熱式ガス質量流量計――バイオガス流量測定の最適な選択肢

Thread Content

バイオガスの回収利用は、国と国民に利益をもたらし、環境を保護する有益なシステム工学です。各国は、バイオガスの回収・利用技術を積極的に発展させるため、人的・物的資源を投入している。そのバイオガス発電技術は国際的にも比較的前衛的な技術であり、これを**習得しているのはごく少数です。企業が重視するのは経済的効果と社会的効果であり、1m3のガスが一体いくつの電力を生み出せるかという点です従来のいくつかの流量計は、バイオガス測定への応用において、実際にはあまり理想的な効果を発揮しないことが証明されている。熱式ガス質量流量計の技術が成熟し、製品の実用性と利便性が高まるにつれて、ますます多くのバイオガス発電企業やバイオガス回収企業がこの熱式ガス質量流量計を採用し始めている。熱式の成功的な使用により、長年にわたり業界を悩ませてきたバイオガス計量の難問が解決された。ここでは、熱式ガス質量流量計の特徴、原理、使用法、および他のタイプの流量計との性能比較について説明する。 渦流流量計（ガス）　　▲ 渦流流量計の特徴：可動部品がなく、計測精度が高く、圧力損失が少ない　　検出素子は測定流体に触れず、出力信号は流体の温度、圧力、密度、成分、粘度などのパラメータとは無関係です。 　　▲ 渦流流量計の原理：流体力学におけるカルマン渦列の原理を応用して、流体の流量を測定するものです。渦発生体（円柱、三角柱などの非流線形対称体）を管路に垂直に挿入すると、流体が管路内を流れる際に、渦発生体の後方の左右両側で交互に渦が発生し、渦列が形成される。これら2つの渦は互いに平行な状態を形成し、左右交互に現れ、回転方向は反対です。渦の周波数f（Hz）は、流体の平均流速v（m/s）および渦発生体の幅（m）と次のような関係にある：f=St*v/d（Stはストラウハル数で、渦発生体の幅dと流体のレイノルズ数に関連する）。▲渦街流量計の使用は比較的簡単で、設置も容易であり、挿入型と管内型の2種類がある。取り付ける際は、流体の流れの方向が流量計の示す方向と同じであることに注意する必要があります。 　　▲ 渦流流量計の欠点：測定範囲比が熱式ガス流量計より狭い（ほとんどが10：1のみ）；振動の影響を受けやすい；配管のサイズと価格が比例する；温度・圧力補正が必要でなければ測定できない；小さな流量範囲では感度が悪く不安定で、ほとんど測定不可能である。 超音波流量計（ガス）　▲超音波流量計の特長：圧力損失がない；設置が簡単；流体の温度、圧力、粘度などの固有の性質に影響されない；可動部品がない；汚れたガス、腐食性ガス、多成分ガスも測定可能。 　　▲超音波流量計の原理：配管内で順流および逆流方向における超音波の伝播時間を測定し、計算によって流体の流速を求める。流体の流量は、媒体の流速や管径、そしてレイノルズ数による流体の動力学的な補正を行うことで求めることができる。 　　具体的には：管の中に「Z」字型に一対の超音波センサーを配置し、2つのセンサー間の距離Lを超音波の伝播距離とする。2つのセンサー間における超音波の順流および逆流の伝播時間は、それぞれ次のように表される： Ts=L/(C+Vcosθ); Tn=L/(C-Vcosθ) ここで、Cは静止した空気中での音速であり、気体の性質に応じて変化する値である。単位はm/s。Vは気体媒体の流速で、単位はm/sです。θは音波の進行方向と管軸線との間の角度である。 　　▲超音波流量計の使用も比較的便利です。配管の表面に「Z」字型に取り付ける際は、センサーを取り付ける部分を滑らかに磨き、バターを塗ってから、固定具を使ってセンサーを配管にしっかりと締め付ければよい。 　　▲超音波流量計の欠点：測定範囲比は熱式ガス流量計に比べてわずかに狭く、メンテナンスがやや面倒です。ガス用の精度が高いものは価格が高く、計測には温度・圧力補正が必要で、設備構成も煩雑です。 ローター式流量計（ガス）　▲ローター式流量計の特徴：現場で表示可能、電源不要；価格が比較的安い；　材質には2種類あり、一般的に使用されるのはガラス管式ローター式流量計と金属管式質量流量計です。現地表示と遠隔表示の両方が可能で、インターフェースにはHART、標準電流信号、PROFIBUSなどがあります。 　　▲ローター流量計の原理：ローター流量計も速度式流量計の一種です。それは二つの部分から構成されており、一つは上が大きく下が小さい円錐形の管で、もう一つはその円錐形の管の中に入っているローター（フロートとも呼ばれる）です。ローターと円錐形の管壁との間の隙間（スロットル面積）を流体が通過する際に生じる圧力差△Pを利用して、ローターの重量をバランスさせる。作動時、測定対象の流体は円錐形チューブの下端から流入し、上端から流出する。流体がローターに与える上向きの支持力Fは、常にローターの重量Gに等しく、すなわち　　F=△P*A; G=V*(ρt-ρf)g　となる。F=Gであるため、△P*A= V*(ρt-ρf)gとなり、　　△P=V*(ρt-ρf)g/A(1)となる。ここで、Vはローターの体積、Aはローターの最大断面積、gは現地の重力加速度であり、ρtおよびρfはそれぞれローターの材質と測定対象となる流体の密度を表す。△Pはローターの垂直方向における上下の流体の圧力差である。式(1)からわかるように、作業全体を通じて圧力差は一定である。流量が増加すると、もちろん節流面積を通る流速も増加する。圧力差△Pを一定に保つためには、節流面積を大きくして流速を下げるしかない。したがって、ローターの平衡位置の高低から流量の大小を読み取ることができる。式(2)で表すことができる。　　Q=k*h(2△P/ρf)1/2(2)　　ここで、kは計器定数、hはローターの浮上高さである。式(1)を代入すると、　　Q=k*h(2gV(ρt-ρf)/(ρf*A))1/2　となる。▲ローター式流量計は使用が比較的簡単で、取り付け時に対応するボルトをしっかり締めればよいが、流体の流れの方向が必ず垂直上向きであることに注意する必要がある。 　　▲ロータメーターの欠点：測定範囲比が小さく10:1；圧力損失が比較的大きい；汚れが詰まりやすい；設置・保守が比較的複雑；振動の影響を受けやすい；温度・圧力補償が必要など；管径の大きさと価格は比例し、一般的にDN200以下である。 熱式ガス質量流量計　　▲熱式質量流量計の特徴：測定範囲比が最大1000：1と広い；小さな流量範囲でも感度が高い；温度や圧力の影響を受けず、ガスの質量を直接測定できる；圧力損失は無視できるほど小さい；大口径で少量流量の場合でも高精度な測定が可能；価格は配管のサイズによる差がほとんどない；精度は最大1％まで達する；使用可能な温度範囲は-40℃から400℃と広い；粉塵や粒子状物質の影響を受けにくい。 　　▲熱式質量流量計の原理：それは熱拡散の原理に基づく流量計です。簡単に言えば、流体の中にある熱源は、流体がそこを通過する際に、その熱源自体の熱が失われます。流体の質量流量が大きいほど、熱源が失う熱も多くなります。このように、理想的な状況下では流体の流量と熱源が失う熱量は等しくなるはずである。したがって、熱量の大きさがわかれば、流体の流量を求めることができる。 　　具体的に、熱式ガス質量流量計（以下、熱式流量計と略す）の実現方法としては、熱式流量計のプローブには2つのセンサーがあり、そのうち1つは基準点となり流体の温度を測定するためのものです。もう1つは加熱源となり、熱源として機能します。上述の内容から、次の式（3）が得られる。　　P/△T=A+B*(Q)m　(3)　　ここで、Pは電子モジュールが加熱源として供給する出力であり、△Tは加熱源と基準点との間の温度差である。AおよびBは流体自体の性質に関連する定数であり、mは同様に流体の性質に関連する指数係数である。Qは流体の質量流量である。式(3)からわかるように、流量測定を行うには2つの方法がある。Pを一定にするのが定出力法であり、△Tを一定にするのが定温度差法である。通常、私たちは定温差法を用いて測定します。定温差法の特徴は、狭い測定範囲で高い感度を持ち、反応速度も速いことです。現在市場に出回っている製品はすべてこの方法が採用されています。 　　▲熱式質量流量計は使用や設置が比較的簡単で、挿入型と配管型の2種類があります。挿入式でも管式でも、メンテナンスや操作が非常に簡単です。取り付けの際は、流体の流れの方向が熱式流量計が示す方向と同じであることに注意してください。 　　▲熱式質量流量計の欠点：粘度が高い環境には適していない；水分含有率が40％以上の場所には適していない。 多くの業界での多数の実用事例を見ると、熱式ガス質量流量計はガス測定においてその優位性が特に顕著であり、特に圧力が低くガスの組成が複雑な場合にそうです。熱式ガス質量流量計は、他の流量計と比べて圧力損失が少なく、測定範囲が広く、小流量域での感度が高いという利点があり、より省エネに役立ちます。その成功的な応用により、今後のバイオガス流量測定に向けて正確な計量装置が提供されることとなった。