Содержание к диссертации
Введение
1. Технические требования и методы контроля качества природного газа по температуре точки росы 9
1.1. Технические требования к показателям качества газа 10
1.2. Анализ методов определения точек росы природного газа по влаге и углеводородам 13
1.3. Направления дальнейшего совершенствования конденсационного метода измерения влажности 18
1.4. Постановка задачи исследования и определение путей ее решения 27
2. Разработка нового способа измерения температур точек росы газа конденсационным методом и его реализация в виде лазерного интерференционного преобразователя информации 32
2.1. Анализ преобразователей информации, используемых в существующих системах измерения точек росы конденсационного типа 32
2.2. Теоретические положения физической оптики, использованные при разработке нового способа измерения точек росы природного газа 41
2.3. Разработка схемы и элементов конструкции информационно-измерительного преобразователя (ИИП), реализующего новый способ измерения точки росы 58
3. Результаты экспериментальных исследований нового способа измерения и разработка алгоритма функционирования лазерного интерференционного ИИП в составе системы непрерывного контроля точек росы 80
3.1 Научно-исследовательский комплекс на базе интерференционного ИИП.. 80
3.2. Разработка принципов измерения точек росы и критериев разделения на зеркале конденсирующихся примесей 85
3.3. Разработка алгоритма измерения точек росы с помощью лазерного интерференционного ИИП 103
3.4. Техническая реализация лазерного интерференционного ИИП и алгоритма измерения точек росы в виде промышленной информационно-измерительной системы непрерывного контроля точек росы 111
4. Результаты лабораторных и промышленных испытаний лазерного интерференционного ИИП в составе Анализатора «КОНГ-Прима-10» 114
4.1.Результаты лабораторных испытаний лазерного интерференционного ИИП 114
4.2. Результаты испытаний лазерного интерференционного ИИП в условиях промышленной эксплуатации 124
4.3. Результаты внедрения ИИС непрерывного контроля качества газа по температуре точки росы с лазерным интерференционным ИИП 133
Заключение 136
- Анализ методов определения точек росы природного газа по влаге и углеводородам
- Теоретические положения физической оптики, использованные при разработке нового способа измерения точек росы природного газа
- Разработка принципов измерения точек росы и критериев разделения на зеркале конденсирующихся примесей
- Результаты испытаний лазерного интерференционного ИИП в условиях промышленной эксплуатации
Введение к работе
Природный газ на сегодняшний день является одним из самых распространенных источников энергии. Для подачи газа потребителю по магистральным газопроводам требуется его промысловая подготовка и заводская обработка - осушка и извлечение ценных компонентов (в частности, тяжелых углеводородов).
В нефтяной и газовой промышленности разработаны технические требования по показателям качества природного газа, предназначенного для дальнего магистрального транспорта, а также для использования в промышленности и быту. Важнейшими показателями качества являются точки росы природного газа по влаге и углеводородам, определяющие условия однофазного транспорта газа. Кроме того, допустимое содержание в газе влаги и углеводородов определяется в контрактах на поставку российского газа экспортерам^, 2] и их несоблюдение карается штрафными санкциями.
Поэтому любые неточности по определению точек росы по влаге и углеводородам на различных этапах подготовки и транспорта газа могут привести к существенным финансовым потерям.
Следовательно, контроль точек росы природного газа, определяющих содержание в нем влаги и тяжелых углеводородов должен быть непрерывным, автоматическим и достоверным.
Среди средств автоматического контроля точек росы наиболее перспективными считаются информационно- измерительные системы конденсационного типа, реализующие прямой метод измерения температуры точки росы. Наиболее известные зарубежные системы контроля точек росы фирм Ametek (США) и Michel instruments (Великобритания) используют комбинированный способ измерения: точка росы по углеводородам измеряется конденсационным методом, а точка росы по влаге - сорбционным методом. Единственной на данный момент системой определения точек росы по влаге и углеводородам, реализующей конденсационный метод измерения, является
российский анализатор точек росы «КОНГ-Прима-4», использующий принцип нарушения полного внутреннего отражения света в оптическом волокне. Использование этой системы в газовой промышленности России практически решило проблему измерения точки росы по влаге в присутствии ранее конденсирующихся углеводородов.
Таким образом, наиболее актуальной становится проблема измерения точки росы по углеводородам независимо от количества водяных паров содержащихся в газе (от температуры точки росы природного газа по влаге). Проблема осложняется широким компонентным составом конденсирующихся углеводородных фракций, имеющих различные физико-химические свойства.
Ни одна из существующих сегодня систем в общем случае не обеспечивает надежное и стабильное измерение точки росы по углеводородам в среде сжатого природного газа сложного многокомпонентного состава при наличии в нем других конденсируемых примесей (в первую очередь влаги). Это связано с недостаточно высокой чувствительностью измерительного тракта к тонким прозрачным пленкам углеводородов, наличием зависимости показаний от взаимного расположения температур начала конденсации влаги и углеводородов.
Исходя из вышеизложенного, актуальной задачей является поиск новых технических решений, которые могут быть использованы для улучшения технических и эксплуатационных характеристик систем автоматического контроля точек росы газа по влаге и углеводородам. Цель работы
Целью работы является разработка лазерного преобразователя информации для системы непрерывного контроля точек росы газа по влаге и углеводородам, обладающего высокой чувствительностью к конденсации углеводородных фракций (независимо от взаимного расположения точек росы и компонентного состава газа) и имеющего стабильные метрологические и эксплуатационные характеристики.
Основные задачи исследования
Анализ современного состояния и проблем, связанных с контролем качества газа по температурам точек росы влаги и углеводородов.
Обоснование и экспериментальное подтверждение способа одновременного измерения точек росы природного газа по влаге и углеводородам конденсационным методом, основанного на использовании различных отражающих свойств конденсирующихся из газа жидких фракций (флюидов).
Разработка схемы, элементов конструкции лазерного информационно-измерительного преобразователя (ИИП) и алгоритма его функционирования.
Подтверждение метрологических и эксплуатационных характеристик лазерного ИИП в составе системы непрерывного контроля качества газа и внедрение системы в промышленную эксплуатацию.
Научная новизна
Предложен новый способ измерения точек росы по влаге и углеводородам, отличающийся тем, что в оптической системе регистрации момента выпадения флюида используется диэлектрическое конденсационное зеркало, которое позволяет применить для разделения конденсирующихся из газа флюидов (углеводородов и влаги) эффект поляризации света при его отражении от поверхности зеркала.
Разработан лазерный информационно-измерительный преобразователь, отличающийся тем, что для повышения чувствительности схемы к конденсации углеводородов используется эффект Брюстера, а для повышения точности в процессе измерения контролируется толщина сконденсированной пленки флюида.
Разработан алгоритм измерения точек росы по влаге и углеводородам, отличающийся тем, что определение физической природы конденсирующихся флюидов производится по различию отражающих свойств образующейся пленки флюида, а фиксация момента конденсации каждого флюида (углеводороды, вода, лед) производится по одному из трех
независимых каналов измерения, что повышает стабильность и достоверность измерения точек росы. Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Предложенный способ измерения точек росы газа по влаге и углеводородам конденсационным методом, который основан на эффекте поляризации света при отражении от диэлектрического зеркала и реализованный в виде лазерного интерференционного ИИП.
Результаты экспериментальных исследований способа измерения, подтверждающие высокую чувствительность лазерного ИИП к тонким пленкам конденсирующихся флюидов и высокую избирательность к конденсации флюидов различной физической природы независимо от взаимного расположения температур начала конденсации их из газа.
Результаты лабораторных и метрологических испытаний, позволившие утвердить анализатор точек росы по влаге и углеводородам с лазерным ИИП в качестве типа средств измерений.
Результаты промышленных испытаний и практического использования разработанного способа в составе системы непрерывного контроля качества газа на различных объектах ОАО «Газпром».
Практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в разработке, обосновании и экспериментальном подтверждении способа измерения точек росы конденсационным методом, позволяющего повысить эффективность использования существующих систем измерения за счет повышения чувствительности к конденсирующимся углеводородам, увеличения точности и стабильности измерений, а также повышения надежности и упрощения их технического обслуживания при эксплуатации.
Разработанная конструкция лазерного ИИП в комплексе с алгоритмом автоматического измерения точек росы по влаге и углеводородам в настоящее время реализована в серийно выпускаемом анализаторе точек росы «КОНГ-
Прима -10», которые с 2006 года успешно эксплуатируются на объектах нефтегазовой отрасли. Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по газовым технологиям (Ванкувер, 2004), на 23 мировом газовом конгрессе (Амстердам, 2006), научно-технических совещаниях ОАО «Газпром» (Анапа, 2003, 2005, Москва, 2004 г.), на научных семинарах в НПФ «Вымпел», ВНИИГазе и Саратовском государственном техническом университете. Разработка новой конструкции анализатора с лазерным ИИП экспонировалась на выставках «Нефтегаз 2005 - 2006».
Анализ методов определения точек росы природного газа по влаге и углеводородам
Измерение точки росы по влаге. В настоящее время известно большое количество методов и средств измерения влажности газов [ 10-20]. Приведённая в [12] подробная классификация способов измерения влажности природных и технологических газов включает около двадцати методов.
Как и большинство методов измерения физических величин, все методы измерения влажности газов можно подразделить на прямые и косвенные методы.
Прямые методы основаны на непосредственном разделении влаги и сухого газа с последующим определением количества влаги. В эту группу входят методы полного поглощения (гравиметрические и химические), конденсационно-термометрический метод, с вымораживанием влаги и др.
В косвенных методах измеряется та или иная физическая величина, функционально связанная с влагосодержанием газа. К этим методам относятся диффузионные методы, сорбционные, химические и др.
В нефтегазовой промышленности ГОСТ 20060-83 устанавливает три основных и наиболее распространенных метода определения точки росы влаги: конденсационный, кулонометрический и абсорбционный. Однако анализ отечественных и зарубежных разработок показывает, что за последнее десятилетие произошел существенный прорыв в области сорбционных методов измерения влажности, основанный на использовании новых материалов и сплавов.
Сущность конденсационного метода заключается в определении температуры, до которой необходимо охладить прилегающий к охлаждаемой поверхности слой газа, для того чтобы довести его до состояния насыщения (равновесного состояния между образованием и испарением росы). Измерение точки росы конденсационным методом сводится к выполнению трёх операций: охлаждения поверхности конденсационного зеркала, фиксации момента появления на зеркале флюида (в виде росы или инея) и измерения температуры поверхности зеркала, соответствующей этому моменту. Способы выполнения этих операций определяют конструкцию гигрометра. По сути, конденсационный метод позволяет естественным образом и в наиболее полном объеме получать достоверную информацию о Благосостоянии газа.
Из серийно выпускаемых гигрометров конденсационного типа можно отметить ручные гигрометры серии «Харьков» (Украина) и «Чандлер» (США), и автоматические гигрометры «Bovar», «Anaconda», «Торос», «КОНГ-Прима».
В России наибольшее распространение получили приборы серии «КОНГ-Прима». Кулонометрический метод основан на полном извлечении влаги плёнкой сорбирующего вещества из точно дозируемого потока анализируемого газа при одновременном электролитическом разложении поглощенной влаги и измерении тока электролиза. При этом ток электролиза в установленном режиме является мерой содержания влаги в газе. Основные требования к кулонометрическим гигрометрам нормированы ГОСТ 17142-78 «Гигрометры кулонометрические. Общие технические условия».
Как правило, в автоматических кулонометрических гигрометрах чувствительный элемент представляет собой стеклянную трубку, внутри которой размещены платиновые электроды, выполненные в виде параллельных несоприкасающихся спиралей. Между электродами нанесена пленка частично гидратированной пятиокиси фосфора. Расход газа, протекающего через чувствительный элемент стабилизирован регулятором расхода. Геометрические размеры чувствительного элемента и расход газа подобраны так, чтобы практически вся влага из газа поглощалась плёнкой сорбента. К электродам чувствительного элемента подключен источник тока, напряжение которого превышает потенциал разложения воды, поэтому одновременно с поглощением влаги непрерывно происходит ее электролиз. В установившемся режиме количества поглощённой и разложенной влаги равны, а ток электролиза пропорционален объёмной доле влаги в анализируемом газе.
Из серийно выпускаемых гигрометров, использующих кулонометрический метод можно выделить гигрометры «Байкал» и «Кедр» (Россия), «Hygromat».
Абсорбционный метод основан на поглощении водяных паров безводным диэтиленгликолем (ДЭГ) и последующем определении связанной ДЭГом воды титрованием раствором К. Фишера [21]. Этот метод имеет ограничения по содержанию водяных паров в газе (не более 0,1 г/м ) и количеству сернистых соединений в газе (не более 0,03 г/м3), требует расходных материалов и поэтому применяется только в лабораторных условиях. Сорбционные методы измерения влажности используют способность веществ сорбировать влагу и тем самым изменять их свойства. В последние десятилетия широкое применение нашел сравнительно новый метод измерения влажности газов - пьезосорбционный. Чувствительный элемент пьезосорбционного гигрометра представляет собой пьезоэлектрический (кварцевый) резонатор, покрытый тонким слоем сорбирующего влагу вещества. При повышении относительной влажности газа масса сорбированной влаги увеличивается, а собственная частота кварцевого резонатора уменьшается. Частота измерительного кварцевого генератора сравнивается с частотой опорного генератора. Разность между этими двумя частотами является мерой относительной влажности газа. Наиболее широкое распространение в промышленности нашли отечественные пьезосорбционные гигрометры серии «Волна», «Исток» и «Ива», а из зарубежных «Du Pont».
Диэлъкометрический метод основан на измерении диэлектрической проницаемости газа, сильно зависящей от его влажности. Основой диэлектрического метода является зависимость диэлектрической проницаемости газа от его влагосодержания. Принцип действия гигрометров, базирующихся на диэлькометрическом методе, основан на сравнении диэлектрической проницаемости сухого опорного и влажного анализируемого газа, который попеременно поступает на один и тот же емкостной преобразователь.
Теоретические положения физической оптики, использованные при разработке нового способа измерения точек росы природного газа
Как следует из материалов, изложенных в первой главе, все многообразие конденсационных приборов измерения влажности, в первую очередь, различается системами регистрации образования на зеркале пленки конденсата и методами определения ее физической природы. Поэтому в данном разделе рассмотрим возможности применения для этих целей различных оптических эффектов, возникающих при отражении и преломлении света.
Основные законы и понятия, использованные для описания процессов распространения световых волн
Физическая, или волновая оптика рассматривает световые волны как частный случай широкого спектра электромагнитных колебаний. В основе волновой (электромагнитной) теории лежит система дифференциальных уравнений Максвелла. Поэтому изменение электромагнитного поля в пространстве принято характеризовать колебаниями двух векторов: электрического вектора излучения 2?(вектора напряженности электрического поля) и магнитного вектора Н (вектора напряженности магнитного поля).
В электромагнитной волне векторы Е и Н совершают гармонические колебания одинаковой частоты в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны (для изотропных сред). Эксперименты, проведенные различными учеными [3] доказывают, что распространение световой волны в однородной среде можно охарактеризовать лишь колебаниями одного электрического вектора Е.
Направление и скорость распространения света, как известно [36], зависит от физических свойств среды, через которую проходит излучение, ее однородности, оптической плотности, химического состава и т. п.
При дальнейшем рассмотрении будем предполагать, что ввиду незначительных геометрических размеров рассматриваемой оптической системы, среда в которой распространяется световое излучение, является изотропной и свет от источника излучения распространяется прямолинейно.
В этом случае, для описания процессов распространения света применимы классические законы линейной (геометрической) оптики.
Тогда для анализа процесса распространения световых волн справедлив принцип Гюйгенса, а соотношения между амплитудами, фазами и состоянием поляризации отраженной и преломленной световых волн определяются формулами Френеля [36].
Отношение светового потока отраженного от поверхности, к световому потоку, падающему на нее, называется коэффициентом отражения р. Отношение светового потока, прошедшего через поверхность, к световому потоку, падающему на нее, называется коэффициентом пропускания т. Отношение светового потока, поглощенного поверхностью, к потоку, падающему на поверхность, называется коэффициентом поглощения а.
Направленное отражение (рис. 2.3а) имеют гладко отполированные металлические поверхности, наиболее часто используемые в качестве зеркала гигрометров. При идеальном отражении (чистая полированная поверхность) угол падения ai светового луча равен углу аг отражения его, а падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к поверхности в точке падения луча.
В некоторых системах регистрации гигрометров используются матовые поверхности, обладающие рассеянным отражением (рис. 2.36).
При образовании на зеркале пленки флюида, отражающие свойства поверхности изменяются и происходит перераспределение падающего на зеркало светового потока. Из-за различного поверхностного натяжения веществ, образующих пленку флюида, может происходить направленное отражение света, направленно-рассеянное и рассеянное отражение. Направленное отражение будет создавать пленка углеводородов, обладающая низким поверхностным натяжением (a =10...21 мН/м) и образующая равномерную гладкую поверхность [38]. Образование такой пленки на полированном зеркале не нарушает его направленного отражения (а при наличии дефектов и шероховатости может даже улучшить). Однородная пленка углеводородов покрывающая матовую поверхность, наоборот усиливает направленное отражение и снижает рассеянное.
Коэффициент поверхностного натяжения воды (a =71...75 мН/м) значительно выше, чем у углеводородов. Поэтому конденсация воды, в отличие от конденсации углеводородов, происходит с образованием капель жидкости, т.е. рост пленки воды происходит до определенного предела, после чего образовавшаяся жидкость образует капли.
Если образующиеся при конденсации неоднородности (образующиеся в виде тумана мелкие капли воды) имеют размеры, соизмеримые с длиной волны падающего излучения, имеет место направленно- рассеянное отражение (рис. 2.3в). Большую часть светового потока поверхность отражает в соответствии с законом зеркального отражения, однако телесный угол отраженного пучка света увеличен за счет рассеяния отражающей поверхности.
В случаях, когда образующиеся при конденсации неоднородности (крупные капли воды или кристаллы льда) имеют размеры, превышающие длину волны излучения, происходит рассеянное отражение. Световые характеристики поверхностей Таким образом, имеется возможность по способу перераспределения светового потока определять физическую природу сконденсировавшейся на зеркале гигрометра пленки флюида Свойства источников излучения В качестве источников света в приборах измерения влажности конденсационного типа применяются полупроводниковые светодиоды или полупроводниковые лазеры.
Излучение светодиодов основано на спонтанном переходе атомов с одного энергетического уровня полупроводникового вещества на другой под воздействием внешнего источника возбуждения (электрического тока). Так как этот переход осуществляется самопроизвольно, различные атомы возбуждаются независимо друг от друга. Поэтому фазы электромагнитных волн не согласованны друг с другом. Такой же характер имеет и направление распространения фотона и его поляризация. В результате суммарное спонтанное излучение светодиода является немонохроматическим.
Применение в оптической схеме гигрометра в качестве источника излучения лазера позволяет получить узконаправленное, монохроматическое излучение высокой выходной мощности. Узконаправленность излучения обусловлена тем, что лазер испускает лишь волны, практически параллельные оси излучения. Высокая степень монохроматичности (излучение в очень узком диапазоне длин волн) обеспечивается тем, что излучение представляет собой резонансный процесс. Значительная выходная мощность достигается тем, что излучение лазера является вынужденным и происходит под действием внешнего электромагнитного поля. Но основным преимуществом лазерного излучения от всех других типов излучения является тот факт, что оно является когерентным. Когерентными световыми волнами называют волны одинаковой частоты, у которых разность фаз постоянна или равна нулю.
Разработка принципов измерения точек росы и критериев разделения на зеркале конденсирующихся примесей
После подтверждения принципиальной работоспособности интерференционного ИИП на макете (раздел 2.3), проведены экспериментальные работы на исследовательском комплексе с использованием перечисленного выше оборудования. Цель проведенных экспериментов состояла в проверке возможности разделения конденсирующихся примесей при различном взаимном расположении точек росы по влаге и углеводородам, оценке чувствительности интерференционного ИИП и разработки методики измерения температуры точки по конкретной конденсируемой примеси.
Детектирование конденсирующихся примесей по сигналам фотоприемников Для определения критериев на основании которых можно разделять конденсирующиеся на зеркале интерференционного ИИП компоненты, был проведён ряд экспериментов по изучению поведения информационных сигналов интерференционного ИИП при конденсации и испарении.
При проведении экспериментов конденсационное зеркало охлаждалось со скоростями 0,1...1 С/сек. Варьирование скорости охлаждения в этих пределах существенно не сказывается на характере процессов происходящих на зеркале. Для получения более наглядной картины процессов происходящих при конденсации и испарении с учетом параметров развертки программного обеспечения комплекса на приведенных ниже графиках скорость охлаждения составляет 0,5С/сек.
Конденсация и испарение влаги Лазерный интерференционный ИИП был установлен в лаборатории и измерял температуру точки росы в помещении. На рис. 3.5 представлен график изменения температуры зеркала и тока фотоприемников ИИП в зависимости от времени при конденсации на зеркале пленки воды и последующем её испарении. Температура зеркала и скорость его охлаждения (нагрева) задается на панели управления (рис. 3.3). На этом графике показан момент охлаждения зеркала ИИП с постоянной скоростью 0,5С/с, начиная с температуры 45С. Охлаждение зеркала производилось до тех пор, пока не прекратился рост сигналов фотоприемников. После этого был включен нагрев зеркала.
Из приведенного графика видно, что до появления на зеркале пленки сконденсировавшейся из воздуха влаги, сигналы всех фотоприемников неизменны и находятся на минимальном уровне. При появлении на зеркале пленки конденсата наблюдается рост сигналов фотоприемников по всем трем каналам. Однако наибольший прирост сигнала наблюдается по каналу, фиксирующему рассеянно-направленное отражение света. По абсолютной величине, ток фотоприемника этого канала вырос в более чем в 15 раз. Увеличение сигналов всех трех фотоприемников объясняется нарушением условия Брюстера при появлении пленки воды. В результате появляется отраженный луч, характеризующийся направленно- рассеянным отражением. После включения нагрева зеркала, образовавшаяся ранее пленка влаги испарилась, и сигналы всех фотоприемников возвратились к исходным значениям.
Таким образом, учитывая тот факт, что из воздуха может конденсироваться только вода, можно констатировать подтверждение теоретических предпосылок о том, что характер конденсации пленки воды оказывает наибольшее влияние на величину сигнала направленно-рассеянного отражения. График изменения температуры зеркала и тока фото приемников при образовании пленки воды: 1- сигнал фотоприемника направленного отражения; 2 - сигнал фотоприемника рассеянно-направленного отражения; 3- сигнал фотоприемника рассеянного отражения; 4 температура зеркала
Для анализа поведения информационных сигналов при различных концентрациях паров воды были проведены эксперименты при различных значениях точки росы, которые задавались на поверочном комплексе «КОНГ». На рис. 3.6 приведены графики изменения температуры и тока фотоприемников при температурах точки росы плюс 20С, 0С, минус 15С и минус 30С соответственно.
Полученные результаты показывают, что различная концентрация водяных паров (от 17,3 г/м3 при плюс 20С до 0,28 г/м при минус 30С) влияет на информационные сигналы интерференционного ИИП следующим образом. Чем ниже концентрация водяных паров в газе, тем меньше реакция на конденсацию влаги фотоприёмника, фиксирующего сигнал направленного отражения (зеленая линия). Этот эффект может быть связан с тем, что коэффициент поверхностного натяжения воды с понижением температуры увеличивается. Следовательно, в области отрицательных температур точки росы существует переохлажденная вода, которая даже в начальный момент конденсации не образует равномерной пленки, от которой происходило бы направленное отражение.
Графики изменения тока фотоприемников при различных значениях температуры точки росы: а - плюс 20С, б - 0С, в - минус 15С, г - минус 30С Реакция на конденсацию влаги фотоприёмника, фиксирующего сигнал направленно- рассеянного отражения не зависит от концентрации водяных паров, и величина сигнала остаётся постоянной во всём диапазоне точек росы. Полученный результат косвенно свидетельствует о высокой чувствительности лазерного интерференционного ИИП к малым концентрациям влаги. В четвертой главе, показываются возможности измерения сверхнизких точек росы.
Для определения возможности детектирования момента образования на зеркале ИИП пленки льда, охлаждение зеркала производилось ниже 0С. На рис. 3.7 представлен график изменения температуры зеркала и тока фотоприемников ИИП в зависимости от времени при образовании на зеркале пленки влаги, последующем её замерзании и испарении при нагреве зеркала.
При дальнейшем охлаждении зеркала происходил рост пленки воды без существенного изменения сигналов фотоприемников. При изменении фазового состояния сконденсировавшейся воды (фазовом переходе «вода- лёд») произошло резкое повышение сигналов фотоприемников, фиксирующих сигналы направленно-рассеянного и рассеянного отражения и снижение сигнала фотоприемника, фиксирующего сигнал направленного отражения вследствие снижения когерентности лазерного излучения.
Подтверждением того, что подъем сигналов направленно-рассеянного и рассеянного отражения связан с фазовым переходом, является тот факт, что при последующем нагреве зеркала снижение этих сигналов произошло вблизи 0С (температура плавления льда).
Таким образом, признаком фазового перехода «вода-лёд» является резкое повышение сигналов направленно-рассеянного и рассеянного отражения (более чем на два порядка) как по абсолютной величине, так и по скорости.
Конденсация углеводородов Для изучения характера конденсации углеводородов, интерференционный ИИП был помещен в замкнутую камеру небольшого объема ( 2 см ). Предварительно в камеру были введены жидкие углеводороды в объёме 0,1 см . Температура точки росы по влаге задавалась рабочим эталоном «КОНГ-Эталон» на уровне +2С, т.е. ниже точки росы по углеводородам, которая определялась фактической температурой камеры (20...25С).
В качестве углеводородов использовались декан и гексан, относящиеся к классу тяжелых углеводородов и оказывающие существенное влияние на температуру точки росы по углеводородам при измерениях в природном газе, а также бензин и керосин, содержащие более лёгкие фракции углеводородов.
На рис. 3.8 представлен характерный график изменения температуры зеркала и тока фотоприемников ИИП в зависимости от времени при конденсации на зеркале углеводородов. График получен при экспериментах с деканом.
Результаты испытаний лазерного интерференционного ИИП в условиях промышленной эксплуатации
Лазерный интерференционный ИИП в реальных условиях эксплуатации испытывался в составе Анализатора КОНГ-Прима-10. Все проведенные промышленные испытания на действующих объектах газовой отрасли можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся испытания с целью подтверждения метрологических характеристик при работе в среде природного газа. Ко второй группе относятся испытания с целью подтверждения эксплуатационных характеристик нового ИИП: надежности, стойкости к загрязнениям, удобства эксплуатации и технического обслуживания. Результаты испытаний изложены в работах [53, 54]. Кратко остановимся на основных результатах проведенных испытаний.
Испытания на магистральном газе с различным компонентным составом и качеством подготовки При проверке метрологических характеристик лазерного ИИП, сравнение производилось с показаниями ближайшего аналога - волоконно-оптическим преобразователем информации, используемым в предыдущих моделях приборов серии «КОНГ-Прима». Проведенные испытания на различных газовых потоках подтвердили высокие метрологические характеристики, полученные в лабораторных условиях. Анализатор испытывался на ГИС Александрово-Гайского ЛПУ МГ ООО «Юпрансгаз». Испытания проводились на различных газовых потоках: ГИС «Средняя Азия - Центр 3» - неосушенный газ, поступающий из Казахстана («туркменский газ») с механическими и аэрозольными примесями после компримирования; ГИС «Оренбург-1» - газ, прошедший технологическую подготовку и осушку. Первичный преобразователь Анализатора устанавливался непосредственно на трубопроводе без дополнительной системы газоподготовки и фильтрации. Интерфейсный блок размещался в обогреваемом боксе (рис. 4.4).
Более того, экспериментально подтверждена более высокая чувствительность лазерного интерференционного ИТТП к углеводородам по сравнению с волоконно-оптическим преобразователем информации. На рис. 4.6 представлены результаты совместной работы анализаторов.
При увеличении разницы температур между точками росы по воде и по углеводородам, волоконный преобразователь информации анализатора КОНГ-Прима-4 реагирует на конденсацию углеводородов значительно позже, чем разработанный лазерный ИИП.
Проверка надежности и стойкости к загрязнениям и технологическим примесям, содержащимся в газе производились на различных объектах предприятий ООО «Югтрансгаз», 000 «Мострансгаз» и 000 «Ямбурггазодобыча». Испытания показали, что лазерный интерференционный ИИП имеет более высокую устойчивость к загрязнениям, а, следовательно, и больший срок работы без технического обслуживания. СПХГ. Условия проведения испытаний: газ после механической очистки и установки абсорбционной осушки.
Более детальный анализ результатов измерения приборами температуры точки росы показывают, что показания анализатора «КОНГ-Прима-10» являются более стабильными, и он более адекватно реагирует на изменение технологических режимов работы установки осушки газа.
По результатам приемочных испытаний Анализатор точек росы интерференционный «КОНГ-Прима-10» признан соответствующим требованиям ТУ и рекомендуется к серийному производству и применению в качестве средства измерения температуры точки росы по влаге и углеводородам. Акт приемочных испытаний представлен в приложении Д.
Опытно-промышленная эксплуатация анализатора на ГИС «Оренбург-2» Александрово-Гайского ЛПУ МГ ООО «Югтрансгаз»
После проведения приемочных испытаний, Анализатор «КОНГ-Прима-10» в июле 2005 года был установлен в опытно-промышленную эксплуатацию на ГИС «Оренбург-2» Александрово-Гайского ЛПУ МГ. Анализатор эксплуатировался в условиях некондиционного газа, содержащего механические и аэрозольные примеси в виде капельной влаги и нефтепродуктов. Измеряемая температура точки росы близка к температуре газа. По отзывам специалистов эксплуатирующей организации, за указанный период (более 12 месяцев).
Анализатор «КОНГ-Прима-10» был установлен 25 сентября 2005 года на УКПГ-1С Заполярного ГНКМ ООО «Ямбурггазодобыча» непосредственно на трубопроводе. Условия работы Анализатора: газ после гликолевой осушки с температурой 0...5 С и давлением 7,0 МПа; измеряемая температура точки росы-20...-22 С.
На УКПГ-1С для контроля влажности установлены преобразователи точки росы «КОНГ-Прима-2», требующие частого технического обслуживания, связанного с загрязнением чувствительного элемента. В отличие от них, Анализатор работает без загрязнения чувствительного элемента и имеет более стабильные показания. Анализатор в настоящее время продолжает эксплуатироваться в 000 «Ямбурггазодобыча». Результаты испытаний признаны удовлетворительными. По результатам испытаний отмечено, что «...новое поколение Анализаторов «КОНГ-Прима-Ю» обладает большей надежностью за счет внедрения новых технических решений в конструкцию ПТР».
По результатам проведенных испытаний можно сделать следующие выводы: 1. Анализ эксплуатационных и метрологических характеристик лазерного интерференционного ИИП в составе Анализатора КОНГ-Прима-Ю, позволяет констатировать, что разработанный способ измерения точек росы природного газа по влаге и углеводородам обеспечивает высокую точность измерения точки росы, чувствительность к конденсации углеводородов и стабильность измерений, а также улучшает эксплуатационные характеристики (по надежности и техническому обслуживанию). 2. По результатам проведенных в августе 2006 года ведомственных испытаний, Анализатор «КОНГ-Прима-10» по метрологическим и эксплуатационным параметрам соответствует техническим требованиям и рекомендуется к применению на объектах ОАО «Газпром» (приложение Д). 3. О высоком техническом уровне разработанного технического решения свидетельствует заинтересованность разработкой в Западной Европе. Сейчас находятся в стадии завершения тестовые испытания в компании SNAM (Италия), ведутся испытания в центральной тестовой лаборатории компании E-ON RUHRGAS (Германия) и исследовательской лаборатории компании STAT OIL (Норвегия). 4. По результатам метрологических испытаний при измерении точки росы влаги на чистых газах, проведенных на Государственном эталоне влажности газов (г. Иркутск), анализатор «КОНГ-Прима-10» включен в разрабатываемую единую Государственную схему средств измерения влажности газов, призванную обеспечить единство всех средств воспроизведения и измерения влажности газов. 4.3. Результаты внедрения ИИС непрерывного контроля качества газа по температуре точки росы с лазерным интерференционным ИИП
Вышеприведенные результаты лабораторных и промышленных испытаний лазерного интерференционного ИИП подтвердили работоспособность разработанных технических решений и алгоритмов измерения, базирующихся на конденсационном методе измерения точки росы. Итогом этого стало использование разработки в составе промышленной ИИС, реализованной в виде автоматического поточного анализатора точек росы по влаге и углеводородам КОНГ-Прима-10. Промышленное производство анализаторов с лазерным интерференционным ИИП начато с января 2006 г. на предприятии ООО «Научно-производственная фирма «Вымпел» г. Саратов.
Анализаторы предназначены для эксплуатации на предприятиях газовой, нефтегазовой и нефтехимической промышленности и других предприятиях, где требуется надёжный контроль точек росы по влаге и углеводородам. На предприятиях газовой промышленности анализаторы в основном используются на газодобывающих предприятиях и газоперерабатывающих предприятиях.
На предприятиях нефтегазовой промышленности Анализатор используется в основном для измерения точек росы по влаге и углеводородам на попутном газе. Применение Анализатора обосновывается необходимостью обязательно измерять точку росы по углеводородам перед подачей его в систему газопроводов ОАО «Газпром».
Похожие диссертации на Разработка и исследование лазерного преобразователя информации для системы непрерывного автоматического контроля точек росы
