Начинается...

Ультразвуковые расходомеры Turbo Flow UFG-I с функцией оценки компонентного состава отходящих дымовых газов

УДК 533.12:534.221:534.22.093.3

Ультразвуковые расходомеры Turbo Flow UFG-I с функцией оценки компонентного состава отходящих дымовых газов

Р. И. СОЛОМИЧЕВ – к.т.н., ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_solomichev@turbo-don.ru
А. Н. СЛОНЬКО – ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_std2@turbo-don.ru

Проведен обзор методов и средств измерения расхода отходящих дымовых газов, указаны их преимущества и недостатки. Обоснован выбор ультразвукового время-импульсного метода измерения, который является универсальным и наиболее перспективным. Приведено описание методов газового анализа, среди которых получили широкое применение оптические, являющиеся пробоотборными методами. К беспробоотборным методам относится ультразвуковой метод газового анализа. Рассмотрены технические характеристики перспективных УЗ расходомеров серии Turbo Flow UFG-I производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН», в составе аппаратно-программного комплекса которых применена инновационная методика газового анализа на основе измеренной скорости звука.

Ключевые слова: дымовой газ, расход, скорость звука, плотность, система диагностики, температура, концентрация компонент.

Постановка проблемы

В соответствии с 7-ФЗ от 10.01.2002 (в ред. От 27.12.2019) на объектах I категории стационарные источники выбросов загрязняющих веществ должны быть оснащены автоматическими измерительными системами контроля и учета выбрсов (АИСКиУВ) и средствами учета показателей загрязняющих веществ. По данным ресурса программно-технического обеспечения учета объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду (ПТО УОНВОС) (табл. 1) на апрель 2021 года существует более 7500 объектов I категории. Причем в соответствие с Приказом Минприроды России от 18.04.2018 №154 не менее чем 60% от общих сбросов и выбросов производятся тремястами предприятиями, упомянутыми в приказе. В то время как 40% приходятся на оставшиеся 7200 объектов.

Таблица 1. Статистика включенных в реестр объектов оказывающих негативное влияние на окружающую среду (НВОС)

Статистика включенных в реестр объектов оказывающих негативное влияние на окружающую среду (НВОС)

В перечень объектов, оказывающих НВОС, которые относятся к I категории входят:

  • установки очистки газов и другое оборудование при производстве кокса;
  • печи дожига отходящих газов при переработке природного газа;
  • технологические печи и печи дожига отходящих газов в процессе нефтепереработки;
  • установки по производству чугуна, стали и спеканию железной руды и прочие.

Действующее Законодательство (ПП № 422 от 16.05.2016 г., ИТС 22.1) предусматривает применение прямого инструментального контроля массовой концентрации/массы загрязняющих веществ там, где это возможно. Ведется перечень методик расчета, установлены обязательные требования к ним.

Особенностью измерительной задачи по учету дымовых выбросов является наличие градиентов температур, скоростей, концентраций загрязняющих веществ по сечениям дымовой трубы.

Типичное решение по учету выбросов состоит в том, чтобы оснастить дымовую трубу пробоотборными/беспробоотборными средствами измерений массовой концентрации загрязняющих веществ на основе газоанализаторов/хроматографов и средств измерения расхода. Основной недостаток такого подхода заключается в том, что результаты измерений массовой концентрации по высоте и сечению дымовой трубы будут существенно отличаться.

Кроме того, для получения представительной пробы необходимо учесть множество факторов:

  • пробоотборные линии выпускают длинной не более 50 м, а контрольное сечение газохода может находится на большой высоте;
  • для уменьшения химических превращений за время транспортирования пробы используют обогреваемые пробоотборные линии. Температура должна быть выше температуры точки росы (120°С), однако это не гарантирует отсутствие химических реакций внутри пробоотборной линии;
  • точку установки пробоотборного зонда или газоанализатора выбирают на расстоянии 14D от последнего возмущения потока. Для трубы с диаметром выходного отверстия 3,6 м (типично для ТЭЦ) расстояние до контрольного сечения должно быть не менее 54 м, поэтому высоты трубы может быть не достаточно для выполнения данного условия. Таким образом, точность измерений будет зависеть не столько от точности применяемого аналитического оборудования, сколько от выбора места его установки.

Большинство представленных на рынке измерительных систем расхода дымовых газов – иностранные (компании SICK, Siemens, FPi, Emerson, PMI Systems, Durag), что противоречит политике импортозамещения в России. К тому же приборы зарубежных производителей не всегда доступны по причине высокой цены и дорогостоящего обслуживания либо из-за экономических преднамеренных мероприятий запретительного характера со стороны иных государств.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является анализ возможностей разработанного ультразвукового (УЗ) расходомера отходящих дымовых газов с функцией анализа их физико-химических параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • выполнить анализ методов и средств измерения объема отходящих дымовых газов промышленных предприятий;
  • выполнить анализ методов газового анализа, при оценке компонентного состава дымовых газов;
  • рассмотреть характеристики и возможности УЗ измерителей объемного расхода отходящих дымовых газов Turbo Flow UFG-I с функцией оценки компонентного состава отходящих дымовых газов.

Решение задач и результаты исследования

На данный момент при автоматическом контроле расхода отходящих дымовых газов сложных компонентных составов, изменяющихся во времени, а также «сухих и влажных» активно применяются насколько типов расходомеров, основанных на различных физических принципах:

  • термомассовые (термоанемометрические);
  • расходомеры, основанные на принципе перепада давления;
  • вихревые расходомеры;
  • оптические расходомеры;
  • ультразвуковые.

Из всех перечисленных расходомеров, наибольшее применение нашли ультразвуковые в виду ограничений, накладываемых со стороны диаметров трубопроводов, высоких температур, запыленности, скоростей потока и агрессивности газовой среды.

Также, с учетом того, что объекты, упомянутые в приказе Минприроды России от 18.04.2018 №154, имеют трубопроводы диаметром более 2-х метров и, соответственно, должны быть оснащены автоматизированными системами непрерывного контроля и учета выбросов (АСНКиУВ) на базе ультразвуковых расходомеров.

Физической основой промышленного применения УЗ методов для измерения объемного расхода отходящих газов является функциональная зависимость времени распространения УЗ волн, распространяющиеся в газе по потоку и против него от скорости потока газа. В настоящее время применяется в основном времяимпульсный метод, доплеровский и корреляционный методы измерения скорости потока дымовых газов.

В конструкторском бюро ООО НПО «Турбулентность-ДОН» разработаны и проходят испытания врезные УЗ расходомеры серии UFG-I (Ultrasonic Flowmeter of Gas), основанные на времяимпульсном методе измерения. Конструкция прибора предполагает несколько различных исполнений:

  • модификация расходомера для газовых трубопроводов (рис. 1);
  • моноблочная модификация (штанговая однонучевая), состоящая из пары приемо-передатчиков (рис. 2), закрепленных на одной измерительной штанге, в едином корпусе с возможностью одностороннего монтажа;
  • двухблочная модификация, при которой приемопередатчики размещаются на противоположных сторонах газохода, – для труб среднего и большого диаметра (рис. 3).

Рис. 1. Врезные УЗ расходомеры для газовых трубопроводов

Рис. 1. Врезные УЗ расходомеры для газовых трубопроводов

Рис. 2. Врезные моноблочные (штанговые) УЗ расходомеры дымовых газов

Рис. 2. Врезные моноблочные (штанговые) УЗ расходомеры
дымовых газов
Рис. 2. Врезные моноблочные (штанговые) УЗ расходомеры дымовых газов

Рис. 3. УЗ расходомер дымовых газов в двухблочном исполнении

Рис. 3. УЗ расходомер дымовых газов в двухблочном исполнении

Технические характеристики расходомеров серии Turbo Flow UFG-I приведены в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики расходомеров серии UFG-I

Таблица 2. Технические характеристики расходомеров серии UFG-I

По характеру измеряемого физического параметра методы газового анализа можно разделить на механические, акустические, тепловые, магнитные, оптические, ионизационные, масс-спектрометрические, электрохимические, полупроводниковые [1].

К механическим методам относится волюмоманометрический метод, основанный на измерении объема или давления газовой пробы после химического воздействия на нее, которое может заключаться, например, в последовательном поглощении компонентов анализируемого газа подходящими реактивами в поглотительных сосудах. Минимально определяемые концентрации (МОК) от 0,001% до 0,01%.

К механическим методам также относят пневматический метод (аэростатический и аэродинамический). В первом случае измеряют плотность газовой смеси, во втором – зависящие от плотности и вязкости параметры таких процессов, как дросселирование газовых потоков, взаимодействие струй, вихреобразование и т.д. Эти методы применяют для анализа бинарных и псевдобинарных смесей, например, для определения Н2 в воздухе, Н2 в этилене, СО2 в инертных газах, С12 в Н2 и т.д. МОК метода от 0,01 до 0,1%.

Акустические методы основаны на измерении поглощения или скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн в газовой смеси. Методы не избирательны и применяются, в частности, для определения СН4, О2, Н2, СО2 в бинарных и псевдобинарных смесях. МОК метода от 0,001% до 0,1%.

Тепловые методы основаны на измерении теплопроводности газовой смеси (термокондуктометрический метод) или теплового эффекта радиации с участием определяемого компонента – (термохимический метод). Термокондуктометрическим методом находят содержание, напр., Не, СО2, Н2, СН4 в бинарных и псевдобинарных смесях (МОК от 0,01% до 0,1%. Термохимический метод используют для избирательного определения СО, СН4, О2, Н2, контроля в воздухе взрывоопасных и пожароопасных примесей (смесей газообразных углеводородов, паров бензина и т.д.).

Оптические методы, основанные на рассеянии света, получили развитие благодаря лазерной технике. Они применяются, в частности, при дистанционном контроле чистоты атмосферы для определения главным образом вредных примесей – органических соединений, оксидов азота, серы, углерода и т.д. МОК метода от 0,000001% до 0,1%. Рефрактометрический метод используется для определения СО2, СН4, ацетилена, SO2 и др. в бинарных и псевдобинарных смесях. МОК метода около 0,01%.

Ионизационные методы основаны на измерении электрической проводимости ионизованных газовых смесей. Ионизацию осуществляют радиоактивным излучением, электрическим разрядом, пламенем, УФ-излучением, на нагретой каталитически активной поверхности. Например, метод, основанный на измерении разницы сечений ионизации газов радиоактивным излучением, используют для анализа таких бинарных смесей, как Н2 – N2, N2 – CO2, а также некоторых углеводородов (МОК метода около 0,01%). Метод, основанный на ионизации органических соединений в водородном пламени, применяют для определения органических примесей в бинарных газовых смесях и воздухе (МОК метода около 0,00001%).

Масс-спектрометрические методы, основанные на измерении масс ионизованных компонентов анализируемого газа (см. Maceспектрометрия), применяют для определения инертных газов, О2, Н2, оксидов углерода, азота и серы, а также неорганических, органических и металлоорганических летучих соединений. МОК метода от 0,00001% до 0,001%.

Развитию направления по оценке физико-химических параметров дымовых газов ультразвуковым методом способствует такие главные его преимущества как высокая чувствительность, безынерционность и бесконтактность измерения, отсутствие подвижных частей в потоке, возможность применения одновременно для измерения плотности и расхода агрессивных газов.

Возможность осуществлять газовый анализ с помощью УЗ реализуется благодаря накопленному опыту и новейшим уникальным в своем роде разработок конструкторского бюро ООО НПО «Турбулентность-ДОН» в области газового анализа на основе измеренной скорости звука в нем [2, 3, 4]. Разработанная универсальная методика интерпретации скорости звука в зависимости от различного сочетания компонент газовой смеси позволяет ее распространить не только на анализ природного газа, но и на различные газовые смеси, включая попутный нефтяной газ, технически-важные газы, а также на дымовые газы. Принцип работы данной методики базируется на опытных эмпирических данных об измеренной скорости звука в анализируемом газе, полученных в ходе работы прибора в месте его установки.

Накопленные данные интерполируются в диапазоне температуры, давления, плотности при различном сочетании компонент газовой смеси.

Одним из преимуществ разработанной методики, является возможность использования ее при оценке объема и ФХП загрязняющих выбросов в атмосферу с применением различных видов исходного топлива, будь то природный газ, попутный газ, твердое (кокс, каменный уголь) или жидкое топливо (мазут, дизтопливо и пр.).

Основным недостатком метода является восприимчивость к изменению температуры газа, что значительно влияет на результат измерения скорости звука и плотности. Для исключения данной зависимости в средствах измерения производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН» применяются различные механизмы компенсации и коррекции дестабилизирующих факторов.

Вычислительный модуль блока электроники расходомеров Turbo Flow UFG-I разработан на основе высокопроизводительных контроллеров, позволяющих производить измерения в режиме реального времени. Наряду с высокой чувствительностью и низкой относительной погрешностью измерения плотности газа необходимо отметить следующие преимущества разработанных ультразвуковых расходомеров серии Turbo Flow UFG-I:

  • наличие функции оценки компонентного состава анализируемого газа;
  • возможность измерения плотности газов;
  • надежность и долговечность работы первичных преобразователей с возможностью выполнять автоматические измерения в условиях высоких температур, давлений, агрессивности и токсичности среды измерения;
  • возможность поверки и калибровки прибора в месте эксплуатации.

Кроме того, нужно отметить следующие преимущества от использования данной системы:

  • непрерывное ведение часовых/суточных архивов измеряемых параметров потока газа;
  • снижение стоимости модернизации существующих узлов измерения расхода газа, когда использование потоковых газоанализаторов экономически нецелесообразно.

Выводы

  1. Проведен обзор методов и средств измерения расхода отходящих дымовых газов, указаны их преимущества и недостатки. Обоснован выбор ультразвукового время-импульсного метода измерения, который является универсальным и наиболее перспективным.
  2. Приведено описание методов газового анализа, среди которых получили широкое применение оптические, являющиеся пробоотборными методами. К беспробоотборным методам относится ультразвуковой метод газового анализа.
  3. Рассмотрены технические характеристики перспективных УЗ расходомеров серии Turbo Flow UFG-I производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН», в составе аппаратно-программного комплекса которых применена инновационная методика газового анализа на основе измеренной скорости звука.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Газовый анализ: принципы и методы измерений [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://analitech.ru/ (дата обращения: 16.04.2021).
  2. Соломичев Р. И. Оценка физико-химических параметров природного газа акустическим способом / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. – 2019, № 4/2019 (72). с. 46–51.
  3. Соломичев Р. И. Исследование метрологических характеристик системы диагностики УЗ расходомеров UFG при оценке плотности природного газа / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. – 2019, № 5/2019 (73). с. 92–95.
  4. Соломичев Р. И. Измерение плотности нефтепродуктов и концентрации компонент технологических жидкостей ультразвуковым методом / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. – 2019, № 6/2019 (74). с. 60–64.

Статья в формате pdf →

346800, Ростов-на-Дону,
1-км шоссе Ростов-Новошахтинск,
стр. 6/7, 6/8
☎ +7 (863) 203-77-80
info@turbo-don.ru
www.turbo-don.ru

Читайте также:

ВЫПУСК 3/2021



Читать онлайн