Принцип работы ДПИ при определении точек росы газа природного газа

В промышленных природных газах (прошедших промысловую и/или заводскую обработку) содержатся как углеводороды, так и пары воды. Поэтому ниже остановимся на принципах их измерения анализатором.

Измерение точки росы по влаге

Измерение точки росы по влаге в присутствии ранее конденсирующихся углеводородов проводится с использованием быстрого охлаждения и нагрева конденсационного зеркала ДПИ со скоростью 1 °С/с. Высокая скорость позволяет сократить время нахождения чувствительного элемента (зеркала) в условиях конденсации углеводородов и, следовательно, ограничить накопление углеводородов, что создает более благоприятные условия для прорыва воды через пленку углеводородов (т.е. реализации так называемого эффекта избирательного смачивания).

На рисунке 7 в графическом виде представлен трек, снятый с ПК при работе анализатора в режиме визуализации. Этот трек характеризует процесс конденсации углеводородов и влаги, характерный для природного газа в магистральных газопроводах, т.е. газа прошедшего все стадии подготовки и соответствующего ОСТ 51.40 - 93 [17] при рабочем давлении в трубопроводе 5,5…7,5 МПа.

Как можно наблюдать на рисунке 7, в процессе охлаждения конденсационного зеркала, на кривой конденсации наблюдается конденсация двух различных фаз: сначала происходит конденсация углеводородов, а затем - влаги. При этом начало конденсации воды характеризуется небольшим подъёмом уровня фотосигнала, помеченным на рисунке цифрой 3, что соответствует процессу вытеснения водой плёнки углеводородов, ранее образовавшейся на конденсационном зеркале.

Рисунок 7. - Конденсация влаги в присутствии незначительного количества ранее конденсируемых углеводородов

1 - температура конденсационного зеркала; 2 - текущий уровень фотосигнала; 3 - утоньшение плёнки углеводородов и начало конденсации воды; 4 - процесс интенсивной конденсация воды; 5 - процесс испарения воды; 6 - процесс испарения углеводородов

При нагреве зеркала происходит обратная картина: вначале испаряется влага, а затем - углеводороды. Кроме того, в отличие от воды, сконденсированная пленка углеводородов не приводит к значительному падению фотосигнала, что также является отличительной особенностью конденсации углеводородов. Величина снижения уровня фотосигнала от конденсации углеводородов доходит до 90 %.

На рисунке 8 представлен процесс конденсации влаги в присутствии большего количества тяжелых углеводородов, конденсирующихся до воды.

Рисунок 8. - Конденсация влаги в присутствии ранее конденсируемых тяжелых углеводородов

1 - температура конденсационного зеркала; 2 - текущий уровень фотосигнала; 3 - утоньшение плёнки углеводородов и начало конденсации воды; 4 - процесс интенсивной конденсация воды; 5 - процесс испарения воды; 6 - процесс испарения углеводородов.

На рисунке 8 уже в более явном виде просматривается конденсация на зеркале двух различных фракций. При этом скорость конденсации углеводородов сопоставима со скоростью конденсации влаги. Однако, как и в предыдущем случае, сконденсированная пленка углеводородов не приводит к значительному падению фотосигнала, а непосредственно перед конденсацией влаги (точнее, прорыва воды через пленку углеводородов) происходит значительное увеличение фотосигнала. Это объясняется тем, что в отличие от предыдущего случая до момента конденсации воды на конденсационном зеркале накопилось значительно большее количество углеводородов. Таким образом, при конденсации большего количества тяжелых углеводородов величина фотосигнала снизилась уже до уровня 60 %.

Наиболее сложные условия для дифференцирования углеводородов и влаги характерны для газов с большим количеством углеводородов (природный газ валанжинских залежей, голландский газ и др.). Процесс конденсации влаги в таких газах представлен на рисунке 9.

Рисунок 9. - Конденсация влаги в газах с большим содержанием тяжелых углеводородов

1 - температура конденсационного зеркала; 2 - процесс конденсации углеводородов; 3 - процесс интенсивной конденсация воды; 4 - процесс испарения воды; 5 - процесс испарения углеводородов

Конденсация и рост пленки углеводородов в этих случаях сопровождается резкими скачкообразными изменениями уровня фотосигнала и может продолжаться достаточно длительное время (до 20…30 с). И только после значительного переохлаждения зеркала чувствительного элемента происходит прорыв воды сквозь пленку углеводородов, сопровождающийся интенсивным снижением уровня фотосигнала. Уровень фотосигнала в результате конденсации углеводородов снижается до 60%. При этом на кривой испарения углеводороды практически не отражаются.

По проведенным результатам можно отметить следующее. Минимальное значение уровня фотосигнала при конденсации на зеркало ДПИ различных по компонентному составу углеводородов составляет 60%. Кривая испарения во всех представленных треках мене подвержена влиянию углеводородов, чем кривая конденсации.

Если же точка росы по углеводородам лежит ниже точки росы по влаге, на кривой конденсации их присутствие никак не сказывается, так как конденсация влаги приводит к существенному снижению фотосигнала (рисунок 10).

Вследствие этого, анализатор может определить точку росы по углеводородам только в том случае, если она находится выше точки росы по влаге.

Измерение точки росы по углеводородам.

Скорость в режиме охлаждения задается низкой (0,2°С/с) согласно методике определения точки росы по углеводородам, изложенной в соответствующем ГОСТ 20061-84, где за точку росы по углеводородам принимают температуру начала конденсации углеводородов. На рисунке 11 в графическом виде представлен трек, снятый с ПК в режиме визуализации при конденсации паров пропана. Из рисунка 11 видно, что снижение фотосигнала происходит до уровня ~80%, после чего при дальнейшем охлаждении зеркала динамика изменения фотосигнала отсутствует. Объясняется это тем, что рост плёнки, по мере понижения температуры зеркала, не может быть бесконечно большим.

В процессе охлаждения поверхности, прилегающие к конденсационному зеркалу, приобретают температуру равную температуре конденсации компонента, что приводит к растеканию плёнки углеводородов на края конденсационного зеркала и прилегающие поверхности и, как следствие, к стабилизации толщины плёнки на изгибе конденсационного зеркала. Важную роль в этом процессе играет и кривизна поверхности изгиба в совокупности с высокой смачиваемостью сконденсированного флюида.

В результате за точку росы по углеводородам принимается температура tк, определяемая в момент начала снижения фотосигнала (до 95…97%).

Рисунок 11 - Реакция датчика ИИП на конденсацию углеводородов

1 - температура конденсационного зеркала; 2 - текущий уровень фотосигнала.

Исходя из вышеизложенного, следует, что алгоритм измерения точки росы по влаге предполагает:

- охлаждение и нагрев конденсационного зеркала со скоростью ~1 °С/с;

- определение точки росы по кривой испарения влаги в результате её математической обработки;

- охлаждение (переохлаждение) конденсационного зеркала до снижения уровня фотосигнала на 50 %, что однозначно гарантирует наличие сконденсировавшейся влаги на конденсационном зеркале.