高压天然气过滤分离技术与设备

     

自我国第一条按照20 世纪90 年代国际最新水平设计建造的大口径、长距离、全自动化的陕京天然气管道于1997 年投产运行以来,先后建成了西气东输一线和二线、川气东送等大型长输管道,截至2015 年年底,长输天然气管道总里程达到6.4×10

4

km。在天然气长输管道运行过程中,天然气中的固体颗粒物和液滴直接影响沿线站场内压缩机、计量仪器和燃气轮机的安全可靠运行,迫切需要研发高效的天然气过滤分离技术与装备。

▲ 长输管道组成

依据天然气集输、长输管道和城市燃气管网的工艺过程,天然气集输、长输管道和城市燃气管网的工艺过程都需要使用过滤分离设备,根据其应用场合,可将其分为以下四种:天然气矿场分离用过滤分离设备、天然气处理厂用过滤分离设备、长输管道站场用过滤分离设备和城市燃气用过滤分离设备。

中国石油大学(北京)过滤与分离技术实验室在时铭显院士的倡导下,于20世纪90 年代开始从事高压天然气过滤与分离技术的基础理论研究和装备研发方面的工作。针对长距离输送管道运行中出现的过滤元件失效、旋风分离器能耗高及缺乏可靠的颗粒物检测手段等难题,在中国石油天然气股份有限公司(以下简称中石油)的研发项目、国家油气重大专项和国家自然科学基金等课题的支持下,同时与中石油北京天然气管道公司等单位合作,研制出了天然气管道内粉尘在线检测装置,完成了主要长输管道内颗粒物含量测定与分离设备性能的评价,所研制的新型高效旋风分离器和过滤分离元件及其装备在长输管道站场和天然气净化处理厂得到了推广应用。

中国石油大学(北京)过滤与分离技术实验室研究人员经过十多年的持续努力,在天然气管道内粉尘检测、核心过滤元件研发,以及过滤分离装备匹配等方面取得了重要的技术进展,为我国长输天然气管道的安全可靠运行提供了技术支撑。《高压天然气过滤分离技术与设备》(姬忠礼,熊至宜著.北京:科学出版社,2018.10)一书就是这一系列科研成果的系统总结。

本书主要介绍了天然气净化用过滤分离设备的性能要求、性能检测和评价方法;气液和气固分离旋风分离器及分离元件的结构形式、设计方法、流动特征、分离性能,以及结构和运行参数对性能的影响规律;气液和气固过滤分离器及过滤元件的结构形式、设计方法、流动特征、分离性能,以及结构和运行参数对性能的影响规律;并介绍了其他过滤分离技术,如重力分离器技术、常规低温分离技术、超声速旋流分离技术和涡流管分离技术。

目录

丛书序

前言

第1章 引言 1

1.1 天然气发展概况 1

1.2 天然气过滤分离设备的应用 3

1.2.1 天然气矿场分离用过滤分离设备 4

1.2.2 天然气处理厂用过滤分离设备 5

1.2.3 长输管道站场用过滤分离设备 6

1.2.4 城市燃气用过滤分离设备 8

1.3 天然气净化过滤分离设备的分类和发展概况 8

1.3.1 过滤分离设备分类 8

1.3.2 过滤分离设备发展概况 9

参考文献 10

第2章 天然气内的多相流特性 11

2.1 天然气物性 11

2.1.1 气田天然气的组成 11

2.1.2 天然气的主要物性参数 12

2.2 气体中的颗粒粒径分布 19

2.2.1 单个颗粒大小的表示方法 19

2.2.2 颗粒的形状系数 20

2.2.3 颗粒群的粒径分布 21

2.2.4 粒径分布的函数表示 26

2.3 颗粒粒径的测量方法 27

2.3.1 颗粒粒径测量方法简述 27

2.3.2 散射光分析法 28

2.3.3 电感应法 31

2.4 液体的黏度和表面张力 31

2.4.1 液体的黏度 32

2.4.2 液体的表面张力 32

2.5 颗粒间的相互作用 33

2.5.1 颗粒的流动特性 33

2.5.2 颗粒在气体中的相互作用 35

2.6 颗粒在流体中的运动 36

2.6.1 颗粒的运动方程 37

2.6.2 颗粒的受力 37

2.6.3 颗粒的沉降速度与松弛时间 40

2.6.4 颗粒的离心沉降 41

参考文献 42

第3章 天然气过滤分离设备的性能要求 44

3.1 天然气中固体颗粒和液滴 44

3.2 工艺气过滤分离设备性能要求 45

3.2.1 固体颗粒物和液体的影响 45

3.2.2 工艺气中固体颗粒物含量和液体含量相关规范和要求 48

3.3 燃料气过滤分离性能要求 52

3.3.1 燃料气中固体颗粒物和液体含量对燃气轮机性能的影响 52

3.3.2 燃料气中固体颗粒物和液体含量的相关规范和标准 55

3.4 压缩机组干气密封用过滤性能要求 56

3.4.1 干气密封气中固体颗粒和液滴对性能的影响 56

3.4.2 干气密封气过滤性能要求 60

参考文献 62

第4章 过滤分离设备性能测定和评价方法 64

4.1 过滤分离设备的主要性能指标 64

4.1.1 压降 64

4.1.2 总分离效率 64

4.1.3 分级效率 66

4.1.4 累积效率 67

4.2 过滤分离元件测试方法 67

4.2.1 旋风分离元件性能测定和评价方法 67

4.2.2 过滤分离元件性能测定和评价方法 69

4.2.3 过滤分离效率不确定度评定 70

4.3 采样测试技术 71

4.3.1 采样点和采样位置 72

4.3.2 等速采样方法 75

4.3.3 等速采样误差 79

4.3.4 离线采样颗粒样品收集 79

4.4 高压天然气管道内粉尘检测技术 80

4.4.1 测量仪表要求 80

4.4.2 高压采样用采样嘴设计 80

4.4.3 高压离线检测方法 81

4.4.4 高压减压在线检测方法 81

4.4.5 高压直接在线检测方法 82

4.5 高压天然气过滤分离设备性能检测与评价 84

4.5.1 高压下过滤分离设备性能检测 84

4.5.2 高压下多管旋风分离器性能评价 84

4.6 天然气内颗粒物组分分析 87

4.6.1 物质组分分析方法 88

4.6.2 组分分析方法的应用 89

参考文献 93

第5章 重力分离器 96

5.1 重力分离器的结构型式 96

5.2 重力分离器的内部组件及设计 98

5.2.1 入口分流器 98

5.2.2 防涡器 99

5.2.3 重力分离的设计计算 100

5.3 捕雾器 103

5.3.1 丝网式捕雾器 104

5.3.2 叶片式分离器 105

参考文献 108

第6章 旋风分离器气固分离性能 109

6.1 天然气用旋风分离器的结构型式 109

6.1.1 单台切向旋风分离器 109

6.1.2 多管旋风分离器结构型式 110

6.2 旋风管的结构和特点 112

6.2.1 轴流式旋风管 112

6.2.2 单切向、双切向和双蜗壳式旋风管 115

6.3 旋风管内的气固流动 117

6.3.1 切向旋风管的气固两相流动 117

6.3.2 轴向旋风管的气固两相流动 130

6.4 旋风管的分离性能和模型 134

6.4.1 常用分离性能模型 134

6.4.2 天然气用分离性能测定与模型 142

6.5 旋风管的设计方法 157

6.5.1 切向旋风管的设计方法 157

6.5.2 轴向旋风管的设计方法 159

6.6 多管旋风分离器的设计 160

6.6.1 旋风管排列方式 160

6.6.2 多管旋风分离器的分离性能 162

6.6.3 多管旋风分离器的设计 171

6.6.4 材料 172

6.7 多管旋风分离器的操作和运行 172

6.7.1 多管旋风分离器的操作和优化运行 172

6.7.2 多管旋风分离器的运行过程中存在的问题 174

参考文献 177

第7章 旋风分离器气液分离性能 180

7.1 旋风分离器的结构型式及应用场合 180

7.1.1 应用场合 180

7.1.2 气液旋风分离器分离原理 180

7.1.3 气液旋风分离器的结构型式 181

7.2 气液分离元件及其性能 186

7.2.1 直流式旋风管 186

7.2.2 气固分离用旋风管的气液分离性能 192

7.3 直流式多管旋风分离器 195

7.3.1 直流式多管旋风分离器分离理论 196

7.3.2 小尺寸高压下直流式多管旋风分离器分离性能 197

7.3.3 大尺寸高压下直流式多管旋风分离器分离性能 201

参考文献 202

第8章 过滤分离器 204

8.1 过滤分离器的结构型式和主要性能参数 204

8.1.1 结构型式 204

8.1.2 过滤分离原理 206

8.1.3 主要性能参数 207

8.2 过滤分离性能计算模型 208

8.2.1 纤维材料的过滤机理 208

8.2.2 纤维滤材流场分析及阻力计算模型 210

8.2.3 单根纤维捕集体的效率模型 220

8.2.4 纤维滤材的过滤效率 230

8.3 纤维过滤材料 231

8.3.1 纤维滤材的结构表征和主要过滤性能参数 231

8.3.2 天然气净化用常用过滤材料 237

8.4 过滤元件的性能测试方法 241

8.4.1 过滤元件的主要性能参数 241

8.4.2 过滤元件性能测试方法 244

8.4.3 实际过滤过程特征 250

8.4.4 过滤性能影响因素分析 255

8.5 天然气滤芯的性能测定与分析 262

8.5.1 滤芯结构和组成 262

8.5.2 滤芯性能测定装置及方法 263

8.5.3 滤芯性能测试结果分析 266

8.6 过滤分离器设计及工程应用 274

8.6.1 过滤分离器设计 274

8.6.2 过滤分离器关键部件 275

8.6.3 实际滤芯结构特点及规格 276

8.6.4 过滤分离器选型 277

参考文献 278

第9章 气液聚结过滤器 283

9.1 聚结过滤器的结构和主要性能参数 283

9.1.1 聚结过滤器的结构型式 283

9.1.2 聚结过滤原理 284

9.1.3 主要性能参数 284

9.2 聚结过滤材料及表面改性 285

9.2.1 聚结滤芯材料特性 286

9.2.2 纤维过滤材料的表面特性 287

9.2.3 表面处理和改性 288

9.3 聚结过滤材料性能测试方法 290

9.3.1 滤材常用测定方法 290

9.3.2 聚结过滤材料性能测定装置 291

9.3.3 滤材参数及液滴物性对聚结过滤性能的影响 293

9.4 聚结滤芯的过滤性能测试装置及方法 301

9.4.1 聚结滤芯的结构 301

9.4.2 聚结滤芯的性能检测标准 303

9.4.3 国外常用聚结滤芯的性能检测装置与方法 305

9.4.4 全尺寸聚结滤芯的性能检测装置与方法 308

9.5 聚结过滤动态特性及其影响因素 309

9.5.1 聚结过程 309

9.5.2 主要操作参数对聚结过滤性能的影响 315

9.6 聚结过滤材料的性能计算模型 318

9.6.1 聚结过滤材料的压降计算模型 318

9.6.2 聚结过滤材料的效率计算模型 320

9.7 聚结滤芯的气液过滤性能特性及其影响因素 325

9.7.1 聚结滤芯的过滤性能 325

9.7.2 滤芯结构参数对过滤性能的影响 332

9.7.3 滤芯过滤性能沿长度方向不均匀特性的分析 338

9.7.4 滤芯材料对过滤性能的影响 345

参考文献 353

第10章 其他过滤分离技术简介 357

10.1 常规低温分离技术 357

10.1.1 工艺介绍 357

10.1.2 应用场合 358

10.2 超声速旋流分离技术 362

10.2.1 超声速旋流分离装置的结构与工作原理 362

10.2.2 应用场合 364

10.2.3 技术进展 365

10.3 涡流管分离技术 369

10.3.1 涡流管的结构与工作原理 369

10.3.2 应用场合 370

10.3.3 技术进展 372

参考文献 374

彩图

由于过滤与分离技术广泛应用于石油天然气、石油化工、航空航天、建筑环境和交通等各个行业,尽管使用工况和净化要求不同,但其基本原理相同。本书撰写过程中,笔者在参阅了国内外有关过滤与分离技术方面大量文献的基础上,系统总结了有关颗粒分析测定、过滤分离理论和过滤材料等方面的技术进展及相关标准。

“第5 章 重力分离器”样页

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本文摘编自《高压天然气过滤分离技术与设备》(姬忠礼,熊至宜著.北京:科学出版社,2018.10)一书“前言”,有删减,标题为编者所加。

(中国石油大学(北京)学术专著系列)

责任编辑:万群霞 冯晓利

(本文编辑:刘四旦)

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