Вычисление точки росы по влаге

Как уже было отмечено, точка росы по углеводородам определяется как температура начала конденсации при снижении фотосигнала до 95…97%.

Температура точки росы по влаге определяется путем математической обработки кривой испарения, так как она более однозначно характеризует процесс испарения воды.

В условиях ранее конденсирующихся углеводородов характер кривой конденсации зависит не только от наличия на конденсационном зеркале плёнки углеводородов, но и от компонентного состава этой плёнки. Фактически процесс конденсации характеризует темпы образования центров конденсации влаги на оптоволоконном изгибе зеркала, которые разрушают плёнку, образованную при конденсации углеводородов, и обеспечивают «прорыв» конденсирующихся молекул воды и вытеснение плёнки углеводородов на края конденсационного зеркала.

После проведения измерительного цикла в соответствии с вышеизложенными требованиями (охлаждение конденсационного зеркала со скоростью 1°С/с до снижения уровня фотосигнала более чем на 50% и последующий нагрев зеркала с той же скоростью) проводится математическая обработка кривой испарения полученного измерительного трека.

1. Конденсация влаги до углеводородов.

Анализ кривой испарения проводится в три этапа. На рисунке 12 поясняется предложенный метод анализа кривой испарения.

На первом этапе определяется температура конденсации Tk₀ измеренная при пересечении кривой конденсации уровня Uk₀ и ряд температур испарения Ti (Ti₁…Ti_n) измеренных при пересечении кривой испарения уровней Ui (Ui₁…Ui_n) с шагом дискретизации ΔU, причём Ui₁ = Uk₀ + ΔU; Ui_(j+1)=Ui_(j)+ ΔU; j=1,2…n

Уровень Uk₀ соответствует 50 % -ному снижению уровня фотосигнала. Этот уровень обосновывается тем, что плёнка углеводородов ни при каких случаях не может обеспечить снижение фотосигнала более чем на 50 %.

Рисунок 12. - Анализ кривой испарения на чистых газах

Уровень дискретизации ΔU выбран равным 0,5 % от максимального уровня фотосигнала. Такое значение ΔU, как показали практические испытания, может гарантировать отсутствие ложных срабатываний при определении температуры испарения из-за шумов фотосигнала, составляющих 0,1 % от максимального уровня.

На втором этапе вычисляется множество температур точек росы (Tr₁…Tr_n) по формуле:

(4)

где Tk₀ - температура конденсации, измеренная при пересечении кривой конденсации уровня Uk₀;

Ti_{j =} Ti (Ui_j) - температуры испарения, измеренные при пересечении кривой испарения уровней Ui₁…Ui_n;

n - количество шагов дискретизации;

Tr _j- вычисленная точка росы на j-ом шаге дискретизации.

Затем по вычисленным значениям температур точек росы (Tr₁…Tr_n) строится кривая как функция изменения температуры от уровня фотосигнала Tr(Ui) (кривая 6 на рисунке 13). Физически эта кривая представляет собой ряд вычисленных точек росы с общей температурой конденсации и разными температурами испарения, измеренными на различных толщинах плёнки конденсата.

Далее определяется верхняя граница кривой 6, после которой, измеренная на соответствующем уровне фотосигнала Ui_j, температура Ti_j уже не характеризует процесс испарения влаги. Т.е. границу перехода влаги в газообразное состояние или начала испарения углеводородов в случае их наличия. Эта процедура производится на третьем этапе.

На третьем этапе вычисляется множество приращений температур точек росы (Δ Tr₁… Δ Tr_n-1) при шаге дискретизации Δ U по формуле:

(5)

Затем по вычисленным значениям температур приращения (Δ Tr₁… Δ Tr_n-1) строится кривая 7 как функция изменения приращения температуры от уровня фотосигнала Δ Tr (U_i) (см. рис. 13). Физически эта кривая соответствует разнице между измеренными точками росы на разных толщинах плёнки воды, соответствующих шагу дискретизации. По сути, кривая 7 отражает изменение градиента температуры между поверхностью зеркала и поверхностью слоя влаги определённой толщины. Отсюда следует, что ΔTr(Ui) определятся фактически величиной градиента температур между слоями влаги соответствующим уровням фотосигнала Ui_j+1 и Ui_j.

Рисунок 13. - Результаты математической обработки кривой испарения на чистых газах

Таким образом, если определить градиент температур некой константой С, то участок кривой 7 от первой вычисленной точки, величина которой удовлетворяет условию (6), до точки когда это условие не выполняется соответствуют изменению температуры точки росы по влаге.

(6)

Участок кривой 7 после первого не выполнения условия (6) в данном случае соответствует переходу воды из жидкого в газообразное состояние, и характеризуют дрейф оптического узла датчика. Тут следует отметить, что акцент на первое не выполнение условия (5) сделан потому, что при наличии в газе ранее конденсирующихся углеводородов этот участок может удовлетворять условию (6). Этот случай будет разобран ниже.

Таким образом, верхняя граница обсчёта кривой 6 ограничивается уровнем фотосигнала U=Uf, который соответствует пересечению кривой 7 с линией образованной константой С (см. рис. 13). Константа С определяется заданной погрешностью измерения точки росы и равна 1°С

В результате проведённого анализа и обработки кривой испарения было получено множество температур точки росы в зависимости от толщины слоя влаги и определена граница достоверности вычисленных температур. Учитывая, что все вычисленные точки росы характеризуют равновесное состояние влаги на конденсационном зеркале датчика, то температура точки росы анализируемого измерительного цикла вычисляется как:

, (7)

где m - количество вычисленных температур точек росы до первого не выполнения условия (6).

2. Конденсация влаги в присутствии ранее конденсируемых углеводородов.

Рассмотрим два характерных измерительных цикла изображённых на рисунках 8 и 9, характеризующих процесс конденсации влаги в присутствии тяжелых углеводородов, конденсирующихся до воды. Выбор данных измерительных циклов обусловлен тем, что точка росы по влаге в исследуемых газах одинакова (примерно минус 18°С), а качественный состав углеводородов - разный. Кроме того, в исследуемых газах присутствовали технологические примеси (гликоли, метанол, механические примеси), которые существенно усложняют измерение точки росы по влаге преобразователями, реализующими конденсационный метод.

В первом случае, условия измерения точки росы по влаге и качественный состав углеводородов типичны для газа из подземного хранилища или газовых (газоконденсатных) месторождений.

Трек и его математическая обработка представлена на рисунке 14. Из рисунка видно, что процесс испарения существенно отличается от предыдущего случая, когда мы рассматривали чистые газы. На это раз кривая испарения имеет неидеальную форму. В результате после математической обработки по выше приведённой методике получаем кривую 6, имеющую два пологих участка, характеризующих испарение различных компонент.

При этом кривая 7 имеет характерный пик, который пересекает линию, заданную константой С. Пересечение кривой 7 линии заданной константой С, определяет верхнюю границу обсчёта температур точек росы по влаге. Участок кривой 6 после пика характеризует процесс испарения углеводородов. В результате обработки было получено:

· достоверный участок обсчета кривой 6 (по влаге): U = 52…72%;

· вычисленная температура точки росы по влаге:Tr = минус 18,16°С.

Рассмотрим теперь результаты математической обработки измерительного трека представленного на рисунке 9. В этом случае условия измерения точки росы по влаге характерны для газов валанжинских месторождений, попутных газов с нефтегазовых месторождений, где для подготовки газа используются установки низкотемпературной сепарации (НТС).

Математическая обработка трека представлена на рисунке 15. Как видно из рисунка, процесс конденсации и испарения здесь сильно различаются. Однако кривая испарения по своему характеру совпадает с кривой испарения в чистых газах. Поэтому и результаты математической обработки в этом случае имеют схожий вид. Чётко видно, что динамика изменения кривых 7 и 6 в конце процесса испарения носит плавный характер, а также отсутствуют пики на кривой 7. Однако верхняя граница обсчёта температур точек росы по влаге здесь определена раньше, что обусловлено процессом испарения углеводородов. В результате математической обработки измерительного цикла получено:

· достоверный участок обсчета кривой 6 (по влаге): U = 52 … 80%;

· вычисленная температура точки росы по влаге: Tr = минус 18,19 °C.

Дата добавления: 2014-01-07