JP2735103B2 - ２相供給ノズルの音響式監視 - Google Patents
２相供給ノズルの音響式監視Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は流動床反応またはトランスファーライン中の
供給物霧化を監視及び調節するための方法に関する。流
動床及びトランスファーラインに依存する石油化学的方
法には、“流動床コーキング”または“フレキシコーキ
ング”と呼ばれる方法に於ける重油の熱分解、及び“接
触分解”または“キャットクラッキング（cat-crackin
g）”と呼ばれる方法に於ける複雑な炭化水素の接触分
解が含まれる。かかる方法は現代の製油所の主成分であ
り、精油所ではこれらの方法を用いてますます困難な原
料油を大きい付加価値の石油生成物へ転化する。
供給物霧化を監視及び調節するための方法に関する。流
動床及びトランスファーラインに依存する石油化学的方
法には、“流動床コーキング”または“フレキシコーキ
ング”と呼ばれる方法に於ける重油の熱分解、及び“接
触分解”または“キャットクラッキング（cat-crackin
g）”と呼ばれる方法に於ける複雑な炭化水素の接触分
解が含まれる。かかる方法は現代の製油所の主成分であ
り、精油所ではこれらの方法を用いてますます困難な原
料油を大きい付加価値の石油生成物へ転化する。
流動床コーキングまたは接触分解の両方の１つの重要
な成分は供給ノズルである。供給ノズルは約150μｍの
コークス粒子（流動床コーキング）上または約60μｍ触
媒粒子（接触分解）上に薄い均一な油層の分散を可能に
するために重油を微細に霧化するように設計される。製
油所の多年運転サイクルを通してこれら供給ノズルの性
能を維持することは作動安定性及び高価値生成物収量に
とって極めて重要である。しかし、これらの供給ノズル
の性能の異常は数種の因子によって複雑になる可能性が
ある。例えば、供給ノズルへの油供給物は典型的に非常
に粘稠であり、油の組成は非常に変化しやすい。これら
の条件下では、油供給物の温度の小さな変化がノズルの
作動に劇的な影響を与えることがあり得る。さらに、供
給ノズルは粒子による侵食とプロセス析出物による目詰
まりの両方が供給ノズルの作動に悪影響を与える苛酷な
環境中に挿入される。その上、供給ノズルは通常多数の
供給ノズルに供給するマニホルドから供給物及びスチー
ムを受け取る。これらの環境下では、各ノズルがその特
別なノズルを監視することなく所望の流れを確実に運ん
でいるようにすることは不可能でないとしても困難であ
る。
な成分は供給ノズルである。供給ノズルは約150μｍの
コークス粒子（流動床コーキング）上または約60μｍ触
媒粒子（接触分解）上に薄い均一な油層の分散を可能に
するために重油を微細に霧化するように設計される。製
油所の多年運転サイクルを通してこれら供給ノズルの性
能を維持することは作動安定性及び高価値生成物収量に
とって極めて重要である。しかし、これらの供給ノズル
の性能の異常は数種の因子によって複雑になる可能性が
ある。例えば、供給ノズルへの油供給物は典型的に非常
に粘稠であり、油の組成は非常に変化しやすい。これら
の条件下では、油供給物の温度の小さな変化がノズルの
作動に劇的な影響を与えることがあり得る。さらに、供
給ノズルは粒子による侵食とプロセス析出物による目詰
まりの両方が供給ノズルの作動に悪影響を与える苛酷な
環境中に挿入される。その上、供給ノズルは通常多数の
供給ノズルに供給するマニホルドから供給物及びスチー
ムを受け取る。これらの環境下では、各ノズルがその特
別なノズルを監視することなく所望の流れを確実に運ん
でいるようにすることは不可能でないとしても困難であ
る。
等しく重要なことは流動床コーキング及び接触分解に
用いられる供給ノズルは非理想流体すなわちスチームと
重油との２相混合物を含む。これらの混合物の非理想性
のため、供給ノズルは典型的に多数の流れ様式で作動す
る。これらの範囲は、スチームと油とが微細に混合され
て所望の霧化を与える所望の安定な流れ様式から、スチ
ームと油とがほとんど混合しない状態（“スラッキン
グ”）でノズル中を交互に通過する望ましくない流れ様
式まである。
用いられる供給ノズルは非理想流体すなわちスチームと
重油との２相混合物を含む。これらの混合物の非理想性
のため、供給ノズルは典型的に多数の流れ様式で作動す
る。これらの範囲は、スチームと油とが微細に混合され
て所望の霧化を与える所望の安定な流れ様式から、スチ
ームと油とがほとんど混合しない状態（“スラッキン
グ”）でノズル中を交互に通過する望ましくない流れ様
式まである。
供給ノズルとしての所望の流れ特性を得ることに含ま
れる主要因子の２つは（１）重油と共に供給ノズル中へ
注入されるスチームの量及び（２）供給ノズルへの重油
の供給圧力である。重油供給ノズルに於けるスチームの
使用は２つの機能を果たす。第一には、供給物油がノズ
ルから除去されるとき供給ノズルが詰まらないように清
浄に保つ。第二に、かつ最も重要なことには、スチーム
は重油供給物を微細滴に分散させて供給物油とコークス
又は触媒粒子との間の接触を改良する。スチームは高度
圧縮成分を油中へ導入するので、その存在はスチーム／
油混合物の流体力学に大きな影響を与え、従って供給ノ
ズル設計に高度の不確実性を導入する。特別なノズル設
計は用いられるスチーム体積対油体積の比は所望の供給
ノズル流れ特性を得るための重要因子である。このスチ
ーム対油比は供給物粘度を含む多数の異なる作動条件に
よって影響され得る。重油供給物の供給圧力はノズル流
れ特性ならびに通常の油マニホルドで供給される供給ノ
ズルの流れ不安定性に大きな影響を与え得る。
れる主要因子の２つは（１）重油と共に供給ノズル中へ
注入されるスチームの量及び（２）供給ノズルへの重油
の供給圧力である。重油供給ノズルに於けるスチームの
使用は２つの機能を果たす。第一には、供給物油がノズ
ルから除去されるとき供給ノズルが詰まらないように清
浄に保つ。第二に、かつ最も重要なことには、スチーム
は重油供給物を微細滴に分散させて供給物油とコークス
又は触媒粒子との間の接触を改良する。スチームは高度
圧縮成分を油中へ導入するので、その存在はスチーム／
油混合物の流体力学に大きな影響を与え、従って供給ノ
ズル設計に高度の不確実性を導入する。特別なノズル設
計は用いられるスチーム体積対油体積の比は所望の供給
ノズル流れ特性を得るための重要因子である。このスチ
ーム対油比は供給物粘度を含む多数の異なる作動条件に
よって影響され得る。重油供給物の供給圧力はノズル流
れ特性ならびに通常の油マニホルドで供給される供給ノ
ズルの流れ不安定性に大きな影響を与え得る。
一般に、設計された供給物霧化を得、かつ維持するこ
とは困難な仕事でありかつ主要なことである。流動床コ
ーカーに於て、不良な霧化は直ちに局部的脱流動化及び
大集合体の生成に導き、循環を減少させる可能性があ
る。極端な場合、非常に多くの集合体が生成するので、
全床がつぶれてしまう可能性がある。不良な供給物霧化
はコーカー中での過度の壁ケーキの累積の原因とも考え
られる。運転を制限するプロセスの“アプセット（upse
ts）”は、しばしば大きなコークス塊が砕かれて循環系
の重要な領域中へ落下しかつ流れを不通にする結果であ
る。接触分解装置では、供給物霧化がプロセス収率及び
生成物組成に直接影響を与える。
とは困難な仕事でありかつ主要なことである。流動床コ
ーカーに於て、不良な霧化は直ちに局部的脱流動化及び
大集合体の生成に導き、循環を減少させる可能性があ
る。極端な場合、非常に多くの集合体が生成するので、
全床がつぶれてしまう可能性がある。不良な供給物霧化
はコーカー中での過度の壁ケーキの累積の原因とも考え
られる。運転を制限するプロセスの“アプセット（upse
ts）”は、しばしば大きなコークス塊が砕かれて循環系
の重要な領域中へ落下しかつ流れを不通にする結果であ
る。接触分解装置では、供給物霧化がプロセス収率及び
生成物組成に直接影響を与える。
最近まで、供給ノズルが所望の流れ様式で作動してお
りかつ供給物及びプロセス条件の変化の下でその状態を
維持していることを保証するのは試行錯誤の問題であっ
た。例えば、ノズルを日常的に“ロッデッド・アウト
（rodded out）”または機械的にクリーニングすること
ができた。流れの直接的監視装置がなかったので、ノズ
ルの流れ様式を作動単位で立証する方法はなかった。今
回、供給ノズルの振動監視（本特許出願中では受動型音
響式ノズル監視と称す）がノズルを出る流動状態につい
ての定量情報を与え得ることを発見し、これが本特許出
願の主題である。良好に霧化しているノズルは、詰って
いるノズル又はスラグ流れを示すノズルと簡単に区別す
ることができる。受動型音響式ノズル監視の技術に基づ
いて、流動床コーカーまたは接触分解装置の作業員は所
望の作業条件を回復させるために適当な措置をとること
ができる。これらの措置には、油とスチームの相対比を
変化させること、ノズルのロッディング（rodding）ま
たはクリーニング・アウト（cleaning out）、あるいは
“悪いノズル”を供給物分配系から隔離することが含ま
れる。
りかつ供給物及びプロセス条件の変化の下でその状態を
維持していることを保証するのは試行錯誤の問題であっ
た。例えば、ノズルを日常的に“ロッデッド・アウト
（rodded out）”または機械的にクリーニングすること
ができた。流れの直接的監視装置がなかったので、ノズ
ルの流れ様式を作動単位で立証する方法はなかった。今
回、供給ノズルの振動監視（本特許出願中では受動型音
響式ノズル監視と称す）がノズルを出る流動状態につい
ての定量情報を与え得ることを発見し、これが本特許出
願の主題である。良好に霧化しているノズルは、詰って
いるノズル又はスラグ流れを示すノズルと簡単に区別す
ることができる。受動型音響式ノズル監視の技術に基づ
いて、流動床コーカーまたは接触分解装置の作業員は所
望の作業条件を回復させるために適当な措置をとること
ができる。これらの措置には、油とスチームの相対比を
変化させること、ノズルのロッディング（rodding）ま
たはクリーニング・アウト（cleaning out）、あるいは
“悪いノズル”を供給物分配系から隔離することが含ま
れる。
発明の要約 本発明は、液体と気体との混合物をプロセス容器中へ
注入する供給ノズルの現行作動状態をノズルの自然発生
エネルギーを用いて非侵入的に測定して認識できる振動
共鳴のサインをつくり上げ、このサインを次に供給ノズ
ルの所望の作動状態の振動サインと比較することができ
る受動型音響式方法である。もし有意の差があるなら
ば、ノズルのクリーニングまたは液体と気体との相対比
率の変化のような補正措置を講ずることができる。ノズ
ルをその所望の作動状態へ戻すためのかかる補正措置の
影響は同じ受動型音響式方法を繰返すことによって立証
される。この方法はノズルがその作動中に発生する自然
発生振動を感知するので受動的音響式方法である。石油
化学工業にとって関心のある多くの商業的状況では、ノ
ズルが注入しつつある供給物は油とスチームとからな
る。しかし、本発明は、スラリーのような粒子含有液体
を含む気体−液体混合物を搬送する注入ノズルを通して
特定の流動条件を保つことが重要である場合及びオリフ
ィス制限系のように気体供給の信頼性が不良であり得る
場合の任意の状況下でのより広い適用を有する。本発明
は、ノズルが共通のマニホルドによって供給されかつノ
ズルへの配管が経済的制限のために複雑であるマニホル
ド系に特に適用可能である。これらの環境下では、個々
の監視及び“同調”なしに各ノズルを通る特定の流れを
得ることは不可能ではないにしても困難である。
注入する供給ノズルの現行作動状態をノズルの自然発生
エネルギーを用いて非侵入的に測定して認識できる振動
共鳴のサインをつくり上げ、このサインを次に供給ノズ
ルの所望の作動状態の振動サインと比較することができ
る受動型音響式方法である。もし有意の差があるなら
ば、ノズルのクリーニングまたは液体と気体との相対比
率の変化のような補正措置を講ずることができる。ノズ
ルをその所望の作動状態へ戻すためのかかる補正措置の
影響は同じ受動型音響式方法を繰返すことによって立証
される。この方法はノズルがその作動中に発生する自然
発生振動を感知するので受動的音響式方法である。石油
化学工業にとって関心のある多くの商業的状況では、ノ
ズルが注入しつつある供給物は油とスチームとからな
る。しかし、本発明は、スラリーのような粒子含有液体
を含む気体−液体混合物を搬送する注入ノズルを通して
特定の流動条件を保つことが重要である場合及びオリフ
ィス制限系のように気体供給の信頼性が不良であり得る
場合の任意の状況下でのより広い適用を有する。本発明
は、ノズルが共通のマニホルドによって供給されかつノ
ズルへの配管が経済的制限のために複雑であるマニホル
ド系に特に適用可能である。これらの環境下では、個々
の監視及び“同調”なしに各ノズルを通る特定の流れを
得ることは不可能ではないにしても困難である。
油とスチームが混合しかつノズルを横切る圧力降下に
よってノズルから噴射される供給ノズル中には、ノズル
チップを含む制限流または乱流の領域によって定義され
る体積に於ける種々の振動共鳴が存在することができ
る。これらの共鳴はある振動数範囲内での液体中及びノ
ズル構造中の振動エネルギーの集中であり、２相流体ノ
ズル系の音響及び振動モードの励起から生ずる。与えら
れた振動数範囲にわたって異なる大きさで起こる可変強
度の振動共鳴の多重度はノズルのパワースペクトルのサ
インを構成する。パワースペクトル自体は種々の方法で
得られる。例えば、本発明の１つの実施態様中で、本発
明者らはノズルの物理的構造と接触している加速度計の
電気出力またはノズル内の２相流と接触している動圧変
換器の電気出力のスペクトル分析を利用する。数学及び
振動文献から、パワースペクトル中、単位振動数範囲当
たりの平均２乗加速度を振動数の関数として示すのが通
常である。しかし、単位振動数範囲当たりの平均２乗加
速度の任意の数学関数を利用してかかる適当なパワース
ペクトルを得ることができるが、ある表現が他のものよ
りもより便利であることがわかるであろう。
よってノズルから噴射される供給ノズル中には、ノズル
チップを含む制限流または乱流の領域によって定義され
る体積に於ける種々の振動共鳴が存在することができ
る。これらの共鳴はある振動数範囲内での液体中及びノ
ズル構造中の振動エネルギーの集中であり、２相流体ノ
ズル系の音響及び振動モードの励起から生ずる。与えら
れた振動数範囲にわたって異なる大きさで起こる可変強
度の振動共鳴の多重度はノズルのパワースペクトルのサ
インを構成する。パワースペクトル自体は種々の方法で
得られる。例えば、本発明の１つの実施態様中で、本発
明者らはノズルの物理的構造と接触している加速度計の
電気出力またはノズル内の２相流と接触している動圧変
換器の電気出力のスペクトル分析を利用する。数学及び
振動文献から、パワースペクトル中、単位振動数範囲当
たりの平均２乗加速度を振動数の関数として示すのが通
常である。しかし、単位振動数範囲当たりの平均２乗加
速度の任意の数学関数を利用してかかる適当なパワース
ペクトルを得ることができるが、ある表現が他のものよ
りもより便利であることがわかるであろう。
本発明者らはこのパワースペクトルがノズルを出る流
体の流れ状態で一定である限り時間で安定であり、かつ
ノズルを出る流体状態の２次元“サイン”または“指
紋”として機能することを発見した。ノズルチップまた
はボアの変化（“詰まり（plugging）”）または流体入
力の変化（“スラッキング（slugging）”）によって起
こるノズルの流れ状態の変化を適当な方法で検知しかつ
補正して所望の流れ状態に対応するパワースペクトルへ
パワースペクトルを戻すことができる。さらに、この補
正措置が所望の流れ状態への復帰を生じたこと確認する
ためにパワースペクトルを用いることができる。
体の流れ状態で一定である限り時間で安定であり、かつ
ノズルを出る流体状態の２次元“サイン”または“指
紋”として機能することを発見した。ノズルチップまた
はボアの変化（“詰まり（plugging）”）または流体入
力の変化（“スラッキング（slugging）”）によって起
こるノズルの流れ状態の変化を適当な方法で検知しかつ
補正して所望の流れ状態に対応するパワースペクトルへ
パワースペクトルを戻すことができる。さらに、この補
正措置が所望の流れ状態への復帰を生じたこと確認する
ためにパワースペクトルを用いることができる。
パワースペクトルの有意な変化の認識は定期的ノズル
監視の場合にはヒト観察員によって行われ、あるいは連
続式またはリアルタイムノズル監視の場合には適当なパ
ターン認識アルゴリズムによって行われる。さらに、パ
ワースペクトルはノズルが作動している間に簡単に且つ
非侵入的に得られる。特別なノズルのパワースペクトル
とそのノズルからの異なる流れ条件との間の相関関係は
下で論じられる。パワースペクトルの振動数範囲はノズ
ルの作動ノイズのエネルギーによって発生される共鳴が
パワースペクトルを支配するように選ばれる。
監視の場合にはヒト観察員によって行われ、あるいは連
続式またはリアルタイムノズル監視の場合には適当なパ
ターン認識アルゴリズムによって行われる。さらに、パ
ワースペクトルはノズルが作動している間に簡単に且つ
非侵入的に得られる。特別なノズルのパワースペクトル
とそのノズルからの異なる流れ条件との間の相関関係は
下で論じられる。パワースペクトルの振動数範囲はノズ
ルの作動ノイズのエネルギーによって発生される共鳴が
パワースペクトルを支配するように選ばれる。
反応器のバックグランドノイズレベルによってマスキ
ングされないノズルの流れ状態についての意味ある情報
が得られ得る振動数範囲を見いだすことが可能であると
いうことは実に驚異的である。
ングされないノズルの流れ状態についての意味ある情報
が得られ得る振動数範囲を見いだすことが可能であると
いうことは実に驚異的である。
ある種の流れ状態の下では、振動信号の時間変化から
付加的な情報が得られる。例えば、ノズルを出る流れの
流れ状態（例えば間欠的スラッキングまたはスパッタリ
ングまたは純正非定常流）を規則的に交替させている可
能性がある。このことは望ましくない流れの状態であ
り、そのまゝでパワースペクトルの変化中に示されるで
あろう。パワースペクトルは振動信号の時間変化のフー
リェ変換である。しかし、パワースペクトルは振動信号
の時間変化の認識できる特徴でもあり、この時間サイン
（time signature）をパワースペクトル中に含まれる情
報を補足するために用いることができる。再び、ある種
の時間サインとノズルを出る流体の流れ状態との間の相
関関係の例は下に示される。
付加的な情報が得られる。例えば、ノズルを出る流れの
流れ状態（例えば間欠的スラッキングまたはスパッタリ
ングまたは純正非定常流）を規則的に交替させている可
能性がある。このことは望ましくない流れの状態であ
り、そのまゝでパワースペクトルの変化中に示されるで
あろう。パワースペクトルは振動信号の時間変化のフー
リェ変換である。しかし、パワースペクトルは振動信号
の時間変化の認識できる特徴でもあり、この時間サイン
（time signature）をパワースペクトル中に含まれる情
報を補足するために用いることができる。再び、ある種
の時間サインとノズルを出る流体の流れ状態との間の相
関関係の例は下に示される。
受動型音響式ノズル監視方法は下記の工程を含む。
1. ノズルが所望の状態で供給物を霧化しているとき、
基準パワースペクトル（リファレンスパワースペクトル
またはRPS）がノズルまたはノズル内に含まれる流体に
極めて近接した振動センサーから得られる。このリファ
レンスパワースペクトル（RPS）は特定の機械的寸法及
び流体連結のノズルにとって特定的であり、２相流の公
知の複雑さのために実験的に決定されねばならない。明
らかに定常状態条件下ではRPSは変化しない。本発明に
於て、振動センサーはノズルシェルに取りつけた加速度
計またはノズル内の流体と接触している圧力変換器のい
ずれかである。パワースペクトルがプロットされる振動
数範囲は、パワースペクトルを特徴づける振動共鳴がノ
ズル流によって発生されるエネルギーによって支配され
るように実験的に選ばれる。
基準パワースペクトル（リファレンスパワースペクトル
またはRPS）がノズルまたはノズル内に含まれる流体に
極めて近接した振動センサーから得られる。このリファ
レンスパワースペクトル（RPS）は特定の機械的寸法及
び流体連結のノズルにとって特定的であり、２相流の公
知の複雑さのために実験的に決定されねばならない。明
らかに定常状態条件下ではRPSは変化しない。本発明に
於て、振動センサーはノズルシェルに取りつけた加速度
計またはノズル内の流体と接触している圧力変換器のい
ずれかである。パワースペクトルがプロットされる振動
数範囲は、パワースペクトルを特徴づける振動共鳴がノ
ズル流によって発生されるエネルギーによって支配され
るように実験的に選ばれる。
2. 次の現行パワースペクトル（カレントパワースペク
トルまたはCPS）はコンピュータによって監視される配
線システムによりリアルタイムで取られるか、あるいは
特定のノズルに於て作業員によって定期的にとられる。
トルまたはCPS）はコンピュータによって監視される配
線システムによりリアルタイムで取られるか、あるいは
特定のノズルに於て作業員によって定期的にとられる。
3. 適当なコンピューターパターン認識アルゴリズムに
よるかあるいは人間の視覚によってRPSとCPSとの比較を
行い、変化を記録する。
よるかあるいは人間の視覚によってRPSとCPSとの比較を
行い、変化を記録する。
4. 特定のノズル作動条件を次に変化させてCPSをRSPへ
戻す。
戻す。
5. 適当なコンピューターアルゴリズムによるか人間の
観察によってRPSとCPSの両方をとることに付随する振動
信号の時間変化を記録しかつ測定時間内に於けるノズル
内の流体流れの状態の時間変化に関する補足的情報を供
給するために用いる。
観察によってRPSとCPSの両方をとることに付随する振動
信号の時間変化を記録しかつ測定時間内に於けるノズル
内の流体流れの状態の時間変化に関する補足的情報を供
給するために用いる。
好ましい実施態様の説明 本発明はノズルを出た液体−気体混合物が所望の作動
条件からはずれたかどうかを測定する方法を与える。も
しはずれたならば、ノズルの作動条件を変えて所望の流
れ条件へ戻すか、あるいはノズルをクリーニングするか
または服務からはずす。本発明の方法を、ノズルが供給
物油及びスチームを含む流動床コーカーのような重質供
給物流動床熱転化方法によって例示しかつ説明するが、
本発明の方法は石油化学用途に限定されるものではな
く、特定のノズルを通る流れの直接監視が困難な場合及
び搬送される、流体またはノズル環境が信頼できないノ
ズル作動の高い確率へ導く場合にも適用可能である。
条件からはずれたかどうかを測定する方法を与える。も
しはずれたならば、ノズルの作動条件を変えて所望の流
れ条件へ戻すか、あるいはノズルをクリーニングするか
または服務からはずす。本発明の方法を、ノズルが供給
物油及びスチームを含む流動床コーカーのような重質供
給物流動床熱転化方法によって例示しかつ説明するが、
本発明の方法は石油化学用途に限定されるものではな
く、特定のノズルを通る流れの直接監視が困難な場合及
び搬送される、流体またはノズル環境が信頼できないノ
ズル作動の高い確率へ導く場合にも適用可能である。
図１はコーカー壁７を通して挿入された代表的コーカ
ー供給ノズル４の概略図を示す。流動床コーカーは約3
7.85〜189.25l/分の速度で供給物を注入する20〜60個の
かかるノズルをどこかに含むことができる。本発明の１
つの実施態様では、加速度計５がノズル４に極めて近接
して置かれる。図１では、加速度計５はロッディングプ
ラグ６上に置かれているが、ノズルに近接しかつ加速度
計が流れ条件の変化に感受性であるどんな位置でも受容
可能である。
ー供給ノズル４の概略図を示す。流動床コーカーは約3
7.85〜189.25l/分の速度で供給物を注入する20〜60個の
かかるノズルをどこかに含むことができる。本発明の１
つの実施態様では、加速度計５がノズル４に極めて近接
して置かれる。図１では、加速度計５はロッディングプ
ラグ６上に置かれているが、ノズルに近接しかつ加速度
計が流れ条件の変化に感受性であるどんな位置でも受容
可能である。
図２に示すように、与えられた反応器について、数個
のノズル４及び11を相互連結して、スチームヘッダー14
及び油ヘッダー16からすべてのノズルへ同時にスチーム
及び油を供給するようにすることができる。この場合、
１つのノズル（上流）の作動がもう１つのノズルについ
て観察されるパワースペクトルに影響を与える可能性が
ある（下で論ずる）。
のノズル４及び11を相互連結して、スチームヘッダー14
及び油ヘッダー16からすべてのノズルへ同時にスチーム
及び油を供給するようにすることができる。この場合、
１つのノズル（上流）の作動がもう１つのノズルについ
て観察されるパワースペクトルに影響を与える可能性が
ある（下で論ずる）。
加速度計の電気信号はノズルの振動強度に比例し、単
位振動数範囲当たりの平均２乗加速度またはこの量につ
いての簡単な数学的演算のプロット（例えばこの量の平
方根をとること及び定数を掛けて平均２乗加速度の平均
根のプロットをつくることまたはその量の対数をとって
“db"プロットをつくること）は本発明の目的のための
適当なパワースペクトルである。１つの使用に於いて
は、センサー信号を増幅し、適当なデータリングによっ
て図１に示すように制御室へ送る。制御室では、信号を
スペクトルアナライザーまたは速いフーリェ変換信号処
理装置で処理する。また、制御室では、適当なアルゴリ
ズムによって、RPSを表示し且つメモリに記憶させる。
同様にカレントパワースペクトルすなわちCPSをリアル
タイムでとり、適当なパターン認識アルゴリズムによっ
てRPSと比較する。CPSとRPSとの間の変化をオペレータ
ーの目に留めさせて、次の補正のために特定のノズルの
流れ様式の変化を指示する。
位振動数範囲当たりの平均２乗加速度またはこの量につ
いての簡単な数学的演算のプロット（例えばこの量の平
方根をとること及び定数を掛けて平均２乗加速度の平均
根のプロットをつくることまたはその量の対数をとって
“db"プロットをつくること）は本発明の目的のための
適当なパワースペクトルである。１つの使用に於いて
は、センサー信号を増幅し、適当なデータリングによっ
て図１に示すように制御室へ送る。制御室では、信号を
スペクトルアナライザーまたは速いフーリェ変換信号処
理装置で処理する。また、制御室では、適当なアルゴリ
ズムによって、RPSを表示し且つメモリに記憶させる。
同様にカレントパワースペクトルすなわちCPSをリアル
タイムでとり、適当なパターン認識アルゴリズムによっ
てRPSと比較する。CPSとRPSとの間の変化をオペレータ
ーの目に留めさせて、次の補正のために特定のノズルの
流れ様式の変化を指示する。
オペレーターがCPSのRPSからの変化を解釈するのを助
けるため、特定の流れ条件に関する特性CPSの“ディク
ショナリ”がメモリ中に含まれていることができ、なさ
れるべき変化の方向を示すために表示される。再び、こ
の“ディクショナリ”は供給ノズルに特定的であり、複
雑な配管中の２相流の公知の複雑さのために実験的に生
成されたものである。ディクショナリの決定は下で例示
されかつ説明される。
けるため、特定の流れ条件に関する特性CPSの“ディク
ショナリ”がメモリ中に含まれていることができ、なさ
れるべき変化の方向を示すために表示される。再び、こ
の“ディクショナリ”は供給ノズルに特定的であり、複
雑な配管中の２相流の公知の複雑さのために実験的に生
成されたものである。ディクショナリの決定は下で例示
されかつ説明される。
さらに、加速度計センサーからのリアルタイム信号
（時間サイン）の時間変化を分析することにより測定時
間中の不安定な流れの存在を検出する。
（時間サイン）の時間変化を分析することにより測定時
間中の不安定な流れの存在を検出する。
別法では、ノズルの所で技術者によって操作ささる携
帯用のスペクトルアナライザーによって加速度計からの
振動信号を処理し、CPSのRPSからの変化を認め、かつノ
ズルに関してとられるべき補正措置をノズル位置に於い
て即座にとることができる。
帯用のスペクトルアナライザーによって加速度計からの
振動信号を処理し、CPSのRPSからの変化を認め、かつノ
ズルに関してとられるべき補正措置をノズル位置に於い
て即座にとることができる。
本発明のもう１つの実施態様では、加速度計５の代わ
りに流体と接触した動圧変換器８を用いる。この場合に
は、変換器はロッディングプラグを貫通して流体と接触
する。別法では、変換器８をノズルに沿った他の位置に
置くことができる（図１参照）。振動数依存性圧力を用
いてRPSまたはCPSとして働くパワースペクトルを発生さ
せることができる。
りに流体と接触した動圧変換器８を用いる。この場合に
は、変換器はロッディングプラグを貫通して流体と接触
する。別法では、変換器８をノズルに沿った他の位置に
置くことができる（図１参照）。振動数依存性圧力を用
いてRPSまたはCPSとして働くパワースペクトルを発生さ
せることができる。
図３は供給ノズルの機械的シエルと接触した加速度計
またはノズル内の２相混合物と接触した圧力変換器によ
って発生される時間変化性電気信号とノズルがその作動
時に発生する振動エネルギーの振動数分布との間の関係
を示す。図３はその信号の２乗をも時間及び振動数の関
数として示しかつパワースペクトル下の面積と振動セン
サーによって発生される平均２乗信号（平均２乗加速度
または変換器が正しく較正されるときの平均２乗圧力変
動）との間の公知の関係をも示す。
またはノズル内の２相混合物と接触した圧力変換器によ
って発生される時間変化性電気信号とノズルがその作動
時に発生する振動エネルギーの振動数分布との間の関係
を示す。図３はその信号の２乗をも時間及び振動数の関
数として示しかつパワースペクトル下の面積と振動セン
サーによって発生される平均２乗信号（平均２乗加速度
または変換器が正しく較正されるときの平均２乗圧力変
動）との間の公知の関係をも示す。
ノズルについてのディクショナリの決定 与えられたノズルについてのディクショナリは異なる
流れ条件についてのパワースペクトル分析を行うことに
よって得られる。図４は図１の弁１による油流の変化ま
たは図１の弁２によるスチーム流の変化によって誘起さ
れる流れ条件の変化または同じ油及びスチームヘッダー
について上流のノズルの条件の変化についてのノズルの
パワースペクトルのシーケンスを示す。
流れ条件についてのパワースペクトル分析を行うことに
よって得られる。図４は図１の弁１による油流の変化ま
たは図１の弁２によるスチーム流の変化によって誘起さ
れる流れ条件の変化または同じ油及びスチームヘッダー
について上流のノズルの条件の変化についてのノズルの
パワースペクトルのシーケンスを示す。
図４（ａ）は175の正常圧で油及びスチームがセット
されるノズルについてのパワースペクトルを示すが、こ
れは不安定でかつ望ましくない流れを示す。圧力は図１
の点10に於て測定される。次にノズルがロッディング及
びクリーニングされる。図４（ｂ）、４（ｃ）、４
（ｄ）及び４（ｅ）は、油流が若干のスチーム入力と共
に油流が閉じられるまで減少させるときのノズルのパワ
ースペクトルを示す。圧力Ｐはそれぞれ150、130、100
及び20である。チャギング（chugging）はない。図４
（ｆ）は正常な油及びスチーム流が再開された後のノズ
ルのパワースペクトルを示す。圧力は175であり、かつ
チャギングはない。図４（ｇ）はスチーム流を遮断し、
油流のみのノズルのパワースペクトルを示す。圧力は30
0である。図４（ｈ）は正常な油及びスチーム流が再開
された後のノズルのパワースペクトルを示す。圧力は17
5であり、チャギングはない。
されるノズルについてのパワースペクトルを示すが、こ
れは不安定でかつ望ましくない流れを示す。圧力は図１
の点10に於て測定される。次にノズルがロッディング及
びクリーニングされる。図４（ｂ）、４（ｃ）、４
（ｄ）及び４（ｅ）は、油流が若干のスチーム入力と共
に油流が閉じられるまで減少させるときのノズルのパワ
ースペクトルを示す。圧力Ｐはそれぞれ150、130、100
及び20である。チャギング（chugging）はない。図４
（ｆ）は正常な油及びスチーム流が再開された後のノズ
ルのパワースペクトルを示す。圧力は175であり、かつ
チャギングはない。図４（ｇ）はスチーム流を遮断し、
油流のみのノズルのパワースペクトルを示す。圧力は30
0である。図４（ｈ）は正常な油及びスチーム流が再開
された後のノズルのパワースペクトルを示す。圧力は17
5であり、チャギングはない。
供給物とスチームとの不適当な混合からもたらされる
ノズルの機能不全は図４に示されるように種々の開、閉
弁に相関させることができる。これらは、析出物、油遮
断、スチーム遮断、不適正なスチーム対油の比、変動流
またはチャギング、ならびに霧化不良、同一供給物環上
の２個のノズル間の時間依存性の流れのシフトならびに
物理的に損傷されたノズルによるノズルの部分的または
完全な閉塞を含む。図５はかかる状態に対応するノズル
のシェルと接触している加速度計によって発生されたパ
ワースペクトルのもう１つの例である。図５は異なる流
れ条件下での異なる供給ノズルについてとられた加速度
パワースペクトルを示す。圧力は図１の点10に於て測定
される。
ノズルの機能不全は図４に示されるように種々の開、閉
弁に相関させることができる。これらは、析出物、油遮
断、スチーム遮断、不適正なスチーム対油の比、変動流
またはチャギング、ならびに霧化不良、同一供給物環上
の２個のノズル間の時間依存性の流れのシフトならびに
物理的に損傷されたノズルによるノズルの部分的または
完全な閉塞を含む。図５はかかる状態に対応するノズル
のシェルと接触している加速度計によって発生されたパ
ワースペクトルのもう１つの例である。図５は異なる流
れ条件下での異なる供給ノズルについてとられた加速度
パワースペクトルを示す。圧力は図１の点10に於て測定
される。
図５（ａ）はノズルが詰まっている（流れない）間の
ノズルのパワースペクトルを示す。図５（ｂ）はノズル
がチャギングしていて不安定な流れを示すノズルのパワ
ースペクトルを示す。圧力は183である。図５（ｃ）は
ノズルがクリーニングされた後の安定な流れを示すノズ
ルのパワースペクトルを示す。圧力は再び183である。
図５（ｄ）は油流のみ（スチーム流遮断）のノズルのパ
ワースペクトルを示す。圧力は300である。図５（ｅ）
はスチーム流のみ（油流遮断）のノズルのパワースペク
トルを示す。図５（ｆ）は同一の油及びスチームヘッダ
ーの上流のもう１つのノズルが詰まったときのノズルの
パワースペクトルを示す。この場合には、圧力は図１の
点12に於て測定される。図４と図５のパワースペクトル
間の違いにもかかわらず、おのおのが流れ状態の“指
紋”であることを認めることが重要である。
ノズルのパワースペクトルを示す。図５（ｂ）はノズル
がチャギングしていて不安定な流れを示すノズルのパワ
ースペクトルを示す。圧力は183である。図５（ｃ）は
ノズルがクリーニングされた後の安定な流れを示すノズ
ルのパワースペクトルを示す。圧力は再び183である。
図５（ｄ）は油流のみ（スチーム流遮断）のノズルのパ
ワースペクトルを示す。圧力は300である。図５（ｅ）
はスチーム流のみ（油流遮断）のノズルのパワースペク
トルを示す。図５（ｆ）は同一の油及びスチームヘッダ
ーの上流のもう１つのノズルが詰まったときのノズルの
パワースペクトルを示す。この場合には、圧力は図１の
点12に於て測定される。図４と図５のパワースペクトル
間の違いにもかかわらず、おのおのが流れ状態の“指
紋”であることを認めることが重要である。
加速度計はしばしばRPS及びCPSの発生のためのえり抜
きの振動変換器である。しかし、圧力変換器は別法であ
り、若干の利益を示す。圧力変換器は、ノズルのクリー
ニング時に不注意に損傷される可能性のない位置に配置
することがしばしば可能である。受動型音響式供給ノズ
ル監視に関心のある振動信号について加速度計と圧力変
換器との間の振動数範囲の差異はない。さらに、流体と
接触している圧力変換器の効率は、機械的接触よりも音
響的接触が重要であるので、その活性表面上へのコーク
スまたは他の固体の累積によってほとんど影響を受けな
い。
きの振動変換器である。しかし、圧力変換器は別法であ
り、若干の利益を示す。圧力変換器は、ノズルのクリー
ニング時に不注意に損傷される可能性のない位置に配置
することがしばしば可能である。受動型音響式供給ノズ
ル監視に関心のある振動信号について加速度計と圧力変
換器との間の振動数範囲の差異はない。さらに、流体と
接触している圧力変換器の効率は、機械的接触よりも音
響的接触が重要であるので、その活性表面上へのコーク
スまたは他の固体の累積によってほとんど影響を受けな
い。
上で論じたように、供給ノズル上の固定位置に於て供
給ノズル内の流体と接触している動圧変換器を用いてパ
ワースペクトルを得ることができる。かかる変換器から
のパワースペクトルを図６（ａ）〜図６（ｆ）に示す
が、これらはノズルが正しく作動しているとき（6a）、
スチームのみ（6b）、同じスチームと減少油（6c）、
油、スチーム無し（6d）スチーム添加によって誘起され
たスラッキング（slugging）（6e）及び上流ノズルの詰
まりによって誘起されたノズルの不安定性（6f）の時の
ノズルのパワースペクトルを示す。これらの図ではより
大きい動的範囲を与えるために対数スケールを用いる。
給ノズル内の流体と接触している動圧変換器を用いてパ
ワースペクトルを得ることができる。かかる変換器から
のパワースペクトルを図６（ａ）〜図６（ｆ）に示す
が、これらはノズルが正しく作動しているとき（6a）、
スチームのみ（6b）、同じスチームと減少油（6c）、
油、スチーム無し（6d）スチーム添加によって誘起され
たスラッキング（slugging）（6e）及び上流ノズルの詰
まりによって誘起されたノズルの不安定性（6f）の時の
ノズルのパワースペクトルを示す。これらの図ではより
大きい動的範囲を与えるために対数スケールを用いる。
上記の図から、圧力変換器が加速度計発生パワースペ
クトルと同様にCPSまたはRPSとして機能する等しく明白
なパワースペクトルを生ずることは明らかである。しか
し、圧力変換器発生パワースペクトルの方が、より少な
い数のピークを含みかつそれ故定期的ノズル監視の場合
に於けるヒト観察員により、あるいは連続式またはリア
ルタイムノズル監視の場合に於けるより簡単なコンピュ
ーターパターン認識アルゴリズムによってそのより多く
の変化をより容易に認識する点でより簡単である。
クトルと同様にCPSまたはRPSとして機能する等しく明白
なパワースペクトルを生ずることは明らかである。しか
し、圧力変換器発生パワースペクトルの方が、より少な
い数のピークを含みかつそれ故定期的ノズル監視の場合
に於けるヒト観察員により、あるいは連続式またはリア
ルタイムノズル監視の場合に於けるより簡単なコンピュ
ーターパターン認識アルゴリズムによってそのより多く
の変化をより容易に認識する点でより簡単である。
ノズルチップを出る流体からの広帯域ノイズによっ励
起された供給ノズルのボアまたは副次チュービング中に
含まれる流体中の共鳴からパワースペクトルのピークが
生ずることを認めるならば、圧力変換器発生パワースペ
クトルの単純性を理解することができる。ノズルシェル
と接触している加速度計によって発生されるパワースペ
クトルのピークもノズルの機械的振動様式ならびにプロ
セス容器の構造様式と関連する振動共鳴を含む。音響イ
ンピーダンスの概念を用いて、流体中の共鳴によって発
生される信号は流体中で測定するとき他の共鳴よりもほ
とんど100倍だけ有利である。この事実を別にしても、
圧力変換器発生CPSのもう１つの利益は、配置及びノズ
ル保守中の意図しない損傷からの保護の便利さのために
圧力変換器の使用がしばしば有利であり得ることであ
る。
起された供給ノズルのボアまたは副次チュービング中に
含まれる流体中の共鳴からパワースペクトルのピークが
生ずることを認めるならば、圧力変換器発生パワースペ
クトルの単純性を理解することができる。ノズルシェル
と接触している加速度計によって発生されるパワースペ
クトルのピークもノズルの機械的振動様式ならびにプロ
セス容器の構造様式と関連する振動共鳴を含む。音響イ
ンピーダンスの概念を用いて、流体中の共鳴によって発
生される信号は流体中で測定するとき他の共鳴よりもほ
とんど100倍だけ有利である。この事実を別にしても、
圧力変換器発生CPSのもう１つの利益は、配置及びノズ
ル保守中の意図しない損傷からの保護の便利さのために
圧力変換器の使用がしばしば有利であり得ることであ
る。
上で論じたように、振動信号の時間変化は、ノズル内
の流れの状態、流体の状態に関する情報を得るために用
いることもできる。図７（ｂ）は振動信号の時間変化及
び図７（ａ）中の対応するフーリエ変換、パワースペク
トルをチャギング（chugging）ノズルについて振動数の
関数として示す。不安定な流れを検知するためにプロー
ブ信号の時間変化を用いることが、時々、より便利であ
る。図８は安定な油流（ａ）及び不安定な油流、チャギ
ング（ｂ）についての時間変化を比較する。
の流れの状態、流体の状態に関する情報を得るために用
いることもできる。図７（ｂ）は振動信号の時間変化及
び図７（ａ）中の対応するフーリエ変換、パワースペク
トルをチャギング（chugging）ノズルについて振動数の
関数として示す。不安定な流れを検知するためにプロー
ブ信号の時間変化を用いることが、時々、より便利であ
る。図８は安定な油流（ａ）及び不安定な油流、チャギ
ング（ｂ）についての時間変化を比較する。
図１は本発明の方法による系の概略図を示す。 図２は共通ヘッダーから油とスチームとが供給されてい
る２個のノズルの概略図を示す。 図３は加速度計から測定される信号とパワースペクトル
との間の関係を示す。 図４はノズルの流れ条件が変わるときのパワースペクト
ルの変化を示す。縦軸は（volt）2/Hzであり、横軸はHz
である。圧力Ｐはすべてのpsiである。 図５はノズルの流れ条件が変わるときのパワースペクト
ルの変化のもう１つの例を示す。縦軸は（volt）2/Hzで
あり、横軸はHzである。圧力Ｐはすべてpsiである。 図６は流れ条件の変化について圧力変換器で得られるノ
ズルのスペクトルを示す。縦軸はRMS圧力の対数であ
り、横軸は０〜32000HzのHzである。 図７は振動信号の時間変化及び同じノズル条件について
の対応するパワースペクトルを示す。 図８は正常な油流と不安定な油流についての振動信号の
時間変化を示す。
る２個のノズルの概略図を示す。 図３は加速度計から測定される信号とパワースペクトル
との間の関係を示す。 図４はノズルの流れ条件が変わるときのパワースペクト
ルの変化を示す。縦軸は（volt）2/Hzであり、横軸はHz
である。圧力Ｐはすべてのpsiである。 図５はノズルの流れ条件が変わるときのパワースペクト
ルの変化のもう１つの例を示す。縦軸は（volt）2/Hzで
あり、横軸はHzである。圧力Ｐはすべてpsiである。 図６は流れ条件の変化について圧力変換器で得られるノ
ズルのスペクトルを示す。縦軸はRMS圧力の対数であ
り、横軸は０〜32000HzのHzである。 図７は振動信号の時間変化及び同じノズル条件について
の対応するパワースペクトルを示す。 図８は正常な油流と不安定な油流についての振動信号の
時間変化を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クレイグ アレン ジョセフ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94553 マーティネズ ヒラー レーン 5045 (72)発明者 ウリ セラ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94598 ウォルナット クリーク セコ ム コート 2122 (56)参考文献 実開 昭61−101244（ＪＰ，Ｕ)
Claims (3)
- 【請求項１】プロセス容器またはチャンバー中へ油とス
チーム、又は粒子含有液体を霧化状態で含む液体−気体
混合物を注入する供給ノズルの作動条件を、ノズルを出
る該液体及び気体の正しい混合を保つように補正するた
めの受動型音響式ノズル監視方法であって、 （ａ） 該ノズルがノズルの所望の作動状態である標準
の混合または流れ条件で作動しており、かつリファレン
スパワースペクトル（RPS）を特徴づける振動共鳴が、
パワースペクトルがその範囲にわたって測定される振動
数範囲でノズルを通る流れと関連するエネルギーによっ
て支配される場合に、該ノズルに極めて近接した振動セ
ンサーから第１のRPSを測定する工程と、 （ｂ） 後の時間に於て該ノズルに極めて近接した該振
動センサーから第２のカレントパワースペクトル（CP
S）を測定する工程と、 （ｃ） 該CPSを該RPSと比較する工程と、 （ｄ） ノズルに入る気体及び液体の相対的体積を調節
する変数を変化させることによってノズルの流れ状態を
補正する工程と、 （ｅ） 前記RPSのサインを示すべきである第３のCPSを
測定することによって所望の流れ状態への復帰を立証す
る工程と からなる方法。 - 【請求項２】該振動センサーが加速度計である請求項
（１）記載の方法。 - 【請求項３】該振動センサーがノズル中の流体混合物と
接触している動圧変換器である請求項（１）記載の方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/131,366 US4824016A (en) | 1987-12-10 | 1987-12-10 | Acoustic monitoring of two phase feed nozzles |
| US131366 | 1993-10-04 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01222110A JPH01222110A (ja) | 1989-09-05 |
| JP2735103B2 true JP2735103B2 (ja) | 1998-04-02 |
Family
ID=22449140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63311804A Expired - Fee Related JP2735103B2 (ja) | 1987-12-10 | 1988-12-09 | ２相供給ノズルの音響式監視 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4824016A (ja) |
| EP (1) | EP0320280B1 (ja) |
| JP (1) | JP2735103B2 (ja) |
| AU (1) | AU611364B2 (ja) |
| CA (1) | CA1321824C (ja) |
| DE (1) | DE3883725T2 (ja) |
| ES (1) | ES2043855T3 (ja) |
Families Citing this family (43)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5022266A (en) * | 1989-03-02 | 1991-06-11 | Exxon Research And Engineering Company | Passive acoustics process to monitor fluidized bed flow |
| US4993264A (en) * | 1989-03-02 | 1991-02-19 | Exxon Research And Engineering Company | Passive acoustics process to monitor fluidized bed level |
| US5022268A (en) * | 1989-05-22 | 1991-06-11 | Exxon Research And Engineering Company | Passive acoustics system to monitor fluidized bed systems |
| US5004152A (en) * | 1989-10-30 | 1991-04-02 | Exxon Research & Engineering Company | Acoustic monitoring of two phase feed nozzles |
| CA2069049A1 (en) * | 1991-06-20 | 1992-12-21 | Henry Alan Wolf | Method to determine absolute liquid flow rate for manifolded feed nozzles |
| US5218871A (en) * | 1991-06-20 | 1993-06-15 | Exxon Research And Engineering Company | Non-intrusive liquid flow meter for liquid component of two phase flow based on solid or fluid borne sound (c-2408) |
| US5207107A (en) * | 1991-06-20 | 1993-05-04 | Exxon Research And Engineering Company | Non-intrusive flow meter for the liquid based on solid, liquid or gas borne sound |
| US5193406A (en) * | 1991-06-20 | 1993-03-16 | Exxon Research And Engineering Company | On-stream method for detecting erosion or plugging for manifolded feed nozzle systems |
| US5790413A (en) * | 1993-03-22 | 1998-08-04 | Exxon Chemical Patents Inc. | Plant parameter detection by monitoring of power spectral densities |
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| US8512525B2 (en) | 2001-03-12 | 2013-08-20 | Curtiss-Wright Flow Control Corporation | Valve system and method for unheading a coke drum |
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| US7316762B2 (en) | 2003-04-11 | 2008-01-08 | Curtiss-Wright Flow Control Corporation | Dynamic flange seal and sealing system |
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