JP3167791B2 - 液体が作動される各ノズルからの液体の流量を運転中に測定する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマニホルドで分岐された
系において二相（気体／液体）の供給ノズルへの液体の
質量流量及び体積を測定するための絶対校正方法を開示
する。或る実施例においては本方法は、センサと液体材
料とが直接機械的に接触することを必要としない。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】二相
のノズルは種々の応用分野において重要であり、特に化
学的操作または石油プロセス操作において微粒化された
供給材料を噴射するために重要である。多くのこのよう
なプロセスにおいて、微粒化された炭化水素液が制御さ
れかつ測定されて反応領域内に吹きかけられるときに、
特にプロセス触媒が含まれるときに、運転性または選択
性の改善がもたらされる。一つの例は沸点の高い石油留
分の流動接触分解（流動触媒を用いた接触分解、ｆｌｕ
ｉｄｉｚｅｄ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｒａｃｋｉｎ
ｇ，ＦＣＣ）プロセスである。典型的には、液体供給材
料を気体と混合させ、この混合物を、細かく分散された
雫を生成するようになっている供給ノズルからプロセス
内に噴射することによって、供給材料の高度の微粒化が
達成される。接触分解では微粒化用の気体として典型的
には蒸気が用いられるが、プロセス融和性の任意の気体
が使用されることができる。

【０００３】プロセス容器内に吹きかけられる微粒化し
た液体の分配を制御および測定する必要性は、標準的に
は多数のノズルを用いることによって満たされる。微粒
化のために蒸気への液体の適切な混合を維持し、かつ各
ノズルが特定の液体または質量流量を運ぶことを確保す
ることは、可能性を有する装置が有利に運転することを
可能にする。一つの一般的な運転モードは各ノズルに対
して等しい液体流量を維持するというものである。多数
の供給ノズルを有する多くの装置は通常、液体ライン上
および気体ライン上に遮断弁または絞りオリフィスを具
備する。しかしながら、これらの遮断弁または絞りオリ
フィスは液体流量を唯一には決定しない。各ノズルが共
通のマニホルドから供給を受けるときには、各ノズルを
介した液体流れが最適化される保証はない。なせなら
ば、マニホルド全体での正味の液体流量のみが容易に測
定されることができるにすぎないからである。実際、種
々のマニホルドで分岐されたノズルの流量を測定する
と、通常各ノズルへの等しい液体流量からの有意な偏差
が示される。これとは対照的に、ノズルへの気体の流量
は通常気体ライン上の絞りオリフィスによって決定さ
れ、この絞りオリフィスによって個々のノズルへの比較
的均一な気体の分配が確保される。

【０００４】液体の質量流量を測定することは新規なこ
とではない。質量流量を測定するために使用されてきた
種々の流量計がある。これらの流量計の或るものは本質
的に機械式であり、これら機械式の流量計は移動する液
体の力を利用して車輪を回転させたり又は針を撓ませた
りする。このような流量計は単一相の条件においてのみ
質量流量を測定することができ、またこのような流量計
は通常汚損しない液体の測定に制限される。石油産業お
よび石油化学産業に共通して単一相の流れに利用可能な
流量計は非常に高価な傾向にある。流れ粘性を低減させ
るために維持される非常な高温は更に別の複雑性を課
す。更に、使用される液体はこのような流量計の機械的
な構成要素をたやすく汚損させたり詰まらせたりする。

【０００５】『渦流量計（ｖｏｒｔｅｘ ｆｌｏｗ ｍ
ｅｔｅｒ）』として知られる種々の流量計がある。これ
らの渦流量計は、渦が放出される周波数から流速を測定
するために、流れの中に置かれた障害物から進行する渦
伴流を利用する。このような流量計もまた単一相の流れ
の測定に限定される。また渦流量計は流れの中に障害物
を置くことを必要とするので、汚損や付着の問題を受け
やすい。大部分の装置の温度範囲は、障害物によって発
生される音をピックアップするのに必要な音波変換器の
基本的な制約のために狭い。

【０００６】流量を測定するために超音波を利用する種
々の音響的な流量計がある。このような流量計の或るク
ラスのものは、移動する流体を含むパイプに取り付けら
れた超音波トランスデューサ／レシーバと、この超音波
トランスデューサ／レシーバの上流および／または下流
の同じパイプに取り付けられた超音波レシーバ／トラン
スデューサとを利用する。多くの石油プロセスおよび石
油化学プロセスの高温の運転温度、および音響装置の取
付けの幾何学的な制約は、これらの流量計を多くの石油
および石油化学の応用分野に適用することを困難かつコ
ストのかかるものにする。温度はしばしば多くの単一相
用の流量計の作動限界を越えてしまう。

【０００７】二相のノズルを介して流れる気体と液体の
混合物から液体部分を測定することは困難である。一般
的な流量測定装置は流速または圧力にのみ感応し、質量
流量には感応しない。従ってこのような流量測定装置
は、同じように複雑な混合物の密度の測定を別個に行う
ことなしには液体流量を測定することができない。単一
相の液体流量を測定できる装置は高価であり、またしば
しば侵入的である。なぜならばこれらの装置は流れの中
にオリフィスまたは障害物を挿入することを必要とする
からであり、オリフィスまたは障害物は混合物の液体部
分によってたやすく汚損される可能性がある。多くの石
油および石油化学の適用分野では二相の混合物は十分に
低い流れの粘性を達成するために高温に維持されるの
で、流量測定装置には温度の制限も加わる。

【０００８】斯くして多くの石油および石油化学の設備
では各供給ノズルへの流量を測定していない。なぜなら
ば適切な流量計はプロセス条件の過酷さのために高価な
ものになるからである。このような過酷な条件にかなう
専用の流量計を開発することは多大の費用を要し、また
望ましくない複雑性を伴うであろう。

【０００９】石油および石油化学のプロセス装置はマニ
ホルドで分岐された供給ノズルからの液体の特定の分配
により改善された作動運転を行うことができるが、通常
はマニホルドへの正味の液体流量のみが測定または制御
される。しかしながら測定の体系が無ければ、ノズルか
ら出る二相の流体が有する複雑な性質のために、各供給
ノズルの間で望ましい流れの分配が得られる確率は低
い。液体の分配における不確かさは、液体供給材料の一
部が気化されうるという可能性によって増大される。通
常このような流れのアンバランスの存在は、長期間が経
過した後に異常なプロセス状態によって、或いはプロセ
スの出力産物の変化によってのみ推定されることにな
る。更に、供給ノズルが部分的に詰まったり又は侵食さ
れてこれが流れの重大な不良分配につながることがあり
うるが、このことが装置が保守のために停止されるまで
明確にならないままになる可能性がある。従って、個々
のノズルからの液体流量を測定および監視できる技術が
必要とされる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明はマニホルドで分
岐されたノズル系において各ノズルを介した質量流量を
確定する方法に関する。本発明はマニホルドで分岐され
た二相（気体／液体）の供給ノズル系において個々のノ
ズルへの液体の質量流量を測定するための絶対校正方法
を開示する。本発明はまた液体の体積流量を測定するた
めの方法と表現されることもできる。なぜならば所与の
液体に対しては質量と体積とはほぼ一貫した密度によっ
て関係付けられるからである。本明細書では簡便のため
に『質量流量』は質量流量と体積流量の双方を表わすも
のとして使われる。ほとんどすべての気体／液体の組合
せが適用されることができる。本方法はマニホルドへの
正味の液体流量を測定することを必要とする。また本方
法は液体流量に整合性をもって応答する量（即ち、この
量は液体流れの体積流量に単調関数的に関連される）を
測定することを必要とする。この量はマニホルドの条件
ｊの下でのｉ番目のノズルに対する『液体流れパラメー
タ（液体流量パラメータ、ｌｉｑｕｉｄ ｆｌｏｗ ｐ
ａｒａｍｅｔｅｒ）』Ｐ_ijと称される。各ノズルに対し
て圧力と温度とが特定されるようなマニホルド系では、
液体の質量流量は体積流量から一意的に決定されること
ができる。本発明では、一般的に使用されている変換器
（トランスデューサ）を単純に使用して液体の質量流量
がいかにして容易に決定される（測定される）かが示さ
れる。液体流量パラメータの例には圧力（静圧または動
圧）、周波数スペクトルにおける液体流れのピーク、周
波数スペクトルにおける気体のピークが含まれる。液体
流れのピークおよび気体のピークは加速度計振動センサ
で容易に測定されることができる。本発明による技法で
はセンサと液体材料とが直接機械的に接触する必要がな
い。更に、この技法はオンライン電子モードまたは手動
モードに適用されることができる。体積流量に対して整
合性のある単調関数的な指示を与える任意のトランスデ
ューサが、液体流量パラメータＰ_ijを測定するために用
いられることができる。

【００１１】このようなトランスデューサ（変換器）の
例として例えば次のようなものが挙げられる。 （１）個々のノズルの二相（気体／液体）の流れに対す
る気体の寄与を制御する絞りオリフィス（ＲＯ）の下流
の気体と接触する圧力変換器（静圧または動圧）。 （２）加速度計または他の振動センサ。この加速度計ま
たは振動センサは、気体を制御する絞りオリフィス（Ｒ
Ｏ）によって発生される固体伝送音と接触せしめられ、
またはノズル内の液体流れの乱流状態と接触せしめられ
る。 （３）液体の体積流量に対して整合性のある関数的な指
示を与える他の変換器。

【００１２】動圧変換器または加速度計によって測定さ
れる液体流量パラメータは、特定の周波数帯に亘って積
分された信号に対して定義される。この周波数帯は、積
分された応答が液体流量に単調に関係されるように実験
的に決定される。この実験的な決定は、液体流量パラメ
ータを測定しながら液体流量を離散ステップ状に増分さ
せることによって遂行される。石油および石油化学の適
用分野では液体流量パラメータ用の周波数帯は次のよう
に観測された。即ち、加速度の液体流れのピーク用には
０〜６４００Hz、加速度の気体のピーク用には４０００
〜１２０００Hz、動圧用には０〜１０００Hzである。液
体流れのピークは液体流量が増加するにつれて単調に増
加する。気体のピークは液体流量が増加するにつれて単
調に減少する。動圧は液体流量が増加するにつれて単調
に増加する。これらの特別の例においては、流動接触分
解の供給マニホルドの場合には上述の単調な関係はほぼ
線形をなす。

【００１３】本発明は特に、ノズル当たりの絶対流量を
液体流量パラメータの関数として規定する方程式系を生
成する測定手順を含んでいる。この方程式系の中のすべ
ての未知の定数（校正係数）を唯一に特定する方法が含
まれる。最終的に、上述のノズル群がプロセス気体／液
体で完全に作動（運転）されながら上述の手順が適用さ
れることができる。

【００１４】本発明による全体的な方法から、個々の供
給部または供給ノズル内における幅広い範囲の液体／気
体の微粒化条件に対して、絶対液体流量が種々の変換器
（トランスデューサ）を用いて実時間で測定および監視
されることができる。この方法は流れる流体の質量に関
係した量を測定するので、この方法は多くの範疇の二相
の流体の噴霧装置に幅広く適用できる技術である。本方
法の出力は本来電子的なものであるので、この出力は制
御装置に容易に伝達される。そしてこの出力は供給材料
の微粒化、および共通のマニホルドから送り込まれた供
給材料の個々のノズルを介した流れ、を自動的に測定し
かつ制御するために利用されることができる。

【００１５】

【実施例】本発明はマニホルドで分岐された二相（気体
／液体）の供給ノズル系において、個々のノズルへの液
体の質量流量を測定するための運転中の絶対校正方法を
開示する。この方法ではマニホルドへの正味の液体流量
を測定することが必要とされる。またこの方法では、液
体流量に対して関数的に一貫して単調に応答する量（マ
ニホルドの条件ｊの下でのノズルｉの液体流れのパラメ
ータＰ_ij）を測定することが必要とされる。ほぼ線形に
応答するパラメータの例には圧力（静圧または動圧）、
液体流れのピーク、気体のピークが含まれる。液体流れ
のピークおよび気体のピークは加速度計で測定される。
本発明では変換器（トランスデューサ）と液体とが直接
機械的に接触することは必ずしも必要とされない。更
に、本発明で説明される校正手順は、マニホルドが完全
に使用できる状態で遂行されることができる。従って、
結果は装置の始動の後に発生した変化に対して敏感であ
る。

【００１６】マニホルドへの正味の液体流量は典型的に
は現存する多くの適用分野において測定されている。典
型的な計量器は予熱炉の上流または下流の液体ラインに
おいて計量オリフィスを用いている。

【００１７】液体流れのパラメータＰ_ijは、液体流量に
対して関数的に整合性をもって応答する任意の変換器で
測定されることができる。実用的でかつ有利な特徴は、
変換器の絶対校正が必要とされないことである。更に注
目すべき点は、液体流れのパラメータは各ノズルに対し
て同一の物理量を測定することさえ必要とされない点で
ある。例えば、一つのノズルは静圧変換器によって監視
されることができ、別のノズルは絞りオリフィスの加速
度の気体ピークによって監視されることができる。唯一
必要とされることは、各変換器が液体流量に対して繰返
し性の良い指示を与えることである。

【００１８】更に、本技法はオンライン電子モードまた
は手動モードに適用されることができる。電子モードで
は校正パラメータが計算されかつアルゴリズムに従って
記憶されることができる。次いで、記憶されたパラメー
タは液体流量のオンライン測定を行うために使用される
ことができる。もし望まれるならばこの液体流量の測定
は、マニホルドの分配を意図的に変化させるために制御
アルゴリズムへの信号として容易に利用されることがで
きる。

【００１９】図１は典型的な流動接触分解装置（流動触
媒を用いた接触分解装置、ＦＣＣｕｎｉｔ）の噴射領域
を概略的に示している。図１には触媒流３が流れる供給
立上り管２内に噴射を行う８個（この例の場合）の供給
ノズル１の位置が示されている。図２に示されるように
供給ノズル群への油（ｏｉｌ）はヘッダ４から共通のマ
ニホルド５に分配される。図示されるように各ラインに
配置された個々の遮断弁７がノズル６への油の流れを制
御する。図３に示されるように蒸気（ｓｔｅａｍ）９お
よび油１１が個々のノズル８に送り込まれる。ここで蒸
気９は油１１を微粒化させる役目と、油１１が遮断され
たときにノズル８が詰まらないようにする役目との二つ
の役目を果たす。図３に示されるように油１１の流れは
遮断弁１２によって制御される。蒸気９の流れは絞りオ
リフィス（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｒｉｆｉｃｅ，
ＲＯ）１０を介して高圧の蒸気流を得ることによって
制御され、この絞りオリフィス１０は典型的には『チョ
ーク流れ（ｃｈｏｋｅｆｌｏｗ）』の条件下で絞りオリ
フィス１０の下流の圧力に拘らずに一定の蒸気の質量流
量を維持する。絞りオリフィス１０の上流の圧力は典型
的には一定に保たれる。微粒化した油１４を流動する触
媒１５上に分散させるようにノズル８が供給立上り管の
壁１３内に突出している。

【００２０】図４は個々の供給ノズルの配管をより詳細
に示している。遮断弁１７を介して流れる油１６は絞り
オリフィス１９によって制御される蒸気１８と混合す
る。油１６と蒸気１８との混合点２０は油の遮断弁１７
および絞りオリフィス１９双方の下流に位置する。油と
蒸気の混合物はノズル筒２１を通してノズルチップ２２
に押し込まれ、この混合物はノズルチップ２２から噴霧
（スプレー）２３として放出される。

【００２１】本発明の一つの実施例では振動センサ２４
が絞りオリフィス１９を支持するフランジ２５上、また
はフランジ２５に隣接して配置される。或いはこの振動
センサ２４は絞りオリフィス１９で発生する音および振
動（例えば気体ピーク）と直接接触する任意の位置に配
置される。或いはこの振動センサ２４は液体流れにより
発生する音および振動（例えば液体流れのピーク）に応
答するように棒状プラグ２６上、または棒状プラグフラ
ンジ２７上などに配置される。加速度計が絞りオリフィ
ス１９または液体と気体の混合部で発生する流れ騒音の
変化を感知する任意の位置を採用できる。本発明の別の
実施例では静圧または動圧の圧力変換器２８が絞りオリ
フィス１９の下流または油と蒸気の混合点２０の下流の
流れと接触するように配置される。圧力変換器２８が流
量の変化を感知する任意の位置を採用できる。有効な例
としては動圧測定用の位置２９、または静圧測定用の位
置３０が含まれる。

【００２２】本発明は、マニホルドで分岐された二相の
ノズル系でかつ気体の流れが絞りオリフィスによって制
御されるノズル系においてノズル当たりの液体の流れを
測定するための運転中の絶対校正方法に関する。流動接
触分解装置内に油を噴射するのに用いられるノズルは特
に重要であり、本発明の実施例として説明される。この
ようなノズルにおいては気体は蒸気であり、液体は油で
ある。必要な校正方程式を立てるためには多数の異なる
運転条件下で液体供給装置の測定を行うことが必要であ
る。以下の記載では各運転条件を添字ｊで表わす。

【００２３】液体流れのパラメータとノズル当たりの液
体流量との間の一般化された関数関係は次式（１）のよ
うに表わすことができる。 Ｆ_ij＝ｆ_i （Ｐ_ij） …（１） ここでＦ_ijはマニホルドの条件ｊの下でのノズルｉの液
体流量であり、ｆ_i （Ｐ _ij）はマニホルドの条件ｊの下
での液体流れのパラメータＰ_ijの関数ｆ_i として表現さ
れたノズルｉの液体流量である。関数関係ｆ_i はマニホ
ルドの条件によって変わらないと仮定される。なお、す
べての二重添字の表記において第１の添字は特定のノズ
ルを表わし、第２の添字は特定のマニホルド条件を表わ
す。

【００２４】関数ｆ_i はしばしば次式（２）のように低
次数の多項式にすることができることが発見された。 Ｆ_ij＝Ａ_i ＋Ｂ_i Ｐ_ij＋Ｃ_i Ｐ_ij ² ＋…＋ …（２） ここでＡ_i ，Ｂ_i ，Ｃ_i ，…は流れパラメータＰ_ijをマ
ニホルド条件ｊの下でのノズルｉからの液体流量に相関
させる多項式関係を規定する校正係数である。これらの
校正係数はマニホルドの固定した幾何形状によりマニホ
ルド条件ｊによって変わらないと仮定される。

【００２５】重要な場合として流動接触分解装置の供給
ノズルの場合には式（２）の低次数の多項式がしばしば
次式（３）のように一次式の関係になる。 Ｆ_ij＝Ａ_i ＋Ｂ_i Ｐ_ij …（３） ここでＡ_i は流量軸線との切片として解釈され、Ｂ_i は
直線の傾斜（傾き）として解釈される。

【００２６】マニホルド全体での液体流量Ｍ_j は条件ｊ
によって特定され、このマニホルド全体での液体流量Ｍ
_j は次式（４）のように式（１）からＮ個の個々の液体
が作動されているノズルの流量Ｆ_ijの和をとることによ
り計算される。

【数１】

【００２７】式（３）のように線形化された場合には、
マニホルド全体での液体流量Ｍｊは式（３）を式（４）
に代入することにより次式（５）のように特定される。

【数２】

【００２８】式（５）は式（３）に示される線形化され
た液体流量のパラメータのための校正手順の基礎を説明
するために用いられる。この校正手順は各ノズルに対す
る校正係数Ａ_i およびＢ_i の計算を可能にする。この校
正手順では一連の方程式を作るために一連の異なる条件
下でマニホルドを運転することが必要とされる。好まし
い実施例ではこれらの条件（状態）は液体が作動されて
いるノズルの各々に対して液体の流れを一時的かつ単独
に中断することによって発生せしめられる。一つのノズ
ルに対して液体の作動が一時的に停止される度毎に、液
体流れのパラメータが各ノズルに対して測定されなけれ
ばならない。更に、マニホルドへの全体の液体流量が測
定されなければならない。例えばノズルNo. １が一時的
に作動を停止されたときには液体流れのパラメータＰ₂₁
はノズルNo. ２に対して測定された液体流れのパラメー
タであり、液体流れのパラメータＰ₁₁はノズルNo. １に
対する液体流れのパラメータであってノズルNo. １への
液体流量は零となる。全体の方程式系は表１に示される
ような行列形式で表わされる。

【００２９】

【表１】

【００３０】行ｊと行（ｊ＋Ｎ）によって生成される方
程式は夫々、ｊ番目のノズルが油の流れを有さない場合
におけるマニホルド全体での液体流量とｊ番目のノズル
の液体流量とを特定する。一番左のベクトルは流量ベク
トルと称され、行列は校正データ行列であり、一番右の
ベクトルは未知の傾斜および切片（例えば校正係数）を
含んでいる。

【００３１】１個または複数個のノズルへの油を遮断す
ると、他のノズルにおける油の流量が変化せしめられう
る。例えば、マニホルド全体での流量が一定に保たれる
場合には、１個または複数個のノズルの作動を停止させ
ると残りの各ノズルへの流量が全体的に増大される。行
１から行Ｎは、各ノズルが順番にかつ一時的に液体流れ
の作動を停止されたときのマニホルド全体での液体流量
を特定する。

【００３２】ｉ番目のノズルへの油の流れが無い場合
（ｉ＝ｊの場合）には式（５）は等価的に次式（６）の
ように表わされる。

【数３】 （ｉ＝ｊに対しては項が零であることに注意せよ。）

【００３３】行（Ｎ＋１）から行２Ｎは、ｉ番目のノズ
ル（ｉ＝ｊ）が液体の作動を一時的に停止されている間
においてｉ番目のノズルを介した液体の流量が零である
状態を特定する。油の流れが無いノズルに対する方程式
（ｉ＝ｊ）は次式（７）のように表わせる。

【数４】

【００３４】上述の諸変数を要約すると次のようにな
る。Ｍ_j はマニホルドの条件ｊ（上述のようにこの条件
ｊはｊ番目のノズルへの油の流れが無い条件に当た
る。）に対するマニホルド全体での油の流量を表わす。
Ｆ_ijはｉ番目のノズルへの液体の流量を表わし、ノズル
が液体の作動を停止されているときにはＦ_ijは零であ
る。Ｐ_ijはｉ番目のノズルに対する液体流れのパラメー
タであり、第１の添字ｉはノズルの番号を表わし、第２
の添字ｊはマニホルドの条件を表わす。表１に示される
行列において第２の添字ｊは液体流れの作動が一時的に
停止されるノズルの番号を指す。Ａ_i はノズルｉに対し
て決定されるべき一定の校正係数である。Ｂ_i はノズル
ｉに対して決定されるべき傾斜（傾き）の校正係数であ
る。

【００３５】液体が作動されているＮ個のノズルと対応
するＮ個の絞りオリフィスとを有する供給装置に対して
は、液体流れのパラメータを液体流量に関係付ける２Ｎ
個の方程式系を作ることができる。（なお、Ｎはマニホ
ルド上に設置された物理的なノズルの全部の個数よりも
小さいか又は等しいことが可能であることに注意された
い。標準的にまたは永久的に液体の作動が停止されるノ
ズルは、行列形式の校正実験を行う間において無視され
ることができる。）ここで例示するケースでは液体流れ
のパラメータがほぼ線形をなし、対応する方程式が線形
であり、各方程式は傾斜と切片とにより一意的に特定さ
れる。このとき、液体が作動されているＮ個のノズルが
ある場合にはＮ個の固有の傾斜およびＮ個の固有の切片
に帰着する。本発明で説明される校正手順は必要な液体
流量の校正係数（線形の場合には傾斜と切片）を決定す
るための方法を提示する。

【００３６】説明に用いられる例として、液体流れのパ
ラメータが液体流量に線形に関係付けられる場合が選択
される。重要な場合として流動接触分解装置のマニホル
ドで分岐された供給ノズルの場合には、ほぼ線形のパラ
メータが好ましく利用可能である。線形の場合にはＮ個
の傾斜とＮ個の切片とが２Ｎ個の未知数として考えられ
ることができる。表１に示されるように２Ｎ個の一次方
程式系が記述されることができる。これらの方程式を立
てるためには多くの運転状態において液体供給装置の測
定を行うことが必要である。これらの方程式を立てるた
めの特に効果的な方法は次のようなものである。

【００３７】１）作動されている一つのノズルへの液体
の流れを一時的に中断させた状態で、液体が作動されて
いる各ノズルに対する液体流れのパラメータを測定する
と共に、液体が作動されているすべてのノズルに液体を
流すためのマニホルドで分岐された供給系への全体の液
体流量を測定する。また、一時的に作動が停止されたノ
ズルに対する液体流れのパラメータが測定されなければ
ならない。この測定は、供給装置へのすべての液体およ
び気体の流れが定常状態の流れの状態に達したときに行
われるのが最も良い。 ２）液体の流れが一時的に中断されていたノズルを再び
作動させ（即ち、このノズルを液体流れが運転される状
態に戻し）、次いで別のノズルの作動を一時的に停止さ
せる。 ３）状態が定常状態に達したときに上述のステップ１の
測定を繰り返す。 ４）液体が作動されている各ノズルが単独にかつ一時的
にその作動を停止されてＮ個のセットの測定がなされる
まで、上述の手順を続ける。 ５）非線形の表現形式の場合には追加の独立した測定が
なされなければならない。式（２）における零でない追
加の各項に対してＮ個の追加の独立した測定が必要とさ
れる。

【００３８】校正測定計画と称される上述の手順によ
り、表１に示す方程式に必要な数値データが与えられ
る。この測定計画は流量ベクトルのデータを与える。流
量ベクトルの内の最初のＮ個の値はマニホルド全体での
液体流量であり、流量ベクトルの内の第２の組の流量は
一時的に作動が停止されたノズルへの液体流量（例えば
流量が零）である。校正行列の最初のＮ個の行に対する
データは、零でない液体流量を有した液体の作動されて
いるノズルからの液体流れのパラメータである。また、
液体校正行列の２番目のＮ個の行に対するデータは、一
時的に作動が停止された各ノズルからの液体流れのパラ
メータである。Ｎ個の未知の傾斜とＮ個の未知の切片と
が周知の計算手続き（例えば逆行列法）を用いて容易に
計算されることができる。Ｎ個の未知の傾斜およびＮ個
の未知の切片に対する解は、液体流量校正係数と称され
る。これらの係数の解は各センサに対する固有の校正を
構成する。

【００３９】校正係数が決定された後に、全体の絶対計
算精度を検査することが可能である。液体が作動される
すべてのノズルに対して液体の流れを再び作動させた状
態で、各ノズルに対する液体流れのパラメータが測定さ
れることができる。次いで各ノズルに対して液体の質量
流量（または体積流量）が計算されることができる。各
ノズルを通った液体流量の和がマニホルドに供給された
液体流量と比較されることができる。

【００４０】上述の校正測定計画はこれ一つに限定され
るわけではないことが明らかである。しかしながら、こ
れまでにその概要を説明した計画は実験データの収集の
要件を最小化し、かつ計算の丸め誤差および速度に関し
て計算上の利点を提供することが、利用可能なデータか
ら示されている。流量校正係数をクロスチェックするた
めに、或いは測定の不確かさの影響を最小に抑えるため
に、冗長データを使用することが有用である。冗長デー
タは、他に採りうる多くのマニホルドの流れの条件、ま
たは同一の流れの条件の繰り返しを含むことができる。

【００４１】或る場合には液体流れのパラメータは、線
形化された傾斜と切片とによって流量を表わすのに十分
なほど線形ではないことがありうる。このような場合に
は多項式表現のようなより高次の項をもつことができ
る。追加の液体流量校正係数の解を求めるためには、校
正測定計画の間に補充の流れ条件が試験される必要があ
る。

【００４２】液体流れのパラメータと液体の質量流量と
の間の相関関係中に非線形項が含まれる場合には、方程
式を立てるための上述の計画が補充されなければならな
い。追加の各非線形項は、決定されなければならない対
応した未知の校正係数を有する。液体が作動されるＮ個
のノズルが付いたマニホルドでは、各非線形項はＮ個の
追加のこのような係数を与える（各ノズルに対して１個
の係数が追加される）。従って、追加されるＮ個の未知
の係数を特定するためにＮ個の追加の方程式を生成する
ことが必要である。これらの追加のＮ個の方程式は、各
ノズルへの液体流れの作動を完全に停止させることに加
えて各ノズルへの液体流れを順番に制限する（絞る）こ
とによって特定されることができる。

【００４３】液体の流れを部分的に制限するというこの
計画はまた、遮断弁１７（図４参照）が十分に作動しな
いときに必要な個数の方程式を得る方法を提供する。例
えば遮断弁が完全に閉鎖されることができない場合、ま
たは遮断弁が全く作動しない場合には、この欠陥のある
遮断弁をできる限り大きく閉鎖させることにより、また
は別のノズルへの液体流れを部分的に制限することによ
り、追加の方程式を得ることができる。

【００４４】各ノズルに対して校正を規定する傾斜およ
び切片が等しいということは一般的に期待されない。こ
れらの差異は微妙な幾何学的差異を示している。これら
の変化の或るものは、プロセスマニホルドの長期間の運
転の間に絞りオリフィスまたはノズルの喉部のオリフィ
スにおける付着作用、詰まり作用または侵食作用のため
に発生することがありうる。

【００４５】或る種の液体供給装置では、各ノズルの液
体流量制御弁をわずかに絞ることによって油供給マニホ
ルドに背圧を付加することが実施される。この実施は校
正測定計画に特に困難を生じせしめない。上述の校正測
定計画は何らかの特定の零でない流量が達成されること
を必要としない。好ましい実施例に唯一必要とされるこ
とは、各ノズルへの液体の流れが一時的にかつ完全に作
動を停止されることができることである。実際、流れの
パラメータが決定された後に、上述の液体流量制御弁は
所望の分配パターンに従って流れを再び分配するように
使用されることができる。

【００４６】作動しないか又は標準的には作動されない
ノズルを有するマニホルド分岐装置では、有効な方程式
の個数がそれに従って低減されることが可能である。上
述の校正測定計画は、標準的または永久的に作動されな
いノズルを単純に省略することによって、物理的なノズ
ルの個数よりも少い個数で実施されることができる。

【００４７】図５は本発明による流量測定技術を独立し
た流量測定器と比較したものである。図５はマニホルド
上の液体が作動されている各ノズルの、マニホルド全体
の流量に対するパーセント（百分率）を示している。こ
の特定の例は流動接触分解装置のマニホルドで分岐され
た供給系からの例である。この装置の供給温度は、外部
の超音波流量計を使用することを可能にするために異常
に低温にした。この特定の実施例では線形をなす流れパ
ラメータとして、蒸気の絞りオリフィス１９の下流（図
４における位置３０）で測定された静圧を用いた。図５
に示される一致性は超音波流量計と関連して特定される
誤差と整合している。この実施例において絞りオリフィ
ス１９の上流の圧力は１５０psi （１０．５kg／cm²)に
固定されていた。

【００４８】図６および図７は液体流れのパラメータと
しての静圧の線形性を示している。図６および図７で使
用されたノズルは図５で使用されたノズルと同じもので
ある。図６および図７は分離したステップで作動された
二つの個別のノズルについての結果を示しており、静圧
と測定された液体流量とを比較して示している。本発明
を実施するために液体流量を陽の形で（顕在的に）測定
することは本来必要なかったということを強調してお
く。二相のノズルオリフィスの流れと一般的に関連した
非線形性に鑑みると、流量と静圧との間のこのような線
形性は予想されなかったものである。図において流量の
単位はキロバレル／日（＝１０００バレル／日、１バレ
ルは４２米ガロンまたは１５８．９８リットルに相当す
る）である。また圧力の単位はポンド毎平方インチであ
る。

【００４９】静圧の他に、液体流量に対して線形に応答
する他のパラメータを利用することができる。図８から
図１１は、供給噴射領域（図１参照）内に油と蒸気を噴
射する実用の流動接触分解装置に作用する一連の二乗平
均平方根(rms) の振動スペクトルを示す。図８から図１
１の各図は夫々特定の液体流量に対応している。図１２
は、図８から図１１に示される周波数領域（５０００Hz
から１２０００Hz）に亘って積分されたrms 加速度が液
体油の流量に対して線形状に相関することを示す。乗法
因子内にするために実際の積分法では、まず図８から図
１１のデータを二乗し、積分を行い、次いでその結果の
平方根を計算することにより、帯域の限定された二乗平
均平方根(rms) 加速度を計算する。 rms加速度は図４に
示す加速度計振動センサ２４で測定された。この帯域内
の rms加速度は絞りオリフィス１９（図４参照）を横切
る気体の流れと圧力降下とによって発生されるので、こ
れは気体ピーク領域と称される。絞りオリフィスの加速
度の気体ピーク領域は液体流量に反比例する特性があ
る。

【００５０】図１３から図１６は一連の同様のパワース
ペクトルを示し、図１７は実用の流動接触分解装置の供
給ノズルからの加速度の液体流れピークと液体油の流量
との間の線形依存関係を示す。図１３から図１６に示さ
れるように液体流れピークは１０００Hzから２０００Hz
の範囲内にある。液体流れピークは、図４に示す混合点
２０の下流における液体の流れおよび混合によって発生
せしめられる。 rms加速度は図４に示す棒状プラグ２６
に配置された加速度計振動センサで測定された。図１７
に示される結果は、１０００Hzから２０００Hzの周波数
帯内の rms加速度が液体流量と線形な関数関係にあるこ
とを示している。液体流れピークは液体流量に比例する
特性がある。斯くして気体ピークまたは液体流れピーク
の双方が液体流れパラメータとして利用されることがで
きる。

【００５１】また、動圧が液体流れパラメータとして利
用されることができる。気体が空気であり且つ液体が水
である試験設備において以下の測定が行われた。図１８
から図２１は、２３０scfmの固定された空気流量におい
て１００Hzから３００Hzの周波数領域における積分され
た rms動圧の関数としての液体流量を示している。これ
らのデータは、動圧が液体の質量流量（または体積流
量）と本質的に線形に相関されることを示している。図
２２はこの概念を表わしており、図１８から図２１に示
す相関関係を規定するのに用いられた対応する rms圧力
スペクトルのいくつかを明示的に示している。従って図
１８から図２２に示されるデータは、動圧が本発明で使
用されるための適切な液体流れパラメータであることを
示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】流動接触分解装置の供給噴射領域を示す概略図
であり、供給ノズルの配置が示されている。

【図２】油をマニホルドから個々の供給ノズルに供給す
るための油ヘッダを示す概略図であり、油遮断弁が示さ
れている。

【図３】個々の供給ノズルへの流れの連結を示す概略図
であり、蒸気の流量は絞りオリフィス（ＲＯ）を介して
決定され、油の流量は遮断弁によって制御されることが
できる。

【図４】個々の供給ノズルの配管を詳細に示した図であ
り、気体および液体の混合点の下流において気体および
液体と音響的に接触されるべき動圧変換器の適切な配置
が示され、気体と接触されるべき静圧変換器の適切な配
置が示され、絞りオリフィスを介した流れによって放出
される固体伝送音を感知するように取り付けられるべき
加速度計の適切な配置が示される。加速度計は絞りオリ
フィスが保持されるフランジの表面または縁部に配置さ
れることができ、或いは、棒状プラグまたはノズルフラ
ンジのような供給ノズル上の好便な位置に配置されるこ
とができる。この代りに加速度計は液体流れの騒音を感
知するように、例えば棒状プラグ上に取り付けられるこ
とができる。

【図５】本発明による結果を独立した液体流量測定と比
較した線図であり、液体流量がマニホルド全体の液体流
量に対するパーセントの形で示されている。

【図６】第１のノズルについてノズル当たりの液体流量
と静圧との間の線形依存関係を示す線図である。

【図７】第２のノズルについてノズル当たりの液体流量
と静圧との間の線形依存関係を示す線図である。

【図８】油流量が０キロバレル／日の場合のrms 加速度
スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して線形に
依存する絞りオリフィスの加速度の気体ピークが示され
ている。

【図９】油流量が４．９キロバレル／日の場合のrms 加
速度スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して線
形に依存する絞りオリフィスの加速度の気体ピークが示
されている。

【図１０】油流量が２．４キロバレル／日の場合のrms
加速度スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して
線形に依存する絞りオリフィスの加速度の気体ピークが
示されている。

【図１１】油流量が７．０キロバレル／日の場合のrms
加速度スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して
線形に依存する絞りオリフィスの加速度の気体ピークが
示されている。

【図１２】液体流量と絞りオリフィスの加速度の気体ピ
ークとの間の線形依存関係を示す線図である。

【図１３】油流量が３．１キロバレル／日の場合のrms
加速度スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して
線形に依存する液体流れの加速度のピークが示されてい
る。

【図１４】油流量が５．４キロバレル／日の場合のrms
加速度スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して
線形に依存する液体流れの加速度のピークが示されてい
る。

【図１５】油流量が４．４キロバレル／日の場合のrms
加速度スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して
線形に依存する液体流れの加速度のピークが示されてい
る。

【図１６】油流量が９．３キロバレル／日の場合のrms
加速度スペクトルを示す線図であり、液体流量に対して
線形に依存する液体流れの加速度のピークが示されてい
る。

【図１７】液体流量と液体流れのピークとの間の線形依
存関係を示す線図である。

【図１８】空気流量が２３０scfmで水流量が３．６キロ
バレル／日の場合のrms 圧力スペクトルを示す線図であ
り、液体流量に対して線形に依存する動圧信号が示され
ている。

【図１９】空気流量が２３０scfmで水流量が６．８キロ
バレル／日の場合のrms 圧力スペクトルを示す線図であ
り、液体流量に対して線形に依存する動圧信号が示され
ている。

【図２０】空気流量が２３０scfmで水流量が５．２キロ
バレル／日の場合のrms 圧力スペクトルを示す線図であ
り、液体流量に対して線形に依存する動圧信号が示され
ている。

【図２１】空気流量が２３０scfmで水流量が８．２キロ
バレル／日の場合のrms 圧力スペクトルを示す線図であ
り、液体流量に対して線形に依存する動圧信号が示され
ている。

【図２２】液体流量と相対的なrms 動圧との間の線形依
存関係を示す線図である。

【符号の説明】

１…ノズル ２…立上り管 ３…触媒流 ４…ヘッダ ５…マニホルド ６…ノズル ７…遮断弁 ８…ノズル ９…蒸気 １０…絞りオリフィス １１…油 １２…遮断弁 １６…油 １７…遮断弁 １８…蒸気 １９…絞りオリフィス ２０…混合点 ２１…ノズル筒 ２２…ノズルチップ ２４…振動センサ（加速度計） ２８…圧力変換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード ジェイムス ベロウズ アメリカ合衆国，ニュージャージー 08827，ハンプトン，カントリー アク レス ドライブ 73 (56)参考文献 特開 平１−222110（ＪＰ，Ａ) 米国特許4569227（ＵＳ，Ａ) 英国特許出願公開2195448（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/00 - 1/90

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体および気体の二相の流れを運ぶマニ
   ホルドで分岐された複数個のノズルの中で液体が作動さ
   れる各ノズルからの液体の絶対体積流量を運転中に測定
   する方法であって、 （ａ）上記液体が作動されるノズルの一つを介した液体
   の流れを一時的に中断させ、 （ｂ）マニホルドで分岐された系への液体の全体の体積
   流量を測定し、 （ｃ）一時的に作動を停止されているノズルを含めて上
   記液体が作動されるノズルの各々に対する液体流れパラ
   メータを測定し、該パラメータはノズル液体の流れの体
   積に関数的に関係し、最後に、流れが一時的に中断され
   ていたノズルへの液体の流れが復活されるようにし、 （ｄ）上記マニホルドの上記液体が作動されるノズルの
   各々に対して上記（ａ），（ｂ）および（ｃ）の段階を
   繰り返し、 （ｅ）液体が作動される各ノズルに対する液体流量と液
   体流れパラメータとの間の校正係数を含む直線状の関数
   関係を決定し、 （ｆ）少なくとも１つのノズルに対する上記液体流れパ
   ラメータの現在の値を決定し、 （ｇ）上記（ｅ）の段階の関数関係から液体流れの体積
   を決定する、 ことを含む液体が作動される各ノズルからの液体の絶対
   体積流量を運転中に測定する方法。
2. 【請求項２】 さらに、上記液体の流量を変更するよう
   上記ノズルを調節する段階を含んでいる請求項１に記載
   の液体が作動される各ノズルからの液体の絶対体積流量
   を運転中に測定する方法。
3. 【請求項３】 上記マニホルドの上記ノズルの各々に対
   して上記（ａ）から（ｇ）の段階が繰り返し実行され
   る、請求項２に記載の液体が作動される各ノズルからの
   液体の絶対体積流量を運転中に測定する方法。
4. 【請求項４】 上記液体流れパラメータが静圧測定によ
   り求められた量である、請求項２に記載の液体が作動さ
   れる各ノズルからの液体の絶対体積流量を運転中に測定
   する方法。
5. 【請求項５】 上記液体流れパラメータが動圧測定によ
   り求められた量である、請求項２に記載の液体が作動さ
   れる各ノズルからの液体の絶対体積流量を運転中に測定
   する方法。
6. 【請求項６】 上記液体流れパラメータが加速度計で測
   定された液体流れのピークである、請求項２に記載の液
   体が作動される各ノズルからの液体の絶対体積流量を運
   転中に測定する方法。
7. 【請求項７】 上記液体流れパラメータが加速度計で測
   定された気体のピークである、請求項２に記載の液体が
   作動される各ノズルからの液体の絶対体積流量を運転中
   に測定する方法。
8. 【請求項８】 必要な液体流れパラメータを生成するた
   めに信号の周波数領域の処理が必要とされる、請求項２
   に記載の液体が作動される各ノズルからの液体の絶対体
   積流量を運転中に測定する方法。
9. 【請求項９】 さらに、上記体積流量から質量流量を決
   定する段階を含んでいる、請求項１に記載の液体が作動
   される各ノズルからの液体の体積流量を運転中に測定す
   る方法。
10. 【請求項１０】 液体および気体の二相の流れを運ぶマ
    ニホルドで分岐された複数個のノズルの中で液体が作動
    される各ノズルからの液体の流量を運転中に測定する方
    法であって、上記液体の体積流量が液体流れパラメータ
    に関数的に関係され、 （ａ）作動される各ノズルへの液体の流れを順番に絞り
    又は中断させ、 （ｂ）上記関数関係内の未知の各校正係数のために段階
    （ａ）を繰り返し、段階（ａ）の各繰り返しにおいてノ
    ズルの液体流れの絞られる体積は異なっていることが可
    能であり、 （ｃ）各絞り作用の後に、一時的に絞られ又は中断され
    ているノズルを含めて上記液体が作動されるノズルの各
    々に対する液体流れパラメータを測定し、 （ｄ）各絞り作用の後にマニホルドへの液体の全体の体
    積流量を測定し、 （ｅ）液体流量と液体流れパラメータとの間の校正係数
    を含む関数関係を決定し、 （ｆ）少なくとも１つのノズルに対する上記液体流れパ
    ラメータの現在の値を決定し、 （ｇ）上記（ｅ）の段階の関数関係から液体流れの体積
    を決定する、 ことを含む液体が作動される各ノズルからの液体の流量
    を運転中に測定する方法。
11. 【請求項１１】 さらに、上記液体流量を変更するよう
    に上記ノズルを調節する段階を含む、 請求項１０に記載の液体が作動される各ノズルからの液
    体の流量を運転中に測定する方法。
12. 【請求項１２】 上記液体流れパラメータが静圧測定に
    より求められた量である、請求項１１に記載の液体が作
    動される各ノズルからの液体の流量を運転中に測定する
    方法。
13. 【請求項１３】 上記液体流れパラメータが動圧測定に
    より求められた量である、請求項１１に記載の液体が作
    動される各ノズルからの液体の流量を運転中に測定する
    方法。
14. 【請求項１４】 上記液体流れパラメータが液体流れの
    ピークである、請求項１１に記載の液体が作動される各
    ノズルからの液体の流量を運転中に測定する方法。
15. 【請求項１５】 上記液体流れパラメータが気体のピー
    クである、請求項１１に記載の液体が作動される各ノズ
    ルからの液体の流量を運転中に測定する方法。
16. 【請求項１６】 さらに、上記体積流量から質量流量を
    決定する段階を含む請求項１０に記載の液体が作動され
    る各ノズルからの液体の流量を運転中に測定する方法。