Πειραματικές Μετρήσεις και Μοντελοποίηση της Καμπύλης Σημείων Δρόσου του Φυσικού Αερίου

Abstract

Η γνώση των σημείων δρόσου των υδρογονανθράκων είναι ιδιαίτερης σημασίας στη βιομηχανία του φυσικού αερίου καθώς αποτελεί μία από τις προδιαγραφές διασφάλισης της ποιότητας κατά τη μεταφορά του φυσικού αερίου. Η αποφυγή συμπύκνωσης των υδρογονανθράκων είναι ζωτικής σημασίας καθώς η παρουσία υγρής φάσης στους αγωγούς μεταφοράς αυξάνει την πτώση πίεσης και προκαλεί λειτουργικά προβλήματα στους αγωγούς που είναι σχεδιασμένοι για μονοφασική μεταφορά. Επομένως, η ακριβής μέτρηση και πρόβλεψη των σημείων δρόσου υδρογονανθράκων είναι απαραίτητα στοιχεία για την ασφαλή και αποτελεσματική λειτουργία των αγωγών φυσικού αερίου, οι οποίες αποτελούν και το αντικείμενο της παρούσας εργασίας.

Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις εργαστηριακές εγκαταστάσεις της Statoil ASA στο Trondheim, Norway, με χρήση μιας συσκευής μέτρησης σημείων δρόσου υδρογονανθράκων. Οι μετρήσεις των σημείων δρόσου υδρογονανθράκων πραγματοποιήθηκαν με σκοπό τη μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την ακρίβεια των μετρήσεων, και στη συνέχεια, την αξιολόγηση της χρησιμοποιηθείσας συσκευής.

Για την πρόβλεψη των σημείων δρόσου φυσικού αερίου στη βιομηχανία χρησιμοποιούνται συνήθως θερμοδυναμικά μοντέλα, όπως οι κλασικές κυβικές καταστατικές εξισώσεις σαν την εξίσωση Soave-Redlich-Kwong (SRK). Προηγούμενες μελέτες έδειξαν ότι οι κυβικές καταστατικές εξισώσεις αποτυγχάνουν να προβλέψουν με ακρίβεια όλη την καμπύλη σημείων δρόσου του φυσικού αερίου, ενώ πιο εξελιγμένα μοντέλα όπως το UMR-PRU, παρουσιάζουν σημαντικά βελτιωμένες προβλέψεις.

Οι μετρήσεις σημείου δρόσου πραγματοποιήθηκαν για δύο συνθετικά αέρια (SNG 2, SNG 3) και ένα πραγματικό. Πειράματα διεξήχθησαν προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση της ποσότητας του μετρούμενου αερίου, η θερμοκρασία του θαλάμου μέτρησης και η θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται το αέριο στο δοχείο αποθήκευσής του. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ποσότητα του μετρούμενου αερίου και η θερμοκρασία του στο δοχείο αποθήκευσής του στις συνθήκες κάτω από τις οποίες μελετήθηκε δεν επηρεάζουν την αξιοπιστία των μετρήσεων. Αντίθετα, διαφορά 10°C στη θερμοκρασία του θαλάμου από τους 35°C στους 45°C έχει ως αποτέλεσμα μέση διαφορά 0.9°C στις μετρήσεις σημείου δρόσου υδρογονανθράκων. Δεδομένης της ύπαρξης φαινομένων προσρόφησης μέσα στη συσκευή, που είναι ένα γνωστό πρόβλημα στις μετρήσεις σημείων δρόσου, η επίδραση της θερμοκρασίας του θαλάμου είναι πιο έντονη στα αέρια που περιέχουν βαρύτερα συστατικά, όπως είναι το πραγματικό αέριο που μελετήθηκε.

Τα πειραματικά δεδομένα σημείου δρόσου χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της αξιοπιστίας τριών θερμοδυναμικών μοντέλων: SRK, PC-SAFT και UMR-PRU. Και τα τρία μοντέλα που μελετήθηκαν παρουσιάζονται αξιόπιστα. Οι προβλέψεις των SRK και PC-SAFT είναι παρόμοιες σε χαμηλές πιέσεις μέχρι τη θερμοκρασία cricondentherm, ενώ η SRK είναι καλύτερη από τη PC-SAFT σε υψηλότερες πιέσεις. Και τα δύο αυτά μοντέλα περιγράφουν καλύτερα από το UMR-PRU τα πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν από τα συνθετικά αέρια σε μεσαίες πιέσεις, καθώς οι απόλυτες αποκλίσεις των SRK και PC-SAFT είναι 0.1 °C και 0.4 °C αντίστοιχα για το SNG 2 και 1.1°C και 1.3°C για το SNG 3, έναντι των αποκλίσεων του UMR-PRU 0.5°C και 2.1°C για τα SNG 2 και 3 αντιστοίχως. Στις υψηλές πιέσεις, και κυρίως κοντά στην πίεση cricondenbar, το UMR-PRU παρουσιάζει τις καλύτερες προβλέψεις για όλα τα αέρια με μεγαλύτερη απόκλιση τα 3.4 bar στο SNG 3 έναντι των 6.1 bar και 8.3 bar για τις SRK και PC-SAFT αντιστοίχως. Επιπλέον, το UMR-PRU είναι σε καλύτερη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα του πραγματικού αερίου και κοντά στο cricondentherm με σφάλμα μόλις 0.5°C σε αντιδιαστολή με τους 2.5 και 2.8°C που προβλέπει η SRK και η PC-SAFT αντίστοιχα.

Τέλος, πραγματοποιήθηκε ανάλυση αβεβαιότητας της σύστασης των αερίων στην πρόβλεψη των σημείων δρόσου με το μοντέλο UMR-PRU. Μέσα από την ανάλυση αβεβαιότητας προκύπτει ότι οι προβλέψεις του μοντέλου βρίσκονται μέσα στα όρια της αβεβαιότητας της σύστασης των αερίων.

The knowledge of the hydrocarbon dew point (HCDP) is of great importance for the oil and gas industry as it is one of the gas quality specifications used for ensuring safe transport of natural gas. Avoiding hydrocarbon condensation is crucial as the presence of liquids in the pipelines increases the pressure drop and introduces operational problems in pipelines designed for single phase transportation. Thus, accurate measurement and prediction of hydrocarbon dew points, which is the objective of this diploma thesis, are of great importance to obtain a safe and effective utilization of the natural gas pipelines.

The experimental measurements were conducted at the laboratory facilities of Statoil in Trondheim, Norway, using a rig for measuring hydrocarbon dew points. Hydrocarbon dew points were measured in order to study the effect of various factors on the accuracy of the HCDP measurement and, therefore, perform the qualification of the rig used.

In the natural gas industry, hydrocarbon dew points are usually predicted using thermodynamic models, such as traditional cubic equations of state (EoS), like Soave-Redlich-Kwong (SRK). Previous studies have pointed out that classic EoS are not able to correctly represent the dew point line for natural gases, while more advanced models, such as the UMR-PRU, give significantly improved predictions.

Hydrocarbon dew point measurements were performed for two synthetic gases (SNG 2, SNG 3) and one real gas. Several experiments were conducted in order to study the effect of the volume of the sample gas, the temperature of the chamber where the measurements are held and the temperature of the gas inside the cylinder. The results show that there is no volume effect or effect of the temperature of the gas inside the cylinder under the conditions studied on the accuracy of the measurements. On the other hand, difference of a 10°C at the chamber’s temperature from 35 °C to 45 °C has an impact on the measured dew points giving an average deviation of 0.9 °C. Given the fact that adsorption phenomena exist inside the rig, which is a known challenge in HCDP measurements, the effect of the chamber’s temperature is more pronounced in gases consisting of heavier compounds, as in the case of the real gas.

The dew point experimental data were used to evaluate the reliability of three thermodynamic models: SRK, PC-SAFT and UMR-PRU. All three models studied are considered reliable. SRK and PC-SAFT’s predictions are very similar at low pressures up to the cricondentherm temperature, while SRK is better than PC-SAFT at higher pressures. Both these models describe better the experimental data of SNGs obtained at medium pressures than UMR-PRU, as the absolute deviations of SRK and PC-SAFT are 0.1 °C and 0.4 °C respectively for SNG 2 and 1.1°C and 1.3°C for SNG 3, in contrast to UMR-PRU’s predictions of 0.5°C and 2.1°C for SNG 2 and 3 respectively. At high pressures, and especially near the cricondenbar, UMR-PRU gives the best results for all gases. The maximum deviation for UMR-PRU noticed is 3.4 bar for SNG 3 over 6.1 bar and 8.3 bar for SRK and PC-SAFT respectively. Furthermore, UMR-PRU appears to yield satisfactory results even near cricondentherm for the real gas with a deviation of only 0.5 °C as opposed to the predictions of 2.5 and 2.8°C for SRK and PC-SAFT respectively.

Finally, an uncertainty analysis of the gases’ composition is performed using UMR-PRU model. The analysis reveals that the model’s predictions are within the uncertainty of the composition.