JP2018021565A - 配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウォーターハンマーの発生の可能性及び発生箇所を容易かつ確実に予知することができる配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法の提供を目的とする。【解決手段】スチームトラップ42、43、44から排出されたドレンは、ドレン接続管12、13を通じてドレン回収管10に回収される。そして、各スチームトラップの上流の直近には、配管内の温度及び圧力を検出するセンサ32、33、34がそれぞれ設置されている。たとえば、センサ33からの温度データ、圧力データに基づき、配管内の蒸気が飽和状態にあると判断した場合、制御部6はウォーターハンマー発生予測箇所P2、P3にウォーターハンマーが発生することを予知し、モニタ8の画面上に示された配管系統の平面図に危険であることを示すマークを表示する報知処理を行う。【選択図】図１

Description

本願に係る配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法は、蒸気配管等の配管内における水撃（ウォーターハンマー）の発生の可能性及び発生箇所を予知する技術に関する。

産業プラントには、ボイラーで生成された蒸気等を供給先に向けて高温・高圧で移送する配管系統が設置されていることがある。この配管内で蒸気が液化するとドレン（蒸気の凝縮水）が滞留し、蒸気移送のための空間が縮小される結果、蒸気の移送効率が低下してしまう。

このような事態を回避するために、配管系統には随所に多数のスチームトラップが設けられている。スチームトラップは液化によって生じた内部のドレン水量が一定レベルに達した場合、内蔵されているフロートが浮上してスチームトラップの排出口を開放し、自動的にドレンを排出する。排出されたドレンはドレン回収管を通じて回収され、一般に再びボイラーへ給水する等、再利用される。

ところで、ドレン回収管の内部にある程度の量のドレンが存在する場合、ウォーターハンマーが発生することがある。ウォーターハンマーとは、配管の内部でドレンの塊どうしが衝突して起こる現象であり、このウォーターハンマーが発生すると配管内で瞬時的に10MPa以上もの急激な圧力変化が起こることがある。このため、ウォーターハンマーが繰り返し発生すると、その衝撃の影響の蓄積によって特定個所の配管の接合部やバルブ等が一気に破壊され、大量の蒸気や高温のドレンが噴出してしまう虞がある。

ウォーターハンマーによって発生するこのような問題を回避するため、後記特許文献に開示されているような検知技術が提案されている。この検知技術においては、配管の特定個所の周方向に複数の糸状のセンサを取り付ける。

このセンサは配管に対して緩みなくテンションを加えて取り付け、一定の引張力を超える力が加わった場合、破断する構造を備えている。配管内でウォーターハンマーが発生した場合、その衝撃によって配管が振動するため、糸状のセンサに一定の引張力を超える力が加わり、破断することになる。このため、センサの破断を視認することによって、センサの取り付け箇所近傍でウォーターハンマーが発生したことを検知することができる。

特開２０１２−６８１７５号公報

しかし、前述の特許文献に開示された技術においては、実際に配管にウォーターハンマーが発生しないと検知することができず、事前にウォーターハンマーの発生や発生箇所を予知することができない。前述のように、ウォーターハンマーの発生は配管を破壊して事故を引き起こす虞があるため、可能な限りウォーターハンマーの発生前に発生の可能性を予知する技術が求められる。

そこで本願に係る配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法は、これらの問題を解決することを課題とし、ウォーターハンマーの発生の可能性及び発生箇所を容易かつ確実に予知することができる配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法の提供を目的とする。

本願に係る配管内の水撃予知システムは、
内部を流体が移動する主配管、
主配管に接続された接続配管であって、内部を上流から下流に向けて流体が移動し、主配管に流体を流入させる接続配管、
接続配管上に設けられており、流体の移動を遮断又は開放する開閉弁、
開閉弁の上流側の接続配管上に設けられており、近傍の接続配管内の状態を検出し、当該状態を示す状態信号を出力する検出部、
受信した状態信号に基づき、開閉弁の上流側の流体が所定の危険状態にあるか否かを判別し、危険状態にあると判別したとき、水撃予報処理を行う制御部、
を備えたことを特徴とする。

また、本願に係る配管内の水撃予知方法は、
内部を流体が移動する主配管、
主配管に接続された接続配管であって、内部を上流から下流に向けて流体が移動し、主配管に流体を流入させる接続配管、
接続配管上に設けられており、流体の移動を遮断又は開放する開閉弁、
を備えた配管内の水撃予知システムに関する水撃予知方法において、
開閉弁の上流側の接続配管近傍の接続配管内の状態を検出し、
開閉弁の上流側の流体が所定の危険状態にあるか否かを判別し、
危険状態にあると判別したとき、水撃予報処理を行う、
ことを特徴とする。

本願に係る配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法においては、開閉弁の上流側の流体が所定の危険状態にあるか否かを判別し、危険状態にあると判別したとき、水撃予報処理を行う。したがって、開閉弁の上流側の流体が危険状態になることに起因する水撃の発生の可能性及び発生箇所を容易かつ確実に予知することができる。

本願に係る配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法の一実施形態を示す機能ブロック図である。 図１に示すメモリ7内に記憶されている飽和蒸気表のデータテーブルの内容を示す図である。 図１に示すモニタ8に表示する危険報知の内容を示す図である。 ウォーターハンマーの発生を説明するための図である。

［実施形態における用語説明］
実施形態において示す主な用語は、それぞれ本願に係る配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法の下記の構成要素に対応している。
蒸気、ドレン2…流体
ドレン回収管10…主配管
ドレン接続管12、13、蒸気輸送管20…接続配管
スチームトラップ42、43、44…開閉弁
温度データ・圧力データ…状態信号
センサ32、33、34…検出部
飽和状態…危険状態
制御部6…判別部、制御部
危険報知…水撃予報処理

［第１の実施形態］
本願に係る配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法の一実施形態を以下に説明する。産業プラントには、ボイラーで生成された蒸気等を供給先に向けて高温・高圧で移送する配管系統が設置されていることがあり、本実施形態ではこのような配管系統内で生じるウォーターハンマーを例に掲げ、その予知に関する技術を例示する。

（ウォーターハンマーの発生原因の説明）
まず、前提としてウォーターハンマーの発生原因を簡単に説明する。ウォーターハンマーの発生原因は一様ではないが、最も多いと考えられているのが、蒸気が急激に凝縮することによってドレン同士が衝突して発生するウォーターハンマーである。

図４はドレン回収管10とドレン接続管11との接続箇所を示す図である。ドレン回収管10内には配管の各所で生じた高温高圧のドレン2が多数のドレン接続管を通して収集され移送される。ところで、各所において高温高圧のドレンが低圧の雰囲気にさらされた際、ドレンの一部が蒸気化したフラッシュ蒸気（再蒸発蒸気）4が発生し、このフラッシュ蒸気4もドレンと共に移送される。その結果、図４Aに示すように、ドレン回収管10には、ドレン接続管11を通じて移送されたフラッシュ蒸気4も送り込まれることになる。

ドレン回収管10内を流れるドレン2は時間の経過と共に温度が低下しているため、この冷たいドレン2に高温のフラッシュ蒸気4が接触すると、放熱によってフラッシュ蒸気4は急激に凝縮し一気にドレン化し、その結果フラッシュ蒸気が存在していた部分は一時的に真空に近い状態になることがある。そしてこの場合、図４Bに示すように、この空間に周囲のドレンが引き込まれ衝突することによって、ウォーターハンマーが発生する。

（本実施形態におけるシステムのブロック図の説明）
図１に示すシステムのブロック図を説明する。蒸気輸送管20は、ボイラー（図示せず）で生成された高温高圧の蒸気を、プラント内の各機器に移送する。図１には蒸気の移送を受ける機器として、熱交換機62、熱風乾燥機63、ジャケット釜64が例示されている。

ところで、熱交換機62、熱風乾燥機63、ジャケット釜64等の機器で蒸気を使用すると、蒸気の持つ熱エネルギーの中の潜熱が被加熱物に移動する結果、蒸気が液化してドレン（蒸気の凝縮水）が発生する。このドレンが過度に配管内に滞留すると蒸気の供給効率が低下してしまうため、外部に排出する必要がある。

そこで、配管系統の随所にはスチームトラップが設けられている。図１のブロック図には、熱交換機62の配管に設けられたスチームトラップ42、熱風乾燥機63の配管に設けられたスチームトラップ43、ジャケット釜64の配管に設けられたスチームトラップ44が示されている。

このスチームトラップは内部の蒸気やドレンの移動を遮断又は開放する開閉弁の一種であり、例えば配管内部のドレン水量が一定レベルに達した場合、内蔵されているフロートが浮上して排出口を開放し、自動的にドレンを排出する構造を備えている。スチームトラップ42から排出されたドレンは、配管内の高圧の勢いを受け、ドレン接続管12を通じてドレン回収管10に排出される。同様に、スチームトラップ43、44から排出されたドレンは、ドレン接続管13を通じてドレン回収管10に排出される。

ドレン回収管10に回収されたドレンは、ドレンタンク（図示せず）に回収されて再利用される。なお、配管系統全体の蒸気やドレンの流れに従い、各々のスチームトラップから見て、機器側が上流、ドレン回収管10側が下流である。

ここで、スチームトラップ42、43、44の各々の上流の直近には、配管内の温度及び圧力を直接又は間接に検出することのできるセンサ32、33、34が設置されている。各センサ32、33、34は無線通信機能を有しており、検出した温度データ、圧力データを発信することができる。そして、これらのデータは受信部5が受信し、さらに受信部5は制御部6に向けてデータを送信する。制御部6はメモリ7を備えており、またモニタ8の表示を制御している。

（本実施形態におけるシステムの動作の説明）
次に、本実施形態におけるシステムの動作を説明する。本実施形態においては、各スチームトラップの上流側の蒸気が飽和状態にあると判断した場合、フラッシュ蒸気の発生によって特定箇所にウォーターハンマーが発生する可能性があることを予知し、危険報知の処理を行う。各々のスチームトラップに関してウォーターハンマーが発生する可能性の高い箇所は、測定や経験等によって特定することができるため、スチームトラップごとに対応するウォーターハンマー発生予測箇所がメモリ7に記憶されている。

図１に示す例では、スチームトラップ42に関してはウォーターハンマー発生予測箇所P1が対応付けて記憶されており、スチームトラップ43に関してはウォーターハンマー発生予測箇所P2、P3が対応付けて記憶されており、スチームトラップ44に関してはスチームトラップ43と同様、ウォーターハンマー発生予測箇所P2、P3が対応付けて記憶されている。なお、特定のスチームトラップに関し、ウォーターハンマー発生予測箇所は一箇所のみの場合もあるが、複数箇所の場合もある。また、ウォーターハンマーは、ウォーターハンマー発生予測箇所P2のように、ドレン回収管10外の配管で発生することもある。

本実施形態におけるシステムの具体的な処理は次の通りである。まず、各センサ32、33、34からの温度データ及び圧力データを、受信部5を介して制御部6が受信する。ここで、制御部6のメモリ7には、図２に示すような飽和蒸気表のデータテーブルが記憶されている。制御部6はこのデータテーブルに従って、各センサ32、33、34の検出箇所における配管内の蒸気が飽和状態にあるか否かを判別する。

たとえば、特定のセンサから送信された圧力データが「200kPa」である場合、そのセンサからの温度データが「120.21℃」に達していれば、制御部6はセンサの測定箇所の配管内の蒸気が飽和状態にあると判断する。なお、図２に示す飽和蒸気表は、圧力を基準にした圧力と温度との対応表であるが、温度を基準とした飽和蒸気表を記憶しておき、温度データを基準として圧力が対応する圧力値に達しているか否かによって飽和状態を判断することもできる。

今仮に、センサ33からの送信データが蒸気の飽和状態を示しているとする。前述のように、センサ33が設けられている箇所のスチームトラップ43に関してはウォーターハンマー発生予測箇所P2、P3が対応付けてメモリ7に記憶されているため、ウォーターハンマー発生予測箇所P2、P3においてウォーターハンマーが発生する可能性があると判断することができる。

このため、制御部6はモニタ8に危険表示信号を与えて危険報知を行う。本実施形態では、危険報知として図３に示すような内容をモニタ8の画面上に表示する。モニタ8には配管系統の平面図が表示されており、配管上のウォーターハンマー発生予測箇所P2、P3部分に危険であることを示すマークKを表示する。また、このマークKに赤色等の色彩を施すこともできる。さらに、マークKを点滅させることも可能であり、同時にブザー等の警報音を発信することもできる。また、危険報知としては、モニタ8の画面上のみならず、プラント内における対応する現場で警報音やランプの点灯等を発生させることもできる。

このような、ウォーターハンマーの発生の可能性及び発生箇所の予知に基づく危険報知の処理によって、当該場所における作業員による作業の中断や避難等、状況に応じた適切な対処を行うことができる。

［その他の実施形態］
本願に係る配管内の水撃予知システム及び水撃予知方法は前述の実施形態において示したシステムに限られず、内部を流体が移動する配管において発生する水撃の予知に関するものである限り他の配管系統にも適用することができる。

また、前述の実施形態においては、モニタ8の画面上に配管系統を示す平面を表示する例を示したが、配管系統の立体図を表示し、ここに危険であることを示すマークKを発生させて危険報知を行うこともできる。さらに、前述の実施形態において示したモニタ8上のマークKは比較的狭い範囲で表示したが、特定のスチームトラップ部分を含めた広範囲にマークKを表示してもよい。

また、前述の実施形態においては、水撃予報処理としてマークKの表示等の危険報知を掲げたが、これに限らず、たとえばウォーターハンマーの発生予知のデータに基づいて、該当箇所のメンテナンスを強化する等のメンテナンス処理も含めることができる。

また、前述の実施形態においては、温度及び圧力を直接実測するセンサ32、33、34を用いたが、これらに代えて各スチームトラップの排出不良や密閉不良といった作動不良を検査するための検査用センサを活用することもできる。この検査用センサは、設置箇所における配管内の温度及び振動を検出して温度データ及び振動データを出力する。

すなわち、スチームトラップに排出不良が生じている場合、直近の配管内にドレンが過度に滞留して温度が低下するため、検出温度が一定温度以下になれば排出不良が生じていると判断することができる。また、スチームトラップのフロートに密閉不良が生じている場合、蒸気漏れによって漏洩音が発生するため、特定周波数の検出振動を検知すれば密閉不良が生じていると判断することができる。

このようにスチームトラップの作動不良を検査するための検査用センサが検出したデータに基づいて、温度と共に配管内の圧力を算出し、飽和状態にあるか否かを判断することも可能である。

2：ドレン 4：フラッシュ蒸気 6：制御部 7：メモリ 10：ドレン回収管
11、12、13：ドレン接続管 20：蒸気輸送管 32、33、34：センサ
42、43、44：スチームトラップ P1、P2、P3：ウォーターハンマー発生予測箇所

Claims (4)

1. 内部を流体が移動する主配管、
   主配管に接続された接続配管であって、内部を上流から下流に向けて流体が移動し、主配管に流体を流入させる接続配管、
   接続配管上に設けられており、流体の移動を遮断又は開放する開閉弁、
   開閉弁の上流側の接続配管上に設けられており、近傍の接続配管内の状態を検出し、当該状態を示す状態信号を出力する検出部、
   受信した状態信号に基づき、開閉弁の上流側の流体が所定の危険状態にあるか否かを判別し、危険状態にあると判別したとき、水撃予報処理を行う制御部、
   を備えたことを特徴とする配管内の水撃予知システム。
2. 内部をドレンが移動する主配管、
   主配管に接続された接続配管であって、内部を上流から下流に向けて蒸気又はドレンが移動し、主配管に蒸気又はドレンを流入させる接続配管、
   接続配管上に設けられており、蒸気又はドレンの移動を遮断又は開放する開閉弁、
   開閉弁の上流側の接続配管上に設けられており、近傍の接続配管内の状態を検出し、当該状態を示す状態信号を出力する検出部、
   受信した状態信号に基づき、開閉弁の上流側の蒸気が飽和状態にあるか否かを判別し、飽和状態にあると判別したとき、水撃予報処理を行う制御部、
   を備えたことを特徴とする配管内の水撃予知システム。
3. 請求項１又は請求項２に係る配管内の水撃予知システムにおいて、
   前記検出部は、温度及び圧力を検出することによって、接続配管内の状態を検出することを特徴とする配管内の水撃予知システム。
4. 内部を流体が移動する主配管、
   主配管に接続された接続配管であって、内部を上流から下流に向けて流体が移動し、主配管に流体を流入させる接続配管、
   接続配管上に設けられており、流体の移動を遮断又は開放する開閉弁、
   を備えた配管内の水撃予知システムに関する水撃予知方法において、
   開閉弁の上流側の接続配管近傍の接続配管内の状態を検出し、
   開閉弁の上流側の流体が所定の危険状態にあるか否かを判別し、
   危険状態にあると判別したとき、水撃予報処理を行う、
   ことを特徴とする配管内の水撃予知方法。
   
   

Images