天然ガスの消費量の計測：タービン式流量計やクオンタメーターに代わる熱式計測法

概要：CS INSTRUMENTS社の熱式質量流量計は、可動部品を使用せずに天然ガスの消費量を計測し、標準体積流量を直接出力します。消費量のモニタリング、コストセンター管理、およびエネルギー管理に最適です。 VA 550およびVA 570は、モデルに応じて、ATEX/IECEx認証、あるいは天然ガス（最大16 bar）向けのDVGW認証を取得した製品が用意されています。

熱式質量流量センサーの導入は、どのような場合に有効でしょうか？

産業用天然ガスネットワークでは、主にタービン式流量計、ピストン式ガス流量計、クォンタメーターが使用されており、ユーザーによってはこれらを総称して「羽根車式流量計」と呼ぶこともあります。 低流量の計測が不十分な場合、可動部品のメンテナンスが必要となる場合、あるいはデジタル消費データが得られない場合、天然ガス用の熱式質量流量センサーは検討に値する代替手段となります。

タービン式および回転ピストン式ガスメーターの仕組みと、その限界について解説します。タービン式ガスメーターでは、ガス流が機械的に支持されたタービン翼に当たり、それを駆動します。 その回転数は流速に比例し、既知の配管断面積を通じて体積流量に比例します。ロータリーピストン式ガスメーターでは、圧力差によって測定室内のローターが駆動され、各ローターが正確に定義されたガス量を封入して消費者に送り出します。 機械式ガスメーターの有効測定範囲は、構造、サイズ、使用圧力、および仕様によって大きく異なります。単純なクオンタメーターは、多くの場合、熱式センサーよりもはるかに低いダイナミックレンジで動作します。

両方の構造タイプに共通する原理上の限界は、可動部品にあります： ベアリングは汚れや摩耗によって劣化し、測定誤差を引き起こします。測定範囲を超えるとベアリングが損傷する恐れがあり、一部のベアリングには定期的な注油が必要ですが、実際にはこれが軽視されがちです。また、ガスが汚染されていると大きな誤差が生じますが、洗浄はほとんど不可能です。 回転ピストン式ガスメーターでは、構造上避けられない圧力損失も加わります。

部分負荷およびピーク流量の計測：VA 550 および VA 570 は、最大 1:1000 の測定範囲を提供します。実際の最小および最大流量（Qmin/Qmax）が依然として決定的な要素となります。 VA 550およびVA 570では、用途に合わせて測定範囲（Low Speed、Standard、Max、High Speed）を選択できます。 熱式原理のその他の利点としては、圧力損失がごくわずかであることや、ごくわずかな消費量の計測が可能であることが挙げられます。VA 550およびVA 570は、大口径の配管でガス消費量が少ない場合、機械式ガスメーターでは限界に達してしまうような場面で、非常に頻繁に採用されています。

ローターの摩耗を防止：熱式原理は、加熱されたセンサーからの放熱を測定するため、ローターベアリングが不要で、追加の圧力損失もわずかです。 センサー（ヒーターおよび温度センサー）は、過酷な産業環境での使用に耐えるよう設計されており、薄くて堅牢なステンレス鋼管に組み込まれています。ベアリングがなく、摩耗もなく、アクセスしやすく、汚れた場合でも簡単に洗浄できます。これらの機器は非常に堅牢で、ほぼメンテナンスフリーです。

標準体積を直接出力：機械式ガスメーターは通常、運転体積計であり、標準体積への換算は、追加の圧力および温度センサーを備えた外部流量変換器によって行われます。 要求される精度を達成するためには、これらのセンサーが高精度である必要があり、計量器内部またはその近傍に設置されなければなりません。これらのセンサーの測定誤差は、通常は使用体積で表示される計量器の精度に上乗せされます。 VA 550およびVA 570は、熱式質量流量を計測し、適切なガスパラメータ設定と所定の基準条件のもとで、そこから標準体積流量を直接出力します。そのため、追加の圧力および温度測定機能を備えた独立した流量変換器は必要ありません。 比較を行うには、基準条件が一致している必要があります（例：0 °C、1.013,25 mbar (a)（DIN 1343に準拠――標準m³/Nm³とも呼ばれる））。kWh換算を行う場合は、これに発熱量が加算されます。

運転体積と標準体積：天然ガスにおいてこの違いが重要な理由

使用圧力が上昇すると、標準体積は使用体積よりも大きくなります。これは絶対圧力の比率によるもので、さらに温度による補正が加えられます。 もし運転体積が誤って標準体積として報告されたり、そのまま処理されたりすると、実際のガス消費量は体系的に過小評価され、kWh 収支は体積に線形に依存するため、この誤差をそのまま反映することになります：

さらに、温度による影響も加わります。ガス温度20 °Cと標準温度0 °Cの間では、約7 %の差が生じます。これらの値は理想気体を用いた説明のためのものです。 請求や高精度な状態変換を行う際には、温度、ガスの性質、圧縮性などを考慮する必要があります（DVGW規則G 685）。エネルギー収支における最も一般的な誤差の原因は、測定精度ではなく、気づかれないまま行われている誤った体積基準です。

天然ガスの熱量測定は、どのような場合に特に有効か？

幹線および配管ラインでは、1つの計測点が建物、エリア、またはボイラー室の総消費量を継続的に監視します。既存の大型配管の場合、VA 550は挿入型センサーとして有用です。これは、公称口径の完全なインライン計測区間を設置する必要がないためです。 個々の消費設備（ボイラー、バーナー、生産設備）の直前に設置することで、どの消費設備がいつ、どのくらいの天然ガスを必要としているかが可視化されます。これが負荷プロファイルやコストセンターの基礎となります。最も有用なのは、主計器とサブメーターを組み合わせることで、総消費量とその配分状況を把握できる点です。

計測値はどのようにしてエネルギー管理システムに取り込まれるのでしょうか？

多くの既設の機械式メーターでは、消費量の伝送はパルス出力のみで行われますが、最新の電子式メーターではデジタルインターフェースも利用可能です。 VA 550およびVA 570は、注文した仕様に応じて、Modbus TCPを介してイーサネット経由で中央制御システムやエネルギー監視ソフトウェアに直接統合することが可能です（流量、総消費量、ガス温度）。これにより、RTU/TCPゲートウェイは不要となります。 オプションのPoEは、データ伝送と電源供給を1本のネットワークケーブルに統合しており、特に測定地点が複数ある場合、設置の手間を軽減します。あるいは、Modbus RTU、4～20 mA、パルス、M-Bus、IO-Link、HARTも利用可能です。

設置、メンテナンス、再校正における利点

VA 550を差し込み式センサーとして後付けする場合：センサーは、適切なプロセスアクセス部またはボールバルブを介して取り付けられます。深度目盛りと定義された向きにより、再現性の高いセンサー位置が確保されます。 VA 550は最大50 barの作動圧力に対応しています（DVGW仕様は最大16 bar）。加圧状態での取り付け・取り外しは、止め輪付き½"ボールバルブを介して行われます。

VA 570のインラインソリューション：洗浄や再校正の際も、測定部は配管内に残ったままとなり、センサーユニットのみを取り外します。 再校正の際はセンサーをメーカーに送付します。校正期間中は交換用センサーを取り付けることができるため、稼働の中断は発生しません。

操作：VA 550およびVA 570では、光学式ボタンを使用することで筐体を開けずに設定が可能です。両機器の操作方法は同一です。デジタル機器情報およびステータス情報（Modbusレジスタ）は、トラブルシューティングや引き継ぎ文書作成を支援します。

実用例：消費量からプロセス指標へ

ボイラー用途では、330 Nm³/hの天然ガスと5,000 kg/hの蒸気が計測されます。 ガス消費量、発熱量、および蒸気データからボイラーの熱効率が算出されます。文書化された事例では84％でした。このように、単なる消費量の測定から、効率やメンテナンスのための信頼性の高い指標が得られます。（→ 蒸気ボイラーのアプリケーションレポート）

この用途に適した天然ガス流量計はどれか？

ATEXおよびガス設備についてはどうなりますか？

VA 550およびVA 570は、バリエーションに応じてATEX/IECEx認証を取得したモデルが用意されています； データシートによると、これらのバリエーションの防爆マークは、ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb（ガス）およびII 2D Ex tb IIIC T90 °C Db（粉塵）です；IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db。防爆仕様では、媒体温度は最大120 °C、保護等級はIP 65となります。EU型式検査証明書はダウンロードエリアに掲載されています。特定の防爆区域における適合性の確認は、運営者の責任となります。CS INSTRUMENTSは、そのための技術データシートおよび防爆認証書を提供しますが、区域区分や特定の設備への適合性に関する助言は行いません。