СПОСОБ И УЛЬТРАЗВУКОВОЕ РАСХОДОМЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВЫБРОСОВ СО2 ФАКЕЛЬНЫМИ ГАЗОВЫМИ УСТАНОВКАМИ
2
METHOD AND ULTRASONIC FLOW-MEASURING DEVICE FOR DETERMINING FACTOR OF CO EMISSIONS BY FLARE GAS INSTALLATIONS

Предлагаемое изобретение относится к способу определения коэффициента выбросов CO2 факельными газовыми установками, а также к ультразвуковому расходомерному устройству, посредством которого возможно выполнять указанный способ.
На основании новых директив ЕС (например, директивы 2003/87/EG Европейского парламента и Квот от 26 февраля 2004 года, опубликованных за номером документа K(2004) 130 и изданных в Официальном бюллетене Европейского Союза от L59/1 по L59/74) и частично также национальных директив (например, Норвегии) в обязательном порядке необходимо платить налог на выбросы CO2. Поскольку налоговая нагрузка возрастает в зависимости от того, насколько неточны выбросы CO2, важно непрерывно отслеживать накапливающиеся во времени выбросы CO2 как можно более точно. В частности, ищут решения для установок факельного газа, поскольку измерение CO2, образуемого при сжигании газа (известного также как "факельный газ" или "газ, сжигаемый в факеле"), очень затруднено ввиду того, что горение происходит при открытом пламени.
Содержание CO2 в газе может быть измерено различными способами. Так, для данного измерения используются, помимо прочих способов, инфракрасная спектрометрия с преобразованием Фурье (FTIR), газохроматография и пламенно-ионизационный газовый анализ (FID).
Спектрометрия FTIR представляет собой оптический способ, в соответствии с которым газ облучают инфракрасным светом (с длинами волн от 800 нм до 1 мм) и измеряют поглощение. Длина (длины) волны, которая/которые поглощены, является/являются молекулярно специфичными, причем интенсивность поглощения скоррелирована с молярным содержанием молекулы во всем газе. Данный способ работает только для молекул, которые имеют активные в инфракрасном спектре связи, что распространяется и на CO2.
В применениях для факельного газа возможны две области применения устройства FTIR, а именно - перед пламенем и после пламени. Однако, поскольку в трубопроводах для факельного газа необходимо бороться с сильным загрязнением, оптические решения перед пламенем не являются практичными ввиду того, что после определенного времени эксплуатации находящиеся в непосредственном контакте с газом прозрачные участки больше не являются светопроводящими. Измерение выброса CO2 после пламени связано со значительными затруднениями, поскольку сгоревший газ полностью свободно рассеивается в атмосфере.
В газохроматографии отделяют составные части газовой смеси по их точке кипения и их полярности и измеряют по отдельности. Однако для данного способа характерен недостаток, состоящий в том, что газохроматография представляет собой очень инертный способ, и поэтому прерывное отслеживание невозможно. Кроме этого газовые хроматографы связаны с очень большими расходами на приобретение.
При пламенно-ионизационном газовом анализе (FID) анализируемый газ сжигают в водородном пламени. При помощи ускоряющего напряжения электродом всасывают возникающие ионы, и таким образом возможно измерить ток, пропорциональный общему содержанию углеводородов в газе.
Анализ FID позволяет обнаружить только углеводороды, поэтому устройство должно быть размещено перед пламенем, поскольку после пламени происходит разложение углеводородов. Однако вследствие своего водородного пламени устройство FID не приспособлено для взрывоопасных зон и, следовательно, не подходит для измерений перед рассматриваемым факельным пламенем, в котором фракция метана в газе часто составляет около 90%. Измерение после пламени не рассматривается, поскольку после сгорания в газе больше не содержатся углеводороды, и данное устройство не чувствительно к другим газам.
Все три перечисленных решения имеют общее в том, что на газовом трубопроводе должно быть установлено дополнительное устройство, выполненное для измерения объемного потока для получения накапливающихся во времени выбросов CO2.
Другой уровень техники известен от Фрёйса и других авторов (Материалы "28-й международной конференции по измерению расходов в Северном море, 2010 год", ISBN: 978-1-61782-294-0, издание: Институт энергоресурсов, издание POD (печать по требованию): компания "Курран ассошиэйтс, инк." (Curran Associates, Inc.) (апрель 2011 года), страница 145 "Экономически выгодный подход к расчету коэффициента выбросов CO2 для факельных ультразвуковых измерительных систем", авторы - Джефф Гибсон, Ричард Патон, Паль Ягхо, Кджел-Эйвид Фрёйса, Андерс Халлангер, Эндре Якобсен и Андерс Ловоль Йохансен). В указанной публикации описано, как на основании некоторых входных параметров и определенного расходомерным устройством потока можно определить возникающие при сгорании выбросы CO2, что вкратце описано далее.
CO2
Общая масса m выпускаемого CO2 складывается из CO2, возникающего при сгорании содержащихся в газе углеводородов, и из CO2, уже находящегося в газе:
CO2
Flare
По руководящим указаниям для отслеживания и отчетности соответствующих выбросов парниковых газов в соответствии с вышеуказанной директивой 2003/87/EG определяют коэффициент е выбросов и коэффициент Ω окисления. Данные коэффициенты показывают меру того, как много CO2 (m) образуется при сгорании количества m газа, причем безразмерный коэффициент Ω окисления указывает на то, какая фракция содержащихся в факельном газе углеводородов сгорает. Величина 1 соответствует полному сгоранию углеводородов до CO2. С достаточной точностью до 0,98 Ω задается пользователями установок.
Данные массовые соотношения могут быть также выражены в молярных фракциях
i
i
где f - фракция i-го углеродного соединения и n - количество углерода в i-ом углеродном соединении, причем суммирование выполняют по всем углеродным соединениям, имеющимся в факельном газе.
CH
Flare
Возникающие в факельном газе углеродные соединения в принципе не известны. Было, однако, отмечено, что ошибка остается приемлемой при допущении, что указанные соединения имеются только в качестве алканов с различной длиной цепи, причем длина цепи, как правило, не превышает 6. Таким образом, по так называемой эквивалентной длине n цепи и по фракции f углеводородов может быть вычислена молярная масса M и, следовательно, коэффициент е выбросов. Для эквивалентной длины цепи применяют:
и по этой эквивалентной длине цепи для молярной массы углеводородов (алканов):
Таким образом, может быть вычислена молярная масса факельного газа, содержащего, помимо углеводородов, также фракции азота, диоксида углерода и воды:
N2
H2O
CO2
CH
N2
H2O
CO2
Различные фракции f, f, f и f=1-(f+f+f) получают из эмпирических значений при эксплуатации установки и вводятся пользователем в качестве расчетных величин как параметр перед вычислением. В результате для возникающего при сгорании выбросов е•Ω имеется:
В общей сложности, по времени для общего массового потока , и следовательно для всего выброса CO2 (количество CO2) следует, что:
CO2
где  представляет собой объемный поток, и  - плотность газа. Плотность рассчитывают по известным алгоритмам посредством измеренной скорости звука. Объемный поток измеряют ультразвуковым измерительным устройством. Фракция f CO2, уже находящегося в газе до горения, известна.
Таким образом, затем можно определить выброс CO2, причем скорость звука и объемный поток представляют собой единственные измеряемые величины.
В предлагаемом изобретении использован указанный принцип и, таким образом, определение выброса CO2 по измеренному объемному потоку в связи с идеей об эквивалентной длине цепи для вычисления коэффициента выбросов. При этом, однако, демонстрируется новое решение, а именно - как лучше может быть найден состав газа так, чтобы при этом обеспечить надежный критерий для непрерывного отслеживания выброса CO2 на трубопроводе для факельного газа без, однако, необходимости установки дополнительного устройства.
Указанную задачу решают посредством способа с признаками по пункту 1 формулы изобретения и устройства по пункту 8 формулы изобретения.
Предлагаемый способ определения коэффициента выбросов CO2 факельными газовыми установками содержит следующие этапы:
a) измеряют скорость звука в факельном газе,
b) регистрируют известные фракции N2, CO2 и H2O,
с1) вычисляют максимальную скорость звука в факельном газе при допущении, что углеводородная фракция факельного газа состоит только алканов с длиной цепи i,
с2) вычисляют минимальную скорость звука при допущении, что углеводородная фракция факельного газа состоит только из алканов с длиной i+1 цепи,
с3) варьируют длину цепи i до тех пор, пока измеренная скорость звука не будет находиться между вычисленной минимальной и максимальной скоростями звука,
d) варьируют фракции алканов с найденной на этапе с1) длиной цепи i и длиной цепи i+1 до тех пор, пока вычисленная при указанных фракциях скорость звука не будет находиться внутри заданной разницы по отношению к измеренной скорости звука,
e) вычисляют эквивалентную длину цепи,
f) вычисляют коэффициент выбросов.
Описанный новый способ несет в себе существенную главную идею, состоящую в том, что углеводороды факельного газа для вычисления коэффициента выбросов как бы замещаются только "подходящей" парой алканов с соседними длинами цепи, то есть с длинами i и цепи i+1.
"Подходящую" пару алканов отыскивают посредством первой вариации, предпочтительно итеративной, причем в каждом случае вычисляют скорость звука в теоретическом факельном газе, углеводороды которого в каждом случае содержат только один или только другой алкан, и рассчитанную скорость звука сравнивают с реальной измеренной скоростью. Если измеренная скорость звука находится между двумя рассчитанными скоростями, то "подходящая" пара алканов найдена. Таким образом может быть получено первое грубое приближение по составу факельного газа.
Предлагаемый порядок действий значительно упрощает последующее численное определение состава газа, поскольку количество вариационных ступеней для фракций углеводородов уменьшено с шести, как в уровне техники в соответствии с Фрёйса и другими авторами, до двух. Данное упрощение для перевода углеводородных смесей в смесь только из двух различных алканов обладает, тем не менее, неопределенностью относительно учета двух атомов водорода в начале и в конце молекулярных цепей. Было, однако, выявлено, что данная неопределенность является приемлемой относительно общей неопределенности предлагаемого способа.
На второй вариации фракций обоих найденных таким образом алканов поэтапно варьируют фракции, предпочтительно начиная с начального состояния, в котором одна фракция равна нулю, а другая фракция - максимальная, до тех пор, пока вычисленная с соответствующими фракциями скорость звука не будет находиться достаточно близко (в пределах критерия окончания) к измеренной скорости звука.
Если таким образом найдены указанные фракции, то может быть вычислена эквивалентная длина цепи и, следовательно, коэффициент выбросов. Затем по расходу газа, измеренному расходомерным устройством, и по коэффициенту окисления может быть вычислен выброс CO2.
В первую очередь, предлагаемый способ обеспечивает более точные результаты, чем способ в соответствии с существующим уровнем техники и, во-вторых, предлагаемый способ легче выполнить. По существу, предлагаемый способ состоит из двух фаз.
В первой фазе индекс i варьируют по предпочтительно итеративному алгоритму, при этом на каждом итерационном этапе вычисляют скорость звука для смеси, содержащей только углеводородные молекулы с двумя длинами цепи. Для данного вычисления предпочтительно применяют алгоритм по GERG-2004 ХТ08 (как описано в публикации "Широкодиапазонное уравнение GERG-2004 состояния природных газов и других смесей", авторы - О. Кунц, Р. Климек, У. Вагнер, М. Джешке, ТЕХНИЧЕСКАЯ МОНОГРАФИЯ GERG 15(2007), компания "VDI Verlag GmbH" (Издательство Союза немецких инженеров), Дюссельдорф, 2007; отпечатано с публикации "Fortschritt-Berichte VDI" ("Доклад Союза немецких инженеров о прогрессе"), Серия 6, №557 (2007), ISBN 978-3-18-355706-6). Как вариант, могут быть также применены другие способы, как, например, описано в Докладе AGA 10 (Доклад №10 Газовой ассоциации США, "Скорость звука в природном газе и в других связанных с углеводородами газах", январь 2003 года) или в ГСССД MP 113-03 (углеводородный газ). Итерационный цикл прогоняют до тех пор, пока измеренная скорость ультразвукового газового счетчика не будет находиться в пределах теоретических скоростей звука в факельных газах, содержащих только "чистые" алканы с только лишь длиной цепи i или длиной i+1.
Во второй фазе определяют соотношение в смеси двух алканов с длиной цепи i и длиной цепи i+1.
Подходящее устройство для выполнения предлагаемого способа представляет собой, в соответствии с предлагаемым изобретением, ультразвуковое расходомерное устройство, содержащее блок ввода для ввода известных фракций N2, CO2 и H2O в факельном газе, ультразвуковые преобразователи для испускания и приема ультразвуковых сигналов и блок обработки, при этом ультразвуковое расходомерное устройство выполнено для определения скорости звука из ультразвуковых сигналов, для выполнения этапов а) - h) предлагаемого способа и для определения расхода газа по измеренной скорости потока, причем обеспечена возможность нахождения скорости потока из разницы времени прохождения двух ультразвуковых сигналов, содержащих то компонент по потоку, то компонент против потока.
Таким образом, данное устройство может не только служить для выполнения предлагаемого способа, но также и измерения скорости звука в факельном газе.
Посредством предлагаемого способа и устройства обеспечена, в конечном итоге, возможность более точного вычисления и непрерывного вывода данных по выбросу CO2 на основании расхода газа и коэффициента выбросов.
Предлагаемое изобретение описано ниже на основании варианта его осуществления со ссылками, в частности, на чертежи, на которых:
На фиг. 1 изображена примерная блок-схема предлагаемого способа;
На фиг. 2 приведено схематичное изображение предлагаемого ультразвукового расходомерного устройства.
Предлагаемый способ описан далее прежде всего для примера.
m
На фиг. 1 изображена блок-схема. На первом этапе а) измеряют скорость SoS звука (Speed of Sound) в факельном газе.
Факельный газ состоит, как правило, из различных газов, углеводороды (СН) которых преобразуются в CO2 при сгорании. Другими составными частями, не преобразуемыми в CO2 при сгорании, являются: азот (N2), вода (H2O) и диоксид углерода (CO2).
Фракции инертных составных частей, как правило, известны, и данные фракции регистрируют на втором этапе b), например, путем ввода данных фракций вручную.
Неизвестными же являются фракции различных углеводородов, которые, однако, при своем сгорании до CO2 существенно влияют на выброс CO2 при сгорании факельного газа.
low
hjgh
Для применения в данном случае улучшенного расчета применяют вышеописанный принцип, описанный Фрёйса и другими авторами, согласно которому для углеводородов предполагается, что в данных углеводородах имеются только алканы. В свою очередь, в предлагаемом изобретении идут еще дальше и предполагают, что имеются только два типа алканов, а именно - те алканы, которые имеют соседние длины цепи, то есть одна углеводородная фракция представляет собой алкан с длиной цепи i и с коэффициентом фракции f, а другая - алкан с длиной цепи i+1 и с коэффициентом фракции f. Тогда молярная масса углеводорода в факельном газе:
Затем на следующих трех этапах с1) - с3) определяют длину цепи i, что в данном варианте выполнения выполняют путем итерации, начиная с i=1.
high
high
low
CO2
H2O
N2
high
На первом подэтапе с1) вычисляют максимальную скорость SoS (f=0) звука в факельном газе. При этом предполагают, что имеются только алканы с длиной цепи i, и, следовательно: f=0 и f=1-(f+f+f). Вычисление скорости SoS (f=0) звука происходит по алгоритму GERG-2004 ХТ08.
low
low
high
CO2
H2O
N2
На втором подэтапе с2) вычисляют минимальную скорость SoS (f=0) звука в факельном газе. При этом предполагают, что имеются только алканы с длиной цепи i+1, и, следовательно: f=0 и f=1-(f+f+f).
На третьем подэтапе с3) окончательно подтверждают, находится ли измеренная скорость звука между двумя вычислениями.
Подэтапы с1) - с3) итеративно прогоняют каждый раз с повышением длины цепи i на 1 до тех пор, пока измеренная скорость звука не будет находиться между двумя вычислениями, и тогда "подходящая пара" алканов найдена.
low
high
low
high
low
high
low
high
CO2
H2O
N2
m
low
high
На следующем этапе d) определяют фракции, соответственно f и f, обоих алканов, что происходит, когда снова в одной итерации, начиная с f=0 (или, как вариант, с f=0), на установленных этапах изменяют величину df f и f (причем, как применено выше: 1=f+f+f+f+f), причем на каждом итерационном этапе вычисляют скорость SoS звука и сравнивают с измеренной скоростью SoS. Если разность между вычисленной и измеренной скоростями звука меньше заданной разницы ε (критерий окончания), то искомые f и f найдены.
Посредством найденных таким образом коэффициентов фракции f можно вычислить молярную массу алканов по уравнению (11). Эквивалентную длину цепи образуют на этапе е) по уравнению (13), при этом она равна
Содержащиеся в уравнении (13) молярные массы водорода и углерода известны и могут быть почерпнуты из значений, приведенных в общедоступной литературе.
На последнем этапе f) посредством эффективной длины цепи может быть вычислен коэффициент выбросов по уравнению (8) с использованием (6) и (7). Если известен расход газа, то посредством коэффициента выбросов может быть вычислен выброс CO2.
Ниже описано предлагаемое расходомерное устройство 10, посредством которого может быть выполнен предлагаемый способ и вычислен выброс CO2 по измеренному расходу газа и коэффициенту е выбросов.
Предлагаемое расходомерное устройство 10 функционирует по принципу измерения расхода при помощи ультразвука. Данный известный принцип измерения отображен на фиг. 2. Расходомерное устройство 10 содержит два ультразвуковых преобразователя 12, 14, расположенных под углом в стенке трубы 16, в которой протекает текучая среда 18 по изображенному стрелкой направлению 20. Ультразвуковые преобразователи 12, 14 выполнены для функционирования, при управлении от управляющего и блока 22 обработки, попеременно в качестве передатчика и приемника. Происходит ускорение ультразвуковых сигналов, проходящих по измерительному контуру 24 через текучую среду 18, в направлении потока и торможение данных сигналов против направления потока. По схемным элементам (не изображены), таким как усилитель и аналого-цифровой преобразователь, в управляющий и блок 22 обработки проводят соответствующие принятые сигналы для цифровой обработки. С учетом получаемой в результате разницы времени прохождения согласно
соответственно имеем искомую скорость потока согласно:
для рассчитанного объемного потока, при этом геометрические соотношения на фиг. 2 описаны следующими переменными:
v: скорость потока текучей среды в трубопроводе
L: длина измерительного контура между обоими ультразвуковыми преобразователями
α: угол, под которым передают и принимают указанные ультразвуковые преобразователи
Q: объемный поток
D: проходной диаметр трубопровода
th: время пробега ультразвука по потоку
tr: время пробега ультразвука против потока.
Подразумевается, что посредством такой конфигурации может быть также определена скорость звука в протекающем газе согласно:
h
r
SoS=2L/(t+t).
N2
H2O
CO2
Блок 22 обработки содержит средства 26 ввода для ввода необходимых параметров, например коэффициентов фракции f, f, f, блок 28 отображения для отображения, помимо прочих результатов, найденных или измеренных результатов, например скорости SoS звука и расхода, будь то объемного расхода  или массового расхода , а также блок 30 для вычисления коэффициента выбросов, в котором происходит завершение предлагаемого способа. Подобное устройство 10 выполнено с возможностью не только выполнения предлагаемого способа, но также и измерения скорости звука в факельном газе.
Посредством предлагаемого способа и устройства обеспечена возможность вычисления выброса CO2 по уравнению (10) и непрерывного вывода данных по выбросу CO2, например, на выходе 32, в конечном итоге, на основании расхода газа и коэффициента выбросов.
N2
Сходно с вышеописанным способом при известной эквивалентной длине n цепи может быть определена неизвестная фракция f азота, что имеет место на практике. Тогда подобный способ содержал бы следующие этапы:
a) измеряют скорость звука в факельном газе,
b) регистрируют известные фракции по CO2 и H2O,
c) из эквивалентной длины цепи вычисляют углеводородную фракцию,
d) варьируют азотную фракцию до тех пор, пока вычисленная с данной фракцией скорость не будет находиться внутри заданной разности по отношению к измеренной скорости звука,
e) вычисляют коэффициент выбросов.