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Schnelle und hochgenaue Brennwert, Heizwert und Wobbe-Index Messung im Erdgas und Flüssiggas

 

Einleitung

Das Precisive® Erdgasanalysegerät ist das erste optische System, welches die Unterscheidung von verschiedenen Kohlenwasserstoffen (Methan, Ethan, Propan, Butan, Propan sowie deren Isomere) in Echtzeit realisiert. Bis heute sind nahezu 2000 Messgeräte im Feld eingesetzt und erfüllen Ihre Aufgabe der C1-C5 Messung problemlos. In diesem Fachartikel wird die Performance des Precisive 5 Erdgas Analysegeräts zur Messung von BTU, Brennwert und Wobbe Index Messung beschrieben.

Die Herausforderung 

Die Schwankungen der Zusammensetzung von Erdgas, Flüssiggas, Anfallgas und anderen Brenngasen können für die Betreiber von Energieerzeugungsanlagen, Gasmotoren, Betreiber von Brennstoffzellen, Brennöfen und Dampfkesseln sehr nachteilig sein. Kritische Parameter wie der Heizwert, Brennwert, Methanzahl, Luftbedarf oder Wobbe Index müssen schnell gemessen werden, um einen sicheren und effizienten Betrieb der jeweiligen Anlage zu gewährleisten. In manchen Fällen wird darüber hinaus die genaue Zusammensetzung des Gases zwingend benötigt. Bisher gab es zwei etablierte Technologien zur Bereitstellung dieser Daten: Gaschromatographie und Kalorimeter. Für Anwendungen, für die eine kurze Messzeit zwingend erforderlich ist, waren lange Zeit Kalorimeter die einzige Möglichkeit, da Gaschromatographen eine mehrminütige Zykluszeit erfordern. Der offensichtliche Nachteil der Kalorimeter ist jedoch, dass die Messgeräte keinerlei Aufschluss über die Gaszusammensetzung liefern können.  Aus diesem Grund sind Anwender, die beide Informationen dringend benötigen bisher gezwungen gewesen, beide Technologien parallel einzusetzen. Dies ist ist nicht ein finanzieller Aufwand, sondern erfordert auch einen Mehraufwand an Wartung, Platz, Personalaufwand, Installationskosten, Schulungskosten, Ersatz- und Verbrauchsmaterial, Probeaufbereitung, Bereitstellung von Trägergas, Kalibriergas, Druckluft und anderen knappen Ressourcen.

 Die Precisive Lösung – Messung in Echtzeit

Die patentierte Technologie – Precisive TFSTM - ist in der Lage hochgenaue Analysen von Kohlenwasserstoffgemischen innerhalb von nur fünf Sekunden zu liefern. Das Precisive Erdgasanalysengerät kann darüber hinaus den Brennwert, Heizwert, Wobbe-Index und andere physikalische Gaseigenschaften (bspw. Dichte) in Echtzeit zur Verfügung stellen. Die kompakte Ausführung des optischen Transmitters gibt die Daten über die digitale Modbus Schnittstelle aus.

Precisive 5

Erdgas Analysegerät 

ca. 43cm breit, ca. 28cm hoch, ca. 15cm tief

NEMA4x - IP66 Gehäuseschutzklasse, 

CSA Class1Div2 - ATEX Zone2

Lebenslange Gerätekalibrierung 

Jedes Precisive Erdgas-Analysengerät wird mit einer rückverfolgbaren und dauerhaften Werkskalbierung ausgeliefert. Die zertifizierten Mischungen sind mit Kalibriergasen für Gaschromatographen vergleichbar, die für die Analyse der Zusammensetzung von Erdgasen im Metering von C1-C5 Kohlenwasserstoffgemischen verwendet werden. Die Precisive TFS Plattform nützt die Grundprinzipien und ist nicht auf dem relativen Vergleich angewiesen. Dies bietet den großen Vorteil, dass das Erdgas-Analysegerät langzeitstabil ist und nicht nachkalibriert werden muss. Die dauerhafte Werkskalibrierung wird für die Lebensdauer des Erdgas Transmitters vom Hersteller garantiert.

Genauigkeitstests mit Erdgas  

Die Tests wurden von einem unanhängigen europäischen Labor (DNV KEMA) durchgeführt, welches die Messergebnisse unseres Systems an drei synthetischen Mischungen und fünf Erdgasen aufgezeichnet hat. Die Mischungen wurden von einer unabhängigen Stelle im Labor auf Ihre Zusammensetzung untersucht.

Das Ziel dieses Tests ist die unanhängige Bestimmung der erzielten Genauigkeit in unterschiedlichen Gasmischungen. Das Precisive Erdgas Analysengerät wurde in Boston mit der dauerhaften Werkskalibrierung versehen und während der Testperiodenicht nachkalibriert oder bereichskalibriert. Die nachfolgenden Tabellen fassen die Resultate zusammen.

 

Synthetische Mischungen aus C1 – C4, N2 und CO

 

Wobbe Index
 

 

Zertifiziertes 

Gas A

Zertifiziertes 

Gas B

Zertifiziertes 

Gas C

 

Precisive 

Referenz

Precisive

Referenz

Precisive

Referenz

CH4 (%)

86.29

86.183

83.37

83.284

82.10

82.091

C2H6 (%)

8.47

8.542

3.07

3.056

3.88

3.893

C3H8 (%)

1.84

1.963

0.40 

0.460

0.88

0.949

iC4H10 (%)

0.31

0.227

0.10

0.073

0.18

0.146

nC4H10 (%)

0.48

0.422

0.11

0.093

0.17

0.148

C5 kombiniert (%)

0.02

0.000

0.00

0.000

0.00

0.000

N2 (%)

1.10

1.120

11.23

11.344

9.80

9.793

CO2 (%)

1.55

1.543

1.72

1.690

3.01

2.979

C6+ (%)

N/A

0

N/A

0

N/A

0

 

 

 

 

 

 

 

CV (Superior, Gross) (MJ/m3)

43.1638

43.107

35.9752

35.975 

36.7314 

36.742 

Wobbe Index (MJ/m3)

53.7128

53.676

44.9728

44.971

45.3103

45.336

 

 Der Brennwert (calorific value - cv) Fehler der Kalibriergasflaschen A, B und C ist 0.057 MJ/m3, 0.0002 MJ/m3 and 0.011 MJ/m3, was einen maximalen relativen Fehler von 0.13% ergibt.

 

Erdgasproben mit unterschiedlichen Zusammensetzungen

 

Brennwert - Vergleich
 

 

Precisive (MJ/m3)

Referenz (MJ/m3)

Fehler (MJ/m3)

Fehler (%)

Erdgas Probe #1

34.9019

35.09

0.1881

0.54%

Erdgas Probe #2

35.3931

35.68

0.2869

0.80%

Erdgas Probe #3

42.5065

42.45

-0.0565

-0.13%

Erdgas Probe #4

35.065

35.3

0.235

0.67%

Erdgas Probe #5

37.6065

37.88

0.2735

0.72%

 

Wobbe Index - Vergleich
 

 

Precisive (MJ/m3)

Referenz (MJ/m3)

Fehler (MJ/m3)

Fehler (%)

Erdgas Probe #1

43.4869

43.7

0.2131

0.49%

Erdgas Probe #2

43.9223

44.23

0.3077

0.70%

Erdgas Probe #3

53.2624

53.17

-0.0924

-0.17%

Erdgas Probe #4

43.7124

43.97

0.2576

0.59%

Erdgas Probe #5

47.0489

47.32

0.2711

0.57%

 

Die Erdgasproben die ein signifikantes Level von C6+ aufwiesen (bspw. #1, #2, #4 und #5), waren die Brennwertmessungen des Precisive geringer (bis zu 0.29 MJ/m3 weniger). Dies ist jedoch dadurch zu erklären, dass die schweren Kohlenwasserstoffe in der Messung nicht erfasst wurden. 

Fazit

Das Precisive Erdgasanalysengerät bietet eine genaue und schnelle Alternative zum Gaschromatographen und anderen derzeitig eingesetzten Technologien zur Erfassung von Brennwert, Wobbe-Index, Heizwert, Methanzahl etc. Die Messung kann sowohl in LNG, Erdgas oder anderen Gasen die sich aus C1-C5 zusammensetzen erfolgen. Die dauerhafte Kalibrierung macht es möglich, dass das Gasanalysengerät eine <0.15% relative Genauigkeit des Brennwerts in Gasen die aus C1 – C5 bestehen und bietet Messungen mit einem Fehler < 1% in Erdgas mit C6+ Anteil.

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