:: ECONOMY :: РІДІОФІЗИЧНІ МЕТОДИ МОНІТОРІНГУ В ГАЗОВИДОБУВАЮЧІЙ ГАЛУЗІ

РІДІОФІЗИЧНІ МЕТОДИ МОНІТОРІНГУ В ГАЗОВИДОБУВАЮЧІЙ ГАЛУЗІ

18.03.2023 19:45

Автор: Скляров Ілля Юрійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, Україна; Кривенко Єгор Олександрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, Україна; Луценко Владислав Іванович, доктор фіз.-мат. наук, професор, Інститут радіофізики та електроники ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, Україна; Кабанов Валентин Олександрович, кандидат фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник, Інститут радіофізики та електроники ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, Україна; Кривенко Олена Владиславівна, кандидат фіз.-мат. наук, Інститут радіофізики та електроники ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, Україна

[25. Фізико-математичні науки;]

ORCID: 0000-0003-3753-7074 Vladyslav Lutsenko

ORCID: 0000-0002-3738-7718 Olena Kryvenko

ВСТУП

Останнім часом знаходять широке застосування методи контролю, що ґрунтуються на використанні сенсорів радіолокації що використовують метод діелектрометрії для екологічного моніторингу повітряного басейну при здобичі та транспортуванні природного газу [1, 2]. У роботі розглянуто можливості використання радіофізичних методів контролю у газовій галузі промисловості.

ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДІВ ДІЕЛЕКТРОМЕТРІЇ ДЛЯ ОЦІНКИ КОМПОНЕНТНОГО СКЛАДУ ГАЗОВИХ СУМІШЕЙ

Зараз проблема раціонального використання природних ресурсів придбала особливу актуальність. Економіка отримує відчутний збиток внаслідок значних втрат при транспортуванні до місця подальшої переробки здобутих корисних копалин. У зв'язку з цим останнім часом зростає інтерес до розробки радіофізичних методів оперативного контролю компонентного складу газу, що транспортується. Це завдання може вирішуватися з використанням підходів, прийнятих в діелектрометрії. З рівняння Менделєєва - Клапейрона для ідеального газу з урахуванням співвідношення Клаузіуса - Моссоті для поляризованості суміші компонент і з урахуванням того, що для газів

Коефіцієнт поляризованості газу α, згідно (1), можна визначити, знаючи діелектричну проникність e_r(p) або їх відношення при різних тисках

. При цьому:

де p_надм=p-1 - надмірний тиск.

Співвідношення (1) дозволяє оцінювати не лише діелектричну проникність газових сумішей, але і відсотковий вміст кожної складової в суміші, маючи в розпорядженні дані по їх поляризованості і загальному тиску. Воно може бути покладене в основу оцінки компонентного складу газових сумішей за їх діелектричними характеристиками. Для вимірювань відносної діелектричної проникності використовувався спеціально створений конденсаторний рефрактометр. Газові суміші утворювалися шляхом змішування в окремих ресиверах газу пропан-бутану з повітрям. При цьому манометрами контролювалися тиск, як газу, так і повітря, а також отриманої суміші. Це дозволяло розрахунковим методом оцінювати об’ємну концентрацію газу у суміші. На рис.1 показано результати вимірювання відношення діелектричної проникності з природним газом і повітрям при різних значеннях надлишкового тиску.

Істотна різниця між поляризованостями газу і повітрям (приблизно у два рази) служить фізичною передумовою, що забезпечує рішення зворотної задачі - визначення відсоткового вмісту повітря в газо - повітряній суміші.

Рис.1 Залежність проникності повітря і газу від тиску: ■ - повітря; ●, ♦ - газ підвищення тиску; ▲,▼ - газ пониження тиску.

Експерименти з сумішами пропан - бутану з повітрям в широкому діапазоні об'ємних концентрацій від 0 до 83% і тисків від 0 до 4 атмосфер показали, що експериментально отримані залежності g(p_изб) задовільно узгоджується з теоретично очікуваними - рис.2 [1, 2].

На рис. 3 представлено (отримані за експериментальними даними) результати обчислення об'ємного змісту повітря в газо-повітряній суміші залежно від істинних концентрацій, розрахованих за відомими парціальними тисками [1]. Як видно з рисунка, обміряні значення групуються навколо теоретичних оцінок. Це підтверджує висновок про можливість використання запропонованого підходу для оцінки компонентного складу газових сумішей, зокрема, повітря і газу методами діелектрометрії.

ДИСТАНЦІЙНИЙ МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ВИТОКІВ ГАЗУ МАГІСТРАЛЬНИХ ГАЗОПРОВОДАХ.

В даний час основним способом транспортування природного газу на великі відстані є його перекачування магістральними газопроводами.

Одна з серйозних проблем, що виникає під час транспортування газу - це втрати за рахунок витоків. Втрати газу можуть відбуватися як через пропуск у різних кранах і з'єднаннях, так і в результаті аварійних розривів труб. Останнім часом з'явилися прилади для дистанційного визначення витоку газу типу тепловізорів. В даний час для контролю газопроводів почали застосовувати радіометри. Основна перевага радіометрів перед приладами оптичного та інфрачервоного діапазонів полягає в їх високій проникаючій здатності. Отримання інформації про виток газу в радіодіапазоні не залежить від умов освітленості. Складність розв'язання такого завдання за допомогою радіометра визначається великою розгалуженістю газових магістралей, різноманітністю умов їх залягання: від зон вічної мерзлоти до пустель та водних перешкод.

Одним з альтернативних радіометрії методом визначення витоку газу є використання НВЧ - рефрактометра. Метод заснований на використанні відмінностей у коефіцієнті заломлення повітря та природного газу.

Принцип роботи НВЧ-рефрактометра заснований на зміні частоти об'ємного резонатора в залежності від показника заломлення речовини, що заповнює його. Якщо через порожнину резонатора проходить атмосферне повітря, резонансна частота його змінюватиметься зі зміною показника заломлення повітря, що знаходиться в ній. В експериментах використовувався рефрактометр з резонатором з інвару, матеріалу, що має низькі значення температурного коефіцієнта розширення (одна мільйонна на 1°С). Крім того, були передбачені спеціальні заходи щодо температурної компенсації уходів власної частоти резонатора. Технічні характеристики НВЧ – рефрактометра: чутливість 0,01 N-од.; максимальна частота вимірюваних флуктуацій показника заломлення-150 Гц; вага вимірювального резонатора з джерелом живлення та ліній передачі даних -1кГ; вага блоку прийому та обробки даних 5,5 кг – рис.4. Вимірювальний блок передає дані на приймальний пункт радіоканалу.

За відсутності сильно виражених конвективних переміщень повітря, флуктуації N у повітряному середовищі становлять близько 0,5…1N - одиниць. При заповненні вимірювального резонатора природним газом показання змінюються на 100-150 N одиниць. Це означає, що поява газу з концентрацією близько 1-2% можуть за таких умов фіксуватися рефрактометром. Це перевищує чутливість інших методів, зокрема тих, що використовують тепловізори. Для переміщення рефрактометра над трасою газопроводу можна використовувати вертольоти.

Рис.4 Радіорефрактометр: 1 - вимірювальний блок; 2- блок приймача

Для висоти підвісу рефрактометра понад 20м обурення повітряного потоку від вертольота при штатній швидкості польоту не перевищують природні флуктуації показника заломлення атмосфери, що становить близько 0,5 N-одиниць [2].

Друге ефективне застосування рефрактометра - визначення місць витоку газу на газоперекачувальних станціях. При витіканні газу, що знаходиться під надлишковим тиском 0,9 атмосфери, через сопло діаметром 0,5 мм, що імітує свищ (витік газу всього 1,6 дм3 за хвилину), рефрактометр стійко фіксував її на віддаленнях до 0,5м. На віддаленні 10 - 15 мм від місця витоку показання рефрактометра змінювалися в порівнянні з чистою тропосферою на 30-40 N-од., а при відстані 500мм - на 10 N-од.

Підйом вимірювального блоку рефрактометра вагою всього 1.5 кг можна здійснювати і за допомогою стандартної оболонки аерологічного зонда об'ємом 3 м³, що заповнюється інертним газом - гелієм.

ЗКЛЮЧЕННЯ

Експериментально підтверджена наявність істотної різниці між поляризованостями повітря і газу, що і забезпечує можливість визначення відсоткового вмісту повітря в газо- повітряної суміші. Отримані теоретично і підтверджені експериментально залежності діелектричної проникності газо- повітряної суміші від тиску і відсоткового вмісту повітря. Пропонований підхід може використовуватися для створення приладів, що забезпечують оперативний і безперервний контроль компонентного складу газових сумішей в магістральних газогонах.

Висока чутливість (0,01 N-од.) та точність, мала інерційність, невелика вага та габарити приладу дозволяють використовувати рефрактометричні датчики на гелікоптері для визначення витоків газу на магістральних газопроводах.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

1. Е.Н.Белов, В.К.Иванов, Е.В.Кривенко, В.Л.Прудкий, Г.И.Хлопов, С.И.Хоменко Использование метода диэлектрометрии для оценки компонентного состава газовых смесей / «Радиофизика и электроника», Сб. научн . трудов ИРЭ НАНУ, 2004, т.9 , № 3, с.535-540.

2. Кабанов В.А., Тургенев И.С. Рефрактометрические измерения с помощью вертолета // Радиотехника.- Харьков. Высшая школа.- Вып. 52.- С.94-97.

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License

Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter

Світ наукових досліджень. Випуск 30

РІДІОФІЗИЧНІ МЕТОДИ МОНІТОРІНГУ В ГАЗОВИДОБУВАЮЧІЙ ГАЛУЗІ