JP4599454B1 - 容積式気液二相流量計及び多相流量計測システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】容積式気液二相流量計10は、液体及び気体からなる気液二相流の気液総流量QMと、気液総流量に対する気体流量の割合(ガスボイド率β)とを計測し、これらの気液総流量QM及びガスボイド率βに基づいて液体及び気体の各流量を算出する。容積式気液二相流量計10は、気液総流量QMを計測する容積式流量計測室16を備え、容積式流量計測室16の前段に、気液二相流中の液体及び気体を混合する気液混合室14を設けている。
【選択図】図1
Description
差圧ΔP1=f1(QL,QG,ρL) …式(2)
差圧ΔP2=f2(QL,QG,ρL) …式(3)
但し、QLは液体流量、QGは気体流量、ρLは液体の密度
気液総流量QM=f(ω、β) …式(4)
差圧ΔPM=f(QM、β) …式(5)
で表される。
液体流量QL=QM*(1−β)、気体流量QG=QM*β …式(6)
として求めることができる。
α=(ρM−ρL2)/(ρL1−ρL2) …式(7)
で表される。
γα/α=1/(ρL1−ρL2)*γρM/ρM …式(8)
で表される。
ε=f(β) …式(9)
を得ておく。そして、気液総流量QMを、
QM=Mf*ω/ε …式(10)
として表す。この式(10)は本発明の式aに相当する。ここでMfは、液相単体の時の回転子1回転あたりの液相容積(l/rev.)である。
ΔPM/ΔPL=(1−β)−Z …式(11)
と表す。ここで、Zは、差圧倍率指数と称し、予め実験により求めておく。
ΔPL=C*1/2*ρL{(QM(1−β)/A}2 …式(12)
であることから、式(11)に代入し、
ΔPM=C*1/2*ρL*(1−β)2−Z*(QM/A)2 …式(13)
が得られる。この式(13)は本発明の式bに相当する。ここで、Cは気液混合室14と流量計測室16とを合算した形状抵抗係数、Aは気液混合室14の入口断面積である。
QL=QM*(1−β)、QG=QM*β …式(14)
として算出される。
n=3未満の枚数では図6(A),(B)に示すように、歯元付近で工具による切下げが生じ、この切下げ部が相手側歯車の歯先付近と噛み合うとき、相手歯先部が切下げ部に入り込み滑らかな回転が失われる。一方、n=3の上記枚数では切下げは生じない。従って、一対の歯車が滑らかに回転するために必要な最小枚数は14枚または10枚であり、実際に適用できるnの最小値は3となる。この値(n=3)は切下げを生じさせないぎりぎりの値となるが、工具の取付誤差などによって僅かに切下げが起こることも想定される臨界値と言える値である。しかしながら、歯形の強度としては、最も大きな歯形を得ることができる。
1.容積型気液二相流量計(図1)の諸元
・口径:2インチ
・回転子:長軸径×丈=75.038mm×84.865mm
・R4歯形:モジュール:3.1、歯数:18、回転子と本体内室との間隙:0.3〜0.5mm
・軸受構造:両持ち,平軸受、内径:14mm
・気液混合室と流量計測室の流体に対する形状抵抗係数:31.4
・流量計のFS流量:20m3/h
流量計のFS流量は、20m3/hである。水と空気各々の試験流量を合算した流量の上限を20m3/hとし、ガスボイド率が0〜97%になるように各試験流量を設定した。なお、水用の基準流量計の下限は0.6m3/hで、水用ポンプの上限は14m3/hである。
・試験に用いた流体:水と空気
・試験流量:水 0.6〜14m3/h、空気 0〜18m3/h
・ガスボイド率β:0〜97%
・圧力:0.1〜0.3MPaA、温度:常温
・回転比特性:ε、差圧倍率:ΔPM/ΔPL
ここでは、気液総流量QMを、QM=Mf/ε*ωとして算出する。ε=f(β)は、予め実験により求めるが、前述の図2の近似式から、ε=1.012e−0.0562(1−β)が得られる。eは自然対数である。また、ΔPM/ΔPL=(1−β)−Zにおける指数Zは、前述の図3からZ=0.8762と求めることができる。
ここでは、水が流れる配管に液体計測用基準流量計を、空気が流れる配管に気体計測用基準流量計をそれぞれ取り付けて、水と空気各々の基準流量を設定し、水と空気の総基準流量と基準ガスボイド率(水と空気の総流量に対する空気流量の割合)を求めた。そして、それらの配管の下流で合流させた後に本発明の容積式気液二相流量計を設置し、この容積式気液二相流量計から求めたガスボイド率、水と空気の総流量、水流量、空気流量の各計測値と各基準値とを比較評価した。
図9に、基準ガスボイド率β0と計測ガスボイド率β1との比較及び絶対誤差(計測ガスボイド率β1から基準ガスボイド率β0を差し引いた数値:%で表示)を示す。絶対誤差%は、基準ガスボイド率β0が0.2以下で“±6%”程度、0.2以上0.97以下で、“−4〜2%”程度となり、市販されている一般的な気液二相流量計と比べて広いガスボイド率範囲で良好な計測精度を示している。
・水と空気総流量、水流量、空気流量の計測
気液総流量に関して、図10に、基準気液総流量QM0と計測気液総流量QM1(m3/h)との比較及び基準気液総流量QM0に対する計測気液総流量QM1の相対誤差(%)を示す。また、水流量と空気流量に関して、前述した気液総流量と同じ方法で水流量QLを図11に、空気流量QGを図12に示した。これらについても、市販されている一般的な気液二相流量計と比べて良好な計測精度が得られている。
気液々三相流の場合、図4に示すバイパス管に設置したコリオリ流量計と組み合せて行うが、この方式を使用した基準水分率(ここでは水とA重油)の計測精度(計測水分率α1と基準水分率α0の差)は図13に示すように、“±1%”程度である。気液々三相流における液々の合計流量の計測精度は、上述した水の計測精度(図11)と同程度と考えられるので、例えば、“±5%”とすると、これに前述した水分率(液々)の計測精度±1を加えて、±6%程度と推定することができる。
上記の図9〜図13で試験した範囲をグラフに示すと図14に示すようになる。図14において、縦軸は液流量(m3/h)、横軸はガスボイド率βである。従来の多相流流量計と比較すると範囲の広いものとなっている。なお、液流量を0.6〜18m3/h、ガスボイド率βを0〜0.97(最大)としている。図14によれば、液流量の最大値は、18m3/hであることが読み取れる。ここで、液流量をQL、ガス流量をQGで表すと、ガスボイド率βは、β=QG/(QL+QG)となる。なお、QL+QGの上限(最大流量)を20m3/hとし、この範囲で試験を実施した。
Claims (8)
- 液体及び気体からなる気液二相流の気液総流量と、該気液総流量に対する気体流量の割合とを計測し、前記気液総流量及び前記気体流量の割合に基づいて液体及び気体の各流量を算出する容積式気液二相流量計であって、
前記気液総流量を計測する容積式流量計測室を備え、該容積式流量計測室の前段に、前記気液二相流中の液体及び気体を混合する気液混合室を設け、
前記容積式流量計測室に設けられた回転子の回転数と、前記気液混合室の前段と前記容積式流量計測室の後段との差圧とを同時に検出し、該検出した回転数及び差圧に基づいて前記気液総流量及び前記気体流量の割合を算出することを特徴とする容積式気液二相流量計。 - 請求項1に記載の容積式気液二相流量計において、前記容積式流量計測室と前記気液混合室とを一体構造としたことを特徴とする容積式気液二相流量計。
- 請求項1又は2に記載の容積式気液二相流量計において、前記気体流量の割合βに対する前記回転子の回転数ωの回転比特性εを示すε=f(β)に基づいて、前記気液総流量QMを、
QM=Mf*ω/ε (Mfは液相単体の時の回転子1回転あたりの液相容積)…式a
で示し、
一方、液体のみを流したときの第1の差圧ΔPLと、該液体の流量を一定のまま気体の流量を順次増加させたときの第2の差圧ΔPMとの差圧倍率特性(ΔPM/ΔPL)を、
ΔPM/ΔPL=(1−β)−z (Zは予め実験で求められた差圧倍率指数)
前記第1の差圧ΔPLを、
ΔPL=C*1/2*ρL{(QM(1−β)/A}2 (但し、Cは気液混合室と容積式流量計測室とを合算した形状抵抗係数、ρLは液体の密度、Aは気液混合室の入口断面積)
で示した場合、前記第2の差圧ΔPMが、
ΔPM=C*1/2*ρL*(1−β)2−Z*(QM/A)2…式b
として導出され、
前記式a,bから、前記気液総流量QM、該気液総流量QMに対する気体流量の割合β、気体流量QG、及び液体流量QLを求めることを特徴とする容積式気液二相流量計。 - 請求項1に記載の容積式気液二相流量計において、前記気液混合室は、前記容積式流量計測室に着脱可能としたことを特徴とする容積式気液二相流量計。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の容積式気液二相流量計において、前記容積式流量計測室に設けられた回転子は、非円形歯車で構成され、該非円形歯車は、歯数を4n+2枚(nは自然数)、長軸上の両端を歯溝、短軸上の両端を歯先、噛合歯面をインボリュート曲線、非噛合歯面をサイクロイド曲線とした歯形曲線を有することを特徴とする容積式気液二相流量計。
- 請求項5に記載の容積式気液二相流量計において、前記非円形歯車は、前記歯形曲線に基づいて、前記長軸上の両端にある歯溝を含む、該歯溝を挟んだ2つの歯形間の凹部を埋め、且つ、前記短軸上の両端の歯先を含む歯部を削った、歯数が4n−2枚の形状を有することを特徴とする容積式気液二相流量計。
- 請求項5又は6に記載の容積式気液二相流量計において、前記非円形歯車の歯数を表すnの値を3又は4とすることを特徴とする容積式気液二相流量計。
- 気体と二種類の液体とからなる気液々三相流において、請求項1〜7のいずれか1項に記載の容積式気液二相流量計を設置し、該容積式気液二相流量計の後段又は前段に、前記液体を構成する2つの液相成分を検出し、各液相成分の割合を計測する液々二相流量計を設けることで前記気液々三相流における気液々総流量と、該気液々総流量に対する気体流量の割合と、液々の混合割合とを求めて、気液々の3つの各々の流量を算出する多相流量計測システム。
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