Измерение и контроль влажности в газопроводах. РЕФЕРАТ_2019. Реферат по дисциплине Измерения и контроль в технологических процессах

• Название: Реферат по дисциплине Измерения и контроль в технологических процессах
• Анкор: Измерение и контроль влажности в газопроводах
• Дата: 03.02.2020
• Размер: 250.9 Kb.
• Имя файла: РЕФЕРАТ_2019.docx
• Тип: Реферат; #106941
• страница: 2 из 2

2. Транспортировка природного газа

Измерение влажности газа необходимо и на этапе его транспортировки. При дросселировании газа из-за эффекта Джоуля-Томсона образуется водяной конденсат. Взаимодействие конденсата воды, CO2 и H2S приводит к возникновению очаговой коррозии, и является одной из основных причин разрывов газопроводов. Другая проблема – образование гидратов при появлении конденсата воды (см. рис. 4), которые выводят из строя контрольно-измерительные приборы и запорно-регулирующую арматуру. Для предотвращения образования гидратов в природный газ добавляют метанол.



Рис. 3. Область образования гидратов в природном газе

Мониторинг влажности газа при его транспортировке не предполагает, как правило, необходимость включения соответствующего анализатора в состав АСУ ТП. Поэтому требования к быстродействию, а также к погрешности измерения, не слишком высокие. В то же время такой анализатор должен отличать воду от метанола.

3. Коммерческий учет газа

Измерение влажности газа на узлах учета является обязательным, так как любое отклонение от согласованных поставщиком и потребителем спецификаций влечет серьезные штрафы. Поэтому анализаторы влажности на узлах учета должны удовлетворять следующей совокупности основных требований.

- быстрый отклик, требующийся, чтобы избежать перекачки большого объема некондиционного продукта;

- низкая погрешность и воспроизводимость результатов измерения, чтобы гарантировать соблюдение требованиям спецификации товарного газа;

- встроенные средства проверки правильности показаний прибора без демонтажа полевого блока и остановки процесса, позволяющие быстро устранить разногласия между поставщиком и потребителем в спорных ситуациях.

4. Что необходимо учитывать при измерениях влажности газа?

В отличие от лабораторного анализа на потоке возникает ряд дополнительных факторов, существенно затрудняющих измерение. Основные из них - это:

(а) гидрофильные примеси, например, метанол или диэтиленгликоль, которые неотличимы от воды для большинства промышленных анализаторов

(б) гидрофобные примеси - высококипящие углеводороды С5+ или пары компрессорного масла, которые образуют гидраты при появлении конденсата воды, а также блокируют поверхность чувствительных элементов анализаторов

(в) примеси CO2 и H2S, образующих кислоты в результате реакции с конденсатом воды, что приводит к очаговой коррозии

(г) переменный состав природного газа, который влияет на показания

(д) механические примеси.

5. Различные типы анализаторов влажности природного газа

Среди многочисленных анализаторов, используемых для лабораторного анализа влажности газа, лишь считанные единицы способны работать на потоке. Можно выделить четыре основных типа таких анализаторов.

- Анализатор, измеряющий температуру конденсации паров воды на охлаждаемом зеркале (реализующий так называемый первый принцип). Это единственный анализатор, осуществляющий измерения в единицах температуры точки росы.

- Анализатор с электролитической ячейкой на основе пятиокиси фосфора, также реализующий первый принцип – закон электролиза Фарадея (связывающий количество электричества с массой, поглощенной Р2О5 воды). Измерение осуществляется в абсолютных единицах, пересчет в единицы температуры точки росы производится по таблицам ASTM или ГОСТ.

- Анализаторы, использующие емкостные датчики Al2O3 или SiO2. Эти датчики проградуированы в единицах температуры точки росы, но измеряют не эту температуру, а парциальное давление паров воды в газе. Емкость конденсатора, образованного двумя электродами и диэлектриком Al2O3/SiO2 изменяется при изменении давления паров воды. Результаты измерения преобразуются в единицы температуры точки росы.

- Анализатор, реализующий принцип микровесов на основе пьезокристалла со специальным покрытием. Вода, поглощаясь в порах полимерного покрытия кварцевого резонатора, изменяет его массу, а, следовательно, и его частоту. Анализатор измеряет абсолютную влажность, и для преобразования в температуру точки росы используются таблицы ASTM или ГОСТ.

Несмотря на различие способов измерения для первых трех типов анализаторов, все они реализуют равновесный принцип измерения. Это значит, что для достоверных измерений необходимо установление равновесия по воде в анализируемом газе и на чувствительном элементе анализатора. Время установления равновесия может быть значительным. Лишь последний из перечисленных приборов использует неравновесный способ измерения и не попадает под это ограничение.

6. Характеристики влагосодержания газов

Абсолютная влажность Q – масса водяного пара, содержащаяся в единице объёма газа – влажного или сухого.

Влагосодержание α - отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объёме. Выражается в г/кг или кг/кг.

Объёмное влагосодержание x – отношение объёма водяного пара к объёму газа. Эта безвременная величина выражается по отношению к объёму сухого или влажного газа.

Парциальное давление ℓ – упругость водяного пара. Выражается в единицах давления, чаще всего в мм.рт.ст.

Температура точки росы τ – температура, которую примет влажный газ, если охладить его до полного насыщения по отношению к плоской поверхности воды.

Относительная влажность φ – отношение действительной влажности газа к максимально возможной влажности газа при данной температуре. Относительная влажность выражается либо в относительных единицах – φ ≤ 1 либо в процентах φ ≤ 100%.

φ = ℓ / Е или φ = 100*ℓ / Е,

где ℓ – упругость водяного пара, находящегося в воздухе;

Е – упругость насыщенного водяного пара при данной температуре.

7. Основные методы измерения влаги в газах

Основными методами для измерения влажности газов являются следующие:

1. Психрометрический метод, который основан на измерении температуры двух термометров – «сухого» и «влажного». Разность между ними –  является основой для определения влажности газов.

2. Точки росы, заключается в определении температуры, при которой газ находится в состоянии насыщения, т. е. происходит конденсация водяных паров.

3. Сорбционный метод, основан на применении гигроскопических тел, способных изменяться в зависимости от поглощенной влаги.

4. Полного поглощения, которое заключается в пропускании через определенное вещество заданного объема газа, при этом вещество должно поглотить водяной пар и измерить свои свойства. Известны две разновидности этого метода – весовой и химический.

При весовом способе, влагосодержание определяется по приросту веса сорбента, поглощающего воду. А в химическом – влага, содержащаяся в исследуемого газа, вступает в химическую реакцию. Например, с карбидом кальция, при этом выделяется некоторое количество газа или повышается температура.

Названные выше методы измерения влажности являются прямыми или абсолютными, обладают высокой точностью измерений и используются в лабораторных исследованиях и в качестве эталонных приборов для градуировки различных средств контрольно-измерительных приборов, фиксирующих текущее влагосодержание газов.

5. Конденсационный метод, заключающийся в том, что газ охлаждают в холодильнике до полной конденсации влаги, которую затем измеряют, он также является абсолютными, но требует более трудоемких операций недопустимых, например, при выполнении градуировки приборов.

6. Тепловой метод, использует эффект, различной теплопроводимости сухих и влажных газов.

7. Радиационный метод, базируется на зависимость степени поглощения инфракрасного излучения, проходящего через объем газа и зависящего от его влажности.

8. Емкостной метод, основан на принципах работы конденсатора, если между его обкладками отсутствует влага, то значение емкости значительно больше, чем в том случае, когда в газе между пластинами конденсатора находится влажный газ.

9. Кондуктометрический метод, используется зависимость влажности газа от его электропроводности, с повышением влажности увеличивается электропроводность газов.

Этот список можно продолжить, но для нас особый интерес представляют три первых метода, которые мы рассмотрим более подробно.

 

Психометрический метод

 

В основу метода положено измерение температуры среды, влажность которой требуется определить при помощи двух термометров, один из которых применяется в обычных условиях – его называют “сухим”, а другой, так называемый “мокрый”, смачивается водой и находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Испарение с “мокрого” происходит тем интенсивнее, чем ниже влажность измеряемого газа, а, следовательно, его температура будет ниже, чем у “сухого”. По разности температуры “сухого” и “мокрого” термометров судят о влажности воздуха или газа. Для определения величины влажности служит полуимперическая формула:

 

ℓ = Eм-А*Р*(tc-tм)

 

ℓ - упругость водяного пара в измеряемой среде;

Eм – максимально возможная упругость пара при температуре tм;

Р – атмосферное давление;

А – психометрический коэффициент

tc и tм – показания “сухого” и “мокрого” термометров.

 

Психометрический коэффициент А зависит от очень многих факторов, в том числе от размеров и формы чувствительного элемента, состояния смачивающего фитиля защиты термометров от радиации и т.п. и определяется по специальным психометрическим таблицам, составляемых для определённых конструкций психрометров.

Особое значение, очевидно, имеет скорость воздуха. С возрастанием скорости воздуха А быстро убывает, но при скоростях более 2.5-3 м/сек он практически становится постоянным. Поэтому при использовании промышленных психрометров необходимо предусматривать постоянную скорость потока не ниже 3-4 м/сек.

Простейшим, однако, наиболее распространённым, является психрометр, состоящий из 2-х одинаковых ртутных палочных термометров, расположенных рядом. Баллончик с ртутью одного из термометров обмотан тканью, конец которого находится в резервуаре с водой. Таким образом, баллончик этого термометра всегда мокрый, а, следовательно, его температура всегда ниже чем соседнего с ним “сухого” термометра.

Принципиально электрические психрометры не отличаются от простейших, за исключением того, что в датчиках электрических психрометров для определения температуры применяются термопары, металлические термометры сопротивления или полупроводниковые термосопротивления (ТС).

Термоэлектрические датчики изготовляются в виде термобатарей, разделённых на две группы. Одна их этих групп смачивается водой. ЭДС, измеряемая на выводах термобатареи, пропорциональна психрометрической разности температур.

Принципиальная схема измерительной цепи психрометра показана на рис. 1 и состоит их двух мостов, имеющих одну общую точку и самостоятельные источники питания (U₁ и U₂).


Рис. 4. Принципиальная схема психрометра
Мост I содержит в качестве плеча “сухой” ТС - R_с, а мост II содержит “мокрый” ТС – R_м. В диагональ моста I включён реохорд R_р, а на выход указателя нуля H подаётся разность выходного напряжения U_м моста II и напряжения U_р между началом реохорда R_р и его движком. При соответствующём подборе постоянных сопротивлений, входящих в мосты I и II, можно записать:

 

UM = K1 * (tм - ta)

UP = K2 * (tc - tb)

 

недостатком является то, что показания психрометров зависят от скорости воздуха или газов.
Метод точки росы

Метод точки росы, ранее применяющийся исключительно как лабораторный, с развитием автоматизации стал одним из основных методов контроля влажности воздуха и газов, особенно при минусовых температурах и при любых давлениях. При этом методе испытуемый газ охлаждается до наступления состояния насыщения, т.е. до точки росы.

Зная температуру точки росы τ и температуру исследуемого газа θ_г, легко определить его относительную влажность:

 



где E_τ упругость насыщенного пара при температуре τ, а E_θ
упругость насыщенного пара при температуре θ_г

При неизменном давлении точка росы не зависит от температуры исследуемого газа. Благодаря этому имеется возможность устанавливать датчик вне исследуемой среды на значительном расстоянии и подводить к нему газ по газопроводу.

Само измерение точки росы сводится к измерению температуры, техника измерений температуры наиболее хорошо разработана, а точность достаточно высока. Для определения момента наступления точки росы обычно используется металлическое охлаждаемое зеркало, температура которого в момент выпадения на нём конденсата фиксируется как точка росы. При этом поверхность зеркала должна быть обезжирена и очищена от пыли. Фиксация точки росы происходит в автоматических приборах с помощью фотоэлементов или измерением электрического сопротивления поверхностного слоя зеркала. Схема одного из типов приборов, основанных на использовании метода точки росы, приведена на рис. 2.

Рис. 5. Блок-схема прибора, использующая метод точки росы

 

Зеркалом является полированная поверхность полого цилиндра, через который протекает охлаждающая жидкость. Температура её регулируется подогревателем. Фотоэлемент (ФЭ) освещается отражённым от зеркальной поверхности световым потоком, постоянным источником которого является лампа накаливания. Вторичным прибором чаще всего служит прибор с падающей душкой. Когда появляется туман на зеркале, ФЭ подаёт сигнал, душка падает и прижимает стрелку к показывающей шкале прибора.

 

Сорбционный метод

 

В основу сорбционного метода измерения влажности положена способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать (поглощать) влагу на поверхности пор.

ЭГД изменяют свои электрические свойства в зависимости от изменения влажности воздуха или газов. Выходной величиной ЭГД является тот или иной электрический параметр влагочувствительного элемента, зависящий от влажности окружающей среды.

Широкое применение получили ЭГД, основанные на применении хлористого лития (LiCl), который представляет собой очень гигроскопическую соль. Эти датчики получили распространение под названием электролитические ЭГД.

Конструкции этих датчиков чрезвычайно разнообразны. Наиболее удачная конструкция представляет собой стеклянную шероховатую трубку, на которую наносится водный раствор LiCl, а сверху наматывается винтообразно два проводника – медные или платиновые. Сопротивление электролитической плёнки изменяется в зависимости от влажности окружающего газа и выражается следующей зависимостью:

  ,

где  - длина слоя электролита между электродами;  - объём электролита;  - удельная проводимость электролита.

Из формулы видно, что изменение сопротивления электролита происходит потому, что при поглощении влаги из воздуха объём электролита увеличивается, а, следовательно, сопротивление датчика уменьшается. В некоторых типах электролитических датчиков используются пластинки из пористого стекла, на обе стороны которых наносится напыление золото, являющееся электродами. В качестве электролита может использоваться не только хлористый литий, но также соли свинца, циркония, натрия, калия, кальция и др. Для придания датчикам лучшей стабильности к солям добавляют некоторые связующие вещества, чаще всего органические плёнки или лаки. Они несколько увеличивают инерционность, однако, значительно улучшают стабильность датчиков. Очень хорош для этих целей желатин. Для устранения явления поляризации измерение сопротивления электролитических датчиков производится исключительно на переменном токе.

Литература

1. Абрамов Г.С., Барычев А.В. Практическая расходометрия в нефтяной промышленности. - М.: ОАО ВНИИИОЭНГ, 2002.

2. Бирюков Б.В., Данилов М.А., Кивилис С.С. Испытания расходомеров. - М.: Изд-во стандартов, 1987.

3. Дорнауф X. Измерение расхода газа. Библиотека техники, том 79. 1998.

4. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Изд-во МЭИ, 2005.

5. Канев С.И. Учет количества теплоты и массы теплоносителя в водяных системах потребителей теплоснабжения. - Хабаровск: 2005.

6. Кремлевский П.П. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. - М.: Изд-во стандартов, 1980.