JP4115064B2 - 低温流体のスチーム加熱方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化炭化水素、液化アンモニア等の低温流体のスチーム加熱方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、プラントにおいて、各種流体を加熱するにはスチームを用いた加熱器が使用されている。
【0003】
このスチーム加熱器で、例えば、液化炭化水素、液化アンモニア、その他の低温流体を過冷却状態から飽和温度近くまで加熱する場合、伝熱管内に低温流体を流し、その伝熱管を収容した加熱器の胴体内にスチームを供給して伝熱管内の低温流体を加熱するが、伝熱管の出口温度を精度よく制御することは、通常非常に困難であり、また、加熱後に凝縮した凝縮水は、低温流体が0℃以下であるため凍結する可能性があり、伝熱管を用いて、スチームによる直接加熱するケースは少ない。
【0004】
低温流体を過冷却状態の温度から飽和温度近くまで、加熱制御する場合、出口温度制御を精度良く行わないと、出口温度が飽和温度以上となって、低温流体がガス化するという不具合が発生するため、この種の低温流体の加熱には、精度の良い温度制御が必要となり、スチームでの加熱は不向きとされている。
【0005】
スチーム直接加熱で精度良く温度が制御できない要因として他の流体と比べて、スチームの凝縮伝熱境膜係数が非常に大きいこと、或いは加熱器のスチーム相の保有熱容量が小さいこと等によると考えられる。
【0006】
このためにスチームの微少な圧力、流量、スーパーヒート度合い、その他の外的条件等の変動に対して敏感に反応しすぎるか、或いは追従できないための結果として安定した温度制御ができないと推察される。
【0007】
このような不具合の発生を防ぐために、一般に温水バス式の加熱器では、出口流体温度を設定値にするために加熱器をバイパスした流体を制御しながら混合することにより、目的を達成している。
【0008】
図5は、温水バス式の加熱器を示したものであり、加熱槽50には、温水51が満たされ、その温水で満たされた加熱槽50に、被加熱流体である低温流体の通る伝熱管52が設けられ、その加熱槽50の底部にスチーム供給管53が設けられ、温水51を温度計54で検出し、スチーム供給管53に接続した制御弁55を制御してスチームの吹き込み量を制御して温水51の温度を制御している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
この形式では、温水51を多量に溜めているので、熱容量が大きく、被加熱流体の流量変化に対して温度が精度良く制御できないために、伝熱管52の入口側に三方弁56を設け、他方出口側に温度計57を設け、その温度計57にて検出された温度が設定温度となるように三方弁56を切り換え、低温流体をバイパス管58にて出口側にバイパスさせて出口温度を制御することが必要となる。また、流体がガス化しないように目的温度の飽和圧力より高い圧力を維持するために、圧力調節弁59が設けられている。
【0010】
この温水バス式の加熱器は、被加熱流体に対して多量の熱容量を保有しているため、低流量変更時には、被加熱流体である低温流体がガス化するので、温度精度が悪くなる。
【0011】
温度制御を良くするために、直接スチームで流体加熱しないで中間熱媒体を加熱する方法も使用されている。
【0012】
この加熱器は、図4に示すように、加熱ドラム40内にLPGなどの中間熱媒体41を収容し、そのガス相側に、被加熱流体の通る伝熱管42を配置し、液相側のスチームの通る伝熱管43を配置し、被加熱流体の通る伝熱管42の出口側に温度計44を設け、その温度計44の検出値で制御弁45を制御してスチーム量を制御するようにしている。
【0013】
この加熱器は、LPGのような中間熱媒体を使用すれば、凝縮伝熱境膜係数がスチームほど大きくないので、LPGの蒸気と伝熱管42を挟んで被加熱流体との温度差のバランスが、スチーム直接の場合に比べて非常によい。またスチームは、中間熱媒体41であるLPGの液相を加熱して中間熱媒体41の液に熱を蓄積しているので、被加熱流体の変動によるLPG蒸気相の圧力(温度)変動を液熱量が吸収して、安定した伝熱を行うことができる。
【0014】
またスチームの微少変化は液の大熱容量が吸収して平準化するので、システムの温度精度は精度良く行うことができると共に、低温流体の加熱温度に応じ、その温度でも、凝固しない熱媒体を選定すれば、スチームのような凍結の問題ない。
【0015】
しかしながら、伝熱管42,43を2種類必要とするため、装置が大型になると共に中間熱媒体41を用い、そのガス相の圧力によっては加熱ドラムに耐圧が要求されるためコストが高くなる問題がある。
【0016】
またこのように伝熱機構が2段階となるので、必要な温度差が大きくなり、伝熱面積が大きくなる。このために加熱流体の利用温度幅が狭くなる。
【0017】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、スチームで低温流体を直接加熱し、しかも精度良く低温流体の温度制御が行えるスチーム加熱方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、0℃以下の低温流体を、その低温流体の圧力下での飽和温度近くまでスチームで加熱する低温流体の加熱方法において、加熱器胴体内に上部から下部を通るように伝熱管を設け、加熱器胴体の上部にスチーム供給管を接続すると共に下部に凝縮水の排出管を接続し、その加熱器胴体内の下部に凝縮水相を、上部にスチーム相を形成し、加熱器胴体に、凝縮水相の液面レベルを調整する液面レベル調整手段を設け、加熱器胴体にスチーム相の圧力を検出する圧力計を設け、上記伝熱管の上部に低温流体を供給して、低温流体を伝熱管を通して上部のスチーム相から下部の凝縮相を通るようにして、スチーム相のスチームで低温流体を加熱し、次いで凝縮水相で、スチームが凝縮した温水で加熱するに際し、上記低温流体の供給流量に応じて加熱器胴体内圧力を設定すると共にその圧力となるように加熱器胴体内にスチームを供給し、かつ伝熱管の低温流体の出口温度に応じてスチーム供給管から加熱器胴体に供給する上記スチーム供給量を制御するようにした低温流体のスチーム加熱方法である。
【0019】
請求項2の発明は、伝熱管の出口側に設けた温度計で低温流体の出口温度を検出し、温度計の検出温度を制御装置に入力すると共に圧力計の検出値を制御装置に入力し、その検出温度と圧力に応じて、制御装置が、伝熱管に接続した低温流体の流量調整弁を制御すると共に、スチーム供給管に接続した制御弁を制御する請求項1記載の低温流体のスチーム加熱方法である。
【0020】
請求項3の発明は、加熱器胴体と伝熱管とを、横型のシェルアンドチューブ式の熱交換器で形成し、低温流体の出入口室となる頭部を、上部から下部にかけて複数の室に仕切って形成し、伝熱管を、これら室を結ぶU字管で形成し、上記加熱胴体内に、その上下の室の中間に凝縮水相の液面レベルが位置するように調整される請求項1又は2記載の低温流体のスチーム加熱方法である。
【0021】
請求項4の発明は、低温流体の流量100%に対して、流量負荷が少ないときに、低温流体の流量負荷に応じてスチーム相内の設定圧力を段階的に設定しておき、伝熱管の入口側の低温流体の流量を検出すると共に圧力計で加熱器胴体内のスチーム相内の圧力を検出し、制御装置が、検出した低温流体の流量に応じた上記スチーム相内の圧力を設定し、その設定圧力に基づいたスチーム量でフィードフォワード制御すると共に伝熱管の出口温度に応じてスチーム量をフィードバック制御する請求項1記載の低温流体の加熱方法である。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0025】
図1は、本発明の概略構成を示したものである。
【0026】
図において、加熱器胴体10の上部にスチーム供給管11が接続され、底部に凝縮水の排出管12が接続され、加熱器胴体10内に、凝縮水相13とスチーム相14とが形成され、そのスチーム相14と凝縮水相13とを通過するように伝熱管15が設けられる。
【0027】
伝熱管15の上部の入口側には、液化アンモニア等の低温流体供給管16が接続され、下部の出口側には、低温流体排出管17が接続される。
【0028】
加熱器胴体10には、凝縮水相13内のレベルLを調整するレベル調整手段18が設けられる。このレベル調整手段18は、凝縮水相13内のレベルLを検出するレベル計19と、排出管12に接続され、レベル計19で制御される調整弁弁20とから構成される。なお、レベル調整手段18は、本例に限らず他の手段を用いてもよい。
【0029】
低温流体供給管16には、流量計21と流量調整弁22が接続され、スチーム供給管11には、制御弁23が接続される。また加熱器胴体10には、スチーム相14内の圧力を検出する圧力計24が設けられ、低温流体排出管17には伝熱管15からの低温流体の出口温度を検出する温度計25が設けられる。
【0030】
圧力計24と温度計25の検出値は制御手段26に入力され、この検出値に応じて制御装置26が、制御弁23を制御するようになっている。
【0031】
図2、図3は、加熱器胴体10と伝熱管15の具体的例を示したもので、加熱器胴体10と伝熱管15とを、横型のシェルアンドチューブ式の熱交換器で形成した例を示している。
【0032】
この横型のシェルアンドチューブ式の熱交換器からなる加熱器は、熱交換器胴体としての加熱器胴体10の上部にスチーム供給口11aが形成され、下部に凝縮水排水口12aが形成され、その側部に低温流体Fの出入口を形成する頭部30が設けられ、その頭部30が、上部から下部にかけて入口室27、中間室28、出口室29に仕切られて形成され、伝熱管15が、入口室27と中間室28とを結ぶU字管からなる伝熱管15sと、中間室28と出口室29とを結ぶU字管からなる伝熱管15dとで形成され、入口室27に低温流体Fの供給口16aが設けられ、出口室29に低温液体Fの排出口17aが設けられる。
【0033】
またその加熱器胴体10内に、伝熱管15sと伝熱管15dの間に凝縮水相13の液面レベルが位置するように形成される。
【0034】
この横型のシェルアンドチューブ式の熱交換器からなる加熱器においては、頭部30に、入口室27、中間室28、出口室29を形成する例で説明したが、中間室28は必ずしも設ける必要はなく、入口室27と出口室29とで仕切り、伝熱管15はその出入口室27,29を結ぶように設けてもよく、逆に中間室28を複数形成し、伝熱管15をこれら上下の室27,28,29を結ぶように構成してもよい。
【0035】
また、この場合凝縮水相13の液面レベルは、これら室27,28,29の略中間に位置するように形成すればよい。
【0036】
次に、この加熱器で、スチームを用いて低温流体を加熱する方法を説明する。
【0037】
低温流体として、液化アンモニア(大気圧での沸点−33.4℃)を、圧力がかかったサブクール状態(−33℃)から、その圧における飽和ガス温度近くの+1℃まで加熱する例で説明する。
【0038】
加熱器胴体10内のスチーム相14にスチーム供給管11からスチームが供給され、低温流体供給管16からの低温流体は、そのスチーム相14の伝熱管15sを流れて加熱され、スチーム相14内のスチームは、その加熱によって一部凝縮し、凝縮水相13に溜まる。その後、低温流体は、凝縮水相13内の伝熱管15dを通ってその凝縮相の温水で加熱されて低温流体排出管17より排出される。
【0039】
この低温液体Fの出口温度は温度検出器25で検出され、制御装置23がその温度が設定温度(例えば1℃)となるように制御弁23の開度を制御してスチーム量をフィードバック制御する。
【0040】
このように低温流体を伝熱管15を通し、最初にスチーム相14のスチームで加熱し、次に凝縮相13のスチームが凝縮した温水で加熱することで、出口温度を精度良く迅速に加熱することができる。
【0041】
一般に、スチームの凝縮時の伝熱境膜係数は、伝熱管15の低温流体内の境膜係数に比較して、非常に大きく、20〜100倍以上になる。この領域では、スチームと管壁の温度差は、管壁と低温流体の温度差に比べて非常に小さいので、スチームの圧力(圧力)が微小に変化しても、伝熱の温度差に与える割合はかなり大きくなる。
【0042】
すなわち、管外スチームの温度をTo、伝熱管の管壁温度Tp、低温流体の温度をTiとし管外スチームと伝熱管の温度差をΔTo(=To−Tp)、管壁と低温流体の温度差をΔTi(=Tp−Ti)とすると、伝熱境膜係数の関係で、ΔTiは、ΔToに対して十分に大きい(ΔTi/ΔTo >20)ため、その管外スチーム温度Toの微小の変化が、低温流体側に伝達されるまでには時間を要することとなる。
【0043】
よって、単にスチームで低温流体を加熱し、その低温流体の出口温度を検出してスチーム量をフィードバック制御しても、応答遅れがあるため、低温流体の出口温度安定しないこととなり、精度良い温度制御を行うことはできず、出口温度でスチーム量をフィードバック制御するには、スチームの微少圧力変化を緩和しなければ、実質的に制御は成り立たない。
【0044】
本発明においては、スチーム相14と凝縮水相13とを形成し、スチーム相14内での微少な圧力変化を凝縮相13に溜めた凝縮水で対応するようにしたものである。
【0045】
すなわち、凝縮相13に溜まっている温水は、その表面から底部の排出管12まで次第に温度が低下するものの、凝縮相13の表面は、スチーム相14と接しており、気相圧力と平衡した飽和圧力の温度になっているので、気相圧力の微少圧力変化は、この表面温水によって緩和される。つまり、スチーム量が少なくなりスチーム相14が設定圧力より減圧すれば、凝縮相13の表面から温水が蒸発し、逆に昇圧すれば、スチーム相14のスチームが凝縮するので、スチームの圧力変動が吸収される。またこれら相変化の速度は、量が少ないときには非常に速いことが一般に知られている。
【0046】
従って、温度計25で温度を検出し、その温度に応じて制御装置26が制御弁23を制御することで精度の良いフィードバック制御をおこなうことが可能となる。
【0047】
熱交換器の伝熱管15は、縦方向の配位置で説明したが、伝熱管15の配列は、水平配列であってもよい。但し、この場合中間室28が1室以上設け、上部の伝熱管15sと下部の伝熱管15dの中間に凝縮相13の液面を設定すればよい。
【0048】
上述の制御は、低温流体の流量が設定した100%の流量に達した安定した定常状態についての説明であり、実際の運転においては、加熱器胴体10内にスチームを供給して凝縮させて凝縮相13とスチーム相14とを形成しながら低温流体の流量を100%まで徐々に上げて定常運転しなければならない。
【0049】
この場合、上述したフィードバック制御では、制御系の遅れは必須であり、このため、本発明においては、設定流量に対して加熱器胴体10内の適正なスチーム相14内の圧力を制御装置26に予め入力しておき、低温流体の流量を流量検出器21で検出し、同時に加熱器胴体10内の圧力を圧力計24を用いて検出しその流量値に応じて制御弁23を制御することで、低温流体の出口温度をフィードフォワード制御するようにしたものである。
【0050】
すなわち、流量100%、50%、24%、15%流量時に、低温流体の出口温度を設定値に保つに、必要なスチーム量を予め計算で求めておき、そのスチーム量に対する加熱器胴体10内の容積から、凝縮水の保有熱量を考慮して適正な加熱器胴体10内の圧力を設定することで、運転開始から100%流量の定常運転まで、安定ししかも精度の良い低温流体の出口温度制御が行える。
【0051】
これをさらに詳しく説明すると、流量負荷100%、50%、25%、15%としたときのスチーム量と設定圧力の関係を、例えば下表のように設定しておく。
【0052】
立ち上げから低温流体の流量が増加させるには、上記表のように段階的に加熱器胴体内設定圧力を段階的に上げていき、それに応じた圧力となるように制御弁23を制御して流量に対応したスチーム量をフィードフォワード制御し、さらに温度計25による検出値で、スチーム量をフィードバック制御を行うことで、幅広い流量域で、精度の良いか熱が行える。また逆に、運転終了時など流量を段階的に少なくする場合には、この逆に設定圧力値を下げて、徐々にスチーム量を下げて行けばよい。
【0053】
なお、レベル調整手段18は、その制御弁23の排出量を制御することでレベルLを設定できると共にそのレベルLで、凝縮水相13とスチーム相14の容積比を可変できるため、そのレベルを調整することで、季節による負荷変動や、蒸気圧の変動などによる熱交換量のマッチングを適正に保つことができるようにしている。
【0054】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、低温流体をスチームで精度良く加熱できると共にコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態を示す概略図である。
【図2】図1の加熱器の具体的例を示す断面図である。
【図3】図2の側断面と平面を示す図である。
【図4】従来の中間熱媒体を用いた加熱器の概略断面図である。
【図5】従来のスチーム加熱器を示す図概略である。
【符号の説明】
10 加熱器胴体
11 スチーム供給管
12 凝縮水排出管
13 凝縮水相
14 スチーム相
15 伝熱管
Claims (4)
- 0℃以下の低温流体を、その低温流体の圧力下での飽和温度近くまでスチームで加熱する低温流体の加熱方法において、加熱器胴体内に上部から下部を通るように伝熱管を設け、加熱器胴体の上部にスチーム供給管を接続すると共に下部に凝縮水の排出管を接続し、その加熱器胴体内の下部に凝縮水相を、上部にスチーム相を形成し、加熱器胴体に、凝縮水相の液面レベルを調整する液面レベル調整手段を設け、加熱器胴体にスチーム相の圧力を検出する圧力計を設け、上記伝熱管の上部に低温流体を供給して、低温流体を伝熱管を通して上部のスチーム相から下部の凝縮相を通るようにして、スチーム相のスチームで低温流体を加熱し、次いで凝縮水相で、スチームが凝縮した温水で加熱するに際し、上記低温流体の供給流量に応じて加熱器胴体内圧力を設定すると共にその圧力となるように加熱器胴体内にスチームを供給し、かつ伝熱管の低温流体の出口温度に応じてスチーム供給管から加熱器胴体に供給する上記スチーム供給量を制御することを特徴とする低温流体のスチーム加熱方法。
- 伝熱管の出口側に設けた温度計で低温流体の出口温度を検出し、温度計の検出温度を制御装置に入力すると共に圧力計の検出値を制御装置に入力し、その検出温度と圧力に応じて、制御装置が、伝熱管に接続した低温流体の流量調整弁を制御すると共に、スチーム供給管に接続した制御弁を制御する請求項1記載の低温流体のスチーム加熱方法。
- 加熱器胴体と伝熱管とを、横型のシェルアンドチューブ式の熱交換器で形成し、低温流体の出入口室となる頭部を、上部から下部にかけて複数の室に仕切って形成し、伝熱管を、これら室を結ぶU字管で形成し、上記加熱胴体内に、その上下の室の中間に凝縮水相の液面レベルが位置するように調整される請求項1又は2記載の低温流体のスチーム加熱方法。
- 低温流体の流量100%に対して、流量負荷が少ないときに、低温流体の流量負荷に応じてスチーム相内の設定圧力を段階的に設定しておき、伝熱管の入口側の低温流体の流量を検出すると共に圧力計で加熱器胴体内のスチーム相内の圧力を検出し、制御装置が、検出した低温流体の流量に応じた上記スチーム相内の圧力を設定し、その設定圧力に基づいたスチーム量でフィードフォワード制御すると共に伝熱管の出口温度に応じてスチーム量をフィードバック制御する請求項1記載の低温流体の加熱方法。
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