JP2016212029A - 計測システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配管の外部から配管内を流れる蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を低コストで精度良く計測することが可能な計測システム及び方法を提供する。
【解決手段】計測システム１は、配管Ｐの表面の所定部分を加熱する計測用ヒータ１２と、計測用ヒータ１２の内部又は近傍に設けられ、配管Ｐの管軸方向における計測用ヒータ１２の内部又は近傍の一点の温度を計測する温度計測部１５と、温度計測部１５の計測結果に基づいて、蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を算出するデータ処理装置２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流速及び流量の少なくとも一方を計測する計測システム及び方法に関する。

プラントや工場等において、蒸気は、生産工程での加熱、空調での加熱・加湿、その他の各種用途に幅広く用いられている。このような幅広い用途に用いられる蒸気を効率的に供給するために、プラント等においては、例えば蒸気を生成するボイラが集中設置されており、このボイラで生成された蒸気を、ボイラから延びる配管によって各部（蒸気を必要とする部位）に導く蒸気供給システムが設けられている。このような蒸気供給システムを備えるプラント等において、エネルギーの「見える化」を行うためには、蒸気の流速（或いは、流量）や湿り度（或いは、乾き度）を計測することが不可欠になる。

以下の特許文献１〜３には、蒸気の流量を計測する従来技術が開示されている。具体的に、以下の特許文献１には、計測対象の蒸気が流れるダクトにオリフィス板を設置し、オリフィス板の上流位置及び下流位置での差圧から蒸気の流量を計測する従来技術が開示されている。以下の特許文献２には、超音波流量計を用いて蒸気の流量を計測する従来技術が開示されており、以下の特許文献３には、渦流量計を用いて蒸気の流量を計測する従来技術が開示されている。

また、以下の特許文献４には、蒸気の流量を計測するものではないが、配管内を流れる流体の流量を計測する従来技術が開示されている。具体的に、以下の特許文献４には、配管表面の上流及び下流に設置した２つの温度センサにより配管内を流れる流体の温度変化を検出し、その際の時間差に基づいて配管内を流れる流体の流量を計測する従来技術が開示されている。

特開２０１０−２７６３８１号公報 特開２０１３−１８５９１４号公報 特開２０１２−１８５１００号公報 特開２０１０−２６１８２６号公報

ところで、上述した特許文献４に開示された従来技術は、配管の加工等を行うことなく、配管表面に取り付けられた温度センサの計測結果を用いて配管内を流れる流体の流量を計測することが可能である。このため、この従来技術を蒸気の流量計測に適用することができれば、上述した特許文献１〜３に開示された従来技術に比べて、低コストで簡易に蒸気の流速や流量を計測することができると考えられる。

しかしながら、上述した特許文献４に開示された従来技術を蒸気の計測に適用しようとしてみても、蒸気の流速を精度良く計測することができなかった。これは、蒸気は水に比べて熱伝導率が大幅に小さいため、配管内を流れる蒸気の熱が配管表面に伝わらず、温度センサによって配管表面の温度を良好に検出できないからである。そこで、配管の外部から配管の内部を流れる蒸気の流速を精度良く計測可能な新たな技術が望まれていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、配管の外部から配管内を流れる蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を低コストで精度良く計測することが可能な計測システム及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の計測システムは、配管（Ｐ）内を流通する蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を計測する計測システム（１）において、前記配管の表面の所定部分と熱交換を行う熱交換器（１２）と、前記熱交換器の内部又は近傍に設けられ、前記配管の管軸方向における前記熱交換器の内部又は近傍の一点の温度を計測する第１温度計測部（１５）と、前記第１温度計測部の計測結果に基づいて、前記蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を算出する算出部（２０）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記第１温度計測部が、前記熱交換器で行われる熱交換によって前記配管の表面の温度が略最大温度となる第１位置と、該第１位置よりも下流側であって前記配管の表面の温度が前記最大温度と最低温度との略中間の温度となる第２位置との間の前記配管に取り付けられていることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記第１温度計測部が、前記配管の表面に取り付けられて、前記配管の管軸方向における一点の温度を計測する温度センサ（１５ａ）を備えることを特徴としている。
或いは、本発明の計測システムは、前記第１温度計測部が、前記所定部分において前記配管に埋設され、或いは前記配管の表面に取り付けられて、前記配管の管軸方向における一点の温度を計測する温度センサ（１５ａ）を備えることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記熱交換器が、加熱装置であることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記加熱装置が、リング状のヒータであることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記所定部分よりも上流側の前記配管の外周面に取り付けられた予備加熱部（１１）と、前記予備加熱部と前記所定部分との間の前記配管の外周面に取り付けられた第２温度計測部（１３）と、前記第２温度計測部で計測される温度を参照し、前記蒸気の湿分が全て蒸発するように前記予備加熱部を制御する制御部（１７）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記第２温度計測部が、前記予備加熱部よりも下流側であって、前記予備加熱部の近傍に取り付けられていることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記第２温度計測部が、前記配管の外周面における底部に取り付けられていることを特徴としている。
また、本発明の計測システムは、前記制御部が、前記第２温度計測部で計測される温度が一定となるように前記予備加熱部を制御することを特徴としている。
本発明の計測方法は、配管（Ｐ）内を流通する蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を計測する計測方法であって、前記配管の表面の所定部分と熱交換を行う第１ステップと、前記配管の管軸方向における前記所定部分の内部又は近傍の一点の温度を計測する第２ステップと、前記第２ステップの計測結果に基づいて、前記蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を算出する第３ステップとを有することを特徴としている。
また、本発明の計測方法は、前記第２ステップが、第１ステップで行われる熱交換によって前記配管の表面の温度が略最大温度となる第１位置と、該第１位置よりも下流側であって前記配管の表面の温度が前記最大温度と最低温度との略中間の温度となる第２位置との間における一点の温度を計測するステップであることを特徴としている。

本発明によれば、配管の表面の所定部分と熱交換を行い、配管の管軸方向における所定部分の内部又は近傍の一点の温度の計測結果に基づいて、蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を算出するようにしているため、配管の外部から配管内を流れる蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を低コストで精度良く計測することができるという効果がある。

本発明の一実施形態による計測システムの要部構成を示す図である。 本発明の一実施形態による計測システムが備えるデータ処理装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による計測システムの温度計測部の取り付け位置を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態において形成される配管の管軸方向における配管の表面の温度分布の一例を示す図である。 図３に示す取付候補位置の各々における温度の実測値と理論値とを示す図である。 図３に示す取付候補位置の各々における温度の実測値と理論値とを示す図である。 図３に示す取付候補位置の各々における温度の実測値と理論値とを示す図である。 図３に示す取付候補位置の各々における温度の実測値と理論値とを示す図である。 図３に示す取付候補位置の各々における温度の実測値と理論値とを示す図である。 図３に示す取付候補位置の各々における温度の実測値と理論値とを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による計測システム及び方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による計測システムの要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の計測システム１は、プレヒータ１１（予備加熱部）、計測用ヒータ１２（熱交換器、加熱装置、ヒータ）、温度計測部１３（第２温度計測部）、温度計測部１５（第１温度計測部）、圧力計１６、プレヒータ制御装置１７（制御部）、ヒータ電源１８、データ収集装置１９、及びデータ処理装置２０（算出部）を備えており、蒸気生成装置Ｅ１と負荷設備Ｅ２との間に配設される配管Ｐ内を流れる熱流体（例えば、蒸気）の流速を計測する。

ここで、蒸気生成装置Ｅ１は、例えばボイラであり、外部から供給される燃料を燃焼させて得られる熱によって蒸気を生成する。尚、本実施形態では、理解を容易にするために、蒸気生成装置Ｅ１によって生成される蒸気が水蒸気であるものとする。負荷設備Ｅ２は、蒸気生成装置Ｅ１で生成されて配管Ｐを介して送られてくる蒸気又は蒸気の熱が利用される設備である。尚、負荷設備Ｅ２から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽（図示省略）に集約された後、蒸気生成装置Ｅ１に再度給水される。また、配管Ｐとしては、圧力配管用炭素鋼鋼管（ＳＴＰＧ）やステンレス鋼管（ＳＵＳ）を用いることができる。

プレヒータ１１は、計測用ヒータ１２よりも上流側の配管Ｐの外周面に取り付けられており、計測用ヒータ１２よりも上流側において配管Ｐを加熱する。このプレヒータ１１は、蒸気生成装置Ｅ１によって生成された蒸気が計測用ヒータ１２に入力される前に、その蒸気を予め加熱するために設けられる。このようなプレヒータ１１を設けるのは、蒸気に含まれる湿分を予め蒸発させることで、湿り度が高い蒸気であっても流速を高い精度で計測可能とするためである。つまり、蒸気に湿分が含まれていると、その湿分を含む蒸気が計測用ヒータ１２に到達した際に、計測用ヒータ１２の熱が湿分の蒸発熱として奪われてしまい、その結果として配管Ｐの温度が低下して流速の計測に影響を及ぼす。このような影響を排除するためにプレヒータ１１が設けられている。

このプレヒータ１１は、例えば電熱ヒータであり、配管Ｐを均一に加熱するように配管Ｐの外周面に一定のピッチで巻回されている。ここで、プレヒータ１１が巻回される長さ（配管Ｐの管軸方向の長さ）は、例えば１〜数メートル程度である。上述の通り、プレヒータ１１は、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を蒸発させるために設けられるため、湿分を蒸発させるために必要な長さが確保される。尚、プレヒータ１１は、リング状のヒータ（例えば、リング状のセラミックヒータ）であっても良い。このセラミックヒータとして半円の２つのパートに割れるものを用いれば、配管Ｐへの装着を容易に行うことができる。

計測用ヒータ１２は、プレヒータ１１よりも下流側の配管Ｐの外周面に取り付けられており、プレヒータ１１よりも下流側において配管Ｐを加熱する。この計測用ヒータ１２は、プレヒータ１１と同様に、例えば電熱ヒータであり、配管Ｐを均一に加熱するように配管Ｐの外周面に一定のピッチで巻回されている。ここで、計測用ヒータ１２が巻回される長さ（配管Ｐの管軸方向の長さ）は、例えば１〜数センチメートル程度であり、プレヒータ１１が巻回される長さよりも短くなるように設定されている。これは、計測用ヒータ１２によって、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を計測するために必要となる温度分布が形成できれば十分だからである。尚、計測用ヒータ１２も、プレヒータ１１と同様にリング状のヒータ（例えば、リング状のセラミックヒータ）であって良い。

温度計測部１３は、プレヒータ１１と計測用ヒータ１２との間の配管Ｐの外周面に取り付けられており、配管Ｐの表面温度を計測する。具体的に、温度計測部１３は、プレヒータ１１よりも下流側であって、プレヒータ１１の近傍に取り付けられている。例えば、温度計測部１３は、プレヒータ１１の端部（下流側の端部）から１０センチメートル程度下流側の位置に取り付けられている。このような位置に温度計測部１３を取り付けるのは、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を効果的に蒸発させるためである。

また、温度計測部１３は、上記の位置において、少なくとも配管Ｐの外周面における底部に取り付けられている。このような取り付けを行うのも、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を効果的に蒸発させるためである。例えば、温度計測部１３が配管Ｐの外周面における側部にのみ取り付けられている場合には、蒸気が冷却されて配管Ｐの内周面の底部に生じた水滴による温度低下が遅れて計測され、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を効果的に蒸発させることができないことがある。

温度計測部１５は、計測用ヒータ１２によって配管Ｐが加熱されることにより生ずる温度分布（配管Ｐの管軸方向における配管Ｐの表面の温度分布）を考慮して配管Ｐに取り付けられており、配管Ｐの表面温度を計測する。具体的に、温度計測部１５は、計測用ヒータ１２の内部又は近傍に設けられ、配管Ｐの管軸方向における計測用ヒータ１２の内部又は近傍の一点の温度を計測する。例えば、温度計測部１５は、計測用ヒータ１２の加熱によって配管Ｐの表面の温度が略最大温度となる位置（第１位置）と、この位置よりも下流側であって配管Ｐの表面の温度が最大温度と最低温度との略中間の温度となる位置（第２位置）との間に取り付けられている。尚、上記の最低温度は、計測用ヒータ１２による加熱の影響を受けない位置での配管Ｐの表面の温度である。

この温度計測部１５は、配管Ｐの表面に取り付けられて、配管Ｐの管軸方向における一点の温度を計測する温度センサ１５ａ（例えば、熱電対：図３（ｂ）参照）、或いは計測用ヒータ１２が取り付けられている部分（所定部分）において表面側から配管Ｐに埋設されて、配管Ｐの管軸方向における一点の温度を計測する温度センサ１５ａを備える。ここで、後者の温度センサ１５ａは、必ずしも配管Ｐに埋設されている必要はなく、前者の温度センサ１５ａと同様に配管Ｐの表面に取り付けられていても良い。尚、温度計測部１５（温度センサ１５ａ）の取り付け位置の詳細については後述する。

圧力計１６は、計測用ヒータ１２の下流側に取り付けられており、配管Ｐ内を流れる蒸気の圧力を計測する。尚、圧力計１６は、図１に示す通り計測用ヒータ１２の下流側に取り付けられていても良く、プレヒータ１１の上流側に取り付けられていても良く、プレヒータ１１と計測用ヒータ１２との間に取り付けられていても良い。また、圧力計１６は、複数設けられていても良い。例えば、プレヒータ１１の上流側及び計測用ヒータ１２の下流側といった具合である。

プレヒータ制御装置１７は、温度計測部１３で計測される温度を参照し、プレヒータ１１の内部に入力された蒸気の湿分が全て蒸発するように、プレヒータ１１を制御する。例えば、プレヒータ制御装置１７は、温度計測部１３の計測結果が一定となるように、ＰＩＤ（比例積分微分）制御を行うことによって、プレヒータ１１をフィードバック制御する。ここで、プレヒータ制御装置１７は、温度計測部１３で計測される温度が、配管Ｐ内の飽和蒸気温度よりも予め規定された温度だけ高い温度（例えば、数〜十数℃程度高い温度）となるようにプレヒータ１１を制御する。この温度は、プレヒータ１１の内部に入力された蒸気の湿分を全て蒸発させることができるように設定される。

尚、制御目標とする温度を飽和蒸気温度から数〜十数℃程度高い温度にすることで、後述する通り、湿り度の高い蒸気が入力されて温度が低下しても飽和蒸気温度以上を確保できるため、温度制御がしやすい。一方、制御目標とする温度を飽和蒸気温度（或いは、飽和蒸気温度から僅かに高い温度）にすると、湿り度の高い蒸気が入力されて温度が低下すると直ぐに飽和蒸気温度になるため、温度制御が困難になる。

ヒータ電源１８は、計測用ヒータ１２を加熱するための電力を計測用ヒータ１２に対して供給する電源である。このヒータ電源１８は、計測用ヒータ１２が取り付けられている部分に設けられた温度センサ（図示省略）の計測結果に基づいて、計測用ヒータ１２に供給する電力をフィードバック制御する。このようなフィード制御を行うのは、配管Ｐの温度が耐熱温度以上にならないようにするためである。

データ収集装置１９は、計測システム１で用いられる各種データを収集する装置である。具体的に、データ収集装置１９は、温度計測部１３，１５及び圧力計１６の計測結果を示すデータ、プレヒータ１１の制御に係るデータ（プレヒータ１１に印加される電圧及びプレヒータ１１に流れる電流を示すデータ）、及びヒータ電源１８のデータ（計測用ヒータ１２に印加される電圧及び計測用ヒータ１２に流れる電流を示すデータ）を収集する。このデータ収集装置１９としては、所謂データロガーと呼ばれる装置を用いることができる。

データ処理装置２０は、データ収集装置１９で収集されたデータ用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を求める。具体的に、データ処理装置２０は、温度計測部１５の計測結果を示すデータに基づいて流速を求める。ここで、計測用ヒータ１２によって配管Ｐが加熱されることにより生ずる温度分布（配管Ｐの管軸方向における配管Ｐの表面の温度分布）は、流速が速いと小さくなり、逆に流速が遅いと大きくなる。温度計測部１５の計測結果は、上記の温度分布の変化に連動して変化することから、温度計測部１５の計測結果を示すデータから配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を求めることができる。

図２は、本発明の一実施形態による計測システムが備えるデータ処理装置の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、データ処理装置２０は、入力部２１、データ取得部２２、データ処理部２３、メモリ２４、及び表示部２５を備える。尚、データ処理装置２０は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータによって実現することが可能である。

入力部２１は、キーボードやポインティングデバイス等の入力装置を備えており、外部からの各種指示を入力する。データ取得部２２は、入力部２１から入力される指示に基づき、データ処理部２３の制御の下で、データ収集装置１９で収集された各種データを取得する。データ処理部２３は、入力部２１から入力される指示に基づき、データ取得部２２で取得された各種データ及びメモリ２４に記憶された各種データを用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を求める。

メモリ２４は、例えば揮発性又は不揮発性のメモリ（半導体メモリ）であり、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を求める上で必要な各種データを記憶する。例えば、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速と配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布とが対応付けられたデータを記憶する。表示部２５は、例えば液晶表示装置等の表示装置を備えており、データ処理部２３で求められた配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を表示する。

次に、温度計測部１５（温度センサ）の取り付け位置について詳細に説明する。図３は、本発明の一実施形態による計測システムの温度計測部の取り付け位置を説明するための断面図である。尚、図３（ａ）は、配管Ｐの管軸方向に沿う方向の断面図であり、図３（ｂ）は、配管Ｐの管軸方向に直交する方向の断面図（図３（ａ）中のＡ−Ａ線断面矢視図）である。

図３（ａ）中の符号Ｘ１〜Ｘ２５で特定される位置は、温度計測部１５が備える温度センサ１５ａの取り付け位置の候補として挙げられている位置（取付候補位置）である。取付候補位置Ｘ１〜Ｘ１２は、計測用ヒータ１２の上流側における取付候補位置であり、取付候補位置Ｘ１３〜Ｘ２４は、計測用ヒータ１２の下流側における取付候補位置である。また、取付候補位置Ｘ２５は、計測用ヒータ１２が取り付けられている部分（所定部分）内における取付候補位置である。尚、温度計測部１５が備える温度センサ１５ａは、取付候補位置Ｘ１〜Ｘ２４では配管Ｐの表面に取り付けられ、取付候補位置Ｘ２５では表面側から配管Ｐに埋設される。

図３に示す通り、取付候補位置Ｘ１〜Ｘ２４は、計測用ヒータ１２に近いほど、隣接するものの間隔が狭くなるように設定されている。これは、配管Ｐの管軸方向における配管Ｐの表面の温度分布を考慮したためである。つまり、配管Ｐの表面の温度分布は、計測用ヒータ１２の近傍では温度が高いが、計測用ヒータ１２の近傍から離れるにつれて急激に温度が低くなる特性を示す。このような特性合わせて、計測用ヒータ１２の近傍では、取付候補位置Ｘ１〜Ｘ２４が密になるように設定している。

図４は、本発明の一実施形態において形成される配管Ｐの管軸方向における配管Ｐの表面の温度分布の一例を示す図である。尚、図４に示すグラフにおいては、横軸に配管Ｐの管軸方向の位置をとり、縦軸に温度をとってある。また、横軸の原点は、計測用ヒータ１２の両端部の中央に設定されている。図４を参照すると、計測用ヒータ１２の近傍では温度が高いが、計測用ヒータ１２の近傍から離れるにつれて急激に温度が低くなっているのが分かる。また、計測用ヒータ１２から離れるにつれて、配管Ｐの表面の温度は一定の温度（図４に示す例では、１７０℃程度）に収束するのが分かる。

取付候補位置Ｘ１〜Ｘ２４は、計測用ヒータ１２から遠ざかるにつれて、例えば隣接するものの間隔が２ｍｍずつ大きくなるように設定されている。例えば、取付候補位置Ｘ１〜Ｘ２４は、計測用ヒータ１２の端部からの距離が以下の通りに設定されている。尚、取付候補位置Ｘ２５は、例えば計測用ヒータ１２の両端部の中央に設定されている。
取付候補位置Ｘ１ ，Ｘ２４：１７６ｍｍ
取付候補位置Ｘ２ ，Ｘ２３：１５０ｍｍ
取付候補位置Ｘ３ ，Ｘ２２：１２６ｍｍ
取付候補位置Ｘ４ ，Ｘ２１：１０４ｍｍ
取付候補位置Ｘ５ ，Ｘ２０：８４ｍｍ
取付候補位置Ｘ６ ，Ｘ１９：６６ｍｍ
取付候補位置Ｘ７ ，Ｘ１８：５０ｍｍ
取付候補位置Ｘ８ ，Ｘ１７：３６ｍｍ
取付候補位置Ｘ９ ，Ｘ１６：２４ｍｍ
取付候補位置Ｘ１０，Ｘ１５：１４ｍｍ
取付候補位置Ｘ１１，Ｘ１４：６ｍｍ
取付候補位置Ｘ１２，Ｘ１３：０ｍｍ

温度計測部１５が備える温度センサ１５ａは、取付候補位置Ｘ１〜Ｘ２５の何れかの位置で、図３（ｂ）に示す通り、配管Ｐの外周面の周方向において、９０度ずつ位置を違えるように配置される。このように、取付候補位置Ｘ１〜Ｘ２５の何れかの位置にて複数の温度センサ１５ａを設けるのは、複数の温度センサ１５ａの平均値を計測値として得ることで、信頼性の高い計測結果を得るためである。ここで、温度センサ１５ａは、図３（ｂ）に示す通り、４つ設けられている必要は必ずしもなく、２つのみ（配管Ｐの右側及び左側にのみ）設けられていても良い。尚、配管Ｐは、図３に示す通り、その表面の少なくとも一部が保温材Ｈにより覆われている。

図５〜図１０は、図３に示す取付候補位置の各々における温度の実測値と理論値とを示す図である。尚、図５〜図１０に示すグラフは、計測用ヒータ１２に供給する電力を１５０［Ｗ］程度に設定し、内径が５センチメートル程度であって肉厚が５ミリメートル程度の配管Ｐ配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を変えたときの、温度の実測値（平均値）と理論値とを示すものである。尚、図５〜図１０では、横軸に流速をとり、縦軸に温度をとってある。

図５，図６は、計測用ヒータ１２の上流側の取付候補位置Ｘ７〜Ｘ１２における温度の実測値と理論値とを示す図である。図７〜図９は、計測用ヒータ１２の下流側の取付候補位置Ｘ１３〜Ｘ２１における温度の実測値と理論値とを示す図である。図１０は、計測用ヒータ１２が取り付けられている部分（所定部分）内の取付候補位置Ｘ２５における温度の実測値と理論値とを示す図である。

具体的に、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ取付候補位置Ｘ７，Ｘ８，Ｘ９における温度の実測値と理論値とを示す図であり、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ取付候補位置Ｘ１０，Ｘ１１，Ｘ１２における温度の実測値と理論値とを示す図である。また、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ取付候補位置Ｘ１３，Ｘ１４，Ｘ１５における温度の実測値と理論値とを示す図であり、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ取付候補位置Ｘ１６，Ｘ１７，Ｘ１８における温度の実測値と理論値とを示す図であり、図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ取付候補位置Ｘ１９，Ｘ２０，Ｘ２１における温度の実測値と理論値とを示す図である。

まず、図５，図６を参照すると、計測用ヒータ１２の上流側の取付候補位置Ｘ７〜Ｘ１１においては、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速に拘わらず、理論値に対する実測値の乖離が大きいことが分かる。但し、計測用ヒータ１２の上流側の取付候補位置Ｘ１２においては、実測値が理論値にほぼ一致していることが分かる。このことから、計測用ヒータ１２の上流側では、計測用ヒータ１２の近傍（計測用ヒータ１２の加熱によって配管Ｐの表面の温度が略最大温度となる位置（第１位置））に設定された取付候補位置Ｘ１２に温度センサ１５ａを取り付ければ、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を高い精度で計測することが可能であると考えられる。尚、計測システム１の構成を改良し、理論値に対する実測値の乖離が小さくなれば、計測用ヒータ１２の上流側における取付候補位置Ｘ１２以外の位置（例えば、取付候補位置Ｘ７〜Ｘ１１）に温度センサ１５ａを取り付けることも可能である。

次に、図７〜図９を参照すると、計測用ヒータ１２の下流側の取付候補位置Ｘ１３〜Ｘ１７においては、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速に拘わらず、理論値に対する実測値の乖離がある程度あるものの、図５，図６に示す取付候補位置Ｘ７〜Ｘ１１における乖離に比べると小さいことが分かる。また、計測用ヒータ１２の下流側の取付候補位置Ｘ１８においては、実測値が理論値にほぼ一致していることが分かる。更に、計測用ヒータ１２の下流側の取付候補位置Ｘ１９〜Ｘ２１においては、理論値に対する実測値の乖離が徐々に大きくなっていることが分かる。このことから、計測用ヒータ１２の下流側では、取付候補位置Ｘ１３〜Ｘ１８（配管Ｐの表面の温度が上記の最大温度と最低温度との略中間の温度となる位置よりも上流側の位置）に温度センサ１５ａを取り付ければ、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を高い精度で計測することが可能であると考えられる。

次いで、図１０を参照すると、計測用ヒータ１２が取り付けられている部分（所定部分）内における取付候補位置Ｘ２５においては、理論値に対する実測値の乖離が、計測用ヒータ１２の下流側の取付候補位置Ｘ１３〜Ｘ１７における乖離と同程度であることが分かる。以上から、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を高い精度で計測することが可能な温度センサ１５ａの取り付け位置は、図３に示す取付候補位置Ｘ１２〜取付候補位置Ｘ１８の間（取付候補位置Ｘ２５を含む）であると考えられる。

次に、上記構成における計測システム１による計測方法について説明する。尚、ここでは説明を簡単にするために、蒸気生成装置Ｅ１によって蒸気が生成されており、この生成された蒸気が配管Ｐを介して負荷設備Ｅ２に供給されている状態であるものとする。計測システム１の電源が投入されると、温度計測部１３で温度の計測が行われ、この温度計測部１３で計測される温度が参照され、蒸気の湿分が全て蒸発するようにプレヒータ制御装置１７によってプレヒータ１１が制御される。例えば、温度計測部１３で計測される温度が一定となるように制御される。

以上の動作と並行して、ヒータ電源１８から計測用ヒータ１２に対して電力が供給され、計測用ヒータ１２によって配管Ｐが加熱された状態にされる（第１ステップ）。ここで、配管Ｐ内には蒸気生成装置Ｅ１からの蒸気が流れているため、配管Ｐの管内熱伝達が変化する。そして、計測用ヒータ１２の上流側又は下流側の温度、或いは計測用ヒータ１２の内部の温度が温度計測部１５で計測される（第２ステップ）。

温度計測部１５の計測結果を示すデータは、データ収集装置１９で収集された後にデータ処理装置２０のデータ取得部２２で取得される。すると、データ処理部２３において、データ取得部２２で取得されたデータを用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を求める処理が行われる（第３ステップ）。尚、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速は、例えばデータ取得部２２で取得されたデータと、メモリ２４に記憶されたデータ（配管Ｐ内を流れる蒸気の流速と配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布とが対応付けられたデータ）とを比較することによって求められる。以上の処理が終了すると、蒸気の流速を示す情報が表示部２５に出力されて表示される。

以上の通り、本実施形態によれば、配管Ｐの表面の所定部分を計測用ヒータ１２で加熱し、計測用ヒータ１２の加熱によって配管Ｐの表面の温度が略最大温度となる位置（第１位置）と、この位置よりも下流側であって配管Ｐの表面の温度が最大温度と最低温度との略中間の温度となる位置（第２位置）との間の配管Ｐに取り付けられた温度センサ１５ａの計測結果に基づいて、蒸気の流速を算出するようにしている。これにより、配管Ｐの管軸方向における一点の温度を温度センサ１５ａで計測するだけで、配管Ｐの外部から配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を低コストで精度良く計測することができる。

以上、本発明の一実施形態による計測システム及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、蒸気生成装置Ｅ１で生成された水蒸気の流速を計測する例について説明したが、本発明は、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）の蒸気の計測にも適用することができる。また、蒸気の流速のみならず、蒸気の流量を計測することも可能であり、或いは蒸気の流速及び流量の双方を計測することも可能である。

また、上述した実施形態では、理解を容易にするために、温度計測部１５の温度センサ１５ａとは別に、制御用の温度センサ（ヒータ電源１８がフィードバック制御で用いる温度センサ）が設けられている例について説明した。しかしながら、これらの温度センサを、１つの温度センサで兼用しても良い。つまり、計測用ヒータ１２の内部又は近傍に設けられた１つの温度センサの計測結果を用いて、ヒータ電源１８が計測用ヒータ１２のフィードバック制御を行い、且つ、データ処理装置２０が蒸気の流速を算出するといった具合である。

また、上述した実施形態では、配管Ｐに設けられたプレヒータ１１及び計測用ヒータ１２が保温材Ｈで覆われた構成を例に挙げたが、これに限定されることは無い。例えば、データ処理装置２０が、配管Ｐの表面からの放熱を考慮して温度計測部１５の計測結果を示すデータを補正する処理を行うものである場合には、配管Ｐの表面を保温材Ｈで被覆しなくてもよい。或いは、配管Ｐの表面の一部（温度計測部１３〜１５の設置部分）のみを保温材Ｈで被覆する構成であってもよい。

また、上述した実施形態では、プレヒータ制御装置１７、ヒータ電源１８、データ収集装置１９、及びデータ処理装置２０が別体として設けられている例について説明したが、これらは一体的に設けられていても良い。尚、プレヒータ１１、温度計測部１３、プレヒータ制御装置１７は、省略することも可能である。

１ 計測システム
１１ プレヒータ
１２ 計測用ヒータ
１３ 温度計測部
１５ 温度計測部
１５ａ 温度センサ
１７ プレヒータ制御装置
２０ データ処理装置
Ｐ 配管

Claims (12)

1. 配管内を流通する蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を計測する計測システムにおいて、
   前記配管の表面の所定部分と熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器の内部又は近傍に設けられ、前記配管の管軸方向における前記熱交換器の内部又は近傍の一点の温度を計測する第１温度計測部と、
   前記第１温度計測部の計測結果に基づいて、前記蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を算出する算出部と
   を備えることを特徴とする計測システム。
2. 前記第１温度計測部は、前記熱交換器で行われる熱交換によって前記配管の表面の温度が略最大温度となる第１位置と、該第１位置よりも下流側であって前記配管の表面の温度が前記最大温度と最低温度との略中間の温度となる第２位置との間の前記配管に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の計測システム。
3. 前記第１温度計測部は、前記配管の表面に取り付けられて、前記配管の管軸方向における一点の温度を計測する温度センサを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の計測システム。
4. 前記第１温度計測部は、前記所定部分において前記配管に埋設され、或いは前記配管の表面に取り付けられて、前記配管の管軸方向における一点の温度を計測する温度センサを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の計測システム。
5. 前記熱交換器は、加熱装置であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の計測システム。
6. 前記加熱装置は、リング状のヒータであることを特徴とする請求項５記載の計測システム。
7. 前記所定部分よりも上流側の前記配管の外周面に取り付けられた予備加熱部と、
   前記予備加熱部と前記所定部分との間の前記配管の外周面に取り付けられた第２温度計測部と、
   前記第２温度計測部で計測される温度を参照し、前記蒸気の湿分が全て蒸発するように前記予備加熱部を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の計測システム。
8. 前記第２温度計測部は、前記予備加熱部よりも下流側であって、前記予備加熱部の近傍に取り付けられていることを特徴とする請求項７記載の計測システム。
9. 前記第２温度計測部は、前記配管の外周面における底部に取り付けられていることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の計測システム。
10. 前記制御部は、前記第２温度計測部で計測される温度が一定となるように前記予備加熱部を制御することを特徴とする請求項７から請求項９の何れか一項に記載の計測システム。
11. 配管内を流通する蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を計測する計測方法であって、
    前記配管の表面の所定部分と熱交換を行う第１ステップと、
    前記配管の管軸方向における前記所定部分の内部又は近傍の一点の温度を計測する第２ステップと、
    前記第２ステップの計測結果に基づいて、前記蒸気の流速及び流量の少なくとも一方を算出する第３ステップと
    を有することを特徴とする計測方法。
12. 前記第２ステップは、第１ステップで行われる熱交換によって前記配管の表面の温度が略最大温度となる第１位置と、該第１位置よりも下流側であって前記配管の表面の温度が前記最大温度と最低温度との略中間の温度となる第２位置との間における一点の温度を計測するステップであることを特徴とする請求項１１記載の計測方法。

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