[发明专利]确定烃燃料的热值及相对密度的方法和用于该方法的仪器

说明书

本发明涉及确定烃燃料的热值及相对密度(或比重)的方法和仪器。这些值被用于定义烃燃料的能量含量和/或沃贝指数。

烃燃料的供应合同是根据气体的能量含量的按小时或按天的平均值的。相应地，燃料的能量含量的测量设备的设计人员最关心的一直是测量精度。今天最常用的用于测量燃料气体的能量含量的工业用测量设备是在线气相色谱仪(PGC)。该设备有时被称为“BTU分析仪”，特点是既有高精度也有长的分析时间，该分析时间是几分钟的量级，通常为3至5分钟。此外，该设备的建造、操作及维护复杂，需要多组分气体来校正。这些因素对既快捷准确又易于建造操作维护的、改进的测量燃料的能量含量的仪器提出了需求。

沃贝指数是一个计算值，用于提供不同燃料流特别是气态燃料的燃烧能量输出的比较。通过比较不同的燃料的沃贝指数，可以得到在燃烧期间它们的不同的能量输出的指示。因此，两种具有相近的沃贝指数的不同组成的燃料在给定的一组条件下燃烧时，将会提供相近的能源输出。

沃贝指数(WI)是由燃料的热值(HV)和燃料的相对密度(RD)来计算的，且由下式定义：

WI＝HV/√RD

沃贝指数在商业规模上被用于比较不同烃燃料特别是烃燃料气体的燃烧能量输出。因此，沃贝指数的准确测定对很多工业、最引人注目的是天然气产业是重要的。

对于在燃料燃烧设备特别是在气体燃烧设备中应用既快捷又准确的确定沃贝指数的仪器有特别的需要。这种需要是作为与燃烧设备的操作相关联的安全和环境问题的结果而产生的。这样的确定沃贝指数的改进的装置在燃料混合站中也会有大的作用，在燃料混合站中要求快的分析时间以减小在燃料供应系统中采用的缓冲管线的内部容积。

确定能量和/或沃贝指数的快速仪表是已知的。第一种类型是基于ASTM标准D-4891，题为“利用化学计量燃烧的天然气范围内的气体的热值的标准化测试方法”。D-4891关注的是确定在某一定组成范围内的气体的热值。该方法是根据在该标准中公开的天然气的热值与化学计量的气体氧化流量之间的线性关系。该燃料用氧气(或空气)燃烧，在出口测量该燃烧的温度或氧气(或空气)流量，以确定化学计量氧化的气体流量状况。公开在D-4891中的该方法是快的，响应时间小于15秒，该方法是相对准确的，精度为约0.4％。该方法也具有的优点是它可以不需进行繁琐且耗时的重新校正而广泛应用于大范围的气体组成。然而，为了确定沃贝指数，D-4891的方法必须与具有同级的精度和响应速度的测量燃料气体的密度的方法结合起来。

确定燃料的能量含量和/或沃贝指数的快速仪表的第二种类型被用于所谓的普通燃料气体的测量，该普通燃料气体即为烃开采和生产活动所产生的天然气。假设普通天然气的组成是由4种相关的组分组成：氮气(N₂)，二氧化碳(CO₂)，甲烷(CH₄)和所谓的“等效烃(equivalent hydrocarbon)(CH)”。等效烃代表该气体的更高级的烃，假定主要由链烷烃构成。根据普适于一般气体的三分之一规则，连续高级烃的摩尔比为约1/3，即：例如，丙烷与乙烷的摩尔比为约1/3，气体中的丙烷与丁烷的摩尔比为约1/3，等等。这些特点让普通天然气利用该气体的三种独立的性质来表征，被称为“普通天然气的相关原则”。在三分之一规则的原理上运行的确定普通天然气的能量含量和/或沃贝指数的仪表被称为“关联仪表”，并应用3个独立的性质的测量。合适的独立的性质的例子包括气体的热值、气体的密度、在气体中的声速、气体的热容、气体的热导率和二氧化碳的浓度。这样的仪表的特点是结合了快速响应时间(通常小于15秒)和热值与气体密度二者的可以接受的测量精度(通常在0.5％之内)。然而，作为这些仪表操作所根据的原理特别是等效烃理论和三分之一规则的结果，它们的应用仅限于天然产生的气体燃料。关联仪表不能用于其它燃料气体，如已处理例如除去了丙烷和丁烷或混合了氮气的天然气及诸如沼气、炼厂气等其它燃料气体，因为这些燃料没有遵守三分之一规则的组成。

因此，有对于结合了快的响应速度和高精确度、确定宽范围的燃料而不仅仅是天然气的沃贝指数的仪器的需要。如果这种装置能够易于建造和操作、需要极少或根本不需要校正或维修，那也将是有利的。

在第一个方面，本发明提供了一种确定燃料的热值的方法，所述燃料包含至少一种烃，所述至少一种烃包括以最高摩尔浓度存在的第一种烃，所述方法包括：

测量该燃料的化学计量氧化的摩尔流量比；

从该测量的化学计量氧化的摩尔流量比来确定理想的摩尔热值(HV_m，i)；