WO2017013897A1 - メタン価算出方法およびメタン価測定装置 - Google Patents

メタン価算出方法およびメタン価測定装置 Download PDF

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Riken Keiki KK
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    • G01N2021/3509Correlation method, e.g. one beam alternating in correlator/sample field

Definitions

  • the present invention relates to a methane number calculating method and a methane number measuring apparatus.
  • a method of calculating the methane number of fuel gas (A) A method proposed by AVL (hereinafter also referred to as “AVL standard”), (B) A method of calculating by a specific arithmetic expression defined by the California Air Resources Council (hereinafter also referred to as “CARB standard”), (C) A method of calculating by a method based on ISO / TR 22302 3.1.1 (hereinafter also referred to as “GRI (Lc) standard”), (D) A method of calculating by a method based on ISO / TR 22302 3.1.2 (hereinafter also referred to as “GRI (H / C) standard”).
  • CARB standard California Air Resources Council
  • the methane number shows a different value depending on the calculation method even for the same fuel gas. For example, a methane number based on a different standard for each region is required.
  • both methods calculate the methane number based on the gas composition, as described above, when the gas composition fluctuates, measure the gas composition when calculating the methane number. Is required.
  • natural gas usually contains not only combustible gas components such as paraffinic hydrocarbon gas but also incombustible gas components such as nitrogen gas and carbon dioxide gas. Since there is no law in the degree of influence of these non-combustible gas components on the calorific value, no specific correlation is established between the calorific value (true calorific value) of natural gas and the value of methane number. Moreover, since the concentration ratio of nitrogen gas and carbon dioxide gas contained in natural gas cannot be quantified, calculation errors due to the inclusion of these miscellaneous gas components are inevitably generated. However, as a result of intensive studies by the present inventors, a specific correlation is established between the concentration of nitrogen gas contained in natural gas and the amount of methane number fluctuation (error) caused by the nitrogen gas concentration.
  • the present inventors have found that a specific correlation is established between the concentration of carbon dioxide gas contained in natural gas and the variation amount (error) of the methane number caused by the carbon dioxide gas concentration. Then, by performing correction according to each of the nitrogen gas concentration and the carbon dioxide gas concentration, a specific value between the value of the basic calorific value of natural gas and the value of the methane number calculated by the AVL standard, for example, is specified. It has been found that an approximate solution of the methane number corresponding to the AVL standard can be obtained by establishing a correlation and measuring the basic calorific value of the natural gas that is the measurement target gas.
  • the “basic heat amount” refers to the amount of combustion heat of the combustible gas component when the non-combustible gas component is removed from the natural gas.
  • the present invention has been made based on the circumstances as described above, and for a natural gas that is a measurement object gas, a methane number that can be easily obtained regardless of the gas composition.
  • An object is to provide a calculation method.
  • the present invention can easily obtain a methane number having a certain degree of reliability for natural gas, which is a measurement target gas, regardless of the gas composition, and can monitor the fuel properties of natural gas used as fuel gas. It aims at providing the methane number measuring apparatus which can be performed.
  • a specific relational expression between the methane number and the basic calorific value is obtained in advance for a plurality of kinds of reference gases each having a different methane number value each made of natural gas, While measuring the basic calorific value of the natural gas that is the measurement target gas, the nitrogen gas concentration and the carbon dioxide gas concentration contained in the measurement target gas are measured, The methane number of the measurement target gas is calculated from the basic calorific value of the measurement target gas, the concentration value of the nitrogen gas, the concentration value of the carbon dioxide gas, and the specific relational expression.
  • MN is the methane number
  • f (Q ′ ) is selected according to the following formula (a) to the following formula selected according to the value of the basic calorie Q ′ [MJ / m 3 ] of the measurement target gas.
  • Any function represented by (d), and A is a value selected from the range of -2.0 to 2.0.
  • X N2 is the concentration (vol%) of nitrogen gas contained in the measurement target gas indicated by volume percentage
  • X CO2 is included in the measurement target gas indicated by volume percentage.
  • concentration of carbon dioxide gas [vol%].
  • the basic calorie of the measurement target gas is a refractive index conversion calorie obtained from the refractive index of the measurement target gas, and a sonic conversion calorie obtained from the sound speed of the measurement target gas. It is preferable that it is obtained based on. Furthermore, in the methane number calculation method of the present invention, it is preferable that the concentration of carbon dioxide gas contained in the measurement object gas is measured by an infrared absorption method.
  • the methane number measuring device of the present invention is a calorimetric mechanism that measures the basic calorific value of natural gas that is a measurement target gas; A carbon dioxide concentration measuring mechanism for measuring a carbon dioxide gas concentration contained in the measurement target gas; A nitrogen concentration calculation mechanism for calculating the concentration of nitrogen gas contained in the measurement target gas; A specific relational expression between a methane number and a basic calorific value for a plurality of kinds of reference gases made of natural gas, each of which has a different methane value, and the measurement target gas measured by the calorimetric mechanism.
  • the methane number of the measurement target gas is calculated from the basic calorific value of the gas, the carbon dioxide gas concentration value measured by the carbon dioxide concentration measuring mechanism, and the nitrogen gas concentration value measured by the nitrogen concentration calculating mechanism. And a methane number calculating mechanism.
  • the calorimetric measurement mechanism is based on a refractive index-converted calorie measuring means for obtaining a refractive index-converted calorie from a refractive index value of the measurement target gas, and a sound velocity value of the measurement target gas.
  • the apparatus includes a sonic conversion calorie measuring unit for obtaining a sonic conversion calorie, and a calorie calculating unit for calculating the basic calorie of the measurement target gas based on the refractive index conversion calorie and the sonic conversion calorie.
  • the carbon dioxide concentration measuring mechanism includes an infrared sensor.
  • the methane number of the measurement target gas is calculated based on the value of the measurement target gas basic heat quantity by using a specific relational expression between the basic heat quantity and the methane number acquired in advance.
  • the specific relational expression shows the correlation between the basic calorific value and the methane number for various types of reference gas consisting of natural gas with different values of methane number, such as nitrogen gas and carbon dioxide gas contained in natural gas. It is clarified quantitatively by supporting the experiment considering the influence of the gas component on the basic calorific value. For this reason, the obtained methane number has a certain reliability.
  • the basic calorific value of the measurement target gas is continuously measured by the calorimetric measurement mechanism, so that the measurement target gas in accordance with the actual situation is measured. Since the methane number can be obtained continuously, the actual fuel properties of natural gas as fuel gas can be monitored. Therefore, when a change in gas composition occurs, a change in methane number accompanying a change in gas composition can be detected quickly.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a configuration in an example of a methane number measuring apparatus of the present invention.
  • This methane number measuring device uses natural gas as a measurement target gas, a calorific measurement mechanism 20 that measures the calorie of the measurement target gas, a methane number calculation mechanism 40 that calculates the methane number of the measurement target gas, and a measurement target gas
  • a display mechanism 45 that displays information such as the amount of heat and the methane number is disposed in the outer container 10, for example.
  • the calorific value measuring mechanism 20 includes, for example, a refractive index converted calorific value measuring mechanism 21 for obtaining a refractive index converted calorific value Q O obtained from a refractive index value of natural gas that is a measuring object gas, and a sound velocity value of the measuring object gas.
  • the sound velocity conversion calorific value measurement mechanism 25 for obtaining the sound velocity conversion calorie Q S obtained from the above, the carbon dioxide concentration measurement mechanism 50 for measuring the concentration X CO2 of the carbon dioxide gas contained in the measurement target gas, and the measurement target gas A nitrogen concentration calculating mechanism 30 for calculating the concentration X N2 of the nitrogen gas contained therein and a calorific value calculating mechanism 35 for calculating the calorific value Q OS and the basic calorific value Q ′ of the measurement target gas are provided.
  • the refractive index converted calorific value measuring mechanism 21 has a refractive index measuring unit 22 that measures the refractive index of the measurement target gas, and a function that calculates the refractive index converted calorie Q O based on the value of the refractive index measured by the refractive index measuring unit 22. And a refractive-index-to-calorie conversion processing means 23.
  • the refractive index-heat quantity conversion processing means 23 is for a specific gas consisting only of a combustible gas component (paraffinic hydrocarbon gas) that does not contain an incombustible gas component (for example, N 2 or CO 2 ) in the natural gas that is the measurement target gas.
  • the refractive index value obtained for the measurement target gas is the refractive index of the specific gas. calculating the refractive index in terms of the amount of heat Q O by contrast assuming.
  • the sonic-converted calorie measuring mechanism 25 is a sonic-velocity measuring unit 26 that measures the propagation speed of sound waves in the measurement-target gas (the sonic velocity of the measurement-target gas), and the sonic-converted calorific value based on the value of the sonic velocity measured by the sonic velocity measuring unit 26.
  • Sonic-heat quantity conversion processing means 27 having a function of obtaining the value of Q S is provided.
  • the sonic-heat quantity conversion processing means 27 is used for a specific gas consisting only of a combustible gas component (paraffinic hydrocarbon gas) that does not contain a non-combustible gas component (for example, N 2 or CO 2 ) in the natural gas that is the measurement target gas.
  • the sound speed value obtained for the measurement target gas is the sound speed of the specific gas.
  • the sonic equivalent heat quantity Q S is calculated.
  • the carbon dioxide concentration measuring mechanism 50 includes carbon dioxide concentration measuring means 51 that measures the concentration X CO2 of carbon dioxide gas contained in natural gas that is a measurement target gas.
  • the carbon dioxide concentration measuring means 51 is not particularly limited, but, for example, the concentration of carbon dioxide gas depending on the degree of attenuation of the amount of infrared light due to absorption of infrared rays by carbon dioxide gas that is a detection target gas. it is preferable to construct the one having an infrared sensor for detecting the X CO2.
  • the carbon dioxide concentration measuring means 51 what uses a so-called non-dispersive infrared absorption method is used, so that the influence of other miscellaneous gases contained in the measurement target gas can be minimized.
  • the gas concentration X CO2 can be detected with high accuracy.
  • Nitrogen concentration calculation mechanism 30 the value of the refractive index in terms heat Q O obtained by the refractive index in terms of calorimetry mechanism 21, and the obtained value of speed of sound in terms heat Q S by the sound velocity in terms calorimetry mechanism 25, the carbon dioxide concentration Based on the carbon dioxide gas concentration X CO2 obtained by the measuring mechanism 50, the correction factor ⁇ is within the range of 1.1 to 4.2, preferably 2.00 to 2 according to the following formula (2).
  • the concentration X N2 of the nitrogen gas contained in the natural gas that is the measurement target gas is calculated under the condition that the value selected within the range of .60 is used.
  • the value of the correction factor ⁇ is obtained by actually measuring the refractive index converted heat quantity Q O and the sonic speed converted heat quantity Q S for each of miscellaneous gas components (for example, nitrogen gas and carbon dioxide gas) included in the measurement target gas.
  • the refractive index-converted heat quantity Q O and sonic-speed converted heat quantity Q S can be set based on the ratio of the error to the heat quantity obtained by analysis using, for example, gas chromatography.
  • the value of the correction factor ⁇ varies depending on the type of the miscellaneous gas component contained in the gas to be measured. However, since the value is selected from the above numerical range, the refractive index converted heat quantity Q O and the sound velocity are calculated. Measurement errors that occur in the converted heat quantity Q S can be corrected appropriately.
  • X N2 in the above formula (2) is the concentration [vol%] of nitrogen gas expressed as a volume percentage.
  • k N2 is an error coefficient for nitrogen gas, and represents the magnitude of the influence of error on N 2 as a miscellaneous gas component on the refractive index measuring means 22.
  • k CO2 is an error coefficient for carbon dioxide gas, and represents the magnitude of the influence of error on the refractive index measuring means 22 by CO 2 as a miscellaneous gas component.
  • the unit of the value of the refractive index converted heat quantity Q O and the value of the sonic speed converted heat quantity Q S used for the calculation is [MJ / Nm 3 ].
  • the unit of the value of the carbon dioxide gas concentration X CO2 is [vol%].
  • the error coefficient k N2 for nitrogen gas is a value selected within a range of 20.00 to 30.00, for example. Further, the error coefficient k CO2 for carbon dioxide gas is a value selected within a range of 35.00 to 45.00, for example.
  • the error coefficient k N2 for nitrogen gas and the error coefficient k CO2 for carbon dioxide gas are values selected within the above numerical range, the measurement error generated in the refractive index converted heat quantity Q O can be corrected appropriately. it can.
  • the value of the error coefficient k N2 for nitrogen gas is, for example, the value obtained by actually measuring the refractive index converted heat quantity Q O by the refractive index converted heat quantity measuring mechanism 21 for nitrogen gas (100 vol%). Can be set based on.
  • the value of the error coefficient k CO2 for carbon dioxide gas was obtained by actually measuring the refractive index converted calorific value Q O by the refractive index converted calorific value measuring mechanism 21 for carbon dioxide gas (100 vol%), for example. Can be set based on the value.
  • the calorific value calculation mechanism 35 is measured based on the value of the refractive index converted calorific value Q O obtained by the refractive index converted calorific value measuring mechanism 21 and the value of the sonic converted calorific value Q S obtained by the sonic velocity converted calorific value measuring mechanism 25.
  • the calorific value Q OS of the natural gas that is the target gas is calculated. Specifically, when the refractive index-converted heat quantity Q O has a magnitude equal to or smaller than the sonic-speed converted heat quantity Q S (Q O ⁇ Q S ), the correction factor ⁇ is 1.1 to 4 according to the following equation (3).
  • the value of the calorific value Q OS is calculated under the condition of using a value selected within a range of .2 and preferably within a range of 2.00 to 2.60.
  • the value of the refractive index in terms heat Q O is the larger than the value of the sound velocity in terms heat Q S (Q O> Q S ), as the value of the heat quantity Q OS, the value of the refractive index in terms heat Q O is used.
  • the calorific value calculation mechanism 35 is obtained by the calorific value Q OS obtained in this way, the carbon dioxide concentration X CO2 value obtained by the carbon dioxide concentration measuring mechanism 50, and the nitrogen concentration calculation mechanism 30. Based on the value of the nitrogen gas concentration X N2 obtained, the value [MJ / Nm 3 ] of the basic calorific value Q ′ is calculated by the following equation (4).
  • the methane number calculating mechanism 40 calculates an approximate solution of the methane number MN of the natural gas that is the measurement target gas, specifically, the methane number value obtained by the method based on the AVL standard (reference (a)) described above. .
  • the methane number calculating mechanism 40 is obtained by a method based on the AVL standard for a plurality of types of reference gases that has been acquired in advance based on the value of the basic calorific value Q ′ of the measurement target gas measured by the calorific value measuring mechanism 20.
  • a methane number MN as an approximate solution of the AVL value for the natural gas that is the measurement target gas is calculated from a specific relational expression between the value of the methane number (AVL value) and the value of the basic heat quantity Q ′.
  • the plurality of kinds of reference gases are made of natural gas each having a different methane number MN value based on the AVL standard.
  • the specific relational expression is as follows.
  • the basic heat quantity Q is determined for each of the plurality of reference gases.
  • An actual measurement value indicating the relationship between the value of ′ and the value of the methane number MN can be obtained, and the obtained actual measurement value can be obtained by, for example, approximating a curve with a polynomial.
  • the specific relational expression is represented by the above formula (1).
  • MN is the methane number, specifically, an approximate solution of the AVL value
  • f (Q ′ ) is selected according to the value of the basic heat quantity Q ′ of the measurement target gas.
  • X N2 is the concentration (vol%) of nitrogen gas contained in the measurement target gas represented by volume percentage
  • X CO2 is contained in the measurement target gas represented by volume percentage. It is the concentration [vol%] of carbon dioxide gas.
  • a in the above formula (1) is a value selected from the range of -2.0 to 2.0.
  • the methane number is measured for a reference gas having a known composition, and the difference from the theoretical value (AVL value) is set as “A” (offset) Adjustment).
  • the term “0.32X N2 ” in the above formulas (a) to (d) indicates the methane number correction amount based on the measured nitrogen gas concentration X N2 .
  • the correction amount of the methane number is the concentration [vol%] indicated by the volume percentage of nitrogen gas contained in the measurement target gas, and the ordinate is the methane number (AVL value).
  • the coordinate system for each of a plurality of kinds of reference gases having different methane values, an actual measurement value indicating the relationship between the nitrogen gas concentration value X N2 and the AVL value is acquired, and the obtained actual measurement value is linearly approximated, for example. It is set based on the approximate straight line acquired by doing. As is apparent from FIG.
  • FIG. 2 is obtained by using a mixed gas of CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 and N 2 as the reference gas, in which the concentration of each gas component is appropriately changed. It is.
  • the "1.00X CO2" in the above formula (a) ⁇ formula (d) shows the methane number of the correction amount based on the measured carbon dioxide concentration X CO2.
  • the correction amount of the methane value by the carbon dioxide gas is set by the same method as the correction amount of the methane value by the nitrogen gas.
  • the approximate curves for the respective reference gases have the same magnitude of inclination, and the magnitude of this inclination is set as the correction coefficient “1.00” for carbon dioxide gas. ing.
  • the natural gas that is the measurement target gas may contain, for example, oxygen gas as a miscellaneous gas component.
  • oxygen gas as a miscellaneous gas component.
  • the amount of oxygen gas contained in natural gas is very small, the influence of methane number on oxygen gas can be substantially ignored.
  • reference numeral 11 in FIG. 1 denotes a measurement target gas introduction unit for supplying the measurement target gas to each of the refractive index measurement means 22, the sound velocity measurement means 26, and the carbon dioxide concentration measurement means 51, and 12 denotes a refractive index measurement means.
  • Reference numeral 22 is a reference gas introduction section for introducing a reference gas required for the detection principle, and 13 is a gas discharge section.
  • the dashed-two dotted line in FIG. 1 shows gas piping.
  • a part of natural gas that is connected to a gas pipeline through an appropriate gas sampling device and circulates in the gas pipeline is measured from the measurement target gas introduction unit 11 as a measurement target gas.
  • the sound velocity measuring means 26 of the converted calorific value measuring mechanism 25 and the refractive index measuring means 22 of the refractive index converted calorific value measuring mechanism 21 are sequentially supplied.
  • a reference gas such as air is supplied from the reference gas introduction unit 12 to the refractive index measuring means 22 of the refractive index converted calorific value measuring mechanism 21.
  • the refractive index conversion calorie measuring mechanism 21 the refractive index of natural gas is measured by the refractive index measuring means 22, and based on the result, the refractive index converted heat quantity Q O is obtained by the refractive index-heat quantity conversion processing means 23. It is done.
  • the sonic-converted calorie measuring mechanism 25 the sonic velocity of natural gas is measured by the sonic velocity measuring means 26, and the value of the sonic-converted calorific value Q S is obtained by the sonic velocity-calorie conversion processing means 27 based on the result.
  • all the other natural gas introduced from the measurement target gas introduction unit 11 is supplied to the carbon dioxide concentration measuring means 51 of the carbon dioxide concentration measuring mechanism 50.
  • the concentration X CO2 [vol% (volume percentage)] of the carbon dioxide gas contained in the natural gas is measured by the carbon dioxide concentration measuring means 51.
  • the correction factor ⁇ is specified by the above formula (2) and the above formula (3).
  • the nitrogen gas concentration X N2 and the heat quantity Q OS are calculated.
  • the basic calorific value Q ′ of the measurement target gas is calculated by the above equation (4).
  • the specific relational expression selected from the methane number calculation mechanism 40 according to the value of the basic calorie Q ′ obtained by the calorie measurement mechanism 20 (any one of the expressions (a) to (d))
  • the methane number MN as an approximate solution of the AVL value is calculated, and the result is displayed on the display mechanism 45. Note that the measurement target gas and the reference gas are discharged to the outside of the apparatus through the gas discharge unit 13.
  • the methane number MN of the measurement target gas is calculated by using a specific relational expression between the basic heat quantity Q ′ and the methane number MN acquired in advance. It can be determined based on the basic heat quantity Q ′.
  • the specific relational expression shows the correlation between the basic calorific value and the AVL value with respect to a plurality of kinds of reference gases made of natural gas each having a different methane value (AVL value) based on the AVL standard. This is quantitatively clarified through experimental support, taking into account the effects of the inclusion of carbon gas. For this reason, the obtained methane number MN has a certain reliability.
  • the basic calorific value Q ′ of the measurement target gas is continuously measured by the calorie measuring mechanism 20, thereby obtaining an actual situation. Since the methane number MN as an approximate solution of the AVL value of the measurement target gas can be continuously obtained, the actual fuel property of the natural gas as the fuel gas can be monitored. Therefore, when a change in gas composition occurs, a change in methane number MN accompanying a change in gas composition can be detected quickly.
  • the calorific value measuring mechanism 20 and the methane number calculating mechanism 40 are arranged in the outer container 10, so that the measurement system is easily constructed and operated.
  • the measurement does not take a considerable amount of time, and since no time lag occurs between the calculation process of the basic heat quantity Q ′ and the calculation process of the methane number MN, the methane number MN is measured in real time. be able to.
  • the calorific value measuring mechanism 20 is configured to calculate the calorific value of the measurement target gas based on the two converted calorific values, ie, the refractive index converted calorific value Q O and the sonic velocity converted calorific value Q S , so that the obtained calorific value Q OS Is a value having a small difference from the true value of the calorific value of the measurement target gas regardless of the gas composition of the measurement target gas, and thus the reliability of the calculated value of the methane number MN is further increased.
  • the calorific measurement mechanism is not limited to the one having the above-described configuration, and an apparatus having a configuration for obtaining a calorific value based on a thermal conductivity converted calorific value and a refractive index converted calorific value. May be used. Further, one of the physical property values having a specific correspondence with the amount of heat, for example, one selected from refractive index, thermal conductivity, and sound velocity is measured, and the amount of heat is obtained based on the measured value. May be.
  • the value of the above formula (b) and the basic heat quantity Q ′ is larger than 55.0 [MJ / Nm 3 ] and 63.0 [MJ / Nm 3 ].
  • the correction factor ⁇ in the above equations (2) and (3) is 2.24
  • the error coefficient k N2 for nitrogen gas in equation (2) is 26.06
  • the error coefficient k CO2 for carbon dioxide gas is 40.53.
  • the sample gas mainly composed of paraffinic hydrocarbon gas and containing nitrogen gas and carbon dioxide gas as miscellaneous gas components, regardless of the composition of the sample gas. It was confirmed that a methane number (approximate solution) having a value within a certain error range (within ⁇ 2.8) with respect to the methane number according to the AVL standard can be obtained.
  • the measured methane number is a value in the range of, for example, ⁇ 3.0 of the methane number according to the AVL standard, there is no problem in practice.
  • the present invention can detect in real time a change in fuel properties such as a change in methane number and a change in calorific value due to a change in gas composition of natural gas as a fuel gas, combustion control of a natural gas fuel engine It is expected to be extremely useful when performing

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Abstract

本発明は、測定対象ガスである天然ガスについて、一応の信頼性を有するメタン価をガス組成に拘わらず容易に得ることができるメタン価算出方法および燃料ガスとして利用される天然ガスの燃料性状の監視を行うことのできるメタン価測定装置を提供することを目的とする。 本発明においては、各々天然ガスよりなる互いにメタン価の値が異なる複数種の基準ガスについてのメタン価と基礎熱量との特定の関係式を予め取得しておき、測定対象ガスである天然ガスの基礎熱量、並びに、当該測定対象ガスに含まれる窒素ガス濃度および二酸化炭素ガス濃度を測定し、測定対象ガスの基礎熱量の値、窒素ガスの濃度値および二酸化炭素ガスの濃度値と、特定の関係式とから測定対象ガスのメタン価を算出する。

Description

メタン価算出方法およびメタン価測定装置
 本発明は、メタン価算出方法およびメタン価測定装置に関する。
 近年、窒素酸化物(NO)の排出量の抑制やCO排出量低減などを目的として、天然ガスを燃料として利用したガスエンジンの開発、導入が進んでいる。
 天然ガスを利用したガスエンジンの実用化に係る課題としては、天然ガスの組成が産出地により異なる点や、ガスエンジンの起動時や負荷変動時に燃料ガスの消費量の変動が生ずることによって燃料ガスの組成が変化する点などが挙げられる。燃料ガスの組成が変わると、燃料ガスの熱量やメタン価などの特性が変化し、エンジンのノッキングや失火などの異常燃焼を引き起こす原因になりうる。ここで、メタン価とは、ガソリンエンジンのオクタン価に対応するノッキングに対する抵抗値を示す指標であって、純メタンを100、水素を0として評価した指標である。
 このような異常燃焼を回避するためには、燃料ガスの熱量やメタン価などの燃料性状をリアルタイムに捉え、このデータに基づきガスエンジンの燃焼制御を行うことが有効な手段であると考えられる。
 例えば、天然ガスなどの燃料ガスの熱量を測定する方法としては、例えば熱量と特定の対応関係を有する物性値を測定し、測定値に基づいて熱量の値(換算熱量)を求める方法などが、本件出願人によって提案されている(例えば特許文献1参照。)。
 一方、燃料ガスのメタン価を算出する方法としては、
 (a)AVL社が提案する方式(以下、「AVL基準」ともいう。)、
 (b)カリフォルニア州大気資源評議会で規定された特定の演算式により算出する方式(以下、「CARB基準」ともいう。)、
 (c)ISO/TR 22302 3.1.1に準拠した方法により算出する方式(以下、「GRI(Lc)基準」ともいう。)、
 (d)ISO/TR 22302 3.1.2に準拠した方法により算出する方式(以下、「GRI(H/C)基準」ともいう。)
の4種類が主に利用されている。ここに、メタン価は、同一の燃料ガスであっても、算出方法によって異なる値を示し、例えば地域ごとに異なる基準によるメタン価が要請されている。
 しかしながら、いずれの方法も、メタン価をガス組成に基づいて算出するものであることから、上述したように、ガス組成の変動が生じた場合には、メタン価の算出にあたってガス組成を測定することが必要となる。
特開2009-42216号公報
 而して、天然ガスには、パラフィン系炭化水素ガスなどの燃焼性ガス成分だけでなく、通常、窒素ガスや二酸化炭素ガスなどの不燃ガス成分も含まれている。これらの不燃ガス成分による発熱量に対する影響の程度には法則性がないことから、天然ガスの発熱量(真の熱量)とメタン価の値との間には、特定の相関関係は成立しない。また、天然ガスに含まれる窒素ガスと二酸化炭素ガスとの濃度比率を定量化することができないため、これらの雑ガス成分が含まれることに起因する演算誤差が不可避的に生じてしまう。
 然るに、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、天然ガスに含まれる窒素ガス濃度と、当該窒素ガス濃度に起因するメタン価の変動量(誤差)との間に特定の相関関係が成立すること、並びに、天然ガスに含まれる二酸化炭素ガス濃度と、当該二酸化炭素ガス濃度に起因するメタン価の変動量(誤差)との間に特定の相関関係が成立することを見出した。そして、窒素ガス濃度および二酸化炭素ガスの各々の濃度に応じた補正を行うことにより、天然ガスの基礎熱量の値と、例えば上記のAVL基準により算出されるメタン価の値との間に特定の相関関係が成立し、測定対象ガスである天然ガスの基礎熱量を測定することにより、当該AVL基準に対応するメタン価の近似解を得ることができることを見出した。ここに、「基礎熱量」とは、天然ガスから不燃ガス成分を除いたときの燃焼性ガス成分の燃焼熱量をいう。
 本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、測定対象ガスである天然ガスについて、一応の信頼性を有するメタン価をガス組成に拘わらず容易に得ることのできるメタン価算出方法を提供することを目的とする。
 また、本発明は、測定対象ガスである天然ガスについて、一応の信頼性を有するメタン価をガス組成に拘わらず容易に得ることができ、燃料ガスとして利用される天然ガスの燃料性状の監視を行うことのできるメタン価測定装置を提供することを目的とする。
 本発明のメタン価算出方法は、各々天然ガスよりなる互いにメタン価の値が異なる複数種の基準ガスについてのメタン価と基礎熱量との特定の関係式を予め取得しておき、
 測定対象ガスである天然ガスの基礎熱量を測定すると共に、当該測定対象ガスに含まれる窒素ガス濃度および二酸化炭素ガス濃度を測定し、
 当該測定対象ガスの基礎熱量の値、当該窒素ガスの濃度値および当該二酸化炭素ガスの濃度値と、前記特定の関係式とから当該測定対象ガスのメタン価を算出することを特徴とする。
 本発明のメタン価算出方法においては、前記特定の関係式として、下記式(1)で表されるものが用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 但し、式(1)において、MNはメタン価、f(Q´は、測定対象ガスの基礎熱量Q´〔MJ/m〕の値に応じて選択される下記式(a)~下記式(d)で表されるいずれかの関数であり、Aは-2.0~2.0の範囲から選択される値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 但し、式(a)~式(d)において、XN2 は体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる窒素ガスの濃度〔vol%〕、XCO2 は、体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度〔vol%〕である。
 また、本発明のメタン価算出方法においては、前記測定対象ガスの基礎熱量は、当該測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量と、当該測定対象ガスの音速から得られる音速換算熱量とに基づいて得られるものであることが好ましい。
 さらにまた、本発明のメタン価算出方法においては、前記測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度が、赤外線吸収法により測定されることが好ましい。
 本発明のメタン価測定装置は、測定対象ガスである天然ガスの基礎熱量を測定する熱量測定機構と、
 当該測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガス濃度を測定する二酸化炭素濃度測定機構と、
 当該測定対象ガスに含まれる窒素ガス濃度を算出する窒素濃度計算機構と、
 予め取得しておいた、各々メタン価の値が異なる天然ガスよりなる複数種の基準ガスについてのメタン価と基礎熱量との特定の関係式と、前記熱量測定機構により測定された当該測定対象ガスの基礎熱量の値、前記二酸化炭素濃度測定機構により測定された二酸化炭素ガス濃度の値および前記窒素濃度計算機構により測定された窒素ガス濃度の値とから、当該測定対象ガスのメタン価を算出するメタン価算出機構と
を備えることを特徴とする。
 本発明のメタン価測定装置においては、前記特定の関係式が、上記式(1)で表されるものであることが好ましい。
 また、本発明のメタン価測定装置においては、前記熱量測定機構が、測定対象ガスの屈折率の値から屈折率換算熱量を求める屈折率換算熱量測定手段と、当該測定対象ガスの音速の値から音速換算熱量を求める音速換算熱量測定手段と、当該測定対象ガスの基礎熱量を屈折率換算熱量と音速換算熱量とに基づいて算出する熱量算出手段とを備えた構成とされていることが好ましい。
 さらにまた、本発明のメタン価測定装置においては、前記二酸化炭素濃度測定機構は、赤外式センサを備えたものであることが好ましい。
 本発明のメタン価算出方法によれば、予め取得された基礎熱量とメタン価との特定の関係式を利用することにより、測定対象ガスのメタン価を当該測定対象ガス基礎熱量の値に基づいて求めることができる。特定の関係式は、各々メタン価の値が互いに異なる天然ガスよりなる複数種の基準ガスについて、基礎熱量とメタン価との相関関係を、天然ガスに含まれる窒素ガスおよび二酸化炭素ガスなどの雑ガス成分による基礎熱量に対する影響を考慮して実験による裏づけにより定量的に明らかにしたものである。このため、得られるメタン価は一応の信頼性を有するものとなる。
 上記のメタン価算出方法が実行される本発明のメタン価測定装置によれば、熱量測定機構によって測定対象ガスの基礎熱量を連続的に測定することにより、実際の状況に即した測定対象ガスのメタン価を連続的に取得することができるので、燃料ガスとしての天然ガスの実際の燃料性状の監視を行うことができる。従って、ガス組成の変動が生じた場合には、ガス組成の変動に伴うメタン価の変動を速やかに検出することができる。
本発明のメタン価測定装置の一例における構成の概略を示すブロック図である。 窒素ガス濃度とメタン価(AVL基準)との関係を示すグラフである。
 以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
 図1は、本発明のメタン価測定装置の一例における構成の概略を示すブロック図である。
 このメタン価測定装置は、天然ガスを測定対象ガスとし、測定対象ガスの熱量を測定する熱量測定機構20と、当該測定対象ガスのメタン価を算出するメタン価算出機構40と、測定対象ガスの熱量およびメタン価などの情報を表示する表示機構45とが、例えば外装容器10内に配設されて構成されている。
 熱量測定機構20は、例えば、測定対象ガスである天然ガスの屈折率の値から求められる屈折率換算熱量Qを得るための屈折率換算熱量測定機構21と、当該測定対象ガスの音速の値から求められる音速換算熱量Qを得るための音速換算熱量測定機構25と、当該測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度XCO2 を測定する二酸化炭素濃度測定機構50と、当該測定対象ガスに含まれる窒素ガスの濃度XN2 を算出する窒素濃度計算機構30と、当該測定対象ガスの熱量QOS の値および基礎熱量Q´の値を算出する熱量計算機構35とを備えている。
 屈折率換算熱量測定機構21は、測定対象ガスの屈折率を測定する屈折率測定手段22と、屈折率測定手段22によって測定された屈折率の値に基づいて屈折率換算熱量Qを求める機能を有する屈折率-熱量換算処理手段23とを備えている。
 屈折率-熱量換算処理手段23は、測定対象ガスである天然ガスにおいて不燃ガス成分(例えばNやCOなど)を含まない燃焼性ガス成分(パラフィン系炭化水素ガス)のみからなる特定ガスについて、例えばグラフ化することなどによって予め取得された屈折率と熱量との相関関係を利用し、当該相関関係に対して、測定対象ガスについて得られた屈折率の値が特定ガスの屈折率であると仮定して対照することにより屈折率換算熱量Qを算出する。
 音速換算熱量測定機構25は、測定対象ガス中における音波の伝播速度(測定対象ガスの音速)を測定する音速測定手段26と、音速測定手段26によって測定された音速の値に基づいて音速換算熱量Qの値を求める機能を有する音速-熱量換算処理手段27とを備えている。
 音速-熱量換算処理手段27は、測定対象ガスである天然ガスにおいて不燃ガス成分(例えばNやCOなど)を含まない燃焼性ガス成分(パラフィン系炭化水素ガス)のみからなる特定ガスについて、例えばグラフ化することなどによって予め取得された音速と熱量との相関関係を利用し、当該相関関係に対して、測定対象ガスについて得られた音速の値が特定ガスの音速である仮定して対照することにより音速換算熱量Qを算出する。
 二酸化炭素濃度測定機構50は、測定対象ガスである天然ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度XCO2 を測定する二酸化炭素濃度測定手段51を備えている。
 二酸化炭素濃度測定手段51としては、特に限定されるものではないが、例えば、赤外線が検知対象ガスである二酸化炭素ガスによって吸収されることによる赤外線光量の減衰の程度に応じて二酸化炭素ガスの濃度XCO2 を検出する赤外式センサを備えたものにより構成することが好ましい。二酸化炭素濃度測定手段51として、いわゆる非分散型赤外線吸収法を利用したものが用いられることにより、測定対象ガスに含まれる他の雑ガスの影響を可及的に小さくすることができ、二酸化炭素ガスの濃度XCO2 を高い精度で検出することができる。
 窒素濃度計算機構30は、屈折率換算熱量測定機構21によって得られた屈折率換算熱量Qの値と、音速換算熱量測定機構25によって得られた音速換算熱量Qの値と、二酸化炭素濃度測定機構50によって得られた二酸化炭素ガスの濃度XCO2 の値とに基づいて、下記式(2)により、補正因子αとして1.1~4.2の範囲内、好ましくは2.00~2.60の範囲内において選択される値を用いる条件にて、測定対象ガスである天然ガスに含まれる窒素ガスの濃度XN2 を算出する。補正因子αの値は、例えば、測定対象ガスに含まれる雑ガス成分(例えば窒素ガスおよび二酸化炭素ガスなど)の各々について、屈折率換算熱量Qおよび音速換算熱量QSを実際に測定し、得られた屈折率換算熱量Qおよび音速換算熱量QSの、例えばガスクロマトグラフィを用いた分析によって得られた熱量に対する誤差の比に基づいて設定することができる。ここに、補正因子αの値は、測定対象ガスに含まれる雑ガス成分の種類によって異なる値をとるが、上記数値範囲内から選択された値であることにより、屈折率換算熱量Qおよび音速換算熱量Qに生じる測定誤差を適正に補正することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 上記式(2)におけるXN2 は、体積百分率で表される窒素ガスの濃度〔vol%〕である。kN2 は、窒素ガスについての誤差係数であって、雑ガス成分としてのNが屈折率測定手段22に及ぼす誤差の影響の大きさを表す。kCO2 は、二酸化炭素ガスについての誤差係数であって、雑ガス成分としてのCOが屈折率測定手段22に及ぼす誤差の影響の大きさを表す。計算に供される屈折率換算熱量Qの値および音速換算熱量Qの値の単位は、〔MJ/Nm〕である。二酸化炭素ガスの濃度XCO2 の値の単位は、〔vol%〕である。
 窒素ガスについての誤差係数kN2 は、例えば20.00~30.00の範囲内において選択される値である。また、二酸化炭素ガスについての誤差係数kCO2 は、例えば35.00~45.00の範囲内において選択される値である。窒素ガスについての誤差係数kN2 および二酸化炭素ガスについての誤差係数kCO2 が上記数値範囲内において選択された値であることにより、屈折率換算熱量Qに生じる測定誤差を適正に補正することができる。
 具体的には、窒素ガスについての誤差係数kN2 の値は、例えば窒素ガス(100vol%)について実際に屈折率換算熱量測定機構21によって屈折率換算熱量Qを測定し、得られた値に基づいて設定することができる。また、二酸化炭素ガスについての誤差係数kCO2 の値についても同様に、例えば二酸化炭素ガス(100vol%)について実際に屈折率換算熱量測定機構21によって屈折率換算熱量Qを測定し、得られた値に基づいて設定することができる。
 熱量計算機構35は、屈折率換算熱量測定機構21によって得られた屈折率換算熱量Qの値と、音速換算熱量測定機構25によって得られた音速換算熱量Qの値とに基づいて、測定対象ガスである天然ガスの熱量QOS の値を算出する。具体的には、屈折率換算熱量QOが音速換算熱量Q以下の大きさである場合(Q≦Q)には、下記式(3)により、補正因子αとして1.1~4.2の範囲内、好ましくは2.00~2.60の範囲内において選択される値を用いる条件にて、熱量QOS の値を算出する。一方、屈折率換算熱量QOの値が音速換算熱量Qの値より大きい場合(Q>Q)には、熱量QOS の値として、屈折率換算熱量QOの値が用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 また、熱量計算機構35は、このようにして得られた熱量QOS の値と、二酸化炭素濃度測定機構50によって得られた二酸化炭素ガスの濃度XCO2 の値と、窒素濃度計算機構30によって得られた窒素ガスの濃度XN2 の値とに基づいて、下記式(4)により、基礎熱量Q´の値〔MJ/Nm〕を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 メタン価算出機構40は、測定対象ガスである天然ガスのメタン価MN、具体的には、上述したAVL基準(基準(a))に基づく方法により得られるメタン価の値の近似解を算出する。
 メタン価算出機構40は、熱量測定機構20により測定された測定対象ガスの基礎熱量Q´の値に基づいて、予め取得しておいた、複数種の基準ガスについての、AVL基準に基づく方法により得られるメタン価の値(AVL値)と基礎熱量Q´の値との特定の関係式から、測定対象ガスである天然ガスについてのAVL値の近似解としてのメタン価MNを算出する。複数種の基準ガスは、各々AVL基準に基づくメタン価MNの値が異なる天然ガスよりなるものである。
 特定の関係式は、横軸を基礎熱量Q´〔MJ/Nm〕とし、縦軸をメタン価(AVL値)MNとする座標系において、前記複数種の基準ガスの各々について、基礎熱量Q´の値とメタン価MNの値との関係を示す実測値を取得し、得られた実測値を例えば多項式で曲線近似することにより取得することができる。具体的には、特定の関係式は、上記式(1)で表されるものであることが好ましい。
 上記式(1)において、MNはメタン価、具体的にはAVL値の近似解、f(Q´は、測定対象ガスの基礎熱量Q´の値に応じて選択される上記式(a)~上記式(d)で表されるいずれかの関数である。上記式(a)~式(d)において、XN2 は体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる窒素ガスの濃度〔vol%〕、XCO2 は、体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度〔vol%〕である。
 上記式(1)におけるAは、-2.0~2.0の範囲から選択される値である。このAについて設定される数値範囲は、式(1)においてA=0とした式で表される基準となるメタン価算出曲線自体の、実際のLNG気化ガスの燃料性状に即した補正が行われる実用的な許容範囲を示す。Aの値が上記数値範囲内であれば、後述する実験例の結果に示されるように、算出される近似解のAVL値に対する誤差率が5.0%以内となり、高い信頼度が得られる。
 上記式(1)におけるAの値の具体的な設定方法としては、例えば、組成が既知の基準ガスについてメタン価を測定し、理論値(AVL値)との差分を「A」として設定(オフセット調整)することができる。
 上記式(a)~式(d)における「0.32XN2 」の項は、測定された窒素ガス濃度XN2 に基づくメタン価の補正量を示す。メタン価の補正量は、例えば図2に示すように、横軸を測定対象ガスに含まれる窒素ガスの体積百分率で示される濃度〔vol%〕とし、縦軸をメタン価(AVL値)とする座標系において、メタン価の値が互いに異なる複数種の基準ガスの各々について、窒素ガスの濃度値XN2 とAVL値との関係を示す実測値を取得し、得られた実測値を例えば線形近似することにより取得された近似直線に基づいて設定されたものである。図2から明らかなように、各々の基準ガスについての近似曲線は、互いに同一の大きさの傾きを有していることが理解され、この傾きの大きさが窒素ガスについての補正係数「0.32」として設定されている。なお、図2は、基準ガスとして、CHと、C、CおよびNの混合ガスであって、各ガス成分の濃度を適宜変更したものを用いて得られたものである。
 上記式(a)~式(d)における「1.00XCO2 」の項は、測定された二酸化炭素ガス濃度XCO2 に基づくメタン価の補正量を示す。この二酸化炭素ガスによるメタン価の補正量は、上記窒素ガスによるメタン価の補正量と同様の方法により設定されたものである。二酸化炭素ガスについても、各々の基準ガスについての近似曲線は、互いに同一の大きさの傾きを有しており、この傾きの大きさが二酸化炭素ガスについての補正係数「1.00」として設定されている。
 以上において、測定対象ガスである天然ガスには、雑ガス成分として、例えば酸素ガスが含まれていることがある。しかし、天然ガスに含まれる酸素ガスはごく微量であるため、酸素ガスについては、メタン価に対する影響を実質的に無視することができる。
 以上において、図1における11は、測定対象ガスを屈折率測定手段22、音速測定手段26および二酸化炭素濃度測定手段51の各々に供給するための測定対象ガス導入部、12は、屈折率測定手段22において検知原理上必要とされる参照ガスを導入するための参照ガス導入部、13はガス排出部である。また、図1における二点鎖線は、ガス配管を示す。
 上記のメタン価測定装置においては、例えば、適宜のガスサンプリング装置を介してガスパイプラインに配管接続され、ガスパイプライン内を流通する天然ガスの一部が測定対象ガスとして測定対象ガス導入部11から音速換算熱量測定機構25の音速測定手段26および屈折率換算熱量測定機構21の屈折率測定手段22の各々に順次に供給される。また、例えば空気などの参照ガスが参照ガス導入部12から屈折率換算熱量測定機構21の屈折率測定手段22に供給される。これにより、屈折率換算熱量測定機構21においては、天然ガスの屈折率が屈折率測定手段22によって測定され、その結果に基づいて屈折率換算熱量Qが屈折率-熱量換算処理手段23によって求められる。また、音速換算熱量測定機構25においては、天然ガスの音速が音速測定手段26によって測定され、その結果に基づいて音速換算熱量Qの値が音速-熱量換算処理手段27によって求められる。
 一方、測定対象ガス導入部11から導入された天然ガスの他の全部が、二酸化炭素濃度測定機構50の二酸化炭素濃度測定手段51に供給される。これにより、二酸化炭素濃度測定機構50において、天然ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度XCO2 〔vol%(体積百分率)〕が二酸化炭素濃度測定手段51によって測定される。
 以上のようにして得られた、屈折率換算熱量Qの値と、音速換算熱量Qの値とに基づいて、上記式(2)および上記式(3)により、補正因子αとして特定の範囲内において選択された値を用いて、窒素ガスの濃度XN2 および熱量QOS  が算出される。そして、熱量QOS の値と、二酸化炭素ガスの濃度XCO2 の値と、窒素ガス濃度XN2 の値とに基づいて、上記式(4)により、測定対象ガスの基礎熱量Q´が算出される。
 次いで、メタン価算出機構40によって、熱量測定機構20によって得られた基礎熱量Q´の値に応じて選択される上記特定の関係式(式(a)~式(d)のいずれかの関数)に基づいて、AVL値の近似解としてのメタン価MNが算出され、その結果が表示機構45に表示される。
 なお、測定対象ガスおよび参照ガスは、ガス排出部13を介して装置外部に排出される。
 而して、上記のメタン価算出方法によれば、予め取得された基礎熱量Q´とメタン価MNとの特定の関係式を利用することにより、測定対象ガスのメタン価MNを測定対象ガスの基礎熱量Q´に基づいて、求めることができる。特定の関係式は、各々AVL基準に基づくメタン価の値(AVL値)が互いに異なる天然ガスよりなる複数種の基準ガスについて、基礎熱量の値とAVL値との相関関係を、窒素ガスおよび二酸化炭素ガスが含まれることによる影響を考慮して、実験による裏づけにより定量的に明らかにしたものである。このため、得られるメタン価MNは一応の信頼性を有するものとなる。
 従って、このようなメタン価算出方法が実行される上記構成のメタン価測定装置によれば、熱量測定機構20によって測定対象ガスの基礎熱量Q´を連続的に測定することにより、実際の状況に即した測定対象ガスのAVL値の近似解としてのメタン価MNを連続的に取得することができるので、燃料ガスとしての天然ガスの実際の燃料性状の監視を行うことができる。従って、ガス組成の変動が生じた場合には、ガス組成の変動に伴うメタン価MNの変動を速やかに検出することができる。
 また、上記のメタン価測定装置においては、熱量測定機構20およびメタン価算出機構40が外装容器10内に配設されてなるものであることから、測定システムの構築および操作が簡便となる。しかも、測定に際しては、相当の時間を要することがなく、しかも基礎熱量Q´の算出処理とメタン価MNの算出処理との間にタイムラグが生じることがないため、メタン価MNをリアルタイムに測定することができる。
 さらにまた、熱量測定機構20が、測定対象ガスの熱量を屈折率換算熱量Qおよび音速換算熱量Qの2つの換算熱量に基づいて算出する構成のものであることにより、得られる熱量QOS は、測定対象ガスのガス組成によらずに当該測定対象ガスの熱量の真値との差の小さい値となるので、算出されるメタン価MNの値の信頼性が一層高いものなる。
 以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
 本発明においては、熱量測定機構は、上記構成のものに限定されるものではなく、熱伝導率換算熱量の値と、屈折率換算熱量の値とに基づいて熱量の値を求める構成を有する装置が用いられていてもよい。また、熱量と特定の対応関係を有する物性値の1つ、例えば屈折率、熱伝導率、音速のうちから選ばれる1つを測定し、その測定値に基づいて熱量を求める構成のものであってもよい。このようにして得られた測定対象ガスの熱量に基づいて算出される基礎熱量の値を利用しても、各基準に基づくメタン価の値に対して所定の許容範囲内のメタン価を得ることができる。
 以下、本発明の実験例について説明する。
〔実験例1〕
 下記表1に示すガス組成を有する19種類(A~S)の試料ガスを用意し、図1に示す構成のメタン価測定装置を用いて、各々の試料ガスA~Sのメタン価を測定した。メタン価の算出においては、上記式(1)においてA=0とした特定の関係式を利用した。そして、試料ガスの基礎熱量Q´の値が42.0〔MJ/Nm〕以下の範囲である場合には上記式(a)、基礎熱量Q´の値が42.0〔MJ/Nm〕より大きく、55.0〔MJ/Nm〕以下の範囲である場合には上記式(b)、基礎熱量Q´の値が55.0〔MJ/Nm〕より大きく、63.0〔MJ/Nm〕以下の範囲である場合には上記式(c)、基礎熱量Q´の値が63.0〔MJ/Nm〕より大きい範囲である場合には上記式(d)をそれぞれ選択した。また、上記式(2)および式(3)における補正因子αを2.24とし、式(2)における窒素ガスについての誤差係数kN2 を26.06、二酸化炭素ガスについての誤差係数kCO2 を40.53とした。
 そして、試料ガスA~Sの各々について、AVL基準に基づく方法(AVL社製のメタン価算出ソフト)によって、ガス組成に基づいて算出されるメタン価を真値としたときの、基礎熱量に基づいて算出されたメタン価の値(熱量換算値)の当該真値に対する誤差を算出した。結果を下記表1に示す。誤差は、熱量換算値から真値を減算することにより得られた値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 以上の結果から、本発明に係るメタン価算出方法によれば、パラフィン系炭化水素ガスを主体とし、雑ガス成分としての窒素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む試料ガスについて、試料ガスの組成に拘わらず、AVL基準に係るメタン価に対して一定の誤差範囲内(±2.8以内)の値のメタン価(近似解)を得ることができることが確認された。
 ここに、測定されるメタン価は、AVL基準に係るメタン価の例えば±3.0の範囲程度の値であれば、実際上は問題がないものである。
 本発明は、燃料ガスとしての天然ガスのガス組成の変動に伴うメタン価の変動や熱量の変動といった燃料性状の変動をリアルタイムに検出することができるものであるので、天然ガス燃料エンジンの燃焼制御を行うに際して、極めて有用なものとなることが期待される。
 10 外装容器
 11 測定対象ガス導入部
 12 参照ガス導入部
 13 ガス排出部
 20 熱量測定機構
 21 屈折率換算熱量測定機構
 22 屈折率測定手段
 23 屈折率-熱量換算処理手段
 25 音速換算熱量測定機構
 26 音速測定手段
 27 音速-熱量換算処理手段
 30 窒素濃度計算機構
 35 熱量計算機構
 40 メタン価算出機構
 45 表示機構
 50 二酸化炭素濃度測定機構
 51 二酸化炭素濃度測定手段
                                                                                

Claims (8)

  1.  各々天然ガスよりなる互いにメタン価の値が異なる複数種の基準ガスについてのメタン価と基礎熱量との特定の関係式を予め取得しておき、
     測定対象ガスである天然ガスの基礎熱量を測定すると共に、当該測定対象ガスに含まれる窒素ガス濃度および二酸化炭素ガス濃度を測定し、
     当該測定対象ガスの基礎熱量の値、当該窒素ガスの濃度値および当該二酸化炭素ガスの濃度値と、前記特定の関係式とから当該測定対象ガスのメタン価を算出することを特徴とするメタン価算出方法。
  2.  前記特定の関係式として、下記式(1)で表されるものが用いられることを特徴とする請求項1に記載のメタン価算出方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     但し、式(1)において、MNはメタン価、f(Q´は、測定対象ガスの基礎熱量Q´〔MJ/m〕の値に応じて選択される下記式(a)~下記式(d)で表されるいずれかの関数であり、Aは-2.0~2.0の範囲から選択される値である。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     但し、式(a)~式(d)において、XN2 は体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる窒素ガスの濃度〔vol%〕、XCO2 は、体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度〔vol%〕である。
  3.  前記測定対象ガスの基礎熱量は、当該測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量と、当該測定対象ガスの音速から得られる音速換算熱量とに基づいて得られるものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のメタン価算出方法。
  4.  前記測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度が、赤外線吸収法により測定されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のメタン価算出方法。
  5.  測定対象ガスである天然ガスの基礎熱量を測定する熱量測定機構と、
     当該測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガス濃度を測定する二酸化炭素濃度測定機構と、
     当該測定対象ガスに含まれる窒素ガス濃度を算出する窒素濃度計算機構と、
     予め取得しておいた、各々メタン価の値が異なる天然ガスよりなる複数種の基準ガスについてのメタン価と基礎熱量との特定の関係式と、前記熱量測定機構により測定された当該測定対象ガスの基礎熱量の値、前記二酸化炭素濃度測定機構により測定された二酸化炭素ガス濃度の値および前記窒素濃度計算機構により測定された窒素ガス濃度の値とから、当該測定対象ガスのメタン価を算出するメタン価算出機構と
    を備えることを特徴とするメタン価測定装置。
  6.  前記特定の関係式が、下記式(1)で表されるものであることを特徴とする請求項5に記載のメタン価測定装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     但し、式(1)において、MNはメタン価、f(Q´は、測定対象ガスの基礎熱量Q´〔MJ/m〕の値に応じて選択される下記式(a)~下記式(d)で表されるいずれかの関数であり、Aは-2.0~2.0の範囲から選択される値である。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     但し、式(a)~式(d)において、XN2 は体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる窒素ガスの濃度〔vol%〕、XCO2 は、体積百分率で示される測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度〔vol%〕である。
  7.  前記熱量測定機構が、測定対象ガスの屈折率の値から屈折率換算熱量を求める屈折率換算熱量測定手段と、当該測定対象ガスの音速の値から音速換算熱量を求める音速換算熱量測定手段と、当該測定対象ガスの基礎熱量を、屈折率換算熱量、音速換算熱量、二酸化炭素濃度および窒素ガス濃度に基づいて算出する熱量算出手段とを備えることを特徴とする請求項5または請求項6に記載のメタン価測定装置。
  8.  前記二酸化炭素濃度測定機構は、赤外式センサを備えたものであることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれかに記載のメタン価測定装置。
                                                                                    
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