CN108496078A - 气体能量测量方法及相关的设备 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于使用气体密度计(101)来确定富氢气体混合物的能量含量的方法。该方法包括以下步骤：提供振动气体密度计(101)，以及为气体密度计(101)提供计量电子设备(112)。计量电子设备(112)与至少一个外部输入(116)通信。计量电子设备(112)构造成测量富氢气体混合物的密度，测量富氢气体混合物的比重，并且使用导出的比重和多个常数值来导出富氢气体混合物的热值。
Description
技术领域
本发明涉及气体能量测量，并且更具体而言，涉及用于测量气体能量的改进的振动计和方法。
背景技术
富氢气体(如燃料气体、尾气以及生物气体)的使用和燃烧在很大程度上取决于气体本身的能量含量。气体的能量含量可描述为在燃烧时可生成多少能量。通常以英国热量单位(BTU)测量的能量因此对于天然气供应商、运输商以及用户而言同样为关键测量。BTU限定为将1磅水冷却或加热1华氏度所需的能量的量。与由气体的燃烧生成的能量(称为热值或CV)相关联的另一常用参数为沃泊指数(WI)或沃泊数。这为重要的参数，其表明气体将多容易焚烧，而不仅仅是可由其燃烧生成多少能量。采用WI，因为其为燃料气体(如天然气、液化石油气(LPG)，以及其它碳氢化合物等)的可互换性的可靠指标，例如。沃泊指数可由等式(1)描述：
(1)
其中：
WI为沃泊指数；
CV为热值；以及
SG为比重。
热值CV通常由等式(2)限定：
(2)
其中：
Mco2 =CO2百分比含量；以及
Mn2 =N2百分比含量。
沃泊指数通常用于比较针对给定应用的不同组成燃料气体的燃烧能量输出。例如，如果燃料具有相同的沃泊指数，则对于特定设备上的给定压力和过程设定而言，能量输出将在燃料之间为相同的。这在其中气体可彼此替代或者其中气体组成不保持恒定的过程或设备中为特别重要的。
对于富氢气体而言，存在两种常用类型的仪器，其用于计算/测量CV或WI－气相色谱仪(GC)和沃泊指数计。GC相对较慢，因为它们将气体分离成构成组分，并且接着通过单独地分析独立混合气体的性质来计算气体参数。沃伯指数计典型地燃烧气体，以测量能量或者计算CV或WI。然而，对于非燃烧沃伯指数计而言，获得精确测量的主要问题涉及考虑气体混合物中存在的惰性气体百分比和氢(H2)百分比。惰性气体彻底地改变了由整个混合物生成的能量含量，氢同样如此。在富氢气体混合物和燃料气体中最经常遇到的惰性气体为二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、以及氮(N2)。其中，CO2和CO相对容易测量，因为近红外(NIR)监测器可用于此目的。然而，氮测量仍然很难测量，并且典型地需要GC。
当提到测量氢含量时，许多热导式分析器为可用的，其可直接输出该变量，因此对该参数的测量为相对简单的。在大多数富氢和燃料气体混合物中，氮含量为混合物的相对较小的百分比，并且大体上相对恒定。因此，恒定的N2值可通常在确定精确的能量测量值时采用。对于CO、CO2以及H2而言，这绝不是事实。这些组分的浓度的大幅波动为典型的，通常发生在几秒钟的时段内。这为GC技术未能满足市场对快速响应气体能量和沃泊指数(WI)测量的需求的主要原因。
气相色谱仪广泛地用于气体测量行业中，并且虽然它们提供了测量下的气体混合物的全部气体组成的精确输出，但它们具有许多显著的局限性。首先，GC表现出极高的拥有成本。系统和零件购买昂贵，并且许多移动零件需要大量和频繁的维修。其次，GC需要定期校准。第三，必须生成校准过程所需的校准气体，这是及时且昂贵的。第四，GC操作需要熟练和训练有素的操作员，这增加了操作成本。第五，响应时间典型地非常缓慢，其中输出典型地大约每7分钟更新一次。
如上所述，沃泊指数计或热量计可用于燃料气体或富H2气体混合物，但它们也表现出许多局限性。首先，购买和拥有成本很高。其次，由于测量通常需要燃烧，故此类单元通常必须安装在非危险区域中。第三，这些仪表还需要大量的设施，如大电流电气输入和压缩空气-气体瓶供应。它们因此安装和操作昂贵。沿着这些线路，由这些单元排出的废气典型在800°C左右，这对在危险环境(如例如，炼油厂中发现的那些)中减轻而言为潜在危险且昂贵的。
需要用于计算CV、WI、密度、基密度、SG等的备选方法和设备。需要快速更新的用于这些计算的方法和设备。此外，需要使安全风险最小化的方法和设备。提供了非燃烧的快速响应方法和设备，以解决这些和其它问题，并且实现了本领域的进步。公开的实施例提供了用以确定富氢气体混合物中的气体能量和WI的备选方法。该方法和设备尤其适用于未知的气体组成并且/或者使气体比重与能量含量相关的现有标准为不适用的情况。
发明内容
提供了一种根据实施例的用于使用气体密度计来确定富氢气体混合物的能量含量的方法。该方法包括以下步骤：提供振动气体密度计，以及为气体密度计提供计量电子设备，该计量电子设备构造成与至少一个外部输入通信。该方法附加地包括以下步骤：测量富氢气体混合物的密度，导出富氢气体混合物的比重，以及使用导出的比重和多个常数和/或变量来导出富氢气体混合物的热值。
提供了一种根据实施例的用于测量气体能量的系统。该系统包括振动气体密度计，其构造成计算富氢气体混合物的比重。该系统附加地包括通信线路和用于操作振动气体密度计的计量电子设备，该通信线路构造成连接于外部输入，该计量电子设备与通信线路通信。计量电子设备构造成测量富氢气体混合物的密度，并且使用测量的比重和多个常数和/或变量来导出富氢气体混合物的热值。
方面
根据一方面，一种用于使用气体密度计来确定富氢气体混合物的能量含量的方法，其包括以下步骤：提供振动气体密度计；为气体密度计提供计量电子设备，该计量电子设备构造成与至少一个外部输入通信；测量富氢气体混合物的密度；测量富氢气体混合物的比重；以及使用测量的比重和多个常数值来导出富氢气体混合物的热值。
优选地，计算富氢气体混合物的沃泊指数值。
优选地，热值(CV)根据等式计算，该等式包括：
，其中A至F包括常数值，并且SG包括比重。
优选地，A在大约144.8与150.8之间，其中B在大约-2.5与-2.6之间，其中C在大约-12.15与-12.65之间，其中D在大约-47.7与-49.65之间，其中E在大约-24.68与-25.69之间，并且其中F在大约1528.7与1591.1之间。
优选地，A为大约147.8458，B为大约-2.55807，C为大约-12.3963，D为大约-48.685065，E为大约-25.18546，并且F为大约1559.94255。
优选地，外部输入包括富氢气体混合物的H2百分比(percent H2)值。
优选地，H2百分比值用热导率计确定。
优选地，外部输入包括富氢气体混合物的CO百分比(percent CO)值。
优选地，CO百分比值用近红外计确定。
优选地，外部输入包括富氢气体混合物的CO2百分比(percent CO2)值。
优选地，CO2百分比值用近红外计确定。
优选地，外部输入包括富氢气体混合物的N2百分比(percent N2)值。
优选地，N2百分比值用气相色谱仪确定。
优选地，导出热值以低于大约10秒的频率完成。
根据一方面，一种用于测量气体能量的系统，其包括：振动气体密度计，其构造成计算富氢气体混合物的比重；通信线路，其构造成连接于外部输入；用于操作振动气体密度计的计量电子设备，其与通信线路通信，其中计量电子设备构造成测量富氢气体混合物的密度，并且使用导出的比重和多个常数值来导出富氢气体混合物的热值。
优选地，外部输入包括近红外计、热导率计以及气相色谱仪中的至少一个。
优选地，计量电子设备构造成计算富氢气体混合物的沃泊指数值。
优选地，热值(CV)根据等式计算，该等式包括：
，其中A至F包括常数值，并且SG包括比重。
优选地，A在大约144.8与150.8之间，其中B在大约-2.5与-2.6之间，其中C在大约-12.15与-12.65之间，其中D在大约-47.7与-49.65之间，其中E在大约-24.68与-25.69之间，并且其中F在大约1528.7与1591.1之间。
优选地，A为大约147.8458，B为大约-2.55807，C为大约-12.3963，D为大约-48.685065，E为大约-25.18546，并且F为大约1559.94255。
优选地，H2百分比、CO百分比、CO2百分比以及N2百分比中的至少一个从外部输入提供至计量电子设备。
附图说明
相同的附图标记在所有附图上表示相同的元件。附图不一定按比例
图1示出了根据实施例的用于测量气体能量的系统；以及
图2示出了根据实施例的计量电子设备。
具体实施方式
图1,2和以下描述描绘了具体的实例，以教导本领域技术人员如何制作和使用本发明的最佳模式。为了教导发明原理的目的，一些常规方面被简化或省略。本领域技术人员将认识到落入本发明范围内的这些实例的变化。本领域技术人员将认识到，以下描述的特征可以以各种方式组合，以形成本发明的多种变型。因此，本发明不限于以下描述的具体实例，而是仅由权利要求及其等同物限制。
图1示出了根据实施例的用于测量气体能量的系统100。提供密度计101，以测量气体的比重。为了测量气体的比重，密度计101利用由恒定体积参照室104包绕的谐振元件102，恒定体积参照室104填充有固定量的气体。参照室内的分离隔膜106确保通过控制压力控制阀110，在密度计101中由气体管线108输送的样本气体的压力等于参照气体的压力。
密度计101的谐振元件102至少部分地位于壳体103内。壳体103或谐振元件102可包括凸缘或其它部件，以用于将密度计以气密方式可操作地联接于管道或类似的气体输送装置。通常，谐振元件102在壳体的一个端部处悬臂安装至壳体，其中谐振元件102的相对端部自由振动。在实施例中，谐振元件102可限定多个气体孔口，其允许气体进入密度计并且在壳体与谐振元件102之间流动。因此，气体接触谐振元件102的内部表面以及外部表面。这允许谐振元件102的较大表面区域暴露于气体，并且因此提供更精确的测量。在其它实例中，孔口可设在壳体中，并且可不需要谐振元件102中的孔口。
谐振元件102可以以或接近自然(即，谐振)频率振动。通过在存在气体的情况下测量部件的谐振频率，可确定气体的密度。
驱动器105和振动传感器107典型地定位转轴本体上，该转轴本体定位在谐振元件102近侧。驱动器105接收来自计量电子设备112的驱动信号，并且使谐振元件102以或接近谐振频率振动。振动传感器107检测谐振元件102的振动，并且将振动信息发送至计量电子设备112供处理。计量电子设备112结合测试下的气体确定谐振元件102的谐振频率，并且从测量的谐振频率生成密度测量结果。
气体的比重为其分子量(M)与标准干燥空气的分子量的比率。在实施例中，密度计101产生与气体比重成比例的频率输出，并且还可生成气体分子量(M)。
在测量富氢或燃料气体时最相关的参数是：
a.比重(SG)
b.温度(T)
c.压力(P)
d.分子量(M)
e.惰性气体百分比(例如，N百分比，CO2百分比)
f.热值/ BTU(CV)
g.沃伯指数(WI)
h.相对密度(ρ rel )
系统100的实施例提供以上参数中的至少一个的测量和/或计算，而不需要燃烧气体或者依赖于GC。在实施例中，密度计101使用多种校准气体的分子量来校准，以输出SG。例如而没有限制，设想了三种校准气体作为低、中和高范围点。还设想了具有多于或少于三种气体的校准。
在实施例中，系统接受至少一个外部输入116。外部输入116可包括尤其是CO2百分比、CO百分比、H2百分比，以及N2百分比的测量结果。该数据经由通信线路114提供至计量电子设备112。连同来自分析器的单独的外部输入116，如例如但不限于热导率计(提供实时H2百分比值)、近红外(NIR)计(提供实时CO百分比和/或CO2百分比值)以及气相色谱仪(提供N2百分比值)，系统100可产生热值、BTU以及沃泊指数的极其精确的测量，并且可大致实时地有效地这样做。通过提供多仪表/多技术途径，系统100产生固有的快速响应，但不需要测量的气体的已知完整组成。此外，消除了对气体燃烧的需求，否则这是由热量计和沃伯指数计采用的典型途径。
该多技术输入实施例依赖于密度计101提供的比重的精确快速响应测量。实施例通过分析超过30种不同的氢气和燃料气体混合物来导出，所有这些超出标准范围，其中比重与气体的能量含量直接相关，如例如但不限于AGA5标准。能量含量、比重与N2百分比、CO百分比、CO2百分比以及H2百分比之间的以下关系根据实施例导出，如由等式(3)描述：
(3)
其中A至F为常数：
A = 147.8458
B = -2.55807
C = -12.3963
D = -48.685065
E = -25.18546
F = 1559.94255。
注意，根据以上系数，关于测量的最大灵敏度为SG的灵敏度，因此从密度计101导出的SG的精确测量为关键的。使用该等式，典型的测量误差小于±0.25％，其中最大观测偏差小于±0.9％。应当注意的是，常数A至F可改变多达±5％。
在实施例中，一旦确定CV，沃泊指数就根据等式(1)计算。应当注意的是，还设想了用以确定CV的其它计算。
本领域技术人员将认识到的是，以上描述的各种改型为可能的，而不脱离本发明的范围。仅经由实例，以上等式(3)中的常数A可通过使用采样技术(例如，NIR)单独测量CO百分比并且使用该测量改进计算来不时地修整或改进，该计算根据请求保护的方法中固有的远远更加快速的时间尺度进行。
图2示出了根据实施例的用于密度计101的计量电子设备112。计量电子设备112可包括接口201和处理系统203。接口201将驱动信号发送至谐振元件102。计量电子设备112接收并处理来自传感器的至少一个传感器信号(如振动传感器107信号)，其测量与谐振元件102相关联的振荡。
接口201可执行任何必要或期望的信号调节，如任何方式的格式化、放大、缓冲等。作为备选，信号调节中的一些或全部可在处理系统203中执行。
此外，接口201可如例如经由通信链路114实现计量电子设备112与外部装置之间的通信。接口201可经由通信链路118将测量数据传送至外部装置，并且可从外部装置和外部气体测量设备接收命令、更新、数据以及其它信息。接口201和通信链路114可具有任何方式的电子、光学或无线通信的能力。
在一个实施例中，接口201包括数字转换器，其中传感器信号包括模拟传感器信号。数字转换器对模拟传感器信号进行采样和数字化，并产生对应的数字传感器信号。接口/数字转换器还可执行任何需要的抽取，其中数字传感器信号被抽取，以便减少所需的信号处理量并且减少处理时间。
处理系统203进行计量电子设备112的操作，并且处理来自密度计101的气体测量结果。处理系统203执行操作例程210，并且处理密度测量结果，以便产生一个或多个密度特性(或其它密度测量结果)。处理例程尤其包括用于确定气体比重、气体密度、气体温度、气体压力、气体分子量、惰性气体百分比、热值以及沃泊指数的例程。
处理系统203可包括通用计算机、微处理系统、逻辑电路，或者一些其它通用或定制的处理装置。处理系统203可分布在多个处理装置之中。处理系统203可包括任何方式的整体或独立的电子存储介质，如存储系统204。存储系统204可联接于处理系统203，或者可集成到处理系统203中。
存储系统204可存储用于操作密度计101的信息，其包括在密度计101的操作期间生成的信息。存储系统204可存储一个或多个信号(如驱动信号212)，其用于振动谐振元件102并且提供至驱动器105，以用于促动谐振元件102。此外，存储系统204可存储振动响应信号214，其由于谐振元件102而由振动传感器107生成。温度信号216还可由计量电子设备和相关的算法利用。
因此，将认识到的是，实施例利用密度计101与市售的气量计相结合，以提供热值和沃泊指数两者的快速且精确的测量。与使用气相色谱仪时7分钟左右的典型响应时间相对比，以上描述的实施例以大约每5-10秒的频率提供热值和/或沃泊指数测量结果。在其它实施例中，频率大于或小于每5-10秒。该快速响应时间优化燃烧需求操作的燃烧效率，并且伴随地最小化NOx和SOx排放以及相关的税收。实施例还为某些应用产生稳定的蒸汽供热。因此，本发明可用于气体混和应用中，并且对于保管交接应用而言为理想的。由于超过50％的炼油厂(或制造厂)的操作成本典型地由于能源(即，蒸汽)生产，故本实施例可降低此类应用中的操作成本。实现了这些益处，同时消除了易燃技术固有的安全风险。
以上实施例的详细描述不为本发明的范围内的、由发明人设想的所有实施例的详尽描述。实际上，本领域技术人员将认识的是，以上描述的实施例的某些元件可不同地组合或消除，以产生另外的实施例，并且此类另外的实施例落入本发明的范围和教导内。对本领域普通技术人员而言还将显而易见的是，以上描述的实施例可全部地或部分地组合，以在本发明的范围和教导内产生附加的实施例。因此，本发明的范围应当由以下权利要求确定。
Claims (21)
1.一种用于使用气体密度计来确定富氢气体混合物的能量含量的方法，包括以下步骤：
提供振动气体密度计；
为所述气体密度计提供计量电子设备，所述计量电子设备构造成与至少一个外部输入通信；
测量所述富氢气体混合物的密度；
测量所述富氢气体混合物的比重；以及
使用测量的比重和多个常数值来导出所述富氢气体混合物的热值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述富氢气体混合物的沃泊指数值。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热值(CV)根据等式计算，所述等式包括：，其中A至F包括所述常数值，并且SG包括所述比重。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，A在大约144.8与150.8之间，其中B在大约-2.5与-2.6之间，其中C在大约-12.15与-12.65之间，其中D在大约-47.7与-49.65之间，其中E在大约-24.68与-25.69之间，并且其中F在大约1528.7与1591.1之间。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，A为大约147.8458，B为大约-2.55807，C为大约-12.3963，D为大约-48.685065，E为大约-25.18546，并且F为大约1559.94255。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述外部输入包括所述富氢气体混合物的H2百分比值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述H2百分比值用热导率计确定。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述外部输入包括所述富氢气体混合物的CO百分比值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述CO百分比值用近红外计确定。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述外部输入包括所述富氢气体混合物的CO2百分比值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述CO2百分比值用近红外计确定。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述外部输入包括所述富氢气体混合物的N2百分比值。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述N2百分比值用气相色谱仪确定。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，导出所述热值以低于大约10秒的频率完成。
15.一种用于测量气体能量的系统(100)，包括：
振动气体密度计(101)，其构造成计算富氢气体混合物的比重；
通信线路(114)，其构造成连接于外部输入(116)；
用于操作所述振动气体密度计(101)的计量电子设备(112)，其与所述通信线路(114)通信，其中所述计量电子设备(112)构造成测量所述富氢气体混合物的密度，并且使用导出的比重和多个常数值来导出所述富氢气体混合物的热值。
16.根据权利要求15所述的系统(100)，其特征在于，所述外部输入(116)包括近红外计、热导率计以及气相色谱仪中的至少一个。
17.根据权利要求15所述的系统(100)，其特征在于，所述计量电子设备(112)构造成计算所述富氢气体混合物的沃泊指数值。
18.根据权利要求15所述的系统(100)，其特征在于，所述热值(CV)根据等式计算，所述等式包括：，其中A至F包括所述常数值，并且SG包括所述比重。
19.根据权利要求18所述的系统(100)，其特征在于，A在大约144.8与150.8之间，其中B在大约-2.5与-2.6之间，其中C在大约-12.15与-12.65之间，其中D在大约-47.7与-49.65之间，其中E在大约-24.68与-25.69之间，并且其中F在大约1528.7与1591.1之间。
20.根据权利要求18所述的系统(100)，其特征在于，A为大约147.8458，B为大约-2.55807，C为大约-12.3963，D为大约-48.685065，E为大约-25.18546，并且F为大约1559.94255。
21.根据权利要求18所述的系统(100)，其特征在于，H2百分比、CO百分比、CO2百分比以及N2百分比中的至少一个从所述外部输入(116)提供至所述计量电子设备(112)。
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