СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ПОТОКЕ

АННОТАЦИЯ

Представлены усовершенствованные способ и устройство для измерения относительной влажности природного газа с применением пьезо-акустического датчика. Разработанное устройство включает в себя цифровой гигрометр и интегрированное специализированное программное обеспечение, обеспечивающее автоматическую обработку и пересчет полученных данных в такие параметры, как абсолютная влажность и температура точки росы. В работе подробно рассматриваются физико-химические методы контроля влажности газов, подчеркивается актуальность задачи точного определения содержания водяного пара в газовых средах, особенно в контексте транспортировки и переработки природного газа. Описаны конструктивные особенности измерительного блока, его принцип действия и алгоритм функционирования. Также обозначены потенциальные области практического применения, включая промышленную газоанализатику, энергетический сектор и экологический мониторинг. Разработка отличается простотой, надежностью, удобством в эксплуатации, а также возможностью адаптации под различные условия эксплуатации и состав газовой среды.

ABSTRACT

An improved method and device for measuring the relative humidity of natural gas using a piezo-acoustic sensor are presented. The developed device includes a digital hygrometer and integrated specialized software that provides automatic processing and recalculation of the received data into parameters such as absolute humidity and dew point temperature. The paper discusses in detail the physico-chemical methods for controlling the humidity of gases, emphasizes the relevance of the task of accurately determining the water vapor content in gaseous media, especially in the context of transportation and processing of natural gas. The design features of the measuring unit, its principle of operation and the algorithm of functioning are described. Potential areas of practical application are also identified, including industrial gas analysis, the energy sector, and environmental monitoring. The development is characterized by simplicity, reliability, ease of operation, as well as the ability to adapt to various operating conditions and the composition of the gas environment.

Ключевые слова: влажность газа, пьезо-акустический датчик, гигрометр, точка росы, измерение, природный газ, влагомер.

Keywords: gas humidity, piezo-acoustic sensor, hygrometer, dew point, measurement, natural gas, moisture meter.

Введение

В условиях интенсификации газовой промышленности и широкого распространения транспортировки природного газа по трубопроводам контроль его качества становится критически важным [1-3]. Одним из наиболее существенных параметров является влагосодержание, так как присутствие водяных паров может вызывать образование гидратов, коррозию оборудования и аварийные ситуации [4-8].

Для обеспечения безопасной транспортировки, хранения и сжигания природного газа необходимо использовать надежные средства измерения влажности, соответствующие современным требованиям точности и устойчивости к внешним воздействиям [9-11]. Разработка доступных и эффективных влагомеров особенно актуальна для стран с развивающейся технологической инфраструктурой, таких как Республика Узбекистан, где приборы подобного назначения зачастую дефицитны и дорогостоящи.

Обзор существующих методов измерения влажности

Существует несколько физико-химических методов определения влажности газов. Среди них весовой, конденсационный, метод точки росы, сорбционный, психрометрический и оптический [12-17].

Психрометрический метод основан на измерении разности температур между сухим и мокрым термометрами и получил широкое распространение в промышленных условиях [17,18].

Метод точки росы заключается в определении температуры, при которой пар водяной насыщает газ и начинает конденсироваться на охлаждаемой поверхности [19,20].

Сорбционные методы базируются на изменении физических характеристик гигроскопических материалов под действием влаги. На их основе создаются электролитические, кулонометрические, пьезосорбционные и деформационные преобразователи [21-23].

Оптические методы предполагают анализ спектра поглощения инфракрасного излучения парами воды. Такие методы применимы в условиях, где необходима высокая чувствительность и мгновенная реакция на изменение параметров среды [24].

Цель настоящей работы заключается в упрощении и удешевлении процедуры измерения влажности газов, в том числе и природного, с применением разработанного устройства, функционирующего на основе пьезо-акустического датчика, непосредственно контактирующего с потоком исследуемого газа

Предлагаемое устройство и метод измерения

Аналитические зависимости влагосодержания природных газов W от давления р в паскалях и температуры Т являются модификациями формулы Бюкачека [25]:

                                                                                     (1)

где А – коэффициент, равный влагоемкости (влагосодержание в условиях насыщения) идеального газа при нормальном атмосферном давлении;

В – поправка на неидеальность природного газа, зависящая от состава газа

Однако, ряд исследователей отмечает, что целесообразно, и более правильным следует использовать уравнение для оценки влагосодержания газов с учетом уточненных поправок на неидеальность газов [4,5,26,27]

Было предложено несколько полуэмпирических формул:

                           (2)

или

                                              (3)

где:

 ps(T) = 0.0061038exp(0.0735(T-273.15) - 0.00027(T-273.15)²) – давление водяных паров над чистой водой.

Для более простого пересчета относительной влажности газа в другие параметры влагосодержания, применяется формула Гоффа-Грэтча, известная как формула для расчета влажности воздуха по психрометру.

Несмотря на то, что формула может быть представлена в различных вариантах, ее базовый принцип остается неизменным

                                                                            (4)

где φ- относительная влажность

АВ – абсолютная влажность;

МВВ – максимально возможная влажность.

Взаимосвязь параметров влагосодержания – относительная влажность – точка росы показывает также полуэмпирическая формула

                                                                      (5)

где:

T – температура воздуха в градусах Цельсия.

Td  – температура точки росы в градусах Цельсия.

Это соотношение было заложено в алгоритм программы пересчета относительной влажности газа, измеренной цифровым прибором Волна-М в другие показатели влагосодержания.

На рисунке 1 приводится изображение устройства для измерения относительной влажности газа [28].

Измерительный модуль представляет собой цилиндрическую камеру, оснащенную штуцерами для ввода и вывода анализируемого газа, а также термометром и прецизионным манометром. Газ поступает в емкость и омывает чувствительный элемент — пьезо-акустический датчик, данные с которого поступают на цифровое табло электронного гигрометра типа «Волна-М» [29,30].

После стабилизации показаний фиксируется значение относительной влажности при заданных температуре и давлении.

Для пересчета полученных данных в абсолютную влажность (г/м³) или точку росы используется специализированная программа-калькулятор [31], интерфейс которой представлен на рис. 2.

Преимущества устройства. Среди основных достоинств предлагаемого устройства можно выделить:

• простоту эксплуатации и технического обслуживания;
• низкую себестоимость по сравнению с зарубежными аналогами;
• возможность интеграции с цифровыми системами учета и анализа;
• универсальность применения в различных подразделениях нефтегазовой отрасли.

Весь процесс измерения занимает менее 15 минут, что делает его удобным для оперативного контроля на местах.

Область применения Устройство может эффективно использоваться:

• в газонаполнительных станциях;
• в лабораториях Гостехнадзора;
• в исследовательских институтах и вузах;
• на магистральных и технологических трубопроводах.

Заключение

Разработка пьезо-акустического влагомера и сопряженного с ним программного обеспечения представляет собой важный шаг в повышении точности и доступности измерения влажности природного газа.

Преимущества конструкции и методики обеспечивают широкие перспективы внедрения в отрасль, а также способствуют снижению эксплуатационных затрат и повышению надежности газотранспортных систем.

В дальнейшем возможна модернизация прибора с целью дистанционного сбора данных и передачи информации по защищенным каналам связи в систему диспетчерского контроля.

Список литературы:

1. Жданова Н.В., Халиф А.Л. Осушка углеводородных газов. – М.: Химия, 1984.–192 с.
2. ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия».
3. ГОСТ-5542-87 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия»
4. Бондарев Э.А., Рожин И.И., Аргунова К.К. Влагосодержание природного газа в призабойной зоне пласта // Записки Горного института. 2018. Т. 233. С. 492-497.  DOI: 10.31897/PMI.2018. 5.492
5. Брусиловский А.И. Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа. М.: Грааль, 2002. 575 с.
6. Бык С.Ш., Макагон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. М.: Химия. 1980. 296 с.
7. Smirnov V.V., Ivanov D.P. Advanced hygrometry in gas pipelines: A review of measurement techniques // Journal of Natural Gas Science and Engineering. — 2018. — Vol. 55. — P. 11–19.
8. Коротаев Ю.П., Кулиев А.М., Мусаев Р.М. Борьба с гидратами при транспорте природных газов. -М.: Недра, 1973. - 136 с.
9. Паранук А. А. Разработка методов раннего обнаружения гидратообразования в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций. Дисс. ... кандидата технических наук. — Уфа: УГНТУ, 2012. - 157 с.
10. Рахматов Х.К., Абдухалилов К.Х. Влияние водяных паров на процесс горения природного газа // Нефть и газ.- 2020. - №2. - С. 34–37.
11. Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. -М.:ООО «ИРЦ Газпром», 2004.-506 с.
12. Кузнецов Ю.А., Матвеев С.В. Методы измерения влажности газов: учеб. пособие. — Томск: ТПУ, 2017. — 84 с.
13. Мельников А.В., Корнилов В.Н. Влагосодержание природного газа и методы его измерения // Вестник газовой науки и техники. — 2019. — №3. — С. 22–28.
14. Селезнев С. В. Анализ методов и средств измерения влажности и точек росы природного газа // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений : Научно-технический сб. – 2005. – № 2. – С. 10 – 22.
15. Тургунбоев А., Худайкулов У.У. Анализ методов и средств измерения влажности газов и твердых материалов // Вестник ТашГТУ.-2018.- № 4.– С.15-22
16. Титов В.М., Ермаков А.Н. Технологии анализа влажности природного газа: опыт внедрения и перспективы развития // Газовая промышленность. — 2021. — №6. — С. 38–43.
17. Панченко И.В., Сафронова Е.А. Анализ физических методов определения влажности газовых сред // Теплоэнергетика. - 2018. - №10. - С. 64–70.
18. Козлов И.М. Системы автоматического контроля параметров газовой среды: монография. - М.: МЭИ, 2020. - 176 с.
19. ГОСТ 20060-83. Газы горючие природные. Методы определения содержания водяных паров и точки росы влаги, 1984. -  11 с.
20. Дмитриев А.А., Третьяков В.А. Современные влагомеры: конструкция, область применения и метрологические характеристики // Приборы и системы.-2021.- №2. -С. 54–59.
21. Кривошапко С.Н., Сергеев В.Е. Автоматизация измерений в газовой отрасли: методы и средства. — СПб.: Питер, 2022. -240 с.
22. Пеклер В. В. Состояние и перспективы развития гигрометров и средств их метрологического обеспечения / В. В. Пеклер, Г. М. Мамонтов // Датчики и системы. – 2006. –№ 1. – С. 33 – 38
23. Горбатенко Ю. А. Определение влажности газового потока. Методические указания к лабораторному практикуму Екатеринбург,  «Уральский государственный лесотехнический университет» (УГЛТУ).-2021.- 28с .
24. Мухитдинов М., Мусаев Э.С. Оптические методы и устройства контроля влажности. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 96 с.
25. Bukacek R.F. Equilibrium moisture content of natural gases // Research Bulletin. Institute of Gas Technology, Chicago, USA. -1955.- Vol. 8.-No. 11.- P. 20.
26. Yevtushenko N.I., Vodolazkyi Y.H. Real-time monitoring of water vapor concentration in fuel gases // Measurement Techniques. — 2020. — Vol. 63. - No. 4. — P. 345–351.
27. Nikolaev I.S., Orlov D.A. Implementation of capacitive sensors for low-range humidity measurement in natural gas pipelines // Sensors and Actuators A: Physical. -2019. -Vol. 296. - P. 89–95.
28. Аронбаев Д.М., Насимов А.М., Аронбаев С.Д. Устройство для измерения влажности газов в потоке // Каталог VII Республиканской ярмарки инновационных идей, технологий и проектов. Промышленность. 1.1.25.  - Ташкент, 2014. - С.31-32.
29. ГОСТ Р 8.637-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Влагомеры. Методы поверки.
30. ГОСТ 8.563-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Влагомеры. Общие метрологические и технические требования.
31. Программа пересчета различных единиц влажности [Электронный ресурс] – Электрон. дан. –ЗАО «Экологические сенсоры и системы». –Режим доступа : http://www.eksis.ru/technical-support/ software/humidity-unit-conversion-program.php. Дата обращения: 27.04.2024. https://www.eksis.ru/technical-support/humidity-calculator/.