ru en

Измерение влажности природного газа прибором "КОНГ-Прима-2"

Авторы
  • Деревягин А.М., Ступанов А.Р.,
  • Селезнев С.В., Агальцов А.Г., ЗАО «НПО «Вымпел»
Особые свойства природного газа — многокомпонентной среды с переменным составом — и условия технологических режимов его подготовки, транспорта и хранения существенно усложняют измерение Благосостояния в сравнении с классической задачей измерения влажности однокомпонентных и чистых сред.
Основными осложняющими факторами являются следующие:
  • способность водяного пара, содержащегося в природном газе, испаряться и конденсироваться с различной скоростью в зависимости от сочетания меняющихся термодинамических параметров;
  • способность некоторых естественных компонентов газа (высших и ароматических углеводородов) испаряться и конденсироваться в тех же условиях, что и водяной пар. При этом требуется раздельно измерять температуру точки росы по воде ТТРВ и по углеводородам ТТРУ;
  • содержание в газе технологических примесей, в том числе и водорастворимых, присутствие которых приводит к смещению условий гидродинамического равновесия в системе «вода — водяной пар»;
  • наличие масляных аэрозолей, парафинов и механических примесей, загрязняющих элементы измерительных трактов приборов.
По вышеизложенным причинам не удавалось найти в течение многих лет как отечественным, так и зарубежным разработчикам и производителям приборной продукции удовлетворительного решения при создании приборов, тем более автоматических, достоверно измеряющих температуру точки росы по воде и высшим углеводородам российского природного газа.
Еще одна трудность при измерении и технологическом поддержании заданной температуры точки росы заключается в смешении газовых потоков с различным влагосодержанием.
Рассмотрим следующий пример.
Происходит смешение потоков газа от двух контуров осушки газа с помощью ДЭГа в абсорберах. Давление газа — 6,86 МПа (70 кгс/см2).
Один контур работает в оптимальном режиме при расходе газа Qм3/ч, ТТРв на его выходе составляет −20 °С. Влагосодержание газа по номограмме «Равновесное содержание паров воды в системе «природный газ — вода» соответствует в этом случае 27 мг/м3.
Второй контур работает на пониженном от оптимального значения расходе газа, равном 1/3 Qм3/ч. В данном случае при подаче одинакового расхода ДЭГа на оба абсорбера газ во втором абсорбере должен осушаться лучше.
На практике отклонение от оптимального значения расхода газа через абсорбер в большую или меньшую сторону приводит к ухудшению степени осушки. Подтверждение тому приведено на рисунке, где зафиксированы результаты промышленных испытаний модернизированного гликолиевого абсорбера разработки ЦКБН на Елшанской СПХГ в ноябре 1999 г.
Предположим ТТРв на выход второго абсорбера составляет −10 °С. Влагосодержание при этом равно 60 мг/м3. Когда происходит смешение потоков, влагосодержание будет составлять 35 мг/м3, а ТТРв — равняться −16 °С вместо нормативного значения −20 °С.
Аналогичная картина наблюдается в случае смешения газовых потоков при транспорте газа.
Наличие воды или водометанольного раствора в трубопроводе также ухудшает качественные показатели газа.
Рассмотрим еще один пример.
В трубопровод диаметром 1 200 мм (площадь поперечного сечения 1,13 м2) и длиной 1 000 км со значением давления газа 6,86 МПа (70 кгс/см2) попал 1 м3 воды (1 000 000 000 мг), пары которой поглотятся в 79 000 000 нм3 газа (1 130 000 м3 * 6,86 МПа или 1 130 000 м3 * 70 кгс/см2).
Зависимость измерения температуры росы от производительности абсорбера
Если температура точки росы поступающего в трубопровод газа составляла −20 °С, то в данном количестве газа должно содержаться 2 130 000 000 мг воды. Растворенный 1 M3воды доведет влагосодержание до 3 130 000 000 мг. По вышеназванной номограмме ТТРв в этом случае повысится до −13 °С, а шлейф некондиционного газа растянется более чем на 1 000 км.
Приведенные выше соображения по ухудшению кондиционности природного газа относятся к технологическим проблемам. Однако поиски выхода из создавшегося положения часто осуществляются в сфере измерения качественных показателей, в том числе и влажности газа, особенно если ограничения по технологии или возможностям оборудования не позволяют исправить ситуацию.
Впервые в России разработан и серийно выпускается фирмой «Вымпел» автоматический конденсационный гигрометр для работы в потоке реального природного газа «КОНГ-Прима-2», обеспечивающий более высокую достоверность и точность измерения по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами.
Прибор сертифицирован в России (сертификат № 1538) и в Германии (сертификат РТВ № Ех-98.1016). Гигрометры «КОНГ- Прима» прошли контрольные, сравнительные и промышленные испытания с получением положительных результатов в семи российских и германских фирмах.
В газовой промышленности России и за рубежом эксплуатируется более двухсот этих приборов. Согласно решениям по выполнению отраслевой «Программы повышения качества добываемого, транспортируемого и поставляемого на экспорт российского природного газа» данный гигрометр признан основным средством измерения влажности.
Найденные разработчиками прибора «КОНГ-Прима» принципиальные, конструктивные и технологические решения позволили ликвидировать большинство недостатков, присущих отечественным и зарубежным измерителям влажности природного газа.
К его преимуществам относятся следующие:
  • автоматическое формирование первичной информации по принципу нарушения полного внутреннего отражения светового сигнала и преобразование ее в видео- и унифицированный (4-20 мА или цифровой) сигналы;
  • реализация внешнего выходного сигнала 4-20 мА для гигрометра «КОНГ-Прима-2» и цифрового для усовершенствованного гигрометра «КОНГ-Прима-4», обеспечившая возможность передачи информации на верхний уровень, ее архивирование, графическое отображение во времени (тренд) и документальную распечатку;
  • возможность установки гигрометра непосредственно на газопроводе и соответственно измерения ТТР реального газового потока при рабочем давлении;
  • отсутствие пробоотборного устройства в его классическом исполнении (с фильтрами, трубопроводной обвязкой, средствами снижения давления и т. п.), искажающего в той или иной степени реальное состояние газового потока;
  • предельная миниатюризация оптоволоконного чувствительного элемента и соответственно охладителя и нагревателя, уменьшившая материалоемкость, массу и габариты прибора при сохранении лучших среди приборов-аналогов чувствительности и динамических характеристиках измерения. Это позволило осуществить селекцию температуры точки росы по воде и углеводородам;
  • быстрый нагрев чувствительного элемента до температуры +55 °С, обеспечивающий гарантированное очищение оптоволоконного преобразователя от пленки конденсата за весьма короткое время (не более 4 мин);
  • реализация контакта природного газа с чувствительным элементом с помощью формирования диффузионной зоны, снизившая до минимума возможность загрязнения чувствительного элемента капельными и твердыми включениями газового потока, а также отложениями «тяжелых» углеводородов в жидкой и твердой фазе;
  • включение в конструкцию прибора крана-отсекателя от газопровода с высоким давлением, минимизировавшее затраты времени на демонтаж прибора для профилактических работ, калибровки и поверки;
  • использование микрокомпьютера в целях управления процессом измерения ТТР и анализа информации, повысившее достоверность результатов измерений, а также обеспечившее различение температуры точки росы по углеводородам и по воде, в том числе, когда ТТРУ выше ТТРВ;
  • параллельные разработка и освоение производства поверочного комплекса «КОНГ». В результате этого с 1998 г. исключены проблемы, связанные со сложностью калибровки и поверки гигрометров.
Прибор «КОНГ-Прима-2» имеет несколько модификаций (исполнений):
  • в исполнениях КРАУ2.844.001, КРАУ2.844.001-01, КРАУ2. 844.001-03 предназначен для стационарной установки непосредственно на трубопроводе;
  • в исполнениях КРАУ2.844.001-02, КРАУ2.844.001-04 оборудован проточным газоподводом и может использоваться как в стационарном, так и в переносном вариантах;
  • в исполнении КРАУ2.844.001-05 оборудован проточным газоподводом.
Датчик прибора отличается дополнительной ступенью охлаждения и повышенной прочностью фланцевых соединений. Он служит для измерения низких концентраций паров воды при высоких значениях давления, например, на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях.
Гигрометры «КОНГ-Прима-2» постоянно совершенствуются с учетом опыта эксплуатации.
Одновременно с этим на фирме «Вымпел» закончена разработка гигрометра нового поколения. В настоящее время после выполненного этапа государственных испытаний, которые проводились во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), осуществляется процесс регистрации прибора в Госстандарте России, после чего планируется освоение его серийного производства. Финансирование работы велось из собственных средств фирмы, что, к сожалению, не дало возможность обеспечить более высокие темпы разработки.
Гигрометр «КОНГ-Прима-4» обладает более высоким интеллектом по сравнению с прибором «КОНГ-Прима-2», что позволяет с его помощью измерять температуру точки росы по углеводородам и по воде, анализировать и запоминать тренды процессов измерения с адаптацией результатов к объекту эксплуатации. Возможности прибора существенно улучшают его метрологические и эксплуатационные характеристики, а также повышают надежность и достоверность показаний.
Выходной сигнал прибора выполнен цифровым, что открывает перспективу организации на базе прибора и средств сотовой и спутниковой связи систем для мониторинга Благосостояния природного газа от промыслов и далее по МГ.
Подобная система была опробована в течение более полугода при испытаниях гигрометра в г. Дорстоне (компания Ruhrgas). Текущая информация о влажности голландского газа из Дорстона передавалась по сотовой связи в Саратов и в Москву и отображалась на дисплеях компьютеров.
По мнению авторов, в 2001-2002 гг. подобный мониторинг целесообразно провести на одном из выбранных Газпромом магистральных газопроводах.
Новизна принципа преобразования первичной информации, конструктивные особенности, интеллект, реализованный в программном обеспечении (ПО), дают возможность применять приборы «КОНГ-Прима» для работы в «грязных средах», а также в присутствии конденсирующих примесей (метанол, гликоль и т. д.).
Гигрометр «КОНГ-Прима-2» многократно испытывался на степень влияния метанола и ДЭГа на его метрологические характеристики, например, в институте DBI(Лейбциг, Германия). Природный газ насыщался парами ДЭГа, нагретого до температуры +90 °С. Реакции прибора не было обнаружено.
Из результатов испытаний гигрометра «КОНГ-Прима-2» следует, что он измеряет температуру точки росы по воде в пределах своей погрешности (±1 °С) при концентрации метанола до 600 мг/м2 и давлении 3,92 МПа (40 кгс/ см2). Эго подтверждено испытаниями в других лабораториях.
Разработчики приборов «КОНГ-Прима» ориентировались на указанные предельные значения метанола на основании многочисленных данных, взятых из технической литературы, исследований ВНИИГАЗа, а также информации от организаций отрасли.
На основе вышеизложенного можно сделать следующие выводы: модификации гигрометров «КОНГ-Прима-2» обладают достаточным объемом метрологических и эксплуатационных характеристик, позволяющих использовать приборы в целях измерения ТТР на различных объектах отрасли;
Воплощение положительных результатов эксплуатации приборов «КОНГ-Прима-2», развитие функциональных и улучшение метрологических и надежностных характеристик нашло отражение в создании гигрометра нового поколения «КОНГ-Прима-4», сертификацию и освоение серийного производства которого необходимо закончить в кратчайшие сроки.