СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ ПО ВОДЕ В ПРИРОДНОМ ГАЗЕ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению влажности природного газа.

Одним из самых распространенных способов измерения влажности является конденсационный [см. Халиф А.Л., Туревский Е.Н., Сайкин В.В., Сахаров В.Е., Бахметьев П.И. Приборы для определения влажности природного газа, - М.: ИРЦ Газпром, 1995, 45 с.]. Исследуемый газ пропускают над постоянно охлаждаемым металлическим зеркалом. Одновременно контролируется состояние поверхности зеркала и измеряется его температура Т. При некоторой температуре Т=Т_р поверхность зеркала начинает запотевать: на ней конденсируются микрокапли воды - выпадает роса. Температура Т_р, называемая температурой точки росы (ТТР), однозначно связана с влагосодержанием газа и является мерой его влажности.

Приборы, основанные на описанном принципе, называются конденсационными гигрометрами. Наблюдение за состоянием поверхности ведется либо визуально, либо в более совершенных приборах с помощью оптических средств (светодиоды в качестве источников света и фотоэлементы в качестве приемников) [Деревягин А.М., Миронов К.И. Контрольная и поверочная аппаратура по измерению влагосодержания природного газа. В сб. «О научно-технических проблемах обеспечения перехода на взаиморасчеты за поставленный природный газ по его энергетическим показателям». - М.: ИРЦ Газпром, 1997. - с.36-43], либо с помощью радиоволн СВЧ/КВЧ-диапазонов [см. патент РФ № 2178881, МПК G01N 22/04]. При этом регистрируется поток света, отраженный от зеркала, а ТТР измеряется по началу уменьшения этого потока из-за рассеяния пленкой конденсата для оптических гигрометров или поглощения радиоволн в случае, если регистрацию ТТР проводят с помощью СВЧ/КВЧ-гигрометров.

Основной нормативный документ газовой отрасли в области осушки газа ОСТ 51.40-93 предусматривает в холодном поясе глубину осушки до ТТР=-10°С в летний период и до ТТР=-20°С в зимний [ОСТ 51.40-93. Газы горючие, природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным трубопроводам]. При этом на холодную поверхность трубопровода помимо воды в жидкой фазе могут выпадать иней (лед) и гидраты. Считается, что при медленном охлаждении конденсационной поверхности в среде природного газа при давлениях 5÷10 МПа на ней образуются гидраты (именно так они нарастают на внутренних стенках трубопроводов). Предполагается, что при быстрых изменениях температуры поверхности (как это имеет место в конденсационных гигрометрах) гидраты не успевают образовываться и зеркало остается чистым, пока не достигнута ТТР по воде. Далее на него выпадают микрокапли переохлажденной воды, которые затем замерзают и переходят в лед, а потом уже в гидраты [Истомин В.А. Проблема обеспечения показателей качества природного газа и равновесия углеводородных систем с водными фазами. - М.: ИРЦ Газпром, 1999, 78 с.].

Практика, однако, показывает [Москалев И.Н. Влагометрия природного газа: перспектива развития. Газовая промышленность №1, 2001. - с.43-46], что при измерениях в газах с большим уровнем паров тяжелых углеводородов нередко наблюдается процесс гидратообразования за время проведения измерений (5÷10 мин). При этом вода на зеркале гигрометра одновременно может находиться как в жидкой, так и в твердой фазах (лед, гидраты). В результате прямых и обратных фазовых превращений жидкость ↔ лед ↔ гидрат изменяются оптические свойства пленки влаги, сконденсированной на зеркале гигрометра, что приводит к колебаниям коэффициента отражения, т.е. к колебаниям светового потока.

Особенно большие ошибки за счет этого эффекта присущи конденсационному гигрометру с использованием радиоволн СВЧ/КВЧ-диапазонов, который выбран в качестве прототипа [см. патент РФ № 2178881, МПК G01N 22/04]. Способ определения температуры точки росы по воде в природном газе с высоким содержанием паров высших углеводородов основан на измерении температуры охлаждаемого зеркала в момент начала конденсации на нем паров воды, при этом контроль состояния поверхности зеркала осуществляется с помощью радиоволн СВЧ/КВЧ-диапазонов. Работа гигрометра по данному способу основана на эффекте сильного поглощения радиоволн сантиметрового (СВЧ) или миллиметрового (КВЧ) диапазонов пленкой жидкой воды. Однако если вода замерзает - превращается в лед или гидраты, она принимает кристаллическую, упорядоченную структуру, которая хорошо пропускает радиоволны указанных диапазонов, т.е. делается для них радиопрозрачной. Таким образом, при температурах зеркала ниже ТТР и ниже температуры гидратообразования на зеркале могут одновременно происходить два процесса - накопление воды (в жидкой фазе) за счет конденсации ее паров из газа и уменьшение воды (в жидкой фазе) за счет перехода ее в лед или гидраты. Первое приводит к падению сигнала с детектора, а второе - к его возрастанию. Отсюда, когда такая ситуация осуществляется на практике, реальная скорость конденсации, измеряемая конденсационным КВЧ/СВЧ-гигрометром, будет занижаться на величину, которая не поддается контролю, т.к. зависит от соотношения жидкой и твердой фаз воды в момент измерения, которое постоянно меняется.

Таким образом, скорость конденсации будет измеряться с неопределенной ошибкой. Это является недостатком метода.

Решаемой технической задачей является предотвращение гидратообразования на зеркале конденсационного гигрометра при определении ТТР по воде с его помощью в случаях, когда условия работы гигрометра таковы, что на конденсационном зеркале возможно образование льда или гидратов.

Задача решается следующим образом.

В способе определения температуры точки росы по воде в природном газе, основанном на контроле состояния поверхности зеркала с помощью радиоволн СВЧ/КВЧ-диапазонов в области значений ТТР, где возможно образование льда или гидратов, новым является то, что в поток природного газа, поступающего в гигрометр, добавляют пары жидкости с низкой температурой замерзания и малой величиной тангенса угла потерь в СВЧ/КВЧ-диапазоне, сдвигающие температуру образования льда или гидратов в область температур, лежащих ниже ТТР анализируемого природного газа и практически не влияющие на измеряемую ТТР.

Устанавливают минимальный поток паров жидкости, понижающий температуру гидратообразования на 8-10°С ниже допустимой ТТР для исследуемого газа. В качестве жидкости могут быть использованы различные спирты: метиловый, этиловый, пропиловый и т.д., а также ацетон, диэтиловый эфир и другие органические жидкости, хорошо растворимые в воде и имеющие температуру замерзания t<80°C, а тангенс угла потерь tgδ<10^-2 в рабочем диапазоне частот.

Способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ и создающее пары жидкости, которые предотвращают гидратообразование, а также схема подачи этих паров в гигрометр. На фиг.1 показаны: 1 - сосуд высокого давления; 2 - жидкость для предотвращения гидратообразования; 3 - нагреватель; 4 - датчик температуры стенок сосуда 1; 5, 6 - игольчатые вентили; 7 - трубка подачи исследуемого газа от магистрального газопровода; 8 - гигрометр; 9 - ротаметр.

На фиг.2 показаны: а - кривая 10 - временный ход температуры (Т,°С) конденсационной поверхности гигрометра; в - кривая 11 - временный ход сигнала с детектора гигрометра (Uq), t - время.

На фиг.3 изображены: в - кривая 12 - временный ход сигнала с детектора гигрометра при температуре Т₂ ниже ТТР на 8÷10°С в отсутствии гидратообразования; г - кривая 13 - то же самое, но в случае, когда в момент времени t=t₂ начинает замерзать водяная пленка или образовываться гидраты; д - кривая 14 - то же самое, но в случае, когда в анализируемый газ добавлены пары жидкости 2.

Традиционно определение ТТР в отсутствии льда или гидратов осуществляют следующим образом. С помощью вентиля 6 устанавливаем проток газа через гигрометр 8; ставим гигрометр в режим, при котором температура конденсационной поверхности, начиная с времени t=0, начинает медленно понижаться, как это показано на фиг.2а кривая 10. Поток газа измеряется ротаметром 9. Наблюдаем за изменением сигнала с детектора гигрометра - кривая 11 (фиг.2б). Когда температура опуститься ниже точки росы - Т_р, на конденсационную поверхность гигрометра начнут осаждаться микрокапли воды. Сигнал с детектора Uq, отмечаемый контрольным прибором гигрометра, начнет уменьшаться - кривая 11 (фиг.2б). Обрабатывая математически кривую Uq(t), можно с хорошей точностью найти начало изменения (излома) характеристики Uq (Т), т.е. температуру точки росы по воде Т_р.

Предлагаемый способ предназначен для определения ТТР в условиях образования льда или гидратов и реализуется следующим образом. Предварительно определяем наличие твердой фазы на конденсационном зеркале. Для этого очищаем конденсационную поверхность от осевшей влаги, нагревая ее до 40÷60°С, и устанавливаем на ней значение температуры Т=Т₂, лежащее ниже предполагаемой (допустимой) Т_р на 8÷10°С: T₂≈Т_р-10°С. Поддерживая далее выбранную температуру постоянной (Т₂=const), снова наблюдаем за ходом сигнала с детектора гигрометра во времени (фиг.3). Т.к. Т₂ лежит на 10°С ниже Т_р, то на конденсационную поверхность обильно садится роса. При этом если вода остается в жидкой фазе, то со временем толщина ее пленки растет, а сигнал Uq монотонно падает - кривая 12 (фиг.3в). Если же начинает образовываться лед или гидраты, то ход сигнала с детектора становится немонотонным (кривая 13, фиг.3г).

В случае обнаружения явления перехода воды в лед или гидраты, в трубку 7, подающую газ для анализа, добавляют пары жидкости 2. Количество добавленного пара можно устанавливать с помощью игольчатого вентиля 5 и нагревателя 3. Контроль за температурой жидкости ведется с помощью датчика температуры 4. С помощью этих регулировок устанавливают минимальный поток паров жидкости, понижающей температуру гидратообразования на 8÷10°С ниже допустимой ТТР. Для этого, поддерживая температуру сосуда 1 постоянной, медленно приоткрывают вентиль 5 и наблюдают за поведением сигнала с детектора гигрометра Uq.

Как только Uq начнет снова падать (момент времени t₃ на фиг.3г), вентиль 5 оставляем в этом положении. Если же при полностью открытом вентиле 5 гидраты не разрушаются, тогда вентиль 5 закрывают, поднимают температуру нагревателя. Через некоторое время повторяют описанную процедуру, добиваясь разрушения льда и гидратов.

После того, как температура сосуда 1 и положение вентиля подобраны, их фиксируют. Затем конденсационный датчик очищают и проводят контрольный замер и получают монотонный спад во времени (кривая 14 на фиг.3д), который свидетельствует, что гидраты или лед на датчике не образуются. Подобранная таким образом интенсивность потока паров гарантирует отсутствие гидратов при более высоких температурах, т.е. позволяет уверенно работать в диапазоне температур на 2÷6°С ниже ТТР, где и проводятся основные измерения скорости конденсации с целью вычисления Т_р [см. патент РФ № 2189582, МПК G01N 25/66].

Поскольку пленка сконденсировавшихся паров гидраторазрушающей жидкости 2, в принципе, также может поглощать свет или радиоволны, то таким образом она будет также вносить погрешность в измерение ТТР (разница между кривой 12 и кривой 14).

Однако это влияние, во-первых, невелико, а во-вторых, может быть определено при предварительных измерениях с «сухим» газом и учтено при окончательных вычислениях ТТР.

Способ понижения температуры гидратообразования при работе СВЧ/КВЧ-гигрометра был реализован в лабораторных условиях, а затем проверен при измерениях ТТР на станции подземного хранения газа в пос. Степное (Саратовская обл.). В качестве гидраторазрушающей жидкости был использован этиловый спирт.Контрольными приборами при этом был штатный конденсационный гигрометр «Харьков IM» и новейший оптоволоконный прибор «Конг-Прима 4» российской фирмы НПП «Вымпел».

Изобретение относится к измерению влажности природного газа с помощью конденсационных гигрометров. В предлагаемом способе предотвращение гидратообразования на зеркале конденсационного гигрометра осуществляется за счет добавления в газ, поступающий для анализа в конденсационный гигрометр, паров жидкости с температурой замерзания t<-80°C и малым тангенсом угла потери при измерении ТТР с помощью СВЧ/КВЧ-гигрометра. При этом количество пара определяют по снижению температуры гидратообразования на 8-10°С относительно предельно допустимых значений ТТР для исследуемого газа. В качестве жидкости выбирают спирты: метиловый, этиловый, пропиловый или ацетон. Технический результат - снижение систематической ошибки определения за счет предотвращения гидратообразования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения температуры точки росы по воде в природном газе, включающий измерение температуры охлаждаемого зеркала в момент начала конденсации на нем паров воды с помощью конденсационного КВЧ/СВЧ-гигрометра, по которой судят об искомом параметре, отличающийся тем, что в природный газ, поступающий в гигрометр, добавляют пары жидкости с температурой замерзания t<-80°C и тангенсом угла потерь tgδ<10^-2, а количество паров жидкости определяют по снижению температуры гидратообразования на 8-10°С относительно предельно допустимых значений ТТР для исследуемого газа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости выбирают спирты: метиловый, этиловый, пропиловый или ацетон.