авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение уровня пожарной безопасности на объектах нефтегазового комплекса с применением разработанного датчика метана

На правах рукописи

УДАРАТИН АЛЕКСЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗРАБОТАННОГО ДАТЧИКА МЕТАНА Специальность:

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность в нефтегазовом комплексе

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА – 2005 2

Работа выполнена на кафедре электрооборудования Вологодского государственного технического университета.

Научный руководитель – доктор физико-математических наук, профессор Федоров М.И.

Официальные оппоненты – доктор технических наук, Федоров А.В.

доктор технических наук, Гуляев А.М.

Ведущее предприятие – ФГУП НПП «Дельта»

Защита состоится 22 февраля 2005 г. в _ часов на заседании диссертационного совета К212.200.01 в Российском Государственном Университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: 119997, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, дом 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им.

И.М. Губкина

Автореферат разослан 21 января 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент Глебова Е.В.

Общая характеристика работы

.

Актуальность проблемы. Нефтегазовый комплекс России является бюджетообразующей отраслью экономики и во многом определяет социально-экономическое состояние страны. Обеспечение пожарной и промышленной безопасности в данной отрасли является важной и актуальной задачей.

К сожалению, в последнее время участились случаи катастроф в нефтяной, угольной и газовой отрасли, которые уносят жизни сотен людей.

Ежегодно происходит около 20 тыс. аварий, связанных с опасным загрязнением воздуха (по данным Госкомэкологии, Минтопэнерго и МЧС России). Одной из наиболее распространенных причин тяжелых последствий пожаров, взрывов и отравлений опасными газами является недостаточно точный и оперативный контроль за их концентрацией в воздухе.

В настоящее время для обнаружения пожаров применяется целый ряд типов пожарных извещателей, действие которых основано на фиксировании опасных факторов пожара (наличия дыма, повышение температуры, открытого пламени и т.д.). Для них характерен один недостаток – такие датчики «ждут» когда опасные факторы пожара достигнут самого извещателя. Поэтому важной задачей становится предупреждение пожаро или взрывоопасной ситуации путем контролирования химического состава воздуха рабочей зоны и своевременное предупреждение персонала об опасности.

Одним из самых опасных газов воздушной среды производственных помещений нефтегазового комплекса является метан (CH4). Он не только токсичен для персонала и горюч, но создает в смеси с воздухом взрывоопасную концентрацию, поэтому контроль концентрации данного газа в воздухе необходим.

Переход к управлению промышленной безопасностью по критериям приемлемого риска и законодательное требование «постоянно осуществлять прогнозирование вероятности возникновения аварий и катастроф» в отношении каждого опасного производственного объекта систем газоснабжения и нефтедобычи приводят эксплуатирующие объекты газового хозяйства организации к необходимости оценки опасности этих объектов и поиску путей снижения вероятности возникновения аварий и катастроф.

Учитывая изложенное, в настоящей работе проведено дальнейшее изучение и разработка путей повышения качества контроля содержания метана. Разработан датчик (первичный измерительный преобразователь) СH и технические средства контроля концентрации метана на его основе для предприятий нефтегазового комплекса, отличающиеся высокой точностью, чувствительностью и безопасностью, простотой и удобством применения.

Цель работы состоит в повышении качества контроля метана (СH4) на предприятиях нефтегазового комплекса и, как следствие, повышении уровня пожарной и взрывобезопасности путем разработки и применения новых, более совершенных технических средств измерения его концентрации.

Главная научная цель работы состоит в разработке основ функционирования датчика устройств для измерения концентрации СH4 в помещениях нефтегазового комплекса.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

разработка датчика (первичного измерительного преобразователя) для технических средств контроля метана;

теоретический анализ влияния условий работы датчика метана на его электрофизические характеристики;

разработка математических моделей, устанавливающих количественные связи между характеристиками датчика концентрации СH4 и условиями его работы, определение оптимального режима работы датчика;

исследование процессов функционирования и старения датчика концентрации метана в условиях помещений нефтегазового комплекса;

разработка технических средств контроля СH4 для предприятий нефтегазового комплекса, т.е. принципиальных электрических схем и конструкций измерителей концентрации метана, а также рекомендаций по их практическому использованию, разработка устройства непрерывного контроля СH4 для систем автоматизированного микроклимата.

Научная новизна работы заключается в следующем:

впервые разработан датчик метана на основе органического полупроводника фталоцианина магния (патент №2231052 от 20.06.2004);

получены, исследованы, математически описаны закономерности влияния условий работы датчика концентрации метана на его электрофизические характеристики. На этой основе и с помощью математических моделей выбран оптимальный режим работы датчика СH4 для условий нефтегазового производства, а также разработаны принципы построения и схема устройства, позволяющего повысить чувствительность и точность измерения концентрации метана;

исследованы процессы функционирования и старения разработанного датчика технических средств контроля СH4 в среде помещений нефтегазового комплекса.

Практическая значимость результатов исследований заключается в следующем:

разработан измеритель концентрации метана для нефтегазового производства и устройство непрерывного контроля СH для систем автоматизированного микроклимата;

повышение безопасности в производственных помещениях нефтегазового комплекса путем применения более чувствительного и точного сигнализатора метана.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

способ изготовления датчика метана на основе фталоцианина магния;

математические модели, описывающие основные закономерности процессов функционирования датчика;

результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований электрофизических свойств датчика СH4, на основе которого разработаны технические средства контроля метана;

схемы и характеристики технических средств, позволяющих повысить уровень безопасности на предприятиях нефтегазового комплекса.

Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке и создании газоанализатора метана и реализованы в Урдомском и Грязовецком линейных производственных управлениях магистральных газопроводов ООО «СЕВЕРГАЗПРОМ» (Республика Коми г. Ухта).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международном семинаре и 34-м «Шумовые деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (г. Москва, г.), молодежном экологическом форуме стран V-международном балтийского региона Санкт-Петербург), “Экобалтика`2004” (г. IV международном молодежном экологическом форуме стран балтийского региона “Экобалтика`2002” (г. Санкт-Петербург), всероссийской научно практической конференции “Энергетика, экология, экономика средних и малых городов. Проблемы и пути их решения” (г. Великий Устюг г.), второй всероссийской научно-технической конференции «Системы управления электротехническими объектами» Тула г.), (г. межрегиональной научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи региону» Вологда г.), региональной – (г. 2002 III межвузовской научно-технической конференции наука «Вузовская – региону» (г. Вологда 2002 г.), межвузовской электронной научно технической конференции «Электроснабжение. Новые технологии» (г.

Вологда 2002 г.), международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (г. Кисловодск 2002 г.), региональной студенческой научной конференции «Молодые исследователи – региону» (г. Вологда 2001 г.).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в центральной печати, получен патент РФ на изобретение №2231052 от 20.06.2004.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на странице машинописного текста, содержит 13 таблиц, 28 иллюстраций, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, в том числе 30 на иностранных языках, приложений на страницах.

Основное содержание работы

.

Во введении раскрывается актуальность темы исследований, излагаются основные положения диссертации.

В первой главе проведен литературный обзор и обоснованы требования к техническим средствам защиты людей от производственных пожаров.

Основным видом поражения, на который приходится почти 90% случаев травмирования персонала на объектах газового надзора, является отравление продуктами сгорания (в том числе и неполного) или газом. На травмирование в результате взрывов и пожаров приходится около 10 % случаев.

Таким образом, необходимо постоянно контролировать микроклимат помещений в нефтегазовой промышленности на наличие взрывоопасных газов, одним из которых является метан.

В системах автоматизированного микроклимата, применяемых в нефтегазовом комплексе, регулирование осуществляется в основном по температуре и концентрации опасных газов. В то же время отмечается, что применяемые системы часто не обеспечивают строгого поддержания параметров микроклимата в связи с несовершенством оборудования и методик расчета, недостаточным учетом изменений технологического процесса, климатических условий, типов и размеров помещений. Разработка датчика метана, позволяющего осуществить непрерывный контроль его концентрации в производственных помещениях, способствует повышению качества контроля концентрации метана и точности поддержания параметров микроклимата, соответствует современным тенденциям в развитии комплексных систем микроклимата и позволяет повысить уровень безопасности.

Аналитическим обзором установлено, что в качестве газовых датчиков для производственных помещений нефтегазового комплекса применяются полупроводниковые химические сенсоры, обеспечивающие стабильность, надежность, жесткие условия эксплуатации, высокие точность и чувствительность, малые габаритные размеры, массу и энергопотребление, информационную, конструктивную и технологическую совместимость с микроэлектронными средствами обработки информации. Кроме того, концентрация детектируемых частиц преобразуется непосредственно в электрический сигнал, а электронная оснастка прибора представляет собой простейшую электрическую схему.

Но используемые в нефтегазовом комплексе методы и устройства для измерения концентрации метана имеют и ряд существенных недостатков:

ограниченность в применении, высокая стоимость и трудоемкость измерения, быстрое старение и высокие (до 700о С) рабочие температуры датчиков и т. д. Поэтому назрела необходимость создания нового датчика концентрации метана и технических средств контроля СH4 на его основе, лишенных перечисленных недостатков.

Согласно требованиям ГОСТ 12.1.005-88.ССБТ «…Методики и средства должны обеспечивать избирательное измерение концентрации вредного вещества в присутствии сопутствующих компонентов на уровне равном или меньшем 0,5 ПДК…». Для метана диапазон измерения должен быть вблизи нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР). В приборах обычно используется два порога срабатывания:

предупредительный (он же ПДК метана равный 7000 мг/м3) – 0.1% об. и аварийный, составляющий 10% от НКПР – 0.5% об. метана.

Согласно ГОСТ 27540-87 сигнализаторы горючих газов должны измерять концентрацию горючих газов от нижнего предела взрываемости до ПДК включительно.

Необходимо разработать технические средства защиты людей, удовлетворяющие требованиям государственных стандартов и превосходящие по некоторым параметрам существующие аналоги. Решению этой задачи и посвящена данная работа.

Во второй главе проведен теоретический анализ влияния концентрации метана и рабочей температуры датчика СH4 на его электрофизические характеристики (сопротивление и чувствительность). Рассматриваемый датчик выполнен по новой запатентованной технологии (патент №2231052 от которая позволила упростить технологически процесс 20.06.2004), изготовления датчика и снизить его стоимость. Сущность изобретения в следующем: на ситалловую подложку с растровыми электродами из антикоррозийного сплава наносится газочувствительный слой химически очищенного фталоцианина магния толщиной не более 15 нм, который подвергается технологической активации и легированию кислородом воздуха.

В данной работе использовался синтезированный и очищенный химическими методами в Ивановской государственной химико технологической академии фталоцианин магния (PcMg). Синтезированный PcMg содержит акцепторную примесь кислорода, который обуславливает p тип его проводимости. Адсорбция донорного газа CH4 на поверхности чувствительного материала датчика приводит к рекомбинации электрона молекулы метана и дырки, образованной примесью кислорода. В результате количество свободных носителей заряда уменьшается и, сопротивление полупроводникового датчика возрастает. Взаимодействие является обратимым. К основным допущениям, использованным в дальнейших рассуждениях (приняты на основе результатов обзора и собственных исследований), относятся: сопротивление чувствительного слоя датчика соответствует омической области поведения органического полупроводника PcMg;

адсорбция метана на поверхности пленок PcMg подчиняется уравнению степенной изотермы Фрейндлиха.

Сопротивление датчика метана обратно пропорционально концентрации свободных носителей заряда:

l R=, (1) qn p µ pS где l - длина полупроводника (расстояние между электродами датчика);

S - площадь поперечного сечения полупроводника;

q - заряд электрона;

n p концентрация дырок;

µ p - подвижность дырок.

Сопротивление датчика в метане определяется как:

1 l Rг =, (2) n p n d qµ pS где n d - концентрация свободных электронов в материале датчика, обусловленных адсорбцией и ионизацией молекул метана.

Знак минус между n p и n d объясняется тем, что электроны молекул метана рекомбинируют с дырками, в результате - количество свободных носителей заряда в материале датчика уменьшается.

Чувствительность датчика, т. е. отношение сопротивлений датчика в присутствии метана и без него, равна:

np Rг = =. (3) R np nd Зависимость количества адсорбировавшихся и ионизировавшихся молекул от концентрации СH4 и рабочей температуры датчика имеет следующий вид:

N = N 0 e kT, (4) где N 0 - число молекул, адсорбировавшихся на поверхности датчика при данной концентрации СH4;

=8.4·10-21 Дж - энергия адсорбции и ионизации примеси материала датчика, определена экспериментально;

k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура.

Число адсорбировавшихся молекул СH4 при постоянной температуре (изотерма адсорбции) определяем как:

N 0 = k a C k mSд, (5) С где концентрация метана;

коэффициент, обратно - km пропорциональный массе молекулы газа;

Sд - площадь поверхности датчика;

и - коэффициенты адсорбции материала датчика, по нашим ka исследованиям равны соответственно 5.4·10-11 и 0.1.

Уравнение принимает следующий вид:

(4) N = k a k m C Sд e kT. (6) Концентрацию электронов n d, обусловленных адсорбцией метана на поверхности материала датчика, усредняем по объему полупроводника и определяем по формуле:

N nd = (7) lS или с учетом (6) k a k mSд kT nd = C e kT = k n C e, (8) lS где k n - константа.

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы. С ростом концентрации метана в атмосфере производственных помещений нефтегазового комплекса при постоянной рабочей температуре сопротивление датчика СH4 увеличивается. Это объясняется формулами (2) и (8), т. е. под действием адсорбции метана растет концентрация электронов, которые уменьшают проводимость, обусловленную примесями в полупроводниковом материале датчика. С ростом рабочей температуры датчика при постоянной концентрации метана его чувствительность падает, т. к. концентрация собственных носителей заряда в материале датчика растет быстрее количества электронов, обусловленных адсорбцией метана (3).

Полученные выражения (2) и (3) и (8) для электрофизических параметров датчика СH4 позволяют рассчитать его сопротивление и чувствительность в зависимости от концентрации метана (в диапазоне от 0,05 до 0,5% об.) и рабочей температуры (от 50 до 70 оС).

Разработанный датчик способствует снижению пожарной опасности в помещениях нефтегазового комплекса и может являться эффективным средством предупреждения пожаров в силу высокой чувствительности (0,05% об.) и рекордно низкой рабочей температуры (50о С).

В третьей главе изложена методика и результаты экспериментальных исследований условий работы датчика концентрации метана в производственных помещениях нефтегазового комплекса. Повышение качества контроля СH4 на предприятиях нефтегазового комплекса связано с детальными исследованиями влияния концентрации метана, рабочей температуры и времени воздействия СH4 на датчик. Кроме того, теоретические исследования влияния условий работы датчика метана на его электрофизические характеристики, рассмотренные во второй главе, нуждаются в экспериментальной проверке. Оценка влияния разных факторов на сопротивление и чувствительность датчика проводилась с использованием метода статистического планирования эксперимента, которому предшествовали поисковые исследования с целью выбора воздействующих факторов и обоснование уровней их варьирования. Реализован план эксперимента В качестве воздействующих факторов приняты 33.

концентрация метана, рабочая температура и время воздействия СH4 на датчик.

Экспериментальные исследования проводились с датчиком, конструкция которого приведена на рис. 1. Подложка датчика состоит из ситалловой пластины 3 размером 10х10х1 мм с изготовленными на ее поверхности методом фотолитографии встречно-штыревыми электродами 1.

1 100мкм Рис. 1. Датчик газа метана. 1- растровые электроды;

0000000000000000000000 10мм 2 – слой фталоцианина магния;

3 – ситалловая подложка. 10мм Зазор между электродами а =100 мкм, длина зазора L =1476 мм, толщина (высота) слоя электрода h=1 мкм. Для нанесения на подложку слоя органического полупроводника использовался метод вакуумной сублимации на установке ВУП-4.

В результате проведенного полного факторного эксперимента получили следующие уравнения регрессии для сопротивления R и чувствительности датчика:

R = 24.7 + 10.2C 9.29t + 4.69 4.07C 2 1,78t 2 2.71 ;

(9) 5.67Ct + 2.57C 2.45t 1.23Ct = 12.3 + 4.34C 1.59t + 2.15 1.87C 2 2,78t 2 1.19. (10) 1.19Ct + 1.02C 0.46t 0.26Ct Воспроизводимость результатов оценивалась по критерию Кохрена.

Проверка моделей (9) и (10) по критерию Фишера подтвердила их адекватность.

Из (9) и (10) получены частные уравнения регрессии и построены зависимости сопротивления и чувствительности датчика при фиксировании факторов на различных уровнях. На рис. 2 представлены зависимости сопротивления датчика метана от времени при различных концентрациях СH4 и рабочих температурах. Сделан вывод, что время необходимое для измерения составляет 30 с.

Рис. 2. Зависимости сопротивления датчика от времени при различных концентрациях метана и рабочих температурах:

1 - С=0,5% об., t=70 оС, R = 14.1 + 3.58 2.71 2 ;

2 - С=0,28% об., t=60 оС, R = 24.7 + 4.69 2.71 2 ;

3 - С=0,05% об., t=50 оС, R = 12.3 + 3.34 2.71 2.

При изучении влияния концентрации метана и рабочей температуры на сопротивление и чувствительность датчика фактор времени фиксировали на верхнем уровне. На рис. 3 приведены зависимости чувствительности датчика СH4 от рабочей температуры при различных концентрациях метана.

Анализируя рис. 3, установили, что чувствительность датчика имеет максимум, который находится в диапазоне температур t =50...70 оС.

Рис. 3. Зависимости чувствительности датчика от рабочей температуры при различных концентрациях метана:

1 - С=0,5% об., =120 c, = 16.8 3.5t 2.78t 2 ;

2 - С=0,28% об., =120 c, = 13.3 2.05t 2.78t 2 ;

3 – С=0,05% об., =120 c, = 6.07 0.6t 2.78t При определении оптимальных параметров работы датчика метана, которые соответствуют максимальной чувствительности, функция отклика (10) исследована на максимум, построены поверхности отклика и их горизонтальные сечения. На рис. 4 приведена одна из таких поверхностей = f (C, t ). Получили максимальную чувствительность датчика max =17. при С =0,5% об. и t =52 оС.

В качестве оптимальной рабочей температуры принимаем t =50 оС, т. к.

чувствительность при данной температуре отличается от ( =16.8) максимальной незначительно, а величина измеряемого сопротивления датчика значительно уменьшается. Исследование зависимости сопротивления датчика от концентрации метана проводилось при рабочей температуре 50 оС (рис. 5).

Рис. 4. Зависимость чувствительности датчика от концентрации метана и рабочей температуры:

= 13.3 + 5.36C 2.05t 1.87C2 2.78t 2 1.45Ct С целью практического применения датчика концентрации СH4 в нефтегазовом комплексе было проведено исследование его старения с помощью камеры искусственного климата при воздействии метана (концентрации от 0,05 до 0,5% об.) в течение 500 часов, различных температурах окружающей среды (от 2 до 50 оС) и влажностях воздуха (от до 95 %), что соответствует параметрам среды производственных помещений нефтегазового комплекса. В результате эксперимента сопротивление датчика возросло на 2-4 %, а чувствительность уменьшилась на 1-3 %.

Рис.5. Зависимость сопротивления датчика R от концентрации метана С при t=50 0С Анализируя результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований влияния концентрации метана и рабочей температуры на электрофизические характеристики датчика (табл. 1, 2), отмечаем, что с учетом доверительного интервала имеет место расхождение результатов до 10 %.

Таким образом, существует удовлетворительная сходимость между теоретическими и экспериментальными значениями сопротивления и чувствительности.

Таблица Сравнение теоретических и экспериментальных данных по сопротивлению датчика метана при рабочей температуре t =50 оС Сопротивление, Ом Относительная C, % % об. погрешность, теоретическое экспериментальное 9.8· 0.05 9.7·10 1. 18.8·106 19.3· 0.16 2. 25.6·106 26.7· 0.28 4. 30.5·106 32.1· 0.39 5. 32.9·106 35.4· 0.5 7. Таблица Сравнение теоретических и экспериментальных данных по чувствительности датчика метана при С= 0,05% об.

t, оС Чувствительность Относительная % погрешность, теоретическая экспериментальная 50 13.9 12.6 -9. 55 13.4 13.6 1. 60 12.8 13.3 3. 65 11.2 11.6 3. 70 8.1 8.47 4. варьировали в интервале 50...70 оС.

Рабочую температуру датчика Это объясняется тем, что в этом интервале чувствительность именно к метану по данным обзора и собственных поисковых исследований максимальна. Верхняя граница - 70 оС объясняется тем, что при высоких температурах собственная проводимость чувствительного слоя датчика возрастает и влияние адсорбции метана на проводимость полупроводника становится значительно менее заметным, кроме того, начинаются процессы десорбции метана;

нижняя - 50 оС - тем, что сопротивление датчика при этой температуре значительно возрастает и погрешность его измерения может достигнуть недопустимых размеров сказываться влияние (начинает сопротивления изоляции, а также электромагнитные помехи). При более низких температурах быстродействие датчика становится недопустимым.

Кроме этого, при температуре 50о С влияние влажности на характеристики датчика минимальное и позволяет пренебречь ею.

В четвертой главе разработаны технические средства обеспечения контроля концентрации метана в нефтегазовом комплексе, приведены их принципиальные электрические схемы, технические и метрологические характеристики. Разработанные средства учитывают специфику среды применения, как-то: окружающая среда с часто изменяющейся температурой и влажностью, недопущение возникновения искр и тления и пр. Датчик метана работает на рекордно низкой температуре (50 оС), что исключает возможность возникновения искр, кроме этого такая температура обеспечивает снижение влияния влажности на процессы, протекающие в нем.

Из теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости сопротивления и чувствительности датчика от концентрации СH4, рабочей температуры и времени измерения, кривые старения датчика. На основании этих данных разработаны измерители концентрации метана (СМ) для предприятий нефтегазового комплекса и устройства непрерывного контроля СH4 для систем автоматизированного микроклимата.

Обобщенная структурная схема средств контроля концентрации метана представлена на рис. 6.

Рис. Структурная схема средств контроля 6.

концентрации метана:

1 - датчик метана, 2 - преобразователь, 3 отображающее измерителей СМ) или (для исполнительное (для систем микроклимата), 4 стабилизатор температуры датчика, 5 - источник питания Разработано несколько вариантов измерителя СМ с различными схемными решениями включения датчика для предприятий нефтегазового комплекса различной специализации: аналоговые измерители концентрации метана СМ 1 и СМ-2, измерители концентрации СH4 с цифровой индикацией СМ-3, СМ 4 и СМ-5. Их характеристики сведены в табл. 3.

Таблица Характеристики измерителей концентрации метана Показатель СМ СМ-2 СМ-3 СМ-4 СМ- Пределы измерения 0,1..0,5 0,1..0,5 0,05..0,5 0,05..0,5 0,05..0, концентрации СH4, % об.

Рабочая температура 50 50 50 50 датчика, оС Время, необходимое на 6 4 3 1 0, измерение, мин.

Погрешность 30 20 15 20 измерения, % Потребляемая мощность (не 25 10 5 6 0, более), Вт Габаритные 200х200х140 200х200х140 180х180х120 180х180х120 110х60х размеры, мм Масса, кг 3 3 2 2 0, Стоимость лабораторного 2100 4150 6230 12500 образца, руб.

На рис. 7 приведена принципиальная электрическая схема устройства непрерывного контроля и регулирования концентрации метана релейного типа для системы автоматизированного микроклимата. Она включает:

измерительный мост R1-R4 c датчиком метана R2, усилитель на микросхеме DA1, компаратор DA2 и сигнальный светодиод V2 (исполнительное устройство - реле К1, пускатель К2, двигатель привода вентилятора М1).

Блок питания устройства и стабилизатор температуры датчика СH4 не показаны. При превышении концентрации метана нормы загорается V (включается двигатель М1).

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема системы контроля и регулирования концентрации метана Рабочие условия эксплуатации средств контроля метана: температура от о 40 до +40 С;

относительная влажность до 95 % (при отсутствии конденсации);

атмосферное давление от 86 до 106 кПа;

напряжение сети В от -15 до +10 % частотой 50±1 Гц.

В пятой главе определена технико-экономическая эффективность применения средств контроля метана в нефтегазовом комплексе. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения разработанных технических средств контроля метана составил 2882,01 руб.

Заключение.

В диссертационной работе представлено новое решение актуальной научной задачи повышение уровня пожарной безопасности на – предприятиях нефтегазового комплекса путем разработки более совершенного сигнализатора метана на основе чувствительного датчика изготовленного с использованием органического полупроводника.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. По уникальной технологии (патент №2231052 от 20.06.2004) разработан датчик метана, отличающийся рекордно низкой рабочей температурой (50 оС) и простотой изготовления. Датчик позволил улучшить качество контроля метана за счет высокой чувствительности и простоты измерения СH4 определяется посредством измерения (концентрация активного сопротивления чувствительного слоя датчика).

2. Получены математические модели, устанавливающие количественные связи между электрофизическими характеристиками датчика метана и условиями его работы в среде помещений нефтегазового комплекса.

Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей показали совпадение результатов в пределах 10 %.

3. По итогам исследований влияния условий работы на электрофизические характеристики датчика СH4 определены оптимальные параметры его функционирования в среде помещений нефтегазового комплекса: рабочая +50 оС, время установления показаний не более 30 с. При температура испытании датчика в течение года концентрациями метана в диапазоне С=0.05-0.5% об. дрейф его параметров - сопротивления и чувствительности в пределах погрешности измерения что свидетельствует о – 10%, незначительной деградации структуры в результате старения.

4. Разработано несколько вариантов схем простого и удобного в эксплуатации газосигнализатора, позволяющего осуществлять экспресс анализ метана и повысить точность измерения его концентрации.

Разработано устройство контроля метана для систем автоматизированного микроклимата, позволяющее реализовать непрерывный контроль СH4 в атмосфере помещений и повысить эффективность работы кондиционирующих установок. С учетом погрешностей датчика и схемы прибора суммарная погрешность устройства не превышает ±25%, что соответствует требованиям нормативных документов.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

Патент 2231052 Кл G01 N 27/12. А.В. Ударатин, М.И. Федоров.

1.

Способ изготовления тонкопленочного датчика для определения концентрации метана в газовой среде / ВоГТУ (Россия): Заявл. 07.10.2002.

Опубл. 20.06.2004. Бюл. №17.

2. Ударатин А.В., Федоров М.И. Газовый сенсор на основе фталоцианина магния. Электроснабжение. Новые технологии: Доклады межвузовской электронной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ. - 2003. С. 53-55.

3. Ударатин А.В. Датчик пропан-бутана на основе Pc-Sn-Pc. Молодые исследователи региону: Материалы межрегиональной научной – конференции студентов и аспирантов. - Вологда: ВоГТУ.- 2002. - С. 38-40.

4. Ударатин А.В. Исследование датчика концентрации метана ДГП-1.

Молодые исследователи региону: Тезисы докладов региональной – студенческой научной конференции. - Вологда: ВоГТУ. - 2001. - С. 36-37.

5. Ударатин А.В. Сигнализатор метана для безопасности персонала в российской энергетике // Безопасность жизнедеятельности. - №9. - 2004. – С. 35-37.

6. Ударатин А.В., Бабкин А.Н., Федоров М.И. Газовые сенсоры на основе органических полупроводников. молодежный IX-международный экологический форум стран балтийского региона “Экобалтика`2002”.

Сборник тезисов статей. Под ред.: Васильева Ю.С., Голубева Д.А., Данилевича Я.Б., Федорова М.П. – Санкт-Петербург: СПбГПУ. – 2002. – С. 74-76.

7. Ударатин А.В., Федоров М.И. Датчики природного газа на основе органических полупроводников. Вузовская наука – региону: Материалы III региональной межвузовской научно-технической конференции. - Вологда:

ВоГТУ. - 2002. - С. 409-410.

8. Ударатин А.В., Федоров М.И. Измеритель концентрации газа метана // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - №3. - С. 400-401.

Ударатин А.В., Федоров М.И. Измеритель концентрации метана // 9.

Сенсор. 2003. -№1. - С. 50-51.

10. Ударатин А.В., Федоров М.И. Металлфталоцианин в датчике природного газа. Всероссийская научно-практическая конференция “Энергетика, экология, экономика средних и малых городов. Проблемы и пути их решения”. Материалы / Федеральное государственное унитарное предприятие научно-исследовательский институт “Всероссийский межотраслевой информации – федеральный информационно-аналитический центр оборонной промышленности”. - 2003. – С. 250-252.

11. Ударатин А.В., Федоров М.И. Низкотемпературный сенсор метана, как часть системы безопасности персонала в топливно-энергетическом комплексе РФ. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч. техн. семинара (Москва, 9-11 декабря 2003 г.). М.: МНТОРЭС им.

А.C.Попова, МЭИ, 2004. - С. 147-152.

12. Ударатин А.В., Федоров М.И. Новое в датчиках газа на основе органических полупроводников. Вторая всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления электротехническими объектами». – Тула: ТулГУ. - 2002. - С. 24-25.

13. Ударатин А.В., Федоров М.И. Сигнализатор метана для мониторинга окружающей среды в системе охраны труда. V-международный молодежный экологический форум стран балтийского региона “Экобалтика`2004”. Санкт Петербург, 16-18 июня 2004 г. Сборник тезисов статей. Под ред.: В.Ю. Рудь, С. 49.

14. Федоров М.И., Мелкоян Ш.Р., Ударатин А.В. Тонкопленочные солнечные элементы и датчики газов на основе органических полупроводников / Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. Тезисы докладов международной научной конференции, Кисловодск, 13-18 октября 2002. Ставрополь: СевКавГТУ. - 2002. – С. 125-128.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.