貯蔵タンク内の液密度計測装置
【課題】貯蔵タンク内に貯蔵された液体の複数の所望位置（もしくは所望レベル）における液密度を、直接的に、高い精度で、同時に測定することができ、測定ポイントの変更や増加にも臨機かつ柔軟に対応でき、貯蔵タンクへの設置やそのメンテナンスも容易な、貯蔵タンク内の液密度計測装置を提供する。
【解決手段】貯蔵タンク１内に貯蔵された液体の液密度を計測する液密度計測装置１０であり、先端にラマンプローブ３を備えた、長さの異なる複数の光ファイバー２と、２箇所以上の異なる高さレベルの測定ポイントの少なくとも２箇所の測定ポイントに固有のラマンプローブ３で同時測定されたそれぞれのラマン散乱光が送信される分光器６と、分光器６にて検出されたラマン散乱光に固有の液体成分から、各測定ポイントにおける同時刻の液密度を算定する液密度算定手段７と、を備え、複数のラマンプローブ３はそれぞれの測定ポイントに位置決めされている。
【解決手段】貯蔵タンク１内に貯蔵された液体の液密度を計測する液密度計測装置１０であり、先端にラマンプローブ３を備えた、長さの異なる複数の光ファイバー２と、２箇所以上の異なる高さレベルの測定ポイントの少なくとも２箇所の測定ポイントに固有のラマンプローブ３で同時測定されたそれぞれのラマン散乱光が送信される分光器６と、分光器６にて検出されたラマン散乱光に固有の液体成分から、各測定ポイントにおける同時刻の液密度を算定する液密度算定手段７と、を備え、複数のラマンプローブ３はそれぞれの測定ポイントに位置決めされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯蔵タンク内に貯蔵される、ＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）等の液化ガスをはじめ、各種液体の液密度を計測する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、各種の産業活動、市民生活から排出される二酸化炭素の排出量削減を如何なる手段で実現するかという問題は、国家的かつ国際的な問題となっており、我が国においても、その対策の立案に向けた活発な議論が展開されている。
【０００３】
そして、その中でも、ＬＮＧ（液化天然ガス）は、その燃焼時に硫黄酸化物や煤塵を発生せず、他の化石燃料に比して二酸化炭素や窒素酸化物の排出量が少ないことから、環境負荷の少ない、いわゆるクリーンエネルギーとして注目を集めている。
【０００４】
一方、我が国のガス関連産業においては、我が国で使用される都市ガス等の原料となるＬＮＧの多くを、オーストラリア、アラスカ、東南アジアや中東をはじめ、世界各国からＬＮＧタンカー等を介して輸入しているのが現状である。
【０００５】
ここで、ＬＮＧの密度に関して言及すると、輸入先である各国（産地）ごとにＬＮＧの密度が多様に異なっており（４２０〜４７０ｋｇ／ｍ３程度と言われている）、また、同一産地であっても、その輸送や貯蔵過程での外部入熱による温度上昇、蒸発等によって密度は変化する。また、ＬＮＧ市場の拡大に伴ってスポット契約が増加し、さらには、その輸入先も多様化してきている。これらの要素を踏まえ、輸入先ごとに、すなわち、密度ごとに被貯蔵ＬＮＧの貯蔵タンクを使い分けようとすると、新規の貯蔵タンクの増設等を余儀なくされ、多大な建設コストが生じる。そこで、既存の貯蔵タンク（一般に、ガス関連施設ヤードには複数の地上式、地下式、半地下式の貯蔵タンクが存在している）を有効利用して、一つの貯蔵タンク内に密度の異なる複数のＬＮＧを混合貯蔵する方法の必要性が高まりつつあり、いわゆる、異種ＬＮＧ混合貯蔵と称されている。
【０００６】
異種ＬＮＧ混合貯蔵においては、貯蔵タンク内で複数種の相互に密度の異なるＬＮＧが貯蔵される際に、下層にいくほど高密度のＬＮＧが存在する密度分布を呈して各密度に固有のＬＮＧ層を成すようになり、これは一般に「層状化」と称されている。なお、この層状化は、異なる密度のＬＮＧが貯蔵タンク内に収容された際に生じるものであり、同一種のＬＮＧが貯蔵される場合に生じないことは勿論のことである。
【０００７】
ところで、ＬＮＧ貯蔵タンク内に貯蔵されているＬＮＧは、常圧、−１６２℃にて気液平衡状態となっており、これに自然入熱等が作用することでＢＯＧ（ボイルオフガス）が発生し、タンク内に充満している。したがって、このような極低温のＬＮＧを貯蔵する貯蔵タンクには断熱構造が要求されている。しかし、断熱構造を呈しているとしても、タンク内に自然入熱が作用することは避けられず、この自然入熱等により、貯蔵タンク内部のＬＮＧはその一部が気化することで、各層のＬＮＧごとに、該層内で対流が生じている。そして、外部からの熱の作用が最も大きなＬＮＧ層は、貯蔵タンクの側面と底面からの熱が作用する最下層のＬＮＧ層であり、加えて、上層が蓋の役割を果たし、下層からのＢＯＧによる放熱を阻害することから、最下層のＬＮＧ層がそれよりも上方のＬＮＧ層に比して相対的に高温となり、この温度上昇に伴ってＬＮＧの液密度が小さくなっていくことが特定されている。
【０００８】
たとえば、最下層の液密度が４６０ｋｇ／ｍ３、その上層の液密度が４５０ｋｇ／ｍ３の２層の層状化をなしたＬＮＧ層において、最下層のＬＮＧ層は、温度上昇に伴ってその密度が４５５ｋｇ／ｍ３、４５０ｋｇ／ｍ３と低下していき、最終的には、上層のＬＮＧ層の液密度と同程度になるとともに、上層、下層の層境界は消滅する。
【０００９】
そして、異種ＬＮＧの液密度が同程度になるまでは、各層ごとに各層内に固有の比較的小さな対流が生じていたものが、上下層の液密度が同程度となったことで、上下層の全体に亘る大きな対流が生ぜしめられ、この大きな対流によってそれまで下層に蓄積されていた熱が多量のＢＯＧ発生を促進し、これが、貯蔵タンク内部の内圧を急激に上昇させたり、場合によっては貯蔵タンクの破損、損傷に至ることもあり、貯蔵タンクオペレーションにとっての大きなリスク原因の一つとなっている。なお、このように、層状化にともない、下層のＬＮＧ層に蓄積されていた熱が多量のＢＯＧ発生に伴って解放される現象は、ロールオーバーと称されている。
【００１０】
上記するロールオーバーを未然に防ぐには、たとえば最下層のＬＮＧの液密度変化と、その上方の液密度（上方の液密度も当然に変化し得るものである）を同時に、しかも、高い精度で計測することが重要である。そして、このような高精度で同時に計測された計測データを使用することで、異種ＬＮＧ間で液密度が同程度となるまでの時間が特定され、ロールオーバーが生じ得ない様々な対策が事前に講じられる、貯蔵タンクオペレーションシステムが構築できるのである。
【００１１】
ここで、ＬＮＧタンク内の液密度計測に関する従来の公開技術として、特許文献１に開示のＬＮＧタンク内液密度計測装置を挙げることができる。この装置は、ＬＮＧタンクに貯蔵されたＬＮＧ内に異なる高さで開口した複数の導圧管を配し、２つの圧力導入口に設けられた差圧センサでそれらの差圧を計測するものであり、この装置はさらに、導圧管を２本ずつ順次選択してその上端をそれぞれ差圧センサの圧力導入口に連通させる切替え連通手段と、選択した２本の導圧管を通してＬＮＧ内にガスを供給するガス供給装置を備えており、計測された差圧から下端間の液密度を算出するものである。
【００１２】
特許文献１に開示の液密度計測装置によれば、ＬＮＧタンク内の異なる高さにおける液密度を、組成変化，温度変化等の影響を受けずに、精度よく直接計測することができる、としている。しかし、この装置で算出される液密度は、たとえば２つの測定ポイント間の平均密度に過ぎず、したがって、液体の所望位置（所望レベル）における液密度が直接的に測定されるものではない。また、導圧管を使用していることから、その重量が重く、したがって、貯蔵タンク内の液密度測定ポイントが変化したり、あるいは増加した場合において、臨機かつ柔軟に変化した測定ポイントの液密度測定を実行することは極めて困難であるし、そもそも、液密度測定ポイントは、導圧管の配設位置に依存することから、貯蔵タンク内の全領域で液密度を測定したい場合には、多数の導圧管の配設が余儀なくされる。さらには、導圧管の貯蔵タンクへの設置自体が困難であるし、そのメンテナンスを考えても、それが容易でないことは理解に易い。
【００１３】
一方、液密度の特定に際し、屈折率計（屈折計）を用いて測定対象液体の屈折率を測定し、処理部にてこの測定結果から液体密度を算定する、液体屈折計と液体密度計に関する技術が特許文献２に開示されている。より具体的には、プローブ内の送光部と受光部をそれぞれラックに固定し、このラックとピニオンとが噛合するように配置し、このピニオンを回すことでラックを回し、このラックの回転に伴って送光部と受光部がプリズムの中心点を回転中心として、測定光のプリズムへの入射光路と反射光路とを含む面に沿った円周上を回動するようにして流体屈折計を構成し、さらにこの流体屈折計にて測定された屈折率から流体密度を算定する処理部を合わせて流体密度計を構成するものである。
【００１４】
特許文献２では、この液体屈折計および液体密度計を使用することで、広範囲の屈折率と密度を測定することができる、としているが、この広範囲の測定は、送光部と受光部が回転することで実施されるものであり、広範囲の測定を同時に実行することはできず、したがって、上記する異種ＬＮＧ混合貯蔵の有するロールオーバー対策には不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−４８１１５号公報
【特許文献２】特開平５−２０３５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、貯蔵タンク内に貯蔵された液体の複数の所望位置（もしくは所望レベル）における液密度を、直接的に、高い精度で、同時に測定することができ、測定ポイントの変更や増加にも臨機かつ柔軟に対応でき、貯蔵タンクへの設置やそのメンテナンスも容易な、貯蔵タンク内の液密度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成すべく、本発明による貯蔵タンク内の液密度計測装置は、貯蔵タンク内に貯蔵された液体の液密度を計測する、液密度計測装置であって、前記液密度計測装置は、先端にラマンプローブを備えた、長さの異なる複数の光ファイバーと、２箇所以上の異なる高さレベルの測定ポイントにおいて、そのうちの少なくとも２箇所の測定ポイントに固有のラマンプローブで同時測定されたそれぞれのラマン散乱光が送信される分光器と、送信されたラマン散乱光に固有の液体成分が前記分光器にて検出され、検出された該液体成分から、該少なくとも２箇所の測定ポイントにおける同時刻の液密度を算定する液密度算定手段と、を少なくとも備え、前記複数のラマンプローブは、それぞれの測定ポイントに位置決めされているものである。
【００１８】
本発明の液密度計測装置が測定対象とする「液体」とは、水、オイルなどの液体全般を指称するものであり、この液体に含まれる「液化ガス」とは、ＬＮＧ，ＬＰＧ、液化窒素、液化水素などを指称するものである。
【００１９】
そして、本発明の液密度計測装置は、特に、その構成要素である貯蔵タンク内に収容された液体が２以上の異なる密度を有するもので、貯蔵タンク内で密度ごとに層状に貯蔵される場合において、少なくとも２種以上の液体のラマン散乱光を２箇所以上で同時に計測してその液密度を特定し、時間経過にともなう同位置におけるラマン散乱光（および液密度）の推移も同時に計測および算定（もしくは特定）することをその大きな目的としたものである。なお、上記する「少なくとも２種以上の液体」のそれぞれの液体が複数の成分種からなる場合においては、測定されたラマン散乱光から各成分種に固有のラマンスペクトルピークが特定され、液体を構成する各成分種の濃度が特定されるものである。
【００２０】
そのための構成として、液体を貯蔵する貯蔵タンク内のレベルごとに長さの異なる光ファイバーが延びており、それぞれの光ファイバーの先端にラマンプローブが設けてあり、各ラマンプローブは、固有のレベル位置に位置決めされた構成となっている。そして、貯蔵タンク外に分光器（ラマン分光器）が設けてあり、ラマンプローブで測定されたラマン散乱光がこの分光器に送信され、送信されたラマン散乱光に固有の液体成分（液体成分種）が該分光器にて検出され、検出された該液体成分（種）やそれらの濃度から液密度が算定もしくは特定されるようになっている。
【００２１】
なお、ラマン散乱光を使用して液密度が算定もしくは特定されるアルゴリズムは、ラマン散乱光を使用してなる適宜の物理推定法を適用でき、たとえば、ＲＳＫ法、ラマン分光法などを適用すればよい。この分光器では、たとえば複数種の液体成分の各濃度がラマンスペクトルによって特定され（貯蔵された液体がＬＮＧの場合には、メタンが９０％、エタンが５％、ペンタンが５％など）、貯蔵タンク内の複数レベル位置に設けられた温度センサ、圧力センサなどによって測定された、ラマン散乱光が測定されたレベル位置における温度データ、圧力データなどが加味されて各液体成分種の濃度等の補正が適宜実行されて、測定レベル位置における液体（ＬＮＧ等）の密度の算定が瞬時におこなわれるものである。
【００２２】
軽量かつ長さ調整が自在な光ファイバーの先端にラマンプローブを取り付けたことで、貯蔵タンク内の任意の測定ポイントに複数のラマンプローブを容易に設置することができ、さらには、ラマンプローブ等のメンテナンスの際には、光ファイバーを巻取回収等するだけでよく、そのメンテナンス性にも優れている。さらには、短時間で貯蔵タンク内の別途の測定ポイントにラマンプローブを設置したい場合でもその設置は容易であるし、既に設置されているラマンプローブの測定ポイントを容易に変更することもできる。
【００２３】
したがって、たとえば液体がＬＮＧであり、貯蔵タンク内で密度の異なる２種以上のＬＮＧが貯蔵される、異種ＬＮＧ混合貯蔵を想定するに、当初の受け入れＬＮＧの液密度が３種類の場合には、該３種類のＬＮＧの液密度を測定できる所望の３箇所のレベル位置（測定ポイント）にそれぞれラマンプローブを位置決めしておけばよく、受け入れ途中で、４種類の液密度のＬＮＧに受け入れ計画が変更された際には、臨機に別途のラマンプローブを増設できるとともに、各ラマンプローブのレベル位置（測定ポイント）の調整も短時間で実施することができる。
【００２４】
そして、２箇所の測定ポイントにラマンプローブが設置されている場合には、この２箇所のラマンプローブで２種類のラマン散乱光が同時計測され、３以上の測定ポイントにラマンプローブが設置されている場合には、そのうちの少なくとも２箇所のラマン散乱光が同時計測されるものであり、たとえば５箇所にラマンプローブが設置されている場合には、５箇所全部のラマンプローブで５種のラマン散乱光が同時に計測される形態、３箇所で３種のラマン散乱光が同時に計測される形態、２箇所で２種のラマン散乱光が同時に計測される形態などがある。
【００２５】
少なくとも２箇所の測定ポイントで少なくとも２種類のラマン散乱光の同時計測を実施してそれらの液密度を算定することで、たとえば、この液体が上記するＬＮＧの場合には、同時刻の２種類のＬＮＧの各液密度が算定され、それから所定時間後に生じ得る上記ロールオーバーへの対策を講じることが可能となる。なお、この「所定時間」とは、２種のＬＮＧの液密度差や、貯蔵されるＬＮＧの種類（産地、密度等）、貯蔵タンクの内部形状、入熱条件等によって異なるものであり、層状化した複数のＬＮＧ層の層境界が消失して短時間で多量のＢＯＧが発生するまでの時間である。なお、タンク内の液密度分布を把握できれば、この所定時間は、ガス関連企業における過去の実績に基づく経験則や、実験、シミュレーション等に基づいて予測することが可能となるが、本発明を適用することにより、より一層精度よくタンク内の液密度分布を把握することができ、より高い精度の予測実現に繋がる。
【００２６】
そして、このロールオーバーへの対策方法は特に限定されるものでないが、たとえば、貯蔵タンク内に設置されたノズルからＬＮＧを噴射させてＬＮＧの層境界を破壊してしまう方法や、相対的に高密度で高温の下層ＬＮＧを早期に払い出す方法などを挙げることができる。
【００２７】
また、本発明の液密度計測装置の有する液密度算定手段に、２種類の液密度差からロールオーバーが生じるまでの時間が格納されていれば、同時測定された２種類のラマン散乱光から２種類の液体の液密度が算定され、その液密度の差から、ロールオーバーが生じるまでの時間を短時間で割り出すことも可能となる。
【００２８】
また、複数の長さの異なる光ファイバーの配設態様や、各光ファイバーに固有のラマンプローブの位置決め態様には、たとえば以下で示す種々の形態がある。
【００２９】
その一つの形態は、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部がそれらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーには、剛性のある錘体が取り付けられ、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている形態である。
【００３０】
剛性（曲げ剛性等）があって、しかも重量のあるたとえば棒状を呈した錘体に、複数の光ファイバーを束ねて一体化し、これらの光ファイバーはたとえば貯蔵タンクの屋根から垂下しておき、この錘体が自身の有する剛性と重量でその直立姿勢を保持することで、複数の光ファイバーそれぞれに固有のラマンプローブの位置決め、すなわち、各ラマンプローブの計測ポイントにおける位置決めが保障できる。なお、「光ファイバーの一部もしくは全部」とは、５本の長さの異なる光ファイバーが適用される場合には、５本すべてが一つに束ねられていてもよいし、そのうちの４本、３本、もしくは２本が一つに束ねられ、束ねられていない光ファイバーは単独で他の測定ポイントに延びているような形態を意味している。
【００３１】
また、他の形態は、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部がそれらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーが貯蔵タンクの内壁に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている形態である。
【００３２】
この実施の形態によれば、貯蔵タンクの内壁を利用してこれに束ねられた複数の光ファイバーを固定することで、束ねられた光ファイバーを係止させるための別途の部材を使用することなく、各光ファイバーのラマンプローブを所望位置に位置決めすることができる。
【００３３】
さらに他の一つの形態は、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部がそれらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、前記貯蔵タンクの内部には支持部材が備えてあり、束ねられた光ファイバーが該支持部材に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている形態である。
【００３４】
たとえば、面材に複数のレベルごとにラマンプローブ係止用の窓が開設されたものや、所定のレベル間隔ごとに配設された複数の横桟が２つの縦桟を繋いだ梯子状の支持部材等が、貯蔵タンク内部の底版上に立設されていて、貯蔵タンクの屋根等から垂下されて束ねられた複数の光ファイバーそれぞれのラマンプローブが対応するレベルの窓や横桟で固定される等の実施形態などを挙げることができる。
【００３５】
なお、貯蔵タンクに、液体の受け入れ配管や液体の払い出し配管が装備されているのが一般的であるが、これらの配管の少なくともいずれか一方にも上記する光ファイバーが延びて、その先端のラマンプローブが配されている形態であってもよい。たとえば、液体がＬＮＧの場合において、受け入れ配管内を通過するＬＮＧの液密度と、貯蔵タンク内に貯蔵されて所定時間経過した際のＬＮＧの液密度には、その時間経過でＬＮＧに作用する入熱によって液密度が変化し得るものであることから、これらの液密度を算定することで、ＬＮＧ受け入れ当初からの高精度な液密度管理を実現することができる。
【００３６】
また、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて複数の束の光ファイバー群をなし、複数の該束が前記貯蔵タンク内の異なる位置で垂下されている形態であってもよい。
【００３７】
この形態はすなわち、光ファイバー群をなす束が地下タンク内の複数箇所に垂下された実施形態を示すものであり（地下タンク内には３次元的配置でラマンプローブが存在し得る）、たとえば、一つのＬＮＧ層に関して複数箇所のラマン散乱光を計測することができ、密度の異なるＬＮＧ層のラマン散乱光の計測に加えて、同一のＬＮＧ層で異なる平面位置でのラマン散乱光の計測も実施できるものである。
【発明の効果】
【００３８】
以上の説明から理解できるように、本発明による液密度計測装置によれば、軽量で長さの異なる光ファイバーの先端にラマンプローブを配し、これを貯蔵タンク内の複数の測定ポイントに位置決めし、少なくとも２箇所の測定ポイントで同時測定されたラマン散乱光からそれらの液密度をほぼ同時に算定するようにしたことで、測定ポイントの増設、変更等が容易であり、かつ、ラマンプローブ等のメンテナンスも容易であって、しかも、異種密度の液体の各液密度をほぼ同時に、しかも高い精度で算定もしくは特定することができる。したがって、この液体がＬＮＧである場合には、異種ＬＮＧ混合貯蔵の際に問題となる、層状化に起因したロールオーバー現象を確実に抑止することのできる貯蔵タンクオペレーションの実現に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の液密度計測装置の一実施の形態を説明した模式図である。
【図２】分光器および液密度算定手段を説明したブロック図である。
【図３】（ａ）は、分光器において、ラマンシフトに固有の液体成分種がそのスペクトルピークで特定されている表示結果を示す図であり、（ｂ）は、圧力データ、温度データの双方の値から成分種の密度等を補正する物理推定法を適用する場合において、圧力データ、温度データの双方の値から特定された点ごとに割り当てられた補正係数が一義的に決定されることを説明した図である。
【図４】本発明の液密度計測装置の他の実施の形態を説明した模式図である。
【図５】本発明の液密度計測装置のさらに他の実施の形態を説明した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を参照して本発明の液密度計測装置の実施の形態を説明する。なお、図示例では、貯蔵タンク内で３種類の液密度の異なるＬＮＧ層が層状化している状態を示しているが、貯蔵タンク内に貯蔵される異種密度のＬＮＧは、２種であっても、４種以上であってもよいことは勿論のことである。また、ＬＮＧ層ごとに固有のラマンプローブが設置され、それぞれの層のＬＮＧのラマン散乱光が測定されるようになっているが、たとえば、その計測制御方法は、図示例において、３種全部のＬＮＧのラマン散乱光が同時計測され、それぞれの液密度が同時算定される制御方法であっても、そのうちのいずれか２種のＬＮＧのラマン散乱光が同時計測され、それぞれの液密度が同時算定される制御方法であってもよい。さらに、測定対象の液体は、ＬＮＧ以外にも、層状化を呈し得るＬＰＧや、水と油等、一つの貯蔵タンク内で収容される他の異種液体も含まれることは勿論のことである。
【００４１】
図１は、本発明の液密度計測装置の一実施の形態を説明した模式図であり、図２は、液密度計測装置の構成要素である分光器と液密度算定手段を説明したブロック図である。
図示する液密度計測装置１０は、複数のＬＮＧ（上層から順にＬＮＧ１層、ＬＮＧ２層、ＬＮＧ３層）を収容する、いわゆる異種ＬＮＧ混合貯蔵に供される貯蔵タンク１と、その屋根１１から垂下された複数の光ファイバー２，…および各光ファイバー２，…の先端に配されたラマンプローブ３，…と、各ラマンプローブ３，…から送信されるラマン散乱光データが送信されて、計測位置におけるＬＮＧの液体成分種と各成分種の濃度が特定される分光器６と、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータに基づいて各ＬＮＧ層の液密度を算定する液密度算定手段７と、から大略構成されている。
【００４２】
貯蔵タンク１には、ＬＮＧを受け入れる受け入れ配管１２（Ｘ１方向）、貯蔵されたＬＮＧを払い出しポンプ１５を介して払い出すＬＮＧ払い出し配管１３（Ｘ２方向）、ＬＮＧ１層の上方に充満しているＢＯＧを払い出すＢＯＧ払い出し配管１４（Ｘ３方向）がそれぞれ装備されている。
【００４３】
また、各ＬＮＧ層に対応するように長さの異なる光ファイバー２，…は、その途中位置で束ね材４にて束ねられている。そして、この束ねられた光ファイバー２，…は、高い曲げ剛性を有する剛性材５１と、その先端の錘体５２と、からなる剛性錘材５に固定されており、この固定姿勢によって、各光ファイバー２の先端のラマンプローブ３が、対応するＬＮＧ層中に位置決めされるものである。剛性があり、かつ重量のある剛性錘材５に複数の光ファイバー２，…が束ねられた姿勢で固定されていることで、各ＬＮＧ層内で対流等が生じていても、各ラマンプローブ３，…の当初の位置決め姿勢は確保される。
【００４４】
一方、分光器６と液密度算定手段７は管理棟Ｋ内に格納されており、一般にはハードウエアとして公知のコンピュータが適用されてその内部に密度算定手段７を構成する各種の制御部が内蔵されており、その結果（液密度差、ロールオーバーまでの所要時間など）がコンピュータ画面上で表示されるようになっている。そして、管理者はその結果に基づいて、たとえば表示されたロールオーバーまでの時間内で最適な貯蔵タンクオペレーションを実行することとなる。
【００４５】
貯蔵タンク１内に異種密度のＬＮＧが貯蔵されると、その受け入れの前後を問わず、一般的に、密度の高いＬＮＧが下方へ移動し、下方から密度の高い順で異種密度のＬＮＧが層状に貯蔵される。したがって、図示例においては、ＬＮＧ３層、ＬＮＧ２層、ＬＮＧ１層の順で高密度となっており、各ＬＮＧ層が層状化を成している。
【００４６】
そして、貯蔵タンク１内で層状化を成している各ＬＮＧ層（少なくとも受け入れ時には−１６２℃程度の極低温である）には、貯蔵タンク１外からの入熱により、ＬＮＧ層が温められて密度が減少することに伴い、各層内では対流が生じている。図示例のように３層のＬＮＧ層からなる場合に、各層に固有の対流が生じているものを三重対流（多重対流）などと称することもできる。
【００４７】
この入熱に関して言えば、最上位および中位に位置するＬＮＧ１層、ＬＮＧ２層が貯蔵タンク１の側面からの入熱：Ｑ１で温められているのに対して、最下位のＬＮＧ３層は、貯蔵タンク１の側面からの入熱：Ｑ１に加えて底版からの入熱：Ｑ２も作用していることより、このＬＮＧ３層が最も高温になり易い。そして、温度上昇に伴ってＬＮＧ３層の液密度は除々に低下していき、その上方のＬＮＧ２層との間の層境界が解消され、より大きな対流が形成される。そして、これらがさらに温められて、最終的にはＬＮＧ２層とＬＮＧ１層との層境界も解消され、短時間で多数のＢＯＧが発生するという、いわゆるロールオーバー現象が生じ得ることとなる。
【００４８】
しかし、図示する液密度計測装置１０では、ＬＮＧ層ごとに固有のラマンプローブ３が位置決めされ、たとえば、すべてのＬＮＧ層内に位置決めされたラマンプローブ３，…が同時に対応するＬＮＧのラマン散乱光を測定し、測定結果が分光器６に送信されて計測位置におけるＬＮＧの液体成分種と各成分種の濃度が特定され、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータが液密度算定手段７に送信されて各ＬＮＧ層のＬＮＧ密度が算定され、液密度差等に基づいてロールオーバーまでの所要時間が割り出され、この所要時間内で実施し得る適宜の対策を選定することが可能となる。
【００４９】
図１で示すように、貯蔵タンク１内には、軽量で長さ調整が自在な光ファイバーにラマンプローブが繋がれ、これが貯蔵タンク１の屋根から垂下されるとともにそれらの測定ポイントにおける位置決め姿勢が確保されていることから、たとえば、ラマンプローブの位置（測定ポイント）を変更したり、あるいは測定ポイント増に伴ってラマンプローブを増設すること、さらにはラマンプローブのメンテナンスなどはいずれも、極めて容易に実行することができる。
【００５０】
ここで、図２を参照して、分光器６と液密度算定手段７の内部構成を概説する。
分光器６には、各ラマンプローブ３，…で同時計測されたラマン散乱光データが送信され（ＩＮＰＵＴ１，２，…）、ここで、計測位置におけるＬＮＧの液体成分種と各成分種の濃度が特定され、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータが液密度算定手段７を構成するハードウエア（コンピュータ）内の液密度算定部７１へ送られる。
【００５１】
この液密度算定部７１では、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータを使用し、適宜の物理推定式もしくは算定式（アルゴリズム）に基づいてＬＮＧの密度が算定される。
【００５２】
ここで、ラマン散乱光から液体成分種等を特定するアルゴリズムについて概説する。
光が気体分子に衝突すると、入射光よりも波長の長い光が散乱されることがあり、これが一般にラマン散乱と称されている。ここで、入射光の波長：λＬと、ラマン散乱光の波長：λＳの間には以下の式１の関係がある。
【数１】
【００５３】
ここで、ωＲ：ラマンシフト（振動数）であり、気体はそれぞれに固有の値を有することから、ラマン散乱光を分光することで、分光されたラマン光の波長から成分種の特定が可能となるもの。
【００５４】
たとえば、ＬＮＧが、メタン、エタン、ペンタンの３種の成分種から主として構成される場合に、図３ａで示すように、ラマンスペクトルピークを与えるラマンシフトから各成分種を特定するとともに、各成分種の濃度も特定される。
【００５５】
液密度算定部７１では、複数の成分種およびそれらの濃度と、必要に応じて、ラマン散乱光が測定されたレベル位置におけるＬＮＧの温度データ、圧力データと、から、格納された適宜の物理推定法（ＲＳＫ法など）を適用して、算定対象のＬＮＧの液密度の算定が実行される。なお、図３ｂでは、圧力データ、温度データの双方の値から成分種の密度等を補正する物理推定法を適用する場合において、圧力データ、温度データの双方の値から特定された点Ｐ１，Ｐ２，…ごとに割り当てられた補正係数が一義的に決定されることを説明したものである。
【００５６】
このようにして、液密度算定部７１では、貯蔵タンク１内のレベルごとのＬＮＧ密度が算定され、算定されたレベルごとのＬＮＧ密度データが液密度差データ格納部７２に送信され、ここで、双方の液密度差が算定されて格納される。
【００５７】
ところで、ガス関連企業においては、複数種のＬＮＧの液密度差と、ロールローバーまでの時間に関する相間データが、これまでの実績に基づく経験則や、実験、解析等で特定されている（実際には、ロールオーバーまでの時間はＬＮＧの液密度差のみならず、貯蔵タンク内の形状、入熱条件など、複数のファクターが関連する）。たとえば、ＬＮＧの液密度差が１０ｋｇ／ｍ３の場合に、ロールオーバーまでの所要時間が５時間、１０時間、という具合に特定されている。
【００５８】
液密度算定手段７には、これら経験則、実験、解析等で特定されている、液密度差とロールオーバーまでの時間データを格納する格納部７３があり、ここで格納されるデータと、液密度差データ格納部７２から送信される液密度差から、ロールオーバーまでの時間が算定部７４で特定され、コンピュータ画面上に表示される（ＯＵＴＰＵＴ）。
【００５９】
なお、各格納部や算定部は中央演算処理部（ＣＰＵ７５）で演算処理されること、不図示のＲＡＭやＲＯＭが内部構成として存在していること、各格納部や算定部、ＣＰＵがバス等で繋がれていること、などは勿論のことである。
【００６０】
また、液密度算定手段の具体的な構成は図示例に限定されるものではなく、たとえば、液密度算定部７１、ＣＰＵ７５のみからなる極めてシンプルな内部構成であってもよい。
図４，５はそれぞれ、本発明の液密度計測装置の他の実施の形態を説明した模式図であり、特に図１で示す液密度計測装置１０に対して、複数の光ファイバーの係止形態およびラマンプローブの位置決め形態を変更した装置を示すものであり、他の装置構成に変更はない。
【００６１】
図４で示す液密度計測装置１０Ａは、束ね材４にて束ねられた複数の光ファイバー２，…を、この束ね材４を貯蔵タンク１の内壁に固定することでその全体を固定し、この固定姿勢において、各光ファイバー２，…の先端のラマンプローブ３，…を固有のＬＮＧ層内に位置決めし、その位置決め姿勢を保障するものである。
【００６２】
一方、図５で示す液密度計測装置１０Ｂは、支持部材５Ａが貯蔵タンク１の底版から立設しており、この支持部材５Ａには、各ＬＮＧ層に対応する位置に固定窓５Ａａが開設されていて、この固定窓５Ａａに各ＬＮＧ層に固有のラマンプローブ３が係止され、その位置決め姿勢が保障されたものである。
【００６３】
図１，４，５で示された本発明の液密度計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂを用いることで、可及的に短時間で、しかも高精度に、複数種のＬＮＧ密度を算定もしくは特定し、それらの液密度差等を特定することが可能となる。したがって、今後その採用が益々拡大するであろう異種ＬＮＧ混合貯蔵において最大の課題となっている、ロールオーバー現象を効果的に抑止するための対策を講じるに際し、本発明の液密度計測装置は極めて有用である。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１…貯蔵タンク、１１…屋根、１２…受け入れ配管、１３…ＬＮＧ払い出し配管、１４…ＢＯＧ払い出し配管、１５…払い出しポンプ、２…光ファイバー、３…ラマンプローブ、４…束ね材、５…剛性錘材、５１…剛性材、５２…錘体、５Ａ…支持部材、５Ａａ…固定窓、６…分光器、７…液密度算定手段、１０，１０Ａ，１０Ｂ…液密度計測装置、Ｋ…管理棟
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯蔵タンク内に貯蔵される、ＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）等の液化ガスをはじめ、各種液体の液密度を計測する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、各種の産業活動、市民生活から排出される二酸化炭素の排出量削減を如何なる手段で実現するかという問題は、国家的かつ国際的な問題となっており、我が国においても、その対策の立案に向けた活発な議論が展開されている。
【０００３】
そして、その中でも、ＬＮＧ（液化天然ガス）は、その燃焼時に硫黄酸化物や煤塵を発生せず、他の化石燃料に比して二酸化炭素や窒素酸化物の排出量が少ないことから、環境負荷の少ない、いわゆるクリーンエネルギーとして注目を集めている。
【０００４】
一方、我が国のガス関連産業においては、我が国で使用される都市ガス等の原料となるＬＮＧの多くを、オーストラリア、アラスカ、東南アジアや中東をはじめ、世界各国からＬＮＧタンカー等を介して輸入しているのが現状である。
【０００５】
ここで、ＬＮＧの密度に関して言及すると、輸入先である各国（産地）ごとにＬＮＧの密度が多様に異なっており（４２０〜４７０ｋｇ／ｍ３程度と言われている）、また、同一産地であっても、その輸送や貯蔵過程での外部入熱による温度上昇、蒸発等によって密度は変化する。また、ＬＮＧ市場の拡大に伴ってスポット契約が増加し、さらには、その輸入先も多様化してきている。これらの要素を踏まえ、輸入先ごとに、すなわち、密度ごとに被貯蔵ＬＮＧの貯蔵タンクを使い分けようとすると、新規の貯蔵タンクの増設等を余儀なくされ、多大な建設コストが生じる。そこで、既存の貯蔵タンク（一般に、ガス関連施設ヤードには複数の地上式、地下式、半地下式の貯蔵タンクが存在している）を有効利用して、一つの貯蔵タンク内に密度の異なる複数のＬＮＧを混合貯蔵する方法の必要性が高まりつつあり、いわゆる、異種ＬＮＧ混合貯蔵と称されている。
【０００６】
異種ＬＮＧ混合貯蔵においては、貯蔵タンク内で複数種の相互に密度の異なるＬＮＧが貯蔵される際に、下層にいくほど高密度のＬＮＧが存在する密度分布を呈して各密度に固有のＬＮＧ層を成すようになり、これは一般に「層状化」と称されている。なお、この層状化は、異なる密度のＬＮＧが貯蔵タンク内に収容された際に生じるものであり、同一種のＬＮＧが貯蔵される場合に生じないことは勿論のことである。
【０００７】
ところで、ＬＮＧ貯蔵タンク内に貯蔵されているＬＮＧは、常圧、−１６２℃にて気液平衡状態となっており、これに自然入熱等が作用することでＢＯＧ（ボイルオフガス）が発生し、タンク内に充満している。したがって、このような極低温のＬＮＧを貯蔵する貯蔵タンクには断熱構造が要求されている。しかし、断熱構造を呈しているとしても、タンク内に自然入熱が作用することは避けられず、この自然入熱等により、貯蔵タンク内部のＬＮＧはその一部が気化することで、各層のＬＮＧごとに、該層内で対流が生じている。そして、外部からの熱の作用が最も大きなＬＮＧ層は、貯蔵タンクの側面と底面からの熱が作用する最下層のＬＮＧ層であり、加えて、上層が蓋の役割を果たし、下層からのＢＯＧによる放熱を阻害することから、最下層のＬＮＧ層がそれよりも上方のＬＮＧ層に比して相対的に高温となり、この温度上昇に伴ってＬＮＧの液密度が小さくなっていくことが特定されている。
【０００８】
たとえば、最下層の液密度が４６０ｋｇ／ｍ３、その上層の液密度が４５０ｋｇ／ｍ３の２層の層状化をなしたＬＮＧ層において、最下層のＬＮＧ層は、温度上昇に伴ってその密度が４５５ｋｇ／ｍ３、４５０ｋｇ／ｍ３と低下していき、最終的には、上層のＬＮＧ層の液密度と同程度になるとともに、上層、下層の層境界は消滅する。
【０００９】
そして、異種ＬＮＧの液密度が同程度になるまでは、各層ごとに各層内に固有の比較的小さな対流が生じていたものが、上下層の液密度が同程度となったことで、上下層の全体に亘る大きな対流が生ぜしめられ、この大きな対流によってそれまで下層に蓄積されていた熱が多量のＢＯＧ発生を促進し、これが、貯蔵タンク内部の内圧を急激に上昇させたり、場合によっては貯蔵タンクの破損、損傷に至ることもあり、貯蔵タンクオペレーションにとっての大きなリスク原因の一つとなっている。なお、このように、層状化にともない、下層のＬＮＧ層に蓄積されていた熱が多量のＢＯＧ発生に伴って解放される現象は、ロールオーバーと称されている。
【００１０】
上記するロールオーバーを未然に防ぐには、たとえば最下層のＬＮＧの液密度変化と、その上方の液密度（上方の液密度も当然に変化し得るものである）を同時に、しかも、高い精度で計測することが重要である。そして、このような高精度で同時に計測された計測データを使用することで、異種ＬＮＧ間で液密度が同程度となるまでの時間が特定され、ロールオーバーが生じ得ない様々な対策が事前に講じられる、貯蔵タンクオペレーションシステムが構築できるのである。
【００１１】
ここで、ＬＮＧタンク内の液密度計測に関する従来の公開技術として、特許文献１に開示のＬＮＧタンク内液密度計測装置を挙げることができる。この装置は、ＬＮＧタンクに貯蔵されたＬＮＧ内に異なる高さで開口した複数の導圧管を配し、２つの圧力導入口に設けられた差圧センサでそれらの差圧を計測するものであり、この装置はさらに、導圧管を２本ずつ順次選択してその上端をそれぞれ差圧センサの圧力導入口に連通させる切替え連通手段と、選択した２本の導圧管を通してＬＮＧ内にガスを供給するガス供給装置を備えており、計測された差圧から下端間の液密度を算出するものである。
【００１２】
特許文献１に開示の液密度計測装置によれば、ＬＮＧタンク内の異なる高さにおける液密度を、組成変化，温度変化等の影響を受けずに、精度よく直接計測することができる、としている。しかし、この装置で算出される液密度は、たとえば２つの測定ポイント間の平均密度に過ぎず、したがって、液体の所望位置（所望レベル）における液密度が直接的に測定されるものではない。また、導圧管を使用していることから、その重量が重く、したがって、貯蔵タンク内の液密度測定ポイントが変化したり、あるいは増加した場合において、臨機かつ柔軟に変化した測定ポイントの液密度測定を実行することは極めて困難であるし、そもそも、液密度測定ポイントは、導圧管の配設位置に依存することから、貯蔵タンク内の全領域で液密度を測定したい場合には、多数の導圧管の配設が余儀なくされる。さらには、導圧管の貯蔵タンクへの設置自体が困難であるし、そのメンテナンスを考えても、それが容易でないことは理解に易い。
【００１３】
一方、液密度の特定に際し、屈折率計（屈折計）を用いて測定対象液体の屈折率を測定し、処理部にてこの測定結果から液体密度を算定する、液体屈折計と液体密度計に関する技術が特許文献２に開示されている。より具体的には、プローブ内の送光部と受光部をそれぞれラックに固定し、このラックとピニオンとが噛合するように配置し、このピニオンを回すことでラックを回し、このラックの回転に伴って送光部と受光部がプリズムの中心点を回転中心として、測定光のプリズムへの入射光路と反射光路とを含む面に沿った円周上を回動するようにして流体屈折計を構成し、さらにこの流体屈折計にて測定された屈折率から流体密度を算定する処理部を合わせて流体密度計を構成するものである。
【００１４】
特許文献２では、この液体屈折計および液体密度計を使用することで、広範囲の屈折率と密度を測定することができる、としているが、この広範囲の測定は、送光部と受光部が回転することで実施されるものであり、広範囲の測定を同時に実行することはできず、したがって、上記する異種ＬＮＧ混合貯蔵の有するロールオーバー対策には不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−４８１１５号公報
【特許文献２】特開平５−２０３５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、貯蔵タンク内に貯蔵された液体の複数の所望位置（もしくは所望レベル）における液密度を、直接的に、高い精度で、同時に測定することができ、測定ポイントの変更や増加にも臨機かつ柔軟に対応でき、貯蔵タンクへの設置やそのメンテナンスも容易な、貯蔵タンク内の液密度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成すべく、本発明による貯蔵タンク内の液密度計測装置は、貯蔵タンク内に貯蔵された液体の液密度を計測する、液密度計測装置であって、前記液密度計測装置は、先端にラマンプローブを備えた、長さの異なる複数の光ファイバーと、２箇所以上の異なる高さレベルの測定ポイントにおいて、そのうちの少なくとも２箇所の測定ポイントに固有のラマンプローブで同時測定されたそれぞれのラマン散乱光が送信される分光器と、送信されたラマン散乱光に固有の液体成分が前記分光器にて検出され、検出された該液体成分から、該少なくとも２箇所の測定ポイントにおける同時刻の液密度を算定する液密度算定手段と、を少なくとも備え、前記複数のラマンプローブは、それぞれの測定ポイントに位置決めされているものである。
【００１８】
本発明の液密度計測装置が測定対象とする「液体」とは、水、オイルなどの液体全般を指称するものであり、この液体に含まれる「液化ガス」とは、ＬＮＧ，ＬＰＧ、液化窒素、液化水素などを指称するものである。
【００１９】
そして、本発明の液密度計測装置は、特に、その構成要素である貯蔵タンク内に収容された液体が２以上の異なる密度を有するもので、貯蔵タンク内で密度ごとに層状に貯蔵される場合において、少なくとも２種以上の液体のラマン散乱光を２箇所以上で同時に計測してその液密度を特定し、時間経過にともなう同位置におけるラマン散乱光（および液密度）の推移も同時に計測および算定（もしくは特定）することをその大きな目的としたものである。なお、上記する「少なくとも２種以上の液体」のそれぞれの液体が複数の成分種からなる場合においては、測定されたラマン散乱光から各成分種に固有のラマンスペクトルピークが特定され、液体を構成する各成分種の濃度が特定されるものである。
【００２０】
そのための構成として、液体を貯蔵する貯蔵タンク内のレベルごとに長さの異なる光ファイバーが延びており、それぞれの光ファイバーの先端にラマンプローブが設けてあり、各ラマンプローブは、固有のレベル位置に位置決めされた構成となっている。そして、貯蔵タンク外に分光器（ラマン分光器）が設けてあり、ラマンプローブで測定されたラマン散乱光がこの分光器に送信され、送信されたラマン散乱光に固有の液体成分（液体成分種）が該分光器にて検出され、検出された該液体成分（種）やそれらの濃度から液密度が算定もしくは特定されるようになっている。
【００２１】
なお、ラマン散乱光を使用して液密度が算定もしくは特定されるアルゴリズムは、ラマン散乱光を使用してなる適宜の物理推定法を適用でき、たとえば、ＲＳＫ法、ラマン分光法などを適用すればよい。この分光器では、たとえば複数種の液体成分の各濃度がラマンスペクトルによって特定され（貯蔵された液体がＬＮＧの場合には、メタンが９０％、エタンが５％、ペンタンが５％など）、貯蔵タンク内の複数レベル位置に設けられた温度センサ、圧力センサなどによって測定された、ラマン散乱光が測定されたレベル位置における温度データ、圧力データなどが加味されて各液体成分種の濃度等の補正が適宜実行されて、測定レベル位置における液体（ＬＮＧ等）の密度の算定が瞬時におこなわれるものである。
【００２２】
軽量かつ長さ調整が自在な光ファイバーの先端にラマンプローブを取り付けたことで、貯蔵タンク内の任意の測定ポイントに複数のラマンプローブを容易に設置することができ、さらには、ラマンプローブ等のメンテナンスの際には、光ファイバーを巻取回収等するだけでよく、そのメンテナンス性にも優れている。さらには、短時間で貯蔵タンク内の別途の測定ポイントにラマンプローブを設置したい場合でもその設置は容易であるし、既に設置されているラマンプローブの測定ポイントを容易に変更することもできる。
【００２３】
したがって、たとえば液体がＬＮＧであり、貯蔵タンク内で密度の異なる２種以上のＬＮＧが貯蔵される、異種ＬＮＧ混合貯蔵を想定するに、当初の受け入れＬＮＧの液密度が３種類の場合には、該３種類のＬＮＧの液密度を測定できる所望の３箇所のレベル位置（測定ポイント）にそれぞれラマンプローブを位置決めしておけばよく、受け入れ途中で、４種類の液密度のＬＮＧに受け入れ計画が変更された際には、臨機に別途のラマンプローブを増設できるとともに、各ラマンプローブのレベル位置（測定ポイント）の調整も短時間で実施することができる。
【００２４】
そして、２箇所の測定ポイントにラマンプローブが設置されている場合には、この２箇所のラマンプローブで２種類のラマン散乱光が同時計測され、３以上の測定ポイントにラマンプローブが設置されている場合には、そのうちの少なくとも２箇所のラマン散乱光が同時計測されるものであり、たとえば５箇所にラマンプローブが設置されている場合には、５箇所全部のラマンプローブで５種のラマン散乱光が同時に計測される形態、３箇所で３種のラマン散乱光が同時に計測される形態、２箇所で２種のラマン散乱光が同時に計測される形態などがある。
【００２５】
少なくとも２箇所の測定ポイントで少なくとも２種類のラマン散乱光の同時計測を実施してそれらの液密度を算定することで、たとえば、この液体が上記するＬＮＧの場合には、同時刻の２種類のＬＮＧの各液密度が算定され、それから所定時間後に生じ得る上記ロールオーバーへの対策を講じることが可能となる。なお、この「所定時間」とは、２種のＬＮＧの液密度差や、貯蔵されるＬＮＧの種類（産地、密度等）、貯蔵タンクの内部形状、入熱条件等によって異なるものであり、層状化した複数のＬＮＧ層の層境界が消失して短時間で多量のＢＯＧが発生するまでの時間である。なお、タンク内の液密度分布を把握できれば、この所定時間は、ガス関連企業における過去の実績に基づく経験則や、実験、シミュレーション等に基づいて予測することが可能となるが、本発明を適用することにより、より一層精度よくタンク内の液密度分布を把握することができ、より高い精度の予測実現に繋がる。
【００２６】
そして、このロールオーバーへの対策方法は特に限定されるものでないが、たとえば、貯蔵タンク内に設置されたノズルからＬＮＧを噴射させてＬＮＧの層境界を破壊してしまう方法や、相対的に高密度で高温の下層ＬＮＧを早期に払い出す方法などを挙げることができる。
【００２７】
また、本発明の液密度計測装置の有する液密度算定手段に、２種類の液密度差からロールオーバーが生じるまでの時間が格納されていれば、同時測定された２種類のラマン散乱光から２種類の液体の液密度が算定され、その液密度の差から、ロールオーバーが生じるまでの時間を短時間で割り出すことも可能となる。
【００２８】
また、複数の長さの異なる光ファイバーの配設態様や、各光ファイバーに固有のラマンプローブの位置決め態様には、たとえば以下で示す種々の形態がある。
【００２９】
その一つの形態は、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部がそれらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーには、剛性のある錘体が取り付けられ、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている形態である。
【００３０】
剛性（曲げ剛性等）があって、しかも重量のあるたとえば棒状を呈した錘体に、複数の光ファイバーを束ねて一体化し、これらの光ファイバーはたとえば貯蔵タンクの屋根から垂下しておき、この錘体が自身の有する剛性と重量でその直立姿勢を保持することで、複数の光ファイバーそれぞれに固有のラマンプローブの位置決め、すなわち、各ラマンプローブの計測ポイントにおける位置決めが保障できる。なお、「光ファイバーの一部もしくは全部」とは、５本の長さの異なる光ファイバーが適用される場合には、５本すべてが一つに束ねられていてもよいし、そのうちの４本、３本、もしくは２本が一つに束ねられ、束ねられていない光ファイバーは単独で他の測定ポイントに延びているような形態を意味している。
【００３１】
また、他の形態は、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部がそれらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーが貯蔵タンクの内壁に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている形態である。
【００３２】
この実施の形態によれば、貯蔵タンクの内壁を利用してこれに束ねられた複数の光ファイバーを固定することで、束ねられた光ファイバーを係止させるための別途の部材を使用することなく、各光ファイバーのラマンプローブを所望位置に位置決めすることができる。
【００３３】
さらに他の一つの形態は、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部がそれらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、前記貯蔵タンクの内部には支持部材が備えてあり、束ねられた光ファイバーが該支持部材に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている形態である。
【００３４】
たとえば、面材に複数のレベルごとにラマンプローブ係止用の窓が開設されたものや、所定のレベル間隔ごとに配設された複数の横桟が２つの縦桟を繋いだ梯子状の支持部材等が、貯蔵タンク内部の底版上に立設されていて、貯蔵タンクの屋根等から垂下されて束ねられた複数の光ファイバーそれぞれのラマンプローブが対応するレベルの窓や横桟で固定される等の実施形態などを挙げることができる。
【００３５】
なお、貯蔵タンクに、液体の受け入れ配管や液体の払い出し配管が装備されているのが一般的であるが、これらの配管の少なくともいずれか一方にも上記する光ファイバーが延びて、その先端のラマンプローブが配されている形態であってもよい。たとえば、液体がＬＮＧの場合において、受け入れ配管内を通過するＬＮＧの液密度と、貯蔵タンク内に貯蔵されて所定時間経過した際のＬＮＧの液密度には、その時間経過でＬＮＧに作用する入熱によって液密度が変化し得るものであることから、これらの液密度を算定することで、ＬＮＧ受け入れ当初からの高精度な液密度管理を実現することができる。
【００３６】
また、前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて複数の束の光ファイバー群をなし、複数の該束が前記貯蔵タンク内の異なる位置で垂下されている形態であってもよい。
【００３７】
この形態はすなわち、光ファイバー群をなす束が地下タンク内の複数箇所に垂下された実施形態を示すものであり（地下タンク内には３次元的配置でラマンプローブが存在し得る）、たとえば、一つのＬＮＧ層に関して複数箇所のラマン散乱光を計測することができ、密度の異なるＬＮＧ層のラマン散乱光の計測に加えて、同一のＬＮＧ層で異なる平面位置でのラマン散乱光の計測も実施できるものである。
【発明の効果】
【００３８】
以上の説明から理解できるように、本発明による液密度計測装置によれば、軽量で長さの異なる光ファイバーの先端にラマンプローブを配し、これを貯蔵タンク内の複数の測定ポイントに位置決めし、少なくとも２箇所の測定ポイントで同時測定されたラマン散乱光からそれらの液密度をほぼ同時に算定するようにしたことで、測定ポイントの増設、変更等が容易であり、かつ、ラマンプローブ等のメンテナンスも容易であって、しかも、異種密度の液体の各液密度をほぼ同時に、しかも高い精度で算定もしくは特定することができる。したがって、この液体がＬＮＧである場合には、異種ＬＮＧ混合貯蔵の際に問題となる、層状化に起因したロールオーバー現象を確実に抑止することのできる貯蔵タンクオペレーションの実現に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の液密度計測装置の一実施の形態を説明した模式図である。
【図２】分光器および液密度算定手段を説明したブロック図である。
【図３】（ａ）は、分光器において、ラマンシフトに固有の液体成分種がそのスペクトルピークで特定されている表示結果を示す図であり、（ｂ）は、圧力データ、温度データの双方の値から成分種の密度等を補正する物理推定法を適用する場合において、圧力データ、温度データの双方の値から特定された点ごとに割り当てられた補正係数が一義的に決定されることを説明した図である。
【図４】本発明の液密度計測装置の他の実施の形態を説明した模式図である。
【図５】本発明の液密度計測装置のさらに他の実施の形態を説明した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を参照して本発明の液密度計測装置の実施の形態を説明する。なお、図示例では、貯蔵タンク内で３種類の液密度の異なるＬＮＧ層が層状化している状態を示しているが、貯蔵タンク内に貯蔵される異種密度のＬＮＧは、２種であっても、４種以上であってもよいことは勿論のことである。また、ＬＮＧ層ごとに固有のラマンプローブが設置され、それぞれの層のＬＮＧのラマン散乱光が測定されるようになっているが、たとえば、その計測制御方法は、図示例において、３種全部のＬＮＧのラマン散乱光が同時計測され、それぞれの液密度が同時算定される制御方法であっても、そのうちのいずれか２種のＬＮＧのラマン散乱光が同時計測され、それぞれの液密度が同時算定される制御方法であってもよい。さらに、測定対象の液体は、ＬＮＧ以外にも、層状化を呈し得るＬＰＧや、水と油等、一つの貯蔵タンク内で収容される他の異種液体も含まれることは勿論のことである。
【００４１】
図１は、本発明の液密度計測装置の一実施の形態を説明した模式図であり、図２は、液密度計測装置の構成要素である分光器と液密度算定手段を説明したブロック図である。
図示する液密度計測装置１０は、複数のＬＮＧ（上層から順にＬＮＧ１層、ＬＮＧ２層、ＬＮＧ３層）を収容する、いわゆる異種ＬＮＧ混合貯蔵に供される貯蔵タンク１と、その屋根１１から垂下された複数の光ファイバー２，…および各光ファイバー２，…の先端に配されたラマンプローブ３，…と、各ラマンプローブ３，…から送信されるラマン散乱光データが送信されて、計測位置におけるＬＮＧの液体成分種と各成分種の濃度が特定される分光器６と、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータに基づいて各ＬＮＧ層の液密度を算定する液密度算定手段７と、から大略構成されている。
【００４２】
貯蔵タンク１には、ＬＮＧを受け入れる受け入れ配管１２（Ｘ１方向）、貯蔵されたＬＮＧを払い出しポンプ１５を介して払い出すＬＮＧ払い出し配管１３（Ｘ２方向）、ＬＮＧ１層の上方に充満しているＢＯＧを払い出すＢＯＧ払い出し配管１４（Ｘ３方向）がそれぞれ装備されている。
【００４３】
また、各ＬＮＧ層に対応するように長さの異なる光ファイバー２，…は、その途中位置で束ね材４にて束ねられている。そして、この束ねられた光ファイバー２，…は、高い曲げ剛性を有する剛性材５１と、その先端の錘体５２と、からなる剛性錘材５に固定されており、この固定姿勢によって、各光ファイバー２の先端のラマンプローブ３が、対応するＬＮＧ層中に位置決めされるものである。剛性があり、かつ重量のある剛性錘材５に複数の光ファイバー２，…が束ねられた姿勢で固定されていることで、各ＬＮＧ層内で対流等が生じていても、各ラマンプローブ３，…の当初の位置決め姿勢は確保される。
【００４４】
一方、分光器６と液密度算定手段７は管理棟Ｋ内に格納されており、一般にはハードウエアとして公知のコンピュータが適用されてその内部に密度算定手段７を構成する各種の制御部が内蔵されており、その結果（液密度差、ロールオーバーまでの所要時間など）がコンピュータ画面上で表示されるようになっている。そして、管理者はその結果に基づいて、たとえば表示されたロールオーバーまでの時間内で最適な貯蔵タンクオペレーションを実行することとなる。
【００４５】
貯蔵タンク１内に異種密度のＬＮＧが貯蔵されると、その受け入れの前後を問わず、一般的に、密度の高いＬＮＧが下方へ移動し、下方から密度の高い順で異種密度のＬＮＧが層状に貯蔵される。したがって、図示例においては、ＬＮＧ３層、ＬＮＧ２層、ＬＮＧ１層の順で高密度となっており、各ＬＮＧ層が層状化を成している。
【００４６】
そして、貯蔵タンク１内で層状化を成している各ＬＮＧ層（少なくとも受け入れ時には−１６２℃程度の極低温である）には、貯蔵タンク１外からの入熱により、ＬＮＧ層が温められて密度が減少することに伴い、各層内では対流が生じている。図示例のように３層のＬＮＧ層からなる場合に、各層に固有の対流が生じているものを三重対流（多重対流）などと称することもできる。
【００４７】
この入熱に関して言えば、最上位および中位に位置するＬＮＧ１層、ＬＮＧ２層が貯蔵タンク１の側面からの入熱：Ｑ１で温められているのに対して、最下位のＬＮＧ３層は、貯蔵タンク１の側面からの入熱：Ｑ１に加えて底版からの入熱：Ｑ２も作用していることより、このＬＮＧ３層が最も高温になり易い。そして、温度上昇に伴ってＬＮＧ３層の液密度は除々に低下していき、その上方のＬＮＧ２層との間の層境界が解消され、より大きな対流が形成される。そして、これらがさらに温められて、最終的にはＬＮＧ２層とＬＮＧ１層との層境界も解消され、短時間で多数のＢＯＧが発生するという、いわゆるロールオーバー現象が生じ得ることとなる。
【００４８】
しかし、図示する液密度計測装置１０では、ＬＮＧ層ごとに固有のラマンプローブ３が位置決めされ、たとえば、すべてのＬＮＧ層内に位置決めされたラマンプローブ３，…が同時に対応するＬＮＧのラマン散乱光を測定し、測定結果が分光器６に送信されて計測位置におけるＬＮＧの液体成分種と各成分種の濃度が特定され、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータが液密度算定手段７に送信されて各ＬＮＧ層のＬＮＧ密度が算定され、液密度差等に基づいてロールオーバーまでの所要時間が割り出され、この所要時間内で実施し得る適宜の対策を選定することが可能となる。
【００４９】
図１で示すように、貯蔵タンク１内には、軽量で長さ調整が自在な光ファイバーにラマンプローブが繋がれ、これが貯蔵タンク１の屋根から垂下されるとともにそれらの測定ポイントにおける位置決め姿勢が確保されていることから、たとえば、ラマンプローブの位置（測定ポイント）を変更したり、あるいは測定ポイント増に伴ってラマンプローブを増設すること、さらにはラマンプローブのメンテナンスなどはいずれも、極めて容易に実行することができる。
【００５０】
ここで、図２を参照して、分光器６と液密度算定手段７の内部構成を概説する。
分光器６には、各ラマンプローブ３，…で同時計測されたラマン散乱光データが送信され（ＩＮＰＵＴ１，２，…）、ここで、計測位置におけるＬＮＧの液体成分種と各成分種の濃度が特定され、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータが液密度算定手段７を構成するハードウエア（コンピュータ）内の液密度算定部７１へ送られる。
【００５１】
この液密度算定部７１では、特定された液体成分種と各成分種の濃度に関するデータを使用し、適宜の物理推定式もしくは算定式（アルゴリズム）に基づいてＬＮＧの密度が算定される。
【００５２】
ここで、ラマン散乱光から液体成分種等を特定するアルゴリズムについて概説する。
光が気体分子に衝突すると、入射光よりも波長の長い光が散乱されることがあり、これが一般にラマン散乱と称されている。ここで、入射光の波長：λＬと、ラマン散乱光の波長：λＳの間には以下の式１の関係がある。
【数１】
【００５３】
ここで、ωＲ：ラマンシフト（振動数）であり、気体はそれぞれに固有の値を有することから、ラマン散乱光を分光することで、分光されたラマン光の波長から成分種の特定が可能となるもの。
【００５４】
たとえば、ＬＮＧが、メタン、エタン、ペンタンの３種の成分種から主として構成される場合に、図３ａで示すように、ラマンスペクトルピークを与えるラマンシフトから各成分種を特定するとともに、各成分種の濃度も特定される。
【００５５】
液密度算定部７１では、複数の成分種およびそれらの濃度と、必要に応じて、ラマン散乱光が測定されたレベル位置におけるＬＮＧの温度データ、圧力データと、から、格納された適宜の物理推定法（ＲＳＫ法など）を適用して、算定対象のＬＮＧの液密度の算定が実行される。なお、図３ｂでは、圧力データ、温度データの双方の値から成分種の密度等を補正する物理推定法を適用する場合において、圧力データ、温度データの双方の値から特定された点Ｐ１，Ｐ２，…ごとに割り当てられた補正係数が一義的に決定されることを説明したものである。
【００５６】
このようにして、液密度算定部７１では、貯蔵タンク１内のレベルごとのＬＮＧ密度が算定され、算定されたレベルごとのＬＮＧ密度データが液密度差データ格納部７２に送信され、ここで、双方の液密度差が算定されて格納される。
【００５７】
ところで、ガス関連企業においては、複数種のＬＮＧの液密度差と、ロールローバーまでの時間に関する相間データが、これまでの実績に基づく経験則や、実験、解析等で特定されている（実際には、ロールオーバーまでの時間はＬＮＧの液密度差のみならず、貯蔵タンク内の形状、入熱条件など、複数のファクターが関連する）。たとえば、ＬＮＧの液密度差が１０ｋｇ／ｍ３の場合に、ロールオーバーまでの所要時間が５時間、１０時間、という具合に特定されている。
【００５８】
液密度算定手段７には、これら経験則、実験、解析等で特定されている、液密度差とロールオーバーまでの時間データを格納する格納部７３があり、ここで格納されるデータと、液密度差データ格納部７２から送信される液密度差から、ロールオーバーまでの時間が算定部７４で特定され、コンピュータ画面上に表示される（ＯＵＴＰＵＴ）。
【００５９】
なお、各格納部や算定部は中央演算処理部（ＣＰＵ７５）で演算処理されること、不図示のＲＡＭやＲＯＭが内部構成として存在していること、各格納部や算定部、ＣＰＵがバス等で繋がれていること、などは勿論のことである。
【００６０】
また、液密度算定手段の具体的な構成は図示例に限定されるものではなく、たとえば、液密度算定部７１、ＣＰＵ７５のみからなる極めてシンプルな内部構成であってもよい。
図４，５はそれぞれ、本発明の液密度計測装置の他の実施の形態を説明した模式図であり、特に図１で示す液密度計測装置１０に対して、複数の光ファイバーの係止形態およびラマンプローブの位置決め形態を変更した装置を示すものであり、他の装置構成に変更はない。
【００６１】
図４で示す液密度計測装置１０Ａは、束ね材４にて束ねられた複数の光ファイバー２，…を、この束ね材４を貯蔵タンク１の内壁に固定することでその全体を固定し、この固定姿勢において、各光ファイバー２，…の先端のラマンプローブ３，…を固有のＬＮＧ層内に位置決めし、その位置決め姿勢を保障するものである。
【００６２】
一方、図５で示す液密度計測装置１０Ｂは、支持部材５Ａが貯蔵タンク１の底版から立設しており、この支持部材５Ａには、各ＬＮＧ層に対応する位置に固定窓５Ａａが開設されていて、この固定窓５Ａａに各ＬＮＧ層に固有のラマンプローブ３が係止され、その位置決め姿勢が保障されたものである。
【００６３】
図１，４，５で示された本発明の液密度計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂを用いることで、可及的に短時間で、しかも高精度に、複数種のＬＮＧ密度を算定もしくは特定し、それらの液密度差等を特定することが可能となる。したがって、今後その採用が益々拡大するであろう異種ＬＮＧ混合貯蔵において最大の課題となっている、ロールオーバー現象を効果的に抑止するための対策を講じるに際し、本発明の液密度計測装置は極めて有用である。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１…貯蔵タンク、１１…屋根、１２…受け入れ配管、１３…ＬＮＧ払い出し配管、１４…ＢＯＧ払い出し配管、１５…払い出しポンプ、２…光ファイバー、３…ラマンプローブ、４…束ね材、５…剛性錘材、５１…剛性材、５２…錘体、５Ａ…支持部材、５Ａａ…固定窓、６…分光器、７…液密度算定手段、１０，１０Ａ，１０Ｂ…液密度計測装置、Ｋ…管理棟
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵タンク内に貯蔵された液体の液密度を計測する、液密度計測装置であって、
前記液密度計測装置は、先端にラマンプローブを備えた、長さの異なる複数の光ファイバーと、
２箇所以上の異なる高さレベルの測定ポイントにおいて、そのうちの少なくとも２箇所の測定ポイントに固有のラマンプローブで同時測定されたそれぞれのラマン散乱光が送信される分光器と、
送信されたラマン散乱光に固有の液体成分が前記分光器にて検出され、検出された該液体成分から、該少なくとも２箇所の測定ポイントにおける同時刻の液密度を算定する液密度算定手段と、を少なくとも備え、
前記複数のラマンプローブは、それぞれの測定ポイントに位置決めされている、貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項２】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーには、剛性のある錘体が取り付けられ、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている、請求項１に記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項３】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーが貯蔵タンクの内壁に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている、請求項１に記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項４】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、前記貯蔵タンクの内部には支持部材が備えてあり、束ねられた光ファイバーが該支持部材に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている、請求項１に記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項５】
前記貯蔵タンクには、液体の受け入れ配管、液体の払い出し配管が装備されており、該受け入れ配管内、該払い出し配管内、の少なくともいずれか一方にも、前記光ファイバーが延びて、その先端のラマンプローブが配されている、請求項１〜４のいずれかに記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項６】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて複数の束の光ファイバー群をなし、複数の該束が前記貯蔵タンク内の異なる位置で垂下されている、請求項１〜５のいずれかに記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項１】
貯蔵タンク内に貯蔵された液体の液密度を計測する、液密度計測装置であって、
前記液密度計測装置は、先端にラマンプローブを備えた、長さの異なる複数の光ファイバーと、
２箇所以上の異なる高さレベルの測定ポイントにおいて、そのうちの少なくとも２箇所の測定ポイントに固有のラマンプローブで同時測定されたそれぞれのラマン散乱光が送信される分光器と、
送信されたラマン散乱光に固有の液体成分が前記分光器にて検出され、検出された該液体成分から、該少なくとも２箇所の測定ポイントにおける同時刻の液密度を算定する液密度算定手段と、を少なくとも備え、
前記複数のラマンプローブは、それぞれの測定ポイントに位置決めされている、貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項２】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーには、剛性のある錘体が取り付けられ、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている、請求項１に記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項３】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、束ねられた光ファイバーが貯蔵タンクの内壁に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている、請求項１に記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項４】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて前記貯蔵タンク内に垂下され、前記貯蔵タンクの内部には支持部材が備えてあり、束ねられた光ファイバーが該支持部材に固定され、これによって複数のラマンプローブそれぞれの前記位置決めが保障されている、請求項１に記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項５】
前記貯蔵タンクには、液体の受け入れ配管、液体の払い出し配管が装備されており、該受け入れ配管内、該払い出し配管内、の少なくともいずれか一方にも、前記光ファイバーが延びて、その先端のラマンプローブが配されている、請求項１〜４のいずれかに記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【請求項６】
前記複数の光ファイバーの一部もしくは全部は、それらの途中で束ねられて複数の束の光ファイバー群をなし、複数の該束が前記貯蔵タンク内の異なる位置で垂下されている、請求項１〜５のいずれかに記載の貯蔵タンク内の液密度計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１７９９４９（Ｐ２０１１−１７９９４９Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４４０４４（Ｐ２０１０−４４０４４）
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
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