CN109964124A - 用于确定气体混合物的热值和/或沃泊指数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定描述气体混合物的热值和/或沃泊指数的结果参数的方法，该方法包括以下由确定装置(1)执行的步骤：‑确定气体混合物的针对选自以下组的恰好两个气体参数的参数值，该组包括：导热率、导温率、热容量和密度；‑计算作为预先确定的函数的结果的结果参数，该函数仅与所述恰好两个气体参数的参数值有关。

Description

用于确定气体混合物的热值和/或沃泊指数的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定描述气体混合物的热值和/或沃泊指数的结果参数的方法。此外，本发明还涉及一种用于确定该结果参数的确定装置。

背景技术

在天然气网络中，迄今通常在消费者侧出于计费目的仅检测所提供的气体体积。这在能够持续提供基本上恒定的气体质量时是足够的。但如果向消费者提供来自不同储库的天然气或者向该天然气中混入其它气体，则热值可能变化，对此所供应的气体的基于热值的计费更加适宜。这变得日益重要，因为可向天然气中混入例如生物气或由绿色电力产生的氢气或由其产生的气体，以便能实现可再生能源的利用。

此外，对于燃烧装置的运行有利的是，确保在天然气燃烧期间不释放太多的能量并且因此不释放太多的热量，以防止这些燃烧装置出现损坏或严重磨损。因此也有利的是，在控制相应燃烧装置时考虑气体混合物的确定的热值或沃泊指数。沃泊指数与气体混合物的热值成正比并且与气体混合物相对于空气密度的相对密度的平方根成反比。例如具有相似沃泊指数的燃料气体在以恒定的喷嘴压力将燃料气体供应给燃烧过程的情况下是可互换的。

迄今为止，热值或沃泊指数主要在供应商侧被确定。为此例如已知的是使用气相色谱仪，以分离气体混合物的组分并且因此确定气体混合物的组成。由气体混合物的组成和各种气体的已知特性可以确定热值或沃泊指数。然而，气相色谱仪是相对大且昂贵的，从而通常不适宜在消费者侧使用。因此，在这期间已经开发了多种替代方法，以便确定气体混合物的热值。

例如已知根据气体混合物的导热率、热容量和密度来确定气体混合物的热值。这些测量参数可通过将气体混合物经由临界喷嘴引导至CMOS传感器来确定，气体混合物以声速流过该临界喷嘴。CMOS传感器可用于确定导热率或与热容量有关的参量。借助临界喷嘴能够在知道气体压力的情况下推导出密度。在此不利的是，由于以声速流过喷嘴，该测量方法仅可用于限定的体积流量。如果应在具有可变体积流量的持续运行中测量气体混合物，则因此产生显著的额外费用，以便建立用于热值确定的测量条件。此外，还需要多个其它传感器、例如压力传感器。

另一种方法是测量声速或密度并且附加地测量燃料气体的对于红外辐射的吸收能力。然而，不仅对红外吸收的测量而且对声速的测量都需要相对昂贵的传感器。

还已知这样的方法，该方法测量气体混合物在不同温度下的导热率并且由此确定例如热值或沃泊指数。然而，不同温度下的测量需要设置两个间隔开距离的传感器或需要一个传感器在不同环境温度下交替运行，由此增加测量耗费。

发明内容

因此，本发明的任务在于提供一种用于确定热值或沃泊指数的方法，该方法能以较低的技术耗费来实施并且因此特别适合于在消费者侧使用。

所述任务根据本发明通过开头所提到的类型的方法来解决，该方法包括以下由确定装置执行的步骤：

——确定气体混合物的针对选自以下组的恰好两个气体参数的参数值，该组包括：导热率、导温率、热容量和密度；

——计算作为预先确定的函数的结果的结果参数，该函数仅与所述恰好两个气体参数的参数值有关。

因此，根据本发明提出，仅确定气体混合物的恰好两个气体参数并且由此确定结果参数。在此，在本发明范围中已经认识到，在从以下组：导热率、导温率、热容量和密度中选择气体参数的情况下，已经可以由两个所述气体参数的参数值以良好的精度确定热值或沃泊指数。换句话说，针对对于燃烧过程重要的气体混合物、尤其是针对天然气和针对天然气与氢气或其它不可燃气体的混合物，在热值或沃泊指数与导热率、导温率、热容量和密度中的任意两个气体参数的参数值之间存在唯一关联。导热率也称为热传导性并且导温率也称为热扩散率。因此在三维的参数空间中(其第一维度分配给热值或沃泊指数并且其另外的维度分别由该组参数之一撑开)，所有相关气体或气体混合物近似地位于一般而言弯曲的面上。该面由相应预先确定的函数定义。以下将更详细地阐述对相应函数的确定。

在根据本发明的方法中，尤其是可以确定天然气或天然气与其它气体的混合物(作为气体混合物)的结果参数。例如所述气体混合物可以是掺入了氢气、相对高比例的至少一种烃和/或环境空气的天然气。

根据本发明的方法确定的热值还可用于，由气体的热值和体积流量确定能量消耗。因此，根据本发明的方法能实现以较低的技术耗费提供这样的气体计量表，其检测所提供的能量量或者除了体积之外还可提供与消耗体积对应的热值。在此特别有利的是，确定装置除了气体参数的参数值之外还可检测流量。这例如在使用热测量原理来检测流量时是可能的，如以下还将更详细地解释的那样。

在根据本发明的方法中，所述函数可以根据训练数据组来预先确定，该训练数据组为多种气体和/或气体混合物分别描述针对这两个气体参数和结果参数的参数值。优选地，训练数据组可包括超过100种、尤其是数百种气体和/或气体混合物的参数值。所述函数可通过将具有预先确定的结构的函数拟合于所述参数值来确定。所述函数也可以以多个支撑点之间的内插方式来确定，所述支撑点由训练数据组预先确定。可以为该函数定义特定的有效范围。例如函数可以仅在如下范围内被定义为有效的，所述范围的参数值不过多偏离于由训练数据组定义的气体或气体混合物的参数值。如果在根据本发明的方法中确定参数值位于在函数中被定义为有效的范围之外，则可提供错误信号。该错误信号例如可用于将测量数据存储器中的特定测量点标记为无效，在本地或经由数据网络提供关于故障的信息或类似信息。

所述函数例如可以是这两个气体参数的参数值作为变量的多项式，其中，根据训练数据组预先确定该多项式的系数。各个系数例如可通过拟合所述多项式来确定，即例如通过最小化成本函数，该成本函数与由训练数据组预先确定的结果参数同相应为相应气体或气体混合物计算的结果参数的偏差有关。

例如可使用具有总共16个系数的多项式，它们分别分配给这两个气体参数的不同幂的乘积。例如可以为气体参数的不同幂的所有组合预先确定系数，其中，幂是整数并且指数介于0和3之间。利用这样的多项式计算训练数据组的近似面，该训练数据组包括370种天然气以及氮气和空气的气体参数的参数值和热值，其中，氮气和空气的热值等于零。在此已经确定，在使用导热率和导温率作为气体参数时，通过该函数由气体参数值确定的热值与由训练数据组对于相应气体或气体混合物预先确定的热值最多相差6.2％。仅对于三种气体混合物，误差超过4％，而对于90％的气体混合物，误差小于2％。因此通过该函数确定的热值以良好的精度与实际热值一致。这是重要的，因为即使在流量测量范围内也可以以较少的技术耗费确定这两个气体参数。

如果取而代之评估密度和热容量的参数值，则可进一步提高精度。对于上述训练数据组在此确定2.4％的最大误差。除一种气体混合物外，误差小于2％。对于超过90％的气体混合物，甚至确定小于1％的误差。

训练数据组优选可以为至少一种气体或气体混合物描述这两个气体参数和结果参数的参数值，所述至少一种气体或气体混合物不是放热可燃的。对于这样的气体可假设热值为0kWh/m3。在此尤其是可将空气考虑为气体混合物和/或将氮气考虑为气体。空气和氮气在其于根据本发明的方法中评估的气体参数方面与大多数天然气显著不同。因此，在根据本发明的方法中也可识别出尤其是大量混入空气或氮气到天然气中对热值或沃泊指数的影响。

如上面对370种测试的天然气的讨论所表明的那样，根据本发明的方法也适用于确定复杂的、即不仅二元气体混合物的热值或沃泊指数。因此，在根据本发明的方法中，可以确定包含至少三种不同气体的气体混合物的结果参数。例如，气体混合物可包含甲烷、乙烷、丙烷、其它烃类气体、氢气、空气和/或氮气。

特别优选地，在根据本发明的方法中确定包含氢气的气体混合物的结果参数。该气体混合物因此可以包含气态的由分子构成的氢气H2。对包含氢气的气体混合物的热值或沃泊指数的确定是非常重要的。氢气是一种特别易于人工产生的气体。例如在电转气工艺(Power-to-Gas-Prozess)范围内，当通过在时间上不均匀地产生可再生能源的装置、如风力涡轮机或太阳能电池产生多余能量时，可通过电解产生氢气。这些氢气可被馈入天然气网络中。由于氢气的燃烧特性与常见的天然气混合物相比显著不同，在此可产生显著不同的热值或显著不同的沃泊指数。因此，如果所提供的气体混合物的氢含量变化，因此有利的是，检测热值或沃泊指数，以便能实现基于能量消耗的计费和/或根据沃泊指数来控制气体混合物的燃烧过程。

在根据本发明的方法中，可检测导热率和导温率的参数值，其中，函数仅与这些参数值有关。这两个气体参数的参数值可特别简单地通过传感器来检测，所述传感器也可用于流量的热确定，从而可特别简单地实现流量计，该流量计附加地确定热值或沃泊指数。

在根据本发明的方法中，优选在相同温度和/或相同压力下检测这两个气体参数的参数值。这能实现特别简单地检测参数值。

所述参数值可由确定装置通过热测量原理来检测。在此可使用传感器，该传感器包括用于有针对性地加热气体混合物的加热元件和至少两个、优选至少三个温度传感器。第一温度传感器可设置在加热元件上或设置在加热元件区域中。其它温度传感器可与加热元件间隔开距离。如果加热元件以提供恒定加热功率的方式运行，则在加热元件周围区域中产生这样的温度分布，该温度分布的形状与气体混合物的气体参数有关。

该温度分布的水平、即尤其是设置在加热元件区域中的第一温度传感器上的温度水平在此是导热率的度量。如果气体混合物具有高导热率，则可将大量热量从加热元件导走，从而加热元件区域中的温度随着导热率的增加而降低。导温率例如可以通过越渡时间测量来确定。可通过加热元件进行脉冲式加热。可检测从加热脉冲直至在一个或多个与加热元件间隔开距离的温度传感器上检测到由该加热脉冲引起的温度最大值的相应持续时间并且可以由此确定导温率。

如果加热元件设置在流量计的流动通道中并且在加热元件上游和下游使用与加热元件间隔开距离的温度传感器，则可基于温度分布的不对称性补充地确定气体混合物的流速。

除了根据本发明的方法外，本发明还涉及一种用于确定描述气体混合物的热值和/或沃泊指数的结果参数的确定装置，所述确定装置构造用于实施根据本发明的方法。确定装置在此可构造为流量计或集成在这样的流量计中。在这种情况下，可确定气体混合物的流过流量计的体积流量并且附加地确定热值和/或沃泊指数。这可以用于，通过该流量计来确定能量流量，其方式为：热值乘以体积流量。这样确定的能量消耗和/或测得的体积和/或热值和/或沃泊指数可以提供给中央装置，该中央装置例如可以由天然气提供商运行。如果使用流量计作为确定装置，则可如上所述根据热测量原理、然而也可机械地、例如通过膜式气体计量计来检测体积。

附图说明

本发明的其它优点和细节由以下实施例以及所属的附图得出。在此：

图1示出根据本发明的方法的一种实施例的流程图；

图2示出根据本发明的检测装置的一种实施例。

具体实施方式

图1示出一种用于确定气体混合物的热值和沃泊指数的方法在确定燃烧装置的能量消耗和控制该燃烧装置的范围内的使用。该方法划分为两部分。在步骤S1至S3中预先确定函数，在后续步骤中在确定结果参数的范围中使用该函数。在步骤S4至S11中形成在运行燃烧装置的范围中被使用的测量和控制回路，可独立于此地在之前的某一时刻执行步骤S1至S3。例如可以在制造用于确定结果参数的确定装置之前就已经执行这些步骤并且然后将得到的函数分别存储在确定装置的存储装置中，以便在后续步骤范围中由该确定装置使用这些函数。

在步骤S1至S3中确定的函数用于，由恰好两个气体参数的参数值、在所示实例中由气体参数导热率和导温率的参数值来计算热值或沃泊指数。在本实施例中应计算两个所述结果参数，从而预先确定两个不同的函数，这两个不同的函数分别与导热率和导温率有关。在本方法的替代实施例中，所述函数可与气体参数导温率、导热率、热容量和密度中的任意两个气体参数有关。

在步骤S1中，首先为这些函数预先确定一个结构。这可如下地进行：首先预先确定相应的函数集，该函数集除了导温率和导热率之外还附加地与多个其它参数有关。在随后的方法过程中确定所述其它参数，以便预先确定函数。相应的函数集例如可以以这两个气体参数的参数值作为变量的多项式形式被预先确定，其中，在随后的方法过程中确定作为其它参数的系数。

所述其它参数、亦即例如多项式的系数根据训练数据组来确定，在步骤S2中预先确定该训练数据组。

训练数据组为多种气体和/或气体混合物分别描述针对两个气体参数、亦即例如导温率和导热率以及结果参数、亦即热值和/或沃泊指数的参数值。训练数据组可以包括针对超过100种、尤其是数百种气体和/或气体混合物的这些数据。使用如下的训练数据组，该训练数据组包括不仅针对氢气的而且针对空气和氮气、即两种不放热可燃的气体的参数值和结果参数。除此之外，训练数据组描述针对相应于可用的天然气的多种气体混合物、即主要含烃的气体混合物的参数值和结果参数。因此，得到的函数可以被如此参数化，使得该函数可以以高精度确定针对天然气的热值和沃泊指数，所述天然气也可被掺入较高量的空气、氮气和/或氢气。

在步骤S3中，根据训练数据组来确定在步骤S1中预先确定的函数集的所述其它参数、即例如相应多项式的系数。这可以通过将函数拟合到训练数据组来实现、即通过计算作为函数的均衡面(Ausgleichsebene)来实现。为此已知多种方法，因此仅粗略阐述相应过程。可以为训练数据组中的每种气体或气体混合物定义误差值，该误差值说明通过将函数应用于这两个气体参数所确定的结果参数以何程度偏离在函数的特定参数化情况下通过训练数据组所预先确定的结果参数。可以由这些误差值综合成成本函数，例如通过计算这些误差值的欧几里得范数，并且可以使该成本函数最小化，以便确定针对训练数据组的最佳近似面相应的参数化预先确定待使用的函数。

随后，可以将所确定的函数存储在确定装置的存储装置上，在后续方法步骤中使用该确定装置。在图2中示出相应的检测装置1。该检测装置1用于，首先确定流过检测装置1的气体混合物的导温率和导热率。另外，通过检测装置1确定体积流量。

检测装置1包括位于管3内的测量路段2。在测量路段2内中央设有加热元件4，可经由控制装置5控制该加热元件。控制装置5可构造为单独的控制装置，但该控制装置也可集成到计算装置10中。控制装置5对加热元件4的操控通常这样进行，使得加热元件4的加热功率恒定。当使用在相关温度范围内电阻基本上恒定的加热元件4时，可特别简单地实现相应的检测装置1。在这种情况下，控制装置5可向加热元件4提供恒定的电压或电流，以实现恒定的加热功率。然而也可能的是，控制装置5可将加热功率调节到恒定值。

除了加热元件4之外，在测量路段2中还设有三个温度传感器6、7和8。温度传感器7设置在加热元件4区域中。这两个温度传感器6、8设置在加热元件4上游或下游。箭头9表示气体流动方向。温度传感器6、7和8的测量值由计算装置10记录。如下面还将更详细解释的那样，由这些测量值，在步骤S4中确定导热率，在步骤S5中确定导温率并且在步骤S6中确定气体混合物的流速。

在步骤S4中，确定气体混合物的导热率。在此利用加热元件4以恒定的加热功率运行。如果流过测量路段2的气体的导热率大，则这意味着从加热元件导走大量能量。因此，如果加热元件以相同的加热功率加热，则加热元件上的温度下降。因此温度传感器7上的高温相应于低导热率，低温相应于高导热率。温度传感器7上的温度值因此可用于确定导热率。所述确定可通过使用具有校准值的值表实现。在此应注意，温度传感器7上的温度显然还附加地与流过测量路段2的气体混合物的温度有关。因此，如果在流入的气体混合物的温度可能剧烈变化的气流中使用检测装置1，则有利的是，通过另一未示出的温度传感器检测流入气体的温度并且将所述流入气体的温度在上述导热率的确定中加以考虑，所述另一未示出的温度传感器与温度传感器6、8相比明显更加远离加热元件4。

在步骤S5中，可以由渡越时间测量来提取导温率。在此，例如将短的热脉冲施加到加热元件上并且测量直到该温度到达这两个温度传感器6、8的时间。在此有利的是，这两个温度传感器与加热元件的间隔开不同的距离。如果气体的导温率高，则该温度在比导温率较低的气体混合物更短的时间内到达这两个温度传感器6、8。这两个越渡时间的差可用于准确地确定导温率。为了由渡越时间或渡越时间差或由此导出的参量来确定导温率，可使用具有校准值的值表。

在步骤S6中确定流速。气体混合物通过测量路段2的流动导致温度分布曲线随流速增加的不对称性。因此，可从温度传感器6、8上的温度差来确定流速。

在步骤S7中，将在步骤S3中所提供的函数应用到在步骤S4中所确定的导热率和在步骤S5中所确定的导温率上，所述函数分别与导温率和导热率有关并且分别计算热值和沃泊指数。因此，在步骤S7之后，不仅存在气体混合物的沃泊指数而且存在该气体混合物的热值。

在步骤S8中进一步处理沃泊指数，以便控制被供以气体混合物的燃烧装置。在此，例如可以调整使气体混合物进入燃烧室的气体压力，以便对所供应的气体混合物的变化做出响应。由此，尤其是可防止在沃泊指数上升时在燃烧装置中提供过高的能量，这可能损坏燃烧装置。此外，可根据沃泊指数通过控制燃烧装置、尤其是通过控制气体压力来减少在燃烧过程中的变化、如温度变化和/或所提供的机械能的变化。

在计算所提供的能量量的范围内使用在步骤S7中所确定的热值。为此，在步骤S9中首先由气体混合物的在步骤S6中所确定的流速来计算体积流量。该体积流量随后在步骤S10中与热值相乘，以便获得所提供的能量量。在步骤S11中，通过确定装置1的未单独示出的通信装置将该确定的能量量传输到外部装置，该外部装置例如可与能量提供商相配。随后，从在步骤S4至S6中检测这两个气体参数的参数值和气体混合物的流速起重复该方法。

附图标记列表

1 检测装置

2 测量路段

3 管

4 加热元件

5 控制装置

6 温度传感器

7 温度传感器

8 温度传感器

9 箭头

10 计算装置

S1-S11 步骤

Claims (10)

1.一种用于确定描述气体混合物的热值和/或沃泊指数的结果参数的方法，该方法包括以下由确定装置(1)执行的步骤：

-确定气体混合物的针对选自以下组的恰好两个气体参数的参数值，该组包括：导热率、导温率、热容量和密度；

-计算作为预先确定的函数的结果的结果参数，该函数仅与所述恰好两个气体参数的参数值有关。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述函数根据训练数据组来预先确定，该训练数据组为多种气体和/或气体混合物分别描述针对这两个气体参数和结果参数的参数值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述函数是这两个气体参数的参数值作为变量的多项式，其中，根据训练数据组预先确定该多项式的系数。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述训练数据组为至少一种气体或气体混合物描述这两个气体参数和结果参数的参数值，所述至少一种气体或气体混合物不是放热可燃的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定包含至少三种不同气体的气体混合物的结果参数。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定包含氢气的气体混合物的结果参数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测导热率和导温率的参数值，其中，函数仅与这些参数值有关。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在相同温度和/或相同压力下检测这两个气体参数的参数值。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述参数值由传感器装置通过热测量原理来检测。

10.一种用于确定描述气体混合物的热值和/或沃泊指数的结果参数的确定装置，其特征在于，所述确定装置构造用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。