JP4602578B2

JP4602578B2 - 二相流体の乾き度又は湿り度制御装置

Info

Publication number: JP4602578B2
Application number: JP2001073770A
Authority: JP
Inventors: 正義原田
Original assignee: Tlv Co Ltd
Current assignee: Tlv Co Ltd
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: JP2002276902A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気と凝縮液としてのドレン、あるいは、冷媒ガスと冷媒液などの気液二相流体が混合した流体の乾き度又は湿り度を任意に制御する装置に関する。例えば、蒸気の単位体積当りの全質量に対する乾き飽和蒸気の占める質量の割合を乾き度Ｘと言い、乾き度がＸの場合、湿り度は（１−Ｘ）で表される。各種ボイラや蒸気動力を利用する機器、乾燥設備などでは、蒸気中の水分の含有量によって例えば稼動効率や乾燥状態が変化してしまうために、乾き度あるいは湿り度が測定され制御される。
【０００２】
【従来の技術】
従来の乾き度又は湿り度制御装置としては、例えば特許第２８７３６４０号公報に記載されたものがある。これは、蒸気の乾き度を測定する絞り乾き度計又は赤外線式湿り度計と、蒸気を加熱したり冷却する乾き度及び湿り度調節装置から成るもので、供給蒸気の乾き度又は湿り度を任意に制御することができるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の乾き度制御装置に用いる絞り乾き度計や赤外線式湿り度計では、気相としての蒸気の乾き度を測定することはできるが、流体配管中に混在する層状の凝縮液としてのドレンを考慮した、流体配管全体の乾き度を測定して制御することができない問題があった。
【０００４】
例えば実際の蒸気配管においては、気相としての蒸気の層の下部に、液相としてのドレンの層が混在した状態となっている場合が多々ある。上記従来の乾き度計では、蒸気中に含まれる微細な水滴の量の多少に基づいて変化する蒸気の乾き度を測定することはできるが、下層のドレンを考慮した配管全体の乾き度を測定することができず、従って、配管全体の乾き度を制御することもできないのである。
【０００５】
従って、本発明の課題は、流体配管中に混在する層状の液体も含めた配管全体の流体の乾き度又は湿り度を測定し、制御することのできる、二相流体の乾き度又は湿り度制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために講じた本発明の手段は、配管を流下する流体の乾き度又は湿り度を測定する乾き度又は湿り度測定手段と、流体の乾き度又は湿り度を調節する乾き度又は湿り度調節手段を備えて、当該乾き度又は湿り度調節手段を、供給する蒸気を加熱して乾き度を高めるための加熱器と、反対に蒸気に水滴を供給して乾き度を低めるための冷却器とで構成して、供給する流体の乾き度又は湿り度を所定値に制御するものにおいて、流体が気液の二相流体であり、且つ、流体の乾き度又は湿り度測定手段が、気相流体の乾き度又は湿り度を検出する気相流体乾き度検出手段と、流体配管中の層状の液相流体の液位から重量を検出する液相流体液位重量検出手段と、から成り、当該気相流体乾き度検出手段が、気相流体の動圧を検知するピトー管又は弾性付勢されたフラップから成る動圧検知手段と、当該動圧検知手段で検知した動圧値と気相流体の流速から気相流体の比重量又は比容積を演算する比重量又は比容積演算手段と、当該気相流体の比重量又は比容積と乾き度又は湿り度との関係式に基づいて気相流体の乾き度又は湿り度を算出する演算制御部と、を具備して、気相流体の乾き度と、液相流体液位重量検出手段で検出した液位から流体配管内の液相と気相の単位容積を算出して、気相の単位容積と乾き度から、気相流体中の気体重量Ｓと液体重量Ｄを算出すると共に、液相の単位容積から液相流体の重量Ｄ´を算出することによって、気液二相流体の乾き度Ｘ＝Ｓ／（Ｓ＋Ｄ＋Ｄ´）として流体配管全体の乾き度又は湿り度を測定し制御することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項１に係る発明は、前記気相流体乾き度検出手段が、気相流体の動圧を検知するピトー管又は弾性付勢されたフラップから成る動圧検知手段と、当該動圧検知手段で検知した動圧値と気相流体の流速から気相流体の比重量又は比容積を演算する比重量又は比容積演算手段と、当該気相流体の比重量又は比容積と、乾き度又は湿り度との関係式に基づいて、気相流体の乾き度又は湿り度を演算制御することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、前記気相流体の流速を流速検出手段で検出して、検出した流速値を前記比重量又は比容積演算手段に供給するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１の構成に加えて、前記動圧検知手段がピトー管又は弾性付勢されたフラップであると共に、流下する気相流体の静圧を検知する静圧検知手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１の構成に加えて、前記動圧検知手段がピトー管である共に、当該ピトー管で静圧も検知することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項１に係る発明を実施するのに好適な実施形態を特定するものであり、前記液相流体液位重量検出手段が、流体配管の底部外面に取り付けられた超音波送受信器と、当該超音波送受信器から上方に向けて放射された超音波が液面で反射されて戻ってくるまでの時間から流体配管内の液位を検出する液位検出手段を具備して、当該液位検出手段で検出された液位から流体配管内の気相流体と液相流体の単位容積を算出して、液相流体の単位容積から重量を演算算出することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
気相流体乾き度検出手段で気相流体の乾き度を検出し、液相流体液位重量検出手段で検出した液位から流体配管内の液相と気相の単位容積を算出して、気相の単位容積と乾き度から、気相流体中の気体重量Ｓと液体重量Ｄを算出すると共に、液相の単位容積から液相流体の重量Ｄ´を算出することによって、気液二相流体の乾き度Ｘ＝Ｓ／（Ｓ＋Ｄ＋Ｄ´）として流体配管全体の乾き度又は湿り度を測定し制御することができる。
【００１３】
動圧検知手段で流下する気相流体の動圧を検知して、この検知した動圧値と気相流体の流速から、比重量又は比容積演算手段で、動圧値＝ρＶ2／２式により、比重量又は比容積を演算することができる。ここで、ρは気相流体の比重量で、Ｖは流速であり、比容積：ｖはρの逆数として求めることができる。
【００１４】
例えば気相流体としての蒸気の比重量又は比容積と、蒸気の乾き度又は湿り度との間には、所定の定義式で表される関係式があり、比重量又は比容積演算手段で演算した値と、この関係式から、蒸気の乾き度又は湿り度を算出して、供給蒸気の乾き度又は湿り度を任意に制御することができる。
【００１５】
気相流体の流速が不明確な場合は、請求項３に示すように、流速検出手段で気相流体の流速を検出して、検出した流速値を前記比重量又は比容積演算手段に供給して演算することができる。
【００１６】
気相流体の静圧が不明確な場合は、請求項４に示すように、動圧検知手段としてピトー管又は弾性付勢したフラップとに加えて、静圧検知手段を用いることにより、流下する気相流体の静圧も簡単に検知して、乾き度を算出して制御することができる。また、ピトー管に静圧管を備えた二重管とすることにより、ピトー管で総圧と静圧の差としての動圧と、静圧の両方を検知して、乾き度を算出して制御することができる。
【００１７】
液相流体液位重量検出手段において、流体配管の底部外面に取り付けられた超音波送受信器から上方に向けて放射された超音波が、液面で反射されて戻ってくるまでの時間から流体配管内の液位を検出する。この検出された液位から液相部と気相部の面積を算出し流体配管の単位長さにおける液相と気相の単位容積を算出する。また、算出した液相の単位容積と比容積から液相流体の重量を算出することができる。
【００１８】
【実施例】
本実施例においては、蒸気とドレンの気液二相流体の乾き度を制御する例を説明する。また本実施例においては、気相流体乾き度検出手段としてピトー管１を用いた例を、及び、液相流体液位重量検出手段として超音波送受信器２を用いた例を示す。
【００１９】
図1において、被制御流体としての蒸気とドレンの混合流体が左側から右側へ流下する上下の蒸気配管３と、乾き度又は湿り度を調節する調節手段４と、乾き度又は湿り度測定手段２４とで二相流体の乾き度又は湿り度制御装置を構成する。下部の蒸気配管３は、調節手段４を通り、上部に拡大して図示した蒸気配管３と連通する。蒸気配管３の中では、上部に蒸気５が、下部にドレン６が層状に流下し、更に、上部の蒸気５は、乾き飽和蒸気と微細な水滴が混合した所謂湿り蒸気状態のものである。
【００２０】
動圧検知手段としてのピトー管１の端部開口７を、蒸気配管３のほぼ中心部に配置して、上部の圧力変換器８と連通する。本実施例のピトー管１は、流体の総圧を検出することのできる一重管のものを使用する。
【００２１】
ピトー管１の端部開口７の上方には、被測定蒸気の静圧を検出する静圧検知手段としての圧力センサ９を取り付ける。ピトー管１で検出した総圧から圧力センサ９で検知した静圧を減じることにより、蒸気の動圧を求めることができる。尚、ピトー管１に静圧管を備えて静圧を検知することのできる二重管方式のものを用いる場合、圧力センサ９は必ずしも取り付ける必要はない。また、蒸気の静圧が既知の場合も、圧力センサ９は必ずしも取り付ける必要はない。
【００２２】
圧力センサ９の更に上流側には、蒸気配管３内を通過する蒸気の流速を検出する流速検出手段としての流速センサ１０を取り付ける。流速センサ１０は、内部を図示しないセンサ部１０と流速変換器２１とで構成する。尚、流速センサ１０は、通過蒸気の流速が既知の場合は必ずしも取り付ける必要はない。
【００２３】
蒸気配管３の底部外周に超音波送受信器２を取り付ける。一方、流速センサ１０の上流側には、冷却流体の補給管２２と排出管２３を、それぞれ蒸気配管３の上部と下部に接続する。
【００２４】
乾き度又は湿り度調節手段４は、供給する蒸気を加熱して乾き度を高めるための加熱器１１と、反対に蒸気に水滴を供給して乾き度を低めるための冷却器１２とで構成する。
【００２５】
加熱器本体１３に、バルブ１９を介して加熱流体供給管１４と排出管１５を接続し、加熱流体の供給量をコントロールして加熱器本体１３内を通過する蒸気を適宜加熱することによって、蒸気の乾き度を任意に高めることができるものである。
【００２６】
冷却器本体１６には、バルブ２０を介して冷却水供給管１７を接続して、蒸気の乾き度を任意に低めることができるものである。冷却器本体１６の下部にはスチームトラップ１８を接続して、冷却器本体１６内の余剰の冷却水を外部に排出する。
【００２７】
それぞれのバルブ１９，２０と、ピトー管１の圧力変換器８と、圧力センサ９と、流速変換器２１、及び、超音波送受信器２は、図示しない演算制御部と電気接続する。
【００２８】
気相流体乾き度検出手段としてのピトー管１を用いて、蒸気５の乾き度Ｘ１又は湿り度（１−Ｘ１）を測定するには、まず、ピトー管１で蒸気５の総圧を検知し、この総圧と静圧の差としての動圧値と、蒸気５の流速Ｖとから、比重量又は比容積演算手段で、動圧値＝ρＶ2／２式によって、蒸気５の比重量又は比容積を演算する。尚、比容積ｖは、比重量ρの逆数として求まる。
【００２９】
蒸気５の比重量又は比容積と、乾き度又は湿り度との間には、所定の関係式が存在する。即ち、ρ＝Ｘ１／ｖ〃＋（１−Ｘ１）／ｖ´式が成り立つ。ここで、ρは蒸気５の比重量、Ｘ１は蒸気５の乾き度、ｖ〃は飽和蒸気の比容積、ｖ´は飽和水の比容積である。ｖ〃とｖ´は、被測定蒸気の静圧が判れば蒸気表から一義的に求めることができる。従って、圧力センサ９で蒸気配管３内の静圧を測定すると共に、予め記憶しておいた蒸気表の各圧力ごとの、飽和蒸気の比容積と飽和水の比容積から、ｖ〃とｖ´を求めることができる。
【００３０】
上記の式、ρ＝Ｘ１／ｖ〃＋（１−Ｘ１）／ｖ´において、ρとｖ〃とｖ´が求まることによって、被測定蒸気５の乾き度Ｘ１を求めることができ、同じく、湿り度（１−Ｘ１）を求めることができる。
【００３１】
次に、超音波送受信器２で、蒸気５とドレン６の単位容積を検出する例を説明する。蒸気配管３の底部外面に取り付けた超音波送受信器２を、図示しない演算制御部に接続する。演算制御部には予め飽和蒸気及び飽和水の比容積と蒸気圧力の関係を記憶しておく。
【００３２】
超音波送受信器２から、所定時間毎に蒸気配管３の底部外面から上方に向けて超音波を放射し、ドレン６の上液面で反射されて戻ってくるまでの時間から蒸気配管３内のドレンの液位を検出し、検出した液位から所定管径を有する蒸気配管３の蒸気部５の面積とドレン部６の面積を算出し、蒸気配管３の単位長さにおける蒸気５の単位容積Ｖ１とドレン６の単位容積Ｖ２を算出する。
【００３３】
次に、算出した蒸気５の単位容積Ｖ１と乾き度Ｘ１から、蒸気５中の乾き飽和蒸気の重量Ｓと、蒸気５中に含まれている微細な水滴状のドレンの重量Ｄを算出する。即ち、Ｘ１＝Ｓ／（Ｓ＋Ｄ）で表され、Ｘ１が既に求まっており、同様に既知のＶ１におけるＳとＤの比率からＳとＤを算出することができる。
【００３４】
次に、算出したドレン６の単位容積Ｖ２に、蒸気配管３の圧力に基づく飽和水の比容積の逆数を掛け合わせてドレン６の重量Ｄ´を算出して、蒸気５とドレン６から成る二相流体の乾き度ＸをＸ＝Ｓ／（Ｓ＋Ｄ＋Ｄ´）として、流体配管３全体の乾き度を求めることができる。
【００３５】
更に、演算制御部で求まった全体の乾き度又は湿り度と、設定入力された設定値とが比較され、両者の偏差を例えば零にするように演算制御部からバルブ１９，２０への開度信号が発せられバルブ１９，２０が開閉制御されて、供給蒸気の乾き度又は湿り度が任意に制御される。
【００３６】
本実施例においては、動圧検知手段としてピトー管１を用いた例を示したが、その他にバネ等で弾性付勢した所定面積を有する抵抗板としてのフラップを取り付けて、被測定蒸気の動圧に基づくフラップの変位を検出することにより、動圧検知手段とすることができる。
【００３７】
本実施例における流速センサ１０としては、電磁式や超音波式、渦式、熱式、タービン式、あるいは、レーザードップラー式等従来公知のものを使用することができるものである。
【００３８】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、気相流体乾き度検出手段と液相流体液位重量検出手段を具備して、それぞれの検出手段の検出値から、配管全体の流体の乾き度又は湿り度を測定することができ、従って配管全体の流体の乾き度又は湿り度を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二相流体の乾き度又は湿り度制御装置の一部断面構成図。
【符号の説明】
１ピトー管
２超音波送受信器
３蒸気配管
４乾き度又は湿り度調節手段
１１加熱器本体
１４加熱流体供給管
１６冷却器本体
１７冷却流体供給管
２４乾き度又は湿り度測定手段

Claims

配管を流下する流体の乾き度又は湿り度を測定する乾き度又は湿り度測定手段と、流体の乾き度又は湿り度を調節する乾き度又は湿り度調節手段を備えて、当該乾き度又は湿り度調節手段を、供給する蒸気を加熱して乾き度を高めるための加熱器と、反対に蒸気に水滴を供給して乾き度を低めるための冷却器とで構成して、供給する流体の乾き度又は湿り度を所定値に制御するものにおいて、流体が気液の二相流体であり、且つ、流体の乾き度又は湿り度測定手段が、気相流体の乾き度又は湿り度を検出する気相流体乾き度検出手段と、流体配管中の層状の液相流体の液位から重量を検出する液相流体液位重量検出手段と、から成り、当該気相流体乾き度検出手段が、気相流体の動圧を検知するピトー管又は弾性付勢されたフラップから成る動圧検知手段と、当該動圧検知手段で検知した動圧値と気相流体の流速から気相流体の比重量又は比容積を演算する比重量又は比容積演算手段と、当該気相流体の比重量又は比容積と乾き度又は湿り度との関係式に基づいて気相流体の乾き度又は湿り度を算出する演算制御部と、を具備して、気相流体の乾き度と、液相流体液位重量検出手段で検出した液位から流体配管内の液相と気相の単位容積を算出して、気相の単位容積と乾き度から、気相流体中の気体重量Ｓと液体重量Ｄを算出すると共に、液相の単位容積から液相流体の重量Ｄ´を算出することによって、気液二相流体の乾き度Ｘ＝Ｓ／（Ｓ＋Ｄ＋Ｄ´）として流体配管全体の乾き度又は湿り度を測定し制御することを特徴とする二相流体の乾き度又は湿り度制御装置。
前記気相流体の流速を流速検出手段で検出して、検出した流速値を前記比重量又は比容積演算手段に供給することを特徴とする請求項１に記載の二相流体の乾き度又は湿り度制御装置。
前記動圧検知手段が気相流体の静圧を検知する静圧検知手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の二相流体の乾き度又は湿り度制御装置。
前記動圧検知手段がピトー管である共に、当該ピトー管で静圧も検知することを特徴とする請求項１に記載の二相流体の乾き度又は湿り度制御装置。
前記液相流体液位重量検出手段が、流体配管の底部外面に取り付けられた超音波送受信器と、当該超音波送受信器から上方に向けて放射された超音波が液面で反射されて戻ってくるまでの時間から流体配管内の液位を検出する液位検出手段を具備して、当該液位検出手段で検出された液位から流体配管内の気相流体と液相流体の単位容積を算出して、液相流体の単位容積から重量を演算算出することを特徴とする請求項１に記載の二相流体の乾き度又は湿り度制御装置。