JP4069058B2 - ガバナ・ヒータシステム - Google Patents

Description

本発明は、ガバナの減圧によって低温化されるガスを加温するガバナ・ヒータシステムに関する。

ガスの供給経路は、高圧ガス導管によって幹線経路が形成され、そこから分岐した経路に減圧施設（ガバナステーション）を設けて、そこで減圧されたガスが中低圧導管によって下流の各所に供給されるようになっている。この減圧施設では、高圧ガスを減圧する際にガス自体が低温になって配管や周辺設備を凍結させることによる不具合を回避するために、ガバナ（減圧器）の減圧によって低温化されるガスを加温するガバナ・ヒータが装備されている。このガバナ・ヒータは、ガバナの減圧に先立って予め高圧ガスを加温するように、ガバナより上流側のガス配管に対して装備されることが多いが、場合によっては、ガバナ直後の下流側に装備されることもある。

現状の減圧施設におけるガバナ・ヒータとしては、一般に、下記特許文献１に記載されるような温水バス式のヒータが採用されている。この温水バス式のガバナ・ヒータは、開放容器に溜めた水をボイラで加熱し、この加熱された温水にガス配管を浸すことで配管内のガスを加温するものである。

特開平１０−２２０７４７号公報

このような温水バス式のガバナ・ヒータは、開放容器から蒸気となって熱が逃げるので、熱の放散が大きく熱変換効率が低いという欠点があり、これを解消するために、シェル・チューブ式の熱交換器をガバナ・ヒータとして採用することが検討されている。このシェル・チューブ式の熱交換器によるガバナ・ヒータは、密封容器（シェル）内に熱交換部となるチューブを配備して、この密封容器内の温水を加熱しながら循環させ、チューブ内を流通するガスを加温するものであって、温水を循環させるポンプを備えた密封の循環経路を形成して、この循環経路内にボイラを配備し、密封容器（シェル）内で熱交換を済ませた温水をこのボイラで随時加熱するものである。

ところで、通常、ガスの需用は需用者の生活サイクルに応じて変動するものであり、１日の時間帯毎のガス需用量は、午前の８〜９時に一つのピークがあり、また午後の２１〜２４時に大きなピークを示すように、大きく変動する。そして、これに応じて、ガバナに供給される高圧ガスの供給量（或いはガバナによって減圧されたガス流量）も一日のサイクルの中で大きく変動することになる。

したがって、ガバナによって減圧されるガスを設定温度に加温するために必要なガバナ・ヒータの供給熱量は、ガバナを通過するガスの流通量によって時間毎に変化することになるが、現状のガバナ・ヒータでは、前述したピーク時の最大ガス流通量に対応できるように大型のボイラを用いており、供給熱量の制御は特に行われていない。よって現状のガバナ・ヒータでは、実際に必要な供給熱量に対して、過多の熱量が供給されており、経済的な稼働が行われていないという問題がある。

また、減圧されたガスの温度に着目すると、ガバナを通過するガスの流通量が減少した場合には、ガバナ・ヒータによる過多の供給熱量によってガスの温度が設定温度より高くなることがあり、一定のガス温度で下流側にガスを供給することができないという問題がある。

これらの問題に対処するためには、ボイラの燃焼量を制御することが考えられるが、前述したように、ガバナ・ヒータにはピーク時の最大ガス流通量に対応できるように大型のボイラが用いられているので、時間毎に大きく変動するガス流通量に追従するような応答性の速い供給熱量の制御を行うことは困難であり、実際上は、常に必要な供給熱量よりは高い熱量を供給することになって、経済的なガバナ・ヒータの稼働を行うことができない。また、ガスの流通量が大きく変わった場合にはそれに応じてガスの温度が変化してしまうという不具合がある。

特に、前述したシェル・チューブ式の熱交換器をガバナ・ヒータとして用いることを考えると、その熱交換効率の良さから、ガバナのガス流通量が大きくなると循環される温水の熱は直ちに奪われて温度が急に低下することになるので、それに追従するためには、更に応答性の速い供給熱量の制御が求められる。したがって、大型ボイラの燃焼制御では対応することができず、この場合にも、常に必要な供給熱量よりは高い熱量を供給せざるを得ない。よって、経済的な稼働を行うことができず、また、ガスの流通量が低下した場合には、ガスの温度が設定値より高くなってしまう。

また、大型のボイラ１基でガバナ・ヒータを稼働させていると、このボイラが故障してしまった場合にはガバナ・ヒータが使用不能になってしまい、ガス供給の停止を余儀なくされてしまう。これを避けるために、通常は、大型のボイラ１基に対してそれと同等規模のボイラをバックアップ用に配備しており、常時は一方のボイラ１基で稼働して、それが故障した場合にバックアップ用に切り替えることがなされている。

これによると、常時は使用されないバックアップ用の大型ボイラを併設することで、設備費が嵩むと共に、２基のボイラ全体の稼働率を考えると常時運転時の稼働率が非常に低くなってしまい、これによっても経済的なガバナ・ヒータの稼働を行うことができないという問題が生じる。

本発明は、このような問題に対処するために提案されたものである。したがって、熱交換効率が高いガバナ・ヒータシステムであっても、ガバナにおけるガス流通量の変動に追従して供給熱量を制御することができ、経済的なガバナ・ヒータの稼働が可能になること、また、ガス流通量の変動に対してもガバナの下流側に供給するガスの温度を設定温度に保つこと、更には、設備費を低減することができることが本発明に係るガバナ・ヒータシステムの目的である。

このような目的を達成するために、本発明によるガバナ・ヒータシステムは、以下の特徴を具備するものである。

一つには、ガバナの減圧によって低温化されるガスを加温するガバナ・ヒータシステムにおいて、循環する温水が充填された密封容器内に前記ガスが流通するチューブ状の熱交換部を配備し、ガス流入部から流入したガスが、前記熱交換部を流通してガス流出部に至るシェル・チューブ式のガバナ・ヒータを装備し、前記温水の循環経路に、運転台数を変えることによって前記温水への供給熱量を制御する複数台の温水機を配備し、前記温水機を経由して環流する経路と前記温水機を経由しないで環流するバイパス経路を設けると共に、前記温水機を経由して環流する環流量を調整する環流量調整手段を設け、前記ガスが流通するガス配管にガス流通状態検知部を設け、前記温水機を経由して環流する環流量を検出する環流量検出手段を設け、前記ガス流通状態検知部の出力によって前記環流量調整手段を調整し、前記温水機を経由して環流する環流量を制御し、前記環流量検出手段の出力によって前記温水機の運転台数を制御することによって、前記ガス流通量の変動に前記温水への供給熱量を追従させることを特徴とする。

また、一つには、前述のガバナ・ヒータシステムにおいて、前記ガス流通状態検知部は、前記ガスが流通するガス配管のガス流量を検出することを特徴とする。

また、一つには、前述のガバナ・ヒータシステムにおいて、前記ガス流通状態検知部は、前記ガバナの下流側のガス温度を検出することを特徴とする。

また、一つには、前述のガバナ・ヒータシステムにおいて、前記温水機の燃料は、前記ガバナより下流側のガス配管から分岐した分岐ガス配管によって供給されることを特徴とする。

このような特徴のガバナ・ヒータシステムによると、以下の作用を得ることができる。

先ずは、循環する温水が充填された密封容器内にガスが流通するチューブ状の熱交換部を配備し、ガス流入部から流入したガスが、熱交換部を流通してガス流出部に至るシェル・チューブ式の熱交換部を配備してなるガバナ・ヒータを採用することで、従来の温水バス式のヒータに比べて熱交換効率の高いシステムを構築することができる。また、ガバナ・ヒータに供給される供給熱量は、温水の循環経路に複数台の温水機を配備して、ガスの流通量に応じて運転台数を変えることで、ガス流通量の変動に供給熱量を追従させるので、常にガバナを流通するガス流通量に見合った供給熱量が温水に与えられることになり、過多の熱量を供給することがない。よって、経済的なガバナ・ヒータの稼働を行うことができると共に、ガス流通量が変動してもガバナの下流側に供給されるガス温度が変わらない。

ここで、１台の温水機の熱出力は、ガバナを流通するピーク時の最大ガス流通量を基準にして求められる最大供給熱量を温水機の台数分で割ったものでよい。したがって、台数を増やすことで、温水機は、一台当たりの熱出力が小さく応答性の良い小型温水機を用いることが可能になる。これによって、ガバナ・ヒータの供給熱量を温水機の台数制御によって応答性良く制御することが可能になる。

また、複数台の温水機は個別に稼働できるので、全てが一度に故障を起こすことは考えられない。従って、温水機の台数を安全を見込んで若干増やすだけで、従来技術のようにバックアップ用の大きなボイラを併設する必要がない。よって、設備費の低減が可能になる。

更には、ガスが流通するガス配管に、ガス流量検出手段或いはガバナの下流側のガス温度を検出するガス温度検出手段を設け、ガス流量検出手段或いはガス温度検出手段の出力によって、温水機を経由して還流する温水の流量を調整する還流量調整手段を調整し、調整された温水機を経由して還流する温水の流量を検出する還流量検出手段の出力によって、複数台の温水機の運転台数を制御するようにしたので、循環する温水の量を一定にしたままで、ガバナを流通するガス流通量に追従するガバナ・ヒータの供給熱量の制御を行うことができ、また、ガバナを流通するガス流通量が変動しても一定の設定ガス温度で下流側にガスを供給することができる。

そして、温水機の台数制御は、温水機を経由して還流する温水の流量によって制御がなされるので、一般の施設で採用されている温水の消費量に応じて温水機の台数制御を行う温水供給システムをそのままガバナ・ヒータに採用することが可能になる。また、稼働していない温水機へ還流する温水の還流量を少なくすることができるので、稼働していない温水機の熱交換部で温水の熱が奪われ、循環する温水の温度が必要以上に低下することを避けることができる。

更には、温水の循環経路に温水機を経由して還流しないバイパス経路を設け、還流量調整手段は、バイパス経路への分流量を調整するようにしたので、温水機への還流量をバイパス経路への分流量によって調整することができ、また、バイパス経路から分岐した経路を、複数台の温水機を有する温水供給システムとして個別に配備することが可能になる。

更には、温水機の燃料を、ガバナより下流側のガス配管から分岐した分岐ガス配管によって供給するようにしたので、別途、温水機の燃料を用意する必要が無く、効率的なガバナ・ヒータの稼働を行うことができる。

本発明のガバナ・ヒータシステムは、このような特徴を有することによって、熱交換効率が高いガバナ・ヒータシステムであっても、ガバナにおけるガス流通量の変動に追従して供給熱量を制御することができ、経済的なガバナ・ヒータの稼働が可能になる。また、ガス流通量の変動に対してもガバナの下流側に供給するガスの温度を設定温度に保つことができる。更には、バックアップ用の大型ボイラが不要になり、小型の温水機の併設ですむから、設置が容易であると共に設備費を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るガバナ・ヒータシステムの構成を示す説明図である。先ず、ガスの供給経路としては、高圧ガス導管から分岐したガス配管１は、フィルタ２或いは各種のバルブ等の設備が設けられたガス配管１Ａの下流端がガバナ・ヒータ３のガス流入部３Ａに接続され、ガバナ・ヒータ３のガス流出部３Ｂに接続されたガス配管１Ｂの下流側にガバナ４が配備され、ガバナ４の下流側に接続されたガス配管１Ｃによって中低圧ガス導管にガスが供給されるようになっている。これによって、高圧ガス導管から供給された高圧ガスが、先ずガバナ・ヒータによって予め加温され、この加温された高圧ガスがガバナ４によって減圧され且つ低温化されて中低圧ガス導管に供給されることになる。

ここで採用しているガバナ・ヒータ３は、所謂、シェル・チューブ式の熱交換器であって、循環する温水が充填された密封容器（シェル）３Ｃ内にチューブ状の熱交換部３Ｄを配備した構造を有しており、前述のガス流入部３Ａから流入したガスが、チューブ状の熱交換部３Ｄを流通して前述のガス流出部３Ｂに至り、その流通過程の熱交換で加温されてガス配管１Ｂに流出されるものである。ここでは、熱交換部３Ｄを簡略化して示しているが、実際上は複数のチューブがガス流入部３Ａとガス流出部３Ｂとの間を連通する構造になっている。

このガバナ・ヒータ３の温水循環系について説明すると、基本的には、密封容器３Ｃ内の熱交換を済ました温水が、ポンプ１１によって循環され、温水機１０によって加温されて再び密封容器３Ｃに戻されるものである。そして、その循環経路は、密封容器３Ｃの流出口からポンプ１１に至る経路１２Ａ、ポンプ１１から三方弁１３に至る経路１２Ｂ、三方弁１３から温水機１０に還流する経路１２Ｃ、温水機１０から密封容器３Ｃに還流する経路１２Ｄが設けられると共に、三方弁１３から経路１２Ｄに至るバイパス経路１２Ｅが設けられている。また、経路１２Ａには給水経路１２Ｆが接続されており、給水設備１５からポンプ１４によって運転初期段階或いは必要に応じて給水がなされるようになっている。また、各経路には、必要に応じてバルブ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄが設けられると共に、流れの逆流を防ぐ逆止弁２１Ａ，２１Ｂが設けられている。

温水機１０について説明すると、複数台の温水機１０_１，１０_２，…，１０_ｎ−１，１０_ｎが併設されており、ガバナ４より下流側のガス配管１Ｃから分岐した分岐ガス配管１Ｄによって供給される燃料によって、それぞれが個別に稼働できるようになっている。分岐ガス配管１Ｄには、ガスを減圧して供給するための減圧器５が設けられている。

このようなガバナ・ヒータシステムにおける供給熱量の制御系について説明する。ここでは、ガバナ４を流通するガスの流通量が時系列的に変動した場合に、その変動に応じて温水への供給熱量を制御して、過多な熱量供給を行わないことを目的としており、大型の単体ボイラを用いるのではなく、応答性の良い小型の温水機１０_１，１０_２，…，１０_ｎ−１，１０_ｎを複数台（ｎ台）設けて、そのトータルで最大のガス流通量に見合う供給熱量が得られるようにシステム構築している。

そして、ガバナ４より下流側のガス配管１Ｃには、ガスの流通状態を検知するガス流通状態検知部３０が配備されている。このガス流通状態検知部３０には、ガス流量センサ（ガス流量検出手段）或いはガス温度センサ（ガス温度検出手段）が装備されており、それらによる検出結果を三方弁１３の制御部に出力している。

この三方弁１３は、ガバナ・ヒータ３の温水循環経路において、温水機１０に還流する温水の流量を調整する還流量調整手段を構成している。すなわち、この三方弁１３は、経路１２Ｂから流入してきた温水をバイパス経路１２と温水機１０に還流する経路１２Ｃに分流するものであって、その分流割合を調整することができるものである。

この三方弁１３を、前述したガス流量センサ或いはガス温度センサからの出力に応じて調整し、バイパス経路１２Ｅへの分流量を調整する。すなわち、ガス流量センサでガスの流通量が大きいことが検出された場合には、バイパス経路１２Ｅへの分流量を減らして、温水機１０に還流する温水の量を増大させる。また、ガス温センサでガスの温度が低いことが検出された場合にも、同様に、バイパス経路１２Ｅへの分流量を減らして、温水機１０に還流する温水の量を増大させる。

一方、複数台の温水機１０_１，１０_２，…，１０_ｎ−１，１０_ｎの運転台数制御は、経路１２Ｃに還流してきた温水の流量を検出する流量センサ（還流量検出手段）３１、或いは必要に応じて温水機１０から流出する温水の温度を検出する水温センサ３２からの出力によって制御がなされる。すなわち、前述の流量センサ３１，水温センサ３２からの信号が制御部３３に送られ、この制御部３３からの信号によって各温水機１０_１，１０_２，…，１０_ｎ−１，１０_ｎの運転又は停止が個別に制御される。具体的には、流量センサ３１によって温水機１０への還流流量が増大したことが検出され、又は水温センサ３２によって温水機１０から流出する温水の温度が設定温度より低下したことが検出された場合には、制御部３３はそれに応じた運転台数を設定して、運転台数が増加するような制御を行う。一方、流量センサ３１によって温水機１０への還流流量が減少したことが検出され、又は水温センサ３２によって温水機１０から流出する温水の温度が設定温度より上昇したことが検出された場合には、制御部３３はそれに応じた運転台数を設定して、運転台数が減少するような制御を行う。

図２は、温水機１０の更に具体的な構成例を示す説明図である。ここで示す構成は一例であって、本発明の実施形態としては特にこれに限定されるものではない。ここでは、各温水機１０_１，…，１０_ｎ−２，１０_ｎ−１，１０_ｎは同様の構成を具備しており、温水が循環する経路１２Ｃから経路１２Ｄへ至る温水流路に対して並列に熱交換部１０Ａを形成して、各熱交換部１０Ａにそれぞれバーナ１０Ｂが配備されている。そして、制御部３３からスイッチ部１０Ｃへ送られる出力信号に応じて、各バーナ１０Ｂが個別に運転又は停止するようになっている。各バーナ１０Ｂへの燃料供給は分岐ガス配管１Ｄを分岐することによって行っている。

このような実施形態のガバナ・ヒータシステムによると、先ずは、シェル・チューブ式の熱交換器によるガバナ・ヒータ３を採用することで、熱交換効率の高いシステムを構築することができる。また、ガバナ・ヒータ３に供給される供給熱量は、温水の循環経路に複数台の温水機１０を配備して、ガスの流通量に応じて運転台数を変える制御がなされるので、ガス流通量の変動に供給熱量を追従させることができる。

これによって、常にガバナ４を流通するガス流通量に見合った供給熱量が温水に与えられることになり、過多の熱量を供給することがないので、経済的なガバナ・ヒータ３の稼働が可能になる。また、ガバナ４を流通するガスの流通量が変化しても、ガバナ４の下流側に供給されるガスの温度を一定に保つことができる。

１台の温水機１０_ｎの熱出力は、ガバナ４を流通するピーク時の最大ガス流通量を基準にして求められる最大供給熱量を台数ｎで割ることで設定される。したがって、台数を増やすことによって、温水機１０は一台当たりの熱出力が小さくなり、応答性の良い小型の温水機１０を台数制御することで、ガバナ・ヒータ３の供給熱量を応答性良く制御することが可能になる。

また、複数台の温水機１０は個別に稼働できるので、全てが一度に故障を起こすことは考えられない。従って、温水機の台数を安全を見込んで設定すれば、バックアップ用の大きなボイラを併設する必要がない。よって、設備費の低減が可能になる。

更には、ガス配管１Ｃに、ガス流量センサ（ガス流量検出手段）或いはガス温度センサ（ガス温度検出手段）を設け、これらの出力によって、温水機１０に還流する温水の流量を調整する三方弁１３（還流量調整手段）を調整し、調整された温水機１０に還流する温水の流量を検出する流量センサ３１（還流量検出手段）の出力によって、複数台の温水機１０の運転台数を制御するようにしたので、ガバナ・ヒータ３を循環する温水の量を一定に保ったままで、ガバナ４を流通するガス流通量に追従するガバナ・ヒータ３の供給熱量の制御を行うことができる。また、ガバナ４を流通するガス流通量が変動しても一定の設定ガス温度で下流側にガスを供給することができる。

そして、温水機１０の台数制御は、温水機１０に還流する温水の流量によって制御がなされるので、一般の施設で採用されている温水の消費量に応じて温水機の台数制御を行う既存の温水供給システムをそのままガバナ・ヒータに採用することが可能になる。

更には、温水の循環経路に温水機１０に還流しないバイパス経路１２Ｅを設け、三方弁１３は、バイパス経路１２Ｅへの分流量を調整するようにしたので、温水機１０への還流量をバイパス経路１２Ｅへの分流量によって調整することができ、また、バイパス経路１２Ｅから分岐した経路を、複数台の温水機１０を有する温水供給システムとして個別に配備することが可能になる。また、バイパス経路１２Ｅへの分流調整で、稼働していない温水機１０_ｎへ還流する温水の還流量を少なくすることができるので、稼働していない温水機１０_ｎの熱交換部１０Ａで温水の熱が奪われ、循環する温水の温度が必要以上に低下することを避けることができる。

更には、温水機１０の燃料を、ガバナ４より下流側のガス配管１Ｃから分岐した分岐ガス配管１Ｄによって供給するようにしたので、別途、温水機の燃料を用意する必要が無く、効率的なガバナ・ヒータ３の稼働を行うことができる。

本発明の実施形態に係るガバナ・ヒータシステムの構成を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るガバナ・ヒータシステムの温水機の構成例を示す説明図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ ガス配管
１Ｄ 分岐ガス配管
２ フィルタ
３ ガバナ・ヒータ
３Ａ ガス流入部
３Ｂ ガス流出部
３Ｃ 密封容器
３Ｄ 熱交換部
４ ガバナ
５ 減圧器
１０，１０_１〜１０_ｎ 温水機
１０Ａ 熱交換部
１０Ｂ バーナ
１０Ｃ スイッチ部
１１，１４ ポンプ
１３ 三方弁（還流量調整手段）
１２Ａ〜１２Ｄ 経路
１２Ｅ バイパス経路
２０Ａ〜２０Ｄ バルブ
２１Ａ，２１Ｂ 減圧弁
３０ ガス流通状態検知部（ガス流量検出手段、ガス温検出手段を含む）
３１ 流量センサ（還流量検出手段）
３２ 水温センサ
３３ 制御部
１５ 給水設備

Claims (4)

1. ガバナの減圧によって低温化されるガスを加温するガバナ・ヒータシステムにおいて、
   循環する温水が充填された密封容器内に前記ガスが流通するチューブ状の熱交換部を配備し、ガス流入部から流入したガスが、前記熱交換部を流通してガス流出部に至るシェル・チューブ式のガバナ・ヒータを装備し、
   前記温水の循環経路に、運転台数を変えることによって前記温水への供給熱量を制御する複数台の温水機を配備し、前記温水機を経由して環流する経路と前記温水機を経由しないで環流するバイパス経路を設けると共に、前記温水機を経由して環流する環流量を調整する環流量調整手段を設け、
   前記ガスが流通するガス配管にガス流通状態検知部を設け、
   前記温水機を経由して環流する環流量を検出する環流量検出手段を設け、
   前記ガス流通状態検知部の出力によって前記環流量調整手段を調整し、前記温水機を経由して環流する環流量を制御し、
   前記環流量検出手段の出力によって前記温水機の運転台数を制御することによって、前記ガス流通量の変動に前記温水への供給熱量を追従させることを特徴とするガバナ・ヒータシステム。
2. 前記ガス流通状態検知部は、前記ガスが流通するガス配管のガス流量を検出することを特徴とする請求項１に記載されたガバナ・ヒータシステム。
3. 前記ガス流通状態検知部は、前記ガバナの下流側のガス温度を検出することを特徴とする請求項１に記載されたガバナ・ヒータシステム。
4. 前記温水機の燃料は、前記ガバナより下流側のガス配管から分岐した分岐ガス配管によって供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたガバナ・ヒータシステム。

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