プロセスアナライザの精度を脅かす8つの課題とその克服法

サンプリングシステム：プロセスアナライザの精度に関する8つの一般的課題

トニー・ウォーターズ、サンプリングシステム エキスパート兼インストラクター

サンプリングシステムはプラント内で最も複雑なシステムの一つです。多数のコンポーネントとプロセスが連携してプロセスストリームの状態を分析し、その結果は正確かつタイムリーでなければなりません。この重要な結果がプラントの制御目標達成に用いられるからです。しかし、エンジニアや技術者はサンプリングシステムが気まぐれであることを知っています。システムのあらゆる要素がプロセスアナライザの精度に影響を与える可能性があります。アナライザの信頼性向上を支援するため、スウェージロックのフィールドエンジニアがシステムの精度に影響を与える8つの一般的課題を特定しました。

アナライザ精度への影響

サンプリングシステムの設計ミスは、以下に影響を与えることでサンプルの完全性を脅かします：

• 代表性： 設計上の欠陥により、サンプルがプロセスを正確に代表せず、プロセス流体の化学組成を予期せぬ形で歪める可能性があります。制御目標を満たす測定には代表的なサンプルが必要です。
• タイムリーさ： サンプル採取からアナライザ測定値の取得までに過度のタイムラグが生じると、プラントは製品損失や高コストな再処理のリスクを負います。業界標準の応答時間は1分です。
• 適合性： 温度、圧力、流量、状態がプロセスアナライザの要件と一致しない場合、サンプルがアナライザを損傷させたり精度を損なう可能性があります。また、正確な分析結果は潜在的な危険な運転条件を検知することで、安全なプラント環境の維持に貢献します。

一般的課題の特定と対策

課題1：不適切なタップ位置

タップ位置の選定は微妙な判断を要します。一つの目標はタイムラグの回避です。プロセス配管の低流量区間にタップがあると、プロセス化学成分の変化が分析結果に現れるまでに時間がかかります。塔底部、タンク、ドラムなどの混合容積も大幅な遅延の原因となります。また、ポンプ吐出し、オリフィス、配管エルボによる誘導乱流の下流など、サンプルが十分に混合される場所を選ぶ必要があります。

課題2：プローブの誤用

プローブでサンプルを採取する際、理想的にはプロセス配管の中央1/3まで届く長さが必要で、これにより代表的なサンプルが得られます。配管中心付近は流速が速いため、よりタイムリーな結果が得られます。ただし、共振振動を避けるため最大許容長を必ず計算してください。場合によっては配管径の15%挿入で十分です。プローブは必要最小限の幅にすべきで、大容積はタイムラグの原因となります。ノズルのみを使用する場合、システム容積が大幅に増え、著しい遅延を招きます。

課題3：不適切なフィールドステーション設計

ガスサンプルの場合、圧力をできるだけ早く（10〜15 psig、設計許容なら5 psigまで）下げる必要があります。高圧ガスは分子が密に詰まっているため流速が遅く、タイムラグの原因となります。また、低圧化により凝縮リスクが低減します。凝縮は多くのガスプロセスアナライザと適合せず、サンプルの代表性を損ないます。低圧維持はオペレーターと技術者の安全確保にもつながります。

フィールドステーションのレギュレータがサンプル圧力を下げ、アナライザへの流速を高めます。

課題4：ファストループの省略

液体サンプルを気化させる場合、気化レギュレータの上流にファストループ（バイパス）が必要なことがあります。これがないと液体サンプルの流速が遅くなり、少量の液体が大量のガスになるためタイムラグが生じます。ファストループなしではレギュレータ上流に100mL以上の低速液体容積が存在し、数時間の遅延を招く可能性があります。

課題5：デッドレグ

デッドレグは古いサンプル分子を蓄え、新しいサンプルにゆっくり混入させることで代表性を損ないます。サンプルラインのティーやクロスは、全ポートが流通していない限りデッドレグです。例としてゲージ、スイッチ、安全弁、ラボサンプリングポイントが挙げられます。高濃度ストリームから低濃度ストリームへ切り替える際や、低流量時に分析結果への影響が顕著になります。アナライザ直結ラインのデッドレグは移設または除去すべきです。

課題6：クロスストリーム汚染

シングルの三方弁だけでは校正液とサンプルの間の十分なバリアになりません。この構成では校正液がバルブシートを越えてサンプルを汚染するか、より一般的にプロセスストリームサンプルが校正液側へ漏れます。いずれの場合も分析を台無しにします。より良い構成はダブルブロックアンドブリードで、遮断ポートからの漏洩がブリード/ベントラインへ向かい、サンプルへ混入しないよう確保します。

課題7：不適切な温度と圧力

サンプルの相変化に注意してください。部分的な相変化は防止すべきです。混相サンプルは代表的ではなく、アナライザと適合しない可能性が高いです。ソフトウェアでシステム組成の相図を作成すれば相変化の有無を判断できます。原則として、ガスサンプルは露点以上（凝縮防止）、液体サンプルは泡点以下（軽質成分の沸発防止）に保ちます。加熱ラインの場合、全長を加熱する必要があります。数インチの非加熱部でも温度低下と凝縮を招きます。ガスは露点より約20℃高く維持することを目標とします。

課題8：不適切なサンプルコンディショニング

サンプルコンディショニングシステムでは、ガスサンプルから液体を除去する必要があります。液体はプロセスアナライザを損傷し、分析結果を損なうからです。ガスサンプル中の大粒液滴は重力（ノックアウトポット、フォールバックチューブ）や慣性（キネティックセパレータ、サイクロン）で除去可能です。しかし、エアロゾルとして浮遊する微細液滴にはコアレッサーが必要です。コアレッサーは大粒液滴を除去できない点に注意してください。また、流速が高すぎると微細液滴がコアレッサー素子を通過し、適切に除去されません。コアレッサー出口ではサンプルが飽和状態（露点付近）になり、再凝縮の恐れがあります。温度上昇や圧力低下で露点から離れることが有効です。ニードルバルブで圧力降下を作る方法もあります。

サンプリングシステムにおけるプロセスアナライザ精度への脅威の特定と対策についてさらに詳しくは、スウェージロックのサンプリングシステム実践トレーニングコースをご覧いただくか、最寄りのスウェージロック販売・サービスセンターへお問い合わせください。スウェージロックのトレーニング教科書である『Industrial Sampling Systems』も入手可能です。