Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 156-159

Анализатор дистанционного мониторинга криогенных капель и паров в атмосферных выбросах и проливах на грунт или воду сжиженного природного газа (с.п.г.) содержит емкостный детектор I интенсивных криогенных осадков, блок их аспирации II с инфракрасным газоанализатором и многоканальный лазерный анализатор III газокапельных потоков (рис. 1). Создана сеть анализаторов для контроля атмосферы и анализа взрывоопасных истечений с.п.г. при объемной концентрации паров С ≈ 5–15% об. на объектах топливно-энергетического комплекса [1–4].

Рис. 1.

Принципиальная схема (а) и фотографии (б) двух типов анализаторов с.п.г.: I – емкостный анализатор осадков, II – аспирационный блок капель и паров, III – лазерный анализатор газокапельных потоков; 1 и 2 – верхний сетчатый и нижний сплошной электроды конденсатора, 3 – накопитель осадков, 4 – осадок с.п.г., 5 – электронный блок конденсатора, 6 – НЕРА-фильтр, 7 – инфракрасный газоанализатор c электропечью, 8 – побудитель расхода Q₁ через блок II, 9 – электронный блок для блока II, 10 – крепление блока II, 11 – сервер сбора данных, удаленный от облака с.п.г. на расстояние до 1200 м, 12 – крепление анализатора III, 13 и 14 – наборы из четырех лазеров и фотодиодов соответственно, 15 – электронный блок их управления, 16 – зона оптического анализа капель; V – количество осадков; Т₁ ≈ 250 и Т₂ ≈ 170 К – температура газокапельного потока над электродом 1 через время t₁ = 2 c и t₂ = 9 с соответственно с момента выпадения с.п.г. с dV/dt ≈ 2 мм/с (снимки сделаны видеокамерой, 600 кадров/с).

Емкостный детектор I [3] содержит теплоизолированный накопитель осадков 3, на дне которого горизонтально установлен плоский электрический конденсатор, состоящий из верхнего сетчатого 1 и нижнего сплошного 2 из фольгированного стеклотекстолита электродов, подключенных к электронному блоку 5 для питания и передачи цифрового сигнала (см. рис. 1). Размер электродов 1 и 2 варьируется от 0.2 × 0.2 до 0.15 × 0.5 м.

Интенсивность осадков с.п.г. определяется путем их сбора в накопитель 3 и измерения электрической емкости конденсатора в зависимости от объема собранного осадка 4 с быстродействием τ < 0.2 c. При измерении количества осадков V конденсатор калибруется для установления зависимости его емкости C₀ = 10–500 пФ от V при фиксированном межэлектродном расстоянии h = = 5–10 мм.

Анализ осадков с.п.г. осуществляют в пленочном режиме кипения жидкости, что позволяет уменьшить ошибку измерения [2]. Конденсатор включен в цепь частотозадающего генератора, и его измеряемая емкость является частотозадающим элементом [3].

Аспирационный блок капель и паров II [3, 4] содержит НЕРА-фильтр 6 с измерителем его газодинамического сопротивления, инфракрасный газовый сенсор 7 типа Mipex с цилиндрической электропечью для нагревания анализируемого газа с расходом Q₁ ≤ 10^–4 м³/с при температуре атмосферы ниже 260 К, а также электронный блок 9 для питания и передачи данных на удаленный сервер 11 [4]. В сенсор исследуемая проба подается через окна в его корпусе путем создания вентилятором 8 потока конвективной диффузии, скорость которой существенно превышает скорость переноса газа за счет молекулярной диффузии. Смесь проходит через фильтр 6, поэтому дисперсные примеси с массовой концентрацией до 0.1 кг/м³ не влияют на характеристики инфракрасного газоанализатора. Аспирационный блок фиксируется креплением 10 на блоке I или III. Температура снаружи и внутри аспирационного блока измеряется термопарами хромель-алюмель.

Анализатор III укреплен на швеллере или раме 12 с прямоугольным окном для газокапельного потока и содержит набор параллельных полупроводниковых лазеров 13 с мощностью излучения 5 мВт и длиной волны λ = 0.68 мкм, набор параллельных фотодиодов 14  для регистрации лазерного излучения, каналы 16 оптического анализа капель длиной L = 0.15–0.3 м, электронный блок 15 для управления лазерами и синхронного детектирования сигналов фотодиодов, их оцифровывания с передачей в сервер 11.

Лазерный анализатор III [3] предназначен для измерения оптической плотности D = lg(I₀/I) газокапельных потоков, скорости U и поверхностной концентрации капель S = π〈d²〉n. Здесь I₀ и I – интенсивность лазерного излучения без и в присутствии капель в анализируемом объеме газа, 〈d²〉^0.5 – среднеквадратичный диаметр капель со счетной концентрацией n [1]. Согласно теории рассеивания плоской электромагнитной волны, при движении капельного выброса через лазерный анализатор изменение потока ее энергии обусловлено дифракцией на контурах капель и рассеиванием за счет отражения и поглощения [1, 3]. По закону Ламберта–Бугера–Бера ослабление излучения в дисперсных средах можно рассчитать как I = I₀exp(–КLn), где К – объемный коэффициент ослабления на оптической длине L, n – счетная концентрация капель. Данный закон справедлив при однократном рассеянии света каплями для достаточно большого числа рассеивателей при расстоянии между ними более (4–5)d в приближении, что вклад каждой группы капель диаметром d в плотность D аддитивен [1].

Созданы два варианта конструкции анализатора выбросов и проливов с.п.г. [3, 4]. В первом варианте блок III установлен горизонтально, сбоку над накопителем 3, число γ оптических каналов варьируется от 1 до 12 в зависимости от требований к расходу анализируемого газокапельного потока: Q ≤ (2 м³/с)γ, где γ = 1, 2, …, 12, блок II расположен вертикально, сбоку от накопителя 3 (рис. 1а). Во втором варианте конструкции анализатора (см. рис. 1б) блок III с числом каналов γ = 4 и блок II расположены горизонтально над электрическим конденсатором. При этом блок II закреплен на блоке III. Это позволяет анализировать поверхностную концентрацию S и плотность D криогенных осадков, а также концентрацию их паров.

Созданная сеть анализаторов, включая систему регистрации и передачи показаний, обслуживающую сеть анализаторов капель и паров с.п.г., предусматривает возможность опроса и обработки данных более 50-ти одновременно работающих блоков с целью измерения распределений концентрации и температуры углеводородных смесей с воздухом объемом от 10³ до 10⁷ м³. Местонахождение анализаторов определяется системой ГЛОНАСС. Собранная информация передается по радиоканалу или витой паре к удаленному на расстояние ≤1200 м серверу 11 с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet.

Анализатор устанавливается стационарно или на беспилотном летальном аппарате. В последнем случае время работы анализатора не превышает 100 с, так как летательный аппарат не может длительно находиться в облаке при температуре <250 К. Данные с аэромобильного анализатора с.п.г. записываются на карту памяти и по радиоканалу передаются на сервер 11.

Сеть диагностических блоков I–III была развернута для проведения крупномасштабных экспериментов в полевых условиях по распылению и проливу с.п.г. Турбулентные выбросы создавались импульсным пневматическим распылением с.п.г. массой до 10⁴ кг из 18-ти сопел с образованием высокоскоростных струй длиной до 50–60 м в атмосфере при числах Рейнольдса Re = Udρ/η ≈ ≈ 10–10³, аэродинамическим дроблением струй и капель при числах Вебера We = ρ(U–U₀)²d/σ ≈ 5–10³ [1, 2] и парообразованием кипящих капель с формированием облаков из смеси воздуха, аэрозолей воды, криогенных капель и паров с.п.г. объемом до 10⁵–10⁷ м³. Здесь ρ и η – плотность и динамическая вязкость воздуха соответственно; U₀ – скорость воздуха; σ = 15.5 ⋅ 10^–3 Н/м – коэффициент поверхностного натяжения с.п.г. при температуре 110 К; d ≈ 0.0001–0.03 м – диаметр капель и жидких фрагментов с.п.г.; U ≤ 60 м/с – скорость капель. При больших числах Вебера криогенные струи неустойчивы и распадаются. Теплообмен между ними и атмосферой определяется температурой и скоростью ветра, а также размером облака с.п.г. [1–4].

В экспериментах по разливу с.п.г. массой до 10⁴ кг за 2–3 с на бетон или воду с площадью бассейнов ≈200 м² скорость испарения кипящей жидкости определялась режимом теплообмена между жидкостью и подстилающей поверхностью, а также между с.п.г. и атмосферным воздухом. Теплообмен между кипящей жидкостью и грунтом/водой зависел от температурного напора между средами [2].

На рис. 2 приведены одновременно измеренные в облаке объемом до 5 ⋅ 10⁵ м³ значения концентрации С паров и оптической плотности D в зависимости от времени распыления с регазификацией с.п.г. массой 10⁴ кг в течение 25 с. Измерения проводились в центре облака на высоте 1.5 м при начальной температуре воздуха 280 К и скорости ветра менее 6–8 м/с. Анализ данных на рис. 2 показал, что образуются и существуют длительное время пожаровзрывоопасные смеси воздуха и паров с.п.г. с концентрацией С ≈ 5–15% об. Это согласуется с данными остальных 15-ти блоков аспирации II, расположенных по объему облака на высоте от 1.5 до 40 м. В процессе испарения и возрастания концентрации паров с.п.г. температура воздуха в центре облака снижалась до 155–160 К, однако внутри инфракрасных газоанализаторов оставалась на уровне ≈ 275–280 К. В облаке наблюдалась конденсация паров воды и образование капель и частиц льда в виде белого тумана с плотностью D < 1.5 при оптической длине каналов анализатора L = 0.27 м и с поверхностной концентрацией капель S < 50 м²/м³. Начальная относительная влажность атмосферного воздуха составляла 35–40% при 280 К.

Рис. 2.

Зависимости концентрации С паров (1) и оптической плотности D облака (2) от времени t распыления с.п.г. в атмосферу. Время измерения синхронизировано с временем выброса с.п.г. в виде 18-ти струй с образованием облака углеводородов в атмосфере диаметром более 100 м и объемом до 5 ⋅ 10⁵ м³. Состав с.п.г.: 94.4 метан, 3.96 этан, 1.24 пропан, 0.3 бутан и 0.1% об. другие примеси. Сопла для распыления с.п.г. расположены эквидистантно по кругу диаметром 90 м.

Установлено, что концентрация и температура углеводородно-воздушных смесей флуктуируют во времени и распределены неоднородно как по высоте (до 30–40 м), так и по длине (до 100–150 м) облаков. Получены данные о кинетике изменения температуры в интервале 280–150 К и концентрации паров С в диапазоне 0.5 –30% об. внутри облаков объемом до 10⁶ м³ с передачей данных с интервалом 1 мс на сервер 11. В процессе измерения осадков блоками I, распределенными радиально на площади суглинистого грунта, наблюдалось неоднородное и флуктуирующее во времени и по площади облака выпадение криогенных осадков. С понижением температуры и увеличением концентрации паров с.п.г. интенсивность осадков возрастала. При этом их суммарная масса не превышала 6–8% от массы выброса с.п.г. Измеренная на расстоянии 1200 м диэлектрическая проницаемость неполярного с.п.г. составляла ε ≈ 1.7, что согласуется с литературными данными [1, 2].

Основные технические характеристики. Блоки I–III устойчивы к воздействию магнитного поля с напряженностью до 200 А/м и промышленной частотой от 50 до 1000 Гц. Их конструкция выдерживает избыточное давление во фронте ударной волны до 10⁵ Па и напор воздуха до 400 м/с. Диапазоны измерения оптической плотности D ≈ ≈ 0.03–3.5 и удельной поверхности капель S = = 9.2D/L ≈ 1–300 м²/м³ при их объемной концентрации менее 0.1% об. [3]; интервал анализируемой температуры Т = 100–330 К с быстродействием τ ≤ 0.15 с; детектируемая интенсивность осадков dV/dt = 2–30 мм/с c ошибкой менее 10% при Т ≥ 100 К [2].

Быстродействие анализатора III составляет 5 мкс и почти в 10⁵ раз превосходит быстродействие блока II. Это позволяет осуществлять экспресс-диагностику распада выбросов с.п.г. в атмосферу за счет кавитации и аэродинамического дробления [1, 2]. Отметим, что быстрое и существенное изменение оптической плотности атмосферы на объектах топливно-энергетического комплекса может быть обусловлено аварийным выбросом с.п.г.

Таким образом, созданные анализаторы техногенных выбросов с.п.г. для объектов топливно-энергетического комплекса обеспечивают возможность быстрого измерения флуктуирующих значений С, D, S и Т, а также анализа криогенных осадков с Т ≥ 100 К. Проведены их испытания при моделировании крупномасштабных аварий на предприятиях топливно-энергетического комплекса с образованием истечений с.п.г. в атмосферу объемом до 10⁵–10⁷ м³. Исследована кинетика становления и рассеивания с.п.г. Установлено, что при авариях, связанных с крупномасштабными импульсными выбросами и проливами с.п.г., внутри облаков образуются локальные пожаровзрывоопасные области углеводородно-воздушной смеси объемом от 10³ м³. Длительность их существования зависит от условий распыления или пролива с.п.г., а также от состояния атмосферы и грунта/воды.