Orest SEREDIUK1, Nataliya MALISEVYCH2, Mariusz R. RZĄSA3 1. Ivano-Frankowski Narodowy Uniwersytet Techniczny Nafty i Gazu, Ukraina.
tel.: +380974687903 e-mail: mpkjasp@nung.edu.ua
2. Ivano-Frankowski Narodowy Uniwersytet Techniczny Nafty i Gazu, Ukraina.
tel.: +380992129142 e-mail: zarichna@nung.edu.ua 3. Politechnika Opolska, Polska
tel.: +48 77 449 80 71 e-mail: m.rzasa@po.opole.pl Streszczenie: W pracy opisano autorską metodę wyznaczania ciepła spalania gazu ziemnego. Metodę tę porównano ze znanymi w literaturze metodami pomiarowymi. Przeprowadzono symulacje wpływu wilgotności gazu oraz wilgotności względnej powietrza dostarczanego w procesie spalania, na względną różnicę wyznaczania ciepła spalania gazu ziemnego. Praca zawiera wyniki symulacji wraz z analizą wpływu wilgotności powietrza i gazu na wartość ciepła spalania gazu ziemnego.
Słowa kluczowe: ciepło spalania gazu ziemnego, wilgotność gazu, wpływ wilgotności na ciepło spalania gazu ziemnego.
1. WPROWADZENIE
Z uwagi na rosnące ceny energii, w tym gazu ziemnego, coraz częściej, parametrem rozliczeniowym jest wartość kaloryczna paliwa, a nie jak do tej pory jego ilość. W tym przypadku duże znaczenie ma dokładność wyznaczania ciepła spalania. Niejednokrotnie prowadzi to do dużych rozbieżności w rozliczeniach finansowych pomiędzy importerami i eksporterami gazu ziemnego [1, 2]. Ma to szczególne znaczenie w skali rozliczeń międzynarodowych.
Na przykład krajowa norma na Ukrainie [3] zaleca, aby podstawą rozliczenia gazu ziemnego było ciepło spalania.
Takie podejście pozwala rozliczać pobrany gaz w jednostkach energii oraz wpływać na eksporterów, aby dostarczali gaz odpowiedniej, jakości. W Polsce cena za gaz ziemny jest ustalana w przeliczeniu na energię cieplną zawartą w suchym gazie [4, 5].
Ciepło spalania lub wartość energii zawartą w suchym gazie z dużą dokładnością można określić za pomocą chromatografu gazowego. Jednak zastosowanie tej metody w warunkach technicznych niejednokrotnie nie jest możliwe lub bardzo trudne. Stąd konieczne jest poszukiwanie innych metod pomiarowych. Autorzy artykułu zaproponowani jedną z metod, która jest względnie tania i może być stosowana na w szerokim zakresie. W pracy przeprowadzono analizę metrologiczna zaproponowanej metody. Analiza ta uwzględnia wady i zalety zaproponowanego rozwiązania oraz wpływu wilgotności na dokładność pomiaru. Ponadto przeprowadzono analizę znanych metod pomiarowych z uwzględnieniem możliwości powszechnego zastosowania tych metod.
Celem artykułu jest omówienie idei metody pomiarowej do wyznaczenia ciepła spalania gazu ziemnego, która nie wymaga osuszania gazu. W pracy przedstawiono autorskie opatentowane rozwiązanie aparatu do wyznaczania ciepła spalania gazu ziemnego, które nie wymaga jego osuszenia. Przeprowadzono symulacje wpływu zmian wilgotności na względną różnicę wyznaczania ciepła spalania gazu ziemnego, celem oceny przydatności opracowanego rozwiązania. W dalszych etapach prac badawczych planowane jest zbudowanie aparatury i przeprowadzanie dalszych badań.
2. PRZEGLĄD METOD POMIAROWYCH
Wartość ciepła spalania możliwa jest do wyznaczenia za pomocą chromatografu gazowego, stosując odpowiednie procedury [1-3]. Zastosowanie chromatografu gazowego jest możliwe w warunkach laboratoryjnych [6, 7]. Ponadto procedury przewidują określenie ciepła spalania dla gazu suchego. W praktyce najczęściej gaz transportowany rurociągiem zawiera pewne ilości pary wodnej, co prowadziłoby do błędów lub wymagałoby osuszenia gazu.
Inne rozwiązanie opisano w patencie 92846 C2 Ukraina [8]. Polega ono na pośrednim określaniu ciepła spalania gazu ziemnego, na podstawie propagacji fal ultradźwiękowych. Wartość ciepła spalania gazu ziemnego określa się pośrednio, poprzez określenie zawartość azotu i dwutlenku węgla w gazie na podstawie propagacji fal ultradźwiękowych. Ciepło spalania określa się z pomocą odpowiednich modeli opartych na sieci neuronowej. Metoda ta podobnie jak poprzednia może być stosowana wyłącznie do suchego gazu. Powodem jest brak modeli, które uwzględniałyby wpływ wilgoci na szybkość propagacji fal ultradźwiękowych w gazie ziemnym.
Metoda wyznaczania ciepła spalania gazów palnych opisana w patencie 4062236 United States [9], polega na pomiarze temperatury płomienia palnika podczas spalania mieszaniny suchego gazu ze stałym stosunkiem objętości powietrza. Ilość powietrza jest regulowana w zależności od ilości spalanego gazu potrzebnego do utrzymania zadanej temperatury. Jest to metoda, która pozwala określić ciepło
spalania gazu uwzględniając zawartość zanieczyszczeń znajdujących się w gazie.
3. OPIS PROCESU SPALANIA GAZU
Autorzy zaproponowali nowatorską metodę wyznaczania wartości opałowej gazu ziemnego opisaną w patencie 112737 C2 Ukraina, [10]. Metoda polega na pomiarze temperatury spalania w palniku gazowym przy zachowaniu stałego strumienia mieszaniny gazu z powietrzem. Stały stosunek gazu do powietrza zapewnia odpowiednia konstrukcja palnika.
Ponieważ wilgoć zawarta w gazie obniża jego wartość ciepła spalania opisana metoda pomiarowa uwzględnienia energię potrzebną do odparowania wody znajdującej się w gazie ziemnym. Gaz ziemny w 94% składa się z metanu CH4, proces spalania opisuje następująca reakcja chemiczna:
HW gdzie: HW – stanowi energię cieplną, jaka wytworzyła się w
procesie spalania. Maksymalnie przyjmuje się że dla 1 kg metanu wytwarza się 55,6 MJ energii [6].
Podczas procesu spalania woda H2O, która jest produktem ubocznym procesu spalania, ulega odparowaniu.
Odparowanie wody pochłania część energii wytworzonej w procesie spalania. Powoduje to obniżenie wartości ciepła spalania gazu ziemnego. Stąd rzeczywista ilość energii, jaką uzyskuje się w wyniku spalania gazu ziemnego HN jest niższa od energii wyliczonej z reakcji chemicznej.
Ponadto podczas procesu spalania gazu ziemnego następuje dodatkowo odparowanie wody dostarczonej wraz z gazem ziemnym i powietrzem dostarczanym do palnika w procesie spalania. Dlatego w rzeczywistych warunkach konieczne jest określenie rzeczywistego ciepła spalania HNF, które jest pomniejszone o energię potrzebną na odparowania całej ilości wody biorącej udział w procesie spalania.
H
ϕH H
H
NF=
N−
R−
(2) gdzie: HN – ciepło spalania suchego gazu wyznaczone
metodą chromatograficzną [6]; HR – energia zużyta na odparowanie wody zawartej w gazie ziemnym; Hφ – energia zużywana na odparowanie wody zawartej w powietrzu biorącym udział w spalaniu.
Energię potrzebną do odparowania wody znajdującej się w gazie HR dla warunków normalnych (ciśnienie temperatury odpowiednio wrzenia wody, temperatura płomienia i znormalizowana wartość temperatury otoczenia (20 °С); r – ciepło właściwe parowania wody. odparowanie wody zawartej w powietrzu biorącym udział w spalaniu Hφ przyjmuje postać:
Zaproponowana prze autorów metoda pomiarowa [10], polega na pomiarze temperatury spalania w palniku gazowym przy zachowaniu stałego strumienia mieszaniny gazu z powietrzem. Stały stosunek gazu do powietrza zapewnia odpowiednia konstrukcja palnika.
Rys. 1. Schemat urządzenia do wyznaczania ciepła spalania gazu ziemnego
Urządzenie do określania ciepła spalania gazu ziemnego, przedstawiono na rysunku 1. Składa się ono z palnika 1, który zapewnia odpowiednią mieszankę gazu ziemnego i powietrza. Mieszanina gazu i powietrza jest wytwarzana za pomocą dyfuzora 2 w komorze mieszającej 3.
Strumień gazu dostarczanego do palnika jest dozowany poprzez odpowiedni układ regulacji 4, w którym zawór 7 jest sterowany komputerowo [10] na podstawie pomiaru ciśnienia 8, temperatury 9, wilgotności względnej 10 i strumienia gazu 11. Układ zasilania gazem jest podłączony do instalacji gazowej 6 poprzez zawór regulacyjny 5. System komputerowej akwizycji danych na bieżąco rejestruje parametry otoczenia takie jak: ciśnienie 14, temperatura 15 i wilgotność 16.
Ciepło spalania gazu ziemnego H jest obliczane na podstawie wzoru, w którym uwzględnia się ciepło potrzebne do odparowania wody: gdzie: A – jest współczynnikiem charakterystycznym dla
palnika [kJ/K], T – temperatura płomienia palnika, B – ciepło właściwe odparowywania wody
(wyznaczone na podstawie wilgotność powietrza),
Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN 2353-1290, Nr 59/2018
177 b)
Ki –współczynnik wtrysku charakterystyczny dla danego palnika [K∙kg/m3], φ – wilgotność
bezwzględna,q – normalny objętościowy strumień, τ – czas przepływu gazu.
Dla każdego palnika wymagana jest kalibracja, polegająca na wyznaczeniu współczynnika charakterystycznego A. Kalibrację przeprowadza się dla gazu o znanych parametrach. Ponieważ współczynnik A jest zależny jedynie od wymiarów palnika jednorazowe wyznaczenie współczynnika A może mieć miejsce w warunkach laboratoryjnych i nie zależy on od warunków, w jakich będzie pracowało urządzenie.
Proces kalibracji przeprowadza się dla trzech różnych gazów o różnej i znanej wartości opałowej. Wartość współczynnika A stanowi średnia arytmetyczna tych wartości.
5. WYNIKI BADAŃ
W celu oszacowania wpływu wilgoci zawartej w gazie i powietrzu na wartość zmierzonego ciepła spalania przeprowadzono symulację numeryczną.
Rys. 2. Wpływ wilgoci na ciepło spalania gazu ziemnego a) zawartą w gazie b) zawartą w powietrzu
Wilgotność gazu ziemnego jest najczęściej szacowana na podstawie temperatury punktu rosy [7]. Dlatego do badań numerycznych przyjęto zakres zmian temperatury punktu rosy od -20°С do 5°С. Na podstawie znanych algorytmów i nomogramów [7], zakres ten można wyrazić za pomocą
bezwzględnej wilgotności gazu ziemnego od 8·10-4 do 65·10-4 kg/m3.
Ponieważ na ciepło spalania ma wpływ ilość zanieczyszczeń zawartych w gazie, w symulacji przyjęto zmienność składu chemicznego gazu w oparciu o model zaproponowanym w pracy [11]. Przyjęto, że podstawowy skład chemiczny gazu [13] zawiera: 93% metanu, 3,3%
etanu, 1,8% propanu, 1,5% azotu i 0,4% dwutlenku węgla.
Następnie poszczególne wartości zmieniano w zakresie:
metan (89 ... 97)%, etan (0 ... 6,6)%, propan (0 ... 3)%, azot (0 ... 3)%, dwutlenek węgla (0 ... 0,8)%. Zmieniając wartość jednego ze składników pozostałe dobierano w taki sposób, aby suma udziałów procentowych wynosiła 100%.
Wyniki symulacji przedstawiono na rysunku 2. Ilość wody zawartej w gazie przyjęto, jako maksymalną wartość wynikającą z punktu rosy dla danej temperatury. W obliczeniach uwzględniono wartość ciepła spalania suchego gazu HN odpowiednią dla danego składu chemicznego gazu.
Na podstawie otrzymanych wyników stwierdza się, że zawartość wilgoci zarówno w gazie jak i powietrzu wpływa na ciepło spalania gazu ziemnego. Na przykład dla gazu suchego o katalogowej wartości ciepła spalania 8409 kcal/m3 [12], gdy jego temperatura wynosi 20°C, jego rzeczywiste ciepło spalania wynosi 8408 kcal/m3, natomiast dla temperatury 5°C, jego ciepło spalania wynosi 8402 kcal/m3. Większy wpływ na wartość opałową ma wilgoć zawarta w powietrzu dostarczanym do palnika. Przykładowo dla gazu suchego o katalogowej wartości ciepła spalania 8409 kcal/m3, przy wilgotności powietrza 30% ciepło spalania wynosi 8362 kcal/m3, natomiast dla wilgotności 80% już tylko 8283 kcal/m3. Pozornie może się to wydawać bez znaczenie dla odbiorców małych ilości gazu, jednak w skali krajowych importerów gazu tego rodzaju różnice wiążą się z dużymi kosztami. Stąd podjęto próbę wyznaczenia względnej różnicy ciepła spalania gazu ziemnego, gdy jest ono wyznaczane za pomocą opisanej metody pomiarowej.
Rys. 3. Względne różnice określania ciepła spalania gazu ziemnego o wartości opałowej 7759 kcal/m3
przy zmiennej wilgotności gazu i powietrza
Ponieważ nie ma standardowych procedur określania błędów dla metod wyznaczania ciepła spalania gazu ziemnego stąd zaproponowano rozwiązanie opisane w pracy [14]. Gdzie względną różnicę δ oblicza się na podstawie wzoru:
a)
(6) Dla wartości ciepła spalania HN zmierzoną chromatografem gazowym obliczono względną różnicę przy jednoczesnym wpływie wilgoci zawartej w gazie i powietrzu biorącym udział procesie spalania (rys.3).
6. WNIOSKI
Obecnie powszechnie stosowane metody pomiarowe do określanie ciepła spalania gazu ziemnego są opracowywane dla gazu suchego. Wymaga to osuszania gazu przed pomiarem, co w warunkach przemysłowych niejednokrotnie jest kłopotliwe. Zaproponowane rozwiązanie nie wymaga osuszania gazu. Przeprowadzona analiza błędów zaproponowanej metody wykazała, że błędy mają wartość ujemną. Zmiana wilgotności powietrza i gazu w granicach 30% do 80% powoduje zmniejszenie wartości ciepła spalania w granicach 0,5% do 1,7%. Ze względu na to, że różnica w wartości ciepła spalania, gdy nie uwzględnia się wilgotności gazu i powietrza wynosi zaledwie kilka promili, powyższe rozważania nie będą miały większego znaczenia dla odbiorcy końcowego. Jednak zaproponowane rozwiązanie może mieć zastosowanie do określania ciepła spalania gazu ziemnego w rozliczeniach pomiędzy dużymi importerami i eksporterami gazu. Wyniki tej pracy nie kwestionują celowości stosowania innych metod pomiarowych, a jedynie wykazały zalety rozwiązania opisanego w patencie 112737 C2 Ukraina.
7. BIBLIOGRAFIA
1. Norma ISO 15112:2007 Natural Gas – Energy determination.
2. Norma EN 1776:2015 Gas infrastructure. Gas measuring systems. Functional requirements
3. Norma DSTU ISO 15112:2009 Norma Ukraińska: Gaz ziemny. Wyznaczenie energii gazu.
4. Roslonek G.: Uwarunkowania wdrozenia rozliczen paliw gazowych w jednostkach energii w krajowym systemie gazowniczym, Konf. Nauk.-Techn. FORGAZ 2014, Muszyna 2014, Prace naukowe Instytutu Nafty i Gazu, Nr 194. – Kraków. 2014. – s.139-143.
5. Roslonek G.: Kierunki rozwoju Standardow Technicznych IGG w obszarze analityki paliw gazowych / G. Roslonek // Techniki i technologie dla gazownictwa – pomiary, badania, eksploatacja: Konf.
Nauk.-Techn. FORGAZ 2016, Krakow: Prace naukowe Instytutu Nafty i Gazu. – Krakow: Instytut Nafty i Gazu, 2016. – S.63-70.
6. Międzynarodowa norma GOST 30319.1-96. Gaz ziemny.
Metody obliczania właściwości fizycznych. Oznaczanie fizycznych właściwości gazu ziemnego, jego składników i produktów jego przetwarzania.
7. Andriyishyn M.P., Karpash O.M., Marchuk Y.S., Petryshyn I.S., Serediuk O.E., Chehovskiy S.A.: Natural gas metering: a guide, Simyk, Ivano-Frankowsk, 2008.
8. Karpash O.M., Darvay I.Y., Karpash M.O.: Method of express-determination of natural gas heating value Patent 92846 C2 Ukraine, IPC (2009) G01N25/20 No.
а200905201.
9. William H., Clingman, Jr.: Method of and means for accurately measuring the calorific value of combustible gases. Patent 4062236 United States, IPC G01N 25/30.
10. Serediuk O.E., Liutenko T.V., Malisevych N.M.:
Method of express-determination of natural gas heating value (in Ukrainian: Sposib ekspres-vyznachennya teploty zgoryannya pryrodnogo gazu). Patent 112737 C2 Ukraine, IPC (2006.01) G01N25/20 No. a201512215;
declared 09.12.2015; published 10.10.2016; Bulletin No.
11. Serediuk O., Malisevych V., Warsza Z.L.: Symulacja 19.
związku właściwości cieplnych i energii gazu ziemnego w pomiarach jego przepływu. „Przemysł Chemiczny”, T.
96, Nr 10, 2017, s. 2065–2069.
12. Serediuk O., Malisevych V., Warsza Z.L.: Metoda termoanemometryczna pomiaru wartości energetycznej gazu ziemnego. „Przemysł Chemiczny”, T. 96, Nr 11, 2017, 2243–2246.
13. Chemical Composition of Natural Gas [Electronic resourse], Mode of access: World Wide Web:
https://www.uniongas.com/about-us/about-natural-gas/chemical-composition-of-natural-gas.
14. Gryshanova I., Korobko I., Pogrebniy P.: Increasing of accuracy of multipath ultrasonic flow meters by intelligent correction. Measurement Automation Monitoring, Dec. 2016, No 12, Vol. 62, pp.411-416.