天然气净化预处理及排污放散系统的运行分析_陆晨雷.pdf

上海煤气上海煤气 2023 年第 1 期 1 1 天然气净化预处理及排污放散系统的运行分析 上海天然气管网有限公司 陆晨雷 摘要：多年来上海天然气管网门站、调压站及计量站中大规模的应用表明，天然气净化预处理技术能高效脱除天然气生产工艺中存在的尘、油、水等杂质，尤其在极端恶劣工况下，杂质脱除效果更为显著。该净化预处理技术的过滤精度高，可达 0.2 m，且运行阻力低。同时，专门针对天然气门站排污及放散系统研发的排污缓冲罐及放散消声装置，不仅可以实现天然气生产封闭式在线排污清灰，还解决了工业排放污染及噪声污染问题。关键词：天然气 净化预处理 过滤精度 排污缓冲罐 1 净化预处理的必要性 由于气源、管道敷设、主辅设备磨损、腐蚀及自身的工艺特点(如温度、压力及流量变化)等诸多原因，天然气在组网投运的过程中会形成不同程度的尘、油、水等杂质。这些杂质会造成调压设备、计量仪表及压缩机转子等的堵塞。气体输送压力越高这类现象越严重，往往会造成精密仪表设备的损坏，极大影响了安全生产，给企业和用户造成很大的经济损失。以往上海天然气管网公司对上游来气不进行预处理，仅在调压装置前采用滤筒式过滤器进行过滤，天然气中的杂质排放也没有专用设备来储存。日常运营中经常发生滤芯被打坏，或者在用气高峰时需要频繁地更换滤芯等问题，如图 1 所示。这些不确定因素不仅提高了公司的生产运行维护成本，而且直接影响到天然气的生产安全，带来极大的危险性。图 1 过滤器滤芯损坏现象 同时，天然气运营中产生的杂质排放也缺少专业设备处理，往往直接高空放散或排入一个灌水排污坑中。放散过程不仅噪声大，而且池水不能封住的粉尘滚滚冲入大气，成为 PM2.5污染源。为保护天然气生产工艺中的各种精密仪器设备并且减少环境污染，天然气场站中需要一种高精度、大处理量、长周期运行的天然气净化预处理装置，同时，排污放散系统的改进也是必不可少的。2 净化预处理装置 天然气净化预处理装置采用重力沉降分离+旋风分离+精密中空纤维过滤三级净化预处理技术。如图 2 所示，第一级“重力沉降室”对较大的颗粒杂质进行预处理；第二级“高效旋风分离器”采用旋风分离对直径 0.021.0 mm 的颗粒进行净化；第三级“高效气体过滤器”采用中空纤维滤料对直径520 m 的杂质进行深层过滤1。图 2 天然气净化预处理装置 2 2 2023 年第 1 期 上海煤气上海煤气 2.1 重力沉降室 天然气由管道首先进入重力沉降室，此时气体流速降低，使直径在 0.10 mm 以上的砂粒杂质凭借重力沉降效应被分离，沉入重力沉降室底部(筒体下部封头处)。2.2 旋风分离器 经重力沉降预处理后的天然气气流进入旋风分离器，旋转效应使直径 0.021.0 mm 的颗粒和油(水)滴在离心力的作用下被摔抛至筒壁，沿筒壁沉降而堆积在底部。杂质可通过旋风分离器下面的中间灰斗及时排放(排污不会影响正常的通气)。内置式高效旋风分离器作为第二级分离设备，如图 3 所示。该分离器对粉尘颗粒及油(水)滴分离效率高达 98.8%以上，可最大限度地减轻后序高效气体过滤器的工作负荷，从而大大延长后续高效气体过滤器的检修周期。特别是在天然气中含有的大量杂质瞬间进入系统时，高效旋风分离器的作用尤为明显，可以说，高效旋风分离器特别适用于含有大量杂质的极端恶劣工况条件。图 3 内置式高效旋风分离器 2.3 高效气体过滤器 高效气体过滤器作为精密净化预处理设备，采用多层结构形式，即设置成若干个过滤箱体，箱体内填装具有强吸附能力的特制耐高温中空纤维作为滤料，由上至下按密度(或空隙率)逐步从疏松到致密。这种结构，使较大的尘粒在上层较粗的滤料中得到截留，而较小的砂砾尘粒在下层较密的滤料中得到捕集，即粉尘在多层滤料中呈立体分布；同时由于特制纤维的中空结构，纤维还具备吸附效应。高效气体过滤器的总捕集效率可大于 99.9%2。如图 4 所示，扩散作用、拦截作用和惯性作用是中空纤维过滤过程中对尘粒或液滴的 3 种主要捕集机理。图 4 中空纤维过滤机理(1)扩散作用。扩散作用主要的捕集对象是天然气中直径小于 0.2 m 的颗粒物。这是由于气体分子在做布朗运动时，运动粒子随流体运动的轨迹有一定的偏移所造成的。一般情况下，颗粒物直径越小，偏移量越大，捕集效果越佳3。由于扩散作用所致的过滤效率为式(1)：(1)式中：diff过滤效率；填充密度，kg/m3；K常数；PePeclet 数，其计算为式(2)：Pe=DfU/Ddiff (2)式中：Df纤维直径，m；U实际过滤速度，m/s；Ddiff扩散系数，其计算为式(3)：Ddiff=kBTCC/3DP (3)式中：kB常数；T绝对温度，k；过滤气体的粘度，Pa s；Dp颗粒直径，m；CC滑动修正系数，其计算为式(4)：(4)式中：Dp颗粒直径，m；r气体分子平均自由程，m。 上海煤气上海煤气 2023 年第 1 期 3 3 (2)拦截作用。拦截作用主要的捕集对象是天然气直径大于 0.2 m、小于 2 m 的颗粒物。此直径范围的颗粒物运动到表面时，在范德华力的作用下被粘在过滤材料的表面3。(3)惯性作用。天然气中直径大于 2 m 的颗粒物，是惯性作用的主要捕集对象。当天然气中的颗粒物随着气体在过滤材料中的纤维内运动方向发生改变时，颗粒物由于惯性来不及随流线的变化而碰撞在过滤材料上，因此这种捕集被称为惯性作用。一般情况下，颗粒物直径越大，惯性也越大，惯性作用越强，捕集效果越好3。常见的滤芯或滤管式过滤器从原理上属于表面过滤，而高效气体过滤器属于深层过滤。相对于滤芯或滤管式过滤器，高效气体过滤器的纳污量远大于滤芯或滤管式过滤器，在捕集相同数量的杂质后，高效气体过滤器的阻力相对来说小得多(原因是中空纤维滤料具有很大的空隙率)，因此高效气体过滤器可以确保长期稳定运行而不用检修。此外，特制的中空纤维滤料(属柔性滤料)具有很大的弹性，滤料不会因气量的巨大波动及总阻力的增大而遭到破坏，具备极好的耐受性。处理气量在常规流量与高峰流量范围内波动，即便处理气量在 100%的范围内波动，高效气体过滤器除污效率也不受影响，因此高效气体过滤器的性能非常稳定。高效气体过滤器同时兼有高效率、低阻力、运行稳定可靠、高纳污量(更换滤料的检修周期很长)、高耐受性(滤料不会因受压而损坏)等多个优点，对保护后系统效果显著。图 5 为管网公司某场站加装净化预处理后，在不同流量下天然气净化预处理装置的中空纤维过滤层压降随天然气流量变化关系图。从图 5 不难发现，当处于常规流量(4.58.0)104 m3/h 时，压降范围为 3.55.0 kPa；当处于高峰大流量(2734)104 m3/h 时，压降范围为 20.326.0 kPa。压降随流量增加而升高，呈正相关；压降保持在 30 kPa 以下。根据上海天然气管网有限公司“计量(调压)站操作规程”中规定，压降0.15 MPa 的情况下，均属于正常情况。因此，两种情况下的压降远小于规定值，即在全年流量波动情况下，既过滤了杂质，又不影响正常输气。(a)常规流量 (b)高峰流量 图 5 中空纤维过滤层压降随天然气流量变化关系 3 排污放散系统 此外，根据天然气生产工艺的特点，配备了一种封闭式排污缓冲罐来替代传统的水封排污坑，如图 6 所示。排污缓冲罐实际上是 1 台带有储存功能的高效气体精密过滤器，按实际输气量进行选型。其纳污量非常大，且截留精度高(PM1.0)，从工业上解决了 PM2.5有毒污染的排放。图 6 天然气厂站高低压排污缓冲罐及消声装置 不仅如此，还专门为天然气的放散系统配备了 4 4 2023 年第 1 期 上海煤气上海煤气 放散消声装置，如图 7 所示，从而解决了放散过程中噪声污染的问题。消声装置下部的整流结构，能大大降低排放气体高速喷出所产生的噪声。其次在整个消声装置内壁铺设消音棉，进一步降低噪声。图 7 天然气放散消声装置 4 结语 目前，管网公司有 30 多个场站采用了净化预处理装置及排污系统。自加装该系统后，滤筒式过滤器的滤芯更换频率大大降低，降低了生产成本，保障了安全生产，还明显降低了在天然气放散过程中 PM2.5的排放量。总之，净化预处理装置及排污系统不仅能有效地保护场站内精密设备，而且能减少对空气、声音、环境的污染，保障了天然气输送的平稳性和安全性。参考文献：1 金伟,劳家仁,黄晓卫.高压输配送燃气的超净除尘除油J.煤气与热力,2003,23(4):214-216.2 张军,钟兴福,林黎明,等.管道式分离技术及其在油气行业 混 合 介 质 分 离 中 的 应 用 J .环 境 工 程 学 报,2021,15(3):782-790.3 贾彦杰,王靖,邹永胜,等.天然气站场过滤器滤芯的国产化研制J.油气储运,2021,40(5):586-589.Operation Analysis of Natural Gas Purification Pretreatment and Sewage Release System Shanghai Natural Gas Pipeline Network Co.,Ltd.LU Chenlei Abstract:The mass application of Shanghai natural gas pipeline station and regulating-metering station for many years shows that the natural gas purification pretreatment technology can effectively remove mud,oil,water,and other impurity complex,especially under extremely poor working conditions,the effect of impurity removal is much more efficient.The filtration precision of this purification pretreatment technology is high,reaching up to 0.2 micron,and the running resistance is low.At the same time,the sludge buffer tanks and sound dissipation device specially developed for natural gas station sewage and dissipation system can not only realize closed on-line sewage and ash removal,but also solve the problems of industrial emission pollution and noise pollution.Keywords:natural gas,purification pretreatment,filtration precision,sludge buffer tanks 上海煤气编辑部 欢迎您投稿 投稿信箱