СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ ПО ВЛАГЕ В ПРИРОДНОМ ГАЗЕ Российский патент 2009 года по МПК G01N25/68 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению влажности газов. Оно может быть также использовано для определения упругости паров других летучих компонентов, например, паров высших углеводородов в природном газе.

Одним из самых распространенных способов измерения влажности газов является конденсационный. Исследуемый газ пропускают над металлическим зеркалом, которое постепенно охлаждают. Одновременно ведут наблюдения за состоянием поверхности зеркала и измеряют его температуру. При некоторой температуре поверхность зеркала начинает запотевать: на ней конденсируются микрокапли воды - выпадает роса. Эту температуру начала конденсации Т_нк называют температурой точки росы (ТТР, Т_р); она однозначно связана с влагосодержанием газа и является мерой его влажности [1].

Приборы, работа которых основана на описанном принципе, называются конденсационными гигрометрами. Наблюдение за состоянием поверхности зеркала ведется либо визуально, либо оптическими средствами с фотоэлементом или фотодиодом в качестве приемника. При этом регистрируется поток света, отраженный от зеркала, а ТТР измеряется по началу его уменьшения из-за рассеяния пленкой водяного конденсата.

Поскольку чувствительность глаза или фотоэлемента ограничена, то факт выпадения росы наблюдается при температуре зеркала Т_нк всегда несколько ниже ТТР, (Т_р), (Т_р>Т_нк), что приводит к погрешности в несколько градусов и является недостатком способа.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ определения температуры точки росы по влаге в природном газе, заключающийся в том, что газ пропускают над металлическим зеркалом, которое постепенно охлаждают, наблюдают момент начала конденсации, регистрируют температуру зеркала, при которой начинается процесс конденсации Т_нк и момент начала испарения конденсата, регистрируют температуру зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Т_ни, а Т_p определяют как среднее из двух температур:

Однако это соотношение дает более высокую точность лишь в том случае, если наблюдаемые Т_нк и Т_ни отстоят от истинной Т_р на одинаковое число градусов, что обычно не выполняется, т.к. заметить начало испарения (т.е. уменьшения толщины пленки уже выпавшего конденсата) гораздо труднее, чем начало появления пленки на чистом и сухом зеркале. Отсюда разность (Т_р-Т_нк) меньше или гораздо меньше, чем (Т_p-Т_ни), и измерение Т_р происходит с ошибкой, величина которой не определена и часто достигает нескольких (от 5 до 10) градусов. Это является недостатком способа.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание способа определения температуры точки росы по влаге в природном газе с более высокой точностью.

Технический результат достигается тем, что в способе определения температуры точки росы, заключающемся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и определяют значение температуры точки росы по началу момента конденсации и началу момента испарения, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс конденсации, Т_к одновременно проводят измерение скорости конденсации V_к, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Т_и одновременно проводят измерение скорости испарения конденсата V_и, a температуру точки росы Т_p находят, используя соотношение:

.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее заявленный способ. Устройство содержит охлаждаемое термоэлементом 1 металлическое или керамическое зеркало 2, источник света или микроволнового излучения 3, приемник светового потока или микроволнового излучения 4, датчик температуры 5 и устройство обработки информации 6. По описанной схеме работают практически все конденсационные, оптические или микроволновые гигрометры - "Bovar", "Торос-3-1У(М)", "Конг-Прима 2", "Конг-Прима 4", "ГММ-ОГ и другие [1; 3-6].

На фиг.2 представлены временные эпюры: температуры зеркала T₃ (а), информационного параметра А (например, интенсивности света или микроволнового излучения, рассеянного или поглощенного пленкой конденсата) (б), и скорости конденсации и скорости испарения (в), вычисленные из графика (б). T₁ - начальная температура зеркала, t₃ - время окончания измерения.

На фиг.3 показан метод графического нахождения Т_p, или алгоритм вычисления температуры точки росы Т_p, исходя из установленных величин Т_к и T_и и соответствующих им скоростей

и ,

полученных из фиг.2в.

Сделаем пояснение по поводу того, как измеряют скорость конденсации.

В большинстве конструкций конденсационных гигрометров факт выпадения конденсата фиксируется путем определения начала изменения какой-либо величины, физически связанной с появлением пленки конденсата на зеркале. В наиболее распространенных гигрометрах с оптической системой регистрации это может быть изменение интенсивности поступающего в фотоприемник света ΔI из-за рассеяния последнего микрокаплями, образующими пленку конденсата; в СВЧ гигрометрах это может быть изменение амплитуды сигнала ΔU, или сдвиг фазы зондирующей пленку монохроматической волны, или изменение добротности колебательной системы ΔQ и т.д. Таким образом, вместо толщины пленки d возможна регистрация изменения любого информативного параметра ΔA при условии, что его изменение отражает рост пленки выпадающего на зеркало конденсата, т.е. ΔA˜Δd или увеличение ее массы М: ΔA˜ΔM.

Таким образом, скорость конденсации или испарения измеряют как скорость изменения информативного параметра А, взятую с соответствующим знаком, например

, ,

где под А в каждом конкретном случае будет фигурировать величина, физически связанная с толщиной пленки конденсата или ее массой.

Новая совокупность существенных признаков позволяет определить ТТР в природном газе с более высокой точностью, поскольку некорректное, по существу, "качественное" определение "температура начала конденсации" и "температура начала испарения" [2] или "температура, при которой выпадает первая капля влаги" [3] заменяются количественными характеристиками процесса конденсации-испарения, а именно - скоростью изменения информативного параметра А при определенной температуре зеркала. Кроме того, погрешность измерений уменьшается также за счет следующих двух обстоятельств: во-первых, температуры Т_к и Т_и, и соответствующие им скорости можно измерять в температурных точках, достаточно далеко (на 4-5°С) отстоящих от ТТР, т.е. наблюдать процесс конденсации при температуре заведомо ниже ТТР, а процесс испарения соответственно при температуре заведомо выше ТТР, то есть в областях температур, где процессы заметно выражены. Это означает, что на устройство обработки информации будут поступать сигналы, существенно превышающие уровень шумов. Во-вторых, можно наблюдать как V_к, так и V_и не в одной, а в нескольких точках по температуре, что также снижает погрешность измерения ТТР.

Способ реализуется следующим образом.

Устанавливают величину светового потока (или микроволнового излучения), отраженного от зеркала в приемнике 4 I₀; устанавливают проток газа над зеркалом 2. Начинают медленно понижать температуру зеркала 2, одновременно наблюдая за величиной потока света, попадающего в приемник 4, и температурой поверхности зеркала, регистрируемой датчиком температуры 5. При выпадении росы из-за рассеяния света на микрокаплях конденсата или поглощения микроволн в воде интенсивность света в приемнике 4 падает I₀→I₁=I₀-ΔI. Температуру Т⁰ _р, при которой начинает падать интенсивность, принимают за нулевое приближение ТТР. Информационным параметром здесь является интенсивность рассеянного света ΔI=I₀-I₁; А=ΔI.

Далее, опустившись ниже Т⁰ _р на 2-4°С, фиксируют температуру зеркала Т_з=Т_к=const₁ и измеряют ее; одновременно с помощью устройства обработки непрерывно измеряется скорость конденсации

,

где А - это интенсивность рассеянного света в случае оптического гигрометра или мощность поглощенного СВЧ излучения в случае микроволнового гигрометра.

В первые моменты времени после фиксации температуры скорость конденсации V_к нарастает, а затем - по прошествии времени t₁˜1-3 минуты (для диапазона температур Т_p˜0÷10°С) она перестает меняться и стабилизируется.

После времени установления скорости конденсации определяют ее среднее значение за последующие 2-4 минуты:

,

где V_кi - скорость конденсации

при Т=Т_кi, полученная в i-м измерении, N - число измерений. За время измерения (˜5-10 минут) на зеркале накапливается достаточно конденсата, чтобы можно было изучать процесс испарения. В момент времени t₂ (t₂=t₁+(5÷10 мин)) температуру зеркала повышают на несколько градусов так, чтобы она была на 2-4°С выше , фиксируют ее Т_з=Т_и=const₂, наблюдают за установлением скорости испарения (1-3 мин) и измеряют среднюю скорость испарения после ее установления

где

при Т=Т_и, точно так же, как раньше измеряли среднюю скорость конденсации.

После измерения датчик очищают, поднимая его температуру до 50-60°С, выдерживают ее 3-5 минут; затем температуру датчика возвращают к исходной Т₁ (на фиг.2 показано только начало процесса).

На молекулярном уровне кинетика процесса конденсации состоит в том, что при столкновении молекулы газа (пара) с твердой поверхностью молекула прилипает к ней на некоторое время τ, после чего она может либо сублимироваться на ней, либо отскочить от нее и опять перейти в газ [7, 8]. При этом, если температура поверхности зеркала (T₃) будет ниже ТТР (T_p), то число сублимирующихся молекул будет больше, чем покидающих ее; если же при наличии некоторого слоя адсорбированных молекул газа на поверхности твердого тела (зеркала) температура поверхности выше, чем ТТР, то число покидающих этот слой молекул будет больше, чем число осевших на него. Отсюда можно записать закон конденсации-испарения в следующем дифференциальном виде:

где W - количество влаги в пленке конденсата, Т - температура поверхности твердого тела, α - коэффициент пропорциональности. При Т<Т_p влага будет на поверхности накапливаться, что соответствует процессу конденсации; при Т>Т_p накопленная ранее влага будет испаряться, что соответствует процессу испарения.

Определим скорость конденсации V_к как , если эта производная положительна, а скорость испарения

,

если эта производная отрицательна. Тогда уравнение (1) можно записать в следующем виде:

Из соотношений (2) находят:

откуда следует алгоритм определения Т_p из данных, полученных в процессе измерения (T_к, V_к, T_и, V_и):

На фиг.3 показан метод графического нахождения Т_p. На оси температур графика V_k=V_k(T) отмечают две точки, соответствующие Т_к и T_и, восстанавливают перпендикуляры к оси Т, откладывают соответственно V_k и V_и (с учетом знаков), получают точки М₁(T_к, V_к) и M₂(T_и, V_и), соединяют их прямой и отмечают точку пересечения этой прямой с осью Т - это и будет искомая Т_p.

Способ был реализован в лабораторных условиях, а также при измерении точки росы по высшим углеводородам и точки росы по воде природного газа на станции подземного хранения газа в пос. Степное (Саратовская обл.). Был использован конденсационный микроволновый гигрометр, в котором информация о состоянии конденсационной поверхности считывается с помощью радиоволн миллиметрового диапазона [4]; информационным параметром при этом является амплитуда сигнала с КВЧ детектора U. Контрольными приборами при этом были - штатный конденсационный гигрометр "Харьков-1" и новейший оптоволоконный гигрометр фирмы "Вымпел" - "Конг-Прима 4".

С помощью указанного способа были измерены величины температур точек росы (ТТР) по воде в нескольких режимах работы установки осушки газа, в том числе и в случае, когда контрольные приборы давали широкий разброс измеренных значений ТТР.

Литература

1. Халиф А.Л., Туревский Е.Н., Сайкин В.В., Сахаров В.Е., Бахметьев П.И. Приборы для определения влажности природного газа. - Москва, ИРЦ Газпром, 1995, 45 с.

2. ГОСТ 20060-83. Газы горючие, природные. Методы определения содержания водяных паров и точки росы влаги. - М.: Изд-во стандартов, 1984, 16 с.

3. Москалев И.Н., Битюков B.C., Филоненко А.С., Гаврилин А.К., Федосов В.М., Ефременко И.А. Влагометрия природного газа: состояние и проблемы. - М.: ИРЦ Газпром, 1999, 36 с.

4. Деревягин A.M., Селезнев С.В., Степанов А.Р., Агальцев А.Г., Истомин В.А. Анализаторы точек росы углеводородных газов по влаге и углеводородам. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2004. - №3. - С.6-12.

5. Ивченко Ю.А., Мамонтов Г.М., Федоров А.А. Michell Instruments, конденсационные гигрометры. // Приборы, 2004, №3 (45), с.20-22.

6. Москалев И.Н., Кориткин И.П., Ушаков В.А. и др. Опыт использования микроволнового гигрометра на станции ПХГ // Газовая промышленность. - 2004. - №4. - С.68-70.

7. Френкель Я.И. Собрание научных трудов. - т.2, М. - Л., Изд-во АН СССР, 1958, с.239-253.

8. Де Бур Я. Динамический характер адсорбции. - М., ИИЛ, 1962, 248 с.

Изобретение относится к области измерительной техники. В способе определения температуры точки росы (ТТР) по влаге в природном газе, заключающемся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и определяют значение температуры точки росы по началу момента конденсации и началу момента испарения, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс конденсации, Т_к одновременно проводят измерение скорости конденсации V_к, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Т_и одновременно проводят измерение скорости испарения конденсата V_и, а температуру точки росы Т_р находят, используя указанные величины. Техническим результатом является создание способа определения ТТР по влаге в природном газе с более высокой точностью. 3 ил.

Способ определения температуры точки росы по влаге в природном газе, заключающийся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и регистрируют значение температуры точки росы по началу момента конденсации и началу момента испарения конденсата, отличающийся тем, что при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс конденсации, Т_к, одновременно проводят измерение скорости конденсации V_к, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Т_и одновременно проводят измерение скорости испарения конденсата V_и, а температуру точки росы Т_р находят, используя соотношение:

.