ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ГРАДУИРОВКИ И ПОВЕРКИ СИГНАЛИЗАТОРОВ ПДК УГЛЕВОДОРОДОВ В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НПЗ

THE STUDY OF THE PROBLEM OF CALIBRATION AND TESTING OF ALARM DEVICES MAC OF HYDROCARBONS IN THE AIR OF WORKING ZONE OF THE TECHNOLOGICAL UNITS OF REFINERY

Alexey Zykin

phD student, Department of mechanical engineering,

Irkutsk National Research Technical University,

Russia, Irkutsk

Ivan Plisenko

postgraduate student, Department of strength of materials and structural mechanics

Irkutsk National Research Technical University,

Russia, Irkutsk

АННОТАЦИЯ

В данной работе были исследованы проблемы градуировки и поверки сигнализаторов довзрывоопасных концентраций углеводородов в воздухе рабочей зоны технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий, предложен метод измерения концентрации любого компонента сигнализатором (по коэффициенту пересчета), выполнено сравнение отклонения экспериментальных значений коэффициента пересчета от коэффициентов, рассчитанных по формуле, дана оценка показаниям, исследованы погрешности измерений и факторы влияющие на результаты измерений.

ABSTRACT

In this work it was studied the problem of calibration and verification of alarms gosrybokhrana concentrations of hydrocarbons in the air of working zones of process plants of refineries, the proposed method of measuring the concentration of any component of the alarm (the conversion factor), the comparison of deviations of experimental values of conversion factor from the coefficients calculated by the formula, evaluate the evidence, investigated the measurement error and the factors affecting the measurement results.

Ключевые слова: сигнализатор, газы, пары, градуировка, поверка, нефтепродукты, переработка, бензин.

Keywords: methane gas detector, gases, vapors, graduation, calibration, petroleum products, refining, gasoline.

Градуировку и поверку сигнализаторов типа СТМ-30-50, используемых для мониторинга воздуха рабочей зоны, в настоящее время проводят по ПГС метана. При измерении других компонентов появляется дополнительная абсолютная погрешность 0 ± 15% НКПР. Нормируемая основная погрешность – 5% НКПР.

Для того чтобы порог срабатывания аварийной сигнализации не превышал 50% НКПР для любого из веществ, контролируемых компонентов, второй порог срабатывания по метану изготовителем установлен равным 11% НКПР. В этом случае аварийная сигнализация для компонентов, входящих в состав бензина, сработает при значении, не превышающем 20% НКПР. Практически это ложное срабатывание. По нормативу сигнализация должна сработать при 50% НКПР.[1, с 122]

В основу принципа действия сигнализаторов типа СТМ-30-50 положен термохимический метод, основанный на преобразовании теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика в выходной сигнал.

Чувствительность сигнализатора пропорциональна коэффициенту диффузии измеряемого компонента и обратно пропорциональна значению его НКПР, выраженного в % объёмной доли компонента (ОДК_НКПР). Чем больше коэффициент диффузии измеряемого компонента, тем большая его масса переносится из анализируемой среды на поверхность чувствительного элемента датчика в единицу времени, тем больше тепловой эффект и тем больше выходной ток. В то же время, чем больше значение ОДК_НКПР, тем меньший выходной ток приходится на единицу объёмной доли компонента, определяющей НКПР, при постоянном диапазоне выходного тока – 4-20 мА.

Чувствительность сигнализатора (Ч) определяется выражением:

                                                        (1)

где b – коэффициент, обусловленный конструктивными параметрами датчика сигнализатора;

D – коэффициент диффузии градуировочного или измеряемого компонента;

α – коэффициент равный доле молекулярной массы органического соединения, обусловленной атомными весами окисляемых (горючих) компонентов. Для алканов, олефинов, аминов, ароматических углеводородов и др. α= 1.

Выражение (1) удобно использовать для вычисления коэффициентов пересчета сигнализатора – т.е. определять его относительную чувствительность. Символом «гр» обозначим величины, относящиеся к градуировочному компоненту, а символом «и» - к измеряемому. Выражение (1) для градуировочного компонента разделим на аналогичное для измеряемого. Получим выражение для расчета пересчетного коэффициента (К_Р):                                                                       

                                             (2)

В табл. 1 (графа 4) приведены рассчитанные по (2) коэффициенты пересчета (К_Р) относительно метана (градуировочный компонент) для некоторых наиболее распространённых веществ, коэффициенты пересчета Смоленского ПО «Аналитприбор» [4,с 74], их   в % (графа 7), коэффициенты α (графа 5), коэффициенты диффузии (графа 3) [1, с36] и НКПР  [5, стр12].

Таблица 1.

Исходная информация и сравнение коэффициентов

* – принятый коэффициент диффузии; ** – ∆К = [(К_СМ – К_Р)100%] / К_Р; *** – в скобках, после числового значения, указаны род газа и температура для которой определён коэффициент диффузии; В – воздух; А – азот.

Экспериментальное определение коэффициентов пересчета (К_Э) проведено для газовых смесей гексана, диметиламина (ДМА), аммиака, монооксида углерода и водорода с целью проверки правильности выражения (2) и практического использования при эксплуатации сигнализаторов. Результаты приведены в табл. 2.

При анализе результатов измерений обращает на себя внимание факт их значительного разброса до ±30 % и выше (табл. 2; графа 5).

Таблица 2.

Результаты определений коэффициентов пересчета (К_Э)

Разброс результатов измерений при переходе от измерения ПГС метана к измерению других газовых смесей можно объяснить разбросом характеристик первичных преобразователей сигнализаторов (чувствительных элементов, далее ЧЭ), обусловленных разбросом начальной температуры ЧЭ, качеством изготовления и условиями их эксплуатации (количеством нанесённого катализатора, его чистотой и активностью, степенью отравления катализатора и др.).

Разброс характеристик ЧЭ обусловливает дополнительную абсолютную погрешность от 0 до ±15% НКПР для диапазона измерений сигнализатора 0-50% НКПР.

По выражению (2) рассчитывается только соотношение переносимого измеряемого компонента к чувствительному элементу и связывается со значениями соответствующих НКПР. Это выражение не учитывает качество изготовления ЧЭ и, соответственно, полноту (степень) окисления на ЧЭ атомов, входящих в молекулу компонента.[4, c74]

Относительное отклонение коэффициентов пересчета Смоленского ПО «Аналитприбор» (табл. 1) от рассчитанных по выражению (2) для большинства компонентов входит в диапазон ±30 % (графа 7). Коэффициенты пересчета (СН₄→СО и СН₄→Н₂), определённые экспериментально в ОАО «АНХК» (1,055 и 1,064) практически совпали с аналогичными коэффициентами, определёнными в ПО «Аналитприбор» (1,06 и 1,065).

Сложнее обстоит дело с экспериментальным определением коэффициентов пересчета на многокомпонентные жидкости, в частности, на пары бензина.

Для обеспечения возможности получения ПГС паров многокомпонентных жидкостей использовался генератор статического типа «ФОБОС».

Суммарная объёмная доля компонентов в паровой фазе (ПГС в рабочей камере) для заданной температуры насытителя рассчитывается по формуле:

                                             (3)

где ОД∑К_tН – объёмная доля суммы компонентов для заданной температуры насытителя, млн^-1 (ppm);

ОДК_i – объёмная доля i-го компонента в ПГС (равновесная паровая фаза в рабочей камере), млн^-1;

P_Нi – давление насыщения паров i-го компонента при температуре насытителя, мм рт. ст.

ОДК_Жi – объёмная доля i-го компонента в многокомпонентной жидкости по данным хроматографического анализа, %;

k – коэффициент размерности. k = 1315,789 млн^-1/мм рт.ст.;

0,01 – коэффициент размерности;

n – число значимых компонентов в многокомпонентной жидкости.

Отношение (d_i, % НКПР_i) ОДК i-го компонента к нижнему концентрационному пределу распространения пламени (НКПР_i, млн^-1) выраженного в % от НКПР_i в ПГС в рабочей камере рассчитывается по формуле:    

                                                      (4)

или

                                                  (4а)

Отношение (D, % НКПР_ПГС) для суммы компонентов рассчитывается по формуле:                                                                                                                                                                                                                                                                                             (5)

Результаты хроматографического анализа проб бензина показывают, что в его состав входят до 200 компонентов в жидком состоянии и 2-3 газообразных компонента (пропан, бутан, иногда этан), абсорбированных жидкой фазой (не истинная жидкость).

Суммарная ОДК газообразных углеводородов в паровой фазе, находящейся в равновесии с жидкостью в закрытом сосуде при температуре 22 °С, составляет: ∑С3 – 3,0-4,2%, ∑С4 – 4,75-7,06%. По сути, десорбция и улетучивание газовой составляющей бензина и, в меньшей степени, - лёгких жидких компонентов определяет его нестабильность (по составу) во времени.

Суммарная объёмная доля компонентов в паровой фазе (ПГС в рабочей камере генератора «ФОБОС») для случая не истинной многокомпонентной жидкости (бензин) рассчитывается по формуле (6):

                               (6)

где ОДК_jГ – ОДК j-го компонента, обусловленная десорбцией газообразных составляющих из жидкой фазы бензина для температуры насытителя в соответствии с изобарой абсорбции. Изобара абсорбции определяется экспериментально;

m – число газообразных компонентов, абсорбированных жидкой фазой бензина.

При экспериментальном определении К_Э разных проб бензина получены не стабильные результаты. Числовые значения К_Э зависят от времени хранения пробы, в том числе и в открытом состоянии. Из-за нестабильности бензина и трудоёмкости методики экспериментальное определение коэффициента пропорциональности не имеет смысла.

Рассчитано, что оптимальной ПГС для градуировки и поверки сигнализаторов, контролирующих пары бензина, является ПГС н – гексана.

Таким образом:

1. В настоящей работе предложена формула расчета коэффициента пропорциональности (пересчета), позволяющего ориентировочно измерить концентрацию любого компонента (из приведённого перечня) сигнализатором, отградуированным по ПГС градуировочного компонента, например, метана.

2. Относительное отклонение средних значений коэффициентов пересчета, определённых экспериментально, от коэффициентов, рассчитанных по формуле (2) для метана, гексана, монооксида углерода, аммиака и ДМА не выходит за пределы ±12%, (таблица 2). Причем, значение отклонения К_{Э СР.} зависит от количества приборов в выборке и от качества ЧЭ в них.

3. При измерении газовых смесей сигнализатором, отградуированным по ПГС не измеряемого компонента, возникает дополнительная погрешность СИ, обусловленная разбросом чувствительности ЧЭ. Погрешность зависит от состояния конкретного ЧЭ и значения измеряемой величины.

4. С целью повышения надёжности результатов измерений и исключения дополнительной погрешности сигнализаторов, вызванной заменой градуировочного компонента на измеряемый, градуировку сигнализаторов следует проводить по ПГС с измеряемым компонентом в соответствии с положениями классической метрологии. [2,c 87]

5. Для экспериментального определения пересчетного коэффициента на многокомпонентные жидкости в ОАО «АНХК» разработан и изготовлен генератор ПГС паров жидкостей статического типа «ФОБОС». Проведена его метрологическая аттестация по гексану. Абсолютная погрешность генератора составляет 2-3% НКПР.

6. Экспериментально определён коэффициент пересчета бензина (К_Э = 0,66 ÷ 0,79). Коэффициент зависит от количества абсорбированных газообразных углеводородов С3 и С4 жидкой фазой бензина. Полученное значение К_Э почти в два раза превышает рассчитанное (К_Р) по (2). К_Р рассчитан по справочным данным коэффициента диффузии и НКПР. Неизвестно для какого бензина (по составу) приведены эти данные.

7. Показано, что оптимальной градуировочной ПГС для СТМ при контроле воздуха рабочей зоны технологических установок по производству бензина является ПГС гексана. При этом практически исключается дополнительная погрешность сигнализаторов, вызванная заменой градуировочного компонента на измеряемый. Аварийный сигнал прибора включится в тот момент, когда суммарная концентрация компонентов достигнет уровня эквивалентного заданному значению % НКПР гексана.[2, c211]

Список литературы:

1. Варгафтик Н.Б. «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей». И., «Наука», М, 2002 г. -122 с.
2. Датчики-сигнализаторы ДАТ-М- 03. Руководство по эксплуатации. ИБЯЛ. 413216.044 РЭ.- 211 с.
3. Министерство нефтяной промышленности СССР. Министерство газовой промышленности СССР. Требования к установке датчиков стационарных газосигнализаторов в производственных помещениях и на наружных площадках предприятий нефтяной и газовой промышленности. РД БТ 39-0147171-003-88. - 87 с.
4. Письмо Смоленского ПО «Аналитприбор» № 12/ГПР-264 от 22.05.06. - 74 с.
5. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. -12 с.
6. Сигнализатор СТМ-30-50. Руководство по эксплуатации. ИБЯЛ. 424339. 001 РЭ. - 51 с.
7. Татевский В.М. «Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов». М. – Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. – 1999. – С. 162.
8. ТУ-ГАЗ-86. «Требования к установке сигнализаторов и газоанализаторов». М., 1996.