JP2019152391A - 蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で確実に過熱蒸気を減温・減圧することができる蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法の提供。【解決手段】減温器2に対する減温用水の注水量が適正である場合は、セパレータ6から排出されたドレンの一部はフラッシュ蒸気に転化し、注水量が不適正な場合、フラッシュ蒸気は発生しない。また、注水量が不適正に多い過剰注水のときはドレンの温度は基準温度aよりも低くなり、不適正に少ない不足注水のときはドレンの温度は基準温度aよりも逆に高くなる。モニタリングセンサ25は振動及び温度を検出して検出信号を無線送信し、この検出信号を受けた制御部12はフラッシュ蒸気の発生の有無、ドレンの温度を把握して注水バルブに信号を与え、注水量を制御する。【選択図】図１

Description

本願に係る蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法は、蒸気を熱源として用いる際の減温減圧の技術に関する。

産業プラントには、ボイラーで生成された過熱蒸気を供給先に向けて移送し、種々の工程における熱源として用いることがある。しかし、この過熱蒸気をそのまま熱源として用いるには温度が不安定で熱伝導率が小さい等の問題がある。このため、熱源に適するよう、過熱蒸気を減温・減圧して飽和蒸気に戻す必要がある。

このために蒸気の配管系統には、蒸気の減温システム（減圧減温システムともいう）が設けられている。このシステムは、配管系統上に減温器を有している。減温器には減温用の水が供給されており、移送された過熱蒸気中に水を噴霧して混入させ、蒸気を減温・減圧させて飽和蒸気に戻す。

ところが、減温器に供給する注水量には精密な制御が必要であり、注水量の制御システムは複雑化する傾向にある。この点に関連して、後記特許文献１に開示されている技術がある。この技術においては、配管系統に複数の減温器を設置して段階的に過熱蒸気を減温・減圧している。そして、各段階に対応させて複数の温度計を設け、各々の温度を測定し、全体をモニタリングして冷却水の供給量を制御している。

特開2017-72313号公報

しかし、前述の特許文献１に開示された技術では、減温システムの構成や制御内容が複雑になるという問題がある。

そこで本願に係る蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法は、これらの問題を解決することを課題とし、簡易な構成で確実に過熱蒸気を減温・減圧することができる蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法の提供を目的とする。

本願に係る蒸気の減温システムは、
過熱蒸気に対して減温用液体を供給して混入させ、減温した減温蒸気を生成する減温手段、
減温手段によって生成された減温蒸気から液体を抽出して分離させる分離手段、
分離手段によって抽出された液体の蒸発によって生じる振動を検出し、振動信号を出力する振動検出手段、
振動信号に基づいて減温用液体の供給量を制御する制御手段、
を備えたことを特徴とする。

本願に係る蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法においては、抽出された液体によって生じる振動を検出し、振動信号を出力する。そして、振動信号に基づいて減温用液体の供給量を制御する。

ここで、過熱蒸気に対して混入する減温用液体の供給量が適正な場合、減温蒸気から分離して取り出した液体又は減温蒸気が特有の振動を発生させる。したがって、振動信号に基づいて減温用液体の供給量を制御することによって、簡易な構成で確実に過熱蒸気を減温・減圧することができる。

本願に係る蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法の一実施形態を示す減温システムのブロック図である。 図１に示す制御部が実行する蒸気の減温に関するプログラムのフローチャートである。

［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蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法の下記の要素に対応している。
減温器2・・・減温手段
セパレータ6・・・分離手段
制御部12・・・制御手段
モニタリングセンサ25・・・振動検出手段、温度検出手段、再蒸発蒸気検出手段
減温用水・・・減温用液体
注水量・・・減温用液体の供給量
飽和蒸気・・・減温蒸気
検出フラッシュ信号・・・振動信号、再蒸発蒸気信号
検出温度信号・・・温度信号

［第１の実施形態］
本願に係る蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法の第１の実施形態を説明する。図１は本実施形態における減温システムのブロック図であり、図２は蒸気の減温に関するプログラムのフローチャートである。

（全体構成の説明）
産業プラント等において、ボイラーで生成された過熱蒸気は配管を通じて移送され、熱源に適するように、減温システムの下で減温・減圧される。本実施形態の減温システムにおいては、図１に示すように減温器2が設けられており、過熱蒸気はまずこの減温器2に取り込まれる。

この減温器2には減温用水が供給・注水されており、減温用水は減温器2内で過熱蒸気に向けて噴霧され、過熱蒸気に混入される。これによって、過熱蒸気は減温・減圧される。なお、制御弁である注水バルブ4の開閉度合に応じて、減温器2への注水量は増加又は減少する。

減温器2から出た蒸気には噴霧された減温用水及び過熱蒸気の凝縮ドレン等からなる水分が混入しているため、セパレータ6に与えられ、ここで蒸気から液体である水分（減温用水や凝縮ドレン）が抽出・分離されて取り出される。液体と気体とを分離するためのセパレータのメカニズムとしては、邪魔板を用いる方法や、メッシュに気体と液体とをぶつけて液体部分を滴り落とす方法等、様々なものがあるが、本実施形態においては気体と液体との比重量差を利用した遠心力を用いるサイクロン方法を採用し、より確実に蒸気と水分とを分離する。

すなわち、セパレータ6の本体内部は円筒形状を有しており、内蔵された羽根機構を蒸気が通過することによって本体内部で蒸気が螺旋状に旋回する。この際、蒸気に混入されている減温用水に遠心力が働いて外側に向けて吹き飛ばされ、蒸気と水分とが分離される。

吹き飛ばされた水分は本体内部の内壁面に付着し、重力に従って内壁面を伝って下方に移動し、排水口からドレンとして排水される。一方、水分が除去された蒸気は、本体内の中心軸に設けられている排気筒から取り出される。こうして減温・減圧された後、水分が分離された状態の蒸気は、飽和蒸気として種々の工程の熱源に用いられる。

ここで、セパレータ6から排出された水分であるドレンは高温高圧の状態であるため、排出によって低圧の雰囲気に晒されたとき、その一部が蒸発することでフラッシュ蒸気（再蒸発蒸気）に転化する。もっとも、ドレンがフラッシュ蒸気に転化する現象が生じるのは、過熱蒸気への減温用水の注水量が適正である場合に限られることが確認されている。すなわち、注水量が適正な量より多い過剰注水の場合には、ドレンが低圧の雰囲気に晒されたとしてもフラッシュ蒸気に転化する現象は生じない。なお、注水量が適正な量より少ない不足注水の場合は、ドレンが発生しないためフラッシュ蒸気が発生し難い。

また、過熱蒸気への減温用水の注水量が適正である場合、排出されるドレンの温度は一定の基準温度a示すが、過剰注水のときはドレンの温度は基準温度aよりも低くなり、不足注水のときはドレンの温度は基準温度aよりも逆に高くなる。

本実施形態においては、これらの点に着目し、フラッシュ蒸気の発生の有無及び排出されるドレンの温度に基づいて、過熱蒸気への減温用水の注水量を制御しようというものである。

フラッシュ蒸気は、セパレータ6からのドレンの排水管内で発生するが、その際、超音波を生じる。本実施形態では、この超音波に伴う特有の振動を検出することによって、フラッシュ蒸気の発生を検知する。

フラッシュ蒸気の発生に伴う超音波の振動の有無、及び排出されるドレンの温度を検出するために、本実施形態においてはセパレータ6からのドレンの排出管上に、蒸気トラップ26が設けられ、蒸気トラップ26とセパレータ6の間にモニタリングセンサ25が設けられている。

モニタリングセンサ25の検出ヘッドには、振動を検出するための検出針に接続された圧電素子や、温度を検出するための熱電対が設けられており（図示せず）、フラッシュ蒸気特有の振動及びドレンの温度を検出する。そして、モニタリングセンサ25は、検出した振動及び温度をそれぞれ検出振動信号及び検出温度信号として無線で発信する。

モニタリングセンサ25が発信したこれらの信号は、制御装置10内の受信部16を通じて制御部12に取り込まれる。なお、制御装置10にはメモリ14が設けられている。制御部12は、取り込んだ信号に基づきライン30を通じて注水バルブ4に開信号又は閉信号を与える。

（減温プログラムの説明）
続いて、図１に示す制御部12が実行する減温プログラムを、図２のフローチャートに従って説明する。制御部12は図２のフローチャートに示す処理を一定周期で繰り返し実行する。

まず、制御部12は、セパレータ6から排出されたドレンによってフラッシュ蒸気が発生しているか否かを判別する（ステップS1）。すなわち、制御部12は受信部16を通じて取り込んだ検出振動信号が、フラッシュ蒸気特有の振動を示しているか否かを判断する。制御装置12のメモリ14にはフラッシュ蒸気特有の振動データが記憶されており、検出振動信号と振動データとが一致する場合、検出振動信号を検出フラッシュ信号と把握し、フラッシュ蒸気が発生していると判断する。

なお、フラッシュ蒸気特有の振動データを量的に一定の幅を有する帯域として記憶しておき、検出振動信号がこの範囲内にある場合に、フラッシュ蒸気が発生していると判断してもよい。

セパレータ6から排出されたドレンによってフラッシュ蒸気が発生している場合は、前述の通り、過熱蒸気への減温用水の注水量が適正であると判断することができるため、制御部12は処理を終了する（ステップS1におけるYES判断）。これに対して、フラッシュ蒸気が発生していない場合は、過熱蒸気への減温用水の注水量が不適正であり、過剰注水又は不足注水のいずれかの状態であると認められるため、注水量を調整するためにステップS2以降の処理を行う（ステップS1におけるNO判断）。

まず、制御部12は、セパレータ6から排出されたドレンの検出温度が基準温度aより小さいか否かを判別する（ステップS2）。この基準温度aとは、過熱蒸気への減温用水の注水量が適正である場合におけるドレンの温度であり、基準温度ａのデータは予め制御装置12のメモリ14に記憶されている。制御部12はこの基準温度aと検出温度とを比較して判別を行う。なお、基準温度aを量的に一定の幅を有する帯域として記憶しておき、この範囲を下回る場合に、検出温度が基準温度aより小さいと判断してもよい。

ステップS2において、ドレンの検出温度が基準温度aより小さいと判断した場合は（ステップS2におけるYES判断）、ステップS3において、さらにドレンの検出温度が基準温度ｂより大きいか否かを判別する（ステップS3）。この基準温度ｂとは、最低量のドレンが発生している場合におけるドレンの温度である。基準温度ｂのデータは予め制御装置12のメモリ14に記憶されている。制御部12はこの基準温度ｂと検出温度とを比較して判別を行う。なお、基準温度ｂを量的に一定の幅を有する帯域として記憶しておき、この範囲を下回る場合に、検出温度が基準温度ｂより大きいと判断してもよい。

前述のように、ドレンの検出温度が、基準温度aより小さく、かつ、基準温度ｂより大きい場合（ステップS3におけるYES判断）、減温器2への注水量が適正量よりも多い過剰注水であると認められるため、制御部12はライン30を通じて注水バルブ4に閉信号を与え、注水バルブ4を所定の開閉量だけ閉じ、注水量を一定量だけ減少させる（ステップS5）。その後、ステップS1に戻り、ドレンの検出温度が基準温度aに達するまで上昇し、フラッシュ蒸気が発生するに至るまで処理を繰り返す。

これに対しステップS2において、ドレンの検出温度が基準温度a以上と判断された場合（ステップS2におけるNO判断）は、減温器2への注水量が適正量よりも少ない不足注水であると認められるため、ステップS6に進み、制御部12はライン30を通じて注水バルブ4に開信号を与え、注水バルブ4を所定の開閉量だけ開き、注水量を一定量だけ増加させる（ステップS6）。その後、ステップS1に戻り、ドレンの検出温度が基準温度aに達するまで下降し、フラッシュ蒸気が発生するに至るまで処理を繰り返す。

また、ステップS3において、ドレンの検出温度が基準温度ｂ以下と判断された場合（ステップS3におけるNO判断）は、ドレンの検出温度はが一定値よりも低いことを意味している。つまり、フラッシュ蒸気が発生せず、ドレン温度も低い状態であることから、過熱蒸気が減温器2に送気されていないと判定して、注水を停止させる（ステップS4）。

以上の処理を繰り返し、減温器2への注水量が適正化され、セパレータ6から排出されたドレンによってフラッシュ蒸気が発生したことを確認して（ステップS1）、減温プログラムを終了する。

［第２の実施形態］
次に、本願に係る蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では前述の通り、制御装置12のメモリ14に予めフラッシュ蒸気の発生に伴う特有の超音波の振動データと、過熱蒸気への減温用水の注水量が適正である場合におけるドレンの基準温度aが記憶されていた。ここで、減温器2やセパレータ6の設置状況によっては、周辺環境の影響を受け、過熱蒸気への減温用水の注水量が適正であってもフラッシュ蒸気の発生に伴う特有の超音波が発生せず、フラッシュ蒸気の発生に係る振動とは異なる特有の振動を発生させる可能性もある。

そこで、本実施形態では、減温器2やセパレータ6等を実際に設置した後、過熱蒸気へ適正量の減温用水を供給し、その際に現実に発生している振動及びドレンの温度を測定してこれらの個別的な実測データをメモリ14に記憶する。そして、以後、これらの実測データと検出振動とを比較し（図２ステップS1）、また検出温度とを比較して（図２ステップS2、S4）減温の制御を行う。

その他、本実施形態におけるシステムの基本的な構成や減温に関するプログラムの基本的な処理内容は、第１の実施形態において示した図１のブロック図、図２のフローチャートと同様である。

［その他の実施形態］
前述の各実施形態においては、モニタリングセンサ25は振動と温度の双方を検出する機能を備えており、同一個所の振動及び温度を検出しているが、振動検出用のセンサと温度検出用のセンサを別途用意した上、異なる箇所に取り付けて検出するようにしてもよい。

さらに、前述の各実施形態においては、過剰注水及び不足注水の双方を検出して注水量が適正になるよう制御しているが、過剰注水又は不足注水のいずれか一方のみに着目して制御することもできる。

本願に係る蒸気の減温システム及び蒸気の減温方法は、前述の各実施形態において例示した構成に限定されるものではなく、過熱蒸気を減温するシステムの蒸気移送経路上における振動を検出し、これに基づいて注水量を制御する構成である限り、他の構成を採用することもできる。

2：減温器 4：注水バルブ 6：セパレータ 10：制御装置
12：制御部 14：メモリ 16：受信部 25：モニタリングセンサ

Claims (4)

1. 過熱蒸気に対して減温用液体を供給して混入させ、減温した減温蒸気を生成する減温手段、
   減温手段によって生成された減温蒸気から液体を抽出して分離させる分離手段、
   分離手段によって抽出された液体の蒸発によって生じる振動を検出し、振動信号を出力する振動検出手段、
   振動信号に基づいて減温用液体の供給量を制御する制御手段、
   を備えたことを特徴とする蒸気の減温システム。
2. 過熱蒸気に対して減温用液体を供給して混入させ、減温した減温蒸気を生成する減温手段、
   減温手段によって生成された減温蒸気から液体を抽出して分離させる分離手段、
   分離手段によって抽出された液体の一部又は全部が再蒸発蒸気に転化したことを検出し、再蒸発蒸気信号を出力する再蒸発蒸気検出手段、
   再蒸発蒸気信号に基づいて減温用液体の供給量を制御する制御手段、
   を備えたことを特徴とする蒸気の減温システム。
3. 請求項２に係る蒸気の減温システムにおいて、
   前記分離手段によって抽出された液体の温度を検出して温度信号を出力する温度検出手段、
   を備えており、
   前記制御手段は、前記再蒸発蒸気信号及び温度信号に基づいて減温用液体の供給量を制御する、
   ことを特徴とする蒸気の減温システム。
4. 過熱蒸気に対して減温用液体を供給して混入させ、減温した減温蒸気を生成し、
   生成された減温蒸気から液体を抽出して分離させ、
   抽出された液体の蒸発によって生じる振動を検出し、振動信号を出力し、
   振動信号に基づいて減温用液体の供給量を制御する、
   ことを特徴とする蒸気の減温方法。
   
   

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