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Dokumentenidentifikation DE19823918C2 21.06.2000
Titel Verfahren zur Detektion von Erdgas
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Strzoda, Rainer, Dipl.-Phys., 81739 München, DE;
Mágori, Erhard, Dipl.-Phys., 85551 Kirchheim, DE;
Meixner, Hans, Prof. Dr., 85540 Haar, DE
DE-Anmeldedatum 28.05.1998
DE-Aktenzeichen 19823918
Offenlegungstag 09.12.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse F17D 5/06
IPC-Nebenklasse G01N 21/39   G01N 33/24   G01J 3/42   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Erdgas durch den Nachweis vorgegebener Gaskomponenten davon.

Leckagen an Erdgasleitungen stellen nach wie vor ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Die frühzeitige Erkennung von Leckagen minimiert nicht nur die Unfallgefahr, sondern stellt daneben auch einen nicht zu vernachlässigenden wirtschaftlichen Faktor für die Gasversorgungsunternehmen dar.

Die Detektion von undichten Stellen im Leitungsnetz erfolgt üblicherweise mit transportablen Lecksuchgeräten. Damit werden beispielsweise Messungen entlang einer im Boden verlegten Gasleitung vorgenommen. Eine gegenüber der Umgebung erhöhte Methankonzentration deutet auf eine Leckage hin. Gemessen wird im allgemeinen nicht spezifisch Methan, sondern der Kohlenwasserstoffgehalt der Atmosphäre. Dabei ergibt sich das Problem der Querempfindlichkeit. So können erhöhte Kohlenwasserstoffkonzentrationen auch aus anderen Emissionsquellen entstehen, wie beispielsweise aus dem Fahrzeugverkehr.

Die Messung von Methan alleine reicht zur absolut sicheren Identifizierung von Erdgas nicht aus. Methan wird beispielsweise auch von landwirtschaftlichen Betrieben und von Deponien emittiert.

Bei der Suche nach Erdgas-Leckagen werden verschiedene Detektionsprinzipien angewandt. Zum Einsatz kommen Pellistoren, Metalloxid-Gassensoren, Flammenionisationsdetektoren (FID), sowie Meßverfahren auf der Grundlage optischer Absorption im mittleren Infrarotbereich. Sämtliche dieser herkömmlichen Verfahren bestimmen jedoch mehr oder weniger den gesamten Kohlenwasserstoffgehalt. Pellistoren beispielsweise, die auf der Basis einer katalytischen Verbrennung des Methans detektieren, sind anfällig gegen bestimmte Störgase, wie siliziumhaltige Gase. Dies führt allgemein zu einem Empfindlichkeitsverlust und verminderter Detektionssicherheit. Die selektive Erfassung einzelner Gaskomponenten, wie beispielsweise Methan, ist nicht gegeben. Damit ergibt sich ein erhöhter Aufwand bei der eindeutigen Identifizierung von Erdgasleckagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Erdgas bereitstellen mit dem Erdgas zuverlässig detektierbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Nachteile im Stand der Technik vermieden werden können, indem die Konzentrationen von mindestens zwei Bestandteilen von Erdgas selektiv gemessen werden und aus dem Verhältnis der Konzentrationen eine Unterscheidung zwischen Erdgas oder nicht-Erdgas getroffen werden kann.

Die in dem Verfahren verwendete Meßmethode ist die Laserspektroskopie. Darin werden vorzugsweise DFB-Laserdioden (Distributed Feedback-Dioden) verwendet. Die Durchstimmung des Lasers bedeutet, daß dieser auf der Eingangsseite elektrisch mit zunehmender Stromstärke beaufschlagt wird und, einhergehend mit zunehmender Temperatur, die Emissionswellenlänge des Lasers in einen bestimmten Bereich ansteigt. Zu den verfahren der Laserspektroskopie zählen auch die Detektion der Harmonischen, Heterodynspektroskopie und photoakustische Verfahren.

Der Laser wird so ausgewählt, daß seine Emissionswellenlänge in dem Bereich einer Bande von Methan liegt, innerhalb der eine ausgewählte Absorptionslinie vorhanden ist, die für die Methandetektion herangezogen wird. Bei benachbart liegenden Absorptionslinien von Methan und Ethan wird mit einem Laser gearbeitet. Die durch den Abstimmbereich vorgegebenen Emissionswellenlängen des Lasers müssen den Bereich der zu detektierenden Absorptionslinien überdecken. Absorptionsbanden von Methan liegen beispielsweise bei 1,66 und 3,31 µm.

Im folgenden wird anhand einer schematischen Figur ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben.

Die Figur zeigt einzelne Absorptionslinien von Gaskomponenten in Relation zum Bereich der Emissionswellenlänge eines DFB-Lasers.

Die Messung der Gaskonzentration beruht auf der Absorptionsmessung im nahen Infrarotbereich. Hierbei kommen insbesondere Oberwellenbande von Methan und Ethan in Frage. Die Zentren charakteristischer Banden liegen für Methan bei 1,66 µm und für Ethan bei 1,69 µm. Die Figur stellt das Absorbtionsspekrum im überlappenden Bereich der Methan- und Ethanbanden dar. In diesem Bereich liegen Absorptionslinien von Ethan benachbart zu solchen von Methan. Bei der Absorptionsmessung wird insbesondere die geringe Linienbreite des von Laserdioden (DFB-Laserdiode) emittierten Lichtes zur spektral aufgelösten Messung an einzelnen Vibrations-Rotationsübergängen ausgenutzt. In Verbindung damit ergibt sich eine hohe Selektivität bei jeder einzelnen Gasart.

Erdgas setzt sich beispielsweise aus den Hauptkomponenten Methan, Ethan, Propan, Butan, Kohlendioxyd und Wasser zusammen. Verschiedene Literaturangaben zeigen eine relativ geringe Spannbreite bezüglich der einzelnen Konzentrationen. In jedem Fall übersteigt jedoch der Methan-Anteil 80%, der Ethan-Anteil liegt unter 10%. Die Konzentration der übrigen Komponenten liegt im Prozentbereich oder darunter. Vor der Einspeisung in ein Leitungsnetz wird das Erdgas von höher siedenden Kohlenwasserstoffen gereinigt und die Zusammensetzung wird überwacht. Die Identifizierung von Erdgas kann durch Messung von mindestens zwei Gaskomponenten, wie beispielsweise Methan und Ethan erfolgen. Aus den bekannten Konzentrationsverhältnissen im Erdgas kann eine Unterscheidung zwischen Erdgas und anderen Quellen von Methan, beispielsweise Faulgas, getroffen werden, deren Gaszusammensetzung sich von der Zusammensetzung von Erdgas charakteristisch unterscheidet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt sich wie folgt dar:

Die Messung geschieht im nahen Infrarotbereich im langwelligen Zweig der Oberwellenbande von Methan bei 1,66 µm. Hier überlappen die Banden von Methan und Ethan. Die Emissionswellenlänge eines Lasers wird durchgestimmt, so daß die Absorptionslinien zweier oder mehrerer relevanter Gase, die in diesem Wellenlängenbereich liegen, abgetastet werden. Die Absorptionslinien der entsprechenden Gase bzw. Gaskomponenten des Erdgases müssen eine ausreichende Stärke aufweisen. Will man z. B. zur Erzielung höchster Sensitivität die jeweils stärksten Absorptionslinien der beiden Banden verwenden, so kann man dafür zwei Laserdioden mit zwei entsprechenden Emissionswellenlängen einsetzen.

Die Figur stellt insbesondere das Absorptionsspektrum von Methan und Ethan um 1,68 µm Wellenlänge, aufgenommen mit einem-Fourier-Transform-Spektrometer, dar. Innerhalb des Abstimmbereiches einer typischen DFB-Laserdiode sind mehrere Absorptionslinien von Methan oder Ethan der Messung zugänglich.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Detektion von Erdgas mittels Laserspektroskopie im Infrarotbereich, bei dem zusätzlich zu Methan wenigstens eine weitere Gaskomponente von Erdgas detektiert wird, indem die Emissionswellenlänge eines Lasers über einen Wellenlängenbereich durchgestimmt wird, der mindestens eine Absorptionslinie von jedem der zu detektierenden Gaskomponenten enthält und die Konzentration jeder Gaskomponente durch Absorptionsmessung ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, worin eine weitere Gaskomponente Ethan ist.
  3. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Absorptionsmessungen im nahen Infrarotbereich in den Absorptionsbanden von Methan vorgenommen werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Absorptionsmessung in einer Absorptionsbande von Methan bei 1,66 µm oder 3,31 µm geschieht.
  5. 5. Verfahren nach eine der vorhergehenden Ansprüche, worin DFB-Laserdioden eingesetzt werden.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin gleichzeitig mehrere Laser zur Detektion der verschiedenen Gaskomponenten eingesetzt werden.






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