Способ выявления утечки природного газа из магистрального газопровода

 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к способам детектирования органических газов, в частности выявлению утечки природного газа из магистрального газопровода. Техническим результатом изобретения является повышение точности и селективности способа выявления мест утечки в полевых условиях. Способ выявления утечки природного газа из магистрального газопровода включает отбор пробы газовоздушной смеси близ газопровода, впрыскивание этой пробы в поток газа-носителя, пропуск пробы через колонку с адсорбентом, последующую подачу пробы после разделения метана, этана и пропана на детектор, измерение времен появления и величин компонентов сигналов метана, этана и пропана на выходе детектора. В качестве газа-носителя используют смесь газов, которая содержит кислород, адсорбцию пробы проводят на нагретой газочувствительной адсорбирующей поверхности сенсора детектора с одновременным окислением адсорбированным на этой поверхности кислородом метана, этана и пропана, причем мощность подогрева сенсора выбирают такой, которая при анализе пробы сравнения природного газа, отобранного непосредственно из магистрального газопровода, обеспечивает близкие между собою величины электрических сигналов на выходе детектора, которые соответствуют метану и этану, и сравнивают соотношение величин сигналов компонентов в пробе газовоздушной смеси с их соотношением в пробе сравнения, а о наличии истока природного газа из данного магистрального газопровода судят по совпадению указанных соотношений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к способам детектирования органических газов, в частности выявление утечки природного газа из магистрального газопровода.

Природный газ из магистрального газопровода представляет собой многокомпонентную газовую смесь, которая состоит из органических газов С1-С8, азота и углекислого газа.

В зависимости от месторождения концентрация основных органических компонентов естественного газа обычно лежит в таких пределах: метан 90-98.5%, этан 4.2-0.4%, пропан 1.5-0.1%.

Существует большое количество аналитических средств, так называемых течеискателей, использующих разные типы детекторов газов для определения их в режиме поиска. Наибольший ряд таких приборов предлагает фирма Riken Keiki - GP-88, GP-266, SP-237-H, NP-85, GL-92 и др (см. проспект фирмы Riken Keiki Со., Ltd).

Известный специализированный течеискатель для природного газа, способный работать в полевых условиях (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).

Известен также способ выявления утечек газа из газопровода, находящегося в грунте, описанный в авторском свидетельстве SU 1642190, кл. F 17 D 5/02, 1991 г. , который включает обход трассы газопровода, сбор газа, который выходит из-под земли, в переносную емкость и определение места утечки газа по его наличию в емкости. Для этого над газопроводом в грунте укладывают емкость, выполненную в виде перфорированной трубы, ее концы выводят на поверхность земли и по их загазованности определяют место утечки газа. Такой способ требует значительных начальных затрат и не может быть использован на газопроводах предварительно не оборудованных соответствующим образом.

Этот недостаток устранен в известном индикаторе утечки газа, описанном в патенте DE 293633, кл. F 17 D 5/02, 1991 г. и предназначенном для непрерывного наземного контроля на герметичность трубопровода горючего газа, проложенного в грунте, и который имеет подвижный колпак, в котором находится индикатор, который непосредственно проверяет воздух, собирающийся под колпаком, на наличие в нем следов газа.

Общим недостатком таких течеискателей (относительно нашей задачи) является их неизбирательность (неселективность). Избирательность, необходимая при поиске утечки магистрального газа из-за возможного присутствия вблизи трубопровода одних и тех же органических компонентов, которые входят в состав газовой смеси в трубопроводе, но которые не имеют отношение к утечке, а исходят из других источников и могут быть по ошибке приняты за признак наличия утечки. Такие органические компоненты могут содержать болотный газ (метан), продукты гниения органических веществ (метан), органические примеси городской атмосферы или выхлопные газы автомобилей.

Абсолютным по избирательности является хроматографический метод анализа и по этой причине он считается наиболее привлекательным для решения указанной технической задачи (Березкин В.Г., Татаринский В.С. Газохроматографические методы анализа примесей. - М.: Наука, 1970, 207 с.).

Для этих целей наиболее пригодными являются хроматографы с пламенно-ионизационным детектором (ПИД), которые используются для детектирования исключительно органических газов (см., например, каталог фирмы Шимадзу (SHIMADZU)). Для работы ПИД необходимые такие чистые газы: водород и воздух - для поддержания горения пламени в детекторе, а также азот, аргон или гелий как газ-носитель. Особым свойством ПИД является высокая линейность его характеристик и пропорциональность сигнала на выходе числу атомов углерода в молекуле. Способ выявления утечки природного газа из магистрального газопровода с помощью хроматографа с пламенно-ионизационным детектором, избранный за прототип, состоит в следующем. Отобранная проба газовоздушной смеси специальным краном-дозатором подается в поток газа-носителя; этим потоком проба подается на хроматографическую колонку, где при постоянном протекании через нее газа-носителя на адсорбенте происходит разделение смеси на отдельные газы-компоненты. Разделенные метан, этан, пропан и прочие компоненты газом-носителем подаются на детектор, где происходит регистрация сигнала от каждого газа. Поскольку промежуток времени от введения пробы данного газа краном-дозатором до появления соответствующего сигнала на выходе детектора (так называемое время удержания) зависит от вида газа и в общем случае разное для разных видов газа и, таким образом, является индивидуальной качественной характеристикой газа, которая и обеспечивает избирательность хроматографического метода. При этом величина сигнала является количественной характеристикой концентрации соответствующего газового компонента (Яшин Я.И. Физико-химические основы хроматографического разделения. - М.: Химия, 1976, 218 с).

Однако применение хроматографов с ПИД для выявления утечки природного газа из магистрального газопровода имеет ряд недостатков. Один из них связан с высокой линейностью ПИД и с тем, что при хроматографическом разделении природного газа порядок появления сигналов следующий: метан, этан, пропан, бутан и т. д. При этом, поскольку концентрация метана может превышать концентрацию этана в 240 раз, добиться полного разделения метана и этана на хроматографической колонке практически невозможно и при высокой линейности детектора метан и этан детектируются как неразделенные пики, причем неразделенный пик этана "сидит" на "крыле" пика метана. Это затрудняет фиксацию времени его удержания при таком перепаде концентраций. Попытки улучшить разделение метана и этана приводят только к значительному увеличению времени анализа и не дают желательного результата. Другой недостаток этого способа состоит в том, что при его практическом применении пробы газа необходимо доставлять в лабораторию, где находятся стационарные хроматографы с ПИД, поскольку переносные хроматографы с ПИД не нашли своего распространения из-за таких недостатков, как сложность аппаратурной реализации, из-за необходимости использования встроенных баллонов для водорода и воздуха под давлением, а также в связи с тем, что постоянные изменения положения переносного хроматографа с ПИД в пространстве вызовут изменение геометрии водородного пламени в детекторе, а это, в свою очередь, вызовет значительные флуктуации полезного сигнала, который ухудшает соотношения сигнал/шум и чрезвычайно затрудняет измерения в диапазоне микроконцентраций.

Задачей заявляемого изобретения является усовершенствование известного способа за счет качественного изменения газа-носителя, изменения условий осуществления детектирования путем использования детектора с изменяемой относительной чувствительностью к основным компонентам естественного газа за счет применения в детекторе адсорбирующей поверхности сенсора, упомянутая относительная чувствительность которой зависит от ее температуры, выбора других признаков, по которым судят о наличии утечки газа и оптимизации условий их сравнения, что все вместе позволяет повысить точность и селективность способа выявления мест утечки природного газа из данного магистрального газопровода в полевых условиях, в частности в местах с высокой концентрацией низкомолекулярных органических газов другого происхождения, и, в конечном итоге, повысить достоверность определения места утечки природного газа, а также упростить аппаратную реализацию способа и сделать возможным создание соответствующей передвижной аппаратуры, поскольку отпадает потребность в высоком напряжении для питания ПИД, примененный в заявленном способе детектор нечувствителен к изменению его положения, для реализации способа не нужны чистые газы, для транспортирования которых необходимы массивные и крупногабаритные баллоны и т.п., и таким образом сократить время поиска утечки газа.

Технический результат состоит в том, что при осуществлении этого способа выявления утечки природного газа из магистрального газопровода повышается точность и достоверность выявления истока природного газа из данного магистрального газопровода, а также упрощается аппаратная реализация способа, который открывает путь к созданию соответствующей передвижной аппаратуры, использование которой уменьшает время и затраты для выявления утечки природного газа из данного магистрального газопровода.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе выявления утечки природного газа из магистрального газопровода, который включает отбор пробы газовоздушной смеси близ газопровода, впрыскивание этой пробы в поток газа-носителя, пропуск пробы через колонку с адсорбентом, следующую подачу пробы после разделения метана, этана и пропана на детектор, измерение времени появления и величин компонентов сигналов метана, этана и пропана на выходе детектора, в качестве газа-носителя используют смесь газов, которая содержит кислород, адсорбцию пробы проводят на нагретой газочувствительной адсорбирующей поверхности сенсора детектора с одновременным окислением адсорбированным на этой поверхности кислородом метана, этана и пропана, причем мощность подогрева сенсора избирают такой, которая при анализе пробы сравнения природного газа, отобранного непосредственно из магистрального газопровода, обеспечивает близкие между собою величины электрических сигналов на выходе детектора, которые соответствуют метану и этану, и сравнивают соотношение величин сигналов компонентов в пробе газовоздушной смеси с их соотношением в пробе сравнения, а о наличии утечки природного газа из данного магистрального газопровода судят по совпадению указанных соотношений.

При этом адсорбирующая поверхность сенсора может быть выполнена из полупроводникового материала, чувствительность которого к метану по отношению к чувствительности к этану уменьшается с уменьшением его температуры.

Суть заявляемого способа состоит, таким образом, в том, что о наличии утечки природного газа из данного газопровода судят по совпадению соотношения хроматографических сигналов основных составных природного газа, в первую очередь метана и этана, в отобранной газовоздушной пробе в месте поиска истока и в пробе сравнения природного газа, отобранной непосредственно из магистрального газопровода, полученных с помощью хроматографа с детектором, относительная чувствительность которого к метану сравнительно с чувствительностью к этану может быть контролируемой путем уменьшения настолько, чтобы сигналы от метана и этана на выходе детектора были близкими по величине (по крайней мере одного порядка), который повышает точность сравнения и, таким образом, достоверность выявления утечки природного газа из данного газопровода. Упомянутое изменение условий детектирования, а именно относительной чувствительности детектора, достигается в этом способе за счет того, что в качестве газа-носителя используют смесь газов, которая содержит кислород, адсорбцию пробы проводят на нагретой газочувствительной адсорбирующей поверхности сенсора детектора с одновременным окислением адсорбированным на этой поверхности кислородом метана, этана и пропана, причем упомянутое изменение относительной чувствительности к основным компонентам природного газа изменяют путем изменения мощности подогрева газочувствительной адсорбирующей поверхности сенсора детектора. Естественно, что упомянутая мощность при анализе газовоздушной пробы, отобранной в месте поиска утечки, и пробы сравнения должна быть одинаковой. Оптимальной следует считать мощность, при которой величина сигнала метана близка к величине сигнала этана в пробе сравнения.

Изменение способа детектирования, состава газа-носителя и применение как газочуствительного сенсора поверхности полупроводникового материала делает возможным создание соответствующей передвижной аппаратуры для оперативного выявления утечки природного газа из магистрального газопровода, поскольку подогрев газочувствительной поверхности сенсора может быть осуществлен низковольтными источниками тока, которыми оборудованы транспортные средства, сам детектор, примененный в заявленном способе нечувствителен к изменению его положения, а для приготовления газа-носителя не нужны чистые газы, для транспортирования которых необходимы массивные и крупногабаритные баллоны и т.п. Это дает возможность сократить время поиска утечки газа.

Отличительной особенностью полупроводникового детектора, который применяется в способе, является высокая чувствительность к органическим газам, аналогичная чувствительности пламенно-ионизационных детекторов, что позволяет определять незначительные концентрации примесей газов при их сильном разведении воздухом, что и происходит при отборе пробы в приземном слое над трассой газопровода, а также возможность его питания от низковольтного источника тока. Кроме того, этот детектор работает с газовыми смесями, для приготовления которых используется только воздух и не нужны редчайшие инертные газы и чистый водород. И, наконец, изменение мощности нагревания сенсора детектора разрешает выборочно изменять чувствительность к разным газам. Например, при мощности нагревания сенсора детектора 0.49 Вт величины сигналов метана и этана имеют значение 861 и 55 соответственно (см. чертеж - а), что отвечает относительной чувствительности 861:55 = 15.6. Снижение мощности нагревания сенсора до 0.36 Вт приводит к уменьшению величины обоих в два раза. Относительная погрешность измерений содержимого по этану при этом уменьшилась более чем в 6 раз (25% и 4% соответственно). Таким образом, состоялось выборочное снижение чувствительности сенсора по метану и повышение точности измерений концентрации этана.

При реализации способа использовали такое оснащение и материалы: 1. Газовый хроматограф с полупроводниковым детектором ГАЗТЕСТ.

2. Газовую смесь в баллоне под давлением, которая содержит метан (1957 ррм) и этан (8,4 ррм).

3. Интегратор C-R6 фирмы Шимадзу. Способ осуществляли следующим образом.

С помощью хроматографа осуществляли анализ вышеуказанной смеси при разных условиях (см. чертеж): а) при токе нагревания полупроводникового сенсора, который обеспечивает мощность 0,49 вт, и б) при мощности 0,36 вт.

Результаты измерений были зафиксированы с помощью интегратора.

Как можно видеть, уменьшение мощности на 26% приводит к снижению чувствительности по этану на 20% (то есть пропорционально), но снижение чувствительности по метану при этом осуществляется в 2.7 раз. При этом относительная погрешность измерения этана в первом и втором варианте равняется 25% и 4% соответственно. В обоих опытах отношения концентраций метана и этана оставалось неизменным и составляло 233.

То есть, действительно, при снижении мощности нагревания сенсора происходит значительное снижение чувствительности к метану при практически неизменной чувствительности к этану и, таким образом, происходит относительное снижение чувствительности по метану.

Все вышеперечисленные преимущества заявляемого способа позволяют использовать его в полевых условиях, то есть осуществлять анализ и сравнение отобранных проб на месте, и при необходимости оперативно повторить измерения, сделать точную идентификацию магистрального газа и безошибочно установить место диффузии газа из слоя земли, и тем самым точно установить место утечки.

Формула изобретения

1. Способ выявления утечки природного газа из магистрального газопровода, который включает отбор пробы газовоздушной смеси вблизи газопровода, впрыскивание этой пробы в поток газа-носителя, пропуск пробы через колонку с адсорбентом, последующую подачу пробы после разделения метана, этана и пропана на детектор, измерение времен появления и величин компонентов сигналов метана, этана и пропана на выходе детектора, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют смесь газов, которая содержит кислород, адсорбцию пробы проводят на нагретой газочувствительной адсорбирующей поверхности сенсора детектора с одновременным окислением адсорбированным на этой поверхности кислородом метана, этана и пропана, причем мощность подогрева сенсора выбирают такой, что при анализе пробы сравнение природного газа, отобранного непосредственно из магистрального газопровода, обеспечивает близкие между собой величины электрических сигналов на выходе детектора, которые соответствуют метану и этану, и сравнивают соотношение величин сигналов компонентов в пробе газовоздушной смеси с их соотношением в пробе сравнения, а о наличии утечки природного газа из данного магистрального газопровода судят по совпадению указанных соотношений.

2. Способ выявления утечки природного газа из магистрального газопровода по п.1, отличающийся тем, что адсорбирующая поверхность сенсора выполнена из полупроводникового материала, чувствительность которого к метану по отношению к чувствительности к этану уменьшается с уменьшением его температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.04.2005

Извещение опубликовано: 20.04.2006        БИ: 11/2006

---