(57)【要約】【課題】  多くの情報を含むシミュレーションの結果を、全体的に容易に把握することが可能なシミュレーション結果表示方法を提供する。【解決手段】  静的三次元表示１０は、消費機器３の動作特性に応じて設定される許容設計上限圧ライン１１および許容設計下限圧ライン１２を合わせて表示することによって、整圧器４や二次管路２の口径などの選択が適切であるか否かを容易に把握することを可能にする。整圧器の特性は、流量特性曲線１３をベースに、圧力および流量の２軸に、他のパラメータとして、たとえば配管上の位置の３軸目を加え、３軸でシミュレーションの演算結果を出力する。この手法によって、整圧器特性も考慮した全体の圧力状況を把握することが可能になり、他のパラメータを各配管位置とすれば、各配管位置にて必要な圧力を保つような配管設計を容易に行うことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側に整圧器が設けられる配管路を設計する際に用いるシミュレーション結果表示の方法であって、
整圧器の流量特性曲線をベースに、流量と圧力損失との関係を含むコンピュータシミュレーションを行い、
シミュレーション結果を、流量および圧力と、予め定める他のパラメータとを３軸とする３次元グラフとして表示することを特徴とするシミュレーション結果表示方法。
【請求項２】
前記整圧器の流量特性曲線は、整圧器のロックアップおよびオフセットを含む静的な特性が対象であることを特徴とする請求項１記載のシミュレーション結果表示方法。
【請求項３】
前記整圧器の流量特性曲線は、整圧器への動的負荷変化への追従特性が対象であることを特徴とする請求項１記載のシミュレーション結果表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を安定した圧力で供給するための配管路設計の際などに利用するシミュレーション結果表示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、都市ガスなどの流体は、一定の圧力に調整された状態で顧客に供給されている。流体の供給経路には配管路が敷設され、配管路の途中には圧力調整のための整圧器が設けられる。整圧器は、二次側から負荷に供給する流体の圧力に対して充分に高い圧力の流体を一次側に供給されて、減圧弁としての動作を行う。ただし、単なる減圧弁ではなく、二次側の圧力を弁開度に反映させて、流量が変動しても圧力の変動が少なくなるようにする機能を有する（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００３】
都市ガスの顧客が比較的都市ガスの消費量が多い装置や設備を負荷として設置しようとする場合、都市ガスの配管網から都市ガスの供給を受ける配管路を敷設し、配管網から配管路への分岐部分に専用の整圧器を設ける必要がある。整圧器はガバナとも呼ばれ、直動式とパイロット駆動式とに大別される。また、採用する機構に応じてシリーズ化され、設定圧力に応じて低圧用、中圧用および高圧用に分けられる。低圧用比較的流量が標準型と低騒音型との区別もある。都市ガスの供給を受ける顧客の場合は、低圧用を選択するとしても、整圧器としての機種は多く、種々の仕様のものが利用可能になっている。
【０００４】
図５は、低圧用の整圧器としての静的な流量特性曲線の例を示す。二次圧は、大気圧を基準とする圧力（ゲージ圧）であり、図の単位はｍｍ水柱である。したがって、たとえば２００は、２ｋＰａＧに対応する。整圧器は、弁体が弁座と接触している全閉の状態から開弁する状態との間で、ロックアップ現象が生じ、流量の変化に対する圧力変化ΔＰ１は比較的大きくなる。ロックアップの圧力変化ΔＰ１が生じる領域を除いて、流量の増大に対して、二次圧は少しずつ低下するオフセットの現象も生じ、二次圧の低下であるΔＰ２が生じる。
【０００５】
図６は、整圧器の動的特性の例として、ある動的負荷変化条件における圧力状況の実験結果を示す。負荷がＯＮになると、圧力が低下するアンダーシュートが生じ、負荷がＯＦＦになると圧力が上昇するオーバシュートが生じる。実線は整圧器の出側の圧力変化を示し、破線は負荷近傍の圧力変化を示す。
【０００６】
【特許文献１】特公昭６３−８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
整圧器を選択する際には、図５に示すような静的な特性が負荷に適合している必要がある。たとえば、整圧器として必要以上に大形の機種を選択すると、ロックアップ現象が生じる範囲で使用するような事態が生じるおそれがある。また小形の機種を選択すると、オフセットによる影響が問題となるおそれがある。
【０００８】
負荷が動的である場合は、図６に示すような動的特性も重要となる。負荷が動的である場合は、その負荷変化速度、整圧器の追従特性、配管形状、流体の粘性等が影響し合うため、変動を考慮した配管の設計が困難になり、場合によっては、想定外の圧力のオーバシュートやアンダーシュートが発生する。特に、消費機器近傍でオーバシュートが発生すると、その消費機器が異常動作する可能性がある。したがって、動的な負荷変動の結果を机上で推定するには、整圧器の応答性、流体粘性、配管径等、多くの情報が必要であり、各時間毎における配管上の各位置の圧力を全体的に把握するには、何回もシミュレーションを実行し、その結果を対比させる必要がある。
【０００９】
本発明の目的は、多くの情報を含むシミュレーションの結果を、全体的に容易に把握することが可能なシミュレーション結果表示方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上流側に整圧器が設けられる配管路を設計する際に用いるシミュレーション結果表示の方法であって、
整圧器の流量特性曲線をベースに、流量と圧力損失との関係を含むコンピュータシミュレーションを行い、
シミュレーション結果を、流量および圧力と、予め定める他のパラメータとを３軸とする３次元グラフとして表示することを特徴とするシミュレーション結果表示方法である。
【００１１】
本発明に従えば、整圧器の流量特性曲線をベースに、流量と圧力損失との関係を含むコンピュータシミュレーションを行うので、たとえば、流体の流量Ｑ、配管の口径Ｄ、管長Ｌ、起点圧と末端圧との差Ｈ、流体の比重Ｓおよび流量係数Ｋを用いて、
Ｑ＝Ｋ×（Ｈ×（Ｄ＾５）／ＳＬ）＾（１／２）
などの公式で、圧力と流量との関係を求めることができる。シミュレーション結果を、流量および圧力と、予め定める他のパラメータとを３軸とする３次元グラフとして表示するので、各流量時における配管上の各位置などのパラメータに対する圧力の関係を全体的に把握しやすい表示を行うことができる。
【００１２】
また本発明で、前記整圧器の流量特性曲線は、整圧器のロックアップおよびオフセットを含む静的な特性が対象であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、整圧器の流量特性曲線は、整圧器のロックアップおよびオフセットを含む静的な特性が対象であるので、ロックアップやオフセットの影響も含むシミュレーション結果を表示することができる。
【００１４】
また本発明で、前記整圧器の流量特性曲線は、整圧器への動的負荷変化への追従特性が対象であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、整圧器の流量特性曲線は、整圧器への動的負荷変化への追従特性が対象であるので、負荷の動的変動に伴うオーバシュートやアンダーシュートの発生状態を、パラメータの影響も含めて容易に確認することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、整圧器の流量特性曲線をベースに、圧力と流量との関係を求めるシミュレーション結果を、流量および圧力と、予め定める他のパラメータとを３軸とする３次元グラフとして表示するので、多くの情報を含むシミュレーションの結果を、全体的に容易に把握することができる。
【００１７】
また本発明によれば、ロックアップおよびオフセットを含む整圧器の静的な動作特性が対象であるので、ロックアップやオフセットの影響も含むシミュレーション結果を、全体的な把握が容易なように表示することができる。
【００１８】
また本発明によれば、アンダーシュートおよびオーバシュートを含む整圧器の動的な動作特性が対象であるので、アンダーシュートやオーバシュートの影響も含むシミュレーション結果を、全体的な把握が容易なように表示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施の一形態のシミュレーションの対象と、シミュレーション結果の表示とを示す。図１（ａ）はシミュレーションの対象となる配管形態を示す。シミュレーションは、一次管路１と二次管路２とを介して流体が供給される消費機器３に対し、整圧器４を選択すると、図１（ｂ）に示すような静的三次元表示１０が得られる。静的三次元表示１０は、消費機器３の動作特性に応じて設定される許容設計上限圧ライン１１および許容設計下限圧ライン１２を合わせて表示することによって、整圧器４や二次管路２の口径などの選択が適切であるか否かを容易に把握することを可能にする。静的三次元表示１０における整圧器の特性は、図５と同様な流量特性曲線１３をベースに、圧力および流量の２軸に、他のパラメータとして、たとえば配管上の位置の３軸目を加え、３軸でシミュレーションの演算結果を出力するという手法の結果である。この手法によって、整圧器特性も考慮した全体の圧力状況を把握することが可能になり、他のパラメータを各配管位置とすれば、各配管位置にて必要な圧力を保つような配管設計を容易に行うことができる。この例の場合、静的三次元表示１０には、他のパラメータとしての配管位置に応じての圧力低下曲線１４が反映されており、斜線を施して示す範囲内であれば使用可能とする判断や、許容設計上限圧ライン１１または許容設計下限圧ライン１２までの余裕などを、全体的に判断することができる。
【００２０】
図２は、図１のような配管設計を行うために必要な設計システム２０の概略的な構成を示す。設計システム２０は、コンピュータ２１、キーボード２２およびディスプレイ２３、通信ネットワーク２４およびデータベースサーバ２５などを含む。コンピュータ２１には、流量と圧損等の関係についての公式に従い、たとえば次の（１）式のような演算を行うプログラムが設定されている。
Ｑ＝Ｋ×（Ｈ×（Ｄ＾５）／ＳＬ）＾（１／２）                    …（１）
【００２１】
（１）式は、負荷である消費機器３へ供給する流体の流量Ｑ（ｍ3／ｈ）を、二次管路１２の口径Ｄ（ｃｍ）および管長Ｌ（ｍ）、流体の比重Ｓ、起点圧と末端圧との差（ｍｍＨ2Ｏ）および流量係数Ｋから算出する式である。流量係数Ｋとしては、流体が比較的定圧の気体の場合、ボールの計数＝０．７０７を用いることができる。「＾」は累乗を示す。したがって、流量Ｑは、差圧Ｈと口径Ｄの５乗との積を比重Ｓおよび管長Ｌで除算し、さらに１／２乗、すなわち平方根を算出し、さらに流量係数Ｋを積算して算出することができる。
【００２２】
（１）式の計算では、図１（ｂ）の圧力低下曲線１４を算出することができる。整圧器の選択は、図１（ｂ）では流量特性曲線１３の選択となる。整圧器毎の流量特性曲線は、たとえばデータベースサーバ２５が管理するデータベースに蓄積されており、インターネットやＬＡＮ（Local Area Network）などの通信ネットワーク２４を介してコンピュータ２１に読込むことができる。コンピュータ２１自体に整圧器の流量特性曲線を含むデータベースを構築しておけば、コンピュータ２１のみで自立的にシミュレーションを実行することができる。シミュレーションに必要なデータは、キーボード２２から入力する。また整圧器の機種の選択や、判断結果の入力も、キーボード２２を使用して行う。なお、マウスなどのポインティングデバイスを入力機器として用いることもできる。図１（ｂ）に示すような静的三次元表示１０は、ディスプレイ２３の画面に表示することができる。プリンタなどを用いれば、静的三次元表示１０を印刷することもできる。
【００２３】
図３は、図２の設計システム２０のコンピュータ２１を用いて、図１（ｂ）に示すような静的三次元表示１０を含む配管設計を行う手法の概要を示す。ステップｓ０では、システムの起動を行い、流量入力を促す入力画面をディスプレイ２３に表示する。まず、ステップｓ１では、消費機器３に必要な流量の入力が利用者によって行われる。次にステップｓ２で、流量に見合う整圧器４の候補をディスプレイ２３に表示する。整圧器４の候補は、流量に基づいて選定される。ディスプレイ２３の表示画面には、コストや低騒音型か否かなどの特徴を表示することができる。ステップｓ３では、キーボード２３等への入力で、整圧器４が選択される。ステップｓ４では、前述の（１）式などを使用して、シミュレーションが行われる。シミュレーションは、整圧器４の流量特性曲線１３をベースに、ステップｓ４で入力された口径Ｄを使用し、管長Ｌをパラメータとして行う。ステップｓ６では、シミュレーションの結果として、図１（ｂ）に示すような三次元表示１０を実行する。
【００２４】
ステップｓ７では、利用者が三次元表示１０を見て、圧力測定位置での二次圧が適切な範囲に入っているか否かを判断する。二次圧が適切でないときは、その原因が配管径の選択にあるか否かが判断される。配管径に原因があると利用者が判断すれば、配管径の変更を行うためにステップｓ４に戻るような入力が行われる。ステップｓ７で配管径を変更しないと判断されるきは、ステップｓ８で整圧器の機種を変更するか否かが判断される。利用者が整圧器の機種を変更する旨をキーボード２３などから入力すると、ステップｓ２に戻り、整圧器候補の表示以下を繰返す。所望に近い特性がえられるような場合は、ステップｓ８で整圧器の変更は不要となり、ステップｓ９で手順を終了する。なお、整圧器４の流量特性曲線１３は、整圧器４のロックアップおよびオフセットを含む静的な特性を表すので、ロックアップやオフセットの影響も含むシミュレーション結果を表示することができる。
【００２５】
図４は、本発明の実施の他の形態としての動的三次元表示３０の概要を示す。動的三次元表示３０は、図６に示すような動的負荷変化条件に、前述の（１）式などを使用して、シミュレーションが行われる。整圧器４の流量特性曲線は、整圧器４への動的負荷変化への追従特性が対象であるので、負荷である消費機器３などの動的変動に伴うオーバシュートやアンダーシュートの発生状態を、パラメータの影響も含めて容易に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の一形態のシミュレーションの対象となる概略的な構成を示すブロック図、およびシミュレーション結果の静的三次元表示１０を示すグラフである。
【図２】図１のような配管設計を行うために必要な設計システム２０の概略的な構成を示すブロック図である。
【図３】図２の設計システム２０のコンピュータ２１を用いて、図１（ｂ）に示すような静的三次元表示１０を含む配管設計を行う手法の概要を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の他の形態としての動的三次元表示３０の概要を示すグラフである。
【図５】整圧器の静的な流量特性曲線の例を示すグラフである。
【図６】整圧器の動的負荷変化条件における圧力状況についての実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１  一次管路
２  二次管路
３  消費機器
４  整圧器
１０  静的三次元表示
１１  許容設計上限圧ライン
１２  許容設計下限圧ライン
１３  流量特性曲線
１４  圧力低下曲線
２０  設計システム
２３  ディスプレイ
３０  動的三次元表示
【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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