影响便携式镜面露点仪测定天然气水露点的准确度因素的研究

张馨予

摘 要：在天然气质量管控方面，水露点为重要指标，需要得到准确测定。采用便携式镜面露点仪进行天然气水露点的测定，测量准确度会受到过冷水、开尔文效应、镜面杂质等诸多因素的影响。基于这种认识，本文对影响水露点测量准确度的因素展开了分析，并提出了提高测量准确度的对策，为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：便携式镜面露点仪；天然气水露点；准确度

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0068-02

0 引言

在天然气储运过程中，需要确保天然气中不存在液态物质。而水露点是天然气液态控制的重要指标，按照《天然气》GB17820-2012要求，在交接点压力下应比输送最低环境温度低5℃，所以需要实现准确测定。在日常工作中，天然气水露点的测定主要采用便携式镜面露点仪，影响仪器测量准确度的因素角度，因此需要进一步的分析，以便采取有效措施得到准确的测量结果，满足天然气质量控制要求。

1 便携式镜面露点仪测定天然气水露点的原理分析

在天然气水露点测定方面，主要采用露点仪。该种仪器用于进行气体湿度的测量，即对气体中水蒸气含量进行测定，能够利用得到的露点温度进行气体湿度表示。从原理上来看，采用露点法进行气体水露点测量，需要实现等压冷却，使气体中水蒸气冷却至凝聚相出现。通过对冷镜面的温度进行控制，能够使水蒸气与凝聚相的表面保持热力学平衡状态，因此能够对露点温度进行准确测量。现阶段，不同种类露点仪采用不同的冷却方式和检测方法。而便携式镜面露点仪采用二氧化碳制冷方式，检测成本低，使用方便，现场操作简单，能够增强露点温度检测的的便捷性。在天然气水露点测定方面，便携式镜面露点仪采用金属镜面，能够利用二氧化碳膨胀对流经镜面的气流进行冷却。采用该种测量方式，能够人为进行镜面温度调节，实现露点温度准确检测。在镜面出现凝析物时，可以利用肉眼對结露现象进行观察。如果镜面温度低于露点温度，凝析物会逐渐增加，反之高于露点温度，凝析物会逐渐消失，因此可以用于测定天然气露点温度。但在实际操作中，现场环境较为恶劣，存在气体管路粗细不均、环境温度不稳等各种情况，要求人员凭借丰富经验进行各种现象的有效应对，才能实现露点温度的准确检测，满足天然气生产运行控制要求。

2 影响便携式镜面露点仪测定天然气水露点准确度的因素分析

2.1 过冷水带来的影响

在温度达到0℃以上时，水需要保持水蒸气这种稳定热力学状态，经过冷凝后则能结露。在温度低于0℃以下时，水除了保持固态或气态，还能以过冷水这种热力学状态存在。从露滴形成条件上来看，需要憎水抛光面，且表面有一定量微小固体粒子，即露核，同时表面需要有微小裂痕。在水蒸气接近饱和时，露滴会在这样的表面形成，并孤立生长，彼此间距离逐渐缩小，直至结合[1]。在镜面温度降低的过程中，水蒸气接近饱和状态，在分子引力作用下被镜面吸附，形成薄水膜，初步凝露。温度持续下降，水膜增厚。不规则的露滴不断生长，会形成露层，在表面扩散，达到液-气或固-气平衡。但是如果水蒸气饱和却不出现液相，就会发生过饱和现象，形成过冷水。出现这种情况，与被测气体和镜面过于干净有关，以至于露核数量不足。在低温条件下测量，温度下降至0℃以下，水在过冷水状态下迅速形成露层，但蒸气压为过冷水蒸汽压，并非冰饱和蒸汽压，实测得到的尽管是露点温度，也会被仪器当成是霜点温度，造成结果不正确。

2.2 开尔文效应带来的影响

在一定温度和压力条件下，空气中的水汽不会一直增加，而是拥有一个极限值。达到这一数值，水汽和纯净水平面会达到气-液或固-液两相平衡状态，发生水汽饱和。结露过程中，水表面是曲面，水汽压不同于露滴表面和纯水平面，要稍高一些。而结露温度为空气相对弯曲水面达饱和时的温度，因此在对相同温度进行测定时会出现结露温度比真实温度低的情况，被称之为开尔文效应[2]。受这一因素的影响，在镜面温度接近霜点时，纯水平面饱和水汽压将有所提高。此时，蒸汽压更高的液滴会凝结成大液滴，出现提前结露的情况，最终影响实际露点温度测量结果。

2.3 镜面杂质带来的影响

采用便携式镜面露点仪开展现场测定作业，镜面容易受到污染。而在镜面表层拥有可容性杂质的情况下，会给测定准确度带来影响。因为在实际检测期间，镜面上露层需要达到与水蒸气保持动动态平衡的状态，然后对露点温度进行检测。而气体与液体间平衡，实际是单位时间内液相蒸发到气相和气相凝结到液相的分子数相同。一旦镜面溶质在水中溶解，粒子将在水蒸汽表面不均匀分布，导致从镜面蒸发出的分子数较少。此时如果达到相平衡，溶液蒸汽压要比纯水低。根据乌尔定律可知，测量得到的露点温度比真实数值要高。在可溶性杂质摩尔分数不超出0.62%的条件下，露点温度受到的影响不超出0.1℃。一旦镜面杂质较多，将使测定准确度受到明显影响。

2.4 环境温度带来的影响

在现场使用露点仪进行天然气水露点测量，由于工作环境较为复杂，可能导致测量结果受环境温度影响。在环境温度比露点温度高出较多的情况下，镜面温度上升速度较快，人眼较难准确捕捉到凝析物消失的瞬间，获得的测量结果容易比实际数值要高。如果露点温度与环境温度较为接近，天然气进入露点仪期间将有部分水析出，导致测量结果比实际值要低。

2.5 烃露点重合带来的影响

检测天然气水露点，可能遭遇水露点与烃露点接近的问题。在这种情况下，露点仪镜面降温至0℃左右会出现凝析物。达到-2℃时，光线照射镜面会出现彩虹。达到-4℃，一个镜面会出现新的凝析物。持续降温，凝析物会扩散变大，最终对大部分镜面进行覆盖，达到镜面边缘。不同于正常水露点检测，水露点与烃露点接近将导致凝析物出现顺序发生改变，引起彩虹环的出现。因为在整个过程中，烃凝析在水凝析之前出现，之后二者会交替出现。对镜面进行升温，直至达到10℃才能彻底消除凝析物。在正常检测中，不超过初露4℃凝析物会完全消失。按照要求，初露和消露温度不能超出4℃。由此可见，烃露点与水露点接近会造成测试结果不准。

2.6 人为操作带来的影响

不同于站场检测，现场检测将面临多变的管道压力和气流，检测人员不会进行反复检测，操作便携式镜面露点仪的熟练程度也并不同，导致测定结果容易受到人为因素影响。在实际检测时，流过镜面的天然气流速较快，将导致镜面天然气压力降低。在固定水含量下，测定露点温度值较之真实值更高，无法对实时压力下的露点温度进行反映。如果取样管线过长，流经镜面天然气流速较慢，造成取样滞后，露点温度尽管能够得到准确测定，但无法确定为实时露点值。人员在记录露点值时，需要采取目测法，要求人员拥有丰富检测经验，才能得到准确测定结果。但实际上，人员操作水平不同，一些人员会出现观察滞后的问题，直至水露明显形成才发现凝析物，造成记录的温度并非是初凝时温度，导致测定数值低于真实数值。

3 提高便携式镜面露点仪测定天然气水露点准确度的对策

3.1 过冷水问题的解决对策

针对过冷水问题，可以反复加热镜面，观察升温时水层是否出现蒸发情况。通常情况下，出现过冷水的露点温度比真实值低1.0℃左右，所以也可以在计算蒸汽压数据时进行修正。但实际检测时，为提高水露点测量准确度，应当避免过冷水现象的产生。具体来讲，就是对高压力检测点进行选择，利用软件实现需要压力的转换，继而达到准确检测的目的。

3.2 开尔文效应的预防

为预防开尔文效应的发生，实际进行露点温度测量时需要加强降温过程的控制，避免制冷剂制冷速度过快。在测量前，应当先完成快速降温测定，对大致凝析温度进行确认。在现场检测时，需要在接近露点值时缓慢降温，推荐按照0.1℃/min速度降温[3]。此外，还应保证镜面光洁度和导热性能较好，以便使大液滴曲率半径得到适当增加，使结露质量得到提高。针对被测天然气，可以进行过滤清洁，使油蒸汽得到减少，进而使测得结果与真实值的差距进一步缩小。

3.3 镜面杂质问题的解决对策

针对镜面杂质给露点仪测量结果带来的影响，需要采用清洗镜面表层的方法进行解决。实际上，镜面上存在不溶于水的微粒，将导致镜面本底散射水平受到影响，造成零点漂移的发生。想要解决这一问题，在测量前需要先深度制冷，然后逐步升温，再进行降温。而镜面露层厚度不同，会产生不同程度反射或散射。采用光路，可以对露层厚度进行检测。如果露层厚度适当，杂质浓度会降低，因此不会带来过多影响。

3.4 环境温度问题的解决对策

采用便攜式镜面露点仪进行天然气测量，应当结合环境温度进行合理降温。在环境温度较高的情况下，需要进行遮阳处理，避免导热铜棒被太阳直接照射。采取该种措施，能够对镜面升温速度进行抑制。在此基础上，需要对镜面进行深度降温，使镜面温度提高速度放缓。在露点温度与环境温度接近的情况下，应当采取保温及伴热措施进行取样管路的处理，利用热毛巾对管线进行擦拭，确保管线温度比环境温度稍高，以免出现部分水析出的问题。

3.5 烃露点重合问题的解决对策

在实际操作中，拥有丰富经验的人员在镜面温度提升过程中，一旦发现升温超出初露4℃就会直接进行消露温度的记录，忽略凝析物是否彻底消失的问题。但想要提高测定准确度，还要避免水凝析和烃凝析交替出现的情况发生。具体来讲，就是对压力不同检测部位进行更换，然后利用软件进行实时压力转换。结合监测点压力值，可以在高或低出4MPa位置进行露点温度检测。

3.6 人为操作问题的预防

想要提高露点仪测定准确度，还要加强人为操作问题的预防。考虑到管压不同造成的天然气流速不同问题，实际检测时应当先将仪器放空口，用手对气体排出情况进行感受，刚刚感觉有气体排出可符合检测要求[4]。在人员经验不足的情况下，需要利用流量计对气体流速进行检测，将天然气流速控制在1L/min左右。在高压条件下进行检测，流经镜面天然气不会出现压力明显下降的问题，所以应当避免使用长取样管线，以免出现取样滞后的情况。在露点判断方面，需要加强人员培训。针对现场操作人员，需要统一培养检测能力，确保人员能够在露点温度判断上达成一致认识，继而有效避免检测结果出现过大偏差。

4 结语

通过分析可以发现，采用便携式镜面露点仪测定天然气水露点尽管较为方便，但在实际操作时需要认识到水露点测量准确度容易受过冷水、镜面杂质、环境温度等各种因素影响，因此需要采取有效措施预防问题的发生，保证测量结果的准确性，继而为天然气质量控制提供科学数据依据。

参考文献

[1] 张君.数字温湿度计相对湿度校准结果的不确定度评定[J].品牌与标准化，2018（05）：34-36.

[2] 蔡万敬，蔡鸿皓.精密露点仪标准装置建标相关工作探讨[J].铁道技术监督，2018，46（06）：12-15.

[3] 石良喜.露点仪热效应对湿度传感器测量准确度的影响[J].计量与测试技术，2017，44（07）：75-76.

[4] 裴全斌，沈超，邹伟等.冷却衰减红外光谱法露点仪测定管道天然气烃露点与水露点[J].计量技术，2017（07）：31-33.