Использование гигрометров в проточном анализе газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Использование гигрометров в проточном анализе газа

Тыныштыкулов А.Е. - студент

Василевская С.П., д-р техн. наук, доцент

В современной науке и в ее различных приложениях в промышленности измерение и контроль параметров газовых сред являются актуальной задачей. Важную роль при обеспечении качества и характеристик во многих технологических процессах играет влажность газов. Для измерения влажности используют различные физические методы: кулонометрический, конденсационный, резистивный, емкостной, оптический метод поглощения, а также метод измерения относительной влажности -- психрометрический. При измерениях пользуются абсолютной и относительной влажностью, а также температурой точки росы. В работе и ссылках в ней описываются отличительные особенности вышеперечисленных методов и специфика использования различных единиц влажности.

Для определения влажности природного газа наиболее широко используется конденсационный метод. Конденсационным методом можно измерять характеристику газа -- температуру точки росы как по воде, так и по углеводородам и непосредственно определять качественное состояние газовых смесей в различных термодинамических условиях. При этом измерение абсолютного содержания воды затруднено и становится невозможным при изменении соотношения углеводородных составляющих в природном газе или при добавлении в него ингибиторов гидратообразования.

Все более широкое распространение при контроле качества и параметров газовых смесей приобретают спектрофотометрические методы измерения. В на дифракционном спектрофотометрическом газоанализаторе с многоходовой кюветой при давлении 1 атм по спектрам поглощения определялись концентрации продуктов горения и пиролиза хвои кедра, а в рассматривалась возможность непрерывного определения содержания паров воды в атмосферных условия для разных спектральных диапазонов от 900 до 3100 Нм.

При спектрофотометрическом методе определения влажности газа в отличие от конденсационного даже при добавлении в природный газ ингибиторов гидратообразования по спектрам поглощения измеряется и вычисляется величина, пропорциональная общему содержанию паров воды в объеме. В случае, когда в газе присутствует вода в паровой и капельной фазах, возникает необходимость применения других физических методов измерения концентрации воды.

Рис. 1. Спектрофотометрический гигрометр "Зима"

гигрометр анализ газ

В Лаборатории молекулярной спектроскопии Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева был разработан спектрофотометрический гигрометр "Зима" (рис. 1) во взрывозащищенном исполнении. Применение спектроскопии в сочетании с математической обработкой данных с использованием экспериментальных и расчетных спектров позволило решить задачу, связанную с определением концентрации паров воды в газе высокого давления. Целью настоящей работы является рассмотрение отличительных особенностей определения абсолютной концентрации паров воды в природном газе высокого давления в области 1872 нм на спектрофотометрическом гигрометре с проточной кюветой.

Определение параметров калибровочных функций газоанализатора

С развитием вычислительной техники и интенсивной компьютеризацией научного и промышленного оборудования возникает ситуация, когда компьютерная автоматизация спектрофотометров позволяет принципиально улучшить их характеристики. Для количественного газоанализа наибольшее внимание привлекают спектральные области, в которых регистрируемые газы имеют максимальные или значительные коэффициенты поглощения, а это, как правило, такие диапазоны, в которых спектральная информация собрана в базы данных и в настоящее время уточняется и расширяется. Интенсивности наиболее сильных молекулярных линий и полос описываются с высокой точностью, вполне достаточной для решения широкого круга прикладных задач. В связи с этим всегда существовал большой интерес к использованию этой информации при калибровке и непосредственно при эксплуатации спектральных приборов различного назначения. Спектральные базы HITRAN, GEISA и HITEMP уже содержат несколько миллионов линий и довольно полно и точно описывают ИК-диапазон спектра. Они включают в себя достаточно достоверную экспериментальную и расчетную информацию о величине коэффициентов поглощения, уширения и сдвига для молекул. В перечень этих молекул входит значительная часть газов, в том числе метан и вода. К сожалению, из-за неточностей в спектральных базах для параметров при больших давлениях при поиске функциональных зависимостей характеристик газов от их коэффициентов поглощения необходимо использовать значительное количество экспериментальных спектров. В то же время постоянное расширение и уточнение спектральных данных для метана и воды позволяет все более эффективно использовать информационные системы для моделирования поглощения в целях сокращения количества экспериментальных спектров, регистрируемых по эталонным газовым смесям, что значительно упрощает калибровку фотометрических измерителей влажности. Для того чтобы информацию из спектральных баз данных, формируемых с использованием интернет-информационной системы "Спектроскопия атмосферных газов" со сведениями о частотах, интенсивностях, температуре, коэффициентах уширения и сдвигов, использовать для определения концентраций интересующих газов и их смесей, модельные спектры приводились к единому виду с экспериментальными. Для этого выполнялась следующая последовательность шагов и операций:

- определялось оптимальное соответствие банков данных для прибора таким параметрам, как диапазон, разрешение, аппаратная функция, ожидаемые концентрации и др.;

- на основе имеющихся спектральных баз генерировались банки данных образцов спектров газовых смесей с разрешением немного выше приборного с перекрытием всех необходимых концентрационных диапазонов, в том числе в сочетании с другими сопутствующими и мешающими газами;

- подбирались модели для учета нелинейного по шкале частот изменения разрешения;

- при изменении параметров с одновременным уменьшением разрешения экспериментальные и модельные спектры после самонормировки и фильтрации приводились к единому виду до совпадения преобразованных спектральных кривых.

Приборный банк данных образцов экспериментальных и модельных спектров паров воды и метана формировался для различных давлений и соотношений их содержания в смеси. Если известно, что исследуемое вещество является сочетанием нескольких известных и занесенных в банк данных калибровочных смесей, а его спектр является близким к линейной комбинации исходных спектров, тогда характеристики вещества могут вычисляться через концентрации исходных компонент.

Для проведения анализа состава газов по спектрам можно использовать и другие математические методы. Среди них можно выделить алгоритм для разделения смесей произвольного состава, основанный на статистическом методе Монте-Карло, который можно использовать для качественного и количественного анализа многокомпонентных смесей, а именно для восстановления спектров индивидуальных соединений и их концентраций по спектрам линейных смесей компонент. В впервые был описан алгоритм поиска функциональных зависимостей характеристик вещества от спектров поглощения методом регрессионного анализа с регуляризацией параметров.

Спектрофотометрический гигрометр высокого давления

Спектрометр представляет собой сканирующий однолучевой дифракционный монохроматор с газовой кюветой высокого давления. Принцип действия основан на измерении и анализе спектров поглощения газа в ближней ИК-области. Параметры газов зависят от концентраций входящих в них компонент, содержание которых устанавливается по соотношениям интенсивностей поглощения на различных спектральных участках.

На рис. 2 приведена функциональная оптическая схема спектрофотометрического гигрометра "Зима". Спектрометр составляют двухпроходная газовая кювета высокого давления 1 с герметичными фланцами, сканирующий однолучевой монохроматор 2 с вращающейся дифракционной решеткой (600 штр./мм) и источник излучения 3 с галогеновой лампой. В кювете при давлении до 100 атм сформированный от лампы параллельный пучок света через входное окно попадает на сферическое зеркало 4 с фокусом 60 см, который и определяет длину оптического пути в кювете -- за два прохода ~120 см. Сфокусированное зеркалом 4 излучение из кюветы через выходное окно попадает в световод 5. Монохроматор с базой 250 мм помещен в цилиндрический корпус с герметичными фланцами. Из световода излучение, попадая на сферическое зеркало 6 с фокусом 250 мм, формируется в параллельный пучок, падающий на вращающуюся с частотой ~ 1-5 Гц дифракционную решетку (50 Ч 50 мм). Далее от решетки излучение падает на сферическое зеркало 7 с фокусом 250 мм, а затем попадает на фотоприемник 9. После усиления и оцифровки спектр через Ethernetинтерфейс (LAN) передается на компьютер для дальнейшей обработки. Оптическая схема спектрометра обеспечивает разрешение 8-10 см-1, что вполне достаточно для спектрофотометрического определения содержания паров воды в газе высокого давления. Блоки питания, управления и синхронизации, составляющие электрическую схему гигрометра, смонтированы в корпусе с монохроматором, а в его герметичном объеме при давлении 1 атм находится осушенный углекислый газ, от которого спектрофотометром регистрируется шесть реперов для коррекции частотной шкалы. На рис. 3 кривая 1 представляет собой комбинированный спектр поглощения паров воды (концентрация ~ 5500 мг/м3 в кювете с воздухом при давлении 10 атм) и углекислого газа (в монохроматоре при давлении 1 атм). После самонормировки, фильтрации и логарифмирования этот спектр принимает форму кривой 2, позволяющую газоанализатору работать с высокой точностью в автоматическом непрерывном режиме.

В диапазоне 1800-1940 Нм с центром ~ 1872 Нм регистрируется поглощение паров воды, находящихся в кювете, а с 1940 до 2090 Нм -- углекислого газа, находящегося в монохроматоре и имеющего в этой спектральной области три полосы поглощения, по которым производится калибровка частотной шкалы спектрофотометрического гигрометра.

Спектроанализатор может работать в непрерывном автоматическом режиме с выдачей данных на сервер, в том числе через GSM модем. Он позволяет проводить измерение качественных и количественных характеристик газов, в том числе и многокомпонентных. Оригинальное программное обеспечение дает возможность проводить статистическое накопление, определять концентрации водяного пара по записанным в банке данных экспериментальным и модельным спектрам. Обработка информации производится с применением компьютерных программ на основе оригинальных алгоритмов и методов теории распознавания образов.

Для количественного определения содержания паров воды в газе необходимо решить задачу определения концентрации для многокомпонентных смесей с перекрытием большого диапазона измеряемых коэффициентов поглощения. Эту задачу позволили решить спектроскопические методы анализа и математические алгоритмы автоматического поиска в спектрах информативных точек в сочетании с моделью положительных концентраций с применением регуляризации. Гигрометр "Зима" позволяет измерять концентрацию водяного пара по записанным в базу данных спектрам при различных концентрациях, давлениях и температурах исследуемого газа. Спектрофотометрический газоанализатор имеет взрывозащищенное исполнение и может применяться в соответствии с требованиями ГОСТ и Руководства по эксплуатации во взрывоопасных зонах помещений, где возможно образование взрывоопасных смесей. Гигрометр "Зима" имеет следующие характеристики:

На рис. 4 приведен график изменения концентрации паров воды во время одного из циклов испытания реактора, повышающего потребительские и транспортировочные качества природного газа на Мыльджинском газоконденсатном месторождении Томской области. При испытании реактора в разных режимах диапазон измеряемых концентраций содержания воды изменялся от ~ 100 мг/м³ до ~ 11 000 мг/м³. При переводе абсолютного содержания паров воды в природном газе в температуру точки росы по воде использовались значения температуры точки росы влаги природного газа, приведенных к давлению 3,92 МПа и концентрации паров воды. Диапазон измеряемых концентраций содержания воды по точке росы составлял от -40 до +8°С. При этом погрешность измерений составляла менее 1°С, а воспроизводимость не хуже 0.25°С.

Заключение

Cпектроскопический метод позволяет в непрерывном режиме определять по спектрам поглощения концентрацию паров воды в природном газе в области 1872 Нм. Высокая чувствительность и селективность по газовым компонентам дали возможность перекрыть большой диапазон измеряемых концентраций воды (30-40 000 мг/м3) при давлениях 2.5-7.5 МПа. Спектрофотометрический гигрометр "Зима" в опытном режиме испытывался на одной из газоизмерительных станций (ГИС) "Тюменьтрансгаза" и успешно использовался на Мыльджинском газоконденсатном месторождении Томской области в качестве измерительного средства для контроля содержания паров воды при испытании реактора с УФ-излучением, повышающего потребительские и транспортировочные качества природного газа. Была показана перспективность дальнейшего развития спектрофотометрического метода для решения широкого круга исследовательских и прикладных задач, где необходим контроль влажности.

Возможные области применения спектрофотометрического гигрометра -- газовая, нефтяная и химическая промышленность и другие отрасли народного хозяйства, где необходим контроль концентрации паров воды в технологических процессах. Значительный интерес спектрофотометр может представлять при проведении научных исследований с целью изучения спектров поглощения газов при высоких давлениях, а также в качестве вспомогательного средства для экспериментального уточнения формул и таблиц пересчета показателей влажности на различные давления.

Таким образом, объединение возможностей спектроскопии и математических методов обработки данных позволяет создавать автоматизированные приборы, которые способны намного высить эффективность спектроскопических методов и значительно облегчить сложную работу, связанную с анализом спектров при контроле параметров природного газа как при его добыче, так и при транспортировке и переработке.

Список литературы

1. Пеклер В.В., Мамонтов Г.М. Состояние и перспективы развития гигрометров и средств их метрологического обеспечения // Научное приборостроение. 2003. Т. 13, № 3. С. 12-18.

2. Истомин В.А. Влагомеры конденсационного типа // Газовая промышленность. 2000. № 12. С. 39-41.

3. Деревягин А.М., Селезнев С.В., Агальцов А.Г. и др. Технологическое применение анализаторов точки росы газа серии КОНГ // Газовая промышленность. 2005. № 3. С. 42-44.

4. Костюков В.Е. Алгоритмы определения температуры точки росы попутного нефтяного и природного газов конденсационными гигрометрами // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2007. № 2. С. 10-21.

5. Деревягин А.М. Лазерная информационноизмерительная система контроля точки росы газа по влаге и углеводородам // Газовая промышленность. 2005. № 4. С. 73-75.

6. Деревягин А.М. Анализатор "Конг-Прима-10": алгоритм измерения точек росы газа по влаге и углеводородам // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2007. № 6. С. 4-10.

7. Иванов С.И., Басниев К.С. Совершенствование методов предупреждения образования гидратов на различных этапах разработки месторождения // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2007. № 12. С. 56-62.

8. Поплавский Ю.А., Сердюков В.И., Синица Л.Н., Щербаков А.П. Спектрофотометрический газоанализатор // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. С. 795-799.

9. Поплавский Ю.А., Сердюков В.И., Синица Л.Н. и др. Спектрофотометрический контроль концентрации паров воды в атмосфере в непрерывном режиме // Электронный сборник материалов XV Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы". 2008. URL: (http://symp.iao.ru/ru/aoo/15/proceedings/ A-05.pdf).

10. Кирсанов С.А. Определение влагосодержания продукции газовых скважин // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2007. № 12. С. 37-44.

11. Зинченко И.А., Кирсанов С.А., Шапченко М.М Контроль содержания влаги в продукции газовых скважин // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2005. № 1. С. 55-58.

12. Габа А.М., Седых А.А., Ибрагимов В.А. Гигрометр природного газа "Исток-4" Газовая промышленность. 2008. № 2. С. 63-65.

13. Михайленко С.Н., Бабиков Ю.Л., Головко В.Ф. Информационно-вычислительная система "Спектроскопия атмосферных газов". Структура и основные функции // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. С. 765-776.

Размещено на Allbest.ru