Розглянуто метод визначення цетанового числа дизельних палив на основі його фізико-хімічних
параметрів із використанням штучних нейронних мереж.Рассмотрен метод определения цетанового числа дизельных топлив на основе их физико-
химических параметров с использованием искусственных нейронных сетей.The method for cetane number of diesel fuels based on its physical-chemical parameters using artificial
neural networks determination has been considered

Древецький, В. В.

Клепач, М. М.

METHODS AND DEVICES OF QUALITY CONTROL

Електронний науковий архів Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу

ISSN 1993-9981 Методи та прилади контролю якості, № 26, 2011 34 ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ РЕЧОВИН УДК 681.2.083:555.7  ВИЗНАЧЕННЯ ЦЕТАНОВОГО ЧИСЛА ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ НА ОСНОВІ ЇХ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ В. В. Древецький, М. М. Клепач Національний університет водного господарства та природокористування, вул. Соборна, 11, м. Рівне, 33000, тел.(0362)223-565, e-mail: klepachmm@ukr.net  Розглянуто метод визначення цетанового числа дизельних палив на основі його фізико-хімічних параметрів із використанням штучних нейронних мереж. Ключові слова: дизельне паливо, цетанове число, в’язкість, густина, штучна нейронна мережа.  Рассмотрен метод определения цетанового числа дизельных топлив на основе их физико-химических параметров с использованием искусственных нейронных сетей. Ключевые слова: дизельное топливо, цетановое число, вязкость, плотность, искусственная нейронная сеть.  The method for cetane number of diesel fuels based on its physical-chemical parameters using artificial neural networks determination has been considered. Key words: diesel fuel, cetane number, viscosity, density, artificial neural network.   Основними якісними показниками дизельних палив є в’язкість та густина нафтопродуктів. Ці параметри є одними із визначальних при оцінці якості нафтопродуктів. Вони  визначають рівень випаровування та сумішоутворення палива. Іншою важливою якісною характеристикою  дизельних палив є їх здатність до самозаймання при стисненні. Ця здатність виражається в умовних одиницях цетанового числа (ЦЧ), яке чисельно дорівнює процентному (за об’ємом) вмісту цетану (н-гексадекану) в суміші з альфа-метилфталеїном. Якщо дизпаливо характеризується такою ж займистістю, що і модельна суміш цих двох вуглеводнів, то цетанове число  такого палива приймають рівним процентній частці цетану у даній суміші. Чим воно більше, тим легша займистість суміші при стисненні. Оптимальним, для сучасних дизельних двигунів,  значення ЦЧ становить 45÷55 одиниць. При низьких ЦЧ підвищується жорсткість роботи двигунів, а при високих - знижується економічність та підвищується задимленість відпрацьованих газів.  Згідно [1] найбільш точним при визначенні ЦЧ є моторний метод, який виконується згідно відомої методики [2]. Випробування проводяться на стандартному одноциліндровому чотиритактному форкамерному двигуні зі змінною величиною стиснення. Такі дослідження є досить трудомісткими, вимагають багато часу і великої кількості матеріалів для досліджень. При  тому вони є досить затратними через високу вартість як самого устаткування та його обслуговування, так  і  через вартість еталонних сумішей. Крім цього, існує також  лабораторний метод визначення ЦЧ, який по точності наближається до моторного. Він ґрунтується на експериментальному визначенні густини і кінематичної в’язкості продукту при температурі 20°С та розрахунку цетанового числа за відомими залежностями. Зокрема, для розрахунку ЦЧ використовують залежність [3]:  20205879,1)87,17(r+n=ЦЧ , (1) де 20n - кінематична в’язкість в úûùêëéсмм 2 , 20r  - густина в úûùêëé3смг  при температурі дизпалива 20°С. Метою роботи є підвищення точності визначення ЦЧ дизельних палив на основі виміряних значень їх кінематичної в’язкості і густини та  використання при цьому штучних нейронних мереж. ISSN 1993-9981 Методи та прилади контролю якості, № 26, 2011 35 З метою оцінки ефективності використання розрахункових методів визначення ЦЧ на основі значень в’язкості і густини дизельних палив нами здійснено вибірку з масиву сертифікатів якості партій дизельного палива класу С виду І виробництва Мозирського НПЗ (табл. 1). Проведено кореляційний аналіз взаємозв’язку фізико-хімічних параметрів дизпалива з цетановим числом. В результаті обробки вказаного масиву даних отримано коефіцієнти кореляції Пірсона між густиною та цетановим числом, що рівний 299,0, -=rЦЧR , та кінематичною в’язкістю і цетановим числом 606,0, =nЦЧR . Отже між вказаними вище фізико-хімічними параметрами і цетановим числом дизельного палива існують суттєві взаємозв’язки.  При розрахунку ЦЧ за формулою (1) кінематична в’язкість та густина повинні бути приведені до температури 20°С. За діючим стандартом кінематичну в’язкість дизпалива вимірюють при 40°С, а густину при 15, 20 і 40°С. В той же час стандартизована методика приведення значення кінематичної в’язкості від 40°С до 20°С відсутня. У зв’язку з цим доцільно уточнити коефіцієнти залежності (1) з метою використання значень кінематичної в’язкості та густини при 40°С. Після уточнення коефіцієнтів методом послідовного наближення отримано залежність виду:  40401759,2)77,16(r+n=ЦЧ , (2) де 40n  – кінематична в’язкість в úûùêëéсмм 2 , 40r  –  густина в úûùêëé3смг  при температурі дизпалива 40°С. На рис.1 приведено порівняння результатів розрахунків, визначених за залежністю (2), та дійсних значень ЦЧ, визначених моторним методом згідно сертифікатів.   1 – ЦЧ розраховане згідно (2); 2 – ЦЧ згідно сертифікату Рисунок 1 – Порівняльна характеристика ЦЧ розрахованого за формулою (2) та виміряного моторним методом Як видно з рис.1, розрахунковий метод характеризується невисокою точністю.  Сучасний етап розвитку інформаційного технологій та обчислювальних пристроїв дозволяє суттєво підвищити точність обробки експериментальних даних, використовуючи, зокрема, штучні нейронні мережі. Таблиця 1 – Вибірка показників якості партій дизельного палива Мозирського НПЗ Номер проби 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Цетанове число 51.8 51.8 51.8 51.8 52 52 51.9 52.5 52.5 Густина, кг/м3 825.1 823.6 825.1 823.2 821.6 822.1 818.7 822.3 822.3 Кінематична в’язкість, сСт 2.97 2.79 2.97 2.85 2.83 2.84 2.59 2.81 2.81   Продовження табл. 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 51.6 51.7 51.9 51.6 51.6 51.9 51.6 52 51.6 52.5 821.9 820.2 819.2 821.2 821.2 822.0 818.2 820.8 819.5 820.9 2.78 2.72 2.72 2.78 2.78 2.94 2.92 2.98 2.64 2.73  ISSN 1993-9981 Методи та прилади контролю якості, № 26, 2011 36 Для обчислення цетанового числа дизельних палив на основі виміряних густини та кінематичної в’язкості в багатофункціональному автоматичному аналізаторі показників якості нафтопродуктів [4] створена штучна нейронна мережа в Neural Network Toolbox  з використанням пакету прикладних програм Matlab [5]. Нейронна мережа однонапрямлена двошарова (рис. 2): перший (прихований) шар з 50 нейронів має функцію активації 112)(tan 2 -+= - nensig , другий (вихідний) шар представлений одним нейроном – лінійну функцію активації. Входом мережі є матриця–стовпець з 2 параметрів: густини та кінематичної в’язкості, виражених відповідно в кг/м3 та cСт. Вихід мережі – значення цетанового числа.  Рисунок 2 – Структура нейронної мережі Для навчання мережі використана функція trainscg, що модифікує ваги та зміщення мережі за методом градієнтного спуску Моллера. Показником ефективності функціонування мережі обрано середню квадратичну похибку. Параметрами навчання мережі обрані такі: - максимальна кількість епох навчання – 1000; - цільова ефективність функціонування – 0; - мінімальний градієнт ефективності функціонування – 10-90; - максимальна кількість раз підвищення ефективності функціонування з моменту останнього зменшення – 100; - зміна ваги для наближення другої похідної λ=5∙10-5; - параметр регуляризації 5∙10-7. В якості вихідних даних для навчання мережі взята матриця 2х19 із значеннями густини і кінематичної в’язкості при 40°С (табл. 1), а цільових даних – матриця 1х19 значень цетанового числа, визначеного моторним методом (рис. 3).  В результаті навчання середню квадратичну помилку навчання мережі зведено до 1,55∙10-29 за 105 епох. Після виконання процедури навчання нейронна мережа з достатньо високою точністю визначає цетанове число за густиною та кінематичною в’язкістю дизельного палива, виміряних при температурі 40°С (рис. 4).  Рисунок 3 – Досягнуті показники в процесі навчання   Рисунок 4 – Порівняння значень цетанових чисел, визначених за допомогою нейронної мережі та моторним методом Проведене порівняння результатів розрахунків ЦЧ дизельних палив по відомій залежності (2) і з використанням нейронних мереж (табл.2) показує, що використання останніх дозволяє досягти відносної похибки визначення ЦЧ не більше 2%. Використання у автоматичному аналізаторі якісних показників нафтопродуктів [4] запропонованого інформаційного забезпечення дозволяє реалізувати одночасне неперервне вимірювання кінематичної в’язкості, густини і цетанового числа дизельних палив в процесах його виробництва та використання. Здатність штучних нейронних мереж до перенавчання  робить його універсальним і дозволяє пристосовувати  до різних виробництв та видів дизельного палива. ISSN 1993-9981 Методи та прилади контролю якості, № 26, 2011 37 Таблиця 2 – Порівняльний аналіз методів вимірювання ЦЧ Номер проби 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ЦЧ (моторний метод) 51,8 51,8 51,8 51,8 52 52 51,9 52,5 52,5 ЦЧ розраховане за (2) 52,06 51,67 52,06 51,86 51,91 51,90 51,45 51,81 51,81 ЦЧ з використанням нейронної мережі 51,77 51,76 51,77 51,75 52,03 52,01 51,87 52,49 52,49  Продовження табл. 2 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Похибка 51,6 51,7 51,9 51,6 51,6 51,9 51,6 52 51,6 52,5 Δmax σ, % 51,75 51,70 51,77 51,80 51,80 52,17 51,62 52,36 52,27 51,69 0,81 8,78% 51,59 51,72 51,61 51,61 51,61 51,96 51,58 52,11 51,56 52,51 0,29 1,74%  Поєднання в автоматизованому аналізаторі класичних методів вимірювання, сучасних засобів автоматизації та новітніх інформаційних технологій для обробки первинної інформації дозволяє створювати інтелектуальні вимірювальні системи нового покоління.  ВИСНОВКИ В результаті проведених досліджень показано, що за умови використання нейронних мереж при обробці результатів вимірювань можна з високою точністю визначити цетанове число дизельних палив за значенням їх кінематичної в’язкості та густини.  1. Топливо дизельное. Технические условия : ГОСТ 305-82– М. : ИПК Издательство стандартов, 2003.–10 с. 2. Топлива дизельные. Определение цетанового числа : ГОСТ 52709–2007. – М. : Стандартинформ, 2007.–28 с.  3. Бойченко С. В. Моторные топлива и масла для современной техники / С. В. Бойченко, С. В. Иванов, В. Г. Бурлака. – К.: НАУ, 2005.–216 с. 4.Древецький В. В. Багатофункціональний автоматичний аналізатор показників якості нафтопродуктів / В. В. Древецький, М. М. Клепач, С. П. Воробюк. / Вісник Інженерної академії України: Теоретичний і науково-практичний журнал.- Київ, 2010. - Вип.2. - С.208-212. 5. Neural Network Toolbox. [Електронний ресурс] : [режим доступу]  http: //www. mathworks. com/help/toolbox/nnet/.  Поступила в редакцію 11.04.2011 р. Рекомендував до друку докт. техн. наук, проф. Яцук В.О.  

Визначення цетанового числа дизельних палив на основі їх фізико-хімічних параметрів

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Електронний науковий архів Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу