Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПОСЛЕ ГЛИКОЛЕВОЙ ОСУШКИ

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению влажности газов, в частности природных, содержащих высокий уровень технологических примесных компонентов - компрессорного масла, паров осушающих спиртов (гликолей), высших углеводородов.

Существует ряд способов для определения влажности газов [1].

Наиболее близким к заявляемому является конденсационный способ измерения влажности газов. Исследуемый газ пропускают над металлическим зеркалом, которое постепенно охлаждают. Одновременно ведут наблюдения за состоянием поверхности зеркала и измеряют его температуру Т. При некоторой температуре Т=Т_к поверхность зеркала начинает запотевать: на ней конденсируются микрокапли воды - выпадает роса. Температура T_к, называемая температурой точки росы (Т_р, ТТР), однозначно связана с влагосодержанием газа и является мерой влажности [1], [5], [10].

Приборы, основанные на описанном принципе, называются конденсационными гигрометрами. Известны конденсационные гигрометры: «Харьков 4», «Bovar», «CG-Chandler», «Dew Point Tester» и приборы серии «Конг - Прима», содержащие охлаждаемое зеркало, температура поверхности которого или изменяется со временем или меняется вдоль зеркала [1], [7].

Конденсационные гигрометры находят широкое применение на предприятиях газового комплекса, т.к. измеряемая ими величина ТТР определяет запас надежности по соблюдению требуемых условий эксплуатации работы трубопровода: если температура Т_р сравнивается с температурой стенок газопровода или становится ниже ее, на внутренней поверхности трубы появляется вода, конденсирующаяся из газа. При этом нарушаются условия грамотной эксплуатации газопровода: внутренняя поверхность регулирующей аппаратуры (задвижки, краны, диафрагмы и т.п.) начинает покрываться водяной пленкой и обрастать кристаллогидратами; при значительном количестве воды поток газа становится газожидкостным - двухфазным. Это снижает пропускную способность газопровода, вызывает необходимость повышать перепады давлений между компрессорными станциями, приводит к целому ряду негативных моментов. Поэтому перед подачей газа в газопровод его осушают до определенной температуры точки росы, нормированной ОСТом; она зависит от климатического пояса, по которому проходит газопровод, и от времени года [2]. Как правило, для осушки газа используют абсорберы с жидким абсорбентом (главным образом - гликоли; далее для определенности - диэтиленгликоль - ДЭГ) [10].

При измерении ТТР газа на выходе абсорбера с помощью конденсационных гигрометров возникают трудности, связанные с тем обстоятельством, что для холодного климатического пояса ТТР паров самого осушителя - ДЭГа (Т) лежит гораздо (на 30-40°С) выше, чем ТТР осушенного газа по влаге (Т). Отсюда, при понижении температуры зеркала гигрометра, с целью определить температуру конденсации паров воды, пары ДЭГа начинают конденсироваться при существенно более высокой температуре зеркала, чем пары воды. Это обстоятельство серьезно осложняет процесс измерения Т, т.к. пленка ДЭГа образуется гораздо раньше, чем пленка влаги. Дополнительным моментом, вносящим значительную погрешность в процесс определения Т, является то обстоятельство, что сконденсировавшиеся на зеркале пары ДЭГа сорбируют влагу из газа, подаваемого в гигрометр, что размывает сам момент начала конденсации паров воды [3, 7].

Например, если температура последних тарелок абсорбера, задающих температуру паров ДЭГа, уносимых с осушенным газом, составляет 10-20°С (типичные значения), то равновесная концентрация паров ДЭГа будет составлять 0,5-1,2 мг/м³. Количество же воды в газе, осушенном до -20°С (Тр=-20°С) составит ~0,8 г/м³. Таким образом, концентрация ДЭГа в паровой фазе будет составлять от 0.06% до 0.15% от концентрации влаги в газе. Учитывая, что ТТР по ДЭГу лежит в области 10-20°С, динамические гигрометры («Конг-Прима-2», «Конг-Прима-4», «Bovar» и др.), в которых осуществляется постепенное охлаждение зеркала от высоких температур до ТТР газа по влаге, пройдут "расстояние" от ТТР по ДЭГу до ТТР по влаге, снижая температуру со скоростью 2 градуса в минуту [5], за 15-20 минут. При этом из-за постоянного протока газа на зеркале гигрометра успеет накопиться значительная пленка конденсата ДЭГа, и различить момент начала образования на ней новой пленки - пленки воды - задача достаточно тяжелая. Это является недостатком способа при измерении ТТР газа на выходе абсорбера.

Недостатком приведенного выше способа является также то обстоятельство, что с его помощью невозможно корректно измерить ТТР, т.к. определение ТТР по температуре начала конденсации Т_к или температуре начала испарения Т_и, либо по обеим этим температурам приводит к значительным погрешностям, особенно в случае низких ТТР (минус 10-20°С), т.к. фиксируемая температура начала конденсации Т_к будет всегда ниже, а фиксируемая температура начала испарения Т_и - всегда выше истинной ТТР [8].

Техническим результатом предлагаемого решения является создание способа определения влажности газа после установки гликолевой осушки газа.

Технический результат достигается тем, что в способе определения влажности природного газа после гликолевой осушки, заключающимся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и определяют значение температуры точки росы (ТТР), газ при рабочем давлении Р_р подают в замкнутый объем V, с помощью зеркала охлаждают весь газ до температуры Т_з, заведомо ниже ТТР (Т_р), устанавливают термогигрометрическое равновесие между выпавшим конденсатом и окружающим газом, измеряют массу выпавшей на зеркало воды М, находят абсолютное, приведенное к нормальным условиям, влагосодержание W_A1(Т_з) по известным таблицам или графикам, связывающим влагосодержание газа с температурой точки росы при рабочем давлении, соответствующее насыщенному газу при температуре Т_з и рассчитывают полное приведенное влагосодержание исходного природного газа по соотношению:

Р_н- нормальное давление, затем по тем же таблицам или графикам находят ТТР.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее заявленный способ. Устройство содержит замкнутый сосуд 1, в котором расположен термохолодильник 2 с охлаждаемым зеркалом 3, датчиком температуры зеркала 4, датчиком температуры газа 5 и теплоотводом 6. Весь нижний торец сосуда 1 и его стенки, за исключением зеркала 3, закрыт термоизолятором 7 (например, пенопластом). В верхней части сосуда расположен очень медленно вращающийся вентилятор 8, перемешивающий газ с целью выравнять его температуру, манометр 9; входной вентиль 10 соединяет сосуд 1 с трубопроводом, вентиль 11 открывается во время прокачки новой порции газа, в рабочем положении вентили 10 и 11 закрыты; окна для ввода светового или микроволнового излучения 12, излучающий рупор 13, принимающий рупор 14, источник излучения 15, приемник излучения 16, регистрирующее устройство 17; цифрами 18 и 19 обозначены падающий и отраженный световой или микроволновый лучи.

Регистрирующее устройство 17 позволяет однозначно связать наблюдаемый эффект - ослабление светового или микроволнового луча - с толщиной пленки воды и, зная поверхность конденсации, вычислить полную массу воды М, сконденсировавшуюся на зеркале.

Все устройство предварительно калибруют по газу с известной величиной влажности, полученному от генераторов влажного газа типа «Полюс», «Родник-2», «Родник-3» и др. [12; 7], или с использованием высокоточных измерителей влажности [13; 7].

На фиг.2 представлены графики временного хода температуры зеркала Т_г, температуры газа Т_г и массы воды М, сконденсировавшейся на зеркале 3.

На фиг.3 представлен график взаимнооднозначного соответствия абсолютного влагосодержания W_А и температуры точки росы для природного газа с плотностью р=0,70 г/м³ при давлении Р=0,1…72 МПа, приведенный в работе [11]. Абсолютное влагосодержание W_A(г/м³) на фиг.3 приведено к нормальным условиям, т.е. к 760 мм рт. ст.(0,1013 МПа) и 20°С, численная таблица, соответствующая зависимости W(P, Т_р), по которой построены графики фиг.3, приведена в работах [4], [10].

Способ реализуется следующим образом. Рассмотрим на конкретном примере один цикл измерения. Пусть для определенности рабочие условия таковы, что газ в газопроводе находится при рабочем давлении Р_р=5 МПа и температура газа T_г=7°С, пусть точка росы по влаге будет T_р=3°С.

Вначале объем 1 заполняют газом из газопровода. Для этого приоткрывают вентиль 11 и постепенно выпускают прежнюю порцию газа. При этом давление падает до 0,1 МПа. Затем приоткрывают вентиль 10 и организуют продувку газа с целью очистки сосуда 1. После этого, постепенно открывая вентиль 10, устанавливают в сосуде рабочее давление Р₀=5 МПа. Поскольку температура в газе возрастет из-за адиабатического сжатия, продолжают продувку нагретого газа при рабочем давлении до тех пор, пока температура в сосуде 1 не станет равной температуре газа в трубопроводе. Закрывают вентили 10 и 11.

В момент времени t=t₁ (см. фиг.2) на термохолодильник подается напряжение и устанавливается режим максимального тока; в момент времени t₂ температура зеркала Т_з и температура газа Т_г начинают падать. При понижении температуры Т_з ниже 3°С на зеркало начинает выпадать конденсат, масса которого растет со временем и с понижением температуры (фиг.2б).

Процесс достижения термодинамического и гигрометрического равновесия между температурой газа и температурой зеркала занимает много времени, т.к. газ охлаждается медленно и его температура асимптотически приближается к температуре Т_з. С целью достижения стопроцентной относительной влажности, в момент времени t₃ температуру холодильника устанавливают на 15-20°С выше, чтобы началось испарение сконденсированной влаги. Процесс испарения при наличии перемешивания газа с помощью вентилятора идет быстрее, чем процесс конденсации, газ быстро насыщается парами воды, а температура его сравнивается с температурой зеркала Т_з. Масса сконденсировавшейся на зеркале воды при этом становится неизменной: в районе момента t₄ наступает гигрометрическое равновесие - относительная влажность газа достигает 100% и далее не меняется (фиг.26).

После достижения гигрометрического равновесия, т.е. после момента времени t₄, определяют температуру газа Т_г по термометру 5, которая и является его температурой точки росы (Т_р2=Т_г), а регистрирующее устройство 17 замеряет массу конденсата М.

Зная температуру точки росы газа Т_г, по фиг.3 находят его абсолютное, приведенное к нормальным условиям влагосодержание W_A1 (Т_з) в единице объема, а зная (из измерений) величину массы осажденного конденсата М, рассчитывают дополнительное приведенное влагосодержание , так что полное приведенное влагосодержание газа W_A ходят как сумму влагосодержаний W_A1(T_з) W_A2: W_A=W_A1(T_з)+_А2.

Покажем на численном примере, как это делается.

Пусть мы имеем в сосуде 1 при Р_р=5,0 МПа стопроцентную относительную влажность, отвечающую температуре точки росы Т_р=Т_г=-20°С.

По измерению ослабления сигнала, отразившегося от зеркала, в случае если гигрометр оптический, или по измерению затухания сигнала, если гигрометр микроволновый, находим количество выпавшей на зеркало влаги. Поскольку эта влага выпала из известного объема, можно подсчитать, сколько воды в газе было первоначально, то есть найти полное влагосодержание W, и затем, пользуясь таблицей насыщенных паров воды, определить и ТТР.

Пусть объем сосуда 1 равен 3 литрам.

Далее определили, что на зеркале сконденсировалось М=20,7 мг воды. Поскольку это количество воды сконденсировалось из объема 3 л, то влагосодержание каждого литра стало меньше на величину

(W_R - дополнительное влагосодержание при рабочем давлении) чему соответствует дополнительное абсолютное приведенное влагосодержание газа при нормальных условиях W_A2, рассчитываемое по соотношению

Поскольку мы имеем (создали) газ, имеющий T_p=T_з=-20° C, то в нем (см. фиг.3) абсолютное приведенное влагосодержание составляет W_A (Т_з)=0.027 г/м³. Таким образом полное приведенное влагосодержание анализируемого газа будет равно

W_A=W_A1(T_з)+W_A2(M)=0,027 г/м³+0,138 г/м³=0,165 г/м³, чему соответствует точка росы анализируемого газа T_р=3°С(см. фиг.3).

Основное преимущество предлагаемого способа определения влагосодержания или ТТР газа по влаге, по сравнению с конденсационным методом, состоит в том, что он позволяет проводить измерения без протока и использовать для анализа небольшой объем газа (в приведенном примере 3 л). В этом объеме содержится крайне малое количество паров ДЭГа, которое не способно помешать проведению измерения влажности. Это позволяет проводить измерения W и ТТР в сильно загрязненных газах, в частности на выходе абсорберов гликолевой осушки.

Способ был опробован в лабораторных условиях. В качестве гигрометра, охлаждающего газ и определяющего массу сконденсированной воды М, применялся микроволновый гигрометр ГММ-01, в свое время использовавшийся для определения ТТР в природном газе на станции подземного хранения газа в пос. Степное (Саратовской обл.), где он работал совместно со штатными гигрометрами "Харьков-1" и современными оптоволоконными приборами «Конг-Прима-2» и «Конг-Прима-4» [6]. Гигрометр был доработан: значительно увеличена площадь поверхности зеркала и мощность охлаждающего термохолодильника.

Измерения ТТР в газе в присутствии паров гликоля показали, что способ может быть применен для решения задачи определения Т_р по влаге в осушенном природном газе после абсорбера гликолевой осушки.

Основная погрешность прибора в настоящее время определяется главным образом погрешностью измерения массы выпавшего конденсата и при определении влагосодержания составляет величину ~0,1÷0,2 мг/литр, что дает неопределенность в ±3°С при определении ТТР в районе температуры минус 20°С.

Источники информации

1. 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, с.45.

2. ОСТ 51. 40-93 Физико-химические показатели природных газов, поставляемых и транспортируемых по магистральным трубопроводам.

3. Москалев И.Н., Чистиков С.П. Температура точки росы по влаге при гликолевой осушке. Газовая промышленность, №5, 2002, с. 60-63.

4. Гриценко А.И., Истомин В.А., Кульков А.Н., Сулейманов Р.С. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России. М.: Недра, 1999,с. 474.

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

6. Москалев И.Н., Кориткин И.П., Ушаков В.А. и др. Опыт использования микроволнового гигрометра на станции ПХГ. // Газовая промышленность, 2004, №5, с. 63-66.

7. Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н. Конденсационные гигрометры: состояние и перспектива совершенствования. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2007, №7, с. 2-12.

8. Москалев И.Н. Корректное определение ТТР конденсационными гигрометрами. // Газовая промышленность, 2004, №4, с.68-70.

9. Индикатор кондиционности газов «Харьков 1М». Паспорт АСА 2.844,000 ПС.ТО. - ВНПО «Союзгазавтоматика», 1978.

10. Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. М.: Недра, 2000, с. 280.

11. Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.Н. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. Л.: Недра, 1998, 240 с.

12. Селезнев С. В., Деревягин A.M., Агальцов А.Г., и др., Поверочный комплекс «КОНГ». Наука и техника в газовой промышленности, №4, 2003, с. 37-44.

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