Приборы и техника эксперимента, 2022, № 4, стр. 155-158

При обеспечении безопасности объектов сжиженного природного газа (СПГ) необходимо осуществлять их мониторинг с регистрацией техногенных выбросов в атмосферу с потенциальным образованием взрывопожароопасных облаков топливно-воздушных смесей (ТВС) в процессе регазификации жидких углеводородов [1]. Нами разработан и запатентован низкотемпературный газоанализатор с иммерсионной диодной оптопарой для экспресс-анализа выбросов СПГ в виде струй и разливов на грунт [2]. На рис. 1а приведены его принципиальная схема и фотография. Устройство включает в себя побудитель 8 расхода анализируемой ТВС через измерительную газовую кювету 1, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка инфракрасного (ИК) излучения, иммерсионный светодиод 9 в качестве источника ИК-излучения и иммерсионный фотодиод 10 в качестве фотоприемника [2–4]. Последние связаны гибкой механической связью с корпусом 2 газовой кюветы юстировочными элементами 11 и 12. Также устройство содержит внешний электронный блок 15 для питания, управления, стабилизации температуры и передачи оцифрованных сигналов на удаленный сервер для их анализа.

Рис. 1.

а – принципиальная схема и фотография низкотемпературного ИК-газоанализатора (1 – газовая кювета с корпусом 2 и внешним теплоизолирующим покрытием 3; 4 – цилиндрическая электропечь с аэрозольным медным фильтром 5 внутри; 6 и 7 – термопары для измерения температуры ТВС снаружи и внутри ИК-газоанализатора соответственно; 8 – побудитель расхода газа; 9 и 10 – иммерсионные светодиод и фотодиод соответственно; 11 и 12 – их юстировочные элементы; 13 – разъем соединения внешнего электронного блока 15 для подключения цепей управления, питания и передачи данных, 14 – система термостабилизации светодиода и фотодиода; 16 – фотография внешнего удаленного электронного блока 15 с газовой кюветой 1  без теплоизолирующего покрытия); б – авторские фотографии выброса из форсунок затопленных струй СПГ (слева) с развитием холодного облака ТВС диаметром около 100 м и объемом 10⁵ м³, стелящегося над поверхностью Земли, с визуализацией вследствие охлаждения и конденсации паров воды с образованием водного аэрозоля (справа).

При выбросе СПГ имеет место локальное понижение температуры Т атмосферы. Например, при импульсном струйном распылении СПГ с температурой хранения около 110 К и массой до 5 · 10³ кг внутри ТВС объемом более 10⁵ м³ наблюдалось уменьшение Т  до 160 К [1, 2]. Для устранения ошибки измерений при столь низкой температуре корпус газовой кюветы 1 выполнен с теплоизолирующим покрытием 3 и механически состыкован с цилиндрическим каналом электропечи 4 для нагревания и ввода потока анализируемого газа в кювету 1. Внутри цилиндрического канала электропечи последовательно установлены аэрозольный медный фильтр 5 с эффективностью улавливания частиц более 99.9% и термопара 7 для контроля внутренней температуры ТВС. Снаружи расположена термопара 6 для анализа температуры атмосферы.

Электронный блок 15 cодержит плату управления термопарами хромель-алюмель 6 и 7, побудителем расхода 8 и цилиндрической электропечью 4. Теплоизоляция 3 выполнена из синтетического вспененного каучука. Светодиод 9 и фотодиод 10 с узкой диаграммой направленности устанавливаются в кювету 1 с помощью элементов юстировки 11 и 12 с настройкой диодной оптопары на максимальную величину выходного сигнала. В результате устраняется несоосность ее оптической схемы.

Оба полупроводниковых прибора (9 и 10) работают на длине волны λ ≈ 3.2–3.6 мкм и оснащены системой термостабилизации 14 на основе элементов Пельтье, обеспечивающей стабилизацию температуры на уровне, установленном при их настройке Т ≈ 285–300 К. Микропроцессор (на рис. 1 не показан) инициирует излучение светодиода 9 путем его включения. Аналого-цифровой преобразователь микропроцессора через несколько микросекунд, необходимых для стабилизации излучения, считывает уровень сигнала фотодиода 16 раз для получения усредненной величины светового значения сигнала фотодиода. Далее микропроцессор выключает светодиод, и вся процедура повторяется для получения фонового значения сигнала фотодиода. Значения светового и фонового сигналов фотодиода 10 передаются по интерфейсу RS-485 в удаленный компьютер.

Исследование параметров газоанализатора со светодиодом LED34TO8TEC и фотодиодом марки PD34TO8TEC с λ = 3.4 мкм [3, 4] проводилось на газовом стенде путем создания заданной объемной концентрации алканов и СПГ с фильтрованным воздухом с их однородным перемешиванием в винтогофрированных трубах [1]. Их объемная концентрация С определялась из соотношения расходов углеводородов и воздуха с периодическим хроматографическим анализом проб. Использовались метан, этан и пропан с С > 99.95 об.%, а также промышленный СПГ с концентрацией широкой фракции легких углеводородов (этан, пропан, бутан и др.) от 2 до 7 об.%. Показано, что оптимальный расход анализируемого газа Q ≈ (3–9) · 10^–4 м³/с при Т >150 К.

Анализ быстродействия τ₀ электронного блока 15 осуществлялся путем измерения напряжения на выходе усилителя сигнала фотодиода 10 в зависимости от времени t при периодическом включении на 130 мкс и выключении светодиода 9 с периодичностью 0.02 с, обеспечиваемой таймером микропроцессора.

Быстродействие газоанализатора определялось в процессе импульсного уменьшения концентрации метана на 90% в газовой кювете 1. Изменение величины С осуществлялось путем более чем стократного разбавления метана фильтрованным воздухом с расходом Q = 9 · 10^–4 м³/с с быстрым вытеснением метана из газоанализатора. Одновременно регистрировалось изменение напряжения на выходе усилителя сигнала фотодиода 10 в зависимости от времени.

Установлено, что для электронного блока τ₀ ≤ 25 мкс, а быстродействие газоанализатора составляет τ ≤ 0.025–0.03 с.

Согласно закону Бугера–Ламберта–Бера, ослабление интенсивности излучения, прошедшего через многокомпонентную ТВС, составляет I = ${{I}_{0}}{\text{exp}}\left( { - L\sum\nolimits_i {{{\Delta }_{i}}{{C}_{i}}} } \right)$, где I₀ и I – соответственно интенсивности излучения до и после ТВС; Δ_i – спектральный коэффициент поглощения излучения i компонентой ТВС; С_i – ее концентрация. Их оптическая плотность может быть рассчитана как D = lg(I₀/I) = ∑D_i, где D_i = lg(I₀/I_i) – оптическая плотность компоненты i ТВС с ослаблением излучения I_i [5].

Измеренные значения D для смеси воздуха с метаном, регазифицированным СПГ, пропаном и этаном (сплошные кривые 1, 3, 4 и 5 соответственно) в зависимости от их объемной концентрации С приведены на рис. 2. Оптические плотности D для бутана, этана и пропана практически совпадают при С < 1 об.%. Штриховая кривая 2 соответствует расчетному значению D как суммы измеренных значений оптических плотностей D_i алканов, входящих в состав СПГ, с известной концентрацией. Отметим, что кривые 2 и 3 удовлетворительно совпадают.

Рис. 2.

Экспериментальные зависимости оптической плотности D метана (1), СПГ (3), пропана (4) и этана (5) от их концентрации С в воздухе; штриховая кривая 2 – расчет D, согласно аддитивному закону, для следующего состава СПГ: 93 об.% – метан, 4.8 об.% – этан, 1.5 об.% – пропан, 0.5 об.% – бутан и 0.2 об.% – другие примеси [1].

Разработанные ИК-газоанализаторы позволили с быстродействием τ ≤ 0.03 с анализировать взрывопожароопасные парообразования крупномасштабных выбросов СПГ (см. рис. 1б) массой до 5 · 10³ кг при температуре от 300 до 160 К с полным или более чем 50%-ным испарением массы капель с диаметром d < 0.001 м за время менее 1 с. Выбросы осуществлялись распылением СПГ в виде струй с их дроблением при числах Рейнольдса Re = Udρ/η < 10⁵ и Вебера We = ρ(U – U₀)²d/σ < 10⁴ с парообразованием кипящих капель [1]. Здесь ρ, η и U₀ – плотность, динамическая вязкость и скорость воздуха соответственно; σ – коэффициент поверхностного натяжения СПГ при 110 К, d ≤ ≤ 0.05 м – диаметр капель СПГ; U ≤ 60 м/с – их скорость. Конвективный теплообмен между каплями и атмосферой определялся состоянием воздушной среды, температурой и скоростью ветра, а также размером облака ТВС. В результате, созданный газоанализатор позволяет детектировать парообразование СПГ с возникновением взрывопожароопасных объемных концентраций ТВС в диапазоне от 5 до 15 об.% с быстродействием τ ≤ ≤ 0.03 с. Отметим, что многочисленные аналоги [1–5] позволяют детектировать кинетику испарения капель СПГ только с τ > 0.3–0.5 с.

Таким образом, разработан и запатентован ИК-газоанализатор на основе иммерсионной диодной оптопары с быстродействием τ ≤ 0.03 с для экспресс-анализа взрывопожароопасных парообразований выбросов СПГ в атмосферу при Т > > 150 К с передачей оцифрованных данных на удаленный до 1200 м сервер. Его характеристики превосходят параметры отечественных и зарубежных газоанализаторов, предназначенных для мониторинга выбросов СПГ. Созданный ИК-газоанализатор может использоваться для контроля концентрации алканов и СПГ при их быстром истечении в атмосферу, а также в технологиях создания импульсных газокапельных потоков алканов в крупномасштабных метановоздушных смесях СПГ для исследования взрывопожароопасных свойств ТВС.

Сеть таких газоанализаторов может быть интегрирована в системы промышленной безопасности объектов топливно-энергетического комплекса и анализа эволюции аварийных выбросов СПГ.