煤層氣集氣站過濾分離設備選型及優化
作者： 2015年08月20日 來源：博燃網 瀏覽量：
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山西某煤層氣區塊集氣站有3臺10×104m3／d螺桿壓縮機，2臺25×104m3／d往復壓縮機。在往復壓縮機投運不久，就出現事故停運現象。檢修時在壓縮機進氣閥片處發現了大量黑色泥狀物，現場將1#往復壓縮機進氣口進行清洗，
1 概述
山西某煤層氣區塊集氣站有3臺10×104m3／d螺桿壓縮機，2臺25×104m3／d往復壓縮機。在往復壓縮機投運不久，就出現事故停運現象。檢修時在壓縮機進氣閥片處發現了大量黑色泥狀物，現場將1#往復壓縮機進氣口進行清洗，并對連續運行6d后的進氣閥片打開進行檢查，發現進氣閥片處依然存有大量黑色泥狀物，經過化驗分析該物質以煤粉為主。這說明壓縮機前設置的2臺40×104m3／d重力分離器未對煤層氣中攜帶的霾狀的煤粉起到足夠的分離作用。提高煤層氣中煤粉的去除率，減少煤粉對往復壓縮機造成的頻繁停運影響，成為亟待解決的難題。
我國擁有豐富的煤層氣資源，但目前我國煤層氣產業尚處于起步階段。煤層氣具有典型的壓力低的特點，加之煤層氣特有的存在方式和開采方式導致煤層氣含塵量較高，氣體中攜帶的煤粉顆粒細微，質量輕，有效分離難度大，采用重力分離技術較難去除。煤粉極易對壓縮機等設備造成破壞，事故頻發，還易在集輸管道彎頭處形成堵塞，嚴重影響煤層氣的整體開發效益。因此，對煤層氣集氣站的分離設備提出了更高的要求。
2 現場煤粉取樣分析
對壓縮機進氣口處煤粉取樣進行物性分析，煤粉呈灰色或深灰色，在水中呈懸浮態，長時間靜置后，可見深灰色糊狀沉淀(見圖1)。委托大連理工大學對壓縮機閥片處煤粉現場取樣，對煤粉粒徑分布情況進行分析(見圖2)。可以看出，顆粒粒徑范圍從0.2～100mm不等(藍色曲線為累計顆粒數所占比例曲線，紅色曲線為區間顆粒數所占比例曲線)。煤粉粒徑分布主要集中在14～95mm，中位徑值(樣品的累計粒度分布數達到50％時所對應的粒徑)為38.55mm，D97值(樣品的累計粒度分布數達到97％時所對應的粒徑)為71.52mm，粒徑≥5mm的顆粒占總顆粒數的90％以上。
3 壓縮機停運的原因分析
①煤粉產生的機理[1]
煤層氣中攜帶的煤粉主要包括煤層縫隙中的煤粉顆粒和煤體骨架破壞產生的煤粉兩種。煤粉產生與煤巖成分、鉆具研磨及壓裂支撐劑打磨相關。煤粉在煤層氣開采的不同階段，其粒徑大小及產出的形式各不相同。
a．排水期，煤粉以中、粗顆粒為主，顆粒粒徑在5～10mm，此階段無氣體產生，不會影響到地面集輸系統，但易使排采泵卡泵。
b．在產氣初期，煤粉以中、細顆粒為主，顆粒粒徑1～3mm，細顆粒煤粉隨采出水以懸浮液的形式被采出。該階段煤層氣氣井井底壓力處于臨界解析壓力附近，產水、產氣量波動較大，少量煤粉被帶入地面集輸系統中。
c．產氣高峰期，以細顆粒煤粉為主，顆粒粒徑<2mm，該階段僅產少量水，大部分煤粉隨氣體采出。
d．產氣后期，基本不產水，煤粉以微細顆粒為主，粒徑<1mm，完全隨氣體以粉塵形式排出。
影響壓縮機運行的粉塵顆粒直徑<100mm，主要來源于產氣后期。
②壓縮機停運原因分析
集氣站有3臺10×104m3／d螺桿壓縮機，2臺25×104m3／d往復壓縮機，投產前幾個月，產氣量較低，采用螺桿壓縮機運行，一直運行正常。產氣量接近25×104m3／d時，啟動往復壓縮機，停運螺桿壓縮機，但很快往復壓縮機發生故障，切換回螺桿壓縮機。在第一次停機檢修后，又多次發生停運情況。分析原因，有以下3個方面。
a．螺桿壓縮機具有一對互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉子，隨著周期性地改變轉子與每對齒槽間的容積，來達到吸氣、壓縮和排氣的目的，受介質中固體顆粒含量影響較小，而往復壓縮機靠連桿帶動活塞在氣缸內做往復運動，介質中固體顆粒含量對往復壓縮機影響較大。
b．進站處設置的重力分離器對于細微粉塵顆粒的去除效果較差。
c．管道內積聚的煤粉受壓縮機切換擾動較大，導致煤粉被大量帶入往復壓縮機。
4 對煤粉過濾分離設備的調研及分析
從井場采出的煤層氣，在集氣站經過過濾、壓縮、脫水、計量后輸至下游用戶。煤層氣中煤粉對集氣站內的設備損害最大的是壓縮機，不僅受固體顆粒的影響，長期運行后，螺桿壓縮機和往復壓縮機都會有煤粉粘附在機體本身潤滑油油膜上，氧化而形成炭化物，這種炭化物逐漸增多就成為積炭。積炭現象發生初期，機件表面變為黑色，隨著積炭的不斷積聚，最終形成片狀或塊狀的硬質沉積物并結焦，影響壓縮機的正常運行。如果結焦嚴重無法清除，則壓縮機就會報廢[2]，這是目前在各個煤層氣田地面工程中普遍存在的問題。
相比重力分離器，常用的還有旋風分離器和過濾分離器等其他類型的過濾器。對于旋風分離器，因其壓力損失較大，過濾效率較差(在設計過濾氣量±15％范圍內，過濾效率為97％左右)，在壓縮機前不宜選擇。過濾分離器是對固體粉塵和液滴去除效果最好的設備，在長輸天然氣項目應用較多，其運行壓力為4.0～12.0MPa，對粒徑≥5mm粉塵的過濾效率不低于99.9％；對粒徑≥5mm液滴的過濾效率不低于99.0％，在額定處理量下的初始壓力降≤0.015MPa。但煤層氣的進站壓力較低，約為0.05～0.2MPa，加之已建集氣站壓縮機前已設有2臺40×104m3／d重力分離器，所以要求新增過濾分離器正常操作的壓力降為0.01～0.05MPa，過濾分離器前后壓差不能超過0.05MPa，否則容易使壓縮機入口形成負壓，影響壓縮機的使用性能。因此，適用煤層氣的過濾分離器要具有超大的流通能力，初始壓力降低，過濾元件使用周期長，在較低壓力下仍能保證過濾精度，濾芯具有較大的過濾面積和容污能力，正常操作條件下連續使用周期不小于180d的特點。
5 過濾分離器設計
①過濾分離器的性能要求
a．在設計溫度和設計壓力下滿足規定的強度要求，使用安全可靠，檢查、維修方便。
b．去除輸送氣體夾帶的固體雜質(主要為煤粉)和液滴的過濾效率為：5mm以上固體雜質99.0％；5mm以上液滴98.0％。
c．過濾設備正常操作的壓力降低于0.05MPa，且過濾元件的連續使用周期不小于180d。
d．為便于操作和更換濾芯，過濾分離器采用帶有快開盲板的臥式結構。所配快開盲板開閉靈活，并帶安全自鎖裝置，保證帶壓時無法開啟，泄壓為零并啟動安全自鎖裝置后，快開盲板才能開啟，并在適當位置有警示標記。
e．快開盲板帶操作手輪或專用扳手，保證開閉靈活、方便、密封可靠、無泄漏。當快開盲板打開時，應有定位裝置固定門鎖，防止意外關閉。
②過濾分離器濾芯的確定
比較先進、可靠的濾芯材質有兩類，非金屬濾芯和金屬濾芯。非金屬濾芯材料有：超微細玻璃纖維、聚酯纖維、多層玻纖、聚丙烯、尼龍等；金屬濾芯有：鋁－304不銹鋼濾芯和304不銹鋼濾芯等。非金屬濾芯對氣體中攜帶的煤粉和水分有較好的過濾效果，但不能重復利用，更換的濾芯會產生不易降解的新的廢物堆積；金屬濾芯對氣體中攜帶的煤粉有較好的過濾效果，而且能通過反吹掃或清洗的方式重復利用，不會產生新的廢棄物。鑒于新增過濾設備以去除煤粉為主，且鋁－304不銹鋼濾芯又比304不銹鋼濾芯重量輕，所以選擇鋁－304不銹鋼濾芯作為新增煤層氣過濾分離器的濾芯。
③過濾分離器設計
由于已建集氣站安裝空間有限，現場只能布下1臺設備，新增的過濾分離器進站壓力0.05MPa，氣量80×104m3／d。由于煤層氣進站壓力較低，為降低壓力損失，需增大過濾分離器的直徑。參照SY／T 6883－2012《輸氣管道工程過濾分離設備規范》，根據過濾氣量和過濾壓力等參數，計算過濾分離器的直徑達到2500mm，目前國內同規格的臥式過濾分離器尚未應用。本文通過將過濾分離器兩端分別設置濾芯，各設l個快開盲板，頂部設兩個進氣口，中部設一個出氣口，形成兩進一出的形式，增加了氣體流通量，同時減小了分離器筒體直徑。過濾分離器外形見圖3。
6 結語
①采用兩端開啟、雙濾芯的臥式過濾分離器形式，提出了低壓、大流量氣體過濾，縮小過濾設備簡體直徑的新思路。
②新型過濾分離器比重力分離器及旋風分離器對顆粒直徑<100mm煤粉的去除效果要好。更換濾芯時，可兩端同時進行，大大節省更換時間，不需要高空作業，地面操作更安全。
③過濾分離器目前還需要根據煤層氣中煤粉的特點，探索更適合的煤粉去除方式。
參考文獻：
[1]劉升貴，賀小黑，李惠芳．煤層氣水平井煤粉產生機理及控制措施[J]．遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2011，30(4)：508-512．
[2]王梓榮，段吉林，秦馗，等．活塞式空氣壓縮機積碳問題探討[J]．中國高新技術企業，2010(7)：70-72．
本文作者：薛愛芹 高偉 茆天琪
作者單位：中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司
山西某煤層氣區塊集氣站有3臺10×104m3／d螺桿壓縮機，2臺25×104m3／d往復壓縮機。在往復壓縮機投運不久，就出現事故停運現象。檢修時在壓縮機進氣閥片處發現了大量黑色泥狀物，現場將1#往復壓縮機進氣口進行清洗，并對連續運行6d后的進氣閥片打開進行檢查，發現進氣閥片處依然存有大量黑色泥狀物，經過化驗分析該物質以煤粉為主。這說明壓縮機前設置的2臺40×104m3／d重力分離器未對煤層氣中攜帶的霾狀的煤粉起到足夠的分離作用。提高煤層氣中煤粉的去除率，減少煤粉對往復壓縮機造成的頻繁停運影響，成為亟待解決的難題。
我國擁有豐富的煤層氣資源，但目前我國煤層氣產業尚處于起步階段。煤層氣具有典型的壓力低的特點，加之煤層氣特有的存在方式和開采方式導致煤層氣含塵量較高，氣體中攜帶的煤粉顆粒細微，質量輕，有效分離難度大，采用重力分離技術較難去除。煤粉極易對壓縮機等設備造成破壞，事故頻發，還易在集輸管道彎頭處形成堵塞，嚴重影響煤層氣的整體開發效益。因此，對煤層氣集氣站的分離設備提出了更高的要求。
2 現場煤粉取樣分析
對壓縮機進氣口處煤粉取樣進行物性分析，煤粉呈灰色或深灰色，在水中呈懸浮態，長時間靜置后，可見深灰色糊狀沉淀(見圖1)。委托大連理工大學對壓縮機閥片處煤粉現場取樣，對煤粉粒徑分布情況進行分析(見圖2)。可以看出，顆粒粒徑范圍從0.2～100mm不等(藍色曲線為累計顆粒數所占比例曲線，紅色曲線為區間顆粒數所占比例曲線)。煤粉粒徑分布主要集中在14～95mm，中位徑值(樣品的累計粒度分布數達到50％時所對應的粒徑)為38.55mm，D97值(樣品的累計粒度分布數達到97％時所對應的粒徑)為71.52mm，粒徑≥5mm的顆粒占總顆粒數的90％以上。
3 壓縮機停運的原因分析
①煤粉產生的機理[1]
煤層氣中攜帶的煤粉主要包括煤層縫隙中的煤粉顆粒和煤體骨架破壞產生的煤粉兩種。煤粉產生與煤巖成分、鉆具研磨及壓裂支撐劑打磨相關。煤粉在煤層氣開采的不同階段，其粒徑大小及產出的形式各不相同。
a．排水期，煤粉以中、粗顆粒為主，顆粒粒徑在5～10mm，此階段無氣體產生，不會影響到地面集輸系統，但易使排采泵卡泵。
b．在產氣初期，煤粉以中、細顆粒為主，顆粒粒徑1～3mm，細顆粒煤粉隨采出水以懸浮液的形式被采出。該階段煤層氣氣井井底壓力處于臨界解析壓力附近，產水、產氣量波動較大，少量煤粉被帶入地面集輸系統中。
c．產氣高峰期，以細顆粒煤粉為主，顆粒粒徑<2mm，該階段僅產少量水，大部分煤粉隨氣體采出。
d．產氣后期，基本不產水，煤粉以微細顆粒為主，粒徑<1mm，完全隨氣體以粉塵形式排出。
影響壓縮機運行的粉塵顆粒直徑<100mm，主要來源于產氣后期。
②壓縮機停運原因分析
集氣站有3臺10×104m3／d螺桿壓縮機，2臺25×104m3／d往復壓縮機，投產前幾個月，產氣量較低，采用螺桿壓縮機運行，一直運行正常。產氣量接近25×104m3／d時，啟動往復壓縮機，停運螺桿壓縮機，但很快往復壓縮機發生故障，切換回螺桿壓縮機。在第一次停機檢修后，又多次發生停運情況。分析原因，有以下3個方面。
a．螺桿壓縮機具有一對互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉子，隨著周期性地改變轉子與每對齒槽間的容積，來達到吸氣、壓縮和排氣的目的，受介質中固體顆粒含量影響較小，而往復壓縮機靠連桿帶動活塞在氣缸內做往復運動，介質中固體顆粒含量對往復壓縮機影響較大。
b．進站處設置的重力分離器對于細微粉塵顆粒的去除效果較差。
c．管道內積聚的煤粉受壓縮機切換擾動較大，導致煤粉被大量帶入往復壓縮機。
4 對煤粉過濾分離設備的調研及分析
從井場采出的煤層氣，在集氣站經過過濾、壓縮、脫水、計量后輸至下游用戶。煤層氣中煤粉對集氣站內的設備損害最大的是壓縮機，不僅受固體顆粒的影響，長期運行后，螺桿壓縮機和往復壓縮機都會有煤粉粘附在機體本身潤滑油油膜上，氧化而形成炭化物，這種炭化物逐漸增多就成為積炭。積炭現象發生初期，機件表面變為黑色，隨著積炭的不斷積聚，最終形成片狀或塊狀的硬質沉積物并結焦，影響壓縮機的正常運行。如果結焦嚴重無法清除，則壓縮機就會報廢[2]，這是目前在各個煤層氣田地面工程中普遍存在的問題。
相比重力分離器，常用的還有旋風分離器和過濾分離器等其他類型的過濾器。對于旋風分離器，因其壓力損失較大，過濾效率較差(在設計過濾氣量±15％范圍內，過濾效率為97％左右)，在壓縮機前不宜選擇。過濾分離器是對固體粉塵和液滴去除效果最好的設備，在長輸天然氣項目應用較多，其運行壓力為4.0～12.0MPa，對粒徑≥5mm粉塵的過濾效率不低于99.9％；對粒徑≥5mm液滴的過濾效率不低于99.0％，在額定處理量下的初始壓力降≤0.015MPa。但煤層氣的進站壓力較低，約為0.05～0.2MPa，加之已建集氣站壓縮機前已設有2臺40×104m3／d重力分離器，所以要求新增過濾分離器正常操作的壓力降為0.01～0.05MPa，過濾分離器前后壓差不能超過0.05MPa，否則容易使壓縮機入口形成負壓，影響壓縮機的使用性能。因此，適用煤層氣的過濾分離器要具有超大的流通能力，初始壓力降低，過濾元件使用周期長，在較低壓力下仍能保證過濾精度，濾芯具有較大的過濾面積和容污能力，正常操作條件下連續使用周期不小于180d的特點。
5 過濾分離器設計
①過濾分離器的性能要求
a．在設計溫度和設計壓力下滿足規定的強度要求，使用安全可靠，檢查、維修方便。
b．去除輸送氣體夾帶的固體雜質(主要為煤粉)和液滴的過濾效率為：5mm以上固體雜質99.0％；5mm以上液滴98.0％。
c．過濾設備正常操作的壓力降低于0.05MPa，且過濾元件的連續使用周期不小于180d。
d．為便于操作和更換濾芯，過濾分離器采用帶有快開盲板的臥式結構。所配快開盲板開閉靈活，并帶安全自鎖裝置，保證帶壓時無法開啟，泄壓為零并啟動安全自鎖裝置后，快開盲板才能開啟，并在適當位置有警示標記。
e．快開盲板帶操作手輪或專用扳手，保證開閉靈活、方便、密封可靠、無泄漏。當快開盲板打開時，應有定位裝置固定門鎖，防止意外關閉。
②過濾分離器濾芯的確定
比較先進、可靠的濾芯材質有兩類，非金屬濾芯和金屬濾芯。非金屬濾芯材料有：超微細玻璃纖維、聚酯纖維、多層玻纖、聚丙烯、尼龍等；金屬濾芯有：鋁－304不銹鋼濾芯和304不銹鋼濾芯等。非金屬濾芯對氣體中攜帶的煤粉和水分有較好的過濾效果，但不能重復利用，更換的濾芯會產生不易降解的新的廢物堆積；金屬濾芯對氣體中攜帶的煤粉有較好的過濾效果，而且能通過反吹掃或清洗的方式重復利用，不會產生新的廢棄物。鑒于新增過濾設備以去除煤粉為主，且鋁－304不銹鋼濾芯又比304不銹鋼濾芯重量輕，所以選擇鋁－304不銹鋼濾芯作為新增煤層氣過濾分離器的濾芯。
③過濾分離器設計
由于已建集氣站安裝空間有限，現場只能布下1臺設備，新增的過濾分離器進站壓力0.05MPa，氣量80×104m3／d。由于煤層氣進站壓力較低，為降低壓力損失，需增大過濾分離器的直徑。參照SY／T 6883－2012《輸氣管道工程過濾分離設備規范》，根據過濾氣量和過濾壓力等參數，計算過濾分離器的直徑達到2500mm，目前國內同規格的臥式過濾分離器尚未應用。本文通過將過濾分離器兩端分別設置濾芯，各設l個快開盲板，頂部設兩個進氣口，中部設一個出氣口，形成兩進一出的形式，增加了氣體流通量，同時減小了分離器筒體直徑。過濾分離器外形見圖3。
6 結語
①采用兩端開啟、雙濾芯的臥式過濾分離器形式，提出了低壓、大流量氣體過濾，縮小過濾設備簡體直徑的新思路。
②新型過濾分離器比重力分離器及旋風分離器對顆粒直徑<100mm煤粉的去除效果要好。更換濾芯時，可兩端同時進行，大大節省更換時間，不需要高空作業，地面操作更安全。
③過濾分離器目前還需要根據煤層氣中煤粉的特點，探索更適合的煤粉去除方式。
參考文獻：
[1]劉升貴，賀小黑，李惠芳．煤層氣水平井煤粉產生機理及控制措施[J]．遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2011，30(4)：508-512．
[2]王梓榮，段吉林，秦馗，等．活塞式空氣壓縮機積碳問題探討[J]．中國高新技術企業，2010(7)：70-72．
本文作者：薛愛芹 高偉 茆天琪
作者單位：中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司
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標簽：過濾分離設備
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