HYDROCARBON DEWPOINT MEASUREMENT IN NATURAL GAS

Измерение точки росы по углеводородам в природном газе

 

Introduction

Введение

 

With the ever expanding gas market and with the connection between Europe and the UK, gas quality has probably never achieved a higher profile.

В свете расширяющегося рынка сбыта газа и связей между Европой и Великобританией качество газа приобрело невиданное доселе значение.

Variation in specifications and contractual requirements, between UK gas markets and Europe, have generated a need to revisit certain measurement techniques and philosophy.

Отличия в технических характеристиках и  контрактных требованиях между газовыми рынками Великобритании и Европы обусловили необходимость пересмотра некоторых методик измерения и их философии.

This paper will describe how these issues with respect to hydrocarbon dewpoint have been addressed and resolved by Interconnector (UK) with regards to achieving a robust and repeatable measurement.

В этой статье будет описано, каким образом подходит фирма "Интерконнектор" (Великобритания) к решению этих вопросов в том, что касается надёжного и воспроизводимого метода определения точки росы по углеводородам.

Interconnector (UK) Company Profile

Описание компании "Интерконнектор" (Великобритания)

 

Interconnector UK is a company operating and managing a 40-inch / 150 bar maximum pressure pipeline linking Bacton on the North Norfolk coast with Zeebrugge on the Belgium coast.

«Интерконнектор-Великобритания» (IUK) является оператором и менеджером 40-дюймового трубопровода, работающего при максимальном давлении 150 бар, соединяющего Бактон на побережье Северного Норфолка с Зеебрюгге на бельгийском побережье.

The pipeline is designed for gas to flow in either direction, with 4 General Electric LM2500+ gas turbines providing a compression facility being located at the Bacton site.

Трубопровод устроен так, что газ может передаваться в любом направлении; компрессорная станция находится в Бактоне и оборудована четырьмя газовыми турбинами "Дженерал Электрик LM2500+".

Maximum flow from Bacton to Zeebrugge is currently specified as 20 Billion Cubic Metres per year with an 8.5 Billion Cubic Metres per year maximum flow available from Zeebrugge to Bacton.

Проектный максимальный поток из Бактона в Зеебрюгге сейчас составляет 20 млрд. куб. метров в год, а из Зеебрюгге в Бактон -- 8,5 млрд. куб. метров в год.

   

First gas flowed from Bacton to Belgium Interconnector Zeebrugge Terminal (IZT) on the 1st October 1998 with a requirement to contractually meet and satisfy a range of gas quality specifications and operating conditions.

Первый газ был подан из Бактона на бельгийский терминал "Интерконнетора" в Зеебрюгге 1 октября 1998 г., с оговоренным в контракте условием, что он должен удовлетворять ряду показателей качества газа, а также техническим условиям эксплуатации.

The limit for Hydrocarbon Dewpoint at this time and still remaining is to be not higher than –2 degrees Celsius for any pressure between 1 barg. to 69 barg.

Предел точки росы по углеводородам с того момента и по сию пору должен быть не выше, чем -2 град. Цельсия для любого давления от 1 бар изб. до 69 бар изб.

At first gas IUK Hydrocarbon Dewpoint was determined primarily by gas chromatography supported by inferred measurement derived from periodic manual readings of all Bacton incoming gases.

Поначалу точка росы по углеводородам определялась в основном с помощью газовой хроматографии, дополненной косвенными измерениями на основе периодически снимаемых вручную показаний всех поступающих в Бактон газов.

These values were obtained from chilled mirror dewscopes (note at this time and for the first three years of operation the IUK plant at Bacton was operated and maintained by Transco, who had available a full overview of gas quality measurement).

Эти показатели измерялись с помощью гигрометров с охлаждаемым зеркалом (следует упомянуть, что в то время и на протяжении первых трёх лет работы станция IUK в Бактоне управлялась компанией "Транско", которая имела доступ ко всему спектру показателей качества газа).

Contrastingly, Interconnector Zeebrugge Terminal (IZT) had no permanent Hydrocarbon Dewpoint monitoring facility.

В отличие от этого, терминал "Интеконнектора" в Зеебрюгге (IZT) не имел постоянной установки мониторинга точки росы по углеводородам.

Whereas, Interconnector Zeebrugge Terminal Distrigas (IZTD), the Belgium gas transfer point, employed the manual chilled mirror dewscope supported by the Gravimetric ISO6570 method (physical separation and quantative measurement of liquid) as and when required during this period.

В то же самое время, терминал "Интерконнектор Дистригаз" в Зеебрюгге (IZTD), который является точкой приёма газа в Бельгии, применял, в случае необходимости, неавтоматический гигрометр с охлаждаемым зеркалом, использующий гравиметрический метод ISO6570 (физическая сепарация и количественное измерение жидкости).

Facility Description

Описание станции

Bacton Area Schematic

Схема площадки в Бактоне

Significant discrepancies in measurement often occurred between Interconnector Bacton (IBT) and Interconnector Zeebrugge Terminal Distrigas (IZTD) potentially threatening gas flows and giving rise to possible measurement disputes

Часто имели место значительные расхождения в показаниях приборов между "Интерконнектор-Бактон" (IBT) и терминалом "Интерконнектор Зеебрюгге Дистригаз" (IZTD), что представляло потенциальную угрозу для определения расхода газа и давало повод для возможных споров о достоверности измерений.

As more non-standalone gases (with respect to the Interconnector (IUK) operation agreement) were imported to Bacton further possible non-compliance had to be considered.

Поскольку на станцию Бактон поступало всё больше нестандартных потоков газа (по определению рабочего соглашения "Интерконнектор-Великобритания"), следовало также учесть возможность нарушения условий эксплуатации.

Areas Of Investigation

Области исследования

In an attempt to resolve these issues, and provide confidence of measurement at both ends of the pipeline, operators needed to develop and agree a more consistent and appropriate measurement philosophy.

Для того, чтобы разрешить эти проблемы и обеспечить достоверность измерений на обоих концах трубопровода, операторам требовалось разработать и принять более систематическую и эффективную методику измерений.

To this end Interconnector (IUK) initiated an investigation of all aspects associated with the measurement of Hydrocarbon Dewpoint with particular emphasis on the following:

С этой целью "Интерконнектор-Великобритания" приступил к изучению всех аспектов, связанных с измерением точки росы по углеводородам, делая особый акцент на следующем:

(a) Sample points

(a)        Пробоотборные точки

(b) Sampling / Pressure letdown systems

(b)        Редуктор отбора пробы

(c) Filtration

(c)        Фильтрация

(d) Analytical methods

(d)        Аналитические методы

(e) Uncertainty of measurement

(e)        Погрешность измерения

(f) Developing a harmonised measurement philosophy

(f)         Развитие согласованной методики измерений

(g) Repeatability

(g)        Воспроизводимость

(h) Selection of analysers

(h)        Подбор приборов-анализаторов

Insertion Probe Sample Point

Погружной пробоотборник на точке

Double Block & Bleed Manifold With Sample Probe & Trace Heated Sample Pipework

Двойной многоходовой кран для блокирования/сброса

Погружной пробоотборник и обогреваемые пробоотборные трубки

(a) Sample points

(a)        Пробоотборные точки

To be consistent with current standards ‘insertion’ style sample points have been adopted for all points of measurement at both Interconnector (IUK) Bacton and Interconnector Zeebrugge Terminal (IZT).

Для соответствия современным стандартам все пробоотборные точки были приспособлены под погружные пробоотборники как в Бактоне, так и на терминале в Зеебрюгге.

Sampling in the top third of the gas flow at an insertion depth of between 30mm and 50mm.

Отбор газа из верхней трети газового потока при глубине погружения 30 мм и 50 мм.

SAMPLE PRESSURE LET-DOWN

Редуцирование газа при отборе пробы

First Stage Pressure Letdown

Редуктор первой ступени

Analyser with Dedicated Pressure Letdown

Анализатор с выделенным редуктором

(b) Sampling pressure letdown system

(b)        Редуктор отбора пробы

At all locations pressure letdown has been carried out to include appropriate trace heating to prevent the Joule Thompson effect influencing measurement.

На всех точках редукторы были оборудованы обогревом, чтобы предотвратить эффект Джоуля-Томпсона, влияющий на точность измерений.

Also, where necessary a multi-stage letdown system has been utilised.

Кроме того, при необходимости применялась многоступенчатая система редуцирования давления.

(c) Filtration

(c)        Фильтрация

Automatic chilled mirror systems are fitted with coalescing filters.

Автоматические системы с охлаждаемым зеркалом комплектуются коалесцирующими фильтрами.

Where field located chromatographs are used membrane filters are fitted to provide complete protection to the chromatograph columns.

В случае использования поточных хроматографов применяются мембранные фильтры, обеспечивающие полную защиту хроматографических колонок.

(d) Analytical methods

(d)        Аналитические методы

The methods of sampling and testing have been based around well-established and proven procedures.

Методы отбора проб и тестирования основываются на тщательно разработанных и хорошо зарекомендовавших себя методиках.

These were initially developed by British Gas and are now supported with appropriate adherence and compliance to manufacturers operating parameters.

Изначально они были разработаны компанией "Бритиш Газ", и в настоящее время поддерживаются надлежащими стандартами и требованиями соответствия рабочим параметрам производителей.

Through training and agreement both Belgium Interconnector Zeebrugge Terminal (IZT) and Interconnector (IUK) Bacton Terminal operators are now adopting a common approach.

Операторы бельгийского терминала "Интерконнектора" в Зеебрюгге и терминала в Бактоне сейчас разрабатывают совместный подход к этой проблеме, проводя тренинги и заключая соглашения.

The measurement pressure ‘deemed’ to create the worst case for present gas compositions, as extracted from a typical retrograde condensation curve, is 400psig (27.6 barg.)

Давление, при котором производятся измерения и которое считается "наихудшим случаем" для нынешнего состава газа, рассчитано по кривой ретроградной конденсации, и равно 400 psig (27,6 бар изб.)

It is recognised that worst case dewpoint temperature may occur at a different pressure for varying gas compositions.

Мы понимаем, что "наихудшее значение давления" для температуры точки росы может меняться в зависимости от состава газа.

Although to date limited evidence is available there is no reason to expect any significant variation to Hydrocarbon Dewpoint worst case (highest temperature) for Bacton gases with respect to variation in pressure.

Хотя на настоящее время у нас ещё нет достаточных данных, мы не ожидаем резких изменений в показателе "наихудшего значения давления" для точки росы по углеводородам (её наивысшей температуры) для газов в Бактоне.

Specific measurements observed have not shown a deviation from the cricondentherm point of more than plus or minus half-degree Celsius.

Конкретные измерения, проводившиеся до сего дня, не показали значительных отклонений от критической точки; эти отклонения находятся в пределах ±0,5ºС.

Monitoring of this feature is ongoing, being supported by observation of the Hydrocarbon Dewpoint retrograde curve, as created from chromatographic analysis of gases with differing compositions.

Мониторинг этого показателя идёт постоянно с учётом кривой ретроградной конденсации углеводородов, полученной на основе хроматографических анализов газов различного состава.

Equally, retrograde curves have been generated manually from automatic chilled mirror instruments by utilising data captured, whilst maintaining a constant liquid to gas ratio, and varying the pressure.

Подобным же образом были получены кривые ретроградной конденсации на основе собранных вручную данных автоматических приборов с охлаждаемым зеркалом, в условиях постоянного соотношения "жидкость-газ" и различных давлениях.

(e) Uncertainty of measurement

(e)        Погрешность измерения

With training of operatives, and compliance with agreed procedures, manual Hydrocarbon Dewpoint should be reported for the same gas within plus or minus one degree Celsius of one another’s readings.

Квалифицированные операторы, при условии соответствия процесса принятым процедурам, должны добиваться точности измерения точки росы по углеводородам в пределах ±1ºС.

Equally, realistic performance of automatic chilled mirror devices should be targeted to operate within a similar tolerance.

Подобным же образом, реалистичным будет ожидать от автоматических приборов с охлаждаемым зеркалом такой же точности.

(f) Developing a harmonised measurement philosophy

(f)         Развитие согласованной методики измерений

Adoption of common procedures coupled with regular training should ensure consistent standards are achieved and sustained.

Принятие общих методик, наряду с регулярными тренингами, должно обеспечить постоянное соответствие принятым стандартам.

(g) Repeatability

(g)        Воспроизводимость

If integrity of measurement is to be maintained measurement cycles need to demonstrate a consistency of reporting.

Для того, чтобы быть уверенным в достоверности измерений, необходимо, чтобы циклы измерений демонстрировали близкие результаты.

This would be confirmed by comparison of alternative measuring techniques.

Проверить это можно сравнением альтернативных методик измерения.

(h) Selection of Analysers

(h)        Подбор приборов-анализаторов

Chromatographs capable of analysis to C12 were field mounted and operated from Day 1.

Хроматографы, способные анализировать углеводороды до C12, были смонтированы и запущены с самого первого дня работы.

Concern over subsequent analysis and calculation of hydrocarbon dewpoint with the need for arithmetical correction factors placed question marks on reported values.

Обеспокоенность точностью последующих анализов и расчётом точки росы по углеводородам с необходимостью последующей арифметической коррекции заставили усомниться в полученных данных.

With fallback measurement still being referred to the manual chilled mirror, and the Belgium gas suppliers using the automatic chilled mirror technique, Interconnector (IUK) decided to adopt a similar protocol for the preferred instrument, subject to completing an extensive and exhaustive evaluation.

Поскольку контрольные измерения по-прежнему производились на неавтоматическом приборе с охлаждаемым зеркалом, а бельгийский поставщики газа использовали автоматический прибор с охлаждаемым зеркалом, "Интерконнектор-Великобритания" решил принять ту же методику для основного прибора, с условием, что затем будет проведена длительная и исчерпывающая его проверка.

Following improvements in all the previously mentioned areas, performance of the automatic chilled mirror measuring instrument was still not supported as required by chromatographic measurement or manual chilled mirror readings.

Несмотря на улучшения во всех вышеупомянутых областях, показания автоматического прибора с охлаждаемым зеркалом всё равно не совпадали с хроматографическими измерениями и показаниями неавтоматического прибора с охлаждаемым зеркалом.

In an attempt to resolve these discrepancies a comprehensive research and development programme was initiated by Interconnector UK, involving Advantica, and manufacture resources.

С целью устранить все эти расхождения, была запущена обширная программа исследований и модернизации, проводимая IUK совместно с "Адвантика" и представителями производителей.

Early operation of the automatic chilled mirror measurement technique at Bacton exhibited drift, tending to report higher hydrocarbon dewpoint temperatures at a rate of approximately 1o Celsius per day, as compared with Hydrocarbon Dewpoint derived from gas chromatographs and manual chilled mirror analysers.

Поначалу автоматический прибор с охлаждаемым зеркалом, установленный в Бактоне, демонстрировал дрейф, увеличивая свои показания по точке росы по углеводородам со скоростью примерно 1o C в день. Контроль проводился по газовым хроматографам и неавтоматическим анализаторам с охлаждаемым зеркалом.

This phenomenon was found to occur on two completely independent automatic chilled mirror units.

Оказалось, что такой феномен наблюдается на двух совершенно независимых автоматических приборах с охлаждаемым зеркалом.

Equipment Failings

Отказы оборудования

Subsequent extensive investigative work identified this problem to be related to two major factors:

Последовавшая за этим обширная исследовательская работа показала, что эта проблема обязана двум главным факторам:

(1) Manufacture of mirror assemblies not exhibiting repeatable qualities when exposed to field conditions, contrary to laboratory results obtained when the same mirror assemblies where exposed to single component gases (typically butane in nitrogen).

(1)        Изготовление зеркального узла с отклонениями, выявившимися только в рабочих условиях, поскольку лабораторные испытания проводились с однокомпонентными газами (обычно бутан в азоте).

(2) Condensed Hydrocarbon components not being removed from the mirror assembly during the recovery cycle.

(2)        Углеводородный конденсат не удалялся с зеркала во время регенерации.

To resolve item (1) (manufacture of mirror assembly) the manufacturing process was re-visited, ensuring production techniques and tolerances were strictly adhered to and a more demanding quality assurance process implemented.

Проблема (1) (изготовление зеркального узла) была решена за счёт обеспечения более строгого соответствия технологии изготовления необходимым требованиям и более тщательной проверки качества.

This would ensure a supply of replicated mirror assembles would be available with repeatable performance when exposed to field applications.

Таким образом, был подготовлен набор идентичных зеркальных узлов, обеспечивающих воспроизводимость в рабочих условиях.

To resolve item (2) (removal of condensed components during recovery cycle) this was to prove to be significantly more difficult to rectify, although a clean mirror could be manually achieved by using an appropriate solvent, typically Acetone.

Проблема (2) (удаление конденсата во время цикла регенерации) оказалась значительно труднее, хотя зеркало всегда можно было почистить вручную, используя подходящий растворитель — как правило, ацетон.

However, the need to carry out this cleaning activity on a regular, possibly daily frequency, would not be acceptable.

Однако необходимость такой чистки на регулярной основе, желательно ежедневно, оказалась неприемлемой.

Active Heating

Активное нагревание

Further field experiments indicated the impact of applying additional heat between measuring cycles was the best way forward.

Дальнейшие эксперименты показали, что наилучшим выходом является применение подогретого воздуха между измерительными циклами.

To this end, and in conjunction with the manufacturer, an active heating cycle was designed, constructed and installed.

C этой целью в сотрудничестве с производителем был разработан и реализован цикл активного нагревания.

The design involved routing pre-heated instrument air, derived from a suitably certified electrically heated labyrinth, and flow this across the underside of the mirror surface whilst still maintaining the purge flow of natural gas directly across the mirror.

Устройство включало отвод предварительно подогретого служебного воздуха, пропускаемого через должным образом сертифицированный электрический теплообменник, и пропускание его под поверхностью зеркала, при поддержании прежнего потока природного газа непосредственно над зеркалом.

This enabled a higher temperature, increasing from the original 25oCelsius to a revised 35-40o Celsius, to be achieved far more rapidly, and hence be sustained at this level for 80 to 90% of the recovery cycle.

Это позволило повысить температуру от первоначальных 25o Цельсия до 35-40o Цельсия, причём эта температура достигалась быстрее, и, следовательно, могла поддерживаться на этом уровне в течение 80-90% цикла регенерации.

This modification, coupled with mirror assembly improvements, prevented drift, and provided results within plus or minus 1degree Celsius from two independent instruments, when exposed to the same gas.

Такая модификация, вкупе с улучшением конструкции зеркального узла, позволила избавиться от дрейфа и обеспечила расхождение между двумя независимыми приборами плюс-минус 1 град. Цельсия на одном и том же газе.

Further comparisons with alternative measurement techniques (manual readings and field mounted chromatographs) were also supportive.

Дополнительная проверка производилась сравнением с альтернативными измерительными методиками (неавтоматические приборы и поточные хроматографы).

Evaluation

Оценка

The performance post these modifications was extensively monitored using the Bacton site SCADA trend package.

Эффективность работы после всех этих модификаций отслеживалась на протяжении долгого времени с использованием применяемой в Бактоне программы отслеживания тенденций SCADA.

Graphs created showed excellent correlation from two independent systems whilst monitored over a three month period.

Графики показали замечательную корреляцию между двумя независимыми системами на протяжении трёх месяцев.

Readings were better than plus or minus 1/2 degree Celsius from one another when exposed to the same gas.

Разброс значений на одном и том же газе составлял не более 0,5ºС.

However, should plant upsets be experienced, namely exposure to excessive amounts of liquid (condensate derivatives), instrument robustness has to be questioned.

Однако, если происходят резкие изменения режима, а именно, поступает чрезмерное количество жидкости (конденсата), эффективность прибора может быть поставлена под сомнение.

It is recognised this is a rare and unusual occurrence but evidence to date has raised questions with respect to analyser filtration.

Мы понимаем, что такие случаи редки, однако собранные к настоящему моменту данные заставляют усомниться в работе фильтров анализатора.

Concerns have been expressed with regards to membrane filters removing and flushing some of the heavy end hydrocarbons and subsequently not always providing a true and representative sample to the analyser.

Были выражены сомнения касательно мембранных фильтров, удаляющих ряд тяжёлых углеводородов и, как следствие, искажающих состав пробы, поступающей в анализатор.

Equally, coalescesing filters do not always seem to provide a barrier to hydrocarbon liquids under selective conditions allowing downstream contamination of sample pipework.

Подобным же образом, коалесцирующие фильтры не всегда отсекают жидкие углеводороды, которые, вследствие этого, загрязняют защищённую этими фильтрами пробоотборную линию.

More investigative work is required in these areas if a greater appreciation and understanding is to be gained of filtration technique of two-phase sampling.

В этой области требуются дополнительные исследования, которые дадут более чёткое понимание технологии фильтрации двухфазных проб.

Note:

Примечание:

Evidence to date has shown the automatic chilled mirror analyser is able to report hydrocarbon dewpoint when liquid contamination occurs but unfortunately is unable to always recover without the requirement of extensive manual cleaning and purging of the sampling system.

Собранные на настоящий момент сведения показывают, что автоматический анализатор с охлаждаемым зеркалом может измерять точку росы по углеводородам при наличии загрязнения жидкостями, однако не может самостоятельно восстановить свою работоспособность без тщательной ручной чистки и продувки пробоотборной системы.

Conclusions

Заключение

1.1 Confidence of dry gas measurement between Interconnector UK and the Belgium reception terminal has been significantly improved with measurement disputes virtually eliminated.

1.1       Достоверность измерения показателей сухого газа на терминалах "Интерконнектора" в Великобритании и Бельгии значительно улучшилась, и споры о точности измерений практически прекратились.

1.2 This new confidence has allowed Interconnector UK plant operating procedures to be amended making the automatic chilled mirror instrument the primary source of hydrocarbon dewpoint measurement supported by alternative techniques, as necessary.

1.2       Этот новый уровень достоверности позволил IUK обновить регламент работы станции, сделав автоматический прибор с охлаждаемым зеркалом главным источником информации о точке росы по углеводородам, с применением альтернативных измерительных методик в случае необходимости.

1.3 Margins of operational tolerances for hydrocarbon dewpoint measurement have been revisited and consequently reduced providing a direct impact on efficiency of plant operation.

1.3       Были пересмотрены в сторону уменьшения допуски на разброс показаний точки росы по углеводородам, что положительно сказалось на эффективности работы станции.

1.4 European border gas transfer points are currently adopting automatic chilled mirror techniques following lessons learned and techniques developed from Interconnector UK operations and experience.

1.4       Европейские пограничные пункты передачи газа, опираясь на опыт и методики, разработанные IUK, сейчас переходят на использование автоматических приборов с охлаждаемым зеркалом.

References

Ссылки

Interconnector (UK) Ltd would like to express thanks to Michell Instruments for their support and assistance in completing this project.

IUK хотел бы выразить благодарность "Мичел Инструментс" за поддержку и помощь в осуществлении этого проекта.

Paper sponsored by Interconnector UK Ltd, prepared and written by Tony Dossor Consultant Engineer, supported by Duncan Papworth IUK Gas Quality Specialist.

Статья подготовлена Тони Доссором, инженером-консультантом, при поддержке Дункана Папворта, специалиста по качеству газа. Спонсировано Interconnector UK Ltd.