天然气分离除尘设备性能评测与分析

摘要 针对现有天然气分离除尘设备分离不彻底、除尘效率不高、评价困难等问题,利用3A分子筛吸附脱水和湍球水浴除尘原理,研制了橇装式天然气含水含尘检测装置。利用该检测装置对川东气田几十台次不同类型的分离除尘设备进行了检测。结果表明,现有分离除尘设备中,卧式气液分离器能很好地满足初分离需要,多管干式除尘器、过滤分离器分离性能较好,但对小直径粉尘分离效率仍然不高,其余类型分离除尘设备则性能较差,难以满足矿场分离除尘指标要求,有待改进。

     由于地层、管壁腐蚀和磨蚀等原因,使得天然气中常常含有一定量的水和粉尘。在天然气管输过程中,这些污物会磨蚀减压阀等各类阀件,亦可能沉积在各类塔器及管道之中,从而影响设备的正常运转,使输压增加,计量结果出现较大的负偏差,给企业带来巨大的经济损失;沉积的硫化亚铁粉末还会与空气反应而引起自燃,对安全生产造成不利影响。同时,由于固相颗粒是低温条件下水结冰和形成天然气水合物的天然晶核,它的存在加剧了含水天然气生产中存在的问题。

多管除尘器为了消除天然气中水和粉尘带来的巨大危害,在天然气生产过程中,常常利用分离器、除尘器进行脱水、除尘处理。这些分离除尘设备主要有旋风分离器、螺道式分离器、循环分离器、多管式除尘器、过滤分离器等。在天然气矿场生产中,由于这些在役分离除尘设备工作原理、装置类型、设计制造年代差异很大,部分装置分离除尘效果与设计指标偏差较大,造成气田集输系统含水、含尘量超标,从而导致管线、阀门、设备等出现严重腐蚀、磨损、堵塞等问题。以川东气田为例,在实施智能清管中,在石竹段一次性清除污物11.35t,液体7.07mj;竹福段一次J陛清除污物2.0t,液体10.4mj。即使定期清管,每次也还会清出成吨的污物。因此,正确评价分离除尘设备的工作性能,合理选择分离除尘设备,对于天然气的安全生产具有重要的意义。

一、矿场宏观调查与评价
   2001年重庆气矿对所属5个采气厂共计522台分离除尘设备运行效果进行了调查,调查结果见表to调查结果表明:①螺道式分离器己经被淘汰,旋风分离器运行效果最差,其次为循环分离器、立式重力气液分离器,多管干式除尘器与过滤分离器较好,而卧式气液分离器分离性能最好;②旋风分离器适用范围窄,只有在设计工况下才能取得较满意的分离效果,而立式重力分离器和卧式气液分离器适用范围宽,只要使用在等于或低于设计工况下的任意范围内都能取得较满意的效果,能满足气田开采过程中产气量、出水量变化的要求。

二、天然气含水含尘检测装置研制
    1.天然气含尘检测现状
   天然气中的含尘检测包含两个方而:一是天然气中的总含尘量即粉尘浓度检测,二是天然气中粉尘的分散度即粉尘的分级测试。目前国内外对天然气的含尘检测基本上都是在厂内或实验装置上进行的,国内尚未真正建立起工业生产检测装置y粉尘浓度的测定方法主要有光测法、电测法、超声波测尘仪法等;粉尘分散度的检测方法主要有机械法(筛分法)、沉降法、流体动力法、光学法、电导法等川。这些方法均难以满足天然气高压、高流速、易燃易爆、不一定为干气的测试要求。

   近年来,人们提出了用滤膜称量法测定天然气中颗粒物含量Ci7。该测试方法由于滤膜的承压强度较低,若要在高压、含水状态下测试,当滤膜部分拦截了固相介质之后,可能在膜上形成不均匀的压差,这时膜极易受到损坏,而实际测试中也难以及时发现破损情况;同时,天然气中的缓蚀剂、油污等均会粘附在滤膜上,干燥滤膜后称量得到的粉尘含量将会比实际天然气中所含的粉尘含量高。因此,该方法测试误差难以避免。此外,若通过滤膜拦截粒径达3^}5pm以上的颗粒,所选的滤膜孔径亦很小,含尘天然气通过滤膜时的阻力必然较大,考虑到滤膜承压强度较低的缺陷,这种天然气粉尘含尘量检测方法仅能适用于低压、低流速天然气的测试,而很难适应矿场天然气的实际流动条件。

2.天然气含水检测现状
   测定天然气中的含水量主要有两类方法:一类是用仪器测量,包括用冷却镜而凝析湿度计测定天然气水露点和用电解式水含量分析仪直接测定天然气中水含量;另一类是用化学方法测定,包括卡尔费休法、五氧化二磷吸收法和比色法。这些方法己被列入IS9001或SY标准。以上测试方法的主要缺点在于检测气量小,主要适应于低压、低含水天然气的含水测试,且天然气中存在的H}S常会引起测试误差。如卡尔费休法仅适用于水含量在5~5000mg/mj的天然气测试,且不能用于天然气中含有同卡尔费休试剂反应的其他组分(如硫化氢、硫醇和含氮有机物等)的天然气水含量测定。

   高压下天然气中水含量的测定国内外均按IS()11541进行,其测试原理为:一定体积的气体通过充填有颗粒状PzO:的吸收管,气体中水被PzO}吸收形成磷酸,吸收管增加的重量即为气体中所含水的量。该方法适用于1MPa压力以上,水含量等于或高于10mg/mj的天然气,但天然气中所含的醇类、硫醇、硫化氢和乙二醇等会同PzO:反应,从而影响测试结果。

   在实际生产过程中,需要测试的天然气含水量有时会很高且含水量存在波动,如为了评价气液分离器的分离效果,需要在单井对含水量高于to}/mj、压力高于5MPa条件下的天然气进行测试,在此条件下,以上测试方法均难以满足测试需要。因此,必须寻求满足较高含水量和高压下的天然气含水量检测方法,并要求该方法具较高测试精度。

3.含水含尘检测装置的研制为了实现对在役分离除尘设备的评价,按照与天然气生产管线“等速、等压、等温”条件下同步测试的原则,研制了橇装式天然气含水含尘检测装置,其流程如图1所示。该装置既可单独用于含水或含尘测试,又可同时对天然气含水与含尘量进行检测。

4.粉尘的分级
    所收集到的粉尘,若直径在30pm以上,可利用不同孔径的金属筛网进行分级,直径在30pm以下的粉尘,可利用不同渗滤直径(如30,20,15,10,5,1,0.45}0.2pm)的膜进行分级。将分级、干燥后的粉尘进行称量,即得到天然气中不同粒径的粉尘含量。

5.检测装置的主要特点
   橇装式检测装置尺寸为1.OX0.5X1.2mj左右,满足车载要求。含水检测以3A分子筛不被饱和、含尘检测以湍球水浴除尘器内水不被完全带出为原则确定测试时间和测试气量。

三、检测装置的现场应用
      按照图1所示测试流程加工了两台橇装式天然气含水含尘检测装置,测试时,同时在待检测分离除尘设备进出口立管取样口上连接该检测装置进行同步测试,以评价分离效果。

1.验证性测试
     为了评价该检测装置的实际效果,对深度脱水后的干气进行了对比测试。利用该检测装置测得的天然气含水率为70.2mg/mj(等速、等压、等温测试,测试气量202.5mj),利用粉末状PzO:吸附法测得该天然气含水率为80mg/mj(通过减压阀将高压气降至常压后测试,测试气量20L)。由此可以看出,二者测试结果基本一致,这表明该新型含水检测装置能满足含水检测的需要。

2.对分离除尘设备的评价测试
    利用加工的两台检测装置于2001年开始,对川东气田几十台次不同类型的分离除尘设备进行了百多个点的测试,部分测试结果列于表2,3中。

四、结论
    (1)气液分离器、除尘器均不宜将分离效率作为衡量其分离性能的唯一指标,应将分离效率与出口含水含尘量综合起来才能科学合理地衡量气液分离器、除尘器的分离性能。
    (2)旋风分离器、循环分离器分离效率及出口含水含尘率指标均较差。
    (3)卧式和立式气液分离器处理气量适应范围宽,分离效果较好,只要排污及时,立式分离器出口含水率可控制在1.5g/mj以下,卧式分离器出口含水率则可控制在1.0g/mj以下。因此,产水气井推荐采用卧式气液分离器进行初分离。
    (4)多管干式除尘器除尘性能较好,其总除尘率可达80%以上,且粉尘粒径越大分离效率越高,但对小于等于30pm的粉尘分离效率较低,其最佳处理气量推荐在小于等于0.25mj/、的稳定流量下(工作压力、温度下,以12管为例),产量波动对其性能影响很大。
    (6)管理制度对提高气液分离器、除尘器的分离效率有着重要意义。在实际工作中,气液分离器应根据液位而不宜以时间间隔来作为排污制度;在工作制度改变(尤其是气流量增大)前应先进行排污。
    (7)测试结果与现场宏观统计结果基本一致。在现有分离除尘设备中,推荐选用卧式气液分离器、多管干式除尘器和过滤分离器。