浅谈天然气水露点测量技术分析与应用

胡勇刚 张晨

摘要：天然气是一种优质、高效、清洁的能源和化工原料。由地层采出的天然气，通常处于被水饱和的状态。水是天然气中有害无益的组分，过多的水分会导致水和烃类形成水合物，堵塞管道、仪表以及各种阀门，水分会与二氧化碳、硫化氢等组分反应形成酸性物质，腐蚀管壁、阀件和设备，对天然气的安全生产和使用造成危害。本文主要对多种天然气水露点测量方法的原理、技术指标、适用范围和研究进展进行了综述。

关键词：天然气水露点;测量技术;霜点

0引言

天然气集输过程中水是一种无益的组分，天然气中水组分会影响天然气的热值和输气管道的输送能力。当温度降低或压力增加时，管道中天然气可析出液相的凝析水，进而造成管道中出现积液问题，降低了管道的输送能力，严重者可能形成段塞流，且液态水也会加速天然气中酸性组分对管道和设备的腐蚀。降低天然气水露点，无论对于管道输送或者成为达到商品气质的要求都具有重要的意义。

1天然气中水露点的检测

为了确保安全，GB17820—1999《天然气》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℃。气体在一定压力下逐渐降低温度，析出第一滴水时的温度即为露点。若露点温度低于0℃，水汽凝结成霜，称为霜点。露点和霜点，统称为露点。为了和天然气中烃露点区分开，以下将气体中水冷凝结露/霜的温度，称为水露点。水露点和水分含量相关联，水露点越高，说明水分越高;水露点和水分含量在一定的条件下可以相互换算。水露点/水分是商品天然气质量控制中的一项重要技术指标，是天然气输送、加工、设计和管理中的重要基础数据。

2水露点/水分测量技术研究

测量天然气水露点的方法主要是冷镜露点法。还有很多通过测量天然气水分换算得到天然气水露点的方法，包括卡尔·费休库仑法法、电解法、可调二极管激光吸收光谱法、阻容法和晶体振荡法等。

2.1冷镜露点法

在恒定压力下，气体以一定的流速掠过一个光滑无污染的金属镜面，当镜面温度高于气体露点温度时，镜面呈干燥状态;镜面温度降低到某量值时开始结露;当温度继续降低时，凝析物会进一步增加;当温度略升高时，凝析物则减少至消失，此时的镜面温度即为待测气体的水露点。

冷镜露点仪的直接测量是露点或霜点温度，具有测量范围宽、操作方便、仪器稳定无漂移、实验重复性和再现性较好等特点。但天然气所含的烃类、醇类和颗粒物都可能污染镜面，导致测量值漂移甚至仪器失效。冷镜式露点仪的致冷方式经历了由冷媒制冷、高压节流制冷到半导体制冷的发展，露点测量范围不断扩展，测量精度大幅提高。目前国际上主流的露点仪，露点测量精度不超过0.1℃，准确度不超过±0.5℃。

2.2卡尔·费休法

在非水溶剂中，碘和二氧化硫发生氧化还原反应，同时消耗等物质的量的水，该反应被称为卡尔·费休反应。卡尔·费休法是根据反应消耗的碘的物质的量，计算样品中水分的含量。

卡尔·费休法包括库仑法和容量法。库仑法是通过电解反应生成碘分子参与卡尔·费休反应，然后，根据法拉第定律通过电量计算总碘量，从而得到水分含量;容量法是滴加含碘的滴定剂参与卡尔·费休反应。库仑法是直接测量方法，与容量法相比，检出限更低，测量重复性更好。但是，卡尔·费休库仑法的测量结果受电极结构和电解液种类的影响，因此，需要已知水分含量的标准物质校准以保证量值准确可靠。

2.3电解法

电解法的测量原理是：样品气以一定的流速通过电解池，其水分被电解池内作为吸湿剂的五氧化二磷膜层吸收，生成磷酸;在直流电的作用下，发生电化学反应，磷酸被分解为氢气、氧气和五氧化二磷;电解电流的大小正比与气样中的水含量，因此，可用电解电流来测定气样中的水含量，进而求出对应压力条件下的水露点值。

电解法露点仪具有使用方便，干扰因素少，测量范围广，灵敏度和准确度较高等特点，适合在气田应用，尤其是低含水或凈化后天然气输气管线，是天然气中水含量测定的行业标准方法。但是，测量时气体的压力、流量、组成的变化对露点测量结果影响很大，而且电解法对气体的腐蚀性和清洁性要求较高，电解池的寿命有限。电解法的电极直接与外界接触会吸附一定量环境中的水分，此时需要对气路进行长时间的干燥才能进行测量。该方法测定含氢元素气体时会有误差，在低湿条件下响应时间久。该方法测定的水含量换算成高压下的水露点尚无公认的方法标准，而常用的查图法误差较大。

2.4可调二极管激光吸收光谱法（TDLAS）

TDLAS是一种非接触式测量技术，用一个可调谐二极管激光在特定波长下产生能量，根据被气体分子选择性吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。气体介质对激光的吸收满足朗伯-比尔定律（Beer-Lambert）。Beer-Lamber定律描述了单色光穿过均匀气体介质时透射光强度和入射光强度的关系。气体样品不断地流过检测池，激光器发射一束特定波长的近红外光，被反射镜反射后通过检测器窗口被检测器检测。检测器用于测定特定波长光束的光强。

激光吸收光谱分析仪具有准确度高、检出限低、线性误差小和响应时间短等优点。由于采用非接触式测量，天然气中的污染物不会影响仪器的测量精度。目前，可调二极管激光吸收光谱技术已经成功应用于采气集输、净化处理和管输配气等各个天然气气体在线分析过程中。但激光吸收光谱仪相对昂贵，需要供应零点气和量程气，样品测定时必须使测试压力、温度、气体流量与校准时的参数一致。

2.5阻容法

阻容式湿度仪采用亲水性或憎水性材料作为介质，构成电容或电阻，在含有水分的气体流经后，电容的介电常数或电阻的电导率发生相应变化，以此测定气体的水分含量。该类仪器抗外界干扰能力强，结构简单，价格低廉，测量范围较宽，露（霜）点测量范围多为-80～+20℃，最大量程可以达到-110～+80℃。该仪器可以在天然气管道压力下直接测量水露点，现场替换性好，能在较恶劣的条件下稳定工作，响应速度非常快（从干到湿一分钟响应可达90%），因而多用于现场和快速测量场合。但是，阻容式湿度仪准确度低，长期稳定性差，使用3～6个月后必须进行校准;易受天然气中醇类、酸类液体及其它污染物的腐蚀。

2.6石英晶体振荡法

石英晶体振荡法是一种由重量法衍生而来的直接测量法。石英晶体具有稳定的振动频率，在石英晶体表面涂抹一层吸湿性材料，当样气通过石英晶体时，气体中的水分就会被吸收，从而使石英晶体的振动频率发生改变。然后再通干燥气体，吸湿材料中的水分又会被释放出来。振荡频率的变化值与所测量的样品气中水分含量成正比，通过测量振荡频率的变化值即可测得待测样品气中的水分含量。

3结论

天然气管道上采用上述不同原理的仪器测量水露点，由于每种方法都存在一定的系统误差和量值漂移，导致水露点测量结果的不一致，严重影响天然气管道运行安全。因此，天然气水露点的准确测定需要选择量值准确、抗干扰和稳定性好的装置，对不同原理的露点仪进行在线校准，以保证测量结果的准确一致。

参考文献：

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[2]高艳秋. 电子特气中痕量水分测量方法[J].上海计量测试，2013，237（ 5）.