CC BY
72
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лоб ачевского, 2011, № 5 (1), с. 76-81
УДК 534.6 + 536.412
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОДОРАНТА ПРИРОДНОГО ГАЗА
© 2011 г. А.М. Рейман
Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород
rey@appl.sci-nnov.ru
Поступила в редакцию 02.04.2010
Рассматривается метод натурных измерений ряда физических параметров агрессивной химической среды: скорости звука и ее зависимости от температуры, а также коэффициента объемного теплового расширения. Метод исключает непосредственный контакт измерительной аппаратуры с исследуемой средой. На примере одоранта природного газа показаны возможности проведения измерений указанных параметров.
Ключевые слова: скорость звука, тепловое расширение, ультразвуковая локация, насыщенные пары.
Введение
Одорант природного газа - агрессивная химическая среда, применяемая в качестве добавки к природному газу с целью индикации его утечек из трубопроводов, промышленных и бытовых газовых агрегатов и приборов. В настоящее время в России используют в основном природный одорант - смесь легких меркаптанов, в большинстве развитых стран мира - синтетический, в основном содержащий этилмер-каптан. Поскольку предельно допустимые концентрации одоранта чрезвычайно малы [1], задача учета количества этого вещества в подземных и расходных емкостях является крайне важной. Для этой цели применяются измерители уровня, основанные на принципах радарной или ультразвуковой локации. После проведения измерений производится пересчет уровня одо-ранта в объем и массу вещества, однако этот пересчет основан на использовании условной величины плотности одоранта, что вносит существенную погрешность в оценки. Систематические данные о физических свойствах данного класса веществ (плотности, коэффициенте объемного теплового расширения) в литературе отсутствуют, имеются лишь разрозненные данные для отдельных химически чистых составляющих [2-4]. Сведения об акустических свойствах одоранта (скорость звука, затухание, зависимость скорости звука от температуры) вообще отсутствуют в справочной литературе. Проведение лабораторных измерений с образцами одоранта практически невозможно в условиях обычной акустической лаборатории из-за токсичности и низких значений ПДК. Это ограничивает возможности применения ультразвуковых уровнемеров, усложняет схему измере-
ний и приводит к удорожанию приборов. Зачастую такое положение дел приводит к тому, что службы учета товарного количества одоранта имеют весьма приблизительную информацию о его реальном наличии в емкостях хранения. Это может приводить как к недопустимому падению концентрации одоранта в газе, так и к возможным утечкам из-за перелива при наполнении емкостей. Сходные проблемы возникают также и при оценивании расхода одоранта в системах одоризации природного газа на газораспределительных станциях (ГРС), что немаловажно, учитывая малые значения ПДК одоранта. Более того, при анализе записей, сделанных телеметрической аппаратурой с уровнемеров, возникает необходимость их верной интерпретации, т.к. сочетание теплового расширения, конденсации насыщенного пара и других факторов приводит к не всегда понятным результатам.
Целью исследований являлось определение и разделение влияния этих факторов на регистрируемый уровень жидкости на основе анализа реальных записей телеметрической аппаратуры ГРС и температуры в районе газораспределительной станции.
Измерение скорости звука и ее температурного дрейфа
Для измерения скорости звука в одоранте и определения ее зависимости от температуры жидкости использовались данные измерений с помощью ультразвуковых уровнемеров АУЗУР-
02. Эти уровнемеры предназначены для измерения уровня без непосредственного контакта датчика с жидкостью, т.е. через стенку емкости. Схема измерения, реализованная в этом уров-
Рис. 1. Схема измерительного тракта двухканального уровнемера: 1 - емкость; 2 - жидкость; 3 - уровнемер; 4 - акустический зонд рабочего канала; 5 - акустический зонд опорного канала
немере, представлена на рис. 1. Используется эхолокация короткими акустическими импульсами на частоте 2.5 МГц в двух направлениях: вертикальном (рабочий канал) и горизонтальном (опорный канал) с измерением времени задержки отраженного сигнала от границы раздела жидкость/газ или от противоположной стенки емкости [5]. Такая схема позволяет при измерениях исключить неизвестное значение скорости звука в жидкости, однако применение такой схемы ограничено. Например, для горизонтальной цилиндрической емкости уровень жидкости должен быть выше половины общей высоты.
Для измерений скорости звука регистрировались акустические эхосигналы с опорного канала прибора, измерялось время задержки сигнала относительно зондирующего импульса, по имеющимся данным о диаметре емкости и толщине ее стенки вычислялась скорость звука в жидкости. Одновременно регистрировались показания встроенного термометра в акустическом зонде прибора. Далее проводилась аппроксимация экспериментальных точек теоретической прямой методом наименьших квадратов (МНК).
Результаты измерений на подземных емкостях хранения одоранта (ПЕО) и расходных емкостях одоранта (РЕО) газораспределительных станций Нижегородской области приведены на рис. 2. Аппроксимация дает значения скорости звука в одоранте при 20°С С20 = (1154± 15) м/с, температурный коэффициент скорости звука в одоранте 5С = (-4.65±0.5) м/(с°С). Полученные значения по порядку величины близки к имеющимся данным для ряда других органических веществ.
г® Ю Щ
Pra. 2. Зависимость скорости звука в одоранте от температуры. Экспериментальные данные, полученные на емкостях с разными параметрами, показаны разными символами. Прямая - МНК-аппроксимация
Измерения показали, что основным фактором, влияющим на разброс экспериментальных данных, является отклонение показаний встроенного термометра акустического зонда от истинных значений температуры из-за нагрева усилительного тракта, находящегося в герметичном корпусе вместе с датчиком температуры, погрешностей усилителя датчика температуры и недостаточной точности самого датчика (использовался интегральный датчик AD22!00 производства Analog Devices). Однако для ПЕО, заглубленной в грунт на і-2 м, это практически единственный способ определения температуры одоранта в условиях TPC.
Оценка коэффициента объемного расширения
Для оценки коэффициента теплового расширения одоранта использовались телеметрические записи, полученные в течение 4 суток с двух приборов Ay3yP-02, установленных на одной из TPC Приокского ЛПУМГ. Первый прибор был установлен на расходной емкости одоранта на открытом воздухе под навесом, второй - на подземной емкости хранения. График зависимости высоты столба жидкости в PEO от времени приведен на рис. 3. Видно, что кривая уровня отражает два основных фактора
- расход одоранта, поступающего в систему одоризации природного газа, и суточные колебания температуры, обусловленные тепловым расширением. Максимумы уровня соответствуют времени суток і6 ч і0 мин, когда лучи солнца попадают непосредственно на расходную емкость, и следуют с периодом 24 часа. Поскольку расход одоранта в течение несколь-
О 50 100
Pra. 3. Сплошная линия - зависимость уровня одоранта в PEO (мм) от времени (час); кружками отмечены экспериментальные точки. Пунктирная линия - линейный тренд расхода одоранта
0 20 40 60 80 100
Рис. 4. Сплошная линия - зависимость температуры (°С) от времени (час); кружками отмечены экспериментальные точки. Пунктирная линия - линейный тренд температуры
ких суток не регулировался и оставался постоянным, понижение уровня из-за расхода одоранта можно аппроксимировать прямой, например с помощью МНК.
Вычитая линейный тренд из общей зависимости уровня от времени, получим временную зависимость колебаний уровня одоранта вокруг среднего значения. Для проверки связи суточных колебаний уровня с колебаниями температуры были использованы архивные записи метеорологических информационных систем, находящиеся в неограниченном доступе на сайтах RP5.RU и GISMETEO.RU. Усредненные данные зависимости температуры от времени представлены на рис. 4. Видно, что график температуры также содержит некоторый тренд, который может повлиять на результаты расчетов, поэтому он устраняется с помощью МНК. Наличие тренда температуры может также внести некоторую поправку в оценку расхода одоранта.
Для нахождения зависимости уровня жидкости от температуры можно воспользоваться тем же методом, применив его к зависимости переменной части кривой уровня жидкости от переменной части кривой температуры после вычитания линейного тренда в обеих кривых (см. рис. 5).
Линейная аппроксимация методом наименьших квадратов дает зависимость вида =
= 1.7 -10"14 + 0.872 •Д7’, то есть практически прямо пропорциональную зависимость. Поскольку РЕО представляет собой вертикальный цилиндр с внутренним диаметром 145 мм, из этих данных можно оценить объемный коэффи-
« ДА л;
циент теплового расширения р =--------, где Дh
И0ДТ
- изменение уровня жидкости при изменении температуры на ДГ, ^ - средний уровень одоранта (в данном случае 315 мм). Получаем в
-6 -3 0 3 6
Рис. 5. Зависимость колебаний уровня в РЕО (мм) от колебаний температуры (°С); кружками отмечены экспериментальные точки. Сплошная линия - линейная аппроксимация МНК
о
О 30 40 60 80 100
Рис. 6. Зависимость колебаний уровня одоранта в ПЕО (мм) от времени (о); зависимость колебаний уровня одоранта в РЕО (мм) от времени (•); зависимость колебаний температуры (°С) от времени (□). Время в часах
диапазоне температур 14-26°С значение в = = 2.840-3 К-1, близкое по порядку величины к коэффициентам объемного расширения для многих классов органических веществ (0.8-2)-10"3 К-1 [6]. К сожалению, имеются лишь разрозненные справочные данные для относительной плотности отдельных чистых веществ, входящих в состав одоранта, из которых можно оценить их объемные коэффициенты теплового расширения: для этилмеркаптана он составляет (1.35—1.46)-10-3 К-1, для пропилмеркаптана -1.33-10"3 К-1, для изопропилмеркаптана - 2.3-10-3 К-1 [2-4]. Объяснением расхождения между оценочными данными по справочным таблицам и нашими измерениями может служить сложный состав применяемого одоранта, в котором этил-меркаптан составляет, по разным данным, от
30% до 50%, изопропилмеркаптан - от 30% до 60%, а остальные фракции практически не учитываются (в том числе вода, наличие которой в одоранте вообще не нормировано) [7]. Еще одним возможным фактором, дающим завышенную оценку, может быть отличие реальной температуры РЕО от архивных данных о температуре (емкость находится в лесу, возможно попадание прямых солнечных лучей под навес).
Колебания уровня жидкости в ПЕО
Для сравнения рассмотрим записи колебаний уровня одоранта в подземной емкости (ПЕО), сделанные на той же ГРС в то же время (см. рис. 6). ПЕО представляет собой горизонтальный стальной цилиндр внутренним диамет-
0 1 2 3 4 5 6 7
Рис. 7. Нормированные амплитудные спектры колебаний температуры (сплошная линия), уровня одоранта в РЕО (жирный пунктир), уровня одоранта в ПЕО (тонкий пунктир). Частоты даны в обратных сутках
ром 1200 мм и длиной 3840 мм, заглубленный в грунт не менее 0.7 м от верхнего края. Из графика видно, что колебания уровня одоранта в подземной емкости практически противофазны колебаниям температуры и уровня в РЕО. Поскольку одорант из ПЕО в течение всего указанного времени не отбирался, изменения его уровня могут быть связаны только с колебаниями температуры. Здесь возможны два механизма: во-первых, при уменьшении температуры воздуха может происходить конденсация насыщенных паров одоранта, находящихся в закрытой емкости. Во-вторых, колебания уровня могут быть вызваны тепловым расширением жидкости, реагирующей на изменения температуры наружного воздуха с задержкой, обусловленной теплопроводностью системы (грунт, стальные трубы, воздух с парами одоранта в емкости и в трубах).
Анализ амплитудных спектров (см. рис. 7) выявляет существенную составляющую на второй гармонике в спектре колебаний уровня в ПЕО, которая не наблюдается в РЕО. Это может быть обусловлено сильно нелинейной зависимостью давления насыщенных паров одоранта от температуры [2]. Однако количественные оценки дают значительно меньшую амплитуду колебаний, чем наблюдается, таким образом, конденсационный механизм не объясняет результаты измерений.
Для оценки влияния тепловой волны можно оценить сдвиг фазы между колебаниями температуры воздуха и колебаниями уровня одоранта по временной задержке колебаний или по комплексным спектрам обоих сигналов на основной частоте, соответствующей периоду в 24 часа. Измеренная по спектру задержка для колебаний уровня в РЕО составляет около 7 мин, что соответствует глубине проникновения через
металлическую стенку емкости. Однако доверять этим данным с учетом периода следования отсчетов (около 1.5 ч) нужно с осторожностью. Для ПЕО величина задержки на первой гармонике составляет 10.5 часа. Это может соответствовать распространению тепловой волны в жидкость через подводящие стальные трубы и газовую фазу, однако при этом колебания температуры ослабляются [8], что также дает заниженную оценку амплитуды колебаний уровня, не объясняющую результаты измерений. По-видимому, наблюдаемые колебания обусловлены обоими этими механизмами, однако необходимы дополнительные измерения, включающие одновременную запись уровня жидкости и ее температуры.
Заключение
Результаты работы могут быть использованы службами контрольно-измерительной аппаратуры и телемеханики ЛПУМГ, а также организациями, производящими уровнемеры, для внесения коррекции в методы и результаты измерений. Используя полученные экспериментальные данные о скорости звука и ее температурном дрейфе, можно проводить измерения уровня одоранта в емкостях с использованием лишь одного канала измерений, при этом точность измерений может быть вполне приемлемой для решения многих задач учета запасов и расхода одоранта. Учет объемного теплового расширения необходим для повышения точности измерений, в противном случае при измерении расхода могут появляться завышенные, заниженные или даже отрицательные значения. Полученные данные позволяют скорректировать алгоритм вычисления расхода одоранта в автоматизированных уровнемерах.
Автор благодарит А.Г. Кириллова и А.В. Шишкова за предоставленное оборудование и полезные рекомендации, а также С.Б. Прахова за предоставление телеметрических данных с уровнемеров АУЗУР-02.
Работа поддержана грантом Министерства промышленности и инноваций Нижегородской области 2009 г.
Список литературы
1. Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей. 7-е изд. Л.: Химия, 1976.
2. Справочник химика в 5 томах. Л. -М.: Химия, 1963-1965. Т.1, 2, 4.
3. Химическая энциклопедия в 6 томах. М.: Советская энциклопедия, 1995. Т. 4. С. 572.
4. Химия. Большой энциклопедический словарь. М.: Изд. «Большая Российская энциклопедия», 1998.
5. Ультразвуковой уровнемер АУЗУР-02. Руководство по эксплуатации. Нижний Новгород, 2008.
6. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. 5-е изд. М.: Наука, 1972.
7. Ковалёв Б.К. Некоторые проблемы одоризации газа. Свойства и нормы добавки одоранта // Сборник научно-технических статей «Газпроммаш». URL: http://www.gazprommash.ru/factory/articles/vestnik_st6.
8. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973.
DETERMINING ACOUSTICAL AND THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF A NATURAL GAS ODORANT
A.M. Reyman
A field measurement method has been suggested to study some physical parameters of an aggressive chemical environment such as the speed of sound and its temperature dependence as well as the volumetric thermal expansion coefficient. The method eliminates the direct contact of the measuring equipment with the environment being studied. The possibility of measuring these parameters is demonstrated by the example of a natural gas odorant.
Keywords: sound speed, thermal expansion, ultrasonography, saturated vapour.
