DE19926541C1 - Fine air feed to natural gas by peristaltic micro-pump prevents irreversible change to odor measuring cells - Google Patents

Fine air feed to natural gas by peristaltic micro-pump prevents irreversible change to odor measuring cells

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Abstract

A gas detector and analysis unit measures the concentration of odors deliberately introduced into natural gas, using electrochemical cells. Due to the absence of atmospheric oxygen in the natural gas the cells function for only a limited time, following which they undergo an irreversible change in their characteristics. The pump introduces a one percent admixture of air to the natural gas. A flow of natural gas of 6-10 litres/hr receives preferably 60-100 ml air per hour. Following the measurement of odorous substances, the mixture or air and gas is preferably discharged to the atmosphere. In order to minimize the possible effect of cross-sensitivity, the gas is measured both before and after the introduction of the odors.

Description

1. Problemdarstellung1. Presentation of the problem

In der internationalen Gaswirtschaft wird hauptsächlich mit Merkaptanen und Tetra­ hydrothiophen, bzw. mit deren Mischungen odoriert. In einigen Ländern sind auch Gemische mit Disulfiden im Gebrauch, die jedoch eine Minderheit in der internationalen Gaswirtschaft darstellen.The international gas industry mainly uses mercaptans and tetra hydrothiophene, or odorized with their mixtures. In some countries too Mixtures with disulfides in use, but a minority in the international gas industry.

Das Odoriermittel wird an speziellen Gasodorierstationen in die Leitung dosiert. Zu den Stationen wird das Mittel in sog. Gebinden transportiert, wo es mit Hilfe von speziellen Pumpen im flüssigen Zustand in den Haupt- oder in den Nebenstrom des Erdgases dosiert wird. Hier verdampft es infolge des hohen Dampfdruckes rasch und mit dem Gasstrom gelangt es auch in die enferntesten Bereiche des Gasver­ sorgungsnetzes.The odorant is dosed into the line at special gas odorization stations. To The agent is transported in so - called containers to the stations, where it is transported using special pumps in the liquid state in the main or in the secondary flow of the Natural gas is metered. Here it evaporates quickly due to the high vapor pressure and with the gas flow it also reaches the most distant areas of Gasver care network.

Die Odoriermittel werden in sehr kleinen Konzentrationen in die Gasleitung dosiert. Die Vorschrift gibt im allgemeinen einen Wert unterhalb von 20 mg/m3 für die einzel­ nen Odoriermittel an, in Abhängigkeit davon, wie stark die Geruchswirkung der ein­ zelnen Odoriermittel ist (siehe Druckschrift 1) DVGW-Arbeitsblatt G 280 von März 1990 und 2) Dr. Vida Miklós. Gastechnisches Handbuch (original ung.) Verlag für Technik Budapest). Die ursprünglich eingestellten Konzentrationen können in der Gasleitung in Abhängigkeit vom Zustand der inneren Leitungswandung oder von der Menge des Rohrstaubes mehr oder weniger abnehmen. Im Winter ist die Abnahme im allgemeinen geringer als im Sommer, da der Verbrauch in den Sommermonaten wesentlich niedriger und die Verweilzeit des Gases in der Leitung größer ist. Im Win­ ter erreichen die Strömungsgeschwindigkeiten die mehrfachen Werte vom Sommer. Während der großen Verweilzeit tritt das Odoriermittel mit der Wandung intensiv in Berührung. In vielen Fällen spielt sich mehr oder weniger stark ein Zerfall durch eine Oxidationsreaktion oder durch eine Adsorption ab. Das Ergebnis dieses Kontaktes ist die Abnahme der Konzentration. The odorants are dosed into the gas line in very small concentrations. The regulation generally specifies a value below 20 mg / m 3 for the individual odorants, depending on how strong the odor effect of the individual odorants is (see document 1) DVGW worksheet G 280 of March 1990 and 2) Dr. Vida Miklós. Gastechnisches Handbuch (original ung.) Verlag für Technik Budapest). The originally set concentrations in the gas pipe can decrease more or less depending on the condition of the inner pipe wall or the amount of pipe dust. In winter, the decrease is generally less than in summer, since the consumption in the summer months is considerably lower and the gas has more time in the pipeline. In winter, the flow velocities reach multiple values from summer. During the long dwell time, the odorant comes into intensive contact with the wall. In many cases, decay takes place to a greater or lesser extent through an oxidation reaction or through adsorption. The result of this contact is a decrease in concentration.

Da der Geruch die einzige Möglichkeit bietet, ungewollt ausströmendes Erdgas wahrzunehmen, kontrolliert der Gasversorger den Gehalt an Odoriermittel durch re­ gelmäßige Messungen in seinem Versorgungsbereich. Die verbreitetste Methode ist das Sammeln von Proben in Glasbehältern und die Auswertung im Laboratorium. Für die Messung benutzt man Gaschromatographen, ausgerüstet mit einem schwe­ felempfindlichen Elektronen-Empfangs- oder mit einem speziellen, mit Chromsäure­ lösung gefüllten, Platinwendel-Detektor (siehe Druckschrift 3) DIN 51855, Teil 7: Prüfung von gasförmigen Brennstoffen und sonstigen Gasen; Bestimmung des Ge­ haltes an Schwefelverbindungen; gaschromatographische Bestimmung des Gehal­ tes an schwefelhaltigen Odoriermitteln mit einem elektrochemischen Detektor (1986) und Druckschrift 4) Arcis, A., Charron, M.: Un appareil original pour le dosage sélec­ tif de composés sulfurés présents dans les gaz: Le MEDOR-S. Gaz pratiques d'utilisation. ATG Congress 1975, S. 300-323). Ein wesentlicher Nachteil dieser De­ tektionsmethoden ist, dass die Probe im Laufe der Lagerung und des Transports vor der Messung oft einer Veränderung durch einen Alterungsprozess unterworfen ist. Ein weiterer Nachteil dieser Messung ist, dass die Aussagen nicht zum Zeitpunkt der Probeentnahme, sondern erst wesentlich später, nach den labortechnischen Analysen zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund können diese Messergebnisse nur zu dokumentationstechnischen Zwecken verwendet werden.Since the smell is the only way to perceive unwanted escaping natural gas, the gas supplier controls the odorant content by regular measurements in its supply area. The most common method is collecting samples in glass containers and evaluating them in the laboratory. Gas chromatographs are used for the measurement, equipped with a sulfur-sensitive electron receiver or with a special platinum coil detector filled with chromic acid solution (see document 3) DIN 51855, Part 7 : Testing of gaseous fuels and other gases; Determination of the Ge content of sulfur compounds; Gas chromatographic determination of the content of sulfur-containing odorants using an electrochemical detector (1986) and publication 4) Arcis, A., Charron, M .: Un appareil original pour le dosage sélec tif de composés sulfurés présents dans les gaz: Le MEDOR-S. Gaz pratiques d'utilisation. ATG Congress 1975, pp. 300-323). A major disadvantage of these detection methods is that the sample is often subject to change due to an aging process during storage and transport before measurement. Another disadvantage of this measurement is that the statements are not available at the time of sampling, but only significantly later, after the laboratory analysis. For this reason, these measurement results can only be used for documentation purposes.

Es ist zweckmäßig, ein solches Odorantenmessgerät zu entwickeln, mit dem man vor Ort, ohne zeitliche Verzögerung, den Gehalt an Odoriermittel erfassen kann. Es ist wichtig, das Gerät nicht nur für kurzzeitige, momentane Messungen, sondern für langzeitige Beobachtungen (über Monate und Jahre) geeignet zu gestalten. So wird eine ständige Aufzeichnung zur lückenlosen Dokumentation und die Anpassung der Odorierungsintensität an die tatsächlichen Werte der Odorantenkonzentration mög­ lich. It is advisable to develop such an odorant measuring device with which one can can detect the odorant content on site without delay. It is important, the device not only for short-term, momentary measurements, but for make long-term observations (over months and years) suitable. So will a constant record for complete documentation and adaptation of the Odor intensity to the actual values of the odorant concentration possible Lich.  

2. Stand der Technik2. State of the art

Es werden bis heute mehrere verschiedene Geräte für die Erfassung der Odoran­ tenkonzentration benutzt. Wie in Druckschrift 5) Sewerin aktuell: Quamat-110. O­ dormessung - einfach und wirtschaftlich - Firmenprospekt/Mai 1996 und Druck­ schrift 6) Axel Semrau GmbH: A complete family of analysers to quantify odorant sulphur compounds in gas - angegeben, wurde bereits vor einigen Jahren ein klei­ ner, über eine kleine elektrochemische Zelle verfügender Handanalysator entwickelt. Dieses Gerät ist jedoch nur für kurzfristige Messungen geeignet. Bei längeren Mes­ sungen zeigt die Kennlinie des Detektors einen abnehmenden Verlauf, weil die Ver­ sorgung der Messzelle mit Luft im sauerstofffreien Erdgas nicht gewährleistet ist. Aus diesem Grund kann man grundsätzlich keine längere elektrochemische Reakti­ on im Erdgasstrom aufrechterhalten. Nach einer gewissen Zeit erleidet die Zelle eine nicht umkehrbare, schadhafte Veränderung. Der ursprüngliche Zustand kann auch durch Luftspülung nicht mehr hergestellt werden. Die Zelle ist nur so lange betriebs­ fähig, bis der in den Poren gespeicherte Sauerstoff verbraucht ist. Weiterhin sind diese Zellen mit einer elektrolytischen Lösung gefüllt und trocknen durch das sehr kleine Volumen in kurzer Zeit aus.To date, several different devices are used to record the odorant concentration. As in publication 5 ) Sewerin current: Quamat-110. O dormeasurement - simple and economical - company brochure / May 1996 and publication 6) Axel Semrau GmbH: A complete family of analyzers to quantify odorant sulfur compounds in gas - a small, small electrochemical cell was already used a few years ago Hand analyzer developed. However, this device is only suitable for short-term measurements. With longer measurements, the characteristic curve of the detector shows a decreasing course because the supply of air to the measuring cell in oxygen-free natural gas is not guaranteed. For this reason, it is fundamentally impossible to maintain a longer electrochemical reaction in the natural gas stream. After a certain time, the cell undergoes an irreversible, defective change. The original condition can no longer be restored by air purge. The cell is only operational until the oxygen stored in the pores has been used up. Furthermore, these cells are filled with an electrolytic solution and dry out in a short time due to the very small volume.

Eine weitere Entwicklung ist ein tragbarer Chromatograph, der in gewissen Zeitab­ ständen eine Probe aus der Messleitung zieht, eine Analyse an der Probe vornimmt und das Messergebnis auswertet und anzeigt (siehe erneut Druckschrift 6)). Solche Geräte sind jedoch groß und kostspielig und für die Anforderungen einer flächende­ ckenden Einführung in der Gaswirtschaft nicht geeignet.Another development is a portable chromatograph, which pulls a sample from the measuring line at certain intervals, carries out an analysis on the sample and evaluates and displays the measurement result (see again document 6 ). However, such devices are large and expensive and are not suitable for the requirements of a comprehensive introduction in the gas industry.

3. Lösungsvorschlag3. Proposed solution

Eine wichtige Voraussetzung bei der Messung von Odoriermitteln ist, dass beide Seiten der elektrochemischen Zelle (3) mit Sauerstoff versorgt werden. Es ist also unumgänglich, zum Erdgasstrom (1) eine kleine Luftmenge zuzumischen, damit die elektrochemische Reaktion aufrechterhalten werden kann. Für eine geregelte Luft­ versorgung (2) benötigt man eine Pumpe, welche die Luft in einer Größenordnung von einigen ml/h in einem konstanten Verhältnis in den Erdgasstrom einbringen kann s. Fig. 1. Diese Aufgabe kann mit einer miniaturisierten Drehschieber- oder ei­ ner Schlauchpumpe (13) gelöst werden s. Fig. 2. An important prerequisite for the measurement of odorants is that both sides of the electrochemical cell ( 3 ) are supplied with oxygen. It is therefore essential to add a small amount of air to the natural gas stream ( 1 ) so that the electrochemical reaction can be maintained. For a regulated air supply ( 2 ) you need a pump that can bring the air in the order of a few ml / h into the natural gas stream in a constant ratio s. Fig. 1. This task can be solved with a miniaturized rotary vane or egg ner peristaltic pump ( 13 ) s. Fig. 2.

Die Gleichmäßigkeit der Vermischung (10) zwischen Erdgas und Beimengungsluft muss gewährleistet werden. Die kurze Ausführung der Schläuche (12) und die Aus­ wahl von resistenten Materialien für alte Bauteile (11) die mit dem odorierten Erdgas in Berührung kommen, ist eine wichtige Voraussetzung, um Adsorption an den Trä­ gersubstanzen zu vermeiden.The uniformity of the mixture ( 10 ) between natural gas and admixed air must be ensured. The short design of the hoses ( 12 ) and the selection of resistant materials for old components ( 11 ) that come into contact with the odorized natural gas is an important prerequisite for avoiding adsorption on the carrier substances.

Der Strom des zu messenden Erdgases (1) soll über eine Messgasleitung (8) und ein Nadelventil (9) auf einen Wert von 6-10 l/h eingestellt werden. Der Volumen­ strom der zugemischten Luft (2) soll etwa einen Anteil von 1/100 vom Erdgasstrom ausmachen. Die dauerhafte Gleichmäßigkeit der Zumischungsrate ist die Voraus­ setzung der langzeitigen Stabilität. Es ist zweckmäßig, die Vorrichtung in Zeitab­ ständen von 3 Monaten zu überwachen. Die alternden Geräteteile, wie der Schlauch (12) in der peristaltischen Pumpe (13), müssen erneuert werden. Man muss dafür Sorge tragen, dass die Menge der zugemischten Luft unterhalb der unteren Zünd- und Explosionsgrenze bleibt. Bei einem Erdgasvolumenstrom von 6-10 l/h darf somit der Volumenstrom der Beimengungsluft etwa 60-100 ml/h ausmachen. In den Gas­ strom muss ein Rückschlagventil (7) eingebaut werden, das die Rückströmung des mit der Luft vermischten Erdgases verhindert. Die gemessene Luft-Gasmischung soll nach der durchgeführten Analyse vorteilhafterweise in die freie Atmosphäre (16) gelassen werden, möglichst außerhalb der Wände der Gasdruckregel- oder Odo­ rierstation (17) s. Fig. 3 Vorteilhafterweise wird der Odorantendetektor (3) nach den Regelschienen (18) und (19) in die Messleitung (22) eingebaut. Zum System gehö­ ren ein Messdatenerfassungsgerät (20) und eine Stromversorgungseinheit (21). An winterlichen Tagen kann es für eine elektrochemische Messung in den Gasdruckre­ gelstationen zu kalt werden. Für die Kompensation einer derart starken Abkühlung kann man eine Mikroheizung in die elektrochemische Zeile einbauen.The flow of the natural gas to be measured ( 1 ) should be set to a value of 6-10 l / h via a sample gas line ( 8 ) and a needle valve ( 9 ). The volume flow of the mixed air ( 2 ) should make up about 1/100 of the natural gas flow. The permanent uniformity of the admixing rate is a prerequisite for long-term stability. It is advisable to monitor the device at intervals of 3 months. The aging parts of the device, such as the hose ( 12 ) in the peristaltic pump ( 13 ), must be replaced. Care must be taken to ensure that the amount of mixed air remains below the lower ignition and explosion limits. With a natural gas volume flow of 6-10 l / h, the volume flow of the admixed air may therefore be about 60-100 ml / h. A check valve ( 7 ) must be installed in the gas flow to prevent the backflow of the natural gas mixed with the air. The measured air-gas mixture should advantageously be left in the free atmosphere ( 16 ) after the analysis carried out, if possible outside the walls of the gas pressure regulating or odorizing station ( 17 ) s. Fig. 3 The odorant detector ( 3 ) is advantageously installed in the measuring line ( 22 ) after the control rails ( 18 ) and ( 19 ). The system includes a measurement data acquisition device ( 20 ) and a power supply unit ( 21 ). On wintry days it can get too cold for an electrochemical measurement in the gas pressure control stations. To compensate for such strong cooling, a micro heater can be built into the electrochemical line.

Bei Querempfindlichkeiten mit Schwefeloxidsulfid (COS) oder Schwefelwasserstoff (H2S) im Erdgas werden jeweils zwei Messungen vorgenommen. Zuerst wird der nicht odorierte Erdgasstrom (23), z. B. an der Ringleitung (27) vor der Odorierstation (25), gemessen, s. Fig. 4. Nach der Odorierung wird eine weitere Messung (24), diesmal aber am bereits odorierten Erdgas hinter der Odorierstation (25), an der Verteilerleitung (26) vorgenommen. In the case of cross-sensitivities with sulfur oxide sulfide (COS) or hydrogen sulfide (H 2 S) in natural gas, two measurements are carried out. First, the non-odorized natural gas stream ( 23 ), e.g. B. on the ring line ( 27 ) in front of the odorization station ( 25 ), measured, see. Fig. 4. After the odorization, a further measurement ( 24 ), but this time on the already odorized natural gas behind the odorization station ( 25 ), is carried out on the distributor line ( 26 ).

Durch Differenzbildung in der Dispatcherzentrale (28), wo man die Daten durch Ver­ stärkung (5) sowie ständige Fernübertragung der Messwerte (6) erhält, ermittelt man die echte Odoriermittelkonzentration. Da der Gehalt von Erdgasbegleitstoffen bei beiden Messungen vorhanden ist, heben sich die Störkonzentrationen gegenseitig auf.The real odorant concentration is determined by forming a difference in the dispatcher center ( 28 ), where the data is obtained through amplification ( 5 ) and constant remote transmission of the measured values ( 6 ). Since the content of natural gas accompanying substances is present in both measurements, the interference concentrations cancel each other out.

Die Fig. 5 zeigt einige Messergebnisse mit odoriertem Erdgas, mit Umgebungsluft und mit drei verschiedenen Prüfgasen von 5, 10 und 15 mg/m3 THT Methan. Die Messung bleibt monatelang stabil, eine Abnahme der Empfindlichkeit der Zelle ist nicht feststellbar. Die Auflösung beträgt etwa +/-1 mg/m3. Die t90-Zeit liegt bei der vorliegenden Anordnung bei etwa 10 min. Dieses Ergebnis kann noch wesentlich verbessert werden, z. B. durch die Verwendung sehr kurzer, resistenter Gaswege. Die Verbesserung der Auflösung scheint dagegen mit den vorhandenen, techni­ schen Möglichkeiten nur beschränkt möglich zu sein. Dazu müsste man neuartige und großflächige elektrochemische Zellen entwickeln. Fig. 5 shows some measured results with odoriertem natural gas with ambient air and with three different test gases of 5, 10 and 15 mg / m 3 THT methane. The measurement remains stable for months, a decrease in the sensitivity of the cell is not detectable. The resolution is approximately +/- 1 mg / m 3 . The t 90 time in the present arrangement is approximately 10 minutes. This result can be significantly improved, e.g. B. by using very short, resistant gas paths. The improvement of the resolution, on the other hand, seems to be possible only to a limited extent with the existing technical possibilities. To do this, one would have to develop new, large-scale electrochemical cells.

Verzeichnis der FigurenList of figures Fig. 1: Prinzipschaltbild des Betriebes einer elektrochemischen Zelle mit Luft­ zumischung Fig. 1: Basic circuit diagram of the operation of an electrochemical cell with air admixture

11

Erdgasstrom (6-10 l/h)
Natural gas flow (6-10 l / h)

22nd

Luftstrom (60-100 ml/h)
Air flow (60-100 ml / h)

33rd

elektrochemische Zelle
electrochemical cell

44th

Vorverstärkung
Preamplification

55

Messdatenauswertung und Speicherung
Measurement data evaluation and storage

66

Datenübertragung
Data transmission

Fig. 2: Dosierung von Luft im Odorantenmessgerät mittels peristaltischer Pumpe Fig. 2: Dosing of air in the odorant measuring device using a peristaltic pump

77

Rückschlagventil
check valve

88th

Messgasleitung
Sample gas line

99

Nadelventil
Needle valve

1010th

Vermischungsraum
Mixing room

1111

Teflongehäuse
Teflon housing

1212th

Schlauch
tube

1313

Schlauchpumpe
Peristaltic pump

1414

Luft aus der Umgebung
Air from the environment

1515

elektronische Verstärkerplatine
electronic amplifier board

1616

Abluft
Exhaust air

Fig. 3: Einbau eines Messgerätes für die Erfassung der Odorantenkonzentrati­ on in einer Gasdruckregelstation Fig. 3: Installation of a measuring device for detecting the odorant concentration in a gas pressure control station

1717th

Gasdruckregelstation
Gas pressure control station

1818th

Regelschiene (a)
Control rail (a)

1919th

Regelschiene (b)
Control rail (b)

2020th

Datenerfassungsgerät
Data acquisition device

2121

Stromversorgungseinheit
Power supply unit

2222

Messleitung
Measurement line

Fig. 4: Messung der Odorantenkonzentration an verschiedenen Punkten des Leitungsnetzes für die Eliminierung der Querempfindlichkeit von Stör­ substanzen Fig. 4: Measurement of the odorant concentration at various points in the line network for the elimination of the cross-sensitivity of interfering substances

Messung vor der Odorierung
Messung nach der Odorierung
Druckregel- und Odorierstation
Verteilerleitung
Ringleitung
Dispatcherzentrale
Measurement before odorization
Measurement after odorization
Pressure control and odorization station
Distribution line
Loop
Dispatch center

Fig. 5: Messung verschiedener THT-Konzentrationen im Methan und Erdgas Fig. 5: Measurement of different THT concentrations in methane and natural gas

Claims (1)

1. Gasdetektoranordnung zur langzeitstabilen Erfassung der Odorantenkonzentration in Stationen der Gaswirtschaft mittels elektrochemischer Zellen dadurch gekenn­ zeichnet, dass
  • - ein geringer Luftstrom aus der Umgebung durch eine Pumpenvorrichtung, vor­ teilhafterweise durch eine Schlauchpumpe, dem die Messzellen beaufschlagen­ den Erdgasstrom zugemischt wird,
  • - wodurch die irreversible Alterung der Zelle und die Unterbrechung der elektro­ chemischen Reaktion verhindert werden,
  • - wobei der Erdgasvolumenstrom etwa 100 mal höher liegen soll als der zuge­ mischte Luftvolumenstrom aus der Umgebung
  • - und die Eliminierung der Querempfindlichkeit der elektrochemischen Zellen her­ vorgerufenen störenden Erdgasbegleitstoffe durch eine Differenzbildung in der Form, dass eine Messung vor der Odorierung und eine Messung nach der Odo­ rierung in der Erdgasleitung vorgenommen wird, wobei im ersten Fall die Kon­ zentration der Störsubstanzen, im zweiten Fall die Summe der Konzentration der Störsubstanzen und des Odoriermittels erfasst werden
  • - und diese durch die Differenzbildung der durch Datenfernübertragung in die Dispatcherzentrale geleiteten zeitgleichen Werte voneinander subtrahiert wer­ den.
1. Gas detector arrangement for the long-term stable detection of the odorant concentration in gas industry stations by means of electrochemical cells characterized in that
  • a small air flow from the environment through a pump device, before geous enough through a peristaltic pump, to which the measuring cells apply the natural gas flow is mixed,
  • - which prevents the irreversible aging of the cell and the interruption of the electrochemical reaction,
  • - The natural gas volume flow should be about 100 times higher than the mixed air volume flow from the environment
  • - And the elimination of the cross-sensitivity of the electrochemical cells caused disturbing natural gas accompanying substances by forming a difference in the form that a measurement before odorization and a measurement after odorization is carried out in the natural gas line, in the first case the concentration of the interfering substances in second case, the sum of the concentration of the interfering substances and the odorant are recorded
  • - And these are subtracted from each other by forming the difference between the simultaneous values sent by remote data transmission to the dispatch center.
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