影響便攜式鏡面露點(diǎn)儀測定天然氣水露點(diǎn)的準(zhǔn)確度因素的研究

張馨予

摘 要：在天然氣質(zhì)量管控方面，水露點(diǎn)為重要指標(biāo)，需要得到準(zhǔn)確測定。采用便攜式鏡面露點(diǎn)儀進(jìn)行天然氣水露點(diǎn)的測定，測量準(zhǔn)確度會受到過冷水、開爾文效應(yīng)、鏡面雜質(zhì)等諸多因素的影響?；谶@種認(rèn)識，本文對影響水露點(diǎn)測量準(zhǔn)確度的因素展開了分析，并提出了提高測量準(zhǔn)確度的對策，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：便攜式鏡面露點(diǎn)儀；天然氣水露點(diǎn)；準(zhǔn)確度

中圖分類號：TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0068-02

0 引言

在天然氣儲運(yùn)過程中，需要確保天然氣中不存在液態(tài)物質(zhì)。而水露點(diǎn)是天然氣液態(tài)控制的重要指標(biāo)，按照《天然氣》GB17820-2012要求，在交接點(diǎn)壓力下應(yīng)比輸送最低環(huán)境溫度低5℃，所以需要實現(xiàn)準(zhǔn)確測定。在日常工作中，天然氣水露點(diǎn)的測定主要采用便攜式鏡面露點(diǎn)儀，影響儀器測量準(zhǔn)確度的因素角度，因此需要進(jìn)一步的分析，以便采取有效措施得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，滿足天然氣質(zhì)量控制要求。

1 便攜式鏡面露點(diǎn)儀測定天然氣水露點(diǎn)的原理分析

在天然氣水露點(diǎn)測定方面，主要采用露點(diǎn)儀。該種儀器用于進(jìn)行氣體濕度的測量，即對氣體中水蒸氣含量進(jìn)行測定，能夠利用得到的露點(diǎn)溫度進(jìn)行氣體濕度表示。從原理上來看，采用露點(diǎn)法進(jìn)行氣體水露點(diǎn)測量，需要實現(xiàn)等壓冷卻，使氣體中水蒸氣冷卻至凝聚相出現(xiàn)。通過對冷鏡面的溫度進(jìn)行控制，能夠使水蒸氣與凝聚相的表面保持熱力學(xué)平衡狀態(tài)，因此能夠?qū)β饵c(diǎn)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量?，F(xiàn)階段，不同種類露點(diǎn)儀采用不同的冷卻方式和檢測方法。而便攜式鏡面露點(diǎn)儀采用二氧化碳制冷方式，檢測成本低，使用方便，現(xiàn)場操作簡單，能夠增強(qiáng)露點(diǎn)溫度檢測的的便捷性。在天然氣水露點(diǎn)測定方面，便攜式鏡面露點(diǎn)儀采用金屬鏡面，能夠利用二氧化碳膨脹對流經(jīng)鏡面的氣流進(jìn)行冷卻。采用該種測量方式，能夠人為進(jìn)行鏡面溫度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)露點(diǎn)溫度準(zhǔn)確檢測。在鏡面出現(xiàn)凝析物時，可以利用肉眼對結(jié)露現(xiàn)象進(jìn)行觀察。如果鏡面溫度低于露點(diǎn)溫度，凝析物會逐漸增加，反之高于露點(diǎn)溫度，凝析物會逐漸消失，因此可以用于測定天然氣露點(diǎn)溫度。但在實際操作中，現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，存在氣體管路粗細(xì)不均、環(huán)境溫度不穩(wěn)等各種情況，要求人員憑借豐富經(jīng)驗進(jìn)行各種現(xiàn)象的有效應(yīng)對，才能實現(xiàn)露點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確檢測，滿足天然氣生產(chǎn)運(yùn)行控制要求。

2 影響便攜式鏡面露點(diǎn)儀測定天然氣水露點(diǎn)準(zhǔn)確度的因素分析

2.1 過冷水帶來的影響

在溫度達(dá)到0℃以上時，水需要保持水蒸氣這種穩(wěn)定熱力學(xué)狀態(tài)，經(jīng)過冷凝后則能結(jié)露。在溫度低于0℃以下時，水除了保持固態(tài)或氣態(tài)，還能以過冷水這種熱力學(xué)狀態(tài)存在。從露滴形成條件上來看，需要憎水拋光面，且表面有一定量微小固體粒子，即露核，同時表面需要有微小裂痕。在水蒸氣接近飽和時，露滴會在這樣的表面形成，并孤立生長，彼此間距離逐漸縮小，直至結(jié)合[1]。在鏡面溫度降低的過程中，水蒸氣接近飽和狀態(tài)，在分子引力作用下被鏡面吸附，形成薄水膜，初步凝露。溫度持續(xù)下降，水膜增厚。不規(guī)則的露滴不斷生長，會形成露層，在表面擴(kuò)散，達(dá)到液-氣或固-氣平衡。但是如果水蒸氣飽和卻不出現(xiàn)液相，就會發(fā)生過飽和現(xiàn)象，形成過冷水。出現(xiàn)這種情況，與被測氣體和鏡面過于干凈有關(guān)，以至于露核數(shù)量不足。在低溫條件下測量，溫度下降至0℃以下，水在過冷水狀態(tài)下迅速形成露層，但蒸氣壓為過冷水蒸汽壓，并非冰飽和蒸汽壓，實測得到的盡管是露點(diǎn)溫度，也會被儀器當(dāng)成是霜點(diǎn)溫度，造成結(jié)果不正確。

2.2 開爾文效應(yīng)帶來的影響

在一定溫度和壓力條件下，空氣中的水汽不會一直增加，而是擁有一個極限值。達(dá)到這一數(shù)值，水汽和純凈水平面會達(dá)到氣-液或固-液兩相平衡狀態(tài)，發(fā)生水汽飽和。結(jié)露過程中，水表面是曲面，水汽壓不同于露滴表面和純水平面，要稍高一些。而結(jié)露溫度為空氣相對彎曲水面達(dá)飽和時的溫度，因此在對相同溫度進(jìn)行測定時會出現(xiàn)結(jié)露溫度比真實溫度低的情況，被稱之為開爾文效應(yīng)[2]。受這一因素的影響，在鏡面溫度接近霜點(diǎn)時，純水平面飽和水汽壓將有所提高。此時，蒸汽壓更高的液滴會凝結(jié)成大液滴，出現(xiàn)提前結(jié)露的情況，最終影響實際露點(diǎn)溫度測量結(jié)果。

2.3 鏡面雜質(zhì)帶來的影響

采用便攜式鏡面露點(diǎn)儀開展現(xiàn)場測定作業(yè)，鏡面容易受到污染。而在鏡面表層擁有可容性雜質(zhì)的情況下，會給測定準(zhǔn)確度帶來影響。因為在實際檢測期間，鏡面上露層需要達(dá)到與水蒸氣保持動動態(tài)平衡的狀態(tài)，然后對露點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測。而氣體與液體間平衡，實際是單位時間內(nèi)液相蒸發(fā)到氣相和氣相凝結(jié)到液相的分子數(shù)相同。一旦鏡面溶質(zhì)在水中溶解，粒子將在水蒸汽表面不均勻分布，導(dǎo)致從鏡面蒸發(fā)出的分子數(shù)較少。此時如果達(dá)到相平衡，溶液蒸汽壓要比純水低。根據(jù)烏爾定律可知，測量得到的露點(diǎn)溫度比真實數(shù)值要高。在可溶性雜質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)不超出0.62%的條件下，露點(diǎn)溫度受到的影響不超出0.1℃。一旦鏡面雜質(zhì)較多，將使測定準(zhǔn)確度受到明顯影響。

2.4 環(huán)境溫度帶來的影響

在現(xiàn)場使用露點(diǎn)儀進(jìn)行天然氣水露點(diǎn)測量，由于工作環(huán)境較為復(fù)雜，可能導(dǎo)致測量結(jié)果受環(huán)境溫度影響。在環(huán)境溫度比露點(diǎn)溫度高出較多的情況下，鏡面溫度上升速度較快，人眼較難準(zhǔn)確捕捉到凝析物消失的瞬間，獲得的測量結(jié)果容易比實際數(shù)值要高。如果露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度較為接近，天然氣進(jìn)入露點(diǎn)儀期間將有部分水析出，導(dǎo)致測量結(jié)果比實際值要低。

2.5 烴露點(diǎn)重合帶來的影響

檢測天然氣水露點(diǎn)，可能遭遇水露點(diǎn)與烴露點(diǎn)接近的問題。在這種情況下，露點(diǎn)儀鏡面降溫至0℃左右會出現(xiàn)凝析物。達(dá)到-2℃時，光線照射鏡面會出現(xiàn)彩虹。達(dá)到-4℃，一個鏡面會出現(xiàn)新的凝析物。持續(xù)降溫，凝析物會擴(kuò)散變大，最終對大部分鏡面進(jìn)行覆蓋，達(dá)到鏡面邊緣。不同于正常水露點(diǎn)檢測，水露點(diǎn)與烴露點(diǎn)接近將導(dǎo)致凝析物出現(xiàn)順序發(fā)生改變，引起彩虹環(huán)的出現(xiàn)。因為在整個過程中，烴凝析在水凝析之前出現(xiàn)，之后二者會交替出現(xiàn)。對鏡面進(jìn)行升溫，直至達(dá)到10℃才能徹底消除凝析物。在正常檢測中，不超過初露4℃凝析物會完全消失。按照要求，初露和消露溫度不能超出4℃。由此可見，烴露點(diǎn)與水露點(diǎn)接近會造成測試結(jié)果不準(zhǔn)。

2.6 人為操作帶來的影響

不同于站場檢測，現(xiàn)場檢測將面臨多變的管道壓力和氣流，檢測人員不會進(jìn)行反復(fù)檢測，操作便攜式鏡面露點(diǎn)儀的熟練程度也并不同，導(dǎo)致測定結(jié)果容易受到人為因素影響。在實際檢測時，流過鏡面的天然氣流速較快，將導(dǎo)致鏡面天然氣壓力降低。在固定水含量下，測定露點(diǎn)溫度值較之真實值更高，無法對實時壓力下的露點(diǎn)溫度進(jìn)行反映。如果取樣管線過長，流經(jīng)鏡面天然氣流速較慢，造成取樣滯后，露點(diǎn)溫度盡管能夠得到準(zhǔn)確測定，但無法確定為實時露點(diǎn)值。人員在記錄露點(diǎn)值時，需要采取目測法，要求人員擁有豐富檢測經(jīng)驗，才能得到準(zhǔn)確測定結(jié)果。但實際上，人員操作水平不同，一些人員會出現(xiàn)觀察滯后的問題，直至水露明顯形成才發(fā)現(xiàn)凝析物，造成記錄的溫度并非是初凝時溫度，導(dǎo)致測定數(shù)值低于真實數(shù)值。

3 提高便攜式鏡面露點(diǎn)儀測定天然氣水露點(diǎn)準(zhǔn)確度的對策

3.1 過冷水問題的解決對策

針對過冷水問題，可以反復(fù)加熱鏡面，觀察升溫時水層是否出現(xiàn)蒸發(fā)情況。通常情況下，出現(xiàn)過冷水的露點(diǎn)溫度比真實值低1.0℃左右，所以也可以在計算蒸汽壓數(shù)據(jù)時進(jìn)行修正。但實際檢測時，為提高水露點(diǎn)測量準(zhǔn)確度，應(yīng)當(dāng)避免過冷水現(xiàn)象的產(chǎn)生。具體來講，就是對高壓力檢測點(diǎn)進(jìn)行選擇，利用軟件實現(xiàn)需要壓力的轉(zhuǎn)換，繼而達(dá)到準(zhǔn)確檢測的目的。

3.2 開爾文效應(yīng)的預(yù)防

為預(yù)防開爾文效應(yīng)的發(fā)生，實際進(jìn)行露點(diǎn)溫度測量時需要加強(qiáng)降溫過程的控制，避免制冷劑制冷速度過快。在測量前，應(yīng)當(dāng)先完成快速降溫測定，對大致凝析溫度進(jìn)行確認(rèn)。在現(xiàn)場檢測時，需要在接近露點(diǎn)值時緩慢降溫，推薦按照0.1℃/min速度降溫[3]。此外，還應(yīng)保證鏡面光潔度和導(dǎo)熱性能較好，以便使大液滴曲率半徑得到適當(dāng)增加，使結(jié)露質(zhì)量得到提高。針對被測天然氣，可以進(jìn)行過濾清潔，使油蒸汽得到減少，進(jìn)而使測得結(jié)果與真實值的差距進(jìn)一步縮小。

3.3 鏡面雜質(zhì)問題的解決對策

針對鏡面雜質(zhì)給露點(diǎn)儀測量結(jié)果帶來的影響，需要采用清洗鏡面表層的方法進(jìn)行解決。實際上，鏡面上存在不溶于水的微粒，將導(dǎo)致鏡面本底散射水平受到影響，造成零點(diǎn)漂移的發(fā)生。想要解決這一問題，在測量前需要先深度制冷，然后逐步升溫，再進(jìn)行降溫。而鏡面露層厚度不同，會產(chǎn)生不同程度反射或散射。采用光路，可以對露層厚度進(jìn)行檢測。如果露層厚度適當(dāng)，雜質(zhì)濃度會降低，因此不會帶來過多影響。

3.4 環(huán)境溫度問題的解決對策

采用便攜式鏡面露點(diǎn)儀進(jìn)行天然氣測量，應(yīng)當(dāng)結(jié)合環(huán)境溫度進(jìn)行合理降溫。在環(huán)境溫度較高的情況下，需要進(jìn)行遮陽處理，避免導(dǎo)熱銅棒被太陽直接照射。采取該種措施，能夠?qū)︾R面升溫速度進(jìn)行抑制。在此基礎(chǔ)上，需要對鏡面進(jìn)行深度降溫，使鏡面溫度提高速度放緩。在露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度接近的情況下，應(yīng)當(dāng)采取保溫及伴熱措施進(jìn)行取樣管路的處理，利用熱毛巾對管線進(jìn)行擦拭，確保管線溫度比環(huán)境溫度稍高，以免出現(xiàn)部分水析出的問題。

3.5 烴露點(diǎn)重合問題的解決對策

在實際操作中，擁有豐富經(jīng)驗的人員在鏡面溫度提升過程中，一旦發(fā)現(xiàn)升溫超出初露4℃就會直接進(jìn)行消露溫度的記錄，忽略凝析物是否徹底消失的問題。但想要提高測定準(zhǔn)確度，還要避免水凝析和烴凝析交替出現(xiàn)的情況發(fā)生。具體來講，就是對壓力不同檢測部位進(jìn)行更換，然后利用軟件進(jìn)行實時壓力轉(zhuǎn)換。結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)壓力值，可以在高或低出4MPa位置進(jìn)行露點(diǎn)溫度檢測。

3.6 人為操作問題的預(yù)防

想要提高露點(diǎn)儀測定準(zhǔn)確度，還要加強(qiáng)人為操作問題的預(yù)防?？紤]到管壓不同造成的天然氣流速不同問題，實際檢測時應(yīng)當(dāng)先將儀器放空口，用手對氣體排出情況進(jìn)行感受，剛剛感覺有氣體排出可符合檢測要求[4]。在人員經(jīng)驗不足的情況下，需要利用流量計對氣體流速進(jìn)行檢測，將天然氣流速控制在1L/min左右。在高壓條件下進(jìn)行檢測，流經(jīng)鏡面天然氣不會出現(xiàn)壓力明顯下降的問題，所以應(yīng)當(dāng)避免使用長取樣管線，以免出現(xiàn)取樣滯后的情況。在露點(diǎn)判斷方面，需要加強(qiáng)人員培訓(xùn)。針對現(xiàn)場操作人員，需要統(tǒng)一培養(yǎng)檢測能力，確保人員能夠在露點(diǎn)溫度判斷上達(dá)成一致認(rèn)識，繼而有效避免檢測結(jié)果出現(xiàn)過大偏差。

4 結(jié)語

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，采用便攜式鏡面露點(diǎn)儀測定天然氣水露點(diǎn)盡管較為方便，但在實際操作時需要認(rèn)識到水露點(diǎn)測量準(zhǔn)確度容易受過冷水、鏡面雜質(zhì)、環(huán)境溫度等各種因素影響，因此需要采取有效措施預(yù)防問題的發(fā)生，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，繼而為天然氣質(zhì)量控制提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)。

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