JP5216039B2 - ガスハイドレート率測定装置及びその制御方法 - Google Patents

ガスハイドレート率測定装置及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、スラリ状ガスハイドレートのガスハイドレート率を測定するガスハイドレート率測定装置及びその制御方法に関するものである。
近年、天然ガスやメタンなどの安全かつ経済的な輸送・貯蔵手段として、それら原料ガスの固体状の水和物であるガスハイドレートを用いる方法が注目されている。このガスハイドレートは一般に高圧・低温下（例えば、５．４ＭＰａ・４℃）で生成される。その生成方法としては、原料水中に原料ガスを気泡として吹き込みながら撹拌するいわゆる「気液撹拌方式」（例えば、特許文献１を参照）が代表的なものとして知られている。上記の方法で得られるガスハイドレートは、水中にみぞれ状のハイドレートが浮遊したスラリ状（固液二相又は気固液三相）となる。
このガスハイドレートの生成工程では、ガスハイドレート事業の商業化を図る観点から、一定の濃度のガスハイドレートを生成するように制御することが望ましい。これは、ガスハイドレートの濃度が高過ぎる場合、ハイドレートを輸送する管路で閉塞が発生してしまうという問題が発生するためである。しかし、生成されるガスハイドレートは、スラリ状となっているため、ガスハイドレート濃度（ガスハイドレート率）を直接測定することは困難である。
このガスハイドレート率を測定する方法として、サンプリングにより含有ガス質量を測定する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この測定方法は、まず、ガスハイドレートスラリが流れる管路から、一定量のガスハイドレートスラリをサンプリングする。次に、加熱等によりガスハイドレートを分解し、原料ガスと原料水に分離する。この原料ガスの体積と組成を、ガス流量計とガスクロマトグラフィで測定する。更に、残存する原料水の重量を測定する。以上の測定結果より、ガスハイドレート率を算出する方法である。この方法においては、ガスハイドレートスラリが、ガスハイドレートと原料水のみからなる場合は、この質量比から高い精度でハイドレート率を測定することができる。
しかしながら、上記の構成は、ガスハイドレートスラリ中に、原料ガスが溶存（スラリを構成する原料水中に溶存すること。以下、単に溶存と言う。）又は気泡として存在している場合、十分な精度を得ることができないという問題を有している。つまり、それらの溶存又は気泡として存在している原料ガスを、ガスハイドレートの分解から生じた原料ガスとしてカウントしてしまうため、実際のガスハイドレート率よりも高い数値を与えてしまう虞がある。さらに、その値を使って、例えば生成装置を制御した場合、目的とするスラリ濃度が得られない虞がある。
特開２０００−３０２７０１号公報 特開２００８−２２４３７８号公報
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスハイドレートスラリ中に溶存又は気泡として原料ガスが存在する場合であっても、高い精度でガスハイドレート率を測定することのできるガスハイドレート率測定装置及びその制御方法を提供す
ることにある。
上記の目的を達成するための本発明に係るガスハイドレート率測定装置の制御方法は、ガスハイドレートを生成する生成装置と、前記生成装置で生成したガスハイドレートをスラリ状で搬送する管路を有したガスハイドレート製造プラントで、ガスハイドレート率を測定するガスハイドレート率測定装置の制御方法において、前記管路に接続した前記ガスハイドレート測定装置が、メインラインとバイパスラインを有しており、前記メインラインが、第１バルブ及び第２バルブと、前記第１バルブ及び第２バルブの間の測定部と、前記測定部に設置した導電率計と、前記測定部の圧力を脱圧する脱圧バルブを有しており、前記バイパスラインを、前記第１バルブの上流から第３バルブを介して前記第２バルブの下流を連結するように構成し、通常時に、前記メインラインを通過するガスハイドレートスラリの導電率を測定する第１測定ステップと、ガスハイドレート率測定時に、前記第１バルブ及び第２バルブを閉止し、前記第３バルブを開放する開始ステップと、前記脱圧バルブを開放して前記測定部を脱圧する脱圧ステップと、前記測定部の脱圧完了後に、前記測定部内の導電率を測定する第２測定ステップと、通常時のガスハイドレートスラリの導電率と、脱圧後の測定部の導電率からガスハイドレート率を算出する演算ステップを有することを特徴とする。
この構成により、ガスハイドレートスラリ中に溶存又は気泡として存在する原料ガスの影響を受けずに、ガスハイドレート率を高い精度で測定することができる。また、メインラインで測定を行うため、ガスハイドレート率を高い精度で測定することができる。これは、ガスハイドレートは水よりも密度が低く、水中に浮遊し、偏って存在していることが多く、枝管等でガスハイドレートスラリをサンプリングする場合、ガスハイドレート率の測定に誤差が発生する可能性があるためである。
更に、メインラインに測定部及び導電率計を設置する構成により、通過するガスハイドレートスラリの導電率を常に監視することができる。これにより、ガスハイドレートの生成に伴い、原料水中の電解質の濃度が変化した場合であっても、高い精度でガスハイドレート率を測定することができる。つまり、ガスハイドレート生成装置では、供給する原料水の純水部分をガスハイドレートの生成により消費するため、残余の原料水中の電解質の濃度が時間の経過と共に上昇する傾向となるが、この電解質濃度の変化の影響を受けずに測定することができる。
なお、第１測定ステップは、ガスハイドレート率を測定する直前に実行してもよい。また、予め連続的に第１測定ステップを繰り返すように構成してもよい。つまり、第１測定ステップを複数回行い、この平均値を第１測定ステップの結果として、演算ステップに送るように制御する。この構成により、導電率の測定値が連続的に、若しくは複数回得られるため、それらを平均することで、ガスハイドレートがスラリ中に不均一に存在している影響を緩和することができる。
上記のガスハイドレート率測定装置の制御方法において、前記測定部が加熱装置を有しており、前記加熱装置により、前記測定部の温度を前記脱圧ステップの前後で同一となるように加熱する温度制御ステップを有することを特徴とする。
導電率は、液温の影響を受けるため、この構成により、ガスハイドレートが脱圧に伴い急速な分解（吸熱反応）を起した場合であっても、脱圧ステップ完了後直ちに、導電率を測定することができる。また、脱圧の前後で温度を同一とする制御を行うため、ガスハイドレート率の測定精度を向上することができる。なお、測定部のガスハイドレートの分解速度を向上するために、脱圧と共に加熱するように制御してもよい。
本発明に係るガスハイドレート率測定装置及びその制御方法によれば、ガスハイドレートスラリ中に溶存又は気泡として原料ガスが存在する場合であっても、高い精度でガスハイドレート率を測定することのできるガスハイドレート率測定装置及びその制御方法を提供することができる。
本発明に係る実施の形態のガスハイドレート率測定装置の概略を示した図である。 本発明に係る実施の形態のガスハイドレート率測定装置の概略を示した図である。
以下、本発明に係る実施の形態のガスハイドレート率測定方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、ガスハイドレート率測定装置（以下、測定装置と言う）１の概略を示す。この測定装置１は、メインライン２とバイパスライン３を有している。メインライン２は、上流側の第１バルブ４と下流側の第２バルブ５を有している。この第１バルブ４と第２バルブ５の間を測定部６としている。この測定部６は、導電率計７を有している。また、測定部６は、測定部６の内部の圧力を開放するための脱圧バルブ８と、排水バルブ１２を有している。更に、測定部６は、内部の温度を測定するための温度計１０と、内部を加熱するための加熱装置１１を有している。
バイパスライン３は、メインライン２の第１バルブ４の上流から、第２バルブ５の下流を連通している。また、バイパスライン３は、バイパスライン３の開閉を行う第３バルブ９を有している。
次に、測定装置１の動作に関して説明する。まず、ガスハイドレート生成装置に、原料ガスと原料水を供給する。この原料ガスと原料水が反応し、ガスハイドレートが生成し、未反応の原料水との二相、若しくは未反応の原料ガスをも含んだ三相のスラリとなる。このスラリが測定装置１のメインライン２を矢印で示す様に通過する。このとき、第１バルブ４及び第２バルブ５は開いており、第３バルブ９は閉じている。この通常時に、導電率計７でスラリの導電率を測定する（第１測定ステップ）。ここで得る導電率の値は、付着水の導電率を示している。
次に、第３バルブ９を開放した後、第１バルブ４及び第２バルブ５を閉止する（開始ステップ）。このとき、スラリは図２に矢印で示す様に、バイパスライン３を流れる。そして、一部のスラリは、測定部６内で密封した状態となる。次に、脱圧バルブ８を開放して、測定部６を脱圧する（脱圧ステップ）。この脱圧ステップでは、ガスハイドレートが分解し、ガスハイドレートが保持していたガス及びスラリ中に溶存、若しくは気泡として存在した原料ガスが、脱圧バルブ８から放出する。このガスの放出に伴い、測定部６内は、ガスハイドレートを構成していた水と、スラリを構成していた原料水が残る。なお、測定部６の脱圧は、約５．４ＭＰａから、少なくともガスハイドレートが分解する圧力まで脱圧すればよい。望ましくは、大気圧程度まで脱圧するとよい。
この脱圧ステップと平行して、加熱装置１１により、測定部６を加熱する（温度制御ステップ）。この制御は、第１に、測定部６内で原料水が凍結することを防止するために行う。これは、脱圧に伴うガスハイドレートの分解反応が吸熱反応となるためである。第２に、脱圧ステップの前後で測定部６内部の温度差を小さくするために行う。これは、導電率が、測定対象物の温度変化に依存するためである。この温度差が小さい方がガスハイド
レート率の測定精度を高めることができる。第３に、ガスハイドレートの分解を促進するために行う。これは、ガスハイドレート率の測定時間を短縮するためである。つまり、生成装置に供給する原料ガス及び原料水の量、若しくは生成装置に付帯する熱交換器の冷却熱量は、測定により得たガスハイドレート率に基づき制御するため、ガスハイドレート生成時と測定時の時間差が少ない方が、ガスハイドレート率の制御の精度が上がるためである。
この測定部６の脱圧及びガスハイドレートの分解が完了した後に、測定部６内の導電率を測定する（第２測定ステップ）。ここで得る導電率の値は、付着水と純水の混ざった状態の導電率を示している。つまり、第１測定ステップの際と比較し、液相中の電解質の濃度が低下するため、導電率は低下する。
次に、通常時のガスハイドレートスラリの導電率（第１測定ステップで得た値）と、脱圧後の測定部６の導電率（第２測定ステップで得た値）からガスハイドレート率を算出する（演算ステップ）。このとき、第１測定ステップで得た値をＣ０とし、第２測定ステップで得た値をＣｆとすると、ハイドレート率ｒｈは、以下の数１により求めることができる。
(数１)ｒｈ＝１−（Ｃｆ／Ｃ０）
ここで、ガスハイドレートは不導体であり、内部に電解質を含んでいないことを想定している。また、内部にガスを含んでいないガスハイドレート（空ゲージ）は存在していないことを想定している。
上記のガスハイドレート率の測定結果から、例えば、生成装置に付帯する熱交換器の冷却熱量を制御して、ガスハイドレート率が所望の範囲になるようにする。
最後に、測定終了後は、排水バルブ１２を開放して、測定部６内の液相を排出するか、第１バルブ４及び第２バルブ５を開放して下流に流出させる。そして、第１バルブ４及び第２バルブ５を開放して、第３バルブ９を閉止する（復旧ステップ）。以上より、スラリは再び、メインライン２を流れるようになり通常状態となる（図１参照）。
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、ガスハイドレートスラリ中に溶存又は気泡として存在する原料ガスの影響を受けずに、ガスハイドレート率を高い精度で測定することができる。第２に、スラリの液相中の電解質の濃度変化に着目して、導電率を測定するため、極めて正確なガスハイドレート率を測定することができる。
なお、導電率計は、従来使用されているものを、利用することができる。この導電率計は、測定部６の内壁に２つの電極を設置し、この電極間に交流電流を流してスラリの抵抗を検出する構成を有している。ここで、電極の形状を、測定部６の内壁から突出の少ない形状とすることが望ましい。また、電極の設置場所は、ガスハイドレートが原料水より低密度であるため、横型配管の場合、配管の両側面（真横）より下部が望ましい。これは、ハイドレートが電極に付着、堆積して、測定部６の管内の閉塞が発生する事故を防止するためである。
１ ガスハイドレート率測定装置
２ メインライン
３ バイパスライン
４ 第１バルブ
５ 第２バルブ
６ 測定部
７ 導電率計
８ 脱圧バルブ
９ 第３バルブ
１０ 温度計
１１ 加熱装置
１２ 排水バルブ

Claims (2)

  1. ガスハイドレートを生成する生成装置と、前記生成装置で生成したガスハイドレートをスラリ状で搬送する管路を有したガスハイドレート製造プラントで、ガスハイドレート率を測定するガスハイドレート率測定装置の制御方法において、
    前記管路に接続した前記ガスハイドレート測定装置が、メインラインとバイパスラインを有しており、前記メインラインが、第１バルブ及び第２バルブと、前記第１バルブ及び第２バルブの間の測定部と、前記測定部に設置した導電率計と、前記測定部の圧力を脱圧する脱圧バルブを有しており、前記バイパスラインを、前記第１バルブの上流から第３バルブを介して前記第２バルブの下流を連結するように構成し、
    通常時に、前記メインラインを通過するガスハイドレートスラリの導電率を測定する第１測定ステップと、
    ガスハイドレート率測定時に、前記第１バルブ及び第２バルブを閉止し、前記第３バルブを開放する開始ステップと、
    前記脱圧バルブを開放して前記測定部を脱圧する脱圧ステップと、
    前記測定部の脱圧完了後に、前記測定部内の導電率を測定する第２測定ステップと、
    通常時のガスハイドレートスラリの導電率と、脱圧後の測定部の導電率からガスハイドレート率を算出する演算ステップを有することを特徴とする制御方法。
  2. 前記測定部が加熱装置を有しており、
    前記加熱装置により、前記測定部の温度を前記脱圧ステップの前後で同一となるように加熱する温度制御ステップを有することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
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