煤層氣集輸系統(tǒng)油污雜質(zhì)凈化工藝評(píng)價(jià)及改進(jìn)

劉紅霞 劉 震 仝世偉 安玉敏 李詠梅 薛 楊

(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 046000；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)基地，山西 046000；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院/過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200)

1 油污雜質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

沁水盆地某煤層氣田地面集輸系統(tǒng)采用井口-閥組-集氣站-處理中心的四級(jí)集輸方式。集氣站設(shè)有往復(fù)活塞式壓縮機(jī)對(duì)工藝氣體由低于0.2MPa增壓至約1.0MPa，處理中心設(shè)有往復(fù)活塞式壓縮機(jī)將工藝氣體由約1.0MPa增壓至約5MPa，在壓縮機(jī)上游設(shè)有進(jìn)站臥式過(guò)濾器，下游設(shè)有出站臥式過(guò)濾器和三甘醇脫水裝置。油污雜質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在集氣站至處理中心的管道中存在雜質(zhì)夾帶和沉積現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該處理中心有六條來(lái)自集氣站的管線，每年清管作業(yè)收集到油污雜質(zhì)約60t。二是處理中心站外輸至天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體中仍然存有一定量雜質(zhì)，在部分極端情況下導(dǎo)致了下游天然氣輸氣站的壓縮機(jī)非正常停機(jī)、被迫降低輸氣量乃至停輸。

1.1 雜質(zhì)濃度檢測(cè)

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6892—2012《天然氣管道內(nèi)粉塵檢測(cè)方法》，采用天然氣管道內(nèi)顆粒物在線檢測(cè)裝置方法，對(duì)兩條集氣站至處理中心的管線、處理中心站內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了管輸氣體中的顆粒物雜質(zhì)濃度檢測(cè)。因現(xiàn)場(chǎng)未預(yù)留等速取樣口，取樣方式為從相應(yīng)位置的壓力表口引出氣體，通過(guò)在線檢測(cè)后將樣品氣引至安全區(qū)域放空。相比于將取樣嘴探入管道內(nèi)部的等動(dòng)取樣方法取得的是管道內(nèi)部較有代表性的流動(dòng)氣體，壓力表口取樣主要來(lái)自管道內(nèi)壁附近流動(dòng)相對(duì)緩慢的氣體，所測(cè)得的顆粒物濃度相比實(shí)際值會(huì)有一定的降低。由于集氣站和處理中心的運(yùn)行工況普遍比較穩(wěn)定，在較短的時(shí)間段內(nèi)采用壓力表口實(shí)時(shí)取樣分析仍可用于橫向比較不同節(jié)點(diǎn)的濃度差異。

所采用的光學(xué)顆粒物檢測(cè)方法只計(jì)量進(jìn)入光學(xué)測(cè)量區(qū)域的顆粒粒徑并計(jì)數(shù)，不能區(qū)分顆粒物雜質(zhì)中的液體和固體組分，即所測(cè)得的計(jì)數(shù)濃度是包括粉塵、游離水和潤(rùn)滑油的總濃度，根據(jù)每個(gè)顆粒的粒徑和平均密度累計(jì)計(jì)算得到質(zhì)量濃度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤層氣集輸系統(tǒng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的顆粒物雜質(zhì)濃度

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩座集氣站的出站濃度明顯均高于進(jìn)站濃度，這是由于兩座集氣站的壓縮機(jī)上游均設(shè)有重力分離器和過(guò)濾分離器，下游無(wú)過(guò)濾分離設(shè)備，而壓縮過(guò)程析出了大量游離水，并夾帶出潤(rùn)滑油，未經(jīng)處理就進(jìn)入出站管道。對(duì)比兩座集氣站出站管路和處理中心的集氣站來(lái)氣管路發(fā)現(xiàn)，集氣站1來(lái)氣濃度降低約70%，集氣站2來(lái)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(zhì)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(duì)比處理中心的進(jìn)站過(guò)濾器及出站過(guò)濾器的進(jìn)口和出口質(zhì)量濃度，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)過(guò)濾器的分離效率分別為72%和31%，這一結(jié)果明顯低于技術(shù)指標(biāo)要求，尤其是出站過(guò)濾器的實(shí)際運(yùn)行效果不理想，使得從出站過(guò)濾器逃逸的油污雜質(zhì)污染了下游三甘醇脫水裝置，進(jìn)而造成了前面所述的諸多問(wèn)題。

1.2 雜質(zhì)組分分析

從集輸系統(tǒng)的多個(gè)集輸節(jié)點(diǎn)取得了雜質(zhì)樣品，取樣位置包括分離器、收球筒、生產(chǎn)污水池等。所得樣品預(yù)處理流程為：采用四氫呋喃有機(jī)溶劑浸泡，置于在磁力攪拌器上以轉(zhuǎn)速200 r/min攪拌12h，然后通過(guò)濾紙過(guò)濾得到固體雜質(zhì)，置于真空干燥箱內(nèi)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(chǎng)發(fā)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(zhì)中主要元素及含量見(jiàn)表2。

表2 煤層氣集輸系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的油污雜質(zhì)元素分析

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固體雜質(zhì)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(gè)采氣區(qū)塊，不同元素的比重接近，與另一采氣區(qū)塊的集氣站5主要差異在C和S元素。處理中心的雜質(zhì)樣品均為黑色，F(xiàn)e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(shù)據(jù)庫(kù)，得出處理中心生產(chǎn)污水池中無(wú)機(jī)礦物質(zhì)主要由硫復(fù)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(fā)現(xiàn)，集氣站壓縮機(jī)之前的固體雜質(zhì)主要組分為從井口帶出的煤粉和無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，經(jīng)過(guò)增壓到達(dá)處理中心時(shí)，固體雜質(zhì)以管道腐蝕產(chǎn)物為主，而液體雜質(zhì)新增了潤(rùn)滑油。由于不同集輸節(jié)點(diǎn)的雜質(zhì)物性差異較大，在雜質(zhì)分離設(shè)備及元件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮雜質(zhì)組分的差異。

2 雜質(zhì)處理工藝流程改進(jìn)

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不能有效分離煤層氣集輸系統(tǒng)內(nèi)的顆粒物雜質(zhì)的現(xiàn)狀，基于煤層氣田地面集輸過(guò)程常用的井-閥組-集氣站-處理中心的四級(jí)節(jié)點(diǎn)、兩級(jí)壓縮的集輸模式，提出了一套逐級(jí)分離不同類(lèi)型顆粒物雜質(zhì)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(guò)濾器、集氣站進(jìn)站臥式過(guò)濾器(氣體外進(jìn)內(nèi)出)、集氣站出站多管超音速分離器、處理中心進(jìn)站三相分離器、處理中心出站聚結(jié)過(guò)濾器(氣體內(nèi)進(jìn)外出)等。

圖1 煤層氣地面集輸系統(tǒng)不同類(lèi)型顆粒物雜質(zhì)逐級(jí)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?？稍诰诓捎脡毫p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(shí)現(xiàn)分離(圖2)。例如閥組管道過(guò)濾器是在氣量達(dá)到一定規(guī)模后，集中處理煤層氣中的粉塵雜質(zhì)和調(diào)壓析出的游離水?？沙浞掷瞄y組現(xiàn)有的水平直管段，改造為兩套過(guò)濾器并聯(lián)的模式，根據(jù)氣量選擇一用一備或兩套全開(kāi)，能在拆裝其中一套過(guò)濾元件時(shí)確保有一套正常運(yùn)行。過(guò)濾元件宜選用不銹鋼絲網(wǎng)材質(zhì)的濾筒，可沖洗后重復(fù)使用，盡量降低運(yùn)行成本。

圖3 煤層氣地面集輸系統(tǒng)顆粒物雜質(zhì)處理工藝效果

現(xiàn)有煤層氣集氣站在壓縮機(jī)前設(shè)置有重力分離器以及氣流沿過(guò)濾元件內(nèi)進(jìn)外出的立式過(guò)濾器。根據(jù)顆粒物在線測(cè)試結(jié)果，集氣站進(jìn)站管道內(nèi)普遍沒(méi)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(guò)濾器的過(guò)濾元件更換頻率過(guò)高的問(wèn)題。因此，可撤銷(xiāo)重力分離器，在壓縮機(jī)前安裝臥式過(guò)濾分離器，氣流沿過(guò)濾元件外進(jìn)內(nèi)出，可相對(duì)延長(zhǎng)過(guò)濾元件使用壽命。

壓縮機(jī)后管道內(nèi)形成氣液固多相流，且液相同時(shí)含有潤(rùn)滑油和游離水，分離難度更大?，F(xiàn)有技術(shù)常采用顆粒過(guò)濾器或氣液聚結(jié)過(guò)濾器，但普遍存在粉塵擁堵導(dǎo)致過(guò)濾元件更換頻繁，或者過(guò)濾效率不理想過(guò)濾設(shè)備形同虛設(shè)的情況。針對(duì)這一工況，宜采用超聲速旋流分離器，通過(guò)在分離通道內(nèi)部極短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)后氣體的氣速、壓力和溫度，及時(shí)析出游離水，并使顆粒物雜質(zhì)團(tuán)聚，可同時(shí)降低水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)。該分離器可同時(shí)設(shè)置于集氣站和處理中心的壓縮機(jī)后，實(shí)現(xiàn)油污雜質(zhì)與氣相的高效分離，但該分離器會(huì)造成10%～20%的氣體壓力損失，在設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)時(shí)需與壓縮機(jī)運(yùn)行特性、外輸氣質(zhì)要求相結(jié)合。

處理中心有多條集氣站的進(jìn)站管道，需經(jīng)常清管作業(yè)，因此需設(shè)置納污量較大的立式三相分離器。在一個(gè)分離器筒體內(nèi)集成導(dǎo)流、預(yù)分離和過(guò)濾組件，同時(shí)起到段塞流捕集和保護(hù)壓縮機(jī)的目的。此外，保證三甘醇脫水裝置正常運(yùn)行和煤層氣外輸氣質(zhì)的關(guān)鍵是處理中心出站過(guò)濾器，而過(guò)濾分離器的核心是過(guò)濾元件?，F(xiàn)有處理中心出站過(guò)濾器為濾芯臥式設(shè)置、氣流由濾芯外進(jìn)內(nèi)出，難以有效分離大量液體雜質(zhì)，應(yīng)設(shè)置為立式、氣流由濾芯內(nèi)進(jìn)外出的形式，并選用不同于氣固過(guò)濾濾芯的氣液聚結(jié)濾芯。

綜上所述，基于煤層氣田地面集輸過(guò)程常用的井-閥組-集氣站-中央處理廠的四級(jí)節(jié)點(diǎn)、兩級(jí)壓縮的集輸模式，提出了一套逐級(jí)分離不同類(lèi)型顆粒物雜質(zhì)的處理工藝，相比于現(xiàn)有工藝，可帶來(lái)的有益效果如圖3所示，具體包括：通過(guò)分離設(shè)備過(guò)濾管道內(nèi)顆粒物雜質(zhì)，降低管道沿線雜質(zhì)沉積；實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)雜質(zhì)分級(jí)收集，降低清管作業(yè)頻率，提高集輸效率；保護(hù)壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，保證流量計(jì)正常運(yùn)行，避免經(jīng)濟(jì)損失。

3 壓縮機(jī)后過(guò)濾器濾芯改進(jìn)

目前，處理中心的進(jìn)站過(guò)濾器和出站過(guò)濾器采用了同樣規(guī)格的濾芯，但通過(guò)表1發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器的顆粒物分離效率均不理想。因此，通過(guò)測(cè)試在用濾芯的過(guò)濾性能，分析濾芯存在的問(wèn)題，并針對(duì)性的提出改進(jìn)方案，是最為經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。

首先，收集到處理中心現(xiàn)場(chǎng)已使用濾芯和同規(guī)格的潔凈狀態(tài)濾芯。由于濾芯強(qiáng)度不足以承受濾芯前后的阻力，現(xiàn)場(chǎng)已使用濾芯為壓潰狀態(tài)，外表面被油污雜質(zhì)覆蓋，但兩端端蓋尚滿足密封要求。然后，采用標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7034—2016 《管道站場(chǎng)用天然氣過(guò)濾器濾芯性能試驗(yàn)方法》，利用天然氣濾芯性能評(píng)價(jià)裝置，在同樣測(cè)試條件下(表觀氣速0.1 m/s，選用ISO 12103-1 A2標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)粉塵)，得到了兩支濾芯的初阻力和粉塵透過(guò)率(表3)。由測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)使用后的濾芯阻力增大了將近7倍，此時(shí)濾芯已被壓潰，難以滿足更換壓差為100 kPa的指標(biāo)要求。潔凈狀態(tài)濾芯對(duì)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(guò)濾材料上的雜質(zhì)起到的過(guò)濾強(qiáng)化作用。

表3 處理中心濾芯的過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)在用濾芯的問(wèn)題，對(duì)濾芯做的改進(jìn)如圖4a所示。在濾芯外側(cè)設(shè)置雙層金屬骨架，既能增強(qiáng)濾芯強(qiáng)度，也能對(duì)濾芯上方沉降的油污導(dǎo)流，避免再次進(jìn)入濾芯內(nèi)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(zhì)攔截，避免雜質(zhì)集中擁堵在過(guò)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(cè)沉積的粉塵，也可吸引已通過(guò)氣流通道進(jìn)入骨架內(nèi)側(cè)的粉塵，起到延緩濾芯壓降增長(zhǎng)的作用。最后，采用亞微米級(jí)纖維的聚結(jié)層與排液層過(guò)濾材料，提高對(duì)細(xì)微液滴的過(guò)濾精度。在同樣的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下，改進(jìn)后濾芯的初阻力與在用濾芯相比增加了一倍，但過(guò)濾效率有顯著提升，如表3所示。

圖4 改進(jìn)后濾芯結(jié)構(gòu)及使用效果示意圖

為評(píng)價(jià)改進(jìn)后濾芯在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果，選取處理中心兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的1號(hào)和2號(hào)出站臥式過(guò)濾器開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，1號(hào)過(guò)濾器安裝改進(jìn)后濾芯、2號(hào)過(guò)濾器安裝在用濾芯，各可安裝濾芯36支。兩臺(tái)過(guò)濾器日處理能力均為3.20×106m3，運(yùn)行工況相近，雜質(zhì)組成為粉塵、水和潤(rùn)滑油的混合物。在三個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中運(yùn)行平穩(wěn)，改進(jìn)后的濾芯在拆下時(shí)外觀保持良好。通過(guò)對(duì)分離器前后管道內(nèi)的顆粒物在線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)濾器的整體分離效率保持在85%以上，而同一時(shí)間與其并聯(lián)運(yùn)行裝有在用濾芯的過(guò)濾器效率約為65%。