煤层气集气站过滤分离设备选型及优化
作者： 2015年08月20日 来源：博燃网 浏览量：
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山西某煤层气区块集气站有3台10×104m3／d螺杆压缩机，2台25×104m3／d往复压缩机。在往复压缩机投运不久，就出现事故停运现象。检修时在压缩机进气阀片处发现了大量黑色泥状物，现场将1#往复压缩机进气口进行清洗，
1 概述
山西某煤层气区块集气站有3台10×104m3／d螺杆压缩机，2台25×104m3／d往复压缩机。在往复压缩机投运不久，就出现事故停运现象。检修时在压缩机进气阀片处发现了大量黑色泥状物，现场将1#往复压缩机进气口进行清洗，并对连续运行6d后的进气阀片打开进行检查，发现进气阀片处依然存有大量黑色泥状物，经过化验分析该物质以煤粉为主。这说明压缩机前设置的2台40×104m3／d重力分离器未对煤层气中携带的霾状的煤粉起到足够的分离作用。提高煤层气中煤粉的去除率，减少煤粉对往复压缩机造成的频繁停运影响，成为亟待解决的难题。
我国拥有丰富的煤层气资源，但目前我国煤层气产业尚处于起步阶段。煤层气具有典型的压力低的特点，加之煤层气特有的存在方式和开采方式导致煤层气含尘量较高，气体中携带的煤粉颗粒细微，质量轻，有效分离难度大，采用重力分离技术较难去除。煤粉极易对压缩机等设备造成破坏，事故频发，还易在集输管道弯头处形成堵塞，严重影响煤层气的整体开发效益。因此，对煤层气集气站的分离设备提出了更高的要求。
2 现场煤粉取样分析
对压缩机进气口处煤粉取样进行物性分析，煤粉呈灰色或深灰色，在水中呈悬浮态，长时间静置后，可见深灰色糊状沉淀(见图1)。委托大连理工大学对压缩机阀片处煤粉现场取样，对煤粉粒径分布情况进行分析(见图2)。可以看出，颗粒粒径范围从0.2～100mm不等(蓝色曲线为累计颗粒数所占比例曲线，红色曲线为区间颗粒数所占比例曲线)。煤粉粒径分布主要集中在14～95mm，中位径值(样品的累计粒度分布数达到50％时所对应的粒径)为38.55mm，D97值(样品的累计粒度分布数达到97％时所对应的粒径)为71.52mm，粒径≥5mm的颗粒占总颗粒数的90％以上。
3 压缩机停运的原因分析
①煤粉产生的机理[1]
煤层气中携带的煤粉主要包括煤层缝隙中的煤粉颗粒和煤体骨架破坏产生的煤粉两种。煤粉产生与煤岩成分、钻具研磨及压裂支撑剂打磨相关。煤粉在煤层气开采的不同阶段，其粒径大小及产出的形式各不相同。
a．排水期，煤粉以中、粗颗粒为主，颗粒粒径在5～10mm，此阶段无气体产生，不会影响到地面集输系统，但易使排采泵卡泵。
b．在产气初期，煤粉以中、细颗粒为主，颗粒粒径1～3mm，细颗粒煤粉随采出水以悬浮液的形式被采出。该阶段煤层气气井井底压力处于临界解析压力附近，产水、产气量波动较大，少量煤粉被带入地面集输系统中。
c．产气高峰期，以细颗粒煤粉为主，颗粒粒径<2mm，该阶段仅产少量水，大部分煤粉随气体采出。
d．产气后期，基本不产水，煤粉以微细颗粒为主，粒径<1mm，完全随气体以粉尘形式排出。
影响压缩机运行的粉尘颗粒直径<100mm，主要来源于产气后期。
②压缩机停运原因分析
集气站有3台10×104m3／d螺杆压缩机，2台25×104m3／d往复压缩机，投产前几个月，产气量较低，采用螺杆压缩机运行，一直运行正常。产气量接近25×104m3／d时，启动往复压缩机，停运螺杆压缩机，但很快往复压缩机发生故障，切换回螺杆压缩机。在第一次停机检修后，又多次发生停运情况。分析原因，有以下3个方面。
a．螺杆压缩机具有一对互相啮合、相反旋向的螺旋形齿的转子，随着周期性地改变转子与每对齿槽间的容积，来达到吸气、压缩和排气的目的，受介质中固体颗粒含量影响较小，而往复压缩机靠连杆带动活塞在气缸内做往复运动，介质中固体颗粒含量对往复压缩机影响较大。
b．进站处设置的重力分离器对于细微粉尘颗粒的去除效果较差。
c．管道内积聚的煤粉受压缩机切换扰动较大，导致煤粉被大量带入往复压缩机。
4 对煤粉过滤分离设备的调研及分析
从井场采出的煤层气，在集气站经过过滤、压缩、脱水、计量后输至下游用户。煤层气中煤粉对集气站内的设备损害最大的是压缩机，不仅受固体颗粒的影响，长期运行后，螺杆压缩机和往复压缩机都会有煤粉粘附在机体本身润滑油油膜上，氧化而形成炭化物，这种炭化物逐渐增多就成为积炭。积炭现象发生初期，机件表面变为黑色，随着积炭的不断积聚，最终形成片状或块状的硬质沉积物并结焦，影响压缩机的正常运行。如果结焦严重无法清除，则压缩机就会报废[2]，这是目前在各个煤层气田地面工程中普遍存在的问题。
相比重力分离器，常用的还有旋风分离器和过滤分离器等其他类型的过滤器。对于旋风分离器，因其压力损失较大，过滤效率较差(在设计过滤气量±15％范围内，过滤效率为97％左右)，在压缩机前不宜选择。过滤分离器是对固体粉尘和液滴去除效果最好的设备，在长输天然气项目应用较多，其运行压力为4.0～12.0MPa，对粒径≥5mm粉尘的过滤效率不低于99.9％；对粒径≥5mm液滴的过滤效率不低于99.0％，在额定处理量下的初始压力降≤0.015MPa。但煤层气的进站压力较低，约为0.05～0.2MPa，加之已建集气站压缩机前已设有2台40×104m3／d重力分离器，所以要求新增过滤分离器正常操作的压力降为0.01～0.05MPa，过滤分离器前后压差不能超过0.05MPa，否则容易使压缩机入口形成负压，影响压缩机的使用性能。因此，适用煤层气的过滤分离器要具有超大的流通能力，初始压力降低，过滤元件使用周期长，在较低压力下仍能保证过滤精度，滤芯具有较大的过滤面积和容污能力，正常操作条件下连续使用周期不小于180d的特点。
5 过滤分离器设计
①过滤分离器的性能要求
a．在设计温度和设计压力下满足规定的强度要求，使用安全可靠，检查、维修方便。
b．去除输送气体夹带的固体杂质(主要为煤粉)和液滴的过滤效率为：5mm以上固体杂质99.0％；5mm以上液滴98.0％。
c．过滤设备正常操作的压力降低于0.05MPa，且过滤元件的连续使用周期不小于180d。
d．为便于操作和更换滤芯，过滤分离器采用带有快开盲板的卧式结构。所配快开盲板开闭灵活，并带安全自锁装置，保证带压时无法开启，泄压为零并启动安全自锁装置后，快开盲板才能开启，并在适当位置有警示标记。
e．快开盲板带操作手轮或专用扳手，保证开闭灵活、方便、密封可靠、无泄漏。当快开盲板打开时，应有定位装置固定门锁，防止意外关闭。
②过滤分离器滤芯的确定
比较先进、可靠的滤芯材质有两类，非金属滤芯和金属滤芯。非金属滤芯材料有：超微细玻璃纤维、聚酯纤维、多层玻纤、聚丙烯、尼龙等；金属滤芯有：铝－304不锈钢滤芯和304不锈钢滤芯等。非金属滤芯对气体中携带的煤粉和水分有较好的过滤效果，但不能重复利用，更换的滤芯会产生不易降解的新的废物堆积；金属滤芯对气体中携带的煤粉有较好的过滤效果，而且能通过反吹扫或清洗的方式重复利用，不会产生新的废弃物。鉴于新增过滤设备以去除煤粉为主，且铝－304不锈钢滤芯又比304不锈钢滤芯重量轻，所以选择铝－304不锈钢滤芯作为新增煤层气过滤分离器的滤芯。
③过滤分离器设计
由于已建集气站安装空间有限，现场只能布下1台设备，新增的过滤分离器进站压力0.05MPa，气量80×104m3／d。由于煤层气进站压力较低，为降低压力损失，需增大过滤分离器的直径。参照SY／T 6883－2012《输气管道工程过滤分离设备规范》，根据过滤气量和过滤压力等参数，计算过滤分离器的直径达到2500mm，目前国内同规格的卧式过滤分离器尚未应用。本文通过将过滤分离器两端分别设置滤芯，各设l个快开盲板，顶部设两个进气口，中部设一个出气口，形成两进一出的形式，增加了气体流通量，同时减小了分离器筒体直径。过滤分离器外形见图3。
6 结语
①采用两端开启、双滤芯的卧式过滤分离器形式，提出了低压、大流量气体过滤，缩小过滤设备简体直径的新思路。
②新型过滤分离器比重力分离器及旋风分离器对颗粒直径<100mm煤粉的去除效果要好。更换滤芯时，可两端同时进行，大大节省更换时间，不需要高空作业，地面操作更安全。
③过滤分离器目前还需要根据煤层气中煤粉的特点，探索更适合的煤粉去除方式。
参考文献：
[1]刘升贵，贺小黑，李惠芳．煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施[J]．辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30(4)：508-512．
[2]王梓荣，段吉林，秦馗，等．活塞式空气压缩机积碳问题探讨[J]．中国高新技术企业，2010(7)：70-72．
本文作者：薛爱芹 高伟 茆天琪
作者单位：中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司
山西某煤层气区块集气站有3台10×104m3／d螺杆压缩机，2台25×104m3／d往复压缩机。在往复压缩机投运不久，就出现事故停运现象。检修时在压缩机进气阀片处发现了大量黑色泥状物，现场将1#往复压缩机进气口进行清洗，并对连续运行6d后的进气阀片打开进行检查，发现进气阀片处依然存有大量黑色泥状物，经过化验分析该物质以煤粉为主。这说明压缩机前设置的2台40×104m3／d重力分离器未对煤层气中携带的霾状的煤粉起到足够的分离作用。提高煤层气中煤粉的去除率，减少煤粉对往复压缩机造成的频繁停运影响，成为亟待解决的难题。
我国拥有丰富的煤层气资源，但目前我国煤层气产业尚处于起步阶段。煤层气具有典型的压力低的特点，加之煤层气特有的存在方式和开采方式导致煤层气含尘量较高，气体中携带的煤粉颗粒细微，质量轻，有效分离难度大，采用重力分离技术较难去除。煤粉极易对压缩机等设备造成破坏，事故频发，还易在集输管道弯头处形成堵塞，严重影响煤层气的整体开发效益。因此，对煤层气集气站的分离设备提出了更高的要求。
2 现场煤粉取样分析
对压缩机进气口处煤粉取样进行物性分析，煤粉呈灰色或深灰色，在水中呈悬浮态，长时间静置后，可见深灰色糊状沉淀(见图1)。委托大连理工大学对压缩机阀片处煤粉现场取样，对煤粉粒径分布情况进行分析(见图2)。可以看出，颗粒粒径范围从0.2～100mm不等(蓝色曲线为累计颗粒数所占比例曲线，红色曲线为区间颗粒数所占比例曲线)。煤粉粒径分布主要集中在14～95mm，中位径值(样品的累计粒度分布数达到50％时所对应的粒径)为38.55mm，D97值(样品的累计粒度分布数达到97％时所对应的粒径)为71.52mm，粒径≥5mm的颗粒占总颗粒数的90％以上。
3 压缩机停运的原因分析
①煤粉产生的机理[1]
煤层气中携带的煤粉主要包括煤层缝隙中的煤粉颗粒和煤体骨架破坏产生的煤粉两种。煤粉产生与煤岩成分、钻具研磨及压裂支撑剂打磨相关。煤粉在煤层气开采的不同阶段，其粒径大小及产出的形式各不相同。
a．排水期，煤粉以中、粗颗粒为主，颗粒粒径在5～10mm，此阶段无气体产生，不会影响到地面集输系统，但易使排采泵卡泵。
b．在产气初期，煤粉以中、细颗粒为主，颗粒粒径1～3mm，细颗粒煤粉随采出水以悬浮液的形式被采出。该阶段煤层气气井井底压力处于临界解析压力附近，产水、产气量波动较大，少量煤粉被带入地面集输系统中。
c．产气高峰期，以细颗粒煤粉为主，颗粒粒径<2mm，该阶段仅产少量水，大部分煤粉随气体采出。
d．产气后期，基本不产水，煤粉以微细颗粒为主，粒径<1mm，完全随气体以粉尘形式排出。
影响压缩机运行的粉尘颗粒直径<100mm，主要来源于产气后期。
②压缩机停运原因分析
集气站有3台10×104m3／d螺杆压缩机，2台25×104m3／d往复压缩机，投产前几个月，产气量较低，采用螺杆压缩机运行，一直运行正常。产气量接近25×104m3／d时，启动往复压缩机，停运螺杆压缩机，但很快往复压缩机发生故障，切换回螺杆压缩机。在第一次停机检修后，又多次发生停运情况。分析原因，有以下3个方面。
a．螺杆压缩机具有一对互相啮合、相反旋向的螺旋形齿的转子，随着周期性地改变转子与每对齿槽间的容积，来达到吸气、压缩和排气的目的，受介质中固体颗粒含量影响较小，而往复压缩机靠连杆带动活塞在气缸内做往复运动，介质中固体颗粒含量对往复压缩机影响较大。
b．进站处设置的重力分离器对于细微粉尘颗粒的去除效果较差。
c．管道内积聚的煤粉受压缩机切换扰动较大，导致煤粉被大量带入往复压缩机。
4 对煤粉过滤分离设备的调研及分析
从井场采出的煤层气，在集气站经过过滤、压缩、脱水、计量后输至下游用户。煤层气中煤粉对集气站内的设备损害最大的是压缩机，不仅受固体颗粒的影响，长期运行后，螺杆压缩机和往复压缩机都会有煤粉粘附在机体本身润滑油油膜上，氧化而形成炭化物，这种炭化物逐渐增多就成为积炭。积炭现象发生初期，机件表面变为黑色，随着积炭的不断积聚，最终形成片状或块状的硬质沉积物并结焦，影响压缩机的正常运行。如果结焦严重无法清除，则压缩机就会报废[2]，这是目前在各个煤层气田地面工程中普遍存在的问题。
相比重力分离器，常用的还有旋风分离器和过滤分离器等其他类型的过滤器。对于旋风分离器，因其压力损失较大，过滤效率较差(在设计过滤气量±15％范围内，过滤效率为97％左右)，在压缩机前不宜选择。过滤分离器是对固体粉尘和液滴去除效果最好的设备，在长输天然气项目应用较多，其运行压力为4.0～12.0MPa，对粒径≥5mm粉尘的过滤效率不低于99.9％；对粒径≥5mm液滴的过滤效率不低于99.0％，在额定处理量下的初始压力降≤0.015MPa。但煤层气的进站压力较低，约为0.05～0.2MPa，加之已建集气站压缩机前已设有2台40×104m3／d重力分离器，所以要求新增过滤分离器正常操作的压力降为0.01～0.05MPa，过滤分离器前后压差不能超过0.05MPa，否则容易使压缩机入口形成负压，影响压缩机的使用性能。因此，适用煤层气的过滤分离器要具有超大的流通能力，初始压力降低，过滤元件使用周期长，在较低压力下仍能保证过滤精度，滤芯具有较大的过滤面积和容污能力，正常操作条件下连续使用周期不小于180d的特点。
5 过滤分离器设计
①过滤分离器的性能要求
a．在设计温度和设计压力下满足规定的强度要求，使用安全可靠，检查、维修方便。
b．去除输送气体夹带的固体杂质(主要为煤粉)和液滴的过滤效率为：5mm以上固体杂质99.0％；5mm以上液滴98.0％。
c．过滤设备正常操作的压力降低于0.05MPa，且过滤元件的连续使用周期不小于180d。
d．为便于操作和更换滤芯，过滤分离器采用带有快开盲板的卧式结构。所配快开盲板开闭灵活，并带安全自锁装置，保证带压时无法开启，泄压为零并启动安全自锁装置后，快开盲板才能开启，并在适当位置有警示标记。
e．快开盲板带操作手轮或专用扳手，保证开闭灵活、方便、密封可靠、无泄漏。当快开盲板打开时，应有定位装置固定门锁，防止意外关闭。
②过滤分离器滤芯的确定
比较先进、可靠的滤芯材质有两类，非金属滤芯和金属滤芯。非金属滤芯材料有：超微细玻璃纤维、聚酯纤维、多层玻纤、聚丙烯、尼龙等；金属滤芯有：铝－304不锈钢滤芯和304不锈钢滤芯等。非金属滤芯对气体中携带的煤粉和水分有较好的过滤效果，但不能重复利用，更换的滤芯会产生不易降解的新的废物堆积；金属滤芯对气体中携带的煤粉有较好的过滤效果，而且能通过反吹扫或清洗的方式重复利用，不会产生新的废弃物。鉴于新增过滤设备以去除煤粉为主，且铝－304不锈钢滤芯又比304不锈钢滤芯重量轻，所以选择铝－304不锈钢滤芯作为新增煤层气过滤分离器的滤芯。
③过滤分离器设计
由于已建集气站安装空间有限，现场只能布下1台设备，新增的过滤分离器进站压力0.05MPa，气量80×104m3／d。由于煤层气进站压力较低，为降低压力损失，需增大过滤分离器的直径。参照SY／T 6883－2012《输气管道工程过滤分离设备规范》，根据过滤气量和过滤压力等参数，计算过滤分离器的直径达到2500mm，目前国内同规格的卧式过滤分离器尚未应用。本文通过将过滤分离器两端分别设置滤芯，各设l个快开盲板，顶部设两个进气口，中部设一个出气口，形成两进一出的形式，增加了气体流通量，同时减小了分离器筒体直径。过滤分离器外形见图3。
6 结语
①采用两端开启、双滤芯的卧式过滤分离器形式，提出了低压、大流量气体过滤，缩小过滤设备简体直径的新思路。
②新型过滤分离器比重力分离器及旋风分离器对颗粒直径<100mm煤粉的去除效果要好。更换滤芯时，可两端同时进行，大大节省更换时间，不需要高空作业，地面操作更安全。
③过滤分离器目前还需要根据煤层气中煤粉的特点，探索更适合的煤粉去除方式。
参考文献：
[1]刘升贵，贺小黑，李惠芳．煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施[J]．辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30(4)：508-512．
[2]王梓荣，段吉林，秦馗，等．活塞式空气压缩机积碳问题探讨[J]．中国高新技术企业，2010(7)：70-72．
本文作者：薛爱芹 高伟 茆天琪
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