KR20010033544A - 가스의 상대 밀도 측정 방법 및 장치 - Google Patents

가스의 상대 밀도 측정 방법 및 장치 Download PDF

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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 소리의 속도(SoS)는 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 RD = g.ThCH+ h.ThCL+ i.SoS + j.Ta+ k.Ta 2+ l (여기서, g, h, i, j, k, l은 상수)에 따라 상대 밀도(RD)를 계산한다.

Description

가스의 상대밀도 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE RELATIVE DENSITY OF A GAS}
상대 밀도는 무차원 수이다.
가스는 연료 가스, 예를 들어 천연 가스일 수 있다. 천연 가스는 메탄일 수 있으며, 이산화질소 및/또는 탄소를 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 상대 밀도를 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 발명의 일 태양에 따르면, 가스의 상대 밀도를 측정하는 방법이 가스 속에서의 소리의 속도를 측정하는 단계와, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 단계와, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 단계와, 상기 소리의 속도와 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 상대 밀도를 발생시키는 작업에서 소리의 속도와 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 가스의 상대 밀도를 측정하는 장치가 가스 속에서의 소리의 속도를 측정하는 단계와, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 수단과, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 수단과, 상기 소리의 속도와 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 상대 밀도를 발생시키는 작업에서 소리의 속도와 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 수단을 포함한다.
이제 첨부 도면을 참조해서 본 발명을 일례를 들어 더욱 자세히 설명하기로 한다.
도1을 참조하면, 가스의 상대 밀도를 측정하는 장치(2)가 챔버(4)를 구비하며, 이 챔버 내로는 가스가 유입구 도관(6)을 통해 공급되고 유출구 도관(8)을 통해 빠져나간다. 유입구 도관(6)은 열교환 수단(6A), 예를 들어 구리 코일을 포함하며, 이 열교환 수단에 의해서 유입 가스의 온도는 외부 분위기의 주위 온도와 사실상 동일한 값으로 조정될 수 있으며, 이에 의해 챔버(4) 내의 가스는 사실상 완전히 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 필요에 따라 변환기(10)가 초음파 신호(18)를 방출하게 한다. 초음파 신호(18)는 변환기(12)에 의해 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, 이 SoS는 단위가 미터/초(m/s)인 소리의 속도이다.
필요에 따라서는 가스 속에서의 소리의 속도를 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 제GB9813513.0호에 개시된 방법이다. 이들 출원들은 공진기 내에서 가스의 소리의 속도를 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 검출하도록 배치된다. 마이크로폰으로부터의 신호는 적절한 전자 회로에 의해 필터링되고 증폭되며, 처리 수단이 공진기 내에서 가스와 관련된 공진 주파수를 결정해서 소리의 속도를 결정한다.
챔버(4) 내의 온도 센서(22)가 주위 온도의 값을 나타내는 라인(24) 상의 데이터를 제어 수단(14)에 제공한다.
주위 온도 센서(22)는 열전도율 관찰 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 관찰하는 열전도율 관찰 수단(30)은 제어 수단(14)으로부터의 라인(32)상의 신호에 응답해서, 센서(22)에 의해 관찰된 주위 온도보다 높은 하나 이상의 선택된 소망하는 온도로 작동할 수 있는 가열기 수단을 구비하며, 소망하는 온도에서의 가스의 열전도율을 나타내는 신호가 라인(34) 상에서 제어 수단으로 보내진다.
제어 수단(14)은 열전도율 센서(28)가 2개의 다른 소망하는 온도(tH, tL)에서 가스의 열전도율을 측정하게 하며, 여기서 tH는 센서(22)에 의해 관찰된 주위 온도 보다 높은 소정의 소망하는 수의 온도(t1)이고, tL은 주위 온도보다 높은 소정의 소망하는 수의 온도(t2)이며, 수 t1은 수 t2보다 크다.
가스 속에서의 소리 속도의 관찰 또는 측정된 값과, 온도(tH, tL)에서의 가스의 열전도율과, 센서(22)에 의한 가스의 주위 온도의 관찰된 값을 사용해서, 제어 수단(14)은 다음 수학식 1을 이용해서 가스의 상대 밀도를 계산한다.
RD = g.ThCH+ h.ThCL+ i.SoS + j.Ta+ k.Ta 2+ l
여기서, RD는 상대 밀도, ThCH는 온도(tH)에서의 가스의 열전도율, ThCL은 온도(tL)에서의 가스의 열전도율, SoS는 주위 온도에서 가스 속에서의 소리의 속도, Ta는 센서(22)에 의해 관찰된 가스의 주위 온도, 그리고 g, h, i, j, k, l은 각각의 상수이다.
해당 가스는 2개 이상의 가스의 혼합물일 수 있으며, 여기서 혼합물의 조성은 가변 비율로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 해당 가스는 연료 가스일 수 있다. 그러한 연료 가스는 천연 가스일 수 있다. 천연 가스는 메탄과, 적어도 하나의 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 또는 헥산을 포함할 수 있으며, 그리고 이산화질소 및/또는 탄소를 더 포함할 수 있다.
수학식 1에서 상수 g, h, i, j, k, l을 도출하기 위해서, 회귀 분석(regression analysis)으로 알려진 수학적 기술이 해당 가스와 관련해서 수집된 데이터에 대해 사용될 수 있다. 혼합물에서의 가스의 비율은 다수의 상이한 샘플을 형성하도록 변화될 수 있다. 색층 분석 방법을 사용해서, 한 샘플의 상대 밀도(RD)가 얻어지고, 이 샘플의 주위 온도(Ta)가 측정되며, 이 샘플의 열적 활동도(ThCH, ThCL)가 측정된다. 이것이 각 샘플에 대해 행해지고 이어서 각 샘플에 대응하는 한 세트의 측정값을 얻는다. 측정값의 세트들이 수학식 1에 삽입되고 상수 g, h, i, j, k, l의 최적값이 도출된다. 영국에 있는 다수의 장소의 해안에서 나오는 천연 가스의 경우에 있어서, 다양한 장소에서 나온 샘플들과 또 메탄과 에탄, 메탄과 부탄, 메탄과 펜탄, 그리고 메탄과 헥산의 혼합물 실험실에서의 인공적 복제품인 가스 동등물 그룹들에 대해 회귀 분석이 수행되었으며, 상기 혼합물들은 메탄과 프로판의 각종 혼합물로 대표된다.
수학식 1이 천연 가스와 가스 동등물 그룹에 적용되고 회귀 분석이 사용될 때 상수들에 대한 다음과 같은 값들이 도출되었다.
g = 0.017955
h = -0.02812
i = -0.00189
j = 0.001807
k = -0.0000026
l = 1.73041
여기서, RD는 단위가 MJ/m3 st(메가주울/표준 입방 미터)인 가스의 상대 밀도, ThCH는 주위 온도(Ta)보다 높은 대략 섭씨 70도의 온도에서 단위가 W/m.K(여기서 K는 켈빈 온도)인 가스의 열전도율, ThCL은 주위 온도보다 높은 대략 섭씨 50도인 온도에서 단위가 W/m.K인 가스의 열전도율, SoS는 단위가 m/s인 가스 속에서의 소리의 속도, Ta는 단위가 섭씨 온도인 가스의 주위 온도일 때이다.
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)]만큼 다르다.
제어 수단(14)에 의해 계산된 상대 밀도(RD)의 값은 시각적으로 표시되거나 인쇄될 수 있으며, 이밖에도 제어 수단으로부터의 신호에 응답해서 기록 수단(36)에 의해 기록될 수 있다.
임의의 적절한 기술에 의해서 제어 수단(16) 자체에는 가스의 상대 밀도를 나타내는 정보가 제공될 수 있으며 또는 제어 수단에는 가스의 상대 밀도(RD)를 계산할 수 있게 해주는 정보가 제공될 수 있다. 제어 수단(14)은 다음 수학식 2를 사용해서 가스의 와블 지수(Wobble Index)의 값을 계산하거나 얻을 수 있다.
연료 가스가 어떤 공정 장치(예컨대 로, 가마, 압축기, 엔진 등)에서 연소될 때 몇 가지 형태의 제어 시스템이 사용되어 산소(이 경우엔 공기의 형태임)/연료 가스비를 설정해서 최적 연소를 확보한다. 연료 가스 조성 변화의 편차를 부분적으로 고려하기 위해서 여분의 공기량이 허용된다. 이러한 허용은 여분의 공기가 가열되고 통기되고 있기 때문에 상기 공정 장치가 실제 가능한 것보다 덜 효율적으로 운전되고 있음을 의미한다.
그러나, 연료 가스 품질을 가리키고 본 발명에 따라 발견될 수 있는 상대 밀도 또는 와블 지수의 측정치는 피드 포워드 제어 전략 시스템에서 사용되어 사용 가능한 제어의 정밀성을 향상시키고 보다 나은 효율을 달성한다.
그러한 제어를 수행하는 장치가 도2에 도시되어 있다. 연료 가스는 파이프와 같은 도관(40)을 거쳐서 로, 가마, 압축기 또는 엔진과 같은 가스 연소 공정 장치(41)로 공급되며, 공기 형태의 산소가 다른 도관(42)을 거쳐서 공정 장치(41)로 공급된다. 도관(40) 내로 일시적으로 삽입 가능하거나 또는 하나 이상의 영구적 고정물로서 하나 이상의 탐침 형태로 될 수 있는 임의의 적절한 장치(43)가 도관(40)을 통과하는 연료 가스의 소리의 속도, 두 온도(tH, tL)에서의 가스의 열전도율(ThCH, ThCL) 및 가스의 주위 온도(Ta)를 측정하도록 배치된다. 연료 가스의 소리의 속도(SoS), 열전도율(ThCH, ThCL) 및 가스의 주위 온도(Ta)는 장치(43)에 의해 측정되고 접속부(44)를 거쳐 제어 수단(45)으로 넘겨지는데, 이 제어 수단은 예를 들어 마이크로프로세서 또는 컴퓨터일 수 있다. 제어 수단(45)은 초기에 설명한 바와 같이 장치(43)로부터의 수신된 측정치로부터 연료 가스의 상대 밀도를 결정한다. 가스 품질의 측정 수단을 결정하고 나면, 제어 수단은 산소/연료 가스비 제어 시스템(46, 47)을 사용해서 공기/연료 가스비 설정점을 조정할 수 있어서 보다 나은 효율을 달성한다. 이 경우에 산소/연료 가스 제어 시스템은 연료 가스 및 공기 도관(40, 42)의 각각에 하나씩 배치되고 양자 모두는 접속부(48, 49)를 거쳐서 제어 수단(45)에 의해 제어되는 2개의 가변 개방 밸브(46, 47)를 포함한다. 대안으로서 산소/연료 가스 제어 시스템은 도관(40, 42)들 중 딱 한 곳에만 배치되는 하나의 가변 개방 밸브를 포함할 수 있다.

Claims (27)

  1. 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 단계와, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 단계와, 상기 소리의 속도와 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 상대 밀도를 발생시키는 작업에서 소리의 속도와 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 상대 밀도 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상대 밀도는 다음 수학식 1
    (수학식 1)
    RD = g.ThCH+ h.ThCL+ i.SoS + j.Ta+ k.Ta 2+ l
    (여기서, RD는 가스의 상대 밀도, ThCH는 상기 제1 온도에서의 가스의 제1 열전도율, ThCL은 상기 제1 온도보다 낮은 상기 제2 온도에서의 가스의 제2 열전도율, SoS는 주위 온도에서 가스 속에서의 소리의 속도, Ta는 상기 열전도율들이 측정되는 상기 가스의 주위 온도이고, 제1 및 제2 온도는 상기 주위 온도보다 크며, 그리고 g, h, i, j, k, l은 상수)의 사용을 포함하는 과정에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, SoS는 단위가 m/s인 소리의 속도, 열전도율은 단위가 와트/미터 x 켈빈 온도(W/m.K), 온도(Ta)와 제1 및 제2 온도는 단위가 섭씨 온도, 상대 밀도는 단위가 메가주울/표준 입방 미터(MJ/m3 st)인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 가스는 연료 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 연료 가스는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 가스는 메탄인 적어도 하나의 탄화수소 가스를 포함하는 천연 가스이고, 상기 천연 가스는 이산화질소 및/또는 탄소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 온도는 주위 온도보다 높은 약 70℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 온도는 주위 온도보다 높은 약 50℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    g = 0.017955
    h = -0.02812
    i = -0.00189
    j = 0.001807
    k = -0.0000026
    l = 1.73041인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 첨부 도면을 참조하여 전술한 바와 같은 것을 특징으로 하는 가스의 상대 밀도 측정 방법.
  11. 다음 수학식 2
    (수학식 2)
    (여기서, WI는 와블 지수, CV는 가스의 열량값, RD는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서 청구된 방법에 의해 얻어진 상대 밀도)를 이용하는 것을 특징으로 하는 가스의 와블 지수 측정 방법.
  12. 가스 속에서의 소리의 속도를 측정하는 단계와, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 수단과, 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 수단과, 소리의 속도와 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 상대 밀도를 발생시키는 작업에서 소리의 속도와 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 상대 밀도 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상대 밀도는 다음 수학식 1
    (수학식 1)
    RD = g.ThCH+ h.ThCL+ i.SoS + j.Ta+ k.Ta 2+ l
    (여기서, RD는 가스의 상대 밀도, ThCH는 상기 제1 온도에서의 가스의 제1 열전도율, ThCL은 상기 제1 온도보다 낮은 상기 제2 온도에서의 가스의 제2 열전도율, SoS는 주위 온도에서 가스 속에서의 소리의 속도, Ta는 상기 열전도율들이 측정되는 상기 가스의 주위 온도이고, 제1 및 제2 온도는 상기 주위 온도보다 크며, 그리고 g, h, i, j, k, l은 상수)의 사용을 포함하는 과정에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, SoS는 단위가 m/s인 소리의 속도, 열전도율은 단위가 와트/미터 x 켈빈 온도(W/m.K), 온도(Ta)와 제1 및 제2 온도는 단위가 섭씨 온도, 상대 밀도는 단위가 메가주울/표준 입방 미터(MJ/m3 st)인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 가스는 연료 가스인 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 연료 가스는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제14항에 있어서, 가스는 메탄인 적어도 하나의 탄화수소 가스를 포함하는 천연 가스이고, 상기 천연 가스는 이산화질소 및/또는 탄소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 온도는 주위 온도보다 높은 약 70℃인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 온도는 주위 온도보다 높은 약 50℃인 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    g = 0.017955
    h = -0.02812
    i = -0.00189
    j = 0.001807
    k = -0.0000026
    l = 1.73041인 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 첨부 도면을 참조하여 전술한 바와 같은 것을 특징으로 하는 가스의 상대 밀도 측정 장치.
  22. 제12항 내지 제21항 중 어느 항에 따른 가스 연소 공정 장치에 대해 연료 가스의 상대 밀도를 측정하기 위한 장치와, 결정된 상대 밀도에 따라 가스 연소 공정 장치에 대해 산소/연료 가스비 제어 시스템을 조정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 연소 공정 장치의 산소/연료 가스비 조정 제어 수단.
  23. 산소를 공급받기 위한 수단과, 연료 가스를 공급받기 위한 수단과, 산소/연료 가스비 제어 시스템과, 제22항에 따른 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 로.
  24. 산소를 공급받기 위한 수단과, 연료 가스를 공급받기 위한 수단과, 산소/연료 가스비 제어 시스템과, 제22항에 따른 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가마.
  25. 산소를 공급받기 위한 수단과, 연료 가스를 공급받기 위한 수단과, 산소/연료 가스비 제어 시스템과, 제22항에 따른 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
  26. 산소를 공급받기 위한 수단과, 연료 가스를 공급받기 위한 수단과, 산소/연료 가스비 제어 시스템과, 제22항에 따른 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  27. 다음 수학식 2
    (수학식 2)
    (여기서, WI는 와블 지수, CV는 가스의 열량값, RD는 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항에서 청구된 방법에 의해 얻어진 상대 밀도)를 이용하는 것을 특징으로 하는 가스의 와블 지수 측정 장치.
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