基于颗粒在线检测的天然气过滤器运行特性分析

郑思佳 罗 敏 韩华明 别 沁 刘 颖 李 琦 陈世坤 朱 娜 毛 娅 刘 震

1.中国石油西南油气田公司输气管理处 2. 中国石油西南油气田公司重庆气矿3.四川川港燃气有限责任公司 4.中国石油大学（北京）

0 引言

中国国家标准《进入天然气长输管道的气体质量要求：GB/T 37124—2018》[1]规定，进入长输管道的天然气，粉尘粒径应控制在5 μm以下。因此，长输管道前端需要设置过滤器进一步去除天然气中的粉尘颗粒[2-3]。但在中国西部某些气田，由于捕集粉尘无法排出，运行一段时间后过滤器除尘能力会下降，必须更换滤芯。中国石油天然气行业标准《输气管道工程过滤分离设备规范：SY/T 6883—2012》[4]明确了过滤器内滤芯的更换标准，即进、出口压差达到0.12 MPa。然而，现场使用中常出现过滤器进、出口压差没有达到该标准就丧失除尘效果的情况，导致下游粉尘粒径过大、含量过高，设备刺漏和管道堵塞频发，威胁正常生产[5-7]。因此，探究过滤器的运行特性，有针对性地制订滤芯更换标准有助于保障长输管道运行安全。

滤芯更换标准的确定是国内外研究的重点和难点[8]。姬忠礼等[9]发现，对于高压天然气过滤器，随运行时间增长进、出口压差不断增大的同时，除尘效率呈下降趋势，这是因为滤芯纤维会被粉尘堵塞导致压差升高，同时，滤材表面老化，大粒径颗粒穿透，使除尘效率下降。Liu等[10]发现由于滤材被粉尘堵塞，滤芯使用末期除尘效率维持在较低水平。Lim等[11]开展了不同孔隙率滤芯的粉尘捕集实验，实验结果表明压差曲线斜率突然升高的节点可以作为滤芯寿命突降的拐点。Azam等[12]发现在粉尘浓度一定时，当气体输量增加时，压差加速上升，同时，后期除尘效率呈降低趋势。Gac等[13]研究了滤材纤维长度、孔隙率与运行压差的关系，发现纤维直径越长，滤芯孔隙越小，压差增加越快。Théron等[14]发现，滤芯上褶皱越多，褶皱间距越大，上、下游压差越小。综上所述，国内外相关研究多在实验室内考察单根滤芯在不同影响因素下的变化情况，鲜有考察数十根滤芯组装成为过滤器后，在长达1～2年运行过程中沿程压差、除尘效率的变化特性。

为了给过滤器滤芯更换标准的制订提供参考，考察了操作压力、滤芯物性、天然气输量等关键参数，采用粉尘在线检测技术、统计压差—流量的方法，明确了工况下过滤器在1～2年内的运行特性，推荐了该类型过滤器的运行输量。

1 基本参数和在线检测实验

1.1 过滤器基本参数

1.1.1 原理和结构

过滤器内29根滤芯整齐排列，在捕集腔内形成蜂窝状（图1-a），其入口管道长度、出口管道长度、滤芯长度等尺寸如图1-b所示。携带粉尘的气体从入口管道流入过滤器捕集腔内，通过滤芯捕集，颗粒在捕集腔内被脱除，经过滤芯的中空流道进入收集腔，再经过气体收集腔流出过滤器（图1-c）。

1.1.2 滤芯性能

图1 过滤结构和原理图

过滤器内的滤芯长度、外径、壁厚、内径分别为1 200 mm、112 mm、16.5 mm和96 mm，材料为聚酯纤维，操作温度介于-5～115 ℃，单根滤芯的过滤区域为2.98 m2，设计除尘效率：0～1 μm颗粒去除率为99.0%，1～3 μm颗粒去除率为99.1%，3～5 μm颗粒去除率为99.9%，符合输气管道工程设计[15]要求，具体物性如表1所示。

表1 滤芯材料物性表

1.2 除尘效率检测和压差跟踪实验

1.2.1 实验装置

采用高压天然气管道内粉尘检测装置检测过滤器粉尘入口（上游）、粉尘出口（下游）的流动粉尘粒径和浓度（图1-c中入口和出口），除了明确进、出口粉尘粒径的变化，还可以通过式（1）获得粉尘浓度的去除效率即除尘效率（ηeff）。

式中CV,out、CV,in分别表示过滤器出口、进口粉尘浓度，μm3/m3。

该装置由采样模块、粉尘计数模块、粉尘捕集模块、流量控制放空模块和数据处理模块5部分组成，工作原理如图2所示。采样模块①可安全地取出管道内携带粉尘的流动气体并进行流量分配；粉尘计数模块②采用德国Palas公司的Welas 3000型气溶胶粒径谱仪（Palas GmbH公司，德国）检测粉尘粒径分布和浓度；粉尘捕集模块③中的过滤器实现对天然气中粉尘的捕集，最后在流量控制放空模块④进行减压和放空；检测结果显示在数据处理和获取模块⑤[16]。

1.2.2 实验考察对象

图2 高压天然气管道内粉尘检测流程图

表2 实验方案表

实验考察对象为F-1～F-7的7台过滤器，如表2所示。通过这7台过滤器考察：①不同运行压力下过滤器的压差和除尘效率；②不同物性滤芯的除尘效率和粒径分布；③不同输量对滤芯除尘效率和粒径分布的影响。入口粉尘物性：在过滤器前取样，电镜分析（SEM，Carl Zeiss公司，德国）表明粉尘颗粒呈无规则状，其形状如图3所示，粒径多介于0.5～16 μm，粒径为1 μm左右的颗粒最多。F-1～F-5过滤器的输量（标况，下同）介于（150 ～ 400）×104m3/d，F-6的输量介于（100～270）×104m3/d，F-7的输量介于（40～160）×104m3/d。过滤器的操作温度长期介于10～20 ℃。

图3 粉尘微观形貌图

1.2.3 过滤器上下游压差跟踪

除了检测过滤器的除尘效率，还跟踪记录了过滤器F-1、F-2、F-3、F-6、F-7差压表数据、流量计数据、运行压力、操作温度等参数，记录频率为每周2次，持续时间为1年，以获得过滤器压差随输量的变化特性。

1.2.4 检测方案

1）运行1个月后第一次检测，后每半年检测一次，直到效率小于50%。

2）每组检测时间8 h。

1.3 主要考察工况

1.3.1 不同操作压力下的压差和除尘效率对比

由于天然气可压缩，在输量为（150～400）×104m3/d，压力为2.5 MPa、3.5 MPa、4.5 MPa时，过滤器入口工况流速分别为8.70～23.30 m/s、 6.10～16.30 m/s、4.70～12.40 m/s，因此，过滤单元的达西常数差别明显[10,17-18]，这会影响过滤器的进、出口压差和除尘效率。为了明确不同操作压力过滤器的运行特性，开展了过滤器F-1、F-2、F-3对比实验。

1.3.2 不同滤芯除尘效率对比

为了对滤芯选型提供依据，探究了滤芯初始效率（即室内实验下的除尘效率，执行标准ISO 12500-1-2007Filters for Compressed Air--Test Methods--Part1:Oil Aerosols[19]）与其工况下使用寿命的关系，选择了3种初始效率不同的滤芯，开展了除尘效率对比试验。3种滤芯均为聚酯纤维材料，其优缺点如表2所示， F-5滤芯设计上具有较强容尘能力。室内实验结果显示，3种滤芯对于0～1 μm颗粒的去除效率均大于99%，对于1～3 μm颗粒的去除效率均大于99.1%，对于3～5 μm颗粒的去除效率均大于99.5%。过滤器滤芯的初始效率从大到小的排序为F-4、F-1、F-5（图4）。

图4 不同滤芯实验室内标定除尘效率图

1.3.3 不同输量下除尘效率对比

为明确过滤器的最优工作区间，考察了运行输量介 于（150～400）×104m3/d、（100～ 270）×104m3/d、（40～160）×104m3/d下过滤器的除尘效率，如表2中实验编号F-1、F-6、F-7。

2 实验结果

2.1 检测有效性验证

为验证除尘效率在线检测结果的可靠性，在F-1、F-7、F-8过滤器使用1年后进行打开作业，清理出截获的粉尘并称重。通过对比清理出粉尘的质量与在线检测所得除尘量考察在线检测的精度。

在线检测所得除尘量（mcol）可由式（2）计算得到。

过滤器打开后收集到的粉尘用单位“桶”来计量，1桶为20 kg，再减去注入水的质量（打开作业防止粉尘飞扬，1桶水为5 kg），就能得到实际捕集的粉尘质量。

清理出粉尘的质量与在线检测所得除尘量对比如图5所示，实验、检测所得误差对于过滤器F-1、F-7、F-8分别为 10.0%、8.3%、5.0%。这表明在线检测方法具有较高精度。

图5 计量所得粉尘与检测结果对比图

2.2 运行压力对过滤器的影响

2.2.1 上下游粉尘情况

过滤器F-1、F-2、F-3运行12个月后的检测结果如表3所示，可检测到的上游颗粒粒径最小为0.52 μm，最大颗粒粒径为12.98 μm。相应的下游可检测到的最小粒径为0.52 μm，最大粒径为3.51 μm。可见过滤器上游存在颗粒粒径大于5 μm的情况，而过滤后下游粒径均小于5 μm，这符合标准《进入天然气长输管道的气体质量要求：GB/T 37124—2018》[1]的规定。

同时，对于过滤器F-1，检测到的上游最大粉尘浓度为65.2 μg/m3，下游最大粉尘浓度则为46.5 μg/m3，这表明过滤器对于粉尘浓度的除尘效率较低，仅为28.40%，特别是每年输往下游的粉尘量达到了186 kg，这是下游设备堵塞、受到冲蚀的主要原因。过滤器F-2和F-3的浓度除尘效率相对较高，分别为98.10%和99.42%。

2.2.2 压差随时间的变化

图6所示的散点为F-1、F-2、F-3过滤器在运行时间（t）为1个月、6个月和12个月时的压差记录。F-3的平均压差为3.05 kPa，F-2的平均压差为10.01 kPa，F-1的平均压差为14.3 kPa。可见，在相同输量下，当过滤器运行压力较高时，压差整体较低，如图6-c所示的F-3，当运行压力较低时，压差整体较高，如图6-a所示的F-1。而且，较之于操作压力较低的F-1，F-3压差增加的速率更小，这是因为天然气可压缩，高压下压缩气体流速低，在相同滤材下的阻力小，因而产生的压差小。

将各过滤器在运行时间1个月、6个月、12个月下的压差记录点采用最小二乘法，拟合成多项式二次曲线（图6），其中拟合曲线的最佳拟合优度随运行时间不断下降，对于F-1，在运行时间1个月、6个月、12个月时，拟合曲线的优度分别为0.655、0.531和0.390。对于F-2，在运行时间1个月、6个月、12个月时，拟合曲线的优度分别为0.850、0.800和0.720。对于F-3，在运行时间1个月、6个月、12个月时，拟合曲线的优度分别为0.910、0.890和0.800。

表3 过滤器运行12个月后的检测结果表

图6 过滤器检测压差随时间的变化图

2.2.3 除尘效率随时间的变化

过滤器F-1、F-2、F-3的除尘效率分别如图7-a、b、c所示。对于运行压力为2.5 MPa的F-1，其除尘效率在1个月、6个月时分别为92%和95%，12月后再次检测，除尘效率下降到28.4%，随后立即更换了滤芯。由于运行压力低、流速快，较高的运行流速对滤材的剪切作用强，导致滤芯寿命降低。对于运行压力3.5 MPa的F-2，其除尘效率在1～18个月时从94.5%上升到98.1%，24个月时再次检测，虽然除尘效率仍在89%左右，下降拐点已出现。对于运行压力为4.5 MPa的F-3，其除尘效率在1～18个月时为95%～99%，但在第19个月时压差突然增高，超过了150 kPa，超过压力表量程，判断为滤芯击穿，随后立即更换滤芯。由于操作压力高、流速慢，更多的粉尘能够形成链状结构[20]使得除尘效率上升更快，但同时压力升高太快更易发生击穿。

2.3 除尘效率随滤芯物性的变化

过滤器F-1、F-4、F-5的除尘效率检测结果如图8中红色曲线和右侧标尺所示。F-1的除尘效率在12个月左右明显降低；F-4在使用1个月时的除尘效率为99%，但随着运行时间的增加，在使用18个月时除尘效率下降至29%；F-5在运行1个月后的除尘效率也最低，为85%，但随着运行时间的增长，除尘效率逐渐增加，直到24个月时，除尘效率才有显著下降，虽然初始除尘效率低，但容尘量大，更多的粉尘形成链状结构，加速捕集粉尘使除尘效率上升。

F-1、F-4、F-5出口（下游）的颗粒计数浓度检测结果如图8中彩色柱状曲线和左侧标尺所示，其中，dN/N为一定粒径下颗粒数与检测到总颗粒数之比。F-1使用1个月，F-4使用1～6个月，F-5使用1～12个月时，粒径1.7 μm以上的颗粒占比较小；F-1使用6个月，F-4使用6～12个月，F-5使用6～18个月时，粒径1.7 μm以上的颗粒占比逐渐增加，平均为10%左右；F-1使用12个月，F-4使用12～18个月，F-5使用18～24个月时，粒径1.7 μm以上的颗粒占比较高，平均为30%。可见大颗粒所占比例随除尘效率下降而增加。

2.4 输量对除尘效率的影响

在相同粉尘浓度、滤芯物性、操作压力和温度下，考察了不同输量时过滤器的压差变化（运行时间12个月），结果如图9所示。随输量上升和运行时间增加，运行输量为（40 ～ 160）×104m3/d 的 F-7，（100 ～ 270）×104m3/d的F-6，（150～400）×104m3/d的F-1过滤器压差均呈上升趋势。可见，随着流量增加，内部流速增大，过滤器的压差逐渐升高，同时，记录的压差点越来越散。

图10所示为过滤器出口处（下游）粉尘计数浓度随输量的变化。输量（40～160）×104m3/d时F-7过滤器的计数粒径如图10-a中彩色条带所示，出口处的粒径大于1.7 μm的颗粒较少，过滤器表现良好，这是因为滤芯内部远未达到饱和，尚有较多孔隙未使用，同时，除尘效率如图10-a中红色曲线所示，可见压差上升并趋于平稳，维持在97%左右。如图10-b所示，输量（100～270）×104m3/d时F-8过滤器的除尘效率先从90%上升至94%，后从94%下降至80%，使用12个月后检测，发现下游大于1.7 μm的颗粒增多。如图8-a所示，输量（150～400）×104m3/d时F-1过滤器的除尘效率先从94%上升至97%，后从97%下降至20%，使用1年后效率下降明显，下游计数粒径中大于1.7 μm的粒径最多，这表明输量大时，处理的粉尘量也大，滤材在这种高负荷下，效率下降快。综合考虑输量、压差、除尘效率间关系， 输量（100～270）×104m3/d是该类型过滤器的推荐运行输量。

图7 过滤器除尘效率随时间的变化图

图8 过滤器下游粒径分布和随时间变化的除尘效率图

3 结论

1）当运行压力为2.5 MPa、3.5 MPa、4.5 MPa，拟合优度分别在0.5、0.7、0.8以下时，过滤器的除尘效率下降变快，此时更换滤芯较合适。

图9 不同输量下过滤器压差随输量的变化图（运行时间12个月）

图10 过滤器出口处粉尘计数浓度随输量的变化图（运行时间1年）

2）滤芯的初始除尘效率较低时，寿命相对较长，但大颗粒往往可以穿过。滤芯的初始除尘效率较高时，寿命相对较短，但穿过的大颗粒较少。

3）高负荷下过滤器除尘效率下降较快，在低负荷下过滤器除尘效率下降慢，输量（100～270）×104m3/d是该类型过滤器的推荐运行输量。