Приборы и техника эксперимента, 2019, № 5, стр. 153-155

Разработаны инфракрасные (и.к.) газоанализаторы метановоздушных выбросов со скоростью до 300 м/с и облаков паров регазифицированного сжиженного природного газа (с.п.г.) в атмосфере при температуре Т от –90 до +60°С.

Фотография и схема и.к.-газоанализатора приведены на рис. 1.

Рис. 1.

Фотография и принципиальная схема и.к.-газоанализатора. I – блок аспирации, II – блок анализа; 1 – корпус, 2 – высокопористая мембрана, 3 – вентилятор, 4 – волокнистый фильтр, 5 – выход газа, 6 – электропечь, 7 – трубчатый канал с наполнителем, 8 – взрывозащищенный вентилятор, 9 – и.к.-сенсор, 10 – плата измерения и управления, 11 – выходной фильтр газа.

Газоанализатор состоит из двух последовательно соединенных блоков аспирации пробы I и ее анализа II. Аспирационный блок имеет цилиндрический корпус 1, внутри которого расположены высокопористая мембрана из меди 2, вентилятор 3 c вихревым диффузором, волокнистый фильтр 4 и выход газа 5. Блок предназначен для отбора пробы с формированием однородного профиля течения газа с помощью вентилятора 3 и фильтра 4. Смесь углеводородов и воздуха непрерывно отбирается из потока Q со скоростью Q₁ в блок II, а поток Q₂= Q – Q₁ удаляется из устройства через выход 5. Высокопористая медная мембрана 2 и вентилятор 3 используются для предварительной фильтрации грубодисперсных аэрозолей и кратковременного нагревания анализируемого газа за счет теплообмена при быстром понижении температуры.

Блок II содержит электропечь 6, трубчатый канал с пористым медным наполнителем 7, взрывозащищенный вентилятор 8 с напряжением питания 5 В, обеспечивающий подачу анализируемого газа c расходом Q₁ = 30–50 см³/с в и.к.-сенсор 9 [1], плату измерения и управления 10 и выходной фильтр газа 11. Теплоизолированная плата 10 обеспечивает питание вентилятора 8, анализ показаний сенсора 9, управление нагревом электропечи 6 и передачу данных в компьютер. К ней подключены внешняя и внутренняя термопары (хромель–алюмель) для контроля температуры снаружи и внутри газоанализатора. Электропечь 6, управляемая микропроцессором платы 10, служит для нагревания анализируемого газа перед подачей в сенсор, когда температура снаружи газоанализатора опускается ниже –10°С. Наполнитель 7 с открытой пористостью около 90% предназначен для увеличения скорости однородного нагрева газа.

Регистрация метана осуществляется и.к.-сенсором 9 типа “Mipex” с рабочей температурой от –40 до 60°С [1]. В его измерительную зону анализа газ поступает путем создания вентиляторами 3 и 8 принудительного потока конвективной диффузии, скорость которой существенно превышает скорость молекулярной диффузии молекул метана. Быстродействие сенсора зависит от его модели и составляет 0.1–0.35 с. В результате число измерений концентрации С в потоке Q за 1 с составляет 1/τ. Это позволяет определять среднеарифметическую концентрацию 〈C〉, ее стандартное отклонение σ_С и скорость изменения dC/dt в потоке Q ≤ 10⁴ см³/с.

Инфракрасный газоанализатор имеет следующие основные характеристики. Прибор измеряет объемную концентрацию метана в диапазоне 0.5–100 об. % с относительной погрешностью менее 5% при температуре газовой смеси на входе Т ≥ –40°C. Его быстродействие τ ≈ 0.2–0.6 c, скорость отбора метановоздушной смеси 10³–10⁴ см³/с. Газоанализатор может быть использован в течение 150–200 с для анализа углеводородов с температурой до –90°С.

При длительном понижении температуры метановоздушной смеси до –90°С предусмотрено разделение блоков I и II. В этом случае анализируемый поток Q₁ ≈ 40 cм³/с поступает в блок II через фильтр HEPA для улавливания возможных газовых гидратов [2] и нагревается электропечью до Т ≥ 5–10°C. Понижение наружной температуры газа до –90°С практически не влияло на величину τ.

Разработанные газоанализаторы оказались устойчивыми к воздействию магнитного поля с напряженностью до 200 А/м и промышленной частотой 50–60 Гц. Их конструкция выдерживала избыточное давление ударной волны до 10⁵ Па и напор воздуха ≤300 м/с.

При анализе паров с.п.г. необходимо иметь в виду, что отечественный топливный с.п.г. для промышленного и коммунального назначения должен содержать не менее 92 об. % метана. Остальной состав определяется примесями, включающими этан, пропан, бутан, пентан и другие углеводороды, содержание которых не нормируется. Их сечение поглощения и.к.-излучения существенно превышает сечение поглощения инфракрасных волн молекулами метана. Это может привести к ошибке измерения объемной концентрации паров. В связи с этим был разработан стенд для калибровки газоанализаторов путем создания моделируемых по объемной концентрации углеводородных смесей паров с.п.г. с воздухом. Измеренные зависимости при концентрации примесей легких углеводородов >1 об. % существенно отличались от кривой калибровки устройства чистым метаном.

Отметим, что для сравнения концентрация метана анализировалась газоанализаторами “Сенсис-500” с английским и.к.-сенсором MSH-P/HR/5/V/P “Dynament GB”, блоком “Кассандра” и интерфейсом RS-485. Забор пробы в сенсор осуществлялся за счет молекулярной диффузии через аэрозольный фильтр, поэтому их быстродействие составляло ~20–30 с. Конструкция сенсора с излучателем на основе вольфрамовой нити, пироэлектрическим приемником и.к.-излучения и рабочей температурой от –25 до 50°С существенно отличалась от отечественных сенсоров “Mipex”. Тем не менее, результаты измерения стационарной концентрации метана при Т > –20°C и.к.-газоанализаторами различных типов оказались практически одинаковыми.

Разработана сеть и.к.-газоанализаторов с возможностью одновременного опроса и обработки данных более десяти устройств и передачей их каждые 10 мс в компьютер, удаленный от облака углеводородов на безопасное, до 1200 м, расстояние. Собранная информация непрерывно поступает на сервер по оптоволоконной линии длиной до 10 км с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение сохраняет данные в реальном масштабе времени на экране компьютера сервера.

Сеть и.к.-газоанализаторов использовалась при проведении масштабных экспериментов, связанных с импульсным распылением с.п.г. и образованием выбросов его паров объемом >5 ⋅ 10⁴ м³ в атмосфере с начальной скоростью >100–150 м/с. Визуализация положения газоанализаторов на местности осуществлялась с помощью системы ГЛОНАСС-GPS. Сервер сбора данных был расположен на расстоянии более 5 км от облака. Получены данные о кинетике варьирования температуры от 40 до –90°С, концентрации и скорости ее изменения внутри облаков паров регазифицированного с.п.г. объемом до 10⁶ м³ при моделировании аварий в системах его хранения (рис. 2).

Рис. 2.

Измеренные концентрации С паров регазифицированного с.п.г. в зависимости от времени t в потоке Q ≈ 9000–10 000 см³/с: 1 и 2 – нестационарные выбросы с.п.г. с начальной концентрацией 100 об. % в атмосферу с высокотемпературным испарением в динамическом режиме и смешиванием с воздухом при Т = 10–15°С. 〈С〉 = 9.81 (1) и 9 (2); σ_С = 3.29 об. % (1) и 3.18 об. % (2). Концентрация метана в с.п.г. составляла ~95 об. %. Температура в центре облака при импульсном распылении более 6 т с.п.г. варьировалась от 10–15 до –(80–90)°С. Измерение С было синхронизировано с началом распыления с.п.г.

Сетевая система и.к.-газоанализаторов с их визуализацией на местности может быть использована для мониторинга метановоздушных выбросов в атмосферу и экологического контроля объектов нефтегазовой промышленности, а также для разработки инженерных моделей при описании затопленных струй углеводородов [3].