鄭思佳 羅 敏 韓華明 別 沁 劉 穎 李 琦 陳世坤 朱 娜 毛 婭 劉 震

1.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處 2. 中國石油西南油氣田公司重慶氣礦3.四川川港燃?xì)庥邢挢?zé)任公司 4.中國石油大學(xué)（北京）

0 引言

中國國家標(biāo)準(zhǔn)《進(jìn)入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求：GB/T 37124—2018》[1]規(guī)定，進(jìn)入長輸管道的天然氣，粉塵粒徑應(yīng)控制在5 μm以下。因此，長輸管道前端需要設(shè)置過濾器進(jìn)一步去除天然氣中的粉塵顆粒[2-3]。但在中國西部某些氣田，由于捕集粉塵無法排出，運(yùn)行一段時(shí)間后過濾器除塵能力會(huì)下降，必須更換濾芯。中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸氣管道工程過濾分離設(shè)備規(guī)范：SY/T 6883—2012》[4]明確了過濾器內(nèi)濾芯的更換標(biāo)準(zhǔn)，即進(jìn)、出口壓差達(dá)到0.12 MPa。然而，現(xiàn)場使用中常出現(xiàn)過濾器進(jìn)、出口壓差沒有達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)就喪失除塵效果的情況，導(dǎo)致下游粉塵粒徑過大、含量過高，設(shè)備刺漏和管道堵塞頻發(fā)，威脅正常生產(chǎn)[5-7]。因此，探究過濾器的運(yùn)行特性，有針對(duì)性地制訂濾芯更換標(biāo)準(zhǔn)有助于保障長輸管道運(yùn)行安全。

濾芯更換標(biāo)準(zhǔn)的確定是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[8]。姬忠禮等[9]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高壓天然氣過濾器，隨運(yùn)行時(shí)間增長進(jìn)、出口壓差不斷增大的同時(shí)，除塵效率呈下降趨勢，這是因?yàn)闉V芯纖維會(huì)被粉塵堵塞導(dǎo)致壓差升高，同時(shí)，濾材表面老化，大粒徑顆粒穿透，使除塵效率下降。Liu等[10]發(fā)現(xiàn)由于濾材被粉塵堵塞，濾芯使用末期除塵效率維持在較低水平。Lim等[11]開展了不同孔隙率濾芯的粉塵捕集實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓差曲線斜率突然升高的節(jié)點(diǎn)可以作為濾芯壽命突降的拐點(diǎn)。Azam等[12]發(fā)現(xiàn)在粉塵濃度一定時(shí)，當(dāng)氣體輸量增加時(shí)，壓差加速上升，同時(shí)，后期除塵效率呈降低趨勢。Gac等[13]研究了濾材纖維長度、孔隙率與運(yùn)行壓差的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)纖維直徑越長，濾芯孔隙越小，壓差增加越快。Théron等[14]發(fā)現(xiàn)，濾芯上褶皺越多，褶皺間距越大，上、下游壓差越小。綜上所述，國內(nèi)外相關(guān)研究多在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)考察單根濾芯在不同影響因素下的變化情況，鮮有考察數(shù)十根濾芯組裝成為過濾器后，在長達(dá)1～2年運(yùn)行過程中沿程壓差、除塵效率的變化特性。

為了給過濾器濾芯更換標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供參考，考察了操作壓力、濾芯物性、天然氣輸量等關(guān)鍵參數(shù)，采用粉塵在線檢測技術(shù)、統(tǒng)計(jì)壓差—流量的方法，明確了工況下過濾器在1～2年內(nèi)的運(yùn)行特性，推薦了該類型過濾器的運(yùn)行輸量。

1 基本參數(shù)和在線檢測實(shí)驗(yàn)

1.1 過濾器基本參數(shù)

1.1.1 原理和結(jié)構(gòu)

過濾器內(nèi)29根濾芯整齊排列，在捕集腔內(nèi)形成蜂窩狀（圖1-a），其入口管道長度、出口管道長度、濾芯長度等尺寸如圖1-b所示。攜帶粉塵的氣體從入口管道流入過濾器捕集腔內(nèi)，通過濾芯捕集，顆粒在捕集腔內(nèi)被脫除，經(jīng)過濾芯的中空流道進(jìn)入收集腔，再經(jīng)過氣體收集腔流出過濾器（圖1-c）。

1.1.2 濾芯性能

圖1 過濾結(jié)構(gòu)和原理圖

過濾器內(nèi)的濾芯長度、外徑、壁厚、內(nèi)徑分別為1 200 mm、112 mm、16.5 mm和96 mm，材料為聚酯纖維，操作溫度介于-5～115 ℃，單根濾芯的過濾區(qū)域?yàn)?.98 m2，設(shè)計(jì)除塵效率：0～1 μm顆粒去除率為99.0%，1～3 μm顆粒去除率為99.1%，3～5 μm顆粒去除率為99.9%，符合輸氣管道工程設(shè)計(jì)[15]要求，具體物性如表1所示。

表1 濾芯材料物性表

1.2 除塵效率檢測和壓差跟蹤實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用高壓天然氣管道內(nèi)粉塵檢測裝置檢測過濾器粉塵入口（上游）、粉塵出口（下游）的流動(dòng)粉塵粒徑和濃度（圖1-c中入口和出口），除了明確進(jìn)、出口粉塵粒徑的變化，還可以通過式（1）獲得粉塵濃度的去除效率即除塵效率（ηeff）。

式中CV,out、CV,in分別表示過濾器出口、進(jìn)口粉塵濃度，μm3/m3。

該裝置由采樣模塊、粉塵計(jì)數(shù)模塊、粉塵捕集模塊、流量控制放空模塊和數(shù)據(jù)處理模塊5部分組成，工作原理如圖2所示。采樣模塊①可安全地取出管道內(nèi)攜帶粉塵的流動(dòng)氣體并進(jìn)行流量分配；粉塵計(jì)數(shù)模塊②采用德國Palas公司的Welas 3000型氣溶膠粒徑譜儀（Palas GmbH公司，德國）檢測粉塵粒徑分布和濃度；粉塵捕集模塊③中的過濾器實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中粉塵的捕集，最后在流量控制放空模塊④進(jìn)行減壓和放空；檢測結(jié)果顯示在數(shù)據(jù)處理和獲取模塊⑤[16]。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)考察對(duì)象

圖2 高壓天然氣管道內(nèi)粉塵檢測流程圖

表2 實(shí)驗(yàn)方案表

實(shí)驗(yàn)考察對(duì)象為F-1～F-7的7臺(tái)過濾器，如表2所示。通過這7臺(tái)過濾器考察：①不同運(yùn)行壓力下過濾器的壓差和除塵效率；②不同物性濾芯的除塵效率和粒徑分布；③不同輸量對(duì)濾芯除塵效率和粒徑分布的影響。入口粉塵物性：在過濾器前取樣，電鏡分析（SEM，Carl Zeiss公司，德國）表明粉塵顆粒呈無規(guī)則狀，其形狀如圖3所示，粒徑多介于0.5～16 μm，粒徑為1 μm左右的顆粒最多。F-1～F-5過濾器的輸量（標(biāo)況，下同）介于（150 ～ 400）×104m3/d，F(xiàn)-6的輸量介于（100～270）×104m3/d，F(xiàn)-7的輸量介于（40～160）×104m3/d。過濾器的操作溫度長期介于10～20 ℃。

圖3 粉塵微觀形貌圖

1.2.3 過濾器上下游壓差跟蹤

除了檢測過濾器的除塵效率，還跟蹤記錄了過濾器F-1、F-2、F-3、F-6、F-7差壓表數(shù)據(jù)、流量計(jì)數(shù)據(jù)、運(yùn)行壓力、操作溫度等參數(shù)，記錄頻率為每周2次，持續(xù)時(shí)間為1年，以獲得過濾器壓差隨輸量的變化特性。

1.2.4 檢測方案

1）運(yùn)行1個(gè)月后第一次檢測，后每半年檢測一次，直到效率小于50%。

2）每組檢測時(shí)間8 h。

1.3 主要考察工況

1.3.1 不同操作壓力下的壓差和除塵效率對(duì)比

由于天然氣可壓縮，在輸量為（150～400）×104m3/d，壓力為2.5 MPa、3.5 MPa、4.5 MPa時(shí)，過濾器入口工況流速分別為8.70～23.30 m/s、 6.10～16.30 m/s、4.70～12.40 m/s，因此，過濾單元的達(dá)西常數(shù)差別明顯[10,17-18]，這會(huì)影響過濾器的進(jìn)、出口壓差和除塵效率。為了明確不同操作壓力過濾器的運(yùn)行特性，開展了過濾器F-1、F-2、F-3對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 不同濾芯除塵效率對(duì)比

為了對(duì)濾芯選型提供依據(jù)，探究了濾芯初始效率（即室內(nèi)實(shí)驗(yàn)下的除塵效率，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ISO 12500-1-2007Filters for Compressed Air--Test Methods--Part1:Oil Aerosols[19]）與其工況下使用壽命的關(guān)系，選擇了3種初始效率不同的濾芯，開展了除塵效率對(duì)比試驗(yàn)。3種濾芯均為聚酯纖維材料，其優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示， F-5濾芯設(shè)計(jì)上具有較強(qiáng)容塵能力。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，3種濾芯對(duì)于0～1 μm顆粒的去除效率均大于99%，對(duì)于1～3 μm顆粒的去除效率均大于99.1%，對(duì)于3～5 μm顆粒的去除效率均大于99.5%。過濾器濾芯的初始效率從大到小的排序?yàn)镕-4、F-1、F-5（圖4）。

圖4 不同濾芯實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)定除塵效率圖

1.3.3 不同輸量下除塵效率對(duì)比

為明確過濾器的最優(yōu)工作區(qū)間，考察了運(yùn)行輸量介 于（150～400）×104m3/d、（100～ 270）×104m3/d、（40～160）×104m3/d下過濾器的除塵效率，如表2中實(shí)驗(yàn)編號(hào)F-1、F-6、F-7。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 檢測有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證除塵效率在線檢測結(jié)果的可靠性，在F-1、F-7、F-8過濾器使用1年后進(jìn)行打開作業(yè)，清理出截獲的粉塵并稱重。通過對(duì)比清理出粉塵的質(zhì)量與在線檢測所得除塵量考察在線檢測的精度。

在線檢測所得除塵量（mcol）可由式（2）計(jì)算得到。

過濾器打開后收集到的粉塵用單位“桶”來計(jì)量，1桶為20 kg，再減去注入水的質(zhì)量（打開作業(yè)防止粉塵飛揚(yáng)，1桶水為5 kg），就能得到實(shí)際捕集的粉塵質(zhì)量。

清理出粉塵的質(zhì)量與在線檢測所得除塵量對(duì)比如圖5所示，實(shí)驗(yàn)、檢測所得誤差對(duì)于過濾器F-1、F-7、F-8分別為 10.0%、8.3%、5.0%。這表明在線檢測方法具有較高精度。

圖5 計(jì)量所得粉塵與檢測結(jié)果對(duì)比圖

2.2 運(yùn)行壓力對(duì)過濾器的影響

2.2.1 上下游粉塵情況

過濾器F-1、F-2、F-3運(yùn)行12個(gè)月后的檢測結(jié)果如表3所示，可檢測到的上游顆粒粒徑最小為0.52 μm，最大顆粒粒徑為12.98 μm。相應(yīng)的下游可檢測到的最小粒徑為0.52 μm，最大粒徑為3.51 μm?？梢娺^濾器上游存在顆粒粒徑大于5 μm的情況，而過濾后下游粒徑均小于5 μm，這符合標(biāo)準(zhǔn)《進(jìn)入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求：GB/T 37124—2018》[1]的規(guī)定。

同時(shí)，對(duì)于過濾器F-1，檢測到的上游最大粉塵濃度為65.2 μg/m3，下游最大粉塵濃度則為46.5 μg/m3，這表明過濾器對(duì)于粉塵濃度的除塵效率較低，僅為28.40%，特別是每年輸往下游的粉塵量達(dá)到了186 kg，這是下游設(shè)備堵塞、受到?jīng)_蝕的主要原因。過濾器F-2和F-3的濃度除塵效率相對(duì)較高，分別為98.10%和99.42%。

2.2.2 壓差隨時(shí)間的變化

圖6所示的散點(diǎn)為F-1、F-2、F-3過濾器在運(yùn)行時(shí)間（t）為1個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月時(shí)的壓差記錄。F-3的平均壓差為3.05 kPa，F(xiàn)-2的平均壓差為10.01 kPa，F(xiàn)-1的平均壓差為14.3 kPa?？梢?，在相同輸量下，當(dāng)過濾器運(yùn)行壓力較高時(shí)，壓差整體較低，如圖6-c所示的F-3，當(dāng)運(yùn)行壓力較低時(shí)，壓差整體較高，如圖6-a所示的F-1。而且，較之于操作壓力較低的F-1，F(xiàn)-3壓差增加的速率更小，這是因?yàn)樘烊粴饪蓧嚎s，高壓下壓縮氣體流速低，在相同濾材下的阻力小，因而產(chǎn)生的壓差小。

將各過濾器在運(yùn)行時(shí)間1個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月下的壓差記錄點(diǎn)采用最小二乘法，擬合成多項(xiàng)式二次曲線（圖6），其中擬合曲線的最佳擬合優(yōu)度隨運(yùn)行時(shí)間不斷下降，對(duì)于F-1，在運(yùn)行時(shí)間1個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月時(shí)，擬合曲線的優(yōu)度分別為0.655、0.531和0.390。對(duì)于F-2，在運(yùn)行時(shí)間1個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月時(shí)，擬合曲線的優(yōu)度分別為0.850、0.800和0.720。對(duì)于F-3，在運(yùn)行時(shí)間1個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月時(shí)，擬合曲線的優(yōu)度分別為0.910、0.890和0.800。

表3 過濾器運(yùn)行12個(gè)月后的檢測結(jié)果表

圖6 過濾器檢測壓差隨時(shí)間的變化圖

2.2.3 除塵效率隨時(shí)間的變化

過濾器F-1、F-2、F-3的除塵效率分別如圖7-a、b、c所示。對(duì)于運(yùn)行壓力為2.5 MPa的F-1，其除塵效率在1個(gè)月、6個(gè)月時(shí)分別為92%和95%，12月后再次檢測，除塵效率下降到28.4%，隨后立即更換了濾芯。由于運(yùn)行壓力低、流速快，較高的運(yùn)行流速對(duì)濾材的剪切作用強(qiáng)，導(dǎo)致濾芯壽命降低。對(duì)于運(yùn)行壓力3.5 MPa的F-2，其除塵效率在1～18個(gè)月時(shí)從94.5%上升到98.1%，24個(gè)月時(shí)再次檢測，雖然除塵效率仍在89%左右，下降拐點(diǎn)已出現(xiàn)。對(duì)于運(yùn)行壓力為4.5 MPa的F-3，其除塵效率在1～18個(gè)月時(shí)為95%～99%，但在第19個(gè)月時(shí)壓差突然增高，超過了150 kPa，超過壓力表量程，判斷為濾芯擊穿，隨后立即更換濾芯。由于操作壓力高、流速慢，更多的粉塵能夠形成鏈狀結(jié)構(gòu)[20]使得除塵效率上升更快，但同時(shí)壓力升高太快更易發(fā)生擊穿。

2.3 除塵效率隨濾芯物性的變化

過濾器F-1、F-4、F-5的除塵效率檢測結(jié)果如圖8中紅色曲線和右側(cè)標(biāo)尺所示。F-1的除塵效率在12個(gè)月左右明顯降低；F-4在使用1個(gè)月時(shí)的除塵效率為99%，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，在使用18個(gè)月時(shí)除塵效率下降至29%；F-5在運(yùn)行1個(gè)月后的除塵效率也最低，為85%，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，除塵效率逐漸增加，直到24個(gè)月時(shí)，除塵效率才有顯著下降，雖然初始除塵效率低，但容塵量大，更多的粉塵形成鏈狀結(jié)構(gòu)，加速捕集粉塵使除塵效率上升。

F-1、F-4、F-5出口（下游）的顆粒計(jì)數(shù)濃度檢測結(jié)果如圖8中彩色柱狀曲線和左側(cè)標(biāo)尺所示，其中，dN/N為一定粒徑下顆粒數(shù)與檢測到總顆粒數(shù)之比。F-1使用1個(gè)月，F(xiàn)-4使用1～6個(gè)月，F(xiàn)-5使用1～12個(gè)月時(shí)，粒徑1.7 μm以上的顆粒占比較小；F-1使用6個(gè)月，F(xiàn)-4使用6～12個(gè)月，F(xiàn)-5使用6～18個(gè)月時(shí)，粒徑1.7 μm以上的顆粒占比逐漸增加，平均為10%左右；F-1使用12個(gè)月，F(xiàn)-4使用12～18個(gè)月，F(xiàn)-5使用18～24個(gè)月時(shí)，粒徑1.7 μm以上的顆粒占比較高，平均為30%?？梢姶箢w粒所占比例隨除塵效率下降而增加。

2.4 輸量對(duì)除塵效率的影響

在相同粉塵濃度、濾芯物性、操作壓力和溫度下，考察了不同輸量時(shí)過濾器的壓差變化（運(yùn)行時(shí)間12個(gè)月），結(jié)果如圖9所示。隨輸量上升和運(yùn)行時(shí)間增加，運(yùn)行輸量為（40 ～ 160）×104m3/d 的 F-7，（100 ～ 270）×104m3/d的F-6，（150～400）×104m3/d的F-1過濾器壓差均呈上升趨勢?？梢姡S著流量增加，內(nèi)部流速增大，過濾器的壓差逐漸升高，同時(shí)，記錄的壓差點(diǎn)越來越散。

圖10所示為過濾器出口處（下游）粉塵計(jì)數(shù)濃度隨輸量的變化。輸量（40～160）×104m3/d時(shí)F-7過濾器的計(jì)數(shù)粒徑如圖10-a中彩色條帶所示，出口處的粒徑大于1.7 μm的顆粒較少，過濾器表現(xiàn)良好，這是因?yàn)闉V芯內(nèi)部遠(yuǎn)未達(dá)到飽和，尚有較多孔隙未使用，同時(shí)，除塵效率如圖10-a中紅色曲線所示，可見壓差上升并趨于平穩(wěn)，維持在97%左右。如圖10-b所示，輸量（100～270）×104m3/d時(shí)F-8過濾器的除塵效率先從90%上升至94%，后從94%下降至80%，使用12個(gè)月后檢測，發(fā)現(xiàn)下游大于1.7 μm的顆粒增多。如圖8-a所示，輸量（150～400）×104m3/d時(shí)F-1過濾器的除塵效率先從94%上升至97%，后從97%下降至20%，使用1年后效率下降明顯，下游計(jì)數(shù)粒徑中大于1.7 μm的粒徑最多，這表明輸量大時(shí)，處理的粉塵量也大，濾材在這種高負(fù)荷下，效率下降快。綜合考慮輸量、壓差、除塵效率間關(guān)系， 輸量（100～270）×104m3/d是該類型過濾器的推薦運(yùn)行輸量。

圖7 過濾器除塵效率隨時(shí)間的變化圖

圖8 過濾器下游粒徑分布和隨時(shí)間變化的除塵效率圖

3 結(jié)論

1）當(dāng)運(yùn)行壓力為2.5 MPa、3.5 MPa、4.5 MPa，擬合優(yōu)度分別在0.5、0.7、0.8以下時(shí)，過濾器的除塵效率下降變快，此時(shí)更換濾芯較合適。

圖9 不同輸量下過濾器壓差隨輸量的變化圖（運(yùn)行時(shí)間12個(gè)月）

圖10 過濾器出口處粉塵計(jì)數(shù)濃度隨輸量的變化圖（運(yùn)行時(shí)間1年）

2）濾芯的初始除塵效率較低時(shí)，壽命相對(duì)較長，但大顆粒往往可以穿過。濾芯的初始除塵效率較高時(shí)，壽命相對(duì)較短，但穿過的大顆粒較少。

3）高負(fù)荷下過濾器除塵效率下降較快，在低負(fù)荷下過濾器除塵效率下降慢，輸量（100～270）×104m3/d是該類型過濾器的推薦運(yùn)行輸量。