CC BY
9«ШУУШШШУМ-ЛШТМак» #2ШМШ, 2021 / TECHNICAL SCIENCE
25
TECHNICAL SCIENCE
УДК 620.93
Присяжнюк Л. О.
астрант
Державне тдприемство «Iвано-Франкiвськстандартметрологiя» DOI: 10.24412/2520-6990-2021-20107-25-31 ШФОРМАЦШНО-ВИМ1РЮВАЛЬНА СИСТЕМА ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ТА РЕГУЛЮВАННЯ
ЧИСЛА ВОББЕ
Prysyazhnyuk L. O.
postgraduate
State Enterprise «Ivano-Frankivsk Standard Metrology»
INFORMATION-MEASURING SYSTEM FOR DETERMINING AND REGULATING THE WOBBE
NUMBER
Анотацш.
В cmammi обтрунтовано принципи побудови iнформацiйно-вимiрювальноi системи визначення та регулю-вання числа Воббе is застосуванням калориметра прямо'1' dii та густиномiра газу. Розроблено скануючий акус-тичний густиномiр та метод визначення резонансно'1' частоти резонатора Гельмгольца з використанням генератора синусо'1'дального сигналу стабшьно'1' амплтуди i керовано'1' частоти (свт-генератора) з двохсторон-нш скануванням робочого дiапазону частот. Розроблено структурт схеми iнформацiйно-вимiрювальноi системи для визначення та регулювання числа Воббе.
Abstract
The article substantiates the principles of building an information-measuring system for determining and regulating the Wobbe number using a direct-acting calorimeter and a gas density meter. A scanning acoustic densitometer and a method for determining the resonant frequency of a Helmholtz resonator using a sinusoidal signal generator of stable amplitude and controlled frequency (sweep generator) with two-way scanning of the operating frequency range have been developed. Structural diagrams of the information-measuring system for determining and regulating the Wobbe number have been proposed.
Ключовi слова: калориметр, резонатор Гельмгольца, свт-генератор, густиномiр газу, природний газ
Key words: calorimeter, Helmholtz resonator, sweep generator, gas density meter, natural gas.
Постановка проблеми. Базовими яшсними (квал1метричними) показниками природного газу, поряд 1з теплотою згоряння, вм1стом та концентра-щею його складових, е число Воббе як один 1з ком-плексних показнишв якосл газу. Число Воббе ви-значаеться з врахуванням аналогично! залежносп, яка пов'язуе два окрем1 показники: теплоту згоряння газу та його вщносну густину. Кр1м того, число Воббе е критер1ем под1бносп газ1в та визначае можливють !х взаемозамшносп 1 фактично харак-теризуе постшшсть теплово! енерги, яка отриму-еться в результат! спалювання незалежно в1д компонентного складу газу. Ввдповщно, гази з однако-вим показником числа Воббе за умови р1внозначного надлишкового тиску зазвичай мо-жуть бути взаемозамшними без додатково! замши або регулювання пальник1в чи газових форсунок га-зоспоживаючого обладнання. £вропейськими нор-мативними документами встановлюеться класифь кащя р1зних титв паливних газ1в за д1апазоном допустимого числа Воббе [1] 1 встановлено поняття «с1мейство газ1в», при цьому вид1ляеться дв1 осно-вш групи газ1в, яш постачаються споживачам 1 поз-начаються Н та L, кожна з яких мае сво! нормоваш
параметри. Таким чином, забезпечення можливосп оперативного визначення та регулювання числа Во-ббе природного газу е досить актуальним завдан-ням.
Аналз останнiх досл1джень i публiкацiй. Сл1д зазначити, що шд природним газом маеться на уваз1 вся номенклатура паливних газ1в, в тому числг ш-рол1зний, доменний, шахтний, коксовий, попутний нафтовий, бюметан та газове моторне паливо. Режим горшня газу безпосередньо впливае на техно-лопчш процеси, пов'язаш з виготовленням або переробкою продукци, та, ввдповвдно, забезпечення 11 к1льк1сних та як1сних параметр1в.
Питання «регулювання якосп» через змшу числа Воббе особливо стосуеться зрщженого природного газу (LNG), який постачаеться одними поста-чальниками в р1зш краши. Показники числа Воббе газу встановлеш 1ндив1дуально для кожно! кра!ни 1 можуть суттево в1др1знятися, що ввдображено на рисунку 1 [2]. Доречно зазначити, що число Воббе для LNG, вмют метану в якому сягае 95 %, зазвичай перевищуе встановлеш вимоги, осшльки вш не мь стить негорючих компоненпв.
26
ТЕСИМСАЬ 8С1Е1ЧСЕ / «ШУШМУМ-ШУТМак» #ШШ7)), 2021
Рисунок 1 - Дiапазон допустимих чисел Воббе у деяких кратах [2]
На рисунку 2 наведеш типовi режими горiння на рисунку 3 показано якюш показники рiзних га-газу у пальниках газоспоживаючого обладнання за- зiв, накладет на режими горшня [3].
лежно вад числа Воббе та взаемозамшносп га ив. а
10 20 30
% неметанових компонентов (екв1валент С3НЙ + 1\12) Рисунок 2 - Дiаграма взаeмозамmностi газiв за числом Воббе
«ШУУШШШУМ-ЛШТМак» 2021 / ТБСИМСЛЬ 8С1Б1ЧСБ
27
% неметанових компоненте (екв1валент С3Н8 + 1\12) Рисунок 3 - Типовi якiснi показники газу за числом Воббе
8р рисуншв 2 та 3 видно, що допустимий дiа-пазон для нормального режиму горшня газу досить широкий, причому допустиме коливання вмiсту не-метанових компонентiв сягае 45%. З цього слвдуе, що газ з високим вмiстом негорючих компонентiв (в основному азоту) можливо довести до кондицш-ного стану шляхом додавання пропану та iнших ви-щих газiв, теплота згоряння та густина яких суттево вища. Крiм того, з рисунку 3 видно, що показники LNG суттево перевищують встановлеш норми, i за-безпечення коректних режимiв горiння передбачае необхiднiсть зниження числа Воббе, наприклад, шляхом змiшування його з iнертним азотом або стиснутим повiтрям [3]. Цей короткий аналiз ще раз шдтверджуе актуальшсть розроблення шформа-цшно-вимiрювальноl системи числа Воббе з додат-ковою функщею здiйснення зворотного регулю-вання та тдтримання стабiльного режиму горiння.
Виклад основного матерiалу дослiдження. Робота обчислювача полягае у визначеннi числа Воббе за наступною залежнiстю [4]:
ттг Н
Ж = — (1)
4а
де Н - об'емна теплота згоряння природного газу, Дж/м3;
ё - ввдносна густина природного газу, яка ви-значаеться як сшвввдношення густини газу ро до гу-стини повiтря рА'.
а = Р
Рл
(2)
Вимiрювання показнишв, як1 входять в фор-мули (1) та (2), характеризуеться особливостями, яш вимагають окремого розгляду. На основi вико-наного ранiше аналiзу [5] обгрунтована доцiльнiсть застосування прямого методу вимiрювання теплоти згоряння природного газу, що полягае у спалюванш
газу безпосередньо в газовому калориметра Хрома-тографiчний або опосередкований метод е недоць льним з мiркувань точностi або незастосовним для вимiрювання показник1в деяких газiв, наприклад, пiролiзного або коксового, для яких характерний високий вмiст водню. Застосування газового калориметра дае можливють при вимiрюваннi теплоти згоряння врахувати взаемодш горючих та негорючих компоненпв, вмiсту сiрки та наявностi вологи у газi аналогiчно до того, як вщбуваеться спалю-вання газу в обладнанш споживачiв. Для цього ро-зроблений удосконалений газовий калориметр прямо! ди у вигляд комбшацд калориметра прямого згоряння i системи контролю параметрiв стехюме-тричного згоряння газово! сумiшi. Контроль про-цесу згоряння реалiзований через вимiрювання вмь сту залишкового кисню в димових газах та !х тем-ператури [6].
Формула визначення об'емно! теплоти згоряння дослвджуваного газу Н на основi приведення до стандартних умов мае наступний вигляд [7]:
т • ) • Т 2 - ТШ у)
н = ■
Уо •
Рл + Ро) ТлЛ
Рл
Т
о У
(3)
де mi - маса компоненпв калориметра, що на-грiваються, кг;
ci - теплоемшсть компонентiв калориметра, що нагрiваються, Дж/кг^К;
Уо - об'ем використаного газу, м3; Ро - над-лишковий тиск газу, Па;
Ра - атмосферний тиск, Па; То - температура газу, К;
Та - температура навколишнього середовища,
К;
28
ТЕСИМСАЬ 8С1Е1ЧСЕ / «ШУШМУМ-ШУТМак» #2ШМ7), 2021
^1 - початкова внутршня температура калориметра;
Тw2 - к1нцева внутршня температура калориметра.
Для визначення густини навколишнього сере-довища (повиря) рл можна скористатись такою вь домою залежшстю [8]:
0,0034848- Р. - 0,009-т-е0'061-(Тл-273,15) Рл =-А----- (4)
ТА
де ф - волопсть навколишнього середовища (повпря), %.
Кр1м того, зважаючи на те, що в типовий склад природного газу, кр1м вуглеводшв, входять шш! горюч! та не горюч! компоненти, для визначення теп-лоти згоряння природного газу як функцп його гу-стини можна використати наступну кореляцшну за-лежшсть, отриману статистичною обробкою даних типового складу природного газу [9]: Н = 85,453-(0,52190-р + 0,04242- 0,65197-ха - ху)(5)
де рс - густина газу за стандартних умов; ха - вмют азоту (К 2) в газц Ху - вмют дюксиду вуглецю (СО2) в газО
Для визначення вмюту СО2 та N в природному газ! необхвдно користуватися даними, отриманими вщ х1м1ко-анал1тичних лабораторш газотранспорт-них та газорозпод1льних оргашзацш, як1 перюди-чно здшснюють в1дб1р та анал1з газу. Альтернативою е застосування в розробленш вим!рювальнш систем! потокового анал1затора вмюту СО2.
Таким чином, поставивши формули (5) 1 (2) в (1), отримаемо наступну залежшсть для визначення числа Воббе:
85,453-(0,52190-р + 0,04242-0,65197-х -х )
ш _ ' V ' Нс ' а У'
\Рл
Основним параметром, необхвдним для визначення числа Воббе, е густина дослвджуваного газу. Автором запропоновано проводити вим1рювання гу-стини з застосуванням явища резонансу газового се-редовища в замкненому об'емО Практичною реал1за-щею цього явища е застосування резонатора Гельм-гольца, принцип якого полягае у виникнент резонансних коливань газу з частотою, що залежить ввд геометричних параметр1в заповнено! газом емно-сп, та його густини.
Вим1рювання власно! резонансно! частоти резонатора Гельмгольца можливе р1зними способами. Найбшьш просту реал1зац1ю забезпечуе схема автогенератора, яка об'еднуе мжрофон, акустичний ви-пром1нювач звуково! частоти та тдсилювач, як1 охоплеш позитивним зворотним зв'язком через резонатор. Проте, практичш дослщження автор-ського конструктивного ршення, описаного в [10], показали, що така система не забезпечуе високо!
ввдтворюваносл результапв вим1рювання через вплив зовшшшх фактор1в на частоту резонансно! системи 1 значну чутливють до шум1в. Кр1м того, системи з позитивним зворотним зв'язком е в принцип! нестаб!льними, що проявилось в несинусо!да-льнш форм! звукових коливань. Несинусо!дальна форма сигналу, в свою чергу, означае наявн!сть га-рмон!чних коливань на кратних частотах, як! спо-творюють результата вим!рювань. Однак, тдтвер-джена можлив!сть визначення густини з викорис-танням резонатора Гельмгольца вимагала пошук!в !нших р!шень для точного визначення резонансно! частоти. Осшльки було встановлено, що вщхи-лення форми сигналу вщ синусо!дального зм!нюе вим!ряне значення частоти при незм!нн!й густит газу, був розроблений скануючий метод визна-чення резонансно! частоти з використанням генератора синусо!дального сигналу стабшьно! ампл!туди ! керовано! частоти (свш-генератора). При цьому м!крофон перестае бути елементом петл! зворот-ного зв'язку ! служить т!льки для визначення шко-вого значення акустичного тиску, який в!дпов!дае резонансу. Таким чином, вщтворювашсть результа-т!в вим!рювань суттево тдвищена за рахунок ста-бшьносп форми ! ампл!туди вимушуючих коливань, а також незалежносп !х частоти в!д зм!ни ре-зонансних характеристик м!крофона.
Запропонований конструктив наведено на рисунку 4.
Газ проходить над емтстю 2, в яку вмонтовано акустичний випромшювач звуково! частоти 3, що ге-неруе вимушеш акустичн! коливання певно! частоти та амплтуди. Трубопровщ акустично сполучений з емтстю через резонансну трубку довжиною Ь ! пло-щею перер!зу А. Кр!м того, перпендикулярно до нього - в ст!нку емносп - встановлений м!крофон 4 з дааг-рамою спрямованост!, яка забезпечуе максимальну чутлив!сть визначення звукового тиску газового середовища при мшмальнш чутливосп до зовн!шн!х за-вад. Процес вим!рювання густини полягае у пода-ванн! на випром!нювач звукового сигналу стабшьно! амплтуди ! змшно! в час! частоти вщ свш-генератора ! синхронного контролю звукового тиску в емност! При сп!впад!нн! частоти вимушених ! власних коливань системою рееструеться екстремум ампл!туди звукового тиску, який вщповщае конкретному зна-ченню частоти, !, вщповщно, густини газу. Цикл змши частоти ввд м!н!мального до максимального значення (сканування) тривае 10 с, причому для Щдвищення то-чност! вим!рювань повторне сканування здшсню-еться в тому ж темп! в протилежному напрямку (дво-хсторонне сканування), а результата сушжних вимь рювань усереднюються. Слад ввдзначити, що запропонований спос!б визначення густини природного газу може бути застосований також для неперер-вного потокового вимрювання густини газу.
«ШУУШШШУМ-ЛШТМак» #2адш, 2®21 / TБCИNICЛL SCIБNCБ
29
Рисунок 4 - Схема резонатора Гельмгольца для вимiрювання густини газу: 1 - трубопровiд, 2 - вимiрю-вальна емтсть резонатора, 3 - акустичний випромтювач звуковоI частоти, 4 - мiкрофон, А - площа поперечного перерiзу резонансноI трубки, L - довжина резонансноI трубки; V - об'ем вимiрювальноi ем-
ностi, яка заповнюеться до^джуваним газом.
Визначення частоти резонансних акустичних коливань / здшснюеться за наступною формулою [11]:
I =
л
2 я V V • Ь
де V - швидк1сть звуку в газовому середовищ^ м/с, яка визначаеться за наступним сшввщношен-ням:
V =
п-
Ро.
Ро
(8),
Ро=
п • р • Л
4 я2 • 12 •V • Ь
а =
п • л
(10)
(7)
рА • 4 • я2 • 12 V Ь
В свою чергу, число Воббе обчислюеться через формули (1) i (10)
Ж = , Н (11)
•л
де п - показник адiабати для багатоатомних газiв;
ро - густина дослщжуваного газу, кг/м3. Таким чином, тсля перетворення формул (7), (8), отримуеться формула для визначення густини дослвджуваного газу за робочих умов.
(9)
Ввдповщно, вiдносна густина визначаеться через постановку формули (9) в формулу (2) як:
р • 4 • я2 • 12 V Ь
На рисунку 5 зображена структурна схема ска-нуючого акустичного густиномiра. Блок керування формуе сигнал управлшня свiп-генератором, який генеруе звукову частоту в дiапазонi, що вiдповiдае дiапазону можливо! змiни густини газу. Вхвдний сигнал вiд мiкрофона, який попередньо тдсилю-еться пiдсилювачем та ф№труеться ввд шумiв сму-говим фшьтром, подаеться для аналiзу в блок керування. Цей блок також здшснюе визначення резонансно! частоти, обчислення густини та виввд отриманого результату на дисплей i передавання його через вiдповiдний iнтерфейс в шформацшно-вимiрювальну систему визначення числа Воббе.
V
30
TECHNICAL SCIENCE / «ШУШМУМ-ШУГМак» &ЖШ1Ш), ЖЖ
Рисунок 5 - Структурна схема скануючого акустичного густиномiра
Акустичний iycrnHOMip е автономним прила-дом i може використовуватися для потокового контролю густини газiв в шших системах. На рисунку 6 наведет структурш схеми запропонованих шформа-цiйно-вимiрювальних систем для визначення числа Воббе природного газу. На схемi а) показано варiант системи, укомплектований калориметром прямого згоряння для визначення теплоти згоряння та густи-номiром для визначення густини природного газу. Варiант схеми б) укомплектований виключно густи-номiром та побудований на розрахунковому метода визначення теплоти згоряння на основi залежносп
(5).
Кожен вимiрювальний канал, з допомогою якого здшснюеться вимiрювання фiзичного параметру i який показаний на рисунку 5, мае свою ш-дивщуальну структуру, яка включае елементи фшь-траци i АЦП для перетворення входного аналогового сигналу та iншi необхвдш складовi. Слад зауважити, що найскладшшим з метролопчно! та конструктивно! точок зору е канал вимiрювання резонансно! частоти газового середовища, осшльки сторонш шуми можуть суттево впливати на результат вимiрювання.
а) б)
Рисунок 6 - Структурт схеми iнформацiйно-вимiрювальних систем для визначення числа Воббе
«ШУУШШШУМ-ЛШТМак» #КЗДШ, mm / TECHNICAL SCIENCE
31
На рисунку 7 наведена схема реал1зацп про-цесу визначення та послщовного регулювання числа Воббе природного газу. Процедура регулювання виконуеться ггеративно 1 здшснюеться насту-пним чином: тсля визначення теплоти згоряння 1 густини, проводиться регулювання подач1 повпря для забезпечення стех1ометричного згоряння, яке, в свою чергу, контролюеться наявнютю залишкового кисню в димових газах. При досягненш цшьових
показник1в ввдбуваеться припинення регулювання, в шшому випадку цикл регулювання повторюеться. Система також обладнана засобами регулювання безпосередньо числа Воббе шляхом змши компонентного вмюту природного газу. Така змша може до-сягатися за рахунок внесения азоту, повпря, пропану, етану або шших газ1в. Кр1м того, система може бути додатково обладнана давачами для вимь рювання шших показнишв якосп газу.
Рисунок 7 - Схема вимгрювання та регулювання числа Воббе природного газу
Висновки. У робот розглянуто BapiaHT визначення числа Воббе розрахунковим методом на основi значення густини природного газу та вмюту двох його негорючих компоненпв з використанням коре-ляцшних залежностей. Розроблено метод визначення числа Воббе через акустичн параметри резонатора Гельмгольца. Розроблено шформацшно-вишрюва-льну систему визначення числа Воббе iз застосуван-ням густиномiрa газу, а також з використанням гус-тиномiрa газу та калориметра прямо! ди. Запропоно-вано новий метод вимiрювaння густини газу за допомогою скануючого акустичного густиномiрa.
Список лiтератури
1. Випробувальн гази. Випробувальний тиск. Кaтегорi! прилащв (EN 437:2018, IDT): ДСТУ EN 437:2018. - [Чинний ввд 2019-07-01]. - К:. Держспоживстандарт Укра!ни, 2018. - 50 с.
2. Yves Bramoulle, Pascale Morin, Jean-Yves Capelle. LNG Quality and Market Flexibility Challenges and Solutions. The 14th International Conference & Exhibition on Liquefied Natural Gas, 2124 March 2004. 18 p.
3. Stephen Hull, Karen Wood, Ieda Gomes, Ben Ho, Steve Kerr, Jonathan Kershaw, Salli Cavanagh, Doug Wood. Guidebook to Gas Interchangeability and Gas Quality. 2011. 156 p.
4. Природний газ. Вимiрювaння властивостей. Теплота згоряння та число Воббе (ISO 15971:2008, IDT): ДСТУ ISO 15971:2014. - [Чинний вад 201505-01]. - К:. Держспоживстандарт Укра!ни. 2014. -С. 50.
5. Петришин 1.С., Бас О.А., Присяжнюк Л.О. Калориметр природного газу прямо! ди. Метролопя та прилади. 2017. № 4 (63). - С. 8 - 16.
6. Петришин 1.С., Присяжнюк Т.1., Бас О.А. Метод та споаб визначення теплоти згоряння природного газу у споживaчiв комунально-побутового сектору. Метролопя та прилади, 2017. № 1 (63). - С. 47-53.
7. Петришин I. С., Бас О.А., Присяжнюк Л.О. Портативний калориметр природного газу прямо! ди. VIII мiж нар. наук.-техн. конфер. «Сучасш прилади, мaтерiaли i технологи для неруйшвного контролю i техшчно! дiaгностики мaшинобудiвного i нафтогазопромислового обладнання»: зб. тез доповщей. - 1вано-Франк1вськ: "Факел". 2017. - С. 93-95.
8. Умовне значення зважування в повггрг ДСТУ OIML D28:2008 (OIML D28:2004, IDT). -[Чинний вiд 01-01-2010]. - К:. Держспоживстандарт Укра!ни. 2010. - С. 13.
9. Andrew K. Cohen. The Shale Gas Paradox: Assessing the Impacts of the Shale Gas Revolution on Electricity Markets and Climate Change. M-RCBG Associate Working Paper Series. No.14 Harvard College, Cambridge, Massachusetts. 2013. 143 p.
10. Бас О., Присяжнюк Л. Потоковий густиномiр природного газу. Всеукра!нська науково-практична конференщя студенпв молодих учених "Методи та засоби неруйшвного контролю промислового обладнання" 19-20.11.2019, м. 1вано-Франшвськ, збiрник тез доповщей. 2019. - С.19-21.
11. Алексеев С. П., Казаков А. М., Колотилов Н. Н. Борьба с шумом и вибрацией в машиностроении. М., «Машиностроение». 1970. - С. 208.
