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A ガスタービン流量計 流れ中に配置されたタービンローターの回転速度を検出することにより、ガスの体積流量を測定します。ガスがメーター本体を通過すると、ローターの角度の付いたブレードに力が加わり、ガスの速度に正比例する速度でローターが回転します。 精度、幅広いターンダウン比、コンパクトな設置が優先される高速パイプライン内のクリーンで乾燥したガスの場合、ガスタービン流量計は、利用可能な中で最も信頼性が高く実証済みの測定技術の 1 つです。 これは、天然ガスの保管転送、工業用プロセスガスの計量、圧縮空気の測定、発電および石油化学施設での燃料ガスの割り当てに最適な機器です。機器がどのように動作するか、どの仕様が選択に影響するか、どこで最も優れた性能を発揮するか、およびその制限は何であるかを理解することで、エンジニアや調達チームはこの機器を正しく指定し、その測定機能を最大限に引き出すための基盤を得ることができます。
ガス タービン流量計の動作原理は、移動するガス流から機械式ローターへの運動エネルギーの伝達に基づいています。ローターはメーター本体内のシャフトに取り付けられており、その軸は流れの方向と一致しています。ローターブレードは一定のねじれ角に設定されており、通常は 30度および45度 ブレードに衝突するガスによりローターが回転するトルクが発生します。定常流では、ローターは、ガスからの駆動トルクがベアリングの摩擦、ピックアップ センサーからの磁気抵抗、ブレード表面の流体抵抗からの減速トルクと釣り合う角速度に達します。この平衡状態では、ローター速度は広範囲の流量にわたってガス速度にほぼ比例します。
ローターの回転周波数と体積流量の関係は、一般に K ファクターと呼ばれるメーターファクターによって表されます。 K ファクターは、メーターを通過するガスの単位体積あたりに生成されるパルスの数として定義され、通常は立方メートルあたりのパルス数またはリットルあたりのパルス数として表されます。適切に製造されたガスタービン流量計の場合、K ファクターは流量計の指定された流量範囲全体にわたって安定しており、直線的であるため、この機器は高精度の保管輸送用途に適しています。 K 係数は、認定された流量校正リグでの校正中に決定され、メーターの校正証明書に記載されています。 一般的なガスタービン流量計は、規定の流量範囲全体で K ファクターの直線性をプラスまたはマイナス 0.5 ~ 1.0% 以内に維持します。 、一部の高精度メーターは、範囲の一部にわたってプラスまたはマイナス 0.25% 以上を達成します。
タービンローターの回転は、摩擦や磨耗を引き起こす機械的接触なしで電気信号に変換される必要があります。商用ガスタービン流量計では、次の 3 つの検出方法が使用されています。
ガスタービン流量計を正しく指定するには、各性能仕様の本当の意味と、それが特定の用途での測定品質にどのように反映されるかを理解する必要があります。メーカーは一貫した用語を使用していますが、マーケティング用語によって実際の意味が曖昧になることがあります。
ガスタービン流量計の流量範囲は、規定の精度が適用される最小流量 (Qmin) と最大連続流量 (Qmax) の間の範囲として定義されます。これら 2 つの値の比率がターンダウン比です。ほとんどの商用ガスタービン流量計は、次のターンダウン比を達成します。 10:1~20:1 、いくつかの高精度モデルでは、 30:1以上 高度なローターベアリング設計とホール効果またはRFピックアップシステムを使用しています。ターンダウン比 20:1 は、200 m3/h の最大流量を測定するサイズのメーターが、規定の精度仕様内で 10 m3/h までの流量も正確に測定できることを意味します。この幅広い範囲性は、通常、低流量で許容できる精度を失う前に 3:1 ~ 5:1 のターンダウンしか実現しない差圧装置に対するタービン流量計の主要な競争上の利点の 1 つです。
ガスタービン流量計の精度は通常、フルスケールのパーセンテージではなく、読み取り値のパーセンテージ(流量のパーセント)で表されます。この違いは非常に重要です。読み取り精度がプラスまたはマイナス 1.0% のメーターは、流量範囲全体にわたって誤差が維持されますが、フルスケール精度がプラスまたはマイナス 1.0% のメーターは、低流量では相対誤差がはるかに大きくなります。お預かりのお申込みにつきましては、 OIML R137 および AGA-7 (米国ガス協会報告書第 7 号) では、保管移送タービンメーターは読み取り値のプラスまたはマイナス 1.0% 以内の精度を達成する必要があると規定しています。 流量範囲全体で、最高性能のメーターはプラスまたはマイナス 0.5% 以上を達成します。繰り返し測定で同じ流量条件に対して同じ読み取り値を生成するメーターの能力を表す再現性は、通常、精度よりも優れており、高品質のタービンメーターではプラスまたはマイナス 0.1 ~ 0.2% であることがよくあります。高い再現性は、証明(マスターメーターを使用したメーター性能の現場検証)や、絶対精度よりも流れの一貫性が主な要件であるアプリケーションにとって不可欠です。
メーターの本体と内部構造は、K ファクターを変えるような構造上の破損や寸法変化を起こすことなく、アプリケーションの最大動作圧力と温度に耐える必要があります。天然ガスサービス用のガスタービン流量計は通常、次の圧力定格で入手可能です。 PN16、PN25、PN40、クラス150/300/600 ASME B16.5 に準拠しており、一部の構成では大気圧から 100 bar 以上のライン圧力をカバーします。標準的な産業用モデルの温度定格範囲は約 摂氏マイナス20度からプラス60度 電子機器の場合は摂氏マイナス 40 度からプラス 120 度まで、機械本体の高温仕様では摂氏マイナス 40 度からプラス 120 度まで耐えられます。液化天然ガス (LNG) 蒸気測定用の極低温サービスメーターは、ステンレス鋼の本体と特別に選択されたベアリングとローターの材質を使用し、摂氏マイナス 196 度まで測定できます。
ガスタービン流量計は、およそ 15 mm (0.5 インチ) ~ 600 mm (24 インチ) より小さなサイズにはウェーハボディ設計、より大きな呼び径にはフランジ付きのフルボアボディを備えた公称ボア。メーター サイズの選択は、必ずしもパイプラインの公称口径と同じである必要はありません。タービン メーターは、定格連続使用量を超えてベアリングの摩耗が加速する危険性がある最大流量またはそれに近い流量ではなく、通常の動作流量がメーターの指定流量範囲の上半分に収まるようにサイズを設定する必要があります。この範囲では、直線性が最適になります。
ガスタービン流量計は 1950 年代から商業生産されており、さまざまな業界にわたって長い現場実績を蓄積してきました。精度、レンジアビリティ、比較的コンパクトな設置面積の組み合わせにより、以下のアプリケーション カテゴリで推奨されます。
世界的にガスタービン流量計の最も重要な用途は、生産者、送電会社、流通会社、および大規模産業消費者の間での天然ガスの保管転送です。保管移送測定ステーションでは、メーターの出力を直接使用して移送されるガスの金銭的価値が計算され、国家測定基準への精度とトレーサビリティが義務付けられています。 AGA-7 は、北米における天然ガスの保管輸送のためのタービン流量計の設計、性能、設置を管理する業界標準です。 ISO 9951 は同じアプリケーションを国際的にカバーしています。これらの規格は、ガス取引パートナー間の正確な請求のための契約基盤を形成する校正のトレーサビリティ、不確かさの予算、設置要件、および証明手順を指定します。
一般的な保管移送設備では、自動ストリーム切り替え機能を備えた 2 台または 3 台のタービン メーターと、稼働中の校正検証用の専用のメーター プルーバーを並行して使用します。証明者は、メーターを使用から外すことなく、認証された容量標準に対して K ファクターをチェックすることを可能にし、当事者間の金銭的解決が必要となるような重大な計量誤差が生じる前に、メーターの性能のドリフトが確実に検出され、修正されるようにします。
化学、石油化学、および医薬品の製造では、ガスタービン流量計は、反応器、熱交換器、パージシステム、ブランケットシステムに供給されるパイプラインシステム内の窒素、酸素、水素、アルゴン、二酸化炭素、および混合プロセスガスを測定します。高圧クリーンガスを処理できる能力とコンパクトな本体寸法により、既存の配管レイアウトによってスペースが制限されている場所でも実用的になります。工業炉やボイラーのバーナー管理システムでは、タービン メーターは、燃焼効率と排出ガス規制に合わせて最適化された空燃比の計算に使用される流量信号を提供します。
圧縮空気は製造において最もエネルギーを大量に消費するユーティリティの 1 つであり、圧縮空気分配ヘッダーに取り付けられたガス タービン流量計により、エネルギー管理者は生産エリアごとの消費量を定量化し、漏れを特定し、エネルギー効率改善のベンチマークを行うことができます。このメーターはライン圧力と温度で実際の体積を測定し、圧力および温度トランスミッタおよび流量コンピュータと組み合わせると、ピーク需要期間中のシステム圧力の変動に関係なく消費される真の空気量を表す、標準立方メートル/時または標準立方フィート/分で補正された体積流量が得られます。
ガス火力発電所では、タービン流量計を使用して、各ガス タービンとボイラーへの燃料ガスの供給を測定します。環境許可条件下での熱量計算、効率監視、排出量報告には、正確な燃料測定が必要です。タービンメーターからの流量測定とクロマトグラフからのガス分析を組み合わせることで、時間当たりに消費されるガスのエネルギー量を計算することができ、これによりプラントの熱効率と発電メガワット時当たりの燃料コストが直接決まります。 約 70,000 m3/h の天然ガスを消費する 400 MW コンバインドサイクルプラントにおける燃料ガス測定の 1% の誤差は、年間数十万ドルに相当する請求誤差に相当します。 これは、発電施設における高品質の保管輸送グレードのタービンメーターへの投資を説明するものです。
ガスタービン流量計は機械的回転に依存しているため、特定の使用条件においては固有の制限があり、特定の用途の代替技術と比較する際には、この制限を正直に評価する必要があります。
ガスタービン流量計 確実に機能するには、清潔で乾燥したガスが必要です。パイプスケール、建設破片、またはプロセスキャリーオーバーからの微粒子汚染は、ローターブレードとベアリング表面に損傷を与え、進行性の K ファクタードリフトを引き起こし、最終的には機械的故障を引き起こします。混入した液体も同様の損傷を引き起こし、液体のスラグがメーターを通過するときに突然の K 係数のシフトを引き起こす可能性があります。硫化水素、塩素、酸性化合物などの腐食性ガス成分は軸受材料を攻撃し、接液材料が耐食性を重視して選択されていない場合、ローターの焼き付きを引き起こす可能性があります。ガスサービスでタービンメーターを指定する前に、潜在的な汚染物質を含むガス組成がメーターのローター材質、シャフト材質、ベアリングタイプと互換性があることを確認する必要があります。メーター入口で清浄かつ乾燥していることが保証できないガスは、超音波メーターや渦メーターなどの可動部品のない技術で測定する必要があります。
往復コンプレッサーと容積式ポンプは、下流の配管内で圧力脈動を生成し、ガス流の周期的な加速と減速を引き起こします。タービン ローターは、その慣性とブレード角度の形状により、脈動流に過剰に反応して反応します。ガス速度が増加すると加速し、速度が減少すると減速が遅くなり、体系的な正の計量誤差が生じます。激しく脈動する条件では、この誤差は以下に達する可能性があります。 5~10%以上 、これは保管転送またはプロセス管理の目的ではまったく受け入れられません。脈動減衰装置をメーターの上流に設置するか、慣性の影響を受けやすい可動ローターを持たない超音波メーターを選択することが、脈動流環境の改善オプションとなります。
タービンメーターの Qmin 仕様を下回ると、ガス流からの駆動力に比べてベアリングの摩擦力と抗力が大きくなり、ローターが流速に比例する速度よりも減速します。 K ファクターが校正値から逸脱し、測定誤差が急速に増加します。流量が長期間にわたって定期的に Qmax の 10% を下回る用途では、タービン メーターは十分に機能しません。熱式質量流量計またはコリオリ計は、タービン計の最小流量しきい値が常に達成できない場合の低流量ガスの測定に適しています。
ガス タービン流量計は、入口でのガスの速度プロファイルに敏感です。メーターに入力される完全に開発された対称的で渦のない速度プロファイルにより、ローターがすべてのブレード セグメントにわたって均一に応答し、K ファクターが校正値と一致することが保証されます。上流の配管継手によって引き起こされる乱れたプロファイルは、非対称または旋回流を生成し、実効 K 係数をシフトさせ、電子調整をいくら行っても完全には補正できない体系的な測定誤差を引き起こします。
ガス タービン流量計の上流と下流に必要な最小の直管は、上流の外乱の種類と重大度によって異なります。 AGA-7 は、一般的な配管構成に関する具体的なガイダンスを提供します。
| 上流障害 | 最小上流直線ラン | 最小下流直線ラン |
|---|---|---|
| シングル90度エルボ | 10D | 5D |
| 同一平面上にある 2 つのエルボ | 20D | 5D |
| 異なる平面にある 2 つの肘 | 25D | 5D |
| 調節弁(半開) | 30D | 5D |
| レデューサ(2:1減速) | 5D | 5D |
配管スペースの制約により必要な直管の長さが達成できない場合、メーターの上流にフローコンディショナーを設置すると、渦を分散し速度プロファイルの歪みを再配分することで、必要な直管長を大幅に短縮できます。 ISO 17089 または AGA-7 付録の推奨事項に準拠したフロー コンディショナーは、上流の要件を約 コンディショナー後の10D ほとんどの配管構成では、コンディショナーエレメント全体の恒久的な圧力降下がわずかに発生します。
ガスタービン流量計は、その方向に合わせて設計されていれば、水平、垂直上向き、垂直下向きの流れなど、あらゆる配管方向に設置できます。水平設置は最も一般的であり、微量の凝縮液を運ぶガスラインの垂直下向きの流れで発生する可能性のあるメーター入口での液体の蓄積の可能性を回避できるため、一般に好まれます。垂直設置が必要な場合は、存在する液体がブレード先端に溜まるのではなく、ローターから確実に排出されるように、下向きの流れよりも上向きの流れが優先されます。メーターは、サービスを中断する足場や一時的なパイプの隔離を必要とせずに、保守および点検のためにアクセスできる場所に設置する必要があります。
ガスタービン流量計は、圧力と温度のライン条件で流量計を通過する実際のガス量を測定します。ほとんどの商業および産業アプリケーションでは、対象となる量はライン条件での実際の体積ではなく、適用される契約または規制基準に応じて、通常は摂氏 0 度および 101.325 kPa (標準立方メートル)、または摂氏 15 度および 101.325 kPa の基準条件に補正された標準体積または質量です。
フロー コンピューターは、タービン メーターからのパルス信号と、メーター付近に設置された送信機からの圧力および温度信号を受信し、実際のガスの状態方程式を適用して補正された体積または質量流量をリアルタイムで計算します。ガスの圧縮率 Z は、高圧での理想ガスの挙動からの実際のガスの挙動の偏差を考慮し、会計計量に必要な精度を達成するために、AGA-8 (天然ガスの場合) などのガス組成方程式から計算する必要があります。 70 bar のライン圧力では、天然ガスの圧縮率は約 0.85 になる可能性があります。これは、ライン条件での実際の体積が、理想ガスの計算で予測される体積の 85% にすぎないことを意味します。 、圧縮率を無視すると、その圧力でのすべての計量計算に 15% の系統誤差が生じます。したがって、AGA-8 または同等の状態方程式を正確にフロー コンピューターに実装することは、タービン メーター自体の校正品質と同じくらいシステム全体の精度にとって重要です。
商取引が体積ではなくエネルギー含有量に基づいている天然ガス用途の場合、フローコンピュータは、標準体積流量にガスの発熱量を乗算することによって計算をエネルギー流まで拡張します。発熱量は、計量ステーション自体での組成のガスクロマトグラフ分析、または当事者間で合意された代表値から導出されます。タービンメーターのパルスから体積補正、エネルギー計算に至るエネルギー測定チェーンは、財政計量システムの中核機能であり、試運転中およびその後の検証間隔で国の測定基準に照らして監査されます。
ガスタービン流量計の主なメンテナンス要件は、ローターベアリングシステムです。ローターは動作中高速で回転し続けるため、ローターシャフトを支えるベアリングは摩耗しやすく、最終的には交換が必要になります。ベアリングの摩耗率は、流量計のメンテナンス間隔と経時的な K ファクターの安定性を決定するため、ベアリングの品質は、信頼性の高いガス タービン流量計における最も重要な設計パラメータの 1 つとなります。
商用ガスタービン流量計では 3 つのタイプの軸受が使用されており、それぞれに異なる性能と寿命特性があります。
最新のガスタービン流量計の設計にはデュアルローターまたはデュアルピックアップ構成が組み込まれており、検査のためにメーターを取り外すことなく、使用中にベアリングの劣化やローターの損傷を検出する手段を提供します。デュアルローターメーターでは、メーター本体内に 2 つのローターが直列に配置されています。通常の状態では、両方のローターはガス流によって決定される速度で回転し、その速度の比率はブレードの角度によって固定されます。ベアリングの摩耗やローターの損傷が一方のローターに他方とは異なる影響を及ぼし始めると、回転速度の比率が変化し、測定精度が著しく損なわれる前に機械的問題の発生を示す診断信号が提供されます。 この予知保全機能により、オペレータはメーターの故障イベントに事後的に対応するのではなく、計画的なメンテナンス停止中にベアリングの交換を計画することができます。 、保管転送サービスは、費用のかかるメーター交換手続きや潜在的な請求紛争を引き起こす可能性があります。
保管輸送または会計計量に使用されるガスタービン流量計の精度は、K ファクター曲線を確立する校正と、K ファクターが使用期間を通じて安定していることを検証する証明プログラムによって決まります。校正と証明は別個ですが補完的な活動であり、法的強制力のある商取引に必要な計量学的トレーサビリティを一緒に提供します。
工場校正は、基準媒体(通常は空気または天然ガス)を使用し、追跡可能なマスターメーターまたは体積標準を基準として流量校正施設で実行されます。校正では、メーターの範囲にわたる複数の流量で K 係数を確立し、メーターの電子トランスミッターまたは関連するフロー コンピューターに保存される校正テーブルまたは多項式補正曲線を作成します。校正証明書には、使用する参照標準、国内または国際測定標準へのトレーサビリティ、参照標準の不確かさ、およびテストされた各流量におけるメーターの校正された K 係数の拡張不確かさを記載する必要があります。保管転送を目的としたメーターの場合、大気圧での空気校正では捕捉できない K 係数に対する密度の影響を避けるために、使用圧力を表す条件でガスに対して校正を実行する必要があります。
メーター証明では、メーターをパイプラインから取り外すことなく、使用中に設置されているメーターの K ファクターを、校正済みの証明装置または既知の校正のマスター メーターと照合して検証します。パイププルーバー、小容量プルーバー、およびマスターメータープルーバーは、保管輸送サービスでガスタービン流量計に使用される 3 つの主要なプルーバー方法です。適用される規制や商業契約に基づいて必要とされる証明の頻度はさまざまですが、通常は次のとおりです。 毎月から毎年 メーターのトランザクションのサイズとメーターの安定性の履歴に応じて異なります。証明結果は確立された K 係数と比較され、その偏差が合意された許容範囲 (通常、契約に応じてプラスまたはマイナス 0.25 ~ 0.5%) を超える場合、メーター係数が調整され、その不一致により、最後の有効な証明以降の測定期間の請求修正がトリガーされる場合があります。
特定の用途向けにガスタービン流量計を選択するには、プロセス条件、性能要件、設置上の制約を体系的に評価する必要があります。次のチェックリストは、仕様を完成させる前に定義する必要がある重要なパラメーターをカバーしています。
ガスタービン流量計は、小規模な産業設備から大口径の天然ガス伝送計量ステーションに至るまで、全範囲にわたる高速クリーンガス測定のための最も正確で信頼性が高く、コスト効率の高い技術の 1 つです。 その機械的単純さ、よく理解された誤差源、広いレンジアビリティ、そして成熟した校正および証明インフラストラクチャは、60 年以上にわたって天然ガスの財政計量における主要な技術としての役割を維持しており、現在の市場には、それが真に優れている用途において、予見可能な将来においてこの地位を奪うほどの、競合する利点の十分に魅力的な組み合わせを提供するものはありません。