АКУСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА И ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ СМЕСИ ГАЗОВ (ПРИРОДНОГО ГАЗА)

Полезная модель относится к устройствам для определения состава и теплотворной способности газов и может быть применена в газовой промышленности и энергетике.
В настоящее время теплотворная способность природного газа вычисляется как сумма теплотворных способностей отдельных составляющих газов, процентное содержание которых в смеси определяется, как правило, с помощью хроматографа.
Состав смеси газов может быть получен также и из анализа данных о скорости звука в смеси этих газов. Скорость звука в углеводородных газах хорошо изучена, она падает практически линейно с ростом усредненного молекулярного веса смеси газов. В промышленности используется измерение скорости звука в природном газе для изучения его характеристик (см, например, [1]). В этой установке измеряется скорость звука в природном газе, вносится получаемая извне поправка о содержании неуглеводородных смесей и затем по скорости звука в смеси углеводородных газов вычисляется их молекулярный вес и соответствующая ему теплотворная способность. Установка работает с пробами газа, при этом применяется времяпролетный метод измерения скорости звука, погрешность измерения которого составляет десятые доли процента.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является акустический анализатор для непрерывного контроля теплотворной способности углеводородных газов, описанный в патенте №57014. Этот газоанализатор выполнен в виде резонатора - полого цилиндра с высотой, равной нечетному числу звуковых полуволн и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине образующей цилиндрической поверхности. Анализатор включает в себя также источник и приемник звука, установленные на противоположных торцах резонатора, и блок генерации, приема звука и измерения частоты, соединенный с источником и приемником звука, датчик температуры, микропроцессорный блок для вычисления молекулярного веса и теплотворной способности измеряемой смеси углеводородных газов.
Частота резонанса f определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонатор:
где: V - скорость звука в газе, Кр - приведенная высота резонатора.
Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формуле
, где: γ - показатель адиабаты ;
Cp - теплоемкость газа при постоянном давлении;
Cv=Cp-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;
µ - молекулярная масса газа.
В этом приборе обеспечивается значительно более точное измерение скорости звука благодаря высокой добротности резонатора и тому, что измеряемой величиной является частота.
Однако, как и предыдущий метод, он может применяться только к смеси углеводородных газов или к природному газу, когда известен процент неуглеводородных примесей, как и в первом аналоге. Согласно ГОСТ 30319.0-96, для природного газа характерным является следующий компонентный состав основных газов: метан и другие углеводородные газы (от 60% до 100%), азот (до 16%), углекислый газ (до 16%).
Задача полезной модели состояла в определении процентного состава смеси газов и теплотворной способности этой смеси.
Указанная, задача решается тем, что предложен акустический газоанализатор, аналогичный описанному выше, но учитывающий различную сжимаемость различных газов [2].
Скорость распространения звука в смеси газов, характеризующихся разной скоростью звука в них, зависит от процентного содержания каждой компоненты и от давления.
На фиг.1 и 2 приведены зависимости частоты резонатора, описанного в последнем аналоге, и соответственно, скорости звука, которая пропорциональна частоте, от давления заполняющего газа для азота и метана, а на фиг.3 - зависимости частоты для различных смесей. Из графиков видно, что смеси при разных давлениях ведут себя по-разному, следовательно, измеряя частоту резонатора при нескольких давлениях, мы можем составить уравнения для нахождения процента примесных к основному газов, причем количество примесей соответствует числу измерений.
На фиг.4 изображена блок-схема такого акустического газоанализатора.
Он присоединяется к трубопроводу высокого давления 1 отводом 2. Акустический анализатор 3 включает в себя: резонатор 4, соединенный с электронным блоком 5 генерации колебаний, измерения резонансной частоты резонатора, температуры, давления, управления и расчетов, с отводом 2 высокого давления через управляемый вентиль 6 и с атмосферой через управляемый вентиль 7, а также прецизионный цифровой манометр 8.
Акустический резонатор (фиг.5) представляет собой полый цилиндр 1, выполненный, например, из металла. Высота цилиндра 1 равна нечетному числу звуковых полуволн, а диаметр приблизительно равен длине полуволны. В средней части образующей цилиндрической поверхности, где давление звуковой волны мало, выполнены сквозные отверстия 2 для прохода анализируемого газа.
На торцах камеры резонатора установлены источник 3 и приемник 4 звука, которые соединены с электронным блоком 5 генерации колебаний, измерения резонансной частоты резонатора, температуры, давления, управления и расчетов.
На внешней стенке измерительной камеры установлены датчик температуры 6, выполненный в виде платинового терморезистора с малой постоянной времени, также присоединенный к электронному блоку 5. Электронный блок связывается с внешними устройствами последовательным интерфейсом 9.
Акустический анализатор работает следующим образом.
В автоматическом режиме периодически или по команде извне, переданной по интерфейсной линии 9 (фиг.4), электронный блок 5 открывает управляемый впускной вентиль 6 при закрытом состоянии выпускного вентиля 7 до достижения максимального расчетного давления, например 50 ати, контролируемого цифровым манометром 8.
Электронный блок измеряет 5 частоту резонанса резонатора. Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонатор 1:
где V - скорость звука в газе, Кр - приведенная высота резонатора.
Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формуле
, где:
γ - показатель адиабаты
Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении;
Cv=Cp-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;
µ - молекулярная масса газа;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура газа (К)
Электронный блок 5 производит вычисление скорости звука в смеси, вносит поправку связанную с показаниями датчика температуры 6.
Затем электронный блок дает команду на открытие выпускного вентиля для понижения давления до следующего расчетного, например 40 ати. после чего процедура измерений повторяется.
Если повторить процедуру вычисления скорости звука в смеси газов при давлениях в резонаторе например 30, 20, 10 и 1 ати, мы получим 6 уравнений для расчета процента 6 примесных газов к основному, например метану. Для проведения расчетов в память электронного блока 5 должны быть занесены скорости звука для различных сочетаний интересующих нас компонентных газов с шагом, например, 2 атм. Современные интерполяционные методы расчета обеспечат погрешность расчета, не превышающую десятую долю процента.
По процентному содержанию компонентных газов электронный блок 5 вычисляет теплотворную способность смеси, например природного газа и передает ее по интерфейсной линии 9 заказчику.
Литература.
1. R.M.Lueptow and S.Phillips, Acoustic for determing combustion properties of natural gas. Meas. Sci. Technol. 5, 1994, 1375-1381).
2. В.В.Еремин, С.И.Каргов, Н.Е.Кузьменко. Реальные газы, Москва 1998 г.