Датчик уноса жидкого сорбента в аэрозольном виде из аппаратов гликолевой осушки природного газа Российский патент 2020 года по МПК G01F1/74 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно - к измерению уноса жидкого сорбента из абсорберов гликолевой осушки и может быть использовано в газовой промышленности, авиационной технике, топливно-энергетической и автомобильной отрасли (контроль выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания) и других областях промышленности, имеющих дело с газами, содержащими аэрозоли в капельножидком или твердом состоянии (например, дым заводских труб).

При осушке природного газа с помощью жидких сорбентов (например, в виде диэтиленгликоля, сокращенно - ДЭГ) из-за того, что газ и сорбент (ДЭГ) движутся навстречу друг другу, образуется капельножидкая фракция, которая уносится с осушенным газом. Для предотвращения уноса сорбента на выходе абсорбера устанавливают фильтр-патрон с фильтрующим (сепарирующим) элементом, задерживающим капельножидкую фракцию, однако самые мелкие капли размером несколько десятков и единиц микрон этим фильтр-патроном не удерживаются и уносятся с осушенным газом в магистральный трубопровод. При штатном режиме работы абсорбера с фильтр-патроном (сепаратором) величина уносимого ДЭГа составляет 5÷10 г/тыс.м³ [1]. Однако при нештатных режимах работы абсорбера - например, при вспенивании ДЭГа из-за попадания в него жидких углеводородов, или при увеличении скорости осушаемого газа при понижении давления (с целью сохранения объема производимого осушенного газа), величина потерь резко (в разы) возрастает. При этом, во-первых, возрастают безвозвратные потери ДЭГа, во-вторых, падает качество процесса осушки [2]. Отсюда существует задача контроля режима осушки за счет измерения и считывания данных по уносу ДЭГа.

Задача определения концентрации капельножидкого аэрозоля в потоке газа встречается и при изучении эффективности сепарационного оборудования.

Известно устройство для определения объемного содержания жидкой фазы в газожидкостном потоке [3], однако во многих практических случаях оно представляется не достаточно оперативным (т.е. занимает значительное количество времени, что недопустимо в практических условиях).

Существует также универсальный газовый малогабаритный каплеотделитель (УГМК) [1], модернизированный в ООО «Уренгойгазпром», которым проводят оценочные измерения уноса капельной жидкости на промыслах Крайнего Севера. Концентрация жидкой аэрозольной фазы замеряется по измерению скорости заполнения жидкостью, уловленной фильтром, специальной мензурки.

В настоящее время задача определения уноса ДЭГа в капельножидком виде решается с помощью измерителя уноса жидкости, разработанного НПО Тюменгазтехнология [4], (где известное количество газа, содержащего аэрозоль, пропускается через фильтр-патрон. В качестве фильтрующего элемента используют ткань, задерживающую аэрозоль. Количество содержащейся в газе жидкости определяют по привесу ткани фильтр-патрона.

Это устройство [4] принято за прототип.

Недостатком обоих последних устройств является их низкая чувствительность, большое (1-4 часа) время измерения и высокий процент погрешности.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание оперативного (экспресс) измерителя уноса капельной жидкости, позволяющего проводить замер в течение нескольких минут при концентрациях ДЭГа 1÷10 г/тыс.м³ при одновременном повышении чувствительности измерителя и уровня достоверности получаемых результатов измерений.

Технический результат достигается тем, что датчик уноса жидкого сорбента в аэрозольном виде из аппаратов гликолевой осушки (далее - датчик уноса сорбента) природного газа, состоящий из заборного устройства и фильтр-патрона, отличается тем, что фильтр-патрон выполнен в виде возбуждаемого на модах TM_0n1 (n=1, 2…) цилиндрического СВЧ - резонатора, а фильтровальный элемент фильтр-патрона размещен в центральной части резонатора, при этом цилиндрический возбуждаемого на модах TM_0n1 (n=1, 2…) СВЧ - резонатор снабжен нагревателем для очистки фильтровального элемента перед новым измерением.

Отметим, что величина плотности потока аэрозоля определяется сдвигом собственной частоты СВЧ - резонатора и изменением его добротности.

Доказательство совокупности существенных признаков.

Благодаря тому, что фильтр-патрон выполнен в виде возбуждаемого на модах TM_0n1 (n=1, 2…) цилиндрического СВЧ - резонатора, появляется возможность практически мгновенной доступности оператора к оценке условий изменения среды в трубопроводе.

Так же, за счет того, что фильтрующий элемент располагается в центре резонатора с максимальной величиной основной компонента электрического поля цилиндрического СВЧ - резонатора, чувствительность измерителя существенно возрастает (по крайней мере, не менее чем на 30% по сравнению с используемым на практике оборудованием).

Именно из-за того, что СВЧ - резонатор снабжен нагревателем для очистки фильтровального элемента перед новым измерением, появляется возможность многократного достоверного контроля процесса осушки в близком к реальному диапазоне времени.

Таким образом, указанная совокупность существенных признаков настоящего изобретения позволяет достигнуть заявленный технический результат и, соответственно, цель настоящего изобретения - осуществление оперативного экспресс измерения количества уносимого сорбента и возможности оперативной корректировки процесса осушки газа в практических (промышленных) условиях при одновременном повышении чувствительности измерителя и уровня достоверности получаемых результатов первичных и вторичных замеров.

Достижение заявленного технического результата поясняется схемой измерения потока аэрозоля (см. фиг. 1), видом конструкции датчика уноса сорбента (см. фиг. 2), видом диэлектрической решетки (см. фиг. 3), блок-схемой питающего оборудования датчика уноса сорбента (см. фиг. 4) и эпюрами вариации получаемых в процессе осушки сигналов измерений (см. фиг. 5).

На фиг. 1 изображена схема измерения потока аэрозоля с использованием предлагаемого датчика уноса сорбента. На ней обозначено: 1 - стенка трубопровода, 2 - поток осушенного газа после абсорбера, содержащий аэрозоль ДЭГа, 3 - головная часть заборного устройства, 4 - вентиль, 5 - камера, для изокинетического отбора, 6 - вентиль, 7 - датчик уноса сорбента, 8 - объемный счетчик газа, 9 - ротаметр, 10 - вентиль, 11 - фланец, 12 - манометр, 13 - термометр, 14 - вентиль, 15 - баллон с сухим газом (например, с воздухом) и редуктором (Р), 16 - вентиль.

На фиг. 2 показан датчик 7 уноса сорбента. Обозначено: 17 - объемный (корпусной) цилиндрический СВЧ - резонатор, 18 - волновод, для возбуждения СВЧ - резонатора 17, 19 - отверстие связи, 20 - приемный волновод, 21 - фильтр, 22 - диэлектрическая решетка, 23 - поток аэрозоля в изокинетическом пробоотборнике, 24 - нагреватель.

На фиг. 3 показан вид поперечного сечения диэлектрической сетчатой решетки 22 в СВЧ - резонаторе 17.

На фиг. 4 приведена блок-схема основных электронных узлов, обслуживающих датчик 7 уноса сорбента. На ней обозначено: 25-СВЧ генератор со свипируемой частотой в диапазоне 30-40 ГГц, 26 - СВЧ детектор, 27 - блок обработки информации (БОИ).

На фиг. 5 показаны эпюры: а - изменения частоты СВЧ генератора 25 во времени (один цикл), б - форма сигнала с детекторов Ud(t) в отсутствие аэрозоля, в - форма сигнала с детектора U_d(t) при проходе через датчик 7 уноса сорбента нескольких литров газа, содержащего аэрозоль.

Работа датчика 7 уноса сорбента происходит следующим образом.

В исходном состоянии все вентили 4, 6, 10 и 16 закрыты. Открываем регуляторы расхода: вентили 4 и 16 заборного устройства (не показано). Заборное устройство для изокинетического отбора пробы из камеры 5 совместно с регуляторами расхода в виде вентилей 4 и 16 обеспечивает подачу в головную часть 3 заборного устройства невозмущенного потока газа. Такие заборные устройства известны [5]. Открываем далее регулятор расхода в виде вентиля 6 и приоткрываем регулируемый вентиль 10; устанавливаем по измерителю 8 объемного расхода газа объемный расход Q_o при давлении на входе ротаметра 9 незначительно превышающем стандартное. При этом газ с жидким аэрозолем, проходя через фильтр 21, освобождается от жидкости и поступает на измеритель 8 объемного расхода газа и далее на ротаметр 9, а жидкий аэрозоль накапливается в фильтрующем элементе 21 (фиг. 2). В качестве фильтрующего элемента 21, улавливающего мельчайший аэрозоль, используется ткань Петрянова. Ткань Петрянова удерживается в цилиндрическом СВЧ-резонаторе 17 с помощью двух сетчатых решеток 22, выполненных из диэлектрика с малыми потерями для СВЧ (фиг. 3). Допускается также выполнение твердотельного фильтрующего элемента 21 из тефлона или керамики с малой диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла потерь tgδ≈10^-4.

СВЧ-резонатор 17 возбуждается на одной из мод типа TM_on1. Фильтрующий элемент 21 располагается в центре СВЧ-резонатора 17, где основная компонента электрического поля E_z СВЧ-резонатора 17 максимальна [6]. При накоплении аэрозоля в фильтрующем элементе 21 дисперсионные характеристики СВЧ-резонатора 17 изменяются. Принцип измерения характеристик показан на фиг. 4 и 5. СВЧ генератор 25 с линейно изменяющейся частотой возбуждает датчик 7 уноса сорбента в виде СВЧ-резонатора 17. Выходной сигнал поступает от детектора 26 на блок 27 обработки информации (фиг. 4). Изменение частоты f генератора 25 за один цикл частотной пилообразной модуляции показано на фиг. 5а. Первоначальная форма сигнала с детектора 26 (в отсутствие аэрозоля) показана на фиг. 5б. При накоплении аэрозоля в фильтрующем элементе 21 по прошествии некоторого (около 10 минут) времени t=t_изм сигнал с детектора 26 будет иметь вид, показанный на фиг. 5в: его амплитуда уменьшится, а полуширина ΔF возрастет ΔF₀→ΔF₁. Кроме того, положение пика по частоте сместится в сторону нижних частот на величину Δf=f₁-f₀. Обрабатывая эту информацию по определенному алгоритму [6] находят количество аэрозоля, уловленного фильтрующим элементом 21 за время t_изм, По счетчику 8 объема находят число литров прошедшего газа V, откуда определяют концентрацию аэрозоля в газе как при нормальном давлении, так и при рабочем. Калибровка датчика уноса сорбента 7 и определение чувствительности проводится с помощью сопоставления массы уловленного аэрозоля (взвешиванием фильтрующего элемента 21 на аналитических весах до поглощения аэрозоля и после поглощения) и регистрируемыми эффектами - смещением частоты Δf СВЧ-резонатора 17 изменением полуширины резонансной кривой ΔF (или его добротности Q=f/ΔF).

После окончания цикла измерений концентрации аэрозоля фильтрующий элемент 21 очищают от жидкой фазы. Для этого закрывают вентили 4 и 16 и приоткрывают вентили 14 и 6. При этом через датчик 7 идет сухой и чистый газ (в частности - это может быть воздух) из баллона 15. Для ускорения осушки и повышения точности и оперативности измерений фильтрующего элемента 21 включают нагреватель 24. Таким образом, через фильтрующий элемент 21 организовывается проток сухого горячего газа или воздуха, который ускоряет переход аэрозоля в пар. Время очистки (оно составляет минуты) выбирается из опыта.

Вентили 4, 6, 14 и 16 могут исполнены как для ручной регулировки, так механизированной с помощью электромагнитного привода (не показан), при этом весь процесс измерения, при необходимости, может быть автоматизирован.

Реализация предлагаемого изобретения позволит создать оперативный (экспресс) измеритель уноса капельной жидкости, позволяющего проводить замер в течение нескольких минут при концентрациях ДЭГа 1÷10 г/тыс.м³ при одновременном повышении чувствительности измерителя и уровня достоверности получаемых результатов измерений.

Источники информации

1. Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. М., Недра, 2000, 280 с.

2. Гриценко А.И., Истомин В.А., Кульков А.Н., Сулейманов Р.С. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России. М., Недра, 1999, 474 с.

3. Патент РФ №2445581. Способ оперативного определения объемного содержания жидкой фазы в газожидкостном потоке и устройство для его осуществления.

4. Измеритель уноса жидкости. НПО Тюменгазтехнология. М., Ротапринт ВНИИЭ Газпром, 1987, 2 с.

5. Байбаков Р.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. М., Химия, 1989, 158 с).

6. Москалев И.Н., Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых осесимметричных резонаторов. М., Энергоатомиздат, 145 с.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно - к измерению уноса жидкого сорбента из абсорберов гликолевой осушки и может быть использовано в газовой промышленности, авиационной технике, топливно-энергетической и автомобильной отрасли (контроль выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания) и других областях промышленности, имеющих дело с газами, содержащими аэрозоли в капельножидком или твердом состоянии (например, дым заводских труб). Датчик уноса жидкого сорбента в аэрозольном виде из аппаратов гликолевой осушки природного газа, состоящий из заборного устройства и фильтр-патрона с фильтрующим элементом. Фильтр-патрон включает СВЧ-генератор, который возбуждает СВЧ-резонатор, частоту которого фиксирует детектор, выходной сигнал с которого поступает на блок обработки информации для определения количества аэрозоля. Цилиндрический СВЧ-резонатор, возбуждаемый на модах TM_on1 (n=1, 2…), снабжен нагревателем для очистки фильтрующего элемента перед новым измерением, при этом фильтрующий элемент размещен в центральной части цилиндрического СВЧ-резонатора. Технический результат - создание оперативного (экспресс) измерителя уноса капельной жидкости, позволяющего проводить замер в течение нескольких минут при концентрациях ДЭГа 1-10 г/тыс.м³ при одновременном повышении чувствительности измерителя и уровня достоверности получаемых результатов измерений. 5 ил.

Датчик уноса жидкого сорбента в аэрозольном виде из аппаратов гликолевой осушки природного газа, состоящий из заборного устройства и фильтр-патрона с фильтрующим элементом, отличающийся тем, что фильтр-патрон

включает СВЧ-генератор, который возбуждает СВЧ-резонатор, частоту которого фиксирует детектор, выходной сигнал с которого поступает на блок обработки информации для определения количества аэрозоля,

причем цилиндрический СВЧ-резонатор, возбуждаемый на модах TM_on1 (n=1, 2…), снабжен нагревателем для очистки фильтрующего элемента перед новым измерением, при этом фильтрующий элемент размещен в центральной части цилиндрического СВЧ-резонатора.