KR102478378B1 - 이수소를 함유할 수 있는 가스의 연소 특성을 추정하는 방법 - Google Patents

이수소를 함유할 수 있는 가스의 연소 특성을 추정하는 방법 Download PDF

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Abstract

연료 가스 계열에 속하는 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성을 추정하는 방법으로서, 상기 적어도 하나의 특성은 웨버 지수 또는 고위발열량이고, 하기를 포함하는 방법:
ㆍ 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성을 측정하는 단계(E01);
ㆍ 상기 연료 가스에 함유된 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00302
를 측정하는 단계(E02);
ㆍ 상기 적어도 하나의 특성
Figure 112019073166692-pct00303
은 하기 경험적 아핀 관계를 사용하여 추정된다(E03):
Figure 112019073166692-pct00304

식 중:
α, β, 및 γ는 상기 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고;
Figure 112019073166692-pct00305
는 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정된 값으로부터 준비된 상기 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다.

Description

이수소를 함유할 수 있는 가스의 연소 특성을 추정하는 방법
본 발명은 연료 가스 계열의 일부를 형성하는 연료 가스의 연소 특성을 추정하는(estimating) 일반적인 분야에 관한 것으로, 상기 적어도 하나의 특성은 웨버 지수(Wobbe index) 또는 고위발열량(higher heating value)이다.
본 발명의 특정 응용분야는 이수소(dihydrogen)를 함유하는 연료 가스, 예를 들어 0 부피% 내지 20 부피%의 범위에 있는 이수소의 양을 함유하는 연료 가스의 연소 특성을 추정하는데 있다.
재생가능한 에너지 공급원을 사용하려면, 그와 같은 재생가능한 공급원이 간헐적이며 에너지 요건과 상관없는 방식으로 작동할 수 있기 때문에, 때때로 에너지를 저장하는 수단을 사용해야 한다. 이것은 특히 광전지 에너지 생산 또는 풍력 터빈(wind turbine)을 사용하여 전기를 생산할 때 적용된다.
재생가능한 에너지 공급원에서 나오는 에너지를 저장하는 수단으로 물을 전기분해하여 수득된 이수소를 사용하는 것이 제안되었다.
이런 식으로 생성된 이수소는 후속적으로 저장고, 예를 들어 지하에 저장될 수 있거나, 또는 천연가스 분배 네트워크 내로 주입될 수도 있다. 따라서, 수득된 가스는 0% 내지 20% 범위의 이수소를 함유할 수 있다.
연료 가스의 밀도의 제곱근에 대한 발열량의 비인 웨버 지수 (노말 입방 미터당 킬로와트 시간 (kWh/Nm3), 및 고위발열량 (kWh/Nm3)은 가정용이든 산업용이든 가스 버너의 연소 설정에 영향을 주는 연료의 2가지 주요 특징적인 크기(magnitude)이다.
가스의 적용분야 유형, 및 사용된 측정 수단 (유량이 흡인-발생 수단에 의해 측정되는지와 관계없이)에 따라, 이들 두 가지 파라미터 중 하나 또는 다른 것이 고려된다.
예로써, 일정한 공급 압력으로 공급되는 인젝터 (예를 들어 쿡탑 또는 리본 버너)의 경우, 전달되는 전력은 압력, 인젝터의 관통부(through section), 손실 수두(head loss), 및 연료의 웨버 지수에 따라 달라진다.
질량 또는 부피 유량계가 이용가능한 적용분야의 경우, 전달되는 전력은 측정된 유동과 발열량에 따라 달라진다.
구체적으로, 버너에 의해 전달된 열은 웨버 지수, 또는 고위발열량 (HHV)에 비례한다. 마찬가지로, 유럽에서 유통되는 수소가 없는 천연가스의 경우, 화학양론적 연소를 얻기 위해 필요한 공기의 양은 연료 가스의 이러한 특성 중 하나 또는 다른 것에 좌우된다.
천연가스를 운송 및 유통하기 위한 유럽의 네트워크가 점점 더 복잡해지고 다양한 공급원에 의해 공급되기 때문에 천연가스의 특성 (그 중에서도, 웨버 지수 및 HHV)이 시간이 지남에 따라 네트워크의 임의의 주어진 지점에서 무시할 수 없는 방식으로 (±5% 이상) 달라질 수 있음을 알아야 한다.
이를 염두에 두고, 유리 제조, 세라믹, 전기 생산, 석회, 및 야금 산업에서 수행되는 것과 같은 산업 공정은 이러한 변화에 민감하다. 그 결과, 연소를 최적화하기 위해서는 연소를 조절하기 위한 특정 해결책을 사용해야 한다. 이러한 유형의 조절을 수행하기 위해 웨버 지수 또는 고위발열량을 측정할 수 있다.
천연가스에는 이러한 파라미터를 간단하고 견고하며 정확하게 측정하는 기술적 해결책이 있다. 그러나 이수소가 연료에 존재할 때에는 그러한 해결책은 부족하다. 이수소의 부피이 1%를 초과하면 이러한 파라미터를 측정하는데 오류가 크게 증가하며 측정이 반복가능하다는 보장이 없다.
게다가, 산업용 장비, 및 심지어 가정용 장비는 매우 적은 비율로도 이수소가 추가되는 것에 민감할 수 있다.
그 결과, 유리 제조 또는 야금 공정과 같은 민감한 용도뿐만 아니라 네트워크 사업자(network operator)가 사용자에게 배달되는 가스 연료의 연소 특성을 국지적으로 관리할 수 있도록 이러한 신규 연료의 주요 연소 파라미터를 연속적으로 정량화할 수 있는 신규한 측정 장치가 필요하다.
웨버 지수 및 발열량을 측정하거나 추정하기 위한 방법이 제안되어왔다.
특히, 0이 아닌 비율(non-zero proportion)의 이수소를 포함할 가능성이 있는 천연가스의 웨버 지수 및/또는 발열량을 측정하는데 사용될 수 있는 4가지 장치 군이 하기와 같이 있다:
-　열량 측정법 (발열량 측정용): 측정에는 제어된 양의 가스를 연소시키는 것이 포함된다. 그 후에, 발산된 에너지는 (가스 또는 물) 열 교환기를 가로지르는 입력/출력 온도 차이에 의해 정량화된다. 정확도는 약 10% (즉 1.1 kWh/Nm3)이지만 각각의 측정에는 약 10분 (min)이 소요된다. 그 기술은 조금씩 폐기되고 있다.
-　연소 측정 (웨버 지수 측정용): 측정에는 공기/가스 혼합물의 연소가 포함된다. 연소 생성물 내의 산소 함량은 지르코니아 프로브에 의해 측정된다. 잔류 산소 함량은 천연가스의 경우 그 자체로 웨버 지수와 상관관계가 있는 연소성 지수(combustibility index)와 상관관계가 있다. 이러한 유형의 장치 비용은 약 €15,000이다. 이러한 유형의 장비는 이수소 함량이 낮은 혼합물로 작동한다. (5 부피%보다 큰 이수소 함량의 경우, 웨버 지수는 연소성 지수에 더 이상 선형으로 비례하지 않는다). 이 기술의 단점은 약 5% (즉 0.75　kWh/Nm3) 정도로 정확도가 낮고 상당한 유지 보수 (혼합물의 연소가 일어나는 오븐의 고온으로 인한 노화)이다.
- 기상 크로마토그래피 (웨버 지수 및 발열량 측정용): 이 기술은 가스 혼합물로부터 분자를 분리하는 역할을 한다. 이후 웨버 지수 및 발열량은 가스의 조성에 대한 지식에 기초하여 계산될 수 있다. 고출력 연료 연소 장비 (예를 들어 가스 터빈)의 경우, 기상 크로마토그래피가 열량 측정법 및 연소 측정을 대체하였다. 이러한 측정 장치의 정확도는 약 0.5% (즉 웨버 지수의 경우 0.08　kWh/Nm3) 정도로 더 양호하다. 이러한 유형의 장비도 또한, 장비에 이수소 분자를 분리할 수 있는 특정 센서가 장착되어 있다면, 천연가스와 이수소의 혼합물로 작동할 수 있다. 기상 크로마토그래피의 주요 단점은 최근 개선 사항을 고려한 경우에도 비용이다 (비용 가격은 €20,000 ~ €50,000의 범위에 있을 수 있음). 게다가, 최상의 상황에서도, 기상 크로마토그래피 장비의 반응 시간은 약 1분 정도이다. 따라서, 측정되는 가스와 연료 연소 장비 (예를 들어 버너)에 의해 실제로 사용되는 가스 간에 불일치가 있을 수 있다.
- 상관 장치(correlation apparatus) (웨버 지수 및 고위발열량 측정용): 웨버 지수 또는 고위발열량과 상관된 하나 이상의 물리적 크기가 그러한 장치에서 측정된다. 이때 컴퓨터에 의해 수행된 상관관계가 웨버 지수 또는 HHV를 추정하는데 사용된다. 이러한 유형의 장치는 유럽에서 유통되는 종류의 천연가스에 대해 최대 1%의 정확도를 얻을 수 있게 한다. 이러한 유형의 기술의 이점은 응답 속도 (즉각적), 비용 (€10,000 ~ €20,000 범위), 견고성 및 유지 보수의 감소이다. 그럼에도 불구하고, 시중의 장치는 천연가스와 이수소의 혼합물로 작동하지 않는다. 실제 천연가스 (순 메탄을 포함하지 않음)가 몇 부피 퍼센트로 존재하는 이수소를 포함하면 오류가 급격히 증가한다.
선행기술로는 상관관계에 의한 웨버 지수를 측정하기 위한 장치를 기술한 문헌 EP 1 346 215가 포함된다.
또한, 기술한 문헌 US 4 384 792가 공지되어 있고, 이는 상관관계에 의한 가스 연료의 웨버 지수를 측정 및 조절하고, 웨버 지수를 조절하는 장치이다.
또한, 문서 US 6 244 097이 공지되어 있으며, 이는 상관관계에 의한 가스 연료의 발열량을 측정하는 장치를 개시한다.
마지막으로, 공지된 문헌 DE 4 118 781은 상관관계에 의한 가스 연료의 발열량 및 웨버 지수를 측정하는 장치를 개시한다.
이들 문헌에 개시된 해결책은 상관 장치의 단점을 제시한다. 특히, 그것은 연구중인 연료가스가 이수소를 포함하면 정확도가 너무 낮기 때문에 사용하기에 적합하지 않다.
게다가, 상기에서 언급된 바와 같이, 천연가스 및 이수소의 혼합물로 작동할 수 있는 다른 장치는 특히 고가여서, 주요 산업 그룹에 설치될 수 있는 종류의 고전력 장비에 적용하는 것이 제한된다.
본 발명은 특히 이러한 단점의 적어도 일부를 완화하고자 한다.
발명의 목적 및 요약
본 발명은 연료 가스 계열(family)에 속하는 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성을 추정하는 방법을 제안함으로써 이러한 요구를 충족시키며, 상기 적어도 하나의 특성은 웨버 지수 또는 고위발열량이며, 상기 방법은 하기를 포함한다:
ㆍ 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성을 측정하는 단계;
ㆍ 상기 연료 가스에 함유된 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00001
를 측정하는 단계;
ㆍ 상기 적어도 하나의 특성
Figure 112019073166692-pct00002
은 하기 경험적 아핀(affine) 관계를 사용하여 추정된다:
Figure 112019073166692-pct00003
식 중:
α, β, 및 γ는 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고;
Figure 112019073166692-pct00004
는 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정된 값으로부터 준비된 상기 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다.
따라서, 이 방법은 상관 유형 절차와 관련되므로, 이 방법은 간단하고 저렴하게 시행될 수 있으며, 이 방법은 결과를 매우 신속하게 얻을 수 있게 한다.
본 발명은 선행기술 방법과는 달리, 연료 가스 내의 이수소 함량을 고려한다.
본 발명은 0% 내지 20% 범위의 이수소 부피 함량을 갖는 연료 가스에 적용가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명자들은 보다 고위 발열량 및 웨버 지수 둘 모두를 추정하기 위해 동일한 형태의 경험적 아핀 관계를 사용하는 것이 가능하다는 것을 관찰하였다.
지시에 따라, 연료 가스의 여러 상이한 유동 특성은, 그것이 측정되는 고위발열량인지 아니면 웨버 지수인지에 따라, 측정될 수 있다. 환언하면, 변수
Figure 112019073166692-pct00005
는 그것이 측정되는 고위발열량인지 아니면 웨버 지수인지에 따라 다른 형태를 가질 수 있다.
또한, 계수 α, β, 및 γ는 상수일 필요는 없으며, 고위발열량 또는 웨버 지수가 측정되는지에 따라 달라질 수 있다.
또한, 연료 가스의 유동 특성은 유동 수단으로 측정된 특성이고, 이들은 유량, 온도, 또는 사실상 압력을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다는 것을 알아야 한다.
변수
Figure 112019073166692-pct00006
는 가스의 물리적 특성을 나타낸다. 지시에 따라, 변수
Figure 112019073166692-pct00007
는 연료 가스의 점도, 그것의 비열용량 (단위 중량당) 또는 사실상 그것의 밀도와 같은 하나 이상의 물리적 특성과 연관될 수 있다. 변수
Figure 112019073166692-pct00008
가 이러한 물리적 특성을 나타내거나 연관되어 있다고 하면 이러한 물리적 특성을 연관시키는 수학 함수 형태로 표기될 수 있음을 의미한다. 변수
Figure 112019073166692-pct00009
는 물리적 특성과 연관된 수학 함수의 형태와 또한 연료 가스의 유동 특성을 연관시키는 수학 함수의 형태 둘 다로 표기될 수 있으며, 그 이유는 이러한 특성이 변수
Figure 112019073166692-pct00010
를 준비하는데 사용되기 때문이다. 구체적으로, 특정 유형의 유동 특성 측정에 대해, 그와 같은 복수의 측정치를 유동의 연료 가스의 물리적 특성과 연관시키는 것이 가능하다.
따라서, 하기 기호를 사용함으로써:
유동 특성
Figure 112019073166692-pct00011
의 측정의 경우
Figure 112019073166692-pct00012
,
유동 특성
Figure 112019073166692-pct00013
의 측정의 경우
Figure 112019073166692-pct00014
; 및
유동 특성
Figure 112019073166692-pct00015
의 측정의 경우
Figure 112019073166692-pct00016
, 이것은 하기 관계식으로 주어진다:
Figure 112019073166692-pct00017
특정 구현예에서, 계수 α, β, 및 γ는 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00018
에 대한 측정된 값을 입력(input)으로 갖고, 상기 계수 α, β, 및 γ를 출력(output)으로서 전달하는 차트로부터 판독된 계수이다.
이는 추정되는 특성의 더 정확한 추정치를 얻는 것을 가능하게 한다.
특정 구현예(implementation)에서, 상기 차트는 상기 계수 α, β, 및 γ를 폭이 1%인 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00019
의 값 범위와 상관시킨다.
환언하면, 차트는 약 1% 정도의 입도(granularity)를 나타낸다.
본 발명의 발명자들은 이것이 만족스러운 정확성을 얻을 수 있고 허용할만한 수준의 복잡성으로 그렇게 할 수 있음을 관찰하였다.
특정 구현예에서, 상기 계수 α, β, 및 γ 값은 상기 물리적 특성을 나타내는 연소 특성 및
Figure 112019073166692-pct00020
값이 알려져 있는 상기 연료 가스 계열의 알려진 가스에 관한 데이터세트로부터 얻어진다.
용어 "알려진 가스"는 조성이 알려진 가스, 예를 들어 화학적 성질이 결정된 다양한 구성요소의 비율이 알려져 있는 가스를 포함하기 위해 사용된다. 당해 기술의 숙련가는 그와 같은 가스의 연소 특성을 결정하는 방법을 알고 있으며, 특히 0이 아닌 이수소 양을 함유하는 알려진 가스를 사용할 수 있다.
특정 구현예에서, 상기 방법은 연료 가스 계열의 알려진 가스에 관한 상기 데이터세트로부터 물리적 특성을 나타내는
Figure 112019073166692-pct00021
값 및 연소 특성을 무작위로 생성하는 단계를 포함한다.
특정 구현예에서, 웨버 지수 및 고위발열량은 2개의 경험적 아핀 관계를 사용하여 추정된다.
따라서, 상기 방법의 단일 구현예에서 이들 연소 특성 모두를 추정할 수 있다.
특정 구현예에서, 상기 방법은 추정된 웨버 지수 및 추정된 고위발열량으로부터 상기 연료 가스의 밀도를 추정하는 단계를 추가로 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 방법은 연료 가스의 연소 특성을 조절하거나, 또는 연료 가스의 연소 특성 및 추정된 공기의 화학양론적 부피 또는 상기 추정된 특성에 상응하는 추정된 연소성 지수를 조절하는 단계를 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성은 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00022
를 포함하고; 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 측정은 유체 유동 수축부(fluid flow constriction) (예를 들어 오리피스 또는 마이크로-노즐)를 통한 음속 유동에서 (즉 소리의 속도보다 크거나 같은 속도에서) 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 것을 포함하고, 상기 측정은 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 절대 압력 및 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 절대 온도에서 이루어지고;
상기 방법은 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 기준 절대 압력 및 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 기준 절대 온도에서 상기 유체 유동 수축부를 통한 음속 유동 내 기준 가스 (예를 들어 메탄)의 질량 유량의 측정이 이루어지는 보정 절차를 추가로 포함하며;
이때 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00023
를 추정하는데 사용된 경험적 아핀 관계는 하기와 같이 표기된다:
Figure 112019073166692-pct00024
여기서:
Figure 112019073166692-pct00025
식 중:
Figure 112019073166692-pct00026
는 연료 가스의 측정된 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00027
는 연료 가스의 측정된 절대 압력이고;
Figure 112019073166692-pct00028
는 연료 가스의 측정된 절대 온도이고;
Figure 112019073166692-pct00029
는 기준 가스의 측정된 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00030
는 기준 가스의 측정된 절대 압력이고;
Figure 112019073166692-pct00031
는 기준 가스의 측정된 절대 온도이고;
Figure 112019073166692-pct00032
,
Figure 112019073166692-pct00033
, 및
Figure 112019073166692-pct00034
는 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
특정 구현예에서, 상기 연료 가스의 웨버 지수가 추정되고, 상기 방법은 추가로, 상기 연료 가스의 밀도를 측정하는 단계 및 추정된 웨버 지수 및 측정된 가스 밀도로부터 고위발열량을 추정하는 단계를 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성은 고위발열량
Figure 112019073166692-pct00035
을 포함하고, 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 측정은 하기를 포함한다:
ㆍ 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류(laminar flow)에서 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 단계로, 상기 측정은 상기 연료 가스의 점도 및 기준 가스 (예를 들어 메탄)의 점도에 좌우되는, 단계;
ㆍ 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 열량 유량계를 사용하여 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 단계로, 상기 측정은 상기 연료 가스의 비열용량 및 기준 가스의 열용량에 좌우되는 단계;
이때 고위발열량
Figure 112019073166692-pct00036
을 추정하는데 사용된 경험적 아핀 관계는 하기와 같이 표기된다:
Figure 112019073166692-pct00037
여기서:
Figure 112019073166692-pct00038
식 중:
Figure 112019073166692-pct00039
는 변수
Figure 112019073166692-pct00040
에 상응하는 변수이고;
Figure 112019073166692-pct00041
은 측정된 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 상기 연료 가스의 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00042
는 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 측정된 연료 가스의 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00043
,
Figure 112019073166692-pct00044
, 및
Figure 112019073166692-pct00045
는 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
예를 들어 기준 가스의 점도 및 열용량 값을 얻기 위해 기준 가스로 보정 단계를 수행하는 것이 가능하다.
이 보정 단계를 통해 특히 순수하지 않은 가스, 예컨대 이수소를 함유하는 가스에 대해 정확한 측정치를 얻을 수 있다.
본 발명은 또한 연료 가스 계열에 속하는 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성을 추정하기 위한 장치를 제공하며, 상기 적어도 하나의 특성은 웨버 지수 또는 고위발열량이고, 상기 장치는 하기를 포함한다:
ㆍ 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성을 측정하기 위한 적어도 2개의 모듈;
ㆍ 상기 연료 가스에 함유된 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00046
을 측정하기 위한 모듈;
ㆍ 하기 경험적 아핀 관계를 사용하여 상기 적어도 하나의 특성
Figure 112019073166692-pct00047
을 추정하도록 구성된 모듈:
Figure 112019073166692-pct00048
식 중:
α, β, 및 γ는 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고;
Figure 112019073166692-pct00049
는 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정된 값으로부터 준비된 상기 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다.
이 장치는 상기에 기재된 방법의 모든 구현예를 수행하도록 구성될 수 있다.
이 장치는 유동 특성이 측정될 수 있도록 연료 가스가 유동하는 유동 부재를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
특정 구현예에서, 연료 가스의 상기 적어도 하나의 연소 특성은 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00050
를 포함하며, 상기 장치는 하기를 포함한다:
ㆍ 상기 연료 가스의 스트림을 수용하는 유입구;
ㆍ 기준 가스의 스트림을 수용하는 유입구;
ㆍ 상기 연료 가스의 스트림 또는 상기 기준 가스의 스트림을 파이프로 가져 오는 선택 장치(selector) 및 가이드 모듈;
ㆍ 유체 유동 수축부; 및
ㆍ 상기 유체 유동 수축부를 통한 음속 유동에서 연료 가스의 질량 유량을 측정하기 위하여, 상기 수축부의 업스트림에서의 절대 압력을 측정하기 위한 부모듈 및 상기 수축부의 업스트림에서의 절대 온도를 측정하기 위한 부모듈을 포함하는, 모듈;
이때 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00051
를 추정하기 위해 사용된 경험적 아핀 관계는 하기와 같이 표기된다:
Figure 112019073166692-pct00052
여기서:
Figure 112019073166692-pct00053
식 중:
Figure 112019073166692-pct00054
는 연료 가스의 측정된 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00055
는 연료 가스의 측정된 절대 압력이고;
Figure 112019073166692-pct00056
는 연료 가스의 측정된 절대 온도이고;
Figure 112019073166692-pct00057
는 기준 가스의 측정된 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00058
는 기준 가스의 측정된 절대 압력이고;
Figure 112019073166692-pct00059
는 기준 가스의 측정된 절대 온도이고;
Figure 112019073166692-pct00060
,
Figure 112019073166692-pct00061
, 및
Figure 112019073166692-pct00062
는 연료 가스 계열의 사전 결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
특정 구현예에서, 상기 장치는 상기 연료 가스의 웨버 지수를 추정하는데 적합하며, 상기 장치는 추가로, 상기 연료 가스의 밀도를 측정하기 위한 모듈, 및 추정된 웨버 지수 및 측정된 가스 밀도로부터 고위발열량을 추정하도록 또한 구성된 상기 적어도 하나의 특성을 추정하도록 구성된 모듈을 포함한다.
특히, 고위발열량은 추정된 웨버 지수에 측정된 밀도의 제곱을 곱함으로써 수득될 수 있다.
지시에 따라, 참조 번호 8774를 갖는 스위스 공급자인 TRAFAG의 밀도 센서를 사용할 수 있음을 알 수 있다.
특정 구현예에서, 연료 가스의 상기 적어도 하나의 연소 특성은 고위발열량
Figure 112019073166692-pct00063
을 포함하며, 상기 장치는 하기를 포함한다:
ㆍ 상기 연료 가스의 스트림을 수용하는 유입구;
ㆍ 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 모듈로서, 상기 측정은 상기 연료 가스의 점도 및 기준 가스의 점도에 좌우되는, 모듈; 및
ㆍ 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 열량 유량계(thermal mass flow meter)를 사용하여 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 모듈로서, 상기 측정은 연료 가스의 비열용량 및 기준 가스의 열용량에 좌우되는, 모듈;
이때 고위발열량
Figure 112019073166692-pct00064
을 추정하는데 사용된 경험적 아핀 관계는 하기와 같이 표기된다:
Figure 112019073166692-pct00065
여기서:
Figure 112019073166692-pct00066
식 중:
Figure 112019073166692-pct00067
는 변수
Figure 112019073166692-pct00068
에 상응하는 변수이고;
Figure 112019073166692-pct00069
은 측정된 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 상기 연료 가스의 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00070
는 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 측정된 연료 가스의 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00071
,
Figure 112019073166692-pct00072
, 및
Figure 112019073166692-pct00073
는 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
특정 구현예에서, 상기 경험적 아핀 관계를 사용하여 상기 적어도 하나의 특성
Figure 112019073166692-pct00074
을 추정하도록 구성된 모듈은 또한 공기의 화학양론적 부피 또는 연소성 지수를 추정하도록 구성된다.
특정 구현예에서, 상기 장치는 추가로, 연료 가스의 상기 연소 특성을 조절하거나 또는 연료 가스의 연소 특성 및 상기 추정된 특성에 상응하는 추정된 공기의 화학양론적 부피 또는 추정된 연소성 지수를 조절하기 위한 모듈을 포함한다.
이러한 조절 모듈은 특히 추가 가스, 예를 들어 공기의 주입을 위한 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있다. 상기 조절은 폐쇄-루프(closed-loop) 조절일 수 있다.
본 발명의 다른 특성 및 이점은 수반되는 도면들을 참조하여 하기 설명으로부터 명백해지며, 이는 제한적인 특징이 없는 예를 나타낸다.
도면에서:
ㆍ 도 1은 연소 특성을 추정하는 방법의 일례의 단계를 도시하는 다이어그램이고;
ㆍ 도 2는 연소 특성을 추정하기 위한 장치의 일례를 도시하는 다이어그램이고;
ㆍ 도 3은 웨버 지수를 추정하는 방법의 단계의 다이어그램이고;
ㆍ 도 4는 웨버 지수를 추정하기 위한 장치의 일례의 다이어그램이고;
ㆍ 도 5는 고위발열량을 추정하는 방법의 단계의 다이어그램이고;
ㆍ 도 6은 고위발열량을 추정하기 위한 장치의 일례를 도시하는 다이어그램이고;
ㆍ 도 7은 웨버 지수 및 고위발열량을 추정하기 위한 장치의 일례를 도시하는 다이어그램이고;
ㆍ 도 8은 웨버 지수를 조절하기 위한 장치의 일례의 다이어그램이다.
상세한 설명
연료 가스 계열에 속하는 연료 가스의 연소 특성을 추정하기 위한 방법 및 장치에 대한 설명이 뒤따른다. 상기 특성은 웨버 지수 또는 고위발열량일 수 있다.
본 발명은 단일 특성을 추정하는 것으로 결코 제한되지 않으며, 웨버 지수 및 고위발열량을 동시에 추정하는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 연료 가스의 연소 특성을 추정하는 방법의 단계를 도시하는 다이어그램이다.
이 방법은 특히 0이 아닌 함량(non-zero quantity)의 이수소를 함유할 수 있는 가스, 및 특히 이수소를 0% 내지 20% 범위로 함유하는 연료 가스에 적합하다.
제1 단계(E01)에서, 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성을 측정한다. 이때 연구중인 연료 가스는 유동 부재를 통해 유동하고, 온도, 압력 또는 사실상 유량과 같은 유동 특성이, 예를 들어 센서를 사용하여 측정된다.
제2 단계(E02)에서 유동 가스 내 이수소 함량이 측정되고, 다음과 같이 표기된다:
Figure 112019073166692-pct00075
. 본 발명의 모든 양태 및 구현예에서, 이수소 함량은 몰 분율 또는 부피 분율일 수 있음을 알 수 있다. 압력이 충분히 낮으면, 완벽한 가스 법칙이 적용되고 몰 분율과 부피 분율이 동일한 값을 갖는다고 가정할 수 있다. 본 발명의 적용에서, 이수소 함량은 몰 분율 또는 부피 분율과 동일한 값을 갖는다. 이 단계는 단계(E01)와 동시에 또는 사전에 또는 이후에 수행될 수 있다.
제3 단계(E03)에서,
Figure 112019073166692-pct00076
로 표기된 특성은 하기 경험적 아핀 관계를 사용하여 추정된다:
Figure 112019073166692-pct00077
식 중:
α, β, 및 γ는 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고;
Figure 112019073166692-pct00078
는 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정된 값으로부터 준비된 상기 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다.
상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 측정된 값은 변수
Figure 112019073166692-pct00079
가 점도, 비열용량 (단위 중량당), 또는 사실상 밀도와 같은 연료 가스의 물리적 특성을 모두 나타낼 수 있고, 또한 연료 가스의 유동 특성의 측정된 값의 함수로서 표현될 수 있도록 구체적으로 선택된다.
따라서, 기호를 사용함으로써:
유동 특성
Figure 112019073166692-pct00080
의 측정의 경우
Figure 112019073166692-pct00081
,
유동 특성
Figure 112019073166692-pct00082
의 측정의 경우
Figure 112019073166692-pct00083
; 및
유동 특성
Figure 112019073166692-pct00084
의 측정의 경우
Figure 112019073166692-pct00085
, 이것은 하기의 관계식으로 나타낸다:
Figure 112019073166692-pct00086
도 2는 연료 가스 계열에 속하는 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성을 추정하기 위한 장치의 구현예를 도시한다.
상기 장치는 특히 도 1과 관련하여 기재된 종류의 방법을 수행할 수 있다.
이 예에서, 장치(1)는, 예를 들어, 웨버 지수 또는 고위발열량을 추정하고자 하는 연료 가스의 스트림을 수용하도록 구성된 유동 부재(2)를 포함한다. 상기 유동 부재는 연료 가스의 스트림을 수용하는 유입구(2a) 및 유출구(2b)를 갖는다.
장치(1)는 또한 연료 가스의 유동 특성을 측정하기 위한 2개의 모듈(3a 및 3b)을 갖는다.
예로써, 모듈(3a 및 3b)은 모두 또는 각각 유량, 압력, 또는 사실상 온도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 모듈(3a 및 3b)은 유량, 압력, 또는 사실상 온도를 측정하기 위한 종래의 센서이다.
장치(1)는 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00087
을 측정하기 위한 모듈(4), 예를 들어 이수소 몰 백분율을 전달하는 센서를 포함한다.
모듈(3a, 3b, 및 4)은 각각의 측정 결과를 추정량(estimator) 모듈(5)에 전달하도록 추정량 모듈(5)과 소통한다. 추정량 모듈(5)은 프로세서 및 메모리를 갖는 컴퓨터일 수 있다 (도시되지 않음).
모듈(5)은 하기 경험적 아핀 관계를 사용하여 상기 적어도 하나의 특성
Figure 112019073166692-pct00088
을 추정하도록 구성된다:
Figure 112019073166692-pct00089
식 중:
α, β, 및 γ는 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고;
Figure 112019073166692-pct00090
는 모듈(3a 및 3b)에 의해 측정된 바와 같이, 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 값으로부터 준비된 상기 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다.
이를 위해, 모듈(5)은 메모리에 저장된, 사전결정된 계수 α, β, 및 γ의 가능한 값을 가질 수 있다. 모듈(5)은 또한 추정을 실행할 수 있도록 메모리에 저장된 컴퓨터 프로그램 명령어를 가질 수 있다.
예로써, 컴퓨터 프로그램은 모듈(3a 및 3b)에 의해 측정된 값으로부터 변수
Figure 112019073166692-pct00091
를 계산하기 위한 명령어, 및 상기-정의된 함수를 사용하여 특성
Figure 112019073166692-pct00092
을 계산하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
선택적으로, 장치(1)는 적어도 상기 특성을 조절하기 위하여 추정량 모듈(5)에 의해 제어된 액추에이터(6)를 포함할 수 있다. 예로써, 액추에이터(6)는 압축 공기 인젝터일 수 있다.
도 3 및 4를 참조하여, 연료 가스의 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00093
가 추정되는 양태 및 구현예가 설명된다.
도 3은 연료 가스의 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00094
를 추정하는 방법의 단계를 도시한다.
이 방법은 측정된 기준 절대 압력 및 측정된 기준 절대 온도에서 유체 유동 수축부 (예를 들어 오리피스 또는 마이크로-노즐)를 통한 음속 유동 내 기준 가스 (예를 들어 메탄)의 질량 유량이 측정되는 보정 제1 단계(E11)를 포함한다.
제2 단계(E12)에서는, 유체 유동 수축부를 통한 음속 유동에서 연료 가스의 질량 유량이 측정되며, 이 측정은 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 절대 압력 및 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 절대 온도에서 이루어진다.
단계(E13)에서는, 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00095
이 측정된다.
단계(E11 내지 E13)는 임의의 가능한 순서로 수행될 수 있다. 특히, 단계(E12 및 E13)는 동시에 수행될 수 있다.
단계(E14)에서, 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00096
는 하기와 같이 표기된 경험적 아핀 관계에 의해 추정된다:
Figure 112019073166692-pct00097
여기서:
Figure 112019073166692-pct00098
식 중:
Figure 112019073166692-pct00099
는 연료 가스의 측정된 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00100
는 연료 가스의 측정된 절대 압력이고;
Figure 112019073166692-pct00101
는 연료 가스의 측정된 절대 온도이고;
Figure 112019073166692-pct00102
는 기준 가스의 측정된 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00103
는 기준 가스의 측정된 절대 압력이고;
Figure 112019073166692-pct00104
는 기준 가스의 측정된 절대 온도이고;
Figure 112019073166692-pct00105
,
Figure 112019073166692-pct00106
, 및
Figure 112019073166692-pct00107
는 연료 가스 계열의 사전 결정된 계수고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
단계(E11 및 E12)를 수행하기 위해, 유체 유동 수축부, 예컨대 공지된 형상의 오리피스 또는 마이크로-노즐이 사용된다.
유체 유동 수축부의 양쪽에서, 다음과 같은 측정이 이루어진다: 유체 유동 수축부의 업스트림에서, 절대 온도 및 절대 압력이 측정되고; 유체 유동 수축부의 다운스트림에서, 질량 유량이 (예를 들어 열량 유량계를 사용하여) 측정된다.
구체적으로, 그것은 2가지 상이한 방식으로 상기 장치를 통과하는
Figure 112019073166692-pct00108
으로 표기된 정상적인 부피 유량을 측정하는 것에 해당한다.
구체적으로, 상기 유동이 음속이기 때문에 하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00109
여기서:
Figure 112019073166692-pct00110
오리피스의 형상의 일정한 특성;
Figure 112019073166692-pct00111
및
Figure 112019073166692-pct00112
는 오리피스 업스트림의 가스의 절대 압력 및 절대 온도; 및
Figure 112019073166692-pct00113
가스의 밀도.
또한, 열량 유량계를 사용함으로써, 하기가 수득된다:
Figure 112019073166692-pct00114
여기서:
Figure 112019073166692-pct00115
는 단계(E12)에서 열량 유량계를 사용하여 이루어진 측정치;
Figure 112019073166692-pct00116
공기의 특성과 비교하여 가스의 물리적 특성 (예를 들어 그것의 비열용량, 그것의 점도, 그것의 열전도도)의 차이를 고려한 상관 계수.
조성이 알려진 가스의 경우, 하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00117
여기서:
Figure 112019073166692-pct00118
성분 i의 부피 분율;
Figure 112019073166692-pct00119
성분 i에 관한 상관 계수(correction coefficient). 이 계수는 열량 유량계와 관련된 표에서 판독될 수 있다.
보정 단계(E11)는 정확하게 알려진 조성의 기준 가스 (바람직하게는 순수한 메탄)가 상기 장치에 공급되는 단계이다.
따라서 단계(E11)의 보정 절차에서 수득된 값을 사용하는 2가지 유량 관계 간의 동일성은 아래와 같이 표기될 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00120
그리고, 측정이 연료 가스에서 이루어지는 단계(E12)의 측정 절차에서는, 하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00121
단계(E14)에서의 측정에 의해, 수소 함량
Figure 112019073166692-pct00122
(예를 들어 부피 측면에서)이 또한 알려져 있다.
상기 방정식에서 알려지지 않은 단 2개의 파라미터는
Figure 112020120093517-pct00123
및 밀도
Figure 112020120093517-pct00125
라는 것을 알 수 있다. 이때
Figure 112020120093517-pct00126
및 밀도
Figure 112020120093517-pct00127
와 관련된 변수
Figure 112020120093517-pct00128
를 표현하기 위해 파라미터
Figure 112020120093517-pct00129
를 제거할 수 있다.
구체적으로, 하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00130
그리고,
Figure 112019073166692-pct00131
는 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다. 측정된 값에서
Figure 112019073166692-pct00132
를 재표기할 수 있다. 이들 측정된 값 (
Figure 112019073166692-pct00133
,
Figure 112019073166692-pct00134
, 및
Figure 112019073166692-pct00135
)은 측정된 유동 특성
Figure 112019073166692-pct00136
에 대해
Figure 112019073166692-pct00137
, 측정된 유동 특성
Figure 112019073166692-pct00138
에 대해
Figure 112019073166692-pct00139
, 및 측정된 유동 특성
Figure 112019073166692-pct00140
에 대해
Figure 112019073166692-pct00141
으로 표기될 수 있으며, 따라서 하기로 나타낸다:
Figure 112019073166692-pct00142
식 중:
Figure 112019073166692-pct00143
;
Figure 112019073166692-pct00144
; 및
Figure 112019073166692-pct00145
마지막으로, 하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00146
변수 Y의 이러한 정의는, 하기 형태로 표기된, 변수 Y를 갖는 경험적 아핀 관계에서 사용될 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00147
Figure 112019073166692-pct00148
,
Figure 112019073166692-pct00149
, 및
Figure 112019073166692-pct00150
는 연료 가스 계열의 사전 결정된 계수이고, 도 1 및 2와 관련하여 기재된 계수 α, β, 및 γ에 각각 상응한다.
계수
Figure 112019073166692-pct00151
,
Figure 112019073166692-pct00152
, 및
Figure 112019073166692-pct00153
는 알려진 가스 조성물, 예를 들어 국가 또는 지역 네트워크 내의 천연가스 조성물로부터 얻어질 수 있다. 예로써, 유럽에서 유통되고 있고 당해 기술의 숙련가에게 잘 알려진 고위발열량 가스에 대한 공지된 조성물을 사용할 수 있다.
이러한 알려진 조성물로부터, 다양한 화합물의 몰 분율에 관한 한계 값을 정의하는 것이 가능하다. 예를 들어, 가스 내 종류 K의 몰 분율에 대해 기호 XK를 사용함으로써, 하기 유형의 공지된 조성물을 가질 수 있다:
0% < XN2 < 5.5%
0.5% < XC2H6 < 12.5%
0% < XC4H10 < 3.5%
0% < XCO2 < 1.3%
0% < XC3H8 < 3.5%
0% < XC5H12 < 3.5%
XCH4 =1-ΣXK
현재의 가스 조성물에는 이수소가 존재하지 않는다는 것을 알아야 한다.
이러한 가능한 범위는 웨버 지수 (또는 심지어 고위발열량)를 결정할 수 있는 가스 조성물을 무작위로 생성할 수 있게 한다. 따라서 10,000개의 가스가 생성될 수 있다.
무작위로 생성된 각각의 가스에 대하여, 0% 내지 20% 몰 분율의 범위에 있는 무작위 이수소 양을 첨가하는 것이 가능하다. 다시, 이러한 무작위로 생성된 가스의 웨버 지수를 결정할 수 있다.
무작위로 생성된 조성물로부터 변수
Figure 112019073166692-pct00154
와 관련된 값을 추론하는 것도 가능하다. 최소 자승법(least squares method)을 적용함으로써, 계수
Figure 112019073166692-pct00155
,
Figure 112019073166692-pct00156
, 및
Figure 112019073166692-pct00157
의 값을 얻을 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00158
이러한 결과는 기준 가스로서 메탄을 사용하여 수득되었다.
0% 내지 20%의 범위에 있는 이수소 몰 분율의 경우, 웨버 지수를 추정할 때의 오차는 항상 1.4% 미만이며, 무작위로 수득된 10,000개의 가스 중 98%에서 1% 미만이라는 것을 알 수 있다.
대안적으로, 계수가 상수는 아니지만 몰 분율로서 이수소 함량에 따라 달라지는 상관관계를 사용할 수 있다.
경험적 아핀 관계는 아래와 같이 재표기될 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00159
이 예에서,
Figure 112019073166692-pct00160
및
Figure 112019073166692-pct00161
는 이수소 함량의 함수이다 (방정식은
Figure 112019073166692-pct00162
에 좌우되는 2개의 계수만을 나타내도록 재표기되었지만, 그럼에도 불구하고, 방정식을 3개의 계수로 표기할 수 있음).
동일한 방식으로, 무작위 가스 조성물을 생성함으로써, 본 발명자들은 폭 1%의 이수소 농도 범위에 대해 구간적으로 일정한 함수
Figure 112019073166692-pct00163
및
Figure 112019073166692-pct00164
를 사용하는 것이 가능하다는 것을 관찰하였다.
예를 들어, 2% 내지 3% 범위의 이수소에서,
Figure 112019073166692-pct00165
및
Figure 112019073166692-pct00166
는 하기 값을 취한다:
Figure 112019073166692-pct00167
이때, 웨버 지수를 추정할 때의 오차는 항상 10,000개의 무작위 가스의 95%에 대해 1% 미만임을 관찰하였다.
도 4는 도 3과 관련하여 설명된 방법을 실행할 수 있는, 웨버 지수를 추정하기 위한 장치를 도시한다.
이 장치(10)는 연료 가스(G1)를 수용하는 유입구(11) 및 기준 가스(G2) (전형적으로 메탄)를 수용하는 유입구(12)를 갖는다.
장치(10)는 또한 연료 가스 스트림 또는 기준 가스 스트림을 파이프(13)의 유입구로 가져오는 선택 장치 및 가이드 모듈을 갖는다. 구체적으로, 상기 선택 장치 및 가이드 모듈은 밸브(31) 및 밸브(35)를 포함한다.
밸브(31 및 35)는 각각의 말단(52 및 51)을 거쳐 모듈(36)에 의해 제어되어 연료 가스 또는 기준 가스가 파이프로 흐르게 한다.
이 예에서, 상기 파이프는 그것의 유입구(13)로부터 시작하여 업스트림에서 다운스트림으로 하기를 포함한다:
- 말단(41)을 통해 모듈(36)에 연결된 절대 압력 센서(60);
- 말단(42)을 통해 모듈(36)에 연결된 절대 온도 센서(50);
- 유체 유동 수축부(32) (예를 들어 오리피스 또는 마이크로-노즐);
- 말단(43)을 통해 모듈(36)에 연결된 열량 유량 센서(33); 및
- 말단(44)을 통해 모듈(36)에 연결된 이수소 몰 분율을 감지하기 위한 센서(34).
모듈(36)은 말단(41 내지 44)에서 수용된 신호로부터 웨버 지수를 추정하기 위해 상기에 기재된 것들과 같은 경험적 아핀 관계를 적용할 수 있다.
도시된 예에서, 모듈(36)은 2개의 출력 말단(54 및 53)을 통해 외부 모듈(37), 예를 들어 조절을 수행하기 위한 액추에이터, 또는 사실상 디스플레이와 소통한다. 도시되지 않은 변형예에서, 모듈(37)은 장치(10)에 통합된다.
도 5 및 6을 참조하여, 연료 가스의 고위발열량이 추정되는 양태 및 구현예가 설명된다.
도　5는 연료 가스의 고위발열량
Figure 112019073166692-pct00168
을 추정하는 방법의 단계를 도시한다.
단계(E22)에서, 상기 연료 가스의 질량 유량은 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 측정되고, 이 측정은 연료 가스의 점도 및 기준 가스의 점도에 좌우된다.
단계(E23)에서는, 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서, 상기 연료 가스의 질량 유량이 열량 유량계를 사용하여 측정되며, 상기 측정은 연료 가스의 비열용량 및 기준 가스의 열용량에 따라 달라진다.
단계(E22 및 E23)를 수행하기 전후에 수행될 수 있는 단계(E21)에서, 기준 가스 (예를 들어, 메탄)를 사용하여 단계(E22 및 E23)를 수행하는 것에 상응하는 보정 단계가 수행된다.
몰 분율로서 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00169
를 측정하는 단계(E24)도 수행된다.
마지막으로, 단계(E25)에서, 고위발열량은 하기 형태를 갖는 경험적 아핀 관계를 사용하여 추정된다:
Figure 112019073166692-pct00170
여기서:
Figure 112019073166692-pct00171
식 중:
Figure 112019073166692-pct00172
는 도 1과 관련하여 기재된 변수
Figure 112019073166692-pct00173
에 상응하는 변수이고;
Figure 112019073166692-pct00174
은 측정된 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 연료 가스의 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00175
는 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 측정된 연료 가스의 질량 유량이고;
Figure 112019073166692-pct00176
,
Figure 112019073166692-pct00177
, 및
Figure 112019073166692-pct00178
는 연료 가스 계열의 사전 결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
고위발열량 (HHV)에 대한 하기 관계는 선행 문헌 DE 4　118　781에 공지되어 있다:
Figure 112019073166692-pct00179
여기서:
α 및 β 사전결정된 상수;
ρ 연료 가스의 밀도;
μ 연료 가스의 점도; 및
Cp 연료 가스의 열용량.
하기 무차원 변수
Figure 112019073166692-pct00180
는 아래와 같이 정의될 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00181
여기서, 하첨자 GN은 연료 가스를 명시하고, ref는 기준 가스를 명시한다.
고위발열량에 관한 관계는 아래와 같이 재표기될 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00182
Z를 측정하기 위해, 2개의 유량 측정이 사용된다. 예로써,
Figure 112019073166692-pct00183
은 측정된 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 연료 가스의 질량 유량이다. 포와세이유 법칙(Poiseuille's law)을 사용함으로써, 상기 장치는 층류 성분(laminar element)을 통해 가스 스트림에 압력 강하를 가하는 것으로 알려져 있다.
측정이 점도에 따라 달라지므로, 특정한 측정 장치의 경우, 업스트림과 다운스트림의 압력차
Figure 112019073166692-pct00184
에 따라 달라지는 형태를 가지며,
Figure 112019073166692-pct00185
을 제공하는 유량계는 하기 식을 사용하여 부피 유량을 결정할 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00186
식 중
Figure 112019073166692-pct00187
은 기하학적 상수이다.
이 예에서, 압력 센서 및 온도 프로브가 유량계에 통합되며, 아래와 같이 질량 유량
Figure 112019073166692-pct00188
(또는 정상 온도 및 압력 조건으로 환산된 부피 유량)을 직접 얻을 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00189
보정된 부피 유량
Figure 112019073166692-pct00190
의 측정은 연료 가스의 점도에 좌우된다.
상기 유량
Figure 112019073166692-pct00191
는 열량 유량계를 사용하여 측정된다. 질량 유량
Figure 112019073166692-pct00192
의 측정은 연료 가스의 비열용량에 좌우된다.
이런 식으로, 질량 유량에 대한 2개의 추정치가 얻어지며, 각각은 실제 정상적인 부피 유량 (
Figure 112019073166692-pct00193
)에 대한 각각의 오차를 나타낸다. 하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00194
Figure 112019073166692-pct00195
Figure 112019073166692-pct00196
의 경우, 오차는 혼합 가스의 실제 점도와 기준 가스 (이 예에서 메탄)의 점도 사이의 차이와 관련된다.
Figure 112019073166692-pct00197
의 경우, 오차는 혼합 가스의 실제 비열용량을 곱한 밀도와 기준 가스 (이 예에서 메탄)에 대해 동일한 양을 곱한 밀도 사이의 차이와 관련된다.
2개의 측정된 유량의 비를 취함으로써, 변수
Figure 112019073166692-pct00198
가 결정되고, 문헌 DE 4　118　781의 상관 관계는 다음과 같다:
Figure 112019073166692-pct00199
다음과 같이 표기하여:
Figure 112019073166692-pct00200
; 및
Figure 112019073166692-pct00201
하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00202
그럼에도 불구하고, 본 발명자들은 일단 이수소가 연료 가스에 존재하면 이 관계가 적용되지 않음을 관찰하였다. 특히, 측정 오차가 너무 크면, 이수소는 알칸과 같은 가스의 특성과 매우 상이한 특성 (점도, 비열용량)을 갖는다.
이러한 단점을 완화하기 위해, 측정된 이수소 함량
Figure 112019073166692-pct00203
이 사용되고 하기 방정식이 제안된다:
Figure 112019073166692-pct00204
Figure 112019073166692-pct00205
,
Figure 112019073166692-pct00206
, 및
Figure 112019073166692-pct00207
는 연료 가스 계열의 사전 결정된 계수이고, 도 1 및 2와 관련하여 기재된 계수 α, β, 및 γ에 각각 상응한다.
계수
Figure 112019073166692-pct00208
,
Figure 112019073166692-pct00209
, 및
Figure 112019073166692-pct00210
는 알려진 가스 조성물, 예를 들어 국가 또는 지역 네트워크 내의 천연가스 조성물로부터 얻어질 수 있다. 예로써, 유럽에서 유통되고 있고 당해 기술의 숙련가에게 잘 알려진 고위 발열량 가스에 대한 공지된 조성물을 사용할 수 있다.
이러한 알려진 조성물로부터, 다양한 화합물의 몰 분율에 관한 한계 값을 정의하는 것이 가능하다. 예를 들어, 가스 내 종류 K의 몰 분율에 대해 기호 XK를 사용함으로써, 하기 유형의 공지된 조성물을 가질 수 있다:
0% < XN2 < 5.5%
0.5% < XC2H6 < 12.5%
0% < XC4H10 < 3.5%
0% < XCO2 < 1.3%
0% < XC3H8 < 3.5%
0% < XC5H12 < 3.5%
XCH4 =1-ΣXK
현재의 가스 조성물에는 이수소가 존재하지 않는다는 것을 알아야 한다.
이러한 가능한 범위는 고위발열량을 결정할 수 있는 무작위 가스 조성물을 생성할 수 있게 한다. 따라서 10,000개의 가스가 생성될 수 있다.
무작위로 생성된 각각의 가스에 대하여, 0% 내지 20% 몰 분율의 범위에 있는 무작위 이수소 양을 첨가하는 것이 가능하다. 여기서 마찬가지로, 이러한 무작위로 생성된 가스의 고위발열량을 결정할 수 있다.
무작위로 생성된 조성물로부터 변수
Figure 112019073166692-pct00211
와 관련된 값을 추론하는 것도 가능하다. 최소 자승법을 적용함으로써, 계수
Figure 112019073166692-pct00212
,
Figure 112019073166692-pct00213
, 및
Figure 112019073166692-pct00214
의 값을 얻을 수 있다:
A = 0.61650996
B = 10.428
C = -0.0645996
대안적으로, 계수가 상수는 아니지만 몰 분율로서 이수소 함량에 따라 달라지는 상관관계를 사용할 수 있다.
경험적 아핀 관계는 아래와 같이 재표기될 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00215
이 예에서,
Figure 112019073166692-pct00216
및
Figure 112019073166692-pct00217
는 이수소 함량의 함수이다 (방정식은
Figure 112019073166692-pct00218
에 좌우되는 2개의 계수만을 나타내도록 재표기되었지만, 그럼에도 불구하고, 방정식을 3개의 계수로 표기할 수 있음).
동일한 방식으로, 무작위 가스 조성물을 생성함으로써, 본 발명자들은 폭 1%의 이수소 농도 범위에 대해 구간적으로 일정한 함수
Figure 112019073166692-pct00219
및
Figure 112019073166692-pct00220
를 사용하는 것이 가능하다는 것을 관찰하였다.
예를 들어, 19% 내지 20% 범위의 이수소에서,
Figure 112019073166692-pct00221
및
Figure 112019073166692-pct00222
는 하기 값을 취한다:
Figure 112019073166692-pct00223
Figure 112019073166692-pct00224
도 6은 도 5와 관련하여 기재된 방법을 수행하기에 적합한 고위발열량을 추정하기 위한 장치를 도시한다.
이 장치(100)는 연료 가스(G1)를 수용하는 유입구(111) 및 기준 가스(G2) (전형적으로 메탄)를 수용하는 유입구(112)를 갖는다.
장치(100)는 또한 연료 가스 스트림 또는 기준 가스 스트림을 파이프(113)의 유입구로 가져오는 선택 장치 및 가이드 모듈을 갖는다. 구체적으로, 상기 선택 장치 및 가이드 모듈은 밸브(131) 및 밸브(135)를 포함한다.
밸브(131 및 135)는 각각의 말단(152 및 151)을 거쳐 모듈(136)에 의해 제어되어 연료 가스 또는 기준 가스가 파이프로 흐르게 한다.
이 예에서, 상기 파이프는 그것의 유입구(113)로부터 시작하여 업스트림에서 다운스트림으로 하기를 포함한다:
- 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 질량 유량을 감지하는 센서(132)로서, 상기 측정은 연료 가스의 점도 및 기준 가스의 점도에 좌우되고, 상기 센서는 그것의 말단(142)을 통해 모듈(136)에 연결되는, 센서(132);
- 열량 유량을 감지하는 센서(133)로서, 상기 측정은 측정된 가스의 비열용량 및 기준 가스의 비열용량에 좌우되고, 상기 센서는 그것의 말단(143)을 통해 모듈(136)에 연결되는, 센서(133); 및
- 말단(144)을 통해 모듈(136)에 연결되는 이수소 몰 분율을 감지하는 센서(134).
모듈(136)은 말단(142 내지 144)에서 수용된 신호로부터 고위발열량을 추정하기 위해 상기에 기재된 것들과 같은 경험적 아핀 관계를 적용할 수 있다.
도시된 예에서, 모듈(136)은 2개의 출력 말단(154 및 153)을 통해 외부 모듈(137), 예를 들어 조절을 수행하기 위한 액추에이터, 또는 사실상 디스플레이와 소통한다. 도시되지 않은 변형예에서, 모듈(137)은 장치(100)에 통합된다.
도 7은 2개의 경험적 아핀 관계를 사용하여 고위발열량 및 웨버 지수를 동시에 측정할 수 있는 장치의 예를 도시한다.
이 장치는 가압 하에 2개의 가스 유입구를 갖는다. 제1 유입구(1011)는 가스 계열에 속하고 이수소를 또한 함유하는 연료 가스 G1 (예를 들어 프랑스 표준 NF EN 437에 명시된 제2 계열의 연료 가스)을 수용하기 위한 것이다. 장치(1000)는 보정 단계에 사용되는 기준 가스 G0를 위한 또 다른 유입구(1012)를 갖는다.
장치(1000)는 또한 연료 가스 G1 또는 기준 가스 G0의 스트림을 파이프(1013)의 유입구로 가져오는 선택 장치 및 가이드 모듈을 갖는다. 상기 선택 장치 및 가이드 모듈은 밸브(1031) 및 밸브(1035)를 포함한다.
밸브(1031 및 1035)는 각각의 말단(1052 및 1051)을 거쳐 모듈(1036)에 의해 제어되어 연료 가스 또는 기준 가스가 파이프로 흐르게 한다.
파이프의 유입구(1013)로부터 시작하여 업스트림에서 다운스트림으로 진행하면서, 하기가 발견된다:
- 말단(1041)을 통해 모듈(1036)에 연결된 절대 압력 센서(1006). 이 센서는 연료 가스에서 측정된 값
Figure 112019073166692-pct00225
및 기준 가스에서 측정된 값
Figure 112019073166692-pct00226
를 제공한다.
- 말단(1042)을 통해 모듈(1036)에 연결된 절대 온도 센서(1005). 이 센서는 연료 가스에서 측정된 값
Figure 112019073166692-pct00227
및 기준 가스에서 측정된 값
Figure 112019073166692-pct00228
을 제공한다.
- 유체 유동 수축부(1032) (예를 들어 오리피스 또는 마이크로-노즐);
- 말단(1043)을 통해 모듈(1036)에 연결된 층 압력 강하를 통한 질량 유량을 감지하는 센서. 이 센서는 값
Figure 112019073166692-pct00229
을 제공한다.
- 말단(1046)을 통해 모듈(1036)에 연결된 열량 유량 센서(1033). 이 센서는 연료 가스에서 측정된 값
Figure 112019073166692-pct00230
및 기준 가스에서 측정된 값
Figure 112019073166692-pct00231
을 제공한다.
- 말단(1047)을 통해 모듈(36)에 연결된 이수소 몰 분율을 감지하는 센서(1034).
- 통풍구 (39).
이 예에서, 모듈(1036)은 하기 2개의 변수를 계산할 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00232
Figure 112019073166692-pct00233
이때, 모듈(1036)은 웨버 지수
Figure 112019073166692-pct00234
, 고위발열량
Figure 112019073166692-pct00235
, 공기의 화학양론적 부피
Figure 112019073166692-pct00236
, 연소성 지수
Figure 112019073166692-pct00237
및 연료 가스 혼합물의 밀도
Figure 112019073166692-pct00238
를 결정하기 위해 하기 식을 사용할 수 있다:
Figure 112019073166692-pct00239
구체적으로, 웨버 지수 IW 및 고위발열량 HHV에 대한 값으로부터 공기의 화학양론적 부피 Va, 연소성 지수 B, 및 연료 가스 혼합물의 밀도를 결정할 수 있다.
보다 정확하게는, 유럽에서 일반적으로 유통되는 천연가스 (및 현재는 임의의 이수소를 함유하지 않음)의 경우 하기가 적용된다:
Figure 112019073166692-pct00240
본 발명자들은 이수소의 존재하에 값이 1.162에서 벗어날 수 있음을 관찰하였다.
고위발열량 대 공기의 화학양론적 부피의 비율을 (알려진) 이수소 함량에 연관시킬 수 있으며, 연구된 모든 천연가스에 대해 0.3% 미만의 오차로 그렇게 할 수 있다.
환언하면, 이수소 함량과 오차가 1% 미만인 추정된 고위발열량을 알면 공기의 화학양론적 부피를 알 수 있으므로 개방-루프 조절로 연소를 조절할 수 있다.
동일한 방식으로, 웨버 지수 대 연소성 지수의 비는 이수소 함량에 따라 선형으로 변화한다. 이것은 또한 개방-루프 조절을 수행할 수 있게 한다.
연소성 지수를 추정할 때의 오차는 10,000개의 가스가 사용된다면 무작위 조성의 10,000개의 가스 중 99.5%에서 1% 미만이라는 것을 알 수 있다.
웨버 지수의 정의에 따라, 웨버 지수 및 고위발열량 둘 모두가 알려져 있다면 가스의 밀도를 결정할 수 있다.
장치(1000)는 그것의 말단(1054)에서 웨버 지수 신호, 그것의 말단(1055)에서 고위발열량 신호, 그것의 말단(1056)에서 밀도 신호, 그것의 말단(1057)에서 공기의 화학양론적 부피 신호, 및 그것의 말단(1058)에서 연소성 지수 신호를 전달한다는 것을 알 수 있다. 이러한 신호는 연구중인 연료 가스, 즉 가스 G1에 관한 것이다.
도 8은 도 4와 관련하여 기재된 장치(10)를 사용하는 예시적인 조절 적용을 나타낸다. 이 장치는 파이프의 두 지점, 유입 지점(201) 및 유출 지점(202) 사이에 연결된다. 장치(10)는 센서(205)에 의해 취해진 측정치의 함수로서 압축 공기 공급 모듈(203)을 제어한다.
이 장치는 추가 양의 이수소가 더해진, 유럽에서 유통되는 가스와 유사한 가스에 대해 웨버 지수를 특히 계속해서 조절할 수 있다. 특히, 측정이 연속적이거나 실시간으로 이루어지기 때문에 조절을 수행하는 것이 가능하지만, 크로마토그래프 유형의 장치에서는 불가능하다.
웨버 지수가 측정되는 정확도는 대략 1% 정도이다.
원하는 조절을 얻기 위해 장치(10)의 웨버 지수에 대한 설정값을 변경할 수 있음을 알 수 있다.
게다가, 보정 단계는 메탄을 사용하면서 자동으로 수행될 수 있다. 시작 단계는 자동으로, 즉 사업자의 개입 없이 수행될 수도 있다.
또한, 특성 중 하나 (예를 들어, 웨버 지수)에 대해 폐쇄-루프 조절이 수행되고 주입될 압축 공기의 유량에 대해 개방-루프 조절이 수행되는 조합된 조절이 가능하다. 이는 특성에 대한 설정값을 보다 근접하게 만족시키기 위해 특성의 변화를 특히 정확한 방식으로 고려하는 것을 가능하게 한다.
그러한 장치는 시간당 150 리터 (L/h) 미만의 속도로 천연가스를 소비할 수 있음을 알 수 있다.
상기 기재된 양태 및 구현예는 열역학적 데이터 (Cp, 점도)가 부피 또는 몰 분율로 이수소 함량의 측정치와 결합될 수 있게 한다. 적절한 상관관계를 사용하면 웨버 지수 및/또는 고위발열량을 계산할 수 있다.
기상 크로마토그래프를 사용하는 것과 비교하여, 하기가 적용됨을 알 수 있다:
·추정은 거의 순간적이다 (응답 시간은 5초(s) 미만일 수 있음);
·추정은 저렴하다.
기존의 상관관계 방법과 비교하여, 이수소가 존재하더라도 양호한 측정 응용성(measurement robustness)과 함께 양호한 정확성이 얻어진다.
마지막으로, 연소 (연소성 계량기 또는 열량계)를 사용하는 장치와 비교하여, 본 발명은 양호한 응용성, 실행 용이성, 및 감소되고 수행하기 쉬운 유지 보수성을 제공한다.

Claims (17)

  1. 연료 가스 계열(family)에 속하는 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성을 추정하는 방법으로서, 상기 적어도 하나의 특성은 웨버 지수(Wobbe index) 또는 고위발열량(higher heating value)이고, 상기 방법은 하기를 포함하는 방법:
    ㆍ 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성을 측정하는 단계(E01);
    ㆍ 상기 연료 가스에 함유된 이수소(dihydrogen) 함량
    Figure 112019073166692-pct00241
    를 측정하는 단계(E02);
    ㆍ 상기 적어도 하나의 특성
    Figure 112019073166692-pct00242
    은 하기 경험적 아핀 관계(affine relationship)를 사용하여 추정된다(E03):
    Figure 112019073166692-pct00243

    식 중:
    α, β, 및 γ는 상기 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고;
    Figure 112019073166692-pct00244
    는 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정된 값으로부터 준비된 상기 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 계수 α, β, 및 γ는 이수소 함량
    Figure 112019073166692-pct00245
    에 대한 측정된 값을 입력(input)으로 갖고, 상기 계수 α, β, 및 γ를 출력(output)으로서 전달하는 차트로부터 판독된 계수인, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 차트는 상기 계수 α, β, 및 γ를 폭이 1%인 이수소 함량
    Figure 112019073166692-pct00246
    의 값 범위와 상관시키는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 계수 α, β, 및 γ 값은 상기 물리적 특성을 나타내는
    Figure 112020120093517-pct00247
    값 및 연소 특성이 알려져 있는 상기 연료 가스 계열의 알려진 가스에 관한 데이터세트로부터 얻어지는, 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 연료 가스 계열의 알려진 가스에 관한 상기 데이터세트로부터 물리적 특성을 나타내는
    Figure 112019073166692-pct00248
    값 및 연소 특성을 무작위로 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 웨버 지수 및 상기 고위발열량은 2개의 경험적 아핀 관계를 사용하여 추정되는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 추정된 웨버 지수 및 상기 추정된 고위발열량으로부터 상기 연료 가스의 밀도를 추정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 가스의 연소 특성을 조절하거나, 또는 연료 가스의 연소 특성 및 추정된 공기의 화학양론적 부피 또는 상기 추정된 특성에 상응하는 추정된 연소성 지수(combustibility index)를 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 가스의 상기 적어도 하나의 연소 특성은 웨버 지수
    Figure 112022064831921-pct00249
    를 포함하고; 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정은 유체 유동 수축부를 통한 음속 유동에서 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 단계(E12)를 포함하고, 상기 측정은 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 절대 압력 및 상기 수축부의 업스트림에서 측정된 절대 온도에서 이루어지고;
    상기 방법은 측정된 기준 절대 압력 및 측정된 기준 절대 온도에서, 상기 유체 유동 수축부를 통한 음속 유동 내 기준 가스의 질량 유량의 측정이 이루어지는 보정 절차(E11)를 추가로 포함하며;
    이때 웨버 지수
    Figure 112022064831921-pct00250
    를 추정하는데(E14)는 하기로 표기되는 경험적 아핀 관계를 사용하는, 방법:
    Figure 112022064831921-pct00251

    여기서:
    Figure 112022064831921-pct00252

    식 중:
    Figure 112022064831921-pct00253
    는 상기 연료 가스의 측정된 질량 유량이고;
    Figure 112022064831921-pct00254
    는 상기 연료 가스의 측정된 절대 압력이고;
    Figure 112022064831921-pct00255
    는 상기 연료 가스의 측정된 절대 온도이고;
    Figure 112022064831921-pct00256
    는 상기 기준 가스의 측정된 질량 유량이고;
    Figure 112022064831921-pct00257
    는 상기 기준 가스의 측정된 절대 압력이고;
    Figure 112022064831921-pct00258
    는 상기 기준 가스의 측정된 절대 온도이고;
    Figure 112022064831921-pct00259
    ,
    Figure 112022064831921-pct00260
    , 및
    Figure 112022064831921-pct00261
    는 상기 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 가스의 웨버 지수가 추정되고, 상기 방법은 상기 연료 가스의 밀도를 측정하는 단계 및 상기 추정된 웨버 지수 및 상기 측정된 가스 밀도로부터 고위발열량을 추정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 가스의 상기 적어도 하나의 연소 특성은 고위발열량
    Figure 112020120093517-pct00262
    을 포함하고,
    ㆍ 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정은 하기 단계들을 포함하는 방법:
    ㆍ 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류(laminar flow)에서 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 단계(E22)로, 상기 측정은 상기 연료 가스의 점도 및 기준 가스의 점도에 좌우되는, 단계;
    ㆍ 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 열량 유량계를 사용하여 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 단계(E23)로, 상기 측정은 상기 연료 가스의 비열용량 및 상기 기준 가스의 점도에 좌우되는, 단계;
    ㆍ 이때 고위발열량
    Figure 112020120093517-pct00263
    을 추정하는데(E25)는 하기로 표기되는 경험적 아핀 관계를 사용한다:
    Figure 112020120093517-pct00264

    여기서:
    Figure 112020120093517-pct00265

    식 중:
    Figure 112020120093517-pct00266
    는 변수
    Figure 112020120093517-pct00267
    에 상응하는 변수이고;
    Figure 112020120093517-pct00268
    은 측정된 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 상기 연료 가스의 질량 유량이고;
    Figure 112020120093517-pct00269
    는 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 측정된 연료 가스의 질량 유량이고;
    Figure 112020120093517-pct00270
    ,
    Figure 112020120093517-pct00271
    , 및
    Figure 112020120093517-pct00272
    는 상기 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
  12. 연료 가스 계열에 속하는 연료 가스의 적어도 하나의 연소 특성을 추정하기 위한 장치로서, 상기 적어도 하나의 특성은 웨버 지수 또는 고위발열량이고, 상기 장치는 하기를 포함하는, 장치:
    ㆍ 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성을 측정하기 위한 적어도 2개의 모듈(3a, 3b);
    ㆍ 상기 연료 가스에 함유된 이수소 함량
    Figure 112019073166692-pct00273
    을 측정하기 위한 모듈(4);
    ㆍ 하기 경험적 아핀 관계를 사용하여 상기 적어도 하나의 특성
    Figure 112019073166692-pct00274
    을 추정하도록 구성된 모듈(5):
    Figure 112019073166692-pct00275

    식 중:
    α, β, 및 γ는 상기 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고;
    Figure 112019073166692-pct00276
    는 상기 연료 가스의 적어도 2개의 유동 특성의 상기 측정된 값으로부터 준비된 상기 연료 가스의 물리적 특성을 나타내는 변수이다.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 연료 가스의 상기 적어도 하나의 연소 특성은 웨버 지수
    Figure 112019073166692-pct00277
    를 포함하고, 상기 장치는 하기를 포함하는, 장치:
    ㆍ 상기 연료 가스의 스트림을 수용하는 유입구(11);
    ㆍ 기준 가스의 스트림을 수용하는 유입구(12);
    ㆍ 상기 연료 가스의 스트림 또는 상기 기준 가스의 스트림을 파이프(13)로 가져 오는 선택 장치(selector) 및 가이드 모듈(31, 35);
    ㆍ 유체 유동 수축부(32); 및
    ㆍ 상기 유체 유동 수축부를 통한 음속 유동에서 연료 가스의 질량 유량을 측정하기 위하여, 상기 수축부의 업스트림에서의 절대 압력을 측정하기 위한 부모듈 및 상기 수축부의 업스트림에서의 절대 온도를 측정하기 위한 부모듈을 포함하는, 모듈(33);
    이때 웨버 지수
    Figure 112019073166692-pct00278
    를 추정하기 위해서는 하기로 표시되는 경험적 아핀 관계를 사용한다:
    Figure 112019073166692-pct00279

    여기서:
    Figure 112019073166692-pct00280

    식 중:
    Figure 112019073166692-pct00281
    는 상기 연료 가스의 측정된 질량 유량이고;
    Figure 112019073166692-pct00282
    는 상기 연료 가스의 측정된 절대 압력이고;
    Figure 112019073166692-pct00283
    는 상기 연료 가스의 측정된 절대 온도이고;
    Figure 112019073166692-pct00284
    는 상기 기준 가스의 측정된 질량 유량이고;
    Figure 112019073166692-pct00285
    는 상기 기준 가스의 측정된 절대 압력이고;
    Figure 112019073166692-pct00286
    는 상기 기준 가스의 측정된 절대 온도이고;
    Figure 112019073166692-pct00287
    ,
    Figure 112019073166692-pct00288
    , 및
    Figure 112019073166692-pct00289
    는 상기 연료 가스 계열의 사전 결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 장치는 상기 연료 가스의 웨버 지수를 추정하도록 구성되며, 상기 장치는 상기 연료 가스의 밀도를 측정하기 위한 모듈, 및 상기 추정된 웨버 지수 및 상기 측정된 가스 밀도로부터 고위발열량을 추정하도록 또한 구성된 상기 적어도 하나의 특성을 추정하도록 구성된 모듈(5)을 추가로 포함하는, 장치.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 연료 가스의 상기 적어도 하나의 연소 특성은 고위발열량
    Figure 112020120093517-pct00290
    을 포함하며, 상기 장치는 하기를 포함하는, 장치:
    ㆍ 상기 연료 가스의 스트림을 수용하는 유입구(111);
    ㆍ 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 모듈(132)로서, 상기 측정은 상기 연료 가스의 점도 및 기준 가스의 점도에 좌우되는, 모듈(132); 및
    ㆍ 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 열량 유량계를 사용하여 상기 연료 가스의 질량 유량을 측정하는 모듈(133)로서, 상기 측정은 상기 연료 가스의 비열용량 및 기준 가스의 열용량에 좌우되는, 모듈(133);
    이때 고위발열량
    Figure 112020120093517-pct00291
    을 추정하는데는 하기로 표기되는 경험적 아핀 관계를 사용한다:
    Figure 112020120093517-pct00292

    여기서:
    Figure 112020120093517-pct00293

    식 중:
    Figure 112020120093517-pct00294
    는 변수
    Figure 112020120093517-pct00295
    에 상응하는 변수이고;
    Figure 112020120093517-pct00296
    은 측정된 압력 강하를 일으키는 장치를 통과하는 층류에서 상기 연료 가스의 질량 유량이고;
    Figure 112020120093517-pct00297
    는 압력 강하를 일으키는 상기 장치의 다운스트림에서 측정된 연료 가스의 질량 유량이고;
    Figure 112020120093517-pct00298
    ,
    Figure 112020120093517-pct00299
    , 및
    Figure 112020120093517-pct00300
    는 상기 연료 가스 계열의 사전결정된 계수이고, 각각 계수 α, β, 및 γ에 상응한다.
  16. 청구항 12에 있어서, 경험적 아핀 관계를 사용하여 상기 적어도 하나의 특성
    Figure 112020120093517-pct00301
    을 추정하도록 구성된 모듈은 공기의 화학양론적 부피 또는 연소성 지수를 추정하도록 또한 구성되는, 장치.
  17. 청구항 12에 있어서, 상기 연료 가스의 상기 연소 특성을 조절하거나 또는 상기 연료 가스의 연소 특성 및 상기 추정된 특성에 상응하는 추정된 공기의 화학양론적 부피 또는 추정된 연소성 지수를 조절하기 위한 모듈을 추가로 포함하는, 장치.
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