НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР ВЫБРОСОВ ПАРОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ

Область техники
Полезная модель относится к области инфракрасной измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для одновременного определения объемной концентрации метана и широкой фракции насыщенных углеводородов (ШФЛУ) при выбросе паров сжиженного природного газа (СПГ) в атмосфере с рабочей температурой T≥-110°С, и может быть использована для измерения объемной концентрации метана (С1) и паров ШФЛУ СПГ (С2-этан, С3-пропан, С4-бутан, С5-пентан. С-гексан и другие алканы) на объектах его хранения и переработки для мониторинга пожароопасных смесей углеводородов и воздуха (ГОСТ 57431-2017. Газ природный сжиженный. Общие характеристики).
Уровень техники
Известен газоанализатор метана с сенсорным модулем, включающим газовый датчик, плату для обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и вторичный микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля (патент РФ №2321847). Его недостатком является невозможность анализировать углеводородные газы при T<-40°С, так как газоанализатор не защищен от неблагоприятного воздействия низкой температуры.
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 с платами питания и внешней коммутации.
90
90
Недостатками этого газоанализатора являются большое значение временного отклика τ≥15-30 с для используемых термокаталитического, полупроводникового или электрохимического сенсоров токсичных и горючих газов, а также невозможность их детектировать при T<-40°С (Система газоаналитическая СКВА-01, Руководство по эксплуатации, ЕКРМ.411741.001РЭ, ООО НПФ ИНКРАМ Москва, 2013). Величина τ определяется как время, необходимое для регистрации концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других парообразных 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 воли инфракрасного излучения (ИК), 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
Его недостаткам являются относительно большая величина τ≈10 с и невозможность анализировать пары СПГ при Т<-40°С.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является низкотемпературный инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610, прототип), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и коммуникационная плата, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический газовый датчик паров СПГ 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 соединена с инфракрасным оптическим газовым датчиком паров СПГ, 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 и измеритель его температуры, и дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры газа, побудителем его расхода и электропечью.
Инфракрасный оптический газовый датчик паров СПГ по прототипу включает инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры, газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения и его фотоприемники. Подключен к электронному блоку управления. Его принцип действия основан на избирательном поглощении ИК излучения от светодиода углеводородами в области рабочих длин волн λ≈3.2-3.4 мкм. Исследуемый газ с концентрацией С поглощает в датчике монохроматическое ИК излучение рабочей длины λ. Амплитуда сигнала фотоприемника U(λ) в зависимости от С изменяется согласно закону Ламберта-Бугера-Бера
где L - оптическая длина поглощения, К(λ) - коэффициент спектрального поглощения газа на заданной рабочей длине λ (Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 928 с.).
90
Устройство по прототипу позволяет измерять концентрацию метана в атмосфере, а в случае выбросов паров СПГ заранее известного состава анализировать их объемную концентрацию при Т≥-100°C с величиной τ<1 с. При этом для заданного химического состава СПГ инфракрасный низкотемпературный газоанализатор предварительно калибруется на метрологическом стенде.
Недостатком низкотемпературного инфракрасною анализатора по прототипу являются существенные ошибки измерения объемной концентрации метана и паров ШФЛУ при анализе быстропротекающих выбросов паров регазифицированного СПГ в атмосфере при низкой температуре до -110°С.
Известно, что при производстве СПГ в зависимости от месторождения природного газа и его состава, а также технологии изготовления концентрация метана в криогенной жидкости может варьироваться от ≈ 89 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, а остальной горючий состав определяется примесями ШФЛУ, включающими в основном этан (4+/-3 об. %), пропан (2,5+/-2 об. %) и бутан (0,5+/-0,4 об. %), а также другие несущественные по концентрации алканы С5 и С6. Их содержание 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.
Коэффициент поглощения ИК излучения молекулами этана или пропана, бутана существенно отличается от коэффициента К(λ) для молекул метана. В результате ошибка измерения объемной концентрации метана и паров ШФЛУ в их смеси с воздухом может быть значительной при использовании калибровки инфракрасного оптического датчика по метану, как основного газа по концентрации. Таким образом, определить концентрацию С1 и паров С2-С6 при выбросе СПГ в атмосфере при низкой температуре до -110°С не представляется возможным с помощью устройства по прототипу.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является унификация конструкции низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере путем одновременного измерения объемной концентрации основного компонента по объемной концентрации низкотемпературного метана и низкотемпературных примесей паров ШФЛУ в их смеси с воздухом при температуре до -110°С для детектирования во времени концентрационных пределов взрываемости низкотемпературного СПГ в атмосфере при температуре до -110°С в диапазоне концентрации паров С≈5-15 об. %.
Для достижения технического результата предложен низкотемпературный инфракрасный анализатор выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере, содержащий побудитель расхода анализируемого газа из атмосферы при низкой температуре; цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок, коммуникационная плата и дополнительная плата управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический газовый датчик паров сжиженного природного газа с отверстиями для входа и выхода анализируемого потока газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу, а внутренняя труба состыкована с инфракрасным оптическим газовым датчиком паров углеводородов сжиженного природного газа, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены аэрозольный фильтр, пористый металлический наполнитель и измеритель внутренней температуры газа, при этом, на поверхности цилиндрического корпуса установлен набор из трех инфракрасных оптических газовых датчиков паров сжиженного природного газа с рабочей длиной волны излучения 3,27; 3,31 и 3,4 микрона и с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, подогретого до их рабочей температуры, для одновременной регистрации паров сжиженного природного газа в их смеси с воздухом, к которому подключен электронный блок одновременного управления тремя инфракрасными оптическими газовыми датчиками паров сжиженного природного газа и коммуникационная плата одновременного считывания и передачи их сигналов, а к внешней цилиндрической трубе присоединен выходной патрубок с побудителем расхода анализируемого потока газа из атмосферы при низкой температуре.
В результате установки на поверхности цилиндрического корпуса набора из трех инфракрасных оптических газовых датчиков паров сжиженного природного газа с рабочей длиной волны излучения 3,27, 3,31 и 3,4 микрона и с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, подогретого до их рабочей температуры, для одновременной регистрации паров сжиженного природного газа в их смеси с воздухом, а также создания электронного блока одновременного управления тремя инфракрасными оптическим газовыми датчиками паров сжиженного природного газа и коммуникационной платы одновременного считывания и передачи их сигналов, одновременно измеряется объемная концентрации метана и паров ШФЛУ СПГ в воздухе при их температуре до -110°С. Аспирация анализируемого газа из атмосферы при температуре до 110°С и газоанализатор с последующей одновременной подачей конвективного потока паров СПГ через входные и выходные отверстия трех инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ осуществляется побудителем расхода, присоединенного к выходному патрубку внешней цилиндрической трубы. Причем анализируемая смесь паров СПГ и воздуха из атмосферы при температуре до -110°С одновременно подогревается до рабочей температуры набора из трех инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ с заданными рабочими длинами волн инфракрасного излучения от их светодиодов. Их рабочая температура составляет от -20 до +50°С.
Три инфракрасных оптических газовых датчика паров СПГ с различной рабочей длиной ИК излучения настроены с помощью микропроцессора на анализ конкретного целевого типа газа с различной чувствительностью регистрации других паров ШФЛУ СПГ. В частности, оптимальный набор инфракрасных оптических датчиков может быть собран из трех промышленных датчиков с рабочей длиной волны излучения светодиодов λ=3,27, 3,31 и 3,4 мкм иод маркой MIPEX-0Х-Х-Х-Х.1 (Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов. Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. Версия 04 19.04.2017. 50 С. ООО "Оптосенс". Санкт-Петербург).
В каждом инфракрасном оптическом датчике метан и смесь паров ШФЛУ детектируются путем измерения избирательного поглощения молекулами инфракрасного излучения с различной рабочей длиной ИК излучения. Инфракрасное излучение светодиода проходит через измерительную газовую кювету и попадает на два фотоприемника, один из которых регистрирует только излучение с рабочей длиной волны, а другой - излучение опорной длины волны. Исследуемый газ, находящийся в измерительной газовой кювете, поглощает излучение рабочей длины волны и не влияет на излучение опорной длины волны.
2
В инфракрасные оптические газовые датчики паров СПГ анализируемая проба газа поступает через входные отверстия в корпусах за счет создания принудительного потока конвективной диффузии побудителем расхода, скорость которой существенно превышает скорость переноса молекул метана за счет молекулярной диффузии с коэффициентом диффузии ≈ 0,2 см/с в нормальных условиях. Это позволяет обеспечить одновременную прокачку углеводородной смеси метана и паров ШФЛУ через три инфракрасных оптических датчика в течение ≈ 0,2-0,3 с.
1
Первый инфракрасный оптический датчик с рабочей длиной волны ИК излучения λ=3,31 микрон предназначен для детектирования метана как основного газового компонента СПГ в его смеси с воздухом с высокой чувствительностью к небольшим значением концентрации примесей С2-С6 паров ШФЛУ.
2
Второй инфракрасный оптический датчик с рабочей длиной волны ИК излучения λ=3,4 микрон используется для одновременного детектирования примесей С2-С6 паров ШФЛУ в их смеси с воздухом. Причем этот инфракрасный датчик характеризуется несущественной чувствительностью к метану с концентрацией С<20 об. % по сравнению с другими двумя датчиками.
3
Третий инфракрасный оптический датчик с рабочей длиной волны ИК излучения λ=3,27 микрон предназначен для детектирования метана как основного компонента СПГ в его смеси с воздухом и с существенно меньшей чувствительностью к примесям паров ШФЛУ по сравнению с чувствительность к примесям С2-С6 первого датчика.
Одновременный анализ сигналов трех инфракрасных оптических датчиков с различной рабочей длиной ИК излучения с помощью электронного блока и коммуникационной платы позволяет определить объемную концентрацию основного газа метана и суммарную концентрацию примесей паров С2-С6 в воздухе.
Температура СПГ при нормальных условиях составляет около -162°С. В процессе его выброса в атмосферу с распылением и регазификацией жидкости имеет место существенное понижение температуры углеродно-воздушной смеси вплоть до -110°С. Инфракрасные оптические газовые датчики паров СПГ не предназначены для работы при столь низкой температуре. Поэтому, как и в прототипе, поток газа предварительно нагревают электропечью в газовом канале с высокопористым медным наполнителем до положительной температуры, соответствующей рабочей температуре инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ. Контроль температуры анализируемого газового потока непрерывно осуществляется ее измерителями снаружи и внутри инфракрасного анализатора паров СПГ в атмосфере при низкой температуре до -110°С.
В результате решается поставленная техническая задача заявленного низкотемпературного инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа в атмосфере, а именно улучшение технических характеристик низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере путем одновременного измерения объемной концентрации основного компонента по объемной концентрации низкотемпературного метана и низкотемпературных примесей паров ШФЛУ в их смеси с воздухом при температуре до -110°С для детектирования во времени концентрационных пределов взрываемости низкотемпературного СПГ в атмосфере при температуре до -110°С в диапазоне концентрации паров С ≈5-15 об. %.
Это необходимо для детектирования во времени концентрационных пределов взрываемости (КПВ) паров СПГ в атмосфере в диапазоне от ≈ 5 до 15 об. % или контроля КПВ для этана (≈2,9-15) и пропана (≈2-9,5) об. %.
Краткое описание чертежей
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере, где:
1
1 - инфракрасный оптический газовый датчик паров СПГ с рабочей длиной волны излучения λ=3,31 микрон;
1.1 - отверстие для входа потока анализируемого газа в датчик 1;
1.2 - отверстие для выхода потока анализируемого газа из датчика 1;
2
2 - инфракрасный оптический газовый датчик паров СПГ с рабочей длиной волны излучения λ=3,4 микрон;
2.1 - отверстие для входа потока анализируемого газа в датчик 2;
2.2 - отверстие для выхода потока анализируемого газа из датчика 2;
3
3 - инфракрасный оптический газовый датчик паров СПГ с рабочей длиной волны излучения λ=3,27 микрон;
3.1 - отверстие для входа потока анализируемого газа в датчик 3;
3.2 - отверстие для выхода потока анализируемого газа из датчика 3;
4 - электронный блок одновременного управления датчиками 1; 2 и 3;
5 - цилиндрический корпус;
6 - коммуникационная плата для одновременного считывания данных с датчиков 1; 2 и 3;
7 - дополнительная плата управления цилиндрической электропечью 17, побудителем расхода анализируемого газа 10 и измерителями температуры 13 и 14;
8 - разъем для подключения внешних цепей и передачи данных;
9 - внутренняя коаксиальная цилиндрическая труба;
10 - побудитель расхода потока анализируемого газа;
11 - пористый металлический наполнитель цилиндрической электропечи 17;
12 - входной патрубок анализируемого потока газа в анализатор;
13 - измеритель наружной температуры анализируемого потока газа из атмосферы при низкой температуре до -110°С;
14 - измеритель температуры анализируемого потока газа внутри низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров СПГ в атмосфере перед датчиками 7-3,
15 - внешняя коаксиальная цилиндрическая труба;
16 - аэрозольный фильтр;
17 - цилиндрическая электропечь;
18 - выходной патрубок анализируемого газового потока;
19 - диэлектрическая пластина на датчиках 7, 2 и 3 для направления потока анализируемого газа в их входные отверстия 1.1; 2.1 м 3.1;
20 - отбойник крупных аэрозольных частиц и смеситель потока газа;
Q - расход потока анализируемого газа из атмосферы при низкой температуре до -110°С в низкотемпературный инфракрасный анализатор выбросов паров СПГ в атмосфере.
Осуществление полезной модели
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере. Устройство содержит цилиндрический корпус 5, внутри которого расположены электронный блок 4, коммуникационная плата 6 и дополнительная плата управления 7 измерителями наружной 13 и внутренней 14 температуры анализируемого газа, побудителем его расхода 10 и цилиндрической электропечью 17. На поверхности корпуса 5 установлен разъем для подключения внешних цепей 8 и набор инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ 1, 2 и 3 с отверстиями для входа 1.1; 2.1; 3.1 и выхода 1.2; 2.2; 3.2 потока анализируемого газа из датчиков 1-3. Газовый канал устройства состоит из коаксиальных внутренней 9 и внешней 15 цилиндрических труб, причем внешняя труба 13 герметично присоединена к цилиндрическому корпусу 5, а внутренняя труба 9 состыкована с набором инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ 1-3, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа 13, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь 17, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель 11, аэрозольный фильтр 16 и измеритель внутренней температуры газа 14. К внешней цилиндрической трубе 15 присоединен выходной патрубок 18, состыкованный с побудителем 10 расхода анализируемого потока газа Q. Диапазон рабочих температур датчиков 1-3 составляет T=-20 до +50°С.
1
2
3
Набор инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ собран из датчиков 1, 2 и 3 с различной рабочей длиной излучения λ=3,31, λ - 3,4 и λ = 3,27 микрон соответственно, для одновременной регистрации паров СПГ в смеси с воздухом. К ним подключен электронный блок 4 для их одновременного управления и коммуникационная плата 6 для одновременного считывания и передачи их сигналов через разъем 8 на удаленный компьютер (на фигуре не показан).
1
2
3
Набор инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ из датчиков 1-3 с рабочей длиной инфракрасного излучения λ=3,31; λ=3,4 и λ=3.27 мкм собран из трех промышленных датчиков типа MIPEX-02-1-II-2.2(A), MIPEX-02-2-II-2.2(А) или MIPEX-02-2-II-2.1(А), а также MIPEX-02-4-II-2.2(A), соответственно (Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов. Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. Версия 04 19.04.2017. 50 С. ООО "Оптосенс". Санкт-Петербург).
Электронный блок управления 4 содержит усилители сигналов, платы стабилизированного питания и микроконтроллер (на фиг. 1 не показаны). Коммуникационная плата 6 включает устройство внешней коммутации и стабилизированного питания, управляющий микропроцессор и интерфейс с формирователем цифровых сигналов (на фиг. 1 не показаны).
Измерители внешней 13 и внутренней 14 температуры анализируемого газа, побудитель расхода 10 и цилиндрическая электропечь 17 подключены к плате 7, содержащей стабилизированный источник питания побудителя расхода 70 с постоянным напряжением от 5 до 12 В, стабилизированный источник питания внешней цилиндрической электропечи до 48 В, соединенный обратной связью с анализатором показаний измерителей внешней 13 и внутренней 14 температуры анализируемого газа и управляемый микропроцессором для регулировки мощности электропечи 17 с целью поддержания заданной температуры нагрева анализируемого газа более 5°С перед подачей в датчики 1-3. Оптимальный диапазон нагрева анализируемого газа составляет от 5 до 25°С. Измерители наружной 13 и внутренней 14 температуры газа собраны из термопар хромель-алюмель.
Аэрозольный фильтр 16 изготовлен из стойкого к перепадам температуры волокнистого материала класса Н10 для защиты инфракрасных оптических датчиков от дисперсной фазы.
Низкотемпературный инфракрасный анализатор паров регазифицированного СПГ атмосфере работает следующим образом. Три инфракрасных оптических газовых датчика паров СПГ с различной рабочей длиной ИК излучения настроены с помощью микропроцессора на анализ заданного целевого газа и с различной чувствительностью к другим парам ШФЛУ.
В каждом инфракрасном оптическом газовом датчике паров СПГ смесь метана и паров ШФЛУ детектируются путем измерения избирательного поглощения молекулами инфракрасного излучения с различной рабочей длиной ИК излучения. Инфракрасное излучение светодиода проходит через измерительную газовую кювету и попадает на два фотоприемника, один из которых регистрирует излучение с рабочей длиной волны, а другой излучение опорной волны (на фиг. 1 не показаны). Исследуемый газ поглощает излучение рабочей длины волны и не влияет на излучение опорной длины волны около 3,6-3,7 мкм.
В датчики 1-3 анализируемая проба газа поступает через входные отверстия 1.1; 2.1 и 3.1 за счет создания принудительного потока конвективной диффузии побудителем расхода 10, скорость которой существенно превышает скорость молекулярной диффузии молекул метана.
Оптимальный расход газа составляет Q=10-15 литр/мин. Это позволяет обеспечить одновременную доставку смеси метана и паров ШФЛУ из атмосферы к трем инфракрасным оптическим датчика в течение ≈0,3-0,2 с в зависимости от Q.
1
Первый инфракрасный оптический газовый датчик паров СПГ с рабочей длиной волны ИК излучения λ=3.31 мкм предназначен для детектирования метана как основного газового компонента в его смеси с воздухом с высокой чувствительностью к небольшим значением концентрации примесей С2-С6 паров ШФЛУ СПГ.
2
Второй инфракрасный оптический газовый датчик нарой СПГ с рабочей длиной волны ИК излучения λ=3,4 мкм используется для одновременного детектирования примесей С2-С6 паров ШФЛУ СПГ в их смеси с воздухом. Причем второй датчик характеризуется несущественной чувствительностью к метану с концентрацией С<20 об. % по сравнению с другими двумя датчиками.
3
Третий инфракрасный оптический газовый датчик паров СПГ с рабочей длиной волны ИК излучения λ=3,27 мкм предназначен для детектирования метана как основного компонента в его смеси с воздухом и с существенно меньшей чувствительностью к примесям паров ШФЛУ по сравнению с чувствительность к примесям С2-С6 первого датчика.
Одновременный анализ сигналов трех инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ с различной рабочей длиной ИК излучения с помощью электронного блока 4 и коммуникационной платы 7 позволяет определить объемную концентрацию основного газа метана и суммарную концентрацию примесей паров С2-С6 ШФЛУ в воздухе. Их значения одновременно передаются через электронный блок 4, плату 6 с микропроцессором (на фигуре не показан) и разъем 8 на внешний компьютер (на фигуре не показан) на расстояние до 1200 м с использованием интерфейса RS-485.
В результате, решается поставленная техническая задача заявленного низкотемпературного инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа в атмосфере, а именно одновременное измерение объемной концентрации низкотемпературных метана и выбросов паров ШФЛУ в облаках или струях регазифицированного СПГ в их смеси с воздухом при температуре до -110°С. Это необходимо для детектирования во времени концентрационных пределов взрываемости СПГ в атмосфере в диапазоне от ≈5 до 16 об. % или значений КПВ паров С2-С6.
Пример
При регистрации метана и примесей паров ШФЛУ в их смеси с воздухом при выбросе СПГ в атмосферу при низкой температуре до -110°С использовался набор из следующих трех инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ 1, 2 и 3 в искробезопасном исполнении в соответствии с ГОСТ РМЭК 60079-11:
1
1 - MIPEX-02-1-II-2.2(А) с рабочей длиной волны излучения λ=3,31 мкм для измерения концентрации целевого газа метана в диапазоне от 0 до 100 об. % в воздухе с примесями С2-С6 с рабочей температурой от -20 до +50°С и погрешностью показаний +/-10% с высокой чувствительностью к примесям С2-С6 ШФЛУ;
2
2 - MIPEX-02-2-II-2 2(A) иди MIPEX-02-2-II-2 1 (А) с рабочей длиной волны излучения λ=3,4 мкм для измерения концентрации целевого газа пропана в диапазоне от 0 до 2,5 об. % с рабочей температурой от -20 до +50°С и погрешностью показаний +/-10% с примесями этана, бутана, пентана и гексана и несущественной чувствительностью к метану с концентрацией С<20 об. %;
3
3 - MIPEX-02-4-II-2.2(А) с рабочей длиной волны излучения λ=3,27 мкм для измерения концентрации целевого газа метана в диапазоне от 0 до 100 об. % в его смеси с воздухом с добавками паров ШФЛУ и с меньшей чувствительностью к примесям С2-С6 по сравнению с датчиком 1 при температуре от -20 до +50°C с погрешностью показаний +/-10%.
КПВ для метана составляет ≈(4,4-15), а для этана и пропана ≈(2,9-15) ≈(2-9,5) об. % соответственно, при нормальных условиях.
Инфракрасные датчики 1-3 с отверстиями для поступления и выхода из них анализируемого потока газа выполнены согласно патенту №2187093 и выпускаются промышленностью (Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов MIPEX-02-Х-Х-Х.1 (RX). Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. Версия 04 19.04.2017. 50 С. Собственность ООО "Оптосенс" г. Санкт-Петербург). Характерное время срабатывания их электронной схемы составляет менее 0,35 с.
В качестве измерителей внешней и внутренней температуры смеси воздуха и углеводородов использовались две термопары хромель-алюмель 13 и 14 с быстро действием около 0,15 с.
Внешняя цилиндрическая электропечь 17 была выполнена в виде изолированного электрического сопротивления с номинальной мощностью рассеивания 50 Ватт и с намотанной проволокой на керамической трубке. Электропечь 17 подключена к дополнительной управляющей плате 7 с микропроцессором (на фиг. 1 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 13 и внутренней 14 термопар хромель алюмель и управляемый микропроцессором для регулировки ее мощности. Температура нагревания анализируемого газа перед его поступлением в чувствительную зону газовой кюветы инфракрасных оптических датчиков 1-3 поддерживалась в диапазоне от 5 до 25°С. Нагрев потока газа осуществлялся при пониженной температуре, когда ее величина снаружи согласно показаниям термопары 13 варьировалась от -5 до -110°С.
Фильтр 16 класса Н10 был изготовлен из волокнистого полиэстера с эффективность более 99,99% по субмикронным аэрозольным частицам.
В качестве побудителя расхода газа 10 использовался взрывозащищенный микрокомпрессор с производительностью Q≈15 литр/мин и напряжением питания 12 В от источника стабилизированного питания платы 7 (на фиг. 1 не показан).
Для проверки характеристик инфракрасного анализатора использовался СПГ, содержащий ≈ 94 метана; 3,6 этана; 1,8 пропана; 0,2 бутана; 0,1 (пентан, гексан) и 0,3 (двуокись углерода, азот, кислород, гелий и водород) об. %. Состав СПГ предварительно измерялся хроматографом.
При маломасштабных испытаниях создавалась смесь паров СПГ из баллона с холодным воздухом путем их гомогенного смешения в газопроводе с концентрацией С ≈ 15 об. %. Эта углеродно-воздушная смесь согласно стехиометрии состояла из метана ≈ 14,1 об. % с примесями паров ШФЛУ с концентрацией С2-С6 около 0.87 об. % при температуре -(2-4)°С. Эти значения удовлетворительно совпадали с результатами обработки данных трех оптических датчиков с учетом ошибки показаний +/-10%.
4
3
Крупномасштабные испытания инфракрасного газоанализатора осуществлялись в процессе импульсного пневматического распыления в атмосфере СПГ массой несколько тонн с регазификацией жидкости и последующим образованием за 10-15 с углеводородных выбросов метана и паров ШФЛУ в виде горизонтальных затопленных струй объемом более 5×10 м. Белая струя СПГ отчетливо наблюдалось в атмосфере за счет конденсации паров воды с образованием субмикронных дисперсных частиц. Инфракрасный анализатор был установлен на мачте в центре струи на высоте 8 м. Измеренная температура в их центре уменьшалась со временем от +(13-15) до -(80-110)°С. В результате была измерена кинетика одновременного изменения от времени концентрации метана в диапазоне (1-20) об. % и примесей паров ШФЛУ от 0,1 до 1 об. % в центре выбросов паров регазифицированного СПГ. Это позволило определить объемную концентрацию паров СПГ и ее соответствие КПВ.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного низкотемпературного инфракрасною анализатора паров сжиженного природного газа в атмосфере с прототипом показывает, за счет использования набора трех инфракрасных оптических газовых датчиков паров СПГ с различной рабочей длиной ИК излучения и одновременной регистрацией и анализом их данных удалось расширить функциональные возможности заявленной конструкции путем одновременного измерения флуктуирующей значений объемной концентрации метана и паров ШФЛУ (С2-С6) в затопленных струях паров регазифицированного СПГ в атмосфере, флуктуирующих по концентрации при температуре до -(80-110)°C с временным откликом (быстродействием) менее 1 с. Это необходимо для детектирования во времени концентрационных пределов взрываемости СПГ в атмосфере в диапазоне от ≈ 5 до 15 об. %, а также флуктуации концентрации паров С2-С6 для мониторинга несанкционированных или техногенных аварий на объектах создания и переработки СПГ. По прототипу при анализе смеси паров СПГ при низкой температуре до -110°С одновременное измерение метана и паров ШФЛУ не представляется возможным.