Вимірювання вологості газу в трубопроводі (стр. 2 из 5)
1.3 Електролітичні аналізатори на основі п'ятиокису фосфору
Електролітичні аналізатори (рисунок 5) були розроблені компанією Dupont Instruments. На території колишнього СРСР широко поширені аналізатори "Байкал", що використовують цей же принцип. Аналізатори цього типу вимірюють масу води, поглиненим п'ятиокисом фосфору. Як і в аналізаторі температури точки роси, принцип вимірювання - рівноважний. Отже, час відгуку в діапазоні малих концентрацій достатній велике. Проте, електролітичні прилади достатньо швидко "відгукуються" на збільшення вологості і украй поволі - на її зменшення. Ці датчики мають обмеження по діапазону як зверху, так і знизу. Реальний діапазон таких аналізаторів - від 20 ppm до 2000 ppm - в цілому цілком прийнятний для вимірювання вологості природного газу.
Рисунок 5 - Електролітичний аналізатор AMETEK 303b
Обмеження зверху пов'язане з тим, що при рівні вологості понад 2000 ppm п'ятиокис фосфору дуже швидко насищається водою, що приводить до освіти і зростання дендритних структур, закорочуючих вимірника осередок. Знизу діапазон обмежений із-за висушування п'ятиокису фосфору і безперервного віднесення частини порошку. Інше обмеження - існування невеликих струмів витоку зіставних при малих концентраціях із струмом, викликаним дисоціацією води. Фундаментальним недоліком цих аналізаторів є нездатність відрізнити воду від метанолу або Дега. Сигнал такого приладу буде пропорційний сумарному вмісту цих компонентів в потоці, а не концентрації води. З цієї причини такі аналізатори не підходять для управління роботою установок осушення газу Дегом. Для установок осушення молекулярними ситами ці аналізатори також непридатні в силу обмеженості діапазону. Калібрування таких аналізаторів, по суті, розрахункове. Приймається, що достатньо повірити тільки електричну частину. У більшості приладів не можна змінити параметри калібрування чутливого елементу, навіть якщо виявлена розбіжність свідчень аналізатора з еталоном вологості. Звичайна така розбіжність усувається з допомогою очищення осередку і нанесення нового шару п'ятиокису фосфору. Єдине завдання, для вирішення якої використовуються ці аналізатори, - періодичний моніторинг вологості в трубопроводах. Для стаціонарного вимірювання в потоці газу такий прилад мало придатний хоч би із-за забруднення капілярних каналів чутливого елементу мехдомішками.
1.4 Аналізатори вологості на основі кварцевого кристалу
Аналізатори вологості на основі кварцевого кристалу рисунок 6, іноді називають кварцевими мікровагами виготовляються тільки компанією AMETEK Process Instruments. Конструкція, а також принцип вимірювання цих приладів детально описані в різних статтях.
Рисунок 6 - Аналізатори вологості природного газу AMETEK 3050
Нижче стисло перераховані унікальні рішення, які забезпечили можливість використання таких аналізаторів в різних процесах газової промисловості.
Широкий динамічний діапазон вимірювання від 0.1 ppm до 10000 ppm дозволяє використовувати аналізатор для автоматизації роботи установок осушення і Дегом, і молекулярними ситами.
Асиметричний цикл вимірювання (30 з аналіз, 570 з порівняння з нульовим газом) при аналізі природного газу вирішує проблему пари Дега, домішок компресорного масла і гідратів. Такий цикл зменшує час контакту проби з датчиком і, тим самим значно скорочує вірогідність його забруднення. З іншого боку, під час циклу порівняння датчик продувається очищеним сухим газом. При цьому із-за високої температури у вимірювальному осередку (60°с) і великій різниці в парціальних тиску будь-які висококиплячі домішки випаровуються. У циклі порівняння вимірювальний осередок повністю відновлює свої властивості. - Використання як порівняльний (нульового) газ того ж аналізованого природного газ, такого, що пройшов через систему осушення, забезпечує незалежність вимірювання від складу газу.
Через нерівноважний принцип вимірювання, аналізатор практично нечутливий до наявності домішок метанолу в природному газі. Мабуть, це єдиний аналізатор вологості природного газу, що володіє цією властивістю.
Поріг чутливості аналізатора знаходиться в діапазоні одиниць ppb. Таким чином його можна використовувати для вимірювання вологості на установках газорозділу методом глибокого охолоджування (турбоекспандер). При цьому аналізатор необхідно обладнати спеціалізованою системою, здатною забезпечити відбір проби газу і доставити таку малу кількість води до аналізатора.
Аналізатор оснащений вбудованим генератором вологості, який дозволяє миттєво оцінити правильність свідчень, якщо у постачальника і покупця виникнуть яких-небудь розбіжності за якістю газу, причому без зупинки вимірювання, демонтажу датчика і яких-небудь додаткових засобів. Аналізатор вимірює абсолютне значення вологості (ppm або мг/м3), а відображення результатів в одиницях температури точки роси здійснюється при необхідності по "зашитим" в ППЗУ таблицям ASTM або ГОСТ. Перерахунок з абсолютних величин в одиниці температури точки роси здійснюється з високою точністю навіть в припущенні про ідеальності газу і приводить до похибки в межах ±1°С. Таким чином, принцип вимірювання, реалізований в аналізаторах на основі кварцевого кристала, представляється якнайкращим для визначення вологості природного газу на всіх стадіях. Найбільшу економічну вигоду використання цього аналізатора дає при автоматизації роботи установок осушення і на вузлах комерційного обліку газу.
Існуючі моделі аналізаторів AMETEK охоплюють всі можливі застосування в газовій промисловості. В сукупності з іншими аналізаторами якості (газовим хроматографом для визначення складу газу і його теплотворної здатності аналізатором H2S і аналізатором точки роси вуглеводнів) ці прилади успішно вирішують комплекс завдань, що виникають в процесах здобичі, переробки, транспортування і розподіли природного газу.
1.5 Порівняння методів вимірювання вологості газу в потоці
Розглянувши методи визначення вологості газу, та проаналізувавши технічні характеристики приладів, побудовано порівняльну таблицю 1 в якій наведені технічні характеристики, та умови використання перерахованих методів
Таблиця 1 - Порівняння характеристик приладів
| МетодВимірювальна величина | Ємнісний метод вимірювання вологості газу | Метод вимірювання температури конденсації пари води | Метод мікровагів, вимірювання вологості газу | Метод з використання електролітичного осердя на основі п'ятиокису фосфору |
| Робочий тиск | 1…15 МПа | 1…10Мпа | 1-3МПа | 0,07…0,7МПа |
| Робоча температура | 40…110ºС | 40…50ºС | До 50ºС | 0…50ºС |
| Відносна вологість | 0…100% | 0…98% | 0…100% | 0…100% |
| Абсолютна вологість | 0…18г/м3 | 0…20г/м3 | 0…30 г/м3 | 0…30г/м3 |
| Похибка вимірювання відносної вологості | +/-2…3% | +/-1% | +/-10% | +/-5% |
| Чутливість | 6-8г/м3 | 6-8г/м3 | 6-8г/м3 | 6-8г/м3 |
Проаналізувавши табличні дані, обираємо метод, який більше задовольняє умові завдання, а саме робочий тиск 0-10МПа, робоча температура приладу - 45…50ºС, та похибка не більше 0,2-0,5ºС. Ці умови задовольняє лише метод вимірювання вологості за допомогою емнісного аналізатора. Але для повної оцінки вологості газу в трубопроводі, а саме для визначення відносної вологості, абсолютної вологості, об’ємного вологовмісту, температури точки роси необхідно знати зміну тиску в трубопроводі. Навіть не значна зміна тиску призводить до появи непередбачуваних похибок, тому обраний метод необхідно удосконалити. Для цього використовуємо перетворювач тиску АИР - 20 ДА, НПП "Элемер", який призначений для використання в системах автоматичного контролю, регулювання і управління технологічними процесами і призначений для безперервного перетворення в уніфікований вихідний струмовий сигнал 4.20мА абсолютного тиску.
2. Розробка принципової та структурної схем приладу для вимірювання вологості газу
Принципова схема рисунок 7 та структурна схема приладу рисунок 8 показує принцип роботи розроблюваного приладу. Розроблюваний прилад складається з чотирьох основних частин: датчика вологості поз.3, датчика температури поз.4, датчика тиску поз.7 та обчислюваного пристрою поз.5.
Рисунок 7 - Принципова схема вологоміра
Датчик температури являє собою ємнісний перетворювач, діелектрична проникність якого залежить від вологості вимірювального середовища. Кріпиться до трубопроводу поз.1 та контактує безпосередньо з вимірювальним середовищем поз.2, в нашому випадку потоком газу. Більш детально принцип роботи перетворювача описано нижче.
Датчик температури являє собою термометр опору, опір якого залежить від температури навколишнього середовища, також монтується в трубопровід поз.1 та контактує безпосередньо з вимірювальним середовищем поз.2, в нашому випадку потоком газу. Більш детально принцип роботи описано нижче.
Обчислювальний пристрій являє собою мікросхему закриту у вологонепроникний корпус, виконує функції обробки сигналів з датчиків, температури та вологості середовища, обчислює температуру точки роси, абсолютну вологість та об’ємне вологотримання середовища, і видає їх на електронне табло.