汪世軍 劉 奎 汪 海 王 博

(中國(guó)石油西氣東輸豫皖管理處，鄭州 450008)

0 引言

我國(guó)管輸天然氣中水露點(diǎn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，一是GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中規(guī)定：進(jìn)入輸氣管道的氣體必須清除機(jī)械雜質(zhì)，水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃；另一個(gè)是GB 17820—1999《天然氣》，其中規(guī)定：在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣的水露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5℃。商品天然氣按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)該沒(méi)有水份的，但在輸氣管線的實(shí)際運(yùn)行中，管輸天然氣中總是會(huì)或多或少的含有些水份。所以，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管輸天然氣中水露點(diǎn)溫度，以避免水份和水合物對(duì)天然氣管輸管線及管輸設(shè)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(jié)合水兩種形態(tài)存在，主要有四種成因：

1)地底下開(kāi)采的天然氣本身帶有水份，經(jīng)過(guò)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?dú)飧稍锖髿埩粼诠艿乐械乃?，它和管線長(zhǎng)度、管道所經(jīng)地段地形復(fù)雜程度以及管線干燥方法有關(guān)，這是管輸管線投用前天然氣中水份的主要成因，有時(shí)能使水露點(diǎn)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(gè)別地點(diǎn)檢修管輸管線設(shè)備時(shí)，管線設(shè)備開(kāi)口暴露在空氣中，潮濕空氣和雨水進(jìn)入管線，致使水份殘留在管線中，這種成因?qū)茌斕烊粴庵兴莺坑绊戄^小；

4)由于部分地區(qū)使用鹵穴儲(chǔ)存管輸天然氣，再次使用時(shí)，鹵穴中的水份混入天然氣中，會(huì)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(diǎn)溫度(水份含量)的測(cè)量方法

現(xiàn)在管輸天然氣測(cè)量水露點(diǎn)溫度(水份含量)的方法主要有下述幾種：

1)冷卻鏡面法：被測(cè)氣體在恒定的壓力下，以一定的流速掠過(guò)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(dá)到某一個(gè)溫度時(shí)開(kāi)始結(jié)水露，此時(shí)的鏡面溫度就是水露點(diǎn)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(dǎo)體制冷器(能將管輸天然氣制冷到-35℃左右)。AMETEK代表性的產(chǎn)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(zhì)量不同時(shí)石英晶體振動(dòng)頻率不同的特點(diǎn)，讓所測(cè)量的氣體和該氣體經(jīng)過(guò)干燥罐干燥后的標(biāo)準(zhǔn)干燥氣流經(jīng)該晶體，因而產(chǎn)生不同的振動(dòng)頻率差Δf1和Δf2，計(jì)算Δf1和Δf2之差即可得到樣氣的濕度，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)氣體管輸管線壓力換算成水露點(diǎn)溫度。AMETEK代表性產(chǎn)品為：3050-OLV。

3)激光吸收光譜法：用一個(gè)可調(diào)諧二極管激光在特定波長(zhǎng)下產(chǎn)生能量，該波長(zhǎng)對(duì)水分子有很強(qiáng)的吸收特性(1854nm)?？烧{(diào)諧二極管激光產(chǎn)生的特定波長(zhǎng)的能量通過(guò)所測(cè)量氣體，所測(cè)氣體中的水分子會(huì)吸收少部分的這個(gè)波長(zhǎng)的能量。通過(guò)測(cè)量該氣體所吸收的這部分波長(zhǎng)能量的多少，就可確定所測(cè)量氣體中水分的含量，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)氣體管輸管線壓力換算成水露點(diǎn)溫度。AMETEK代表性產(chǎn)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(jīng)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(guò)檢測(cè)該電流即可測(cè)得樣氣的濕度。其測(cè)量量程可達(dá)露點(diǎn)-80℃以下，且準(zhǔn)確度較高，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是電解池氣路需要在使用前干燥很長(zhǎng)時(shí)間(對(duì)干燥氣的氣質(zhì)要求也較高)，且對(duì)所測(cè)氣體的腐蝕性及清潔性要求較高，在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)分析儀做標(biāo)定校準(zhǔn)。

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(zhì)，構(gòu)成電容或電阻，在含有水份的氣體流經(jīng)后，電容的介電常數(shù)或電阻的電導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)變化，測(cè)出當(dāng)時(shí)的電容值或電阻值，就能知道所測(cè)氣體的水份含量。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量量程可達(dá)露點(diǎn)-100℃，并且響應(yīng)速度較快，準(zhǔn)確度較高，最大允許誤差多為±(2～3)℃，缺點(diǎn)是氣路需要在使用前干燥很長(zhǎng)時(shí)間，檢測(cè)元件老化和漂移嚴(yán)重，使用3～6個(gè)月后必須進(jìn)行校準(zhǔn)。

6)紅外檢測(cè)法：利用氣體中的水份對(duì)紅外光譜吸收的特性測(cè)量氣體中水份。目前該儀器很難測(cè)到較低的水露點(diǎn)溫度，主要是紅外探測(cè)器的峰值探測(cè)率還不能達(dá)到微量水吸收的量級(jí)，還有氣體中其他成份含量對(duì)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(yīng)用

1)Model13 Dewpoint型分析儀是一種便攜式的水露點(diǎn)溫度分析儀(同時(shí)也可以測(cè)量管輸天然氣中的烴露點(diǎn)溫度)，儀器內(nèi)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(cè)量點(diǎn)測(cè)量，由于分析儀測(cè)量的是天然氣管輸壓力下的天然氣水露點(diǎn)溫度，所以，可以直接對(duì)管輸壓力下的天然氣進(jìn)行測(cè)量，并可得到管輸壓力下天然氣的水露點(diǎn)溫度，且測(cè)量誤差可達(dá)到±0.1℃，但需要現(xiàn)場(chǎng)提供液氮或鋼瓶CO2作為制冷源(視分析儀具體型號(hào)而定)。因?yàn)樵摲治鰞x測(cè)量的是水露點(diǎn)溫度，所以，需定期對(duì)分析儀的測(cè)溫元件進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證分析儀測(cè)量的準(zhǔn)確度。由于分析儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以日常維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)便，只要使用前對(duì)電氣箱體進(jìn)行完全充電，確保分析儀冷鏡表面無(wú)雜質(zhì)和污染，分析儀進(jìn)樣口粉塵過(guò)濾芯干凈無(wú)污染，壓力表指針正常和針閥都可正常開(kāi)關(guān)，制冷劑準(zhǔn)備就緒。該分析儀應(yīng)用在天然氣管輸管線未安裝實(shí)時(shí)水露點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)分析儀的管輸天然氣分輸站，便于定期檢查進(jìn)站和出站的管輸天然氣的水露點(diǎn)溫度，以確保管輸管線和場(chǎng)站設(shè)備的正常運(yùn)行。

2)3050-OLV型分析儀是實(shí)時(shí)在線水露點(diǎn)溫度分析儀，通過(guò)檢測(cè)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(diǎn)溫度。該分析儀可安裝在分析儀小屋內(nèi)，也可在露天安裝使用，完全滿足天然氣行業(yè)的防爆等級(jí)要求，100～240V寬范圍交流電壓供電，并實(shí)時(shí)傳輸4～20mA模擬量信號(hào)(模擬量信號(hào)可自由選擇有源和無(wú)源輸出)和Modbus信號(hào)輸出測(cè)量值，并可接入壓力變送器信號(hào)實(shí)時(shí)換算輸出管輸天然氣中水露點(diǎn)溫度值。該分析儀自帶標(biāo)準(zhǔn)水分發(fā)生器，可在日常使用中自動(dòng)校準(zhǔn)，確保分析儀讀數(shù)準(zhǔn)確，無(wú)需用戶準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)氣體且該型分析儀所測(cè)氣體和參比氣體都來(lái)源于管輸天然氣，排除了所測(cè)氣體和參比氣體比重不同所帶來(lái)的誤差影響。該分析儀日常巡查相對(duì)簡(jiǎn)單，只需檢查分析儀報(bào)警燈是否閃爍，進(jìn)樣壓力是否保持在0.34MPa以下，排放口背壓是否調(diào)解在0.07MPa左右即可。該分析儀日常的維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)單，只需定期更換分析儀的氣液分離濾膜(6～12個(gè)月)、干燥罐前級(jí)粉塵過(guò)濾器濾芯(6～12個(gè)月)、干燥罐(12～18個(gè)月)以及水分發(fā)生器(18～24個(gè)月)就可保證分析儀正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該分析儀主要應(yīng)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(nèi)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)站管輸天然氣中水露點(diǎn)溫度。

3)Model 5100型分析儀有在線測(cè)量和便攜式測(cè)量?jī)煞N型號(hào)，在線測(cè)量型分析儀是實(shí)時(shí)在線水露點(diǎn)分析儀，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(diǎn)溫度。可安裝在分析儀小屋內(nèi)，也可在露天安裝使用，完全滿足天然氣行業(yè)的防爆等級(jí)要求，100～240V寬范圍交流電壓供電，并實(shí)時(shí)傳輸4～20mA模擬量信號(hào)(模擬量信號(hào)可自由選擇有源和無(wú)源輸出)和Modbus信號(hào)輸出測(cè)量值，并可接入壓力變送器信號(hào)實(shí)時(shí)換算輸出管輸天然氣中水露點(diǎn)溫度。該分析儀出廠時(shí)完成分析儀標(biāo)定，使用時(shí)無(wú)需標(biāo)定校準(zhǔn)。便攜式測(cè)量型分析儀內(nèi)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(diǎn)測(cè)量。由于5100型分析儀進(jìn)樣壓力最大只能達(dá)到0.07MPa，所以樣品氣需要減壓后測(cè)量。該型分析儀日常巡查相對(duì)簡(jiǎn)單，只需查看分析儀是否有報(bào)警信息，進(jìn)樣壓力是否保持在0.07MPa以下即可；日常的維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)單，只需定期更換分析儀的氣液分離濾膜(6～12個(gè)月)就可保證分析儀正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 AMETEK分析儀在天然氣管輸管線中應(yīng)用的常見(jiàn)問(wèn)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(wèn)題主要有：漏氣、進(jìn)樣管路吹掃不完全、電池沒(méi)電，水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)判斷不準(zhǔn)等。

1)漏氣主要是由于分析儀管路安裝不正確導(dǎo)致，為便于運(yùn)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(hù)箱內(nèi)，到達(dá)檢測(cè)地點(diǎn)后組裝，此時(shí)會(huì)有用戶將O型圈忘記安裝或者將氣室安裝錯(cuò)方向引起分析儀漏氣，正確的氣路安裝方式詳見(jiàn)圖1，或保存好所有的部件并拍照，詢問(wèn)廠方工程師即可解決。

圖1 Model13 Dewpoint分析儀正確安裝圖

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

圖2 Model13 Dewpoint分析儀水露點(diǎn)及烴露點(diǎn)判斷圖

3)電池沒(méi)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(guò)更換電池和檢查充電連接線方法排除。

4)水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的判斷可參照?qǐng)D2所示。一般水露點(diǎn)是由中心向四周擴(kuò)散(圖2b)，烴露點(diǎn)是由四周向中心擴(kuò)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(wèn)題主要有：分析儀流量報(bào)警、分析儀不輸出Modbus信號(hào)和分析儀參比氣故障等。

1)流量報(bào)警主要是由于分析儀進(jìn)樣口和出樣口壓力差不在0.14MPa以上，分析儀無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)流量所致，主要是檢查進(jìn)樣口壓力是否在0.34MPa以下，進(jìn)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(dāng)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(shí)，則需要更換分析儀的流量傳感器。

2)分析儀不輸出Modbus信號(hào)主要是用戶調(diào)試分析儀時(shí)，需將分析儀輸出狀態(tài)調(diào)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(shí)，干燥罐出口閥忘記打開(kāi)引起的，此時(shí)只要確認(rèn)干燥罐出口閥是否已經(jīng)打開(kāi)，便可排除故障。

5 結(jié)語(yǔ)

AMETEK在線水露點(diǎn)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)控天然氣管輸管線上某個(gè)重要的站點(diǎn)的水露點(diǎn)值，而AMETEK 便攜式水露點(diǎn)儀可對(duì)天然氣管輸管線沿線所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水露點(diǎn)檢測(cè)，這樣既可以了解天然氣管輸管線水露點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)狀況，也可對(duì)某一節(jié)點(diǎn)的水露點(diǎn)情況進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)量。為天然氣管道的安全平穩(wěn)運(yùn)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(shè)計(jì)規(guī)范

[3] GB/T 17283—1998天然氣水露點(diǎn)的測(cè)定冷卻鏡面凝析濕度計(jì)法

[4] GB/T 22634—2008天然氣水含量與水露點(diǎn)之間的換算

[5] GB 18603—2001天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求