CN103765209A - 高度精确地确定多组分流体中的组分的质量份额 - Google Patents

Abstract

为了确定多组分流体（F）的第一组分（W）的质量份额提出：将第一组分（W）在分离步骤中至少部分地从多组分流体（F）中分离；确定至少两个参考流量率（M₁，M₂），所述参考流量率选自输送给分离步骤的多组分流体（F）的流量率（m₁）、从分离第一组分（W）中得到的剩余流体（T）的流量率（m₂）和在分离步骤中累积的分离流体（K）的流量率（m₃）；以及在考虑第一组分（W）在剩余流体（T）中的未被分离的剩余份额（m_w2）的情况下从选择出的参考流量率（M₁，M₂）确定第一组分（W）的质量份额（x_w）。根据本发明，此外考虑多组分流体（F）的在分离步骤中随之分开的其他组分（D）的杂质份额（m_D3）。

Description

高度精确地确定多组分流体中的组分的质量份额

技术领域

本发明涉及一种用于确定多组分流体的组分的质量份额的方法。术语“流体”通常表示气体、液体或由气态的、液态的和/或固态的部分组成的、能流动的相混合物。术语“组分”在此通常表示具有特定的化学的和/或物理的特性的多组分流体的能分离的部分，借助于所述特性所述组分能够与多组分流体的至少一个其他组分进行区分。在此，多组分流体的组分尤其由不同的化学物质构成。但是原则上，多组分流体的组分也已经能够本身由不同的化学物质的混合物构成。同样地，相同的化学物质或相同的化学物质混合物的不同的相（聚集态）能够形成多组分流体的不同的组分。应根据本方法来确定质量份额的组分在下文中——为了在术语上区别于多组分流体的其他的组分——也称作“第一组分”。

背景技术

多组分流体尤其是合成气体，例如用作用于在发电站燃气轮机中燃烧的燃气。这样的合成气体通常由氢气（H₂）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、氮气（N₂）以及水（H₂O）构成。水含量例如通常借助于混入蒸汽来改变，以便调节燃气的反应性，使得遵守（例如在氮氧化合物（NO_x）排放方面的）所要求的排放极限。典型的合成气体的水含量能够达到或超过50%。

在发电站燃气轮机中燃烧合成气体时，实时气体分析是期望的，因为气体组成进而对于在燃气轮机中燃烧而言重要的变量（例如沃泊指数和反应性）经受时间上的波动，所述时间上的波动由气化过程引起并且例如由于变换的工艺条件或原材料而造成。

由于在大约200摄氏度的范围中的高的燃气温度和通常的合成气体的高的水份额，用于气体分析、尤其红外吸收量测量和气体色层分离法的常用的方法不能直接应用于燃气。更确切地说，在应用这种气体分析之前，通常需要干燥和冷却燃气。但是不利地，所述冷却和干燥过程已经造成原本的气体组成的明显的失真，尤其原本在合成气体中包含的水的很大部分被去除。

从DE 44 33 451 A1中已知一种用于确定气体中的水含量的方法，其中待分析的气体的体积或质量流通过测量在流动阻抗上下降的压差来确定。在所述测量之后，包含在气体中的水在分离步骤中至少大部分地通过冷凝而去除。紧接着分离步骤，确定从分离步骤中得到的、干燥的气体的质量流或体积流。所述测量再间接地经由在流动阻抗上下降的压差来进行。在此，从测量出的质量流或体积流的差中推导出原本包含在气体中的水的质量份额。在此，干燥的气体的剩余湿度考虑作为校正因数。干燥的和冷却的气体随后能够输送给气体分析系统。

此外，从US 5,050,109 A中已知用于确定在飞行的飞机的环境中的空气湿度的一种方法和一种装置。据此，从环境之一中抽出的空气流中将湿气在水分离器中分离。测量至少输送给水分离器的空气流的和从水分离器中引出的湿气的相应的质量流。在附加地考虑水分离器效率的情况下，从测量出的质量流值来计算环境空气的湿度。

最后，从US 2003/0136185 A1中已知用于确定在由水、油和气体构成的三相混合物中的体积流量率的一种方法和一种装置。在此，从分离器中的三相混合物中将主要气态的组分和主要液态的组分分离，其中主要液态的组分包含水份额和油份额。借助于科里奥利流量计确定主要液态的组分的密度。此外，借助于稀释度测量器确定主要液态的组分的相对的水份额。在此，在下述时间点确定主要液态的组分的密度和相对的水份额，在所述时间点主要液态的组分基本上不具有夹带的气体。

发明内容

本发明基于的目的是，提出一种用于确定多组分流体的组分的质量份额的能简单实施的、然而同时高度精确的方法。在此，所述方法尤其在发电站燃气轮机中通常占主导的条件下应能够实现合成气体的水份额的高度精确的确定。本发明还基于的目的是，提出一种特别适合于执行所述方法的装置。

在方法方面，所述目的根据本发明通过权利要求1所述的特征来实现。在相关联的装置方面，所述目的根据本发明通过权利要求11所述的特征来实现。本发明的有利的设计方案和改进方案位于从属权利要求中。

在根据本发明的方法中，为了确定开始所限定的类型的多组分流体的第一组分的质量份额，将第一组分在分离步骤中至少部分地从多组分流体中分离。在下文中，为了在概念上区分，仅将输送给分离步骤中的、仍以完整的、待确定的质量份额包含第一组分的流体称作“多组分流体”。而从分离步骤中在完全地或部分地去除第一组分的情况下而得到的流体在下文中称作“剩余流体”。在分离步骤的过程中累积的、包含分离的第一组分的流体在下文中称作“分离流体”。

流量率分别既与（输送给分离步骤的）多组分流体、也与（从分离步骤累积的）剩余流体、还与（在分离步骤中累积的）分离流体相关联，所述流量率例如能够分别以质量流或体积流的单位说明。在根据本发明的方法的过程中，所述三个流量率中的至少两个确定为参考流量率。在该方法的评估步骤中，从所述参考流量率确定第一组分的质量份额。

为了避免在不理想地分离第一组分时计算出的质量份额的失真，在计算所述质量份额时一方面考虑第一组分在剩余流体中的（未被分离的）剩余份额。根据本发明，附加地在计算第一组分的质量份额时考虑在分离步骤中随之分开的进而作为“杂质份额”包含在分离流体中的至少一种其他的组分的份额。

多组分流体尤其是上文所描述类型的合成气体。能够根据本方法确定质量份额的第一组分尤其是水。在所述应用情况下，尤其考虑随水始终在一定的范围中随之分离的二氧化碳的份额作为杂质份额。然而，原则上，根据本发明的方法也能够应用于其他的多组分流体，例如应用于在水沙混合物中的（作为第一组分的）沙的质量份额的确定。在所述应用情况下，根据本方法考虑连同沙一起被分离的水的份额作为杂质份额。

为了实现特别高的测量精确性，在计算中涉及的参考流量率优选不直接地，而是通过直接测量多组分流体的、剩余流体的或分离流体的质量流来确定。在此，为了直接测量质量流，优选分别使用科里奥利质量流量计。

在方法的一个适宜的实施形式中，多组分流体的压强被调节到预设的额定值进而——在调节的公差的范围中——保持恒定。所述措施基于的认知是，压强波动总是造成在分离步骤中伴随的或由分离步骤引起的流体流的流量率平衡或质量平衡的干扰。具体地，——与静态的情况不同的——在压强波动期间多组分流体的、剩余流体的和分离流体的流量率相加经常不为零，尤其是引导所述流体的管路系统具有——与压强相关地变化的——储存容量。因此，通常在压强升高时在管路系统中储存有增加的流体量，这经常造成，多组分流体的流量率暂时超过分离流体的和剩余流体的流量率的总和。在流体压强下降时出现相反的流量率差。已知地，所述效果部分地造成在确定第一组分的质量份额时的明显的错误，通过压强调节以特别简单的且有效的方式避免所述错误。

在一个优选的方法变型方案中，通过由连接在压强调节器下游的阻尼件来消除或至少降低由调节所引起的压强波动（所谓的调节振荡）的方式实现测量精确性的进一步改进。在此，在特别简单的且有利的实施方案中使用过滤器作为阻尼件。在合成气体的应用情况下，在此尤其使用例如由烧结材料或陶瓷构成的、具有200μm和500μm之间的孔大小的粗网眼的气体过滤器。

只要多组分流体是气体流，那么第一组分的分离优选通过在冷凝器（也称作气体冷却器或冷阱）中的冷凝来进行。这样的冷凝器的应用尤其对于将方法应用到用于燃气轮机的合成气体上是有意义的，尤其同时将合成气体通过冷凝器冷却到适合于其他的气体分析的温度上。

在本发明的范围中原则上能够通过测量来确定或根据经验值估计第一组分在剩余流体中的剩余份额。当然，前者经常与相对大的耗费联系在一起，后者与相对大的不精确性联系在一起。只要第一组分的分离通过冷凝来进行，那么与此相对地，从第一组分的冷凝曲线中确定剩余份额被证实为是既能简单实现的且是精确的。在此，在冷凝器中占主导的温度（冷凝器温度）中适宜地考虑第一组分的（能从冷凝器曲线中读出的）饱和蒸汽压强。

而在分离流体中的其他组分的杂质份额优选根据在第一组分中的其他组分的可溶性来确定。在此，适宜地再考虑在冷凝器温度下的可溶性的值。

在所述方法的一个适宜的设计方案中，第一组分的质量份额根据公式

$x_W=\frac{1}{1+\mathrm{\β}}+(1-\frac{1}{1+\mathrm{\β}}-\frac{1}{1+\mathrm{\α}})\frac{M_2}{M_1}$

来确定。在所述公式中

-x_w 表示第一组分的待根据本方法确定的质量份额；

-T_K 表示冷凝器温度；

-α=α（T_K） 表示第一组分在剩余气体中的在冷凝器温度下与饱和蒸汽压强对应的质量密度份额；

-β=β（T_K） 表示在冷凝器温度下的在第一组分中的其他组分的可溶性；

-M₁ 表示输送给分离步骤的多组分流体的选作第一参考流量率的流量率；以及

-M₂ 表示通过在分离步骤中分离第一组分而得到的剩余流体的选作第二参考流量率的流量率。

在一个有利的发明变型方案中，通过将分离流体从冷凝器中以调节的方式排出，在必要时考虑用于分离第一组分的冷凝器中的自由的气体体积保持恒定。借助于所述措施——类似于借助于上文所描述的压强调节——将引导流体的管路系统的储存容量保持至少近似恒定，这对可实现的测量精确性起到正面的作用。

根据本发明的装置的适宜的构造方案包括用于从多组分流体中至少部分地分离第一组分的分离单元。所述装置还包括第一流量率测量单元以及第二流量率测量单元以用于分别测量至少两个参考流量率中的一个，其中所述流量率测量单元优选是科里奥利质量流量计。

最后，根据本发明的装置包括评估单元，所述评估单元为了执行上文所描述的方法以其变型来构成。具体地，评估单元构建为，从参考流量率确定第一组分的质量份额，其中所述评估单元根据本发明既考虑第一组分在剩余流体中的未被分离的剩余份额也考虑在分离流体中的随之分开的其他组分的杂质份额。

在所述装置的优选的实施方案中，评估单元尤其是计算机（电脑），其中需要用于自动地执行方法的指令以控制程序的形式在软件技术方面执行。

为了使流体压强均匀化进而为了改进测量精确性，优选在分离单元上游连接压强调节器。为了降低由调节所引起的压强波动，在压强调节器和分离单元之间优选连接有过滤器，尤其是上文所述类型的过滤器。在所述装置应用于气体流的分析时，分离单元优选构成为冷凝器（也称为：气体冷却器或冷阱）。冷凝器在此优选配备有物位调节器，所述物位调节器——在预设的调节公差的范围中——通过以调节的方式排出分离流体引起自由的气体体积在冷凝器中保持恒定。

附图说明

在下文中，借助于附图详细阐述本发明的实施例。在附图中示出：

图1以粗略示意简化的方式示出燃气轮机发电站，其具有燃气轮机和用于将合成气体输送到燃气轮机的主气体分路，以及从主气体分路分支的用于实时分析合成气体的试验气体分路，其中在试验气体分路中设置有用于确定包含在合成气体中的水的质量份额的装置，以及

图2示出在试验气体分路中流动的质量流的示意图。

具体实施方式

在所有附图中的彼此相应的部件和变量总是设有相同的附图标记。

在图1中以粗略示意简化的方式示出（燃气轮机）发电站1。至少一个燃气轮机2形成发电站1的中央的组成部分，所述燃气轮机经由（主）气体分路3输送用于燃烧的被压缩的合成气体。所述（高含水量的）合成气体在下文中称作湿气F。湿气F就上文中的定义而言为多组分流体，所述多组分流体由多种气态的组分、即由水（H₂O）以及由一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、氢气（H₂）、氮气（N₂）以及必要时微量的其他物质组成。在此，湿气F尤其在气化过程中在添加水的情况下例如由生物质、碳、焦油或沥青通过与氧气（“oxygen blown”）或空气（“air blown”）的剧烈的（亚化学计量的）的部分燃烧来形成。

湿气F尤其具有大约200℃的温度、大约35bar的压强。所述湿气具有典型地位于大约50%的量级的（波动的）水的质量份额。

为了抵抗湿气F的组成中的波动，进而优化燃烧，实时地分析湿气F。为此，从主气体分路3分支有试验气体分路4，经由所述试验气体分路持续地提取湿气F的一小部分。在试验气体分路4中首先连接有装置10，借助于所述装置以根据本发明的方式确定包含在湿气F中的水W的质量份额x_w。因此，就上文的定义而言，水W形成湿气F的“第一组分”。在下文中，为了简化，在湿气F的其余的组分D（尤其即CO、CO₂、N₂和H₂）之间不进行进一步区分。

在装置10的下游，在试验气体分路4之内连接有气体分析单元11，所述气体分析单元例如是气体色层分离器。对此替选地，气体分析单元11然而也能够通过使用电阻式或电容式传感器，通过测量导热性、导热量和/或折射率，通过测量微波和/或红外吸收量，通过测量拉曼散射或根据其他常规的气体分析法来确定气体组成。

装置10在输入侧包括尤其呈通常的膜片式调节器形式的压强调节器12，所述压强调节器通过控制相关联的节流阀13将从主气体分路3中提取的湿气F的压强减小到与预设的额定值对应的例如大约2bar的压强p。节流阀13在此通过加热装置14来加热，以便可靠地排除水W的过早的冷凝。

如通过压强调节器12经常造成的湿气F在快速的时间标度（调节振荡）上的较小的压强波动，通过连接在节流阀13下游的呈具有例如大约350μm的孔尺寸的粗网眼的气体过滤器15形式的阻尼件来均匀化。

气体过滤器15的下游连接有第一（科里奥利）质量流量计16。所述质量流量计16直接确定试验气体分路4之内流动的湿气F的质量流m₁作为第一参考流量率M₁：

M₁:=m₁ 公式1

在流过质量流量计16之后，湿气F输送给冷凝器17（或气体冷却器），其中湿气F被冷却到例如5℃的冷凝器温度T_K。在所述冷却时大部分包含在湿气F中的水W被冷凝出，并且作为液态的冷凝物K收集在冷凝器17的冷凝物阱18中。在较小的范围内，通过在冷凝器17中进行的分离步骤除了水W以外也将湿气F的其他组分D、尤其CO₂分离，所述湿气在水溶液中同样在冷凝物阱18中收集。

因此，在冷凝阱18中收集的冷凝物K就上文的定义而言形成分离流体。在分离步骤中干燥的合成气体沿着试验气体分路4从冷凝器17中排出并且输送给气体分析单元11。就上文的定义而言形成“剩余流体”的所述干燥的合成气体在下文中称作干燥气体T。

干燥气体T流过在试验气体分路4之内的连接在冷凝器17和气体分析单元11之间的第二（科里奥利）质量流量计19。通过所述质量流量计19，直接将干燥气体T的质量流m₂作为第二参考流量率M₂来测量：

M₂：=m₂ 公式2

通过与冷凝阱18相关联的物位调节器20，在冷凝阱18中的冷凝物料位——并且关于此还有在冷凝器17中的自由的气体体积——至少保持近似恒定。物位调节器20为此以时钟控制的方式激发排放阀21，经由所述排放阀将多余的冷凝物K从冷凝阱18中排出并且能够馈入到冷凝分路22中。

可选地，装置10在冷凝分路22中包含另一（科里奥利）质量流量计23，借助于所述质量流量计能够测量冷凝物K的流量率m₃。在装置10的替选的实施形式中，所述质量流m₃能够代替质量流m₁或m₂考虑作为参考流量率。

在图2中再次以示意性说明的方式示出在试验气体分路4和冷凝分路18中流动的质量流m₁、m₂或m₃。从所述示图中尤其能识别的是，输送给冷凝器17的湿气F的质量流m1能够被划分为水质量流m_W1和其余的组分D的质量流m_D1。同样地，干燥气体T的质量流m₂能够划分为（就上文的定义而言形成第一组分的“剩余份额”的）水质量流m_W2以及其余的组分D的质量m_D2。最后，与冷凝物K相关联的质量流m₃也能够划分为水质量流m_W3以及其余的组分D的质量流m_D3。最后提到的质量流m_D3就上文的定义而言形成在分离流体中的其余的组分D的“杂质份额”。

质量流量计16和19以及——如果存在——质量流量计23以信号技术方式与装置10的评估单元24连接，并且继续将参考流量率M₁和M₂的测量值以及可选的质量流m₃的测量值输送给所述评估单元24。

评估单元24优选是计算机，尤其是具有以软件技术方式执行的评估程序25的PC。通过所述评估程序25，包含在湿气F中的要根据本方法确定的水W的质量份额x_W借助于参考流量率M₁和M₂根据下述公式

$x_W=\frac{1}{1+\mathrm{\β}}+(1-\frac{1}{1+\mathrm{\β}}-\frac{1}{1+\mathrm{\α}})\frac{M_2}{M_1}$  公式3

来确定。在公式3中变量α=α（T_K）表示水W在干燥气体T中的质量密度份额，所述变量对应于水在冷凝器温度T_K下的饱和蒸汽压强p_S。

变量β=β（T_K）表示在冷凝器温度T_K下的二氧化碳在水W中的平衡可溶性。

质量密度份额α优选近似地关于适用于理想气体的状态公式（p·V=ν·R_m·T）从饱和蒸汽压强p_S（T_K）中推导：

$\mathrm{\α}\left(T_K\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_W\left(T_K\right)}{{\mathrm{\ρ}}_T\left(T_K\right)}=\frac{v_W\left(T_K\right)\·M_W}{{\mathrm{\ρ}}_T\left(T_K\right)\·V}=\frac{p_S\left(T_K\right)\·M_W}{{\mathrm{\ρ}}_T\left(T_K\right)\·R_m\·T_K}$   公式4

在公式4中变量

-ρ_W=ρ_W（T_K） 表示在冷凝器温度T_K下，包含在干燥气体T中的水W的质量密度；

-ρ_T=ρ_T（T_K） 表示在冷凝器温度T_K下，干燥气体T的质量密度；

-V 表示被观察的气体体积；

-ν_W=ν_W（T_K） 表示在冷凝器温度T_K下，在气体体积V中的水分子的物质的量（摩尔数）；

-M_W 表示水的摩尔质量；以及

-R_m 表示常规的气体常数R=8.3144721J·（mol·K）^-1。

通过气体分析单元11以测量技术的方式确定干燥气体T的质量密度ρ_T。代替用于理想气体的状态公式，对于从饱和蒸汽压强p_S（T_K）中推导质量密度份额α也能够考虑适用于实际气体的（例如根据Peng-Robinson或Redlich-Kwong-Soave的）状态公式。

评估程序25从存储的特征线中提取变量α和β的温度相关的值，其中以冷凝器温度T_K的以测量的方式确定的值为基础。对此替选地，在评估程序25的范围中，也能够固定地预设冷凝器温度T_K，使得能够省去所述温度的测量。

公式3以计算的方式从下述情况得出：还包含在干燥气体T中的水W的质量流m_W2（剩余份额）关于质量密度份额α的值与在干燥气体T中的其余组分D的质量流m_D2成比例：

mW₂＝α(T_K)·m_D2 公式5

此外，公式3基于的假设是，其余的组分D的包含在冷凝物K中的质量流m_D3关于二氧化碳可溶性β与包含在冷凝物K中的水W的质量流m_W3成比例：

m_D3＝β(T_K)·m_W3 公式6

此外，公式3基于的假设是，在图2中示出的质量流抵消为零：

m1-m₂-m₃＝(m_W1+m_D1)-(m_W2+m_D2)-(m_W3+m_D3)＝0 公式7

在所述装置10的范围中尤其通过压强调节器12以及通过物位调节器20来确保以高的精确性满足所述假设。

最后，在公式2中详细研究的认知是，在冷凝器17中作为“杂质份额”随之分离的其他组分D的质量流m_D3几乎仅由二氧化碳构成，尤其湿气F的其余的组成部分CO、N₂和H₂仅具有在水中的明显更小的可溶性。

然而，公式2和建立于其基础上的公式3能够容易地扩展到本发明的实施形式，其中在杂质份额，即质量流m_D3中，除了CO₂，存在大量份额的多种其他的组分D。在此情况下，变量β作为每个要考虑的组分的相应的可溶性β_i（i=1，2，……，N）的总和来计算：

β＝β₁+...+β_N 公式8

相应地公式1也能够扩展到多种组分：

α=α1+...+α_N 公式9

此外，根据本发明的装置10——必要时以被转换的形式——也考虑用于确定来自另一多组分流体中的第一组分的质量份额。尤其，借助于装置10的修改的实施方案能够确定在液体固体混合物中（例如沙水混合物中）的固体份额。对于所述应用，装置10尤其包括固体分离器代替冷凝器17。

本发明不局限于上文所描述的实施例。更确切地说，能够由本领域技术人员从上文的描述中推导出本发明的其他实施形式。

Claims (8)

1.一种用于确定多组分流体（F）的第一组分（W）的质量份额的方法，

-其中将所述第一组分（W）在分离步骤中至少部分地从所述多组分流体（F）中分离；

-其中确定至少两个参考流量率（M₁，M₂），所述参考流量率选自

--输送给所述分离步骤的所述多组分流体（F）的流量率（m₁），

--从分离所述第一组分（W）而得到的剩余流体（T）的流量率（m₂），和

--在所述分离步骤中累积的分离流体（K）的流量率（m₃）；以及

-其中在考虑所述第一组分（W）在所述剩余流体（T）中的未被分离的剩余份额（m_w2）的情况下从选择出的所述参考流量率（M₁，M₂）中确定所述第一组分（W）的质量份额（x_w），

其特征在于，

考虑所述多组分流体（F）的在所述分离步骤中随之分开的其他组分（D）的杂质份额（m_D3）。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述参考流量率（M₁，M₂）通过直接地测量所述多组分流体（F）的、所述剩余流体（T）的或所述分离流体（K）的质量流量率（m₁，m₂）来确定。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中所述参考流量率（M₁，M₂）的确定分别借助于科里奥利质量流量计（16，19）来实现。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中将输送给所述分离步骤的所述多组分流体（F）的压强（p）借助于压强调节器（12）调节到预设的额定值。

5.根据权利要求4所述的方法，

其中通过连接在所述压强调节器（12）下游的、尤其呈过滤器形式的阻尼件（15）来降低输送给所述分离步骤的所述多组分流体（F）的通过所述压强调节器（12）造成的压强波动。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，

其中作为多组分流体（F）考虑气体流，并且其中在所述分离步骤中通过在冷凝器（17）中冷凝来分离所述分离流体（K）。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中在冷凝器温度（T_K）下借助于饱和蒸汽压强（p_s）来确定所述第一组分（W）在所述剩余流体（T）中的未被分离的剩余份额（m_w2）。

8.根据权利要求6或7所述的方法，

其中在冷凝器温度（T_K）下，借助于在所述第一组分（W）中的所述其他组分（D）的可溶性（β）来确定在所述分离流体（K）中的所述其他组分（D）的杂质份额（m_D3）。

Images