JP4115064B2

JP4115064B2 - 低温流体のスチーム加熱方法

Info

Publication number: JP4115064B2
Application number: JP2000056068A
Authority: JP
Inventors: 誠尾崎; 弘一郎国分
Original assignee: 石川島プラント建設株式会社
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP2001241753A

Description

【０００１】
【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

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。