Измерване на плътност и калоричност на природния газ

ПОДОБНИ СТАТИИ

Избор на разстъргващи инструменти

Индустриални захранвания за DIN шина

Високопрецизно лазерно рязане на метал

Релета за безопасност

Колаборативни роботи в производството

Методи и средства

През времето на индустриалната революция от края на осемнадесети век, въглищата са основният използван първичен енергиен ресурс. Запазват главната си роля на сцената на енергийните източници и през следващите 150 години. Едва през двадесети век, нефтопродуктите и природният газ постепенно изместват въглищата от различни сфери на индустрията. Днес, областта на приложение на природния газ непрекъснато се разширява, въпреки мрачните прогнози за скорошното му изчерпване в световен мащаб. Основна причина за налагането на природния газ като енергиен източник е екологосъобразността му. Във време, в което общата тенденция в развитието на световната индустрия е насочена към инвестиране в екологосъобразни производствени технологии, природният газ се превръща в предпочитан първичен енергиен ресурс. Разбира се, когато се говори за световния пазар на природния газ, не бива да се забравя и за друга общовалидна не само в краткосрочен, но и дългосрочен аспект тенденция, състояща се в непрекъснато повишаване на цената му.

Широкото използване на природния газ става причина за развитието на цяла индустрия, обхващаща не само технологии за добив, съхранение и транспорт на природния газ, но и за измерване на параметрите и количеството на енергийния ресурс. Направени проучвания в Германия, например, свидетелстват, че ако точността в измерването на количеството природен газ се повиши само с 0.1%, макроикономически ползите за индустрията ще бъдат от порядъка на милиони евро.

С настоящата статия се стремим да ви предоставим в систематизиран вид информация за основните методи, които се използват за определяне калоричността и плътността на природния газ. Основание за това ни дава обстоятелството, че през последните години природният газ все по-широко се използва както в областта на индустрията, така и в сферата на бита в страната.

Известно е, че природният газ изгаря екологосъобразно до образуването на въглероден диоксид и вода. Енергията E, отделена в процеса на горене на природния газ, може да се представи като произведение на колоричността H и нормалния обем Vn на горивото: Е=H.Vn.

Като дефиниция, терминът калоричност включва цялото количество енергия, което се отделя в процеса на изгаряне на горивото. За изчисляването на нормалния обем Vn и калоричността на природния газ при търговски измервания се изисква използването на калибрирани измервателни средства. Нормативно одобрени за изчисляване на калоричността на природния газ са автоматичните калориметри и процесните газови хроматографи. Този вид измервателни средства подлежат на одобряване на типа от Държавната агенция за метрология и технически надзор. По принцип максимално допустимата грешка при определяне калоричност на природния газ е 0.8%. За осигуряване на коректност на измерванията се изисква осигуряването на специално дефинирани условия на измервателния процес. Съществуват и изисквания по отношение на инсталацията и периодичните тестове на измервателните средства за калоричност с калибрационен газ. Нормалният обем на природния газ се определя с цел съпоставимост на получените резултати. Следователно, всички параметри на природния газ, при изчисляването на които се взема предвид обемът му, се правят на базата на т.нар. нормален обем, т.е. обема на газа при определени стойности на температурата и налягането му.

Независимо от конструктивните си различия, всички калориметри работят на основата на един и същ физически принцип. Принципна схема на конструкцията на калориметър е показана на фиг. 1. Най-общо казано, в горивната камера на калориметъра се изгаря строго определено количество природен газ. Генерираната в процеса на горене на природния газ топлинна енергия се предава през топлообменник към специфично количество топлоносител, най-често въздух или газ. За калоричността на горивото се съди по промяната на температурата на топлоносителя. Или по-точно казано, между температурата на топлоносителя и калоричността на горивото съществува правопропорционална зависимост.

Въпреки че принципът на работа на калориметрите не се е променил от създаването им, функционалните възможности на съвременните средства за измерване калоричността на горивото са претърпели съществено развитие. Съвременните калориметри са в по-висока степен точни с все по-големи възможности за обработка, съхранение и анализ на измерените стойности, както и с все по-големи комуникационни възможности.

Този вид средства за измерване се използват за определяне калоричността на газови смеси на базата на калоричността на отделните компоненти на сместа. Разбира се, необходимо условие за изследване калоричността на газови смеси чрез използването на газхроматограф е да съществува предварителна информация за състава им. Газхроматографът е широко познато средство за анализ на газове сред метролозите. Използва се от десетилетия за лабораторни изследвания. Основният недостатък на газхроматографите е ръчното им обслужване, което ограничава сферата им на приложение във функцията на средство за определяне калоричността на природен газ. С развитието на процесната хроматография през годините, точното измерване на калоричността на природния газ на базата на този принцип се превърна в реалност. Известно е, че основен конструктивен елемент на газхроматографите е сепарационната колона, която е напълнена с гранулиран материал (фиг. 2). Отделните съставни на газовите смеси изминават за различен период от време разстоянието от основата до върха на сепарационната колона. Чрез измерване на времето, за което отделните вещества, включени в състава на газовата смес, достигат до датчик, монтиран на изхода на сепарационната колона, се съди за количеството им. На базата на изчислените след това калоричности на отделните съставни се пресмята калоричността на газовата смес.

Съществува значително разнообразие от методи за определяне плътността на природния газ.

Сред най-широко експлоатираните от техниката принципи за определяне плътността на природния газ е базираният на действието на подемната сила. Тези средства за измерване анализират подемната сила, която действа върху тяло със строго определен обем и плътност, намиращо се в газообразна среда. Известно е, че големината на подемната сила зависи от плътността на газа. За определяне на подемната сила в индустриални приложения обикновено се използва индукционна бобина. Големината на електрическия ток, която е необходима за компенсиране на изтласкващата сила, която действа върху тялото, намиращо се в газообразната среда, е пропорционална на плътността на газа. Средствата за измерване, работещи на базата на описания принцип, не са подходящи за определяне плътността на газови потоци. Методът осигурява висока точност при определяне плътността на стационарно количество природен газ. Използва се най-вече за измерване на нормална плътност.

Друг принцип за определяне плътността на природния газ се основава на възбуждането на вибрационен процес. Методът се използва широко за определяне плътността на газови потоци. В измервателната камера на приборите, работата на които се основава на този принцип, е монтиран специален елемент. Той вибрира с определена, предварително известна честота. При преминаването на природния газ през измервателната камера честота, с която елементът трепти, се смущава. Установено е, че съществува нелинейна зависимост между плътността на газовия поток и отместването на честотата на вибриращия елемент. Съществува методология за много точно определяне на съответстващата на всяко честотно отместване плътност на газовия поток. За да се пресметне нормалната плътност на газа, се използват измервателни средства с два вибрационни сензора. Първият сензор се монтира в еталонна измервателна камера, напълнена със строго определено количество природен газ. Втората измервателна камера, в която се поставя другият вибрационен сензор, е изпълнена с изследвания газ. Необходимо условие за коректност на измерените резултати е температурата на газа в двете камери да бъдат еднакви. За плътността на природния газ във втората камера се съди по разликата в честотите, с които вибрират двата сензора.

Основание за широкото използване на този вид средства за измерване плътността на природния газ е високата точност, с която би могла да се измери и допълнително обработи честотата на трептене на вибрационния датчик.

За определяне плътността на природния газ намира приложение и трети принцип, който се базира на използването на центробежен процес. Конструкцията на този тип средства за измерване съдържа осово симетрична измервателна камера, в която е монтиран смесител с постоянна скорост на въртене. Анализираният газ се подава към смесителя в камерата. В резултат на действието на възникналата при въртенето на смесителя центробежна сила върху молекулите на природния газ, налягането в камерата се повишава. Между плътността на газа и нарастването на налягането в измервателната камера съществува линейна зависимост. Описаният метод е подходящ за измерване плътността на газови потоци, но не се отличава с високата точност на описаните по-горе принципи.