DE60132709T2

DE60132709T2 - Bestimmung der wirksamen zusammensetzung von kohlenwasserstoffgasen

Info

Publication number: DE60132709T2
Application number: DE60132709T
Authority: DE
Inventors: Robert Richard Melbourne THURSTON
Original assignee: ADVANTICA INTELLECTUAL PROPERTY Ltd; ADVANTICA INTELLECTUAL PROPERT; Advantica Intellectual Property Ltd Loughborough
Current assignee: Advantica Intellectual Property Ltd Lough Gb
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: CA2428620C; EP1337844A1; WO2002040992A1; AR031343A1; AU2002215099A1; JP4028380B2; GB2372819A; CN1483144A; GB0127093D0; CA2428620A1; GB2372819B; US20040261497A1; DE60132709D1; CN100417943C; US6997037B2; JP2004514138A; EP1337844B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung einer wirksamen Zusammensetzung einer Mischung von Kohlenwasserstoffgasen, wie z. B. Erdgas. Die wirksame Zusammensetzung kann verwendet werden, um einen Anteil zu bestimmen, der bezeichnend ist für die Qualität des Gases, wie z. B. Brennwert, relative Dichte und Wobbe-Index.
Herkömmlich wird zum Bestimmen der Qualität einer Gasmischung, wie z. B. ihres Brennwerts, der Anteil eines jeden Gases in der Mischung bestimmt und der Brennwert berechnet. Allerdings ist es bei einer Mischung von mehreren Gasen wie Erdgas schwierig, den Anteil für jedes einzelne Gas zu bestimmen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen Zusammensetzung einer Mischung von Kohlenwasserstoffgasen das Repräsentieren einer Mischung von Kohlenwasserstoffgasen durch eine wirksame Mischung von weniger Kohlenwasserstoffgasen und Bestimmen des wirksamen Anteils eines jeden der Kohlenwasserstoffgase in der wirksamen Mischung.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung wie in Anspruch 7 definiert.
Die wirksamen Anteile eines jeden Kohlenwasserstoffgases in der wirksamen Mischung werden vorzugsweise verwendet, um einen Parameter zu bestimmen, der bezeichnend ist für die Qualität des Gases, wie z. B. Brennwert (CV), relative Dichte (RD) oder Wobbe-Index (WI).
Ein Beispiel der Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 den CV, der gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde, im Vergleich mit tatsächlichen Werten darstellt;
2 den RD, der gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde, im Vergleich mit tatsächlichen Werten darstellt; und
3 eine Vorrichtung zum Durchführen der Erfindung darstellt.
Es wurde herausgefunden, dass eine Mischung von Kohlenwasserstoffgasen, wie z. B. Erdgas, durch eine verringerte Anzahl an Komponenten repräsentiert werden kann. Zum Beispiel können die vielen Kohlenwasserstoffe in einem Erdgas durch ein oder eine wirksame Mischung von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen repräsentiert werden. In dem folgenden Beispiel werden die Kohlenwasserstoffe in einem Erdgas durch eine Mischung von wirksamem Methan (CH₄) und Propan (C₃H₆) repräsentiert. Die Anteile der einzelnen Komponenten des wirksamen Gases werden so ausgewählt, dass sie dieselben Haupteigenschaften wie das Gas selbst bilden. Das wirksame Gas für die anderen Kohlenwasserstoffe ist das Volumen von Propan und Methan, das dieselbe ideale Menge und dieselbe durchschnittliche Anzahl an Kohlenstoffatomen pro Molekül aufweist wie das betrachtete Gas. Betrachten wir zum Beispiel Ethan: 2C₂H₆ = C₃H₃ + CH₄
Ethan wird in dem wirksamen Gas zur Hälfte seines Volumens durch Propan und zur Hälfte seines Volumens durch Methan repräsentiert. Die wirksamen Koeffizienten für Ethan im Hinblick auf Propan und Methan betragen daher 0,5 und 0.5. Auch andere Kohlenwasserstoffe können in diesem Hinblick repräsentiert werden und ihre wirksamen Koeffizienten sind nachstehend tabellarisch dargestellt:

Wirksam

Kohlenwasserstoff CH₄' C₃H₀'

Methan 1,0 -

Ethan 0,5 0,5

Propan - 1,0

Butan –0,5 1,5

Pentan –1,0 2,0

Hexan –1,5 2,5
Erdgas enthält im Allgemeinen auch CO₂ und N₂ und so kann, angenommen, dass die Kohlenwasserstoffe durch eine wirksame Mischung von Methan und Propan repräsentiert werden, das Erdgas durch eine Vierkomponentenmischung von Methan, Propan, CO₂ und N₂ repräsentiert werden. Wenn die Kohlenwasserstoffe nur durch einen Kohlenwasserstoff repräsentiert werden, dann könnte das Erdgas durch eine wirksame Dreikomponentenmischung von dem wirksamen Kohlenwasserstoff, CO₂ und N₂ repräsentiert werden.
Nachstehend ist ein Beispiel für ein Erdgas gegeben, das als eine wirksame Vierkomponentenmischung von Methan, Propan, CO₂ und N₂ repräsentiert wird. Die tatsächliche Zusammensetzung einer Probe aus Erdgas, identifiziert als Flasche 2912, stellt sich folgendermaßen dar:

Flaschen-ID CH₄ C₂H₆ C₃H₈ N-C₄H₁₀ I-C₄H₁₀ N-C₅H₁₂ CO₂ N₂ CV

%mol %mol %mol %mol %mol %mol %mol %mol %mol

2912 94,451 3,11 0,512 0,109 0,089 0,170 0,647 0,912 38,73

Das Anwenden wirksamer Methan- und Propanberechnungen auf die Kohlenwasserstoffproben der vorstehenden Erdgasprobe ergibt das nachstehende Ergebnis:

Kohlenwaserstoff			CH₄'			C₃H₀'
Methan	1,0	94,451	94,451	-	94,451	0
Ethan	0,5	3,110	1,555	0,5	3,110	1,555
Propan		0,512	0	1,0	0,512	0,512
Butan	–0,5	0,198	–0,099	1,5	0,198	0,297
Pentan	–1,0	0,170	–0,170	2,0	0,170	0,340
Hexan	–1,5	0	0	2,5	0	0
		CH4.	95,737		C₃H1₈' =	2,704

Somit können die Kohlenwasserstoffe der Erdgasprobe durch eine wirksame Mischung von 95,737% Methan und 2,704% Propan repräsentiert werden. Die CO₂ und N₂ Proben können einbezogen werden, um die wirksame Vierkomponentenerdgasmischung bereitzustellen:

Flaschen-ID CH₄' C₃H₈' CO₂' N₂ Σ

%mol %mol %mol %mol %mol

2912 95,737 2,704 0,647 0,912 100
Es wurde ein Verfahren gefunden, um die wirksamen Methan-, Propan-, CO₂- und N₂-Anteile in einer Probe aus Erdgas zu bestimmen. Es ist bekannt, dass die Summe der vier Komponenten 100% ergibt. Durch Vornehmen von drei Messungen der Eigenschaften von Erdgas und das Wissen, dass die Summe der vier Komponenten 100% ergibt, können die jeweiligen wirksamen Anteile von Methan, Propan, CO₂ und N₂ mithilfe von Simultangleichungen bestimmt werden, wie nachstehend dargestellt: X = C1, CH₄ + C2, C₃H₈ + C3, CO₂ + C4, N₂ Y = C5, CH₄ + C6, C₃H₈ + C7, CO₂+ C8, N₂ Z = C9, CH₄ + C10, C₃H₈ + C11, CO₂ + C12. N₂ 100 = CH₄% + C₃H₀% + CO₂% + N₂%
X, Y und Z sind Messungen, die an der Probe des untersuchten Gases vorgenommen wurden. In diesem Fall ist X die Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur (THCst), Y die Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer zweiten Temperatur (ThCr) und Z die Schallgeschwindigkeit in dem Gas (SOS). Die Wärmeleitfähigkeiten des Gases bei den zwei Temperaturen und die Schallgeschwindigkeit des Gases werden mithilfe eines geeigneten Verfahrens gemessen, wie in der Technik gut bekannt ist. Es können alle geeigneten Eigenschaften des Gases gemessen und als X, Y oder Z verwendet werden. Die Parameter C1 bis C12 sind für eine spezielle Messvorrichtung konstant, wobei eine spezielle Temperatur und ein spezieller Druck und die spezielle Eigenschaft gemessen werden. Die Werte für C1 bis C12 können festgestellt werden, indem eine spezielle Vorrichtung mithilfe eines Gases aus bekannten wirksamen Methan-, wirksamen Propan, CO₂- und N₂-Anteilen kalibriert wird.
Zum Bestimmen der Koeffizienten C1 bis C12 bei einer festen Temperatur und einem festen Druck wird ein Datensatz bestimmt, der die Werte von X, Y und Z für den erwarteten Bereich in der Gaszusammensetzung abbildet. Anschließend wird die Regressionsanalyse mit den Gaskomponenten als X-Eingabebereich und dem Parameter X als Y-Eingabebereich verwendet, wobei die entstandene Analyse C1 bis C4 bei dieser Temperatur und diesem Druck ausgibt. Dieser Vorgang wird mit Parameter Y als Y-Eingabe wiederholt, um C5 bis C8 auszugeben und noch einmal mit Parameter Z als Y- Eingabe, um C9 bis C12 auszugeben. Das ergibt C1 und C12 bei einer festen Temperatur und einem festen Druck.
Diese Koeffizienten sind temperatur- und druckabhängig. So muss der gesamte Vorgang für eine Reihe Temperaturen und Drücke wiederholt werden, die den spezifizierten Betriebsbereich abdecken. Sobald das abgeschlossen ist, kann ein mathematisches Modell bestimmt werden, um C1 bis C12 bei einer beliebigen Temperatur und einem beliebigen Druck in dem spezifizierten Bereich vorauszuberechnen.
Die wirksamen Anteile von Methan, Propan, CO₂ und N₂ können aus den gemessenen Gaseigenschaften (in diesem Beispiel zwei Wärmeleitfähigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen und die Schallgeschwindigkeit) mithilfe einer Matrix bestimmt werden, wie nachstehend dargestellt:
Sobald die wirksamen Anteile an Methan, Ethan, CO₂ und Stickstoff bekannt sind, können diese verwendet werden, um den Brennwert (CV), die relative Dichte (RD) und den Wobbe-Index (WI) zu bestimmen, wie nachstehend erläutert.
Der ideale obere Brennwert des Gases (wasserdampfkondensiert) auf einer Volumenbasis für eine Verbrennungstemperatur t₁, einer Mischung einer bekannten Zusammensetzung, gemessen bei einer Temperatur t₂ und einem Druck t₂, kann berechnet werden mithilfe von
wobei:
der ideale obere Brennwert auf einer Volumenbasis der Mischung ist.
Xj wenn der Stoffmengenanteil der Komponente j aus der früheren wirksamen Bestandteilsanalyse bestimmt wurde.
der ideale obere Brennwert auf einer Volumenbasis der Komponente j ist.
In Großbritannien werden die metrischen Standardbedingungen (MSC – Metric Standard Conditions) bevorzugt:
.P₂ is 101,325 kPa (1,01325 bar A)
.t₁ = t₂ = 15°C (286.15K)
Die Brennwerte für Methan und Propan der metrischen Standardbedingungen sind bekannt:
Das Multiplizieren dieser Werte mit den Anteilen von Methan und Propan, die früher bestimmt wurden, liefern einen Wert für
Der Realgasbrennwert auf einer Volumenbasis wird berechnet mit der Gleichung:
wobei:
H ~_s[t₁·V(t₂·p₂)] der Realgasbrennoberwert auf einer Volumenbasis ist.
Der Komprimierungskoeffizient Z_mix in den Messbedingungen wird berechnet mithilfe von:
wobei:

der sogenannte Summationskoeffizient ist, der für Methan 0,0447 und für Propan 0,1338 beträgt.
1 zeigt den CV, der wie vorstehend mithilfe der wirksamen Zusammensetzung bestimmt wurde, die in die y-Achse gezeichnet wurde, und den tatsächlichen CV entlang der x-Achse.
Der für die wirksame Zusammensetzung berechnete CV liegt innerhalb von +1/–0,008 MJ/m³ (2 Standardabweichungen) des tatsächlichen CVs entlang der x-Achse.
Die relative Dichte (RD) eines Gases wird berechnet mithilfe der folgenden Gleichung:
wobei:
d⁰ die relative Dichte des idealen Gases ist
M_j die molare Masse der Komponente j ist
M_air, die molare Masse von trockener Luft der Standardzusammensetzung ist (28,9626 kg·kmol^–1)
Die relative Dichte des realen Gases wird berechnet mit:
wobei:
d(tp) die relative Dichte des realen Gases ist
Z_air(t,p) der Komprimierungskoeffizient von trockener Luft der Standardzusammensetzung ist (MSC = 0,99958)
Der Komprimierungskoeffizient Z_mix in den Messbedingungen wird berechnet mithilfe von:
wobei:

der sogenannte Summationskoeffizient ist, der für Methan 0,0447 und für Propan 0,1338 beträgt.
2 zeigt die relative Dichte, die bestimmt wurde, indem eine wirksame Zusammensetzung aus Methan, Propan, CO₂ und N₂ für verschiedene Gasproben angenommen wurde, die auf der y-Achse gezeichnet wurden, sowie die tatsächliche relative Dichte dieser Gasproben, die auf der x-Achse gezeichnet wurden.
Die relative Dichte, die für die wirksame Zusammensetzung berechnet wurde, liegt innerhalb von +/–0,00001 (2 Standardabweichungen) der tatsächlichen Werte.
Der Wobbe-Index (WI) eines Gases kann aus dem CV und der RD berechnet werden, die vorstehend berechnet wurden mithilfe der Gleichung:
Das Konzept der wirksamen Zusammensetzung kann mit anderen Standardverfahren verwendet werden, um solche Eigenschaften wie Komprimierbarkeit, Dichte etc. zu berechnen.
Die Erfindung kann unter Verwendung einer Vorrichtung mit einer geeigneten Anzahl an Sensoren oder Detektoren durchgeführt werden, wobei in diesem Fall ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor angeordnet ist, um die Wärmeleitfähigkeit eines Gases bei zwei Temperaturen zu messen, ein Schallgeschwindigkeitsdetektor sowie eine Steuereinrichtung, die zum Beispiel ein Computer sein könnte, um die entsprechende Verarbeitung durchzuführen. Solch eine Vorrichtung ist in 3 dargestellt. Ein Fluid, in diesem Fall Erdgas, wird in einen Kanal 1 geleitet. Ein Wärmeleitfähigkeitssensor 2 mit einer Einrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit des Erdgases bei zwei unterschiedlichen Temperaturen ist in dem Kanal bereitgestellt. Ein Gerät 3 zum Messen der Schallgeschwindigkeit des Erdgases ist ebenfalls bereitgestellt. Der Wärmeleitfähigkeitssensor 2 und der Schallgeschwindigkeitssensor 3 sind beide mit einer Steuereinrichtung 4 verbunden, die in diesem Fall ein Computer ist, um die Signale zu empfangen, die bezeichnend sind für die Wärmeleitfähigkeit des durchfließenden Erdgases bei zwei verschiedenen Temperaturen sowie die Schallgeschwindigkeit des durchfließenden Erdgases, um die wirksame Zusammensetzung des durchfließenden Erdgases zu bestimmen. Die Steuereinrichtung 4 kann ebenfalls die bestimmte wirksame Zusammensetzung verwenden, um einen Anteil zu berechnen, der bezeichnend ist für die Qualität des Gases.
Das Verfahren der Erfindung kann auf einem digitalen Speichermedium wie einer CD-ROM zur Installation auf einer geeigneten Vorrichtung, wie z. B. einem mit geeigneten Sensoren oder Detektoren verbundenen Computer, bereitgestellt werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen Zusammensetzung einer Mischung von Gasen, umfassend eine Mehrzahl von Kohlenwasserstoffgasen, wobei die wirksame Zusammensetzung die Mischung von Gasen repräsentiert, wobei das Verfahren umfasst: Auswählen von einem oder mehreren wirksamen Kohlenwasserstoffen, die in der wirksamen Zusammensetzung die Mehrzahl von Kohlenwasserstoffgasen in der Gasmischung repräsentieren, wobei die Anzahl von wirksamen Kohlenwasserstoffen geringer ist als die Anzahl von Kohlenwasserstoffgasen in der Gasmischung, deren wirksame Zusammensetzung bestimmt werden soll; Messen einer Anzahl von Eigenschaften der Gasmischung, deren wirksame Zusammensetzung bestimmt werden soll, wobei die zu messende Anzahl von Eigenschaften um eins geringer ist als die gesamte Anzahl von Komponenten in der zu bestimmenden wirksamen Zusammensetzung; und Bestimmen der wirksamen Zusammensetzung der Mischung von Gasen aus den Messungen der Eigenschaften der Gasmischung, unter Verwenden vorbestimmter Parameter (C1 bis C12) für jede Komponente, wobei die Parameter jeweils abhängig sind von einer der gemessenen Eigenschaften, und der Summe der Komponenten der wirksamen Zusammensetzung, die gleich 100% ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mischung von Gasen, deren wirksame Zusammensetzung bestimmt werden soll, Erdgas ist, das Kohlendioxid und Stickstoff zusätzlich zu einer Mehrzahl von Kohlenwasserstoffgasen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die drei Gaseigenschaften derart gemessen werden, dass insgesamt vier Komponenten für das Erdgas bestimmt werden, wobei zwei Komponenten wirksame Kohlenwasserstoffe sind, eine Kohlendioxid ist und eine Stickstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zwei wirksamen Kohlenwasserstoffe Methan und Propan sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die drei Gaseigenschaften, die gemessen werden, die Wärmeleitfähigkeit bei einer ersten Temperatur, die Wärmeleitfähigkeit bei einer zweiten Temperatur und die Schallgeschwindigkeit in dem Erdgas sind.
Bestimmung des Brennwertes, der relativen Dichte oder des Wobbe-Index von Erdgas aus einer wirksamen Zusammensetzung des Gases, die gemäß einem der vorstehenden Ansprüche bestimmt ist.
Vorrichtung zum Bestimmen einer wirksamen Zusammensetzung einer Mischung von Gasen, umfassend eine Mehrzahl von Kohlenwasserstoffgasen, wobei die wirksame Zusammensetzung die Mischung von Gasen repräsentiert, wobei die Vorrichtung umfasst: Steuermittel zum Auswählen von einem oder mehreren wirksamen Kohlenwasserstoffkomponenten, die in der wirksamen Zusammensetzung die Mehrzahl von Kohlenwasserstoffgasen in der Gasmischung repräsentieren, wobei die Anzahl von wirksamen Kohlenwasserstoffen geringer ist als die Anzahl von Kohlenwasserstoffgasen in der Gasmischung, deren wirksame Zusammensetzung bestimmt werden soll; Messmittel zum Messen einer Anzahl von Eigenschaften der Gasmischung, deren wirksame Zusammensetzung bestimmt werden soll, wobei die Anzahl von Eigenschaften, die durch das Messmittel gemessen werden sollen, um eins geringer ist als die Gesamtzahl von Komponenten der zu bestimmenden wirksamen Zusammensetzung, und Bestimmen der wirksamen Zusammensetzung der Mischung von Gasen aus den Messungen der Eigenschaften der Gasmischung, unter Verwenden vorbestimmter Parameter (C1 bis C12) für jede Komponente, wobei die Parameter jeweils abhängig sind von einer der gemessenen Eigenschaften, und der Summe der Komponenten der wirksamen Zusammensetzung, die gleich 100% ist.