JP2008157804A

JP2008157804A - 着火確率予測実験装置

Info

Publication number: JP2008157804A
Application number: JP2006348052A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Mitsusaka; 直行三坂; Akinori Kawachi; 昭紀河内; Takeshi Nonaka; 剛野中; Kazuki Okabayashi; 一木岡林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】着火確率予測実験を簡略化することができ、試験期間を短縮化することができて、試験費用を低減化すること。
【解決手段】実験室Ｃ内または風洞試験装置の測定胴内に配置されたガス放出源６から放出された、微量の炭化水素系のガスを含む可燃性ガスｇの濃度変動を計測する濃度変動計測装置１１を有し、可燃性ガスｇの濃度変動から濃度の出現頻度に基づく確率密度分布を求めて、この確率密度分布から可燃濃度範囲である可燃濃度出現確率を算出する濃度計測部３と、可燃性ガスｇの濃度変動を計測した地点と同一の地点において、可燃性ガスｇが着火するか否かを計測して着火確率を求める着火計測部４とを備えているとともに、濃度変動計測装置１１が、可燃性ガスｇを大気中の空気で希釈していったときに得られる、炭化水素系のガスの濃度と、炭化水素系のガスを計測したときの出力との相関関係から得られた情報をデータベースとして備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、水素ステーションや水素運搬車等から、水素等の可燃性ガスが漏洩した場合に、その周辺における可燃性ガスの着火予測を行うための着火確率予測実験装置に関するものである。

従来、このような着火予測を行うための着火確率予測実験は、例えば、特許文献１に開示されている風洞試験装置を用いて行われていた。
特開平８−３０４２２３号公報

従来の着火確率予測実験装置では、まず、風洞試験装置の測定胴内の任意の地点に濃度変動計測装置のセンサ部をセットし、ガス放出源から、所定の流量に調整された可燃性ガスを連続的に放出させ、点火プラグの先端からスパークを発生させて、着火するか否かを測定する。
そして、このような一連の作業を、複数の地点において実施することによって、可燃性ガスの着火予測を行うようにしていた。

しかしながら、このような着火確率予測実験装置では、風洞試験装置の測定胴内の任意の地点における可燃性ガスの濃度変動を濃度変動計測装置により計測するとともに、同一地点における着火試験をその都度行わなければならず、着火試験は一地点について数百回程度実施する必要があることから、試験期間が長期化し、試験費用も嵩んでしまうといった問題点があった。
また、水素ガスの濃度変動を高応答（１００Ｈｚ程度）で計測できる機器は、現存しないため、水素ガスが漏洩した場合の水素ガスの挙動（振る舞い）を正確に把握することができなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、着火確率予測実験を簡略化することができ、試験期間を短縮化することができて、試験費用を低減化することができる着火確率予測実験装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による着火確率予測実験装置は、実験室内または風洞試験装置の測定胴内に配置されたガス放出源から放出された、微量の炭化水素系のガスを含む可燃性ガスの濃度変動を計測する濃度変動計測装置を有し、前記可燃性ガスの濃度変動から濃度の出現頻度に基づく確率密度分布を求めて、この確率密度分布から可燃濃度範囲である可燃濃度出現確率を算出する濃度計測部と、前記可燃性ガスの濃度変動を計測した地点と同一の地点において、前記可燃性ガスが着火するか否かを計測して着火確率を求める着火計測部とを備えているとともに、前記濃度変動計測装置が、前記可燃性ガスを大気中の空気で希釈していったときに得られる、前記炭化水素系のガスの濃度と、前記炭化水素系のガスを計測したときの出力との関係をデータベースとして備えている。

このような着火確率予測実験装置によれば、可燃性ガス（例えば、水素）中の微量のメタン濃度を濃度変動計測装置を用いて正確に計測することができて、漏洩時における可燃性ガスの拡散状態（挙動）を正確に計測することができる。
また、このような着火確率予測実験装置によれば、可燃性ガスの放出量、可燃性ガスの種類毎、あるいは地形の変化や建物の有無が考慮された、可燃濃度出現確率と着火確率との相関関係を、データベース化して保存することができる。これにより、将来、ある事故想定の下に可燃性ガスが漏洩した場合の着火確率を予測するのに、可燃性ガスの濃度変動を濃度計測部において計測するとともに、可燃濃度出現確率を算出し、その可燃濃度出現確率をデータベース化された情報に当て嵌めることにより実際の着火確率を容易に求めることができる。

本発明による濃度変動計測装置は、微量の炭化水素系のガスの濃度を計測することができる濃度変動計測装置であって、前記微量の炭化水素系のガスを含む可燃性ガスを、大気中の空気で希釈していったときに得られる、前記炭化水素系のガスの濃度と、前記炭化水素系のガスを計測したときの出力との関係をデータベースとして備えている。

このような濃度変動計測装置によれば、可燃性ガス（例えば、水素）中の微量のメタン濃度を濃度変動計測装置を用いて正確に計測することができて、漏洩時における可燃性ガスの拡散状態（挙動）を正確に計測することができる。

本発明によれば、着火確率予測実験を簡略化することができ、試験期間を短縮化することができて、試験費用を低減化することができるという効果を奏する。

以下、本発明による着火確率予測実験装置の一実施形態について、図１ないし図５を参照しながら説明する。
図２に示すように、本実施形態に係る着火確率予測実験装置１は、可燃性ガス供給部２と、濃度計測部３と、着火計測部４とを主たる要素として構成されたものである。
可燃性ガス供給部２は、可燃性ガス（例えば、水素とメタン（炭化水素系のガス）とを所定の割合で混合したもの）ｇが充填されたガスボンベ５と、ノズル（ガス放出源）６と、これらガスボンベ５およびノズル６を接続（連結）する配管７とを備えている。

配管７には、上流側（ガスボンベ５の側）から下流側（ノズル６の側）に向かって減圧弁８と、バルブ９と、フローメータ１０とが配置されており、配管７の一端部（下流側の端部）とノズル６は、実験室（チャンバ）Ｃの内部に収容されている。
そして、バルブ９を開けると、ガスボンベ５の中に充填された可燃性ガスｇが、配管７、減圧弁８、バルブ９、フローメータ１０を通ってノズル６に達するとともに、このノズル６から、所定の流量に調整された可燃性ガスｇが連続的に放出されるようになっている。

濃度計測部３は、濃度変動計測装置１１と、計算機１２とを備えている。
濃度変動計測装置１１は、メタン等の炭化水素系のガスを高応答で計測できるガスクロマトグラフ（例えば、Cambustion社製HFR400）であり、ノズル６の風下における可燃性ガスｇの濃度変動を計測するものである。また、この濃度変動計測装置１１により得られた計測データは、計算機１２に出力されるようになっている。
計算機１２は、濃度変動計測装置１１から送られてきた計測データ（すなわち、時系列データ）を解析して、濃度の出現頻度に基づく確率密度分布を求め、この確率密度分布から可燃濃度範囲である可燃濃度出現確率Ｐｃを算出するものである（図１における左側のグラフ参照）。

着火計測部４は、点火制御器１３と、点火プラグ１４と、高速度カメラ１５とを備えている。
点火制御器１３と点火プラグ１４とは、配線１６によって接続されており、点火制御器１３からの信号により点火プラグ１４の先端からスパーク（火花）が発生するようになっている。そして、このスパークの状態および可燃性ガスｇに着火したか否かは、高速度カメラ１５によって撮影されるようになっている。なお、点火プラグ１４からスパークが発生させられる時には、濃度変動計測装置１１のセンサ部１１ａが、実験室Ｃの内部から外部に引き抜かれる（取り出される）ようになっている。

さて、本実施形態における濃度変動計測装置１１には、図３の右下に示すような検定曲線がデータベースとして内蔵されている。この検定曲線は、濃度変動計測装置１１の出力（Ｖ）と、可燃性ガスｇ中のメタン濃度（％）との関係を示しており、濃度変動計測装置１１の出力（Ｖ）からメタン濃度（％）を一義的に求めるために利用されるグラフである。すなわち、濃度変動計測装置１１の出力（Ｖ）がわかれば、そのときのメタン濃度（％）がわかることとなる。

検定曲線は、以下のようにして作成される。
まず、図４に示すように、濃度１００％のメタンが充填されたガスボンベ２１から所定量のメタンを注射器で抜き出し、バック１に注入する。つぎに、濃度１００％の水素が充填されたガスボンベ２２から所定量の水素を注射器で抜き出し、バック１に注入して、バック１内に、ガスボンベ５の中に充填された可燃性ガスｇと同じ混合比（例えば、メタン濃度０．５％、水素濃度９９．５％）のガスを作る。

つづいて、図５に示すように、可燃性ガスｇが充填されたバック１から所定量の可燃性ガスｇを注射器で抜き出し、バック２に注入する。つぎに、大気中から所定量の空気を採取し、バック２に注入して、２分の１に希釈された可燃性ガスｇ２（例えば、メタン濃度０．２５％、水素濃度４９．７５％、空気濃度５０％）を作る。
そして、このような操作を繰り返し行い、例えば、４分の１に希釈された可燃性ガスｇ３（例えば、メタン濃度０．１２５％、水素濃度２４．８７５％、空気濃度７５％）が充填されたバック、１０分の１に希釈された可燃性ガスｇ４（例えば、メタン濃度０．０５％、水素濃度９．９５％、空気濃度９０％）が充填されたバック等、メタン濃度、水素濃度、および空気濃度のわかっている混合ガスバックを複数用意する。

複数の混合ガスバックの用意ができたら、バック内に濃度変動計測装置１１のセンサ部１１ａを挿入し、そのバック内のメタン濃度（％）を縦軸に記録するとともに、濃度変動計測装置１１の出力（Ｖ）を横軸に記録していくという操作を複数回行い、検定曲線を得る。

つぎに、このように構成された着火確率予測実験装置１を用いて行われる、着火確率予測実験方法について説明する。
まず、ノズル６の風下における任意の地点に濃度変動計測装置１１のセンサ部１１ａをセットした後、ノズル６から、所定の流量に調整された可燃性ガスｇを連続的に放出させる。そして、その地点における可燃性ガスｇの濃度変動を濃度変動計測装置１１により計測する（図１における左上のグラフ参照）。
濃度変動計測装置１１により得られた計測データ（すなわち、時系列データ）を計算機１２で解析して、濃度の出現頻度に基づく確率密度分布（図１における左下のグラフ参照）を求め、この確率密度分布から可燃濃度範囲である可燃濃度出現確率Ｐｃを算出する。

つづいて、濃度変動計測装置１１のセンサ部１１ａを実験室Ｃの内部から外部に引き抜いて、濃度変動計測装置１１のセンサ部１１ａがセットされていた地点と同一地点に点火プラグ１４の先端（着火点）をセットした後、ノズル６から、所定の流量に調整された可燃性ガスｇを連続的に放出させる。そして、点火プラグ１４の先端からスパークを多数回（Ｎ回）発生させて、そのうち何回着火したかを着火確率Ｐｆとして求める。なお、スパークを発生させる回数（Ｎ回：実験回数）は、可燃濃度出現確率Ｐｃが一定となる回数まで実施される（図１における右側のグラフ参照）。
以上のようにして、同一地点における可燃濃度出現確率Ｐｃと、着火確率Ｐｆとが求められることとなる。

このような一連の作業を、複数の地点において実施し、または条件を変更して（可燃性ガスｇの放出量を変えたり、可燃性ガスｇの種類を変えたり、地形の変化を想定したり、建物が有る場合や無い場合等を想定したりして）実施し、可燃濃度出現確率Ｐｃと着火確率Ｐｆとの相関関係（傾向）をデータベース化する（図１における中央下のグラフ参照）。そして、このようにしてデータベース化されたデータベースは、計算機１２あるいは図示しない別の計算機の内部に蓄積（記憶）されており、将来、ある事故想定の下に可燃性ガスｇが漏洩した場合の着火確率を予測するのに利用することができる。すなわち、ある事故想定の下での任意の地点における可燃性ガスｇの濃度変動を濃度変動計測装置１１により計測し、可燃濃度出現確率Ｐｃを計算機１２により算出して、その値を同じ（あるいは同様の）傾向を有するデータベースに当て嵌めることにより実際の着火確率Ｐｆを求めることができる。

本実施形態による着火確率予測実験装置１によれば、可燃性ガスｇ中の微量のメタン濃度を濃度変動計測装置１１を用いて正確に計測することができて、漏洩時における可燃性ガスｇ中の水素の拡散状態（挙動）を正確に計測することができる。
また、本実施形態による着火確率予測実験装置１によれば、濃度変動を伴う可燃性ガスｇの、漏洩時における実際の着火確率を精度良く予測することができる。
さらに、濃度変動から求めた可燃濃度出現確率Ｐｃと、実際の着火実験から求めた着火確率Ｐｆとの相関関係（傾向）を求めてデータベース化しておくことにより、将来、ある事故想定の下に可燃性ガスｇが漏洩した場合の着火確率を予測する場合に、濃度変動を計測して可燃濃度出現確率Ｐｃのみを求めればよいこととなるので、その都度、着火実験を行う必要が無く、効率的に着火確率を予測することができ、着火確率予測実験の簡略化を図ることができるとともに、試験期間の短縮化を図ることができて、試験費用の低減化を図ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態のものに限定されるものではなく、例えば、高速度カメラの代わりに赤外線カメラを使用することもできる。
赤外線カメラを使用した場合には、着火した時の温度変化をサーモグラフィによる色の変化で定量的に識別することができるようになるので、着火したか否かの判定をより正確に行うことができて、実験の精度をより向上させることができる。

本発明による着火確率予測実験方法を説明するための概念図である。本発明による着火確率予測実験装置の一実施形態を示す概略構成図である。濃度変動計測装置に内蔵される検定曲線の作り方を説明するための図である。濃度変動計測装置に内蔵される検定曲線の作り方を説明するための図である。濃度変動計測装置に内蔵される検定曲線の作り方を説明するための図である。

符号の説明

１着火確率予測実験装置
３濃度計測部
４着火計測部
６ノズル（ガス放出源）
１１濃度変動計測装置
Ｃ実験室
Ｐｃ可燃濃度出現確率
Ｐｆ着火確率
ｇ可燃性ガス

Claims

実験室内または風洞試験装置の測定胴内に配置されたガス放出源から放出された、微量の炭化水素系のガスを含む可燃性ガスの濃度変動を計測する濃度変動計測装置を有し、前記可燃性ガスの濃度変動から濃度の出現頻度に基づく確率密度分布を求めて、この確率密度分布から可燃濃度範囲である可燃濃度出現確率を算出する濃度計測部と、
前記可燃性ガスの濃度変動を計測した地点と同一の地点において、前記可燃性ガスが着火するか否かを計測して着火確率を求める着火計測部とを備えているとともに、
前記濃度変動計測装置が、前記可燃性ガスを大気中の空気で希釈していったときに得られる、前記炭化水素系のガスの濃度と、前記炭化水素系のガスを計測したときの出力との関係をデータベースとして備えていることを特徴とする着火確率予測実験装置。
微量の炭化水素系のガスの濃度を計測することができる濃度変動計測装置であって、
前記微量の炭化水素系のガスを含む可燃性ガスを、大気中の空気で希釈していったときに得られる、前記炭化水素系のガスの濃度と、前記炭化水素系のガスを計測したときの出力との関係をデータベースとして備えていること特徴とする濃度変動計測装置。