JPS6020116A - 固気２相流における粉粒体の流量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、各種粉粒体が気体中に分散されて流れている
状態、即ち固気２相流（以下単に２相流という）におけ
る粉粒体の流量測定方法に関し、特に２相流の流れを極
力阻害することなく、該粉粒体の質量流量を正確且つ容
易に測定することのできる方法に関するものである。

２相流を扱うプロセス（例えば高炉操業における微粉炭
吹込みプロセス等）の自動化を円滑に行なうに当たって
まず必要となるのは、粉粒体流ゑを正確筈こ把握するこ
とである。一方２相流輸送プロセスで要求される粉粒体
流量は主として重量単位で扱われるので、２相流々量の
測定に当たっては通常質量流量計が用いられる。この質
量流量計は大別して Ｃ１，）質量流量に比例する量を直接的に検出する方式
の直接型質量流量計（例えばコリオリの力が質量流量に
比例することを利用した力学的方式） （ＩＩ）流速計と密度計とを組合わせて質量流量を測定
する方式の間接型質ゑ流量計（例えば２点間の静電容量
のゆらぎの相関から粉粒体流速を測定し、静電容量の絶
対値から密度を測定する相関方式） 〔■〕差圧式流量計を利用する方式の間接型質量流見計
（例えば配管途中に設けた直管及び拡大管部の差圧によ
りそれぞれ固気比及び気体流量をめ、演算により質量 流量をめる差圧方式） の８方式が門発されている。

しかし〔Ｉ〕の方式では、同相及び気相の各ｉｌｌ流気
の分離把握が困難で正確性に欠ける面があり、加えて加
振部、検出部のメンテナンスが煩雑であるという問題が
ある。又〔■〕の方式では、粉粒体に含まれる水分によ
って誘電率が変化するので測定値に誤差が生じ易く、し
かも粉粒体の管壁への付着により粉粒体密度針の零点が
ドリフトし、メンテナンスが煩雑になるという問題があ
る。更に（１１）の方式では、希薄２相流での相似則が
確認されているだけであるから濃厚２相流には適用でき
ず、又測定部や差圧取出口が粉粒体により閉塞し易いと
いう問題がある。この様に２相流の流量測定方法は未だ
満足できない状態にあり、２相流輸送プロセスを含む諸
設備の自動運転を円滑に行なう為にも早急に測定方法を
改善する必要がある０ 本発明者等はこうした事情に着目し、２相流の流量を簡
単な方法で正確に測定することのできる様な技術を確立
しようとして種々研究を進めてきた。その結果、粉粒体
輸送配管の表面に振動計を取り付け、２相流が配管々壁
に当たって生じる振動加速度のうち特定周波数帯域を一
定の電圧信号として抽出すると共に、該特定域の実効値
を電圧信号として算出し、該更効値に応じた粉粒体質量
流量の電圧信号を取り出して粉粒体の質量流量をめる方
法を提案し先に特許出願を行なった（特願昭５７−１７
０４８８号）。この方法では配管表面に取り付けた振動
計によって得られる振動がら質量流量をめることができ
るので、２相流の流れを実質的に阻害することがなく又
振動計の設置及びメンテナンスが容易であるといった特
徴がある。しかしながら基本的には配管表面の振動（２
相流の流れ方向に対して直交方向の振動）を測定要素と
するものであるから、殊に配管の横方向振動による外乱
の影響を受け易く、測定精度の点でやや難点がある。

本発明はこうした状況のもとで粉粒体流量の測定精度を
更に向上すべく種々研究した結果完成されたものであっ
て、その構成は、粉粒体輸送配管内の適所に、鎖管の略
直径方向に棒状又は管状の振動部材を少なくとも１本押
設し、粉粒体の衝突によって生じる該振動部材の振動を
検知することにより粉粒体の質量流量を測定する方法で
あって、前記振動の検知に当たっては、前記振動部材の
配管々軸方向への振動だけを検知することにより、流量
測定値の外乱となる配管の横振動を実質的に排除すると
ころに要旨を有するものである。

本発明では、例えば第１図に略示する如く粉粒体輸送配
管１の適所に、該配管ｌの略直径方向に棒状又は管状の
振動部材２を挿入配置し、該振動部材２配設部の配管側
壁に振動検知ブロック３を設置すると共に、該ブロック
８の前面（粉粒体の流れに対し上流側に向かう側）又は
後面（粉粒体の流れに対し下流側に向かう側）には、前
記振動部材２の横方向振動（即ち配管の管軸方向で且っ
粉粒体の輸送方向の振動）のみを検出する受振器４を取
り付ける。そして該検出値から後述する様な方法で振動
加速度の実効値を抽出し、予めめておいた振動加速度の
実効値と質量流量の関係から前記実効値に対応する粉粒
体の質量流量をめるものである。ここで先願発明の場合
は、２相流輸送過程で粉粒体が管壁に衝突したときに生
じる配管々壁の振動、即ち配管々軸に対して横方向の振
動を検知要素としており、配管自身の横振動による外乱
を極めて受け易い。その為振動信号の中から粉粒体の衝
突に起因する特定周波数帯域の振動信号のみを抽出しな
ければならず、しかも該抽出信号自体が外乱の影響を受
ける為ＳＮ比の良い振動信号を得ることができず測定精
度に自ずと限界があったが、本発明では、前述の如く粉
粒体の流れ方向に対面して挿設した振動部材２の振動の
うち、質量流量に直接関係する粉粒体流れ方向の振動（
即ち輸送配管の管軸方向の振動）のみを検出して信号処
理する方式であるからＳＮ比が極めて高いものとなり、
高レベルの測定精度が保障される。

ちなみに、例えば粉粒体質量流量：　、９．１　ＫＦＩ
／ｍｉｎ−ガス流速：　１５　ｍ／　ｓｅｃ、固気比：
８．１という条件で粉粒体を空気輸送した場合の特定周
波数帯域（０〜２０　ＫＨｚ　）に詔ける振動加速度の
周波数スペクトルは第２図に示す通りであり、またガス
流速が１５　ｍ／ｓｅａ、の場合の粉粒体質量流量と特
定周波数帯域（θ〜２０　ＫＨｚ　）における振動加速
度の実効値との関係は第８図の通りとなる。従って測定
条件に応じた上記相関々係を予めめておき、実測で得た
振動加速度の実効値を該相関グラフに当てはめれば、そ
のときの粉粒体質量流量を正確にめることができる。

ところで振動検出の為の具体的な信号処理方法としては
、 １）全周波数帯域の振動信号を抽出する方法、２）粉粒
体の質量流量と相関性の高い特定周波数帯域の振動信号
のみを抽出する方法、及び ８）粉粒体の質量流量と相関性の高い特定周波数帯域の
振動信号と、出力の変化しない周波数帯域の振動信号と
の比をとり、正規化する方法、 等が挙げられる。また上記１）〜３）の各方式において
配管内を流れる粉粒体の流速が変わる場合は、振動加速
度の実効値と粉粒体質量流量との関係にも影響が生じる
と考えられるので、配管に流速計を併設して出力値を補
正することも有効である。

上記８方式の具体例を以下に説明の便宜上２）の方式か
ら解説を進める。

上記２）に挙げた信号処理回路についてより具体的な構
成例を示すと、例えば第４図のブロック説明図が挙げら
れる。即ち粉粒体輸送時の粉粒体の衝突によって生じ、
振動検知ブロック８を介して受振器４に伝えられる前述
の様な振動（第１図参照）を常時検知しておき、その検
知信号を信号処理器５内の振動計アンプ６に送る。振動
計アンプ６ではその検知信号が電圧振動信号（以下単に
電圧信号という）に変換された後、バンドパスフィルタ
７へ送られる。バンドパスフィルタ７では送られてきた
全周波数帯域の電圧信号のうち特定周波数帯域の電圧信
号のみを抽出する。ここにいう特定周波数帯域の設定値
は配管１の管径や振動部材２の直径、材質等を考慮して
適切な振動感度が得られる様に予め選択されるもので、
その設定範囲は任意である。ところで特定周波数帯域に
おける周波数スペクトルを測定制御要素として利用する
為には、特定周波数帯域における実効スペクトル値（以
下単に実効値という）としてとらえる必要がある。そこ
で実効値回路８では、まず特定周波数帯域における振動
波形を自乗平方平均値化し、即ち振動加速度（±Ｘ）を
すべて自乗化した後平均化（±ｘ−・ｂｉｏ）し、この
平均化された振動加速度が実効値として、即ち一定の電
圧信号として算出される。

しかし特定周波数帯域にも振動加速度が変化しないいわ
ゆるノイズ領域が含まれることがあるので、この領域に
おけるバイアス分を除去する信号処理がバイアス調整回
路９で行なわれ、上記実効値が補正された後演算回路１
０に送られる。

演算回路１０は例えば前記第８図に示した如き予備実験
で得た粉粒体質量流量と実効値との実測相関データによ
り設定された相関直線に基づく置換演算部で構成されて
いる。従ってバイアス調整回路９から送られてきた実効
値は、演算回路１゜で上記構成に基づく信号処理を受け
た後、該実効値に対応した粉粒体質屋流麗の電圧信号と
して取り出され、質量流愈値（Ｋｆ／　ｍｉｎ、　）を
表示する。

かくして配管１内を流れる粉粒体の質量流量は指示・記
録器１１によりその正確な値を常時−目で確認すること
ができる。

次に前記１）の信号処理方法を採用する場合は、第４図
のバンドパスフィルタ７を省略し、受振器４で検知され
振動針アンプ６で変換された全周波数帯域の電圧信号を
実効値回路８以降に送って同様に処理される。また前述
の如く粉粒体の流速値を加えて処理する場合は、第４図
に鎖線で示した様に配管１の適所に流速計１２を取り付
け、該流速計１２で得た流速に対応する電圧信号を演算
回路１０へ送って補正すればよく、これにより粉粒体の
質量流量をより正確に測定することができる。

最後に前記８）に挙げた信号処理回路の具体的な構成は
第５図のブロック説明図に示す通りであり、基本的な構
成は第４図の例と同じである。但し本例では振動計アン
プ６からの電圧信号のうち粉粒体輸送時に振幅が大きく
変化する特定周波数帯域の電圧信号は０回路のバンドパ
スフィルタ５で抽出し、更に実効値回路８で前述の如く
振動波形を自乗平方平均値化して直流信号に変換した後
、バイアス調整回路９で上記直流信号のうち特定周波数
帯域の変化しないバイアス分を除去して割算器１８へ送
る。これらの処理と併行して振動計アンプ６からの電圧
信号のうち振幅変化の少ない特定周波数帯域の電圧信号
を０回路のバンドパスフィルタｌで抽出し、実効値回路
８′で振動波形を自乗平方平均値化して直流信号に変換
した後、下限リミッタ調整回路９へ送る。この回路■は
、次の割算器１８における分母の値が分子の値に比べて
極端に小さい場合に割算器の出力が飽和するのを防止す
る為に設けたものであり、分母の下限値を設定する役割
りを果たす。そして各調整回路９及び９で得た直流信号
を割算器１８に送って割算を行なった後、第４図と同様
に演算回路１０及び質量流量指示・記録器１１に送って
質量流量を記録する。この場合も、配管１の適所に設け
た流速計１２からの信号を演算回路１０に入力して出力
値を補正すれば、測定精度を一段と高めることができる
。

本発明の基本的な構成は以上の通りであるが、こうした
方法の測定源ともいうべき振動部材２の形状や配置は種
々変更することができるので、以下それらの変形態様に
ついて説明する。まず第６図（４）、（６）は２本１組
の振動部材２ａ１２ｂを用いた例を示す概略側面図及び
概略横断面図で、振動部材２ａ１２ｂを粉粒体の流れ方
向に適当な間隔をおいて挿入配置すると共に、各振動部
材２ａ。

２ｂの挿入方向を９０度の角度で交差させて、各振動部
材に生じる振動を夫々振動計４ａ、４ｂで受信し得る様
にしている。即ち配管内における粉粒体の流れの分布が
横断面方向で均一である場合は、第１図の様な単一の振
動部材２でもその挿入方向に関係なく一定の振動計出力
が得られるが、前記分布が不均一な場合は振動計出力が
不拘−且つ不正確となる恐れがある。しかし第６図（２
）、（６）の様に２本の振動部材２ａ、２ｂを挿入方向
を変えて配置し、各振動部材２ａ、２ｂで検出される振
動の平均値を前述の様に信号処理すれば、粉粒体の偏流
による測定誤差も少なくすることができる。同様の趣旨
で第７図（６）、（６）〔概略側面図及び概略横断面図
〕に示す如く８本１組の振動部材２ａ、２ｂ、２Ｇを６
０度ずつずらせて挿設して夫々の振動検出値を平均する
様にすれば、偏流による測定誤差を一層少なくすること
ができる。

上記では複数本の振動部材２を用いる例を示したが、更
に第８図及び第９図（何れも概略縦断面図）に示す如く
振動部材２自身を配管１の略中心部から放射方向に分岐
させ、流路断面の複数箇所で粉粒体の衝突を受ける様に
すれば、前記と同様粉粒体の偏流による測定誤差を抑制
することができる。この様に本発明で使用する棒状又は
管状の振動部材２としては、単一直線状のものの他面線
状部材（場合によって湾曲したものでもかまわない）を
適当に組付けた様な構造のものも含まれる〇尚振動検知
ブロック８及び受振器４は各振動部材２．２ａ〜２Ｃに
個別に取り付けるのが原則であるが、この他用１０図（
概略側面図）に示す如く配管１の２箇所に挿設した振動
部材２ａ、２ｂの中間位置に相当する管壁に１個の振動
検知ブロック８及び受振器４を取り付け、再振動部材２
ａ。

２ｂから管壁を通して伝わってくる縦振動の積分値とし
て検出することも可能であり、或はこれを微分して変化
状態を観察することも可能である。

配管への振動部材２の取付は方法は特に限定されないが
、最も一般的な方法は第１１図に示す通りである。即ち
配管１側壁の直径方向に一対の挿通孔１４を穿設し、一
端を振動検知ブロック８に接続し他端に雄ねじ１５を刻
設した振動部材２を前記挿通孔１４に挿通する。そして
雄ねじ１５にナツト１６を螺合し締結して振動部材２を
固定する。図中１６はシール用のワッシャーを示す。

本発明は概略以上の様に構成されるが、要は粉粒体輸送
配管内に挿設した振動部材の粉粒体衝突によって生じる
振動のうち、粉粒体質量流爪との相関性の最も高い流れ
方向の振動のみを測定源として採用する方法であるから
、配管の横方向振動に起因する外乱の影響を受けること
が実質上皆無となり、極めて高いＳＮ比を得ることがで
きる。

その結果測定精度の信顆性は極めて高いものとなり、高
炉操栗における粉体燃料の送給をはじめとする各種２相
流輸送プロセスの自動化に大きく貢献し得るものである
。しかも流路内に挿設される振動部材は棒状又は管状の
もので流路横断面縮小効果は極めて少なく、しかも略直
径方向に配置されているので、２相流の流れ自体に与え
る影響は極めて少なく、更には振動部材自体の形状が極
めて簡素なものであるからその保守・管理等も容易であ
るなど、優れた諸性能と実用性を兼備した技術を提供す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における振動部材の設置例を示す一部破
断概略側面図、第２図は振動から得た電圧信号の周波数
スペクトル線図、第８図は粉粒体質量流量と振動加速度
（実効値）の相関グラフ、第４．５図は流部測定におけ
る信号処理例を示すブロック説明図、第６図（４）、（
６）、第７図（４）、（６）、第８〜１０図は振動部材
の他の設置例を示す概略説明図、第１１図は振動部材の
取付は例を示す説明図である。 １・・・粉粒体輸送配管、 ２．２ａ〜２Ｃ・・・振動部材、 ８・・・振動検知ブロック、　４・・・受振器。 出　願人　株式会社神戸製鋼所 脈敲は泗岨　（０）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 配管内を輸送される粉粒体の流量を測定する方法におい
   て、配管内の適所に、該管の略直径方向に棒状又は管状
   の振動部材を少なくとも１本挿設し、粉粒体の衝突によ
   って生じる該振動部材の振動を検知することにより粉粒
   体の質量流量を測定する方法であって、前記振動の検知
   に当たっては、前記振ｒｉｈ部材の配管々軸方向への振
   動だけを検知することを特徴とする固気２相流に詔ける
   粉粒体の流量測定方法。