DE19921167A1 - Verfahren und Anordnung zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere von Erdgas - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere von Erdgas

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere von Erdgas, wobei DOLLAR A a) die Schallgeschwindigkeit oder die Dichte des Brenngases gemessen wird, DOLLAR A b) das Brenngas einer Infrarotstrahlung ausgesetzt und der von dem Brenngas absorbierte Anteil der Infrarotstrahlung mittels einer Sensoranordnung gemessen wird DOLLAR A c) und daß aus den beiden Meßsignalen der Brennwert und/oder der Wobbeindex abgeleitet wird. DOLLAR A Bei der Anordnung zur Messung des Brennwertes wird einer Meßanordnung (3) ein Teilstrom des Brenngases zugeführt. In der Meßanordnung (8) ist ein Meßgerät zur Messung der Schallgeschwindigkeit und eine Sensoranordnung (3) integriert, wobei die Sensoranordnung im wesentlichen aus einer Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung und einem der Strahlungsquelle zugeordneten Strahlungsdetektor besteht. Die Signale des Meßgerätes (9) und der Sensoranordnung (3) werden einer Auswerteinheit (5) zugeführt, in der der Brennwert und/oder der Wobbeindex mittels einer Korrelation bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere von Erdgas nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Der Brennwert von Erdgas muß zu Abrechnungszwecken bei der Übergabe vom Liefe­ ranten auf den Kunden gemessen werden. An Übergabestationen, beispielsweise zwi­ schen zwei Gasversorgungsunternehmen, wird der Brennwert in der Praxis mittels Gas­ chromatographen oder Kalorimetern ermittelt. Mit Gaszählern, insbesondere Turbinen­ radzählern, wird der Volumenstrom gemessen und die Energiemenge für die Abrech­ nung bestimmt.
Für die Abrechnung des Gasverbrauches in privaten Haushalten wird der bezogene Volumenstrom des Erdgases in der Regel mittels Balgengaszählern gemessen. Die Energiemenge wird aus dem Volumenstrom und einem durchschnittlichen separat für das Versorgungsgebiet zu erfassenden Brennwert bestimmt. Eine direkte Energiemes­ sung im Haushalt konnte bisher technisch nicht realisiert werden.
Die Kenntnis der Gasbeschaffenheitsgrößen, Brennwert oder Wobbeindex wird auch für verschiedene industrielle Anwendungen benötigt, insbesondere zu Regelungszwec­ ken. Der Brennwert kann der molare, der massenbezogene oder der volumenbezogene Brennwert sein.
Der Wobbeindex ist der Quotient des volumenbezogenen Brennwertes und der Qua­ dratwurzel aus der relativen Dichte des Gases. Der Wobbeindex wird in der Industrie zur Regelung bzw. Konstanthaltung der Energiemengenzufuhr zu Gasverbrauchsein­ richtungen benutzt. Ein einfaches verbrennungsloses Meßverfahren für derartige Zwecke steht bisher nicht zur Verfügung.
Zu den bekannten verbrennungslosen Verfahren zur Messung des Brennwertes bzw. des Wobbeindexes gehören indirekte und korrelative Verfahren. Bei den indirekten Verfahren wird die Gaszusammensetzung analysiert. Aus der Zusammensetzung des Gases kann dann mit den Brennwerten für die reinen Stoffe der Brennwert des Brenn­ gases bestimmt werden. Diese Verfahren (z. B. die Gaschromatographie) liefern sehr gute Ergebnisse, sind aber technisch kompliziert und liefern kein kontinuierliches Aus­ gangssignal, weshalb sie sich für Regelungszwecke nicht eignen.
Bei den korrelativen Verfahren zur Messung des Brennwertes bzw., zur Energiemen­ genmessung werden mehrere physikalische oder chemische Größen gemessen und der Brennwert berechnet. Diese Verfahren wurden zu Abrechnungszwecken im Hoch­ druckbereich entwickelt. Der Meßaufwand ist relativ hoch, um die notwendige Meßge­ nauigkeit des Brennwertes für Abrechnungszwecke zu erreichen.
Ein Verfahren zur Infrarotabsorption ist aus der DE-A-196 50 302 bekannt. Es wird be­ nutzt, um die Methanzahl von Erdgasen zu bestimmen. Bei Kenntnis der Methanzahl kann das unerwünschte Motorklopfen von erdgasbetriebenen Kolbenmotoren durch entsprechende Maßnahmen vermieden werden. Das Brenngas wird einer Infrarot­ strahlung ausgesetzt. Mittels eines Strahlungsdetektors wird der von der Gasmischung absorbierte Anteil der Infrarotstrahlung gemessen und hieraus die Methanzahl des Brenngases bestimmt.
Die Bestimmung der Methanzahl erfolgt über einen optischen Filter, der einen Aus­ schnitt des Absorptionsspektrums erfaßt, indem die Kohlenwasserstoffe in einer Ge­ wichtung zur Absorption beitragen, die näherungsweise proportional zur Methanzahl des Erdgases ist. Das Verfahren kann relativ einfach in die Praxis umgesetzt werden, weil zum einen die Komponenten der entsprechenden Infrarotsensoren preiswert am Markt erhältlich sind und zum anderen die Infrarotdetektoren ein sehr präzises Meßsig­ nal liefern und eine gute Praxistauglichkeit besitzen.
Eine Bestimmung des Brennwertes von Erdgasen mittels Infrarotabsorption konnte mit den bisher bekannten Verfahren technisch nicht realisiert werden. Die verschiedenen Erdgase können neben Kohlenwasserstoffen wie Methan, Ethan usw. auch Stickstoff enthalten. Das Infrarotsignal reagiert, in Abhängigkeit des gefilterten Absorptionsspek­ trums, sehr empfindlich auf die Anteile der Kohlenwasserstoffe und auf den Kohlen­ dioxidanteil, nicht jedoch auf den Stickstoffanteil. Dies führt zu nicht vertretbaren Meß­ ungenauigkeiten; denn der Stickstoffanteil im Erdgas unterliegt großen Schwankungen und hat einen großen Einfluß auf den Brennwert.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren zur verbrennungslosen Mes­ sung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes eines Brenngases zur Verfügung zu stellen, das zum einen einfach realisiert werden kann und zum anderen eine ausrei­ chende Genauigkeit insbesondere für Regelungszwecke und die haushaltliche Abrech­ nung bietet. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine einfache und praktisch ein­ setzbare Anordnung zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 aufgeführten kennzeich­ nenden Merkmale gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zur eindeutigen Bestimmung des Brenn­ wertes oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere Erdgas, neben dem Infra­ rotsignal eine weitere charakteristische Eingangsgröße benötigt wird. Eine Empfindlich­ keitsuntersuchung ergab, daß die Infrarotabsorption in Verbindung mit entweder der Schallgeschwindigkeit oder der Dichte des Brenngases eine besonders günstige Kom­ bination zur Bestimmung des Brennwertes darstellt, weil bei stickstoffhaltigen Brennga­ sen sowohl die Dichte als auch die Schallgeschwindigkeit hinreichend empfindlich auf den Stickstoffanteil reagieren.
Obwohl die Schallgeschwindigkeit meßtechnisch besser erfaßbar ist als die Dichte, sind Betriebsmeßgeräte für die Dichte von Gasen weiter verbreitet als für die Schallge­ schwindigkeit. Die Begründung hierfür ist, daß die Dichte bei der Messung des Volu­ menstroms benötigt wird, um diesen vom Betriebs- auf den Normzustand umzuwerten.
Die Schallgeschwindigkeit kann aus dem Ultraschallsignal eines Ultraschallgaszählers direkt abgeleitet werden. Ultraschallgaszähler werden zunehmend für die Volumen­ strommessung sowohl in der Großgasmessung als auch im Haushalt eingesetzt.
Alternativ kann die Schallgeschwindigkeit auch mit einem speziell zu diesem Zweck entwickelten Meßgerät bestimmt werden.
Ein besonderer Vorteil der Schallgeschwindigkeit gegenüber der Dichte als Eingangs­ größe für die Brennwertbestimmung ist die wesentlich schwächere Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Gastemperatur oder vom Gasdruck. Bei niedrigen Gas­ drücken, z. B. weniger als 5 bar, ist bei der Messung der Schallgeschwindigkeit eine Druckmessung nicht erforderlich. Die Gastemperatur kann als Mittelwert vorgegeben werden.
Falls die Dichte als Eingangsgröße verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn im Schritt a) zusätzlich die Temperatur und/oder der Druck des Brenngases gemessen oder als Mittelwert vorgegeben wird.
Zur Verbesserung der Genauigkeit der Messung kann im Schritt b) in einer ersten Mes­ sung das Absorptionsspektrum der Kohlenwasserstoffe erfaßt und in einer zweiten Messung das Absorptionsspektrum des Kohlenstoffdioxids erfaßt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Messung der Energiemenge verwen­ det werden. Dazu wird im Schritt a) das Brenngas durch einen Volumenstromzähler geleitet und der Volumenstrom gemessen.
Die Anordnung nach der Erfindung ist zur ganz besonders vorteilhaften Lösung der ge­ stellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß einer Meßordnung ein Teilstrom des Brenngases zugeführt wird, daß in der Meßanordnung ein Meßgerät zur Messung der Schallgeschwindigkeit und eine Sensoranordnung integriert sind, wobei die Sen­ soranordnung im wesentlichen aus einer Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung und ei­ nem der Strahlungsquelle zugeordneten Strahlungsdetektor besteht, und daß die Sig­ nale des Meßgerätes und der Sensoranordnung einer Auswerteeinheit zugeführt wer­ den, in der der Brennwert und/oder der Wobbeindex mittels einer Korrelation bestimmt werden.
Der Strahlungsdetektor kann als Mehrkanaldetektor ausgebildet sein, dem verschieden optische Filter zur Selektion Messung einzelner Komponenten des Brenngases vor­ schaltbar sind.
Eine weitere Anordnung zur Messung des Brennwertes von Brenngas, insbesondere von Erdgas ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallzähler, der in eine Brenn­ gasleitung eingebunden ist, einen Signalausgang für die Schallgeschwindigkeit und eine Sensoranordnung aufweist, die aus einer Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung und einem der Strahlungsquelle zugeordneten Strahlungsdetektor besteht, wobei das Signal für die Schallgeschwindigkeit und das Signal der Sensoranordnung einer Aus­ werteeinheit zugeführt werden, in der der Brennwert und/oder der Wobbeindex be­ stimmt wird.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung zur verbren­ nungslosen Messung des Brennwertes anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Messung der Energie­ menge;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Messung des Wobbein­ dexes;
Fig. 3 ein Diagramm mit der Darstellung der Signale aus der Messung des Brennwertes eines beispielsweisen 3-Komponenten-Brennstoffes;
Fig. 4 ein Diagramm mit den Signalen einer anderen Messung eines beispiels­ weisen 3-Komponenten-Brennstoffes.
Fig. 1 zeigt eine Erdgasleitung 1, in der ein Volumenstromzähler in Form eines Ultra­ schallgaszählers eingebunden ist. Es handelt sich bei der Erdgasleitung um eine Gas­ versorgungsleitung in einem privaten Haushalt. Die Erdgasleitung 1 steht praktisch un­ ter Atmosphärendruck.
Im Ultraschallgaszähler 2 ist eine aus der DE-A-196 50 302 bekannte Sensoreinrich­ tung 3 integriert. Diese besteht im wesentlichen aus einer nicht dargestellten Strah­ lungsquelle und einem der Strahlungsquelle zugeordneten Strahlungsdetektor. Dem Strahlungsdetektor sind mehrere nicht dargestellte optische Filter zur selektiven Mes­ sung einzelner Komponenten des Brenngases zugeordnet.
Der Ultraschallgaszähler weist einen Signalausgang 4 für die Schallgeschwindigkeit auf, der mit einer Auswerteelektronik 5 verbunden ist. Das Signal der Sensoranord­ nung 3 wird ebenfalls der Auswerteelektronik 5 zugeführt. In der Auswertelektronik 5 wird mit Hilfe einer einfachen Korrelation der Brennwert aus den beiden Signalen be­ stimmt.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels zur Messung des Wobbeindexes eines Brenngases zur Regelung der Energiemengenzufuhr zu einem Industriebrenner.
Bei der Erdgasleitung 1 handelt es sich um eine Hochdruckleitung, die unter einem Überdruck von ca. 50 bar steht. Über eine Zweigleitung 6 mit einer Druckreduzierung 7 wird ein Teilstrom einer Meßanordnung 8 zugeführt.
Die Meßanordnung 8 besteht im wesentlichen aus einem Meßgerät 9 für die Schallge­ schwindigkeit und einer Sensoranordnung 3. Bei dem Meßgerät für die Schallge­ schwindigkeit kann es sich auch um einen Ultraschallgaszähler handeln. Die Sen­ soranordnung 3 ist bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden. Beide Signale werden einer Auswerteelektronik 5, in der der Brennwert und der Wobbeindex mittels einer Korrelation bestimmt werden, zugeführt.
In den Fig. 3 und 4 ist graphisch dargestellt, wie der Brennwert eines 3-Komponenten- Gemisches aus zwei Eingangssignalen, und zwar Infrarotsignal IR und Schallge­ schwindigkeit w in Fig. 3 bzw. Infrarotsignal IR und Dichte ρ in Fig. 4 bestimmt werden kann und welche resultierenden Gesamtunsicherheiten sich für den Brennwert erge­ ben.
In den Fig. 3 und 4 ist auf der Abzissenachse der Stickstoffanteil (N2) und auf der Ordi­ natenachse der Ethananteil (C2H2) aufgetragen. Die dritte nicht dargestellte Kompo­ nente ist Methan (CH4). Der Methan-Anteil entspricht dem Rest des Anteiles des Gemi­ sches um zu 100% zu gelangen.
In den Diagrammen wurde als Bezugspunkt willkürlich die Zusammensetzung NZ = 4 mol% und C2H6 = 6 mol% gewählt. Durch diesen Bezugspunkt wird eine Linie konstanten Brennwertes eingezeichnet (HS = const.). Parallel dazu sind Linien für die Brennwerte HS +1%, HS +2% bzw. HS -1% und HS -2% eingezeichnet.
Ebenfalls durch den Bezugspunkt verlaufen Linien, für die die Eingangsgrößen IR und w in Fig. 3 bzw. IR und ρ in Fig. 4, konstante Werte annehmen. Die äußeren, dünnen Linien, geben dabei das Unsicherheitsband der Eingangsgrößen wieder. Die resultie­ rende Unsicherheit für den Brennwert ergibt sich aus der Schnittfläche der Unsicher­ heitsbänder der Eingangsgrößen (schraffiertes Parallelogramm in den Fig. 3 und 4). Die Unsicherheit für den Brennwert beträgt in beiden Bildern etwa 2%.
Als 3-Komponenten-Gemisch wurde beispielhaft ein Gemisch aus Methan, Stickstoff und Ethan gewählt, welche die Hauptbestandteile von natürlichen Erdgasen sind. Wei­ tere Bestandteile des Erdgases sind u. a. Kohlendioxid sowie Kohlenwasserstoffverbin­ dungen, vorwiegend n-Alkane.
Der Kohlendioxidanteil im Erdgas ist gering und unterliegt nur geringen Schwankungen, so daß hier ein Mittelwert vorgegeben werden kann. Der Anteil der n-Alkane im Erdgas nimmt mit zunehmender Anzahl an C-Atomen ab, so daß diese nur bis zum Hexan (C6H14) oder Oktan (C8H18) berücksichtigt werden brauchen. Zudem unterliegen die Anteile der n-Alkane einer regelmäßigen Verteilung und können über eine geeignete Korrelation berechnet werden (z. B. aus dem IR-Signal). Aufgrund dieser Überlegungen lassen sich die in den Fig. 3 und 4 dargestellten resultierenden Unsicherheiten für den Brennwert näherungsweise auch auf natürliche Erdgase übertragen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere von Erdgas, wobei
  • a) die Schallgeschwindigkeit oder die Dichte des Brenngases gemessen wird,
  • b) das Brenngas einer Infrarotstrahlung ausgesetzt und der von dem Brenn­ gas absorbierte Anteil der Infrarotstrahlung mittels einer Sensoranordnung gemessen wird
  • c) und daß aus den beiden Meßsignalen der Brennwert und/oder der Wob­ beindex abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) zusätzlich die Temperatur und/oder der Druck des Brenngases gemessen oder als Mittelwert vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) in einer ersten Messung ein Teil des Absorptionsspektrums der Kohlenwasserstoffe und in einer zweiten Messung ein Teil des Absorptionsspektrums des Kohlenstoffdioxids erfaßt werden.
4. Verfahren zur Messung der Energiemenge von Brenngas, insbesondere von Erdgas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) das Brenngas durch einen Volumen­ stromzähler geleitet und der Volumenstrom gemessen wird.
5. Anordnung zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere von Erdgas, dadurch gekennzeichnet, daß einer Meß­ anordnung (3) ein Teilstrom des Brenngases zugeführt wird,
daß in der Meßanordnung (8) ein Meßgerät (9) zur Messung der Schallge­ schwindigkeit und eine Sensoranordnung (3) integriert sind, wobei die Sen­ soranordnung im wesentlichen aus einer Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung und einem der Strahlungsquelle zugeordneten Strahlungsdetektor besteht und
daß die Signale des Meßgerätes (9) und der Sensoranordnung (3) einer Aus­ werteeinheit (5) zugeführt werden, in der der Brennwert und/oder der Wobbein­ dex mittels einer Korrelation bestimmt wird.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetektor als Mehrkanaldetektor ausgebildet ist, dem verschiedene optische Filter zur selektiven Messung einzel­ ner Komponenten des Brenngases vorschaltbar sind.
7. Anordnung zur Messung des Brennwertes und/oder des Wobbeindexes von Brenngas, insbesondere von Erdgas dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultra­ schallzähler (2), der in eine Brenngasleitung (1) eingebunden ist, einen Signal­ ausgang (4) für die Schallgeschwindigkeit und eine Sensoranordnung (3) auf­ weist, die aus einer Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung und einem der Strah­ lungsquelle zugeordneten Strahlungsdetektor besteht, wobei das Signal für die Schallgeschwindigkeit und das Signal der Sensoranordnung (3) einer Auswerte­ einheit (5) zugeführt werden, in der der Brennwert bestimmt wird.
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