KR100362820B1 - 가스의 열량값 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

장치(2)가 챔버(4)를 포함하며, 이 챔버로는 해당 가스, 예를 들어 천연 가스가 유입구(6)를 통해 공급되고 유출구(8)를 통해 빠져나간다. 주위 온도에서의 음속(SoS)은 전자 제어와 같은 임의의 적절한 방법과 계산 수단(14) 및 초음파 에미터(10) 및 초음파 리시버(12)를 사용해서 측정된다. 주위 온도(Ta)는 온도 센서(22)에 의해 관찰되며, 열전도율 센서는 주위 온도보다 높은 2개의 상이한 온도에서 가스의 열전도율을 측정한다. 열전도율의 한 개의 값(ThCH)은 주위 온도보다 높은 70℃에서 측정되고, 열전도율의 다른 값(ThCL)은 주위 온도보다 높은 50℃에서 측정된다. 제어 수단(14)은 수학식 CV = a.ThCH+ b.ThCL+ c.SoS + d.Ta+ e.Ta 2+ f (여기서, a, b, c, d, e, f는 상수)에 따라 열량값(CV)을 계산한다.

Description

가스의 열량값 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE CALORIFIC VALUE OF A GAS}
가스는 연료 가스, 예를 들어 천연 가스일 수 있다. 천연 가스는 메탄일 수 있으며, 이산화탄소 및/또는 질소를 더 포함할 수 있다. 메탄 이외에도 천연 가스는 적어도 하나의 다른 탄화수소 가스, 예를 들어 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 또는 헥산을 포함할 수 있다.
본 발명은 가스의 열량값을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명이 실행될 수 있는 장치를 도식적으로 도시하고 있으며,
도2는 본 발명을 이용한 피드 포워드(feed forward) 공기/연료 가스 제어 시스템의 도식적인 일례를 도시하고 있다.
본 발명에 따르면, 가스의 열량값을 측정하는 방법은 가스내에서의 음속을 측정하는 단계와, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 단계와, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 단계와, 상기 음속과 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 열량값을 발생시키는 작업에서 음속과 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 가스의 열량값을 측정하는 장치는 가스내에서의 음속을 측정하는 수단과, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 수단과, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 수단과, 상기 음속과 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 열량값을 발생시키는 작업에서 음속과 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 수단을 포함한다.
이제 첨부 도면을 참조해서 본 발명을 일례를 들어 더욱 자세히 설명하기로 한다.
도1을 참조하면, 가스의 열량값을 측정하는 장치(2)는 가스가 유입구 도관(6)을 통해 공급되고 유출구 도관(8)을 통해 빠져나가는 챔버(4)를 구비한다. 유입구 도관(6)은 예를 들면 구리코일과 같은 열교환 수단(6A)을 포함하는데, 이 열교환 수단에 의해서 유입 가스의 온도는 외부 대기의 주위 온도와 실질적으로 동일한 값으로 조정될 수 있으며, 이에 의해 챔버(4) 내의 가스는 실질적으로 균일한 온도로 된다. 챔버(4)는 초음파 에미터 변환기(10)와 초음파 리시버 변환기(12)를 포함한다. 컴퓨터 수단을 포함한 전자 제어 수단(14)이 신호 발생기(16)에 접속됨으로써 제어 수단(14)의 제어하에서 신호 발생기는 변환기(10)가 원하는 초음파 신호(18)를 방출하게 한다. 초음파 신호(18)는 변환기(12)에서 수신되며, 이들 신호의 수신은 라인(20)을 거쳐서 제어 수단(14)으로 신호 전달된다. 변환기(10, 12)들간의 초음파 신호의 비행(flight) 시간은 SoS를 계산하도록 배치되어 있는 제어 수단(14)에 의해 측정되며, 여기서 SoS는 단위가 미터/초(m/s)인 음속이다.
필요에 따라서는 가스 속에서의 음속을 측정하는 몇몇 다른 수단들이 사용될 수 있는데, 예를 들면 US4938066호에 개시된 것과 같은 것이 있다. 그러나, 가장 바람직한 방법은 영국 특허 출원 제GB9813509.8호, 제GB9813513.0호 및 제GB9813514.8호에 개시된 것들이다. 이들 출원들은 공진기 내에서 가스의 음속을 측정하기 위해 공진기의 사용을 개시하고 있다. 마이크로프로세서를 포함하거나 마이크로프로세서 형태로 될 수 있는 구동 전자 회로가 적절한 범위의 주파수에 걸쳐서 사인 곡선 신호를 발생시켜 확성기(loudspeaker)를 구동하도록 배치된다. 확성기는 음향 신호를 공진기의 내부에 적용하도록 배치된다. 마이크로폰이 공진기 내에서 음향 신호의 세기를 탐지하도록 배치된다. 마이크로폰으로부터의 신호는 적절한 전자 회로에 의해 필터링되고 증폭되며, 처리 수단이 음속을 결정하기 위하여 공진기 내에서 가스와 관련된 공진 주파수를 결정한다.
챔버(4) 내의 온도 센서(22)가 주위 온도의 값을 나타내는 데이터를 라인(24)을 통해 제어 수단(14)에 제공한다.
주위 온도 센서(22)는 열전도율 관측 수단(30)을 포함하는 열전도율 센서(28)의 일부일 수 있다. 열전도율 센서(28)는 독일 마인주 프랑크푸르트시의 하르트만 브라운 아게사로부터 입수가능한 소형의 열전도율 마이크로센서 모델형 TCS208일 수 있다.
가스의 열전도율을 관측하는 열전도율 관측 수단(30)은 제어 수단(14)으로부터의 라인(32)을 통해 전달된 신호에 응답해서, 센서(22)에 의해 관측된 주위 온도보다 높게 선택된 하나 이상의 희망 온도에서 작동할 수 있는 가열기 수단을 구비하며, 희망 온도에서의 가스의 열전도율을 나타내는 신호가 라인(34)을 통해 제어 수단으로 보내진다.
제어 수단(14)은 열전도율 센서(28)가 2개의 서로 다른 희망 온도(tH, tL)에서 가스의 열전도율을 측정하도록 조정되는데, 여기서 tH는 센서(22)에 의해 관측된 주위 온도 보다 소정의 희망 온도치(t1)가 높은 온도이고, tL은 주위 온도보다 소정의 희망 온도치(t2)가 높은 온도이며; t1은 t2보다 크다.
가스 속에서의 소리 속도의 관측 또는 측정된 값과, 온도(tH, tL)에서의 가스의 열전도율과, 센서(22)에 의해 관측된 가스의 주위 온도값을 사용해서, 제어 수단(14)은 다음 수학식 1을 이용해서 가스의 열량값을 계산한다.
CV = a.ThCH+ b.ThCL+ c.SoS + d.Ta+ e.Ta 2+ f
여기서, CV는 열량값, ThCH는 온도(tH)에서의 가스의 열전도율, ThCL은 온도(tL)에서의 가스의 열전도율, SoS는 주위 온도에서 가스내의 음속, Ta는 센서(22)에 의해 관측된 가스의 주위 온도, 그리고 a, b, c, d, e, f는 각각의 상수이다.
해당 가스는 2개 이상의 가스 혼합물일 수 있으며, 여기서 혼합물의 조성비율은 변할 수 있다. 예를 들어, 해당 가스는 연료 가스일 수 있다. 그러한 연료 가스는 천연 가스일 수 있다. 천연 가스는 메탄과, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 또는 헥산중에서 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이산화탄소 및/또는 질소를 더 포함할 수 있다.
수학식 1에서 상수 a, b, c, d, e, f를 도출하기 위해서, 회귀 분석(regression analysis)으로 알려진 수학적 기법이 해당 가스와 관련해서 수집된 데이터에 대해 사용될 수 있다. 혼합물에서의 가스의 비율은 다수의 상이한 샘플을 형성하도록 변화될 수 있다. 색층 분석 방법(chromatographic methods)을 사용해서 샘플의 열량값(CV)이 얻어지고, 이 샘플의 주위 온도(Ta)가 측정되며, 이 샘플의 열전도율(ThCH, ThCL)이 측정된다. 이것이 각 샘플에 대응하는 한 세트의 측정값을 얻기 위하여 차례로 각 샘플에 대해 행하여진다. 측정값의 세트들이 수학식 1에 대입되고 상수 a, b, c, d, e, f의 최적값이 도출된다. 영국에 있는 많은 지역의 해안에서 나오는 천연 가스의 경우에 있어서, 다양한 장소에서 나온 샘플들과 또한, 실험실에서는 메탄과 프로판의 다양한 혼합물로 대표되는 메탄과 에탄, 메탄과 부탄, 메탄과 펜탄, 그리고 메탄과 헥산의 혼합물의 실험실에서의 인공적 복제품인 가스 동등물 그룹들에 대해 회귀 분석이 수행되었다.
수학식 1이 천연 가스와 가스 동등물 그룹에 적용되고 회귀 분석이 사용될 때 상수들에 대한 다음과 같은 값들이 도출되었다.
a = 36.25649
b = -45.5768
c = 0.047029
d = 0.091067
e = 0.00074
f = 24.18731
여기서, CV는 단위가 MJ/m3 st(메가주울/표준 입방 미터)인 가스의 열량값, ThCH는 주위 온도(Ta)보다 대략 섭씨 70도 이상의 온도에서 얻어지는 단위가 W/m.K(여기서 K는 켈빈 온도)인 가스의 열전도율, ThCL은 주위 온도보다 대략 섭씨 50도 이상인 온도에서 얻어지는 단위가 W/m.K인 가스의 열전도율, SoS는 단위가 m/s인 가스 속에서의 음속, Ta는 단위가 섭씨 온도인 가스의 주위 온도이다.
천연 가스에 대한 수학식 1의 상기 적용 시에, t1의 값은 대략 70℃이고, t2의 값은 대략 50℃이다. 따라서, 열전도율(ThCH, ThCL)이 측정된 온도(TH, TL) 간의 차는 약 20℃[(Ta+ 70) - (Ta+ 50) = 20)]이다.
제어 수단(14)에 의해 계산된 가스 열량값(CV)의 값은 시각적으로 표시 및/또는 인쇄될 수 있으며, 이밖에도 제어 수단으로부터의 신호에 응답해서 기록 수단(36)에 의해 기록될 수 있다.
공지된 적절한 기술에 의해서 제어 수단(14)에는 가스의 상대 밀도를 나타내는 정보가 제공될 수 있으며 또는 가스의 상대 밀도(RD)를 계산할 수 있게 해주는 정보가 제공될 수 있다. 제어 수단(14)은 다음 수학식 2를 사용해서 가스의 웨버 지수(Wobble Index)의 값을 계산하거나 또는 얻을 수 있다.
상대 밀도를 측정하는 방법은 1997년 7월 22일자로 출원된 본 출원인의 공동 계류 중인 영국 특허 출원 제GB9715448.8호에 기재되어 있다.
연료 가스가 어떤 공정(예컨대 로, 가마, 압축기, 엔진 등)에서 연소될 때 일정한 형태의 제어 시스템이 최적연소가 이루어지도록 산소(이 경우엔 공기의 형태임)/연료 가스비를 설정하기 위해 사용된다. 연료 가스 조성 변화의 편차를 부분적으로 고려하기 위해서 여분의 공기량이 허용된다. 이러한 허용은 여분의 공기가 가열되고 통기되고 있기 때문에 상기 공정이 실제 가능한 것보다 덜 효율적으로 운전되고 있음을 의미한다.
그러나, 본원 발명에 의해 얻어질 수 있는 연료 가스 품질을 지시하는 열량값 또는 웨버 지수의 측정치는 유용한 제어의 정밀성을 향상시키고 보다 나은 효율을 달성하기 위하여 피드 포워드 제어 계획에 사용될 수 있다.
그러한 제어를 수행하기 위한 장치가 도2에 도시되어 있다. 연료 가스는 파이프와 같은 도관(40)을 거쳐서 로, 가마, 압축기 또는 엔진과 같은 가스 연소 공정(41)으로 공급되며, 공기 형태의 산소가 다른 도관(42)을 거쳐서 공정(41)으로 공급된다. 도관(40) 내로 일시적으로 삽입 가능한 하나 이상의 탐침 또는 하나 이상의 영구적 고정물 형태의 적절한 장치(43)가 도관(40)을 통과하는 연료 가스의 음속, 두 온도(tH, tL)에서의 가스의 열전도율(ThCH, ThCL) 및 가스의 주위 온도(Ta)를 측정하도록 배치된다. 연료 가스의 음속(SoS), 열전도율(ThCH, ThCL) 및 가스의 주위 온도(Ta)는 장치(43)에 의해 측정되고 연결부(44)를 거쳐 제어 수단(45)으로 보내지는데, 이 제어 수단은 예를 들어 마이크로프로세서 또는 컴퓨터일 수 있다. 제어 수단(45)은 앞에서 설명한 바와 같이 장치(43)로부터 수신된 측정치로부터 연료 가스의 열량값(CV)을 결정한다. 가스 품질에 대한 측정이 이루어지고 나면, 제어 수단은 더 나은 효율을 얻기 위해 산소/연료 가스비 제어 시스템(46, 47)을 사용하여 공기/연료 가스비 설정점을 조정할 수 있다. 이 경우에 산소/연료 가스 제어 시스템은 연료 가스 및 공기 도관(40, 42)의 각각에 하나씩 배치되고 양자 모두는 연결부(48, 49)를 통해 제어 수단(45)에 의해 제어되는 2개의 가변 개방 밸브(46, 47)를 포함한다. 다르게는, 산소/연료 가스 제어 시스템이 도관(40, 42)들 중 한 곳에만 배치되는 하나의 가변 개방 밸브를 포함할 수도 있다.

Claims (29)

  1. 삭제
  2. 가스내에서 음속을 측정하는 단계와, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 단계와, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 단계 및 상기 음속과 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 열량값을 산출하는 작업에서 음속과 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 열량값은 다음 수학식 1의 사용과 관련된 절차에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
    (수학식 1)
    CV = a.ThCH+ b.ThCL+ c.SoS + d.Ta+ e.Ta 2+ f
    (여기서, CV는 열량값, ThCH는 상기 제1 온도에서의 가스의 제1 열전도율, ThCL은 상기 제1 온도보다 낮은 상기 제2 온도에서의 가스의 제2 열전도율, SoS는 주위 온도에서 가스내에서의 음속, Ta는 상기 열전도율들이 측정되는 상기 가스의 주위 온도이고, 제1 및 제2 온도는 상기 주위 온도보다 크며, a, b, c, d, e, f는 상수)
  4. 제3항에 있어서, SoS는 단위가 m/s인 음속, 열전도율은 단위가 와트/미터 x 켈빈 온도(W/m.K), 온도(Ta)와 제1 및 제2 온도는 단위가 섭씨 온도, 열량값은 단위가 메가주울/표준 입방 미터(MJ/m3 st)인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 가스는 연료 가스인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 연료 가스는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 가스는 메탄인 적어도 하나의 탄화수소 가스를 포함하는 천연 가스이고, 상기 천연 가스는 이산화탄소 및/또는 질소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  8. 제3항에 있어서, 제1 온도는 주위 온도보다 실질적으로 70℃ 이상인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  9. 제3항에 있어서, 제2 온도는 주위 온도보다 실질적으로 50℃ 이상인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    a는 실질적으로 36.25649,
    b는 실질적으로 -45.5768,
    c는 실질적으로 0.047029,
    d는 실질적으로 0.091067,
    e는 실질적으로 0.00074,
    f는 실질적으로 24.18731인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 방법.
  11. 삭제
  12. 다음의 수학식 2를 이용하는 것을 특징으로 하는 가스의 웨버 지수 측정 방법.
    (수학식 2)
    (여기서, WI는 웨버 지수, RD는 가스의 상대 밀도, CV는 제2항 내지 제4항 또는 제 6항 내지 제10항중 어느 한 항의 방법에 의해 얻어진 열량값)
  13. 삭제
  14. 가스내에서 음속을 측정하는 수단과, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 수단과, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 수단과, 상기 음속과 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 열량값을 산출하는 작업에서 음속과 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
  15. 제14항에 있어서, 열량값은 다음 수학식 1의 사용과 관련되는 절차에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
    (수학식 1)
    CV = a.ThCH+ b.ThCL+ c.SoS + d.Ta+ e.Ta 2+ f
    (여기서, CV는 열량값, ThCH는 상기 제1 온도에서의 가스의 제1 열전도율, ThCL은 상기 제1 온도보다 낮은 상기 제2 온도에서의 가스의 제2 열전도율, SoS는 주위 온도에서 가스내에서의 음속, Ta는 상기 열전도율들이 측정되는 상기 가스의 주위 온도이고, 제1 및 제2 온도는 상기 주위 온도보다 크며, a, b, c, d, e, f는 상수)
  16. 제15항에 있어서, SoS는 단위가 m/s인 음속, 열전도율은 단위가 와트/미터 x 켈빈 온도(W/m.K), 온도(Ta)와 제1 및 제2 온도는 단위가 섭씨 온도, 열량값은 단위가 메가주울/표준 입방 미터(MJ/m3 st)인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 가스는 연료 가스인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
  18. 제17항에 있어서, 연료 가스는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
  19. 제16항에 있어서, 가스는 메탄인 적어도 하나의 탄화수소 가스를 포함하는 천연 가스이고, 상기 천연 가스는 이산화탄소 및/또는 질소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
  20. 제15항에 있어서, 제1 온도는 주위 온도보다 실질적으로 70℃ 이상인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
  21. 제15항에 있어서, 제2 온도는 주위 온도보다 실질적으로 50℃ 이상인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    a는 실질적으로 36.25649,
    b는 실질적으로 -45.5768,
    c는 실질적으로 0.047029,
    d는 실질적으로 0.091067,
    e는 실질적으로 0.00074,
    f는 실질적으로 24.18731인 것을 특징으로 하는 가스의 열량값 측정 장치.
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