JP2725716B2 - 減圧ボイラ式気化器に於ける不凝縮性ガスの検出方法及び不凝縮性ガスの検出を伴う減圧ボイラ式気化器の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＬＮＧ等の低温流体を気
化するための減圧ボイラ式気化器に於ける不凝縮性ガス
の検出方法及び不凝縮性ガスの検出を伴う減圧ボイラ式
気化器の制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＮＧ等の低温流体を気化するための気
化器の一つとして減圧ボイラ式気化器があり、例えば図
２に示すような構成のものがある。この気化器は、バー
ナの燃焼ガスや高温蒸気等の加熱用熱媒体により内部の
缶水を加熱して蒸気を発生させる缶体１と、低温流体が
流れる伝熱管２を設けた気化部３を蒸気往き管４と凝縮
液戻り管５で接続し、これらの缶体１内と気化部３内、
即ち缶内を真空ポンプ６で排気状態として動作させる構
成としたものである。（例えば実開平2-9755号公報参
照）尚、このような減圧ボイラ式気化器では、缶体１と
気化部３を一体にしたものもある。(例えば実開平2-975
4号公報参照)上記構成に於いて、加熱用熱媒体により加
熱されて発生した減圧蒸気（以下単に蒸気という。）
は、蒸気往き管４を経て気化部３に流入し、ここで伝熱
管２を流れる低温流体と熱交換して低温流体を気化する
と共に、自体は凝縮して凝縮液戻り管５を経て缶体１に
還流するものである。

【０００３】以上の気化器に於いて、加熱用熱媒体の供
給量は缶水を一定の設定温度とするようにフィードバッ
ク制御を行うと共に、低温流体の流量に対応して導出し
たフィードフォワード量に基づいてフィードフォワード
制御を行っている。

【０００４】尚、図中符号８ａ，８ｂは夫々加熱用熱媒
体、低温流体の流量を調節する流量調節手段で、符号９
ａ，９ｂは流量調節弁、１０ａ，１０ｂは流量センサ、
１１ａ，１１ｂは調節計である。また符号１３は温度セ
ンサ１２により検出した缶水温度とその設定温度に基づ
いて加熱用熱媒体側の調節計１１ａの流量の目標値を導
出して設定する設定手段である。上述したように、この
調節計１１ａは設定手段１３を介して缶水温度のフィー
ドバック制御を行うと共に、低温流体側の調節計１１ｂ
から与えられるフィードフォワード量に基づいてフィー
ドフォワード制御を行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】缶水温度を直接的に検
出して制御を行う従来の方法では、缶水が持つ熱容量が
大きいことと、温度の検出に使用する温度センサ自体が
検出遅れを有することの２つの要因により無駄時間と時
定数が共に大きく、従って低温流体の流量の変化等に起
因する外乱が入ってから制御が安定を取り戻すまでに時
間がかかるという課題がある。そこで本発明は、缶水温
度による制御に代えて、これと一対一の対応関係にある
缶内圧力により制御を行うことにより、このような課題
を解決することを目的の一とする。

【０００６】ところで缶水温度と缶内圧力との一対一の
対応関係は、飽和状態に於いて缶内に空気等の不凝縮性
ガスが滞留していない場合にのみ成り立つので、缶内圧
力による制御を行う場合には、不凝縮性ガスの滞留を監
視し、これを検出した場合には適切な対処を行うことが
必要となる。本発明は、このような不凝縮性ガスの滞留
の検出方法そして、これに伴う制御方法を提供すること
を目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明は、まず、減圧ボイラ式気化器に於ける
低温流体の伝熱管に、その上流側から下流側に複数の温
度センサを設置してそれらの個所間の表面温度差を監視
し、所定以上の表面温度差により不凝縮性ガスの滞留を
検出する方法を提供する。また本発明は、上述した課題
を解決するための他の方法として、減圧ボイラ式気化器
に於ける低温流体の伝熱管に、その上流側から下流側に
複数の温度センサを設置してそれらの個所の表面温度
と、それらの個所間の表面温度差を監視し、いずれかの
個所の表面温度の所定以上の低下、または所定以上の表
面温度差により不凝縮性ガスの滞留を検出する方法を提
供する。

【０００８】更に本発明は、上述した不凝縮性ガスの検
出を伴う減圧ボイラ式気化器の制御方法として、缶水温
度を所定温度とするように加熱用熱媒体の供給量をフィ
ードバック制御して減圧蒸気の発生量を調節する減圧ボ
イラ式気化器に缶水温度センサと缶内圧力センサを設け
ると共に、これらの夫々のセンサの検出値と設定値とか
ら上記加熱用熱媒体の流量調節手段の調節計の目標値を
導出する流量設定手段と、これらの流量設定手段の切替
手段と、この切替手段を制御する切替制御手段とを構成
し、該切替制御手段は上述した検出方法により不凝縮性
ガスの滞留を検出して切替手段を制御して、缶内圧力に
よる制御から缶水温度による制御に切り替える制御方法
を提供する。

【０００９】

【作用】缶内に空気等の不凝縮性ガスが滞留して、これ
が低温流体の伝熱管に付着すると蒸気が伝熱管の表面に
接触しにくくなって、その表面温度が低下する。そして
出ガス温度も低下する。従って上記表面温度を監視して
いれば、その低下により不凝縮性ガスの滞留を検出する
ことができる。但し伝熱管の表面温度の低下は、低温流
体の負荷の上昇、即ち流量の増大によっても生じるの
で、上記不凝縮性ガスの滞留として検出する表面温度の
基準値は、流量に対応して変えて設定したり、流量の増
大によって低下する最低温度よりも低い値とし、即ち上
記表面温度が所定以上の低下をした場合に不凝縮性ガス
の滞留として検出する。

【００１０】ところで不凝縮性ガスは必ずしも伝熱管に
均等に付着するわけではないので、かかる不凝縮性ガス
の付着によって伝熱管の表面の温度分布が均一でなくな
り、表面間に温度差が生じる。従って、伝熱管の上流側
から下流側に複数の温度センサを設置してそれらの個所
の表面温度差を監視していれば、それらの表面温度差が
所定以上生じた場合を不凝縮性ガスの滞留として検出す
ることができる。

【００１１】減圧ボイラ式気化器では、飽和状態に於い
て、そして缶内に空気等の不凝縮性ガスが滞留していな
い場合には、缶水温度と缶内圧力の間には一定の対応関
係があるため、缶内圧力を検出すれば、この対応関係に
より間接的に缶水温度を検出することができる。従って
缶水温度の検出による制御に代えて、検出した缶内圧力
を所定圧力とするように制御することにより、間接的に
缶水温度を所定の温度に調節することができる。そして
このような制御では、缶内圧力の変化の検出に於ける無
駄時間と時定数が共に小さいので、応答特性の良い制御
を行うことができ、外乱に対して、より早く系を安定に
導くことができる。従って不凝縮性ガスの滞留を検出し
た場合には、缶内圧力による制御から従来と同様な缶水
温度による制御に切り替えることにより、缶水温度と缶
内圧力との一対一の対応関係が崩れた場合にも適切な制
御が行われる。

【００１２】

【実施例】次に本発明の実施例を図について説明する。
図１は本発明の制御方法を適用する減圧ボイラ式気化器
の構成を制御要素と共に表した系統図であり、図２に示
す従来の構成と同様な構成要素には同一の符号を付して
いる。

【００１３】図１に示した気化器は蒸気を発生させる缶
体１と低温流体を気化する気化部３を分離した構成であ
り、即ち加熱用熱媒体により内部の缶水を加熱して蒸気
を発生する缶体１と低温流体が流れる伝熱管２を設けた
気化部３を、蒸気往き管４と凝縮液戻り管５で接続し、
これらの缶体１内と気化部３内を減圧する真空ポンプ６
を設けている。そして缶体１には缶水の加熱手段として
の伝熱管７を設けており、この伝熱管７を流れる高温蒸
気等の加熱用熱媒体により缶水を加熱する構成としてい
る。上述したように本発明を適用する気化器は上記の構
成の他、缶体１と気化部３を一体とした構成等適宜であ
り、加熱用熱媒体及びこれを缶体１に供給する加熱手段
の構成も適宜である。

【００１４】上記加熱用熱媒体及び低温流体の伝熱管
７，２の夫々には、流量調節手段８ａ，８ｂを設けてお
り、これらの流量調節手段８ａ，８ｂは、夫々流量調節
弁９ａ，９ｂと流量センサ１０ａ，１０ｂ及び調節計１
１ａ，１１ｂとから構成している。符号１２は缶水温度
を検出する温度センサ、１３は温度センサ１２により検
出した缶水温度とその設定温度に基づいて加熱用熱媒体
側の調節計１１ａの目標値を導出して設定する第一の設
定手段である。また符号１４は導圧管１５を介して缶内
圧力を検出する圧力センサを備え、この検出した缶内圧
力とその設定圧力に基づいて加熱用熱媒体側の調節計１
１ａの目標値を導出して設定する第二の設定手段であ
る。符号１６は調節計１１ａの制御を第一、第二の設定
手段１３、１４のいずれかに切り替える切替手段であ
り、この切替手段１６は切替制御手段１７により切り替
える構成としている。符号１８は上記加熱用熱媒体側の
調節計１１ｂのフィードフォワード量を導出して設定す
る第三の設定手段であり、この第三の設定手段１８は、
缶水温度の条件での蒸気と低温流体の熱交換に於ける熱
の静的バランスから得られる一定の流量比と、低温流体
側の調節計１１ｂから得た低温流体の流量とからフィー
ドフォワード量を導出する。符号Ｓは伝熱管７の表面温
度を測定する温度センサであり、この温度センサＳは伝
熱管２の上流側から下流側に複数設置している。図１で
は温度センサＳは５個示しており、また図３では９個示
している。これらの温度センサＳの信号は、上記切替制
御手段１７に入力され、この切替制御手段１７により各
温度センサＳによる伝熱管２の表面温度を処理して、そ
れらの表面温度と表面温度差の監視を行う構成としてい
る。

【００１５】以上の構成に於いて、缶内に空気等の不凝
縮性ガスが滞留しておらず、従って切替制御手段１７が
その検出状態でない場合には、切替制御手段１７は切替
手段１６を第二の設定手段１４側に切り替えて加熱用熱
媒体側の調節計１１ａの制御を行う。かかる制御は缶水
温度の検出と比較して無駄時間と時定数が共に小さい缶
内圧力を検出して行うため、応答速度の早い制御を行う
ことができ、より早く系を安定に導くことができる。

【００１６】図５はこのような缶内圧力による制御をＬ
ＮＧの気化に適用した実施結果の一例を示すものであ
り、また図６は従来と同様に缶水温度の検出による制御
を実施した結果を示すものであり、両者共にＬＮＧ流量
を変化させた場合の缶内圧力、缶内温度、加熱用熱媒体
としての高温蒸気量及び流量調節弁９ａの開度の挙動を
表している。これらの図に示されるように、缶内圧力の
測定による制御では、缶水温度の検出による制御と比較
して、上記各変量の変動量が小さく制御性が良好で、よ
り早く系が安定に導かれることがわかる。

【００１７】以上の制御に於いて缶内に空気が入って滞
留し、これが低温流体の伝熱管２に付着すると蒸気が伝
熱管２の表面に接触しにくくなって、その表面温度が低
下する。例えば図４は、図３に示すように温度センサＳ
（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８，
Ｓ９）を設置した伝熱管２に於いて、温度センサＳ５に
対応する個所に空気が付着した場合を示すもので、この
個所の表面温度は時間の経過につれ次第に低下し、一
方、他の温度センサＳ１，Ｓ３に対応する個所の表面温
度は低下しない。この状態を放置すると、温度センサＳ
５の対応個所の表面温度はついには０℃以下となって氷
結が生じる。このような空気の付着状態に於いては、当
該温度センサＳ５の検出値と、他のいずれかの温度セン
サ、この場合温度センサＳ１の検出値の差が所定の幅Δ
Ｔ以上であるか否かを監視したり、またはいずれかの温
度センサ、この場合温度センサＳ５が基準温度Ｔよりも
高いか低いかを監視することにより上述した空気の付着
状態を切替制御手段１７に於いて検出することができ
る。またこれらの監視を両者共に行い、それらの論理和
として検出を行えば、何れか一方にのみ所定以上の現象
が現れる空気の付着状態も検出することができる。

【００１８】ところで上述した気化器に於ける、缶水温
度（θｓ）、低温流体流量（Ｇ）、低温流体の入口温度
（θｉ）及び出ガス温度（θ）の関係は、缶内に於ける
微小要素のヒートバランスから得られる微分方程式を解
き、定常解を求めることにより次式の通りに表すことが
できる。 θ＝（１−ｆ（Ｇ））θｓ＋ｆ（Ｇ）θｉ ………（１） 但し、ｆ（Ｇ）は、伝熱面積をパラメータに持つ単調増
加関数である。上式に於いて、θｓ＞θｉであるから、
缶水温度（θｓ）が一定とすると、出ガス温度（θ）は
低温流体流量（Ｇ）の増加に対して単調減少する。ま
た、この出ガス温度の低下と共に、伝熱管２の温度も低
下する。従って、上記不凝縮性ガスの滞留として検出す
る表面温度の基準値は、流量に対応して変えて設定した
り、流量の増大によって低下する最低温度よりも低い値
として設定すれば良い。前者の場合には、切替制御手段
１７は低温流体側の調節計１１ｂからの流量信号を参照
して上記検出を行うことになる。

【００１９】上述した如く切替制御手段１７が空気の滞
留を検出した際には、この切替制御手段１７は、切替手
段１６を動作して第一の設定手段１３による調節計１１
ａの制御に切り替えて所定のバックアップ運転を行うこ
とができる。このようなバックアップ運転に於いては、
缶水温度と缶内圧力との一対一の対応関係が崩れていて
も直接的に缶水温度を設定温度とするように適切に制御
することができる。

【００２０】尚、本発明の不凝縮性ガスの検出方法は、
缶水温度の検出による制御のみを行う従来の減圧ボイラ
式気化器の制御方法にも適用し得ることは勿論であり、
この場合は不凝縮性ガスの滞留を検出して真空ポンプ６
を動作させて、滞留による不都合を解消することができ
る。

【００２１】

【発明の効果】本発明は以上の通り、減圧ボイラ式気化
器に於いて、伝熱管の表面温度の低下や出ガス温度の低
下をもたらす空気等の不凝縮性ガスの滞留を、伝熱管の
上流側から下流側に設置した複数の温度センサによる表
面温度差の監視により行うので、不凝縮性ガスが伝熱管
に不均等に付着した場合でも、確実に不凝縮性ガスの滞
留を検出することができ、この検出に基づいて所定の処
理を行うことにより、氷結等の発生や熱効率の悪化を防
止することができるという効果がある。

【００２２】また、このような不凝縮性ガスの滞留の検
出方法を、缶内圧力による制御と缶水温度による制御を
切替可能に構成した減圧ボイラ式気化器の制御方法に適
用することにより、上記滞留がない場合には、前者の制
御に切り替えて、無駄時間と時定数が共に小さい制御を
行うことができ、従って応答特性の良い制御を行うこと
ができ、外乱に対して、より早く系を安定に導くことが
できると共に、滞留が発生した場合には、後者の制御に
切り替えることにより、缶水温度と缶内圧力との一対一
の対応関係が崩れた場合にも適切な制御を維持すること
ができ、従って前者の制御を安全に、安定して行えると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を適用する減圧ボイラ式気化器の
構成を制御要素と共に表した系統図である。

【図２】従来の減圧ボイラ式気化器の構成を制御要素と
共に表した系統図である。

【図３】本発明の方法に於ける温度センサの設置例を表
した説明図である。

【図４】図３の温度センサによる伝熱管の表面温度の検
出例を示す説明図である。

【図５】本発明の制御方法に於いて、缶内圧力による制
御を行った場合の制御特性を示す説明図である。

【図６】本発明の制御方法に於いて、従来と同様に缶水
温度による制御を行った場合の制御特性を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 缶体 ２ 伝熱管 ３ 気化部 ４ 蒸気往き管 ５ 凝縮液戻り管 ６ 真空ポンプ ７ 伝熱管 ８ａ 流量調節手段 ８ｂ 流量調節手段 ９ａ 流量調節弁 ９ｂ 流量調節弁 １０ａ 流量センサ １０ｂ 流量センサ １１ａ 調節計 １１ｂ 調節計 １２ 温度センサ １３ 第一の設定手段（設定手段） １４ 第二の設定手段 １５ 導圧管 １６ 切替手段 １７ 切替制御手段 １８ 第三の設定手段 Ｓ 温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒川 正裕 千葉県船橋市古作４−８−３ (56)参考文献 特開 昭60−233444（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−208652（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−9755（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−85947（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−85948（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−158945（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧ボイラ式気化器に於ける低温流体の
   伝熱管に、その上流側から下流側に複数の温度センサを
   設置してそれらの個所間の表面温度差を監視し、所定以
   上の表面温度差により不凝縮性ガスの滞留を検出するこ
   とを特徴とする減圧ボイラ式気化器に於ける不凝縮性ガ
   スの検出方法
2. 【請求項２】 減圧ボイラ式気化器に於ける低温流体の
   伝熱管に、その上流側から下流側に複数の温度センサを
   設置してそれらの個所の表面温度と、それらの個所間の
   表面温度差を監視し、いずれかの個所の表面温度の所定
   以上の低下、または所定以上の表面温度差により不凝縮
   性ガスの滞留を検出することを特徴とする減圧ボイラ式
   気化器に於ける不凝縮性ガスの検出方法
3. 【請求項３】 缶水温度を所定温度とするように加熱用
   熱媒体の供給量をフイードバック制御して減圧蒸気の発
   生量を調節する減圧ボイラ式気化器に缶水温度センサと
   缶内圧力センサを設けると共に、これらの夫々のセンサ
   の検出値と設定値とから上記加熱用熱媒体の流量調節手
   段の調節計の目標値を導出する流量設定手段と、これら
   の流量設定手段の切替手段と、この切替手段を制御する
   切替制御手段とを構成し、該切替制御手段は請求項１又
   は２の検出方法により不凝縮性ガスの滞留を検出して切
   替手段を制御して、管内圧力による制御から缶水温度に
   よる制御に切り替えることを特徴とする不凝縮性ガスの
   検出を伴う減圧ボイラ式気化器の制御方法