胡勇剛 張晨

摘要：天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、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(huì)導(dǎo)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(huì)與二氧化碳、硫化氫等組分反應(yīng)形成酸性物質(zhì)，腐蝕管壁、閥件和設(shè)備，對(duì)天然氣的安全生產(chǎn)和使用造成危害。本文主要對(duì)多種天然氣水露點(diǎn)測(cè)量方法的原理、技術(shù)指標(biāo)、適用范圍和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：天然氣水露點(diǎn);測(cè)量技術(shù);霜點(diǎn)

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(huì)影響天然氣的熱值和輸氣管道的輸送能力。當(dāng)溫度降低或壓力增加時(shí)，管道中天然氣可析出液相的凝析水，進(jìn)而造成管道中出現(xiàn)積液?jiǎn)栴}，降低了管道的輸送能力，嚴(yán)重者可能形成段塞流，且液態(tài)水也會(huì)加速天然氣中酸性組分對(duì)管道和設(shè)備的腐蝕。降低天然氣水露點(diǎn)，無論對(duì)于管道輸送或者成為達(dá)到商品氣質(zhì)的要求都具有重要的意義。

1天然氣中水露點(diǎn)的檢測(cè)

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

2水露點(diǎn)/水分測(cè)量技術(shù)研究

測(cè)量天然氣水露點(diǎn)的方法主要是冷鏡露點(diǎn)法。還有很多通過測(cè)量天然氣水分換算得到天然氣水露點(diǎn)的方法，包括卡爾·費(fèi)休庫侖法法、電解法、可調(diào)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(diǎn)法

在恒定壓力下，氣體以一定的流速掠過一個(gè)光滑無污染的金屬鏡面，當(dāng)鏡面溫度高于氣體露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面呈干燥狀態(tài);鏡面溫度降低到某量值時(shí)開始結(jié)露;當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，凝析物會(huì)進(jìn)一步增加;當(dāng)溫度略升高時(shí)，凝析物則減少至消失，此時(shí)的鏡面溫度即為待測(cè)氣體的水露點(diǎn)。

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

2.2卡爾·費(fèi)休法

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

卡爾·費(fèi)休法包括庫侖法和容量法。庫侖法是通過電解反應(yīng)生成碘分子參與卡爾·費(fèi)休反應(yīng)，然后，根據(jù)法拉第定律通過電量計(jì)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(fèi)休反應(yīng)。庫侖法是直接測(cè)量方法，與容量法相比，檢出限更低，測(cè)量重復(fù)性更好。但是，卡爾·費(fèi)休庫侖法的測(cè)量結(jié)果受電極結(jié)構(gòu)和電解液種類的影響，因此，需要已知水分含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)以保證量值準(zhǔn)確可靠。

2.3電解法

電解法的測(cè)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(nèi)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(xué)反應(yīng)，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(cè)定氣樣中的水含量，進(jìn)而求出對(duì)應(yīng)壓力條件下的水露點(diǎn)值。

電解法露點(diǎn)儀具有使用方便，干擾因素少，測(cè)量范圍廣，靈敏度和準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)，適合在氣田應(yīng)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(cè)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。但是，測(cè)量時(shí)氣體的壓力、流量、組成的變化對(duì)露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果影響很大，而且電解法對(duì)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(huì)吸附一定量環(huán)境中的水分，此時(shí)需要對(duì)氣路進(jìn)行長時(shí)間的干燥才能進(jìn)行測(cè)量。該方法測(cè)定含氫元素氣體時(shí)會(huì)有誤差，在低濕條件下響應(yīng)時(shí)間久。該方法測(cè)定的水含量換算成高壓下的水露點(diǎn)尚無公認(rèn)的方法標(biāo)準(zhǔn)，而常用的查圖法誤差較大。

2.4可調(diào)二極管激光吸收光譜法（TDLAS）

TDLAS是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，用一個(gè)可調(diào)諧二極管激光在特定波長下產(chǎn)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(cè)量氣體濃度。氣體介質(zhì)對(duì)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(zhì)時(shí)透射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度的關(guān)系。氣體樣品不斷地流過檢測(cè)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(cè)器窗口被檢測(cè)器檢測(cè)。檢測(cè)器用于測(cè)定特定波長光束的光強(qiáng)。

激光吸收光譜分析儀具有準(zhǔn)確度高、檢出限低、線性誤差小和響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。由于采用非接觸式測(cè)量，天然氣中的污染物不會(huì)影響儀器的測(cè)量精度。目前，可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于采氣集輸、凈化處理和管輸配氣等各個(gè)天然氣氣體在線分析過程中。但激光吸收光譜儀相對(duì)昂貴，需要供應(yīng)零點(diǎn)氣和量程氣，樣品測(cè)定時(shí)必須使測(cè)試壓力、溫度、氣體流量與校準(zhǔn)時(shí)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(zhì)，構(gòu)成電容或電阻，在含有水分的氣體流經(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，以此測(cè)定氣體的水分含量。該類儀器抗外界干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，測(cè)量范圍較寬，露（霜）點(diǎn)測(cè)量范圍多為-80～+20℃，最大量程可以達(dá)到-110～+80℃。該儀器可以在天然氣管道壓力下直接測(cè)量水露點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)替換性好，能在較惡劣的條件下穩(wěn)定工作，響應(yīng)速度非常快（從干到濕一分鐘響應(yīng)可達(dá)90%），因而多用于現(xiàn)場(chǎng)和快速測(cè)量場(chǎng)合。但是，阻容式濕度儀準(zhǔn)確度低，長期穩(wěn)定性差，使用3～6個(gè)月后必須進(jìn)行校準(zhǔn);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(cè)量法。石英晶體具有穩(wěn)定的振動(dòng)頻率，在石英晶體表面涂抹一層吸濕性材料，當(dāng)樣氣通過石英晶體時(shí)，氣體中的水分就會(huì)被吸收，從而使石英晶體的振動(dòng)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(huì)被釋放出來。振蕩頻率的變化值與所測(cè)量的樣品氣中水分含量成正比，通過測(cè)量振蕩頻率的變化值即可測(cè)得待測(cè)樣品氣中的水分含量。

3結(jié)論

天然氣管道上采用上述不同原理的儀器測(cè)量水露點(diǎn)，由于每種方法都存在一定的系統(tǒng)誤差和量值漂移，導(dǎo)致水露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的不一致，嚴(yán)重影響天然氣管道運(yùn)行安全。因此，天然氣水露點(diǎn)的準(zhǔn)確測(cè)定需要選擇量值準(zhǔn)確、抗干擾和穩(wěn)定性好的裝置，對(duì)不同原理的露點(diǎn)儀進(jìn)行在線校準(zhǔn)，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確一致。

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