Технические науки/12. Автоматизированные системы управления на производстве

Д.т.н., проф. Жуков Ю.Д., Зивенко А.В., Гудыма Е.А.

Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова, Украина

Оперативная Оценка октанового числа бензинов и топлив на основе биоэтанола с помощью полиметрических систем

Базовым показателем качества и ценообразующим параметром моторных топлив является их детонационная стойкость, выраженная октановым числом (ОЧ). Актуальной проблемой является оперативный контроль ОЧ бензинов на всех стадиях их производства, транспортировки, распределения и потребления, поскольку в последнее время количество фальсифицируемого топлива значительно возросло [1-3]. В настоящее время многие страны мира реализуют государственные программы применения в качестве топлив для автомобильного транспорта специальных спиртобензиновых смесей с применением биоэтанола/биометанола [4]. Статистические данные использования автомобильных топлив показывают, что относительный прирост потребления топлив на основе этанола (Е10, Е85) значительно превышает относительные прирост потребления традиционных бензинов [5]. Законом Украины установлено обязательное содержание в товарных бензинах с 2014 года не менее 5% биоэтанола, а с 2016 – не менее 7% [6].

Экспериментальные исследования показывают, что характеристики топлив на основе биоэтанола значительно отличаются от характеристик стандартных товарных бензинов. Кроме того, большинство средств оперативного контроля качества топлив не предназначены для оценки характеристик топлив на основе биоэтанола и не могут быть использованы для этой цели. Поэтому актуальной задачей является разработка методов и средств оперативной оценки количества и качества моторных топлив (в том числе и альтернативных на основе биоэтанола).

Одним из перспективных методов контроля качества топлив является использование полиметрических информационно-измерительных систем серии «SADKO™» для оперативной оценки октанового числа по исследовательскому методу (ОЧИ) [7]. Основным преимуществом полиметрических систем является использование универсального метода измерения характеристик разнообразных жидкостей (в том числе агрессивных) для оценки ряда характеристик жидкостей. Сигналы таких систем являются высокоинформативными и несут информацию не только о количестве среды в емкости, но и о других параметрах контролируемых сред, характеризующих их состояние (о показателях качества исследуемых сред).

Для оценки показателей качества топлив в полиметрических системах "САДКО" используется связь показателей качества топлива с его электрофизическими характеристиками, в частности – с диэлектрической проницаемостью ε (ДП). Однако, при косвенных измерениях возникает проблема выбора калибровочной зависимости, соответствующей виду/классу топлива. Обычно, выбор осуществляется пользователем прибора на основе априорно-известной информации – либо высокооктановый бензин, либо известен производитель топлива [7]. Для автоматизации процесса оценки ОЧ полиметрической системой была использована дополнительная информация – данные о диэлектрических спектрах исследуемых бензинов [8]. Перед созданием калибровочных моделей был проведен кластерный анализ диэлектрических спектров бензинов для разделения бензинов на кластеры, характеризующиеся максимальным геометрическим подобием спектров (а значит и углеводородным составом) по методике, предложенной в [9].

Для выявления групп бензинов, а также разделения исходного множества топлив на группы используется информации о значениях ДП бензина на различных частотах. Эксперимент показывает, что различные топлива имеют различные значения диэлектрической проницаемости на различных частотах –рис. 1.

Рисунок 1 – Значения действительной части ДП топлив на основе биоэтанола (а) и неэтилированных бензинов (б) на различных частотах при неизменной температуре

Из рис. 1 следует, что совокупность данных о значениях ДП на различных частотах может быть использована для оценки детонационной стойкости топлив. Рис. 1 также показывает, что значения ДП топлив на основе биоэтанола в несколько раз превосходят одноименные значения для неэтилированных бензинов. Это можно пояснить тем, что биоэтанол как составляющая топлив имеет высокую ДП и при увеличении его процентного содержания в топливе повышается значение его ДП, а также октановое число Ω, поскольку значение ОЧИ для этанола превышает 105.

На рис. 2 представлены графики средних значений действительной части ДП με_R на различных частотах для 3-х кластеров, соответствующих трем выявленным группам топлив: кривые 1-3.

Рисунок 2 – Осредненные значения действительной части ДП на различных частотах для 3-х выявленных кластеров

Для оценки октанового числа бензинов были составлены 3 подмножества – первое включает образцы бензинов с относительно низким значением октанового числа (соответствует кривой 1 на рис. 2), второе включает образцы бензинов с высоким значением октановых чисел (кривая 2) и третье включает топлива на основе биоэтанола (кривая 3).

В результате обработки экспериментальных данных были получены 2 расчетные модели: первая соответствует группе топлив с низким значением ОЧИ (группа 1), вторая соответствует группам 2 и 3.

Для выбора формулы, по которой должен производиться расчет ОЧИ следует использовать критерий максимальной геометрической близости диэлектрического спектра исследуемой ЖТС к осредненному спектру одного из кластеров.

Тестирование полученных моделей было проведено на бензинах, не вошедших в обучающие выборки и показало что, погрешность определения ОЧИ образцов не превышает 0,46 ед. ОЧИ.

Для расчета октанового числа топлив выполняется такая последовательность действий:

1) получение полиметрического сигнала;

2) первичная обработка сигнала с целью снижения влияния помех;

3) вычисление параметров во временной области: задержки между импульсами, амплитуды импульсов, коэффициента укорочения, вычисление уровня топлива и определение значений ДП;

4) оценка принадлежности бензина к одной из определенных в результате кластерного анализа групп;

5) оценка ОЧИ топлива по значению ДП в зависимости от выбранной группы.

Выводы. Предложена методика оперативной оценки ОЧИ бензинов и топлив на основе биоэтанола. Получены эмпирические выражения связывающие значения ОЧИ исследуемых топлив с значениями их диэлектрической проницаемости, которые хорошо согласуются с данными полученными другими исследователями. Для повышения точности оценки ОЧИ предложено автоматически идентифицировать класс (группу) исследуемого топлива на основе информации о значении его комплексной ДП на различных частотах. Предварительное разделение топлив на группы производится на основе применения кластерного анализа экспериментальных данных о значениях ДП топлив на различных частотах. Это позволяет применять полиметрические системы при коммерческом контроле параметров бензинов и топлив на основе биоэтанола.

Литература

1. Лосева, А. В. В поисках бензина [Текст] // А. В. Лосева / Корреспондент №28 (465), 22 июля 2011, с. 4.

2. Бычков, С.М. Автомобильные бензины. Способы фальсификации и методы ее выявления [Текст] // Бычков С.М., Коваленко А.Н., Мазаник А.Л., Черепица С.В. и др. / Партнёры и конкуренты. Испытания, измерения, анализ. №4, 2004. с. 24-31.

3. Скворцов, Б. В. Приборы и системы контроля качества углеводородных топлив [Текст] / Б.В. Скворцов, Н.Е. Конюхов, В.Н. Астапов. – М.: Энергоатоиздат, 2000. – 264 с.

4. Acelerating Industry Innovation – 2012 Ethanol Industry Outlook [Text] // Renewable Fuels Association. Retrieved 2012–05–06 – 38 pages.

5. Seungdo Kim Ethanol Fuels: E10 or E85 – Life Cycle Perspectives [Text] / Seungdo Kim, Bruce E. Dale // The International Journal of Life Cycle Assessment, Volume 11, Number 2 (2006), pages 117–121.

6. Закон України Про внесення змін до деяких законів України щодо виробництва та використання моторних палив з вмістом біокомпонентів [Текст] // Документ 4970–17, від 19.06.2012.

7. Зивенко, А.В. Оперативная полиметрическая оценка октанового числа бензина в рамках информационно–управляющей системы «SADKO–OIL» [Текст] / А. В. Зивенко, Ю. Д. Жуков // Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів: Матеріали всеукраїнської науково–технічної конференції з міжнародною участю. – Миколаїв: НУК, 2012. – C. 24–27.

8. Жуков, Ю. Д. Оперативная оценка спектра диэлектрической проницаемости в полиметрических системах [Електронний ресурс] / Ю. Д. Жуков, Б. Н. Гордеев, А. В. Зивенко // Електронне видання «Вісник Національного університету кораблебудування». – Миколаїв : НУК, 2010. – № 2. – Режим доступу – http://ev.nuos.edu.ua.

9. Кизима, Д. Э. Экспресс–контроль важнейших параметров бензина [Электронный ресурс] / Д. Э. Кизима, П. П. Пивоваров // ОАО «Сибнефть–Омский НПЗ». – Режим доступа: http://www.statsoft.ru/home/articles/industry/ind02.htm