СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к области автоматического контроля технологических параметров и показателей физических свойств природного газа и может быть использовано в газовой и других отраслях промышленности, где применяется природный или другой газ и возникает необходимость в контроле его качества, характеризуемого температурой точки росы. Наиболее широко оно может быть использовано при добыче, транспорте, хранении и распределении природного газа.

Известен способ определения температуры точки росы газа (Вяхирев Р.И., Гриценко А.И., Тер-Саркисов P.M. Разработка и эксплуатация газовых месторождений. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2002. 668-670 с.и Москалев И.Н., Битюков B.C., Филоненко А.С., Гаврилин А.К., Федосов В.М., Ефременко Н.А. Влагометрия природного газа: Состояние и проблемы. - М.: ИРЦ Газпром, 1999, 15 с. (Об. информ. Сер. Подготовка и переработка газа и газового конденсата) путем измерения температуры конденсации влаги при охлаждении полированного металлического зеркала. Известный способ осуществляется при помощи устройства, называемого конденсационным гигрометром. Температура точки росы фиксируется конденсационным гигрометром в момент начала выпадения конденсата.

Недостатком известного способа является низкая точность.

Действительно, в (Москалев И.Н., Битюков В.С, Филоненко А.С., Гаврилин А.К., Федосов В.М., Ефременко Н.А. Влагометрия природного газа: Состояние и проблемы. - М.: ИРЦ Газпром, 1999. 16 с. (Об. информ. Сер. Подготовка и переработка газа и газового конденсата) указано "любой гигрометр отмечает конденсированную фазу, когда она уже образовалась, т.е. при температуре ниже истинной температуры точки росы на величину dT_tr. Величина dT_tr зависит от чувствительности гигрометра и в любом случае принципиально отлична от нуля".

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения температуры точки росы, реализуемый широко используемым в газовой промышленности конденсационным гигрометром КОНГ-Прима-2 (Преобразователь точки росы "КОНГ-Прима-2".Руководство пользователя. КРАУ 2.844.001 Д22. НПФ "Вымпел", Россия, г.Саратов).

Известный способ заключается в следующем. Контролируемый газ пропускают над поверхностью монотонно охлаждаемого зеркальца, роль которого выполняет изгиб оптического волокна, и в момент, когда на нем выпадет конденсат, измеряют температуру конденсации Т_k, затем зеркальце нагревают и в момент, когда конденсат испарится, определяют температуру испарения Т_u. Моменты конденсации и испарения определяют по изменению фото сигнала, величина которого в свою очередь определяется интенсивностью луча света, отраженного от зеркальца. Температуру точки росы определяют из формулы Т_tr=(Т_k+Т_u)/2. Процесс охлаждения и нагрева зеркальца, а также определения температуры точки росы осуществляется циклически. В (Москалев И.Н., Битюков В.С, Филоненко А.С., Гаврилин А.К., Федосов В.М., Ефременко Н.А. Влагометрия природного газа: Состояние и проблемы. - М.: ИРЦ Газпром, 1999, 16 с. (Об. информ. Сер. Подготовка и переработка газа и газового конденсата) указывается "иногда используют прием определения двух температур - начала конденсации (Т_k) и начала испарения (Т_u), а за температуру точки росы принимается средняя из этих температур T_tr=(T_k+T_u)/2. (B принципе это должна быть одна и та же температура, но на практике они различаются на 3-7°С и более). Этот прием может скорректировать ошибку, но лишь в том случае, если замеченные нами значения Т_k и Т_u одинаково отстоят от истинной точки росы T_tr, что ниоткуда не следует". В (Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. - М. - Л, изд-во "Энергия", 1965, 252 с.) это практически повторяется: "фиксация момента конденсации влаги на поверхности твердого тела несколько условна. Известно, что температура появления заметного налета на зеркальце и температура, при которой этот налет исчезает, значительно разнятся. В обычных гигрометрах в качестве точки росы принимается средняя арифметическая из указанных температур, что создает возможность субъективных ошибок". Еще один фактор, влияющий на точность измерения T_tr. описан в (Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. - М. - Л.: изд-во "Энергия", 1965, 251 с.) "Так как процесс конденсации наблюдается не на поверхности воды или льда, а на поверхности металлического зеркальца, то результат измерения зависит от характера и состояния этой поверхности и (Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. - М. - Л.: изд-во "Энергия", 1965, 252 с.) "температура зеркальца определяется в динамическом состоянии, и тепловая инерция самого зеркальца и термометра может внести дополнительную погрешность, величина которой зависит от скорости охлаждения.

Таким образом, известный способ в принципе не может обеспечить высокую точность определения температуры точки росы газа. В этом его недостаток.

Устройство для осуществления известного способа (Преобразователь точки росы "КОНГ-Прима-2". Руководство пользователя. КРАУ 2.844.001 Д22. НПФ "Вымпел". Россия, г.Саратов) состоит из: чувствительного элемента (детектора росы), выполненного в виде изгиба оптического волокна, устройства охлаждения и нагрева чувствительного элемента, датчика температуры, закрепленного на чувствительном элементе, устройства отображения информации (жидкокристаллического дисплея), вычислительного устройства (контроллера), ко входу которого подключен датчик температуры, а к выходу - устройство охлаждения и нагрева чувствительного элемента, а также устройство отображения информации.

Известное устройство работает следующим образом. Контролируемый газ омывает чувствительный элемент, охлаждаемый при помощи устройства охлаждения и нагрева. Динамика температуры зеркала для одного цикла определения температуры точки росы газа известным способом (КОНГ-Прима-2) приведена на фиг.1, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат - температура чувствительного элемента (зеркальца) и фототок (в единицах аналого-цифрового преобразователя вычислительного устройства). Численные значения параметров, приведенных на фиг 1, не претендуют на высокую точность, они приведены только для лучшего пояснения работы известного устройства. Более точная динамика работы устройства приведена в (Преобразователь точки росы "КОНГ-Прима-2". Руководство пользователя. КРАУ 2.844.001 Д 22. НПФ "Вымпел". Россия, г.Саратов). На фиг.1 показаны четыре фазы работы устройства.

А - фаза нагрева и стабилизации чувствительного элемента.

В - фаза охлаждения и поиска температуры конденсации.

С - фаза нагрева и поиска температуры испарения.

D - фаза нагрева чувствительного элемента.

В фазе "А" осуществляется нагрев и стабилизация температуры зеркала прибора на уровне, достаточном для испарения влаги. В конце периода стабилизации выполняется проверка состояния зеркала (уровень загрязнения) и вычисляется линия регистрации 1-2 температур конденсации и испарения, как процент от текущего значения уровня фотосигнала.

В фазе охлаждения "В" прибор работает в режиме максимального охлаждения. При появлении конденсата на чувствительном элементе (зеркале) величина фотосигнала резко уменьшается - участок Е.

При пересечении линии температуры с линией регистрации температур конденсации происходит подтверждение наличия воды на зеркале.

В точке С1 производится фиксация температуры конденсации (на фиг.1 T_k=-16°С.). После фиксации температуры конденсации вычислительное устройство включает нагрев зеркала (участок 0). При испарении конденсата величина фотосигнала резко возрастает и при пересечении с линией регистрации температур конденсации и испарения в точке С2 происходит фиксация температуры испарения Т_u (на фиг.1 T_u=-3°C). Затем вычислительное устройство вычисляет температуру точки росы из формулы

T_tr=(T_k+T_u)/2.

(В нашем случае T_tr=(-16+-3)/2=-9,5°С)

Вычислительное устройство выводит это значение на устройство отображения информации (на жидкокристаллический дисплей). Далее функционирование устройства вступает во второй цикл измерения, т.е. идет нагрев и стабилизация температуры зеркала и т.д.

Недостаток известного способа, осуществленного с помощью известного устройства, состоит в низкой точности определения температуры точки росы газа.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в том, чтобы создать такое техническое решение, при использовании которого обеспечивалось повышение точности определения температуры точки росы газа.

Для достижения названного технического результата в известном способе определения температуры точки росы газа, включающем пропускание контролируемого газа над твердой охлаждаемой поверхностью, охлаждение последней осуществляют ступенчато (на величину dT на каждой ступеньке), (а не монотонно с максимальной скоростью, как в известном способе), температуру охлаждаемой поверхности на каждой ступеньке (на каждом шаге) измеряют и поддерживают постоянной в течение некоторого времени, достаточного для конденсации такого количества влаги, которое может распознать (почувствовать) детектор росы, ступенчатое понижение температуры осуществляют до тех пор, пока на охлаждаемой поверхности твердого тела не появится конденсат (роса, жидкая фаза), в момент появления конденсата (на i-ой ступеньке) измеряют температуру T(i) охлажденной поверхности, и температуру точки росы газа определяют из формулы

где T(i) - температура охлажденной поверхности твердого тела на i-ом шаге (ступеньке) измерения и стабилизации;

T(i-1) - температура охлажденной поверхности твердого тела на

предыдущем шаге (ступеньке) измерения и стабилизации.

Для достижения названного технического результата в известном устройстве для определения точки росы газа, содержащем чувствительный элемент (детектор росы), датчик температуры, устройство охлаждения и нагрева чувствительного элемента, устройство отображения информации (жидкокристаллический дисплей), вычислительное устройство, ко входу которого подключен датчик температуры, к первому выходу подключено устройство отображения информации, а ко второму выходу подключено устройство охлаждения и нагрева чувствительного элемента, чувствительный элемент выполнен в виде двух (первого и второго) капилляров, последовательно установленных на линии контролируемого газа, при этом первый капилляр помещен в камеру охлаждения и на нем закреплен датчик температуры, а к линии контролируемого газа между первым и вторым капиллярами подключен датчик давления газа, выход которого подключен к вычислительному устройству

Заявляемый способ состоит в следующем.

Контролируемый газ пропускают над твердой охлаждаемой поверхностью (в частном случае над зеркальцем), при этом охлаждение осуществляют ступенчато (температуру понижают ступенчато на величину dT на каждой ступеньке, а не монотонно с максимальной скоростью, как в известном способе), температуру охлаждаемой поверхности на каждой ступеньке (на каждом шаге) измеряют и поддерживают постоянной (стабилизируют) в течение некоторого времени T_st, ступенчатое понижение температуры осуществляют до тех пор, пока на охлаждаемой поверхности твердого тела не появится конденсат (роса, жидкая фаза), в момент появления конденсата (на i-ой ступеньке) измеряют температуру T(i) охлажденной поверхности, и температуру точки росы газа определяют из формулы

где T(i) - температура охлажденной поверхности твердого тела на i-ом шаге (ступеньке) измерения и стабилизации;

T(i-1) - температура охлажденной поверхности твердого тела на предыдущем шаге (ступеньке) измерения и стабилизации.

Для сравнения с известным способом на фиг.2 показана динамика температуры зеркала и фотосигнала при определении температуры точки росы газа в течение одного цикла предложенным способом.

Стабилизация температуры в течение времени T_st, величину которого определяют экспериментальным путем, позволяет с высокой надежностью (наверняка) получить достаточное количество конденсата (росы) на охлаждаемой поверхности твердого тела при неизменной температуре, чтобы идентифицировать факт конденсации влаги. При этом исключается возможность значительного переохлаждения охлаждаемой поверхности за счет имеющей место нечувствительности детектора росы. Переохлаждение поверхности возможно только в рамках величины ступеньки (которая может быть сколь угодно малой), т.к. определение температуры конденсации ведут в режиме стабилизации температуры, а не в режиме монотонного (динамического) процесса охлаждения.

Величину ступеньки уменьшения температуры принимают исходя из требуемой точности и допустимого времени определения температуры точки росы газа (чем меньше высота ступеньки, тем выше точность определения температуры точки росы газа, но тем больше время ее определения). Абсолютная погрешность определения температуры точки росы газа, обусловленная конечностью величины ступеньки, составляет не более 0,5 dT, т.е половину высоты ступеньки.

На многих производственных объектах газовой промышленности (например, в транспорте газа) фактор времени определения температуры точки росы не играет решающей роли (по крайней мере, в пределах одного часа). Более важно определить температуру точки росы с высокой точностью. Именно температура точки росы газа является одним из основных показателей качества товарного газа, определяющих экономичность и безопасность транспорта газа. Поэтому повышение точности определения температуры точки росы газа - актуальная производственная задача. Устройство для осуществления предложенного способа приведено на фиг.3, где:

1 - входной участок линии контролируемого газа;

2 - фильтр твердых примесей (песка, окалины и др.);

3 - охлаждающая камера;

4 - первый капилляр;

5 - межкапиллярный участок линии контролируемого газа;

6 - второй капилляр;

7 - датчик температуры;

8 - датчик давления;

9 - вычислительное устройство (контроллер);

10 - устройство отображения информации;

11 - регулятор температуры;

12 - задающий блок температуры;

13 - выходной участок линии контролируемого газа;

14 - линия силового газа;

15 - вихревая трубка (трубка Ранка);

16 - втулка вихревой трубки;

17 - завихритель;

18 - линия холодного газа;

19 - линия горячего газа;

20 - линия смешанного газа;

21 - линия утилизации смешанного газа;

22 - линия утилизации горячего газа;

23 - настроечный вентиль;

24 - исполнительный механизм.

Чувствительным элементом (детектором росы) устройства являются последовательно установленные на линии контролируемого газа первый 1 и второй 2 капилляры с датчиком 8 давления, установленным в межкапиллярном участке 5 линии контролируемого газа. Устройством охлаждения и нагрева газа является вихревая трубка 15 (трубка Ранка) с охлаждающей камерой 3, настроечным вентилем 23 и исполнительным механизмом 24, установленным на линии 22 утилизации горячего газа. Первый капилляр 4 с закрепленным на нем датчиком 7 температуры помещены в охлаждающую камеру 3, вход которой подключен к линии 20 смешанного газа (холодного - линия 18 и горячего - линия 19 газов), а выход - к линии 21 утилизации смешанного газа. Датчики 7 и 8 соответственно температуры и давления подключены к вычислительному устройству 9, содержащему регулятор температуры 11 и задающий блок температуры 12. Первый выход вычислительного устройства 9 подключен к устройству 10 отображения информации (например, к жидкокристаллическому дисплею), а второй выход - к исполнительному механизму 24.

Устройство для определения температуры точки росы газа работает следующим образом. Контролируемый газ проходит по входному участку 1 линии контролируемого газа через фильтр 2, где очищается от механических примесей и жидкой фазы (при ее наличии) и далее через первый 4 и второй 6 капилляры отводится по выходной линии 13 на утилизацию или в атмосферу. Капилляры 4 и 6 выполнены в виде винтовых пар, образующих резьбовым соединением спиралеобразный канал малого проходного сечения. При установившемся однофазном режиме в межкапиллярном участке 5 линии контролируемого газа устанавливается некоторое давление газа, которое в реальном масштабе времени измеряется датчиком давления 8 и вычислительным устройством 9. Первый капилляр 4 помещен в охлаждающую камеру 3, он омывается холодным газом и, таким образом, охлаждается.

При ступенчатом охлаждении первого капилляра наступает шаг (ступенька), когда температура газа в первом капилляре становится меньше температуры точки росы газа при рабочем давлении (давлении в первом капилляре). В этом случае благодаря поддержанию (стабилизации) температуры в охлаждающей камере в течение некоторого промежутка времени в первом капилляре конденсируется достаточное количество влаги, которая частично или полностью перекрывает канал капилляра. Это приводит к тому, что давление, измеряемое датчиком 8 давления, уменьшается. Когда оно уменьшится до наперед заданного значения, вычислительное устройство 9, запоминавшее температуру первого капилляра на каждом шаге измерения и стабилизации в режиме реального времени, вычисляет температуру точки росы из формулы

где T(i) - температура первого капилляра на последнем i-ом шаге (ступеньке) измерения и стабилизации;

T(i-1) - температура первого капилляра на предыдущем шаге (ступеньке) измерения и стабилизации.

После вычисления температуры точки росы газа вычислительное устройство 9 выводит это значение на устройство отображения информации (дисплей) 10 и затем формирует задание регулятору 11 температуры на нагрев первого капилляра 4. Температура газа в охлаждающей камере увеличивается. Жидкая фаза в первом капилляре испаряется, что приводит к увеличению давления в межкапиллярном участке 5 линии контролируемого газа. Когда это давление достигает наперед заданной величины, вычислительное устройство 9 начинает новый цикл измерения.

Устройство охлаждения и нагрева газа работает следующим образом. Газ из газопровода по линии 14 силового газа поступает в вихревую трубку 15. Благодаря завихрителю 17 газ вводится тангенциально. Проходя через вихревую трубку 15, газ разделяется на холодный 18 и горячий 19 потоки. Холодный поток проходит через центральное отверстие втулки 16 и отводится в линию 18, а горячий - частично в линию 20 смешанного газа, а остальное количество через исполнительный механизм 24 отводится на утилизацию или в атмосферу. В линии смешения холодный поток и часть горячего потока смешиваются. В зависимости от положения настроечного вентиля 23 и регулирующего органа исполнительного механизма 14 изменяется расход горячего потока, поступающего в линию 20 смешения. Соответственно, изменяется температура газа в охлаждающей камере 3 и температура капилляра 4. Сигнал от датчика 7 температуры поступает на один из входов регулятора 11 температуры. Фактически - это программный блок вычислительного устройства 9, реализующий, например, цифровой ПИД - закон регулирования. На второй вход регулятора 11 температуры поступает заданное значение температуры Т₀, формируемое задающим блоком 12 (программой вычислительного устройства 9). Цифровой регулятор температуры 11 сравнивает эти сигналы и в зависимости от знака и величины разности (ошибки регулирования) воздействует на исполнительный механизм 24, поддерживая заданную температуру Т₀. При реализации цифрового ПИД - закона регулирования вычисление регулирующего воздействия (например, величины перемещения регулирующего органа исполнительного механизма 24) выполняется по алгоритму, имеющему вид (Изерман Р. Цифровые системы управления. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 541 с.):

U(i)=U(i-1)+q₀·eT(i)+q₁·eT(i-1)+q₂·eT(i-2),

где U(i) - регулирующее воздействие регулятора температуры на i-ом шаге;

U(i-1) - регулирующее воздействие регулятора температуры на i-1 шаге;

eT(i)=T(i)-T₀(i) - ошибка регулирования температуры первого капилляра на i-ом шаге;

T(i) - текущее значение температуры на i-ом шаге;

T₀(i) - заданное значение температуры на i-ом шаге;

q₀, q1, q2 - параметры настройки цифрового регулятора.

Поскольку значение U(i) вычисляется регулятором 11 температуры по закону, имеющему интегральную составляющую, регулирующее воздействие на исполнительный механизм 24 будет происходить до тех пор, пока текущее значение температуры T(i) не станет равным заданному значению Т₀, т.е. пока ошибка регулирования не станет равной нулю. Требуемое качество регулирования температуры обеспечивается установкой соответствующих значений параметров настройки q₀, q₁, q₂ регулятора 11. При малых тактах квантования параметры настройки q₀, q₁, q₂ можно вычислять, используя параметры настройки К, Т_u и Т_d аналогового ПИД-регулятора (Изерман Р. Цифровые системы управления. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 541 с.) по формулам

q₀=K·(1+T_k/(2-T_u)+T_d/T_k);

q₁=-K·(1+2·T_d/T_k-T_k/(2·T_u));

q₂=K·T_d/T_k,;

где К - коэффициент передачи аналогового ПИД-регулятора:

Т_u - постоянная интегрирования аналогового ПИД-регулятора;

Т_d - постоянная дифференцирования аналогового ПИД-регулятора;

T_k - такт квантования.

Заданное значение температуры T₀(i) на i-ом шаге в режиме охлаждения вычисляется из формулы

T₀(i)=T₀(i-1)-dT,

где dT - высота ступеньки уменьшения температуры.

При этом в качестве начального заданного значения принимают температуру контролируемого газа, полагая, что эта температура выше температуры определяемой температуры точки росы (что в большинстве случаев соблюдается в системах транспорта газа).

Высоту ступеньки уменьшения температуры dT принимают исходя из требуемой точности и допустимого времени определения температуры точки росы газа (чем меньше высота ступеньки, тем выше точность определения температуры точки росы газа, но тем больше время ее определения). Абсолютная погрешность определения температуры точки росы газа составляет не более 0,5dT, т.е. не более половины высоты ступеньки. Действительно, если на (i-1)-ом шаге, т.е. при температуре T(i-1), конденсат в первом капилляре не выпал, а на i-ом шаге, т.е. при T(i) выпал, то значение температуры точки росы находится между этими значениями температуры. Поскольку вычислительное устройство определяет температуру точки росы из формулы

где T(i)=T(i-1)-dT,

то абсолютная погрешность, обусловленная конечностью высоты ступеньки понижения температуры, не может быть больше половины высоты этой ступеньки. Современные средства измерения и регулирования температуры позволяют стабилизировать температуру с высокой точностью (например, с абсолютной погрешностью 0,2°С и ниже). Это дает основание утверждать, что использование предлагаемого технического решения дает возможность повысить точность определения температуры точки росы газа.

Изобретение относится к измерительной технике. В способе охлаждение твердого тела осуществляют ступенчато, при этом температуру на каждой ступеньке поддерживают постоянной в течение некоторого времени, ступенчатое понижение температуры осуществляют до тех пор, пока на охлаждаемой поверхности твердого тела не появится конденсат. Температуру точки росы газа определяют по формуле, включающей значения температуры охлажденной поверхности на i-ом шаге измерения и стабилизации и температуры охлажденной поверхности на предыдущем шаге измерения и стабилизации. Чувствительный элемент - детектор росы выполнен в виде двух (первого и второго) капилляров, последовательно установленных на линии контролируемого газа, при этом первый капилляр помещен в камеру охлаждения и на нем закреплен датчик температуры, а к линии контролируемого газа между первым и вторым капиллярами подключен датчик давления газа. Технический результат - повышение точности определения температуры точки росы. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения температуры точки росы газа путем измерения температуры конденсации влаги на охлаждаемой поверхности твердого тела, отличающийся тем, что охлаждение твердого тела осуществляют ступенчато, при этом температуру на каждой ступеньке (на каждом шаге) поддерживают постоянной в течение некоторого времени, ступенчатое понижение температуры осуществляют до тех пор, пока на охлаждаемой поверхности твердого тела не появится конденсат (роса, жидкая фаза), в момент появления конденсата (на i-ой ступеньке) измеряют температуру охлажденной поверхности, а температуру точки росы газа определяют из формулы

где T(i) - температура охлажденной поверхности на i-ом шаге (ступеньке) измерения и стабилизации;

T(i-1) - температура охлажденной поверхности на предыдущем шаге (ступеньке) измерения и стабилизации.