不受油分結(jié)構(gòu)的限制、適用范圍廣，是目前應(yīng)用最廣泛的氣體含油量檢測方法。

天然氣中油分組成成分主要是長鏈烷烴以及少量的芳烴。烷烴中的CH3、CH2、CH 等是紅外分光光度法檢測的基礎(chǔ)[14]，因此紅外分光光度測油儀更適合天然氣氣體中含油量的檢測。

2 高壓天然氣含油量檢測及除油器除油效果評價

高壓天然氣含油量一般都較低，檢測下限要求也很嚴(yán)格，一般小于0.1 mg/L。文中基于此設(shè)計了高壓天然氣減壓油分取樣、萃取油量檢測以及除油效果評估等方法為一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.1 減壓取樣方法

為了更精確檢測現(xiàn)場天然氣的含油量，保證取樣安全有效，采用兩級減壓后進(jìn)行天然氣取樣，實(shí)時記錄取樣管線流速及流量。同時為避免管壁內(nèi)依附的潤滑油進(jìn)入取樣管線，影響取樣準(zhǔn)確性，取樣管應(yīng)插入管道中部。取樣管下方安裝進(jìn)氣開關(guān)、一級減壓閥、二級減壓閥、放空閥、取樣濾膜與流量計。在除油器出口管道以同樣方式安裝取樣實(shí)驗(yàn)裝置。

除油器前端減壓取樣實(shí)驗(yàn)方案如圖1 所示，經(jīng)過壓縮機(jī)組增壓后的高壓天然氣進(jìn)入主管道，主管道出口端與除油器連接，取樣管安裝于主管道中部，如圖2 所示。

圖1 減壓取樣

正式取樣前，連接好取樣設(shè)備，通過旁路沖刷放空3 h，其目的是讓整個檢測管線內(nèi)壁含油狀態(tài)達(dá)到飽和，避免因內(nèi)壁對含油天然氣油量的吸附作用使實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差。然后緩慢打開取樣閥，含油天然氣經(jīng)過濾膜，計量取樣。天然氣進(jìn)氣壓力為20 MPa，通過一級減壓閥減壓至2 MPa，二級減壓閥減壓至0.3～0.4 MPa。取樣流量為18～20 L/min，取樣時間為30～50 min。除油器前后兩檢測點(diǎn)同時進(jìn)行取樣。

圖2 取樣管取樣位置（管道中部）

2.2 萃取檢測

將油分試樣取出，放入萃取燒杯中，用量筒量取萃取劑，放入燒杯中。放置一段時間，使萃取劑充分萃取油分。充分萃取后，將含油萃取劑倒入量筒中，用萃取劑稀釋。將稀釋后溶液倒入比色皿中，然后將比色皿放入基于紅外分光光度法的油分濃度分析儀中，從而測量得到高壓天然氣的含油量。萃取檢測過程如圖3 所示。

圖3 萃取檢測過程

2.3 除油效果評估

在除油器前后兩端以相同方式安裝油分取樣裝置，并同時采集。使用相同萃取劑與油分濃度分析儀，使用相同方法測定，并對比除油器前后端高壓天然氣的油含量，以此來評估除油器的除油效果。除油器前后端取樣點(diǎn)安裝如圖4 所示。

圖4 除油器前后端取樣點(diǎn)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)重慶市相國寺儲氣庫除油器現(xiàn)場流程及注氣要求，測定壓縮機(jī)出口和除油器出口的天然氣中的含油量是判斷除油器處理是否達(dá)標(biāo)的一個重要指標(biāo)。以重慶市相國寺儲氣庫除油器為對象，根據(jù)檢測需求優(yōu)選檢測儀器，同時根據(jù)減壓取樣—萃取檢測—除油效果評估的檢測流程對除油效果進(jìn)行相關(guān)測試與分析。

3.1 檢測儀器

為準(zhǔn)確檢測天然氣中的含油量，選用HORIBA OCMA-555 的紅外分光光度油分濃度分析儀。該分析儀量程為0～200 mg/L，精度誤差為0.1 mg/L，滿足檢測基本需求，萃取劑采用油份抽出專用溶媒——H-997，其具有無毒、沸點(diǎn)高、不易燃、與天然氣不相溶等優(yōu)點(diǎn)，是配套的最佳吸收溶劑。分析儀如圖5 所示。

圖5 油分分析儀

如圖6 所示，玻璃纖維萃取濾膜呈化學(xué)惰性，不含粘合劑，采用100%硼硅酸玻璃纖維制造而成。具有毛細(xì)纖維結(jié)構(gòu)，能吸附比同等纖維素濾紙更多的水分，流速快，耐高溫，安裝于除油器前后的取樣檢測點(diǎn)。比色皿用來裝樣品液，與上述油品分析儀配套使用。為保證測量準(zhǔn)確，比色皿兩透光面需保持平行，保證入射光垂直于透光面[9]。

圖6 玻璃纖維萃取濾膜與檢測比色皿

3.2 檢測結(jié)果分析

針對重慶市相國寺儲氣庫除油器設(shè)計的檢測現(xiàn)場如圖7 所示。現(xiàn)場檢測工況見表1，檢測結(jié)果見表2。

圖7 現(xiàn)場檢測

表1 現(xiàn)場檢測工況

表2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

通過對4—8 號機(jī)組運(yùn)行工況下除油器的除油效果進(jìn)行檢測，在該測試工況運(yùn)行條件下，除油器有一定除油效果，但除油效率較低。通過除油器后的壓縮天然氣含油量較高，體積分?jǐn)?shù)最小值為7.7×10-6，最高值為 12.1×10-6，遠(yuǎn)超除油器技術(shù)協(xié)議規(guī)定的4×10-6。檢測結(jié)果表明，除油器出口端含油量超過設(shè)計指標(biāo)2～3 倍，除油效果較差。相國寺儲氣庫單臺壓縮機(jī)組每天消耗潤滑油44 L，增壓處理氣量160×104m3。通過計算，每方天然氣含油量（體積分?jǐn)?shù)）為12.0×10-6，與檢測結(jié)果比較接近，檢測結(jié)果可靠。

圖8 除油器進(jìn)出口含油檢測結(jié)果對比

對相國寺儲氣庫除油器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，除油器設(shè)置6 組聚結(jié)濾芯，經(jīng)計算，聚結(jié)濾芯表面過濾含油天然氣流速約為0.0782 m/s，超過SY/T 6883-2012《輸氣管道工程過濾分離設(shè)備規(guī)范》[10]規(guī)定的濾速（0.06 m/s）。因此造成聚結(jié)濾芯聚結(jié)功能降低，過濾效率不能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，進(jìn)而造成除油器出口端含油量超標(biāo)。

4 結(jié)論

1）國內(nèi)外少有提出對壓縮機(jī)組增壓后天然氣含油量系統(tǒng)的檢測方法，文中基于此提出了減壓取樣、萃取檢測的天然氣含油量檢測方法，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確測定高壓天然氣的含油量。

2）通過現(xiàn)場檢測得出，目前使用的除油器的除油效率普遍較低，其平均值為13.46%，不足以達(dá)到除油器技術(shù)協(xié)議的規(guī)定值。

3）將所提油量檢測方法用于除油效果評估，現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。通過對除油器結(jié)構(gòu)分析及天然氣流速計算，得出出口端含油量超標(biāo)的原因。