JP3611416B2

JP3611416B2 - Calorific value measuring method and calorific value measuring device

Info

Publication number: JP3611416B2
Application number: JP34301596A
Authority: JP
Inventors: 昌和梅村; 幸一隅田; 弘高橋; 治小野
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Oval Corp
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Oval Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: JPH10185885A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱量調節された製品ガスや未熱調ガス（熱量調整されていないガス）を製造する場合等に有用に使用できる発熱量の測定技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、天然ガスに熱量調整用ガスとしての石油ガスを添加されてなる都市ガスの発熱量測定を、例に取って説明する。
都市ガスの製造にあたっては、製造プラントに、液化天然ガス貯蔵設備及び液化石油ガス貯蔵設備を備え、両者のガスを混合して、所定の発熱量を備えた都市ガス（製品ガスの一種）を得る。従って、得られた製品ガスの発熱量の確認は、ガス製造者に取って非常に重要である。
さらに、発熱量の測定は、他種のガスを製造するガス事業者、さらには化学プラントの作業者等にとっても、重要な場合がある。
従来、このような製品ガスの発熱量の測定は、製品ガスを製造ラインから抜きとり、大気圧状態までサンプルガスの圧力を減圧して、ラウター式比重計を使用して、比重を計測することにより行なっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような手法にあっては、以下のような問題があった。
（１）製造ラインとは別個の比重計を用いた測定となり、製造ラインでのリアルタイムの測定が行えない。
（２）計測が大気圧状態での計測となり、高圧状態にある製造ラインでの実情を代表しにくい場合もある。
（３）測定に使用した大気圧状態まで減圧したサンプルガスは、放散、廃棄するよりない。
（４）さらに、従来型の上記の比重計を使用する測定方法にあっては、精度に改良の余地がある。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上記の様々な問題を解消することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による発熱量測定方法の特徴手段は、請求項１に記載されているように、予め発熱量が判明し組成の異なる複数の標準ガス各々の音速（この音速とはガス中での音波の伝播速度をいい、以下同様である）−温度−圧力の関係指標から測定対象ガスの温度、圧力における音速と発熱量との関係として求まる音速−発熱量関係指標を予め求めておき、
前記標準ガスに相当する測定対象ガスの音速を求める第１工程と、前記第１工程で求められた前記測定対象ガスの音速から、前記音速−発熱量関係指標に基づいて前記測定対象ガスの発熱量を求める第２工程からなることにある。
本願の手法は、ガスの発熱量を計測したい場合、このガスの音速を測定すれば、発熱量を知ることができるという知見に基づいている。この知見は、今般、発明者が新たに見出したものである。
この知見について、簡単に説明すると、単一のガス物質（純ガスと呼ぶ）の音速は、下式に従う。
【０００６】
【数１】

【０００７】
さらに、複数のガス物質が混合されてなる混合ガスの音速は、下式に従う。
【０００８】
【数２】

【０００９】
従って、音速は、ガスを構成する原料物質の組成比に関連した情報となっており、逆に音速を測定することで、ガス（混合ガス状態であってもよい）の分子量を知ることができ、結果的に発熱量を知ることができる。
本願の方法にあっては、測定したい測定対象ガスの組成が予め判明している場合、予備工程において、この測定対象ガスを成すガス種とその元ガス種が等しく、これらの元ガス種を異なった割合で含む複数の標準ガスについて、各々の音速−温度−圧力の関係指標から測定対象ガスの温度、圧力における音速と発熱量との関係指標を求めておく。例えば、測定対象ガスが、主に、炭素数４以下の炭化水素ガスを含んだ混合ガスである場合は、標準ガスとして、これら元ガスである炭素数４以下のガスを異なった割合で含有する標準ガスについて、音速−発熱量関係指標を求めておく。
そして、第１工程で、測定対象ガスの音速を求め、第２工程で、この求められた音速から、指標に基づいてガスの発熱量を求めることができる。
この方法は、発熱量を測定対象ガスの音速から求めるものであるため、例えば、製造プラントにある製品ガスの供給配管内にあるガスを対象として、音速の測定を、その状態のままおこなうことができる。従って、測定状態に良好に合致した測定を行うことができる。さらに、音速から発熱量への変換は非常に短時間に行えるため、この測定結果を利用して、発熱量のリアルタイム、連続的な、監視、制御が可能となる。さらに、測定に供したサンプルガスを廃棄する必要もない等の多くの利点を備える。
さらに、音速−発熱量関係指標を予め用意しておく段階で、サンプル数を確保することで、高い測定精度を確保でき、結果的に良好な発熱量測定をおこなうことができる。
【００１０】
さて、上記の方法で求めることができる測定対象としては、その組成を問うものではないが、本願の方法は、測定対象ガスが比較的多数のガスの混合ガスである場合に特に有効である。即ち、請求項２に記載されているように、測定対象ガスが、発熱量の異なる複数種類のガスから成る混合ガスである場合に、最も有用である。また、本願の方法は、先に説明した、音速と分子量（発熱量）との関係に従うため、合理的な原理に従って、発熱量を得ることができる。
【００１１】
さらに、請求項３に記載されているように、測定対象ガスが、炭素数４以下複数種類の炭化水素ガスの混合ガスであることが好ましい。
このような炭化水素ガスの混合ガスにあっては、組成の変化に従って、炭素数が変化することとなるため、音速−発熱量関係指標は比較的単純な関係となる。例えば、メタン１００％の場合、発熱量が最も少なく、炭素数４のブタンの場合発熱量が大きくなるが、音速は、この傾向とは逆の関係を示す。
従って、指標化が比較的容易であり、音速から発熱量の導出も、容易におこなうことができ、この種のガスの発熱量の測定方法を採用すると、非常に有用且つ容易に、これをおこなうことができる。
【００１２】
さらに、請求項４に記載されているように、測定対象ガスが、メタンを主成分とし、メタン以外の炭化水素ガスを含む混合ガスであることが好ましい。ここで、対象とする混合ガスは、メタン以外の炭化水素ガスの含有率の増加により、その熱量が増加する傾向にあり、逆に、音速は減少する。従って、この現象を利用して、測定対象ガスの音速を測定し、これから発熱量を求めることができる。即ち、図４に示すように、例えば、天然ガスにあっては、音速と発熱量は、一次もしくは二次の相関式とできる。そこで、本願にあっては、発熱量の測定にあたっては、予め求められている関係指標に従って、音速から発熱量を求めることとなる。
結果、都市ガスとして、今日、有用に利用されているこの種の混合ガスの発熱量を、良好に測定できるようになった。
【００１３】
さて、本願に係わる、発熱量測定装置の特徴構成は、請求項５に記載されているように、予め発熱量が判明し組成の異なる複数の標準ガス各々の音速−温度−圧力の関係指標を記憶する記憶手段と、測定対象ガスの温度及び圧力を測定する温度計及び圧力計と、前記複数の音速−温度−圧力の関係指標から前記測定対象ガスの温度、圧力における音速と発熱量との関係として求まる音速−発熱量関係指標を生成する指標生成手段とを備え、
前記標準ガスに相当する測定対象ガスの音速を求める音速測定手段と、前記音速測定手段により求められた前記測定対象ガスの音速から、前記音速−発熱量関係指標に基づいて前記測定対象ガスの発熱量を求める発熱量導出手段を備えたことにある。
この発熱量測定装置は、先に説明した手法に基づいて、発熱量の測定をおこなうこととなるが、音速測定手段が測定対象ガスの音速を計測し、発熱量導出手段が、前記音速から予め指標生成手段で生成された音速−発熱量関係指標に基づいて、発熱量を導出する。
従って、この装置は、上述の方法で発熱量測定をおこなうこととなるため、発熱量のリアルタイム、連続的な、監視、制御を可能とする。さらに、その制御精度も確保可能であり、非常に有向な発熱量測定装置を得ることができた。
【００１４】
この構成の発熱量測定装置にあっても、請求項６〜８に記載されているように、測定対象ガスが、発熱量の異なる複数種類のガスから成る混合ガスであったり、炭素数４以下の炭化水素ガスの混合ガスであったり、メタンを主成分とし、メタン以外の炭化水素ガスを含む混合ガスであたっりすることが好ましい。
これらのガスを対象とする場合、上述の方法の項で説明した、原理を利用して、測定をおこなうことができる発熱量測定装置を得ることができる。
【００１５】
さらに、上述の発熱量測定装置において、請求項９に記載されているように、この装置が、一対の超音波送受信器を備え、且つ一方の超音波送受信器から他方の超音波送受信器へ超音波が前記製品ガスの流れ内を伝播する伝播時間を双方向で捕らえ、得られる一対の伝播時間から前記製品ガスの流速を測定する超音波流速計を備え、
先に説明した音速測定手段が、前記超音波流速計と、前記超音波流速計により得られる前記一対の伝播時間から前記製品ガスの音速を導出する音速導出手段から構成されていることが好ましい。
超音波流速計は、流体の流速を超音波を利用して測定する手法として確立された技術であり、この流速計にあっては、超音波を流れ方向に沿う方向と、これに逆行する方向に伝播させて、互いの伝播時間情報から流速を求める。
ここで得られる一対の伝播時間情報は、流体の音速に関係した情報であり、この一対の伝播時間から流体の音速を求めることができる。従って、この構造の発熱量測定装置にあっては、超音波流速計からの検出情報に基づいて、音速導出手段が製品ガスの音速を求め、制御に有用な情報である発熱量を求めて、測定をおこなうことができる。
この構成の発熱量測定装置にあっては、確立された技術である超音波流速計を利用して、発熱量の測定を良好におこなうことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本願の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。
図１は、本願の発熱量測定装置１を発熱量制御装置１００の一部として備えたガス製造設備２の構成を模式的に描いたものである。
このガス製造設備２は、ＬＮＧタンク３、ＬＮＧ気化器４を上流側に備えた供給流路５を備えるとともに、この供給流路５に、熱量調整用の石油ガスを添加する調整用ガス添加機構６と、この調整用ガス添加機構６よりも下流側に備えられる製品ガスの発熱量測定用の測定部７を備えて構成されている。この製品ガスが本願の測定対象ガスである。
そして、測定部７において得られた測定情報に基づいて、製品ガスの発熱量を求め、この発熱量と製品ガスに求められる発熱量である目標発熱量との関係から、前記調整用ガス添加機構６に、調整制御指令が発生されるように構成されている。
従って、このガス製造設備２は、発熱量に関してフィードバックがかかる様に構成されており、製品ガスの発熱量品質を良好に保つことができる。ここで、発熱量制御は、オンライン、オンタイムの連続制御であることに特徴がある。
さて、上記の制御を可能とするために、前述の供給流路５で、前記調整用ガス添加機構６の合流部８より上流側に、天然ガスの流量を測定する天然ガス流量測定器９が備えられている。一方、前述の調整用ガス添加機構６は、ＬＰＧタンク１０、ＬＰＧ気化器１１を上流側に備えた添加用流路１２を備えるとともに、この添加用流路１２に流量制御弁１３と石油ガス流量測定器１４を備えている。
従って、この設備２にあっては、天然ガスの流量、これに対する石油ガスの流量が常時モニターされ、供給流路下流側に混合状態で送り出される両者の量比を検出することができる。本願のように、製品ガスの発熱量を制御する必要がある場合、この量比が問題となるが、天然ガスの供給量を検出しながら、流量制御弁１３の開度を適切に調整することで、両者の流量比（引いては発熱量）を調整することができる。
この調整をおこなう場合に、前記測定部７において測定される情報から、前記調整用ガス添加機構６への調整制御指令を発生させるのが、発熱量制御装置１００の働きであり、この装置１００は、その一部として本願の発熱量測定装置１を備え、その測定結果に基づいて作動する構成となっている。
【００１７】
従って、本願のガス製造設備２は、メタンを主成分とするベースガス原料（この例では天然ガス）が流れる供給流路５を備え、この供給流路内にあるベースガス原料に、メタンより発熱量の大きい熱量調整用ガス原料（この例では石油ガス）を、添加量を調整しながら添加する調整用ガス添加機構６を備え、熱量調整された製品ガスを得る構成となっている。そして、この調整用ガス添加機構６に対する発熱量制御装置１００が備えられている。これは、図１、２に示すように、測定部７に備えられる超音波流速計１５、温度計１６ａ、圧力計１６ｂと、これらの計器からの測定情報に従って、前記調整制御指令を生成する手段とから構成されている。この手段は、マイクロコンピュータや半導体メモリ等を主要な機器として構築される。
この手段について簡単に説明すると、図１に示すように、記憶手段１７ａ、指標生成手段１７ｂ、前記超音波流速計１５及び音速導出手段１８を備えた音速測定手段１９、発熱量導出手段２０、調整制御指令生成手段２１が備えられている。
ここで、記憶手段１７ａは発熱量の導出に必要な情報を記憶したものであり、指標生成手段１７ｂは記憶手段１７ａに記憶された情報から音速−発熱量関係指標を生成するものであり、音速測定手段１９は製品ガスの音速を求めるものであり、前記発熱量導出手段２０は音速測定手段１９により求められた音速から発熱量を導出するものであり、前記調整制御指令生成手段２１は、求められた発熱量から調整制御指令を生成するものである。
前記の発熱量測定装置１には、前記調整制御指令生成手段２１を除く、全ての手段が備えられる。
【００１８】
以下、それぞれの手段の構成、働きについてさらに詳細に説明する。
前記記憶手段１７ａは、ベースガスと熱量調整用ガスが異なった割合で混合された複数の標準ガス各々の音速と発熱量との関係から求まる音速−発熱量関係指標を導出できる情報を記憶している。このような音速−発熱量関係指標の一例を図４に示した。同図において、実線及び破線で示されている相関線（１次相関式及び２次相関式で表せる）が、この指標に相当する。
この音速−発熱量関係指標は、記憶手段１７ａに記憶された情報から、製品ガスの温度と圧力との測定結果に基づいて、指標生成手段１７ｂにより自動生成される。これらの温度圧力情報は、温度計１６ａ及び圧力計１６ｂから得ることができる。
この目的から、前述の記憶手段１７には、予め発熱量が判明している複数の標準ガスに関する音速−温度−圧力の関係指標（図３に示す）が記憶されており、この記憶情報から指標生成手段１７ｂが、製品ガスの温度、圧力に従って、複数の音速−温度−圧力の関係指標から、この状態に於ける音速と発熱量との関係指標（図４に示す）を自動生成する。
即ち、図３に示す各音速−温度−圧力の関係パネル上から、各発熱量を有する標準ガスに対する音速を求め、これが、発熱量と音速に関して整理されて、図４に示すような音速−発熱量関係指標として生成される。
この指標を使用することにより、例えば、音速が求まった場合、同図矢印付一点鎖線で示すように、音速からガスの発熱量を導き出すことができる。
【００１９】
前記音速測定手段１９は、前述の超音波流速計１５及び音速導出手段１８を備えている。
超音波流速計１５からは、測定部７を流れる製品ガスの流速が得られるとともに、この流速の測定にあたって、一対の伝播時間Ｔ２１、Ｔ１２が得られる。
超音波流速計１５の詳細構成について、図２、図５に基づいて説明すると、これは、一対の超音波送受信器１５ａを供給流路５を斜めに横断した配置構成で備えている。ここで、一対の超音波送受信器１５ａは、流路の軸Ｚ方向で異なった位置に配設されるため、両者間を渡る超音波は流速ｖの影響を受け、上流側から下流側に伝播される超音波の伝播時間は加速され、逆の場合は減速される。
この流速計１５においては、一方の超音波送受信器１５ａから他方の超音波送受信器１５ａへ超音波が前記製品ガスの流れ内を伝播する伝播時間を双方向で捕らえ（上流側にあるものから下流側にあるものへの超音波の伝播時間Ｔ２１と、逆方向で伝播する超音波の伝播時間Ｔ１２）、得られる一対の伝播時間から製品ガスの流速を測定する。従って、この超音波流速計１５においては、その測定情報として、流速ｖと、前記一対の伝播時間Ｔ２１、Ｔ１２が得られていることとなる。
上記の音速導出手段１８は、測定された製品ガスの一対の伝播時間から、製品ガスの音速を導出できる構成とされている。
この導出過程は、前記一対の伝播時間Ｔ２１、Ｔ１２から音速Ｃを求めるものである。
図５に示すように、前述の超音波流速計１５に備えられる一対の超音波送受信器１５ａの位置関係が固定されているため、相互に送受信器間を伝播する伝播時間Ｔ１２、Ｔ２１は、図５、式１、式２のように記載できる。ここで、Ｌは図５に示す伝播経路の半分の距離であり、Ｃは音速を、ｖは製品ガスの流速を、θは、伝播経路の流路軸からの傾きを示している。
式１、式２は、２元連立方程式であるため、式３、式４に示すように、音速Ｃ及び流速ｖを、一対の伝播時間Ｔ１２、Ｔ２１から求めることができる。即ち、前述の音速導出手段は、式３の処理を行うことにより、一対の伝播時間Ｔ１２、Ｔ２１から音速Ｃを求める。
【００２０】
次に、発熱量導出手段２０の役割について説明する。
図４に矢印付一点鎖線で示すように、別途、音速測定手段２０により求められる製品ガスの音速から、記憶手段１７に記憶された情報から自動生成される音速−発熱量相関指標に基づいて、この製品ガスの発熱量を求める。
このようにして求められた製品ガスの発熱量は、製品ガスの目標発熱量と比較され、先に説明した調整制御指令が生成される。この生成の役割を調整制御指令生成手段２１が果たす。
以上が、ガス製造設備２の基本構成である。
【００２１】
従って、この設備２の発熱量測定及び発熱量制御は、ベースガスと熱量調整用ガスとが異なった割合で混合された複数の標準ガス各々の音速−温度−圧力の関係指標から測定対象ガスの温度、圧力における音速と発熱量との関係としての音速−発熱量関係指標を予め求めておき、
製品ガスの音速を求め、求められた製品ガス（測定対象ガス）の音速から、前記音速−発熱量関係指標に基づいて製品ガスの発熱量を求めるとともに（ここまでが発熱量測定）、求められた製品ガスの発熱量と目標発熱量との差に基づいて、ベースガス原料に対する熱量調整用ガス原料の添加量を制御するものとなっている。
なお、本願が対象とする発熱量測定装置１は、上記のように熱量調整を伴って製造される熱量調整済の製品ガスを対象とできる他、調整用ガス添加機構６をバイパスして発熱量制御を行うことなく未熱調ガスを製造する製造設備における製造ガスの発熱量測定にも使用できることは言うまでもない。
【００２２】
以下、本願の測定手法を採用するにあたり、発明者らが行った実験及び実際の測定結果について説明する。
１音速−温度−圧力の関係指標（テーブル）
この指標は、図３に示すような関係指標であり、この関係指標を得るのに、パラメータとしての発熱量に関しては、原則的に９種のガスを標準ガスとして使用した。
これらの標準ガスの組成（％）、発熱量及び比重を表１に示した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
これら標準ガスは、その主成分として８０％程度以上のメタンを含有するものであり、このベースガス（メタン）に発熱量の調整用に熱量調整用ガス（炭素数２以上の炭化水素ガス）が添加、混合された混合ガスである。これらの混合ガスを使用して、所定の状態（温度・圧力状態）での音速を測定できる。
上記の標準ガス夫々に関して、温度に関しては４状態（５、１５、２５、３５℃）、圧力に関しても４状態（１０、２０、３０、４０ｋｇｆ／ｃｍ^２）の各状態（１６状態）について、音速を求めた。
結果、図３、各テーブルに示すように、音速は、圧力をパラメータとして温度の一次関係式で表現できるものであった。
従って、以下の表２に示すように、この音速と温度の一次関係の係数ａ、ｂを各標準ガス、各圧力に関して求め、これらの情報を、先に説明した記憶手段に記憶させた。従って、記憶手段には、図３に相当する関係指標が記憶格納され、この指標を利用して、音速−発熱量関係指標の導出をおこなうことができる。
【００２５】
【表２】

【００２６】
２音速−発熱量関係指標（テーブル）
この指標は、先に説明した指標生成手段１７ｂによって自動生成される。
この処理にあっては、上記のようにして得られている音速−温度−圧力の関係指標（テーブル）において、特定の温度・圧力を指定する。そして、異なった発熱量の各標準ガスに対応する異なった各テーブルから、音速を呼び出す。そして、図３の各テーブル間に渡って（テーブルの重なり方向で）、特定の温度・圧力での音速を読み取ることで、図４の関係指標を得る。但し、同図では、縦軸と横軸は逆転している。このようにして、音速と発熱量とに関してその相関線（図４の実線（一次相関式）、破線（二次相関式））を得ることで、特定の温度・圧力状態での両者の関係指標が得られる。
【００２７】
従って、この音速−発熱量関係指標を使用すると、製品ガスの温度、圧力、音速が判明すれば、ガスの発熱量を求めることができる。
このような手法によって得られた発熱量の誤差は、発熱量が９５００〜１０５００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３の範囲にあるもので、１５ｋｃａｌ／Ｎｍ^３程度とすることができ、従来の比重計を使用する手法に対して、同等以上の精度を得ることができた。
【００２８】
〔別実施の形態〕
（イ）上記の実施の形態においては、ベースガスがメタンを主体とするガス（例えば天然ガス）で、熱量調整用ガスがこれより発熱量の多いガス（例えば石油ガス）としたが、このようなガス種は、その種別を問うものではない。
従って、この場合、当然、メタンを主成分とし、これにメタンより炭素数が多い炭化水素ガスを含有しているものを対象とできる。
さらに、先に言い添えたように、熱量調整を経た製品ガス、熱量調整を行わない所謂、未熱調ガスをも測定対象とすることができる。
（ロ）上記の実施の形態にあっては、特定構造の超音波流速計を示したが、本願にあっては、超音波流速計の構造は問題ではなく、その出力情報から音速が求まるものであれば、任意のものを使用できる。
また、超音波流速計の設置方式についても、所謂、シングル反射法を示したが、他の従来行われている方式も使用できる。
さらに、音速の測定は、このような超音波流速計にたよることなく、任意、公知の音速測定手段を使用して、音速を求めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願のガス製造設備のブロック構成図
【図２】測定部の詳細構造を示す図
【図３】発熱量をパラメータとする圧力−温度−音速の関係指標を示す図
【図４】音速から発熱量を導出する場合の音速−発熱量関係指標を示す図
【図５】音速の測定原理図
【符号の説明】
１発熱量制御装置
２ガス製造設備
１５超音波流速計
１５ａ超音波送受信器
１７ａ記憶手段
１７ｂ指標生成手段
１８音速導出手段
１９音速測定手段
２０発熱量導出手段
２１調整制御指令生成手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a calorific value measurement technique that can be usefully used in the case of producing a product gas whose calorific value is adjusted or an unheated gas (a gas whose caloric value is not adjusted).
[0002]
[Prior art]
Hereinafter, the calorific value measurement of city gas obtained by adding petroleum gas as a calorific value adjusting gas to natural gas will be described as an example.
In the production of city gas, the production plant is equipped with a liquefied natural gas storage facility and a liquefied petroleum gas storage facility, and both gases are mixed to obtain a city gas having a predetermined calorific value (a kind of product gas). . Therefore, confirmation of the calorific value of the product gas obtained is very important for the gas manufacturer.
Furthermore, the measurement of the calorific value may be important for gas companies that produce other types of gas, and also for chemical plant workers and the like.
Conventionally, the calorific value of such product gas is measured by extracting the product gas from the production line, reducing the pressure of the sample gas to atmospheric pressure, and measuring the specific gravity using a lauter hydrometer. It was done by.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
This method has the following problems.
(1) Measurement is performed using a specific gravity meter separate from the production line, and real-time measurement cannot be performed on the production line.
(2) The measurement is performed in an atmospheric pressure state, and it may be difficult to represent the actual situation in a production line in a high pressure state.
(3) The sample gas depressurized to the atmospheric pressure used for the measurement is no better than being diffused and discarded.
(4) Furthermore, in the measurement method using the conventional hydrometer, there is room for improvement in accuracy.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to eliminate the various problems described above.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The characteristic means of the calorific value measuring method according to the present invention for achieving this object is as described in claim 1, wherein the sound speeds of each of a plurality of standard gases whose calorific values are known and have different compositions are described. Refers to the propagation speed of sound waves in the gas, and the same shall apply hereinafter.) -The sound velocity-heat generation amount relationship index obtained in advance as the relationship between the sound velocity and the heat generation amount at the temperature and pressure of the measurement target gas from the temperature-pressure relationship indicator Asking
A first step of obtaining a sound velocity of the measurement target gas corresponding to the standard gas, and a heat generation of the measurement target gas based on the sound velocity-heat generation amount relationship index from the sound velocity of the measurement target gas obtained in the first step. It consists of the 2nd process which calculates | requires quantity.
The technique of the present application is based on the knowledge that when the calorific value of a gas is to be measured, the calorific value can be known by measuring the sound velocity of the gas. This finding has been newly found by the inventors.
Briefly explaining this knowledge, the speed of sound of a single gas substance (referred to as pure gas) follows the following equation.
[0006]
[Expression 1]

[0007]
Furthermore, the speed of sound of the mixed gas formed by mixing a plurality of gas substances follows the following equation.
[0008]
[Expression 2]

[0009]
Therefore, the speed of sound is information related to the composition ratio of the raw materials constituting the gas. Conversely, by measuring the speed of sound, the molecular weight of the gas (which may be in a mixed gas state) can be known. As a result, the calorific value can be known.
In the method of the present application, when the composition of the gas to be measured to be measured is known in advance, in the preliminary process, the gas type constituting the gas to be measured and the original gas type are equal, and these original gas types are different. For a plurality of standard gases included at a certain ratio, a relationship index between the speed of sound and the amount of heat generated at the temperature and pressure of the gas to be measured is determined from the relationship index between the speed of sound and temperature and pressure . For example, when the gas to be measured is a mixed gas mainly containing a hydrocarbon gas having 4 or less carbon atoms, these original gases, which have 4 or less carbon atoms, are contained in different proportions as standard gases. For the standard gas, a sonic velocity-heat generation amount relationship index is obtained.
Then, in the first step, the sound velocity of the measurement target gas can be obtained, and in the second step, the calorific value of the gas can be obtained from the obtained sound velocity based on the index.
In this method, the calorific value is obtained from the sound velocity of the gas to be measured. For example, the sound velocity can be measured as it is for the gas in the product gas supply pipe in the manufacturing plant. it can. Therefore, it is possible to perform measurement that is well matched with the measurement state. Furthermore, since the conversion from the sound speed to the calorific value can be performed in a very short time, the calorific value can be monitored in real time, continuously, and controlled using this measurement result. Furthermore, it has many advantages such as no need to discard the sample gas used for measurement.
Furthermore, by ensuring the number of samples at the stage of preparing the sonic-heat generation amount relationship index in advance, high measurement accuracy can be ensured, and as a result, good heat generation amount measurement can be performed.
[0010]
The measurement object that can be obtained by the above method is not limited to the composition, but the method of the present application is particularly effective when the measurement object gas is a mixed gas of a relatively large number of gases. That is, as described in claim 2, it is most useful when the measurement target gas is a mixed gas composed of a plurality of types of gases having different calorific values. Further, since the method of the present application follows the relationship between the speed of sound and the molecular weight (heat generation amount) described above, the heat generation amount can be obtained according to a rational principle.
[0011]
Furthermore, as described in claim 3, the measurement target gas is preferably a mixed gas of a hydrocarbon gas having a carbon number of 4 or less and a plurality of types.
In such a mixed gas of hydrocarbon gas, the number of carbons changes according to the change in composition, so the sonic velocity-heat generation amount relationship index has a relatively simple relationship. For example, in the case of 100% methane, the calorific value is the smallest, and in the case of butane having 4 carbon atoms, the calorific value is large, but the speed of sound shows an inverse relationship to this tendency.
Therefore, indexing is relatively easy, and the calorific value can be easily derived from the speed of sound, and if this type of gas calorific value measurement method is employed, this is very useful and easy. be able to.
[0012]
Furthermore, as described in claim 4, the measurement target gas is preferably a mixed gas containing methane as a main component and a hydrocarbon gas other than methane. Here, the target mixed gas tends to increase its calorific value due to an increase in the content of hydrocarbon gas other than methane, and conversely, the speed of sound decreases. Therefore, by utilizing this phenomenon, the sound velocity of the measurement target gas can be measured, and the calorific value can be obtained therefrom. That is, as shown in FIG. 4, for example, in the case of natural gas, the speed of sound and the calorific value can be expressed by a primary or secondary correlation equation. Therefore, in the present application, in measuring the calorific value, the calorific value is obtained from the speed of sound in accordance with a relational index obtained in advance.
As a result, the calorific value of this kind of mixed gas that is useful today as city gas can be measured well.
[0013]
The characteristic configuration of the calorific value measuring device according to the present application is, as described in claim 5, the relationship between the sonic -temperature-pressure relationship index of each of a plurality of standard gases whose calorific values are known and have different compositions. A storage means for storing; a thermometer and a pressure gauge for measuring the temperature and pressure of the measurement target gas; and a plurality of sonic velocity-temperature-pressure relationship indices, and the sonic velocity and the calorific value at the measurement target gas temperature and pressure. An index generation means for generating an index of relationship between sound velocity and calorific value obtained as a relationship ,
The sound velocity measuring means for obtaining the sound velocity of the measurement object gas corresponding to the standard gas, and the heat generation of the measurement object gas from the sound velocity of the measurement object gas obtained by the sound velocity measurement means based on the sound velocity-heat generation amount relationship index. The heat generation amount deriving means for obtaining the amount is provided.
This calorific value measuring device measures the calorific value based on the method explained above, but the sonic velocity measuring means measures the sonic velocity of the measurement target gas, and the calorific value derivation means preliminarily calculates the sonic velocity from the sonic velocity. The calorific value is derived based on the sonic velocity-calorific value relationship index generated by the index generating means .
Therefore, since this apparatus measures the calorific value by the above-described method, the calorific value can be monitored and controlled in real time and continuously. Further, the control accuracy can be ensured, and a very directed calorific value measuring device can be obtained.
[0014]
Even in the calorific value measuring device having this configuration, as described in claims 6 to 8, the measurement target gas is a mixed gas composed of a plurality of types of gases having different calorific values, or has 4 or less carbon atoms. It is preferable to use a mixed gas of the above hydrocarbon gas or a mixed gas containing methane as a main component and a hydrocarbon gas other than methane.
When these gases are targeted, a calorific value measuring device capable of performing measurement can be obtained by using the principle described in the method section above.
[0015]
Further, in the above calorific value measuring device, as described in claim 9, the device includes a pair of ultrasonic transceivers, and an ultrasonic transducer from one ultrasonic transceiver to the other ultrasonic transceiver. An ultrasonic velocimeter for measuring the flow velocity of the product gas from a pair of propagation times obtained by capturing the propagation time of the sound wave in the product gas flow in both directions;
It is preferable that the sonic velocity measuring means described above includes the ultrasonic velocity meter and a sonic velocity derivation device that derives the velocity of the product gas from the pair of propagation times obtained by the ultrasonic velocity meter.
The ultrasonic velocimeter is a technology established as a technique for measuring the flow velocity of fluid using ultrasonic waves. In this velocimeter, the direction of ultrasonic waves along the flow direction and the direction opposite to this direction. The flow velocity is obtained from the mutual propagation time information.
The pair of propagation time information obtained here is information related to the sound speed of the fluid, and the sound speed of the fluid can be obtained from the pair of propagation times. Therefore, in the calorific value measuring device of this structure, based on the detection information from the ultrasonic velocimeter, the sonic speed deriving means obtains the sonic speed of the product gas, obtains the calorific value that is useful information for control, Measurements can be made.
In the calorific value measuring device having this configuration, the calorific value can be satisfactorily measured using an ultrasonic current meter which is an established technique.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present application will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically illustrates the configuration of a gas production facility 2 provided with the calorific value measuring device 1 of the present application as a part of the calorific value control device 100.
The gas production facility 2 includes a supply channel 5 provided with an LNG tank 3 and an LNG vaporizer 4 on the upstream side, and an adjustment gas addition mechanism that adds petroleum gas for heat quantity adjustment to the supply channel 5. 6 and a measuring unit 7 for measuring the calorific value of the product gas provided on the downstream side of the adjusting gas addition mechanism 6. This product gas is the measurement target gas of the present application.
Then, the calorific value of the product gas is obtained based on the measurement information obtained in the measuring unit 7, and the adjustment gas addition mechanism is determined from the relationship between the calorific value and the target calorific value that is the calorific value required for the product gas. 6, an adjustment control command is generated.
Therefore, the gas production facility 2 is configured so that feedback is generated with respect to the heat generation amount, and the heat generation amount quality of the product gas can be kept good. Here, the heat generation amount control is characterized by online and on-time continuous control.
In order to enable the above control, a natural gas flow rate measuring device 9 for measuring the flow rate of natural gas is provided upstream of the merging portion 8 of the adjusting gas addition mechanism 6 in the supply flow path 5 described above. Is provided. On the other hand, the adjustment gas addition mechanism 6 described above includes an addition flow path 12 provided with an LPG tank 10 and an LPG vaporizer 11 on the upstream side, and a flow rate control valve 13 and a petroleum gas flow rate are added to the addition flow path 12. A measuring instrument 14 is provided.
Therefore, in this facility 2, the flow rate of natural gas and the flow rate of petroleum gas corresponding thereto are constantly monitored, and the quantity ratio of the two sent in a mixed state downstream of the supply channel can be detected. This amount ratio becomes a problem when it is necessary to control the heat generation amount of the product gas as in the present application, but the opening degree of the flow control valve 13 is appropriately adjusted while detecting the supply amount of natural gas. Thus, the flow ratio between the two (by subtraction, the amount of heat generated) can be adjusted.
When performing this adjustment, it is the function of the calorific value control device 100 that generates an adjustment control command to the adjustment gas addition mechanism 6 from the information measured by the measurement unit 7. The calorific value measuring device 1 of the present application is provided as a part thereof, and is configured to operate based on the measurement result.
[0017]
Accordingly, the gas production facility 2 of the present application includes a supply flow path 5 through which a base gas raw material mainly composed of methane (natural gas in this example) flows, and the base gas raw material in the supply flow path generates heat from methane. An adjustment gas addition mechanism 6 for adding a large amount of calorie adjustment gas raw material (petroleum gas in this example) while adjusting the addition amount is provided to obtain a product gas whose calorie is adjusted. A calorific value control device 100 for the adjusting gas addition mechanism 6 is provided. As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic velocity meter 15, the thermometer 16a, the pressure gauge 16b provided in the measuring unit 7, and the means for generating the adjustment control command according to the measurement information from these instruments. It consists of and. This means is constructed with a microcomputer, a semiconductor memory, and the like as main devices.
Briefly describing this means, as shown in FIG. 1, a sound speed measuring means 19, a calorific value derivation means 20, and a storage means 17a, an index generation means 17b, an ultrasonic velocimeter 15 and a sonic speed derivation means 18, are adjusted. Control command generating means 21 is provided.
Here, the storage unit 17a stores information necessary for deriving the calorific value, and the index generation unit 17b generates a sound speed-heat generation amount relationship index from the information stored in the storage unit 17a. The measuring means 19 obtains the sound speed of the product gas, the calorific value derivation means 20 derives the calorific value from the sound speed obtained by the sonic speed measuring means 19, and the adjustment control command generating means 21 obtains the sound speed. An adjustment control command is generated from the generated calorific value.
The calorific value measuring device 1 includes all means except the adjustment control command generating means 21.
[0018]
Hereinafter, the configuration and operation of each means will be described in more detail.
The storage means 17a stores information capable of deriving a sound speed-heat generation amount relationship index obtained from the relationship between the sound speed and the heat generation amount of each of a plurality of standard gases in which the base gas and the heat amount adjustment gas are mixed at different rates. Yes. An example of such a sound speed-heat generation amount relationship index is shown in FIG. In the figure, a correlation line (represented by a primary correlation equation and a secondary correlation equation) indicated by a solid line and a broken line corresponds to this index.
This sonic-heat generation amount relationship index is automatically generated from the information stored in the storage unit 17a by the index generation unit 17b based on the measurement results of the temperature and pressure of the product gas. Such temperature pressure information can be obtained from the thermometer 16a and the pressure gauge 16b.
For this purpose, the storage means 17 stores a sonic velocity-temperature-pressure relationship index (shown in FIG. 3) relating to a plurality of standard gases whose calorific values are known in advance. The generation means 17b automatically generates a relationship index (shown in FIG. 4) between the sound speed and the heat generation amount in this state from a plurality of sound speed-temperature-pressure relationship indices according to the temperature and pressure of the product gas.
That is, the sound speed for the standard gas having each calorific value is obtained from the sound velocity-temperature-pressure relationship panel shown in FIG. 3, and this is arranged with respect to the calorific value and the sound velocity, and the sound speed-heat generation as shown in FIG. Generated as a quantity-related indicator.
By using this index, for example, when the speed of sound is obtained, the amount of heat generated from the gas can be derived from the speed of sound, as indicated by a one-dot chain line with an arrow in the figure.
[0019]
The sound speed measuring means 19 includes the ultrasonic velocity meter 15 and the sound speed deriving means 18 described above.
From the ultrasonic velocity meter 15, the flow velocity of the product gas flowing through the measurement unit 7 is obtained, and a pair of propagation times T21 and T12 are obtained in measuring this flow velocity.
The detailed configuration of the ultrasonic velocimeter 15 will be described with reference to FIGS. 2 and 5. The ultrasonic velocimeter 15 includes a pair of ultrasonic transmitters / receivers 15 a arranged obliquely across the supply flow path 5. Here, since the pair of ultrasonic transceivers 15a are arranged at different positions in the direction of the axis Z of the flow path, the ultrasonic waves passing between them are affected by the flow velocity v and propagate from the upstream side to the downstream side. The ultrasonic propagation time is accelerated, and vice versa.
In this velocimeter 15, the propagation time in which the ultrasonic wave propagates in the flow of the product gas from one ultrasonic transmitter / receiver 15a to the other ultrasonic transmitter / receiver 15a is captured bidirectionally (from the upstream side to the downstream side). The flow velocity of the product gas is measured from the propagation time T21 of the ultrasonic wave to the object on the side, the propagation time T12 of the ultrasonic wave propagating in the opposite direction, and the pair of propagation times obtained. Accordingly, in the ultrasonic flowmeter 15, the flow velocity v and the pair of propagation times T21 and T12 are obtained as measurement information.
The sound velocity deriving means 18 is configured to be able to derive the sound velocity of the product gas from the measured pair of propagation times of the product gas.
In this derivation process, the sound speed C is obtained from the pair of propagation times T21 and T12.
As shown in FIG. 5, since the positional relationship between the pair of ultrasonic transceivers 15a provided in the ultrasonic velocimeter 15 is fixed, the propagation times T12 and T21 for propagating between the transceivers are shown in FIG. 5, Formula 1 and Formula 2 can be described. Here, L is half the distance of the propagation path shown in FIG. 5, C is the speed of sound, v is the flow velocity of the product gas, and θ is the inclination of the propagation path from the flow path axis.
Since Formula 1 and Formula 2 are binary simultaneous equations, as shown in Formula 3 and Formula 4, the sound velocity C and the flow velocity v can be obtained from a pair of propagation times T12 and T21. That is, the above-described sound speed deriving means obtains the sound speed C from the pair of propagation times T12 and T21 by performing the processing of Equation 3.
[0020]
Next, the role of the calorific value derivation means 20 will be described.
As indicated by a dashed line with an arrow in FIG. 4, separately from the sound velocity of the product gas obtained by the sound velocity measuring means 20, based on the sound velocity-heat generation amount correlation index automatically generated from the information stored in the storage means 17, The calorific value of this product gas is obtained.
The calorific value of the product gas thus obtained is compared with the target calorific value of the product gas, and the adjustment control command described above is generated. The adjustment control command generation means 21 plays the role of generation.
The above is the basic configuration of the gas production facility 2.
[0021]
Therefore, the calorific value measurement and the calorific value control of the equipment 2 are performed by measuring the gas to be measured based on the sonic velocity -temperature-pressure relationship index of each of the plurality of standard gases mixed at different rates . A sound velocity-heat generation amount relationship index as a relationship between the sound velocity and the heat generation amount at temperature and pressure is obtained in advance,
The sound velocity of the product gas is obtained, and the calorific value of the product gas is obtained from the obtained sound velocity of the product gas (measurement target gas) based on the sonic velocity-calorific value relationship index (so far, the calorific value is measured). Based on the difference between the calorific value of the product gas and the target calorific value, the amount of addition of the calorie adjusting gas raw material to the base gas raw material is controlled.
In addition, the calorific value measuring apparatus 1 targeted by the present application can target the calorific-adjusted product gas produced with the calorific value adjustment as described above, and can also bypass the adjustment gas addition mechanism 6 to generate a calorific value. It goes without saying that it can also be used to measure the calorific value of the production gas in a production facility that produces unheated gas without performing control.
[0022]
Hereinafter, the experiments and actual measurement results conducted by the inventors in adopting the measurement technique of the present application will be described.
1 Sonic-temperature-pressure relationship index (table)
This index is a relational index as shown in FIG. 3. In order to obtain this relational index, in principle, nine types of gases were used as standard gases with respect to the calorific value as a parameter.
Table 1 shows the composition (%), calorific value, and specific gravity of these standard gases.
[0023]
[Table 1]

[0024]
These standard gases contain about 80% or more of methane as a main component, and the base gas (methane) has a calorific value adjusting gas (hydrocarbon gas having 2 or more carbon atoms) for adjusting the calorific value. It is a mixed gas added and mixed. Using these mixed gases, the speed of sound in a predetermined state (temperature / pressure state) can be measured.
For each of the above standard gases, the speed of sound for each state (16 states) of 4 states (5, 15, 25, 35 ° C.) with respect to temperature and 4 states (10, 20, 30, 40 kgf / cm ² ) with respect to pressure. Asked.
As a result, as shown in FIG. 3 and each table, the speed of sound can be expressed by a linear relational expression of temperature using pressure as a parameter.
Therefore, as shown in Table 2 below, the coefficients a and b of the primary relationship between the sound speed and the temperature were obtained for each standard gas and each pressure, and these pieces of information were stored in the storage means described above. Accordingly, a relationship index corresponding to FIG. 3 is stored and stored in the storage means, and the sonic velocity-heat generation amount relationship index can be derived using this index.
[0025]
[Table 2]

[0026]
2 Sonic velocity-calorific value related index (table)
This index is automatically generated by the index generation means 17b described above.
In this processing, a specific temperature / pressure is designated in the sonic-temperature-pressure relationship index (table) obtained as described above. Then, the speed of sound is called from each different table corresponding to each standard gas having a different calorific value. Then, across the tables in FIG. 3 (in the overlapping direction of the tables), the speed of sound at a specific temperature and pressure is read to obtain the relationship index of FIG. However, in the figure, the vertical axis and the horizontal axis are reversed. In this way, by obtaining the correlation lines (solid line (primary correlation equation), broken line (secondary correlation equation) in FIG. 4) regarding the sound speed and the heat generation amount, the relationship index between the two in a specific temperature and pressure state. Is obtained.
[0027]
Therefore, if the sonic-heat generation amount relationship index is used, the heat generation amount of the gas can be obtained if the temperature, pressure, and sound velocity of the product gas are known.
Such an error in the amount of heat obtained by the method, in which heat generation amount is in the range of 9500~10500kcal / Nm ^3, can be a 15 kcal / Nm ³ or so, the technique of using conventional hydrometer On the other hand, the same or better accuracy was obtained.
[0028]
[Another embodiment]
In the form of (i) above embodiment, with a gas-based gas is mainly methane (e.g. natural gas), although the amount of heat control gas is than this generates much heat gas (e.g. petroleum gas), such There is no question of the type of gas.
Therefore, in this case, naturally, methane as a main component and a hydrocarbon gas having a carbon number larger than that of methane can be targeted.
Furthermore, as previously mentioned, product gas that has undergone heat adjustment, and so-called unheat-adjusted gas that does not perform heat adjustment can also be measured.
( B ) In the above embodiment, an ultrasonic current meter having a specific structure is shown. However, in the present application, the structure of the ultrasonic current meter is not a problem, and the sound speed can be obtained from the output information. Any can be used.
In addition, the so-called single reflection method has been shown for the installation method of the ultrasonic current meter, but other conventional methods can also be used.
Furthermore, the speed of sound may be determined by using any known sound speed measuring means without relying on such an ultrasonic current meter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a gas production facility of the present application. FIG. 2 is a diagram showing a detailed structure of a measurement unit. FIG. 3 is a diagram showing a pressure-temperature-sound speed relationship index using a calorific value as a parameter. Fig. 5 is a diagram showing the relationship between the sound velocity and the calorific value when the calorific value is derived from the sound velocity.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Calorific value control apparatus 2 Gas production facility 15 Ultrasonic velocity meter 15a Ultrasonic transmitter / receiver 17a Storage means 17b Index generation means 18 Sonic speed derivation means 19 Sonic speed measurement means 20 Calorific value derivation means 21 Adjustment control command generation means

Claims

A sonic velocity-calorific value relationship index obtained as a relationship between the sonic velocity and the calorific value at the temperature and pressure of the gas to be measured is obtained in advance from the sonic velocity -temperature-pressure relationship index of each of the standard gases having different calorific values and different compositions. And
A first step of obtaining a sound velocity of the measurement target gas corresponding to the standard gas, and a heat generation of the measurement target gas based on the sound velocity-heat generation amount relationship index from the sound velocity of the measurement target gas obtained in the first step. A calorific value measuring method comprising a second step for determining the amount.

The calorific value measurement method according to claim 1, wherein the measurement target gas is a mixed gas composed of a plurality of types of gases having different calorific values.

The calorific value measurement method according to claim 1 or 2, wherein the measurement target gas is a mixed gas obtained by mixing a plurality of types of hydrocarbon gas having 4 or less carbon atoms.

The calorific value measurement method according to any one of claims 1 to 3, wherein the measurement target gas is a mixed gas containing methane as a main component and a hydrocarbon gas other than methane.

Storage means for storing a relational index of sound velocity -temperature-pressure for each of a plurality of standard gases whose calorific values are known and having different compositions, a thermometer and a pressure gauge for measuring the temperature and pressure of the measurement target gas, An index generating means for generating a sound speed-heat generation amount relationship index obtained as a relationship between the sound speed and the heat generation amount at the temperature and pressure of the measurement target gas from the sound speed-temperature-pressure relationship index ;
The sound velocity measuring means for obtaining the sound velocity of the measurement object gas corresponding to the standard gas, and the heat generation of the measurement object gas from the sound velocity of the measurement object gas obtained by the sound velocity measurement means based on the sound velocity-heat generation amount relationship index. A calorific value measuring device provided with calorific value deriving means for determining the quantity.

The calorific value measuring device according to claim 5, wherein the measurement target gas is a mixed gas composed of a plurality of types of gases having different calorific values.

The calorific value measuring device according to claim 5 or 6, wherein the measurement target gas is a mixed gas obtained by mixing a plurality of types of hydrocarbon gas having 4 or less carbon atoms.

The calorific value measurement device according to any one of claims 5 to 7, wherein the measurement target gas is a mixed gas containing methane as a main component and containing a hydrocarbon gas other than methane.

A pair of ultrasonic transmitters / receivers is provided, and the propagation time of ultrasonic waves propagating in the flow of the measurement target gas from one ultrasonic transmitter / receiver to the other ultrasonic transmitter / receiver is captured in both directions, and a pair for different propagation directions is captured. An ultrasonic velocity meter that measures the flow velocity of the measurement target gas from the propagation time of
The sound velocity measuring means includes the ultrasonic velocity meter and a sound velocity deriving device for deriving the sound velocity of the measurement target gas from the pair of propagation times obtained by the ultrasonic velocity meter. The calorific value measuring device according to any one of the above items.