DE102016014151A1 - Method for determining a calorific value and / or a Wobbe index of a gas mixture - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines einen Brennwert und/oder einen Wobbe-Index eines Gasgemisches beschreibenden Ergebnisparameters, umfassend die durch eine Ermittlungseinrichtung (1) durchgeführten Schritte:Ermitteln von Parameterwerten des Gasgemischs für genau zwei Gasparameter aus der Gruppe Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte,Berechnen des Ergebnisparameters als Ergebnis einer vorgegebenen Funktion, die ausschließlich von den Parameterwerten der genau zwei Gasparameter abhängt.Method for determining a result parameter describing a calorific value and / or a Wobbe index of a gas mixture, comprising the steps carried out by a determination device (1): determining parameter values of the gas mixture for exactly two gas parameters from the group thermal conductivity, thermal diffusivity, heat capacity and density, calculation of the result parameter as a result of a given function, which depends exclusively on the parameter values of the exactly two gas parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines einen Brennwert und/oder einen Wobbe-Index eines Gasgemisches beschreibenden Ergebnisparameters. Daneben betrifft die Erfindung eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung dieses Ergebnisparameters.The invention relates to a method for determining a result parameter describing a calorific value and / or a Wobbe index of a gas mixture. In addition, the invention relates to a determination device for determining this result parameter.

In Erdgasnetzen wird bislang typischerweise verbraucherseitig ausschließlich ein bereitgestelltes Gasvolumen zu Abrechnungszwecken erfasst. Dies ist ausreichend, wenn dauerhaft eine im Wesentlichen konstante Gasqualität bereitgestellt werden kann. Wird jedoch Erdgas aus verschiedenen Lagerstätten an Verbraucher bereitgestellt oder werden diesem Erdgas weitere Gase beigemischt, so kann der Brennwert variieren, womit eine brennwertbasierte Abrechnung des gelieferten Gases zweckmäßiger wäre. Dies wird zunehmend relevant, da beispielsweise Biogas oder aus ökostrom hergestellter Wasserstoff oder hieraus hergestellte Gase dem Erdgas beigesetzt werden können, um eine Nutzung regenerativer Energien zu ermöglichen.In natural gas networks, typically only one gas volume supplied has been recorded for billing purposes on the consumer side. This is sufficient if a substantially constant gas quality can be provided permanently. However, if natural gas is supplied to consumers from various deposits, or if other gases are added to this natural gas, the calorific value may vary, making calorific value-based billing of the gas supplied more expedient. This becomes increasingly relevant because, for example, biogas or hydrogen produced from green electricity or gases produced therefrom can be buried in natural gas in order to enable the use of regenerative energies.

Zudem ist es zum Betrieb von Verbrennungseinrichtungen vorteilhaft, wenn sichergestellt wird, dass nicht zu viel Energie und somit Wärme bei der Verbrennung des Erdgases abgegeben wird, um Beschädigungen oder einen starken Verschleiß dieser Verbrennungseinrichtungen zu verhindern. Daher kann es auch vorteilhaft sein, bei der Steuerung entsprechender Verbrennungseinrichtungen einen ermittelten Brennwert beziehungsweise einen Wobbe-Index des Gasgemisches zu berücksichtigen. Der Wobbe-Index ist proportional zum Brennwert des Gasgemisches und umgekehrt proportional zu der Wurzel der relativen Dichte des Gasgemisches bezogen auf die Dichte von Luft. Beispielsweise sind Brenngase mit ähnlichem Wobbe-Index in Fällen austauschbar, in denen das Brenngas dem Verbrennungsprozess mit konstantem Düsendruck zugeführt wird.In addition, it is advantageous for the operation of combustion devices, if it is ensured that not too much energy and thus heat is given off during the combustion of the natural gas in order to prevent damage or heavy wear of these combustion devices. Therefore, it may also be advantageous to take into account a determined calorific value or a Wobbe index of the gas mixture in the control of corresponding combustion devices. The Wobbe index is proportional to the calorific value of the gas mixture and inversely proportional to the root of the relative density of the gas mixture in relation to the density of air. For example, fuel gases having a similar Wobbe index are interchangeable in cases where the fuel gas is supplied to the constant nozzle pressure combustion process.

Bislang werden der Brennwert beziehungsweise der Wobbe-Index primär versorgerseitig ermittelt. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, Gaschromatographen zu nutzen, um die Bestandteile des Gasgemisches zu separieren und somit die Zusammensetzung des Gasgemisches zu bestimmen. Aus der Zusammensetzung des Gasgemisches und den bekannten Eigenschaften der einzelnen Gase können der Brennwert beziehungsweise der Wobbe-Index bestimmt werden. Gaschromatographen sind jedoch relativ groß und teuer, so dass eine Nutzung beim Verbraucher in der Regel nicht zweckmäßig ist. Daher wurden mittlerweile mehrere alternative Ansätze entwickelt, um Brennwerte eines Gasgemisches zu ermitteln.So far, the calorific value or the Wobbe index has been determined primarily by the utility. For this purpose, it is known, for example, to use gas chromatographs in order to separate the constituents of the gas mixture and thus to determine the composition of the gas mixture. From the composition of the gas mixture and the known properties of the individual gases, the calorific value or the Wobbe index can be determined. However, gas chromatographs are relatively large and expensive, so that use by the consumer is usually not appropriate. Therefore, several alternative approaches have been developed to determine the calorific values of a gas mixture.

Beispielsweise ist es bekannt, den Brennwert eines Gasgemisches in Abhängigkeit von dessen Wärmeleitfähigkeit, dessen Wärmekapazität und dessen Dichte zu bestimmen. Diese Messgrößen können ermittelt werden, indem das Gasgemisch durch eine kritische Düse, durch die das Gasgemisch mit Schallgeschwindigkeit strömt, zu einem CMOS-Sensor geführt wird. Der CMOS-Sensor kann genutzt werden, um die Wärmeleitfähigkeit oder eine in Abhängigkeit zur Wärmekapazität stehende Größe zu bestimmen. Mit Hilfe der kritischen Düse lässt sich bei Kenntnis des Druckes des Gases auf die Dichte schließen. Nachteilig ist hierbei, dass aufgrund des Durchströmens der Düse mit Schallgeschwindigkeit dieses Messverfahren nur für eine definierte Volumenströmung möglich ist. Sollen Gasgemische im laufenden Betrieb mit variabler Volumenströmung gemessen werden, resultiert somit ein erheblicher Mehraufwand, um die Messbedingungen zur Brennwertbestimmung herzustellen. Weiterhin sind eine Vielzahl von weiteren Sensoren, z.B. Drucksensoren notwendig.For example, it is known to determine the calorific value of a gas mixture as a function of its thermal conductivity, its heat capacity and its density. These measures can be determined by passing the gas mixture through a critical nozzle through which the gas mixture flows at the speed of sound to a CMOS sensor. The CMOS sensor can be used to determine the thermal conductivity or a quantity dependent on the heat capacity. With the help of the critical nozzle, the density can be deduced with knowledge of the pressure of the gas. The disadvantage here is that due to the passage of the nozzle at the speed of sound, this measurement method is possible only for a defined volume flow. If gas mixtures are to be measured during operation with variable volumetric flow, this results in considerable additional expenditure in order to produce the measuring conditions for calorific value determination. Furthermore, a plurality of further sensors, e.g. Pressure sensors necessary.

Ein weiterer Ansatz ist es, die Schallgeschwindigkeit oder die Dichte und zusätzlich ein Absorptionsvermögen für Infrarotstrahlung des Brenngases zu messen. Sowohl die Messung der Infrarotabsorption als auch die Messung der Schallgeschwindigkeit erfordern jedoch relativ aufwendige Sensoren.Another approach is to measure the speed of sound or density and, in addition, an absorption capacity for infrared radiation of the fuel gas. However, both the measurement of infrared absorption and the measurement of the speed of sound require relatively expensive sensors.

Es sind auch Ansätze bekannt, die Wärmeleitfähigkeit einer Gasmischung bei unterschiedlichen Temperaturen zu messen und hieraus beispielsweise den Heizwert oder den Wobbe-Index zu ermitteln. Ein Messen bei unterschiedlichen Temperaturen erfordert jedoch das Vorsehen von zwei beabstandeten Sensoren oder einen abwechselnden Betrieb eines Sensors bei verschiedenen Umgebungstemperaturen, wodurch der Messaufwand erhöht wird.There are also known approaches to measure the thermal conductivity of a gas mixture at different temperatures and to determine therefrom, for example, the calorific value or the Wobbe index. However, measuring at different temperatures requires the provision of two spaced sensors or alternating operation of a sensor at different ambient temperatures, thereby increasing the measurement overhead.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung eines Brennwertes oder eines Wobbe-Index anzugeben, das mit geringerem technischen Aufwand umsetzbar ist und somit insbesondere für eine Nutzung beim Verbraucher geeignet ist.The invention is therefore based on the object to provide a method for determining a calorific value or a Wobbe index, which can be implemented with less technical effort and thus is particularly suitable for use by the consumer.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das die folgenden durch eine Ermittlungseinrichtung durchgeführten Schritte umfasst:

  • - Ermitteln von Parameterwerten des Gasgemischs für genau zwei Gasparameter aus der Gruppe Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte,
  • - Berechnen des Ergebnisparameters als Ergebnis einer vorgegebenen Funktion, die ausschließlich von den Parameterwerten der genau zwei Gasparameter abhängt.
The object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the outset, which comprises the following steps performed by a determination device:
  • Determining parameter values of the gas mixture for exactly two gas parameters from the group heat conductivity, thermal conductivity, thermal capacity and density,
  • - Calculating the result parameter as a result of a given function that depends exclusively on the parameter values of the exactly two gas parameters.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, nur genau zwei Gasparameter des Gasgemisches zu ermitteln und aus diesen den Ergebnisparameter zu bestimmen. Hierbei wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass bei einer Wahl der Gasparameter aus der Gruppe Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte der Brennwert beziehungsweise der Wobbe-Index bereits aus Parameterwerten zweier dieser Gasparameter mit guter Genauigkeit bestimmt werden kann. Anders ausgedrückt kann für Gasgemische, die für Verbrennungsvorgänge relevant sind, insbesondere für Erdgase und Gemische von Erdgasen mit Wasserstoff oder anderen nicht brennbaren Gasen, ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Brennwert beziehungsweise dem Wobbe-Index und Parameterwerten von zwei beliebigen der Gasparameter Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte bestehen. Die Wärmeleitfähigkeit wird auch als thermische Leitfähigkeit und die Temperaturleitfähigkeit als Wärmediffusivität bezeichnet. In einem dreidimensionalen Parameterraum, dessen erste Dimension dem Brennwert oder dem Wobbe-Index zugeordnet ist und dessen andere Dimensionen jeweils durch einen der Parameter aus der genannten Gruppe aufgespannt werden, liegen somit alle relevanten Gase beziehungsweise Gasgemische näherungsweise auf einer im Allgemeinen gekrümmten Fläche. Diese Fläche wird durch eine entsprechende vorgegebene Funktion definiert. Die Ermittlung einer entsprechenden Funktion wird später noch detailliert erläutert.According to the invention it is thus proposed to determine only exactly two gas parameters of the gas mixture and to determine from these the result parameter. In the context of the invention, it has been recognized that with a choice of the gas parameters from the group heat conductivity, thermal diffusivity, heat capacity and density, the calorific value or the Wobbe index can already be determined with good accuracy from parameter values of two of these gas parameters. In other words, for gas mixtures that are relevant to combustion processes, in particular for natural gases and mixtures of natural gas with hydrogen or other non-combustible gases, a clear relationship between the calorific value and the Wobbe index and parameter values of any two of the gas parameters thermal conductivity, thermal diffusivity, thermal capacity and density exist. The thermal conductivity is also referred to as thermal conductivity and the thermal conductivity as thermal diffusivity. In a three-dimensional parameter space whose first dimension is assigned to the calorific value or the Wobbe index and whose other dimensions are respectively defined by one of the parameters from the group mentioned, all relevant gases or gas mixtures are thus approximately on a generally curved surface. This area is defined by a corresponding predetermined function. The determination of a corresponding function will be explained in detail later.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Ergebnisparameter insbesondere für Erdgase oder Mischungen von Erdgasen mit anderen Gasen als Gasgemische bestimmt werden. Beispielsweise kann das Gasgemisch ein Erdgas sein, dem Wasserstoff, höhere Anteile wenigstens eines Kohlenwasserstoffes und/oder Umgebungsluft zugesetzt sind.In the method according to the invention, the result parameter can be determined in particular for natural gases or mixtures of natural gases with gases other than gas mixtures. For example, the gas mixture may be a natural gas to which hydrogen, higher proportions of at least one hydrocarbon and / or ambient air are added.

Ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelter Brennwert kann weiter verwertet werden, um aus dem Brennwert und einem Volumenfluss des Gases einen Energieverbrauch zu ermitteln. Somit ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren mit relativ geringem technischen Aufwand, Gaszähler bereitzustellen, die eine bereitgestellte Energiemenge erfassen oder die zusätzlich zu einem Volumen einen dem verbrauchten Volumen zugeordneten Brennwert bereitstellen können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ermittlungseinrichtung neben den Parameterwerten der Gasparameter einen Durchfluss erfassen kann. Dies ist beispielsweise bei der Nutzung eines thermischen Messprinzips zur Durchflusserfassung möglich, wie später noch genauer erläutert werden wird.A calorific value determined in accordance with the method according to the invention can be further utilized in order to determine energy consumption from the calorific value and a volume flow of the gas. Thus, the method according to the invention makes it possible, with relatively little technical effort, to provide gas meters which detect a quantity of energy provided or which, in addition to a volume, can provide a calorific value assigned to the consumed volume. It is particularly advantageous if the determination device can detect a flow in addition to the parameter values of the gas parameters. This is possible, for example, when using a thermal measuring principle for flow detection, as will be explained in more detail later.

Die Funktion kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit eines Trainingsdatensatzes vorgegeben werden, der für mehrere Gase und/oder Gasgemische jeweils Parameterwerte für die zwei Gasparameter und den Ergebnisparameter beschreibt. Vorzugsweise kann der Trainingsdatensatz Parameterwerte für mehr als hundert, insbesondere für mehrere hundert Gase und/oder Gasgemische umfassen. Die Funktion kann durch Fitten einer Funktion mit einer vorgegebenen Struktur an die Parameterwerte ermittelt werden. Die Funktion kann auch in Form einer Interpolation zwischen mehreren Stützpunkten bestimmt werden, die durch den Trainingsdatensatz vorgegeben werden. Für die Funktion können bestimmte Gültigkeitsbereiche definiert werden. Beispielsweise kann die Funktion nur in jenen Bereichen als gültig definiert sein, deren Parameterwerte nicht allzu stark von Parameterwerten eines vom Trainingsdatensatz definierten Gases oder Gasgemisches abweichen. Wird im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt, dass die Parameterwerte außerhalb des in der Funktion als gültig definierten Bereichs liegen, kann ein Fehlersignal bereitgestellt werden. Dieses kann beispielsweise genutzt werden, um bestimmte Messpunkte in einem Messdatenspeicher als ungültig zu markieren, lokal oder über ein Datennetzwerk Informationen über eine Fehlfunktion bereitzustellen oder Ähnliches.The function can be specified in the method according to the invention as a function of a training data record which describes parameter values for the two gas parameters and the result parameter for a plurality of gases and / or gas mixtures. The training data set may preferably comprise parameter values for more than one hundred, in particular for several hundred gases and / or gas mixtures. The function can be determined by fitting a function with a given structure to the parameter values. The function can also be determined in the form of an interpolation between a plurality of interpolation points, which are specified by the training data set. Certain scope areas can be defined for the function. For example, the function may be defined as valid only in those areas whose parameter values do not deviate too much from parameter values of a gas or gas mixture defined by the training data set. If it is determined in the method according to the invention that the parameter values are outside the range defined as valid in the function, an error signal can be provided. This can be used, for example, to mark certain measurement points in a measurement data store as invalid, to provide information about a malfunction locally or via a data network, or the like.

Die Funktion kann zum Beispiel ein Polynom in den Parameterwerten der zwei Gasparameter als Variablen sein, wobei die Koeffizienten des Polynoms in Abhängigkeit des Trainingsdatensatzes vorgegeben werden. Die einzelnen Koeffizienten können beispielsweise durch ein Fitten des Polynoms ermittelt werden, also beispielsweise durch das Minimieren einer Kostenfunktion, die von den Abweichungen der durch den Trainingsdatensatz vorgegebenen Ergebnisparameter von einem jeweiligen für das entsprechende Gas oder Gasgemisch berechneten Ergebnisparameter abhängt.The function may, for example, be a polynomial in the parameter values of the two gas parameters as variables, the coefficients of the polynomial being predetermined as a function of the training data set. The individual coefficients can be determined, for example, by fitting the polynomial, for example by minimizing a cost function that depends on the deviations of the result parameters specified by the training data set from a respective result parameter calculated for the corresponding gas or gas mixture.

Beispielsweise kann ein Polynom mit insgesamt 16 Koeffizienten verwendet werden, die jeweils Produkten verschiedener Potenzen der beiden Gasparameter zugeordnet sind. Beispielsweise können Koeffizienten für alle Kombinationen der unterschiedlichen Potenzen der Gasparameter vorgegeben werden, wobei die Potenzen ganzzahlig sind und einen Exponenten zwischen 0 und 3 aufweisen. Mit einem solchen Polynom wurde eine Näherungsfläche für einen Trainingsdatensatz berechnet, der Parameterwerte für die Gasparameter und den Brennwert von 370 Erdgasen sowie für Stickstoff und Luft umfasst, wobei die Brennwerte von Stickstoff und Luft gleich Null sind. Hierbei wurde festgestellt, dass bei einer Nutzung der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit als Gasparameter der durch die Funktion aus den Werten der Gasparameter ermittelte Brennwert um maximal 6,2 % von dem durch den Trainingsdatensatz für das entsprechende Gas oder Gasgemisch vorgegebenen Brennwert abweicht. Die Abweichung war nur für drei Gasgemische größer als 4 % und für 90 % der Gasgemische lag der Fehler bei weniger als 2 %. Die durch die Funktion ermittelten Brennwerte stimmen somit mit guter Genauigkeit mit den tatsächlichen Brennwerten überein. Dies ist relevant, weil diese beiden Gasparameter mit geringem technischen Aufwand auch im Rahmen einer Durchflussmessung bestimmt werden können.For example, a polynomial with a total of 16 coefficients can be used, each associated with products of different powers of the two gas parameters. For example, coefficients for all combinations of the different powers of the gas parameters can be specified, the powers being integer and having an exponent between 0 and 3. With such a polynomial, a training dataset approximate area has been computed that includes parameter values for the gas parameters and calorific value of 370 natural gases as well as for nitrogen and air, where the calorific values of nitrogen and air are zero. It was found that when using the thermal conductivity and the Thermal conductivity as a gas parameter of the calculated by the function of the values of the gas parameters calorific value by a maximum of 6.2% of the predetermined by the training data set for the corresponding gas or gas mixture calorific value. The deviation was greater than 4% for only three gas mixtures and less than 2% for 90% of the gas mixtures. The calorific values determined by the function thus agree with the actual calorific values with good accuracy. This is relevant because these two gas parameters can be determined with little technical effort in the context of a flow measurement.

Werden stattdessen Parameterwerte der Dichte und der Wärmekapazität ausgewertet, kann die Genauigkeit weiter verbessert werden. Für den oben erläuterten Trainingsdatensatz wurde hierbei ein maximaler Fehler von 2,4 % ermittelt. Abgesehen von einem Gasgemisch liegt der Fehler bei weniger als 2 %. Für mehr als 90 % der Gasgemische wurde sogar ein Fehler von weniger als 1 % ermittelt.By evaluating parameter values of density and heat capacity, the accuracy can be further improved. For the training data set explained above, a maximum error of 2.4% was determined. Apart from a gas mixture, the error is less than 2%. For more than 90% of the gas mixtures even an error of less than 1% was found.

Der Trainingsdatensatz kann vorzugsweise Parameterwerte für die zwei Gasparameter und den Ergebnisparameter für wenigstens ein Gas oder Gasgemisch beschreiben, das nicht exotherm verbrennbar ist. Für ein solches Gas kann ein Brennwert von 0 kWh/m3 angenommen werden. Hierbei können insbesondere Luft als Gasgemisch und/oder Stickstoff als Gas berücksichtigt werden. Luft und Stickstoff unterscheiden sich bezüglich ihrer im erfindungsgemäßen Verfahren ausgewerteten Gasparameter deutlich von den meisten Erdgasen. Somit können im erfindungsgemäßen Verfahren auch Einflüsse von insbesondere hohen Mengen an Beisetzungen von Luft bzw. Stickstoff zu den Erdgasen auf den Brennwert bzw. den Wobbe-Index erkannt werden.The training data set may preferably describe parameter values for the two gas parameters and the result parameter for at least one gas or gas mixture that is not exothermic combustible. For such a gas, a calorific value of 0 kWh / m 3 can be assumed. In this case, in particular, air as gas mixture and / or nitrogen as gas can be taken into account. Air and nitrogen differ significantly from most natural gases with respect to their gas parameters evaluated in the method according to the invention. Thus, in the process according to the invention, it is also possible to detect influences of, in particular, high amounts of burial of air or nitrogen to the natural gases on the calorific value or the Wobbe index.

Wie die vorangehende Diskussion der 370 geprüften Erdgase zeigt, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch geeignet, Brennwerte bzw. Wobbe-Indizes für komplexe, also nicht nur binäre Gasgemische zu ermitteln. Daher kann im erfindungsgemäßen Verfahren der Ergebnisparameter für ein Gasgemisch ermittelt werden, das wenigstens drei verschiedene Gase umfasst. Beispielsweise kann das Gasgemisch Methan, Ethan, Propan, weitere kohlenwasserstoffbasierte Gase, Wasserstoffgas, Luft und/oder Stickstoff umfassen.As the preceding discussion of the 370 tested natural gases shows, the method according to the invention is also suitable for determining calorific values or Wobbe indices for complex, ie not only binary, gas mixtures. Therefore, in the method according to the invention, the result parameter for a gas mixture comprising at least three different gases can be determined. For example, the gas mixture may include methane, ethane, propane, other hydrocarbon-based gases, hydrogen gas, air and / or nitrogen.

Besonders bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Ergebnisparameter für ein Gasgemisch ermittelt, das Wasserstoff umfasst. Das Gasgemisch kann somit gasförmigen molekularen Wasserstoff H2 umfassen. Eine Ermittlung von Brennwerten bzw. Wobbe-Indizes für Gasgemische, die Wasserstoff umfassen, ist hochrelevant. Wasserstoff ist ein besonders einfach künstlich herzustellendes Gas. Beispielsweise kann im Rahmen eines Power-to-Gas-Prozesses Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt werden, wenn durch zeitlich ungleichmäßig erneuerbare Energie erzeugende Einrichtungen, beispielsweise Windräder oder Solarzellen, überschüssige Energie produziert wird. Dieser Wasserstoff kann in ein Erdgasnetz eingespeist werden. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen Verbrennungseigenschaften des Wasserstoffgases gegenüber typischen Erdgasgemischen kann sich hierbei ein deutlich unterschiedlicher Brennwert bzw. ein deutlich unterschiedlicher Wobbe-Index ergeben. Wird der Wasserstoffgehalt des bereitgestellten Gasgemisches variiert, ist es somit vorteilhaft, den Brennwert bzw. den Wobbe-Index zu erfassen, um eine energieverbrauchsbasierte Abrechnung zu ermöglichen und/oder einen Abbrennvorgang des Gasgemischs in Abhängigkeit des Wobbe-Index zu steuern.In the method according to the invention, a result parameter for a gas mixture which comprises hydrogen is particularly preferably determined. The gas mixture may thus comprise gaseous molecular hydrogen H 2 . A determination of calorific values or Wobbe indices for gas mixtures comprising hydrogen is highly relevant. Hydrogen is a particularly easy artificially produced gas. For example, in the context of a power-to-gas process, hydrogen can be produced by electrolysis when excess energy is produced by nonuniformly renewable energy producing devices, such as wind turbines or solar cells. This hydrogen can be fed into a natural gas grid. Due to the distinctly different combustion properties of the hydrogen gas compared to typical natural gas mixtures, this can result in a significantly different calorific value or a significantly different Wobbe index. If the hydrogen content of the supplied gas mixture is varied, it is thus advantageous to record the calorific value or the Wobbe index in order to enable energy consumption-based billing and / or to control a burning process of the gas mixture as a function of the Wobbe index.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Parameterwerte für die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturleitfähigkeit erfasst werden, wobei die Funktion ausschließlich von diesen Parameterwerten abhängt. Die Parameterwerte dieser beiden Gasparameter sind besonders leicht durch Sensoren erfassbar, die auch zur thermischen Bestimmung einer Durchflussmenge nutzbar sind, womit Durchflussmesser, die zusätzlich den Brennwert bzw. den Wobbe-Index ermitteln, besonders leicht realisiert werden können.In the method according to the invention, the parameter values for the thermal conductivity and the thermal diffusivity can be detected, the function depending exclusively on these parameter values. The parameter values of these two gas parameters are particularly easy to detect by sensors which can also be used for the thermal determination of a flow rate, whereby flowmeters which additionally determine the calorific value or the Wobbe index can be realized particularly easily.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Parameterwerte für die beiden Gasparameter vorzugsweise bei gleicher Temperatur und/oder gleichem Druck erfasst. Dies ermöglicht eine besonders einfache Erfassung der Parameterwerte.In the method according to the invention, the parameter values for the two gas parameters are preferably recorded at the same temperature and / or the same pressure. This allows a particularly simple detection of the parameter values.

Die Parameterwerte können durch die Ermittlungseinrichtung durch ein thermisches Messprinzip erfasst werden. Hierbei kann ein Sensor genutzt werden, der ein Heizelement zum gezielten Heizen des Gasgemisches, und wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei, Temperatursensoren umfasst. Ein erster Temperatursensor kann an dem Heizelement bzw. im Bereich des Heizelements angeordnet sein. Die weiteren Temperatursensoren können von dem Heizelement beabstandet sein. Wird das Heizelement derart betrieben, dass eine konstante Heizleistung zur Verfügung gestellt wird, resultiert eine Temperaturverteilung im Bereich um das Heizelement, deren Form von den Gasparametern des Gasgemisches abhängt.The parameter values can be detected by the detection device by a thermal measuring principle. In this case, a sensor can be used, which comprises a heating element for targeted heating of the gas mixture, and at least two, preferably at least three, temperature sensors. A first temperature sensor can be arranged on the heating element or in the region of the heating element. The further temperature sensors may be spaced from the heating element. If the heating element is operated in such a way that a constant heat output is made available, a temperature distribution results in the area around the heating element whose shape depends on the gas parameters of the gas mixture.

Die Höhe dieser Temperaturverteilung, also insbesondere die Höhe der Temperatur an dem im Bereich des Heizelements angeordneten ersten Temperatursensor, ist hierbei ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Weist das Gasgemisch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so kann eine große Wärmemenge von dem Heizelement wegtransportiert werden, so dass die Temperatur im Bereich des Heizelements mit steigender Wärmeleitfähigkeit sinkt. Die Temperaturleitfähigkeit kann beispielsweise durch eine Laufzeitmessung erfasst werden. Durch das Heizelement kann ein impulsartiges Heizen erfolgen. Die jeweilige Zeitdauer von dem Heizpuls bis zur Erfassung eines aus dem Heizpuls resultierenden Temperaturmaximums an einem oder mehreren der von dem Heizelement beabstandeten Temperatursensoren kann erfasst werden und hieraus kann die Temperaturleitfähigkeit bestimmt werden.The height of this temperature distribution, that is to say in particular the height of the temperature at the first temperature sensor arranged in the region of the heating element, is in this case a measure of the thermal conductivity. If the gas mixture has a high thermal conductivity, then a large amount of heat can be transported away from the heating element, so that the temperature is in the range of Heating element with increasing thermal conductivity decreases. The thermal conductivity can be detected for example by a transit time measurement. By the heating element, a pulse-like heating can take place. The respective time duration from the heating pulse to the detection of a temperature maximum resulting from the heating pulse at one or more of the temperature sensors spaced from the heating element can be detected and from this the temperature conductivity can be determined.

Wird das Heizelement in einem Strömungskanal eines Durchflussmessers angeordnet und werden von dem Heizelement beabstandete Temperatursensoren stromaufwärts und stromabwärts des Heizelementes genutzt, so kann aufgrund der Asymmetrie der Temperaturverteilung ergänzend eine Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bestimmt werden.If the heating element is arranged in a flow channel of a flowmeter, and if temperature sensors spaced from the heating element are used upstream and downstream of the heating element, a flow velocity of the gas mixture can additionally be determined on account of the asymmetry of the temperature distribution.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines einen Brennwert und/oder einen Wobbe-Index eines Gasgemisches beschreibenden Ergebnisparameters, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Ermittlungseinrichtung kann hierbei als Durchflusszähler ausgebildet sein oder in einen solchen integriert sein. In diesem Fall können ein Volumenfluss des Gasgemisches durch den Durchflusszähler und zusätzlich ein Heizwert und/oder ein Wobbe-Index ermittelt werden. Dies kann dazu genutzt werden, durch diesen Zähler einen Energiefluss zu ermitteln, indem der Brennwert mit dem Volumendurchfluss multipliziert wird. Ein derart ermittelter Energieverbrauch und/oder das gemessene Volumen und/oder der Heizwerte und/oder der Wobbe-Index können an eine Zentraleinrichtung bereitgestellt werden, die beispielsweise durch einen Erdgasversorger betrieben werden kann. Wird als Ermittlungseinrichtung ein Durchflusszähler genutzt, kann die Erfassung des Volumens wie oben erläutert nach einem thermischen Messprinzip, jedoch auch mechanisch, beispielsweise durch einen Balgengaszähler, erfolgen.In addition to the method according to the invention, the invention relates to a determination device for determining a result parameter describing a calorific value and / or a Wobbe index of a gas mixture, which is designed to carry out the method according to the invention. The detection device can be designed as a flow meter or integrated into such a flow meter. In this case, a volume flow of the gas mixture can be determined by the flow meter and additionally a calorific value and / or a Wobbe index. This can be used to determine an energy flow through this counter by multiplying the calorific value by the volume flow rate. Such determined energy consumption and / or the measured volume and / or the calorific values and / or the Wobbe index can be provided to a central device, which can be operated, for example, by a natural gas supplier. If a flow meter is used as the detection device, the detection of the volume as described above can take place according to a thermal measuring principle, but also mechanically, for example by means of a diaphragm gas meter.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

  • 1 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung.
Further advantages and details of the invention will become apparent from the following embodiments and the accompanying drawings. Here are shown schematically:
  • 1 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention, and
  • 2 An embodiment of a detection device according to the invention.

1 zeigt die Nutzung eines Verfahrens zur Ermittlung eines Brennwertes und eines Wobbe-Index eines Gasgemisches im Rahmen der Ermittlung eines Energieverbrauchs einer Verbrennungseinrichtung und der Steuerung dieser Verbrennungseinrichtung. Das Verfahren gliedert sich in zwei Abschnitte. In den Schritten S1 bis S3 wird eine Funktion vorgegeben, die in den darauf folgenden Schritten im Rahmen der Ermittlung des Ergebnisparameters genutzt wird. Während die Schritte S4 bis S11 eine Mess- und Steuerschleife bilden, die im Rahmen des Betriebs der Verbrennungseinrichtung genutzt wird, können die Schritte S1 bis S3 unabhängig davon zu einem vorangehenden Zeitpunkt durchgeführt werden. Diese Schritte können beispielsweise bereits vor der Herstellung einer Ermittlungseinrichtung, die zur Ermittlung des Ergebnisparameters dient, durchgeführt werden und die resultierende Funktion kann dann jeweils in einer Speichereinrichtung der Ermittlungseinrichtung gespeichert werden, um im Rahmen der folgenden Schritte durch diese verwendet zu werden. 1 shows the use of a method for determining a calorific value and a Wobbe index of a gas mixture in the context of determining a power consumption of a combustion device and the control of this combustion device. The procedure is divided into two sections. In steps S1 to S3, a function is specified, which is used in the subsequent steps in the context of determining the result parameter. While steps S4 to S11 constitute a measurement and control loop used in the operation of the combustor, steps S1 to S3 may be independently performed at a previous time. By way of example, these steps can already be carried out prior to the production of a determination device which is used to determine the result parameter, and the resulting function can then be stored in each case in a storage device of the determination device in order to be used by the following steps.

Die in den Schritten S1 bis S3 ermittelte Funktion dient dazu, aus Parameterwerten genau zweier Gasparameter, im gezeigten Beispiel aus Parameterwerten für die Gasparameter Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit, einen Brennwert bzw. einen Wobbe-Index zu berechnen. Im Ausführungsbeispiel sollen beide dieser Ergebnisparameter berechnet werden, so dass zwei verschiedene Funktionen vorgegeben werden, die jeweils von der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit abhängen. In alternativen Ausführungsbeispielen des Verfahrens könnte die Funktion von beliebigen zweien der Gasparameter Temperaturleitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte abhängen.The function determined in steps S1 to S3 serves to calculate a calorific value or a Wobbe index from parameter values of exactly two gas parameters, in the example shown, from parameter values for the gas parameters thermal conductivity and thermal conductivity. In the exemplary embodiment, both of these result parameters are to be calculated, so that two different functions are predetermined, each of which depends on the thermal conductivity and the thermal diffusivity. In alternative embodiments of the method, the function could depend on any two of the gas parameters of thermal conductivity, thermal conductivity, heat capacity, and density.

Im Schritt S1 wird zunächst eine Struktur für diese Funktionen vorgegeben. Dies kann derart erfolgen, dass zunächst eine jeweilige Funktionenschaar vorgegeben wird, die neben der Temperaturleitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit zusätzlich von mehreren weiteren Parametern abhängt. Diese weiteren Parameter werden im folgenden Verfahrensverlauf bestimmt, um die Funktion vorzugeben. Eine entsprechende Funktionenschaar kann beispielsweise in Form eines Polynoms in den Parameterwerten der zwei Gasparameter als Variablen vorgegeben werden, wobei die Koeffizienten als weitere Parameter im weiteren Verfahrensverlauf bestimmt werden.In step S1, first a structure for these functions is given. This can be done in such a way that initially a respective set of functions is predefined, which additionally depends on a plurality of further parameters in addition to the thermal conductivity and the thermal conductivity. These additional parameters are determined in the following procedure to specify the function. A corresponding set of functions can, for example, be specified in the form of a polynomial in the parameter values of the two gas parameters as variables, the coefficients being determined as further parameters in the further course of the process.

Die weiteren Parameter, also beispielsweise die Koeffizienten des Polynoms, werden in Abhängigkeit eines Trainingsdatensatzes ermittelt, der in Schritt S2 vorgegeben wird. The further parameters, that is, for example, the coefficients of the polynomial, are determined as a function of a training data set, which is specified in step S2.

Der Trainingsdatensatz beschreibt für mehrere Gase und/oder Gasgemische jeweils Parameterwerte für die zwei Gasparameter, also im Beispiel für die Temperaturleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit, und den Ergebnisparameter, also den Brennwert und/oder den Wobbe-Index. Der Trainingsdatensatz kann diese Daten für mehr als 100, insbesondere für mehrere hundert Gase und/oder Gasgemische umfassen. Es wird ein Trainingsdatensatz genutzt, der die Parameterwerte und den Ergebnisparameter sowohl für Wasserstoff als auch für Luft und Stickstoff umfasst, also für zwei Gase, die nicht exotherm verbrennbar sind. Daneben beschreibt der Trainingsdatensatz die Parameterwerte und Ergebnisparameter für eine Vielzahl von Gasgemischen, die verfügbaren Erdgasen entsprechen, also von Gasgemischen, die primär Kohlenwasserstoffe enthalten. Die resultierende Funktion kann demnach so parametrisiert werden, dass sie Brennwerte und Wobbe-Indizes mit hoher Genauigkeit für Erdgase bestimmen kann, denen auch höhere Mengen an Luft, Stickstoff und/oder Wasserstoff zugesetzt sein können.For several gases and / or gas mixtures, the training data set describes parameter values for the two gas parameters, ie in the example for the thermal conductivity and the thermal conductivity, and the result parameter, ie the calorific value and / or the Wobbe index. The training record may include this data for more than 100, in particular for several hundred gases and / or gas mixtures. A training dataset is used that includes the parameter values and the result parameter for both hydrogen and air and nitrogen, two gases that are not exothermic. In addition, the training data set describes the parameter values and result parameters for a large number of gas mixtures which correspond to available natural gases, ie gas mixtures which contain primarily hydrocarbons. The resulting function can thus be parameterized so that it can determine calorific values and Wobbe indices with high accuracy for natural gases, to which higher amounts of air, nitrogen and / or hydrogen can be added.

Im Schritt S3 werden die weiteren Parameter der in Schritt S1 vorgegebenen Funktionenschaaren, also beispielsweise die Koeffizienten des jeweiligen Polynoms, in Abhängigkeit des Trainingsdatensatzes bestimmt. Dies kann durch ein Fitten der Funktion an den Trainingsdatensatz erfolgen, also durch die Berechnung einer Ausgleichsebene als Funktion. Hierfür ist eine Vielzahl von Ansätzen bekannt, weshalb das entsprechende Vorgehen nur grob dargestellt werden soll. Für jedes Gas bzw. Gasgemisch im Trainingsdatensatz kann ein Fehlerwert definiert werden, der angibt, wie stark der durch Anwenden der Funktion auf die zwei Gasparameter ermittelte Ergebnisparameter von dem durch den Trainingsdatensatz vorgegebenen Ergebnisparameter bei einer bestimmten Parametrisierung der Funktion abweicht. Aus diesen Fehlerwerten kann eine Kostenfunktion zusammengesetzt werden, beispielsweise in dem eine euklidische Norm für diese Fehlerwerte berechnet wird, und diese Kostenfunktion kann minimiert werden, um eine optimale Näherungsfläche für die Trainingsdatensätze zu ermitteln. Die entsprechende Parametrisierung gibt die zu nutzende Funktion vor.In step S3, the further parameters of the set of functions given in step S1, that is to say for example the coefficients of the respective polynomial, are determined as a function of the training data set. This can be done by fitting the function to the training data set, ie by calculating a compensation level as a function. For this purpose, a large number of approaches is known, which is why the corresponding procedure should be presented only roughly. For each gas or gas mixture in the training data set, an error value can be defined which indicates how much the result parameter determined by applying the function to the two gas parameters deviates from the result parameter specified by the training data set for a specific parameterization of the function. From these error values, a cost function can be composed, for example by calculating an Euclidean norm for these error values, and this cost function can be minimized to determine an optimal approximation area for the training data sets. The corresponding parameterization specifies the function to be used.

Die ermittelnde Funktion kann anschließend auf einer Speichereinrichtung einer Ermittlungseinrichtung gespeichert werden, die in den folgenden Verfahrensschritten genutzt wird. Eine entsprechende Erfassungseinrichtung 1 ist in 2 dargestellt. Die Erfassungseinrichtung 1 dient dazu, zunächst die Temperaturleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit eines durch die Erfassungseinrichtung 1 strömenden Gasgemisches zu bestimmen. Zudem wird ein Volumendurchfluss durch die Erfassungseinrichtung 1 bestimmt.The determining function can then be stored on a storage device of a detection device, which is used in the following method steps. A corresponding detection device 1 is in 2 shown. The detection device 1 serves, first, the thermal conductivity and the thermal conductivity of a through the detection device 1 to determine flowing gas mixture. In addition, a volume flow through the detection device 1 certainly.

Die Erfassungseinrichtung 1 umfasst eine Messstrecke 2, die sich innerhalb einer Röhre 3 befindet. Innerhalb der Messstrecke 2 ist zentral ein Heizelement 4 angeordnet, das über eine Steuerung 5 gesteuert werden kann. Die Steuerung 5 kann als separate Steuerung ausgebildet sein, sie kann aber auch in eine Berechnungseinrichtung 10 integriert sein. Die Ansteuerung des Heizelements 4 durch die Steuerung 5 erfolgt typischerweise so, dass die Heizleistung des Heizelements 4 konstant ist. Eine entsprechende Erfassungseinrichtung 1 kann besonders einfach realisiert werden, wenn ein Heizelement 4 mit einem im relevanten Temperaturbereich im Wesentlichen konstanten Widerstand genutzt wird. In diesem Fall kann die Steuerung 5 das Heizelement 4 mit konstanter Spannung bzw. konstanten Strom beschicken, um eine konstante Heizleistung zu erreichen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Steuerung 5 die Heizleistung auf einen konstanten Wert regelt.The detection device 1 includes a measuring section 2 , which is located inside a tube 3. Within the measuring section 2 is centrally a heating element 4 arranged, which has a control 5 can be controlled. The control 5 may be formed as a separate controller, but it may also be in a computing device 10 be integrated. The activation of the heating element 4 through the controller 5 typically occurs such that the heating power of the heating element 4 is constant. A corresponding detection device 1 can be realized especially easily if a heating element 4 is used with a substantially constant resistance in the relevant temperature range. In this case, the controller can 5 the heating element 4 Charge with constant voltage or constant current to achieve a constant heat output. However, it is also possible that the controller 5 regulates the heat output to a constant value.

Neben dem Heizelement 4 sind in der Messstrecke 2 drei Temperatursensoren 6, 7 und 8 angeordnet. Der Temperatursensor 7 ist im Bereich des Heizelements 4 angeordnet. Die beiden Temperatursensoren 6, 8 sind stromaufwärts bzw. stromabwärts von dem Heizelement 4 angeordnet. Die Pfeile 9 zeigen die Strömungsrichtung des Gases an. Die Messwerte der Temperatursensoren 6, 7 und 8 werden durch die Berechnungseinrichtung 10 aufgenommen. Aus diesen Messwerten werden, wie im Folgenden noch genauer erläutert, in Schritt S4 die Wärmeleitfähigkeit, in Schritt S5 die Temperaturleitfähigkeit und in Schritt S6 die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches ermittelt.Next to the heating element 4 are in the test section 2 three temperature sensors 6 . 7 and 8 arranged. The temperature sensor 7 is in the range of the heating element 4 arranged. The two temperature sensors 6 . 8th are upstream and downstream of the heating element, respectively 4 arranged. The arrows 9 indicate the flow direction of the gas. The measured values of the temperature sensors 6 . 7 and 8th are determined by the calculation device 10 added. From these measured values, as will be explained in more detail below, the thermal conductivity is determined in step S4, the thermal diffusivity in step S5, and the flow velocity of the gas mixture in step S6.

In Schritt S4 wird die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches ermittelt. Hierbei wird ausgenutzt, dass das Heizelement 4 mit konstanter Heizleistung betrieben wird. Ist die Wärmeleitfähigkeit des durch die Messstrecke 2 strömenden Gases groß, so bedeutet dies, dass eine große Energiemenge von dem Heizelement abtransportiert wird. Somit sinkt die Temperatur am Heizelement, wenn dieses mit gleicher Heizleistung beheizt wird. Eine hohe Temperatur am Temperatursensor 7 entspricht somit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige Temperatur einer großen Wärmeleitfähigkeit. Der Temperaturwert am Temperatursensor 7 kann somit zu Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit genutzt werden. Die Bestimmung kann durch Nutzung einer Wertetabelle mit Kalibrierwerten erfolgen. Hierbei ist zu beachten, dass die Temperatur am Temperatursensor 7 offensichtlich zusätzlich von der Temperatur des die Messstrecke 2 durchströmenden Gasgemisches abhängt. Wird die Ermittlungseinrichtung 1 somit in einem Gasstrom genutzt, in dem die Temperatur des einströmenden Gasgemisches stark variieren kann, ist es vorteilhaft, die Temperatur des einströmenden Gases durch einen weiteren nicht gezeigten Temperatursensor, der deutlich weiter als die Temperatursensoren 6, 8 von dem Heizelement 4 beabstandet ist, zu erfassen und bei der vorangehend erläuterten Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zu berücksichtigen.In step S4, the thermal conductivity of the gas mixture is determined. This exploits that the heating element 4 operated with constant heating power. Is the thermal conductivity of the through the measuring section 2 flowing gas, this means that a large amount of energy is removed from the heating element. Thus, the temperature drops at the heating element, if this is heated with the same heating power. A high temperature at the temperature sensor 7 thus corresponds to a low thermal conductivity, a low temperature of high thermal conductivity. The temperature value at the temperature sensor 7 can thus be used to determine the thermal conductivity. The determination can be made by using a value table with calibration values. It should be noted that the temperature at the temperature sensor 7 obviously in addition to the temperature of the measuring section 2 flowing gas mixture depends. Will the investigator 1 thus used in a gas stream in which the temperature of the incoming gas mixture can vary greatly, it is advantageous, the temperature of the incoming gas by another temperature sensor, not shown, which significantly further than the temperature sensors 6 . 8th from the heating element 4 is to be detected and taken into account in the above-described determination of the thermal conductivity.

Die Temperaturleitfähigkeit kann in Schritt S5 aus einer Laufzeitmessung extrahiert werden. Hierbei wird zum Beispiel ein kurzer Heizimpuls auf das Heizelement gegeben und die Zeit gemessen, bis die Temperatur die beiden Temperatursensoren 6, 8 erreicht. Vorteilhaft ist hier, wenn beide Temperatursensoren voneinander unterschiedliche Abstände von dem Heizelement aufweisen. Ist die Temperaturleitfähigkeit des Gases hoch, so erreicht die Temperatur die beiden Temperatursensoren 6, 8 in einer geringeren Zeit als bei einem Gasgemisch mit geringerer Temperaturleitfähigkeit. Die Differenz der beiden Laufzeiten kann zur genauen Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit genutzt werden. Zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit aus der Laufzeit bzw. der Laufzeitdifferenz oder einer hieraus abgeleiteten Größe kann eine Wertetabelle mit Kalibrierwerten genutzt werden.The temperature conductivity can be extracted from a transit time measurement in step S5. In this case, for example, a short heat pulse is applied to the heating element and the time is measured until the temperature of the two temperature sensors 6 . 8th reached. It is advantageous here if both temperature sensors have mutually different distances from the heating element. If the temperature conductivity of the gas is high, the temperature reaches the two temperature sensors 6 . 8th in a less time than a gas mixture with lower thermal conductivity. The difference between the two transit times can be used to accurately determine the thermal conductivity. A value table with calibration values can be used to determine the thermal conductivity from the transit time or the transit time difference or a variable derived therefrom.

In Schritt S6 wird die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Eine Strömung des Gasgemisches durch die Messstrecke 2 führt zu einer mit der Strömungsgeschwindigkeit zunehmenden Asymmetrie der Temperaturverteilungskurve. Die Strömungsgeschwindigkeit kann somit aus der Temperaturdifferenz an den Temperatursensoren 6, 8 bestimmt werden.In step S6, the flow velocity is determined. A flow of the gas mixture through the measuring section 2 leads to an increase in the flow velocity asymmetry of the temperature distribution curve. The flow rate can thus be calculated from the temperature difference at the temperature sensors 6 . 8th be determined.

Im Schritt S7 werden die in Schritt S3 bereitgestellten Funktionen, die jeweils von der Temperaturleitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit abhängen und den Brennwert bzw. den Wobbe-Index berechnen, auf die in Schritt S4 ermittelte Wärmeleitfähigkeit und die in Schritt S5 ermittelte Temperaturleitfähigkeit angewandt. Somit liegen nach Schritt S7 sowohl der Wobbe-Index des Gasgemisches als auch dessen Brennwert vor.In step S7, the functions provided in step S3, each depending on the thermal conductivity and the thermal conductivity and calculating the calorific value and the Wobbe index, respectively, are applied to the thermal conductivity determined in step S4 and the thermal conductivity determined in step S5. Thus, after step S7, both the Wobbe index of the gas mixture and its calorific value are available.

Der Wobbe-Index wird in Schritt S8 weiter verarbeitet, um eine Verbrennungseinrichtung, der das Gasgemisch zugeführt wird, zu steuern. Hierbei kann beispielsweise ein Gasdruck, mit dem das Gasgemisch in einen Verbrennungsraum eingelassen wird, angepasst werden, um auf eine Änderung des zugeführten Gasgemisches zu reagieren. Hierdurch kann insbesondere verhindert werden, dass bei einem Steigen des Wobbe-Index zu hohe Energien in der Verbrennungseinrichtung bereitgestellt werden, die diese beschädigen können. Zudem können Variationen im Verbrennungsprozess, beispielsweise Temperaturänderungen und/oder Änderungen an einer bereitgestellten mechanischen Energie, durch eine Steuerung der Verbrennungseinrichtung, insbesondere des Gasdrucks, in Abhängigkeit des Wobbe-Index verringert werden.The Wobbe index is further processed in step S8 to control a combustion device to which the gas mixture is supplied. In this case, for example, a gas pressure with which the gas mixture is introduced into a combustion chamber can be adjusted in order to react to a change in the supplied gas mixture. In this way, it can be prevented, in particular, that too high energies are provided in the combustion device when the Wobbe index rises, which can damage them. In addition, variations in the combustion process, for example temperature changes and / or changes to a provided mechanical energy, can be reduced by controlling the combustion device, in particular the gas pressure, as a function of the Wobbe index.

Der in Schritt S7 ermittelte Brennwert wird im Rahmen der Berechnung einer bereitgestellten Energiemenge genutzt. Hierzu wird zunächst aus der in Schritt S6 ermittelten Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches in Schritt S9 ein Volumenstrom berechnet. Dieser Volumenstrom wird anschließend in Schritt S10 mit dem Brennwert multipliziert, um eine bereitgestellte Energiemenge zu erhalten. In Schritt S11 wird diese ermittelte Energiemenge über eine nicht separat dargestellte Kommunikationseinrichtung der Ermittlungseinrichtung 1 an eine externe Einrichtung, die beispielsweise dem Energieversorger zugeordnet sein kann, übermittelt. Anschließend wird das Verfahren ab der Erfassung der Parameterwerte der zwei Gasparameter und der Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches in den Schritten S4 bis S6 wiederholt.The calorific value determined in step S7 is used within the scope of calculating a quantity of energy provided. For this purpose, a volume flow is first calculated from the flow velocity of the gas mixture determined in step S6 in step S9. This volume flow is then multiplied by the calorific value in step S10 in order to obtain a provided amount of energy. In step S11, this determined amount of energy via a not separately shown communication device of the detection device 1 to an external device, which may for example be assigned to the utility, transmitted. Subsequently, the method is repeated from the detection of the parameter values of the two gas parameters and the flow velocity of the gas mixture in steps S4 to S6.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Erfassungseinrichtungdetector
22
Messstreckemeasuring distance
33
Röhretube
44
Heizelementheating element
55
Steuerungcontrol
66
Temperatursensortemperature sensor
77
Temperatursensortemperature sensor
88th
Temperatursensortemperature sensor
99
Pfeilarrow
1010
Berechnungseinrichtung calculator
S1 - S11S1 - S11
Schrittstep

Claims (10)

Verfahren zur Ermittlung eines einen Brennwert und/oder einen Wobbe-Index eines Gasgemisches beschreibenden Ergebnisparameters, umfassend die durch eine Ermittlungseinrichtung (1) durchgeführten Schritte: - Ermitteln von Parameterwerten des Gasgemischs für genau zwei Gasparameter aus der Gruppe Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte, - Berechnen des Ergebnisparameters als Ergebnis einer vorgegebenen Funktion, die ausschließlich von den Parameterwerten der genau zwei Gasparameter abhängt.Method for determining a result parameter describing a calorific value and / or a Wobbe index of a gas mixture, comprising the steps carried out by a determination device (1): Determining parameter values of the gas mixture for exactly two gas parameters from the group heat conductivity, thermal conductivity, thermal capacity and density, Calculation of the result parameter as a result of a given function, which depends exclusively on the parameter values of exactly two gas parameters. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion in Abhängigkeit eines Trainingsdatensatzes vorgegeben wird, der für mehrere Gase und/oder Gasgemische jeweils Parameterwerte für die zwei Gasparameter und den Ergebnisparameter beschreibt.Method according to Claim 1 , characterized in that the function is predetermined as a function of a training data set which describes parameter values for the two gas parameters and the result parameter for a plurality of gases and / or gas mixtures. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion ein Polynom in den Parameterwerten der zwei Gasparameter als Variablen ist, wobei die Koeffizienten des Polynoms in Abhängigkeit des Trainingsdatensatzes vorgegeben werden.Method according to Claim 2 , characterized in that the function is a polynomial in the parameter values of the two gas parameters as variables, wherein the coefficients of the polynomial are predefined in dependence on the training data set. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trainingsdatensatz Parameterwerte für die zwei Gasparameter und den Ergebnisparameter für wenigstens ein Gas oder Gasgemisch beschreibt, das nicht exotherm verbrennbar ist. Method according to Claim 2 or 3 characterized in that the training data set describes parameter values for the two gas parameters and the result parameter for at least one gas or gas mixture that is not exothermally combustible. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ergebnisparameter für ein Gasgemisch ermittelt wird, das wenigstens drei verschiedene Gase umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the result parameter for a gas mixture is determined which comprises at least three different gases. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ergebnisparameter für ein Gasgemisch ermittelt wird, das Wasserstoff umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the result parameter is determined for a gas mixture comprising hydrogen. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterwerte für die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturleitfähigkeit erfasst werden, wobei die Funktion ausschließlich von diesen Parameterwerten abhängt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameter values for the thermal conductivity and the temperature conductivity are detected, wherein the function depends exclusively on these parameter values. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterwerte für beide Gasparameter bei gleicher Temperatur und/oder gleichem Druck erfasst werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameter values for both gas parameters are recorded at the same temperature and / or pressure. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterwerte durch die Sensoreinrichtung durch ein thermisches Messprinzip erfasst werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameter values are detected by the sensor device by a thermal measuring principle. Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines einen Brennwert und/oder einen Wobbe-Index eines Gasgemisches beschreibenden Ergebnisparameters, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.Determining device for determining a calorific value and / or a Wobbe index of a gas mixture descriptive result parameter, characterized in that it is designed to carry out the method according to one of the preceding claims.
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