Praktyczne aspekty pomiaru temperatury punktu rosy wody

Praktyczne aspekty pomiaru temperatury punktu rosy wody wpływ zasady pomiaru, instalacji oraz warunków otoczenia na
uzyskiwane wyniki
Aneta Korda-Burza,
Edyta Mrówka
Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A.
Laboratorium Pomiarów Jakości Gazu
Streszczenie: W artykule przedstawiono ogólnie problematykę związaną z pomiarem temperatury punktu rosy wody w aspekcie praktycznym.
Przedstawiono także wnioski z prowadzonych badań.
Abstract: The article describes the general issues associated with the measurement of dew point temperature in terms of the practical. This article
presents also the conclusions of the studies conducted so far.
Słowa kluczowe: temperatura punktu rosy,
Keywords: dew-point,
Wstęp
W referacie przedstawiono zakres oraz wstępne wyniki
pracy dotyczącej praktycznych aspektów pomiaru
temperatury punktu rosy wody, która to obecnie jest
realizowana przez Laboratorium Pomiarów Jakości Gazu
(Laboratorium) należące do GAZ-SYSTEM S.A.
Temperaturę punktu rosy wody mierzymy ze względu na
zagrożenia jakie może powodować zbyt duża prężność
pary wodnej w gazie ziemnym. Może ona doprowadzić do
niekorzystnych zjawisk np. korozji (przy współistnieniu
składników „kwaśnych”), powstawania hydratów, ryzyka
wystąpienia „zamarznięć”, zmian właściwości gazu jako
paliwa i surowca,
zmian wartości kalorycznych
i gęstościowych [1]. Wszystkie te czynniki utrudniają
prowadzenie ruchu instalacji gazowniczych i mogą
zwiększyć koszty przesyłu, oraz powodować poważne w
skutkach awarie. Obecność wody w postaci pary wodnej w
gazie ziemnym usuwa się poprzez osuszanie, którego
głębokość określa się na podstawie wartości temperatury
punktu rosy wody [2].
Wymagania dotyczące pomiaru temperatury punktu
rosy wody
Wymagania dotyczące częstotliwości wykonywania
pomiarów
temperatury
punktu
rosy
wody
oraz
dopuszczalnych wartości tego parametru jakościowego
określa Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 2 lipca
2010 roku w sprawie szczegółowych warunków
funkcjonowania systemu gazowego [3]. Wspomniany akt
prawny nakłada na przedsiębiorstwo energetyczne,
zajmujące się przesyłaniem paliw gazowych, obowiązek
wykonywania badań temperatury punktu rosy wody z
częstotliwością raz na dobę, zobowiązując jednocześnie do
spełnienia następujących kryteriów: od 1 kwietnia do 30
września temperatura punktu rosy wody powinna wynosić
maksymalnie +3.7°C, natomiast od 1 października do 31
marca nie więcej niż -5.0°C. Podane wartości dotyczą
temperatury punktu rosy wody wyznaczanej przy ciśnieniu
5.5 MPa. Również inne dokumenty powszechnie
obowiązujące jak Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci
Przesyłowej (IRiESP) oraz Norma PN-C-04752 „Gaz
ziemny. Jakość gazu w sieci przesyłowej” [4] przywołują
wyżej wymienione wymagania. Z kolei Norma PN-C04751:2011 „Gaz ziemny. Ocena jakości” [5] informuje, że
do oceny jakości gazu ziemnego należy określić wielkości,
które charakteryzują zjawiska powodujące zmniejszenie
drożności elementów sieci (jak kondensacja wody
i węglowodorów) oraz powodujące korozję i erozję
elementów sieci, jak również aparatury kontrolnopomiarowej. Przywołana Norma informuje również o tym, że
pomiar temperatury punktu rosy wody należy prowadzić za
pomocą higrometru z kondensacją na chłodzonej
powierzchni, a także za pomocą czujników np.
pojemnościowych, piezoelektrycznych, przewodnościowych
oraz promieniowania podczerwonego.
Urządzenia do pomiaru temperatury punktu rosy wody
nie podlegają prawnej kontroli metrologicznej. Sposób
nadzoru nad tego typu urządzeniami zależy od podejścia do
tej kwestii użytkowników urządzeń oraz od zaleceń
określonych przez producentów.
Dobór i instalacja urządzeń do pomiaru temperatury
punktu rosy wody
Obecnie na rynku do wyznaczania temperatury punktu
rosy wody dostępne są różnego rodzaju urządzenia
bazujące na różnych metodach pomiarowych. Do
najbardziej popularnych zaliczamy: metodę kondensacyjną,
pojemnościową oraz metodę laserową wykorzystującą
zjawisko spektroskopii absorpcyjnej. GAZ-SYSTEM S.A. na
swoich obiektach korzysta z urządzeń do wyznaczania
temperatury punktu rosy wody bazujących na wszystkich
wyżej wymienionych metodach.
Wymagania dotyczące układu przygotowania próbki
oraz instalacji higrometrów określone są najczęściej w
instrukcjach sporządzanych przez producentów tych
urządzeń. Analizując dokumenty normatywne odnaleźć
można zalecenia odnośnie linii poboru próbek, które
„powinny być możliwie jak najkrótsze, a średnice tak
dobrane by spadki ciśnień podczas pomiaru były pomijalne,
powinny mieć temperaturę wyższą od temperatury punktu
rosy wody” [6].
Urządzenia do pomiaru temperatury punktu rosy wody,
z uwagi na konieczność pracy pod ciśnieniem roboczym,
powinny być instalowane z zastosowaniem sondy prostej,
jak najbliżej miejsca poboru próbki w kontenerach lub
szafkach montażowych najczęściej termostatowanych,
łącznie z układem redukcji ciśnienia (za przetwornikiem)
oraz przepływomierzem.
Nie zawsze jednak wymagania w zakresie instalacji (na
przykład: długość linii poboru próbki czy sposób montażu
sondy do poboru próbek gazu) mogą być spełnione z uwagi
na warunki techniczne występujące na danym obiekcie.
Badania
Pomiarami temperatury punktu rosy wody w GAZSYSTEM S.A. zajęto się w szerszej perspektywie biorąc
pod uwagę obserwacje poczynione podczas weryfikacji
wskazań nowo zainstalowanych urządzeń stacjonarnych do
pomiaru temperatury punktu rosy wody z urządzeniem
referencyjnym, analizy danych uzyskiwanych z tych
urządzeń oraz pojawiające się problemy eksploatacyjne
zgłaszane przez użytkowników higrometrów. Na tej właśnie
podstawie ustalono zakres pracy, której celem jest między
innymi określenie wpływu sposobu instalacji posiadanych
obecnie urządzeń do pomiaru temperatury punktu rosy
wody na ich wskazania, identyfikacja problemów
eksploatacyjnych, analiza stopnia wykorzystania tego typu
urządzeń zainstalowanych na obiektach GAZ-SYSTEM
S.A. oraz określenie jednolitego sposobu postępowania w
zakresie przypisywania wskazań temperatury punktu rosy
wody do obszarów rozliczeniowych. Badania niezbędne do
realizacji pracy o której mowa odbywają się na wybranych
obiektach we wszystkich Oddziałach GAZ-SYSTEM S.A..
Zakończenie realizacji pracy planowane jest na grudzień
2015 roku.
W ramach prowadzonej pracy w pierwszej kolejności
zinwentaryzowano wszystkie urządzenia wykorzystywane w
GAZ-SYSTEM S.A. do pomiaru temperatury punktu rosy
wody, następnie na tej podstawie dokonano stosownej
analizy i wybrano miejsca do przeprowadzenia badań
terenowych. Jednocześnie określono zakres badań
realizowanych w Laboratorium.
Do badań w terenie, realizowanych
według
akredytowanej Procedury Badawczej jako urządzenie
referencyjne stosowany jest higrometr Marquis (rys.1),
natomiast w badaniach laboratoryjnych urządzeniem
referencyjnym jest higrometr S4000 (rys.2). Wymienione
urządzenia działają w oparciu o metodę kondensacyjną
wykorzystującą zasadę chłodzonego zwierciadła. Jest to
metoda uważana za referencyjną w badaniu temperatury
punktu rosy wody. W Laboratorium oba urządzenia
podlegają nadzorowi, który obejmuje ich regularne
wzorcowanie, przegląd i sprawdzenie.
Rys.2. Urządzenie
temperaturową
referencyjne
S4000
wraz
z
komorą
W warunkach laboratoryjnych przeprowadzone zostały do
tej pory dwa rodzaje badań:
1. Porównanie wskazań higrometrów ze wskazaniami
urządzenia referencyjnego przy zadanej temperaturze w
0
komorze temperaturowej +20 C (rys.3)
Rys.3. Zależność precyzji pomiaru od temperatury punktu rosy
wody dla poszczególnych higrometrów
2.
Porównanie wskazań dwóch urządzeń pracujących w
oparciu o metodę pojemnościową z urządzeniem
referencyjnym w różnych warunkach panujących w
0
0
komorze temperaturowej - w zakresie +10 C,+20 C
0
i +30 C (Tabela 1 i 2). Badanie to miało na celu
sprawdzenie
wpływu
symulowanej
temperatury
zewnętrznej na wskazania higrometrów. Badania
przeprowadzono w dniach 12 maja do 19 czerwca 2015
na urządzeniach należących do Laboratorium.
Tabela 1. Zależność wskazań badanego higrometru (EASIDEW
PRO IS) od warunków panujących w komorze temperaturowej
Temperatura otoczenia
Temperatura pkt. rosy
w ody w skazana przez
higrometr S4000
Rys.1. Higrometr kondensacyjny Marquis
30°C
20°C
10°C
Temperatura w skazana przez badane
urządzenie EASIDEW PRO IS
-30,0
-28,3
-31,1
-34,3
-20,0
-17,4
-21,6
-25,7
-10,0
-5,8
-11,7
-18,2
0,0
3,2
-2,5
-2,1
10,0
9,0
8,5
-
Tabela 2. Zależność wskazań badanego higrometru
(TRANSMET IS) od zmieniających się warunków w komorze
temperaturowej
Temperatura pkt. rosy
w ody w skazana przez
higrometr S4000
Temperatura otoczenia
30°C
20°C
10°C
Temperatura w skazana przez badane
urządzenie TRANSMET
-30
-32,5
-30,6
-28,7
-20
-22,8
-21,4
-19,1
-10
-11,5
-11,1
-11,6
0
0,7
0,5
-0,6
8,0
8,1
-
10
Obserwacji wpływu temperatury zewnętrznej na
wskazania urządzeń do pomiaru temperatury punktu rosy
wody zamontowanych w terenie dokonywano sukcesywnie
od roku 2011. Na podstawie analiz wielu pomiarów
dostępnych poprzez system telemetryczny stwierdzono, że
temperatura zewnętrzna może mieć istotny wpływ na
wskazania wyżej wymienionych urządzeń i naszym
zdaniem zależy to nie tylko od ich typu oraz metody
pomiaru w oparciu o którą dane urządzenie działa, ale
również od sposobu instalacji tych urządzeń oraz
umiejscowienia sond do poboru próbek gazu.
Obecnie największy ilościowy udział urządzeń do
pomiaru temperatury punktu rosy wody zamontowanych na
obiektach GAZ-SYSTEM S.A. stanowią przetworniki
działające w oparciu o metodę polegającą na zmianie
pojemności elektrycznej, w zależności od zmiany ciśnienia
parcjalnego pary wodnej w gazie. Urządzenia tego typu
instalowane są w szafkach montażowych (najczęściej
termostatowanych), kontenerach oraz budynkach stacji/
węzłów. Niestety o ile w budynkach panuje w miarę stała
temperatura wewnętrzna to w szafkach montażowych
temperatura wewnętrzna wzrasta wraz ze wzrostem
temperatury zewnętrznej, co ma istotny wpływ na
wskazania przetworników temperatury punktu rosy wody.
W celu dokładniejszej obserwacji tego problemu
umieszczono we wnętrzu wybranej szafki montażowej
termohigrobarometr, a następnie przez okres miesiąca
rejestrowano jego wskazania. W analizowanym przedziale
czasowym skład gazu nie zmieniał się w sposób znaczący.
Na podstawie uzyskanych wyników sporządzono dla
jednego z analizowanych dni wykres (rys. 4), który
jednoznacznie obrazuje zależność wpływu temperatury
zewnętrznej na wskazania higrometru – tak zwany efekt
„dnia i nocy”.
Zgodnie z ustalonym zakresem prac, obecnie wykonywane
są badania polegające na porównaniu wskazań urządzeń
procesowych do pomiaru temperatury punktu rosy wody,
na stałe zainstalowanych na stacjach i węzłach, ze
wskazaniami urządzenia referencyjnego używanego w
Laboratorium do rutynowych badań temperatury punktu
rosy wody zgodnie z obowiązującym zakresem akredytacji.
Do tej pory wykonano badania w pięciu Oddziałach GAZSYSTEM S.A.. Po zakończeniu realizacji badań w okresie
letnim, przewidziane jest wykonanie podobnych badań w
okresie zimowym. Podczas realizacji pracy zbierane są
również istotne informacje związane między innymi z
długością linii poboru próbek, sposobu montażu sond
próbkujących oraz sposobu izolacji szafek montażowych.
Weryfikowane są również informacje związane z
wykorzystaniem pomiarów uzyskiwanych ze sprawdzanych
higrometrów do rozliczeń.
Na podstawie dotychczas przeprowadzonych badań
i obserwacji można stwierdzić, że na wskazania
temperatury punktu rosy wody ma wpływ bardzo wiele
elementów związanych ze sposobem montażu danych
urządzeń. Zaobserwowano między innymi, że jednym z
takich elementów jest moc grzałki elektrycznej oraz
zależność pomiędzy jej umiejscowieniem, a miejscem
zainstalowania higrometrów w szafkach montażowych.
Innym istotnym elementem jest sposób montażu sond
pomiarowych. Aspekty te są obecnie szczegółowo
analizowane, a w niniejszym referacie przedstawiono
jedynie w sposób obrazowy umiejscowienie elementów
grzewczych (rys. 5, 6 i 7) oraz wybrane miejsca
usytuowania sond próbkujących (rys. 8 i 9).
Rys. 5. Szafka montażowa nieizolowana z zamontowanym
elementem grzewczym bezpośrednio pod higrometrem
Rys.4 Zależność temperatury punktu rosy wody (TDP) wskazanej
przez dany higrometr od temperatury panującej w szafce
montażowej rejestrowanej przez termohigrobarometr (17.04.2013r.)
Należy zaznaczyć, że analizowany przypadek dotyczy
urządzenia, które zamontowane jest w szafce montażowej
narażonej na długotrwały wpływ promieni słonecznych.
Rys. 6. Szafka montażowa nieizolowana z zamontowanym
elementem grzewczym przy bocznej jej ściance
[3] Dz.U.2010 nr 133, poz. 891, Rozporządzenie Ministra
Gospodarki z dnia 2 lipca 2010 r. w sprawie szczegółowych
warunków funkcjonowania systemu gazowego
[4] Norma PN-C-04752, Gaz ziemny, Jakość gazu w sieci
przesyłowej, marzec 2011
[5] Norma PN-C-04751, Gaz ziemny, Ocena jakości, marzec 2011
[6] Norma PN-EN ISO 6327, Analiza gazu, Wyznaczanie
temperatury punktu rosy wody gazu ziemnego, Higrometry
kondensacyjne z chłodzoną powierzchnią, wrzesień 2010
Rys. 7. Szafka montażowa izolowana z zamontowanym elementem
grzewczym przy jej podstawie
Aneta Korda-Burza
Kierownik, Laboratorium Pomiarów Jakości Gazu
Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A.
Oddział w Tarnowie
ul. Bandrowskiego 16A, 33-100 Tarnów
e-mail: [email protected]
Edyta Mrówka
Starszy Pracownik, Laboratorium Pomiarów Jakości Gazu
Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A.
Oddział w Tarnowie
ul. Bandrowskiego 16A, 33-100 Tarnów
e-mail: [email protected]
Rys. 8. Przykład sondy próbkującej umieszczonej w studni
Rys. 9. Przykład sondy próbkującej umieszczonej na górnej
poziomej części gazociągu
Niniejsza praca jest obecnie w trakcie realizacji i dopiero po
zakończeniu wszystkich badań oraz gruntownej analizie
wyników będzie można określić istotność wpływu
poszczególnych parametrów na wskazania urządzeń do
pomiaru temperatury punktu rosy wody.
LITERATURA
[1] Norma PN-EN ISO 6976, Gaz ziemny, Obliczanie wartości
kalorycznych, gęstości, gęstości względnej i liczby Wobbego
na podstawie składu, styczeń 2008
[2] Jacek Molenda, Gaz ziemny paliwo i surowiec, Wydawnictwo
Naukowo-Techniczne, 1993