Messung von Spurenfeuchtigkeit in Erdgas
Zusammenfassung: Der Feuchtigkeitsgehalt von Erdgas in Rohrleitungen ist einer der Parameter, die im Rahmen der Qualitätskontrolle von Erdgas geprüft werden müssen. In diesem Beitrag werden Methoden zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Erdgas erörtert und typische Feuchtigkeitsmessgeräte sowie deren Anwendungsbereiche vorgestellt.
1. Messung und Regelung der Feuchtigkeit
Feuchtigkeit in Erdgasleitungen kann zu Problemen wie ungenauen Wartungs- und Prüfvorgängen an Messgeräten und Anlagen führen. Enthält das Erdgas neben H₂S und CO₂ auch Feuchtigkeit, führt dies zu Korrosion an den Anlagen und Messgeräten. Feuchtigkeit verursacht zudem Kondensation und eine schnelle Ausdehnung aufgrund des Joule-Thomson-Effekts am Kondensationspunkt. Darüber hinaus verändert Feuchtigkeit den Heizwert des Gases und bildet Hydroxid in der Leitung. Daher wird der maximale Feuchtigkeitsgehalt von Erdgas im Rahmen des Lagerungs- und Transportprozesses festgelegt.
Zur Entfernung von Feuchtigkeit aus Erdgas gibt es Trennverfahren und Trockenmittelverfahren. Beim Trockenmittelverfahren werden Molekularfilter oder Triethylglykol-Trocknungsanlagen zur Wasserentfernung eingesetzt. Beim Trennverfahren wird Methanol oder Ethylenglykol vor einer Entwässerungsanlage in die Pipeline eingeleitet.
Es gibt zwei Methoden zur Online-Feuchtemessung: die direkte und die indirekte. Zu den direkten Messverfahren zählen die Elektrolyse und das Laserverfahren, während zu den indirekten Messverfahren das Taupunkt-Kühlspiegelverfahren und das Taupunkt-Kapazitätsverfahren gehören.
1.1. Elektrolyse (Phosphorpentoxid P₂O₅)
Die Sensorsäule ist mit einer parallelen, spiralförmigen Platinschicht als Elektrode beschichtet; zwischen den Platinschichten befindet sich eine Schicht aus hydratisiertem Phosphorpentoxid. Phosphorpentoxid weist eine starke Wasseraufnahmefähigkeit auf. Wenn der festgelegte Chlorgasstrom durch die Sensorzirkulationszelle strömt, wird das gesamte Wasser absorbiert, wodurch eine Phosphorsäurelösung entsteht. Die Reaktionsgleichung lautet wie folgt.
P2O5 + 3H2O → 2H3PO4
Gleichzeitig gilt für die beiden Platinschichten unter Anlegen einer Gleichspannung, d. h. für die Elektrolysereaktion, die Zersetzung von Sauerstoff und Chlor sowie die Reduktion von Phosphorpentoxid, folgende Reaktionsgleichung.
4H3PO4→6H2+3O2+2P2O5
Aus dem Faraday’schen Gesetz der Elektrolyse ist bekannt: Die zur Elektrolyse von 1 Moläquivalent einer Substanz erforderliche elektrische Ladung beträgt 96.500 Coulomb; dies entspricht auch der zur Elektrolyse von 9,01 Gramm Wasser erforderlichen elektrischen Ladung. Daraus lässt sich ableiten, dass der Elektrolysestrom zwischen den Platin-Drahtelektroden eine lineare Funktion des Feuchtigkeitsgehalts im messenden Gas ist.
1.2. Laserverfahren
Bei diesem Verfahren wird Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs durch das Probengas geleitet und das erfasste Spektrum mit einem Referenzspektrum verglichen, sodass eine relative Veränderung oder Absorption des Spektrums bei bestimmten Wellenlängen gemessen wird. Das Ausmaß der Absorption ist proportional zum Feuchtigkeitsgehalt des Probengases. Nicht geeignet bei Verunreinigungen durch Partikel.
1.3. Taupunktverfahren
Wird ein bestimmtes Gasvolumen bei konstantem Druck gleichmäßig abgekühlt, bleiben der Partialdruck des Gases und der Feuchtigkeitsgehalt im Gas konstant, bis der Feuchtigkeitsgehalt im Gas die Sättigung erreicht; die Temperatur in diesem Zustand ist die Temperatur, bei der die Anzahl der Wassermoleküle im Gas ein dynamisches Gleichgewicht erreicht, wodurch der Taupunkt des Gases bestimmt wird. Die relative Luftfeuchtigkeit wird indirekt anhand des Taupunkts auf der Grundlage von Temperatur und Druck gemessen, wird jedoch stark von Druck und Temperatur beeinflusst.
1.3.1 Kalt-Spiegel-Verfahren
Die Bildung von Kondenswasser auf Metallspiegeln wird direkt mit Messgeräten beobachtet oder elektronisch erfasst. Wenn sich am Taupunkt Kondensat bildet, werden Temperatur und Druck am Spiegel präzise gemessen, und der Feuchtigkeitsgehalt lässt sich dann anhand des Wasserdampfdrucks und von Standardtabellen berechnen. An dieser Stelle ist es wichtig zu beachten, dass es zwei Taupunkte für Feuchtigkeit gibt: den Taupunkt für Wasser und den Taupunkt für Kohlenwasserstoffe. Das Verfahren eignet sich nicht für Anwendungen, bei denen eine Verunreinigung durch Fremdpartikel vorliegt oder bei denen es zu Schwefelwasserstoffkorrosion kommt.
1.3.2 Kapazitätsverfahren
Der kapazitive Sensor besteht aus einer Schicht aus Aluminiumtrioxid (Al₂O₃), die durch eine Aluminiumscheibe und eine Schicht aus Gold oder einer Folienkapazität getrennt ist. Wenn das Gas den Sensor durchströmt, wird der Feuchtigkeitsgehalt anhand der elektrischen Kapazität gemessen. Er ist nicht für Anwendungen geeignet, bei denen Verunreinigungen durch Partikel oder Korrosion durch Schwefelwasserstoff auftreten können.
2. Probenahmesystem
Die Auslegung des Probenahmesystems ist entscheidend für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen des Feuchtigkeitsgehalts von Erdgas, da das Messgerät anfällig für Beschädigungen durch Partikel, flüssige Kohlenwasserstoffe, Aminglykol, Methanol oder andere Fremdstoffe bzw. Chemikalien ist.
Das Probenahmesystem entnimmt eine Erdgasprobe aus der Gasleitung, entdrückt sie, hält sie auf einer konstanten Temperatur, entfernt die Schadstoffe und leitet diese an das Messgerät weiter. Zu beachtende Komponenten und Materialien des Probenahmesystems.
1. Material: Edelstahl 316L;
2. Je kürzer die Probenahmeleitung, desto besser;
3. Druckminderer: Es ist zu beachten, dass die schnelle Ausdehnung des Gases durch den Druckminderer sowie der durch die Kondensation von Flüssigkeit verursachte Joule-Thomson-Effekt zu Problemen führen können. In einigen Fällen kann ein vorgewärmter Probenehmer oder ein mehrstufiger Druckminderer eingesetzt werden, um Kondensation zu verhindern. Vorzugsweise wird der Druckminderer in die Rohrleitung eingebaut, um den Volumenstrom zu erhöhen, die Taupunkttemperatur der Probe zu senken und die Probenverzögerungszeit zu verkürzen;
4. Filter: Polymerfilter dienen dazu, Partikel und Tröpfchen, Glykol und andere Verunreinigungen aus der Probenahmeleitung zu entfernen. Beachten Sie, dass das Filterelement weder Restwasser noch gefiltertes Wasser zurückhalten darf;
5. Temperaturregelung: Der Einsatz von Begleitheizungen zur Verhinderung von Kondensatbildung im Probenahmesystem, sodass die Temperatur des Probenahmesystems über der Taupunkttemperatur des Gases gehalten wird. Liegt die Temperatur des Probenahmesystems stabil über der Taupunkttemperatur von Wasser und Kohlenwasserstoffen, wird die beste Messgenauigkeit erreicht.
3. Wartung
Die Genauigkeit des Feuchtigkeitsmessgeräts kann durch Verunreinigungen, das Probenahmesystem und andere Faktoren beeinträchtigt werden, weshalb eine rechtzeitige Wartung der Feuchtigkeitsmessgeräte erforderlich ist. Einige Messgeräte können vor Ort kalibriert und gewartet werden, während andere zur Wartung und Kalibrierung an den Hersteller zurückgeschickt werden müssen.
4. Fazit
Die meisten Messprobleme liegen im Probenahmesystem, und die Feuchtigkeitsmessung in verunreinigten oder korrosiven Gasen ist schwieriger. In „sauberem“ Erdgas ist die Messung relativ einfach. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Messgeräts hängen von der Auswahl der Ausrüstung, der Auslegung des Probenahmesystems, der Schulung des Bedieners sowie der regelmäßigen Wartung und Neukalibrierung des Messgeräts ab.