ES2228721T3 - Procedimiento y dispositivo para determinar la constitucion gaseosa de un gas natural. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para determinar la constitucion gaseosa de un gas natural.Info
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Abstract
Procedimiento para determinar la constitución gaseosa de un gas combustible, en especial de gas natural, según el cual a) al menos una parte del gas combustible se expone a una radiación ultrarroja y, para dos longitudes de onda o zonas espectrales diferentes, se mide la proporción de radiación infrarroja absorbida en cada caso por el gas combustible, b) se mide la conductividad térmica, y c) a partir de los tres valores de medición se determina por cálculo la constitución del gas.
Description
Procedimiento y dispositivo para determinar la
constitución gaseosa de un gas natural.
El invento se refiere a un procedimiento y a un
dispositivo para determinar la constitución gaseosa de un gas
combustible. Por constitución gaseosa se entiende la composición
del gas, el valor calorífico, el número de Wobbe o,
respectivamente, índice de Wobbe, la densidad normal y el índice de
metano.
El valor calorífico puede ser el valor calorífico
molar, el valor calorífico referido a la masa o referido al
volumen. Por razones de facturación, el valor calorífico de gas
natural tiene que ser medido al transferirlo del suministrador al
cliente. En estaciones de transferencia, por ejemplo entre dos
empresas de distribución de gas, el valor calorífico se determina
en la práctica mediante calorímetros o cromatógrafos de gases. En
el procedimiento citado en último lugar se analiza la composición
del gas. A partir de la composición del gas se pueden determinar
después, con el valor calorífico de las sustancias puras, el valor
calorífico del gas combustible. Con contadores de gas, en especial
con contadores de rodete de turbina, se mide el caudal volumétrico.
El caudal volumétrico, con ayuda del índice de compresibilidad, se
ha de convertir de estado de servicio a estado normal. El índice de
compresibilidad se puede calcular según el conocido procedimiento
SGERG (ISO 12213) a partir del valor calorífico, de la densidad
normal y de la proporción de CO_{2}. Si el valor calorífico se
determina mediante calorímetro, entonces han de medirse
adicionalmente la densidad normal y la proporción de CO_{2}. Si se
emplea un cromatógrafo de gases, entonces la densidad normal y la
proporción de CO_{2} se pueden calcular a partir de la
composición del gas. La cantidad de energía resulta después del
producto del valor calorífico por el caudal volumétrico normal.
Los procedimientos para determinar el valor
calorífico mediante calorímetros o cromatógrafos de gases
proporcionan muy buenos resultados, pero técnicamente son
complicados y ocasionan costes de inversión y de mantenimiento muy
elevados. Para distintas aplicaciones industriales, en especial
para fines de regulación, este tipo de procedimientos son demasiado
complicados y, en lo referente al tiempo de respuesta, demasiado
lentos.
Para fines de facturación en el sector de alta
presión también se conocen procedimientos correlativos para
determinar el valor calorífico o, respectivamente, la cantidad de
energía. En estos procedimientos correlativos se miden varias
magnitudes físicas o químicas y se calcula el valor calorífico.
De los documentos DE 197 36 528 y DE 198 08 533
se conocen procedimientos correlativos, en los cuales como
magnitudes de partida se miden, entre otras, la velocidad del
sonido y la constante dieléctrica del gas combustible. A partir de
estas señales de medida se calcula el valor calorífico o la
composición del gas.
La velocidad del sonido se puede tomar de un
caudalímetro volumétrico de ultrasonidos. Sin embargo, tales
contadores, que predominantemente se emplean a presión elevada, son
relativamente caros. Caudalímetros volumétricos de ultrasonidos más
baratos fueron desarrollados para el sector doméstico. Sin embargo,
hasta el momento, estos contadores no se pudieron acreditar en el
comercio frente a los convencionales contadores de gas de fuelle.
Según esto, es cuestionable la disponibilidad futura del contador
de ultrasonidos como contador doméstico. La constante dieléctrica
se ha de determinar con un aparato de medida diseñado especialmente
para este fin. Por consiguiente, el coste del dispositivo técnico
de medición es relativamente grande.
El conocimiento de las magnitudes constitutivas
del gas, en especial del valor calorífico o del número de Wobbe, es
también necesario para distintas aplicaciones industriales, en
especial para fines de regulación.
El número de Wobbe o, respectivamente, índice de
Wobbe es el cociente del valor calorífico referido a volumen, y la
raíz cuadrada de la densidad relativa del gas. El índice de Wobbe
se emplea en la industria para la regulación o, respectivamente,
para mantener la constancia del aporte de cantidades de energía a
instalaciones de consumo de gas. No se dispone por el momento de un
procedimiento correlativo sencillo para este tipo de fines.
Por densidad normal se entiende la densidad
normal referida a la masa y la densidad normal molar. En la
práctica se utiliza por lo regular la densidad normal referida a la
masa, en especial para calcular el índica de compresibilidad.
El número de metano es una importante magnitud de
identificación en relación con los motores de gas. El número de
metano es una medida de la resistencia antidetonante de los
combustibles gaseosos. El número de metano indica la proporción
porcentual de metano de una mezcla de metano/hidrógeno, la cual en
un motor de ensayo bajo condiciones límite definidas presenta el
mismo poder detonante que el gas a examinar. Si, por ejemplo, un
gas natural posee un número de metano de 85, quiere decir que bajo
determinadas condiciones motrices este gas natural presenta el
mismo poder detonante que una mezcla de 85% de metano y 15% de
hidrógeno. Conociendo el número de metano se puede evitar con las
correspondientes medidas el indeseado golpeteo del motor de los
motores de émbolo que funcionan con gas natural.
Un procedimiento para la determinación del número
de metano se conoce del documento
DE-A-19650302. El gas combustible se
expone a una radiación infrarroja. Mediante un detector de
radiación se mide la proporción de radiación infrarroja absorbida
por la mezcla gaseosa y, a partir de ella, se determina el número
de metano del gas combustible.
La determinación del número de metano se efectúa
a través de un filtro óptico, el cual capta una sección del
espectro de absorción, en la cual los hidrocarburos contribuyen en
la absorción en una proporción en peso, la cual es aproximadamente
proporcional al número de metano del gas natural. El procedimiento
se puede trasladar a la práctica de manera relativamente sencilla,
porque de una parte los componentes de los correspondientes sensores
de infrarrojos se pueden adquirir baratos en el comercio y, de otra
parte, los detectores de infrarrojos proporcionan una señal de
medición muy precisa y poseen una buena utilidad práctica.
Una determinación del valor calorífico de gases
naturales mediante la absorción infrarroja no se podía realizar
técnicamente con los procedimientos conocidos hasta el momento. Los
distintos gases naturales, junto a hidrocarburos tales como metano,
etano, etc., pueden contener también nitrógeno. En función del
espectro de absorción filtrado, la señal del infrarrojo reacciona de
modo muy sensible a las proporciones de hidrocarburos y a la
proporción de dióxido de carbono, pero no a la proporción de
nitrógeno. Esto conduce a inexactitudes de medición no aceptables,
puesto que la proporción de nitrógeno en el gas natural está
sometido a grandes oscilaciones y tiene una gran influencia sobre el
valor calorífico.
Por consiguiente, es misión del invento poner a
disposición un procedimiento para determinar de forma no
combustible la constitución del gas, en especial del valor
calorífico, el número de Wobbe y el número de metano de un gas
combustible, el cual de una parte se pueda realizar de modo sencillo
y, de otra, ofrezca una suficiente exactitud para los fines de
facturación y de regulación. Además, es misión del invento crear
una disposición de medición sencilla y aplicable prácticamente.
En el procedimiento para determinar la
constitución del gas conforme al invento, al menos una parte del
gas combustible se expone a una radiación infrarroja y, para dos
longitudes de onda o zonas espectrales diferentes, se mide la
proporción de radiación infrarroja absorbida en cada caso por el gas
combustible, preferentemente en cada caso con un sensor de
infrarrojos. Por longitud de onda se entiende la longitud de onda
central. La zona espectral se caracteriza por la longitud de onda
central y la anchura del valor medio. Adicionalmente, con un sensor
para la conductividad térmica se mide la conductividad térmica. A
partir de las señales de los sensores de infrarrojos, es decir de
los dos valores de medición de la proporción de radiación infrarroja
absorbida por el gas combustible y la señal del sensor de
conductividad térmica, se determina por cálculo la constitución del
gas.
Las longitudes de onda o zonas espectrales se
eligen de tal modo, que las proporciones de los componentes
individuales del gas combustible se traducen en diferente
proporción en peso sobre las partes absorbidas detectadas.
Con uno de los sensores de infrarrojos se
determina directamente la proporción de dióxido de carbono en el
gas natural. Este sensor trabaja preferentemente en una longitud de
onda de 4,3 \mum.
El segundo sensor de infrarrojos, que trabaja
preferentemente en una longitud de onda de 3,5 \mum, detecta los
hidrocarburos en el gas natural. La longitud de onda se eligió de
este modo para que el sensor muestre una sensibilidad referente a
los hidrocarburos, lo mayor posible.
La conductividad térmica muestra, por el
contrario, una fuerte sensibilidad frente al nitrógeno.
Los distintos sensores proporcionan así tres
señales, las cuales reaccionan de modo muy diferente a los
distintos componentes o, respectivamente, grupos de componentes y,
con ello, no correlacionan entre sí. Este comportamiento, que se
muestra también en la representación gráfica en la Fig. 7, es la
premisa fundamental para que el procedimiento conforme al invento
proporcione una elevada exactitud para una gran número de gases
naturales. Con tan solo mediciones por infrarrojos, que no
manifiestan sensibilidad alguna o, respectivamente, sólo una escasa
sensibilidad, frente al nitrógeno, no se puede alcanzar una
exactitud de este tipo.
Por el procedimiento descrito se abarcan
simultáneamente las distintas aplicaciones anteriormente descritas
para determinar la constitución del gas, es decir la medición de la
energía (valor calorífico, densidad normal, proporción de
CO_{2}), y el control del proceso (número de Wobbe/número de
metano). La exactitud alcanzable es comparable con la exactitud de
los calorímetros o cromatógrafos de proceso empleados para la
facturación. Además, en este caso, el procedimiento descrito es
sensiblemente más económico y requiere claramente menos costes de
mantenimien-
to.
to.
En principio, para la determinación de las
diferentes magnitudes de medida se pueden utilizar distintos tipos
de sensores. No obstante, cada tipo de sensor suministra en cada
caso valores de medida típicamente específicos. Por medio de
ensayos se encontró, ahora, que a partir de las señales de los
sensores se puede deducir una sencilla correlación con la
constitución del gas. Para el establecimiento de la correlación se
aprovechan en especial diferentes relaciones empíricas, las cuales
se pudieron obtener mediante mediciones de laboratorio en metano,
así como en una serie de gases naturales. De una parte se
estableció la relación funcional entre el valor calorífico H_{CH}
de los hidrocarburos y el cociente entre la absorción infrarroja A
y la proporción x_{CH} de los hidrocarburos.
Además, se dio por sabido que la conductividad
térmica \lambda_{CH} del gas de hidrocarburos es una función
del cociente entre la absorción infrarroja A y la proporción
x_{CH} de los hidrocarburos. De manera parecida, se reconoció la
relación funcional entre la densidad normal molar \rho_{mn,CH} y
el cociente entre la absorción infrarroja A y la proporción
cuantitativa x_{CH} de los hidrocarburos.
Las líneas características para un determinado
tipo de sensor han de tomarse una sola vez. Para el calibrado
posterior basta un examen puntual con un gas puro tal como, por
ejemplo, metano.
La exactitud del procedimiento se puede
incrementar, si adicionalmente la parte de radiación infrarroja
absorbida por el gas combustible se determina en otra longitud de
onda central de 7,9 \mum. En esta longitud de onda el sensor
reacciona de modo particularmente sensible a la proporción de metano
en el gas combustible. Además, con esta medición adicional existe
la posibilidad de establecer un redundante sistema para fines de
ensayo.
Preferentemente, la proporción de radiación
infrarroja, así como la conductividad térmica se toman, bajo
condiciones de referencia, en un ámbito de medición común.
En la etapa a) o b) se toman preferentemente la
temperatura y la presión o se mantienen constantes.
El invento se caracteriza, además, porque la
constitución del gas se calcula en la etapa c) según las fórmulas
(13), (6), (4), (5), (9), (10), (1), (11), (12), (2) y (3) conforme
a la Fig. 2 o según las fórmulas (13), (6), (4), (7), (14.1- 14.9),
(15) conforme a la Fig. 3.
Las fórmulas (6), (9) y (7) mencionadas en el
primer ejemplo de realización contienen los coeficientes a_{0},
a_{1}, a_{2}, b_{0}, b_{1}, b_{2} y c_{0}, c_{1},
c_{2} que se determinan una sola vez a partir de los valores de
medida tomadas en base de las etapas a) y b) del procedimiento, en
gases de referencia de composición gaseosa o, respectivamente,
constitución gaseosa, conocidas.
Habitualmente, se miden para ello tres o más
gases de referencia. La determinación de los coeficientes se
efectúa después por adaptación a los gases de referencia
minimizando por regresión lineal el cuadrado de la suma de los
errores. Este calibrado de base se lleva a cabo una sola vez para un
aparato. Para un calibrado posterior es suficiente llevar a cabo
una medición con sólo un gas de referencia, por ejemplo con metano
puro (calibrado de un solo punto). En este calibrado de un solo
punto se adaptan después solamente los coeficientes a_{0},
b_{0} y c_{0}.
El invento comprende, además, un procedimiento
para determinar la cantidad de energía de un gas combustible, en
especial de gas natural, caracterizado porque se determina el valor
calorífico, el gas combustible se hace pasar a través de un
caudalímetro y se mide el caudal volumétrico.
El invento concierne, además, a un dispositivo
para determinar la constitución gaseosa de un gas combustible, en
especial de gas natural, caracterizado porque el gas natural se
lleva a una disposición de sensores, la cual se compone
esencialmente de una fuente de radiación de rayos infrarrojos y, al
menos, de dos detectores de radiación subordinados a la fuente de
radiación, así como de un sensor para detectar la conductividad
térmica, y porque las señales de la disposición de sensores se
trasladan a una unidad de evaluación, en la cual, mediante una
correlación, se determina la constitución del gas.
Preferentemente, a cada detector de radiación se
le adjudica un filtro óptico, el cual se elige de tal modo que, de
una parte se detecta la proporción de hidrocarburos,
preferentemente en una longitud de onda de 3,5 \mum y, de otra
parte se detecta la proporción de dióxido de carbono,
preferentemente en una longitud de onda de 4,3 \mum, así como
preferentemente la proporción de metano, preferentemente en una
longitud de onda de 7,9 \mum.
Es particularmente ventajoso que para las
mediciones se puedan emplear sensores habituales en el comercio. Los
sensores se fabrican en serie en un gran número de piezas y, por
ello, son muy baratos y fiables. Además, los sensores son muy
compactos, de modo que se pueden alojar sin problemas en una carcasa
común, por ejemplo en un alojamiento de 19''. Puesto que los
sensores son atravesados por el fluido directamente y puesto que
poseen, además, un volumen muy pequeño, el tiempo de respuesta es
extremadamente breve, lo cual tiene gran importancia sobre todo en
el caso de la regulación de procesos de combustión.
Con ayuda de los dibujos adjuntos, el invento se
ilustra a continuación con más detalle por medio de dos ejemplos de
realización preferidos. En el primer ejemplo de realización, a
partir de las magnitudes de medida se calculan las necesarias
magnitudes de identificación de la constitución del gas según las
ecuaciones desarrolladas especialmente para este fin. En el segundo
ejemplo de realización, en una etapa intermedia se computa el
análisis de gases de un total de 12 componentes. A partir de este
análisis de gases se deducen después las necesarias magnitudes de
identificación de la constitución del gas según procedimientos de
cálculo conocidos.
En el dibujo se muestra en
Fig. 1.a el valor calorífico molar H_{CH} del
gas de hidrocarburos como función del cociente entre la absorción
infrarroja A y la proporción x_{CH} de los hidrocarburos para 8
gases naturales de origen natural, así como para metano;
Fig. 1.b la conductividad térmica
\lambda_{CH} del gas de hidrocarburos como función del cociente
entre la absorción infrarroja A y la proporción x_{CH} de los
hidrocarburos para 8 gases naturales de origen natural, así como
para metano;
Fig. 1.c la densidad normal molar
\rho_{mn,CH} del gas de hidrocarburos como función del cociente
entre la absorción infrarroja A y la proporción x_{CH} de los
hidrocarburos para 8 gases naturales de origen natural, así como
para metano;
Fig. 1.d la masa molar M_{CH} del gas de
hidrocarburos como función del valor calorífico molar H_{CH} del
gas de hidrocarburos para 17 gases naturales de origen natural, así
como para metano;
Fig. 2 un primer ejemplo de realización de un
proceso de cálculo para determinar las magnitudes de identificación
de la constitución del gas (valor calorífico, número de Wobbe,
densidad normal, número de metano) a partir de la conductividad
térmica \lambda, de la proporción de dióxido de carbono x_{CO2},
que resulta directamente de la medición de la absorción infrarroja
en una longitud de onda de 4,3 \mum, y de la absorción infrarroja
de los hidrocarburos A;
Fig. 3 un segundo ejemplo de realización de un
proceso de cálculo para determinar la composición del gas y las
magnitudes de identificación de la constitución del gas (valor
calorífico, número de Wobbe, densidad normal, número de metano) a
partir de la conductividad térmica \lambda, de la proporción de
dióxido de carbono x_{CO2}, que resulta directamente de la
medición de la absorción infrarroja en una longitud de onda de
aproximadamente 4,3 \mum, y de la absorción infrarroja de los
hidrocarburos A;
Fig. 4.a una comparación de las magnitudes de
identificación de la constitución del gas (valor calorífico, número
de Wobbe, densidad normal, número de metano) que se determinaron
según el procedimiento conforme al invento (primer ejemplo de
realización), con valores que se dedujeron del análisis
cromatográfico de gases;
Fig. 4.b una comparación de las magnitudes de
identificación de la constitución del gas (valor calorífico, número
de Wobbe, densidad normal, número de metano) que se determinaron
según el procedimiento conforme al invento (segundo ejemplo de
realización), con valores que se dedujeron del análisis
cromatográfico de gases;
Fig. 5 los resultados de un ensayo de campo. Se
representa el valor calorífico que se mide, de una parte con el
dispositivo conforme al invento y, de otra, con el calorímetro
durante un espacio de tiempo de un mes;
Fig. 6 una vista esquemática de una disposición
de medición para determinar la constitución de gases naturales;
Fig. 7 un diagrama con la representación del
valor calorífico, así como de las señales para un combustible, por
ejemplo de tres componentes, compuesto por metano (CH_{4}), etano
(C_{2}H_{6}) y nitrógeno (N_{2}).
Primer ejemplo de
realización
A continuación, como primer ejemplo de
realización se describe el proceso de cálculo o, respectivamente, el
procedimiento de correlación según la Fig. 2.
Como magnitudes de partida se midieron la
conductividad térmica \lambda, la proporción de dióxido de
carbono x_{CO2} que resulta directamente de la medición de la
absorción infrarroja en una longitud de onda de aproximadamente 4,3
\mum, y la absorción infrarroja de los hidrocarburos A.
El valor calorífico volumétrico H_{s} resulta
del producto del valor calorífico molar H_{s,m} por la densidad
normal molar \rho_{mn}.
(1)H_{s} =
H_{s,m}\cdot\rho_{mn}
La densidad normal \rho_{n} referida a la
masa resulta del producto de la densidad normal molar \rho_{mn}
por la masa molar M.
(2)\rho_{n} =
\rho_{mn}\cdot
M
El número de Wobbe resulta del cociente entre el
valor calorífico H_{s} y la raíz de la densidad relativa. La
densidad relativa es el cociente entre la densidad normal del gas
en cuestión y la densidad normal del aire.
(3)W_{s}
=\frac{H_{s}}{\sqrt{d}} =
\frac{H_{s}}{\sqrt{\rho_{n}/\rho_{n,Luft}}} \ (\rho_{n,Luft} =
1.292923 \
Kg/m^{3})
El gas natural se compone esencialmente de
nitrógeno, dióxido de carbono, así como de un gas de hidrocarburos,
designado en lo sucesivo con CH, el cual se compone
predominantemente de los alcanos metano a octano. Puesto que la
proporción de nitrógeno y la proporción de dióxido de carbono no
aportan nada al valor calorífico, el valor calorífico molar
H_{s,m} del gas natural resulta de la proporción x_{CH} y del
valor calorífico H_{CH} (H_{CH} =
\Sigmax_{CHi}\cdotH_{CHi}) del gas de hidrocarburos:
(4)H_{s,m} =
X_{CH}\cdot
H_{CH}
\newpage
La suma de las proporciones de nitrógeno, dióxido
de carbono y gas de hidrocarburos es uno (x_{N2} + x_{CO2} +
x_{CH} = 1).
Por consiguiente, la proporción de nitrógeno
resulta ser:
(5)X_{N2} =
1-X_{CH}-X_{CO2}
Tal como se representa en la Fig. 1.a, el valor
calorífico molar del gas de hidrocarburos H_{CH} se puede
representar como función del cociente entre la absorción infrarroja
de los hidrocarburos A y la proporción de los hidrocarburos
x_{CH}.
(6)H_{CH} =
a_{0} + a_{1} \cdot (A/x_{CH}) + a_{2}\cdot
(A/x_{CH})^{2}
Este comportamiento se puede explicar por el
hecho de que las proporciones de los alcanos en el gas natural
están sometidas a una distribución homogénea. La absorción
infrarroja A en la ecuación (6) se mide con el sensor de infrarrojos
en la longitud de onda de 3,5 \mum.
De manera parecida se puede representar también
la conductividad térmica \lambda_{CH} del gas de hidrocarburos
como función del cociente (A/x_{CH}). Esta relación se representa
en la Fig. 1.b.
(7)\lambda_{CH}=C_{0} +
c_{1}\cdot (A/x_{CH}) + c_{2}\cdot
(A/x_{CH})^{2}
La conductividad térmica \lambda del gas
natural se puede representar en función de las proporciones
x_{N2}, x_{CO2} y x_{CH} tal como sigue.
(8)\lambda=x_{N2}\cdot\lambda_{N2}
+ x_{CO2}\cdot\lambda_{CO2} +
x_{CH}\cdot\lambda_{CH}
Los valores de las conductividades térmicas de
las sustancias puras \lambda_{N2} y \lambda_{CO2} se pueden
tomar de la bibliografía.
De manera parecida se puede representar también
la densidad normal molar \rho_{mn,CH} del gas de hidrocarburos
como función del cociente (A/x_{CH}). Esta relación se representa
en la Fig. 1.c.
(9)\rho_{mn,CH}=b_{0} +
b_{1}\cdot (A/x_{CH}) + b_{2}\cdot
(A/x_{CH})^{2}
La densidad normal molar \rho_{mn} del gas
natural se puede representar en función de las proporciones
x_{N2}, x_{CO2} y x_{CH} tal como sigue.
(10)\rho_{mn}=x_{N2}\cdot\rho_{mn,N2}+x_{CO2}\cdot\rho_{mn,CO2}+x_{CH}\cdot\rho_{mn,CH}
Los valores de las densidades normales molares de
las sustancias puras \rho_{mn,N2} y \rho_{mn,CO2} se pueden
tomar de la bibliografía.
La masa molar M_{CH} del gas de hidrocarburos
se puede representar como función del valor calorífico molar
H_{CH} del gas de hidrocarburos. Esta relación se representa en
la Fig. 1.d.
(11)M_{CH} =
d_{0} + d_{1}\cdot H_{CH}+d_{2}\cdot
(H_{CH})^{2}
La masa molar M del gas natural se puede
representar en función de las proporciones x_{N2}, x_{CO2} y
x_{CH} tal como sigue.
(12)M =
x_{N2}\cdot M_{N2}+x_{CO2}\cdot M_{CO2}+x_{CH}\cdot
M_{CH}
Los valores de las masas molares de las
sustancias puras M_{N2} y M_{CO2} se pueden tomar de la
bibliografía.
Sustituyendo la ecuación (5) y la ecuación (7) en
la ecuación (8), y despejando x_{CH}, se puede deducir
directamente la proporción de los gases de hidrocarburos x_{CH} a
partir de las magnitudes de medida \lambda, x_{CO2} y A.
\newpage
X_{CH} =
\sqrt{\frac{1}{4}\left[\frac{c_{1}\cdot A-\lambda+x_{CO2}
(\lambda_{CO2}-\lambda_{N2})+\lambda_{N2}}{c_{0}-\lambda_{N2}}\right]^{2}
- \frac{c_{2}\cdot A^{2}}{(c_{0}-\lambda_{N2})}} -
\frac{1}{2}\cdot\frac{c_{1}\cdot A-\lambda+x_{CO2} (\lambda_{CO2}-
\lambda_{N2})+\lambda_{N2}}{c_{0}-\lambda_{N2}}
\hskip0,8cm(13)
Después, a partir de la proporción de los gases
de hidrocarburos y utilizando la ecuación (6) se puede calcular el
valor calorífico H_{CH} del gas de hidrocarburos y, a
continuación, a partir de la ecuación (4), el valor calorífico
molar del gas natural.
La proporción de nitrógeno x_{N2} se puede
determinar, después, a partir de las proporciones x_{CH} y
x_{CO2}, según la ecuación (5).
Aplicando las ecuaciones (9) y (10) se puede
determinar la densidad normal molar \rho_{mn} del gas natural,
y sustituyendo en la ecuación (1) se puede determinar valor
calorífico referido a volumen H_{s} del gas natural.
Aplicando las ecuaciones (11) y (12) se puede
determinar la masa molar M del gas natural, y sustituyendo en la
ecuación (2) se puede determinar la densidad normal referida a la
masa del gas natural.
El número de Wobbe resulta de la ecuación
(3).
Además, de la bibliografía (P. Schley y H.
Friedling: Bestimmung der Methanzahl aus
Gasbeschaffenheitskenngrössen. gwf-Gas/Erdgas 141
(2000) nº 1, págs. 28-33) se conoce un
procedimiento de cálculo, con el cual se puede determinar el número
de metano a partir del valor calorífico H_{s}, de la densidad
normal \rho_{n} y de la proporción x_{CO2}. En la Fig. 2 se
muestra una representación esquemática del proceso de cálculo.
Los coeficientes d_{0}, d_{1}, d_{2} en las
ecuaciones (11) se determinan una sola vez con ayuda del análisis
de varios gases de referencia con composición o, respectivamente,
constitución del gas, conocida. La determinación de los
coeficientes se efectúa por adaptación a los gases de referencia,
minimizando por regresión lineal el cuadrado de la suma de los
errores.
El procedimiento de cálculo descrito contiene,
además, los coeficientes a_{0}, a_{1}, a_{2}, b_{0},
b_{1}, b_{2}, c_{0}, c_{1}, c_{2}, en las ecuaciones (6),
(9) y (7), los cuales se determinan por un único calibrado de base.
El calibrado se efectúa por medición (etapas a) y b) del
procedimiento) en gases de referencia, cuya composición gaseosa o,
respectivamente, constitución gaseosa es conocida. Para ello, se
miden habitualmente tres o más gases de referencia. La
determinación de los coeficientes tiene lugar después por adaptación
a los gases de referencia, minimizando por regresión lineal el
cuadrado de la suma de los errores. Este calibrado de base se lleva
a cabo una única vez para un aparato. Para un calibrado posterior
es suficiente, llevar a cabo una medición con sólo un gas de
referencia, por ejemplo metano puro (calibrado de un punto).
Después, en el caso de este calibrado de un punto, se adaptan sólo
los coeficientes a_{0}, b_{0} y c_{0}.
El procedimiento se ensayó en el laboratorio en
un total de 8 gases naturales diferentes. En la Fig. 4 se
representan las desviaciones porcentuales de las magnitudes de
identificación de la calidad del gas (valor calorífico, número de
Wobbe, densidad normal e índice de metano), determinadas según la
primera forma de realización del procedimiento conforme al invento
y los valores deducidos del análisis cromatográfico de gases. Por
lo regular, las desviaciones del valor calorimétrico son menores
que \pm 0,25%. Sólo en una muestra del gas la desviación es del
0,5%.
La estabilidad a largo plazo se examinó mediante
un ensayo de campo. En este caso, las señales de medida se tomaron
de forma continua y se compararon con un calorímetro, el cual se
emplea para fines de facturación. El resultado se representa en la
Fig. 5 a modo de ejemplo, para un mes. El dibujo muestra que la
coincidencia del valor calorífico deducido de la disposición de
sensores con el valor calorífico medido en el calorímetro es mejor
que 0,2%. Así, los dos procedimientos coinciden dentro de la
incertidumbre de medición del calorímetro (0,3%). Durante todo el
ensayo de campo, el cual se llevó a cabo durante un espacio de
tiempo de seis meses, no se pudo observar ningún error significativo
de la señal de medida.
Segundo ejemplo de
realización
A continuación se describe el proceso de cálculo
o, respectivamente, el procedimiento de correlación según la Fig.
3.
Como magnitudes de partida se midieron la
conductividad térmica \lambda, la proporción de dióxido de
carbono x_{CO2} que resulta directamente de la medición de la
absorción infrarroja en una longitud de onda de aproximadamente 4,3
\mum, y la absorción infrarroja de los hidrocarburos A.
Las primeras etapas de cálculo se efectúan
primeramente de forma análoga al primer ejemplo de realización.
La proporción del gas dióxido de carbono x_{CH}
resulta de la ecuación (13). Realizando las ecuaciones (6) y (4) se
calcula el valor calorimétrico molar del gas natural.
La proporción de nitrógeno x_{N2} se puede
determinar, después, a partir de las proporciones x_{CH} y
x_{CO2} según la ecuación (5).
A partir del valor calorífico H_{CH} y de las
proporciones x_{CH} del gas de hidrocarburos se pueden deducir, a
continuación, las proporciones de cada uno de los alcanos desde
etano a octano.
(14.1)x_{C2H6}
= \{\alpha_{1} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{1}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.2)x_{C3H8}
= \{\alpha_{2} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{2}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.3)x_{n-C4H10}
= \{\alpha_{3} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{3}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.4)x_{i-C4H10}
= \{\alpha_{4} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{4}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.5)x_{n-C5H12}
= \{\alpha_{5} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{5}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.6)x_{i-C5H12}
= \{\alpha_{6} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{6}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.7)x_{n-C6H14}
= \{\alpha_{7} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{7}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.8)x_{n-C7H16}
= \{\alpha_{8} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{8}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
(14.9)x_{n-C8H18}
= \{\alpha_{9} (H_{CH} - H_{CH4})+\beta_{9}
(H_{CH}-H_{CH4})^{2}\}
Los coeficientes \alpha_{1} a \beta_{9}
se determinan una sola vez mediante el análisis de varios gases de
referencia con composición gaseosa o, respectivamente, constitución
gaseosa conocida.
La determinación de los coeficientes se efectúa
por adaptación a los gases de referencia minimizando por regresión
lineal el cuadrado de la suma de los errores.
La proporción de metano resulta después de:
(15)x_{CH4}=x_{CH}-x_{C2H6}-x_{C3H8}-x_{n-C4H10}-x_{i-C4H10}-x_{n-C5H12}-x_{n-
C6H14}-x_{n-C7H16}-x_{n-C8H18}
El análisis de gases de un total de 12
componentes (N_{2}, CO_{2}, 10 alcanos), determinado de este
modo, se puede utilizar ahora para deducir otras magnitudes de
identificación de la constitución del gas tales como, por ejemplo,
el valor calorífico volumétrico H_{s}, el número de Wobbe W_{S},
la densidad normal \rho_{n} o el número de metano MZ. El
cálculo de las magnitudes H_{s}, W_{s} y \rho_{n} se
efectúa según la norma internacional ISO6976. En la Fig. 3 se
indica una representación esquemática del proceso de cálculo.
El procedimiento se ensayó en el laboratorio en
un total de 8 gases naturales diferentes. En la Fig. 4.b se
representan las desviaciones porcentuales de las magnitudes de
identificación de la constitución del gas (valor calorífico, número
de Wobbe, densidad normal e índice de metano), determinadas con la
segunda forma de realización del procedimiento conforme al invento y
los valores deducidos del análisis cromatográfico de gases. Por lo
regular, las desviaciones del valor calorífico son menores que
\pm 0,1%. Sólo en una muestra del gas la desviación es del
0,6%.
En la Fig. 6 se indica una representación
esquemática del dispositivo conforme al invento. Una corriente
parcial del gas natural se extrae de forma continua de una
conducción de transporte principal 1 y, a través de un reductor de
presión 2, se descomprime en una conducción de derivación 3 a
aproximadamente 20-100 mbar, es decir esencialmente
a la presión atmosférica, y se lleva a una disposición de sensores
4. La disposición de sensores 4 se compone esencialmente de una
fuente de radiación de rayos infrarrojos, no representada, y de dos
detectores de radiación 5,6 asignados a la fuente de radiación. Un
tercer sensor 7 mide la conductividad térmica. Los sensores 5, 6, 7
registran continuamente las señales de medición, las cuales son
evaluadas directamente por una unidad de evaluación 8 en un sistema
electrónico (tarjeta impresa convencional).
La temperatura se mide de manera no representada,
de modo que exista la posibilidad de convertir por cálculo los
valores de medición a condiciones de referencia. En el caso de que
la temperatura oscile fuertemente en el entorno de la medición, es
ventajoso ajustar o, respectivamente, regular la temperatura a un
valor, por ejemplo a 50ºC.
En la Fig. 7 se representa gráficamente cómo se
puede determinar el valor calorífico de una mezcla de 3 componentes
a partir de dos magnitudes de partida, a saber la absorción
infrarroja A y la conductividad térmica \lambda, y qué
incertidumbre general resultante se obtiene.
Las abreviaturas en la Fig. 7 se mencionan a
continuación:
- H_{s}
- valor nominal del valor calorífico
- A
- valor nominal de la señal IR
- \lambda
- valor nominal de la conductividad térmica
En la Fig. 7, en el eje de abcisas se indica la
proporción de nitrógeno (x_{N2}) y, en el eje de ordenadas, la
proporción de etano (x_{C2H6}). El tercer componente, no
representado, es metano (x_{CH4}). La proporción de metano
corresponde al resto de la proporción de la mezcla hasta llegar al
100% en moles.
En el diagrama se eligió arbitrariamente como
punto de referencia la composición x_{N2} = 4% en moles y
x_{C2H6} = 6% en moles. Por este punto de referencia se traza una
línea de valor calorífico constante (H_{s} = const.).
Paralelamente a ésta, se han trazado líneas para los valores
caloríficos H_{s}+0,2%, H_{s}+0,4%,... H_{s}+1% o,
respectivamente, H_{s}-0,2%,
H_{s}-0,4%,... H_{s}-1%.
Por el punto de referencia discurren igualmente
líneas para las cuales las magnitudes de partida A y \lambda
asumen valores constantes. Las líneas exteriores, más finas,
reflejan en este caso la banda de incertidumbre de las magnitudes
de partida. La incertidumbre resultante para el valor calorífico
resulta del plano de corte de las bandas de incertidumbre de las
magnitudes de partida (paralelogramo sombreado de la Fig. 7). La
incertidumbre para el valor calorífico es aproximadamente del
0,4%.
Los tres componentes de la mezcla del ejemplo son
los componentes más importantes del gas natural. El gas natural
presenta un gran número de otros componentes. No obstante, los
resultados de las mediciones de una mezcla con más de tres
componentes ya no se pueden representar gráficamente.
La proporción de dióxido de carbono en el gas
natural es escasa y sólo está sometido a escasas oscilaciones, de
modo que en este caso se puede indicar previamente un valor medio.
La proporción de los n-alcanos en el gas natural
decrece al aumentar el número de átomos de C, de modo que de éstos
sólo se necesita tener en cuanta hasta el hexano u octano. Además,
las proporciones de los n-alcanos responden a una
distribución regular y se pueden calcular por medio de una
correlación adecuada (por ejemplo a partir de la señal infrarroja).
En virtud de estas consideraciones, las incertidumbres resultantes,
representadas en la Fig. 7, se pueden trasladar también
aproximadamente para el valor calorífico de los gases naturales de
origen natural.
Claims (10)
1. Procedimiento para determinar la constitución
gaseosa de un gas combustible, en especial de gas natural, según el
cual
- a)
- al menos una parte del gas combustible se expone a una radiación ultrarroja y, para dos longitudes de onda o zonas espectrales diferentes, se mide la proporción de radiación infrarroja absorbida en cada caso por el gas combustible,
- b)
- se mide la conductividad térmica, y
- c)
- a partir de los tres valores de medición se determina por cálculo la constitución del gas.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque las
longitudes de onda o zonas espectrales se eligen de tal modo que,
de una parte se detecta la proporción de hidrocarburos,
preferentemente en un longitud de onda de 3,5 \mum y, de otra
parte, la proporción de dióxido de carbono, preferentemente en una
longitud de onda de 4,3
\mum.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque,
adicionalmente, la parte de radiación infrarroja absorbida por el
gas combustible se mide en otra longitud de onda o zona espectral,
eligiéndose la longitud de onda o zona espectral de tal modo, que se
detecta la proporción de metano, preferentemente en una longitud de
onda de 7,9
\mum.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque la
parte de radiación infrarroja, así como la conductividad térmica se
miden bajo condiciones de referencia en un ámbito de medición
común.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque en la
etapa a) o b) se miden la temperatura y la presión, o se mantienen
constantes.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque la
constitución del gas se calcula en la etapa c) según las fórmulas
(13), (6), (4), (5), (9), (10), (1), (11), (12), (2) y (3) conforme
a la Fig. 2 o según las fórmulas (13), (6), (4), (7),
(14.1-14.9), (15) conforme a la Fig.
3.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque los
coeficientes a_{0}, a_{1}, a_{2}, b_{0}, b_{1}, b_{2} y
c_{0}, c_{1}, c_{2} se determinan para las ecuaciones (6),
(9) y (7), a partir de valores de medición en base a las etapas a) y
b), con varios gases de referencia de constitución gaseosa
conocida.
8. Procedimiento para determinar la cantidad de
energía de un gas combustible, en especial de gas natural, según
una de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado porque se
calcula el valor calorífico, y el gas combustible se conduce a
través de un caudalímetro y se mide el caudal
volumétrico.
9. Dispositivo para determinar la constitución
gaseosa de un gas combustible, en especial de gas natural,
caracterizado porque el gas
combustible se lleva a una disposición de sensores (4), la cual se
compone esencialmente de una fuente de radiación de rayos
infrarrojos y, al menos, de dos detectores de radiación (5, 6)
subordinados a la fuente de radiación, así como de un sensor (7)
para detectar la conductividad térmica, y porque las señales de la
disposición de sensores se trasladan a una unidad de evaluación, en
la cual, mediante una correlación, se determina la constitución del
gas.
10. Dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado porque a cada
detector de radiación (5, 6) se le adjudica un filtro óptico, el
cual se elige de tal modo que, de una parte se detecta la
proporción de hidrocarburos, preferentemente en una longitud de onda
de 3,5 \mum y, de otra parte se detecta la proporción de dióxido
de carbono, preferentemente en una longitud de onda de 4,3 \mum,
así como preferentemente la proporción de metano, preferentemente
en una longitud de onda de 7,9
\mum.
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