超大型管径流量計の選定

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超大型管径とは、一般的に1メートルを超える管径のことで、円管／角管／長方形管が含まれます。超大型の管径では、管の体積が非常に大きいため、設計上は占有スペースを削減しコストを節約する方法が主に考慮される。したがって、配管の敷設長さには流量計の取り付け要件は考慮されず、前方10、後方5の取り付け用直管区間の距離も存在しない。これはほとんどの流量計の適用においてかなり大きな制約があり、無理やり採用しても性能は非常に悪くなる。この問題をどう解決するか？ まず、大口径パイプラインの流量の特徴について説明しましょう。1.管径は1メートル以上で、中には5.6メートルにも達するものがあります。ほとんどが長方形で、構成が複雑であり、直管区間は非常に短く、通常1Dにも満たない。流速の分布も複雑で、ファンの負荷に応じて絶えず変化する（大きな管径の場合は一般的に風量を測定する）。 2. 管内には渦が存在し、その大きさと位置は流量に応じて絶えず変化する。 3. 圧力損失を低減するため、管内の流速はほとんどが5～10メートル/秒未満であり、常温下における空気の全静圧は15～60Paに過ぎない。 4. ガス中には常に粉塵が含まれており、一般的な圧力差計では詰まりやすい。 ここでは、現在、大口径を測定するために使用されているいくつかの計器について紹介します。測定ポイント数による分類：1）単一点測定　パイプ内の特定の点（例えば中心点）の流速から流量を算出する方法。挿入型タービン、渦流式センサー、二重ヴィンチュリー式、熱式ガス質量流量計などがこれにあたり、これらの測定には直管部の長さが15～25D（D：パイプの直径）であることが前提となる。大きな配管内には不安定な渦が存在するため、ファンの負荷が変わっても一定の平均流速が保たれる可能性は非常に低く、このタイプはほとんど自動制御が導入されていない。ここで一点説明しておく必要があります。多くの流量計メーカーは、自社の計器が風洞で校正され、精度が±1％に達すると主張していますが、これは流速の精度であって、一般的に言う流量とは、流速プロファイル全体の流速の合計値を指します。全体的に見て、直管区間が不十分な場合や、前後に抵抗要素がある場合には、単点測定の測定結果は理想的ではありません。 高い線形性・再現性および信頼性が求められ、精度は許容範囲内であれば十分というような状況においては、SIERRA Instruments社が特別に開発・改良した「現場グリッド選点校正法」を採用することができる。この方法によって、最適な挿入ポイントを選択する。この方法では、熱式ガス質量流量計を用い、1台の流量計で断面内の複数の点（測定データと風量変化の一致度に応じて決定）を選択し流量変化を測定する。そして、各点で得られたデータを数理的に処理して最適な測定点を選び出し、その測定点での流量測定値が線形性が良く、かつ断面全体の平均流量を表すことができるようにする。 2）測定線上の複数点　配管内のある直線上（円管の場合は直径、矩形管の場合は高さまたは幅）の複数点での流速を測定することによって流量を算出し、取り付け方は依然として挿入式の流量計である。単点式と比べて精度が向上し、取り付けも容易ですが、その前の直管部分も少なくとも10Dが必要であり、また管内の流速分布の等速線が同心円に近い形であってこそ、必要な精度を得ることができます。例えば、ある発電所の配管は1平方メートルにも満たないが、配管内に渦が存在するため、その大きさや位置は風量に応じて絶えず変化する。その結果、風量を30～50％の範囲で調整すると、風量が増加するにつれて平均流速管の出力差圧が逆に減少する現象が見られた。（俺も、速度面積法を使って二次風ダクトの流速を測定しているとき、どうやってダンパーの開度を調整しても、その点の流速が0に表示されるという経験がある！）そのため、この測定方法も産業用制御システムでは利用しにくい。 以上のことから、大型ダクトの風量測定は非常に困難であることがわかる。工事現場の条件を変更できない場合は、正確な風量測定を実現するために、現場条件を改善するための適切な対策を講じるべきである。 《1》整流器　測定上の問題を引き起こす要因は、直管部がないことだと既にわかっています。計測用セクションに入る流れが十分に発達した乱流であれば、問題は解決しやすくなります。非常に良い方法は、整流器を取り付けることです。現在推奨されているのは、過去100年間に風洞装置で実績のあるハニカム型整流器です。特徴は、圧力損失を低減するために、流路面積と配管断面積の比率が大きいことです。 《2》多点流速計は、原理としてはピトー管（国内ではピトマスと呼ばれることが多い）による流速測定と同じで、ストレーナーの前後の圧力差を測定することで流速を算出します。ただし、違う点は、測定点の位置や数が関連規格に従ってマトリックス状に構成され、配管内の流速分布を十分に反映させる点です。測定点が多ければ多いほど、配管内の流速分布をより正確に反映できる。 《3》自動ブロー装置 火力発電所の一次・二次空気には避けられず粉塵が含まれており、圧力差を測定して流量を算出する計器は詰まりやすく、火力発電所での利用が制限されている。この問題を避けるために、逆送装置を用いて定期的に配管をブローする。 《4》計量とは、すべてのデータをシステム内で処理した後に流量値を出力することで、これは非常に細かく、かつ複雑です。流量の積算などについては、ここでは簡単に触れるだけにします。 多点方式の利点：1.測定精度が高い 2.設置が比較的容易で、圧力損失が少ない。アメリカの火力発電が市場の90％以上を占めていると言われている（確認済みではない）。我が国がこの技術を導入してからまだ数年で、現在も改善が進められている段階です。もちろん、現在海外では既に、従来の圧力差式流量計に代わってマトリックス型熱式質量流量計が徐々に使用され始めています。現在、この技術は我が国の一部の発電所で既に成功裏に導入されています。熱式ガス質量流量計には高いブランド品質が求められ、国産品の使用寿命は非常に短く、故障率も高く、線形性も悪い。現在、国内外でこの分野で主に使用されているのは、SIERRA/FCI/KURZという3大ブランドです。熱式ガス質量流量計を選ぶ主な利点は、線形性と再現性が高く、圧力損失がないこと、測定範囲が広いこと、質量流量を直接測定でき温度や圧力の補正が不要なこと、管径が流量計の価格に与える影響が小さいこと、管径が大きいほど熱式の方が有利であること、他のすべての流量計と比べて設置が最も簡単で、設置コストとメンテナンスコストも最も低いことです。以上の特徴から、大口径での流量測定において、ますます主流の選択肢となっています。