JPH02500933A - 蒸気質メータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 蒸気質メータ 発明の背景 １、発明の分野 本発明は蒸気質のようなパラメータを測定するシステムや、蒸気質を正確に測定 するために、液体とガス状の気相成分とを混合する混合器に関する。

２、従来技術 蒸気質は、たとえば発電、原油採収、氷結防止、工程の加熱などの広範な各種の 産業分野で、種々の目的のために用いられるパラメータである。蒸気サンプル中 の全流体質量に対するドライ蒸気の質量の割合は蒸気質（ｓｔｅａｍ　ｑｕａｌ ｉｔｙ）と呼ばれ、通常、パーセンテージで表される。

ウェット（νｅｔ）蒸気内のエネルギ量は、この“蒸気質′に依存するので、蒸 気中のエネルギを決定するためには蒸気質を測定することが重要となる。そして 、蒸気中のエネルギは要求される加熱効果を達成するための蒸気の能力を決定す る。

もし蒸気質が分かれば、特定の仕事を達成するために利用できる蒸気からのエネ ルギないしパワーの割合を決定することができる。

特に、原油の採取システムにおいて、油田の中に開けられた油井に蒸気を注入す ることは、原油をさらに流出し易くし、油田の産出量を増やすことが知られてい る。油井頭内に注入される直前の、特定の場所での蒸気質の測定によって、オペ レータは、油田の蒸気加熱の効率を最大限にすることが可能になり、そしてこの ようにして、油を汲み出すシステムの効率的な動作を援助することができる。

特に油田においては、蒸気はしばしば蒸気源から長い距離を運ばれる。そして、 その輸送途中では多少の液化が起こる。

蒸気内の液相成分あるいは小液滴は、蒸気の気相成分とは異なった流速（ｆｌｏ ｗ　ｒａｔｅ）となることがあるので、蒸気濃度（密度）を測定するうえでの誤 差となってしまう。特に、バイブの底には、そこに沿って流れる凝縮液体が存在 することが多い。

蒸気に対しては、放射線を用いた蒸気濃度測定装置が用いられているが、流体が ウェット蒸気であると、満足な結果が得られない。液相および気相成分によって 流速が異なるというような、蒸気の組成、構成の変動は、濃度計の出力に影響を 及ぼすので、蒸気の状態を調整することが望ましい。簡単なオリフエスプレート が、濃度測定のために蒸気を調整する試みのために用いられているが、ウェット 蒸気に対しては不十分な結果しか得られていない。

蒸気質に関する情報を得るためには、蒸気の圧力と濃度が測定されなければなら ない。蒸気質は以下の一般的な式によって測定される。

蒸気質−（Ｖｓ　−Ｖ　１）　／　（Ｖｖ　−Ｖ　１）ただし、Ｖｓ−蒸気の比 体積 ｖ１一液相部分の比体積 Ｖｖ−気相部分の比体積 本発明は、十分に正確な濃度測定が得られ、その結果、蒸気質の正確な計算を可 能にすることができるように、蒸気の液相成分と気相成分が十分均質に混合され ることを確実にすることによって、前記のような問題を解決するものである。

ジー・イー・ボイセシン（Ｇ、Ｅ、Ｗｏｉｃｅｃｈｙｎ　）等による“混合中性 子濃度計およびノズルによる蒸気質、質量流量、エンタルピ伝達率の測定”　（ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｔｅａｍ　Ｑｕａｌｉｔｙ。

Ｍａｓｓ　Ｆｌｏｗ　Ｒａｔｅ、　ａｎｄ　Ｅｎｔｈａｌｐｙ　Ｄｅｌｉｖｅｒ ｙ　Ｒａｔｅ　ｕｓｉｎｇｃｏｍｂｉｎｅｄ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　Ｄｅｎｓｉｔｏ ｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　Ｎｏｚｚｌｅ）というタイトルの論文は、１９８６年４月 にオクラホマのツルサ（Ｔｕｌｓａ）で開催された、エネルギ工学・石油技術者 協会の「石油採収の増進」に関する第５回シンポジウムにおいて発表され、論文 ＳＰＥ／ＤＯＥ／４９０７として発表されたものであり、参考文献として提出さ れるものである。

この論文では、蒸気注入を利用する採収事業において、効率の良い採収と正確な 評価のために、油井頭（ｗｅｌｌ　ｈｅａｄ）において蒸気質を正確に測定する ことの必要性が論じられている。この刊行物には、他の蒸気のパラメータばかり でなく、蒸気質も測定するために、中性子濃度計を使用することおよび関係式が 示されている。

濃度測定が行われる領域での好ましい混合は、流量（流速）の変化に起因する問 題を解決し、固定された濃度測定のためのｒ窓部」ないしパイプ上の固定位置で 、広い流量範囲にわたって、好ましい適切な濃度の測定結果を得るためには、大 変重要である。

好ましい適切な混合を得るためには、液相成分が気相成分と良く混合される速度 範囲に、蒸気の流れを保つことが望ましい。速度は、蒸気パイプの中で簡単なオ リフィスプレートを使用することによって増すことが可能である。

しかし、この技術は、流体の流速の、ある限られた範囲においてのみしか混合を 起こさせることができず、また、好ましい混合物が得られるオリフィスの下流位 置が、流量（流速）によって不所望に変化するという問題を含んでいる。オリフ ィスプレートはまた、特に大きいラインにおいて、大きいエネルギロスを生ずる 、大きな圧力低下を招くという欠点も市場で入手可能な羽根タイプの混合器は圧 力低下を生じさせないようにすることができるが、普通の流速範囲内では、好ま しいように混合することができない。これらの羽根タイプの混合器も、水の凝集 を起こさせるのに十分な大きさの表面領域を有し、羽根タイプ混合器の混合能力 を最小限にする傾向がある。

パイプ内の蒸気の速度がもたらす影響は、非常に変化に富み、互いに矛盾してい るので、現存の混合器を用い、十分に広い範囲の圧力および流量（流速）にわた って２つの相（液相と気相）の均質な混合物を得、所望の測定を行うことは、到 底不可能であった。

水が分離されてパイプの壁に凝縮することがあり、パイプの異なった部分に層状 混相流を生ずることがある。そして、これら全ての問題は濃度や蒸気質の測定に 影響を及ぼすことがある。したがって、問題は重大であり、水の粒子を、適当な 速度において運ばれるのに十分な小さい滴に破壊することができ、そかも濃度測 定の前に蒸気の流れから水を分離するという問題の無い、低価格で、圧力低下も 低い混合器が必要とされている。

発明の要約 この発明は、蒸気ライン内の蒸気質のような、導管を通って流れる混合流体の質 を測定するシステムに関する。混合手段は、流体を混合するために導管内に設置 されている。混合手段は、導管内を流れる混合流体の濃度を代表する濃度を有す る混合物を生成する。

流れている混合流体の濃度を代表する濃度を有する混合物は、導管内の所望する 固定位置において生成されることができる。濃度検知手段は導管の上に設置され 、混合流体の濃度を検知するために混合流体に結合されている。圧力検知手段は 導管内の流体に結合されている。この圧力検知手段は導管内の流体の圧力を測定 する。計算手段は濃度検知手段と圧力検知手段に接続されている。

この計算手段は、検知された濃度と圧力の関数として質（ｑｕａｌｉｔｙ）を計 算する。この計算手段は、計算された質を表わす出力を発生する。この検知手段 は混合手段から離れているので、濃度測定手段は、混合手段よって生成された流 体の選択された混合物を検知する。その結果、濃度測定手段は流体濃度の改良さ れた測定値を提供する。その結果、混合されていない流体の濃度測定に関連した 誤差は実質上除去される。

好適な実施例においては、流体はドライ蒸気と液状の水の混合物、すなわちウェ ット蒸気よりなり、計算手段は蒸気質を表す出力を提供する。さらに好適な実施 例では、混合手段は導管内に設置され、流体の流れる方向に沿って伸びたデフユ ーザを有する。

このデフユーザは、好ましくは導管の直径よりも小さい孔を具備した入口、出口 、および所望する混合物を生成するための、入口から出口に向かって拡がる壁を 有する。このデフユーザは、好ましくは、流体内の液相成分の流れと気相成分の 流れが実質上同じ速度となる箇所にある出口から放出される混合物を生成する。

濃度測定手段は、好ましくは、導管の上に設置され、混合流体を通過して放射線 を放出すための放射線源と、混合流体の濃度に応じた放射線の一部を受信するよ うに、導管の上に設置された放射線センサとから成る。

放出される放射線としては、ガンマ放射線が好ましい。ガンマ放射線は、水素を 含む蒸気との間に高い相互作用がある。

放射線検知手段は、混合手段と協力して流体の混合サンプルの正確かつ望ましい 濃度測定を提供する。

図面の簡単な説明 第１図は、蒸気注入油井の先端へ通じる典型的な蒸気移送パイプの概略図であり 、本発明にしたがって作られた蒸気混合器が濃度測定装置に関して取り付けられ た状態を示す図である。

第２図は、本発明にしたがって作られ、設置された蒸気混合器を示した蒸気移送 パイプの拡大断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明 蒸気移送パイプまたは導管１０は、蒸気の流れを蒸気発生源１１から輸送する。

油田に適用する場合、蒸気発生源は数マイルも上流にある。蒸気パイプ１０は蒸 気混合部１２を具備し、そこには、本発明の混合器が設置されている。サンプリ ング部の出力端１３は、たとえば油田においては、本明細書の従来技術の部分に おいて従来技術として説明したように、油井類（先端）１４に通じる。

蒸気にどの程度のエネルギが含まれるかということや、目的の機能を導き出す蒸 気の可能性は、油井類の近傍での蒸気質に基づいて決定される。

ガンマ線源１６を具備した蒸気濃度測定装置１５は、パイプの蒸気混合部１２の 直ぐ下流部分のパイプ１０上の適所に固定されたパイプサドルプレート１７．１ ８の上に設置され　。

ている。放射線源１６は、通常用いられる放射線検出装置２２に向かって、パイ プ１０を横切るようにガンマ線を照射する。放射線検出装置２２は、放射線源１ ６と放射線検出装置２２の間のパイプ１０を通る物質の濃度に比例した出力信号 を出力線２３に供給する。

さらに、ドレインパイプまたはドレイン管２４が、放射線源１６と放射線検出装 置２２の下流部分のパイプ１０に取り付けられている。ドレインパイプは、混合 部１２の出力端のパイプ部での蒸気圧を測定するための圧力計および伝送器（ト ランスミッタ）２５を具備している。適当なドレインバルブ２６が、測定開始前 に、濃度測定装置での蒸気濃度が零の点を参照するために、蒸気パイプ１０を空 にするためのドレイン管に設置されている。

圧力検知・伝送器からの出力信号ライン２８は、蒸気圧に比例した電気信号を供 給する。濃度と圧力を示す信号は、スチームテーブルから導き出されたアルゴリ ズムを利用してこれらの信号を結合し、蒸気質を表わす出力を計算して供給する ためのトランスミッタあるいはプロセッサ３０に供給される。この蒸気質の出力 は、３２として表されている。輸送される蒸気質の測定は、油井類１４が設置さ れるような油田システムの最適稼働を保証するために何が行われるべきかを決定 する。

正確な蒸気質の測定値を得るために、液相と気相成分の両方を含む蒸気の濃度が 正確に測定されることはきわめて重要なことである。多くの場合、蒸気濃度の測 定装置が設置された部分において、スチームパイプの両端にそって凝縮された水 あるいは同様のものがある場合には、液相と気相成分とがパイプの直径方向で一 様でないために、蒸気質の測定値は誤差を含んでしまう。

各種の混合器が開発されて来たが、圧力低下が小さく、正確な混合のできるもの は未だ無い。第２図に示したパイプの混合部１２は、パイプを横切るように取り 付けられ、その中心部にオリフィス口ないしオリフィス孔３６を有するオリフィ スプレート３５を含む。

も、液相と気相成分が、オリフィス孔の下部（パイプは、図示のように水平状態 にある）に３７で示されるように凝縮された水ないし沈殿物を含めて、中心のオ リフィス孔３６内に運ばれ、そして、小液滴を非常に細か＜（ミスト状に）する ように、液相成分および水の表面張力に逆らって作用する気相成分のせん断力に よって液相成分と水が小液滴に分解されるところまで、蒸気の気相成分の速度が 加速され、そして、この小液滴が、オリフィス口ないしオリフィス孔３６を通過 する液相成分および水として、気相成分によって浮遊させられ運ばれるように選 定される。

デフユーザ（拡散装置）３９が、オリフィスプレートの出口側ないし下流側に取 り付けられている。デフユーザは、緩やかに拡がった円錐形の管状部分３９Ａを 具備する。また、デフユーザ３９は、オリフィス孔３６の直径と同じ直径である 小さい径の端部４０を有し、管状の部分３９Ａはオリフィスプレートと密封して 接続され、その大きさは、その中心軸に対する壁の角度が、好ましくは４度程度 になるように、十分に離れた下流に設置される排出口の直径すなわち出力径４１ に向って増加する。この角度は、第２図においてθとして示されている。

デフユーザ３９は、混合部を通過する混合蒸気の乱流を減少させるように流線型 状の通路を提供する滑らかな内表面４２を有し、その結果、蒸気の液相成分およ び気相成分は下流に進むに従ってその速度を徐々に減少する。水の小液滴の大き さが十分に小さくなるので、気相成分は、引き続く濃度測定のために、均質とな るように混合された液相および気相成分よりなる蒸気の中で、前記小液滴を浮遊 状態に保持する。

オリフィスプレート３５によって引き起こされる流れの制限の結果である速度上 昇は、圧力低下と関係することが理解されるであろう。オリフィスプレート３５ の下流側に連結されたデフユーザ３９は、流れの速度を徐々に減少させるばかり でなく、圧力低下の相当な部分を有利なように修正する。

さらに、デフユーザ３９は、濃度測定が行われようとしている部分の導管を通過 する均質混合物に少しづつ分散を引き起こす。

流れの方向４４は大きい直径４１へ向かう方向であり、小液滴は、濃度測定部１ ５を通過する際、均質な浮遊状態に保たれるだろう。第１図に示すように、ドレ イン管２４も、同様に、濃度測定部の下流に配置され、測定部分での蒸気パイプ 内の圧力が測定されるように、それに近接して配置されている。

円錐状の壁は、曲がりくねったり、ねじれたりしていない。

すなわち、壁は滑らかで、デフユーザの軸に対して垂直などの面においても実質 上同じ断面傾斜を有している。図では、デフユーザの横断面は円形状であるが、 壁の角度（ｔａｐｅｒ）がなだらかであり、そして乱流の領域を形成しない限り 、他の幾何学的な形状とすることもできる。

このため、混合器は非常に安価で、能率的であり、動く部分が無い。このことは 、蒸気中の液相分すなわち水を、パイプの全ての内径での蒸気の速度で運べるよ うに、十分に小さな液滴に分解することを保証する。

本発明では、好適な具体例に関して述べられているが、当業者にとっては、発明 の精神および範囲から逸脱することなく、その形状や細かい部分を変更しても良 いことが明らかであろう。

本発明では、液相および気相ないしガス相を含む２相流を測定することについて 述べられているけれども、本発明は、液相と固相の２相流や気相と固相の２相流 、および液相と気相と固相の３相流の場合にも適用できる。ここでいう固相とは 、事実上の微粒子から成る物質である。

国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．導管壁を有する導管の中を流れる液相物および気相物から成る蒸気の質を測 定するためのメータであって、導管内に設置されて、導管の中を流れる液相およ び気相成分に対応した濃度の混合物を生成するように、導管内の蒸気を混合する 混合手段と、 混合物の濃度を測定するように導管に連結され、検出された濃度が蒸気濃度をよ り良く表わすような濃度検知手段と、導管内の蒸気圧を測定するために導管に連 結されている圧力検知手段と、 濃度検知手段および圧力検知手段に接続されて、検知された濃度と圧力の関数と して蒸気質を計算し、蒸気質に対応した出力を供給する計算手段とを具備したメ ータ。
2. ２．請求の範囲１のメータであって、一部の液体は実質上導管壁に沿って流れ、 混合手段が液体を蒸気と混合するメータ。
3. ３．請求の範囲１のメータであって、混合手段は、混合のために流れを加速する ように流体に結合される手段を含むメータ。
4. ４．請求の範囲３のメータであって、混合手段は導管内に圧力変化を生じさせ、 また前記手段が、流体に結合されて、混合された流れを減速し、その圧力変化を 低減させる手段を含むメータ。
5. ５．請求の範囲４のメータであって、減速手段は導管内に設置された手段を有し 、当該手段は、流れを受取るための、導管より小さい入口、前記入口よりも大き く、混合された流れを放出するための、入口から離して設けられた出口、および 入口から出口に向かって広がる壁を有するメータ。
6. ６．請求の範囲５のメータであって、壁は導管の軸に対してある角度をなして広 がる事実上滑めらかな通路を形成し、流れはより少ない乱流をもってそこを通過 するメータ。
7. ７．請求の範囲６のメータであって、壁は事実上切頭円錐形状を有するメータ。
8. ８．請求の範囲７のメータであって、角度は１度ないし１０度であるメータ。
9. ９．請求の範囲８のメータであって、角度は約４度であるメータ。
10. １０．請求の範囲３のメータであって、加速手長は、導管内に設置され、所望す る速度に流体を加速するために通過させる孔である流れ制御を含むメータ。
11. １１．液相と気相の混合物から成り、導管内を流れる流体を混合するための装置 であって、 流体を受け入れるように導管内に設置された制限手段であって、液相成分と気相 成分とを混合するための選択された速度まで流体を加速するオリフィスを有する 制限手段と、導管内に設置されたデフユーザ手段であって、オリフィスから、混 合流体を分散するようにオリフィスと距離をおいて設けられたデフユーザ開口に 向かって伸びており、かつ液相および気相成分が十分に混合されるように、オリ フィスからデフユーザ開口に向かって拡がった壁を有するデフユーザ手段とを具 備した装置。