Способ определения температуры точки росы по воде в природном газе с высоким содержанием паров высших углеводородов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерению влажности природного газа по методу определения температуры точки росы в условиях высокого содержания паров высших углеводородов. В способе определения температуры точки росы по воде в природном газе, основанном на измерении температуры охлаждаемого зеркала в момент начала конденсации на нем паров воды, для контроля состояния поверхности зеркала используются радиоволны сaнтиметрового или миллиметрового диапазонов. Измерительная ячейка гигрометра содержит диэлектрический волновод, охлаждаемый термоэлектрическим модулем, и датчик температуры поверхности волновода. С одного копна волновода размещается источник СВЧ/КВЧ-волн, с другого - детектор этих волн. При охлаждении волновода ниже температуры точки росы на нем начинают конденсироваться капельки влаги, при этом из-за поглощения радиоволны СВЧ/КВЧ-диапазона в воде амплитуда сигнала с детектора падает, что фиксируется электронной схемой. На пленку конденсата высших углеводородов устройство практически не реагирует. Заявляемые способ и устройство позволяют уменьшить погрешность определения температуры точки росы но воде в природном газе в присутствии паров высших углеводородов по сравнению с оптическими приборами, используемыми для этой цели, в несколько раз. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению влажности природного газа по методу определения температуры точки росы (ТТР, Т_p) по влаге в условиях высокого содержания паров высших углеводородов.

Известны способы определения TТP по влаге в природных газах с помощью конденсационных гигрометров [1] . Измерительной ячейкой (датчиком) таких гигрометров служит металлическое зеркало, охлаждаемое тем или иным способом (жидкий азот, твердая углекислота, трубка Ранка, термоэлектрический холодильник и др. ). Контроль состояния поверхности зеркала осуществляют оптической системой, состоящей из источника света (в простейшем случае - дневной свет), падающего на зеркало, и приемника света, отраженного от зеркала (в простейшем случае - глаза). Процесс измерения ТТР происходит следующим образом.

Медленно охлаждают металлическое зеркало и одновременно ведут наблюдение за величиной отраженного от него света. При переходе температуры зеркала за температуру ТТР на нем начинают выпадать капельки жидкости. Последние рассеивают отраженный свет, что приводит к уменьшению света, попадающего в приемник. Температура зеркала, отвечающая началу момента конденсации, и называется температурой точки росы.

Указанный способ реализуется во многих современных конденсационных приборах Харьков-1, Dеwscopе, Anaconda, АГК-214, Bovar, Optomat Ex и др. [2] ; он является наиболее близким по технической сущности и взят в качестве прототипа.

Конденсационные оптические гигрометры измеряют ТТР по влаге достаточно хорошо, если при понижении температуры зеркала первой начинает конденсироваться вода. Однако, если в газе содержатся пары пропана, бутана, пентана и других высших углеводородов (ВУ), имеющих высокие температуры конденсации (а в реальных природных газах, как правило, реализуется именно эта ситуация [3] ), то при охлаждении зеркала вначале будут выпадать конденсаты ВУ (например, бутана, а затем пентана).

При этом определение ТТР по влаге будет проводиться с большой погрешностью [4] . Это происходит из-за того, что оптические свойства ВУ и воды близки и различить начало образования пленки воды на пленке ВУ (которая к тому же одновременно увеличивается по толщине из-за непрерывной конденсации ВУ) трудно, а зачастую и невозможно. Особенно тяжелая ситуация существует на станциях подземного хранения газа (СПХГ), которые основаны на бывших газоконденсатных месторождениях (в частности - в Саратовской обл. ): даже новейшие конденсационные приборы (например, Kонг-Прима-2) работают там крайне неустойчиво из-за высокого содержания паров ВУ в извлекаемом газе.

Таким образом, недостатком указанного способа является высокая погрешность определения ТТР по воде в случае, если ТТР по ВУ≥ТТР по влаге.

Известное устройство - гигрометр "Харьков-4", выбранное в качестве прототипа, которое содержит металлическое зеркало, охлаждаемое рабочим газом за счет дроссельного эффекта, источник света и оптическую систему для визуального наблюдения за состоянием охлаждаемой поверхности [4] . При наблюдении ТТР по воде в случае, если она лежит ниже, чем ТТР по ВУ, измерение производится с большой погрешностью. Это является недостатком устройства.

Решаемой технической задачей является создание способа и устройства для определения точки росы по воде в реальном природном газе в присутствии паров ВУ с более высокой ТТР, чем . Задача решается следующим образом.

В способе определения температуры точки росы по воде в природном газе с высоким содержанием паров ВУ, основанном на измерении температуры охлаждаемого зеркала в момент начала конденсации на нем паров воды, новым является то, что контроль состояния поверхности зеркала осуществляется за счет использования радиоволн СВЧ/КВЧ-диапазонов.

Решение задачи в устройстве достигается тем, что в измерительной ячейке (ИЯ) конденсационного гигрометра для определения температуры точки росы по воде в природном газе с высоким содержанием паров высших углеводородов, содержащей зеркало, термоэлектрическое охлаждающее устройство и датчик температуры, новым является то, что охлаждаемое зеркало выполнено из диэлектрического радиопрозрачного материала с высокой теплопроводностью в виде прямоугольной пластины, концы которой соединены с одними концами передающего и приемного волноводов соответственно и выполнены таким образом, что согласуют волновые сопротивления передающего и приемного волноводов с волновым сопротивлением диэлектрической пластины, которая является диэлектрическим волноводом и по которой распространяется электромагнитная волна СВЧ/КВЧ-диапазона, при этом другие концы передающего и приемного волноводов соединены с СВЧ/КВЧ-генератором и СВЧ/КВЧ-детектором соответственно.

Новым является то, что для стекания конденсата высших углеводородов с диэлектрического волновода измерительную ячейку устанавливают перпендикулярно горизонтальной поверхности.

Устройство, реализующее заявленный способ, представлено на фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 изображена конструкция ИЯ. Она состоит из термоэлектрического холодильника 1, на котором расположен диэлектрический волновод 2; температура последнего измеряется электронным термометром 3.

Hа фиг. 2 изображена схема включения ИЯ в СВЧ-гигрометр. На нем показано: 4 - СВЧ/КВЧ-генератор, 5, 6 - подводящий и отводящий волноводы, 7 - ИЯ, 8 - детектор СВЧ/КВЧ-сигнала, 9 - блок управления температурой холодильника и 10 - блок обработки сигнала и индикации ТТP.

На фиг. 3 показаны: а - временный ход температуры (Т^o, С) диэлектрического волновода и б - временный ход сигнала с СВЧ/КВЧ-детектора (U_g), поступающего на вход блока обработки, T_p ^BУ и - ТТР по ВУ и по влаге; t - время.

Способ реализуется следующим образом.

Радиоволны СВЧ- или КВЧ-диапазонов (частоты 3-30 ГГц или 30-300 ГГц и длины волн - сантиметры или миллиметры соответственно) имеют большой коэффициент поглощения (тангенс угла потерь - tgδ)) для воды и незначительный - в жидких углеводородах (tgδ^ВУ≈ 10^-3- 10^-4). При прохождении радиоволн СВЧ/КВЧ-диапазонов сквозь пленку конденсата в зависимости от ее природы реакция будет существенно различной: в случае воды волна будет затухать и амплитуда ее будет падать; в случае же конденсата ВУ волна будет только сдвигаться по фазе, а амплитуда ее останется неизменной.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 4 создает радиоволны СВЧ/КВЧ-диапазона, которые по стандартному волноводу 5 поступают на измерительную ячейку 7, проходят по диэлектрическому волноводу 2 и далее через стандартный волновод 6 попадают в детекторную секцию 8. Продектированный сигнал обрабатывается в блоке 10, который одновременно выдает команду блоку управления током термоэлектрического охлаждающего устройства 9 и служит блоком индикации температуры точки росы по влаге. Над ИЯ непрерывно пропускают природный газ при рабочем давлении и температуре, подаваемый из газопровода. В момент времени t= 0 по команде блока 10 температура термохолодильника 1 и лежащего на нем диэлектрического волновода 2 начинает понижаться. При достижении температуры точки росы по какому-либо углеводородному компоненту (T_p ^BУ) на диэлектрическом волноводе 2 начинает конденсироваться этот ВУ, однако, ввиду высокой радиопрозрачности жидкого углеводородного конденсата сигнал с детектора 8 по величине практически не изменяется (фиг. 3а). Когда же, медленно понижаясь, температура диэлектрического волновода 2 опустится ниже температуры точки росы, на нем начнут осаждаться микрокапли воды; при этом сигнал с детектора 8 U_g начнет уменьшаться (фиг. 3б). Обрабатывая математически кривую U_g(t), с хорошей точностью можно найти начало изменения (излома) характеристики U_g (T, ^oС), т. е. температуру точки росы по воде - .

Таким образом, сам характер изменения сигнала с детектора, а именно отсутствие реакции на T_p ^BУ, позволяет проводить измерения TТP по влагe при наличии в газе паров ВУ со значительно более высокой ТТР, чем .

Для того чтобы избежать значительного накопления конденсата высших углеводородов, могущих помешать работе различных элементов измерительной ячейки, конденсат следует с охлаждаемого волновода постоянно удалять. Удаление конденсата достигается шлифовкой волновода 2, отсутствием острых кромок и вертикальным расположением термоохлаждающего элемента 1.

В устройстве для осуществления способа в качестве холодильника применялся термоэлектрический модуль типа К2-158-1/1,5 российской фирмы "Остерм"; в качестве волновода использовалась керамическая пластина из поликора размерами 6•60 мм², оба конца которой были заострены под углом ~ 20^o (см. фиг. 1). В качестве датчика температуры применялась микросхема серии ТМР-01 фирмы Analog Devices. Генератор КВЧ был выполнен на диоде Ганна (НИИ "Орион", г. Киев); частота генератора - 34 ГГц, выходная мощность - 10 мВт. Остальные элементы устройства - стандартные.

Устройство было испытано в лаборатории на воздушных смесях с различным влагосодержанием и на Степновской СПХГ (П. "Югтрансгаз") на природном газе с высоким содержанием ВУ и показало положительный результат: устойчиво определялась ТТР по воде, расположенная на 5-15^oС ниже TТP по ВУ. Контроль при измерениях ТТР по воде и ВУ проводился следующими конденсационно-термометрическими приборами: штатным гигрометром TТР "Харьков-1" и новейшим гигрометром "Конг-Прима 2" фирмы "Вымпел".

Источники информации 1. Халиф А. Л. , Туревский Е. Н. , Сайкин В. В. , Сахаров В. Е. , Бахметьев П. И. Приборы для определения влажности природного газа. Москва, ИРЦ Газпром, 1995 г. , 45 с.

2. Москалев И. Н. , Битюков B. C. , Филоненко А. С. , Гаврилин А. К. , Федосов В. М. , Ефременко И. А. Влагометрия природного газа: состояние и проблемы. Москва, ИРЦ Газпром, 1999, 36 с.

3. ОСТ 51.40-93. Газы горючие, природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным трубопроводам.

4. Плехоткин B. П. , Ткаченко М. Ф. , Серебро Ж. М. Методические особенности определения точки росы природных горючих газов. В сб. "Всесоюзная научно-техническая конференция Термогаз-89", Xaрьков, 1989, 209-214 с.

Формула изобретения

1. Способ определения температуры точки росы по воде в природном газе с высоким содержанием паров высших углеводородов, основанный на измерении температуры охлаждаемого зеркала в момент начала конденсации на нем паров воды, отличающийся тем, что контроль состояния поверхности зеркала осуществляется с помощью радиоволн СВЧ/КВЧ-диапазонов.

2. Измерительная ячейка конденсационного гигрометра для определения температуры точки росы по воде в природном газе с высоким содержанием паров высших углеводородов, содержащая зеркало, термоэлектрическое охлаждающее устройство и датчик температуры, отличающаяся тем, что охлаждаемое зеркало выполнено из диэлектрического радиопрозрачного материала с высокой теплопроводностью в виде прямоугольной пластины, концы которой соединены с одними концами передающего и приемного волноводов соответственно и выполнены таким образом, что согласуют волновые сопротивления передающего и приемного волноводов с волновым сопротивлением диэлектрической пластины, которая является диэлектрическим волноводом и по которой распространяется электромагнитная волна СВЧ/КВЧ-диапазона, при этом другие концы передающего и приемного волноводов соединены с СВЧ/КВЧ-генератором и СВЧ/КВЧ-детектором соответственно.

3. Измерительная ячейка по п. 2, отличающаяся тем, что для стекания конденсата высших углеводородов с диэлектрического волновода измерительную ячейку устанавливают перпендикулярно горизонтальной поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.06.2005        БИ: 16/2005