JP3872818B2 - スプリング補助付き多ノズル式過熱低減器 - Google Patents

Description

本発明の背景
本発明は、概して蒸気用過熱低減器（steam desuperheaters）に関し、さらに詳細には、所定の温度レベルにおける蒸気を維持するために蒸気管内に水を噴霧するためのスプレー式過熱低減器に関する。
蒸気を取り扱う多くの応用装置が、ボイラー等の多くの蒸気発生器がときおり過度に過熱された蒸気を発生する傾向にある一方で、飽和もしくは僅かに過熱された蒸気を最も効率的に使用するために提供されている。このことは、蒸気発生器からの発生物の反応よりも応用装置が要求する蒸気の方が素早く変化するということに関して特に真実である。これらの状況下では、過熱された蒸気を発生するための蒸気発生器の動力を促進するとともに、蒸気内に水を注入して過熱度を減少させることにより、最適効率を得ることができる。
水注入器の一般的な形式として、蒸気管の中間部に配置されるとともに、蒸気流れ中の下流側に細かい霧状の水を噴霧するために採用された固定スプレーノズルを有するスプレーヘッドが使用されている。したがって、蒸気内に注入される水の実際の体積は、水供給の圧力を増減させることにより変化させられるとともに、この圧力は、常に、ノズルにおけるライン内の蒸気の圧力よりも十分に大きい圧力に維持されなければならない。過熱度は蒸気発生量および流量とともに変化するので、他の変数の中でも蒸気温度、すなわち注入後の水が完全に蒸発しかつ平衡状態に到達するよう加熱された下流点における蒸気温度を検出することにより、唯一の正しい調節が可能となる。このことは、所定流量に対して最適設計されたスプレーノズルを必要とするとともに、流量が所定のパラメータの範囲を超えて変化した場合には、その結果として得られるスプレーパターンは、平衡状態を検知しかつ適切な蒸気の状態を得るのに十分な熱伝達を正確に与えることができないものとなる。ただし、スプレーの要求条件が狭い範囲内でのみ変化するときには、上記過熱低減器は十分に作動する。
スプレーの体積についてより多くの変化が要求されるときには、可変オリフィスを備えた形式、水流と予混合するための分離された蒸気路を使用する形式等の他の形式が使用されている。他の構成としては、水を噴霧するための異なった複数のノズルを露出もしくは選択する移動プラグまたはスライド部材を有する多数のノズル（multiple nozzles）が使用されている。成功が認められたこのような構成の一例として、本願出願人名義による米国特許第４，４４２，０４７号明細書により開示された多ノズル式スプレーユニットがある。このユニットは、蒸気ライン内まで延在するスプレー管体を使用するとともに、端部からそれぞれ異ならせた距離だけ離間して下流側に設けられた複数の小さいノズルを有している。各ノズルは孔部に接続されているとともに、中空プラグは、噴霧される水の体積を変化させるために、異なった数のノズルが露出されるよう端部に対して前後方向に移動させられる。プラグの位置は、蒸気ライン内の下流側に配置された温度センサーからの信号に応じて順に制御されるダイヤフラム作動装置により直線状に移動されるバルブ軸体によって決定される。作動システムが複雑なため、製造コストおよび据付後の維持費が高くなってしまう。
本発明の要旨
本発明は、単一の機械式ノズルスプレー式過熱低減器の制御の簡便性と、多ノズル式過熱低減器の幅広い調節範囲および容量可変性と、を組み合わせた水スプレーノズル式過熱低減器を提供する。固定されたノズル式過熱低減器は、体積（ここでは注入される水の質量）を順に変化させるために、打ち勝つべき蒸気ライン内圧力を超えて水供給ライン内圧力を変化させることができるものである。一方で、多ノズル式注入器は、本明細書に参考例として組み込まれる前記米国特許第４，４４２，０４７号明細書に開示されているように、固定されかつ制御された定常入口圧力で水を使用できるとともに、露出されたノズルの数を変化させるためにプラグを移動させ、かつ蒸気ライン内に注入される水量を変化させるために、分離された制御部を利用することができるものである。
本発明は、孔部の軸線に沿ってヘリカル状に配列された多数のノズルを有するスプレー管体を備えているとともに、中空部が形成されたプラグもしくはピストンを移動させることにより各ノズルを制御する、新規な過熱低減器用スプレーユニットを提供するものである。プラグは、各ノズルが接続されたスプレー管体の主孔部内を移動するように構成されているとともに、該ユニットに流入する水が通過する縮径された孔部を有している。スプレー管体はさらに、プラグをオフ位置に付勢するために設けられた較正済みスプリングを備えている。プラグは、各孔部の面積差により、スプリングの付勢力に抗してプラグを十分に開口させる位置（全てのノズルを作動させる位置）に向けて移動させる差動による水力学的な力にさらされることになる。したがって、過熱低減器ユニットに対して制御バルブを介して供給される水圧自身は、入口部における水の流れを初期的に変化させることにより、プラグを上昇させるとともに、噴霧する目的で露出されるノズルの数を変化させるスプレー管体内の圧力を上昇させるように、プラグを移動させるために作用するものである。いったん全ての数のノズルが開口されると、圧力のさらなる上昇は、各ノズルを通過する水流を増加し続けることになる。
本発明によれば、温度測定は、注入された水が蒸気へと蒸発されるとともに平衡状態が得られるのに十分な距離を有する蒸気ライン内の下流側の点で行われる。これらの読み取り値は、その点における蒸気温度を決定する。これら読み取り値はさらに、測定された変動値と要求される設定値とを比較しかつ過熱低減器ユニットに対して順に接続された出口部を有する制御バルブを動作させるための信号を発生する制御ユニットにより使用される。制御バルブは、前記出口部における水圧を流量に対して独立的に変化させるために使用することができる、何らかの周知形式のものとすることができる。したがって、適切な較正を行うことにより、制御バルブは、過熱度を所望レベルまで減少させるために、所望の水量が蒸気ライン内に噴霧される位置へ向けてプラグを移動させるのに十分な圧力で過熱低減器に水を供給する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の過熱低減器を組み込んだ蒸気ラインを示す概略図である；
図２は、図１に示したスプレーユニットの拡大断面図である；
図３は、上流方向に見たノズルヘッドを示す斜視図である；
図４は、図３のノズルヘッドの４−４線における断面図である。
好適な実施形態の詳細な説明
図１には、本発明による過熱低減器（desuperheater）ユニットを利用するための概略的な配置が示されている。蒸気ライン（steam line）１０の一部には、側壁部上に取付用嵌合部１１が設けられているとともに、該嵌合部には、後に説明するようにスプレーユニット１３が取り付けられている。スプレーユニット１３は、適切な高圧水供給部１７に対して順に接続された制御バルブ１６から、水供給ライン１４を介して加圧下で水を供給する。制御バルブ１６は、スプレーユニット１３から下流側に離間して蒸気ライン１０内に取り付けられた温度センサー１９に応答して、水供給ライン１４内の水の流れを制御するために動作する。この温度センサーは、温度制御部１２へ測定された変数を送信する。温度制御部１２は、所望の設定値に対して前記変数を評価するとともに、制御バルブ１６に補正信号を送信する。センシング部材に対する距離は、真の蒸気温度を読み取るために、水を注入した後に蒸気が平衡に達するのに十分な程度とされている。したがって、制御バルブ１６は、水流を変化させることにより、ライン１４内に、蒸気ライン１０内の圧力よりも大きくかつ変化する水圧を提供することになる。この目的のための制御部としては、ペンシルバニア州フィースタービル（Feasterville, PA）のアメテックＰＭＴディビジョン（Ametek PMT Division）により製造されたシリーズ４０空気式制御部が適切である。
図２は、スプレーユニットをさらに詳細に示したものであり、蒸気ライン１０の壁部の開口部２１の上方に、取付用フランジ１１が装着されているとともに、該取付用フランジ１１は、開口部２１上に蒸気ラインに対して直接的に溶接された溶接用サドル２２を備えている。溶接用サドル２２は、その上端部において、外方端部もしくは上端部に標準パイプフランジ２４を有する溶接用フランジ２３に対して溶接により接続されている。取付用フランジ全組立体１１は、蒸気ラインに対して実質永久的に取り付けられているとともに、スプレーユニット１３の残余部分を変位させかつ所望位置に再配置することができる一方で、定位置に保持されているということが理解される。
溶接用フランジ２３は、蒸気ライン１０の内部まで延在しかつフランジ２４に接続される大径の孔部２６を有しているとともに、取付用フランジ２８が、複数のガスケット２９および標準パイプフランジ組立体用の複数の適切なボルト３１を用いてフランジ２４に対して接続されている。スプレーユニット１３は、フランジ２４に取り付けられているとともに、スプレーヘッド（内側部分）３８と、密接する寸法で取付用フランジ２８に形成された開口部３４を挿通する支持管体（外側部分）３３と、を備えた本体３２を有している。支持管体３３は、該支持管体周りにおける蒸気ライン１０からの漏れの可能性を除去するために、外側に形成された適切な溶接部３６によりフランジに対して固定されている。支持管体３３は、取付用フランジ２８が定位置に固定されたときに、溶接用サドル２２内部の近傍まで延在するとともに、この位置においてスプレーヘッド３８に接続されている。
スプレーヘッド３８は、平坦状端面４０を備えた底壁部３９を有する略カップ形状の部材とされている。底壁部３９の上方には主孔部４１が形成されており、該主孔部４１は、肩部４２において終端するとともに、僅かに拡大された対向孔部４３に接続されている。対向孔部４３は、その上端部において、支持管体３３の底端部４７上に螺合するネジ溝が形成された孔部４６内に開口している。支持管体の端部４７を移動させることなく肩部４２に対して支持するために、対向孔部４３内にスリーブ４８が配置されている。したがって、スプレーヘッドが支持管体に取り付けられるときに、ネジ溝付き孔部４６は、スリーブ４７に当接するまで端部４７に螺入されることになる。この後に、螺結状態が解除されてしまう可能性を回避するために、スプレーヘッドを支持管体に直接溶接することが好ましい。
ピストンまたはプラグ５０がスプレーヘッド３８内にスライド可能に取り付けられているとともに、該ピストン５０は、主孔部４１内でスライド時における密閉接触状態を可能とするシール部材またはピストンリング５２を備えた頭部５１を有している。後にさらに詳細に説明するようにスプレーヘッドが“オフ”位置にあるときに、ピストンの端面５３は、常態において、底壁部３９に対して当接している。ピストン５０は、スリーブ４８の孔部４９内まで上方に延在するとともに、該孔部４９と密閉状態で接触するためのシールリング５５を備えた縮径されたシャンク部５４を備えており、かつ、シャンク部５４は、環形端面５６において終端している。さらに、シャンク部５４が頭部５１と接続する部分には、環形面５８が形成されているとともに、ピストン４９には、両端部間を貫通して延在する孔部５９が形成されている。
ヘリカル状のスプリング６１は、孔部６２および支持管体３３内に配置されているとともに、該スプリングの下端部がシャンク部の端面５６に対して当接している。スプリング６１は、比較的低いバネ定数（rate）でかつ比較的高い初期負荷を与えるために、概して非常に長い形状とされているとともに、孔部６２の上端部に位置する管状スペーサ６３の下端部に対して当接するよう上方に延在している。スペーサ６３は、適切な複数のネジ６６により支持管体３３の頂端部に固定されたワッシャー部材６５に対して順に当接している。通常の方法により水供給ライン１４と接続するためのパイプフランジ６８が、支持管体３３の上端部に溶接されている。
主孔部４１近傍のスプレーヘッドの下端部は、円形状とされた肉厚めスプレー壁部７１を備えており、該肉厚スプレー壁部は、支持管体３３の軸線から下流側に向かう半径方向に関して、孔部２６内を挿通することができる最大径となるように形成されている。スプレー壁部７１は、複数のスプレーノズルを備えており、例示的にのみ示した図３および図４においては、六つのスプレーノズルが、一方を他方の上方に互いに離間配置しつつ千鳥状に配列されている。各スプレーノズルの開口部は、スプレー壁部７１の外部から該スプレー壁部７１中に部分的に延在する雌ねじが形成された穴部７３を備えており、該雌ねじ付き穴部は、主孔部４１に接続された矩形開口部７４と接続されている。適切なスプレーノズル挿入体７６が雌ねじ付き穴部７３内に螺入されるとともに定位置に固定され、このノズル挿入体７６は、下流方向に細かく噴霧するスプレーを提供するような形状ヒされている。スプレー壁部７１にはさらに、ピストンのシャンク部５４周りに取り残された流体を外部へと抽出するとともに、ピストン動作がブロックされることを回避するために、該スプレー壁部の外部から肩部４２内まで延在する小さな抽出用（bleed）穴部７８が形成されている。
スプレーヘッドは、常態において、ピストンヘッド５１がスプレーヘッドの底壁部３９に当接する“オフ”位置に位置するとともに、その動作は、水供給ライン１４からの水圧により制御される。ヘリカル状スプリング６１は、較正済みのバネ定数と、ライン１０内の蒸気の圧力に対して決定された初期負荷とを有する。したがって、スプレーノズル挿入体７６を通過する正方向に（positive）水を確実に流すべく、水供給ライン１４内の圧力が、ライン１０端部の圧力を超える所定の値となるまで、バルブは開口されないことになる。水供給ライン１４内の圧力がこの所定値を超えたときに、ピストンを上方に移動させようとするピストンヘッド端面５３上の面積にかかる圧力と、反対方向に移動させようとするシャンク部の端面５６にかかる圧力との差圧により、正味の力がヘリカル状スプリング６１に付加されるとともに、初期負荷に打ち勝った後に、端面５３が最下方に位置する各矩形開口部７４を露出し始めるようにピストンは上方に移動し始める。スプリング６１のバネ定数に応じてピストンが上方に移動し始めるので、各矩形開口部７４は、一の開口部が完全に露出しかつ、各開口部７４の垂直方向高さが種々の雌ねじ付き穴部７３間の離間間隔に実質等しいので、各開口部の実際の面積が実質的な線形関係をもって増加するように露出し始めるべく次の開口部が配置される。ピストンが上方に移動するときに、ピストンの動作を妨げるロック動作を回避するように、主孔部４１内のシャンク部５４周りに取り残された水が抽出穴部７８を通して抽出されることになる。ピストンがストロークの頂点（環形面５８がスリーブ４８の下端部に当接する位置）に達したとき、全ての矩形開口部７４が露出されることになるが、前記面積はもはや増加せず、圧力の増加により、各ノズル前後の圧力差が増加させられるため、蒸気内に放出する水量が依然として増加させられることになる。
したがって、スプレーユニットの動作は、全体として、制御部から出力される信号に応じて、制御バルブ１６から水供給ライン１４を介して供給される水の圧力レベルにより制御されることになる。制御部１２は、噴射された水が完全に蒸発されるのに十分な距離をもって下流方向に配置されたセンサー１９における蒸気ライン１０内の温度を検出するとともに、正確な読み取りを行うという観点から、複数のマルチプル（multiple）センサーを使用することが好ましい。蒸気が飽和している場合には水を添加する必要はなく、制御部１２は、水が供給ライン１４に流入しないように制御バルブ１６が閉塞状態に保持されるよう指示する。ピストン５０は図２に示した位置に位置し、各スプレーノズル７６および抽出穴部７８を介して蒸気の圧力がピストンシャンク部５４周りの主孔部４１内の空間内に逆方向に伝わるため、該空間の圧力は蒸気ライン内の圧力とされ、かつ、この圧力および十分に閉塞した位置におけるスプリング６１の付勢力によりピストンは保持される。
圧力は供給ライン１４を介して伝達されるので、蒸気の過熱度に応じて水を供給する必要が生じた場合には、制御部１２の決定に従い、この圧力はシャンク部端面５６上に下流方向に作用するとともに、孔部５９およびピストン５０を通過することにより、この圧力はさらにピストン端面５３上に上流方向に作用する。このような構成としたことにより、ピストン端面５３の面積は、シャンク部端面５６および環形面５８の面積の和と等しいものとされており、これにより、圧力ライン１４が蒸気ライン１０の圧力を超え始めるまで、ピストン５０には上方向の力が付加されないことになる。ピストンを上方向に付勢する力に対して有効な端面５３の正味の面積が、環形面積５８に正確に等しくされているので、供給ライン１４の圧力が蒸気ライン１０内の圧力を超えるときは常に、上方向の力が生じることになるとともに、この力はスプリング６１の初期負荷に対してのみ対向することになる。
例えば、スプリング６１は、ピストン５０が最下位置のときに６０ポンドの初期負荷を、ピストンが最上位置のときに２００ポンドの付勢力をそれぞれ与え、かつ、環形領域５８と等しくされたピストン端面５３の面積が１平方インチとされた場合に、水供給ライン１４内の圧力は、ピストン５０の上方への移動を始動させ得る前に、蒸気ライン１０内の圧力よりもさらに６０ポンド大きい圧力まで上昇されなければならない。制御部１２および制御バルブ１６により調整されるに従い、圧力ライン１４の圧力が蒸気ライン１０内の過熱度の上昇に応じてさらに増加させられた場合には、ピストン５０は、最下位置の矩形開口部７４を露出させるべく上方に移動し始めるとともに、水が近傍ノズル挿入体７６を通過して噴霧化され、蒸気の下流方向流れと混合されてスプレーユニット１３外方へと排出される。制御バルブは、流量（ここではライン１４内の水圧）を増加させるとともに、ライン１４内の圧力が２００ＰＳＩを超えた場合には、この点において、ピストン５０が最上位置に位置されるとともに、さらなる移動を阻止するために、環形面５８がスリーブ４８の下端部と係合する。ライン１４からの圧力の上昇は、すでに十分開口した位置にある開口部７４およびノズル挿入体７６の全てを通過する水圧のみを増加させることになり、さらなる噴霧化が行われることになる。
したがって、流量（ここではライン１４内の水圧）を調節するために設けられた単一の制御バルブ１６および制御部１２を用いて全体的に制御を行うことができるということが解る。さらに、上記各構成により、単一のノズルスプレーユニットに比べて一層幅広い範囲での滑らかでかつ連続的な変化を行うことができるということ、および開口部およびノズル挿入体の数や大きさに応じてこの範囲の幅を変化させることができるということが解る。
スプリング６１の初期負荷量は、水の適切な蒸発量をスプレーノズル７３を介して得るのに要求される最小圧力により決定される。（ここでは例示的に２００ＰＳＩとされた）上側の圧力レベルは、このような高圧下における感度およびスプレー性能等のシステムの他のパラメータにより決定される。
本発明の好ましい実施形態は、添付図面および詳細な説明において開示されているが、請求の範囲により定義された本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、他の改良および再配置を行い得ることは理解されるところである。

Claims (5)

1. 側壁部と、該側壁部上への取付部とを有する蒸気ラインに用いる蒸気用過熱低減器であって、
   前記取付部を介して前記蒸気ラインの内部へと軸線方向に延在する本体を備え、
   該本体は、前記取付部における外側部と、前記蒸気ラインの中央部近傍における内側部とを有するとともに、前記外側部内に第一の孔部が、前記内側部内に第二の孔部がそれぞれ形成されており、
   前記第二の孔部は、前記第一の孔部よりも大きい直径を有しているとともに、該第一の孔部と同一軸線を有し、
   前記両孔部内にスライド可能に取り付けられるとともに、前記第二の孔部に対して密閉状態で係合するヘッド部と、前記第一の孔部に対して密閉状態で係合するシャンク部とを備え、かつ、ヘッド部端面およびシャンク部端面を有するピストンを備え、
   前記ピストンは、前記取付部から前記第二の孔部へと水が流れるように、前記シャンク部端面から前記ヘッド端面にかけて軸線方向に延在する小孔部を有し、
   前記第二の孔部を閉塞する壁手段と、
   該壁手段に対して前記ピストンを付勢するスプリング手段と、
   前記内側の端部で前記本体上に軸線方向に離間配置されるとともに、前記第二の孔部に接続された複数のスプレー用開口部と、
   前記各スプレー用開口部のうち露出される数を徐々に増加させるべく前記壁手段から離間するように前記ピストンを移動させるために、所定レベルを超えて増加する圧力が前記ピストンを押圧するように、可変とされた水圧で水を前記取付部および前記第一の孔部に供給する手段と、
   を備えていることを特徴とする蒸気用過熱低減器。
2. 前記取付部から離間する前記ピストンの動作を制限するために、前記壁手段上に停止部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸気用過熱低減器。
3. 前記本体は、前記第二の孔部における前記第一の孔部の端部に形成された肩部と、前記ヘッド部端部と前記シャンク部端部との間に形成された前記ピストンの環形面と、を有していることを特徴とする請求項１記載の蒸気用過熱低減器。
4. 全ての前記スプレー用開口部が露出されたときにのみ、前記環形面と前記肩部との係合が行われることを特徴とする請求項３記載の蒸気用過熱低減器。
5. 前記スプリング手段は、前記水圧が所定レベルを超えるまで、前記ピストンが前記プラグ手段から離間する動作を回避するための初期負荷を有していることを特徴とする請求項１記載の蒸気用過熱低減器。

Images