Beregning af metantal

Transkript

1 Beregning af metantal Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) har pga. forventningen om større variation i gaskvaliteten udviklet et nyt beregningsprogram til bestemmelse af metantallet for naturgas. Metantallet for en gas svarer til oktantallet for benzin, og det anvendes til karakterisering af naturgas anvendt som motorbrændstof. Jan Jensen, Per Gravers Kristensen, Paw Andersen, Asger Myken Dansk Gasteknisk Center a/s September 1999 Gas anvendt som motorbrændstof er blandt andet kendetegnet ved metantallet. Metantallet for en gas udtrykker som oktantallet for benzin brændstoffets knock resistance dvs. evne til at modstå bankning. Metantallet er et dimensionsløst kendetal, som ikke må forveksles med gassens indhold af metan. Oktantallet for benzin bestemmes løbende på raffinaderierne ved hjælp af en testmotor. Metantallet for naturgas bestemmes derimod ikke løbende, idet naturgas anvendt som motorbrændstof traditionelt har udgjort et nicheområde. I det danske Gasreglement er der krav til naturgassens brændværdi, wobbetal samt vand- og kulbrintedugpunkter, men ikke til metantallet. I de senere år har sammensætningen af naturgas udvist større variationer end tidligere, bl.a. fordi nye produktionsfelter er taget i brug. Dette har medført variationer i de traditionelle parametre, som brændværdi og wobbeindeks. Tabel 1 vises middelsammensætningen, nedre brændværdi, wobbeindeks og metantal for gassammensætningen i 1998.

2 Enhed Middel 1) Metan CH 4 vol-% 88,15 Etan C 2 H 6 vol-% 6,35 Propan C 3 H 8 vol-% 2,77 Normal-butan n-c 4 H 10 Vol-% 0,55 Iso-butan i-c 4 H 10 vol-% 0,41 Normal-pentan n-c 5 H 12 vol-% 0,075 Iso-pentan i-c 5 H 12 vol-% 0,110 Hexan og højere kulbrinter C 6 + vol-% 0,058 Nitrogen N 2 vol-% 0,342 Kuldioxid CO 2 vol-% 1,18 Svovlbrinte H 2 S mg/m 3 n 2,35 Nedrebrændværdi MJ/m³ n 39,87 Wobbeindeks MJ/m³ n 54,80 Metantal 70,9 1): Flowvægtet gennemsnit Tabel 1. Middelsammensætningen, nedre brændværdi, wobbeindeks og metantal for dansk naturgas i Middelsammensætningen er baseret på 365 målinger. Variationerne i sammensætningen har også medført variationer i metantallet, med en tendens til forsyning med gas med lavere metantal. Introduktionen af naturgas fra et nyt gasfelt Syd Arne har givet anledning til overvejelser om konsekvenserne af ændrede metantal for naturgassen. Syd Arne gas forventes at indeholde mindre metan og flere højere kulbrinter end den nuværende naturgas /4/. Metantallet for ren Syd Arne gas forventes derfor lavere end for den nuværende gas, hvilket øger risikoen for motorbankning. Tabel 2 viser wobbeindeks og metantal: Wobbeindeks [MJ/m 3 n] Metantal [-] Nuværende gaskvalitet 54,4-55,3 69,1-74,2 Efter oktober 1999, dominerende forsyningssituation 54,6-55,4 67,7-73,2 (99%) Efter oktober 1999, alternativ forsyning (1%) 56,3 62,6 Tabel 2. Wobbeindeks og metantal for dansk naturgas /1/. Metantallene er beregnet ved hjælp af AVL-metoden; nøjagtigheden er ca. 0.5.

3 I tabellen er vist variationsområderne for wobbeindeks og metantal for den nuværende gaskvalitet samt den forventede gaskvalitet efter oktober Sidstnævnte er opdelt i to forsyningssituationer: Den dominerende, som forventes gældende i ca. 99% af tiden, samt den alternative forsyningssituation, som forventes aktuel i ca. 1% af tiden. Den alternative forsyningssituation vil hovedsagelig få betydning for aftagere af naturgas i Syd- og Sønderjylland. De angivne parametre er døgnmiddelværdier. Ændringer i metantal kan give anledning til problemer. Dette skyldes, at de gasmotorer, der anvendes på de danske kraftvarmeværker opererer med højt kompressionsforhold og et driftspunkt tæt på bankegrænsen for derved at opnå maksimal elproduktion. Falder metantallet, er der risiko for motorbankning, og det kan være nødvendigt at ændre f.eks. motorernes last eller tændingsvinkel. Udviklingen af naturgassens metantal og wobbeindeks ses af figur Wobbeindeks 55.5 [MJ/m³n] Metantal [-] Figur 1. Kurverne viser, hvordan wobbeindekset og metantallet har varieret siden For perioden er der vist årsmiddelværdier, mens der for perioden siden 1995 er angivet

4 middelværdier for hvert kvartal hvilket bevirker, at variationerne bliver tydeligere. For metantallet ses en generelt faldende tendens siden De fleste beregninger af metantal er baseret på eksperimentelle data fra det østrigske motorinstitut AVL /2/. Mange virksomheder som f.eks. motorproducenter har udviklet egne metantalsalgoritmer. Ny beregningsalgoritme DGC har hidtil benyttet en algoritme, som var tilpasset det tidligere begrænsede variationsområde for dansk naturgas. Forventningen om større variation i gaskvaliteten har medført behov for en ny beregningsmetode, som nu foreligger i form af et beregningsprogram /3/. Grundlaget for programmet er stadig AVL studierne, som omfatter gaskomponenterne CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6, C 3 H 6, C 3 H 8, N-C 4 H 10, H 2, CO 2, N 2 og H 2 S i binære og tertiære blandinger. Udgangspunktet er, at ren metan per definition har metantal 100, og ren brint har metantal 0. I 1972 udviklede AVL på baggrund af de eksperimentelle data en grafisk metode, hvor forskellige tertiære diagrammer med de eksperimentelle data bruges, til bestemmelse af gassers metantal /2/,/6/. Det nye DGC beregningsprogram bygger på den samme metode. Programmet indeholder algoritmer, der kan beskrive AVL's forskellige tertiære diagrammer med eksperimentelle data og rutiner, der kan kombinere disse data, således at metantallet bestemmes. I forbindelse med arbejde udført i European Gas Research Group (GERG) er den nye DGC beregningsmetode blevet valideret mod en række andre benyttede metoder i Europa med et godt resultat. Dette har resulteret i en anbefaling af DGC s metode sammen med tre til fire andre beregningsmetoder /5/. Overordnet ligger forskellen i de europæiske metoder i, hvorledes metantallet korrigeres for gassens indhold af inerte gasser, CO 2 og N 2. I nogle af de øvrige metoder er det valgt ikke at korrigere ved små koncentrationer af inerte gasser. Betydningen af de inerte gasser varierer. For hver procent CO 2 stiger metantallet et point, mens der skal tre procent N 2 til for samme stigning. I DGC's nye algoritme er det valgt altid at korrigere, da dette anses for at være det mest korrekte. Det nye program er også i god overensstemmelse med den tidligere omtalte danske algoritme for metantal lavere end 72,5. Metantallet beregnet med den nye metode, er ca. 0,5 højere end beregnet med den gamle metode. Dette skyldes primært en mere nøjagtig hensyntagen til naturgassens indhold af CO 2 og N 2. Den tidligere algoritme var også baseret på AVL's metode dog med visse simplificeringer, og variationsområdet var begrænset.

5 Det nye beregningsprogram har også begrænsninger, som er givet af de tilgængelige data fra AVL studierne. Figur 2-5 viser beregningsprogrammets gyldighedsområde angivet for de væsentligste komponenter i dansk naturgas /3/. Figur 2. Mulig metan koncentration i den nye Figur 3. Mulig ethan koncentration i den nye

6 Figur 4. Mulig propan koncentration i den nye Figur 5. Mulig n-butan koncentration i den nye Begrænsningerne er, at metantallet skal være over 45 uden medregning af inerte gasser, og at de inerte gasser CO 2 og N 2 højst må forekomme i koncentrationer på henholdsvis 30% og 50%. Dette er dog ikke en begrænsning i praksis. Ren Syd Arne gas forventes at have et metantal på ca. 63 og et lavt indhold af inerte gasser.

7 Det nye program er enkelt at anvende, idet man blot skal indtaste den gassammensætning, som metantallet ønskes beregnet for. Program, manual og baggrundsrapport vedrørende algoritmen kan erhverves for kr. 500,- hos DGC. Oplysninger om aktuel gaskvalitet kan fås på DONG s eller DGC s hjemmesider ( og Referencer /1/ Informationsblad vedrørende Fremtidig gaskvalitet, DONG/DGC, november /2/ Forschungsberichte Verbrennungskraftmaschinen Heft 120, 1997; Erweiterung der Energieerzeugang durch Kraftgase, Teil 3. /3/ Algorithm for methane number determination for natural gases, DGC-project report, June /4/ Oplysninger fra DONG Naturgas /5/ Clasification methods for the knock resistance of gaseous fuels - an attempt towards unification. Paper presented at The 1999 ASME ICE division Fall Technical Conference, October 17-20, 1999, Jacob Klimstra et al. /6/ Evaluation of the Antiknocking Property of Gasseous Fuels by means of the Methane Number and its Partical Application to Gas Eanines. ASME Paper 72-DGP-4, April Leiker M, et al.