煤層氣集輸系統(tǒng)油污雜質(zhì)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(fā)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(shù)北京市重點實驗室，北京 102200)

1 油污雜質(zhì)現(xiàn)狀評價

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(zhì)的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：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，該處理中心有六條來自集氣站的管線，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(zhì)濃度檢測

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6892—2012《天然氣管道內(nèi)粉塵檢測方法》，采用天然氣管道內(nèi)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(nèi)多個節(jié)點開展了管輸氣體中的顆粒物雜質(zhì)濃度檢測。因現(xiàn)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(qū)域放空。相比于將取樣嘴探入管道內(nèi)部的等動取樣方法取得的是管道內(nèi)部較有代表性的流動氣體，壓力表口取樣主要來自管道內(nèi)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(wěn)定，在較短的時間段內(nèi)采用壓力表口實時取樣分析仍可用于橫向比較不同節(jié)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(qū)域的顆粒粒徑并計數(shù)，不能區(qū)分顆粒物雜質(zhì)中的液體和固體組分，即所測得的計數(shù)濃度是包括粉塵、游離水和潤滑油的總濃度，根據(jù)每個顆粒的粒徑和平均密度累計計算得到質(zhì)量濃度，測試結(jié)果見表1。

表1 煤層氣集輸系統(tǒng)多個節(jié)點的顆粒物雜質(zhì)濃度

測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(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。

對比處理中心的進站過濾器及出站過濾器的進口和出口質(zhì)量濃度，發(fā)現(xiàn)兩臺過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(zhì)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(zhì)組分分析

從集輸系統(tǒng)的多個集輸節(jié)點取得了雜質(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(zhuǎn)速200 r/min攪拌12h，然后通過濾紙過濾得到固體雜質(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表2。

表2 煤層氣集輸系統(tǒng)內(nèi)多個節(jié)點的油污雜質(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，得出處理中心生產(chǎn)污水池中無機礦物質(zhì)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(fā)現(xiàn)，集氣站壓縮機之前的固體雜質(zhì)主要組分為從井口帶出的煤粉和無機礦物質(zhì)，經(jīng)過增壓到達處理中心時，固體雜質(zhì)以管道腐蝕產(chǎn)物為主，而液體雜質(zhì)新增了潤滑油。由于不同集輸節(jié)點的雜質(zhì)物性差異較大，在雜質(zhì)分離設備及元件設計時應考慮雜質(zhì)組分的差異。

2 雜質(zhì)處理工藝流程改進

針對現(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程常用的井-閥組-集氣站-處理中心的四級節(jié)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(zhì)的處理工藝(圖1)，主要包括煤層氣井口管道分離器、閥組管道過濾器、集氣站進站臥式過濾器(氣體外進內(nèi)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(jié)過濾器(氣體內(nèi)進外出)等。

圖1 煤層氣地面集輸系統(tǒng)不同類型顆粒物雜質(zhì)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(xiàn)分離(圖2)。例如閥組管道過濾器是在氣量達到一定規(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。可充分利用閥組現(xiàn)有的水平直管段，改造為兩套過濾器并聯(lián)的模式，根據(jù)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(wǎng)材質(zhì)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(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前設置有重力分離器以及氣流沿過濾元件內(nèi)進外出的立式過濾器。根據(jù)顆粒物在線測試結(jié)果，集氣站進站管道內(nèi)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(nèi)出，可相對延長過濾元件使用壽命。

壓縮機后管道內(nèi)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(xiàn)有技術(shù)常采用顆粒過濾器或氣液聚結(jié)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(nèi)部極短的時間內(nèi)動態(tài)調(diào)節(jié)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(zhì)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(xiàn)油污雜質(zhì)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(jié)構(gòu)和性能參數(shù)時需與壓縮機運行特性、外輸氣質(zhì)要求相結(jié)合。

處理中心有多條集氣站的進站管道，需經(jīng)常清管作業(yè)，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(nèi)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(zhì)的關(guān)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(xiàn)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(nèi)出，難以有效分離大量液體雜質(zhì)，應設置為立式、氣流由濾芯內(nèi)進外出的形式，并選用不同于氣固過濾濾芯的氣液聚結(jié)濾芯。

綜上所述，基于煤層氣田地面集輸過程常用的井-閥組-集氣站-中央處理廠的四級節(jié)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(zhì)的處理工藝，相比于現(xiàn)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(nèi)顆粒物雜質(zhì)，降低管道沿線雜質(zhì)沉積；實現(xiàn)管道內(nèi)雜質(zhì)分級收集，降低清管作業(yè)頻率，提高集輸效率；保護壓縮機等關(guān)鍵設備，保證流量計正常運行，避免經(jīng)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(guī)格的濾芯，但通過表1發(fā)現(xiàn)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(jīng)濟可行的解決方案。

首先，收集到處理中心現(xiàn)場已使用濾芯和同規(guī)格的潔凈狀態(tài)濾芯。由于濾芯強度不足以承受濾芯前后的阻力，現(xiàn)場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(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)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(tài)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(zhì)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(jié)果

針對現(xiàn)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(cè)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(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，也可吸引已通過氣流通道進入骨架內(nèi)側(cè)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(jié)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(jié)構(gòu)及使用效果示意圖

為評價改進后濾芯在現(xiàn)場的實際應用效果，選取處理中心兩臺并聯(lián)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(zhì)組成為粉塵、水和潤滑油的混合物。在三個月的現(xiàn)場試驗中運行平穩(wěn)，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(nèi)的顆粒物在線檢測，發(fā)現(xiàn)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(lián)運行裝有在用濾芯的過濾器效率約為65%。