(57)【要約】【課題】ガスの輸送導管を成分の異なる複数種類のガス輸送に使用する場合における、導管内の物性変化推定方法であって、当該推定に用いられる拡散定数を時間や費用をかけることなく容易に決定することができる物性変化推定方法等を提供する。【解決手段】ガス導管内を流れる互いに種類の異なるガスの混合比を変更させた場合における、ガス導管内を流れるガスの物性変化挙動を推定する物性変化推定方法において、各ガスの動粘度係数、ガス流速、及び導管の内径に基づいて、ガス導管内の流れが、層流領域、乱流領域、又は、両領域間の遷移領域、のいずれの領域に属するかを判定し、拡散方程式で用いる拡散定数を、層流領域、乱流領域、及び遷移領域のそれぞれに対して用意されている、互いに異なる、所定の関係式のうちの、前記判定された領域に対して用意されている関係式を用いて決定する。【選択図】  図５
2008240864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス導管内を流れる互いに種類の異なるガスの混合比を変更させた場合における、前記ガス導管内を流れるガスの物性変化挙動を推定する処理を実行するコンピュータにおける物性変化推定方法であって、
前記コンピュータに、ユーザからのデータ入力を可能とする入力部と、前記推定に使用するデータを格納するデータ格納部と、前記推定の処理を実行する推定処理部と、前記推定結果を出力する出力部とが備えられ、
前記推定処理部が、前記入力部又は前記データ格納部から、少なくとも、前記変更前後のガスの混合比、前記各ガスの動粘度係数、前記ガス導管内のガス流速、及び前記ガス導管の内径のデータを取得する工程と、
前記推定処理部が、前記取得した動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づいて、前記ガス導管内の流れが、層流領域、乱流領域、又は、両領域間の遷移領域、のいずれの領域に属するかを判定する工程と、
前記推定処理部が、前記動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づき、拡散定数を、前記層流領域、乱流領域、及び遷移領域のそれぞれに対して用意されている、互いに異なる、所定の関係式のうちの、前記判定された領域に対して用意されている関係式を用いて決定する工程と、
前記推定処理部が、前記決定した拡散定数、前記変更前後の混合比のデータ、及び前記ガス流速のデータに基き、前記混合比を変更させる地点から下流における前記ガス導管内の各ガスの濃度変化挙動を、所定の拡散方程式を用いて求める工程と、
前記出力部が、前記求めた濃度変化挙動を示す情報を出力する工程と、を有する
ことを特徴とする物性変化推定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記拡散定数の決定に用いられる所定の関係式は、前記ガス導管の形状に関わらず用いられる
ことを特徴とする物性変化推定方法。
【請求項３】
ガス導管内を流れる互いに種類の異なるガスの混合比を変更させた場合における、前記ガス導管内を流れるガスの物性変化挙動を推定する処理をコンピュータに実行させる物性変化推定プログラムであって、
少なくとも、前記変更前後のガスの混合比、前記各ガスの動粘度係数、前記ガス導管内のガス流速、及び前記ガス導管の内径のデータを取得する工程と、
前記取得した動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づいて、前記ガス導管内の流れが、層流領域、乱流領域、又は、両領域間の遷移領域、のいずれの領域に属するかを判定する工程と、
前記動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づき、拡散定数を、前記層流領域、乱流領域、及び遷移領域のそれぞれに対して用意されている、互いに異なる、所定の関係式のうちの、前記判定された領域に対して用意されている関係式を用いて決定する工程と、
前記決定した拡散定数、前記変更前後の混合比のデータ、及び前記ガス流速のデータに基き、前記混合比を変更させる地点から下流における前記ガス導管内の各ガスの濃度変化挙動を、所定の拡散方程式を用いて求める工程と、
前記求めた濃度変化挙動を示す情報を出力する工程と、を前記コンピュータに実行させる
ことを特徴とする物性変化推定プログラム。
【請求項４】
ガス導管内を流れる互いに種類の異なるガスの混合比を変更させた場合における、前記ガス導管内を流れるガスの物性変化挙動を推定する物性変化推定装置であって、
ユーザからのデータ入力を可能とする入力部と、
前記推定に使用するデータを格納するデータ格納部と、
前記入力部又は前記データ格納部から、少なくとも、前記変更前後のガスの混合比、前記各ガスの動粘度係数、前記ガス導管内のガス流速、及び前記ガス導管の内径のデータを取得し、
前記取得した動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づいて、前記ガス導管内の流れが、層流領域、乱流領域、又は、両領域間の遷移領域、のいずれの領域に属するかを判定し、
前記動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づき、拡散定数を、前記層流領域、乱流領域、及び遷移領域のそれぞれに対して用意されている、互いに異なる、所定の関係式のうちの、前記判定された領域に対して用意されている関係式を用いて決定し、
前記決定した拡散定数、前記変更前後の混合比のデータ、及び前記ガス流速のデータに基き、前記混合比を変更させる地点から下流における前記ガス導管内の各ガスの濃度変化挙動を、所定の拡散方程式を用いて求める推定処理部と、
前記求められ濃度変化挙動を示す情報を出力する出力部と、を有する
ことを特徴とする物性変化推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの輸送導管を成分の異なる複数種類のガス輸送に使用する場合における、導管内の物性変化推定方法等に関し、特に、当該物性変化推定に用いられる拡散定数を、時間や費用をかけることなく容易に決定することができ、適切な物性変化の推定を可能にする物性変化推定方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガスは、地域に張り巡らせたガス導管網を経由して、ガス製造工場等のガス供給元からガスを使用するガス消費設備等へ供給される。また、供給する都市ガスは、複数の地域から産出され組成のバラツキがある天然ガスに、ＬＰＧ、ブタン、プロパンなどを混合して熱量が一定になるように調整がなされる。しかし、ガスの輸送導管の有効活用や、ガス輸送導管を持たない事業者への公平な参入機会の創出などの要請から、複数の地域から産出した天然ガスをそのままガス導管網に導入するなど、熱量がそれぞれ異なる複数種類のガスがガス導管網に導入されることもある。
【０００３】
また、今後は、益々エネルギーの多様化の要請が高まり、ガス導管網をこれまで以上に性状の異なる異種ガスの輸送に使用することが考えられる。さらに、ガス供給の新規参入者等のガス輸送を代行する託送に、ガス導管網が利用される頻度が多くなることが予想され、これによってもガス導管網において、性状のかなり異なるガスの輸送を行なう機会が増えると考えられる。
【０００４】
このような状況では、ガス導管内を流れるガスの性状が変化する機会が増え、そのような場合には、供給されるガスを消費する設備等においては、ガスの性状が大きく変化する場合があり、その変化挙動を適確に把握しなければ設備の運転に支障をきたしたり、危険が生じてしまう場合もある。
【０００５】
そこで、下記特許文献１では、輸送するガスの置換、混合比の変更による導管内の物性変化挙動を所定の拡散方程式を用いて求めることについて提案がなされている。
【０００６】
また、下記非特許文献１及び２には、それぞれ、管内流れにおける拡散定数について見解が示されている。
【特許文献１】特開２００６−３３６７９５号公報
【非特許文献１】G. I. Taylor、The dispersion of matter in turbulent flow through a pipe、Proceedings of the Royal Society of London、1954年、Vol.A223、p.446-468
【非特許文献２】L.F.Flint & Paul Eisenklam、Longitudinal Gas Dispersion Transitional and Turbulent Flow Through a Straight Tube、The Canadian Journal of Chemical Engineering、1969年4月、Vol.47、p.101-106
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１では、物性変化の推定に用いる拡散定数を、都度、推定対象の実機と同条件下で実験により求める必要があり、当該拡散定数を決定するに当たりかなりの時間と費用を費やす必要があった。また、これから建設する設備を対象に物性変化の推定を行なう場合には、実機がないので実験が困難であり、適切な推定が不可能であった。
【０００８】
また、上記非特許文献１及び２等の従来の提案は、対象流体、管長、管形状などについて限定された条件下のものであり、上述したようなガスの輸送導管における置換や混合の挙動推定に広く使用できるか疑問が残されていた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、ガスの輸送導管を成分の異なる複数種類のガス輸送に使用する場合における、導管内の物性変化推定方法であって、当該物性変化推定に用いられる拡散定数を、時間や費用をかけることなく容易に決定することができ、適切な物性変化の推定を可能にする物性変化推定方法、等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、ガス導管内を流れる互いに種類の異なるガスの混合比を変更させた場合における、前記ガス導管内を流れるガスの物性変化挙動を推定する処理を実行するコンピュータにおける物性変化推定方法において、前記コンピュータに、ユーザからのデータ入力を可能とする入力部と、前記推定に使用するデータを格納するデータ格納部と、前記推定の処理を実行する推定処理部と、前記推定結果を出力する出力部とが備えられ、前記推定処理部が、前記入力部又は前記データ格納部から、少なくとも、前記変更前後のガスの混合比、前記各ガスの動粘度係数、前記ガス導管内のガス流速、及び前記ガス導管の内径のデータを取得する工程と、前記推定処理部が、前記取得した動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づいて、前記ガス導管内の流れが、層流領域、乱流領域、又は、両領域間の遷移領域、のいずれの領域に属するかを判定する工程と、前記推定処理部が、前記動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づき、拡散定数を、前記層流領域、乱流領域、及び遷移領域のそれぞれに対して用意されている、互いに異なる、所定の関係式のうちの、前記判定された領域に対して用意されている関係式を用いて決定する工程と、前記推定処理部が、前記決定した拡散定数、前記変更前後の混合比のデータ、及び前記ガス流速のデータに基き、前記混合比を変更させる地点から下流における前記ガス導管内の各ガスの濃度変化挙動を、所定の拡散方程式を用いて求める工程と、前記出力部が、前記求めた濃度変化挙動を示す情報を出力する工程と、を有することである。
【００１１】
更に、上記の発明において、その好ましい態様は、前記拡散定数の決定に用いられる所定の関係式は、前記ガス導管の形状に関わらず用いられることを特徴とする。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、ガス導管内を流れる互いに種類の異なるガスの混合比を変更させた場合における、前記ガス導管内を流れるガスの物性変化挙動を推定する処理をコンピュータに実行させる物性変化推定プログラムが、少なくとも、前記変更前後のガスの混合比、前記各ガスの動粘度係数、前記ガス導管内のガス流速、及び前記ガス導管の内径のデータを取得する工程と、前記取得した動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づいて、前記ガス導管内の流れが、層流領域、乱流領域、又は、両領域間の遷移領域、のいずれの領域に属するかを判定する工程と、前記動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づき、拡散定数を、前記層流領域、乱流領域、及び遷移領域のそれぞれに対して用意されている、互いに異なる、所定の関係式のうちの、前記判定された領域に対して用意されている関係式を用いて決定する工程と、前記決定した拡散定数、前記変更前後の混合比のデータ、及び前記ガス流速のデータに基き、前記混合比を変更させる地点から下流における前記ガス導管内の各ガスの濃度変化挙動を、所定の拡散方程式を用いて求める工程と、前記求めた濃度変化挙動を示す情報を出力する工程と、を前記コンピュータに実行させることである。
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の更に別の側面は、ガス導管内を流れる互いに種類の異なるガスの混合比を変更させた場合における、前記ガス導管内を流れるガスの物性変化挙動を推定する物性変化推定装置が、ユーザからのデータ入力を可能とする入力部と、前記推定に使用するデータを格納するデータ格納部と、前記入力部又は前記データ格納部から、少なくとも、前記変更前後のガスの混合比、前記各ガスの動粘度係数、前記ガス導管内のガス流速、及び前記ガス導管の内径のデータを取得し、前記取得した動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づいて、前記ガス導管内の流れが、層流領域、乱流領域、又は、両領域間の遷移領域、のいずれの領域に属するかを判定し、前記動粘度係数、ガス流速、及び内径のデータに基づき、拡散定数を、前記層流領域、乱流領域、及び遷移領域のそれぞれに対して用意されている、互いに異なる、所定の関係式のうちの、前記判定された領域に対して用意されている関係式を用いて決定し、前記決定した拡散定数、前記変更前後の混合比のデータ、及び前記ガス流速のデータに基き、前記混合比を変更させる地点から下流における前記ガス導管内の各ガスの濃度変化挙動を、所定の拡散方程式を用いて求める推定処理部と、前記求められ濃度変化挙動を示す情報を出力する出力部と、を有することである。
【００１４】
本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００１６】
図１は、本発明を適用したガス導管内の物性変化推定方法等の対象となるガス導管網を例示した図である。本発明を適用した物性変化推定方法等の実施の形態例は、図１に示すガス導管網１のような複数種類のガス輸送に用いられるガス導管網において、輸送するガスの置換、混合比の変更を行なった際の、導管内の物性変化の挙動を拡散方程式を用いて適確に把握しようとするものであり、特に、前記拡散方程式で用いられる拡散定数を、導管内のガス流れが属する各領域毎に定められた所定の関係式によって決定し、時間や費用をかけることなく容易に物性変化の推定を実行しようとするものである。
【００１７】
まず、図１に例示した推定の対象となる設備について説明する。図１に示すガス供給元２は、ガス導管網１内に設置されるガス製造工場（２ａ、２ｃ）、または、ガス導管網１外のガス製造工場やその他のガス供給源（２ｂ）であり、当該ガス導管網１について複数存在する。また、ガス消費設備３は、前記ガス供給元２から供給されるガスを使用する燃焼装置等の設備とその設置箇所を表しており、これも当該ガス導管網１に複数存在する（図１の例では、３ａ〜３ｅ）。
【００１８】
これらガス供給元２から送られるガスは、ガス導管網１を経由して各ガス消費設備３へ供給されるが、各ガス供給元２から送られるガスの性状及び量、各ガス消費設備３におけるガス消費量などにより、ガス導管網１内の各所において輸送されるガスの性状及び量は変化する。例えば、図１において、点線で囲われた部分イに着目すると、ガス導管網１のＡで示す部分では、ガス供給元２ａからのガス（ガスａ）とガス供給元２ｂからのガス（ガスａとは種類（性状）の異なるガスｂ）の両方が流れる構造となっている。従って、当該ガス導管１の使用方法によって、Ａの部分を流れるガスの性状及び量は変化することになる。
【００１９】
例えば、通常はＡの部分をガス供給元２ａからのガスａのみの輸送に使用しているが、時々、ガス供給元２ｂからのガスｂの託送に用いるという場合が考えられる。この場合、基本的にはガスａとガスｂを混合して輸送するが、何らかの理由によってその混合比を変更する場合や、輸送されるガスをガスａからガスｂに置換する場合や、ガスｂの成分が変化する場合等も考えられる。
【００２０】
このような、ガス導管１のＡの部分に流される２種類のガスの混合比の変更は、当該２種類のガスが合流する図１のＢで示す地点で発生することになるが、Ａの部分に流されるガスを使用する例えばガス消費設備３ａの地点（図１のＣ）においては、前記ガスの混合比の変更後、供給されるガスの性状が時間の経過とともに変化していくことになる。本実施の形態例に係る物性変化推定方法等では、このように、種類の異なるガスの混合比を変更した場合に、その下流におけるガス導管１内のガスの性状変化を推定しようとするものである。
【００２１】
図２は、本実施の形態例に係る手法を説明するための図である。図２に示すのは、２種理の異なるガスａ、ｂをそれぞれ輸送する二つの導管が合流し、合流後のガス導管１がガス消費設備３ａにつながっている場合、すなわち、図１のイ部分に示した場合の例である。本実施の形態例に係る物性変化推定方法は、２種類のガスが合流する地点でそれらガスの混合比を変更させた際に、合流後のガス導管１内における各ガスの濃度変化を求めるものであり、より具体的には、合流後のガス導管１内に流すガスａ＋ガスｂの中のガスｂの濃度Ｃ（以下、ガスｂの濃度とは合流後のガス導管１内におけるガスａ＋ガスｂの中のガスｂの濃度を指す）をαからβに変更した場合に、混合発生点（ガス導管１の軸方向の距離をｘとするとｘ＝０の地点、前記合流地点）から下流に任意の地点の、濃度の変更から任意の時間経過後における、ガスｂの濃度Ｃを求めるものである。例えば、この手法により、混合したガスを使用するガス消費設備３ａにおける（図２の消費点（ｘ＝Ｌの地点）における）ガス性状の時間的変化を求めることができる。具体的な推定手法については後述するが、当該推定には、図２に示す、合流するガスａ、ｂの種類、合流後のガス導管１内のガス流速ｕ等が用いられる。
【００２２】
図３は、図２に示した場合における、混合比の変更後の濃度変化挙動を例示した図である。図３の（ａ）の左側は、前記混合発生点（ｘ＝０）で、ガスｂの濃度Ｃをαからβに変更した直後（ｔ＝ｔ０）における、混合発生点前後のガスｂの濃度Ｃを表している。この濃度変更後、時間の経過とともに混合ガスはガス導管１内を下流に移動していくが、その間にガスの拡散現象により、混合比が変更された前後の混合ガス間の境目はぼやけたものになっていく。すなわち、当該境目はガス導管１の軸方向にある幅を有するようになる。従って、ガスｂの濃度変更後、ある時間（Δｔ）経過後には、前記境目部分は混合発生点からΔｘだけ下流に移動し、その前後におけるガスｂの濃度は、例えば、図３の（ａ）の右側に示すような状態となる。図に示されるように、図３の（ａ）の左側においてロで示される部分は、前記拡散現象に伴い傾斜をもつようになる。
【００２３】
図３の（ｂ）は、図２における消費点（ｘ＝Ｌ）におけるガスｂの濃度の時間的変化を例示している。図に示すように、前記境目部分の通過に伴い、消費点ではガスｂの濃度がある時間をかけてαからβに変化していくと考えられる。この濃度変化の挙動を適確に捉えることは、ガス消費設備３にとって重要なことである。
【００２４】
本実施の形態例に係る物性変化推定方法等は、このようなガス混合比の変更後の挙動を容易かつ適確に把握しようとするものである。なお、ガス濃度が１００％、すなわち、そのガスだけの状態、の場合の濃度Ｃを１で表すものとすると、前記ガスｂの濃度変更において、αが０、βが１である場合には、ガスａからガスｂへ置換することを意味することになる。ここでは、かかる置換も含めてガスの混合比の変更と称することとする。
【００２５】
なお、本発明におけるガス（例えば、ガスａ、ガスｂ）とは、単成分で構成されているガス及び複数成分で構成されているガスのいずれをも意味しており、本実施の形態例におけるガスａ、ｂについては、単成分又は複数成分のどちらであっても良い。
【００２６】
さらに、ガスｂが複数成分で構成されている場合で、ガスｂ中の成分変化により、ガスｂからガスｂ’へ変化する場合には、そのガスｂを構成している単成分毎に、ガスａとの合流後のガスａ＋ガスｂ’中の当該の単成分毎に濃度の変化を本物性変化推定方法にて推定し、かかるのちにその成分毎の濃度から物性を求めることで、ガスｂからガスｂ’への変化に対しての、合流後のガス導管内のガス物性変化を推定できる。
【００２７】
図４は、本実施の形態例に係る物性変化推定装置の構成図である。図４に示す物性変化推定装置１０が、本実施の形態例に係る物性変化推定装置であり、具体的には、パーソナルコンピュータなどのコンピュータシステムで構成することができる。入力部１１は、前述した混合比の変更後の挙動を推定するために必要な各種推定条件の入力を行なうための部分である。例えば、ガスｂの変更前後の濃度（α及びβ）、ガス導管１内のガス流速ｕなどが当該入力部１１から物性変化推定装置１０に入力される。なお、この入力部１１は、当該装置の操作者が入力操作を行なうためのキーボード、マウス、ディスプレイ等、及び前記入力操作を促すための画面表示や入力されたデータの取得の処理を記述したプログラム、当該プログラムに従って処理を実行する制御装置（ＣＰＵ）等で構成される。
【００２８】
次に、推定処理部１２は、前記入力部１１から入力された推定条件等に基づいて、混合比の変更後のガス導管１内におけるガス濃度変化を推定する部分である。推定処理の具体的な内容については後述するが、当該ガス濃度変化の推定のための拡散方程式に用いられる拡散定数の決定方法に大きな特徴を有している。なお、当該推定処理部１２は、処理内容を記述したプログラム、当該プログラムに従って処理を実行する制御装置（ＣＰＵ）等で構成される。
【００２９】
データ格納部１３は、前記推定処理部１２が処理を実行するために必要な各種データを格納するデータ記憶手段であり、推定処理の度に操作者によって入力部１１から入力しなくてはならないデータ以外のデータを格納する。例えば、本物性変化推定装置１０が処理の対象とするガス導管網１の各所における導管の寸法（内径、長さ等）、輸送する各ガスの物性値（動粘度係数又は静粘度係数、等）、動粘度係数と分子拡散定数の比であるシュミット数などが予め格納される。なお、当該データ格納部１３は、ＨＤＤ等で構成される。
【００３０】
また、出力部１４は、前記推定処理部１２が行なった推定処理の結果を出力する部分であり、ガス導管１の所定の箇所又は所定の時間におけるガス濃度変化の推定結果を、表形式やグラフ形式で出力する。なお、この出力部１４は、ディスプレイ、プリンタへの出力インターフェース等、及び前記ディスプレイへの画面表示や前記プリンタへの出力の処理を記述したプログラム、当該プログラムに従って処理を実行する制御装置（ＣＰＵ）等で構成され、前記推定結果は、画面表示や紙等への印刷という形で出力される。
【００３１】
本物性変化推定装置１０は、以上説明したような構成を有し、以下に示すような内容で処理を実行する。図５は、本物性変化推定装置１０による処理の流れを例示したフローチャートである。
【００３２】
当該装置を用いてガス導管１内のガス混合比を変更させた場合のその後の挙動を推定しようとする操作者は、まず、前述した入力部１１を用いて推定処理に必要な各種の条件を入力する（ステップＳ１）。なお、前述のとおり、本物性変化推定装置１０では、図２に示した状態を前提とした推定処理を行なうものとする。この推定条件の入力では、ガス導管１で輸送されるガスａ、ｂの種類、混合比変更前後のガスｂの濃度（α、β）、混合ガスのガス流速ｕ、ガス導管１の位置（ガス導管１を特定する情報）等が入力され、ガスの濃度変化挙動を把握したい特定の位置（例えば、図２の消費点等）がある場合にはその位置を特定する情報を入力する。なお、データ格納部１３に、ガス導管網１の各所における導管の寸法及び物性値、各ガスの物性値などが格納されていない場合には、これらのうち必要なデータについては操作者によって入力される。
【００３３】
次に、前記入力操作が終了すると、推定処理部１２が処理を開始し、まず、前記入力されたデータとデータ格納部１３に格納されたデータを用いて、拡散しやすさを表す拡散定数を決定する。当該拡散定数の決定処理に本物性変化推定装置１０の特徴があり、具体的には、まず、推定対象としているガスの状態が属する領域を判定する（ステップＳ２−１）。すなわち、層流領域、乱流領域、又はそれら領域間の遷移領域、のうちのいずれの領域に属する状態であるかを判定する。具体的には、上記入力されたガス流速ｕ、対象としている導管の内径ｄ、ガスの動粘度係数νから下記（１）式に基づいてレイノルズ数Ｒｅを求め、その値により、上記判定を行なう。
【００３４】
Ｒｅ＝（ｄ×ｕ）／ν                                         （１）
なお、導管の内径ｄは、上記入力される導管の位置を特定する情報に基づいて、データ格納部１３に記憶されている、対象導管の寸法の情報が読み出されて使用される。また、ガスの動粘度係数νは、上記入力されるガスａ、ｂの種類に基づいて、データ格納部１３に記憶されている、各ガスの動粘度係数が読み出されてそれらの値から求められる。例えば、ガスａ、ｂの動粘度係数の平均値を当該動粘度係数νとする。また、上記各領域に対応するレイノルズ数Ｒｅは一般的に定めら値があり、それらの値を用いて上記判定を行なう。なお、動粘度係数νと静粘度係数μとは、ν＝μ／ρ（ρ：密度）の関係にあるので、レイノルズ数Ｒｅは、Ｒｅ＝（ｄ×ｕ×ρ）／μなる式から求めるようにしても良い。この場合は、ガスの状態によらない静粘度係数μをガスの物性値としてデータ格納部１３に記憶しておき、推定の際の条件として密度ρを入力して、レイノルズ数Ｒｅを求めることができる。
【００３５】
次に、推定処理部１２は、上記判定された領域に対応する所定の関係式を用いて、拡散定数Ｄを決定する（ステップＳ２−２）。本物性変化推定装置１０では、上述した層流領域、乱流領域、及び遷移領域の各領域に対して、それぞれ、拡散定数Ｄを決定するための、互いに異なる関係式（下記（２）式、（３）式、及び（４）式）が用意されている。詳しくは後述するが、これらの各式は実験により裏付けられたものである。
【００３６】
まず、上記判定された領域が層流領域である場合には、下記（２）式を用いて拡散定数Ｄを決定する。
【００３７】
Ｄ＝Ａ１×Ｓｃ×Ｒｅ×ｄ×ｕ                                 （２）
ここで、Ａ１は比例定数、Ｓｃはシュミット数、Ｒｅはレイノルズ数、ｄは導管の内径、ｕは管内平均ガス流速である。レイノルズ数Ｒｅは、上記（１）式で求めた値を用い、導管の内径ｄ及び管内平均ガス流速ｕは、上記レイノルズ数Ｒｅを求めた際の値を用いる。また、シュミット数Ｓｃは、前記入力されたガスａ、ｂの種類に基づいて、データ格納部１３に記憶されている、対応するシュミット数の値が読み出されて用いられる。例えば、ガスａ、ｂが空気とＣＯ２である場合には、一例として０．５７４という値が用いられ、ガスａ、ｂが空気とＨｅである場合には、一例として０．９７１という値が用いられる。また、比例定数Ａ１は、５．３１×１０−４〜５．６３×１０−４（中心値５．５８×１０−４）という値が用いられる。これらの値を上記（２）式に代入することにより、拡散定数Ｄが求められる。
【００３８】
また、上記判定された領域が前記遷移領域である場合には、下記（３）式を用いて拡散定数Ｄを決定する。
【００３９】
Ｄ＝Ａ２×Ｒｅ−１／８×ｄ×ｕ                                      （３）
ここで、Ａ２は比例定数、Ｒｅはレイノルズ数、ｄは導管の内径、ｕは管内平均ガス流速である。レイノルズ数Ｒｅ、導管の内径ｄ、及び管内平均ガス流速ｕは、（２）式の場合と同様の値を用いる。比例定数Ａ２は、１５．１〜１７．２（中心値１５．３）という値が用いられる。こららの値を上記（３）式に代入することにより、拡散定数Ｄが求められる。
【００４０】
また、上記判定された領域が乱流領域である場合には、下記（４）式を用いて拡散定数Ｄを決定する。
【００４１】
Ｄ＝Ａ３×Ｒｅ−１／８×ｄ×ｕ                                      （４）
ここで、Ａ３は比例定数、Ｒｅはレイノルズ数、ｄは導管の内径、ｕは管内平均ガス流速である。レイノルズ数Ｒｅ、導管の内径ｄ、及び管内平均ガス流速ｕは、（２）式の場合と同様の値を用いる。比例定数Ａ３は、０．２０４〜６．６４（中心値２．５９）という値が用いられる。こららの値を上記（４）式に代入することにより、拡散定数Ｄが求められる。
【００４２】
以上のようにして、各領域における拡散定数Ｄが決定されるが、本物性変化推定装置１０では、これらの関係式を、対象とする導管の管形状によらず一律に用いる。すなわち、対象としているガス導管に存在する曲がり箇所の数や分岐に関わらず、上記（２）式、（３）式、又は（４）式を用いる。かかる点も本物性変化推定装置１０の大きな特徴である。
【００４３】
次に、推定処理部１２は、下記（５）式に示す拡散方程式を用いて、混合発生点（ｘ＝０）で混合比が変更（ガスｂの濃度Ｃ：α→β）された後のガス導管１内の濃度（具体的には、体積分率）変化の挙動を求める（ステップＳ３）。ここで用いられる拡散方程式は、導管の軸方向の１次元の式として、下記のとおり表される。
【００４４】
【数１】
2008240864.tif 000003
【００４５】
但し、各記号は、図２等に示したとおり、
Ｃ：ガスｂの濃度
ｔ：混合比変更後の時間
ｘ：混合発生点からの距離
Ｄ：拡散定数
である。
【００４６】
このように、本実施の形態例では、２種類のガスの混合比を変更した際の濃度変化挙動の把握に１次元の移流拡散方程式を適用している。
【００４７】
前記（５）式を用いた処理は、具体的には、前記求めた拡散定数Ｄ、前記入力された流速ｕ、及び混合比変更前後のガスｂの濃度（α、β）を、（５）式に与え、一般的な数値解析の手法を用いて（５）式を解き、任意の時間（ｔi）における各位置の（ガスｂの）濃度、又は任意の位置（ｘi）における各時間の（ガスｂの）濃度を求める。このように、ガスｂの濃度が求まれば、もう一方のガスａの濃度も、１からガスｂの濃度を差し引くことにより容易に求めることができる。
【００４８】
以上の推定処理が終了すると、推定結果が前記出力部１４から出力される（ステップＳ４）。図６は、出力される推定結果を例示した図である。図６の（ａ）は、任意の時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３）における各位置の（ガスｂの）濃度を示しており、また、図６の（ｂ）は、所望の位置（ｘ＝Ｌ）における各時間の（ガスｂの）濃度を示している。このような出力がなされることにより、例えば、消費点においてガスｂの濃度変化（α→β）がどれ程の時間（例えば、図６の（ｂ）のＴ）で行われるかを把握することができる。
【００４９】
このように、ガスの混合比を変更した後のガス導管１内の時間的、空間的な濃度変化の挙動が出力されて、当該物性変化推定装置１０で行なわれる一連の推定処理が終了する。そして、混合ガスにおける各ガスの濃度変化が把握できれば、混合ガスの物性変化を把握できることになる。
【００５０】
なお、前述した（２）式、（３）式、及び（４）式は、実験結果と理論に基づくものであり、適切な値の拡散定数Ｄを求めることができる。図７は、実験結果のデータをプロットしたグラフである。ここでは、２種類の装置によって行なわれた、流速、ガス種などの条件を変えた複数の実験の結果が用いられている。実験毎に、その時のレイノルズ数Ｒｅが求められ、また、拡散定数Ｄの値が実測されて、レイノルズ数ＲｅとＤ／（ｕ×ｄ）（Ｄ：拡散定数、ｕ：管内平均ガス流速、ｄ：導管内径）の値でグラフ上にプロットされている。そして、前述した層流領域、遷移領域、及び乱流領域の各領域において複数の実験が行なわれている。
【００５１】
図８は、図７に示した実験結果のうち層流領域のものについてプロットしたグラフである。ここでは、横軸をｕ×ｄ×Ｒｅ×Ｓｃ（ｕ：管内平均ガス流速、ｄ：導管内径、Ｒｅ：レイノルズ数、Ｓｃ：シュミット数）、縦軸を拡散定数Ｄとして４つの実験結果についてプロットしている。図から明らかなように、プロット点はほぼ直線上にならび、ｕ×ｄ×Ｒｅ×ＳｃとＤが比例関係にあることが分かる。そして、その傾きは、概ね５．３１×１０−４〜５．６３×１０−４の範囲に入る。なお、この傾きの最小値と最大値は、４つのプロット点のうちの３つを選択して得られる傾きの中で最小のもの（図８の破線）と最大のもの（図８の点線）を選択することにより決定した。このように、前述した（２）式は、実験結果によって裏付けられた関係式であり、適切な拡散定数Ｄを求めることが可能である。なお、上記傾き、すなわち、（２）式の比例定数Ａ１は、従来示されていた値と大きく異なるものである。
【００５２】
図９は、図７に示した実験結果のうち遷移領域のものについてプロットしたグラフである。ここでは、横軸をＲｅ−１／８（Ｒｅ：レイノルズ数）、縦軸をＤ／（ｕ×ｄ）（Ｄ：拡散定数、ｕ：管内平均ガス流速、ｄ：導管内径）として８つの実験結果についてプロットしている。図から明らかなように、プロット点はほぼ直線上にならび、Ｒｅ−１／８とＤ／（ｕ×ｄ）が比例関係にあることが分かる。そして、その傾きは、概ね１５．１〜１７．２の範囲に入る。なお、この傾きの最小値と最大値は、８つのプロット点のうちの６つを選択して得られる傾きの中で最小のもの（図９の破線）と最大のもの（図９の点線）を選択することにより決定した。このように、前述した（３）式は、実験結果によって裏付けられた関係式であり、適切な拡散定数Ｄを求めることが可能である。なお、（３）式は、シュミット数Ｓｃによらない関係式となっており、その点で従来示されていた関係式と異なる。
【００５３】
図１０は、図７に示した実験結果のうち乱流領域のものについてプロットしたグラフである。ここでは、横軸をＲｅ−１／８（Ｒｅ：レイノルズ数）、縦軸をＤ／（ｕ×ｄ）（Ｄ：拡散定数、ｕ：管内平均ガス流速、ｄ：導管内径）として複数の実験結果についてプロットしている（なお、図７の乱流領域においては、全ての実験結果をプロットしていない）。従来示されていた理論に基づいて、Ｒｅ−１／８とＤ／（ｕ×ｄ）が比例関係であるとすると、図からわかるように、その傾きは、概ね０．２０４〜６．６４の範囲に入る。従って、本物性変化推定装置１０では前述した（４）式を採用した。なお、上記傾きの範囲は従来示されていないものである。
【００５４】
また、前述したように、上記（２）式、（３）式、及び（４）式は、対象とするガス導管の管形状によらずに用いるが、この点も実験によって裏付けられたものである。図１１は、ガス導管における曲がりの数の影響を調べるために行われた実験の結果を示した図である。また、図１２は、当該実験における実測値に基づく拡散定数Ｄを示した図である。
【００５５】
当該実験では、導管内を流れるガスの混合比を変化させる実験において、対象導管に存在する曲がりの数ｎの条件だけを０、１、３、７と変更した。図１１の下段には、各実験での、導管の所定２点間の差圧が示されている。横軸が時間ｔを、縦軸が差圧Ｐを示しているが、図から明らかなように、曲がりの数ｎが大きいほどガスの流れにおける圧力損失が大きく、上記差圧Ｐが大きくなることが分かる。一方、図１１の上段には、各実験での、導管の所定位置でのガス濃度変化が示されている。横軸が時間ｔを、縦軸がガス濃度Ｃを示しているが、図から明らかなように、曲がりの数ｎに関わらずほぼ同じ濃度変化となっていることが分かる。言い換えれば、濃度変化の界面は、曲がりの数ｎに関わらず一致している。したがって、本物性変化推定装置１０が対象とするガスの濃度変化挙動において、導管の曲がりの数ｎは影響を及ぼさないことがわかる。よって、前記（５）式により当該濃度変化挙動が表されるので、導管の曲がりの数ｎは拡散定数Ｄに影響を及ぼさないということが言える。
【００５６】
また、図１２には、各実験での、実測値に基づく拡散定数Ｄがプロットされている。横軸が曲がりの数ｎを、縦軸が拡散定数Ｄを示しているが、拡散定数Ｄは、曲がりの数ｎに関わらずほぼ同じ値を取ることがわかる。
【００５７】
このように、実験により、導管の曲がりの数ｎが拡散定数Ｄに影響を及ぼさないことが示され、また、導管の曲がりなどによる流れの乱れは、局所的なものであり、その周辺の同種ガス内の挙動に影響があるだけであって、時間経過による要因が大きい異種ガス間の拡散挙動には影響を及ぼさないと考えられることから、本物性変化推定装置１０では、ガス導管の管形状によらずに、同じ（２）式、（３）式、及び（４）式を用いるようにした。
【００５８】
なお、本物性変化推定装置１０は、スタンドアローンのシステムとしたが、ネットワークを介して、操作者による入力や結果の出力が行なわれるようにしてもよい。また、ガス導管網１の各所で測定されるガス流速などのリアルタイムデータを推定の入力値として用いるべく、それら測定装置等と通信可能にして用いてもよい。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態例における物性変化推定装置１０では、ガス導管で輸送する混合ガスの混合比を変更した際の濃度変化挙動を、拡散方程式を用いて推定するが、その拡散方程式で使用される拡散定数を、導管内の流れが属する各領域毎に定めた所定の関係式によって決定する。したがって、従来よりも容易に拡散定数を決定することができ、時間や費用をかけることなく物性変化の推定を行なうことが可能となる。また、拡散定数を求めるために実験を行なう必要がないので、新規に建設する設備の設計においても容易に利用することが可能となる。また、上記所定の関係式は、実験等により裏付けられたものであるので、適切な物性変化の推定を行なうことができる。
【００６０】
また、対象導管の形状によらずに上記所定の関係式を用いるが、この点でも容易に拡散定数を決定することができるようになり、また、この点も実験等により裏付けられたものであるので、やはり適切な物性変化の推定を行なうことができる。
【００６１】
本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明を適用したガス導管内の物性変化推定方法等の対象となるガス導管網を例示した図である。
【図２】本実施の形態例に係る手法を説明するための図である。
【図３】図２に示した場合における、混合比の変更後の濃度変化挙動を例示した図である。
【図４】本実施の形態例に係る物性変化推定装置の構成図である。
【図５】本物性変化推定装置１０による処理の流れを例示したフローチャートである。
【図６】出力される推定結果を例示した図である。
【図７】実験結果のデータをプロットしたグラフである。
【図８】図７に示した実験結果のうち層流領域のものについてプロットしたグラフである。
【図９】図７に示した実験結果のうち遷移領域のものについてプロットしたグラフである。
【図１０】図７に示した実験結果のうち乱流領域のものについてプロットしたグラフである。
【図１１】ガス導管における曲がりの数の影響を調べるために行われた実験の結果を示した図である。
【図１２】ガス導管における曲がりの数の影響を調べるために行われた実験の拡散定数Ｄを示した図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  ガス導管（網）
２  ガス供給元
３  ガス消費設備
１０  物性変化推定装置
１１  入力部
１２  推定処理部
１３  データ格納部
１４  出力部
【図１】
2008240864.tif 000004
【図２】
2008240864.tif 000005
【図３】
2008240864.tif 000006
【図４】
2008240864.tif 000007
【図５】
2008240864.tif 000008
【図６】
2008240864.tif 000009
【図７】
2008240864.tif 000010
【図８】
2008240864.tif 000011
【図９】
2008240864.tif 000012
【図１０】
2008240864.tif 000013
【図１１】
2008240864.tif 000014
【図１２】
2008240864.tif 000015