rmjournalЭталоны. Стандартные образцыMeasurement Standards. Reference Materials2687-0886D. I. Mendeleyev Institute for Metrology10.20915/2077-1177-2023-19-1-5-15rmjournal-377Research ArticleСтандартные образцыReference materialsПерспективы разработки стандартных образцов числа ВоббеProspects for the Development of Reference Materials of the Wobbe Indexhttps://orcid.org/0000-0003-3938-6775МальгиноваН. А.MalginovaN. A.

Наталья Андреевна Мальгинова –  инженер научно-исследовательской лаборатории Государственных эталонов и научных исследований в области калориметрии сжигания и высокочистых веществ метрологического назначения

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19 

Natalia A. Malginova –  Engineer of the laboratory for measurement standards and scientific research in the field of combustion calorimetry and high-purity organic substances for metrological purposes

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

n.a.malginova@vniim.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9980-3553КорчагинаЕ. Н.KorchaginaE. N.

Николаевна Корчагина – канд. техн. наук, руководитель научно-исследовательской лаборатории Государственных эталонов и научных исследований в области калориметрии сжигания и высокочистых веществ метрологического назначения

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19 

Elena N. Korchagina –  Cand. Sci. (Eng.), Head of the laboratory for measurement standards and scientific research in the field of combustion calorimetry and high-purity organic substances for metrological purposes

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

e.n.korchagina@vniim.ruКазарцевЯ. В.KazartsevYa. V.

Ярослав Валерьевич Казарцев –  научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории Государственных эталонов и научных исследований в области калориметрии сжигания и высокочистых веществ метрологического назначения

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19 

Researcher ID: GLT-5514–2022

Yaroslav V. Kazartsev – Researcher of the laboratory for measurement standards and scientific research in the field of combustion calorimetry and high-purity organic substances for metrological purposes

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

y.v.kazartsev@vniim.ruФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева»РоссияD. I. Mendeleyev Institute for Metrology (VNIIM)Russian Federation202315032023191515Copyright © Мальгинова Н.А., Корчагина Е.Н., Казарцев Я.В., 20232023Мальгинова Н.А., Корчагина Е.Н., Казарцев Я.В.Malginova N.A., Korchagina E.N., Kazartsev Y.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rmjournal.ru/jour/article/view/377

Теплофизические параметры газового топлива, в том числе энергия сгорания и число Воббе, являются одними из его основных параметров при использовании в промышленности. Правильность измерений объемной энергии сгорания газов в настоящее время обеспечена применением комплектов стандартных образцов утвержденного типа низшей объемной энергии сгорания на основе чистых газов: водорода, метана, этана и пропана ГСО 11662–2020 / ГСО 11665–2020 и газовых смесей ГСО 11904–2022 / ГСО 11907–2022, имеющих метрологическую прослеживаемость к ГЭТ 16–2018. Однако при определении числа Воббе возникает необходимость измерения относительной плотности газов по воздуху с установленной прослеживаемостью к ГЭТ 18–2014.

Целью настоящего исследования является повышение точности пикнометрического метода измерения плотности газов для дальнейшей разработки и создания метрологического обеспечения в области измерений числа Воббе. В ходе исследования проведен анализ существующих методов определения плотности газа, в результате которого в основу разрабатываемой методики был положен пикнометрический метод, изложенный в ГОСТ  17310–2002, ГОСТ 3 4721–2021. Проведена оценка бюджета неопределенности измерений плотности газа пикнометрическим методом. Установлено, что наибольший вклад в суммарную неопределенность вносит определение массы исследуемого газа. Для минимизации неопределенности было решено увеличить внутренний объем пикнометра и использовать модифицированный способ определения его объема.

Для решения поставленной задачи по разработке модифицированной пикнометрической методики измерения плотности газов был изготовлен имитатор пикнометра увеличенного объема в оригинальном конструктивном исполнении. Для опробования разрабатываемой методики была выбрана изготовленная гравиметрическим способом газовая смесь следующего состава: СО2 –  40,22 мол. %, СН4 –  ост.

Теоретическая значимость полученных результатов заключается в апробации применения модифицированной пикнометрической методики для повышения точности измерений такого параметра газового топлива, как число Воббе. В процессе разработки модифицированной пикнометрической методики опробован алгоритм проведения измерений, получены значения плотности исследуемого газа, проведена оценка бюджета неопределенности измерений плотности.

Практическая значимость полученных результатов настоящего исследования позволит расширить возможность установления метрологических характеристик при проведении метрологического сопровождения анализаторов числа Воббе, а также применить разрабатываемую методику в дальнейшем при контроле точности результатов измерений относительной плотности газов по воздуху.

The thermophysical properties of gaseous fuel, including the calorific value and the Wobbe index, are one of its main properties for industrial use. The correctness of measurements of the volumetric energy of gas combustion is currently ensured by using sets of certified reference materials of the lowest volumetric energy of combustion based on pure gases: hydrogen, methane, ethane and propane GSO 11662–2020 / GSO 11665–2020 and gaseous mixtures GSO 11904–2022 / GSO 11907–2022 with metrological traceability to GET 16–2018. However, it becomes necessary to measure the gas relative density to air with established traceability to GET 18–2014 when determining the Wobbe index.

The purpose of this research is to improve the accuracy of the pycnometer method for measuring the density of gases for further development and creation of metrological assurance in the field of measuring the Wobbe index.

In the course of the research, an analysis of existing methods for determining the gas density was performed, as a result of which the pycnometer method set forth in GOST 17310–2002, GOST 34721–2021 was taken as the basis for the developed method. The uncertainty budget of gas density measurements was estimated using the pycnometer method. It has been established that the mass determination of the gas under study makes the greatest contribution to the total uncertainty. It was decided to increase the internal volume of the pycnometer and use a modified method for determining its volume to minimize the uncertainty.

An imitator of a pycnometer with an increased volume was manufactured in an original design to solve the task of developing a modified pycnometer method for measuring the gas density. A gravimetrically produced gaseous mixture of the following composition was chosen for testing the developed method: CO2 –  40.22 mol. %, CH4 –  rest.

The theoretical significance of the results obtained lies in approbation of a modified pycnometer method to improve the measurement accuracy of such a gaseous fuel property as the Wobbe index. In the process of developing a modified pycnometer method, the measurement algorithm was tested, the density values of the studied gas were obtained, and the uncertainty budget of density measurements was estimated.

The practical significance of the results of this research will expand the possibility of establishing metrological characteristics during the metrological assurance of Wobbe index analyzers, as well as apply the developed method in future accuracy control of the measurement results of the gas relative density to air.

число Воббеобъемная энергия сгоранияотносительная плотность газаметоды определения плотностипикнометрический методстандартный образецгазовое топливоWobbe indexvolumetric combustion energygas relative densitydensity determination methodspycnometer methodreference materialgaseous fuelИсследование выполнено в рамках работ по теме КООМЕТ 780/RU-а/19 «Сличения национальных эталонных газовых калориметров на образцах газовых смесей». Авторы выражают благодарность сотрудникам научно-исследовательского отдела госэталонов в области физико-химических измерений ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» за оказанную помощь в подготовке газовых смесей для проведения сличений и опробования разрабатываемой методики, а также сотрудникам научно-исследовательской лаборатории госэталонов в области измерений плотности и вязкости жидкости ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» за консультации и помощь в проведении измерений. Все измерения проводились с использованием оборудования ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».The research was carried out within the COOMET Project 780/RU-a/19 «Pilot comparisons of national reference gas calorimeters using samples of gas mixtures». The authors express their gratitude to the employees of the research department for measurement standards in the field of physicochemical measurements of the D. I. Mendeleyev Institute for Metrology for assistance in preparing gaseous mixtures for comparisons and testing the developed method, as well as to the employees of the research laboratory for measurement standards in the field of measuring the density and viscosity of liquids of the D. I. Mendeleyev Institute for Metrology for consultations and assistance in measurements. All measurements were carried out using the equipment of the D. I. Mendeleyev Institute for Metrology.ReferencesGlobal gas report 2022 // International Gas Union. URL: https://www.igu.org/resources/global-gas-report-2022 (дата обращения: 25.10.2022).Global gas report 2022. International Gas Union. Available at: https://www.igu.org/resources/global-gas-report-2022. [Accessed 25 November 2018].Florisson O., Burrie P. H. Rapid determination of the Wobbe index of natural gas // Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1989. Vol. 22, № 2. P. 123–128. https://doi.org/10.1088/0022–3735/22/2/009Florisson O., Burrie P. H. Rapid determination of the Wobbe index of natural gas. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1989;22(2):123–128. https://doi.org/10.1088/0022–3735/22/2/009Fuel flexibility influences on premixed combustor blowout, flashback, autoignition, and stability / T. Lieuwen et al.] // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2008. Vol. 130, № 1. P. 11506–11510. https://doi.org/10.1115/1.2771243Lieuwen T., Mcdonell V., Petersen E. L., Santavicca D. Fuel flexibility influences on premixed combustor blowout, flashback, autoignition, and stability. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2008;130(1):11506–11510. https://doi.org/10.1115/1.2771243Roy P. S., Ryu Ch., Park Ch. S. Predicting Wobbe index and methane number of a renewable natural gas by the measurement of simple physical properties // Fuel. 2018. Vol. 224. P. 121–127. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.074Roy P. S., Ryu Ch., Park Ch. S. Predicting Wobbe index and methane number of a renewable natural gas by the measurement of simple physical properties. Fuel. 2018;224:121–127. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.074Мишина К. А., Корчагина Е. Н., Казарцев Я. В. Метрологическое обеспечение газовых калориметров и анализаторов числа Воббе // Эталоны. Стандартные образцы. 2021. Т. 17. № 2. С. 19–32. https://doi.org/10.20915/2687-0886-2021-17-2-19-32Mishina K. A., Korchagina E. N., Kazartsev I. V. Metrological assurance of gas calorimeter and wobbe index analyser. Measurement Standards. Reference Materials. 2021;17(2):19–32. (In Russ.). https://doi.org/10.20915/2687-0886-2021-17-2-19-32Korchagina E. N., Kazartsev I. V., Yanovskiy D. Yu. The reference calorimeter system for metrological assurance of combustion energy measurements // Die 22. Calorimetry: collection of abstracts of the conference, 7–9 Juni 2017. / Physikalisch-Technische Bundesanstalt. Braunschweig: PTB, 2017. P. 132–134. URL: https://www.kalorimetrietage.ptb.de/fileadmin/documents/kalorimetrietage/22Kaltage_2017/Posterabstracts/Mishina_-_abstracts.pdfKorchagina E. N., Kazartsev I. V., Yanovskiy D. Yu. The reference calorimeter system for metrological assurance of combustion energy measurements. In: Die 22. Calorimetry: collection of abstracts of the conference, 7–9 Juni 2017. Braunschweig: PTB; 2017. p. 132–134. URL: https://www.kalorimetrietage.ptb.de/fileadmin/documents/kalorimetrietage/22Kaltage_2017/Posterabstracts/Mishina_-_abstracts.pdfИстория создания и модернизации государственных первичных эталонов единиц динамической, кинематической вязкости жидкости и плотности / К. В. Чекирда // Измерительная техника. 2022. № 7. С. 24–29. https://doi.org/10.32446/0368–1025it.2022-7-24-29Chekirda K. V., Demyanov A. A., Nekliudova A. A., Domostroev A. V., Sulaberidze V. Sh. The history of creation and modernization of the state primary standards of units of dynamic, kinematic viscosity of liquid and density. Measurement Techniques. 2022;(7):24–29. https://doi.org/10.32446/0368–1025it.2022-7-24-29Хацкевич Е. А., Снегов В. С. Погрешности результатов измерений плотности природного газа пикнометрическим и расчетным методами // Газовая промышленность. 2011. № 5. С. 84–85.Khatskevich E. A., Snegov V. S. Errors in the results of measuring the density of natural gas using pycnometric and calculation methods. Gas industry. 2011;(5):84–85. (In Russ.).Фарзане Н. Г., Илясов Л. В. Технологические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1989. 456 с.Farzane N. G., Iliasov L. V. Technological measurements and devices. Moscow: Vysshaia shkola, 1989. 456 p. (In Russ.).Лопатин С. C., Пфайффер Х. Датчики предельного уровня для жидкостей. Физические принципы работы и возможности вибрационных датчиков // Технические средства автоматизации. 2004, № 12. С. 24–29.Lopatin S. C., Pfaiffer Kh. Limit level sensors for liquids. Physical principles of operation and possibilities of vibration sensors. Technical Means of Automation. 2004;(12):24–29. (In Russ.).Соломичев Р. И., Слонько А. Н. Оценка физико-химических параметров природного газа акустическим способом // Сфера. Нефть и Газ. 2019. № 4(72). С. 46–51.Solomichev R. I., Slonko A. N. Estimation of physical and chemical parameters of natural gas by acoustic method. Sfera. Oil and Gas. 2019;(4):46–51. (In Russ.).Соломичев Р. И., Слонько А. Н. Исследование метрологических характеристик системы диагностики УЗ расходомеров UFG при оценке плотности природного газа // СФЕРА. Нефть и газ. 2019. № 5(73). С. 92–95.Solomichev R. I., Slonko A. N. Investigation of the metrological characteristics of the system for diagnosing ultrasonic flowmeters UFG in assessing the density of natural gas. Sphere. Oil and Gas. 2019;(5):92–95.(In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.