天然气三甘醇脱水装置新型滤芯设计与实用效果.pdf

Natural Gas Technology and EconomyVol.17，No.4Aug.20232023年第17卷第4期天 然 气 技 术 与 经 济Natural Gas Technology and Economy修订回稿日期：20230808作者简介：赵焱（1980），工程师，从事质量标准与节能节水技术管理工作。E-mail：。通信作者：刘天涯（1992），工程师，从事天然气开发与生产运行管理工作。E-mail：。天然气三甘醇脱水装置新型滤芯设计与实用效果A new filter element designed for TEG natural-gas dehydration deviceA new filter element designed for TEG natural-gas dehydration deviceand its practical effectsand its practical effects赵 焱1刘天涯2郑 超3张 博2廖志芳4单晟欣4马志权4罗 洋5（1.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川成都610056；2.中国石油西南油气田公司蜀南气矿，四川泸州646000；3.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，四川成都610041；4.成都理工大学能源学院，四川成都610059；5.中国石油西南油气田公司技术咨询中心，四川成都610051）ZHAO Yan1,LIU Tianya2,ZHENG Chao3,ZHANG Bo2,LIAO Zhifang4,SHAN Shengxin4,MA Zhiquan4,and LUO Yang5(1.Sichuan Changning Natural Gas Development Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610056,China;2.Southern Sichuan Gas District,PetroChina Southwest Oil&Gasfield Company,Luzhou,Sichuan 646000,China;3.Exploration and Development Research Institute,PetroChina Southwest Oil&Gasfield Company,Chengdu,Sichuan 610041,China;4.College of Energy,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China;5.Technical Consulting Center,PetroChina Southwest Oil&Gasfield Company,Chengdu,Sichuan610051,China)Abstract:In the process of natural-gas dehydration production,filter elements cannot be cleaned and withstand pressure,and their filtration area is too wasted.So,both shortages and deficiencies of existing elements were analyzed by taking acertain filter element designed for TEG dehydration device as an example,which has been extensively used in this dehydration so as to make elements application effects better and prolong its service life.And some problems were pointed out,like an integral design without being split,low rate of secondary utilization,high break-off,a limited area of effective contact filtration,easy fall-off of end cap and low filtration efficiency.In addition,a novel filter element was put forward.Results show that(i)this element with new structure is innovatively developed after structural optimization of those existingfilters;and(ii)it can overcome many disadvantages in traditional elements,such as difficulty in cleaning,short service life,small filtration area and frequent replacement,and its filtration efficiency can also be scaled up.In conclusion,the newlydesigned filter element is innovative and practical with obvious economic benefits.It is essential to further optimize its application based on actual production in an effort to achieve one goal of improving quality and efficiency.Keywords:Filter element;Natural gas;TEG dehydration;Influential factor;New structure摘要为了提高滤芯在天然气脱水生产中的使用效果、延长其使用寿命、解决滤芯在天然气脱水生产过程中所面临的无法清洗、不耐压以及过滤面积浪费较大等问题，以天然气脱水工艺中广泛采用的三甘醇脱水装置滤芯为研究对象，分析了现有滤芯在脱水生产过程中的弊端与不足，指出了其整体式设计不能拆分、二次利用率低、易导致断裂、有效接触过滤面积小、端盖易脱落、过滤效率低等问题，并有针对性地提出了新型滤芯设计思路。研究结果表明：经过对现有滤芯结构的优化，原创性地研制了一种新型结构的滤芯；新型滤芯克服了现有技术的不足，解决了滤芯使用过程中清洗困难、过滤面积小、使用寿命短、更换频率高等问题，有效提高了滤芯的过滤效率。结论认为，该新型滤芯具有创新性、实用性，经济效益明显，后续可以根据生产实际开展现场适用性优化，进而达到提质增效的目的。关键词滤芯天然气三甘醇脱水影响因素新型结构DOI：10.3969/j.issn.2095-1132.2023.04.00740天然气技术与经济总第100期2023年0引言从地层开采出的天然气中一般含有饱和水蒸气，随着天然气的长距离管道输送，它不仅减弱了管道的输送能力，也降低了气体热值，而且当输送压力和环境条件变化时，在管道或设备中发生积液，这不仅会增加流动压降，形成段塞流，还会加速天然气中酸性组分对管道和设备的腐蚀1-3。因此，不论是油田伴生气还是气田天然气都需要进行脱水，国内外广泛采用三甘醇吸收法进行天然气脱水4-5。天然气中的饱和水蒸气被三甘醇吸收，含有水分和固体杂质的三甘醇富液需要通过过滤装置进行过滤、净化并进入重沸器中加热，将其水分蒸发以达到重复使用的目的。目前油气田行业过滤装置中使用的均为机械式滤芯，存在支承杆支撑性差、易弯曲变形、压盖易脱落失去密封性6-7、清洗困难、二次利用率低等较多缺陷。因此，提出一种新型结构滤芯的设计思路，使其过流面积增大8、受压能力增强，滤芯拆卸、取出、清洗较为方便，主要解决了现有过滤装置滤芯无法清洗、不耐压、过滤面积浪费较大、只能整体更换等问题，从而达到在不改变原工艺流程的前提下延长滤芯使用周期，降低滤芯更换频率，提升过滤效率、降低企业成本的目的。目前，该设计已申报国家实用新型专利并获得授权9。1常用机械滤芯缺陷分析滤芯作为天然气脱水过滤装置的核心部件，安装于三甘醇富液吸收装置和过滤分离器的内部，其作用是过滤三甘醇富液里的颗粒杂质。目前天然气脱水工艺所使用的滤芯均为不可拆的一体式圆柱形结构（图1）10。通过对目前使用的传统机械滤芯结构及使用效果进行分析，主要存在以下不足：整体式设计，不能拆分，使用后的滤芯不能清洗后二次利用，只能每次换新，成本较高；滤芯为塑料材质11，并且长时间浸泡在具有一定压力，甚至一定腐蚀性的液体中，极易导致部分滤芯还未到更换时间而发生断裂、造成浪费12；为了达到增强塑料材质稳固性的目的，通常将滤芯外护层栅状结构做加宽设计，这样会导致有效接触过滤面积大幅度降低。此类在滤芯外护层覆盖区域加宽的设计方式不仅浪费了有效过滤面积，而且还降低了滤芯的使用寿命，同时因孔隙面积小，滤纸使用率无法达到最高，也间接提高了成本13；原设计两端的端盖易脱落，并且底部脱落后不易取出，影响过滤效率。图1机械式滤芯实物图注：该图片由成都伊斯顿过滤器有限公司提供。2新型滤芯设计思路与特点2.1结构设计新型滤芯结构包括端盖、具有多孔结构的外筒、具有多折结构的过滤体以及用于固定过滤体的支撑体；外筒与支撑体同轴套置，内为通孔（图2）。注：1.端盖；2.外筒；3.过滤体；4.支撑体；5.通孔。图2新型滤芯结构示意图过滤体置放于外筒内侧与支撑体外侧之间的过流区，具备可拆卸、可替换的特征，且全覆盖于支撑体外壁。支撑体设置于通孔与过滤体内侧壁之间，与过滤体长度相同（图3）。滤芯的外筒横截面为圆形，且外壁具有多孔结构，可使流体通过。滤芯的支撑体与过滤体的横截面为同心等角正多边形（图4）。外筒、过滤体、支撑体两端分别卡入端盖的凹槽内，以卡扣相固定（图5）。2.2工作原理滤芯安装于过滤器中，通过外垫圈两端密封固定在固定杆上。流体从过滤器入口流入过滤器内部，穿过滤芯外筒，经过滤体过滤从而得到滤液，天然气技术与经济开发工程41Natural Gas Technology and Economy第17卷第4期滤液穿过支撑体后经通孔流入过滤器下部，经过滤后的流体从底部出口排出（图6）。注：1.端盖；2.外筒；3.过滤体；4.支撑体；5.通孔；9.过流区；10.外垫圈；11.固定杆。图6滤芯工作原理图2.3使用方法清洗滤芯、更换过滤体时需要先打开两端端盖，取下外筒后再取出支撑体、过滤体；随后更换新的过滤体（过滤体为具有一定过滤精度要求的滤纸）14，同时清洗外筒、支撑体以及端盖等部件；最后，重新组合滤芯各部件，通过固定杆与外垫圈固定于过滤器内部。2.4性能特点过滤体具有多折结构，具体表现在过滤体具有多条棱，且每条棱与支撑体的轴线之间的距离相同，换言之，过滤体的横截面具有多个棱角，为正多边形，从而使得流体与过滤体的接触面积远大于流体与外筒的接触面积15-16。在过滤过程中，增大过滤体与流体的接触面积，从而提高滤芯的过滤效率、增加使用时间。并且多折结构过滤体与原先光滑圆柱状结构过滤体相比较，其力学强度更高，更易保持稳定的外形，从而可以延长使用时间，同时，新型滤芯端盖、外筒、过滤体与支撑体之间为可拆卸设计，因此在更换、清洗滤芯时，只需更换过滤体即可，其他部分可清洗后继续使用，以此达到降低更换滤芯频率的目的。外筒的内侧壁与支撑体的内侧之间形成过流区（图6），过流区域内包括过滤体和支撑体；滤芯两端为端盖。为了对一些材质较软的过滤体进行更好的支撑固定，新型滤芯在过流区内设置支撑体。支撑体与过滤体的形状相似17，即支撑体的横截面具有多个棱角，且该多个棱角与过滤体的棱角一一对应。支撑体设有多个小孔，与过滤体可以相互独立设置、拆卸连接，便于滤芯的清洗、过滤体的更换。支撑体的作用是避免在过滤过程中，因流体流压导致过滤体中的多个褶皱变形、破损。端盖与外筒之间可以通过卡接等其他可拆卸的连接方式连接。端盖的设置有利于保持支撑体和外筒的相对稳定，从而保持滤芯结构的完整性和牢固程度，避免过滤体被破坏。3新型滤芯与传统滤芯实用性分析对比该新型研制的滤芯将过滤体设置为多折状结构，使流体与过滤体之间的接触面积增大了一倍，提高了滤芯的过滤效率，延长了滤芯使用寿命，而注：1.端盖；4.支撑体；5.通孔。图3滤芯内部结构示意图（整体）注：2.外筒；3.过滤体；4.支撑体；5.通孔；9.过流区。图4滤芯结构示意图（横截面）注：1.端盖；5.通孔；6.外筒密封槽；7.过滤体密封槽；8.支撑体密封槽。图5滤芯端盖结构示意图赵焱，等：天然气三甘醇脱水装置新型滤芯设计与实用效果42天然气技术与经济总第100期2023年传统滤芯为圆柱状结构，过滤面积小。新型滤芯支撑体与外筒之间设置为可以拆卸的过滤体，支撑体用于支撑过滤体，并且滤芯两端设置有与外筒、过滤体、支撑体形状大小一致带凹槽的端盖，使其更为牢固，同时也减小表面张力对滤液流速的影响。而传统滤芯无支撑体设计，容易导致过滤体褶皱变形、破损。此外，新型滤芯的可拆卸设计便于滤芯的拆装、清洗以及过滤体的更换，传统滤芯为一体化设计，不可进行拆卸，使用后只能整体更换（表1）。端盖内设置有外筒密封槽、过滤体密封槽以及支撑体密封槽，该结构可有效加强对滤芯两端与端盖连接处的密封性。该设计适用于各个天然气脱水场站机械式过滤器和有滤芯装置的设备，如发电机中的一次性滤芯。因此在石油石化行业中具有较大的应用推广价值。天然气净化工艺作为保障用户用气、气体质量达标的重要环节之一，直接影响着企业的经济效益与发展。通过本次创新性改进，实现了降低机械过滤器滤芯使用成本、延长滤芯使用寿命的目的，从而为企业起到降本增效的作用。表1新型滤芯与传统滤芯实用性对比表4经济效益分析根据相关资料 某公司脱水装置生产管理实施细则 规定各级滤芯连续使用时间不允许超过1年。但在现场生产过程中因天然气洁净程度不同实际使用周期也有差异。通过调研了解到某公司202、204井中心站三甘醇脱水装置滤芯实际使用周期为26个月。而新型滤芯外筒、端盖、支撑体可设计为高强度耐腐蚀不锈钢材质，稳定性强，拆卸清洗后可重复利用，使用寿命预计可达到3年，使用期间只需更换过滤体（滤纸），滤纸常用材质为聚丙烯纤维。经市场调研了解到与目前天然气脱水站使用环境一致，均为溶液精密过滤，并且尺寸相同，均为20寸的传统滤芯滤纸，采购价格约为30元。天然气场站脱水装置包括原料气过滤分离器、三甘醇预过滤器、三甘醇后置过滤器、活性炭过滤器、自动化过滤器撬等，每台过滤器可安装24支滤芯，每个场站共计使用滤芯约 120 支18。以天然气年产能 400 108m3的某公司为例，脱水站在用过滤器滤芯约4 000支，每年累计可节约企业生产成本5361 768万元（表2），并且新型设计可减少资源消耗，助力“绿水青山”的社会效益增长19-20。表2单支新型滤芯与传统滤芯经济效益对比分析表5结论1）经过对现有滤芯结构设计的优化，原创性地设计了一种可拆卸的新型滤芯结构，克服了传统滤芯不可拆卸、过滤面积小、稳固性差等不足，实现了便捷拆卸安装清洗、提高了过滤效率、在增强过滤体稳定性的同时降低了使用成本，达到了提质增效的目的。2）目前，设计的新型滤芯已获得国家实用新型专利授权，具有创新性、实用性，经济效益明显，后续可以根据生产实际开展现场适用性优化，进一步降本增效。参考文献1陈仕林，刘震，宫敬，等.高压条件下聚结过滤滤芯性能的影响因素 J.油气储运，2018，37（2）：204-209，240.CHEN Shilin，LIU Zhen，GONG Jing，et al.Factors influencing the performance of filter element for coalescence filtrationunder high pressure J.Oil and Gas Storage and Transportation，2018，37（2）：204-209，240.2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.JIA Yanjie，WANG 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