В последние годы в газовой отрасли уделяется большое внимание разработке средств контроля и технологий, обеспечивающих соблюдение показателей качества добываемого товарного газа. Особенно актуальна эта проблема при переходе основных месторождений Западной Сибири на позднюю стадию разработки. Одним из наиболее популярных влагомеров конденсационного типа в настоящее время является влагомер «КОНГ-Прима-2». Недавно научно-производственная фирма «Вымпел» разработала новую модель серии КОНГ — анализатор точки росы газа по влаге и по углеводородам «КОНГ-Прима-4». Анализатор «КОНГ-Прима-4» прошел успешные межведомственные испытания и рекомендован к внедрению на предприятиях нефтегазовой отрасли. По сравнению с «КОНГ-Прима-2» новый прибор обладает существенно более широкими функциональными возможностями.

Анализатор точки росы по углеводородам по влаге «КОНГ-Прима-4» (Анализатор) предназначен для измерения температуры точки росы по влаге и углеводородам в природном газе, воздухе и в других инертных газах. Анализатор относится к классу зеркальных гигрометров и реализует конденсационный метод измерения точки росы. Анализатор относится к классу высокоинтеллектуальных многоуровневых систем.

Анализатор может быть использован:

Основные функциональные особенности Анализатора:

В состав Анализатора входят следующие основные блоки:

ЦУБ в составе анализатора выполняет следующие функции:

ПТР при работе в составе Анализатора выполняет следующие функции:

Анализатор выполнен в виде масштабируемой распределенной микропроцессорной системы и, при необходимости, может быть дополнен другими компонентами: дополни тельные первичные датчики, модули аналогового и дискретного ввода-вывода, внешнее регистрирующее устройство, модем/радиомодем и др.

Масштабируемость системы позволяет определять ее конфигурацию в зависимости от нужд потребителя: автономная работа ПТР как измерителя влажности, работа нескольких ПТР с визуализацией процессов конденсации на мониторе ЦУБ для исследовательских целей, использование полной конфигурации системы как анализатора конденсирующихся примесей.

Коммуникационные возможности Анализатора позволяют создать на его базе глобальную систему мониторинга точек росы газа, которая сможет наблюдать и контролировать показания приборов в любом месте их установки. Организационно-технически в настоящее время реализована трехуровневая модель получения, движения и накопления данных.

Первый уровень — измерение точек росы по влаге и углеводородам, сбор и хранение данных и передача их на второй уровень.

Второй уровень — единый операционный центр сбора, обработки и распределения информации, обеспечивающий дистанционную диагностику и администрирование Анализаторов.

Третий уровень — потребители информации, в том числе специалисты, занимающиеся анализом информации, администраторы. Потребители информации должны иметь персональный авторизованный доступ к информационным ресурсам системы через общие или корпоративные сети Internet/ Intranet (или совместимые, например, «Единая ведомственная система передачи данных» ОАО «Газпром» и ее региональные составляющие), что обеспечит возможность дальнейшего роста количества пользователей без дополнительных расходов на оборудование и администрирование системы.

В Анализаторе реализован конденсационный метод измерения точки росы. В основу любого конденсационного гигрометра положены три основных конструктивных элемента: конденсационное зеркало (охлаждающее устройство), система регистрации пленки конденсата и измеритель температуры поверхности зеркала.

В существующих гигрометрах, представленных на рынке промышленных конденсационных гигрометров, в качестве конденсационного зеркала используются цилиндрические полированные поверхности диаметром 10 мм и больше.

Для охлаждения конденсационного зеркала используются либо дроссельные холодильники, либо термоэлектрические охлаждающие устройства. В качестве системы регистрации пленки конденсата применяется оптическая схема, построенная по принципу рассеяния света (рис. 1а).

Алгоритмы функционирования автоматических конденсационных гигрометров можно разделить на две группы:

К представителям первой группы относятся гигрометры: фирмы «Michell» (модели CONDUMAX, S4000, DEWMET), фирмы «Marquis» (модели GIGROMAT 1100-02). К второй — гигрометры фирмы «Bovar» (модель 241).

Все представленные на рынке гигрометры работают при постоянном протоке газа над конденсационным зеркалом, а также имеют линии отбора и подготовки пробы исследуемого газа. Под подготовкой газа подразумевается подогрев пробоотборной линии, фильтрация газа от механических, аэрозольных примесей и капельной жидкости.

Практически для всех промышленно выпускаемых конденсационных гигрометров неразрешенной проблемой является измерение точки росы по воде в присутствии ранее конденсируемых примесей, например, углеводородов. Как правило, автоматические конденсационные гигрометры в этих условиях измеряют точку росы первой сконденсировавшейся примеси исследуемого газа.

Основная особенность чувствительного элемента ПТР заключается в наличии сверхминиатюрного конденсационного зеркала, объединенного с системой регистрации пленки конденсата в единое устройство (рис. 1б).

Решение этой задачи было получено путем применения волоконно-оптического способа фиксации момента появления конденсата, основанного на принципе нарушения полного внутреннего отражения света.

Объединение системы регистрации с миниатюрным конденсационным зеркалом достигается за счет использования миниатюрного высокочувствительного волоконно-оптического элемента в качестве: конденсационного зеркала, системы регистрации пленки конденсата. Измерение температуры точки росы при этом производится термодатчиком, сопряженным и соизмеримым с чувствительным элементом.

Уникальная технология сборки измерительного узла на основе кварцевого оптического волокна позволила получить субминиатюрное конденсационно-регистрирующее устройство с площадью не более 0,25 мм2 (рис. 2).

Вышеизложенный подход к реализации конденсационного метода позволил:

Высокая чувствительность и миниатюрность конденсационно-регистрирующего элемента гигрометра позволяют измерять точку росы в заданном диапазоне и без организации принудительного потока исследуемого газа на конденсационную поверхность, т.е. для регистрации точки росы достаточно тех молекул воды, которые находятся в прилегающем к охлаждаемой поверхности слое газа. Эта особенность позволяет осуществлять массообмен влаги на уровне диффузионноконвекционных процессов.

Реализованные в приборе конструктивные особенности позволяют проводить процесс измерения точки росы непосредственно в газовом потоке без искажения пробы газа фильтрующими элементами, т.е. осуществляется прямой контакт между газовой средой и конденсационным зеркалом. Для этого используется пробоотборное устройство погружного типа (рис. 3).

Оригинальная конструкция системы погружного пробоотборного устройства с отсечным шаровым краном позволяет гигрометру успешно работать в загрязненных средах при рабочих давлениях до 10 МПа.

Торцевая часть пробоотборного устройства выполнена и расположена в потоке исследуемого газа таким образом, что осуществляется защита от прямого попадания брызг, капель и твердых частиц на конденсационное зеркало гигрометра. Более тонкая очистка газа от механических и аэрозольных примесей достигается за счет создания непосредственно над чувствительным элементом диффузионной зоны массообмена, которая препятствует проникновению частиц мелкодисперсных примесей за счет воздействия на них гравитационных сил.

Вместе с тем для ускорения процессов газообмена между потоком в трубопроводе и чувствительным элементом ПТР Анализатора пробоотборное устройство снабжено игольчатым клапаном, настроенным на расход 1 л/мин. Наличие в пробоотборном устройстве встроенного шарового крана существенно упрощает процесс монтажа/демонтажа ПТР без сброса давления в газовой магистрали.

Представленные выше технические решения запатентованы более чем в 10 странах, в том числе России, США, Японии и Китае. Анализатор имеет все необходимые сертификаты и может без ограничений применяться как в России и странах СНГ, так и в странах дальнего зарубежья.

Анализатор представляет собой автоматический измеритель точки росы по влаге и точки росы по углеводородам. Измерение этих значений происходит поочередно в циклическом режиме.

Сначала производится тестирование пробы газа на наличие в ней углеводородов (других ранее конденсируемых примесей). В зависимости от результатов теста выбираются параметры рабочих циклов. При обнаружении углеводородов Анализатор переходит в режим поочередного измерения точек росы по влаге и углеводородам. Критерием перехода к повторному тестированию служит либо изменение значения точки росы по влаге (на 2 °С и более), либо завершение определенного количества рабочих циклов.

Таким образом, в процессе работы Анализатора периодически в автоматическом режиме проверяется наличие в исследуемом газе ранее конденсируемых углеводородов. При необходимости, алгоритм работы анализатора предусматривает возможность «запретить» измерение точки росы по углеводородам или точки росы по влаге. Алгоритм работы Анализатора предусматривает и особый динамический режим, при котором отслеживается динамика изменения точки росы по влаге без измерения точки росы по углеводородам. После стабилизации процесса происходит возврат к основному алгоритму работы.

На рис. 4. приведено состояние монитора ЦУБа после включения Анализатора и проведения серии измерений точки росы по влаге и углеводородам. На мониторе точка росы по воде обозначается как «DP Н20», а по углеводородам «DP СН».

В левом нижнем углу монитора находится кнопка «Визуализация», нажатие которой приводит к активизации данного режима. В данном режиме на монитор в реальном масштабе времени выводятся температура на чувствительном элементе ПТР (красная линия) и состояние поверхности чувствительного элемента (зеленая линия), т.е. при конденсации воды или углеводородов на поверхность чувствительного элемента происходит снижение уровня фотосигнала, а при испарении — соответственно повышение.

Алгоритм работы Анализатора содержит пять различных типов измерительных циклов: тестовый цикл 1; тестовый цикл 2; измерительный цикл по влаге; измерительный цикл по углеводородам; измерительный цикл по пленке конденсата.

Тестовый цикл 1 представляет собой процесс кратковременного удержания на чувствительном элементе (зеркале) ПТР программнозаданной пленки конденсата. По средней температуре удержания определяются основные рабочие параметры для тестового цикла 2, а также возможность измерения точки росы путем удержания пленки конденсата.

Процесс измерения точки росы в тестовом цикле 1 состоит из четырех основных фаз:

Тестовый цикл 2 представляет собой процесс достаточно быстрого и «глубокого» охлаждения зеркала ПТР с последующим быстрым испарением. По анализу кривой конденсации и сравнению измеренных значений в первом и втором тестовых циклах определяются наличие в исследуемом газе углеводородов и параметры рабочего цикла для измерения точки росы по влаге.

Процесс измерения точки росы в этом цикле состоит из трех основных фаз:

Измерительный цикл по влаге повторяет тестовый цикл 2, но имеет другие настроечные параметры.

В результате выполнения этого цикла определяется реальное значение точки росы по влаге, выводимое на индикатор. При изменении измеренного в этом цикле значения точки росы на величину больше допустимого или при нормальном завершении определенного количества циклов происходит переход на тестовый цикл 1.

Измерительный цикл по углеводородам представляет собой процесс медленного охлаждения зеркала ПТР с фиксацией температур начала конденсации (момента образования тонкой пленки конденсата). Измеренное в этом цикле значение выводится на индикатор в качестве точки росы по углеводородам.

Перед началом каждого цикла определяется степень загрязнения зеркала. В случае падения чувствительности оптического тракта в два раза (до 50 %) индицируется соответствующее сообщение на индикаторе и осуществляется регенерация чувствительного элемента до восстановления работоспособности.

В каждом из выше перечисленных циклов производится математическая обработка результатов цикла и на основе результатов проведенных анализов делается вывод о достоверности измерения.

Организации, в которых проводились испытания Анализатора, и объем проведенных исследований представлены в таблице.

В результате проведенных тестовых испытаний: