0 引言

管输天然气在进入管道前已进行了净化处理，但因其气源及管道腐蚀和磨损等原因，天然气中会含有黑色固体杂质^[1]。天然气在集输过程中不可避免地会携带一定数量的颗粒污染物和液体污染物，且气体在长距离输送过程中由于温度和压力的改变及焦耳汤姆逊效应会发生相变，导致气体内带液可能性增加^[2-3]。因此，从长输天然气管道中抽出的干气必须严格过滤和调节处理才能进入干气系统。若液滴进入压缩机干气密封系统，将可能造成干气密封动、静环损坏^[4]。对于干气密封过滤器，一般而言，应能够去除3 μm以上的颗粒^[5]。干气密封滤芯作为干气系统关键保护部件，长期依赖国外供货商供应，造成滤芯持续长期、高价采购，给企业配件储备及运行维护带来巨大库存压力，因此，干气密封滤芯国产化任务必要且紧迫^[6]。

目前，国内外大多数研究人员对滤芯研究重点在于天然气中固体颗粒物的过滤分离^[7-9]，而对气液过滤分离研究较少。国外滤芯厂家对滤芯研究时间长，已较好地掌握了滤芯的气固和气液分离性能，其滤芯生产工艺较为先进，因此分离精度和效率较高，并长期占据市场主动权。由于干气密封滤芯属于典型非标产品，其性能参数指标和曲线均采用试验方法获得，国外供货商以技术保密为由不提供滤芯性能参数指标及曲线。为此，经过滤芯国产化项目组的努力，研制的滤芯通过了实验室性能检测，并基于滤芯现场工业性试验，研制了天然气长输管道压缩机干气密封滤芯现场检测装置，对研制的滤芯进行现场检测，用以对比检测国产化滤芯和国外进口滤芯的参数指标。

1 检测装置流程 1.1 装置安置及调试

滤芯现场检测装置工艺流程见图 1。根据对天然气长输管道现场踏勘分析，将此检测装置布置在天然气气质相对恶劣，压缩机开机时间长的上游站场，定位于压缩机厂房外压缩机进、出口管线之间的位置，易于从压缩机出口管线上引接天然气来气，经检测装置过滤、稳压、计量和流量调节后，过滤后气体再回流入压缩机进口管线形成回路。

检测装置整体运输到现场，摆放于夯实的基础上即可调试使用，使用前再进行气密性试验。检测装置整体密封性好，保证安全检测操作。检测装置上设置一次表，检测装置通过PLC系统将采集到的数据远传到控制屏上，通过控制屏有效监控检测操作。

1.2 主要计量检测仪器

检测装置工艺管线流量检测使用涡街流量计 (法兰等级ANSI CLASS900，本体材质304，旋涡发生体材质316L，测量范围224~3 086 m³/h，精度不低于1.0级，带温度传感器，具有流量累计功能)；粒子计数器出口流量检测使用转子流量计 (法兰等级ANSI CLASS900，本体材质304，测量范围6~60 m³/h，型号ESK2A，输出信号4~20 mA)，流量计有效监控了检测装置中滤芯的通过气量，确保现场检测操作有效。

1.3 运行参数

为确保滤芯实时对比检测，将检测装置工艺线设计成2路，用自力式调压阀稳压到设定值9.0 MPa，利用流量计后节流截止阀调节流量, 确保2路滤芯在相同工况下检测。检测装置设计压力为12 MPa，检测装置引入管输天然气，天然气压力7.5~11.8 MPa，单台处理量700~1 000 m³/h。滤芯检测时，将滤芯置于检测装置内过滤器壳体中，滤芯压差报警值120 kPa。天然气经滤芯过滤前、后，分别依次引入粒子计数器，以测量过滤前、后天然气洁净度，流量控制在35~50 m³/h。检测前，确认检测装置及仪器仪表正常，滤芯已安装于过滤器中。检测中，执行操作规程依次启闭各阀门，对滤芯进行正常检测，滤芯更换周期依据设定检测周期或以滤芯达到压差报警值来确定。检测完成后，更换滤芯时将过滤器前、后阀门关闭，打开过滤器底部排污阀，放空排污后更换滤芯。

2 检测内容及方法

影响滤芯性能的参数有很多，基中最重要的便是效率和阻力，高效率和低阻力是滤芯追求的目标^[10-12]。通过现场检测装置对国内外滤芯对比检测，不仅检测滤芯的过滤效率、阻力压降和容尘量等指标参数，还可检测滤芯在高压工况下的耐冲击性能以及压溃特性等指标。

2.1 滤芯耐冲击性能试验

在现场过滤器内安装滤芯后或工况压力突然升高时，高压气体会对滤芯滤材形成短暂的冲击，如果滤材材质较差，气流冲击将造成滤材破裂，导致滤芯失效^[13-14]。滤芯放置于过滤橇中，干气来气压力为7.5~11.8 MPa，可通过快速打开滤芯支路上滤芯前的阀门，对滤芯形成瞬时冲击，以此检测滤芯耐冲击性能。相同气体流量下，如果冲击后的滤芯阻力明显低于冲击前阻力，则表明滤芯发生破损。

2.2 滤芯压溃特性试验

对于滤芯圧溃特性，要求滤芯骨架能够长期承受气体压力而不发生变形。在常压条件下，可参考文献[15]标准检测滤芯骨架强度。然而，在现场测试过程中，需将干气密封滤芯放置于检测装置内，如果其骨架强度不满足要求，则其会发生变形，导致滤芯失效，如此即可对滤芯骨架性能进行考察。

3 现场应用

利用天然气长输管道压缩机干气密封滤芯现场检测装置，于2015年11月至2016年1月在某压气站内对国内研制的滤芯A和国外进口的滤芯B进行了性能测试。试验用滤芯均为相同尺寸规格，滤芯内径为50 mm，有效过滤长度为105 mm，结构如图 2所示。测试期间装置进气温度35~53 ℃，进气压力8.6~10.0 MPa，流量6 m³/h，测试周期60 d。

3.1 滤芯现场测试过程压降

图 3为测试期间滤芯压降变化情况。由图可知，滤芯压降在45~70 kPa之间波动，这是因为在整个测试期间，滤芯压降会随压缩机进、出口管道压力以及进气流量的变化而有所波动。滤芯未出现压降骤减的情况，且2种滤芯压降变化趋势基本一致。测试后对滤芯进行观察发现，所有滤芯表面无破损，骨架无变形，说明测试滤芯可在高压工况下正常工作。

3.2 滤芯现场测试前、后性能对比

2016年3月，将现场测试后的滤芯返回实验室，利用已建立的干气密封滤芯过滤性能测试方法及测试装置^[13]，对现场试验前、后2种滤芯进行测试，确定经现场测试后滤芯内部滤材纤维及孔径是否发生改变，从而评价现场工况对滤芯的影响。

图 4为测试前、后2种滤芯初始压降变化情况。现场测试后滤芯压差基本与测试前滤芯相同，说明测试的滤芯可承受高压气体的冲击，未出现滤材破裂现象。

图 5为现场测试前、后滤芯A和滤芯B累积效率对比情况。由图可见，现场测试后滤芯A和滤芯B的过滤效果基本与测试前保持一致，未出现过滤效率明显降低的情况，这表明经过现场测试后，所有滤芯的过滤性能基本稳定，均能在高压工况下正常运行。同时，测试后国产滤芯A对于1 μm以上液滴过滤效率均可达到99.999%，且能够完全除去3 μm以上液滴，总体而言过滤效果良好，表明经过现场测试后，滤芯的过滤性能稳定，可达到国外进口滤芯过滤性能指标要求。

3.3 滤芯寿命预测

测试阶段内压缩机干气密封系统气源十分洁净，滤芯过程压降无明显增长，未达到滤芯更换压差报警值，因此，需要对滤芯寿命进行预测分析。Forchheimer方程可在较宽的流体速度范围内，准确表达出通过多孔介质的流动阻力^[15]，其微分形式如公式 (1) 所示。

(1)

式中：Δp/Δx为流动方向的压力梯度，Pa/m；μ为气体的黏度，Pa·s；ρ为气体密度，kg/m³；v_s为滤芯过滤速度，m/s；参考Darcy定律，k₁和k₂分别定义为Darcian系数和非Darcian系数，2系数用以表示流体压力与速度之间的线性关系，典型值为k₁=(1×10^-12~1×10^-10) m²，k₂=(1×10^-7~1×10^-5) m。

在25 ℃、常压条件下，气体密度和黏度分别为1.18 kg/m³和1.85×10^-5 Pa·s，在9 MPa高压条件下，温度为45 ℃，可计算得到气体密度和黏度分别为67.04 kg/m³和1.43×10^-5 Pa·s。通过对Forchheimer方程进行积分，并将2种压力下气体密度值和黏度值带入可得到下列等式：

(2)

在不考虑高压条件下滤材结构变化时，9 MPa高压与常压下，滤芯压降增长关系如公式 (2) 所示。那么在现场工况下，滤芯初始压降约为50 kPa，更换后压降为120 kPa，则压降增长为70 kPa。因此，在相同过滤速度下，试验内滤芯增长17.5 kPa时，其过滤性能即可等价于现场高压条件下过滤性能。

在实验室条件下，通过增大气溶胶浓度使滤芯压降快速增长，根据滤芯达到终止压降时的运行时间，预测现场条件下滤芯运行寿命。在相同试验条件下，将国产滤芯A与进口滤芯B以及已经在现场运行7 400 h的进口滤芯C相比较，从而预测实际工况下滤芯的运行寿命。实验室采用固态单分散气溶胶作为测试介质，气溶胶浓度控制为100 mg/h，由前期测试可知，在额定流量6 m³/h下，所有测试滤芯初始阻力在1~2 kPa，因此统一选择20 kPa作为滤芯的终止压降。

图 6为滤芯过程压降随时间变化的情况。由图可见，滤芯A和滤芯B达到终止压降的时间基本一致，这说明国产滤芯A运行寿命与进口滤芯B水平相当。同时，对于已经运行7 400 h的滤芯C，由于滤芯内粉尘堆积，导致其初始压降较高，所以达到终止压降时间较短。

将滤芯C初始压降记为Δp₀，终止压降记为Δp₁，在上述2时刻对检测滤芯进行称量，根据Δp₀至Δp₁时滤芯的容尘量 (W_0-1) 及现场气体内杂质的质量浓度，利用公式 (3) 可对滤芯现场运行寿命进行预测，结果如表 1所示。

(3)

式中：T为滤芯预测运行寿命，h；W_0-1为滤芯C初始压降Δp₀至终止压降Δp₁期间内滤芯的容尘量，mg；c为现场气体内杂质的质量浓度，根据文献[16]，此处取值为0.03 mg/m³；Q为滤芯额定流量，m³/h。

由表 1可知，国产滤芯运行寿命与进口滤芯十分接近，满足滤芯的使用要求。

4 结论

(1) 研制的天然气长输管道压缩机干气密封滤芯现场检测装置具有性能稳定、检测精度高和操作方便等特点，能够实时对比检测滤芯性能参数，可在现场实际工况下对滤芯过滤性能、耐冲击性能和压溃特性等进行检测评价。

(2) 国产滤芯可在高压工况下正常工作，能够承受高压气体的冲击，骨架未发生变形，且压降变化趋势与进口滤芯一致。

(3) 经现场测试后，国产滤芯过滤性能保持稳定，其预测运行寿命基本达到进口滤芯水平。