ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР ПАРОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для определения концентрации метана и широкой фракции насыщенных углеводородов С2-С10 (ШФЛУ) регазифицированного сжиженного природного газа (СПГ) и может быть использована для измерения объемной концентрации метана (C1) и ШФЛУ (С2-этан, С3-пропан, С4-бутан и другие более тяжелые алканы С5-С10) на объектах хранения и переработки СПГ, а также для экологического мониторинга атмосферы и предупреждения техногенных аварий.
Уровень техники
90
90
Известен газоанализатор метана с сенсорным модулем, включающим газовый датчик, плату для предварительной обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, и вторичный микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля (патент РФ №2321847). Недостатками этого газоанализатора являются большое значение временного отклика τ > 10 с, а также невозможность анализировать газы при температуре ниже -40°С, так как газовый датчик, микроконтроллер и вторичный микропроцессор не защищены от неблагоприятного воздействия низких температур. Величина временного отклика τ определяется как время, необходимое для регистрации объемной концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.
Известен газоанализатор токсичных, радиоактивных и горючих газов (патент РФ на полезную модель №127928), содержащий датчик радиоактивности и набор съемных газовых сенсоров, расположенных в газовом канале с внешним обогревателем для устранения конденсации влаги, внутренний измеритель температуры газов, пылевой фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен побудитель расхода газа, и электронный модуль, включающий платы питания, интерфейса и внешней коммутации для питания и управления.
90
Недостатками этого газоанализатора являются большое значение τ ≥ 15-30 с для используемых термокаталитического, полупроводникового и/или электрохимического сенсоров токсичных и горючих газов, а также невозможность их детектировать при температуре ниже -40°С (Система газоаналитическая СКВА-01, Руководство по эксплуатации, ЕКРМ.411741.001РЭ, ООО НПФ ИНКРАМ Москва, 2013).
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других газообразных углеводородов, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода измерительную газовую кювету, установленные за ней фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов, электронный модуль, с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации, стабилизированного питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом с формирователем цифровых сигналов.
90
Недостатками эго инфракрасного газового анализатора являются относительно большая величина τ ≈ 10 с, вследствие диффузионного отбора газа в измерительную газовую кювету оптического инфракрасного датчика, а также невозможность анализировать газы при температуре ниже -40°С и генерация ложных сигналов при существенном градиенте температуры инфракрасного оптического датчика dT/dt ≥ 2-3 град/мин (Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов MIPEX-02-X-X-X.1 (RX). Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. Версия 04 19.04.2017. 50 С.ООО "Оптосенс". Санкт-Петербург).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса.
Инфракрасный оптический датчик по прототипу с отверстиями для конвективного входа и выхода анализируемого газа включает инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения и его фотоприемники. Подключен к электронному блоку управления. Принцип его действия основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами исследуемого газа (для метана - в области длин волн 3,31 мкм). Инфракрасное излучение светодиода проходит через измерительную газовую кювету и попадает на два фотоприемника, один из которых регистрирует только излучение в диапазоне длин волн 3,31 мкм, а другой в диапазоне длин волн 3,6-3,7 мкм. Исследуемый газ, находящийся в кювете, поглощает излучение рабочей длины волны (≈3,31 мкм) и не влияет на излучение опорной длины волны (≈3,65 мкм). Амплитуда рабочего сигнала фотоприемника изменяется пропорционально концентрации метана и других углеводородных газов. Описанный инфракрасный оптический датчик метана и других газообразных углеводородов по прототипу выпускается ООО «ЭМИ-прибор» в виде Измерителя ИГМ-10-X-00. Разработан ООО "Оптосенс" под маркой MIPEX-02-Х-Х-Х.1 (RX). Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов.
90
Устройство по прототипу позволяет измерять флуктуирующие значений объемной концентрации метана, а также анализировать пары регазифицированного СПГ заранее известного состава при температуре Т=-100-60°C с величиной τ< 1 с. При этом для заранее известного состава паров СПГ инфракрасный оптический датчик предварительно калибруется на метрологическом стенде.
Недостатком инфракрасного анализатора по прототипу являются существенные ошибки измерения объемной концентрации смеси метана и ШФЛУ при анализе облаков паров регазифицированного СПГ неизвестного состава с воздухом.
Известно, что при производстве СПГ в зависимости от месторождения природного газа, его состава, а также технологии изготовления концентрация метана в криогенной жидкости может варьироваться от 87 до 99 об. % (ГОСТ 57431-2017 Газ природный сжиженный. Общие характеристики). В частности, отечественный СПГ для промышленного и коммунально-бытового назначения должен содержать не менее 92 об. % метана. Остальной горючий состав определяется примесями ШФЛУ, включающими 4+/-3 об. % этана; (2,5+/-2,5) об. % пропана и др. более тяжелые алканы (С4-С10), содержание которых не нормируется (ТУ 51-03-03-85 Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания). При переводе СПГ в газообразное его состояние соответствует ГОСТ 5542-2014 Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения.
4
2
6
3
8
Сечение поглощения ИК излучения молекулами этана, пропана и др. более тяжелыми насыщенными углеводородами существенно превышает величину сечения поглощения ИК спектра молекулами метана. На фиг. 1 приведены экспериментальные значения показаний инфракрасного оптического датчика C(S) по прототипу от величины объемной концентрации С метана, этана, пропана или бутан (см. кривые 1-4) при нормальном давлении и температуре около -1°С, где C(S) - концентрация, измеренная инфракрасным анализатором по величине поглощения ИК излучения при анализе известной объемной концентрация С метана, этана или пропана в воздухе. Соответственно, при С ≈ 1 об. % значения C(S) для метана меньше величин C(S) для этана и пропана почти в 20 раз. Это означает, что при образовании, например, смеси из метана, этана и пропана с объемной концентрацией С≈(1CH+1СН и 1СН) об. % ≈ 3 об. %, показания газоанализатора будут составлять C(S) ≈ (1+18+20) об. % ≈ 39 об. %. В результате ошибка измерения объемной концентрации смеси Δ(С) ≈ 1300%, что согласуется с экспериментальными данными. Соответственно, для аналогичных смесей с заранее неизвестным соотношением метана и паров СПГ определить объемную концентрацию метана и ШФЛУ (С2-С10) в воздухе не представляется возможным.
Аналогичные результаты были получены при тестировании известных зарубежных инфракрасных оптических датчиков типа Dynament GB (ООО Дельта-С, Газоанализаторы серии Сенсис, Москва, Зеленоград, 2008). Конструкция этих датчиков существенно отличается от вариантов исполнения инфракрасных оптических датчиков Mipex по прототипу.
В результате их использование без калибровки для анализа метановоздушных смесей с заранее неизвестным содержанием ШФЛУ (алканы С2-С10) более (0,1-0,2) об. % может привести к существенной ошибке или неточности измерения объемной концентрации метана и паров ШФЛУ в атмосфере. Ее величина зависит от соотношения объемов метана и ШФЛУ.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является унификация конструкции инфракрасного анализатора и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа.
Для достижения технического результата предложен инфракрасный анализатор паров сжиженного природного газа, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса, параллельно присоединенные к торцу внутренней цилиндрической трубы газового канала инертный газопровод паров сжиженного природного газа с низкотемпературным отсечным электроклапаном и блок их криогенного разделения, включающий цилиндрическую ванну с жидким криоагентом, в которую помещен цилиндрический адсорбер с металлическим аэрозольным фильтром и адсорбентом, соединенным с патрубком подачи паров сжиженного природного газа в адсорбер с низкотемпературным отсечным электроклапаном.
2
В результате параллельного присоединения к торцу внутренней цилиндрической трубы газового канала инертного газопровода паров сжиженного природного газа с низкотемпературным отсечным электроклапаном и блока их криогенного разделения, включающего цилиндрическую ванну с жидким криоагентом, в которую помещен цилиндрический адсорбер с металлическим аэрозольным фильтром и адсорбентом, соединенным с патрубком подачи паров сжиженного природного газа в адсорбер с низкотемпературным отсечным электроклапаном, удается осуществить отделение от метана паров ШФЛУ (этан, пропан, бутан и др. тяжелые алканы) за счет их вымораживания при низкой температуре Т ≈ -150°С на адсорбенте из пеноникеля или из прессованных и отожженных медных волокон или шариков с открытой пористостью около 90%, и последующего их вымораживания в порах металлического аэрозольного фильтра из никеля за счет аккомодации и вымораживания молекул алканов С2-С10 на развитой поверхности его тонкопористой мембранной структуры с площадью извилистых каналов до 50 м/г (А.В. Загнитько, Г.И. Пушко, Низкотемпературная фильтрация газов многослойными металлокерамическими фильтрами. Ж. Теоретические основы химической технологии. 2007. Т. 41. №5. С. 507). Измеренная эффективность улавливания конвективного потока паров этана, пропана и бутана с концентрацией 99-100 об. % в адсорбере составляла более 98% при Т=-(145-150)°С.
Метан при Т≥-150°С практически не вымораживается на адсорбенте и в порах металлического аэрозольного фильтра, так как его температура кипения составляет -(162-163)°С при атмосферном давлении.
В результате вымораживания паров ШФЛУ инфракрасный оптический датчик регистрирует концентрацию газообразного метана, который после криогенного блока предварительно нагревается до положительной температуры электропечью газового канала как в прототипе.
При понижении температуры метана и паров ШФЛУ до Т ≈ -150°С в адсорбере возможно образование аэрозолей углеводородов ШФЛУ и газовых гидратов. Их улавливание осуществляется за счет диффузионного захвата и зацепления дисперсных частиц в порах высокоэффективного металлического аэрозольного фильтра с мембранной тонкопористиой структурой (А.В. Загнитько, Г.И. Пушко, Низкотемпературная фильтрация газов многослойными металлокерамическими фильтрами. Ж. Теоретические основы химической технологии. 2007. Т. 41. №5. С. 507; класс очистки H11-Н12 согласно ГОСТ Р 51251-1999 Фильтры очистки воздуха). Это повышает точность измерения концентрации метана.
В прототипе отсутствует криогенный блок для разделения метана и паров ШФЛУ. Это не позволяет создавать конвективный поток чистого метана в отверстия инфракрасного оптического датчика и его регистрацию.
В качестве криоагента используется сжиженный азот или сжиженный природный газ, например, для коммунально-бытового потребления (ТУ 51-03-03-85. Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания).
Создание инертного газопровода с низкотемпературным отсечным электроклапаном, не адсорбирующего пары СПГ, позволяет осуществлять их прямую подачу к инфракрасному оптическому датчику для его детектирования и сравнение сигнала с сигналом для чистого метана после криогенного блока. Это позволяет определять концентрацию метана и ШФЛУ в парах СПГ заранее неизвестного состава.
Переключение подачи потоков углеводородов в инертный канал или в криогенный блок их разделения осуществляется с помощью низкотемпературных отсечных быстродействующих электроклапанов. Их управление осуществляется специальным блоком электроклапанов, размещенным на дополнительной платы управления с микропроцессором и источником стабилизированного питания, расположенной, как в прототипе, в электронном блоке.
Как и в прототипе в заявленном устройстве осуществляется одновременное дистанционное на расстоянии до 1200 м измерение распределений концентрации и температуры в потенциально опасных облаках и выбросах паровоздушной смеси регазифицированного СПГ.
В результате решается поставленная техническая задача заявленного инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа, а именно отдельное измерение и сопоставление значений объемной концентрации чистого метана и паров ШФЛУ в облаках или струях регазифицированного СПГ в воздухе с заранее неизвестным составом при температуре до - 100°С.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведены экспериментальные значения показаний инфракрасного оптического датчика C(S) по прототипу от величины объемной концентрации С метана, этана, пропана или бутан при нормальном давлении и температуре около -1°С, где C(S) - концентрация, измеренная инфракрасным анализатором по величине поглощения ИК излучения при анализе заранее известной объемной концентрация С метана, этана или пропана в воздухе.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема заявленного инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа, где:
1 - инфракрасный оптический датчик;
2 - отверстие для входа анализируемого газа;
3 - отверстие для выхода анализируемого газа;
4 - электронный блок управления;
5 - цилиндрический корпус;
6 - коммуникационная плата;
7 - дополнительная плата управления;
8 - внутренняя коаксиальная цилиндрическая труба;
9 - внешняя коаксиальная цилиндрическая труба;
10 - защитное съемное основание;
11 - измеритель наружной температуры анализируемого газа;
12 - пористый металлический наполнитель;
13 - цилиндрическая электропечь;
14 - аэрозольный фильтр;
15 - побудитель расхода анализируемого газа;
16 - измеритель внутренней температуры;
17 - пылевой фильтр;
18 - разъем для подключения внешних цепей;
19 - инертный газопровод паров сжиженного природного газа;
20 и 21 - низкотемпературные отсечные электроклапана;
22 - блок криогенного разделения метана и паров широкой фракции углеводородов (алканы С2-С10) регазифицированного СПГ;
23 - цилиндрическая ванна с жидким криоагентом;
24 - цилиндрический адсорбер;
25 - металлический аэрозольный фильтр;
26 - адсорбент;
27 - патрубок подачи паров сжиженного природного газа в адсорбер;
28 - патрубок подачи газообразного метана для анализа.
Q - расход анализируемого газа в инфракрасный анализатор паров сжиженного природного газа.
На фиг. 3 приведены измеренные сенсором по прототипу значения отношения C(S)/C от величины объемной концентрации С регазифицированных паров СПГ в воздушном потоке (см. кривую 1). Здесь C(S) - концентрация, измеренная инфракрасным сенсором Mipex по величине поглощения ИК излучения при анализе заранее известной объемной концентрация паров С регазифицированного СПГ в воздухе. В точке А величина C(S)/C=1 при С=3 об. %.
Осуществление полезной модели
На фиг. 2 изображена принципиальная схема заявленного инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа. Он содержит инфракрасный оптический датчик 1 с отверстиями в его корпусе для входа 2 и выхода 3 анализируемого газа, подключенный к электронному блоку управления 4, коммуникационную плату 6 и дополнительную плату управления 7, установленные внутри цилиндрического корпуса 5. Газовый канал состоит из внутренней 8 и внешней 9 коаксиальных, цилиндрических труб, причем на торце внутренней трубы 8 с защитным съемным основанием 10 расположен измеритель наружной температуры анализируемого газа 11. Кроме того, внутри внутренней трубы 8 последовательно и коаксиально установлены пористый металлический наполнитель 12, аэрозольный фильтр 14, побудитель расхода анализируемого газа 15 и измеритель его внутренней температуры 16, а снаружи внутренней трубы 8 расположена цилиндрическая электропечь 13. Пылевой фильтр 17, установлен на выходе внешней трубы 9. Разъем для подключения внешних цепей 18, расположен на поверхности корпуса электронного блока управления 5.
Инфракрасный оптический датчик 1 герметично состыкован с внутренней трубой 8 и включает корпус с отверстиями для входа 2 и выхода 3 анализируемого газа, инфракрасный светодиод с опорной и рабочей длинной волн инфракрасного излучения, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения и расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения. На входе и выходе установлены фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов (ни фиг. 2 не показаны)
Электронный блок управления 4 содержит усилители сигналов, платы стабилизированного питания и микроконтролер (на фиг. 2 не показаны).
Коммуникационная плата 6 включает устройство внешней коммутации и стабилизированного питания, управляющий микропроцессор и интерфейс с формирователем цифровых сигналов (на фиг. 2 не показаны).
Дополнительная плата управления 7 содержит специальный блок управления низкотемпературными отсечными электроклапанами (на фиг. 2 не показаны).
Диапазон рабочих температур инфракрасного оптического датчика 1 варьируется от -40 до 60°С при условии, что скорость изменения его температуры dT/dt<2-3°С/мин.
Измерители внешней 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа, побудитель его расхода 15 и цилиндрическая электропечь 13 подключены к дополнительной управляющей плате 7, содержащей стабилизированный источник питания побудителя расхода анализируемого газа с постоянным напряжением от 5 до 12 В, стабилизированный источник питания внешней цилиндрической электропечи до 48 В, соединенный обратной связью с анализатором показаний измерителей наружной 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа и управляемый микропроцессором для регулировки мощности электропечи 13 с целью поддержания заданной температуры нагрева анализируемого газа более 5°С перед подачей в отверстия 2. Оптимальный диапазон нагрева анализируемого газа составляет от 5 до 20°С.
Цилиндрические внутренняя 8 и внешняя 9 трубы газового канала выполнены из полипропилена или никелированного металла, не сорбирующих анализируемые газы.
Измерители наружной 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа собраны из термопарного кабеля хромель-алюмель.
Аэрозольный фильтр 14 изготовлен из стойкого к перепадам температуры волокнистого материала класса F7-H11 для защиты инфракрасного оптического датчика от дисперсной фазы. Пылевой фильтр 17 выполнен в виде кольца из волокнистого материала класса F7 для устранения проникновения аэрозольных частиц в инфракрасный оптический датчик. Пористый металлический наполнитель 12 собран из пеноникеля или из прессованных и отожженных медных волокон с открытой пористостью около 90-95%.
К торцу внутренней трубы газового канала 8 с основанием 10 присоединены параллельно инертный газопровод паров сжиженного природного газа 19 с низкотемпературным отсечным электроклапаном 20 и блок их криогенного разделения 22.
Блок криогенного разделения паров сжиженного природного газа 22 при Т ≈ -150°С содержит патрубок 27 для подачи газов и паров на криогенную очистку и разделение, цилиндрический адсорбер 24, помещенный в цилиндрическую ванну с жидким криоагентом 23, низкотемпературный отсечной электроклапан 21, патрубок подачи газообразного метана, очищенного от паров ШФЛУ, для анализа 28. В адсорбере 24 установлены последовательно по отношению к потоку газа адсорбент 26 и металлический аэрозольный фильтр 25 для вымораживания паров алканов С2-С10 и высокоэффективного улавливания аэрозольных частиц твердых углеводородов и газовых гидратов.
Металлический аэрозольный фильтр 25 изготовлен из никеля по технологии авторов и устойчив к воздействию низких температур до -200°С (Патент РФ, №2044090; Патент РФ, №2070873).
Измеренная эффективность улавливания конвективного потока паров этана, пропана и бутана с концентрацией 99-100 об. % в адсорбере составляла более 98% при Т=-(145-150)°С.
5
Метан при Т ≥ -150°С практически не вымораживался на адсорбенте и в порах металлического аэрозольного фильтра, так как его температура кипения составляет -(162-163)°С при атмосферном давлении 10 Па.
2
В результате установки в адсорбере 24 последовательно по отношению к потоку газа адсорбента 26 и металлического аэрозольного фильтра 25 класса Н11 или Н12 согласно ГОСТ Р 51251-99 эффективность фильтрации дисперсных микропримесей с размером частиц более 0,005 мкм составляет Е > 99,9995%. Кроме того, в порах металлического аэрозольного фильтра 25, также, имеет место улавливание молекулярных примесей паров СПГ за счет их аккомодации и вымораживания на развитой поверхности его мембранной, тонкопористой структуры с площадью извилистых каналов до 50 м/г (А.В. Загнитько, Г.И. Пушко, Низкотемпературная фильтрация газов многослойными металлокерамическими фильтрами. Ж. Теоретические основы химической технологии. 2007. Т. 41. №5. С. 507).
В процессе эксплуатации конвективного уноса адсорбента 26, вследствие его абразивного износа, не происходит, поскольку частицы улавливаются в порах тонкопористой структуры высокоэффективного металлического аэрозольного фильтра 25.
Инфракрасный анализатор паров регазифицированного СПГ работает следующим образом. По команде специального блока управления дополнительной платы 7 электроклапан 21 закрывается, а электроклапан 20 - открывается. Побудитель расхода 15 непрерывно аспирирует анализируемый газ в инфракрасный анализатор последовательно через инертный газопровод паров сжиженного природного газа 19 с низкотемпературным отсечным электроклапаном 20, пористый металлический наполнитель 12 и аэрозольный фильтр 14 в отверстия 2 инфракрасного оптического датчика 1. Его расход составляет Q=2,5-5 литр/мин. Это позволяет обеспечить доставку углеводородной смеси метана и паров ШФЛУ через входные 2 и выходные 3 отверстия в измерительную газовую кювету инфракрасного оптического датчика в течение 0,15-0,3 с в зависимости от величины Q.
CH4
2
Метан и другие углеводородные газы детектируются путем измерения избирательного поглощения молекулами инфракрасного излучения с рабочей длиной волны 3,31 мкм. Инфракрасное излучение светодиода проходит через измерительную газовую кювету и попадает на два фотоприемника, один из которых регистрирует только излучение в диапазоне длин волн 3,31 мкм, а другой в диапазоне длин волн около 3,65 мкм (на фиг. 2 не показаны). Исследуемый газ, находящийся в измерительной газовой кювете, поглощает излучение рабочей длины волны и не влияет на излучение опорной длины волны 3,65 мкм. В измерительную газовую кювету анализируемая проба газа поступает через отверстия 2 и 3 в корпусе инфракрасного оптического датчика 1 за счет создания принудительного потока конвективной диффузии побудителем расхода 15, скорость которой существенно превышает скорость переноса молекул метана за счет молекулярной диффузии с коэффициентом диффузии D ≈ 0,2 см/с в нормальных условиях.
По команде специального блока управления дополнительной платы 7 электроклапан 20 закрывается, а электроклапан клапан 21 - открывается. Побудитель расхода 15 непрерывно аспирирует анализируемый газ в инфракрасный оптический датчик последовательно через патрубок 27, адсорбент 26, металлический аэрозольный фильтр 25, пористый металлический наполнитель 12 и аэрозольный фильтр 14 в отверстия 2 инфракрасного оптического датчика 1. Его расход составляет Q=2,5-5 литр/мин. В адсорбере 24 пары ШФЛУ отделяются за счет вымораживания при температуре около -150°С на адсорбенте 26 и в порах фильтра 25. Это позволяет обеспечить доставку метана без примесей паров ШФЛУ через входные 2 и выходные 3 отверстия в измерительную газовую кювету инфракрасного оптического датчика 1 в течение 0,15-0,3 с в зависимости от величины Q. Перед подачей метана в инфракрасный оптический датчик 1 осуществляется его нагрев в газовом канале 8 цилиндрической электропечь 13, подключенной к дополнительной управляющей плате 7, содержащей стабилизированный источник ее питания (на фиг. 2 не показан), соединенный обратной связью с анализатором показаний измерителей наружной 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа и управляемый микропроцессором для регулировки мощности электропечи 13 с целью поддержания заданной температуры нагрева анализируемого газа более 5°С перед подачей в отверстия 2. Максимальная температура анализируемой пробы газа не превышает 60°С.
В результате регистрировалась объемная концентрация метана, очищенного от примесей ШФЛУ регазифицированного СПГ.
Сравнение показаний инфракрасного оптического датчика 1 при регистрации метана после криогенного блока 22 при закрытом электроклапане 20 и смеси метана и ШФЛУ после инертного газопровода паров сжиженного природного газа 19 позволяет определить концентрацию метана и примесей паров ШФЛУ в атмосферном воздухе в заданной районе установки анализатора. Их сеть позволяет сканировать по объему облако метана и паров ШФЛУ.
Попеременное включение и отключение клапанов 20 и 21 позволяет измерять кинетику изменения метана и паров ШФЛУ.
Как и в прототипе измерение температуры смеси углеводородных газов и воздуха снаружи инфракрасного анализатора осуществляется датчиком 11, а его концентрация регистрируется электронным блоком 4 и дополнительной платой управления 7 с микропроцессором (на фиг. 2 не показан) с передачей данных через разъем 18 на внешний компьютер (на фиг. 2 не показан) на расстояние до 1200 м с использованием интерфейса RS-485.
Пример.
Для регистрации метана и других углеводородных газов использовался инфракрасный оптический датчик 1 модели MIPEX-02-1-II-2.1(А)-ОПТОСЕНС с отверстиями 2 и 3 в корпусе для поступления анализируемого газа в измерительную газовую кювету с электронным блоком 4 и коммуникационной платой 6 согласно патенту РФ, №2187093, «Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов MIPEX-02-X-X-X.1 (RX)». Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. Версия 04 19.04.2017. 50 С. Собственность ООО "Оптосенс" г. Санкт-Петербург, «Автономный стационарный газоанализатор (преобразователь) ИГМ-10, ИГМ-10-Х-00». Преобразователи измерительные ИГМ-10, Руководство по эксплуатации КДЮШ.413347.005-12 РЭ, ООО «ЭМИ-Прибор» (IGM-Detector) г. Санкт-Петербург, 2016). Характерное время срабатывания его электронной схемы составляет менее 0,35 с.
В качестве измерителей 11 и 16 для анализа внешней и внутренней температуры газов использовались две термопары хромель-алюмель с быстродействием около 0,15 с.
Внешняя цилиндрическая электропечь 13 была выполнена в виде изолированного электрического сопротивления типа С5-35В с номинальной мощностью рассеивания 50 Ватт и с намотанной проволокой на керамической трубке. Электропечь 13 подключена к дополнительной управляющей плате 7 с микропроцессором (на фиг. 2 не показан), содержащей стабилизированный источник с регулируемым напряжением до 48 В и током нагрузки до 0,3 А, соединенный обратной связью с анализатором показаний внешней 11 и внутренней 16 термопар хромель алюмель и управляемый микропроцессором для регулировки ее мощности. Температура нагревания анализируемого газа перед его поступлением в чувствительную зону газовой кюветы инфракрасного оптического датчика 1 поддерживалась в диапазоне от 10 до 20°С. Нагрев потока газа осуществлялся при пониженной температуре, когда ее величина снаружи согласно показаниям термопары 11 варьировалась от -10 до -100°С.
Внутренние диаметры коаксиальных внутренней 8 и внешней 9 труб газового канала из никелированного металла были равны 13 и 70 мм. Фильтры 14 и 17 были изготовлены из волокнистого полиэстера.
В качестве побудителя расхода анализируемого газа 15 использовался взрывозащищенный микрокомпрессор производительностью около 5 литр/мин и с постоянным напряжением питания 12 В от источника стабилизированного питания дополнительной управляющей платы 7 с микропроцессором. Расстояние между микрокомпрессором и входными отверстиями 2 инфракрасного оптического датчика 1 составляло 8-10 мм.
2
В качестве криоагента использовался СПГ коммунально-бытового назначения с начальной температурой Т = -160°С. Цилиндрическая ванна 23 была изготовлена из нержавейки с зеркальной экранно-вакуумной изоляцией. Ее температура поддерживалась на уровне -(145-150)°С. Мембранный металлический аэрозольный фильтр 25 из никеля соответствовал классу очистки НИ согласно ГОСТ Р 51251-99 с площадью поверхности его тонкопористой структуры около 50 м/г (А.В. Загнитько, Г.И. Пушко, Низкотемпературная фильтрация газов многослойными металлокерамическими фильтрами. Ж. Теоретические основы химической технологии. 2007. Т. 41. №5. С. 507). Адсорбент 26 был изготовлен из пеноникеля с пористостью около 90%.
Низкотемпературные электроклапаны 20 и 21 «Burkert» в течении более 1 часа выдерживали поток паров метана и СПГ при Т ≈ -150°С. Время их открывания и закрывания составляло ≈100 и 150 мс, соответственно.
2
4
10
Для проверки характеристик разработанного инфракрасного газового анализатора использовался СПГ, содержащий 95,927 метан; 2,575 этан; 0,804 пропан; 0,1 И и-бутан; 0,110 н-бутан; 0,098 СО и 0,36 (азот, пентаны, гексаны, кислород, гелий и водород) об. %, где и-бутан - изобутан; н-бутан - нормальный, нераветвленный СН. Состав СПГ измерялся хроматографом.
Анализ потока смеси метана и паров ШФЛУ регазифицированного СПГ разработанным устройством в трубопроводе показал, что объемная концентрация метана составляла 95-96 об. %. Соответственно, концентрация паров ШФЛУ варьировалась от 5 до 4 об. %. Эти результаты удовлетворительно согласуются с данными хроматографического анализа. Однако, при использовании устройства по прототипу показания инфракрасного оптического датчика превышали более 170 об. %, что противоречит физическому смыслу и обусловлено значительным поглощением инфракрасного излучения примесями ШФЛУ (см. фиг. 1).
Кроме того, были приведены измерения значений C(S)/C сенсором Mipex по прототипу от величины объемной концентрации СПГ в потоке смеси углеводородов СПГ с воздухом (кривая 1 на фиг. 3). В точке А величина C(S)/C = 1 при концентрации паров СПГ С = 3 об. % и концентрации метана около 2,88 об. %. Соответственно, концентрация ШФЛУ составляла около 0,12 об. %. По прототипу эти измерения провести невозможно без его предварительной калибровки. Если состав СПГ заранее неизвестен, то прототип не позволяет выполнить требуемый анализ.
4
3
После пневматического распыления за 5-10 секунд СПГ с испарением метана (≈96 об. %) и паров ШФЛУ (≈4 об. %) в атмосфере образовывались углеводородные облака объемом более 10 м, смешенные с воздухом. Измеренная температура облака углеводородов в воздухе при диспергировании и испарении СПГ варьировалась со временем от (10-15) до -(80-100)°С. В результате была измерена кинетика изменения от времени концентрации метана в диапазоне (1-30) об. % и примесей паров ШФЛУ от 0,1 до 1-2 об. % в центре облака на высоте 5 метров. Газовый анализатор был установлен на мачте. По прототипу этих измерений провести не удалось, так как в нем отсутствует криогенное отделение паров ШФЛУ от метана и состав СПГ заранее был не известен.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного инфракрасного анализатора паров регазифицированного сжиженного природного газа с прототипом показывает, что за счет предварительного криогенного разделения метана и паров ШФЛУ в анализируемом конвективном потоке углеводородов удалось расширить функциональные возможности заявленной конструкции путем раздельного измерения флуктуирующей во временим объемной концентрации метана и паров ШФЛУ (этан, пропан, бутан и др.) в облаке и/или затопленных струях паров регазифицированного СПГ в атмосфере, стохастически флуктуирующих по концентрации и температуре, от 10-15 до -100°C с временным откликом менее 1 с. По прототипу при анализе смеси метана и паров ШФЛУ регазифицированного природного газа их разделение не предусмотрено. Это не позволяет осуществлять анализ концентрации метана и паров ШФЛУ в облаках и/или затопленных струях регазифицированного СПГ флуктуирующего и неизвестного состава в атмосфере.