Спосіб виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу

1 Спосіб виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу, який включає відбір проби газоповітряної суміші поблизу газопроводу, впорскування цієї проби в потік газу-носія, пропускання проби через колонку з адсорбентом, наступну подачу проби після розділення метану, етану і пропану на детектор, вимірювання часів появи і Винахід стосується аналітичного приладобудування, а саме способів детектування органічних газів, зокрема виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу Природний газ з магістрального газопроводу багатокомпонентна газова суміш, що складається з органічних газів С1-С8, азоту і вуглекислого газу Залежно від родовища концентрація основних органічних компонентів природного газу звичайно лежить в таких межах Метан 90 - 98,5%, етан 4,2 - 0,4%, пропан 1,5 0,1% Існує велика КІЛЬКІСТЬ аналітичних засобів, так званих течошукачів, що використовують різні типи детекторів газів для визначення їх у режимі пошуку Найбільший ряд таких приладів пропонує фірма Рікен Кейкі - GP-88, GP-266, SP-237-H, NP-85, GL-92 та ш (див проспект фірми Riken Keiki Co , Ltd) Відомий спеціалізований течошукач для при величин компонентів сигналів метану, етану і пропану на виході детектора, який відрізняється тим, що як газ-носій використовують суміш газів, яка містить кисень, адсорбцію проби проводять на нагрітій газочутливій адсорбуючій поверхні сенсора детектора з одночасним окислюванням метану, етану і пропану адсорбованим на цій поверхні киснем, причому потужність підігріву сенсора вибирають такою, щоб при аналізі проби порівняння природного газу, відібраного безпосередньо з магістрального газопроводу, забезпечити близькі між собою величини електричних сигналів на виході детектора, які відповідають метану і етану, і порівнюють співвідношення величин сигналів компонентів у пробі газоповітряної суміші з їх співвідношенням у пробі порівняння, а про наявність витоку природного газу з даного магістрального газопроводу судять за збігом вказаних співвідношень 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що адсорбуюча поверхня сенсора виконана з напівпровідникового матеріалу, чутливість якого до метану по відношенню до чутливості до етану зменшується із зменшенням його температури родного газу, здатний працювати в польових умовах (Тохтуев Е Г Ларченко В И Применение лазерной спектроскопии в аналитическом приборостроении, Аналитические приборы и приборы для научных исследований ТС-4, М, ЦНИИТЭИ приборостроения, 1981, вып 5, ОИ) Відомий також спосіб виявлення витоків газу з газопроводу, що знаходиться в ґрунті, описаний в авторському СВІДОЦТВІ SU №1642190, кл F17D5/02, 1991 р , який включає обхід траси газопроводу, збір газу, що виходить з-під землі, в переносну ємність і визначення місця витоку газу по його наявності в ємності Для цього над газопроводом у ґрунті укладають ємність, виконану у вигляді перфорованої труби, и КІНЦІ ВИВОДЯТЬ на по верхню землі І по їхній загазованості визначають місце витоку газу Такий спосіб вимагає значних початкових витрат і не може бути використаний на газопроводах попередньо обладнаних ВІДПОВІДНИМ чином О (О ю 56271 Цей недолік усунуто у відомому індикаторі витоку газу, описаному у патенті DE №293633, кл F17D5/02, 1991 р і призначеного для безперервного наземного контролю на герметичність трубопроводу горючого газу, прокладеного в ґрунті, і який має рухомий ковпак, в якому заходиться індикатор, що безпосередньо випробує повітря, яке збирається під ковпаком, на наявність у ньому СЛІДІВ газу Загальним недоліком таких течошукачів (стосовно нашої задачі) є їхня невибірковість (неселективність) Вибірковість необхідна при пошуку витоку магістрального газу через можливу присутність поблизу трубопроводу тих самих органічних компонентів, що входять до складу газової суміші в трубопроводі, але які не мають відношення до витоку, а походять з інших джерел і можуть бути помилково прийняті за ознаку наявності витоку Такі органічні компоненти можуть містити болотний газ (метан), продукти гниття органічних речовин (метан), органічні домішки міської атмосфери або вихлопні гази автомобілів Абсолютним по вибірковості є хроматографічний метод аналізу і з цієї причини він вважається найбільш привабливим для рішення зазначеної технічної задачі (Березкин В Г , Татаринский В С , Газохроматографические методы анализа примесей - М Наука, 1970-207с) Для цих цілей найбільш придатними є хроматографи з полум'яно-іонізаційним детектором (ПІД), що використовуються для детектування винятково органічних газів (див , наприклад, каталог фірми Шимадзу (SHIMADZU)) Для роботи ПІД необхідні такі чисті гази водень і повітря - для підтримання горіння полум'я в детекторі, а також азот, аргон, або гелій як газ-носій Особливою властивістю ПІД є висока ЛІНІЙНІСТЬ ЙОГО характеристик і пропорційність сигналу на виході числу атомів вуглецю в молекулі Спосіб виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу за допомогою хроматографа з полум'яноіонізаційним детектором, обраний за прототип, полягає в наступному Відібрана проба газоповітряної суміші спеціальним краном-дозатором подається в потік газу-носія, цим потоком проба подається на хроматографічну колонку, де при постійному протіканні через неї газу-носія на адсорбенті відбувається поділ суміші на окремі газикомпоненти Розділені метан, етан, пропан та ІНШІ компоненти газом носієм подаються на детектор, де відбувається реєстрація сигналу від кожного газу Оскільки проміжок часу від введення проби даного газу краном-дозатором до появи ВІДПОВІДНОГО сигналу на виході детектора (так званий час утримання) залежить від виду газу і, в загальному випадку є різним для різних видів газу і, таким чином, є індивідуальною якісною характеристикою газу, яка і забезпечує вибірковість хроматографічного методу При цьому величина сигналу є КІЛЬКІСНОЮ характеристикою концентрації ВІДПОВІДНОГО газового компонента (Яшин Я И Физикохимические основи хром ато граф и чес ко го разделения -М Химия, 1976,-218с) Однак застосування хроматографіє з ПІД для виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу має ряд недоліків Один з них по в'язаний з високою ЛІНІЙНІСТЮ ПІД і з тим, що при хроматографічному розділенні природного газу порядок появи сигналів наступний метан, етан, пропан, бутан і т д При цьому, оскільки концентрація метану може перевищувати концентрацію етану в 240 разів, домогтися повного розділення метану і етану на хроматографічній колонці практично неможливо і при високій ЛІНІЙНОСТІ детектора метан і етан детектуються як нерозділені піки, причому нерозділений пік етану "сидить" на "крилі" піку метану Це утруднює фіксацію часу його утримання при такому перепаді концентрацій Спроби поліпшити поділ метану і етану призводять тільки до значного збільшення часу аналізу і не дають бажаного результату Інший недолік цього способу полягає в тому, що при його практичному застосуванні проби газу необхідно доставляти в лабораторію, де знаходяться стаціонарні хроматографи з ПІД, оскільки переносні хроматографи з ПІД не знайшли свого поширення через такі недоліки як складність апаратурної реалізації через необхідність використання вбудованих балонів під тиском для водню і повітря, а також в зв'язку з тим, що ПОСТІЙНІ зміни положення переносного хроматографу з ПІД в просторі викликають зміну геометрії водневого полум'я в детекторі, а це, в свою чергу, викликає значні флуктуації корисного сигналу, що погіршує співвідношення сигнал/шум і вкрай утруднює виміри в діапазоні мікроконцентрацій Задачею винаходу, що заявляється, є удосконалення відомого способу за рахунок якісної зміни газу-носія, зміни умов здійснення детектування шляхом використання детектора зі змінною відносною чутливістю до основних компонентів природного газу за рахунок застосування в детекторі адсорбуючої поверхні сенсора згадана відносна чутливість якої залежить від и температури, вибору інших ознак, за якими судять про наявність витоку газу і оптимізацм умов їх порівняння, що все разом дозволяє підвищити точність і селективність способу виявлення місць витоку природного газу з даного магістрального газопроводу в польових умовах, зокрема в місцях з високою концентрацією низькомолекулярних органічних газів іншого походження, і в кінцевому підсумку підвищити достовірність визначення місця витоку природного газу, а також спростити апаратну реалізацію способу і зробити можливим створення відповідної пересувної апаратури, оскільки відпадає потреба в високій напрузі для живлення ПІД, застосований в заявленому способі детектор нечутливий до зміни його положення, для реалізації способу непотрібні чисті гази, для транспортування яких необхідні масивні і великогабаритні балони тощо і таким чином скоротити час пошуку витоку газу Технічний результат полягає в тому, що при здійсненні цього способу виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу підвищується точність і достовірність виявлення витоку природного газу з даного магістрального газопроводу, а також спрощується апаратна реалізація способу, що відкриває шлях до створення відповідної пересувної апаратури, використання якої зменшує час і витрати для виявлення витоку природного газу з даного магістрального газопроводу Зазначений технічний результат досягається 56271 тим, що у відомому способі виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу, який включає відбір проби газоповітряної суміші поблизу газопроводу, впорскування цієї проби в потік газу-носія, пропускання проби через колонку з адсорбентом, наступну подачу проби після розділення метану, етану і пропану на детектор, вимірювання часів появи і величин компонентів сигналів метану, етану і пропану на виході детектора, як газ-носій використовують суміш газів, яка містить кисень, адсорбцію проби проводять на нагрітій газочутливіи адсорбуючій поверхні сенсора детектора з одночасним окислюванням адсорбованим на цій поверхні киснем метану, етану і пропану, причому потужність підігріву сенсора обирають такою, яка при аналізі проби порівняння природного газу, відібраного безпосередньо з магістрального газопроводу, забезпечує близькі між собою величини електричних сигналів на виході детектора, які відповідають метану і етану, і порівнюють співвідношення величин сигналів компонентів у пробі газоповітряної суміші з їх співвідношенням в пробі порівняння, а про наявність витоку природного газу з даного магістрального газопроводу судять за збігом вказаних співвідношень При цьому, адсорбуюча поверхня сенсора може бути виконана з напівпровідникового матеріалу, чутливість якого до метану по відношенню до чутливості до етану зменшується зі зменшенням його температури Суть способу, що заявляється, полягає, таким чином, утому, що про наявність витоку природного газу з даного газопроводу судять за збігом співвідношення хроматографічних сигналів основних складових природного газу, в першу чергу метану і етану, у відібраній газоповітряній пробі в МІСЦІ пошуку витоку і в пробі порівняння природного газу, відібраної безпосередньо з магістрального газопроводу, отриманих за допомогою хроматографа з детектором, відносна чутливість якого до метану порівняно з чутливістю до етану може бути контрольованим чином зменшена настільки, щоб сигнали від метану і етану на виході детектора були близькими за величиною (принаймні одного порядку величини), що підвищує точність порівняння, і таким чином, достовірність виявлення витоку природного газу з данного газопроводу Згадана зміна умов детектування, а саме відносної чутливості детектора досягається в цьому способі за рахунок того, що як газ-носій використовують суміш газів, яка містить кисень, адсорбцію проби проводять на нагрітій газочутливіи адсорбуючій поверхні сенсора детектора з одночасним окислюванням адсорбованим на цій поверхні киснем метану, етану і пропану, причому згадану зміну відносної чутливості до основних компонентів природного газу змінюють шляхом зміни потужності підігріву газочутливої адсорбуючої поверхні сенсора детектора Природно, що згадана потужність при аналізі газоповітряної проби відібраної в МІСЦІ пошуку витоку і проби порівняння повинна бути однаковою Оптимальною слід вважати потужність, при якій величина сигналу метану близька до величини сигналу етану в пробі порівняння Зміна способу детектування, складу газу-носія і застосування як газочутливого сенсора поверхні напівпровідникового матеріалу робить можливим створення відповідної пересувної апаратури для оперативного виявлення витоку природного газу з магістрального газопроводу, оскільки підігрів газочутливої поверхні сенсора може бути здійснений низьковольтними джерелами струму, якими обладнані транспортні засоби, сам детектор, застосований в заявленому способі нечутливий до зміни його положення, а для приготування газу-носія непотрібні чисті гази, для транспортування яких необхідні масивні і великогабаритні балони тощо Це дає можливість скоротити час пошуку витоку газу ВІДМІТНОЮ особливістю напівпровідникового детектора, що застосовується в способі, є висока чутливість до органічних газів, аналогічна чутливості полуменево-юнізаційних детекторів, що дозволяє визначати незначні концентрації домішок газів при їх сильному розведенні повітрям, що і відбувається при відборі проби в приземному шарі над трасою газопроводу, а також можливість його живлення від низьковольтного джерела струму Крім того цей детектор працює з газовими сумішами, для приготування яких використовується тільки повітря і не потрібні рідкісні інертні гази і чистий водень Нарешті зміна потужності нагрівання сенсора детектора дозволяє вибірково змінювати чутливість до різних газів Наприклад, при потужності нагрівання сенсора детектора 0,49Вт величини сигналів метану і етану мають значення 861 і 55, ВІДПОВІДНО, (фиг 1), що відповідає ВІДНОС НІЙ чутливості 861 55=15,6 Зниження потужності нагрівання сенсора до 0,36Вт призводить до зменшення величини обох сигналів - 321 (метан) і 43 (етан), ВІДПОВІДНО, (фіг 2), але відносна чутливість тепер дорівнює 321 43=7,4 Тобто, при зменшенні споживаної потужності сенсора на 28% відносна чутливість метану до етану зменшилася в два рази Відносна похибка вимірювань вмісту етану при цьому зменшилася більш ніж у 6 разів (25% і 4%, ВІДПОВІДНО) Таким чином відбулося вибіркове зниження чутливості сенсора по метану і підвищення точності вимірювань концентрації етану При реалізації способу використовували таке обладнання та матеріали 1 Газовий хроматограф з напівпровідниковим детектором ГАЗТЕСТ 2 Газову суміш у балоні під тиском, що містить метан (1957ррм) та етан (8,4ррм) 3 Інтегратор C-R6 фірми Шимадзу Спосіб здійснювали наступним чином За допомогою хроматографа здійснювали аналіз вищевказаної суміші при різних умовах а) при струмі нагрівання напівпровідникового сенсора, що забезпечує потужність 0,49Вт, та б) при потужності 0,36Вт Результати вимірів були зафіксовані за допомогою інтегратора (фіг 1) Як можно бачити, зменшення потужності на 26% приводить до зниження чутливості по етану на 20% (тобто пропорційно), але зниження чутливості по метану при цьому здійснюється в 2,7 разів При цьому відносна похибка виміру етану в першому та другому варіанті дорівнює 25% та 4% ВІДПОВІДНО В обох дослідах відношення концентрацій метану і етану залишалося незмінним і ста 7 56271 8 новило 233 являється, дозволяють використовувати його у Отже дійсно при зниженні потужності нагріпольових умовах, тобто здійснювати аналіз і порівання сенсора відбувається значне зниження чутвняння відібраних проб на МІСЦІ, І при необхідності ливості до метану при практично незмінній чутлиоперативно повторити виміри, зробити точну іденвості до етану і таким чином відбувається відносне тифікацію магістрального газу і безпомилково зниження чутливості по метану встановити місце дифузії газу з шару землі, і тим самим точно встановити місце витоку Всі вище перелічені переваги способу, що за І FU J $m?a мг і ЇГ* К #^flO 11 ПЯЄ ь У- й * 3 * ft. Ш HETHOS SAflPLE M T 2. ТІНЕ Т