(57)【要約】【課題】実験用ガスリフトポンプの実験結果から、ポンプ特性の基準となる特性曲線を広い動作条件で抽出することができ、実験用ガスリフトポンプからスケールアップしてガスリフトポンプを設計する。【解決手段】ガスリフトポンプのライザー管に比べて小型の実験用ライザー管を有する実験用ガスリフトポンプを用いて、実験用ガスリフトポンプにおける、液体の流入速度変化に対するポンプ特性変化を含むポンプ特性を計測する。前記ポンプ特性から、流量係数φ、及び揚程係数ψを求め、前記揚程係数ψに対する前記流量係数φの比である比速度Ｎｓの変化に対する前記流量係数φの変化を示す特性曲線１、前記比速度Ｎｓの変化に対する前記揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、及びポンプ効率ηの、前記比速度Ｎｓの変化に対する変化を示す特性曲線３を抽出する。前記特性曲線１、前記特性曲線２、及び前記特性曲線３に基づいて、前記ガスリフトポンプを設計する。【選択図】図２
2020094544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液面上に上端が突出し、下端が液面中に配置されたライザー管の前記下端から液体、あるいは、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体が前記ライザー管内に流入し、前記ライザー管の途中から吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用して前記ライザー管内に流入した前記液体を前記ライザー管の上端の出口に押し上げるガスリフトポンプの設計方法であって、
前記ガスリフトポンプの前記ライザー管に比べて小型の実験用ライザー管を有する実験用ガスリフトポンプを用いて、前記実験用ガスリフトポンプにおける、前記液体の流入速度変化に対するポンプ特性変化を含むポンプ特性を計測するステップと、
前記実験用ガスリフトポンプの前記ポンプ特性から、前記出口における前記液体の単位時間当たりの液体流出質量と、前記出口における前記ガスの単位時間当たりのガス流出質量の比である流量係数φ、及び前記ガスの吹き込み位置から前記出口までの前記液体の駆動部分の、前記液体の位置ヘッドと前記実験用ライザー管の管壁の摩擦損失を含む差圧と、前記ガスの吹き込み圧力との比である揚程係数ψを算出し、前記揚程係数ψに対する前記流量係数φの比である比速度Ｎｓの変化に対する前記流量係数φの変化を示す特性曲線１、前記比速度Ｎｓの変化に対する前記揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、及び前記ガスの供給エネルギーに対する前記液体の流出エネルギーの比である前記実験用ガスリフトポンプのポンプ効率ηの、前記比速度Ｎｓの変化に対する変化を示す特性曲線３を抽出するステップと、
抽出した前記特性曲線１、前記特性曲線２、及び前記特性曲線３に基づいて、前記ガスリフトポンプを設計するステップと、を備えることを特徴とするガスリフトポンプの設計方法。
【請求項２】
前記流量係数φの特性曲線１及び前記揚程係数ψの特性曲線２は、前記ガスの吹き込み位置によって不変の曲線である、請求項１に記載のガスリフトポンプの設計方法。
【請求項３】
前記特性曲線２及び前記特性曲線３は、前記実験用ライザー管内の前記ガスの単位時間当たりの吹き込み量毎に抽出される、請求項１または２に記載のガスリフトポンプの設計方法。
【請求項４】
前記ガスリフトポンプを設計するステップでは、設計しようとするガスリフトポンプの前記ガスの吹き込み位置から前記液面までの距離をポンプ駆動長さとして、前記ポンプ駆動長さの値を決定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスリフトポンプの設計方法。
【請求項５】
前記ポンプ駆動長さの値を決定するとき、前記特性曲線２と、前記ポンプ駆動長さの仮の値から算出される前記揚程係数ψの値とを用いて前記比速度Ｎｓの値を算出し、算出した前記比速度Ｎｓの値から前記特性曲線３を用いて前記ポンプ効率を算出する、請求項４に記載のガスリフトポンプの設計方法。
【請求項６】
前記ポンプ駆動長さの値を決定するとき、算出した前記比速度Ｎｓの値から前記特性曲線１を用いて前記ガス吹き込み位置における前記ガスの吹き込み量を算出する、請求項４または５に記載のガスリフトポンプの設計方法。
【請求項７】
前記実験用ガスリフトポンプの前記実験用ライザー管は、鉛直方向に延びて下端が閉塞し、
前記実験用ガスリフトポンプは、
前記実験用ライザー管と、
前記実験用ライザー管の下端に接続し、前記下端から液体を流入させる供給管と、
前記供給管の途中に設けられた、前記液体の流入速度を制御する流量制御ポンプと、
前記実験用ライザー管の途中から圧縮されたガスを前記液体中に吹き込むガス導入管と、
前記ガス導入管の途中に設けられた、前記ガスの吹き込み量を制御する制御バルブと、
前記実験用ライザー管の上端側に設けられ、吹き込む前記ガスによって押し上げられた前記液体と前記ガスの体積に対する前記ガスの体積の比であるボイド率を計測するボイド計測センサと、
を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスリフトポンプの設計方法。
【請求項８】
液面上に上端が突出し、下端が液面中に配置されたライザー管の前記下端から液体、あるいは、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体が前記ライザー管内に流入し、前記ライザー管の途中から吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用して前記ライザー管内に流入した前記液体を前記ライザー管の上端の出口に押し上げるガスリフトポンプの設計の際に用いる、前記ガスリフトポンプの前記ライザー管に比べて小型の実験用ガスリフトポンプであって、
鉛直方向に延びる、下端が閉塞した実験用ライザー管と、
前記実験用ライザー管の下端に接続し、前記下端から液体を流入させる供給管と、
前記供給管の途中に設けられた、前記液体の流入速度を制御する流量制御ポンプと、
前記実験用ライザー管の途中に設けられたガスを前記液体中に吹き込むガス導入管と、
前記ガス導入管の途中に設けられた、前記ガスの吹き込み量を制御する制御バルブと、
前記実験用ライザー管の上端側に設けられ、吹き込む前記ガスによって押し上げられた前記液体と前記ガスの体積に対する前記ガスの体積の比であるボイド率を計測するボイド計測センサと、を備え、
前記流量制御ポンプにより前記流入速度を制御して、前記ボイド計測センサによる前記ボイド率を計測する、ことを特徴とする実験用ガスリフトポンプ。
【請求項９】
前記ガスを前記液体中に吹き込む位置は、前記実験用ライザー管の上下方向の異なる位置に変更可能に構成されている、請求項８に記載の実験用ガスリフトポンプ。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の前記実験用ガスリフトポンプと、
前記実験用ガスリフトポンプの駆動を制御して得られる前記実験用ガスリフトポンプのポンプ特性をデータ処理する制御処理装置と、を備え
前記制御処理装置は、
（１）前記流量制御ポンプにより前記流入速度を制御して、前記液体の流入速度変化に対するポンプ特性変化を含むポンプ特性を計測した結果から、前記実験用ガスリフトポンプの下記流量係数φ、下記揚程係数ψ、下記比速度Ｎｓ、及び前記ガスの供給エネルギーに対する前記液体の吐出エネルギーの比であるポンプ効率ηを、算出する部分であって、
前記流量係数φは、前記出口における前記液体の単位時間当たりの液体流出質量と、前記出口における前記ガスの単位時間当たりのガス流出質量の比であり、
前記揚程係数ψは、前記ガスの吹き込み位置から前記出口までの前記液体の駆動部分の、前記液体の位置ヘッドと前記実験用ライザー管の摩擦損失を含む差圧と、前記ガスの吹き込み圧力との比であり、
前記比速度Ｎｓは、前記揚程係数ψに対する前記流量係数φの比である、比算出部と、
（２）前記比速度Ｎｓの変化に対する流量計数φの変化を示す特性曲線１、前記比速度Ｎｓの変化に対する揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、前記比速度Ｎｓの変化に対するポンプ効率ηの変化を示す特性曲線３を求める特性曲線算出部と、
（３）前記特性曲線１、前記特性曲線２、及び前記特性曲線３を、ガスリフトポンプの設計するための参照データとして記憶保持する記憶部と、を備える、
ことを特徴とする実験用ガスリフトポンプシステム。
【請求項１１】
液面上に上端が突出し、下端が液面中に配置されたライザー管の前記下端から液体、あるいは、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体が前記ライザー管内に流入し、前記ライザー管の途中から吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用して前記ライザー管内に流入した前記液体を前記ライザー管の上方の出口に押し上げるガスリフトポンプを、コンピュータにより設計する設計装置であって、
前記ガスリフトポンプのライザー管に比べて小型の実験用ライザー管を有し、前記液体の流入速度が制御可能な実験用ガスリフトポンプの前記実験用ライザー管に流入する前記液体の流入速度を制御して得られるポンプ特性から、前記実験用ライザー管の上端の出口における前記液体の単位時間当たりの液体流出質量と、前記出口における前記ガスの単位時間当たりのガス流出質量の比を流量係数φとし、前記ガスの吹き込み位置から前記出口までの前記液体の駆動部分の、前記液体の位置ヘッドと前記実験用ライザー管の摩擦損失を含む差圧と、前記ガスの吹き込み圧力との比を揚程係数ψとし、前記揚程係数ψに対する前記流量係数φの比である比速度Ｎｓの変化に対する前記流量係数φの変化を示す特性曲線１、前記比速度Ｎｓの変化に対する前記揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、及び前記ガスの供給エネルギーに対する前記液体の流出エネルギーの比である前記実験用ガスリフトポンプのポンプ効率ηの、前記比速度Ｎｓの変化に対する変化を示す特性曲線３を記憶保持する記憶部と、
前記特性曲線１、前記特性曲線２、及び前記特性曲線３に基づいて、前記ガスリフトポンプを設計する設計部と、を備えることを特徴とするガスリフトポンプの設計装置。
【請求項１２】
前記実験用ガスリフトポンプの前記実験用ライザー管は、鉛直方向に延びて下端が閉塞し、
前記実験用ガスリフトポンプは、
前記実験用ライザー管と、
前記実験用ライザー管の下端に接続し、前記下端から液体を供給する供給管と、
前記供給管の途中に設けられた、前記液体の流入速度を制御する流量制御ポンプと、
前記実験用ライザー管の途中に設けられた圧縮されたガスを前記液体中に吹き込むガス導入管と、
前記ガス導入管の途中に設けられた、前記ガスの吹き込み量を制御する制御バルブと、
前記実験用ライザー管の上端側に設けられ、吹き込む前記ガスによって押し上げられた前記液体と前記ガスの体積に対する前記ガスの体積の比であるボイド率を計測するボイド計測センサと、
を備える、請求項１１に記載のガスリフトポンプの設計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライザー管内の液体を、ライザー管の途中から吹き込んだガスがつくる泡の膨張力を利用してライザー管の上方の出口に押し上げるガスリフトポンプの設計方法、実験用ガスリフトポンプ、実験用ガスリフトポンプシステム、及びガスリフトポンプの設計装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海底や湖底から、海水等の液体、あるいは汚泥や鉱物資源等の固体や小さなガス等の気体を液体に巻き込んだ混合流体（以下、この混合流体も液体という）を、地上に押し上げて回収するための簡単な装置として、ガスリフトポンプが用いられる。ガスリフトポンプは、ライザー管の下方端からライザー管内に流入した液体を、ライザー管の途中から吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用してライザー管内の液体をライザー管の上方の出口に押し上げる装置である。
例えば、水深１０００ｍ程度の海底や湖底を掘削して、海底や湖底に存在するメタンハイドレートを適切なサイズに破砕した後、このメタンハイドレートを、泥、砂、礫、海水と共に洋上に輸送するための装置としてガスリフトポンプを用いることが考えられる。
【０００３】
ガスリフトポンプは、羽車を使用するターボ型ポンプ（遠心ポンプ）と比べて、以下の利点を有する。
・海底のような深い深度から液面上へ液体を上昇させることができ、
・傾斜抗井にも問題なく使用でき、液体の流出量を広い範囲で制御することができ、
・砂や固形物を巻き込んだ流体でも上昇させることができ、
・粘性の高い液体であっても、吹き込むガスの混入により粘性を下げて液体を上昇させることができ、
・ライザー管の途中からガスを吹き込むためにガスを圧縮する以外に機械的に稼動させる部分がなく、ポンプ構造が単純でライザー管内には障害物がないため、固体を含む液体を揚収することが容易にできる。
【０００４】
例えば、ガスリフトポンプによる気液二相流の流動解析を行って、エアリフト試験装置の実験結果とガスリフトポンプのシミュレーション計算の結果の対比を行った報告がされている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】吉川泰三、外９名、“深海底資源メタンハイドレートの回収に関する流体力学基礎研究”、２００２年８月１−２日、日本エネルギー学会  創立８０周年記念大会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記報告によれば、シミュレーション計算の結果は、エアリフト試験装置の実験結果と比較的よく対応している。
しかし、ガスリフトポンプが揚収の対象とする、メタンハイドレート等を巻き込んだ液体、すなわち、固体あるいは気体を巻き込んだ液体（混相流）である場合、実際の運転条件におけるポンプ特性を予測するには、ガスリフトポンプ内の液体に巻き込まれた固体の濃度、気体の濃度、固体の形状分布、及び固体の密度の情報が必要であり、シミュレーションによる予測は難しい。
このため、小型の実験用ガスリフトポンプを用いて、実際の運転条件を想定した混相流におけるポンプ特性を計測し、計測結果を利用して、目標とするポンプ特性を有するガスリフトポンプを設計することが考えられる。
【０００７】
しかし、実験用ガスリフトポンプで得られたポンプ特性から目標として定めたポンプ特性を実現するために、実験用ガスリフトポンプの設計寸法をどのようにスケールアップして、さらには、動作条件をどのように設定して液体の上昇を効果的に行うことができるか、不明である。一般に、実験用ガスリフトポンプを、幾何学的相似を利用してスケールアップしても、同じポンプ特性を有しない。ガスリフトポンプが使用する液体の流動を支配する微分方程式を用いた方法や次元解析を用いた方法によりスケールアップのための相似則を見出すことも考えられるが、現在その相似則は知られていない。
また、相似則を利用してガスリフトポンプを設計する前に、目標とするポンプ特性を決定する必要がある。この場合、実験用ガスリフトポンプにおいて広い範囲の動作条件（例えば、実験用ライザー管内に流入する液体の流入速度を種々変化させた動作条件）でポンプ特性を計測して、ポンプ特性の基準となる特性曲線を広い動作条件で求めておくことが好ましい。
【０００８】
そこで、本発明は、実験用ガスリフトポンプから得られる実験結果のポンプ特性から、ポンプ特性の基準となる特性曲線を広い動作条件で抽出することができ、しかも、実験用ガスリフトポンプからスケールアップしてガスリフトポンプを設計することができるガスリフトポンプの設計方法及びガスリフトポンプの設計装置を提供し、さらには、ガスリフトポンプを設計するために用いる実験用ガスリフトポンプ及び実験用ガスリフトポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、液面上に上端が突出し、下端が液面中に配置されたライザー管の前記下端から液体、あるいは、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体が前記ライザー管内に流入し、前記ライザー管の途中から吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用して前記ライザー管内に流入した前記液体を前記ライザー管の上端の出口に押し上げるガスリフトポンプの設計方法である。当該設計方法は、  前記ガスリフトポンプの前記ライザー管に比べて小型の実験用ライザー管を有する実験用ガスリフトポンプを用いて、前記実験用ガスリフトポンプにおける、前記液体の流入速度変化に対するポンプ特性変化を含むポンプ特性を計測するステップと、
前記実験用ガスリフトポンプの前記ポンプ特性から、前記出口における前記液体の単位時間当たりの液体流出質量と、前記出口における前記ガスの単位時間当たりのガス流出質量の比である流量係数φ、及び前記ガスの吹き込み位置から前記出口までの前記液体の駆動部分の、前記液体の位置ヘッドと前記実験用ライザー管の管壁の摩擦損失を含む差圧と、前記ガスの吹き込み圧力との比である揚程係数ψを算出し、前記揚程係数ψに対する前記流量係数φの比である比速度Ｎｓの変化に対する前記流量係数φの変化を示す特性曲線１、前記比速度Ｎｓの変化に対する前記揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、及び前記ガスの供給エネルギーに対する前記液体の流出エネルギーの比である前記実験用ガスリフトポンプのポンプ効率ηの、前記比速度Ｎｓの変化に対する変化を示す特性曲線３を抽出するステップと、
抽出した前記特性曲線１、前記特性曲線２、及び前記特性曲線３に基づいて、前記ガスリフトポンプを設計するステップと、を備える。
【００１０】
前記流量係数φの特性曲線１及び前記揚程係数ψの特性曲線２は、前記ガスの吹き込み位置によって不変の曲線である、ことが好ましい。
【００１１】
前記特性曲線２及び前記特性曲線３は、前記実験用ライザー管内の前記ガスの単位時間当たりの吹き込み量毎に抽出される、ことが好ましい。
【００１２】
前記ガスリフトポンプを設計するステップでは、設計しようとするガスリフトポンプの前記ガスの吹き込み位置から前記液面までの距離をポンプ駆動長さとして、前記ポンプ駆動長さの値を決定する、ことが好ましい。
【００１３】
前記ポンプ駆動長さの値を決定するとき、前記特性曲線２と、前記ポンプ駆動長さの仮の値から算出される前記揚程係数ψの値とを用いて前記比速度Ｎｓの値を算出し、算出した前記比速度Ｎｓの値から前記特性曲線３を用いて前記ポンプ効率を算出する、ことが好ましい。
【００１４】
前記ポンプ駆動長さの値を決定するとき、算出した前記比速度Ｎｓの値から前記特性曲線１を用いて前記ガス吹き込み位置における前記ガスの吹き込み量を算出する、ことが好ましい。
【００１５】
前記実験用ガスリフトポンプの前記実験用ライザー管は、鉛直方向に延びて下端が閉塞し、
前記実験用ガスリフトポンプは、
前記実験用ライザー管と、
前記実験用ライザー管の下端に接続し、前記下端から液体を流入させる供給管と、
前記供給管の途中に設けられた、前記液体の流入速度を制御する流量制御ポンプと、
前記実験用ライザー管の途中から圧縮されたガスを前記液体中に吹き込むガス導入管と、
前記ガス導入管の途中に設けられた、前記ガスの吹き込み量を制御する制御バルブと、
前記実験用ライザー管の上端側に設けられ、吹き込む前記ガスによって押し上げられた前記液体と前記ガスの体積に対する前記ガスの体積の比であるボイド率を計測するボイド計測センサと、
を備える、ことが好ましい。
【００１６】
本発明の他の一態様は、液面上に上端が突出し、下端が液面中に配置されたライザー管の前記下端から液体、あるいは、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体が前記ライザー管内に流入し、前記ライザー管の途中から吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用して前記ライザー管内に流入した前記液体を前記ライザー管の上端の出口に押し上げるガスリフトポンプの設計の際に用いる、前記ガスリフトポンプの前記ライザー管に比べて小型の実験用ガスリフトポンプである。当該実験用ガスリフトポンプは、
鉛直方向に延びる、下端が閉塞した実験用ライザー管と、
前記実験用ライザー管の下端に接続し、前記下端から液体を流入させる供給管と、
前記供給管の途中に設けられた、前記液体の流入速度を制御する流量制御ポンプと、
前記実験用ライザー管の途中に設けられたガスを前記液体中に吹き込むガス導入管と、
前記ガス導入管の途中に設けられた、前記ガスの吹き込み量を制御する制御バルブと、
前記実験用ライザー管の上端側に設けられ、吹き込む前記ガスによって押し上げられた前記液体と前記ガスの体積に対する前記ガスの体積の比であるボイド率を計測するボイド計測センサと、を備え、
前記流量制御ポンプにより前記流入速度を制御して、前記ボイド計測センサによる前記ボイド率を計測する。
【００１７】
前記ガスを前記液体中に吹き込む位置は、前記実験用ライザー管の上下方向の異なる位置に変更可能に構成されている、ことが好ましい。
【００１８】
また、本発明の一態様は、実験用ガスリフトポンプシステムである。当該実験用ガスリフトポンプシステムは、
前記実験用ガスリフトポンプと、
前記実験用ガスリフトポンプの駆動を制御して得られる前記実験用ガスリフトポンプのポンプ特性をデータ処理する制御処理装置と、を備える。
前記制御処理装置は、
（１）前記流量制御ポンプにより前記流入速度を制御して、前記液体の流入速度変化に対するポンプ特性変化を含むポンプ特性を計測した結果から、前記実験用ガスリフトポンプの下記流量係数φ、下記揚程係数ψ、下記比速度Ｎｓ、及び前記ガスの供給エネルギーに対する前記液体の吐出エネルギーの比であるポンプ効率ηを、算出する部分であって、
前記流量係数φは、前記出口における前記液体の単位時間当たりの液体流出質量と、前記出口における前記ガスの単位時間当たりのガス流出質量の比であり、
前記揚程係数ψは、前記ガスの吹き込み位置から前記出口までの前記液体の駆動部分の、前記液体の位置ヘッドと前記実験用ライザー管の摩擦損失を含む差圧と、前記ガスの吹き込み圧力との比であり、
前記比速度Ｎｓは、前記揚程係数ψに対する前記流量係数φの比である、比算出部と、
（２）前記比速度Ｎｓの変化に対する流量計数φの変化を示す特性曲線１、前記比速度Ｎｓの変化に対する揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、前記比速度Ｎｓの変化に対するポンプ効率ηの変化を示す特性曲線３を求める特性曲線算出部と、
（３）前記特性曲線１、前記特性曲線２、及び前記特性曲線３を、ガスリフトポンプの設計するための参照データとして記憶保持する記憶部と、を備える。
【００１９】
本発明の他の一態様は、液面上に上端が突出し、下端が液面中に配置されたライザー管の前記下端から液体、あるいは、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体が前記ライザー管内に流入し、前記ライザー管の途中から吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用して前記ライザー管内に流入した前記液体を前記ライザー管の上方の出口に押し上げるガスリフトポンプを、コンピュータにより設計する設計装置である。当該設計装置は、
前記ガスリフトポンプのライザー管に比べて小型の実験用ライザー管を有し、前記液体の流入速度が制御可能な実験用ガスリフトポンプの前記実験用ライザー管に流入する前記液体の流入速度を制御して得られるポンプ特性から、前記実験用ライザー管の上端の出口における前記液体の単位時間当たりの液体流出質量と、前記出口における前記ガスの単位時間当たりのガス流出質量の比を流量係数φとし、前記ガスの吹き込み位置から前記出口までの前記液体の駆動部分の、前記液体の位置ヘッドと前記実験用ライザー管の摩擦損失を含む差圧と、前記ガスの吹き込み圧力との比を揚程係数ψとし、前記揚程係数ψに対する前記流量係数φの比である比速度Ｎｓの変化に対する前記流量係数φの変化を示す特性曲線１、前記比速度Ｎｓの変化に対する前記揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、及び前記ガスの供給エネルギーに対する前記液体の流出エネルギーの比である前記実験用ガスリフトポンプのポンプ効率ηの、前記比速度Ｎｓの変化に対する変化を示す特性曲線３を記憶保持する記憶部と、
前記特性曲線１、前記特性曲線２、及び前記特性曲線３に基づいて、前記ガスリフトポンプを設計する設計部と、を備える。
【００２０】
前記実験用ガスリフトポンプの前記実験用ライザー管は、鉛直方向に延びて下端が閉塞し、
前記実験用ガスリフトポンプは、
前記実験用ライザー管と、
前記実験用ライザー管の下端に接続し、前記下端から液体を供給する供給管と、
前記供給管の途中に設けられた、前記液体の流入速度を制御する流量制御ポンプと、
前記実験用ライザー管の途中に設けられた圧縮されたガスを前記液体中に吹き込むガス導入管と、
前記ガス導入管の途中に設けられた、前記ガスの吹き込み量を制御する制御バルブと、
前記実験用ライザー管の上端側に設けられ、吹き込む前記ガスによって押し上げられた前記液体と前記ガスの体積に対する前記ガスの体積の比であるボイド率を計測するボイド計測センサと、
を備える、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
上述のガスリフトポンプの設計方法及びガスリフトポンプの設計装置によれば、実験用ガスリフトポンプから得られる実験結果のポンプ特性から、ポンプ特性の基準となる特性曲線を広い動作条件で抽出することができ、しかも、実験用ガスリフトポンプからスケールアップしてガスリフトポンプを設計することができる。また、実験用ガスリフトポンプ及び実験用ガスリフトポンプシステムによれば、ポンプ特性の基準となる特性曲線を広い動作条件で抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】一実施形態のガスリフトポンプの概略の構成を説明する図である。
【図２】一実施形態の実験用ガスリフトポンプを備える実験用ガスリフトポンプシステムの構成の一例を説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図２に示す実験用ガスリフトポンプで計測した計測結果のポンプ特性の一例を示す図である。
【図４】図３（ａ）〜（ｃ）に示す計測結果から、比速度Ｎｓに対する流量係数φ、揚程係数ψ、およびポンプ効率をプロットした図である。
【図５】特性曲線１〜３の一例を示す図である。
【図６】一実施形態の設計装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、一実施形態のガスリフトポンプの設計方法、ガスリフトポンプの設計装置、実験用ガスリフトポンプ、及び実験用ガスリフトポンプシステムについて詳細に説明する。
【００２４】
図１は、一実施形態のガスリフトポンプの概略の構成を説明する図である。
図１に示すガスリフトポンプ１０は、液面上に上端が突出し、下端が液面中に配置されたライザー管１２を備える。ライザー管１２の管路の途中には、圧縮したガス（圧力Ｐｓ）を吹き込む吹き込み穴１６が設けられている。吹き込み穴１６から圧縮したガスをライザー管１２内に吹き込むことにより、ライザー管１２の下端１４から液体、あるいは、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体がライザー管１２内に流入し、ライザー管１２内に吹き込んだ圧縮したガスがつくる泡の膨張力を利用してライザー管１２内に流入した液体をライザー管１２の上端の出口１８に押し上げる。
以下、固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体も、固体あるいは気体を巻き込んでいない液体と共に総称して液体という。固体及び気体の少なくとも一方を巻き込んだ液体を意図的に意味する場合、その流れを混相流という。
【００２５】
ガスリフトポンプが押し上げる液体は、例えば、海水や真水に含まれる、ガスハイドレートや鉱物資源等の固体や、ガスハイドレートがライザー管上昇中に気化したメタンガス等の気体を巻き込んだ海水や真水である。このような液体を押し上げるガスリフトポンプのポンプ特性が目標のポンプ特性となるように設計する際、ガスリフトポンプで用いる液体を用いて実験用リフトポンプのポンプ特性を予め計測する。
すなわち、ガスリフトポンプのライザー管に比べて小型の実験用ライザー管を有する実験用ガスリフトポンプを用いて、実験用ガスリフトポンプにおける、液体の流入速度変化に対するポンプ特性変化を含むポンプ特性を計測する。
【００２６】
図２は、実験用ガスリフトポンプを備える実験用ガスリフトポンプシステムの構成の一例を説明する図である。図２に示す実験用ガスリフトポンプ５０は、実験用ライザー管５２と、供給管５６と、流量制御ポンプ５８と、ガス導入管６０と、制御バルブ６２と、ボイド計測センサ６８と、回収受け部７０と、液体貯留容器７２と、制御処理装置７４と、を備える。
【００２７】
実験用ライザー管５２は、鉛直方向に延びて下端が閉塞している。
供給管５６は、液体貯留容器７２から延びて実験用ライザー管５２の下端５４に接続し、下端５４から液体を実験用ライザー管５２内に流入させる。
流量制御ポンプ５８は、供給管５６の途中に設けられ、液体の実験用ライザー管５２への流入量、あるいは流入速度を制御する。
ガス導入管６０は、実験用ライザー管５２の途中から圧縮されたガスを液体中に吹き込む。
制御バルブ６２は、ガス導入管６０の途中に設けられ、ガスの吹き込み量を制御する。
液体流量計側センサ６４は、供給管５６の途中に設けられ、供給管５６を流れる流体の単位時間当たりの流量を実験用ライザー管５２内に流入する液体の単位時間当たりの流入量Ｑｌとして計測する。計測した液体の単位時間当たりの流入量Ｑｌを実験用ライザー管５２の流路の断面積で割った値が、液体の液空塔速度ｕｌとなる。
ボイド計測センサ６８は、実験用ライザー管５２の上端側に設けられ、吹き込むガスによって押し上げられた液体とガスの体積に対するガスの体積の比であるボイド率αを計測する。ボイド計測センサ６８として、例えば、ガンマ線式密度計が用いられる。
また、実験用ライザー管５２の出口から流出した液体は、回収受け部７０を通して、液体貯留容器７２に回収される。
【００２８】
ガス導入管６０から実験用ライザー管５２内に吹き込むガスの吹き込み位置は、実験用ライザー管５２の長手方向に沿って変えることができるように構成されている。例えば実験用ライザー管５２の管路の長手方向に沿って複数の吹き込み穴が開閉可能に設けられており、吹き込み穴の開閉を制御することにより、種々の吹き込み位置から実験用ライザー管５２内にガスを吹き込むことができるように構成されている。
【００２９】
このような構成の実験用ライザー管５２における液体の、流量制御ポンプ５８による流入速度の増減は、実験用ライザー管５２の下端の一定の断面積を通って下端から流入する液体の単位時間当たりの流入量Ｑｌの増減に対応し、この流入量Ｑｌは、実験用ライザー管の出口における単位時間当たりの流出量Ｑｇｌ０にも対応する。流入量Ｑｌを実験用ライザー管５２内の流路の断面積で割った値が、液体の液空塔速度ｕｌである。
また、ライザー管１２における液体の単位時間当たりの流入量も、ライザー管１２の出口における単位時間当たりの流出量にも対応する。
ボイド計測センサ６８は、実験用ガスリフトポンプ５０におけるポンプ特性として、実験用ライザー管５２の出口におけるボイド率αを計測し、制御処理装置７４に計測結果を送る。
【００３０】
制御処理装置７４は、例えば、ＣＰＵ７６及び記憶部８２を有するコンピュータで構成され、流量制御ポンプ５８及び制御バルブ６２を制御することにより、液空塔速度ｕｌ及び吹き込みガス空塔速度ｕｇを調整する。ガス空塔速度ｕｇは、ガス吹き込み量を実験用ライザー管５２内の流路の断面積で割った値である。
【００３１】
制御処理装置７４は、ボイド率αの計測結果を取得するとともに、実験用リフトポンプ５０の動作条件の情報と計測結果から揚程及びポンプ効率を算出するように構成されている。さらに、制御処理装置７４は、比速度Ｎｓに対応して変化する流量係数φ、比速度Ｎｓに対応して変化する揚程係数ψ、および比速度Ｎｓに対応して変化するポンプ効率を算出するように構成されている。
制御処理装置７４は、コンピュータの記憶部８２に記憶されたプログラムを起動して比算出部７８、特性曲線算出部８０、及び制御部８４を形成する。すなわち、比算出部７８、特性曲線算出部８０、及び制御部８４はソフトウェアモジュールであり、比算出部７８、特性曲線算出部８０、及び制御部８４の機能はＣＰＵ７６が実質的に司る。
【００３２】
なお、ボイド率αは、（単位時間、出口を通過する吹き込んだガスの体積）／（単位時間、出口を通過するガスと液体の全体積）である。
揚程は、液体の突出高さの情報であり、突出高さに、液体の密度と重力加速度ｇとを乗算した圧力の単位で得られる。揚程は、いいかえると、ガスの吹き込み位置から出口までの液体の駆動部分の、液体の位置ヘッドと実験用ライザー管の管壁の摩擦損失を含む差圧から圧縮した吹き込みガスの圧力を差し引いた差分である。管壁の摩擦損失は、単位長さ当たりの摩擦損失を予め計測しておき、液体の駆動部分の長さと単位長さ当たりの摩擦損失を掛け算することにより求めることができる。
ポンプ効率は、吹き込むガスの供給エネルギーに対する液体の実験用ライザー管５２の出口における流出エネルギーの比である。吹き込むガスの供給エネルギーは、具体的には、吹き込むガスが等温膨張することを前提としてｐｇ０・Ｑｓ０・ｌｎ（ｐｓ／ｐｇ０）で表すことができる。ここで、ｐｇ０は、出口における気圧、例えば大気圧であり、Ｑｓ０は、出口における単位時間当たりのガスの流出量（＝ガスの単位時間当たりの吹き込み量）、ｐｓは、吹き込み位置における圧縮されたガスの圧力である。液体の流出エネルギーは、ρｌ・ｇ・Ｈ・Ｑｌで表すことができる。ここで、ρｌは液体の密度、ｇは重力加速度、Ｈは液体の突出高さ、Ｑｌは液体の出口における単位時間当たりの流出量である。
【００３３】
制御部８４は、流量制御ポンプ５８及び制御バルブ６２を制御する信号を生成し、この信号を流量制御ポンプ５８及び制御バルブ６２に送るように構成されている。
比算出部７８は、計測したボイド率αの計測結果を取得するとともに、実験用リフトポンプ５０の動作条件の情報と計測結果から揚程及びポンプ効率を算出するように構成されている。比算出部７８は、ガスの吹き込み位置から出口までの液体の駆動部分の、液体の位置ヘッドと実験用ライザー管５２の管壁の摩擦損失を含む差圧から圧縮した吹き込みガスの圧力を差し引いた差分を、揚程として算出し、ボイド率、揚程、及びポンプ効率のポンプ特性から、流量係数φと、揚程係数ψと、比速度Ｎｓと、を計算する。
【００３４】
ここで、流量係数φは、出口における液体の単位時間当たりの液体流出質量と、出口におけるガスの単位時間当たりのガス流出質量の比である。流量係数φは、計測したボイド率αから算出することができる。具体的には、流量係数φは、(ρｌ／ρｇ)・（１−α）／αで表すことができる。αはボイド率であり、ρｌは液体の密度であり、ρｇはガスの密度である。
揚程係数ψは、ガスの吹き込み位置から出口までの液体の駆動部分の、液体の位置ヘッドと実験用ライザー管５２の管壁の摩擦損失を含む差圧の、ガスの吹き込み圧力ｐｓに対する比である。揚程係数ψは、算出した揚程を圧力ｐｓで割った値である。なお、上記差圧は、液面からガス吹き込み位置までの距離によって変化する量である。
比速度Ｎｓは、揚程係数ψに対する流量係数φの比であり、調整した液体の流入速度の変化によって変化する量である。
実験用ガスリフトポンプ５０の計測において、流量制御ポンプ５８の制御により、液体の流入速度変化に対するポンプ特性変化を含むポンプ特性を計測しているので、制御処理装置７４は、比速度Ｎｓの変化に対応して流量係数φ、揚程係数ψ、およびポンプ効率が変化する特性を得ることができる。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｃ）は、図２に示す実験用ガスリフトポンプ５０で計測した計測結果から得られるポンプ特性の一例を示す図である。図３（ａ）〜（ｃ）では、液体の流入量を、流量制御ポンプ５８で制御することにより、液体の実験用ライザー管５２へ流入する液体の流入速度、いいかえると液空塔速度ｕｌに対するボイド率α、揚程、及びポンプ効率ηの計測結果がプロットされている。この場合、ガスの吹き込み位置を２箇所として、それぞれのガス吹き込み位置におけるガスの吹き込み量（吹き込み空塔速度速度ｕｇ）を４水準（ｕｇ＝０．６ｍ／秒、１．６ｍ／秒、１．８ｍ／秒、２．５ｍ／秒）変化させた条件で計測した結果を示している。ここで、実験用ライザー管５２の長さを１２．５ｍとし、内径を１０６ｍｍとし、液空塔速度体ｕｌを０超〜３．６ｍ／秒の間で変化させた。ガスの吹き込み位置は、実験用ライザー管５２の上端からＬ１＝１０．５ｍの位置と、Ｌ３＝４．５ｍの位置の２箇所とした。
【００３６】
図４は、図３（ａ）〜（ｃ）に示す計測結果のポンプ特性から、比速度Ｎｓに対する流量係数φ、揚程係数ψ、およびポンプ効率ηをプロットした図である。
図３（ａ）〜（ｃ）及び図４を比較すればわかるように、ガスの吹き込み位置を変化させても、比速度Ｎｓに対する流量係数φ、揚程係数ψ、およびポンプ効率ηは、同じ曲線上に乗ることがわかる。すなわち、比速度Ｎｓに対する流量係数φ、揚程係数ψ、およびポンプ効率ηは、ガスの吹き込み位置が異なっても比速度Ｎｓと吹き込んだガスの空塔速度ｕｇが同じであれば、同じ値を示すことを示す。
すなわち、流量係数φ、揚程係数ψ、およびポンプ効率ηは、無次元の量であり、比速度Ｎｓに対する流量係数φ、比速度Ｎｓに対する揚程係数ψ、及び比速度Ｎｓに対するポンプ効率ηは、それぞれ、ガスの吹き込み位置に対して不変の曲線上に位置する。
したがって、特性曲線算出部８０は、比速度Ｎｓの変化に対する流量係数φの変化を示す特性曲線１、比速度Ｎｓの変化に対する揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、及びポンプ効率ηの、比速度Ｎｓの変化に対する変化を示す特性曲線３のそれぞれを、図４に示すプロットを近似するカーブフィットを行うことにより、抽出する。特性曲線２、３のそれぞれはガス空塔速度ｕｇによって異なるが、特性曲線１〜３は、ガス吹き込み位置に対して不変の曲線として抽出される。したがって、ガス空塔速度ｕｇに応じて特性曲線１〜３のそれぞれは抽出される。
特性曲線算出部８０は、特性曲線１、特性曲線２、及び特性曲線３を記憶部８２に記憶保持させる。特性曲線１〜３を記憶保持しておけば、ライザー管１２の長さを変更したときでも、目標とするポンプ特性を有するように、ガスの吹き込み位置と、ガスの吹き込み量を定めることができる。すなわち、特性曲線１、特性曲線２、及び特性曲線３に基づいて、ガスリフトポンプを設計することができる。なお、図３（ｂ）、（ｃ）に示す□と〇と△、あるいは■と●と▲のように、特性曲線２，３は、単位時間当たりのガスの吹き込み量によって変化する曲線であるので、ガスの吹き込み量毎に、特性曲線２，３を抽出しておくことが好ましい。
【００３７】
図５は、特性曲線１〜３の一例を示す図である。図５に示す特性曲線２、３は、ガス吹き込み量（ガス空塔速度ｕｇ）を一定の値にした条件における曲線である。特性曲線１は、ガス吹き込み量（ガス空塔速度ｕｇ）に対して変化しない曲線である。
例えば、設計するガスリフトポンプ１０のライザー管１２内の流路の断面積及び管の長さ及び揚程の値を定め、さらに、ガスの吹き込み位置から液面までの距離をポンプ駆動長さとして仮の値を定め、これらの値から揚程係数ψを算出する。揚程係数ψは、ガスの吹き込み位置から出口までの液体の駆動部分の、液体の位置ヘッドと実験用ライザー管の管壁の摩擦損失を含む差圧と、ガスの吹き込み圧力との比であり、ガス吹き込み位置を仮の値として定めているので、上記差圧を求めることができる。実験用ライザー管の管壁の摩擦損失は、単位長さ当たりの摩擦損失を予め計測しておき、ポンプ駆動長さと単位長さ当たりの摩擦損失を掛け算することにより求めることができる。
また、吹き込むガスの圧力ｐｓは既知の値である。このため、揚程係数ψを算出することができる。揚程係数ψが求まれば、図５に示す特性曲線２（ガス空塔速度ｕｇの値に対応した特性曲線２）を用いて、図５に示すように、揚程係数ψの値に対応する比速度Ｎｓの値を求める。この値をＮｓ１とする。さらに求めた比速度Ｎｓの値Ｎｓ１から、特性曲線１及び特性曲線３を用いて、流量係数φとポンプ効率ηの値を求める。流量係数φは、吹き込むガスの量と液体の流出する量とによって定まる値であるので、流量係数φの値からガス吹き込み量を算出することができる。
このような処理を行って、例えば、求めたポンプ効率ηの値が目標とするポンプ効率になるように、ポンプ駆動長さの上記仮の値を調整して、ポンプ効率ηの値が目標とするポンプ効率になるポンプ駆動長さの値を決定する。このように、ポンプ効率ηが目標とするポンプ効率になるときのガス吹き込み量及びポンプ駆動長さの値を定めることができる。
上述の例は、ポンプ効率ηが目標とするポンプ効率になるように設計する例であるが、これ以外に、ボイド率αが目標とするボイド率になるように、ガス吹き込み量及びポンプ駆動長さの値を定めることができる。すなわち、設計しようとするガスリフトポンプのポンプ特性が、目標とするポンプ特性になるように、ガス吹き込み量及びポンプ駆動長さの値を定めることができる。
【００３８】
このような設計方法は、実験用ガスリフトポンプ５０とは接続されないが、実験用ガスリフトポンプ５０の特性曲線１〜３を記録保持したコンピュータで構成される設計装置で実施することもできる。図６は、一実施形態の設計装置１００の構成を示す図である。
設計装置１００は、ＣＰＵ１０２で動作するコンピュータであり、記憶部１０４に記憶されたプログラムを起動することにより、設計部１０６を形成する。設計部１０６は、ソフトウェアモジュールであり、設計部１０６の機能はＣＰＵ１０２が実質的に司る。設計装置１００には、ディスプレイ１１０及びマウス及びキーボード等の入力操作系１１２が接続されている。
記憶部１０４は、上記比速度Ｎｓの変化に対する流量係数φの変化を示す特性曲線１、比速度Ｎｓの変化に対する揚程係数ψの変化を示す特性曲線２、及びポンプ効率ηの、比速度Ｎｓの変化に対する変化を示す特性曲線３を記憶保持する。
設計部１０６は、入力操作系１１２を通してオペレータから入力された設計しようとするガスリフトポンプの定められた寸法や目標とするポンプ特性等のパラメータを取得し、記憶部１０４に記憶保持した特性曲線１、特性曲線２、及び特性曲線３を呼び出し、これらの曲線に基づいて、上記パラメータを用いて、上述したようにガスリフトポンプを設計する。特性曲線１、特性曲線２、及び特性曲線３や、設計の途中経過の処理過程を示した画面が、ディスプレイ１１０に表示される。
【００３９】
以上のように、実験用ガスリフトポンプ５０では、流量制御ポンプ５８により実験用ライザー管５２内へ流入する液体の流入速度（液空塔速度ｕｌ）を制御して、ポンプ特性として、ボイド率αを計測し、さらに、揚程及びポンプ効率を算出するので、得られたポンプ特性から、ポンプ特性の基準となる特性曲線１〜３を広い動作条件で抽出することができる。さらに、実験用ガスリフトポンプ５０から抽出した特性曲線１〜３は、無次元の流量係数φ、揚程係数ψ、ポンプ効率η、及び比速度Ｎｓを用いた曲線であり、ガスリフトポンプのサイズによらないものであるので、特性曲線１〜３に基づいて、実験用ガスリフトポンプ５０からスケールアップしたガスリフトポンプ１０を容易に設計することができる。
また、特性曲線１及び特性曲線２は、ガスの吹き込み位置、すなわちポンプ駆動長さによって不変の曲線であるので、ガス吹き込み位置をどこに定めるかを決定する場合にガス吹き込み位置に不変の特性曲線１、２を用いることができるので、実験用ガスリフトポンプからスケールアップしたガスリフトポンプの設計を容易に行うことができる。
また、特性曲線２、及び特性曲線３は、実験用ライザー管内のガスの単位時間当たりの吹き込み量毎に抽出されるので、実験用ガスリフトポンプからスケールアップしたガスリフトポンプを精度よく設計することができる。
【００４０】
実験用ガスリフトポンプ５０は、実験用ライザー管５２の下端から液体を流入させ、この液体の流入速度を流量制御ポンプ５８により制御するので、実験用ライザー管５２の下端からガス吹き込み位置までの間の吸込部の長さを変更することなく、実験用ライザー管５２内を流れる液体の流動を調整してポンプ特性を調べることができる。特性曲線１〜３を抽出する上では、液体の種々の流動でポンプ特性を計測することが好ましいが、従来の実験用ガスリフトポンプでは、実験用ライザー管の吸込部の長さ（下端からガス吹き込み位置までの部分）を変更しなければ、管壁との抵抗によって生じる液体の流動を調整することはできない。本実施形態の実験用ガスリフトポンプ５０では、吸込部の長さが種々変化することに対応させて実験用ライザー管５２内に流入させる液体の流動を、流量制御ポンプ５８で制御することができるので、液体の種々の流動におけるポンプ特性を計測することができる。すなわち、実験用ガスリフトポンプ５０及び実験用ガスリフトポンプシステムによれば、ポンプ特性の基準となる特性曲線を広い動作条件で抽出することができる。
したがって、従来のターボ型ポンプのポンプ特性における揚程曲線のように、液体の流出量に対する揚程を広い流出量の範囲で取得することができる。また、実験用ガスリフトポンプ５０では、固体や気体を巻き込んだ液体を対象としてポンプ特性を計測することができるので、この計測結果から得られる特性曲線１〜３を用いて、所望のポンプ特性を有する、スケールアップした、固体や気体を巻き込んだ液体を対象としたガスリフトポンプを実現することができる。
【００４１】
また、実験用ガスリフトポンプ５０では、ガスを液体中に吹き込む位置が、実験用ライザー管５２の上下方向の異なる位置に変更可能に構成されているので、ガスを吹き込む位置を種々変更した広い条件でポンプ特性を計測することができる。
【００４２】
以上、本発明のガスリフトポンプの設計方法、実験用ガスリフトポンプ、実験用ガスリフトポンプシステム、及びガスリフトポンプの設計装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ガスリフトポンプ
１２  ライザー管
１４  下端
１６  吹き込み穴
１８  出口
５０  実験用ガスリフトポンプ
５２  実験用ライザー管
５４  下端
５６  供給管
５８  流量制御ポンプ
６０  ガス導入管
６２  制御バルブ
６４  液体流量計側センサ
６８  ボイド計測センサ
７０  回収受け部
７２  液体貯留容器
７４  制御処理装置
７６、１０２  ＣＰＵ
７８  比算出部
８０  特性曲線算出部
８２、１０４  記憶部
８４  制御部
１００  設計装置
１０６  設計部
１１０  ディスプレイ
１１２  入力操作系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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