JP2018525621A - 水蒸気の影響に関する天然ガス流量計算の補正 - Google Patents

Abstract

ガス（３０５）中の水蒸気の濃度を計測するためのシステムは、ガス（３０５）の静圧を感知するように構成された圧力センサ（２０２）と、差圧を感知するように構成された差圧センサ（２０５）とを含む。温度センサがガス（２０５）の温度を感知する。回路（２０８）が、計測された圧力及び温度に基づいてガス（３０５）中の水蒸気の濃度を推定し、測定する。

Description

本発明はガス流量の計測に関する。より具体的には、本発明は、そのような計測に対する、ガス流中に存在する水蒸気の影響に関する。

政府の規制は、エネルギー生産者に対し、生産中の温室効果ガス含量を考慮するよう、ますます制約を課している。たとえば、天然ガス産業はＣＯ_２排出を考慮しなければならない。多くの用途において、「乾性ガス」組成物のガスクロマトグラフ分析中に特定されない水蒸気が管中に存在する。

井戸から流れる天然ガス混合物は一般に、いくつかのガス種の混合物からなる。一部は、所望の産物である炭化水素ガス、たとえばメタン、エタン、プロパンなどである。他は、より価値が低い副産物、たとえば二酸化炭素、窒素などである。これら副産物ガスの一つ、二酸化炭素は、地球温暖化に寄与する「温室効果ガス」の一つであるという点で特に重要である。政府の規制を通して、二酸化炭素排出量の定量にますます関心が寄せられている。そのような規制に適合するために、天然ガス生産者は、井戸から汲み出す二酸化炭素の量にますます関心を寄せている。

天然ガス流量計測における不確かさを減らすために実施されていることの一つが、所与の井戸からのガスのサンプルを分析することによって正確なガス組成を得ることである。そのようなサンプルは一般に、井戸の寿命のはじめにはいくらかの規則性をもって得られる。しかし、ガス組成が一定であると考えることができることが明らかになると、サンプリングの頻度は低下する。ガス組成は、ガスのサンプルを研究室に持ち込み、それをガスクロマトグラフ又は他のそのような装置によって分析することによって得られるということに留意することが重要である。得られる組成は、「乾性ガス」組成とみなされるものである。これは、ガス中に水蒸気含量が存在しないことを意味する。天然ガス産業ＡＧＡ（米国ガス協会）レポートNo.8で使用されている状態方程式は水蒸気を考慮に入れることができる。しかし、これは、ガス組成レポートにはめったに含まれない。事実、ＡＧＡレポートNo.8に記載されている六つの例示的な組成物は水分含量を有しない。

年月とともにガス田中のガスの枯渇によって井戸の中の圧力が低下すると、ガス及び油を地中から押し出すために、蒸気注入のような措置が使用されることが多くなる。これが実施されると、今や生産されるガスは、乾性ガス組成物中に存在するガスに加えて、水蒸気を含有するようになる。これは、所与の体積中、乾性ガスの一部が水蒸気によって置き換えられていることを意味する。流量は乾性ガス組成に基づいて計測されるため、計測は、二酸化炭素を含め、すべてのガスの量を過大に報告する。

ガス中の飽和水蒸気の濃度を計測するためのシステムは、ガスの静圧を感知するように構成された圧力センサと、差圧を感知するように構成された差圧センサとを含む。温度センサがガスの温度を感知する。回路が、計測された圧力及び温度に基づいてガス中の水蒸気の濃度を測定する。

この発明の概要及び要約書は、以下の詳細な説明の中でさらに説明される選ばれた概念を簡略化形態で導入するために提供される。発明の概要及び要約書は、請求項に係る主題の主要な特徴又は不可欠な特徴を特定することを意図したものでもないし、請求項に係る主題の範囲を決定する際に一助として使用されることを意図したものでもない。

質量流量を測定するための反復的技術の簡略化ブロック図である。 水蒸気及びガスの濃度を測定するためのシステムの簡略化ブロック図である。 プロセス流体の流量を計測し、計測値を、測定された水蒸気濃度に基づいて補正するためのシステムの図である。

例示的実施形態の詳細な説明
工業プロセス中のプロセス変量を計測するためにはプロセス変量トランスミッタが使用される。プロセス変量トランスミッタの一つのタイプは、プロセス流体の流量に相関させることができる、プロセス流体の流れによって生じる差圧を計測する。「乾性ガス」（水又は水蒸気が存在しないガス）を計測するために使用する場合、標準的な計測技術を実施することができる。しかし、「湿性ガス」の流量を計測する場合、水蒸気含量を考慮に入れないことにより、計測値に誤差が取り込まれる。本明細書の中で使用される「湿性ガス」とは、水を液相ではなく気相としてのみ含有するガスをいう。水蒸気は飽和蒸気状態で存在する。水蒸気は、ガスの個々の成分の流量の測定のときなど、ガス組成物のプロセス変量の計測値に誤差を招き入れる。たとえば、水蒸気が存在すると、大部分の場合、生のままの流量値は、実際よりも大きいガス流量を示す。しかし、ガス混合物中に存在する水蒸気の量の仮定に基づいて流量及び総流量を正確に調節する簡単な方法は存在しない。

ガスの流量を測定する技術は当技術分野において公知である。たとえば、差圧、圧力、温度及び管径に基づいて質量／単位時間の単位の質量流量（Ｑ_m）を測定することができる。質量流量は、換算係数により、所望の単位、たとえばポンド／時又はキログラム／日に変換することができる。標準体積流量（Ｑ_v）は、質量／単位時間の単位の質量流量を基準又は標準条件での流体密度で割ったものである。したがって、標準立方フィート／単位時間の単位で表された質量流量である。エネルギー流量は、単位時間あたり提供されるエネルギーの量を表し、たとえば、蒸気及び天然ガス系で使用される。蒸気の場合、エネルギー流量は天然ガスのエンタルピーであり、エネルギー流量は加熱値と相関する。

飽和水蒸気を含む天然ガスの質量流量

質量流量単位（lbm（質量ポンド）／単位時間）が使用される場合、流量式は以下である。

式中、
Ｎ₁＝単位変換係数であり、
Ｃ_d＝オリフィス流量係数であり、
Ｅ＝近寄り速度係数

であり、
ｄ＝オリフィス径であり、
Ｙ₁＝ガス膨張係数であり、
ＤＰ＝差圧であり、
Ｐ_f＝流動状態における絶対静止流体圧であり、
Ｔ_f＝流動状態における絶対流体温度であり、
Ｍｒ_wv＝水蒸気を含むガス混合物の分子量であり、圧力（Ｐ_f）及び温度（Ｔ_f）の関数であり、
Ｒ＝ガス定数であり、
Ｚ_{f_wv}＝水蒸気を含むガス混合物の流動圧縮係数であり、圧力（Ｐ_f）及び温度（Ｔ_f）の関数である。

Ｎ₁の値は、他のパラメータの単位の選択及び流量に選択された時間基準によって決まる。［］内の項は、望まれる場合、曲線あてはめ近似を使用して計算されるパラメータであろう。

従来の用途において、ガス混合物は変化しない。乾性ガス混合物の分子量は、乾性ガスのモル分率に基づくと、以下である。

飽和水蒸気が存在する場合、水蒸気のモル分率は、水蒸気の飽和圧に基づくと、以下のように計算される。

水蒸気のモル分率を使用して、乾性成分の修正モル分率は以下である。

そして、水蒸気を含むガスの分子量の式は以下である。

飽和水蒸気を含む天然ガスの標準体積流量

標準体積質量流量単位（標準体積／単位時間）が使用される場合、流量式は以下である。

式中、
Ｎ₂＝単位変換係数であり、
Ｃ_d＝オリフィス流量係数であり、
Ｅ＝近寄り速度係数

であり、
ｄ＝オリフィス径であり、
Ｙ₁＝ガス膨張係数であり、
ＤＰ＝差圧であり、
Ｐ_f＝流動状態における絶対静止流体圧であり、
Ｔ_f＝流動状態における絶対流体温度であり、
Ｍｒ_wv＝水蒸気を含むガス混合物の分子量であり、
Ｍｒ_air＝空気の分子量（定数）であり、
Ｚ_{f_wv}＝水蒸気を含むガス混合物の圧縮係数であり、
Ｚ_{b_air}＝空気の基準圧縮係数（定数）であり、
Ｚ_{b_wv}＝水蒸気を含むガス混合物の基準圧縮係数である。

Ｎ₂の値は、他のパラメータの単位の選択及び流量に選択された時間基準によって決まる。いくつかの項、たとえば［］内の項は、望まれる場合、曲線あてはめ近似を使用して計算されるパラメータであろう。

質量流量の場合、飽和水蒸気の存在が各圧力及び温度で混合物の組成を変化させ、モル分率は、同じ関係を使用して調節される。

飽和水蒸気が存在するときの流量計算

ガス混合物中に水蒸気が存在するが、流量計算において考慮されないとき、結果は一般に、乾性ガス組成物中に存在する様々なガス種の流量を過大に報告する。場合によっては、ユーザは、大気に放出された成分の量に対して罰金を課されることさえある。したがって、水蒸気を考慮に入れ、報告されなければならない他の成分の量を減らすことが望ましい。報告は一般に、これらの成分のlbm／日の単位で実施される。

流量がlbm／単位時間の単位で計算される場合、ある成分が一日に何lbm放出されるかの測定は以下のように計算される。
１．Ｐ_f及びＴ_fの値に基づき、水蒸気のモル分率ｘ_H2Oを計算する。
２．式４にしたがって各成分のモル分率を調節する。
３．次いで、式５を使用して混合物の分子量を計算する。
４．

を使用して各成分の質量分率を計算する。
５．Ｑ_{m_i}＝Ｑ_m×ＭＦ_i 式８
を使用して所望の成分の質量流量を計算する。

標準体積／単位時間の単位で流量を計算するとき、成分ごとのlbm／単位時間の決定は少し複雑である。様々な成分の体積分率と調節モル分率とが同じであると仮定すると、第一の工程は簡単である。
１．ＶＦ_i＝ｘ_i-corr 式９
を使用して、i番目の成分の体積分率を各成分の質量分率として計算する。
２．Ｑ_{V_i}＝ＶＦ_i×Ｑ_V 式１０
として、所与の成分の体積流量を計算する。
３．Ｑ_{V_i}を標準立方フィート／単位時間の単位からlbm／単位時間の単位に変換するために、成分の基準密度を掛ける。正しい方法は、圧力及び温度ごとに異なる基準圧縮係数を要する実在ガスの法則を使用する。これは、望むならば、曲線あてはめ近似によって計算することができる。そして、i番目の成分の質量流量を以下のように計算する。

４．基準圧縮係数が利用可能でないならば、質量流量は、常に負の偏り誤差を生じさせる実在ガスの法則を使用して推定することができる。この計算のための式は以下である。

飽和水蒸気を含む乾性分率の質量流量

成分の質量流量を計算するための簡略化された方法は、はじめに水蒸気含量に関して修正したのち、乾性ガスの成分だけの質量流量を計算する工程を含む。換言するならば、この方法は、上記のように水蒸気に関して修正したのち、結果をスケーリングして、乾性ガス組成物中の成分による分率だけを出す工程を含む。この方法は基本的に、全質量流量を計算し、他の成分の質量分率を掛けることによって水蒸気の質量流量を除外する。

好ましい方法は、質量流量に関して上記のような計算を実施したのち、乾性ガス成分の質量流量を掛ける方法であろう。これは以下を与えるであろう。

そして、以下のようになる。

第二の方法は、以下の式を使用して、この調節を流量計算アルゴリズムに含める方法である。

合計中のＮ項は乾性ガス組成物中のＮ成分である。これらの式中、［］内の項は、ここでもまた、曲線あてはめ近似によって計算されるパラメータであろう。この内側の｛｝内の項は単に、乾性ガス組成物中の成分の質量分率である。

これを実施したならば、各成分の質量流量は、成分の質量分率及び乾性ガス組成物の分子量（一般に乾性ガス組成物によってガスクロマトグラフから供給されるパラメータ）を使用して容易に計算される。すると、計算は単に以下である。

密度が正しい密度値ではないため、第二の方法は小さな誤差を生じさせる。

この手法はまた、標準体積計算法にも有効であるが、基準密度に関連する問題が残る。

質量流量を測定するために、図１に示すような反復技術を使用して流量係数を計算することができる。図１に示すフローチャート１００は、プロセス変量がアルゴリズムによって受けられるブロック１０２から始まる。プロセス変量は、温度、圧力及び差圧を含む。ブロック１０２で、質量流量Ｑ_mを計算するために使用される反復計算中に変化しないままである式１の部分を表す係数Ａを計算する。ブロック１０４で、初期流量係数Ｃ_dをセットし、所望の収束精度を「Ｃｈｅｃｋ（照合基準）」として特定する。ブロック１０６で、Ｃｈｅｃｋの値を所望の収束精度（Convergence accuracy）と比較する。Ｃｈｅｃｋの値が所望の収束範囲の外であるならば、制御はブロック１０８へ進み、そこで質量流量Ｑ_mの初期値を計算する。ブロック１１０で、質量流量Ｑ_mの関数としてレイノルズ数Ｒ_Dを計算する。２２７３７．４７の定数値は、lb／秒単位のＱ_m、インチ単位のＤ、センチポイズ単位のμ及びlb／ft³単位のρに基づくことに留意すること。次いで、ブロック１１２で、ｄ_orifice／ｄ_pipeであるβ及び管の直径であるＤを用いて、流量係数の新たな値をレイノルズ数の関数として計算する。ブロック１１４で、新たに計算された流量係数の関数として新たなＣｈｅｃｋの値を計算して、解が十分に収束しているかどうかを判定する。その後、制御はブロック１０６に戻り、解が望みどおり収束するまでプロセスを繰り返す。ひとたび収束したならば、制御はブロック１１６に送られ、そこで、質量流量Ｑ_mの最終値を決定する。

本発明は、たとえば、設定ソフトウェアアプリケーションを使用して、圧力及び温度の関数としてガス混合物圧縮係数及びモル質量項の計算のための曲線あてはめ係数を計算することによって実施することができる。流量計算が密度の平方根を必要とするという事実、曲線あてはめのためのパラメータは以下である。

式１７中、項Ｍ_rは、ガス混合物のモル質量であり、圧力及び温度の関数として変化する。Ｚ項は、ガス組成、圧力及び温度の関数である圧縮係数である。

オプション及び結果をユーザに提示することができる方法はいくつかある。３０５１ＳＭＶ多変量トランスミッタ（Shakopee, MNのEmerson Process Managementから市販）のためのエンジニアリングアシスタント（ＥＡ）ソフトウェアのような既存の設定ソフトウェアがあるため、ユーザは、乾性ガス組成物を供給し、３０５１ＳＭＶをして、乾性ガス組成物に基づいて流量、エネルギー量及び総流量を計算させることに慣れている。一つの簡単な実施態様は、ソフトキーのようなボタン又は他の入力をＥＡ中の既存の流体組成画面に加えることであろう。このボタン又は他のそのような選択オプションは、ユーザが流量計算値を水蒸気の存在に関して修正することを許すであろう。

もう一つの例示的な実施態様は、指定されたプロセス条件における修正されたガス組成及び乾性組成物の表示をユーザに提供する。あるいはまた、指定された成分のための修正係数を圧力及び温度の関数として示すグラフを出力として表示又は提供することもできる。トランスミッタ又は他の流量コンピュータは、未修正及び修正済みの流量計算値のための記録されたデータを提供することができる。記録されたデータは、Ｐ、Ｔ、Ｚ、流量、エネルギー率ならびに未修正条件及び修正済み条件の両方の場合の修正係数を含むことができる。

本発明は様々な構成で実現することができる。図２は、ガス中の水蒸気による流量計測値を補正するためのシステム２００の簡略化ブロック図である。システム２００は、プロセス流体の圧力及び温度をそれぞれ感知するように構成された圧力センサ２０２及び温度センサ２０４を含む。また、プロセス流体の流量を計測するために使用することができる差圧センサ２０５が示されている。センサ回路２０６が、圧力センサ２０２及び温度センサ２０４からの出力を、マイクロプロセッサ２０８による使用のためのデジタル値に変換する。マイクロプロセッサ２０８は、メモリ２１０に記憶された命令にしたがって作動し、入出力回路２１２を使用して通信する。システム２００は、フィールド装置のような一つの装置で実現することができる。例示的なフィールド装置がプロセス変量トランスミッタである。もう一つの構成において、システム２００は、圧力及び温度計測を得るためにフィールド中に配置されたプロセス変量センサが使用され、マイクロプロセッサ２０８が別の場所、たとえば制御室などのような中枢的な場所で実現される分散配置で実現される。一つの構成において、メモリ２１０は曲線あてはめ係数２１４を記憶する。曲線あてはめ係数２１４は、曲線あてはめに依存する低パワー実施態様を使用してガス中の水蒸気濃度を測定するために上記のように使用することができる。十分なパワーが利用可能であるならば、水蒸気濃度は直接計算することができる。一般に、センサ回路２０６、マイクロプロセッサ２０８及びメモリ２１０は「計測回路」と呼ばれる。圧力センサ２０２が差圧をも計測するように構成されているならば、ガスの流量は、流量制限部をはさんでの差圧の関数として計算することができる。そのような構成において、流量計測値は、ガス中の水蒸気に関して補正することができる。

図３は、プロセス変量トランスミッタ３００がプロセス配管３０２に取り付けられ、流量制限部３０４をはさんでの差圧を計測するように配置されているシステム２００の一つの構成の簡略化ブロック図である。差圧は、流量制限部３０４を通過するプロセス流体３０５の流量と相関する。プロセス流体は、水蒸気を含むガスを含む。プロセス変量トランスミッタは、２線式プロセス制御ループ３１２のようなプロセス制御ループを介して制御室３１０のような中枢的な場所と通信している。そのような構成においては、同じ制御ループ３１２を通信とプロセス変量トランスミッタへの給電との両方に使用することができる。制御室は、電源３１２及び感知抵抗器３１４を含むように示されている。モニタリング又は設定システム３２０が示され、入出力回路３２２を使用する２線式プロセス制御ループ３１２を介して通信するように構成されている。システム３２０は、メモリ３２６に記憶された命令にしたがって作動するマイクロプロセッサ３２４を含む。表示装置３２８が、オペレータによる使用のために、ユーザ入力３３０とともに提供されている。そのような構成において、図２に示されたマイクロプロセッサ２０８及びメモリ２１０は、トランスミッタ３００中に実現されることができる。システム３２０は、プロセス変量トランスミッタ３００の設定段階で曲線あてはめ係数２１４をメモリ２１０に記憶するために使用することができる。もう一つの構成においては、マイクロプロセッサ３２４を使用してガス３０５中の水蒸気濃度の測定を直接実施することもできる。もう一つの例示的構成において、要素３１０は、手持ち型コンフィギュレータ又は制御室機器のような設定装置を含む。そのような装置３１０を使用して、曲線あてはめ係数２１４を、図２に示すメモリに記憶することができる。

上記のように、管中の水蒸気の存在はガス中の全成分のモル分率を変化させる。本発明は、この減少をユーザが定量することができるシステム及び方法を提供する。ＰＣベースの設定ソフトウェアが、乾性天然ガス混合物の計算された流量を修正するためのパラメータを計算するためのオプションを提供することができる。また、乾性天然ガス混合物の計算された流量をその混合物中の水蒸気の影響に関して修正するためのトランスミッタベースの計算を提供することもできる。トランスミッタは、乾燥した正しい天然ガス混合物の流量を計算する。トランスミッタは、天然ガス混合物の乾燥修正流量の記録されたデータを提供することができる。トランスミッタは、二酸化炭素の場合の修正係数の記録されたデータを提供する。ＰＣベースの設定ソフトウェアは、修正係数が画面上に提供され、メモリに記憶されるガス成分を選択するためのオプションを提供する。この情報は圧力及び温度の関数として提供される。上記特徴はまた、直接的な計算を実施するための計算パワーを有する流量コンピュータで実現することもできる。ガスの流量を計測するためのシステムは、流量と相関するガスの差圧を感知するように構成された差圧センサを含む。計測回路は、差圧に基づいてガスの流量を計測し、ガス中の水蒸気に関して補正を加えるように構成されている。ガス中の水蒸気の濃度を計測するためのシステムは、ガスの圧力を感知するように構成された圧力センサを含む。計測回路は、計測された圧力及び温度に基づいてガス中の水蒸気の濃度を測定するように構成されている。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを理解するであろう。曲線あてはめは、多項式曲線あてはめを含む任意の技術に従うことができる。

プロセス制御ループ３１２は、データがワイヤレスで送信されるワイヤレスプロセス制御ループを含む通信技術、たとえばデジタル情報が４〜２０mA電流に変調されるHART（登録商標）通信プロトコル、Foundation Fieldbus又はProfibus通信プロトコルなどに準じることができる。プロセス制御ループ１８はまた、ワイヤレス通信技術を使用して実現することもできる。ワイヤレス通信技術の一例が、ＩＥＣ６２５９１に準じるWirelessHART（登録商標）通信プロトコルである。Ethernet接続又は他のフィールドバス通信技術を含む他の物理的又はワイヤレス接続を使用するものを含め、他のタイプの制御ループを実現することもできる。本明細書の中で使用される「計測回路」は、マイクロプロセッサ、センサ回路及び／又はメモリを含むことができる。計測回路は、プロセス変量トランスミッタ内のような一つの場所で実現されることもできるし、分散した場所で、たとえば一部がプロセス変量トランスミッタ内で、一部が遠隔地、たとえば流量コンピュータ及び制御室内で実現されることもできる。同様に、計測回路は、全部が遠隔地で実現されることもできる。ガス中のＣＯ₂が具体的に参照されているが、本発明は、ガス中のいかなる成分にも適用可能であり、本明細書に記載される特定の例に限定されない。

Claims (19)

1. ガスの圧力を感知するように構成された圧力センサ；
   前記ガスの流量と相関する差圧を感知するように構成された差圧センサ；
   前記ガスの温度を感知するように構成された温度センサ；及び
   計測された圧力、差圧及び温度に基づいて前記ガス中の飽和水蒸気に関して補正された前記ガスの流量を測定するように構成された計測回路
   を含む、飽和水蒸気を含有するガスの流量を計測し、計測値を修正するためのシステム。
2. 前記圧力センサ、差圧センサ及び温度センサならびに計測回路がプロセス変量トランスミッタ中に実現されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記圧力センサ、差圧センサ及び温度センサがプロセス変量トランスミッタ中に実現され、前記計測回路が遠隔地で実現されている、請求項１記載のシステム。
4. 前記計測回路がプロセス制御ループを介して前記プロセス変量トランスミッタと通信している、請求項３記載のシステム。
5. 曲線あてはめ係数を記憶するメモリを含み、前記計測回路が、前記ガス中の水蒸気の濃度を測定するために、前記曲線あてはめ係数を前記メモリから検索する、請求項１記載のシステム。
6. 直接的な計算を使用して前記ガス中の水蒸気の濃度が測定される、請求項１記載のシステム。
7. 前記圧力センサ、温度及び計測回路がプロセス変量トランスミッタ中に実現され、システムがさらに、曲線あてはめ係数を前記プロセス変量トランスミッタのメモリ中に記憶することによって前記プロセス変量トランスミッタを設定するための装置を含む、請求項１記載のシステム。
8. 前記ガスの流量に関するデータを記録するためのメモリを含む、請求項１記載のシステム。
9. 記録されるデータが乾性ガス流量を含む、請求項８記載のシステム。
10. 記録されるデータが乾性ガス修正流量を含む、請求項８記載のシステム。
11. 前記計測回路が、前記ガス中の所望の成分のための修正係数を決定する、請求項１記載のシステム。
12. 修正係数の記録されたデータを記憶するメモリを含む、請求項１１記載のシステム。
13. 修正係数が提供される前記ガスの所望の成分を選択するためのユーザ入力を含む、請求項１０記載のシステム。
14. 前記曲線あてはめ係数が多項式係数を含む、請求項５記載のシステム。
15. 前記ガスの流れの中に配置された流量制限部を含み、前記差圧センサが、前記流量制限部をはさんで発生する圧力差を計測する、請求項１記載のシステム。
16. 測定された流量に関する情報を表示するための表示装置を含む、請求項１記載のシステム。
17. 前記計測回路が修正流量の出力指示を提供する、請求項１記載のシステム。
18. 前記測定された流量が質量流量を含む、請求項１記載のシステム。
19. 前記測定された流量が標準体積流量を含む、請求項１記載のシステム。

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