ru en
Авторы
  • Б.В. Будзуляк, ОАО «Газпром»
  • А.М. Деревягин, С.В. Селезнев, 000 НПФ «Вымпел»
По заданию ОАО «Газпром» и ДП «Югтрансгаз» научно-производственной фирмой «Вымпел» разработан конденсационный гигрометр для измерения температуры точки росы по воде и углеводородам в природном газе. Компактный, полностью автоматизированный прибор эксплуатируется на объектах добычи, транспортировки и подземного хранения газа в различных климатических условиях и газах различного компонентного состава, достоверно измеряя точку росы по воде в присутствии паров диэтиленгликоля, метанола и тяжелых углеводородов.
Наиболее распространенным за рубежом и в России методом измерения влажности природного газа является конденсационнотермометрический (конденсационный). Этот метод обладает высокой чувствительностью при положительных и отрицательных температурах точки росы, высоким быстродействием, широким диапазоном давлений анализируемой среды, независимостью от температуры исследуемой среды и, что немаловажно, характеризует термодинамическое состояние водяного пара. В настоящее время развитие конденсационных гигрометров сдерживается сложностью конструктивной реализации метода и, как следствие, высокой стоимостью приборов данного класса.
В частности, к сдерживающим факторам могут быть отнесены:
  • отсутствие высокоэффективных и компактных охлаждающих устройств;
  • проблемы обеспечения устойчивой работы системы слежения за состоянием конденсационной поверхности в широком диапазоне температур точки росы;
  • недостаточная чувствительность тракта обнаружения конденсата;
  • неоднозначность фазового состояния конденсата в диапазоне отрицательных температур точки росы.
Конденсационный гигрометр «КОНГ-Прима-2», на наш взгляд, наиболее полно отвечает всем современным требованиям, предъявляемым к приборам данного класса. В основу прибора положены современные достижения в термоэлектрической полупроводниковой и фотооптической преобразовательной технике, используется микроэлектронная элементная база лучших западных фирм-производителей, а также реализован многолетний опыт работы НПФ «Вымпел» в области измерения влажности. В целом, прибор прост, надежен, неприхотлив, обладает широким диапазоном измерения точки росы,высоким быстродействием, работоспособен при высоких давлениях (до 10 МПа), не требует вмешательства обслуживающего персонала, обеспечивает устойчивое измерение точки росы в экстремальных условиях эксплуатации при наличии в газе большого количества механических и аэрозольных примесей и высоких концентраций паров метанола и ДЭГа.
Стремление фирмы «Вымпел» быть лидером в области влагометрии и создавать приборы с законченным технологическим циклом привело к созданию широкого спектра вспомогательного оборудования, снимающего с потребителя множество мелких, но крайне неприятных проблем. В частности, прибор «КОНГ-Прима-2» по желанию заказчика комплектуется:
  • многоканальным регистрирующим устройством «Трасса» для преобразования токовых сигналов в физические величины давления и точки росы и их хранения;
  • терминальной программой для съема и анализа данных, полученных с прибора «Трасса»;
  • поверочным комплексом «КОНГ» для поверки и проверки гигрометров «КОНГ-Прима-2»
Основные особенности.
В результате анализа особенностей конденсационно-термометрического метода измерения влажности, а также изучения большого количества публикаций по этому вопросу и проведения патентного поиска было установлено, что основными недостатками, препятствующими созданию прибора с высокими потребительскими свойствами, являются недостаточная надежность существующих способов фиксации процесса начала конденсации и неоднозначность фазового состояния конденсата.
Преодоление этих недостатков связано с решением одновременно двух задач:
  • уменьшения размеров конденсационного зеркала (площадь самых «миниатюрных» зеркал известных в настоящее время конденсационных гигрометров не менее 70 мм2);
  • совмещения функции охлаждающей поверхности и элемента, регистрирующего наличие пленки конденсата, в едином устройстве. Осуществить это позволяет применение волоконно-оптического способа фиксации момента появления конденсата, основанного на принципе нарушения полного внутреннего отражения.
Суть способа заключается в использовании чувствительного волоконно-оптического элемента, выполняющего функции конденсационного зеркала и функции элемента, регистрирующего наличие пленки конденсата. Температура точки росы при этом измеряется миниатюрным термодатчиком, сопряженным и соизмеримым с чувствительным элементом. Охлаждение или нагрев измерительного узла обеспечивает специально разработанная для этой цели трехкаскадная термоэлектронная батарея с высокими термодинамическими характеристиками. Такая конструкция измерительного узла конденсационного гигрометра позволила получить суперминиатюрное конденсационное зеркало площадью не более 0,25 мм2, а использование волоконно-оптического чувствительного элемента в качестве регистратора существенно повысило чувствительность фотооптического тракта. Кроме того, отличительными особенностями прибора являются оригинальная, защищенная патентами конструкция системы погружного пробоотбора анализируемого газа с отсечным шаровым краном, позволяющая ему успешно работать в загрязнённых средах без применения фильтрующих элементов, а также специально разработанный адаптивный алгоритм определения точки росы, решающий проблему устойчивой работы прибора в широком диапазоне измеряемых температур точек росы.
Опыт эксплуатации.
В настоящее время на предприятиях «Югтрансгаз», «Мостран- сгаз», «Волгоградтрансгаз», «Севергазпром», «Оренбурггазпром» и других объектах ОАО «Газпром» запущены в эксплуатацию гигрометры «КОНГ-Прима-2». Приборы эксплуатировались в различных климатических условиях и газах с различным компонентным составом. Условия эксплуатации приборов в зависимости от исследуемой среды можно подразделить на четыре категории:
  1. Газ, прошедший все этапы очистки, осушки и подготовки к транспорту. Круглогодичная эксплуатация, температура окружающей среды −40...40 °С, температура газа 20-40 °С, давление 5-8 МПа, характерные колебания точки росы по воде −20...-5 °С при рабочем давлении, компонентный состав газа — углеводороды (с точкой росы, не превышающей точку росы по воде более чем на 5 °С), метанол, ДЭГ, механические примеси — норма.
  2. Газ из подземного хранилища с пластовым давлением до 10 МПа (сразу после установок абсорбции газа). Сезонная эксплуатация (осень — зима — весна), температура окружающей среды −40...15 °С, температура газа — 7... 12 °С, давление 2,5-5 МПа, характерные колебания точки росы по воде — 10...3 °С при рабочем давлении, компонентный состав газа — углеводороды (с точкой росы, не превышающей точку росы по воде), метанол — норма, ДЭГ — норма (10-15 г/1000 м3), механические примеси — нет данных.
  3. Высококалорийный газ из подземного хранилища с пластовым давлением более 10 МПа (сразу после установок абсорбции газа). То же, что и в п. 2, кроме компонентного состава газа (углеводороды, метанол концентрацией 50 мг/м3, ДЭГ — до 30 г/1000 м3).
  4. Газ из подземных хранилищ после первой ступени очистки от механических примесей (до установок осушки) или попутный газ из нефтяных месторождений. То же, что и в п. 2, но с характерной точкой росы по воде, близкой или равной температуре газа.
Схема работы пробоотборного устройства
Схема работы пробоотборного устройства преобразователя точки росы «КОНГ-Прима»
Опыт эксплуатации приборов в магистральных газах, относящихся к первой категории, дал положительные результаты. Приборы устойчиво и надежно работают, показывая достоверные результаты, и практически не нуждаются в проведении профилактических работ. В этих условиях эксплуатации пассивное утепление пробоотборного устройства справляется со своими функциями, поддерживая температуру корпуса прибора выше температуры точки росы. Достоверность показаний приборов подтверждается регулярной проверкой переносными индикаторами ТТР на пунктах сдачигаза Россия — Украина, где сходимость показаний — в пределах допуска используемых методов. Приборы чётко реагируют на повышение или понижение точки росы по воде на магистральных газопроводах, отслеживая сезонные изменения технологии транспорта и подготовки газа. Например, на Курской ГИС все приборы отследили повышение точки росы в период пуска установок осушки газа и подключения к магистрали стоячих газопроводов. Отсутствие аналогичных средств контроля влажности на сопряженных ГИС не позволяет вовремя отследить повышение влажности и предотвратить нарушение контрактных условий по качеству газа на пограничных пунктах сдачи газа.
Результаты эксплуатации приборов на станциях подземного хранения газа (СПХГ), относящихся ко второй категории, можно считать удовлетворительными.
  • Неблагоприятное сочетание ряда факторов (низкая температура окружающей среды −15 °С и ниже, высокое значение точки росы по воде — до 3 °С при относительно низкой температуре газа 5–10 °С) может привести к эффекту переохлаждения пробоотборного устройства. Поэтому все приборы, установленные на СПХГ, снабжены устройством активной термостабилизациигазоподвода, что обеспечивает их устойчивую работу в период похолоданий.
  • Значительные колебания расхода газа, появление водно-метанольных пробок при принудительном обогреве загидраченной запорной арматуры или замене фильтр-патронов в установках сепарации газа, вынос большого количества влаги в начале и конце отбора газа из подземного хранилища могут привести к заносу влаги и других компонентов в пробоотборное устройство прибора. Поэтому на СПХГ были ужесточены требования как к месту установки прибора на трубопроводе, так и к расположению места отбора пробы по отношению к технологическим устройствам, инициирующим появление водяных или гидратных пробок в трубопроводе в период эксплуатации.
Результаты эксплуатации приборов в высококалорийном газе, относящемся к третьей категории (насыщенный углеводородами) с большим количеством метанола практически подтвердили высокую эффективность штатного алгоритма определения качественного состава пленки конденсата. Добиться такой эффективности позволили проведённые исследования реакции чувствительного элемента прибора на конденсацию ароматических углеводородов, метанола и других примесей. Для этого был специально разработан и создан комплекс оборудования для определения влияния конденсируемых примесей газа на чувствительный элемент приборов. Суть комплекса заключается в моделировании реальных условий конденсации примесей с визуализацией реакции оптического тракта прибора на терминале компьютера. С целью максимального приближения эксперимента к реальным условиями выявления взаимовлияния конденсируемых компонентов в качестве пробы используется многокомпонентный газ, взятый на Степновской СПХГ. В состав газа этой СПХГ входят ароматические углеводороды, метанол, ДЭГ и другие примеси. Все исследования проводились при рабочем давлении (4,5-6 МПа).
Накопленный исследовательский материал был реализован в штатном алгоритме работы приборов. Результаты эксплуатации приборов в реальном многокомпонентном газе подтвердили возможность успешного измерения точки росы по воде при наличии на зеркале приборов пленки углеводородов, а также наличие в газе паров метанола и других примесей.
Результаты эксплуатации приборов в сыром, грязном газе четвертой категории выявили следующее:
  • приборы могут эксплуатироваться в сыром газе при своевременном периодическом проведении профилактических работ (1 раз в 2 недели);
  • при длительной эксплуатации приборов в сыром газе без проведения профилактических работ цикл измерения точки росы увеличивается (до 1-2 ч) из-за периодического автоматического включения режима самоочист- ки чувствительного элемента прибора.
Анализ работы автоматических приборов «КОНГ-Прима-2» на объектах ОАО «Газпром» показал следующее.
  1. Приборы «КОНГ-Прима-2» надежно и устойчиво работают без профилактики или продувок в магистральном газе, отвечающем требованиям ОСТ; четко реагируют на повышение или понижение точки росы по воде на магистральных газопроводах, отслеживая сезонные изменения технологии транспорта и подготовки газа;
  2. Проведенная НПФ «Вымпел» большая исследовательская работа позволила адаптировать приборы к работе в сырых газах, а также газах до и после осушки;
  3. Опыт эксплуатации приборов подтверждает целесообразность их использования в системах автоматизации технологических процессов осушки газа;
  4. Итогом адаптации приборов к самым разнообразным условиям эксплуатации на объектах ОАО «Газпром» является:
    • система активной термостабилизации устройства пробоотбора анализируемого газа;
    • активная система самодиагностики чувствительного элемента прибора (в частности, даже при незначительном загрязнении зеркала прибор не просто фиксирует и сигнализирует об этом, но и предпринимает определенные действия к самоочистке, что, как правило, приводит к положительным результатам);
    • селективный алгоритм определения качественного состава пленки конденсата, что позволяет прибору успешно измерять точку росы по воде при наличии на зеркале пленки углеводородов или капель других конденсируемых примесей.