西一線天然氣烴凝析物對水露點(diǎn)檢測的影響

董浩

國家管網(wǎng)西部管道公司 烏魯木齊分站（新疆 烏魯木齊830011）

水露點(diǎn)是指一定壓力下氣體中水分達(dá)到飽和時(shí)的溫度，用于體現(xiàn)氣體樣品中水分含量的高低，測定天然氣水蒸氣含量∕水露點(diǎn)的方法甚多[1]，目前用于天然氣水露點(diǎn)檢測的相關(guān)儀器從原理上可分為冷鏡式、完全吸收電解式、A1203電容式、薄膜電容式、電阻式、干濕球、機(jī)械式等。其中冷鏡式露點(diǎn)儀是最直接、最可靠的測量儀器，被廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)傳遞和檢測活動，但其價(jià)格比較昂貴，并需要操作人員具有一定的使用和分析經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)極端氣質(zhì)條件與環(huán)境條件會對測量準(zhǔn)確性帶來較多不利影響。冷鏡式露點(diǎn)測試執(zhí)行GB∕T 17283—2014《天然氣水露點(diǎn)的測定冷卻鏡面凝析濕度計(jì)法》中的相關(guān)要求，主要是在恒定壓力下，使被測氣體以一定的流量流經(jīng)露點(diǎn)儀測定室中拋光的金屬鏡面，鏡面溫度隨著測量溫度逐漸被冷卻至有凝析物產(chǎn)生時(shí)，可觀察到鏡面上開始結(jié)露。露點(diǎn)測試值越高，表明氣體樣品中水分含量越高，露點(diǎn)測試值越低，表明氣體樣品中水分含量則越低。目前對于水含量和烴含量不高的天然氣冷鏡式檢測積累了很多經(jīng)驗(yàn)，但是在烴含量較高的西一線天然氣冷鏡式檢測過程中，出現(xiàn)天然氣中烴類預(yù)先凝析和反凝析而影響水露點(diǎn)檢測的情況，針對判斷依據(jù)不足和生產(chǎn)實(shí)際難題，提出了降低檢測壓力、增加烴類過濾器、檢測過程中加裝光電顯示器并攝像以及多臺露點(diǎn)儀串聯(lián)使用等方法，解決生產(chǎn)實(shí)際問題并提高水露點(diǎn)檢測準(zhǔn)確度。

1 測量原理

1.1 冷鏡式露點(diǎn)儀測量原理

本文所述西一線水露點(diǎn)檢測采用阿美泰克公司生產(chǎn)的CHANDLER冷鏡式露點(diǎn)分析儀[2]，按照GB∕T 17283—2014開展操作。被測氣體進(jìn)入露點(diǎn)儀測量時(shí)，其溫度可以人為降低并且可準(zhǔn)確測量。當(dāng)鏡面溫度高于天然氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面呈潔凈的干燥狀態(tài)，隨著溫度不斷降低，鏡面溫度被冷卻至有凝析物產(chǎn)生時(shí)，可觀察到鏡面上開始模糊結(jié)露。當(dāng)鏡面溫度繼續(xù)下降時(shí)，凝析物會隨時(shí)間延長逐漸增加，高于此溫度時(shí)，凝析物則逐漸減少直至消失，此時(shí)的鏡面溫度即為通過儀器的被測介質(zhì)的露點(diǎn)。通?？赏ㄟ^自動光學(xué)檢測或手動人工目測觀察到露點(diǎn)。

1.2 天然氣烴相態(tài)

由于天然氣的組成比較復(fù)雜，在一定條件下，天然氣中高碳數(shù)的烴類物質(zhì)可能出現(xiàn)凝析，天然氣烴相態(tài)不像水的相態(tài)特性那樣，隨著壓力升高水露點(diǎn)逐漸增加，烴露點(diǎn)是指在規(guī)定壓力下，氣體析出第一滴液態(tài)烴的溫度。它與水露點(diǎn)的本質(zhì)區(qū)別在于：在給定的烴露點(diǎn)溫度下，可能存在一個反凝析現(xiàn)象，即壓力低于某一值后，在一定壓力變化范圍內(nèi)隨著氣壓力降低烴露點(diǎn)反而升高的現(xiàn)象。臨界冷凝溫度則規(guī)定了可能出現(xiàn)烴類冷凝的最高溫度。天然氣烴相態(tài)曲線具有反凝析[3]現(xiàn)象，呈包絡(luò)線型，圖1為天然氣烴的典型相態(tài)圖[4]，由圖1可知壓力在其露點(diǎn)線以下時(shí)液態(tài)烴不析出，同時(shí)壓力在泡點(diǎn)線以上時(shí)液態(tài)烴也不會析出，可以利用這些特性，通過控制檢測壓力來控制液態(tài)烴相態(tài)。

圖1 常見的天然氣烴的典型相態(tài)圖

2 檢測結(jié)果和分析

2.1 西一線天然氣氣質(zhì)

西氣東輸一線天然氣起始新疆輪南油氣田，主要輸送克拉2#氣、牙哈氣的混合氣體，受克拉2#氣脫烴工藝中存在的微量超重?zé)N組分以及牙哈凝析氣田[5]天然氣中重?zé)N含量高的影響，西一線輪南首站接收的天然氣烴露點(diǎn)較高，同時(shí)水含量較高，管輸天然氣烴露點(diǎn)及水露點(diǎn)均在較高水平，表1、表2為當(dāng)時(shí)典型組分。

2.2 西一線天然氣烴相態(tài)

采用PR、SRK狀態(tài)方程開展天然氣相包絡(luò)曲線中露點(diǎn)線及泡點(diǎn)線的求解方法，此次通過對相包線的合理拆分，充分說明了當(dāng)時(shí)西一線烴含量較高。從圖2可以看到西一線天然氣烴露點(diǎn)臨界溫度分別為18℃、22℃；臨界壓力分別為9.5 MPa、10 MPa，烴相態(tài)存在反凝析,反凝析拐點(diǎn)壓力約為3 MPa。

表1 克拉2#氣的典型組分

表2 牙哈氣田天然氣的典型組分

圖2中露點(diǎn)曲線為相邊界線，曲線的右邊和上邊部分只有單相的氣態(tài)存在，露點(diǎn)線里面為氣液兩相區(qū)，氣液比例取決于氣體的溫度和壓力，臨界凝析溫度約22℃，高于該溫度時(shí)，無論壓力如何變化，都只有單相氣體存在，臨界凝析壓力約10 MPa，高于該臨界凝析壓力時(shí)，無論溫度如何變化，也只有單相氣體存在。天然氣烴相態(tài)逆行現(xiàn)象的出現(xiàn)是烴類混合物在特定的溫度壓力條件下，分子間作用力的特殊變化造成的，而且一旦有烴凝析物析出，不太可能立即返回氣態(tài)，并且在較低的壓力下繼續(xù)有液烴的存在，西一線水露點(diǎn)檢測初期檢測工況正處于析烴包絡(luò)線內(nèi)，具體見表3。

2.3 西一線水露點(diǎn)檢測

檢測人員按照GB∕T 17283—2014進(jìn)行操作，使用冷鏡式露點(diǎn)分析儀對西一線水露點(diǎn)進(jìn)行分析，由于西一線重?zé)N含量高，烴露點(diǎn)高于或接近水露點(diǎn)，且現(xiàn)場使用的露點(diǎn)儀未安裝光電顯示器及液烴起泡器，所以在水露點(diǎn)檢測過程中烴類物質(zhì)首先凝析在鏡面上，從而影響了水露點(diǎn)觀測，造成水露點(diǎn)成像不明顯，干擾了測試人員對水露點(diǎn)初露及消露溫度的判斷。具體檢測數(shù)據(jù)見表3。

圖2 西一線天然氣烴相態(tài)拆分?jǐn)M合圖（2016年）

表3 測試期間典型的西一線水露點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)（2016年）

在西一線多個站點(diǎn)多個壓力下的檢測過程中發(fā)現(xiàn)，受烴的影響，冷卻鏡面上凝析物消失的“消露溫度”比凝析物形成的“初露溫度”高很多，甚至很多鏡面上的“凝析物”難以消失（圖3），這些情況均大大影響了水露點(diǎn)的消露溫度判斷，影響了水露點(diǎn)觀測的準(zhǔn)確性。

圖3 測試過程中形成的鏡面凝析物

受烴類的影響，在相同環(huán)境溫度和測試壓力條件下，對同一檢測點(diǎn)進(jìn)行多次水露點(diǎn)檢測，檢測過程中鏡面上“露點(diǎn)”的形成和消失的過程反復(fù)而多變，不能及時(shí)判定水的初露溫度，且水露點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性較差；圖4為2016年3月9日新疆段某站出站管線3次測量過程觀測情況。

圖4 某站出站管線露點(diǎn)測量

受烴凝析物的影響，人工觀測的水露點(diǎn)檢測過程成像較復(fù)雜，無法準(zhǔn)確判斷水的初露溫度和消露溫度，如圖5所示。

圖5 露點(diǎn)成像多變難判斷

2.4 西一線天然氣烴對水露點(diǎn)檢測影響分析

水露點(diǎn)檢測采用冷鏡面法，當(dāng)天然氣進(jìn)入露點(diǎn)測量室時(shí)掠過冷鏡面，冷鏡面的溫度隨著制冷在逐漸下降，由于西一線天然氣重?zé)N含量高，當(dāng)部分重?zé)N組分接近飽和狀態(tài)，受引力作用在鏡面上結(jié)成薄膜，薄膜的表面張力小，不會縮聚成液體，在觀測過程中可以很清晰地看到彩色的烴薄膜向外圍擴(kuò)大。但是西一線天然氣水露點(diǎn)略低于烴露點(diǎn)，隨著冷鏡面溫度繼續(xù)降低，天然氣中水蒸氣達(dá)到飽和，并開始在鏡面上形成模糊的薄膜，受烴薄膜上分子運(yùn)動，水薄膜上分子也被帶著運(yùn)動，所以大部分時(shí)間水膜難以縮聚成明顯的液滴，偶爾可以觀察到標(biāo)準(zhǔn)的水露，通常從檢測過程可以看到鏡面上無序的白色液膜，而不是鏡面中間圓形白霧,同時(shí)也會受鏡面雜質(zhì)的影響[6]。因此，當(dāng)天然氣重?zé)N含量較高、烴露點(diǎn)高于水露點(diǎn)或者與水露點(diǎn)接近時(shí)，如果使用普通冷鏡面法檢測水露點(diǎn)，應(yīng)高度關(guān)注烴類凝析物對檢測過程的影響。

3 改進(jìn)措施

受烴凝析物以及檢測裝置的影響，西一線天然氣水露點(diǎn)檢測比較困難，往往需要進(jìn)行多次重復(fù)檢測和觀測，有時(shí)因檢測裝置條件限制，檢測多次也無法獲得統(tǒng)一的可信數(shù)據(jù)，GB∕T 17283—2014中對烴類凝析鏡面之上凝析、鏡面凝析物去除、測定室中去除提出了控制方法，同時(shí)在檢測過程中也采取了一些可行的控制措施。

3.1 控制檢測壓力

選擇合適的檢測點(diǎn)，該檢測點(diǎn)壓力滿足臨界溫度檢測需求。西一線天然氣烴有反凝析，可以利用這種特性，尋找一個檢測點(diǎn)，隨著這個點(diǎn)壓力的降低，烴露點(diǎn)增加，而水露點(diǎn)隨著壓力的降低也會降低，這樣可以將烴露點(diǎn)與水露點(diǎn)的溫度差加大，減少烴的干擾。因此可將低壓燃料氣撬上的放空管作為檢測點(diǎn)，通過選擇合適的檢測點(diǎn)和檢測壓力，水露點(diǎn)的初露有了較為明顯的圖像，初露溫度的重復(fù)性也較穩(wěn)定，但消露觀測改善較少。

3.2 在檢測過程中加裝光電顯示器并攝像

冷鏡面目測法檢測天然氣水露點(diǎn)的過程中，由于肉眼觀察的滯后性和對水露點(diǎn)敏感程度的不同,測定結(jié)果會比實(shí)際露點(diǎn)偏低，如果天然氣烴露點(diǎn)比較高，烴在鏡面上也會形成凝析物，人工觀測過程中受烴的影響，水形成薄膜后難以縮聚成水滴，要準(zhǔn)確觀察到水露就更加困難，因此可以在檢測過程中安裝光電成像式露點(diǎn)傳感器[7]并攝像，利用攝像放大的原理，根據(jù)檢測過程中形成的薄膜顏色進(jìn)行判斷，一般烴膜呈現(xiàn)淡黃色，水膜呈現(xiàn)淡白色，這樣就可以有效地判定水的初露及消露溫度。

3.3 改變冷鏡室的壓力

在一定壓力、溫度下，冷鏡面上已形成水露，可以通過加大檢測氣排放，降低冷鏡室的壓力，觀察到水露的消失。因?yàn)殡S著壓力降低，水露點(diǎn)也降低，水露會變成水蒸氣，這個方法在單純的水露中完全符合。而西一線天然氣烴露點(diǎn)較高，在水露點(diǎn)前已形成烴凝析物，雖然降低冷鏡室壓力可以提高烴露點(diǎn)，降低水露點(diǎn)，但是烴形成凝析物后，即使降低壓力，也難以返回氣態(tài)，同時(shí)水露也沒有明顯的氣化。

3.4 增加重?zé)N分離裝置

冷鏡面法水露點(diǎn)檢測儀在水露點(diǎn)高于烴露點(diǎn)時(shí)用于測定水露點(diǎn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作相對簡單，但是當(dāng)烴露點(diǎn)高于水露點(diǎn)時(shí)，水露點(diǎn)的檢測就比較困難，而且準(zhǔn)確度也受到影響，針對這種情況，應(yīng)在取樣管線上配備不吸濕的重?zé)N分離裝置[8]，減少進(jìn)入冷鏡室氣體的烴含量，降低烴露點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加待測氣體進(jìn)入的流量和觀測時(shí)間，以保證水露點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測，這種方法相對簡單，但是目前國內(nèi)沒有能應(yīng)用于水露點(diǎn)測試過程的此類過濾器，需要繼續(xù)關(guān)注。

3.5 兩套露點(diǎn)儀連用

烴可以在鏡面上冷凝，對于烴露點(diǎn)高于水露點(diǎn)的天然氣，在檢測水露點(diǎn)時(shí)將兩套冷鏡面儀連用，與取樣管線直接相連的儀器用于檢測烴露點(diǎn)并保證冷卻溫度為烴露點(diǎn)的溫度，將其排氣管線與另一冷鏡面儀相連，此儀器溫度繼續(xù)冷卻至水露點(diǎn)，因?yàn)檫M(jìn)入該冷鏡室的氣體中的重?zé)N已凝析，因此烴露點(diǎn)也降低了[9]。此方法有待在實(shí)踐中驗(yàn)證。

4 結(jié)論

在西一線管道天然氣水露點(diǎn)檢測過程中發(fā)現(xiàn)管輸天然氣中烴含量較高，對冷鏡式水露點(diǎn)檢測觀察和判斷造成較大影響。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際通過降低檢測壓力、檢測過程攝像等方式達(dá)到了較好的檢測效果，除了以上控制措施外，還可以采用多種儀器并用、增加重?zé)N過濾器等方式。但是無論采取何種方法，首先要確保取樣管線的溫度，防止烴在管線中凝析，同時(shí)還要將鏡面上的殘留物清除干凈，保證檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

西一線管道天然氣重?zé)N含量較高,當(dāng)環(huán)境溫度低于天然氣的烴露點(diǎn)時(shí),易引起管道的積液,影響天然氣的正常輸送以及降低管道的輸送能力。因此建議不定期檢測天然氣的烴露點(diǎn),提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考,從而保證管道的安全運(yùn)行并提高管輸能力。