Исследование распределения концентрации газовой смеси в открытых трубах

Investigation of the concentration distribution of the gas mixture in open pipes

Maxim Alexeev

cand. phys.-mat. sciences, Surgut State University, Russia, Surgut

Oleg Semenov

cand. phys.-mat. sciences, Surgut State University, Russia, Surgut

Аннотация. В статье предложен способ исследования утечек газа методом углового отклонения лазерного луча в потоке по изменению поперечного градиента концентрации газа в открытой с обоих торцов трубы – плоского прямоугольного канала. Получены изолинии концентрации исследуемого газа. Обнаружена зависимость углового отклонения луча лазера от скорости вытекания газа из трубы. Представлена практическая актуальность работы, связанная с разработками новых методов обнаружения утечек газов в шахтах, туннелях и вблизи нефтегазовых магистралей.

Abstract. The article proposes a method for studying gas leaks using the method of angular deviation of a laser beam in a stream by changing the transverse gas concentration gradient in a pipe open at both ends of the tube - a flat rectangular channel. The concentration isolines of the test gas were obtained. The dependence of the angular deviation of the laser beam on the rate of gas outflow from the pipe was found. The paper presents the practical relevance of work related to the development of new methods for detecting gas leaks in mines, tunnels and near oil and gas pipelines.

Ключевые слова: газ; трубопровод; нефть; концентрация; лазерный луч; диффузия; конвекция; открытая труба; изолинии; фронт пламени; стратификация.

Keywords: gas; pipeline; oil; concentration; laser beam; diffusion; convection; open pipe; isolines; flame front; stratification.

Загрязнение окружающей среды при транспортировке нефти и газа происходит в основном из-за разгерметизации нефтегазопроводов. Для своевременного обнаружения и локализации утечек нефти и газа применяются различные методы. Создание методики измерения распределений плотности и концентрации газа является актуальной научно-технической задачей. Научная значимость обусловлена необходимостью понимания закономерностей динамической стратификации газов с их различной плотностью.

В научной литературе описаны ряд методик определения концентрации газов. Авторами работы [1] представлены физические методы определения концентрации нефтегазовых продуктов и их составляющих при распространении пламени. В работах [2, 3] описываются методики и устройства индикации паров лёгких углеводородов в местах их утечек из трубопроводов. В работе [4] рассмотрены приборы обнаружения утечек нефтепродуктов и методы ликвидации аварий на магистральных нефтепроводах.

В данной работе рассмотрена задача изучения распределений концентрации, устанавливающейся при вытекании тяжелого газа из трубы на границе с воздухом в стратифицированном потоке и при воспламенении горючей газовой смеси на торцах трубы. Под стратификацией будем понимать процесс разделения смеси на составляющие компоненты под действием силы тяжести с которым связано распределение температуры и плотности газа при горении горючей смеси в газовом слое по вертикальной составляющей размера канала.

Для решения опытной задачи была собрана экспериментальная установка (Рис. 1), которая состояла из плоского прозрачного прямоугольного канала-трубы с открытыми краями 2, универсального газометра вытеснения 13 для приготовления пропано-воздушной смеси с необходимым содержанием пропана в воздухе, системы зажигания в двух точках на краях трубы - катушки зажигания 11 с электродами 8 для её воспламенения. Размеры канала-трубы составляли: длина - 1,40 м, размеры в поперечнике: 0,30 м × 5∙10^-3 м. Для фиксации процесса распространения и взаимодействия пламён, формирующихся у открытых краёв трубы и распространяющихся к центру, применяли цифровые фото- и видеокамеры 3. В экспериментах использовался оптический лазер 7 мощностью 50 мВт с блоком питания лазера 14, работающий в непрерывном режиме. Измерение тангенса угла наклона стратифицированного слоя и отклонения лазерного луча 4 на стенде 1 производили по фотографиям, полученным цифровыми камерами 3.

Рисунок.1. Схема экспериментальной установки: 1 – измерительный стенд-экран; 2 – канал-труба с пропано-воздушной смесью; 3 – цифровая фото- и видеокамеры; 4 – отклонение лазерного луча; 5 – траектория лазерный луч; 6 – фронт пламени; 7 – лазер; 8 – металлические электроды; 9 – трубка подачи смеси с пламегасителем; 10 – газовый кран; 11 – катушка зажигания с электрическими проводами; 12 – расходомер газа; 13 – газометр вытеснения; 14 – блок питания лазера

В начале эксперимента края трубы закрывали, после чего заполняли приготовленной в газометре вытеснения 13 смесью через трубку подачи с пламегасителем. Скорость поступления смеси регулировали газовым краном, объём заполнения контролировали расходомером 12. Спустя некоторое время осуществляли зажигание горючей смеси высоковольтным электрическим разрядом 8. Результаты визуализации распространения лазерного луча 5 и фронта пламени 6 представлены на рис. 2.

Рисунок.2. Видеофрагмент распространения фронта пламени и лазерного луча

После воспламенения смеси фронт пламени с постоянной скоростью распространялся по искривленной линии, наклоненной к нижним краям трубы под некоторым углом. На рисунке 3 представлены фрагменты из видеофильма, иллюстрирующие распространение пламени в области границы которой соответствуют нижнему и верхнему концентрационным пределам пламени в пропано-воздушной смеси.

Рисунок.3. Фрагмент видеофильма распространение пламени в области границы нижнего и верхнего концентрационного предела воспламенения пламени

Для измерения угловых отклонений лазерного луча применяли схему расположения канала-трубы относительно измерительного стенда представленную на рис. 1. Цифровая фотокамера 3 располагалась напротив измерительного стенда-экрана 1, между лазером и экраном находился открытый прямоугольный канал-труба. Лазер 4 устанавливали так, чтобы его луч 5 оставался параллельным нижней стенке канала. Угловые отклонения луча лазера изменялись в течение нескольких секунд на значительную величину, поэтому отклонение луча на экране снимали в режиме цифровой видеозаписи, после чего производили обработку записи для получения чёткого фотоизображения. Данные эксперимента, устанавливающие зависимость отклонения луча лазера от времени вытекания газа, позволяют получить дополнительные сведения о структуре газового слоя.

Для расчёта распределений концентрации пропана в стратифицированном слое использовали соотношение Гладстона-Дэйла – связь показателя преломления с плотностью среды:

   ,                                                                                                             (1)

где К – постоянная Гладстона-Дэйла. Показатель преломления среды связан с концентрацией вещества через плотность среды, как величины , где  – масса вещества, m₀ – масса одной молекулы, N – число всех молекул, находящихся в объеме V, для концентрации   плотность среды .

Применяя отношение для плотностей среды в двух различных состояниях получим

  ,                                                                                                               (2)

где С и С₀ – концентрации пропана и воздуха в исследуемой точке стратифицированного слоя, n и n₀ – показатели преломления света в пропане для двух различных элементарных объемов стратифицированного слоя.

Для концентрации пропана соотношение будет равно:

 .                                                                                                               (3)

Угловое отклонение луча:

                                                                                                             (4)

Из соотношения Гладстона-Дэйла определим показатель преломления чистого пропана:

 ,                                                                                                   (5)

где ρ_пр и ρ_возд – плотность пропана и воздуха, μ_пр и μ_возд – молярные массы пропана и воздуха, равно 0,659. В расчётах показатель преломления света в воздухе принимали равным 1,000292, при температуре 293 К и давлении 10⁵ Па.

Из графиков зависимости концентрации пропана от вертикальной координаты (Рис.4.) следует, что изменение концентрации пропана, соответствует области стратифицированного слоя газа, в нижней части канала толщина стратифицированного слоя меньше. Это связано с изменением направления и величины вектора скорости газа. Угловые отклонения луча лазера изменялись в течение нескольких секунд на значительную величину, поэтому отклонение луча на экране снимали в режиме цифровой видеозаписи, после чего производили обработку записи для получения чёткого фотоизображения.

Рисунок. 4. Зависимость концентрации пропана от вертикальной координаты:  – 0,03 м;   – 0,06 м;  – 0,09 м.

По результатам расчётов, проведённым для различных вертикальных координат луча лазера, получены изолинии концентрации газа. Карты изолиний для открытой трубы представлены на рисунке 5.

Рисунок. 5. Карты изолиний газовой смеси для открытой трубы

Заштрихованная часть соответствует области, занятой чистым пропаном. Цифрами указаны десятичные доли концентрации пропана в смеси с воздухом. Изолинии концентрации пропана в канале представляют собой поверхности, искривленные возле открытых краёв канала-трубы. Изолинии концентраций соответствуют линиям тока тяжелого газа, стекающего по наклонной поверхности; их искривление обусловлено действием вязких сил и ускорением.

Представленный в работе метод применим для определения поля концентраций в объеме, в котором происходит утечка или приток газа. В производственных и технологических целях метод может быть использован для оперативного обнаружения изменения концентрации газа в замкнутом объеме. Наибольшая эффективность метода возможна при сканировании туннелей, шахт и нефтегазопроводов.