RU2288471C2 - Способ определения по меньшей мере одной энергетической характеристики газотопливной смеси посредством измерения физических характеристик газовой смеси - Google Patents

Способ определения по меньшей мере одной энергетической характеристики газотопливной смеси посредством измерения физических характеристик газовой смеси Download PDF

Info

Publication number
RU2288471C2
RU2288471C2 RU2004102387/04A RU2004102387A RU2288471C2 RU 2288471 C2 RU2288471 C2 RU 2288471C2 RU 2004102387/04 A RU2004102387/04 A RU 2004102387/04A RU 2004102387 A RU2004102387 A RU 2004102387A RU 2288471 C2 RU2288471 C2 RU 2288471C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
physical characteristics
equivalent
component
composition
Prior art date
Application number
RU2004102387/04A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2004102387A (ru
Inventor
Камаль РАМУНИ (FR)
Камаль РАМУНИ
Моханд ТАЗЕРУ (FR)
Моханд ТАЗЕРУ
КОРРЕ Оливье ЛЕ (FR)
КОРРЕ Оливье ЛЕ
Original Assignee
Далкия Франс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Далкия Франс filed Critical Далкия Франс
Publication of RU2004102387A publication Critical patent/RU2004102387A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2288471C2 publication Critical patent/RU2288471C2/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22Fuels; Explosives
    • G01N33/225Gaseous fuels, e.g. natural gas

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к оценке качества природного газа в связи с его антидетонационной способностью. Способ определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики горючей газовой смеси, состоит в следующем: 1) измерение для указанной газовой смеси n физических характеристик φi при температуре Т и/или одной физической характеристики φi при n различных температурах; 2) определение исходя из указанных физических характеристик состава газа, эквивалентного указанной смеси, включающего в себя n+1 компонент; 3) выведение энергетических характеристик указанной газовой смеси из указанного известного состава эквивалентного газа. Достигается упрощение и повышение информативности определения. 1 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Description

Объектом настоящего изобретения является способ определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики горючей газовой смеси посредством измерения физических характеристик этой газовой смеси, определения состава газа, эквивалентного данной газовой смеси и выведения энергетических свойств исходя из указанного состава.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Энергетические характеристики, такие как теплотворная способность газа, число Воббе, коэффициент полноты сгорания, а также метановое число, представляют большой интерес с точки зрения промышленности. Действительно, изменение газового состава (например, природного газа), имеющее место в связи с множественностью источников поставок (алжирский, норвежский, российский газ и т.п.), может представлять собой причину серьезных повреждений стационарных двигателей, работающих на газе. Эти двигатели обыкновенно используются для одновременного производства тепла и электричества (когенерация). Кроме того, эффективное использование горючих газов в двигателях внутреннего сгорания главным образом зависит от свойств их воспламенения и свойств их горения.
Энергетической характеристикой, позволяющей отслеживать изменения качества природного газа в связи с его антидетонационной способностью, является метановое число.
Горючие газы, имеющие различную ценность, связанную с их очень различными энергетическими характеристиками, имеют также различное происхождение: газ, получаемый при сухой перегонке древесины; газ, получаемый при газификации каменного угля; природные газы и т. д.
В тех случаях, когда в силовых двигателях внутреннего сгорания используется биогаз, изменение состава газа может серьезным образом влиять на рабочие характеристики такого двигателя. Например, могут иметь место колебания мощности, связанные с изменениями показателя низшей теплоты сгорания (этот показатель может претерпевать изменения в промежутке от 10 до 25 МДж/м3). Таким образом, измерение низшей теплоты сгорания биогаза оказывается чрезвычайно важным для оптимального функционирования двигателя.
Число Воббе (Wobbe) представляет собой другую важную энергетическую характеристику газового горючего (оно может претерпевать изменения в пределах от 10 до 30 МДж/м3). Этот показатель является важным критерием взаимозаменяемости различных газов в силовых установках. Изменение газового состава не вызывает сколько-нибудь значительных изменений коэффициента избытка воздуха и скорости сгорания, когда число Воббе остается приблизительно постоянным. Этот показатель может быть выведен из расчета теплотворной способности при помощи следующего соотношения:
Figure 00000002
в котором PCI представляет собой низшую теплоту сгорания газа, a d представляет собой плотность газа.
Существуют многочисленные способы для измерения качества газового горючего, в числе которых можно отметить способы измерения теплотворной способности и способ измерения метанового числа.
а) Способы измерения теплотворной способности
Зная состав газовой смеси, легко можно рассчитать ее теплотворную способность, используя индивидуальные значения этой величины для каждого из составных частей данного газа.
Прямое определение теплотворной способности может быть осуществлено при помощи ручных калориметров или автоматических калориметров, таких, например, как калориметрическая бомба, газовый калориметр Джанкерса и микрокалориметр типа "Юнион".
Эти традиционные способы громоздки, трудоемки и представляют значительные трудности в применении в тех случаях, когда требуется узнать теплотворную способность газовой смеси в процессе работы установки.
Способ, предложенный для вычисления теплотворной способности, который описан в публикации международной заявки WO 99/36767, принимает в расчет измерение двух физических свойств (скорость распространения звука в данной газовой среде и ее теплопроводность). Этот способ был разработан при использовании природных газов, представленных всеми разновидностями газа, имеющими хождение в системе газораспределения Великобритании. Лабораторные исследования, выполненные с применением этих природных газов, позволили определить скорость распространения звука в этих газах с последующим определением взаимосвязи результатов произведенных измерений с теплотворной способностью. Поскольку измерения только одной указанной характеристики оказалось недостаточно для отслеживания изменений теплотворной способности при наличии или отсутствии в природных газах сколько-нибудь значительных инертных примесей, было предложено измерять также и другую физическую характеристику (теплопроводность) в сочетании с измерением скорости распространения звука. В соответствии с этой методикой, теплотворная способность рассчитывается следующим образом:
Figure 00000003
где
- CV представляет собой теплотворную способность;
- ThCH представляет собой теплопроводность при температуре Тh;
- ThCL представляет собой теплопроводность при температуре TL;
- SoS представляет собой скорость распространения звука при температуре окружающей среды;
- Та представляет собой температуру окружающей среды для газа;
- а, b, с, d, e и f являются постоянными величинами (константами).
Константы были определены посредством обработки данных, полученных для образцов газа различного происхождения, используемого в Великобритании, при помощи метода регрессии. Таким образом, рассмотренный способ определения теплотворной способности основывается на измерениях, полученных только для природных газов, имеющих распространение в Великобритании и, следовательно, не может быть широко обобщен.
Другой способ для определения теплотворной способности основывается на определении доли азота и двуокиси углерода в данном газе, а также значения плотности этого газа. Приведенная ниже формула была использована Кэндвеллом (Candwell) (1967); она действительна только для газов, число Воббе у которых заключено в промежутке от 43,4 до 44,4 МДж/м3 (гронингенский газ):
Figure 00000004
В этой формуле КCO2 представляет собой долю двуокиси углерода, a KN2 представляет собой долю азота в данном газе.
Оба приведенных выше способа неприменимы, однако, по отношению ко всей совокупности газов, имеющих распространение в Европе.
б) Способы измерения метанового числа
Экспериментальное определение метанового числа
Измерения метанового числа обычно осуществляется при помощи стандартного исследовательского устройства типа CFR/RDH (англ.: Cooperative Fuel Research / Removable Dome Head) в соответствии с техническими условиями, определенными в публикации: Christoph et al. «Evaluation du pouvoir antidétonant des carburants gazeux au moyen de I'indice de méthane et de leur application pratique dans les moteurs á gaz» (Кристоф и др. Оценка антидетонационной способности газовых топлив при помощи метанового показателя и их практическое использование в газовых двигателях) - MTZ, 33, апрель 1972, №10.
Химическое определение метанового числа (посредством анализа химического состава)
Другой способ определения метанового числа был разработан Райаном и Каллаханом [RYAN et al. Journal of Engineering for gas turbines and Power, октябрь 1993, т.115/769 и CALLAHAN et al. 18th. Annual Fall Technical Conference of the ASME Internal Combustion Engine Division, 1996, ICE- т.27-4.], и далее усовершенствован Вокеша (Waukesha) [Selberg, CIMAC Congress 1998]. Эти авторы ввели новый показатель, сходный с метановым числом, названный индексом WKI (патент США №6061637).
Графическое определение метанового числа
Способ, позволяющий вычисление метанового числа для данного газового горючего исходя из химического состава последнего, был разработан Кристофом и др. [см. приведенную выше ссылку]. Этот способ состоит в объединении различных компонентов в группы по два или по три, для которых метановое число представлено на соответствующих диаграммах. Соответствующее уравнение имеет следующий вид:
Figure 00000005
где
IMj: метановое число для смеси j, состоящей из двух или трех газов;
yj: объемная концентрация смеси j в общей смеси, а
IM представляет собой метановый показатель общей смеси.
Приведенное уравнение может иметь применение только при наличии
диаграмм для каждой из групп, выделенных в данной смеси.
Кроме того, при этом должен быть соблюден ряд определенных требований:
- отклонения между IMj не должны различаться более чем на пять единиц;
- каждая группа должна состоять, по меньшей мере, из трех составных частей;
- группа может быть составлена из одного газа только при том условии, что она удовлетворяет первому правилу;
- легко детонирующие составные части (такие, например, как бутан) всегда должны быть включены в трехкомпонентную группу совместно с составными частями, обладающими высокой антидетонационной способностью (например, с метаном);
- составные части, содержащие пять или более углеродных атомов, могут быть объединены с бутаном, поскольку они содержатся в газах лишь в следовых количествах.
Для газовых смесей, содержащих азот или двуокись углерода в количествах, не превосходящих 9 и 2% соответственно, метановое число определяют, не принимая в расчет этих составных частей. В этом случае погрешность вычислений не превосходит двух единиц метанового числа.
Если же содержание указанных составляющих превышает приведенные величины, тогда метановое число рассчитывается в соответствии со следующим уравнением:
Figure 00000006
в котором
IM(без) рассчитывается в соответствии с уравнением (4);
IM(негорюч.) вычисляется с применением трехкомпонентной диаграммы
CH4-CO2-N2, в которой все предельные углеводороды условно принимают
тождественными метану.
Эмпирическое определение метанового числа.
1) Соотношение IM=f(PCl, ×CO2, плотность, или объемная масса).
Простое уравнение, основанное на измерении низшей теплоты сгорания (PCI), плотности данного газа и содержания в нем двуокиси углерода, было разработано в немецкой компании Рургаз (Ruhrgas). Это уравнение, которое основывается на эталонной модели (программа AVL, которая осуществляет расчет метанового числа исходя из трехкомпонентных диаграмм), представляет собой множественную линейную регрессию, форма которой такова:
Figure 00000007
При этом PCl представляет собой низшую теплоту сгорания данного газа;
ρ представляет собой плотность данного газа;
хСO2 представляет собой долю двуокиси углерода в данном газе. Кроме того, было разработано два способа вычисления метанового числа исходя из данных о теплотворной способности или о диэлектрической проницаемости данного газа, его плотности и содержании в нем двуокиси углерода;
- Первый из этих способов позволяет определять газовый состав в зависимости от низшей теплоты сгорания, плотности и доли двуокиси углерода (алгоритм расчета), позволяя также осуществить расчет метанового числа при помощи программы AVL, основанной на экспериментальных данных, полученных при использовании двигателя CFR (см.: Leiker M, et al. Evaluation of the Antiknocking Property of Gasseous Fuels by means of the Methane Number and its Practical Application to Gas Engines / Оценка антидетонационной способности газовых топлив через метановое число и ее практическое применение к газовым двигателям. - ASME Paper 72-DGP-4, апрель 1972), а также расчет числа Воббе и низшей теплоты сгорания. Способ включает в себя допущение, касающееся содержания азота в газе. Конечный состав газа определяется при помощи алгоритма, основанного на итерационном вычислении, объединяющем серию отношений второго порядка к низшей теплоте сгорания (патент ЕР 0939317 А2).
Второй способ, напоминающий предыдущий, позволяет определить газовый состав в зависимости от величины диэлектрической проницаемости, плотности данного газа и доли в нем двуокиси углерода. Метод включает в себя два допущения относительно содержания азота и низшей теплоты сгорания углеводородов. Конечный состав данного газа также определяется при помощи алгоритма, основанного на итерационном вычислении, объединяющем серию отношений второго порядка к низшей теплоте сгорания (патент ЕР 1081494 А1).
2) Оптическое поглощение в инфракрасном спектре.
Два способа, позволяющих отслеживать изменения метанового числа, которые включают в себя измерение оптического поглощения в инфракрасном спектре, описаны в публикациях международных заявок WO 98/25128 и WO 00/50874.
Оба метода эмпирического определения метанового числа позволяют достичь точности порядка +/- 2 единиц метанового числа.
Кроме того, при использовании переменных величин (таких, например, как низшая теплота сгорания), измерение которых может оказаться физически и экономически затруднительным, приведенные способы могут быть использованы только теми пользователями, которые могут эффективно измерять низшую теплоту сгорания газовых топлив, их плотность и содержание в них двуокиси углерода (например, такие пользователи, как немецкая компания Рургаз, которая эффективно осуществляет измерения указанных величин на своих газораспределительных станциях).
Все методы, используемые для вычисления метанового числа и низшей теплоты сгорания, представляют собой соотношения, основывающиеся на одной, двух или трех физических характеристиках. Установление какой-либо регрессии требует последовательного калибрования, поскольку подход является эмпирическим.
Приведенные способы представляют значительные неудобства, первым из которых является необходимость устанавливать точное взаимоотношение между энергетическими характеристиками, которые при этом определяются, и теми физическими свойствами, которые с этой целью используются. Кроме того, затруднительность определения положительного или отрицательного влияния некоторых соединений, влиянием которых на метановое число, например, или на низшую теплоту сгорания нельзя пренебречь, также представляет собой неудобство, свойственное такого рода методикам.
Наконец, чрезвычайно редко указанные соотношения могут позволить рассчитать несколько энергетических характеристик одновременно.
Настоящее изобретение имеет своей задачей исключить указанные неудобства и предлагает новый простой в применении способ, предназначенный для определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики газа (природного газа, биогаза и т.п.), который имеет многочисленные преимущества, в частности, возможность одновременного определения метанового числа и теплотворной способности газов, которые представляют собой две характеристики, принципиально важные для нормального функционирования газовых двигателей, предназначенных для когенерации (одновременного производства электроэнергии и тепла).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ, соответствующий настоящему изобретению, предназначенный для определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики газовой смеси, состоит в следующем:
1) измерение для указанной газовой смеси n физических характеристик φi при температуре Т и/или одной физической характеристики φi при n различных температурах;
2) определение исходя из указанных физических характеристик, состава газа из n+1 компонента, эквивалентного указанной смеси;
3) выведение из указанного состава эквивалентного газа энергетических характеристик указанной газовой смеси.
Газовая смесь, подлежащая испытаниям, может представлять собой газовое топливо, такое как природный газ или газ биологического происхождения, такой как биогаз, или же газ, получаемый посредством газификации. Указанная смесь может состоять из метана и содержать негорючие газы, такие как двуокись углерода или азот. В дополнение к метану, газовая смесь может содержать также, по меньшей мере, один иной насыщенный углеводород, включающий в себя от 2 до 5 атомов углерода, например, такой как этан, пропан, бутан или пентан. Эквивалентный газ может также включать в свой состав водород и/или моноокись углерода.
Указанный эквивалентный газ может содержать n+1 составных частей, при этом n представляет собой целое число, большее или равное 1, предпочтительно - равное 2 или 3.
Физические характеристики, предусмотренные к измерению, могут представлять собой скорость распространения звука, теплопроводность, динамическую вязкость, плотность, коэффициент оптического преломления, диэлектрическую проницаемость газа, оптическое поглощение в инфракрасной области спектра или любую другую физическую характеристику данного газа при температуре Т.
Предпочтительно, способом предусмотрено использование нижеследующих пар физических характеристик φ1 и φ2:
- динамическая вязкость и теплопроводность;
- теплопроводность при температурах T1 и Т2;
- коэффициент оптического преломления и теплопроводность;
- скорость распространения звука и коэффициент оптического преломления.
Установленные при этом энергетические характеристики могут представлять собой метановое число, теплотворную способность, число Воббе и коэффициент полноты сгорания.
Перед осуществлением этапа 1 согласно способу в соответствии с настоящим изобретением предварительно производится калибрование, состоящее либо в нескольких сериях измерений физических характеристик φi эквивалентного газа, включающего в себя n+1 составную часть, и состав которого известен; либо при использовании численного метода, например, такого как метод, соответствующий описаниям в ASTM D 25-98-68, после чего определяется соотношение между этими физическими характеристиками и содержанием каждой из составляющих частей указанного эквивалентного газа.
Термин "эквивалентный" обозначает только газ, включающий в себя n+1 составную часть, обладающий теми же самыми n физическими характеристиками, что и данный "реальный" газ (иными словами, той же величиной скорости распространения звука или, например, той же теплопроводностью), для которого требуется определить энергетические характеристики.
Так, например, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения могут быть измерены две (или соответственно три) физических характеристики газовой смеси и исходя из этих физических характеристик определен состав трехкомпонентного (или соответственно четырехкомпонентного) эквивалентного газа.
В таком случае может быть составлена трехкомпонентная (или четырехкомпонентная) диаграмма, основывающаяся на любом триплетном сочетании элементарных газов, например СН42Н64Н10 или СН42Н64Н10-N2 исходя из измерений всех возможных сочетаний физических характеристик два по два (трехкомпонентная диаграмма) или три по три (четырехкомпонентная диаграмма).
Указанная трехкомпонентная диаграмма предпочтительно основывается на эквивалентном трехкомпонентном составе вида СН4-C2H6-N2, СН42Н64Н10, СН42Н6- С4Н10 или СН42Н6- С4Н10- N2.
В целом, реальные газы, такие как природный газ, могут включать в свой состав до 5-6 компонентов, иногда даже более того.
Трехкомпонентная диаграмма (или соответственно четырехкомпонентная) представляет диаграмму газовой смеси, которая включает в себя только три различных соединения (или соответственно четыре соединения). Таким образом, природные газы могут быть представлены на диаграммах такого рода в виде псевдосостава, или "эквивалентного" газа.
Авторами изобретения было обнаружено, что реальный газ обладает теми же энергетическими характеристиками, что и эквивалентный газ, воссозданный на основе двух физических характеристик данного реального газа.
На Фиг.1 представлена трехкомпонентная диаграмма X123, на которой могут быть представлены результаты измерений двух различных физических характеристик реальной газовой смеси.
X1, X2 или Х3 могут быть сопоставлены любому соединению, входящему в состав газа, например метану, этану или азоту (X1+X23 =1, или 100%).
Физические характеристики, обозначенные на этой диаграмме через φ1 и φ2, соответствуют каждая одному измерению указанных выше физических характеристик. Это означает, что кривая, на которой представлено значение φ1, которое соответствует, например, скорости распространения звука, равной 300 м/с, представляет бесконечное множество различных трехкомпонентных составов (конкретная смесь трех газов, или трехкомпонентный состав, всегда представлена на этой диаграмме одной точкой).
В действительности существует множество различных газовых смесей, которые обладают одинаковым значением скорости распространения звука или одной и той же величиной теплопроводности. Принимая во внимание, что каждая смесь, состоящая из трех соединений, представлена одной точкой на равностороннем треугольнике (трехкомпонентной диаграмме), в итоге получается бесконечное множество точек, представляющих одно и то же значение данной физической характеристики (скорость распространения звука, вязкость, теплопроводность и т.д.)
Пересечение двух изолиний, каждая из которых соответствует постоянному значению данной физической характеристики (т.е. постоянным значениям φ1 и φ2, характеризует единственный трехкомпонентный состав из бесконечного множества составов, описываемых каждой из двух кривых, соответствующих значениям φ1 и φ2.
Пересечение двух прямых, которые соответствуют двум измеренным физическим свойствам, представляет единственный состав трехкомпонентной смеси.
В более общем случае, если варьировать физические характеристики φ1 и φ2 таким образом, чтобы перекрыть всю совокупность газов, подлежащих рассмотрению (например, совокупность природных газов), то при этом образуется сеть прямых, почти параллельных между собой, соответствующих различным значениям физической характеристики φ1.
Пересечение между двумя сетями прямых, каждая из которых соответствует различным значениям φ1 и φ2, представляет собой бесконечное множество точек, которые полностью описывают трехкомпонентную диаграмму.
Было обнаружено, что возможным является связать коэффициенты a1 и b1 этих сетей прямых с физическими свойствами φ1, φ2 и температурой.
Затем указанные прямые видоизменяются, с тем, чтобы они были применимы для треугольной области (указанные коэффициенты выражаются в функциональной зависимости от X1, X2 и Х3).
Наконец, с целью охарактеризовать всю совокупность, описываемую трехкомпонентной диаграммой, содержание каждого соединения, входящего в состав трехкомпонентного газа, представлено в функциональной зависимости от физических характеристик (X1, Х2 и Х3 представлены в функциональной зависимости от коэффициентов, которые, в свою очередь, зависят от физических характеристик и от температуры).
X1=f1(X1012,T)
X2=f2(X2012,T)
X3=1-X1-X2
φ1 и φ2 обозначают здесь две физические характеристики, используемые для определения любого газового триплета исходя из вышеприведенных уравнений; X1, X2 и Х3 обозначают содержание каждой из трех составных частей трехкомпонентного газа; Х10 соответствует нижнему пределу координатной оси X1 (0,4 на Фиг.1 слева), a X20 соответствует нижнему пределу значений, представленных на координатной оси Х2 (0,2 на Фиг.1 слева).
Соотношения, описывающие триплет X1, X2 и Х3, характеризуют всю трехкомпонентную диаграмму в целом. Они зависят от разновидности рассматриваемого газа, (природный газ, биогаз или газ, полученный в результате газификации), существует особая диаграмма, характеризующая биогаз, так же как существует и другая особая диаграмма, характеризующая природный газ, принимая во внимание, что X1, X2, Х3 и границы неодинаковы для различных разновидностей рассматриваемого газа.
На основании определенных таким образом трехкомпонентных диаграмм специалист в данной области легко может определить соотношения, в результате которых получаются X1, X2 и Х3, при использовании обычных средств моделирования.
На Фиг.2 представлен пример трехкомпонентной диаграммы X123, на которой могут быть представлены результаты измерений двух различных физических характеристик. Сверх того, в этой диаграмме указано содержание четвертого компонента X4 (X1≡СН4, X2≡С2Н6, Х3≡С3N8, а Х4≡N2).
Этот компонент не указан на диаграмме, несмотря на то, что он реален. Вместо этого сумма долей соединений, которые представлены на диаграмме, равна не 1, а 1-Х4.
Эта новая диаграмма представляет эквивалентные четырехкомпонентные соединения.
Для того чтобы охарактеризовать трехкомпонентную диаграмму в целом, каждое из трех соединений в конечном виде представлено в функциональной зависимости от физических характеристик и от четвертой составляющей Х4 (X1, X2 и Х3 выражены в функциональной зависимости от коэффициентов, которые, в свою очередь, зависят от физических характеристик и от температуры).
X1=f1(X1012,X4,T)
X2=f2(X2012,X4,T)
X3=1-X1-X2-X4
φ1 и φ2 обозначают здесь две физические характеристики, используемые для определения любого газового триплета исходя из вышеприведенных уравнений; X1, Х2 и Х3 обозначают содержание каждой из трех составных частей трехкомпонентного газа; Х10 соответствует нижнему пределу координатной оси X1, а Х20 соответствует нижнему пределу значений, представленных на координатной оси Х2.
Сам факт добавления зависимой переменной Х4 требует измерения третьей физической характеристики, чувствительной к изменению Х4. Такая физическая характеристика должна быть легкой для измерения.
Соотношения, определяющие квадруплет X1, Х2, Х3 и Х4, характеризуют совокупность значений, укладывающихся в четырехкомпонентную диаграмму. Такие соотношения зависят от разновидности рассматриваемого газа, (природный газ, биогаз или газ, полученный в результате газификации). Они также легко могут быть определены специалистом в данной области при использовании обычных средств моделирования.
Использование четырехкомпонентной диаграммы позволяет увеличить точность расчета таких сложных энергетических характеристик, как метановое число.
Такая модель напоминает предыдущую, но она включает в себя дополнительную зависимую переменную. В действительности, если взять пример природного газа, можно получить трехкомпонентную диаграмму CH4-C2H63Н8, в которой коэффициенты аi и bi индексируются долей азота в данном газе.
Каждый из коэффициентов зависит от физических характеристик и индексируется долей азота в газе.
Совершенно очевидно, что условием применения этой модели является возможность определения доли азота или же определения доли негорючих примесей в данном газе (азот + двуокись углерода) исходя из третьей физической характеристики. Эта характеристика должна быть чувствительна к изменению содержания азота или негорючих примесей в целом, такой характеристикой является, например, динамическая вязкость, коэффициент оптического преломления и оптическое поглощение в инфракрасной области.
Следуя рассмотренному выше, было обнаружено, что эквивалентный трехкомпонентный состав может быть выведен при помощи нижеследующих уравнений:
Figure 00000008
Figure 00000009
X3=1-X1-X2
в которых
- φ1и φ2 обозначают две физические характеристики;
- X1, X2 и Х3 обозначают содержание каждой из составных частей трехкомпонентного газа;
- Х10 обозначает нижнюю границу координатной оси X1;
- Х20 обозначает нижнюю границу координатной оси Х2;
- a1, b1, a2 и b2 представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;
1; φ2)=(φ1 (Т); φ2 (Т)) для двух различных физических характеристик либо
1; φ2)=(φ1 (T1); φ1 (T2)) для двух значений температуры.
Кроме того, было обнаружено, что эквивалентный четырехкомпонентный состав может быть определен при помощи нижеследующих уравнений:
Figure 00000010
Figure 00000011
X4=f(φ3)
X3=1-X1-X2-X4
в которых
- φ1, φ2 и φ3 обозначают три физические характеристики;
- X1, X2, Х3 и Х4 обозначают содержание четырех составных частей четырехкомпонентной газовой смеси;
- Х10 обозначает нижнюю границу координатной оси X1;
- Х20 обозначает нижнюю границу координатной оси Х2;
- a1, b1, а2 и b2 представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;
1; φ2)=(φ1 (Т); φ2 (Т)) для двух различных физических характеристик
либо (φ1; φ2)=(φ1(T1); φ12)) для двух значений температуры.
Например, измерение двух физических характеристик φ1 и φ2 газовой смеси позволяет определить состав трехкомпонентного эквивалентного газа (n+1=3) путем решения следующей системы уравнений (I):
Figure 00000012
(1) и (2) - это уравнения линий изохарактеристик на трехкомпонентной диаграмме X1-X23:
Состав эквивалентного газа можно определить с использованием графического метода. Этот метод основан на определении данных в точке пересечения двух линий изохарактеристик φ1 и φ2 на графике.
Состав эквивалентного газа можно определить с использованием следующих уравнений:
Figure 00000013
Figure 00000014
X3=1-X1-X2
Если измерены 3 характеристики, эквивалентный газ имеет 4 компонента. Изохарактеристики, соответствующие трем физическим характеристикам, представлены плоскостями на четырехкомпонентной диаграмме. Система уравнений является следующей:
Figure 00000015
В общем случае измеряют n физических характеристик φi. Состав эквивалентного газа определяют путем решения системы из n+1 уравнений, причем каждое из уравнений выражает одну изохарактеристику на диаграмме, имеющей n+1 областей.
Система уравнений является следующей:
Figure 00000016
Эту систему уравнений также можно записать в виде матрицы:
(IV) ГХ= Ω, где
Figure 00000017
Если физические характеристики не являются линейными, для решения уравнения (IV) используют цифровой метод, такой как метод Ньютона-Рафсона.
Для специалиста в данной области техники понятно, какой тип уравнений необходимо использовать в зависимости от значения числа n.
Расчет некоторых энергетических характеристик природного газа очевидным образом вытекает из трехкомпонентных или четырехкомпонентных диаграмм. Таковы низшая теплота сгорания газа, коэффициент полноты сгорания или же число Воббе, чрезвычайно важное для газовщиков. Эти характеристики напрямую зависят от состава данного газа. Метановое число также зависит от состава, но косвенным образом. Однако для его расчета можно использовать расчетную программу типа AVL.
Таким образом, оказывается возможным применить датчик, позволяющий отслеживать изменения низшей теплоты сгорания, коэффициента полноты сгорания и числа Воббе в природном газе или в любом другом газе (биогазе, газе, получаемом в результате газификации), исходя из простого измерения двух различных физических характеристик. Возможно также определение метанового числа в этих газах.
В случае природного газа и биогаза измерение теплопроводности на двух температурных уровнях позволяет с хорошей точностью определять изменения низшей теплоты сгорания этих газов на вышеописанной трехкомпонентной или четырехкомпонентной диаграмме.
Кроме того, трехкомпонентный или четырехкомпонентный состав, соответствующий описываемому способу, можно получить посредством измерения коэффициента оптического преломления в сочетании с измерением теплопроводности или скорости распространения звука. Исходя из этого состава можно определить такие энергетические характеристики, как метановое число, низшую теплоту сгорания или число Воббе.
Измерение вязкости газа в сочетании с любой другой физической характеристикой является в высшей степени адекватным при этой методологии.
Таким образом, предметом настоящего изобретения также является устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, при этом указанное устройство включает в себя:
- по меньшей мере, n датчиков, предназначенных для измерения физических характеристик φi;
- электронный модуль, предназначенный для определения состава эквивалентного трехкомпонентного или четырехкомпонентного газа и искомых энергетических характеристик.
Выбор физических характеристик зависит от типа трехкомпонентной диаграммы и от того, насколько сильно или слабо эти характеристики взаимозависимы.
Способ в соответствии с настоящим изобретением применим ко всем природным газам различного происхождения. Это демонстрируют результаты, приведенные на Фиг.3, которые представляют энергетические характеристики (низшая теплота сгорания PCI, число Воббе и коэффициент полноты сгорания PCO), реальные и полученные в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, для природных газов, обладающих следующим составом:
Таблица
Состав природных газов
Франция Алжир Северная Америка (4) Норвегия Россия(6) Голландия
Лак(1) Скикда (2) Арзев (3) Экофиск (5) Гронинген (7)
СН4 97,3 91,2 88,6 94,69 88,2 96,2 83,5
С2Н6 2,1 6,5 8,2 2,58 5,4 1,2 3,6
С3Н8 0,2 1,1 2 0,2 1,2 0,3 0,7
С4Н10 0,1 0,2 0,6 0,06 0,4 0,1 0,2
C5H12 0 0 0 0,03 0,2 0,1 0,1
N2 0,3 1 0,6 1,63 3,2 1,8 10,8
CO2 0 0 0 0,81 1,4 0,3 1,1
Используемый в этих исследованиях трехкомпонентный газ представлял собой газовую композицию вида CH42Н63Н8 и CH42Н6-N2, а физические характеристики φ1 и φ2 представляли собой соответственно:
- теплопроводность и коэффициент оптического преломления для трехкомпонентного газа CH4- C2H6-C3H8;
- теплопроводность и коэффициент оптического преломления или скорость распространения звука и коэффициент оптического преломления для трехкомпонентного газа CH42Н6- N2.
Способ, соответствующий настоящему изобретению, позволяет определять физические характеристики газовой смеси со средним отклонением порядка 1%.

Claims (12)

1. Способ определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики горючей газовой смеси, отличающийся тем, что он включает в себя
1) измерение для указанной газовой смеси n физических характеристик φi при температуре Т и/или одной физической характеристики φi при n различных температурах,
2) определение исходя из указанных физических характеристик состава газа, эквивалентного указанной смеси, включающего в себя n+1 компонент,
3) выведение энергетических характеристик указанной газовой смеси из указанного известного состава эквивалентного газа.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор физических характеристик φi осуществляют среди следующих характеристик: скорость распространения звука, теплопроводность, динамическая вязкость, плотность, коэффициент оптического преломления, диэлектрическая проницаемость, оптическое поглощение в инфракрасной области.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что компоненты, входящие в состав эквивалентного газа, выбирают среди следующих веществ: метан, насыщенные углеводороды, содержащие от 2 до 5 атомов углерода, азот, негорючие газы, водород или моноокись углерода.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эквивалентный газ представляет собой трехкомпонентный газ, состоящий из метана и двух насыщенных углеводородов, содержащих от 2 до 5 атомов углерода, или из метана, одного насыщенного углеводорода, содержащего от 2 до 5 атомов углерода, и азота или негорючих газов.
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эквивалентный газ представляет собой четырехкомпонентный газ, состоящий из метана, двух насыщенных углеводородов, содержащих от 2 до 5 атомов углерода, и азота или негорючих газов.
6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что выбор физических характеристик φ1 и φ2 осуществляют соответственно из числа следующих характеристик: динамическая вязкость и теплопроводность, теплопроводность при двух значениях температуры T1 и Т2, коэффициент оптического преломления и теплопроводность, скорость распространения звука и коэффициент оптического преломления.
7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что до осуществления этапа (1) производят калибрование, заключающееся либо в выполнении серии измерений физических характеристик φi эквивалентного газа, состав которого известен, причем количество соединений, входящих в его состав, равно n+1, либо в применении численного метода, и определяют соотношение между указанными физическими характеристиками такого эквивалентного газа и содержанием в нем каждой из составных частей.
8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что состав эквивалентной трехкомпонентной газовой смеси определяют по трехкомпонентной диаграмме при помощи следующих уравнений:
Figure 00000018
Figure 00000019
X3=1-X1-X2,
в которых φ1 и φ2 обозначают две физических характеристики;
X1, Х2 и Х3 обозначают содержание каждой из составных частей трехкомпонентного газа;
Х10 обозначает нижнюю границу координатной оси X1;
Х20 обозначает нижнюю границу координатной оси Х2;
a1, b1, а2 и b2 представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;
1; φ2)=(φ1(T); φ2(Т)) для двух различных физических характеристик, либо
1; φ2)=(φ1(T1); φ12)) для двух значений температуры.
9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что состав эквивалентной четырехкомпонентной газовой смеси определяют при помощи следующих уравнений:
Figure 00000020
Figure 00000021
X4=f(φ3);
X3=1-X1-X2-X4,
в которых φ1, φ2 и φ3 обозначают три физических характеристики;
X1, Х2, Х3 и Х4 обозначают содержание четырех составных частей четырехкомпонентной газовой смеси;
Х10 обозначает нижнюю границу координатной оси X1;
Х20 обозначает нижнюю границу координатной оси Х2;
a1, b1, a2 и b2 представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;
1; φ2)=(φ1(T); φ2(Т)) для двух различных физических характеристик, либо
1; φ2)=(φ1(T1); φ12)) для двух значений температуры.
10. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют определение метанового числа, числа Воббе, низшей теплоты сгорания или коэффициента полноты сгорания.
11. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовую смесь выбирают среди природных газов, биогаза или газов, получаемых посредством газификации.
12. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовая смесь представляет собой природный газ или биогаз.
RU2004102387/04A 2001-07-30 2002-07-30 Способ определения по меньшей мере одной энергетической характеристики газотопливной смеси посредством измерения физических характеристик газовой смеси RU2288471C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0110197A FR2827961B1 (fr) 2001-07-30 2001-07-30 Methode de determination d'au moins une propriete energetique d'un melange combustible gazeux par mesure de proprietes physiques du melange gazeux
FR01/10197 2001-07-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004102387A RU2004102387A (ru) 2005-07-10
RU2288471C2 true RU2288471C2 (ru) 2006-11-27

Family

ID=8866087

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004102387/04A RU2288471C2 (ru) 2001-07-30 2002-07-30 Способ определения по меньшей мере одной энергетической характеристики газотопливной смеси посредством измерения физических характеристик газовой смеси

Country Status (7)

Country Link
US (1) US7091509B2 (ru)
EP (1) EP1412742A1 (ru)
CN (1) CN1256586C (ru)
BR (1) BR0211547B1 (ru)
FR (1) FR2827961B1 (ru)
RU (1) RU2288471C2 (ru)
WO (1) WO2003012435A1 (ru)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7487663B2 (en) * 2006-04-20 2009-02-10 Exxonmobil Research & Engineering Co. Method for selecting fuel to both optimize the operating range and minimize the exhaust emissions of HCCI engines
DE102006030964A1 (de) * 2006-07-03 2008-01-10 Endress + Hauser Flowtec Ag Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Konzentrationen von Komponenten eines Gasgemisches
DE102008029553B3 (de) 2008-06-21 2009-11-26 Elster Gmbh Verfahren zur Bestimmung der Gasqualität eines zumindest teilweise mit Biogas oder aufbereitetem Biogas versetzten Probengasen
DE102008038278B3 (de) * 2008-08-18 2009-10-22 Elster Gmbh Verfahren zur Bestimmung der Gasqualität von Synthesegas
CN102165309A (zh) * 2008-10-01 2011-08-24 株式会社山武 发热量计算式制作系统、发热量计算式的制作方法、发热量计算系统以及发热量的计算方法
JP5759780B2 (ja) 2011-05-09 2015-08-05 アズビル株式会社 発熱量測定システム及び発熱量の測定方法
JP5781968B2 (ja) 2012-03-27 2015-09-24 アズビル株式会社 発熱量測定システム及び発熱量の測定方法
US9291610B2 (en) 2013-05-06 2016-03-22 Gas Technology Institute Method and apparatus for real-time measurement of fuel gas compositions and heating values
US9354220B2 (en) * 2013-09-27 2016-05-31 Caterpillar Inc. Engine system having fuel quality sensor
NL2011821C2 (nl) * 2013-11-20 2015-05-26 Hobré Instr B V Werkwijze voor het analyseren van een biogas, alsmede een inrichting daarvoor.
US9658204B2 (en) * 2014-05-08 2017-05-23 Continental Automotive Systems, Inc. Stoichiometric air to fuel ratio sensor system
US20150377161A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 General Electric Company Systems and methods for engine control incorporating fuel properties
FR3030681B1 (fr) * 2014-12-18 2017-07-21 Gdf Suez Procede et dispositif d'ajustement de la composition d'un gaz naturel liquefie
WO2015075278A1 (en) * 2015-03-05 2015-05-28 Sensirion Ag Determination of fluid parameters
JP6402387B2 (ja) * 2015-06-11 2018-10-10 理研計器株式会社 熱量測定装置および熱量測定方法
CN107209164B (zh) * 2015-07-22 2020-12-08 理研计器株式会社 甲烷值计算方法及甲烷值测定装置
US10132251B2 (en) * 2015-10-09 2018-11-20 The Regents Of The University Of California Fuel sensor for a variable-blend natural gas appliance using the Wobbe Index
DE102015117468A1 (de) 2015-10-14 2017-04-20 Endress+Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches und Vorrichtung dafür
DE102016201350B4 (de) * 2016-01-29 2017-12-21 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches
FR3060796B1 (fr) * 2016-12-15 2019-07-05 Engie Procede pour calculer en temps reel l'indice de methane mn d'un gaz naturel liquefie
DE102017106904A1 (de) * 2017-03-30 2018-10-04 Endress+Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen der Methanzahl eines kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasgemischs
EP3421947B1 (en) 2017-06-30 2019-08-07 Sensirion AG Operation method for flow sensor device
NL2020712B1 (nl) * 2018-04-04 2019-10-10 Hobre Instr B V Werkwijze en inrichting voor het meten van de hoeveelheid waterstof in een gas
WO2020223441A1 (en) 2019-05-02 2020-11-05 Cummins Inc. Method, apparatus, and system for controlling natural gas engine operation based on fuel properties

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2543687A1 (fr) * 1983-03-31 1984-10-05 Raffinage Cie Francaise Procede et dispositif pour la determination, en continu, de la teneur en l'un de ses constituants, d'un melange eventuellement heterogene
US4594510A (en) * 1985-03-01 1986-06-10 Brown Chris W Heat energy measuring system
US5103181A (en) 1988-10-05 1992-04-07 Den Norske Oljeselskap A. S. Composition monitor and monitoring process using impedance measurements
RU2051318C1 (ru) 1993-05-28 1995-12-27 Российско-украинско-американо-шведское совместное предприятие "АКЕЛА" Способ получения криптона и ксенона из смеси газов и устройство для его осуществления
DE19650302A1 (de) 1996-12-04 1998-06-10 Ruhrgas Ag Verfahren sowie Vorrichtung zur Bestimmung der Gasbeschaffenheit einer Gasmischung
DE19808533A1 (de) 1998-02-28 1999-09-02 Ruhrgas Ag Verfahren zur Bestimmung der Gaszusammensetzung von Brenngas
FR2776776B1 (fr) * 1998-03-24 2000-04-28 Schlumberger Ind Sa Dispositif et procede de mesure directe de l'energie calorifique contenue dans un gaz combustible
EP0959354A3 (en) * 1998-05-20 2004-12-15 N.V. Nederlandse Gasunie Noncombustive method of determining the calorific value of fuel gas
GB9818388D0 (en) * 1998-08-25 1998-10-21 British Gas Plc Measuring energy consumption
EP1181531A1 (de) 1999-02-24 2002-02-27 Ruhrgas Aktiengesellschaft Verfahren und anordnung zur messung des brennwertes und/oder des wobbeindexes von brenngas, insbesondere von erdgas
EP1081494A1 (de) 1999-08-30 2001-03-07 Ruhrgas Aktiengesellschaft Verfahren zur verbrennungslosen Messung des Brennwertes von Brenngas

Also Published As

Publication number Publication date
CN1549927A (zh) 2004-11-24
BR0211547A (pt) 2004-07-13
FR2827961A1 (fr) 2003-01-31
CN1256586C (zh) 2006-05-17
US20040195531A1 (en) 2004-10-07
BR0211547B1 (pt) 2013-02-05
FR2827961B1 (fr) 2004-01-23
RU2004102387A (ru) 2005-07-10
US7091509B2 (en) 2006-08-15
WO2003012435A1 (fr) 2003-02-13
EP1412742A1 (fr) 2004-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2288471C2 (ru) Способ определения по меньшей мере одной энергетической характеристики газотопливной смеси посредством измерения физических характеристик газовой смеси
Khoobbakht et al. Optimization of operating factors and blended levels of diesel, biodiesel and ethanol fuels to minimize exhaust emissions of diesel engine using response surface methodology
Malenshek et al. Methane number testing of alternative gaseous fuels
KR102405159B1 (ko) 메탄가 산출 방법 및 메탄가 측정 장치
De et al. An experimental study on performance and emission characteristics of vegetable oil blends with diesel in a direct injection variable compression ignition engine
Montoya et al. Prediction and measurement of the critical compression ratio and methane number for blends of biogas with methane, propane and hydrogen
Chapman et al. Alternative fuel property correlations to the Honda Particulate Matter Index (PMI)
Seidenspinner et al. Cetane number determination by advanced fuel ignition delay analysis in a new constant volume combustion chamber
Arunachalam et al. Experimental evaluation of knock characteristics of producer gas
Ruter et al. NOx reduction from a large bore natural gas engine via reformed natural gas prechamber fueling optimization
Ghazikhani et al. The effect of alcoholic fuel additives on exergy parameters and emissions in a two stroke gasoline engine
Hoth et al. Combustion characteristics of PRF and TSF ethanol blends with RON 98 in an instrumented CFR engine
Mahgoub et al. Combustion and performance of syngas dual fueling in a CI engine with blended biodiesel as pilot fuel
Gawron et al. Performance and emission characteristic of miniature turbojet engine FED Jet A-1/alcohol blend
Tsalavoutas et al. Correlations adaptation for optimal emissions prediction
Mohr et al. Homogeneous ignition delay, flame propagation rate and end-gas autoignition fraction measurements of natural gas and exhaust gas recirculation blends in a rapid compression machine
RU2690712C1 (ru) Способ измерения энергии газа и связанное устройство
Li et al. Measurements and Derivation of the Spray Simulation Required Physical Properties of Polyoxymethylene Dimethyl Ethers (PODE n)
Li et al. Examination of the oil combustion in a SI hydrogen engine
Kosmadakis et al. Combustion analysis of a spark-ignition engine fueled on methane-hydrogen blend with variable equivalence ratio using a computational fluid dynamics code
Geng et al. Calculation of heating value for gasoline containing ethanol
US20190257808A1 (en) Chemo-Metrical Prediction of Methane Index for the Natural Gas
Vasu et al. Laminar Flame Speed Measurements of Propane/Dimethyl-Ether/Air Mixtures
Pessina et al. Numerical simulation of syngas blends combustion in a research single-cylinder engine
Gross Soot Formation and Ignition Characteristics of Gasoline/Ethanol Fuel Blends using a Rapid Compression Machine

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150731