JP4028380B2 - 炭化水素ガスの混合物の有効組成の決定 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス等の炭化水素ガスの混合物の有効組成の決定に関する。ガスの発熱量、関連する密度及びウオッベ（Wobbe）指数等のガスの品質を示す量を決定するのに、この有効組成を使用することができる。
【０００２】
【背景】
従来、ガスの発熱量等のガス混合物の品質を決定するために、混合物中の各ガスの割合を決定して、その発熱量を計算した。しかしながら、天然ガスなどの幾つかのガス混合物では、それぞれ全てのガスの割合を決定することは難しい。
【０００３】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の態様によれば、炭化水素ガスの混合物の有効組成を決定する方法は、少量の炭化水素ガスの有効混合物によって、炭化水素ガスの混合物を表す工程、及び有効混合物中の各炭化水素ガスの有効な割合を決定する工程を含む。 有効な混合物中の各炭化水素ガスの有効な割合は、発熱量（CV)、相対密度（RD)又はウオッベ指数（WI)等のガスの品質を示すパラメータを決定するのに、好ましく使用される。
【０００４】
本発明の例を、添付図面を参照して説明する。
天然ガスなどの炭化水素ガスの混合物を、少ない成分数によって表すことができることが見出された。例えば、天然ガス中の多くの炭化水素を、１種類、又は２種類以上の炭化水素の有効な混合物によって表すことができる。以下の例において、天然ガス中の炭化水素を、有効なメタン（CH₄)及びプロパン（C₃H₈)の混合物で表す。有効なガスの個々の成分の割合は、ガス自体と同じ主要な特性を生ずるように選択される。他の炭化水素に対する有効ガスは、プロパン及びメタンの量であって、検討中のガスと、同一の理想量と、一分子当たり同一の炭素原子の平均数を有する量である。例えば、エタンを考える。
2C₂H₆＝C₃H₈+CH₄
エタンは、プロパンの半分の量とメタンの半分の量による有効なガスで表される。従って、プロパンとメタンに対するエタンの有効係数は、それぞれ0.5と0.5である。他の炭化水素を、これらの条件で表すことができ、これらの有効係数を、以下に表にする。

【０００５】
また、天然ガスは、一般的にCO₂及びN₂を含むので、炭化水素を、メタンとプロパンとの有効な混合によって表すことを考えたときに、天然ガスを、メタン、プロパン、CO₂及びN₂の４つの成分の混合物で表すことができる。炭化水素をたった１種類の炭化水素で表す場合、天然ガスを、有効な炭化水素、CO₂及びN₂の有効な３つの成分の混合によって表すことができるであろう。
メタン、プロパン、CO₂及びN₂の有効な４つの成分の混合物として表された天然ガスの例を以下に示した。ボトル2912とされた天然ガスのサンプルの実際の成分は、以下の通りである。

【０００６】
前記天然ガスサンプルの炭化水素サンプルに、有効なメタン及びプロパンの計算を適用することによって、以下の結果を得た。

このように、天然ガスサンプルの炭化水素を、95.737％メタン及び2.704％プロパンの有効な混合物で表すことができる。４つの成分の効果的な天然ガス混合物を提供するのにCO₂及びN₂サンプルを含めることができる。

【０００７】
天然ガスのサンプル中の有効なメタン、プロパン、CO₂及びN₂の割合を決定する方法が見出された。4つの成分の合計が１００％に等しいことは公知である。天然ガスの３つの特性の測定を行い、かつ４つの成分の合計が１００％に等しいことを知ることによって、メタン、プロパン、CO₂及びN₂の相対的な有効な割合を、以下に示す連立方程式を使って決めることができる。
X=C1.CH₄+C2.C₃H₈+C3.CO₂+C4.N₂
Y=C5.CH₄+C6.C₃H₈+C7.CO₂+C8.N₂
Z=C9.CH₄+C10.C₃H₈+C11.CO₂+C12.N₂
100＝CH₄%+C₃H₈%+CO₂%+N₂%
X、Y及びZは、ガスのサンプルを調べて得られた測定値である。この場合、Xは、第一の温度でのガスの熱伝導度であり（THCst)、Yは、第二の温度でのガスの熱伝導度であり（ThCr)、Zは、ガスの音速である（SOS)。２つの温度でのガスの熱伝導度及びガスの音速を、従来技術で周知の適切な技術を使用して測定する。都合のよいガスの特性を、X、Y又はZとして測定し、かつ使用することができる。パラメータC1〜C12は、特定の測定装置と、特定の温度及び圧力と、測定される特定の特性とに関して一定である。C1〜C12の値は、既知の、有効なメタン、有効なプロパン、CO₂及びN₂の割合のガスを使用して、特定の装置をキャリブレートすることによって分かるであろう。
【０００８】
所定の温度及び圧力での係数C1〜C12を決定するために、ガス組成中の予想される範囲におけるX、Y及びZの値を調査する、一連のデータを測定する。次に、X入力範囲としてガス成分と、Y入力範囲としてパラメータXとを用いて、回帰分析を使用し、その結果の分析により、この温度及び圧力でのC1〜C4が与えられる。この工程を、Y入力としてパラメータYを用いて繰り返すことによりC5〜C8が与えられ、再度Y入力としてパラメータZを用いて、C9〜C10が与えられる。これによって、所定の温度及び圧力でのC1及びC12が与えられる。
これらの係数は、温度及び圧力依存である。従って、全工程は、特定の操作範囲をカバーする温度及び圧力の範囲において繰り返す必要がある。これが一旦完了すれば、数学的モデルを決定して、特定の範囲におけるいかなる温度及び圧力でのC1〜C12を予測することができる。
【０００９】
メタン、プロパン、CO₂及びN₂の有効な割合を、測定されたガスの特性（この例では、異なる温度での２つの熱伝導度及び音速）から、以下に示す行列方法を使用して、決めることができる。
【００１０】
【化１】

【００１１】
メタン、エタン、CO₂及び窒素の有効な割合が既知となれば、これらを使用して、以下に説明するように、発熱量（CV)、相対密度（RD)及びウオッベ指数（WI)を決めることができる。
温度t₂及び圧力p₂で計量された既知の組成の混合物の、燃焼温度t₁における、容量ベースに基づく理想的ガスの優れた発熱量（液化された水蒸気）を、以下の式を使用して計算できる。
【００１２】
【化２】

【００１３】
（ここで、
【００１４】
【化３】

【００１５】
は、混合物の容量ベースに基づく理想的な優れた発熱量であり、
Xjは、先の有効な成分分析から決定された成分ｊのモル分率であり、
【００１６】
【化４】

は、成分ｊの容積ベースに基づく理想的な優れた発熱量である。）
イギリスでは、測定基準条件（Ｍｅｔｒｉｃ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ、ＭＳＣ）が好ましい。
Ｐ₂は、１０１．３２５ｋＰａ（１．０１３２５バールＡ）である。
ｔ₁＝ｔ₂＝１５℃（２８８．１５Ｋ）
測定基準条件でのメタンとプロパンにおける発熱量は、既知である。
【００１７】
【表１】

【００１８】
これらの値に、先に決められたメタン及びプロパンの割合を掛けることによって、以下の式における値が提供される。
【００１９】
【化５】

【００２０】
容量ベースに基づく実在ガスの発熱量を、次の方程式から計算する。
【００２１】
【化６】

【００２２】
（ここで、
【００２３】
【化７】

【００２４】
は、容積ベースに基づく実在ガスの優れた発熱量である。）
測定条件での圧縮係数Z_mixを、以下の式を使用して計算する。
【００２５】
【化８】

【００２６】
（ここで、
【化９】

は、いわゆる相加因子（ｓｕｍｍａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）であって、メタンは０．０４４７、プロパンは０．１３３８である。）
図１は、Ｙ軸にプロットされた有効組成とＸ軸に沿った実際のＣＶを使用して前述のように決定したＣＶを示す。
有効な成分において計算されたＣＶは、Ｘ軸に沿った実際のＣＶの＋／−０．００８ＭＪ／ｍ³（２標準偏差）以内であった。
ガスの相対密度（ＲＤ）を、以下の式を使用して計算する。
【００２７】
【化１０】

【００２８】
（ここで、d⁰は、理想的ガスの相対密度であり、
M_jは、成分jのモル質量であり、
M_airは、標準組成の乾燥空気のモル質量（28.9626kg.kmol^-1）である。）
実在ガスの相対密度を、以下の式から計算する。
【００２９】
【化１１】

【００３０】
（ここで、d(t,p)は、実在ガスの相対密度であり、
Ｚ_air(t,p)は、標準組成の乾燥空気の圧縮係数（MSC=0.99958）である。）
計測条件での圧縮係数Z_mix を、以下の式を使用して計算する。
【００３１】
【化１２】

【００３２】
（ここで、√bjは、いわゆる相加因子であり、メタンは0.0047、プロパンは0.1338である。）
図２は、ｙ軸にプロットされた様々なガスサンプルにおけるメタン、プロパン、CO₂及びN₂の有効組成を仮定して決定された相対密度と、X軸にプロットされたこれらのガスサンプルの実際の相対密度を示す。
有効組成において計算された相対密度は、実際の値の＋/−0.00001（２標準偏差）以内であった。
ガスのウオッベ指数（WI)は、以下の方程式を使用して、前述のように計算されたCVとRDから決定することができる。
【００３３】
【化１３】

【００３４】
有効組成の概念を、他の標準的な方法を用いて使用して、圧縮率、密度等の特性等を計算することができる。
本発明は、２つの温度でガスの熱伝導度を測定するために準備された熱伝導度検出器及び音速検出器の場合、適切な数のセンサーや検出器を使用する装置と、例えばコンピューターであるような、適切な工程を行うための制御手段とによって行うことができる。このような装置を図３に示す。この場合の流体、即ち天然ガスは、導管１に供給される。2つの異なる温度での天然ガスの熱伝導率を測定する手段を有する熱伝導率センサー２が、導管に提供される。また、天然ガスの音速を測定する装置３が提供される。２つの異なる温度での通過天然ガスの熱伝導率と通過ガスの音速とを示すシグナルを受けるコンピューターの場合、通過する天然ガスの有効組成を決定するため、熱伝導率センサー２及び音速センサー３の両方が、制御手段４に接続される。また、制御手段４は、決定された有効組成を使用して、ガスの品質を示す量を計算することができる。
本発明の方法は、検出器の適切なセンサーと接続したコンピューターのような好適な装置に設置するためのCD-ROMなどのデジタル貯蔵メディアに提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実測値と比較した、本発明によって決定されたCVを示す図である。
【図２】 実測値と比較した、本発明によって決定されたRDを示す図である。
【図３】 本発明を実施するための装置を示す図である。

Claims (7)

1. ガス混合物の有効組成を決定する方法であって、前記ガス混合物が複数の炭化水素ガス、ＣＯ ₂ 及びＮ ₂ を含み、前記有効組成が前記ガス混合物を表し、かつ少なくとも１種の炭化水素ガス、ＣＯ ₂ 及びＮ ₂ を成分として含み、前記方法が以下の工程、
   前記有効組成において前記ガス混合物中の複数の炭化水素ガスを表す、１種類以上の有効な炭化水素を選択する工程であって、前記有効な炭化水素の種類の数が、前記有効組成が決定されるガス混合物中の炭化水素ガスの種類の数よりも少ない工程、
   前記有効組成が決定されるガス混合物のいくつかの特性を測定する工程であって、測定される特性の数が、決定される有効組成の成分の全数よりも１つ少ない工程、及び
   前記ガス混合物の特性の測定と、前記測定された特性に依存するあらかじめ決められたパラメータと、前記ガス混合物の成分の合計が１００％に等しい認識とから、前記ガス混合物の有効組成を決定する工程、
   を含有することを特徴とする、方法。
2. 前記有効組成が決定される前記混合物が、複数の炭化水素ガスに加えて、二酸化炭素及び窒素を含有する天然ガスである、請求項１記載の方法。
3. ３種類のガスの特性が測定されて、前記天然ガスの４つの成分の全部が決定され、２種類の成分が有効な炭化水素であり、１種類が二酸化炭素であり、１種類が窒素である、請求項２記載の方法。
4. 前記２種類の有効な炭化水素が、メタンとプロパンである、請求項３記載の方法。
5. 前記測定される３種類のガス特性が、前記天然ガスの第一の温度での熱伝導率、第二の温度での熱伝導率及び音速である、請求項３又は４記載の方法。
6. 請求項２〜５のいずれか１項記載の方法で決定されたガスの有効組成からの、天然ガスの発熱量、相対密度又はウオッベ指数を決定するため方法。
7. ガス混合物の有効組成を決定する装置であって、
   前記ガス混合物が複数の炭化水素ガス、ＣＯ ₂ 及びＮ ₂ を含み、前記有効組成が前記ガス混合物を表し、かつ少なくとも１種の炭化水素ガス、ＣＯ ₂ 及びＮ ₂ を成分として含み、前記装置が、
   前記有効組成において前記ガス混合物中の複数の炭化水素ガスを表す、１種類以上の有効な炭化水素を選択する制御手段であって、前記有効な炭化水素の種類の数が、前記有効組成が決定されるガス混合物中の炭化水素ガスの種類の数よりも少ない制御手段、
   前記有効組成が決定されるガス混合物のいくつかの特性を測定するための測定手段であって、該測定手段で測定される特性の数が、決定される前記有効組成の成分の全数よりも１つ少ない手段、及び
   前記ガス混合物の特性の測定と、前記測定される特性に依存するあらかじめ決められたパラメータと、前記ガス混合物の成分の合計が１００％に等しい認識とから、前記ガス混合物の有効組成を決定する手段、
   を含有することを特徴とする、装置。

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