Контроль газоанализаторами довзрывоопасных концентраций углеводородов в атмосфере нефтеперерабатывающих предприятий

Основными компонентами, определяющими взрывобезопасность атмосферы предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, являются предельные углеводороды гомологического метанового ряда до декана включительно.

Компонентный состав выделяющихся в атмосферу паров нефтепродуктов и соотношение компонентов зависит от видов нефтепродуктов и температуры окружающей среды. Взрывоопасность многокомпонентных смесей контролируется газоанализаторами (эксплозиметрами), отградуированными в процентах от нижнего концентрационного предела распространения пламени % НКПР (% LEL). Идеальный многокомпонентный газоанализатор должен иметь линейную характеристику зависимости выходного сигнала от концентрации, выраженной в % НКПР, вне зависимости от измеряемого компонента (рисунок 1, прямая 1).

В действительности для присутствующих на рынке газоанализаторов это условие выполняется только для градуировочного газа (пара), в качестве которого чаще всего используется метан. Остальные контролируемые газы и пары имеют характеристики, отличные от градуировочного газа (рисунок 1, прямые 2, 3 … n), и образуют «веер» характеристик. Отношение сигналов «верхнего» газа и «нижнего» газа (пара) при одинаковой концентрации, выраженной в % НКПР, может достигать значительной величины.

Рисунок 1. Примеры выходных характеристик газоанализаторов 
при измерении концентрации различных углеводородов.

Различные методы измерения, используемые в эксплозиметрах, имеют разные «вееры» характеристик и разную устойчивость (повторяемость во времени) «веера».

Так, например, соотношение сигналов гексан-метан имеют значение:

• для термокаталитического метода — 0,5-0,55; 
• для оптического инфракрасного метода с одной полосой пропускания интерференционного фильтра — 0,7-0,9; 
• для полупроводникового метода — 0,5-0,9.

Производители газоанализаторов рекомендуют потребителю для увеличения достоверности измерения довзрывоопасных концентраций многокомпонентных смесей градуировать приборы на самом характерном компоненте смеси. Эта мера не решает проблемы «веера» характеристик, так как состав контролируемых смесей изменяется, устойчивость «веера» характеристик в процессе эксплуатации надо подтверждать, многие компоненты не имеют устойчивых образцов поверочных газовых смесей (ПГС) в баллонах и требуют специальных установок и утвержденных методов для приготовления ПГС.

Наиболее узкий «веер» имеют термокаталитические датчики, которые широко используются в газоанализаторах. Термокаталитический датчик, измеряя температурный эффект от окисления газов и паров на каталитически активной поверхности, является идеальным измерителем довзрывоопасных концентраций. «Веер» характеристик возникает вследствие различия коэффициентов диффузии, определяющих условия поступления газов и паров к поверхности чувствительных элементов. Однако, величина «веера» характеристик даже у лучших термокаталитических датчиков не отвечает современным требованиям эксплуатации эксплозиметров.

При всех достоинствах термокаталитических датчиков имеется существенный недостаток, заставляющие разработчиков стационарных газоанализаторов обращаться к поискам альтернативных методов измерения — это нестабильность чувствительности. Чувствительность термокаталитического датчика изменяется во времени и под действием факторов окружающей среды (влажность, каталитические яды).

В ООО «Научно-производственный центр автоматизации техники безопасности» (ООО «НПЦ АТБ») г. Москва разработан датчик горючих газов интеллектуальный стационарный ИТС (датчик ИТС, рисунок 2), у которого погрешность измерения довзрывоопасных концентраций многокомпонентных смесей не превышает ±7 % НКПР при любой комбинации гомологов метана в контролируемой среде. Датчики ИТС имеют долговременную стабильность в реальных условиях эксплуатации, выходной сигнал датчика практически не зависит от изменения чувствительности измерительного термокаталитического элемента.

Алгоритм работы датчика ИТС и конструкция его первичного термокаталитического преобразователя основан на определении в процессе каждого акта измерения коэффициента передачи чувствительного элемента и диффузионных свойств контролируемых компонентов. Это позволяет поддерживать без применения ПГС и ручной регулировки долговременную стабильность показаний датчика при изменениях чувствительности измерительного элемента в широком диапазоне и избавиться от «веера» характеристик.

Датчик ИТС предназначен для контроля горючих газов и паров в составе систем с цифровой, в том числе шинной, организацией обмена информации. К одной паре проводов цепей питания и одной информационной шине могут быть подключены до 10 датчиков ИТС при длине линии до 1 км.

Рисунок 2. Внешний вид датчика ИТС.

Основные параметры датчиков ИТС:

• диапазон измерения — от 0 до 60 % НКПР; 
• пределы основной абсолютной погрешности: 
• по поверочному компоненту — ±5 % НКПР; 
• по любому другому компоненту смеси — ±7 % НКПР; 
• диапазон рабочих температур — от -40 до +55 °С; 
• напряжение питания — от 8 до 12 В; 
• габариты — 35х40х100 мм; 
• масса — не более 150 г.

Используемые интерфейсы (в зависимости от исполнения) RS-485 или RS-232. Протокол обмена MODBUS.

Датчики ИТС относятся к взрывозащищенному электрооборудованию с маркировкой РО ЕхiasI Х/1ExiadsIIBT4/H2 X, сертифицированы как средство измерения Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, имеют сертификат соответствия в системе сертификации ГОСТ Р и разрешен к применению Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Использование датчиков ИТС позволяет создавать современные системы контроля атмосферы промышленных предприятий с большим количеством точек измерения довзрывоопасных концентраций многокомпонентных горючих смесей с повышенными требованиями к точности и надежности.

Авторы: Кулин Л.А., Сизов В.В. (ООО «НПЦ АТБ», г. Москва)