事前設計プローブ・校正・切替モジュールでサンプリングを合理化

サンプルプローブモジュールなど、標準サブシステムでサンプリングをシンプルに

Karim Mahraz、Swagelok製品マネージャー、分析計装

標準的な事前設計サブシステムは、流体サンプリングおよび制御システムの設計をシンプルにすることで、運用に効率をもたらします。標準システムを使用することで、設置コスト、ダウンタイム、全体的なメンテナンスを大幅に削減するという追加のメリットがあり、プラントおよび施設管理者は、大陸を越えてでも一貫性を確保しながら部品を調達・組み立てることができます。

最終的に、プラントおよび施設管理者は、プラントの他の領域での効率改善とコスト削減に再配分できる時間、労力、エネルギーを節約できます。

以下は、サンプリングシステムの性能を向上させる一般的なサブシステムのタイプと、それぞれがサンプリングシステムの効率改善にどのように役立つかです。

校正・切替モジュール（CSM）

CSMの主な機能は、プロセスストリームの調整と選択、または分析用の校正ストリームの選択です。最低限、各システムには2つの入口が必要です。2つのプロセスストリーム入口、または1つのプロセスストリーム入口と1つの校正ストリーム入口です。システムは、通常アナライザーからの外部空気圧信号に応じて、分析する流体を選択します。信号は、分析対象の流体を含むストリームに対応するストリームセレクターバルブ（SSV）ダブルブロックアンドブリードバルブモジュールの1つを開きます。Swagelokが提供するようなCSMを使用すると、以下のような追加の利点があります：

• アプリケーション要件を満たす多様なサンプル調整構成が利用可能。
• オペレーターがいつでもアナライザーを校正できる手動校正オプション。
• カラーコードによるストリーム識別。プロセスストリーム入口は常に青、校正ストリームは橙、バイパスは緑、出口は白。
• 統合フローループ設計により、すべてのストリームでアナライザーへの一貫した供給時間を確保し、デッドレッグやクロスストリーム汚染の可能性を排除。
• ベンチレートエアギャップにより、加圧下での空気圧エアとシステム流体の混合という危険な可能性を防止。
• モジュール設計によりメンテナンスが容易。パネル上部からアクセス可能な4本のネジを緩めるだけで、個々のコンポーネントをアセンブリから取り外せます。ユニット全体を誤って分解したり、他の流体接続を乱したりするリスクがありません。
• CSMへの高流量（およびそれによるサンプルタイムディレイの短縮）を可能にするバイパスオプション。

アプリケーションによっては、ファストループモジュール（以下で詳細説明）が、バイパスファストループフィルターからの流れをCSMに供給し、アナライザーへの応答時間を改善できます。CSMは、プロセスラインへ（ファストループを通じて、または別個に）返却できる追加のバイパスや、廃棄システムへ送るバイパスを組み込むことができます。入口の数は、単一のアナライザーに送られるサンプルと校正ラインの数によって決まります。

サンプルプローブモジュール（SPM）

サンプルプローブモジュールをサンプルプローブバルブ（SPV）と組み合わせて使用すると、安全性だけでなくサンプルの純度と迅速性も向上します。プローブは、サンプルシステムの体積を減らすことで、より速いアナライザー応答を提供します。ノズル体積は大きくなり得るため、サンプルシステム全体の必要パージ体積が増加します。また、プローブにより、プロセス配管の中心からサンプルを採取できるため、配管壁沿いのスラッジの採取を排除できます。さらに、プローブからの45°角度カットを使用することで、サンプルシステムへ取り込まれる粒子量を大幅に削減できます。両機能とも、プローブがプロセスから代表的なサンプルを抽出することを保証するのに役立ちます。

これらの理由から、2インチ（50mm）以上の配管ではプローブの使用を推奨します。4インチ（100mm）以上の配管では特に重要です。プローブ設計は長さ、直径、肉厚、構造材料で変化します。これらのパラメータは、プローブの強度、ろ過能力、内部流速に影響します。より厚く大きな溶接プローブは、高いプロセス流量からの衝撃に耐えられますが、内径が大きいため流速は遅くなります。しかし、この遅い流速により、より多くの粒子がサンプルシステムへ進む代わりにプローブ内で落下します。より小型の引き抜き式プローブは溶接プローブほど強くありませんが、内部体積が小さいため、アナライザーへの流速が速くなります。Swagelokサンプルプローブモジュールの詳細についてはこちら。

ファストループモジュール（FLM）

ファストループモジュールは、オンラインアナライザーシステムのタイムディレイを減らすため、サンプル輸送ラインでの高流量を処理するように設計されています。アナライザーシェルターに設置され、バイパスを提供するファストループモジュール（FLM）は、サンプルシステムを隔離し、システム洗浄用のパージガスを導入できます。SwagelokのFLMは、高流量のバイパスを利用してフィルターエレメントを清潔に保ちながら、フィルターを通じてサンプルを抽出します。

ファストループには2つのプロセスタップが必要です。1つはサンプル供給用、もう1つはサンプル返却用です。サンプルポンプのコストを避け、サンプリングシステムの信頼性を向上させるため、供給タップより低圧の返却ポイントを選択してください。アナライザーにできるだけ近いプロセスタップ位置を選んでください。サンプルに凝縮性ガスが含まれる場合、サンプルのプロセス圧力での露点温度以上にファストループラインとFLMを加熱してください。液体サンプルは、凍結防止が必要な場合のみ加熱が必要です。

フィールドステーションモジュール（FSM）

フィールドステーションモジュール（FSM）は、アナライザーへ輸送する前にプロセスガス圧力を低下させます。ガスサンプルを低圧で輸送することは、3つの主要なメリットをもたらします：

• より速いアナライザー応答時間： 下流流量制御のある高圧ラインでは、ガス分子がより密に存在し、流速が遅く、パージ時間が長くなります。ガスサンプルの圧力を下げることは、サンプル輸送ラインとサンプル調整コンポーネント内の分子数が減ることを意味し、したがってシステムをフラッシュしやすくなり、アナライザーがプロセス変化に速く応答できます。輸送ラインに保持されるガス量は絶対圧力に比例します。絶対圧力が半分になれば、ライン内のガス分子も半分になるため、他の条件が同じなら、フレッシュサンプルがアナライザーに到達するまでの時間は半分になります。通常、FSMはプロセス圧力が3 bar（ゲージ）（43.5 psig）以上の場合に使用されます。
• 結露の減少： ガスの相対湿度は、混合気中の水蒸気分圧に直接比例します。相対湿度（または飽和度）100%は、作動温度での水蒸気の最大分圧を表します。したがって、いかなるガス混合気中の水蒸気が飽和限界の100%に達すると、サンプル輸送ラインで水蒸気が凝縮し始めます。ガスサンプリングでの結露を避けるため、FSMはサンプル混合気中のすべてのガスの分圧を低下させます。すべてのガスの分圧を下げる方法の1つは、全体のシステム圧力を下げることです。各ガスの分圧は、全体の圧力変化に比例して低下します。例えば、サンプルの絶対圧力を半分にすると、混合気中の各ガスの分圧も半分になり、サンプル内の水飽和度も半分になります。FSMを使用すると、サンプル輸送ラインでの結露形成の可能性を大幅に減らせます。
• より安全な環境： システムが損傷した場合、加圧ガスが大気圧まで急速に膨張し、システム損傷や人身傷害を引き起こす可能性があります。体積膨張比は絶対圧力低下に直接比例します。フィールドステーションモジュールのない高圧システムでは、膨張が非常に大きく、爆発的な結果を招く可能性があります。プロセスサンプリングポイントにFSMを設置することで、サンプルシステムのより小さな区画のみが高圧にさらされ、全体としてより安全な環境になります。

流体分配ヘッダー（FDH）

流体分配ヘッダーは、さまざまなガスおよび液体アプリケーションで使用される一般的なコンポーネントアセンブリです。FDHは流路を提供しながら複数の出口を可能にし、大型の分岐継手のような働きをします。流体分配ヘッダーは、一端に入口、他端にドレン、側面に複数の出口を持つのが特徴です。一般的な流体分配ヘッダーは、パイプまたはバーの一片から製造され、溶接またはねじ込みエンドコネクションを備えています。

分配マニホールドまたはヘッダーとして、FDHは複数のユーザーをユーティリティ流体の供給源に接続します。典型的な用途には：

• 冷却水
• 蒸気
• 圧縮空気
• プラント窒素

典型的なアナライザーハウスでは、例えば1つのFDHが計装エアヘッダー、もう1つがプラント窒素ヘッダー、さらにもう1つがLP蒸気ヘッダーとなります。必要であれば、複数のFDHサブシステムを端から端へねじ込み接続して、より長いヘッダーランを作ることができます。

通常、FDHにはメイン遮断弁と複数の出口があり、それぞれに独自の遮断弁があります。圧縮空気や蒸気などの潜在的に湿ったガスの場合、ドレンバルブを底部にして垂直にFDHを設置するのが最適です。液体用途では、供給が底部から入り、トップバルブがトラップされた空気の除去やメンテナンス時のドレン用のベントとして機能するよう、垂直に設置するのが最適です。

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