DE69421319T2

DE69421319T2 - Vorrichtung zur Feststellen vom Wobbe-Index einer Gasmischung

Info

Publication number: DE69421319T2
Application number: DE69421319T
Authority: DE
Inventors: Kees Dijkstra; Hermanus Marie Verbeek
Original assignee: Nederlandse Gasunie NV
Current assignee: Nederlandse Gasunie NV
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2014-06-03
Also published as: DE69421319D1; EP0628815A1; ATE186118T1; DK0628815T3; US5482679A; ES2139045T3; EP0628815B1; NL9300984A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wobbezahl eines ersten Gasgemischs, mit einer Mischkammer, Mitteln zur Zufuhr des Gasgemischs zur Mischkammer über eine erste Anzahl von Öffnungen, Mitteln zur Zufuhr eines Oxidationsgases zur Mischkammer über eine zweite Anzahl von Öffnungen, Mitteln zur Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses zwischen der Menge des ersten Gasgemischs und der Menge des Oxidationsgases, welche der Mischkammer zugeführt werden, Mitteln zum Verbrennen des in der Mischkammer gebildeten zweiten Gasgemischs und Mitteln zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des nach der Verbrennung erhaltenen Abgases.
Zur Bestimmung der Wobbezahl von Gasgemischen sind verschiedene Arten von Vorrichtungen bekannt. Eine Anzahl davon sind in den NL-Patentanmeldungen 8802336, 8901660 und 9000449 beschrieben.
Bei diesen bekannten Einrichtungen wird das erste Gasgemisch, dessen Wobbezahl zu bestimmen ist, mit einem Oxidationsgas, wie Luft, gemischt. Dieses Mischen erfolgt in einer Mischkammer, die einerseits mit einer Zufuhr des ersten Gasgemischs und andererseits mit einer Zufuhr eines Oxidationsgases, wie Luft, verbunden ist. Es wird versucht, ein konstantes Verhältnis zwischen den Mengen des zugeführten ersten Gasgemischs und des Oxidationsgases zu erreichen und beizubehalten. Das erhaltene zweite Gasgemisch wird von der Mischkammer an eine Verbrennungskammer weitergeleitet, in welcher sie verbrannt wird. Der Sauerstoffgehalt des auf diese Weise erhaltenen Verbrennungsgases wird bestimmt. Zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Abgases wird eine sog. Lambdasonde verwendet. Im Allgemeinen geschieht dies unter Verwendung eines Überschusses an Luft.
Zur Bestimmung der Wobbezahl können dann verschiedene Verfahren verwendet werden. Bei einem ersten Verfahren wird der gemessene Wert des Sauerstoffgehaltes konstant gehalten. Das von der Lambdasonde stammende Signal wird dann verwendet, um entweder die Zufuhr des ersten Gasgemischs oder des Oxidationsgases zu regulieren, so dass der resultierende Sauerstoffgehalt konstant bleibt. Die Wobbezahl kann dann durch die Istwerte entweder der Strömungsgeschwindigkeit des ersten Gasgemischs oder der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases bestimmt werden. Dieses Verfahren gewährleistet, dass die Lambdasonde immer im selben Betriebsbereich verwendet wird, so dass, wenn Vorkeh rungen zum Konstanthalten der Temperatur vorhanden sind, die Charakteristik, und insbesondere die Alterung und folglich die Änderung in der Charakteristik der Lambdasonde, keinen Einfluss auf den gemessenen Wert der Wobbezahl haben. Bei anderen Verfahren wird der durch die Lambdasonde gemessene Sauerstoffgehalt direkt in einen Wert der Wobbezahl umgewandelt.
Bei Verwendung des zweiten Verfahrens ist es wichtig zu gewährleisten, dass zwischen der Menge des zugeführten ersten Gasgemischs und der Menge des zugeführten Oxidationsgases ein konstantes Verhältnis besteht. Zu diesem Zweck wird im Allgemeinen eine geeignete Vorrichtung vorhanden sein, um den Druck des ersten Gasgemischs in der Zufuhrleitung zur Mischkammer und den Druck des Oxidationsgases in der Zufuhrleitung zur Mischkammer aneinander anzupassen. In der Regel wird man bemüht sein, mit gleichen Drücken in den beiden Zufuhrleitungen zu arbeiten, da dies die technisch einfachste Lösung ist, doch ist es natürlich möglich, mit konstanten Druckverhältnissen zu arbeiten. Weiters ist es wichtig, die Temperatur des ersten Gasgemischs und der Luft auf gleiche Höhe zu bringen, um ein konstantes Gas-Luft- Verhältnis aufrechtzuerhalten.
In der Praxis zeigt es sich, dass die Menge des zur Mischkammer zuzuführenden Oxidationsgases beträchtlich größer sein muss als die Menge des ersten Gasgemischs. Im Fall von Erdgas muss beispielsweise die Menge an Luft etwa das 8-10fache der Erdgasmenge sein, um eine stöchiometrische Verbrennung zu erreichen. Im Falle einer Verbrennung mit überschüssigem Sauerstoff muss dieses Verhältnis sogar noch höher sein.
In Folge dieses notwendigen Luft-Gas-Verhältnisses muss der Durchmesser der Öffnung für die Zufuhr des Oxidationsgases größer als der Durchmesser der Öffnung für die Zufuhr des ersten Gasgemischs sein, wenn die Anzahl der Öffnungen gleich ist. Dieser Unterschied im Durchmesser hat einen Einfluss auf das Strömungsmuster durch die Öffnungen, und unter sich verändernden Bedingungen (Druck, Temperatur) werden sich die Strömungsmuster nicht in gleicher Weise verändern, was bewirkt, dass sich das Luft-Gas-Verhältnis in der Mischkammer verändert. Die oben erwähnte Auswirkung kann mit der Reynolds-Zahl beschrieben werden. Durch Anpassen des Durchmessers der Öffnung für das Oxidationsgas an den Durchmesser der Öffnung für das erste Gasgemisch wird durch die Erfindung sichergestellt, dass die Reynolds-Zahlen der beiden Strömungen gleich sind, und dass das erhaltene Luft-Gas- Verhältnis in der Mischkammer konstant bleibt. Die Anzahl der Öffnungen für die Zufuhr des Oxidationsgases muss dementsprechend größer sein als die Anzahl der Öffnungen für die Zufuhr des ersten Gasgemischs. Die genaue Anzahl der Öffnungen wird durch das erforderliche Luft-Gas-Verhältnis bestimmt.
Vorzugsweise verwendet man eine Zuführöffnung für das erste Gasgemisch und eine Anzahl von Zuführöffnungen für das Oxidationsgas. Wenn in der Zufuhrleitung des ersten Gasgemischs ein mehr oder weniger konstanter Druck aufrechterhalten bleibt, was in der Praxis im Allgemeinen der Fall ist, kann die Abmessung der Öffnung so festgelegt sein, dass eine solche Menge des ersten Gemischs durch dieses hindurchströmt, wie für die Bestimmung der Wobbezahl unter Verwendung dieses Verfahrens adäquat ist, ohne dass große Mengen des Gasgemischs verbraucht werden müssen.
Vorzugsweise wird die Zahl der Zuführöffnungen für das Oxidationsgas so ausgewählt, dass die Menge an zugeführtem Oxidationsgas größer ist als jene, die für eine stöchiometrische Verbrennung des zweiten Gasgemischs notwendig ist.
Auf diese Weise kann der Sauerstoffgehalt im Abgas, der durch die Lambdasonde gemessen wird, direkt für die Bestimmung der Wobbezahl herangezogen werden. ·
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, in welcher auf die beigefügte schematische perspektivische Zeichnung Bezug genommen wird, die den Zuleitungsteil für die verschiedenen Gase, die in eine Mischkammer strömen, zeigt.
Für eine genauere Beschreibung möglicher Ausführungsformen eines Wobbemessgerätes wird der Leser auf die oben erwähnten holländischen Patentanmeldungen 8802336, 8901660 und 9000449 verwiesen:
Das nachstehend beschriebene Zuleitungssystem kann zur Zufuhr der Gase zur Mischkammer, die bei diesen bekannten Wobbemessgeräten verwendet wird, verwendet werden.
Das in der Figur gezeigte Zuleitungssystem umfasst eine kreisförmige Platte 1, die um ihren Umfang herum mit einer Anzahl von Löchern 2 versehen ist. Die Platte 1 bildet einen Teil der Mischkammer und bildet eine Abdeckung für einen zylindrischen Raum 5, der durch eine Wand 3 und eine kreisförmige Basis platte 4 gebildet ist. In der kreisförmigen Platte 4 ist eine zentrale Öffnung 6 vorgesehen, die über eine Leitung 7 mit einer Zufuhr von Oxidationsgas, wie Luft, verbunden ist. Durch die Wand 4 tritt ein Rohr 20 hindurch, welches bis zur Platte 1 nach oben reicht und über ein Ventil 21 mit der Leitung 7 verbunden ist. Eine Öffnung 22 wurde in der Platte 1 über dem Ende des Rohres 20 erzeugt. An der anderen Seite tritt ein zweites Rohr 25 auf die selbe Weise durch die Platte 4 hindurch, welches Rohr mit einer Zufuhr eines Gases, dessen Wobbezahl zu bestimmen ist, verbunden ist. Das Rohr 25 ist über eine Öffnung 26 in der Platte 1 mit der Mischkammer verbunden.
In der dargestellten Ausführungsform ist das Zuleitungssystem für das Oxidationsgas daher mit der Mischkammer über acht Öffnungen 2 und gegebenenfalls, je nach der Postition des Ventils 21, auch über die Öffnung 22 verbunden, wogegen das Zuleitungssystem für das zu messende Gas mit der Mischkammer über eine Öffnung 26 verbunden ist.
Der Durchmesser der Öffnung 26 wird so gewählt, dass bei den vorherrschenden Druckverhältnissen die Gasströmungsmenge ausreicht, um eine stabile Messung zu ergeben. Ein für die Gasströmungsmenge günstiger Wert ist beispielsweise 60 Liter pro Stunde. Der Durchmesser der Öffnung 26 und die Dicke der Platte 1 sind von der selben Größenordnung, so dass keines der für Rohre typischen Strömungsphänomene auftritt.
Um den Einfluss einer Veränderung der Strömungsmuster der Strömungen des ersten Gasgemischs und des Oxidationsgases auf das erhaltene Luft-Gas-Verhältnis zu eliminieren oder zu begrenzen, ist es notwendig, den Durchmesser der Öffnungen für die Zufuhr des Oxidationsgases so zu wählen, dass die Reynolds-Zahlen für die beiden Strömungen gleich sind.
Zu diesem Zweck kann die folgende Berechnung durchgeführt werden, in welcher
Φ = Strömungsmenge
v = Geschwindigkeit
Δp = Druckabfall
ρ = Dichte
d = Durchmesser
η = Viskosität
- der Durchmesser der Gasöffnung 26 und die Gasströmungsmenge bekannt sind. Gemäß den Formeln (1) und (2) folgt daraus der Druckabfall an der Gasöffnung.
ΦGas = vGas * Fläche der Gasöffnung (1)
ΔPGas = 1/2 ρGas * v²Gas (2)
- unter der Voraussetzung der oben erwähnten Vorkehrungen bezüglich der Drücke in den Zuleitungen des ersten Gasgemischs und des Oxidationsgases ist nun auch der Druckabfall an den Luftöffnungen 2 bekannt:
ΔPLuft = ΔPGas
vLuft = ΔPLuft/ 1/2 PLuft (3)
- die Reynolds-Zahl wird folgendermaßen definiert:
Re = ρvd/η (4)
- das Verhältnis der Durchmesser der Öffnungen für die Zufuhr des ersten Gasgemischs und des Oxidationsgases wird dadurch erhalten, dass die Reynolds-Zahlen gleichgesetzt werden:
- daraus kann der Durchmesser der Öffnungen für die Zufuhr des Oxidationsgases berechnet werden. Wenn der Durchmesser der Öffnung bekannt ist, ist auch die Strömungsmenge durch eine Öffnung bekannt, und durch Bezugnahme auf die erforderliche Gesamtmenge des Oxidationsgases kann die benötigte Anzahl der Öffnungen für die Zufuhr des Oxidationsgases dann berechnet werden. (Da sich die Viskosität und die Dichte des Gases je nach der Zusammensetzung verändern, müssen Durchschnittswerte in den Formeln 2 und 5 für die Dichte und die Viskosität des ersten Gasgemischs eingesetzt werden).
Die Öffnung 22 hat die selben Abmessungen wie die Öffnungen 2 und macht es möglich, dass das Wobbemessgerät unter Verwendung von nur einem Eichgas anstelle der üblichen zwei Eichgase geeicht wird. "Eichgas" bedeutet hier ein Gas mit bekannter Wobbezahl.
Das verwendete Eichverfahren ist wie folgt. Bei geschlossener Position des Ventils 21 wird ein Eichgas über die Leitung 25 und ein Oxidationsgas über die Leitung 7 zugeführt. Auf diese Weise wird ein Punkt der Eichkurve: Sauerstoffgehalt/Wobbezahl fixiert. Diese Messung wird nachfolgend wiederholt, wobei sich das Ventil 21 in der geöffneten Position befindet. Es wird daher eine Situation simuliert, in welcher ein zweites Eichgas mit einer niedrigeren Wobbezahl dem Messgerät zugeführt wird.
Da die Öffnung 22 den Öffnungen 2 gleicht, ist es bekannt, wieviel zusätzliches Oxidationsgas der Mischkammer zugeführt wird, und die Wobbezahl des simulierten zweiten Eichgases und der zweite Punkt der Eichkurve können bestimmt werden. Daraus ist die Eichkurve des Wobbemessgerätes bekannt.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Wobbezahl eines ersten Gasgemischs, mit einer Mischkammer, Mitteln zur Zufuhr des Gasgemischs zur Mischkammer über eine erste Anzahl von Öffnungen, Mitteln zur Zufuhr eines Oxidationsgases zur Mischkammer über eine zweite Anzahl von Öffnungen, Mitteln zur Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses zwischen der Menge des ersten Gasgemischs und der Menge des Oxidationsgases, welche der Mischkammer zugeführt werden, Mitteln zum Verbrennen des in der Mischkammer gebildeten zweiten Gasgemischs, und Mitteln zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des nach der Verbrennung erhaltenen Verbrennungsgases, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Durchmesser der Öffnungen für die Zufuhr des ersten Gasgemischs und des Oxidationsgases zur Mischkammer so gewählt ist, dass die Reynolds-Zahlen der Strömungen des ersten Gasgemischs und des Oxidationsgases durch die Öffnungen gleich sind, und dass die Anzahl der Öffnungen durch das gewünschte Verhältnis der Strömungsmengen des ersten Gasgemischs und des Oxidationsgases bestimmt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführöffnung für das erste Gasgemisch und eine Anzahl von Zuführöffnungen für das Oxidationsgas verwendet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zuführöffnungen für das Oxidationsgas größer ist als für eine stöchiometrische Verbrennung des zweiten Gasgemischs notwendig ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Zuführöffnungen für einen der Gasströme, für welchen mehrere Zuführöffnungen vorhanden sind, abgesperrt werden kann.