JPH05187901A - 固体又は流体伝送音に基づく二相流の液体成分用非侵入式液体流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 二相ノズルを流出する液体流量を非侵入式に
測定する方法の提供しする。 【構成】 本発明は、二相(ガス/液体)供給ノズルを出
る液体流の質量流量の測定方法である。本方法は、ノズ
ルに非常に近接した又はノズル内の流体と接触した振動
センサ(加速度計又は動的圧力センサ)の出力からのパワ
ースペクトル密度を、共鳴ピークを含む周波数帯域にお
いて測定することを含み、共鳴ピークの大きさ又は面積
は液体の質量流量に強く依存し、共鳴ピークは、流量が
増加するにしたがい増加する。共鳴ピーク即ち共鳴ピー
クを含む周波数の帯域の面積の測定値は、液体流量と相
関づけることができ、ガス流量には影響を受けにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、二相(気体/液体)供給ノズル
における液体流の質量流量を測定する方法に関する。二
相ノズルは、種々の用途、特に、化学的又は石油加工操
業における霧化した供給材料の射出に関して重要であ
る。多くの斯かるプロセスにおいて、霧化した炭化水素
液を制御された計測された仕方で反応帯域に噴霧させる
と、特に、加工用触媒(process catalyst)を用いた場合
には、操業性又は選択性が向上する。一例には、高沸点
石油フラクションの流動接触分解のプロセスがある。代
表的には、液体供給材料をガスと混合し、混合物を細か
く分散した霧滴を生じるように設計された供給ノズルか
らプロセスに射出することにより高度の供給材料の霧化
ができる。接触分解においては、霧化ガスとしてスチー
ムを用いるのが代表的であるが、あらゆるプロセス適合
ガスを用いることができる。

【０００２】処理容器内に噴霧する霧化した液体の配分
を制御し、測定する必要性は、多数の配管及びノズルを
用いることにより満足させるのが通常である。霧化用の
適当な液体とガスとの混合物を維持し、各ノズルが特定
した液体又は質量流量を搬出することを確実にすること
により、ポテンシャルユニット作業利益(potentialunit
operating advatages)が得られる。一つのありふれた
操業方式は、各ノズルにおいて等しい液体流量を維持す
ることである。複数の供給ノズルを有する殆どの装置
は、各個のノズルへの液体及びガス管路にブロック弁又
は制流オリフィスを含んでいるが、これらの装置は、流
量を単独には測定しない。ノズルが、共通のマニホール
ドから供給を受ける時、マニホールドへの合計の正味液
体流量だけしか容易に測定することができないので、各
ノズルを通る液体流量が最適化されているという保証は
ない。実際、種々のマニホールドに取り付けたノズルに
おける流れの測定は、各ノズルへの等しい液体流量から
の大きな変動を示すのが通常である。対称的に、ノズル
へのガス流は、ガス管路の制流オリフィスにより決定さ
れるのが通常であり、この制流オリフィスは、個々のノ
ズルへの比較的均一なガス配分を確保する。

【０００３】液体の質量流量を測定することは、新しい
ことではない。質量流量を測定するのに用いられている
いろいろな流量計がある。それらのうちの幾つかは、機
械的なものであり、現実に、ホイールを回転させるた
め、又は針を振らせるため、流動する液体の力を利用し
ている。斯かる流量計は、単相状態の質量流量の測定を
することしかできず、非汚損質の液体に限定されるのが
通常である。石油及び石油化学工業に共通する単相流に
利用できるこれらの流量計は、非常に費用のかかるもの
である。流体の粘度を下げるために維持する非常に高い
温度は、更に別の複雑さを課するものである。更に、使
用する液体が、斯かる流量計の機械部品を容易に汚損し
目詰りさせる。

【０００４】流れ内に置かれた障害物から発生した渦の
痕跡(wakes)を利用して、渦発散の周波数から流れの速
度を測定する「渦流量計」として知られる種々の流量計
がある。斯かる流速計も、やはり単相流に限定される。
再び、それらの流量計は、流れ内に障害物を置くことを
要し、そのため、やはり汚損を受けやすい。殆どのシス
テムの温度範囲は、障害物により発生した音を捕捉する
のに必要な音響変換器についての根本的制約のため狭
い。

【０００５】流量を測定するのに超音波を利用した種々
の音響流量計がある。斯かる流量計のある種類は、流動
する流体の入ったパイプに取り付けられた超音波変換器
/受容器、及び、同じパイプに、互に上流及び/又は下流
に、取り付けられた超音波受容器/変換器を利用してい
る。音響装置の取り付けに関する形態的な束縛の他に、
多くの石油及び石油化学のプロセスの高作業温度が、こ
れらの流量計を高価で、多くの石油及び石油化学の用途
に適用するのを困難にしている。斯かる作業温度は、多
くの単相流量計の作動限界を屡々超過する。

【０００６】二相ノズルを通って流れるガス/液体混合
物の液体フラクションの測定は、困難である。通常の流
量測定用装置は、流れの速度又は流れの圧力に対しての
み感度がよく、質量流量に対してはそうではない。その
ため、斯かる装置は、別個の同じように複雑な混合物の
密度測定を行うことなしには、液体流量の測定すること
ができない。単相液体流量を測定することのできる装置
は、高価であり、屡々侵入式であるが、それらの装置
が、混合物の液体部分のよって容易に汚損を受けること
のあるオリフィス又はバリヤーを、流れの中に挿入する
ことを必要とするからである。殆どの石油及び石油化学
の用途において、流動可能であるのに充分低い粘度を得
るため、二相混合物は、高温に維持されるので、流量測
定装置に対する温度制限もある。

【０００７】斯くして、殆どの石油及び石油化学の装置
が、各供給ノズルへの流量を計量しないのは、プロセス
の条件が苛酷なこと及びパイプの形態上の制約により適
当で容易に保全できる流量計が高価だからである。斯か
る厳しい条件を満たす特殊化した流量計の開発は、莫大
な出費と望ましくない複雑さを要するであろう。石油及
び石油化学加工ユニットは、マニホールドに取り付けた
供給ノズルからの特定された液体配分による改良された
作用を実証するものであるが、マニホールドへの正味の
液体流量のみが、通常測定又は制御されている。しかし
ながら、ノズルを出る二相流体の複雑な性質のため、測
定体系なしでは、供給ノズル間の所望の流量分配がなさ
れる公算は少ない。液体配分の不確かなことは、液体供
給材料の一部が蒸発することもあるという可能性によっ
て輪をかけられている。

【０００８】斯かる流量の不均衡の存在は、変則的なプ
ロセス条件又は長期間に及ぶ射出量(output yield)の変
化のみによると通常推定されている。更に、供給ノズル
は、部分的に詰ったり、腐食したりして重大な流量配分
不良を招くことがあり、この流量配分不良は、保全のた
めユニットを運転停止にするまで確認されないままでい
ることがある。そのため、個々のノズルから液体流量を
測定し、監視することのできる技術が必要である。

【０００９】本発明は、個々の供給要素(feed service
s)における液体供給材料の質量流量を測定するための方
法である。本発明は、(1)又は(2)の何れかのようにする
ことにより、流量に関して、この測定を如何にして抵抗
なく非侵入式に行うことができるかを示している。 (1)供給ノズルのバレル又は接続したパイプ内の流体内
の音響エネルギーと音響的に接触している動的圧力変換
器を用いる。

【００１０】(2)供給ノズルのバレル内の流体内の音響
エネルギーと固体伝送音において接触している加速度計
を用いる。「非侵入式」の語は、センサが流れに侵入し
ないが、センサを、パイプの内面とほぼ面一に永久的に
据えることができるということを意味するように用いて
いる。

【００１１】本発明において教示された方法から、個々
の供給要素又はノズルにおける広範な程度の液体/ガス
霧化状態に関して、リアルタイムに液体流量を測定及び
監視することができる。この方法は、流動している流体
の質量に関する量を測定するので、多くのカテゴリーの
二相流体噴霧器に対して広く適用可能なテクニックであ
る。この方法は、流動システム及びパイプに固有の振動
及び共鳴のみに依存するので、種々のシステムに速やか
且つ容易に適用することができる。教示された方法の出
力は、電気的性質のものなので、この出力は、容易に制
御システムの伝送され、この方法は、供給材料の霧化及
び共通のマニホールドから供給される個々のノズルを通
る供給材料流量を自動的に測定し、制御するのに使用す
ることができる。

【００１２】

【発明の概要】本発明は、二相(ガス/液体)供給ノズル
を出る液体流の質量流量を測定する方法である。本発明
は、更に、液体の質量と体積とに関する流量が、ほぼ一
定の液体密度の関係があるので、液体体積流量の測定方
法とも表現することができる。以下において便宜上、
「質量流量」は、液体質量流量及び液体体積流量の両方
を表わすのに用いる。この方法は、ノズルに非常に近接
した又はノズル内の流体と接触した振動センサ(加速度
計又は動的圧力センサ)の出力からのパワースペクトル
密度を、共鳴ピーク(液体流量ピーク即ちLFP)を含む周
波数帯域において測定することを含み、共鳴ピークの大
きさは液体の質量流量に強く依存し、共鳴ピークは、流
量が増加するにしたがい増加する。パワースペクトル密
度の周波数帯は、一つの大きなピークだけを含んでいて
も、一連のピークを含んでいてもよい。共鳴ピーク即ち
共鳴ピークを含む周波数の帯域の面積の測定値は、液体
流量に比例し、ガス流量には影響を受けにくい。LFP又
はLFPを含む周波数の帯域の大きさの間の比例定数は、
ノズルをユニットに取り付ける前に、即ち一回の検定(o
ne time calibration)で決定することができる。

【００１３】振動センサのパワースペクトルは、振動セ
ンサの出力の二乗の周波数における分布(パワースペク
トル密度)として定義される。パワースペクトル密度
は、本発明においては、単位周波数(ヘルツ)あたりの加
速度の二乗、又はヘルツ(Hz)あたりの圧力の二乗の単位
を有する。パワースペクトルは、如何なる周波数範囲に
わたるパワースペクトル密度の面積も、振動センサの出
力の平均平方(本発明に関しては、平均二乗加速度又は
平均二乗圧力の何れか)に等しいという特性を有する。
パワースペクトルは、振動センサの出力をデジタル信号
プロセッサ(Bruel and Kjaer 2032等)に通すことにより
周波数の関数としてのパワースペクトル密度のプロット
として最も容易に得られる。これらの状況下あっては、
圧力又は加速度パワースペクトル密度の平方根に比例す
るRMS圧力又は加速度スペクトルを図面(figures)に表示
することが屡々好都合である。更に、周波数の帯域にわ
たるRMS加速度又はRMS圧力としての振動センサのパワー
スペクトルの面積の平方根をプロットすることも屡々好
都合である。

【００１４】LFPは、比較的低周波数、通常0〜4000ヘル
ツ、稀な場合には6400ヘルツより高い周波数において見
出されることが経験的に知られている。振動センサは、
供給ノズルのシェルに接触した加速度計又はノズル内の
流れに音響的に接触した動的圧力変換器の何れかである
のが良い。本発明の利点のうちの一つは、本方法が、ノ
ズルの形態に依存せず、混合翼又は制流要素(flow rest
riction)を有することによりガス/液体混合を行なうノ
ズルに対しても同様に巧く作用することである。

【００１５】

【実施例】本発明は、二相(気体/液体)ノズルを流出す
る液体(質量)流量を非侵入式に測定する方法であり、本
方法は、ノズル又は関連するパイプの表面にかかる振動
力或いはノズル内の流体混合物の振動力を、流体流量と
相関させるものである。本発明の一実施態様では、加速
度計又は他の振動測定装置が、流体混合物内の音響パワ
ーと固体伝送音接触している供給ノズル又は関連するパ
イプのシェルに取り付けられている。本発明の他の実施
態様では、動的圧力変換器が、ノズル又は関連するパイ
プ内の気体-液体混合物と接触している。何れの場合に
おいても、これらのセンサの何れかからの経時変化する
電気信号が増幅され、しかる後、後に処理するため記録
されるか、又は直接処理されてパワースペクトルにな
る。このパワースペクトルは、ノズルの振動の周波数の
内容(frequency content)又はノズル内の液体の動的圧
力の変動の周波数の内容を表示する。振動信号を流体流
量と相関させる電子システムに関する一般的な説明を以
下に示す。流動接触反応器の二相供給射出ノズルが、例
示の目的で時々用いられるが、本発明は、この用途に限
定されない。

【００１６】図１は、代表的な流動接触分解ユニット/F
CCユニットの射出領域の模式図であり、フィードライザ
ー(２)に図示の触媒流(３)を注入する8個(この実施例に
関しては)の供給ノズル(１)の位置を示している。供給
ノズルへのオイルが、図２に示すように、ヘッダ(４)か
ら共通のマニホールド(５)に配送される。この図に示す
ように、各ノズル管路における個々のブロック弁(７)
が、ノズルへのオイル流(６)を制御する。図３に示すよ
うに、スチーム(９)及びオイル(１１)が、個々のノズル
に供給され、個々のノズルにおいて、スチームは、オイ
ルを霧化すること及びオイルが止っている時にノズルが
塞がれないように保つことの二つの目的を果たす。図３
に示すように、オイル流は、ブロック弁(１２)によって
制御され、スチーム流は、制流オリフィス(RO)(１０)を
通じて高圧スチーム流を有することにより制御され、こ
の制流オリフィスは、「チョークフロー」条件下にある
のが代表的であり、下流の圧力に影響されないスチーム
の一定の質量流量を維持する。ノズルは、フィードライ
ザー壁(１３)内に突出し、霧化されたオイル(１４)を触
媒流(１５)内に分散させる。

【００１７】図４は、個々の供給ノズルの配管を、より
詳細に示している。ブロック弁(１７)を通って流れるオ
イル(１６)は、RO(１９)により制御されるスチーム(１
８)と混ざる。オイル/スチーム混合点(２０)は、オイル
弁及びRO双方の下流に位置している。混合物は、ノズル
バレル(２１)を通してノズルチップ(２２)へと押され、
噴霧(２３)としてノズルチップから出る。

【００１８】本発明の一実施態様では、振動センサ(２
４)が、ロッディングプラグ(２５)に又はロッディング
プラグを支持するフランジ(２６)に隣接して又は流体流
により生じた音及び振動に感応しやすい任意の位置に設
けられている。本発明の他の実施態様では、動的圧力変
換器(２７)が、混合点(２０)の下流の流れと接触するよ
うに位置している。変換器が、流量の変化に感受性のあ
る位置なら何れでもよい。

【００１９】図５及び図９に示す加速度計、又は動的圧
力変換器からの時間依存性電気信号の大きさ(magnitud
e)は、供給ノズルの表面の振動力(加速度計の場合)及び
/又は動的圧力変換器内の流体の振動力(動的圧力変換器
の場合)に比例している。定量的には、時間間隔を通じ
てのこの信号の二乗の平均は、その時間間隔を通じての
平均二乗パワーに比例する。この量は、図６に示すよう
に、ノズルを出る乱流によって生じた振動エネルギーの
一つの尺度である。以下において、時として、加速度計
又は動的圧力信号器の出力を、「振動信号」と、加速度
計又は動的圧力変換器の出力の二乗を、「振動力」と称
する。

【００２０】本発明は、もう一つの振動力の尺度、即
ち、周波数に関する振動力の分布を利用している。周知
のように、振動力の分布は、振動センサのパワースペク
トルにより与えられ、このパワースペクトルは、周波数
の関数としてのパワースペクトル密度のプロットであ
る。図７は、図５の経時変化するランダム信号のパワー
スペクトルを示している。如何なる周波数の範囲にわた
るパワースペクトル密度の面積も、その周波数の範囲に
おける経時変化する信号の平均二乗振動エネルギーに比
例する(図６)。加速度計(動的圧力変換器)に関するパワ
ースペクトル密度は、ヘルツあたりの加速度の二乗(ヘ
ルツあたりの圧力の二乗)の単位を有している。

【００２１】RMSパワースペクトルを表示することが、
屡々、より好都合であり、RMSパワースペクトルにおい
ては、図８に示すように、RMSスペクトル密度が、周波
数の関数としてプロットされる。RMSは、「(根)二乗平
均(Root Mean Square)」を表わす。加速度計(動的圧力
変換器)に関するRMSパワースペクトル密度は、RMS加速
度(RMS圧力)の単位を有している。定数因子に関する限
り、RMS加速度(又は圧力)は、加速度又は圧力に関する
パワースペクトルの平方根に等しい。デジタル信号処理
の技術における当業者に周知のように、加速度(圧力)の
パワースペクトルと、RMS加速度(圧力)スペクトルとの
間の比例因子は、プロセッサ信号(signal processor)の
周波数分解能(frequency resolution)の平方根である。

【００２２】加速度振動センサ及び圧力振動センサの何
れに関する電気出力も、デジタル信号プロセッサ又は等
価(equivalent)テクニックにより、時間の関数から、周
波数の関数に変換される。パワースペクトルは、信号の
パワーを周波数の関数として表示し、ある周波数帯にわ
たるパワースペクトル密度の面積が、その周波数帯にお
ける振動力に比例するというユニークな特性を有してい
る。

【００２３】パワースペクトルのある領域における振動
力を、二相ノズルを出る液体流量の容量測定に用いるこ
とができることが分っている。ある場合には、流量の測
定法は、パワースペクトルの特定のピークにおけるパワ
ーを利用しており；別の場合には、ピークを含むパワー
スペクトルの周波数帯のパワーも、液体流量の尺度にな
ることを示すことができる。ある場合には、ピークの高
さも、液体流量の尺度として使用することができる。

【００２４】パワースペクトル全体を計算するよりも、
はるかにコスト又は実行上の利点を有する別の信号処理
テクニックがある。例えば、ひとたび上記の周波数帯が
特定されると、その帯域のエネルギー含有量を、いろい
ろな仕方で測定することができる。パワー検知を続いて
行う振動センサからの信号のデジタル(又は別の)帯域通
過フィルタリングが、選択した帯域巾にわたるパワース
ペクトルの面積測定と等価である。ある周波数帯にわた
る振動信号のエネルギー含有量を測定する特定の信号処
理テクニックは、周波数範囲が、面積がノズルを出る液
体の質量(mass)の高感度(sensitive)関数であるピーク
又は一連のピークを含む限り問題はない。振動信号に関
する必要な信号処理が、射出ノズルに近接したプラット
フォームで行われるか、又は制御室内で行われるか、又
はそれらの間で配分されているかも、本発明の目的にと
って問題ではない。

【００２５】本発明の目的にとって、面積(又は平均二
乗振動力)が、問題のノズルを出る液体流によって生じ
た音響ノイズの強感度(strong)関数であるパワースペク
トルのピーク及び関連領域を特定するのに音場校正を用
いることが重大である。以下において、これらのピーク
を液体流ピーク(LFP)として示す。本発明において、液
体流ピークを含む周波数帯における振動力の測定は、液
体流ピークを含む周波数帯にわたるパワースペクトル密
度の面積の平方根により定義されるRMS加速度(又は圧
力)である。この面積は、ALFPとして表わされ、RMS加速
度(又は圧力)の単位を有する。ALFPは、液体流の体積と
直接の相関があることが分っている。多くの場合、ALFP
は、液体流量の一次関数であるが、本発明の目的にとっ
ては、そうである必要はない。ALFPとノズルからの液体
流量との間の相関ファクターの設定(establishing)は、
以下に説明するように、液体を直接測定することのでき
る試験装置で行うか、又は音場校正により行うかの何れ
かで行うことができる。周波数スペクトルの液体流ピー
クの上(高周波側)には、制流オリフィスを通過するガス
流に主として応答するガス流ピークがある。これらのガ
ス流ピークは、本発明とは関係ない。

【００２６】液体流ピーク(LFP)は、通常、比較的低周
波数において見出され、それらの液体流ピークは、二相
射出ノズルを出る乱流によって起きる長手方向の「オル
ガンパイプ」共鳴から生じると考えられる。「オルガン
パイプ」共鳴の励振(excitation)は、ノズルを出る液体
の運動エネルギーに比例し、そのため、質量流量の関数
であると考えられる。しかしながら、共鳴の周波数は、
利用可能な二相液体内の全ての音響路だけでなく、流体
とそれをとりまく機械構造との間の組合せ(coupling)に
依存し得ることが、音響学において周知である。これら
の理由により、液体流ピークは、所定のノズル及びその
配管に対して特定のものであり、稼動している射出ノズ
ルに関して直接測定しなければならない。

【００２７】図９は、振動センサ(加速度計又は動的圧
力)からの経時変化する信号を示している。図１０は、
斯かる変換器のパワースペクトル密度のプロットを示し
ている。周波数F1とF2との間のピークは、LFPを表わす
ことを意味するものである。パワースペクトル密度曲線
の下の周波数F1とF2との間の面積は、ALFPである。この
面積は、F1とF2との間の周波数帯における振動センサの
平均二乗パワーに等しい。

【００２８】ひとたび液体流ピーク(LFP)が、液体流量
への依存性を通じて特定されると、ALFPは、いろいろな
仕方で測定することができる。一つのアプローチが、デ
ジタル信号プロセッサに基づき先に説明されている。時
として好都合な他の方法がある。例えば、図９に示す当
初の振動信号を、F1より下及びF2より上の周波数におけ
る振動エネルギーを強く減衰させるフィルターを通過さ
せることができる。斯かるフィルターは、デジタル又は
アナログ「帯域通過」フィルターとして知られている。
図９に示す振動信号に斯かるフィルターを通過させる
と、出力は、図１１に示すような異なる振動信号であ
る。図１１に示す信号は、図１２に示すように、F1とF2
との間に有限なパワースペクトル密度を有するだけであ
る。図１１の経時変化する信号を適当な電子装置で二乗
し、平均をとり｛整流してフィルターにかけ(rectified
and filtered)｝、図１２に示すALFPに比例する直流の
信号を与えることができる。

【００２９】一般に、液体流量が50〜300gpm(分あたり
のガロン数)で、流れの状況(regime)におけるガス流量
が50〜450SCFM(分あたりの標準立方フィートにおけるガ
スの質量流量)である流れの状況における二相流に相当
する石油精製及び石油化学工業において通常用いられる
射出ノズルに関して、LFPは、屡々0〜6400Hzの比較的狭
い範囲において見出される。

【００３０】図１３は、稼動している供給ノズルの「ロ
ッディングプラグ」に取り付けられた加速度計からのRM
S加速度パワースペクトル(図４の２５の位置)を示して
いる。振幅がオイル流量とともに増加する液体流ピーク
(LFP)は、この実施例においては、2000Hz未満に見出さ
れる。振幅がオイル流量に対して減少するガス流ピーク
は、このノズルに関して見出され、かなり高い周波数範
囲において見出される。このノズルの場合、ガスピーク
は、4,000と12,000ヘルツとの間にある。

【００３１】図１４乃至図１６は、プラント規模の射出
ノズルを、ノズルへの気体(空気)及び液体(水)流量を直
接測定することのできる試験装置に取り付けた場合の、
本発明の方法を示す。空気及び水の音響特性は、石油精
製及び石油化学工業において通常使用される気体及び液
体の音響特性と類似している。図１４は、150gpm(分あ
たりのガロン数)の水流量及び370SCFM(分あたりの標準
立方フィート)の空気流量に関する範囲0〜1600ヘルツに
わたる図４の位置２６に取り付けられた加速度計の信号
のRMS加速度スペクトルを示している。400ヘルツにおけ
るLFPが、矢印によって示され、その面積が、陰影を付
けることにより示されている。図１５の縦軸は、いろい
ろな液体流量(gpm)に関して測定した空気質量流量(SCF
M)の関数としてプロットした秒2あたりのメートル(Ms-
2)の単位で表わすLFPの面積の平方根である。

【００３２】図１５から分り、図１６に明瞭に示すよう
に、ALFPは、液体流量のほぼ直線の関数であり、100gpm
より上の液体流量及び100SCFMより上の気体流量である
流れの状況においてガス流量には比較的影響を受けな
い。 図１７は、RMS加速度スペクトルが、150gpmの水
流量及び270SCFMの空気流量に関して示されている図１
４におけるノズルと同じノズルに関して得られた動的圧
力変換器の出力の50ヘルツの範囲にわたるRMS圧力スペ
クトルを示している。ALFPは、0〜50ヘルツのパワース
ペクトルの面積として定義されている。図１８の縦軸
は、分あたりのガロン数がいろいろな液体流量について
測定した空気流量(SCFMの質量流量)の関数としてプロッ
トされたALFP(平方インチあたりのポンド数)である。約
100SCFMより上の空気流量及び0gpmと250gpmとの間の液
体流量に関しては、図１９に直接示すように、50ヘルツ
帯域にわたるRMS圧力は、液体流量のほぼ直線の関数で
ある。

【００３３】図２０は、図１４乃至図１６で利用したの
と同様のノズル及び図１４と同様の流れ条件に関する範
囲0〜6400ヘルツにわたる加速度計のRMS加速度スペクト
ルを示す。図２１の縦軸は、いろいろな値の液体流量に
対する空気流量の関数としてのALFPである。図２１の曲
線は、帯域巾が400ヘルツにおけるLFPを含んでいる限
り、LAFPは、面積に関して選択した正確な帯域巾には比
較的低感度であることを示す図１５の曲線と非常に類似
している。図２２は、一定の空気流量における液体流量
の体積の関数としてのALFPのプロットである。図２２
は、帯域巾を増加させたのにも拘らず、図１６と類似し
ており、それは、問題の流れの状況に関するLFP(400ヘ
ルツ)及びその6400ヘルツにわたる調和関数(harmonics)
がALFPの主要を占めているからである。

【００３４】別個の液体流量測定を行うと、ALFPと液体
流量とを結ぶ相関関係が得られることが明かである。続
いてのALFPの測定は、個々の射出ノズルからのオイル流
量を監視及び測定し、並びに流量の分配に関して製油又
は石油化学プロセスを最適化するのに用いることができ
る。塞がった又は部分的に塞がった供給ノズルを識別
し、修正処置を施すことができる。

【００３５】プラント環境にあっては、オイルブロック
弁｛図３の(１２)｝の完全閉鎖の段階から全開の段階へ
変化させ、変化するパワースペクトルにおけるピークを
識別することにより、LFPを識別することができる。ALF
P及びノズルから出る液体流を検定する幾つかの仕方が
ある。ALFPと液体流量との間の相関関係は、マニホール
ドの圧力を一定に維持しながら特定のノズルのブロック
弁を変化させた時に、マニホールドへのオイル流量の変
化を測定することにより決定することができる。これら
の状況下、他のノズルからの流出量は変化せず、マニホ
ールドへの正味の流量の変化は、問題のノズルへの流量
である。各ノズルに関して相関係数が決定した後、ある
ノズルのブロック弁を変化させた時に、他のノズルへの
オイル流量が不変であるという仮定を試験することがで
きる。他の仕方には、問題のノズルへの液体流量を直接
測定する直接法があり、オイルとスチームを、水と空気
等のより扱い易い液体と気体に取り替え、問題のノズル
の作動状態に相当する液体流量の範囲についてALFPを測
定する。液体流量に関してALFPを検定する更に別の仕方
は、検定の時に、液体用管路に流量計を挿入することで
ある。ひとたび検定線が得られたら、そのノズルに関す
るALFPを液体流量の尺度として用いることができる。

【００３６】図２３乃至図２８及び図２９乃至図３３
は、同様の射出ノズル(この場合は、FCCユニット供給ノ
ズル)についての液体流に関する振動信号を検定する二
つの別の仕方を示している。図２３乃至図２８において
は、特定のノズルへの液体流量は、直接測定され、この
場合、液体は水であり、ガスは空気であった。図２９乃
至図３３においては、問題のノズルに供給するオイルマ
ニホールドに対して一定の圧力を維持し、ノズルへの流
量を制御する弁を変化させた際、マニホールドへの総オ
イル流量の変化を直接測定した。同時に、ALFPを測定し
た。この場合のガスは、スチームであった。

【００３７】図２３乃至図２７は、水及び空気で試験を
行った接触分解(cat-cracking)用供給インジェクタにつ
いての一連のRMS加速度パワースペクトルを示してい
る。このノズル内の混合チャンバーの設計は、図１４〜
図２２で考慮したノズルとはかなり異なっている。陰影
を付した領域は、600ヘルツにおけるLEPを示している。
図２８においては、LFP(図２３乃至図２７のデータに関
しては、ALFPに比例)のピーク高における変化が、一定
の空気質量流量(230SCFM)における水流量の一次関数と
して示されている。これは、ALFPとノズルを出る液体流
量との間の相関関係を得るための一つの仕方である。

【００３８】振動信号とノズルを出る液体流量との間の
相関関係を検定する別の仕方を以下に説明する。問題の
ノズルへのオイル流量は、一定の圧力条件下におけるオ
イルマニホールドへのオイル流量における変化から決定
される。図２９乃至図３２は、稼動しているFCCユニッ
トの供給ノズルについての800〜2500ヘルツにわたる加
速度に関するRMS加速度スペクトルである。陰影を付し
た領域は、ほぼ1650ヘルツにおけるLFPである。振動信
号のソースである加速度計は、ノズルの「ロッディン
グ」プラグ｛図４の位置(２５)｝に取り付けられてい
る。各々において、制御変数は、オイルブロック弁設定
(〜％開放として示す)であり、LFPは、陰影を付すこと
により示す。供給ノズルを、あらゆる特定の設定から閉
ざした際に、マニホールドのオイル流量における変化を
測定することは、オイルブロック弁の設定に相当するオ
イル流量を推定することを可能にするものである。

【００３９】図３３は、ALFPと測定した液体流量との間
で得られた直線状の相関関係を顕している。この相関関
係から、供給ノズルを通る液体流量を、適当なアルゴリ
ズムにより推定することができる。FCCユニットの射出
帯域への流入を最適化するため、オイルブロック弁にお
ける変化を行うことができる。加えて、オイル流量を測
定し、スチーム制流オリフィス(図３)を適当に変化させ
てスチーム質量流量を変化させることより、スチームと
オイルとの比を、監視し、制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】供給ノズルの設置を示す流動接触分解ユニット
(FCCユニット)の供給材料射出部分の模式図を示す図で
ある。

【図２】個々の供給ノズルにオイルを供給する(7)で示
すオイルブロック弁を備えたオイルマニホールドを示す
図である。

【図３】スチーム流量が制流オリフィス(RO)(10)を通し
て決定され、オイル流量がブロック弁(12)により決定さ
れる各供給ノズルへの流れ連結部を示す図である。

【図４】射出ノズル内の二相流体に接触しているべき圧
力変換器の適した位置、及びノズルの先端を出る乱流二
相流により引き起こされたノズルの振動モードに対して
感度が良いように取り付けられるべき加速度計(２５及
び２６)の適した位置を示す図である。

【図５】代表的な加速度信号を時間の関数として示す図
である。尚、図５乃至図１２は、フィルターを通してい
ない及びフィルターを通した経時変化する加速度(圧力)
の加速度(圧力)パワースペクトルへの、又はRMSパワー
スペクトルへの変換を示す図である。具体的には、図５
乃至図１２の振動センサは、加速度センサと考えてよ
く、動的圧力センサでもよい。

【図６】図５の加速度信号の二乗を示す図である。

【図７】図５に示す信号の加速度パワースペクトルを示
す図である。加速度パワースペクトルは、加速度パワー
スペクトル密度を周波数の関数として表示する。図５に
示す加速度信号に含まれる全ての周波数にわたる加速度
パワースペクトル密度の積分は、図６に示す加速度信号
の二乗の時間平均に等しい。

【図８】図７に示す加速度パワースペクトル密度の平方
根に比例するRMS加速度スペクトルを示す図である。

【図９】他の代表的な加速度信号を時間の関数として示
す図である。

【図１０】図９に示す信号の加速度パワースペクトルを
示す図である。加速度パワースペクトルは、加速度パワ
ースペクトル密度を周波数の関数として表示する。図１
０に示す周波数F1とF2との間の加速度パワースペクトル
密度の積分は、示したピークの面積として定義される。
この面積は、F1とF2との間の周波数帯域に関する加速度
経時信号の平均二乗パワーに等しい。

【図１１】フィルター装置を通過した図１０の加速度信
号を示す図であり、フィルター装置は、通過帯域F1＜F
＜F2の内側の周波数Fに関する信号を再生し、通過帯域
の外側の信号を強く減衰させる。

【図１２】図１１に示すフィルターを通した信号の加速
度パワースペクトルを示す図である。加速度パワースペ
クトルは、加速度パワースペクトル密度を周波数の関数
として表示する。図９に示す加速度信号に含まれる全て
の周波数にわたる加速度パワースペクトル密度の積分
は、図９に示す加速度信号の二乗の時間平均に等しい。

【図１３】FCCユニットの供給材料ライザ(feed riser)
内にオイル及び水を射出する接触分解装置の供給ノズル
のロッディングプラグ(図４)(位置２５)に取り付けた加
速度計からのRMS加速度スペクトルを示す図である。オ
イル流量の増加にともない増加する「液体流ピーク(LF
P)」(0〜4,000ヘルツ)、及びオイル流量の増加にともな
い減少する「ガス流ピーク(GFP)」(4,000〜128,000ヘル
ツ)を含むこのノズルに関するスペクトルの領域が、概
略的に示されている。これらのピーク、及びそれらが見
出されるRMS加速度スペクトルの領域の正確な認定は、
音場校正(field calibration)に基づく。

【図１４】150gpm(分あたりのガロン数)の水及び370SCF
M(分あたりの標準立方フィートで表わす体積流量)の空
気に関する0〜1600ヘルツの範囲にわたる図４(位置２
６)に示すように取り付けられた加速度計に由来するRMS
加速度スペクトル(Ms-2の単位)を示す図である。

【図１５】個別的な値の射出ノズルを出る液体に関する
空気質量流量の関数としての図１４の陰影を付した領域
により定義されるRMS加速度スペクトルにおける陰影を
付したピークの面積のプロットを示す図である。このピ
ークは、問題の液体流ピーク(LFP)である。LFPの面積
を、ALFPで示す(単位:Ms-2)。

【図１６】図１５の供給ノズルに関する400ヘルツにお
けるピークの面積(ALFP)の一次従属性を、200、250及び
300SCFMの空気流量に関する水流量の関数として示す図
である。

【図１７】図１４にRMS加速度スペクトルが示さている
同じノズルに関する0〜50ヘルツの範囲にわたる150gpm
の水及び248SCFMの空気についての図４に示すように取
り付けられた動的圧力変換器に由来するRMS圧力スペク
トル(27)(単位:インチ2あたりのポンド数)を示す図であ
る。

【図１８】全50ヘルツの範囲にわたるRMS圧力スペクト
ルの面積(ALFP;単位:インチ2あたりのポンド数)のプロ
ットを、空気流への依存性の弱いことを示す個別的な値
の射出ノズルを出る液体流量に関する空気流量の関数と
して示す図である。

【図１９】図１８の全50ヘルツの範囲にわたるRMS圧力
スペクトルの面積(ALFP)の一次従属性を、水流への依存
性の強いことを示す200、250及び300SCFMの空気流量に
関する水流量の関数として示す図である。

【図２０】RMS加速度スペクトルを0〜1600ヘルツの範囲
に関して図１４に示す同じ射出ノズルについての150gpm
の水及び370SCFMの空気に関する0〜6400ヘルツの範囲に
わたる図４｛位置(２６)｝に示すように取り付けられた
加速度計に由来するRMS加速度スペクトルを示す図であ
る。

【図２１】RMS加速度スペクトルを、射出ノズルを出る
個別的な値の液体に関する空気質量流量の関数として図
２０に示すノズルに関し、0〜6400ヘルツの範囲にわた
るRMS加速度スペクトルの面積のプロットを示す図であ
る。

【図２２】図２１の射出ノズルに関するRMS加速度スペ
クトルの面積(ALFP)の一次従属性を、200、250及び300S
CFMの空気流量に関する水流量の関数として示す図であ
る。

【図２３】230SCFMの空気流量及び0gpmの水流量に関
し、図１３乃至図２２に示すものとは異なる設計の射出
ノズルのRMS加速度スペクトル(0〜1000ヘルツ)を示す図
である。600ヘルツ附近の陰影を付したピークは、LFPで
ある。尚、図２３乃至図２７は、230SCFMの一定の空気
流量及び0〜240に変化する水流量に関し、図１３乃至図
２２に示すものとは異なる設計の射出ノズルのRMS加速
度スペクトル(0〜1000ヘルツ)を示す図である。

【図２４】230SCFMの空気流量及び150gpmの水流量に関
し、図１３乃至図２２に示すものとは異なる設計の射出
ノズルのRMS加速度スペクトル(0〜1000ヘルツ)を示す図
である。600ヘルツ附近の陰影を付したピークは、LFPで
ある。

【図２５】230SCFMの空気流量及び240gpmの水流量に関
し、図１３乃至図２２に示すものとは異なる設計の射出
ノズルのRMS加速度スペクトル(0〜1000ヘルツ)を示す図
である。600ヘルツ附近の陰影を付したピークは、LFPで
ある。

【図２６】230SCFMの空気流量及び100gpmの水流量に関
し、図１３乃至図２２に示すものとは異なる設計の射出
ノズルのRMS加速度スペクトル(0〜1000ヘルツ)を示す図
である。600ヘルツ附近の陰影を付したピークは、LFPで
ある。

【図２７】230SCFMの空気流量及び200gpmの水流量に関
し、図１３乃至図２２に示すものとは異なる設計の射出
ノズルのRMS加速度スペクトル(0〜1000ヘルツ)を示す図
である。600ヘルツ附近の陰影を付したピークは、LFPで
ある。

【図２８】図２３乃至図２７の水流量(gpm)のプロット
を、図２３乃至図２７における陰影を付したピークの高
さの関数として示す。

【図２９】オイルとスチームとの混合物を稼動している
接触分解装置に射出している供給ノズルに関する800〜2
500ヘルツの範囲にわたるRMS加速度スペクトルを示す図
である。加速度計の位置は、供給ノズルの「ロッディン
グ」プラグ上である｛図４の位置(24)｝。ブロック弁の
開放状態は、この図に示してある。供給ノズルに関する
LFPも示す。

【図３０】オイルとスチームとの混合物を稼動している
接触分解装置に射出している供給ノズルに関する800〜2
500ヘルツの範囲にわたるRMS加速度スペクトルを示す図
である。加速度計の位置は、供給ノズルの「ロッディン
グ」プラグ上である｛図４の位置(24)｝。ブロック弁の
開放状態は、この図に示してある。供給ノズルに関する
LFPも示す。

【図３１】オイルとスチームとの混合物を稼動している
接触分解装置に射出している供給ノズルに関する800〜2
500ヘルツの範囲にわたるRMS加速度スペクトルを示す図
である。加速度計の位置は、供給ノズルの「ロッディン
グ」プラグ上である｛図４の位置(24)｝。ブロック弁の
開放状態は、この図に示してある。供給ノズルに関する
LFPも示す。

【図３２】オイルとスチームとの混合物を稼動している
接触分解装置に射出している供給ノズルに関する800〜2
500ヘルツの範囲にわたるRMS加速度スペクトルを示す図
である。加速度計の位置は、供給ノズルの「ロッディン
グ」プラグ上である｛図４の位置(24)｝。ブロック弁の
開放状態は、この図に示してある。供給ノズルに関する
LFPも示す。

【図３３】図２９乃至図３２における供給ノズルに関
し、オイル流量と「オイルピーク」の面積(ALFP)により
定義されるRMS加速度との間の相関関係を示す図であ
る。

【符号の説明】 １…供給ノズル ３、１５…触媒流 ５…マニホールド ６…ノズルへのオイル流 ７、１２、１７…ブロック弁 ９、１８…スチーム １０、１９…制流オリフィス １１、１６…オイル １４…霧化オイル ２０…オイル/スチーム混合点 ２１…ノズルのバレル ２３…噴霧 ２４…振動センサ ２５…ロッディングプラグ ２６…フランジ ２７…動的圧力変換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ ランバート ベイカー ジュ ニア アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 19373 ソーントン メイメル ドライヴ 21 (72)発明者 ジャラルド ヴィンセント ストーク ジ ュニア アメリカ合衆国 ニュージャージー州 08807ブリッジウォーター レッド オー ク ウェイ 27

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二相液体/気体射出ノズルに流入する液
   体流の質量流量を測定する方法であって、 (a)液体流ピークのパワースペクトル密度の面積が、前
   記ノズルを通る液体流量に対して単調増加関係を有する
   一連の液体流ピークを含む周波数帯にわたる前記ノズル
   に非常に近接した振動センサからの信号からパワースペ
   クトル密度を測定する工程と、 (b)前記液体流ピークを含む前記パワースペクトル密度
   の面積の大きさを測定する工程と、 (c)前記液体流ピークを含む前記パワースペクトルのい
   ろいろな大きさの前記面積と、前記ノズルに関する液体
   流の質量流量との間の所定の相関関係から、前記ノズル
   を通る液体流の質量を測定する工程、を含むことを特徴
   とする方法。
2. 【請求項２】 前記振動センサは、加速度計であること
   を特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記振動センサは、前記ノズル内の前記
   流体と接触している圧力変換器であることを特徴とする
   請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記パワースペクトルの周波数帯は、0
   ヘルツから6400ヘルツまでに及んでいることを特徴とす
   る請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 工程(b)及び(c)で測定された前記面積
   は、液体流ピークのみを含むことを特徴とする請求項１
   記載の方法。
6. 【請求項６】 工程(b)及び(c)で測定された前記面積
   は、顕著な液体流ピークのみを含むことを特徴とする請
   求項１記載の方法。
7. 【請求項７】 前記センサからの信号の帯域通過フィル
   ターを施した部分が、液体流ピークの面積を直接測定す
   るのに使用されることを特徴とする請求項１記載の方
   法。
8. 【請求項８】 振動信号の処理が、各ノズルに近接した
   ポータブルユニットにより行われることを特徴とする請
   求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 前記単調増加関係が、ほぼ直線であるよ
   うに、全ての測定が、面積の平方根を用いて行われるこ
   とを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 【請求項１０】 液体流ピークの高さ(RMSピーク)を用
    いることを特徴とする請求項１記載の方法。