JP2016212030A - 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の加熱によって生ずる配管Ｐの管軸方向における一点又は複数点の温度変化に基づいて計測用ヒータ１２に供給する電力を制御するヒータ電源１８と、配管Ｐの管軸方向における表面の一点又は複数点の温度を計測する温度計測部１４，１５と、温度計測部１４，１５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、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、前記熱交換器の熱交換によって生ずる前記配管の管軸方向における一点の温度変化に基づいて前記熱交換器の熱交換量を制御する第１制御部（１８）と、前記配管の管軸方向における前記表面の一点又は複数点の温度を計測する第１温度計測部（１４、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、前記熱交換器が、加熱装置であり、前記第１制御部が、前記加熱装置に供給する電力を制御す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、前記第１制御部が、前記温度変化が予め設定された閾値以下である場合には、前記加熱装置に供給する電力を徐々に大きくする制御を行う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制御部が、前記温度変化と前記加熱装置に供給すべき電力とが対応付けられており、前記蒸気の温度及び圧力毎に用意された対応情報（ＴＢ）を備えており、該対応情報を参照して前記加熱装置に供給する電力を制御す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第２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、前記第２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、前記第１ステップで行われる熱交換によって生ずる前記配管の管軸方向における一点の温度変化に基づいて前記熱交換の熱交換量を制御する第２ステップと、前記配管の管軸方向における前記表面の一点又は複数点の温度を計測する第３ステップと、前記第３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４ステップとを有することを特徴としている。

この発明によれば、配管の表面の所定部分と熱交換を行い、熱交換を行った配管の表面の管軸方向における一点又は複数点の温度変化に基づいて熱交換器の熱交換量を制御し、配管の管軸方向における表面の一点又は複数点の温度を計測し、第１温度計測部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。このため、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。

本発明の第１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。 本発明の第１実施形態による計測システムの温度計測部の具体的構成を示す断面図である。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１実施形態における計測誤差の評価結果を示す図である。 本発明の第２実施形態による計測システムで用いられるテーブルを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の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。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１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１４（第１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（第２制御部）、ヒータ電源１８（第１制御部）、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１４は、計測用ヒータ１２の上流側であって、温度計測部１３よりも下流側の配管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。温度計測部１５は、計測用ヒータ１２の下流側の配管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。尚、温度計測部１４，１５の計測結果から、配管Ｐの管軸方向における配管Ｐの表面の温度分布が得られる。

図２は、本発明の第１実施形態による計測システムの温度計測部の具体的構成を示す断面図である。尚、図２（ａ）は、配管Ｐの管軸方向に沿う方向の断面図であり、図２（ｂ）は、配管Ｐの管軸方向に直交する方向の断面図（図２（ａ）中のＡ−Ａ線断面矢視図）である。図２に示す通り、温度計測部１４は、計測用ヒータ１２の上流側において、配管Ｐの管軸方向に沿って配列された複数のセンサ群（図２に示す例では、１２個のセンサ群）を備える。温度計測部１４に設けられた各センサ群は、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た４つの温度センサ１４ａ（例えば、熱電対）を備える。

また、図２に示す通り、温度計測部１４に設けられるセンサ群は、計測用ヒータ１２に近いほど、管軸方向の間隔が狭くなるように配置されている。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、温度計測部１４に設けられるセンサ群が密になるように配置されている。

温度計測部１４に設けられるセンサ群は、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徐々に大きくなるように配置されている。例えば、温度計測部１４に設けられるセンサ群は、計測用ヒータ１２の端部（上流側の端部）からの距離が４ｍｍ、８ｍｍ、１２．５ｍｍ、１７．５ｍｍ、３２．５ｍｍ、４７．５ｍｍ、６２．５ｍｍ、７７．５ｍｍ、１０７．５ｍｍ、１３７．５ｍｍ、１６７．５ｍｍ、１９７．５ｍｍに配置されている。

温度計測部１５は、計測用ヒータ１２の下流側において、配管Ｐの管軸方向に沿って配列された複数のセンサ群（図２に示す例では、１２個のセンサ群）を備える。温度計測部１５に設けられた各センサ群は、温度計測部１４に設けられた各センサ群と同様に、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た４つの温度センサ１５ａ（例えば、熱電対）を備える。

また、図２に示す通り、温度計測部１５に設けられるセンサ群は、温度計測部１４に設けられるセンサ群と同様の理由で、計測用ヒータ１２に近いほど、管軸方向の間隔が狭くなるように配置されている。尚、温度計測部１５に設けられるセンサ群は、温度計測部１４に設けられるセンサ群と同様に、例えば計測用ヒータ１２の端部（下流側の端部）からの距離が４ｍｍ、８ｍｍ、１２．５ｍｍ、１７．５ｍｍ、３２．５ｍｍ、４７．５ｍｍ、６２．５ｍｍ、７７．５ｍｍ、１０７．５ｍｍ、１３７．５ｍｍ、１６７．５ｍｍ、１９７．５ｍｍにそれぞれ配置されている。

温度計測部１４のセンサ群の各々に複数の温度センサ１４ａを設け、温度計測部１５のセンサ群の各々に複数の温度センサ１５ａを設けるのは、複数の温度センサ１４ａの平均値を計測値として得るとともに、複数の温度センサ１５ａの平均値を計測値として得るためである。このように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ことができる。尚、配管Ｐは、図２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。

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。このヒータ電源１８は、計測用ヒータ１２の加熱によって生ずる配管Ｐの管軸方向における一点又は複数点の温度変化に基づいて、計測用ヒータ１２に供給する電力を制御する。このような制御を行うのは、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を精度良く計測するためである。

尚、本実施形態では、説明を簡単にするために、ヒータ電源１８が、管軸方向における一点の温度変化に基づいて電力を制御する場合を例に挙げて説明する。具体的には、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２中の温度センサＳＮ）の計測結果（平均値）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。このように、温度センサＳＮの計測結果に基づいて計測用ヒータ１２に供給する電力を制御するのは、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。尚、温度センサＳＮの計測結果に代えて、計測用ヒータ１２の端部からの距離が０ｍｍに配置されているセンサ群の計測結果に基づいて、計測用ヒータ１２に供給する電力を制御するようにしても良い。以下、ヒータ電源１８に入力される温度の計測結果を「一点計測結果」という。

ヒータ電源１８は、計測用ヒータ１２の加熱によって生ずる配管Ｐの管軸方向における一点の温度変化（一点計測結果の変化）が、予め設定された閾値以下である場合には、計測用ヒータ１２に供給する電力を徐々に大きくする制御を行う。例えば、計測用ヒータ１２の加熱が行われていないときに得られる一点計測温度が１７５℃（蒸気の温度）とすると、計測用ヒータ１２の加熱によって得られる一点計測温度が１８０℃に達しない場合（一点計測結果の変化が５℃以下である場合）には、ヒータ電源１８は、計測用ヒータ１２に供給する電力を徐々に（例えば、１［Ｗ］ずつ）大きくする制御を行う。このような制御を行うのは、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を精度良く計測する上で適切な電力が計測用ヒータ１２に供給される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１４，１５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３は、本発明の第１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３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、本発明の第１実施形態による計測システムで生ずる計測誤差について説明する。図４は、本発明の第１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。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、計測用ヒータ１２は、その両端の中央が図４に示すグラフの横軸０．５［ｍ］の位置に配置されているものとする。

図４に示すグラフは、計測用ヒータ１２に供給する電力を一定（例えば、７０［Ｗ］）にし、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を変えたときの温度計測部１４，１５の実測値及び解析値を示すグラフである。具体的に、図４（ａ）に示すグラフは、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を２［ｍ／ｓ］に設定した場合のグラフであり、図４（ｂ）に示すグラフは、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を４［ｍ／ｓ］に設定した場合のグラフである。

まず、図４（ｂ）を参照すると、実測値と解析値との間に僅かなずれが見受けられるものの、実測値が解析値にほぼ一致していることが分かる。これに対し、図４（ａ）を参照すると、解析値に対する実測値の乖離が大きいことが分かる。これら図４（ａ）及び図４（ｂ）から、計測用ヒータ１２に供給する電力が一定であっても、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速が遅くなると、解析値に対する実測値の乖離が大きくなることが分かる。これは、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速が遅い場合には、計測用ヒータ１２から発せられる熱を境界層で吸収することができず、散逸してしまい、配管Ｐの管壁近傍の温度が解析値よりも低下しているからであると考えられる。

図５は、本発明の第１実施形態における計測誤差の評価結果を示す図である。この図５は、計測用ヒータ１２に供給する電力と配管Ｐ内を流れる蒸気の流量とを変化させ、解析値に対する実測値の一致度（図４参照）を評価した結果をまとめたものである。図５に示す例では、計測用ヒータ１２に供給する電力を、２５［Ｗ］，４５［Ｗ］，７０［Ｗ］，１５９［Ｗ］に変化させ、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を、２［ｍ／ｓ］，４［ｍ／ｓ］，８［ｍ／ｓ］，１０［ｍ／ｓ］，２０［ｍ／ｓ］，３０［ｍ／ｓ］に変化させている。

尚、図５中に示されている評価結果は以下の通りである。
○：解析値と実測値とが良く一致
△：解析値と実測値とがやや一致
×：解析値と実測値とが一致しない
−：計測非実施（電力が小さすぎるため計測が困難）

図５を参照すると、計測用ヒータ１２に対して比較的大きな電力が供給されている状況で、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速が比較的遅い場合には、解析値と実測値とが一致しないことが分かる。また、図５を参照すると、計測用ヒータ１２に対して比較的小さな電力が供給されている状況で配管Ｐ内を流れる蒸気の流速が比較的早い場合には、計測用ヒータ１２に供給される電力が小さすぎるため計測が困難になることが分かる。

以上から、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量が比較的早い場合には計測用ヒータ１２に供給する電力を大きくし、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量が比較的遅い場合には計測用ヒータ１２に供給する電力を小さくすれば、解析値と実測値とを一致させることができると考えられる。このような電力制御を行えば、実測値を解析値に一致させることができ、その結果として配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することができると考えられる。

但し、計測用ヒータ１２に供給する電力を大きくさせすぎたり、小さくさせすぎたりすると、却って解析値と実測値との不一致が生じ、計測が困難になることが考えられる。そこで、本実施形態では、前述の通り、ヒータ電源１８が、計測用ヒータ１２の加熱によって生ずる配管Ｐの管軸方向における一点の温度変化（一点計測結果の変化）が、予め設定された閾値以下である場合に、計測用ヒータ１２に供給する電力を徐々に大きくする制御を行うようにしている。

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）。例えば、ヒータ電源１８から計測用ヒータ１２に対して、２５［Ｗ］の電力が供給されて、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。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、図２に示す温度センサＳＮによって、配管Ｐの管軸方向における一点の温度が計測され、その計測結果（一点計測結果）がヒータ電源１８に入力される。すると、入力された一点計測結果が予め設定された閾値（例えば、５℃）を超えているか否かがヒータ電源１８で判断される。一点計測結果が閾値を超えていないと判断された場合には、ヒータ電源１８は、計測用ヒータ１２に供給する電力を徐々に大きくする制御を行う（第２ステップ）。

これに対し、一点計測結果が閾値を超えていると判断された場合（或いは、一点計測結果が閾値を超えたと判断された場合）には、計測用ヒータ１２の上流側の温度が温度計測部１４で計測されるとともに、計測用ヒータ１２の下流側の温度が温度計測部１５で計測される（第３ステップ）。温度計測部１４，１５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４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の管軸方向における一点の温度変化に基づいて計測用ヒータ１２に供給する電力を制御し、配管Ｐの管軸方向における表面の温度分布を温度計測部１４，１５で計測し、温度計測部１４，１５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の外部から配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による計測システムについて説明する。本実施形態の計測システムは、図１に示す第１実施形態の計測システム１とほぼ同様の構成であるが、第１実施形態とは異なる制御を行うヒータ電源１８を備える点が相違する。具体的に、上述した第１実施形態におけるヒータ電源１８は、一点計測結果の変化が予め設定された閾値以下である場合に、計測用ヒータ１２に供給する電力を徐々に大きくする制御を行うものであった。これに対し、本実施形態におけるヒータ電源１８は、図６に示すテーブルＴＢ（対応情報）を用い、一点計測結果に応じて計測用ヒータ１２に供給する電力を制御するものである。

図６は、本発明の第２実施形態による計測システムで用いられるテーブルを示す図である。図６に示す通り、本実施形態におけるヒータ電源１８で用いられるテーブルＴＢは、温度変化（一点計測結果の変化）と計測用ヒータ１２に供給すべき電力とが対応付けられたテーブルである。このテーブルＴＢは、蒸気の温度及び圧力毎に用意されている。尚、図６に例示するテーブルＴＢは、５［℃］刻みのものであるが、温度の刻みは任意である。尚、図６に示すテーブルに代えて、温度変化（一点計測結果の変化）と計測用ヒータ１２に供給すべき電力とが対応付けられた関数を用いるようにしても良い。

本実施形態の計測システムの電源が投入されると、第１実施形態の計測システム１と同様に、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）。例えば、ヒータ電源１８から計測用ヒータ１２に対して、２５［Ｗ］の電力が供給されて、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。

そして、図２に示す温度センサＳＮによって、配管Ｐの管軸方向における一点の温度が計測され、その計測結果（一点計測結果）がヒータ電源１８に入力される。すると、入力された一点計測結果に対応する電力（或いは、入力された一点計測結果に最も近い温度に対応する電力）をテーブルＴＢから取得し、取得した電力を計測用ヒータ１２に供給する制御がヒータ電源１８で行われる（第２ステップ）。尚、このとき、圧力計１６の計測結果、及び不図示の温度センサ（プレヒータ１１と計測用ヒータ１２との間であって、プレヒータ１１から発せられる熱の影響を受けない箇所に設けられた温度センサ）の計測結果に応じたテーブルＴＢが用いられる。

次いで、計測用ヒータ１２の上流側の温度が温度計測部１４で計測されるとともに、計測用ヒータ１２の下流側の温度が温度計測部１５で計測される（第３ステップ）。温度計測部１４，１５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４ステップ）。尚、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速は、第１実施形態と同様の方法で求められる。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、第１実施形態と同様に、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の管軸方向における一点の温度変化に基づいて計測用ヒータ１２に供給する電力を制御し、配管Ｐの管軸方向における表面の温度分布を温度計測部１４，１５で計測し、温度計測部１４，１５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の外部から配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することができる。

また、本実施形態では、一点計測結果の変化と計測用ヒータ１２に供給すべき電力とが対応付けられたテーブルＴＢを用いて温度制御を行っている。このため、計測用ヒータ１２に供給する電力を徐々に大きくする制御を行う第１実施形態に比べて、短時間で精度良く配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することができる。

以上、本発明の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、上記実施形態では、温度計測部１４，１５で計測された配管Ｐの管軸方向における表面の温度分布に基づいて流速を計測する例について説明した。しかしながら、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に基づいて流速を計測するようにしても良い。例えば、温度計測部１４，１５に設けられるセンサ群のうちの何れか１つのセンサ群の計測結果（平均値）に基づいて流速を計測するようにしても良く、或いは図２に示す温度センサＳＮの計測結果（平均値）に基づいて流速を計測するようにしても良い。

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１４，１５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
１４ 温度計測部
１５ 温度計測部
１７ プレヒータ制御装置
１８ ヒータ電源
２０ データ処理装置
Ｐ 配管
ＴＢ テーブル

Claims (10)

1. 配管内を流通する蒸気の流速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、
   前記熱交換器の熱交換によって生ずる前記配管の管軸方向における一点又は複数点の温度変化に基づいて前記熱交換器の熱交換量を制御する第１制御部と、
   前記配管の管軸方向における前記表面の一点又は複数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. 前記熱交換器は、加熱装置であり、
   前記第１制御部は、前記加熱装置に供給する電力を制御する
   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２記載の計測システム。
4. 前記第１制御部は、前記温度変化が予め設定された閾値以下である場合には、前記加熱装置に供給する電力を徐々に大きくする制御を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の計測システム。
5. 前記第１制御部は、前記温度変化と前記加熱装置に供給すべき電力とが対応付けられており、前記蒸気の温度及び圧力毎に用意された対応情報を備えており、該対応情報を参照して前記加熱装置に供給する電力を制御することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の計測システム。
6. 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第２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５の何れか一項に記載の計測システム。
7. 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６記載の計測システム。
8. 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６又は請求項７記載の計測システム。
9. 前記第２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６から請求項８の何れか一項に記載の計測システム。
10. 配管内を流通する蒸気の流速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、
    前記第１ステップで行われる熱交換によって生ずる前記配管の管軸方向における一点又は複数点の温度変化に基づいて前記熱交換の熱交換量を制御する第２ステップと、
    前記配管の管軸方向における前記表面の一点又は複数点の温度を計測する第３ステップと、
    前記第３ステップの計測結果に基づいて、前記蒸気の流速を算出する第４ステップと
    を有することを特徴とする計測方法。

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