天然氣在線分析預(yù)處理性能評(píng)價(jià)技術(shù)分析探討

朱華東 王宏莉 孫曉艷 周理

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 天然氣在線分析預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

天然氣在線分析項(xiàng)目主要有微量水分與水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)、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(jí)處理才能達(dá)標(biāo)。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(jìn)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(zhì)[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(jìn)行脫硫處理,可能導(dǎo)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(duì)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(zhì)粒度一般小于0.4μm。粉塵和氣霧若不處理干凈,將會(huì)污染在線分析儀器的傳感器件、光學(xué)器件和色譜柱等,造成測(cè)量誤差或運(yùn)行故障。因此,天然氣在線分析儀均需配套預(yù)處理系統(tǒng),對(duì)天然氣樣品進(jìn)行顆粒物和水濾除、調(diào)壓或控制溫度等處理,從而保護(hù)在線分析儀,確保設(shè)備正常運(yùn)行。

不同的應(yīng)用場(chǎng)景采用的在線分析預(yù)處理系統(tǒng)也有所區(qū)別,從井口到天然氣凈化廠,在對(duì)原料氣的氣質(zhì)在線分析中,由于原料氣中含有大量的雜質(zhì)和液態(tài)水,而且對(duì)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(qiáng),配套的預(yù)處理系統(tǒng)需要耐酸性氣體腐蝕,對(duì)天然氣惰性,并且具有顆粒物和液態(tài)水過濾功能,才能達(dá)到防護(hù)在線分析儀且不影響在線分析結(jié)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(duì)預(yù)處理系統(tǒng)的要求較為簡(jiǎn)單,通常只要求調(diào)壓和顆粒物精密過濾即可,對(duì)于產(chǎn)品氣中硫化物在線分析,則要求預(yù)處理系統(tǒng)不吸附H2S,不能影響分析結(jié)果。對(duì)于烴露點(diǎn)在線分析,為了保證天然氣中重?zé)N組分不發(fā)生冷凝,通常要求預(yù)處理系統(tǒng)具有加熱保溫功能。

總之,天然氣在線分析預(yù)處理的基本任務(wù)和功能歸納如下:流量調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、除塵、除水除濕和氣液分離。實(shí)際氣體預(yù)處理裝置是根據(jù)對(duì)分析儀器的要求而設(shè)計(jì)制作的,主要包括顆粒物濾除、液態(tài)水濾除、調(diào)壓、調(diào)溫和對(duì)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(yù)處理具有可以濾除粒徑大于0.2μm 的顆粒和液態(tài)水、調(diào)節(jié)壓力且不吸附硫化物。因此,須對(duì)預(yù)處理裝置進(jìn)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(jìn)行評(píng)價(jià),考察預(yù)處理裝置是否滿足在線分析儀要求。

2 天然氣在線分析預(yù)處理性能評(píng)價(jià)發(fā)展形勢(shì)

GB 17820-2018《天然氣》要求當(dāng)H2S和總硫含量測(cè)定瞬時(shí)值不符合要求時(shí),應(yīng)對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān) 測(cè)[7]。 隨 著 我 國(guó) 天 然 氣 工 業(yè) 發(fā) 展 和GB 17820-2018的實(shí)施,H2S和總硫在線實(shí)時(shí)檢測(cè)需求將增加。天然氣氣質(zhì)提升和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)進(jìn)步必將推動(dòng)天然氣氣質(zhì)分析向在線分析發(fā)展,配套的在線分析預(yù)處理的性能和維護(hù)保養(yǎng)將受到更多關(guān)注。目前,由于缺少預(yù)處理系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法,國(guó)內(nèi)外均憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行天然氣在線分析預(yù)處理系統(tǒng)貿(mào)易交接和維護(hù)保養(yǎng),隨著天然氣氣質(zhì)分析將向在線分析發(fā)展,對(duì)配套的樣品預(yù)處理系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法提出了新的要求。

3 天然氣在線分析預(yù)處理性能評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀

天然氣或相關(guān)氣體在線分析預(yù)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(duì)樣品氣壓力有要求,部分在線分析儀對(duì)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(yù)處理需要考慮除塵、除液滴、調(diào)壓、保溫、抗硫吸附及對(duì)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(diào)壓閥、溫度控制系統(tǒng)及采用抗硫吸收材質(zhì)部件實(shí)現(xiàn)。這些部件性能的好壞直接影響樣品氣體處理結(jié)果,對(duì)分析儀器的壽命產(chǎn)生重要影響。為表征預(yù)處理裝置處理樣品氣體的能力,須針對(duì)裝置重要參數(shù)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

相關(guān)的性能評(píng)價(jià)技術(shù)主要分為顆粒過濾裝置性能評(píng)價(jià)方法、液滴過濾裝置性能評(píng)價(jià)方法和調(diào)壓部件性能評(píng)價(jià)方法等。

3.1 顆粒過濾裝置性能評(píng)價(jià)方法

顆粒過濾裝置主要包括燒結(jié)過濾器、篩網(wǎng)過濾器、膜過濾器、纖維或紙質(zhì)過濾器。其評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法統(tǒng)計(jì)表

目前,對(duì)于過濾器過濾性能的評(píng)價(jià)方法主要有計(jì)數(shù)法、計(jì)量法、油霧法和鈉焰法(見表1)。

在過濾器過濾性能評(píng)價(jià)研究及應(yīng)用方面,Huang等[10]利用TSI 3321 空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分析儀及TSI 3936掃描電遷移粒徑儀測(cè)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(xué)粒子計(jì)數(shù)器對(duì)聚結(jié)濾芯上下游氣體中氣溶膠含量進(jìn)行測(cè)定,研究了濾芯的厚度、填充密度及放置方式等因素對(duì)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(jié)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(duì)氣液過濾效果的影響。肖連等[13]利用Weal’s 2000光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(OPC)在濾芯上下游處對(duì)氣體中液滴和固相顆粒的含量及粒徑分布等進(jìn)行測(cè)量,從而測(cè)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(duì)聚酯纖維濾芯、復(fù)合膜濾芯、高鎳濾芯3種濾芯的過濾精度及效率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)室的試驗(yàn),對(duì)比最終現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,并對(duì)濾芯現(xiàn)場(chǎng)使用提出相應(yīng)建議。Firsing等[15]對(duì)纖維過濾器進(jìn)行了試驗(yàn),測(cè)定了不同濾速變化對(duì)纖維過濾器的影響,并給出了過濾機(jī)制的模型。由此可見,常見的過濾器過濾性能評(píng)價(jià)方法主要為計(jì)數(shù)法和計(jì)量法。計(jì)數(shù)法是先采用氣溶膠發(fā)生器獲得氣溶膠,再用粒子計(jì)數(shù)器測(cè)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(jì)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(cè)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(píng)價(jià)尚無具體的標(biāo)準(zhǔn),學(xué)者在試驗(yàn)中主要采用差壓變送器法測(cè)試過濾器的壓降特性。差壓變送器可以測(cè)量過濾器進(jìn)出口壓力,得到樣品氣經(jīng)過過濾器的壓降,進(jìn)而評(píng)價(jià)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(cè)量氣體經(jīng)歷濾芯前后時(shí)的質(zhì)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(píng)價(jià)有GB/T 14041.3-2010《液壓濾芯 第3部分:抗壓潰(破裂)特性檢驗(yàn)方法》,在壓潰特性試驗(yàn)臺(tái)上開展壓潰試驗(yàn),不斷增大過濾器進(jìn)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(qiáng)度。

過濾器容塵性能的評(píng)價(jià)方法有SY/T 7034-2016《過濾器容塵性能》,采用氣溶膠計(jì)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(shí),其內(nèi)部氣阻不斷增大,測(cè)量過濾器在達(dá)到終阻力時(shí)所吸收氣溶膠的質(zhì)量來確定過濾器的容塵特性。

3.2 液滴過濾裝置性能評(píng)價(jià)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(duì)于更小的細(xì)霧則要設(shè)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(biāo)為除霧效率和進(jìn)出口壓降[17-18]。

在除霧效率性能評(píng)價(jià)應(yīng)用研究方面,王政允[19]利用稱量法計(jì)算除霧效率,研究了煙氣流速和板間距對(duì)除霧效率的影響。黃新長(zhǎng)[20]、孫志春等[21]用水平衡法測(cè)量除霧器的除霧效率,驗(yàn)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(cè)試除霧器的除霧效率,除霧器后設(shè)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(jìn)口空氣液滴含量與出口空氣液滴含量之差與進(jìn)口液滴含量的比值。盤思偉等[23]用Mg2+示蹤法測(cè)量發(fā)電廠脫硫裝置除霧器除霧效率,通過用EDTA 法分別測(cè)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(píng)價(jià)研究方面,黃新長(zhǎng)[20]自行建造一套除霧器實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)定各影響因素對(duì)除霧器性能的影響,并用微壓計(jì)測(cè)量除霧器進(jìn)出口的壓力,從而確定除霧器的壓降。楊柳等[17]用皮托管對(duì)除霧器進(jìn)出口的壓力進(jìn)行測(cè)試,確定了除霧器的壓力降,進(jìn)而得到不同除霧器結(jié)構(gòu)對(duì)壓力降的影響。向曉東等[24]在2019年用U 形壓力計(jì)測(cè)定除霧器進(jìn)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(cè)定除霧效率,用壓力計(jì)等壓力測(cè)量裝置測(cè)試壓降。水平衡法原理是通過計(jì)算除霧器中脫除水的量與進(jìn)入除霧器中水的量之比得到的。即可表示為水桶內(nèi)水的質(zhì)量為M,進(jìn)入除霧器截面的液滴量為M1,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后桶內(nèi)水的質(zhì)量為M2,除霧器中被脫除的水的質(zhì)量為M3,則除霧器效率=M3/M1=M3/(M-M2)。稱量法則是稱重試驗(yàn)前水源的質(zhì)量,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),稱重水源剩余質(zhì)量和除霧器增加質(zhì)量,除霧器增加質(zhì)量與水源減少質(zhì)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(zhì)量增加,通過測(cè)量增加質(zhì)量與所噴水霧的質(zhì)量之比確定除水效率。

3.3 調(diào)壓部件性能評(píng)價(jià)方法

GB 12245-2006《減壓閥性能試驗(yàn)方法》規(guī)定了測(cè)試減壓閥調(diào)壓性能的評(píng)價(jià)方法。給定減壓閥進(jìn)口最高允許工作壓力,調(diào)節(jié)出口壓力為某一特定壓力,測(cè)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(jìn)口壓力在80%～105%最高工作壓力范圍內(nèi)變化,測(cè)定此時(shí)出口壓力偏差值。當(dāng)偏差值小于或等于5%時(shí),說明壓力閥的調(diào)壓性能是合格的。另外,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3692-2001《金屬膜片式穩(wěn)壓閥技術(shù)條件》和HG/T 3693-2001《橡膠膜片式穩(wěn)壓閥技術(shù)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(cè)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(píng)價(jià)方法

HJ/T 376-2007《24 小時(shí)恒溫自動(dòng)連續(xù)環(huán)境空氣采樣器技術(shù)要求及檢測(cè)方法》用鉑電阻測(cè)量溫度,溫度記錄儀記錄鉑電阻所測(cè)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(yīng)能滿足控溫范圍在15～30 ℃內(nèi)任意調(diào)節(jié),在24 h連續(xù)采樣條件下,溫度控制精度應(yīng)在±2 ℃以內(nèi),采樣器應(yīng)能顯示恒溫裝置的溫度,溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于20 min。

綜上所述,相關(guān)的天然氣在線分析預(yù)處理性能評(píng)價(jià)方法包括用于顆粒過濾裝置性能評(píng)價(jià)的計(jì)數(shù)法、計(jì)量法等,用于液滴過濾裝置性能評(píng)價(jià)的稱量法、水平衡法和Mg2+示蹤法等。上述方法適用于在實(shí)驗(yàn)室對(duì)過濾器進(jìn)行性能評(píng)價(jià),需要專門的儀器設(shè)備,且操作較為復(fù)雜,目前無法直接用于現(xiàn)場(chǎng)天然氣在線分析預(yù)處理性能評(píng)價(jià)。

4 天然氣在線分析預(yù)處理性能評(píng)價(jià)展望

目前,天然氣在線分析預(yù)處理系統(tǒng)在出廠、現(xiàn)場(chǎng)安裝、使用維護(hù)時(shí)均未進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。原因有以下幾點(diǎn):

(1)沒有專門針對(duì)天然氣在線分析預(yù)處理系統(tǒng)的國(guó)標(biāo)或者行標(biāo),因此生產(chǎn)企業(yè)或是現(xiàn)場(chǎng)使用的企業(yè)沒有標(biāo)準(zhǔn)方法可使用。

(2)只要現(xiàn)場(chǎng)在線分析儀正常工作,則認(rèn)為配套的預(yù)處理系統(tǒng)性能符合要求,不再進(jìn)行性能測(cè)試。

(3)預(yù)處理系統(tǒng)中部分關(guān)鍵部件是外采部件,例如過濾器和除霧器。在外采購買時(shí),生產(chǎn)廠商不會(huì)出具性能評(píng)價(jià)報(bào)告,出于對(duì)廠商的信任,不再做性能檢測(cè)。

(4)在進(jìn)行預(yù)處理裝置交接驗(yàn)收時(shí),生產(chǎn)廠商會(huì)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案和性能參數(shù)指標(biāo),默認(rèn)方案中的性能滿足需要。

隨著GB 17820-2018 的實(shí)施,天然氣在線分析需求增加,配套的預(yù)處理系統(tǒng)的性能是否符合要求將受到更多的關(guān)注,有必要在預(yù)處理系統(tǒng)貿(mào)易交接驗(yàn)收中開展性能評(píng)價(jià),確保其性能滿足要求,維護(hù)供需雙方的合法權(quán)益。在預(yù)處理系統(tǒng)使用維護(hù)過程,定期開展性能評(píng)價(jià),確保預(yù)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(shù)進(jìn)行改良并進(jìn)行技術(shù)集成,建立適用于現(xiàn)場(chǎng)天然氣在線分析預(yù)處理系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的方法和標(biāo)準(zhǔn),使得行業(yè)內(nèi)有標(biāo)可依,促進(jìn)天然氣在線分析技術(shù)及相關(guān)行業(yè)健康發(fā)展。關(guān)于建立天然氣在線分析預(yù)處理性能評(píng)價(jià)方法的幾點(diǎn)建議如下:

(1)對(duì)預(yù)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(diào)節(jié)性能和抗硫吸附性能分別進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)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(yù)處理系統(tǒng)一般具有小巧、安裝在可燃?xì)怏w區(qū)域的特點(diǎn),建議設(shè)計(jì)便攜式的顆粒發(fā)生裝置和接收裝置,采用計(jì)量法進(jìn)行顆粒物過濾性能評(píng)價(jià)。

(3)建議在預(yù)處理裝置前后分別安裝簡(jiǎn)易霧化器和液滴接收裝置,采用稱量法進(jìn)行液滴過濾性能評(píng)價(jià)。

(4)采用相同分析方法在預(yù)處理裝置前后分別測(cè)定H2S含量,從而進(jìn)行抗硫化物吸附性能評(píng)價(jià)。

(5)通過連續(xù)測(cè)定經(jīng)過預(yù)處理裝置處理后的氣體溫度和壓力進(jìn)行溫度壓力控制性能評(píng)價(jià)。