JP2021043165A - Flow pattern evaluation device for gas-liquid mixed phase flow, flow pattern evaluation method, and gas production system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流における流動様式を評価する流動様式評価装置、流動様式評価方法、及び流動様式評価装置を用いたガス生産システムに関する。 The present invention relates to a flow mode evaluation device for evaluating a flow mode in a gas-liquid mixed phase flow of a liquid and a gas flowing in a pipe, a flow mode evaluation method, and a gas production system using the flow mode evaluation device.
一般に、配管内を流れる液体と気体の気液混相流では、配管内の液体と気体の流量の比、液体及び気体の移動速度、配管内の圧力、液体及び気体の密度及び粘度、液体の種類等によって流動様式は変化する。流動様式は、例えば、液体に気泡が微細気泡のみで構成され、連続した液体中に微細気泡が分散した気泡流の様式や流路断面一杯に広がった大きな気泡と微細気泡を含む液体部分とが流路に沿って交互に流れるスラグ流の様式等を含む。
このような流動様式の違いによって、例えば、ポンプにおける液体の排出量を変化させることから、ポンプによる排出量を適正範囲に制御するには、配管内における気液混相流の流動様式を評価することは重要である。
Generally, in a gas-liquid mixed phase flow of liquid and gas flowing in a pipe, the ratio of the flow rate of liquid and gas in the pipe, the moving speed of liquid and gas, the pressure in the pipe, the density and viscosity of liquid and gas, and the type of liquid. The flow mode changes depending on the factors. The flow mode is, for example, a bubble flow mode in which bubbles are composed of only fine bubbles in a liquid and fine bubbles are dispersed in a continuous liquid, or a liquid portion containing large bubbles and fine bubbles spread over a cross section of a flow path. Includes the style of slag flow that flows alternately along the flow path.
For example, the amount of liquid discharged from the pump is changed by such a difference in the flow mode. Therefore, in order to control the amount discharged by the pump within an appropriate range, the flow mode of the gas-liquid multiphase flow in the pipe should be evaluated. Is important.
例えば、配管内の気液二相流のフローパターンを、配管およびその流れに影響を与えることなく、外部から高い正解率(精度)で、客観的に判別することができる気液二相流のフローパターン判別方法が知られている(特許文献1)。
この判別方法では、内部を気液二相流が流れる配管の外部から、気液二相流が発生する音、又は気液二相流により発生する配管の歪をデータとして連続的に記録する。記録したデータをカオス分析してフラクタル次元DとコルモゴロフエントロピーKを求め、求めたフラクタル次元DとコルモゴロフエントロピーKの大きさから気液二相流のフローパターンを判別する。
For example, the flow pattern of gas-liquid two-phase flow in a pipe can be objectively discriminated from the outside with a high accuracy rate (accuracy) without affecting the pipe and its flow. A flow pattern discrimination method is known (Patent Document 1).
In this discrimination method, the sound of gas-liquid two-phase flow or the strain of the pipe generated by gas-liquid two-phase flow is continuously recorded as data from the outside of the pipe through which the gas-liquid two-phase flow flows. The recorded data is chaotically analyzed to obtain the fractal dimension D and the cormogoloventropy K, and the flow pattern of the gas-liquid two-phase flow is discriminated from the sizes of the obtained fractal dimension D and the cormogoloventropy K.
しかし、上記判別方法では、外部環境の騒音の影響を受けて気液二相流が発生する音のデータを精度よく取得することは難しく、また、配管を取り巻く外部環境の変化に伴って生じる配管の歪みの影響を受けて、気液二相流によって発生する配管の歪のデータを精度よく取得することは難しく、その結果、気液二相流のフローパターンの判別を精度よく行なうことは難しい。
特に、海底内のガスハイドレートを分解してガスを生産するガス生産システムにおける配管内の気液混相流の場合、海底附近の海流による騒音や潮流による水圧の変化に伴う配管の歪み等のノイズ成分が、気液二相流のフローパターンの判別に用いる音や歪みのデータに含まれるため、配管内の気液二相流のフローパターンの判別を精度よく行なうことはできない。
However, with the above discrimination method, it is difficult to accurately acquire data on the sound of gas-liquid two-phase flow caused by the noise of the external environment, and the piping that occurs due to changes in the external environment surrounding the piping. It is difficult to accurately obtain data on piping strain generated by gas-liquid two-phase flow due to the influence of the strain of gas-liquid two-phase flow, and as a result, it is difficult to accurately discriminate the flow pattern of gas-liquid two-phase flow. ..
In particular, in the case of gas-liquid multiphase flow in a pipe in a gas production system that decomposes gas hydrate in the seabed to produce gas, noise such as noise due to the ocean current near the seabed and distortion of the pipe due to changes in water pressure due to tidal current. Since the components are included in the sound and distortion data used for discriminating the flow pattern of the gas-liquid two-phase flow, it is not possible to accurately discriminate the flow pattern of the gas-liquid two-phase flow in the pipe.
そこで、本発明は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流における流動様式を精度よく評価することができる気液混相流の流動様式評価装置、流動様式評価方法、及びガス生産システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a gas-liquid mixed phase flow flow mode evaluation device, a flow mode evaluation method, and a gas production system capable of accurately evaluating the flow mode in a gas-liquid mixed phase flow of liquid and gas flowing in a pipe. The purpose is to do.
本発明の一態様は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流の流動様式を評価する流動様式評価装置である。当該流動様式評価装置は、
配管の所定の観察位置を通過する気液混相流を撮像する撮像ユニットと、
コンピュータにより構成され、前記撮像ユニットで撮像した撮像画像から、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の画像を取得する画像取得ユニットと、
コンピュータによって構成され、前記液体と前記気体の気液混相流の生成条件を種々変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、前記複数の混相流画像における気液混相流の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、前記混相流画像と前記流動様式の分類結果との関係を機械学習した評価モジュールを含む機械学習ユニットと、
前記コンピュータによって構成され、前記画像取得ユニットで取得した前記気液混相流の画像を評価用画像として、前記評価モジュールを用いて、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の前記流動様式を前記評価用画像から評価する評価ユニットと、
を備える。
One aspect of the present invention is a flow mode evaluation device that evaluates the flow mode of a gas-liquid mixed phase flow of a liquid and a gas flowing in a pipe. The flow mode evaluation device is
An imaging unit that captures the gas-liquid multiphase flow passing through a predetermined observation position on the pipe,
An image acquisition unit configured by a computer and acquiring an image of the gas-liquid multiphase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position from an image captured by the image pickup unit.
A plurality of mixed-phase flow images formed by a computer and obtained by variously changing the conditions for generating the gas-liquid mixed-phase flow of the liquid and the gas are used as learning input data, and the flow of the gas-liquid multiphase flow in the plurality of mixed-phase flow images. A machine learning unit including an evaluation module in which the relationship between the multiphase flow image and the classification result of the flow mode is machine-learned using the format classification result as learning output data.
The flow mode of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position using the evaluation module using the image of the gas-liquid multiphase flow configured by the computer and acquired by the image acquisition unit as an evaluation image. With an evaluation unit that evaluates from the evaluation image,
To be equipped.
前記画像取得ユニットは、前記観察位置を通過する気液混相流を、所定のフレームレートで時系列に撮像して得られる前記気液混相流の前記観察位置における複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の1つの静止合成画像を前記評価用画像として作成する、ことが好ましい。 The image acquisition unit captures a plurality of images of the gas-liquid multiphase flow passing through the observation position in time series at a predetermined frame rate, and images a plurality of images of the gas-liquid multiphase flow at the observation position in chronological order. By joining them together, it is preferable to create one still composite image of the gas-liquid multiphase flow as it passes through the observation position as the evaluation image.
前記学習用入力データとして用いる前記混相流画像のそれぞれは、前記観察位置と同じ大きさの観察領域を通過する気液混相流を、前記フレームレートで時系列に撮像して、前記観察領域における前記気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成した前記気液混相流の1つの静止合成画像である、ことが好ましい。 Each of the multiphase flow images used as the input data for learning captures the gas-liquid multiphase flow passing through the observation region having the same size as the observation position in time series at the frame rate, and the said in the observation region. It is preferable that the image is one static composite image of the gas-liquid multiphase flow created by connecting a plurality of images of the gas-liquid multiphase flow in the order of time series.
前記配管における前記気体の空塔速度をVg[m/秒]とし、前記フレームレートをR[フレーム/秒]とし、前記観察位置の前記配管に沿った長さをL[m]としたとき、Vg/(R・L)は、1.42×10−3以上1.05×104以下である、ことが好ましい。 When the superficial velocity of the gas in the pipe is Vg [m / sec], the frame rate is R [frame / sec], and the length of the observation position along the pipe is L [m]. vg / (R · L) is 1.42 × 10 -3 or more 1.05 × 10 4 or less, it is preferable.
前記画像取得ユニットが取得する前記気液混相流の画像は、前記配管内を上昇する上昇流の画像である、ことが好ましい。 The image of the gas-liquid multiphase flow acquired by the image acquisition unit is preferably an image of an ascending flow rising in the pipe.
前記評価モジュールは、前記気液混相流内の気泡の移動速度、前記気液混相流内の気泡のサイズ、及び前記気泡の密度のうち少なくともいずれか1つを変更させた複数の画像を、前記学習用入力データとして用いて機械学習したモジュールである、ことが好ましい。 The evaluation module displays a plurality of images in which at least one of the moving speed of bubbles in the gas-liquid multiphase flow, the size of bubbles in the gas-liquid multiphase flow, and the density of the bubbles is changed. It is preferable that the module is machine-learned by using it as input data for learning.
前記評価モジュールは、前記混相流画像の他に、前記気液混相流内の気泡の移動速度、前記気液混相流内の気泡のサイズ、及び前記気泡の密度の少なくとも1つの数値情報を前記学習用入力データとして、機械学習したモジュールである、ことが好ましい。 In addition to the mixed-phase flow image, the evaluation module learns at least one numerical information of the moving speed of bubbles in the gas-liquid multiphase flow, the size of bubbles in the gas-liquid multiphase flow, and the density of the bubbles. It is preferable that the input data is a machine-learned module.
前記評価モジュールは、前記混相流画像の他に、前記気体の前記配管における空塔速度及び前記液体の前記配管における空塔速度の少なくとも1つの数値情報を前記学習用入力データとして、機械学習をしたモジュールである、ことが好ましい。 In addition to the multiphase flow image, the evaluation module performs machine learning using at least one numerical information of the superficial velocity of the gas in the pipe and the superficial velocity of the liquid in the pipe as input data for learning. It is preferably a module.
本発明の他の一態様は、前記流動様式評価装置を備えた、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するガス生産システムである。当該ガス生産システムは、
地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管であって、前記先端部から上方に延びる前記管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を前記管内の前記液体に取り込むように、前記先端部に設けられ前記管の外部に開口した孔を備えたライザー管と、
前記ライザー管内に設けられ、前記気液混合物を取り込んだ前記ライザー管内の前記液体から前記気泡を分離する気液分離装置と、
前記気泡から生成されたガスを、生産するガスとして、前記ライザー管から取り出すガス生成管を備えるガス生成ラインと、
前記気液分離装置で前記ガスが分離された前記液体を前記ライザー管から排出するために前記液体を吸い上げるポンプと、
前記ポンプで吸い上げられた前記液体を前記ライザー管から取り出す液体排出管を備える液体排出ラインと、
前記気液分離装置から前記ポンプに導く前記液体の経路となる導管を前記流動様式評価装置における前記配管とし、前記液体中に残留する気泡と前記液体とを気液混相流として、前記配管に設けられた観察位置を通過する気液混相流を撮像することにより、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の像を取得する前記画像取得ユニットと、前記流動様式評価装置の前記機械学習ユニットと、前記流動様式評価装置の前記評価ユニットと、を備え、前記気液分離装置内に前記液体の液面ができ、かつ、前記ガスハイドレートの分解が制御できるように、前記ポンプの回転を前記先端部における前記圧力に応じて制御する第1制御と、前記評価ユニットによる前記流動様式の評価結果に基づいて、前記第1制御により制御される前記ポンプの回転数をさらに制御する第2制御を行う制御装置と、を備える。
Another aspect of the present invention is a gas production system equipped with the flow mode evaluation device, which decomposes a gas hydrate in the ground to produce gas. The gas production system
A long tube having a tip configured to be buried in the ground, a gas hide outside the tube using the pressure generated by the liquid in the tube extending upward from the tip. By reducing the pressure acting on the rate, a gas-liquid mixture containing bubbles generated by decomposition from the gas hydrate is provided at the tip of the pipe and outside the pipe so as to be taken into the liquid in the pipe. A riser tube with an open hole and
A gas-liquid separator provided in the riser tube to separate the bubbles from the liquid in the riser tube that has taken in the gas-liquid mixture.
A gas generation line including a gas generation pipe for taking out the gas generated from the bubbles as a gas to be produced from the riser pipe, and a gas generation line.
A pump that sucks up the liquid in order to discharge the liquid from which the gas has been separated by the gas-liquid separator from the riser pipe.
A liquid discharge line including a liquid discharge pipe that takes out the liquid sucked up by the pump from the riser pipe, and
The conduit serving as the path of the liquid leading from the gas-liquid separation device to the pump is the pipe in the flow mode evaluation device, and the bubbles remaining in the liquid and the liquid are provided in the pipe as a gas-liquid mixed phase flow. The image acquisition unit that acquires an image of the gas-liquid multiphase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position by imaging the gas-liquid multiphase flow that passes through the observed position, and the flow mode. The machine learning unit of the evaluation device and the evaluation unit of the flow mode evaluation device are provided so that the liquid level of the liquid is formed in the gas-liquid separation device and the decomposition of the gas hydrate can be controlled. In addition, the first control that controls the rotation of the pump according to the pressure at the tip portion, and the rotation speed of the pump that is controlled by the first control based on the evaluation result of the flow mode by the evaluation unit. A control device for performing a second control for further controlling the above.
本発明のさらに他の一態様は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流における流動様式を評価する流動様式評価方法である。当該流動様式評価方法は、
配管内の所定の観察位置を通過する気液混相流を撮像することにより、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の画像を取得するステップと、
前記液体と前記気体の気液混相流の生成条件を変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、前記複数の混相流画像の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、前記混相流画像と前記流動様式の分類結果との間の関係を機械学習した評価モジュールを用意するステップと、
取得した前記気液混相流の画像を評価用画像として、前記評価モジュールを用いて、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の前記流動様式を評価するステップと、を備える。
Yet another aspect of the present invention is a flow mode evaluation method for evaluating a flow mode in a gas-liquid mixed phase flow of a liquid and a gas flowing in a pipe. The flow style evaluation method is
A step of acquiring an image of the gas-liquid multiphase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position by imaging a gas-liquid multiphase flow passing through a predetermined observation position in the pipe.
A plurality of mixed-phase flow images obtained by changing the generation conditions of the gas-liquid mixed-phase flow of the liquid and the gas are used as learning input data, and the classification results of the flow modes of the plurality of mixed-phase flow images are used as learning output data. A step of preparing an evaluation module in which the relationship between the multiphase flow image and the classification result of the flow mode is machine-learned, and
Using the acquired image of the gas-liquid multiphase flow as an evaluation image, the evaluation module is provided with a step of evaluating the flow mode of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position.
前記気液混相流の画像を取得するステップは、前記観察位置を通過する気液混相流を、所定のフレームレートで時系列に順次撮像して、前記観察位置における前記気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の1つの静止合成画像を作成する処理を含む、ことが好ましい。 In the step of acquiring an image of the gas-liquid multiphase flow, the gas-liquid multiphase flow passing through the observation position is sequentially imaged in time series at a predetermined frame rate, and a plurality of the gas-liquid multiphase flows at the observation position are sequentially imaged. It is preferable to include a process of creating one still composite image of the gas-liquid multiphase flow as it passes through the observation position by stitching the images in chronological order.
前記学習用入力データとして用いる前記混相流画像のそれぞれは、前記観察位置と同じ大きさの領域を通過する気液混相流を、前記フレームレートで時系列に順次撮像して、前記領域における前記気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成した前記気液混相流の1つの静止合成画像である、ことが好ましい。 Each of the mixed-phase flow images used as the learning input data sequentially images the gas-liquid multiphase flow passing through a region having the same size as the observation position in time series at the frame rate, and the gas in the region. It is preferable that the image is one static composite image of the gas-liquid multiphase flow created by connecting a plurality of images of the liquid-mixed multiphase flow in chronological order.
上述の流動様式評価装置、及び流動様式評価方法によれば、配管内を流れる液体と気体の気液混相流における流動様式を精度よく評価することができる。 According to the above-mentioned flow mode evaluation device and flow mode evaluation method, it is possible to accurately evaluate the flow mode in the gas-liquid mixed phase flow of liquid and gas flowing in the pipe.
以下、一実施形態の流動様式評価装置、流動様式評価方法、及びガス生産システムを、図面を参照しながら説明する。図1(a)〜(d)は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流の流動様式の例を説明する図である。 Hereinafter, the flow mode evaluation device, the flow mode evaluation method, and the gas production system of one embodiment will be described with reference to the drawings. 1 (a) to 1 (d) are diagrams for explaining an example of a flow mode of a gas-liquid mixed phase flow of a liquid and a gas flowing in a pipe.
図1(a)〜(d)に示すように流動様式は、気泡流の形態(図1(a)に示す流動様式1)、スラグ流の形態(図1(b)に示す流動様式3)、チャーン流の形態(図1(c)に示す流動様式5)、及び環状流の形態(図1(d)に示す流動様式7)、を含む。気泡流の形態は、気泡が微細気泡のみで構成され、連続した液体中に微細気泡が分散した流れの形態である。スラグ流の形態は、流路断面一杯に広がった大きな気泡(気体スラグ)と微細気泡を含む液体部分(液体スラグ)と、が流路に沿って交互に流れる形態である。チャーン流の形態は、気体スラグが長くなり、その界面が脈動している流れの形態であり、液体スラグ中に多数の気泡を含み、気体スラグと液体スラグの境界が不明瞭な形態である。環状流の形態は、管壁に液体の膜が存在し、流路断面中心部には多数の気体内に液滴が点在した流れの形態である。
As shown in FIGS. 1 (a) to 1 (d), the flow modes are a bubble flow form (flow mode 1 shown in FIG. 1 (a)) and a slug flow form (flow mode 3 shown in FIG. 1 (b)). , A form of churn flow (flow
このような流動様式1,3,5,7の他に、流動様式1と流動様式3の間の中間の形態を示す流動様式2、流動様式3と流動様式5の間の中間の形態を示す流動様式4、及び流動様式5と流動様式7の間の中間の形態を示す流動様式6を、以下説明する評価モジュール1による予測対象の項目とする。
In addition to
図2は、一実施形態で用いる評価モジュール1を説明する図である。
評価モジュール1は、液体と気体の気液混相流の生成条件を種々変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、複数の混相流画像における気液混相流の流動様式の分類結果(流体様式1〜7)を学習用出力データとして、混相流画像と流動様式の分類結果との間の関係を機械学習したモジュールである。このような評価モジュール1は、コンピュータによって構成される。
学習用入力データ及び学習用出力データを用いて機械学習した評価モジュール1は、
後述する画像取得ユニット18c(図3参照)で取得した気液混相流の画像を評価用画像として、気液混相流の流動様式を評価する。
FIG. 2 is a diagram illustrating an evaluation module 1 used in one embodiment.
The evaluation module 1 uses a plurality of mixed-phase flow images obtained by variously changing the generation conditions of a liquid-gas gas-liquid multiphase flow as input data for learning, and classifies the flow modes of the gas-liquid mixed-phase flow in the plurality of mixed-phase flow images. This module uses the results (fluid modes 1 to 7) as training output data and machine-learns the relationship between the multiphase flow image and the classification result of the flow mode. Such an evaluation module 1 is configured by a computer.
The evaluation module 1 that has been machine-learned using the learning input data and the learning output data is
The flow mode of the gas-liquid multiphase flow is evaluated using the image of the gas-liquid multiphase flow acquired by the
評価モジュール1は、周知のディープラーニングに代表される深層ニューラルネットワーク、好ましくは、畳み込みニューラルネットワークを用いたモデル、複数の決定木を使用して「分類」または「回帰」をする、周知のランダムフォレスト法を用いたモデル、及びLASSO回帰を用いたモデルを含む。また、評価モジュール1のモデルにおいて、多項式あるいはクリギング、RBF(Radial Base Function)を用いた非線形関数を用いることもできる。 Evaluation module 1 is a well-known random forest that "classifies" or "regresses" using a deep neural network represented by well-known deep learning, preferably a model using a convolutional neural network, and a plurality of decision trees. Includes models using the method and models using LASSO regression. Further, in the model of the evaluation module 1, a non-linear function using a polynomial, kriging, or RBF (Radial Base Function) can also be used.
図3は、一実施形態の流動様式評価装置10の構成の一例を示す図である。
流動様式評価装置10は、配管11内を流れる液体と気体の気液混相流の流動様式を評価する装置である。配管11には、観察窓11a及び照明窓11bが設けられている。
流動様式評価装置10は、光源12と、撮像ユニット14と、コンピュータ18と、入力操作部20と、モニタ22と、を備える。
光源12は、照明光を照明窓11bに向けて出射して、気液混相流を照明する。高原12は、例えばLED光源が用いられる。
撮像ユニット14は、照明光をバックライト光として気液混相流の像を撮像する。像において、液体の部分は暗くなり、気泡等の気体の部分は明るくなる。このため、気体の部分を液体の部分から明確に識別することができる。
撮像ユニット14は、例えば一定のフレームレート、例えば24[フレーム/秒]〜70000[フレーム/秒]で連続的に撮像する。撮像ユニット14で得られた気液混相流の像は、コンピュータ18に送られる。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the flow mode evaluation device 10 of one embodiment.
The flow mode evaluation device 10 is a device that evaluates the flow mode of the gas-liquid mixed phase flow of liquid and gas flowing in the pipe 11. The pipe 11 is provided with an observation window 11a and an illumination window 11b.
The flow mode evaluation device 10 includes a
The
The
The
コンピュータ18は、CPU18aと、ROM及びRAMを含むメモリ18bとを含み、キーボードあるいはマウスを含む入力操作装置20及びモニタ22と接続されている。コンピュータ18は、各種処理を実行する際にコンピュータプログラムをメモリ18bから読み込んでコンピュータプログラムを起動させる。コンピュータプログラムは、各種処理を実行する。例えば、コンピュータ18は、各種処理を実行するユニットとして、画像取得ユニット18c、機械学習ユニット18d、及び評価ユニット18eを形成する。すなわち、画像取得ユニット18c、機械学習ユニット18d、及び評価ユニット18eは、コンピュータ18上で形成されるソフトウェアモジュールである。
The
画像取得ユニット18cは、コンピュータ18により構成され、撮像ユニット14で撮像した撮像画像から、気液混相流が観察位置を通過するときの気液混相流の画像を取得する。
機械学習ユニット18dは、コンピュータ18によって構成され、液体と気体の気液混相流の生成条件を種々変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、複数の混相流画像における気液混相流の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、混相流画像と流動様式の分類結果との間の関係を機械学習した評価モジュール1(図2参照)を含む。
評価ユニット18eは、コンピュータ18によって構成され、画像取得ユニット18cで取得した気液混相流の画像を評価用画像として、評価モジュール1を用いて、観察位置を通過するときの気液混相流の流動様式を評価する。流動様式の評価とは、評価しようとする気液混合流の流動様式が、流体様式1〜7のいずれにあるかを定めることをいう。
The
The machine learning unit 18d is composed of a
The evaluation unit 18e is composed of a
入力操作装置20は、画像取得ユニット18c、機械学習ユニット18d、及び評価ユニット18eで行う処理において種々設定する条件を設定するために用いられる。
モニタ22は、上記条件を設定するための条件設定画面や、各処理を行ったときの処理結果の画面を表示する。
The
The
撮像ユニット14で撮像する気液混相流の観察位置は、一実施形態では、観察窓11aを通して撮像される視野範囲内の一部である。
図4(a)は、一実施形態の流動様式評価装置10の撮像ユニット14が撮像した像と観察位置の一例を示す図である。図4(a)に示すように、撮像した像は、観察窓11a周りと、観察窓11aを通した気液混相流の像を含む。ここで、観察位置は、観察窓11aの領域内の一部の領域である。図4(a)は、観察位置Wが矩形領域で示している。このような観察窓11aを通して得られる気液混相流の像の一部、すなわち、観察位置Wの像を通過する気液混相流の像を評価用画像とすることが好ましい。気液混相流は、配管11の管長手方向の場所によって流動様式が変化する非定常状態の流れとなっている場合が多く、場所によって流動様式が変化し易い。特に、配管11を高さ方向に延在させて配管11内で上昇流の気液混相流を形成させた場合、重力の影響を受けて、配管の高さ方向の場所によって流動様式は大きく異なる。このため、観察位置Wにおける流動様式を誤ることなく評価することが好ましい。例えば、液体を吸い込んで上方向に送出させるポンプにおいて、ポンプの吸い込み口直前の流動様式に応じてポンプの送出特性が変化するので、ポンプの送出特性を、適切な特性に制御するためには、流動様式を誤りなく評価して、この評価結果に基づいてポンプの駆動を制御することが好ましい。この点から、本実施形態では、撮像ユニット14で撮像した撮像画像から、気液混相流が観察位置Wを通過するときの気液混相流の画像を取得する。観察位置Wにおける管長手方向の長さFは、例えば管の直径Qとの比F/Qは、5.71×10−5〜20であることが好ましく、0.005〜1.2であることがより好ましい。
これにより、評価ユニット18eは、取得した気液混相流の画像を評価用画像として、機械学習ユニット18dの評価モジュール1を用いて、観察位置Wを通過するときの気液混相流の流動様式を評価することができる。
In one embodiment, the observation position of the gas-liquid multiphase flow imaged by the
FIG. 4A is a diagram showing an example of an image and an observation position imaged by the
As a result, the evaluation unit 18e uses the acquired image of the gas-liquid multiphase flow as an evaluation image, and uses the evaluation module 1 of the machine learning unit 18d to determine the flow mode of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position W. Can be evaluated.
さらには、気液混相流の流動様式は、配管10の管長手方向の場所によって変化する場合を考慮すると、観察位置Wの管長手方向の範囲は狭いことが好ましい。しかし、流動様式には、図1(b),(c)に示すように、気体スラグと微細気泡を含む液体スラグが交互に流れるため、スラグ流あるいはチャーン流を狭い観察位置Wの像を用いて誤りなく評価することは難しく、観察位置Wの範囲を大きくして像を得ることが好ましい。
すなわち、観察位置Wの範囲を広げると、配管11の場所によって流動様式が異なるため、誤った流動様式の評価を行い易くなる一方、観察位置Wの範囲を狭くすると、スラグ流あるいはチャーン流を誤りなく評価することは難しい。
このため、一実施形態によれば、画像取得ユニット18cは、観察位置Wを通過する気液混相流を、所定のフレームレートで時系列に撮像し、この撮像により得られる気液混相流の観察位置Wにおける複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより、観察位置Wを通過するときの気液混相流の1つの静止合成画像を評価用画像として作成することが好ましい。
Further, considering the case where the flow mode of the gas-liquid multiphase flow changes depending on the location of the pipe 10 in the pipe longitudinal direction, it is preferable that the range of the observation position W in the pipe longitudinal direction is narrow. However, as shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c), gas slag and liquid slag containing fine bubbles flow alternately in the flow mode, so a narrow observation position W is used for the slag flow or churn flow. Therefore, it is difficult to evaluate without error, and it is preferable to obtain an image by increasing the range of the observation position W.
That is, if the range of the observation position W is widened, the flow mode differs depending on the location of the pipe 11, so that it is easy to evaluate the erroneous flow mode. On the other hand, if the range of the observation position W is narrowed, the slag flow or the churn flow is erroneous. It is difficult to evaluate without.
Therefore, according to one embodiment, the
図4(b)は、一実施形態の流動様式評価装置10で得られる静止合成画像Iの一例を示す図である。静止合成画像Iは、観察位置Wを通過するときの気液混相流の画像である。この画像は、観察位置Wを通過する気液混相流を、所定のフレームレートで撮像ユニット18により時系列に連続して撮像したときに得られる気液混相流の観察位置Wにおける複数の像を、時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成したものである。
したがって、静止合成画像Iは、観察窓11aを広げて1回の撮像で得られた気液混相流の1つの画像とは異なる場合が多い。
FIG. 4B is a diagram showing an example of a still composite image I obtained by the flow mode evaluation device 10 of one embodiment. The static composite image I is an image of a gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position W. This image shows a plurality of images at the observation position W of the gas-liquid multiphase flow obtained when the gas-liquid multiphase flow passing through the observation position W is continuously imaged in time series by the
Therefore, the still composite image I is often different from one image of the gas-liquid multiphase flow obtained by expanding the observation window 11a and performing one imaging.
一実施形態によれば、評価モジュール1における流動様式の評価の誤りが少なくなるように、学習用入力データとして用いる混相流画像のそれぞれは、静止合成画像Iと同様に、観察位置Wと同じ大きさの観察領域を通過する気液混相流を、上記フレームレートと同じフレームレートで時系列に撮像して、観察領域における気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成した気液混相流の1つの静止合成画像であることが好ましい。 According to one embodiment, each of the multiphase flow images used as the input data for learning has the same size as the observation position W, as in the still composite image I, so that the error in the evaluation of the flow mode in the evaluation module 1 is reduced. Created by imaging the gas-liquid multiphase flow passing through the observation region in time series at the same frame rate as the above frame rate, and connecting multiple images of the gas-liquid multiphase flow in the observation region in the order of time series. It is preferable that it is one still composite image of the gas-liquid multiphase flow.
このような学習用入力データとして用いる混相流画像は、配管11と同じ径の配管の下端から液体と気体を設定した量供給して気液混相流を作成する。気液混相流は、配管の下端からの高さに応じて流動様式が様々に変化することから、配管の管長手方向の異なる複数の場所で気液混相流を撮像して、観察領域における気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせて1つの静止合成画像を作成することが好ましい。これにより、種々の流動様式の気液混相流の静止合成画像を適切な枚数取得することができ、評価モジュール1の評価精度を向上させることができる。 The mixed-phase flow image used as such learning input data is created by supplying a set amount of liquid and gas from the lower end of a pipe having the same diameter as the pipe 11. Since the flow mode of the gas-liquid multiphase flow changes variously depending on the height from the lower end of the pipe, the gas-liquid multiphase flow is imaged at a plurality of locations different in the longitudinal direction of the pipe, and the air in the observation region. It is preferable to create one still composite image by connecting a plurality of images of the liquid multiphase flow in the order of time series. As a result, an appropriate number of static composite images of gas-liquid mixed-phase flow of various flow modes can be acquired, and the evaluation accuracy of the evaluation module 1 can be improved.
一実施形態によれば、配管11における気体の空塔速度をVg[m/秒]とし、撮像ユニット14における撮像のフレームレートをR[フレーム/秒]とし、観察位置Wの配管11に沿った長さをL[m]としたとき、Vg/(R・L)は、1.42×10−3以上1.05×104以下である、ことが好ましい。より好ましくは、Vg/(R・L)は、0.003以上36以下である。気液混相流の繋ぎあわせる像は途切れることなく、静止合成画像内に含まれることが好ましい。空塔速度は、気体の体積流量を配管11の断面積で割った値であり、配管11を流れる気体の平均流速といえるが、気泡の移動速度は、流動様式によって変化するため、必ずしも空塔速度と観察位置Wを通過する気泡の移動速度は同じではない。このため、Vg/(R・L)は、1.42×10−3以上1.05×104以下とすることで、気液混相流の繋ぎあわせる像が途切れることを抑制することができる。繋ぎあわせる像の同じ部分(例えば、同じ気泡の部分)は一部重複しても、流動様式の評価結果に大きな影響を与えないが、像内の同じ部分が重複しないようにするためには、繋ぎあわせる像を画像処理して、この像内の同じ部分を特定して、この同じ部分を像から除去することにより、気液混相流の像が途切れることなく、かつ、重複することがないように静止合成画像を作成してもよい。
According to one embodiment, the superficial velocity of gas in the pipe 11 is Vg [m / sec], the frame rate of imaging in the
図3,4に示すように、所定のフレームレートで撮像ユニット18により時系列に連続して撮像したときに得られる気液混相流の観察位置Wにおける複数の像を、時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成した静止合成画像Iを評価用画像とする上記実施形態によれば、画像取得ユニット18が取得する気液混相流の画像を配管11内を上昇する上昇流の画像とすることができる。上昇流の画像は、重力の影響を受けて、配管11の場所によって異なる流動様式を示す場合が多いので、観察位置Wを通過する気液混相流の像を繋ぎあわせることにより、観察位置Wにおける流動様式を適切に評価することができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, a plurality of images at the observation position W of the gas-liquid multiphase flow obtained when images are continuously imaged in time series by the
評価モジュール1は、気液混相流内の気泡の移動速度、気液混相流内の気泡のサイズ、及び気泡の密度のうち少なくともいずれか1つを変更させた複数の画像を、学習用入力データとして用いて機械学習したモジュールである、ことが好ましい。評価用画像として用いる気液混相流は、気泡のサイズ、密度、及び気泡の移動速度が種々異なる場合が多く、安定した評価が得られるためには、気泡の移動速度、気液混相流内の気泡のサイズ、及び気泡の密度のうち少なくともいずれか1つを変更させた複数の画像を用いて、評価モジュール1に機械学習させることが好ましい。 The evaluation module 1 uses input data for learning a plurality of images in which at least one of the moving speed of bubbles in the gas-liquid multiphase flow, the size of bubbles in the gas-liquid multiphase flow, and the density of bubbles is changed. It is preferable that the module is machine-learned by using the above. The gas-liquid multiphase flow used as an evaluation image often differs in the size and density of bubbles and the moving speed of bubbles, and in order to obtain a stable evaluation, the moving speed of bubbles and the moving speed of the gas-liquid mixed flow are included. It is preferable to let the evaluation module 1 perform machine learning using a plurality of images in which at least one of the bubble size and the bubble density is changed.
一実施形態によれば、評価モジュール1は、混相流画像の他に、気液混相流内の気泡の移動速度、気液混相流内の気泡のサイズ、及び気泡の密度の少なくとも1つの数値情報を学習用入力データとして、機械学習したモジュールである、ことが好ましい。このような評価モジュール1では、評価用画像の他に、気液混相流内の気泡の移動速度、気液混相流内の気泡のサイズ、及び気泡の密度の少なくとも1つの数値情報を入力することにより、より正確に流動様式の評価を行うことができる。 According to one embodiment, the evaluation module 1 has at least one numerical information of the moving speed of bubbles in the gas-liquid multiphase flow, the size of the bubbles in the gas-liquid multiphase flow, and the density of the bubbles, in addition to the mixed-phase flow image. Is preferably a machine-learned module using the above as input data for learning. In such an evaluation module 1, in addition to the evaluation image, at least one numerical information of the moving speed of the bubbles in the gas-liquid multiphase flow, the size of the bubbles in the gas-liquid multiphase flow, and the density of the bubbles is input. Therefore, the flow mode can be evaluated more accurately.
また、他の一実施形態によれば、評価モジュール1は、混相流画像の他に、気体の配管における空塔速度及び液体の配管における空塔速度の少なくとも1つの数値情報を学習用入力データとして、機械学習をしたモジュールである、ことも好ましい。このような評価モジュール1では、評価用画像の他に、気体の配管における空塔速度及び液体の配管における空塔速度の少なくとも1つの数値情報を入力することにより、より正確に流動様式の評価を行うことができる。 Further, according to another embodiment, the evaluation module 1 uses at least one numerical information of the superficial velocity in the gas pipe and the superficial velocity in the liquid pipe as input data for learning in addition to the multiphase flow image. It is also preferable that the module is machine-learned. In such an evaluation module 1, in addition to the evaluation image, at least one numerical information of the superficial velocity in the gas pipe and the superficial velocity in the liquid pipe is input to more accurately evaluate the flow mode. It can be carried out.
一実施形態によれば、流動様式評価装置10は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するガス生産システムに適用することができる。
ガス生産システムでは、地中内のガスハイドレートを減圧法により分解してできるガスを、ライザー管を用いて地上に取りだす。ガスハイドレートは、海底の地中内に埋蔵されている場合が多く、ガスの取り出しの際、水や海水も同時に取り出される。特に、減圧法では、ポンプによる水や海水の地上への組み上げにより、ライザー管の下部を減圧して下部にあるガスハイドレートを分解させる。ガスハイドレートが分解して得られるガスを取りだす際、水や海水とガスが気液混相流となっているので、気液分離装置を用いて、ガスと水や海水は分離される。しかし、この分離が十分でない場合、水や海水をポンプが吸い上げようとするとき、ガスが水や海水内に紛れ込んでポンプ内に吸い込まれる。このため、ポンプの排水特性が不安定となり、減圧法によるガスハイドレートの分解のための制御を安定して行うことができない場合がある。したがった、ポンプの送出特性を安定して制御するために、ポンプによって吸い上げられる水や海水に混じるガスの形態、すなわち気液混相流の流動様式を適切に評価することが必要である。
According to one embodiment, the flow mode evaluation device 10 can be applied to a gas production system that decomposes a gas hydrate in the ground to produce gas.
In the gas production system, the gas produced by decomposing the gas hydrate in the ground by the decompression method is taken out to the ground using a riser pipe. Gas hydrate is often buried in the ground on the seabed, and when gas is taken out, water and seawater are also taken out at the same time. In particular, in the decompression method, the lower part of the riser pipe is decompressed and the gas hydrate in the lower part is decomposed by assembling water or seawater on the ground by a pump. When the gas obtained by decomposing the gas hydrate is taken out, water or seawater and gas are in a gas-liquid multiphase flow, so the gas and water or seawater are separated by using a gas-liquid separator. However, if this separation is not sufficient, when the pump tries to suck up water or seawater, the gas will be mixed into the water or seawater and sucked into the pump. For this reason, the drainage characteristics of the pump become unstable, and it may not be possible to stably control the decomposition of gas hydrate by the decompression method. Therefore, in order to stably control the delivery characteristics of the pump, it is necessary to appropriately evaluate the form of the gas mixed with the water sucked up by the pump and the seawater, that is, the flow mode of the gas-liquid multiphase flow.
図5及び図6は、一実施形態のガス生産システム(以下、単にシステムという)30の構成の一例を示す図である。以下、ガスハイドレートとして天然ガスハイドレートを例として説明する。
システム30は、海上にある掘削船33から海底を経由して地中に延びるライザー管40内で、地中内の天然ガスハイドレートを分解して天然ガスを生成して地上に取り出すシステムである。
システム1は、ライザー管40と、気液分離装置50と、ポンプ53と、ガス生成ライン42と、液体排出ライン43と、制御装置70と、を主に備える。
5 and 6 are diagrams showing an example of the configuration of the gas production system (hereinafter, simply referred to as a system) 30 of one embodiment. Hereinafter, natural gas hydrate will be described as an example of gas hydrate.
The
The system 1 mainly includes a
ライザー管40は、地中内に埋設されるように構成された先端部40aを有する長尺状の管である。ライザー管40は、図5に示す例では、掘削船33から鉛直下方に延び、先端部40aが、海底の坑井37内に埋設されている。坑井37は、掘削により設けられた穴であり、図5に示す例において、海底面32を含む上層34を貫通し、下層に位置するハイドレート層35内で閉塞している。上層34は、例えば、泥を多く含む泥質層である。ハイドレート層35は、例えば、泥と砂を多く含む砂泥互層と呼ばれる層である。ハイドレート層35は、天然ガスハイドレートが砂や泥に取り込まれて存在する、横方向に広がった砂質層を有している。上層34とハイドレート層35との境界は、例えば、海底面下数百メートルの位置にあり、海底面32は、例えば、水深300メートル〜千数百メートルの位置にある。
The
ライザー管40は、管本体41と、スクリーン49(図6参照)と、を備える。
気液分離装置50と、ポンプ53と、ガス生成ライン42と、液体排出ライン43と、ヒータ56とが、管本体41内に設けられている。
The
A gas-
管本体41は、後述する揚収管として機能する部分48の孔48aを除いて、内側の空間を水や海水から隔絶する部材である。管本体41には、図5に示す例では、内側の空間を上下に仕切る隔壁47a,47b、及び隔壁47cが設けられている。隔壁47cからライザー管40の先端まで延びる管本体41の部分は、ハイドレート層35から液体内に取り込まれた気液混合物が液体とともに上方に向かって流れる部分48(以降、この部分を、揚収管部分48ともいう)であり、図5に示す例では、隔壁47cから上方の管本体41の部分と比べ、管径が小さい。揚収管部分48は、ハイドレート層35内に位置している。
The
スクリーン49(図6参照)は、揚収管部分48にライザー管40の外部に開口した孔48aを覆うように設けられている。孔48aは、ライザー管40の、地中の最も深い位置に延びている先端部に設けられている。孔48aは、ハイドレート層35内の砂質層と接する深さ位置にある揚収管部分48に設けられている。
孔48aに設けられたスクリーン49は、天然ガスハイドレートの分解によって生成した気泡及び水、さらには海水を取り込み、砂や泥を分離除去する部材である。スクリーン49は、気泡、水、海水を通過させるが、砂や泥を通過させない機能を有している。スクリーン49は、例えば、多数の孔を有するシート状又は板状の構造体であって、互いに孔の大きさや形態が異なる複数の構造体から構成される。複数の構造体の組み合わせの具体例として、ジョンソンスクリーン、メッシュ、及びグレーチングが挙げられる。ジョンソンスクリーンは、ジョンソンスクリーン社製の金網状の構造体として周知である。グレーチングは鋼材を格子状に組んだ部材である。ジョンソンスクリーン、メッシュ、グレーチングは、揚収管部分48の側からハイドレート35層の側に向かって、この順に、揚収管部分48に重ねて配置される。
すなわち、ライザー管40は、先端部40aに設けられ管の外部に開口した孔48aを備える。孔48aは、先端部40aから上方に延びるライザー管40内の液体によって生じる圧力を用いてライザー管40の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物をライザー管40内の液体に取り込むように機能する。
The screen 49 (see FIG. 6) is provided in the
The
That is, the
図6に示すように、揚収管部分48には、スクリーン49を通過した気液混合物を取り込むための複数の孔48aが深さ方向に沿って設けられている。孔48aは、揚収管部分48の壁部を貫通し、揚収管部分48の外部に開口している。ライザー管40が孔48aを備えることで、坑底圧を用いて天然ガスハイドレートに作用する圧力を低減し、これによって、気液混合物をライザー管40内に取り込むことができる。
坑底圧とは、ライザー管40の先端部40aから上方に延びるライザー管40内の液体によってライザー管40内の先端部40aにおいて生じる圧力と後述する気相空間Gの圧力の和であり、後述する液面Sの下方の液体によって、ライザー管40の下端が受ける水頭圧によって略定まる圧力である。ライザー管40の下端は、坑井37の穴底(坑底)と略同じ高さ(海面からの深さ)に位置している。先端部40aは、下端と略同じ高さ(海面からの深さ)に位置し、この先端部40aに孔48aが設けられている。
ライザー管40内の液体には、天然ガスハイドレートから分解して生成された気液混合物が取り込まれるほか、孔48aを通して進入した水や海水が取り込まれる。気液混合物は気泡を含むので、ライザー管40内の液体には気泡が混在している。水や海水は、ハイドレート層35に含まれる水や海水、ハイドレート層5と接する他の地層に含まれる水や海水を起源としている。
As shown in FIG. 6, the
The bottom pressure is the sum of the pressure generated at the
In the liquid in the
ライザー管40は、揚収管部分48の先端部40a、詳細にはライザー管40の下端に設けられた、坑底圧を測定する圧力計61を、さらに有している。圧力計61は、制御装置70(図5参照)に接続されており、坑底圧の計測信号を制御装置70に向けて出力する。
The
図6に示すように、気液分離装置50、ポンプ53、及びヒータ56は、隔壁47b、47cによって仕切られたライザー管40の空間45b内に設けられている。空間45b内には、図6に示す例において、液体の液面Sの上方に、気液分離装置50によって液体から分離されたガスが流入する気相空間Gが形成される。なお、気相空間Gは、海底面32より上方に位置するようライザー管40内に形成されることが好ましい。
As shown in FIG. 6, the gas-
気液分離装置50は、揚収管部分48内で液体に取り込まれる気液混合物中の気泡の少なくとも一部を分離する装置である。分離された気泡内のガスは、生産されるガスである。気液分離装置50は、一実施形態によれば、囲み容器51と、遠心分離器52と、を有する。
The gas-
囲み容器51は、液体排出ライン43を構成する液体輸送管44(後述)の下端を外側から囲むコップ形状の部材である。なお、液体輸送管44内には、遠心分離器52及びポンプ53が設けられている。図6に示す例では、囲み容器51は、管本体41の内壁と隙間をあけて配置された筒状の側壁51aと、側壁51aの下端を塞ぐ底壁51bと、を有する。側壁51aの上端が、液体輸送管44の下端より上方に位置している。これにより、気液混合物を含んだ液体は、図6に示す細い矢印に沿って、管本体41と側壁51aの隙間を上昇した後、液体は、側壁51aと液体輸送管44との隙間を下降し、液体輸送管44内に流れ込む。この過程で、比較的大きい気泡は、浮上速度が大きいため、液体が液体輸送管44内に流れ込むまでに、液体の流れと分離して液面Sに浮上し、ガスが気相空間Gに放出される。図6において、気泡の流れを太い矢印で示す。
すなわち、気液分離装置50は、液体の流路が上方に向いた上昇路と、液体から気泡の一部を排除するために、上昇路に接続され液体の流路を上方から下方に変更させる下降路と、を備える。このような気液分離の方式を、気体と液体にかかる重力(比重)を利用して分離するので、重力分離方式という。
The surrounding
That is, the gas-
遠心分離器52は、液体輸送管44内に流れ込む液体中に依然として残存する比較的小さい気泡を液体から分離する装置である。遠心分離器52は、図6に示す例では、液体輸送管44内に設けられ、鉛直方向に延びる回転中心線の周りに回転する回転体52aを有する。回転体52aは、後述するモータ54によって駆動される。気泡を含んだ液体は、回転体52aに接近すると、回転体52aの回転によって作られた旋回流に沿って流れる。このとき、気泡及び液体に遠心力が作用し、液体は、気泡より比重が大きいため、回転中心線から遠ざかるように移動し、気泡は、液体に比べて回転中心線に近い側に集められる。このとき、集められて大きくなった気泡は、液体輸送管44に設けられた、液体輸送管44の外部に開口する孔から放出される。これにより、液面Sに浮上し気相空間Gに放出される。一方、液体輸送管44の孔から放出されなかった微小な気泡は、液体とともに液体輸送管44内を上昇する。このように、遠心力を利用して分離する方式を遠心分離方式という。
このように、気液分離装置50は、重力分離方式と遠心分離方式を併用するが、一実施形態によれば、重力分離方式のみで気液分離を行うことができる。また、一実施形態によれば、遠心分離方式のみで気液分離を行うこともできる。
The
As described above, the gas-
ポンプ53は、液体を液体輸送管44内に引き込んでライザー管40から排出する。すなわち、ポンプ53は、気液分離装置50でガスが分離された液体をライザー管40から排出するために液体を吸い上げる。
図6に示す例のポンプ53は、液体輸送管44内に配置されており、モータ54と、モータ54によって駆動されるスクリュー55と、を有するオーガポンプである。スクリュー55は、鉛直方向に延びる軸と、軸の周りを螺旋状に延びる羽根と、を有しており、液体輸送管54内の液体をスクリュー55の回転によって加圧しながら上方に送る機能を有する。モータ54は、掘削船33の制御装置70に電気的に接続されている。モータ54は、制御装置70から出力された信号を受けて、設定された周波数あるいは調整された周波数で駆動するよう制御される。モータ54は、液体輸送管44内に、液体の流路となる隙間を形成するよう、液体輸送管44内に配置されている。なお、システム30の運転中、ライザー管40には孔48aを通して海水あるいは水が流入し続けることから、通常、ポンプ53は稼働した状態に維持される。
液体輸送管44のスクリュー55の入口近傍には、観察窓11a及び照明窓11bが設けられ、さらに、観察窓11a及び照明窓11bの位置には、図3に示す流動様式評価装置10の光源12及び撮像ユニット14が設けられている。撮像ユニット14は、気液分離装置50からポンプ53に導く液体の経路となる液体輸送管(導管)44を、図3に示す流動様式評価装置10における配管11とし、液体中に残留する気泡と液体とを気液混相流として、液体輸送管(導管)44に設けられた観察位置を通過する気液混相流を撮像する。撮像した画像は、制御装置70に送られる。
The
The
An observation window 11a and an illumination window 11b are provided near the inlet of the
ヒータ56は、空間45b内に流れ込んだ液体を加熱する装置である。ヒータ56は、制御装置70に接続されている。天然ガスハイドレートの分解反応は吸熱反応であるため、液体に取り込まれた気液混合物の温度が低下して天然ガスハイドレートが再生成し、例えば、液体輸送管44の下端を閉塞させる場合がある。ヒータ56は、システム30の運転中に継続してあるいは断続的に、液体を加熱して、天然ガスハイドレートの再生成を抑制する。また、天然ガスハイドレートが再生成したと判断された場合に、制御装置70から出力された信号を受けて駆動するよう制御され、液体を加熱することで、再生成した天然ガスハイドレートを加熱し、分解させる。
The heater 56 is a device that heats the liquid that has flowed into the
ガス生成ライン42は、ガス生成管42aと、ガス流量計測装置42bを備える。
ガス生成管42aは、液面Sに浮上した気泡から生成され、気相空間Gに流入したガスを、生産する天然ガスとしてライザー管40内から取り出す。ガス生成管42aは、気相空間G内のガスを生産する天然ガスとして掘削船33に向けて運ぶ。ガス生成管42aは、管本体41内に、液面Sの上方に配置されており、ガス生成管42aの下端は、気相空間Gに接続されている。ガス流量計測装置42bは、ガス生成管42aの先端の掘削船33上の部分に設けられ、天然ガスの単位時間当たりの生成量を計測する。計測された天然ガスの生成量の情報は、後述する制御装置70に送信される。
また、ガス生成管42aの上方の先端は、例えば、掘削船33あるいは他の船舶に備え付けられた貯蔵タンク(図示せず)、あるいは陸地にある貯蔵システムに延びるパイプラインに接続されている。貯蔵タンクに貯蔵された天然ガスは、適宜、液化され、掘削船3あるいは他の船舶で海上を輸送される。
The
The
Further, the upper tip of the
液体排出ライン43は、管本体41内で天然ガスと分離した液体を掘削船33まで運ぶ液体排出管43aと、液体流量計測装置43bと、を備えている。
液体排出管43aは、図5に示す例において、気液分離装置50から空間45aまで延びる液体輸送管44と、管本体41から分岐して、空間45aから掘削船33まで延びる管46と、を有している。液体排出管43aは、ポンプ53で吸い上げられた液体をライザー管40から取り出す管である。空間45aは、隔壁47a,47bで仕切られた空間である。
液体流量計測装置43bは、管46の上端の、掘削船33上の部分に設けられ、ポンプ53によって排出される液体の単位時間当たりの排出量を計測する。計測された液体の排出量の情報は、後述する制御装置70に送信される。
排出された液体は、例えば掘削船33から海上に廃棄される。
The
In the example shown in FIG. 5, the liquid discharge pipe 43a includes a
The liquid flow
The discharged liquid is discarded at sea from, for example, the
ライザー管40内の気相空間Gには、気相空間Gの圧力を計測する圧力計60が設けられている。圧力計60は、制御装置70に接続されており、気相空間Gの圧力の計測結果の情報が、制御装置70に送信される。圧力計60は、図6に示す例では、空間45aを囲む壁面に設けられている。
また、ライザー管40の先端部42aには、ライザー管40の先端部40aにおける圧力(坑底圧)を計測する圧力計61が設けられている。圧力計61は、制御装置70に接続されており、先端部40aにおける圧力(坑底圧)の計測結果の情報が、制御装置70に送信される。先端部40aにおける圧力は、液体の液面Sの位置及び気相空間Gの圧力によって定まり、ハイドレート層35の天然ガスハイドレートの分解の速度に影響を与える圧力である。
The gas phase space G in the
Further, the
制御装置70は、CPU、メモリ等を含むコンピュータで構成される。制御装置70は、気液分離装置20内に液体の液面Sができ、かつ、天然ガスハイドレートの分解が制御できるように、ポンプ53の回転を、圧力計61で計測した結果、すなわち先端部40aにおける圧力の計測結果の情報に応じて制御する第1制御と、撮像ユニット14で撮像した画像を少なくとも用いて評価した気液混相流の流動様式の評価結果を少なくとも用いて、第1制御により制御されるポンプ53の回転数をさらに制御する第2制御を行うように構成される。制御装置70は、図3に示すコンピュータ18を備える。すなわち、制御装置70は、画像取得ユニット18c、機械学習ユニット18d、及び評価ユニット18eを備える。機械学習ユニット18dには、上述した学習用入力データ及び学習用出力データを用いて予め機械学習した評価モジュール1を備える。
The
ここで、気液混相流の流動様式の評価は、液体排出管43a内における天然ガスの空塔速度及び水や海水等の液体の液体排出管43aにおける空塔速度の少なくとも1つの数値情報を用いて評価してもよいし、ガス生成ライン42から取り出されるガスの単位時間当たりのガス生成量の数値情報、液体排出ライン43から取り出される液体の単位時間の排出量の数値情報、及び、液面Sの上方の気相空間Gの気相空間圧力の数値情報のうち、少なくとも2つの数値情報を用いて、評価してもよい。ガス生成量の数値情報、液体の排出量の数値情報、及び、気相空間圧力の数値情報は、それぞれ、ガス流量計測装置42b、液体流量計測装置43b、及び圧力計60から送信された情報である。
Here, the evaluation of the flow mode of the gas-liquid multiphase flow uses at least one numerical information of the superficial velocity of the natural gas in the liquid discharge pipe 43a and the superficial velocity of the liquid liquid discharge pipe 43a such as water or seawater. The numerical information of the gas production amount per unit time of the gas taken out from the
システム30は、例えば、ライザー管40となる資材、コンピュータ18、光源12、撮像ユニット14、圧力計60,61、及び制御装置70等を掘削船3に積み、海上の所定の位置まで輸送して組み立てられる。坑井37は、システム30を組み立てる前に予め掘削される。
In the
システム30は、掘削船33の代わりに、固定式又は浮遊式の洋上プラットフォームを備えてもよい。この場合、洋上プラットフォームと陸地とを接続し、洋上プラットフォームから陸地に天然ガスを輸送するパイプラインを備えることが好ましい。
The
制御装置70は、圧力計61で計測した、先端部40aにおける圧力の計測結果の情報に応じて、天然ガスハイドレートに作用する圧力を制御して天然ガスハイドレートの分解の速度を制御し、これにより、気液混合物の生成量を調整する。上述したように、通常、液面Sの位置が高くなると、先端部40aにおける圧力(坑底圧)は高くなり、先端部40aにおける圧力(坑底圧)が高くなると、天然ガスハイドレートに作用する圧力も高くなる。このため、先端部40aにおける圧力(坑底圧)を制御するために、ポンプ53の回転数を制御して液体の液面Sの位置を制御する。
The
具体的には、制御装置70は、先端部40aにおける圧力(坑底圧)に関して目標圧力の範囲の情報を保持している。目標圧力の範囲は、天然ガスハイドレートを分解させる圧力に対応した先端部40aにおける圧力(坑底圧)の範囲である。先端部40aにおける圧力(坑底圧)が目標圧力の範囲内であれば、メタンハイドレートの分解の速度を所定の範囲に制御することができる。
制御装置70は、一定の時間間隔で、先端部40aにおける圧力の計測結果の情報が目標圧力の範囲にあるか否かを判定する。この判定において、先端部40aにおける圧力の計測結果の情報が目標圧力の範囲内にあれば、ポンプ53の回転数を維持する。一方、先端部40aにおける圧力の計測結果の情報が目標圧力の範囲内を超えて高くなっている場合、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、先端部40aにおける圧力が低くなるようポンプ53の回転数を上げる制御を行う。これにより、天然ガスハイドレートの分解の速度を促進させることができる。
また、先端部40aにおける圧力の計測結果、すなわち、圧力計61の計測結果の情報が目標圧力の範囲内より低くなっている場合、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、先端部40aにおける圧力が高くなるように、ポンプ53の回転数を下げる制御を行う。これにより、天然ガスハイドレートの分解の速度を抑制することができる。
以上が、制御装置70が行う第1の制御である。
Specifically, the
The
Further, when the pressure measurement result at the
The above is the first control performed by the
このような第1の制御では、ポンプ53の回転数を制御してポンプ53による液体の排出量を制御するが、ポンプ53に吸い上げられる液体には、気液分離装置50により気泡を液体から分離しても十分に気泡を除去することはできず、微細気泡が液体に混入している場合もある。場合によっては、スラグ流の形態(図1(b)参照)で大きな気泡が液体に混在してポンプ53に吸い込まれる場合もある。このような場合、ポンプ53の液体の排出量が、微細気泡や大きな気泡(気体スラグ)の影響により液体の排出量が低下し易い。ポンプ53に吸い上げられる液体内に混入する微細気泡の量は時間的に変動するので、ポンプ53の排出量も時間変動し、これに伴って、液面Sの高さも時間変動する。この結果、先端部40aにおける圧力も時間変動するため、この圧力の時間変動に応じて上記第1の圧力制御によって、ポンプ53の回転数を制御する。このため、ポンプ53の回転数は時間変動するので、天然ガスハイドレートの分解も時間変動し易い。このように第1の制御は、不安定な制御となる場合がある。
このため、システム30では、第1の制御の他に、第2の制御を行い、ポンプ53に吸い込まれる液体内に混入する気体の形態を制御する。
すなわち、制御装置70は、コンピュータ18を備え、気液分離装置50内に液体の液面ができ、かつ、ガスハイドレートの分解が制御できるように、ポンプ53の回転を先端部40aにおける圧力に応じて制御する第1制御と、評価ユニット18eによる流動様式の評価結果に基づいて、第1制御により制御されるポンプ53の回転数をさらに制御する第2制御を行う。
In such a first control, the rotation speed of the
Therefore, in the
That is, the
制御装置70は、図6に示すライザー管40内において、ポンプ53の入口において、ポンプ53に吸い込まれる液体内に含まれる気体の形態である流動様式を評価し、この評価結果がポンプ53の安定した排出量を確保する上で好ましくない気体の形態であれば、この気体の形態に応じて、ポンプ53の回転数を上げる、あるいは下げることにより、ポンプ53に吸い込まれる液体内に混入する気体の形態である流動様式を制御する。この形態の制御が第2の制御である。
このような流動様式の評価のために、システム30の制御装置70は、流動様式評価装置として機能する、図3に示す流動様式評価装置10を備える。すなわち、制御装置70は、画像取得ユニット18cと、機械学習ユニット18dと、評価ユニット18eと、を備える。
The
For the evaluation of such a flow mode, the
このような流動様式評価装置10では、以下の流動様式の評価が行われる。
(1)配管11内の、揚収管部分48下流側の所定の観察位置、例えば揚収管部分48から気液分離装置50へ移動する中間部分72に設けられた観察位置を通過する気液混相流を撮像ユニット14で撮像することにより、気液混相流が観察位置Wを通過するときの気液混相流の画像を取得し、
(2)液体と気体の気液混相流の生成条件を種々変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、複数の混相流画像の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、混相流画像と流動様式の分類結果との間の関係を機械学習した評価モジュール1を用意し、
(3)取得した気液混相流の画像を評価用画像として、評価モジュール1を用いて、観察位置Wを通過するときの気液混相流の流動様式を評価する。
In such a flow style evaluation device 10, the following flow style evaluation is performed.
(1) Air and liquid passing through a predetermined observation position on the downstream side of the
(2) A plurality of mixed-phase flow images obtained by variously changing the conditions for generating a gas-liquid mixed-phase flow of liquid and gas are used as learning input data, and the classification results of the flow modes of the plurality of mixed-phase flow images are used as learning output data. Prepare an evaluation module 1 that machine-learns the relationship between the multiphase flow image and the classification result of the flow mode.
(3) Using the acquired image of the gas-liquid multiphase flow as an evaluation image, the evaluation module 1 is used to evaluate the flow mode of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position W.
このとき、一実施形態によれば、気液混相流の画像を取得するとき、観察位置Wを通過する気液混相流を、所定のフレームレートで時系列に撮像して、観察位置Wにおける気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより、観察位置Wを通過するときの気液混相流の1つの静止合成画像を作成する処理を含む、ことが好ましい。気液混相流は、配管11の場所によって流動様式が異なるため配管11の長手方向の広い範囲を観察位置Wとすることは精度の高い評価の点から好ましくない。一方、気液混相流の流動様式の評価を、配管11の長手方向の狭い範囲を観察位置Wとして行うことは、図1(b)に示すようなスラグ流の評価をする点で好ましくない。このため、狭い範囲である観察位置Wを通過する気液液混相流の複数の像を動画として順次撮像して時系列の順番に繋ぎあわせることにより、観察位置Wを通過するときの気液混相流の1つの静止合成画像を作成し、この画像を評価用画像として用いることが好ましい。
評価モジュール1で機械学習をするための学習用入力データとして用いる混相流画像のそれぞれも、観察位置Wと同じ大きさの領域を通過する気液混相流を、同じフレームレートで動画として順次撮像し、この領域における気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成した気液混相流の1つの静止合成画像であることが、上述の理由から好ましい。
At this time, according to one embodiment, when an image of the gas-liquid multiphase flow is acquired, the gas-liquid multiphase flow passing through the observation position W is imaged in time series at a predetermined frame rate, and the air at the observation position W is captured. It is preferable to include a process of creating one still composite image of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position W by connecting a plurality of images of the liquid mixed phase flow in the order of time series. Since the flow mode of the gas-liquid multiphase flow differs depending on the location of the pipe 11, it is not preferable to set the observation position W in a wide range in the longitudinal direction of the pipe 11 from the viewpoint of highly accurate evaluation. On the other hand, it is not preferable to evaluate the flow mode of the gas-liquid multiphase flow with the observation position W in a narrow range in the longitudinal direction of the pipe 11 in terms of evaluating the slag flow as shown in FIG. 1 (b). Therefore, by sequentially capturing a plurality of images of the gas-liquid multiphase flow passing through the observation position W, which is a narrow range, as a moving image and connecting them in the order of time series, the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position W is performed. It is preferable to create one still composite image of the flow and use this image as an evaluation image.
Each of the multiphase flow images used as learning input data for machine learning in the evaluation module 1 also sequentially captures the gas-liquid multiphase flow passing through a region of the same size as the observation position W as a moving image at the same frame rate. For the above reasons, it is preferable that the image is one static composite image of the gas-liquid multiphase flow created by connecting a plurality of images of the gas-liquid multiphase flow in this region in chronological order.
本実施形態の効果を確認するために、図3に示す流動様式評価装置の室内試験を用いて実験を行った。
配管11の高さを29mとし、気泡と比重1.04の塩水を配管11の下端から制御された供給量、供給速度で供給されるように構成した。
配管11の高さ方向の5箇所の位置(下端から0.6m、3.0m、11m、17m、25.3mの各位置)の観察位置Wで得られた画像を用いて学習用入力データの混相流画像を4460枚用意した。この画像は、気泡と液体の供給速度および供給量を種々変化させたので、図1に示すような種々の流動様式を示した。流動様式は、様式1,3,5,7の他に、様式1と様式3の間の中間の流動様式のものを様式2とし、様式2と様式5の間の中間の流動様式のものを様式4とし、様式5と様式7の間の中間の流動様式のものを様式6とし、評価者の判断により、合計7つの流動様式に分けて分類した。この分類結果を、学習用出力データとした。
この学習用入力データ及び学習用出力データを、畳み込みニューラルネットワーク(Google社製)を用いたモデルに機械学習させた。機械学習する畳み込みニューラルネットワークのモデルのパラメータとして、中間層の数を9とした。
後日、配管11の高さ方向の任意の位置の観察位置Wで得られた画像から長さ0.8m分の観察位置Wを通過するときの気液混相流の画像を100枚作成して評価用画像とした。この評価用画像を、評価モジュール1に評価させた場合の流動様式の評価結果の、評価者による流動様式の判断結果との一致度は、85%であった。
In order to confirm the effect of this embodiment, an experiment was conducted using the laboratory test of the flow mode evaluation device shown in FIG.
The height of the pipe 11 was 29 m, and bubbles and salt water having a specific gravity of 1.04 were supplied from the lower end of the pipe 11 at a controlled supply amount and supply speed.
Using the images obtained at the observation positions W at five positions in the height direction of the pipe 11 (each position of 0.6 m, 3.0 m, 11 m, 17 m, and 25.3 m from the lower end), the input data for learning 4460 mixed-phase flow images were prepared. This image showed various flow modes as shown in FIG. 1 because the supply rate and the supply amount of the bubbles and the liquid were variously changed. As for the flow style, in addition to the
The learning input data and the learning output data were machine-learned by a model using a convolutional neural network (manufactured by Google). The number of intermediate layers was set to 9 as a parameter of the model of the convolutional neural network for machine learning.
At a later date, 100 images of the gas-liquid mixed phase flow when passing through the observation position W of 0.8 m in length are created and evaluated from the images obtained at the observation position W at an arbitrary position in the height direction of the pipe 11. It was used as an image. When this evaluation image was evaluated by the evaluation module 1, the degree of agreement between the evaluation result of the flow mode and the judgment result of the flow mode by the evaluator was 85%.
これに対して、評価用画像として、観察位置Wを通過するときの気液混相流の画像ではなく、観察位置Wを中心とした高さ相当で0.03m分の範囲の撮像画像を用いた場合、機械学習した予測モジュール1における流動様式の一致度は、3%であった。 On the other hand, as the evaluation image, not the image of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position W, but the captured image in the range of 0.03 m corresponding to the height centered on the observation position W was used. In this case, the degree of agreement of the flow patterns in the machine-learned prediction module 1 was 3%.
これより、撮像ユニット14で撮像した撮像画像から、気液混相流が観察位置Wを通過するときの気液混相流の画像を用いて予測モジュール1で評価することにより、流動様式の評価精度が向上することがわかる。
From this, the evaluation accuracy of the flow mode can be improved by evaluating with the prediction module 1 using the image of the gas-liquid multiphase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position W from the image captured by the
以上、本発明の気液混相流の流動様式評価装置、及び流動様式評価方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 The flow mode evaluation device for the gas-liquid mixed phase flow of the present invention and the flow mode evaluation method have been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various types are described within the scope of the gist of the present invention. Of course, it may be improved or changed.
1 評価モジュール
10 流動様式評価装置
11 配管
11a 観察窓
11b 照明窓
12 光源
14 撮像ユニット
18 コンピュータ
18a CPU
18b メモリ
18c 画像取得ユニット
18d 機械学習ユニット
18e 評価ユニット
20 入力操作装置
22 モニタ
30 ガス生産システム
32 海底面
33 掘削船
34 上層
35 ハイドレート層
37 坑井
40 ライザー管
40a 先端部
41 管本体
42 ガス生成ライン
43 液体排出ライン
43a 液体排出管
44 液体輸送管
45a 空間
46 管
47a,47b,47c 隔壁
48 揚収管部分
50 気液分離装置
51 囲み容器
51a 側壁
51b 底壁
52 遠心分離器
53 ポンプ
54 モータ
55 スクリュー
56 ヒータ
60,61 圧力計
70 制御装置
72 中間部分
1 Evaluation module 10 Flow mode evaluation device 11 Piping 11a Observation window
本発明の一態様は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流の流動様式を評価する流動様式評価装置である。当該流動様式評価装置は、
配管に設けられた所定の観察位置を通過する気液混相流を前記観察位置において所定のフレームレートで時系列に撮像する撮像ユニットと、
コンピュータにより構成され、前記撮像ユニットで得られる画像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の1つの静止合成画像を前記観察位置において取得する画像取得ユニットと、
コンピュータによって構成され、前記液体と前記気体の気液混相流の生成条件を種々変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、前記複数の混相流画像における気液混相流の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、前記複数の混相流画像と前記流動様式の分類結果との関係を機械学習した評価モジュールを含む機械学習ユニットと、
前記コンピュータによって構成され、前記画像取得ユニットで取得した前記気液混相流の、前記観察位置における1つの静止合成画像を評価用画像として、前記評価モジュールを用いて、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の前記流動様式を前記静止合成画像から評価する評価ユニットと、を備える。
前記機械学習ユニットは、前記液体と前記気体の気液混相流の流れに沿った複数の場所に設けられた、前記観察位置と同じ大きさの観察領域を通過する気液混相流を、前記フレームレートで時系列に撮像して、前記観察領域における前記気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成した前記複数の観察領域における複数の静止合成画像を前記複数の混相流画像として用いる。
One aspect of the present invention is a flow mode evaluation device that evaluates the flow mode of a gas-liquid mixed phase flow of a liquid and a gas flowing in a pipe. The flow mode evaluation device is
An imaging unit that captures a gas-liquid multiphase flow passing through a predetermined observation position provided in a pipe in a time series at a predetermined frame rate at the observation position.
An image composed of a computer and connecting the images obtained by the imaging unit in chronological order to acquire one still composite image of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position at the observation position. Acquisition unit and
A plurality of mixed-phase flow images formed by a computer and obtained by variously changing the conditions for generating the gas-liquid multiphase flow of the liquid and the gas are used as learning input data, and the flow of the gas-liquid multiphase flow in the plurality of mixed-phase flow images. A machine learning unit including an evaluation module in which the relationship between the plurality of multiphase flow images and the classification result of the flow mode is machine-learned using the format classification result as learning output data.
When one static composite image of the gas-liquid multiphase flow acquired by the computer and acquired by the image acquisition unit at the observation position is used as an evaluation image and the evaluation module is used to pass through the observation position. An evaluation unit for evaluating the flow mode of the gas-liquid multiphase flow from the static composite image is provided.
The machine learning unit transmits a gas-liquid multiphase flow that passes through an observation region having the same size as the observation position, which is provided at a plurality of locations along the flow of the gas-liquid multiphase flow of the liquid and the gas. A plurality of static composite images in the plurality of observation regions created by capturing images in time series at a rate and connecting a plurality of images of the gas-liquid multiphase flow in the observation region in the order of the time series are obtained by the plurality of mixed phases. Used as a flow image.
本発明の他の一態様は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流の流動様式を評価する流動様式評価装置を備えた地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するガス生産システムである。当該ガス生産システムは、
配管の所定の観察位置を通過する気液混相流を撮像する撮像ユニットと、コンピュータにより構成され、前記撮像ユニットで撮像した撮像画像から、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の画像を取得する画像取得ユニットと、コンピュータによって構成され、前記液体と前記気体の気液混相流の生成条件を種々変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、前記複数の混相流画像における気液混相流の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、前記混相流画像と前記流動様式の分類結果との関係を機械学習した評価モジュールを含む機械学習ユニットと、前記コンピュータによって構成され、前記画像取得ユニットで取得した前記気液混相流の画像を評価用画像として、前記評価モジュールを用いて、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の前記流動様式を前記評価用画像から評価する評価ユニットと、を備える流動様式評価装置と、
地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管であって、前記先端部から上方に延びる前記管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を前記管内の前記液体に取り込むように、前記先端部に設けられ前記管の外部に開口した孔を備えたライザー管と、
前記ライザー管内に設けられ、前記気液混合物を取り込んだ前記ライザー管内の前記液体から前記気泡を分離する気液分離装置と、
前記気泡から生成されたガスを、生産するガスとして、前記ライザー管から取り出すガス生成管を備えるガス生成ラインと、
前記気液分離装置で前記ガスが分離された前記液体を前記ライザー管から排出するために前記液体を吸い上げるポンプと、
前記ポンプで吸い上げられた前記液体を前記ライザー管から取り出す液体排出管を備える液体排出ラインと、
前記気液分離装置から前記ポンプに導く前記液体の経路となる導管を前記流動様式評価装置における前記配管とし、前記液体中に残留する気泡と前記液体とを気液混相流として、前記配管に設けられた観察位置を通過する気液混相流を撮像することにより、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の像を取得する前記画像取得ユニットと、前記流動様式評価装置の前記機械学習ユニットと、前記流動様式評価装置の前記評価ユニットと、を備え、前記気液分離装置内に前記液体の液面ができ、かつ、前記ガスハイドレートの分解が制御できるように、前記ポンプの回転を前記先端部における前記圧力に応じて制御する第1制御と、前記評価ユニットによる前記流動様式の評価結果に基づいて、前記第1制御により制御される前記ポンプの回転数をさらに制御する第2制御を行う制御装置と、を備える。
Another aspect of the present invention is a gas that produces gas by decomposing a gas hydrate in the ground provided with a flow mode evaluation device for evaluating the flow mode of a gas-liquid mixed phase flow of a liquid and a gas flowing in a pipe. It is a production system. The gas production system
The above-mentioned when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position from an image captured by the imaging unit, which is composed of an imaging unit for imaging a gas-liquid multiphase flow passing through a predetermined observation position of a pipe and a computer. A plurality of mixed-phase flow images obtained by variously changing the conditions for generating the gas-liquid multiphase flow of the liquid and the gas, which are composed of an image acquisition unit for acquiring an image of the gas-liquid multiphase flow and a computer, are used as input data for learning. , A machine learning unit including an evaluation module in which the classification result of the flow mode of the gas-liquid multiphase flow in the plurality of multiphase flow images is used as learning output data, and the relationship between the mixed phase flow image and the classification result of the flow mode is machine-learned. And the image of the gas-liquid multiphase flow acquired by the image acquisition unit, which is configured by the computer, is used as an evaluation image, and the evaluation module is used to pass the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position. A flow mode evaluation device including an evaluation unit that evaluates the flow mode from the evaluation image, and
A long tube having a tip configured to be buried in the ground, a gas hide outside the tube using the pressure generated by the liquid in the tube extending upward from the tip. By reducing the pressure acting on the rate, a gas-liquid mixture containing bubbles generated by decomposition from the gas hydrate is provided at the tip of the pipe and outside the pipe so as to be taken into the liquid in the pipe. A riser tube with an open hole and
A gas-liquid separator provided in the riser tube to separate the bubbles from the liquid in the riser tube that has taken in the gas-liquid mixture.
A gas generation line including a gas generation pipe for taking out the gas generated from the bubbles as a gas to be produced from the riser pipe, and a gas generation line.
A pump that sucks up the liquid in order to discharge the liquid from which the gas has been separated by the gas-liquid separator from the riser pipe.
A liquid discharge line including a liquid discharge pipe that takes out the liquid sucked up by the pump from the riser pipe , and
The conduit serving as the path of the liquid leading from the gas-liquid separation device to the pump is the pipe in the flow mode evaluation device, and the bubbles remaining in the liquid and the liquid are provided in the pipe as a gas-liquid mixed phase flow. The image acquisition unit that acquires an image of the gas-liquid multiphase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position by imaging the gas-liquid multiphase flow that passes through the observed position, and the flow mode. The machine learning unit of the evaluation device and the evaluation unit of the flow mode evaluation device are provided so that the liquid level of the liquid is formed in the gas-liquid separation device and the decomposition of the gas hydrate can be controlled. In addition, the first control that controls the rotation of the pump according to the pressure at the tip portion, and the rotation speed of the pump that is controlled by the first control based on the evaluation result of the flow mode by the evaluation unit. A control device for performing a second control for further controlling the above.
本発明のさらに他の一態様は、配管内を流れる液体と気体の気液混相流における流動様式を評価する流動様式評価方法である。当該流動様式評価方法は、
配管に設けられた所定の観察位置を通過する気液混相流を前記観察位置において所定のフレームレートで時系列に撮像することにより、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の画像を時系列の順番に繋ぎあわせた、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の1つの静止合成画像を取得するステップと、
前記気液混相流の生成条件を変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、前記複数の混相流画像の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、前記混相流画像と前記流動様式の分類結果との関係を機械学習した評価モジュールを用意するステップと、
取得した前記気液混相流の、前記静止合成画像を評価用画像として、前記評価モジュールを用いて、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の前記流動様式を評価するステップと、を備える。
前記学習用入力データとして用いる複数の混相流画像は、前記液体と前記気体の気液混相流の流れに沿った複数の場所に設けられた、前記観察位置と同じ大きさの観察領域を通過する気液混相流を、前記フレームレートで時系列に撮像して、前記観察領域における前記気液混相流の複数の像を時系列の順番に繋ぎあわせることにより作成した前記複数の観察領域における複数の静止合成画像である。
Yet another aspect of the present invention is a flow mode evaluation method for evaluating a flow mode in a gas-liquid mixed phase flow of a liquid and a gas flowing in a pipe. The flow style evaluation method is
By imaging the gas-liquid multiphase flow passing through the predetermined observation position provided in the pipe in time series at the observation position at a predetermined frame rate, the gas-liquid mixed phase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position is taken. A step of acquiring one still composite image of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position, in which images of the liquid-mixed multiphase flow are connected in chronological order, and
A plurality of mixed-phase flow images obtained by changing the generation conditions of the gas-liquid multiphase flow are used as learning input data, and the classification results of the flow modes of the plurality of mixed-phase flow images are used as learning output data with the mixed-phase flow image. A step of preparing an evaluation module in which the relationship with the classification result of the flow mode is machine-learned, and
Using the evaluation module as an evaluation image of the acquired still composite image of the gas-liquid multiphase flow, a step of evaluating the flow mode of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position. Be prepared.
The plurality of mixed-phase flow images used as the learning input data pass through observation regions of the same size as the observation positions provided at a plurality of locations along the flow of the gas-liquid multiphase flow of the liquid and the gas. A plurality of images in the plurality of observation regions created by imaging the gas-liquid multiphase flow in time series at the frame rate and connecting a plurality of images of the gas-liquid multiphase flow in the observation region in the order of time series. It is a still composite image.
Claims (12)
配管の所定の観察位置を通過する気液混相流を撮像する撮像ユニットと、
コンピュータにより構成され、前記撮像ユニットで撮像した撮像画像から、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の画像を取得する画像取得ユニットと、
コンピュータによって構成され、前記液体と前記気体の気液混相流の生成条件を種々変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、前記複数の混相流画像における気液混相流の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、前記混相流画像と前記流動様式の分類結果との関係を機械学習した評価モジュールを含む機械学習ユニットと、
前記コンピュータによって構成され、前記画像取得ユニットで取得した前記気液混相流の画像を評価用画像として、前記評価モジュールを用いて、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の前記流動様式を前記評価用画像から評価する評価ユニットと、
を備えることを特徴とする流動様式評価装置。 A flow mode evaluation device that evaluates the flow mode of a gas-liquid mixed phase flow of liquid and gas flowing in a pipe.
An imaging unit that captures the gas-liquid multiphase flow passing through a predetermined observation position on the pipe,
An image acquisition unit configured by a computer and acquiring an image of the gas-liquid multiphase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position from an image captured by the image pickup unit.
A plurality of mixed-phase flow images formed by a computer and obtained by variously changing the conditions for generating the gas-liquid mixed-phase flow of the liquid and the gas are used as learning input data, and the flow of the gas-liquid multiphase flow in the plurality of mixed-phase flow images. A machine learning unit including an evaluation module in which the relationship between the multiphase flow image and the classification result of the flow mode is machine-learned using the format classification result as learning output data.
The flow mode of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position using the evaluation module using the image of the gas-liquid multiphase flow configured by the computer and acquired by the image acquisition unit as an evaluation image. With an evaluation unit that evaluates from the evaluation image,
A flow mode evaluation device characterized by comprising.
地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管であって、前記先端部から上方に延びる前記管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を前記管内の前記液体に取り込むように、前記先端部に設けられ前記管の外部に開口した孔を備えたライザー管と、
前記ライザー管内に設けられ、前記気液混合物を取り込んだ前記ライザー管内の前記液体から前記気泡を分離する気液分離装置と、
前記気泡から生成されたガスを、生産するガスとして、前記ライザー管から取り出すガス生成管を備えるガス生成ラインと、
前記気液分離装置で前記ガスが分離された前記液体を前記ライザー管から排出するために前記液体を吸い上げるポンプと、
前記ポンプで吸い上げられた前記液体を前記ライザー管から取り出す液体排出管を備える液体排出ラインと、
前記気液分離装置から前記ポンプに導く前記液体の経路となる導管を前記流動様式評価装置における前記配管とし、前記液体中に残留する気泡と前記液体とを気液混相流として、前記配管に設けられた観察位置を通過する気液混相流を撮像することにより、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の像を取得する前記画像取得ユニットと、前記流動様式評価装置の前記機械学習ユニットと、前記流動様式評価装置の前記評価ユニットと、を備え、前記気液分離装置内に前記液体の液面ができ、かつ、前記ガスハイドレートの分解が制御できるように、前記ポンプの回転を前記先端部における前記圧力に応じて制御する第1制御と、前記評価ユニットによる前記流動様式の評価結果に基づいて、前記第1制御により制御される前記ポンプの回転数をさらに制御する第2制御を行う制御装置と、を備える、ことを特徴とするガス生産システム。 A gas production system for producing gas by decomposing a gas hydrate in the ground, provided with the flow mode evaluation device according to any one of claims 1 to 8.
A long tube having a tip configured to be buried in the ground, a gas hide outside the tube using the pressure generated by the liquid in the tube extending upward from the tip. By reducing the pressure acting on the rate, a gas-liquid mixture containing bubbles generated by decomposition from the gas hydrate is provided at the tip of the pipe and outside the pipe so as to be taken into the liquid in the pipe. A riser tube with an open hole and
A gas-liquid separator provided in the riser tube to separate the bubbles from the liquid in the riser tube that has taken in the gas-liquid mixture.
A gas generation line including a gas generation pipe for taking out the gas generated from the bubbles as a gas to be produced from the riser pipe, and a gas generation line.
A pump that sucks up the liquid in order to discharge the liquid from which the gas has been separated by the gas-liquid separator from the riser pipe.
A liquid discharge line including a liquid discharge pipe that takes out the liquid sucked up by the pump from the riser pipe, and
The conduit serving as the path of the liquid leading from the gas-liquid separator to the pump is the pipe in the flow mode evaluation device, and the bubbles remaining in the liquid and the liquid are provided in the pipe as a gas-liquid mixed phase flow. The image acquisition unit that acquires an image of the gas-liquid mixed phase flow when the gas-liquid mixed phase flow passes through the observation position by imaging the gas-liquid mixed phase flow passing through the observed position, and the flow mode. The machine learning unit of the evaluation device and the evaluation unit of the flow mode evaluation device are provided so that the liquid level of the liquid is formed in the gas-liquid separation device and the decomposition of the gas hydrate can be controlled. In addition, the first control that controls the rotation of the pump according to the pressure at the tip portion, and the rotation speed of the pump that is controlled by the first control based on the evaluation result of the flow mode by the evaluation unit. A gas production system comprising a control device for performing a second control for further controlling the gas.
配管内の所定の観察位置を通過する気液混相流を撮像することにより、前記気液混相流が前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の画像を取得するステップと、
前記液体と前記気体の気液混相流の生成条件を変更して得られる複数の混相流画像を学習用入力データとし、前記複数の混相流画像の流動様式の分類結果を学習用出力データとして、前記混相流画像と前記流動様式の分類結果との間の関係を機械学習した評価モジュールを用意するステップと、
取得した前記気液混相流の画像を評価用画像として、前記評価モジュールを用いて、前記観察位置を通過するときの前記気液混相流の前記流動様式を評価するステップと、を備えることを特徴とする流動様式評価方法。 It is a flow mode evaluation method that evaluates the flow mode in a gas-liquid mixed phase flow of liquid and gas flowing in a pipe.
A step of acquiring an image of the gas-liquid multiphase flow when the gas-liquid multiphase flow passes through the observation position by imaging a gas-liquid multiphase flow passing through a predetermined observation position in the pipe.
A plurality of mixed-phase flow images obtained by changing the generation conditions of the gas-liquid mixed-phase flow of the liquid and the gas are used as learning input data, and the classification results of the flow modes of the plurality of mixed-phase flow images are used as learning output data. A step of preparing an evaluation module in which the relationship between the multiphase flow image and the classification result of the flow mode is machine-learned, and
The feature is that the acquired image of the gas-liquid multiphase flow is used as an evaluation image, and the evaluation module is used to evaluate the flow mode of the gas-liquid multiphase flow when passing through the observation position. Flow style evaluation method.
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