摘 要：針對(duì)山西某煤層氣區(qū)塊集氣站內(nèi)往復(fù)壓縮機(jī)出現(xiàn)的頻繁停運(yùn)現(xiàn)象，對(duì)壓縮機(jī)閥片處煤粉現(xiàn)場(chǎng)取樣分析粒徑分布，研究壓縮機(jī)停運(yùn)的原因。研究煤粉的過濾分離設(shè)備，提出過濾分離設(shè)備的性能要求，確定濾芯并進(jìn)行選型設(shè)計(jì)及優(yōu)化。改進(jìn)的兩端過濾、雙濾芯的臥式過濾分離器可使氣體中攜帶的5mm以上粉塵的去除率達(dá)到99％，5mm以上液滴的去除率達(dá)到98％，對(duì)顆粒直徑<100mm煤粉的去除效果好。
關(guān)鍵詞：過濾分離設(shè)備； 煤層氣； 雙濾芯； 煤粉
Type Selection and Optimization of Filtration and Separation Equipment in Coalbed Methane Gathering Station
Abstract：Aimed at the frequent shut-down phenomenon of reciprocating compressors in a gas gathering station of coalbed methane block in Shanxi Province，the coal dust at compressor valve plates is sampled to analyze the particle size distribution，thus to research the causes of compressor shut．down．The filtration and separation equipment of coal dust is investigated，the performance requirements of filtration and separation equipment are proposed，the filter element is determined，and the type selection design and optimization are performed．The improved horizontal filtration and separation equipment with both end filtration and double filter element can renlove 99％of more than 5mm dust carried in gas．The removal rate of more than 5mm droplet is 98.0％．a(chǎn)nd the removal effect of coal dust of particle size of less than 100mm m is good．
Keywords：filtration and separation equipment；coalbed methane；double filter element；coal dust
1 概述
山西某煤層氣區(qū)塊集氣站有3臺(tái)10×104m3／d螺桿壓縮機(jī)，2臺(tái)25×104m3／d往復(fù)壓縮機(jī)。在往復(fù)壓縮機(jī)投運(yùn)不久，就出現(xiàn)事故停運(yùn)現(xiàn)象。檢修時(shí)在壓縮機(jī)進(jìn)氣閥片處發(fā)現(xiàn)了大量黑色泥狀物，現(xiàn)場(chǎng)將1#往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)行清洗，并對(duì)連續(xù)運(yùn)行6d后的進(jìn)氣閥片打開進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣閥片處依然存有大量黑色泥狀物，經(jīng)過化驗(yàn)分析該物質(zhì)以煤粉為主。這說明壓縮機(jī)前設(shè)置的2臺(tái)40×104m3／d重力分離器未對(duì)煤層氣中攜帶的霾狀的煤粉起到足夠的分離作用。提高煤層氣中煤粉的去除率，減少煤粉對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)造成的頻繁停運(yùn)影響，成為亟待解決的難題。
我國(guó)擁有豐富的煤層氣資源，但目前我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段。煤層氣具有典型的壓力低的特點(diǎn)，加之煤層氣特有的存在方式和開采方式導(dǎo)致煤層氣含塵量較高，氣體中攜帶的煤粉顆粒細(xì)微，質(zhì)量輕，有效分離難度大，采用重力分離技術(shù)較難去除。煤粉極易對(duì)壓縮機(jī)等設(shè)備造成破壞，事故頻發(fā)，還易在集輸管道彎頭處形成堵塞，嚴(yán)重影響煤層氣的整體開發(fā)效益。因此，對(duì)煤層氣集氣站的分離設(shè)備提出了更高的要求。
2 現(xiàn)場(chǎng)煤粉取樣分析
對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣口處煤粉取樣進(jìn)行物性分析，煤粉呈灰色或深灰色，在水中呈懸浮態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間靜置后，可見深灰色糊狀沉淀(見圖1)。委托大連理工大學(xué)對(duì)壓縮機(jī)閥片處煤粉現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)煤粉粒徑分布情況進(jìn)行分析(見圖2)?？梢钥闯?，顆粒粒徑范圍從0.2～100mm不等(藍(lán)色曲線為累計(jì)顆粒數(shù)所占比例曲線，紅色曲線為區(qū)間顆粒數(shù)所占比例曲線)。煤粉粒徑分布主要集中在14～95mm，中位徑值(樣品的累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到50％時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑)為38.55mm，D97值(樣品的累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到97％時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑)為71.52mm，粒徑≥5mm的顆粒占總顆粒數(shù)的90％以上。
3 壓縮機(jī)停運(yùn)的原因分析
①煤粉產(chǎn)生的機(jī)理[1]
煤層氣中攜帶的煤粉主要包括煤層縫隙中的煤粉顆粒和煤體骨架破壞產(chǎn)生的煤粉兩種。煤粉產(chǎn)生與煤巖成分、鉆具研磨及壓裂支撐劑打磨相關(guān)。煤粉在煤層氣開采的不同階段，其粒徑大小及產(chǎn)出的形式各不相同。
a．排水期，煤粉以中、粗顆粒為主，顆粒粒徑在5～10mm，此階段無氣體產(chǎn)生，不會(huì)影響到地面集輸系統(tǒng)，但易使排采泵卡泵。
b．在產(chǎn)氣初期，煤粉以中、細(xì)顆粒為主，顆粒粒徑1～3mm，細(xì)顆粒煤粉隨采出水以懸浮液的形式被采出。該階段煤層氣氣井井底壓力處于臨界解析壓力附近，產(chǎn)水、產(chǎn)氣量波動(dòng)較大，少量煤粉被帶入地面集輸系統(tǒng)中。
c．產(chǎn)氣高峰期，以細(xì)顆粒煤粉為主，顆粒粒徑<2mm，該階段僅產(chǎn)少量水，大部分煤粉隨氣體采出。
d．產(chǎn)氣后期，基本不產(chǎn)水，煤粉以微細(xì)顆粒為主，粒徑<1mm，完全隨氣體以粉塵形式排出。
影響壓縮機(jī)運(yùn)行的粉塵顆粒直徑<100mm，主要來源于產(chǎn)氣后期。
②壓縮機(jī)停運(yùn)原因分析
集氣站有3臺(tái)10×104m3／d螺桿壓縮機(jī)，2臺(tái)25×104m3／d往復(fù)壓縮機(jī)，投產(chǎn)前幾個(gè)月，產(chǎn)氣量較低，采用螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行，一直運(yùn)行正常。產(chǎn)氣量接近25×104m3／d時(shí)，啟動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)，停運(yùn)螺桿壓縮機(jī)，但很快往復(fù)壓縮機(jī)發(fā)生故障，切換回螺桿壓縮機(jī)。在第一次停機(jī)檢修后，又多次發(fā)生停運(yùn)情況。分析原因，有以下3個(gè)方面。
a．螺桿壓縮機(jī)具有一對(duì)互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉(zhuǎn)子，隨著周期性地改變轉(zhuǎn)子與每對(duì)齒槽間的容積，來達(dá)到吸氣、壓縮和排氣的目的，受介質(zhì)中固體顆粒含量影響較小，而往復(fù)壓縮機(jī)靠連桿帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，介質(zhì)中固體顆粒含量對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)影響較大。
b．進(jìn)站處設(shè)置的重力分離器對(duì)于細(xì)微粉塵顆粒的去除效果較差。
c．管道內(nèi)積聚的煤粉受壓縮機(jī)切換擾動(dòng)較大，導(dǎo)致煤粉被大量帶入往復(fù)壓縮機(jī)。
4 對(duì)煤粉過濾分離設(shè)備的調(diào)研及分析
從井場(chǎng)采出的煤層氣，在集氣站經(jīng)過過濾、壓縮、脫水、計(jì)量后輸至下游用戶。煤層氣中煤粉對(duì)集氣站內(nèi)的設(shè)備損害最大的是壓縮機(jī)，不僅受固體顆粒的影響，長(zhǎng)期運(yùn)行后，螺桿壓縮機(jī)和往復(fù)壓縮機(jī)都會(huì)有煤粉粘附在機(jī)體本身潤(rùn)滑油油膜上，氧化而形成炭化物，這種炭化物逐漸增多就成為積炭。積炭現(xiàn)象發(fā)生初期，機(jī)件表面變?yōu)楹谏?，隨著積炭的不斷積聚，最終形成片狀或塊狀的硬質(zhì)沉積物并結(jié)焦，影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。如果結(jié)焦嚴(yán)重?zé)o法清除，則壓縮機(jī)就會(huì)報(bào)廢[2]，這是目前在各個(gè)煤層氣田地面工程中普遍存在的問題。
相比重力分離器，常用的還有旋風(fēng)分離器和過濾分離器等其他類型的過濾器。對(duì)于旋風(fēng)分離器，因其壓力損失較大，過濾效率較差(在設(shè)計(jì)過濾氣量±15％范圍內(nèi)，過濾效率為97％左右)，在壓縮機(jī)前不宜選擇。過濾分離器是對(duì)固體粉塵和液滴去除效果最好的設(shè)備，在長(zhǎng)輸天然氣項(xiàng)目應(yīng)用較多，其運(yùn)行壓力為4.0～12.0MPa，對(duì)粒徑≥5mm粉塵的過濾效率不低于99.9％；對(duì)粒徑≥5mm液滴的過濾效率不低于99.0％，在額定處理量下的初始?jí)毫?le;0.015MPa。但煤層氣的進(jìn)站壓力較低，約為0.05～0.2MPa，加之已建集氣站壓縮機(jī)前已設(shè)有2臺(tái)40×104m3／d重力分離器，所以要求新增過濾分離器正常操作的壓力降為0.01～0.05MPa，過濾分離器前后壓差不能超過0.05MPa，否則容易使壓縮機(jī)入口形成負(fù)壓，影響壓縮機(jī)的使用性能。因此，適用煤層氣的過濾分離器要具有超大的流通能力，初始?jí)毫档停^濾元件使用周期長(zhǎng)，在較低壓力下仍能保證過濾精度，濾芯具有較大的過濾面積和容污能力，正常操作條件下連續(xù)使用周期不小于180d的特點(diǎn)。
5 過濾分離器設(shè)計(jì)
①過濾分離器的性能要求
a．在設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力下滿足規(guī)定的強(qiáng)度要求，使用安全可靠，檢查、維修方便。
b．去除輸送氣體夾帶的固體雜質(zhì)(主要為煤粉)和液滴的過濾效率為：5mm以上固體雜質(zhì)99.0％；5mm以上液滴98.0％。
c．過濾設(shè)備正常操作的壓力降低于0.05MPa，且過濾元件的連續(xù)使用周期不小于180d。
d．為便于操作和更換濾芯，過濾分離器采用帶有快開盲板的臥式結(jié)構(gòu)。所配快開盲板開閉靈活，并帶安全自鎖裝置，保證帶壓時(shí)無法開啟，泄壓為零并啟動(dòng)安全自鎖裝置后，快開盲板才能開啟，并在適當(dāng)位置有警示標(biāo)記。
e．快開盲板帶操作手輪或?qū)Ｓ冒馐?，保證開閉靈活、方便、密封可靠、無泄漏。當(dāng)快開盲板打開時(shí)，應(yīng)有定位裝置固定門鎖，防止意外關(guān)閉。
②過濾分離器濾芯的確定
比較先進(jìn)、可靠的濾芯材質(zhì)有兩類，非金屬濾芯和金屬濾芯。非金屬濾芯材料有：超微細(xì)玻璃纖維、聚酯纖維、多層玻纖、聚丙烯、尼龍等；金屬濾芯有：鋁－304不銹鋼濾芯和304不銹鋼濾芯等。非金屬濾芯對(duì)氣體中攜帶的煤粉和水分有較好的過濾效果，但不能重復(fù)利用，更換的濾芯會(huì)產(chǎn)生不易降解的新的廢物堆積；金屬濾芯對(duì)氣體中攜帶的煤粉有較好的過濾效果，而且能通過反吹掃或清洗的方式重復(fù)利用，不會(huì)產(chǎn)生新的廢棄物。鑒于新增過濾設(shè)備以去除煤粉為主，且鋁－304不銹鋼濾芯又比304不銹鋼濾芯重量輕，所以選擇鋁－304不銹鋼濾芯作為新增煤層氣過濾分離器的濾芯。
③過濾分離器設(shè)計(jì)
由于已建集氣站安裝空間有限，現(xiàn)場(chǎng)只能布下1臺(tái)設(shè)備，新增的過濾分離器進(jìn)站壓力0.05MPa，氣量80×104m3／d。由于煤層氣進(jìn)站壓力較低，為降低壓力損失，需增大過濾分離器的直徑。參照SY／T 6883－2012《輸氣管道工程過濾分離設(shè)備規(guī)范》，根據(jù)過濾氣量和過濾壓力等參數(shù)，計(jì)算過濾分離器的直徑達(dá)到2500mm，目前國(guó)內(nèi)同規(guī)格的臥式過濾分離器尚未應(yīng)用。本文通過將過濾分離器兩端分別設(shè)置濾芯，各設(shè)l個(gè)快開盲板，頂部設(shè)兩個(gè)進(jìn)氣口，中部設(shè)一個(gè)出氣口，形成兩進(jìn)一出的形式，增加了氣體流通量，同時(shí)減小了分離器筒體直徑。過濾分離器外形見圖3。
6 結(jié)語
①采用兩端開啟、雙濾芯的臥式過濾分離器形式，提出了低壓、大流量氣體過濾，縮小過濾設(shè)備簡(jiǎn)體直徑的新思路。
②新型過濾分離器比重力分離器及旋風(fēng)分離器對(duì)顆粒直徑<100mm煤粉的去除效果要好。更換濾芯時(shí)，可兩端同時(shí)進(jìn)行，大大節(jié)省更換時(shí)間，不需要高空作業(yè)，地面操作更安全。
③過濾分離器目前還需要根據(jù)煤層氣中煤粉的特點(diǎn)，探索更適合的煤粉去除方式。
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