Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка специализированного контрольно-измерительного комплекса для анализа состава природного газа на стадиях технологического процесса ожижения природного газа

Номер контракта: 14.578.21.0106

Руководитель: Лагунцов Николай Иванович

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
аналитический комплекс, анализ природного газа, квадрупольный масс-анализатор, увеличение быстроты поточного анализа, рециркуляционный газоразделитель, мембранный модуль, технологическая схема, газоразделение, природный газ

Цель проекта:
1. Реализуемый проект направлен на решение задачи аналитического обеспечения установок для сжижения природного газа (СПГ-установок), необходимого для их успешного функционирования. 2. Целью проекта является разработка и изготовление специализированного контрольно-измерительного комплекса для оперативного анализа состава природного газа на всех стадиях технологического процесса его ожижения, а также состава хладагента, циркулирующего в холодильной машине.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате будет создан экспериментальный образец специализированного контрольно-измерительного комплекса (СКИК) для контроля технологического процесса и локализации возможных проблем, обеспечивающий анализ состава природного газа на различных этапах технологии его сжижения включая (1) входной контроль состава, (2) контроль состава после блока предподготовки, (3) контроль состава после блока мембранной осушки и очистки, (4) выходной контроль состава регазифицированного природного газа после блока СПГ.
2. Создаваемый экспериментальный образец СКИК будет соответствовать следующим основным техническим характеристикам:
- тип масс-анализатора: квадрупольный фильтр масс;
- источник ионов: электронный удар;
- время измерения всех компонент смеси из одной точки пробоотбора должно составлять 0.5 – 1 минуту;
- разрешение по массе – не хуже 1 а.е.м. на уровне 10% высоты пика;
- температура окружающей среды при эксплуатации экспериментального образца специализированного масс-спектрометрического комплекса – от плюс 15 до плюс 25 °C;
- диапазон масс 1-200 а.е.м.;
- диапазон измеряемых концентраций 100% - 0.0001% (моль/моль);
- минимальные уровни содержания компонент смеси СО2/O2/H2O – 100 ppm, 200 ppm, 1ppm;
- основные измеряемые соединения - CO2, N2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, H2S, H2O, He, H2, Ar с погрешностью не хуже 20%;
- система коммутации потоков обеспечивает транспортировку пробы из четырех точек пробоотбора в устройство ввода пробы в масс-спектрометр.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом является экспериментальный образец специализированного контрольно-измерительного комплекса для оперативного анализа состава природного газа на всех стадиях технологического процесса его ожижения, а также состава хладагента, циркулирующего в холодильной машине. Благодаря возможности отбора пробы из четырех точек будет возможен эффективный автоматизированный контроль установок для сжижения природного газа.
2. Традиционное решение проблемы основано на применении газовых хроматографов, что налагает существенные ограничения на быстродействие и возможность автоматизации комплекса.
3. Заявленные параметры масс-спектрометрического газоанализатора соответствуют мировому уровню. По сравнению с традиционно применяемыми для решения этой задачи газовыми хроматографами применение масс-спектрометрии делает возможным более высокий уровень автоматизации и автономности, а также обеспечивает более высокое быстродействие.
4. Для достижения заявленных результатов проводится комплекс работ по расчету, моделированию, конструированию, изготовлению, сборке, запуску и испытаниям масс-спектрометрического комплекса, а также сопутствующие методические и расчетные работы. Основные риски, связанные со сроками поставки и изготовления разрабатываемых узлов минимизируются выбором надежных поставщиков и соисполнителей.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Специализированный контрольно-измерительный комплекс для анализа состава природного газа, предназначен для аналитического обеспечения установок СПГ любой производительности, систем сжижения, хранения и транспортировки природного газа, в том числе, благодаря которым станет возможным повсеместное использование природного газа в качестве экологически чистого моторного топлива.
2. Возможными потребителями ожидаемых научно-технических результатов являются ведущие российские компании нефтегазового комплекса (Газпром, Новатэк, Роснефть), а также инжиниринговые и производственные компании. заинтересованные в производстве современного промышленного оборудования для нефтегазового комплекса.
3. Планируемые результаты обеспечат повышение эффективности энергоснабжения населенных пунктов удаленных от газопроводной сети.
4. Успешная реализация проекта будет способствовать развитию аналитического приборостроения в России, появлению новых компактных масс-спектрометрических газоанализаторов.

Текущие результаты проекта:
Составлен аналитический обзор современной научно-технической и патентной информации о существующих анализаторах состава природного газа включая основанные на газовой хроматографии, времяпролетной масс-спектрометрии и квадрупольной масс-спектрометрии. Обоснованы преимущества квадрупольной масс-спектрометрии по совокупности быстродействия и чувствительности.
Составлен аналитический обзор отечественного рынка оборудования, подходящего для применения в качестве комплектующих в специализированных масс-спектрометрических комплексах, включая отечественные и импортные насосно-откачные средства, средства контроля вакуума, элементы анализаторов, коммуникационные элементы, и т.д. Проведены патентные исследования по теме разработки по ГОСТ 15.011-96 с использованием автоматизированной базы данных ФИПС, информационно-поисковых ресурсов баз данных Европейского патентного ведомства, электронных баз данных патентных документов США.
Разработаны математические модели квадрупольных масс-анализаторов с цилиндрическими стержнями и ионизацией электронным ударом и проведены их исследования, используя программную среду Simion8.1-3D. В результате оптимизации и сравнительного анализа были выбраны длина стержней 150 мм, радиус стержней 4 мм, эффективный радиус 3.55 мм. Показана достижимость разрешения лучше 0.9 а.е.м. на уровне 10%.
Разработаны энергоэффективные схемные решения мембранной установки осушки и очистки природного газа со степенью извлечения природного газа не менее 95% при расходе энергии не более 0.10кВт*ч/кг.
Разработана ЭКД на элементы сверхвысоковакуумной и аналитической систем масс-спектрометрического комплекса. Документация включает чертеж общего вида, сборочные чертежи вакуумной камеры, переходников, соединительных элементов вакуумных коммуникаций и необходимые спецификации.
Разработаны и изготовлены элементы сверхвысоковакуумной и аналитической систем масс-спектрометрического комплекса, включая вакуумную камеру, переходники, соединительные элементы, анализатор.