少量の証明者は小規模で大きな効果を発揮します

Jul 06, 2023

過去数年間、米国は日量約850万バレルの石油を輸入（および輸出）してきました[1]。 1 バレルが 75 ドルの価値があると仮定すると (2023 年 3 月 1 日の原油 1 バレルの価格)、米国が取引する石油の量は年間合計約 2,300 億ドルになります。 これらの数字を仮定すると、石油製品の測定における 1% の誤差は、年間ベースで 23 億ドルに相当します。 したがって、これらの測定の精度が非常に重要であることは明らかです。

生産パイプラインを通過する液体の連続的な流れを測定するために、パイプラインにメーターが設置されます。 しかし、メーターを取り外したり、製品の流れを止めたり、計量プロセスを止めたりせずに、メーターの精度を定期的にチェックするにはどうすればよいでしょうか? 答えはボリュームディスプレイスメント証明です。

多くの石油化学設備には、常設のパイププルーバーが設置されています。 パイププルーバーは、ピストンの代わりに球をディスプレーサとして使用する体積変位プルーバーです。 一般に、パイププルーバーは正確な測定結果を生成するために比較的大きなパイプセグメントを必要とするため、大型の設備となり、移動式の使用には適していません。 しかし、テクノロジーの発展により、現在では少量の証明者が実行可能な代替手段となっています。 パイププルーバーよりも小さいため、モバイル構成で使用できます。 これにより、Small Volume Prover (SVP) は地域の計量局での使用に適しています。

2023 年 2 月、NIST OWM スタッフは、ミシガン州農務省の EC ヘフロン州計量研究所による少量プルーバーの校正を視察するよう招待されました。 目標は、州計量研究所で実施されている校正手順についてさらに学び、それらの手順で役割を果たす重要な要素を特定することでした。 ミシガン州計量研究所は、5 ガロンから 30 ガロンまでの容量の SVP を年間約 15 個校正しています。 これらのプルーバーは主に石油化学産業で使用されています。

SVP は「ボリューム ディスプレイスメント証明者」と呼ばれます。 ボリュームディスプレイスメント証明器の原理は非常に単純です。 容積変位証明装置は、既知の容量を持つパイプ、パイプ内の流体を置換する装置、および流体がパイプ内の移動の開始点と終了点に到達したことを検出するセンサーで構成されます。

SVP には、図 1 に「A」および「B」として示されている 2 つのセンサーが取り付けられたバーが含まれています。 2 つのセンサー間の正確な体積は、実験室での SVP の校正中に検証されます。 テスト対象のメーターは、メーターを通過する体積単位ごとにパルスを生成します。 プルーバーはメーターと並んで設置されているため、両方とも同じ量の液体を測定します。 プルーバー内では、ディスプレーサが液体とともにパイプ内を移動します。 ディスプレーサがパイプ内の特定の開始点である点 A を通過すると、測定を開始するトリガーが与えられます。 その瞬間から、証明者に接続された測定システムは、メーターによって生成されるパルスのカウントを開始します。 ディスプレーサがパイプ内の 2 番目の点、つまり点 B を通過すると、パルスのカウントを停止する別のトリガーが生成されます。 メーター内を移動する液体は、SVP によって同時に測定されている液体とまったく同じではありません。 ただし、液体の量は同じです。 つまり、点 A から点 B に移動した液体の量は、ディスプレーサが点 A から点 B に移動するのに要した時間中にメーターを通過した液体の量と同じです。点 A と点 B の間のセクションがわかっている場合、この所定の体積は、メーターから受信したパルスの数にメーターのパルスあたりの体積を乗じたものと一致する必要があります。

SVP はディスプレーサとしてピストンを使用します。 ピストンは、エンクロージャの外側で終端するシャフトに接続されています。 ピストン シャフトにはトリガーが取り付けられており、ピストンがシャフトに沿って移動すると、隣接するセンサー バーのセンサーが作動します。 センサー間の距離 (d) は、エンクロージャ内の校正された容積を定義します (図 2)。

ピストンにはシールが付いており、（ピストンが校正容積内を移動する間）液体が意図せずにピストンを通過しないようにします。 ピストンにはポペットバルブがあり、ピストンが開始位置に後退すると開きます。 そうすれば、液体の流れは妨げられません。

ミシガン州計量研究所は、SVP の校正に NIST 標準操作手順 26 を適用しています。 目的は、2 つのトリガー ポイント間の小容量プルーバーの内部容積 (校正済み容積) を校正することです。 校正プロセスの最後に、校正された体積が最後の校正中に決定された体積と比較され、プルーバーの欠陥を示す可能性のあるドリフトが検出されます。 再現性に対して適用される許容誤差は 0.02 % です。

校正プロセス中に使用される流体の流れと濃度が測定全体を通じて一貫していることが重要です。 ミシガン州立研究所では、校正手順に、十分に一定の圧力を提供するために 2,000 ガロン (7500 リットル) のタンクに保管されている脱塩水を使用しています。 実際の校正の前に、プルーバーは水で満たされ、すべての空気が排気されます。 図 3 の車両トレーラーに搭載されたモバイル SVP を参照してください。

ミシガン州計量研究所の厚意により提供

測定を開始すると、水がシステム内を流れ、ピストンをゆっくりと前方に押します。 最初は、ピストンシャフトのセンサートリガーがまだ始動センサーに到達しておらず、システムから出てくる水が排出されます。 トリガーが最初のセンサーに到達すると (つまり、ピストンが校正量の開始位置に到達すると)、システムから出た水は自動的にタンクに送られ、そこで収集されます。 トリガーが 2 番目のセンサーに到達すると (つまり、ピストンが校正容積の端に到達すると)、流出した水は自動的に排水管に戻ります。 一定の流れの場合、タンクに収集される水の量は、プルーバー内の校正された容積に保持されている水の量とまったく同じになります。

研究室では、重量法を使用してタンク内の水の量を測定します。 タンクは水で満たされる前と後でスケールで重量を量られます。 600 kg x 0.1 g のスケールを校正手順の質量比較器として利用して、可能な限り最高の精度を保証します (図 4)。

ミシガン州計測研究所の厚意により提供

2 つの重さの差がタンク内の水の重さになります。 水の重量は、NIST SOP 26 に規定されている計算に従って体積に変換されます。プルーバー内の水の温度と圧力に対して補正が適用されます。 この目的のために、ラボでは、校正済みの圧力センサーをプルーバーのアクセス ポイントに取り付け、校正済みの温度センサーをプルーバーの筐体内のサーモウェルに配置しました。

理想的には、校正手順は、プルーバーが現場で使用されているときの流量と同様の流量で実行されます。 しかし、これは多くの州立研究所の運営において常に可能であるとは限りません。 20 ガロンのプルーバー (訪問中に校正されていたプルーバーと同様) の通常の動作流量は、毎分約 500 ガロンです。 ミシガン州の研究所でのテスト設定では、達成可能な最大流量は毎分約 3 ガロンです。

ピストン シールの性能をチェックするには、高流量 (約 3 ガロン/分) で校正手順を実行し、次に低流量 (約 2 ガロン/分) で実行します。 試験は、高 - 低 - 高 - 低 - 高の流量順序で 5 回実行されます。 次に、高流量と低流量での結果の違いを詳しく調べます。変動がある場合は、ピストンのシールから流体が浸透していることを示していることが多いためです。 校正後に校正容積に大きな変化があった場合、新しい校正容積が証明者の測定システム制御ソフトウェアに入力されます。

少量のプルーバーは、所定量の流体変位を正確に検出できます。 この記事で説明したように、信頼性の高いパフォーマンスを確保するには、運用中にいくつかの重要な影響要因を考慮する必要があります。

制御されたフロー。 ピストンがプルーバー内の校正された容積に沿って移動するときに、液体がピストンを越えて浸透しないことが重要です。 ピストンの周囲のシールは、ピストンとエンクロージャの間の液体の浸入を防ぎます。 ポペットバルブの別のシールは、測定中にバルブから液体が浸透するのを防ぎます。 どちらのシールも磨耗する可能性があります。 正確な測定を確保するには、シールを定期的に交換することが重要です。 一部のプルーバーには、ピストンシールの漏れを検出する漏れ検出機能が付いています。 他のプルーバーは、シールの使用期間の指標として操作回数を自動的に記録し、オペレーターが適切なライフサイクル交換スケジュールを計画できるようにします。

フローの一貫性。 測定の精度に影響を与えるもう 1 つの要素は、流れの一貫性と流体の組成です (つまり、流体に気泡や不均一性による汚染がないこと)。 小容量プルーバーとメーターはパイプライン内の異なる位置に設置されているため、プルーバーは、測定中にメーターが測定するのと同じバッチの流体を測定することはありません。 したがって、少量のプルーバーは、製品の組成が比較的一定している状況でのみ使用できます。

温度。 測定に大きな影響を与える 3 番目の要素は温度です。 温度が上昇すると、プルーバーの筐体が膨張し、校正された容積も膨張します。 実際には、筐体の温度は主にプルーバーを流れる液体の温度によって決まります。 温度が影響するもう 1 つの場所はセンサー バーです。 この部品は流体が流れるコンパートメントの外側に位置しているため、環境の影響を受けやすくなっています。 センサーバーの温度は重要です。温度が上昇するとセンサーバーが膨張し、それに伴い 2 つのセンサー間の距離が広がり、校正された体積も膨張します。 プルーバーのソフトウェアは、メーターの校正中に流体の温度とセンサー バーの温度の両方を補正します。

ミシガン州、特にミシガン州の EC ヘフロン計測研究所の研究専門家の方々のご招待、おもてなし、そしてこのニュースレターへのご意見に感謝いたします。 ミシガン研究所部門の詳細については、ここをクリックしてください。この部門には、計量研究所と食品安全および家畜検査研究所の両方が含まれ、その度量衡、自動車燃料の品質、環境保護プログラムも含まれます。

[1] よくある質問 米国エネルギー情報局 (EIA)