CN108377654B - 用于确定含烃气体混合物的性质的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定含烃气体混合物——尤其是天然气或沼气——的性质的方法，包括：使气体混合物流过测量装置；确定所述流动气体混合物的与压力和温度相关的粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值；基于粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值来确定表征流动气体混合物的能量含量的第一变量的第一值，其中表征能量含量的所述第一变量是流动气体混合物的沃泊指数或热值，其中沃泊指数是优选的。
Description
技术领域
本发明涉及一种确定含烃气体混合物性质的方法及其装置。相关的气体混合物尤其是天然气或沼气。
背景技术
天然气是化石能量的载体。它具有的成分依赖于它来自于地层的哪个位置。天然气主要组分是甲烷，其具有例如为75％至99％的摩尔份数。天然气通常还含有大量的乙烷(1％至15％)、丙烷(1％至10％)、丁烷和乙烯。其它次要组分是硫化氢、氮、二氧化碳和水蒸气。
沼气是各种生物质发酵产生的不同组成的可燃气体混合物。它在原始状态下尤其含有甲烷(高达60％)和二氧化碳作为主要组分。其它成分是氮、氧、硫化氢、水蒸气和氨。硫化氢和氨需要在燃烧之前或馈入到天然气管网之前除去。同样，有利的是在燃烧之前除去二氧化碳。
为了能够可靠地控制燃烧过程，当气体混合物被供应到过程时，需要快速检测气体混合物的当前能量含量。
专利DE 69 231 977 T2和US 5,311,447 A1公开了根据气体混合物的热导率、热容量、光吸收和粘度来确定气体混合物的能量含量的方法。
能量含量的技术上更相关的表征由沃泊(Wobbe)指数W提供，沃泊指数W被定义为每单位体积H的能量含量与比重的平方根的商。比重是在相同压力和温度条件下可燃气体的密度ρ与干燥空气的密度ρ0的商：
具有相等沃泊指数的气体混合物能够在燃烧器的操作期间直接互换使用。
国际标准ISO 6976规定了当气体的组成以物质量份额的形式已知时，用于计算干燥天然气、天然气替代气体和其它可燃气体的热值、发热值、密度、比重和沃泊指数的方法。该要求在正常情况下得到满足。
专利申请公开文本GB 2,296,091 A描述了一种基于气体混合物的热导率、密度、粘度和声速来确定气体混合物的热值或沃泊指数的方法。MEMS AG公司提供了一种称为气体QS的传感器，它基于气体混合物的热导率、热容量和密度来确定气体混合物的热值和沃泊指数。
然而，上述光学吸收或热参数(诸如，热导率和热容量)的测量是复杂的。
发明内容
因此，需要一种简单、鲁棒和可靠的方法以及相对应的测量装置，用于确定气体混合物的性质，尤其是其能量含量或沃泊指数。因此，本发明的目的是提供这样的方法和这样的装置。
本发明的目的通过独立权利要求1的方法和独立权利要求12的装置来实现。
本发明用于确定含烃气体混合物——尤其是天然气或沼气——的性质的方法包括：
使气体混合物流过测量装置；
确定流动气体混合物的与压力和温度相关的粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值；
基于粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值确定表征流动气体混合物的能量含量的第一变量的第一值，其中表征能量含量的第一变量是流动气体混合物的沃泊指数或热值，其中尤其是基于相关关系(correlation)计算进行第一变量的第一值的确定。
在本发明的进一步发展中，该方法另外包括：在相关联的压力测量值和相关联的温度测量值下，不应用粘度测量值，基于流动气体混合物的当前密度测量值或当前声速测量值确定表征流动气体混合物的能量含量的第二变量的第二值，其中表征能量含量的第二变量是流动气体混合物的沃泊指数或热值，其中尤其基于相关关系计算进行第二变量的第二值的确定。
在本发明的进一步发展中，该方法另外包括：
如果第一变量和第二变量相同，确定第一值和第二值之间的偏差；以及基于所确定的偏差来确定二氧化碳和氮的含量之和，
或者，如果所述第一变量和所述第二变量不同，把所述第一值或所述第二值转换成另一变量的对应值，确定所转换的值与另一特征变量最初出现的值之间的偏差；以及基于所确定的偏差来确定二氧化碳和氮的含量之和。
在本发明的进一步发展中，第一变量是流动气体混合物的沃泊指数。
根据本发明的这种进一步发展，用于确定含烃气体混合物——尤其是天然气或沼气——的性质的方法包括：使气体流过测量装置；确定流动气体的与压力和温度相关的粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值；以及基于粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值来确定流动气体的沃泊指数，其中尤其基于相关关系计算进行沃泊指数的确定。
因此，沃泊指数优选地是表征能量含量的第一变量，因为沃泊指数与粘度之间的相关关系优于热值与粘度之间的相关关系。
在本发明的进一步发展中，第二变量是流动气体混合物的热值。
在本发明的进一步发展中，作为沃泊指数出现的第一值被转换成热值，尤其是通过把沃泊指数乘以气体混合物比重的平方根。
以这种方式，可提供根据粘度对沃泊指数和热值确定的值，例如，用于控制供应到燃烧器的燃料气体或用于确定能量消耗。
在本发明的进一步发展中，在确定作为第一变量的沃泊指数的值之前，基于粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值确定流动气体混合物在标准温度和标准压力下具有的流动气体混合物标准粘度值，其中基于气体混合物的标准粘度值进行流动气体混合物的沃泊指数的确定。
在本发明的进一步发展中，首先，基于气体混合物的当前密度测量值或当前声速测量值来确定气体混合物的比重，然后，基于该比重来确定表征流动气体混合物的能量含量、尤其是热值的第二变量，其中，尤其是相对于标准温度和标准压力下的干燥空气来确定气体混合物的比重。
在本发明的进一步发展中，利用振动传感器来产生确定气体混合物的粘度以及在给定情况下确定气体混合物的密度，其中该振动传感器是MEMS传感器，其具有至少一个流经振荡测量管和/或，被流动的气体混合物包围的——尤其是以至少一个振荡悬臂或振荡音叉的形式的——至少一个振荡器。
在本发明的进一步发展中，利用超声换能器之间的传播时间测量来进行声速的确定。
本发明的用于尤其是利用本发明的方法来确定含烃气体混合物的性质的装置包括：
测量装置，气体混合物能够流过该测量装置，该测量装置具有
温度传感器，
压力传感器，和
振动传感器，其用于确定所述流动气体混合物的粘度测量值以及在给定情况下确定所述流动气体混合物的密度测量值；和
评估单元，其用于计算流动气体混合物的性质；其中所述性质至少包括气体的沃泊指数。
在本发明的进一步发展中，振动传感器是MEMS传感器，其具有至少一个可流经可振荡的测量管和/或被流动的气体混合物包围的——尤其是以至少一个可振荡悬臂或可振荡音叉的形式的——至少一个振荡器。合适的MEMS传感器例如在专利申请公开文本DE 102014 115566A1中描述。
在本发明的进一步发展中，该装置包括至少一个超声换能器，用于确定流动气体混合物的声速。
附图说明
现在将基于附图中示出的实施例的示例更详细地解释本发明，附图示出如下：
图1a示出作为热值的函数的纯气体的粘度和比重的图；
图1b示出作为热值的函数的纯气体的粘度和声速的图；
图2a示出作为沃泊指数的函数的纯气体的粘度和比重的图；
图2b示出在不同温度和压力值下作为粘度的函数的各种气体混合物的沃泊指数的图；
图3a示出用于利用本发明方法确定的沃泊指数与基于气体混合物的实际组成的沃泊指数的相关关系图；
图3b示出图3a的相关关系图的数据的统计分析；
图4a示出用于利用考虑和不考虑粘度值的相关关系计算确定的热值与基于气体混合物组成的实际热值的相关关系图；
图4b示出各种气体混合物的二氧化碳和氮的实际含量与利用考虑粘度值的相关关系计算确定的热值与利用不考虑粘度值的相关关系计算确定的热值之间的差的相关关系图；
图5a示出用于利用本发明的方法确定的二氧化碳和氮的含量与气体混合物中二氧化碳和氮的实际含量的相关关系图；
图5b示出图5a的相关关系图的数据的统计分析；
图6a示出本发明的方法的实施例的第一示例的流程图；
图6b示出本发明的方法的实施例的第二示例的流程图；
图6c示出本发明的方法的实施例的第二示例的流程图；以及
图7示出用于执行本发明方法的装置的实施例的示例。
具体实施方式
本发明基于数千个天然气样本的随其组成而变的物理性质的统计分析。利用气相色谱法确定组分。对于所确定的组分，在不同的压力值和温度值下计算气体混合物的物理性质。同样，计算了一些纯气体的物理性质。为了计算物理性质，使用了NIST的计划，即“参考流体热力学和输运性质数据库(Reference Fluid Thermodynamic and TransportProperties Database)”，简称REFPROP，9.1版，其可通过地址http://www.nist.gov/srd/nist23.cfm获得。物理变量的实验确定同样是可能的，但这需要花费更多精力。计算的物理变量包括：
·密度：ρ(T,p)
·比重：SG＝ρ(Tref,pref)/ρair(Tref,pref)
·SGideal(T,p)：ρ(T,p)/ρair(T,p)
·Z因子：Z＝ρideal(T.p)/ρreal(T,p)
＝ρ(T,p)*(T/Tref)*(pref/p)/ρ(Tref,pref)
·声速或音速SOS
·动态粘度：η(T,p)
·热值：CV
·沃泊指数：WI＝CV/√SG
下面将更详细地解释基于上述数据执行的本发明方法的开发。
图1a示出了一些纯气体的动态粘度和比重与其热值的关系图。气体是甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正己烷、乙烯、丙烯、氮和二氧化碳。图1b再次示出了动态粘度与其热值的关系图，并且与图1a不同，还示出了相同气体的声速与其热值的关系图。气体是甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正己烷、乙烯、丙烯、氮和二氧化碳。这两个关系图都表明气体的动态粘度与热值之间的可用相关关系。比重和声速同样与纯可燃气体的热值具有显著的相关关系，但是在氮和二氧化碳的情况下，不存在这种相关关系。这导致了确定气体混合物中氮和二氧化碳的占比的想法，这将在后面展开说明。然而，首先将探讨沃泊指数和热值的确定。
图2a示出了与图1a和图1b中相同气体的动态粘度和比重与其沃泊指数的关系图。根据图1a和图1b的知识，粘度又表现出与所有分析气体的沃泊指数的可用相关关系，而纯气体的比重和沃泊指数之间的相关关系不能够外推至二氧化碳和氮，这并不奇怪。
沃泊指数和动态粘度之间的相关关系提供了对处于不同压力值和温度值的气体混合物基于粘度确定沃泊指数的基础，如图2b所示。沃泊指数例如可表示为粘度的多项式，其中多项式的系数具有压力相关性和温度相关性。多项式应当优选至少为二次，其中三次多项式是当前优选的。然而，从根本上讲，更高阶的多项式也能够用于确定沃泊指数，例如，四阶、五阶或六阶。为了实施本发明的方法，基于气体混合物在压力值和温度值下的粘度值依次确定系数的压力相关性和温度相关性，以确定沃泊指数。
同样，根据给定压力p和给定温度T下的当前粘度值η(T,p)，首先能够在参考条件η(STP)下确定粘度，并且然后基于参考条件下的粘度计算沃泊指数。参考条件下的粘度η(STP)根据当前粘度值计算，例如，使用以下公式：
η(STP)＝η(T,p)/Cη
在这种情况下，补偿因子Cη是压力和温度的函数，例如通过以下方式确定：
Cη＝C0(SG)+C1(SG)·p+C2(SG)·T
C0(SG)＝a1*SG^2+b1*SG+c1
C1(SG)＝a2*SG^2+b2*SG+c2
C2(SG)＝a3*SG^2+b3*SG+c3
在这种情况下，ai、bi、ci(i＝1、2、3)是依赖于气体混合物比重SG的系数。对于本发明，针对补偿因子的系数是基于在20℃与40℃之间的温度范围和1巴与20巴之间的压力范围内超过6000个天然气样本的性质确定的。补偿因子的标准误差在此小于0.1％，最大误差小于0.8％。
图3a示出了对几千个个天然气样本的用本发明的方法根据标准条件下的粘度η(STP)确定的沃泊指数与实际沃泊指数的关系图，其中在标准条件下的粘度η(STP)是基于上述模型根据在其它压力值和温度值下的粘度η(T,p)确定的。另外示出了本发明的沃泊指数对照实际沃泊指数的相对误差。图3b示出了根据本发明确定的沃泊指数对照实际沃泊指数的相对误差的分布。据此，基于本发明方法的沃泊指数误差的3σ区间等于例如±3％。为了用本发明的方法表征例如供应到燃烧器的可燃气体，这是足够好的结果。
根据本发明基于粘度测量值确定的气体混合物的沃泊指数，能够通过乘以其比重的平方根来确定气体混合物的热值。另一方面，如果惰性气体氮和二氧化碳不起作用，气体混合物的热值与其比重表现出良好的相关关系。如果存在这些组分，则不再保持相关关系。在图4a中示出这种情况。图4a示出了绘出的利用上述相关关系方法确定的气体混合物热值与实际热值的关系图。同样示出了对照实际热值的相对误差。该图图示出在高热值的情况下的两种相关关系方法得出非常一致且基本正确的结果，而在低热值的情况下(通常意味着显著的氮和二氧化碳或惰性气体份额)，相关关系计算仅基于比重，而不考虑粘度，得出偏差和不正确的热值结果。出现20％以上的误差。如已经结合图1a所指出的，提供了把必要性变为优点的机会。现在将基于图4b来解释这一点。
图4b示出了仅通过相关关系计算确定的热值和通过相关关系计算确定的第二热值之间的差值与数千个调查天然气样本的实际惰性气体占比的关系图，其中仅基于比重而不考虑粘度来确定第一热值，并且其中第二热值经由粘度相关沃泊指数和比重来确定。惰性气体占比表现出与上述热值差的可用相关关系。据此，能够利用相关关系计算根据热值查来确定惰性气体占比。基于图5a和图5b，本发明方法对于确定惰性气体占比的精确性的贡献是显而易见的。
图5a示出了根据本发明利用相关关系计算根据热值差确定的惰性气体占比与利用气相色谱法确定的几千个调查天然气样本的实际惰性气体占比的关系图。它示出极好的一致性。根据本发明确定的惰性气体占比与实际惰性气体占比之间的偏差的统计评估被示于图5b中。惰性气体含量的误差因此具有例如±1.5％的3σ值。例如在燃烧器控制的情况下，这个精度对于可燃气体的分析是足够的。
作为总结，图6a至图6c示出了本发明方法的实施例的示例的流程图。
图6a中示出的本发明的方法的实施例的示例包括在步骤10中记录流动气体混合物的粘度测量值η、温度测量值T和压力测量值p，其中所述测量值尽可能同时记录，并且为此所需的传感器将优选地被布置成彼此尽可能靠近，使得测量值形成热力学状态下的气体混合物的的值元组。粘度的测量利用例如通过被气体混合物包围的振动传感器——尤其是振动悬臂——来进行。可选地，在步骤20中，首先，能够根据给定压力p和给定温度T下的当前粘度测量值来确定标准条件下的粘度测量值。最后，在步骤30中，基于粘度值——无论是直接测量的粘度测量值还是标准条件下的粘度，确定气体混合物的沃泊指数，如上文结合图2b所解释的。
图6b中示出的本发明的方法的实施例的示例包括在步骤110中记录流动气体混合物的粘度测量值η、密度测量值ρ、温度测量值T和压力测量值p。与实施例的第一示例的情况相同的条件适用于这些测量值记录。气体混合物的密度同样能够用振动传感器确定，因其谐振频率取决于密度。
在步骤130中，基于粘度值——无论是直接测量的粘度测量值还是在标准条件下由其导出的粘度，确定气体混合物的沃泊指数。在步骤140中，根据密度测量值以及相关联的压力和温度测量值，确定气体混合物的比重SG。根据比重和粘度相关的沃泊指数，在步骤150中，确定用于热值的第一值CVη。此外，在步骤160中，仅基于只要不存在惰性气体就与热值相关的比重(诸如基于图1a所解释的)，确定用于气体混合物的热值的第二值。如图4b所示，根据用于气体混合物热值的第一值和用于气体混合物热值的第二值之间的差值来确定惰性气体占比。
图6c中示出的本发明方法的实施例的示例包括在步骤210中记录流动气体混合物的粘度测量值η、声速值C、温度测量值T和压力测量值p。与实施例的第一示例的情况相同的条件适用于这些测量值记录。声速C能够利用例如流量测量装置的两个超声换能器来确定，所述两个超声换能器记录流动气体混合物的流速。
在步骤230中，基于粘度值——无论是直接测量的粘度测量值还是由此导出的标准条件下的粘度，确定气体混合物的沃泊指数。在步骤240中，根据声速以及相关联的压力和温度测量值，确定气体混合物的比重SG。根据与比重和粘度相关的沃泊指数，在步骤250中，确定热值的第一值CVη。此外，在步骤260中，仅基于只要不存在惰性气体就与热值相关的比重(如基于图1a所解释的)，确定用于气体混合物的热值的第二值。如图4b所示，根据用于气体混合物的热值的第一值和用于气体混合物热值的第二值之间的差值，确定惰性气体占比。
本发明的方法进一步在假设流动气体含有很少(如果有的话)分子氢的情况下工作，分子氢至多在低浓度下，例如不大于1％，尤其是不大于0.1％时也会对热值有贡献。该假设对于天然气和沼气是合理的。当可燃气体含有较高的氢占比时，这相应地导致系统误差。
图7中示出的用于执行本发明方法的本发明装置的实施例的示例包括测量单元310，气体混合物能够流过该测量单元310，并且在该测量单元310中布置传感器元件(未示出)，即用于确定测量单元中的气体混合物的粘度以及在给定情况下的密度的悬臂振荡器、压力传感器和温度传感器。传感器元件优选地以MEMS技术实现。该装置还包括操作和评估单元320，用于操作传感器元件，用于评估它们的信号，以确定主要测量变量，如粘度、压力、温度和给定情况下密度，以及用于确定流过测量单元310的气体混合物的沃泊指数和/或热值和/或惰性气体占比。操作和评估单元为此包括计算单元，该计算单元能够被紧凑地或模块化地构造，并且尤其是能够包括在空间上彼此分离的模块。测量单元310尤其被连接作为气体管线330的旁路，其中例如由于管线中的隔膜或文丘里喷嘴，或者利用泵(未示出)，因此气体混合物的体积流量能够利用沿着测量单元310的压差被驱动通过测量单元310。
此外，该装置能够具有两个超声换能器312，它们例如被连接到气体管线330，使得例如使用行进时间差方法来确定通过气体管线的体积流量和流动气体混合物中的声速。
Claims (12)
1.一种用于确定含烃气体混合物的性质的方法，该方法包括：
使所述气体混合物流过测量装置；
测定该流动气体混合物的与压力和温度相关的粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值；
基于粘度测量值、所述相关联的温度测量值和所述相关联的压力测量值来确定表征所述流动气体混合物的能量含量的第一变量的第一值，其中，表征所述能量含量的所述第一变量是所述流动气体混合物的沃泊指数或热值；以及
在所述相关联的压力测量值和所述相关联的温度测量值下，不应用所述粘度测量值，基于所述流动气体混合物的当前密度测量值或当前声速测量值确定表征所述流动气体混合物的能量含量的第二变量的第二值，其中，表征所述能量含量的所述第二变量是所述流动气体混合物的沃泊指数或热值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述含烃气体混合物是天然气或沼气。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
如果所述第一变量和所述第二变量相同，确定在所述第一值和所述第二值之间的偏差；以及基于所确定的偏差确定二氧化碳和氮的含量之和，
或者，如果所述第一变量和所述第二变量不同，把所述第一值或所述第二值转换成另一变量的对应值，确定在所转换的值与所述另一特征变量最初出现的值之间的偏差；以及基于所确定的偏差确定二氧化碳和氮的含量之和。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其中，所述第一变量是所述流动气体混合物的沃泊指数。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第二变量是所述流动气体混合物的热值。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其中，把作为沃泊指数出现的所述第一值转换成热值。
7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其中，在确定作为第一变量的沃泊指数的第一值之前，基于粘度测量值、相关联的温度测量值和相关联的压力测量值确定所述流动气体混合物在标准温度和标准压力下具有的流动气体混合物的标准粘度值，其中，基于所述气体混合物的标准粘度值进行所述流动气体混合物的沃泊指数的确定。
8.根据权利要求2或3所述的方法，其中，首先基于所述气体混合物的当前密度测量值或当前声速测量值确定所述气体混合物的比重，并且其中，然后基于所述比重确定表征所述流动气体混合物的能量含量的所述第二变量的值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，相对于在标准温度和标准压力下的干燥空气确定所述气体混合物的比重。
10.根据权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其中，利用振动传感器进行所述气体混合物的粘度的确定以及在给定情况下的密度的确定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述振动传感器是MEMS传感器，该MEMS传感器具有至少一个流经振荡测量管和/或被所述流动气体混合物包围的至少一个振荡器，所述至少一个振荡器是至少一个振荡悬臂或振荡音叉的形式。
12.根据权利要求2或3所述的方法，其中，利用超声换能器之间的传播时间测量进行所述声速的确定。
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