JP2007132904A - 診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 差圧・圧力伝送器をオンライン状態のままで、特別な水素透過量の測定装置を必要とせずに水素透過量を予測演算できる診断装置を実現する。
【解決手段】 プロセス流体の圧力を、プロセス隔膜を介して受圧する差圧・圧力伝送器を診断する診断装置であって、
前記プロセス流体の温度及び圧力並びに前記プロセス隔膜の水素透過係数に基づき、前記プロセス隔膜の水素透過量を実時間で演算する水素透過量演算手段を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロセス流体の圧力を、プロセス隔膜を介して受圧する差圧・圧力伝送器を診断する診断装置に関するものである。

水素が含まれるプロセス流体の差圧・圧力測定を圧力測定カプセルで実施する場合には、圧力測定カプセルのプロセス隔膜（シールダイアフラム）を透過してカプセル内に蓄積される水素による測定誤差や、隔膜損傷等を診断する要求がある。

図７は、特許文献１に開示されている診断機能を備えた差圧測定装置の例を示す機能ブロック図である。この発明は、測定ラインから差圧測定装置を取外すことなく、封入液の漏洩や、封入液への水素ガスの混入を自己診断できる差圧測定装置を提供することを目的としている。

構成上の特徴は、差圧検出部の正規状態において、差圧検出部内の一方のシールダイアフラムに過大圧を印加し他方のシールダイアフラムに大気圧を印加した場合と、他方のシールダイアフラムに過大圧を印加し一方のシールダイアフラムに大気圧を印加した場合との差圧検出部の出力を記憶する記憶回路を備える。

診断時には、記憶回路の記憶値と一方のシールダイアフラムに過大圧を印加し他方のシールダイアフラムに大気圧を印加した場合、或いは他方のシールダイアフラムに過大圧を印加し一方のシールダイアフラムに大気圧を印加した場合の差圧検出部の出力とを比較して、封入液の漏れや封入液への水素ガスの混入を判定する診断回路を具備する。

図８は、特許文献２に開示されている診断機能を備えた差圧測定装置の例を示す要部構成図である。この発明は、プロセス流体の温度が高い、腐食性が強い、プロセス流体に直接接触する等、ダイアフラムシールの機械的な破損や水素ガスの透過が頻繁に発生する厳しい環境で自己診断できる差圧測定装置を提供することを目的としている。

構成上の特徴は、封入液を具備する差圧測定装置において、封入液を加熱あるいは冷却し、この封入液の内圧を一時的に変化させる加熱冷却手段を設け、この加熱冷却手段の動作時に生じる出力変化のパターンを差圧測定装置の正常時と比較し差圧測定装置のシールダイアフラムの破損や異常、水素の透過を検知する検知手段を具備する。

特開平８−０８２５６６号公報

特開２００３−１５６４０１号公報

「渦巻式層成容器の耐水素侵食性について」宇都ら、石油学会誌、Vol.14、No. 9、P.685、1971

従来の診断手法では、次のような問題点がある。
（１）診断のために、差圧・圧力伝送器を一時的にプラント運転状態から切り離すことが必要である。この際に、プラント停止が必要になる場合もある。

（２）水素透過量を測定するための特別な測定装置を必要とし、診断装置が大掛かりとなり、診断コストが大きく汎用的ではない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、差圧・圧力伝送器をオンライン状態のままで、特別な水素透過量の測定装置を必要とせずに水素透過量を予測演算できる診断装置を実現することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）プロセス流体の圧力を、プロセス隔膜を介して受圧する差圧・圧力伝送器を診断する診断装置であって、
前記プロセス流体の温度及び圧力並びに前記プロセス隔膜の水素透過係数に基づき、前記プロセス隔膜の水素透過量を実時間で演算する水素透過量演算手段を備えることを特徴とする診断装置。

（２）前記水素透過量演算手段は、前記プロセス流体の温度及び圧力並びに前記プロセス隔膜の水素透過係数をパラメータとする、プロセスストレスモデル式に基づいて前記水素透過量を算出することを特徴とする（１）に記載の診断装置。

（３）前記水素透過量演算手段による水素透過量に基づき、前記プロセス隔膜の劣化を予測するオンライン診断手段を備えることを特徴とする（１）又は（２）に記載の診断装置。

（４）前記オンライン診断手段は、診断結果を表示装置と外部機器の少なくとも一方に発信する通知手段を備えることを特徴とする（３）に記載の診断装置。

（５）前記水素透過量演算手段による水素透過量に基づき、差圧又は圧力の指示誤差を補正する指示誤差補正手段を備えることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の診断装置。

（６）前記プロセス流体の受圧を停止させたオフライン状態でのゼロ点ドリフト量に基づき、前記オンライン診断手段の診断結果を補正する、オフライン診断手段を備えることを特徴とする（３）乃至（５）のいずれかに記載の診断装置。

（７）前記プロセス隔膜の材料毎に前記水素透過係数を測定し、前記水素透過量演算手段にオフラインで渡すパラメータ生成手段を備えることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の診断装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）差圧・圧力伝送器をオンライン状態で水素透過量を測定できるので、診断のために一時的にプラント運転状態から切り離なす必要がなく、プラント停止が発生するおそれもない。

（２）プロセスストレスモデル式に、オンラインの差圧・圧力測定信号及び温度測定信号並びに水素透過係数を与えて水素透過量を推定演算することにより、特別な水素透過量の測定装置を必要とせずに診断できるので、診断コストを大幅に低減し、装置の汎用化に貢献できる。

（３）水素透過による差圧・圧力伝送器の測定誤差をオンラインで補正することができるので、測定精度の維持が容易となる。
（４）プラント稼動時に、プラントの圧力で抑制されていた受圧カプセル内の透過水素が、導圧管の圧力開放時に膨張しプロセス隔膜を塑性変形させて使用不能となることを事前に予測できるようになり、指示誤差発生時の現場でのトラブルシューティング作業と突発事故によるプラント操業への影響を削減できる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用した診断装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。要素１〜２２は、一般的な差圧・圧力伝送器の構成要素である。水素透過劣化診断装置１００及びパラメータ生成手段２００が本発明の特徴部を形成する要素である。

図１において、１はプロセス流体Ｆが移送される管路、２はこの管路に挿入されたオリフィスである。３は、このオリフィス２の上流側圧力を差圧・圧力伝送器１０に導く高圧側導圧管である。４は、オリフィス２の下流側圧力を差圧・圧力伝送器１０に導く低圧側導圧管である。

５は、高圧側導圧管３に挿入された高圧側ストップ弁、６は、低圧側導圧管４に挿入された低圧側ストップ弁、７は均圧弁である。図は、通常のオンライン状態であり、高圧側ストップ弁５及び低圧側ストップ弁６は開に、均圧弁７は閉に操作されている。

差圧・圧力伝送器１０において、１１は高圧側圧力チャンバーであり、高圧側導圧管３を介してオリフィス２の上流側のプロセス流体Ｆが導入される。１２は低圧側圧力チャンバーであり、低圧側導圧管４を介してオリフィス２の下流側のプロセス流体Ｆが導入される。

１３は受圧カプセルであり、両側部に高圧側圧力チャンバー１１のプロセス流体の圧力を受ける高圧側プロセス隔膜１４及び低圧側圧力チャンバー１２のプロセス流体の圧力を受ける低圧側プロセス隔膜１５を備える。

受圧カプセル１３は、内部に差圧・圧力センサ１６を形成する可撓膜を備え、この可撓膜と前記高圧側プロセス隔膜１４及び低圧側プロセス隔膜１５により、封液が充填された高圧側受圧室１７及び低圧側受圧室１８が形成されている。

１９は、高圧側受圧室１７に高圧側プロセス隔膜１４を透過して蓄積された水素、２０は、低圧側受圧室１８に低圧側プロセス隔膜１５を透過して蓄積された水素である。受圧室に水素が蓄積されると、カプセル内の水素圧力で正しい差圧・圧力測定ができなくなると共に、水素圧力がある一定の値を超過するとプロセス隔膜１４，１５が塑性変形を起こし、差圧・圧力伝送器が破損し使用できなくなる。

２１はプロセス流体の温度センサである。２２は、受信計器であり、差圧・圧力伝送器１０からの差圧・圧力測定信号ＥＰ及び温度センサからのプロセス温度測定信号ＥＴを受信し、温度補償された差圧・圧力測定値を指示又は上位装置に発信する。

１００は、本発明の特徴部を形成する水素透過劣化診断装置である。この水素透過劣化診断装置１００において、１０１はデータ収集手段であり、差圧・圧力伝送器１０からの差圧・圧力測定信号ＥＰ及びプロセス温度測定信号ＥＴを定周期で受信して保持する。

１０２は水素透過量演算手段であり、収集されたプロセス測定値とモデル式格納部１０３の保持されているプロセスストレスモデル及びオフラインで設定される水素透過係数に基づいて水素透過量及び総水素透過量を実時間で演算する。

１０４はオンライン診断手段であり、水素透過量演算手段１０２で演算された総水素透過量に基づいて、受圧カプセル１３の寿命までに許容される蓄積水素量並びに余命を予測する。

１０５は指示誤差補正手段であり、受圧カプセル内の水素による内圧上昇に基づいて差圧・圧力伝送器の測定誤差を推定し、受信計器２２の見かけ上の指示値を補正して真の差圧・圧力測定時値に修正する。

１０６は診断結果表示手段であり、オンライン診断手段１０４及び指示誤差補正手段１０５及び後述のオフライン診断手段１０８の出力をビジュアルに表示する。１０７は通知手段であり、オンライン診断手段１０４及び指示誤差補正手段１０５の出力を診断結果表示手段１０６に渡し、必要に応じて外部機器に発信する。

１０８はオフライン診断手段であり、定期的にプロセス流体の受圧を停止させたオフライン状態でのゼロ点ドリフト量に基づき、オンライン診断手段１０４の診断結果を補正する。オフライン診断手段の目的は、オンライン診断装置の予測の信頼性を向上させるためのものである。

２００は、パラメータ生成手段であり、差圧・圧力伝送器１０で使用されるプロセス隔膜毎にオフラインで後述する水素透過係数を測定し、水素透過量演算手段１０２に渡し、プロセスストレスモデル式に代入させる。

図２は、オンライン診断モードにおける各手段の動作を説明する機能ブロック図である。１０９は共通に設けられたデータベースであり、水素透過量演算手段１０２及びオンライン診断装置１０４の演算結果を保持する。

図３は、水素透過量演算手段１０２及びオンライン診断手段１０４における各演算部での信号処理手順を示すフローチャートであり、ステップＳ１乃至ステップＳ４よりなる。以下、図３の各ステップを参照してオンライン診断モードの動作を説明する。

データ収集手段１０１において、１０１ａは定期データサンプリング格納手段であり、差圧・圧力測定信号ＥＰ及びプロセス温度測定信号ＥＴを定周期で受信してローカルのデータベース１０１ｂに格納保持する。

水素透過量演算手段１０２において、１０２ａはＱ_i演算部であり、図３のステップＳ１の信号処理を実行する。即ち、データベース１０１ｂより取得した差圧・圧力測定信号Ｐ１_i及びプロセス温度測定信号Ｔ_iのサンプルデータ及び前回の演算で推定された総水素透過量ΣＱ_i-1に基づいて計算される受圧カプセル内の圧力上昇値Ｐ２_i-1並びにパラメータ生成手段２００から取得した水素透過係数を、モデル式格納部１０３に保持されているプロセスストレスモデル式に代入して、サンプルデータ毎の水素透過量Ｑ_iを推定演算してデータベース１０９に渡して保持させる。

モデル式格納部１０３に保持されているプロセスストレスモデル式は、非特許文献１に開示されている「渦巻式層成容器の耐水素侵食性に関するモデル式」に準拠して、水素透過量Ｑ_iを次式で表す。

ここで、Ｋ及びＥａは、水素透過係数として、パラメータ生成手段１０７により、使用されるプロセス隔膜毎に実験によりオフラインで測定され、Ｑ_i演算部１０２ａに渡されて設定される。

プロセス温度Ｔは、前回のサンプル値Ｔ_i-1と今回サンプル値Ｔ_iの平均値Ｔ＝(Ｔ_i
-1＋Ｔ_i)／２とし、時間ｔは、前回のサンプル値ｔ_i-1と今回サンプル値ｔ_iの差ｔ＝(ｔ_i-1−ｔ_i)とし、プロセス側圧力Ｐ１は、前回のサンプル値Ｐ１_i-1と今回サンプル値Ｐ１_iの平均値Ｐ１＝(Ｐ１_i-1＋Ｐ１_i)／２に、既知の水素分圧比Ｈ2_ratioを乗算した値とする。

更に、カプセル内圧力Ｐ２は、前回のサンプリングまでに透過した総水素量ΣＱ_iを使用状態の見かけ量に換算し、プロセス隔膜の材質毎に実験で得られる透過量対圧力変化量の係数で内圧上昇を計算する。即ち、製造時の受圧カプセル内の圧力を１気圧とし、その後の水素透過量による圧力上昇（水素透過量１ml当たり10Kpa）をこれに加算して求める。

Ｑ_iの演算に当たっては、前回までのサンプリングで計算されているＰ２_i-1をデータベース１０９より取得して実行される。演算は、高圧側，低圧側夫々について計算し、データベース１０９に渡して保持させる。

水素透過量演算手段１０２において、１０２ｂはＱ_now演算部であり、図３のステップＳ２の信号処理を実行する。データベース１０９より、Ｑ_i演算部１０２ａの演算結果Ｑ_iを取得し、総水素透過量Ｑ_nowを、Ｑ_now＝ΣＱ_i（ｉ＝１〜ｎ）で高圧側及び低圧側夫々を計算してデータベース１０９に渡して保持させる。

オンライン診断手段１０４において、１０４ａは、Ｑ_rest演算部であり、図３のステップＳ３の信号処理を実行する。データベース１０９より、Ｑ_now演算部１０２ｂの演算結果Ｑ_nowを取得し、受圧カプセルの寿命Ｑ_lifeまでの許容透過水素量Ｑ_restを、Ｑ_rest＝Ｑ_life−Ｑ_nowで計算してデータベース１０９に渡して保持させる。ここで、Ｑ_lifeは、計算及び実験検証で求められるプロセス隔膜が塑性変形に至る生涯水素透過量である。

オンライン診断手段１０４において、１０４ｂは、ｔ_rest演算部であり、図３のステップＳ４の信号処理を実行してプロセス隔膜が塑性変形に至る迄の余命ｔ_restを、高圧側及び低圧側夫々を計算してデータベース１０９に渡して保持させる。計算の手順は、Ｑ_restに最新の差圧・圧力測定信号とプロセス温度測定信号を代入してＱ_lifeに至る時間ｔ_restを求める。

次に、指示誤差補正手段１０５及び診断結果表示手段１０６の動作を説明する。指示誤差補正手段１０５において、１０５ａは補正演算部であり、データベース１０９より、高圧側及び低圧側の内圧上昇値Ｐ２を取得し、その差を指示誤差値とする。差圧・圧力測定信号とこの指示誤差値との差を誤差補正値とし、高圧側及び低圧側夫々を計算してローカルのデータベース１０５ｂに渡して保持する。

この誤差補正値は、定周期で受信計器２２に渡されて指示誤差補正処理が実行される。２２ａは指示値表示画面であり、補正前と補正後の指示値が対比して表示され、透過水素による指示誤差がビジュアルに把握できる。

診断結果表示手段１０６において、１０６ａは指示誤差トレンド表示画面であり、データベース１０５ｂに保持せれるサンプル周期毎の指示誤差値の増加傾向を表示する。これにより、現在の稼動状態で測定信号が要求精度範囲内か否かをビジュアルに把握できる。

１０６ｂは水素透過量トレンド表示画面であり、データベース１０９に保持されている現在までの総水素透過量Ｑ_nowの増加傾向並びにＱ_rest、ｔ_restを高圧側及び低圧側の夫々をビジュアルに表示する。これにより、プロセス隔膜の余命を直感的に把握することが可能となる。

次に、図４乃至図６により、所定の周期で実行されるオフライン診断手段１０８の機能構成と動作を説明する。図４は、差圧・圧力伝送器１０がプロセス流体Ｆ５の受圧を停止したオフライン診断モードを示す本発明の他の実施形態の機能ブロック図である。図１との相違点は、高圧側導圧管３に挿入された高圧側ストップ弁５及び低圧側導圧管４に挿入された低圧側ストップ弁６は閉に、均圧弁７は開に操作されている。

図５は、データ収集手段１０１、オフライン診断手段１０８、診断結果表示手段１０６の関連構成を示す機能ブロック図である。オフライン診断手段１０８において、１０８ａは評価・補正部であり、データ収集手段１０１のデータベース１０１ａより取得する、オフライン状態での測定信号により、受圧カプセル１３のゼロ点移動を測定し、オンライン診断での演算結果の評価及び補正を行い、データベース１０９に渡して保持させる。

図６は、評価・補正部１０８の演算手順を示す説明図である。（Ａ）に示す前回オフライン診断時のゼロ点と（Ｂ）に示す今回オフライン診断時の水素透過によるゼロ点のずれを測定する。このずれ量に基づいて補正値を決定する。

診断結果表示手段１０６において、１０６ｃは総水素透過量補正画面であり、オンライン診断結果の総水素透過量とオフライン診断で補正された総水素透過量がビジュアルに表示される。これにより、オンライン診断の誤差が所定の周期で補正されるので、オンライン診断の信頼性が確保される。

図１及び図４で示した差圧・圧力伝送器は、受圧カプセルに直接プロセス隔膜を備える構成であるが、リモートシールダイフラムとキャピラリー配管でプロセスに接続されている、図８に示される構成の差圧・圧力伝送器の水素透過劣化診断にも本発明を適用することができる。

本発明を適用した診断装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。 オンライン診断モードにおける各手段の動作を説明する機能ブロック図である。 水素透過量演算手段及びオンライン診断手段における各演算部での信号処理手順を示すフローチャートである。 オフライン診断モードを示す本発明の他の実施形態の機能ブロック図である。 データ収集手段、オフライン診断手段、診断結果表示手段の関連構成を示す機能ブロック図である。 オフライン診断手段における評価・補正部の演算手順を示す説明図である。 特許文献１に開示されている、診断機能を備えた差圧測定装置の機能ブロック図である。 特許文献２に開示されている、診断機能を備えた差圧測定装置の要部構成図である。

符号の説明

１ 管路
２ オリフィス
３ 高圧側導圧管
４ 低圧側導圧管
５ 高圧側ストップ弁
６ 低圧側ストップ弁
７ 均圧弁
１０ 差圧・圧力伝送器
１１ 高圧側圧力チャンバー
１２ 低圧側圧力チャンバー
１３ 受圧カプセル
１４ 高圧側プロセス隔膜
１５ 低圧側プロセス隔膜
１６ 差圧・圧力センサ
１７ 高圧側受圧室
１８ 低圧側受圧室
１９，２０ 水素
２１ 温度センサ
２２ 受信計器
１００ 水素透過劣化診断装置
１０１ データ収集手段
１０２ 水素透過量演算手段
１０３ モデル式格納部
１０４ オンライン診断手段
１０５ 指示誤差補正手段
１０６ 診断結果表示手段
１０７ 通知手段
１０８ オフライン診断手段
２００ パラメータ生成手段

Claims (7)

1. プロセス流体の圧力を、プロセス隔膜を介して受圧する差圧・圧力伝送器を診断する診断装置であって、
   前記プロセス流体の温度及び圧力並びに前記プロセス隔膜の水素透過係数に基づき、前記プロセス隔膜の水素透過量を実時間で演算する水素透過量演算手段を備えることを特徴とする診断装置。
2. 前記水素透過量演算手段は、前記プロセス流体の温度及び圧力並びに前記プロセス隔膜の水素透過係数をパラメータとする、プロセスストレスモデル式に基づいて前記水素透過量を算出することを特徴とする請求項１に記載の診断装置。
3. 前記水素透過量演算手段による水素透過量に基づき、前記プロセス隔膜の劣化を予測するオンライン診断手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の診断装置。
4. 前記オンライン診断手段は、診断結果を表示装置と外部機器の少なくとも一方に発信する通知手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の診断装置。
5. 前記水素透過量演算手段による水素透過量に基づき、差圧又は圧力の指示誤差を補正する指示誤差補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の診断装置。
6. 前記プロセス流体の受圧を停止させたオフライン状態でのゼロ点ドリフト量に基づき、前記オンライン診断手段の診断結果を補正する、オフライン診断手段を備えることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の診断装置。
7. 前記プロセス隔膜の材料毎に前記水素透過係数を測定し、前記水素透過量演算手段にオフラインで渡すパラメータ生成手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の診断装置。
   

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