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.