JPS62194441A - パイプラインにおける非ニユ−トン性の測定装置 - 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】 〔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ュートン性を測
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や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、ニュートン
流動に従わない非ニュートン性を示す・ このような非ニュートン流体の非ニュートン性の測定は
、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って、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
ュートン性を判断するという方法により行っていた。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ＩＪ（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番こは少
なくとも数１゜分を要し１判定された詩法ではパイプラ
イン内の測定対象流体は数Ｋｍ先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ｔとロータｌこ働く回
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、非ニュ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ュートン
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ュ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、非ニュ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、縦軸にせん断速度ンをとったものである。パ
イプ自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。

；　＝　ＬＱ−にニュートン流体の場合）πＲ ７＝且Ｊ尺 ２　　を 但し、Ｑ：流　量 Ｒ：管内半径 ΔＰ：圧力損失 ｔ：差圧測定区間 Ｒ，ｔ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、ン、τが求まることをこなる・ニュ
ートン流体の場合は、ン。

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。

Ｑ＝五Ｒ’　（ｉｐ　） ８η　　を 図示する各曲線の名称と関係を下式に示す。

■ニュートン流体 ■ビンガム流体 １＝１（τ−τ。） η ■べき乗則流体 −ｒ＝１τ・ η ｎ〉１：擬塑性流体 ｎく１：ダイラタント流体 ■降伏値付きべき東側流体 ；　＝　１　　ｃτ−τ０）″ η 但し、η：粘　度 ｎ：レオロジ指数 τ０：降伏応力 いま差圧計、流量計により、τ、ｉを求めその比からη
を求めたとしても、ニュートン流体であるとわかってい
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。

そこで本発明では、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ケ所におけるテ、τを測定し
、この実測値とニュ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ュートン性を測定しようとする
ものである。

〔実施例〕

以下実施側番こ基づいて本発明の詳細な説明する。

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１８＋　’Ｍ＋　”Ｌが装着され
、容管の差圧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
レジューサ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ケ所に差圧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ＲＭ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積々の態様が
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に接続しで
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１Ｍを演算器２に接続しである。

この演算器２は、差圧計ＩＭ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ュ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２Ｌ、２８と２個用意し
、夫々、管り、Ｓにおける値を演算するようにしている
。

いま、差圧計’ｓｓ’Ｍ、！ｔ、からの出力を単位長さ
尚りの圧力損失内配置に換算した信号ＥＬ　ｔ　”Ｍ　
Ｉ　ＥＢ　（ＥαΔＰατ）とすると、演算器２Ｌ１２
８では夫々ＥＭを入力し、Ｅ、ＸＢ’。

ＥＨＸＢ７番を演算する。ここで。

ΔＰ Ｅ　α　□ を 但し、ＲＭ：　　測定管Ｍの内径 Ｒ８：　　測定管Ｓの内径 ＲＬ：　　測定管りの内径 このＥＭＢＬ４．ＥＭＢ♂は管を流れる流体をニュート
ン流体と仮定して、ハーゲンボ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ＥＭ、ＥＭｘＢＩ４゜ＥＭＸ　Ｂ♂の各点を第４図
と第５図のｔｎ７−Ａｎτ関係を示すグラフ上に表示す
れば、レオロジ指数１１＝ｌのニュートン流体を表わす
直線上にのる。

上記ｚＭＸＢ’　、　ＥＭＸ　Ｂｓ’は差動増幅器３Ｌ
。

３ｓに入力され、ここで差圧計ＩＬ、１ｓ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３Ｌ、３ｓ　　の出力１Ｌ。

ε８は下式で表わされる。

ａ、　＝　ＥＬ−ＥＭＸ　Ｂ、’・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・■！ｓ　＝　ＥＭ
Ｘ　Ｂ６’　−Ｅｓ　曲・曲・・・・・・・・曲・・・
・・・■−９ε８の差分は、測定管Ｓ、Ｌにおけるニュ
ートン流体からのずれを示すものである。従つて、’Ｌ
ｌ’８の大小や正負を知れば、管内を流れる流体の非ニ
ュートン性を判断できる。

前述した非ニュートン流体の各種について、６ＬＩ８８
がどの様に変化するかを説明する。まず、べき東側流体
の場合を考えてみる。べき東側流体の指数ｎは、レオロ
ジ指数と呼ばれ、非ニュートン性を表わす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、ニュートン
流体（ｎ＝１）及びεＳ、δＬを合わせて示している。

８８゜牝は下式で表わせれ、ＢＬ、　Ｂ、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のニュートン流体（ε８＝０゜ε、＝０）からのず
れを検出することができる。

月１ ε１＝（ＢＬｎ−ＢＬ′）ＥＭ・・・・・・・・・・・
・・・・■と１ ε８＝（ＢニーＢｓｎ　）ＥＭ・・・・・・・・・・・
・・・・０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、パッキンガムレイナ
の式と呼ばれる次式で表わされ、式中カッコ内の第２項
以降が非ニュ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８８゜１Ｌを
表わすと下式の様に表わすことができる。

６Ｌ＝４−（ド）（ＢＬ−Ｂｆｆ）Ｅつ・・・・・・・
・・・・・■ω ’　　＝”　（−）　（Ｂ、；−Ｂ、）　Ｅヤ・・・・
・・・・・・・・■Ｓ　３　τω 一、カは’　ＢＬ　Ｉ　ＢＳ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、ニュートン流体（
τｏ＝０．つまり６Ｌ＝６ｓ＝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８Ｌ、　＠ｓ　　の正負関係をま
とめると、下表の様になる。

実際のパイク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東側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へき東側流体や
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や降伏室τ０の大小の組
み合わせにより、ａ　Ｌ、ε８の値は正負を一意的番こ
決めることができないが、いずれの値でも、ａＬとａｇ
の両者が同時に零となることはなく、明らかにニュート
ン流体（−Ｌ＝６８＝０．同時に零）と区別することが
できる。

上記した出力ａＬ、ε８は、この実施例では更に乗除演
算器４Ｌ、４．に入力させ、ここでＥＭ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５Ｌ、５Ｂ
に表示するようにしている。演算器４Ｌ、４ｓ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、マイクロプロセッサ
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ＥＬ、ＥＭ、Ｅｓ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３１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１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ュ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。

病因面の簡単な説明 第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
他の実施例を示すブロック図、第３図はニュートン流体
と非ニュ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。

特許出願人　　日本鋼管株式会社 発　明　者　　　林　　　　　　　英　　　夫同　　　
　　　　　　大　　　友　　　　　　　茂同　　　　　
　　　　保　　　坂　　　安　　　色間　　　　　　　
　　　尾　　　１）　　俊　　　−代理人弁理士　　　
吉　　　原　　　省　　　三門　　同　　　　　高　　
　橋　　　　　　　清同　　弁護士　　　吉　　　原　
　　弘　　　子第　　３　　図 ’Ｚ：’０　＋！− 第４図 り館免力　（τ） 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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 ニュ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ュートン性の測 定装置。