В большинстве узлов учёта качество природного газа определяется в потоке с помощью потокового газового хроматографа. Хроматограф разделяет газ на компоненты и определяет их молярные доли, а теплота сгорания, плотность, относительная плотность и число Воббе рассчитываются уже по этому составу. Примеси — влага, тяжёлые углеводороды и сернистые соединения — контролируются либо расширенным хроматографическим анализом, либо отдельными анализаторами. Результаты передаются в вычислитель расхода, где используются для расчёта коэффициента сжимаемости и для перевода измеренного количества газа в энергию.
Эта страница посвящена аналитической части узла учёта: какие показатели измеряются и зачем, как представительная проба доставляется к анализатору и как результаты связываются с измерительной системой. Технологии расходомеров, компоновка узла и правила коммерческого учёта рассмотрены на отдельных страницах.
Какие показатели измеряются и для чего
Качество газа не сводится к одному числу. Для расчётов с потребителем, вычисления сжимаемости, контроля соответствия требованиям к газу в трубопроводе и защиты оборудования нужны разные показатели:
Показатель | Как определяется | Где используется |
Компонентный состав (молярные доли) | Прямое измерение потоковым газовым хроматографом | Основа для всех остальных расчётных показателей |
Теплота сгорания (высшая и низшая) | Рассчитывается по составу стандартным методом | Учёт по энергии и расчёты за газ |
Плотность и относительная плотность | Рассчитываются по составу | Приведение объёма и отдельные расчёты расходомеров |
Число Воббе | Выводится из теплоты сгорания и относительной плотности | Взаимозаменяемость газов для горелок и турбин |
Коэффициент сжимаемости | Рассчитывается по составу, давлению и температуре с помощью уравнения состояния | Приведение объёма при рабочих условиях к стандартным |
Точка росы по воде или влагосодержание | Отдельный анализатор влажности; величины связаны стандартной корреляцией | Риск гидратообразования и коррозии, контроль требований к газу |
Точка росы по углеводородам | Прямое измерение или расчёт по расширенному хроматографическому анализу | Риск выпадения жидкости; защита потребителей топливного газа |
Сероводород и сернистые соединения | Хроматограф с селективным к сере детектором или отдельный анализатор | Коррозия, требования к газу, контроль одоранта |
Как работает потоковый газовый хроматограф
Через заданные интервалы хроматограф вводит небольшую пробу в поток газа-носителя, который проводит её через разделительные колонки. Компоненты выходят из колонок в разное время и регистрируются детектором. Для основных компонентов обычно применяют детектор по теплопроводности, а для малых концентраций и сернистых соединений могут выбираться детекторы других типов. По завершении каждого цикла прибор выдаёт состав, из которого по методикам международных стандартов вычисляются теплота сгорания, плотность и число Воббе.
Объём анализа определяется задачей. Для коммерческих расчётов часто достаточно основных компонентов и суммарной фракции тяжёлых углеводородов. Для расчёта точки росы по углеводородам нужен расширенный анализ, разделяющий тяжёлые компоненты по отдельности. Хроматограф регулярно калибруется и проверяется по поверочной газовой смеси известного состава; кроме того, существует отдельный стандартный метод оценки пригодности аналитической системы для заданного диапазона состава и допустимых погрешностей.
Пробоотбор и пробоподготовка: основа достоверного результата
Анализатор не может быть точнее пробы, которую он получает. Система пробоотбора должна доставить газ из основной линии без изменения состава и с приемлемой задержкой. Ключевые вопросы проектирования:
· Тип и место установки пробоотборного зонда: Зонд размещают там, где поток представителен, и вдали от нижних точек, в которых может скапливаться жидкость.
· Редуцирование без конденсации: При снижении давления газ охлаждается. Если температура пробы опускается ниже точки росы, тяжёлые компоненты конденсируются и состав искажается, поэтому место редуцирования и необходимый подогрев планируют вместе.
· Время транспортного запаздывания: Длинные линии большого сечения задерживают результат. Быстрая петля, короткие трассы и правильно подобранный диаметр трубок сокращают задержку.
· Фильтрация и совместимость материалов: Частицы и капли не должны попадать в анализатор. При измерении сернистых соединений поверхности пробоотборного тракта выбирают так, чтобы они не адсорбировали эти вещества.
· Сбросы и возврат газа: Куда направляются проба и газ-носитель после анализа, решается с учётом классификации взрывоопасных зон и правил площадки.
Влажность, точка росы и сернистые соединения
Точка росы по воде и влагосодержание описывают одно и то же состояние газа; для пересчёта одной величины в другую существует стандартизированная корреляция. Конденсационные гигрометры с охлаждаемой поверхностью относятся к установленным методам этого измерения, а в потоковых применениях используются и другие типы датчиков. Точка росы по углеводородам — самостоятельный показатель; её внимательно контролируют на линиях питания газовых турбин и двигателей, где жидкие углеводороды способны повредить элементы камеры сгорания.
Сернистые соединения — сероводород, серооксид углерода, меркаптаны и тетрагидротиофен, который добавляют в газ как одорант в распределительных сетях, — измеряют хроматографами с селективными к сере детекторами или специализированными анализаторами. Перечень контролируемых соединений и нижние пределы их определения зависят от требований договора поставки газа и чувствительности оборудования потребителя.
Аналитический блок-бокс и размещение
Хроматографы и другие анализаторы обычно устанавливают в аналитическом блок-боксе или защитном шкафу рядом с измерительной линией. В блок-боксе поддерживается температура, необходимая для работы приборов, а вместе с ним проектируются вспомогательные системы: баллоны газа-носителя и поверочных смесей, панель пробоподготовки, линии сброса и газовый контроль. Классификация взрывоопасной зоны напрямую определяет вид взрывозащиты электрооборудования внутри блок-бокса и схему его вентиляции.
Связь аналитических данных с коммерческим учётом
Данные о качестве попадают в измерительную систему двумя путями. Первый — расчёт сжимаемости: вычислитель расхода использует состав от хроматографа при приведении объёма к стандартным условиям. Второй — расчёт энергии: объём при стандартных условиях или масса умножается на представительную теплоту сгорания. В документах законодательной метрологии средства определения теплоты сгорания рассматриваются как часть измерительной системы.
До проектирования этой связи нужно ответить на несколько вопросов. Может ли один хроматограф представлять несколько измерительных линий? Какое резервное значение применяется, когда анализатор выведен из работы из-за отказа или калибровки? Как хранить результаты, аварийные сообщения и записи о калибровке так, чтобы их можно было проверить? Договорная и нормативная сторона этих решений раскрыта на странице о коммерческом учёте.
Критерии выбора аналитической системы
Параметр | Почему важен при проектировании | Влияние на выбор |
Назначение измерений | Расчёты за газ, контроль требований и защита потребителя требуют разных показателей | Определяет объём анализа, резервирование и требования к архивам |
Ожидаемый диапазон состава | Под него подбираются поверочная смесь и набор колонок | Влияет на конфигурацию анализатора и оценку пригодности |
Изменчивость источников газа | Смешение газа из разных источников быстро меняет состав | Определяет длительность цикла и выбор потокового анализа вместо условно-постоянного состава |
Контролируемые примеси | Влага, тяжёлые углеводороды и сера требуют разных методов | Определяет дополнительные анализаторы, тип детектора и материалы тракта |
Давление и температура в линии | Создают риск конденсации при редуцировании пробы | Влияют на ступени редуцирования, подогрев и тип зонда |
Число и расположение измерительных линий | Нужно определить, какие линии представляет анализатор | Влияет на число анализаторов, связи с вычислителями и место блок-бокса |
Взрывоопасная зона и условия площадки | Блок-бокс, баллоны и сбросы должны размещаться безопасно | Определяет тип блок-бокса, климатизацию и вид взрывозащиты |
Чем TLY Enerji помогает в проектах анализа газа
TLY Enerji оказывает инженерную поддержку, которая начинается с оценки назначения измерений и технологических условий и завершается выбором подходящей аналитической технологии. Потоковые газовые хроматографы входят в продуктовый портфель компании. В зависимости от объёма проекта услуги могут включать поставку анализаторов и вспомогательного оборудования, монтаж и испытания технологических анализаторов, интеграцию передачи данных в вычислитель расхода и в системы ПЛК или SCADA, пусконаладку и последующую техническую поддержку. Границы поставки, в том числе вопрос о том, какая сторона поставляет аналитический блок-бокс, согласуются на основе технического задания.
Данные для подбора аналитической системы
· Назначение результатов: учёт по энергии, расчёт сжимаемости, контроль требований к газу или защита потребителя
· Имеющиеся протоколы анализа газа и сведения об изменчивости источников
· Требуемые показатели: состав, теплота сгорания, точка росы по воде или углеводородам, сернистые соединения
· Диапазон давления и температуры, диаметр трубопровода в точке отбора
· Число измерительных линий и вычислителей расхода, которые будет обслуживать анализатор
· Место под блок-бокс, климатические условия площадки и классификация взрывоопасной зоны
· Система управления, куда передаются результаты, и требования к архивированию
Смежные решения
· Узлы коммерческого учёта природного газа: Как теплота сгорания используется в учёте по энергии и в управлении измерениями.
· Блоки подготовки и учёта топливного газа: Роль точки росы по углеводородам и данных о качестве при питании турбин и двигателей.
· Узлы учёта природного газа: Измерительная линия и цепочка приведения объёма, использующие аналитические данные.
· Узлы учёта выдачи газа с терминалов СПГ: Место хроматографа в учёте энергии регазифицированного газа.
Вопросы об анализе качества газа
Может ли один хроматограф обслуживать несколько измерительных линий?
Может, если анализируемый газ представителен для всех обслуживаемых линий. Один анализатор часто применяют на параллельных линиях, питающихся от одного источника. Если газ из разных источников учитывается раздельно или состав смеси различается между линиями, нужны отдельные точки отбора или многопоточный анализатор. Решение о представительности пробы принимается вместе со сторонами договора и с учётом применимых нормативных требований.
Чем точка росы по воде отличается от влагосодержания?
Влагосодержание показывает количество водяного пара в газе, а точка росы по воде — температуру, при которой эта влага начинает конденсироваться при заданном давлении. Обе величины описывают одно и то же физическое состояние, и одну можно пересчитать в другую по стандартной корреляции. Какой показатель указывается в отчётах, обычно зависит от формулировки требований в договоре поставки газа.
Можно ли определить точку росы по углеводородам хроматографом?
Можно, если выполняется расширенный анализ, достаточно подробно разделяющий тяжёлые углеводороды, чтобы рассчитать точку росы по составу. Стандартный анализ для коммерческих расчётов объединяет тяжёлые компоненты в одну фракцию и для этой задачи может оказаться недостаточным. Другой вариант — анализаторы прямого измерения точки росы; выбор зависит от требуемой точности и цели контроля.
Как продолжается расчёт энергии, если хроматограф выведен из работы?
Вычислитель расхода можно настроить так, чтобы на время отказа или калибровки анализатора расчёт продолжался по заранее заданному резервному составу или последним достоверным значениям. Стороны должны заранее согласовать, какое значение применяется, как долго и как этот период отмечается в архивах. Для ответственных узлов в качестве резерва можно рассмотреть второй анализатор или данные соседней станции.