Технологии за измерване на влагосъдържание в природен газ

Oпределянето на влагосъдържанието или точката на оросяване на водата е от решаващо значение при преработката, смяната на собствеността и транспортирането на природен газ. Високите нива на водна пара в потока природен газ може да доведе до редица проблеми, които включват образуването на хидрати и създаване на риск от корозия на машини и съоръжения. Освен това водните пари в природния газ оказват влияние върху цялостното качество на газа.

Най-широко прилаганата технология за обезводняване на природен газ е чрез контактни апарати с триетилен гликол. Потокът природен газ се пропуска през контактния апарат, при което триетилен гликолът абсорбира водните пари. Вследствие на абсорбцията гликолните аерозоли натежават и се утаяват на дъното на контактния апарат. Течният гликол се изпомпва към топлообменник, в който водата се изпарява, което позволява регенерацията на гликола и връщането му в контактния апарат.

Съществуват и други методи за обезводняване на природен газ, като всички изискват влагането на значителни количества енергия. Това е предпоставка за превръщането на измерването на влагосъдържание в природен газ във важно изискване към производителите, доставчиците и крайните потребители в индустрията.

Има редица методи за определяне на концентрацията на водни пари в природен газ. Доставчиците на използваните аналитични технологии непрекъснато работят по разработване, подобряване и оптимизиране на апаратурата, за да осигурят точни, надеждни и устойчиви решения на своите клиенти.

Анализаторите за директно измерване на температурата на оросяване са базирани на технологията на охладеното огледало. Другият клас измервателни устройства, използвани за определяне на влагосъдържанието на природен газ, мерят концентрацията на водни пари в газа. Най-широко прилаганите технологии в газовата индустрия са капацитивните сензори, кварцовите микровезни (Quartz-Crystal-Microbalance, QCM), лазерно абсорбционната спектроскопия с регулируеми диодни лазери (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS) и електролитни сензори.

Хигрометри с охладено огледало

Методът на охладеното огледало се състои в точно измерване на температурата, при която водата кондензира върху полирана повърхност (огледало) с контролирана температура, която е в контакт с газа. Огледалото се изработва от устойчив на корозия материал с добри топлинни характеристики. Газът непрекъснато се пропуска по повърхността на огледалото, при което температурата му постепенно пада и се образува кондензат. Устройствата, работещи на този принцип, могат да бъдат управлявани ръчно или да са автоматизирани.

Ръчно управляваните измервателни уреди са много по-евтини, но изискват честа поддръжка и висококвалифицирани техници, които да извършат отчитането. Охлаждането на огледалото става с външен охладител, който понижава температурата му до желаната точка на оросяване. За да се осигури точност и повторяемост на резултатите е необходим стриктен контрол на охлаждането.

Предимство на ръчно управляваните уреди е, че освен за точката на оросяване на водата, те могат да послужат и за отчитане на точката на оросяване на различни въглеводороди. Това е възможно, когато разликата между двете температури на оросяване е достатъчно голяма и отчитането на едната не пречи на отчитането на другата.

Друго преимущество е, че тези измервателни инструменти изискват малко време за настройка, за работата им не е необходимо електрическо захранване и са много леки. Основен недостатък на ръчно управляваните устройства е, че ако газовият поток съдържа и други компоненти, които могат да кондензират (гликол, амини и метанол), отчитането на температурата на оросяване на водата може да бъде сгрешено.

Тези измервателни устройства обикновено не работят непрекъснато и се използват за проверка на влагосъдържанието на определено място в газопровода или за верификация на измерените стойности от непрекъснато работещите анализатори. При автоматизираните устройства отчитането става посредством система за електрооптична детекция, състояща се от диоди и фототранзистори. Ключово предимство на автоматизираните устройства в сравнение с ръчно управляваните е, че напълно се елиминира вероятността за грешка при отчитане.

Капацитивни сензори

Понятието капацитивен сензор се отнася до устройствата, използващи чувствителен към влага диелектрик (слой от метален оксид, керамика или полимер), разположен между два електрода. Най-често се използват сензори от алуминиев субстрат, върху който се образува тънък слой алуминиев оксид.

Върху него се нанася фин слой злато, който играе ролята на горния електрод на кондензатора. Златният слой е достатъчно тънък, за да могат водните молекули да преминат през него и да достигнат слоя от алуминиев оксид. Те променят диелектричната константа на слоя и по този начин променят капацитета на сензора. Налягането на водните пари се следи като функция на капацитета на сензора.

Капацитивните сензори са сравнително евтини, но имат един съществен недостатък. Някои компоненти на газовия поток могат да се отложат върху сензорния елемент или да го повредят. В такъв случай се прекъсва контактът между сензора и газа, т. е. показанията на сензора остават постоянни, независимо от променящото се влагосъдържание на газовия поток.

Кварцови микровезни

Кварцовите сензори се използват за измерване на влагосъдържание от около 40 години. Сензорите с осцилатор от кварцов кристал са сравнително прости устройства. За изработване на сензора част от кристала се покрива с хигроскопичен материал. Когато сензорът се изложи на съдържащ водни пари газов поток, хигроскопичният слой адсорбира водата от газовата фаза, с което масата на кварцовия кристал се увеличава. Това увеличение на масата води до понижаване на резонансната честота на осцилатора.

Кварцовият сензор се излага на редуващи се потоци проба от природния газ и стандартна проба сух газ. Влагосъдържанието се измерва като функция на разликата в осцилаторната честота, измерена за двата потока.

Този тип устройства осигуряват бързо измерване и висока чувствителност към промените във влагосъдържанието. Компоненти на природния газ, които могат да се отложат върху сензора, предизвикват незначителна промяна в честотата, т. е. кварцовите инструменти са устойчиви на замърсителите в потока природен газ. Измерванията се провеждат в контролирани условия, като температурата, налягането и дебитът се поддържат постоянни. Заради високата си точност, кварцовите микровезни са предпочитани в газовата индустрия.

Електролитни сензори

Хигрометрите, базирани на електролитния принцип, са едни от първите автоматизирани устройства за измерване на влагосъдържание в промишлени условия. Те продължават да се използват и днес заради сравнително опростения си начин на действие и високата селективност по отношение на водните пари. Аналитичната клетка на тези инструменти се състои от две спираловидно навити платинови жици, поставени в стъклена тръба с малък диаметър.

Повърхността на сензора е покрита с фосфорен пентаоксид, който служи като хигроскопичен субстрат за абсорбция и електролиза на водните молекули. Измерва се електролитният поток, необходим за разлагането на водните молекули до водород и кислород. Електролитните влагоанализатори са достатъчно малки и леки, за да бъдат преносими.

Основен недостатък на тези сензори е високата грешка при измерване на влагосъдържание на газови потоци, съдържащи водород и кислород. Високите концентрации на тези газове в пробите природен газ могат да доведат до формирането на още водни молекули чрез реакция с кислорода или водорода, отделящи се при електролизата в сензора. Друг минус на електролитните сензори е, че присъствието на вода в течно състояние в пробата природен газ уврежда покритието от фосфорен пентаоксид, което налага смяна на аналитичната клетка.

Абсорбционна спектроскопия с регулируеми диодни лазери

Абсорбционната спектроскопия е относително прост метод, при който се измерва количеството абсорбирана светлина, пропусната през газова проба, при специфична дължина на вълната. Принципно, доскоро спектроскопията не се е прилагала за измерване на влагосъдържание в природен газ, защото метанът поглъща светлина в същия интервал на дължина на вълната като водата.

Ако обаче се използва спектрометър с много висока резолюция, могат да се наблюдават пикове на водата, които не се припокриват с пикове на други газове. Диодните лазери осигуряват светлина с тесен и регулируем интервал на дължина на вълната, при който могат да бъдат отчетени тези пикове.

Измерването на съдържанието на водни пари в природен газ чрез спектроскопия придобива популярност в промишления сектор, защото устройствата, работещи на този принцип използват безконтактна технология, т.е. пробата не влиза в контакт със сензора. Влагоанализаторите, използващи абсорбционна спектроскопия с регулируеми диодни лазери, не се увреждат от корозивни газове, реагират бързо на драстични промени във влагосъдържанието и не се нуждаят от калибрация.

Сравнение на методите

Капацитивните сензори са с най-широк обхват на измерване - от -110 °C до +60 °C. С най-малък обхват са автоматизираните устройства, работещи на принципа на охладено огледало. Обхватът на измерване на лазерните спектрометри се определя от вида на измервателната им клетка.

Стандартните измервателни клетки имат долна граница на откриваемост от 5 ppm, докато при съвременните устройства границата е свалена до под 100 ppb. Горните граници са в интервал от 2000 до 5000 ppm. Кварцовите микровезни имат граници на откриваемост съответно 0,1-1 ppm и 1000-2000 ppm.

От гледна точка на точността автоматизираните анализатори с охладено огледало са най-прецизни - осигуряват точност от 0,1 до 0,5 °C при измерване на температурата на оросяване. Спектрометрите са на второ място с точност от ±2% при отчитане.

По отношение на времето на реакция водещи са лазерните спектрометри. Технологиите, които изискват равновесие между влагата в газовата проба и чувствителната повърхност на сензора (напр. капацитивните сензори), изостават по този показател заради полярната природа на водните молекули и склонността им да прилепват към повърхности.

Поддръжката също е важен фактор при оценяване на различните измервателни технологии. Контактните сензори изискват редовна поддръжка, тъй като тяхната точност зависи до голяма степен от чистотата на сензора. Наличието на корозивни компоненти в потока природен газ (серни съединения) също е предпоставка за увеличаване честотата на поддръжка.

Изискванията за поддръжка варират от периодична инспекция/смяна на филтрите до необходимост от прекалибрация на сензорите на всеки 1-2 години. Единствените устройства, които не се нуждаят от прекалибрация и поддръжка, са лазерните спектрометри.