Анализаторы влажности газов (гигрометры) в нефтегазовой промышленности

Содержание

Измерение содержания влаги в газе (точнее – температуры точки росы по воде, ТТРв) является ключевым параметром для контроля качества природного и технологических газов. Точка росы – это температура газа, при которой содержащийся в нём водяной пар при охлаждении изобарически достигает насыщения над плоской поверхностью воды. При более высокой влажности точка росы приближается к температуре газа; при 100% влажности ТТР совпадает с фактической температурой газа. Избыточная влага в потоке газа приводит к снижению калорийности (влага сгорает не полностью) и коррозии магистралей, а в высоком давлении – к образованию гидратов, что может вызвать закупорку трубопровода. Именно поэтому промышленная методика анализа влажности газов регламентируется стандартами (например, ГОСТ 20060-83 и ГОСТ Р 53763-2009 для природного газа) и требует точных непрерывных измерений.

Принцип действия гигрометров

Современные промышленные гигрометры (анализаторы влажности газа) измеряют либо парциальное давление водяного пара, либо непосредственно температуру точки росы. Известны несколько методов: холодного зеркала (конденсационный метод) — старейшая «первопринципная» схема, где зеркальный элемент охлаждается до появления конденсата; ёмкостные датчики, чувствительные к адсорбции водяного пара; кварцевые микровесы (QCM), улавливающие изменение частоты резонанса при адсорбции; оптические (лазерные) методы, основанные на спектроскопических линиях воды. Сегодня большинство стационарных анализаторов влажности газа в нефтегазовой отрасли использует адсорбционно-ёмкостной принцип: на поверхность ионно-пористого или полимерного слоя осаждаются молекулы воды, меняя его диэлектрическую проницаемость, а значит, и ёмкость сенсора. Приборы серии «ГигроСкан» работают именно по такому принципу.

Точность расчёта ТТР достигается благодаря учёту рабочего давления пробы газа: многие анализаторы (в том числе HygroScan) оснащены датчиком давления и вычисляют ТТР газа при действующем давлении, с возможностью пересчёта на иные условия. Это важно для газопроводных систем, где парциальное давление воды сильно зависит от общего давления. Результирующую ТТР обычно выводят в градусах Цельсия, а влажность – в эквиваленте концентрации (мг/м³ или ppm), либо относительной влажности (менее распространено в промышленных условиях).

Для расчёта ТТР из измеренных параметров может применяться, например, формула Магнуса–Тетенса. При атмосферном давлении она задаётся выражением

где T – температура газа (°C), – относительная влажность (единица), а a=17,27 , b=237,7,°C . В более общем виде можно вычислять давление насыщенного пара по формуле Магнуса  и находить  из уравнения . Для природного газа с учётом состава применяются табличные или программные модели (ГОСТы рекомендуют учитывать состав газа), однако в простейших моделях при низкой концентрации воды достаточно считать насыщение над чистой водой.

Основные элементы измерительной цепи – пробоотборник с регулятором давления, фильтр/осушитель и собственно сенсор. Важными условиями корректной работы являются: поддержание трубопровода пробоотводной системы при температуре выше точки росы (чтобы избежать конденсации); надёжность соединений без утечек (при высоком давлении утечка «затягивает» внешнюю влажность в систему); малый объём «мертвых зон» в трубопроводе (чтобы не задерживался конденсат и не нарушал результаты). Важен подбор материалов: наилучшими считаются нержавеющая сталь и PTFE, минимально пропускающие влагу. Наличие фильтра, улавливающего капли жидкости, и регулятора расхода (стабилизирующего нужный расход пробы) также обязательно.

Современные сенсоры допускают измерение при высоком давлении газа (до 25 МПа и более), зачастую без конденсации внутреннего охлаждения – анализ ведётся на рабочем давлении пробы. В таких системах значение ТТР рассчитывается в реальном времени. Например, в анализаторах HygroScan чувствительный элемент термостатируют (поддерживается постоянная температура), что обеспечивает стабильность показаний в диапазоне окружающей температуры примерно от –40 до +50 °C. Между проверками (поверками) калибровка пробоотборника обычно не требуется: аппарат не нуждается в подаче калибровочных газов, а интервал поверок составляет порядка 1 года.

Области применения анализаторов влажности

Анализаторы влажности широко применяются на всех участках нефтегазового производства и транспорта, где критична сухость газа. К ним относят: природный газ до и после очистки (подготовленного к транспорту по подводным и наземным магистралям); топливный, пусковой и импульсный газ на компрессорных станциях; природный газ на входе/выходе газохранилищ; технологические газы на производствах органических веществ; метан на установках СПГ (контроль осушки перед сжижением); природный сжатый газ для автотракторов и ГПА по требованиям ГОСТ 27577-2000. В этих областях наличия влаги свыше проектных величин может вызвать конденсацию жидких капель и гидратообразование, что опасно и приводит к порче оборудования. Кроме того, влажный газ легче корродирует металлические трубы и арматуру, а также снижает теплотворную способность топлива. Поэтому измерения влажности являются обязательными на газораспределительных станциях, компрессорных узлах и магистральных газопроводах.

В ряде применений гигрометры используются и для других газов: например, на химических и пищевых производствах, в энергосистемах (контроль влажности технологического кислорода, азота, инертных газов) и пр. Везде, где требуются малые концентрации влаги (от ppm до mg/м³), эти приборы незаменимы. И хотя существуют и альтернативные методы (например, лаборант может определить влажность пробы по точке росы охлаждением в охлаждаемой ячейке или фазометрическими методами), автоматические анализаторы обеспечивают непрерывный онлайн-контроль, что критично для безопасности и эффективности процессов.

Технические особенности и характеристики (на примере «ГигроСкан»)

Продукция НТФ «БАКС» серии «ГигроСкан» иллюстрирует современный подход к газовым гигрометрам. Это взрывозащищённые (Ex mb) анализаторы, работающие по адсорбционно-ёмкостному принципу. Они предназначены для автоматического измерения парциального давления воды с последующим вычислением ТТРв по ГОСТ (расчёт ведётся в явном виде). Главные технические показатели для всех модификаций: диапазон ТТРв примерно от –70…–80 °C до +20 °C (приблизительно 2…0 ppm воды), абсолютная погрешность около ±1…2 °C в зависимости от диапазона, воспроизводимость – порядка долей °C. Анализ проводится при расходе пробы ~0,5–5 л/мин и давлении до 25 МПа. Мощность работы невысока – для стационарной версии «С» порядка 60–65 Вт от сети 220 В, для переносной «П» 20 Вт от аккумулятора, для передатчиков «Т» ещё меньше (несколько ватт). При этом ресурсы сенсоров позволяют поддерживать калибровку до года без дополнительной подачи опорных смесей.

Семейство HygroScan делится на три основные модификации:

• HygroScan-S (стационарный) – монтируется на распределительном щите или в шкафу на объекте. Предназначен для непрерывного или периодического анализа одного или двух газовых потоков. Встроенные электромагнитные клапаны позволяют экономить пробу (переключение на цикл анализа по таймеру), а ЖК-дисплей показывает результаты в нужных единицах. Конструкция включает термостатирование чувствительного элемента, благодаря чему диапазон рабочих температур широк (ок. –40…+50 °C). Прибор хранит архив измерений и событий. Интерфейсы: RS-232/485, Ethernet, аналоговые 4–20 мА, есть опция GSM/GPRS. Габариты ~200×370×355 мм, защита IP66, взрывозащита – «взрывонепроницаемая оболочка» (Ex d IIC Т6). Срок службы – не менее 10 лет.
• HygroScan-P (переносной) – виброустойчивый компактный прибор для полевых и лабораторных работ. Внутри – та же измерительная система, что и у стационарного, но в лёгком корпусе с аккумуляторным питанием. Предусмотрена возможность подзарядки от сети 220 В и автомобильного прикуривателя. Прибор автономен – для мобильных измерений при запуске или ремонте газопровода, для выборочной поверки стационарной установки или контроля лаборатории. Диапазоны и точность «П» аналогичны «С», интерфейс – RS-232. Заявлен IP65, температура работы – –40…+50 °C. Благодаря малым размерам (примерно 330×420×165 мм) и весу (до 9 кг) «П» удобен в переноске, при этом оборудован всеми необходимыми средствами защиты (Ex mb IIC T6).
• HygroScan-T (датчик-передатчик) – компактное устройство для встроенной установки (например, непосредственно на трубопроводе или коллекторе) и подключения к системам автоматизации. Выпускается в трёх вариантах: Т PRO (с дисплеем и кнопкой управления), Т LIGHT (эксплуатируемый передатчик), Т MICRO (миникорпус для внешних систем). Все выполняют непрерывный анализ в режиме реального времени с теми же возможностями, что и стационарный анализатор. Особенности: передача показаний на внешние устройства по интерфейсам RS-485, 4–20 мА (и по протоколу HART у версии PRO); низкое энергопотребление (от 5 до 45 Вт в зависимости от модели); наличие дисплея у PRO-версии; плотный корпус IP66 и взрывозащита Ex mb IIC T6. Диапазон ТТРв, погрешность и расход пробы у «Т» тот же, что у «С» и «П». Срок службы передатчика – не менее 10 лет.

Все гигрометры «ГигроСкан» не требуют использования вспомогательных калибровочных газов и остаются откалиброванными в течение межповерочного интервала. Это достигается благодаря стабильности ёмкостного сенсора. Калибровка или проверка точности обычно выполняется раз в год. Главные достоинства серии – высокая чувствительность до долей ppm (2 мг/м³ соответствует примерно –70…–80 °C ТТР), отсутствие перекрёстной чувствительности к точке росы по углеводородам, а также возможность замера при давлении пробы до 25 МПа.

История развития анализаторов влажности

Методики измерения влажности газа прошли долгий путь развития. Первые гигрометры использовали холодное зеркало – зеркальный датчик охлаждали до появления конденсата, фиксируя температуру фазового перехода. Этот принцип по сей день является «золотым стандартом» точности (применяется в поверочных установках). В 1970-х годах были разработаны первые тонкоплёночные ёмкостные сенсоры. Так, в 1976 г. компания Michell Instruments впервые выпустила анализатор с алюмооксидным сенсором точечной росы на основе тонкоплёночной ёмкости. Этот и подобные сенсоры позволили реализовать компактные, недорогие приборы с быстрым откликом и широким диапазоном измерений. В последующие десятилетия совершенствовались материалы сенсоров (керамика, полимеры, поликремний) и электроника (включая появление RS-232, HART, LTE-интерфейсов). Появились и кварцевые микровесы для сверхнизких концентраций (trace moisture) и лазерные анализаторы (TDLAS) для очень точного измерения влажности в газах. Практики подтверждают: измерять влагу при высоком давлении рабочего газа и высчитывать точку росы – наиболее надёжный способ оценки влажности. С каждым годом точность и надёжность анализаторов растут: сегодня выпускаются двухканальные системы, мобильные портативные «лаборатории» и онлайн-системы с возможностью работы при экстремальных температурах окружающей среды.

Практические рекомендации

Для корректной работы гигрометра важно правильно организовать пробоотбор и обслуживание. 

1. Условия пробы: пробу следует брать после качественной фильтрации от капельной жидкости. Рекомендуется поддерживать температуру пробоотводящих труб выше фактической точки росы анализируемого газа, чтобы исключить конденсацию. Любая влага в трубопроводе нарушит достоверность измерений. Также нужно обеспечить герметичность системы: при высоком давлении даже небольшая утечка «затянет» внешнюю влажность внутрь (эффект дисбаланса парциальных давлений). Материалы трубок и фиттингов – инертные (лучше нержавеющая сталь или PTFE), без пор. Длина и сложность трубопровода должны быть минимальны, чтобы исключить «мертвые объёмы» и эффект адсорбции/десорбции на стенках. 
2. Способ монтажа: пробоотборник устанавливают ближе к трассе, без резких перегибов и перепадов температур. При необходимости используют нагревательные кабели или термоштатив (например, Z-TCE), чтобы поддерживать постоянную температуру корпуса прибора и магистрали около него. 
3. Обслуживание: анализатор нуждается в ежегодной поверке (интервал ~1 год). Хотя приборы HygroScan не требуют регулярной подачи калибровочных смесей, рекомендуется проверять прибор на эталоне (хотя бы через сервисный центр) и замещать или проверять чувствительный элемент по регламенту. Технический персонал должен следить за состоянием фильтров-сепараторов (при необходимости заменять осушающие патроны) и чистотой фильтра грубой очистки, предотвращающего попадание жидкости на сенсор.

Заключение

Итак, промышленные анализаторы влажности газов – это специализированные приборы для измерения низких концентраций воды в потоке газа с выдачей температуры точки росы. Они основаны на первичных физических принципах (с конденсацией или адсорбцией) и служат для предупреждения проблем коррозии, гидратообразования и отклонения качества газа. Серия гигрометров HygroScan компании НТФ «БАКС» демонстрирует современные возможности таких приборов: взрывозащищённость, широкий диапазон измерений (сверхнизкие ТТР), возможность работы при высоких давлениях и удобство интеграции в систему автоматики. При правильном подборе, монтаже и обслуживании эти анализаторы гарантируют надёжный контроль влажности на нефтегазовых объектах, повышая безопасность и эффективность производства.