(57)【要約】【課題】本管への加工の手間を抑えつつ、ガスラインの熱量を計測する際に必要な超音波式熱量計を小型化し、測定対象ガスの熱量を計測するにあたり必要なコストの削減を図る。【解決手段】測定対象ガスが導入されて内部を管軸方向に流れ、測定対象ガスの発熱量を計測するために超音波式熱量計が取り付けられた熱量計測用のガス管構造であって、本管５と、本管５に設けられた分岐箇所ｈ１から分岐し、分岐箇所ｈ１より下流側に設けられた合流箇所で本管５に合流する、本管５よりも小口径の分岐配管７とからなり、分岐配管７の分岐箇所ｈ１側の端部である分岐側端部７１の開口ａ１が、本管５の内壁５ｉよりも内側に位置し、測定対象ガスの流れ方向に対向するように設けられ、超音波式熱量計が分岐配管７に取り付けられる熱量計測用のガス管構造。【選択図】図２
2017181468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象ガスが導入されて内部を管軸方向に流れ、前記測定対象ガスの発熱量を計測するために超音波式熱量計が取り付けられた熱量計測用のガス管構造であって、
本管と、前記本管に設けられた分岐箇所から分岐し、前記分岐箇所より下流側に設けられた合流箇所で前記本管に合流する、前記本管よりも小口径の分岐配管とからなり、
前記分岐配管の前記分岐箇所側の端部である分岐側端部の開口が、前記本管の内壁よりも内側に位置し、前記測定対象ガスの流れ方向に対向するように設けられ、
前記超音波式熱量計が前記分岐配管に取り付けられる熱量計測用のガス管構造。
【請求項２】
前記分岐側端部の開口が、前記本管の管軸方向に対して垂直に設けられる請求項１に記載の熱量計測用のガス管構造。
【請求項３】
前記分岐配管の前記合流箇所側の端部である合流側端部の開口が、前記本管の壁面に設けられた本管側開口に接続される請求項１又は２に記載の熱量計測用のガス管構造。
【請求項４】
前記分岐配管が円筒状配管材とエルボ状配管材とからなり、
前記分岐配管の前記分岐側端部にエルボ状配管材が用いられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱量計測用のガス管構造。
【請求項５】
前記本管の前記分岐箇所において、前記本管の管軸方向に直交する方向に配管が突出するように設けられ、
前記分岐配管が、前記分岐箇所において突出する前記配管から挿脱可能なように、前記配管よりも小口径に形成され、
前記配管に対して締結部材によって固定されるように構成される請求項４に記載の熱量計測用のガス管構造。
【請求項６】
前記分岐配管の前記分岐側端部の開口の最外周部が、前記本管の内壁面から離間するように配置される請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱量計測用のガス管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象ガスが導入されて内部を管軸方向に流れ、前記測定対象ガスの発熱量を計測するために超音波式熱量計が取り付けられた熱量計測用のガス管構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガス等のガス製造プラントにおいては、製品ガス（都市ガス等）の品質確認の観点から発熱量を測定することは非常に重要である。従来、製品ガスの発熱量の測定は、製品ガスを製造ラインから取り出し、大気圧状態まで減圧して、ラウター式比重計を使用して、比重を計測することにより行っていたが、その後、対象ガスの音速を測定することでその発熱量を測定する熱量測定方法が発明され（特許文献１）、さらに、測定装置の量産性や実操業に及ぼす影響の低減を考慮した測定方法が提案されている（特許文献２）。特許文献２の構成においては、本管から分岐した測定管の軸方向で互いに対向した位置に超音波送受信機の検出部を備えており、測定対象ガスは測定管側部に接続された導入管により測定管内へ流入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１８５８８５号公報
【特許文献２】特開２０００−３９４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２の装置では、本管から導入管を単に分岐させる構造のため、測定管に十分なガスを流入させるためには、測定管の下流を低圧のラインに接続する必要があり、圧力調整装置等追加の設備が必要となることから高コストとなる。また、測定管の側部に導入管が接続された配管構成により、分岐配管内で大きな圧力損失を生じるため、分岐管内のガス流速を高めることが困難である。さらに、ガス流速を高め難いために、本管から分岐したガスが測定管へ到達し測定されるまでに遅れ時間が生じてしまい、超音波式熱量計のメリットである即応性が損なわれてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、圧力調整装置等の設備の追加を不要として設備コストを抑え、また、分岐配管内の大きな圧力損失を抑え分岐管内のガス流速を高めることを可能とし、さらに、コストを抑える構造としながら、超音波式熱量計のメリットである即応性を活かせる構造とすることを目的とする。
【０００６】
さらには、ガスラインの熱量を計測する際に必要な超音波式熱量計を小型化し、またメンテナンス性を改善することで、測定対象ガスの熱量を計測するにあたり必要となるコストの削減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するための本発明による熱量計測用のガス管構造の特徴構成は、測定対象ガスが導入されて内部を管軸方向に流れ、前記測定対象ガスの発熱量を計測するために超音波式熱量計が取り付けられた熱量計測用のガス管構造であって、
本管と、前記本管に設けられた分岐箇所から分岐し、前記分岐箇所より下流側に設けられた合流箇所で前記本管に合流する、前記本管よりも小口径の分岐配管とからなり、
前記分岐配管の前記分岐箇所側の端部である分岐側端部の開口が、前記本管の内壁よりも内側に位置し、前記測定対象ガスの流れ方向に対向するように設けられ、
前記超音波式熱量計が前記分岐配管に取り付けられることを特徴とする。
【０００８】
上記特徴構成によれば、分岐配管の分岐側端部の開口が本管を流れる測定対象ガスの流れに対向する向きに設けられるため、測定対象ガスの動圧を利用して分岐配管内に測定対象ガスが流れ込み、本管の圧力損失を最小としながらも必要な流量を分岐配管内に流すことができる。すなわち、従来のように分岐配管の下流側を本管よりも低圧のラインに接続する構造とする必要がなく、分岐のために必要な設備コストを抑えることができる。
【０００９】
さらに、本管よりも小口径の分岐配管に超音波式熱量計が取り付けられるため、本管に取り付けた場合よりも小口径用の超音波式熱量計を用いることができ、導入コストを削減することができる。加えて、超音波熱量計を含めて分岐配管は全域を同径とすることができるため、分岐配管内で生じる圧力損失を抑えられ管内流速を大きくすることができる。これにより、分岐配管に流入した測定対象ガスが超音波式熱量計に到達し測定されるまでに遅れ時間が生じるという従来の課題の発生を抑制することができる。
【００１０】
加えて、分岐配管を流れた測定対象ガスは、本管への合流するため、測定対象ガスが無駄になることがない。
【００１１】
以上のように、超音波式熱量計を導入するにあたって必要な設備コストや導入コストを抑える構造としながら、超音波式熱量計のメリットである即応性を活かせる構造とすることができる。
【００１２】
さらなる特徴構成は、前記分岐側端部の開口が、前記本管の管軸方向に対して垂直に設けられることを特徴とする。
【００１３】
上記特徴構成によれば、分岐配管に対して動圧を効果的に発生させることができ、分岐配管に本管のガスを効率的に送り込むことができる。結果、分岐配管に設けられた超音波式熱量計によってより精度よくガスの発熱量を測定することができる。
【００１４】
また、さらなる特徴構成は、前記分岐配管の前記合流箇所側の端部である合流側端部の開口が、前記本管の壁面に設けられた本管側開口に接続されることを特徴とする。
【００１５】
上記特徴構成によれば、本管及び分岐配管は合流箇所において特別な構造物を必要としないため、合流箇所において分岐配管から測定対象ガスが合流することによる本管内の流速分布への影響を抑えることができる。
【００１６】
また、さらなる特徴構成は、前記分岐配管が円筒状配管材とエルボ状配管材とからなり、
前記分岐配管の前記分岐側端部にエルボ状配管材が用いられることを特徴とする。
【００１７】
上記特徴構成によれば、分岐配管はＪＩＳ等の規格にあるような管、管継手のみで製作可能となり製造コスト及び施工性に優れる。すなわち、より一層導入コストに優れた熱量計測用のガス管構造を実現することができる。
【００１８】
また、さらなる特徴構成は、前記本管の前記分岐箇所において、前記本管の管軸方向に直交する方向に配管が突出するように設けられ、
前記分岐配管が、前記分岐箇所において突出する前記配管から挿脱可能なように、前記配管よりも小口径に形成され、前記配管に対して締結部材によって固定されるように構成されることを特徴とする。
【００１９】
上記特徴構成によれば、本管の分岐箇所に設けられた配管に対して、分岐配管を挿入し、締結部材によって、分岐配管と本管とを固定することで、超音波式熱量計による発熱量の計測をするためのガス管構造を形成することができる。すなわち、極めて簡便な造りで発熱量計測のためのガス管構造を実現できるため、製作コスト及び施工コストを抑えることができる。
また、本管の配管に対して分岐配管は挿脱自在に構成されるため、締結部材を外すことで、分岐配管を取り外すことができ、分岐配管の点検が容易に行えるとともに、分岐配管が破損・汚損した際に容易に交換することができメンテナンス性にも優れたガス配管構造とすることができる。
【００２０】
また、さらなる特徴構成は、前記分岐配管の前記分岐側端部の開口の最外周部が、前記本管の内壁面から離間するように配置されることを特徴とする。
【００２１】
上記特徴構成によれば、分岐側端部の開口を本管内において流速が内周部よりも劣る外周部を避けて配置することができる。すなわち、分岐側端部の開口にかかる動圧が小さくなること抑えることができ、効率的に分岐配管内に測定対象ガスを通流することができる。また、本管の内壁面から離すことで分岐配管が破損・汚損した際に、作業者が分岐配管を交換しやすくなるといったように分岐配管のメンテナンス性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガス製造設備の概略構成図
【図２】本管の分岐箇所における分岐配管の構造を示す図
【図３】流速シミュレーションの説明図
【図４】流速シミュレーションによる流速の計算箇所を示す図
【図５】Case1およびCase2のシミュレーション結果
【発明を実施するための形態】
【００２３】
１．概略構成
以下では、熱量計測用のガス管構造の実施形態の一例を図を用いて説明する。図１は、ガス管構造を有するガス測定装置１を備えたガス製造設備２の構成を模式的に示したものである。ガス製造設備２は、一定の熱量を備えるガスを製品ガスとして製造するように構成されている。なお、ここで説明するガス製造設備２は、小口径分岐配管７を含むガス測定装置１を用いる設備の一例である。
【００２４】
ガス製造設備２はＬＮＧタンク３、ＬＮＧ気化器４を上流側に備えたガスの供給経路（以下では『本管５』と称する。）を備える。この本管５を流れるＬＮＧガスが本願発明における測定対象ガスに相当する。本実施形態においては、本管５の口径は６００Ａである。この本管５には熱量調整用の石油ガスを添加する調整用ガス添加機構６が備えられ、さらにこの調整用ガス添加機構６よりも下流側にガスの物性量（発熱量、比重、ウオッべ指数など）を測定するためのガス管構造を備える。
【００２５】
具体的には、本管５から分岐して設けられた小口径分岐配管７が本管５からガスが導入されて内部を管軸方向に流れるように形成されており、この小口径分岐配管７には内部を流れるガスの発熱量を計測するためのガス測定装置１を構成する超音波式流量計Ｑが取り付けられている。ここで、ガス測定装置１及びガス測定装置１を構成する超音波式熱量計Ｑが『超音波式熱量計』に相当する。
【００２６】
本願発明では、この小口径分岐配管７の構造に特徴を有している。以下では、小口径分岐配管７の構造について概略を説明した後、その詳細構造について説明する。
【００２７】
小口径分岐配管７は、図１に示すように、本管５に設けられた分岐箇所ｈ１から分岐し、途中、この小口径分岐配管７と同径の円筒状の超音波式流量計Ｑを挟んで、本管５の分岐箇所ｈ１より下流に設けられた合流箇所ｈ２に合流するように作られている。この小口径分岐配管７は、分岐箇所ｈ１から本管５を流れるガスが導入され、超音波式流量計Ｑを介して、合流箇所ｈ２で本管５にガスが導出されるように形成されている。
【００２８】
この小口径分岐配管７に設けられた超音波式流量計Ｑを用いて、小口径分岐配管７中の熱量が計測される。詳しくは後述するが、小口径分岐配管７の超音波式流量計Ｑで計測されるガスの流量にもとづき制御装置１００により熱量が演算され求められる。ここで求められる熱量は、本管５を流れるガスの熱量と実用上等価であるとみなせることがシミュレーションにより確認されている。以下では、小口径分岐配管７の超音波式熱量計Ｑの計測値に基づき求められるガスの熱量は、本管を流れるガスの熱量とみなせるものとして説明を進める。
【００２９】
本実施形態においては、小口径分岐配管７に設けられた超音波式流量計Ｑを用いて本管５を流れるガスの発熱量を計測するように構成されている。このガス製造設備２では、超音波式流量計Ｑで計測されたガスの流速及び、本管５に設けられた圧力計Ｐ及び温度計Ｔの計測値に基づいて、ガス測定装置１の制御装置１００がガスの発熱量を求める。さらに、制御装置１００は、求められた発熱量と製品ガスに求められる発熱量である目標発熱量との関係から調整用ガス添加機構６に、添加するガスの量を調整するための調整制御指令を送るように構成される。すなわち、このガス製造設備２は、超音波式流量計Ｑを用いて求められた熱量に基づいて、本管５を流れるガスの発熱量がフィードバック制御されるように構成されている。これにより、一定の熱量のガスが製品ガスとして製造される。
【００３０】
上記のフィードバック制御を可能とするために、本管５には、調整用ガス添加機構６により添加される石油ガスが本管５に合流する合流部８より上流側に、ガスの流量を測定する流量測定器９が備えられている。一方、図示は省略するが上述の調整用ガス添加機構６は、熱量調整用の石油ガスを蓄えたＬＰＧタンクから流量制御弁を介して所定量の石油ガスを本管５に送り出せるように構成されている。このガス製造設備２にあっては、ガスの流量、これに対する石油ガスの流量が常時モニターされ、供給流路下流側に混合状態で送り出される両者の量比を検出することができる。本願のように、製品ガスの発熱量を制御する必要がある場合、この量比が問題となるが、天然ガスの供給量を検出しながら、調整用ガス添加機構６の流量制御弁の開度を適切に調整することで、両者の流量比（引いては発熱量）を調整することが可能となっている。
【００３１】
ガス製造設備２は、メタンを主成分とするベースガス原料（本実施形態では天然ガス）が流れる本管５を備え、この本管５内にあるベースガス原料に、メタンより発熱量の大きい熱量調整用ガス原料（本実施形態では石油ガス）を、添加量を調整しながら添加する調整用ガス添加機構６を備え、熱量調整された製品ガスを得る構成となっている。そして、この調整用ガス添加機構６に対する制御装置１００が備えられている。制御装置１００は、図１に示すように、小口径分岐配管７に備えられる超音波式流量計Ｑや、本管５に備えられる圧力計Ｐ及び温度計Ｔなどの計器からの測定情報に従って、前記調整制御指令を生成する手段とから構成されている。この制御装置１００は、マイクロコンピュータや半導体メモリ等を主要な機器として構築される。
【００３２】
２．小口径分岐配管の詳細
２−１．超音波式熱量計について
ガスの発熱量を求めるガス測定装置１は、小口径分岐配管７に取付可能な小型の超音波式流量計Ｑを有する。超音波式流量計Ｑは、小口径分岐配管７の口径と同一のサイズの円筒状の筐体を備え、小口径分岐配管７にフランジを介してボルトなどで直接固定可能に構成される。超音波式流量計Ｑの筐体には、一対の超音波送受信機内での、超音波の伝搬速度を計測し、伝搬速度と密度との関係から超音波式流量計Ｑの筐体内部を流れるガスの流量を計測可能に構成されている。ガス測定装置１は、超音波式熱量計Ｑの計測値にもとづいて小口径分岐配管７を流れるガスの発熱量を計測することができる。
【００３３】
２−２．小口径分岐配管について
小口径分岐配管７は、円筒状配管材とエルボ状配管材とを用いて構成される。具体的には、小口径分岐配管７は、一般に用いられる直管状のガス管とエルボ状のガス配管とを組み合わせ、溶接で一体化されることで作成される。本実施形態においては、小口径分岐配管７の口径は、メンテナンス性の観点から１５０Ａとしている。また、本実施形態においては、分岐箇所ｈ１から合流箇所ｈ２までの全長は３３３０ｍｍとしている。なお、この全長は使用する超音波式流量計Ｑの必要直管長以上であれば良い。
【００３４】
２−２−１．分岐側端部
図２に、小口径分岐配管７の分岐箇所ｈ１側の端部である分岐側端部７１の構成を示す。小口径分岐配管７は、分岐側端部７１の開口ａ１の構成に特徴を有する。この開口ａ１は、本管５の内壁よりも内側に位置し、ガスの流れ方向に対向するように設けられる。このため本管５を流れるガスは、その動圧により開口ａ１から小口径分岐配管７に自然に導入される。すなわち、本管５側に抵抗を設ける構成や小口径分岐配管７の合流側端部７２を大気圧に開放する（低圧にする）構成などの複雑な構成を用いることなく、小口径分岐配管７内に本管５のガスを導入することができる。
【００３５】
さらに、本実施形態においては、開口ａ１（開口面）は本管５の管軸方向に対して垂直に設けられる。このような構成を実現するため、小口径分岐配管７の分岐側端部７１には、配管方向を９０度傾けるためのエルボ状配管材が用いられる。より具体的には、小口径分岐配管７は、本管５の管軸方向に対して垂直な設けられた直管部を備え、その分岐箇所ｈ１側の端部には、分岐側端部７１として、エルボ状配管材が溶接により取り付けられる。
【００３６】
図２を用いて、小口径分岐配管７の構成についてより詳細に説明する。分岐箇所ｈ１において本管５は、小口径分岐配管７との接続のための分岐配管挿脱部５３が設けられている。具体的には、本管５の分岐箇所ｈ１には分岐配管挿脱部５３として管軸方向に直交する方向に配管が突出するように設けられ、当該配管内に小口径分岐配管７が挿脱可能に構成されている。すなわち、この配管の内径は、小口径分岐配管７の外径よりも大きくなるように設定される。本実施形態においては、分岐配管挿脱部５３の配管の先端にはボルト穴を有するフランジが形成される。
【００３７】
一方、小口径分岐配管７は分岐箇所ｈ１において突出する分岐配管挿脱部５３の配管から挿脱可能なように、分岐配管挿脱部５３の配管よりも小口径に形成される。また、小口径分岐配管７は本管５の分岐配管挿脱部５３に対して締結部材Ｂによって固定されるように構成される。本実施形態においては、小口径分岐配管７の直管部７０に、本管接続部７３が設けられる。より具体的には、小口径分岐配管７の直管部７０には、ボルト穴を有するフランジが溶接により取り付けられる。これにより、本管５の分岐配管挿脱部５３を介して小口径分岐配管７が本管５に挿入された状態で、分岐配管挿脱部５３であるフランジと小口径分岐配管７の本管接続部７３であるフランジとが締結部材Ｂとしてのボルトによって連結され、固定される。
【００３８】
本管５に小口径分岐配管７が連結された状態において、小口径分岐配管７の分岐側端部７１の開口ａ１の最外周部は、本管５の内壁面５ｉから離間するように配置される。本実施形態では、シミュレーションによる本管５管内の流速分布やメンテナンス性を考慮し、開口ａ１の最外周部と本管５の内壁面５ｉとは、１５０ｍｍ離している。なお、開口ａ１の最外周部とは、開口ａ１を形成するエルボ状配管材において本管５の内壁面５ｉに最も近接する部位である。
【００３９】
２−２−２．合流側端部
小口径分岐配管７の合流箇所ｈ２側の端部である合流側端部７２の開口（図示せず）は、本管５の壁面に設けられた本管側開口に接続される。より具体的には、本管５に形成された本管側開口に、小口径分岐配管７の合流側端部７２が溶接により取り付けられる。このようなシンプルな構成とすることにより、合流箇所ｈ２において本管５内のガスの流れに与える影響を抑えつつ、小口径分岐配管７内のガスをスムーズに本管５内に導出することができる。
【００４０】
３．シミュレーション結果
本実施形態のガスの配管構造を用いた場合に、小口径分岐配管７の超音波式流量計Ｑを用いて求められるガスの熱量が、本管５を流れるガスの熱量と実用上等価であるとみなせることをシミュレーションにより確認した。以下では、シミュレーション結果を述べる。
【００４１】
以下の表１に示す２つのケース（Case1、Case2）でシミュレーションを行った。
【表１】
2017181468.tif 000003
【００４２】
なお、Case1では測定対象ガスは天然ガスで、本管５内の流量は３００ｔ／ｈ、４０℃、２．５ＭＰａＧであり、Case2では同じく天然ガスで、本管５内の流量は２５ｔ／ｈ、０℃、７．０ＭＰａＧである。シミュレーションでは、本管５の口径は６００Ａ（内径 ５８１ｍｍ）、小口径分岐配管７の口径は８０Ａ（内径７３．９ｍｍ）に設定しており、本管５の口径に対する小口径分岐配管７の口径（内径）比率は１２．７となっている。
【００４３】
ＣＦＤによる計算結果を以下の表２に示す。また、本管５及び小口径分岐配管７内の各位置での流速分布を図５に示す。
【表２】
2017181468.tif 000004
【００４４】
以上の結果より、Ａ断面の平均流速とＢ断面の平均流速の差は十分に小さく、実用上、小口径分岐配管７の超音波式流量計Ｑを用いて求められるガスの熱量が、本管５を流れるガスの熱量と実用上等価であるとみなしても問題ないことが確認された。
【００４５】
以上より、超音波式熱量計を導入するにあたり本管の加工コストを抑えつつ、測定対象ガスの熱量を計測する際に必要な超音波式熱量計を小型化できる。よって、熱量計測用のガス管構造を一層コストを抑えて実現することができる。
【００４６】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、小口径分岐配管７の分岐箇所ｈ１側の端部である分岐側端部７１の開口ａ１を、本管５の管軸方向に対して垂直となるように設けたが、本管５内のガスの通流に影響を与えず且つ小口径分岐配管７内に測定対象ガスが良好に通流する構成であれば、当該開口ａ１は本管５の測定対象ガスの流れ方向に対向するように設ける構成とすることができる。例えば、開口ａ１の開口面を、本管５の管軸方向に対して垂直となる面を基準面として、当該基準面に対して±４５度程度傾斜するように設けることもできる。
【００４７】
（２）上記実施形態では、本管５の分岐箇所ｈ１において、本管５の管軸方向に直交する方向に突出する配管（分岐配管挿脱部５３）に、小口径分岐配管７の分岐側端部７１を挿脱可能に締結部材により固定する構成としたが、分岐側端部７１の本管５への固定状態は、特にこのような構成に限られるものではない。例えば、小口径分岐配管７の分岐側端部７１の開口ａ１が、本管５の内壁よりも内側に位置し、測定対象ガスの流れ方向に対向する状態で、分岐側端部７１が本管５に溶接等により固定される構成であっても良い。
【００４８】
なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１          ：ガス測定装置（超音波式熱量計）
５          ：本管
５ｉ        ：内壁面（内壁）
７          ：小口径分岐配管
５３        ：分岐配管挿脱部
７１        ：分岐側端部
７２        ：合流側端部
７３        ：本管接続部
Ｂ          ：締結部材
Ｑ          ：超音波式流量計
ａ１        ：開口
ｈ１        ：分岐箇所
ｈ２        ：合流箇所
【図１】
2017181468.tif 000005
【図２】
2017181468.tif 000006
【図３】
2017181468.tif 000007
【図４】
2017181468.tif 000008
【図５】
2017181468.tif 000009