§ 6. Баллоны для сжиженных газов
Баллоны под сжиженный газ предназначены для транспортировки, хранения, регазификации и раздачи сжиженных углеводородных газов потребителям. Отечественная промышленность выпускает баллоны объемом 5,27, 30, 40, 50, 55 л, баллоны для автомашин 112 и 250 л, а также малолитражные баллоны объемом 1,4 и 5 л. Баллон состоит (рис. 11.6) из сварной обечайки 1, двух штампованных днищ 2, защитного колпака или воротника 3, горловины 4, подкладных колец 5, башмака 6. В горловину вворачивается вентиль угловой или клапанного типа.
Рис. 11.6. Устройство баллона объемом 50,5 л для сжиженного газа.
В баллонах объемом 5, 12, 27, 50 и 80 л вместо колпака применяют защитный воротник. Конструкция воротника позволяет улучшить и упростить процессы механизации наполнения и ремонтных работ, а также дает возможность устанавливать баллоны друг на друга, что уменьшает площадь хранения и перевозки.
Каждый баллон должен быть окрашен масляной или эмалевой красной краской. На баллоне делают надпись «пропан — бутан». Надписи на баллонах объемом более 12 л наносят буквами высотой 60 мм на длину не менее половины окружности.
На баллонах около горловины должны быть четко выбиты следующие данные:
наименование или марка завода-изготовителя;
тип баллона;
номер баллона;
фактический вес баллона в килограммах (для баллонов объемом до 8 л с точностью до 0,1 кг, для баллонов объемом свыше 8 л с точностью до 0,2 кг);
дата (месяц и год) изготовления и следующего освидетельствования;
пробное гидравлическое давление рпр в кгс/см2;
рабочее давление р в кгс/см2;
объем баллона в литрах (для баллонов до 5 л включительно — номинальный, для баллонов от 5 до 55 л — фактический с точностью до 0,2 л, для баллонов свыше 55 л — в соответствии с ТУ на изготовление);
клеймо ОТК завода-изготовителя (круглой формы диаметром 10 м).
Место на баллонах, где выбиты паспортные данные, должно быть покрыто бесцветным лаком и обведено белой краской в виде рамки. На баллонах объемом менее 5 л, а также на баллонах с толщиной стенки менее 5 мм эти данные разрешается указывать на пластинке, припаянной к баллону, или наносить эмалевой или масляной краской.
Количество сжиженного газа, помещаемого в баллоне, определяется его объемом, условиями эксплуатации и физическими свойствами. Баллон, наполненный сжиженным газом несколько больше нормы, при нагревании может быть подвергнут внутреннему давлению больше допустимого. Перегрузка баллона сжиженным газом больше нормы может произойти при его заполнении. На газонаполнительных станциях заполнение баллонов газом производится полуавтоматически и контролируется взвешиванием. При заполнении оператор подключает баллон к раздаточному коллектору и устанавливает на шкале прибора вес γ. Вес Г определяется суммой весов газа G, который может быть загружен в баллон, порожнего баллона Т, вентиля В, раздаточного приспособления П:
(11.10)
Загрузка баллона газом прекращается автоматически, как только на шкале прибора будет зафиксирован установленный вес. Количество сжиженного газа, загруженное в баллон, всякий раз будет разное. Это зависит от того, соответствовали ли действительным веса порожнего баллона, вентиля и раздаточного приспособления, которые были определены ранее. Отсюда абсолютная ошибка количества газа, который может быть загружен в баллон, определяется ошибками при взвешивании Т, порожнего баллона, вентиля и раздаточного приспособления:
(11.11)
Эту ошибку назовем ошибкой дозирования. Абсолютными ошибками веса вентиля и раздаточного приспособления по сравнению с абсолютными ошибками Г и порожнего баллона можно пренебречь, так как их величины отличаются примерно на один порядок.
Так, для баллона объемом 50 л точность взвешивания вентиля и раздаточного приспособления ±5 г (при взвешивании на весах ВТЦ-10); точность взвешивания Г и порожнего баллона соответственно ±65 и ±45 г (при взвешивании на весах ВМ-150). Следовательно, в основном абсолютная ошибка дозирования будет определяться ошибками при взвешивании Г и Т:
(11.12)
В неблагоприятном случае знаки абсолютных ошибок dT и dT совпадают, а величина их суммы образует перегрузку газа в баллоне сверх нормы наполнения.
Перегрузка баллона сжиженным газом может произойти не только в результате ошибки дозирования, но и от неточности изготовления баллона. Объем отдельного баллона вследствие неточности изготовления отличается на некоторую величину от номинального объема баллона данного типа. Объем отдельного баллона может быть и меньше номинального объема. Возьмем отрицательный случай. Баллон перегружен сжиженным газом против нормы на величину абсолютной ошибки дозирования, а объем баллона меньше номинального. Для этого можно записать следующее неравенство:
(11.13)
где G и V — соответственно количество газа, которое может быть помещено в баллон с номинальным объемом, и объем баллона, равный номинальному; dG и dV — соответственно абсолютные ошибки дозирования и объема баллона при изготовлении; ρ — приведенная плотность загрузки, равная частному при делении массовой нормы наполнения баллона на его номинальный объем. Для безопасной эксплуатации этого баллона количество газа, отпускаемое дозатором, надо уменьшить, чтобы даже при наибольшей ошибке дозирования и объеме, меньшем номинального, это количество газа соответствовало норме наполнения баллона. Тогда можно записать следующее соотношение:
(11.14)
где Gд — количество газа, на отпуск которого должен быть отрегулирован дозатор, или допустимая норма наполнения.
Отсюда допустимая норма наполнения находится как разность между нормой наполнения баллона с номинальным объемом и выражением (dG + dVρ), которое является максимальной абсолютной ошибкой при заполнении баллона сжиженным газом:
(11.15)
Заполнение баллонов сжиженным газом производится с точностью, которая обусловливается точностью измерительного прибора и точностью, с которой изготовлен баллон. Возьмем в качестве показателя точности при заполнении отдельного баллона среднюю квадратическую абсолютную ошибку σ3, которая через аналогичные ошибки дозирования σд и объема баллона при изготовлении σv определяется по формуле
(11.16)
Максимальная абсолютная ошибка при заполнении может быть больше средней квадратичной ошибки. Если дозатор отрегулирован на отпуск количества газа меньше нормы наполнения только на величину точности при заполнении, то вероятность перегрузки баллона сжиженным газом будет значительной. Следовательно, необходимо определить величину, на которую надо уменьшить норму наполнения, чтобы обеспечить достаточную надежность от перегрузки баллона газом. Степень надежности от перегрузки может определяться доверительной вероятностью. Например, возьмем степень надежности, которой соответствует доверительная вероятность, равная 0,9999. Это из 10 000 наполненных баллонов только у одного возможна перегрузка. Максимальная ошибка, на которую следует уменьшить норму наполнения или доверительный интервал, в этом случае будет равна 3,9 σ3. Для этого допустимая норма наполнения определится из выражения
(11.17)
Для определения максимальной абсолютной ошибки при заполнении был проведен эксперимент с десятью баллонами объемом 50 л. У первых пяти баллонов был измерен объем и вычислена средняя квадратичная ошибка объема отдельного баллона, которая оказалась равной 0,35 л. Следующие пять баллонов были заполнены сжиженным газом (пропаном) и взвешены на весах ВМ-150. Вычисленная при этом средняя квадратичная ошибка дозирования .оставила 0,22 кг. Определяя среднюю квадратичную абсолютную ошибку при заполнении (при этом допускается, что выше обе квадратичные ошибки вычислялись для одних и тех же пяти баллонов), получаем σ3 = 0,27 кг. Максимальная ошибка при заполнении с доверительной вероятностью 0,9999 для этих баллонов равна 3,9 σ3, или 1 кг. Отсюда норму наполнения 21 кг пропана, вычисленную для баллона с номинальным объемом 50 л, надо уменьшить на 1 кг. Тогда можно быть уверенным с принятой степенью надежности, что количество газа, отпускаемое в баллоны, не превысит нормы наполнения каждого отдельного баллона.
Вследствие плохой регулировки прибор, отпускающий газ, может завышать или занижать норму наполнения на какую-то постоянную для этого прибора величину. Эта постоянная величина называется систематической абсолютной ошибкой дозирования. Исключить постоянную перегрузку или недогрузку баллонов можно, если дозатор отрегулировать так, чтобы систематическая ошибка дозирования стала в несколько раз меньше ошибки при заполнении и ею можно было бы пренебречь.
Если регулировка прибора по условиям эксплуатации затруднительна, то при установке веса на шкале прибора, по которому производится прекращение заполнения баллона, каждый раз необходимо учитывать систематическую абсолютную ошибку дозирования.
Так, при экспериментальном заполнении баллонов на весах ВМ-150 средний арифметический вес сжиженного природного газа, приходящийся на баллон, был равен 21,56 кг, хотя вес газа, помещенного в баллоне, при котором должно было происходить прекращение налива, брали равным 21 кг. В этом случае абсолютная величина систематической ошибки равна 0,56 кг.
Путем тщательной регулировки пневматической системы, при помощи которой осуществляется прекращение налива сжиженного газа, можно добиться, что средний арифметический вес газа, дозируемого в баллоны, будет приблизительно равен норме наполнения, на которую регулируется прибор.
В качестве примера сделаем расчет допустимых норм наполнения пропаном баллонов объемом 12, 27 и 55 л. Нормы наполнения баллонов пропаном могут быть вычислены без учета ошибок дозирования и объема отдельного баллона при заданной расчетной температуре. Для таких баллонов при условии, что расчетная температура +65° С, нормы наполнения соответственно равны 5, 11,5 и 23,3 кг. Кроме того, следует иметь в виду, что объем баллонов от 5 до 55 л выдерживается при их изготовлении с точностью до 0,2 л. Точность взвешивания порожних баллонов объемом выше 8 л на заводе-изготовителе равна 0,2 кг. Точность взвешивания на весах ВМ-150 баллонов объемом 12, 27 и 55 л, заполненных сжиженным газом, соответственно равна 45,45 и 75 г.
1.Вычислим возможные ошибки дозирования для каждого типа баллонов по формуле, ориентируясь на точность взвешивания порожних и заполненных газом (р = 425 кг/м3) баллонов:
для баллонов объемом 12 и 27 л
для баллонов объемом 55 л
2. Вычислим среднюю квадратичную ошибку количества газа при заполнении баллонов по формуле, считая, что вычисленная ошибка дозирования и точность объема при изготовлении равны соответствующим средним квадратичным ошибкам:
для баллонов 12 и 27 л
для баллонов объемом 55 л
3. Величина допустимой нормы наполнения вычисляется при максимальной ошибке 3,9 а3 с доверительной вероятностью 0,9999: для баллонов объемом 12 л
для баллонов объемом 27 л
для баллонов объемом 55 л
Если эксплуатируемые баллоны имеют другую расчетную температуру (допустим большую, чем +65° С), то величины максимальных ошибок будут меньше вычисленных, так как в формуле (11.16) плотность загрузки, соответствующая расчетной температуре, уменьшится.
В этом случае допустимая норма наполнения также будет другой, так как максимальное количество газа, которое можно поместить в баллон без учета ошибок дозирования и объема отдельного баллона, будет меньше (оно будет соответствовать новой расчетной температуре).
В настоящее время на газонаполнительных станциях баллоны заполняют сжиженным газом до максимальной нормы. Опасность перегрузки баллонов сжиженным газом вследствие абсолютных ошибок дозирования и объема отдельного баллона при изготовлении не учитывается.
При учете всех факторов, влияющих на перегрузку баллонов сжиженным газом, можно определить допустимые нормы наполнения баллонов каждого типа, чтобы обеспечить их безопасную эксплуатацию. Особую трудность при этом будет представлять определение доверительного интервала при количестве газа, на которое надо уменьшить норму наполнения. Эта величина наиболее точно может быть установлена на основании статистического материала.