JP2014235116A - 乾き度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することのできる乾き度測定装置を提供する。【解決手段】乾き度測定装置１は、蒸気配管の断面中心付近を流れる蒸気をサンプリングする第１サンプリング部１１１ｂと、蒸気配管の断面中心付近以外を流れる蒸気をサンプリングする第２サンプリング部１１１ａ又は１１１ｃと、サンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出部とを備え、蒸気の蒸気流速に応じて、第１サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて乾き度を算出するか、第２サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて乾き度を算出するかを選択的に切り換える制御部１７をさらに備える。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置等に関する。

蒸気の乾き度とは、蒸気中の気相と液相との重量割合をいう。従来の乾き度測定装置には、蒸気配管に流れる水蒸気の一部をサンプリング管に導き入れてサンプリングし、このサンプリングした水蒸気を気液分離した際の液体水量と、このサンプリングした水蒸気を凝縮させた全体水量との比率に基づいて、蒸気の乾き度を測定するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−７５３１７号公報

しかしながら、上記従来の乾き度測定装置は、配管の一部のみから蒸気をサンプリングしているので、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することが困難であった。

例えば、水滴と蒸気とが混合している状態の水蒸気は、湿り蒸気といわれている。このような湿り蒸気においては、乾き度が１（１００％）に近づくにつれて水滴の大きさや個数が減少していく。つまり、乾き度が１以下の水蒸気(湿り蒸気)が流れる蒸気配管中においては、大きさの異なる水滴が複数存在している。

そして、これらの大きさの異なるそれぞれの水滴は、配管内において決して均一に存在していない。図３は、蒸気配管の断面における水滴の存在状態の一例を模式的に示す図である。

図３に示すように、液滴径が比較的小さい水滴９１は、配管断面９０の全体にまばらに分布している。また、液滴径が中程度の水滴９２は、配管断面９０の中部及び下部に多く存在している。さらに、液滴径が比較的大きい水滴９３は、配管断面９０の下部に多く存在している。

この場合において、配管断面９０の中心部にある領域９４においては、水滴９１及び９２をそれぞれ１つずつサンプリングすることができる。一方、配管断面９０の右下部にある領域９５においては、２つの水滴９１（液滴径小）、１つの水滴９２（液滴径中）及び、１つの水滴９３（液滴径大）をそれぞれサンプリングすることができる。

つまり、領域９５においてサンプリングした水蒸気を気液分離した際の液体水量は、領域９４においてサンプリングした水蒸気を気液分離した際の液体水量よりも、１つの水滴９１及び１つの水滴９３の分だけ多くなる。乾き度は、気液分離した際の液体水量を用いて算出されるため、サンプリングした位置によりサンプリングした水蒸気の液体水量が異なると、配管中における正確な乾き度を算出することができない。

このように、上記従来の乾き度測定装置では、配管の一部のみから蒸気をサンプリングしているので、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することは困難である。

したがって本発明が解決しようとする課題は、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することである。

上記の課題を解決するために、本発明の乾き度測定装置は、
蒸気配管を流れる蒸気をサンプリングして乾き度を測定する乾き度測定装置であって、
前記蒸気配管の断面中心付近を流れる蒸気をサンプリングする第１サンプリング部と、
前記蒸気配管の前記断面中心付近以外を流れる蒸気をサンプリングする第２サンプリング部と、
前記サンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出部とを備え、
前記蒸気の蒸気流速に応じて、前記第１サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するか、前記第２サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するかを選択的に切り換える制御部をさらに備える。

本願明細書の開示によれば、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することが可能となる。

乾き度測定装置１の構成図の一例を模式的に示す図である。 コンピュータ装置１７で実行される制御処理の一例を示すフローチャートである。 配管断面における水滴の存在状態の一例を模式的に示す図である。

以下、本発明の乾き度測定装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、サンプリングした水蒸気を加熱した場合におけるエンタルピ変化に基づいて、その乾き度を計測する例について説明する。また、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

[１．第１の実施形態]
[１−１．乾き度測定装置の構成]
図１は、乾き度測定装置１の構成図の一例を模式的に示す図である。乾き度測定装置１は、サンプル採取管１１、蒸気配管用（１次圧力用）の圧力センサ１２、サンプル採取管用（２次圧力用）の圧力センサ１３、サンプル採取管用の温度センサ１４、オリフィス１５、ヒータ１６、コンピュータ装置１７及び、流量計１８を含む。

サンプル採取管１１は、サンプリング部１１１と加熱部１１２とを含む。サンプリング部１１１は、その一端が蒸気配管４の内部に配置されているサンプル採取管１１の一部であり、蒸気配管４の内部を流れる湿り蒸気を、サンプリングすることができる。サンプリング部１１１は、サンプリング部１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ及び、切換弁ｋａ、ｋｂ、ｋｃを含む。

サンプリング部１１１ｂは、蒸気配管４の断面の中心付近を流れる蒸気をサンプリングすることができる。サンプリング部１１１ａは、蒸気配管４の断面の中心の鉛直下部付近を流れる蒸気をサンプリングすることができる。サンプリング部１１１ｃは、蒸気配管４の断面の中心の鉛直上部付近を流れる蒸気をサンプリングすることができる。

サンプリング部１１１ｂは、「蒸気配管の断面中心付近を流れる蒸気をサンプリングする第１サンプリング部」に該当する。サンプリング部１１１ａまたは１１１ｃは、「蒸気配管の断面中心付近以外を流れる蒸気をサンプリングする第２サンプリング部」に該当する。

切換弁ｋａは、サンプリング部１１１ａにてサンプリングした蒸気を加熱部１１２に供給するか否かを切り替えることができる。切換弁ｋｂは、サンプリング部１１１ｂにてサンプリングした蒸気を加熱部１１２に供給するか否かを切り替えることができる。切換弁ｋｃは、サンプリング部１１１ｃにてサンプリングした蒸気を加熱部１１２に供給するか否かを切り替えることができる。

切換弁ｋａ、ｋｂ及びｋｃはそれぞれ、「蒸気をサンプリングするか否かを切り換える切換弁」に該当する。

加熱部１１２は、蒸気配管４の外部に配置されているサンプル採取管１１の一部であり、サンプリング部１１１においてサンプリングした湿り蒸気を、ヒータ１６により加熱することができる。このため、加熱部１１２は、サンプリングした湿り蒸気をヒータ１６により加熱可能な位置に配置される。なお、サンプリング部１１１と加熱部１１２とは、それぞれ別体とし、それぞれを連結する構成としてもよい。

圧力センサ１２は、蒸気配管４の内部圧力を計測することができる。圧力センサ１３は、サンプル採取管１１における加熱部１１２の内部圧力を計測することができる。温度センサ１４は、サンプル採取管１１における加熱部１１２の内部温度を計測することができる。

オリフィス１５は、加熱部１１２の上流側と下流側の二箇所に配置されており、サンプル採取管１１の加熱部１１２に存在する蒸気の圧力及び体積を一定に保持することができる。

ヒータ１６は、サンプル採取管１１の加熱部１１２に存在する蒸気を加熱することができる。ヒータ１６には、例えば電熱式ヒータを用いることができる。

流量計１８は、蒸気配管４を流れる蒸気の流速を計測することができる。例えば、流量計１８には、カルマン渦による圧力変化を検出する渦流量計を用いることができる。この場合、流量計１８は、計測した蒸気流量と配管断面積とに基づいて蒸気の流速を算出することができる。流量計１８は、「蒸気流速を計測する流速計測部」に該当する。

なお、流量計１８は、渦流量計以外の流量計を用いることもできる。例えば、差圧流量計や超音波流量計を用いてもよい。また、流速計測部としては、流量計１８に代えて、蒸気流速を直接計測できる流速計を用いることもできる。

コンピュータ装置１７は、圧力センサ１２、圧力センサ１３、温度センサ１４及び、ヒータ１６からの情報に基づいて、サンプリングした蒸気の乾き度を算出することができる。コンピュータ装置１７は、「サンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出部」に該当する。

また、コンピュータ装置１７は、流量計１８からの情報に基づいて、第１サンプリング部と第２サンプリング部とを切り換えることができる。具体的には、コンピュータ装置１７は、蒸気の蒸気流速に応じて、第１サンプリング部であるサンプリング部１１１ｂにてサンプリングした蒸気に基づいて乾き度を算出するか、第２サンプリング部であるサンプリング部１１１ａまたは１１１ｃにてサンプリングした蒸気に基づいて乾き度を算出するかを選択的に切り換える。

例えばコンピュータ装置１７は、流量計１８から出力された蒸気流速が閾値を超える場合、サンプリング部１１１ｂにてサンプリングした蒸気に基づいて乾き度を算出するように、切換弁ｋｂを開弁し、切換弁ｋａ及びｋｃを閉弁する制御を行う。一方、流量計１８から出力された蒸気流速が閾値以下である場合、第２サンプリング部である１１１ａまたは１１１ｃにてサンプリングした蒸気に基づいて乾き度を算出するように、切換弁ｋａ又はｋｃを開弁し、切換弁ｋｂを閉弁する制御を行う。なお、上記の閾値は、蒸気流速と配管断面における蒸気状態との関係から、予め実験等によって定めたものを用いればよい。

コンピュータ装置１７は、「前記蒸気の蒸気流速に応じて、前記第１サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するか、前記第２サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するかを選択的に切り換える制御部」に該当する。

[１−２．サンプリング部の動き]
図２は、コンピュータ装置１７で実行される制御処理の一例を示すフローチャートである。例えばコンピュータ装置１７は、ＣＰＵ及びメモリを備え、メモリに記憶した制御プログラムをＣＰＵが実行することによって下記に示す制御処理を行う。

この制御処理において、ＣＰＵは、配管４を流れる湿り蒸気の蒸気流速を流量計１８から取得する（ステップＳ３０１）。ＣＰＵは、取得した蒸気流速が閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ３０２）。

蒸気流速が閾値よりも大きい場合（ステップＳ３０２におけるＹｅｓ判断）、ＣＰＵは、切換弁ｋｂを開弁するとともに、切換弁ｋａ及びｋｃを閉弁する（ステップＳ３０３）。一方、蒸気流速が閾値以下である場合（ステップＳ３０２におけるＮｏ判断）、ＣＰＵは、切換弁ｋａ及びｋｃを開弁するとともに、切換弁ｋｂを閉弁する（ステップＳ３０４）。

次に、ＣＰＵは、サンプリング部１１１からサンプリングした蒸気を用いて乾き度を算出する（ステップＳ３０５）。

このように、蒸気配管４の湿り蒸気の流速に応じて、切換弁を制御してサンプリング位置を変更することにより、蒸気配管４の内に発生する大きさの異なる水滴を、流速による影響を受けることなく、確実にサンプリングすることができる。湿り蒸気に含まれる水滴を流速によらず確実にサンプリングすることにより、流速の違いによるサンプリング誤差を低減して、以下に示す乾き度を精度よく算出することができる。

[１−３．乾き度の算出例]
図１に示した度測定装置１において蒸気の乾き度を算出する例を以下に説明する。蒸気配管４を流れる蒸気は、サンプリング部１１１を介してサンプル採取管１１に導かれる。蒸気配管４の圧力は、圧力センサ１２により計測され、コンピュータ装置１７に通知される。

サンプリング部１１１を介してサンプリングされた蒸気は、サンプル採取管１１の上流側のオリフィス１５を介して、加熱部１１２に流入する。加熱部１１２に流入した蒸気は、ヒータ１６により加熱されて乾き度１（１００％）の過熱蒸気となる。乾き度１の過熱蒸気が、圧力センサ１３及び温度センサ１４に導かれると、加熱部１１２における圧力及び温度が計測される。これら計測された、加熱部１１２における圧力及び温度は、コンピュータ装置１７に通知される。この過熱蒸気は、サンプル採取管１１の下流側のオリフィス１５を介して、サンプル採取管１１の外部に排出される。

なお、圧力センサ１４及び下流側のオリフィス１５は必須ではない。圧力センサ１４及び下流側のオリフィス１５を設けない場合、過熱蒸気は大気に放出される。この場合、コンピュータ装置１７は、大気圧を用いて乾き度を算出することができる。

また、サンプル採取管１１の断面積、オリフィス１５の孔断面積及び、オリフィスの流量係数等は、予めコンピュータ装置１７に設定されており、圧力センサ１２及び１３からの圧力値に基づいて加熱部１１２における蒸気流量が算出可能である。なお、オリフィス１５に代えて、図示しない流量センサを用いてもよい。この場合、流量センサは、サンプル採取管１１における加熱部１１２に流入した蒸気の流量を、コンピュータ装置１７に通知することができる。また、流量センサを用いた場合、圧力センサ１２を設ける必要はない。

コンピュータ装置１７は、圧力センサ１３及び温度センサ１４からの計測値に基づいて、加熱部１１２における過熱蒸気のエンタルピｈ１を算出する。また、コンピュータ装置１７は、ヒータ１６において与えた熱量と、加熱部１１２に流入した蒸気の流量値とにより、単位流量当りのエンタルピ変化量Δｈを算出する。過熱蒸気のエンタルピｈ１から、エンタルピ変化量Δｈを減算することにより、湿り蒸気のエンタルピｈ２を求め、湿り蒸気のエンタルピｈ２に基づいて、湿り蒸気の乾き度を算出することができる。

[２．他の実施形態]
[２−１．サンプリング部の変形例]
上記実施形態においては、蒸気流速によりサンプリング部１１１ａ〜１１１ｃに接続された切換弁ｋａ、ｋｂ、ｋｃの開閉を制御することにより、サンプリング位置を変更する例について説明したが、蒸気流速によりサンプリング部を配管断面の鉛直方向に上下移動させる機構を設けておき、蒸気流速が閾値より大きい場合、サンプリング部の開口が配管中心付近に位置するように制御し、蒸気流速が閾値以下の場合、サンプリング部の開口が配管中心付近以外に位置するように制御してもよい。この場合、例えばアクチュエータを用いてサンプリング部を移動させることができる。

なお、サンプリング部１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの形状、大きさ又は個数は、上記において例示したものに限定されない。例えば、配管径や蒸気の質に応じて、上記サンプリング部１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの形状、大きさ又は個数は適宜変更することができる。

[２−２．乾き度算出部の変形例]
上記実施形態においては、サンプリングした湿り蒸気を加熱した際におけるエンタルピ変化に基づいて乾き度を算出する例を説明したが、他の方法を用いて乾き度を算出してもよい。

例えば、湿り蒸気をノズルを通して測定容器内に噴射して断熱膨脹させて過熱蒸気とし、ノズルの上流側の圧力と測定容器内の圧力及び温度を検出することにより、モリエル線図あるいは飽和蒸気表及び過熱蒸気表を用いて乾き度を測定する方法により、蒸気の乾き度を算出してもよい。

また、赤外線、超音波又はレーザー等を利用して検出した気相と液相の割合に基づいて、蒸気の乾き度を算出してもよい。

[２−３．その他]
なお、上記各実施形態において説明した構成の一部または全部を、２以上組み合わせた構成としてもよい。

１ 乾き度測定装置
１１ サンプル採取管
１２ 圧力センサ
１３ 圧力センサ
１４ 温度センサ
１５ オリフィス
１６ ヒータ
１７ コンピュータ装置
１８ 流量計
１１１ サンプリング部
１１２ 加熱部

Claims (6)

1. 蒸気配管を流れる蒸気をサンプリングして乾き度を測定する乾き度測定装置であって、
   前記蒸気配管の断面中心付近を流れる蒸気をサンプリングする第１サンプリング部と、
   前記蒸気配管の前記断面中心付近以外を流れる蒸気をサンプリングする第２サンプリング部と、
   前記サンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出部とを備え、
   前記蒸気の蒸気流速に応じて、前記第１サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するか、前記第２サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するかを選択的に切り換える制御部をさらに備える乾き度測定装置。
2. 前記制御部は、
   前記蒸気流速が閾値を超える場合、前記第１サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するように切り換えを行い、
   前記蒸気流速が閾値以下である場合、前記第２サンプリング部にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するように切り換えを行う、請求項１に記載の乾き度測定装置。
3. 前記第１サンプリング部及び前記第２サンプリング部は、前記蒸気をサンプリングするか否かを切り換える切換弁をそれぞれ有しており、
   前記制御部は、前記切換弁をそれぞれ制御することにより、前記選択的な切り換えを行う、請求項１又は２に記載の乾き度測定装置。
4. 前記第２サンプリング部は、前記蒸気配管の断面における鉛直上部または鉛直下部を流れる蒸気をサンプリングするものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の乾き度測定装置。
5. 前記蒸気流速を計測する流速計測部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の乾き度測定装置。
6. 蒸気配管を流れる蒸気をサンプリングして乾き度を測定する乾き度測定方法であって、
   前記蒸気配管の断面中心付近を流れる蒸気をサンプリングする第１サンプリング工程と、
   前記蒸気配管の前記断面中心付近以外を流れる蒸気をサンプリングする第２サンプリング工程と、
   前記サンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出工程とを含み、
   前記蒸気の蒸気流速に応じて、前記第１サンプリング工程にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するか、前記第２サンプリング工程にてサンプリングした蒸気に基づいて前記乾き度を算出するかを選択的に切り換える制御工程をさらに含む乾き度測定方法。

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