高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法
【課題】貯槽内に貯蔵した高圧流体の圧力、温度を時系列的に計測して精度よく貯槽の密閉性を評価することが可能な高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法を提供する。
【解決手段】流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設Ａの貯槽３の密閉性を評価する方法であって、流体の対臨界圧力と対臨界温度の関数形で表される圧縮係数を導入した流体の状態方程式を適用して、時系列的に計測した少なくとも貯槽３内の流体圧力と流体温度を基に貯槽３内の流体質量を求め、この貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで貯槽３の密閉性を評価する。
【解決手段】流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設Ａの貯槽３の密閉性を評価する方法であって、流体の対臨界圧力と対臨界温度の関数形で表される圧縮係数を導入した流体の状態方程式を適用して、時系列的に計測した少なくとも貯槽３内の流体圧力と流体温度を基に貯槽３内の流体質量を求め、この貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで貯槽３の密閉性を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設の貯槽の密閉性を評価するための高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、天然ガスなどの気体（流体）を高圧下で貯蔵する施設として、例えば岩盤内高圧気体貯蔵施設（高圧流体貯蔵施設）が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、この岩盤内高圧気体貯蔵施設は、例えば、岩盤を掘削して空洞を形成し、この空洞の内壁面をライニング材で被覆するとともに、内壁面とライニング材の間に裏込め材（裏込めコンクリート）や緩衝材などを介在させて構築され、ライニング材の内側の空間に天然ガスなどの高圧気体を貯蔵する貯槽が形成されている。また、貯槽と地表を接続するアクセストンネルが設けられ、このアクセストンネルは、貯槽を施工する際の作業用通路、運用後の保守用通路、高圧気体輸送用の配管の敷設路などとして使用される。さらに、アクセストンネルの貯槽との接続部分には、貯槽の気密性を確保するための耐圧プラグが配設され、必要に応じてこの耐圧プラグにマンホールや高圧気体輸送用の配管などが組み込まれる。
【０００３】
また、この種の岩盤内高圧気体貯蔵施設においては、運用時に高圧気体の漏洩の有無を確認しており、例えばガス検知器を設置して、ライニング材や裏込め材の外側に貯槽から漏洩した高圧気体を検知するようにしたり、光ファイバを敷設して、ライニング材や裏込め材に亀裂が生じた際の変位（ひずみ）や、高圧気体の漏洩による温度変化を検知するなどして、高圧気体の漏洩の有無を確認している。また、岩盤内高圧気体貯蔵施設の定期点検時などに、目視検査や非破壊検査（浸透探傷試験、磁粉探傷試験、超音波探傷試験など）を行ってライニング材の亀裂などの欠陥の有無を確認するようにしている。
【０００４】
この一方で、ガス検知器等で漏洩気体を貯槽外周側で直接検知することが困難な場合や、非破壊検査によってライニング材の欠陥検査を行うことができない場合もある。また、この種の岩盤内高圧気体貯蔵施設（貯槽）は、一般に大規模であるため、目視検査や非破壊検査などでは多大な作業時間とコストを必要とする。
【０００５】
このため、例えば岩盤内高圧気体貯蔵施設の定期点検時などに、高圧気体輸送用の配管のバルブを閉じて遮断し、貯槽に貯蔵した高圧気体の流通を停止して密閉状態に保持するとともに、貯槽内の気体圧力と気体温度を経時的（時系列的）に計測して、貯槽の気密性を確認（評価）する場合もある。この気密性検査方法（気密性評価方法）においては、ボイル−シャルルの法則や、ボイル−シャルルの法則とアボガドロの法則から得られる理想気体の状態方程式を用いることで、高圧気体の漏洩の有無を気体圧力と気体温度を計測するという簡便な操作で確認（大規模な貯槽の気密性を評価）することが可能である。
【０００６】
すなわち、ボイル−シャルルの法則を用いた場合には、気体体積が気体圧力に反比例し、気体温度に比例するという関係から、貯槽内の気体圧力と気体温度と気体体積（貯槽容積）の初期値を計測し、経時的に計測した気体圧力と気体温度から気体体積を算出して、算出した気体体積が初期の気体体積に対し経時的に増加する場合に漏洩が生じていると評価できる。
【０００７】
また、理想気体の状態方程式を用いた場合には、気体圧力と気体温度と気体体積（貯槽容積）を計測し、貯槽内に貯蔵した気体の物質量（モル数：ｎ）、ひいては気体質量ＭＴ（ＭＴ＝ｎＭ；Ｍは気体の１モルの質量）を求め、この気体質量の時間変化を捉えて、気体質量が経時的に減少する場合に漏洩が生じていると評価できる。
【特許文献１】特開２００４−８３２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ボイル−シャルルの法則、さらにこのボイル−シャルルの法則とアボガドロの法則から得られる理想気体の状態方程式を用いた場合には、貯槽内に貯蔵した実際の気体（実在気体）の種類に応じて、特に低温、高圧で貯蔵されるほど、気体の体積中で気体分子が占める割合を無視することができなくなり、気体分子の大きさが影響し、また、気体分子間に作用する分子間力が影響して、理想気体の法則から外れ、正確に高圧気体の漏洩の有無を評価できなくなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、貯槽内に貯蔵した高圧流体の圧力、温度を時系列的に計測して精度よく貯槽の密閉性を評価することが可能な高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法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】
【００１０】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００１１】
本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法は、流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設の貯槽の密閉性を評価する方法であって、前記流体の対臨界圧力と対臨界温度の関数形で表される圧縮係数を導入した流体の状態方程式を適用して、時系列的に計測した少なくとも前記貯槽内の流体圧力と流体温度を基に前記貯槽内の流体質量を求め、該貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで前記貯槽の密閉性を評価することを特徴とする。
【００１２】
この発明においては、貯槽に貯蔵した流体（実在流体）に応じた関数形の圧縮係数を導入し、流体圧力や流体温度に応じた非線形性を有する流体の状態方程式を用いることで、流体分子の大きさや流体分子間に作用する分子間力の影響を反映させて貯槽内の流体質量を求めることができ、広範囲の圧力及び温度に対して精度よく貯槽内の流体質量を求めることができる。これにより、貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで、貯槽の密閉性を正確に評価することが可能になる。
【００１３】
また、本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法においては、前記貯槽の内圧変動に応じた貯槽容積の変動を反映させて前記貯槽内流体質量を求めることが望ましい。
【００１４】
この発明においては、貯槽の内圧変動に応じた貯槽容積の変動を時系列的に計測し、この貯槽容積の変動を流体の状態方程式に反映させることによって、より精度よく貯槽内の流体質量を求めることができ、貯槽の密閉性をさらに正確に評価することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法においては、前記高圧流体貯蔵施設の貯蔵対象の流体ではなく、前記圧縮係数の関数形が既知の流体を前記貯槽に貯蔵し、該既知流体を用いて前記貯槽の密閉性を評価するようにしてもよい。
【００１６】
この発明においては、例えば圧縮係数の関数形が既知の可燃性ガスである天然ガスなどの気体（貯蔵対象流体）を貯蔵する高圧流体貯蔵施設に対し、貯槽の密閉性を評価する際に、貯槽に例えば圧縮係数の関数形が既知で取扱いが容易で安全な空気などの既知流体を貯蔵して貯槽の密閉性を評価することによって、比較的安全且つ容易に貯槽の密閉性を評価することが可能になる。一方、成分組成が不明な流体や圧縮係数の関数形が未知な流体を貯蔵する場合においても、圧縮係数が既知な流体を貯蔵して貯槽の密閉性を評価することで、同様に貯槽の密閉性を評価することが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法によれば、貯槽に貯蔵した流体（実在流体）に応じた関数形の圧縮係数を導入した流体の状態方程式を用いることで、従来の理想気体の状態方程式を用いた評価方法と比較し、広範囲の圧力及び温度に対して精度よく貯槽内の流体質量を求めることができ、貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで、貯槽の密閉性を正確に評価することが可能になる。これにより、貯槽からの流体の漏洩の有無を正確に評価することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１から図６を参照し、本発明の一実施形態に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法について説明する。本実施形態は、例えば天然ガスなどの気体（流体）を高圧下で貯蔵する岩盤内高圧気体貯蔵施設の貯槽の気密性を評価する方法に関するものである。
【００１９】
はじめに、本実施形態の岩盤内高圧気体貯蔵施設（高圧流体貯蔵施設）Ａは、図１に示すように、岩盤Ｇを掘削して断面略楕円形状の空洞を形成し、この空洞の内壁面（岩盤Ｇ表面）を鋼製のライニング材（気密材）１で被覆するとともに、内壁面とライニング材１の間に裏込め材（裏込めコンクリート）２や図示せぬ緩衝材を介在させて構築されている。そして、ライニング材１の内側の空間に天然ガスなどの気体（高圧気体、流体）を貯蔵する断面略楕円形状の貯槽３が形成されている。また、貯槽３と地表を接続するアクセストンネル４が設けられており、このアクセストンネル４の貯槽３との接続部分には、貯槽３の気密性を確保するための耐圧プラグ５が配設され、この耐圧プラグ５にマンホール６や図示せぬ高圧気体輸送用の配管などが組み込まれている。
【００２０】
また、図２は岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの平断面図、図３は岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの縦断面図を示しており、本実施形態においては、これら図２及び図３に示すように、貯槽３内に貯蔵した気体の圧力と温度を計測するための２つの圧力計７と８つの温度計８がそれぞれ貯槽３内に設置されている。さらに、岩盤Ｇ表面沿いに３測線、裏込め材２の内周面側に配置された図示せぬ鉄筋沿いに３測線、ライニング材１の内周面沿いに４測線の貯槽ひずみ計測用の光ファイバ９ａ、９ｂ、９ｃが配設され、貯槽内空変位計１０、岩盤変位計１１、マンホール相対変位計１２、耐圧プラグ絶対変位計１３がそれぞれ貯槽３内、岩盤Ｇ内などに配設されている。
【００２１】
そして、上記のような岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａに対し貯槽３の気密性を評価する際に、本実施形態では、高圧下で貯槽３に貯蔵した気体（実在気体）に対し、圧力計７と温度計８でそれぞれ気体圧力と気体温度（流体圧力と流体温度）を時系列的に計測し、各計測値を基に、従来のように理想気体の状態方程式を用いるのではなく、圧縮係数を導入した実在気体の状態方程式（流体の状態方程式）を適用して貯槽３内の気体質量を算出し、この貯槽内気体質量（貯槽内流体質量）の時系列的な変動を捉えることで、貯槽３からの気体の漏洩の有無、すなわち貯槽３の気密性を評価する。
【００２２】
具体的に、本実施形態では、式（１）に示すように、圧縮係数Ｚを導入した実在気体の状態方程式を用いる。ここで、Ｐは気体圧力、Ｖは１モル当たりの気体体積（貯槽容積）、Ｔは気体温度、Ｒは気体定数を示す。
【００２３】
【数１】
【００２４】
また、本実施形態において、圧縮係数Ｚは、式（２）に示すように、式（３）で示す気体温度Ｔと臨界温度Ｔｃの相対値（対臨界温度Ｔｒ）と式（４）で示す気体圧力Ｐと臨界圧力Ｐｃの相対値（対臨界圧力Ｐｒ）の関数形で表され、この関数ｆは、例えば参考文献１に示されるように、気体の組成に応じて実験的に決められる関数である。なお、臨界温度Ｔｃ及び臨界圧力Ｐｃは、気体の組成に応じて（気体を構成する物質毎に）既に求められている既知量である。
[参考文献１] Nelson,L.C.,and E.F.Obert：Trans.ASME,76,1057,[1954]
【００２５】
【数２】
【数３】
【数４】
【００２６】
そして、このように圧縮係数Ｚが一定値ではなく気体温度Ｔや気体圧力Ｐに応じた（対臨界温度Ｔｒや対臨界圧力Ｐｒに応じた）関数ｆとして変化するため、理想気体の状態方程式と異なり、式（１）に示す実在気体の状態方程式は、左辺のＰＶと右辺のＲＴの間の関係が非線形性を有し、実験的に圧縮係数Ｚの関数形を求めることによって気体分子の大きさの影響、気体分子間に作用する分子間力の影響を反映させることが可能になる。
【００２７】
一方、気体分子が完全な球形でなく偏心しているような場合には、分子間力に影響するため、本実施形態ではこの点を考慮して、参考文献２、参考文献３、参考文献４に示される式（５）を用いて圧縮係数Ｚを求める。ここで、Ｚ（０）は球形の気体分子における対臨界温度Ｔｒと対臨界圧力Ｐｒの関数で、Ｚ（１）は偏心のある気体分子における対臨界温度Ｔｒと対臨界圧力Ｐｒの関数であり、式（５）は、気体分子を偏心の有無による２種類の成分に分けて表している。また、ωは式（６）で定義される偏心因子であり、Ｔｒ＝０．７のときの対蒸気圧力Ｐｖｐｒ＝Ｐ／Ｐｃを用いて求められる。このため、偏心因子ωを求めるために対蒸気圧力Ｐｖｐｒを求める必要が生じるが、実用的には多種類の物質に対して既に気体を構成する各種物質の偏心因子ωが実験的に求められているので、それらを利用することができる。
[参考文献２] Pitzer,K.S.,and R.F.Curl：J.Am.Chem.Soc.,77,3427,[1955]
[参考文献３] Pitzer,K.S.,and R.F.Curl：J.Am.Chem.Soc.,79,2369,[1957a]
[参考文献４] Pitzer,K.S.,and R.F.Curl：The Thermodynamic Properties of Fluids,Inst,Mech.Eng.,London, [1957a]
【００２８】
【数５】
【数６】
【００２９】
さらに、ＢＷＲ（Benedict-Webb-Rubin）方程式が広範囲の温度と圧力の流体の状態量を表す方程式として利用されており、このＢＷＲ方程式をさらに修正して、式（５）の偏心因子ωを考慮した式（７）が、参考文献５に示されている。
[参考文献５] Lee,B.I.,and M.G.Kesler：AIChE J.,21,510, [1975]
【００３０】
【数７】
【００３１】
そして、本実施形態では、表１に示す単純流体（球形の気体分子）に関する定数を用い、この式（７）から求めたい温度（すなわちＴｒ＝Ｔ／Ｔｃ）と圧力（すなわちＰｒ＝Ｐ／Ｐｃ）を条件（既知数）として、唯一の未知数である単純流体（球形）の対臨界体積Ｖｒ（０）を求める。
【００３２】
【表１】
【００３３】
ついで、求めたＶｒ（０）を用い、式（８）から単純流体（球形）の圧縮係数Ｚ（０）を算出する。
【００３４】
【数８】
【００３５】
ついで、上記の式（７）でＶｒ（０）を求めた場合と同じ対臨界温度Ｔｒと対臨界圧力Ｐｒを用い、表１に示す気体分子に偏心のある参考流体の各定数を適用して、式（９）から参考流体の対臨界体積Ｖｒ（Ｒ）を求める。すなわち、表１の参考流体の各定数を用い、参考流体の各定数を用いた式（９）によって唯一の未知数であるＶｒ（Ｒ）の解を求める。
【００３６】
【数９】
【００３７】
そして、求めたＶｒ（Ｒ）を用い、式（１０）から参考流体の圧縮係数Ｚ（Ｒ）を算出する。
【００３８】
【数１０】
【００３９】
ついで、このように式（７）と式（１０）で求めた単純流体の圧縮係数Ｚ（０）と参考流体の圧縮係数Ｚ（Ｒ）と、求めたい気体の偏心因子ωとから、式（１１）によって圧縮係数Ｚが求められる。なお、この式（１１）は、式（５）の具体的な一例である。
【００４０】
【数１１】
【００４１】
上記の式（１１）で求めた圧縮係数Ｚを用いて、式（１）から求めたい気体温度Ｔと気体圧力Ｐでの１モルの気体体積Ｖを求めることができ、求めた１モルの気体体積Ｖと貯槽容積ＶＴとの関係から漏洩がない状態での貯槽３内の気体のモル数ｎ、さらに貯槽３内の気体質量ＭＴが、式（１２）と式（１３）によって換算できる。ここで、Ｍは気体の１モル質量である。
【００４２】
【数１２】
【数１３】
【００４３】
そして、岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａに対し貯槽３の気密性を評価する際には、岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの貯蔵３内に設置した圧力計７と温度計８によって時系列的に計測した気体圧力Ｐと気体温度Ｔの計測値を用い、上記の気体のモル数ｎひいては気体質量ＭＴを算出し、この算出した気体の気体質量ＭＴの時系列的な変動の有無を確認する。すなわち、貯槽３内の気体温度Ｔと気体圧力Ｐを時系列的に計測し、貯槽３内の気体質量ＭＴの換算値が経時的（時系列的）に変化しないことが確認された場合には、貯槽３内からの気体の漏洩がないと評価され、気体質量ＭＴの換算値が経時的に減少した場合には、貯槽３内から気体が漏洩し、貯槽３の気密性が損なわれていると評価される。
【００４４】
ついで、上記本実施形態の気密性評価方法と従来の理想気体の状態方程式による気密性評価方法によってそれぞれ、図１から図３に示した岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの貯槽３の気密性試験を実施した一例を示し、本実施形態の高圧気体貯蔵施設Ａの気密性評価方法の効果を説明する。なお、ここでは、気密性が確保されている貯槽３、すなわち気体の漏洩がない貯槽３に対し、本実施形態の気密性評価方法と従来の理想気体の状態方程式による気密性評価方法によってそれぞれ気密試験を行った結果を示す。
【００４５】
さらに、岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａを構築し、例えば天然ガスなどの貯蔵対象気体（貯蔵対象の流体）を貯槽３に貯蔵する前に貯槽３の気密性を評価する際や、運用後の岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの定期点検時などに貯槽３の気密性を評価することなど想定して、貯蔵対象気体ではなく空気（既知流体）を貯槽３に貯蔵し、この空気を用いて貯槽３の気密性を評価することについて説明を行う。すなわち、実際に貯槽３に貯蔵する貯蔵対象の流体ではなく、可燃性ガスである天然ガスと異なり取扱いが容易で安全であるとともに圧縮係数Ｚの関数形が既知とされている空気を用いて貯槽３の気密性を評価することを一例として説明する。
【００４６】
はじめに、貯槽３に高圧気体輸送用の配管から空気を送り、貯槽３内の圧力Ｐを２０ＭＰａまで上昇させるとともに、配管のバルブを閉じ遮断した状態（シャットイン）にし、貯槽３内の空気圧Ｐと空気温度Ｔの計測を開始する。
【００４７】
ここで、図４は、シャットイン開始からシャットイン終了（配管のバルブを閉じた状態から検査を終えて配管のバルブを開放した状態）までの貯槽３内の圧力Ｐと温度Ｔを経時的に計測した結果を示している。そして、この図に示すように、シャットイン開始直前まで貯槽３内に圧縮空気を送ることで貯槽３内の温度Ｔは上昇し、シャットイン開始後の貯槽３内の温度Ｔは比較的高いが、時間経過とともに貯槽３外への熱伝導の影響で徐々に低下する。また、シャットイン中の圧力Ｐは、温度Ｔの低下とともに徐々に低下してゆく。なお、ここで示す温度Ｔは、貯槽３内の８つの温度計８で計測した温度Ｔの平均値であり、この貯槽３内の温度Ｔは、シャットイン直後に、対流などに起因して貯槽３下部の温度Ｔと貯槽３上部の温度Ｔに３℃程度の温度差が生じ、時間経過に従ってこの温度差が徐々に小さくなる。このため、平均温度が貯槽３全体の状態量を表す温度の代表値として誤差を生じる可能性があるため、貯槽３内の温度分布が定常状態に落ち着くまで計測を行うことが必要である。
【００４８】
そして、このように計測した貯槽内圧力Ｐと貯槽内温度Ｔの計測値を用いて、貯槽３内の空気の１モル体積Ｖを求め、貯槽容積ＶＴから貯槽３内の空気質量ＭＴを算出し、この空気質量ＭＴに時系列的な変動（経時的な減少）がないことをもって気密性が確保されていることを評価する。
【００４９】
このとき、本実施形態の気密性評価方法では、まず、本気密試験に用いた空気は、概ね窒素が７９％、酸素が２１％、窒素と酸素以外の成分が１％以下の組成からなる混合気体であるため、時系列的に計測した空気圧力Ｐの各計測値に対し、ダルトンの法則を適用して窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２を式（１４）と式（１５）から求める。なお、窒素と酸素以外の成分は微量であるためこの成分を無視している。
【００５０】
【数１４】
【数１５】
【００５１】
そして、混合気体の圧力Ｐに換えて、窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２のそれぞれに対し、式（１）から式（１３）を適用して窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）と酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）をそれぞれ算出する。このように算出した窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）と酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）を式（１６）に示すように合計して空気の貯槽内質量ＭＴを求め、空気の貯槽内質量ＭＴの時間変化を求める。また、このとき、本実施形態では、貯槽３の内圧変動に応じた貯槽容積ＶＴの変動を考慮して貯槽内空気質量ＭＴを求めている。すなわち、光ファイバ９ａ、９ｂ、９ｃや各種変位計１０、１１によって計測した計測値を用い、内圧が高くなることによる貯槽容積ＶＴの時間変化を反映させており、式（１２）から窒素と酸素の各成分の貯槽内モル数ｎを求め、式（１３）から貯槽３内の窒素と酸素の質量ＭＴ（Ｎ２）、ＭＴ（Ｏ２）を求めて、式（１６）により貯槽内空気質量ＭＴを算出している。
【００５２】
【数１６】
【００５３】
図５は、４時間毎に圧力Ｐと温度Ｔを計測し、本実施形態の気密性評価方法で求めた貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を示している。そして、図５に示すように、シャットイン開始後、空気の対流の影響や貯槽３から岩盤Ｇへの熱伝導の影響などにより、貯槽３内の温度分布が定常状態になっていない間、貯槽内空気質量ＭＴに変動が生じるが、ある程度時間が経過して貯槽３内の温度分布が定常状態になるとともに、貯槽内空気質量ＭＴの変動がなくなる。すなわち、貯槽３内の温度分布が定常状態になっていない間、時間経過とともに貯槽内空気質量ＭＴが減少する下降傾向が認められるが、貯槽３内の温度分布が定常状態になるとともにこの下降傾向がなくなる。
【００５４】
これにより、本実施形態の気密性評価方法においては、貯槽３内の温度分布が安定した後の圧力Ｐと温度Ｔの計測値を用いて算出した貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を捉えて、図５のように貯槽内空気質量ＭＴの時間変化がない場合には、貯槽３の気密性が確保され、気体が漏洩していないと評価できる。また、貯槽３内の温度分布が安定した後も貯槽内空気質量ＭＴが減少し続けて変動が確認された場合には、貯槽３から気体が漏洩すると評価できる。
【００５５】
一方、図６は、図５と同様の貯槽３内の圧力Ｐと温度Ｔの計測値を用い、従来の理想気体の状態方程式によって求めた貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を示している。なお、この従来法においてもダルトンの法則を適用し、式（１４）と式（１５）から窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２を求める。それを基に窒素と酸素のモル数ｎＮ２、ｎＯ２を理想気体を想定した式（１７）と式（１９）によってそれぞれ求め、窒素と酸素の貯槽内空気質量ＭＴ（Ｎ２）、ＭＴ（Ｏ２）をそれぞれ式（１８）と式（２０）によって求めている。この窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）、酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）を式（１６）に代入して、理想気体の状態方程式による貯槽内空気質量ＭＴを求めている。
【００５６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】
【００５７】
そして、この従来法では、図６に示すように、貯槽３内の温度分布が安定した後の圧力Ｐと温度Ｔの計測値を用いて算出した場合においても、貯槽３の気密性が確保されているにもかかわらず貯槽内空気質量ＭＴが経時的に低下して変動が継続してしまい、気体の漏洩の有無を正確に評価できなくなってしまう。
【００５８】
したがって、本実施形態の岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの気密性評価方法（高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法）においては、貯槽３に貯蔵した気体（流体、実在流体）に応じた関数形の圧縮係数Ｚを導入し、気体圧力Ｐや気体温度Ｔに応じた非線形性を有する実在気体の状態方程式を用いることで、気体分子の大きさや気体分子間に作用する分子間力の影響を反映させて貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができ、広範囲の圧力Ｐ及び温度Ｔに対して精度よく貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができる。これにより、貯槽内気体質量ＭＴの時系列的な変動を捉えることで、貯槽３の気密性を正確に評価することが可能になる。
【００５９】
また、本実施形態のように、貯槽３の内圧変動に応じた貯槽容積ＶＴの変動を考慮して貯槽内気体質量ＭＴを求めることにより、すなわち、貯槽３の内圧変動に応じた貯槽容積ＶＴの変動を時系列的に計測し、この貯槽容積ＶＴの変動を実在気体の状態方程式に反映させることによって、より精度よく貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができ、貯槽３の気密性をさらに正確に評価することが可能になる。
【００６０】
さらに、岩盤内高圧気体貯蔵施設の貯蔵対象の気体（天然ガスなどの可燃性ガス）ではなく、別の圧縮係数Ｚの関数形が既知の気体（空気）を貯槽３に貯蔵し、この空気を用いて貯槽３の気密性を評価することによって、比較的安全且つ容易に貯槽３の気密性を評価することが可能になる。また、成分組成が不明な流体や圧縮係数Ｚの関数形が未知な流体を貯蔵する場合においても、圧縮係数Ｚの関数形が既知の気体（空気）を貯槽３に貯蔵し、この空気を用いて貯槽３の気密性を評価することによって貯槽３の密閉性を評価することが可能になる。
【００６１】
よって、本実施形態の岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの気密性評価方法によれば、従来の理想気体の状態方程式を用いた評価方法と比較し、広範囲の圧力Ｐ及び温度Ｔに対して精度よく貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができ、貯槽内気体質量ＭＴの時系列的な変動を捉えることで、貯槽３の気密性を正確に評価することが可能になるため、貯槽３からの気体の漏洩の有無を正確に評価することが可能である。
【００６２】
以上、本発明に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、高圧流体貯槽施設が岩盤内に構築される岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａであるものとして説明を行ったが、本発明に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法は、高圧下で流体を貯蔵するあらゆる貯槽３の密閉性評価に適用することが可能であり、特に岩盤内高圧気体貯槽施設Ａへの適用に限定する必要はない。
【００６３】
また、本実施形態では、貯槽３が気体（流体）を貯蔵するものとされ、この気体の気体質量ＭＴの時間変化を捉えることで貯槽３の気密性を評価することについて説明を行ったが、本発明に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法は、高圧気体貯蔵施設の気密性評価への適用に限定されるものではなく、式（１）〜式（１３）を用い本実施形態と同様にして、高圧下で貯蔵した液体（流体）や、さらに気−液の相境界のない臨界状態の流体まで広範囲に適用可能である。
【００６４】
さらに、本実施形態では、貯槽３の密閉性を評価するにあたり、高圧流体貯蔵施設の貯蔵対象の流体（岩盤内高圧気体貯槽施設Ａの天然ガスなどの貯蔵対象の気体）ではなく、圧縮係数Ｚの関数形が既知の流体（空気）を貯槽３に貯蔵して密閉性評価を行うものとしたが、貯蔵対象の流体の流体質量ＭＴを求め、この貯蔵対象の流体質量ＭＴの時間変化を捉えるようにしても、勿論、本実施形態と同様に貯槽３の密閉性評価を行うことが可能である。また、貯蔵対象の流体ではなく既知流体を用いるとしても、この既知流体を空気に限定する必要はない。
【００６５】
また、本実施形態では、窒素と酸素と他の微量成分からなる混合気体の空気を用いて貯槽の密閉性評価を行う際に、ダルトンの法則を適用して窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２を式（１４）と式（１５）から求め、混合気体の圧力Ｐに換えて、窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２のそれぞれに対し、式（１）から式（１３）を適用して窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）と酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）をそれぞれ算出し、これらを合算して（式（１６））貯槽内空気質量ＭＴを算出し、この貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を捉えて貯槽３の気密性を評価するものとしたが、このように混合流体を貯槽３に貯蔵して密閉性評価を行う際には、混合流体を構成する一成分の貯槽内質量（例えば窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２））を算出し、この一成分の貯槽内質量の時間変化を捉えて貯槽３の密閉性を評価するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設（岩盤内高圧気体貯蔵施設）を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設（岩盤内高圧気体貯蔵施設）の平断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設（岩盤内高圧気体貯蔵施設）の縦断面図である。
【図４】貯槽内圧力と温度の時間変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設の密閉性評価方法を用いて算出した貯槽内空気質量の時間変化を示す図である。
【図６】従来の密閉性評価方法を用いて算出した貯槽内空気質量の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ ライニング材（気密材）
２ 裏込め材
３ 貯槽
４ アクセストンネル
５ 耐圧プラグ
６ マンホール
７ 圧力計
８ 温度計
９ａ 光ファイバ
９ｂ 光ファイバ
９ｃ 光ファイバ
１０ 貯槽内空変位計
１１ 岩盤変位計
１２ マンホール相対変位計
１３ 耐圧プラグ絶対変位計
Ａ 岩盤内高圧気体貯蔵施設（高圧流体貯蔵施設）
Ｇ 岩盤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設の貯槽の密閉性を評価するための高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、天然ガスなどの気体（流体）を高圧下で貯蔵する施設として、例えば岩盤内高圧気体貯蔵施設（高圧流体貯蔵施設）が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、この岩盤内高圧気体貯蔵施設は、例えば、岩盤を掘削して空洞を形成し、この空洞の内壁面をライニング材で被覆するとともに、内壁面とライニング材の間に裏込め材（裏込めコンクリート）や緩衝材などを介在させて構築され、ライニング材の内側の空間に天然ガスなどの高圧気体を貯蔵する貯槽が形成されている。また、貯槽と地表を接続するアクセストンネルが設けられ、このアクセストンネルは、貯槽を施工する際の作業用通路、運用後の保守用通路、高圧気体輸送用の配管の敷設路などとして使用される。さらに、アクセストンネルの貯槽との接続部分には、貯槽の気密性を確保するための耐圧プラグが配設され、必要に応じてこの耐圧プラグにマンホールや高圧気体輸送用の配管などが組み込まれる。
【０００３】
また、この種の岩盤内高圧気体貯蔵施設においては、運用時に高圧気体の漏洩の有無を確認しており、例えばガス検知器を設置して、ライニング材や裏込め材の外側に貯槽から漏洩した高圧気体を検知するようにしたり、光ファイバを敷設して、ライニング材や裏込め材に亀裂が生じた際の変位（ひずみ）や、高圧気体の漏洩による温度変化を検知するなどして、高圧気体の漏洩の有無を確認している。また、岩盤内高圧気体貯蔵施設の定期点検時などに、目視検査や非破壊検査（浸透探傷試験、磁粉探傷試験、超音波探傷試験など）を行ってライニング材の亀裂などの欠陥の有無を確認するようにしている。
【０００４】
この一方で、ガス検知器等で漏洩気体を貯槽外周側で直接検知することが困難な場合や、非破壊検査によってライニング材の欠陥検査を行うことができない場合もある。また、この種の岩盤内高圧気体貯蔵施設（貯槽）は、一般に大規模であるため、目視検査や非破壊検査などでは多大な作業時間とコストを必要とする。
【０００５】
このため、例えば岩盤内高圧気体貯蔵施設の定期点検時などに、高圧気体輸送用の配管のバルブを閉じて遮断し、貯槽に貯蔵した高圧気体の流通を停止して密閉状態に保持するとともに、貯槽内の気体圧力と気体温度を経時的（時系列的）に計測して、貯槽の気密性を確認（評価）する場合もある。この気密性検査方法（気密性評価方法）においては、ボイル−シャルルの法則や、ボイル−シャルルの法則とアボガドロの法則から得られる理想気体の状態方程式を用いることで、高圧気体の漏洩の有無を気体圧力と気体温度を計測するという簡便な操作で確認（大規模な貯槽の気密性を評価）することが可能である。
【０００６】
すなわち、ボイル−シャルルの法則を用いた場合には、気体体積が気体圧力に反比例し、気体温度に比例するという関係から、貯槽内の気体圧力と気体温度と気体体積（貯槽容積）の初期値を計測し、経時的に計測した気体圧力と気体温度から気体体積を算出して、算出した気体体積が初期の気体体積に対し経時的に増加する場合に漏洩が生じていると評価できる。
【０００７】
また、理想気体の状態方程式を用いた場合には、気体圧力と気体温度と気体体積（貯槽容積）を計測し、貯槽内に貯蔵した気体の物質量（モル数：ｎ）、ひいては気体質量ＭＴ（ＭＴ＝ｎＭ；Ｍは気体の１モルの質量）を求め、この気体質量の時間変化を捉えて、気体質量が経時的に減少する場合に漏洩が生じていると評価できる。
【特許文献１】特開２００４−８３２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ボイル−シャルルの法則、さらにこのボイル−シャルルの法則とアボガドロの法則から得られる理想気体の状態方程式を用いた場合には、貯槽内に貯蔵した実際の気体（実在気体）の種類に応じて、特に低温、高圧で貯蔵されるほど、気体の体積中で気体分子が占める割合を無視することができなくなり、気体分子の大きさが影響し、また、気体分子間に作用する分子間力が影響して、理想気体の法則から外れ、正確に高圧気体の漏洩の有無を評価できなくなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、貯槽内に貯蔵した高圧流体の圧力、温度を時系列的に計測して精度よく貯槽の密閉性を評価することが可能な高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法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】
【００１０】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００１１】
本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法は、流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設の貯槽の密閉性を評価する方法であって、前記流体の対臨界圧力と対臨界温度の関数形で表される圧縮係数を導入した流体の状態方程式を適用して、時系列的に計測した少なくとも前記貯槽内の流体圧力と流体温度を基に前記貯槽内の流体質量を求め、該貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで前記貯槽の密閉性を評価することを特徴とする。
【００１２】
この発明においては、貯槽に貯蔵した流体（実在流体）に応じた関数形の圧縮係数を導入し、流体圧力や流体温度に応じた非線形性を有する流体の状態方程式を用いることで、流体分子の大きさや流体分子間に作用する分子間力の影響を反映させて貯槽内の流体質量を求めることができ、広範囲の圧力及び温度に対して精度よく貯槽内の流体質量を求めることができる。これにより、貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで、貯槽の密閉性を正確に評価することが可能になる。
【００１３】
また、本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法においては、前記貯槽の内圧変動に応じた貯槽容積の変動を反映させて前記貯槽内流体質量を求めることが望ましい。
【００１４】
この発明においては、貯槽の内圧変動に応じた貯槽容積の変動を時系列的に計測し、この貯槽容積の変動を流体の状態方程式に反映させることによって、より精度よく貯槽内の流体質量を求めることができ、貯槽の密閉性をさらに正確に評価することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法においては、前記高圧流体貯蔵施設の貯蔵対象の流体ではなく、前記圧縮係数の関数形が既知の流体を前記貯槽に貯蔵し、該既知流体を用いて前記貯槽の密閉性を評価するようにしてもよい。
【００１６】
この発明においては、例えば圧縮係数の関数形が既知の可燃性ガスである天然ガスなどの気体（貯蔵対象流体）を貯蔵する高圧流体貯蔵施設に対し、貯槽の密閉性を評価する際に、貯槽に例えば圧縮係数の関数形が既知で取扱いが容易で安全な空気などの既知流体を貯蔵して貯槽の密閉性を評価することによって、比較的安全且つ容易に貯槽の密閉性を評価することが可能になる。一方、成分組成が不明な流体や圧縮係数の関数形が未知な流体を貯蔵する場合においても、圧縮係数が既知な流体を貯蔵して貯槽の密閉性を評価することで、同様に貯槽の密閉性を評価することが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法によれば、貯槽に貯蔵した流体（実在流体）に応じた関数形の圧縮係数を導入した流体の状態方程式を用いることで、従来の理想気体の状態方程式を用いた評価方法と比較し、広範囲の圧力及び温度に対して精度よく貯槽内の流体質量を求めることができ、貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで、貯槽の密閉性を正確に評価することが可能になる。これにより、貯槽からの流体の漏洩の有無を正確に評価することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１から図６を参照し、本発明の一実施形態に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法について説明する。本実施形態は、例えば天然ガスなどの気体（流体）を高圧下で貯蔵する岩盤内高圧気体貯蔵施設の貯槽の気密性を評価する方法に関するものである。
【００１９】
はじめに、本実施形態の岩盤内高圧気体貯蔵施設（高圧流体貯蔵施設）Ａは、図１に示すように、岩盤Ｇを掘削して断面略楕円形状の空洞を形成し、この空洞の内壁面（岩盤Ｇ表面）を鋼製のライニング材（気密材）１で被覆するとともに、内壁面とライニング材１の間に裏込め材（裏込めコンクリート）２や図示せぬ緩衝材を介在させて構築されている。そして、ライニング材１の内側の空間に天然ガスなどの気体（高圧気体、流体）を貯蔵する断面略楕円形状の貯槽３が形成されている。また、貯槽３と地表を接続するアクセストンネル４が設けられており、このアクセストンネル４の貯槽３との接続部分には、貯槽３の気密性を確保するための耐圧プラグ５が配設され、この耐圧プラグ５にマンホール６や図示せぬ高圧気体輸送用の配管などが組み込まれている。
【００２０】
また、図２は岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの平断面図、図３は岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの縦断面図を示しており、本実施形態においては、これら図２及び図３に示すように、貯槽３内に貯蔵した気体の圧力と温度を計測するための２つの圧力計７と８つの温度計８がそれぞれ貯槽３内に設置されている。さらに、岩盤Ｇ表面沿いに３測線、裏込め材２の内周面側に配置された図示せぬ鉄筋沿いに３測線、ライニング材１の内周面沿いに４測線の貯槽ひずみ計測用の光ファイバ９ａ、９ｂ、９ｃが配設され、貯槽内空変位計１０、岩盤変位計１１、マンホール相対変位計１２、耐圧プラグ絶対変位計１３がそれぞれ貯槽３内、岩盤Ｇ内などに配設されている。
【００２１】
そして、上記のような岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａに対し貯槽３の気密性を評価する際に、本実施形態では、高圧下で貯槽３に貯蔵した気体（実在気体）に対し、圧力計７と温度計８でそれぞれ気体圧力と気体温度（流体圧力と流体温度）を時系列的に計測し、各計測値を基に、従来のように理想気体の状態方程式を用いるのではなく、圧縮係数を導入した実在気体の状態方程式（流体の状態方程式）を適用して貯槽３内の気体質量を算出し、この貯槽内気体質量（貯槽内流体質量）の時系列的な変動を捉えることで、貯槽３からの気体の漏洩の有無、すなわち貯槽３の気密性を評価する。
【００２２】
具体的に、本実施形態では、式（１）に示すように、圧縮係数Ｚを導入した実在気体の状態方程式を用いる。ここで、Ｐは気体圧力、Ｖは１モル当たりの気体体積（貯槽容積）、Ｔは気体温度、Ｒは気体定数を示す。
【００２３】
【数１】
【００２４】
また、本実施形態において、圧縮係数Ｚは、式（２）に示すように、式（３）で示す気体温度Ｔと臨界温度Ｔｃの相対値（対臨界温度Ｔｒ）と式（４）で示す気体圧力Ｐと臨界圧力Ｐｃの相対値（対臨界圧力Ｐｒ）の関数形で表され、この関数ｆは、例えば参考文献１に示されるように、気体の組成に応じて実験的に決められる関数である。なお、臨界温度Ｔｃ及び臨界圧力Ｐｃは、気体の組成に応じて（気体を構成する物質毎に）既に求められている既知量である。
[参考文献１] Nelson,L.C.,and E.F.Obert：Trans.ASME,76,1057,[1954]
【００２５】
【数２】
【数３】
【数４】
【００２６】
そして、このように圧縮係数Ｚが一定値ではなく気体温度Ｔや気体圧力Ｐに応じた（対臨界温度Ｔｒや対臨界圧力Ｐｒに応じた）関数ｆとして変化するため、理想気体の状態方程式と異なり、式（１）に示す実在気体の状態方程式は、左辺のＰＶと右辺のＲＴの間の関係が非線形性を有し、実験的に圧縮係数Ｚの関数形を求めることによって気体分子の大きさの影響、気体分子間に作用する分子間力の影響を反映させることが可能になる。
【００２７】
一方、気体分子が完全な球形でなく偏心しているような場合には、分子間力に影響するため、本実施形態ではこの点を考慮して、参考文献２、参考文献３、参考文献４に示される式（５）を用いて圧縮係数Ｚを求める。ここで、Ｚ（０）は球形の気体分子における対臨界温度Ｔｒと対臨界圧力Ｐｒの関数で、Ｚ（１）は偏心のある気体分子における対臨界温度Ｔｒと対臨界圧力Ｐｒの関数であり、式（５）は、気体分子を偏心の有無による２種類の成分に分けて表している。また、ωは式（６）で定義される偏心因子であり、Ｔｒ＝０．７のときの対蒸気圧力Ｐｖｐｒ＝Ｐ／Ｐｃを用いて求められる。このため、偏心因子ωを求めるために対蒸気圧力Ｐｖｐｒを求める必要が生じるが、実用的には多種類の物質に対して既に気体を構成する各種物質の偏心因子ωが実験的に求められているので、それらを利用することができる。
[参考文献２] Pitzer,K.S.,and R.F.Curl：J.Am.Chem.Soc.,77,3427,[1955]
[参考文献３] Pitzer,K.S.,and R.F.Curl：J.Am.Chem.Soc.,79,2369,[1957a]
[参考文献４] Pitzer,K.S.,and R.F.Curl：The Thermodynamic Properties of Fluids,Inst,Mech.Eng.,London, [1957a]
【００２８】
【数５】
【数６】
【００２９】
さらに、ＢＷＲ（Benedict-Webb-Rubin）方程式が広範囲の温度と圧力の流体の状態量を表す方程式として利用されており、このＢＷＲ方程式をさらに修正して、式（５）の偏心因子ωを考慮した式（７）が、参考文献５に示されている。
[参考文献５] Lee,B.I.,and M.G.Kesler：AIChE J.,21,510, [1975]
【００３０】
【数７】
【００３１】
そして、本実施形態では、表１に示す単純流体（球形の気体分子）に関する定数を用い、この式（７）から求めたい温度（すなわちＴｒ＝Ｔ／Ｔｃ）と圧力（すなわちＰｒ＝Ｐ／Ｐｃ）を条件（既知数）として、唯一の未知数である単純流体（球形）の対臨界体積Ｖｒ（０）を求める。
【００３２】
【表１】
【００３３】
ついで、求めたＶｒ（０）を用い、式（８）から単純流体（球形）の圧縮係数Ｚ（０）を算出する。
【００３４】
【数８】
【００３５】
ついで、上記の式（７）でＶｒ（０）を求めた場合と同じ対臨界温度Ｔｒと対臨界圧力Ｐｒを用い、表１に示す気体分子に偏心のある参考流体の各定数を適用して、式（９）から参考流体の対臨界体積Ｖｒ（Ｒ）を求める。すなわち、表１の参考流体の各定数を用い、参考流体の各定数を用いた式（９）によって唯一の未知数であるＶｒ（Ｒ）の解を求める。
【００３６】
【数９】
【００３７】
そして、求めたＶｒ（Ｒ）を用い、式（１０）から参考流体の圧縮係数Ｚ（Ｒ）を算出する。
【００３８】
【数１０】
【００３９】
ついで、このように式（７）と式（１０）で求めた単純流体の圧縮係数Ｚ（０）と参考流体の圧縮係数Ｚ（Ｒ）と、求めたい気体の偏心因子ωとから、式（１１）によって圧縮係数Ｚが求められる。なお、この式（１１）は、式（５）の具体的な一例である。
【００４０】
【数１１】
【００４１】
上記の式（１１）で求めた圧縮係数Ｚを用いて、式（１）から求めたい気体温度Ｔと気体圧力Ｐでの１モルの気体体積Ｖを求めることができ、求めた１モルの気体体積Ｖと貯槽容積ＶＴとの関係から漏洩がない状態での貯槽３内の気体のモル数ｎ、さらに貯槽３内の気体質量ＭＴが、式（１２）と式（１３）によって換算できる。ここで、Ｍは気体の１モル質量である。
【００４２】
【数１２】
【数１３】
【００４３】
そして、岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａに対し貯槽３の気密性を評価する際には、岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの貯蔵３内に設置した圧力計７と温度計８によって時系列的に計測した気体圧力Ｐと気体温度Ｔの計測値を用い、上記の気体のモル数ｎひいては気体質量ＭＴを算出し、この算出した気体の気体質量ＭＴの時系列的な変動の有無を確認する。すなわち、貯槽３内の気体温度Ｔと気体圧力Ｐを時系列的に計測し、貯槽３内の気体質量ＭＴの換算値が経時的（時系列的）に変化しないことが確認された場合には、貯槽３内からの気体の漏洩がないと評価され、気体質量ＭＴの換算値が経時的に減少した場合には、貯槽３内から気体が漏洩し、貯槽３の気密性が損なわれていると評価される。
【００４４】
ついで、上記本実施形態の気密性評価方法と従来の理想気体の状態方程式による気密性評価方法によってそれぞれ、図１から図３に示した岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの貯槽３の気密性試験を実施した一例を示し、本実施形態の高圧気体貯蔵施設Ａの気密性評価方法の効果を説明する。なお、ここでは、気密性が確保されている貯槽３、すなわち気体の漏洩がない貯槽３に対し、本実施形態の気密性評価方法と従来の理想気体の状態方程式による気密性評価方法によってそれぞれ気密試験を行った結果を示す。
【００４５】
さらに、岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａを構築し、例えば天然ガスなどの貯蔵対象気体（貯蔵対象の流体）を貯槽３に貯蔵する前に貯槽３の気密性を評価する際や、運用後の岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの定期点検時などに貯槽３の気密性を評価することなど想定して、貯蔵対象気体ではなく空気（既知流体）を貯槽３に貯蔵し、この空気を用いて貯槽３の気密性を評価することについて説明を行う。すなわち、実際に貯槽３に貯蔵する貯蔵対象の流体ではなく、可燃性ガスである天然ガスと異なり取扱いが容易で安全であるとともに圧縮係数Ｚの関数形が既知とされている空気を用いて貯槽３の気密性を評価することを一例として説明する。
【００４６】
はじめに、貯槽３に高圧気体輸送用の配管から空気を送り、貯槽３内の圧力Ｐを２０ＭＰａまで上昇させるとともに、配管のバルブを閉じ遮断した状態（シャットイン）にし、貯槽３内の空気圧Ｐと空気温度Ｔの計測を開始する。
【００４７】
ここで、図４は、シャットイン開始からシャットイン終了（配管のバルブを閉じた状態から検査を終えて配管のバルブを開放した状態）までの貯槽３内の圧力Ｐと温度Ｔを経時的に計測した結果を示している。そして、この図に示すように、シャットイン開始直前まで貯槽３内に圧縮空気を送ることで貯槽３内の温度Ｔは上昇し、シャットイン開始後の貯槽３内の温度Ｔは比較的高いが、時間経過とともに貯槽３外への熱伝導の影響で徐々に低下する。また、シャットイン中の圧力Ｐは、温度Ｔの低下とともに徐々に低下してゆく。なお、ここで示す温度Ｔは、貯槽３内の８つの温度計８で計測した温度Ｔの平均値であり、この貯槽３内の温度Ｔは、シャットイン直後に、対流などに起因して貯槽３下部の温度Ｔと貯槽３上部の温度Ｔに３℃程度の温度差が生じ、時間経過に従ってこの温度差が徐々に小さくなる。このため、平均温度が貯槽３全体の状態量を表す温度の代表値として誤差を生じる可能性があるため、貯槽３内の温度分布が定常状態に落ち着くまで計測を行うことが必要である。
【００４８】
そして、このように計測した貯槽内圧力Ｐと貯槽内温度Ｔの計測値を用いて、貯槽３内の空気の１モル体積Ｖを求め、貯槽容積ＶＴから貯槽３内の空気質量ＭＴを算出し、この空気質量ＭＴに時系列的な変動（経時的な減少）がないことをもって気密性が確保されていることを評価する。
【００４９】
このとき、本実施形態の気密性評価方法では、まず、本気密試験に用いた空気は、概ね窒素が７９％、酸素が２１％、窒素と酸素以外の成分が１％以下の組成からなる混合気体であるため、時系列的に計測した空気圧力Ｐの各計測値に対し、ダルトンの法則を適用して窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２を式（１４）と式（１５）から求める。なお、窒素と酸素以外の成分は微量であるためこの成分を無視している。
【００５０】
【数１４】
【数１５】
【００５１】
そして、混合気体の圧力Ｐに換えて、窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２のそれぞれに対し、式（１）から式（１３）を適用して窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）と酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）をそれぞれ算出する。このように算出した窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）と酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）を式（１６）に示すように合計して空気の貯槽内質量ＭＴを求め、空気の貯槽内質量ＭＴの時間変化を求める。また、このとき、本実施形態では、貯槽３の内圧変動に応じた貯槽容積ＶＴの変動を考慮して貯槽内空気質量ＭＴを求めている。すなわち、光ファイバ９ａ、９ｂ、９ｃや各種変位計１０、１１によって計測した計測値を用い、内圧が高くなることによる貯槽容積ＶＴの時間変化を反映させており、式（１２）から窒素と酸素の各成分の貯槽内モル数ｎを求め、式（１３）から貯槽３内の窒素と酸素の質量ＭＴ（Ｎ２）、ＭＴ（Ｏ２）を求めて、式（１６）により貯槽内空気質量ＭＴを算出している。
【００５２】
【数１６】
【００５３】
図５は、４時間毎に圧力Ｐと温度Ｔを計測し、本実施形態の気密性評価方法で求めた貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を示している。そして、図５に示すように、シャットイン開始後、空気の対流の影響や貯槽３から岩盤Ｇへの熱伝導の影響などにより、貯槽３内の温度分布が定常状態になっていない間、貯槽内空気質量ＭＴに変動が生じるが、ある程度時間が経過して貯槽３内の温度分布が定常状態になるとともに、貯槽内空気質量ＭＴの変動がなくなる。すなわち、貯槽３内の温度分布が定常状態になっていない間、時間経過とともに貯槽内空気質量ＭＴが減少する下降傾向が認められるが、貯槽３内の温度分布が定常状態になるとともにこの下降傾向がなくなる。
【００５４】
これにより、本実施形態の気密性評価方法においては、貯槽３内の温度分布が安定した後の圧力Ｐと温度Ｔの計測値を用いて算出した貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を捉えて、図５のように貯槽内空気質量ＭＴの時間変化がない場合には、貯槽３の気密性が確保され、気体が漏洩していないと評価できる。また、貯槽３内の温度分布が安定した後も貯槽内空気質量ＭＴが減少し続けて変動が確認された場合には、貯槽３から気体が漏洩すると評価できる。
【００５５】
一方、図６は、図５と同様の貯槽３内の圧力Ｐと温度Ｔの計測値を用い、従来の理想気体の状態方程式によって求めた貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を示している。なお、この従来法においてもダルトンの法則を適用し、式（１４）と式（１５）から窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２を求める。それを基に窒素と酸素のモル数ｎＮ２、ｎＯ２を理想気体を想定した式（１７）と式（１９）によってそれぞれ求め、窒素と酸素の貯槽内空気質量ＭＴ（Ｎ２）、ＭＴ（Ｏ２）をそれぞれ式（１８）と式（２０）によって求めている。この窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）、酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）を式（１６）に代入して、理想気体の状態方程式による貯槽内空気質量ＭＴを求めている。
【００５６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】
【００５７】
そして、この従来法では、図６に示すように、貯槽３内の温度分布が安定した後の圧力Ｐと温度Ｔの計測値を用いて算出した場合においても、貯槽３の気密性が確保されているにもかかわらず貯槽内空気質量ＭＴが経時的に低下して変動が継続してしまい、気体の漏洩の有無を正確に評価できなくなってしまう。
【００５８】
したがって、本実施形態の岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの気密性評価方法（高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法）においては、貯槽３に貯蔵した気体（流体、実在流体）に応じた関数形の圧縮係数Ｚを導入し、気体圧力Ｐや気体温度Ｔに応じた非線形性を有する実在気体の状態方程式を用いることで、気体分子の大きさや気体分子間に作用する分子間力の影響を反映させて貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができ、広範囲の圧力Ｐ及び温度Ｔに対して精度よく貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができる。これにより、貯槽内気体質量ＭＴの時系列的な変動を捉えることで、貯槽３の気密性を正確に評価することが可能になる。
【００５９】
また、本実施形態のように、貯槽３の内圧変動に応じた貯槽容積ＶＴの変動を考慮して貯槽内気体質量ＭＴを求めることにより、すなわち、貯槽３の内圧変動に応じた貯槽容積ＶＴの変動を時系列的に計測し、この貯槽容積ＶＴの変動を実在気体の状態方程式に反映させることによって、より精度よく貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができ、貯槽３の気密性をさらに正確に評価することが可能になる。
【００６０】
さらに、岩盤内高圧気体貯蔵施設の貯蔵対象の気体（天然ガスなどの可燃性ガス）ではなく、別の圧縮係数Ｚの関数形が既知の気体（空気）を貯槽３に貯蔵し、この空気を用いて貯槽３の気密性を評価することによって、比較的安全且つ容易に貯槽３の気密性を評価することが可能になる。また、成分組成が不明な流体や圧縮係数Ｚの関数形が未知な流体を貯蔵する場合においても、圧縮係数Ｚの関数形が既知の気体（空気）を貯槽３に貯蔵し、この空気を用いて貯槽３の気密性を評価することによって貯槽３の密閉性を評価することが可能になる。
【００６１】
よって、本実施形態の岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａの気密性評価方法によれば、従来の理想気体の状態方程式を用いた評価方法と比較し、広範囲の圧力Ｐ及び温度Ｔに対して精度よく貯槽３内の気体質量ＭＴを求めることができ、貯槽内気体質量ＭＴの時系列的な変動を捉えることで、貯槽３の気密性を正確に評価することが可能になるため、貯槽３からの気体の漏洩の有無を正確に評価することが可能である。
【００６２】
以上、本発明に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、高圧流体貯槽施設が岩盤内に構築される岩盤内高圧気体貯蔵施設Ａであるものとして説明を行ったが、本発明に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法は、高圧下で流体を貯蔵するあらゆる貯槽３の密閉性評価に適用することが可能であり、特に岩盤内高圧気体貯槽施設Ａへの適用に限定する必要はない。
【００６３】
また、本実施形態では、貯槽３が気体（流体）を貯蔵するものとされ、この気体の気体質量ＭＴの時間変化を捉えることで貯槽３の気密性を評価することについて説明を行ったが、本発明に係る高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法は、高圧気体貯蔵施設の気密性評価への適用に限定されるものではなく、式（１）〜式（１３）を用い本実施形態と同様にして、高圧下で貯蔵した液体（流体）や、さらに気−液の相境界のない臨界状態の流体まで広範囲に適用可能である。
【００６４】
さらに、本実施形態では、貯槽３の密閉性を評価するにあたり、高圧流体貯蔵施設の貯蔵対象の流体（岩盤内高圧気体貯槽施設Ａの天然ガスなどの貯蔵対象の気体）ではなく、圧縮係数Ｚの関数形が既知の流体（空気）を貯槽３に貯蔵して密閉性評価を行うものとしたが、貯蔵対象の流体の流体質量ＭＴを求め、この貯蔵対象の流体質量ＭＴの時間変化を捉えるようにしても、勿論、本実施形態と同様に貯槽３の密閉性評価を行うことが可能である。また、貯蔵対象の流体ではなく既知流体を用いるとしても、この既知流体を空気に限定する必要はない。
【００６５】
また、本実施形態では、窒素と酸素と他の微量成分からなる混合気体の空気を用いて貯槽の密閉性評価を行う際に、ダルトンの法則を適用して窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２を式（１４）と式（１５）から求め、混合気体の圧力Ｐに換えて、窒素の分圧ＰＮ２と酸素の分圧ＰＯ２のそれぞれに対し、式（１）から式（１３）を適用して窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２）と酸素の貯槽内質量ＭＴ（Ｏ２）をそれぞれ算出し、これらを合算して（式（１６））貯槽内空気質量ＭＴを算出し、この貯槽内空気質量ＭＴの時間変化を捉えて貯槽３の気密性を評価するものとしたが、このように混合流体を貯槽３に貯蔵して密閉性評価を行う際には、混合流体を構成する一成分の貯槽内質量（例えば窒素の貯槽内質量ＭＴ（Ｎ２））を算出し、この一成分の貯槽内質量の時間変化を捉えて貯槽３の密閉性を評価するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設（岩盤内高圧気体貯蔵施設）を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設（岩盤内高圧気体貯蔵施設）の平断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設（岩盤内高圧気体貯蔵施設）の縦断面図である。
【図４】貯槽内圧力と温度の時間変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る高圧流体貯槽施設の密閉性評価方法を用いて算出した貯槽内空気質量の時間変化を示す図である。
【図６】従来の密閉性評価方法を用いて算出した貯槽内空気質量の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ ライニング材（気密材）
２ 裏込め材
３ 貯槽
４ アクセストンネル
５ 耐圧プラグ
６ マンホール
７ 圧力計
８ 温度計
９ａ 光ファイバ
９ｂ 光ファイバ
９ｃ 光ファイバ
１０ 貯槽内空変位計
１１ 岩盤変位計
１２ マンホール相対変位計
１３ 耐圧プラグ絶対変位計
Ａ 岩盤内高圧気体貯蔵施設（高圧流体貯蔵施設）
Ｇ 岩盤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設の貯槽の密閉性を評価する方法であって、
前記流体の対臨界圧力と対臨界温度の関数形で表される圧縮係数を導入した流体の状態方程式を適用して、時系列的に計測した少なくとも前記貯槽内の流体圧力と流体温度を基に前記貯槽内の流体質量を求め、該貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで前記貯槽の密閉性を評価することを特徴とする高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法において、
前記貯槽の内圧変動に応じた貯槽容積の変動を反映させて前記貯槽内流体質量を求めることを特徴とする高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法において、
前記高圧流体貯蔵施設の貯蔵対象の流体ではなく、前記圧縮係数の関数形が既知の流体を前記貯槽に貯蔵し、該既知流体を用いて前記貯槽の密閉性を評価することを特徴とする高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法。
【請求項１】
流体を高圧下で貯蔵する高圧流体貯蔵施設の貯槽の密閉性を評価する方法であって、
前記流体の対臨界圧力と対臨界温度の関数形で表される圧縮係数を導入した流体の状態方程式を適用して、時系列的に計測した少なくとも前記貯槽内の流体圧力と流体温度を基に前記貯槽内の流体質量を求め、該貯槽内流体質量の時系列的な変動を捉えることで前記貯槽の密閉性を評価することを特徴とする高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法において、
前記貯槽の内圧変動に応じた貯槽容積の変動を反映させて前記貯槽内流体質量を求めることを特徴とする高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法において、
前記高圧流体貯蔵施設の貯蔵対象の流体ではなく、前記圧縮係数の関数形が既知の流体を前記貯槽に貯蔵し、該既知流体を用いて前記貯槽の密閉性を評価することを特徴とする高圧流体貯蔵施設の密閉性評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−５２９７１（Ｐ２００９−５２９７１Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１８７４１（Ｐ２００７−２１８７４１）
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【出願人】（０００１９６６８０）西部瓦斯株式会社 (47)
【出願人】（０００２４１９０２）北海道瓦斯株式会社 (11)
【出願人】（５９１２３４１７８）帝国石油株式会社 (7)
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【出願人】（０００１９６６８０）西部瓦斯株式会社 (47)
【出願人】（０００２４１９０２）北海道瓦斯株式会社 (11)
【出願人】（５９１２３４１７８）帝国石油株式会社 (7)
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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