JP2016176613A - 過熱水蒸気生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過熱水蒸気の温度制御を高速応答で高精度に行う。
【解決手段】水蒸気が接触する加熱金属体を誘導コイルによって誘導加熱して、前記加熱金属体に接触する水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置であって、前記誘導コイルに接続される交流電源の周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、前記加熱金属体における前記誘導コイル側を向く誘導コイル側面と前記水蒸気と接触する水蒸気接触面との間の肉厚が１０ｍｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱によって過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置に関するものである。

この過熱水蒸気生成装置には、特許文献１に示すように、鉄心に巻回された１次コイルに交流電圧を印加して、前記鉄心に巻回された２次コイルとなる導体管に誘導電流を流すことによって、当該導体管を流れる飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものがある。

そして、この過熱水蒸気生成装置では、導体管から導出される過熱水蒸気の温度を温度検出器により検出して、この検出温度と目標温度との偏差に応じた制御信号を電圧制御素子に入力して誘導コイルに印加する電圧を制御している。これによって、導体管から導出される過熱水蒸気を所望の温度に制御している。

しかしながら、従来の過熱水蒸気生成装置では、過熱水蒸気を高精度に制御するためにフィードバック制御（ＰＩＤ制御）のＰＩＤ定数を設定する程度のものに過ぎない。

特許第５６４１５７８号

そこで、本願発明者は、ＰＩＤ制御のＰＩＤ定数の設定だけに頼ることなく、過熱水蒸気の温度を高速応答で高精度に制御することができる過熱水蒸気生成装置の開発を進めており、本発明は、過熱水蒸気の温度制御を高速応答で高精度に行うことをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る過熱水蒸気生成装置は、水蒸気が接触する加熱金属体を誘導コイルによって誘導加熱して、前記加熱金属体に接触する水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置であって、前記誘導コイルに接続される交流電源の周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、前記加熱金属体における前記誘導コイル側を向く誘導コイル側面と前記水蒸気と接触する水蒸気接触面との間の肉厚が１０ｍｍ以下であることを特徴とする。

このようなものであれば、誘導コイル側面と蒸気接触面との間の肉厚が１０ｍｍ以下の加熱金属体に５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を印加するので、加熱金属体の水蒸気加熱面となる水蒸気接触面と、加熱金属体の温度制御面となる誘導コイル側面との温度差を小さくすることができ、加熱金属体の水蒸気接触面の温度制御を高速応答で高精度に行うことができる。したがって、加熱金属体により加熱される過熱水蒸気の温度を高速応答で高精度に制御することができる。詳細については後述する。

前記加熱金属体が、非磁性金属であることが望ましい。
一般的に非磁性金属は電流浸透深さが大きく、比較的温度が高い範囲だけでなく低い範囲の過熱蒸気の生成にも適している。
磁性体の磁性が残る温度領域では電流浸透深さは浅く、例えば炭素鋼の３００℃・５０Ｈｚにおける電流浸透深さは８．６ｍｍである。
一方で、ＳＵＳ３１６Ｌでは電流浸透深さが７５．４ｍｍであって、厚さ１０ｍｍの内面であっても、加熱金属体の外面に対して９０％以上の電流密度が確保できる。
その他の非磁性であるオーステナイト系ステンレス鋼であれば、耐腐食性及び耐熱性が高く、電流浸透深さも類似の深い特性であるので、低温から高温の広い温度域の過熱水蒸気の生成には適している。

前記加熱金属体により加熱される過熱水蒸気の温度を、目標温度との偏差が±１℃未満となるようにフィードバック制御する温度制御部を備えることが望ましい。
この構成であれば、肉厚が１０ｍｍ以下の加熱金属体に５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を印加する構成を活かして過熱水蒸気の温度を容易に高精度に制御することができる。

過熱水蒸気の温度制御は、例えば導体管等の加熱金属体に供給する電力量制御を行うことであり、過熱水蒸気の持つエネルギー量を制御することと等価である。また、過熱水蒸気の持つエネルギーをＱとすると、このＱは、例えば飽和水蒸気から過熱水蒸気を生成する場合においてその温度上昇値をΘとし、過熱水蒸気発生量をＶとすると、Ｑ≒ΘＶで表わすことができる。したがって、ＰＩＤの各制御定数はＱ、つまりΘＶの変化によって変わることになる。このため、前記温度制御部が、目標温度及び目標蒸気発生量に応じてＰＩＤ定数を設定することが望ましい。

前記加熱金属体における前記誘導コイル側面の電流密度に対して、前記水蒸気接触面の電流密度が９０％以上となるように、前記加熱金属体の肉厚が設定されていることが望ましい。
この構成であれば、加熱金属体における誘導コイル側面に対する水蒸気接触面の発熱比が約８０％以上となり、容易に高精度に制御することができる。

このように構成した本発明によれば、誘導コイル側面と蒸気接触面との間の肉厚が１０ｍｍ以下の加熱金属体に５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を印加するので、ＰＩＤ制御のＰＩＤ定数の設定だけに頼ることなく、過熱水蒸気の温度を高速応答で高精度に制御することができる。

本実施形態に係る過熱水蒸気生成装置の構成を模式的に示す図。 ＳＵＳ３１６Ｌを８００℃に加熱した場合の電流浸透深さを示す図。 過熱水蒸気エネルギーと各制御定数の適正値との関係を示すグラフ。 加熱金属体の変形例を示す断面図。

以下に本発明に係る過熱水蒸気生成装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る過熱水蒸気生成装置１００は、外部で生成された飽和水蒸気を加熱金属体２で加熱して、１００℃超（２００℃〜２０００℃）の過熱水蒸気を生成するものである。なお、この過熱水蒸気生成部１００は、水を加熱金属体で加熱して、飽和水蒸気を生成する飽和水蒸気生成部と、当該飽和水蒸気生成部により生成された飽和水蒸気を加熱金属体で加熱して、１００℃超（２００℃〜２０００℃）の過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部とを備えたものであっても良い。

前記加熱金属体２は、流体を流すための内部流路が形成されたものであり、具体的には導体管である。また、各加熱金属体２を誘導加熱する機構は、鉄心３と、当該鉄心３に沿って巻回された一次コイルたる誘導コイル４とからなる。この誘導加熱機構の一次コイル４の外周又は内周又は一次コイル４間に、当該一次コイル４に沿って前記加熱金属体２が設けられる。

また、誘導コイル４に交流電圧を印加する交流電源５の電源周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数である。

このように構成された過熱水蒸気生成装置１００では、誘導コイル４に５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を印加することによって、加熱金属体２に誘導電流が流れて各加熱金属体２がジュール発熱する。そして、加熱金属体２の内部流路を流れる水蒸気が、加熱金属体２の内面から熱を受けて加熱される。

しかして本実施形態の加熱金属体２である導体管は、非磁性金属であるＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼管を螺旋状に巻き回されることにより形成されており、その管壁の肉厚（管厚）は１０ｍｍ以下とされている。つまり、導体管２における誘導コイル４側を向く誘導コイル側面（導体管２の外面）と水蒸気と接触する水蒸気接触面（導体管２の内面）との間の肉厚が１０ｍｍ以下とされている。なお、前記管壁の肉厚は、前記誘導コイル側面と前記水蒸気接触面との最短距離が１０ｍｍ以下であれば良く、また、１０ｍｍ以下であって、過熱水蒸気圧力や熱伸変形に耐え得る所定の機械的強度を有する肉厚以上であれば良い。

ここで、誘導加熱における被加熱体（導体管）の電流浸透深さσ［ｍ］は、金属の抵抗率ρ［Ω・ｍ］と、比透磁率μと、電源周波数ｆ［Ｈｚ］とによって決まり、次式で表わされる。
σ＝５０３．３√｛ρ／（μｆ）｝

例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ製の導体管が８００℃に加熱された状態において、商用周波数５０Ｈｚでは、電流浸透深さと呼ばれる表面電流密度の３６．８％となる深さは、９６．５ｍｍであり、高周波である１００００Ｈｚでは、６．８ｍｍである。

図２は、８００℃におけるＳＵＳ３１６Ｌの誘導電流の電流浸透深さを表わすグラフであり、導体管の一次コイル側表面電流密度を１．０としたときの、電流密度と深さとの関係を示している。

例えば、導体管が肉厚６．８ｍｍの管であるとすると、１００００Ｈｚでは表面に対する内面の電流密度が３６．８％であるから、表面発熱に対して内面発熱は電流密度の２乗である１３．５％となる。
一方、５０Ｈｚでは、導体管の内面の電流密度は約９５％であるから、表面に対する内面の発熱比は約９０％となる。

過熱水蒸気を生成させるのは導体管の内面であるため、１００００Ｈｚの高周波では表面１の加熱に対して内面０．１３５の発熱温度を制御しなければならないのに対し、５０Ｈｚの商用周波数では表面１の加熱で内面０．９の発熱温度を制御すれば良い。つまり、導体管の内面及び導体管の外面との温度差の小さい商用周波数での制御性が優れている。

この過熱水蒸気生成装置１００では、導体管２から導出される過熱水蒸気の温度を温度検出器６により検出して、この検出温度と目標温度との偏差に応じた制御信号を電圧制御素子７（例えばサイリスタ）に入力して誘導コイル４に印加する交流電圧を制御している。具体的にこの制御を行う温度制御部８は、導体管２により加熱される過熱水蒸気の温度を、目標温度との偏差が±１℃未満となるようにフィードバック制御する。

この温度制御部８は、過熱水蒸気の目標温度及び目標蒸気発生量に応じてＰＩＤ定数を設定するように構成されている。具体的に温度制御部８は、過熱水蒸気エネルギーＱと各制御定数（ＰＩＤ定数）の適正値との関係を示す関係データを用いて、ＰＩＤ定数を設定する。

ここで、前記関係データは、生成する過熱水蒸気量及び生成する過熱水蒸気温度の条件毎に適正なＰＩＤ定数を取得して作成されたものであり、比例定数Ｋｐ、積分定数Ｋｉ、微分定数Ｋｄそれぞれの関係式（近似式）を示すものである。具体的には図３に示す通りである。

例えば、Ｋｐは以下のように表わすことができる。
Ｋｐ＝ａ_ｎＱ^ｎ＋ａ_{（ｎ−１）}Ｑ^{（ｎ−１）}＋・・・・・・＋ａ_１Ｑ^１＋ａ_０
ここで、ａ_ｎ〜ａ_０は、定数である。なお、Ｋｉ、Ｋｄも同様に表わすことができる。

過熱水蒸気エネルギーＱはΘＶで計算できるが、温度上昇値Θは設定温度から算出することができ、過熱水蒸気発生量Ｖは過熱水蒸気量を設定する電動比例弁の弁開度或いは供給水量又は供給飽和蒸気量から算出することができる。

本実施形態の温度制御部７は、生成する過熱水蒸気設定温度からΘを算出して、供給する飽和水蒸気量を制御する電動比例弁の弁開度からＶを算出してＱを決定し、その時点でＫｐとＫｉ及びＫｄを演算させて制御定数の設定を行っている。

この機能は自動設定（オートチューニング）されるため、運転開始から最適の制御定数によって温度制御される。ここで、過熱水蒸気生成装置１００では、最初に発生させる過熱水蒸気温度Θと、過熱水蒸気量Ｖとを設定して運転開始されることが通常であり、安定した負荷状態の運転を行うことが通常であるため、常時ΘとＶが変化して負荷量が変動することは無く、制御定数を常時変化させる必要はない。なお、電動比例弁を有さない機種の場合には、設定過熱水蒸気量又は供給される飽和水蒸気の流量を測定する流量計及び前記飽和水蒸気の温度を測定する温度計からの測定値から算出することができる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した過熱水蒸気生成装置１００によれば、肉厚が１０ｍｍ以下の加熱金属体２に５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を印加するので、加熱金属体２の水蒸気加熱面となる内面と、加熱金属体２の温度制御面となる外面との温度差を小さくすることができ、加熱金属体２の内面の温度制御を高速応答で高精度に行うことができる。したがって、加熱金属体２により加熱される過熱水蒸気の温度を高速応答で高精度に制御することができる。

特に、肉厚が１０ｍｍ以下の加熱金属体に５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を印加する構成において、目標温度及び目標蒸気発生量に応じてＰＩＤ定数を設定しているので、過熱水蒸気の温度を、目標温度との偏差が±１℃未満となるように、容易に高精度にフィードバック制御することができる。

＜本発明の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

導体管の材質としては、ＳＵＳ３１６Ｌに限られず、例えばインコネル合金（ＪＩＳ合金番号ＮＣＦ６０１）等であっても良い。このインコネル合金を用いた過熱水蒸気生成装置では、過熱水蒸気量２００ｋｇ／ｈ、最高蒸気温度１２００℃であり、過熱水蒸気圧力や熱伸変形に耐えうる肉厚であり、３ｍｍとしている。

また、加熱金属体は、導体管に限られず、例えば、図４に示すように、内部に水又は水蒸気を流す内部流路が形成されたブロック体であっても良い。この場合には、加熱金属体２の誘導コイル側面である一方面２ｘと、当該一方面２ｘに隣接する内部流路Ｃの水蒸気接触面である内面Ｃｘとの距離が１０ｍｍ以下となるようにする。ここで、前記距離は、内面Ｃｘにおける一方面２ｘ側部分（Ｘ）との最短距離（図４参照）である。なお、前記距離を、内面Ｃｘにおける他方面２ｙ側部分（Ｘ）との最短距離としても良いし、前記一方面２ｘ側部分（Ｘ）及び他方面２ｙ側部分（Ｙ）の間の部分との最短距離としても良い。なお、全ての内部流路Ｃを通過する水蒸気を効率良く加熱するためには、前記一方面２ｘから最も離間した内部流路Ｃの内面Ｃｘとの最短距離を１０ｍｍ以下としても良い。また、複数の金属体要素を重ね合わせることによってそれらの間に内部流路が形成されたものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・過熱水蒸気生成装置
２・・・加熱金属体
３・・・鉄心
４・・・誘導コイル
５・・・交流電源
６・・・温度検出器
７・・・電圧制御素子
８・・・温度制御部

Claims (6)

1. 水蒸気が接触する加熱金属体を誘導コイルによって誘導加熱して、前記加熱金属体に接触する水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置であって、
   前記誘導コイルに接続される交流電源の周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、
   前記加熱金属体における前記誘導コイル側を向く誘導コイル側面と前記水蒸気と接触する水蒸気接触面との間の肉厚が１０ｍｍ以下であることを特徴とする過熱水蒸気生成装置。
2. 前記加熱金属体が、非磁性金属である請求項１記載の過熱水蒸気生成装置。
3. 前記加熱金属体により加熱される過熱水蒸気の温度を、目標温度との偏差が±１℃未満となるようにフィードバック制御する温度制御部を備える請求項１又は２記載の過熱水蒸気生成装置。
4. 前記温度制御部が、目標温度及び目標蒸気発生量に応じてＰＩＤ定数を設定する請求項３記載の過熱水蒸気生成装置。
5. 前記加熱金属体における前記誘導コイル側面の電流密度に対して、前記水蒸気接触面の電流密度が９０％以上となるように、前記加熱金属体の肉厚が設定されている請求項１乃至４の何れか一項に記載の過熱水蒸気生成装置。
6. 前記加熱金属体が、前記水蒸気が流れる導体管であり、当該導体管の管厚が１０ｍｍ以下である請求項１乃至５の何れか一項に記載の過熱水蒸気生成装置。