AMETEK水露点仪在天然气管输管线中的广泛应用

2013-05-14汪世军

计量技术 2013年11期

汪世军刘奎汪海王博

(中国石油西气东输豫皖管理处，郑州 450008)

0 引言

我国管输天然气中水露点的国家标准有两个，一是GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》，其中规定：进入输气管道的气体必须清除机械杂质，水露点应比输送条件下最低环境温度低5℃；另一个是GB 17820—1999《天然气》，其中规定：在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气的水露点应比最低环境温度低5℃。商品天然气按照有关标准是应该没有水份的，但在输气管线的实际运行中，管输天然气中总是会或多或少的含有些水份。所以，需要实时监测管输天然气中水露点温度，以避免水份和水合物对天然气管输管线及管输设备造成腐蚀、冰堵及管线冻裂。

1 管输天然气中水份的成因

管输天然气中的水份分别以游离水和结合水两种形态存在，主要有四种成因：

1)地底下开采的天然气本身带有水份，经过净化处理后仍然残留的水份，这是在管输管线投用后天然气中水份的主要成因；

2)管线施工加水打压，通氮气干燥后残留在管道中的水份，它和管线长度、管道所经地段地形复杂程度以及管线干燥方法有关，这是管输管线投用前天然气中水份的主要成因，有时能使水露点值和天然气管输温度相一致，形成水份饱和管输天然气；

3)个别地点检修管输管线设备时，管线设备开口暴露在空气中，潮湿空气和雨水进入管线，致使水份残留在管线中，这种成因对管输天然气中水份含量影响较小；

4)由于部分地区使用卤穴储存管输天然气，再次使用时，卤穴中的水份混入天然气中，会致使下游的管输天然气水份含量突然增大。

2 管输天然气的水露点温度(水份含量)的测量方法

现在管输天然气测量水露点温度(水份含量)的方法主要有下述几种：

1)冷却镜面法：被测气体在恒定的压力下，以一定的流速掠过光洁的用冷却装置致冷的金属镜面，随着温度逐渐降低，镜面达到某一个温度时开始结水露，此时的镜面温度就是水露点的温度。一般的冷却装置有液氮(能将管输天然气制冷到-120℃左右)，CO2钢瓶气(能将管输天然气制冷到-60℃左右)，半导体制冷器(能将管输天然气制冷到-35℃左右)。AMETEK代表性的产品为：Model13 Dewpoint。

2)晶体振荡法：使用一种带有吸湿性膜片的石英晶体，根据该吸湿性膜片吸收水份质量不同时石英晶体振动频率不同的特点，让所测量的气体和该气体经过干燥罐干燥后的标准干燥气流经该晶体，因而产生不同的振动频率差Δf1和Δf2，计算Δf1和Δf2之差即可得到样气的湿度，并根据现场所测气体管输管线压力换算成水露点温度。AMETEK代表性产品为：3050-OLV。

3)激光吸收光谱法：用一个可调谐二极管激光在特定波长下产生能量，该波长对水分子有很强的吸收特性(1854nm)。可调谐二极管激光产生的特定波长的能量通过所测量气体，所测气体中的水分子会吸收少部分的这个波长的能量。通过测量该气体所吸收的这部分波长能量的多少，就可确定所测量气体中水分的含量，并根据现场所测气体管输管线压力换算成水露点温度。AMETEK代表性产品为：Model5100。

4)电解(五氧化二磷)法：利用五氧化二磷等材料吸湿后分解成极性分子，水份经电解池电解成氢气和氧气排出，电解电流的大小与水分含量成正比，通过检测该电流即可测得样气的湿度。其测量量程可达露点-80℃以下，且准确度较高，价格便宜；缺点是电解池气路需要在使用前干燥很长时间(对干燥气的气质要求也较高)，且对所测气体的腐蚀性及清洁性要求较高，在现场无法对分析仪做标定校准。

5)阻容法(电传感器法)：该方法是利用采用亲水性或憎水性材料作为介质，构成电容或电阻，在含有水份的气体流经后，电容的介电常数或电阻的电导率发生相应变化，测出当时的电容值或电阻值，就能知道所测气体的水份含量。该方法的主要优点是测量量程可达露点-100℃，并且响应速度较快，准确度较高，最大允许误差多为±(2～3)℃，缺点是气路需要在使用前干燥很长时间，检测元件老化和漂移严重，使用3～6个月后必须进行校准。

6)红外检测法：利用气体中的水份对红外光谱吸收的特性测量气体中水份。目前该仪器很难测到较低的水露点温度，主要是红外探测器的峰值探测率还不能达到微量水吸收的量级，还有气体中其他成份含量对红外光谱吸收的干扰较大。

3 AMETEK分析仪在天然气管输管线中的应用

1)Model13 Dewpoint型分析仪是一种便携式的水露点温度分析仪(同时也可以测量管输天然气中的烃露点温度)，仪器内部自带供电电池，完全充电后可使用8h左右，可在天然气管输管线上任意测量点测量，由于分析仪测量的是天然气管输压力下的天然气水露点温度，所以，可以直接对管输压力下的天然气进行测量，并可得到管输压力下天然气的水露点温度，且测量误差可达到±0.1℃，但需要现场提供液氮或钢瓶CO2作为制冷源(视分析仪具体型号而定)。因为该分析仪测量的是水露点温度，所以，需定期对分析仪的测温元件进行校准，以保证分析仪测量的准确度。由于分析仪结构简单，所以日常维护也相对简便，只要使用前对电气箱体进行完全充电，确保分析仪冷镜表面无杂质和污染，分析仪进样口粉尘过滤芯干净无污染，压力表指针正常和针阀都可正常开关，制冷剂准备就绪。该分析仪应用在天然气管输管线未安装实时水露点温度监测分析仪的管输天然气分输站，便于定期检查进站和出站的管输天然气的水露点温度，以确保管输管线和场站设备的正常运行。

2)3050-OLV型分析仪是实时在线水露点温度分析仪，通过检测管输天然气中水份的浓度(mL/m3)，并按照天然气管输压力换算成水露点温度。该分析仪可安装在分析仪小屋内，也可在露天安装使用，完全满足天然气行业的防爆等级要求，100～240V宽范围交流电压供电，并实时传输4～20mA模拟量信号(模拟量信号可自由选择有源和无源输出)和Modbus信号输出测量值，并可接入压力变送器信号实时换算输出管输天然气中水露点温度值。该分析仪自带标准水分发生器，可在日常使用中自动校准，确保分析仪读数准确，无需用户准备标准气体且该型分析仪所测气体和参比气体都来源于管输天然气，排除了所测气体和参比气体比重不同所带来的误差影响。该分析仪日常巡查相对简单，只需检查分析仪报警灯是否闪烁，进样压力是否保持在0.34MPa以下，排放口背压是否调解在0.07MPa左右即可。该分析仪日常的维护也相对简单，只需定期更换分析仪的气液分离滤膜(6～12个月)、干燥罐前级粉尘过滤器滤芯(6～12个月)、干燥罐(12～18个月)以及水分发生器(18～24个月)就可保证分析仪正常运转。该分析仪主要应用于天然气管输管线部分重要的分输站，安装在分析仪小屋内用于实时监测进站管输天然气中水露点温度。

3)Model 5100型分析仪有在线测量和便携式测量两种型号，在线测量型分析仪是实时在线水露点分析仪，通过实时检测管输天然气中水份的浓度(mL/m3)并按照天然气管输压力换算成水露点温度。可安装在分析仪小屋内，也可在露天安装使用，完全满足天然气行业的防爆等级要求，100～240V宽范围交流电压供电，并实时传输4～20mA模拟量信号(模拟量信号可自由选择有源和无源输出)和Modbus信号输出测量值，并可接入压力变送器信号实时换算输出管输天然气中水露点温度。该分析仪出厂时完成分析仪标定，使用时无需标定校准。便携式测量型分析仪内部自带电池，完全充电后可连续使用8h左右，可在天然气管输管线上任意位点测量。由于5100型分析仪进样压力最大只能达到0.07MPa，所以样品气需要减压后测量。该型分析仪日常巡查相对简单，只需查看分析仪是否有报警信息，进样压力是否保持在0.07MPa以下即可；日常的维护也相对简单，只需定期更换分析仪的气液分离滤膜(6～12个月)就可保证分析仪正常运转。

4 AMETEK分析仪在天然气管输管线中应用的常见问题

4.1 Model13 Dewpoint型分析仪

Model13 Dewpoint型分析仪在天然气管输管线中使用遇到的问题主要有：漏气、进样管路吹扫不完全、电池没电，水露点和烃露点判断不准等。

1)漏气主要是由于分析仪管路安装不正确导致，为便于运输和携带的方便，Model13 Dewpoint分析仪都是拆解成零部件安装于防护箱内，到达检测地点后组装，此时会有用户将O型圈忘记安装或者将气室安装错方向引起分析仪漏气，正确的气路安装方式详见图1，或保存好所有的部件并拍照，询问厂方工程师即可解决。

图1 Model13 Dewpoint分析仪正确安装图

2)进样管路吹扫不完全会引起测量的水露点值偏高，解决方法是将进样管线吹扫完全后(一般吹扫10min左右)，再进行测量；或者进行多次测量以避免单次测量的误差。

图2 Model13 Dewpoint分析仪水露点及烃露点判断图

3)电池没电可能是由于电池老化或者是电池充电连接线脱落引起的，可以通过更换电池和检查充电连接线方法排除。

4)水露点和烃露点的判断可参照图2所示。一般水露点是由中心向四周扩散(图2b)，烃露点是由四周向中心扩散的(图2c和图2d)。

4.2 3050-OLV型分析仪

3050-OLV该型分析仪在天然气管输管线中使用遇到的问题主要有：分析仪流量报警、分析仪不输出Modbus信号和分析仪参比气故障等。

1)流量报警主要是由于分析仪进样口和出样口压力差不在0.14MPa以上，分析仪无法自动调节流量所致，主要是检查进样口压力是否在0.34MPa以下，进样口压力和出样口背压的压差是否在0.14MPa以上，如果上述压力正常则需要查看配置软件中Flow Duty参数值，当流量偏低而Flow Duty参数值为0.600或者流量偏高而Flow Duty参数值为0.100时，则需要更换分析仪的流量传感器。

2)分析仪不输出Modbus信号主要是用户调试分析仪时，需将分析仪输出状态调节为AMETEK serial，并忘记修改回Modbus serial所致，但也有可能是由于分析仪硬件组装所致。所以，要使用配置软件连接分析仪，查看并排除故障。

3)分析仪参比气故障主要是由于拆卸更换干燥罐时，干燥罐出口阀忘记打开引起的，此时只要确认干燥罐出口阀是否已经打开，便可排除故障。