CC BY
31
УДК 665.733
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ОКТАНОВЫМ ЧИСЛОМ И СОСТАВОМ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ
А. А. Кудрявцева, В. А. Соловьев
SPECTROMETRIC MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEM FOR OCTANE NUMBER AND COMPOSITION OF COMMERCIAL GASOLINE
A. A. Kudryavtseva, V. A. Soloviyev
Аннотация. Бензин является многокомпонентной смесью, в которой состав, спектральные коэффициенты поглощения и октановое число взаимосвязаны. Предложена система измерения и управления октановым числом и составом товарных бензинов с помощью промышленных проточных кювет с волоконно-оптическими адаптерами, спектрометров и оптических мультиплексоров. Это позволит создать промышленную взрывобезопасную систему измерения и управления октановым числом и составом товарных бензинов.
Ключевые слова: товарный бензин, октановое число, спектральные коэффициенты поглощения, спектрометр, промышленная проточная кювета, волоконно-оптический адаптер, оптический мультиплексор, оптическая плотность, длина волны, спектральный диапазон чувствительности, длина поглощающего слоя бензина, концентрация компонентов.
Abstract. Gasoline is a multi-component mixture, in which the composition, the spectral absorption coefficients and the octane number interrelated. The authors suggest the system measurement and control octane number and composition of commodity gasoline by means industrial flowing cell with fiber optic adapters, spectrometer and optical multiplexers. It will create industrial explosion-proof system of measurement and control octane rating and composition of commodity gasoline.
Key words: commercial gasoline, octane number, the spectral absorption coefficients, spectrometer, industrial flow cell, fiber-optic coupler, optical multiplexer, optical density, wave length, spectral response range, the length of the absorbing layer of gasoline, the component concentration.
Требования, предъявляемые к автомобильным бензинам, основному продукту нефтеперерабатывающих заводов, определяются возможностью его массового производства с необходимыми эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими оптимальную работу двигателя с соответствующими экологическими показателями.
Наиболее важными эксплуатационными характеристиками бензинов являются его детонационная стойкость, определяемая октановым числом, а также испаряемость, зависящая от фракционного состава. Для обеспечения экологических требований необходимо контролировать содержание в бензинах непредельных и ароматических углеводородов, антидетонаторов, сернистых соединений.
Современные автомобильные бензины, как правило, представляют собой смеси компонентов, получаемые различными технологическими процессами.
Требования к фракционному составу и давлению насыщенных паров бензинов определяются конструкцией автомобильного двигателя и климатическими условиями его эксплуатации. С одной стороны, необходимо обеспечить запуск двигателя при низких температурах, с другой - предотвратить нарушения в работе двигателя, связанные с образованием паровых пробок при высоких температурах.
Детонационная стойкость характеризует способность автомобильных бензинов противостоять самовоспламенению при сжатии. Высокая детонационная стойкость топлива обеспечивает его нормальное сгорание на всех режимах эксплуатации двигателя.
Показателем детонационной стойкости автомобильных бензинов является октановое число, показывающее содержание изооктана (в процентах объемных) в смеси с н-гептаном, который по детонационной стойкости эквивалентен топливу, испытуемому в стандартных условиях [1]. В лабораторных условиях октановое число автомобильных бензинов и их компонентов определяют на одноцилиндровых моторных установках УИТ-85 или УИТ-65. Склонность исследуемого топлива к детонации оценивается сравнением его с эталонным топливом, детонационная стойкость которого известна. Октановое число на установках определяется двумя методами: моторным (по ГОСТ 511-82) и исследовательским (по ГОСТ 8226-82). Методы отличаются условиями проведения испытаний. Испытания по моторному методу проводят при более напряженном режиме работы одноцилиндровой установки, чем по исследовательскому. Поэтому октановое число, определенное моторным методом, обычно ниже октанового числа, определенного исследовательским методом. Октановое число, полученное моторным методом, в большей степени характеризует детонационную стойкость топлива при эксплуатации автомобиля в условиях повышенного теплового форсированного режима, а октановое число, полученное исследовательским методом, больше характеризует бензин при работе на частичных нагрузках в условиях городской езды. Разницу между октановыми числами бензина, определенную двумя методами, называют чувствительностью бензина. Наибольшей чувствительностью (9-12 ед.) отличаются бензины каталитического крекинга и каталитического риформинга, содержащие непредельные и ароматические углеводороды. Менее чувствительны (1-2 ед.) к режиму работы двигателя алкилбензин и прямогонные бензины, состоящие из парафиновых и изопарафиновых углеводородов. Для автомобильных бензинов, за исключением А-76, определяются и нормируются октановые числа, определенные двумя методами. Требования к детонационной стойкости бензинов зависят от конструктивных особенностей двигателя, определяющим среди которых является степень сжатия. Увеличение степени сжатия позволяет повысить эксплуатационные показатели и экономичность работы двигателя. Таким образом, прогресс в автомобилестроении приводит к постоянному повышению требований к детонационной стойкости применяемых бензинов.
В этой связи особое значение приобретают методы для оперативной оценки детонационной стойкости как готового продукта, так и его компонентов, точность и быстродействие которых во многом определяют качество производимой продукции.
Так, используемые на некоторых нефтеперерабатывающих заводах России устройства экспрессного измерения октанового числа, основаны на анализе предварительно отобранных проб. Это приводит к значительным экономическим издержкам, связанным с возможным производством больших
объемов нестандартных (бракованных) бензинов (до 300 м3) в течение времени анализа пробы, которое может лежать в пределах от 20 до 50 мин или более 4000 м3 в сутки.
Оперативное измерение спектральных коэффициентов поглощения товарных бензинов, а также его компонентов при производстве в режиме реального времени, позволит значительно сократить экономические издержки и улучшить качество.
Появление на рынке мини-спектрометров и спектрометров дюймового формата [2], промышленных кювет с волоконно-оптическими адаптерами [3], оптических мультиплексоров предполагает создание промышленной взрыво-безопасной системы измерения и управления октановым числом и составом товарных бензинов.
В соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера, оптический спектр поглощения бензина, состоящий из N различных компонентов, в матрично-векторной форме будет иметь вид
А = , (1)
где А - вектор оптических плотностей на длинах волн 1; Ь - длина поглощающего слоя бензина; е у - вектор коэффициентов поглощения; у-х компонентов на 1-й длине волны; су - вектор концентрацийу-х компонентов.
Концентрации компонентов находятся решением системы (1)
с} = ье А. (2)
Относительная погрешность вычисления значений концентраций компонентов определяется оценкой числа обусловленности матрицы е у, в соответствии с соотношением
к(е) = |е у \etj-(3)
Физически соотношение (3) отражает индивидуальность спектров поглощения отдельных компонентов, входящих в смесь товарного бензина, и их линейную независимость. Оно является ключевым при выборе диапазона длин волн и информационных длин волн, на которых производится измерение спектра оптического поглощения товарного бензина, а в соответствии с (2) определяется его фракционный состав.
Октановое число бензиновой смеси зависит исключительно от относительной доли составляющих смесь компонентов.
Октановое число Q бензиновой смеси, содержащей N компонентов, определяется октановыми числами QJ чистых компонентов и их концентрациями:
n
Q = X Q¡ с} , су). (4)
у =1
Соотношение (4) содержит аддитивную составляющую и нелинейную часть Ф^у, Су).
Таким образом, измеряя оптические плотности товарного бензина на различных длинах волн и пользуясь соотношением (2), можно определить фракционный состав бензина, а по соотношению (4) его октановое число.
На рис. 1 представлена функциональная схема промышленной системы измерения и управления составом и октановым числом товарных бензинов. К технологическим трубопроводам посредством компрессионных фитингов 3/4" подсоединены промышленные проточные кюветы РЯО-БС-ЬР для оперативного анализа потоков в промышленных условиях. Длина оптического пути в кювете может варьироваться от 50 до 500 мм, в зависимости от оптической плотности анализируемой жидкости. Промышленные проточные кюветы соединяются со всеми технологическими линиями, по которым подаются компоненты для приготовления товарного бензина и где необходимо идентифицировать состав, в том числе и с технологической линией товарного бензина.
б)
Рис. 1. Технологическая схема системы измерения и управления октановым числом и составом товарных бензинов (а); система измерения и управления октановым числом и составом товарных бензинов с удаленным спектральным анализатором (б)
Кюветы комплектуются двумя оптическими адаптерами для соединения с оптическим мультиплексором. Внешний вид промышленной проточной кюветы РЯО-РС-ЬР приведен на рис. 2. Выходы жидкостей из кювет направляются в общий возвратный трубопровод.
Рис. 2. Проточная кювета PRO-FC-LP с оптическими адаптерами и световодами
Излучение от источника через волоконно-оптический мультиплексор MPM-2000 по волоконно-оптическому кабелю направляется к промышленным проточным кюветам и при помощи оптических адаптеров вводится в кюветы. После кюветы излучение по волоконно-оптическому кабелю возвращается в волоконно-оптический мультиплексор и попадает в спектрометр. Волоконно-оптический мультиплексор MPM-2000 последовательно подключает один из входов к восьми выходам. Мультиплексор MPM-2000 обеспечивает повторяемость результатов измерений на уровне 99 % и имеет оптическое пропускание около 50 %. Время переключения между каналами не превышает 150 мс. MPM-2000 имеет два входных канала, на каждый из которых приходится по восемь выходных каналов. Мультиплексор подключается к ПК по интерфейсу RS-232 или USB. Программно можно задавать последовательность переключения, задержку переключения и управлять калибровкой системы.
В качестве спектрометра предполагается использовать спектрометр NIRQuest512-2.5 фирмы Ocean Optics, работающий в диапазоне длин волн 900-2550 нм, с разрешением 6,3 нм. Спектрометр имеет в своем составе 16-разрядный АЦП и подключается к ПК по интерфейсу USB. К ПК подключен модуль вывода для управления расходами компонентов товарного бензина.
ПК управляет работой волоконно-оптического мультиплексора, спектрометра и задвижками, установленными на трубопроводах. Система работает следующим образом. По команде с ПК мультиплексор устанавливается в соответствующее положение, обеспечивающее прохождение излучения от источника через кювету к спектрометру. Измеряются спектральные коэффициенты пропускания х, в 512 точках диапазона длин волн 900-2550 нм, и
рассчитываются соответствующие им спектральные коэффициенты поглощения компонента j по формуле
е, ="lgх, /L, (5)
которые запоминаются в ПК. Далее по команде с ПК мультиплексор устанавливается в последующие положения, и все процедуры повторяются. С учетом наборов спектральных коэффициентов поглощения е , выбираются информационные длины волн, для которых выполняется неравенство
к(е) = |е,| е ,> Р, (6)
' ,
которые используются для измерения состава товарного бензина и его октанового числа.
К ПК через интерфейс USB подсоединен модуль ввода-вывода, через который посредством исполнительных органов осуществляется управление расходами компонентов товарного бензина и его октановым числом.
Список литературы
1. URL: http://oceanoptics.ru/spectrometers/168-nirquest.html
2. URL: http://www.oemoptic.ru/flowcells_proclong.php
3. URL: http://www.oemoptic.ru/controlling_mpm-2000.php
Кудрявцева Анна Алексеевна аспирант,
Пензенский государственный университет
Соловьев Владимир Александрович доктор технических наук, профессор, кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет
Kudryavtseva Anna Alekseevna graduate student, Penza State University
Soloviev Vladimir Aleksandrovich doctor of technical sciences, professor, sub-department of instrumentation, Penza State University.
УДК 665.733 Кудрявцева, А. А.
Спектрометрическая система измерения и управления октановым числом и составом товарных бензинов / А. А. Кудрявцева, В. А. Соловьев // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № 2 (6). - С. 164-169.
