научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ ДОВЗРЫВООПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ Метрология
Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ДОВЗРЫВООПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ»
Измерение довзрывоопасных концентраций углеводородов в воздухе рабочей зоны технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий
А. П. БЕЛОШИЦКИЙ, Л. А. ГАВРИЛОВ
Ангарская нефтехимическая компания, Ангарск, Россия, e-mail: GavrilovLA@anhk.rosneft.ru
Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения термохимических сигнализаторов довзрывоопасных концентраций углеводородов в воздухе на примере СТМ-30-50. Проанализированы причины возникновения дополнительной погрешности этих средств измерений и пути ее исключения (уменьшения).
Ключевые слова: поверочная газовая смесь, измеряемый компонент, объемная доля компонента, нижний концентрационный предел распространения пламени, градуировка.
The problems of metrological assurance of thermo-chemical indicators of pre-explosive concentrations of hydrocarbons in the air on the example of STM-30-50 are considered. The causes of additional error and the ways of its elimination (reduction) are analyzed.
Key words: control gas mixture, measured component, volume fraction of component, lower concentration limit of flame propagation, calibration.
Мониторинг воздуха рабочей зоны технологических установок проводится для предупреждения взрывоопасных ситуаций. С этой целью широкое распространение получили термохимические сигнализаторы, например, СТМ-30-50 и другие этой же серии, выпускаемые Смоленским ПО «Ана-литприбор». Эти средства измерений (СИ) просты в эксплуатации и обладают сравнительно высокой надежностью. Тем не менее, у них имеются некоторые недостатки, в том числе касающиеся метрологического обеспечения.
В соответствии с эксплуатационной документацией градуировку и настройку сигнализаторов на второй порог аварийной сигнализации — 11 % нижнего концентрационного предела распространения (НКПР) пламени — проводят по поверочной газовой смеси (ПГС) метана (градуировочный компонент). При измерении такими СИ воздушных смесей с другими компонентами возникает дополнительная погрешность, а аварийная сигнализация включается, например для паров бензина, при достижении 20 % НКПР. Такое положение не соответствует требованиям нормативных документов [1, п. 3.2, 3.10; 2, п. 2.7.3.2, 2.7.3.9], где установлено, что пределы допускаемой абсолютной погрешности применяемого СИ должны быть ± 5 %, а аварийная сигнализация должна включаться при достижении 50 % НКПР. Остановка технологического процесса из-за преждевременного (менее 50 % НКПР) срабатывания аварийной сигнализации о превышении допустимого уровня концентрации горючих газов и паров в воздухе влечет за собой неизбежные убытки.
В руководстве по эксплуатации [3] приведены номинальные статические характеристики преобразования сигнализатора по токовому выходному сигналу с указанием коэффициентов пропорциональности (коэффициентов пересчета) для метана, гексана и метилакрилата. Коэффициенты пересчета позволяют найти (с определенной погрешностью) кон-
центрацию любого компонента с помощью сигнализатора, проградуированного по ПГС метана, и определить ее значение, при котором сработает аварийная сигнализация. Каким образом измерять концентрацию других компонентов, определять уровни срабатывания сигнализации по установленным порогам и какова при этом погрешность сигнализатора, в [3] не указано.
Принцип действия термохимических сигнализаторов основан 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 его НКПР, выраженному в процентах объемной доли компонента (ОДК). Чем выше коэффициент диффузии измеряемого компонента, тем большая его масса переносится из анализируемой среды на поверхность чувствительного элемента датчика в единицу времени и тем больше тепловой эффект и сила выходного тока. В то же время, чем выше ОДК, тем меньше сила выходного тока, приходящаяся на единицу ОДК, определяющей НКПР, при постоянном диапазоне выходного тока, например, 4—20 мА.
Чувствительность сигнализатора определяется как
Ч = ЬЩаОДКНКПР), (1)
где Ь — коэффициент, обусловленный конструктивными параметрами датчика сигнализатора; D — коэффициент диффузии градуировочного или измеряемого компонента; а — коэффициент, равный доле молекулярной массы органического соединения, обусловленной атомными массами окисляемых (горючих) компонентов. Например, для кислородсодержащих органических соединений
а = (ттСпНрО - А0 )/ттСпНрО;
ттСпНрО — молекулярная масса измеряемого компонента; коэффициенты т, п, р обозначают количество атомов углерода, водорода и кислорода, соответственно; А0 — суммарная атомная масса кислорода.
Для алканов, олефинов, аминов, ароматических углеводородов а = 1. Выражение (1) удобно использовать для вычисления коэффициентов пересчета сигнализатора, т. е. определения его относительной чувствительности при измерении разных компонентов. Индексом «г» будем обозначать величины, относящиеся к градуировочному компоненту, а индексом «и» — к измеряемому. Тогда с учетом (1) выражение для вычисления коэффициента пересчета имеет вид
кп = °гаи0ДКНкпР и / (°иаг0ДКНкпР г). (2)
Для проверки правильности (2) экспериментально определены средние коэффициенты пересчета Кпэ для воздушных смесей некоторых наиболее распространенных веществ относительно метана и гексана. Результаты приведе-
ны в табл. 1; значения коэффициентов диффузии компонентов в (2) взяты из [4], значения НКПР — из [5].
Проверку проводили на сигнализаторах СТМ-30-50, про-градуированных по государственным стандартным образцам ПГС метана или гексана из баллона. Кроме того, коэффициенты пересчета определены с применением системы 9010/9020 (преобразователи типа 7600; 14 шт.), произведенной в Германии.
При анализе результатов измерений разными сигнализаторами установлен значительный разброс данных до ± 30 % и более. Этот факт можно объяснить тем, что при переходе от измерения ПГС метана к другим газовым смесям имеется разброс характеристик СИ, связанный с качеством изготовления и условиями эксплуатации первичных преобразователей сигнализаторов — количеством нанесенного катализатора, его чистотой и активностью, степенью отравления катализатора и др. Разброс характеристик чувствительных элементов (ЧЭ) обусловливает дополнительную относительную погрешность термохимических сигнализаторов при измерении газовой смеси компонентов [3, приложение 2], равную ± 30 %. Дополнительная абсолютная погрешность является переменной, зависящей от значения измеряемой величины. Для диапазона измерений сигнализатора 0—50 %
НКПР дополнительная погрешность изменяется от 0 до ± 15 % НКПР, нормируемая погрешность составляет 5 % НКПР
Результаты экспериментального определения Кп э в значительной степени зависят от количества СИ в выборке и состояния ЧЭ в них. Экспериментально полученное значение этого коэффициента для водорода в 5,6 — 6,6 раза больше рассчитанного (см. табл. 1). Столь значительные отклонения можно объяснить тем, что платиновый катализатор является избирательным к водороду (его каталитическая активность наивысшая именно для водорода), а также высокой теплотворной способностью последнего.
Еще сложнее обстоит дело с экспериментальным определением коэффициентов пересчета для многокомпонентных смесей, в частности, паров бензина. 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. Из результатов хромато-графического анализа пробы паровой фазы, находящейся в равновесии с жидкостью в закрытом сосуде при температуре 22 °С,
Т а б л и ц а 1
Результаты экспериментального определения Кг
Выборка СИ, шт. Диапазон Отклонение
Компонент Тип СИ Кп.э разброса Кпэ % Кпэ от Кп, %
Метан ^гексан СТМ-30-50 6 0,587 +30 . -23 -3,8 (0,61)
Метан^бензол 2 0,5905 +2,26.. -2,0 +0,1 (0,59)
Метан^диметиламин 3 0,880 +41 . -33 -11,1 (0,99)
Метан^СО 5 1,055 +24 . -36 +11,9 (0,943)
Метан^аммиак 2 2,6446 +1,35 . -1,35 -4,87 (2,78)
Метан^водород 4 1,064 +12,3 . -21,4 +460 (0,19)
Гексан^пропан 1 1,350 - -3,41 (1,398)
Гексан^н-гептан 1 0,906 - +3,1 (0,879)
Гексан^ц-гексан 1 1,060 - +8,38 (0,978)
Гексан^бензол 1 0,930 -3,73 (0,966)
Гексан^метан Система 9010/9020, 13 1,677 +26 . -30 +2,3 (1,64)
Метан^гексан датчик 7600 13 0,596 +39,5 .. -22 -2,2 (0,61)
Метан^водород 14 1,25 +7 . -7 +558 (0,19)
Гексан^водород 14 2,015 +7 . -7 +550 (0,31)
следует, что суммарная ОДК газообразных углеводородов составляет до 4,2 % для С3 и 7,06 % для всех С4Нх. Столь высокое содержание газообразных (С3, С4) углеводородов в паровой фазе обусловлено «легкой» десорбцией абсорбированных газов из жидкости. По сути, десорбция и улетучивание газовой составляющей и легких жидких компонентов бензина определяют его нестабильность по составу во времени. Из-за нестабильности бензина и трудоемкости методики экспериментальное определение Кп не имеет смысла. Проще и надежнее подобрать оптимальную ПГС для градуировки сигнализаторов, используемых при контроле паров бензина в воздухе.
В табл. 2 приведены физические свойства некоторых основных компонентов бензина (в том числе коэффициенты D диффузиии и давления рн насыщенного пара [3]) и для сравнения метана, а также расчетные данные, подтверждающие, что оптимальной градуировочной ПГС для СТМ-30-50 при контроле паров бензина в воздухе является гексан. Кроме того, в табл. 2 показано, при каком значении НКПР сработает аварийная сигнализация при измерении компонентов, входящих в состав бензина в случае настройки второго порога на 11 % НКПР (заводская установка) по метану. Значения не превышают 20 % НКПР, это преждевременное срабатывание. Также указаны значения этой величины во время включения аварийной сигнализации при настройке СИ по ПГС гексана на 40 % НКПР (второй порог). Сигнальные значения попадают в диапазон 28,6 — 42,1 % НКПР; максимальные отклонения от заданного значения сост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.