CN110312933B - 用于评估可含有分子氢的气体的燃烧特性的方法 - Google Patents

Abstract

评估属于燃料气体族系的燃料气体的至少一个燃烧特性的方法，所述至少一个特性是沃泊指数或高位热值，所述方法包括：所述燃料气体的至少两种流动性质的测量(E01)；所述燃料气体的分子氢含量

的测量(E02)，所述至少一个特性

通过以下经验仿射关系来评估(E03)：

其中α、β和γ是燃料气体族系预先确定的系数；以及Y是代表基于所述燃料气体的所述至少两种流动性质的测量值制定的所述燃料气体的物理性质的变量。

Description

用于评估可含有分子氢的气体的燃烧特性的方法

发明背景

本发明涉及评估构成燃料气体族系的一部分的燃料气体的燃烧特性的一般领域，所述至少一个特性是沃泊指数或高位热值。

本发明的特定应用在于评估含有分子氢(dihydrogen)的燃料气体的燃烧特性，例如含有0体积％至20体积％的量的分子氢的燃料气体。

可再生能源的使用有时需要使用用于存储能量的手段，因为此类可再生资源可以以间歇性且与能量需求不相关的方式运行。这尤其适用于光伏能源生产或当通过风力涡轮机发电时。

已经提出使用通过电解水获得的分子氢作为用于储存来自可再生能源的能量的手段。

以这种方式产生的分子氢可以随后储存在例如地下的存储装置中，或其也可以注入天然气分配网络中。因此，所获得的气体可以含有0％至20％的分子氢。

沃泊指数(以每标准立方米的千瓦小时(kWh/Nm³)计，其是燃料气体的热值与其密度的平方根的比率)和高位热值(以kWh/Nm³计)是对气体燃烧器的燃烧设置具有影响的燃料的两个主要特性量值，无论是用于家庭用途还是用于工业用途。

根据气体的应用类型以及所使用的测量手段(流率是否通过抽吸产生手段来测量)，要考虑这两个参数中的一个或另一个。

举例来说，对于以恒定进料压力进料的喷射器(例如，炉灶面或带式燃烧器)，输送的功率决于喷射器的整个部分上的压力、头部损失和燃料的沃泊指数。

对于其中质量或体积的流量计可用的应用，所输送的功率取决于所测量的流量和取决于热值。

具体地，由燃烧器输送的热量与沃泊指数成比例，或者与高位热值(higherheating value,HHV)成比例。同样地，对于在欧洲分配的无氢天然气，获得化学计量燃烧所需的空气的量取决于燃料气体的这些特性中的一个或另一个。

应观察到，用于运输和分配天然气的欧洲网络变得越来越网状化，并且它由各种供应源供给，因此天然气的特性(沃泊指数和HHV等)可以在网络中的任何给定点处以不可忽略的方式(±5％或甚至更多)随时间变化。

考虑到这一点，工业过程，诸如在玻璃制造、陶瓷、电力生产、石灰和冶金行业中进行的那些工业过程，对这些变化是敏感的。因此，为了优化燃烧，有必要利用特定的方案来调节燃烧。为了进行这种类型的调节，可以测量沃泊指数或高位热值。

关于天然气，存在用于测量这些参数的技术方案，所述技术方案是简单、稳健且准确的。然而，当分子氢存在于燃料中时，缺少此类方案。一旦分子氢体积超过1％，则测量这些参数中的误差就极大地增加，并且不保证测量是可重复的。

此外，工业设备，甚至是家用设备，即使在非常小的比例下也可能对添加分子氢是敏感的。

因此，对能够连续地量化这些新型燃料的主要燃烧参数的新型测量设备存在需求：不仅用于诸如玻璃制造或冶金过程的敏感性用途，而且还使得网络操作人员能够局部管理输送给用户的气体燃料的燃烧特性。

已经提出了用于测量或评估沃泊指数和热值的方法。

特别地，存在可以用于测量天然气(可能包括非零比例的分子氢)的沃泊指数和/或热值的四种设备族系：

-量热法(对于热值)：测量涉及燃烧控制量的气体。此后，通过(气体或水)热交换器两侧的输入/输出温度差来量化所给出的能量。准确度约为10％(即1.1kWh/Nm³)，但每次测量花费约10分钟(min)。该技术逐渐地被放弃。

-燃烧测量(对于沃泊指数)：测量涉及空气/气体混合物的燃烧。通过氧化锆探针测量燃烧产物中的氧含量。残余的氧含量与燃烧性指数相关，对于天然气，燃烧性指数本身与沃泊指数相关。这种类型的设备的成本约€15,000。这种类型的设备用具有低分子氢含量的混合物进行操作。(对于大于5体积％的分子氢含量，沃泊指数不再与燃烧性指数呈线性比例)。该技术的缺点是约为5％的低准确度(即0.75kWh/Nm³)和可观的维护(由于混合物发生燃烧的炉的高温而造成的老化)。

-气相色谱法(对于沃泊指数和热值)：这种技术用于将分子与气体混合物分离。然后可以基于气体组成的知识来计算沃泊指数和热值。对于高功率燃料燃烧设备(例如燃气轮机)，气相色谱法已经常替代量热法和燃烧测量。这些测量设备的准确度更好，约为0.5％(即，对于沃泊指数，0.08kWh/Nm³)。这种类型的设备也可以用天然气和分子氢的混合物进行操作，只要设备安装有能够分离出二氢分子的特定传感器。气相色谱法的主要缺点是成本，即使考虑了最近的改进(成本价格可以位于€20,000-€50,000的范围)。此外，甚至在最好的情况下，气相色谱法设备的响应时间约为一分钟。因此，在测量的气体与实际由燃料燃烧设备(例如燃烧器)使用的气体之间可能存在错配。

-相关性设备(对于沃泊指数或高位热值)：在此类设备中测量与沃泊指数或与高位热值相关的一个或多个物理量。由计算机执行的相关性然后用于评估沃泊指数或HHV。这种类型的设备对于在欧洲分配的天然气类型，可以获得高达1％的准确度。这种类型的技术的优点是响应速度(瞬时)、成本(为€10,000-€20,000的范围)、稳健性和减少的维护。然而，市场上的设备不使用天然气和分子氢的混合物进行操作。一旦实际的天然气(不包含纯甲烷)包含按体积计以几个百分点存在的分子氢时，则误差急剧增加。

现有技术现状包括文献EP 1 346 215，其描述了用于通过相关性来测量沃泊指数的设备。

还已知的是文献US 4 384 792，其描述了用于通过相关性测量和调节气体燃料的沃泊指数并且调节沃泊指数的设备。

还已知的是文献US 6 244 097，其公开了用于通过相关性来测量气体燃料的热值的设备。

最后，已知的文献DE 4 118 781公开了用于通过相关性来测量气体燃料的热值和沃泊指数的设备。

那些文献中公开的方案呈现出相关性设备的缺点。特别地，一旦研究中的燃料气体包括分子氢，则它们是不适于使用的，因为它们的准确度太低。

此外，以及如上所提及，能够用天然气和分子氢的混合物操作的其它设备是特别昂贵的，这将它们的应用限制于可能安装在主要产业群中的高功率设备类型。

本发明尤其旨在减缓这些缺点中的至少一些。

本发明的目的和概述

本发明通过提出评估属于燃料气体族系的燃料气体的至少一个燃烧特性的方法来满足这种需求，所述至少一个特性是沃泊指数或高位热值，所述方法包括：

·测量所述燃料气体的至少两种流动性质；

·测量包含在所述燃料气体中的分子氢含量

·通过以下经验仿射关系来评估所述至少一个特性

其中:

α、β和γ是对燃料气体族系预先确定的系数；以及

Y是代表由所述燃料气体的所述至少两种流动性质的所述测量值准备的所述燃料气体的物理性质的变量。

因此，这种方法涉及相关类型程序，并且因此可简单且廉价地实施这种方法，并且这种方法能够非常快速地获得结果。

与现有技术的方法不同，本发明考虑了燃料气体中的分子氢含量。

可以观察到，本发明适用于具有0％至20％的分子氢体积含量的燃料气体。

发明人已经观察到，可以使用相同形式的经验仿射关系来评估高位热值和沃泊指数。

作为指示，可以测量燃料气体的各种不同的流动性质，这取决于正在被测量的是高位热值还是沃泊指数。换而言之，变量Y可以具有取决于正在被测量的是高位热值还是沃泊指数而不同的形式。

此外，系数α、β和γ不需要是恒定的，并且它们可以取决于正在被测量的是高位热值还是沃泊指数而不同。

还应当观察到，燃料气体的流动性质是以流动方式测量的性质，并且它们可以选自流率、温度或实际压力。

变量Y代表气体的物理性质。作为指示，变量Y可以与诸如燃料气体的粘度、其比热容(每单位重量)或实际上的其密度的一个或多个物理性质相关。变量Y代表这些物理性质或与这些物理性质相关意味着其可以以与这些物理性质相关的数学函数的形式来书写。变量Y可以以与物理性质相关的数学函数的形式来书写，并且还可以以与燃料气体的流动性质相关的数学函数的形式来书写，因为这些性质用于准备变量Y。具体地，对于某些类型的流动性质测量，可以将多个此类测量与流动的燃料气体的物理性质相关。

因此，使用符号：

U_mes,1，用于流动性质U₁的测量，

U_mes,2，用于流动性质U₂的测量；以及

U_mes,3，用于流动性质U₃的测量，这给出：

Y＝f(U_mes,1；U_mes,2；U_mes,3)

在特定实施方式中，系数α、β和γ是从图表中读取的系数，所述图表具有作为输入的针对分子氢含量

的测量值并且给出作为输出的系数α、β和γ。

这可以获得所评估的特性的甚至更准确的估值。

在特定实施方案中，所述图表使系数α、β和γ与具有1％的宽度的分子氢含量

的值域相关。

换而言之，图表呈现出约1％的颗粒度。

本发明的发明人已经观察到，这能够获得令人满意的准确度，并且这样做具有可接受的复杂性水平。

在特定实施方式中，由与所述燃料气体族系的已知气体相关的数据集获得所述系数α、β和γ的值，对于所述燃料气体族系的已知气体，代表所述物理性质的Y值和燃烧特性是已知的。

术语“已知气体”用于涵盖已知组成的气体，例如这样的气体，测定的化学性质的各种组分的比例是已知的。本领域技术人员知道如何确定此类气体的燃烧特性，并且特别地，可以使用含有非零的分子氢量的已知气体。

在特定实施方式中，所述方法包括从与所述燃料气体族系的已知气体相关的所述数据集中随机地产生代表物理性质的燃烧特性和Y的值。

在特定实施方式中，通过两个经验仿射关系来评估沃泊指数和高位热值。

因此，在所述方法的单个实施方式中，可以评估这两个燃烧特性。

在特定实施方式中，所述方法还包括由评估的沃泊指数和由评估的高位热值来评估所述燃料气体的密度。

在特定实施方式中，所述方法包括调节燃料气体的燃烧特性，或调节燃料气体的燃烧特性和评估的空气的化学计量体积或对应于所述评估的特性的评估的燃烧性指数。

在特定实施方式中，燃料气体的至少一个燃烧特性包括沃泊指数

以及对燃料气体的至少两种流动性质的测量包括测量通过流体流动收缩部(例如，孔口或微喷嘴)的声速流动形式(即，以大于或等于声速的速度)的燃料气体的质量流率，在所述收缩部上游测量的绝对压力下和在所述收缩部上游测量的绝对温度下进行所述测量；

所述方法还包括校准程序，在所述校准程序期间，在从所述收缩部上游测量的参考绝对压力和在所述收缩部上游测量的参考绝对温度下，对通过所述流体流动收缩部的声速流动形式的参考气体(例如甲烷)的质量流率进行测量；

用于评估沃泊指数

的经验仿射关系则被写为：

其中：

其中：

Q_mes,2是测量的燃料气体的质量流率；

P_mes是测量的燃料气体的绝对压力；

T_mes是测量的燃料气体的绝对温度；

Q_ref是测量的参考气体的质量流率；

P_ref是测量的参考气体的绝对压力；以及

T_ref是测量的参考气体的绝对温度；以及

D、E和F是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于系数α、β和γ。

在特定实施方式中，评估所述燃料气体的沃泊指数，并且所述方法还包括测量所述燃料气体的密度并且由所述评估的沃泊指数和由所测量的气体密度评估高位热值。

在特定实施方式中，所述燃料气体的至少一个燃烧特性包括高位热值

并且所述燃料气体的至少两种流动性质的所述测量包括：

·测量通过产生压降的设备的层流形式的所述燃料气体的质量流率，所述测量取决于燃料气体的粘度和参考气体(例如甲烷)的粘度；以及

·在产生压降的所述设备的下游通过热质量流量计测量所述燃料气体的质量流率，所述测量取决于燃料气体的比热容和参考气体的热容；

用于评估高位热值

的经验仿射关系则被写为：

其中：

其中：

Z为对应于变量Y的变量；

Q_mes,1是通过产生所测量的压降的设备的层流形式的燃料气体的质量流率；以及

Q_mes,2是从产生压降的所述设备下游测量的燃料气体的质量流率；以及

A、B和C是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于系数α、β和γ。

可以用参考气体进行校准步骤，例如以便获得参考气体的粘度和热容的值。

这个校准步骤可以获得准确的测量值，特别是对于不纯的气体，例如含有分子氢的气体。

本发明还提供用于评估属于燃料气体族系的燃料气体的至少一个燃烧特性的装置，所述至少一个特性是沃泊指数或高位热值，所述装置包括：

·用于测量所述燃料气体的至少两种流动性质的至少两个模块；

·用于测量包含在所述燃料气体中的分子氢含量

的模块；

·配置为通过以下经验仿射关系来评估所述至少一个特性

的模块：

其中:

α、β和γ是燃料气体族系的预先确定的系数；以及

Y是代表由所述燃料气体的至少两种流动性质的测量值准备的所述燃料气体的物理性质的变量。

这种装置可以配置为进行如以上所述的方法的所有实施方式。

应观察到，这种装置可以包括流动构件，燃料气体在所述流动构件中流动，使得其流动性质可以被测量。

在特定实施方案中，所述燃料气体的至少一个燃烧特性包括沃泊指数

所述装置包括：

·用于接收所述燃料气体流的入口；

·用于接收参考气体流的入口；

·用于将所述燃料气体流或所述参考气体流引入管道的选择器和引导模块；

·流体流动收缩部；以及

·模块，所述模块用于测量通过所述流体流动收缩部的声速流动形式的燃料气体的质量流率，并且包括用于测量收缩部上游的绝对压力的子模块和用于测量收缩部上游的绝对温度的子模块；

用于评估沃泊指数

的经验仿射关系则被写为：

其中：

其中:

Q_mes,2是测量的燃料气体的质量流率；

P_mes是测量的燃料气体的绝对压力；

T_mes是测量的燃料气体的绝对温度；

Q_ref是测量的参考气体的质量流率；

P_ref是测量的参考气体的绝对压力；以及

T_ref是测量的参考气体的绝对温度；以及

D、E和F是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于系数α、β和γ。

在特定实施方案中，所述装置适合用于评估所述燃料气体的沃泊指数，所述装置进一步包括用于测量所述燃料气体的密度的模块，并且配置成评估所述至少一个特性的模块还被配置成由评估的沃泊指数和由所述气体的测量密度来评估高位热值。

特别地，可以通过将评估的沃泊指数乘以测量的密度的平方来获得高位热值。

作为指示，可以观察到，可以使用来自Swiss供应商TRAFAG的密度传感器并且具有参考8774。

在特定实施方案中，所述燃料气体的至少一个燃烧特性包括高位热值

所述装置包括：

·用于接收所述燃料气体流的入口；

·测量通过产生压降的设备的层流形式的所述燃料气体的质量流率的模块，所述测量取决于燃料气体的粘度和参考气体的粘度；以及

·在产生压降的所述设备的下游通过热质量流量计测量所述燃料气体的质量流率的模块，所述测量取决于燃料气体的比热容和参考气体的热容；

用于评估高位热值

的经验仿射关系则被写为：

其中：

其中:

Z为对应于变量Y的变量；

Q_mes,1是通过产生所测量的压降的设备的层流形式的燃料气体的质量流率；以及

Q_mes,2是从产生压降的所述设备下游测量的燃料气体的质量流率；以及

A、B和C是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于系数α、β和γ。

在特定实施方案中，配置成用于通过经验仿射关系评估所述至少一个特性

的模块还被配置成评估空气的化学计量体积或燃烧性指数。

在特定实施方案中，所述装置还包括以下模块，所述模块用于调节燃料气体的燃烧特性，或用于调节燃料气体的燃烧特性和评估的空气的化学计量体积或对应于所述评估的特性的评估的燃烧性指数。

这种调节模块尤其可以包括用于注入额外的气体(例如空气)的致动器。所述调节可以是闭环调节。

附图简述

本发明的其它特性和优点根据参考附图进行的以下描述而变得显而易见，所述附图示出不具有限制特性的实例。

在附图中：

·图1是示出评估燃烧特性的方法的实例的步骤的图；

·图2是示出用于评估燃烧特性的装置的实例的图；

·图3是示出评估沃泊指数的方法的步骤的图；

·图4是用于评估沃泊指数的装置的实例的图；

·图5是评估高位热值的方法的步骤的图；

·图6是示出用于评估高位热值的装置的实例的图；

·图7是示出用于评估沃泊指数和高位热值的装置的实例的图；以及

·图8是用于调节沃泊指数的装置的实例的图。

详细描述

下面是用于评估属于燃料气体族系的燃料气体的燃烧特性的方法和装置的描述。特性可以是沃泊指数或高位热值。

本发明不以任何方式受限于评估单个特性，并且其可以包括同时评估沃泊指数和高位热值。

图1是示出评估燃料气体的燃烧特性的方法的步骤的图。

这种方法特别适用于可含有非零量的分子氢的气体，并且特别适用于含有0％至20％的分子氢的燃料气体。

在第一步骤E01中，测量燃料气体的至少两种流动性质。然后，研究中的燃料气体流过流动构件，并且例如通过传感器测量诸如温度、压力或实际流动速率的流动性质。

在第二步骤E02中，流动气体中的分子氢含量被测量并且被写为：

可以观察到，在本发明的所有实施方式和实施方案中，分子氢含量可以是摩尔分数或体积分数。如果压力足够低，则可以假设理想气体定律是适用的，并且摩尔分数和体积分数具有相同的值。在本发明的应用中，分子氢含量具有与摩尔分数或与体积分数相同的值。这个步骤可以与步骤E01同时进行，或预先进行，或之后进行。

在第三步骤E03中，通过以下经验仿射关系来评估书写为

的特性：

其中:

α、β和γ是燃料气体族系的预先确定的系数；以及

Y是代表由所述燃料气体的至少两种流动性质的测量值准备的所述燃料气体的物理性质的变量。

特定地选择所述燃料气体的至少两种流动性质的测量值，使得变量Y可以代表燃料气体的物理性质，例如粘度、比热容(每单位重量)或实际密度，并且还能够表示为燃料气体的流动性质的测量值的函数。

因此，使用符号：

U_mes,1，用于流动性质U₁的测量，

U_mes,2，用于流动性质U₂的测量；以及

U_mes,3，用于流动性质U₃的测量，这给出：

Y＝f(U_mes,1；U_mes,2；U_mes,3)

图2示出了用于评估属于燃料气体族系的燃料气体的至少一个燃烧特性的装置的实施方案。

所述装置能够特别地进行参考图1描述的类型的方法。

在这种实例中，装置1包括配置成接收燃料气体流的流动构件2，例如，期望评估所述燃料气体的流的沃泊指数或高位热值。流动构件具有用于接收燃料气体流的入口2a，和出口2b。

装置1还具有用于测量燃料气体的流动性质的两个模块3a和3b。

举例来说，模块3a和3b可以两者或各自测量流率、压力或实际的温度。

具体地，模块3a和3b是用于测量流率、压力或实际的温度的常规传感器。

装置1包括用于测量分子氢含量

的模块4，例如传递分子氢摩尔百分比的传感器。

模块3a、3b和4与评估器模块5连通，以便将它们各自的测量结果传达至评估器模块5。评估器模块5可以是具有处理器和存储器(未示出)的计算机。

模块5被配置成通过以下经验仿射关系来评估所述至少一个特性

其中:

α、β和γ是燃料气体族系的预先确定的系数；以及

Y是代表由所述燃料气体的所述至少两种流动性质的所述值准备的所述燃料气体的物理性质的变量。

为此，模块5可以具有存储在存储器中的用于预先确定的系数α、β和γ的可能值。模块5还可以具有存储在存储器中的计算机程序指令，以使其能够执行评估。

举例来说，计算机程序可以包括用于由通过模块3a和3b测量的值计算变量Y的指令，以及用于通过以上限定的函数来计算特性

的指令。

任选地，装置1可以包括由评估器模块5控制的致动器6，以便调节至少一个所述特性。举例来说，致动器6可以是压缩空气喷射器。

参考图3和图4，以下是对其中评估燃料气体的沃泊指数

的实施方式和实施方案的描述。

图3示出评估燃料气体的沃泊指数

的方法的步骤。

这种方法包括校准第一步骤E11，在该步骤期间，在测量的参考绝对压力和测量的参考绝对温度下对通过流体流动收缩部(例如，孔口或微喷嘴)的声速流动形式的参考气体(例如甲烷)的质量流率进行测量。

在第二步骤E12中，对通过流体流动收缩部的声速流动形式的燃料气体的质量流率进行测量，在收缩部上游测量的绝对压力和收缩部上游测量的绝对温度下进行这种测量。

在步骤E13中，测量分子氢含量

可以以任何可能的顺序进行步骤E11至E13。具体地，可以同时进行步骤E12和E13。

在步骤E14中，通过经验仿射关系来评估沃泊指数

其被写为：

其中：

其中:

Q_mes,2是测量的燃料气体的质量流率；

P_mes是测量的燃料气体的绝对压力；

T_mes是测量的燃料气体的绝对温度；

Q_ref是测量的参考气体的质量流率；

P_ref是测量的参考气体的绝对压力；以及

T_ref是测量的参考气体的绝对温度；以及

D、E和F是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于系数α、β和γ。

为了进行步骤E11和E12，使用流体流动收缩部，例如已知形状的孔口或微喷嘴。

在流体流动收缩部的任一侧上，进行以下测量：在流体流动收缩部的上游，测量绝对温度和绝对压力；并且在流体流动收缩部的下游，测量质量流率(例如通过热质量流量计)。

具体地，这对应于以两种不同的方式测量通过装置的正常体积流率，其被写为Q_vn。

具体地，由于所述流动是声速的，因此以下适用：

其中：

k是所述孔口的形状的恒定特性；

p和T是所述孔口上游的气体的绝对压力和绝对温度；以及

d是气体密度。

此外，通过使用热质量流量计，获得以下：

Q_vn＝Q_mes,2·C

其中：

在步骤E12中通过热质量流量计获取Q_vn,mes,2测量值；

C是校准系数，其考虑了气体的物理性质(例如，其比热容、其粘度、其热导率)与空气的性质相比的差异。

对于已知组成的气体，以下适用：

其中

X_i是组分i的体积分数；

C_i是与组分i相关的校准系数。这个系数可以从与热质量流量计相关的表中读取。

校准步骤E11是以下步骤，即在所述步骤期间，向装置供给准确地已知组成的参考气体(优选为纯甲烷)。

因此，使用在步骤E11的校准程序中获得的值，两个流率关系之间的等式可以如下书写：

并且，在对燃料气体进行测量的步骤E12的测量程序中，以下适用：

通过步骤E14中的测量，氢含量

(例如，在体积方面)也是已知的。

可以观察到，在以上等式中，仅有两个未知的参数是C和密度d。然后可以消除参数k以便表达与C和密度d相关的变量Y。

具体地，以下适用：

并且，Y是代表燃料气体的物理性质的变量。可以由测量值重新书写Y。这些测量值(Q_mes,2,p和T)可以对于所测量的流动性质U₁书写为U_mes,1、对于所测量的流动性质U₂书写为U_mes,2以及对于所测量的流动性质U₃书写为U_mes,3，因此给出：

Y＝f(U_mes,1；U_mes,2；U_mes,3)

其中:

U_mes，1＝p_mes；

U_mes，2＝Q_mes，2；以及

U_mes，a＝T_mes

最终，以下适用：

变量Y的这种定义可以用于具有作为其变量Y的经验仿射关系，并且其书写为以下形式：

D、E和F是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于参考图1和图2描述的系数α、β和γ。

系数D、E和F可以从已知的气体组成获得，例如国家或地区的网络中的天然气的组成。举例来说，可以使用在欧洲分配的并且本领域技术人员公知的高位热值气体的已知组成。

根据这些已知的组成，可以限定关于各种化合物的摩尔分数的极限值。例如，通过使用气体中的物种K的摩尔分数的符号X_k，可以具有以下类型的已知组成：

0％<X_N2<5.5％

0.5％<X_C2H6<12.5％

0％<X_C4H10<3.5％

0％<X_CO2<1.3％

0％<X_C3H8<3.5％

0％<X_C5H12<3.5％

X_CH4＝1-ΣX_K

应观察到，在现今的气体组成中不存在分子氢。

这些可能的范围使气体组成能够随机生成，对于所述气体组成，可以确定沃泊指数(或甚至高位热值)。因此可以产生10,000种气体。

对于每种随机产生的气体，可以添加为0％至20％摩尔分数的随机分子氢量。再次，可以确定这些随机产生的气体的沃泊指数。

还可以从随机产生的组成推断变量Y的关联值。通过应用最小二乘法，可以获得系数D、E和F的值：

通过使用甲烷作为参考气体获得这些结果。

可以观察到，对于为0％至20％的分子氢摩尔分数，评估沃泊指数的误差总是小于1.4％，并且在随机获得的10,000种气体的98％中，其小于1％。

替代地，可以使用其中系数不是常数而是取决于摩尔分数形式的分子氢含量的相关性。

经验仿射关系可以重新书写如下：

在这种实例中，D和E为分子氢含量的函数(等式已经重新书写以便仅显示取决于

的两个系数，然而，可以书写具有三个系数的等式)。

以相同的方式，通过产生随机气体组成，发明人已经观察到，可以使用函数D和E，其在宽度1％的分子氢浓度范围内是分段常数。

例如，在2％至3％分子氢范围中，D和E采取以下值：

D＝-18.181

E＝32.715

已经观察到，评估沃泊指数时的误差则对于10,000种随机气体的95％，总是小于1％。

图4示出用于评估沃泊指数并且能够实施参考图3描述的方法的装置。

这种装置10具有用于接收燃料气体G1的入口11和用于接收参考气体G2(通常为甲烷)的入口12。

装置10还具有选择器和用于将燃料气体流或参考气体流引至管道的入口13的引导模块。具体地，选择器和引导模块包括阀31和阀35。

阀31和阀35由模块36经由各自的终端52和51控制，以使燃料气体或参考气体流入管道中。

在这种实例中，管道包括从其入口13开始的、从上游至下游的：

-经由其终端41连接至模块36的绝对压力传感器60；

-经由其终端42连接至模块36的绝对温度传感器50；

-流体流动收缩部32(例如，孔口或微喷嘴)；

-经由其终端43连接至模块36的热质量流率传感器33；以及

-用于感测分子氢摩尔分数并且经由其终端44连接至模块36的传感器34。

模块36可以应用经验仿射关系(诸如上述那些)，以便由在终端41至44处接收的信号来评估沃泊指数。

在所示的实例中，模块36经由两个输出终端54和53与外部模块37(例如，用于执行调节的致动器)或实际的显示器连通。在未示出的变体中，模块37被集成在装置10中。

参考图5和图6，以下是对其中评估燃料气体的高位热值的实施方式和实施方案的描述。

图5示出评估燃料气体的高位热值

的方法的步骤。

在步骤E22中，以通过产生压降的设备的层流形式，测量所述燃料气体的质量流率，这种测量取决于燃料气体的粘度和参考气体的粘度。

在步骤E23中，在产生压降的所述设备的下游，通过热质量流量计测量所述燃料气体的质量流率，所述测量取决于燃料气体的比热容和参考气体的热容。

在可以在进行步骤E22和E23之前或之后进行的步骤E21中，进行校准步骤，其对应于进行步骤E22和E23，但使用参考气体(例如甲烷)。

还进行以摩尔分数测量分子氢含量

的步骤E24。

最后，在步骤E25中，通过具有以下形式的经验仿射关系来评估高位热值：

其中：

其中：

Z为对应于参考图1描述的变量Y的变量；

Q_mes,1是通过产生所测量的压降的设备的层流形式的燃料气体的质量流率；以及

Q_mes,2是从产生压降的所述设备下游测量的燃料气体的质量流率；以及

A、B和C是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于系数α、β和γ。

对于高位热值(HHV)的以下关系从现有文献DE 4 118 781中获知：

其中：

α和β是预先确定的常数；

ρ是燃料气体的密度；

μ是燃料气体的粘度；以及

C_p是燃料气体的热容。

以下无量纲变量Z可以如下定义：

在此，下标GN指定为燃料气体，并且ref指定为参考气体。

关于高位热值的关系可以如下重新书写：

HHV_GN＝A·Z+B

为了测量Z，使用两个流率测量。举例来说，Q_mes,1是通过产生所测量的压降的设备的层流形式的燃料气体的质量流率。通过使用泊肃叶定律，已知所述设备使气体流经受通过层状元件的压降。

由于测量取决于粘度，对于某些测量设备，其具有取决于上游至下游压差Δp_mes的形式，并且传递Q_mes,1的流量计可以通过下式来确定体积流率：

其中K₁是几何常数。

在这种实例中，压力传感器和温度探针被集成在流量计中，并且它们可以直接获得质量流率Q_mes,1(或降低至正常温度和压力条件的体积流率)，如下：

校准的体积流率Q_mes,1的测量取决于燃料气体的粘度。

使用热质量流量计测量流率Q_mes,2。质量流率Q_mes,2的测量取决于燃料气体的比热容。

以这种方式，获得质量流率的两个评估，每个评估呈现出相对于真实的正常体积流率(Q_vn)的各自误差。以下适用：

对于Q_mes,1，误差与混合物气体的真实粘度和参考气体(在这个实例中为甲烷)的粘度之间的差相关。

对于Q_mes,2，误差与密度乘以混合物气体的真实比热容和密度乘以参考气体(在这个实例中为甲烷)的相同量之间的差相关。

通过取两个测量的流率的比率，确定变量Z，并且文献DE 4 118 781的相关性关系变为：

通过书写：

U_mes,1＝Q_mes,1；以及

U_mes,2＝Q_mes,2

以下适用：

然而，发明人已经观察到，一旦在燃料气体中存在分子氢，则这种关系是不适用的。具体地，测量误差变得太大，分子氢具有与诸如烷烃的气体的性质非常不同的性质(粘度、比热容)。

为了减缓该缺点，使用所测量的分子氢含量

并且提出以下等式：

A、B和C是燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于参考图1和图2描述的系数α、β和γ。

系数A、B和C可以从已知的气体组成获得，例如国家或地区的网络中的天然气的组成。举例来说，可以使用在欧洲分配的并且本领域技术人员公知的高热值气体的已知组成。

根据这些已知的组成，可以限定关于各种化合物的摩尔分数的极限值。例如，通过使用气体中的物种K的摩尔分数的符号X_K，可以具有以下类型的已知组成：

0％<X_N2<5.5％

0.5％<X_C2H6<12.5％

0％<X_C4H10<3.5％

0％<X_CO2<1.3％

0％<X_C3H8<3.5％

0％<X_C5H12<3.5％

X_CH4＝1-ΣX_K

应观察到，在现今的气体组成中不存在分子氢。

这些可能的范围可以产生能够确定高位热值的随机气体组成。因此可以产生10,000种气体。

对于每种随机产生的气体，可以添加0％至20％摩尔分数的随机分子氢量。在此同样地，可以确定这些随机产生的气体的高位热值。

还可以从随机产生的组成推断变量Z的关联值。通过应用最小二乘法，可以获得系数A、B和C的值：

A＝0.61650996

B＝10.428

C＝-0.0645996

替代地，可以使用其中系数不是常数、而是取决于摩尔分数形式的分子氢含量的相关性。

经验仿射关系可以如下重新书写：

在这种实例中，A和B为分子氢含量的函数(等式已经重新书写以便仅显示取决于

的两个系数，然而，可以书写具有三个系数的等式)。

以相同的方式，通过产生随机气体组成，发明人已经观察到，可以使用函数A和B，其在宽度1％的分子氢浓度范围内是分段常数。

例如，在19％至20％分子氢范围中，A和B采取以下值：

A＝0.397217

B＝10.189715

图6示出用于评估高位热值的装置，其适于进行参考图5描述的方法。

这种装置100具有用于接收燃料气体G1的入口111和用于接收参考气体G2(通常为甲烷)的入口112。

装置100还具有选择器和用于将燃料气体流或参考气体流引至管道的入口113的引导模块。具体地，选择器和引导模块包括阀131和阀135。

阀131和阀135由模块136经由各自的终端152和151控制，以使燃料气体或参考气体流入管道中。

在这种实例中，管道包括从其入口113开始的、从上游至下游的：

-用于感测通过产生压降的设备的层流的质量流率的传感器132，所述测量取决于燃料气体的粘度和参考气体的粘度，所述传感器经由其终端142连接至模块136；

-用于感测热质量流率的传感器133，所述测量取决于测量气体的比热容和参考气体的比热容，所述传感器经由其终端143连接至模块136；以及

-用于感测分子氢摩尔分数并且经由其终端144连接至模块136的传感器134。

模块136可以应用经验仿射关系(诸如上述那些)，以便由在终端142至144处接收的信号来评估高位热值。

在所示的实例中，模块136经由两个输出终端154和153与外部模块137(例如，用于执行调节的致动器)或实际的显示器连通。在未示出的变体中，模块137被集成在装置100中。

图7示出能够通过两个经验仿射关系同时确定高位热值和沃泊指数的装置的实例。

这种装置具有用于处于压力下的气体的两个入口。第一入口1011用于接收属于气体族系(例如，在法国标准NF EN 437中规定的第二族中的燃料气体)并且还含有分子氢的燃料气体G1。装置1000具有用于校准阶段的参考气体G0的另一个入口1012。

装置1000还具有选择器和用于将燃料气体G1流或参考气体G0流引至管道的入口1013的引导模块。选择器和引导模块包括阀1031和阀1035。

阀1031和阀1035由模块1036经由各自的终端1052和1051控制，以使燃料气体或参考气体流入管道中。

从管道的入口1013开始，并且从上游行进至下游，存在：

-经由其终端1041连接至模块1036的绝对压力传感器1006。这种传感器传递对燃料气体测量的值p_mes和对参考气体测量的值p_ref。

-经由其终端1042连接至模块1036的绝对温度传感器1005。这种传感器传递对燃料气体测量的值T_mes和对参考气体测量的值T_ref。

-流体流动收缩部1032(例如，孔口或微喷嘴)；

-用于通过经由其终端1043连接至模块1036的层状压降来感测质量流率的传感器。这种传感器传递值Q_mes,1。

-经由其终端1046连接至模块1036的热质量流率传感器1033。这种传感器传递对燃料气体测量的值Q_mes,2和对参考气体测量的值Q_ref。

-用于感测分子氢摩尔分数并且经由其终端1047连接至模块36的传感器1034。

-排放口(39)。

在这个实例中，模块1036可以计算以下两个变量：

模块1036则可以使用下式来确定沃泊指数

高位热值

空气的化学计量体积

燃烧性指数

和燃料气体混合物的密度

具体地，可以从沃泊指数IW的值和高位热值HHV的值确定空气的化学计量体积Va、燃烧性指数B和燃料气体混合物的密度。

更精确地，对于通常在欧洲分配的天然气(并且目前不含有任何分子氢)，以下适用：

发明人已经观察到，在存在分子氢的情况下，所述值可以偏离1.162。

可以使高位热值与空气的化学计量体积的比率与(已知的)分子氢含量相关，并且对于已经研究的所有天然气，这样做的误差小于0.3％。

换而言之，知晓分子氢含量和具有小于1％的误差的评估的高位热值可以知晓空气的化学计量体积并且因此能够以开环调节来调节燃烧。

以相同的方式，沃泊指数与燃烧性指数的比率随着分子氢含量线性变化。这也可以进行开环调节。

已经观察到，如果使用10,000种气体，评估燃烧性指数时的误差在随机组成的10,000种气体的99.5％中小于1％。

通过限定沃泊指数，可以确定气体的密度，只要沃泊指数和高位热值是已知的。

可以观察到，装置1000传递在其终端1054处的沃泊指数信号、在其终端1055处的高位热值信号、在其终端1056处的密度信号、在其终端1057处的空气的化学计量体积信号以及在其终端1058处的燃烧性指数信号。这些信号涉及研究中的燃料气体，即气体G1。

图8示出使用参考图4描述的装置10的示例性调节应用。这种装置连接在管道的两个点(入口点201和出口点202)之间。装置10控制压缩空气供应模块203作为通过传感器205所获取的测量值的函数。

这种装置特别地能够连续地调节与欧洲分配的那些气体类似并加上额外量的分子氢的气体的沃泊指数。特别地，这是因为测量是连续的或实时的，使得可以进行调节，而这对于色谱类型的设备是不可能的。

被测量的沃泊指数的准确度为约1％。

可以观察到，可以修改装置10中的沃泊指数的设定点值以获得期望的调节。

此外，校准步骤可以在使用甲烷的同时自动进行。也可以自动地进行开始阶段，即无需操作人员干预。

此外，组合调节是可能的，其中对特性中的一个(例如沃泊指数)进行闭环调节，并且对将要喷射的压缩空气的流率进行开环调节。这可以特别考虑特性中的精确变化方式，以便更接近地满足特性的设定点。

可以观察到，此类设备可以以小于150升/小时(L/h)的速率消耗天然气。

上述实施方式和实施方案使得热力学数据(Cp，粘度)能够与以体积或摩尔分数计的分子氢含量的测量值相结合。使用适当的相关性可以计算沃泊指数和/或高位热值。

可以观察到，与使用气相色谱相比，以下适用：

·评估几乎是瞬时的(具有可以小于5秒(s)的响应时间)；

·评估是廉价的。

与现有的相关方法相比，即使存在分子氢，也获得了良好的准确度连同良好的测量稳健性。

最后，与使用燃烧(燃烧性计量器或热量计)的设备相比，本发明提供了良好的稳健性、实施的简易性以及减少并且易于进行的维护。

Claims (17)

1.评估属于燃料气体族系的燃料气体的至少一个燃烧特性的方法，所述至少一个特性是沃泊指数或高位热值，所述方法包括：

·测量(E01)所述燃料气体的至少两种流动性质；

·测量(E02)包含在所述燃料气体中的分子氢含量

·通过以下经验仿射关系来评估(E03)所述至少一个特性

其中：

α、β和γ是所述燃料气体族系的预先确定的系数；以及

Y是代表以与所述燃料气体的所述至少两种流动性质的测量值相关的数学函数的形式来书写的所述燃料气体的物理性质的变量。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述系数α、β和γ是从图表中读取的系数，所述图表具有作为输入的所述分子氢含量

的测量值并且传递作为输出的所述系数α、β和γ。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述图表使所述系数α、β和γ与具有1％宽度的所述分子氢含量

的值域相关。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中由涉及所述燃料气体族系的已知气体的数据集获得所述系数α、β和γ的值，对于所述燃料气体族系的已知气体，代表所述物理性质的Y值和燃烧特性是已知的。

5.如权利要求4所述的方法，包括从涉及所述燃料气体族系的已知气体的所述数据集中随机地产生代表物理性质的燃烧特性和Y值。

6.如权利要求1所述的方法，通过两个经验仿射关系来评估所述沃泊指数和所述高位热值。

7.如权利要求6所述的方法，还包括由评估的沃泊指数和由评估的高位热值来评估所述燃料气体的密度。

8.如权利要求1所述的方法，包括调节所述燃料气体的燃烧特性，或调节燃料气体的燃烧特性和评估的空气的化学计量体积或对应于所述评估的特性的评估的燃烧性指数。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述燃料气体的所述至少一个燃烧特性包括沃泊指数

并且对所述燃料气体的至少两种流动性质的所述测量包括测量(E12)通过流体流动收缩部的声速流动形式的燃料气体的质量流率，在所述收缩部上游测量的绝对压力和所述收缩部上游测量的绝对温度下进行所述测量；

所述方法还包括校准程序(E11)，在所述校准程序期间，在测量的参考绝对压力和测量的参考绝对温度下对通过所述流体流动收缩部的声速流动形式的参考气体的质量流率进行测量；

用于评估(E14)沃泊指数

的所述经验仿射关系则被写为：

其中：

其中：

Q_mes,2是测量的所述燃料气体的质量流率；

p_mes是测量的所述燃料气体的绝对压力；

T_mes是测量的所述燃料气体的绝对温度；

Q_ref是测量的所述参考气体的质量流率；

p_ref是测量的所述参考气体的绝对压力；以及

T_ref是测量的所述参考气体的绝对温度；以及

D、E和F是所述燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于所述系数α、β和γ。

10.如权利要求1所述的方法，其中评估所述燃料气体的沃泊指数，并且所述方法还包括测量所述燃料气体的密度并且由所述评估的沃泊指数和由所述测量的气体密度评估所述高位热值。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述燃料气体的所述至少一个燃烧特性包括所述高位热值

以及

·对所述燃料气体的至少两种流动性质的所述测量包括：

·测量(E22)通过产生压降的设备的层流形式的所述燃料气体的质量流率，所述测量取决于所述燃料气体的粘度和参考气体的粘度；以及

·在所述产生压降的设备的下游，通过热质量流量计测量(E23)所述燃料气体的质量流率，所述测量取决于所述燃料气体的比热容和所述参考气体的粘度；

·用于评估(E25)高位热值

的经验仿射关系则被写为：

其中：

其中：

Z为对应于所述变量Y的变量；

Q_mes,1是通过产生测量的压降的设备的层流形式的所述燃料气体的质量流率；以及

Q_mes,2是从所述产生压降的设备下游测量的所述燃料气体的质量流率；以及

A、B和C是所述燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于所述系数α、β和γ。

12.用于评估属于燃料气体族系的燃料气体的至少一个燃烧特性的装置，所述至少一个特性是沃泊指数或高位热值，所述装置包括：

·用于测量所述燃料气体的至少两种流动性质的至少两个模块(3a,3b)；

·用于测量包含在所述燃料气体中的分子氢含量

的模块(4)；

·被配置成通过以下经验仿射关系来评估所述至少一个特性

的模块(5)：

其中：

α、β和γ是所述燃料气体族系的预先确定的系数；以及

Y是代表以与所述燃料气体的所述至少两种流动性质的所述测量值相关的数学函数的形式来书写的所述燃料气体的物理性质的变量。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述燃料气体的所述至少一个燃烧特性包括所述沃泊指数

所述装置包括：

·用于接收所述燃料气体流的入口(11)；

·用于接收参考气体流的入口(12)；

·用于将所述燃料气体流或所述参考气体流引至管道(13)的选择器和引导模块(31,35)；

·流体流动收缩部(32)；以及

·模块(33)，其用于测量通过所述流体流动收缩部的声速流动形式的所述燃料气体的质量流率，并且包括用于测量所述收缩部上游的绝对压力的子模块和用于测量所述收缩部上游的绝对温度的子模块；

用于评估所述沃泊指数

的经验仿射关系则被写为：

其中：

其中:

Q_mes,2是测量的所述燃料气体的质量流率；

P_mes是测量的所述燃料气体的绝对压力；

T_mes是测量的所述燃料气体的绝对温度；

Q_ref是测量的所述参考气体的质量流率；

P_ref是测量的所述参考气体的绝对压力；以及

T_ref是测量的所述参考气体的绝对温度；以及

D、E和F是所述燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于所述系数α、β和γ。

14.如权利要求12或权利要求13所述的装置，其中所述装置适于评估所述燃料气体的所述沃泊指数，所述装置还包括用于测量所述燃料气体的密度的模块，并且所述被配置成用于评估所述至少一个特性的模块(5)还被配置成由所述评估的沃泊指数和由所述测量的气体密度来评估所述高位热值。

15.如权利要求12或权利要求13所述的装置，其中所述燃料气体的所述至少一个燃烧特性包括所述高位热值

所述装置包括：

·用于接收所述燃料气体流的入口(111)；

·用于测量通过产生压降的设备的层流形式的所述燃料气体的质量流率的模块(132)，所述测量取决于所述燃料气体的粘度和参考气体的粘度；以及

·用于在所述产生压降的设备下游通过热质量流量计测量所述燃料气体的质量流率的模块(133)，所述测量取决于所述燃料气体的比热容和参考气体的热容；

用于评估所述高位热值

的经验仿射关系则被写为：

其中：

其中：

Z为对应于所述变量Y的变量；

Q_mes,1是通过产生测量的压降的设备的层流形式的所述燃料气体的质量流率；以及

Q_mes,2是从所述产生压降的设备下游测量的所述燃料气体的质量流率；以及

A、B和C是所述燃料气体族系的预先确定的系数，并且分别对应于所述系数α、β和γ。

16.如权利要求12的装置，其中所述被配置成用于通过所述经验仿射关系来评估所述至少一个特性

的模块还被配置为评估空气的化学计量体积或燃烧性指数。

17.如权利要求12的装置，还包括用于调节所述燃料气体的所述燃烧特性，或调节燃料气体的所述燃烧特性和评估的空气的化学计量体积或对应于所述评估的特性的评估的燃烧性指数的模块。

Images