超声波流量计改进沼气测量

随着人们对沼气的兴趣日益浓厚，沼气流量的测量一直是工艺测量技术的一大难题。而高水分和二氧化碳(CO₂)的内容使得沼气成为一种要求很高的介质和一项困难的测量任务，新一代超声波流量计有助于使沼气测量稳定和易于管理。一种是使用时间传输差分法来保证流量测量具有高度的长期稳定性，而不管气体成分如何。

沼气能源的兴起

根据美国沼气委员会(American Biogas Council)的数据，美国约有2000个沼气生产地点，另有1.2万个被认为已经成熟。¹在该国，沼气被推广为传统燃料的替代品，因为它可以提高能源安全，产生更少的温室气体排放，同时提供其他环境和经济效益。²

欧洲有超过1万个运行中的消化器。根据德国Biogas e.v.的数据，2011年德国建造了1000多座沼气厂。超过7000个站点产生超过3000兆瓦的电力，而且这个数字还在上升。几年之内，沼气在德国能源消耗中所占的份额已经达到3%左右。

传统上，这些工厂的沼气是废水处理厂和垃圾填埋场的污泥发酵的产物。今天，其他生物原料，如养牛和其他农业操作的废物，也被用于生产沼气。

这种气体一般用于热电联产工厂，利用燃气发动机直接发电和供热。沼气被重新处理到电网质量，供应到燃气电网。沼气也被用作替代汽车燃料。

测量甲烷含量

认识甲烷(CH)₄)的含量是至关重要的，当使用沼气。只有沼气的甲烷含量达到合适的最低水平，才能保证热电联产燃气发动机的平稳高效运行。出于这个原因，工厂操作人员必须熟悉沼气的组成和数量。

当向天然气电网运营商输送沼气用于托管转移应用时，情况尤其如此。由于沼气中的甲烷含量变化很大，因此工厂操作人员依赖于有关沼气的连续而准确的信息。

但这种对数据的依赖正是当今许多运营商面临的挑战。一般来说，这些操作员在沼气厂进行多次测量——例如，在储罐之前和之后。

然而，成功地掌握测量任务并非易事。这主要是因为与沼气应用相关的测量参数要求很高。

测量的挑战

根据生物原料和工艺的不同，沼气只含有约50%至70%体积的甲烷。剩下的部分由30%到50%的CO组成₂和少量的氧气(O₂)、硫化氢(H₂S)和氮(N₂)．此外，沼气可以含有高达5%至6%体积的自由液态水，因为在发酵过程中沼气被水饱和，然后在冷却后进入管道并离开发酵罐。

溶于水后，H₂S在管道中产生腐蚀性溶液。除了高湿度，操作人员在选择测量设备时还必须考虑耐腐蚀性。另一个问题是，在测量沼气时，细菌可能会沉积在流量计中。

温度范围从略高于环境温度到122华氏度，压力通常为20至25英寸华氏度₂然而，过程条件可能变化很大。例如，当新的污泥进入发酵罐时，温度会突然下降。根据要求，测量设备应覆盖尽可能宽的测量范围。大多数沼气厂，例如在废水处理行业，管道直径为2到8英寸。更大的沼气生产场所可能需要更大的名义尺寸(12到16英寸)。

流量测量技术公司已经尝试用各种测量方法来满足这些特殊的测量要求，但对于许多工厂来说，仍然很难找到令人满意的解决方案。例如，孔板通常不适合在概述的压力条件下进行沼气测量，因为它们会造成压力损失并可能干扰过程，并且涡流量计的使用仅限于在低流速下的测量。

热质量流量计仍然是沼气工业中最常用的测量设备，但这些测量仪器也有一个相当大的障碍:沼气线中的水在很大程度上限制了它的性能。

基于其设计，超声波流量计非常适合于沼气应用，因为它们保证了一个完整的传输，没有压力损失或对流量的任何负面影响，并且它们可以覆盖广泛的测量范围。然而，在过去，它们一直受到高含水量的挑战。此外，CO含量高₂通常存在于沼气流中的含量对测量稳定性有负面影响，因为CO₂的分子结构可以显著降低超声信号的色散。最后，购买这些设备的成本仍然相对较高，这使得超声波流量计的使用在许多情况下没有吸引力。

最先进的技术

早期的沼气应用经验让油气行业受益匪浅，尤其是在超声波流量测量技术方面。通过投资、研究和开发，领先的测量技术制造商已经生产了新一代超声波流量计，专门针对沼气应用的要求，同时保持经济实惠。

该测量仪器根据时间传输差分法工作，无论气体成分如何，都能保证流量测量具有高度的长期稳定性。该解决方案是免维护和免疫沉积。具有特殊的信号转换器设计，信号强度高。

美国国家腐蚀工程师协会(NACE)批准的29级钛换能器具有出色的抗H2S腐蚀性能。增强型数字信号处理器(DSP)还可以更好地检测被高CO强烈抑制的小声信号₂内容。

仪表的建造消除了水对测量的影响。该装置没有诸如定期重新校准、压力损失或流量范围限制等限制。

为了使各种测量具有可比性，可以根据输入到转换器的温度和压力来测量标准体积。

经验表明，该设备可以进行稳定和准确的沼气测量，这是工厂运营商确保其沼气操作的可行性所需要的。

计算甲烷含量

该测量装置具有甲烷含量的综合计算功能，当使用沼气时，这对高效的燃气发动机运行至关重要。计算方法来自某污水处理厂的实际应用实例。气体的摩尔质量(M)由公式1确定。

甲烷含量可由摩尔质量计算，考虑以下因素:CO的摩尔质量₂(44);甲烷的摩尔质量(16);水的摩尔质量(18)

气体中水分的多少取决于温度。对于水饱和气体，水的含量是已知的。

沼气的组成取决于摩尔重量。甲烷含量的测量精度为2%(包括温度测量的不确定度为1%)。

新型流量计的进步来得正是时候，因为沼气作为能源的重要性日益增长，需要可靠的流量测量装置。