Способ определения по меньшей мере одной энергетической характеристики газотопливной смеси посредством измерения физических характеристик газовой смеси

Изобретение относится к оценке качества природного газа в связи с его антидетонационной способностью. Способ определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики горючей газовой смеси, состоит в следующем: 1) измерение для указанной газовой смеси n физических характеристик φ_i при температуре Т и/или одной физической характеристики φ_i при n различных температурах; 2) определение исходя из указанных физических характеристик состава газа, эквивалентного указанной смеси, включающего в себя n+1 компонент; 3) выведение энергетических характеристик указанной газовой смеси из указанного известного состава эквивалентного газа. Достигается упрощение и повышение информативности определения. 1 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

 

Объектом настоящего изобретения является способ определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики горючей газовой смеси посредством измерения физических характеристик этой газовой смеси, определения состава газа, эквивалентного данной газовой смеси и выведения энергетических свойств исходя из указанного состава.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Энергетические характеристики, такие как теплотворная способность газа, число Воббе, коэффициент полноты сгорания, а также метановое число, представляют большой интерес с точки зрения промышленности. Действительно, изменение газового состава (например, природного газа), имеющее место в связи с множественностью источников поставок (алжирский, норвежский, российский газ и т.п.), может представлять собой причину серьезных повреждений стационарных двигателей, работающих на газе. Эти двигатели обыкновенно используются для одновременного производства тепла и электричества (когенерация). Кроме того, эффективное использование горючих газов в двигателях внутреннего сгорания главным образом зависит от свойств их воспламенения и свойств их горения.

Энергетической характеристикой, позволяющей отслеживать изменения качества природного газа в связи с его антидетонационной способностью, является метановое число.

Горючие газы, имеющие различную ценность, связанную с их очень различными энергетическими характеристиками, имеют также различное происхождение: газ, получаемый при сухой перегонке древесины; газ, получаемый при газификации каменного угля; природные газы и т. д.

В тех случаях, когда в силовых двигателях внутреннего сгорания используется биогаз, изменение состава газа может серьезным образом влиять на рабочие характеристики такого двигателя. Например, могут иметь место колебания мощности, связанные с изменениями показателя низшей теплоты сгорания (этот показатель может претерпевать изменения в промежутке от 10 до 25 МДж/м³). Таким образом, измерение низшей теплоты сгорания биогаза оказывается чрезвычайно важным для оптимального функционирования двигателя.

Число Воббе (Wobbe) представляет собой другую важную энергетическую характеристику газового горючего (оно может претерпевать изменения в пределах от 10 до 30 МДж/м³). Этот показатель является важным критерием взаимозаменяемости различных газов в силовых установках. Изменение газового состава не вызывает сколько-нибудь значительных изменений коэффициента избытка воздуха и скорости сгорания, когда число Воббе остается приблизительно постоянным. Этот показатель может быть выведен из расчета теплотворной способности при помощи следующего соотношения:

в котором PCI представляет собой низшую теплоту сгорания газа, a d представляет собой плотность газа.

Существуют многочисленные способы для измерения качества газового горючего, в числе которых можно отметить способы измерения теплотворной способности и способ измерения метанового числа.

а) Способы измерения теплотворной способности

Зная состав газовой смеси, легко можно рассчитать ее теплотворную способность, используя индивидуальные значения этой величины для каждого из составных частей данного газа.

Прямое определение теплотворной способности может быть осуществлено при помощи ручных калориметров или автоматических калориметров, таких, например, как калориметрическая бомба, газовый калориметр Джанкерса и микрокалориметр типа "Юнион".

Эти традиционные способы громоздки, трудоемки и представляют значительные трудности в применении в тех случаях, когда требуется узнать теплотворную способность газовой смеси в процессе работы установки.

Способ, предложенный для вычисления теплотворной способности, который описан в публикации международной заявки WO 99/36767, принимает в расчет измерение двух физических свойств (скорость распространения звука в данной газовой среде и ее теплопроводность). Этот способ был разработан при использовании природных газов, представленных всеми разновидностями газа, имеющими хождение в системе газораспределения Великобритании. Лабораторные исследования, выполненные с применением этих природных газов, позволили определить скорость распространения звука в этих газах с последующим определением взаимосвязи результатов произведенных измерений с теплотворной способностью. Поскольку измерения только одной указанной характеристики оказалось недостаточно для отслеживания изменений теплотворной способности при наличии или отсутствии в природных газах сколько-нибудь значительных инертных примесей, было предложено измерять также и другую физическую характеристику (теплопроводность) в сочетании с измерением скорости распространения звука. В соответствии с этой методикой, теплотворная способность рассчитывается следующим образом:

где

- CV представляет собой теплотворную способность;

- ThC_H представляет собой теплопроводность при температуре Т_h;

- ThC_L представляет собой теплопроводность при температуре T_L;

- SoS представляет собой скорость распространения звука при температуре окружающей среды;

- Т_а представляет собой температуру окружающей среды для газа;

- а, b, с, d, e и f являются постоянными величинами (константами).

Константы были определены посредством обработки данных, полученных для образцов газа различного происхождения, используемого в Великобритании, при помощи метода регрессии. Таким образом, рассмотренный способ определения теплотворной способности основывается на измерениях, полученных только для природных газов, имеющих распространение в Великобритании и, следовательно, не может быть широко обобщен.

Другой способ для определения теплотворной способности основывается на определении доли азота и двуокиси углерода в данном газе, а также значения плотности этого газа. Приведенная ниже формула была использована Кэндвеллом (Candwell) (1967); она действительна только для газов, число Воббе у которых заключено в промежутке от 43,4 до 44,4 МДж/м³ (гронингенский газ):

В этой формуле К_CO2 представляет собой долю двуокиси углерода, a K_N2 представляет собой долю азота в данном газе.

Оба приведенных выше способа неприменимы, однако, по отношению ко всей совокупности газов, имеющих распространение в Европе.

б) Способы измерения метанового числа

Экспериментальное определение метанового числа

Измерения метанового числа обычно осуществляется при помощи стандартного исследовательского устройства типа CFR/RDH (англ.: Cooperative Fuel Research / Removable Dome Head) в соответствии с техническими условиями, определенными в публикации: Christoph et al. «Evaluation du pouvoir antidétonant des carburants gazeux au moyen de I'indice de méthane et de leur application pratique dans les moteurs á gaz» (Кристоф и др. Оценка антидетонационной способности газовых топлив при помощи метанового показателя и их практическое использование в газовых двигателях) - MTZ, 33, апрель 1972, №10.

Химическое определение метанового числа (посредством анализа химического состава)

Другой способ определения метанового числа был разработан Райаном и Каллаханом [RYAN et al. Journal of Engineering for gas turbines and Power, октябрь 1993, т.115/769 и CALLAHAN et al. 18^th. Annual Fall Technical Conference of the ASME Internal Combustion Engine Division, 1996, ICE- т.27-4.], и далее усовершенствован Вокеша (Waukesha) [Selberg, CIMAC Congress 1998]. Эти авторы ввели новый показатель, сходный с метановым числом, названный индексом WKI (патент США №6061637).

Графическое определение метанового числа

Способ, позволяющий вычисление метанового числа для данного газового горючего исходя из химического состава последнего, был разработан Кристофом и др. [см. приведенную выше ссылку]. Этот способ состоит в объединении различных компонентов в группы по два или по три, для которых метановое число представлено на соответствующих диаграммах. Соответствующее уравнение имеет следующий вид:

где

IMj: метановое число для смеси j, состоящей из двух или трех газов;

y_j: объемная концентрация смеси j в общей смеси, а

IM представляет собой метановый показатель общей смеси.

Приведенное уравнение может иметь применение только при наличии

диаграмм для каждой из групп, выделенных в данной смеси.

Кроме того, при этом должен быть соблюден ряд определенных требований:

- отклонения между IM_j не должны различаться более чем на пять единиц;

- каждая группа должна состоять, по меньшей мере, из трех составных частей;

- группа может быть составлена из одного газа только при том условии, что она удовлетворяет первому правилу;

- легко детонирующие составные части (такие, например, как бутан) всегда должны быть включены в трехкомпонентную группу совместно с составными частями, обладающими высокой антидетонационной способностью (например, с метаном);

- составные части, содержащие пять или более углеродных атомов, могут быть объединены с бутаном, поскольку они содержатся в газах лишь в следовых количествах.

Для газовых смесей, содержащих азот или двуокись углерода в количествах, не превосходящих 9 и 2% соответственно, метановое число определяют, не принимая в расчет этих составных частей. В этом случае погрешность вычислений не превосходит двух единиц метанового числа.

Если же содержание указанных составляющих превышает приведенные величины, тогда метановое число рассчитывается в соответствии со следующим уравнением:

в котором

IM(без) рассчитывается в соответствии с уравнением (4);

IM(негорюч.) вычисляется с применением трехкомпонентной диаграммы

CH₄-CO₂-N₂, в которой все предельные углеводороды условно принимают

тождественными метану.

Эмпирическое определение метанового числа.

1) Соотношение IM=f(PCl, ×CO₂, плотность, или объемная масса).

Простое уравнение, основанное на измерении низшей теплоты сгорания (PCI), плотности данного газа и содержания в нем двуокиси углерода, было разработано в немецкой компании Рургаз (Ruhrgas). Это уравнение, которое основывается на эталонной модели (программа AVL, которая осуществляет расчет метанового числа исходя из трехкомпонентных диаграмм), представляет собой множественную линейную регрессию, форма которой такова:

При этом PCl представляет собой низшую теплоту сгорания данного газа;

ρ представляет собой плотность данного газа;

х_СO2 представляет собой долю двуокиси углерода в данном газе. Кроме того, было разработано два способа вычисления метанового числа исходя из данных о теплотворной способности или о диэлектрической проницаемости данного газа, его плотности и содержании в нем двуокиси углерода;

- Первый из этих способов позволяет определять газовый состав в зависимости от низшей теплоты сгорания, плотности и доли двуокиси углерода (алгоритм расчета), позволяя также осуществить расчет метанового числа при помощи программы AVL, основанной на экспериментальных данных, полученных при использовании двигателя CFR (см.: Leiker M, et al. Evaluation of the Antiknocking Property of Gasseous Fuels by means of the Methane Number and its Practical Application to Gas Engines / Оценка антидетонационной способности газовых топлив через метановое число и ее практическое применение к газовым двигателям. - ASME Paper 72-DGP-4, апрель 1972), а также расчет числа Воббе и низшей теплоты сгорания. Способ включает в себя допущение, касающееся содержания азота в газе. Конечный состав газа определяется при помощи алгоритма, основанного на итерационном вычислении, объединяющем серию отношений второго порядка к низшей теплоте сгорания (патент ЕР 0939317 А2).

Второй способ, напоминающий предыдущий, позволяет определить газовый состав в зависимости от величины диэлектрической проницаемости, плотности данного газа и доли в нем двуокиси углерода. Метод включает в себя два допущения относительно содержания азота и низшей теплоты сгорания углеводородов. Конечный состав данного газа также определяется при помощи алгоритма, основанного на итерационном вычислении, объединяющем серию отношений второго порядка к низшей теплоте сгорания (патент ЕР 1081494 А1).

2) Оптическое поглощение в инфракрасном спектре.

Два способа, позволяющих отслеживать изменения метанового числа, которые включают в себя измерение оптического поглощения в инфракрасном спектре, описаны в публикациях международных заявок WO 98/25128 и WO 00/50874.

Оба метода эмпирического определения метанового числа позволяют достичь точности порядка +/- 2 единиц метанового числа.

Кроме того, при использовании переменных величин (таких, например, как низшая теплота сгорания), измерение которых может оказаться физически и экономически затруднительным, приведенные способы могут быть использованы только теми пользователями, которые могут эффективно измерять низшую теплоту сгорания газовых топлив, их плотность и содержание в них двуокиси углерода (например, такие пользователи, как немецкая компания Рургаз, которая эффективно осуществляет измерения указанных величин на своих газораспределительных станциях).

Все методы, используемые для вычисления метанового числа и низшей теплоты сгорания, представляют собой соотношения, основывающиеся на одной, двух или трех физических характеристиках. Установление какой-либо регрессии требует последовательного калибрования, поскольку подход является эмпирическим.

Приведенные способы представляют значительные неудобства, первым из которых является необходимость устанавливать точное взаимоотношение между энергетическими характеристиками, которые при этом определяются, и теми физическими свойствами, которые с этой целью используются. Кроме того, затруднительность определения положительного или отрицательного влияния некоторых соединений, влиянием которых на метановое число, например, или на низшую теплоту сгорания нельзя пренебречь, также представляет собой неудобство, свойственное такого рода методикам.

Наконец, чрезвычайно редко указанные соотношения могут позволить рассчитать несколько энергетических характеристик одновременно.

Настоящее изобретение имеет своей задачей исключить указанные неудобства и предлагает новый простой в применении способ, предназначенный для определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики газа (природного газа, биогаза и т.п.), который имеет многочисленные преимущества, в частности, возможность одновременного определения метанового числа и теплотворной способности газов, которые представляют собой две характеристики, принципиально важные для нормального функционирования газовых двигателей, предназначенных для когенерации (одновременного производства электроэнергии и тепла).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ, соответствующий настоящему изобретению, предназначенный для определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики газовой смеси, состоит в следующем:

1) измерение для указанной газовой смеси n физических характеристик φ_i при температуре Т и/или одной физической характеристики φ_i при n различных температурах;

2) определение исходя из указанных физических характеристик, состава газа из n+1 компонента, эквивалентного указанной смеси;

3) выведение из указанного состава эквивалентного газа энергетических характеристик указанной газовой смеси.

Газовая смесь, подлежащая испытаниям, может представлять собой газовое топливо, такое как природный газ или газ биологического происхождения, такой как биогаз, или же газ, получаемый посредством газификации. Указанная смесь может состоять из метана и содержать негорючие газы, такие как двуокись углерода или азот. В дополнение к метану, газовая смесь может содержать также, по меньшей мере, один иной насыщенный углеводород, включающий в себя от 2 до 5 атомов углерода, например, такой как этан, пропан, бутан или пентан. Эквивалентный газ может также включать в свой состав водород и/или моноокись углерода.

Указанный эквивалентный газ может содержать n+1 составных частей, при этом n представляет собой целое число, большее или равное 1, предпочтительно - равное 2 или 3.

Физические характеристики, предусмотренные к измерению, могут представлять собой скорость распространения звука, теплопроводность, динамическую вязкость, плотность, коэффициент оптического преломления, диэлектрическую проницаемость газа, оптическое поглощение в инфракрасной области спектра или любую другую физическую характеристику данного газа при температуре Т.

Предпочтительно, способом предусмотрено использование нижеследующих пар физических характеристик φ₁ и φ₂:

- динамическая вязкость и теплопроводность;

- теплопроводность при температурах T₁ и Т₂;

- коэффициент оптического преломления и теплопроводность;

- скорость распространения звука и коэффициент оптического преломления.

Установленные при этом энергетические характеристики могут представлять собой метановое число, теплотворную способность, число Воббе и коэффициент полноты сгорания.

Перед осуществлением этапа 1 согласно способу в соответствии с настоящим изобретением предварительно производится калибрование, состоящее либо в нескольких сериях измерений физических характеристик φ_i эквивалентного газа, включающего в себя n+1 составную часть, и состав которого известен; либо при использовании численного метода, например, такого как метод, соответствующий описаниям в ASTM D 25-98-68, после чего определяется соотношение между этими физическими характеристиками и содержанием каждой из составляющих частей указанного эквивалентного газа.

Термин "эквивалентный" обозначает только газ, включающий в себя n+1 составную часть, обладающий теми же самыми n физическими характеристиками, что и данный "реальный" газ (иными словами, той же величиной скорости распространения звука или, например, той же теплопроводностью), для которого требуется определить энергетические характеристики.

Так, например, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения могут быть измерены две (или соответственно три) физических характеристики газовой смеси и исходя из этих физических характеристик определен состав трехкомпонентного (или соответственно четырехкомпонентного) эквивалентного газа.

В таком случае может быть составлена трехкомпонентная (или четырехкомпонентная) диаграмма, основывающаяся на любом триплетном сочетании элементарных газов, например СН₄-С₂Н₆-С₄Н₁₀ или СН₄-С₂Н₆-С₄Н₁₀-N₂ исходя из измерений всех возможных сочетаний физических характеристик два по два (трехкомпонентная диаграмма) или три по три (четырехкомпонентная диаграмма).

Указанная трехкомпонентная диаграмма предпочтительно основывается на эквивалентном трехкомпонентном составе вида СН₄-C₂H₆-N₂, СН₄-С₂Н₆-С₄Н₁₀, СН₄-С₂Н₆- С₄Н₁₀ или СН₄-С₂Н₆- С₄Н₁₀- N₂.

В целом, реальные газы, такие как природный газ, могут включать в свой состав до 5-6 компонентов, иногда даже более того.

Трехкомпонентная диаграмма (или соответственно четырехкомпонентная) представляет диаграмму газовой смеси, которая включает в себя только три различных соединения (или соответственно четыре соединения). Таким образом, природные газы могут быть представлены на диаграммах такого рода в виде псевдосостава, или "эквивалентного" газа.

Авторами изобретения было обнаружено, что реальный газ обладает теми же энергетическими характеристиками, что и эквивалентный газ, воссозданный на основе двух физических характеристик данного реального газа.

На Фиг.1 представлена трехкомпонентная диаграмма X₁-Х₂-Х₃, на которой могут быть представлены результаты измерений двух различных физических характеристик реальной газовой смеси.

X_1, X₂ или Х₃ могут быть сопоставлены любому соединению, входящему в состав газа, например метану, этану или азоту (X₁+X₂+Х₃ =1, или 100%).

Физические характеристики, обозначенные на этой диаграмме через φ₁ и φ₂, соответствуют каждая одному измерению указанных выше физических характеристик. Это означает, что кривая, на которой представлено значение φ₁, которое соответствует, например, скорости распространения звука, равной 300 м/с, представляет бесконечное множество различных трехкомпонентных составов (конкретная смесь трех газов, или трехкомпонентный состав, всегда представлена на этой диаграмме одной точкой).

В действительности существует множество различных газовых смесей, которые обладают одинаковым значением скорости распространения звука или одной и той же величиной теплопроводности. Принимая во внимание, что каждая смесь, состоящая из трех соединений, представлена одной точкой на равностороннем треугольнике (трехкомпонентной диаграмме), в итоге получается бесконечное множество точек, представляющих одно и то же значение данной физической характеристики (скорость распространения звука, вязкость, теплопроводность и т.д.)

Пересечение двух изолиний, каждая из которых соответствует постоянному значению данной физической характеристики (т.е. постоянным значениям φ₁ и φ₂, характеризует единственный трехкомпонентный состав из бесконечного множества составов, описываемых каждой из двух кривых, соответствующих значениям φ₁ и φ₂.

Пересечение двух прямых, которые соответствуют двум измеренным физическим свойствам, представляет единственный состав трехкомпонентной смеси.

В более общем случае, если варьировать физические характеристики φ₁ и φ₂ таким образом, чтобы перекрыть всю совокупность газов, подлежащих рассмотрению (например, совокупность природных газов), то при этом образуется сеть прямых, почти параллельных между собой, соответствующих различным значениям физической характеристики φ₁.

Пересечение между двумя сетями прямых, каждая из которых соответствует различным значениям φ₁ и φ₂, представляет собой бесконечное множество точек, которые полностью описывают трехкомпонентную диаграмму.

Было обнаружено, что возможным является связать коэффициенты a₁ и b₁ этих сетей прямых с физическими свойствами φ₁, φ₂ и температурой.

Затем указанные прямые видоизменяются, с тем, чтобы они были применимы для треугольной области (указанные коэффициенты выражаются в функциональной зависимости от X₁, X₂ и Х₃).

Наконец, с целью охарактеризовать всю совокупность, описываемую трехкомпонентной диаграммой, содержание каждого соединения, входящего в состав трехкомпонентного газа, представлено в функциональной зависимости от физических характеристик (X₁, Х₂ и Х₃ представлены в функциональной зависимости от коэффициентов, которые, в свою очередь, зависят от физических характеристик и от температуры).

X₁=f₁(X₁₀,φ₁,φ₂,T)

X₂=f₂(X₂₀,φ₁,φ₂,T)

X₃=1-X₁-X₂

φ₁ и φ₂ обозначают здесь две физические характеристики, используемые для определения любого газового триплета исходя из вышеприведенных уравнений; X₁, X₂ и Х₃ обозначают содержание каждой из трех составных частей трехкомпонентного газа; Х₁₀ соответствует нижнему пределу координатной оси X₁ (0,4 на Фиг.1 слева), a X₂₀ соответствует нижнему пределу значений, представленных на координатной оси Х₂ (0,2 на Фиг.1 слева).

Соотношения, описывающие триплет X₁, X₂ и Х₃, характеризуют всю трехкомпонентную диаграмму в целом. Они зависят от разновидности рассматриваемого газа, (природный газ, биогаз или газ, полученный в результате газификации), существует особая диаграмма, характеризующая биогаз, так же как существует и другая особая диаграмма, характеризующая природный газ, принимая во внимание, что X₁, X₂, Х₃ и границы неодинаковы для различных разновидностей рассматриваемого газа.

На основании определенных таким образом трехкомпонентных диаграмм специалист в данной области легко может определить соотношения, в результате которых получаются X₁, X₂ и Х₃, при использовании обычных средств моделирования.

На Фиг.2 представлен пример трехкомпонентной диаграммы X₁-Х₂-Х₃, на которой могут быть представлены результаты измерений двух различных физических характеристик. Сверх того, в этой диаграмме указано содержание четвертого компонента X₄ (X₁≡СН₄, X₂≡С₂Н₆, Х₃≡С₃N₈, а Х₄≡N₂).

Этот компонент не указан на диаграмме, несмотря на то, что он реален. Вместо этого сумма долей соединений, которые представлены на диаграмме, равна не 1, а 1-Х₄.

Эта новая диаграмма представляет эквивалентные четырехкомпонентные соединения.

Для того чтобы охарактеризовать трехкомпонентную диаграмму в целом, каждое из трех соединений в конечном виде представлено в функциональной зависимости от физических характеристик и от четвертой составляющей Х₄ (X₁, X₂ и Х₃ выражены в функциональной зависимости от коэффициентов, которые, в свою очередь, зависят от физических характеристик и от температуры).

X₁=f₁(X₁₀,φ₁,φ₂,X₄,T)

X₂=f₂(X₂₀,φ₁,φ₂,X₄,T)

X₃=1-X₁-X₂-X₄

φ₁ и φ₂ обозначают здесь две физические характеристики, используемые для определения любого газового триплета исходя из вышеприведенных уравнений; X₁, Х₂ и Х₃ обозначают содержание каждой из трех составных частей трехкомпонентного газа; Х₁₀ соответствует нижнему пределу координатной оси X₁, а Х₂₀ соответствует нижнему пределу значений, представленных на координатной оси Х₂.

Сам факт добавления зависимой переменной Х₄ требует измерения третьей физической характеристики, чувствительной к изменению Х₄. Такая физическая характеристика должна быть легкой для измерения.

Соотношения, определяющие квадруплет X₁, Х₂, Х₃ и Х₄, характеризуют совокупность значений, укладывающихся в четырехкомпонентную диаграмму. Такие соотношения зависят от разновидности рассматриваемого газа, (природный газ, биогаз или газ, полученный в результате газификации). Они также легко могут быть определены специалистом в данной области при использовании обычных средств моделирования.

Использование четырехкомпонентной диаграммы позволяет увеличить точность расчета таких сложных энергетических характеристик, как метановое число.

Такая модель напоминает предыдущую, но она включает в себя дополнительную зависимую переменную. В действительности, если взять пример природного газа, можно получить трехкомпонентную диаграмму CH₄-C₂H₆-С₃Н₈, в которой коэффициенты а_i и b_i индексируются долей азота в данном газе.

Каждый из коэффициентов зависит от физических характеристик и индексируется долей азота в газе.

Совершенно очевидно, что условием применения этой модели является возможность определения доли азота или же определения доли негорючих примесей в данном газе (азот + двуокись углерода) исходя из третьей физической характеристики. Эта характеристика должна быть чувствительна к изменению содержания азота или негорючих примесей в целом, такой характеристикой является, например, динамическая вязкость, коэффициент оптического преломления и оптическое поглощение в инфракрасной области.

Следуя рассмотренному выше, было обнаружено, что эквивалентный трехкомпонентный состав может быть выведен при помощи нижеследующих уравнений:

X₃=1-X₁-X₂

в которых

- φ₁и φ₂ обозначают две физические характеристики;

- X₁, X₂ и Х₃ обозначают содержание каждой из составных частей трехкомпонентного газа;

- Х₁₀ обозначает нижнюю границу координатной оси X₁;

- Х₂₀ обозначает нижнюю границу координатной оси Х₂;

- a₁, b₁, a₂ и b₂ представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;

(ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁ (Т); φ₂ (Т)) для двух различных физических характеристик либо

(ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁ (T₁); φ₁ (T₂)) для двух значений температуры.

Кроме того, было обнаружено, что эквивалентный четырехкомпонентный состав может быть определен при помощи нижеследующих уравнений:

X₄=f(ϕ₃)

X₃=1-X₁-X₂-X₄

в которых

- φ₁, φ₂ и φ₃ обозначают три физические характеристики;

- X₁, X₂, Х₃ и Х₄ обозначают содержание четырех составных частей четырехкомпонентной газовой смеси;

- Х₁₀ обозначает нижнюю границу координатной оси X₁;

- Х₂₀ обозначает нижнюю границу координатной оси Х₂;

- a₁, b₁, а₂ и b₂ представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;

(ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁ (Т); φ₂ (Т)) для двух различных физических характеристик

либо (ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁(T₁); φ₁ (Т₂)) для двух значений температуры.

Например, измерение двух физических характеристик ϕ₁ и ϕ₂ газовой смеси позволяет определить состав трехкомпонентного эквивалентного газа (n+1=3) путем решения следующей системы уравнений (I):

(1) и (2) - это уравнения линий изохарактеристик на трехкомпонентной диаграмме X₁-X₂-Х₃:

Состав эквивалентного газа можно определить с использованием графического метода. Этот метод основан на определении данных в точке пересечения двух линий изохарактеристик ϕ₁ и ϕ₂ на графике.

Состав эквивалентного газа можно определить с использованием следующих уравнений:

X₃=1-X₁-X₂

Если измерены 3 характеристики, эквивалентный газ имеет 4 компонента. Изохарактеристики, соответствующие трем физическим характеристикам, представлены плоскостями на четырехкомпонентной диаграмме. Система уравнений является следующей:

В общем случае измеряют n физических характеристик ϕ_i. Состав эквивалентного газа определяют путем решения системы из n+1 уравнений, причем каждое из уравнений выражает одну изохарактеристику на диаграмме, имеющей n+1 областей.

Система уравнений является следующей:

Эту систему уравнений также можно записать в виде матрицы:

(IV) ГХ= Ω, где

Если физические характеристики не являются линейными, для решения уравнения (IV) используют цифровой метод, такой как метод Ньютона-Рафсона.

Для специалиста в данной области техники понятно, какой тип уравнений необходимо использовать в зависимости от значения числа n.

Расчет некоторых энергетических характеристик природного газа очевидным образом вытекает из трехкомпонентных или четырехкомпонентных диаграмм. Таковы низшая теплота сгорания газа, коэффициент полноты сгорания или же число Воббе, чрезвычайно важное для газовщиков. Эти характеристики напрямую зависят от состава данного газа. Метановое число также зависит от состава, но косвенным образом. Однако для его расчета можно использовать расчетную программу типа AVL.

Таким образом, оказывается возможным применить датчик, позволяющий отслеживать изменения низшей теплоты сгорания, коэффициента полноты сгорания и числа Воббе в природном газе или в любом другом газе (биогазе, газе, получаемом в результате газификации), исходя из простого измерения двух различных физических характеристик. Возможно также определение метанового числа в этих газах.

В случае природного газа и биогаза измерение теплопроводности на двух температурных уровнях позволяет с хорошей точностью определять изменения низшей теплоты сгорания этих газов на вышеописанной трехкомпонентной или четырехкомпонентной диаграмме.

Кроме того, трехкомпонентный или четырехкомпонентный состав, соответствующий описываемому способу, можно получить посредством измерения коэффициента оптического преломления в сочетании с измерением теплопроводности или скорости распространения звука. Исходя из этого состава можно определить такие энергетические характеристики, как метановое число, низшую теплоту сгорания или число Воббе.

Измерение вязкости газа в сочетании с любой другой физической характеристикой является в высшей степени адекватным при этой методологии.

Таким образом, предметом настоящего изобретения также является устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, при этом указанное устройство включает в себя:

- по меньшей мере, n датчиков, предназначенных для измерения физических характеристик φ_i;

- электронный модуль, предназначенный для определения состава эквивалентного трехкомпонентного или четырехкомпонентного газа и искомых энергетических характеристик.

Выбор физических характеристик зависит от типа трехкомпонентной диаграммы и от того, насколько сильно или слабо эти характеристики взаимозависимы.

Способ в соответствии с настоящим изобретением применим ко всем природным газам различного происхождения. Это демонстрируют результаты, приведенные на Фиг.3, которые представляют энергетические характеристики (низшая теплота сгорания PCI, число Воббе и коэффициент полноты сгорания PCO), реальные и полученные в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, для природных газов, обладающих следующим составом:

Таблица Состав природных газов
	Франция	Алжир	Северная Америка (4)	Норвегия	Россия(6)	Голландия
Лак(1)	Скикда (2)	Арзев (3)		Экофиск (5)		Гронинген (7)
СН4	97,3	91,2	88,6	94,69	88,2	96,2	83,5
С2Н6	2,1	6,5	8,2	2,58	5,4	1,2	3,6
С3Н8	0,2	1,1	2	0,2	1,2	0,3	0,7
С4Н10	0,1	0,2	0,6	0,06	0,4	0,1	0,2
C5H12	0	0	0	0,03	0,2	0,1	0,1
N2	0,3	1	0,6	1,63	3,2	1,8	10,8
CO2	0	0	0	0,81	1,4	0,3	1,1

Используемый в этих исследованиях трехкомпонентный газ представлял собой газовую композицию вида CH₄-С₂Н₆-С₃Н₈ и CH₄-С₂Н₆-N₂, а физические характеристики φ₁ и φ₂ представляли собой соответственно:

- теплопроводность и коэффициент оптического преломления для трехкомпонентного газа CH₄- C₂H₆-C₃H₈;

- теплопроводность и коэффициент оптического преломления или скорость распространения звука и коэффициент оптического преломления для трехкомпонентного газа CH₄-С₂Н₆- N₂.

Способ, соответствующий настоящему изобретению, позволяет определять физические характеристики газовой смеси со средним отклонением порядка 1%.

1. Способ определения, по меньшей мере, одной энергетической характеристики горючей газовой смеси, отличающийся тем, что он включает в себя

1) измерение для указанной газовой смеси n физических характеристик φ_i при температуре Т и/или одной физической характеристики φ_i при n различных температурах,

2) определение исходя из указанных физических характеристик состава газа, эквивалентного указанной смеси, включающего в себя n+1 компонент,

3) выведение энергетических характеристик указанной газовой смеси из указанного известного состава эквивалентного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор физических характеристик φ_i осуществляют среди следующих характеристик: скорость распространения звука, теплопроводность, динамическая вязкость, плотность, коэффициент оптического преломления, диэлектрическая проницаемость, оптическое поглощение в инфракрасной области.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что компоненты, входящие в состав эквивалентного газа, выбирают среди следующих веществ: метан, насыщенные углеводороды, содержащие от 2 до 5 атомов углерода, азот, негорючие газы, водород или моноокись углерода.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эквивалентный газ представляет собой трехкомпонентный газ, состоящий из метана и двух насыщенных углеводородов, содержащих от 2 до 5 атомов углерода, или из метана, одного насыщенного углеводорода, содержащего от 2 до 5 атомов углерода, и азота или негорючих газов.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эквивалентный газ представляет собой четырехкомпонентный газ, состоящий из метана, двух насыщенных углеводородов, содержащих от 2 до 5 атомов углерода, и азота или негорючих газов.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что выбор физических характеристик ϕ₁ и ϕ₂ осуществляют соответственно из числа следующих характеристик: динамическая вязкость и теплопроводность, теплопроводность при двух значениях температуры T₁ и Т₂, коэффициент оптического преломления и теплопроводность, скорость распространения звука и коэффициент оптического преломления.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что до осуществления этапа (1) производят калибрование, заключающееся либо в выполнении серии измерений физических характеристик φ_i эквивалентного газа, состав которого известен, причем количество соединений, входящих в его состав, равно n+1, либо в применении численного метода, и определяют соотношение между указанными физическими характеристиками такого эквивалентного газа и содержанием в нем каждой из составных частей.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что состав эквивалентной трехкомпонентной газовой смеси определяют по трехкомпонентной диаграмме при помощи следующих уравнений:

X₃=1-X₁-X₂,

в которых ϕ₁ и ϕ₂ обозначают две физических характеристики;

X₁, Х₂ и Х₃ обозначают содержание каждой из составных частей трехкомпонентного газа;

Х₁₀ обозначает нижнюю границу координатной оси X₁;

Х₂₀ обозначает нижнюю границу координатной оси Х₂;

a₁, b₁, а₂ и b₂ представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;

(ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁(T); φ₂(Т)) для двух различных физических характеристик, либо

(ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁(T₁); φ₁(Т₂)) для двух значений температуры.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что состав эквивалентной четырехкомпонентной газовой смеси определяют при помощи следующих уравнений:

X₄=f(ϕ₃);

X₃=1-X₁-X₂-X₄,

в которых ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃ обозначают три физических характеристики;

X₁, Х₂, Х₃ и Х₄ обозначают содержание четырех составных частей четырехкомпонентной газовой смеси;

Х₁₀ обозначает нижнюю границу координатной оси X₁;

Х₂₀ обозначает нижнюю границу координатной оси Х₂;

a₁, b₁, a₂ и b₂ представляют собой коэффициенты, которые зависят от физических характеристик;

(ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁(T); φ₂(Т)) для двух различных физических характеристик, либо

(ϕ₁; ϕ₂)=(φ₁(T₁); φ₁(Т₂)) для двух значений температуры.

10. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют определение метанового числа, числа Воббе, низшей теплоты сгорания или коэффициента полноты сгорания.

11. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовую смесь выбирают среди природных газов, биогаза или газов, получаемых посредством газификации.

12. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовая смесь представляет собой природный газ или биогаз.