JP2019090640A

JP2019090640A - 蒸気流量計測装置

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Publication number: JP2019090640A
Application number: JP2017218052A
Authority: JP
Inventors: 健史矢嶌; Takeshi Yajima; 雅樹横坂; Masaki YOKOSAKA
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: JP6988391B2

Abstract

【課題】配管内を流れる蒸気の流量を計測できる独立した装置としての蒸気流量計測装置を提供する。【解決手段】本発明にかかる蒸気流量計測装置１００は、蒸気配管２０４内を流れる蒸気の流量を計測する蒸気流量計測装置において、蒸気配管に接して配置されるペルチェ素子１０２と、ペルチェ素子の外側に配置される冷却装置１０４と、ペルチェ素子の発電容量を計測および記録する計測部１２２と、記録した発電容量を送信する無線通信部１２４と、を備え、計測部および無線通信部の電力をペルチェ素子が発電した電力でまかなうことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、配管内を流れる蒸気の流量を計測する蒸気流量計測装置に関する。

工場等の施設では、例えばボイラー等によって生成した蒸気によって設備を動作させることがある。このとき、ボイラー等において生成された蒸気は、配管を通じて設備に供給される。このような工場等の施設では、配管における蒸気の流量あるいは熱量を計測することで、例えばエネルギーの使用状況を診断できる。

特許文献１には、配管内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する熱量計が記載されている。この熱量計は、冷却装置によって配管の表面を冷却し、冷却されることにより配管の表面から流出する熱流束を用いて蒸気の流速を計測し、これを用いて蒸気の熱量を計測している。

具体的には、熱量計では、冷却装置と同じ位置に配置された熱流束センサによって配管の表面から流出する熱流束を測定し、第１温度センサによって配管中心部の蒸気の温度を測定し、冷却装置と同じ位置に配置された第２温度センサによって配管の表面温度を測定している。そして熱量計では、熱流束センサで測定された熱流束と第１温度センサおよび第２温度センサにおいて測定された温度の差とに基づいて、配管内を流れる蒸気の熱量の変動を算出している。

特許文献１では、従来では配管を加熱して奪われる熱を利用していたのに対し、配管を冷却して温度勾配を形成し、熱流束を利用して流速を計測することにより、従来のように蒸気の温度を超えるほどの熱を加える必要がないため、蒸気が流れる配管においても好適に適用できる、としている。

特開２０１５−１９７３１３号公報

特許文献１に記載の熱量計では、配管を冷却するため、配管を加熱する場合と異なり、高出力の電源は不要となる。しかし熱量計では、必要とされる電力を内蔵バッテリーなどでまかなうことなるため、内蔵バッテリーの定期的な交換や充電が必要となる。また、算出された蒸気の熱量の変動を示すデータを送信する場合には、データ送信の配線が必要となる。このように特許文献１に記載の技術には、熱量計を独立した（密封された）装置とする点で改善の余地があった。

本発明は、このような課題に鑑み、配管内を流れる蒸気の流量を計測できる独立した装置としての蒸気流量計測装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる蒸気流量計測装置の代表的な構成は、配管内を流れる蒸気の流量を計測する蒸気流量計測装置において、配管に接して配置される熱電変換素子と、熱電変換素子の外側に配置される冷却装置と、熱電変換素子の発電容量を計測および記録する計測部と、記録した発電容量を送信する無線通信部と、を備え、計測部および無線通信部の電力を熱電変換素子が発電した電力でまかなうことを特徴とする。

上記構成では、熱電変換素子（ペルチェ素子）を配管に接して配置し、熱電変換素子の外側、すなわち熱電変換素子のうち配管に接する面とは反対側の面に冷却装置を配置している。このため、熱電変換素子では、配管に接する面が配管表面の温度となり、反対側の面が冷却装置により冷却されて大気の温度（施設内の温度）に準じた温度となる（完全に室温までは下がらない）。配管内部の蒸気から見ると、蒸気は熱電変換素子を介して冷却されるが、流れが遅ければ温度の低下が大きく、流れが速いほど温度の低下が小さい。熱電変換素子から見ると、流れが速ければ温度勾配が大きくなって通過する熱量が大きくなり、流れが遅ければ通過する熱量が小さくなる。

熱電変換素子は、一方の面から他方の面に流れる熱量に応じて発電する性質を有しているため、発電容量から通過した熱量を求めることが可能となる。蒸気が凝縮しない場合は強制対流熱伝達となるが、配管の需要端では飽和蒸気となっていて、少しでも冷却するとすぐに凝縮を生じるため、凝縮熱伝達とみなすことができる。そして、発電容量に比例して凝縮熱伝達の熱伝達率を求めることができる。凝縮熱伝達の熱伝達率から、さらに蒸気の流速および流量を求めることができる。

そこで上記構成では、計測部により熱電変換素子の発電容量を計測して記録し、さらに記録した発電容量を無線通信部により送信している。このため、データ送信された熱電変換素子の発電容量に基づいて、配管内を流れる蒸気の流量を送信先で適宜算出できる。また無線でデータ送信しているため、データ送信の配線が不要となる。特に上記構成では、計測部および無線通信部の電力を、熱電変換素子が発電した電力でまかなうため、電源の配線が不要となる。したがって、上記構成によれば、蒸気流量計測装置を独立した装置とすることができるため、防爆仕様とすることができ、設置場所を選ばず使用できる。

上記の冷却装置は、ヒートシンクと、ヒートシンクの外側に配置された冷却ファンとを有し、冷却ファンの電力を熱電変換素子が発電した電力でまかなうとよい。ここで蒸気の温度と冷却装置の能力によっては、配管内の蒸気が凝縮しない場合も考えられる。例えば配管の上流などで蒸気の温度が高い場合（過熱蒸気の場合）や、蒸気の流速が速い（流量が多い）場合などである。しかし、強制対流熱伝達の場合と凝縮熱伝達の場合では、発電容量に比例する熱伝達率が異なる。そして、配管内で凝縮が起こっているかどうかを知ることは難しい。

そこで上記のように、ヒートシンクと冷却ファンによって冷却能力を高めている。配管からより大きな熱を奪うことにより、配管内の蒸気を確実に凝縮させることができる。したがって、配管の上流でも下流（需要端）でも、流量が多くても少なくても、一律に凝縮熱伝達の熱伝達率を適用することができる。

なお冷却ファンの電力も熱電変換素子が発電した電力でまかなうことにより、電源の配線の追加は不要である。

上記の無線通信部は、マルチホップ接続で他の装置のデータを中継するとよい。これにより、広い施設（工場）の敷地内に、蒸気流量計測装置を複数箇所に設置した場合であっても、無線アクセスポイントを増やすことなく事業所のコンピュータでデータを容易に収集することができる。

本発明によれば、配管内を流れる蒸気の流量を計測できる独立した装置としての蒸気流量計測装置を提供することができる。

本発明の実施形態における蒸気流量計測装置が適用される施設を例示する図である。本発明の実施形態における蒸気流量計測装置を模式的に示す図である。図２の蒸気流量計測装置を取り付けた状態を例示する斜視図である。図３の配管から取り外された状態の蒸気流量計測装置の一部を例示する図である。配管内を流れる蒸気の流量を計測する原理を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態における蒸気流量計測装置が適用される施設を例示する図である。工場などの施設２００は、例えばボイラー２０２と、ボイラー２０２から延びる配管（蒸気配管２０４）と、生産設備２０６ａ、２０６ｂとを備える。施設２００では、ボイラー２０２によって蒸気が生成され、生成された蒸気は蒸気配管２０４を通じて生産設備２０６ａ、２０６ｂに供給される。蒸気配管２０４には、以下に述べる蒸気流量計測装置１００が複数箇所に適宜設置されている。

図中では施設２００の構成として、蒸気生成設備としてのボイラー２０２と、蒸気が供給される設備としての生産設備２０６ａ、２０６ｂとを例示したが、これに限定されない。すなわち施設２００に限らず、蒸気が流れる蒸気配管２０４を備える適宜の施設であれば、本実施形態にかかる蒸気流量計測装置を適用可能である。

図２は、本発明の実施形態における蒸気流量計測装置１００を模式的に示す図である。蒸気流量計測装置１００は、蒸気配管２０４内を流れる蒸気の流量を計測する装置であって、蒸気配管２０４に取付けられる。なお蒸気流量計測装置１００は、広い施設２００の敷地内の複数箇所に設置される場合がある。以下では、蒸気配管２０４の下流（需要端）に設置された蒸気流量計測装置１００を代表的に例示している。

蒸気配管２０４は、図示のように蒸気流量計測装置１００の取付箇所２０８を除いて、断熱材２１０によって被覆されている。このため蒸気配管２０４のうち、蒸気流量計測装置１００の取付箇所２０８は放熱し易くなっている。

蒸気流量計測装置１００は、熱電変換素子の例としてのペルチェ素子１０２と、冷却装置１０４とを備える。冷却装置１０４は、アルミブロックで形成されたヒートシンク１０６と、ヒートシンク１０６の外側に配置された冷却ファン１０８とを有する。また冷却装置１０４は、蒸気配管２０４を囲むように配置されるため（図３参照）、蒸気配管２０４を挟んで対向する側にも他のヒートシンク１１０および冷却ファン１１２が配置される。

ペルチェ素子１０２は、一方の面１１４から他方の面１１６に流れる熱量に応じて発電する性質を有する。ペルチェ素子１０２は、一方の面１１４が蒸気配管２０４に接するように配置される。また、ペルチェ素子１０２の他方の面１１６すなわち外側には、冷却装置１０４のヒートシンク１０６が配置される。

このため、ペルチェ素子１０２では、蒸気配管２０４に接する一方の面１１４が配管表面の温度となり、他方の面１１６が冷却装置１０４により冷却されて大気の温度（施設２００内の温度）に準じた温度となる。これにより、ペルチェ素子１０２では、一方の面１１４から他方の面１１６に熱量が流れ、通過した熱量に応じて発電する。そしてペルチェ素子１０２を通過した熱量は、ペルチェ素子１０２の発電容量から求めることができる。

蒸気流量計測装置１００はさらに、回路部１１８を備える。回路部１１８は、蓄電部１２０と、計測部１２２と、無線通信部１２４とを有する。蓄電部１２０は、配線１２６ａを介してペルチェ素子１０２に接続され、さらに配線１２６ｂを介して計測部１２２、無線通信部１２４および冷却ファン１０８に接続されている。なお蓄電池１２０は、図示を省略するが、配線１２６ｂを介してもう一つの冷却ファン１１２（図３参照）にも接続されている。

蓄電部１２０は、コンデンサであって、配線１２６ａを介してペルチェ素子１０２が発電した電気を蓄えて、配線１２６ｂを介して計測部１２２、無線通信部１２４および冷却ファン１０８、１１２に電力を供給する。つまり、計測部１２２、無線通信部１２４および冷却ファン１０８、１１２の電力は、ペルチェ素子１０２が発電した電力でまかなわれている。

計測部１２２は、配線１２６ｃを介してペルチェ素子１０２に接続されている。計測部１２２は、配線１２６ｃを介して接続されたペルチェ素子１０２の発電容量を計測および記録する。

無線通信部１２４は、計測部１２２により記録された発電容量を数値化（Ａ／Ｄ変換）してログを蓄積し、事業所などに無線でデータ送信する。また無線通信部１２４は、マルチホップ接続で施設２００の敷地内の他の箇所に設置された他の蒸気流量計測装置のデータを中継する。このような無線通信部１２４を用いることで、広い施設２００の敷地内に、無線アクセスポイントを増やすことなく、送信先となる事業所のコンピュータでデータ（すなわち記録された発電容量）を容易に収集できる。

以下、蒸気配管２０４の内部を流れる蒸気について説明する。蒸気配管２０４の内部の蒸気は、熱量が通過するペルチェ素子１０２を介して冷却されるが、蒸気の流れが遅ければ温度の低下が大きく、流れが速いほど温度の低下が小さい。仮に温度の低下が小さく蒸気が凝縮しない場合は、強制対流熱伝達となる。しかし蒸気配管２０４の下流（需要端）では飽和蒸気となっていて、少しでも冷却するとすぐに凝縮を生じるため、凝縮熱伝達とみなすことができる。そして、ペルチェ素子１０２の発電容量に比例して凝縮熱伝達の熱伝達率（凝縮熱伝達率）を求めることができる。さらに後述するように、凝縮熱伝達率から、蒸気の流速および流量を求めることができる。

ただし、蒸気の温度と冷却装置１０４の冷却能力によっては、蒸気配管２０４内の蒸気が凝縮せず、強制対流熱伝達となる場合も考えられる。例えば蒸気配管２０４の上流などで蒸気の温度が高い場合（過熱蒸気の場合）や、蒸気の流速が速い（流量が多い）場合などが挙げられる。しかし、このような強制対流熱伝達となる場合と蒸気配管内の蒸気が凝縮して凝縮熱伝達となる場合では、発電容量に比例する熱伝達率が異なる。しかも、蒸気配管２０４内で凝縮が実際に起こっているかどうかを知ることは困難である。そこで、蒸気配管２０４内の蒸気を確実に凝縮させるために、冷却装置１０４では、冷却能力を高める構成を採用した。

図３は、図２の蒸気流量計測装置１００を取り付けた状態を例示する斜視図である。図４は、図３の蒸気配管２０４から取り外された状態の蒸気流量計測装置１００の一部を例示する図である。

冷却装置１０２は、図４（ａ）に示すように、２つに分割されたヒートシンク１０６、１１０によって構成されている。冷却ファン１０８、１１２は、図４（ｂ）に示すようにヒートシンク１０６、１１０の外側にそれぞれ配置されている。ヒートシンク１０６、１１０は、ヒンジ１２８を介して開閉可能に連結されている。

またヒートシンク１０６、１１０は、蒸気配管２０４（図３参照）の表面に沿う凹形状の内面１３０、１３２を有する。さらにヒートシンク１０６の内面１３０には、図４（ａ）に示すようにペルチェ素子１０２が配置されている。

なおヒートシンク１０６、１１０の内面１３０、１３２には、不図示の熱伝達シートを配置してもよい。このようにすれば、蒸気配管２０４の表面が粗い場合であっても、ヒートシンク１０６、１１０の内面１３０、１３２と蒸気配管２０４の表面との密着度を高めることができ、熱伝達率を高めることが可能となる。

ヒートシンク１０６の上側、下側には、図４（ａ）に示すように、スナップ１３４ａ、１３４ｂがそれぞれ設けられている。一方、ヒートシンク１１０の上側、下側には、スナップ１３４ａ、１３４ｂと係合する係合部１３６ａ、１３６ｂがそれぞれ設けられている。

このような冷却装置１０４を蒸気配管２０４に取付ける場合には、まず、ヒンジ１２８を介してヒートシンク１０６、１１０同士を接近させて、ヒートシンク１０６、１１０の対向する内面１３０、１３２を蒸気配管２０４にそれぞれ接触させる。つぎに、ヒートシンク１０６のスナップ１３４ａ、１３４ｂにヒートシンク１１０の係合部１３６ａ、１３６ｂをそれぞれ係合させる。

このようにして冷却装置１０４は、図３に示すように、蒸気配管２０４を囲むようにして取付けられる。そして、ヒートシンク１０６の内面１３０に配置されたペルチェ素子１０２は、一方の面１１４（図２参照）が蒸気配管２０４の表面に接することになる。なお回路部１１８は、図３に示すように蒸気配管２０４の表面に適宜取付け可能となっている。

これにより、蒸気配管２０４の表面の熱がペルチェ素子の一方の面１１４から他方の面１１６に流れ、さらにヒートシンク１０６、１１０によって放熱される。そのヒートシンク１０６、１１０の放熱は、冷却ファン１０８、１１２によって促進される。

このように冷却装置１０４では、ヒートシンク１０６、１１０と冷却ファン１０８、１１２によって冷却能力が高められている。このため、冷却装置１０４は、ペルチェ素子１０２を介して蒸気配管２０４からより大きな熱を奪うことができ、蒸気配管２０４内の蒸気を確実に凝縮させることができる。したがって、蒸気配管２０４の上流でも下流（需要端）でも、流量が多くても少なくても、一律に凝縮熱伝達率を適用できる。なお、冷却装置１０４におけるヒートシンクおよび冷却ファンの数は例示に過ぎず、適宜変更してもよい。

図５は、蒸気配管２０４内を流れる蒸気の流量を計測する原理を説明する図である。蒸気配管２０４内を流れる蒸気には、温度分布および速度分布が存在し、蒸気配管２０４の内面に接する流体において温度が変化する温度境界層、および速度が変化する速度境界層が生じる。速度境界層および温度境界層は、蒸気の流速が速くなるにしたがって薄くなる。そして、温度境界層が薄くなるにしたがって熱勾配が大きくなるために蒸気配管２０４の表面温度が上昇し、その上昇にともなって熱流束（熱量）が増大する。

このため、ペルチェ素子１０２を通過した熱量から、蒸気配管２０４内を流れる蒸気の流速および流量を算出することが考えられる。しかし本実施形態では、通過した熱量に応じて発電するというペルチェ素子１０２の性質を利用して、ペルチェ素子１０２を通過した熱量を直接用いるのではなく、その発電容量に比例する熱伝達率から、蒸気の流速および流量を算出する。

ここで本実施形態では、冷却能力の高い冷却装置１０４により、蒸気配管２０４内の蒸気が確実に凝縮しているため、凝縮熱伝達となる。このため、熱伝達率としては、凝縮熱伝達率の式を適用できる。そこで、まずペルチェ素子１０２の発電容量から、それに比例する凝縮熱伝達率ｈを求める。

一方、凝縮熱伝達率ｈは、以下の式（１）によって示される。式（１）におけるＮｕはヌセルト数、ｒiは蒸気配管２０４の内径である。なおλｗは流体の熱伝導率であり、流体の種類と流体の温度によって定められる。したがって、この式（１）に、ペルチェ素子１０２の発電容量から求めた凝縮熱伝達率ｈを代入することにより、ヌセルト数Ｎｕを算出できる。
ｈ＝Ｎu×λｗ／ｒi …式（１）

レイノルズ数Ｒｅ＞１０，０００の乱流時には、凝縮熱伝達の式（２）に示すように、ヌセルト数Ｎｕは、レイノルズ数Ｒｅとプラントル数Ｐｒの関数として表される。プラントル数Ｐｒは、流体の種類と流体の温度によって定められる。ｘは、平板前縁からの距離または二相流における蒸気のクオリティであり、Ｐは圧力、Ｐ_crは臨界圧力である。

したがって、式（１）によって算出したヌセルト数Ｎｕを凝縮熱伝達の式（２）に代入することにより、レイノルズ数Ｒｅを算出できる。
Ｎｕ＝ｆ（Ｒｅ，Ｐｒ）
＝０．０２３Ｒｅ^0.8Ｐｒ^0.4［（１−ｘ）^0.8＋３．８ｘ^0.76×（１−ｘ）^0.04／（Ｐ／Ｐ_cr）^0.38］ …式（２）

さらに、上記式（２）によって算出したレイノルズＲｅと流速Ｖとの関係は、式（３）によって示される。式（３）において、動粘性係数νは、流体の種類と流体の温度によって定められる。

したがって、式（２）において算出したレイノルズＲｅを式（３）に代入することにより、蒸気配管２０４を流れる蒸気の流速Ｖが算出される。
Ｒｅ＝Ｖ×ｒi／ν …式（３）

そして、上述した式（１）〜式（３）を用いて算出された蒸気の流速に、蒸気配管２０４内の断面積を乗算することにより、蒸気の単位時間あたりの流量を算出できる。

上記説明したように、本実施形態にかかる蒸気流量計測装置１００によれば、ペルチェ素子１０２の発電容量を計測部１２２により計測して記録でき、さらに記録された発電容量を無線通信部１２４により無線で事業所にデータ送信できる。そして、送信先となる事業所のコンピュータにおいて、送信されたペルチェ素子１０２の発電容量からそれに比例する凝縮熱伝達率を求め、さらに凝縮熱伝達率から、蒸気配管２０４内を流れる蒸気の流量を算出できる。

また蒸気流量計測装置１００では、記録された発電容量を無線でデータ送信しているため、データ送信の配線が不要となる。さらに蒸気流量計測装置１００では、上記したように計測部１２２、無線通信部１２４および冷却ファン１０８、１１２の電力を、ペルチェ素子１０２が発電した電力でまかなうため、電源の配線も不要となる。したがって蒸気流量計測装置１００は、独立した装置として機能できるため、防爆仕様とすることができ、設置場所を選ばず使用できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、配管内を流れる蒸気の流量を計測する蒸気流量計測装置として利用することができる。

１００…蒸気流量計測装置、１０２…ペルチェ素子、１０４…冷却装置、１０６、１１０…ヒートシンク、１０８、１１２…冷却ファン、１１４…ペルチェ素子の一方の面、１１６…ペルチェ素子の他方の面、１１８…回路部、１２０…蓄電部、１２２…計測部、１２４…無線通信部、１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ…配線、１２８…ヒンジ、１３０、１３２…ヒートシンクの内面、１３４ａ、１３４ｂ…スナップ、１３６ａ、１３６ｂ…係合部、２００…施設、２０２…ボイラー、２０４…蒸気配管、２０６ａ、２０６ｂ…生産設備、２０８…取付箇所、２１０…断熱材

Claims

配管内を流れる蒸気の流量を計測する蒸気流量計測装置において、
前記配管に接して配置される熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の外側に配置される冷却装置と、
前記熱電変換素子の発電容量を計測および記録する計測部と、
記録した発電容量を送信する無線通信部と、
を備え、
前記計測部および無線通信部の電力を前記熱電変換素子が発電した電力でまかなうことを特徴とする蒸気流量計測装置。
前記冷却装置は、ヒートシンクと、該ヒートシンクの外側に配置された冷却ファンとを有し、
前記冷却ファンの電力を前記熱電変換素子が発電した電力でまかなうことを特徴とする請求項１に記載の蒸気流量計測装置。
前記無線通信部は、マルチホップ接続で他の装置のデータを中継することを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気流量計測装置。