MX2015003387A - Metodo y sistema para determinar contenido de energia y detectar contaminantes en una corriente de fluido. - Google Patents

Abstract

Los métodos y sistemas para monitoreo de fluidos en tiempo real, en lugar, y en particular la determinación tanto del contenido de energía como de los contaminantes en instalaciones de transmisión de petróleo o gas, se proporcionan. El sistema puede incluir dos fuentes de escaneo separadas para escanear dos intervalos NIR, diferentes, pero traslapantes, o puede involucrar dos escaneos separados de una sola fuente de espectroscopia de escaneo. El primer escaneo va de aproximadamente 1550 nm hasta 1800 nm y un segundo escaneo escanea con frecuencia a una alta resolución a través de una banda de aproximadamente 1560-1610 nm, la longitud de onda de interés para el sulfuro de hidrógeno. El segundo escaneo puede proporcionar una resolución de paso (0.005nm) muy estrecha a un nivel de energía mayor sobre sólo la longitud de onda de interés para el contaminante. Los datos ópticos de espectroscopia de los dos escaneos, por el contrario obtenidos, se combinan en un módulo de procesamiento analítico que analiza los datos multiescaneo para producir tanto el contenido de energía como los datos cuantitativos de contaminantes.

Description

MÉTODO Y SISTEMA. PARA DETERMINAR CONTENIDO DE ENERGÍA Y DETECTAR CONTAMINANTES EN UNA CORRIENTE DE FLUIDO Declaración de prioridad conforme a 35 U . S . C . par . 119 y 37 C . F. R. par . 1. 78 Esta solicitud internacional reclama prioridad para la Solicitud de los E.U. No.13/720,598 presentada el 19 de diciembre de 2012, que reclama prioridad con base en la Solicitud de Patentes Provisional de los E.U. No. 61/702,151 presentada el 17 de septiembre de 2012 a nombre de Joseph Paul Little, III y Matthew R. Thomas titulada "Detección de trazas de H2S con espectroscopia IR (infrarrojo) cercana en corriente de gas natural bajo presión que utiliza una fuente de luz de escaneo", cuya descripción se incorpora en su totalidad en la presente como referencia como se estables en la presente.

Antecedentes de la invención Esta invención se relaciona con el monitoreo en lugar, en tiempo real de fluidos, y especialmente con la determinación de contaminantes en una infraestructura de fluidos. La invención se dirige en particular a la detección de sulfuro de hidrógeno en una linea de transmisión de gas natural, pero los aspectos de la invención pueden ser empleados para detectar otros contaminantes en otros ambientes también.

El gas natural es una mezcla principalmente de metano (CH4) y otros hidrocarburos más dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2), sulfuro de hidrógeno (H2S) y agua (H2O). El componente de sulfuro de hidrógeno es un gas extremadamente tóxico e irritante, que provoca irritación de ojos, mareo, tos, y dolores de cabeza en bajas concentraciones e inconsciencia o muerte en altas concentraciones si se libera en el ambiente local. Además de sus efectos adversos para la salud en los humanos la presencia de sulfuro de hidrógeno en gas natural puede provocar grietas por tensión de sulfuro y grietas inducidas por hidrógeno a las tuberías a través de las cuales se transmite el gas. Consecuentemente, la mayoría de las instalaciones de procesamiento de gas natural tratan el gas natural para neutralizar el sulfuro de hidrógeno, así que es importante medir de manera adecuada la cantidad de sulfuro de hidrógeno presente para que las cantidades adecuadas de neutralizador químico sean añadidas. Por estas y otras razones, es importante ser capaz de detectar de manera adecuada la cantidad de sulfuro de hidrógeno en el sistema durante la transmisión.

El análisis de espectrografía (NIR) infrarrojo cercano es el método preferido para determinar la composición de gas natural porque, a diferencia de la cromatografía de gas no hay necesidad de calibrar gases, transportar gases o filtrarlos para desarrollar las mediciones. Las mediciones se hacen a temperatura de operación y presión de la infraestructura de fluidos sin necesidad de extraer y alterar una muestra representativa, minimizando asi la posibilidad de contaminación por muestra y el riesgo de analizar material que no es verdaderamente representativo del fluido en la tubería de proceso. Así mismo, la presencia del líquido condensado en el vapor de gas no puede medirse mediante el sistema de cromatografía de gas, pero puede detectarse mediante un espectrómetro NIR.

La espectroscopia infrarrojo cercano por lo general opera en la región de longitud de onda de 1,350 a 2,550 nanómetros (NM), o 1.35 a 2.5 micrómetros (pm). Las frecuencias de absorción más fuertes de la mayoría de los gases de hidrocarburo caen entre 1,600 y 1,800 nm, mientras que el espectro de absorción de NIR del sulfuro de hidrógeno cae entre aproximadamente 1,570 y 1,610 nm. Aunque esta banda de absorción para el sulfuro de hidrógeno es relativamente débil, significa por el contrario que la espectroscopia NIR es un candidato excelente para determinar tanto el contenido de energía del gas natural como para determinar el grado en el cual el sulfuro de hidrógeno está presente.

Por infortunio, la determinación de la cantidad de sulfuro de hidrógeno en lugar en una corriente de gas natural bajo presión es extremadamente difícil. El sulfuro de hidrógeno es un absorbente de NIR muy débil y, como resultado, la proporción de señal a ruido es muy baja. Esto es complicado por el hecho de que hay especies de hidrocarburos en gas natural cuyas frecuencias de absorción pueden interferir con la frecuencia de absorción de sulfuro, más notablemente el metano (CH4) y el monóxido de carbono (CO) pero en algunos casos también parte de las moléculas de alcano más grandes tales como el propano (C3H8). Finalmente, debido a que las líneas de absorción se hacen más anchas con la presión en incremento y la temperatura en incremento, el análisis del sulfuro de hidrógeno con láser de diodos ajustables que no sólo son capaces de crear un intervalo muy estrecho de frecuencia de excitación de NIR sino también el enfoque en un solo pico de absorción se restringe a una cierta presión máxima y temperatura de proceso.

Por lo tanto, existe la necesidad de un método y sistema para usar espectroscopia NIR en lugar, bajo presión de operación, y en tiempo real para detectar de manera confiable tanto el contenido de energía de un fluido como la presencia de cantidades de trazas de sulfuro de hidrógeno en el fluido. Este sistema debe ser capaz de detectar múltiples bandas de absorción de la molécula de sulfuro de hidrógeno por un escaneo de alta resolución para distinguir éstas de otros picos en la región.

Sumario de la invención En una modalidad, dos fuentes de escaneo separadas escanean dos intervalos diferentes, pero traslapantes, NIR. La primera fuente de escaneo escanea de aproximadamente 1,550 nm hasta 1,800 nm y una segunda fuente de escaneo, tal como un láser de diodos ajustable, que actualmente esta hecho para escanear a una resolución mucho mayor a través de una banda de a aproximadamente 1,560 a 1,610 nm, la longitud de onda es de interés para el sulfuro de hidrógeno. La segunda fuente de escaneo puede proporcionar, por ejemplo, un paso muy estrecho (por ejemplo 0.005 NM) que resulta en una resolución muy alta a través de sólo la longitud de onda de interés para el sulfuro de hidrógeno y puede escanear a un nivel de eneregia substancialmente mayor.

En otra modalidad de la presente invención, una sola fuente de escaneo conduce dos escaneos separados sin secuencia, los resultados se combinan después para determinar el contenido tanto de energía como de contaminantes de la corriente. La fuente de escaneo puede configurarse primero para escanear el intervalo de aproximadamente 1,350 a 1,800 nm a una resolución menor para determinar el contenido de energía y otro contenido contaminante (por ejemplo, agua o CO2). La misma fuente de escaneo puede establecerse entonces en un modo de escaneo de alta resolución para escanear la región de sulfuro de hidrógeno de interés a una resolución mayor y energía, con frecuencia repitiendo muchos escaneos sobre esta misma región para cada escaneo sobre toda la región de 1,350 a 1,800 nm.

En otra modalidad, la primera fuente de escaneo de nuevo escanea desde abajo de aproximadamente 1,550 nm hasta 1,800 nm a una menor resolución. Sin embargo, en lugar de emplear una segunda fuente de escaneo, se usa el software para incrementar la resolución del intervalo entre 1,560 y 1,610 nm, el intervalo de sulfuro de hidrógeno, para distinguir los picos de sulfuro de hidrógeno para reducir el ruido y las contribuciones de otras especies presentes en la corriente de fluido.

En cada uno de los casos anteriores, los métodos de posprocesamiento pueden utilizarse para normalizar los resultados, tal como el cálculo de la primera derivada, normalizando la presión, y posiblemente utilizando otras téenicas de procesamiento, tal como la corrección de dispersión multiplicativa extendida. Adicionalmente, los métodos de posprocesamiento pueden usarse para calcular o de otro modo determinar la cantidad de cada constituyente de interés en la corriente de gas con base en los datos por espectroscopia combinados obtenidos con múltiples escáners.

Lo anterior ha remarcado ciertos aspectos amplios de la presente invención para que la descripción detallada de la invención que sigue pueda ser mejor entendida. Las características y ventajas adicionales de la invención serán descritas en lo siguiente que forman el sujeto de las reivindicaciones de la invención. Se debe apreciar para aquellos expertos en el arte que la concepción y la modalidad especifica descrita puede utilizarse fácilmente como una base para modificar o diseñar otras estructuras o procesos para llevar a cabo los mismos propósitos de la invención. También se debe notar por aquellos expertos en el arte que tales construcciones equivalentes no se apartan del espíritu y alcance de la invención como se establece en las reivindicaciones anexas.

Breve descripción de las figuras Para un entendimiento más completo de la presente invención, y de las ventajas del mismo, se hace referencia ahora a las siguientes descripciones que se toman en conjunto con las figuras acompañantes en las cuales: La figura 1 proporciona un diagrama de bloques de un espectrómetro operable para realizar análisis espectrográfico de fluidos en el campo; La figura 2 proporciona un diagrama de flujos de proceso; La figura 3 ilustra un sistema operable para medir la composición química de un gas dentro de una tubería; La figura 4 muestra un ejemplo de un espectro de absorción recolectado que muestra las absorción contra la longitud de onda entre 1,350 y 1,800 nm; y La figura 5 muestra un ejemplo de un espectro recolectado que utiliza una modalidad de la presente invención que traza la absorción contra las longitudes de onda entre 1,560 nm y 1,610 nm.

Descripción detallada de la invención La presente invención se dirige a métodos mejorados y sistemas para, entre otras cosas, detectar contaminantes en una corriente de fluidos. La configuración y el uso de las modalidades preferidas presentes se discute a detalle en lo siguiente. Se debe apreciar, sin embargo, que la presente invención proporciona muchos conceptos inventivos aplicables que pueden presentarse en una gran variedad de contextos diferentes a la determinación del contenido de energía y detección de contaminantes en una corriente de fluidos. Por consiguiente, las modalidades específicas discutidas son meramente ilustrativas de maneras específicas para hacer y usar la invención, y no se limitan al alcance de la invención. Adicionalmente, los siguientes términos tienen que tener el significado asociado cuando se utilizan en la presente: "Infraestructura de fluidos" significa cualquier infraestructura utilizada en conexión con la recolección, procesamiento, almacenamiento, transmisión o distribución de un fluido que incluye, sin limitación, si el fluido es un hidrocarburo, cualquier infraestructura entre la boca del pozo y el punto de entrega del cliente minorista; "contaminante" significa cualquier químico no deseable o menos deseable dentro de un fluido; "fluido" significa cualquier gas o liquido incluyendo sin limitación a una corriente de gas natural con o sin líquidos suspendidos; "alta resolución" significa que NIR escanea con mayor resolución que o igual a 0.01 nanómetros; "modo de escaneo de alta resolución" significa el escaneo a una resolución alta sobre un intervalo estrecho de longitudes de onda; "baja resolución" significa que NIR escanea con resolución de 0.5 nanómetros a 5 nanómetros de intervalo; "NIR" e "infrarrojos cercanos" significan el intervalo de longitud de onda entre aproximadamente 1,350 a 2,500 nanómetros, o 1.35 a 2.5 micrómetros; "fuente de escaneo" significa cualquier fuente de luz conocida en el arte para escanear el espectro de infrarrojo cercano, incluyendo bulbos incandescentes comunes, bulbos de alógeno de cuarzo, diodos de emisión de luz, y láseres de diodo ajustables; y "TDL" significa un láser de diodos ajustable, típicamente usado con una longitud de ancho del haz muy estrecho en un solo juego de longitud de onda que corresponde a la absorción más alta de una molécula de interés en un sistema espectroscópico.

Las modalidades de la presente invención proporcionan un espectrómetro, un sistema óptico y un módulo de procesamiento para determinar tanto la cantidad de energía (tal como la determinada por la especificación de hidrocarburo y porcentajes) y la cantidad de uno o más contaminantes en una corriente de fluidos, por lo general en una infraestructura de fluidos. En algunos casos, estos contaminantes son absorbentes débiles de modo que su señal se pierde o se afecta por el ruido en el sistema espectrográfico. En otros casos, la señal de absorción del contaminante se retuerce con otras señales de absorción haciendo una determinación precisa del químico de interés que parece ser inadecuado o imposible. A través del uso de las modalidades de la presente invención, es posible determinar el contenido de energía del fluido así como la cantidad de contaminantes de interés en el fluido.

Una modalidad representativa de un sistema analizador de fluidos 100 se muestra en la figura 1. Un espectrómetro 10 conocido en el arte incluye una fuente de luz 12, longitud de onda integrada y referencias de amplitud 14, y un detector de fotos 16. El espectrómetro 10 se acopla a una celda óptica 20 mediante cables de fibra óptica 22. Un sistema de muestra 24 extrae gas 26 de una tubería 28, ya sea en lugar o como una configuración de derivación, y medirá la presión y temperatura del gas, va a dirigir el gas a través de la celda óptica 20 en donde será expuesto a la luz de la fuente de escaneo 12, y volverá a introducir la muestra de regreso en la linea de transmisión 28 o la sacará a la atmosfera. Los datos espectrales serán transmitidos de vuelta al fotodetector 16 mediante los cables de fibra óptica 22. El arreglo de detector puede, por ejemplo, ser un fotodetector (inGasAs) de arseniuro de indio y galio. El módulo de procesamiento 32 procesará los datos espectrográficos y otras propiedades del fluido medidas tal como la temperatura y presión, utilizando varios modelos y téenicas computacionales para determinar la composición química del gas. Otras propiedades del gas tal como el punto de condensación del hidrocarburo, la gravedad específica y la compresibilidad también pueden calcularse de la información recolectada. Los resultados luego se almacenarán para una transmisión posterior y análisis, se enviarán directamente a una ubicación de recolección de datos, o ambos.

El módulo de procesamiento 32 puede ser un solo dispositivo de procesamiento oo una pluralidad de dispositivos de procesamiento. Se debe observar que cuando el módulo de procesamiento 32 implementa una o más de sus funciones mediante una máquina de estado, circuitos análogos, circuitos digitales, y/o circuitos lógicos, la memoria que almacena las instrucciones operacionales correspondientes puede estar embebida adentro, o afuera de los circuitos comprendidos en la máquina de estado, circuitos análogos, circuitos digitales, y/o circuitos lógicos. El módulo de procesamiento 32 ejecuta instrucciones operacionales que corresponden al menos a algunos de los pasos y/o funciones ilustrados en la figura 2.

La figura 2 proporciona un diagrama de flujos de proceso para un método y para determinar ópticamente la cantidad de un contaminante y el contenido de energía en un fluido utilizando, por ejemplo, el sistema analizador de fluido 100. En el paso 1, los datos brutos se recolectan utilizando un sistema de espectroscopia NIR y una celda óptica en un sistema de transportación de fluidos. En el paso 1A, el sistema de espectroscopia NIR se realiza para escanear a través de la banda de longitud de onda ancha, con sus parámetros de escaneo como la resolución de longitud de onda y la configuración de energía para optimizar la detección de aquellos constituyentes que determinan el contenido de energía. En el paso IB, que en esta modalidad se indica para que suceda secuencialmente después del paso 1A pero en otras modalidades ocurre simultáneamente con el paso 1A, el sistema de espectroscopia NIR se utiliza para escanear a través de la banda de longitud de onda estrecha, con sus parámetros de escaneo tales como la resolución de longitud de onda y la configuración de energía para optimizar la detección de contaminantes tales como sulfuro de hidrógeno. Estos datos brutos recolectados de los pasos 1A y IB luego se envían al paso 2, el preprocesamiento, en donde los datos se procesan y manipulan utilizando ciertos modelos y algoritmos tales como tomar el primer derivado de orden, el procesamiento por EMSC, la aligeración de Savitzky-Golay, la aligeración del carro de caja, y/o el ajuste de presión y temperatura. Estos datos preprocesados luego se envían al paso 3 en donde un análisis de regresión multivariada se realiza en los datos, seguido de el establecimiento del vector de regresión en el paso 4. Todos estos datos procesados luego se proporcionan a los modelos de derivación de concentración de propietario en el paso 5, resultando en los valores de salida deseados para tanto la concentración de contaminantes como el contenido de energía en la corriente de fluidos de interés.

Hablando en general, puede no haber resolución suficiente en la banda de longitud de onda ancha para determinar la cantidad de contaminante y la banda de longitud de onda estrecha es muy probable gue sea muy estrecha para determinar el contenido de energía completo del fluido. Por lo tanto, en muchas modalidades las dos mediciones son mediciones independientes. Sin embargo, es posible incluir "marcadores" en el escaneo amplio para ayudar a identificar la presencia de un contaminante. En algunas modalidades, el escaneo de la banda de longitud de onda ancha puede usarse como una herramienta de diagnóstico para validar los resultados del escaneo de la banda de longitud de onda estrecha. Por ejemplo, los resultados del escaneo de longitud de onda ancha pueden usarse como un método rudo para determinar las concentraciones de un contaminante ya sea presentes arriba de un umbral cierto (por ejemplo una concentración de sulfuro de hidrógeno arriba de 20 ppm).

La figura 3 ilustra una aplicación de la metodología anterior en un sistema de medición de gas natural en el cual las sondas individuales se introducen en una tubería de diámetro largo 314 para medir la composición química de un gas 316 dentro de una tubería que utiliza un bucle de derivación 330. Como se ilustra aquí, el sistema de muestra 24, la celda óptica 20 y la tubería 28 del sistema analizador de fluidos 100 podría estar abarcado en un bucle de derivación 330. Este bucle incluiría válvulas de aislamiento 322 y 324, sondas ópticas 302 y 304, sonda de temperatura 306, un puerto de muestra 308, y un transductor de presión 310. Las sondas ópticas 302 y 304 permiten mediciones espectroscópicas para que sean tomadas y combinadas con los resultados del transductor de presión 310 y el transductor de temperatura 306 para producir información acerca de la cantidad de contaminantes dentro de la tubería de transmisión en la cual se instala el analizador 100.

Mientras que es posible medir muchos contaminantes que utilizan la metodología descrita anteriormente, es extremadamente difícil determinar la cantidad de sulfuro de hidrógeno en lugar en una corriente de gas natural bajo presión. Primero, como se describe arriba el sulfuro de hidrógeno es un absorbente muy débil en NIR y la proporción de señal a ruido es muy baja. Como resultado las líneas de absorción para el sulfuro de hidrógeno proporcionan una señal muy débil. Adicionalmente, estas bandas de sulfuro de hidrógeno pueden volverse retorcidas con las líneas de absorción de otros componentes del gas tal como metano y alcanos pesados tales como el propano. Las líneas de absorción infrarrojas representativas para varios gases se dan en la tabla 1. Se debe tener en mente que, cuando se lee una línea dada, se debe tomar consideración de la resistencia de la linea fundamental asi como si la linea puede traslaparse con las lineas de absorción o no de otros gases que pueden estar presentes en la muestra.

Finalmente, debido a que las lineas de absorción se amplían con la temperatura y la presión en incremento, el análisis del sulfuro de hidrógeno con láseres de diodos ajusfadles se restringe por lo general a una presión y temperatura de proceso máximos de aproximadamente 2 bar absolutos y 300°C. La señal absoluta para el sulfuro de hidrógeno en la misma proporción de volumen en diferentes presiones será diferente debido a la presión "de ampliación". La ampliación es el ensanchamiento de la banda de absorción de una molécula dada (H2S en este caso) debido a la interacción incrementada y cambios en la frecuencia de choque entre las moléculas a medida que la presión incrementa. La temperatura también tiene un efecto de ensanchamiento pero la magnitud es mucho menor que la presión. La variación en la composición del gas de muestra también cambiara la señal absoluta debido a las interacciones entre las moléculas de gas de componente. Por lo tanto la señal absoluta es una función del estado del gas. Esta invención, en parte, contempla téenicas que pueden ser empleadas para superar estos desafios y correlacionar la señal absoluta obtenida del espectroscopio NIR a una correlación directa de la concentración del sulfuro de hidrógeno mientras también se determina el contenido de energía de la corriente de fluidos.

En una modalidad de la presente invención, dos fuentes de escaneo separadas se usan y combinan con ciertas técnicas de procesamiento de datos y modelos para proporcionar una medición en tiempo real, en lugar tanto el contenido de energía de los fluidos como de la cantidad de un contaminante en el fluido. La primera fuente de escaneo escanea a partir de una frecuencia a o menor al intervalo de interés (es decir debajo de aproximadamente 1,550 nm) hasta 1,800 nm a una baja resolución. Una segunda fuente de escaneo, tal como un láser de diodos ajustable, escanea frecuentemente o casi simultáneamente a una resolución alta a través de solamente la longitud de onda estrecha de interés para un contaminante, tal como el sulfuro de hidrógeno para el cual la longitud de onda de interés es de aproximadamente 1,560 a 1,610 nm. Por ejemplo, la segunda fuente de escaneo puede proporcionar un paso muy estrecho (por ejemplo 0.005 nm) que permite una resolución muy alta por sólo la longitud de onda de interés para el sulfuro de hidrógeno y puede escanear al nivel más alto de energía posible. Las señales obtenidas del escaneo de baja resolución y el escaneo de resolución alta combinados se usan para calcular la composición química del fluido y la cantidad del sulfuro de hidrógeno u otro contaminante en el fluido.

Como un ejemplo de la modalidad descrita anteriormente, la figura 4 muestra un espectro de absorción entre 1,350 y 1,975 nm que resulta de la primera fuente de escaneo que escanea un intervalo amplio a baja resolución como se describe arriba. Es evidente que el intervalo de hidrocarburo entre 1,600 y 1,800 nm está activo, pero no hay información discernible en el intervalo de longitud de onda del sulfuro de hidrógeno entre 1,560 y 1,620 nm. El intervalo de longitud de onda de sulfuro de hidrógeno puede escanearse utilizando una segunda fuente de escaneo a una resolución mayor, en este caso los pasos de 0.005nm, y el resultado se muestra en la figura 5. Como se puede ver en la figura 5, la apariencia suave de la curva de absorción en el intervalo de sulfuro de hidrógeno en la figura 4 es en realidad una serie de picos y valles que no son detectadles a una resolución menor de la primera fuente de escaneo.

En otra modalidad de la presente invención, una fuente de escaneo conduce dos escaneos separados. La fuente de escaneo primero se configura para realizar un escaneo amplio (por ejemplo de 1.350 a 1.800 nm) a una resolución baja para determinar el contenido de energía, y la misma fuente de escaneo luego se escaneara en modo de escaneo de alta resolución para escanear a una resolución alta a través de la región de longitud de onda de sulfuro de hidrógeno de interés. Las señales de cada escaneo se procesarán a través de los mismos pasos de procesamiento antes mencionados, o de manera alternativa, la corrección de dispersión multiplicativa extendida y/u otros pasos de preprocesamiento podrían eliminarse del segundo escaneo. El módulo de procesamiento 32 podría combinar los datos ópticos obtenidos de múltiples escaneos (baja resolución de alta banda ancha y alta resolución de baja banda ancha) para calcular tanto el contenido de energía como la cantidad de contaminantes de manera simultánea.

Algunos láseres de diodos ajustables (TDL) conocidos en el arte tienen un intervalo de longitud de onda muy estrecho, y por lo tanto una resolución muy alta. El arte previo toma ventaja de esto solamente al enfocarse en un solo pico de la absorción de sulfuro de hidrógeno; sin embargo, hay dos problemas con este enfoque en las corrientes de gas actuales. El primero es que otras especies de gas (por ejemplo, metano) gue pueden estar presentes en la corriente de gas tendrán espectros de absorción traslapantes con el sulfuro de hidrógeno y si solamente los espectros estrechos se consideran entonces el metano no puede distinguirse del sulfuro de hidrógeno. Adicionalmente, si la presión incrementa, el pico de absorción de sulfuro de hidrógeno se vuelve más amplio y la capacidad para lograr la medición adecuada utilizando solo un haz no escaneado muy estrecho tal como el de un TDL se compromete. Las modalidades de la presente invención emplean una fuente de resolución muy alta que escanea el intervalo de respuesta de la señal de sulfuro de hidrógeno en NIR y por lo tanto supera ambos de estos obstáculos.

En las modalidades de la presente invención, la segunda fuente de escaneo escanea a través de un intervalo más estrecho, especifico porque hay múltiples picos en la región del contaminante (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno) debido a la estructura rotacional del átomo, todos los cuales se amplían bajo presión. Esta información puede usarse para determinar, por ejemplo, cuáles picos están libres de interferencia no deseada (por ejemplo, de metano). Esto permite que el módulo de procesamiento tome en cuenta diferentes condiciones de operación, temperatura y presión, y cree y utilice un modelo que contiene un coeficiente de regresión lineal y otras variables y modelos que son indicativos de la concentración de contaminantes (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno). Esto es significativamente diferente al arte previo, el cual confía en condiciones controladas y solo es capaz de monitorear un solo pico bajo condiciones de operación.

En otra modalidad, la primera fuente de escaneo de nuevo escanea desde una frecuencia a o menor a aproximadamente 1,550 nm hasta 1,800 nm. Sin embargo, en lugar de emplear una segunda fuente de escaneo, se utiliza software para incrementar la resolución a través del intervalo de longitud de onda de contaminantes. En otras palabras, la señal se procesa al incrementar la resolución mientras se disminuye el ancho de banda de interés. Esta segunda señal (o los múltiples pases de la misma) luego se combina con la señal de banda ancha de onda para determinar el contenido de energía y el contenido de contaminantes de la corriente de fluidos utilizando 32 algoritmos del módulo de procesamiento.

Con el uso de la presente invención es posible separar las firmas de espectros de hidrocarburo del sulfuro de hidrógeno u otras firmas de espectros contaminantes y, por lo tanto, eliminar el efecto de la señal de hidrocarburo que se traslapa o interfiere con la señal del contaminante (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno). Una vez que la interferencia se elimina de los hidrocarburos en la señal contaminante, es posible detectar el contaminante a bajas concentraciones (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno a concentraciones tan bajas como 1 ppm).

En cualquier modalidad de la presente invención, los espectros de absorción tanto del escaneo de baja resolución como del escaneo de alta resolución se almacenan en una base de datos para cada grupo de escaneos, junto con la temperatura y presión de muestra. Una vez almacenados, las señales de absorción recolectadas pueden estandarizarse y analizarse a través e métodos de posprocesamiento por ejemplo, al tomar el primer derivado de los espectros de absorción, los efectos de contaminación dentro de la infraestructura de fluidos pueden reducirse. Más en especifico, al calcular el cambio en absorción, en lugar de la absorción misma, no es ya más necesario saber qué tanta luz espectroscópica entra a la muestra, si no solamente qué tanta luz transmitida cambia de su valor promedio durante la modulación de longitud de onda. Adicionalmente, debido a que el cambio en absorción no depende de la intensidad en fuente, no es necesario usar un haz dual y un segundo detector cuando se escanea el fluido.

En algunas modalidades, el proceso de conversión de datos espectroscópicos en bruto mediante el módulo de procesamiento 32 puede involucrar también dividir el primer espectro derivativo por la presión (en PSI) para normalización. Uno o más modelos de calibración pueden aplicarse entonces al primer espectro derivativo normalizado para calcular el contenido de energía y las concentraciones de contaminantes. Entonces es posible emplear métodos de modelación empíricos multivariados para desarrollar varios modelos de calibración. Los modelos pueden usar uno o más de los siguientes elementos: (i) análisis de componentes principales (PCA) y regresión por cuadrados menores parciales (PLS) para descubrir las estrategias de modelación óptimas y detectar valores atípicos potenciales en la configuración de datos de calibración; (ü ) si cualquier muestra o variables espectrales se detectan en los datos de calibración, hay que excluirlas de que se utilicen para construir los modelos; (iii) utilizar la regresión de cuadrados mínimos parciales (PLS) para construir modelos de calibración predictivos de los datos de calibración que generan una serie de coeficientes de regresión que, cuando se multiplican por valores de absorbencia de un espectro de muestra de gas, resultan en la propiedad de interés; (iv) utilizar los algoritmos genéticos (GA) para seleccionar los subgrupos de variables de respuesta espectrales para utilizar en modelos predictivos y hacer los modelos PLS más robustos con respecto a los efectos de interferencia conocidos en el espectro; y/o (v) utilizar PCA para generar un "modelo de valor atípico" que puede funcionar en línea para valorar si un espectro recolectado de campo es anormal con respecto a los espectros que se utilizan para desarrollar los modelos.

En tanto que el sistema presente y método han sido descritos de acuerdo con la modalidad preferida de la invención, aquellas personas con experiencia en el arte entenderán que otras modalidades también han sido permitidas. Aunque la discusión anterior se ha enfocado en modalidades particulares, se entiende que se pueden contemplar otras configuraciones. En particular, aunque las expresiones "en una modalidad" o "en otra modalidad" se utilizan en la presente, estas frases significan que se hace referencia por lo general a posibilidades de modalidad y no están pretendidas para limitar la invención aquellas configuraciones de la modalidad particulares. Estos términos pueden hacer referencia a las mismas o diferentes modalidades, y a menos que se indique de otro modo, se pueden combinar en modalidades agregadas. Los términos "uno", "una", "el", "la" significan "uno o más" a menos que se especifique de otro modo de manera expresa. El término "conectado" significa "conectado de manera comunicativa" a menos que se defina de otro modo.

Cuando una sola modalidad se describe en la presente, será fácilmente aparente que más de una modalidad puede ser utilizada en lugar de una sola modalidad. De manera similar, cuando más de una modalidad se describe en la presente, será fácilmente aparente que una sola modalidad puede ser sustituida por aquella en un dispositivo.

En luz de la amplia variedad de métodos para determinar la cantidad de contaminantes presentes en un fluido conocidos en el arte, las modalidades detalladas son pretendidas para ser ilustrativas solamente y no deben ser tomadas como limitantes para el alcance de la invención. De otro modo, lo que se reclama como la invención son todas las modificaciones como pueden estar dentro del espíritu y alcance dentro de las siguientes reivindicaciones y equivalentes de las mismas.

Ni la descripción ni la especificación deben ser leídas como que implican que cualquier elemento, paso o función particulares es un elemento esencial que debe ser incluido en el alcance de la reivindicación. El alcance de la materia objeto patentada es definido solamente por las reivindicaciones permitidas y sus equivalentes. A menos que se cite explícitamente otros aspectos de la presente invención como se describen en esta especificación no limitan el alcance de las reivindicaciones.

Claims (30)

REIVINDICACIONES

1. Un método para determinar el contenido de energía y la cantidad de un contaminante en un fluido caracterizado porque comprende: transmitir un fluido dentro de una infraestructura de fluidos a través de una celda óptica; escanear el fluido por un intervalo de longitud de onda amplio dentro del espectro infrarrojo cercano utilizando una primera fuente de escaneo; escanear el fluido por un intervalo de longitud de onda estrecho dentro el espectro infrarrojo cercano utilizando una segunda fuente de escaneo; determinar un contenido de energía del fluido utilizando análisis espectrográfico del primer escaneo de fuente de escaneo; y determinar una cantidad de un contaminante en el fluido utilizando análisis espectrográfico del segundo escaneo de fuente de escaneo.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera fuente de escaneo y la segunda fuente de escaneo escanean con frecuencia.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera fuente de escaneo y la segunda fuente de escaneo escanean de manera secuencial.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera fuente de escaneo escanea a baja resolución y la segunda fuente de escaneo escanea a alta resolución.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido es gas natural.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido es gas natural licuado.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda amplio está entre aproximadamente 1,350 nm y aproximadamente 2,500 nm.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda estrecho está entre aproximadamente 1,560 nm y aproximadamente 1,610 nm

9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el contaminante es sulfuro de hidrógeno.

10. Un método para determinar el contenido de energía y la cantidad de un contaminante en un fluido caracterizado porque comprende: transmitir un fluido dentro de una infraestructura de fluidos a través de una celda óptica; escanear el fluido por un intervalo de longitud de onda amplio dentro del espectro infrarrojo cercano utilizando una fuente de escaneo; escanear casi simultáneamente el fluido por un intervalo de longitud de onda estrecho dentro del espectro infrarrojo cercano utilizando la fuente de escaneo; determinar el contenido de energía del fluido utilizando el análisis espectrográfico del escaneo del intervalo de longitud de onda amplio; y determinar una cantidad de un contaminante en el fluido utilizando análisis espectrográfico del escaneo del intervalo de longitud de onda estrecho.

11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la fuente de escaneo escanea el intervalo de longitud de onda amplio a baja resolución y escanea el intervalo de longitud de onda estrecho a alta resolución.

12. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el fluido es gas natural.

13. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el fluido es gas natural licuado.

14. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda amplio está entre aproximadamente 1,250 nm y aproximadamente 2,500 nm.

15. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda estrecho está entre aproximadamente 1,560 nm y aproximadamente 1,610 nm.

16. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el contaminante es sulfuro de hidrógeno.

17. Un método para determinar contenido y cantidad de energía en un contaminante en un fluido caracterizado porque comprende: transmitir un fluido dentro de una infraestructura de fluido a través de una celda óptica; escanear el fluido por un intervalo de longitud de onda amplio dentro del espectro infrarrojo cercano utilizando una fuente de escaneo; evaluar el intervalo de longitud de onda amplio a baja resolución para determinar el contenido de energía del fluido; y evaluar un intervalo de longitud de onda estrecho dentro del intervalo de longitud de onda amplio a alta resolución para determinar la cantidad de un contaminante en el fluido.

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el fluido es gas natural.

19. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el fluido es gas natural licuado.

20. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda amplio está entre aproximadamente 1,250 nm y aproximadamente 2,500 nm.

21. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda estrecho está entre aproximadamente 1,560 nm y aproximadamente 1,610 nm.

22. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el contaminante es sulfuro de hidrógeno

23. Un sistema para determinar contenido y cantidad de energía de un contaminante en un fluido caracterizado porque comprende: una celda óptica; una infraestructura de fluido, en donde el fluido en la infraestructura de fluidos se transmite a través de la celda óptica; una primera fuente de escaneo configurada para escanear el fluido en la celda óptica por un intervalo de longitud de onda amplio dentro del espectro infrarrojo cercano; una segunda fuente de escaneo configurada para escanear el fluido en la celda óptica por un intervalo de longitud de onda estrecho dentro del espectro infrarrojo cercano, en donde el contenido de energía del fluido es determinado utilizando análisis espectrográfico de la primera fuente de escaneo, y en donde la cantidad de contaminantes se determina utilizando análisis espectrográfico de la segunda fuente de escaneo.

24. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque la primera fuente de escaneo y la segunda fuente de escaneo escaneán con frecuencia.

25. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque la primera fuente de escaneo y la segunda fuente de escaneo escanean de manera secuencial.

26. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque la primera fuente de escaneo escanea a baja resolución y la segunda fuente de escaneo escanea a alta resolución.

27. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el fluido es gas natural.

28. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda amplio está entre aproximadamente 1,350 nm y aproximadamente 2,500 nm.

29. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el intervalo de longitud de onda estrecho está entre aproximadamente 1,560 nm y aproximadamente 1,610 nm.

30. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el contaminante es sulfuro de hidrógeno.