СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ГАЗА И СВЯЗАННОЕ УСТРОЙСТВО
GAS ENERGY MEASUREMENT METHOD AND CONNECTED DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерениям энергии газа, а более конкретно, к улучшенному вибрационному измерителю и способу измерения энергии газа.
Уровень техники
Использование и сжигание богатых водородом газов, таких как топливный газ, остаточный газ и биогаз, сильно зависит от энергоемкости самого газа. Энергоемкость газа может быть описана как показатель того, сколько энергии может быть выработано при сжигании. Энергия, часто измеряемая в британских тепловых единицах (BTU), таким образом, является критическим показателем одинаково для поставщиков газа, транспортеров и пользователей. BTU определяется как количество энергии, необходимой для охлаждения или нагрева одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Другим обычно используемым параметром, ассоциируемым с энергией, формируемой посредством сжигания газа (называемый теплотворной способностью или CV), является параметр показателя Уоббе (WI) или число Уоббе. Он является важным параметром, который указывает, насколько легко газ будет гореть, а не просто лишь сколько энергии может быть получено посредством его сжигания. WI применяется, поскольку он является надежным указателем взаимозаменяемости топливных газов, таких как природный газ, сжиженный нефтяной газ (LPG) и другие углеводороды, например. Показатель Уоббе может быть описан уравнением (1):
(1)
где:
WI - это показатель Уоббе;
CV - это теплотворная способность; и
SG - это удельная плотность.
Теплотворная способность, CV, часто определяется уравнением (2):
(2)
где:
2
2
Mco=% содержание CO и
2
2
Mn=% содержание N.
Показатель Уоббе зачастую используется для сравнения выхода энергии сгорания различных по составу топливных газов для заданной прикладной задачи. Например, если топлива имеют идентичные показатели Уоббе, тогда для заданного давления и настроек процесса на конкретном устройстве, выходная энергия будет одинаковой между топливами. Это является особенно важным в процессах или устройствах, где газы могут быть заменены друг на друга, или где состав газа не остается постоянным.
2
2
2
2
Для богатых водородом газов существуют два общих типа контрольно-измерительного оборудования, которые используются, чтобы вычислять/измерять CV или WI - газовые хроматографы (GC) и измерители показателя Уоббе. GC являются относительно медленными, поскольку они делят газ на составляющие компоненты и затем вычисляют параметры газа, анализируя по отдельности свойства отдельных газов смеси. Измерители показателя Уоббе типично сжигают газ, чтобы измерять энергию или вычислять CV или WI. Однако, что касается несжигающих измерителей показателя Уоббе, главная проблема в получении точных результатов измерений относится к учету процентного содержания инертных газов и процентного содержания водорода (H), присутствующего в газовой смеси. Инертные газы резко изменяют энергоемкость, сформированную всей смесью, как делает водород. Инертными газами, наиболее часто встречающимися в богатых водородом газовых смесях и топливных газах, являются двуокись углерода (CO), окись углерода (CO) и азот (N). Из них CO и CO относительно легко измерять, поскольку для этой цели доступны мониторы ближней инфракрасной области спектра (NIR). Измерения азота, однако, остаются трудоемкими для выполнения и типично требуют GC.
2
2
2
Когда приходится измерять содержание водорода, доступно множество анализаторов теплопроводности, которые могут непосредственно выводить эту переменную, таким образом, измерение этого параметра является относительно простым. В большинстве богатых водородом газовых смесях и в топливных газовых смесях содержание азота является относительно небольшим процентным содержанием для смеси и, как правило, относительно постоянным. Следовательно, постоянное значение для N может часто использоваться в определении точных значений измерения энергии. Что касается CO, CO и H, это - определенно не тот случай. Резкие колебания в концентрации этих компонентов являются типичными, зачастую возникая в течение периода в несколько секунд. Это является основной причиной того, что технология GC не может удовлетворять потребностям рынка для быстродействующего измерения энергии газа и показателя Уоббе (WI).
Газовые хроматографы широко используются в газоизмерительной промышленности, и в то время как они обеспечиваю точные выходные данные о полном составе газа измеряемой газовой смеси, они имеют множество существенных ограничений. Первое, GC показывают очень высокую стоимость владения. Системы и компоненты являются дорогостоящими для покупки, а множество движущихся частей требует значительного и частого обслуживания. Второе, GC требуют регулярной калибровки. Третье, должны быть сформированы калибровочные газы, необходимые для процесса калибровки, что является регулярным по времени и дорогостоящим. Четвертое, для работы GC требуются квалифицированные и обученные операторы, что увеличивает операционные расходы. Пятое, время реакции типично является очень медленным, с выходными данными, типично обновляемыми приблизительно каждые 7 минут.
2
Как отмечено выше, для топливного газа или богатых H газовых смесей могут быть использованы измерители показателя Уоббе или калориметры, однако, они также проявляют множество ограничений. Первое, существует высокая стоимость покупки и владения. Второе, вследствие сгорания, часто необходимого для измерений, такие устройства должны часто быть установлены в безопасных областях. Третье, эти измерительные приборы также требуют обширных средств обеспечения, таких как сильноточные электрические входы и снабжение пневматическими газовыми баллонами. Они, следовательно, являются дорогостоящими для установки и эксплуатации. По этому принципу, отработанный газ, выпускаемый этими устройствами, типично имеет температуру порядка 800°C, что потенциально является опасным и дорогостоящим для смягчения последствий в опасных окружениях, таких как окружения, встречающиеся на нефтеперерабатывающих заводах, например.
Необходим альтернативный способ и устройство для вычисления CV, WI, плотности, оптической плотности основы, SG и т.д. Необходимы способ и устройство для таких вычислений, которые быстро обновляются. Дополнительно, необходимы способ и устройство, которые минимизируют риски безопасности. Негорючий, быстродействующий способ и устройство предоставляются, чтобы устранять эти и другие проблемы, и достигается прогресс в области техники. Раскрытые варианты осуществления предоставляют альтернативный способ, чтобы определять энергию газа и WI в богатой водородом газовой смеси. Этот способ и устройство особенно хорошо подходят для состава газа, который неизвестен, и/или когда существующие стандарты, которые соотносят удельную плотность газа с энергоемкостью, являются неприменимыми.
Сущность изобретения
Предоставляется способ для определения энергоемкости богатой водородом газовой смеси с помощью измерителя плотности газа согласно варианту осуществления. Способ содержит этапы предоставления вибрационного измерителя плотности газа и измерительной электронной аппаратуры с измерителем плотности газа, сконфигурированным, чтобы осуществлять связь, по меньшей мере, с одним внешним устройством ввода. Способ дополнительно содержит этапы измерения плотности богатой водородом газовой смеси, получения удельной плотности богатой водородом газовой смеси и получения теплотворной способности богатой водородом газовой смеси с помощью полученной удельной плотности и множества констант и/или переменных.
Предоставляется система для измерения энергии газа согласно варианту осуществления. Система содержит вибрационный измеритель плотности газа, сконфигурированный, чтобы вычислять удельную плотность богатой водородом газовой смеси. Система дополнительно содержит линию связи, сконфигурированную, чтобы соединяться с внешним устройством ввода и измерительной электронной аппаратурой для работы вибрационного измерителя плотности газа, который находится на связи с линией связи. Измерительная электронная аппаратура конфигурируется, чтобы измерять плотность богатой водородом газовой смеси и получать теплотворную способность богатой водородом газовой смеси с помощью измеренной удельной плотности и множества констант и/или переменных.
Аспекты
Согласно аспекту способ для определения энергоемкости богатой водородом газовой смеси с помощью измерителя плотности газа содержит: предоставление вибрационного измерителя плотности газа; предоставление измерительной электронной аппаратуры с измерителем плотности газа, сконфигурированной, чтобы осуществлять связь, по меньшей мере, с одним внешним устройством ввода; измерение плотности богатой водородом газовой смеси; измерение удельной плотности богатой водородом газовой смеси; и получение теплотворной способности богатой водородом газовой смеси с помощью измеренной удельной плотности и множества постоянных значений.
Предпочтительно, вычисляется значение показателя Уоббе для богатой водородом газовой смеси.
Предпочтительно, теплотворная способность (CV) вычисляется согласно уравнению, содержащему:
2
2
2
CV=A+(B * процентное содержание H)+(C * процентное содержание СО)+(D * процентное содержание СО)+(E * процентное содержание N)+(F * SG),
где A-F являются постоянными значениями, а SG является удельной плотностью.
Предпочтительно, A имеет значение приблизительно между 144,8 и 150,8, при этом B имеет значение приблизительно между -2,5 и -2,6, при этом C имеет значение приблизительно между -12,15 и 12,65, при этом D имеет значение приблизительно между -47,7 и -49,65, при этом E имеет значение приблизительно между -24,68 и -25,69, и при этом F имеет значение приблизительно между 1528,7 и 1591,1.
Предпочтительно, A приблизительно равно 147,8458, B приблизительно равно -2,55807, C приблизительно равно -12,3963, D приблизительно равно -48,685065, E приблизительно равно -25,18546, и F приблизительно равно 1559,94255.
2
Предпочтительно, внешнее устройство ввода содержит значение процентного содержания H для богатой водородом газовой смеси.
2
Предпочтительно, значение процентного содержания H определяется с помощью измерителя теплопроводности.
Предпочтительно, внешнее устройство ввода содержит значение процентного содержания CO для богатой водородом газовой смеси.
Предпочтительно, значение процентного содержания CO определяется с помощью измерителя ближней инфракрасной области спектра.
2
Предпочтительно, внешнее устройство ввода содержит значение процентного содержания CO для богатой водородом газовой смеси.
2
Предпочтительно, значение процентного содержания CO определяется с помощью измерителя ближней инфракрасной области спектра.
2
Предпочтительно, внешнее устройство ввода содержит значение процентного содержания N для богатой водородом газовой смеси.
2
Предпочтительно, значение процентного содержания N  определяется с помощью газового хроматографа.
Предпочтительно, получение теплотворной способности выполняется с частотой приблизительно менее 10 секунд.
Согласно аспекту система для измерения энергии газа содержит: вибрационный измеритель плотности газа, сконфигурированный, чтобы вычислять удельную плотность богатой водородом газовой смеси; линию связи, сконфигурированную, чтобы соединяться с внешним устройством ввода; измерительную электронную аппаратуру для работы вибрационного измерителя плотности газа на связи с линией связи, при этом измерительная электронная аппаратура конфигурируется, чтобы измерять плотность богатой водородом газовой смеси и получать теплотворную способность богатой водородом газовой смеси с помощью полученной удельной плотности и множества постоянных значений.
Предпочтительно, внешнее устройство ввода содержит, по меньшей мере, один из измерителя ближней инфракрасной области спектра, измерителя теплопроводности и газового хроматографа.
Предпочтительно, измерительная электроника конфигурируется, чтобы вычислять значение показателя Уоббе для богатой водородом газовой смеси.
Предпочтительно, теплотворная способность (CV) вычисляется согласно уравнению, содержащему:
2
2
2
CV=A+(B * процентное содержание H)+(C * процентное содержание СО)+(D * процентное содержание СО)+(E * процентное содержание N)+(F * SG),
где A-F являются постоянными значениями, а SG является удельной плотностью.
Предпочтительно, A имеет значение приблизительно между 144,8 и 150,8, при этом B имеет значение приблизительно между -2,5 и -2,6, при этом C имеет значение приблизительно между -12,15 и 12,65, при этом D имеет значение приблизительно между -47,7 и -49,65, при этом E имеет значение приблизительно между-24,68 и -25,69, и при этом F имеет значение приблизительно между 1528,7 и 1591,1.
Предпочтительно, A приблизительно равно 147,8458, B приблизительно равно -2,55807, C приблизительно равно -12,3963, D приблизительно равно -48,685065, E приблизительно равно -25,18546, и F приблизительно равно 1559,94255.
2
2
2
Предпочтительно, по меньшей мере, одно из процентного содержания H, процентного содержания CO, процентного содержания CO и процентного содержания N предоставляется измерительной электронной аппаратуре от внешнего устройства ввода.
Краткое описание чертежей
Один и тот же ссылочный номер представляет один и тот же элемент на всех чертежах. Чертежи представлены необязательно в масштабе.
Фиг. 1 иллюстрирует систему для измерения энергии газа согласно варианту осуществления; и
Фиг. 2 иллюстрирует измерительную электронную аппаратуру согласно варианту осуществления.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1, 2 и последующее описание изображают конкретные примеры для изучения специалистами в области техники того, как создавать и использовать лучший вариант изобретения. В целях обучения принципам изобретения некоторые традиционные аспекты были упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники поймут вариации из этих примеров, которые подпадают под рамки изобретения. Специалисты в данной области техники поймут, что признаки, описанные ниже, могут быть объединены различными способами, чтобы формировать множественные вариации изобретения. В результате, изобретение не ограничивается конкретными примерами, описанными ниже, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.
Фиг. 1 иллюстрирует систему 100 для измерения энергии газа согласно варианту осуществления. Измеритель 101 плотности предусматривается для измерения удельной плотности газа. Чтобы измерять удельную плотность газа, измеритель 101 плотности использует резонирующий элемент 102, окруженный эталонной камерой 104 постоянного объема, заполненной фиксированным количеством газа. Диафрагма 106 сепаратора внутри эталонной камеры гарантирует, что давление замеряемого газа, доставляемого по газопроводу 108, в измерителе 101 плотности равно давлению эталонного газа посредством регулирования клапана 110 регулирования давления.
Резонирующий элемент 102 измерителя 101 плотности располагается, по меньшей мере, частично в корпусе 103. Корпус 103 или резонирующий элемент 102 могут включать в себя фланцы или другие элементы для функционального присоединения измерителя плотности к трубопроводу или аналогичному устройству доставки газа газонепроницаемым образом. Часто, резонирующий элемент 102 навесным способом устанавливается на корпус на одном торце корпуса, с противоположным торцом резонирующего элемента 102, свободным для вибрации. Резонирующий элемент 102 может, в варианте осуществления, определять множество газовых отверстий, которые предоставляют возможность газу поступать в измеритель плотности и протекать между корпусом и резонирующим элементом 102. Следовательно, газ контактирует с внутренними, а также с внешними поверхностями резонирующего элемента 102. Это позволяет подвергать большую площадь поверхности резонирующего элемента 102 воздействию газа и, следовательно, предоставлять более точные результаты измерений. В других примерах могут быть предусмотрены отверстия в корпусе, и отверстия в резонирующем элементе 102 могут не требоваться.
Резонирующий элемент 102 может вибрировать с собственной или почти с собственной (т.е., резонансной) частотой. Посредством измерения резонансной частоты элемента в присутствии газа может быть определена плотность газа.
Формирователь 105 и вибрационный датчик 107 типично располагаются на корпусе золотника, расположенном рядом с резонирующим элементом 102. Формирователь 105 принимает возбуждающий сигнал от измерительной электронной аппаратуры 112 и приводит в колебание резонирующий элемент 102 с резонансной или с почти резонансной частотой. Вибрационный датчик 107 обнаруживает вибрацию резонирующего элемента 102 и отправляет информацию о вибрации измерительной электронной аппаратуре 112 для обработки. Измерительная электронная аппаратура 112 определяет резонансную частоту резонирующего элемента 102 в сочетании с испытываемым газом и формирует показатель плотности из измеренной резонансной частоты.
Удельная плотность газа является отношением его молекулярного веса (M) к молекулярному весу стандартного сухого воздуха. В варианте осуществления измеритель 101 плотности дает выходную частоту, которая является пропорциональной удельной плотности газа, и может также формировать молекулярный вес (M) газа.
Наиболее релевантными параметрами при измерении богатых водородом или топливных газов являются:
a. удельная плотность (SG)
b. температура (T)
c. давление (P)
d. молекулярный вес (M)
2
e. процент инертного газа (например, % N, % CO)
f. теплотворность/BTU (CV)
g. показатель Уоббе (WI)
rel
h. относительная плотность (ρ )
Вариант осуществления системы 100 предоставляет результат измерения и/или вычисления, по меньшей мере, одного из параметров, указанных выше, без необходимости сжигания газа или полагаясь на GC. В варианте осуществления измеритель 101 плотности калибруется, чтобы выводить SG, с помощью молекулярного веса множества калибровочных газов. Например, без ограничения, рассматриваются три калибровочных газа в качестве низкой, средней и высокой точек диапазона. Калибровки с помощью более или менее чем трех газов также рассматриваются.
2
2
2
2
2
2
В варианте осуществления система допускает, по меньшей мере, одно внешнее устройство 116 ввода. Внешнее устройство 116 ввода может содержать показатели измерений, среди прочего, процентного содержания CO, процентного содержания CO, процентного содержания H и процентного содержания N. Эти данные предоставляются измерительной электронной аппаратуре 112 через линию 114 связи. Вместе с отдельными внешними устройствами 116 ввода от анализаторов, таких как, например, без ограничения, измерители теплопроводности (которые предоставляют значение процентного содержания H в реальном времени), измерители в ближней инфракрасной области спектра (NIR) (которые представляют значения процентного содержания CO и/или процентного содержания CO в реальном времени) и газовые хроматографы (которые представляют значения процентного содержания N), система 100 может выполнять очень точное измерение теплотворной способности, BTU и показателя Уоббе и может эффективно выполнять это почти в реальном времени. Обеспечивая подход с множеством измерителей/множеством технологий, система 100 предоставляет, по существу, быструю реакцию, а кроме того, не требует полного известного состава измеряемого газа. Дополнительно, устраняется необходимость сжигания газа, что в ином случае является типичным подходом, применяемым калориметрами и измерителями показателя Уоббе.
2
2
2
Этот вариант осуществления ввода с помощью множества технологий полагается на точное быстродействующее измерение удельной плотности, которое обеспечивает измеритель 101 плотности. Вариант осуществления был получен посредством анализа свыше 30 различных водородных газовых и топливных газовых смесей, все из них находятся за рамками стандартов, при этом удельная плотность непосредственно связана с энергоемкостью газа, таким как стандарт AGA5, например, без ограничения. Соотношение ниже между энергоемкостью, удельной плотностью и процентным содержанием N, процентным содержанием CO, процентным содержанием CO и процентным содержанием H получается согласно варианту осуществления, как описано уравнением (3):
(3)
где A-F являются константами:
A=147,8458
B=-2,55807
C=-12,3963
D=-48,685065
E=-25,18546
F=1559,94255
Отметим, что из вышеописанных коэффициентов наиболее чувствительным к измерению является коэффициент для SG, следовательно, точный результат измерения SG, получаемый от датчика 101 плотности, является критическим. С помощью этого уравнения типичные погрешности измерения меньше ±0,25%, с максимальными наблюдаемыми отклонениями менее ±0,9%. Следует отметить, что константы A-F могут изменяться самое большое на ±5%.
В варианте осуществления, после того как CV определено, показатель Уоббе вычисляется согласно уравнению (1). Следует отметить, что другие вычисления, чтобы определять CV, также рассматриваются.
Специалистам в области техники будет понятно, что различные ее модификации, которые описываются выше, являются возможными без отступления от рамок изобретения. Только в качестве примера, константа A в уравнении (3) выше может усекаться или уточняться время от времени посредством отдельного измерения % CO с помощью метода отбора проб (например, NIR) и с помощью результата этого измерения уточнять вычисление, выполненное согласно гораздо более быстрой временной шкале, характерной в заявленном способе.
Фиг. 2 иллюстрирует измерительную электронную аппаратуру 112 для измерителя 101 плотности согласно варианту осуществления. Измерительная электронная аппаратура 112 может включать в себя интерфейс 201 и систему 203 обработки. Интерфейс 201 передает возбуждающий сигнал резонирующему элементу 102. Измерительная электронная аппаратура 112 принимает и обрабатывает, по меньшей мере, один сигнал датчика от датчика, такой как сигнал вибрационного датчика 107, который измеряет колебания, ассоциированные с резонирующим элементом 102.
Интерфейс 201 может выполнять любую необходимую или желательную предварительную обработку сигнала, такую как любой способ форматирования, усиления, буферизации и т.д. Альтернативно, некоторое или все предварительное формирование сигнала может выполняться в системе 203 обработки.
Кроме того, интерфейс 201 может предоставлять возможность связи между измерительной электронной аппаратурой 112 и внешними устройствами, например, через линию 114 связи, например. Интерфейс 201 может передавать данные измерений внешним устройствам по линии 118 связи и может принимать команды, обновления, данные и другую информацию от внешних устройств и внешних устройств для измерения газа. Интерфейс 201 и линия 114 связи могут быть приспособлены для любого способа электронной, оптической или беспроводной связи.
Интерфейс 201 в одном варианте осуществления содержит цифровой преобразователь, при этом сигналы датчика содержат аналоговые сигналы датчика. Цифровой преобразователь дискретизирует и оцифровывает аналоговые сигналы датчика и формирует соответствующие цифровые сигналы датчика. Интерфейс/цифровой преобразователь может также выполнять любое необходимое сокращение выборки, при этом выборка цифрового сигнала датчика выполняется реже для того, чтобы уменьшать объем необходимой обработки сигнала и уменьшать время обработки.
Система 203 обработки проводит операции измерительной электронной аппаратуры 112 и обрабатывает результаты измерений газа от датчика 101 плотности. Система 203 обработки выполняет рабочую программу 210 и обрабатывает результаты измерений плотности для того, чтобы формировать одну или более характеристик плотности (или другие показатели плотности). Программа обработки содержит, среди прочего, программы для определения удельной плотности газа, плотности газа, температуры газа, давления газа, молекулярного веса газа, процентного содержания инертного газа, теплотворной способности и показателя Уоббе.
Система 203 обработки может содержать компьютер общего назначения, микропроцессорную систему, логическую схему или некоторое другое универсальное или специализированное процессорное устройство. Система 203 обработки может быть распределена между множеством устройств обработки. Система 203 обработки может включать в себя любой вид встроенного или независимого электронного носителя хранения, такого как система 204 хранения. Система 204 хранения может быть соединена с системой 203 обработки или может быть интегрирована в систему 203 обработки.
Система 204 хранения может хранить информацию, используемую для работы датчика 101 плотности, включающую в себя информацию, сформированную во время работы датчика 101 плотности. Система 204 хранения может хранить один или более сигналов, которые используются для вызова вибрации резонирующего элемента 102, и которые предоставляются формирователю 105 для активации резонирующего элемента 102, такой как возбуждающий сигнал 212. Кроме того, система 204 хранения может хранить вибрационные ответные сигналы 214, сформированные вибрационным датчиком 107 как результат работы резонирующего элемента 102. Сигналы 216 температуры могут также быть использованы измерительной электронной аппаратурой и связанными алгоритмами.
Таким образом, будет понятно, что варианты осуществления используют измеритель 101 плотности в сочетании с коммерчески доступными расходомерами газа, чтобы обеспечивать быстрые и точные измерения как теплотворной способности, так и показателя Уоббе. Варианты осуществления, описанные выше, обеспечивают измерения теплотворной способности и/или показателя Уоббе с частотой приблизительно каждые 5-10 секунд в противоположность типичному времени реакции около 7 минут при использовании газового хроматографа. В других вариантах осуществления частота может быть больше или меньше чем 5-10 секунд. Такое быстрое время реакции оптимизирует эффективность сжигания для требующих сжигания операций и сопутствующим образом минимизирует выбросы NOx и SOx, а также связанное налогообложение. Варианты осуществления также дают устойчивую подачу теплоты испарения для некоторых прикладных задач. Таким образом, настоящее изобретение может быть использовано в прикладных задачах смешивания газа и является идеальным для прикладных задач передачи продукта потребителю. Поскольку свыше 50% операционных расходов нефтеперерабатывающих заводов (или производственных предприятий) типично обусловлены выработкой энергии (т.е., пара), настоящие варианты осуществления могут снижать операционные расходы в таких прикладных задачах. Эти преимущества реализуются, в то же время устраняя риски безопасности, присущие воспламеняющим технологиям.
Подробные описания вышеупомянутых вариантов осуществления не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов осуществления, рассматриваемых изобретателем как находящиеся в рамках изобретения. В действительности, специалисты в области техники поймут, что определенные элементы вышеописанных вариантов осуществления могут по-разному быть объединены или устранены, чтобы создавать дополнительные варианты осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления попадают в рамки и учения изобретения. Также обычным специалистам в данной области техники будет очевидно, что вышеописанные варианты осуществления могут быть объединены в целом или частично, чтобы создавать дополнительные варианты осуществления в рамках и учениях изобретения. Соответственно, рамки изобретения должны быть определены из последующей формулы изобретения.