CN103038634A - 确定富含甲烷的气体混合物的能含量的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定能含量的方法，其使用经双重校准的比重计测量分子量和相对密度二者。

Description

确定富含甲烷的气体混合物的能含量的方法

技术领域

本发明涉及能量测量，特别涉及确定富含甲烷的气体的热值和相关参数的新方法。在上下文中，富含甲烷的气体是甲烷含量大于50％的气体。

背景技术

富含甲烷的气体(如天然气、燃料气和沼气)的计费、密闭输送和使用在很大程度上取决于气体本身的能含量，即基于其燃烧而产生的能量的量。

通常按英制热单位(btu)测量的能量因此是气体供应者、运输者和使用者等的重要量度。除此以外，与通过气体燃烧产生的能(称为热值或CV)相关的参数是沃泊指数(WI)。它是表示气体燃烧的容易程度的重要参数。

美国天然气协会(AGA)在其第5号报告中提出用于计算CV的公式，该公式已被广泛地接受和采用。该公式是：

CV＝0.02035+(0.00197-[0.000329xMco2+0.000217xMn2])/SG

其中Mco2＝CO₂含量％；Mn2＝N₂含量％；SG是比重。

就富含甲烷的气体而言，有两种通常用于计算/测量CV或WI的仪器-气相色谱仪(GC)和沃泊指数(WI)计。GC提供了相对较慢的测量技术，其中气体被分离为其构成组分，然后通过分辨混合物中每种气体的特性计算气体参数。沃泊指数计燃烧气体并测量所释放的能量；或者通过多种非燃烧技术中的一种计算CV或WI。就非燃烧沃泊指数计而言，测量过程中遇到的主要问题是理解和解释富含甲烷的混合物中惰性气体的百分数。由于惰性气体极大地改变由整体混合物产生的能含量，所以需要被精确测量。

GC被广泛用于气体测量工业中，因为它们是广泛接受的并且基于已知测量方法。虽然它们输出完整的气体组成，并且能够为使用者计算感兴趣的气体特性如密度、基准密度、CV、WI、比重(SG)等，但是它们具有若干显著的局限性，其包括：

1.GC购买起来比较昂贵，并且具有能够产生显著的维修和校准运营成本的若干活动部件；

2.必须生成模拟待测量气体的校准气体，而这不可避免地涉及进一步花费；

3.通常每6至8周，必须重复进行校准；

4.需要有技能的、经培训的操作者来保持GC功能和可用性；以及

5.GC反应时间慢。通常每7分钟提供应答，但是，顾客要求每5至10秒进行更新。

在这种情况下，如果可以找到可替选方法以计算CV、WI、密度、基准密度、SG等，那么在其中需要快速气能测量的天然气和燃料气应用中存在显著机遇。

本发明的一个目的是提供一种方法，其在解决上述列举的局限性方面至少取得一定进展，或者其至少提供新的且可用的替代方案。

发明内容

在一方面中，本发明提供了确定富含甲烷的气体的能含量的方法，所述方法的特征在于其包括使用经校准的比重计测量分子量和相对密度二者。

优选地，所述方法涉及应用下述表达式或者其任意修正：

CV＝0.02035+(0.00197-[0.000329xMco2+0.000217xMn2])/SG

其中CV是热值；Mco2＝CO₂含量％；Mn2＝N₂含量％；SG是比重。

优选地，所述方法进一步包括使用所测量的相对密度和分子量得出所述富含甲烷的气体的氮气含量。

优选地，该方法包括根据下述表达式得出N₂含量：

％N₂＝A+Bxρ_基准+CxZ_基准+DxM+Ex％CO₂

其中：ρ_基准是基准密度，Z_基准是基准压缩系数，M是分子量，A、B、C、D和E是常数。

可替选地，如果已有O₂％数据，则所述方法包括根据下述表达式得出氮气含量：

％N₂＝A+Bxρ_base+CxZ_base+DxM+Ex％CO₂+Fx％O₂

其中：ρ_基准是基准密度，Z_基准是基准压缩系数，M是分子量，A、B、C、D、E和F是常数

优选地，由从多种来源的富含甲烷的气体获得的历史数据来确定常数A、B、C、D、E和如果适用的F。

优选地，使用将所述富含甲烷的气体分解为其构成部分的抽样技术来不时地精化常数A。

优选地，所述方法包括使用近红外计确定二氧化碳含量％。

在可进行本发明的方法中的多种变化会将它们本身呈现给本领域技术人员。下述描述仅旨在作为进行本发明的一种示例性方法，并且缺少对变化或等同变化的描述不应当被理解为限制。应当在任意可能之处认为特定要素的描述包括其任意及全部等同变化，无论是现存的还是将来的。

附图说明

现在将参照附图对本发明的工作实施方案进行描述，其中：

图1：示出可用于本发明的新方法的比重计和密度传感器(transducer)的图解视图；

图2：示出说明图1所示的仪器的一次校准的图；

图3：示出一个数据表，从其中得出了计算N₂含量的表达式。

具体实施方式

图1所示为由Mobrey Limited of Slough，UK生产，并由EmersonProcess Management，USA的一个公司Micro Motion Inc贴牌的3098型在线气体比重(SG)计的示意图。该测量计合并了7812型振动筒式气体密度传感器。可以校准该组合的仪器以提供气体分子量(M)和相对密度(ρ_相对)二者的输出。这样的仪器的使用者一般仅校准所述3098仪器用于这两个特性中的一个。本发明的特征是校准仪器并用于测量两种特性。

测量富含甲烷的气体时消费者最感兴趣的参数是：

a.气体密度(ρ_g)

b.气体基准密度(ρ_基准)

c.温度(T)

d.压力(P)

e.分子量(M)

f.管道压缩系数(Z_管道)

g.基准压缩系数(Z_基准)

h.惰性气体％(即，氮气％和二氧化碳％)

i.热值(CV)

j.沃泊指数(WI)

k.相对密度(ρ_相对)

描述本发明时，将应用下述定义：

气体密度：在所经历的(即，管道)实际压力和温度条件下单位体积气体的质量。

基准密度：也称为标准密度或常规密度，它是气体在标准温度和/或压力(例如，1大气压，15.556℃或1Bar，20℃)下的密度。

相对密度：气体密度与空气密度的比率，其中两种气体的密度得自相同的压力和温度条件下。

比重：气体的分子量与干燥空气的分子量的比率(干燥空气的分子量＝28.96469g/mol)。

如上所述，可以通过下述表达式计算富含甲烷的气体的CV：

CV＝0.02035+(0.00197-[0.000329x％CO₂+0.000217x％N₂])/SG  (1)

我们可以使用3098型测量计测量SG。此外，我们可以使用易于得到的仪器(如近红外监测仪)精确地确定CO₂％。本发明的一个方面是我们使用同样在操作3098测量计过程中收集的数据建立了精确计算N₂％的方法。这解决了使用例如气相色谱直接测量N₂含量中的成本和时间延迟问题。

我们确定，N₂含量和基准密度(ρ_基准)、基准压缩系数(Z_基准)、分子量以及CO₂含量之间有如下述表达式所述的关系：

％N₂＝A+Bxρ_基准+CxZ_基准+DxM+Ex％CO₂    (2)

其中A、B、C、D和E是常数。

现参照图3，它是通过传统技术获得并在3098仪器的确认过程中使用的数据表。该数据适用于从欧洲指定地区获得的不同气体。可以看到，基准密度和气体组成具有显著变化。通过对该数据应用回归分析，我们可以发现常数A、B、C、D和E。该方法给出：

A＝15698.494

B＝6966.401

C＝-15876.507

D＝-285.6609

E＝-3.37234

如上所述，上述常数得自从欧洲油/气地区收集的基准数据。我们已确定，不同地理区域的地区可产生十分不同的基准数据。例如，在USA区域中使用AGA8数据仍根据表达式(2)进行计算该常数，所述常数变为：

A＝17151.34575

B＝-2173.4844875

C＝17100.2863

D＝97.239611

E＝-1.176132655

就一些地区而言，所给出的数据可包括O₂％，但在产生富含甲烷的气体的许多地区中，气体的O₂含量有效地为0。但是，如果得到O₂数据，那么可以根据下述表达式确定氮气含量：

％N₂＝A+Bxρ_基准+CxZ_基准+DxM+Ex％CO₂+Fx％O₂   (2a)

在此情况下，F也是一个常数，并且可以与上述其它常数一起，通过对包括O₂含量的数据应用回归分析来确定。

应当强调，在没有得到O₂％数据的情况下，表达式(2)仍给出N₂％含量的可用且有价值的表示。

如表达式(2)和(2a)所示，在我们能计算N₂％之前，我们需要确定经历测量的气体的ρ_基准和Z_基准值。可以使用3098仪器来确定这些。

可以使用近红外技术确定CO₂％和如果适用的O₂％。

使用3098仪器的第一步是校准。已知气体密度传感器是谐振装置，时间段的平方给出直接与密度和分子量二者成比例的输出。参照图2，它示出分子量(M)的校准。当校准相对密度(ρ_相对)时，进行相同的过程。在这两种情况下，具有已知M和已知ρ_相对的两种纯净气体流经仪器并从气体密度传感器输出时间段，然后平方并记录。两种纯净校准气体选择为最能表现出被测量气体混合物的特性的那些-即，通常为混合物的含量最大的两种组分。如所说明的，所使用的两种校准气体是纯甲烷和纯氮气。

因此，在这样的校准之后，通过管道气体流经3098仪器时测量和求平方的气体密度传感器的时间段输出，可以直接测量该气体的相对密度和分子量。

3098型SG计的操作原理在于以所示出的密度(ρ)与分子量(M)成正比的方式调节所测量的气体。

考虑到下述基本理论：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{Mp}}{\mathrm{RTZ}}---\left(3\right)$

其中p＝压力，T＝温度，ρ＝气体密度，R＝气体常数，Z＝管道压缩系数和

(在基准条件下)        (4)

使用3098仪器时，使管道气体的压力和温度与参照气体相等。因此，可以组合(3)和(4)以给出：

(在基准条件下)

现在我们可以直接从3098仪测量ρ_相对和M_g，并且我们能得到M_空气和Z_空气(在基准条件下)因为它们是常数。因此，我们可以得出基准条件下的Z_g。

最后，我们需要确定被测量气体的ρ_基准。它可以根据下述选择的两者之一来确定。

选择1

我们已知：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{Mp}}{\mathrm{RTZ}}$

或

其中P、R和T是常数。

因此，可以从经双重校准的3098仪器直接获得ρ_基准。

选择2

该选择涉及3098仪器的第三校准，第三校准特性为气体密度或ρ_g。

其中P_基准、T_基准和Z_基准是基准条件下的压力值、温度值和压缩系数值；ρ_g、P、T、Z是测量条件下的气体密度值、压力值、温度值和压缩系数值。我们已知：

$\mathrm{\ρ}=\frac{M_{g}P}{\mathrm{RTZ}}$

所以我们可以得出Z的值以用于上式(5)从而确定ρ_基准。

使用单一纯净气体(N₂)在生产设备中进行气体密度校准。

于是，我们具有了满足等式(2)的所有变量，从而确定N₂％。可以将如此得到的值代入等式(1)以得出CV。

由于

所以一旦我们算出CV，我们就可以得出沃泊指数(WI)。

本领域技术人员应当理解，可以对如上所述进行多种改变而不脱离本发明的范围。仅作为示例，可以通过使用抽样技术(例如，GC)分别测量N₂％来不时地修正或精化上述等式(2)中的常数A，并使用该测量值精化根据所要求保护的方法中固有的快速得多的时间尺度得出的计算值。

因此，应当理解，至少在所述实施方案的情况下，本发明提供了双重校准用3098比重仪的方法，其与易于得到的CO₂测量计组合能够提供快速且精确地测量热值和沃泊参数二者。与使用气相色谱时的典型反应时间约7分钟相对比，3098仪器、CO₂计和上述的新校准的组合能够在约5-10秒给出CV输出。因此，本发明可用于气体混合物应用，并且对于密闭输送应用而言是理想的。

Claims (10)

1.一种确定富含甲烷的气体混合物的能含量的方法，所述方法的特征在于其包括使用经校准的比重计测量分子量和相对密度二者。

2.根据权利要求1所述的方法，其涉及应用下述表达式或者其任意修正：

CV＝0.02035+(0.00197-[0.000329xMco2+0.000217xMn2])/SG

其中CV＝热值；Mco2＝CO₂含量％；Mn2＝N₂含量％；SG是比重。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步包括使用所测量的相对密度和分子量得出所述富含甲烷的气体混合物中的氮气含量％。

4.根据权利要求3所述的方法，其包括根据下述表达式得出氮气含量％：

％N₂＝A+Bxρ_基准+CxZ_基准+DxM+Ex％CO₂

其中：ρ_基准是基准密度，Z_基准是基准压缩系数，M是分子量，A、B、C、D和E是常数。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，如果已得到O₂％数据，则所述方法包括根据下述表达式得出氮气含量：

％N₂＝A+Bxρ_基准+CxZ_基准+DxM+Ex％CO₂+Fx％O₂

其中：ρ_基准是基准密度，Z_基准是基准压缩系数，M是分子量，A、B、C、D、E和F是常数。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中由从多种来源的富含甲烷的气体混合物获得的历史数据来确定所述常数A、B、C、D、E和如果适用的F。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中使用将所述富含甲烷的气体混合物分解为其构成部分的抽样技术来不时精化所述常数A。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括使用近红外计确定二氧化碳含量％和如果适用的氧气含量％。

9.一种参照附图的基本如上文所述的方法。

10.一种实施前述权利要求中任一项所述的方法的装置。

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