流量計校正係数の精度

2017 年 2 月 27 日

米国国立標準技術研究所による

昨年、25 兆立方フィートを超える天然ガスが米国の顧客に届けられ、取引先が変わると、ほぼすべての立方フィートがガス流量計を使用して測定されました。 これらの流量計の精度は商業的に非常に重要であり、NIST は流量計の校正を改善するための長年の研究プログラムを持っています。 そのプログラムの範囲は現在、非公式に Big Blue Ball として知られる新たに到着したテストベッドの形で文字通り拡大されました。

通常、流量計の校正では、測定された時間間隔でガス流を試験中の流量計に流し、収集タンクに流し込む必要があります。 流量計の校正係数の精度は、タンク内に収集された質量の測定値の不確実性が低いことに依存します。 収集されたガスの量は通常、(1) 正確にわかっているタンクの体積と (2) 充填プロセスの前後の収集タンク内のガスの密度の変化を乗じて決定されます。 密度を測定するには、収集したガスの圧力と平均温度を測定する必要があります。

残念ながら、収集されたガスの平均温度を特定するのは困難です。 加圧ガスが大きなタンクに流入すると、その流れによって収集タンク全体に不均一な温度分布が生じます。 流れが停止するとすぐに、最も温かいガスはタンクの上部近くに集まり、最も冷たいガスは底部近くに集まります。 この状況により、従来の方法で平均気温を測定することが困難になります。 いくつかの温度計を即座に読み取ることは本質的に不正確であり、大きなタンク内の温度勾配は数時間または数日間持続します。

温度勾配の問題を回避するために、NIST は多数の小型流量計を一度に 1 台ずつ校正し、それらを並行して使用して大型流量計を校正しています。 小型メーターは、温度勾配を迅速に解消するためにサーモスタット付きの小型収集タンクを使用して校正されます。 ただし、複数の校正には時間と労力がかかるため、費用がかかります。

2 年前、NIST の物理測定研究所の科学者たちは、平均温度を正確かつ迅速に測定するための「音響温度測定」の使用を考案し実証することで、この問題にうまく対処しました。 彼らは小さなタンク内で純粋なアルゴンガスを使用して原理を証明しました。 現在、彼らは収集体積として大型の高圧球形容器を使用して音響温度測定をスケールアップしています。 「大型高圧球形容器」という言葉は口がきくので、愛情を込めて「ビッグブルーボール」と名付けられました。

「私たちは、州間パイプライン内を流れる天然ガスの測定に使用されるような、高圧で大流量のメーターを校正する方法に取り組んでいます」とNISTの流体計測グループのリーダー、マイケル・モルドバー氏は述べています。原理実証テストは、圧力が 0.35 MPa から 7 MPa (3.5 気圧から 70 気圧) に 20 倍に、体積が 300 リットルから 1800 リットルに 6 倍にスケールアップされます。ボリュームはさらに 3 倍、さらには 10 倍にスケールアップされます。」

この青いボールは、コロラド工学実験ステーション株式会社 (CEESI) との共同研究開発協定 (CRADA) のおかげで、NIST のメリーランド州ゲイサーズバーグのキャンパスに貸与されています。 CEESI は、天然ガスのパイプラインで使用される流量計を含む流量計を校正する独立した研究所です。

最終的には、モルドバーのグループは、CEESI やその他の校正研究所がその技術を自社のサイトでさらに大型のタンクやメーターに使用することになると予想しています。

CEESI 天然ガス/多相エンジニアのエリック・ハーマン氏は、「NIST が行っていることを実行できる組織が世界中に他にあるとは思えません」と述べています。 「天然ガス産業にとっての利益は計り知れない。大型の天然ガスメーターが正確に校正され、利用可能な最高の技術を使用してすべてのエネルギーコストが計算されることが重要である。モルドバーと彼のグループはその基準を最高の技術に再定義している」 -可能です。これはゲームチェンジャーです。」

NIST メソッドは、基本的な物理原理に基づいています。つまり、音波が異なる温度の領域を持つガス中を伝わるとき、音波の平均速度はガスの平均温度によって決まります。 このスキームを使用すると、温度を測定するという非常に困難なタスクが、送信機から受信機に移動する音波の速度を測定するという非常に単純なタスクに置き換えられます。

Big Blue Ball の物理学は原理検証テストに使用される物理学と同じであるため、スケールアップは簡単です。 しかし、モルドオーバー氏のグループは、体積と圧力が増加した場合の潜在的な測定上の問題を特定するために慎重に取り組んでいます。 これまでのところ、研究者らはビッグブルーボール内の圧力を2MPa（20気圧）まで上昇させ、途中で7MPa（70気圧）まで上昇させた。 彼らは障害を予測します。

「たとえば、数気圧ではうまく機能する音発生器や音検出器は、70気圧ではうまく機能しない可能性があります」とモルドバー氏は言う。 「スケールアップする場合、発生器と検出器を高速の流れと急速な圧力変化にさらすことになります。これらのストレスによりトランスデューサーが少し揺さぶられることになります。何が起こるか見てみましょう。NIST では、実証を超えた取り組みを行っています。」ユーザーが遭遇する可能性のあるエンジニアリング上の問題を解決するという原則、あるいは少なくとも私たちはもっともらしい解決策を提案したいと考えています。」

彼のグループの原理実証デモンストレーションでは、純粋なアルゴンガスが使用されました。 しかし、青いボールに圧縮空気を満たし、マイクロ波共鳴を使って大きな青いボールの体積を調べたところ、結果は予測と一致しませんでした。 この問題は、空気に水分が多すぎて空気の誘電率が増加し、マイクロ波の共振周波数が予想値よりも低下したために発生したようです。 空気を乾燥させると、予想通りのボリュームが得られました。 「明らかに、それは非常に重要な要素です」とモルドバー氏は言う。 「電子レンジを使用して体積を適切に調整したい場合は、水分含有量について真剣に考える必要があります。」

「ありがたいことに、NIST はスケールアップの潜在的な落とし穴のいくつかを解決しつつあります」と Harman 氏は言います。 「多くの場合、隠れた地雷を踏む前に発見できるかどうかが成功と失敗の分かれ目です。米国の校正施設は NIST のマイクロ波技術と音響共鳴技術を統合しているため、事前に湿度を測定する必要があることがわかっているため、作業がはるかに簡単になります。」

NIST には、最大 7 MPa のパイプライン圧力で流量が 5 m3/s に達する州間パイプラインで使用される種類の非常に大型の流量計をテストするために必要なインフラストラクチャがありません。 しかし、NIST の CRADA パートナーである CEESI にはパイプラインの隣に校正施設があり、容積 20 立方メートルの収集容器があります。 したがって、大きな青いボールから学んだ教訓は産業界に伝わるでしょう。

「米国のエネルギー部門はNISTの新技術から多大な恩恵を受けるだろうが、運輸、製造、航空宇宙産業も同様に恩恵を受けることになるだろう。温度の不確かさの問題は大規模な一次校正に限定されるものではなく、小規模および中規模の校正でも同様である」とハーマン氏は言う。サイズ校正は、同じ温度不確実性の問題に直面しています。空気、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウムの校正は、温度層別化の影響を受けません。CEESI は、NIST が Big Blue Ball を採用し、それを使って実行していることに興奮しています。 」

米国国立標準技術研究所提供