西一線天然氣烴凝析物對水露點檢測的影響

董浩

國家管網(wǎng)西部管道公司 烏魯木齊分站（新疆 烏魯木齊830011）

水露點是指一定壓力下氣體中水分達到飽和時的溫度，用于體現(xiàn)氣體樣品中水分含量的高低，測定天然氣水蒸氣含量∕水露點的方法甚多[1]，目前用于天然氣水露點檢測的相關(guān)儀器從原理上可分為冷鏡式、完全吸收電解式、A1203電容式、薄膜電容式、電阻式、干濕球、機械式等。其中冷鏡式露點儀是最直接、最可靠的測量儀器，被廣泛用于標準傳遞和檢測活動，但其價格比較昂貴，并需要操作人員具有一定的使用和分析經(jīng)驗，同時極端氣質(zhì)條件與環(huán)境條件會對測量準確性帶來較多不利影響。冷鏡式露點測試執(zhí)行GB∕T 17283—2014《天然氣水露點的測定冷卻鏡面凝析濕度計法》中的相關(guān)要求，主要是在恒定壓力下，使被測氣體以一定的流量流經(jīng)露點儀測定室中拋光的金屬鏡面，鏡面溫度隨著測量溫度逐漸被冷卻至有凝析物產(chǎn)生時，可觀察到鏡面上開始結(jié)露。露點測試值越高，表明氣體樣品中水分含量越高，露點測試值越低，表明氣體樣品中水分含量則越低。目前對于水含量和烴含量不高的天然氣冷鏡式檢測積累了很多經(jīng)驗，但是在烴含量較高的西一線天然氣冷鏡式檢測過程中，出現(xiàn)天然氣中烴類預(yù)先凝析和反凝析而影響水露點檢測的情況，針對判斷依據(jù)不足和生產(chǎn)實際難題，提出了降低檢測壓力、增加烴類過濾器、檢測過程中加裝光電顯示器并攝像以及多臺露點儀串聯(lián)使用等方法，解決生產(chǎn)實際問題并提高水露點檢測準確度。

1 測量原理

1.1 冷鏡式露點儀測量原理

本文所述西一線水露點檢測采用阿美泰克公司生產(chǎn)的CHANDLER冷鏡式露點分析儀[2]，按照GB∕T 17283—2014開展操作。被測氣體進入露點儀測量時，其溫度可以人為降低并且可準確測量。當鏡面溫度高于天然氣的露點溫度時，鏡面呈潔凈的干燥狀態(tài)，隨著溫度不斷降低，鏡面溫度被冷卻至有凝析物產(chǎn)生時，可觀察到鏡面上開始模糊結(jié)露。當鏡面溫度繼續(xù)下降時，凝析物會隨時間延長逐漸增加，高于此溫度時，凝析物則逐漸減少直至消失，此時的鏡面溫度即為通過儀器的被測介質(zhì)的露點。通常可通過自動光學(xué)檢測或手動人工目測觀察到露點。

1.2 天然氣烴相態(tài)

由于天然氣的組成比較復(fù)雜，在一定條件下，天然氣中高碳數(shù)的烴類物質(zhì)可能出現(xiàn)凝析，天然氣烴相態(tài)不像水的相態(tài)特性那樣，隨著壓力升高水露點逐漸增加，烴露點是指在規(guī)定壓力下，氣體析出第一滴液態(tài)烴的溫度。它與水露點的本質(zhì)區(qū)別在于：在給定的烴露點溫度下，可能存在一個反凝析現(xiàn)象，即壓力低于某一值后，在一定壓力變化范圍內(nèi)隨著氣壓力降低烴露點反而升高的現(xiàn)象。臨界冷凝溫度則規(guī)定了可能出現(xiàn)烴類冷凝的最高溫度。天然氣烴相態(tài)曲線具有反凝析[3]現(xiàn)象，呈包絡(luò)線型，圖1為天然氣烴的典型相態(tài)圖[4]，由圖1可知壓力在其露點線以下時液態(tài)烴不析出，同時壓力在泡點線以上時液態(tài)烴也不會析出，可以利用這些特性，通過控制檢測壓力來控制液態(tài)烴相態(tài)。

圖1 常見的天然氣烴的典型相態(tài)圖

2 檢測結(jié)果和分析

2.1 西一線天然氣氣質(zhì)

西氣東輸一線天然氣起始新疆輪南油氣田，主要輸送克拉2#氣、牙哈氣的混合氣體，受克拉2#氣脫烴工藝中存在的微量超重?zé)N組分以及牙哈凝析氣田[5]天然氣中重?zé)N含量高的影響，西一線輪南首站接收的天然氣烴露點較高，同時水含量較高，管輸天然氣烴露點及水露點均在較高水平，表1、表2為當時典型組分。

2.2 西一線天然氣烴相態(tài)

采用PR、SRK狀態(tài)方程開展天然氣相包絡(luò)曲線中露點線及泡點線的求解方法，此次通過對相包線的合理拆分，充分說明了當時西一線烴含量較高。從圖2可以看到西一線天然氣烴露點臨界溫度分別為18℃、22℃；臨界壓力分別為9.5 MPa、10 MPa，烴相態(tài)存在反凝析,反凝析拐點壓力約為3 MPa。

表1 克拉2#氣的典型組分

表2 牙哈氣田天然氣的典型組分

圖2中露點曲線為相邊界線，曲線的右邊和上邊部分只有單相的氣態(tài)存在，露點線里面為氣液兩相區(qū)，氣液比例取決于氣體的溫度和壓力，臨界凝析溫度約22℃，高于該溫度時，無論壓力如何變化，都只有單相氣體存在，臨界凝析壓力約10 MPa，高于該臨界凝析壓力時，無論溫度如何變化，也只有單相氣體存在。天然氣烴相態(tài)逆行現(xiàn)象的出現(xiàn)是烴類混合物在特定的溫度壓力條件下，分子間作用力的特殊變化造成的，而且一旦有烴凝析物析出，不太可能立即返回氣態(tài)，并且在較低的壓力下繼續(xù)有液烴的存在，西一線水露點檢測初期檢測工況正處于析烴包絡(luò)線內(nèi)，具體見表3。

2.3 西一線水露點檢測

檢測人員按照GB∕T 17283—2014進行操作，使用冷鏡式露點分析儀對西一線水露點進行分析，由于西一線重?zé)N含量高，烴露點高于或接近水露點，且現(xiàn)場使用的露點儀未安裝光電顯示器及液烴起泡器，所以在水露點檢測過程中烴類物質(zhì)首先凝析在鏡面上，從而影響了水露點觀測，造成水露點成像不明顯，干擾了測試人員對水露點初露及消露溫度的判斷。具體檢測數(shù)據(jù)見表3。

圖2 西一線天然氣烴相態(tài)拆分擬合圖（2016年）

表3 測試期間典型的西一線水露點檢測數(shù)據(jù)（2016年）

在西一線多個站點多個壓力下的檢測過程中發(fā)現(xiàn)，受烴的影響，冷卻鏡面上凝析物消失的“消露溫度”比凝析物形成的“初露溫度”高很多，甚至很多鏡面上的“凝析物”難以消失（圖3），這些情況均大大影響了水露點的消露溫度判斷，影響了水露點觀測的準確性。

圖3 測試過程中形成的鏡面凝析物

受烴類的影響，在相同環(huán)境溫度和測試壓力條件下，對同一檢測點進行多次水露點檢測，檢測過程中鏡面上“露點”的形成和消失的過程反復(fù)而多變，不能及時判定水的初露溫度，且水露點檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性較差；圖4為2016年3月9日新疆段某站出站管線3次測量過程觀測情況。

圖4 某站出站管線露點測量

受烴凝析物的影響，人工觀測的水露點檢測過程成像較復(fù)雜，無法準確判斷水的初露溫度和消露溫度，如圖5所示。

圖5 露點成像多變難判斷

2.4 西一線天然氣烴對水露點檢測影響分析

水露點檢測采用冷鏡面法，當天然氣進入露點測量室時掠過冷鏡面，冷鏡面的溫度隨著制冷在逐漸下降，由于西一線天然氣重?zé)N含量高，當部分重?zé)N組分接近飽和狀態(tài)，受引力作用在鏡面上結(jié)成薄膜，薄膜的表面張力小，不會縮聚成液體，在觀測過程中可以很清晰地看到彩色的烴薄膜向外圍擴大。但是西一線天然氣水露點略低于烴露點，隨著冷鏡面溫度繼續(xù)降低，天然氣中水蒸氣達到飽和，并開始在鏡面上形成模糊的薄膜，受烴薄膜上分子運動，水薄膜上分子也被帶著運動，所以大部分時間水膜難以縮聚成明顯的液滴，偶爾可以觀察到標準的水露，通常從檢測過程可以看到鏡面上無序的白色液膜，而不是鏡面中間圓形白霧,同時也會受鏡面雜質(zhì)的影響[6]。因此，當天然氣重?zé)N含量較高、烴露點高于水露點或者與水露點接近時，如果使用普通冷鏡面法檢測水露點，應(yīng)高度關(guān)注烴類凝析物對檢測過程的影響。

3 改進措施

受烴凝析物以及檢測裝置的影響，西一線天然氣水露點檢測比較困難，往往需要進行多次重復(fù)檢測和觀測，有時因檢測裝置條件限制，檢測多次也無法獲得統(tǒng)一的可信數(shù)據(jù)，GB∕T 17283—2014中對烴類凝析鏡面之上凝析、鏡面凝析物去除、測定室中去除提出了控制方法，同時在檢測過程中也采取了一些可行的控制措施。

3.1 控制檢測壓力

選擇合適的檢測點，該檢測點壓力滿足臨界溫度檢測需求。西一線天然氣烴有反凝析，可以利用這種特性，尋找一個檢測點，隨著這個點壓力的降低，烴露點增加，而水露點隨著壓力的降低也會降低，這樣可以將烴露點與水露點的溫度差加大，減少烴的干擾。因此可將低壓燃料氣撬上的放空管作為檢測點，通過選擇合適的檢測點和檢測壓力，水露點的初露有了較為明顯的圖像，初露溫度的重復(fù)性也較穩(wěn)定，但消露觀測改善較少。

3.2 在檢測過程中加裝光電顯示器并攝像

冷鏡面目測法檢測天然氣水露點的過程中，由于肉眼觀察的滯后性和對水露點敏感程度的不同,測定結(jié)果會比實際露點偏低，如果天然氣烴露點比較高，烴在鏡面上也會形成凝析物，人工觀測過程中受烴的影響，水形成薄膜后難以縮聚成水滴，要準確觀察到水露就更加困難，因此可以在檢測過程中安裝光電成像式露點傳感器[7]并攝像，利用攝像放大的原理，根據(jù)檢測過程中形成的薄膜顏色進行判斷，一般烴膜呈現(xiàn)淡黃色，水膜呈現(xiàn)淡白色，這樣就可以有效地判定水的初露及消露溫度。

3.3 改變冷鏡室的壓力

在一定壓力、溫度下，冷鏡面上已形成水露，可以通過加大檢測氣排放，降低冷鏡室的壓力，觀察到水露的消失。因為隨著壓力降低，水露點也降低，水露會變成水蒸氣，這個方法在單純的水露中完全符合。而西一線天然氣烴露點較高，在水露點前已形成烴凝析物，雖然降低冷鏡室壓力可以提高烴露點，降低水露點，但是烴形成凝析物后，即使降低壓力，也難以返回氣態(tài)，同時水露也沒有明顯的氣化。

3.4 增加重?zé)N分離裝置

冷鏡面法水露點檢測儀在水露點高于烴露點時用于測定水露點，數(shù)據(jù)準確，操作相對簡單，但是當烴露點高于水露點時，水露點的檢測就比較困難，而且準確度也受到影響，針對這種情況，應(yīng)在取樣管線上配備不吸濕的重?zé)N分離裝置[8]，減少進入冷鏡室氣體的烴含量，降低烴露點，同時應(yīng)適當增加待測氣體進入的流量和觀測時間，以保證水露點的準確檢測，這種方法相對簡單，但是目前國內(nèi)沒有能應(yīng)用于水露點測試過程的此類過濾器，需要繼續(xù)關(guān)注。

3.5 兩套露點儀連用

烴可以在鏡面上冷凝，對于烴露點高于水露點的天然氣，在檢測水露點時將兩套冷鏡面儀連用，與取樣管線直接相連的儀器用于檢測烴露點并保證冷卻溫度為烴露點的溫度，將其排氣管線與另一冷鏡面儀相連，此儀器溫度繼續(xù)冷卻至水露點，因為進入該冷鏡室的氣體中的重?zé)N已凝析，因此烴露點也降低了[9]。此方法有待在實踐中驗證。

4 結(jié)論

在西一線管道天然氣水露點檢測過程中發(fā)現(xiàn)管輸天然氣中烴含量較高，對冷鏡式水露點檢測觀察和判斷造成較大影響。結(jié)合生產(chǎn)實際通過降低檢測壓力、檢測過程攝像等方式達到了較好的檢測效果，除了以上控制措施外，還可以采用多種儀器并用、增加重?zé)N過濾器等方式。但是無論采取何種方法，首先要確保取樣管線的溫度，防止烴在管線中凝析，同時還要將鏡面上的殘留物清除干凈，保證檢測數(shù)據(jù)準確。

西一線管道天然氣重?zé)N含量較高,當環(huán)境溫度低于天然氣的烴露點時,易引起管道的積液,影響天然氣的正常輸送以及降低管道的輸送能力。因此建議不定期檢測天然氣的烴露點,提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考,從而保證管道的安全運行并提高管輸能力。