高压天然气管道内粉尘在线检测系统性能分析.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 检测诊断 高压天然气 管道 内粉尘在 线检测 系统性能分析 张 星 姬 忠礼 1 ．中国石 油大学 北京 机 电工程学院 陈鸿海 熊至宜 2 ．中国石 油大学 北京化 工学院 摘要在管道 内含粉尘较低情况下，高压天然气管道内粉尘离线检测装置取样时间长，给管输 站场造成安全隐患；离线装置检测的样 品需后期分析才可得 出数据，不能及时反映管道 中含粉尘情 况的变化。为此，研制了高压天然气管道 内粉尘在线检测系统。该系统可在很短的时间内完成数据 检测，缩短了在易燃易爆工作环境 中的操作时间，提高 了粉尘检测的安全性。系统能更及时更准确 地反映管道内粉尘浓度和粒度分布的变化，同时对过滤分离设备高压工况下的性能做出客观评价。 关键词 高压天然气管道 粉尘 等动取样 在线检测 减压装置 国外 关 于含尘 管道 的检测 技术 研究 中，O s t r o w s k i 等⋯利用 电容层析成像 技术对浓相粉体输 送管道进行监测 ，实现了对粉尘颗粒形状和速度的 可视化；L u等 利用激光多普勒风速测量法在试 验室环境内对稀相粉体输送管道内粉尘体积分数 、 速度检测进行 了研究 。O s t r o w s k i 、L u等 的研究 主 要集中在粉尘浓度及颗粒速度l 1 - 2 ] 而未涉及粉尘的 粒度分布检测。研究表明，基于激光衍射原理的光 学粒子分析仪可以较好地检测粉尘浓度 和粒度分 布l 3 J 。在国内，付松 广等_ 4 j 基于 静压零位等速采 样原理研制 了高压天然气管道 内粉尘离线检测装 置 ，测定了天然气净化用过滤器进出口管道 内的粉 尘浓度和粒度分布。在管道 内含粉尘较低 的情 况 下 ，高压天然气管道 内粉尘离线检测装置取样时间 长 ，会给管输站场造成安全隐患 ；离线装置检测的 样品需后期分析才可得 出数据 ，不能及时反映管道 中含粉尘情况的变化。为此 ，笔者研制了高压天然 气管道内粉尘在线检测系统。 1 技术分析 1 ． 1 系统 组成 高压天然气管道 内粉尘在线检测系统由等动取 样系统 、减压装置、粒子分析仪 和计量控制系统等 组成。等动取样系统 的关键部件是取样嘴，该系统 采用补偿式静压零位取样嘴。取样嘴独特的 3层管 设计 ，将取样管分 成内、外 2层空间，分别在各层 开采压孑 L 测量取样嘴压力以及管道压力 ，这种设计 直接从取样管测量压力，避免使用引压管，增强了 取样的安全性。减压装置利用节流效应设计 ，适用 于高压含尘气体减压 ，是该系统 的关键技术。粒子 分析仪采用基于米氏散射原理的 We l a s 气溶胶粒径 谱仪 ，量程为0 ． 1 7～ 4 0 ． 0 0 m，工作压力为 1 MP a ， 配备防爆传感器 。计量控制系统实现整个检测过 程中压力 、流量等参数的计量以及流量的调节。按 照文献 [ 6 ] ，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 ，因此仪器仪表的选择应严 格遵照相关标准 执行。 1 ． 2工作流 程 高压天然气管道内粉尘在线检测系统流程如图 1 所示。含尘气体样品经等动取样系统从高压管道 内采出 ，计量压力 、温度和流量后进入减压装置减 压 ，减压后的部分气体进入粒子分析仪检测 ，同时 再次计量气体样品的压力和温度。检测后的气体以 气 流 J 高压 天然气 管道 图 1 在线检测 系统流程 基金项 目中国石油 天然气股份有限公司科学研究 与技术开发项 目 “ 管道输送工艺与运行技术” 0 6 0 S A m0 4 。 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 9期 张 星等 高压天然气管道 内粉 尘在线检测 系统性能分析 一 4 3一 及减压膨胀过程多余部分气体减压至放空要求后在 监控下放空。 1 ． 3主要技术参数 检测精度 0 ． 2～4 0 ． 0 m，最小取 样间隔 1 2 0 S ，最高工作压力 1 2 MP a ，计量仪器工作温度范围 一 5 0～1 0 0 c c，防爆等级 E x i a ⅡC T 6 。 2 关键技术 粒子分析仪工作压力要求常压或低压 ，欲实现 高压天然气管道内粉尘在线检测 ，高压含尘气体减 压是关键。Wa y n e 等 的研究表明 ，常规的减压阀 等压力调节设备在减压过程 中粉尘损失严重 ，给检 测带来很大 的误差 ；K a s p e r 等。 。 研究表明 ，高压 气体经过一临界s l , L 绝热膨胀是较好 的含尘气体减 压方法 。高压天然气 管道 内压力可 高达 1 2 MP a ， 管道内粉尘质量浓度范围为 0 ． 0 1 一1 0 0 mg ／ n l ，粉 尘粒径大部分都大于 1 p , m，一般 中位粒径为 3 ． 2 p , m以上。现有 的含尘气 体减压装 置如 ME T O N E 公司的产品或 K a s p e r 等 的专利装置主要是针对 含尘 浓 度 非 常低 、颗 粒 粒 径较 小 一 般 小 于 2 p , m的情况 ，当粉尘 粒径大于 1 m 时将会 产生 严重的损失。因此 ，笔者运用临界小孔节流效应开 发了适用于高压含尘天然气工况的减压装置 。 为避免减压过程中轻烃 的析 出，减压 比不能太 小 ，减压装置设计为两级减压的结构形式 ，见图 2 。 临界小孔的直径是减压过程的关键参数。对于可压 缩气体 ，在减压 比与取样速度一定时，小孑 L 的直径 只与减压比、取样速度以及气体操作时的温度有关， 而与气体或输送气体管道内的绝对压力无关。 一 级 放空 口 图 2减 压 装 置 结 构 示 意 图 由于试验条件的局限，笔者利用计算流体力学 软件 F l u e n t 对减 压装置 的减压 效果进行 了模 拟计 算。气体过小孔绝热膨胀后 ，在小孑 L 处其气体速度 达到 声 速 和超 声 速 ，因此 湍 流 模 型 选用 S p a l a r t 等 在 1 9 9 2年提出的单方程湍流模型。该模型常 用于大梯度、近壁区域的气体流动的数值计算 。为 了准确模拟气体经过小孔前后的流动情况 ，在s i , L 附近区域采取结构化网格与非结构化 网格相结合的 混合网格划分形式。 模拟工况为 气体初 始压力 1 0 MP a ，取样速 度 3 0 m ／ s ，取样温度 3 0 0 K，介质为空气 ，减压后 的压力 1 MP a ，一 、二级减压小孔直径 d均为 2 ． 5 2 IT I IT I ，两级总减压 比为 0 ． 1 ，计算结果如图 3所示 。 压力分布分为 3部分 减压前压力 、一级膨胀室内 压力和二级膨胀室内压力 。在一 、二级临界小孔前 后 ，气体 的压 力骤降 ，但 很快趋于稳 定 ，压力从 1 0 MP a降至 1 MP a ，减压后压力降至预期值 ，小孔 设计尺寸符合要求 。 图 3 减压装 置轴 向压 力分布 3 现场试验 高压天然气管道内粉尘在线检测系统现场试验 分别于 2 0 0 8年 l 0月和2 0 0 9年 1 1月在国内某在役天 然气管道计量站进行。该管道输气压力为 4 ． 2 MP a ， 干线管径 6 1 1 n 3 1T l ，试验选取该站 ML 1 0 0 8号高压多 管旋风分离器 的进出口进行粉尘检测。按照取样位 置的选取原则 ，管道开孔位置如图 4所示。ML 1 0 0 8 号分离 器进 出 口管 道 内径 为 2 0 3 m m，小于 文献 [ 1 2 ]中规定的 1 0 0 0 m m。又因为取样段选在垂直 管道 ，可减少％的取样点数 ，故采取单点取样。 图 4现 场 试验 开 孔位 置 示 意 斟 2 0 0 8年 l 0月进行 了出 口粉尘粒度分布在线检 测 ，6次测量结果重复性较好，表 明了在线检测 系 统的稳定性。其中每次检测仅需 1 2 0 S ，大大减少 了 采出气体量，提高了粉尘检测操作的安全性。 为验证在线检测系统的准确性，同时利用取样 精度为 0 ． 2 m的不锈钢滤筒对 ML 1 0 0 8号高压 多 管旋风分离器出口气体进行取样 ，并将取样的结果 分别利用瑞 士 Me t t l e r T o l e d o公 司 A L 2 0 4～I C型 电 子分析天平分析质量浓度 ，其精度为 0 ． 1 m g ，利 一 4 4一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 用 Mu l t i s i z e r 3型库尔特粒度分析计数仪分析粒径 范围，其量程为 0 ． 4～1 2 0 0 ． 0 u m。 2种方法检测 ML 1 0 0 8出 口粉尘中位粒径结果 如图 5所示 ，在线检测 系统检测的平均 中位粒径为 4 ． 5 4 m，而利用离线装置检测的平均 中位粒径为 4 ． 7 2 I x m，二者相对误差为 3 ． 8 ％ ；F L I O 0 8出口粉 尘质量浓度检测结果如图6所示 ，在线检测系统检 测的平均质量浓度为 2 4 ． 3 6 mg ／ m ，而离线装置检 测的平均质量浓度为 2 4 ． 9 5 mg ／ m ，二者相对误差 为 2 ． 4 ％。2种方法检测结果基本一致 ，证 明了在 线检测系统的准确性与可靠性 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 测量 时I／ mi n 图5 F L 1 0 0 8出口粉尘中住粒径检测结果 [ 7 ] E ● b D 暑 型 艇 枷{ 蜒 [ 8 ] [ 9 ] 测 量时 间／ mi n 图 6 F L 1 0 0 8出口粉尘质量浓度检测结果 ， l 1 0 l 4 结 论 1 高压天然气管道 内粉尘在线检测系统可 在很短的时间内完成数据检测 ，缩短 了在易燃易爆 工作环境 中的操作 时间 ，提高 了粉尘检测 的安全 性 ，能更及时 、更准确地反映管道内粉尘浓度和粒 度分布的变化。 2 系统直接在等动采出的气流样品中检测 ， 避免了离线方法中滤筒取样 、粉尘样品分散时改变 粒度分布的误差。 3 通过高压 天然气管道 内粉尘在线检测 系 统检测过滤分离设备进出口含尘情况 ，可对过滤分 离设备高压工况下的性能做出客观评价。 参考文献 [ 1 ] O s t r o w s k i K，L u k e S P，B e n n e t t M A，e t a 1 ． A r e a l [ 1 1 ] [ 1 2 ] t i me v i s u a l i s a t i o n a n d a n a l y s i s o f d e n s e p h a s e p o w d e r c o n v e y i n g [J] ． P o w d e r T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9 ， 1 0 2 1 11 3 ． L u Y，G l a s s D H，E a s s o n W J ． An i n v e s t i g a t i o n o f p a r - t i c l e b e h a v i o r i n g a ss o l i d h o r i z o n t a l p i p e flo w b y a l l e x t e n d e d L D A t e c h n i q u e [J] ． F u e l ，2 0 0 9 ，8 8 1 2 2 5 2 0 2 5 3 1 ． B e u s e l i n c k L，Go v e r s G，P o e s e n J ．e t a 1 ． Gr a i ns i z e a n a l y s i s b y l a s e r d i f f r a c t o me t r y c o mp a r i s o n w i t h t h e s i e v e p i p e t t e m e t h o d[ J ]． C a t e n a ，1 9 9 8 ，3 2 3 ／ 41 9 32 0 8 ． 付松广，陈友方 ，陈红生，等 ．用于高压天然气管 道的粉尘检 测装 置 [ J ]．石油机 械，2 0 0 7 ，3 5 2 3 63 8 ． S c h mi d t M ， S c h ut z S， M l t e r L ．Co u n t i n g a n d me a s ur - i n g p a r t i c l e s s i z e d f r o m s o o t t o p o l l e n [ J ]． C h i n a P a r - t i c u o l o g y ． 2 0 0 7 5 3 5 9 3 6 1 ． G B 3 8 3 6 ． 1 4 --2 0 0 0爆 炸性 气体 环境用 电气 设备 第 1 4部分 危险场所分类 [ S ]． 2 0 0 0 ． G B 3 8 3 6 ． 4 2 0 0 o爆炸性 气体环 境用 电气设备 第 4 部分本质安全型 “ i ”[ S ]． 2 0 0 0 ． S H 3 0 0 5 --1 9 9 9石油化工 自动化仪表选型设计规范 [ S ]． 1 9 9 9 ． Wa y n e T M ，Al e x a n d e r S， Ri c h a r d C O． P a r t i c l e d e p o - s i t i o n i n p r e s s u ri z e d g a s s a mp l i n g s y s t e m[ C ]． I n s t i t u t e o f E n v i r o n me n t a l S c i e n c e s 1 9 8 7 p r o c e e d i n g s 3 3 r d a n n u a l t e c h n i c a l me e t i n g “e n v i r o n me nt al t e c hn o l o g y k n o wi n g t he wa y” ． Ca l i f o r ni a．1 9 8 73 9 23 9 9． Ka s p e r G． We n H Y． Ni s h i k a w a Y ． Me t h o d f o r r e d u e - i ng p r e s s ur e o f hi g h l y c o mpr e s s e d g a s e s wi t h o ut g e ne r a t i o n o f c o n d e n s a t i o n d r o p l e t s U S ，4 8 7 8 5 1 0[ P ]． 1 9 8 9 1 107 ． S p ala r t P R， Al l ma r a s S R． A o ne e q u a t i o n t u r b u l e n c e mo d e l for a e r o d y n a mi c fl o ws 『 J 1 ． Re c h e r c h e A e r o s p a t i a l e ，1 9 9 4 1 5 2 1 ． ANS I ／AS ME P TC 3 8 1 9 8 0 De t e r mi n i n g t h e Co n c e n t r a t i o n o f P a r t i c u l a t e Ma t t e r i n a G a s S t r e a m[ S ]． N e w Yo r k， 1 9 8 0． 第一作者简介张星，生于 1 9 8 1 年 ，在读博士研究 生 ，研究方向为天然气管道输运过程中的除尘以及粉尘检 测。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平 区。电话 0 1 0 8 9 7 3 4 3 3 6 。 E ma i l z h a n g x i n g 0 51 9 1 6 3 ． c o m。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 1 本文编辑赵连禄