Dem Wasser auf der Spur

Der Autor: Josef Kraus Applikationsmanager Feuchtemesstechnik, Bartec Benke

Wasser ist einer der Hauptbegleitstoffe in den Bereichen der Erdgasförderung, -produktion und des Gastransportes. Ein zu hoher Wasseranteil im Erdgas kann zu Hydratbildung führen, selbst, wenn das Wasser in noch nicht freier Form als Wasserdampf präsent ist. Betreiber müssen sich mit dieser Problematik auseinandersetzen, die zwangsläufig zu Pipelineblockaden und auch zu Leckagen im Leitungssystem führt. Kostenintensive Anlagenstillstände sind die Konsequenz. Anlagenschäden können aber auch durch Wasserschläge und Korrosion entstehen. Dass Wasserdampf den Heizwert des Gases schmälert, unterstreicht zudem die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Feuchtemessung. Wenn man schließlich beachtet, dass der maximal zulässige Wassergehalt vertraglich zwischen den Handelspartnern festgelegt ist und bei einer Überschreitung dieser Grenzen Vertragsstrafen drohen, besteht spätestens jetzt Bedarf nach einer zuverlässigen Messung des Feuchtegehalts. Auch auf Seiten des Verbrauchers spielt die Kenntnis des Wassergehaltes eine nicht zu unterschätzende Rolle. Gasturbinen, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden, können beispielsweise durch auftretendes Kondensat empfindlich beschädigt werden.

Die Trocknung des Erdgases kann dabei durch verschiedene Methoden erfolgen. Im Bereich der Gasförderung wird der größte Teil des freien Wassers häufig in der Nähe des Bohrkopfes unter Hochdruck abgeschieden. Anschließend können der Wasserdampf und höhere Kohlenwasserstoffe durch die Expansionskühlung des Gases auskondensiert werden. Meistens werden hier aber auch Trocknungsanlagen mit flüssigen Absorptionsmitteln eingesetzt. Zum Einsatz kommen hier oftmals Diethylenglykol (DEG) oder Triethylenglykol (TEG), welche durch ihre hygroskopischen Eigenschaften den Wasserdampf aus dem Gas entziehen. Dabei ist Glykol chemisch stabil und reagiert nicht mit den Bestandteilen des Erdgases und dessen Begleitstoffen wie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Es ist darüber hinaus auch nicht korrosiv und mit geringen Anschaffungskosten verbunden. Im Gegenstromverfahren treffen feuchtes Gas und trockenes Glykol in der Absorptionskolonne aufeinander. Dabei nimmt das Glykol den Wasserdampf auf und das getrocknete Erdgas verlässt die Kolonne am Ausgang.

Das feuchte Glykol wiederum wird im Regenerationskreislauf aufbereitet. Bei hohen Temperaturen über +200 °C wird das aufgenommene Wasser verdampft, und das getrocknete Glykol wird wieder zurück in die Absorptionskolonne geleitet. Die Feuchtemessung des Erdgases wird dabei am Ausgang der Kolonne durchgeführt. Da der gemessene Wassertaupunkt die Effektivität der Trocknungsanlage widerspiegelt, wird dieser zur Steuerung und Regelung herangezogen. Feuchtes Erdgas und ein hoher Durchfluss erfordern dabei eine hohe Regenerationsrate des Glykols. Bei trockenem Gas kann zur Energieeinsparung die Regenerationsrate geringer eingestellt werden. Dass sich der Verlust von Glykol, die Bildung von Kohlenwasserstoffablagerung und große Emissionen dadurch verringern können, sind weitere Vorteile, die die Betriebskosten der Trocknungsanlage deutlich reduzieren. Weitere Kosteneinsparungen sind durch die Installation der Feuchtemessung am Eingang der Absorptionskolonne möglich, da bereits vor dem Trocknungsprozess ermittelt werden kann, ob überhaupt eine Trocknung notwendig ist.

Da die Feuchtemessung Teil der Prozesskontrolle ist, sind die Anforderungen an die Messtechnik entsprechend hoch. Neben einer schnellen Ansprechgeschwindigkeit ist eine langzeitstabile Messung mit möglichst wenig Wartungsaufwand gefordert. Inline-Messungen werden bevorzugt, da extraktive Messsysteme neben einem aufwendigen Probenaufbereitungssystem auch beheizte Zuleitungen erfordern und aufgrund der Distanz meist eine zeitverzögerte Messung bedeuten. Die Rückführung des Gases in den Prozess wäre zudem sehr aufwendig, weshalb bei extraktiven Systemen oftmals das analysierte Gas gegen Atmosphäre abgeströmt oder abgefackelt wird. Die Messgeräte dürfen darüber hinaus keine Querempfindlichkeit gegen Glykol, Kohlenwasserstoffe und Methanol aufweisen.

Eine praktikable Lösung für diese Anwendung bietet Bartec Benke mit dem Messgerät Hygrophil F. Das Sensorelement des Feuchtesensors L1661 besteht aus einem widerstandsfähigen Multi-Layer aus optisch hoch- und niedrigbrechenden Schichten. Durch eine spezielle Herstellungstechnologie werden in diesem Layer Poren mit Durchmessern im Zehntel-Nanometerbereich erzeugt. Es bildet sich ein Feuchtegleichgewicht zwischen Medium und Messschicht. Die Wassermoleküle des zu messenden Mediums adsorbieren dabei in die Poren und verändern die Eigenschaften des optischen Filters. Das in die Messschicht eingestrahlte Licht erfährt eine Wellenlängenverschiebung, die proportional zur vorherrschenden Feuchte im Medium ist. Diese wird mit einem Polychromator ausgewertet und einem Taupunkt zugeordnet. Mit diesem Verfahren lässt sich ein Taupunkt-Messbereich von -80 bis +20 °C bei einer Genauigkeit von ±1 °C realisieren. Da der Sensor speziell für die Erdgasindustrie entwickelt wurde, ist dieser bis zu einem Druck von 200 bar direkt in der Pipeline einsetzbar.

Die mit dem Gas in Berührung kommenden Teile des Feuchtigkeitssensors L1661 sind aus Edelstahl, ein Kalrez-Dichtring und die robuste Feuchtemessschicht. Dies macht die Sonde beständig gegen aggressive Bestandteile des Erdgases wie Schwefelwasserstoff, das auch in hohen Konzentrationen in Sauergas auftreten kann. Selbst Betauung schadet dem Sensor nicht. Nach dem Abtrocknen ist die Sonde ohne Neukalibrierung einsatzfähig. Der Feuchtesensor ist aufgrund seines Aufbaus nicht nur langzeitstabil und driftfrei, sondern auch wartungsarm. Eine jährliche Kontrolle ist erfahrungsgemäß vollkommen ausreichend. Für einen komfortablen Ein- und Ausbau der Feuchtemesssonde, selbst unter Leitungsdruck, bietet Bartec Benke eine spezielle Sensorwechselarmatur an.

Das Hygrophil F kommt neben der Erdgasindustrie auch in anderen Medien und Prozessen zum Einsatz. In der Kunststoffindustrie (HDPE- und LDPE-Anlagen) fungiert Hexan als Lösemittel. Aus Kostengründen wird dieses zentrifugiert, destilliert und im Kreislaufverfahren wieder verwendet. Im Zusammenspiel mit Ethen, Co-Monomeren und Wasserstoff wird mithilfe von Katalysatoren Polyethylen hergestellt. Bereits geringe Feuchte kann hier zu Schäden führen. Das Hygrophil F misst bei dieser Anwendung inline im flüssigen Hexan. In Raffinerieanwendungen wird das Messgerät zur Feuchtemessung im Reformer eingesetzt bei dem mithilfe von Platinkatalysatoren hoch-oktanisches Benzin hergestellt wird. Denn bereits eine geringe Feuchte von etwa 30 PPMv im Recyclegas-Kreislauf kann die Lebensdauer der Katalysatoren beträchtlich verringern. Der robuste Aufbau des Feuchtesensors L1661 ist auch hier von Vorteil, da das Recyclegas Spuren von Chlorwasserstoff enthält.

Halle 11.1, Stand E76

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