摘要:天然氣中的粉塵影響儀表、閥門設備正常運行。根據常用的天然氣過濾方法及過濾分離設備的工作原理及過濾分離器的結構構成,以重慶氣礦的在役過濾分離器為例,通過對其運行狀況及工作過程中所存在問題的詳細分析,找出了存在的問題,提出了新型過濾分離器內部結構的改進方案,并且探討了新型天然氣過濾分離設備的發展方向。
關鍵詞:過濾器;過濾;結構;濾芯;聚結文章編號:1006 5539(2005)01 0007 04　　　文獻標識碼:Ｂ
天然氣不僅作為清潔的能源,而且是一種化工原料,天然氣中的粉塵含量過高是環保要求所不允許的。每立方米天然氣中如果含塵量為1ｍｇ,其中5μｍ粉塵約有6.1×106粒。天然氣中的如此大的粉塵將嚴重影響儀表、設備閥門正常運轉,使壓縮機葉片、主軸磨損,計量精度下降(一般為負偏差),使生產和經濟效益受到較大影響。本文對重慶氣礦所使用的過濾器結構進行了分析并提出了改進意見。
1　常用過濾方法及過濾機理
過濾器是設置在流體系統中,用于過濾流體中的粒子以控制污染的一種裝置。
表面過濾:表面過濾作用是通過固體污染物的粒子碰撞而滯留在單一平面或面上的毛孔或通路的基體上而完成的,過濾作用僅僅發生于這一表面上。表面過濾能有效地收集大于毛孔尺寸的粒子,但卻不能收集纖維和比毛孔尺寸小的粒子。
深度過濾(又稱深層過濾):深度過濾是通過固體污染物碰撞而留在連續的(或深度的)毛孔的基體上而完成的。過濾不僅在介體表面進行,而且還在介體的整個厚度上進行。深度過濾器能有效地收集大于最大毛孔尺寸的粒子和纖維,同時,憑借于其過濾介體的型式和厚度,它也能同樣收集一部分比最大毛孔尺寸小的污染物[1]。
2　在役過濾分離器結構簡介
在役過濾分離器最早使用在臥龍河引進裝置上,這批過濾分離器是從美國ＰＥＣＯ公司引進的75Ｈ型臥式過濾分離器。20世紀80年代四川石油設計院(現ＣＰＥ西南分公司)在消化引進裝置的同時,結合我國的國情研究設計出國產過濾分離器,并推廣使用到國內外天然氣凈化裝置上[2]。90年代末,在引進撬裝脫水裝置時,又同步從加拿大ＭＩ公司引進Ｆ 201型臥式過濾分離器。近年來ＣＰＥ西南分公司與有關單位一起又對上述結構的過濾器進行了進一步改進,使用效果較好,其結構原理如圖1所示。
此過濾分離器由兩段組成,第一段主要是圓筒形玻璃纖維膜壓濾芯(管狀28根)組成過濾段,濾芯安裝在有支座的管板上,管板的每個支座都有一根Ｚ形或Ｘ形的支撐桿,濾芯及其封頭通過支撐桿,用螺栓牢固地固定在管板上。再用固定架將濾芯的自由端固定起來,通過拆裝固定架和螺栓,可以拆裝、清洗、更換濾芯。第二段為分離段。分離段內安裝有由不銹鋼金屬絲網構成的高效絲網墊層分離除霧、聚結裝置,過濾段與分離段之間用管板隔開,過濾分離器下部是一個儲液罐,此罐與過濾、分離段相對應地分成兩段,過濾段和分離段分離出的液體分別通過各自的降液管進入儲液罐中。

此過濾分離器濾芯屬于深層過濾介體。原料氣中大于10μｍ的固體與游離溶滴留在濾芯外表面,不能進入濾芯。留在濾芯外表面的固體微粒逐漸形成一層濾餅,在氣流的脈動作用下,濾餅通常堆積并碎落到容器底部,堆積在濾芯上的固體微粒使壓力降增大,當壓力降達到規定值時,進行濾芯的清掃或更換。
3　在役過濾分離器運行狀況
重慶氣礦在役過濾分離器檢修時發現,過濾下來的主要是硫化鐵粉塵等固體雜質,這些污物往往堵滿大半個容器。抽出來的玻璃纖維過濾元件表面粘附著厚約15～20ｍｍ的硫化鐵粉塵等雜質,呈黑色粉末狀,與空氣接觸很快自燃,火焰有3ｍ多高,用消防水、蒸氣、氮氣滅火,約2ｍｉｎ左右壓住火焰,最后熄滅。
在脫水裝置運轉期間,過濾分離器的差壓曾多次升高到0.015ＭＰａ,經過切換后,一般采用過濾分離器卸壓至常壓并用低壓蒸氣短時間吹掃,再投入使用,恢復正常工作。吹掃可以將附著在元件上的濾餅脫落下來,阻力下降。但無法清除濾層中的粉塵粒子,因此吹掃只能重復1～2次,就不再起作用。
在過濾分離器的實際使用過程中,確認過濾元件被固體雜物堵塞的主要依據是過濾分離器出入口差壓超過0.015ＭＰａ的75％,這時要清洗過濾元件,殼體內部和儲液罐。有必要時,更換過濾元件。
過濾分離器的切斷周期受原料氣的氣質情況和天然氣過濾量的影響。開工初期切換周期短,而后來切換周期逐漸增長。
每次清洗打開快開頭蓋,過濾分離器內部都較臟,臟物堆積情況不等,有時堆滿容器的2/3高,有時較少,但過濾元件上均有一層厚度不等的濾餅,用消防水槍沖洗即能沖洗干凈。
過濾分離器的清洗方法較為簡單,差壓達到0.015ＭＰａ的75％時,需將其切換到備用臺運行。切換后,先完成停用臺的排液工作,然后將容器泄壓至常壓,用氮氣吹掃和鍋爐給水浸濕濾餅(以防打開快開盲板頭蓋時,硫化鐵和空氣接觸自燃),然后打開快開盲板頭蓋,用0.5ＭＰａ消防水沖洗過濾元件,除去儲液罐和過濾元件上的雜物。清洗和更換過濾元件,組裝還原。經原料氣試壓檢漏合格,作為備用。
在清洗時,若是過濾元件只使用一次,就出現有損壞或變形現象,應更換新的過濾元件。目前進口過濾元件早已用完,改用國產過濾元件。
分離段的金屬絲網除霧器的差壓一直是比較固定的。裝置大修拆開捕霧段檢查時,曾發現除霧器金屬絲網被沖壞,有的地方已經穿孔。
4　過濾分離器在使用中存在的問題
重慶氣礦目前使用的國產臥式分離器,是一個技術上成熟可靠的除塵分離(霧沫夾帶)設備,四川石油設計院在引進ＰＥＣＯ公司使用過濾器基礎上,結合國內情況作了多次改進,該設備使用于重慶凈化總廠、長慶第二凈化廠、川中礦區凈化廠、陜京線壓縮機站、靖西縣壓縮機站等地、伊拉克姆拉·阿布杜拉燃氣能機電廠等,其使用效果良好,并長期保持正常運轉。該設備在設計中,不僅保證了壓力容器安全系數、技術要求,而且也保證了良好的使用性能,設備的設計是完善周全的。設計技術要求中,提出了對除塵效率、密封面檢查、以及密封面氣密性試驗等多項技術指標。出口到國外的產品經過環保部門檢測,其除塵效率及粒度要求均達到質檢標準,其主要數據如下:
對于8μｍ及以上粉塵效率≥99.99％,6～8μｍ粉塵效率≥99％,現場檢測中發現的問題,其原因主要在制造安裝及使用等方面。
4.1　過濾元件問題
過濾分離器的過濾元件,采用層壓玻璃纖維過濾介體,層壓玻璃纖維過濾介體系相對級,其過濾精度隨玻璃纖維位置移動而變化,據國外資料介紹,精度范圍為4～8μｍ。最初試制的國產仿28#ＦＧ372型過濾元件存在主要問題:玻璃纖維的直徑達不到進口元件的精度要求,玻璃纖維沒有緊密地卷在帶孔的中心管上,粘結強度不夠,裝置運轉過程中,由于差壓過大使玻璃纖維之間的孔隙加大,超標塵粒從大孔隙中通過,使過濾精度降低。同時由于壓差過大使濾芯中的沒固定好的玻璃纖維被沖出來,在檢修時發現在設備底部堆積玻璃纖維物質,這是過濾元件損壞所致。這些情況表明,最初試制的仿28#ＦＧ372型過濾元件的質量不如進口元件,使得過濾分離器的使用效果下降。目前國產過濾元件的質量已達到國外同類產品相應水平[3]。但是,由于2μｍ以上的粉塵對計量精度有較大影響,現有過濾元件已不能滿足要求,必須進行新型過濾元件的研究。
4.2　自動排液系統無法使用問題
過濾分離器儲液罐設置液位指示和自動排液系統,由于隨同原料氣進入設備的液體較臟,流量又不穩定。造成液位指示不準確,液面不清楚,自動排液系統控制不靈無法使用�，F在排液操作只能按定期間歇式進行,因估計不準,可能達到儲液罐滿液,對除霧絲網有一定的破壞作用。此外,由于估計不準,也有可能在排液操作中發生“竄氣”情況。
4.3　過濾分離器進出口壓差指示不準問題
當過濾分離器的液位失靈后自動控制,壓差計引壓管線經常發生液體污物堵塞。指示計上差壓不能正確反映過濾分離器的堵塞情況。前已述及,差壓是切換過濾分離器的唯一標準,現在只能根據經驗估計,定期切換過濾分離器。因為原料氣帶來的固體雜質不穩定,往往會因為估計不當,造成過濾元件因壓差過大而損壞,這樣直接影響過濾分離器的使用效果。
4.4　設備制造問題
由于我國舊的體制造成設備設計工作與制造工作分別由不同的單位承擔,造成設備的設計環節與制造環節不能很好的銜接,制造單位往往不能準確完善地貫徹設計思想,對分離工藝、設計意圖往往了解不夠,缺乏專門的工藝技術、裝備及檢測水平。因此,造成一些設備在生成運行中使用的效果欠佳。
過濾元件性能、端口密封以及其他構件結構、安裝尺寸的檢測均應達到設計提出的技術要求才能保證過濾器的效率達到設計最佳值。制造廠不僅應有一套壓力容器質量安全保證體系按設計文件要求施工。同時也應有一套滿足設備功能性要求的制造工藝、工裝和功能性的中間檢查及其質量記錄等[4]。功能性等方面的檢驗證明文件應同壓力容器廠出廠所要求的相關證書與資料,一并納入這類設備質量證明文件。
加強設備監造工作,特別是中間制造過程的監造,不僅要監理設備的壓力容器安全質量,同時也要加強設備能滿足功能性方面的質量監理。
4.5　現場操作問題
過濾分離器應在額定流速范圍內操作,而實際情況是經常由于調氣原因,壓力及流量變化,不能在額定范圍內操作,從而影響過濾器分離效果。
4.6　現場檢修保養問題
操作上應嚴格按照設計文件要求進行操作、維護、檢修和及時更換過濾元件�，F場檢修時必須徹底清除過濾器設備內部沉積的污物,特別是過濾元件安裝接口部分的污物,此外調整好過濾元件的安裝預緊力也很重要,它是影響密封接合部密封性能的主要影響因素。
5　過濾分離器的改進方案
過濾分離器的改進主要分為兩個方面,其一是濾芯改進;其二是結構形式改進。對于結構形式改進主要是把濾芯由臥裝改為立裝,讓過濾芯子外面結成的粉塵濾餅有可能靠重力與濾芯分離掉到集污腔內。
5.1　濾芯改進方案(見圖2)
濾芯的改進主要是將現有過濾介體層壓在圓筒外壁的圓筒形的濾芯改為過濾介體折疊在圓筒外的結構形式。折疊形式過濾面積遠遠大于圓筒形式過濾面積,但是折疊形式要求更加精細的過濾介體。

5.2　立式過濾分離器
立式過濾分離器的設計思想是讓氣流方向與被分離出來的固體粉塵及液體運動方向垂直,減少氣流對被分離出來的物質的干擾[5]。被分離出來的物質可以是結在濾芯外壁的濾餅,和通過濾芯和層壓絲網墊層集聚起來的液滴。由于時間關系本課題僅對立裝式過濾器作了設計(見圖3),還沒有來得及對立裝絲網墊層(或其它聚集器)作研究。

圖3僅是一個單濾芯過濾器結構圖,濾芯垂直安裝在過濾器下部的托盤上,濾芯上部靠壓盤密封壓緊,天然氣從濾芯外側進入過濾介體,從內筒排出,濾餅及污物在濾芯外壁掉下來進入收集筒。
6　新型分離過濾設備發展方向探討
目前重慶氣礦使用的分離過濾設備基本上都是20世紀90年代以前的產品。在現場調查和檢測中發現這些設備分離過濾效果達不到干氣輸送工藝要求,有必要對現有設備進行改進提高,并在此基礎上進行新型高效分離過濾設備的研究工作,現將新型高效分離過濾設備研究工作方向及方法設想如下:
ａ)新型高效分離過濾設備應從分離過濾的工藝研究開始,研究工藝完善、效率高、處理量大的新型高效設備,具體要求是效率應盡量接近當前國際新水平,分離過濾設備出口天然氣質量應符合干氣輸送要求,分離過濾設備體積要小,重量要輕。
ｂ)解放思想,突破原有引進設備和多年科研方向線路的框架,引進其他行業的先進經驗和技術,發展新型分離過濾設備。
ｃ)新型高效分離過濾設備應是一種聯合裝置,對分離器而言,既有初分段,又有精分段,對過濾器而言既有初濾段,又有精細過濾段,這種新型設備能把以前要由幾個分離過濾設備完成的分離過濾工藝過程,集中在一起,由1臺聯合裝置完成。
ｄ)新型分離過濾設備的技術關鍵是易拆裝的分離過濾元件及內構件,對于不同工況只要更換相應的內構件及分離過濾元件就可以達到改變工況的能力。
ｅ)研究工作組織形式。新型分離過濾設備的研究工作應是一個打破條塊限制的聯合體,即由科研設計、加工制造和用戶三家組成的聯合體。有分工有合作,以科研設計為先導,以生產廠家為基地,以礦區為主體�？蒲性O計單位提出的方案,完成的設計,要在工廠進行廠內試驗,合格后到現場試驗,然后再投入批量生產。這個聯合體要有長年的活動計劃和經費來源。生產廠家應是專業分離過濾設備生產廠家。隨著體制改革深化,這個聯合體度過原始積累階段后可以發展成為專業公司,向國際分離過濾設備公司的科學管理及結構形式靠攏,使我國的分離過濾設備研究工作上一個臺階。
參考文獻:
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[2]　米力田,李　熹,張維臣,等,在役天然氣分離除塵效果分析研究[Ｚ].成都:中油集團工程設計有限責任公司西南分公司,2002,1 96.
[3]　霍肖男,關昌倫.膜分離技術在天然氣凈化領域內的應用[Ｊ].天然氣與石油,1993,11(1):18 21.
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[5]　熊建嘉,李治民.干氣輸送天然氣管線粉塵檢測與防治方案[Ｚ].重慶:西南油氣田分公司重慶氣礦,2001,5 15.