ru en

Переносной измеритель точек росы газа по водным фазам и тяжелым углеводородам «КОНГ-ПРИМА 4П»

Переносной гигрометр для измерения точек росы газа по водным фазам и тяжелым углеводородам «КОНГ-ПРИМА 4П»:
особенности конструкции и перспективы технологического применения
Авторы
  • A.М. Деревягин, С.В. Селезнёв, А.Р. Степанов, А.Г. Агальцов, А.Н. Коняхин, Научно-производственная фирма «Вымпел», Саратов
  • B.А. Истомин, ООО «ВНИИГАЗ»
Одной из важных задач современной газовой промышленности является обеспечение требуемых показателей качества поставляемого потребителю природного газа. Показатели качества газа сказываются на эффективности работы системы транспорта газа, ее надежности и долговечности. В настоящее время становится все более актуальной задача автоматизированного сбора и анализа информации о технологических параметрах природного газа (в том числе по показателям качества) с целью оптимального управления системами добычи и транспорта природного газа, особенно на поздней стадии разработки газовых и газоконденсатных месторождений.
Общепринятыми критериями оценки качества природного газа и, соответственно, работы систем добычи и транспорта газа являются температуры точек росы природного газа. Стационарные измерители, реализующие конденсационный метод измерения точки росы, признаны в России и за рубежом как надежные приборы контроля кондиционности природного газа, и они могут быть (и уже становятся) одним из основных компонентов современных систем автоматизации и оптимизации технологических процессов в газовой промышленности.
В то же время на предприятиях отрасли остро ощущается необходимость и в переносном гигрометре, что позволяет проводить периодический контроль работы любого узла газовой системы, а также проверку работы стационарных приборов, с помощью которых осуществляется мониторинг точек росы и которые устанавливаются только в ключевых местах, таких как газоперекачивающие станции, объекты подземного хранения газа и т.д. Кроме того, переносной влагомер можно использовать при промысловых обследованиях технологических процессов. Таким образом, переносной влагомер является важным элементом в решении вышеуказанной задачи обеспечения требуемых показателей качества товарного газа.
В настоящий момент на мировом рынке представлен спектр моделей переносных анализаторов конденсационного типа ряда производителей. Основными недостатками одних являются устаревшая конструкция и ручной способ замера, допускающий субъективную оценку точки росы (например, хорошо известные в России приборы «Харьков-1М» и «Чандлер»), другие приборы построены на физических принципах, не позволяющих замерять сразу две точки росы по воде и углеводородам (влагомер «Мишель»). Ряд gthtyjcys[ приборов разработан только в виде опытных образцов, не доведенных до требуемых в газовой промышленности норм качества.
Серийный переносной измеритель (анализатор) точек росы газа по влаге и углеводородам «КОНГ-ПРИМА 4П» (далее Переносной анализатор), разработанный научно-технической фирмой «Вымпел» (Саратов), по своим возможностям и характеристикам существенно отличается от ранее выпущенных приборов. Анализатор «КОНГ-ПРИМА 4П» является автономным, высокоинтеллектуальным гигрометром, принадлежащим к классу автоматических зеркальных приборов и реализующим конденсационный метод одновременного измерения точек росы газа по водным фазам и тяжелым углеводородам. Он снабжен собственным встроенным калибратором. Встроенный калибратор представляет собой автономное устройство, позволяющее периодически проверять калибровочную характеристику Переносного гигрометра, а также проверять калибровочные характеристики стационарных приборов семейства «КОНГ-ПРИМА».
Конструкция, внешний вид, технические показатели и возможности переносного прибора
Переносной анализатор «КОНГ-ПРИМА 4П»
Рис. 1. Внешний вид переносного анализатора точек росы газа по водным фазам и углеводородам «КОНГ-ПРИМА 4П»:
1 — корпус анализатора; 2 — индикатор; 3 — крышка электронного блока; 4, 6, 9,10,13 — элементы системы подготовки газа; 5 — разъем питания и зарядки блока аккумуляторной батареи; 7 — разъем подключения калибратора; 8 — ручка для переноски анализатора; 11 — датчик первичной информации; 12 — крышка отсека блока аккумуляторной батареи
Переносной гигрометр «КОНГ-ПРИМА 4П» (рис. 1) предназначен:
  • для измерения температуры точек росы по водным фазам (по воде, переохлажденной воде и водометанольному раствору (BMP), льду и газовым гидратам) и тяжелым углеводородам в автоматическом и ручном режиме в природном газе любого компонентного состава, а также для паровоздушных смесей при рабочем давлении;
  • выдачи измеренных, вычисленных и зарегистрированных значений точки росы на встроенный цифровой индикатор;
  • построения полных кривых точек конденсации воды и углеводородов в зависимости от давления анализируемой среды.
Отметим важные особенности и функциональные возможности анализаторов серии «КОНГ» последних моделей, реализованные как в стационарном, так и в переносном исполнениях:
  • наличие миниатюрного многофункционального волоконно-оптического чувствительного элемента, изготовленного по уникальной технологии (имеет место более высокая чувствительность по сравнению с приборами, выпускаемыми другими производителями);
  • автоматическая диагностика всех компонентов Переносного анализатора и возможность регенерации чувствительного элемента перед каждым циклом измерения;
  • автоматическая адаптация Переносного анализатора к измерению точек росы по воде в присутствии ранее конденсируемых примесей (углеводородов) без дополнительных настроек и применения каких-либо дополнительных фильтрующих элементов;
  • возможность измерения точки росы газа по углеводородам;
  • возможность варьирования параметрами измерительного цикла (скоростью охлаждения и нагрева, толщиной пленки конденсата и др.) в широких пределах, что собственно и дает принципиальную возможность разработки алгоритмов определения не только точки росы газа по (переохлажденной) воде, но точек росы по водометанольному раствору, льду и газовым гидратам различных кристаллических структур;
  • функция сбора и хранения данных об измеренных точках росы по воде и углеводородам, а также всех параметров измерительного цикла;
  • возможность визуализации процессов при подключении к центральному управляющему блоку.
В то же время дополнительными и существенными отличиями Переносного анализатора «КОНГ-ПРИМА 4П» от стационарного «КОНГ- ПРИМА 4» являются:
  • наличие встроенной системы газоподготовки, позволяющей варьировать давление пробы газа от рабочего давления в трубопроводе до нормального давления;
  • наличие встроенного калибратора.
Эти дополнительные возможности фактически позволяют разрабатывать более надежные и весьма точные алгоритмы измерения точек росы газа по водным фазам в присутствии технологических примесей, в том числе и в присутствии паров метанола; более того, с помощью Переносного анализатора можно оценивать по крайней мере на полуколичественном уровне содержание паров метанола в газе.
Технические характеристики Переносного анализатора «К0НГ-ПРИМА-4П»
Диапазон измерения температуры точки росы, °С
по влаге
От −30 до +30
по углеводородам
От −30 до +30
Показать все Характеристики
* в зависимости от значения измеряемой точки росы и температуры окружающего воздуха
Переносной анализатор может работать как в автономном режиме (от встроенной аккумуляторной батареи), так и от внешнего источника питания. Причем параллельно с его работой от внешнего источника происходит автоматическая зарядка аккумуляторной батареи. Он обладает высокой стойкостью к технологическим примесям природного газа. Выполнен во взрывозащищенном исполнении и может устанавливаться во взрывоопасных зонах в соответствии с маркировкой lExsdIIAT5.
Конструктивно Переносной анализатор (рис. 1) состоит из следующих законченных узлов:
  • датчика первичной информации (ДПИ) и блока электроники (БЭ), выполненных в единой конструкции;
  • системы газоподготовки;
  • калибратора.
Охлаждение зеркала Переносного анализатора осуществляется трехкаскадной термоэлектрической батареей на элементах Пельтье.
Для реализации возможности измерения очень низких значений точки росы (до минус 50 °С) в датчик встроен дополнительный канал, через который пропускается охлаждающий газ для охлаждения «горячей» грани термоэлектрической батареи. В качестве охлаждающего газа может использоваться рабочий газ, предварительно пропускаемый через внешний охладитель, работающий, например, на дроссельном эффекте за счет перепада давления. Принципиально возможно охлаждение датчика и другими хладагентами.
Система подготовки газа смонтирована на корпусе Переносного анализатора. Подключение системы к трубопроводу производится с помощью входного вентиля. Выпуск анализируемого газа, а также продувка пробоотборной магистрали производятся по трубкам, подключенным к выходному и продувочному вентилям соответственно.
Система подготовки газа состоит из (рис. 1):
  • измерительной камеры (газоподвод) 11;
  • игольчатого крана 13 для регулировки расхода газа через газоподвод
  • шарового крана 4 для продувки подводящего трубопровода;
  • проточного фильтра для очистки пробы от механических примесей;
  • манометра 10;
  • ротаметра 6;
  • игольчатого крана 9, используемого для плавного заполнения измерительной камеры.
Использование в качестве входного и выходного вентилей измерительных игольчатых кранов позволяет создавать в камере прибора давление в диапазоне от рабочего давления в трубопроводе до нормального. В систему газоподготовки могут быть, при необходимости, включены дополнительные фильтры.
Калибратор Переносного анализатора представляет собой автономное устройство, позволяющее периодически проверять калибровочную характеристику ДПИ самого Переносного анализатора, а также других влагомеров семейства «КОНГ-ПРИМА».
Таким образом, Переносной анализатор обеспечивает:
  • измерение температуры точки росы по водной фазе и (или) углеводородам в автоматическом режиме;
  • измерение температуры точки росы в режиме ручного управления температурой зеркала (чувствительного элемента);
  • измерение температуры точки росы в режиме удержания и стабилизации на зеркале заданной (вручную) толщины пленки конденсата;
  • цифровую индикацию измеренных значений точки росы (°С), текущей температуры зеркала (°С) и толщины пленки конденсата (в условных единицах — в процентах от уровня фотосигнала чистого зеркала);
  • возможность проверки достоверности показаний Переносного анализатора (при использовании в комплекте с калибратором).
Для управления работой Переносного анализатора служит клавиатура, представляющая собой четыре герметичных контакта, переключаемых при помощи специального магнитного ключа. Переключение магнитных контактов осуществляется кратковременным воздействием (1-2 с) на соответствующий магнитный контакт с помощью входящего в комплект поставки магнитного ключа.
Условия эксплуатации переносного гигрометра
Температура окружающего воздуха, °С
От −20 до +40
Относительная влажность воздуха при плюс 35 °С и более низких температурах без конденсации влаги (без прямого попадания атмосферных осадков), %
До 98
Атмосферное давление, кПа
От 84 до 106,7
Показать все Характеристики
* при условии замены составных частей, имеющих меньший срок службы
Ниже описаны два варианта ручного способа измерения температуры точки росы Переносным анализатором:
  • измерение температуры точки росы в режиме ручного управления оператором температурой зеркала (чувствительного элемента);
  • измерение температуры точки росы в режиме удержания и стабилизации на зеркале заданной (вручную) оператором толщины пленки конденсата;
На рис. 2 представлен процесс измерения точки росы в режиме удержания заданной толщины пленки конденсата.
Процесс измерения точки росы переносным гигрометром
Рис.2. Процесс измерения точки росы методом удержания пленки конденсата на чувствительном элементе (ЧЭ) прибора
На рис. 3 представлен процесс измерения точки росы в режиме ручного управления температурой зеркала. В этом случае оператор вручную изменяет текущую температуру зеркала. Признаком конденсации является изменение величины, характеризующей толщину пленки конденсата. Контроль текущей температуры зеркала и текущей толщины пленки осуществляется по индикатору Переносного анализатора. Сужая границу между температурами конденсации и испарения, можно определить температуру точки росы с необходимой степенью достоверности.
Процесс ручного измерения точки росы. Переносной влагомер.
Рис.3. Процесс ручного точки росы
Метрологическая аттестация
Переносной анализатор прошел государственную метрологическую аттестацию в ВНИИФТРИ (Иркутск) с погрешностью измерения ±0,25 °С и погрешностью воспроизведения точки росы своим калибратором ±0,5 °С. В качестве эталонного средства измерения и испытательного оборудования применялся образцовый динамический генератор влажного газа «Родник-2», абсолютная погрешность воспроизведения точки росы создаваемой парогазовой смеси которого составляет ±0,1 °С.
Новые возможности Переносного анализатора «КОНГ-ПРИМА 4П»
Наличие встроенного калибратора является принципиально важным отличием Переносного анализатора от других измерителей точки росы. Т ехнические характеристики встроенного калибратора приведены ниже. Калибратор позволяет контролировать достоверность измерений самого Переносного анализатора как в лабораторных условиях, так и непосредственно в среде исследуемого газа при рабочем давлении. Переносной анализатор со встроенным калибратором может эффективно применяться для контроля достоверности измерений влагомеров семейства «КОНГ-ПРИМА», работающих в вышеописанных условиях эксплуатации. Проверяемый влагомер должен с определенной точностью измерить точку росы, генерируемую калибратором. В режиме управления работой калибратора Переносной анализатор может работать совместно с любым режимом измерения (автоматическим, ручным или режимом удержания пленки).
Ниже описана процедура управления калибратором.
После выбора в основном меню пункта «КАЛИБ» и входа в него с помощью правого магнитного контакта Переносной анализатор переходит в дополнительный режим управления работой калибратора. При этом продолжается работа Переносного анализатора в режиме измерения точки росы.
При выборе с помощью верхней или нижней магнитных кнопок пункта «ВЫКЛ» и подтверждения с помощью правого магнитного контакта Переносной анализатор возвращается в основное меню.
При выборе с помощью верхней или нижней магнитных кнопок пункта «ВКЛ» и подтверждения с помощью правого магнитного контакта Переносной анализатор переходит в режим задания температуры калибратора.
Технические характеристики встроенного калибратора
Диапазон воспроизведения температуры точки росы, °С
От −20 до ±30
Пределы основной абсолютной погрешности воспроизведения точки росы, °С
±0,5
Показать все Характеристики
После установки курсора на пункт «ВЫБОР» и нажатия правого магнитного контакта выбранное значение температуры отображается во второй строке индикатора, а на микроохладителе калибратора удерживается заданная температура.
Как выше отмечалось, встроенная система газоподготовки Переносного анализатора позволяет создавать давление исследуемого газа в пределах от рабочего давления в трубопроводе до нормального. Эта опция Переносного анализатора дает возможность измерения точек конденсации росы по углеводородам и воде при разном давлении, т.е построения полных кривых конденсации углеводородов и воды. Пример подобного измерения для точки росы по углеводородам показан на рис. 4.
Кривая конденсации углеводородов природного газа. Переносной влагомер.
Рис.4. Кривая конденсации углеводородов природного газа, построенная на основании измерений «КОНГ-ПРИМА 4П»
Треугольники — измеренные значения точки росы по углеводородам природного газа при постепенном снижении давления в камере прибора от рабочего в газопроводе до 1,0 МПа.
Эта же опция дает возможность разнести точки росы газа по влаге и углеводородам, что облегчает их достоверное определение в сложных случаях. В настоящее время фирмой «Вымпел» совместно с ВНИИИГАЗом рассматриваются и другие варианты практического использования этой возможности прибора. Например, разрабатывается методика применения Переносного анализатора при проведении работ по оценке технологических потерь нестабильного конденсата на установках типа НТС.
Кроме того, с помощью Переносного анализатора можно получить полную кривую конденсации природного газа по водной фазе, что в принципиальном отношении дает возможность определения содержания метанола в исследуемом газе. Это связано с тем, что кривые температуры конденсации из газа водометального раствора от давления при различном содержании метанола в природном газе, совпадающие при одном давлении, при других давлениях отличаются. Однако термодинамика рассматриваемого процесса (т.е. зависимость ТТР по BMP от давления) такова, что по зависимости температуры точек росы газа по BMP от давления (сравнивая эту кривую с эталонной, полученной в отсутствии паров метанола в газе) мы можем практически оценить наличие метанола в газе при его содержании не менее 300-400 г/1 000 м3.
В то же время, как показали наши методические лабораторные эксперименты, наличие паров спирта в газе весьма существенно влияет на динамику (кинетику) процесса конденсации водоспиртового раствора при заданной (фиксированной) скорости охлаждения чувствительного элемента прибора. В указанных лабораторных экспериментах в качестве алифатического спирта использовался этанол, тогда как теоретические соображения показывают, что наличие в газе метанола еще более отчетливо влияет на кинетику конденсации водной фазы на чувствительном элементе конденсационного прибора. Таким образом, сочетание термодинамического и кинетического аспектов конденсации BMP в принципиальном отношении дает нам возможность с помощью Переносного анализатора определять содержание паров метанола в газе практически на количественном (или по крайней мере на полуколичественном) уровне.
Как показывают тестовые эксперименты, а также выполненные нами теоретические проработки, сравнение зависимостей точек конденсации BMP от давления (термодинамика), а также определение скорости конденсации (кинетика) позволяют определить содержание метанола, растворенного в природном газе, с погрешностью не хуже ±(30-50) г/1000 м3, т.е. практически на уровне погрешности хроматографического определения метанола в газе. Методические работы, связанные с алгоритмами одновременного определения точки росы газа по BMP и содержания в природном газе метанола могут быть продолжены с целью разработки метрологически атестованной методики определения метанола в газе на приборах серии «КОНГ».
Отметим, что рассматриваемые вопросы представляют не только академический интерес, а становятся практически важными и актуальными в связи с разработанной ВНИИГАЗом новой версией ОСТа 51.40, в которую введено понятие точки росы газа по термодинамически наиболее стабильной фазе (во многих случаях термодинамически наиболее стабильной водной фазой, конденсирующейся из газа, оказывается именно газовый гидратор). Таким образом, благодаря своим широким функциональным возможностям новое поколение приборов семейства «КОНГ» — измерителей точек росы газа по водным фазам и тяжелым углеводородам — легко адаптируется к современным требованиям отраслевого стандарта по показателям качества товарного газа, поставляемого в магистральные газопроводы.
Результаты испытаний переносного анализатора в практических условиях
Испытания проводились в период с 20.11.2002 г. по 22.11.2002 г. на Алтайском ЛПУ МГ ООО «Югтрансгаз». Показания Переносного анализатора сравнивались с показаниями сорбционного гигрометра «Ива» и переносного визуального гигрометра Чандлер («Chandler»).
В процессе проведенных испытаний была подтверждена корректность методики измерения температуры точек росы по влаге и углеводородам при редуцировании давления в измерительной камере, разработанная для Переносного анализатора.
Заключение
Переносной анализатор «КОНГ-ПРИМА 4П» — автономный, портативный, высокоинтеллектуальный гигрометр, принадлежащий к классу автоматических зеркальных гигрометров и реализующий конденсационный метод измерения, является перспективным отечественным измерителем точки росы по воде и углеводородам.
Важными отличительными особенностями Переносного анализатора от портативных гигрометров других производителей являются:
  • применение современных электронных и информационных технологий, реализованных и первоначально методически отработанных в стационарном приборе «КОНГ- ПРИМА 4»;
  • наличие встроенной системы газоподготовки, позволяющей варьировать давление пробы газа от рабочего давления в трубопроводе до нормального давления (т.е. измерять полные кривые температур точек конденсации углеводородов и разноообразных водных фаз от давления), что существенно расширяет возможности технологического использования переносного прибора на газовых промыслах и на СПХГ;
  • наличие встроенного калибратора, что дает уникальную на сегодня возможность оперативно самотестировать прибор, а также проводить поверки стационарно-установленных приборов семейства «КОНГ».
Таким образом, Переносной анализатор «КОНГ-ПРИМА 4П» имеет широкие перспективы практического использования в газовой и других отраслях промышленности (нефтяной, химической промышленности, металлургии, энергетике, приборостроении) для контроля процессов по параметрам точки росы технологического газа. В газовой отрасли Переносной анализатор может эффективно применяться:
  • в установках комплексной подготовки природного газа на газовых промыслах и на станциях подземного хранения газа для контроля процессов подготовки газа к транспорту и оптимизации работы установок НТС, абсорберов и т.д.;
  • в качестве контрольного прибора на газоизмерительных станциях при транспортировке газовых потоков;
  • для контроля показателей осушки газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях;
  • как комплекс для поверки калибровочной характеристики как самого Переносного анализатора, так и других влагомеров семейства «КОНГ-ПРИМА»;
  • как научно-исследовательский комплекс для изучения термодинамических процессов льдообразования, гидратообразования и конденсации-испарения воды в различных газообразных средах и при различных давлениях.
Литература:
  1. Деревягин А.М., Селезнёв С.В., Степанов А.Р. Анализатор точки росы по влаге и углеводородам «КОНГ-ПРИМА-4» // Наука и техника в газовой промышленности, 2002. № 1.
  2. Селезнёв С.В., Агальцов А.Г., Деревягин А.М. Использование влагомеров семейства «КОНГ-ПРИМА» для измерения точки росы сжатого природного газа на АГНКС // Моторное топливо, 2002.
  3. Сидячева Т.П., Катаева М.А., Калиниченко В.Н., Смагина Т.Р. Методический подход к вопросу оценки содержания метанола различных концентраций в газовых, жидких углеводородных и водных средах / Сб.: «Проблемы освоения месторождений Уренгойского комплекса». — М.: Недра, 2003. — С. 194-200.
  4. Истомин В.А., Деревягин А.М., Селезнёв С.В., Степанов А.Р., Агальцов А.Г. Экспериментальное исследование термодинамики и кинетики кристаллизации газовых гидратов из газовой фазы / Тезисы докладов Российской конференции «Газовые гидраты в Экосистеме Земли — 2003», 27-29 января 2003 г., Новосибирск.
  5. Селезнёв С.В., Деревягин А.М., Агальцов А.Г. Степанов А.Р., Ефимов Р.Н., Михайлов Ю.В., Губанов В.А., Истомин В.А. Поверочный комплекс КОНГ. // Наука и техника в газовой промышленности, 2003. — № 1.