ГЕНЕРАТОР ВЛАЖНОГО ГАЗА

Предложенное устройство относится к технике измерения влажности газов и может быть использовано для получения образцовых поверочных парогазовых смесей при высоком давлении, при поверке и калибровке гигрометров природного газа проточного и погружного (с внешней камерой) типов на месте эксплуатации при рабочем давлении.
Технический уровень
Проведенный патентный поиск выявил следующие аналоги. Известен «генератор влажного газа» (изобретение №2622833, МПК GO/W 1/8. опубл. 7.06.2017 г.).
Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для определения составляющих погрешности потребителем при эксплуатации во время обязательных регламентных работ и перед периодической поверкой гигрометров для измерения объемной доли влаги чистых нейтральных газов, указанных в технических условиях на конкретный тип гигрометра. Генератор влажного газа, представляющий собой полый металлический цилиндр с входными и выходными штуцерами для входа и выхода анализируемого газа, внутри цилиндра находится полая металлическая капсула, по торцам которой закреплены пневмосопротивления с калиброванными отверстиями. Внутри полой капсулы находится источник влаги - вода и капсула с помощью центрирующих прокладок из фторопласта с поперечными отверстиями для прохождения газа закреплена по центру металлического цилиндра. Все это представляет собой простую конструкцию, имеющую малые габариты, легко изготавливается и просто эксплуатируется. С помощью такого генератора можно задавать необходимую влажность для определения составляющей погрешности гигрометра, а изменение задаваемой влажности можно регулировать изменением общего расхода газа через проверяемый гигрометр.
Недостатки.
Предложенная конструкция не рассчитана для работы при высоких давлениях, кроме того она стационарная.
Известен «генератор влажного газа» (полезная модель №134297, МПК F1/02, опубл. 10.11.2013 г.)
Генератор влажного газа, содержащий канал сухого газа, состоящий из малогабаритного компрессора, ресивера, осушительного патрона, пылеулавливающего фильтра и контрольного ротаметра осушаемого газа и канал влажного газа, содержащий насытитель, а также смесительную камеру, в которую поступают потоки сухого и влажного газа, контрольный датчик влажности и блок рабочих камер, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен микропроцессорной системой, предназначенной для управления режимами работы генератора и регулирования потоков в каналах сухого и влажного газа и соединенной с малогабаритными воздушными компрессорами каналов сухого и влажного газа, с органом управления работой генератора, с узлом поддержания температуры насытителя и с встроенным в смесительную камеру контрольным термогигрометром, при этом малогабаритные воздушные компрессоры охвачены обратной связью по уровню задаваемой влажности и двумя обратными связями по напряжению, а канал влажного газа дополнительно содержит последовательно расположенные малогабаритный воздушный компрессор, ресивер влажного канала и пылеулавливающий фильтр, выход которого подключен к входу насытителя, при этом насытитель снабжен системой термостатирования, подключенной к узлу поддержания температуры насытителя.
Недостатки.
Данное устройство не предназначено для работы под давлением.
В качестве прототипа взят генератор влажного газа и способ генерации газа с требуемой влажностью (изобретение №2.540.885, МПК Ff24F6/00 опубл. 27.10.2014 г.).
Сущность данного изобретения в следующем.
Генератор влажного газа, содержащий канал сухого газа, состоящий из малогабаритного компрессора, ресивера, осушительного патрона, пылеулавливающего фильтра и контрольного ротаметра осушаемого газа, и канал влажного газа, содержащий насытитель, а также смесительную камеру, в которую поступают потоки сухого и влажного газа, контрольный датчик влажности и блок рабочих камер, согласно заявленному решению он дополнительно снабжен микропроцессорной системой, предназначенной для управления режимами работы генератора и регулирования потоков в каналах сухого и влажного газа и соединенной с малогабаритными воздушными компрессорами каналов сухого и влажного газа, с органом управления работой генератора, с узлом поддержания температуры насытителя и с встроенным в смесительную камеру контрольным термогигрометром, при этом малогабаритные воздушные компрессоры охвачены обратной связью по уровню задаваемой влажности и двумя обратными связями по напряжению, а канал влажного газа дополнительно содержит последовательно расположенные малогабаритный воздушный компрессор, ресивер влажного канала и пылеулавливающий фильтр, выход которого подключен к входу насытителя, при этом насытитель снабжен системой термостатирования, подключенной к узлу поддержания температуры насытителя. А также за счет того, что в насытителе установлен оптико-электронный индикатор минимального уровня воды, насытитель снабжен дополнительной камерой, оснащенной смотровым окном, в которой расположен поплавковый индикатор контроля максимального уровня воды, система термостатирования выполнена состоящей из нагревательной обмотки и датчика температуры, каждая из рабочих камер снабжена входом для поступления создаваемой парогазовой смеси и выходом, через который смесь, пройдя по пространству рабочей камеры, выводится в окружающую атмосферу через выпускной порт. Причем требуемая влажность достигается путем смешения в определенных соотношениях потоков сухого и влажного газа, согласно заявленному решению потоки сухого и влажного газа регулируют подачей соответствующих напряжений питания на малогабаритные воздушные компрессоры, при этом напряжение на каждом из компрессоров определяют следующими зависимостями:
B
Σ
U=U⋅RH/100, (вольт);
C
Σ
Σ
U=U-U⋅RH/100, (вольт),
B
C
Σ
где U - напряжение на компрессоре канала влажного газа, U - напряжение на компрессоре канала сухого газа, U - суммарное напряжение, равное 200 вольт, RH - относительная влажность, %.
Недостатки прототипа.
1. Основным недостатком рассмотренного генератора является невозможность проводить работы по поверке и калибровке гигрометров в полевых условиях на месте эксплуатации гигрометров и при высоких давлениях. На предприятиях нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности рабочие давления газовых сред могут достигать нескольких сотен атмосфер. При этом поверка гигрометров производиться при атмосферном давлении. Это может явиться источником дополнительных погрешностей при проведении поверочных работ.
2. Отсутствуют элементы конструкции, обеспечивающие искробезопасное и взрывобезопасное исполнение при использовании в конструкции генератора электронных и электрических компонентов. Это не позволяет проводить работы на предприятиях нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности во взрывоопасной зоне, на месте эксплуатации.
Задачей предлагаемого устройства является создание переносного генератора влажного газа, который обеспечивает получение поверочных парогазовых смесей при высоком давлении, а также повышение точности и надежности работы в жестких условиях эксплуатации, в том числе во взрывоопасных условиях.
Сущность предложенного устройства в следующем:
Генератор влажного газа, содержит подачу сухого и влажного газа, осушитель, камеру увлажнения и камеру смешения, отличающийся тем, что дополнительно включены: блок подготовки газа, обеспечивающий стабилизированный по давлению газ, содержащий источник подачи газа, стабилизатор давления газа, фильтр тонкой очистки газа и манометр; блок увлажнения и смешения, включает линию сухого и влажного газов, оснащенных шаровыми и игольчатыми кранами с микрометрическими винтами для регулирования расхода газа, причем линия сухого газа содержит колонку сухого газа, теплообменное устройство, предназначенное для выравнивания температуры сухого и влажного газов, линия влажного газа содержит колонку влажного газа и камеру увлажнения, причем линии сухого и влажного газов сходятся в камере смешения, которая находится в камере увлажнения и снабжена трубопроводом для выхода влажного газа, а камера увлажнения снабжена трубопроводами для залива и слива воды.
Заявленное решение поясняется графическими материалами. На Фиг. 1. дана общая схема генератора влажного газа, где показаны:
1. Блок подготовки газа;
2. Источник подачи газа;
3. Стабилизатор давления газа;
4. Фильтр тонкой очистки;
5. Манометр;
6. Блок осушения;
7. Устройство подачи газа в осушитель;
8. Осушитель;
9. Блок увлажнения и смешения;
10. Колонка для сухого газа с шаровым краном и игольчатым краном;
11. Колонка для влажного газа с шаровым краном и игольчатым краном;
12. Камера увлажнения;
13. Теплообменное устройство;
14. Камера смешения;
15. Трубопровод для слива воды из камеры увлажнения;
16. Трубопровод для залива воды в камеру увлажнения;
17. Трубопровод выхода влажного газа.
Конструктивно генератор выполнен в металлическом корпусе. На передней и задней панели размещены органы управления генератором.
Устройство и принцип работы.
В основу работы генератора влажного газа положен метод смешения потоков влажного и сухого газа с последующей подачей его на выход к внешнему контрольному гигрометру и поверяемому прибору.
Генератор влажного газа содержит блок подготовки газа 1, содержащий источник подачи газа 2, стабилизатор давления газа 3, фильтр тонкой очистки газа 4 и манометр 5; блок осушения 6, включающий устройство подачи газа в осушитель 7 и осушитель 8; блок увлажнения и смешения 9, включающий колонки 10 и 11, состоящие из последовательно соединенных кранов - шарового и игольчатого кранов тонкой регулировки, теплообменное устройство 13, камеру увлажнения 12 с трубопроводом для залива воды 16 и слива воды 15, камеру смешения 14 с трубопроводом выхода влажного газа 17. Стабилизированный по давлению газ из блока подготовки газа 1 подается в блок осушки 6, через устройство подачи газа 7 в осушитель 8. Осушенный газ из осушителя 8 поступает в блок увлажнения и смешения 9, включающий колонки 10 и 11, состоящие из последовательно соединенных кранов - шарового и игольчатого кранов тонкой регулировки. В колонках формируются две линии потока газа: линия сухого и линия влажного газа. Газ из колонки сухого газа 10 через теплообменное устройство 13 поступает в камеру смешения 14, расположенную внутри камеры увлажнения 12 под слоем воды. Газ из колонки влажного газа 11 поступает в камеру увлажнения 12 и после увлажнения в процессе барбатирования поступает в камеру смешения 14. После смешивания в камере смешения 14 газ, с установленным значением влажности поступает на трубопровод 17 выхода влажного газа.
Задание влажности в рабочем диапазоне генератора сводится к установке микрометрическими винтами игольчатых кранов тонкой регулировки колонок 10 и 11 соответствующего расхода газа через линии сухого и влажного газа и контроля установленного значения влажности газа по контрольному гигрометру.
Погрешность задания и стабильность во времени воспроизводимой генератором влажности определяется используемым стабилизатором давления, а также герметичностью соединений газовой схемы.
Технический результат достигается за счет того, что стабилизированный по давлению газ из блока подготовки газа 1 поступает в блок осушения 6. Из осушенного газа формируют две линии потока газа - линия сухого и линия влажного газа, содержащие краны тонкой регулировки расхода газа. Оба потока газа поступают в камеру смешения 14, расположенную в камере увлажнения 12. Причем, газ влажной линии поступает в камеру смешения 14 после барботирования в камере увлажнения, а газ сухой линии через теплообменник 13 расположенный в камере увлажнения 12. Это исключает понижение температуры насыщенного влажного газа в камере смешения 14 и выпадение конденсата. Из камеры смешения газ с заданной влажностью поступает на выход генератора. Задание влажности в рабочем диапазоне генератора сводится к установке микрометрическими винтами кранов тонкой регулировки соответствующего расхода газа через линии сухого и влажного газа и контроля установленного значения влажности газа по контрольному гигрометру.
Погрешность задания и стабильность во времени воспроизводимой генератором влажности газа определяется стабилизатором давления, дросселями линий влажного и сухого газа, стабильностью температуры камеры увлажнения, а также герметичностью соединений газового тракта генератора.
Элементы конструкции генератора рассчитаны для работы при высоком давлении, имеют значительную массу. По причине большой массы и теплоемкости камеры увлажнения, обеспечивается пассивная стабилизация и равномерность температуры в объеме камеры увлажнения, поэтому уменьшение температуры за счет эффекта насыщения и влияние колебаний температуры окружающей среды незначительно. Использование кранов тонкой регулировки расходов газа через линии сухого и влажного газа (дросселей) с микрометрическими винтами позволяет устанавливать и поддерживать заданный уровень влажности газа без использования измерителей потока и электромагнитных клапанов. Использование высококачественных фитингов и элементов газового тракта обеспечивает герметичность газового тракта и стабильность генерируемого влажного газа. Отсутствие электроники и электрических цепей позволяет генератору работать во взрывоопасных условиях.
1. Возможность проводить работы по поверке и калибровке гигрометров при давлении до 25 МПа.
2. Большая масса и теплоемкость элементов конструкции генератора, в частности камеры увлажнения, обеспечивает пассивную стабилизацию и равномерность температуры в объеме камеры увлажнения без применения датчиков и сложной электроник. Поэтому влияние колебаний температуры окружающей среды незначительно.
3. Использование кранов тонкой регулировки расходов газа через линии сухого и влажного газа (дросселей) с микрометрическими винтами позволяет устанавливать и поддерживать заданный уровень влажности газа без использования измерителей потока, электромагнитных клапанов и сложной электроники. Использование высококачественных фитингов и элементов газового тракта обеспечивает герметичность газового тракта и стабильность генерируемого влажного газа.
4. Отсутствие электроники и электрических цепей обеспечивает генератору соответствие жестким требованиям, предъявляемым к оборудованию на предприятиях нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, позволяет генератору работать во взрывоопасных условиях.
Пример работы предлагаемого генератора влажного газа.
1
Генератор влажного газа обеспечивает создание потока влажного газа с температурой точки росы (объемной доли влаги) в диапазоне от минус 70°С до плюс 20°С (от 4,9 до 23000 млн) и проведение поверки и калибровки гигрометров при рабочем давлении до 25 МПа на месте эксплуатации на предприятиях нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, во взрывоопасных условиях.
Условия эксплуатации генератора:
- температура окружающей среды от плюс 5°С до плюс 25°С;
- атмосферное давление от 84 до 107 кПа (от 630 до 804 мм рт. ст.);
- относительная влажность окружающей среды до 90% без выпадения конденсата,
- содержание примесей и пыли в пределах санитарных норм;
Питание генератора осуществляется сухим газом с температурой точкой росы газа не более минус 60°С, избыточным давлением до 25 МПа и расходом газа не менее 5 л/мин.
В качестве рабочего газа может применяться воздух, азот и другие чистые и нейтральные газы. Температура газа на входе генератора от 5 °С до 25°С. Допустимый угол наклона генератора относительно горизонтальной поверхности в любом направлении не более 5°.