автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование лазерного преобразователя информации для системы непрерывного автоматического контроля точек росы

На правах рукописи

Агальцов Андрей Геннадиевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТОЧЕК

РОСЫ

Специальность 05 Л1.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

' диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2006

Работа выполнена в ООО «Научно-производственная фирма «Вымпел»

(г. Саратов)

Защита диссертации состоится 22 декабря 2006 г., в «13:00» часов на заседании диссертационного совета Д212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: г. Саратов, ул. Политехническая 77, ауд. -34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Сара-товасий государственный технический университет»

Автореферат разослан << /Л ноября 2006 г.

Научный руководитель;

кандидат технических наук Деревягин Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Львов Алексей Арленович

кандидат технических наук, доцент Иващенко Владимир Андреевич

Ведущая организация:

ФГУП Восточно-Сибирский НИИ физико-технических и радиоизмерений, г, Иркутск

Ученый секретарь диссертационного совета

Большаков А.А,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Природный газ является одним из самых распространенных источников энергия. Для подачи газа потребителю по магистральным газопроводам требуется его промысловая подготовка и заводская обработка — осушка и извлечение ценных компонентов (в частности, тяжелых углеводородов).

В нефтяной и газовой промышленности разработаны технические требования по показателям качества природного газа, предназначенного для дальнего магистрального транспорта, а также для использования в промышленности и быту. Важнейшими показателями качества являются точки росы природного газа по влаге и углеводородам.

Среди средств автоматического контроля точки росы наиболее перспективными считаются информационно-измерительные системы конденсационного типа, реализующие прямой метод измерения температуры точки росы. Наиболее известные зарубежные системы контроля влажности фирм Ametek и Michel instruments используют комбинированный способ измерения: точка росы по углеводородам измеряется конденсационным методом, а точка росы по влаге - сорбционным методом. Единственной на данный момент системой определения точек росы по влаге и углеводородам, реализующей конденсационный метод измерения, является российский анализатор точек росы «КОНГ-Прима-4», использующий принцип нарушения полного внутреннего отражения света в оптическом волокне.

Однако ни одна из существующих сегодня систем в общем случае не обеспечивает надежное и стабильное измерение точки росы по углеводородам в среде сжатого природного газа сложного многокомпонентного состава при наличии в нем других конденсируемых ранее примесей (в первую очередь влаги). Это связано с недостаточно высокой чувствительностью измерительного тракта к тонким прозрачным пленкам углеводородов, наличием зависимости показаний от взаимного расположения температур начала конденсации влаги и углеводородов. Таким образом, в настоящее время актуальной задачей является поиск новых технических решений, которые могут быть использованы для улучшения технических и эксплуатационных характеристик систем автоматического контроля точек росы в газовых потоках.

Цель работы: разработка лазерного преобразователя информации для системы непрерывного контроля точек росы газа по влаге и углеводородам, обладающего высокой чувствительностью к конденсации углеводородных фракций (независимо от взаимного расположения точек росы и компонентного состава газа) и имеющего стабильные метрологические и эксплуатационные характеристики.

РОС. НАЦИУНЛЛЫМЯ БИБЛИОТЕКА C.-Rtrep5vt)r

Основные задачи исследования:

1. Анализ современного состояния и проблем, связанных с контролем качества газа по температурам точек росы влаги и углеводородов.

2. Обоснование и экспериментальное подтверждение способа одновременного измерения точек росы природного газа по влаге и углеводородам конденсационным методом, основанного На использовании различных отражающих свойств конденсирующихся из газа жидких фракций (флюидов).

3. Разработка схемы, элементов конструкции лазерного информационно-измерительного преобразователя (ИИП) и алгоритма его функционирования.

4. Подтверждение метрологических и эксплуатационных характеристик лазерного ИИП в составе системы непрерывного контроля качества газа и внедрение системы в промышленную эксплуатацию.

Научная новизна:

1. Предложен способ измерения точек росы по влаге и углеводородам, отличающийся тем, что в оптической системе регистрации момента выпадения флюида используется диэлектрическое конденсационное зеркало, которое позволяет применить для разделения конденсирующихся из газа флюидов (углеводородов и влага) эффект поляризации света при его отражении от поверхности зеркала.

2. Разработан лазерный информационно-измерительный преобразователь, отличающийся тем, что для повышения чувствительности схемы к конденсации углеводородов используется эффект Брюстера, а для повышения точности в процессе измерения контролируется толщина сконденсированной пленки флюида,

3. Разработан алгоритм измерения точек росы по влаге и углеводородам, отличающийся тем, что определение физической природы конденсирующихся флюидов производится по различию отражающих свойств образующейся пленки фшоида, а фиксация момента конденсации каждого флюида (углеводороды, вода, лед) производится по одному из трех независимых каналов измерения, что повышает стабильность и достоверность измерения точек росы.

Основные положения и результаты, выносимые иа защиту:

1. Предложенный способ измерения точек росы газа по влаге и углеводородам конденсационным методом, который основан на эффекте поляризации света при отражении от диэлектрического зеркала и реализованный в виде лазерного интерференционного ИИП.

2. Результаты экспериментальных исследований способа измерения, подтверждающие высокую чувствительность лазерного ИИП к тонким пленкам конденсирующихся флюидов и высокую избирательность к

конденсации флюидов различной физической природы независимо от взаимного расположения температур начала конденсации их из газа.

3. Результаты лабораторных н метрологических испытаний, позволившие утвердить анализатор точек росы по влаге и углеводородам с лазерным ИИП в качестве типа средств измерений.

4. Результаты промышленных испытаний и практического использования разработанного способа в составе системы непрерывного контроля качества газа на различных объектах ОАО «Газпром».

Практическая ценность работы состоит в разработке, обосновании и экспериментальном подтверждении способа измерения точек росы конденсационным методом, позволяющего повысить эффективность использования существующих систем измерения за счет повышения чувствительности к конденсирующимся углеводородам, увеличения точности и стабильности измерений, а также повышения надежности и упрощения их технического обслуживания при эксплуатации.

Разработанная конструкция лазерного ИИП в комплексе с алгоритмом автоматического измерения точек росы по влаге и углеводородам в настоящее время реализована в серийно выпускаемом анализаторе точек росы «КОНГ-ГГрима -10», которые с 2006 года успешно эксплуатируются на объектах нефтегазовой отрасли.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по газовым технологиям (Ванкувер, 2004), на 23 мировом газовом конгрессе (Амстердам, 2006), научно-технических совещаниях ОАО «Газпром» (Анапа, 2003, 2005, Москва, 2004 г.), на научных семинарах в НПФ «Вымпел», ВНЙИГазе и Саратовском государственном техническом университете. Разработка новой конструкции анализатора с лазерным ИИП экспонировалась на выставках «Нефтегаз 2005-2006».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы; изложена на 152 страницах, содержит 44 рисунка, 22 таблицы, список литературы состоит из 54 наименований.

Работа проводилась в соответствии с планами научно-исследовательских работ ООО «НПФ Вымпел».

ОСНОВНОЕ СОД ЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности работы; поставлены цепь и задачи; приведены защищаемые положения и практическая ценность проведенных исследований.

В первой главе дан краткий обзор существующих методов определения качества газа по двум основным показателям: точке росы по влаге и

точке росы по углеводородам и выбран конденсационно-термометрическин метод как практически безальтернативный с точки зрения возможности одновременного их измерения. Рассмотрены варианты построения, основные элементы конструкции и алгоритмы функционирования наиболее распространенных автоматических систем измерения влажности конденсационного типа. На основании проведенного анализа выявлено, что для решения проблемы надежного и стабильного измерения точек росы по влаге и углеводородам требуется совершенствование существующих способов измерения, реализующих конденсационный метод. Фактически это означает целесообразность разработки нового информационно-измерительного преобразователя, т. к. имеющиеся технические решения в общем случае не обеспечивают надежное и стабильное измерение точек росы по влаге и углеводородам в среде природного газа во всех практически важных случаях.

Во второй главе представлены результаты исследований по разработке способа измерения точек росы и его реализации в конструкции лазерного интерференционного ИИП.

1. Выполнен критический анализ измерительных преобразователей информации, используемых в существующих системах измерения влажности конденсационного типа, выявлены наиболее близкие к разработке технические решения и их основные недостатки.

Отмечено, что конденсационные приборы различаются системами регистрации образования на зеркале пленки флюида и способами детектирования ее физической природы. Показаны достоинства и выявлены недостатки этих систем.

2. Детально рассмотрены возможности применения для решения поставленных задач оптических явлений и эффектов, возникающих при отражении и преломлении света на границе раздела различных сред.

При образовании на зеркале пленки флюида отражающие свойства поверхности изменяются, и происходит перераспределение падающего на зеркало светового потока. Показано, что из-за различных коэффициентов поверхностного натяжения воды (а =71—75 мН/м) и углеводородов (а =10...21 мН/м), они по-разному перераспределяют световой поток, что может быть использовано при их дифференцировании. В случае конденсации углеводородных фракций имеет место направленное отражение света, а в случае конденсации влаги - рассеянное отражение.

Образование на зеркале пленки флюида толщины 1] приводит к тому, что падающий луч будет частично отражаться от ее поверхности, а частично преломляться и отражаться от поверхности зеркала гигрометра. Следовательно, если образовавшаяся пленка флюида является однородной (пленка углеводородов) и свет от ее поверхности не рассеивается, будет наблюдаться интерференция двух отраженных лучей, на основании кото-

рой можно дифференцировать физико-химические свойства флюида и определять толщину образующейся пленки флюида.

При отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектрических сред всегда происходит его поляризация. Степень поляризации зависит от угла падения а и показателей преломления сред (п[, п^). Если угол падения света определяется выражением

%ае = 1^/111, (1)

отраженный от диэлектрика свет полностью поляризуется. Указанный эффект называется эффектом Брюстера, а формула (1), определяющая величину угла Брюстера <*в, называется законом Брюстера.

Таким образом, если в качестве материала конденсационного зеркала выбрать диэлектрик, а в качестве источника света использовать когерентный источник излучения (лазерное излучение•), свет которого линейно поляризован в плоскости падения, а угол падения определяется соотношением (1), отраженная от зеркала волна будет отсутствовать, и весь падающий свет полностью преломляется в диэлектрик.

В результате выполненного анализа распространения световых волн применительно к задаче детектирования наличия или отсутствия на конденсационном зеркале пленки флюида и определения ее физической природы был предложен способ измерения температуры точки росы, для реализации которого необходимо:

• конденсационное зеркало из диэлектрического материала;

• когерентный источник излучения, свет которого линейно поляризован в плоскости падения;

• три приемника излучения, фиксирующих направленное, направленно-

рассеянное и рассеянное отражение света.

Угол падения света на зеркало определяется в соответствии с выражением (1). Материал зеркала для уменьшения градиента температур между измеряемой температурой и реальной температурой на поверхности зеркала, должен обладать хорошей теплопроводностью.

Путем анализа схемы распространения световых волн (рис. 1), выполненной с учетом этих условий и наличия на зеркале пленки флюида, показано, что при условии выполнения соотношения лучения;?-приемник излучения a = Лrctg(^ti/nl)t

п2 К "12

пЗ А

Рис. 1. Схема распространения света при наличии на зеркале пленки конденсата:

1- исследуемый газ с показателем преломления п1; 2- пленка конденсата с показателем преломления п2 и толщиной Ь; 3- диэлектрическое зеркало с показателем преломления пЗ; 3 - источник из-

разность фаз между лучами, приходящими к приемнику Р, определяется выражением

Я А

Как видно из выражения (2), разность фаз интерферирующих лучей является функцией толщины пленки Ь. Следовательно, и интенсивность приходящего на фотоприемник света также будет периодической функцией от толщины пленки Ь. Проведенный на основании зависимости (2) анализ чувствительности предложенного способа измерения показывает, что выбранная схема будет обладать тем более высокой чувствительностью к образованию на зеркале прозрачной пленки флюида, чем выше будет показатель преломления материала диэлектрического зеркала.

Из условия обеспечения максимальной чувствительности, химической стойкости к агрессивным средам и хорошей теплопроводности в качестве, материала зеркала выбран кремний, имеющий показатель преломления и =4,24 и теплопроводность А, = 167 Вт/м град, сравнимую с металлами, что определяет минимальный градиент температур между измеряемой термодатчиком температурой н действительной температурой поверхности зеркала.

Угол Брюстера для границы сред «воздух- кремний» составляет 76,73...°. Анализ показателей преломления конденсирующихся на зеркале веществ (и= 1,3.. .1,5) показывает, что появление на зеркале плевки флюида приводит к изменению угла падения света на зеркало на 28.. .33... ° и существенному нарушению эффекта Брюстера.

3. Предложенный способ измерения, основанный на эффекте полной поляризации света при отражении от границы раздела диэлектрических сред, реализован е виде лазерного интерференционного ШИП, схема рас положения основных элементов которого представлена на рис. 2. Работоспособность схемы подтверждена проведенными опытами на макете преобразователя.

Поляризованный источник излучения расположен таким образом, что его свет поляризован параллельно плоскости падения и падает на диэлектрическое зеркало 2 под углом Брюстера. При отсутствии на зеркале 2 пленки сконденсировавшегося флюида весь падающий на него свет оказывается преломленным и отраженная волна отсутствует. При изменении свойств границы раздела сред (при появлений новой границы раздела: «газ - пленка флюида») часть света отражается из-за нарушения условия Брюстера.

Измеряемая термодатчиком 6 температура зеркала в момент изменения сигналов на одном из фотоприемников 3, 4 или 5 принимается за температуру точки росы конденсирующегося на зеркале флюида.

Образование на зеркале равномерной однородной пленки углеводородов приводит к появлению двух отраженных сигналов, которые могут уси-

ливать или ослаблять друг друга в зависимости от толщины пленка флюида. Эти изменения фиксируются фотоприемником 3, установленным напротив источника излучения и фиксирующим направленное отражение света.

Вид сверку

Рис. 2. Схема расположения основных элементов лазерного ИИП; 1 - источник излучения (лазерный диод); 2 - конденсационное диэлектрическое зерка-ло;3,4,5 - фото приемники; б-термодатчнк; 7 -термоэлектронный охладитель

Величина этого сигнала в соответствии с выражением (2) определяется свойствами источника излучения и зависит от толщины пленки флюида.

Образование на зеркале неоднородной пленки флюида приводит к возникновению направленно-рассеянного отражения, которое по мере роста капель или их кристаллизации (замерзания) переходит в рассеянное отражение.

Направленно-рассеянное и рассеянное отражение фиксируется фотоприемниками 4 и 5.

Увеличение направленно-рассеянного (или рассеянного) отражения света сопровождается снижением направленного отражения, т. к. при этом теряется когерентность лазерного излучения.

В оптической схеме лазерного ИИП применены элементы дискретной оптики, изготовленные из оптического стекла марки К8. Конденсационное зеркало изготовлено из аморфного кремния и имеет размер 2x3 мм и толщину 0,5 мм.

В качестве источника излучения использован полупроводниковый лазерный диод МЬ-1016Я с длиной волны 660 нм.

Дня охлаждения конденсационного зеркала используется термоэлектронная батарея, реализованная на элементах Пельтье и обеспечивающая перепад температур 125°С.

Фотоприемники (фотодиоды ВР,№34) и термодатчики (тип 10КЗА1 Ве1аТНЕЕ1М) выбраны из конструктивных соображений.

Функциональная схема лазерного ИИП представлена на рис. 3.

Таким образом, лазерный ИИП представляет собой конструктивно законченный функциональный модуль, имеющий собственную flash - память для хранения индивидуальных параметров, разъем для питания и разъем для управления работой отдельных элементов и передачи информационных сигналов в управляющий блок.

Термостат

Flash-память К-

Тепмоое гулятов

Разъем XS1 (информационно-управляющий)

"f

ТДкорп

Лазер |=> Коллиматор

_4

ФДиэл

Линза |-°>]Сдетовоя "j"™^

ФД1 ФД2 ФДЗ

Оптическая система

Излучатель

-I 1 и Зеркало ТДзерк|

i 4

ТЭБ

, i

Разъем XS2 (питание ТЭБ)

Рис. 3. Функциональная схема лазерного ИИП: ТДкорп - термодатчик температуры корпуса; ТДзерк - термодатчик температуры зеркала; ТЭБ - термоэлектронная батарея; ФДизл, ФДI, ФД2, ФДЗ - фотодноды

В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований лазерного интерференционного ИИП, которые далее позволили разработать алгоритм измерения точек росы природного газа по влаге и углеводородам. Представлены также результаты технической реализации нового лазерного ИИП и разработанного алгоритма в промышленном варианте - информационно-измерительной системе непрерывного контроля качества газа.

Для экспериментальных исследований был разработан исследовательский комплекс на базе персонального компьютера.

Основным элементом комплекса является преобразователь с микроЭВМ на базе процессора АТМЕвА 128-16А1 фирмы А1МЕЬ. Программное обеспечение комплекса реализовано таким образом, что по сигналам термодатчика и фотодиодов, фиксирующих температуру зеркала и отражение света от пленки флюида, имеется возможность наблюдения на терминале компьютера за процессами конденсации и испарения при охлаждении л нагреве зеркала. Программное обеспечение также реализует управление температурой и скоростью охлаждения (нагрева) зеркала.

Для создания газовой смеси с известными концентрациями влаги, углеводородов в экспериментальных исследованиях использовалось эталон-

ное оборудование, выпускаемое фирмой «НПФ «Вымпел», г. Саратов: генератор влажности «КОНГ» и рабочий эталон нулевого разряда «КОНГ-Эталон».

При проведении экспериментальных исследований рассмотрены все основные варианты взаимного расположения точек росы по влаге и углеводородам.

Полученные экспериментальные результаты показывают (рис. 4), что по поведению сигналов лазерного интерференционного ЛИП можно различать конденсирующиеся на зеркале компоненты, присутствующие в природном газе и определять температуру точки росы по основным нормируемым параметрам: влаге (льду или гидратам) и углеводородам, причём температура точки росы по влаге и углеводородам определяется независимо от их взаимного расположения. Конденсация углеводородов фиксируется по увеличению сигнала направленного отражения, конденсация влаги -по увеличению сигнала рассеянно-направленного отражения, а образование на зеркале льда (либо гидратов) - по увеличению сигналов рассеянного и направленно-рассеянного отражения.

Проведена оценка чувствительности разработанного ИИП. Показано, что при использовании в конструкции ИИП полупроводникового лазера видимого диапазона с длиной волны Х= 660 нм предложенная оптическая система позволяет фиксировать пленку конденсата при её толщине 30...40 нм.

Выполненный комплекс экспериментальных исследований позволил перейти к разработке алгоритма измерения точек росы по влаге и углеводородам. Он основан

на анализе поведения сигналов фотоприемников при изменении температуры зеркала и наличии на зеркале ИИП пленки флюида.

Измерение точки росы делится на два этапа (рис. 5). Первый этап представляет собой процесс медленного охлаждения (0,2 град/с) зеркала, при котором определяются температура конденсации углеводородов Та, (по возрастанию сигнала 1) и температура конденсации вода Тк (по возрастанию сигнала 2), В итоге, если уровень сигнала направленного отражения I превысил заданный уровень фиксации углеводородов {7С,„ вычисляется точка росы по углеводородам Тр т. После этого происходит нагрев зеркала, фиксируется температура испарения по воде Та (по снижению сигнала 2) и определяется предварительная точка росы «о воде Тр пргдо~( Тк + Ти)/2.

' На втором этапе производится уточнение предварительной точки росы по влаге путем анализа скорости и направления изменения сигнала рассеянного отражения 2, при поддержании определенной температуры зеркала, начиная с температуры предварительной точки росы по воде.

На втором этапе производится уточнение предварительной точки росы по влаге путем анализа скорости и направления изменения сигнала рас-

сеянного отражения 2, при поддержании определенной температуры зеркала, начиная с температуры предварительной точки росы по воде.

Конденсация углеводородов Конденсация углеводородов до воды

временно с водой воды

Рис. 4. Поведение информационных сигналов лазерного ИИП при конденсации влаги и

углеводородов

1- сигнал фотоприемника направленного отражения; 2 - сигнал фотоприемшка рассеянно-направленного отражения; 3- сигнал фотоприемника рассеянного отражения; 4 -температура конденсационного зеркала.

На рис. 6 представлена блок-схема процесса определения точки росы по влаге.

Суть процесса заключается в следующем. С помощь ПИД-регулятора температура зеркала в течение определенного времени удержания (у стабилизируется при температуре,равной Тр По истечении времени удержания определяются знак и скорость изменения сигнала рассеянного отражения У=/(Цр1). Положительный знак скорости означает процесс конденсации, отрицательный - испарения. Затем происходит сравнение текущего уровня сигнала рассеянного отражения 2 с допустимым максимальным значением Иргяю. (производится контроль толщины пленки флюида). Если сигнал находится выше 11ртах, независимо от текущего процесса (конденсации или испарения), происходит нагрев зеркала на величину ЛТ. Если при стабилизации температуры зеркала сигнал рассеянного отражения находится в допустимых пределах, в зависимости от знака скорости, фиксируется температура конденсации Т* или температура испарения Ти. Путем снижения или повышения температуры зеркала на величину ЛТ производится анализ сигнала рассеянного отражения и поиск температуры конденсации Тк ( или температуры испарения Ти ). Процесс циклически повторяется до тех пор, пока не будут зафиксированы температуры конденсации Тк и испарения Т„, отличающиеся друг от друга на величину ЛТ.

Для повышения точности измерения анализ отраженных сигналов производится при поддержании на зеркале тонких пленок флюида (до 500 им).

Рис. б. Блок-схема процесса определения точки росы по влаге

Повышение точности измерения точки росы по углеводородам достигается за счет высокой чувствительности схемы к тонким пленкам углеводородов. Точность измерения точки росы по воде определяется величиной шага изменения температуры зеркала на втором этапе измерительного цикла.

Разработанная конструкция лазерного НИП в комплексе с алгоритмом автоматического измерения точек росы использована в виде промышленной информационно-измерительной системы - анализатора точек росы интерференционного «КОНГ-Прима-Ю» (рис. 7).

Анализатор состоит из преобразователя точки росы (ПТР), основной частью которого является разработанный лазерный ИИП,и интерфейсного

Рисунок 7. Внешний вил анализатора

Обмен информационными и управляющими сигналами между ПТР и ИБ производится через стандартный интерфейс 118-485. Интеграция анализатора в другие системы АСУ ТП обеспечивается через аналоговые сигналы токового выхода и интерфейсы К8-232 и 1*5-485 по стандартному протоколу Мо(1Ьаз ЮТУ. Помимо этого, информация об измеренных значениях точек росы выводится на встроенные индикаторы ПТР и ИБ. Для контроля работы анализатора предусмотрены встроенная клавиатура (в ИБ) и возможность подключения компьютера.

В четвертой главе представлены основные результаты лабораторных и промышленных испытаний лазерного ИИП в составе анализатора «КОНГ-Прима-10» и результаты опытно-промышленной эксплуатации.

По результатам метрологических испытаний на образцовых средствах задания влажности с использованием эталонного динамического генератора влажности «Родник 2» и установки высшей точности УВТ 103-А-200], проведенных в Восточно-Сибирском НИИ физико-технических и радиоизмерений (г. Иркутск), в котором хранится государственный эталон влажности газов, показано, что разработанный лазерный ИИП на чистых газах обеспечивает основную погрешность измерения точки росы по воде на уровне образцовых средств нулевого разряда (±0,12°С).

Результаты испытаний анализатора при нормальных условиях на воздухе приведены в табл. 1.

Определение погрешности измерения анализатором точки росы по углеводородам производилось на чистых углеводородных газах с известными термодинамическими свойствами. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 1

Погрешность измерения точки росы по воде

Действительная температура тачки росы тл, "С Измеренная температура точки'р6еытц,вС Погрешность анализатора Дт=т„-тл, 'С

минус 40,1 минус 40,0 +0,1

минус 29,0 минус 28,9 +0.1

минус 16,7 минус 16,7 0

0 минус 0,1 -0,1

+13,9 +13,8 -0,1

Таблица 2

Погрешность измерения точки росы по углеводородам

Этан (С2 Не)

Т средн. Повторяемость Число Р ср. Ттеор. Т ср-Ттар

(•С) Т(°С) точек (МПа) (°С) (вС)

10,80 0,14 10 3,08 10,94 -0,14

5,03 0,13 10 2,68 5,14 -0,11

0,05 0,04 10 2,38 0,18 -0,13

-5,76 0,05 10 2,07 -5.70 -0,06

-19,73 0,11 10 1.43 -19.76 0,03

Пропан (С Щ)

15,90 0,11 10 0,75 15.97 -0,07

7,89 0,08 10 0.6 7.97 -0,08

0,31 0,09 10 0,48 0,42 -0,11

-10,39 0,05 10 0,34 -10,43 -0,04

-28,16 0,07 10 0,18 -28,17 -0,01

В ходе испытаний подтверждены высокие метрологические характеристики лазерного ИИП и анализатор утвержден в качестве типа средств измерений (№28228-04).

Далее проведены промышленные испытания лазерного интерференционного ИИП в составе анализатора «КОНГ-Прима-Ю» на действующих объектах газовой отрасли, которые можно разделить на две основные группы.

К первой группе относятся испытания с целью подтверждения метрологических характеристик при работе в среде природного газа. Ко второй группе относятся испытания с целью подтверждения эксплуатационных характеристик нового ИИП: надежности, стойкости к загрязнениям, удобства эксплуатации и технического обслуживания. Кратко остановимся на основных результатах проведенных испытаний.

При проверке метрологических и эксплуатационных характеристик, оценка характеристик лазерного ИИП производилась в сравнении с харак-

тернстиками волоконно-оптического преобразователя информации, используемого в предыдущих моделях приборов серии «КОНГ-Прима». Проведенные испытания на различных газовых потоках подтвердили высокие метрологические характеристики нового способа измерения точек росы, полученные в лабораторных условиях.

Экспериментально подтверждена более высокая чувствительность лазерного интерференционного ЙПП к углеводородам. На рис. 8 представлены результаты совместной работы лазерного ИИП и волоконно-оптического преобразователя информации на Ал.-Гайском ЛПУ МГ ООО «Югтрансгаз».

Дач

Рис. 8. Сравнительные результаты измерений на газовом потоке «Оренбург- Новонсков» Из графика видно, что волоконно-оптический преобразователь информации при изменении компонентного состава измеряемой среды фиксирует температуру конденсации углеводородов на 8°С ниже, чем разработанный лазерный ИИП, что подтверждает более высокую чувствительность лазерного ИИП.

Лазерный ИИП показал более стабильные результаты измерений на сыром некондиционном газе, поступающем в Россию из Средней Азии (рис. 9).

Проверка надежности и стойкости к загрязнениям и технологическим примесям, содержащимся в газе, производилась на различных объектах предприятий ООО «Югтрансгаз», ООО «Мострансгаз» и ООО «Ямбургга-зодобыча». Испытания показали, что лазерный интерференционный ИИП

имеет более высокую устойчивость к загрязнениям, а следовательно, и больший срок работы без технического обслуживания, и-

I"

\ А

¿''А \ А

V л/ 1

дагчцк

18.Ш4

18,11.(4 16.11.04

Дни

1ЭЛ14И

Рис. 9. Результаты работы лазерного ИИП на газовом потоке «Средняя Азия- Центр» На рис. 10 представлены результаты опытно-промышленной эксплуатации лазерного ИИП на приграничной с Украиной газоизмерительной станции «Валуйки» ООО «Мострансгаз» в течение трёх месяцев.

20 1$ 10

а

о.

г

5 -5 н

-10 -16

л* а***»*1* V»!

г

44"

--»-лазерный иип — -*- волоконный датчик

01.04.2006 11,043006 21.042006 01.05.2006 11.05,2006 21.05.2006 31.05.2006 10.06.2006

Дата

Рис. 10. Результаты опытно- промышленной эксплуатации лазерного ИИП

На текущий момент анализатор успешно прошел тестовые испытания в России, Италии и Германии.

С января 2006 года в НПФ «Вымпел» (г. Саратов) начат серийный выпуск систем непрерывного контроля влажности природного газа, комплектующихся разработанным лазерным информационно-измерительным преобразователем.

В заключение главы приведен список предприятий, где информационно- измерительные системы с лазерным интерференционным ИИП находятся в настоящее время в промышленной эксплуатации: ООО «Кас-пийгазпром» (2 шт.), ООО «Надым Газпром» (бшт,), ООО «Лентрансгаз» (2шт.), ООО «Уралтрансгаз» (Э шт.), ООО «Югтрансгаз», ООО «Ямбургга-зодобыча».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Предложен конденсационный способ измерения точек росы по влаге и углеводородам независимо от их взаимного расположения, использующий различные отражающие свойства конденсирующихся флюидов и эффект Брюстера - поляризации света при отражении от диэлектрического конденсационного зеркала.

2. Разработана конструкция лазерного информационно-измерительного преобразователя информации и проведены экспериментальные исследования реакции преобразователя на конденсацию флюидов с различными физико-химическими свойствами (вода, углеводороды, лед, гидраты).

3. Разработан алгоритм измерения температур точки росы по влаге и углеводородам, в котором фиксация момента конденсации каждого флюида (углеводороды, вода) производится по независимым информационным каналам, что повышает стабильность и достоверность одновременного измерения точек росы.

4. Проведены лабораторные и промышленные испытания лазерного ИИП и разработанного алгоритма измерения в составе информационно-измерительной системы автоматического непрерывного контроля точки росы по влаге и углеводородам. Результаты испытаний подтвердили, что разработанное техническое решение позволяет обеспечить высокую точность измерения точки росы, повысить чувствительность к конденсации углеводородов и стабильность измерений, а также улучшить эксплуатационные характеристики (по надежности и техническому обслуживанию).

5. Информационно-измерительная система непрерывного контроля качества газа по температуре точки росы с лазерным ИИП внедрена в эксплуатацию на объектах нефтегазовой отрасли России.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ Д ИССЕРТАЦИИ ^О^Л

1. Агальцов А.Г. Интерференционная система регистрации момента выла-дения флюида и измерения толщины пленки флюида для гигрометров конденсационного типа/ А.Г. Агальцов// Вестник СГТУ. 2006. - № 4. Вып.2.-С.128-132.

2. Лазерный измеритель точек росы газа по водным фазам и тяжелым углеводородам «КОНГ - ПРИМА Ю»/А.М.Деревягин, А.С.Фомин, А^Р.Степанов, Селезнёв, А.Г.Агальцов, Ю.В.Михайлов, В.А. Истомин // Наука и техника в газовой промышленности. 2005. - Ns 1. - С.70-78.

3. Агальцов АХ. Эксплуатационные и метрологические характеристики анализатора точек росы «КОНГ-Прима-Ю»/А.М.Деревягин, CJ3.Селезнев// Наука и техника в газовой промышленности. 2006. - Ш 4. - С.57-61.

4. Field Condensation Hydrometer for Measuring Water and Heavy Hydro-carcon Dew Points/ A.M.Derevyagin, S.V.Seleznev, AJELStepanov, A.G. Agaltsov, V.A.Istomin// Материалы международной конференции по газовым технологиям на CD Ванкувер. 2004. С. 114-116.

5. A New Approach for Measuring Water and Heavy Hydrocarbon Dew Points of Natural Gases by using a Three-channel Laser Interferometer/ АМ.Деревягин, С.В.Селезнев, А.Р.Степанов, АХ.Агальцов, В.А.Истомин// Материалы 23 Мирового Газового Конгресса на CD, Амстердам, 2006. Доклад № 99.16.

6. Анализаторы точек росы углеводородных газов по влаге и углеводоро-дам/АМДеревягин, С.В.Селезнев, А.Г.Агальцов, В.А.Истомин// Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности 2004. -J&3.-C. 6-12.

7. Поверочный комплекс КОНГ/С.В. Селезнёв, А.М.Деревягин, А.Г.Агальцов, А-Р.Степанов, Р.Н.Ефимов, Ю.В.Михайлов, В.АХуба-нов, ВЛ.Йстомин // Наука и техника в газовой промышленности. 2003.-№ 1.С. 43-50.

8. Плотников ПХ Особенности построения алгоритмов компенсации погрешностей для дискретных датчиков первичной информации /

П-КЛлотников, В.Н.Ледовской, А.Г. Агальцов// Распределенные информационно-управляющие системы: сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988.-С.80-81.

Подписано в печать 17.11.06 Формет 60x841/16

Бум.офсет. Усл.аеад. t,fS Уч.-нэдл. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 520

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в РИД СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

ВВЕДЕНИЕ.

1. Технические требования и методы контроля качества природного газа по температуре точки росы.

1.1. Технические требования к показателям качества газа.

1.2.Анализ методов определения точек росы природного газа по влаге и углеводородам.

1.3. Направления дальнейшего совершенствования конденсационного метода измерения влажности.

1.4. Постановка задачи исследования и определение путей ее решения.

2. Разработка нового способа измерения температур точек росы газа конденсационным методом и его реализация в виде лазерного интерференционного преобразователя информации.

2.1. Анализ преобразователей информации, используемых в существующих системах измерения точек росы конденсационного типа.

2.2. Теоретические положения физической оптики, использованные при разработке нового способа измерения точек росы природного газа.

2.3. Разработка схемы и элементов конструкции информационно-измерительного преобразователя (ИИП), реализующего новый способ измерения точки росы.

3. Результаты экспериментальных исследований нового способа измерения и разработка алгоритма функционирования лазерного интерференционного ИИП в составе системы непрерывного контроля точек росы.

3.1 Научно-исследовательский комплекс на базе интерференционного ИИП

3.2. Разработка принципов измерения точек росы и критериев разделения на зеркале конденсирующихся примесей.

3.3. Разработка алгоритма измерения точек росы с помощью лазерного интерференционного ИИП.

3.4. Техническая реализация лазерного интерференционного ИИП и алгоритма измерения точек росы в виде промышленной информационно-измерительной системы непрерывного контроля точек росы.

4. Результаты лабораторных и промышленных испытаний лазерного интерференционного ИИП в составе Анализатора «КОНГ-Прима-Ю».

4.1.Результаты лабораторных испытаний лазерного интерференционного ИИП

4.2. Результаты испытаний лазерного интерференционного ИИП в условиях промышленной эксплуатации.

4.3. Результаты внедрения ИИС непрерывного контроля качества газа по температуре точки росы с лазерным интерференционным ИИП.

Природный газ на сегодняшний день является одним из самых распространенных источников энергии. Для подачи газа потребителю по магистральным газопроводам требуется его промысловая подготовка и заводская обработка - осушка и извлечение ценных компонентов (в частности, тяжелых углеводородов).

В нефтяной и газовой промышленности разработаны технические требования по показателям качества природного газа, предназначенного для дальнего магистрального транспорта, а также для использования в промышленности и быту. Важнейшими показателями качества являются точки росы природного газа по влаге и углеводородам, определяющие условия однофазного транспорта газа. Кроме того, допустимое содержание в газе влаги и углеводородов определяется в контрактах на поставку российского газа экспортерам^, 2] и их несоблюдение карается штрафными санкциями.

Поэтому любые неточности по определению точек росы по влаге и углеводородам на различных этапах подготовки и транспорта газа могут привести к существенным финансовым потерям.

Следовательно, контроль точек росы природного газа, определяющих содержание в нем влаги и тяжелых углеводородов должен быть непрерывным, автоматическим и достоверным.

Среди средств автоматического контроля точек росы наиболее перспективными считаются информационно- измерительные системы конденсационного типа, реализующие прямой метод измерения температуры точки росы. Наиболее известные зарубежные системы контроля точек росы фирм Ametek (США) и Michel instruments (Великобритания) используют комбинированный способ измерения: точка росы по углеводородам измеряется конденсационным методом, а точка росы по влаге - сорбционным методом. Единственной на данный момент системой определения точек росы по влаге и углеводородам, реализующей конденсационный метод измерения, является российский анализатор точек росы «КОНГ-Прима-4», использующий принцип нарушения полного внутреннего отражения света в оптическом волокне. Использование этой системы в газовой промышленности России практически решило проблему измерения точки росы по влаге в присутствии ранее конденсирующихся углеводородов.

Таким образом, наиболее актуальной становится проблема измерения точки росы по углеводородам независимо от количества водяных паров содержащихся в газе (от температуры точки росы природного газа по влаге). Проблема осложняется широким компонентным составом конденсирующихся углеводородных фракций, имеющих различные физико-химические свойства.

Ни одна из существующих сегодня систем в общем случае не обеспечивает надежное и стабильное измерение точки росы по углеводородам в среде сжатого природного газа сложного многокомпонентного состава при наличии в нем других конденсируемых примесей (в первую очередь влаги). Это связано с недостаточно высокой чувствительностью измерительного тракта к тонким прозрачным пленкам углеводородов, наличием зависимости показаний от взаимного расположения температур начала конденсации влаги и углеводородов.

Исходя из вышеизложенного, актуальной задачей является поиск новых технических решений, которые могут быть использованы для улучшения технических и эксплуатационных характеристик систем автоматического контроля точек росы газа по влаге и углеводородам. Цель работы

Целью работы является разработка лазерного преобразователя информации для системы непрерывного контроля точек росы газа по влаге и углеводородам, обладающего высокой чувствительностью к конденсации углеводородных фракций (независимо от взаимного расположения точек росы и компонентного состава газа) и имеющего стабильные метрологические и эксплуатационные характеристики.

Основные задачи исследования

1. Анализ современного состояния и проблем, связанных с контролем качества газа по температурам точек росы влаги и углеводородов.

2. Обоснование и экспериментальное подтверждение способа одновременного измерения точек росы природного газа по влаге и углеводородам конденсационным методом, основанного на использовании различных отражающих свойств конденсирующихся из газа жидких фракций (флюидов).

3. Разработка схемы, элементов конструкции лазерного информационно-измерительного преобразователя (ИИП) и алгоритма его функционирования.

4. Подтверждение метрологических и эксплуатационных характеристик лазерного ИИП в составе системы непрерывного контроля качества газа и внедрение системы в промышленную эксплуатацию.

Научная новизна

1. Предложен новый способ измерения точек росы по влаге и углеводородам, отличающийся тем, что в оптической системе регистрации момента выпадения флюида используется диэлектрическое конденсационное зеркало, которое позволяет применить для разделения конденсирующихся из газа флюидов (углеводородов и влаги) эффект поляризации света при его отражении от поверхности зеркала.

2. Разработан лазерный информационно-измерительный преобразователь, отличающийся тем, что для повышения чувствительности схемы к конденсации углеводородов используется эффект Брюстера, а для повышения точности в процессе измерения контролируется толщина сконденсированной пленки флюида.

3. Разработан алгоритм измерения точек росы по влаге и углеводородам, отличающийся тем, что определение физической природы конденсирующихся флюидов производится по различию отражающих свойств образующейся пленки флюида, а фиксация момента конденсации каждого флюида (углеводороды, вода, лед) производится по одному из трех независимых каналов измерения, что повышает стабильность и достоверность измерения точек росы. Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Предложенный способ измерения точек росы газа по влаге и углеводородам конденсационным методом, который основан на эффекте поляризации света при отражении от диэлектрического зеркала и реализованный в виде лазерного интерференционного ИИП.

2. Результаты экспериментальных исследований способа измерения, подтверждающие высокую чувствительность лазерного ИИП к тонким пленкам конденсирующихся флюидов и высокую избирательность к конденсации флюидов различной физической природы независимо от взаимного расположения температур начала конденсации их из газа.

3. Результаты лабораторных и метрологических испытаний, позволившие утвердить анализатор точек росы по влаге и углеводородам с лазерным ИИП в качестве типа средств измерений.

4. Результаты промышленных испытаний и практического использования разработанного способа в составе системы непрерывного контроля качества газа на различных объектах ОАО «Газпром».

Практическая ценность

Практическая ценность работы состоит в разработке, обосновании и экспериментальном подтверждении способа измерения точек росы конденсационным методом, позволяющего повысить эффективность использования существующих систем измерения за счет повышения чувствительности к конденсирующимся углеводородам, увеличения точности и стабильности измерений, а также повышения надежности и упрощения их технического обслуживания при эксплуатации.

Разработанная конструкция лазерного ИИП в комплексе с алгоритмом автоматического измерения точек росы по влаге и углеводородам в настоящее время реализована в серийно выпускаемом анализаторе точек росы «КОНГ

Прима -10», которые с 2006 года успешно эксплуатируются на объектах нефтегазовой отрасли.

Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по газовым технологиям (Ванкувер, 2004), на 23 мировом газовом конгрессе (Амстердам, 2006), научно-технических совещаниях ОАО «Газпром» (Анапа, 2003, 2005, Москва, 2004 г.), на научных семинарах в НПФ «Вымпел», ВНИИГазе и Саратовском государственном техническом университете. Разработка новой конструкции анализатора с лазерным ИИП экспонировалась на выставках «Нефтегаз 2005 - 2006».

Вывод

7 Тр СН, Тр Н20

Рис. 3.14. Блок-схема измерительного цикла Затем скорость охлаждения снижается до 0,2 °С/с (в соответствии с методикой измерения точки росы по углеводородам [22]). В процессе медленного охлаждения определяются температура конденсации по воде Тк и температура начала конденсации углеводородов Тсн. На рис. 3.15 представлен график, иллюстрирующий процесс измерения, а на рис. 3.16 блок-схема процесса поиска точки росы по углеводородам и предварительной точки росы по влаге.

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 JOO 1 300 1 400

Рис 3.15. Иллюстрация алгоритма измерения лазерного ИИП Температура конденсации углеводородов определяется в момент увеличения сигнала направленного отражения на величину AU„ от начального уровня Uh0. Для того чтобы зафиксированная температура Тс„ была принята за точку росы по углеводородам, сигнал направленного отражения U„ в процессе охлаждения зеркала должен пересечь некоторый уровень фиксации углеводородов UH кр, выше которого сигнал направленного отражения в случае отсутствия углеводородов не поднимается.

Температура конденсации по воде Тк определяется в момент увеличения сигнала рассеянного отражении на величину AUp к от начального уровня Up о-Если после определения температуры Тк, температура конденсации углеводородов Тсн еще не определена, охлаждение зеркала продолжается в течение времени иаьерж-> устанавливающего задержку испарения.

Рис. 3.16. Блок схема процесса поиска точки росы по углеводородам и предварительной точки росы по влаге

Продолжительность времени задержки определяется из условия: насколько ниже точки росы по влаге требуется измерение точки росы по углеводородам.

После определения температур конденсации Тк и Тсн (или только Тк), происходит процесс нагрева зеркала со скоростью 1°С/с. Скорость нагрева выбрана большой в связи с ускорением процесса поиска температуры испарения, так как за время конденсации может произойти существенное увеличение сигнала рассеянного отражения. Нагрев зеркала продолжается до тех пор, пока не будет зафиксировано снижение сигнала рассеянного отражения до уровня Up <frAUp „, при котором фиксируется температура испарения Ти. Величина уровня фиксации испарения определяется из условия обеспечения минимальной толщины пленки влаги на конденсационном зеркале.

На основании температур конденсации и испарения вычисляется предварительная точка росы по влаге, как т +Т

Т = ' " (3 П рпредв 2 ^1) и происходит стабилизация зеркала на уровне температуры предварительной точки росы для более точного определения ее значения.

На рис. 3.17 представлена блок-схема процесса точного определения точки росы по влаге.

Суть процесса заключается в следующем. С помощь ПИД-регулятора температура зеркала в течение определенного времени удержания ty стабилизируется при температуре равной Тр предв. По истечении времени удержания определяется знак и скорость изменения сигнала рассеянного отражения V~f(Upi). Если скорость имеет положительный знак, значит идет процесс конденсации, если отрицательный - испарения. Затем происходит сравнение текущего уровня сигнала рассеянного отражения с допустимыми максимальным значением Upmax> Таким образом, на этом шаге производится контроль толщины пленки флюида при измерении. Если сигнал рассеянного отражения находится выше t//w, независимо от текущего процесса (конденсации или испарения), происходит нагрев зеркала на величину Л Т. Если при стабилизации температуры зеркала сигнал рассеянного отражения находится в допустимых пределах фиксируется температура конденсации Тк (если скорость изменения сигнала больше нуля) или температура испарения Ти (если скорость изменения сигнала меньше нуля). Если, например, температура стабилизации принимается за температуру конденсации Тк, так как испарение еще не было зафиксировано, температура зеркала поднимается на величину AT (в рассматриваемом примере 0,5°С) и стабилизируется в течение времени ty. Процесс циклически повторяется до тех пор, пока не будет зафиксирована температура испарения Ти.

При этом в каждом новом цикле обновляется температура конденсации. В результате точка росы по влаге вычисляется как среднее между двумя ближайшими температурами удержания, разница между которыми AT, на одной из которых наблюдался процесс испарения (снижение сигнала рассеянного отражения), а на другой - процесс конденсации.

Рис. 3.17. Блок-схема процесса определения точки росы по влаге Если при стабилизации температуры зеркала равной предварительной точке росы наблюдался процесс испарения, то сначала фиксируется температура испарения Ти и температура зеркала будет циклически понижаться с шагом AT, до тех пор пока не будет зафиксирована температура конденсации Тн.

Таким образом, точность измерения точки росы по влаге, определяется величиной шага и может варьироваться в зависимости от конкретного применении лазерного интерференционного ИИП. Для нужд нефтегазовой промышленности, достаточно точности измерения ±1°С; для образцовых средств измерения ±0,12°С.

На рис. 3.18 представлена графическая иллюстрация процесса точного определения точки росы.

Рис. 3.18. Иллюстрация процесса точного определения точки росы по влаге: 1 - сигнал рассеянного отражения; 2 - линейная аппроксимация сигнала рассеянного отражения; 3 - текущая температура зеркала Как видно из рисунка, при вычислении скорости изменения сигнала на участке стабилизации темперапуры производится линейная аппроксимация реального сигнала фотоприемника. Соответственно угол наклона аппроксимированной прямой определяет скорость и направление изменения сигнала рассеянного отражения на данном участке.

Таким образом, на основании разработанных выше методических подходов к измерению точек росы газа с помощью лазерного интерференционного ИИП и проведения многочисленных экспериментальных исследований, разработан обобщенный алгоритм измерения точек росы по влаге и углеводородам.

3.4. Техническая реализация лазерного интерференционного ИИП и алгоритма измерения точек росы в виде промышленной информационно-измерительной системы непрерывного контроля точек росы

Разработанный способ измерения точек росы, реализованный в конструкции лазерного интерференционного ИИП, в совокупности с алгоритмом измерения точек росы по влаге и углеводородам реализован в промышленном варианте информационно-измерительной системы автоматического непрерывного контроля качества природного газа по температурам точек росы Анализаторе точек росы «КОНГ-Прима -10» [48].

Анализатор точек росы «КОНГ-Прима-10» (далее по тексту Анализатор) состоит из следующих основных блоков:

- преобразователя точки росы (ПТР);

- интерфейсного блока (ИБ).

Блок схема Анализатора приведена на рис. 3.19. Внешний вид Анализатора представлен в приложении Б.

ПТР при работе в составе анализатора выполняет следующие функции:

- измерение первичных сигналов и их нормализация;

- автоматическое управление процессом измерения с учетом настроек, предустановленных из ИБ;

- автоматическая диагностика компонентов ПТР и передача информации о самодиагностике в ИБ;

- визуализация измеренных значений на встроенном индикаторе.

ПТР

ИБ

Взрывоопасная зона Взрывобсзопасная зона

Рис. 3.19. Блок-схема составных частей Анализатора ИБ в составе Анализатора выполняет следующие функции:

- управление процессом измерения в ПТР и обработка результатов измерения;

- настройка параметров процессов;

- визуализация измеренных значений на встроенном индикаторе;

- хранение данных измерений точки росы, температуры и давления;

- обеспечение управления анализатором и доступа к архивам данным с помощью технологического компьютера;

- передачу информации в другие ИИС через интерфейсы RS232 и RS485 по стандартному протоколу Modbus.

Функционально ПТР состоит из трех законченных узлов:

- лазерного интерференционного ИИП (см. приложение А);

- блока обработки первичной информации;

- внутреннего блока питания.

ИБ состоит из блока ввода-вывода, блока управления и блока хранения данных и результатов работы. Блок ввода-вывода предназначен для связи с ПТР через цифровой интерфейс RS485, для управления источником питания ПТР и для связи с внешними устройствами через интерфейсы RS232, RS485 по стандартному протоколу Modbus. Блок управления представляет собой малогабаритную микропроцессорную систему, имеющую встроенный дисплей и кнопочную клавиатуру и служит для управления работой и настройки анализатора.

Основные технические характеристики анализатора представлены в приложении В.

В Анализаторе реализован алгоритм измерения точек росы по влаге и углеводородам, рассмотренный в разделе 3.3.

Из представленных в этой главе результатов экспериментальных исследований лазерного интерференционного ИИП, можно сделать вывод, что предложенный способ фиксации момента выпадения на конденсационном зеркале флюидов с различными физико-химическими свойствами имеет высокую чувствительность к тонким пленкам различных углеводородных фракций и обладает высокой избирательностью к конденсации влаги, углеводородов (различных фракций), льда (гидратов).

Полученные результаты исследований позволили разработать алгоритм измерения точек росы по влаге и углеводородам, который реализован в системе непрерывного контроля точек росы природного газа по влаге и углеводородам, построенной на основе лазерного интерференционного ИИП.

4. Результаты лабораторных и промышленных испытаний лазерного интерференционного ИИП в составе Анализатора «КОНГ-Прима-Ю»

В предыдущих главах были рассмотрены основные принципы, положенные в основу нового способа измерения точек росы, его техническая реализация в виде лазерного интерференционного ИИП и алгоритма измерений, а также результаты экспериментальных исследований.

Следующий этап исследований - проведение всесторонних испытаний лазерного ИИИ в составе промышленной системы непрерывного автоматического контроля точек росы по влаге и углеводородам. Цель этих исследований - подтверждение метрологических характеристик и преимуществ разработанного способа по сравнению с существующими системами измерения, а также проверка работоспособности конструкции и алгоритмов измерения в различных условиях эксплуатации.

Далее изложены основные результаты испытаний лазерного интерференционного ИИП в составе Анализатора КОНГ-Прима-10.

4.1.Результаты лабораторных испытаний лазерного интерференционного

ИИП

Все проведенные лабораторные испытания лазерного интерференционного ИИП можно разделить на три основные группы.

1. Проведение метрологических испытаний в исследовательской лаборатории ВС НИИФТРИ г. Иркутск с использованием генератора влажного газа «Родник».

2. Проведение метрологических испытаний с использованием разработанного поверочного комплекса «КОНГ» и рабочего эталона нулевого разряда «КОНГ-Эталон».

3. Проведение лабораторных исследований в различных испытательских лабораториях России и Европы, максимально моделирующих реальные промышленные условия.

Полный перечень проведенных лабораторных экспериментов по тестированию Анализатора дан в табл. 4.1. Ниже приведен анализ основных испытаний, представляющих научно-методический интерес применительно к оценке показателей качества природного газа (в том числе, - и содержащего технологические примеси).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных исследований по разработке нового преобразователя информации для информационно-измерительных систем непрерывного контроля точек росы газа конденсационным методом можно сделать следующие выводы.

1. Предложен новый способ измерения точки росы по влаге и углеводородам независимо от их взаимного расположения конденсационным методом, использующий эффект Брюстера поляризации света при отражении от диэлектрических материалов.

2. Разработана конструкция лазерного информационно-измерительного преобразователя информации и проведены экспериментальные исследования реакции преобразователя на конденсацию флюидов с различными физико-химическими свойствами.

3. Разработан алгоритм одновременного измерения температур точки росы по влаге и углеводородам, основанный на анализе поведения информационных сигналов по трем измерительным каналам при наличии на конденсационном зеркале пленки флюида контролируемой толщины.

4. Проведены лабораторные и промышленные испытания лазерного интерференционного ИИП и разработанного алгоритма измерения в составе информационно-измерительной системы автоматического непрерывного контроля точки росы по влаге и углеводородам. Результаты испытаний подтвердили, что разработанное техническое решение позволяет обеспечить высокую точность измерения точки росы, повысить чувствительность к конденсации углеводородов и стабильность измерений, а также улучшить эксплуатационные характеристики (по надежности и техническому обслуживанию).

5. Информационно-измерительная система непрерывного контроля качества газа по температуре точки росы с лазерным интерференционным ИИП внедрена в эксплуатацию на объектах нефтегазовой отрасли России.

1. О ходе работ по обеспечению качества добываемого, транспортируемого и поставляемого потребителям, в том числе на экспорт, природного газа / Материалы НТС РАО «Газпром». : сб. - М.: «ИРЦ Газпром», 1998. -176 с.

2. Шайхутдинов А. 3. Направления развития системы обеспечения качества газа, поставляемого потребителям, в том числе на экспорт, природного газа / А.

3. Шайхутдинов // О ходе работ по обеспечению качества добываемого, транспортируемого и поставляемого потребителям, в том числе на экспорт, природного газа.: сб. М.: «ИРЦ Газпром», 1998. - С. 3-24.

4. Матвеев А. Н. Оптика : учеб. пособие для физ. спец. Вузов / А. Н. Матвеев. М.: Высш. шк., 1985. - 351 с. - ISBN

5. ОСТ 51.40 93 «Газ горючий, природный, подаваемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия»

6. ГОСТ 5542-87 «Физико-химические показатели природных горючих газов промышленного и коммунально-бытового назначения»

7. ГОСТ 27577-2000 Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия

8. Бекиров Т. М. Основные положения отраслевого стандарта / Т. М. Бекиров // Газовая промышленность. 1994. - №7. - С. 24-26.

9. Смирнов А. Н. Методы и средства измерения влажности газов и воздуха /

10. A. Н. Смирнов, JI. В. Шиманская.- М.:, ВНИИЭ Газпром, 1973. 32 с. - ISBN

11. Рогожинский Д. JI. Конверсия и новые возможности измерения влажности в трубопроводах / Д. J1. Рогожинский., Ю. А. Малоземов, Ю. А. Михайлин, И. Н. Москалев // Газовая промышленность. 1991. - №10. - С. 1617.

12. Зайцев В. А. Влажность воздуха и ее измерение / В. А. Зайцев, А. А. Ледохович, Г. Т. Никандрова.- Л.: Недра, 1974. 112 с. - ISBN

13. Берлинер М.А. Измерение влажности / М. А. Берлинер. М.: Энергия, 1973,487 с.-ISBN

14. Ткаченко М. Ф. Приборы для определения качества подготовки газа / М. Ф. Ткаченко, В. П. Плехотин, А. А. Бондаревский // Измерительная техника. -1982.-№10.-С. 69-70.

15. Плотников В. В. Контроль состава и качества природного газа / В.

16. B.Плотников, В.А. Подрешетников. Л.: Недра, 1983. - 345 с. - ISBN

17. Мухитдинов В. С. Оптические методы и устройства контроля влажности / В. С. Мухитдинов, Э. С. Мусаев. М.: Энергоатомиздат, 1986 - 96 с. - ISBN

18. Schmidt Т. Natural Gas Treatment: Simultaneous Water and Hydrocarbon-Dew Point Control/ T. Schmidt., D. Rennemann, T. Shulz // Wissenschaft&Technic. -1993. Bd. 46, Heft 10. - S. 366-374.

19. Истомин В. А. Проблема обеспечения показателей качества природного газа и равновесия углеводородных систем с водными фазами / В. А. Истомин. -М.: ИРЦ Газпром, 1999. 68 с. - ISBN

20. Халиф А.Л. Приборы для определения влажности газа / А.Л.Халиф, Е.И.Туревский, Сайкин В.В., Сахаров В.Е., Бахметьев П.И // Подготовка, переработка и использование газа : сб.- М.: ИРЦ Газпром, 1995. 45 с.

21. Соков И. А. Метрологическое обеспечение гигрометрии / И. А. Соков -М.: Госстандарт СССР, 1987. 56 с. - ISBN

22. ГОСТ 20060-83 «Газы горючие природные. Методы определения содержания водяных паров и точки росы влаги».

23. ГОСТ 20061-84 «Газы горючие природные. Метод определения температуры точки росы углеводородов».

24. Деревягин А. М. Анализатор точки росы по влаге и углеводородам «КОНГ-Прима-4» / А. М. Деревягин, С. В. Селезнёв, А. Р. Степанов // Наука и техника в газовой промышленности. 2002. - №1. - С. 15-22.

25. Результаты промышленных испытаний Анализатора точки росы по влаге и углеводородам «КОНГ-Прима-4» / А. М. Деревягин, С. В. Селезнёв, А. Р. Степанов, А. Г.Агальцов // Наука и техника в газовой промышленности. -2002. № 2. - С. 57-60.

26. Анализаторы точек росы углеводородных газов по влаге и углеводородам/ А. М. Деревягин, С. В. Селезнев, А. Г. Агальцов, В. А. Истомин // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. -2004.-№3.-С. 6-12.

27. Будзуляк Б. В. Конденсационный гигрометр «КОНГ-Прима-2»/ Б. В. Будзуляк, А. М. Деревягин, С. В. Селезнев // Газовая промышленность 1999. -№ 7. С. 57-59.

28. Метрологическое обеспечение влажности природного газа / В. И. Мурин, Г. С. Клишин, П. И. Бахметьев, С. Ф. Перетрухин, А. С. Парасына // Подготовка и переработка газа и газового конденсата: Обз. информ. М. : ИРЦ Газпром, 1998.-24 с.

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

30. Селезнев С. В. Анализ методов и средств измерения влажности и точек росы природного газа/ С.В.Селезнев // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений : научно-технический сб. 2005. - №2. - С. 10-22.

31. Селезнев С.В. Разработка информационно-измерительной системы для оперативного контроля влажности природного газа : автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук : 05.11.16 / Селезнев Сергей Викторович. Саратов, 2006. - 26 с.

32. Яворский Б. М. Справочник по физике / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф ; 2-е изд., перераб. М.: Наука. Гл. редакция физико-математической литературы, 1985. - 512 с. - ISBN

33. Физическая оптика: Учебник для учащихся высших и средних специальных учебных заведений /Н. П. Гвоздева, В. И. Кульянова, Т. М. Леушина ; 2-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1991 - 304с. - ISBN 5-217-01264-1.

34. Патент PCT/RU2004/000197. Российская Федерация. МПК7 G01N 21/21, 25/66, 21/81. Способ измерения точки росы и устройство для его осуществления / Деревягин А. М., номер международной публикации. WO 2004/106898 А1.

35. Нагибина И. М. Интерференция и дифракция света / И. М. Нагибина. Л. : Машиностроение, 1985. - 336 с. - ISBN

36. Таблицы физических величин. Справочник / под ред. акад. И. К. Кикоина. М., Атомиздат, 1976. 1008 с. - ISBN

37. Енохович А. С. Справочник по физике / А. С.Енохович. М. : Просвещение, 1978. - 415 с. - ISBN

38. Поверочный комплекс КОНГ /С. В. Селезнёв, А. М. Деревягин, А. Г. Агальцов, А. Р. Степанов, Р. Н. Ефимов, Ю. В. Михайлов, В. А. Губанов, В. А. Истомин // Наука и техника в газовой промышленности. 2003. - № 1. -С. 43-50.

39. Оптика / Г. С.Ландсберг. М.: Наука, 1976. - 928 с. - ISBN

40. Бухгалтер Э. Б. Метанол и его использование в газовой промышленности / Э. Б.Бухгалтер. М.: Недра, 1986. - 238 с.

41. Поверочный комплекс «КОНГ». Паспорт техническое описание и инструкция по эксплуатации КРАУ2.891.001 ПС.

42. Паспорт рабочего эталона нулевого разряда единицы температуры точки росы при давлении до 10 МПа «КОНГ-Эталон», утвержден приказом ФГУП ВС ВНИИФТРИ (г.Иркутск) №21 от 27.05.2004г., зарегистрирован во ВНИИМС, регистрационный №ВЭТ158-1 -2004.

43. Экспериментальный стенд для исследования точности измерений точек росы природного газа по водной фазе и тяжелым углеводородам / А. М.

44. Деревягин, А. Р. Степанов, С. В. Селезнев, А. Г. Агальцов, Ю. В. Михайлов // Газификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа: сб. М. : ООО «ИРЦ Газпром». - 2004. -№1.-С. 14-24.