CN1401071A - 用于测量质量流量和能含量的装置 - Google Patents

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Abstract

一种能量计量装置(100)，其包括与气体分析器相结合的体积流量计或质量流量计(102)，该分析器提供关于天然气的流体流的成分的遥测。解释器(112)分析这种信息并提供对应于气体流的用于燃烧的焓的实时输出。这种输出用于调节气体流或对其节流，以便根据预先选择的参数输送流体流，这些参数与包括锅炉和发动机的燃烧装置的所需操作状态相关。

Description

用于测量质量流量和能含量的装置
技术领域
本发明涉及质量流量计量装置的领域，比如Coriolis流量计。更具体地说，该计量装置用于与其它的装置或估计技术相结合，该装置或技术通过质量分数实时地确定在流体流中的流体成分以获得优良的测量精度。
问题描述
消耗或运输石化液体和气体的工业过程通常使用化合物的混合物，例如单种混合物的甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。通常，重要的是知道由单一类型的化合物所组成的总的混合百分比。在这种情况下，通常根据摩尔分数或质量分数讨论在混合物中化合物的表示。术语“质量分数”是指基于质量分配给单种化合物或一组化合物的混合百分比。类似地，术语“摩尔分数”是指基于摩尔分配给单种化合物或一组化合物的混合百分比。通常的做法是通过应用各种经验公式或密度测量将其转换为质量的总和流体流的体积测量来计算摩尔或质量分数。这种转换将不确定性和误差加到质量分数的确定中。
在石化精练行业中存在这样的具体实例，在这些实例希望从流体流中确定质量分数或摩尔分数。工程技术人员通常查看裂化各种原料以将这些原料转换为精练产品的过程效率，例如应用萘或原油和高温气体的混合物在纯氧的支持下通过2000°F下的燃烧从石油中直接使乙烯进行的火焰热解法。根据原油的特性和可用的气体，可以调整反应温度和时间以从反应容器的使用中最经济地回收。基于在流体流中的成分分数进行的质量平衡计算通常是这些类型的计算的关键。在精细的调整的过程中，不仅已知进入的燃料流的百分比成分有用，而且还有用是知道反应产品的百分比成分。通常基于体积百分比而不是质量百分比执行这些测量。
在使用管线传输和输送天然气和其它的燃料的使用中还存在另一具体的实例，在这种实例中希望已知流体流的分数分解。燃料通常基于体积出售，但是在恒定的体积上根据燃料随着时间的变化热值可以变化达50％。
在既不测量质量也不测量体积的情况下还存在需要质量分数分析的另一实例。例如，内燃机或工业锅炉可以用于燃烧燃料来发电的直接目的。可以使用内燃机驱动用于此目的的较小发电机。锅炉可以用于产生驱动更大的发电机的蒸汽。虽然最终目标是利用这些燃料中的能量，但是并不测量内燃机的能量吞吐量。
基于功输出和系统能量损失的分析直接或间接测量在原料中的可用的化学能量实质是不可能的。燃烧动作与效率损失相关，例如40％至60％，其中存储在原料中的可用的化学能量部分损失为熵，因为它不能转换为有用的功。例如，热量通过对流和辐射转换损失。由于燃烧放热的特性使排气更热。燃料几乎从没有一致的质量。这些因素结合阻止了作为在机械装置中即将发生的机械失效或效率的指示的燃烧效率的监测。
锅炉和内燃机可以用于不同的燃料。例如，两用锅炉可以容易地从使用气体燃料转换为使用液体燃料。这种类型的转换锅炉应用在公共服务公司部门，在这里电力公司希望在燃料之间切换以使它的燃料费用最低以降低规定的发行的等级。但很难的是，使锅炉从燃油切换到燃气然后在不知道气体燃料的特性和含量时确定多少气体必须燃烧以代替油。
甚至在原料的变化没有从油切换到天然气这样剧烈的情况下，原料本身在质量和成分上随时间变化。在天然气流体流中通常会发现包括二氧化氮、氮气、水和硫化氢的稀释剂。此外，除了天然气的成分的相对百分比在所选择的生产区中油井与油井之间存在变化以外，在不同的生产区还具有较大的变化。因此，墨西哥海湾区产的气体具有比在尼日利亚或加利福尼亚所产的气体更低的特定重力和能含量。类似地，原油的性质从焦油状物质到容易倾倒并具有浅棕色的稀释油各不相同。在运输的过程中，在从产生区到消费区通过管线或船泊运输原料时单种流体流混合并组合。每种流体流具有它本身的成分和特定的热值。
根据内燃机或锅炉所燃烧的燃油的质量和特性的不同内燃机或锅炉以不同的效率运行。甚至在内燃机以恒定的速度运转的情况下，通过添加稀释剂使原料成分的变化可以使内燃机可用的扭矩更小。类似地，锅炉可以形成更小的气流。如果天然气供应变化到具有相对更多的甲烷的气体则燃烧装置可以减小或改善效率。如果仅仅已知燃料的热含量，则可以根据预先选择的参数改变燃烧装置的运行状态，比如体积或质量流率的变化以提供恒定能量源或在优选的范围内的装置的操作以获得最佳的燃料效率。
如在Snell等人所报告的那样(Installation of MultipathUltrasonic Meters on a Major Australian Metering System Project，1996年12月)，多路超声流量计(体积流量计)安装在澳大利亚天然气管线上以用作从传输系统到本地分布系统的所有之管上的输油监测仪表。每个这种仪表与分析流体流成分的气体色谱仪相配合。将质量流量测量转换为体积并计算流体流的基于体积的焓值。选择超声流量计进行研究，因为据报告在该研究的流率中对于体积和能含量的测量具有更小的不确定度。Coriolis流量计是一种应用AGA等式将质量流量读数转换体积读数的获得体积流量测量的可能的变型方案，但Coriolis流量计在能量测量方面也具有最大的不确定度的特点，即3.0％，而超声流量计为1.0％。对于在研究的所有类型的仪表的所有的能量不确定度大于体积不确定度。
如上文所讨论，在流体流中提供精确的实时质量分数确定的质量计量装置在石化精练中有利于质量平衡的计算，以及在保存和销售具有降低等级的能量值的能力方面开辟了新的视野。
解决方案
本发明通过提供能够非常精确地直接测量关于流体流的质量分数的计量装置克服了上文所概述的问题。然后这些质量分数与在石化精练中的质量平衡计算相关，以及与从流体流中可用的热含量或其它的与焓相关的值相关。通过避免前者需要将基于质量的流量测量转换为在确定质量分数之前的状态的体积测量可以改善精度。
计量装置用于提供关于在具有多种成分的流体流中的质量分数的实时遥测技术。使用Coriolis质量流量计或其它的质量流量计来测量在流体流中的质量流率并提供代表质量流率的第一信号。使用结合经验相关的色谱、密度或压力测量或其它的分析流体流的含量的装置来确定流体流的成分百分比并提供代表成分百分比的第二信号。
在优选的实施例中，中央处理器、计算机或控制器用于解释从分析装置中接收的第一信号和第二信号以提供表示在流体流中的能量值的输出。通过将质量流率乘以成分百分比乘以对应于该成分百分比的成分的能量值得出能量值。这种计算技术是有利的，因为它允许直接或基于质量地对在流体流中的能含量进行计算，而同时使中间相关性最小化，例如使相关性接近真实气体的非理想特性。
在再一优选的实施例中，能量计量装置与节流阀可操作地耦合以预先选择的参数控制基于流体流的能含量的流量。根据本发明的原理，预先选择的参数可以包括通过燃烧释放的能量的基本恒定流率的供应、在内燃机装置的优选的操作范围内的流率的能量供应或者在流体流中的能含量的时间控制销售的供应。
当质量流量计是Coriolis流量计时，该流量计还可以作为密度计运行，可以使用该密度读数来将流体流与能含量的经验相关关联起来，作为使用色谱仪来分析成分百分比的一种替换方案。
通过阅读下面的描述和相关的附图本领域的熟练技术人员将会清楚本发明的这些目的和优点以及本发明的其它的特征。本发明的一方面是通过直接测量(与经验公式相反)提供质量分数的流量读数。本发明的进一步方面是在使用经验相关时通过应用质量相关提供更高的能含量测量的精度。本发明的再一方面是在自动过程中应用这些改进的测量比如基于分离的质量流量连同基于燃料能量消耗的内燃机的节流计算能量值。
附图说明
附图1所示为根据本发明的能量计量装置的示意性附图；以及
附图2所示为过程控制流程图，其说明了一确定流经图1所示的能量计量装置的能量的信号解释器的操作。
具体实施方式
能量测量装置
附图1所示为根据本发明的能量测量装置100的示意图。流量计102可操作地连接到流线104以测量在最终在燃烧装置108(例如锅炉或发动机)中使用的燃料的流体流106中的流量。流体流分析器110类似地与流线104耦合以分析流体流106的成分和特性。分析器110测量流体流的固有的特性，比如密度或比重，或分配给不同的化合物(甲烷、乙烷、丁烷、丙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷和癸烷)的流体流的百分比。可替换的是，分析器110表示一估计每单位质量基数的流体流的恒定能含量的计算机存储器或算法。流量计102和分析器110执行它们相应的直接测量并将表示这些测量值的信号发送给在线114和116上的解释器/控制器112。解释器/控制器112采用来自这些信号的信息作为输入从而应用一数学算法，以提供表示从在流体流106中的燃料的燃烧中可得到的热值(heating value)或焓的量的输出。基于该输出，解释器/控制器112调节一可遥控起动的阀118以作为向燃烧装置108提供的燃料的节流阀，其基于预先所选择的参数来控制燃烧装置108的操作。反过来，该燃烧装置产生功输出W和效率损失EL。
流量计102可以是任何的质量流量计，优选的是包括Coriolis质量流量计。分析器可以是气体色谱仪、密度计、电导仪或者可以测量与流体的能含量相关的固有流体特性的任何其它的装置。这里流量计102是一种Coriolis流量计，根据制造商的说明书它可以将流量计常规地作为振动管密度计或作为毛细管粘度计使用。这些内在的液体特性中的任一种都可以与每单位质量基数的燃料的能含量相关。因此，在附图1中所示的作为流量计102和分析器110的分离的方框可以合并成具有不同的操作模式的单一Coriolis流量计中。类似地，解释器/分析器11 2可以包括集成的CPU和控制器，或CPU和控制器可以是分离的器件。
操作方式
附图2所示为描述解释器/控制器112的操作的示意性过程附图。解释器/控制器112从流量计102中接收表示流体流106的体积或质量流量的第一信号(参见附图1)。解释器/控制器112从分析器104中接收表示流体流106的成分或固有特性的第二信号。在本说明书的讨论中，术语“第一信号”和“第二信号”并不必表示时间的顺序，而是仅仅使用该术语来区别信号。可以以任何顺序将该信号传输给解释器/控制器，包括同时传输。
在步骤P204中，解释器/控制器112应用一种算法、统计技术或数据映射技术来给流体流指定热值。这种热值是在可以由燃烧所释放的燃料中任何与焓相关的能含量的测量值。能含量的代表值包括在该领域中公知的总热值(湿或干)、净热值、燃烧焓和比热等术语。步骤P204的输出出现在步骤P206中，并且步骤P208包括解释器/控制器对阀118进行调节，以根据预先选择的参数控制燃烧装置108的操作。控制燃烧装置108的操作的适合的参数尤其包括：
1.)在燃烧装置108中以恒定的能量率以恒定的消耗率的燃料能的应用；
2.)以从燃烧装置108中产生恒定的功输出W的速率校正由于燃料能含量引起的操作效率的变化的燃料能的应用；以及
3.)基于在所示为燃烧装置108的类型的燃烧装置中最终使用的燃料的能含量的燃料的销售。
能含量算法
有许多方法计算或估计在流体流中的能含量。如对流体流的燃料试样所执行的实验室试验或测量所证实，可能的最简单的方法是使关于每单位质量能含量的推测。另一种方法是在训练常规的数据映射技术(比如自适应滤波器或神经网络)的使用中获得多种类型的输入数据。这些多种类型的输入数据可以包括粘度、密度、温度和压力，所有这些数据都可以从常规的Coriolis流量计连同在Coriolis测量装置中所使用的常规的传送器(例如温度和压力传送器)中获得。在再一中可替换的方法中，许多不同类型的算法由于它们基于燃料的固有特性将能含量与燃料相关的能力而已知。例如，热量计可以用于燃烧燃料并可以将该热含量与燃料的密度、粘度或重力相关。
为许多工业应用而选择的燃料是天然气。在这种情况下，有许多良好的算法可用，这些算法可用于基于公布的信息和相关的气体成分计算气体流体流的精确的热值。下表1提供了对于几乎所有的成分的实例性的公布信息，这些信息包括任何天然气的可评估的百分比。显然的是，每种流体成分中以KJ/g表示的碳氢化合物的燃烧焓几乎是恒定值，其中甲烷的能含量变化为7至15％，而丙烷和更高的碳氢化合物变化则为更小的百分比。
表1
天然气成分的特性
    成分     气体比重*   净热值(Btu/SCF)   燃烧焓-ΔcHi(KJ/mole)   分子重量(g/mole)   燃烧焓(KJ/g)
    N2 **     0.9672     0     0     28.01     0.00
    CO2     1.5195     0     0     44.00     0.00
    H2S     1.1765     588     672.4     34.08     19.73
    甲烷     0.5539     909.1     889.7     16.04     55.47
    乙烷     1.0382     1617.8     1559.1     30.07     51.85
    丙烷     1.5225     2316.1     2217.0     44.10     50.27
    异丁烷     2.0068     3001.1     2866.3     58.12     49.32
    N-丁烷     2.0068     3010.4     2874.9     58.12     49.46
    异戊烷     2.4911     3698.3     3525.6     72.15     48.86
    N-戊烷     2.4911     3707.5     3532.4     72.15     48.96
    N-己烷     2.9753     4403.7     4191.1     86.18     48.63
    N-庚烷     3.4596     5100.2     4849.3     100.20     48.40
    N-辛烷     3.9439     5796.7     5507.2     114.23     48.21
    N-壬烷     4.4282     6493.3     6166.4     128.26     48.08
    N-癸烷     4.9125     7188.6     6823.9     142.28     47.96
    O2     1.1048     0     0     32.00     0.00
    H2     0.0696     274     285.6     2.02     141.39
    He     0.138     0     0     4.00     0.00
    H2O     0.622     0     0     18.02     0.00
*相对于空气的比重，这里空气＝1。
这里基于每单位时间执行流量测量，它是根据本发明的原理计算在流体流中的质量的一种简单情况。根据等式(1)计算质量分数： ( 1 ) - - - Q c = Σ i n X mi Q m
这里n表示在总的流体流中的热动态重要流量成分的总数，i表示单个的流量成分的特性，Qc是分配给包括总的流体流的部分的流体成分的总的流体流的质量含量，分数Xmi是如色谱仪或其它用于此目的的仪器所确定的分配给流体成分的总的流体流的质量分数，以及Qm是总的质量流量。基于等式(1)和(2)可以计算总的能含量 ( 2 ) - - - Q E = Σ i n Q c H fi
这里QE是在每单位时间中的总的能量的流量，n表示在总的流体流中的热动态重要流量成分的总数，i表示单个的流量成分的特性，Qc如上所定义，以及Hfi是如每单位质量的能量所指示的特定的成分的燃烧焓。Hf焓值应该理解为是指由完全燃烧所释放的能量，在该完全燃烧中反应产物为气态水和CO2，但对于Hf其它形式的热值测量可以被替代，包括净热值、湿式总热值和干式总热值或任何其它的可普通理解的热值测量。
在这里气体色谱仪或用于分析在有机流体流中碳氢化合物分数的其它机构不可用，比如在仪表被破坏或对于特定的应用成本太大时，通过假设每单位质量的平均恒定的能量值例如作为表1的KJ/g列可以估计该能含量。在流体流是一种气体流体流的情况下，流体流通常包括60％至90％甲烷，较好的平均值是在52至53KJ/kg的范围中。对于液体流可以认为该值为48KJ/kg。这些估计通常精确到3％至5％以内，假设流体流不受过量的稀释剂(例如，二氧化碳、水或氢化硫)的影响。
体积气体测量必须参考一个基准或参考压力和温度，在已有技术中这种压力和温度通常称为标准状态，例如60°F和14.7psia。因此 ( 3 ) - - - Q E = Σ i n X vi Q v std H v stdi
这里，Qv std是校正为标准状态的整个气体流体流的体积流量，Hv stdi是在标准的状态下作为每单位体积的能量的特定的成分的燃烧焓，Xvi是分配给单种成分的总的气体流体流的模式分数，以及其它的术语如上文所定义。此外，对于每种成分，根据等式(4)， ( 4 ) - - - H v stdi = ( H fi ) × ( ρ std ) = ( H molei MWi ) × ( 144 MWiP 1545 TZ )
这里，Hmolei是如上文表1所示的每摩尔能量的燃烧焓，Mwi是如上文表1所示的分子重量，ρstd是在标准压力下的气体密度，P是在流体系统中以psia为单元的绝对压力，T是在流体系统中以Kelvin为单位的温度，Z是在内部流体系统温度和压力下理想的气体偏差系数，以及其它的术语如上文所定义。
具有这种特征的体积转换所产生的问题在于将误差引入计算中的经验相关。具体地说，气体偏差因数Z在超过仪表不确定度的程度上可能不精确。通过本发明的方法和装置可以避免这种误差源。
在本领域的熟练的技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的精神范围的前提下可以对上述优选的实施例进行显而易见的修改。因此，本发明人在此基于等同原则陈述它们的发明以便在本发明中保护他们的全部权利。

Claims (24)

1.一种计量装置(100)，该计量装置用于提供关于具有多种成分的流体流(106)的实时遥测，该计量装置具有质量流量计(102)，该质量流量计产生一指示流经所述流量计(102)的所述流体流(106)的质量流量的信号，并将所述第一信号发送给控制器(112)，该控制器包括：
一电路(P204)，其构造成基于所述第一信号计算所述流体流的基于质量的燃烧能含量；以及
一电路(P206)，其构造成产生一代表所述流体流的所述基于质量的燃烧能含量的输出。
2.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中还包括：
分析器(110)，所述流体流通过该分析器，其中所述分析器确定所述流体流的成分百分比并产生一代表所述成分百分比的第二信号。
3.如权利要求2中所述的计量装置(100)，其中所述控制器(112)还包括一电路，其解释从所述质量流量计接收的第一信号以给流经所述质量流量计的流体流提供代表能量值的输出，所述能量值是通过将质量流量乘以成分百分比乘以对应于该成分百分比的成分的能量值而得出的。
4.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中控制器包括一电路，其构造成将对应于所述第一信号的质量乘以一假设为每单位质量的能含量的常数。
5.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其包括可操作地与所述控制器(110)连接以基于所述流体流的能含量控制流体的节流装置(118)。
6.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中所述流量计是一种Coriolis流量计。
7.如权利要求6中所述的计量装置(100)，其中控制器还包括一电路，其构造成从所述Coriolis仪表中接收信号并从所述所接收的信号中确定所述流体流的代表性密度读数。
8.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中所述质量流量计是密度计。
9.如权利要求8中所述的计量装置(100)，其中所述控制器(112)包括基于从所述密度计中获得的信息以确定用于所述流体流与焓相关的值的电路。
10.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中色谱仪连接在所述流体流中并将信号发送给所述控制器。
11.如权利要求10中所述的计量装置(100)，其中所述控制器(112)包括构造成基于从所述色谱仪中获得的信息计算与焓相关的值的电路。
12.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中预先选择的参数是由燃烧所释放的能量的基本恒定的速率的供应。
13.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中预先选择的参数是以一在燃烧装置的优选操作范围内的速率的能量供应。
14.如权利要求1中所述的计量装置(100)，其中预先选择的参数是在所述流体流中的能含量的时间控制的销售供应。
15.一种提供关于具有多种成分的流体流的实时遥测的方法，所述方法包括如下的步骤：
测量在所述流体流中的质量流量以提供质量流量测量值；
提供(P202)一代表所述质量流量测量值的第一信号；
基于所述第一信号计算(P204)所述流体流的基于质量的燃烧能含量；以及
提供(P206)一代表所述基于质量的燃烧能含量的输出。
16.如权利要求15中所述的方法(P200)，其中所述计算(P204)基于质量的燃烧能含量的步骤包括：
提供一代表在所述流体流中的成分百分比的第二信号；以及
所述计算基于质量燃烧能含量的步骤包括解释所述第一信号和所述第二信号，以提供一代表在所述流体流中的能量值的输出，所述能量值由将质量流量乘以成分百分比乘以对应于该成分百分比的成分的能量值而得出的。
17.如权利要求15中所述的方法(P200)，包括确定所述流体流的代表性密度的步骤。
18.如权利要求17中所述的方法，其中所述解释步骤包括基于从所述密度计中获得的信息将所述流体流的密度和与焓相关的值相关。
19.如权利要求15中所述的方法，其中应用色谱仪执行所述分析所述流体流的步骤。
20.如权利要求19中所述的方法，其中所述解释步骤包括基于从所述色谱仪中获得的信息计算与焓相关的值相关。
21.如权利要求15中所述的方法，其包括对所述流体流进行节流(P208)的步骤，其根据对于在所述流体流中的能含量的供应的预先选择的参数的偏差而作出响应。
22.如权利要求21中所述的方法，其中所述预先选择的参数是由燃烧所释放的能量的基本恒定的速率的供应。
23.如权利要求21中所述的方法，其中所述预先选择的参数是以一在燃烧装置的优选操作范围内的速率的能量供应。
24.如权利要求21中所述的方法，其中所述预先选择的参数是在所述流体流中的能含量的时间控制的销售供应。
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