JP6590818B2 - 天然ガス液試料の採取、気化および圧力調整システム - Google Patents
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Description
本出願は、２０１４年２月１２日付け米国仮特許出願第６１／９３８，９０５号に基づく優先権を主張する。
本発明は、液体天然ガスから重質炭化水素を含む試料を採取し、調整するための技術、より具体的には、シェールなどの天然ガス液源からパイプラインを通じて輸送された試料の分析に際し、試料を熱調整して低圧に保つことで試料の再液化を防止する技術に関する。
気化された非極低温ＮＧＬ（天然ガス液）には、相当量の液体天然ガスが混在している。このような液体の存在は、被測定ガスのエネルギー値の分析精度を低下させる要因となる。この問題は、フラッキング（水圧破砕法）によるＮＧＬ回収のさらなる発展により一層深刻化する。
従来のガス源から採取される一般的なガスとは異なり、ＮＧＬには、従来のガス井から得られるガスには存在しない重質炭化水素（例えば、５個以上の炭素原子を含み、通常液体状のもの）が含まれるため、分析が困難である。例えば、相当量の炭素数５以上のメタン、およびアスファルトなどのより重質な成分を含有し、沸点が３００〜４００°Ｆ（１４８〜２０４℃）の範囲内である材料は、測定のタイミングや相転移曲線の位置により、容易に冷却されて相分離を起こし、成分が不均一化する。これらの問題は、軽質成分と重質成分が混在することで生じるものであり、分析精度の低下の要因となる。被分析ガスの再液化は、さらに重大な問題を生じさせる。例えば、ほとんどのガスクロマトグラフは、温度１５０°Ｆ（６５℃）以下および１８０°Ｆ（８２℃）以上、かつ圧力１０ｐｓｉｇ以下の環境下では正常に動作しない。そのため、ガスクロマトグラフに液体が混入すると、装置が液体に浸され、動作不能になる。
多くのＮＧＬ処理施設には、２５基にも及ぶガスクロマトグラフと、水分計が設けられている。これらの分析装置、特にガスクロマトグラフは高価（１基あたり〜５万ドル）である。ガスクロマトグラフ浸潤すると、装置を停止して再設定しなければならず、場合によっては装置の交換が必要となる。このような装置の停止やメンテナンスによる処理の中断にかかる費用に加え、人件費および設備費が必要となる。
多くの試料採取および調整ユニットは、浸潤の問題を回避するために液体ブロック機能を備えている。しかしながら、従来の液体ブロックを設置すると、調整装置筐体内の温度および圧力が、重質液を気化することが可能な温度および圧力の範囲から逸脱することがわかっている。
本発明の目的は、新規かつ従来よりも高性能な、重質液を含むＮＧＬなどの液体天然ガス試料採取システムおよび方法を提供することである。
本発明の他の目的は、液体の侵入によるガス分析装置の浸潤を防止することである。
本発明の他の目的は、重質炭化水素および液体を含むＮＧＬのインラインリアルタイム分析に係る設備費および人件費を低減することである。
本発明の他の目的は、気体および／または液体の二相または多相分離を防止することができるＮＧＬ試料の採取および分析システムを提供することである。
本発明の他の目的は、調整システムのパラメータを監視し、パラメータが所定の閾値を超えた場合および／または電源喪失が検知された場合に試料分析処理を中断することである。
上述の目的は、断熱筐体と、液体試料の導入ラインと、前記導入ラインに接続された前記液体試料をフラッシュ気化するための気化装置と、前記気化装置により気化された気体試料の排出ラインと、前記排出ラインから前記気体試料を受け取る高温の圧力調整装置と、前記筐体の外部に配置された気体試料分析装置に通じる気体試料導出ラインと、前記気化装置および前記圧力調整装置に電気的に接続された制御ユニットとを有し、前記気体試料導出ラインの一端は、前記圧力調整装置に接続され、前記制御ユニットは、電源に接続され、前記圧力調整装置から排出された気化試料の温度および圧力を前記分析装置の許容動作範囲内となるように監視することを特徴とする、天然ガス液などの非極低温液体試料を分析のために採取および調整するためのシステムによって達成される。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記気化装置に関連付けられた速度ループを有することを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記圧力調整装置から排出された気体試料の圧力が前記分析装置の許容動作範囲を超える場合に前記気体試料の圧力を低下させるためのリリーフバルブを有することを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記制御ユニットに関連付けられた通信装置を有することを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記入力ラインおよび前記気化装置に液体フィルタが配置されていることを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記液体フィルタと前記気化装置の入口との間に、前記液体試料を遮断するための電磁バルブが配置されていることを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、断熱筐体と、液体試料の導入ラインと、前記導入ラインに接続された前記液体試料をフラッシュ気化するための気化装置と、前記気化装置により気化された気体試料の排出ラインと、前記排出ラインから前記気体試料を受け取る高温の圧力調整装置と、前記筐体の外部に配置された気体試料分析装置に通じる気体試料導出ラインと、前記筐体内の処理条件を監視するための制御ユニットとを有し、前記気体試料導出ラインの一端は、前記圧力調整装置に接続され、前記制御ユニットは、前記処理条件が所定範囲から逸脱したことを検知した場合に前記気化装置に流入する液体試料を遮断するための電磁バルブを作動させ、前記制御ユニットは、前記排出ラインを通過する前記気体試料の温度および圧力を前記分析装置の許容動作範囲内となるように監視するために、前記気化装置、前記圧力調整装置、前記電磁バルブ、および前記処理条件の検知センサと動作信号通信を行い、前記制御ユニットは、電源に接続され、さらに、前記処理条件について遠隔通信するための通信モジュールに接続されていることを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記導入ラインにフィルタおよびこれに関連付けられた速度ループが配置されていることを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記電磁バルブは、前記制御ユニットに電気的に接続されており、通常は閉鎖位置にあり、通電時に圧縮空気を解放して前記導入ラインに配置されたボールバルブを作動することで液体試料の流入を遮断することを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記制御ユニットに複数の電磁バルブが電気的に接続されており、各電磁バルブは、通常は閉鎖位置にあり、通電時に圧縮空気を解放して前記導入ラインおよび前記排出ラインに配置されたボールバルブを作動することで、前記気化装置に流入する液体試料および前記分析装置に流入する気体試料を遮断することを特徴とする。
本発明の他の実施形態に係るシステムは、前記制御ユニットに接続された熱電対により前記分析装置の温度を監視し、前記温度が所定値を下回った場合に前記電磁バルブを作動することで試料の流入を遮断することを特徴とする。
本発明の概要に記載する「ある実施形態」、「実施形態において」などは、本発明の少なくとも一つの実施形態が説明する特徴を有することを意味している。さらに「ある実施形態」、「実施形態」は、必ずしも全て同じ実施形態を指していないが、別途記載が無い限り、また、当業者にとって自明でない限り、いずれの記載も相互に排他的ではない。したがって、本発明は、本明細書に記載の実施形態の種々の組み合わせおよび／または統合を含む。
本明細書に使用する用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、本発明を限定するものではない。本願に使用される「一つの」や「前記」は、別途明確な記載が無い限り、複数形も含む。基本的な用語「含む」および／または「有する」を本願に使用するときは、記載の特徴、ステップ、操作、要素および／または成分を指すが、少なくとも一つの他の特徴、ステップ、操作、要素、成分および／またはそれらのグループを排除しない。
本明細書に用いる「有する」「含む」「からなる」や、その他の変形用語は、非排他的に包含する。たとえば、特徴事項を有するプロセス、方法、もの、器具などは、必ずしもそれらの特徴に限定されるわけではなく、明確に例示されていない特徴や、上記プロセス、方法、物、器具固有の特徴をも含む。
定義を目的として本明細書に用いる「接続」は、直接的であるか間接的であるかに関わらず物理的に結合または調節可能に配置されている。例えば、通信ユニットとＰＩＤ制御装置は直接的に接続されてもよいし、両者が遠隔に配置されている場合には従来の無線接続手段によって接続されてもよい。別途記載が無い限り「接続」は、すべての操作的機能的接続をも含む。
本願に用いる「または」は、別途記載が無い限り、包含的な「または」で、排他的な「または」ではない。たとえば「ＡまたはＢ」は以下の何れかを満足する。Ａが正しく（存在し）Ｂが誤り（存在しない）、Ａが誤り（存在せず）Ｂが正しい（存在する）、ＡおよびＢはともに正しい（ともに存在する）。
本願に用いる「実質的に」や「一般的に」および同程度の用語は、許容できる範囲で特徴の変更可能である。絶対値または前記変更した特徴に限定することを目的とはしておらず、物理的または機能的特徴を有していることを示し、好ましくは、上記のような物理的または機能的特徴に接近する、または、近づくことを示す。
以下では、添付の図面を参照して具体的な実施形態を例示することにより本発明を説明する。以下に例示する実施形態は、当業者が実施できる程度に十分に詳細に記載されている。他の実施形態の適用や、本発明の範囲から逸脱することなく現在公知の構造的および／または機能的等価物に基づく構造変更を行い得るものと理解される。
図１は、本発明の一実施形態に係る単一ストリームの天然ガス液試料気化システム１０を示す。本システムは、好ましくはClass 1、Division 1、Group C、D、t3（＜２００℃）の規格に適合する筐体１２を有する。筐体１２は、内部温度を維持するために、断熱材１４により断熱されている。筐体１２の内部には、ガスライン１６、１８および２０、インライン圧力ゲージ２２、２４、Mustang Sampling社（Ravenswood、WV US）製３７５Ｗ気化装置などのＮＧＬ試料気化装置２６、および、２００Ｗ圧力調整装置２８が配置されている。
筐体１２の外壁に設置されたフィードスルーには、Watlow社（St. Louis、MO、US）製Watlow Single Controller（EZ-Zone）などのＰＩＤ制御システム３０が取り付けられている。制御システム３０は、各構成要素と電気的に接続され、これらを制御することができる。制御システム３０は、電源に接続され、さらにRS485などの通常のケーブル接続、ＵＳＢ、あるいは無線通信技術を用いたデジタル通信接続を備える。
ＰＩＤ制御システム３０は、レジューサーなどを備える亜鉛めっき管（３／４インチ等）で構成された密封されたフィードスルー管３２を通る配線によって筐体１２内の各構成要素と接続される。フィードスルー管３２を構成するフィードスルーおよび管は、NEC Sec.500 (2011)等の規格に適合するように形成される。
図示された実施形態において、気体試料は、ＮＧＬの採取地から筐体１２の外壁に形成されたフィードスルー３４まで、小径のステンレス鋼管を通じて輸送される。重質炭化水素を含む試料ガスは、フィードスルー３４から筐体１２内に導入された後、試料ラインを通って液体試料気化装置２６に移送される。気化装置２６は、液体試料が液体試料を瞬時に気化することが可能な広い伝熱面を備える低体積のフラッシュ室に進入するまで、液体試料の圧力および温度をバブルポイント以下に維持する。液体試料を気化するための熱は、制御装置３０に接続され、気化装置２６に関連付けられた電気カートリッジヒータから伝達される。フラッシュ室で気化を行うことで、液体試料の組成と同一の組成を有する気体試料を生成することができる。
気化装置入口の接続部には、気化工程中の過圧を防止するための圧力補正速度ループまたは排気部３６が配置されてもよい。速度ループ／排気部は、一方向逆止弁を備え、排気部のフィードスルーにより筐体外部に連通している。上記速度ループおよびその機能については、米国特許登録第７８４４４０４号に記載されている。圧力調整装置の形態は、ダイヤフラム式またはピストン式のいずれでもよい。特に、ダイヤフラム式の圧力調整装置は、液体試料に対して優れた性能を発揮する。
気化された試料は、ライン１８を通じて圧力調整装置２８に送出され、圧力調整装置２８で圧力および温度調整された後、Ｔコネクタ２７を通って圧力調整装置２８を出る。Ｔコネクタ２７は、試料排出ライン２０および内部排気ライン２５に通じている。排気ライン２５は、ゲージ２４によって計測された圧力が分析装置の安全圧力を超えた場合にガス試料を排気する。圧力調整装置で加熱および加圧された気体試料は、ライン２０を通って試料出口３３から筐体の外部に出て、分析装置へ輸送される。試料出口３３は、筐体の外部に貫通する断熱フィードスルーに設けられる。
気化された液体試料は、気化装置から圧力調整装置へ輸送される。圧力調整装置は、圧力が低下した際に気体試料を加熱することで、気体試料中の重質炭化水素の露点脱落（ジュールトムソン凝縮）を防止できる温度および圧力に調整する。これにより、気体試料は、筐体外部の分析装置への輸送が可能となるように適切に調整される。本システムは、試料の遠隔監視を可能とするための通信装置や、システムに変更を加えるための制御システムを備えていることが好ましい。
図２は、本発明の他の実施形態に係る天然ガス液試料気化システム１０を示す。本実施形態は、分析装置を保護するために、本システムの試料出口からクロマトグラフへの液体侵入を防止するための試料調整装置の停止システムを備える。本実施形態において、ＰＩＤ制御装置３７は、Watlow社製の二重化制御装置（EZ-Zone）である。本実施形態では、電磁遮断バルブが試料の通路に沿って３箇所に配置されている。電磁遮断バルブは、調整システムの温度、圧力、流量、背圧などのパラメータ異常、試料の再液化、およびシステム電源の喪失を検知した際に作動する。複数の遮断バルブを配置することで、パラメータ異常が改善されるまでの間も、システムの構成要素を容易に動作させることができる。本停止システムは、試料調整装置の構成要素あるいは分析装置のオーブン（すなわち、ガスクロマトグラフのオーブン）において制御装置に接続された熱電対４６により監視された温度が所定値を下回った場合に液体を遮断する（図３参照）。圧力は、圧力ゲージ１６、２４に関連付けられた圧力トランスミッタにより監視される。また、供給圧力との比較を行うための背圧センサ／トランスミッタが配置されてもよい。さらに、ガスクロマトグラフの動作に必要な量のキャリアガスを常時分析装置に供給できるよう、制御装置３７により電気的に制御される圧力スイッチ４４が配置されてもよい。キャリアガスの圧力が所定の閾値（例えば、７５ｐｓｉｇ）を下回った場合には、閉じられた圧力スイッチの接点が開かれ、問題が解消されるまでガスクロマトグラフおよびガスクロマトグラフへの試料導入が停止される。また、図示されていないが、本システムには、気化試料の流量を適切な範囲内に調整するための電気流量計を試料通路に沿って配置することができる。
分析装置の停止につながる望ましくない状態または乖離、すなわち、試料圧力の上昇、試料温度の低下、液体の侵入および分析装置の浸潤が検知されると、制御装置３０から空気圧式ボールバルブを制御するソレノイド３８、４０および４２に信号が送信される。これにより、上記ボールバルブが作動され、気化装置への液体試料の導入、調整装置への気体試料の導入、および調整装置から分析装置への試料の排出が停止される。
図４は、本発明に係る液体試料調整システムが備える停止システムを示す。停止システムは、気化装置５２および圧力調整装置５４を備える筐体５０内に配置される。本実施形態では、試料採取地から輸送された試料は、試料入口５６から筐体５０内に導入され、最終的に試料出口５７を通じて分析装置に輸送される。試料入口５６から導入された液体試料は、まず濾過液速度ループに移送される。濾過液速度ループは、フィルタ部材５８（好ましくは、Tornado Filter 602Tなどの自浄式０．５ミクロン粒子フィルタ）、バイパス流量インジケータ６０、フィルタ部材５８の上流および下流に配置された圧力基準ゲージ６２、排出口６４、および計量された入口と出口を備える。フィルタ部材５８により濾過された試料は、合体フィルタ６６に移送される。合体フィルタ６６では、試料中に含まれる微粒子や液滴が（排液口などを通じて）除去される。本処理は、試料中に油分が存在する場合に特に重要となる。なお、上記フィルタ部材は、試料に高油分が含まれる場合や、微粒子や液滴が存在する場合を除き、必ずしも必要な構成ではない。
試料は、合体フィルタ６６を通過後、気化装置５２へ移送される。気化装置５２は、バイパスを備える液体速度ループを含んでいてもよい。合体フィルタ６６と気化装置５２の間の試料通路上には、電磁遮断バルブ６８が配置される。電磁遮断バルブ６８は、好ましくは空気式バルブであり、フィルタから気化装置５２に流入する液体を遮断する。空気式バルブの空気は、外部の供給源（例えば、窒素ボンベ）から電磁バルブ７０および空気流路６９を通じて供給される。遮断バルブ６８は、ＰＩＤ制御装置に電気的に接続された電磁バルブ７０および空気流路６９を通じて供給される圧縮空気によって作動される。電磁バルブ７０は、非通電時は閉鎖されている。すなわち、電磁バルブ７０は、電源喪失時に自動的に空気流を遮断する。ＰＩＤ制御装置は、例えば、試料の温度が所定値を下回った場合に、回路の接点を開くようソレノイドに信号を送ることで、監視対象のシステムパラメータが所定の閾値を超えて乖離した場合にソレノイドへの通電を停止することができる。複数の分析装置が処理経路に沿って配列されている場合には、各分析装置において連続的に温度を監視することで、RS485通信ポートなどの統合通信装置７３を用いて、下流の分析装置やデジタル制御システムに対し個別に警告信号を送信することができる。
以上のように、分析装置への液体または相分離した気体試料の侵入が遮断されるため、分析精度の低下および／または分析装置の損傷を防ぐことができる。また、上記の遮断システムは、停電時に調整装置内の試料流を自動的に停止することができる。停電時、調整装置を出た試料は圧力変動および急激な温度低下に曝される。そのため、停電時には、気化装置で気化された試料が分析装置に到達する前に相分離を起こすおそれがある。したがって、本発明に係る遮断システムを用いることで、分析装置を保護するとともに、分析精度の低下を防ぐことができる。
本発明に係る停止システムは、天然ガス液試料への適用に最も適しているが、分析装置に導入するために処理される様々な気体試料の調整パラメータを監視するために用いることができる。
以上、本発明の実施形態を記述したが、当業者においては、本明細書の記載および添付の図面に示された教唆に基づき、本発明の種々の変更および実施形態を想起し得るものと理解される。したがって、本発明は、本明細書に開示された実施形態に限定されることなく、多くの変更および他の実施形態が本発明の範囲に含まれるものと理解される。また、本明細書では特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用しているに過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。
本発明は、天然ガス液（ＮＧＬ）などの非極低温液体を気化して均一な気体試料を採取し、調整し、分析装置に輸送するためのシステムである。本発明によれば、気体試料が分析装置に到達する前に相分離および再液化することを防止できるため、試料の定性的および定量的組成分析の精度低下および／または分析装置の浸潤および損傷を防ぐことができる。また、本発明は、一実施形態において、調整システムの動作状態を維持しつつ、分析装置への試料の導入を停止することができる停止システムを備える。
Claims (15)
- 天然ガス液試料を含む非極低温液体試料を分析のために採取および調整するためのシステムであって、
断熱筐体と、
液体試料の導入ラインと、
前記導入ラインに接続された前記液体試料をフラッシュ気化するための気化装置と、
前記気化装置により気化された気体試料の排出ラインと、
前記排出ラインから前記気体試料を受け取る高温の圧力調整装置と、
前記筐体の外部に配置された気体試料分析装置に通じる気体試料導出ラインと、
前記気化装置および前記圧力調整装置に電気的に接続された制御ユニットとを有し、
前記排出ラインは、前記気化装置と前記圧力調整装置とに直接接続され、
前記気体試料導出ラインの一端は、前記圧力調整装置に接続され、
前記制御ユニットは、電源に接続され、前記圧力調整装置から排出された気体試料の温度および圧力を前記分析装置の許容動作範囲内となるように監視することを特徴とするシステム。 - 前記気化装置に関連付けられた速度ループを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 圧力を低下させるためのリリーフバルブを有することを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
- 前記制御ユニットに関連付けられた通信装置を有することを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
- 前記導入ラインおよび前記気化装置に液体フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
- 前記液体フィルタと前記気化装置の入口との間に、前記気化装置への前記液体試料の流入を遮断するための電磁バルブが配置されていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
- 前記気化装置と前記圧力調整装置の入口との間に、前記圧力調整装置への前記気体試料の流入を遮断するための電磁バルブが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
- 非極低温液体試料を分析のために採取および調整するためのシステムであって、
断熱筐体と、
液体試料の導入ラインと、
前記導入ラインに接続された前記液体試料をフラッシュ気化するための気化装置と、
前記気化装置により気化された気体試料の排出ラインと、
前記排出ラインから前記気体試料を受け取る高温の圧力調整装置と、
前記筐体の外部に配置された気体試料分析装置に通じる気体試料導出ラインと、
前記筐体内の処理条件を監視するための制御ユニットとを有し、
前記排出ラインは、前記気化装置と前記圧力調整装置とに直接接続され、
前記気体試料導出ラインの一端は、前記圧力調整装置に接続され、
前記制御ユニットは、前記処理条件が所定範囲から逸脱したことを検知した場合に前記気化装置に流入する液体試料を遮断するための電磁バルブを作動させ、
前記制御ユニットは、前記排出ラインを通過する前記気体試料の温度および圧力を監視するために、前記気化装置、前記圧力調整装置、前記電磁バルブ、および前記処理条件の検知センサと動作信号通信を行い、
前記制御ユニットは、電源に接続され、さらに、前記処理条件について遠隔通信するための通信モジュールに接続されていることを特徴とするシステム。 - 前記気化装置への前記導入ラインにフィルタおよびこれに関連付けられた速度ループが配置されていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
- 前記電磁バルブは、前記制御ユニットに電気的に接続されており、通常は閉鎖位置にあり、通電時に圧縮空気を解放して前記導入ラインに配置されたボールバルブを作動することで液体試料の流入を遮断することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
- 前記制御ユニットに複数の電磁バルブが電気的に接続されており、各電磁バルブは、通常は閉鎖位置にあり、通電時に圧縮空気を解放して前記導入ラインおよび前記排出ラインに配置されたボールバルブを作動することで、前記気化装置に流入する液体試料および前記分析装置に流入する気体試料を遮断することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
- 前記制御ユニットに接続された熱電対により前記分析装置の温度を監視し、前記温度が所定値を下回った場合に前記電磁バルブを作動することで試料の流入を遮断することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
- 前記制御ユニットに接続された圧力センサにより前記分析装置に供給されるキャリアガスの圧力を監視し、前記圧力が所定値を下回った場合に前記分析装置を停止することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
- 圧力を低下させるためのリリーフバルブを有することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載のシステム。
- 前記試料は液体であり、
圧力を低下させるためのリリーフバルブを有することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載のシステム。
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