测量气流热值的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及测量气流热值的方法及装置。将待分析气体的样品流送入燃烧室。燃烧室将气体与环境空气混合达到过化学计量氧气含量并且完全燃烧样品气体。各自的TDLS分析仪测量燃烧室烟道气的CO2和/或H2O浓度。当样品气体包括相当量的CO2和/或H2O浓度的情况下，可以增加测量燃烧室上游的CO2和/或H2O浓度的第二TDLS?CO2和/或H2O分析仪。也可以测量甲烷和乙烷或者其它烃及其混合物。该方法和装置可以以高的瞬时分辨率测量天然气的热值和/或总有机碳。本发明的优点在于：气体质量和能量值的实时确定；总有机碳的实时确定；如果需要，非甲烷/非乙烷的总有机碳的实时确定；跨长时间段无人关注、免校正和免维护的操作以及不用消耗件的操作。
【专利说明】测量气流热值的方法及装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及测量气流热值的方法和装置。
【背景技术】
[0002]天然气是众多应用设备的主要燃料，从大型发电设备到居家的厨房设备。
[0003]其主要成分是甲烷(CH4)。其它成分是高级烃(乙烷(C2H6)到己烷(C6H14)),并且在一定程度上是非烃气体(氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)等)。任何特定天然气的准确组成取决于气井的地理位置，且取决于提炼厂中的后续处理。
[0004]烃在其燃烧中释放出来的能量很大程度上取决于每分子碳原子的数量，即高级烃能量将更高。气体中的能量或者采用英制热单位(BTU)表示，其中IBTU等于将I英镑的水升高I华氏度(作为英美单位)所需要的能量，或者采用国际单位制焦耳(J)，其中IBTU等于1055.05585262J。气体中所含能量常用的另一种表达方式是沃泊指数，其将气体的热值与其比重关联。
[0005]由于不同的组成，不同天然气资源的能量值随着地理位置和/或时间而变化。在任何密闭输送过程中，都是基于热值计费。任何燃气热值采用例如燃料的能量/体积来表示(每标准立方英尺的BTU, BTU/SCF,或者J/m3)。根据国际能量协会(InternationalEnergy Agency)，能量值从33，320kJ/m3 (荷兰)到42’ 000J/m3 (阿尔及利亚)变化。因此对于购买者来说有必要知道所提供天然气各自的准确热值。其它了解能量值很重要的场合是不同的燃烧过程，能量值作为燃烧控制(即火焰温度)的开环控制值。
[0006]以往，已经提出很多天然气能量值的测量方法。这些方法可以分为两组:
[0007]第一组中,测量与能量值相关的加合参数(sum parameter)。实例是测量燃烧室的烟道气中残留氧气含量，或者测量在部分气流中运行的催化燃烧传感器(pellistor)元件所产生的热量，其中可燃气体在极富氧气氛中的催化活性表面上燃烧，并且在惠斯登电桥装置中测量钼丝的电阻变化。
[0008]在第二组能量值分析仪中，测定天然气的特定组成(通过气相色谱法、近红外光谱法、声波频谱法或者核磁共振谱法)，然后基于具体的气体组成来计算能量值。
[0009]采用加合参数确定能量值的缺陷在于，为了控制燃烧而需要精确地、化学计量地控制天然气和氧化气体的流量。
[0010]通过特定气体组成来测量能量值的缺陷在于昂贵的测量设备，这些设备需要经常校正和维护，并且通常很耗费时间。
[0011]目前主流测量方法是气相色谱法(GC)。GC产生非常稳定和精准的结果；然而其非常慢，需要消耗件，并且昂贵和笨重。实际上，供应商输送不同气田(field)、管道和存储设施的混合物。因此燃气费在会计期间产生所谓的计费能量值。目前通常采用所谓的流程气相色谱仪(PGC)测量能量值。该仪器能够几分钟内分析气体中存在的多达16种不同组分，例如甲烷或丙烷。由于该PGC值大约100，000欧元，并不是每一个燃气分销公司都有其自己的安装在当地燃气网络的每一个接入点上的PGC。当大型输送管线为大量燃气供应商供应时，则一台PGC对于整条管线就足够了，因为主输送管线下游的燃气组成不会改变。本地燃气分销商因此基于在输送管线上游获得的能量测量值。在交接点通常仅测量输送的燃气体积。很显然这种测量不是最优的。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于提出改进的用于测量气体能量值的方法和装置。
[0013]所要求保护的方法和装置实现了该目的。在各从属权利要求中要求保护特定的技术特征。
[0014]本发明提供了能量值的实时值的测量以及其它燃气组成参数。比起GC费用较低并且不需要消耗件。另外还允许跨长时间周期的自动化操作而无需维护或者校正。
[0015]根据本发明的测量原理是基于在样品气体完全燃烧的下游快速测量至少一个加合参数，以及在燃烧室上游选定物质的浓度测量。
[0016]详细来说，根据本发明的方法，气流热值的测量方法包括提供气流的样品流；通过向燃烧室喷射空气使得样品气体在燃烧室充分燃烧；以高的瞬时分辨率选择性测量所产生的烟道气中的CO2或!120的浓度，优选通过使用可调谐二极管激光气体分析仪；按照热值和CO2或H2O浓度的比例计算热值。燃烧室完全烧尽天然气的样品流。为了确保完全燃烧，将外界空气连续不断地喷射 到燃烧室内。空气的喷射无需调节；然而，它必须向燃烧室提供过化学计量的氧气量，从而完全燃烧样品气流。可调谐二极管激光气体分析仪能够以足够的选择性和足够的瞬时分辨率测量燃烧室烟道气的CO2浓度。然而，可以使用其它适当的分析仪。在燃烧过程中，天然气中含有的任意烃的每一个碳原子将转化成一个CO2分子。对于各种烷烃，每个碳原子会同样产生一个H2O分子，并且每一个烃分子另加一个H2O分子。烷烃(CH4-C6H14，也称为“Q-CV’)的能量值大致与它的碳原子数量成正比。假设上游天然气不包含任何CO2以及进入燃烧室的样品气体的体积随着时间保持恒定，则燃烧室烟道气的CO2浓度应与样品气体的能量值成正比。BTU量/烷烃级数(order)的比例关系的偏差随着碳原子数量而增加，对于己烷(C6H14)达到22%。然而，由于CH4是主要成分，并且其它烷烃仅贡献最大为个位数字浓度百分比，能量值和燃烧室烟道气的CO2浓度之间的整个线性关系对于大多数应用来说是充分的。
[0017]当进入燃烧室的样品气体体积流量随着时间不能保持恒定时，根据本发明的优选实施方案，测量输入燃烧室的样品气体的总质量流量或体积流量，并且所测得的气体浓度与样品气体的总质量流量或体积流量相关。将燃烧室烟道气中的CO2浓度采用进入燃烧室内的样品气体的质量流量或体积流量标准化，从而会产生与样品气体的能量值成比例的数值，而不取决于实际的质量或体积流量。
[0018]根据本发明的另一个优选实施方案，实施在燃烧上游的样品气体的特定气体成分浓度的选择性测量，优选从下列组中选择相关气体成分:C02、CO、H2O, CH4, C2H6,或者选择性测量在燃烧上游的样品气体的其它烃及其混合物的浓度。许多天然气确实含有不可忽略不计的CO2浓度。这种情况下，在燃烧室上游以足够的选择性和足够的瞬时分辨率测量样品气流中的CO2浓度。为了确定能量值，然后从燃烧室下游的烟道气的CO2浓度推导出燃烧室上游的该CO2浓度，并且所获得的CO2浓度与能量值以及总有机碳含量(TOC)成正比例。也可以单独测量燃烧室烟道气中的&0浓度，或者连同CO2浓度一起测量。在天然气中已经含有不可忽略的H2O浓度的情况下，可以在燃烧室的上游和下游测量其浓度，然后从燃烧室的烟道气中H2O浓度推导出来。由于所产生的H2O浓度与天然气中的碳原子浓度直接相关，其可理解为对通过测定CO2浓度而测量的原始能量值的细化或者替代。由于在一些地区中，甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)法规上不认为是挥发性的烃。这种情况下，根据本发明测量燃烧室上游这些气体各自的浓度从而获得法规相关的总有机碳(TOC)含量。
[0019]优选地，该方法包括在测量一种或者多种特定气体成分之前测量样品气体的总质量或体积流量，从而避免测量的不准确性。
[0020]另外，该方法包括以高的瞬时分辨率采用一个或多个可调谐二极管激光气体分析仪测量气体成分。这与上述烟道气测量一致。本发明的关键部分在于，在燃烧室上游和下游以几秒或更好的瞬时分辨率准确地和选择性地测量特定气体浓度的嵌合仪器。根据本发明进行能量测量的合适快速的、选择性的气体传感器例如是可调谐二极管-激光光谱(TDLS)系统。可调谐二极管激光气体分析仪利用垂直腔面发射激光器、分布反馈激光器、量子级联激光器或者任何其它适当的激光二极管。每个TDLS系统由选择近红外激光二极管的波长调节以刚好低于Inm的选择性与特定气体吸收线匹配，这样测量相应的气体而基本上没有以与其它气体的交叉-灵敏度。TDLS系统的特性产生对于气体浓度高度线性的信号和无漂移的基线，这样在若干年的时间段也无需校正。测量CO2和H2O的组合系统估计比安装GC的成本低得多，并且具有覆盖若干气体种类的大调谐范围的二极管激光器的潜在布置地点(venue)有助于降低系统成本。优选地，可调谐二极管激光气体分析仪在近红外(至多3微米波长)或中红外(大于3微米波长直到16微米)光谱运行。单个的可调谐二极管激光气体分析仪可以包括对每种待测气体种类专用的激光二极管，或者可以包括至少一个覆盖若干待测气体种类的激光二极管。
[0021 ] 有利地,在整个实施方案中样品气流保持在确定的温度从而实现准确和确定的测量。
[0022]根据本发明，气流的热值测量装置包括气流中带有用于向燃烧室喷射空气的空气喷射器的燃烧室，一台用于以高的瞬时分辨率测量所产生的烟道气中CO2或!120浓度的选择性气体分析仪，优选为选择性可调谐二极管激光分析仪，以及用于至少计算测量值的电子仪器。优选地，如果必要，质量流量计或者体积流量计布置在气体入口和燃烧室之间的燃烧室上游。
[0023]在另一个优选实施方案中，燃烧室、空气喷射器和气体分析仪都布置在第一模块中。对于某些应用(即环境保护应用)，使用者希望测量气流的总有机碳(TOC)含量。由于T0C含量与气流的烃中的碳原子数量直接相关，根据本发明测量能量值的装置同样可以作为TOC含量的测量装置使用。
[0024]为了更准确 的测量，根据本发明的装置有利地包括可调谐二极管激光气体分析仪，用于以高的瞬时分辨率选择性测量燃烧室上游样品气体的CO2或H2O浓度。优选地，可以将质量流量计或者体积流量计布置在气体入口和气体分析仪之间的气体分析仪上游。此外，所述装置可以包括以高的瞬时分辨率测量燃烧室下游样品气体的烟道气的CO2和/或H2O浓度的仪器，优选额外布置在第一模块中。
[0025]在本发明的另一实施方案中，所述装置包括用于以高的瞬时分辨率选择性测量燃烧室上游的气体的特定气体成分浓度的仪器，这些气体成分优选选自CO、CH4, C2H6，或者用于以高的瞬时分辨率选择性测量燃烧室上游的气体的任何其它烃及其混合物的仪器。优选地，以高的瞬时分辨率选择性测量气体成分的气体浓度的仪器为可调谐二极管激光气体分析仪。
[0026]根据本发明，用于选择性测量特定气体成分浓度的仪器和质量流量计(如果使用)都布置在第一模块上游的第二模块中。这样实现最优的构造来一起使用不同模块，或者单独使用第一模块。
[0027]所述装置至少在第一模块中包括用于控制元件和确定测量结果的电子仪器。最终所需结果的计算和显示，例如能量值或者对于特定烃校对的TOC含量或者任何关于样品气体的能量值或者能量含量的其它数值(即沃泊指数)，可以布置在单独的单元中。
[0028]根据本发明测量能量值具有如下优势:
[0029].气体质量和能量值的实时确定；
[0030].总有机碳的实时确定；
[0031].如果需要，非甲烷/非乙烷总有机碳的实时测量；
[0032].跨长时间段无人关注的、免校正和免维护的操作；
[0033].不需要消耗件的操作。
[0034]相同的原则还可以用于下列应用:其中需要测定自然界、垃圾填埋地或者生物气中相对于其它有机碳和污染物的甲烷量。
[0035]为了达成前述和相关的目的，本发明还包括此后全面说明的特征以及权利要求中特定指出的特征。下面的说明和附图具体提出了本发明某些示意性的实施方案。然而，这些实施方案仅仅说明了几种可以使用本发明的原理的不同方式。当结合附图一起考虑时，本发明的其它目标、优点和新特征将会从本发明的下列详细说明中变得清晰。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1第一模块的原理描绘，该模块也可以用于测量总有机碳含量，和
[0037]图2图1中第一模块和布置在图1的燃烧室上游的第二模块的原理描绘。
[0038]图1表示根据本发明的基本能量值测量装置1，其由特别用于测量总有机碳(TOC)的第一模块构成。通过第一阻焰器3和可选择地(facultative)通过质量流量计或者体积流量计4将待分析气体的样品流2引入到燃烧室5内。阻焰器3和进一步提到的火焰电阻器(flame resistor)对于确保安全是必要的。燃烧室5内，气体与空气喷射器6喷出的空气7混合，并且完全燃烧。测量气体中CO2浓度或者可替换的气体中H2O浓度的选择性气体分析仪9然后分析燃烧室5的烟道气8，其与气体的能量值成正比例。当质量流量计或者体积流量计4安装在阻焰器3和燃烧室5之间时，用流量计4传送的质量或者体积流量值对CO2或H2O浓度进行标准化，从而获得不依赖于样品气流2的体积流而与能量值成正比的数值。烟道气穿过第二阻焰器10后离开模块I。
[0039]图2表示通用能量值测量装置11的布局图，包括所有用于分析气体能量值的选项。测量装置11分成改进的图1的第一模块以及第一模块I上游的第二模块12。基本设计包括第二模块12中的第三阻焰器13以及另一用于测量气体中CO2浓度或者可替换地气体中H2O浓度的选择性气体分析仪14。模块I的基本设计不包括如图1所示布置中的流量计4，但是包括图1中所有其它元件，例如第一阻焰器3、燃烧室5、空气喷射器6、选择性气体分析仪9以及第二阻焰器10。
[0040]当流量变化情况下为了获得更准确测量值，模块12在阻焰器13后包括质量或体积流量计15。气体2穿过第三阻焰器13进入第二模块12，通过流量计15和至少选择性气体分析仪14。在某些应用中，第二模块中的气体温度有必要保持高于一定温度(即100摄氏度)，从而避免水凝结或者其它与温度相关的事项。
[0041]天然气的样品流2离开第二上游模块12，穿过第一阻焰器3进入第一模块1，第一阻焰器3在样品流2的布置中作为第二阻焰器。在第一模块I的燃烧室5中，气体与喷入空气混合并且完全燃烧。选择性气体分析仪9测量燃烧室5的烟道气8中CO2或H2O的浓度。对于某些应用，烟道气温度有必要保持高于一定温度(即100摄氏度)，从而避免水凝结或者其它与温度相关的事项。穿过气体分析仪9之后，燃烧室5的烟道气8通过对于气体作为第三阻焰器的第二阻焰器10离开第一模块I。如果样品气体2中存在CO2或H2O气体浓度，并且需要从其在燃烧室烟道气中的浓度进行推算，该第二和第一模块的布置方式是有必要的。
[0042]可选择地，根据具体应用，第二模块12可以包括用于额外选择性测量各种其它气体浓度的仪器。所述不同的气体浓度选择性测量可以接下来在第一模块进行或者平行进行。
[0043]另外，装置11允许在第二模块12中采用气体分析仪16 —起测量CO2和H2O的气体浓度，和在第一模块I中采用另一气体分析仪19分别测量。例如，气体分析仪14和9测量CO2气体浓度，而气体分析仪16和19测量H2O气体浓度。任选地，第二模块12还包括若干个仪器17和18来选择性地测量特定气体浓度，例如采用气体分析仪17测量甲烷(CH4)和采用气体分析仪18测量乙烷(C2H6)。第二模块12中的不同测量仪器14、16、17和18的顺序是不重要的，只要进入装置11的样品气体2的总体积是采用任选的流量计15测量的。
[0044]不同气体的浓度值输入到电路中(没有示出)，其将测量值转换成能量值或TOC含量。
[0045]对于某些应用，能量值测量装置中天然气的样品流2 (燃烧室5的上游和/或下游)可以保持在特定的温度从而避免凝结或者其它温度相关事项。
[0046]用于本发明的能量测量的适当快速的选择性气体分析仪例如为可调谐二极管-激光光谱仪(TDLS)系统。可调谐二极管激光气体分析仪基于垂直腔面发射激光器、分布反馈激光器、量子级联激光器或者任何其它适合于满足测量需求的激光二极管。
【权利要求】
1.测量气流热值的方法，包括 -提供气流的样品流； -通过向燃烧室喷射空气从而将燃烧室内的样品气体完全燃烧； -以高的瞬时分辨率选择性测量所产生的烟道气中的CO2或!120的浓度，优选使用可调谐二极管激光气体分析仪； -基于热值或者总有机碳含量和0)2或!120浓度之间的比例，计算热值或总有机碳含量。
2.根据权利要求1所述的方法，包括 测量送入燃烧室的样品气体的总质量流量或体积流量，并且将测得的气体浓度与样品气体的总质量流量关联起来。
3.根据权利要求1所述的方法，包括 以高的瞬时分辨率选择性测量燃烧上游的样品气体的优选选自CO、CO2, H2O, CH4, C2H6的特定气体成分浓度或者任何其它烃及其混合物的浓度，并且在燃烧和测量烟道气之后计算总有机碳含量。
4.根据权利要求3所述的方法，包括: 在测量一种或多种特定气体成分之前测量样品气体的总质量流量。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的方法，包括: 用一个或多个可调谐二极管激光气体分析仪以高的瞬时分辨率选择性测量气体成分。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，包括: 将样品气流保持在特定的温度。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，包括: 在近红外或者中红外光谱操作可调谐二极管激光气体分析仪。
8.气流的热值测量装置，包括: 气流中具有用于向燃烧室内喷射空气的空气喷射器的燃烧室，用于以高的瞬时分辨率测量所产生的烟道气中0)2或!120浓度的选择性气体分析仪，优选为选择性可调谐二极管激光分析仪，以及用于至少计算所测值的电子仪器。
9.根据权利要求8的装置，包括: 燃烧室上游的质量流量计或体积流量计。
10.根据权利要求8或9的装置，其中 所述燃烧室、空气喷射器以及气体分析仪都布置在第一模块中。
11.根据权利要求8所述的装置，包括: 可调谐二极管激光气体分析仪，用于以高的瞬时分辨率选择性测量燃烧室上游样品气体的CO2或H2O浓度。
12.根据权利要求11所述的装置，包括: 气体入口和气体分析仪之间的质量流量计或体积流量计。
13.根据权利要求11或12所述的装置，包括: 用于以高的瞬时分辨率选择性测量燃烧室上游的样品气体的优选选自CO、CH4, C2H6的特定气体成分浓度、或者任何其它烃及其混合物的浓度的仪器。
14.根据前述权利要求11到13任一所述的装置，其中 用于选择性测量特定气体成分浓度的仪器，以及如果使用的话，还有质量流量计，都布置在位于第一模块上游的第二模块中。
15.根据权利要求13所述的装置，包括 用于以高的瞬时分辨率测量燃烧室下游的样品气体的烟道气CO2和/或H2O浓度的仪器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中 所述仪器附加布置在第一模块中。
17.根据前述权利要求13任一所述的装置，其中 以高的瞬时分辨率选择性测量气体成分的气体浓度的仪器为可调谐二极管激光气体分析仪。`
【文档编号】G01N21/39GK103776800SQ201310618335
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2012年10月25日
【发明者】B·金卡德, J·格雷戈里亚 申请人:阿克塞特里斯股份公司