JP6481927B2 - 気液二相流流量算出方法、及び気液二相流流量算出システム - Google Patents

Description

本発明は、気液二相流流量算出方法、及び気液二相流流量算出システムに関する。

化学プラント等に用いられるボイラーや復水器では、配管中の冷媒や作動流体の流れが、気体と液体とが混在した気液二相流の流れとなる。このような機器では、制御又は性能評価のために、配管中の気液二相流の流量を測定する必要がある。

気液二相流の流量測定方法としては、気体と液体とを混合前に別々に測定する方法が知られている。この方法は、気液二相流として配管内で混合される前に、ファンで送られてくる気体と、ポンプで圧送されてくる液体とをそれぞれ別々に流量を測定することで、配管中の気液二相流の流量を測定する。

気液二相流の流量測定方法としては、他にも、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の方法では、混合された後の気液二相流に対して静電容量検出器を用いて流量を測定している。この方法では、幅の異なる流速検知用電極板を配管内に複数配置し、電気力線を平行で均一な状態とすることで、精度の高い流量測定を実施している。

特開昭５８−１９０７１９号公報

しかしながら、上述したような混合する前に気体と液体とを別々に測定する気液二相流の流量測定方法では、混合されて気液二相流となる前に流量測定を行っている。そのために、評価したい配管中等の流路での位置と、実際に測定した位置との間に距離が生じる。その結果、時間遅れが生じて評価結果の精度が低下するおそれがある。また、特許文献１のように、静電容量検出器を用いて気液二相流の流量を直接測定する方法では、複数の電極板を配管中に配置する必要がある。そのため、測定区間が長くなってしまい、測定構成が大掛かりになってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、コンパクトな装置構成で、精度の高い流量測定を行うことが可能な気液二相流流量算出方法、及び気液二相流流量算出システムを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様における気液二相流流量算出方法は、管状流路を流通し、液体及び気体を含む気液二相流の流通方向と平行な流路断面の所定の測定点で、前記気液二相流の流路内ボイド率と流路内界面速度とを測定する測定工程と、前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度と気体の流速である気相流速との関係である予め取得した気相流速分布に基づいて、前記測定工程で測定した前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度から前記気相流速を算出する気相流速算出工程と、前記気相流速と液体の流速である液相流速との関係である予め取得した液相流速分布に基づいて、前記気相流速算出工程で算出した前記気相流速から前記気液二相流中の前記液相流速を算出する液相流速算出工程と、算出した前記気相流速及び前記液相流速から前記気液二相流の気体及び液体の流量をそれぞれ算出する流量算出工程と、を含む。

このような構成によれば、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布を利用することで、複数の測定点で測定したり、気体と液体とを個別に測定したりすることなく、所定の測定点のみで測定した結果に基づいて、気液二相流中の気体の流量と液体の流量とを取得することができる。したがって、複数の測定装置を用いることなく、少ない測定機器で気液二相流中の気体及び液体の流量を取得することができる。さらに、管状流路を流れる気液二相流から測定した流路内ボイド率及び流路内界面速度を用いることで、実際に評価したい位置で気液二相流を直接測定することができる。したがって、混合される前の気体の流量や液体の流量を測定する場合に比べて、時間遅れの影響を抑えることができ、精度の高いデータを取得する取得することができる。

また、上記気液二相流流量算出方法では、前記測定工程は、前記管状流路における前記流通方向と直交する流路断面の中央で前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度を測定してもよい。

このような構成によれば、測定工程において、所定の測定点を流路断面の流通方向と直交する方向の中央とすることで、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布に沿った精度の高い測定結果を取得することができる。具体的には、気相流速分布及び液相流速分布は、気液二相流の流路断面において、中央付近が最も変化が少ない。そのため、測定する位置が流通方向と直交する方向にずれた際に、流路断面の端を測定点とした場合に比べて中央部分の方が、算出される気相流速や液相流速の値に対する測定結果の誤差の影響が少なくすることができる。これにより、より精度の高いデータを取得することができ、より精度の高い流量測定を行うことができる。

また、上記気液二相流流量算出方法では、事前に測定された複数の前記気液二相流の前記気相流速と、前記流路内ボイド率と、前記流路内界面速度とに基づいて、前記気相流速分布を推定する気相流速分布推定工程とを含んでいてもよい。

このような構成によれば、事前に測定した気相流速と、複数の流路内ボイド率及び流路内界面速度との関係に基づいて気相流速分布を算出することで、回帰直線として気相流速分布を容易に定めることができる。したがって、測定する気液二相流に含まれる気体の物性値が分からない場合や、流路断面が複雑な形状である場合であっても、管状流路での気液二相流の気相流速分布を推定することができる。

また、上記気液二相流流量算出方法では、事前に測定された複数の前記気液二相流の前記気相流速と、前記液相流速と、前記流路内ボイド率と、前記流路内界面速度とに基づいて、前記液相流速分布を推定する液相流速分布推定工程とを含んでいてもよい。

このような構成によれば、事前に測定した気相流速及び液相流速と、流路内ボイド率及び流路内界面速度との関係に基づいて液相流速分布を算出することで、回帰直線として液相流速分布を容易に定めることができる。したがって、測定する気液二相流に含まれる液体の物性値が分からない場合や、流路断面が複雑な形状である場合であっても、管状流路での気液二相流の液相流速分布を推定することができる。

また、本発明の第二の態様における気液二相流流量算出システムは、管状流路を流通し、液体及び気体を含む気液二相流の流通方向と平行な流路断面の所定の測定点で、前記気液二相流の流路内ボイド率と流路内界面速度とを測定する測定部と、前記測定部の測定結果に基づいて、前記気液二相流の気体及び液体の流量を算出する制御部とを備え、前記制御部は、前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度と気体の流速である気相流速との関係である予め取得した気相流速分布に基づいて、前記測定部で測定した前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度から前記気相流速を算出する気相流速算出部と、予め取得した前記気相流速と液体の流速である液相流速との関係である液相流速分布に基づいて、前記気相流速算出部で算出した前記気相流速から前記気液二相流中の前記液相流速を算出する液相流速算出部と、算出した前記気相流速及び前記液相流速から前記気液二相流の気体及び液体の流量を算出する流量算出部とを有する。

このような構成によれば、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布を利用することで、複数の測定点で測定したり、気体と液体とを個別に測定したりすることなく、所定の測定点のみで測定した結果に基づいて、気液二相流中の気体の流量と液体の流量とを取得することができる。したがって、複数の測定装置を用いることなく測定部だけで気液二相流中の気体及び液体の流量を取得することができる。さらに、管状流路を流れる気液二相流から測定した流路内ボイド率及び流路内界面速度を用いることで、実際に評価したい位置で気液二相流を直接測定することができる。したがって、混合される前の気体の流量や液体の流量を測定する場合に比べて、時間遅れの影響を抑えることができ、精度の高いデータを取得する取得することができる。

本発明によれば、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布と、流路内ボイド率及び流路内界面速度とを用いて気相流速と液相流速とを算出することで、コンパクトな装置構成で、精度の高い流量測定を行うことができる。

本発明の実施形態における気液二相流流量算出システムを示す模式図である。 本発明の実施形態における流路断面の中央付近で測定する測定部の様子を示す模式図である。 本発明の実施形態における中央流路内ボイド率及び中央流路内界面速度と事前気相流速との関係を示す図である。 本発明の実施形態における事前気相流速及び事前液相流速の合計値と断面平均界面速度との関係を示す図である。 本発明の実施形態における気液二相流流量算出方法を示すフロー図である。

以下、本発明に係る実施形態について図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態における気液二相流流量算出システム１を示す模式図である。
気液二相流流量算出システム１は、管状流路２ａを流通し、液体３ｂ及び気体３ａを含む気液二相流３の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定することで、管状流路２ａを流通する気体３ａの流量と液体３ｂの流量とを算出する。本実施形態の気液二相流流量算出システム１は、断面円形状の配管２内の管状流路２ａを流通する気液二相流３の気体３ａと液体３ｂとの流量をそれぞれ算出する。

本実施形態の気液二相流流量算出システム１は、管状流路２ａ内の気液二相流３の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定する測定部１０と、気液二相流３として混合される前の気体３ａの流量を測定する気相流量計２０と、気液二相流３として混合される前の液体３ｂの流量を測定する液相流量計３０と、測定部１０や気相流量計２０や液相流量計３０の測定結果に基づいて、管状流路２ａにおける気液二相流３の気体３ａ及び液体３ｂの流量を算出する制御部４０とを備える。

測定部１０は、管状流路２ａの気液二相流３の流通方向と直交する流路断面の任意の位置で、流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定可能とされている。測定部１０は、測定した流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを制御部４０に出力する。本実施形態の測定部１０は、例えば、二針式光学ボイド計であり、管状流路２ａを構成する配管２の内外を貫通するように配置されている。測定部１０は、先端部の位置を変更することで、流路断面の任意の位置での気液二相流３の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定する。

気相流量計２０は、配管２に流入して気液二相流３として混合される前の気体３ａの流量を測定する。液相流量計３０は、配管２に流入して気液二相流３として混合される前の液体３ｂの流量を測定する。気相流量計２０や液相流量計３０は、気体３ａの流量や液体３ｂの流量を測定できる公知の装置が用いられる。

制御部４０は、測定部１０での測定結果や気相流量計２０の測定結果や液相流量計３０の測定結果に基づいて、気体３ａの流速である気相流速と液体３ｂの流速である液相流速とをそれぞれ算出する。制御部４０は、算出した気相流速と液相流速とに基づいて、気液二相流３中の気体３ａの流量と液体３ｂの流量とをそれぞれ算出する。

本実施形態の制御部４０は、測定部１０から測定結果が入力される入力部４１と、流路断面における気相流速の速度分布である気相流速分布を推定する気相流速分布推定部４２と、流路断面における液相流速の速度分布である液相流速分布を推定する液相流速分布推定部４３と、を有する。制御部４０は、測定部１０で測定した流路内ボイド率α及び流路内界面速度Ｖ_ｇから気相流速を算出する気相流速算出部４４と、気相流速算出部４４で算出した気相流速から気液二相流３中の液相流速を算出する液相流速算出部４５と、気相流速及び液相流速から気液二相流３中の気体３ａ及び液体３ｂの流量をそれぞれ算出する流量算出部４６と、算出した気体３ａ及び液体３ｂの流量を外部装置に出力する出力部４７とを有する。

入力部４１は、測定部１０で測定された流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとの情報が入力される。入力部４１は、入力された流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとの情報を、気相流速分布推定部４２と、液相流速分布推定部４３と、気相流速算出部４４と、液相流速算出部４５とにそれぞれ出力する。

図２は、この発明の実施形態における流路断面の中央付近で測定する測定部１０の様子を示す模式図である。
ここで、本実施形態では、図２に示すように、入力部４１に測定部１０から入力される測定結果の情報のうち、特に、所定の測定点として流路断面の流通方向と直交する方向の中央付近で測定された流路内ボイド率αを中央流路内ボイド率α_ｃとし、流路内界面速度Ｖ_ｇを中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃとする。

気相流速分布推定部４２は、入力部４１に入力された測定部１０での複数の測定結果と、気相流量計２０での複数の測定結果とに基づいて、気液二相流３中の気体３ａの気相流速分布を推定する。本実施形態の気相流速分布推定部４２は、気相流量計２０で測定された気液二相流３として混合される前の気体３ａの流量の情報が複数入力される。気相流速分布推定部４２では、入力された気体３ａの流量の情報を流路断面積で除することで、混合前の気体３ａの流速である事前気相流速ｊ_ｇ１を算出する。

本実施形態の気相流速分布推定部４２は、気相流量計２０で測定した際に、流路断面の中央付近で測定部１０によって測定された中央流路内ボイド率α_ｃと中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃとの情報が入力部４１から複数入力される。つまり、気相流速分布推定部４２は、中央流路内ボイド率α_ｃと中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃとの情報が、気相流量計２０での測定結果の情報が入力されるごとに入力部４１から入力される。

図３は、この発明の実施形態における中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃと事前気相流速ｊ_ｇ１との関係を示す図である。
本実施形態の気相流速分布推定部４２は、例えば、図３に示すように、算出した事前気相流速ｊ_ｇ１の情報と、事前気相流速ｊ_ｇ１に対応する中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃの情報との関係から気相流速分布を求める。本実施形態のように断面円形状の流路断面の場合、気相流速分布は、以下の式１を満たすような回帰直線として算出される。

気相流速分布推定部４２は、この回帰直線の傾きから分布定数である第一パラメータＫを算出する。つまり、気相流速分布推定部４２は、第一パラメータＫが定められた気相流速分布の情報を取得する。気相流速分布推定部４２は、第一パラメータＫが定められた状態の上記式１のような気相流速分布の情報を気相流速算出部４４に送る。

液相流速分布推定部４３は、入力部４１に入力された測定部１０での複数の測定結果と、気相流量計２０及び液相流量計３０での複数の測定結果とに基づいて、気液二相流３中の液体３ｂの液相流速分布を推定する。

本実施形態の液相流速分布推定部４３は、気相流量計２０で測定された気液二相流３として混合される前の気体３ａの流量の情報と、液相流量計３０で測定された気液二相流３として混合される前の液体３ｂの流量の情報とが複数入力される。液相流速分布推定部４３では、気相流速分布推定部４２と同様に、入力された気体３ａの流量の情報を流路断面積で除することで、混合前の気体３ａの流速である事前気相流速ｊ_ｇ１を算出する。液相流速分布推定部４３では、入力された液体３ｂの流量の情報流路断面積で除することで、混合前の液体３ｂの流速である事前液相流速ｊ_ｆ１を算出する。液相流速分布推定部４３は、算出した事前気相流速ｊ_ｇ１と事前液相流速ｊ_ｆ１との合計値を気液二相流３の全体の流速として算出する。

本実施形態の液相流速分布推定部４３は、気相流量計２０及び液相流量計３０で測定した際に、流路断面の複数の測定点で測定された流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとの情報が入力部４１から複数入力される。つまり、液相流速分布推定部４３は、複数の流路内ボイド率α及び流路内界面速度Ｖ_ｇの情報が、気相流量計２０及び液相流量計３０での測定結果の情報が入力される度に入力部４１から入力される。液相流速分布推定部４３は、入力された複数の流路内ボイド率αを流路断面積で除することで、断面平均ボイド率＜α＞を算出する。液相流速分布推定部４３は、入力された複数の流路内界面流速を流路断面積で除することで、断面平均界面速度＜Ｖ_ｇ＞を算出する。

図４は、この発明の実施形態における事前気相流速ｊ_ｇ１及び事前液相流速ｊ_ｆ１の合計値と断面平均界面速度＜Ｖ_ｇ＞との関係を示す図である。
液相流速分布推定部４３は、図４に示すように、算出した事前気相流速ｊ_ｇ１と事前液相流速ｊ_ｆ１との合計値と、入力された断面平均界面速度＜Ｖ_ｇ＞との関係から液相流速分布を求める。本実施形態のように断面円形状の流路断面の場合、液気相流速分布は、以下の式２を満たすような回帰直線として算出される。

液相流速分布推定部４３は、この回帰直線の傾きから分布定数である第二パラメータＣ_０を算出し、切片からドリフト定数である第三パラメータＶ_ｇｊを算出する。つまり、液相流速分布推定部４３は、第二パラメータＣ_０及び第三パラメータＶ_ｇｊが定められた液相流速分布の情報を取得する。液相流速分布推定工程Ｓ１５は、算出した断面平均ボイド率＜α＞の情報と、第二パラメータＣ_０及び第三パラメータＶ_ｇｊが定められた状態の上記式２のような液相流速分布の情報とを液相流速算出部４５に送る。

気相流速算出部４４は、入力部４１から送られる測定部１０での流路断面の所定の測定点における測定結果の情報と、気相流速分布推定部４２から送られる気相流速分布の情報とに基づいて、気液二相流３中の気相流速を気相みかけ流速ｊ_ｇとして算出する。

本実施形態の気相流速算出部４４は、測定部１０によって測定された中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃの情報が入力部４１から入力される。気相流速算出部４４は、入力された第一パラメータＫが定められた状態の式１の気相流速分布に対して、中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃの情報を当てはめることで、流路断面での気液二相流３中の気相流速として気相みかけ流速ｊ_ｇを算出する。気相流速算出部４４は、算出した気相みかけ流速ｊ_ｇの情報を液相流速算出部４５と流量算出部４６とに送る。

液相流速算出部４５は、液相流速分布推定部４３から送られる液相流速分布の情報及び断面平均ボイド率＜α＞の情報と、気相流速算出部４４から送られる気相みかけ流速ｊ_ｇの情報とに基づいて、気液二相流３中の液相流速を液相みかけ流速ｊ_ｆとして算出する。

本実施形態の液相流速算出部４５は、第二パラメータＣ_０及び第三パラメータＶ_ｇｊが定められた状態の式２のような液相流速分布に基づいて、下記の式３のようなドリフトフラックスモデルの式を算出する。

算出したドリフトフラックスモデルの式に対して、断面平均ボイド率＜α＞の情報と、気相みかけ流速ｊ_ｇの情報を当てはめることで、流路断面での気液二相流３中の液相流速として液相みかけ流速ｊ_ｆを算出する。液相流速算出部４５は、算出した液相みかけ流速ｊ_ｆの情報を流量算出部４６に送る。

流量算出部４６は、気相流速算出部４４から入力される気相みかけ流速ｊ_ｇの情報と液相流速算出部４５から入力される液相みかけ流速ｊ_ｆの情報と基づいて、流路断面での気液二相流３中の気体３ａの流量と液体３ｂの流量とをそれぞれ算出する。流量算出部４６は、気相みかけ流速ｊ_ｇを流路断面積で除することで流路断面での気液二相流３中の気体３ａの流量を算出する。流量算出部４６は、液相みかけ流速ｊ_ｆを流路断面積で除することで流路断面での気液二相流３中の液体３ｂの流量を算出する。流量算出部４６は、算出した気体３ａの流量の情報と液体３ｂの流量の情報とを出力部４７に送る。

出力部４７は、入力された気体３ａの流量の情報と液体３ｂの流量の情報を不図示の表示装置や記憶装置等の外部装置に出力する。

次に上記実施形態の気液二相流流量算出方法Ｓ１について説明する。
図５は、この発明の実施形態における気液二相流流量算出方法Ｓ１のフロー図である。
気液二相流流量算出方法Ｓ１は、管状流路２ａを流通し、液体３ｂ及び気体３ａを含む気液二相流３の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定することで、管状流路２ａを流通する気体３ａの流量と液体３ｂの流量とを算出する方法である。本実施形態の気液二相流流量算出方法Ｓ１は、気液二相流流量算出システム１によって実施される。

図５に示すように、本実施形態の気液二相流流量算出方法Ｓ１は、測定する気液二相流３の気相流速と液相流速との速度分布を事前に推定する流速分布事前推定工程Ｓ１０と、管状流路２ａを流通する気液二相流３の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定する測定工程Ｓ２０とを有する。本実施形態の気液二相流流量算出方法Ｓ１は、測定工程Ｓ２０で測定した流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとから気相流速を算出する気相流速算出工程Ｓ３０と、気相流速算出工程Ｓ３０で算出した気相流速から気液二相流３中の液相流速を算出する液相流速算出工程Ｓ４０と、算出した気相流速及び液相流速から気液二相流３の気体３ａ及び液体３ｂの流量をそれぞれ算出する流量算出工程Ｓ５０とを有する。

流速分布事前推定工程Ｓ１０は、気液二相流３の流路内ボイド率α及び流路内界面速度Ｖ_ｇと気相流速との関係である気相流速分布と、気相流速と液相流速との関係である液相流速分布とを予め定めて取得する。本実施形態の流速分布事前推定工程Ｓ１０は、気液二相流３として混合される前の気体３ａの流量と液体３ｂの流量と流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを事前に測定する事前測定工程Ｓ１１を有する。流速分布事前推定工程Ｓ１０は、事前測定工程Ｓ１１の測定結果に基づいて気相流速分布を推定する気相流速分布推定工程Ｓ１３と、事前測定工程Ｓ１１の測定結果に基づいて液相流速分布を推定する液相流速分布推定工程Ｓ１５と、を有する。

事前測定工程Ｓ１１は、気体３ａと液体３ｂとが混合される前に気体３ａの流量と液体３ｂの流量とをそれぞれ測定する。事前測定工程Ｓ１１では、気体３ａの流量及び液体３ｂの流量を変化させて条件を変えた状態で、複数回にわたって測定を実施する。本実施形態の事前測定工程Ｓ１１は、気相流量計２０によって気体３ａの流量を測定し、液相流量計３０によって液体３ｂの流量を測定する。事前測定工程Ｓ１１では、気相流量計２０で測定した測定結果を制御部４０の気相流速分布推定部４２及び液相流速分布推定部４３に入力する。事前測定工程Ｓ１１では、液相流量計３０で測定した測定結果を制御部４０の液相流速分布推定部４３に入力する。

事前測定工程Ｓ１１は、気相流量計２０及び液相流量計３０で流量を測定する際に、気体３ａと液体３ｂが混合された後である流路断面での気液二相流３の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定部１０で測定する。事前測定工程Ｓ１１は、測定部１０の先端部の位置を調整して、流路断面の流通方向と直交する方向の中央を含む複数の測定点で流路内ボイド率α及び流路内界面速度Ｖ_ｇを測定する。事前測定工程Ｓ１１では、測定部１０で測定した測定結果を制御部４０の入力部４１に入力する。

気相流速分布推定工程Ｓ１３は、事前測定工程Ｓ１１で測定した複数の測定結果に基づいて、気液二相流３中の気相流速分布を推定する。本実施形態の気相流速分布推定工程Ｓ１３は、制御部４０の気相流速分布推定部４２によって気相流速分布を算出する。

本実施形態の気相流速分布推定工程Ｓ１３は、事前測定工程Ｓ１１で測定した複数回にわたって気体３ａの流量ごとに事前気相流速ｊ_ｇ１を算出する。気相流速分布推定工程Ｓ１３では、図３に示すように、算出した複数の事前気相流速ｊ_ｇ１と、事前気相流速ｊ_ｇ１に対応する気体３ａの流量ごとに複数回にわたって所定の測定点である流路断面の中央付近で測定された中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃとの関係から気相流速分布を求める。具体的には、気液二相流流量算出システム１で説明したように、本実施形態のように断面円形状の流路断面の場合、気相流速分布は、上述した式１を満たすような回帰直線として算出される。気相流速分布推定工程Ｓ１３は、この回帰直線の傾きから分布定数である第一パラメータＫを算出し、気相流速分布を推定する。

液相流速分布推定工程Ｓ１５は、事前測定工程Ｓ１１で測定した複数の測定結果に基づいて、気液二相流３中の液相流速分布を推定する。本実施形態の液相流速分布推定工程Ｓ１５は、制御部４０の液相流速分布推定部４３によって液相流速分布を算出する。

本実施形態の液相流速分布推定工程Ｓ１５は、事前測定工程Ｓ１１で複数回にわたって測定した液体３ｂの流量ごとに事前液相流速ｊ_ｆ１を算出する。液相流速分布推定工程Ｓ１５は、算出した複数の事前気相流速ｊ_ｇ１と事前液相流速ｊ_ｆ１との合計値を気液二相流３の全体の流速として算出する。液相流速分布推定工程Ｓ１５は、流路断面の複数の測定点で測定された流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとをそれぞれ流路断面積で除することで、断面平均ボイド率＜α＞と断面平均界面速度＜Ｖ_ｇ＞とを算出する。液相流速分布推定工程Ｓ１５では、断面平均ボイド率＜α＞及び断面平均界面速度＜Ｖ_ｇ＞が、算出された事前気相流速ｊ_ｇ１及び事前液相流速ｊ_ｆ１に対応する数だけ複数算出される。

液相流速分布推定工程Ｓ１５は、図４に示すように、複数の事前気相流速ｊ_ｇ１と事前液相流速ｊ_ｆ１との合計値と、複数の断面平均界面速度＜Ｖ_ｇ＞との関係から液相流速分布を求める。本実施形態のように断面円形状の流路断面の場合、液相流速分布は、上述した式２を満たすような回帰直線として算出される。相流速分布推定工程は、この回帰直線の傾きから分布定数である第二パラメータＣ_０を算出し、切片からドリフト定数である第三パラメータＶ_ｇｊを算出し、液相流速分布を推定する。

測定工程Ｓ２０は、気液二相流３の流通方向と平行な流路断面の所定の測定点で、気液二相流３の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定する。本実施形態の測定工程Ｓ２０は、測定部１０の先端の位置を調整して、所定の測定点として流路断面の流通方向と直交する方向の中央付近の流路内ボイド率αと流路内界面速度Ｖ_ｇとを測定する。したがって、測定工程Ｓ２０は、事前測定工程Ｓ１１とは別に、気液二相流３の中央流路内ボイド率α_ｃと中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃとを測定する。

気相流速算出工程Ｓ３０は、流速分布事前推定工程Ｓ１０で予め定めて取得した気相流速分布に基づいて、測定工程Ｓ２０で測定した中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃから気相流速を算出する。本実施形態の気相流速算出工程Ｓ３０は、制御部４０の気相流速算出部４４によって気相流速を気相みかけ流速ｊ_ｇとして算出する。

気相流速算出工程Ｓ３０は、第一パラメータＫが定められた状態の式１の気相流速分布に対して、測定工程Ｓ２０で測定した中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃを当てはめることで、気相みかけ流速ｊ_ｇを算出する。

液相流速算出工程Ｓ４０は、流速分布事前推定工程Ｓ１０で予め定めて取得した液相流速分布に基づいて、気相流速算出工程Ｓ３０で算出した気相流速から液相流速を算出する。本実施形態の液相流速算出工程Ｓ４０は、制御部４０の液相流速算出部４５によって気相みかけ流速ｊ_ｇから液相流速として液相みかけ流速ｊ_ｆを算出する。

液相流速算出工程Ｓ４０は、第二パラメータＣ_０及び第三パラメータＶ_ｇｊが定められた状態の式２のような液相流速分布に基づいて、上述した式３のようなドリフトフラックスモデルの式を算出する。算出したドリフトフラックスモデルの式に対して、断面平均ボイド率＜α＞と、気相みかけ流速ｊ_ｇを当てはめることで、液相みかけ流速ｊ_ｆを算出する。

流量算出工程Ｓ５０は、算出した気相みかけ流速ｊ_ｇ及び液相みかけ流速ｊ_ｆと流路断面積から気液二相流３中の気体３ａ流量及び液体３ｂの流量をそれぞれ算出する。

上記のような気液二相流流量算出方法Ｓ１及び気液二相流流量算出システム１によれば、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布から、所定の測定点である流路断面の中央付近で測定した中央流路内ボイド率α_ｃと中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃとに基づいて、管状流路２ａを流れる気液二相流３中の気相流速である気相みかけ流速ｊ_ｇと液相流速である液相みかけ流速ｊ_ｆとをそれぞれ算出することができる。そのため、算出した気相みかけ流速ｊ_ｇと液相みかけ流速ｊ_ｆとから、流路断面での気液二相流３中の気体３ａの流量と液体３ｂの流量とをそれぞれ取得することができる。つまり、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布を利用することで、複数の測定点で測定したり、気体３ａと液体３ｂとを個別に測定したりすることなく、所定の測定点のみで測定した結果に基づいて、気液二相流３中の気体３ａの流量と液体３ｂの流量とを取得することができる。したがって、複数の測定装置を用いることなく、本実施形態では測定部１０である二針式光学ボイドだけを用いたように、少ない測定機器で気液二相流３中の気体３ａ及び液体３ｂの流量を取得することができる。

さらに、管状流路２ａを流れる気液二相流３から測定した中央流路内ボイド率α_ｃ及び中央流路内界面速度Ｖ_ｇｃを用いることで、実際に評価したい位置で気液二相流３を直接測定することができる。したがって、混合される前の気体３ａの流量や液体３ｂの流量を測定する場合に比べて、時間遅れの影響を抑えることができ、精度の高いデータを取得する取得することができる。

これらにより、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布と、流路内ボイド率α及び流路内界面速度Ｖ_ｇとを用いて気相流速と液相流速とを算出することで、コンパクトな装置構成で、精度の高い流量測定を行うことができる。

また、測定工程Ｓ２０において、所定の測定点を流路断面の中央とすることで、予め取得した気相流速分布及び液相流速分布に沿った精度の高い測定結果を取得することができる。具体的には、気相流速分布及び液相流速分布は、気液二相流３の流通方向と平行な流路断面において、図２に破線で示すように、中央付近が最も変化が少ない。そのため、測定する位置が流通方向と直交する方向にずれた際に、流路断面の端を測定点とした場合に比べて中央部分の方が、算出される気相みかけ流速ｊ_ｇや液相みかけ流速ｊ_ｆの値に対する測定結果の誤差の影響が少なくすることができる。これにより、より精度の高いデータを取得することができ、より精度の高い流量測定を行うことができる。

また、気相流速分布推定工程Ｓ１３で、事前測定工程Ｓ１１で測定した事前気相流速ｊ_ｇ１と、複数の流路内ボイド率α及び流路内界面速度Ｖ_ｇとの関係に基づいて気相流速分布を算出することで、回帰直線として気相流速分布を容易に定めることができる。したがって、測定する気液二相流３に含まれる気体３ａの物性値が分からない場合や、流路断面が複雑な形状である場合であっても、管状流路２ａでの気液二相流３の気相流速分布を推定することができる。

また、液相流速分布推定工程Ｓ１５で、事前測定工程Ｓ１１で測定した事前気相流速ｊ_ｇ１及び事前液相流速ｊ_ｆ１と、複数の流路内ボイド率α及び流路内界面速度Ｖ_ｇからそれぞれ算出した断面平均ボイド率＜α＞及び断面平均界面速度＜Ｖ_ｇ＞との関係に基づいて液相流速分布を算出することで、回帰直線として液相流速分布を容易に定めることができる。したがって、測定する気液二相流３に含まれる液体３ｂの物性値が分からない場合や、流路断面が複雑な形状である場合であっても、管状流路２ａでの気液二相流３の液相流速分布を推定することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態の気液二相流流量算出方法Ｓ１では、測定工程Ｓ２０の前に予め気相流速分布を推定するために気相流速分布推定工程Ｓ１３や液相流速分布を推定するために液相流速分布推定工程Ｓ１５を実施する流速分布事前推定工程Ｓ１０を含んでいるが、このような構成に限定されるものではない。例えば、本実施形態のように流路断面の形状が単純な形状である場合や、気液二相流３中の気体３ａや液体３ｂの物性値が既知である場合のように、既存のデータで気相流速分布や液相流速分布が推定可能な場合には、流速分布事前推定工程Ｓ１０を含んでいなくともよい。したがって、流速分布事前推定工程Ｓ１０は、測定する気液二相流３に含まれる気体３ａや液体３ｂが新規で物性値が分からない場合や、流路断面が複雑な形状である場合に実施されることが好ましい。

同様に、気液二相流流量算出システム１は、気相流量計２０や液相流量計３０や気相流速分布推定部４２や液相流速分布推定部４３を有しておらず、気相流速算出部４４や液相流速算出部４５に対して気相流速分布や液相流速分布を予め登録したり、外部から入力可能としたりする構成としてもよい。

また、本実施形態で測定する気液二相流３の流通する管状流路２ａは、断面円形状の流路断面であることに限定されるものではなく、種々の形状であってよい。例えば、管状流路２ａは、矩形状の配管２によって構成され断面四角形状であってもよく、複数の配管２が並列した管群によって形成されていてもよい。

１…気液二相流流量算出システム ２…配管 ２ａ…管状流路 ３…気液二相流 ３ａ…気体 ３ｂ…液体 １０…測定部 ２０…気相流量計 ３０…液相流量計 ４０…制御部 ４１…入力部 ４２…気相流速分布推定部 ４３…液相流速分布推定部 ４４…気相流速算出部 ４５…液相流速算出部 ４６…流量算出部 ４７…出力部 α…流路内ボイド率 Ｖ_ｇ…流路内界面速度 α_ｃ…中央流路内ボイド率 Ｖ_ｇｃ…中央流路内ボイド率 ｊ_ｇ１…事前気相流速 Ｋ…第一パラメータ ｊ_ｆ１…事前液相流速 ＜α＞…断面平均ボイド率 ＜Ｖ_ｇ＞…断面平均界面速度 Ｃ_０…第二パラメータ Ｖ_ｇｊ…第三パラメータ ｊ_ｇ…気相みかけ流速 ｊ_ｆ…液相みかけ流速 Ｓ１…気液二相流流量算出方法 Ｓ１０…流速分布事前推定工程 Ｓ１１…事前測定工程 Ｓ１３…気相流速分布推定工程 Ｓ１５…液相流速分布推定工程 Ｓ２０…測定工程 Ｓ３０…気相流速算出工程 Ｓ４０…液相流速算出工程 Ｓ５０…流量算出工程

Claims (5)

1. 管状流路を流通し、液体及び気体を含む気液二相流の流通方向と平行な流路断面の所定の測定点で、前記気液二相流の流路内ボイド率と流路内界面速度とを測定する測定工程と、
   前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度と気体の流速である気相流速との関係である予め取得した気相流速分布に基づいて、前記測定工程で測定した前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度から前記気相流速を算出する気相流速算出工程と、
   前記気相流速と液体の流速である液相流速との関係である予め取得した液相流速分布に基づいて、前記気相流速算出工程で算出した前記気相流速から前記気液二相流中の前記液相流速を算出する液相流速算出工程と、
   算出した前記気相流速及び前記液相流速から前記気液二相流の気体及び液体の流量をそれぞれ算出する流量算出工程と、を含む気液二相流流量算出方法。
2. 前記測定工程は、前記管状流路における前記流通方向と直交する流路断面の中央で前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度を測定する請求項１に記載の気液二相流流量算出方法。
3. 事前に測定された複数の前記気液二相流の前記気相流速と、前記流路内ボイド率と、前記流路内界面速度とに基づいて、前記気相流速分布を推定する気相流速分布推定工程とを含む請求項１または請求項２に記載の気液二相流流量算出方法。
4. 事前に測定された複数の前記気液二相流の前記気相流速と、前記液相流速と、前記流路内ボイド率と、前記流路内界面速度とに基づいて、前記液相流速分布を推定する液相流速分布推定工程とを含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の気液二相流流量算出方法。
5. 管状流路を流通し、液体及び気体を含む気液二相流の流通方向と平行な流路断面の所定の測定点で、前記気液二相流の流路内ボイド率と流路内界面速度とを測定する測定部と、
   前記測定部の測定結果に基づいて、前記気液二相流の気体及び液体の流量を算出する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度と気体の流速である気相流速との関係である予め取得した気相流速分布に基づいて、前記測定部で測定した前記流路内ボイド率及び前記流路内界面速度から前記気相流速を算出する気相流速算出部と、
   予め取得した前記気相流速と液体の流速である液相流速との関係である液相流速分布に基づいて、前記気相流速算出部で算出した前記気相流速から前記気液二相流中の前記液相流速を算出する液相流速算出部と、
   算出した前記気相流速及び前記液相流速から前記気液二相流の気体及び液体の流量を算出する流量算出部とを有する気液二相流流量算出システム。

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