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05/11/2016
Products Solutions Services
Medición de H20, H2S y CO2 con Analizadores de Laser Sintonizable (TDLS)
Slide 1
05/11/2016
AREAS DE MEDICION DEL GAS NATURAL
EXTRACCIÓN Y COMPRESIÓN
TRATAMIENTO Y FRACCIONAMIENTO
Transmision
ALMACENAJE
PRODUCCÓN Y SEPARACIÓN
DISTRIBUCIÓN
Slide 2 SpectraSensors
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Medicion de los contaminantes del Gas Natural
• Humedad (H2O) • Max= 150 ppmv*
• Rango Típico = 0-422 ppmv
• Sulfuro de hidrogeno(H2S) • Max = 4.5 ppmv*
• Rango Típico = 0-20 ppmv
• Bióxido de Carbono(CO2) • Max = 3%*
• Rango Típico = 0-5%
• Oxigeno (O2)* • Max = 2000 ppmv*
• Rango Típico = 0-5000 ppmv
* información obtenida de NOM-001-SECRE-2010,
Medir los contaminantes para alcanzar los requerimientos para la transferencia de custodia y el control del proceso así como evitar daño en los activos.
Slide 3 SpectraSensors
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Analizadores SpectraSensors TDL
Analizadores individuales y multicanal para aplicación de
Gas natural H2O, CO2, H2S
Analizadores individuales para Gas Natural, Gas de proceso, GNL, Refinación
y Aplicaciones con Olefinas H2O, CO2, H2S, NH3, C2H2
+Aplicaciones para trazas
Slide 4 SpectraSensors
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• Pioneros en los analizadores de Espectroscopia de diodo laser sintonizable (TDL)
• Tecnología desarrollada para la medición deH2O por la NASA para la misión Mars Rover.
• El mismo grupo de científicos fundan Spectra-Sensors en 1999 para desarrollar la tecnología TDL con un uso comercial.
• EN 2001 Spectra Sensor desarrolla la tecnología de medición de H2O para la medición de gas natural teniendo unos excelentes resultados.
• La tecnología de H2O para Gas Natural se a convertido en la tecnología predominante para la transferencia de custodia y control de proceso debido a :
• Exactitud
• Velocidad de respuesta.
• Confiabilidad.
• Inmunidad a contaminantes.
• Ser casi libre de mantenimiento,
• No requerir consumibles
• En 2012 SpectraSensor se integra a la Familia Endress+Hauser
SpectraSensor
[ 5 ]
Slide 5 SpectraSensors
05/11/2016
Componentes tipicos de una Analizador TDL
Espejo plano
Cabezal óptico TEC
Laser
Detector
Ventana
entrada
Salida Sensor de presión
Laser y detector
Detrás de una ventana
Celda de Flujo
Slide 6 SpectraSensors
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El componente más importante en un analizador TDL “Los analizadores de diodo laser sintonizable (TDL) Generan una luz de precisión desde dimensiones microscópicas (1µmx2.5µm) – Mucho mas pequeño que un cabello humano (40µm-120µm)
El Laser en la punta de un dedo y una vista superior aumentada
Laser emisor~ 1µmx2.5µm
Comparativa de un cabello humano de 40µm to 120µm
.
Slide 7 SpectraSensors
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Absorción Espectroscopica
• La absorción esta en función de (concentración ,distancia, y la absorbancia) • Mientras la concentración (c) incremente La absorción incrementa • Mientras la distancia (l) incrementa La absorción incrementa
Fuente de Luz
Detector de Luz
Muestra
I1 < I0
Slide 8 SpectraSensors
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Absorción espectroscopica de Diodo Laser Sintonisable
• Los analizadores TDl usan un Rayo láser enfocado en un determinado rango.
• La luz es trasmitida a través del flujo de gas contenido en la celda de muestreo.
• La luz se refleja de regreso en un detector. • La luz es medida para determinar la perdida causada por la absorción de las
moléculas. • Las moléculas deseadas van a absorber un especifica longitud de
onda (color) o Luz
Refleccion simple Multipasos
Slide 9 SpectraSensors
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Absorcion espectroscopica TDL
Espectro de humedad contra espectro de Metano– ¿Existe interferencia?
Aumento: pico de humedad @ 1877nm, no hay interferencia de Metano!
Por lo que no requiere una referencia de Humedad para rastrear el pico.
H2O
Metano
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Causa raíz de la falla en los ductos Técnicas poco confiables para la medición de agua en gas natural.
¿Por qué medir H2O en Gas Natural?
Ducto en llamas
Prevenir la corrosión interna.
Sección fracturada de un ducto
Vista microscopica de La corrosión
Corrosion pitting on inside of pipe
Slide 12 SpectraSensors
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Formación de hidratos
• Metanol inyectado para evitar hidratos
• Llega a requerir despresurización o limpieza del ducto(pigging)
• Perdida de producción y de seguridad
• Los analizadores de cristal de cuarzo y Oxido de Aluminio son influenciados pot metanol y glicol en las líneas de gas.
Hielo –como Cristales solidos
Se forma cuando el gas natural entra en contacto con agua a alta presión y la
correcta temperatura.
¿Por qué medir H2O en Gas Natural?
Slide 13 SpectraSensors
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¿Por qué medir H2O en Gas Natural?
Tarifas / Transferencia de custodia.
• En los contratos se especifica un nivel de H2O, CO2, H2S…
• Maximo H20 in México . = 150ppmv
• Los productores o concentradores deben resolver el problema o el cliente puede reclamar un precio más bajo del gas o penalizaciones.
• Perdida de producción o actividades no planeadas pueden ser costosas.
Slide 14 SpectraSensors
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Remoción de H2O & CO2 para tratamiento de gas. El gas es recibido del centro de producción o extracción y tratado por un sistema basado en Glicol para remover el agua y/o un sistema basado en
aminas para remover el CO2( y el H2S), antes de empezar el envió Downstream al centro de compresión, proceso o medición para la venta.
Slide 15 SpectraSensors
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Sistema de Glycol para deshidratación de Gas natural
• La deshidratación con Glicol es uno de de los procesos más usados en el campo y en las plantas NGP.
• La deshidratación con Glycol es
adecuada para cumplir con las especificaciones de producto para los ductos , remoción de NGL y control del Dew Point.
Slide 16 SpectraSensors
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Proceso de aminas para remoción de CO2 (+H2S) (“endulzamiento”)
Los sistemas basados en aminas remueven efectivamente CO2 & H2S de la mayor parte del gas de extracción y del gas de
fraccionamiento. Slide 17 SpectraSensors
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Teconologías para la medición de humedad.
• Tecnologías de medición: • Microbalance de Crystal de Cuarzo • Sensor de Oxido de Aluminio • Electroquímicos • Pentoxido de fosforo. • Espejo enfriado. • Espectroscopia de Diodo Laser Sintonisable(TDLS)
Slide 18 SpectraSensors
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Interferencia por contaminantes en los analizadores de H2O.
Contaminantes fase gas Al2O3 P2O5 Cristal
De Cuarzo
Espejo
enfriado
Sensor
TDL
Metanol
Glicol
Amina
Mercurio
H2S
HCl
Cloro
Amonia
= Analizadores no afectados
=Puede causar daño permanente
= Puede causar lentas y malas lecturas
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El agua atrapada en la parte interna causa medidas altas
El agua atrapada en la parte externa causa medidas bajas
Contaminación de la superficie: Genera que la misma ya no sea efectiva
Analizadores de Oxido de Aluminio
Metanol y glicol detectado como agua
Slide 20 SpectraSensors
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Interferencias causadas
por glicol y metanol
Moléculas de agua Otras moleculas
Microbalance de Cristal de Cuarzo
El sistema de permeación calibra el cristal de cuarzo pero este es dependiente de P,T Y del flujo.
La composición del gas natural es cambiante, lo cual produce un cambio en la densidad con cambios en el flujo lo que cambia la permeación del gas.
Slide 21 SpectraSensors
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• SS2000e diseñado para la medición de la calidad del gas natural en los sitios de transferencia de custodia.
• SS1000 Equipo portátil diseñado para análisis periodicos o para programas de validación en campo.
• +/-1 ppm or +/-1%de la lectura , lo que sea mayor.
Analizadores SpectraSensors H2O
Slide 22 SpectraSensors
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Pruebas de velocidad de respuesta
1
10
100
1000
10000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
PPM
v
Minutos
SS2000 tiempo de respuesta
95% cambio en <10 Seg
Slide 23 SpectraSensors
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Comparación entre TDL y Cristal de Cuarzo con Metanol
• Monitoreo de H2O con 2 analizadores al mismo tiempo en la misma línea de gas natural.
• El Metanol no afecta a la medición con TDL.
• El cristal de cuarzo no puede diferenciar entre H2O y metanol dando una falsa lectura de la concentración de H2O.
• El mismo efecto ocurre con el Glicol
02468
10121416
Time
Lbs/
MM
SCF
02468
10121416
Time
Lbs/
MM
SCF Laser
Methanol
VQCLaserLaserMethanolMethanol
VQCVQC
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Traslape de un analisis de H2O en methano puro y de H2O en Matano con 100ppm de metanol utilizando TDL
No hay cambio en el espectro de ambas mediciones.
El analizador TDL responde selectiva y específicamente al H2O.
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¿Porque Medir H2S?
Falla en tuberías: H2S, & CO2 con la presencia de H2O crea una mezcla corrosiva que ataca y daña las tuberías o gasoductos. Riesgo para la salud: H2S es altamente toxico y puede causar la muerte incluso en rangos de concentración bajos
Corrosión & Riesgo para la Salud
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¿En que puntos realizar la medición de H2S?
• Tuberías de Transmisión (Gasoducto) • Puntos de Transferencia de Custodia • Estaciones Compresión • Cavernas de almacenamiento • Tratamiento de Gas (Endulzamiento) • Procesamiento de Gas (Fraccionamiento) • LNG para almacenamiento
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Diseño del analizador de H2S
Acondicionamiento de Muestra Celda de medición
Calentador Depurador
Rangos de H2S 0-20 ppm & hasta 70%
Slide 29 SpectraSensors
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H2S
CO2
H2O
Multi-Componente de Medición para análisis de Calidad del Gas
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Analizador TDL de H2S Ventajas: • Sin reemplazo de Cinta, ruptura y eliminación de desechos Tóxicos
(no maneja consumibles) • Mas accesible en compra y mantenimiento comparado con un
Cromatógrafo de Gases • Respuesta Rápida • Bajo Mantenimiento Puntos a tomar en cuenta: • Mayor precio de compra comparado contra la tecnología de Cinta
de acetato de plomo (Obsoleta) • El depurador de H2S requiere reemplazo cada 5 años • Consumo de energía 120/240 VCA a 300 W o 18-24 VCD a 1.6A (a
considerar en sitios de bajo consumo)
Slide 31 SpectraSensors
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Medición TDL de H2S para bajas Concentraciones
Cabeza Óptica Laser Detector
Ventana
Celda de Medición
Entrada de muestra
Salida de muestra
Sensor de Temperatura
TEC (control de Temperatura del Laser)
Espejo B
Sensor de Presión
Espejo A
Slide 32 SpectraSensors
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Espectroscopia Diferencial (Patente de Spectra)
Espectro
Sustraído A
bsor
banc
ia
Corriente con H2S
Sin Flujo
Depu
rado
r
Celd
a de
Esp
ectr
ómet
ro
Longitud de Onda
Abs
orba
ncia
del
H2S
Slide 33 SpectraSensors
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Espectroscopia Diferencial (Patente de Spectra)
Longitud de Onda
Depu
rado
r
Corriente con H2S
Corriente con H2S a la salida del depurador
Sin Flujo
Abs
orba
ncia
Logra una medición mas sensible y remueve los
efectos de fondo
Slide 34 SpectraSensors
Celd
a de
Esp
ectr
ómet
ro
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Depurador de H2S
• Tiempo de vida del depurador: • Tiempo de vida de diseño: 5-10
años • Alarmas de software cuando se
aproxima al porcentaje programado de vida útil.
• Indicador visual de desgaste
• Material del depurador: • Material de Nano partículas de
cobre • No es material peligroso • Sin restricciones para su
desecho Slide 35 SpectraSensors
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Técnicas de Medición H2S • Electroquímico
– Bajo Costo – Susceptible a daño por los componentes del natural, normalmente usado en monitores de
área (air)
• Cinta de Acetato de plomo – Costo bajo inicial, Alto Mantenimiento (reemplazo de partes permanente) – Buena sensibilidad pero posibles falsos positivos
• Cromatógrafo de Gases – Alto costo, Alta complejidad, usa gas de arrastre (Consumible permanente) – Respuesta lenta, 3-5 minutos para actualizar lectura o mas
• Fotómetro Ultravioleta (UV) – Rango de costo medio – Interferencia con otras especies de sulfuros y matriz de fondo – Partes de Repuesto (lámparas, rueda de filtros, fotomultiplicadores, columnas)
• Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) – Rango de costo medio + bajo mantenimiento – Buena confiabilidad y respuesta de la medición – Tiempo de respuesta rápido comparado con otras técnicas – Reemplazo del depurador cada 1-2 años (solo en concentraciones muy bajas ppm)
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* Fuente: ISA-AD 2010, Harris, Harris, & Admin, AMETEK P&AI
* * *
TDLAS
Tiempo de Respuesta de Tecnologías Análisis de H2S
H2S (GC mejor caso) H2S Spectra Sensors SS2100
H2S (GC peor caso)
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Tecnología Electroquímica
• Sensor Electroquímico • Compacto y económico • Decae con el tiempo,
requiere re calibración • Generalmente usado
como monitores área
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Tecnología de Cinta de Acetato de Plomo
• Cinta de Acetato de Plomo • Rango de precio medio • Demasiado mantenimiento – cambio
de la cinta, re calibración, llenado de acido acético, reemplazo del cabezal, reemplazo del carrete
• Rotura de la cinta o la saturación de los trastornos del proceso
• Eliminación de materiales peligrosos (residuos contaminantes)
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Fotómetro Ultravioleta
• Unidades de costo alto • Exactitud de 5% para rangos bajos debajo
de 25 ppm • Fuente de luz que se degrada con el
tiempo • Por el precio algunos clientes compran
lámparas equivalentes sin el mismo rendimiento
• Requiere “Cromatografía Frontal Elución” para evitar interferencias
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Products Solutions Services
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Acondicionamiento de Muestra para Analizadores Extractivos
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Estándares de la Industria
• API 14.1 la muestra extraída debe estar a 17°C (30°F) por encima del punto de rocío de hidrocarburos.
• ASTM D5503 “muestra de vapor debe mantenerse al menos 10 ° C (18 ° F) por encima de la temperatura del punto de rocío de hidrocarburos para evitar la condensación de la muestra.
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¿El Gas Natural es Gas Natural? NO!
Dependiente de la Composición de la corriente El gas natural puede variar de un sitio a otro
Obtener la composición de la corriente desde el Analizador de punto de muestra.
Extracción de la Muestra & Preacondicionamiento
Slide 43 SpectraSensors
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Fundamentos del Diagrama de fase
1. Región Líquida
3. Fase de Envoltura “Región Multifasica”
Punto Critico
Cricondenbar
2. R
egió
n de
Vap
or
Cricondentherm
A
B
C
D
E
4. Región Supercrítica del Fluido
Slide 44 SpectraSensors
05/11/2016 Slide 46 SpectraSensors
Soluciones de Extracción de la Muestra & Pre acondicionamiento Especifico a sus criterios de aplicación
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Ejemplos de Escenarios Instalación
Escenario 1
PONY
GPR GPR
Calentada Sin Calefacción
Escenario 3.1 Escenario 4
Escenario 2
GP2
PONY
Distribución de Analizadores
GP2
PONY
SS2000e SS2000e
SS2000e
SS2000
P53 DM
P53 RM GP2
P53 FUW SS2000
Escenario 3.2
Slide 47 SpectraSensors
05/11/2016
Soluciones de medición de Spectra Sensors
Soluciones de Medición
Analizadores
Valor Agregado
Servicios
Slide 48 SpectraSensors
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Valor Agregado: Soluciones Completas de Ingeniería
Completas soluciones de ingeniería analizadores con equipos auxiliares montados en la fábrica • Enviado parcial o completamente montado • Iluminación, distribución de energía, PLC, etc.
Gabinetes Refugios de 3 lados Bastidor con parasol
Slide 49 SpectraSensors
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Servicios
Suporte de Fabrica: • Dibujos Aprobados • Pruebas FAT Departamento de Servicio : • Puesta en marcha y
comisionamiento • Soporte técnico Remoto vía
telefónica y correo electrónico • Entrenamiento en sitio para la
operación del analizador • Pruebas SAT
Slide 50 SpectraSensors