朱華東 王宏莉 孫曉艷 周理

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國石油天然氣集團公司天然氣質量控制和能量計量重點實驗室

1 天然氣在線分析預處理系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

天然氣在線分析項目主要有微量水分與水露點、烴露點、H2S 與總硫分析和組成分析[1-5]。天然氣從井口采出到終端用戶需要經(jīng)過多級處理才能達標。首先需經(jīng)重力初步分離,加入甲醇、乙二醇等抑制水合物生成,集輸至凈化處理廠進行脫硫脫碳脫水處理。在上述處理過程中,不可避免地帶來一些雜質[6],例如在集輸過程中,為了防止形成水合物,特別是在冬季寒冷情況下,要加入甲醇、乙二醇等水合物抑制劑,所以天然氣中可能夾帶微量的甲醇、乙二醇蒸汽;用醇胺法進行脫硫處理,可能導致天然氣夾帶微量胺液飛沫;采用分子篩脫水后可能夾帶微量分子篩粉塵等;對于含硫天然氣,在集輸及凈化處理過程中,H2S 可能腐蝕輸氣管道產(chǎn)生硫化亞鐵(FeS)粉塵。這些雜質粒度一般小于0.4μm。粉塵和氣霧若不處理干凈,將會污染在線分析儀器的傳感器件、光學器件和色譜柱等,造成測量誤差或運行故障。因此,天然氣在線分析儀均需配套預處理系統(tǒng),對天然氣樣品進行顆粒物和水濾除、調壓或控制溫度等處理,從而保護在線分析儀,確保設備正常運行。

不同的應用場景采用的在線分析預處理系統(tǒng)也有所區(qū)別,從井口到天然氣凈化廠,在對原料氣的氣質在線分析中,由于原料氣中含有大量的雜質和液態(tài)水,而且對于含硫天然氣,原料氣中的H2S和CO2等酸性氣體含量較高,腐蝕性強,配套的預處理系統(tǒng)需要耐酸性氣體腐蝕,對天然氣惰性,并且具有顆粒物和液態(tài)水過濾功能,才能達到防護在線分析儀且不影響在線分析結果的目的。在天然氣凈化廠產(chǎn)品氣在線分析中,產(chǎn)品氣經(jīng)過脫水、脫硫脫碳處理,對預處理系統(tǒng)的要求較為簡單,通常只要求調壓和顆粒物精密過濾即可,對于產(chǎn)品氣中硫化物在線分析,則要求預處理系統(tǒng)不吸附H2S,不能影響分析結果。對于烴露點在線分析,為了保證天然氣中重烴組分不發(fā)生冷凝,通常要求預處理系統(tǒng)具有加熱保溫功能。

總之,天然氣在線分析預處理的基本任務和功能歸納如下:流量調節(jié)、壓力調節(jié)、溫度調節(jié)、除塵、除水除濕和氣液分離。實際氣體預處理裝置是根據(jù)對分析儀器的要求而設計制作的,主要包括顆粒物濾除、液態(tài)水濾除、調壓、調溫和對氣體惰性。天然氣產(chǎn)品氣硫化物在線分析儀通常要求配套預處理具有可以濾除粒徑大于0.2μm 的顆粒和液態(tài)水、調節(jié)壓力且不吸附硫化物。因此,須對預處理裝置進行顆粒物過濾性能、液體過濾性能、硫化物吸附性能和穩(wěn)壓性能進行評價,考察預處理裝置是否滿足在線分析儀要求。

2 天然氣在線分析預處理性能評價發(fā)展形勢

GB 17820-2018《天然氣》要求當H2S和總硫含量測定瞬時值不符合要求時,應對兩項指標進行連續(xù)監(jiān) 測[7]。 隨 著 我 國 天 然 氣 工 業(yè) 發(fā) 展 和GB 17820-2018的實施,H2S和總硫在線實時檢測需求將增加。天然氣氣質提升和現(xiàn)代工業(yè)技術進步必將推動天然氣氣質分析向在線分析發(fā)展,配套的在線分析預處理的性能和維護保養(yǎng)將受到更多關注。目前,由于缺少預處理系統(tǒng)性能評價方法,國內外均憑經(jīng)驗進行天然氣在線分析預處理系統(tǒng)貿易交接和維護保養(yǎng),隨著天然氣氣質分析將向在線分析發(fā)展,對配套的樣品預處理系統(tǒng)評價方法提出了新的要求。

3 天然氣在線分析預處理性能評價技術現(xiàn)狀

天然氣或相關氣體在線分析預處理的目的是為了處理樣品氣,使之能夠滿足后續(xù)分析儀表的使用要求[8]。天然氣中一般含有顆粒物和水,在線分析儀器大多要求樣品干燥無塵,而且對樣品氣壓力有要求,部分在線分析儀對樣品還有溫度和其他特殊要求,例如在線H2S分析要求樣品中的H2S不發(fā)生流失,因此天然氣預處理需要考慮除塵、除液滴、調壓、保溫、抗硫吸附及對天然氣惰性等。這些功能通過顆粒過濾部件、液滴過濾部件、調壓閥、溫度控制系統(tǒng)及采用抗硫吸收材質部件實現(xiàn)。這些部件性能的好壞直接影響樣品氣體處理結果,對分析儀器的壽命產(chǎn)生重要影響。為表征預處理裝置處理樣品氣體的能力,須針對裝置重要參數(shù)進行性能評價。

相關的性能評價技術主要分為顆粒過濾裝置性能評價方法、液滴過濾裝置性能評價方法和調壓部件性能評價方法等。

3.1 顆粒過濾裝置性能評價方法

顆粒過濾裝置主要包括燒結過濾器、篩網(wǎng)過濾器、膜過濾器、纖維或紙質過濾器。其評價參數(shù)主要包括過濾性能、壓降特性、耐沖擊性能和壓潰特性、容塵特性等[9]。

表1 過濾器過濾效率性能評價方法統(tǒng)計表

目前,對于過濾器過濾性能的評價方法主要有計數(shù)法、計量法、油霧法和鈉焰法(見表1)。

在過濾器過濾性能評價研究及應用方面,Huang等[10]利用TSI 3321 空氣動力學粒徑分析儀及TSI 3936掃描電遷移粒徑儀測量了過濾分離器上下游氣溶膠含量和粒徑分布,從而確定氣溶膠粒子透過率。熊至宜等[11]利用Pala’s光學粒子計數(shù)器對聚結濾芯上下游氣體中氣溶膠含量進行測定,研究了濾芯的厚度、填充密度及放置方式等因素對濾芯氣液過濾性能的影響。Patel.S.U.等[12]利用TSI 3080掃描電遷移粒徑儀分析了聚結濾芯排液層分布位置、排液層不同材料類型及排液通道角度對氣液過濾效果的影響。肖連等[13]利用Weal’s 2000光學粒子計數(shù)器(OPC)在濾芯上下游處對氣體中液滴和固相顆粒的含量及粒徑分布等進行測量,從而測試濾芯的過濾性能。杜曉冬等[14]用自行研制的氣溶膠在線顆粒粒徑譜儀對聚酯纖維濾芯、復合膜濾芯、高鎳濾芯3種濾芯的過濾精度及效率進行現(xiàn)場及試驗室的試驗,對比最終現(xiàn)場測試結果,并對濾芯現(xiàn)場使用提出相應建議。Firsing等[15]對纖維過濾器進行了試驗,測定了不同濾速變化對纖維過濾器的影響,并給出了過濾機制的模型。由此可見,常見的過濾器過濾性能評價方法主要為計數(shù)法和計量法。計數(shù)法是先采用氣溶膠發(fā)生器獲得氣溶膠,再用粒子計數(shù)器測量濾芯上下游氣體中氣溶膠含量和粒徑分布,從而確定濾芯的過濾效率。計量法主要是用塵埃發(fā)生器制造塵埃,經(jīng)過濾器過濾后,測試過濾器的增量,增量與發(fā)塵量之比即為過濾器的過濾效率。

過濾器壓降特性的評價尚無具體的標準,學者在試驗中主要采用差壓變送器法測試過濾器的壓降特性。差壓變送器可以測量過濾器進出口壓力,得到樣品氣經(jīng)過過濾器的壓降,進而評價過濾器的壓降特性。郝祤彤等[16]分別利用Welas-3000 氣溶膠粒徑譜儀、BF-E120壓差變送器測量氣體經(jīng)歷濾芯前后時的質量濃度和壓力,從而得到三相過濾過程中的壓降特性。

過濾器壓潰特性的評價有GB/T 14041.3-2010《液壓濾芯 第3部分:抗壓潰(破裂)特性檢驗方法》,在壓潰特性試驗臺上開展壓潰試驗,不斷增大過濾器進口壓力,直至濾芯壓潰,記錄壓力峰值,即為濾芯極限壓差,從而確定濾芯強度。

過濾器容塵性能的評價方法有SY/T 7034-2016《過濾器容塵性能》,采用氣溶膠計量法,氣溶膠發(fā)生裝置產(chǎn)生氣溶膠,過濾器在吸收氣溶膠時,其內部氣阻不斷增大,測量過濾器在達到終阻力時所吸收氣溶膠的質量來確定過濾器的容塵特性。

3.2 液滴過濾裝置性能評價方法

氣體中分散液滴的直徑通常為0.1 ～5000μm。粒徑在100μm 以上的顆粒因沉降速度較快,其分離問題很容易解決。一般地,直徑大于50μm的液滴可用重力沉降法分離;5μm 以上的液滴可用慣性碰撞及離心分離法;對于更小的細霧則要設法使其聚集形成較大顆粒,或用纖維過濾器及靜電除霧器。液滴過濾裝置主要的性能指標為除霧效率和進出口壓降[17-18]。

在除霧效率性能評價應用研究方面,王政允[19]利用稱量法計算除霧效率,研究了煙氣流速和板間距對除霧效率的影響。黃新長[20]、孫志春等[21]用水平衡法測量除霧器的除霧效率,驗證了除霧器數(shù)值模型的正確性。肖立春等[22]用玻璃纖維過濾法測試除霧器的除霧效率,除霧器后設有干燥器和緩沖罐,能充分吸收除霧器出口處的水分,除霧器除霧效率為進口空氣液滴含量與出口空氣液滴含量之差與進口液滴含量的比值。盤思偉等[23]用Mg2+示蹤法測量發(fā)電廠脫硫裝置除霧器除霧效率,通過用EDTA 法分別測量除霧器中和除霧器出口氣體中的Mg2+含量,從而確定除霧器的除霧效率。在除霧器壓降性能評價研究方面,黃新長[20]自行建造一套除霧器實驗裝置,測定各影響因素對除霧器性能的影響,并用微壓計測量除霧器進出口的壓力,從而確定除霧器的壓降。楊柳等[17]用皮托管對除霧器進出口的壓力進行測試,確定了除霧器的壓力降,進而得到不同除霧器結構對壓力降的影響。向曉東等[24]在2019年用U 形壓力計測定除霧器進出口的壓力,確定除霧器的壓力損失。

可見上述研究主要采用水平衡法和稱量法測定除霧效率,用壓力計等壓力測量裝置測試壓降。水平衡法原理是通過計算除霧器中脫除水的量與進入除霧器中水的量之比得到的。即可表示為水桶內水的質量為M,進入除霧器截面的液滴量為M1,實驗結束后桶內水的質量為M2,除霧器中被脫除的水的質量為M3,則除霧器效率=M3/M1=M3/(M-M2)。稱量法則是稱重試驗前水源的質量,在實驗結束時,稱重水源剩余質量和除霧器增加質量,除霧器增加質量與水源減少質量之比即為除霧器的除霧效率。稱量法中,用水霧噴濺裝置制造水噴霧,經(jīng)過濾膜過濾后水霧被攔截,過濾膜的質量增加,通過測量增加質量與所噴水霧的質量之比確定除水效率。

3.3 調壓部件性能評價方法

GB 12245-2006《減壓閥性能試驗方法》規(guī)定了測試減壓閥調壓性能的評價方法。給定減壓閥進口最高允許工作壓力,調節(jié)出口壓力為某一特定壓力,測量該工況下的流量,維持流量不變,改變減壓閥前截止閥的開度,使進口壓力在80%～105%最高工作壓力范圍內變化,測定此時出口壓力偏差值。當偏差值小于或等于5%時,說明壓力閥的調壓性能是合格的。另外,行業(yè)標準HG/T 3692-2001《金屬膜片式穩(wěn)壓閥技術條件》和HG/T 3693-2001《橡膠膜片式穩(wěn)壓閥技術條件》規(guī)定了穩(wěn)壓閥前通入最大和最小使用壓力,用壓力表測試穩(wěn)壓閥后的壓力變化,變化值若小于2000 Pa,說明符合要求,反之則說明穩(wěn)壓性能不合格。

3.4 加熱部件性能評價方法

HJ/T 376-2007《24 小時恒溫自動連續(xù)環(huán)境空氣采樣器技術要求及檢測方法》用鉑電阻測量溫度,溫度記錄儀記錄鉑電阻所測溫度值,從而確定采樣器溫度控制精度。HJ/T 376-2007規(guī)定良好的溫控性能應能滿足控溫范圍在15～30 ℃內任意調節(jié),在24 h連續(xù)采樣條件下,溫度控制精度應在±2 ℃以內,采樣器應能顯示恒溫裝置的溫度,溫度控制系統(tǒng)的響應時間應不大于20 min。

綜上所述,相關的天然氣在線分析預處理性能評價方法包括用于顆粒過濾裝置性能評價的計數(shù)法、計量法等,用于液滴過濾裝置性能評價的稱量法、水平衡法和Mg2+示蹤法等。上述方法適用于在實驗室對過濾器進行性能評價,需要專門的儀器設備,且操作較為復雜,目前無法直接用于現(xiàn)場天然氣在線分析預處理性能評價。

4 天然氣在線分析預處理性能評價展望

目前,天然氣在線分析預處理系統(tǒng)在出廠、現(xiàn)場安裝、使用維護時均未進行性能評價。原因有以下幾點:

(1)沒有專門針對天然氣在線分析預處理系統(tǒng)的國標或者行標,因此生產(chǎn)企業(yè)或是現(xiàn)場使用的企業(yè)沒有標準方法可使用。

(2)只要現(xiàn)場在線分析儀正常工作,則認為配套的預處理系統(tǒng)性能符合要求,不再進行性能測試。

(3)預處理系統(tǒng)中部分關鍵部件是外采部件,例如過濾器和除霧器。在外采購買時,生產(chǎn)廠商不會出具性能評價報告,出于對廠商的信任,不再做性能檢測。

(4)在進行預處理裝置交接驗收時,生產(chǎn)廠商會提供相應的設計方案和性能參數(shù)指標,默認方案中的性能滿足需要。

隨著GB 17820-2018 的實施,天然氣在線分析需求增加,配套的預處理系統(tǒng)的性能是否符合要求將受到更多的關注,有必要在預處理系統(tǒng)貿易交接驗收中開展性能評價,確保其性能滿足要求,維護供需雙方的合法權益。在預處理系統(tǒng)使用維護過程,定期開展性能評價,確保預處理系統(tǒng)性能滿足分析儀要求,保障昂貴的在線分析儀的使用安全和壽命。因此,建議將現(xiàn)有技術進行改良并進行技術集成,建立適用于現(xiàn)場天然氣在線分析預處理系統(tǒng)性能評價的方法和標準,使得行業(yè)內有標可依,促進天然氣在線分析技術及相關行業(yè)健康發(fā)展。關于建立天然氣在線分析預處理性能評價方法的幾點建議如下:

(1)對預處理系統(tǒng)中的顆粒物過濾性能、液滴過濾性能、溫度控制性能、壓力調節(jié)性能和抗硫吸附性能分別進行評價,結合配套的在線分析要求判定其性能。

(2)考慮天然氣在線分析配套的預處理系統(tǒng)一般具有小巧、安裝在可燃氣體區(qū)域的特點,建議設計便攜式的顆粒發(fā)生裝置和接收裝置,采用計量法進行顆粒物過濾性能評價。

(3)建議在預處理裝置前后分別安裝簡易霧化器和液滴接收裝置,采用稱量法進行液滴過濾性能評價。

(4)采用相同分析方法在預處理裝置前后分別測定H2S含量,從而進行抗硫化物吸附性能評價。

(5)通過連續(xù)測定經(jīng)過預處理裝置處理后的氣體溫度和壓力進行溫度壓力控制性能評價。