Способ определения температуры точки росы по влаге в природном газе

Изобретение относится к области измерительной техники. В способе определения температуры точки росы (ТТР) по влаге в природном газе, заключающемся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и определяют значение температуры точки росы по началу момента конденсации и началу момента испарения, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс конденсации, Тк одновременно проводят измерение скорости конденсации Vк, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Ти одновременно проводят измерение скорости испарения конденсата Vи, а температуру точки росы Тр находят, используя указанные величины. Техническим результатом является создание способа определения ТТР по влаге в природном газе с более высокой точностью. 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению влажности газов. Оно может быть также использовано для определения упругости паров других летучих компонентов, например, паров высших углеводородов в природном газе.

Одним из самых распространенных способов измерения влажности газов является конденсационный. Исследуемый газ пропускают над металлическим зеркалом, которое постепенно охлаждают. Одновременно ведут наблюдения за состоянием поверхности зеркала и измеряют его температуру. При некоторой температуре поверхность зеркала начинает запотевать: на ней конденсируются микрокапли воды - выпадает роса. Эту температуру начала конденсации Тнк называют температурой точки росы (ТТР, Тр); она однозначно связана с влагосодержанием газа и является мерой его влажности [1].

Приборы, работа которых основана на описанном принципе, называются конденсационными гигрометрами. Наблюдение за состоянием поверхности зеркала ведется либо визуально, либо оптическими средствами с фотоэлементом или фотодиодом в качестве приемника. При этом регистрируется поток света, отраженный от зеркала, а ТТР измеряется по началу его уменьшения из-за рассеяния пленкой водяного конденсата.

Поскольку чувствительность глаза или фотоэлемента ограничена, то факт выпадения росы наблюдается при температуре зеркала Тнк всегда несколько ниже ТТР, (Тр), (Трнк), что приводит к погрешности в несколько градусов и является недостатком способа.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ определения температуры точки росы по влаге в природном газе, заключающийся в том, что газ пропускают над металлическим зеркалом, которое постепенно охлаждают, наблюдают момент начала конденсации, регистрируют температуру зеркала, при которой начинается процесс конденсации Тнк и момент начала испарения конденсата, регистрируют температуру зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Тни, а Тp определяют как среднее из двух температур:

Однако это соотношение дает более высокую точность лишь в том случае, если наблюдаемые Тнк и Тни отстоят от истинной Тр на одинаковое число градусов, что обычно не выполняется, т.к. заметить начало испарения (т.е. уменьшения толщины пленки уже выпавшего конденсата) гораздо труднее, чем начало появления пленки на чистом и сухом зеркале. Отсюда разность (Трнк) меньше или гораздо меньше, чем (Тpни), и измерение Тр происходит с ошибкой, величина которой не определена и часто достигает нескольких (от 5 до 10) градусов. Это является недостатком способа.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание способа определения температуры точки росы по влаге в природном газе с более высокой точностью.

Технический результат достигается тем, что в способе определения температуры точки росы, заключающемся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и определяют значение температуры точки росы по началу момента конденсации и началу момента испарения, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс конденсации, Тк одновременно проводят измерение скорости конденсации Vк, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Ти одновременно проводят измерение скорости испарения конденсата Vи, a температуру точки росы Тp находят, используя соотношение:

.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее заявленный способ. Устройство содержит охлаждаемое термоэлементом 1 металлическое или керамическое зеркало 2, источник света или микроволнового излучения 3, приемник светового потока или микроволнового излучения 4, датчик температуры 5 и устройство обработки информации 6. По описанной схеме работают практически все конденсационные, оптические или микроволновые гигрометры - "Bovar", "Торос-3-1У(М)", "Конг-Прима 2", "Конг-Прима 4", "ГММ-ОГ и другие [1; 3-6].

На фиг.2 представлены временные эпюры: температуры зеркала T3 (а), информационного параметра А (например, интенсивности света или микроволнового излучения, рассеянного или поглощенного пленкой конденсата) (б), и скорости конденсации и скорости испарения (в), вычисленные из графика (б). T1 - начальная температура зеркала, t3 - время окончания измерения.

На фиг.3 показан метод графического нахождения Тp, или алгоритм вычисления температуры точки росы Тp, исходя из установленных величин Тк и Tи и соответствующих им скоростей

и ,

полученных из фиг.2в.

Сделаем пояснение по поводу того, как измеряют скорость конденсации.

В большинстве конструкций конденсационных гигрометров факт выпадения конденсата фиксируется путем определения начала изменения какой-либо величины, физически связанной с появлением пленки конденсата на зеркале. В наиболее распространенных гигрометрах с оптической системой регистрации это может быть изменение интенсивности поступающего в фотоприемник света ΔI из-за рассеяния последнего микрокаплями, образующими пленку конденсата; в СВЧ гигрометрах это может быть изменение амплитуды сигнала ΔU, или сдвиг фазы зондирующей пленку монохроматической волны, или изменение добротности колебательной системы ΔQ и т.д. Таким образом, вместо толщины пленки d возможна регистрация изменения любого информативного параметра ΔA при условии, что его изменение отражает рост пленки выпадающего на зеркало конденсата, т.е. ΔA˜Δd или увеличение ее массы М: ΔA˜ΔM.

Таким образом, скорость конденсации или испарения измеряют как скорость изменения информативного параметра А, взятую с соответствующим знаком, например

, ,

где под А в каждом конкретном случае будет фигурировать величина, физически связанная с толщиной пленки конденсата или ее массой.

Новая совокупность существенных признаков позволяет определить ТТР в природном газе с более высокой точностью, поскольку некорректное, по существу, "качественное" определение "температура начала конденсации" и "температура начала испарения" [2] или "температура, при которой выпадает первая капля влаги" [3] заменяются количественными характеристиками процесса конденсации-испарения, а именно - скоростью изменения информативного параметра А при определенной температуре зеркала. Кроме того, погрешность измерений уменьшается также за счет следующих двух обстоятельств: во-первых, температуры Тк и Ти, и соответствующие им скорости можно измерять в температурных точках, достаточно далеко (на 4-5°С) отстоящих от ТТР, т.е. наблюдать процесс конденсации при температуре заведомо ниже ТТР, а процесс испарения соответственно при температуре заведомо выше ТТР, то есть в областях температур, где процессы заметно выражены. Это означает, что на устройство обработки информации будут поступать сигналы, существенно превышающие уровень шумов. Во-вторых, можно наблюдать как Vк, так и Vи не в одной, а в нескольких точках по температуре, что также снижает погрешность измерения ТТР.

Способ реализуется следующим образом.

Устанавливают величину светового потока (или микроволнового излучения), отраженного от зеркала в приемнике 4 I0; устанавливают проток газа над зеркалом 2. Начинают медленно понижать температуру зеркала 2, одновременно наблюдая за величиной потока света, попадающего в приемник 4, и температурой поверхности зеркала, регистрируемой датчиком температуры 5. При выпадении росы из-за рассеяния света на микрокаплях конденсата или поглощения микроволн в воде интенсивность света в приемнике 4 падает I0→I1=I0-ΔI. Температуру Т0р, при которой начинает падать интенсивность, принимают за нулевое приближение ТТР. Информационным параметром здесь является интенсивность рассеянного света ΔI=I0-I1; А=ΔI.

Далее, опустившись ниже Т0р на 2-4°С, фиксируют температуру зеркала Тзк=const1 и измеряют ее; одновременно с помощью устройства обработки непрерывно измеряется скорость конденсации

,

где А - это интенсивность рассеянного света в случае оптического гигрометра или мощность поглощенного СВЧ излучения в случае микроволнового гигрометра.

В первые моменты времени после фиксации температуры скорость конденсации Vк нарастает, а затем - по прошествии времени t1˜1-3 минуты (для диапазона температур Тp˜0÷10°С) она перестает меняться и стабилизируется.

После времени установления скорости конденсации определяют ее среднее значение за последующие 2-4 минуты:

,

где Vкi - скорость конденсации

при Т=Ткi, полученная в i-м измерении, N - число измерений. За время измерения (˜5-10 минут) на зеркале накапливается достаточно конденсата, чтобы можно было изучать процесс испарения. В момент времени t2 (t2=t1+(5÷10 мин)) температуру зеркала повышают на несколько градусов так, чтобы она была на 2-4°С выше , фиксируют ее Тзи=const2, наблюдают за установлением скорости испарения (1-3 мин) и измеряют среднюю скорость испарения после ее установления

где

при Т=Ти, точно так же, как раньше измеряли среднюю скорость конденсации.

После измерения датчик очищают, поднимая его температуру до 50-60°С, выдерживают ее 3-5 минут; затем температуру датчика возвращают к исходной Т1 (на фиг.2 показано только начало процесса).

На молекулярном уровне кинетика процесса конденсации состоит в том, что при столкновении молекулы газа (пара) с твердой поверхностью молекула прилипает к ней на некоторое время τ, после чего она может либо сублимироваться на ней, либо отскочить от нее и опять перейти в газ [7, 8]. При этом, если температура поверхности зеркала (T3) будет ниже ТТР (Tp), то число сублимирующихся молекул будет больше, чем покидающих ее; если же при наличии некоторого слоя адсорбированных молекул газа на поверхности твердого тела (зеркала) температура поверхности выше, чем ТТР, то число покидающих этот слой молекул будет больше, чем число осевших на него. Отсюда можно записать закон конденсации-испарения в следующем дифференциальном виде:

где W - количество влаги в пленке конденсата, Т - температура поверхности твердого тела, α - коэффициент пропорциональности. При Т<Тp влага будет на поверхности накапливаться, что соответствует процессу конденсации; при Т>Тp накопленная ранее влага будет испаряться, что соответствует процессу испарения.

Определим скорость конденсации Vк как , если эта производная положительна, а скорость испарения

,

если эта производная отрицательна. Тогда уравнение (1) можно записать в следующем виде:

Из соотношений (2) находят:

откуда следует алгоритм определения Тp из данных, полученных в процессе измерения (Tк, Vк, Tи, Vи):

На фиг.3 показан метод графического нахождения Тp. На оси температур графика Vk=Vk(T) отмечают две точки, соответствующие Тк и Tи, восстанавливают перпендикуляры к оси Т, откладывают соответственно Vk и Vи (с учетом знаков), получают точки М1(Tк, Vк) и M2(Tи, Vи), соединяют их прямой и отмечают точку пересечения этой прямой с осью Т - это и будет искомая Тp.

Способ был реализован в лабораторных условиях, а также при измерении точки росы по высшим углеводородам и точки росы по воде природного газа на станции подземного хранения газа в пос. Степное (Саратовская обл.). Был использован конденсационный микроволновый гигрометр, в котором информация о состоянии конденсационной поверхности считывается с помощью радиоволн миллиметрового диапазона [4]; информационным параметром при этом является амплитуда сигнала с КВЧ детектора U. Контрольными приборами при этом были - штатный конденсационный гигрометр "Харьков-1" и новейший оптоволоконный гигрометр фирмы "Вымпел" - "Конг-Прима 4".

С помощью указанного способа были измерены величины температур точек росы (ТТР) по воде в нескольких режимах работы установки осушки газа, в том числе и в случае, когда контрольные приборы давали широкий разброс измеренных значений ТТР.

Литература

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, 45 с.

2. ГОСТ 20060-83. Газы горючие, природные. Методы определения содержания водяных паров и точки росы влаги. - М.: Изд-во стандартов, 1984, 16 с.

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

4. Деревягин A.M., Селезнев С.В., Степанов А.Р., Агальцев А.Г., Истомин В.А. Анализаторы точек росы углеводородных газов по влаге и углеводородам. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2004. - №3. - С.6-12.

5. Ивченко Ю.А., Мамонтов Г.М., Федоров А.А. Michell Instruments, конденсационные гигрометры. // Приборы, 2004, №3 (45), с.20-22.

6. Москалев И.Н., Кориткин И.П., Ушаков В.А. и др. Опыт использования микроволнового гигрометра на станции ПХГ // Газовая промышленность. - 2004. - №4. - С.68-70.

7. Френкель Я.И. Собрание научных трудов. - т.2, М. - Л., Изд-во АН СССР, 1958, с.239-253.

8. Де Бур Я. Динамический характер адсорбции. - М., ИИЛ, 1962, 248 с.

Способ определения температуры точки росы по влаге в природном газе, заключающийся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и регистрируют значение температуры точки росы по началу момента конденсации и началу момента испарения конденсата, отличающийся тем, что при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс конденсации, Тк, одновременно проводят измерение скорости конденсации Vк, при измерении температуры зеркала, при которой начинается процесс испарения конденсата, Ти одновременно проводят измерение скорости испарения конденсата Vи, а температуру точки росы Тр находят, используя соотношение:

.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам измерения влажности, в частности к определению влажности газовых сред по температуре точки росы, и может быть использовано во всех областях народного хозяйства, где имеется потребность в измерениях такого рода.

Изобретение относится к способам измерения влажности, в частности к определению влажности газовых сред по температуре точки росы, и может быть использовано во всех областях народного хозяйства, где имеется потребность в измерениях такого рода.

Изобретение относится к технике измерения влажности газов и может быть использовано для прецизионных измерений точки росы и точки льда газа. .

Изобретение относится к измерению влажности газов. .

Изобретение относится к технике измерения влажности газов. .

Изобретение относится к области гигрометрии и предназначено для измерения влажности газов по методу точки росы. .

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в автоматизированных системах управления режимами работы котельных агрегатов и в системах контроля вредных выбросов в атмосферу.

Гигрометр // 1827610

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для контроля влажности природного газа при наличии в потоке газа капельножидких и твердых примесей.

Гигрометр // 2356039
Изобретение относится к технике измерения влажности газов

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к устройствам для измерения количества сконденсированного пара

Изобретение относится к области измерения влагосодержания газов, в частности к гигрометрам, измеряющим влажность по температуре точки росы

Изобретение относится к области измерительной техники

Наверх