JPH0654287B2 - パイプラインにおける非ニユ−トン性の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はパイプラインの輸送流体の非ニユートン性を測
定する装置に関する。

〔従来の技術〕

パイプラインにおいて、その内部の流体の性質を把握す
ることは操業上極めて重要な問題である。

近年、石油消費量の削減等の目的からCWMがCOM等の高濃
度の石炭スラリをパイプラインにより送給する必要が生
じている。これらの高粘度の流体は、ニユートン流動に
従わない非ニユートン性を示す。

このような非ニユートン流体の非ニユートン性の測定
は、従来パイプラインから流体の一部を採取し、回転粘
度計等のレオロジ測定装置によつて、せん断速度とせん
断応力の関係である流動曲線を求め、この曲線の形で非
ニユートン性を判断するという方法により行つていた。
しかし、このようなオフラインの測定では、パイプライ
ン中のレオロジ的性質が常に一定である場合には問題は
ないが、高濃度石炭水スラリ(CWM)等のように時間の経
過や履歴によりその性質が変化する可能性のある場合に
は、サンプル採取から測定結果を得るまでの時間が問題
となる。即ち、サンプル採取から判定までには少なくと
も数１０分を要し、判定された時点ではパイプライン内
の測定対象流体は数Kmまで移送されていることになる。
パイプラインの運転では、流体的性質の変化、特に粘度
の変化に合わせて流量や圧力をコントロールする必要が
あり、上記したようなオフラインでの測定では、この要
求に十分に応えることはできない。

一方、パイプラインの流体の性質をオンラインで測定す
る方法として、回転式の粘度計や差圧式粘度計を直接パ
イプラインに装着する方法がある。

この回転式粘度計による方法は、パイプ内部に円筒又は
円すい体のロータを挿入し、このロータを管外のモータ
で一定回転数で回転させ、その時にロータに働く回転ト
ルクを連続的に測定する方法である。このトルク測定値
は粘度に比例するから、このトルク値から粘度を知るこ
とができる。

しかし、この方法はパイプラインの管内にロータ等の構
造物を入れる必要がある上、管内の流体の流れの影響を
補正する必要がある等の問題がある。

差圧式粘度計による方法は、パイプラインに流量計と差
圧計を設置し、流量Ｑと圧力損失値ΔＰを連続的に測定
し、ハーゲンポアズイユの法則から、ある流量値での見
かけの粘度を測定する方法である。この方法の場合、上
記した回転粘度計を用いる場合のような欠点はないが、
検出される見かけの粘度は、流体の粘度増減傾向を知る
上では参考となるものの、非ニユートン性を知ることは
不可能である。

〔発明の概要〕

本発明は上記した従来技術の欠点を改善するためになさ
れたもので、パイプラインを流れる流体の非ニユートン
性をオンラインで測定できる測定装置を提供しようとす
るものである。

この目的のために本発明は、パイプラインの途中に形成
された少なくとも３つの異なる管径を有する異径管部
と、該各異径管部の差圧を測定する差圧計と、各異径管
部の１つの異径管部の差圧値からニユートン流体と仮定
して他の異径管部の計算差圧値を演算する装置と、該計
算差圧値と前記差圧計からの実測差圧値とを比較する比
較装置とを有することを基本的な特徴とするものであ
る。

ここで、非ニユートン流体の種類について説明してお
く。第３図は流動曲線と呼ばれているもので、横軸にせ
ん断応力τ、縦軸にせん断速度をとつたものである。
パイプ内流れにおいては一般にパイプ壁面におけるせん
断速度とせん断応力で表わしており、これらは下式のよ
うに定義される。

但し、Ｑ：流 量 Ｒ：管内半径 ΔＰ：圧力損失 ｌ：差圧測定区間 Ｒ、ｌは既知であるから、差圧計によりΔＰ及び流量計
よりＱを求めれば、，τが求まることになる。ニユー
トン流体の場合は、，τの関係は次に示すようにハー
ゲンポアズイユの式で表わされる。

図示する各曲線の名称と関係を下式に示す。

ニユートン流体 ビンガム流体 べき乗則流体 ｎ＞１：擬塑性流体 ｎ＜１：ダイラタント流体 降伏値付きべき乗則流体 但し、η：粘 度 ｎ：レオロジ指数 τ_０：降伏応方 いま差圧計、流量計により、τ，を求めその比からη
を求めたとしても、ニユートン流体であるとわかつてい
る時は一義的に流動曲線が求まるが、パイプライン内の
流体の性質が不明の時には流体の性質及び流動曲線を知
ることは不可能である。

そこで本発明は、パイプライン中に異径管部を少なくと
も３ケ所設けて、この３ケ所における，τを測定し、
この実測値とニユートン流体と仮定しての計算値とを比
較することにより非ニユートン性をしようとするもので
ある。

〔実施例〕

以下実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

第１図において、パイプライン本管Ｘの途中に内径差の
ある測定管Ｓ，Ｍ，Ｌが介装されており、径差部を構成
している。各測定管Ｓ，Ｍ，Ｌには夫々差圧計1_S,1_M,1_L
が装着され、各管の差圧ΔＰを計測するように構成され
ている。この差圧計１は、通常の差圧計で良く、静圧計
を２個組合せて差圧計を構成しても良い。測定管Ｓ，
Ｍ，Ｌの間はレジユーサＲで接続し、流体の流れを阻害
しないようにしておく。また測定管全体をテーパ状に形
成し、長さ方向に離間した３ケ所に計を設けて異径管部
としても良い。

測定管Ｓ，Ｍ，Ｌの径は径差があれば任意であるが、こ
の実施例では測定管Ｍの内半径R_Mを本管Ｘの内半径と同
径とし、せん断速度を本管と合致させている。

なお測定管Ｓ，Ｍ，Ｌのうち１本を本管Ｘとしても良
い。またテーパ管を用いる場合には本管Ｘに１ケ所、テ
ーパ管に２ケ所差圧計を設けるようにする等種々の態様
が可能である。

差圧計１のうち任意の１つの出力を演算器２に接続して
ある。この実施例では中間の内径を有する測定管Ｍに装
着した差圧計1_Mを演算器２に接続してある。

この演算器２は、差圧計1_Mからの出力値を基準に他の測
定管Ｓ，Ｌにおける値を演算するものである。この時、
管内を流れる流体をニユートン流体と仮定して演算す
る。この実施例では、演算器を2_L,2_Sと２個用意し、夫
々、管Ｌ，Ｓにおける値を演算するようにしている。

いま、差圧計1_S,1_M,1_Lからの出力を単位長さ当りの圧力
損失勾配ｉに換算した信号E_L,E_M,E_SＥαΔＰατ）とす
ると、演算器2_L,2_Sでは夫々E_Mを入力し、E_M×B_L ⁴,E_M×B
_S ⁴を演算する。ここで、 但し、Ｒ_Ｍ：測定管Ｍの内径 Ｒ_Ｓ：測定管Ｓの内径 Ｒ_Ｌ：測定管Ｌの内径 このE_MB_L ⁴,E_MB_S ⁴は管を流れる流体をニユートン流体と
仮定して、ハーゲンポアズイユの式から導いた夫々管Ｍ
とＳ，Ｌの管径差を考慮した値である。これらの値E_M,E
_M×B_L ⁴,E_M×B_S ⁴の各点を第４図と第５図のln−lnτ関
係を示すグラフ上に表示すれば、レオロジ指数ｎ＝１の
ニユートン流体を表わす直線上にのる。

上記E_M×B_L ⁴,E_M×B_S ⁴は差動増幅器3_L,3_Sに入力され、こ
こで差圧計1_L,1_Sからの実測値との差分が増幅出力され
る。図示する入力端子の接続では増幅器3_L,3_Sの出力
ε_L,ε_Sは下式で表わされる。

ε_L＝E_L-E_M×B_L ⁴…… ε_S＝E_M×B_S ⁴-E_S…… ε_L,ε_Sの差分は、測定管Ｓ，Ｌにおけるニユートン流
体からのずれを示すものである。従つて、ε_L,ε_Sの大
小や正負を知れば、管内を流れる流体の非ニユートン性
を判断できる。

前述した非ニユートン流体の各種について、ε_L,ε_Sが
どの様に変化するかを説明する。まず、べき乗則流体の
場合を考えてみる。べき乗則流体の指数ｎは、レオロジ
指数と呼ばれ、非ニユートン性を表わす１つの指標であ
る。せん断速度とせん断応力の関係を両対数グラフ上に
表わすと、第４図及び第５図のように指数ｎに応じた傾
きの直線で表わすことができる。また図中には、ニユー
トン流体（ｎ＝１）及びε_S,ε_Lを合わせて示してい
る。ε_S,ε_Lは下式で表わせれ、B_L,B_Sが装置で定まる定
数であるので、指数ｎに応じて正負の値をとり、指数ｎ
のニユートン流体（ε_S＝０，ε_L＝０）からのずれを検
出することができる。

次にビンガム流体の場合を説明する。ビンガム流体の流
量と圧力損失の関係は、バツキンガムレイナの式と呼ば
れる次式で表わされ、式中カツコ内の第２項以降が非ニ
ユートン性を表わす項である。

式中の微少項を省略して、ビンガム流体のε_S,ε_Lを表
わすと下式の様に表わすことができる。

ε_L,ε_Sは、B_L,B_Sが装置で定まる定数であるので、降伏
値ｎに比例した値をとり、ニユートン流体（τ₀＝０、
つまりε_L＝ε_S＝０）からのずれを検出することができ
る。

以上説明した各流体のε_L,ε_Sの正負関係をまとめる
と、下表の様になる。

実際のパイプライン内の流体では、前述した様な理想的
なビンガム流体やべき乗則流体である場合はむしろ少な
く、両者の性質を合わせ持つ降伏値付きべき乗則流体や
あるいはもつと複雑な曲線を持つ場合が少なくない。こ
の場合には、レオロジ指数ｎや降伏置τ₀の大小の組み
合わせにより、ε_L,ε_Sの値は正負を一意的に決めるこ
とができないが、いずれの値でも、ε_Lとε_Sの両者が同
時に零となることはなく、明らかにニユートン流体（ε
_L＝ε_S＝０、同時に零）と区別することができる。

上記した出力ε_L,ε_Sは、この実施例では更に乗除演算
器4_L,4_Sに入力させ、ここでE_Mを除した上、適当なスケ
ーリング定数をかけた上で、表示器5_L,5_Sに表示するよ
うにしている。演算器4_L,4_Sからは表示用とは別に制御
用のコントロール信号を出力している。

第２図は他の実施例を示すもので、マイクロプロセツサ
等の演算処理装置７を用いた例を示している。ここでは
差圧計（図示省略）からの出力E_L,E_M,E_SをA/Dコンバー
タ６でデジタル化した上、演算処理装置７により処理し
ている。この処理は、第１図の実施例における定数演算
器２、差動増幅器３、乗除演算器４による処理と同一の
処理である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の測定装置によればパイプ
ラインにおける流体の非ニユートン性をオンラインにて
測定でき、流体の性質の変化を逐次知ることができるた
め、パイプライン操業を効率的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、第２図は
他の実施例を示すブロツク図、第３図はニユートン流体
と非ニユートン流体の性質を示す流動曲線図、第４図と
第５図は実施例の動作を説明する流動曲線図である。 １……差圧計、２……定数演算器、３……差動増幅器、
４……乗除演算器、５……表示器、６……A/Dコンバー
タ、７……演算処理装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パイプラインの途中に形成された少なくと
   も３つの異なる管径を有する異径管部と、該各異径管部
   の差圧を測定する差圧計と、各異径管部の１つの異径管
   部の差圧値からニユートン流体と仮定して他の異径管部
   の計算差圧値を演算する装置と、該計算差圧値と前記差
   圧計からの実測差圧値とを比較する比較装置とを有する
   ことを特徴とするパイプラインにおける非ニユートン性
   の測定装置。