影響便攜式鏡面露點儀測定天然氣水露點的準確度因素的研究

張馨予

摘 要：在天然氣質量管控方面，水露點為重要指標，需要得到準確測定。采用便攜式鏡面露點儀進行天然氣水露點的測定，測量準確度會受到過冷水、開爾文效應、鏡面雜質等諸多因素的影響?；谶@種認識，本文對影響水露點測量準確度的因素展開了分析，并提出了提高測量準確度的對策，為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：便攜式鏡面露點儀；天然氣水露點；準確度

中圖分類號：TH811 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0068-02

0 引言

在天然氣儲運過程中，需要確保天然氣中不存在液態物質。而水露點是天然氣液態控制的重要指標，按照《天然氣》GB17820-2012要求，在交接點壓力下應比輸送最低環境溫度低5℃，所以需要實現準確測定。在日常工作中，天然氣水露點的測定主要采用便攜式鏡面露點儀，影響儀器測量準確度的因素角度，因此需要進一步的分析，以便采取有效措施得到準確的測量結果，滿足天然氣質量控制要求。

1 便攜式鏡面露點儀測定天然氣水露點的原理分析

在天然氣水露點測定方面，主要采用露點儀。該種儀器用于進行氣體濕度的測量，即對氣體中水蒸氣含量進行測定，能夠利用得到的露點溫度進行氣體濕度表示。從原理上來看，采用露點法進行氣體水露點測量，需要實現等壓冷卻，使氣體中水蒸氣冷卻至凝聚相出現。通過對冷鏡面的溫度進行控制，能夠使水蒸氣與凝聚相的表面保持熱力學平衡狀態，因此能夠對露點溫度進行準確測量?，F階段，不同種類露點儀采用不同的冷卻方式和檢測方法。而便攜式鏡面露點儀采用二氧化碳制冷方式，檢測成本低，使用方便，現場操作簡單，能夠增強露點溫度檢測的的便捷性。在天然氣水露點測定方面，便攜式鏡面露點儀采用金屬鏡面，能夠利用二氧化碳膨脹對流經鏡面的氣流進行冷卻。采用該種測量方式，能夠人為進行鏡面溫度調節，實現露點溫度準確檢測。在鏡面出現凝析物時，可以利用肉眼對結露現象進行觀察。如果鏡面溫度低于露點溫度，凝析物會逐漸增加，反之高于露點溫度，凝析物會逐漸消失，因此可以用于測定天然氣露點溫度。但在實際操作中，現場環境較為惡劣，存在氣體管路粗細不均、環境溫度不穩等各種情況，要求人員憑借豐富經驗進行各種現象的有效應對，才能實現露點溫度的準確檢測，滿足天然氣生產運行控制要求。

2 影響便攜式鏡面露點儀測定天然氣水露點準確度的因素分析

2.1 過冷水帶來的影響

在溫度達到0℃以上時，水需要保持水蒸氣這種穩定熱力學狀態，經過冷凝后則能結露。在溫度低于0℃以下時，水除了保持固態或氣態，還能以過冷水這種熱力學狀態存在。從露滴形成條件上來看，需要憎水拋光面，且表面有一定量微小固體粒子，即露核，同時表面需要有微小裂痕。在水蒸氣接近飽和時，露滴會在這樣的表面形成，并孤立生長，彼此間距離逐漸縮小，直至結合[1]。在鏡面溫度降低的過程中，水蒸氣接近飽和狀態，在分子引力作用下被鏡面吸附，形成薄水膜，初步凝露。溫度持續下降，水膜增厚。不規則的露滴不斷生長，會形成露層，在表面擴散，達到液-氣或固-氣平衡。但是如果水蒸氣飽和卻不出現液相，就會發生過飽和現象，形成過冷水。出現這種情況，與被測氣體和鏡面過于干凈有關，以至于露核數量不足。在低溫條件下測量，溫度下降至0℃以下，水在過冷水狀態下迅速形成露層，但蒸氣壓為過冷水蒸汽壓，并非冰飽和蒸汽壓，實測得到的盡管是露點溫度，也會被儀器當成是霜點溫度，造成結果不正確。

2.2 開爾文效應帶來的影響

在一定溫度和壓力條件下，空氣中的水汽不會一直增加，而是擁有一個極限值。達到這一數值，水汽和純凈水平面會達到氣-液或固-液兩相平衡狀態，發生水汽飽和。結露過程中，水表面是曲面，水汽壓不同于露滴表面和純水平面，要稍高一些。而結露溫度為空氣相對彎曲水面達飽和時的溫度，因此在對相同溫度進行測定時會出現結露溫度比真實溫度低的情況，被稱之為開爾文效應[2]。受這一因素的影響，在鏡面溫度接近霜點時，純水平面飽和水汽壓將有所提高。此時，蒸汽壓更高的液滴會凝結成大液滴，出現提前結露的情況，最終影響實際露點溫度測量結果。

2.3 鏡面雜質帶來的影響

采用便攜式鏡面露點儀開展現場測定作業，鏡面容易受到污染。而在鏡面表層擁有可容性雜質的情況下，會給測定準確度帶來影響。因為在實際檢測期間，鏡面上露層需要達到與水蒸氣保持動動態平衡的狀態，然后對露點溫度進行檢測。而氣體與液體間平衡，實際是單位時間內液相蒸發到氣相和氣相凝結到液相的分子數相同。一旦鏡面溶質在水中溶解，粒子將在水蒸汽表面不均勻分布，導致從鏡面蒸發出的分子數較少。此時如果達到相平衡，溶液蒸汽壓要比純水低。根據烏爾定律可知，測量得到的露點溫度比真實數值要高。在可溶性雜質摩爾分數不超出0.62%的條件下，露點溫度受到的影響不超出0.1℃。一旦鏡面雜質較多，將使測定準確度受到明顯影響。

2.4 環境溫度帶來的影響

在現場使用露點儀進行天然氣水露點測量，由于工作環境較為復雜，可能導致測量結果受環境溫度影響。在環境溫度比露點溫度高出較多的情況下，鏡面溫度上升速度較快，人眼較難準確捕捉到凝析物消失的瞬間，獲得的測量結果容易比實際數值要高。如果露點溫度與環境溫度較為接近，天然氣進入露點儀期間將有部分水析出，導致測量結果比實際值要低。

2.5 烴露點重合帶來的影響

檢測天然氣水露點，可能遭遇水露點與烴露點接近的問題。在這種情況下，露點儀鏡面降溫至0℃左右會出現凝析物。達到-2℃時，光線照射鏡面會出現彩虹。達到-4℃，一個鏡面會出現新的凝析物。持續降溫，凝析物會擴散變大，最終對大部分鏡面進行覆蓋，達到鏡面邊緣。不同于正常水露點檢測，水露點與烴露點接近將導致凝析物出現順序發生改變，引起彩虹環的出現。因為在整個過程中，烴凝析在水凝析之前出現，之后二者會交替出現。對鏡面進行升溫，直至達到10℃才能徹底消除凝析物。在正常檢測中，不超過初露4℃凝析物會完全消失。按照要求，初露和消露溫度不能超出4℃。由此可見，烴露點與水露點接近會造成測試結果不準。

2.6 人為操作帶來的影響

不同于站場檢測，現場檢測將面臨多變的管道壓力和氣流，檢測人員不會進行反復檢測，操作便攜式鏡面露點儀的熟練程度也并不同，導致測定結果容易受到人為因素影響。在實際檢測時，流過鏡面的天然氣流速較快，將導致鏡面天然氣壓力降低。在固定水含量下，測定露點溫度值較之真實值更高，無法對實時壓力下的露點溫度進行反映。如果取樣管線過長，流經鏡面天然氣流速較慢，造成取樣滯后，露點溫度盡管能夠得到準確測定，但無法確定為實時露點值。人員在記錄露點值時，需要采取目測法，要求人員擁有豐富檢測經驗，才能得到準確測定結果。但實際上，人員操作水平不同，一些人員會出現觀察滯后的問題，直至水露明顯形成才發現凝析物，造成記錄的溫度并非是初凝時溫度，導致測定數值低于真實數值。

3 提高便攜式鏡面露點儀測定天然氣水露點準確度的對策

3.1 過冷水問題的解決對策

針對過冷水問題，可以反復加熱鏡面，觀察升溫時水層是否出現蒸發情況。通常情況下，出現過冷水的露點溫度比真實值低1.0℃左右，所以也可以在計算蒸汽壓數據時進行修正。但實際檢測時，為提高水露點測量準確度，應當避免過冷水現象的產生。具體來講，就是對高壓力檢測點進行選擇，利用軟件實現需要壓力的轉換，繼而達到準確檢測的目的。

3.2 開爾文效應的預防

為預防開爾文效應的發生，實際進行露點溫度測量時需要加強降溫過程的控制，避免制冷劑制冷速度過快。在測量前，應當先完成快速降溫測定，對大致凝析溫度進行確認。在現場檢測時，需要在接近露點值時緩慢降溫，推薦按照0.1℃/min速度降溫[3]。此外，還應保證鏡面光潔度和導熱性能較好，以便使大液滴曲率半徑得到適當增加，使結露質量得到提高。針對被測天然氣，可以進行過濾清潔，使油蒸汽得到減少，進而使測得結果與真實值的差距進一步縮小。

3.3 鏡面雜質問題的解決對策

針對鏡面雜質給露點儀測量結果帶來的影響，需要采用清洗鏡面表層的方法進行解決。實際上，鏡面上存在不溶于水的微粒，將導致鏡面本底散射水平受到影響，造成零點漂移的發生。想要解決這一問題，在測量前需要先深度制冷，然后逐步升溫，再進行降溫。而鏡面露層厚度不同，會產生不同程度反射或散射。采用光路，可以對露層厚度進行檢測。如果露層厚度適當，雜質濃度會降低，因此不會帶來過多影響。

3.4 環境溫度問題的解決對策

采用便攜式鏡面露點儀進行天然氣測量，應當結合環境溫度進行合理降溫。在環境溫度較高的情況下，需要進行遮陽處理，避免導熱銅棒被太陽直接照射。采取該種措施，能夠對鏡面升溫速度進行抑制。在此基礎上，需要對鏡面進行深度降溫，使鏡面溫度提高速度放緩。在露點溫度與環境溫度接近的情況下，應當采取保溫及伴熱措施進行取樣管路的處理，利用熱毛巾對管線進行擦拭，確保管線溫度比環境溫度稍高，以免出現部分水析出的問題。

3.5 烴露點重合問題的解決對策

在實際操作中，擁有豐富經驗的人員在鏡面溫度提升過程中，一旦發現升溫超出初露4℃就會直接進行消露溫度的記錄，忽略凝析物是否徹底消失的問題。但想要提高測定準確度，還要避免水凝析和烴凝析交替出現的情況發生。具體來講，就是對壓力不同檢測部位進行更換，然后利用軟件進行實時壓力轉換。結合監測點壓力值，可以在高或低出4MPa位置進行露點溫度檢測。

3.6 人為操作問題的預防

想要提高露點儀測定準確度，還要加強人為操作問題的預防?？紤]到管壓不同造成的天然氣流速不同問題，實際檢測時應當先將儀器放空口，用手對氣體排出情況進行感受，剛剛感覺有氣體排出可符合檢測要求[4]。在人員經驗不足的情況下，需要利用流量計對氣體流速進行檢測，將天然氣流速控制在1L/min左右。在高壓條件下進行檢測，流經鏡面天然氣不會出現壓力明顯下降的問題，所以應當避免使用長取樣管線，以免出現取樣滯后的情況。在露點判斷方面，需要加強人員培訓。針對現場操作人員，需要統一培養檢測能力，確保人員能夠在露點溫度判斷上達成一致認識，繼而有效避免檢測結果出現過大偏差。

4 結語

通過分析可以發現，采用便攜式鏡面露點儀測定天然氣水露點盡管較為方便，但在實際操作時需要認識到水露點測量準確度容易受過冷水、鏡面雜質、環境溫度等各種因素影響，因此需要采取有效措施預防問題的發生，保證測量結果的準確性，繼而為天然氣質量控制提供科學數據依據。

參考文獻

[1] 張君.數字溫濕度計相對濕度校準結果的不確定度評定[J].品牌與標準化，2018（05）：34-36.

[2] 蔡萬敬，蔡鴻皓.精密露點儀標準裝置建標相關工作探討[J].鐵道技術監督，2018，46（06）：12-15.

[3] 石良喜.露點儀熱效應對濕度傳感器測量準確度的影響[J].計量與測試技術，2017，44（07）：75-76.

[4] 裴全斌，沈超，鄒偉等.冷卻衰減紅外光譜法露點儀測定管道天然氣烴露點與水露點[J].計量技術，2017（07）：31-33.