Прибор для количественного измерения утечки метана

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к устройствам для количественного измерения объема метана, утекающего из запорной и соединительной арматуры (краны, вентили, фланцы и т.п.) при добыче, транспортировке и распределении природного газа.
Уровень техники
Из «Руководства по наилучшей практике эффективного управления выбросами метана в нефтегазовом секторе» из серии публикаций ЕЭК ООН по энергетике №65 за 2020 год известно, что большая часть выбросов в атмосферу парникового газа метана происходит при транспортировке и распределении газа. Для учета объемов утекающего газа необходимо не только обнаружить факты утечек, но и количественно измерить их величины. В настоящее время для этой задачи применяются приборы количественного измерения утечек, такие как «Bacharach Hi Flow Sampler», забирающие образующуюся в области вокруг места утечки газовоздушную смесь, измеряющие объемную концентрацию метана в этой смеси, и определяющие количество метана, выделяемого в атмосферу в единицу времени в месте утечки по измеренной концентрации метана в смеси и известной объемной скорости забора смеси.
4
По данным публикации Liquefied Natural Gas: Understanding the Basic Facts, доступной по адресу https://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/04/f0/LNG_primerupd.pdf природный газ содержит от 85 до 95 об.% метана (CH) и неопределенные доли других газов. Кроме азота и двуокиси углерода этими газами являются высшие углеводороды, преимущественно этан, пропан, бутан и т.д.
4
Процедура измерения утечки природного газа называется измерением утечки основного газа - метана, или просто измерением утечки. А утекающий природный газ и его содержание в воздухе обозначается символами «CH».
Известное устройство имеет недостатки, описанные в статье «Assessment of the Bacharach Hi Flow Sampler characteristics and potential failure modes when measuring methane emissions», авторов J.I.Connolly, R.A.Robinson, T.D.Gardiner доступной по ссылке https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.05.055. Основной недостаток известного устройства, - завышение показаний электрохимического сенсора метана из-за наличия в составе анализируемого газа высших углеводородов. Это завышение может привести к увеличению погрешности измерений или выходу за заявленные пределы погрешности измерения и неправильной оценке величины утечки. Кроме того, в известном устройстве используется расходомер воздуха отличный от наиболее подходящего для портативного прибора расходомера на основе трубки Вентури, позволяющего снизить расход энергии для создания потока.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом является устройство, определяющее объемную скорость утечки природного газа из трубопроводной арматуры со сниженной погрешностью, вызванной, в том числе, наличием в составе природного газа неопределенной доли высших углеводородов.
Результат достигается тем, что устройство отбирает (забирает, засасывает) из области вокруг места утечки газовоздушную смесь; по разнице давлений на участках трубки Вентури определяет скорость объемного потока смеси; с помощью оптического датчика определяет концентрацию в этом потоке метана; и определяет общее количество выделяемого из места утечки метана. При этом в составе устройства помимо калиброванного по метану и определяющего концентрацию метана оптического датчика (сенсора), измеряющего поглощение в диапазоне длин волн 3,2…3,5 мкм, присутствует электрохимический датчик (сенсор), измеряющий концентрацию кислорода (кислородный датчик); и показания оптического датчика метана корректируются по показаниям датчика кислорода.
Описание чертежей
На фиг.1 представлено эскизное изображение варианта устройства, забирающего газовоздушную смесь из области вблизи утечки из элемента трубопроводной арматуры (1); пропускающее забираемый поток смеси через трубку Вентури (2); содержащее оптический датчик концентрации метана (3) и электрохимический датчик концентрации кислорода (4).
На фиг.2 представлены зависимости содержания метана (5) и кислорода (6) в газовоздушной смеси, позволяющие определить концентрацию метана, соответствующую измеренному значению концентрации кислорода, вне области низких значений концентрации кислорода (7), в которой величина ошибки косвенных измерений делает подобное определение нецелесообразным.
Осуществление полезной модели
По данным статьи «Воздух» из Большой Российской Энциклопедии атмосферный воздух содержит 20,9 об.%, и по данным, к примеру, статьи «О содержании кислорода в атмосферном воздухе» В.Ф. Овчарова, доступной по ссылке http://meteocenter.net/meteolib/o2.htm, колебания концентрации кислорода в атмосферном воздухе относительно среднего значения в разных регионах в большинстве случаев не превышают 3…5%, а колебания концентрации кислорода в конкретной местности на порядок меньше и не превышают 0,5%. При добавлении к ста частям чистого воздуха пяти частей, т.е. чуть меньше 5 об. %, примесного газа уровень концентрации кислорода снизится с 20,9% до 19,9%, то есть на 1%. Поэтому после калибровки кислородного датчика в чистом воздухе на уровень 20,9% можно считать, что измеренное с погрешностью не выше 0,5% снижение объемной доли кислорода с уровня 20,9% на 1% и более определяется наличием нетипичной для чистого атмосферного воздуха газовой примеси; и величина этого отклонения позволяет определить объемную долю примеси вне зависимости от ее точного химического состава, в т.ч. соотношения объемной доли метана и других газов, если эта примесь - природный газ.
4
2
4
2
4
Расчетное содержание природного газа, обозначаемое символами CH, при известном уровне содержания в анализируемом потоке воздуха кислорода, обозначаемом символами O, определяется формулой CH=100 об.%⋅(20,9-O)/20,9. При абсолютной погрешности измерения кислорода, к примеру, ±0,5 об.%, абсолютная расчетная погрешность косвенных измерений объемного содержания природного газа (CH) составит ±2,4 об.%. С данной погрешностью будет выполняться косвенное измерение концентрации примесей при их содержании в потоке от 5 об.%.
При снижении уровня кислорода до величин, при которых точность определения объемной доли природного газа в смеси по концентрации кислорода выше точности определения уровня кислорода по оптическому датчику, становится целесообразным корректировать показания прибора по показаниям датчика кислорода. Определить, что концентрация метана достигла значения, при котором корректировка по кислородному датчику целесообразна, можно и по имеющемуся в устройстве датчику концентрации метана и косвенно по датчику концентрации кислорода. Если показания хотя бы одного из датчиков позволяют сделать вывод о попадании значения концентрации метана в необходимый диапазон, показания прибора корректируются по показаниям датчика кислорода. Под корректировкой понимается как вывод определяемого значения, рассчитанного только по кислороду, так и вывод промежуточной величины между показаниями датчика метана и расчетным значением по кислороду с целью предотвращения скачкообразного изменения выводимых значений при коррекции.