Экспертное руководство по оптимальному размещению сопел в системах отбора проб жидкостей и природного газа

Как позиционировать сопла в вашей системе отбора проб жидкостей и природного газа

Карим Махраз

В системе отбора проб жидкостей или газа сопло используется в месте отвода для подачи пробы к анализатору. Правильное размещение, позиция и ориентация этого сопла критически важны для обеспечения своевременных, точных аналитических измерений, поэтому вы должны сделать это правильно. Плохое размещение сопла может привести к задержкам анализа, загрязнению пробы и неточным результатам.

Идеально, инженер системы отбора проб будет диктовать планировку трубопроводов и даже дизайн процессного сосуда, чтобы гарантировать, что сопло правильно расположено. Однако часто инженер должен работать с существующими схемами — даже если сопло не расположено или не ориентировано правильно. Ниже мы рассмотрим важные соображения для инженеров, задаваемых с размещением и построением сопел для систем отбора проб как жидкостей, так и газа. Дополнительно мы рекомендуем вовлекать квалифицированных инженеров-анализаторов, процессных инженеров и химиков, и поставщиков компонентов на различных стадиях дизайна, чтобы обеспечить рассмотрение каждой переменной.

Выбор местоположения сопла

Сопла обычно короткие, с меньшим диаметром, чем основная процессная линия, от которой они ответвляются. Они часто содержат зонд, который в своей простейшей форме является металлическим, стеклянным или керамическим хоботком, выступающим в процессную жидкость и извлекающим непрерывный поток жидкости или газа для анализа.

При определении позиции сопла в трубопроводе или сосуде выбирайте местоположение, где процессная жидкость тщательно смешана, так что ваша проба точно отражает процессные условия. Если возможно, установите встроенный статический миксер в процессную линию. Если это не вариант, разместите отвод вниз по течению от точки индуцированной турбулентности, такой как выход насоса, диафрагма потока или колено трубопровода. Турбулентность поможет смешать процессную жидкость перед отбором пробы.

Размещение отбора пробы непосредственно после источника турбулентности — не хорошая практика. Турбулентность вызовет давление флуктуаций и вихревые токи — любое из которых может влиять на аналитические измерения.

Отбор проб газа

Вы лучше обслужены, размещая отвод минимум в двух диаметрах трубы вниз по течению от последнего нарушения потока. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) рекомендует эту практику. Оно допускает два местоположения для ручного отбора проб стекового газа:

1. Минимум восемь диаметров стека или воздуховода вниз по течению и два диаметра вверх по течению от любого нарушения потока; или
2. Минимум два диаметра стека или воздуховода вниз по течению и полдиаметра вверх по течению от любого нарушения потока.

EPA считает первое местоположение идеальным. Если первое правило не может быть выполнено, рекомендации EPA требуют дополнительных точек отбора проб для защиты от возможности стратификации.

Отбор проб жидкости

Для трубопроводного отбора пробы разместите свой отвод минимум в двух диаметрах трубы вниз по течению от последнего нарушения потока — в любом месте, где это не мешает элементу измерения потока. Однако если процессная жидкость — жидкость, близкая к своей точке пузыркования, мудро быть более консервативным. Чтобы избежать попадания пузырьков в вашу пробу, разместите отвод там, где есть минимум пять диаметров трубы чистого прямого участка вверх по течению и два диаметра вниз по течению.

Отбор проб пара

Когда отбираемый поток — пар на или близко к своей точке росы, местоположение отвода становится более критичным. Некоторая конденсация может происходить в точках давления близко к нарушениям потока; вы не хотите, чтобы ваша газовая проба содержала жидкий конденсат. Чтобы минимизировать этот потенциал, один европейский стандарт (ISO 10715 1997, 13) для измерения природного газа требует, чтобы отборной отвод был минимум в 20 диаметрах трубы вниз по течению от последнего нарушения потока; соответствующий американский стандарт (API MPMS 14.1 2006, 15) требует минимум пять диаметров трубы. Если труба содержит другой зонд, такой как термокабель, отборный зонд должен быть расположен минимум в пяти диаметрах термокабеля от термокабеля.

Еще большее разделение необходимо для изокинетного отбора проб, который требует, чтобы скорость в зонде соответствовала той в процессной линии. Например, для насыщенного пара соответствующий американский стандарт (ASTM D1066) рекомендует, чтобы отборной отвод был минимум в 35 диаметрах трубы вниз по течению и четыре диаметра трубы вверх по течению от нарушения потока. Поскольку это разделение может быть трудным для достижения, ASTM предлагает, чтобы несоответствующие местоположения поддерживали соотношение 9:1 расстояний вверх по течению к вниз по течению.

Конструирование сопла

По мере перехода к стадии дизайна вы заметите, что дизайн сопла, включая ориентацию, сильно зависит от потребностей зонда. Местоположение и ориентация сопла, а значит и зонда, могут влиять на то, как частицы внутри процессного потока влияют на анализ. Правильное размещение сопла и зонда может минимизировать потенциал для частиц войти в зонд, где они могут загрязнить пробу или накопиться и в конечном счете заблокировать зонд.

Простейший способ построить сопло — приварить женскую резьбовую втулку к трубопроводу и просверлить ее насквозь. Сначала приварить установочную пластину к трубопроводу, если его стенка не достаточно толстая. Затем выберите размер втулки для размещения резьбового зонда или клапана, используемого. Другой подход — приварить мужской резьбовой трубный ниппель на линию.

Конечно, ни один из этих простых методов не удовлетворит спецификацию процессной трубопроводки, запрещающую резьбовые соединения на процессной оболочке. Столкнувшись с этими ограничениями, вы можете приварить клапан на ниппель или использовать фланцевое трубное сопло.

 

Отбор проб газового потока

Всякий раз, когда возможно, выбирайте горизонтальную трубу для отбора проб процессного газа. Горизонтальная ориентация позволяет соплу быть вертикальным. Также легче найти длинный прямой прогон. Разместите сопло сверху линии, чтобы любая грязь или жидкость падали обратно в процессную трубу. Если процессный газ чистый и сухой, вы могли бы разместить газовое сопло на стороне горизонтальной трубы. Однако избегайте такой горизонтальной ориентации зонда для грязных проб, потому что газовый поток в зонде может не быть турбулентным; твердые частицы могли бы выпасть и заблокировать зонд.

То же беспокойство о блокировке применяется к горизонтальному соплу на вертикальном газовом трубопроводе. Наклонные сопла позволяют любым увлажненным жидкостям или твердым частицам падать обратно в процесс. Эта особенность хорошо работает для удаления жидкостей, но может не для твердых частиц, которые могут застрять в зонде.

Для вертикальных стеков сопло должно быть горизонтальным или слегка наклонным и намного большим — размером для размещения специальных зондов. Здесь местоположение сопла основано на температуре газа: не слишком горячей (чтобы затраты на материалы были разумными), но выше температуры кислотной точки росы (чтобы серная кислота не конденсировалась в зонде). Для мониторинга стекового газа оптимальная газовая температура у сопла — немного более 600°C (1112°F) для обеспечения полного сгорания.

При отборе пробы из процессного парового потока, который может содержать капли конденсата, такую как система насыщенного пара, предпочтительное местоположение отвода — длинная нисходящая процессная труба. Однако всегда проверяйте давление линии. Нисходящая линия часто соединяется с всасывающей стороной процессного насоса и может работать при низком давлении. Источник низкого давления хорош для газовой пробы, которая будет сброшена на факел, но не для той, которую вы хотите вернуть в процесс через быстрый цикл. С быстрым циклом вы, вероятно, захотите отбирать пробу от напора процессного насоса и возвращать газ на всасывающую сторону.

Отбор проб жидкостного потока

Вертикальный трубопровод, текущий вверх, часто является лучшим местоположением для сопла отбора пробы жидкости, потому что вы можете быть уверены, что труба полная. Для этой установки выбирайте горизонтальное сопло, так как оно позволяет более короткий зонд, который менее вероятно будет вибрировать. Горизонтальное сопло подходит для жидкостной пробы, потому что поток в зонде наверняка будет турбулентным, исключая оседание твердых частиц в зонде.

Головка жидкости в трубопроводе выше отвода обеспечит некоторое дополнительное давление, которое может гарантировать, что процессная жидкость у отвода выше своей точки пузыркования. Дополнительное давление также помогает в транспортировке пробы. Избегайте отбора пробы жидкости из вертикального процессного трубопровода, текущего вниз — нет гарантии, что линия полная.

Отбор пробы жидкостного потока из горизонтальной линии рискован, потому что процессная труба может быть не полной, приводя к двухфазной пробе. Если процессная труба поворачивает вверх после горизонтального прогона, вы можете быть уверены, что линия полная; если она поворачивает вниз, горизонтальный участок может содержать статический слой газа, запертый над текущим слоем жидкости.

Традиционная мудрость говорит, что жидкостные отводы всегда должны быть на стороне горизонтальной процессной линии; это хороший совет при отборе пробы без зонда. Отбор пробы из сопла на стороне линии снижает риск извлечения увлажненного пара у верха трубы или осадка у дна.

На практике обычно лучше использовать зонд, чтобы добраться до центра линии. При использовании зонда ориентация менее важна. Обычно вертикальное сопло сверху линии предпочтительно, потому что оно позволяет тяжелым твердым частицам падать обратно в процессную трубу. Обычно сопло не должно быть внизу горизонтальной трубы, так как твердые частицы упадут в него и увеличат сложность кондиционирования пробы. Если вы должны использовать существующее нижнее сопло, установите зонд, который достигает центральной трети диаметра трубы.

Перед финализацией местоположения отвода

Перед окончательным выбором местоположения отвода помните, что ваш выбор зонда определит ориентацию и диаметр сопла и его концовок. После выбора зонда пересмотрите выбранное местоположение, чтобы проверить физическое пространство, доступное для установки и обслуживания. Убедитесь, что есть достаточно зазора для фабрикации сопла, обслуживания процессного клапана изоляции и извлечения зонда. Также учитывайте доступность и освещение. Простой отвод и трубный зонд могут требовать только небольшую платформу и лестницу, но полевой станции понадобится полная платформа и освещение.

Для более глубокого, персонализированного обучающего пособия, охватывающего размещение сопла и дизайн системы отбора проб, обратитесь в ваш локальный центр продаж и сервиса Swagelok.