天然气过滤分离设备滤材性能测定与分析

刘云，杨亮，张立敏，杨天宇

（1.中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028）

（2.中海石油气电集团有限责任公司， 北京 100028）

过滤分离设备在天然气集输系统广泛应用，用于减少输气管道内壁涂层磨蚀，保护压缩机组、阀门、流量计等设备和仪表的安全稳定运行[1]。工艺气过滤分离设备通常以并联方式组配，每台过滤分离设备安装数十根滤芯，采用过滤段和除雾段两段匹配实现过滤分离[2]。燃料气过滤分离设备一般安装几根高精度滤芯，微滤和聚结性能优异，保障燃气轮机透平叶片的可靠运行[3,4]。

天然气中杂质主要为固体颗粒时，通常采用卧式结构的过滤分离设备，过滤气体由滤芯外部进入流向内部[5,6]，颗粒物被阻挡拦截在多孔介质内部。当天然气中的杂质主要为液滴或盐雾时，一般选用立式结构的聚结过滤分离设备，此时的气体由滤芯内部流向滤芯外部，液滴被滤芯聚结后由设备的排液口排出[7]。图1为两种结构型式的过滤分离设备。聚结器的过滤分离较高，尤其适用于微小液滴的和粉尘的分离，能够除净粒径尺寸大于0.3μm的液滴和粉尘[8,9]。当天然气中所含的重组分进入长输管线和设备时，随着工况压力和温度的变化，会出现以饱和烃组分为主的凝析或反凝析现象[10,11]。天然气长输管线中的气体凝析液难以实现高效分离，严重影响到压缩机组和阀门等设备和仪表的安全运行[12-15]。因此，研究天然气过滤分离设备的材料型式、操作参数和过滤介质等因素对运行性能的影响，对于提高过滤分离设备的性能及保障压缩机组的安全可靠运行具有重要意义。

图1 两种结构形式的天然气过滤设备

1 研究装置与方法

实验装置如图2所示，主要由液滴发生装置、气液过滤分离装置及性能检测装置几部分组成。液滴发生装置产生的用于模拟工艺气的液滴随气流进入实验装置后，通过滤材过滤分离，未被过滤的液滴随气流进入测量装置，通过采集和分析系统测量得到出口液滴浓度和颗粒粒径分布等数据。

图2 实验装置流程图

2 研究结果及讨论

2.1 操作参数对过滤性能的影响

2.1.1 滤材倾角的影响

天然气过滤分离设备卧式结构和立式结构的差别，主要区别在于重力对设备操作性能的影响不同。因此，考察倾角对过滤分离性能的影响，可为过滤分离设备的选型提供参考依据。图3为滤材倾角示意图，滤材倾角定义为重力方向与气流方向之间的夹角。

图3 滤材倾角定义示意图

（1）倾角对压降的影响

倾角为0°时，滤材水平放置，含液过滤气流由上而下通过滤材。转动装置由小到大逐渐增加滤材倾角，使得倾角由0°逐渐增加至180°。图4和图5分别为过滤气速为0.07m/s以及0.05m/s时滤材压降与倾角的变化关系，由图中可知，倾角的变化对过滤压降的影响不大，操作过程滤材压降保持相对稳定。

图4 滤材倾角对压降的影响

图5 倾角对运行压降的影响

（2）倾角对出口液滴浓度的影响

图6和图7分别为过滤气速为0.07m/s及0.05m/s时，不同倾角液滴浓度的变化情况。当倾角在0°～90°变化时，由于重力的影响，液滴聚结后很快由排液口排出，过滤装置出口浓度较低。当倾角大于90°时，含液气流由滤材下方进入，重力阻碍液体从滤材排出，随着倾角增大，在滤材的表面累积的液滴也越多，导致过滤装置出口浓度增加。倾角为180°时，出口液滴浓度达到最高值。

图6 倾角对出口液滴浓度的影响（过滤气速0.07m/s）

图7 倾角对出口液滴浓度的影响（过滤气速0.05m/s）

（3）倾角对分级效率的影响

图8为过滤速度0.07m/s时，滤材的分级效率随倾角的变化情况。

图8 滤材的分级效率随倾角的变化情况

由图8可知，当液滴粒径尺寸小于3μm时，不同倾角下的滤材分级效率差别不大，而液滴粒径大于3μm时，滤材的分级效率明显不同，倾角较小时分级效率较高，而倾角较大时分级效率较低。

综上所述，滤材倾角对稳态压降影响较小，当倾角变化时，压降保持相对稳定，但出口液滴浓度变化较为明显，倾角为180°时出口液滴浓度最大。由此可知，气液过滤分离设备应选择立式结构型式。

2.1.2 过滤速度的影响

（1）过滤速度对压降的影响

图9为不同过滤速度下压降的变化情况。压降随着过滤速度的增加而增大。

图9 不同过滤速度下压降的变化情况

（2）过滤速度对出口液滴浓度的影响

图10为运行压降达到稳态后，出口液滴浓度随过滤速度的变化情况，由图10可知，出口液滴浓度随着过滤速度的增加而降低，过滤速度越快，过滤效率越高。

图10 出口液滴浓度随过滤速度的变化情况

（3）过滤速度对分级效率的影响

图11为分级效率随过滤速度的变化情况。由图11可以看出，过滤速度越快，液滴的分级效率越高。

图11 分级效率随过滤速度的变化情况

综上所述，滤材压降随过滤速度的增加而增大，但增幅较小；提高过滤速度，有利于增加过滤效率，因此选用较高的过滤速度有利于改善设备的气液过滤分离性能。

2.2 过滤介质物性对过滤性能的影响

2.2.1 液体黏度的影响

实验用液体选用介质为白油。表2为温度25℃时白油物性参数，由表2可知四种白油表面张力基本接近，而黏度存在较大差异。据此研究黏度对气液过滤性能的影响。

表2 实验用液体的物性参数

（1）液体黏度对压降的影响

图12为液体黏度不同时滤材压降变化规律。黏度由16mPa·s逐渐增至72mPa·s，稳态压降随之升高，但增幅较小，说明黏度对压降的影响相对较小。

（2）液体黏度对出口液滴浓度的影响

图13为过滤速度0.05m/s和0.07m/s时，液体黏度对出口液滴浓度的影响情况。由图13可知，液体黏度越小，越容易形成大尺寸液滴，因此滤材出口的液滴浓度随着黏度的增加而增大。

图12 液体黏度不同时滤材压降变化规律

图13 液体黏度对出口液滴浓度的影响情况

（3）液体黏度对出口液滴粒径分布的影响

图14为不同黏度时滤材出口粒径的分布情况。由图14可知，液体黏度为15mPa·s时，滤材出口最大粒径约为9μm，而液体黏度为70mPa·s时，滤材出口多为1μm以下的小粒子，最大粒径不超过2μm。

图14 液体黏度对出口粒径分布的影响情况

2.2.2 液体表面张力的影响

（1）表面张力对压降的影响

图15为滤材压降随液体表面张力的变化情况。由图15可以看出，表面张力对压降影响较大，主要体现在以下两个方面：一方面表面张力较大时，气体和液体之间的毛管作用力也相对较大；另一方面表面张力越大，滤材的排液效果越好，含液饱和度越小，使得滤材等效填充密度较小，因此滤材压降是上述两个因素共同作用的结果，机理相对复杂且并不具有单调性。

图15 滤材压降随表面张力的变化情况

（2）表面张力对出口液滴浓度的影响

图16为液体表面张力不同时滤材出口液滴浓度变化情况。由图16可见，表面张力为39.9mN/m时，滤材出口液滴浓度达到最大值，为稳定过滤阶段。随着液体累积量的增加，出口液滴浓度由1.3mg/m3上升到2.6mg/m3，变化幅度较大，当表面张力较小时，出口液滴浓度值也较低。

图16 液体表面张力不同时滤材出口液滴浓度变化情况

（3）表面张力对出口液滴粒径分布的影响

图17为液体表面张力不同时滤材出口粒径分布变化情况。由图17可知，过滤装置出口液滴浓度随着表面张力的增加而增大，表面张力为39.9mN/m时，出口存在较多的大尺寸液滴，最大粒径约为7μm；而表面张力为21.3mN/m时，出口液滴尺寸较小，最大粒径约为4.5μm。

3 研究结论

图17 液体表面张力不同时滤材出口粒径分布变化情况

为探究天然气过滤分离设备滤材气液过滤机理，设计了性能测试与分析实验装置，研究操作参数和过滤介质等因素对运行性能的影响。主要研究结论如下：

（1）滤材倾角对过滤压降影响程度较小，对出口液滴浓度影响较大。当滤材倾角为180°时，出口液滴浓度值最高，选择立式结构型式有利于过滤分离设备稳定运行。

（2）压降随过滤速度增加而增大，但增幅较小，滤材出口液滴浓度随过滤速度的增加而显著下降，因此选用较高的过滤速度利于改善气液过滤性能。

（3）液体黏度和表面张力对出口液滴浓度有较大的影响，降低过滤介质黏度和增加表面张力，过滤效率显著提高。

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