Спосіб експрес-визначення теплоти згоряння природного газу

Спосіб експрес-визначення теплоти згоряння природного газу, що полягає у вимірюванні фізикохімічних параметрів та визначенні компонентів у складі природного газу, одержанні за ними розрахункових значень теплоти згоряння природного газу, який відрізняється тим, що визначають швидкість поширення ультразвуку в газі, вміст тільки азоту та діоксиду вуглецю, і одержують математичну залежність теплоти згоряння природного газу від швидкості поширення ультразвуку, вмісту азоту та діоксиду вуглецю з використанням алгоритмів штучних нейронних мереж. Винахід відноситься до контролю фізикохімічних характеристик природного газу, зокрема до експрес визначення теплоти згоряння. Відомий спосіб визначення теплоти згоряння водяним калориметром [1], який полягає у безперервному спалюванні в калориметрі виміряного об'єму газу та вимірюванні виділеного тепла, що поглинається потоком води, який безперервно протікає в калориметрі. На основі виміряних даних розраховують вищу теплоту згоряння (QB) природного газу. Для визначення нижчої теплоти згоряння (Qн) вимірюють об'єм конденсату водяної пари, отриманого при згорянні газу. На основі отриманих значень об'єму конденсату водяної пари розраховують теплоту конденсації. Цей спосіб визначення теплоти згоряння природного газу має ряд недоліків, серед яких: невисока точність визначення теплоти згоряння, значні часові затрати на проведення вимірювання, необхідність підведення води, необхідність підтримання постійних температурних режимів у приміщенні, а також необхідність вентиляції приміщення для виведення продуктів згоряння природного газу. Існує також спосіб визначення теплоти згоряння природного газу [2], який полягає в спалюванні природного газу в двох пальниках. Спочатку за допомогою двох пальників спалюють досліджуваний газ, заміряючи його температуру та витрату за допомогою турбінного лічильника. Потім досліджуваний газ подають разом з газом-носієм через обидва пальники, регулюючи витрату таким чином, щоб максимально наблизити температуру спалювання суміші до температури спалювання самого досліджуваного газу. На основі отриманих даних розраховують об'ємне співвідношення витрат, яке є функцією теплоти згоряння досліджуваного газу. До недоліків цього методу слід віднести вибухо- та пожеженебезпечність, неможливість безперервного контролювання теплоти згоряння газу, а також низьку повторюваність результатів вимірювання. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого є спосіб визначення теплоти згоряння, який полягає в тому, що теплоту згоряння природного газу об'ємну (вищу або нижчу) розраховують за компонентним складом і теплотою згоряння окремих компонентів газу [3]. Компонентний склад газу в об'ємних частках процента визначають за допомогою хроматографа за методом абсолютного калібрування [4]. Далі, визначають всі компоненти, об'ємна частка яких перевищує (19) UA (11) 92846 (13) C2 (21) a200905201 (22) 25.05.2009 (24) 10.12.2010 (46) 10.12.2010, Бюл.№ 23, 2010 р. (72) КАРПАШ ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ, ДАРВАЙ ІРИНА ЯРОСЛАВІВНА, КАРПАШ МАКСИМ ОЛЕГОВИЧ, ЯВОРСЬКИЙ АНДРІЙ ВІКТОРОВИЧ, РИБІЦЬКИЙ ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ (73) ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ (56) RU 57014, U1, 27.09.2006 Watson J.W., White F.A. Acoustic measurement for gas Btu content//Oil Gas J., v.80, 1982 Apr 05. P.217218, 220, 225 ГОСТ 22667-82. Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе 3 92846 4 0,005%, крім метану, вміст якого визначають за чення фізичних властивостей природного газу різницею 100% і суми вмісту всіх компонентів. (швидкість поширення ультразвуку, густина тощо), До недоліків цього способу слід віднести висоа також вміст складових природного газу, що заку вартість обладнання для хроматографічного важають його повному згорянню (вміст азоту та аналізу та складність його експлуатації, неможлидіоксиду вуглецю). Базу даних випадковим чином вість здійснювати вимірювання в режимі реальнобуло розділено на дві частини: 86 та 9 складових. го часу, а також труднощі, пов'язані із відбором та На основі 86 наборів даних проведено кореляційпідготовкою проб природного газу. Одним з суттєний аналіз показників якості природного газу. В вих недоліків розрахункового методу є те, що при таблиці 1 наведено тільки високі значення коефіобчисленні теплоти згоряння природного газу та цієнтів кореляції між показниками та компонентчисла Воббе не враховують вплив компонентів, які ними складовими природного газу відібраних 86 не лише не виділяють тепла при спалюванні, а й наборів бази даних. можуть ускладнювати горіння інших компонентів На основі отриманих результатів можна зрогазу (вміст діоксиду вуглецю, вміст азоту, його вобити висновок, що швидкість поширення звуку в логості, тощо). природному газі корелює з параметрами, які хараЗадача цього винаходу полягає у розробленні ктеризують хімічний склад (коефіцієнти кореляції нового способу, що дозволить проводити вимірюмають досить високі значення). В той же час швивання теплоти згоряння природного газу оператидкість поширення значно менше пов'язана з вмісвно, безперервно (в режимі реального часу) з витом азоту та діоксиду вуглецю (коефіцієнти коресокою точністю та забезпечить простоту його ляції є нижчі, в порівнянні з вуглеводнями). технічної реалізації. Коефіцієнти кореляції „теплота згоряння -діоксид Для вирішення поставленої задачі у спосіб вивуглецю", „теплота згоряння – азот”, вказують на значення теплоти згоряння природного газу, що нелінійну залежність, яка існує очевидно через те, полягає у вимірюванні фізико-хімічних параметрів що азот та діоксид вуглецю не виділяють теплоти та визначенні повного компонентного складу припід час спалювання. Тобто, їх можна назвати шкіродного газу і отриманні по них розрахункових дливими компонентами в порівнянні з вуглеводзначень теплоти згоряння природного газу, який нями, оскільки саме останні виділяють основну відрізняється тим, що визначають швидкість почастину тепла при спалюванні. А швидкість ультширення ультразвуку в газі, вміст тільки азоту та развуку може опосередковано вказувати на сумадіоксиду вуглецю, а для отримання математичної рний вміст тих складових природного газу, що залежності теплоти згоряння природного газу від придатні до спалювання. Відомо, що для вимірюшвидкості поширення ультразвуку, вмісту азоту та вання швидкості ультразвуку існує ряд достатньо діоксиду вуглецю використовують алгоритми штуточних та достовірних методів, які дозволяють чних нейронних мереж. проводити вимірювання у режимі реального часу Для визначення оптимальної кількості якісних [6]. Для експрес визначення вмісту діоксиду вуглепоказників природного газу було використано базу, цю також можливо використовувати газоаналітичдо якої входять 95 зразків сумішей природного ну техніку [7]. Значення вмісту азоту розраховувагазу [5]. Ця база є множиною сумішей природного тиметься як різниця 100%, вмісту вуглеводнів та газу значення показників якої отримано хроматогдіоксиду вуглецю. рафічно. При цьому до уваги також брались знаТаблиця 1 Результати кореляційного аналізу показників якості природного газу Показник Теплота згоряння Теплота згоряння Швидкість поширення звуку Вміст азоту Вміст діоксиду вуглецю Густина Молекулярна маса Метан Етан Пропан і-бутан н-бутан і-пентан н-пентан н-гексан н-гептан н-октан Швидкість поширення звуку 1 Вміст азоту Вміст діоксиду вуглецю -0,5788 -0,6486 1 -0,3689 0,0154 1 -0,3669 -0,3063 -0,1778 1 0,5940 0,5916 -0,5788 0,8641 0,9226 0,9124 0,9124 0,7463 0,7463 0,3233 -0,3891 -0,2115 -0,9970 -0,9968 0,9700 -0,9019 -0,7958 -0,8593 -0,8593 -0,7956 -0,7596 -0,3403 0,1274 0,2639 0,0066 0,0084 -0,2141 -0,0728 -0,1974 -0,1418 -0,1418 -0,0529 -0,0529 -0,0313 0,2279 -0,0173 0,3653 0,3671 -0,2141 -0,0728 -0,1974 -0,1418 -0,1418 -0,0529 -0,0529 -0,3130 0,2279 -0,0173 5 92846 Результати кореляційного аналізу вказують загалом на те, що теплота згоряння газу є нелінійною функцією комплексу таких параметрів як швидкість поширення звуку в газі, вміст азоту та діоксиду вуглецю. Тому для визначення цієї характеристики за значеннями цих параметрів необхідно вирішити задачу нелінійної апроксимації функції кількох параметрів. Найкращим вирішенням цієї задачі є застосування нейронних мереж [8]. Для розрахунку значень теплоти згоряння природного газу пропонується використовувати алгоритми штучних нейронних мереж (ШНМ) [9]. ШНМ вибрано через здатність до нелінійної багатопараметрової апроксимації теплоти згоряння як функції швидкості поширення ультразвуку в газі від вмісту азоту та діоксиду вуглецю. Моделювання з використанням ШНМ передбачає загалом виконання послідовності наступних кроків: 1. Визначення вхідних та вихідних параметрів. Вихідним параметром для ШНМ буде теплота згоряння природного газу, а вхідними параметрами будуть характеристики, описані вище: швидкість поширення ультразвуку в газі, вміст азоту та вміст діоксиду вуглецю. 2. Збір даних. На даному етапі базу даних сумішей природного газу, яку було використано для визначення коефіцієнтів кореляції, випадковим чином розділено на дві частини навчальну (тренувальну) та тестову. Для тренування штучної нейронної мережі обрано 78 варіацій якісних показників газу, а для тестування - 8. Тренування моделі передбачає вибір архітектури, алгоритму тренування та параметрів ме 6 режі. Архітектура ШНМ - це кількість шарів і нейронів у них, а також вигляд функції перетворення в нейронах. Необхідно зазначити, що вибір архітектури для кожного конкретного випадку підбирається індивідуально виходячи зі ступеня складності задачі, наявних обчислювальних можливостей та досвіду дослідника. Як тренувальний було обрано алгоритм зворотного поширення помилки ЛевенбергаМарквардта [9], який рекомендують для випадків, коли мережа та кількість навчальних пар у множині є невеликими. 3. Аналіз та попереднє оброблення даних. Перед тренуванням штучної нейронної мережі необхідно всі вхідні дані пронормувати, поділивши їх на максимальне значення. 4. Тренування нейронної мережі. Тренування нейронної мережі проведено за допомогою вхідних даних, до яких не було включено 8 тестових наборів. 5. Тестування натренованої мережі. Необхідно зазначити, що згідно з прийнятою практикою [10], тестування нейронних мереж виконують на даних, які не було використано під час навчання (невідомі для нейронної мережі) таким чином забезпечують об'єктивність судження про здатність мережі до апроксимації необхідної функції. На етапі тестування на вхід було подано 8 тестових комбінацій параметрів. Для тестестування подавалося по три вхідних параметри (швидкість звуку в природному газі, вміст азоту та діоксиду вуглецю) та отримано по одному вихідному параметру - теплота згоряння природного газу. Отримані результати тестування ШНМ подано в таблиці 2. Таблиця 2 Результати тестування штучної нейронної мережі Теплота згоряння фактична, МДж/м3 Теплота згоряння з ШНМ, МДж/м3 42,3989 42,3952 38,2288 38,2325 38,2661 38,2735 41,8543 41,8506 42,4026 42,3952 38,2325 38,2139 38,2623 38,2661 41,8618 41,8581 З таблиці 2 видно, що фактичні значення теплоти згоряння відповідають значенням, які отримані за допомогою ШНМ з високою точністю. Приведена до діапазону похибка в цьому випадку дорівнює 0,11 %, яка дає можливість зробити висновок, що результати тестування є позитивними і дають можливість перейти до наступного етапу дослідження. 6. Використання відтестованої мережі для моделювання та прогнозування. Моделювання роботи нейронної мережі проведено за допомогою інших невідомих для ШНМ 9-ти наборів, які відрізняються від тренувальних та тестових. На вхід подано, як і при навчанні та тестуванні ШНМ, по три набори вхідних параметрів (всього 9). На основі проведеного моделювання роботи нейронної мережі отримано результати, які наведено в таблиці 3. Результати моделювання роботи штучної нейронної мережі є достатньо точними. Теплота згоряння, яку отримано за допомогою ШНМ, практично збігається з фактичними значеннями, які визначено за допомогою газового хроматографа. Приведена до діапазону похибка становить 2,4 %. 7 92846 8 Таблиця 3 Результати моделювання роботи штучної нейронної мережі 3 Теплота згоряння фактична, МДж/м 38,1579 35,8640 35,8677 40,4257 37,9975 38,0012 43,8760 41,2389 41,2426 Теплота згоряння з ШНМ, МДж/м3 38,0945 36,0318 36,0132 40,5600 38,0124 38,0161 44,1296 40,9479 40,9741 В результаті роботи запропонованої штучної нейронної мережі отримано математичну залежність величини теплоти згоряння природного газу Q від швидкості поширення ультразвуку в газі , вмісту діоксиду вуглецю С1 та вмісту азоту С2: Q=f( ,C1,C2). Отже, результати отримані за допомогою штучної нейронної мережі підтвердили спроможність реалізації запропонованого способу експрес визначення теплоти згоряння природного газу шляхом розрахунку їх значень за результатами вимірювання швидкості звуку в природному газі та вмісту шкідливих компонентів (азоту та діоксиду вуглецю) за допомогою штучних нейронних мереж. Перелік посилань 1. ГОСТ 27193-86 Газы горючие природные. Метод определения теплоты сгорания водяным калориметром. 2. Patent US 4062236 G01N25/30 Method of and means for accurately measuring the calorific value of combustible gases. 3. ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе. Комп’ютерна верстка М. Мацело 4. ГОСТ 23781 - 87. Газы горючие природные. Хроматографический метод определения компонентного состава. 5. Т.В. Morrow, Е. Kelner, A. Minachi. (2000). Development of a low cost inferential natural gas energy flow rate prototype retrofit module, Final report, DOE Cooperative Agreement No. DE-FC2196MC33033, U.S. Department of Energy, Morgantown, WV. Southwest Research Institute, San Antonio, TX. 6. Радж Б., Раджендран В., Паланичами В. Применение ультразвука. - М.: Техносфера, 2006. - 576 с. 7. www.dynament.com - Infrared Gas Sensor Technology. 8. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс. М.: Вильямс, 2006.-1105 с. 9. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации: Пер. с польского И.Д. Рудинского.-М.: Финансы и статистика, 2004.-344 с. 10. Галушкин А.И. Нейроматематика / под ред. Галушкина А.И. М.: Радиотехника, 2002. 448 с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601