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WO2004008136A1 - Determining the constitution of combustible gases by measuring the thermal conductivity, thermal capacity and carbon dioxide content - Google Patents

Determining the constitution of combustible gases by measuring the thermal conductivity, thermal capacity and carbon dioxide content Download PDF

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Publication number
WO2004008136A1
WO2004008136A1 PCT/DE2003/002283 DE0302283W WO2004008136A1 WO 2004008136 A1 WO2004008136 A1 WO 2004008136A1 DE 0302283 W DE0302283 W DE 0302283W WO 2004008136 A1 WO2004008136 A1 WO 2004008136A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
determined
thermal conductivity
calorific value
heat capacity
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2003/002283
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Kastner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Flowcomp Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Flowcomp Systemtechnik GmbH
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 Flowcomp Systemtechnik GmbH filed Critical Flowcomp Systemtechnik GmbH
Priority to AU2003250779A priority Critical patent/AU2003250779A1/en
Priority to DE10393422T priority patent/DE10393422D2/en
Publication of WO2004008136A1 publication Critical patent/WO2004008136A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22—Fuels; Explosives
    • G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the gas quality of fuel gases according to the preamble of claim 1.
  • the calorific value is usually measured with a combustion calorimeter or calculated from the gas composition, which is determined with a process gas chromatograph.
  • the volume flow is measured by means of orifice plates or turbine wheel counters - more recently with ultrasonic counters.
  • the volume flow must be converted from the operating state to the standard state, which is usually done using an equation of state (eg SGERG method) IM.
  • the calorific value, the standard density and the C0 2 content are required as input variables. If a calorimeter is used to determine the calorific value, the standard density and the CO 2 content must also be measured. If a process gas chromatograph is used, the input variables can be derived from the gas composition.
  • the gas quality measurement method presented is based on the measurement of 3 variables which correlate well with the target variables and are easy to measure.
  • the selected measurands are:
  • the gas state can also be recorded for correction:
  • the thermal conductivity ⁇ is a quantity-independent quantity
  • the measurement of the heat capacity c p relates to the quantity of substance in a certain effective measurement volume. Neglecting real gas effects and the constant molar volume, the measured heat capacity at atmospheric pressures can be used in a very good approximation as a measure of the molar heat capacity. The relationship between the measured and the molar heat capacity can then be viewed as a device constant, which is determined by calibration.
  • the relevant core target values are determined from these measured values using a calculation method:
  • volumetric calorific value (preferably as standard calorific value H or ,) H 0
  • Density (preferably as standard density p n ) p
  • a first way to determine the desired gas parameters of the fuel gas is based on a direct approach:
  • the isobaric heat capacity c p of a molecule depends on the number of degrees of freedom f, which in turn depends on the number of bonds and the molecular structure. In general, the heat capacity c p increases with the number of bonds.
  • the thermal conductivity ⁇ also depends on the number of degrees of freedom f and the molecular mass, f increases with the complexity and mass of the molecules, the thermal conductivity ⁇ decreases.
  • Heat capacity c p , thermal conductivity ⁇ and xC0 2 measurement thus provide different information about the molecular structure distribution in the gas mixture, these relationships form the basis for approaches (1), (2).
  • the gas quantities calorific value H 0 and density p (again not used as a standard calorific value H on and standard density p n ) can be represented as follows, ignoring real gas effects:
  • H C H is the volumetric calorific value of the CH component and the p- are the mass densities of the gas components.
  • the isobaric heat capacity c p of a gas is determined by the degrees of freedom of its molecules.
  • the heat capacity c p can be calculated according to a linear mixture rule from the heat capacities c p ⁇ of the mixture components / 3 /:
  • the thermal conductivity ⁇ of the gas mixture is also represented by a simple linear mixing rule with the component contributions ⁇ j. Interaction terms are neglected to a good approximation / 3 /:
  • ⁇ xCH • ⁇ CH + xN 2 • ⁇ N 2 + xC0 2 • ⁇ C0 2
  • the molar quantities Hc H .m and pcH.m can be represented with the physical reason given above by thermal conductivity ⁇ and heat capacity c p . In this specific case, only the CH gas consisting of regularly constructed alkanes should be described. In the following approach, the molar quantities HcH.m and pcH.m are shown as a function of the molar heat capacity of the hydrocarbon gas CpcH:
  • the primary target variables can finally be calculated from equations (4), (5), (11), (12) and knowledge of C PC H and xCH.
  • the calculation is based on the largest possible set of real gas analyzes, and 210 typical natural gas analyzes from German gas networks were examined. According to ISO 6976, the core target values H on , pn were calculated from the gas analyzes, and the heat capacity c p and thermal conductivity ⁇ were determined as a function of the gas composition / 3 /.
  • Successful approaches for A and B are e.g. Multivariate 3rd order polynomials that can be determined in a regression calculation.
  • the function can be represented as a simple linear relationship, so that the system of equations described above can be easily solved.

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Abstract

The invention relates to a method for determining the constitution of combustible gases, during which correlation methods are used for determining gas characteristic quantities from measured quantities, which are metrologically determined from the combustible gas. These characteristic quantities permit assertions to be made with regard to the constitution of the combustible gas. The measured quantities consist of measurements of the thermal conductivity lambda , the thermal capacity cp and of the carbon dioxide content xCO2 of the respective combustible gas, and the gas characteristic quantities, such as calorific value, density, Wobbe index, methane number, etc., are calculated from these measurements while including known substance quantities for typical combustible gases.

Description

Bestimmung der Gasbeschaffenheit von Brenngasen durchDetermination of the gas quality of fuel gases by

Messung von Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und KohlendioxidanteilMeasurement of thermal conductivity, heat capacity and carbon dioxide content

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Gasbeschaffenheit von Brenngasen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for determining the gas quality of fuel gases according to the preamble of claim 1.

Vor dem Hintergrund der Liberalisierung des Erdgasmarktes in der europäischen Union gehen viele Experten davon aus, dass die Gasbeschaffenheit häufigere und größere Schwankungen aufweisen wird. Diese Entwicklung soll sowohl in den Fern- transportsystemen als auch in der Regionalverteilung stattfinden. Daraus wird ein steigender Bedarf für Systeme zur Messung des Brennwerts und anderer Gasbeschaffenheitskenngrößen (Wobbezahl, Methanzahl, etc.) abgeleitet.Against the background of the liberalization of the natural gas market in the European Union, many experts assume that the gas quality will show more frequent and larger fluctuations. This development should take place both in the long-distance transport systems and in the regional distribution. From this, an increasing need for systems for measuring the calorific value and other gas properties (Wobbe number, methane number, etc.) is derived.

Insbesondere im Bereich des Erdgasferntransports ist an den Übergabestellen eine hochgenaue Messung des Brennwerts und des Volumenstroms erforderlich, um den Energiefluss möglichst exakt zu bestimmen. Der Brennwert wird heute üblicherweise mit einem Verbrennungskalorimeter gemessen oder aus der Gaszusammensetzung, die mit einem Prozessgaschromatographen bestimmt wird, berechnet. Der Volumenstrom wird mittels Messblenden oder Turbinenradzählem - neuerdings auch mit Ultraschallzählern - gemessen. Zusätzlich muss der Volumenstrom vom Betriebszu- stand auf den Normzustand umgewertet werden, was in der Regel über eine Zu- standsgleichung (z.B. SGERG-Verfahren) erfolgt IM. Hier werden als Eingangsgrößen der Brennwert, die Normdichte und der C02-Anteil benötigt. Wird ein Kalorimeter für die Brennwertbestimmung eingesetzt, so müssen zusätzlich die Normdichte und der C02-Anteil gemessen werden. Wenn ein Prozessgaschromatograph einge- setzt wird, können die Eingangsgrößen aus der Gaszusammensetzung abgeleitet werden.Particularly in the field of long-distance natural gas transport, a highly precise measurement of the calorific value and the volume flow is required at the transfer points in order to determine the energy flow as precisely as possible. Today, the calorific value is usually measured with a combustion calorimeter or calculated from the gas composition, which is determined with a process gas chromatograph. The volume flow is measured by means of orifice plates or turbine wheel counters - more recently with ultrasonic counters. In addition, the volume flow must be converted from the operating state to the standard state, which is usually done using an equation of state (eg SGERG method) IM. The calorific value, the standard density and the C0 2 content are required as input variables. If a calorimeter is used to determine the calorific value, the standard density and the CO 2 content must also be measured. If a process gas chromatograph is used, the input variables can be derived from the gas composition.

Diese in der Gaswirtschaft etablierten Verfahren erreichen eine hohe Genauigkeit (< ± 0,3 %), nachteilig sind jedoch die relativ hohen Investitions- und Betriebskosten. Es ist daher aus der DE 41 18 781 A1 ein Verfahren zur verbrennungslosen Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes eines strömenden Gases bekannt geworden, bei dem der Volumenstrom des Gases und als weitere charakteristische Kenngrößen des Gases der Druckabfall, die Dichte, die Viskosität oder dgl. gemessen wird. Hierbei wird der Massenstrom thermisch gemessen und aus dem Volumenstrom und dem Massenstrom sowie mindestens einer der weiteren genannten Größen und mit Hilfe von Näherungsfunktionen die Wobbezahl und/oder der Brennwert bestimmt. Nachteilig ist hierbei insbesondere bei Verwendung der Kenngröße Viskosität, daß die Bestimmung der Viskosität technisch nur aufwendig mit der geforderten Genauigkeit und damit nur zu relativ hohen Kosten durchzuführen ist.These processes, which are established in the gas industry, achieve high accuracy (<± 0.3%), but the relatively high investment and operating costs are disadvantageous. It is therefore known from DE 41 18 781 A1 a method for the combustion-free determination of the Wobbe number and / or the calorific value of a flowing gas, in which the volume flow of the gas and, as further characteristic parameters of the gas, the pressure drop, the density, the viscosity or Like. Is measured. The mass flow is measured thermally and the wobbe number and / or the calorific value is determined from the volume flow and the mass flow and at least one of the other variables mentioned and with the aid of approximation functions. The disadvantage here, in particular when using the viscosity parameter, is that the determination of the viscosity can only be carried out technically in a complex manner with the required accuracy and thus only at relatively high costs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Brennwert und alle weiteren Größen für die Zustandsumwertung mittels Näherungsverfahren zu deutlich geringeren Kosten und mit technisch einfacher und gut beherrschbarer Meßtechnik zu bestimmen.It is therefore an object of the present invention to determine the calorific value and all other variables for the state conversion by means of approximation methods at significantly lower costs and with technically simple and easily controllable measuring technology.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The achievement of the object according to the invention results from the characterizing features of claim 1 in cooperation with the features of the preamble. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Das vorgestellte Verfahren zur Gasbeschaffenheitsmessung basiert auf der Mes- sung von 3 Größen, die mit den Zielgrößen gut korrelieren und messtechnisch gut erfassbar sind. Die ausgewählten Messgrößen sind:The gas quality measurement method presented is based on the measurement of 3 variables which correlate well with the target variables and are easy to measure. The selected measurands are:

Wärmeleitfähigkeit: λThermal conductivity: λ

Isobare Wärmekapazität: cp Isobaric heat capacity: c p

Molenbruch CO2: xC02 Molar fraction CO 2 : xC0 2

Zur Korrektur kann außerdem der Gaszustand erfaßt werden:The gas state can also be recorded for correction:

Temperatur: TTemperature: T

Druck: p Die Wärmeleitfähigkeit λ ist eine stoffmengenunabhängige Größe, die Messung der Wärmekapazität cp bezieht sich hingegen auf die Stoffmenge in einem bestimmten effektiven Messvolumen. Unter Vernachlässigung von Realgaseffekten und durch das somit konstante Molvolumen kann die gemessene Wärmekapazität bei atmo- sphärischen Drücken in sehr guter Näherung als Maß für die molare Wärmekapazität verwendet werden. Die Beziehung zwischen der gemessenen und der molaren Wärmekapazität kann dann als Gerätekonstante betrachtet werden, die durch Kalibration bestimmt wird.Printing: p The thermal conductivity λ is a quantity-independent quantity, the measurement of the heat capacity c p , on the other hand, relates to the quantity of substance in a certain effective measurement volume. Neglecting real gas effects and the constant molar volume, the measured heat capacity at atmospheric pressures can be used in a very good approximation as a measure of the molar heat capacity. The relationship between the measured and the molar heat capacity can then be viewed as a device constant, which is determined by calibration.

Aus diesen Messwerten werden durch ein Berechnungsverfahren die maßgeblichen Kernzielgrößen bestimmt:The relevant core target values are determined from these measured values using a calculation method:

volumetrischer Brennwert: (vorzugsweise als Normbrennwert Hor,) H0 volumetric calorific value: (preferably as standard calorific value H or ,) H 0

Dichte: (vorzugsweise als Normdichte pn) pDensity: (preferably as standard density p n ) p

Molenbruch C02: xC02 Mole fraction C0 2 : xC0 2

Neben diesen Kernzielgrößen können folgende weitere Größen abgeleitet werden (siehe 121 ):In addition to these core targets, the following additional variables can be derived (see 121):

Wobbeindex: WWobbe index: W

Methanzahl: MZMethane number: MZ

Virtuelle Analyse: xCHi, xN2 Virtual analysis: xCHi, xN 2

Für die konkrete meßtechnische und rechnerische Auswertung dieses Grundgedan- kens sind zwei verschiedene Vorgehensweisen denkbar:Two different approaches are conceivable for the concrete metrological and arithmetical evaluation of this basic idea:

Direkter AnsatzDirect approach

Ein erster Weg zur Bestimmung der gesuchten Gaskenngrößen des Brenngases ergibt sich anhand eines direkten Ansatzes:A first way to determine the desired gas parameters of the fuel gas is based on a direct approach:

Die Zielgröße Molenbruch xC02 wird direkt gemessen, die weiteren Kernzielgrößen HQ und p (im weiteren nicht einschränkend immer als Normwerte H0r, und n angesetzt) werden direkt als Funktion aller drei Messgrößen angesetzt: (1) Hon = A(cp,λ , xC02)The target variable mole fraction xC0 2 is measured directly, the other core target variables H Q and p (in the following, non-restrictively, always set as standard values H 0 r and n ) are set directly as a function of all three measured variables: (1) H on = A (cp, λ, xC0 2 )

(2) pn = B(cP )λ ,xC02)(2) p n = B (c P) λ, xC0 2 )

Dieser Ansatz besitzt folgenden physikalischen Hintergrund: Die Größen Brennwert HQ und Dichte p können auf die Molekülstruktur zurückgeführt werden. Jede Kohleή- wasserstoff-Molekülbindung (C-H und C-C) liefert über ihre charakteristische Bin- dungsenergie einen bestimmten Beitrag zum Brennwert H0 des Kohlenwasserstoffgases. Andererseits ist mit jeder Bindung auch die charakteristische Masse ihrer angehängten Atome verknüpft, die somit zur Gesamtmasse des Gasgemischs und damit zur Dichte p beitragen. Durch Kenntnis der Molekülstrukturen der Gaskomponenten bzw. der Art und Anzahl der Bindungen im Gasgemisch können die gesuchten Zielgrößen bestimmt werden.This approach has the following physical background: The quantities calorific value H Q and density p can be traced back to the molecular structure. Each hydrocarbon molecule bond (CH and CC) makes a specific contribution to the calorific value H 0 of the hydrocarbon gas via its characteristic binding energy. On the other hand, each bond also has the characteristic mass of its attached atoms, which thus contribute to the total mass of the gas mixture and thus to the density p. By knowing the molecular structures of the gas components and the type and number of bonds in the gas mixture, the desired target quantities can be determined.

Die isobare Wärmekapazität cp eines Moleküls hängt von der Anzahl der Freiheitsgrade f ab, diese wiederum hängt von der Zahl Bindungen und der Molekülstruktur ab. Generell nimmt die Wärmekapazität cp mit der Zahl der Bindungen zu.The isobaric heat capacity c p of a molecule depends on the number of degrees of freedom f, which in turn depends on the number of bonds and the molecular structure. In general, the heat capacity c p increases with the number of bonds.

Die Wärmeleitfähigkeit λ hängt ebenso von der Zahl der Freiheitsgrade f und von der Molekülmasse ab, f nimmt mit der Komplexität und Masse der Moleküle zu, die Wärmeleitfähigkeit λ nimmt ab.The thermal conductivity λ also depends on the number of degrees of freedom f and the molecular mass, f increases with the complexity and mass of the molecules, the thermal conductivity λ decreases.

Wärmekapazität cp, Wärmeleitfähigkeit λ und xC02-Messung liefern somit unterschiedliche Informationen über die Molekülstrukturverteilung im Gasgemisch, diese Zusammenhänge bilden die Basis für die Ansätze (1 ), (2).Heat capacity c p , thermal conductivity λ and xC0 2 measurement thus provide different information about the molecular structure distribution in the gas mixture, these relationships form the basis for approaches (1), (2).

Hinweise für eine rechentechnisch konkrete Beschreibung der Funktionen A und B werden nachfolgend noch angegeben.Instructions for a mathematically specific description of functions A and B are given below.

Komponentenansatzcomponent approach

Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der gesuchten Kenngrößen des Brennga- ses ergibt sich anhand eines Komponentenansatzes. In einem Komponentenansatz wird Erdgas in guter Näherung als 3-kompoπentiges Gemisch aus Kohlenwasserstoffen CH, Kohlendioxid C02 und Stickstoff N2 dargestellt und im folgenden mit dem Index i indiziert. Für die Molenbrüche Xj dieser Komponenten gilt:Another possibility for determining the characteristics of the fuel gas sought is based on a component approach. In a component approach, natural gas is represented in a good approximation as a 3-component mixture of hydrocarbons CH, carbon dioxide C0 2 and nitrogen N 2 and is subsequently indexed with the index i. The following applies to the mole fractions Xj of these components:

(3) xCH+ xN2 + xC02 = 1(3) xCH + xN 2 + xC0 2 = 1

Die Gasgrößen Brennwert H0 und Dichte p (auch hier wieder nicht beschränkend als Normbrennwert Hon und Normdichte pn angesetzt) lassen sich unter Vernachlässigung von Realgaseffekten wie folgt darstellen:The gas quantities calorific value H 0 and density p (again not used as a standard calorific value H on and standard density p n ) can be represented as follows, ignoring real gas effects:

(4) Hon = xCH. HCH(4) H on = xCH. H C H

(5) pn = xCH - pCH+ xN2 φN2 + xC02 - pC02 (5) p n = xCH - p CH + xN 2 φN 2 + xC0 2 - pC0 2

Dabei ist HCH der volumetrische Brennwert der CH-Komponente und die p-, sind die Massendichten der Gaskomponenten.H C H is the volumetric calorific value of the CH component and the p- are the mass densities of the gas components.

Die isobare Wärmekapazität cp eines Gases wird durch die Freiheitsgrade seiner Moleküle bestimmt. Für ein ideales Gasgemisch kann die Wärmekapazität cp nach einer linearen Mischungsregel aus den Wärmekapazitäten cpι der Gemischkompo- nenten berechnet werden /3/:The isobaric heat capacity c p of a gas is determined by the degrees of freedom of its molecules. For an ideal gas mixture, the heat capacity c p can be calculated according to a linear mixture rule from the heat capacities c p ι of the mixture components / 3 /:

(6) cp = xCH • cpCH + xN2 • cρN2 + xC02 • cpC02 (6) cp = xCH • cpCH + xN 2 • cρN 2 + xC0 2 • cpC0 2

Ebenso wird die Wärmeleitfähigkeit λ des Gasgemisch durch eine einfache lineare Mischungsregel mit den Komponentenbeiträgen λj dargestellt. Wechselwirkungster- me werden dabei in guter Näherung vernachlässigt /3/:The thermal conductivity λ of the gas mixture is also represented by a simple linear mixing rule with the component contributions λj. Interaction terms are neglected to a good approximation / 3 /:

(7) λ = xCH • λCH + xN2 • λN2 + xC02 • λC02 (7) λ = xCH • λCH + xN 2 • λN 2 + xC0 2 • λC0 2

Sowohl Wärmekapazität cp als auch Wärmeleitfähigkeit λ hängen von der Molekülstruktur und den Atom- und Molekülmassen ab; für die regelmäßige Struktur der Al- kane der CH-Komponente kann eine eindeutige Beziehung zwischen CPCH und ΛCH entwickelt werden, sie wird hier als allgemeine Funktion F angesetztBoth the heat capacity c p and the thermal conductivity λ depend on the molecular structure and the atomic and molecular masses; A clear relationship between C P CH and Λ C H can be developed for the regular structure of the alkanes of the CH component, which is used here as a general function F.

(8) λCH = F(cpCH) Gemäß dem hier beschriebenen neuen Messverfahren gibt es im Gleichungssystem (3), (6), (7), (8) die Messgrößen cp, λ und XCO2, unbekannte Größen sind xCH, xN2, CpcH und λcH, die anderen Größen sind als Literaturwerte bekannt. Bei geeigneter Struktur der Funktion F kann das Gleichungssystem nach den gesuchten Größen analytisch aufgelöst werden.(8) λCH = F (cpCH) According to the new measurement method described here, there are measured quantities c p , λ and XCO 2 in the system of equations (3), (6), (7), (8), unknown quantities are xCH, xN 2 , CpcH and λcH, the other quantities are known as literature values. With a suitable structure of function F, the system of equations can be solved analytically according to the quantities sought.

Zur Bestimmung der primären Zielgrößen nach Gleichungen (4) und (5) ist weiterhin die Kenntnis der volumetrischen Größen HCH und pcH erforderlich. Die molaren Größen HcH.m und pcH.m können mit der vorstehend angegebenen physikalischen Begründung durch Wärmeleitfähigkeit λ und Wärmekapazität cp dargestellt werden. In diesem konkreten Fall soll nur das CH-Gas beschrieben werden, das aus regelmäßig gebauten Alkanen besteht. Im folgenden Ansatz werden die molaren Größen HcH.m und pcH.m als Funktion der molaren Wärmekapazität des Kohlenwasserstoffgases CpcH dargestellt:Knowledge of the volumetric variables H C H and pc H is also required to determine the primary target variables according to equations (4) and (5). The molar quantities Hc H .m and pcH.m can be represented with the physical reason given above by thermal conductivity λ and heat capacity c p . In this specific case, only the CH gas consisting of regularly constructed alkanes should be described. In the following approach, the molar quantities HcH.m and pcH.m are shown as a function of the molar heat capacity of the hydrocarbon gas CpcH:

(9) HCHm= Gm(cpCH)(9) H CH m = Gm (cpCH)

(10) pCHm = Jm(cpCH)(10) pCHm = Jm (cpCH)

Bei Vernachlässigung von Realgaseffekten ist das Molvolumen konstant und die volumetrischen Größen HCH und PCH können ebenso als Funktionen der Wärmekapazität beschrieben werden:If real gas effects are neglected, the molar volume is constant and the volumetric quantities HCH and PCH can also be described as functions of the heat capacity:

( 11) HCH = G(cpCH)(11) H CH = G (cpCH)

(12) PCH = J(cpCH)(12) P CH = J (cpCH)

Aus den Gleichungen (4), (5), (11 ), (12) und der Kenntnis von CPCH und xCH lassen sich schließlich die primären Zielgrößen berechnen.The primary target variables can finally be calculated from equations (4), (5), (11), (12) and knowledge of C PC H and xCH.

Hinweise für eine rechentechnisch konkrete Beschreibung der Funktionen F, G, J werden nachfolgend noch angegeben.Instructions for a computationally specific description of the functions F, G, J are given below.

In den folgenden Hinweisen werden Angaben für die unbekannten funktionalen Zu- sammenhänge aus den vorstehenden Ansätzen gegeben. Hierzu können folgende Modellrechnungen entwickelt werden:The following notes provide information for the unknown functional relationships from the above approaches. The following model calculations can be developed for this:

Die Rechnung basiert auf einem möglichst großen Satz von realen Gasanalysen, dabei wurden 210 typische Erdgasanalysen aus deutschen Gasnetzen untersucht. Nach ISO 6976 wurden aus den Gasanalysen die Kernzielgrößen Hon, pn berechnet, ebenso wurden Wärmekapazität cp und Wärmeleitfähigkeit λ als Funktion der Gaszusammensetzung bestimmt /3/.The calculation is based on the largest possible set of real gas analyzes, and 210 typical natural gas analyzes from German gas networks were examined. According to ISO 6976, the core target values H on , pn were calculated from the gas analyzes, and the heat capacity c p and thermal conductivity λ were determined as a function of the gas composition / 3 /.

Aus den so gewonnenen Wertesätzen können durch Regressionsverfahren (z.B. Multivariate Polynomregression) geeignete Fitfunktionen für die gesuchten Zusammenhänge entwickelt werden.Using the regression method (e.g. multivariate polynomial regression), suitable fit functions can be developed from the values obtained in this way for the correlations sought.

Zum direkten AnsatzFor a direct approach

Der physikalische Hintergrund zur Motivation für den Ansatz in den Gleichungen (1) und (2) wurde oben beschrieben, zur Bestimmung der Funktionen A und B muss der physikalische Zusammenhang aber nicht explizit aufgeklärt und durchformuliert werden. Vielmehr werden die Funktionen A und B aus der beschriebenen, rein phäno- menologischen Modellrechnung entwickelt.The physical background for motivation for the approach in equations (1) and (2) was described above, but the physical relationship does not have to be explicitly clarified and formulated to determine functions A and B. Rather, functions A and B are developed from the purely phenomenological model calculation described.

Erfolgreiche Ansätze für A und B sind z.B. Multivariate Polynome 3. Ordnung, die in einer Regressionsrechnung bestimmt werden können.Successful approaches for A and B are e.g. Multivariate 3rd order polynomials that can be determined in a regression calculation.

Zum KomponentenansatzTo the component approach

Näherung für F(CPCH)Approximation for F (C P CH)

Mit Hilfe der oben beschriebenen Modellrechnung wurde die Korrelation zwischen der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des CH-Gases untersucht und eine geeignete Fitfunktion F(CPCH) ermittelt.With the help of the model calculation described above, the correlation between the thermal capacity and the thermal conductivity of the CH gas was examined and a suitable fit function F (C P CH) was determined.

Wie erwartet läßt sich die Funktion als einfacher linearer Zusammenhang darstellen, so dass das oben beschriebene Gleichungssystem einfach gelöst werden kann.As expected, the function can be represented as a simple linear relationship, so that the system of equations described above can be easily solved.

Näherungen für Ansätze für G, J Mit Hilfe der Modellrechnung wurden die Korrelationen zwischen der Wärmekapazität und dem volumetrischen Brennwert sowie der Normdichte des CH-Gases untersucht und geeignete Fitfunktionen G(CPCH), J(CPCH) ermittelt. Wie erwartet lassen sich die Zusammenhänge in guter Näherung durch einen linearen Ansatz darstellen.Approximations for approaches for G, J With the help of the model calculation, the correlations between the heat capacity and the volumetric calorific value as well as the standard density of the CH gas were examined and suitable fit functions G (C PC H), J (C PC H) were determined. As expected, the relationships can be approximated using a linear approach.

Referenzencredentials

IM M. Jaeschke, A.E. Humphreys: Standard GERG Virial Equation for Field Use GERG Technical Monograph TMS (1991 ) und VDI Fortschritt-Berichte, Serie 6 (1992), Nr. 266IM M. Jaeschke, A.E. Humphreys: Standard GERG Virial Equation for Field Use GERG Technical Monograph TMS (1991) and VDI Progress Reports, Series 6 (1992), No. 266

12.1 Deutsche Patentanmeldung DE 101 21 641 , "Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Gasbeschaffenheit eines Erdgases", Anmelder: Ruhrgas AG, Essen12.1 German patent application DE 101 21 641, "Method and device for determining the gas quality of a natural gas", applicant: Ruhrgas AG, Essen

131 Peter Schley, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 7, Nr. 418, „Thermodynamische Stoffgrößen von Erdgasen zur Beschreibung einer kritischen Düsenströmung" 131 Peter Schley, Progress Reports VDI, Series 7, No. 418, "Thermodynamic substance sizes of natural gases for the description of a critical nozzle flow"

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zur Bestimmung der Gasbeschaffenheit von Brenngasen, bei dem mittels Korrelationsverfahren aus meßtechnisch an dem Brenngas ermittelter Meßgrößen Gaskenngrößen ermittelt werden, die Aussagen über die Gasbe- schaffenheit des Brenngases erlauben,1. A method for determining the gas quality of fuel gases, in which gas parameters are determined by means of correlation methods from measurement parameters determined on the fuel gas by measurement, which allow statements to be made about the gas quality of the fuel gas, dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that als Meßgrößen die Wärmeleitfähigkeit λ, die Wärmekapazität cp und der Kohlendioxidanteil xC02 des jeweiligen Brenngases gemessen und daraus unter Einbeziehung bekannter Stoffgrößen für typische Brenngase die Gaskenngrö- ßen berechnet werden.the thermal conductivity λ, the heat capacity c p and the carbon dioxide content xC0 2 of the respective fuel gas are measured and the gas parameters are calculated from this for typical fuel gases, taking known material quantities into account. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Gaskenngrößen des Brenngases der Brennwert H0 und/oder die Dichte p, vorzugsweise der Normbrennwert Hon und die Normdichte ρn, ermittelt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the calorific value H 0 and / or the density p, preferably the standard calorific value H on and the standard density ρ n , are determined as the gas parameters of the fuel gas. 3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß der Wobbeindex W, die Methanzahl MZ und/oder die Molenbrüche der Kohlenwasserstoffe und/oder des Stickstoffes N2 ermittelt werden.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the Wobbe index W, the methane number MZ and / or the mole fractions of the hydrocarbons and / or the nitrogen N 2 are determined. 4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Druck p und/oder die Temperatur T des Brenngases gemessen werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressure p and / or the temperature T of the fuel gas are additionally measured. 5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffgrößen für typische Brenngase aus einer Vielzahl von Messungen an einer Vielzahl unterschiedlicher Erdgase ermittelt werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the substance sizes for typical fuel gases are determined from a variety of measurements on a variety of different natural gases. 6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskenngrößen Brennwert H0 sowie Dichte p als Funktion der Meßgrößen Wärmeleitfähigkeit λ, Wärmekapazität cp und Kohlendioxidanteil xC02 angesetzt werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas parameters calorific value H 0 and density p as a function of the measured variables thermal conductivity λ, heat capacity c p and carbon dioxide content xC0 2 are applied. 7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen zur Berechnung der Gaskenngrößen Brennwert H0 sowie Dichte p durch Re- gressionsrechnung mit zahlreichen bekannten typischen Brenngasen bestimmt werden.7. The method according to claim 6, characterized in that the functions for calculating the gas parameters calorific value H 0 and density p by re- fractions calculation with numerous known typical fuel gases can be determined. 8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regressionsrechnung als multivariates Polynom 3. Ordnung angesetzt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the regression calculation is applied as a multivariate 3rd order polynomial. 9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Brenngases als Modell aus den Komponenten Kohlenwasserstoff CH, Stickstoff N2 und Kohlendioxid C02 angesetzt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the composition of the fuel gas is used as a model from the components hydrocarbon CH, nitrogen N 2 and carbon dioxide C0 2 . 10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößen und die zu bestimmenden Gaskenngrößen Brennwert H0 sowie Dichte p als Li- nearkombination mit den Molenbrüchen des CH-Anteils xCH, des C02-Anteils xC02 und des N2-Anteils xN2 im Brenngas als Faktoren angesetzt werden.10. The method according to claim 9, characterized in that the measured variables and the gas parameters to be determined calorific value H 0 and density p as a linear combination with the mole fractions of the CH portion xCH, the C0 2 portion xC0 2 and the N 2 portion xN 2 in the fuel gas can be used as factors. 11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Wärmekapazität cp und der Wärmeleitfähigkeit λ angesetzt wird.11. The method according to any one of claims 9 or 10, characterized in that a functional relationship between the heat capacity c p and the thermal conductivity λ is applied. 12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der funktionale Zusammenhang zwischen der Wärmekapazität cp und der Wärmeleitfähigkeit λ durch Regressionsrechnung mit zahlreichen bekannten typischen Brenngasen bestimmt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that the functional relationship between the heat capacity c p and the thermal conductivity λ is determined by regression calculation with numerous known typical fuel gases. 13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesent- liehen linearer funktionaler Zusammenhang zwischen der Wärmekapazität cp und der Wärmeleitfähigkeit λ angesetzt wird. 13. The method according to claim 12, characterized in that an essentially linear functional relationship between the heat capacity c p and the thermal conductivity λ is applied.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2015056A1 (en) 2007-07-07 2009-01-14 Mems Ag Method and sensor for determining a significant value in combustibility terms of a gas mixture
DE102008038278B3 (en) * 2008-08-18 2009-10-22 Elster Gmbh Method for determining the gas quality of synthesis gas
EP2571086A3 (en) * 2011-09-14 2013-04-10 Azbil Corporation Electric power generation system and gas measuring system
WO2016056902A1 (en) * 2014-10-07 2016-04-14 Berkin B.V. Method and system for determining the fractions of a streaming gaseous medium
EP3021117A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-18 Mems Ag Method and measuring device for the determination of specific values for the type of gas
CN107209164A (en) * 2015-07-22 2017-09-26 理研计器株式会社 Methane number calculation method and methane number measurement device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2719830T3 (en) * 2015-12-19 2019-07-16 Mems Ag Procedure and measuring device for the determination of gas properties by means of correlation

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0643125A (en) * 1992-01-10 1994-02-18 Tokyo Gas Co Ltd Measuring instrument combustion rate of gas
US5311447A (en) * 1991-10-23 1994-05-10 Ulrich Bonne On-line combustionless measurement of gaseous fuels fed to gas consumption devices
EP0715169A1 (en) * 1994-12-02 1996-06-05 British Gas plc Measurement of a gas characteristic
US6047589A (en) * 1996-04-22 2000-04-11 Bg Plc Apparatus for measuring a gas value
US20020040590A1 (en) * 2000-09-29 2002-04-11 Ruhrgas Ag Method and device for determining the gas properties of a combustible gas

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5311447A (en) * 1991-10-23 1994-05-10 Ulrich Bonne On-line combustionless measurement of gaseous fuels fed to gas consumption devices
JPH0643125A (en) * 1992-01-10 1994-02-18 Tokyo Gas Co Ltd Measuring instrument combustion rate of gas
EP0715169A1 (en) * 1994-12-02 1996-06-05 British Gas plc Measurement of a gas characteristic
US6047589A (en) * 1996-04-22 2000-04-11 Bg Plc Apparatus for measuring a gas value
US20020040590A1 (en) * 2000-09-29 2002-04-11 Ruhrgas Ag Method and device for determining the gas properties of a combustible gas

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE WPI Section Ch Week 199412, Derwent World Patents Index; Class J04, AN 1994-095062 *
JAESCHKE M ET AL: "Thermodynamic research improves energy measurement in natural gas", FOURTEENTH SYMPOSIUM ON THERMOPHYSICAL PROPERTIES, BOULDER, CO, USA, 25-30 JUNE 2000, vol. 23, no. 4, International Journal of Thermophysics, July 2002, Kluwer Academic/Plenum Publishers, USA, pages 1013 - 1031, XP008017844, ISSN: 0195-928X *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 018, no. 267 (P - 1741) 20 May 1994 (1994-05-20) *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2015056A1 (en) 2007-07-07 2009-01-14 Mems Ag Method and sensor for determining a significant value in combustibility terms of a gas mixture
DE102008038278B3 (en) * 2008-08-18 2009-10-22 Elster Gmbh Method for determining the gas quality of synthesis gas
EP2571086A3 (en) * 2011-09-14 2013-04-10 Azbil Corporation Electric power generation system and gas measuring system
NL2013587B1 (en) * 2014-10-07 2016-10-03 Berkin Bv Method for determining the fractions of a flowing gaseous medium, as well as a system therefor.
WO2016056902A1 (en) * 2014-10-07 2016-04-14 Berkin B.V. Method and system for determining the fractions of a streaming gaseous medium
CN107209163A (en) * 2014-10-07 2017-09-26 伯金有限公司 For the method and system for the fraction for determining flowing gaseous medium
EP3021117A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-18 Mems Ag Method and measuring device for the determination of specific values for the type of gas
CN105606786A (en) * 2014-11-14 2016-05-25 Mems股份公司 Method and measuring apparatus for determining specific quantities for gas quality
US10101186B2 (en) 2014-11-14 2018-10-16 Mems Ag Method and measuring apparatus for determining specific quantities for gas quality
RU2690099C2 (en) * 2014-11-14 2019-05-30 Мемс Аг Method and measuring device for determining specific parameters for gas properties
CN105606786B (en) * 2014-11-14 2019-12-24 Mems股份公司 Method and measuring device for determining a specific quantity of a gas quality
CN107209164A (en) * 2015-07-22 2017-09-26 理研计器株式会社 Methane number calculation method and methane number measurement device
CN107209164B (en) * 2015-07-22 2020-12-08 理研计器株式会社 Methane number calculation method and methane number measuring device

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