ガス流量計の選定

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媒体特性 煤気には多くの種類があり、成分も非常に複雑である。煤気は一般的に天然ガスと人工ガスの2つの大きなカテゴリーに分けられる。ガスの主な成分は、CO、H2、CO2、N2、O2、CH4、H2Sなどであり、その成分比率はガス製造プロセスによって異なります。 人工ガスとは、石炭を原料として加工し、可燃性成分を含むガスのことです。製造方法、ガスの性質、用途によって、ガス化によって得られるものは水素ガス、半水素ガス、空気ガス（または発生炉ガス）に分けられる。石炭乾留法でコークス製造時に得られるガスは、コークス炉ガス、高炉ガスと呼ばれる。 ガスには腐食性と毒性があり、腐食性の成分としては主に硫化水素、二酸化硫黄、二酸化炭素などがある。これらのガスは、水蒸気がある場合にのみ腐食性を持つ。有毒なガス成分（一部の副生ガスにはこれらの成分が含まれていないものもある）には、硫化水素、アンモニア、ベンゼンなどがあり、これらの成分は主にコークス炉ガスに含まれている。多くのガスには粉塵が含まれており、その量は処理工程によって異なります。また、ガスには湿気やタールが含まれていることもある。 実際の運用条件 石炭ガスの実際の運用条件はかなり複雑で、明確な定式化は存在しない。製造工程が異なるため、現場の実際の作業条件にも差があります。比較的一貫した特徴としては、静水圧が低く、流速が低く、許容される圧力損失が小さいことが挙げられます。一般的に、管径を小さくする方法で流速を上げることは許されない。一部のガス流体には湿気が含まれており、測定対象物にも少量の水が含まれていて、配管の底部で層状に流動している。測定対象の水素含有量が比較的高く、流体の密度が低いため、最小流量と最大流量の差が大きく、輸送パイプラインは大口径で、直管区間の距離が短い。 計器の種類と使用法
ガスの流量を測定するための流量計には多くの種類があるが、石炭ガスの流量を測定するのに適した計器はほとんど見当たらない。これは主に石炭ガスの特性によるものである。タールなどの粘性物質が存在するため、回転式の容積流量計の使用は困難であり、ガスタービン流量計やローター流量計も適していない。密度が低く、流速も遅いため、流量の変動幅が大きく、使用時のピーク時とトレンド時の流量には20倍以上の差が生じる。そのため、渦街流量計や差圧式流量計の使用が制限される。現在、主に差圧式流量計と熱式ガス質量流量計があり、一部ではガス超音波流量計も使用されている。ここでは、主な流量計の用途について説明します。（1）渦街流量計：ガスの特性として、流速が低く、圧力も低いため、流量の変動幅が大きく、腐食性を持つものもある。また、加圧装置による装置の振動や、ガスのランダムな脈動圧力なども、渦街流量計の測定に影響を与えます。また、実際の使用においては、5m/s以上の流速を保つことは非常に難しい。したがって、渦街はガス流量の測定には適しておらず、現在ではほとんど利用されていない。 （2）オリフィス差圧流量計：差圧式流量計は適用範囲が広く、歴史も長い。ガス流量の測定においても、特定の場合には一定の適用例がある。しかし、差圧式流量計自体の欠点や不足も、より広範な利用を制限しており、例えば取り出し配管に水滴が付着すると圧力差の値が不正確になる。負荷変動が大きいプロセス条件では、差圧式流量計の低い測定範囲比では要求を満たすことができない。大口径流量計は設置要件が厳しく、施工も困難であり、これらはすべて圧力差式流量計に課される制約です。ガスにはほこりが含まれており、標準的な孔板ではこの環境で使用できない。この欠点を克服するため、交換可能な孔板や複数のチューブを並列に接続するなど、さまざまな流量制御装置が開発された。効果には良し悪しがあり、さらに特定の条件の下でなければ良好な効果は得られない。 （3）等速管差圧流量計：等速管も差圧式流量計に分類されます。大口径のガス流量測定において、交換可能な孔板を選択する場合、製造コストが高く、設置も煩雑で不便である。そのため、測定データがプロセス監視のみに使用され、精度もそれほど求められない場合は、均速管式差圧流量計を選択することも多くの顧客が検討する選択肢の一つである。定速管差圧流量計をガス流量の測定に用いる際の成否の鍵は、取圧管が水滴や汚れた粒子によって塞がれないことです。標準的な定速管製品に搭載されている遮断弁はほとんどがピンチバルブであり、通過径が小さいため、流体中の水蒸気が凝縮して水滴となったり、流体中の大きな粒子状の不純物が圧力導入管路を塞ぐ可能性がある。実際の適用効果を見ると、問題が多く、故障率が高く、メンテナンス量も多い。 熱式ガス流量計：熱式流量計は、熱拡散の原理に基づいて設計された流量計です。つまり、流体が発熱体を流れる際に、その発熱体から失われる熱量は流体の流量と一定の比例関係にあるという仕組みです。このシリーズの流量計には2つの標準級RTDが搭載されており、1つは熱源として、もう1つは流体の温度を測定するために使用されます。流体が流れると、これら2つの間の温度差は流量の大きさと線形の関係になり、マイクロエレクトロニクス制御技術を用いて、この関係を流量信号の線形出力に変換します。熱式ガス質量流量計は、極めて低い流速の微量流量を測定でき、可動部品がなく、信頼性が高いという特徴があります。圧力損失は非常に小さく、ほとんど無視できる。質量流量を直接測定し、温度や圧力の補正は不要です。測定範囲比は1000:1と非常に高く、価格は管径にあまり依存せず、特に大口径の場合にコストパフォーマンスの優位性が際立ちます。また、取り付けが簡単で振動にも強いです。繰り返し性能が高く、ほぼメンテナンス不要。 (5) ガス用超音波流量計：ガスの流量を測定するための超音波ガス流量計で、一般的には測定用の管部を内蔵し、超音波トランスデューサーなどで構成される時間差法による流量計測装置である。トランスデューサーは一般的に管壁に沿って取り付けられ、流体と直接接触しており、あるトランスデューサーから発信された超音波パルスは別のトランスデューサーによって受信され、その逆もまた同様です。超音波パルスは、まるで川を渡るフェリーのように管中を伝わります。流体が流れていなければ、音波は同じ速度で両方向に伝播します。気体の流速がゼロでない場合、気流の方向に沿って順流と逆流の両方向での伝播速度は異なります。この2つの伝播時間の差から、流体の気体流速を計算することができます。ガス用超音波流量計は、測定精度が高く、圧力損失がなく、測定範囲が広く、設置が簡単（配管に穴を開けたり溶接したりする必要がない）ため、汚れたガス、湿気の多いガス、腐食性のあるガス、混合ガスなど、さまざまな厳しい使用環境にも適用でき、かつ双方向での測定が可能です。各ブランドの技術性能に差があるため、現在の高価格がその利用を直接的に制限している。 総合的に比較すると、熱式ガス質量流量計はガス流量の測定においてその優位性がかなり明確である。 （1）設置：誘導式流量計（均速管を含む）は、ガス流量を測定する際に、温度・圧力補正が必要である。設置工事の量が多く、設置コストも高い（特に大口径の場合）。付属品を過剰に取り付けると、漏れや滴りの問題が発生しやすく、**日常のメンテナンス作業が増えてしまいます。熱式ガス流量計におけるガス流量の測定では、温度や圧力の補正は不要であり、測定される流量値は質量流量となる。これにより、他の流量計がガスを測定する際に必要となる圧力安定化のための補正機能が不要になる。設置コストを削減すると同時に、漏れ箇所や故障箇所を減らし、計器が長期間安定して動作する信頼性を確保した。センサー部品はほとんど圧力損失がなく、衛生上の死角や詰まりなどが発生せず、センサーシグナルのサンプリングに影響を与えません。特別に設計されたステンレス製の圧縮部品用の接続口を選択することもできます。この接続口は特別な設計が施されており、配管から何度も流量計を取り外しても損傷しないようになっています。オンラインで流量計を止めることなく取り外せるため、ユーザーの生産工程の管理や調整に大きな便宜をもたらします。また、腐食性のある媒体を用いたガス流量の測定においては、熱式ガス流量計では耐腐食性に優れた素材のプローブを選択することができます。タールを含むガスの流量計測において、熱式流量計は2つの方法で対応することができる。1つ目の方法は軸方向プローブを使用するものであり（現在、図のような製品が国際的にも市販されている）、顧客が定期的に汚れを清掃しやすくするために、熱掘削モデルや穿孔ツールも用いられている。適切な手段により、熱式ガス流量計のプローブが汚れた物質で覆われても、ガス供給を停止することなく、オンラインでプローブを清掃することが可能になる。2つ目の方法は、熱式ガス流量計のプローブに特別な処理を施し、タール汚れがプローブに付着する時間を長くするとともに、プローブの洗浄を容易にすることです（図参照）。 2）測定範囲：熱式ガス流量計は、下限が0.05Nm/s、上限が100Nm/sに達するガスの流量値を計測できる。測定範囲比は1：1000まで可能です。ガス用超音波流量計は、流量範囲が0.01m/s～25m/sであるのを検出できます。これら2種類の流量計は、異なるガス負荷の変動によって生じる広範囲な流量変化に対応できる点が、熱式ガス流量計が他の流量計より優れている最も顕著な特徴です。圧力差式流量計は、計器信号（圧力差）と流量が二乗関係にあるため、一般的な測定範囲は3:1～4:1に過ぎません。現代の科学技術の発展と電子計算機の応用により、広範囲の測定が可能な差圧変換器が登場し、差圧式流量計の測定範囲比も大幅に向上しました。現在、差圧流量計の測定範囲比は1：10に達していますが、流量の変動幅が大きい場合には依然として要求を満たすことができません。 （3）精度：熱式ガス質量流量計は40年以上にわたる発展を経て、各技術が大きく進歩している。現在の熱式ガス質量流量計は、単一媒体のガスを測定する場合、総合精度が±1.0%FS（1:100の測定範囲内）に達し、再現性は±0.25%FSであり、これはガス測定において非常に高い精度です。しかし、ガスの成分は多種多様な物質から成る混合気体であるため（他の混合気体に関する研究も同様であり、参考にできる）、混合気体の成分が変化すると、その気体の物性パラメータも変化することになる。測定対象となるガスの成分変化が流量計の出力信号に与える影響については、ほとんどの流量計には有効な対処法がない。一方、熱式ガス質量流量計は成分補正アルゴリズムおよび温度補正アルゴリズムを用いる。この方法の意義は、測定対象となるガスの成分や温度が変化した場合でも、これらの補正アルゴリズムを適用することで、成分や温度の変化に起因する誤差を除去できる点にある。一度の校正（通常は空気を校正媒体として使用）を行えば、さまざまな成分や温度条件で使用できるため、再度ガスを調合して校正する作業量とコストを節約できます。熱式ガス質量流量計の普及と応用に向けた技術的基盤と保証が確立されました。熱式ガス質量流量計は線形性と再現性に優れているため、ガスの流量測定において、取引用の計量ではなくプロセス制御用の計量として使用する場合、コストパフォーマンスを考慮すれば、熱式流量計が間違いなく最良の選択肢です。圧力差式流量計は様々な要因の影響を大きく受け、設計から製造、設置に至るまでどの段階で問題が生じても、かなり大きな誤差が生じます。特に低流速の測定では、このとき生じる圧力差は非常に小さく、時には数十パスカルや数パスカルといったわずかな値になることもあります。これほど小さな圧力差では、干渉の影響を受けやすく、わずかな水滴や不純物、少量の油汚れだけで圧力差を相殺してしまうほどです。したがって、差圧式流量計でガスを測定する場合、その総合精度が非常に高くなることはあり得ません。また、安定性やメンテナンスの容易さを考慮すると、差圧式流量計は熱式流量計より劣ります。ガス用超音波流量計の優位性は疑う余地がないが、その購入コストはかなり高く、現在では主に取引決済に利用されている。 （4）圧力損失：ガス用超音波流量計は、外付け式取り付け（配管の外部にプローブを設置）であるため、いかなる圧力損失も生じない。熱式流量計は構造上の理由から、動作時の圧力損失が非常に小さく、低流速や大きな管径の場合、その圧力損失は無視できるほどです。一方、差圧式流量計は異なり、圧力損失が大きいことは差圧式流量計の主な欠点の一つです。圧力損失は、省エネルギーにおいて克服すべき主要な課題であり障害です。ガスを長距離で輸送する場合、圧力損失に対する要求はさらに高くなり、そうでなければ電力消費の大幅な増加やその他のコストが発生します。したがって、長期的な観点や省エネ・排出削減の評価基準から見ると、差圧式流量計をガス流量測定システムに適用することは最適な選択ではありません。以下は各種流量計の比較です：
差圧式流量計　均速管流量計　ガス用超音波流量計　熱式ガス質量流量計

圧損　大　小　なし　極めて小さい
両方向の流量測定　できない　できない　できる　できる

再現性　0.1％　0.5％　0.15％　0.2％

設置条件の厳しさ　厳しい　普通　普通　普通
低流速時の性能　悪い　悪い　良い　良い

測定範囲比　10:1　10:1　50:1　100:1

使用寿命　短い　比較的長い　長い　長い

メンテナンスの負担　大きい　大きい
定期メンテナンス　必要　必要

安全性　比較的低い　比較的高い　高い　高い

価格　安い　普通　非常に高い
管径の大きさと反比例する