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天然气中微量水分测量方法和研究

2021-02-09490

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天然气中微量水分测量

摘要:管道中天然气的水分含量作为控制天然气质量的一部分,一直是必须检测的参数之一。本文我们将讨论天然气水分测量方法并介绍典型的水分测量仪表及其应用。


一、水分的测量与控制

      天然气管道中的水分会引起仪器设备维护和检测不准确等问题。如果天然气含水分的同时,还含有H2S和CO2,将会对设备及仪器产生腐蚀。另外水分还会产生冷凝,并在冷凝处由于焦尔-汤姆逊效应会产生迅速膨胀。另外水分还会改变气体的热值,在管道内形成氢氧化物。所以,天然气在储运过程中都规定了最大水分含量。 

      从天然气中除去水分有分离法和干燥剂法。干燥剂法使用分子滤网或三乙基甘醇干燥剂装置除水。分离法是把甲醇或乙二醇在脱水装置前面注入到管道中。

      在线测量水分测量的方法有两种:直接测量法和间接测量法。直接测量法有电解法和激光法,间接测量法有露点冷镜法、露点电容法。

1、电解法(五氧化二磷P2O5)

      传感器支柱上镀有平行的螺旋形铂金层作为电极,铂金层之间涂有水化的五氧化二磷薄膜,五氧化二磷有很强的吸水性,当氯气定流量通关过传感器流通池时,其中水分全部被吸收,产生磷酸溶液,反应式如下:

P2O5+3H2O→2H3PO4

       与此同时,在两铂金层间加上直流电压,即产生电解反应,分解出氧和氯,五氧化二磷还原,反应式如下:

4H3PO4→6H2+3O2+2P2O5 

       由法拉第电解定律知:电解1摩尔当量物质所需电量为96500库仑,这也是电解9.01克水所需的电量,由此可见,铂丝电极间的电解电流量是定量气体中水分含量的线性函数。

2、激光法

       这种方法是使某一特定波长范围的光通过样气,并且把检测到的光谱和参考光谱相比较,这样就会测量到一些相对变化或者某些波长的光谱被吸收的情况。吸收量与样气中水分含量是成比例的。不适合有杂质颗粒污染场合。

3、露点法

       当一定体积的气体在恒定的压力下均匀降温时, 气体和气体中水分的分压保持不变, 直至气体中的水分达到饱和状态, 该状态下的温度就是气体水分子数达到动态平衡时的温度来确定气体的露点。由露点根据温度和压力得到相对湿度来间接测量水分,但受到压力和温度的影响很大。

3.1 冷镜法

      金属镜面冷凝的形成由仪器仪表直接观察或电子识别。当冷凝在露点形成时,镜面处的温度和压力要经过精密测量,水分含量就可以通过水蒸汽压力和标准数据表计算出来。这时需要注意的是,水分有两个露点:水的露点和碳氢化合物的露点。不适合有杂质颗粒污染或有硫化氢腐蚀的场合。

3.2 电容法

      电容传感器由一层三氧化二铝(AL2O3)分隔开的一个铝盘和一层金或薄膜电容,当气体通过传感器时,根据电容量从而测量出水分含量。不适合有杂质颗粒污染或有硫化氢腐蚀的场合。


二、采样系统

       采样系统的设计对于天然气水分含量测量的准确性和可靠性非常重要,测量仪表易受到颗粒杂质、液态碳氢化合物、胺乙二醇、甲醇或其它的异物/化学制品等影响及损害。

       采样系统能从天然气管道中的天然气取样并减压、恒温,并除去有害物质并传送到测量仪表。采样系统元件和材质,需要注意:

1、材料:316L不锈钢。

2、取样管线越短越好。

3、减压器:需要注意的是,通过减压器的气体迅速膨胀和焦尔-汤姆逊效应引起的液态冷凝所带来的一些问题。在某些情况下,可以预热的采样器或多级减压装置来防止冷凝。最好是减压器安装在管线上以增加体积流速,降低样品露点温度,减少样品的滞后时间。

4、过滤器:采用聚合过滤器清除采样管线中的颗粒和液滴、乙二醇和其它污垢。注意的是过滤器元件应不会残留或过滤水分。

5、温度控制:应用伴热管线防止采样系统形成冷凝,使得采样的系统温度保持在该气体的露点温度之上。如果采样系统的温度稳定在水和碳氢化合物的露点温度之上,那么测量精度就会达到最佳值。


三、维护

       水分仪精度会受到杂质或采样系统等条件影响,需要及时对水分仪维护。一些仪表可以就地校验和维护,而有些仪表的维护和校验必须是返回到厂家进行。


五、结论

       绝大多数的测量问题都在采样系统,在有污染或有腐蚀性气体中测量湿度比较困难。在“干净”的天然气中测量相对容易些。仪器的精确度和可靠性取决于设备选型、采样系统设计、操作人员的培训以及仪器的定期维护和重新校验。




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