JP2011196677A - 蒸気管の損失計測システム及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気管の損失、特に配管ロスを好ましく計測することが可能な計測方法を提供する。
【解決手段】損失計測方法は、蒸気管の少なくとも一部を含む、実質的な閉空間を作る工程と、蒸気管内の圧力を実質的に一定に保つように、蒸気製造装置から蒸気管内への蒸気の供給量を制御する工程と、実質的な閉空間での蒸発量に関する値を測定する工程と、蒸気供給量に関する値の計測結果を用いて、蒸気管の損失を計測する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気管の損失計測システム及び計測方法に関する。

産業分野における工場において、蒸気は、生産工程での加熱や空調の加熱・加湿まで幅広い用途に用いられる。

蒸気は、４５℃程度の低温域から１７０℃程度の高温域まで幅広い温度帯をカバーすることが可能であり、いわば使い勝手の良い熱媒体である。そのため、工場の多くの場所に蒸気配管が敷設され、集中設置されたボイラーから各生産工程等に蒸気が送られるのが一般的である。

図５は、工場に敷設される蒸気系統の一般的な概念図を示す。ボイラーなどの蒸気製造装置で製造された蒸気は蒸気ヘッダに送られ、生産工程における加熱や空調の加熱・加湿等の用途に用いられる。各種用途に用いられた蒸気はドレンとして回収され、還水槽等に集約された後、ボイラーに再度給水される。また、配管途中には、配管からの放熱に伴う蒸気の凝縮で生じたドレンを排出するスチームトラップが複数配置されている。

図５に示す蒸気系統において、投入した燃料エネルギーに対して以下の４つの損失（ロス）の存在が考えられる。（１）ボイラーのロス：ボイラーの使用燃料流量に対するボイラーにて製造される熱量を算出することにより明らかとなるロス（いわゆるボイラー効率に伴うロス）、（２）送気時（配管）のロス：配管からの放熱等によって配管上のスチームトラップから排出されるロス、あるいはバルブや配管損傷部からのリーク蒸気によるロス、（３）負荷設備後のトラップのロス：ドレンを回収するためのスチームトラップからの漏洩によるロス、（４）回収のロス：ドレンを返送するための配管からのロスで、例えば還水槽が大気開放型である場合等にポンプキャビテーション発生防止のために補給する水等により温度低下することによるロス。これら（１）−（４）のロスを、ボイラーへの投入燃料から差し引いたエネルギーが生産工程や空調設備にて有効に活用されたエネルギーとなる。

送気時（配管）のロス（以下「配管ロス」）は次の３種類のロスを含む。（１）ドレンロス：配管からの放熱に伴い配管内蒸気が凝縮・ドレン化しスチームトラップから排出されるロス、（２）トラップリークロス：スチープトラップにて捕捉されたドレンが排出される際に配管内蒸気が同時に漏洩するロス、（３）配管等リークロス：蒸気配管、バルブ、フランジ等を含む配管系統に物理的損傷等があり、蒸気が漏洩するロス。

配管ロスの計測方法として以下がある。すなわち、配管入口側（ボイラー出口直後）及び配管出口側（各種負荷設備直前）のそれぞれに蒸気流量計を設置し、その計測結果の比較に基づきロスを算出する。しかしながら、この方法では、蒸気流量計を直接配管に設置することで計測可能となるから、配管出口側が複雑な構成であると、流量計を複数設置する必要が生じる。また、新規設置に際して既存の蒸気配管を切断する必要がある。さらに、湿り分（ドレン）がスチームトラップからすべて取り除かれるとは限らないために湿り度の評価が不十分となる可能性がある。

配管ロスの他の計測方法としてサーモグラフィなどの特殊な装置を用いた方法がある。しかしながら、この方法は、装置が高価である、計測結果の分析・評価に専門技術を要する、配管表面温度の計測精度が不十分となる傾向にある、蒸気管又は保温材の熱伝導率の評価が比較的困難である、などの課題を有する。

本発明は、蒸気管の損失、特に配管ロスを好ましく計測することが可能な計測システム及び計測方法を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、蒸気製造装置及び負荷設備につながった蒸気管の損失を計測するシステムが提供される。この損失計測システムは、前記蒸気管の少なくとも一部を含む、実質的な閉空間を作る第１装置と、前記蒸気管内の圧力を実質的に一定に保つように、前記蒸気製造装置から前記蒸気管内への蒸気の供給量を制御する第２装置と、前記実質的な閉空間での蒸発量に関する値を測定する第３装置と、前記第３装置の計測結果を用いて、前記蒸気管の損失を計測する第４装置と、を備える。

本発明の別の態様に従えば、蒸気製造装置及び負荷設備につながった蒸気管の損失を計測する方法が提供される。この損失計測方法は、前記蒸気管の少なくとも一部を含む、実質的な閉空間を作る第１工程と、前記蒸気管内の圧力を実質的に一定に保つように、前記蒸気製造装置から前記蒸気管内への蒸気の供給量を制御する第２工程と、前記実質的な閉空間での蒸発量に関する値を測定する第３工程と、前記蒸気供給量に関する値の計測結果を用いて、前記蒸気管の損失を計測する第４工程と、を備える。

この計測システム及び計測方法によれば、実質的な閉空間への蒸気供給量に関する値の計測結果を用いて、配管ロスを好ましく計測することができる。

損失計測システムを示す概略図である。 制御ユニットを示す模式図である。 実証試験結果と理論計算結果との比較を示す図である。 損失計測システムの変形例を示す概略図である。 一般的な蒸気系統を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、損失計測システム１を示す概略図である。図１において、蒸気管１０は、蒸気製造装置２０（ボイラなど）と負荷設備３０との間に配設される。蒸気製造装置２０からの蒸気が蒸気管１０を流れ、負荷設備３０に送られる。負荷設備３０において、蒸気又は蒸気の熱が利用される。負荷設備３０から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽２５に集約された後、蒸気製造装置２０に再度給水される。蒸気管１０は、不図示の保熱手段によって保熱されている。公知の様々な保熱手段が適用可能である。保熱手段は、例えば、蒸気管１０の外面を覆う保温材を有する。

蒸気管１０には、配管等での放熱に伴う蒸気の凝縮で生じたドレンを排出する複数のスチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３が配置されている。図１において、スチームトラップＳＴｎの数は３である。スチームトラップＳＴｎの数は、設備仕様に応じて様々である。蒸気管１０内で凝縮して生じたドレンの少なくとも一部がスチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３に捕捉される。公知の様々なスチームトラップが適用可能である。通常、スチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３は、捕捉したドレンを適宜排出可能な構造を有する。

蒸気管１０における蒸気製造装置２０とスチームトラップＳＴ１との間には、流量センサ４２及び圧力センサ（第３装置）４４が配設されている。少なくとも圧力センサ４４の計測結果が制御ユニット（第２装置）４０に送られる。蒸気製造装置２０を含む蒸気供給システムにおいては、圧力センサ４４の計測結果に基づいて、蒸気管１０の内部圧力が一定となるように、蒸気の供給を制御可能である。

蒸気管１０における負荷設備３０の入口付近（最終のスチームトラップＳＴ３と負荷設備３０との間）には、バルブ（第１装置）２７が配設されている。バルブ２７を開とすることにより、蒸気製造装置２０からの蒸気が負荷設備３０に入力可能となる。バルブ２７を閉とすることにより、蒸気製造装置２０からの蒸気の負荷設備３０への入力が遮断される。

また、還水槽２５付近には、蒸気製造装置２０への給水量を計測する流量センサ４６が配設されている。流量センサ４６の計測結果は制御ユニット４０に送られる。制御ユニット（第４装置）４０は、流量センサ４６の計測結果に基づいて、蒸気管１０における配管ロスを計測することができる。本実施形態において、損失計測システム１は、バルブ２７、流量センサ４２、圧力センサ４４、流量センサ４６、及び制御ユニット４０を含むことができる。

図２は、制御ユニット４０を示す模式図である。図２において、計算装置５０は、例えばコンピュータシステムである。制御ユニット４０は、計算装置５０に加え、入力装置１２７、及び表示装置（出力装置）１２８を有する。計算装置５０は、Ａ／Ｄ変換器等の変換器１２３、ＣＰＵ（演算処理手段）１２４、及びメモリ１２５等を有する。損失計測システム１のセンサ（流量センサ４６等）などから送られる測定データが、必要に応じて変換器１２３等で変換され、ＣＰＵ１２４に取り込まれる。また、初期設定値、及び仮データなどが入力装置１２７などを介して計算装置５０に取り込まれる。表示装置１２８は、入力されたデータに関する情報、及び計算に関する情報などを表示することができる。

ＣＰＵ１２４は、測定データ、及びメモリ１２５に記憶された情報に基づき、蒸気管の損失に関する計算を実行することができる。例えば、流量センサ４６の測定結果を用いて、蒸気管１０の放熱損失を算出することができる。以下、蒸気管１０の損失に関する算出手法の一例を示す。

本計測方法は、蒸気を製造するボイラーなどの蒸気製造装置２０への給水量に着目したものである。蒸気製造装置２０で製造された蒸気は、損失（ロス）を発生させながら種々の負荷にて仕事をした後に回収される。本計測方法では、（１）負荷設備３０を停止する、（２）負荷設備３０の直前でバルブ２７を閉じるなど、負荷設備３０内に蒸気が流入しないようにする。すなわち、蒸気管１０の内部空間を主とする実質的な閉空間を作る。以下、この状態を適宜に「無負荷」と呼ぶ。蒸気製造装置２０は、蒸気管１０内の圧力を一定に保つように蒸気を供給する。これは、蒸気管１０で蒸発して蒸気管１０から抜けた分、すなわち放熱による蒸気のドレン分の蒸気を供給することである。スチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３からは適宜ドレンが排出される。蒸気製造装置２０を通常時と同様に稼動させれば給水された分が配管でのロスとなる。

計測では、実質的な閉空間での蒸発量に関する値として、蒸気製造装置２０への給水量を測定し、得られた給水量と製造した蒸気性状等より式（１）に基づいて蒸気配管でのロスを算出する。

Ｑ＝Ｆｗ×（ｈｓ−Ｃ_０Ｔ_ｃ）／Ｓ …（１）

ここで、
Ｑ ：蒸気配管ロス量（ｋＷ）
Ｆｗ：給水量（計測値）（ｋｇ）
ｈｓ：製造蒸気の飽和蒸気エンタルピ（ｋＪ／ｋｇ）
Ｔ_ｃ ：計測時外気温（環境温度）（℃）
Ｓ ：計測時間（ｓ）
Ｃ_０ ：水の比熱（ｋＪ／ｋｇ・℃）

ここで、無負荷時（負荷設備への蒸気供給ゼロ時）に蒸気配管圧力を一定とするためにボイラより供給した蒸気量は、蒸気配管での放熱により凝縮したドレン量、または配管・バルブよりリークした蒸気量と基本的にはイコールである。すなわち、無負荷時にボイラ発生蒸気量を計量することで，蒸気配管における損失熱量を把握することが可能であると考えられる。但し、無負荷時と通常運転時では、管内熱伝達率が大きく異なることが想定される。無負荷時の結果をそのまま通常運転時の結果として用いることの妥当性について以下説明する。

ここでは、無負荷時と通常運転時の管内熱伝達率を算出し，その結果より総合熱伝達率への影響度を検討する。

放熱にかかる基本式を以下の式（２）に示す。

ここで、
ｑ：単位配管長あたりの放散熱量（Ｗ／ｍ）、
Ｔ_０：配管内部温度（管内蒸気温度）（℃）、
Ｔ_１：外気温度（大気温度）（℃）、
α_１：管内熱伝達率（Ｗ／ｍ^２／℃）、
α_２：保温材表面から大気への熱伝達率（Ｗ／ｍ^２／℃）、
λ_１：保温の熱伝導率（Ｗ／ｍ／℃）
ｒ_０：配管内径（ｍ）、
ｒ_１：配管外径（ｍ）、
ｒ_２：保温外径（断熱材外径）（ｍ）、
である。

通常、管内熱伝達率が十分に大きく、熱伝達抵抗とはならないことから、上記式（２）の １／α_１ｒ_０ はゼロとしている。しかしながら，無負荷状態（流れのない状態）で評価する際は，蒸気流速が遅いことから管内熱伝達率が低く，熱伝達抵抗 １／α_１ｒ_０ をゼロとはできないと考えられる。

強制対流における管内熱伝達率の一般式を、伝熱工学資料（改定第４版 P55 式29,30）より、以下の式（３）に示す。

蒸気配管内は、放熱により凝縮したドレン分だけ蒸気が流れる。仮にボイラより供給される蒸気量が0.48t/hとすると、レイノルズ数は3.17×10⁴ であり，乱流域にあることから熱伝達率の計算に上述の式を用いる。

試算すると無負荷時と通常時で放熱量に数パーセントの差が生じることが分かった。放熱量が供給熱量の２０％程度である場合、総合熱伝達率への影響度は軽微であると考えられる。なお、影響の軽減化のために補正係数を用いることもできる。

無負荷時蒸発量計測による損失計算方法について実証試験を行った。計測結果については、上記の式（２）を用いた理論計算と比較することとした。計測にあたっては、トラップチェッカーを用いてドレン排出と同時にスチームトラップから排出される蒸気量すなわちトラップリークロスも計測した。理論計算では「ドレンロス」のみでしか算出できないのに対し、実計測では「ドレンロス」と「トラップリークロス」とが混在して計測される。正確な検証を行うために計測結果からこれら２つのロスを分離した。

比較結果を図３に示す。図３に示すように、ドレンロスに関わる理論値とトラップリークロス分を除いた計測値は、ほぼ一致している。ドレンロスについて、計測値の方が若干大きな値となっているが、これは、保温材の経年劣化によるものと思われる。

以上説明したように、無負荷時の蒸発量計測により、蒸気配管ロスを計算することができる。こうした無負荷時蒸発量に基づく損失計算は、処理が簡素である、設備の改造が不要である、などの利点を有する。

バルブの開閉制御は自動でもよく手動でもよい。定期的なロス計測を実行し、配管系統の損傷や保温性能の劣化の検証を実施することもできる。

なお、上記の説明では、実質的な閉空間での蒸発量に関する値として、蒸気製造装置２０への給水量を測定している。代替的に、実質的な閉空間での蒸発量に関する値として、蒸気製造装置２０における燃料使用量を測定することができる。さらに代替的に、実質的な閉空間での蒸発量に関する値として、実質的な閉空間における蒸気流量を直接的に測定することができる。

図４は、損失計測システムの変形例を示している。図４において、複数の負荷設備３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃに応じた複数の蒸気ライン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが設けられている。負荷設備３０Ａに対応する蒸気ライン１０Ａは、複数のスチームトラップＳＴＡ１、ＳＴＡ２、ＳＴＡ３と、流量センサ４２Ａと、バルブ２７Ａとを含む。同様に、負荷設備３０Ｂに対応する蒸気ライン１０Ｂは、複数のスチームトラップＳＴＢ１、ＳＴＢ２、ＳＴＢ３と、流量センサ４２Ｂと、バルブ２７Ｂとを含み、負荷設備３０Ｃに対応する蒸気ライン１０Ｃは、複数のスチームトラップＳＴＣ１、ＳＴＣ２、ＳＴＣ３と、流量センサ４２Ｃと、バルブ２７Ｃとを含む。バルブ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃはそれぞれ、蒸気ライン１０Ａ（１０Ｂ、１０Ｃ）における負荷設備３０Ａ（３０Ｂ、３０Ｂ）の入口付近（最終のスチームトラップＳＴＡ３（ＳＴＢ３、ＳＴＣ３）と負荷設備３０Ａ（３０Ｂ、３０Ｂ）との間）に配設されている。

図４において、すべてのバルブ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃを閉とすることにより、蒸気系統全体の損失を計算することができる。この場合、実質的な閉空間での蒸発量に関する値として、流量センサ４６によって蒸気製造装置２０への給水量を測定し、得られた給水量と製造した蒸気性状等より蒸気配管でのロスを算出することができる。あるいは、実質的な閉空間での蒸発量に関する値として、蒸気製造装置２０における燃料使用量を測定することにより、蒸気配管でのロスを算出することができる。

また、バルブ２７Ａを閉、バルブ２７Ｂ、２７Ｃを開とすることにより、負荷設備３０Ｂ、３０Ｃの稼動中に、負荷設備３０Ａに対応する蒸気ラインの損失を計算することができる。この場合、実質的な閉空間での蒸発量に関する値として、流量センサ４２Ａによって対象の蒸気ラインにおける蒸気流量を直接的に測定することにより、その蒸気ラインでのロスを算出することができる。

なお、計測結果から求められた単位配管長あたりの放熱量ｑ（Ｗ／ｍ）は計測地点での配管径や保温径の下での値であるため、配管径等が異なる場合には補正をかける必要がある。

蒸気系統における蒸気管のサイズや保温厚さは、負荷設備の蒸気条件（使用蒸気量、圧力、温度）により異なる場合がある。このような場合にも、ある蒸気管の放熱量が既知であれば、配管サイズ、保温厚さ、配管内部温度、および外気温度の相違に基づく補正を施すことにより放熱量を求めることが可能である。既知の放熱量から、別の配管サイズ及び保温厚さに対応した放熱量を算出するための補正計算式（４）を以下に示す。この式（４）は上記の理論式（２）から導き出すことができる。
補正計算式（４）において、ｑ’：別の配管における単位長さ当たりの放熱量（Ｗ／ｍ）、ｒ_１’：別の配管の配管外径（ｍ）、ｒ_２’：別の配管の保温外径（断熱材外径）（ｍ）、Ｔ_０’：別の配管の配管内部温度（供給蒸気温度）（℃）、Ｔ_１’：別の配管の外気温度（大気温度）（℃）、である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

１…損失計測システム、１０…蒸気管、２０…蒸気製造装置、３０…負荷設備、４０…制御ユニット、５０…計算装置、１２３…変換器、１２４…ＣＰＵ、１２５…メモリ、１２７…入力装置、１２８…表示装置。

Claims (6)

1. 蒸気製造装置及び負荷設備につながった蒸気管の損失を計測するシステムであって、
   前記蒸気管の少なくとも一部を含む、実質的な閉空間を作る第１装置と、
   前記蒸気管内の圧力を実質的に一定に保つように、前記蒸気製造装置から前記蒸気管内への蒸気の供給量を制御する第２装置と、
   前記実質的な閉空間での蒸発量に関する値を測定する第３装置と、
   前記第３装置の計測結果を用いて、前記蒸気管の損失を計測する第４装置と、
   を備えることを特徴とする蒸気管の損失計測システム。
2. 前記第１装置は、前記負荷設備を停止させる手段、及び前記負荷設備の入口付近において前記蒸気管に配置されたバルブを閉にする手段の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の損失計測システム。
3. 前記第３装置は、前記蒸気製造装置に対する給水量を測定する手段、前記蒸気製造装置における燃料使用量を測定する手段、及び前記実質的な閉空間における蒸気流量を直接的に測定する手段、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の損失計測システム。
4. 蒸気製造装置及び負荷設備につながった蒸気管の損失を計測する方法であって、
   前記蒸気管の少なくとも一部を含む、実質的な閉空間を作る第１工程と、
   前記蒸気管内の圧力を実質的に一定に保つように、前記蒸気製造装置から前記蒸気管内への蒸気の供給量を制御する第２工程と、
   前記実質的な閉空間での蒸発量に関する値を測定する第３工程と、
   前記蒸気供給量に関する値の計測結果を用いて、前記蒸気管の損失を計測する第４工程と、
   を備えることを特徴とする蒸気管の損失計測方法。
5. 前記実質的な閉空間を形成する工程は、前記負荷設備を停止させる工程、及び前記負荷設備の入口付近において前記蒸気管に配置されたバルブを閉にする工程の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４に記載の損失計測方法。
6. 前記蒸発量に関する値を測定する工程は、前記蒸気製造装置に対する給水量を測定する工程、前記蒸気製造装置における燃料使用量を測定する工程、及び前記実質的な閉空間における蒸気流量を直接的に測定する工程、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の損失計測方法。

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