RU196423U1

RU196423U1 - INFRARED ANALYZER OF VAPOR LIQUEFIED NATURAL GAS

Info

Publication number: RU196423U1
Application number: RU2019134622U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Загнитько; Николай Пантелеевич Зарецкий; Иван Дмитриевич Мацуков
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-02-28

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для определения концентрации метана и широкой фракции насыщенных углеводородов С2-С10 регазифицированного сжиженного природного газа. Инфракрасный анализатор паров сжиженного природного газа содержит 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, к торцу внутренней трубы газового канала присоединены параллельно 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. Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа. 3 ил.The utility model relates to the field of measurement technology, namely, devices designed to determine the concentration of methane and a wide fraction of saturated hydrocarbons C2-C10 regasified liquefied natural gas. The infrared analyzer of vapors of liquefied natural gas contains a cylindrical body, inside which there is an electronic unit and an external communication board, and on its surface there is a connector for connecting external circuits and an infrared optical sensor with holes for the input and output of the analyzed gas, a gas channel consisting of coaxial internal and the outer cylindrical pipes, the outer pipe being hermetically connected to the cylindrical body and a dust filter placed at its outlet, and the inner pipe coax sialically and hermetically connected to an infrared optical sensor, an external gas temperature meter is located at its end, a cylindrical electric furnace is installed outside it, and inside it is a porous metal filler, an aerosol filter, an analyzer gas flow through the openings for its entry and exit infrared optical sensor and its internal temperature meter, an additional control board for measuring external and internal temperature gas, a flow rate inducer and a cylindrical electric furnace installed inside the cylindrical body, an inert gas pipeline of liquefied natural gas vapors with a low-temperature shut-off electrovalve and a cryogenic separation unit including a cylindrical bath with a liquid cryoagent in which a cylindrical adsorber with a metal aerosol filter and an adsorbent connected to a nozzle for supplying vapors of liquefied natural gas to the adsorber low-temperature shut-off solenoid valve. The technical result of the claimed utility model is to improve the technical characteristics of the infrared analyzer vapor of liquefied natural gas. 3 ill.

Description

Область техникиTechnical field

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.The utility model relates to the field of measurement technology, namely, devices designed to determine the concentration of methane and a wide fraction of saturated hydrocarbons C2-C10 (NGL) of regasified liquefied natural gas (LNG) and can be used to measure the volume concentration of methane (C1) and NGL (C2-ethane, C3-propane, C4-butane and other heavier alkanes C5-C10) at LNG storage and processing facilities, as well as for environmental monitoring of the atmosphere and prevention of technological accidents.

Уровень техникиState of the art

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 τ₉₀ > 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 τ₉₀ определяется как время, необходимое для регистрации объемной концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.Known methane gas analyzer with a sensor module, including a gas sensor, a board for pre-processing an analog signal, an amplifier, an analog-to-digital converter, a microcontroller, and a secondary microprocessor that reads information from the output of the sensor module (RF patent No. 2321847). The disadvantages of this gas analyzer are the great value of the temporal response τ ₉₀ > 10 s, as well as the inability to analyze gases at temperatures below -40 ° C, since the gas sensor, microcontroller and secondary microprocessor are not protected from the adverse effects of low temperatures. The value of the temporal response τ ₉₀ is defined as the time required to register the volume concentration of the gas mixture at the level of 90% of the final value after its rapid change.

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.Known gas analyzer of toxic, radioactive and combustible gases (RF patent for utility model No. 127928), containing a radioactivity sensor and a set of removable gas sensors located in the gas channel with an external heater to eliminate moisture condensation, an internal gas temperature meter, a dust filter at the gas inlet a channel, at the output of which a gas flow inducer is installed, and an electronic module, including power, interface, and external switching cards for power and control.

Недостатками этого газоанализатора являются большое значение τ₉₀ ≥ 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).The disadvantages of this gas analyzer are the large value of τ ₉₀ ≥ 15-30 s for the used thermocatalytic, semiconductor and / or electrochemical sensors of toxic and combustible gases, as well as the inability to detect them at temperatures below -40 ° C (Gas Analytical System SKVA-01, Operation Manual , ЕКРМ.411741.001РЭ, LLC NPF INKRAM Moscow, 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.Known infrared gas analyzer (RF patent No. 2187093) for measuring the volume concentration of methane and other gaseous hydrocarbons, including an infrared optical sensor containing a housing with holes for the inlet and outlet of the analyzed gas, an infrared LED, interference filters to highlight the reference and working wavelengths of infrared radiation, a measuring gas cell located along the infrared radiation of the LED, photodetectors of infrared radiation of the reference and working measuring channels, an electronic module, with a signal amplifier, a power stabilizer, a microprocessor control and a communication board with an external switching device, stabilized power supply, a microprocessor control and an interface with a digital signal shaper.

Недостатками эго инфракрасного газового анализатора являются относительно большая величина τ₉₀ ≈ 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).The disadvantages of the ego infrared gas analyzer are the relatively large value of τ ₉₀ ≈ 10 s, due to diffusive gas extraction into the measuring gas cell of the optical infrared sensor, as well as the inability to analyze gases at temperatures below -40 ° C and the generation of false signals with a significant temperature gradient of the infrared optical sensor dT / dt ≥ 2-3 deg / min (Small-size explosive gas measuring sensor MIPEX-02-XXX.1 (RX). Operating Instructions ESAT.413347.002 RE. Version 04 04/19/2017. 50 C. Optosens LLC. Sun ct Petersburg).

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.The closest in technical essence to the claimed utility model is an infrared gas analyzer (RF patent for utility model No. 191610), containing a cylindrical body, inside which there is an electronic unit and external communication board, and on its surface there is a connector for connecting external circuits and an infrared optical sensor with holes for the inlet and outlet of the analyzed gas, a gas channel consisting of coaxial inner and outer cylindrical pipes, the outer pipe being hermetically connected a dust filter is placed to the cylindrical body and at its outlet, and the inner tube is coaxially and hermetically connected to the infrared optical sensor, an outside gas temperature meter is located at its end, a cylindrical electric furnace is installed outside it, and a porous metal filler, aerosol coaxially and sequentially located inside it filter, stimulator of the flow rate of the analyzed gas through the holes for its inlet and outlet in the infrared optical sensor and a meter of its internal temperature, additional ADDITIONAL calipers control board external and internal temperatures of the sample gas, its flow rate and driving force of a cylindrical electric furnace, mounted within the cylindrical housing.

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.An infrared optical sensor according to the prototype with holes for convective entry and exit of the analyzed gas includes an infrared LED, interference filters, a gas cell with focusing infrared radiation lenses and its photodetectors located along the infrared radiation of the LED. Connected to the electronic control unit. The principle of its action is based on the selective absorption of infrared radiation by the molecules of the test gas (for methane, in the wavelength region of 3.31 μm). The infrared radiation of the LED passes through a measuring gas cell and enters two photodetectors, one of which registers only radiation in the 3.31 μm wavelength range, and the other in the 3.6-3.7 μm wavelength range. The studied gas located in the cuvette absorbs the radiation of the working wavelength (≈3.31 μm) and does not affect the radiation of the reference wavelength (≈3.65 μm). The amplitude of the working signal of the photodetector varies in proportion to the concentration of methane and other hydrocarbon gases. The described infrared optical sensor of methane and other gaseous hydrocarbons according to the prototype is produced by EMI-instrument LLC in the form of the IGM-10-X-00 Meter. Developed by Optosens LLC under the brand name MIPEX-02-X-X-X.1 (RX). Small-sized explosive gas measuring sensor.

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 τ₉₀< 1 с. При этом для заранее известного состава паров СПГ инфракрасный оптический датчик предварительно калибруется на метрологическом стенде.The prototype device allows you to measure the fluctuating values of the volume concentration of methane, as well as to analyze the vapor regasified LNG in advance of known composition at a temperature T = -100-60 ° C with a value of τ ₉₀ <1 s. Moreover, for a previously known composition of LNG vapor, the infrared optical sensor is pre-calibrated at the metrological bench.

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.The disadvantage of the infrared analyzer of the prototype is significant errors in measuring the volume concentration of a mixture of methane and NGL in the analysis of clouds of vapor regasified LNG of unknown composition with air.

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.It is known that in the production of LNG, depending on the natural gas field, its composition, as well as the manufacturing technology, the concentration of methane in the cryogenic liquid can vary from 87 to 99 vol. % (GOST 57431-2017 Natural gas, liquefied. General characteristics). In particular, domestic LNG for industrial and domestic purposes should contain at least 92 vol. % methane. The remaining combustible composition is determined by BFLU impurities, including 4 +/- 3 vol. % ethane; (2.5 +/- 2.5) vol. % propane and other heavier alkanes (С4-С10), the content of which is not standardized (TU 51-03-03-85 Natural combustible gas, liquefied. Fuel for internal combustion engines). When LNG is converted to a gaseous state, it complies with GOST 5542-2014 Combustible natural gases for industrial and domestic purposes.

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≈(1CH₄+1С₂Н₆ и 1С₃Н₈) 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.The absorption cross section of IR radiation by ethane, propane, and other heavier saturated hydrocarbon molecules significantly exceeds the absorption cross section of the IR spectrum by methane molecules. In FIG. 1 shows the experimental values of the readings of the infrared optical sensor C (S) according to the prototype of the volume concentration C of methane, ethane, propane or butane (see curves 1-4) at normal pressure and temperature of about -1 ° C, where C (S) - the concentration measured by the infrared analyzer by the magnitude of the absorption of infrared radiation in the analysis of the known volume concentration C of methane, ethane or propane in the air. Accordingly, at C ≈ 1 vol. % of the value of C (S) for methane is less than the values of C (S) for ethane and propane by almost 20 times. This means that during the formation, for example, of a mixture of methane, ethane and propane with a volume concentration of C≈ (1CH ₄ + 1C ₂ H ₆ and 1C ₃ H ₈ ) vol. % ≈ 3 vol. %, the readings of the gas analyzer will be C (S) ≈ (1 + 18 + 20) vol. % ≈ 39 vol. % As a result, the error in measuring the volume concentration of the mixture is Δ (С) ≈ 1300%, which is consistent with experimental data. Accordingly, for similar mixtures with a previously unknown ratio of methane and LNG vapor, it is not possible to determine the volume concentration of methane and NGL (C2-C10) in air.

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.Similar results were obtained when testing well-known foreign infrared optical sensors of the Dynament GB type (Delta-S LLC, Sensis Series Gas Analyzers, Moscow, Zelenograd, 2008). The design of these sensors differs significantly from the Mipex infrared optical sensors according to the prototype.

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.As a result, their use without calibration for the analysis of methane-air mixtures with a previously unknown content of BFLH (C2-C10 alkanes) of more than (0.1-0.2) vol. % can lead to a significant error or inaccuracy in the measurement of the volume concentration of methane and NGL vapor in the atmosphere. Its value depends on the ratio of the volumes of methane and NGL.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является унификация конструкции инфракрасного анализатора и расширение его функциональных возможностей.The technical problem to which the claimed utility model is directed is to unify the design of the infrared analyzer and expand its functionality.

Раскрытие сущности полезной моделиUtility Model Disclosure

Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа.The technical result of the claimed utility model is to improve the technical characteristics of the infrared analyzer vapor of liquefied natural gas.

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.To achieve a technical result, an infrared analyzer of vapors of liquefied natural gas is proposed, comprising a cylindrical body, inside which an electronic unit and an external communication board are located, and on its surface there is a connector for connecting external circuits and an infrared optical sensor with holes for input and output of the analyzed gas, gas a channel consisting of coaxial inner and outer cylindrical pipes, the outer pipe being hermetically connected to the cylindrical body and to its height a dust filter is placed, and the inner tube is coaxially and hermetically connected to an infrared optical sensor, an external gas temperature meter is located at its end, a cylindrical electric furnace is installed outside it, and a porous metal filler, an aerosol filter, an analyzer gas flow rate coaxial and sequentially located inside it through the holes for its entry and exit in the infrared optical sensor and a meter of its internal temperature, an additional control board is measured external and internal temperature of the analyzed gas, a flow rate inducer and a cylindrical electric furnace installed inside the cylindrical body, inert gas lines of liquefied natural gas vapors with a low-temperature shut-off solenoid valve and a cryogenic separation unit including a cylindrical bath with liquid cryoagent, in which a cylindrical adsorber with a metal aerosol filter and adsorbent is placed, connected to a liquefied natural gas vapor supply pipe into an adsorber with a low-temperature shut-off electrovalve.

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 м²/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.As a result of parallel connection to the end of the inner cylindrical pipe of the gas channel of an inert gas pipeline of vapors of liquefied natural gas with a low-temperature shut-off electrovalve and a block of their cryogenic separation, which includes a cylindrical bath with a liquid cryoagent, in which a cylindrical adsorber with a metal aerosol filter and an adsorbent connected to the supply pipe is placed vapor of liquefied natural gas into an adsorber with a low-temperature shut-off solenoid valve, it is possible to carry out a separate f from methane vapor of BFLH (ethane, propane, butane, and other heavy alkanes) due to their freezing at low temperature T ≈ -150 ° C on an adsorbent made of foam nickel or from pressed and annealed copper fibers or balls with an open porosity of about 90%, and their subsequent freezing in the pores of a metal aerosol filter made of nickel due to accommodation and freezing of C2-C10 alkanes molecules on the developed surface of its finely porous membrane structure with an area of winding channels up to 50 m ² / g (A.V. Zagnitko, G.I. Cannon, Low-temperature gas filtration with multilayer ceramic-metal filters. G. Theoretical foundations of chemical technology. 2007.Vol. 41. No. 5. S. 507). The measured efficiency of convective vapor flow capture of ethane, propane and butane with a concentration of 99-100 vol. % in the adsorber was more than 98% at T = - (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.Methane at Т≥-150 ° С practically does not freeze on the adsorbent and in the pores of the metal aerosol filter, since its boiling point is - (162-163) ° С at atmospheric pressure.

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.As a result of freezing vapor BFLH infrared optical sensor detects the concentration of gaseous methane, which after the cryogenic unit is preheated to a positive temperature by electric furnace gas channel, as in the prototype.

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.By lowering the temperature of methane and NGL vapor to T ≈ -150 ° C, aerosols of NGL hydrocarbons and gas hydrates are possible in the adsorber. Their capture is carried out due to the diffusion capture and entrainment of dispersed particles in the pores of a high-performance metal aerosol filter with a thin-porous membrane structure (A.V. Zagnitko, G.I. Pushko, Low-temperature gas filtration with multilayer ceramic-metal filters. J. Theoretical Foundations of Chemical Technology. 2007. T. 41. No. 5. P. 507; cleaning class H11-H12 according to GOST R 51251-1999 Air filters). This improves the accuracy of methane concentration measurements.

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.In the prototype there is no cryogenic block for the separation of methane and vapor BFLH. This does not allow creating a convective flow of pure methane into the holes of the infrared optical sensor and its registration.

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).As a cryo-agent, liquefied nitrogen or liquefied natural gas is used, for example, for household consumption (TU 51-03-03-85. Natural combustible gas, liquefied. Fuel for internal combustion engines).

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.The creation of an inert gas pipeline with a low-temperature shut-off solenoid valve that does not adsorb LNG pairs allows direct supply to an infrared optical sensor for its detection and signal comparison with the signal for pure methane after a cryogenic block. This allows one to determine the concentration of methane and NGL in LNG vapors of a previously unknown composition.

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.Switching the supply of hydrocarbon streams to an inert channel or to a cryogenic block for their separation is carried out using low-temperature shut-off high-speed electrovalves. Their control is carried out by a special block of electrovalves placed on an additional control board with a microprocessor and a stabilized power source located, as in the prototype, in the electronic unit.

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.As in the prototype, the claimed device performs simultaneous remote measurement of concentration and temperature distributions in potentially dangerous clouds and emissions of a vapor-air mixture of regasified LNG at a distance of up to 1200 m.

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.As a result, the stated technical problem of the declared infrared analyzer of liquefied natural gas vapors is solved, namely, a separate measurement and comparison of volumetric concentrations of pure methane and NGL vapors in clouds or regasified LNG streams in air with a previously unknown composition at temperatures up to -100 ° C.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

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.In FIG. 1 shows the experimental values of the readings of the infrared optical sensor C (S) according to the prototype of the volume concentration C of methane, ethane, propane or butane at normal pressure and temperature of about -1 ° C, where C (S) is the concentration measured by the infrared analyzer in magnitude absorption of IR radiation in the analysis of a previously known volume concentration C of methane, ethane or propane in air.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема заявленного инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа, где:In FIG. 2 shows a schematic diagram of the claimed infrared analyzer vapor of liquefied natural gas, where:

1 - инфракрасный оптический датчик;1 - infrared optical sensor;

2 - отверстие для входа анализируемого газа;2 - hole for the entrance of the analyzed gas;

3 - отверстие для выхода анализируемого газа;3 - hole for the exit of the analyzed gas;

4 - электронный блок управления;4 - electronic control unit;

5 - цилиндрический корпус;5 - cylindrical body;

6 - коммуникационная плата;6 - communication board;

7 - дополнительная плата управления;7 - additional control board;

8 - внутренняя коаксиальная цилиндрическая труба;8 - inner coaxial cylindrical pipe;

9 - внешняя коаксиальная цилиндрическая труба;9 - external coaxial cylindrical pipe;

10 - защитное съемное основание;10 - protective removable base;

11 - измеритель наружной температуры анализируемого газа;11 - meter for the outside temperature of the analyzed gas;

12 - пористый металлический наполнитель;12 - porous metal filler;

13 - цилиндрическая электропечь;13 - cylindrical electric furnace;

14 - аэрозольный фильтр;14 - aerosol filter;

15 - побудитель расхода анализируемого газа;15 - stimulator of the flow rate of the analyzed gas;

16 - измеритель внутренней температуры;16 - internal temperature meter;

17 - пылевой фильтр;17 - a dust filter;

18 - разъем для подключения внешних цепей;18 - connector for connecting external circuits;

19 - инертный газопровод паров сжиженного природного газа;19 is an inert gas pipeline of vapors of liquefied natural gas;

20 и 21 - низкотемпературные отсечные электроклапана;20 and 21 - low-temperature shut-off solenoid valves;

22 - блок криогенного разделения метана и паров широкой фракции углеводородов (алканы С2-С10) регазифицированного СПГ;22 is a block of cryogenic separation of methane and vapors of a wide fraction of hydrocarbons (alkanes C2-C10) regasified LNG;

23 - цилиндрическая ванна с жидким криоагентом;23 - a cylindrical bath with a liquid cryoagent;

24 - цилиндрический адсорбер;24 - cylindrical adsorber;

25 - металлический аэрозольный фильтр;25 - metal aerosol filter;

26 - адсорбент;26 - adsorbent;

27 - патрубок подачи паров сжиженного природного газа в адсорбер;27 - pipe supplying vapor of liquefied natural gas to the adsorber;

28 - патрубок подачи газообразного метана для анализа.28 - methane gas supply pipe for analysis.

Q - расход анализируемого газа в инфракрасный анализатор паров сжиженного природного газа.Q is the flow rate of the analyzed gas in the infrared analyzer vapor of liquefied natural gas.

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. %.In FIG. Figure 3 shows the values of the C (S) / C ratio measured by the sensor according to the prototype versus the volume concentration C of regasified LNG vapor in the air stream (see curve 1). Here C (S) is the concentration measured by the Mipex infrared sensor by the amount of infrared absorption in the analysis of the previously known volume concentration of C vapor of regasified LNG in air. At point A, the value C (S) / C = 1 at C = 3 vol. %

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

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.In FIG. 2 shows a schematic diagram of the claimed infrared analyzer vapor liquefied natural gas. It contains an infrared optical sensor 1 with holes in its body for input 2 and output 3 of the analyzed gas, connected to an electronic control unit 4, a communication board 6 and an additional control board 7 installed inside the cylindrical body 5. The gas channel consists of an internal 8 and an external 9 coaxial, cylindrical pipes, and at the end of the inner pipe 8 with a protective removable base 10 is a meter of the external temperature of the analyzed gas 11. In addition, inside the inner pipe 8 in series and co-axially mounted porous metal filler 12, an aerosol filter 14, a stimulator for the consumption of the analyzed gas 15 and a meter for its internal temperature 16, and a cylindrical electric furnace 13 is located outside the inner pipe 8. A dust filter 17 is installed at the output of the outer pipe 9. Connector for connecting external circuits 18 is located on the surface of the housing of the electronic control unit 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)The infrared optical sensor 1 is hermetically connected to the inner tube 8 and includes a housing with holes for input 2 and output 3 of the analyzed gas, an infrared LED with a reference and working wavelength of infrared radiation, interference filters to separate the reference and working wavelength of infrared radiation and located along infrared radiation LED gas cell with focusing lenses infrared radiation. At the input and output, infrared radiation photodetectors of the reference and working measuring channels are installed (not shown in Fig. 2)

Электронный блок управления 4 содержит усилители сигналов, платы стабилизированного питания и микроконтролер (на фиг. 2 не показаны).The electronic control unit 4 contains signal amplifiers, stabilized power boards and a microcontroller (not shown in FIG. 2).

Коммуникационная плата 6 включает устройство внешней коммутации и стабилизированного питания, управляющий микропроцессор и интерфейс с формирователем цифровых сигналов (на фиг. 2 не показаны).The communication board 6 includes an external switching device and stabilized power supply, a control microprocessor and an interface with a digital signal shaper (not shown in Fig. 2).

Дополнительная плата управления 7 содержит специальный блок управления низкотемпературными отсечными электроклапанами (на фиг. 2 не показаны).The additional control board 7 contains a special control unit for low-temperature shut-off solenoid valves (not shown in Fig. 2).

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.The operating temperature range of the infrared optical sensor 1 varies from -40 to 60 ° C, provided that the rate of change of its temperature is dT / dt <2-3 ° C / min.

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.The meters of the external 11 and internal 16 temperature of the analyzed gas, the flow rate driver 15 and the cylindrical electric furnace 13 are connected to an additional control board 7, which contains a stabilized power source for the flow rate of the analyzed gas with a constant voltage of 5 to 12 V, a stabilized power source of the external cylindrical electric furnace up to 48 B, connected by feedback to the analyzer of readings of the external 11 and internal 16 temperature sensors of the analyzed gas and controlled by a microprocessor for reg lirovki electric power 13 to maintain a predetermined temperature of the sample gas heating a 5 ° C before feeding into the holes 2. The optimum range of heating of the sample gas is from 5 to 20 ° C.

Цилиндрические внутренняя 8 и внешняя 9 трубы газового канала выполнены из полипропилена или никелированного металла, не сорбирующих анализируемые газы.The cylindrical internal 8 and external 9 pipes of the gas channel are made of polypropylene or nickel-plated metal, which do not absorb the analyzed gases.

Измерители наружной 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа собраны из термопарного кабеля хромель-алюмель.Measuring instruments of external 11 and internal 16 temperature of the analyzed gas are assembled from a chromel-alumel thermocouple cable.

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%.The aerosol filter 14 is made of temperature-resistant fiber material class F7-H11 to protect the infrared optical sensor from the dispersed phase. The dust filter 17 is made in the form of a ring of fiber material of class F7 to prevent the penetration of aerosol particles into the infrared optical sensor. The porous metal filler 12 is assembled from foam nickel or from extruded and annealed copper fibers with an open porosity of about 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.An inert gas pipeline of vapors of liquefied natural gas 19 with a low-temperature shut-off solenoid valve 20 and a cryogenic separation unit 22 are connected to the end of the inner pipe of the gas channel 8 with the base 10.

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.The block of cryogenic vapor separation of liquefied natural gas 22 at T ≈ -150 ° C contains a pipe 27 for supplying gases and vapors for cryogenic cleaning and separation, a cylindrical adsorber 24 placed in a cylindrical bath with liquid cryoagent 23, a low-temperature shut-off electrovalve 21, a gaseous supply pipe methane purified from NGL vapor for analysis 28. In the adsorber 24, an adsorbent 26 and a metal aerosol filter 25 are installed sequentially with respect to the gas flow to freeze C2-C10 alkane vapors and highly efficient on the capture of aerosol particles of solid hydrocarbons and gas hydrates.

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).The metal aerosol filter 25 is made of nickel according to the technology of the authors and is resistant to low temperatures up to -200 ° C (RF Patent, No. 2044090; RF Patent, No. 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.The measured efficiency of convective vapor flow capture of ethane, propane and butane with a concentration of 99-100 vol. % in the adsorber was more than 98% at T = - (145-150) ° С.

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 10⁵ Па.Methane at Т ≥ -150 ° С practically did not freeze on the adsorbent and in the pores of the metal aerosol filter, since its boiling point is - (162-163) ° С at atmospheric pressure of 10 ⁵ Pa.

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 м²/г (А.В. Загнитько, Г.И. Пушко, Низкотемпературная фильтрация газов многослойными металлокерамическими фильтрами. Ж. Теоретические основы химической технологии. 2007. Т. 41. №5. С. 507).As a result of the installation in the adsorber 24 in series with the gas flow of the adsorbent 26 and the metal aerosol filter 25 of class H11 or H12 according to GOST R 51251-99, the filtration efficiency of dispersed microimpurities with a particle size greater than 0.005 μm is E> 99.9995%. In addition, in the pores of the metal aerosol filter 25, trapping of molecular impurities of LNG vapors due to their accommodation and freezing out on the developed surface of its membrane, finely porous structure with an area of winding channels up to 50 m ² / g (A.V. Zagnitko, GI Pushko, Low-temperature gas filtration with multilayer ceramic-metal filters. J. Theoretical fundamentals of chemical technology. 2007. V. 41. No. 5. P. 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.During operation, convective entrainment of the adsorbent 26, due to its abrasive wear, does not occur, since particles are trapped in the pores of the finely porous structure of a high-performance metal aerosol filter 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.An infrared vapor analyzer regasified LNG works as follows. At the command of the special control unit of the additional board 7, the electrovalve 21 closes, and the electrovalve 20 opens. The flow driver 15 continuously aspirates the analyzed gas to the infrared analyzer sequentially through an inert gas pipeline of liquefied natural gas vapors 19 with a low-temperature shut-off solenoid valve 20, a porous metal filler 12 and an aerosol filter 14 into the openings 2 of the infrared optical sensor 1. Its flow rate is Q = 2.5- 5 liter / min. This allows you to ensure the delivery of a hydrocarbon mixture of methane and NGL vapors through the inlet 2 and outlet 3 openings in the measuring gas cell of the infrared optical sensor for 0.15-0.3 s, depending on the value of Q.

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_CH4 ≈ 0,2 см²/с в нормальных условиях.Methane and other hydrocarbon gases are detected by measuring the selective absorption of infrared radiation molecules with a working wavelength of 3.31 microns. The infrared radiation of the LED passes through a measuring gas cell and enters two photodetectors, one of which registers only radiation in the wavelength range of 3.31 μm, and the other in the wavelength range of about 3.65 μm (not shown in Fig. 2). The test gas located in the measuring gas cell absorbs the radiation of the working wavelength and does not affect the radiation of the reference wavelength of 3.65 μm. The analyzed gas sample enters the measuring gas cuvette through openings 2 and 3 in the body of the infrared optical sensor 1 by creating a forced convective diffusion flux by a flow inducer 15, the rate of which significantly exceeds the transport rate of methane molecules due to molecular diffusion with a diffusion coefficient D _CH4 ≈ 0, 2 cm ² / s under normal conditions.

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.At the command of the special control unit of the additional board 7, the solenoid valve 20 closes, and the solenoid valve 21 opens. The flow driver 15 continuously aspirates the analyzed gas into the infrared optical sensor sequentially through the pipe 27, adsorbent 26, metal aerosol filter 25, porous metal filler 12 and aerosol filter 14 into the holes 2 of the infrared optical sensor 1. Its flow rate is Q = 2.5-5 liter / min In the adsorber 24, the vapor of the BFLH is separated by freezing at a temperature of about -150 ° C on the adsorbent 26 and in the pores of the filter 25. This allows the delivery of methane without impurities of the vapor of the BFLH through the inlet 2 and outlet 3 openings to the measuring gas cell of the infrared optical sensor 1 in for 0.15-0.3 s, depending on the value of Q. Before methane is fed into the infrared optical sensor 1, it is heated in the gas channel 8 of a cylindrical electric furnace 13 connected to an additional control board 7 containing stabilized its power source (not shown in Fig. 2), connected by feedback to the analyzer of the readings of the external 11 and internal 16 temperature of the analyzed gas and controlled by a microprocessor to adjust the power of the electric furnace 13 in order to maintain the set temperature of heating of the analyzed gas more than 5 ° C before feeding holes 2. The maximum temperature of the analyzed gas sample does not exceed 60 ° C.

В результате регистрировалась объемная концентрация метана, очищенного от примесей ШФЛУ регазифицированного СПГ.As a result, the volume concentration of methane purified from impurities of NGL regasified LNG was recorded.

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.A comparison of the readings of the infrared optical sensor 1 during the registration of methane after the cryogenic unit 22 with the closed solenoid valve 20 and the mixture of methane and NGL after an inert gas pipeline of liquefied natural gas 19 makes it possible to determine the concentration of methane and impurities of NGL vapor in atmospheric air in a given area of the analyzer installation. Their network allows you to scan by volume a methane cloud and NGL vapor.

Попеременное включение и отключение клапанов 20 и 21 позволяет измерять кинетику изменения метана и паров ШФЛУ.Alternately turning valves on and off 20 and 21 allows you to measure the kinetics of changes in methane and NGL vapor.

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.As in the prototype, the temperature of the mixture of hydrocarbon gases and air outside the infrared analyzer is measured by the sensor 11, and its concentration is recorded by the electronic unit 4 and an additional control board 7 with a microprocessor (not shown in Fig. 2) with data transmission through connector 18 to an external computer ( in Fig. 2 (not shown) over a distance of 1200 m using the RS-485 interface.

Пример.Example.

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.To record methane and other hydrocarbon gases, an MIPEX-02-1-II-2.1 (A) -OPTOSENS model 1 infrared optical sensor was used with openings 2 and 3 in the housing for the analyte to enter the measuring gas cell with electronic unit 4 and communication board 6 according to the patent of the Russian Federation, No. 2187093, "Small-sized measuring sensor of explosive gases MIPEX-02-XXX.1 (RX)". Operation manual ESAT.413347.002 OM. Version 04.04.04.2017. 50 C. Property of Optosens LLC, St. Petersburg, “Standalone stationary gas analyzer (converter) IGM-10, IGM-10-X-00”. Measuring converters IGM-10, Operation manual KDYUSH.413347.005-12 RE, EMI-Pribor LLC (IGM-Detector, St. Petersburg, 2016). The characteristic response time of its electronic circuit is less than 0.35 s.

В качестве измерителей 11 и 16 для анализа внешней и внутренней температуры газов использовались две термопары хромель-алюмель с быстродействием около 0,15 с.As measuring instruments 11 and 16, two chromel-alumel thermocouples with a speed of about 0.15 s were used to analyze the external and internal temperature of the gases.

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.The external cylindrical electric furnace 13 was made in the form of an isolated electrical resistance of type C5-35V with a rated dissipation power of 50 watts and with a wound wire on a ceramic tube. The electric furnace 13 is connected to an additional control board 7 with a microprocessor (not shown in Fig. 2), containing a stabilized source with an adjustable voltage of up to 48 V and a load current of up to 0.3 A, connected by feedback to the analyzer of readings of external 11 and internal 16 chromel thermocouples alumel and microprocessor controlled to adjust its power. The heating temperature of the analyzed gas before it entered the sensitive zone of the gas cell of the infrared optical sensor 1 was maintained in the range from 10 to 20 ° C. The gas flow was heated at a reduced temperature, when its value outside, according to the readings of thermocouple 11, varied from -10 to -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.The inner diameters of the coaxial inner 8 and outer 9 pipes of the gas channel of the nickel-plated metal were 13 and 70 mm. Filters 14 and 17 were made of fiber polyester.

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.An explosion-proof microcompressor with a capacity of about 5 liter / min and a constant voltage of 12 V from the stabilized power source of the additional control board 7 with a microprocessor was used as an inducer of the consumption of the analyzed gas 15. The distance between the microcompressor and the inlet 2 of the infrared optical sensor 1 was 8-10 mm

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 м²/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%.As a cryoagent, LNG was used for household purposes with an initial temperature of T = -160 ° C. The cylindrical bath 23 was made of stainless steel with mirror screen-vacuum insulation. Its temperature was maintained at the level of - (145-150) ° С. The nickel membrane metal aerosol filter 25 corresponded to the NI cleaning class according to GOST R 51251-99 with a surface area of its finely porous structure of about 50 m ² / g (A.V. Zagnitko, G.I. Pushko, Low-temperature gas filtration with multilayer ceramic-metal filters. G Theoretical Foundations of Chemical Technology. 2007. V. 41. No. 5. P. 507). Adsorbent 26 was made of foam nickel with a porosity of about 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.Low-temperature solenoid valves 20 and 21 “Burkert” for more than 1 hour withstood the flow of methane vapor and LNG at T ≈ -150 ° C. The time of their opening and closing was ≈100 and 150 ms, respectively.

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 СО₂ и 0,36 (азот, пентаны, гексаны, кислород, гелий и водород) об. %, где и-бутан - изобутан; н-бутан - нормальный, нераветвленный С₄Н₁₀. Состав СПГ измерялся хроматографом.To verify the characteristics of the developed infrared gas analyzer, LNG containing 95.927 methane was used; 2.575 ethane; 0.804 propane; 0.1 And i-butane; 0.110 n-butane; 0.098 CO ₂ and 0.36 (nitrogen, pentanes, hexanes, oxygen, helium and hydrogen) vol. %, where i-butane is isobutane; n-butane - normal, unbranched C ₄ H ₁₀ . The composition of the LNG was measured by chromatograph.

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).An analysis of the flow of a mixture of methane and NGL vapor regasified LNG by the developed device in the pipeline showed that the volume concentration of methane was 95-96 vol. % Accordingly, the concentration of NGL vapor varied from 5 to 4 vol. % These results are in satisfactory agreement with the data of chromatographic analysis. However, when using the prototype device, the readings of the infrared optical sensor exceeded more than 170 vol. %, which contradicts the physical meaning and is due to a significant absorption of infrared radiation by impurities of BFLH (see Fig. 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.In addition, measurements were made of the C (S) / C values of the Mipex sensor according to the prototype of the volume concentration of LNG in the flow of a mixture of LNG hydrocarbons with air (curve 1 in Fig. 3). At point A, the value C (S) / C = 1 at an LNG vapor concentration of C = 3 vol. % and methane concentration of about 2.88 vol. % Accordingly, the concentration of NGL was about 0.12 vol. % According to the prototype, these measurements cannot be carried out without preliminary calibration. If the composition of LNG is not known in advance, then the prototype does not allow the required analysis.

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 10⁴ м³, 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.After pneumatic spraying for 5-10 seconds, LNG with the evaporation of methane (≈96 vol.%) And NGL vapor (≈4 vol.%) In the atmosphere formed hydrocarbon clouds with a volume of more than 10 ⁴ m ³ mixed with air. The measured temperature of a cloud of hydrocarbons in the air during dispersion and evaporation of LNG varied over time from (10-15) to - (80-100) ° С. As a result, the kinetics of changes in methane concentration over time was measured in the range (1-30) vol. % and vapor impurities NGL from 0.1 to 1-2 vol. % in the center of the cloud at an altitude of 5 meters. A gas analyzer was installed on the mast. The prototype of these measurements could not be carried out, since it lacks the cryogenic separation of NGL vapor from methane and the composition of LNG was not known in advance.

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.Thus, a comparison of the characteristics of the claimed infrared analyzer vapor regasified liquefied natural gas with the prototype shows that due to the preliminary cryogenic separation of methane and vapor BFLH in the analyzed convective flow of hydrocarbons, it was possible to expand the functionality of the claimed design by separately measuring the time-varying volume concentration of methane and BFLH vapor (ethane, propane, butane, etc.) in a cloud and / or flooded jets of vapor regasified LNG in atmosphere, stochastically fluctuating in concentration and temperature, from 10-15 to -100 ° C with a temporary response of less than 1 s. According to the prototype, when analyzing a mixture of methane and NGL vapors of regasified natural gas, their separation is not provided. This does not allow analyzing the concentration of methane and NGL vapor in the clouds and / or flooded jets of regasified LNG of fluctuating and unknown composition in the atmosphere.

Claims

An infrared analyzer of vapors of liquefied natural gas, containing a cylindrical body, inside of which there is an electronic unit and an external communication board, and on its surface there is a connector for connecting external circuits and an infrared optical sensor with holes for the input and output of the analyzed gas, a gas channel consisting of coaxial inner and outer cylindrical pipes, the outer pipe being hermetically connected to the cylindrical body and a dust filter placed at its outlet, and the inner pipe to axially and hermetically connected to an infrared optical sensor, an external gas temperature meter is located at its end, a cylindrical electric furnace is installed outside it, and a porous metal filler, an aerosol filter, an analyzer gas flow through the openings for its entrance and exit are coaxially and sequentially located infrared optical sensor and its internal temperature meter; additional control board for measuring external and internal temperature analyzers gas flow, a flow inducer and a cylindrical electric furnace installed inside a cylindrical body, characterized in that an inert gas pipeline of liquefied natural gas vapors with a low-temperature shut-off electrovalve and a cryogenic separation unit including a cylindrical bath with a liquid cryoagent are connected in parallel to the end face of the gas pipe in which a cylindrical adsorber with a metal aerosol filter and an adsorbent connected to a liquefied vapor supply pipe is placed native gas to the adsorber with a low-temperature shut-off solenoid valve.