天然气源一般都是高压的、不洁的、腐蚀的和充满大分子量的成分。去除水分是天然气销售之前的一道关键工序。无论是从技术角度出发，还是为了确保天然气合同上的指标要求，天然气水分含量的测量都是极其重要的。该参数的测量同时也是天然气工业过程中难度最大的任务之一。本文讨论了天然气工业过程技术和对湿度测量仪表行业的需求。同时也描述了在增加天然气测量的有效性、保证长期性和稳定性方面值得探索的一些方法。

从地下抽取到的天然气充满了液态水分和大分子量碳氢化合物。为了使经过管道输送和分销给最终用户燃烧的天然气是洁净的、干燥的和全气态化的燃料，天然气必须经过多道工业过程处理，包括去除气体中的液体成分，而后是为了减少水蒸气的含量的除湿过程。天然气脱水是成功生产运作和整个销售输送网络至最终用户的关键程序。浓度为十万分之几水蒸气的存在，就隐含着严重的后果。输送管道的寿命与管道内壁的腐蚀率密切有关，而腐蚀率又直接与天然气中水分含量有关，因为水分会加速氧化的过程。此外氢氧化物的形成会减少管道流量能力，引起管道堵塞，更可能损坏工业过程的过滤系统、阀门和压缩机。氢氧化物是由过多的水蒸气和液态碳氢成分的结合形成的，在传输过程中它会从气体中凝成乳状液，而后在压力条件下结成块状固体。此外，在气体输送前的工业过程中，常常使用低温离析器来去除大分子量化合物，以确保管道在通常季节温度变化的情况下不会出现液体碳氢冷凝。在这里，将天然气干燥使得它的水露点低于低温离析器的工作温度是很重要的，可防止由于冻结问题产生的阻塞而影响厂区的工作效率。

鉴于以上原因，海上和陆地的天然气生产都普遍在关键部位对天然气中的水分含量进行连续地在线测量，以确保工业过程顺利、高效率和可靠地运作。针对这些应用场合，想要成功地设计、安装和操作工业湿度测量仪表还必须特别考虑到被测气体的特性、成分以及所采用的工业过程技术。

脱水工业过程

对天然气进行干燥的最常用的处理技术是简单的机械分离装置，把采自天然气田的气液两相流体中的气体和液体分离开来。 接着进行乙二醇脱水， 脱水装置是高耸的塔状装置，周围排列着一圈喷嘴，将液态干燥剂-乙二醇-喷入沿着塔体上升的天然气气流，通过对水分的吸收形成了许多饱含水分的乙二醇液体，这些液态物质被流动所产生的压力向外推出而最终集结在塔体的墙面上。

乙二醇液体经由采集盘汇集由管道流出塔体，再通过加热系统将水分蒸发，而后持续进行再喷射再循环的工作周期。乙二醇接触器规定在正常工作条件下水分含量的指标小于3 Lb./MMSCF（磅/百万立方英尺标准气体）。

天然气高速通过接触装置，产生了携带乙二醇薄雾的可能性。对这一点的需考虑慎重，因为他关系到湿度仪能否成功地监控脱水过程。由于乙二醇吸附/分离水分的特性，湿度传感器或采样系统被污染后会引起分析仪出现严重的反应迟缓。传统的做法是，在采样系统前端安装一个带隔膜组件的聚结过滤器，籍此可以有效地防止湿度传感器被污染的问题，但却不能解决反应速度迟缓的问题，除非排出口（图1）的持续流量，能随时把所收集的液体吹出过滤器。虽然，隔膜型过滤器在乙二醇这样的应用场合能提供最好的保护，但是却因工作压力最高为10 MPa而在应用上受到限制。这种过滤器也用在旁路上，如果采用碳氟化合物制作的微型多孔渗水膜便可提供上乘的保护。

除了防止液体乙二醇的污染，一些天然气仪器采样供应商建议运用吸收装置，即采样流体流经排成直线的活性碳柱，以此去除乙二醇水蒸气。在密析尔仪表应用经验中，乙二醇水蒸气仅产生微小的水蒸气压力（53℃时为130Pa）和相应微小的痕量浓度，所以，乙二醇蒸气对陶瓷湿度传感器的影响相对于该测量运用是非常有限的。

传感器的测量原理是：传感器有两层导电板，多孔渗水的上层传导板和真晶格的基层传导板，之间是一活性吸湿层，对天然气中的水分子进行吸附或解吸附。接触到采样的流体，潮气水分子自由地穿过上层电板，吸湿层中水分子与空气中水分含量达到自然均衡。导电板之间的电容，随着被吸入吸湿层水分的多少而变化，采用这样测量原理的仪表就能进行连续的在线测量。然而，乙二醇分子和水分子有相似的特性，既两者均有极性共价键，这种极性共价键是由氢原子和氧原子不平等地共享一对电子而形成的，最终使得氢原子带正电，氧原子带负电。

这样，如果水或者乙二醇被吸附到吸湿层，由于氧原子都被吸引到吸湿层的正极电荷区，都会使传感器表现出相同的反应。然而，乙二醇水蒸气可能的最大浓度，与水分的浓度相比低很多。这就意味着，如果采样前对乙二醇薄雾进行有效的过滤，其对测量精度的影响是可以忽略的。然而，在使用过滤器之外，如果还使用吸附装置，却可能产生显著的负面效果。活性碳是有效的去湿干燥剂，在吸收乙二醇水蒸气的同时也会收附水气，这样会对样气中水分含量的变化产生阻尼效应，使之不能及时反映过程气体中的水分含量的实际变化。如果过程气体变为干燥，活性炭会倾向于成为湿度分析仪采样口的水源，如果过程气体变得潮湿，活性炭会起干燥作用，也会给出错误的读数。

碳氢露点

天然气有两个相关的露点温度，即我们在此讨论的水露点和碳氢露点。碳氢露点定义很简单，碳氢液体因冷却而从气体中凝结时的温度。碳氢液体由气体混合物中大分子量所组成，特别是丁烷和更大的分子。这个参数， 如同水露点一样，需要专门的处理装置（冷凝方式）和专用的仪表测量。对于采用冷凝露点测量技术的水分分析仪，碳氢露点的测量就显得特别重要了。当用于天然气水露点测量时，这种非自动目测冷镜露点仪和任何其它形式的自动冷凝露点分析仪，均有可能给出混淆的测量读数。这是因为碳氢和乙二醇的露点较高，会先于水露点在镜面上凝结，观察到水气结露并将之与碳氢和乙二醇的冷凝析出区别开来的是很困难的，参见图2。采用非凝露原理的传感器，如陶瓷传感器，因为它与凝露测量技术没有关联，不会受交叉测量的影响，因而可以避免检测水露点的困难。

被测露点与水分含量的单位转换

天然气在处理厂加工时和在陆上输送时，气压一般为4~8MPa, 当天然气进入海上油田管道时，被压缩到16MPa或更高压力。无论采样何种水分露点分析仪，必须考虑到气体压力的影响。密析尔仪表的陶瓷湿度传感器，和它的前身氧化铝技术一样，通过从与之接触的气体中吸收水分并达到平衡，并相对于水蒸气分压产生反应。水蒸气分压与露点直接有关，使得这样的传感器的露点参数可以被精确地、方便地校准。水蒸气分压和露点之间的对应关系与气体总压以及气体组成成分没有关系。这样，仪表生产厂商在常压状态下用标准气体校准的传感器，可以在压力状态下，对任何过程气体的露点进行精确的检测。

天然气开采生产商和管道输送商乃至最终用户所签署的合同中，水露点参数是保证气体质量成分最常用的参数。然而，在有些天然气处理工厂如乙二醇脱水接触器，以及管道传输管理中，更为普遍采用的技术参数是：规定一个最大允许的水分含量。由测得的露点转换成为水分含量的单位需要充分考虑到天然气在高压情况的非理想气体特性，因此在已知的压力下由露点转换到水分含量单位时，应该使用其他的修正系数。

许多今天仍被普遍使用的转换公式，都是从最早在1950年由芝加哥的天然气工艺研究所的工作演化过来的，并且进化为当前的ASTM标准。这些公式数据仅提供了低至-40℃的露点，因而限制了它在更低气候温度环境下的应用，为了避免因凝露而带来前面所提到过的相关问题，这样的区域对水分含量即湿度值的要求更为严格。另外，当除湿干燥柱用于第二阶段的脱水过程时，比如天然气液化厂，为了避免低温过程中出现冻结，所以水分含量应当低于1 ppmV，一般为小于0.1 ppmV，这样就等同于在工业过程中-70℃以下的露点。密析尔仪表和其他湿度分析仪生产厂商曾经采用IGT数据推断法，但是这样导致了测量中不确定因素的增加。天然气开采商、管道输送公司和最终用户之间，会因为对方使用了不同的数据转换表而产生争议。欧洲大多数天然气公司现在开始采用新的更为协调的标准，该标准覆盖了更全的测量范围。该标准使得天然气公司和仪表供应商更加协调一致，对日益增加的跨国天然气管道输送，有着不可磨灭的重要性。

在需要显示水分含量的应用场合，常常通过湿度仪的测量电路来完成相应的转换，即根据已知的压力把露点转换成天然气公司所需要的水分含量单位。一般常用的单位有两个，一个是Lb./MMSCF(美国天然气工业和世界上由美国公司设计的工业过程厂所广泛使用的单位标准)，另一个是mg/std.m3（欧洲标准）。了解天然气压力的精确程度，对于测得露点的单位转换的精度是至关重要的。因为压力测量的百分之几的误差会直接转移为水分含量计算的百分比误差。因此，压力可以通过去峰值压力稳压器稳定在一个最小管道压力，或者通过在线安装的压力传感器得到真实的管道压力，作为计算的变量进行输入（参见图1）。

含硫（酸）天然气

目前,许多天然气油田在生产过程中会面临这样的情况，如果气体化合物中含有相当大量的CO2或H2S，那么，把测量到的水露点值转换到水分含量的湿度单位时，又会遇到进一步的困难。近来，许多油田都存在着这样的“酸性”天然气。相同的温度下，在H2S和CO2中达到饱和水蒸气压力所需的湿度，会显著地高于在甲烷中或“甜”气即脱硫气体化合物中的湿度。无论采取哪种测量原理，在酸气（含硫天然气）中测量到的水露点，将会显著地低于同样水分含量的甜气的测量值。此时，必须使用已经颁布的数据对其进行补偿，由此也需要知道天然气中的酸气成分。

下面是德国北部主要天然气生产商的酸气典型案例：最大允许的水分含量设定在50mgH2O/m3（相当于管道压力为7MPa时，在甜天然气中测得的-12℃露点，但在含硫量极其高的天然气会低于-20℃露点）。这个限度是根据安全标准而制定的，以便控制因酸气而发生的严重腐蚀问题，由Bergamt（德国联邦管理机构）强制执行。从含硫油田得到的天然气H2S浓度一般情况为9%~15%（mol），在某些极端情况下可高至33%（mol）。酸性天然气处理设施的前端过程包括一个脱硫装置即硫磺的生产，是一个重要的环节。在脱硫前，在处理这样的酸性气体时必须对过程装置的设计和湿度分析仪表均考虑得非常全面和周到。很明显，腐蚀问题与H2S的特性有密切的关联，一方面，它会促进金属材料上硫化应力导致的裂变，另外一方面，酸气中H2S泄漏可能导致致命的后果，人的嗅觉无法检测到浓度高于200 ppm的H2S气体，该气体对人的神经系统有极高的毒性。

酸气测量应用场合要求湿度分析仪能工作在腐蚀性极强的气体介质中。陶瓷湿度传感器在这样的工作场合已经具有多年的成功应用历史。传感器活性部分的材料选用了专用陶瓷材料，底部金属是具有天然惰性的材料，对于化学侵蚀具有良好的抵抗性。坚固的结构设计和传感器气-湿部分精选的材料组合，使得传感器能够在这样的工作场合表现出可靠的性能。在最近五年的应用中，取得了两种成熟的安装方式的经验。

第一种安装方式是天然气行业传统的安装方式，即有一个采样调节系统的远程采样（参见图1）。但是在酸气场合，所有的采样中潮湿的成分，必须严格地按照NACE标准对其进行筛选，因此涉及到不菲的支出。在这种情况下从系统排出的采样流量被送到一个火炬安全地燃烧，以去除有毒气体。

另一种安装方式是直接插入法：陶瓷湿度传感器用合适的接头安装在不锈钢探头组件中，直接插入到工业过程管道内。这种方式的优点是，酸气仍然保留在管道中。该方法应用于酸气场合，排除了伴随传统的采样方式的危险性和高费用。该安装方式的反应速度非常快。但是它主要的缺点是：传感器在定期地进行保养校验时， 需要从管道中拆除探头组件所面临的困难。对于所有酸气场合下采用陶瓷湿度传感器，建议的校验周期是6个月。 密析尔陶瓷传感器具有完全可互换性，新校验的传感器附有详细校验数据的证书，只要把新校验的传感器与使用中的传感器相调换即可。直接插入安装方式的另一个缺点是对乙二醇污染缺乏保护。

成功应用例

乙二醇脱水

英国密析尔陶瓷湿度传感器已经成功地应用在存贮于欧洲大陆大型天然洞穴内的高压天然气水露点的测量。

存贮压力高达30 MPa，因此意味着，为了防止凝露产生气体应该非常干燥。在装填（增压）和使用（减压）周期时，必须测量天然气水露点温度和碳氢露点。天然气贮存主要是满足冬天高峰阶段的旺盛需求，到夏天时可能就使用不那么频繁的。因此，传感器的可靠性是项非常重要的技术参数，因为湿度传感器最有可能出现的问题是当没有连续的天然气气流，探头处于腐蚀、潮湿、污染、不新鲜的样气环境中时间过长。

输送点的计量

英国密析尔的Cermet型和Cermet II IS型湿度仪系统应用在天然气输送时对天然气水分含量的连续测量，这样的输送常常是跨越国界的。一个典型的例子是，俄国将天然气源进行乙二醇脱水后进行测量，输送到德国的转送点，这时，在10MPa以内的任何压力下，露点必须低于0℃。在线Cermet II IS型测量系统由CERMAX IS便携式校验仪定期进行校准。在任何这样的传输点对露点的测量是至关重要的，特别是来自不同气源的天然气被混合时。虽然，可以通过两个或两个以上气源的混合体积比来计算合成露点，然而，对露点进行实际测量是满足合同指标所必须的。

酸气湿度测量

酸气的测量在德国有特别成功的应用例子。该现场NH3和H2S浓度高达33%，但实践证明，英国密析尔仪表的陶瓷湿度传感器已经完好地工作了好多年。该传感器接触介质的部分采用的是密析尔传感器的标准构造，但是采用了特殊的材料，以保证电路接触到潮气时，传感器不会被高浓度的NH3和H2S所腐蚀。过去，其他湿度分析仪表最长的工作周期仅为几周，有些甚至只有几小时或几天。密析尔仪表的陶瓷湿度传感器，校验周期可延长到6个月。

液化天然气生产

将天然气通过海运出口的国家必须提供天然气液化前的质量证明，同样，进口的天然气公司需要核实所运输的液化天然气的质量。英国密析尔仪表已经把陶瓷湿度传感技术成功地应用在这样的液化天然气工厂。特别是在中东地区，在相对高的管道压力时测量ppm水平以下的湿度。这样场合的应用相当简单，因为液化天然气已经得到处理，去除了重质量的碳氢成分和绝大多的潮气成分，仅含有很低微的H2S和其它腐蚀性的化合物。

在消费点的低压测量

常常会忽略这个事实，大多数天然气的终点站是在低压工作下的消费点。这里，通常规定，露点温度这一技术参数必须低于-26℃。两个要点必须得到充分重视；首先要保证最终用户所要求的热值。过多的水分会减少热值，因而潮气必须尽可能的少。另外，必须控制天然气中水分的露点，以保证在冬季时候没有凝露产生（避免管道冷冻和可能的涨裂）。在有些冬季漫长的国家，对冬天温度情况下有更为严格的技术规定内容。密析尔的CERMAX IS便携式湿度仪用于快速地测量低压管道消费点的天然气水分含量，确认是否满足合同指标，也可用它进行泄漏跟踪检测。密析尔也向许多天然气管理机构提供湿度校验设备，可以对现场仪表就地进行校准，保持的标准可溯源到英国、美国和其他国家湿度标准。

结论

湿度分析仪用于天然气的测量并非是简单和直接的，必须考虑诸多天然气独特的特性相伴的因素，以及对现场仪表和测量数据可靠性所产生的影响。仪表行业的生产厂商和天然气行业的用户们需要详尽的磋商，针对每一个单独的应用场合，设计出最佳的解决方案。