用於測量質量流量和能含量的裝置的製作方法
2023-04-23 10:12:26
專利名稱：用於測量質量流量和能含量的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及質量流量計量裝置的領域，比如Coriolis流量計。更具體地說，該計量裝置用於與其它的裝置或估計技術相結合，該裝置或技術通過質量分數實時地確定在流體流中的流體成分以獲得優良的測量精度。
問題描述消耗或運輸石化液體和氣體的工業過程通常使用化合物的混合物，例如單種混合物的甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。通常，重要的是知道由單一類型的化合物所組成的總的混合百分比。在這種情況下，通常根據摩爾分數或質量分數討論在混合物中化合物的表示。術語「質量分數」是指基於質量分配給單種化合物或一組化合物的混合百分比。類似地，術語「摩爾分數」是指基於摩爾分配給單種化合物或一組化合物的混合百分比。通常的做法是通過應用各種經驗公式或密度測量將其轉換為質量的總和流體流的體積測量來計算摩爾或質量分數。這種轉換將不確定性和誤差加到質量分數的確定中。
在石化精練行業中存在這樣的具體實例，在這些實例希望從流體流中確定質量分數或摩爾分數。工程技術人員通常查看裂化各種原料以將這些原料轉換為精練產品的過程效率，例如應用萘或原油和高溫氣體的混合物在純氧的支持下通過2000°F下的燃燒從石油中直接使乙烯進行的火焰熱解法。根據原油的特性和可用的氣體，可以調整反應溫度和時間以從反應容器的使用中最經濟地回收。基於在流體流中的成分分數進行的質量平衡計算通常是這些類型的計算的關鍵。在精細的調整的過程中，不僅已知進入的燃料流的百分比成分有用，而且還有用是知道反應產品的百分比成分。通常基於體積百分比而不是質量百分比執行這些測量。
在使用管線傳輸和輸送天然氣和其它的燃料的使用中還存在另一具體的實例，在這種實例中希望已知流體流的分數分解。燃料通常基於體積出售，但是在恆定的體積上根據燃料隨著時間的變化熱值可以變化達50％。
在既不測量質量也不測量體積的情況下還存在需要質量分數分析的另一實例。例如，內燃機或工業鍋爐可以用於燃燒燃料來發電的直接目的。可以使用內燃機驅動用於此目的的較小發電機。鍋爐可以用於產生驅動更大的發電機的蒸汽。雖然最終目標是利用這些燃料中的能量，但是並不測量內燃機的能量吞吐量。
基於功輸出和系統能量損失的分析直接或間接測量在原料中的可用的化學能量實質是不可能的。燃燒動作與效率損失相關，例如40％至60％，其中存儲在原料中的可用的化學能量部分損失為熵，因為它不能轉換為有用的功。例如，熱量通過對流和輻射轉換損失。由於燃燒放熱的特性使排氣更熱。燃料幾乎從沒有一致的質量。這些因素結合阻止了作為在機械裝置中即將發生的機械失效或效率的指示的燃燒效率的監測。
鍋爐和內燃機可以用於不同的燃料。例如，兩用鍋爐可以容易地從使用氣體燃料轉換為使用液體燃料。這種類型的轉換鍋爐應用在公共服務公司部門，在這裡電力公司希望在燃料之間切換以使它的燃料費用最低以降低規定的發行的等級。但很難的是，使鍋爐從燃油切換到燃氣然後在不知道氣體燃料的特性和含量時確定多少氣體必須燃燒以代替油。
甚至在原料的變化沒有從油切換到天然氣這樣劇烈的情況下，原料本身在質量和成分上隨時間變化。在天然氣流體流中通常會發現包括二氧化氮、氮氣、水和硫化氫的稀釋劑。此外，除了天然氣的成分的相對百分比在所選擇的生產區中油井與油井之間存在變化以外，在不同的生產區還具有較大的變化。因此，墨西哥海灣區產的氣體具有比在奈及利亞或加利福尼亞所產的氣體更低的特定重力和能含量。類似地，原油的性質從焦油狀物質到容易傾倒並具有淺棕色的稀釋油各不相同。在運輸的過程中，在從產生區到消費區通過管線或船泊運輸原料時單種流體流混合併組合。每種流體流具有它本身的成分和特定的熱值。
根據內燃機或鍋爐所燃燒的燃油的質量和特性的不同內燃機或鍋爐以不同的效率運行。甚至在內燃機以恆定的速度運轉的情況下，通過添加稀釋劑使原料成分的變化可以使內燃機可用的扭矩更小。類似地，鍋爐可以形成更小的氣流。如果天然氣供應變化到具有相對更多的甲烷的氣體則燃燒裝置可以減小或改善效率。如果僅僅已知燃料的熱含量，則可以根據預先選擇的參數改變燃燒裝置的運行狀態，比如體積或質量流率的變化以提供恆定能量源或在優選的範圍內的裝置的操作以獲得最佳的燃料效率。
如在Snell等人所報告的那樣(Installation of MultipathUltrasonic Meters on a Major Australian Metering System Project，1996年12月)，多路超聲流量計(體積流量計)安裝在澳大利亞天然氣管線上以用作從傳輸系統到本地分布系統的所有之管上的輸油監測儀表。每個這種儀表與分析流體流成分的氣體色譜儀相配合。將質量流量測量轉換為體積並計算流體流的基於體積的焓值。選擇超聲流量計進行研究，因為據報告在該研究的流率中對於體積和能含量的測量具有更小的不確定度。Coriolis流量計是一種應用AGA等式將質量流量讀數轉換體積讀數的獲得體積流量測量的可能的變型方案，但Coriolis流量計在能量測量方面也具有最大的不確定度的特點，即3.0％，而超聲流量計為1.0％。對於在研究的所有類型的儀表的所有的能量不確定度大於體積不確定度。
如上文所討論，在流體流中提供精確的實時質量分數確定的質量計量裝置在石化精練中有利於質量平衡的計算，以及在保存和銷售具有降低等級的能量值的能力方面開闢了新的視野。
解決方案本發明通過提供能夠非常精確地直接測量關於流體流的質量分數的計量裝置克服了上文所概述的問題。然後這些質量分數與在石化精練中的質量平衡計算相關，以及與從流體流中可用的熱含量或其它的與焓相關的值相關。通過避免前者需要將基於質量的流量測量轉換為在確定質量分數之前的狀態的體積測量可以改善精度。
計量裝置用於提供關於在具有多種成分的流體流中的質量分數的實時遙測技術。使用Coriolis質量流量計或其它的質量流量計來測量在流體流中的質量流率並提供代表質量流率的第一信號。使用結合經驗相關的色譜、密度或壓力測量或其它的分析流體流的含量的裝置來確定流體流的成分百分比並提供代表成分百分比的第二信號。
在優選的實施例中，中央處理器、計算機或控制器用於解釋從分析裝置中接收的第一信號和第二信號以提供表示在流體流中的能量值的輸出。通過將質量流率乘以成分百分比乘以對應於該成分百分比的成分的能量值得出能量值。這種計算技術是有利的，因為它允許直接或基於質量地對在流體流中的能含量進行計算，而同時使中間相關性最小化，例如使相關性接近真實氣體的非理想特性。
在再一優選的實施例中，能量計量裝置與節流閥可操作地耦合以預先選擇的參數控制基於流體流的能含量的流量。根據本發明的原理，預先選擇的參數可以包括通過燃燒釋放的能量的基本恆定流率的供應、在內燃機裝置的優選的操作範圍內的流率的能量供應或者在流體流中的能含量的時間控制銷售的供應。
當質量流量計是Coriolis流量計時，該流量計還可以作為密度計運行，可以使用該密度讀數來將流體流與能含量的經驗相關關聯起來，作為使用色譜儀來分析成分百分比的一種替換方案。
通過閱讀下面的描述和相關的附圖本領域的熟練技術人員將會清楚本發明的這些目的和優點以及本發明的其它的特徵。本發明的一方面是通過直接測量(與經驗公式相反)提供質量分數的流量讀數。本發明的進一步方面是在使用經驗相關時通過應用質量相關提供更高的能含量測量的精度。本發明的再一方面是在自動過程中應用這些改進的測量比如基於分離的質量流量連同基於燃料能量消耗的內燃機的節流計算能量值。
附圖1所示為根據本發明的能量計量裝置的示意性附圖；以及附圖2所示為過程控制流程圖，其說明了一確定流經圖1所示的能量計量裝置的能量的信號解釋器的操作。
具體實施例方式
能量測量裝置附圖1所示為根據本發明的能量測量裝置100的示意圖。流量計102可操作地連接到流線104以測量在最終在燃燒裝置108(例如鍋爐或發動機)中使用的燃料的流體流106中的流量。流體流分析器110類似地與流線104耦合以分析流體流106的成分和特性。分析器110測量流體流的固有的特性，比如密度或比重，或分配給不同的化合物(甲烷、乙烷、丁烷、丙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷和癸烷)的流體流的百分比。可替換的是，分析器110表示一估計每單位質量基數的流體流的恆定能含量的計算機存儲器或算法。流量計102和分析器110執行它們相應的直接測量並將表示這些測量值的信號發送給在線114和116上的解釋器/控制器112。解釋器/控制器112採用來自這些信號的信息作為輸入從而應用一數學算法，以提供表示從在流體流106中的燃料的燃燒中可得到的熱值(heating value)或焓的量的輸出。基於該輸出，解釋器/控制器112調節一可遙控起動的閥118以作為向燃燒裝置108提供的燃料的節流閥，其基於預先所選擇的參數來控制燃燒裝置108的操作。反過來，該燃燒裝置產生功輸出W和效率損失EL。
流量計102可以是任何的質量流量計，優選的是包括Coriolis質量流量計。分析器可以是氣體色譜儀、密度計、電導儀或者可以測量與流體的能含量相關的固有流體特性的任何其它的裝置。這裡流量計102是一種Coriolis流量計，根據製造商的說明書它可以將流量計常規地作為振動管密度計或作為毛細管粘度計使用。這些內在的液體特性中的任一種都可以與每單位質量基數的燃料的能含量相關。因此，在附圖1中所示的作為流量計102和分析器110的分離的方框可以合併成具有不同的操作模式的單一Coriolis流量計中。類似地，解釋器/分析器11 2可以包括集成的CPU和控制器，或CPU和控制器可以是分離的器件。
操作方式附圖2所示為描述解釋器/控制器112的操作的示意性過程附圖。解釋器/控制器112從流量計102中接收表示流體流106的體積或質量流量的第一信號(參見附圖1)。解釋器/控制器112從分析器104中接收表示流體流106的成分或固有特性的第二信號。在本說明書的討論中，術語「第一信號」和「第二信號」並不必表示時間的順序，而是僅僅使用該術語來區別信號。可以以任何順序將該信號傳輸給解釋器/控制器，包括同時傳輸。
在步驟P204中，解釋器/控制器112應用一種算法、統計技術或數據映射技術來給流體流指定熱值。這種熱值是在可以由燃燒所釋放的燃料中任何與焓相關的能含量的測量值。能含量的代表值包括在該領域中公知的總熱值(溼或幹)、淨熱值、燃燒焓和比熱等術語。步驟P204的輸出出現在步驟P206中，並且步驟P208包括解釋器/控制器對閥118進行調節，以根據預先選擇的參數控制燃燒裝置108的操作。控制燃燒裝置108的操作的適合的參數尤其包括1.)在燃燒裝置108中以恆定的能量率以恆定的消耗率的燃料能的應用；2.)以從燃燒裝置108中產生恆定的功輸出W的速率校正由於燃料能含量引起的操作效率的變化的燃料能的應用；以及3.)基於在所示為燃燒裝置108的類型的燃燒裝置中最終使用的燃料的能含量的燃料的銷售。
能含量算法有許多方法計算或估計在流體流中的能含量。如對流體流的燃料試樣所執行的實驗室試驗或測量所證實，可能的最簡單的方法是使關於每單位質量能含量的推測。另一種方法是在訓練常規的數據映射技術(比如自適應濾波器或神經網絡)的使用中獲得多種類型的輸入數據。這些多種類型的輸入數據可以包括粘度、密度、溫度和壓力，所有這些數據都可以從常規的Coriolis流量計連同在Coriolis測量裝置中所使用的常規的傳送器(例如溫度和壓力傳送器)中獲得。在再一中可替換的方法中，許多不同類型的算法由於它們基於燃料的固有特性將能含量與燃料相關的能力而已知。例如，熱量計可以用於燃燒燃料並可以將該熱含量與燃料的密度、粘度或重力相關。
為許多工業應用而選擇的燃料是天然氣。在這種情況下，有許多良好的算法可用，這些算法可用於基於公布的信息和相關的氣體成分計算氣體流體流的精確的熱值。下表1提供了對於幾乎所有的成分的實例性的公布信息，這些信息包括任何天然氣的可評估的百分比。顯然的是，每種流體成分中以KJ/g表示的碳氫化合物的燃燒焓幾乎是恆定值，其中甲烷的能含量變化為7至15％，而丙烷和更高的碳氫化合物變化則為更小的百分比。
表1天然氣成分的特性
*相對於空氣的比重，這裡空氣＝1。
這裡基於每單位時間執行流量測量，它是根據本發明的原理計算在流體流中的質量的一種簡單情況。根據等式(1)計算質量分數(1)---Qc=inXmiQm]]>這裡n表示在總的流體流中的熱動態重要流量成分的總數，i表示單個的流量成分的特性，Qc是分配給包括總的流體流的部分的流體成分的總的流體流的質量含量，分數Xmi是如色譜儀或其它用於此目的的儀器所確定的分配給流體成分的總的流體流的質量分數，以及Qm是總的質量流量。基於等式(1)和(2)可以計算總的能含量(2)---QE=inQcHfi]]>這裡QE是在每單位時間中的總的能量的流量，n表示在總的流體流中的熱動態重要流量成分的總數，i表示單個的流量成分的特性，Qc如上所定義，以及Hfi是如每單位質量的能量所指示的特定的成分的燃燒焓。Hf焓值應該理解為是指由完全燃燒所釋放的能量，在該完全燃燒中反應產物為氣態水和CO2，但對於Hf其它形式的熱值測量可以被替代，包括淨熱值、溼式總熱值和乾式總熱值或任何其它的可普通理解的熱值測量。
在這裡氣體色譜儀或用於分析在有機流體流中碳氫化合物分數的其它機構不可用，比如在儀表被破壞或對於特定的應用成本太大時，通過假設每單位質量的平均恆定的能量值例如作為表1的KJ/g列可以估計該能含量。在流體流是一種氣體流體流的情況下，流體流通常包括60％至90％甲烷，較好的平均值是在52至53KJ/kg的範圍中。對於液體流可以認為該值為48KJ/kg。這些估計通常精確到3％至5％以內，假設流體流不受過量的稀釋劑(例如，二氧化碳、水或氫化硫)的影響。
體積氣體測量必須參考一個基準或參考壓力和溫度，在已有技術中這種壓力和溫度通常稱為標準狀態，例如60°F和14.7psia。因此(3)---QE=inXviQv stdHv stdi]]>這裡，Qv std是校正為標準狀態的整個氣體流體流的體積流量，Hv stdi是在標準的狀態下作為每單位體積的能量的特定的成分的燃燒焓，Xvi是分配給單種成分的總的氣體流體流的模式分數，以及其它的術語如上文所定義。此外，對於每種成分，根據等式(4)，(4)---Hv stdi=(Hfi)(std)=(HmoleiMWi)(144MWiP1545TZ)]]>這裡，Hmolei是如上文表1所示的每摩爾能量的燃燒焓，Mwi是如上文表1所示的分子重量，ρstd是在標準壓力下的氣體密度，P是在流體系統中以psia為單元的絕對壓力，T是在流體系統中以Kelvin為單位的溫度，Z是在內部流體系統溫度和壓力下理想的氣體偏差係數，以及其它的術語如上文所定義。
具有這種特徵的體積轉換所產生的問題在於將誤差引入計算中的經驗相關。具體地說，氣體偏差因數Z在超過儀表不確定度的程度上可能不精確。通過本發明的方法和裝置可以避免這種誤差源。
在本領域的熟練的技術人員可以理解的是，在不脫離本發明的精神範圍的前提下可以對上述優選的實施例進行顯而易見的修改。因此，本發明人在此基於等同原則陳述它們的發明以便在本發明中保護他們的全部權利。
權利要求
1.一種計量裝置(100)，該計量裝置用於提供關於具有多種成分的流體流(106)的實時遙測，該計量裝置具有質量流量計(102)，該質量流量計產生一指示流經所述流量計(102)的所述流體流(106)的質量流量的信號，並將所述第一信號發送給控制器(112)，該控制器包括一電路(P204)，其構造成基於所述第一信號計算所述流體流的基於質量的燃燒能含量；以及一電路(P206)，其構造成產生一代表所述流體流的所述基於質量的燃燒能含量的輸出。
2.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中還包括分析器(110)，所述流體流通過該分析器，其中所述分析器確定所述流體流的成分百分比並產生一代表所述成分百分比的第二信號。
3.如權利要求2中所述的計量裝置(100)，其中所述控制器(112)還包括一電路，其解釋從所述質量流量計接收的第一信號以給流經所述質量流量計的流體流提供代表能量值的輸出，所述能量值是通過將質量流量乘以成分百分比乘以對應於該成分百分比的成分的能量值而得出的。
4.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中控制器包括一電路，其構造成將對應於所述第一信號的質量乘以一假設為每單位質量的能含量的常數。
5.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其包括可操作地與所述控制器(110)連接以基於所述流體流的能含量控制流體的節流裝置(118)。
6.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中所述流量計是一種Coriolis流量計。
7.如權利要求6中所述的計量裝置(100)，其中控制器還包括一電路，其構造成從所述Coriolis儀表中接收信號並從所述所接收的信號中確定所述流體流的代表性密度讀數。
8.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中所述質量流量計是密度計。
9.如權利要求8中所述的計量裝置(100)，其中所述控制器(112)包括基於從所述密度計中獲得的信息以確定用於所述流體流與焓相關的值的電路。
10.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中色譜儀連接在所述流體流中並將信號發送給所述控制器。
11.如權利要求10中所述的計量裝置(100)，其中所述控制器(112)包括構造成基於從所述色譜儀中獲得的信息計算與焓相關的值的電路。
12.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中預先選擇的參數是由燃燒所釋放的能量的基本恆定的速率的供應。
13.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中預先選擇的參數是以一在燃燒裝置的優選操作範圍內的速率的能量供應。
14.如權利要求1中所述的計量裝置(100)，其中預先選擇的參數是在所述流體流中的能含量的時間控制的銷售供應。
15.一種提供關於具有多種成分的流體流的實時遙測的方法，所述方法包括如下的步驟測量在所述流體流中的質量流量以提供質量流量測量值；提供(P202)一代表所述質量流量測量值的第一信號；基於所述第一信號計算(P204)所述流體流的基於質量的燃燒能含量；以及提供(P206)一代表所述基於質量的燃燒能含量的輸出。
16.如權利要求15中所述的方法(P200)，其中所述計算(P204)基於質量的燃燒能含量的步驟包括提供一代表在所述流體流中的成分百分比的第二信號；以及所述計算基於質量燃燒能含量的步驟包括解釋所述第一信號和所述第二信號，以提供一代表在所述流體流中的能量值的輸出，所述能量值由將質量流量乘以成分百分比乘以對應於該成分百分比的成分的能量值而得出的。
17.如權利要求15中所述的方法(P200)，包括確定所述流體流的代表性密度的步驟。
18.如權利要求17中所述的方法，其中所述解釋步驟包括基於從所述密度計中獲得的信息將所述流體流的密度和與焓相關的值相關。
19.如權利要求15中所述的方法，其中應用色譜儀執行所述分析所述流體流的步驟。
20.如權利要求19中所述的方法，其中所述解釋步驟包括基於從所述色譜儀中獲得的信息計算與焓相關的值相關。
21.如權利要求15中所述的方法，其包括對所述流體流進行節流(P208)的步驟，其根據對於在所述流體流中的能含量的供應的預先選擇的參數的偏差而作出響應。
22.如權利要求21中所述的方法，其中所述預先選擇的參數是由燃燒所釋放的能量的基本恆定的速率的供應。
23.如權利要求21中所述的方法，其中所述預先選擇的參數是以一在燃燒裝置的優選操作範圍內的速率的能量供應。
24.如權利要求21中所述的方法，其中所述預先選擇的參數是在所述流體流中的能含量的時間控制的銷售供應。
全文摘要
一種能量計量裝置(100)，其包括與氣體分析器相結合的體積流量計或質量流量計(102)，該分析器提供關於天然氣的流體流的成分的遙測。解釋器(112)分析這種信息並提供對應於氣體流的用於燃燒的焓的實時輸出。這種輸出用於調節氣體流或對其節流，以便根據預先選擇的參數輸送流體流，這些參數與包括鍋爐和發動機的燃燒裝置的所需操作狀態相關。
文檔編號G01N33/26GK1401071SQ01805175
公開日2003年3月5日 申請日期2001年1月11日 優先權日2000年2月16日
發明者A·T·帕滕, T·A·奧巴尼安, J·A·瓦倫蒂尼 申請人:微動公司