DE102012110942A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung eines strömenden Gases, insbesondere der Leistung von Rohbiogas - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung (QG) eines strömenden feuchten Gases, insbesondere eines Rohbiogases, bei dem eine Wobbezahl (W) bestimmt und differenzdruckbasierte Durchflussmessung des Gases erfolgt, wobei für die Leistung (QG) gilt: QG = W·(Δp)1/2·k1·kwobei Δp: Differenzdruck, k1: geometrische Größe k2: Betriebsparameter (Betriebsdruck; Betriebstemperatur, Normdichte Luft).
Description
- Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung eines strömenden Gases, insbesondere der Leistung von Rohbiogas.
- Im Zuge der Verringerung der natürlichen Vorkommen fossiler Energieträger und angestrebte Reduktion des Treibhausgases CO2 aus deren Verbrennung, hat die Biogaserzeugung eine steigende Bedeutung. Bei Rohbiogas handelt es sich um Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf und Wasserstoff mit Beimengungen Schwefelwasserstoff und weiteren Bestandteilen. Ausgangsstoffe zur Erzeugung von Biogas sind biogene Materialien wie z. B. nachwachsende Rohstoffe als auch Klärschlamm, Gülle oder Mist.
- Rohbiogas wird in Biogasfermenteranlagen, Kläranlagen und Deponiegasanlagen erzeugt und im günstigsten Fall direkt in nahegelegenen Blockheizkraftwerken verwendet. Der im Blockheizkraftwerk erzeugte Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist und entsprechend vergütet. Die im Blockheizkraftwerk ebenfalls in großen Mengen anfallende Wärme wird in den wenigsten Fällen vor Ort sinnvoll genutzt. Dies ist der dezentralen Lage der meisten Biogasanlagen geschuldet. Eine wirtschaftliche Wärmesenke steht selten zur Verfügung, was die Effizienz des Blockheizkraftwerks dramatisch verringert.
- Die wünschenswerte Verbesserung des Wirkungsgrades der wirtschaftlichen Rohbiogaserzeugung würde voraussetzen, dass das Blockheizkraftwerk unmittelbar an Gebieten vorhanden ist, in denen ein hoher Wärmebedarf besteht bzw. die Wärme in ein Wärmeversorgungsnetz eingespeist werden kann. Solche Voraussetzungen sind jedoch in der Nähe von Biogasanlagen selten anzutreffen, da diese in landwirtschaftlich geprägten Regionen angesiedelt sind.
- Zur verbesserten Nutzung des Rohbiogases besteht auch die Möglichkeit, das Rohbiogas auf Erdgasqualität aufzubereiten und ins weitflächige Erdgasnetz einzuspeisen. Die Einspeisung des Rohbiogases in das Erdgasnetz setzt voraus, dass das Rohbiogas entsprechend der geltenden Normen aufbereitet wird. Die Aufbereitung des Rohbiogases auf Erdgasqualität ist jedoch mit hohem apparativen Aufwand verbunden und auch sehr kostenintensiv. Es ist daher bekannt, dass bspw. Rohbiogas mehrerer Erzeuger einer gemeinsamen Aufbereitungsanlage zwecks Kostenoptimierung zugeführt werden.
- Als Abrechnungsgröße, auf Basis der geltenden Eichvorschriften, eines Gases wird die Größe ”Brennwert” herangezogen. Der Brennwert ist definiert ist für einen bestimmten Zustand, nämlich dem Normzustand. Der Normzustand ist beschrieben durch die Norm Temperatur und die Norm Druck. Des Weiteren muss das Gas trocken sein.
- Problematisch bei Rohbiogas oder bei Prozessgasen ist, dass insbesondere bei Rohbiogas Wasserdampf bis zur vollständigen Sättigung im Gas enthalten sein kann. Der Brennwert kann daher nicht als Qualitätsmerkmal des Gases herangezogen werden, da definitionsgemäß das Gas trocken sein muss. Es bestünde zwar die Möglichkeit, das Probegasvolumen auf geeignete Weise zu trocknen, was jedoch zur Folge hätte, dass das Volumen des Probegases bzw. die Verteilung der Komponenten innerhalb der Probe verfälscht werden würde. Im Ergebnis würde ein zu hoher Brennwert bestimmt, welcher dem angelieferten Rohbiogas nicht entspricht.
- Zur Bestimmung der Gasqualität eines zumindest teilweise mit Biogas oder aufbereitetem Gas versetzten Probegases ist nach der
DE 10 2008 029 523 B3 ein Verfahren bekannt, bei dem die Hauptkomponenten CH4, CO2, N2, O2, H2 ausgehend von einem unter Betriebsbedingungen mittels infrarotspektroskopischer Messverfahren im bestimmten Spektrum des Probegases, aus dem mittels korrelativer Verfahren Stoffmengenanteile des Probegases bestimmt und in Kenngrößen der Gasqualität umgerechnet werden. Hierbei werden die optische Absorption von CH4 und CO2 und die Wärmeleitfähigkeit λ des Probegases bei Zumischung von Flüssiggas (LPG) die optische Adsorption des LPG gemessen. Aus den Stoffmengenanteilen von CH4, CO2, Wärmleitfähigkeit λ bei Zumischung von Flüssiggas LPG dem Stoffmengenanteil LPG mittels einer Korrelationsrechnung die optisch nicht erfassten Stoffmengenanteile des Stickstoffs, des Sauerstoffs und des Wasserstoffs bestimmt werden. - Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung, die Zielsetzung zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung, insbesondere von Rohbiogas bereitzustellen und eine Vorrichtung anzugeben, welche einfach durchführbar, einen geringen operativen Aufwand benötigt und nicht an den Normzustand gebunden ist.
- Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
- Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Leistung eines strömenden feuchten Gases, insbesondere eines Rohbiogases, wird vorgeschlagen, dass die Wobbezahl (W) bestimmt und eine differenzdruckbasierte Durchflussmessung des Gases erfolgt. Für die Leistung (QG) gilt die nachfolgende Beziehung:
QG = W·(Δp)1/2k1·k2, - Δp:
- Differenzdruck,
- k1:
- geometrische Größen
- k2:
- Betriebsparameter (Betriebsdruck; Betriebstemperatur, Normdichte Luft).
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Qualitätsmerkmal des strömenden feuchten Gases bereitgestellt. Insbesondere kann eine Aussage über die Leistung des feuchten Gases getätigt werden. Für die Bestimmung der Qualität des Gases ist die Bestimmung des Brennwertes, der für ein feuchtes Gas nicht definiert ist, nicht erforderlich. Es wird auf messbare, wie die Wobbezahl, die Druckdifferenz sowie Betriebsparameter sowie geometrische Größen zurückgegriffen.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in einfacher Art und Weise die Möglichkeit angegeben, eine Aussage über die Leistung des feuchten Gases zu treffen.
- Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Durchflussmessung mittels eines Wirkdruckgebers erfolgt. Beim Wirkdruckgeber wird ein vom Durchsatz abhängiger Druck erzeugt. Bei diesem Druck handelt es sich um die Differenz der statischen Drücke vor und hinter dem Wirkdruckgeber beim durchfließenden Gas. Als Wirkdruckgeber, die einen Druckabfall hervorrufen, können Stauscheiben, Lochblenden, Venturi-Düsen oder Ringkammern verwendet werden, so dass eine Änderung des Durchflussquerschnitts bewirkt wird, wodurch sich unterschiedlicher Staudruck vor und hinter dem Ort der Querschnittsänderung ergibt. Besonders bevorzugt ist die Messung mittels einer Staudrucksonde.
- Wird ein Wirkdruckgeber verwendet, so gilt für die Gleichungwobei
C: Durchflusskoeffizient dimensionslos β: Durchmesserverhältnis dimensionslos ε: Expansionszahl dimensionslos d: Öffnungsdurchmesser Drossel m Δp: Wirkdruck Pa ρNLuft: Normdichte Luft kg/m3 pB: absoluter statischer Gasdruck Pa pN: absoluter Normdruck 101325 Pa TN: absolute Normtemperatur 273,15 K TB: absolute Temperatur des Gases K - Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Betriebstemperatur gemessen wird.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung eines strömenden feuchten Gases, insbesondere eines Rohbiogases umfasst ein Messgerät, vorzugsweise ein Kalorimeter, zur Bestimmung der Wobbezahl, einer Einrichtung zur differenzbasierten Durchflussmessung des Gases und eine Auswerteeinheit, die signaltechnisch mit dem Messgerät und der Einrichtung verbunden ist. Bei der Auswerteeinheit kann es sich bspw. um einen Computer handeln.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung eines strömenden feuchten Gases hat den Vorteil, dass diese einen sehr kompakten Aufbau und eine geringe Zahl von Messsensoren bzw. Messeinrichtungen umfasst, deren Funktionalität sicher und zuverlässig ist. Bei der Einrichtung zur differenzdruckbasierten Messung des Gases handelt es sich vorzugsweise um einen Wirkdruckgeber. Hierbei kann es sich um eine Staudrucksonde handeln.
- Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen ist.
- Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- In
1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung eines strömenden feuchten Gases, insbesondere eines Rohbiogases, dargestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Kalorimeter1 . Mittels Des Kalorimeters1 kann die Wobbezahl eines strömenden Gases bestimmt werden. Das Kalorimeter kann über eine Probeleitung2 mit der Gasleitung3 verbunden sein. In der Probeleitung2 können entsprechend geschaltete Ventile vorgesehen werden, so dass lediglich eine definierte Probe des Gases dem Kalorimeter zugeführt wird. - Es besteht auch die Möglichkeit, aus der Gasleitung
3 ein vorbestimmtes Gasvolumen zu entnehmen und dieses dem Kalorimeter zuzuführen. - Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zur differenzdruckbasierten Durchflussmessung, Meßstrecke genannt, des Gases sowie eine Auswerteeinheit
5 , die signaltechnisch mit dem Kalorimeter1 und der Einrichtung4 verbunden ist. Bei der Auswerteeinheit5 handelt es sich vorzugsweise um einen Computer. - Die Einrichtung
4 zur differenzdruckbasierten Durchflussmessung ist vorzugsweise durch einen Wirkdruckgeber gebildet, insbesondere durch eine Staudrucksonde. Die Einrichtung kann unmittelbar in der Gasleitung3 angeordnet werden. Zur Ermittlung einer Änderung der Dichte des Gases weist die Einrichtung vorzugsweise wenigstens einen Temperatursensor und wenigstens einen Drucksensor auf. Der Temperatursensor kann in der Gasleitung3 angeordnet sein, um die Betriebstemperatur zu messen. - Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in einer effizienten Art und Weise die Leistung des feuchten Gases, insbesondere eines Rohbiogases, bestimmt.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008029523 B1 [0008]
Claims (9)
- Verfahren zu Bestimmung der Leistung (QG) eines strömenden feuchten Gases, insbesondere eines Rohbiogases, bei dem eine Wobbezahl (W) bestimmt und differenzdruckbasierte Durchflussmessung des Gases erfolgt, wobei für die Leistung (QG) gilt:
QG = W·(Δp)1/2·k1·k2, - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Durchflussmessung mittels eines Wirkdruckgebers erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Probengasvolumen entnommen wird und die Wobbezahl des Probengasvolumens bestimmt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Betriebstemperatur gemessen wird.
- Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung (QG) eines strömenden feuchten Gases, insbesondere eines Rohbiogases, umfassend ein Kalorimeter (
1 ) zur Bestimmung der Wobbezahl (W), eine Einrichtung (4 ) zur differenzdruckbasierte Durchflussmessung des Gases und eine Auswerteeinheit (5 ), die signaltechnisch mit dem Kalorimeter und der Einrichtung verbunden ist. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (
4 ) einen Wirkdruckgeber umfasst. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (
4 ) zur differenzdruckbasierte Durchflussmessung des Gases eine Staudrucksonde umfasst. - Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Drucksensorsensor vorgesehen ist.
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