CZ304783B6 - Způsob odběru a ředění vzorků plynů a zařízení k provádění způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob odběru a ředění vzorků odebíraných z prostředí plynu, při kterém se vzorek analyzovaného plynu ředí proudem nosného plynu ve směšovací komoře se vstupním otvorem analyzovaného plynu, a přívodem nosného plynu, přičemž proud nosného plynu se rozdělí do referenční větve, která je přímo spojena s prostředím analyzovaného plynu, a do měřicí větve, kterou se nosný plyn přivede do směšovací komory. Zařízení obsahuje směšovací komoru (1) napojenou na potrubí (9) analyzovaného plynu a na přívodní potrubí (6) nosného plynu a jejíž výstup (10) je připojen k analyzátoru plynu, vyznačující se tím, že přívodní potrubí (6) nosného plynu je rozděleno na potrubí referenční větve (8) připojené k potrubí analyzovaného plynu (9) a na potrubí měřicí větve (7) připojené přes ohřívač (15) nosného plynu a regulační ventil (3) na směšovací komoru (1) a za výstupem (10) ze směšovací komory (1) je umístěn redukční ventil (4).

Description

Způsob odběru a ředění vzorků plynů a zařízení k provádění způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu odběru a ředění vzorků odebíraných z prostředí plynu, při kterém se vzorek analyzovaného plynu ředí proudem nosného plynu ve směšovací komoře se vstupním otvorem analyzovaného plynu, a přívodem nosného plynu. Vynález se dále týká zařízení k provádění způsobu obsahujícího směšovací komoru napojenou na potrubí analyzovaného plynu a na přívodní potrubí nosného plynu, a jejíž výstup je připojen k analyzátoru plynu. Odebírané vzorky plynů jsou analyzovány pro účely optimální regulace složení pracovních látek, například páry pro parní turbíny, spalin spalovacích motorů, atd.

Dosavadní stav techniky

Kontinuální kontrola a řízení složení plynných pracovních látek v průmyslu je nutným předpokladem dosažení stabilní kvality produktů, spolehlivosti zařízení a energetické účinnosti. Pro analytické přístroje je často potřebné ředit analyzovaný plyn inertním nosným plynem z důvodu snížení koncentrace na optimální hodnotu pro analyzátor plynu, pro zamezení kondenzace plynu při jeho převedení na provozní teplotu analyzátoru plynu nebo pro omezení chemických reakcí v analyzovaném plynu. Pokud tlak a teplota v prostředí analyzovaného plynu výrazně kolísají v důsledku provozních změn technologického procesu, může toto kolísání výrazně ovlivnit ředicí poměr do té míry, že dojde k překročení měřicího rozsahu analyzátoru plynu nebo ke kondenzaci vzorkovaného plynu. To má za důsledek přerušení kontinuální kontroly složení pracovní látky a může dojít k poškození analyzátoru plynu. Vlivu kolísání tlaku a teploty na hmotnostní zlomen analyzovaného plynu ve směsi s nosným plynem lze zamezit pomocí aktivních regulačních členů, např. proporcionálních ventilů řízených elektronicky na základě porovnání měřeného ředicího poměru a požadované hodnoty. Aktivní regulační členy a další analytický přístroj pro měření ředicího poměru mohou být velmi nákladné, pro svou složitost nejsou spolehlivé a tudíž nevhodné pro důležité procesy kontroly a řízení složení pracovních látek. Problémem může být také nedostatečná rychlost odezvy regulačního procesu na náhlé změny parametrů analyzovaného plynu a stabilita regulačního procesu. Je proto žádoucí, je-li to možné, využít pasivních regulačních prvků s okamžitým kompenzačním účinkem.

Příkladem monitorovaného pracovního média může být vodní pára v energetických cyklech, zejména pak v parních turbínách. Tato pára obsahuje nečistoty a chemické příměsi dodávané zejména pro zamezení korozních účinků. V důsledku toho obsahuje suchá pára velké množství heterogenních částic o průměru 1 až 100 nm, které ovlivňují průběh fázového přechodu v oblasti mokré páry a související dopad kapalné fáze na účinnost a životnost turbín. Heterogenní částice se podílí na vzniku takzvaného předčasného kondenzátu (early ceondensate), který se vyznačuje vysokou koncentrací příměsí, zejména solí, a má významné korozně-erozní účinky na průtočné části turbín. Při odběru páiy pro analýzu heterogenních částic je potřebné vzorek ředit ve vysokém ředicím poměru nosným plynem, aby nedošlo ke kondenzaci při převedení vzorku na pracovní teplotu analyzátoru heterogenních částic.

V současnosti se běžně provádějí odběry vzorků látek, u kterých hrozí podkročení teploty rosného bodu tak, že vzorek je ředěn nosným plynem. Jako příklad lze uvést analýzu spalin, kontrolu emisních limitů u energetických zařízení atd. Tyto odběry jsou převážně prováděny při stejném tlaku, jako je prováděna následná analýza vzorku a mnohdy není detailně řešena problematika změny stavu látky při proudění vzorku přes komponenty odběrové tratě. Sledování termodynamických parametrů látky v odběrové trati je obzvláště důležité, pokud hrozí znehodnocení odebíraného vzorku nežádoucí kondenzací například při odběru aerosolů. Jedním z parametrů, kterýje třeba sledovat je kolísání tlaku odebírané látky a tím změny v ředění nosným plynem tak, aby

- 1 CZ 304783 B6 byly parametry vzorku v rozmezí stavů vhodné pro další analýzu a zároveň byla zajištěna dostatečná přesnost a vypovídací hodnota zředěného vzorku.

V patentu US 4 402 910 je uveden příklad odběru vzorku páry pro analýzu množství obsaženého sirovodíku z geotermálního vrtu. Množství sirovodíku je sledováno z důvodu emisních limitů. Vlastní odběrové zařízení je namontováno na výstupním potrubí z vrtu. Vzorek je ředěn filtrovaným a ohřátým vzduchem (nosný plyn). Požadované koncentrace analyzované páry ve vzduchu je docíleno otevíráním solenoidových ventilů, které je řízeno časovačem. Nevýhodou tohoto řešení je možnost vzniku kondenzace v průběhu expanze ve ventilech. Pro použití při odběru aerosolu s vysokou teplotou rosného bodu a s potřebou zabránit jakékoliv kondenzaci proto je toto zařízení nedostatečné.

Patent US 6 857 327 se zabývá odběrem vzorku aerosolu (spaliny ze spalovacího motoru) pro analýzu nespálených částic obsažených ve spalinách. Toto řešení rovněž využívá ředění odebíraného aerosolu čistým vzduchem ohřátým na požadovanou teplotu. V tomto případě ale není řešena možnost jiné tlakové úrovně odběru a analýzy vzorku.

Úlohou technického řešení podle vynálezu je vytvořit takový způsob a zařízení k odběru a ředění vzorků plynů pro jejich analýzu, které by pomocí minimálního množství pasivních regulačních prvků zajišťovalo správnou kvantitativní analýzu vzorků, například množství částic dané velikosti na jeden kilogram analyzovaného plynu i při značném kolísání tlaku měřeného plynu daného provozem příslušného tepelného zařízení a s maximálním omezením ztráty měřených částic při průtoku zařízením. Součástí úlohy je dosáhnout konstantního ředicího poměru, tj. poměru hmotnosti analyzovaného plynu k hmotnosti nosného plynu v naředěném vzorku neovlivněného kolísáním tlaku a teploty v prostředí analyzovaného plynu.

Podstata vynálezu

Podstata způsobu odběru a ředění vzorků odebíraných z prostředí plynu, při kterém se vzorek analyzovaného plynu ředí proudem nosného plynu ve směšovací komoře se vstupním otvorem analyzovaného plynu, a přívodem nosného plynu spočívá v tom, že proud nosného plynu se rozdělí do referenční větve, která je přímo spojena s prostředím analyzovaného plynu, a do měřicí větve, ve které se nosný plyn ohřeje na teplotu analyzovaného plynu a kterou se nosný plyn přivede do směšovací komory přes regulační ventil, kde se pomocí regulačního ventilu nastaví požadované ředění analyzovaného plynu a pomocí redukčního ventilu na výstupu ze směšovací komory se nastaví tlaková úroveň ve směšovací komoře.

Podstata zařízení k provádění způsobu obsahujícího směšovací komoru, napojenou na potrubí analyzovaného plynu a na přívodní potrubí nosného plynu a jejíž výstup je připojen k analyzátoru plynu spočívá v tom, že přívodní potrubí nosného plynuje rozděleno na potrubí referenční větve připojené k potrubí analyzovaného plynu a na potrubí měřicí větve připojené přes ohřívač nosného plynu pro ohřev nosného plynu a regulační ventil pro nastavení ředicího poměru ve směšovací komoře na směšovací komoru a za výstupem ze směšovací komory je umístěn redukční ventil pro změnu průtoku směsi analyzovaného plynu a nosného plynu.

Regulační ventil je s výhodou proveden tak, že obsahuje komoru opatřenou vstupním hrdlem plynu, do níž je zasazen dutý válec s výstupní trubkou plynu, která má po části svého obvodu provedeny otvory ústící do komory, a uvnitř dutého válce je umístěn posuvný čep pro uzavření otvorů, přičemž otvory mají stejný geometrický tvar a rozměry jako vstupní otvor analyzovaného plynu.

Podle vynálezu se tedy průtok nosného plynu rozdělí do referenční větve zavedené do prostředí analyzovaného plynu s minimální tlakovou ztrátou a do měřicí větve zavedené do směšovací komory přes ohřívač, kde je nosný plyn temperován na teplotu analyzovaného plynu, a regulační ventil.

- 2 CZ 304783 B6

Výhodou je, že zavedením referenční větve nosného plynu se tlaková ztráta v měřicí větvi samočinně nastaví na úroveň rovnou tlakové ztrátě vstupního otvoru na vstupu vzorku analyzovaného plynu do směšovací komory. Při změnách tlaku a teploty analyzovaného plynu dojde ke změnám celkového průtoku směsi analyzovaného a nosného plynu, ale ředicí poměr zůstane konstantní. Kompenzace výkyvů parametrů média je tak dosaženo pomocí pasivních hydrodynamických prvků bez potřeby aktivních převodníků, elektronických regulátorů a regulačních orgánů.

Přehled obrázků na výkresu

Na připojeném výkresu jsou schematicky znázorněny příklady provedení zařízení podle vynálezu, kde obr. 1 představuje celkové schéma zapojení zařízení; obr. 2 představuje regulační ventil.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněno jedno možné provedení zařízení k realizaci vynálezu. Příkladné zařízení je určeno k odběru vzorků pro analýzu složení přehřáté páry z prostoru parní turbíny nebo jiných průtočných částí jejího systému. Zařízení pracuje na principu zředění odebíraného vzorku nosným plynem, při kterém dojde ke snížení rosného bodu směsi, to umožní převedení zředěného vzorku na tlak a teplotu místnosti bez kondenzace. K potrubí 9, kde proudí analyzovaná pára, je připojeno příkladné zařízení. Přes vstupní otvor 2 proudí odebíraná pára do směšovací komory 1. Souosé výstupní potrubí 10 ze směšovací komory 1 je dále vedeno přes výstupní redukční ventil 4, který slouží k nastavení tlakové úrovně ve směšovací komoře i a tedy i celkového průtoku touto odběrovou tratí. Dále je upravený vzorek veden do příslušného neznázoměného analyzátoru vzorků. Směšovací komora i je provedena jako souosé válce. Toto uspořádání napomáhá udržovat stabilní teplotu v místě míšení.

Nosný plyn je veden přívodním potrubím 6 z tlakového zásobníku 5 přes regulátor průtoku plynu 12. filtr 13 a zpětnou klapku J_4 do spojení A. V tomto místě je udržován tlak nosného plynu rovný tlaku v potrubí 9 analyzované páry tak, že je s prostředím analyzované páry spojen potrubím referenční větve 8, kterým stále proudí přebytek nosného plynu do prostředí analyzované páry. V potrubí měřicí větve 7, je zařazen ohřívač 15 nosného plynu, který ohřívá nosný plyn na teplotu rovnou teplotě v potrubí 9 analyzované páry. Teplota nosného plynu může být řízena pasivně tak, že ohřívač 15 je proveden jako výměník tepla mezi analyzovanou párou a nosným plynem. Do potrubí měřicí větve 7 je dále zařazen regulační ventil 3, pomocí kterého je nastavován ředicí poměr. Regulační ventil 3 má stejnou závislost resp. průtokovou charakteristiku hmotnostního průtoku plynu na vstupním tlaku a tlakové ztrátě a teplotě plynu, jako vstupní otvor 2 analyzované páry. Potrubí měřicí větve 7 přivádí nosný plyn do směšovací komory I, kde se mísí se vzorkem analyzované páry přes vstupní otvor 2. Potrubí měřicí větve 7 přivádí nosný plyn do směšovací komory I, kde se mísí se vzorkem analyzované páry přes vstupní otvor 2. Potrubí měřicí větve 7, včetně ohřívače nosného plynu 15 a regulačního ventilu 3, jakož i směšovací komora i včetně regulačního ventilu 4 jsou umístěny v tepelně izolovaném boxu JT.

Vzhledem k výše uvedené podobnosti průtokových charakteristik regulačního ventilu 3 a vstupního otvoru 2 analyzované páry a vzhledem k tomu, že na obou zařízeních je stejná tlaková ztráta a protéká jimi pára nebo plyn o stejné teplotě, zůstane při změnách tlaku a teploty analyzované páry zachován poměr hmotnostních průtoků analyzovaného plynu a nosného plynu a tudíž i ředicí poměr. Průtok směsi kolísá v důsledku kolísání tlaku a teploty v prostředí analyzované páry 9. Toto kolísání průtoku však není na závadu, protože uvažované analytické přístroje odebírají určitý fixní průtok směsi a proměnný přebytečný průtok odchází volně do atmosféry.

Vhodná konstrukce regulačního ventilu 3 pro zařízení podle vynálezu je znázorněna na obr. 2. Regulační ventil má komoru 31, která je opatřena vstupním hrdlem 32 plynu z potrubí měřicí vět-3CZ 304783 B6 ve 7. Do komory 31 je zasazen dutý válec 33 s výstupní trubkou 36 plynu, který má po části svého obvodu provedeny otvory 34 ústící do komory 31. Tyto otvory mají stejný geometrický tvar a rozměry jako vstupní otvor 2 analyzované páry. Uvnitř dutého válce je umístěn posuvný čep 35, který podle míry posuvu uzavírá určitý počet otvorů 34. Zbývající otevřené otvory 34 umožňují průchod plynu ze vstupního hrdla 32 do výstupní trubky 36. Hmotnostní průtok plynu regulačním ventilem 3 je tak úměrný počtu otevřených otvorů 34· Poměr průřezů otevřených otvorů v regulačním ventilu 3 k průřezu vstupního otvoru 2 je přibližně ředicí poměr.

Pro přesné určení poměru mezi odkrytými otvory a ředicím poměrem je třeba respektovat rozdíly v termofyzikálních vlastnostech plynů. Tato na tlaku nezávislá korekce nastavení regulačního ventilu 3 se určí hlavně z rozdílné závislosti viskozity na teplotě analyzovaného a nosného plynu. V případě, že poměr teplot obou plynů je konstantní je i korekce konstantní, navíc tato závislost je velmi slabá a ani při případné odchylce nedojde k výrazné změně směšovacího poměru. Výstupní trubka 36 regulačního ventilu 3 je součástí potrubí měřicí větve 7 napojeného na směšovací komoru L Výhodou popsaného regulačního ventilu 3 je, že proudění nosného plynu otvory 34 ventilu má stejný charakter jako proudění vstupním otvorem 2 analyzované páry a je tak umožněna přesná kompenzace vlivu tlakových a teplotních změn v prostoru analyzované páry na ředicí poměr neboli hmotnostní zlomek. Další výhodou popsaného regulačního ventilu 3 je lineární závislost průtokového součinitele ventilu 3 na poloze posuvného čepu 35, která umožňuje kvantitativní nastavení hmotnostního zlomku analyzovaného plynu ve směsi analyzovaného plynu a nosného plynu bez dalšího analyzátoru ředicího poměru, například čidla vlhkosti směsi páry s nosným plynem.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný zejména pro průmyslová měření, při kterých dochází k výkyvům parametrů, jako je tlak a teplota analyzovaného média, a to v důsledku provozních změn a regulace výkonu příslušného zařízení, jako jsou parní turbíny, spalovací motory atd.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob odběru a ředění vzorků odebíraných z prostředí plynu, při kterém se vzorek analyzovaného plynu ředí proudem nosného plynu ve směšovací komoře se vstupním otvorem analyzovaného plynu, a přívodem nosného plynu, vyznačující se tím, že proud nosného plynu se rozdělí do referenční větve, která je přímo spojena s prostředím analyzovaného plynu, a do měřicí větve, ve které se nosný plyn ohřeje na teplotu analyzovaného plynu a kterou se nosný plyn přivede do směšovací komory přes regulační ventil, kde se pomocí regulačního ventilu nastaví požadované ředění analyzovaného plynu a pomocí redukčního ventilu na výstupu ze směšovací komory se nastaví tlaková úroveň ve směšovací komoře.
2. 2. Zařízení pro odběr a ředění vzorků k provádění způsobu podle nároku 1, obsahující směšovací komoru (1) napojenou na potrubí (9) analyzovaného plynu a na přívodní potrubí (6) nosného plynu a jejíž výstup (10) je připojen k analyzátoru plynu, vyznačující se tím, že přívodní potrubí (6) nosného plynu je rozděleno na potrubí referenční větve (8) připojené k potrubí analyzovaného plynu (9) a na potrubí měřicí větve (7) připojené přes ohřívač (15) nosného plynu pro ohřev nosného plynu a regulační ventil (3) pro nastavení ředicího poměru ve směšovací komoře (1) na směšovací komoru (1) a za výstupem (10) ze směšovací komory (1) je umístěn redukční ventil (4) pro změnu průtoku směsi analyzovaného plynu a nosného plynu.

   . Λ .
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že regulační ventil (3) obsahuje komoru (31) opatřenou vstupním hrdlem (32) plynu, do níž je zasazen dutý válec (33) s výstupní trubkou (36) plynu, který má po části svého obvodu provedeny otvory (34) ústící do komory (31), a uvnitř dutého válce je umístěn posuvný čep (35) pro uzavření otvorů (34), přičemž otvory
4. 5 (34) mají stejný geometrický tvar a rozměry jako vstupní otvor (2) analyzovaného plynu.