Анализатор состава природного газа
ANALYZER OF NATURAL GAS COMPOSITION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа природного газа. Заявляемое изобретение найдет свое применение на газоизмерительных и газораспределительных станциях предприятий газовой, нефтяной и химической промышленности.
Известно, что химический состав природного газа на разных месторождениях  различается. В этой связи предприятия, занимающиеся добычей, транспортировкой и переработкой природного газа, нуждаются в высокоточных газоанализаторах, поскольку от состава природного газа зависит экономическая эффективность их деятельности.
Известна система для измерения физико-химического состава природного газа, содержащая устройство обеспечения газохроматографического разделения, колонки для детектирования различных компонентов природного газа, а также набор детекторов [Бузановский В.А., Овсепян А. М. Информационно-измерительные системы состава и свойств природного газа // Территория Нефтегаз, 2007, №8, С. 36-43].
Основными недостатками данной системы является необходимость иметь газ-носитель (например, He или Ar) для осуществления газохроматографического разделения, длительное время проведения анализа, а также деградация со временем характеристик основных узлов (детекторов, колонок), что приводит к необходимости частых проверок градуировки прибора.
Также известен лазерный анализатор природного газа, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света (Патент РФ №10462, МПК G01N21/25, опубл. 16.07.1999). Суть его работы заключается в регистрации спектра комбинационного рассеяния света исследуемой газовой среды и проведении по нему качественного и количественного анализа. Используемый метод анализа лишен описанных выше недостатков: он не требует каких-либо расходных материалов (газ-носитель) для проведения анализа, сигнал  КР практически безынерционен, а основанный на этом методе прибор не требует частой проверки градуировки. Данный анализатор содержит лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, конденсорный объектив, деполяризующий клин, голографический фильтр, полихроматор, основанный на вогнутой дифракционной решетке, приемный блок, содержащий распределительный элемент и фотодиодные линейки, а также блок управления и ЭВМ.
Основным недостатком данного устройства является низкая достоверность анализа, обусловленная использованием полихроматора, основанного на вогнутой дифракционной решетке. Во-первых, регистрируемые спектры имеют низкое качество (малое разрешение, аппаратное искажение спектральных линий, фоновая засветка). Во-вторых, такой полихроматор не может быть светосильным, что накладывает ограничения на количество собранного рассеянного света и, соответственно, на интенсивность и соотношение сигнал/шум регистрируемых спектров.
Наиболее близким по принципу действия (прототипом) является анализатор состава природного газа, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния света [Патент РФ № 126136, МПК G01N 21/00, опубл. 20.03.2013]. Данное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, фотообъектив со светосилой 1:1.8, голографический фильтр, блок управления, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой, сопряженный с ПЗС-матрицей. Указанный анализатор частично лишен недостатков устройства, описанного выше, ввиду использования спектрального прибора, основанного на плоской дифракционной решетке. Данное обстоятельство позволяет регистрировать спектры КР, по которым осуществляется процесс газоанализа, с более высоким качеством и соотношением сигнал/шум.
-1
В указанном анализаторе с помощью спектрального прибора, сопряженного с ПЗС-матрицей, осуществляется одновременная регистрация спектрального диапазона от 532 нм до 690 нм, что при длине волны используемого лазера 532 нм соответствует диапазону частотных сдвигов 0-4300 см.
-1
Необходимо отметить, что достоверность анализа состава природного газа методом спектроскопии комбинационного рассеяния прямо пропорциональна величине разрешения регистрируемых спектров ввиду необходимости спектрального выделения отдельных компонентов природного газа из их суммарного спектра. Помимо этого, интенсивные полосы метана, расположенные в диапазоне 2800-3200 см, при их регистрации многоканальным фотоприемником (ПЗС-матрицей) обеспечивают увеличение фонового сигнала ввиду «растекания» накопленных зарядов в данных пикселях на соседние пиксели. Данное обстоятельство также снижает качество газоанализа.
Таким образом, основным недостатком прототипа является низкая достоверность анализа, обусловленная низким разрешением регистрируемых спектров КР, а также большим значением уровня фонового сигнала.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение разрешения регистрируемых спектров КР и снижение уровня фоновой засветки при одновременной регистрации спектра КР, содержащего полосы всех молекулярных компонентов газа, контроль которых необходим. Достигаемый технический результат - повышение достоверности газоанализа.
-1
-1
-1
-1
Природный газ представляет собой многокомпонентную газовую смесь, в состав которой входят углеводороды метанового ряда (метан, этан, пропан, бутан, пентан и т.д.), а также небольшое количество неуглеводородных соединений, таких как водород, азот, углекислый газ и сероводород. При этом содержание метана в природном газе является преобладающим и может достигать 97%. В спектре КР метан имеет несколько полос, соответствующих различным молекулярным колебаниям, наиболее интенсивная из которых имеет частотный сдвиг 2917 см. В этой области (2800-3200 см) также расположены полосы и других углеводородных компонентов природного газа, однако определение их содержания на фоне интенсивных полос метана является достаточно трудной задачей. В этой связи определение как всех углеводородных соединений метанового ряда, так и неуглеводородных соединений (водород, азот, углекислый газ и сероводород) целесообразно проводить в диапазоне 200-2700 см, где расположены характерные полосы всех данных компонентов, причем, ввиду различных сечений рассеяния, полосы метана в явном виде не преобладают над остальными компонентами. Однако в данный диапазон не попадают такие важные компоненты природного газа, как метанол и пары воды, контроль которых необходим, но наиболее интенсивные полосы которых расположены в диапазоне 3600-3800 см.
-1
-1
Указанный технический результат достигается тем, что в системе, содержащей непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и боковым окном для вывода рассеянного излучения под углом 90° к направлению распространения лазерного излучения, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, в отличие от прототипа внутри кюветы, напротив окна для вывода рассеянного излучения, выполнено еще одно окно, при этом для сбора рассеянного сквозь него излучения на пути светового потока установлены дополнительно фотообъектив, голографический нотч-фильтр и второй спектральный прибор, сопряженный со своей ПЗС-матрицей, причем один из спектральных приборов регистрирует излучение в диапазоне 200-2700 см, а другой - в диапазоне 3400-3800 см.
-1
-1
-1
Такое взаимное расположение компонентов, при котором обеспечивается одновременная регистрация спектра КР анализируемого природного газа двумя различными спектральными приборами, позволяет не только сохранить регистрацию требуемых спектральных участков для полной диагностики состава природного газа, но и увеличить разрешение, а также исключить регистрацию интенсивных полос метана, находящихся в диапазоне 2800-3100 см. Требуемая область 3600-3800 см расширена до 3400-3800 см для регистрации крыла метана, по отношению к которому будет определяться концентрация паров воды и метанола.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого анализатора состава природного газа.
-1
На фиг. 2 показан спектр КР природного газа, зарегистрированный в диапазоне 0-4300 см, приведенный в масштабе 1:1 и 1:8.
-1
На фиг. 3 показан спектр КР природного газа в диапазоне 200-2700 см.
-1
На фиг. 4 показан спектр КР природного газа в диапазоне 3400-3800 см.
Анализатор (фиг.1) содержит твердотельный лазер 1 с длиной волны 532 нм, работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу 2, газовую кювету 3, оснащенную окном для ввода лазерного излучения 4 и двумя окнами для вывода рассеянного излучения 5, 6, фотообъективы для сбора рассеянного излучения 7, 8, голографические фильтры для ослабления рассеянного излучения на длине волны лазера 9, 10, спектральные приборы 11, 12, ПЗС-матрицы 13, 14 и блок управления 15.
-1
-1
Анализатор природного газа по изобретению работает следующим образом. Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется линзой 2, проходит сквозь окно 4 в центре газовой кюветы 3, внутри которой оно рассеивается на молекулах газа. Рассеянное излучение выходит из кюветы через окна 5 и 6, затем собирается фотообъективами 7, 8 и направляется на входы спектральных приборов 11, 12. При этом оно проходит сквозь голографические фильтры 9 и 10, роль которых - ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего лазерного излучения (так называемое рэлеевское рассеяние). Спектральные приборы 11, 12 разлагают попавшее в них излучение в спектры, которые далее регистрируются ПЗС-матрицами 13, 14, причем спектральные приборы обладают такой дисперсией, чтобы один регистрировал диапазон 200-2700 см, а другой - 3400-3800 см. ПЗС-матрицы 13, 14 передают электрические сигналы в блок управления 15, где возможны их обработка и хранение. Вычисление качественного и количественного состава анализируемого природного газа по зарегистрированным спектрам КР может быть осуществлено либо непосредственно в блоке управления 15, либо передано из него на ЭВМ.
На фиг. 2-4 представлены спектры КР природного газа, зарегистрированные в различных диапазонах и соответственно при различном разрешении, причем спектры получены одновременно.
Спектр, приведенный на фиг. 2, соответствует прототипу, а спектры, приведенные на фиг. 3 и фиг. 4 – заявленному изобретению. Из спектров фиг. 3 и фиг. 4 видно, что разрешение регистрируемых спектров увеличивается и выделение отдельных компонентов природного газа может быть осуществлено с более высокой точностью, что вкупе с более низким уровнем фонового сигнала обуславливает более высокую достоверность анализа для предлагаемого анализатора состава природного газа.