Caratterizzazione di una camera climatica e suo utilizzo per prove su analizzatori di qualità per il gas naturale

Natural gas is the main fossil fuel used for the production of electricity, for heating in the majority of the buildings, as a heat source in many industrial plants and it also represents a small but growing portion in the transport sector fuels. Although the Italian natural gas network is highly developed from a technological point of view and regarding the branching on the territory, there are still today some technical and economic problems that limit the possibility to optimally determine the natural gas’s properties of commercial interest. For this reason, Snam Rete Gas, which is the Italian gas main conveyor, requested the Politecnico di Milano to verify the possibility to make some technological innovations in the National gas network. In particular in a previous work it was investigated the possibility of supporting the gas chromatographs currently in use with new measuring devices of natural gas quality, called quality analyzers that are characterized by less management costs and they don’t need the carrier gas. Experimental campaigns at laboratory temperature and controlled environmental conditions were made to select the tools that would comply with Snam Rete Gas’s demands of repeatability and accuracy. The quality analyzers (AQ) measure the quality parameters (high heating value, relative density and carbon dioxide molar content) of natural gas. These trade parameters are used in the calculation of the compressibility factor (Z) according to the international standard ISO 12213-3. The introduction of such tools would bring advantages in economic terms and, above all, in management; it could in fact go towards a more precise determination of the quality of natural gas, achieving a fundamental improvement in the management of the same, without an excessive disadvantage in terms of investment and operating costs. Subsequently Snam Rete Gas has asked the Politecnico di Milano, in particular the Laboratory of Micro-Cogeneration, to verify that the instruments meet the requirements also in the most difficult environmental conditions in term of temperature and relative humidity. In particular, in this thesis were conducted all the preliminary activities for the preparation of the experimental campaigns. A bibliographic and standards research has been developed aimed at drafting a valid experimental procedure for testing quality analyzer devices. This kind of study has never been carried out since the introduction of quality analyzers on the market. The following tests have been selected: • preliminary dry-cold and dry-hot tests and tests with temperature and relative humidity control to evaluate what environmental factors are more burdensome for the electronic parts of the quality analyzers; • official test of the duration of one month at the extreme environmental conditions used in the preliminary procedures to make a durability testing of the devices. After the determination of the experimental procedure, it was necessary to select and design the experimental apparatus necessary for carrying out the tests. It was dedicated special attention to the purchase of the climatic chamber in which the tests are carried out and to the gas chromatograph to be used as a measurement comparison. It was necessary the participation in training courses about the use of the experimental apparatus (three days of preparation for specialized technicians in climatic tests at the manufacturing company of the climatic chamber). Before making tests on the analyzers it was useful to make a characterization of the climatic chamber. Being a new instrumentation for the laboratory, it was decided to deal with preliminary characterization tests in order to verify the performance declared by the manufacturer and be aware of its capacity and its actual ability to perform environmental tests on natural gas quality analyzer devices. During this preliminary tests it was verified the excellent performance of the machine in terms of temperature control, but there were some problems in verifying the ability of the instrument to control the relative humidity, but the measure of this parameter is often difficult. The difficulty in relative humidity measure are linked to the psychrometric wick positioning on wet bulb temperature sensor and in the water feed system. In order to complete all the preliminary stages of testing , ISO 6974 has been analyzed and interpreted, for the calculation of the uncertainties of the molar components of the natural gas measured by gas-chromatography. A spreadsheet that implements the calculation model reported in the standard for linear type instruments has been developed by Microsoft Office Excel. Finally, the following preliminary tests were carried out : • a test outside the climatic chamber , ascertaining the accuracy of modern analyzers with respect to the natural gas network, comparing them with the gas chromatograph. The checks were made on commercially important parameters which are the high heating value, relative density and the molar concentration of carbon dioxide, taking care to identify what influence their measurement errors had on the determination of the energy of the natural gas transported by Snam Rete Gas , key parameter for determining the company's revenue . • a cold temperature test and a hot test using the climatic chamber , performing the same tests carried out on the previous test . Quality analizers found difficulties in keeping the correct sensor temperature, during cold tests. But during hot tests the devices showed an excellent accuracy.

Il gas naturale è il principale combustibile fossile utilizzato per la produzione di energia elettrica, per il riscaldamento nella maggioranza degli edifici, come fonte di calore in moltissimi impianti industriali e rappresenta anche una piccola ma crescente quota del settore dei trasporti. Sebbene la rete italiana del gas naturale sia molto sviluppata esistono ancora ad oggi alcune criticità tecnico-economiche. Per questo motivo Snam Rete Gas, ovvero il principale trasportatore di gas italiano, ha richiesto al Politecnico di Milano di verificare la possibilità di effettuare sulla rete nazionale alcune innovazioni tecnologiche. In particolare in un lavoro precedente si è voluto verificare la possibilità di affiancare ai gascromatografi attualmente in uso dei nuovi apparecchi di misura della qualità del gas naturale, detti analizzatori di qualità che costituiscono una possibile alternativa ai gascromatografi in quanto necessitano di minori costi di gestione e non hanno bisogno di gas di trasporto. Sono state quindi effettuate delle campagne sperimentali a temperature di laboratorio e condizioni ambientali controllate per selezionare gli strumenti che rispettassero le richieste di accuratezza e ripetibilità ricercate da Snam Rete Gas. Gli analizzatori di qualità (AQ) sono strumenti per la misura dei parametri di qualità (potere calorifico superiore, densità relativa e contenuto molare di anidride carbonica) del gas naturale. Tali parametri commerciali sono utilizzabili ai fini del calcolo del fattore di comprimibilità (Z) applicando la norma internazionale ISO 12213-3. L’introduzione di tali strumenti porterebbe vantaggi in termini economici e, soprattutto, gestionali; si potrebbe infatti andare verso una determinazione più puntuale della qualità del gas, senza un’eccessiva penalizzazione in termini di investimenti e di oneri gestionali. Successivamente Snam Rete Gas ha richiesto al Politecnico di Milano, in particolare al Laboratorio di Micro-Cogenerazione, di verificare che gli strumenti soddisfino le specifiche ricercate anche in condizioni ambientali più critiche. In particolare in questo lavoro di tesi si sono svolte tutte le attività preliminari per la preparazione delle campagne sperimentali. Si è sviluppata una ricerca bibliografica e normativa volta alla stesura di una procedura sperimentale valida per le prove su analizzatori di qualità. Si sono quindi selezionate le seguenti prove: • prove preliminari di temperatura a freddo e a caldo in ambiente secco e prove climatiche in controllo di temperatura e umidità relativa volte a valutare quali fattori ambientali sono più gravosi per le parti elettroniche dei sensori contenuti negli analizzatori di qualità; • prova ufficiale della durata di un mese alle condizioni estreme utilizzate nelle procedure preliminari per effettuare una verifica di durabilità.È stato poi necessario progettare l’apparato sperimentale per lo svolgimento delle prove. È stata dedicata particolare attenzione all’acquisto della camera climatica all’interno della quale sono effettuate le prove e a quello del gascromatografo da utilizzare come confronto di misura. È stata necessaria la partecipazione a corsi di preparazione all’utilizzo degli strumenti dell’apparato sperimentale. Prima di effettuare le prove molto delicate sugli analizzatori si è voluto effettuare una caratterizzazione della camera climatica. Essendo una strumentazione nuova per il Laboratorio, si è scelto di affrontare prove preliminari di caratterizzazione in modo da verificare le prestazioni garantite dal costruttore e prendere coscienza delle sue capacità e della sua effettiva idoneità ad effettuare prove ambientali su analizzatori di qualità. Queste prove hanno occupato una buona parte della fase sperimentale del presente lavoro di tesi, appurando le ottime prestazioni della macchina in termini di controllo della temperatura, ma riscontrando diverse problematiche nella verifica delle capacità della strumento a controllare l’umidità relativa. Le difficoltà nella misura e nel controllo dell’umidità relativa sono risultate legate al posizionamento della garza psicrometrica del sensore di temperatura di bulbo umido e al sistema di adduzione dell’acqua. Nell’ottica di completare tutte le fasi preliminari della sperimentazione, si è analizzata e interpretata la norma ISO 6974 per il calcolo dell’incertezza delle componenti molari del gas naturali misurate dal gascromatografo, sviluppando un foglio di calcolo con Excel in grado di implementare quanto riportato nella norma per strumenti di tipo lineare. Infine sono state effettuate le seguenti prove preliminari: • una prova all’esterno della camera climatica, appurando l’accuratezza degli analizzatori di qualità rispetto alla misura del gascromatografo. Le verifiche sono state fatte sui parametri di importanza commerciale quali sono il potere calorifico superiore, la densità relativa e la concentrazione molare di anidride carbonica, preoccupandosi di identificare quale influenza avessero i loro eventuali errori di misura sulla determinazione dell’energia specifica del gas naturale trasportato da Snam Rete Gas. • una prova di temperatura a freddo e una a caldo in camera climatica, effettuando le medesime verifiche svolte sulla precedente prova. Durante le prove a freddo gli analizzatori di qualità hanno incontrato qualche difficoltà nel mantenimento della temperatura della parte sensibile ad un livello sufficientemente elevato. Invece nelle prove a caldo gli strumenti si sono rivelati molto accurati.