(57)【要約】【解決手段】燃料ガスのグループに属する燃料ガスの少なくとも１つの燃焼特性を推定する方法であって、少なくとも１つの特性は、ウォッベ指数又は高位発熱量であり、方法は、  ・燃料ガスの少なくとも２つの流動特性を測定すること（Ｅ０１）と、  ・燃料ガスに含まれている水素の含有量ＸH2を測定すること（Ｅ０２）と、  ・少なくとも１つの特性ΞGN/H2は、次の経験的アフィン関係を用いて推定されること（Ｅ０３）と、  を含む、方法。【数１】2020514714.tif 000060  ここで、  α，β，及びγは、燃料ガスのグループに関する所定の係数である。Ｙは、燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の測定値から生成される燃料ガスの物理特性を表す変数である。【選択図】図１
2020514714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスのグループに属する燃料ガスの少なくとも１つの燃焼特性を推定する方法であって、前記少なくとも１つの特性は、ウォッベ指数又は高位発熱量であり、前記方法は、
・前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性を測定すること（Ｅ０１）と、
・前記燃料ガスに含まれている水素の含有量ＸH2を測定すること（Ｅ０２）と、
・前記少なくとも１つの特性ΞGN/H2は、次の経験的なアフィン関係を用いて推定されること（Ｅ０３）と、
を含む、方法。
【数１】
2020514714.tif 000050
ここで、
α，β，及びγは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、
Ｙは、前記燃料ガスの前記少なくとも２つの流動特性の測定値から生成される前記燃料ガスの物理特性を表す変数である。
【請求項２】
前記係数α，β，及びγは、入力として前記水素の含有量ＸH2に関する前記測定値を有し、出力として前記係数α，β，及びγを提供する表から読み取られた係数である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記表は、前記係数α，β，及びγを、前記水素の含有量ＸH2に関して１％の幅を有する複数の数値範囲と関連付ける、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記係数α，β，及びγの値は、前記物理特性を表す前記Ｙの値及び前記燃焼特性が知られている、前記燃料ガスのグループの既知のガスに関するデータセットから得られる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料ガスのグループの既知のガスに関する前記データセットから、燃焼特性と物理特性を表すＹに関する値とをランダムに生成することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ウォッベ指数及び前記高位発熱量は、２つの経験的なアフィン関係を用いて推定される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記推定されたウォッベ指数及び前記推定された高位発熱量から前記燃料ガスの密度を推定することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料ガスの前記燃焼特性を調節すること、又は、燃料ガスの前記燃焼特性と、推定された空気の化学量論的な体積もしくは前記推定された特性に対応する推定された燃焼性指数とを調節することを含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を含み、前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の前記測定は、流体狭窄部を通る音速流の状態にある前記燃料ガスの質量流量を測定すること（Ｅ１２）を含み、前記測定は、前記狭窄部の上流で測定された絶対圧力及び前記狭窄部の上流で測定された絶対温度で行われ、
前記方法は、測定された基準ガスの絶対圧力及び測定された基準ガスの絶対温度で、前記流体狭窄部を通る音速流の状態にある基準ガスの質量流量の測定が行われる校正手順（Ｅ１１）をさらに含み、
前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を推定する（Ｅ１４）ために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【数２】
2020514714.tif 000051
【数３】
2020514714.tif 000052
ここで、
Ｑmes,2は、測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｐmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対温度であり、
Ｑrefは、測定された前記基準ガスの前記質量流量であり、
Ｐrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対温度であり、
Ｄ，Ｅ，及びＦは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、前記係数α，β，及びγに対応する。
【請求項１０】
前記燃料ガスの前記ウォッベ指数が推定され、前記方法は、前記燃料ガスの前記密度を測定すること、及び前記推定されたウォッベ指数と測定された前記ガスの密度とから前記高位発熱量を推定すること、をさらに含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を含み、
前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の前記測定は、
・圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量を測定（Ｅ２２）し、前記測定は、前記燃料ガスの粘度及び基準ガスの粘度に依存すること、
・圧力降下を生じさせる前記装置の下流で、熱式質量流量計を用いて前記燃料ガスの前記質量流量を測定（Ｅ２３）し、前記測定は、前記燃料ガスの比熱容量及び前記基準ガスの前記粘度に依存すること、
を含み、
前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を推定する（Ｅ２５）ために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【数４】
2020514714.tif 000053
【数５】
2020514714.tif 000054
ここで、
Ｚは、変数Ｙに対応する変数であり、
Ｑmes,1は、測定された圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｑmes,2は、圧力降下を生じさせる前記装置の下流で測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ａ，Ｂ，及びＣは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、前記係数α，β，及びγに対応する。
【請求項１２】
燃料ガスのグループに属する燃料ガスの少なくとも１つの燃焼特性を推定するための装置であって、前記少なくとも１つの特性は、ウォッベ指数又は高位発熱量であり、前記装置は、
・前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性を測定するための少なくとも２つのモジュール（３ａ，３ｂ）と、
・前記燃料ガスに含まれている水素の含有量ＸH2を測定するためのモジュール（４）と、
・次の経験的なアフィン関係を用いて前記少なくとも１つの特性ΞGN/H2を推定するように構成されたモジュール（５）と、
を含む、装置。
【数６】
2020514714.tif 000055
ここで、
α，β，及びγは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、
Ｙは、前記燃料ガスの前記少なくとも２つの流動特性の測定値から生成される前記燃料ガスの物理特性を表す変数である。
【請求項１３】
前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を含み、前記装置は、
・前記燃料ガスの流れを受け入れるための入口（１１）、
・基準ガスの流れを受け入れるための入口（１２）、
・前記燃料ガスの前記流れ又は前記基準ガスの前記流れを管（１３）に導くためのセレクタ及び案内モジュール（３１，３５）、
・流体狭窄部（３２）、及び、
・前記流体狭窄部を通る音速流の状態にある前記燃料ガスの質量流量を測定するためのモジュール（３３）であって、前記狭窄部の上流で絶対圧力を測定するためのサブモジュール、及び前記狭窄部の上流で絶対温度を測定するためのサブモジュール、を含むモジュール（３３）、
を備え、
前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を推定するために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される、請求項１２に記載の装置。
【数７】
2020514714.tif 000056
【数８】
2020514714.tif 000057
ここで、
Ｑmes,2は、測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｐmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対温度であり、
Ｑrefは、測定された前記基準ガスの前記質量流量であり、
Ｐrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対温度であり、
Ｄ，Ｅ，及びＦは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、前記係数α，β，及びγに対応する。
【請求項１４】
前記装置は、前記燃料ガスの前記ウォッベ指数を推定するのに適しており、前記装置は、前記燃料ガスの密度を測定するためのモジュールをさらに備え、前記少なくとも１つの特性を推定するために構成されている前記モジュール（５）は、さらに、前記推定されたウォッベ指数及び前記ガスの測定された前記密度から、前記高位熱容量を推定するように構成されている、請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を含み、前記装置は、
・前記燃料ガスの流れを受け入れるための入口（１１１）、
・圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量を測定するためのモジュール（１３２）であって、前記測定は、前記燃料ガスの粘度及び基準ガスの粘度に依存するモジュール（１３２）、及び、
・圧力降下を生じさせる前記装置の下流で、熱式質量流量計を用いて前記燃料ガスの前記質量流量を測定するためのモジュール（１３３）であって、前記測定は、前記燃料ガスの比熱容量及び基準ガスの熱容量に依存するモジュール（１３３）、
を備え、
前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を推定するために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される、請求項１２又は１３に記載の方法。
【数９】
2020514714.tif 000058
【数１０】
2020514714.tif 000059
ここで、
Ｚは、変数Ｙに対応する変数であり、
Ｑmes,1は、測定された圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｑmes,2は、圧力降下を生じさせる前記装置の下流で測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ａ，Ｂ，及びＣは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、前記係数α，β，及びγに対応する。
【請求項１６】
前記経験的なアフィン関係を用いて、前記少なくとも１つの特性ΞGN/H2を推定するために構成されている前記モジュールは、さらに、空気の化学量論的な体積又は燃焼性指数を推定するように構成されている、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記燃料ガスの前記燃焼特性を調節するためのモジュール、又は、燃料ガスの前記燃焼特性と、推定された空気の化学量論的な体積もしくは前記推定された特性に対応する推定された燃焼性指数とを調節するためのモジュールをさらに備える、請求項１２から１６のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスのグループの一部を形成する燃料ガスの燃焼特性を推定する一般分野に関し、少なくとも１つの特性は、ウォッベ指数又は高位発熱量である。
【背景技術】
【０００２】
本発明の特定の用途は、水素を含有する燃料ガス、例えば、体積で０％から２０％の範囲にある水素の量を含有する燃料ガスの燃焼特性を推定することにある。
【０００３】
再生可能資源は、断続的かつエネルギーの必要量と相関関係がないように使用することがあるため、再生可能エネルギー源を使用する際には、エネルギーを貯蔵するための手段の使用が必要となることがある。このことは、特に、太陽光発電、又は、風力タービンを用いた発電の場合に適用される。
【０００４】
再生可能エネルギー源からのエネルギーを貯蔵するための手段として、水の電気分解によって得られる水素を使用することが提案されている。
【０００５】
この方法で生成される水素は、次いで貯蔵庫、例えば、地下に貯蔵でき、又は、天然ガス供給網に導入することもできる。得られるガスは、したがって、０％から２０％の範囲で水素を含みうる。
【０００６】
比重の平方根に対する燃料ガスの発熱量の比率であるウォッベ指数（キロワット時毎ノルマル立方メートル（ｋＷｈ／Ｎｍ3））、及び高位発熱量（ｋＷｈ／Ｎｍ3）は、家庭的利用であろうと産業的利用であろうと、ガスバーナーの燃焼の設定に影響を与える２つの主な燃料の特徴的な数値である。
【０００７】
ガスの用途の種類、及び使用される測定手段（流量が吸引発生手段によって測定されるかどうか）に応じて、これら２つのパラメータのうちの一方又は他方が考慮に入れられる。
【０００８】
一例として、一定の供給圧力で供給されるインジェクタ（例えば、クックトップ又はリボンバーナー）の場合、供給される出力は、圧力、インジェクタの貫通部、水頭損失、及び燃料のウォッベ指数に依存する。
【０００９】
質量又は体積の流量計が利用できる適用例では、供給される出力は、測定された流速及び発熱量に依存する。
【００１０】
特に、バーナーによって供給される熱量は、ウォッベ指数又は高位発熱量（ＰＣＳ）のいずれかに比例する。同様に、ヨーロッパで流通している、水素を含まない天然ガスの場合、化学量論での燃焼を得るために必要な空気の量は、燃料ガスのこれらの特性のうちの一方又は他方に依存する。
【００１１】
天然ガスの輸送及び流通のためのヨーロッパのネットワークは、ますます網目状になり、様々な供給元によって供給されている。そのため、天然ガスの特性（中でもウォッベ指数及びＰＣＳ）は、したがって、ネットワークの任意の点で、無視できない程度で（±５％以上）時間とともに変化しうることに留意するべきである。
【００１２】
そのため、ガラス製造、セラミック、発電、石灰、及び冶金産業で行われるような産業的過程は、これらの変化に対して敏感である。結果として、燃焼を最適化するために、燃焼を調節するための具体的な解決策を利用することが必要である。この種類の調節を実行するために、ウォッベ指数又は高位発熱量を測定することが可能である。
【００１３】
天然ガスの場合、単純に、堅牢に、そして正確にこれらのパラメータを測定するための技術的な解決策がある。しかし、水素が燃料中に存在するときには、そのような解決策は不十分である。水素の体積が１％を超えると、これらのパラメータの測定における誤差が大幅に増加し、測定が再現可能となる保証はない。
【００１４】
さらに、産業用の機器、さらには家庭用の機器でさえ、非常に小さい割合であっても、水素の添加に対して敏感でありうる。
【００１５】
結果として、ガラス製造又は冶金工程のような高感度での使用だけでなく、ネットワークの操作者が利用者に供給されるガス燃料の燃焼特性を局所的に管理できるように、これらの新規な燃料の主要な燃焼パラメータを継続的な方法で定量できる新規な測定装置が必要である。
【００１６】
ウォッベ指数及び発熱量を測定又は推定するための方法が提案されている。
【００１７】
具体的に、おそらくゼロでない割合の水素を含む天然ガスのウォッベ指数及び／又は発熱量を測定するために使用されうる装置の４つのグループがある。
・熱量測定（発熱量用）：測定は、制御された量のガスを燃焼させることを含む。その後、放出されるエネルギーは、（ガス又は水の）熱交換器を横切る入力／出力の温度差によって定量される。精度は１０％のオーダー（すなわち、１．１ｋＷｈ／Ｎｍ3）である。しかし、各測定は約１０分かかる。その技術は、次第に使われなくなっている。
・燃焼測定（ウォッベ指数用）：測定は、空気／ガスの混合物を燃焼させることを含む。燃焼生成物における酸素の含有量は、ジルコニアプローブによって測定される。残留している酸素の含有量は、燃焼性指数と相関しており、それ自体は、天然ガスに関して、ウォッベ指数と相関している。この種類の装置は、約１５，０００ユーロかかる。この種類の機器は、水素の含有量が低い混合物について作動する（体積で５％を超える水素の含有量に対しては、ウォッベ指数は、もはや燃焼性指数と直線的に比例しない）。この技術の欠点は、５％のオーダー（すなわち、０．７５ｋＷｈ／Ｎｍ3）と精度が低いこと、及び相当なメンテナンスを要すること（混合物の燃焼が起こるオーブンの高温による劣化）である。
・気相クロマトグラフィー（ウォッベ指数用及び発熱量用）：この技術は、気体混合物から分子を分離するのに役立つ。ウォッベ指数及び発熱量は、ガスの組成に関する情報に基づいて計算されうる。高出力での燃料の燃焼機器（例えば、ガスタービン）の場合、気相クロマトグラフィーは、一般に、熱量測定及び燃焼測定に取って代わる。これらの測定装置の精度はよりよく、０．５％のオーダー（すなわち、ウォッベ指数に関して０．０８ｋＷｈ／Ｎｍ3）である。機器が水素分子を分離できる特定のセンサを備えているならば、この種類の機器は天然ガスと水素との混合物についても作動しうる。気相クロマトグラフィーの主な欠点は、昨今の改善が考慮されたとしても、費用である（費用はおそらく２０，０００ユーロから５０，０００ユーロの範囲にありうる）。さらに、最善の状況でも、気相クロマトグラフィー機器の応答時間は１分のオーダーである。したがって、測定されるガスと燃料の燃焼機器（例えば、バーナー）によって実際に使用されているガスとの間で不一致がありうる。
・相関装置（ウォッベ指数用又は高位発熱量用）：ウォッベ指数又は高位発熱量と相関する１つ又は複数の物理的な数値がそのような装置で測定される。コンピュータによって実行される相関関係は、次に、ウォッベ指数又はＰＣＳを推定するのに使用される。この種類の装置は、ヨーロッパで流通している種類の天然ガスに関して、１％以下の精度を得ることを可能にする。この種類の技術の利点は、応答速度（瞬時）、費用（１０，０００ユーロから２０，０００ユーロの範囲）、堅牢性、及びメンテナンスの削減である。それにもかかわらず、市販の装置は、天然ガスと水素との混合物について作動しない。実際の天然ガス（純粋なメタンではない）が体積で水素を数パーセント含むと、誤差は劇的に増加する。
【００１８】
最新技術に含まれる文献EP 1 346 215には、相関関係によってウォッベ指数を測定するための装置が記載されている。
【００１９】
文献US 4 384 792も知られており、これには、相関関係によってガス燃料のウォッベ指数を測定し調節するための装置、及びウォッベ指数を調節することが記載されている。
【００２０】
文献US 6 244 097も知られており、これには、相関関係によってガス燃料の発熱量を測定するための装置が開示されている。
【００２１】
最後に、既知の文献DE 4 118 781には、相関関係によってガス燃料の発熱量及びウォッベ指数を測定するための装置が開示されている。
【００２２】
それらの文献に開示されている解決策は、相関装置の欠点を有する。特に、それらの精度は非常に低いので、調査対象の燃料ガスが水素を含むと、それらは使用に適さない。
【００２３】
さらに、上記したように、天然ガスと水素との混合物について作動できる他の装置は、特に高価であり、このことは、それらの用途を、主要な産業グループに設置されうる種類の高出力の機器に限定する。
【００２４】
本発明は、特に、これらの欠点の少なくともいくつかを軽減することを目的とする。
【発明の概要】
【００２５】
本発明は、燃料ガスのグループに属する燃料ガスの少なくとも１つの燃焼特性を推定する方法を提案することによってこの要求を満たし、前記少なくとも１つの特性は、ウォッベ指数又は高位発熱量であり、前記方法は、
・前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性を測定することと、
・前記燃料ガスに含まれている水素の含有量ＸH2を測定することと、
・前記少なくとも１つの特性ΞGN/H2は、次の経験的なアフィン関係を用いて推定されることと、
を含む。
【００２６】
【数１】
2020514714.tif 000003
【００２７】
ここで、
α，β，及びγは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、
Ｙは、前記燃料ガスの前記少なくとも２つの流動特性の測定値から生成される前記燃料ガスの物理特性を表す変数である。
【００２８】
この方法は、したがって、相関型の方法に関連し、この方法は、したがって、簡単かつ安価に実施されうる。この方法により、結果を極めて迅速に得ることが可能となる。
【００２９】
本発明は、従来技術の方法とは異なり、燃料ガスにおける水素の含有量を考慮に入れている。
【００３０】
本発明は、０％から２０％の範囲の水素の体積含有量を有する燃料ガスに適用できることに留意するべきである。
【００３１】
本発明者らは、高位発熱量及びウォッベ指数の両方を推定するために同じ形式の経験的なアフィン関係を使用することが可能であることを見出した。
【００３２】
参考として、測定されているのが高位発熱量であるかウォッベ指数であるかに応じて、燃料ガスの様々な異なる流動特性が測定されうる。言い換えれば、変数Ｙは、測定されているのが高位発熱量であるかウォッベ指数であるかに応じて異なる形式を有していてもよい。
【００３３】
さらに、係数α，β，及びγは、定数である必要はなく、それらは、測定されているのが高位発熱量であるかウォッベ指数であるかに応じて、異なっていてもよい。
【００３４】
燃料ガスの流動特性は、流動手段において測定された特性であること、及び、それらは、流量、温度、又は圧力を含む群から選択されてもよいことに留意するべきである。
【００３５】
変数Ｙは、ガスの物理特性を表す。参考として、変数Ｙは、燃料ガスの粘度、その比熱容量（単位重量当たりの）、又はその密度などの１つ又は複数の物理特性と関連付けられていてもよい。変数Ｙがこれらの物理特性を表し、又は変数Ｙがこれらの物理特性に関連付けられていることは、これらの物理特性を関連付けている数学関数の形式でそれを記述できることを意味する。これらの特性は変数Ｙを生成するために使用されるので、変数Ｙは、物理特性を関連付けている数学関数の形式、及び、燃料ガスの流動特性を関連付けている数学関数の形式の両方で記述されていてもよい。特に、流動特性の測定の特定の種類に関して、複数のそのような測定を燃料ガスの流れの物理特性と関連付けることが可能である。
【００３６】
したがって、
流動特性Ｕ1の測定に関してＵmes,1の記号を使用し、
流動特性Ｕ2の測定に関してＵmes,2の記号を使用し、
流動特性Ｕ3の測定に関してＵmes,3の記号を使用することによって、以下が与えられる。
【００３７】
【数２】
2020514714.tif 000004
【００３８】
特定の実施では、前記係数α，β，及びγは、入力として前記水素の含有量ＸH2に関する前記測定値を有し、出力として前記係数α，β，及びγを提供する表から読み取られた係数である。
【００３９】
これにより、推定されている特性のより正確な推定を行うことが可能になる。
【００４０】
特定の実施では、前記表は、前記係数α，β，及びγを、前記水素の含有量ＸH2に関して１％の幅を有する複数の数値範囲と関連付ける。
【００４１】
言い換えれば、表は、１％のオーダーの粒度を有する。
【００４２】
本発明の発明者らは、これにより、許容できるレベルの複雑さで満足できる精度が得られることを見出した。
【００４３】
特定の実施では、前記係数α，β，及びγの値は、前記物理特性を表す前記Ｙの値及び前記燃焼特性が知られている、前記燃料ガスのグループの既知のガスに関するデータセットから得られる。
【００４４】
「既知のガス」の語句は、組成が知られているガス、例えば、決定された化学的性質を持つ様々な成分の割合が知られているガスを包含するべく使用される。当業者は、そのようなガスの燃焼特性を決定する方法を知っており、特に、ゼロでない量の水素を含む既知のガスを利用できる。
【００４５】
特定の実施では、前記燃料ガスのグループの既知のガスに関する前記データセットから、燃焼特性と物理特性を表すＹに関する値とをランダムに生成することを含む。
【００４６】
特定の実施では、前記ウォッベ指数及び前記高位発熱量は、２つの経験的なアフィン関係を用いて推定される。
【００４７】
したがって、この方法を１回実施すれば、これらの燃焼特性の両方を推定することが可能である。
【００４８】
特定の実施では、前記方法は、前記推定されたウォッベ指数及び前記推定された高位発熱量から前記燃料ガスの密度を推定することをさらに含む。
【００４９】
特定の実施では、前記方法は、前記燃料ガスの前記燃焼特性を調節すること、又は、燃料ガスの前記燃焼特性と、推定された空気の化学量論的な体積もしくは前記推定された特性に対応する推定された燃焼性指数とを調節することを含む。
【００５０】
特定の実施では、前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を含み、前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の前記測定は、流体狭窄部（例えば、オリフィス又はマイクロノズル）を通る音速流の状態にある（すなわち、音速以上の速度で）前記燃料ガスの質量流量を測定することを含み、前記測定は、前記狭窄部の上流で測定された絶対圧力及び前記狭窄部の上流で測定された絶対温度で行われ、
前記方法は、前記狭窄部の上流で測定された基準ガスの絶対圧力及び前記狭窄部の上流で測定された基準ガスの絶対温度で、前記流体狭窄部を通る音速流の状態にある基準ガス（例えば、メタン）の質量流量の測定が行われる校正手順をさらに含み、
前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を推定するために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される。
【００５１】
【数３】
2020514714.tif 000005
【００５２】
【数４】
2020514714.tif 000006
【００５３】
ここで、
Ｑmes,2は、測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｐmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対温度であり、
Ｑrefは、測定された前記基準ガスの前記質量流量であり、
Ｐrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対温度であり、
Ｄ，Ｅ，及びＦは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、係数α，β，及びγに対応する。
【００５４】
特定の実施では、前記燃料ガスの前記ウォッベ指数が推定され、前記方法は、前記燃料ガスの前記密度を測定すること、及び前記推定されたウォッベ指数と測定された前記ガスの密度とから前記高位発熱量を推定すること、をさらに含む。
【００５５】
特定の実施では、前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を含み、前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の前記測定は、
・圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量を測定し、前記測定は、前記燃料ガスの粘度及び基準ガス（例えば、メタン）の粘度に依存すること、
・圧力降下を生じさせる前記装置の下流で、熱式質量流量計を用いて前記燃料ガスの前記質量流量を測定し、前記測定は、前記燃料ガスの比熱容量及び基準ガスの熱容量に依存すること、
を含み、
前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を推定するために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される。
【００５６】
【数５】
2020514714.tif 000007
【００５７】
【数６】
2020514714.tif 000008
【００５８】
ここで、
Ｚは、変数Ｙに対応する変数であり、
Ｑmes,1は、測定された圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｑmes,2は、圧力降下を生じさせる前記装置の下流で測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ａ，Ｂ，及びＣは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、前記係数α，β，及びγに対応する。
【００５９】
例えば、基準ガスの粘度に関する値及び基準ガスの熱容量に関する値を得るために、基準ガスを用いて校正工程を実行することが可能である。
【００６０】
この校正工程は、特に、水素を含有するガスのような、純粋ではないガスに関して、正確な測定を行うことを可能にする。
【００６１】
本発明は、また、燃料ガスのグループに属する燃料ガスの少なくとも１つの燃焼特性を推定するための装置を提供し、前記少なくとも１つの特性は、ウォッベ指数又は高位発熱量であり、前記装置は、
・前記燃料ガスの少なくとも２つの流動特性を測定するための少なくとも２つのモジュールと、
・前記燃料ガスに含まれている水素の含有量ＸH2を測定するためのモジュールと、
・次の経験的なアフィン関係を用いて前記少なくとも１つの特性ΞGN/H2を推定するように構成されたモジュールと、
を含む。
【００６２】
【数７】
2020514714.tif 000009
【００６３】
ここで、
α，β，及びγは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、
Ｙは、前記燃料ガスの前記少なくとも２つの流動特性の測定値から生成される前記燃料ガスの物理特性を表す変数である。
【００６４】
この装置は、上記したように、本方法の実施の全てを実行するように構成されていてもよい。
【００６５】
この装置は、燃料ガスの流動特性が測定されうるように、燃料ガスが流れる流動部材を含んでいてもよいことに留意するべきである。
【００６６】
特定の実施形態では、前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を含み、前記装置は、
・前記燃料ガスの流れを受け入れるための入口、
・基準ガスの流れを受け入れるための入口、
・前記燃料ガスの前記流れ又は前記基準ガスの前記流れを管に導くためのセレクタ及び案内モジュール、
・流体狭窄部、及び、
・前記流体狭窄部を通る音速流の状態にある前記燃料ガスの質量流量を測定するためのモジュールであって、前記狭窄部の上流で絶対圧力を測定するためのサブモジュール、及び前記狭窄部の上流で絶対温度を測定するためのサブモジュール、を含むモジュール、
を備え、
前記ウォッベ指数ＩＷGN/H2を推定するために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される。
【００６７】
【数８】
2020514714.tif 000010
【００６８】
【数９】
2020514714.tif 000011
【００６９】
ここで、
Ｑmes,2は、測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｐmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔmesは、測定された前記燃料ガスの前記絶対温度であり、
Ｑrefは、測定された前記基準ガスの前記質量流量であり、
Ｐrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対圧力であり、
Ｔrefは、測定された前記基準ガスの前記絶対温度であり、
Ｄ，Ｅ，及びＦは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、前記係数α，β，及びγに対応する。
【００７０】
特定の実施形態では、前記装置は、前記燃料ガスの前記ウォッベ指数を推定するのに適しており、前記装置は、前記燃料ガスの密度を測定するためのモジュールをさらに備え、前記少なくとも１つの特性を推定するために構成されている前記モジュールは、さらに、前記推定されたウォッベ指数及び前記ガスの測定された前記密度から、前記高位熱容量を推定するように構成されている。
【００７１】
詳細には、高位発熱量は、測定された密度の二乗を推定されたウォッベ指数に乗ずることによって得られる。
【００７２】
参考として、スイスの供給業者ＴＲＡＦＡＧからの参照番号８７７４を有する密度センサを使用することが可能であることに留意するべきである。
【００７３】
特定の実施形態では、前記燃料ガスの前記少なくとも１つの燃焼特性は、前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を含み、前記装置は、
・前記燃料ガスの流れを受け入れるための入口、
・圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量を測定するためのモジュールであって、前記測定は、前記燃料ガスの粘度及び基準ガスの粘度に依存するモジュール、及び、
・圧力降下を生じさせる前記装置の下流で、熱式質量流量計を用いて前記燃料ガスの前記質量流量を測定するためのモジュールであって、前記測定は、前記燃料ガスの比熱容量及び基準ガスの熱容量に依存するモジュール、
を備え、
前記高位発熱量ＰＣＳGN/H2を推定するために使用される前記経験的なアフィン関係は、次の式で記述される。
【００７４】
【数１０】
2020514714.tif 000012
【００７５】
【数１１】
2020514714.tif 000013
【００７６】
ここで、
Ｚは、変数Ｙに対応する変数であり、
Ｑmes,1は、測定された圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ｑmes,2は、圧力降下を生じさせる前記装置の下流で測定された前記燃料ガスの前記質量流量であり、
Ａ，Ｂ，及びＣは、前記燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、前記係数α，β，及びγに対応する。
【００７７】
特定の実施形態では、前記経験的なアフィン関係を用いて、前記少なくとも１つの特性ΞGN/H2を推定するために構成されている前記モジュールは、さらに、空気の化学量論的な体積又は燃焼性指数を推定するように構成されている。
【００７８】
特定の実施形態では、前記装置は、前記燃料ガスの前記燃焼特性を調節するためのモジュール、又は、燃料ガスの前記燃焼特性と、推定された空気の化学量論的な体積もしくは前記推定された特性に対する推定された燃焼性指数とを調節するためのモジュールをさらに備える。
【００７９】
この調節モジュールは、特に、例えば、空気のような追加のガスを導入するためのアクチュエータを備えていてもよい。調節は、閉ループ制御で行われてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して行われる以下の説明から明らかであり、添付の図面は、非限定的な特徴を有する例を示す。
【００８１】
【図１】図１は、燃焼特性を推定する方法の一例の工程を示す図である。
【図２】図２は、燃焼特性を推定するための装置の一例を示す図である。
【図３】図３は、ウォッベ指数を推定する方法の工程の図である。
【図４】図４は、ウォッベ指数を推定するための装置の一例の図である。
【図５】図５は、高位発熱量を推定する方法の工程の図である。
【図６】図６は、高位発熱量を推定するための装置の一例を示す図である。
【図７】図７は、ウォッベ指数及び高位発熱量を推定するための装置の一例を示す図である。
【図８】図８は、ウォッベ指数を調節するための装置の一例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００８２】
以下、燃料ガスのグループに属する燃料ガスの燃焼特性を推定するための方法及び装置について説明する。特性は、ウォッベ指数又は高位発熱量であってもよい。
【００８３】
本発明は、単一の特性を推定するいずれかの方法に限定されず、ウォッベ指数及び高位発熱量を同時に推定することを含んでいてもよい。
【００８４】
図１は、燃料ガスの燃焼特性を推定する方法の工程を示す図である。
【００８５】
この方法は、特に、ゼロでない量の水素を含みうるガス、特に、０％から２０％の範囲で水素を含む燃料ガスに適している。
【００８６】
第１の工程Ｅ０１において、燃料ガスの少なくとも２つの流動特性が測定される。測定対象の燃料ガスは、次に流動部材を流れ、温度、圧力、又は流量などの流動特性が、例えば、センサを用いて測定される。
【００８７】
第２の工程Ｅ０２において、流動ガスにおける水素の含有量が、測定され、ＸH2で記述される。本発明の実施及び実施形態の全てにおいて、水素の含有量は、モル分率又は体積分率であってもよいことに留意するべきである。圧力が十分に低ければ、理想気体の法則が適用されると仮定してもよく、モル分率及び体積分率が同じ値を有すると仮定してもよい。本発明の適用において、水素の含有量は、モル分率又は体積分率と同じ値を有する。この工程は、工程Ｅ０１と同時に実施されてもよく、又は工程Ｅ０１の前に実施されてもよく、又は工程Ｅ０１の後に実施されてもよい。
【００８８】
第３の工程Ｅ０３において、ΞGN/H2で記述される特性は、次の経験的なアフィン関係を用いて推定される。
【００８９】
【数１２】
2020514714.tif 000014
【００９０】
α，β，及びγは、燃料ガスのグループに関する所定の係数である。Ｙは、燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の測定値から生成される燃料ガスの物理特性を表す変数である。
【００９１】
燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の測定値は、特に、変数Ｙが、粘度、比熱容量（単位重量当たり）、又は密度などの燃料ガスの物理特性を表すことができるように、また、燃料ガスの流動特性の測定値に応じて表現されうるように、選択される。
【００９２】
したがって、流動特性Ｕ1の測定に関してＵmes,1の記号を使用し、流動特性Ｕ2の測定に関してＵmes,2の記号を使用し、流動特性Ｕ3の測定に関してＵmes,3の記号を使用することによって、以下が与えられる。
【００９３】
【数１３】
2020514714.tif 000015
【００９４】
図２は、燃料ガスのグループに属する燃料ガスの少なくとも１つの燃焼特性を推定するための装置の実施形態を示す。
【００９５】
本装置は、特に、図１を参照して説明した種類の方法を実行できる。
【００９６】
この例では、装置１は、例えば、ウォッベ指数又は高位発熱量を推定することが要求される燃料ガスの流れを受け入れるように構成されている流動部材２を備える。流動部材は、燃料ガスの流れを受け入れるための入口２ａと、出口２ｂとを有する。
【００９７】
装置１は、また、燃料ガスの流動特性を測定するための２つのモジュール３ａ及び３ｂを有する。
【００９８】
一例として、モジュール３ａ及び３ｂは、両方とも、又はそれぞれ、流量、圧力、又は温度を測定してもよい。
【００９９】
具体的には、モジュール３ａ及び３ｂは、流量、圧力、又は温度を測定するための従来型のセンサである。
【０１００】
装置１は、水素の含有量ＸH2を測定するためのモジュール４、例えば、水素のモル百分率を送信するセンサを含む。
【０１０１】
モジュール３ａ，３ｂ，及び４は、それらのそれぞれの測定の結果を推定モジュール５に伝えるように、推定モジュール５と通信する。推定モジュール５は、プロセッサ及びメモリ（図示しない）を有するコンピュータであってもよい。
【０１０２】
モジュール５は、次の経験的なアフィン関係を用いて、少なくとも１つの特性ΞGN/H2を推定するように構成されている。
【０１０３】
【数１４】
2020514714.tif 000016
【０１０４】
α，β，及びγは、燃料ガスのグループに関する所定の係数である。Ｙは、モジュール３ａ及び３ｂによって測定された燃料ガスの少なくとも２つの流動特性の値から生成される燃料ガスの物理特性を表す変数である。
【０１０５】
この目的のために、モジュール５は、メモリに格納された、所定の係数α，β，及びγについて取りうる値を有していてもよい。モジュール５は、さらに、推定を実行することを可能にするために、メモリに格納されたコンピュータプログラムの命令を有していてもよい。
【０１０６】
一例として、コンピュータプログラムは、モジュール３ａ及び３ｂによって測定された値から変数Ｙを計算するための命令と、上記の定義された関数を用いて特性ΞGN/H2を計算するための命令と、を含んでいてもよい。
【０１０７】
任意には、装置１は、少なくとも１つの特性を調節するために、推定モジュール５によって制御されるアクチュエータ６を含んでいてもよい。一例として、アクチュエータ６は圧縮空気のインジェクタであってもよい。
【０１０８】
図３及び４を参照して、燃料ガスのウォッベ指数ＩＷGN/H2を推定する方法及び実施形態が説明される。
【０１０９】
図３は、燃料ガスのウォッベ指数ＩＷGN/H2を推定する方法の工程を示す。
【０１１０】
この方法は、流体狭窄部（例えば、オリフィス又はマイクロノズル）を通る音速流の状態にある基準ガス（例えば、メタン）の質量流量の測定が、測定された基準ガスの絶対圧力及び測定された基準ガスの絶対温度で行われる校正の第１工程Ｅ１１を含む。
【０１１１】
第２の工程Ｅ１２では、流体狭窄部を通って音速流の状態にある燃料ガスの質量流量の測定が行われる。この測定は、狭窄部の上流で測定された絶対圧力及び狭窄部の上流で測定された絶対温度で行われる。
【０１１２】
工程Ｅ１３では、水素の含有量ＸH2が測定される。
【０１１３】
工程Ｅ１１からＥ１３は、任意の可能な順番で実行されてもよい。特に、Ｅ１２及びＥ１３は、同時に実行されてもよい。
【０１１４】
工程Ｅ１４では、ウォッベ指数ＩＷGN/H2は、以下に記述された経験的なアフィン関係によって推定される。
【０１１５】
【数１５】
2020514714.tif 000017
【０１１６】
【数１６】
2020514714.tif 000018
【０１１７】
Ｑmes,2は、測定された燃料ガスの質量流量である。Ｐmesは、測定された燃料ガスの絶対圧力である。Ｔmesは、測定された燃料ガスの絶対温度である。Ｑrefは、測定された基準ガスの質量流量である。Ｐrefは、測定された基準ガスの絶対圧力である。Ｔrefは、測定された基準ガスの絶対温度である。Ｄ，Ｅ，及びＦは、燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、係数α，β，及びγに対応する。
【０１１８】
工程Ｅ１１及びＥ１２を実行するために、形状が知られているオリフィス又はマイクロノズルなどの流体狭窄部が使用される。
【０１１９】
流体狭窄部のいずれかの側で、次の測定が行われる。流体狭窄部の上流で絶対温度及び絶対圧力が測定される。流体狭窄部の下流で質量流量が測定される（例えば、熱式質量流量計を用いて）。
【０１２０】
具体的に、それは、装置を通るＱvnで記述される標準体積流量を２つの異なる方法で測定することに対応する。
【０１２１】
特に、流れが音速であるため、以下が適用される。
【０１２２】
【数１７】
2020514714.tif 000019
【０１２３】
ｋは、オリフィスの形状の特徴によって定まる定数である。ｐ及びＴは、オリフィスの上流におけるガスの絶対圧力及び絶対温度である。ｄは、ガスの密度である。
【０１２４】
さらに、熱式質量流量計を使用することによって、以下が得られる。
【０１２５】
【数１８】
2020514714.tif 000020
【０１２６】
Ｑvn,mes,2は、工程Ｅ１２で、熱式質量流量計によって測定された測定値である。Ｃは、空気の特性と比較されたガスの物理特性（例えば、その比熱容量、その粘度、その熱伝導率）の差を考慮した補正係数である。
【０１２７】
既知の組成のガスに対して、以下が適用される。
【０１２８】
【数１９】
2020514714.tif 000021
【０１２９】
Ｘiは、成分ｉの体積分率である。Ｃiは、成分ｉに関する補正係数である。この係数は、熱式質量流量計に関連付けられたテーブルから読み取られうる。
【０１３０】
校正工程Ｅ１１は、正確に知られている組成の基準ガス（好ましくは、純粋なメタン）を装置に供給する工程である。
【０１３１】
工程Ｅ１１の校正手順で得られた値を使用する２つの流量の関係の間の方程式は、したがって、次のように記述されうる。
【０１３２】
【数２０】
2020514714.tif 000022
【０１３３】
そして、燃料ガスの測定が行われる工程Ｅ１２の測定手順において、以下が適用される。
【０１３４】
【数２１】
2020514714.tif 000023
【０１３５】
Ｅ１４での測定を用いて、水素の含有量ＸH2（例えば、体積値で）も判明する。
【０１３６】
上記の方程式において、唯一判明していない２つのパラメータは、Ｃ及び密度ｄであることに留意するべきである。したがって、Ｃ及び密度ｄに関連付けられた変数Ｙを表すために、パラメータｋを除くことが可能である。
【０１３７】
具体的に、以下が適用される。
【０１３８】
【数２２】
2020514714.tif 000024
【０１３９】
Ｙは、燃料ガスの物理特性を表す変数である。測定値からＹを書き換えることが可能である。これらの測定値（Ｑmes,2，ｐ，及びＴ）は、測定された流動特性Ｕ1に関してＵmes,1と記述され、測定された流動特性Ｕ2に関してＵmes,2と記述され、及び、測定された流動特性Ｕ3に関してＵmes,3と記述されうる。したがって、以下が与えられる。
【０１４０】
【数２３】
2020514714.tif 000025
【０１４１】
Ｕmes,1＝Ｐmes、
Ｕmes,2＝Ｑmes,2、及び、
Ｕmes,3＝Ｔmesである。
【０１４２】
最終的に、以下が適用される。
【０１４３】
【数２４】
2020514714.tif 000026
【０１４４】
変数Ｙのこの定義は、その変数Ｙを有する経験的なアフィン関係において使用されうる。そして、それは、以下の形式で記述される。
【０１４５】
【数２５】
2020514714.tif 000027
【０１４６】
Ｄ，Ｅ，及びＦは、燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、図１及び２を参照して説明した係数α，β，及びγに対応する。
【０１４７】
係数Ｄ，Ｅ，及びＦは、既知のガスの組成、例えば、国又は地域のネットワークにおける天然ガスの組成から得られうる。一例として、ヨーロッパで流通し、当業者によく知られている高い発熱量を有するガスに関する既知の組成を使用することが可能である。
【０１４８】
これらの既知の組成から、様々な化合物のモル分率に関する限定値を規定することが可能である。例えば、ガス中の化学種Ｋのモル分率に関する表記ＸKを使用することによって、以下の種類の既知の組成を持つことが可能である。
【０１４９】
【数２６】
2020514714.tif 000028
【０１５０】
今日のガス組成には、水素がないことに留意するべきである。
【０１５１】
これらの考えうる範囲は、ウォッベ指数（又は高位発熱量でさえ）を決定することが可能であるガスの組成を、ランダムに生成させることを可能にする。したがって、１０，０００種類のガスが生成されうる。
【０１５２】
ランダムに生成された各ガスに対して、０％から２０％のモル分率の範囲のランダムな量の水素を加えることが可能である。また、これらのランダムに生成されたガスに関して、ウォッベ指数を決定することが可能である。
【０１５３】
ランダムに生成された組成から、変数Ｙに関連する値を推定することも可能である。最小二乗法を適用することによって、係数Ｄ，Ｅ，及びＦに関する値を得ることが可能である。
【０１５４】
【数２７】
2020514714.tif 000029
【０１５５】
これらの結果は、基準ガスとしてメタンを使用することによって得られた。
【０１５６】
０％から２０％の範囲にある水素のモル分率に関して、ウォッベ指数の推定における誤差は、常に、１．４％未満であるとともに、誤差は、ランダムに得られた１０，０００種類のガスの９８％において、１％未満であることに留意するべきである。
【０１５７】
あるいは、係数が定数ではなく、モル分率としての水素の含有量に依存する相関関係を使用することが可能である。
【０１５８】
経験的なアフィン関係は次のように書き換えられてもよい。
【０１５９】
【数２８】
2020514714.tif 000030
【０１６０】
この例では、Ｄ及びＥは、水素の含有量の関数である（方程式は、ＸH2に依存する２つの係数のみを示すように書き換えられている。それにもかかわらず、３つの係数を有する方程式を記述することが可能である）。
【０１６１】
同様に、ランダムなガス組成を生成することによって、本発明者らは、幅１％の水素の濃度範囲にわたる区分において一定である関数Ｄ及びＥを使用することが可能であることを見出した。
【０１６２】
例えば、２％から３％の水素の範囲で、Ｄ及びＥは次の値をとる。
【０１６３】
【数２９】
2020514714.tif 000031
【０１６４】
ウォッベ指数の推定における誤差は、したがって、１０，０００種類のランダムガスの９５％について、常に１％未満であることに留意するべきである。
【０１６５】
図４は、図３を参照して説明された方法を実施できる、ウォッベ指数を推定するための装置を示す。
【０１６６】
この装置１０は、燃料ガスＧ１を受け入れるための入口１１、及び、基準ガスＧ２（典型的にはメタン）を受け入れるための入口１２を有する。
【０１６７】
装置１０は、また、燃料ガスの流れ又は基準ガスの流れを管の入口１３に導くためのセレクタ及び案内モジュールを有する。具体的には、セレクタ及び案内モジュールは、弁３１及び弁３５を含む。
【０１６８】
弁３１及び３５は、燃料ガス又は基準ガスのいずれかが管に流入するように、各端子５２及び５１を介してモジュール３６によって制御される。
【０１６９】
この例では、管は、その入口１３から始まって上流から下流へ：
・端子４１を介してモジュール３６に接続された絶対圧力センサ６０、
・端子４２を介してモジュール３６に接続された絶対温度センサ５０、
・流体狭窄部３２（例えば、オリフィス又はマイクロノズル）、
・端子４３を介してモジュール３６に接続された熱式質量流量センサ３３、及び、
・端子４４を介してモジュール３６に接続された、水素のモル分率を計測するためのセンサ３４、
を備えている。
【０１７０】
モジュール３６は、端子４１から４４で受信した信号からウォッベ指数を推定するために、上記したような経験的なアフィン関係を適用しうる。
【０１７１】
示された例では、モジュール３６は、２つの出力端子５４及び５３を介して外部モジュール３７、例えば、調節を実施するためのアクチュエータ、又はディスプレイと通信する。図示しない変形例では、モジュール３７は、装置１０に組み込まれている。
【０１７２】
図５及び６を参照して、燃料ガスの高位発熱量を推定する方法及び実施形態を説明する。
【０１７３】
図５は、燃料ガスの高位発熱量ＰＣＳGN/H2を推定する方法の工程を示す。
【０１７４】
工程Ｅ２２において、圧力降下を生じさせる装置を通る層流において、燃料ガスの質量流量が測定される。この測定は、燃料ガスの粘度及び基準ガスの粘度に依存する。
【０１７５】
工程Ｅ２３において、圧力降下を生じさせる装置の下流で、燃料ガスの質量流量が熱式質量流量計を用いて測定される。測定は、燃料ガスの比熱容量及び基準ガスの熱容量に依存する。
【０１７６】
工程Ｅ２２及びＥ２３を実行する前又は後に実行されうる工程Ｅ２１では、工程Ｅ２２及びＥ２３を実行することに対応する校正工程が実行される。ただし、校正工程は、基準ガス（例えば、メタン）を用いて実行される。
【０１７７】
工程２４もまた、モル分率として水素の含有量ＸH2を測定するために実施される。
【０１７８】
最後に、工程Ｅ２５において、高位発熱量が、次の式を有する経験的なアフィン関係を用いて推定される。
【０１７９】
【数３０】
2020514714.tif 000032
【０１８０】
【数３１】
2020514714.tif 000033
【０１８１】
Ｚは、図１を参照して説明した変数Ｙに対応する変数である。Ｑmes,1は、測定された圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある燃料ガスの質量流量である。Ｑmes,2は、圧力降下を生じさせる装置の下流で測定された燃料ガスの質量流量である。Ａ，Ｂ，及びＣは、燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、係数α，β，及びγに対応する。
【０１８２】
高位発熱量（ＰＣＳ）に関する次の関係は、先行文献DE 4 118 781から知られている。
【０１８３】
【数３２】
2020514714.tif 000034
【０１８４】
α及びβは所定の係数である。ρは、燃料ガスの密度である。μは、燃料ガスの粘度である。Ｃpは、燃料ガスの熱容量である。
【０１８５】
次の無次元変数Ｚは、次のように定義されうる。
【０１８６】
【数３３】
2020514714.tif 000035
【０１８７】
ここで、下付きのＧＮは、燃料ガスを示し、ｒｅｆは基準ガスを示す。
【０１８８】
高位発熱量に関する関係は、次のように書き換えることができる。
【０１８９】
【数３４】
2020514714.tif 000036
【０１９０】
Ｚを測定するために、２つの流量の測定が使用される。一例として、Ｑmes,1は、測定された圧力降下を生じさせる装置を通る層流の状態にある燃料ガスの質量流量である。ポアズイユの法則を使用することによって、この装置では、層流要素を通って、ガスの流れの圧力を降下させることが知られている。
【０１９１】
測定は、粘度に依存するので、特定の測定装置に関し、それは上流と下流との圧力差ΔＰmesに依存する形式を持ち、Ｑmes,1を送信する流量計は、次式を用いて体積流量を決定しうる。
【０１９２】
【数３５】
2020514714.tif 000037
【０１９３】
ここで、Ｋ1は、幾何学的定数である。
【０１９４】
この例では、圧力センサ及び温度プローブが流量計に組み込まれており、それらによれば、以下のように、質量流量Ｑmes,1（又は通常の温度及び圧力の条件に換算された体積流量）を直接得ることができる。
【０１９５】
【数３６】
2020514714.tif 000038
【０１９６】
修正された体積流量Ｑmes,1の測定は、燃料ガスの粘度に依存する。
【０１９７】
流量Ｑmes,2は、熱式質量流量計を使用して測定される。質量流量Ｑmes,2の測定は、燃料ガスの比熱容量に依存する。
【０１９８】
この方法では、質量流量の２つの推定が得られ、各推定は、実際の通常の体積流量（Ｑvn）に対するそれぞれの誤差を示す。以下が適用される。
【０１９９】
【数３７】
2020514714.tif 000039
【０２００】
Ｑmes,1について、誤差は、混合ガスの実際の粘度と、基準ガス（この例ではメタン）の粘度との差に関連する。
【０２０１】
Ｑmes,2について、誤差は、混合ガスの実際の比熱容量を密度に乗じた値と、基準ガス（この例ではメタン）の同量を密度に乗じた値との間の差に関連する。
【０２０２】
２つの測定された流量の比率をとることによって、変数Ｚが決定され、文献DE 4 118 781の相関関係は次のようになる。
【０２０３】
【数３８】
2020514714.tif 000040
【０２０４】
Ｕmes,1＝Ｑmes,1、及び
Ｕmes,2＝Ｑmes,2で記述される。
【０２０５】
以下が適用される。
【０２０６】
【数３９】
2020514714.tif 000041
【０２０７】
それにもかかわらず、本発明者らは、水素が燃料ガス中に存在すると、この関係は適用できないことを見出した。具体的には、測定誤差が非常に大きくなる。水素は、アルカンのようなガスの特性とは大きく異なる特性（粘度、比熱容量）を有する。
【０２０８】
その欠点を軽減するために、測定された水素の含有量ＸH2が使用され、以下の方程式が提案される。
【０２０９】
【数４０】
2020514714.tif 000042
【０２１０】
Ａ，Ｂ，及びＣは、燃料ガスのグループに関する所定の係数であり、それぞれ、図１及び２を参照して説明した係数α，β，及びγに対応する。
【０２１１】
係数Ａ，Ｂ，及びＣは、既知のガスの組成、例えば、国又は地域のネットワークにおける天然ガスの組成から得られうる。一例として、ヨーロッパで流通し、当業者によく知られている高い発熱量を有するガスに関する既知の組成を使用することが可能である。
【０２１２】
これらの既知の組成から、様々な化合物のモル分率に関する限定値を規定することが可能である。例えば、ガス中の化学種Ｋのモル分率に関する表記ＸKを使用することによって、以下の種類の既知の組成を持つことが可能である。
【０２１３】
【数４１】
2020514714.tif 000043
【０２１４】
今日のガス組成には、水素がないことに留意するべきである。
【０２１５】
これらの考えうる範囲は、高位発熱量を決定することが可能であるガスの組成を、ランダムに生成させることを可能にする。したがって、１０，０００種類のガスが生成されうる。
【０２１６】
ランダムに生成された各ガスに対して、０％から２０％のモル分率の範囲のランダムな量の水素を加えることが可能である。ここでも同様に、これらのランダムに生成されたガスの高位発熱量を決定することが可能である。
【０２１７】
ランダムに生成された組成から、変数Ｚに関連する値を推定することも可能である。最小二乗法を適用することによって、係数Ａ，Ｂ，及びＣに関する値を得ることが可能である。
【０２１８】
【数４２】
2020514714.tif 000044
【０２１９】
あるいは、係数が定数ではなく、モル分率としての水素の含有量に依存する相関関係を使用することが可能である。
【０２２０】
経験的なアフィン関係は次のように書き換えられてもよい。
【０２２１】
【数４３】
2020514714.tif 000045
【０２２２】
この例では、Ａ及びＢは、水素の含有量の関数である（方程式は、ＸH2に依存する２つの係数のみを示すように書き換えられている。それにもかかわらず、３つの係数を有する等式を記述することが可能である）。
【０２２３】
同様に、ランダムなガス組成を生成することによって、本発明者らは、幅１％の水素の濃度範囲にわたる区分において一定である関数Ａ及びＢを使用することが可能であることを見出した。
【０２２４】
例えば、１９％から２０％の水素の範囲で、Ａ及びＢは次の値をとる。
【０２２５】
【数４４】
2020514714.tif 000046
【０２２６】
図６は、図５を参照して説明された方法を実施するのに適している、高位発熱量を推定するための装置を示す。
【０２２７】
この装置１００は、燃料ガスＧ１を受け入れるための入口１１１、及び、基準ガスＧ２（典型的にはメタン）を受け入れるための入口１１２を有する。
【０２２８】
装置１００は、また、燃料ガスの流れ又は基準ガスの流れを管の入口１１３に導くためのセレクタ及び案内モジュールを有する。具体的には、セレクタ及び案内モジュールは、弁１３１及び弁１３５を含む。
【０２２９】
弁１３１及び１３５は、燃料ガス又は基準ガスのいずれかが管に流入するように、各端子１５２及び１５１を介してモジュール１３６によって制御される。
【０２３０】
この例では、管は、その入口１１３から始まって上流から下流へ：
・圧力降下を生じさせる装置を通る層流において質量流量を計測するためのセンサ１３２であって、測定は、燃料ガスの粘度及び基準ガスの粘度に依存し、端子１４２を介してモジュール１３６に接続されているセンサ１３２、
・熱式質量流量を計測するためのセンサ１３３であって、測定は、測定ガスの比熱容量及び基準ガスの比熱容量に依存し、端子１４３を介してモジュール１３６に接続されているセンサ１３３、及び、
・水素のモル分率を計測し、端子１４４を介してモジュール１３６に接続されたセンサ１３４、
を備えている。
【０２３１】
モジュール１３６は、端子１４２から１４４で受信した信号から高位発熱量を推定するために、上記したような経験的なアフィン関係を適用しうる。
【０２３２】
示された例では、モジュール１３６は、２つの出力端子１５４及び１５３を介して外部モジュール１３７、例えば、調節を実施するためのアクチュエータ、又はディスプレイと通信する。図示しない変形例では、モジュール１３７は、装置１００に組み込まれている。
【０２３３】
図７は、２つの経験的なアフィン関係を用いて高位発熱量及びウォッベ指数を同時に決定できる装置の例を示す。
【０２３４】
この装置は、圧縮ガスのための２つの入口を有する。第１の入口１０１１は、ガスのグループ（例えば、フランスの規格ＮＦ  ＥＮ  ４３７に準拠した第２のグループにおける燃料ガス）に属しており、かつ水素を含んでいる燃料ガスＧ１を受け入れるための入口である。装置１０００は、校正段階で使用される基準ガスＧ０のための別の入口１０１２を有する。
【０２３５】
装置１０００は、また、燃料ガスＧ１の流れ又は基準ガスＧ０の流れを管の入口１０１３に導くためのセレクタ及び案内モジュールを有する。セレクタ及び案内モジュールは、弁１０３１及び弁１０３５を含む。
【０２３６】
弁１０３１及び１０３５は、燃料ガス又は基準ガスのいずれかが管に流入するように、各端子１０５２及び１０５１を介してモジュール１０３６によって制御される。
【０２３７】
管の入口１０１３から始まって、上流から下流へ、装置は以下を備える。
・端子１０４１を介してモジュール１０３６に接続された絶対圧力センサ１００６。このセンサは、燃料ガスについて測定された値Ｐmes及び基準ガスについて測定された値Ｐrefを送信する。
・端子１０４２を介してモジュール１０３６に接続された絶対温度センサ１００５。このセンサは、燃料ガスについて測定された値Ｔmes及び基準ガスについて測定された値Ｔrefを送信する。
・流体狭窄部１０３２（例えば、オリフィス又はマイクロノズル）。
・端子１０４３を介してモジュール１０３６に接続され、圧力降下を生じさせる装置を通る層流における質量流量を計測するためのセンサ。このセンサは、値Ｑmes,1を送信する。
・端子１０４６を介してモジュール１０３６に接続された熱式質量流量センサ１０３３。このセンサは、燃料ガスについて測定された値Ｑmes,2及び基準ガスについて測定された値Ｑrefを送信する。
・水素のモル分率を計測し、端子１０４７を介してモジュール３６に接続されたセンサ１０３４。
・排出口１０３９。
【０２３８】
この例では、モジュール１０３６は、次の２つの変数を計算しうる。
【０２３９】
【数４５】
2020514714.tif 000047
【０２４０】
モジュール１０３６は、したがって、ウォッベ指数ＩＷGN/H2、高位発熱量ＰＣＳGN/H2、空気の化学量論的な体積ＶａGN/H2、燃焼性指数ＢGN/H2、及び混合された燃料ガスの密度ｄGN/H2を決定するために次の式を使用しうる。
【０２４１】
【数４６】
2020514714.tif 000048
【０２４２】
具体的に、ウォッベ指数ＩＷ及び高位発熱量ＰＣＳに関する値から、空気の化学量論的な体積Ｖａ、燃焼性指数Ｂ、及び燃料ガス混合物の密度を決定することが可能である。
【０２４３】
より正確には、ヨーロッパで通常流通している天然ガス（現在、水素が含まれていない）に対して、以下が適用される。
【０２４４】
【数４７】
2020514714.tif 000049
【０２４５】
本発明者らは、水素の存在下では、値が１．１６２から逸脱するであろうことを見出した。
【０２４６】
調査対象の全ての天然ガスに対して０．３％未満の誤差で、空気の化学量論的な体積に対する高位発熱量の比率と、（既知の）水素の含有量とを関連付けることが可能である。
【０２４７】
言い換えれば、１％未満の誤差で水素の含有量及び推定された高位発熱量が判明することによって、空気の化学量論的な体積が判明することが可能となり、したがって、開ループ制御にて燃焼を調節することが可能となる。
【０２４８】
同様に、燃焼性指数に対するウォッベ指数の比率は、水素の含有量に比例して変化する。このことは、また、開ループ制御を実行することを可能にする。
【０２４９】
１０，０００種類のガスが使用される場合、燃焼性指数の推定における誤差は、ランダムな組成を含む１０，０００種類のガスの９９．５％において１％未満であることに留意するべきである。
【０２５０】
ウォッベ指数の定義によれば、ウォッベ指数及び高位発熱量の両方が判明すれば、ガスの密度を決定することが可能である。
【０２５１】
装置１０００は、端子１０５４でウォッベ指数の信号を、端子１０５５で高位発熱量の信号を、端子１０５６で密度の信号を、端子１０５７で空気の化学量論的な体積の信号を、及び端子１０５８で燃焼性指数の信号を送信することに留意するべきである。これらの信号は、調査対象の燃料ガス、すなわち、ガスＧ１に関連する。
【０２５２】
図８は、図４を参照して説明した装置１０を利用する調節の適用例を示す。この装置は、管の２つの点、入口点２０１と出口点２０２との間に接続される。装置１０は、センサ群２０５によって行われた測定に応じて、圧縮空気の供給モジュール２０３を制御する。
【０２５３】
この装置は、特に、ヨーロッパで流通しているガスに追加量の水素を添加した類似したガスについて、ウォッベ指数を継続的に調節できる。特に、測定が継続的又はリアルタイムで行われるため、調節を実行することが可能になる。これに対し、クロマトグラフの種類の装置でそのようなことは可能ではない。
【０２５４】
ウォッベ指数の測定の正確性は、１％のオーダーである。
【０２５５】
所望の調節を得るために、装置１０のウォッベ指数に関する設定値を修正することが可能であることに留意するべきである。
【０２５６】
さらに、校正工程は、メタンを使用している間、自動的に実行されうる。開始段階もまた、自動的に、すなわち、操作者が介入することなく実行されうる。
【０２５７】
さらに、特性の１つ（例えば、ウォッベ指数）について閉ループ制御が実行され、導入される圧縮空気の流量について開ループ制御が実行されるといった、組み合わせの制御も可能である。これにより、特性に関する設定値がより厳密に満たされるように、特性の変動を特に正確な方法で考慮に入れることが可能となる。
【０２５８】
そのような装置は、毎時１５０リットル（Ｌ／ｈ）未満の速度で天然ガスを消費してもよいことに留意するべきである。
【０２５９】
上記の方法及び実施形態は、熱力学的データ（Ｃｐ、粘度）を、体積分率又はモル分率での水素の含有量の測定と組み合わせることを可能にする。適切な相関関係を使用することによって、ウォッベ指数及び／又は高位発熱量を計算することが可能となる。
【０２６０】
気相クロマトグラフを使用することと比較して、以下が適用されることに留意するべきである。
・推定は、ほとんど瞬時に行われる（応答時間は、５秒未満でありうる）。
・推定は、安価である。
【０２６１】
既存の相関方法と比較して、水素が存在するにもかかわらず、良好な正確性が得られるとともに、良好な測定の堅牢性も得られる。
【０２６２】
最後に、燃焼を利用する装置（燃焼計又は熱量計）と比較して、本発明は、良好な堅牢性、実施の容易さ、並びに、メンテナンスが削減されること、及びメンテナンスが容易に実施できることを提供する。
【図１】
2020514714.tif 000061
【図２】
2020514714.tif 000062
【図３】
2020514714.tif 000063
【図４】
2020514714.tif 000064
【図５】
2020514714.tif 000065
【図６】
2020514714.tif 000066
【図７】
2020514714.tif 000067
【図８】
2020514714.tif 000068
【国際調査報告】
2020514714.tif 000069
2020514714.tif 000070
2020514714.tif 000071
2020514714.tif 000072