淺談天然氣水露點測量技術分析與應用

胡勇剛 張晨

摘要：天然氣是一種優(yōu)質、高效、清潔的能源和化工原料。由地層采出的天然氣，通常處于被水飽和的狀態(tài)。水是天然氣中有害無益的組分，過多的水分會導致水和烴類形成水合物，堵塞管道、儀表以及各種閥門，水分會與二氧化碳、硫化氫等組分反應形成酸性物質，腐蝕管壁、閥件和設備，對天然氣的安全生產和使用造成危害。本文主要對多種天然氣水露點測量方法的原理、技術指標、適用范圍和研究進展進行了綜述。

關鍵詞：天然氣水露點;測量技術;霜點

0引言

天然氣集輸過程中水是一種無益的組分，天然氣中水組分會影響天然氣的熱值和輸氣管道的輸送能力。當溫度降低或壓力增加時，管道中天然氣可析出液相的凝析水，進而造成管道中出現(xiàn)積液問題，降低了管道的輸送能力，嚴重者可能形成段塞流，且液態(tài)水也會加速天然氣中酸性組分對管道和設備的腐蝕。降低天然氣水露點，無論對于管道輸送或者成為達到商品氣質的要求都具有重要的意義。

1天然氣中水露點的檢測

為了確保安全，GB17820—1999《天然氣》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℃。氣體在一定壓力下逐漸降低溫度，析出第一滴水時的溫度即為露點。若露點溫度低于0℃，水汽凝結成霜，稱為霜點。露點和霜點，統(tǒng)稱為露點。為了和天然氣中烴露點區(qū)分開，以下將氣體中水冷凝結露/霜的溫度，稱為水露點。水露點和水分含量相關聯(lián)，水露點越高，說明水分越高;水露點和水分含量在一定的條件下可以相互換算。水露點/水分是商品天然氣質量控制中的一項重要技術指標，是天然氣輸送、加工、設計和管理中的重要基礎數(shù)據(jù)。

2水露點/水分測量技術研究

測量天然氣水露點的方法主要是冷鏡露點法。還有很多通過測量天然氣水分換算得到天然氣水露點的方法，包括卡爾·費休庫侖法法、電解法、可調二極管激光吸收光譜法、阻容法和晶體振蕩法等。

2.1冷鏡露點法

在恒定壓力下，氣體以一定的流速掠過一個光滑無污染的金屬鏡面，當鏡面溫度高于氣體露點溫度時，鏡面呈干燥狀態(tài);鏡面溫度降低到某量值時開始結露;當溫度繼續(xù)降低時，凝析物會進一步增加;當溫度略升高時，凝析物則減少至消失，此時的鏡面溫度即為待測氣體的水露點。

冷鏡露點儀的直接測量是露點或霜點溫度，具有測量范圍寬、操作方便、儀器穩(wěn)定無漂移、實驗重復性和再現(xiàn)性較好等特點。但天然氣所含的烴類、醇類和顆粒物都可能污染鏡面，導致測量值漂移甚至儀器失效。冷鏡式露點儀的致冷方式經歷了由冷媒制冷、高壓節(jié)流制冷到半導體制冷的發(fā)展，露點測量范圍不斷擴展，測量精度大幅提高。目前國際上主流的露點儀，露點測量精度不超過0.1℃，準確度不超過±0.5℃。

2.2卡爾·費休法

在非水溶劑中，碘和二氧化硫發(fā)生氧化還原反應，同時消耗等物質的量的水，該反應被稱為卡爾·費休反應。卡爾·費休法是根據(jù)反應消耗的碘的物質的量，計算樣品中水分的含量。

卡爾·費休法包括庫侖法和容量法。庫侖法是通過電解反應生成碘分子參與卡爾·費休反應，然后，根據(jù)法拉第定律通過電量計算總碘量，從而得到水分含量;容量法是滴加含碘的滴定劑參與卡爾·費休反應。庫侖法是直接測量方法，與容量法相比，檢出限更低，測量重復性更好。但是，卡爾·費休庫侖法的測量結果受電極結構和電解液種類的影響，因此，需要已知水分含量的標準物質校準以保證量值準確可靠。

2.3電解法

電解法的測量原理是：樣品氣以一定的流速通過電解池，其水分被電解池內作為吸濕劑的五氧化二磷膜層吸收，生成磷酸;在直流電的作用下，發(fā)生電化學反應，磷酸被分解為氫氣、氧氣和五氧化二磷;電解電流的大小正比與氣樣中的水含量，因此，可用電解電流來測定氣樣中的水含量，進而求出對應壓力條件下的水露點值。

電解法露點儀具有使用方便，干擾因素少，測量范圍廣，靈敏度和準確度較高等特點，適合在氣田應用，尤其是低含水或凈化后天然氣輸氣管線，是天然氣中水含量測定的行業(yè)標準方法。但是，測量時氣體的壓力、流量、組成的變化對露點測量結果影響很大，而且電解法對氣體的腐蝕性和清潔性要求較高，電解池的壽命有限。電解法的電極直接與外界接觸會吸附一定量環(huán)境中的水分，此時需要對氣路進行長時間的干燥才能進行測量。該方法測定含氫元素氣體時會有誤差，在低濕條件下響應時間久。該方法測定的水含量換算成高壓下的水露點尚無公認的方法標準，而常用的查圖法誤差較大。

2.4可調二極管激光吸收光譜法（TDLAS）

TDLAS是一種非接觸式測量技術，用一個可調諧二極管激光在特定波長下產生能量，根據(jù)被氣體分子選擇性吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度。氣體介質對激光的吸收滿足朗伯-比爾定律（Beer-Lambert）。Beer-Lamber定律描述了單色光穿過均勻氣體介質時透射光強度和入射光強度的關系。氣體樣品不斷地流過檢測池，激光器發(fā)射一束特定波長的近紅外光，被反射鏡反射后通過檢測器窗口被檢測器檢測。檢測器用于測定特定波長光束的光強。

激光吸收光譜分析儀具有準確度高、檢出限低、線性誤差小和響應時間短等優(yōu)點。由于采用非接觸式測量，天然氣中的污染物不會影響儀器的測量精度。目前，可調二極管激光吸收光譜技術已經成功應用于采氣集輸、凈化處理和管輸配氣等各個天然氣氣體在線分析過程中。但激光吸收光譜儀相對昂貴，需要供應零點氣和量程氣，樣品測定時必須使測試壓力、溫度、氣體流量與校準時的參數(shù)一致。

2.5阻容法

阻容式濕度儀采用親水性或憎水性材料作為介質，構成電容或電阻，在含有水分的氣體流經后，電容的介電常數(shù)或電阻的電導率發(fā)生相應變化，以此測定氣體的水分含量。該類儀器抗外界干擾能力強，結構簡單，價格低廉，測量范圍較寬，露（霜）點測量范圍多為-80～+20℃，最大量程可以達到-110～+80℃。該儀器可以在天然氣管道壓力下直接測量水露點，現(xiàn)場替換性好，能在較惡劣的條件下穩(wěn)定工作，響應速度非?？欤◤母傻綕褚环昼婍憫蛇_90%），因而多用于現(xiàn)場和快速測量場合。但是，阻容式濕度儀準確度低，長期穩(wěn)定性差，使用3～6個月后必須進行校準;易受天然氣中醇類、酸類液體及其它污染物的腐蝕。

2.6石英晶體振蕩法

石英晶體振蕩法是一種由重量法衍生而來的直接測量法。石英晶體具有穩(wěn)定的振動頻率，在石英晶體表面涂抹一層吸濕性材料，當樣氣通過石英晶體時，氣體中的水分就會被吸收，從而使石英晶體的振動頻率發(fā)生改變。然后再通干燥氣體，吸濕材料中的水分又會被釋放出來。振蕩頻率的變化值與所測量的樣品氣中水分含量成正比，通過測量振蕩頻率的變化值即可測得待測樣品氣中的水分含量。

3結論

天然氣管道上采用上述不同原理的儀器測量水露點，由于每種方法都存在一定的系統(tǒng)誤差和量值漂移，導致水露點測量結果的不一致，嚴重影響天然氣管道運行安全。因此，天然氣水露點的準確測定需要選擇量值準確、抗干擾和穩(wěn)定性好的裝置，對不同原理的露點儀進行在線校準，以保證測量結果的準確一致。

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