天然气在线分析预处理性能评价技术分析探讨

朱华东 王宏莉 孙晓艳 周理

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院2.中国石油天然气集团公司天然气质量控制和能量计量重点实验室

1 天然气在线分析预处理系统应用现状

天然气在线分析项目主要有微量水分与水露点、烃露点、H2S 与总硫分析和组成分析[1-5]。天然气从井口采出到终端用户需要经过多级处理才能达标。首先需经重力初步分离,加入甲醇、乙二醇等抑制水合物生成,集输至净化处理厂进行脱硫脱碳脱水处理。在上述处理过程中,不可避免地带来一些杂质[6],例如在集输过程中,为了防止形成水合物,特别是在冬季寒冷情况下,要加入甲醇、乙二醇等水合物抑制剂,所以天然气中可能夹带微量的甲醇、乙二醇蒸汽;用醇胺法进行脱硫处理,可能导致天然气夹带微量胺液飞沫;采用分子筛脱水后可能夹带微量分子筛粉尘等;对于含硫天然气,在集输及净化处理过程中,H2S 可能腐蚀输气管道产生硫化亚铁(FeS)粉尘。这些杂质粒度一般小于0.4μm。粉尘和气雾若不处理干净,将会污染在线分析仪器的传感器件、光学器件和色谱柱等,造成测量误差或运行故障。因此,天然气在线分析仪均需配套预处理系统,对天然气样品进行颗粒物和水滤除、调压或控制温度等处理,从而保护在线分析仪,确保设备正常运行。

不同的应用场景采用的在线分析预处理系统也有所区别,从井口到天然气净化厂,在对原料气的气质在线分析中,由于原料气中含有大量的杂质和液态水,而且对于含硫天然气,原料气中的H2S和CO2等酸性气体含量较高,腐蚀性强,配套的预处理系统需要耐酸性气体腐蚀,对天然气惰性,并且具有颗粒物和液态水过滤功能,才能达到防护在线分析仪且不影响在线分析结果的目的。在天然气净化厂产品气在线分析中,产品气经过脱水、脱硫脱碳处理,对预处理系统的要求较为简单,通常只要求调压和颗粒物精密过滤即可,对于产品气中硫化物在线分析,则要求预处理系统不吸附H2S,不能影响分析结果。对于烃露点在线分析,为了保证天然气中重烃组分不发生冷凝,通常要求预处理系统具有加热保温功能。

总之,天然气在线分析预处理的基本任务和功能归纳如下:流量调节、压力调节、温度调节、除尘、除水除湿和气液分离。实际气体预处理装置是根据对分析仪器的要求而设计制作的,主要包括颗粒物滤除、液态水滤除、调压、调温和对气体惰性。天然气产品气硫化物在线分析仪通常要求配套预处理具有可以滤除粒径大于0.2μm 的颗粒和液态水、调节压力且不吸附硫化物。因此,须对预处理装置进行颗粒物过滤性能、液体过滤性能、硫化物吸附性能和稳压性能进行评价,考察预处理装置是否满足在线分析仪要求。

2 天然气在线分析预处理性能评价发展形势

GB 17820-2018《天然气》要求当H2S和总硫含量测定瞬时值不符合要求时,应对两项指标进行连续监 测[7]。 随 着 我 国 天 然 气 工 业 发 展 和GB 17820-2018的实施,H2S和总硫在线实时检测需求将增加。天然气气质提升和现代工业技术进步必将推动天然气气质分析向在线分析发展,配套的在线分析预处理的性能和维护保养将受到更多关注。目前,由于缺少预处理系统性能评价方法,国内外均凭经验进行天然气在线分析预处理系统贸易交接和维护保养,随着天然气气质分析将向在线分析发展,对配套的样品预处理系统评价方法提出了新的要求。

3 天然气在线分析预处理性能评价技术现状

天然气或相关气体在线分析预处理的目的是为了处理样品气,使之能够满足后续分析仪表的使用要求[8]。天然气中一般含有颗粒物和水,在线分析仪器大多要求样品干燥无尘,而且对样品气压力有要求,部分在线分析仪对样品还有温度和其他特殊要求,例如在线H2S分析要求样品中的H2S不发生流失,因此天然气预处理需要考虑除尘、除液滴、调压、保温、抗硫吸附及对天然气惰性等。这些功能通过颗粒过滤部件、液滴过滤部件、调压阀、温度控制系统及采用抗硫吸收材质部件实现。这些部件性能的好坏直接影响样品气体处理结果,对分析仪器的寿命产生重要影响。为表征预处理装置处理样品气体的能力,须针对装置重要参数进行性能评价。

相关的性能评价技术主要分为颗粒过滤装置性能评价方法、液滴过滤装置性能评价方法和调压部件性能评价方法等。

3.1 颗粒过滤装置性能评价方法

颗粒过滤装置主要包括烧结过滤器、筛网过滤器、膜过滤器、纤维或纸质过滤器。其评价参数主要包括过滤性能、压降特性、耐冲击性能和压溃特性、容尘特性等[9]。

表1 过滤器过滤效率性能评价方法统计表

目前,对于过滤器过滤性能的评价方法主要有计数法、计量法、油雾法和钠焰法(见表1)。

在过滤器过滤性能评价研究及应用方面,Huang等[10]利用TSI 3321 空气动力学粒径分析仪及TSI 3936扫描电迁移粒径仪测量了过滤分离器上下游气溶胶含量和粒径分布,从而确定气溶胶粒子透过率。熊至宜等[11]利用Pala’s光学粒子计数器对聚结滤芯上下游气体中气溶胶含量进行测定,研究了滤芯的厚度、填充密度及放置方式等因素对滤芯气液过滤性能的影响。Patel.S.U.等[12]利用TSI 3080扫描电迁移粒径仪分析了聚结滤芯排液层分布位置、排液层不同材料类型及排液通道角度对气液过滤效果的影响。肖连等[13]利用Weal’s 2000光学粒子计数器(OPC)在滤芯上下游处对气体中液滴和固相颗粒的含量及粒径分布等进行测量,从而测试滤芯的过滤性能。杜晓冬等[14]用自行研制的气溶胶在线颗粒粒径谱仪对聚酯纤维滤芯、复合膜滤芯、高镍滤芯3种滤芯的过滤精度及效率进行现场及试验室的试验,对比最终现场测试结果,并对滤芯现场使用提出相应建议。Firsing等[15]对纤维过滤器进行了试验,测定了不同滤速变化对纤维过滤器的影响,并给出了过滤机制的模型。由此可见,常见的过滤器过滤性能评价方法主要为计数法和计量法。计数法是先采用气溶胶发生器获得气溶胶,再用粒子计数器测量滤芯上下游气体中气溶胶含量和粒径分布,从而确定滤芯的过滤效率。计量法主要是用尘埃发生器制造尘埃,经过滤器过滤后,测试过滤器的增量,增量与发尘量之比即为过滤器的过滤效率。

过滤器压降特性的评价尚无具体的标准,学者在试验中主要采用差压变送器法测试过滤器的压降特性。差压变送器可以测量过滤器进出口压力,得到样品气经过过滤器的压降,进而评价过滤器的压降特性。郝祤彤等[16]分别利用Welas-3000 气溶胶粒径谱仪、BF-E120压差变送器测量气体经历滤芯前后时的质量浓度和压力,从而得到三相过滤过程中的压降特性。

过滤器压溃特性的评价有GB/T 14041.3-2010《液压滤芯 第3部分:抗压溃(破裂)特性检验方法》,在压溃特性试验台上开展压溃试验,不断增大过滤器进口压力,直至滤芯压溃,记录压力峰值,即为滤芯极限压差,从而确定滤芯强度。

过滤器容尘性能的评价方法有SY/T 7034-2016《过滤器容尘性能》,采用气溶胶计量法,气溶胶发生装置产生气溶胶,过滤器在吸收气溶胶时,其内部气阻不断增大,测量过滤器在达到终阻力时所吸收气溶胶的质量来确定过滤器的容尘特性。

3.2 液滴过滤装置性能评价方法

气体中分散液滴的直径通常为0.1 ～5000μm。粒径在100μm 以上的颗粒因沉降速度较快,其分离问题很容易解决。一般地,直径大于50μm的液滴可用重力沉降法分离;5μm 以上的液滴可用惯性碰撞及离心分离法;对于更小的细雾则要设法使其聚集形成较大颗粒,或用纤维过滤器及静电除雾器。液滴过滤装置主要的性能指标为除雾效率和进出口压降[17-18]。

在除雾效率性能评价应用研究方面,王政允[19]利用称量法计算除雾效率,研究了烟气流速和板间距对除雾效率的影响。黄新长[20]、孙志春等[21]用水平衡法测量除雾器的除雾效率,验证了除雾器数值模型的正确性。肖立春等[22]用玻璃纤维过滤法测试除雾器的除雾效率,除雾器后设有干燥器和缓冲罐,能充分吸收除雾器出口处的水分,除雾器除雾效率为进口空气液滴含量与出口空气液滴含量之差与进口液滴含量的比值。盘思伟等[23]用Mg2+示踪法测量发电厂脱硫装置除雾器除雾效率,通过用EDTA 法分别测量除雾器中和除雾器出口气体中的Mg2+含量,从而确定除雾器的除雾效率。在除雾器压降性能评价研究方面,黄新长[20]自行建造一套除雾器实验装置,测定各影响因素对除雾器性能的影响,并用微压计测量除雾器进出口的压力,从而确定除雾器的压降。杨柳等[17]用皮托管对除雾器进出口的压力进行测试,确定了除雾器的压力降,进而得到不同除雾器结构对压力降的影响。向晓东等[24]在2019年用U 形压力计测定除雾器进出口的压力,确定除雾器的压力损失。

可见上述研究主要采用水平衡法和称量法测定除雾效率,用压力计等压力测量装置测试压降。水平衡法原理是通过计算除雾器中脱除水的量与进入除雾器中水的量之比得到的。即可表示为水桶内水的质量为M,进入除雾器截面的液滴量为M1,实验结束后桶内水的质量为M2,除雾器中被脱除的水的质量为M3,则除雾器效率=M3/M1=M3/(M-M2)。称量法则是称重试验前水源的质量,在实验结束时,称重水源剩余质量和除雾器增加质量,除雾器增加质量与水源减少质量之比即为除雾器的除雾效率。称量法中,用水雾喷溅装置制造水喷雾,经过滤膜过滤后水雾被拦截,过滤膜的质量增加,通过测量增加质量与所喷水雾的质量之比确定除水效率。

3.3 调压部件性能评价方法

GB 12245-2006《减压阀性能试验方法》规定了测试减压阀调压性能的评价方法。给定减压阀进口最高允许工作压力,调节出口压力为某一特定压力,测量该工况下的流量,维持流量不变,改变减压阀前截止阀的开度,使进口压力在80%～105%最高工作压力范围内变化,测定此时出口压力偏差值。当偏差值小于或等于5%时,说明压力阀的调压性能是合格的。另外,行业标准HG/T 3692-2001《金属膜片式稳压阀技术条件》和HG/T 3693-2001《橡胶膜片式稳压阀技术条件》规定了稳压阀前通入最大和最小使用压力,用压力表测试稳压阀后的压力变化,变化值若小于2000 Pa,说明符合要求,反之则说明稳压性能不合格。

3.4 加热部件性能评价方法

HJ/T 376-2007《24 小时恒温自动连续环境空气采样器技术要求及检测方法》用铂电阻测量温度,温度记录仪记录铂电阻所测温度值,从而确定采样器温度控制精度。HJ/T 376-2007规定良好的温控性能应能满足控温范围在15～30 ℃内任意调节,在24 h连续采样条件下,温度控制精度应在±2 ℃以内,采样器应能显示恒温装置的温度,温度控制系统的响应时间应不大于20 min。

综上所述,相关的天然气在线分析预处理性能评价方法包括用于颗粒过滤装置性能评价的计数法、计量法等,用于液滴过滤装置性能评价的称量法、水平衡法和Mg2+示踪法等。上述方法适用于在实验室对过滤器进行性能评价,需要专门的仪器设备,且操作较为复杂,目前无法直接用于现场天然气在线分析预处理性能评价。

4 天然气在线分析预处理性能评价展望

目前,天然气在线分析预处理系统在出厂、现场安装、使用维护时均未进行性能评价。原因有以下几点:

(1)没有专门针对天然气在线分析预处理系统的国标或者行标,因此生产企业或是现场使用的企业没有标准方法可使用。

(2)只要现场在线分析仪正常工作,则认为配套的预处理系统性能符合要求,不再进行性能测试。

(3)预处理系统中部分关键部件是外采部件,例如过滤器和除雾器。在外采购买时,生产厂商不会出具性能评价报告,出于对厂商的信任,不再做性能检测。

(4)在进行预处理装置交接验收时,生产厂商会提供相应的设计方案和性能参数指标,默认方案中的性能满足需要。

随着GB 17820-2018 的实施,天然气在线分析需求增加,配套的预处理系统的性能是否符合要求将受到更多的关注,有必要在预处理系统贸易交接验收中开展性能评价,确保其性能满足要求,维护供需双方的合法权益。在预处理系统使用维护过程,定期开展性能评价,确保预处理系统性能满足分析仪要求,保障昂贵的在线分析仪的使用安全和寿命。因此,建议将现有技术进行改良并进行技术集成,建立适用于现场天然气在线分析预处理系统性能评价的方法和标准,使得行业内有标可依,促进天然气在线分析技术及相关行业健康发展。关于建立天然气在线分析预处理性能评价方法的几点建议如下:

(1)对预处理系统中的颗粒物过滤性能、液滴过滤性能、温度控制性能、压力调节性能和抗硫吸附性能分别进行评价,结合配套的在线分析要求判定其性能。

(2)考虑天然气在线分析配套的预处理系统一般具有小巧、安装在可燃气体区域的特点,建议设计便携式的颗粒发生装置和接收装置,采用计量法进行颗粒物过滤性能评价。

(3)建议在预处理装置前后分别安装简易雾化器和液滴接收装置,采用称量法进行液滴过滤性能评价。

(4)采用相同分析方法在预处理装置前后分别测定H2S含量,从而进行抗硫化物吸附性能评价。

(5)通过连续测定经过预处理装置处理后的气体温度和压力进行温度压力控制性能评价。