JP5184983B2 - 熱量測定方法および熱量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱量測定方法および熱量測定装置に関する。

従来、ガスの熱量を測定するための熱量測定装置としては、熱量測定対象ガス（以下、「被測定ガス」ともいう。）の熱伝導率に基づいて熱量を得る構成のもの、被測定ガスの密度に基づいて熱量を得る構成のもの、あるいは被測定ガスの屈折率に基づいて熱量を得る構成のものなどが用いられている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

このような構成の熱量測定装置においては、被測定ガスとしてのパラフィン系炭化水素ガスの熱量が、屈折率および密度とは比例関係にあり、また、熱伝導率とは反比例関係にあることに基づいて熱量の測定がなされている。
而して、このような熱量測定装置によれば、特に被測定ガスが、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）とＬＰＧ（液化石油ガス）との混合ガスよりなる都市ガスなどのパラフィン系炭化水素ガスのみよりなるものである場合には、測定されるガスの熱量に高い信頼性が得られる。

しかしながら、被測定ガスが、例えばガス田から産出されたばかりの天然ガスやバイオガスなどである場合には、この天然ガスやバイオガスには、パラフィン系炭化水素ガスと共に、例えば二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、窒素ガスおよび酸素ガスなどのパラフィン系炭化水素ガス以外のガス（以下、「雑ガス」ともいう。）が多く含有されており、これらの雑ガスの熱量が、その屈折率、密度および熱伝導率などと比例関係あるいは反比例関係を有するものではないことから、雑ガスが含有されていることに起因して測定誤差が生じてしまう、という問題がある。

特願平２−２５７０４６号公報 特願平１０−３８８２７号公報 特願平８−３２０３００号公報

本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、熱量測定対象ガスが天然ガスまたはバイオガスであっても、当該熱量測定対象ガスの熱量を高い信頼性で測定することのできる熱量測定方法および熱量測定装置を提供することにある。

本発明の熱量測定方法は、ガスの熱量を測定するための熱量測定方法であって、
熱量測定対象ガスが、パラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくとも１種を主成分とし、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、窒素ガスおよび酸素ガスのうちの少なくとも一種が含有されているものであり、
熱量測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量Ａ〔ＭＪ／Ｎｍ³ 〕と、当該熱量測定対象ガスの密度から得られる密度換算熱量Ｂ〔ＭＪ／Ｎｍ³ 〕とに基づいて、下記の式（１）により、２．４０≦補正係数α≦３．１１の条件にて熱量測定対象ガスの熱量Ｑ〔ＭＪ／Ｎｍ³ 〕を算出することを特徴とする。

本発明の熱量測定方法においては、前記式（１）において、補正係数αの値が２．４０乃至２．６０であることが好ましい。

本発明の熱量測定方法においては、熱量測定対象ガスが、天然ガスまたはバイオガスであることが好ましい。

本発明の熱量測定装置は、熱量測定対象ガスの屈折率換算熱量を測定するための屈折率換算熱量測定機構と、当該熱量測定対象ガスの密度換算熱量を測定するための密度換算熱量測定機構とを備えており、
上記の熱量測定方法によって熱量測定対象ガスの熱量が算出されることを特徴とする。

本発明の熱量測定方法によれば、熱量測定対象ガスの熱量が、当該熱量測定対象ガスの屈折率換算熱量および密度換算熱量に基づき、特定の計算式によって算出されるため、熱量測定対象ガスに、その熱量と屈折率および密度とが比例関係にあるパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくとも１種と共に、その熱量が屈折率および密度と特定の対応関係を有さないパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガス以外のガスが含有されている場合であっても、パラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガス以外のガスが含有されていることに伴って屈折率換算熱量および密度換算熱量に生じる測定誤差を、当該屈折率換算熱量と、当該密度換算熱量との関係を利用して補正することができる。従って、熱量測定対象ガスが、パラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくとも１種と共に、その熱量が屈折率および密度と特定の関係を有さないパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガス以外のガスが含有されている天然ガスまたはバイオガスであっても、パラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガス以外のガスが含有されていることに起因して最終的に得られる熱量に測定誤差が生じることを抑制することができることから、当該熱量測定対象ガスの熱量を高い信頼性で測定することができる。

本発明の熱量測定装置によれば、屈折率換算熱量測定機構と、密度換算熱量測定機構とを備えており、本発明の熱量測定方法により、屈折率換算熱量測定機構において測定された屈折率換算熱量と、密度換算熱量測定機構において測定された密度換算熱量とに基づいて熱量測定対象ガスの熱量が算出される構成を有するため、熱量測定対象ガスが、パラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくとも１種と共に、その熱量が屈折率および密度と特定の対応関係を有さないパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガス以外のガスが含有されている天然ガスまたはバイオガスであっても、当該熱量測定対象ガスの熱量を高い信頼性で測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の熱量測定装置の構成の一例を示す説明図である。
この熱量測定装置１０は、例えばガスパイプライン１２内を図１の矢印方向に流通するガスの熱量を測定するために用いられるものである。
熱量測定装置１０は、被測定ガス（熱量測定対象ガス）の屈折率から得られる屈折率換算熱量Ａを測定するための屈折率換算熱量測定機構２１と、当該被測定ガスの密度から得られる密度換算熱量Ｂを測定するための密度換算熱量測定機構２３とを備え、当該屈折率換算熱量測定機構２１において得られた屈折率換算熱量Ａと、密度換算熱量測定機構２３において得られた密度換算熱量Ｂとに基づいて被測定ガスの熱量Ｑを算出するための計算機構２５が設けられている。
この計算機構２５において算出された被測定ガスの熱量Ｑは、その熱量Ｑのデータがデータ送信路２８を介して表示部２７に送信され、この表示部２７において被測定ガスの熱量Ｑが表示されることとなる。
図１において、１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃは、ガスパイプライン１２内を流通するガスを被測定ガスとして屈折率換算熱量測定機構２１および密度換算熱量測定機構２３の各々に供給するためのガス流路である。また、２２は、屈折率換算熱量測定機構２１において得られた屈折率換算熱量Ａのデータを計算機構２５に送信するためのデータ送信路であり、２４は、密度換算熱量測定機構２３において得られた密度換算熱量Ｂのデータを計算機構２５に送信するためのデータ送信路である。

このような構成の熱量測定装置１０においては、計算機構２５において、本発明の熱量測定方法（以下、「特定の熱量測定方法」ともいう。）によって被測定ガスの熱量Ｑが算出される。
すなわち、特定の熱量測定方法によれば、被測定ガスの熱量Ｑは、屈折率換算熱量Ａと、密度換算熱量Ｂとに基づき、前記式（１）により、２．４０≦補正係数α≦３．１１の条件で算出される。
ここに、式（１）において、算出される被測定ガスの熱量Ｑと、計算に供される屈折率換算熱量Ａおよび密度換算熱量Ｂの値の単位は、〔ＭＪ／Ｎｍ³ 〕である。

式（１）において、補正係数αは、２．４０以上で３．１１以下とされるが、特に２．４０乃至２．６０であることが好ましい。
補正係数αが過小である場合には、屈折率換算熱量Ａおよび密度換算熱量Ｂに生じた測定誤差を十分に補正することができず、最終的に得られる被測定ガスの熱量に、雑ガスが含有されていることに起因する測定誤差が生じてしまう。一方、補正係数αが過大である場合には、屈折率換算熱量Ａおよび密度換算熱量Ｂに生じた測定誤差が適切に補正がされず、最終的に得られる被測定ガスの熱量に測定誤差が生じてしまう。

また、補正係数αが２．４０乃至２．６０である場合には、特にガス田から産出されたばかりの天然ガスまたはバイオガスよりなる被測定ガスにおいて、得られる熱量Ｑに、一層高い信頼性を得ることができる。

この補正係数αは、被測定ガスに雑ガスが含有されていることに伴って屈折率換算熱量測定機構２１および密度換算熱量測定機構２３において生じる測定誤差の大きさの差に基づく値、すなわち屈折率換算熱量Ａに生じる測定誤差に対する密度換算熱量Ｂに生じる測定誤差の比の値であり、従って、被測定ガスの組成に対応して好適な値とされることが好ましい。
具体的には、後述の実験例１から明らかなように、例えば雑ガスが酸素ガスのみである場合には、補正係数αは３．１１であることが好ましく、雑ガスが窒素ガスのみである場合には、補正係数αは２．４９であることが好ましく、雑ガスが二酸化炭素ガスのみである場合には、補正係数αは２．４５であることが好ましく、雑ガスが一酸化炭素ガスのみである場合には、補正係数αは３．０６であることが好ましい。

この計算機構２５としては、例えばパーソナルコンピュータ、演算機能付レコーダなどを用いることができる。

屈折率換算熱量Ａを得るための屈折率換算熱量測定機構２１としては、例えば被測定ガスと、空気などの標準ガスとの光の屈折率の差異を干渉縞の変位として検出し、この干渉縞の変位量に基づいて被測定ガスの屈折率換算熱量Ａを測定する構成の装置を用いることができる。

この屈折率換算熱量測定機構２１を構成する装置の具体的な一例としては、図２に示すように、被測定ガスを導入するための測定対象ガス用セル部３２および例えば空気などの標準ガスを充填するための標準ガス用セル部３３、３４が区画されてなるチャンバ３１と、光源３５からの光を分割する平行平面鏡３６と、当該平行平面鏡３６によって分割され、チャンバ３１を通過した光を反射することによってその進行方向を変更し、再度チャンバ３１を通過させた後に平行平面鏡３６上において重ね合わせ、干渉縞を生じさせることのできるよう、調整されて配置されたプリズム４１と、平行平面鏡３６上で重ね合わせられた合成光（干渉光）を受光する干渉縞検出手段３７とを備えてなる構成のものがある。 図２において、３９は合成光を反射する平面鏡、４２は合成光を集光するための集光レンズであり、この集光レンズ４２の焦点位置に干渉縞検出手段３７が配置されている。また、一点鎖線矢印は、光源３５からの光が干渉縞検出手段３７に受光されるまでの経路を示す。

密度換算熱量Ｂを得るための密度換算熱量測定機構２３としては、例えば薄肉円筒体よりなる振動管を被測定ガス中において振動させた場合の共振周波数が、当該被測定ガスの密度に基づいて変化することを利用し、共振周波数の変化量に基づいて被測定ガスの密度換算熱量Ｂを測定する構成の装置を用いることができる。

このような構成を有する熱量測定装置１０においては、測定動作中において、ガス流路１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃを介してガスパイプライン１２内を流通するガスが被測定ガスとして屈折率換算熱量測定機構２１および密度換算熱量測定機構２３の各々に供給されることにより、当該屈折率換算熱量測定機構２１においては屈折率換算熱量Ａが測定され、一方、密度換算熱量測定機構２３においては密度換算熱量Ｂが測定される。そして、これらの測定値が、各々、データ送信路２２、２４を介して計算機構２５に送信され、当該計算機構２５において、屈折率換算熱量Ａと密度換算熱量Ｂとに基づいて熱量Ｑが算出される。このようにして得られた熱量Ｑは、データ送信路２８を介して表示部２７に送信され、この表示部２７において表示される。

以上のような熱量測定装置１０は、その熱量が屈折率および密度と比例関係にあるガス、すなわちパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくとも１種を主成分とするガスを被測定ガスとするものである。
具体的には、被測定ガスは、パラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくも１種のみを含有するガス、およびパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくも１種よりなる主成分と共に、他の成分として、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、窒素ガスおよび酸素ガスのうちの少なくとも一種を雑ガスとして含有してなるものである。

被測定ガスの具体例としては、例えば天然ガス、バイオガスなどが挙げられ、また、石炭ガス、製鉄工程において発生するガス、炭鉱において発生するガスなども挙げられる。 ここに、石炭ガスの一例としては、例えばメタンガス２７％、ＣｎＨｍ（但し、ｎは２以上の整数、ｍは整数を示す。）２％、一酸化炭素ガス６％、水素ガス５６％、二酸化炭素ガス３％、酸素ガス１％および窒素ガス５％を含有するガスが挙げられる。また、製鉄工程において発生するガスの一例としては、例えばＣｐＨｑ（但し、ｐおよびｑはそれぞれ整数を示す。）０．３％、一酸化炭素ガス２８％、水素ガス２．７％、二酸化炭素ガス０．０５％および窒素ガス５８．５％を含有するガスが挙げられる。また、炭鉱において発生するガスの一例としては、例えばメタンガス５２．４％、二酸化炭素ガス４．６％、酸素ガス７％および窒素ガス３６％を含有するガスが挙げられる。

然して、熱量測定装置１０は、計算機構２５にて特定の熱量測定方法により、屈折率換算熱量測定機構２１によって得られた屈折率換算熱量Ａと、密度換算熱量測定機構２３によって得られた密度換算熱量Ｂとに基づいて前記式（１）によって被測定ガスの熱量Ｑが算出される構成を有するものであるため、被測定ガスが、その熱量と屈折率および密度とが比例関係にあるパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくとも１種を主成分とし、他の成分として、その熱量が屈折率および密度と特定の対応関係を有さないパラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガス以外のガス（雑ガス）が含有されてなるものであっても、当該雑ガスが含有されていることに伴って屈折率換算熱量測定機構２１および密度換算熱量測定機構２３において生じる測定誤差を、当該屈折率換算熱量測定機構２１に係る測定誤差と、当該密度換算熱量測定機構２３に係る測定誤差との大きさの差の関係を利用して補正することができる。

従って、熱量測定装置１０によれば、被測定ガスが、パラフィン系炭化水素ガスと共に、その熱量が屈折率および密度と特定の対応関係を有さない雑ガスが多量に含有されている、ガス田から産出されたばかりの天然ガスやバイオガスなどであっても、雑ガスが含有されていることに起因して最終的に得られる熱量に測定誤差が生じることを抑制することができることから、当該被測定ガスの熱量Ｑを高い信頼性で測定することができる。
また、熱量測定装置１０は、被測定ガスが、例えばＬＮＧとＬＰＧとの混合ガスよりなる都市ガスなどのパラフィン系炭化水素ガスのみよりなるものである場合であっても、高い信頼性で熱量の測定を行うことができる。

さらに、熱量測定装置１０によれば、例えば環境条件、ガスパイプライン１２における流通ガスの供給切替などの諸事情によって被測定ガス中における雑ガスの種類および濃度が大きく変化した場合であってもその変化に対応することができる。

以上、本発明の熱量測定方法および熱量測定装置について具体的に説明したが、本発明は以上の例に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば熱量測定方法は、屈折率換算熱量測定機構と密度換算熱量測定機構と計算機構とを合わせて備えてなる装置によって実施されることに限定されず、屈折率換算熱量Ａと密度換算熱量Ｂとに基づいて、前記式（１）により、２．４０≦補正係数α≦３．１１の条件にて被測定ガスの熱量Ｑを算出するのであれば、屈折率換算熱量Ａおよび密度換算熱量Ｂの値を得るための装置が一体化されておらずに個別であってもよく、さらに被測定ガスの熱量Ｑを算出する手法が演算機などによる自動計算であっても、あるいは手動による計算であってもよい。

以下、本発明の実験例について説明する。

〔実験例１〕
酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガスおよび一酸化炭素ガスを試料ガスとし、この試料ガスの各々について、屈折率式熱量計によって屈折率に基づいて得られる熱量（屈折率換算熱量）と、密度式熱量計によって密度に基づいて得られる熱量（密度換算熱量）とを測定し、この測定値と、ガスクロマトグラフを用いた分析によって得られた熱量とに基づいて、屈折率換算熱量および密度換算熱量の各々に生じる測定誤差を確認すると共に、屈折率換算熱量に生じた測定誤差（以下、「屈折率計誤差」ともいう。）と、密度換算熱量に生じた測定誤差（以下、「密度計誤差」ともいう。）との誤差比（密度計誤差／屈折率計誤差）を算出した。結果を下記表１に示す。
表１において、「屈折率計誤差」とは、屈折率換算熱量において試料ガス１体積％当たりに生じる測定誤差であり、また、「密度計誤差」とは、密度換算熱量において試料ガス１体積％当たりに生じる測定誤差である。

以上の表１の結果から、酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガスおよび一酸化炭素ガスのいずれの試料ガスにおいても、屈折率計誤差に比して密度計誤差の方が大きく、また屈折率計誤差に対する密度計誤差の比が試料ガスの種類によって特定の値を示すことが確認された。
従って、この実験例１の結果から、熱量測定対象ガスの熱量を、当該熱量測定対象ガスの屈折率換算熱量および密度換算熱量に基づき、式（１）において補正係数αを２．４０〜３．１１の範囲とすることにより、高い信頼性で測定することができる、ということが確認された。

本発明の熱量測定装置の構成の一例を示す説明図である。 図１の熱量測定装置を構成する屈折率換算熱量測定機構として用いられる装置の構成の一例を示す説明図である。

符号の説明

１０ 熱量測定装置
１２ ガスパイプライン
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ ガス流路
２１ 屈折率換算熱量測定機構
２２ データ送信路
２３ 密度換算熱量測定機構
２４ データ送信路
２５ 計算機構
２７ 表示部
２８ データ送信路
３１ チャンバ
３２ 測定対象ガス用セル部
３３、３４ 標準ガス用セル部
３５ 光源
３６ 平行平面鏡
３７ 干渉縞検出手段
３９ 平面鏡
４１ プリズム
４２ 集光レンズ

Claims (4)

1. ガスの熱量を測定するための熱量測定方法であって、
   熱量測定対象ガスが、パラフィン系炭化水素ガスおよび水素ガスの少なくとも１種を主成分とし、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、窒素ガスおよび酸素ガスのうちの少なくとも一種が含有されているものであり、
   熱量測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量Ａ〔ＭＪ／Ｎｍ³ 〕と、当該熱量測定対象ガスの密度から得られる密度換算熱量Ｂ〔ＭＪ／Ｎｍ³ 〕とに基づいて、下記の式（１）により、２．４０≦補正係数α≦３．１１の条件にて熱量測定対象ガスの熱量Ｑ〔ＭＪ／Ｎｍ³ 〕を算出することを特徴とする熱量測定方法。
   

   
2. 前記式（１）において、補正係数αの値が２．４０乃至２．６０であることを特徴とする請求項１に記載の熱量測定方法。
3. 熱量測定対象ガスが、天然ガスまたはバイオガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱量測定方法。
4. 熱量測定対象ガスの屈折率換算熱量を測定するための屈折率換算熱量測定機構と、当該熱量測定対象ガスの密度換算熱量を測定するための密度換算熱量測定機構とを備えており、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱量測定方法によって熱量測定対象ガスの熱量が算出されることを特徴とする熱量測定装置。

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