AMETEK水露點儀在天然氣管輸管線中的廣泛應用

汪世軍 劉 奎 汪 海 王 博

(中國石油西氣東輸豫皖管理處，鄭州 450008)

0 引言

我國管輸天然氣中水露點的國家標準有兩個，一是GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》，其中規(guī)定：進入輸氣管道的氣體必須清除機械雜質，水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃；另一個是GB 17820—1999《天然氣》，其中規(guī)定：在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣的水露點應比最低環(huán)境溫度低5℃。商品天然氣按照有關標準是應該沒有水份的，但在輸氣管線的實際運行中，管輸天然氣中總是會或多或少的含有些水份。所以，需要實時監(jiān)測管輸天然氣中水露點溫度，以避免水份和水合物對天然氣管輸管線及管輸設備造成腐蝕、冰堵及管線凍裂。

1 管輸天然氣中水份的成因

管輸天然氣中的水份分別以游離水和結合水兩種形態(tài)存在，主要有四種成因：

1)地底下開采的天然氣本身帶有水份，經過凈化處理后仍然殘留的水份，這是在管輸管線投用后天然氣中水份的主要成因；

2)管線施工加水打壓，通氮氣干燥后殘留在管道中的水份，它和管線長度、管道所經地段地形復雜程度以及管線干燥方法有關，這是管輸管線投用前天然氣中水份的主要成因，有時能使水露點值和天然氣管輸溫度相一致，形成水份飽和管輸天然氣；

3)個別地點檢修管輸管線設備時，管線設備開口暴露在空氣中，潮濕空氣和雨水進入管線，致使水份殘留在管線中，這種成因對管輸天然氣中水份含量影響較??；

4)由于部分地區(qū)使用鹵穴儲存管輸天然氣，再次使用時，鹵穴中的水份混入天然氣中，會致使下游的管輸天然氣水份含量突然增大。

2 管輸天然氣的水露點溫度(水份含量)的測量方法

現(xiàn)在管輸天然氣測量水露點溫度(水份含量)的方法主要有下述幾種：

1)冷卻鏡面法：被測氣體在恒定的壓力下，以一定的流速掠過光潔的用冷卻裝置致冷的金屬鏡面，隨著溫度逐漸降低，鏡面達到某一個溫度時開始結水露，此時的鏡面溫度就是水露點的溫度。一般的冷卻裝置有液氮(能將管輸天然氣制冷到-120℃左右)，CO2鋼瓶氣(能將管輸天然氣制冷到-60℃左右)，半導體制冷器(能將管輸天然氣制冷到-35℃左右)。AMETEK代表性的產品為：Model13 Dewpoint。

2)晶體振蕩法：使用一種帶有吸濕性膜片的石英晶體，根據(jù)該吸濕性膜片吸收水份質量不同時石英晶體振動頻率不同的特點，讓所測量的氣體和該氣體經過干燥罐干燥后的標準干燥氣流經該晶體，因而產生不同的振動頻率差Δf1和Δf2，計算Δf1和Δf2之差即可得到樣氣的濕度，并根據(jù)現(xiàn)場所測氣體管輸管線壓力換算成水露點溫度。AMETEK代表性產品為：3050-OLV。

3)激光吸收光譜法：用一個可調諧二極管激光在特定波長下產生能量，該波長對水分子有很強的吸收特性(1854nm)?？烧{諧二極管激光產生的特定波長的能量通過所測量氣體，所測氣體中的水分子會吸收少部分的這個波長的能量。通過測量該氣體所吸收的這部分波長能量的多少，就可確定所測量氣體中水分的含量，并根據(jù)現(xiàn)場所測氣體管輸管線壓力換算成水露點溫度。AMETEK代表性產品為：Model5100。

4)電解(五氧化二磷)法：利用五氧化二磷等材料吸濕后分解成極性分子，水份經電解池電解成氫氣和氧氣排出，電解電流的大小與水分含量成正比，通過檢測該電流即可測得樣氣的濕度。其測量量程可達露點-80℃以下，且準確度較高，價格便宜；缺點是電解池氣路需要在使用前干燥很長時間(對干燥氣的氣質要求也較高)，且對所測氣體的腐蝕性及清潔性要求較高，在現(xiàn)場無法對分析儀做標定校準。

5)阻容法(電傳感器法)：該方法是利用采用親水性或憎水性材料作為介質，構成電容或電阻，在含有水份的氣體流經后，電容的介電常數(shù)或電阻的電導率發(fā)生相應變化，測出當時的電容值或電阻值，就能知道所測氣體的水份含量。該方法的主要優(yōu)點是測量量程可達露點-100℃，并且響應速度較快，準確度較高，最大允許誤差多為±(2～3)℃，缺點是氣路需要在使用前干燥很長時間，檢測元件老化和漂移嚴重，使用3～6個月后必須進行校準。

6)紅外檢測法：利用氣體中的水份對紅外光譜吸收的特性測量氣體中水份。目前該儀器很難測到較低的水露點溫度，主要是紅外探測器的峰值探測率還不能達到微量水吸收的量級，還有氣體中其他成份含量對紅外光譜吸收的干擾較大。

3 AMETEK分析儀在天然氣管輸管線中的應用

1)Model13 Dewpoint型分析儀是一種便攜式的水露點溫度分析儀(同時也可以測量管輸天然氣中的烴露點溫度)，儀器內部自帶供電電池，完全充電后可使用8h左右，可在天然氣管輸管線上任意測量點測量，由于分析儀測量的是天然氣管輸壓力下的天然氣水露點溫度，所以，可以直接對管輸壓力下的天然氣進行測量，并可得到管輸壓力下天然氣的水露點溫度，且測量誤差可達到±0.1℃，但需要現(xiàn)場提供液氮或鋼瓶CO2作為制冷源(視分析儀具體型號而定)。因為該分析儀測量的是水露點溫度，所以，需定期對分析儀的測溫元件進行校準，以保證分析儀測量的準確度。由于分析儀結構簡單，所以日常維護也相對簡便，只要使用前對電氣箱體進行完全充電，確保分析儀冷鏡表面無雜質和污染，分析儀進樣口粉塵過濾芯干凈無污染，壓力表指針正常和針閥都可正常開關，制冷劑準備就緒。該分析儀應用在天然氣管輸管線未安裝實時水露點溫度監(jiān)測分析儀的管輸天然氣分輸站，便于定期檢查進站和出站的管輸天然氣的水露點溫度，以確保管輸管線和場站設備的正常運行。

2)3050-OLV型分析儀是實時在線水露點溫度分析儀，通過檢測管輸天然氣中水份的濃度(mL/m3)，并按照天然氣管輸壓力換算成水露點溫度。該分析儀可安裝在分析儀小屋內，也可在露天安裝使用，完全滿足天然氣行業(yè)的防爆等級要求，100～240V寬范圍交流電壓供電，并實時傳輸4～20mA模擬量信號(模擬量信號可自由選擇有源和無源輸出)和Modbus信號輸出測量值，并可接入壓力變送器信號實時換算輸出管輸天然氣中水露點溫度值。該分析儀自帶標準水分發(fā)生器，可在日常使用中自動校準，確保分析儀讀數(shù)準確，無需用戶準備標準氣體且該型分析儀所測氣體和參比氣體都來源于管輸天然氣，排除了所測氣體和參比氣體比重不同所帶來的誤差影響。該分析儀日常巡查相對簡單，只需檢查分析儀報警燈是否閃爍，進樣壓力是否保持在0.34MPa以下，排放口背壓是否調解在0.07MPa左右即可。該分析儀日常的維護也相對簡單，只需定期更換分析儀的氣液分離濾膜(6～12個月)、干燥罐前級粉塵過濾器濾芯(6～12個月)、干燥罐(12～18個月)以及水分發(fā)生器(18～24個月)就可保證分析儀正常運轉。該分析儀主要應用于天然氣管輸管線部分重要的分輸站，安裝在分析儀小屋內用于實時監(jiān)測進站管輸天然氣中水露點溫度。

3)Model 5100型分析儀有在線測量和便攜式測量兩種型號，在線測量型分析儀是實時在線水露點分析儀，通過實時檢測管輸天然氣中水份的濃度(mL/m3)并按照天然氣管輸壓力換算成水露點溫度。可安裝在分析儀小屋內，也可在露天安裝使用，完全滿足天然氣行業(yè)的防爆等級要求，100～240V寬范圍交流電壓供電，并實時傳輸4～20mA模擬量信號(模擬量信號可自由選擇有源和無源輸出)和Modbus信號輸出測量值，并可接入壓力變送器信號實時換算輸出管輸天然氣中水露點溫度。該分析儀出廠時完成分析儀標定，使用時無需標定校準。便攜式測量型分析儀內部自帶電池，完全充電后可連續(xù)使用8h左右，可在天然氣管輸管線上任意位點測量。由于5100型分析儀進樣壓力最大只能達到0.07MPa，所以樣品氣需要減壓后測量。該型分析儀日常巡查相對簡單，只需查看分析儀是否有報警信息，進樣壓力是否保持在0.07MPa以下即可；日常的維護也相對簡單，只需定期更換分析儀的氣液分離濾膜(6～12個月)就可保證分析儀正常運轉。

4 AMETEK分析儀在天然氣管輸管線中應用的常見問題

4.1 Model13 Dewpoint型分析儀

Model13 Dewpoint型分析儀在天然氣管輸管線中使用遇到的問題主要有：漏氣、進樣管路吹掃不完全、電池沒電，水露點和烴露點判斷不準等。

1)漏氣主要是由于分析儀管路安裝不正確導致，為便于運輸和攜帶的方便，Model13 Dewpoint分析儀都是拆解成零部件安裝于防護箱內，到達檢測地點后組裝，此時會有用戶將O型圈忘記安裝或者將氣室安裝錯方向引起分析儀漏氣，正確的氣路安裝方式詳見圖1，或保存好所有的部件并拍照，詢問廠方工程師即可解決。

圖1 Model13 Dewpoint分析儀正確安裝圖

2)進樣管路吹掃不完全會引起測量的水露點值偏高，解決方法是將進樣管線吹掃完全后(一般吹掃10min左右)，再進行測量；或者進行多次測量以避免單次測量的誤差。

圖2 Model13 Dewpoint分析儀水露點及烴露點判斷圖

3)電池沒電可能是由于電池老化或者是電池充電連接線脫落引起的，可以通過更換電池和檢查充電連接線方法排除。

4)水露點和烴露點的判斷可參照圖2所示。一般水露點是由中心向四周擴散(圖2b)，烴露點是由四周向中心擴散的(圖2c和圖2d)。

4.2 3050-OLV型分析儀

3050-OLV該型分析儀在天然氣管輸管線中使用遇到的問題主要有：分析儀流量報警、分析儀不輸出Modbus信號和分析儀參比氣故障等。

1)流量報警主要是由于分析儀進樣口和出樣口壓力差不在0.14MPa以上，分析儀無法自動調節(jié)流量所致，主要是檢查進樣口壓力是否在0.34MPa以下，進樣口壓力和出樣口背壓的壓差是否在0.14MPa以上，如果上述壓力正常則需要查看配置軟件中Flow Duty參數(shù)值，當流量偏低而Flow Duty參數(shù)值為0.600或者流量偏高而Flow Duty參數(shù)值為0.100時，則需要更換分析儀的流量傳感器。

2)分析儀不輸出Modbus信號主要是用戶調試分析儀時，需將分析儀輸出狀態(tài)調節(jié)為AMETEK serial，并忘記修改回Modbus serial所致，但也有可能是由于分析儀硬件組裝所致。所以，要使用配置軟件連接分析儀，查看并排除故障。

3)分析儀參比氣故障主要是由于拆卸更換干燥罐時，干燥罐出口閥忘記打開引起的，此時只要確認干燥罐出口閥是否已經打開，便可排除故障。

5 結語

AMETEK在線水露點儀可實時監(jiān)控天然氣管輸管線上某個重要的站點的水露點值，而AMETEK 便攜式水露點儀可對天然氣管輸管線沿線所有節(jié)點進行水露點檢測，這樣既可以了解天然氣管輸管線水露點的實時運營狀況，也可對某一節(jié)點的水露點情況進行快速準確的測量。為天然氣管道的安全平穩(wěn)運行提供了有效的支持。

[1] GB 17820—1999天然氣

[2] GB 50251—2003輸氣管道工程設計規(guī)范

[3] GB/T 17283—1998天然氣水露點的測定冷卻鏡面凝析濕度計法

[4] GB/T 22634—2008天然氣水含量與水露點之間的換算

[5] GB 18603—2001天然氣計量系統(tǒng)技術要求