BR112019013088A2

BR112019013088A2 - método e dispositivo para estimar pelo menos uma característica de combustão de um gás combustível.

Info

Publication number: BR112019013088A2
Application number: BR112019013088A
Authority: BR
Inventors: Lantoine Laurent; Ourliac Mathieu; Manjoo Naushad; Capela Sandra
Original assignee: Engie
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-12-17
Also published as: CN110312933A; CN110312933B; KR102478378B1; FR3061302B1; EP3563152B1; DK3563152T3; WO2018122490A1; PT3563152T; KR20190102008A; ES2912536T3; EP3563152A1; US20200232962A1; PL3563152T3; JP7258757B2; US11592430B2; JP2020514714A; BR112019013088B1; FR3061302A1; CA3048290A1

Abstract

um método de estimar pelo menos uma característica de combustão de um gás combustível pertencendo a uma família de gases de combustível, referida pelo menos uma característica sendo o índice de wobbe ou o valor de aquecimento maior, o método compreendendo: medir (e01) pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível; medir (e02) o teor de diidrogênio contido no referido gás combustível; referida pelo menos uma característica sendo estimada (e03) por meio da seguinte relação afim empírica: em que a, ß e ¿ são coeficientes predeterminados para a família de gases combustíveis; e é variável representativo de propriedades físicas de referido gás combustível preparado de ditos valores medidos de referidas pelo menos duas propriedades de referido gás combustível.

Description

Pedido de Patente de Invenção para “MÉTODO E DISPOSITIVO PARA ESTIMAR PELO MENOS UMA CARACTERÍSTICA DE COMBUSTÃO DE UM GÁS COMBUSTÍVEL”

Fundamentos da Invenção [0001] A invenção diz respeito ao campo geral de estimar características de combustão de um gás combustível formando parte de uma família de gases combustíveis, referida pelo menos uma característica sendo o índice de Wobbe ou valor de aquecimento mais elevado.

[0002] Uma aplicação particular para a invenção situa-se na estimativa de característica de combustão de um gás combustível contendo diidrogênio, p.ex. um gás combustível contendo uma quantidade de diidrogênio situandose em uma faixa de 0% a 20% em volume.

[0003] O uso de fontes de energia renováveis algumas vezes requer o uso de meios para armazenar energia, uma vez que tais fontes renováveis podem operar em uma maneira que é intermitente e descorrelacionada com requerimentos de energia. Isto se aplica em particular com produção de energia fotovoltaica ou quando produzindo eletricidade por meio de turbinas eólicas.

[0004] Propostas foram feitas para usar o diidrogênio que é obtido por eletrólise de água como meio para armazenar energia vindo de fontes de energia renováveis.

[0005] O diidrogênio como gerado desta forma pode subsequentemente ser armazenado em armazenamentos, p.ex. subterrâneos, ou pode também

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2/43 ser injetado em uma rede de distribuição de gás natural. O gás que é obtido pode então conter diidrogênio na faixa de 0% a 20%.

[0006] O índice de Wobbe (em quilowatts hora por metro cúbico normal (kWh/Nm³)), que é a razão do valor de aquecimento de um gás combustível sobre a raiz quadrada de sua densidade, e o valor de aquecimento mais elevado (em kWh/Nm³) são as duas magnitudes características principais do combustível que tem uma influência nas configurações de combustão dos queimadores de gás, se para uso caseiro ou para uso industrial.

[0007] Dependendo do tipo de aplicação para o gás, e do meio de medição usado (se a taxa de fluxo é medida ou não por meio de geração de sucção) é um ou outro destes dois parâmetros que é levado em conta.

[0008] Por meio de exemplo, para um injetor alimentado em uma pressão de alimentação constante (p.ex. um cooktop ou um queimador de fita), a energia entregue depende da pressão, da seção através do injetor, da perda de carga, e do índice de Wobbe do combustível.

[0009] Para aplicações onde um medidor de massa ou fluxo de volume está disponível, a energia entregue depende do fluxo medido e do valor de aquecimento.

[00010] Especificamente, o calor entregue por um queimador é proporcional tanto ao índice de Wobbe, ou ao valor de aquecimento mais elevado (HHV). Da mesma forma, para gases naturais livres de hidrogênio como distribuídos na Europa, a quantidade de ar necessária para obter combustão estequiométrica depende de uma ou outras destas características do gás combustível.

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3/ 43 [00011] Deve ser observado que a rede europeia para transporte e distribuição de gás natural está se tomando mais e mais ramificada e é alimentada por uma variedade de fontes de fornecimento, de modo que as características do gás natural (índice de Wobbe e HHV, dentre outros) pode então variar sobre o tempo de maneira não-desprezível (± 5% ou até mais), em qualquer ponto dado na rede.

[00012] Com isto em mente, processos industriais tais como aqueles realizados em formação de vidro, cerâmica, produção de eletricidade, lima, e indústrias metalúrgicas são sensíveis a estas variações. Como um resultado, de modo a otimizar combustão, é necessário fazer uso de soluções específicas para regular combustão. De modo a realizar regulação deste tipo, é possível medir o índice de Wobbe ou o valor de aquecimento mais elevado. [00013] Com gás natural, existem soluções tecnológicas para medir estes parâmetros que são simples, robustos e precisos. Entretanto tais soluções faltam quando diidrogênio está presente no combustível. Erros em medição destes parâmetros aumentam bastante uma vez que o volume de diidrogênio excede 1%, e não é garantido que as medições sejam repetíveis.

[00014] Adicionalmente, equipamento industrial, e até equipamento doméstico, pode ser sensível à adição de diidrogênio, até em proporções muito pequenas.

[00015] Como um resultado, existe uma necessidade de novos aparelhos de medição capazes de quantificar em uma base contínua os parâmetros de combustão principais destes novos combustíveis: não apenas para usos sensíveis tais como fabricação de vidro ou processos metalúrgicos, mas também de modo a permitir operadores de rede a gerenciar localmente as características de combustão dos combustíveis em gás entregues aos usuários.

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4/43 [00016] Métodos têm sido propostos para medir ou estimar o índice de Wobbe e o valor de aquecimento.

[00017] Em particular existem quatro famílias de aparelhos que podem ser usados para medir o índice de Wobbe e/ou o valor de aquecimento de gás natural, possivelmente incluindo uma proporção não-zero de diidrogênio:

[00018] - Calorimetria (para valor de aquecimento): Medição envolve queima de uma quantidade controlada de gás. Em seguida, a energia desprendida é quantificada pela diferença de temperatura de entrada/saída através de um trocador de calor (gás ou água). Precisão é da ordem de 10% (p.ex. 1,1 kWh/Nm³) mas cada medição leva cerca de 10 minutos (min). Esta tecnologia está sendo abandonada, pouco a pouco.

[00019] - Medição de combustão (para o índice de Wobbe): medição envolve combustão de uma mistura de ar/gás. O teor de oxigênio nos produtos de combustão é medido por uma sonda de zircônia. O teor de oxigênio residual é correlacionado com o índice de combustibilidade, que é ele mesmo correlacionado, para gases naturais, com o índice de Wobbe. Este tipo de aparelho custo cerca de €15,000. Este tipo de equipamento opera com misturas tendo um baixo teor de diidrogênio. (para teores de diidrogênio maiores que 5% em volume, o índice de Wobbe não é mais linearmente proporcional ao índice de combustibilidade). O inconveniente desta tecnologia é pouco preciso, da ordem de 5% (p.ex.0,75 kWh/Nm³) e manutenção considerável (envelhecendo devido a altas temperaturas do forno em que combustão da mistura acontece).

[00020] - Cromatografia em fase gasosa (par o índice de Wobbe e para valor de aquecimento). Esta técnica serve para separar as moléculas de uma mistura de gás. O índice de Wobbe e o valor de aquecimento podem ser calculados com base no conhecimento da composição do gás. Para

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5/43 equipamento de queima de combustíveis de alta energia (p.ex. turbinas a gás), Cromatografia em fase gasosa tem geralmente substituído calorimetria e Medição de Combustão. A partir deste ano, o resultado é de 0,5% (p. Ex. 0,08 kWh/Nm³ para o índice de Wobbe). Este tipo de equipamento pode operar com um sensor de gás natural e diidrogênio. A precisão destes aparelhos de medição é melhor, da ordem de 0,5% (isto é, 0,08 kWh/Nm³para o índice Wobbe). Este tipo de equipamento também pode operar com misturas de gás natural e diidrogênio, desde que o equipamento seja equipado com um sensor específico capaz de separar a molécula de diidrogênio. A principal desvantagem da cromatografia em fase gasosa é o custo, mesmo quando as melhorias recentes são levadas em consideração (o preço de custo pode estar na faixa de € 20.000 a € 50.000). Além disso, mesmo na melhor das circunstâncias, o tempo de resposta do equipamento de cromatografia em fase gasosa é da ordem de um minuto. Portanto, pode haver uma incompatibilidade entre o gás que é medido e o gás que está sendo realmente usado pelo equipamento de queima de combustível (por exemplo, um queimador).

[00021] - Aparelhos de correlação (para o índice de Wobbe ou para o valor de aquecimento mais elevado): Uma ou mais grandezas físicas correlacionadas com o índice de Wobbe ou com o valor de aquecimento mais elevado são / são medidas em tais aparelhos. Uma correlação, realizada por um computador, é então usada para estimar o índice Wobbe ou o HHV. Este tipo de aparelho permite obter uma precisão de até 1 % para os gases naturais do tipo distribuído na Europa. As vantagens deste tipo de tecnologia são velocidade de resposta (instantânea), custo (na faixa de € 10.000 a € 20.000), robustez e manutenção reduzida. No entanto, os aparelhos no mercado não operam com misturas de gás natural e diidrogênio. Uma vez que um gás

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6/43 natural real (não compreendendo metano puro) inclui diidrogênio presente em alguns por cento em volume, o erro aumenta drasticamente.

[00022] O estado da técnica inclui o Documento EP 1 346 215, que descreve aparelhos para medir o índice de Wobbe por correlação.

[00023] Também conhecido é o documento US 4 384 792, que descreve aparelhos para medir e regular o índice de Wobbe de um combustível de gás por correlações e regular o índice de Wobbe.

[00024] Também conhecido é o documento US 6 244 097, que divulga um aparelho para medir o valor de aquecimento de um combustível de gás por correlações.

[00025] Finalmente, o conhecido Documento DE 4 118 781 divulga um aparelho para medir o valor de aquecimento e o índice Wobbe de um combustível de gás por correlações.

[00026] As soluções divulgadas nesses documentos apresentam as desvantagens dos aparelhos de correlação. Em particular, eles não são adequados para uso uma vez que o gás combustível em estudo inclui diidrogênio, uma vez que sua precisão é muito baixa.

[00027] Além disso, e como mencionado acima, outros aparelhos que são capazes de operar com misturas de gás natural e diidrogênio são particularmente caros, o que limita suas aplicações a equipamentos de alta potência do tipo que pode ser instalado em grandes grupos industriais.

[00028] A invenção procura, em particular, atenuar pelo menos alguns desses inconvenientes.

Objetivo e resumo da invenção

Petição 870190058101, de 24/06/2019, pág. 64/115 /43 [00029] A presente invenção satisfaz esta necessidade propondo um método para estimar pelo menos uma característica de combustão de um gás combustível pertencente a uma família de gases combustíveis, sendo a referida pelo menos uma característica o índice Wobbe ou o valor de aquecimento mais elevado, o método compreendendo:

[00030] · medir pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível;

[00031] · medir o teor de diidrogênio ^H2 contido no referido gás combustível;

[00032] · referida pelo menos uma característica sã sendo estimada por meio da seguinte relação empírica afim:

= α + β Y + y' X_B,

Onde:

α, β e γ são coeficientes predeterminados para a família de gases combustíveis; e [00033] Y uma variável representativa das propriedades físicas do referido gás combustível preparado a partir dos referidos valores medidos das referidas pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível.

[00034] Este método, portanto, refere-se a um procedimento do tipo de correlação, e este método pode, assim, ser implementado de forma simples e barata, e este método permite que os resultados sejam obtidos muito rapidamente.

[00035] A invenção tem em conta o teor de diidrogênio no gás combustível, ao contrário dos métodos do estado da técnica.

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8/43 [00036] Pode observar-se que a invenção é aplicável a gases combustíveis com um teor em volume de diidrogênio na gama de 0% a 20%. [00037] Os inventores observaram que é possível usar uma relação afim empírica da mesma forma tanto para estimar o valor de aquecimento mais elevado quanto o índice de Wobbe.

[00038] A título de indicação, várias propriedades de fluxo diferentes do gás combustível podem ser medidas, dependendo se é um valor de aquecimento mais alto ou um índice de Wobbe que está sendo medido. Em outras palavras, a variável pode ter uma forma que difere dependendo se é um valor de aquecimento mais alto ou um índice de Wobbe que está sendo medido.

[00039] Além disso, os coeficientes α, β e γ não precisam ser constantes e eles podem diferir dependendo se um valor de aquecimento mais alto ou um índice de Wobbe está sendo medido.

[00040] Deve também ser observado que as propriedades de fluxo do gás combustível são propriedades medidas em meios de fluxo e que podem ser selecionadas do grupo compreendendo: taxa de fluxo, temperatura ou mesmo pressão.

[00041] A variável Y representa propriedades físicas do gás. A título de indicação, a variável Y pode estar associada a uma ou mais propriedades físicas, como a viscosidade do gás combustível, sua capacidade específica de calor (por unidade de peso) ou, na verdade, sua densidade. Dizendo que a variável Y representa ou está associado a estas propriedades físicas significa que pode ser escrito na forma de uma função matemática associando estas propriedades físicas. A variável Y pode ser escrita tanto na forma de uma função matemática associando as propriedades físicas, como também na

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9/43 forma de uma função matemática associando as propriedades de fluxo do gás combustível, uma vez que estas propriedades são usadas para preparar a variável Y. Especificamente, para certos tipos de medição de propriedade de fluxo , é possível associar uma pluralidade de tais medições às propriedades físicas do gás combustível do fluxo.

[00042] Assim, usando a notação:

t/mes.1 para a medição da propriedade de fluxo , para a medição da propriedade de fluxo W ; e ^mes.3 para a medição da propriedade de fluxo , isto dá:

[00043] Em uma modalidade particular, os coeficientes α, β e γ são coeficientes lidos de um gráfico tendo como entrada o valor medido para o teor de diidrogênio e entregando como saída disse coeficientes α, β e γ.

[00044] Isso permite obter uma estimativa ainda mais precisa da característica que está sendo estimada.

[00045] em uma modalidade particular, o referido gráfico associa os referidos coeficientes α, β, e γ com intervalos de valor para o teor de diidrogênio tendo uma largura de 1%.

[00046] Em outras palavras, o gráfico apresenta granularidade da ordem de 1%.

[00047] Os inventores da presente invenção observaram que isto permite obter uma precisão satisfatória e fazê-lo com um nível de complexidade que é aceitável.

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10/43 [00048] Em uma modalidade particular, os valores dos ditos coeficientes α, β e γ são obtidos de um conjunto de dados relativo a gases conhecidos da referida família de gases combustíveis para os quais o valor de Y e as características de combustão que são representativas das referidas propriedades físicas são conhecidas.

[00049] O termo gases conhecidos é usado para cobrir gases de composição que são conhecidos, por exemplo, gases para os quais as proporções dos vários componentes de determinadas naturezas químicas são conhecidas. O perito na arte sabe como determinar as características de combustão de tais gases e, em particular, pode fazer uso de gases conhecidos que contêm uma quantidade de diidrogênio diferente de zero.

[00050] Em uma modalidade particular, o método compreende gerar aleatoriamente características e valores de combustão para que são representativas das propriedades físicas do referido conjunto de dados relacionadas com gases conhecidos da referida família de gases combustíveis.

[00051] Em uma modalidade particular, o índice de Wobbe e o valor de aquecimento mais elevado são estimados por meio de duas relações afim empíricas.

[00052] Assim, é possível estimar ambas as características de combustão, em uma única modalidade do método.

[00053] Em uma modalidade particular, o método compreende ainda estimar a densidade do referido gás combustível a partir do índice de Wobbe estimado e do valor de aquecimento mais elevado estimado.

[00054] Em uma modalidade particular, o método compreende regular a característica de combustão do gás combustível ou regular a característica

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11/43 de combustão de um gás combustível e um volume estequiométrico estimado de ar ou um índice de combustibilidade estimado correspondente à referida característica estimada.

[00055] Em uma modalidade particular, disse que pelo menos uma característica de combustão do gás combustível compreende o índice Wobbe íè ; e a dita medição de pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível inclui a medição de um taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo sônico (isto, a uma velocidade superior ou igual velocidade do som) através de uma constrição do fluxo de fluido (por exemplo, um orifício ou um micro-bocal), sendo a medição realizada a uma pressão absoluta medida a montante da constrição e a uma temperatura absoluta medida a montante da constrição;

[00056] compreendendo ainda o método um procedimento de calibração durante o qual é tomada uma medição de um taxa de fluxo de massa de um gás de referência (por exemplo metano) em fluxo sônico através da referida constrição do fluxo de fluido, a uma pressão absoluta de referência medida a montante da constrição e a uma referência absoluta temperatura medida a montante da constrição;

[00057] a relação empírica afim usada para estimar o índice Wobbe então sendo escnta:

IWgs = D + E-Y + F-Xjj-,

H2 com:

Y_ Qmes& Pre£ |

Onde: ^? in«s

Qmesz é a taxa de fluxo de massa medida do gás combustível;

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Pmes é a pressão absoluta medida do gás combustível;

Tms é a temperatura absoluta medida do gás combustível;

Qref é a taxa de fluxo de massa medida do gás de referência;

Pref é a pressão absoluta medida do gás de referência; e

Trrf é a temperatura absoluta medida do gás de referência; e

D, EeF são coeficientes predeterminados para a família de gás combustível e correspondem respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

[00058] Em uma modalidade particular, o índice de Wobbe do referido gás combustível é estimado, e o método compreende ainda medir a densidade do referido gás combustível e estimar o valor de aquecimento mais elevado a partir do índice de Wobbe estimado e da densidade de gás medida.

[00059] Em uma modalidade particular, a referida pelo menos uma característica de combustão do gás combustível compreende o valor de hhVck aquecimento mais elevado É e a referida medição de pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível compreende:

[00060] · medir a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível em fluxo laminar através de um aparelho que dê origem a uma queda de pressão, a medição depende da viscosidade do gás combustível e da viscosidade de um gás de referência (por exemplo, metano); e [00061] · medir, a jusante do referido aparelho que origina uma queda de pressão, a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível por meio de um medidor de fluxo de massa térmico, sendo a medição dependente da capacidade calorífica específica do gás combustível e da capacidade calorífica de uma referência gás;

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13/43 [00062] a relação empírica afim usada para estimar o valor de , , HHVcn „ , aquecimento mais elevado hz então sendo escrita:

UffVcsr ⁼ À r δ * Z r C · Xfj, com:

„ _ Qsnes.l [00063] Onde:

Z é uma variável correspondente à variável Y;

Qmesi é a taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão medida; e

Qibmz é a taxa de fluxo de massa do gás combustível medido a jusante do referido aparelho, dando origem a uma queda de pressão; e

A,BeC são coeficientes predeterminados para a família de gás combustível e correspondem respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

[00064] E possível executar uma etapa de calibração com o gás de referência, por exemplo, para obter os valores da viscosidade e da capacidade térmica do gás de referência.

[00065] Este passo de calibração permite obter medições precisas, em particular para gases não puros, como os gases que contêm diidrogênio.

[00066] A invenção também proporciona um dispositivo para estimar pelo menos uma característica de combustão de um gás combustível pertencente a uma família de gases combustíveis, sendo que pelo menos uma característica é o índice Wobbe ou o valor de aquecimento mais elevado, compreendendo o dispositivo:

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14/43 [00067] · pelo menos dois módulos para medir pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível;

v [00068] · um módulo para medir o teor de diidrogênio contido no referido gás combustível;

[00069] · um módulo configurado para estimar pelo menos uma característica hs por meio da seguinte relação afim empírica:

Fgn = «+ β Y + y - X_s, [00070] Onde:

[00071] α, β e γ são coeficientes predeterminados para a família de gases combustíveis; e [00072] Y é uma variável representativa das propriedades físicas do referido gás combustível preparado a partir dos referidos valores medidos das referidas pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível.

[00073] Este dispositivo pode ser configurado para executar todas as implementações do método, conforme descrito acima.

[00074] Deve ser observado que este dispositivo pode incluir um membro de fluxo no qual o gás combustível flui para que suas propriedades de fluxo possam ser medidas.

[00075] Em uma modalidade particular, a referida pelo menos uma característica de combustão do gás combustível compreende o índice Wobbe ηϊ , o dispositivo compreendendo:

[00076] · uma entrada para receber um fluxo do referido gás combustível;

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15/43 [00077] · uma entrada para receber um fluxo de um gás de referência;

[00078] · um seletor e módulo guia para trazer o fluxo do referido gás combustível ou o fluxo do referido gás de referência para um tubo;

[00079] · uma constrição de fluxo de fluido; e [00080] · um módulo para medir uma taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo sônico através da referida constrição do fluxo de fluido, e incluindo um submódulo para medir a pressão absoluta a montante da constrição e um submódulo para medir a temperatura absoluta a montante da constrição;

[00081] a relação empírica afim usada para estimar o índice Wobbe íÈ então sendo escrita:

IWgn = 'D + E Y -í- F - Xg₂

HS com:

y_ Pr®f j

Q ret P me s Ç Effies

Onde:

Qmes.3 é a taxa de fluxo de massa medido do gás combustível;

Pmes é a pressão absoluta medida do gás combustível;

Tmes é a temperatura absoluta medida do gás combustível;

Qref é a taxa de fluxo de massa medido do gás de referência;

Pref é a pressão absoluta medida do gás de referência; e

Urf é a temperatura absoluta medida do gás de referência; e

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[00082] Em uma modalidade particular, o dispositivo é adequado para estimar o índice Wobbe do referido gás combustível, compreendendo ainda um módulo para medir a densidade do referido gás combustível e o módulo que está configurado para estimar a dita pelo menos uma característica também sendo configurada para estimar o valor de aquecimento mais elevado a partir do índice Wobbe estimado e da densidade medida do gás.

[00083] Em particular, o valor de aquecimento mais elevado pode ser obtido multiplicando o índice de Wobbe estimado pelo quadrado da densidade medida.

[00084] A título indicativo, pode-se observar que é possível utilizar um sensor de densidade do fornecedor suíço TRAFAG e ter a referência 8774.

[00085] Em uma modalidade particular, a referida pelo menos uma característica de combustão do gás combustível compreende o valor de aquecimento mais elevado A?, o dispositivo compreendendo:

[00086] · uma entrada para receber um fluxo do referido gás combustível;

[00087] · um módulo para medir a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível em fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão, a medição depende da viscosidade do gás combustível e da viscosidade de um gás de referência; e [00088] · um módulo para medir a jusante do referido aparelho que dá origem a uma queda de pressão, a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível por meio de um medidor de fluxo de massa térmico, sendo a

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17/43 medição dependente da capacidade calorífica específica do gás combustível e da capacidade calorífica do um gás de referência;

[00089] a relação empírica afim usada para estimar o valor de . _Λ , HHVgn aquecimento mais elevado «z então sendo escrito:

HHVgn — A -J- B - Z -t- C *

H2 com:

„ Qysies.l £ = —--Onde:

Z é uma variável correspondente à variável Y;

é a taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão medida; e

Qmess é a taxa de fluxo de massa do gás combustível medido a jusante do referido aparelho, dando origem a uma queda de pressão; e

A, B e C , e são coeficientes predeterminados para a família de gás combustível e correspondem respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

Em uma modalidade particular, o módulo configurado para estimar a referida pelo menos uma característica ü por meio da relação empírica do afinamento também é configurada para estimar um volume estequiométrico de ar ou um índice de combustibilidade.

[00090] Em uma modalidade particular, o dispositivo compreende ainda um módulo para regular a dita característica de combustão do gás combustível ou para regular a característica de combustão de um gás

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18/43 combustível e um volume estequiométrico estimado de ar ou um índice de combustibilidade estimado correspondente à dita característica estimada.

[00091] Este módulo de regulação pode compreender, em particular, um atuador para injeção de um gás adicional, por exemplo, ar. O regulamento pode ser regulado em malha fechada.

[00092] Breve descrição dos desenhos [00093] Outras características e vantagens da presente invenção surgem da descrição seguinte feita com referência aos desenhos anexos, os quais mostram um exemplo que não tem carácter limitativo.

[00094] Nas figuras:

[00095] · Figura 1 é um diagrama que mostra os passos de um exemplo de um método para estimar uma característica de combustão;

[00096] · Figura 2 é um diagrama que mostra um exemplo de um dispositivo para estimar uma característica de combustão;

[00097] · Figura 3 é um diagrama dos passos de um método para estimar o índice Wobbe;

[00098] · Figura 4 é um diagrama de um exemplo de um dispositivo para estimar o índice Wobbe;

[00099] · Figura 5 é um diagrama dos passos de um método para estimar o valor de aquecimento mais elevado;

[000100] · Figura 6 é um diagrama que mostra um exemplo de um dispositivo para estimar o valor de aquecimento mais alto;

[000101] · Figura 7 é um diagrama que mostra um exemplo de um dispositivo para estimar o índice de Wobbe e o valor de aquecimento mais elevado; e

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19/43 [000102] · Figura 8 é um diagrama de um exemplo de um dispositivo para regular o índice Wobbe.

Descrição detalhada [000103] Segue-se uma descrição de um método e um dispositivo para estimar uma característica de combustão de um gás combustível pertencente a uma família de gases combustíveis. A característica pode ser o índice Wobbe ou o valor de aquecimento mais elevado.

[000104] A invenção não está de modo algum limitada a estimar uma única característica, e pode compreender a estimativa do índice de Wobbe e do valor de aquecimento mais alto simultaneamente.

[000105] Figura 1 é um diagrama que mostra os passos de um método para estimar uma característica de combustão de um gás combustível.

[000106] Este método é particularmente adaptado a gases que podem conter uma quantidade não nula de diidrogênio e, em particular, a gases combustíveis contendo diidrogênio na gama de 0% a 20%.

[000107] Em uma primeira etapa E01, pelo menos duas propriedades de fluxo do gás combustível são medidas. O gás combustível em estudo está então fluindo através de um elemento de fluxo e as propriedades de fluxo, como temperatura, pressão ou, na verdade, vazão são medidas, por exemplo, por meio de sensores.

[000108] Em uma segunda etapa, E02, o teor de diidrogênio no fluxo de gás é medido e escrito: . Pode ser observado que em todas as implementações e formas de realização da invenção, o teor em diidrogênio pode ser uma fração molar ou uma fração volumétrica. Se as pressões forem baixas o suficiente, pode-se supor que a lei perfeita dos gases se aplica e que as frações molares e frações de volume têm os mesmos valores. Nas

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20/43 aplicações da invenção, o teor de diidrogênio tem o mesmo valor que uma fraco molar ou uma fraco em volume. Este passo pode ser realizado simultaneamente com o passo E01, ou antes, ou depois.

[000109] Em um terceiro passo E03, a característica escrita Éz é estimada por meio da seguinte relação afim empírica:

iGN ⁼ St + β V F Y ' X £.

[000110] Onde:

[000111] α, β e γ são coeficientes predeterminados para a família de gases combustíveis; e [000112] Y é uma variável representativa das propriedades físicas do referido gás combustível preparado a partir dos referidos valores medidos das referidas pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível.

[000113] Os valores medidos das referidas pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível são selecionados especificamente de modo a que a variável Y pode ser tanto representativa das propriedades físicas do gás combustível, como viscosidade, capacidade específica de calor (por unidade de peso), ou mesmo densidade, e também capaz de ser expresso como uma função dos valores medidos das propriedades de fluxo do combustível, gás.

[000114] Assim, usando a notação:

para a medição da propriedade de fluxo , .-2 para a medição da propriedade de fluxo ; e para a medição da propriedade de fluxo , isto dá:

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21/43 [000115] Figura 2 mostra uma modalidade de um dispositivo para estimar pelo menos uma característica de combustão de um gás combustível pertencente a uma família de gases combustíveis.

[000116] O dispositivo é capaz, em particular, de executar um método do tipo descrito com referência à figura 1 [000117] Neste exemplo, o dispositivo 1 compreende um membro de fluxo 2 configurado para receber um fluxo de gás combustível para o qual se deseja estimar o índice de Wobbe ou o valor de aquecimento mais alto, por exemplo. O membro de fluxo tem uma entrada 2a para receber a corrente de gás combustível e uma saída 2b.

[000118] O dispositivo 1 também tem dois módulos 3a e 3b para medir as propriedades de fluxo do gás combustível.

[000119] A título de exemplo, os módulos 3a e 3b podem ambos, ou cada um, medir uma taxa de fluxo, uma pressão ou mesmo uma temperatura.

[000120] Especificamente, os módulos 3 a e 3b são sensores convencionais para medir uma taxa de fluxo, uma pressão ou mesmo uma temperatura.

[000121] O dispositivo 1 inclui um módulo 4 para medir um teor de diidrogênio A por exemplo, um sensor que fornece uma porcentagem molar de diidrogênio.

[000122] Os módulos 3a, 3b e 4 estão em comunicação com um módulo estimador 5 de modo a comunicar os resultados das respectivas medições ao módulo estimador 5. O módulo estimador 5 pode ser um computador tendo um processador e uma memória (no mostrada).

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22/43 [000123] O módulo 5 é configurado para estimar pelo menos uma característica ü por meio da seguinte relação afim empírica:

[000124] Onde:

[000125] α, β e γ são coeficientes predeterminados para a família de gases combustíveis; e [000126] Y é uma variável representativa das propriedades físicas do referido gás combustível preparado a partir dos referidos valores das referidas pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível, conforme medido pelos módulos 3a e 3b.

[000127] Para este fim, o módulo 5 pode ter, armazenados na memória, valores possíveis para os coeficientes predeterminados α, β e γ. O módulo 5 também pode ter instruções de programa de computador armazenadas na memória para permitir que ele execute a estimativa.

[000128] A título de exemplo, o programa de computador pode incluir instruções para calcular a variável Y dos valores medidos pelos módulos 3a e 3b, e instruções para calcular a característica ht por meio da função acima definida.

[000129] Opcionalmente, o dispositivo 1 pode incluir um atuador 6 controlado pelo módulo estimador 5 a fim de regular pelo menos a dita característica. Por exemplo, o acionador 6 pode ser um injetor de ar comprimido.

[000130] Com referência a figuras 3 e 4, segue-se uma descrição de uma modalidade e uma modalidade na qual o índice Wobbe h2 de um gás combustível é estimado.

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23/43 [000131] Figura 3 mostra as etapas de um método de estimativa do índice

Wobbe Hi de um gás combustível.

[000132] Este método compreende um primeiro passo de calibração E11, durante o qual uma medição é tomada de uma taxa de fluxo de massa de um gás de referência (por exemplo metano) no fluxo sônico através de uma constrição de fluxo de fluido (por exemplo um orifício ou um micro-bocal) pressão absoluta de referência e a uma temperatura absoluta de referência medida.

[000133] Em uma segunda etapa El2, uma medição é feita de uma taxa de fluxo de massa de um gás combustível no fluxo sônico através da constrição do fluxo de fluido, sendo esta medição medida a uma pressão absoluta medida a montante da constrição e a uma temperatura absoluta medida a montante da constrição.

[000134] Em um passo E13, o teor de diidrogênio é medido.

[000135] Os passos El 1 a E13 podem ser executados em qualquer ordem possível. Em particular, os passos E12 e E13 podem ser realizados simultaneamente.

[000136] Em um passo E14, o índice Wobbe «2 é estimado por uma relação afim empírica que é escrita:

com:

Onde:

é a taxa de fluxo de massa medido do gás combustível;

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24/43 é a pressão absoluta medida do gás combustível;

é a temperatura absoluta medida do gás combustível;

QW é a taxa de fluxo de massa medido do gás de referência;

Prsy é a pressão absoluta medida do gás de referência; e é a temperatura absoluta medida do gás de referência; e

D,EeF são coeficientes predeterminados para a família de gás combustível e correspondem respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

[000137] De modo a realizar os passos Ell e E12, é utilizada uma constrição do fluxo de fluido, tal como um orifício ou um micro-bocal de formato conhecido.

[000138] Em ambos os lados da constrição do fluxo de fluido, as seguintes medidas são tomadas: a montante da constrição do fluxo de fluido, as temperaturas absolutas e as pressões absolutas são medidas; e a jusante da constrição do fluxo de fluido, a taxa de fluxo de massa é medida (por exemplo, por meio de um medidor de fluxo de massa térmica).

[000139] Especificamente, isso corresponde a medir a vazão volumétrica normal, escrita passando pelo dispositivo, de duas maneiras diferentes.

[000140] Especificamente, como o fluxo é sônico, aplica-se o seguinte:

[000141] com:

[000142] k uma característica constante da forma do orifício;

[000143] p e T e a pressão absoluta e a temperatura absoluta do gás a montante do orifício; e

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25/43 [000144] d a densidade do gás.

[000145] Além disso, usando um medidor de fluxo de massa térmica, obtém-se o seguinte:

n — Π » [000146] com:

[000147] a medição feita pelo medidor de fluxo de massa térmica na etapa El2;

[000148] C um coeficiente de correção que leva em conta as diferenças das propriedades físicas do gás (por exemplo, sua capacidade específica de calor, sua viscosidade, sua condutividade térmica) em comparação com as propriedades do ar.

[000149] Para um gás de composição conhecida, aplica-se o seguinte:

i v® c = Zc[000150] com:

[000151] A a fração volumétrica do componente i;

[000152] o coeficiente de correção relativo ao componente i. Esse coeficiente pode ser lido de uma tabela associada ao medidor de fluxo de massa térmica.

[000153] O passo de calibração Eli é um passo durante o qual o dispositivo é alimentado com um gás de referência de composição que é conhecido com precisão (de preferência metano puro).

[000154] A igualdade entre as duas relações de vazão usando os valores obtidos no procedimento de calibração da etapa Eli pode assim ser escrita da seguinte forma:

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26/43 [000155] E, no procedimento de medição da etapa El2, no qual as medições são feitas no gás combustível, aplica-se o seguinte:

[000156] Por meio da medição no passo E14, o teor de hidrogênio -¾ (por exemplo, em termos de volume) é também conhecido.

[000157] Pode-se observar que nas equações acima, os únicos dois parâmetros que são desconhecidos são C e densidade d. E então possível eliminar o parâmetro para expressar a variável Y, associada com C e com a densidade d.

[000158]

Especificamente, o seguinte se aplica:

E é uma variável representativa das propriedades físicas do gás [000159] combustível. E possível reescrever Y dos valores medidos. Estes valores medidos (C^,s, p e T) podem ser escritos t para a propriedade de fluxo medidos , para a propriedade de fluxo medido , e para o a propriedade de fluxo medido , dando assim:

Onde:

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27/43 [000160] Finalmente, o seguinte se aplica:

„ Ã-sf Qmes.3 Pref pref i- —---------·* $---------—----------------------* ?--------U Lí- ''ví'·?

[000161] Essa definição da variável Y pode ser usada em uma relação afim empírica tendo como variável Y, e está escrita da seguinte forma:

IWgn = D + Ε · Y + F - X_K_

HZ [000162] D, E e F sendo os coeficientes predeterminados para a família do gás combustível e correspondendo, respectivamente, para os coeficientes α, β e γ descritos com referência às Figuras 1 e 2.

[000163] Os coeficientes D, E e F podem ser obtidos a partir de composições de gás conhecidas, por exemplo, composições de gás natural na rede de um país ou região. A título de exemplo, é possível utilizar composições conhecidas para gás de maior valor calorífico distribuído na Europa e bem conhecido dos especialistas na técnica.

[000164] Destas composições conhecidas, é possível definir valores limites relativos às frações molares dos vários compostos. Por exemplo, usando a notação XK para a fração molar da espécie K em um gás, é possível ter composições conhecidas do seguinte tipo:

0% < X_N2 <5,5%

0,5% < X_C2H6 < 12,5%

0% < Xc4hio < 3,5%

0% < X_CO2 < 1,3%

0% < X_C3H₈ <3,5%

0% < X_C5H12 < 3,5%

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28/43

XcH4 = 1 -ΣΧκ [000165] Deve ser observado que não há diidrogênio nas composições gasosas atuais.

[000166] Essas faixas possíveis permitem a geração aleatória de composições de gases, para as quais é possível determinar o índice de Wobbe (ou mesmo o valor de aquecimento mais elevado). Assim, 10 mil gases podem ser gerados.

[000167] Para cada gás gerado aleatoriamente, é possível adicionar uma quantidade aleatória de diidrogênio situada na faixa de 0% a 20% da fração molar. Mais uma vez, é possível determinar o índice de Wobbe para esses gases gerados aleatoriamente.

[000168] Também é possível deduzir das composições geradas aleatoriamente os valores associados para a variável Y. Através da aplicação de um método dos mínimos quadrados, é possível obter valores para os coeficientes D, E e F:

= —18,0272 + 32.85887 - ¥ - 0,11633 [000169] Estes resultados foram obtidos usando metano como gás de referência.

[000170] Pode-se observar que, para uma fração molar de diidrogênio situada na faixa de 0% a 20%, o erro na estimativa do índice Wobbe é sempre menor que 1,4% e que é inferior a 1% em 98% dos 10.000 gases foram obtidos aleatoriamente.

[000171] Altemativamente, é possível usar uma correlação na qual os coeficientes não são constantes, mas dependem do teor de diidrogênio como uma fração molar.

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29/43 [000172] A relação afim empírica pode ser reescrita da seguinte forma:

/44'gsf = ' í· EfJí#,, I * [000173] Neste exemplo, D e E são funções do teor de diidrogênio (a equação foi reescrita, de modo a mostrar somente dois coeficientes, que dependem em , no entanto, é possível para escrever a equação com três coeficientes).

[000174] Da mesma forma, ao gerar composições aleatórias de gases, os inventores observaram que é possível usar funções e que são constantes por divisão em faixas de concentração de diidrogênio de largura de 1%.

[000175] Por exemplo, na faixa de 2% a 3% de diidrogênio, D e E tomam os seguintes valores:

[000176] D =18.181 [000177] E = 32,715 [000178] Foi observado que o erro na estimativa do índice de Wobbe é sempre menor que 1% para 95% dos 10.000 gases aleatórios.

[000179] A Figura 4 mostra um dispositivo para estimar o índice Wobbe e que é capaz de implementar o método conforme descrito com referência à figura. 3 [000180] Este dispositivo 10 tem uma entrada 11 para receber um gás combustível G1 e uma entrada 12 para receber um gás de referência G2 (tipicamente metano).

[000181] O dispositivo 10 também tem um módulo seletor e guia para levar a corrente de gás combustível ou a corrente de gás de referência para a entrada de um tubo 13. Especificamente, o módulo seletor e guia compreende uma válvula 31 e uma válvula 35.

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30/43 [000182] As válvulas 31 e 35 são controladas por um módulo 36 através dos respectivos terminais 52 e 51, de modo a causar ou o gás combustível, ou então o gás de referência, fluir para dentro do tubo.

[000183] Neste exemplo, o tubo compreende, de montante a jusante, a partir de sua entrada 13:

[000184] - Um sensor de pressão absoluta 60 ligado ao módulo 36 através do seu terminal 41;

[000185] - Um sensor de temperatura absoluta 50 ligado ao módulo 36 através do seu terminal 42;

[000186] - Uma constrição de fluxo de fluido 32 (por exemplo, um orifício ou um micro-bocal);

[000187] - Um sensor de taxa de fluxo de massa térmico 33 ligado ao módulo 36 através do seu terminal 43; e [000188] - Um sensor 34 para detectar a fração molar de diidrogênio e ligado ao módulo 36 através do seu terminal 44.

[000189] O módulo 36 pode aplicar uma relação afim empírica, tal como as descritas acima, para estimar o índice de Wobbe a partir dos sinais recebidos nos terminais 41a 44.

[000190] No exemplo mostrado, o módulo 36 comunica através de dois terminais de saída 54 e 53 com um módulo externo 37, por exemplo, um atuador para realizar a regulação, ou mesmo um mostrador, em uma variante que não é mostrada, o módulo 37 está integrado no dispositivo 10.

[000191] Com referência às Figuras 5 e 6, segue-se uma descrição de uma modalidade e uma modalidade na qual o valor de aquecimento mais elevado de um gás combustível é estimado.

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31/43 [000192] A Figura 5 mostra as etapas de um método para estimar o valor de aquecimento mais elevado sa de um gás combustível.

[000193] Em um passo E22, a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível é medida em fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão, esta medição dependendo da viscosidade do gás combustível e da viscosidade de um gás de referência.

[000194] Em um passo E23, a jusante do referido aparelho que origina uma queda de pressão, a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível é medida por meio de um medidor de fluxo de massa térmico, sendo a medição dependente da capacidade calorífica específica do gás combustível e capacidade de calor do gás de referência.

[000195] Em um passo E21, que pode ser realizado antes ou depois de executar os passos E22 e E23, é executado um passo de calibração que corresponde à execução dos passos E22 e E23, mas com um gás de referência (por exemplo, metano).

[000196] Um passo E24 também é realizado para medir o teor de diidrogênio , como uma fração molar.

[000197] Finalmente, em um passo E25, o valor de aquecimento mais elevado é estimado por meio de uma relação empírica de afinidade com a seguinte forma:

= A + B · Z + C )¾ com:

QwsJ

Onde:

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32/43 [000198] z é uma variável correspondente à variável Y descrita com referência à Figura 1;

[000199] é a taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão medida; e [000200] Çmss.,3 é a taxa de fluxo de massa do gás combustível medido a jusante do referido aparelho, dando origem a uma queda de pressão; e [000201] A, B e C são coeficientes pré-determinado para a família do gás combustível e correspondem, respectivamente, para os coeficientes α, β e γ. [000202] A seguinte relação para valor de aquecimento mais elevado (HHV) é conhecida do documento anterior DE 4 118 781:

HHV = a - ( ) 4- £ [000203] com:

[000204] α w β constantes predeterminadas;

[000205] p a densidade do gás combustível;

[000206] μ a viscosidade do gás combustível; e [000207] a capacidade calorífica do gás combustível.

[000208] A seguinte variável adimensional Z pode ser definida da seguinte forma:

, ÍP^cp/“)_g,.

[000209] Aqui, o subescrito GN especifica o gás combustível, e ref especifica um gás de referência.

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33! 43 [000210] A relação relativa ao valor de aquecimento mais elevado pode ser reescrita da seguinte forma:

#/¾ = ..4 - 2 + 5 [000211] Para medir Z, as duas medições de vazão são usadas. A título de exemplo, é a taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão medida. Utilizando a lei de Poiseuille, sabe-se que o aparelho submete o fluxo de gás a uma queda de pressão através de um elemento laminar.

[000212] Como a medição depende da viscosidade, para certos aparelhos de medição, ela tem uma forma que depende da diferença de pressão a montante e a jusante e o medidor de vazão que fornece pode determinar a taxa de fluxo volumétrica por meio da seguinte fórmula:

[000213] Onde é uma constante geométrica.

[000214] Neste exemplo, um sensor de pressão e uma sonda de temperatura estão integrados no medidor de vazão e permitem obter diretamente a taxa de fluxo de massa (ou a vazão volumétrica reduzida a condições normais de temperatura e pressão), como segue:

[000215] A medição da taxa de fluxo de volume corrigido depende da viscosidade do gás combustível.

[000216] A taxa de fluxo Çmsss é medida usando um medidor de fluxo de massa térmica. A medição da taxa de fluxo de massa depende da capacidade específica de calor do gás combustível.

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34/43 [000217] Desta forma, duas estimativas são obtidas da taxa de fluxo de massa, cada uma apresentando um respectivo erro em relação à vazão volumétrica real normal )· θ seguinte se aplica:

Λ — A ^r

[000218] Para , o erro está associado à diferença entre a viscosidade real do gás de mistura e a viscosidade do gás de referência (metano neste exemplo).

[000219] Para , o erro está associado à diferença entre a densidade multiplicada pela capacidade específica de calor real do gás de mistura e pela mesma quantidade para o gás de referência (metano neste exemplo).

[000220] Tomando a razão entre as duas vazões medidas, a variável Z é determinada e a relação de correlação do Documento DE 4 118 781 tornase:

tf l _σΛ· = Á ’ -r-----+ B [000221] Escrevendo:

r? — π [000222] O seguinte se aplica:

_ íf a . γϊ λ _ [000223] No entanto, os inventores observaram que esta relação não é aplicável uma vez que o diidrogênio está presente no gás combustível.

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Especificamente, o erro de medição toma-se muito grande, o diidrogênio tem propriedades (viscosidade, capacidade específica de calor) que são muito diferentes daquelas de gases como os alcanos.

[000224] A fim de mitigar essa desvantagem, é feito uso do conteúdo diidrogênio medido -¾ , e a seguinte equação é proposta:

FCJyy - ⁴ + δ · Z 4- C · .¾ [000225] A, B e C sendo os coeficientes predeterminados para a família do gás combustível e correspondendo, respectivamente, aos coeficientes a, β e γ descritos com referência às Figuras 1 e 2.

[000226] Os coeficientes A, B e C podem ser obtidos a partir de composições de gás conhecidas, por exemplo, composições de gás natural na rede de um país ou região. A título de exemplo, é possível utilizar composições conhecidas para gás de alto valor calorífico distribuído na Europa e bem conhecido do perito na arte.

[000227] Destas composições conhecidas, é possível definir valores limites relativos às frações molares dos vários compostos. Por exemplo, usando a notação XK para a fração molar da espécie K em um gás, é possível ter composições conhecidas do seguinte tipo:

0% < X_N2 <5.5%

0.5% < Xc2H6 < 12.5%

0% < Xc4hio <3.5%

0% < X_CO2 <1.3%

0% < X_C3H₈ <3.5%

0% < X_C5H12 < 3.5%

XcH4 = 1 -ΣΧκ

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36/43 [000228] Deve ser observado que não há diidrogênio nas composições gasosas atuais.

[000229] Estas faixas possíveis tornam possível gerar composições de gás aleatórias para as quais é possível determinar o valor de aquecimento mais alto. Assim, 10 mil gases podem ser gerados.

[000230] Para cada gás gerado aleatoriamente, é possível adicionar uma quantidade aleatória de diidrogênio situada na faixa de 0% a 20% da fração molar. Aqui, da mesma forma, é possível determinar o valor de aquecimento mais elevado desses gases gerados aleatoriamente.

[000231] Também é possível deduzir das composições geradas aleatoriamente os valores associados para a variável Z. Através da aplicação de um método dos mínimos quadrados, é possível obter valores para os coeficientes A, B e C:

A = 0,61650996

B = 10,428

C = - 0,0645996 [000232] Altemativamente, é possível usar uma correlação na qual os coeficientes não são constantes, mas dependem do teor de diidrogênio como uma fração molar.

[000233] A relação afim empírica pode ser reescrita da seguinte forma:

[000234] Neste exemplo, A, B e C são funções do teor de diidrogênio de (a equação foi reescrita, de modo a mostrar somente dois coeficientes, que dependem de , no entanto, é possível para escrever a equação com três coeficientes).

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37/43 [000235] Da mesma forma, ao gerar composições aleatórias de gases, os inventores observaram que é possível usar funções A e B que são constantes por divisão em faixas de concentração de diidrogênio de largura de 1%.

[000236] Por exemplo, na faixa de 19% a 20% de diidrogênio, A e B tomando os seguintes valores:

A = 0,397217

B = 10,189715 [000237] A Figura 6 mostra um dispositivo para estimar o valor de aquecimento mais elevado que é adequado para executar o método, conforme descrito com referência à figura. 5 [000238] Este dispositivo 100 tem uma entrada 111 para receber um gás combustível G1 e uma entrada 112 para receber um gás de referência G2 (tipicamente metano).

[000239] O dispositivo 100 tem também um módulo seletor e guia para levar o fluxo de gás combustível ou o fluxo de gás de referência à entrada de um tubo 113. Especificamente, o módulo seletor e guia compreende uma válvula 131 e uma válvula 135.

[000240] As válvulas 131 e 135 são controladas por um módulo 136 através dos respectivos terminais 152 e 151, de modo a causar ou o gás combustível, ou então o gás de referência, fluir para dentro do tubo.

[000241] Neste exemplo, o tubo compreende, de montante para jusante e a partir de sua entrada 113:

[000242] - Um sensor 132 para detectar a taxa de fluxo de massa no fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão, a medição dependendo da viscosidade do gás combustível e da viscosidade do

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38/43 gás de referência, sendo o sensor ligado ao módulo 136 através de seu terminal 142;

[000243] - Um sensor 133 para detectar a taxa de fluxo de massa térmico, a medição dependendo da capacidade de calor específica do g medido e da capacidade calor específica do gás de referência, estando o sensor ligado ao mulo 136 através do seu terminal 143; e [000244] - Um sensor 134 para detectar a fração molar de diidrogênio e ligado ao módulo 136 através do seu terminal 144.

[000245] O módulo 136 pode aplicar uma relação afim empírica, tal como as descritas acima, para estimar o valor de aquecimento mais elevado a partir dos sinais recebidos nos terminais 142 a 144.

[000246] No exemplo mostrado, o módulo 136 comunica através de dois terminais de saída 154 e 153 com um módulo externo 137, por exemplo, um atuador para realizar a regulação, ou mesmo um mostrador, em uma variante que não é mostrada, o módulo 137 está integrado no dispositivo 100.

[000247] A figura 7 mostra um exemplo de um dispositivo capaz de determinar simultaneamente o valor de aquecimento mais elevado e o índice de Wobbe por meio de duas relações empíricas de afinidade.

[000248] Este dispositivo tem duas entradas para gás sob pressão. Uma primeira entrada 1011 é para receber um gás combustível G1 pertencente a uma família de gases (por exemplo, o gás combustível na segunda família especificada na norma francesa NF EN 437) e também contendo diidrogênio. O dispositivo 1000 tem outra entrada 1012 para um gás de referência G0 utilizado para as etapas de calibração.

[000249] O dispositivo 1000 também tem um módulo seletor e guia para trazer o fluxo do gás combustível G1 ou do gás de referência GO para a

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39/43 entrada de um tubo 1013. O módulo seletor e guia compreende uma válvula 1031 e uma válvula 1035.

[000250] As válvulas 1031 e 1035 são controladas por um módulo 1036 através dos respectivos terminais 1052 e 1051, de modo a causar ou o gás combustível, ou então o gás de referência, fluir para dentro do tubo.

[000251] Começando a partir da entrada do tubo 1013, e indo de montante para jusante, podem ser encontrados:

[000252] - Um sensor de pressão absoluta 1006 é conectado ao módulo

1036 através de seu terminal 1041. Esse sensor fornece o valor medido no gás combustível e o valor medido no gás de referência.

[000253] - Um sensor de temperatura absoluta 1005 conectado ao módulo 1036 através do seu terminal 1042. Este sensor fornece o valor medido no gás combustível e o valor medido no gás de referência.

[000254] - Uma constrição de fluxo de fluido 1032 (por exemplo, um orifício ou um micro-bocal);

[000255] - Um sensor para detecção da taxa de fluxo de massa através de uma queda de pressão laminar ligado ao módulo 1036 através do seu terminal 1043. Este sensor fornece o valor Q-.s.-.i.

[000256] - Um sensor de taxa de fluxo de massa térmico 1033 é ligado ao módulo 1036 através do seu terminal 1046. Este sensor fornece o valor medido no gás combustível e o valor medido 2·- no gás de referência.

[000257] - Um sensor 1034 para detectar a fração molar de diidrogênio e ligado ao módulo 36 através do seu terminal 1047.

[000258] - Um ventilador (39).

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40/43 [000259] Neste exemplo, o módulo 1036 pode calcular as duas variáveis a seguir:

[000260] O módulo 1036 pode então usar as seguintes fórmulas para determinar o índice de Wobbe hs , o valor de aquecimento mais elevado «s , o volume estequiométrico de ar hz , o índice de combustibilidade e a densidade da mistura de gás combustível m :

ΗΗΙ-ολ = ,4 4- E · Z + C · .V

///7¾

0.00Ü9S3 + 1.Í6S47S [000261] Especificamente, é possível determinar o volume estequiométrico do ar Va, o índice de combustibilidade B e a densidade da mistura de gás combustível a partir dos valores para o índice Wobbe IW e para o valor de aquecimento mais elevado HHV.

[000262] Mais precisamente, para os gases naturais geralmente distribuídos na Europa (e atualmente não contendo nenhum diidrogênio), aplica-se o seguinte:

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41/43 [000263] Os inventores observaram que, na presença de diidrogênio, os valores podem afastar-se de 1,162.

[000264] E possível associar a razão entre o valor de aquecimento mais elevado e o volume estequiométrico de ar ao teor de diidrogênio (conhecido), e fazê-lo com um erro inferior a 0,3% para todos os gases naturais que foram estudados.

[000265] Por outras palavras, conhecer o conteúdo em diidrogênio e o valor de aquecimento estimado mais elevado, com um erro inferior a 1%, toma possível conhecer o volume estequiométrico do ar e, assim, regular a combustão com regulação em circuito aberto.

[000266] Da mesma maneira, a razão entre o índice de Wobbe e o índice de combustibilidade varia linearmente com o teor de diidrogênio. Isso também possibilita a execução de regulamentação de malha aberta.

[000267] Pode-se observar que o erro na estimativa do índice de combustibilidade é menor que 1% em 99,5% dos 10.000 gases de composição aleatória, se forem utilizados 10 mil gases.

[000268] Por definição do índice de Wobbe, é possível determinar a densidade do gás, desde que seja conhecido o índice de Wobbe e o valor de aquecimento mais elevado.

[000269] Pode ser observado que o dispositivo 1000 fornece um sinal de índice Wobbe em seu terminal 1054, um sinal de valor de aquecimento mais alto em seu terminal 1055, um sinal de densidade em seu terminal 1056, um volume estequiométrico de sinal de ar em seu terminal 1057 e uma combustibilidade sinal de índice no seu terminal 1058. Estes sinais referemse ao gás combustível em estudo, isto é, ao gás Gl.

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42/43 [000270] A Figura 8 mostra uma aplicação de regulação de exemplo fazendo uso do dispositivo 10 descrito com referência à Figura 4. Este dispositivo está ligado entre dois pontos de um tubo, um ponto de entrada 201 e um ponto de saída 202. O dispositivo 10 controla um módulo de fornecimento de ar comprimido 203 como uma função das medições feitas pelos sensores 205.

[000271] Este aparelho é capaz, em particular, de regular continuamente o índice de Wobbe para gases análogos aos distribuídos na Europa, mais uma quantidade adicional de diidrogênio. Em particular, é porque a medição é contínua ou em tempo real que se toma possível realizar a regulação, ao passo que isso não é possível com aparelhos do tipo cromatógrafo.

[000272] A precisão com que o índice Wobbe é medido é da ordem de 1%.

[000273] Pode ser observado que é possível modificar um valor de referência para o índice Wobbe no dispositivo 10 para obter a regulação desejada.

[000274] Além disso, as etapas de calibração podem ser executadas automaticamente durante o uso de metano. Os estágios iniciais também podem ser executados automaticamente, isto é, sem a intervenção do operador.

[000275] Além disso, é possível a regulação combinada, na qual a regulação em malha fechada é realizada em uma das características (por exemplo, o índice Wobbe) e a regulagem em malha aberta é realizada em uma vazão de ar comprimido a ser injetada. Isso permite considerar de maneira particularmente precisa as variações na característica, a fim de satisfazer mais de perto um ponto de ajuste para a característica.

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43/43 [000276] Pode ser observado que tais aparelhos podem consumir gás natural a uma taxa inferior a 150 litros por hora (L / h).

[000277] As implementações e modalidades descritas acima permitem que dados termodinâmicos (Cp, viscosidade) sejam acoplados a uma medição do teor de diidrogênio em volume ou em fração molar. Usando uma correlação apropriada, é possível calcular o índice de Wobbe e / ou o valor de aquecimento mais elevado.

[000278] Pode ser observado que, comparado com o uso de um cromatógrafo em fase gasosa, o seguinte se aplica:

[000279] · A estimativa é quase instantânea (com um tempo de resposta que pode ser inferior a 5 segundos (s));

[000280] · A estimativa é barata.

[000281] Em comparação com os métodos de correlação existentes, obtém-se uma boa precisão, mesmo quando o diidrogênio está presente, juntamente com uma boa robustez de medição.

[000282] Finalmente, em comparação com aparelhos que utilizam combustão (medidor de combustibilidade ou calorímetro), a invenção proporciona uma boa robustez, facilidade de modalidade e manutenção que é reduzida e fácil de executar.

Claims

1. Método para estimar pelo menos uma característica de combustão de um gás combustível pertencendo a uma família de gases combustíveis, a referida pelo menos uma característica sendo o índice de Wobbe ou o valor de aquecimento maior, o método caracterizado por compreender:

medir (E01) pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível;

Y medir (E02) o teor de diidrogênio contido no referido gás combustível;

referida pelo menos uma característica ãã sendo estimada (E03) por meio da seguinte relação afim empírica:

2gk = α + β ¥ + y X_H,

H2 em que:

α, β e γ são coeficientes predeterminados para a família de gases combustíveis; e

Y é uma variável representativa das propriedades físicas do referido gás combustível preparada dos referidos valores medidos das referidas pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os coeficientes α, β e γ serem coeficientes lidos de uma tabela tendo como entrada o valor medido para o teor de diidrogênio e entregando como saída os referidos coeficientes α, β e γ.

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3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a referida tabela associar os referidos coeficientes α, β e γ com faixas de valor para o teor de diidrogênio tendo uma amplitude de 1%.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações

1 a 3, caracterizado por os valores dos referidos coeficientes α, β e γ serem obtidos de um conjunto de dados relacionando aos gases conhecidos da referida família de gases combustíveis para os quais o valor de Y e as características de combustão que são representativas das referidas propriedades físicas são conhecidas.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender geração aleatória de características de combustão e valores para Y que são representativos de propriedades físicas do referido conjunto de dados relacionando a gases conhecidos da referida família de gases combustíveis.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações

1 a 5, caracterizado por o índice de Wobbe e o valor de aquecimento mais elevado serem estimados por meio de duas relações afim empírica.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por ainda compreender estimar a densidade do referido gás combustível do índice de Wobbe estimado e do valor de aquecimento mais elevado estimado.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações

1 a 7, caracterizado por compreender regular a característica de combustão do gás combustível ou regular a característica de combustão de um gás combustível e um volume estequiométrico estimado de ar ou um índice de combustibilidade correspondente à característica estimada.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações

1 a 8, caracterizado por a referida pelo menos uma característica de

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3/8 combustão do gás combustível compreender o índice de Wobbe m, e a referida medição de pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível inclui medir (El2) uma taxa de fluxo de massa do gás combustível em fluxo sônico através de uma constrição de fluxo de fluido, a medição sendo feita em pressão absoluta medida a montante da constrições e em uma temperatura absoluta medida a montante da constrição;

o método ainda compreendendo um procedimento de calibração (El 1) durante o qual uma medição é realizada de uma taxa de fluxo de massa de um gás de referência no fluxo sônico através da referida constrição de fluxo de fluido, em uma pressão absoluta de referência medida e em uma temperatura absoluta de referência medida;

a relação afim empírica usada para estimar (El4) o índice de

Wobbe «2 então sendo escrito:

/ = D + 5 ’ ¥ + F *'2 com:

Λ « íT onde:

Qmss.s é a taxa de fluxo de massa medida do gás combustível; Pmei é a pressão absoluta medida do gás combustível;

é a temperatura absoluta medida do gás combustível;

é a taxa de fluxo de massa do gás de referência;

é a pressão absoluta medida do gás de referência; e

T-e/ é a temperatura absoluta medida do gás de referência; e D, E e F são coeficientes predeterminados para a família do gás combustível e correspondem respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

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10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o índice Wobbe do referido gás combustível ser estimado, o método ainda compreendendo medir a densidade do referido gás combustível e estimar o valor de aquecimento mais elevado do índice de Wobbe e da densidade do gás medido.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por a referida pelo menos uma característica de combustão do gás combustível compreende o valor de aquecimento mais elevado hê , e a referida medição de pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível compreende:

medir (E22) a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho dando origem a uma queda de pressão, a medição dependendo da viscosidade do gás combustível e da viscosidade de um gás de referência; e medir (E23), a jusante do referido aparelho dando origem a uma queda de pressão, a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível por meio de um medidor de fluxo de massa térmica, a medição dependendo da capacidade de calor específico do gás combustível e da viscosidade do gás de referência;

a relação afim empírica usada para estimar (E25) o valor de aquecimento mais elevado *2 então sendo escrita:

27 HVcjv ⁼ .4 -J- £> ’ z + L Â

Íf2 com:

X em que:

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Z é uma variável correspondente à variável Y;

Qmas.i é a taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho dando origem a uma queda de pressão medida; e é a taxa de fluxo do gás combustível medida a jusante do referido aparelho dando origem à queda de pressão; e

A, B e C são coeficientes predeterminados para a família do gás combustível e corresponde respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

12. Dispositivo para estimar pelo menos uma característica de combustão de um gás combustível pertencendo a uma família de gases combustíveis, referida pelo menos uma característica sendo o índice de Wobbe ou o valor de aquecimento mais elevado, o dispositivo caracterizado por compreender:

pelo menos dois módulos (3a, 3b) para medir pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível;

um módulo para medir (4) o teor de diidrogênio contido no referido gás combustível;

um módulo (5) configurado para estimar a referida pelo menos uma característica iè por meio da seguinte relação afim empírica:

sgn = « + β ¥ + y · Xhonde:

Y é uma variável representativa de propriedades físicas do referido gás combustível preparado a partir dos referidos valores medidos das referidas pelo menos duas propriedades de fluxo do referido gás combustível.

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13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por referida pelo menos uma característica de combustão do IWgn gás combustível compreender o índice Wobbe hs , o dispositivo compreendendo:

uma entrada (11) para receber uma corrente do referido gás combustível;

uma entrada (12) para receber uma corrente de um gás de referência;

um seletor e módulo guia (31, 35) para trazer a corrente do referido gás combustível ou a corrente do referido gás de referência a uma tubulação (13);

uma construção de fluxo de fluido (32); e um módulo (33) para medir uma taxa de fluxo de massa do gás combustível em fluxo sônico através da referida constrição de fluxo de fluido, e incluindo um submódulo para medir a pressão absoluta a montante da constrição e um submódulo para medir a temperatura absoluta a montante da constrição;

a relação afim empírica usada para estimar o índice de Wobbe

IWgs então sendo escnta:

IWgs = D l Ε-ΥΊ-F-Xh,

H2 com:

y _ Pref Hief onde:

é a taxa de fluxo de massa medida do gás combustível; é a pressão absoluta medida do gás combustível;

T™_es é a temperatura absoluta medida do gás combustível;

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7/8

Qref é a taxa de fluxo de massa medida do gás de referência; Pre? é a pressão absoluta medida do gás de referência; e

T_ief é a temperatura absoluta medida do gás de referência; e D, E e F são coeficientes predeterminados para a família do gás combustível e corresponde respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

14. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado por o dispositivo ser adequado para estimar o índice de Wobbe do referido gás combustível, o dispositivo ainda compreendendo um módulo para medição da densidade do referido gás combustível e o módulo (5) que é configurado para estimar referida pelo menos uma característica também sendo configurada para estimar o valor de aquecimento mais elevado do índice de Wobbe estimado da densidade medida do gás.

15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 12 ou reivindicação 13, caracterizado por referida pelo menos uma caraterística de combustão do gás combustível compreende o valor de aquecimento mais elevado iè, o dispositivo compreendendo:

uma entrada (111) para receber uma corrente do referido gás combustível;

um módulo de medição (132) da taxa de fluxo de massa do referido gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho que dá origem a uma queda de pressão, a medição dependendo da viscosidade do gás combustível e da viscosidade de um gás de referência; e um módulo para medir (133) a jusante do referido aparelho dando origem a uma queda de pressão, a taxa de fluxo de massa do referido gás combustível por meio de um medidor de fluxo de massa térmica, a medição dependendo da capacidade de calor específico do gás combustível na capacidade de calor de um gás de referência;

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8/8 a relação afim empírica usada para estimar o valor de , , HHVcn „ , aquecimento mais elevado hs então sendo escrita:

tt tf— A + · B * Z -r C “ X 3, com:

2 _ Qsssesji

Qtnes.Z em que:

Z é uma variável correspondente à variável Y;

Q^i é a taxa de fluxo de massa do gás combustível no fluxo laminar através de um aparelho dando origem a uma queda de pressão medida; e

Qbw₅,s é a taxa de fluxo de massa do gás combustível medida a jusante do referido aparelho dando origem a uma queda de pressão; e

A, BeC são coeficientes predeterminados para a família do gás combustível e correspondem respectivamente aos coeficientes α, β e γ.

16. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 15, caracterizado por o módulo configurado para —-GN estimar a referida pelo menos uma característica sã por meio de relação afim empírica ser também configurado para estimar o volume estequiométrico de ar ou um índice de combustibilidade.

17. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 16, caracterizado por ainda compreender um módulo para regular a referida característica de combustão do gás combustível ou regular a característica de combustão de um gás combustível e um volume estequiométrico estimado de ar ou um índice de combustibilidade estimado correspondendo à