压缩机干气密封滤芯性能检测装置设计及应用

　　摘要：针对国内缺少滤芯高压性能测试装置的现状，设计了压缩机干气密封滤芯性能检测装置，利用该装置在实际高压运行工况下对干气密封滤芯性能进行评价，并分析压缩机干气密封系统气源内颗粒物的粒径及浓度情况。结果表明：实验室与现场条件下，相同滤芯的初始压降曲线有较大差别，在现场条件下，滤芯压降曲线呈抛物线形式；测试期间，干气密封系统气源内颗粒物粒径范围为0.3～2.0 μm，质量浓度范围为 0.01～0.03 mg/m3，气质情况符合干气密封系统进气要求；检测的国产滤芯可在高压工况下正常工作，测试结果可为滤芯设计和国产化工作提供数据支持。

　　关键词：压缩机；干气密封；滤芯；过滤性能；天然气天然气长输管道中存在的固态或液态杂质，若进入离心式压缩机干气密封系统，将造成干气密封动、静环损坏，天然气泄漏量升高，进而导致压缩机停机，严重影响压缩机组的安全运行。一般而言，干气密封过滤器应能去除 3 μm 以上颗粒[1-4]。干气密封滤芯可有效除去进入干气密封装置气体内的杂质，是保证干气密封装置正常运行的重要元件。因此，研究高压下干气密封滤芯的过滤性能具有重要的工程意义。

　　近年来，国内外学者的研究主要集中于对圆盘形单层或多层滤材过滤性能及机理的考察分析了气液过滤中液滴浓度和过滤速度对滤材压降及分离效率的影响。Frising 等[10]依据多层滤材性能的实验结果，建立了滤层压降和液滴透过率模型。李柏松等[11]利用光学粒子计数器测定滤材效率，研究了液体黏度和表面张力等对滤材气液过滤性能的影响。熊至宜和 Liu 等[12-13]对影响工业用圆柱形滤芯的气液过滤性能进行了实验研究。另外， 国内外尚无干气密封滤芯检测评价标准，现行检测气体过滤性能的标准主要参考国家标准 GB/T 6165-2008[14]、美国标准 ASHRAE52.2-2012[15]及欧洲标准EN779-2012[16]，均为空气滤芯过滤性能的检验标准。上述研究和标准成果均以实验室常压条件为基础，而在高压下流体物性、粉尘及液滴特性明显不同，且过滤材料孔隙度和孔径等参数也可能发生较大变化，因此， 滤芯在大气压力下的检测结果无法准确表征其在高压条件下的性能。

　　目前，关于高压下纤维滤芯过滤性能的研究极为少见，国内尚无针对此类滤芯的高压性能测试装置。

　　同时，天然气长输管道压气站压缩机干气密封滤芯均为国外进口，使用成本高，采购周期长。基于此，设计了一套用于压缩机干气密封滤芯性能检测的装置，用于评价滤芯在现场高压工况下的实际工作性能，为滤芯设计和国产化提供数据支持。

　　检测装置的设计压缩机干气密封滤芯性能检测装置的设计压力为 12 MPa，可在高压条件下对滤芯性能进行测试。检测装置包括气体监测、数据采集、在线检测及放空系统 4 部分。

　　压缩机干气密封滤芯性能检测装置流程图气体监测部分包括进出口管路上的压力表、压力变送器、温度变送器以及检测支路上的体积流量计，可对气体的各状态参数进行监测（表 1）；装置中各传感器的数据均由数据采集系统进行记录和保存，数据采集系统由 PLC 控制器和防爆笔记本电脑组成，PLC 控制器收集仪表信号并传至笔记本电脑，实现数据的实时储存；在线检测部分的主体是气溶胶粒径谱仪，其基于气体监测部分测量仪表参数仪表型号精度量程体积流量计氏散射原理，可以实时测得气体中的颗粒物浓度和粒径分布，粒径检测范围为 0.3~42.0 μm。根据相关标准规定[17-18]，天然气管输站场属危险区 1 区，可燃性气体释放等级为 1 级，检测装置中所有电气部分满足防护等级 IP55，防爆等级不低于 Exd Ⅱ BT4。检测装置主体部分包括两个相同的测试支路，可同时对两根滤芯进行对比检测。气体在测试支路内依次流经过滤器、压力调节阀、流量计及流量调节阀，而后由装置出气管路排出。被测滤芯放置于过滤器内， 压差变送器与过滤器上下游两端相连，用以监测运行过程中滤芯压降的变化情况。粒子计数器分别与装置进气管路以及两支路过滤器下游端相连，根据仪器要求，在状态流量为 0.3 m3/h 时对滤芯上下游气体中的颗粒物浓度和粒径分布进行检测，从而对滤芯的过滤性能进行评价。

　　现场测试期间，将装置与压缩机进、出口管道相连，利用两管道间的压力差，使天然气在高压力驱动下由出口管道进入检测装置，最后流入压缩机进口管道。该设计既保证了测试滤芯与压缩机组在用干气密封滤芯过滤气源的一致性，又使得引出的测试用天然气重新进入管道系统，从而避免了测试用天然气的大量排放，提高了测试的安全性和经济性。

　　2.现场应用及测试结果2015 年 7 月，利用压缩机干气密封滤芯性能检测装置，在某压气站（表 2）内对两个国内厂家研制的干气密封滤芯（图 2）性能进行测试，测试期间装置的进气温度为 40～60 ℃，进气压力为 10.4~11.3 MPa。两组滤芯分别记为 A、B，A、B 各取 2 根，所有实验用滤芯规格尺寸相同，滤芯内径为（50±0.1）mm，有效过滤长度为（105±0.2）mm。

　　压气站内天然气组分参数初始压降滤芯进入现场高压测试前，在常压、24～26 ℃条件下，以空气为实验介质测试其初始压降与过滤速度的关系（图 3）[19]，其中过滤速度为气体体积流量与滤芯进气侧表面积的比值。结果显示：滤芯初始压降与过滤速度呈线性关系，且随着过滤速度的加快，A、B 两组滤芯压降曲线间的差别逐渐增大。

　　实验室内滤芯初始压降与过滤速度的关系曲线现场滤芯初始压降测试以天然气为实验介质，测试时压力为 11 MPa，温度为 50 ℃。将滤芯置于检测装置过滤器内后，通过改变流量调节阀开度，即可对不同过滤速度下滤芯的初始压降进行测量。结果显示：两组滤芯压降曲线基本重合且呈抛物线形；与图3 相比，在相同过滤速度下，现场测试滤芯初始压降约为实验室内测试滤芯初始压降的几十倍。

　　干气密封滤芯结构组成示意图现场滤芯初始压降与过滤速度的关系曲线上述结果可利用 Forchheimer 方程进行分析，该方程可在较宽的流体速度范围内，准确表达通过多孔介质的流动阻力[20]。

　　值约为 16，惯性项可以忽略不计，黏度项对压降起主要作用，此时压降与过滤速度呈线性关系。在高压工式中：dp /dx 为流动方向的压力梯度，Pa/m；  为流体的黏度，Pa·s；  为流体的密度，kg/m3；v  为滤芯的过滤速度，m/s。参考 Darcy 定律，k 1  和 k 2  分别为Darcian 系数和非 Darcian 系数，两系数用以表示流体压力与速度之间的线性关系，典型值为k =（1×10-12~1×10-10）m2，k =（1×10-7~1×10-5）m[21]。

　　为了分析常压及高压条件下滤芯压降产生明显差别的原因，对两种条件下过滤介质的黏度和密度进行计算。根据理想气体状态方程和空气黏度计算公式可以得到，在常温、大气压力下，空气密度和黏度分别为1.17 kg/m3  和 1.85×10-5  Pa·s。在现场高压条件下，即压力为 11 MPa，温度为 50 ℃，以天然气为介质进行滤芯渗透性能测试时，计算得到现场工况下天然气的密度为 81.76 kg/m3，黏度为 1.50×10-5  Pa·s[22-23]。

　　由式（1）计算可得，在常压条件下，当过滤速度为况下，流体密度明显增加，导致惯性项对压降起主要作用，因此压降曲线呈现为抛物线形。

　　2.2过程压降为了考察滤芯在高压工况下的运行情况，初始压降测试结束后，进行为期一周的连续测试。由于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，为了使结果具有可比性，将过滤速度归一化为 0.1 m/s，并根据流量与压降的比例关系，计算相应的压降值。

　　然而，当管道压力变化时，天然气密度、黏度也会发生相应改变，由式（1）可知，即使过滤速度归一化， 其压降也会有所波动，但基本稳定在 45 kPa，未出现压降骤减的情况（图 5）。测试后观察滤芯发现，两组滤芯表面无破损，骨架无变形，说明在高压工况下检测的国产滤芯可以正常工作图 5   滤芯过程压降随时间变化曲线2.3滤芯上游天然气中颗粒物浓度在两组滤芯测试周期内，利用粒子计数器对滤芯上游气体，即压缩机干气密封系统气源中颗粒物进行检测（图 6、图 7），检测结果表明：滤芯上游气体中颗粒物的粒径范围为 0.3～2.0 μm，质量浓度范围为 0.01～0.03 mg/m3。这表示测试阶段内压缩机干气密封系统的气源十分洁净，符合干气密封系统的进气要求。与此相对应，测试后观察发现滤芯进气面较为洁净，未观察到粉尘堆积，这也是滤芯过程压降无明显增长的主要原因。

　　结论（1）通过压缩机干气密封滤芯性能检测装置在天然气输气站场的应用，验证了检测装置的可靠性和实用性，该装置可用于分析压缩机干气密封系统气源内颗粒物粒径及浓度情况，也可对实际高压运行工况下干气密封滤芯的性能进行评价。

　　（2）实验室与现场条件下，相同滤芯的初始压降曲线差别较大。在高压工况下，随着流体密度的增加， 气体在纤维孔隙中受惯性力的影响愈加明显，导致压降曲线呈现抛物线形。

　　（3）使用该装置对压缩机干气密封系统气源内的颗粒物进行检测分析，结果表明：颗粒物粒径范围为 0.3～2.0 μm，质量浓度范围为 0.01～0.03 mg/m3 。总体而言，测试阶段气源内颗粒物颗粒较小，质量浓度较低，气质情况符合干气密封系统进气要求。

　　参考文献：

[1]STAHLEY J S. Dry gas seals handbook[M]. Tulsa：PennWell Corporation，2005：45-46.

[2]刘培军，杨默然. 干气密封在离心压缩机中的应用[J]. 油气储运，2007，26（7）：51-54.

[3]周书仲. 离心式天然气压缩机密封气系统改造[J]. 天然气技术，2008，2（3）：59-61.