DE3417734A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen ermittlung der qualitaet von brenngas - Google Patents

Description

• BESCHREIBUNG:
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Qualität von Brenngas, bei welchem ein Teilstrom untersucht wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Als Qualität des zu untersuchenden Heizgases gelten im Sinne dieser Erfindung insbesondere diejenigen Eigenschaften, die für den Einsatz desBrenngases maßgeblich sind, und die sich durch die Zusammensetzung des Brenngases kennzeichnen lassen. Hieraus ergeben sich insbesondere die erforderlichen Angaben für den Heizwert und für die Dichte des Brenngases.
• Die Erschließung unterschiedlicher Erdgasqual i täten in verschiedenen Fördergebieten führt zunehmend zu schwankender Gasqualität in den angeschlossenen Versorgungsgebieten. Es wird in zunehmendem Maße in der öffentlichen Gasversorgung das Erdgas in unterschiedlichen Stufen qualifiziert.
• Daraus ergeben sich insbesondere notwendige Anpassungen des Gas/Luft-Verhältnisses, um eine optimale Verbrennung sicherzustellen. Diese Veränderungen können sowohl durch manuelle Einstellinqen am Brenner als auch automatisch durch Anpassung des Gasdruckes im Netz bewirkt werden, jedoch ist in beiden Fällen die Kenntnis von Schwankungen in der Gasqualität erforderlich.
• Für die kontinuierlich vorzunehmende Ermittlung der Gaszusammensetzung sind zahlreiche Verfahren und Einrichtung bekannt. Die Grundlage der Messung ist dabei der unterschiedliche Beitrag, den die verschiedenen Bestandteile der Gasmischung zu einer physikalisch meßbaren Größe leisten. Beispielsweise können die Wärmeleitfähigkeit oder das Absorptionsvermögen für Infrarot-Strahlungen kontinuierlich ermittelt werden, um somit eine Aussage zu bestimmten Bestandteilen der Gasmischung machen zu können. Auch wird bei Verbrennung eines Teilstromes des zu untersuchenden Gases die maximale Flammentemperatur kontinuierlich bei Regelung der Luftmenge ermittelt, so daß die sich hieraus ergebenden Werte für das Gas/Luft-Verhältnis als Steuergröße für die betriebliche Einstellung verwendet werden können. Neben analytischen, auf einzelne Bestandteile gerichteten Untersuchungen haben daher die sich auf gesamtheitliche Eigenschaftswerte erstreckenden Meßverfahren eine erhebliche Bedeutung.
• Die Erfindung fällt in den Bereich derjenigen Meßverfahren, welche eine Aussage über die Gesamtheit der Gasbestandteile ermöglichen. Da die hierzu zählenden Meßverfahren, wie Kalorimeter oder Wobbe-Index-Meßgeräte, einerseits sehr aufwerdig sind und andererseits besonders sorgfältige Pflege durch qualifiziertes Fachpersonal erforderlich machen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeingete Vorrichtung derart vorzuschlagen, daß die Einrichtungen hierfür mit sehr wenig Aufwand hergestellt werden können, und daß insbesondere ein nahezu wartungsfreier Betrieb möglich ist.
• Die Erfindung schlägt zur Lösung dieser Aufgabenstellung ein Verfahren vor, wie es im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
• Damit wird die Veränderung der akustischen Eigenschaftswerte einer Gasmischung bei wechselnden Mischungsanteilen in der speziellen Form ausgenutzt, daß die Veränderung der Resonatorfrequenz eines resonanzfähigen Systems für die Feststellung der Gasqualität zugrundegelegt wird. Der Teilstrom, der für die Messung verwendet wird, kann ein Resonanzsystem zu Schwingungen erregen, ohne daß dabei irgendwelche empfindlichen Teile verwendet werden müssen. Darüber hinaus läßt sich die Anordnung aus unbeweglich bleibenden Teilen gestalten, bei denen kein Verschleiß eintreten kann. Die Anordnung ist auch weitgehend unempfindlich gegenüber der Ablagerung von Feststoffpartikeln, denn durch den zu untersuchenden Teilstrom wird nur eine Gassäle zu Schwingungen erregt, bei der es nicht auf die präzise Einhaltung bestimmter Durchmesser ankommt. Die elektrische Wandlung der Frequenz ermöglicht eine kontinuierliche Aussage unter Verwendung von wenig aufwendigen und praktisch wartungsfreien Mikrophonen und Frequenzmeßgeräten.
• Als Resonanzsystem findet insbesondere ein Resonanzrohr Anwendung, welches durch das Verbrennungsgeräusch oder aber durch das Strömungsgeräusch des Teilstroms zu Eigenschwingungen angeregt wird.
• Somit ergibt sich die Resonanzfrequenz aus der Länge des Resonanzrohrs und aus der Dichte des darin strömenden Gases. Mann kann daher durch Vorgabe anderer Längen für das Resonanzrohr eine Anpassung an besimmte gasförmige Brennstoffe vornehmen.
• Wie erwähnt, kann der Teilstrom in unterschiedlichen Vorrichtungen zur Erregung von Schwingungen genutzt werden. In einer ersten Vorrichtung ist erfindungsgemäß die Verbrennung des Teilstroms in einem Prüfbrenner vorgesehen, der innerhalb eines Resonanzrohres angeordnet ist, neben welchem sich der Sensor für mechanische Schwingungen befindet, dessen Ausgang auf ein Frequenzmeßgerät geschaltet ist. Im Interesse einer besonders engen akustischen Kopplung kann man den Sensor auch außen am Resonanzrohr befestigen. Das Verbrennungsgeräusch der Flamme regt hierbei die von der Länge des Resonanzrohres und insbesondere auch der Dichte des Verbrennungsgases im Resonanzrohr abhängige Schwingungsfrequenz an.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird davon Gebrauch gemacht, daß auch das Strömungsgeräusch des zu untersuchenden Gases für die Anregung von Schwingungen innerhalb eines Resonanzrohres dienen kann. Dies bewirkt die Erfindung dadurch, daß der Teilstrom über eine kleine Eintrittsöffnung in ein mit größerem Querschnitt ausgeführtes Resonanzrohr geführt ist, aus welchem der Teilstrom über eine kleine Austrittsöffnung zur Hauptgasstromleitung zurückgeführt ist. Der Sensor für mechanische Schwingungen befindet sich in akustischer Kopplung mit dem Resonanzrohr entweder innerhalb desselben,was den Vorteil hat, daß dann je nach Umgebungssituation Verunreinigungen des Sensors vermieden werden, oder aber außerhalb des Resonanzrohrs und gegebenenfalls auch am Resonanzrohr, was den Vorteil einer leichten Zugänglichkeit bietet. In jedem Fall bleibt hierbei der Sonsor frei von thermischen Be- lastungen, während der Teilstrom nicht verloren geht, sondern sich nach Durchströmung des Resonanzrohres wieder mit der Hauptgasstromleitung vereinigen läßt.
• Die erwähnten Frequenzmeßgeräte sind zweckmäßig mit einer Rechenstufe ausgebildet, die ein der Gasqualität entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen gestattet. Das Ausgangssignal kann unmittelbar zur Regelung des Gas/Luft-Verhältnisses verwendet werden und ist insbesondere als Steuergröße auf einen Gasdruckregler des Hauptgasstroms geschaltet.
• Damit kommt es zur kontinuierlichen Einwirkung auf die Verbraucherstelle derart, daß letzerer stets der gewünschte Energiebetrag unabhängig von der Qualität der Gasversorgung zur Verfügung steht.
• Das Resonanzrohr wird zweckmäßig von einem vertikal angeordneten, beidseitig offenen Zylinder bei Verwendung eines Prüfbrenners gebildet,und zwar läßt sich dieser an der unteren Eintrittseite des Resonanzrohrs anordnen. Hinzu kann noch eine als solche bekannte Zündüberwachungseinrichtung treten, so daß eine langfristige Betriebsweise sichergestellt ist.
• Der Sensor wird seitlich neben dem Zylinder angeordnet oder aber außen am Zylinder derart, daß er die Frequenz der sich einstellenden Schwingung aufnehmen kann.
• Wenn die Schwingungen lediglich durch das Strömungsgeräusch des Teilstromes erzeugt werden, mündet der Teilstrom des Gases zentral in eine das Resonanzrohr eingangseitig abschließende Stirnwand ein. Zur Verstärkung der Schwingungserregung kann dort auch eine lippenähnliche Einrichtung vorgesehen werden, so daß das Abreißen der Strömung mit Sicherheit erreicht wird. Die austrittseitige Stirnwand des Resonanzrohres ist mit einer Austrittsöffnung versehen, an die sich eine in die Hauptgasstromleitung mündende Leitung anschließt. Der Sensor befindet sich entweder im Resonanzrohr oder außen am Resonanzrohr, je nach dem, ob er gegen Einflüsse von außen oder Einflüsse des Gases geschützt werden soll.
• Als Sensor kommt erfindunsgemäß entweder ein Mikrophon oder ein Beschleunigungsaufnehmer in Betracht. Das Mikrophon hat den Vorteil, daß es Luftschwingungen aufnehmen kann und daher einer mechanischen Ankoppelung an das Resonanzsystem nicht notwendigerweise bedarf. Ein Nachteilcist indes beim Mikrophon, daß es der Verunreinigung von Stäuben, korrosiven Einwirkungen und dergleichen ausgesetzt ist. Demgegenüber hat ein Beschleunigungsaufnehmer den Vorteil, daß er sich nach außen völlig abkapseln läßt, wobei indes darauf zu achten ist, daß er in akustisch leitender Kopplung mit dem Resonanzsystem steht. In der Regel wird eine starre Befestigung mit dem Resonanzrohr innerhalb oder außerhalb desselben in der bereits beschriebenen Weise angebracht sein. Er läßt sich dann weniger gut als ein Mikrophon frei von thermischen Einflüssen halten, was dann bedeutsam ist, wenn die Schwingungsanregung mittels eines Brenners hervorgerufen werden muß. Die Abkapselung schließt indes Störungen durch Witterungseinflüsse und Verschmutzungen grundlegend aus.
• Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf Ausführungsbeispiele Bezug genommen, bei welchen als Sensor ein Mikrophon Anwendung findet. Die Beispiele sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt.
• Darin zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Prüfbrenners, während Figur 2 die erfindungsgemäße Ausführungsform wiedergibt, bei welcher Schwingungen lediglich durch das Strömungsgeräusch erregt werden.
• In beiden Figuren ist der Gegenstand der Erfindung im wesentlichen symbolhaft dargestellt und durch ein gestrichelt gezeichnetes Rechteck 1 begrenzt. Die Hauptgasstromleitung 2 führt in Richtung des Strömungspfeiles 3 zum Gasdruckregler 4, auf den der Ausgang des Frequenzmeßgerätes 6 als Steuergröße geschaltet ist, so daß die Gasmenge demgemäß veränderbar ist.
• Von der Hauptgasstromleitung 2 zweigt gemäß Figur 1 der Teilstrom 7 ab, der in einen Prüfbrenner 8 unter Bildung der Flamme 9 verbrennt. Dabei r.lündet der Prüfbrenner 8 in den Eingang eines vertikal angeordneten Resonanzrohres 10, welches als beidseitig offener, stehender Zylinder ausgebildet ist. Man kann in zeichnerisch nicht dargestellter Weise das Resonanzrohr 10 auch als ein teleskopierendes Rohr ausführen, um unterschiedliche Frequenzbereiche für die in ihm schwingende Gassäule 11 einstellen zu können. Das Mikrophon 12 befindet sich außerhalb des Resonanzrohres an einer Stelle, an welcher es die Schwingungsfrequenz der Gassäule 11 aufzunehmen vermag. Das Mikrophon 12 ist auf das Frequenzmeßgerät 6 geschaltet, so daß dort ein der Frequenz entsprechendes Signal erzeugt wird. In zeichnerisch nicht näher dargestellter Weise kann das Frequenzmeßgerät 6 noch mit einer Rechenstufe versehen sein, die das Signal zu einer Ausgangsgröße umformt, die in einer beliebig vorgebbaren Weise der Gasqualität entspricht, so daß das Signal als Steuergröße für den Gasdruckregler 4 verwendbar ist.
• Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 führt die Abzweigung des Teilstroms 7 unmittelbar über ein gerades Ansatzrohr 13 in das sich in Achsrichtung des letzteren erstreckende Resonanzrohr 14, für welches im Gegensatz zu demjenigen der Figur 1 eine eintrittsseitige Stirnwand 15 und eine austrittsseitige Stirnwand 16 vorgesehen sind. In den beiden Stirnwänden 15 und 16 sind die Eintritsöffnung 17 sowie die Austrittsöffnung 18 zentral vorgesehen. Bei dieser Anordnung kommt es zu einer wirkungsvollen Schwingung innerhalb des Resonanzrohres 14. Diese wird mittels des Mikrophons 12, welches innerhalb des Resonanzrohres 14 angeordnet ist, aufgenommen und dem Frequenzmeßgerät 6 als Eingang zugeführt.

Claims (12)

1. Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Ermittlung der Qualität von Brenngas PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur kontinuierlichen Ermittlung der Qualität von Brenngas, bei welchem ein Teilstrom untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom in einem Resonanzsystem zur Erregung von Schwingungen verwendet wird, deren Frequenz elektrisch gewandelt wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei der Teilstrom in einem Prüfbrenner verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfbrenner (8) innerhalb eines Resonanzrohres (10) angeordnet ist, neben welchem ein Sensor für mechanische Schwingungen vorgesehen ist, dessen Ausgang auf ein Frequenzmeßgerät (6) geschaltet ist.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom (7) über eine kleine Eintrittsöffnung (17) in ein mit größerem Querschnitt ausgeführtes Resonanzrohr (14) geführt ist, aus welchem der Teilstrom über eine kleine Austrittsöffnung (18) zur Hauptgasstromleitung (2) zurückgeführt ist, und mit welchem ein Sensor für mechanische Schwingungen gekoppelt ist, dessen Ausgang auf ein Frequenzmeßgerät (6) geschaltet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor im Resonanzrohr(l4) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzmeßgerät (6) mit einer Rechenstufe für die Umrechnung der Frequenz in ein der Gasqualität entsprechendes Ausgangssignal (5) versehen ist.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (5) des Frequenzmeßgerätes (6) als Steuergröße auf einen Gasdruckregler (4) der Hauptgasstromleitung (2) geschaltet ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzrohr (10) ein beidseitig offener Zylinder ist, in welchem der Prüfbrenner (8) an der Eingangsseite befestigt ist, während der Sensor seitlich neben dem Resonanzrohr (10) befestigt ist.
8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (17) und die Austrittsöffnung (18) zentral in je einer das zylindrische Resonanzrohr (14) abschließenden Stirnwand (15, 16) vorgesehen sind, und daß der Sensor in Nähe der Austrittsöffnung (18) im Resonanzrohr (14) befestigt ist.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzrohr (10, 14) durch eine Teleskopausbildung von einstellbarer Länge ist.
10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 5, 6, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor an der Außenseite des Resonanzrohrs angeordnet ist.
11. 11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Mikrophon (12) ist.
12. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Beschleunigungsaufnehmer ist.