JP4900783B2 - ボイラの蒸気品質モニタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラの供給用蒸気中に含まれる有機系不純物量を測定して、この供給用蒸気の品質を監視するボイラの蒸気品質モニタリング装置に関するものである。

ボイラ給水等には、水処理剤が加えられるので、ボイラ側には、これらの水処理剤やその熱分解物といった有機系不純物が蓄積するが、ブロー等の管理を適切に行えば、これらの有機系不純物がボイラ水中で濃縮してしまうことはなく、これらがキャリオーバによって蒸気中に混入してしまうこともあまりなかった。

ところが、近年、比較的価格が安く、無人運転が可能な小型貫流ボイラが普及し、ボイラ給水のほぼ全量が蒸気化されるようになったため、蒸気中に有機系不純物が含まれ易い傾向となってきている。また、従来では、製品の加熱や殺菌は、蒸気を使用する熱交換器を介して間接的になされることが多かったが、近年では、蒸気を直接製品に吹き込んで行われることが一般化してきている。以上の理由により、上記のようなボイラを使用する工場などでは、蒸気の品質をモニタリングし、蒸気中に有機系不純物量が多ければ、蒸気を使用しないなど、何らかの処置をする必要が生じてきている。

このため、近年、ボイラからの蒸気の品質を評価することも行われるようになった。例えば、特許文献１には、ボイラからの蒸気を凝縮させ、この凝縮水を用いて蒸気の品質を監視するボイラ復水系監視装置が開示されている。このボイラ復水系監視装置では、ボイラから供給される蒸気の凝縮水中にテストピースを浸し、このテストピースの腐食の程度を観察することによって、蒸気の品質を監視している。

しかしながら、上記のボイラ復水系監視装置では、テストピースの腐食が、有機系不純物に起因する腐食のみでなく、ｐＨ値に起因する腐食や、溶存酸素に起因する腐食も含むため、蒸気中にどの程度の有機系不純物が含まれているかが明確ではなく、かつ、観察結果が主観的なものになりやすく、正確さにも欠けるという問題があった。また、上記装置では、結果が出るまでに時間を要すという問題もあった。

一方、蒸気中の有機系不純物量は、この蒸気の凝縮水中の全有機炭素（ＴＯＣ）濃度を、市販のＴＯＣ計を用いて測定することにより明確かつ正確に（精度よく）知ることができる。
特開平８−２８８０３号公報

しかしながら、市販のＴＯＣ計でも、一回の測定に３〜４分の時間を要し、蒸気中の有機系不純物量を直ちに知ることができないという問題があった。このため、市販のＴＯＣ計を蒸気のモニタリングに使用すると、製造ラインの蒸気の使用ポイント直前の位置で、蒸気の品質確認がすぐには行えず、品質が確認された蒸気と使用する蒸気との間に時間的ギャップが生じてしまうという不都合があった。このため、蒸気の品質が確認されても、使い始めた蒸気の品質が保たれているか否かは明確ではないという不都合が生じていた。

この発明は、以上の点に鑑み、蒸気中の有機系不純物量を短時間のうちに精度よく測定できるボイラの蒸気品質モニタリング装置を提供することを目的とする。

この発明の請求項１記載の発明は、加熱又は殺菌用に製品に直接吹き込んで使用する、ボイラの供給用蒸気の品質をモニタリングし、品質のよい蒸気を使用できるようにするためのボイラの蒸気品質モニタリング装置であって、前記ボイラの供給用蒸気を順次冷却して凝縮水にする冷却器と、前記凝縮水をフローセル内に流しつつ、この凝縮水の所定波長の光に対する吸光度を連続的に計測する分光光度計と、前記分光光度計によって計測された前記吸光度を用いて、前記供給用蒸気の品質を評価するための、前記供給用蒸気中の有機系不純物量を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする。

この発明では、事前に、凝縮水の有機系不純物濃度（例えばＴＯＣ濃度）と、この凝縮水の所定波長の光に対する吸光度との関係を求めておき、凝縮水の上記所定波長の光に対する吸光度がわかれば、この吸光度を用いて、演算手段が凝縮水の有機系不純物濃度を算出できるようにしておく。

すなわち、この発明では、冷却器からのボイラの供給用蒸気の凝縮水に、分光光度計により、所定波長の光を当てて、この凝縮水の吸光度を計測し、この吸光度を用いて、演算手段が有機系不純物濃度（例えばＴＯＣ濃度）を算出することにより、供給蒸気中の有機系不純物量が測定される。

ここで、蒸気中の有機系不純物、すなわち、ボイラに持ち込まれた有機酸やその塩又は糖類を含む水処理剤やこれらの熱分解物は、光を吸収する官能基を有すので、光のいくつかの波長に関して吸収特性を有するとともに、一般の有機成分と同様に、紫外領域の光を吸収する性質を有す。また、着色された水処理剤が使用された場合、蒸気中の有機系不純物は、可視領域の光を吸収する性質を有する。一方、凝縮水の光の吸収特性は、光の波長毎に、有機系不純物濃度（例えばＴＯＣ濃度）によって変化するので、凝縮水の有機系不純物濃度（例えばＴＯＣ濃度）と、この凝縮水の所定波長の光に対する吸光度とには一定の関係が生じる。

この発明の請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明の場合に、前記分光光度計の測定波長は、１９０〜７８０ｎｍであることを特徴とする。

この発明では、波長が１９０〜７８０ｎｍの紫外領域と可視領域の光が使用される。蒸気中の有機系不純物が、これらの光の何れかを吸収する特性を有すからである。

この発明の請求項１記載の発明によれば、ボイラの供給用蒸気を凝縮水にして、この凝縮水の吸光度を分光光度計により計測すれば、演算手段を介して、供給用蒸気中の有機系不純物量が決定されるので、この決定までに時間がかからず、供給用蒸気中の有機系不純物量を短時間のうちに容易に測定できる。また、この発明によれば、有機系不純物量を算出するのに使用される、凝縮水の有機系不純物濃度（例えばＴＯＣ濃度）と、この凝縮水の所定波長の光に対する吸光度との関係も、実験によって明らかにできるので、算出された供給用蒸気中の有機系不純物量の精度も高く保つことができる。したがって、この発明によれば、例えば工場の作業者は、加熱又は殺菌用に蒸気を製品に直接吹き込んで使用する場合に、使用ポイント直前の蒸気の品質を直ちに確認して、品質のよい蒸気のみを確実に使用でき、蒸気の品質に起因するトラブルを未然に防止することができる。さらに、この発明によれば、蒸気中の有機系不純物量を時々刻々と知ることができ、作業者は、常に品質のよい蒸気のみを使用でき、蒸気の品質に起因するトラブルを確実に防止することができる。

この発明の請求項２記載の発明によれば、紫外及び可視領域の光を使用して、蒸気中の有機系不純物の量を容易に知ることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１はこの発明の一実施の形態に係る蒸気品質モニタリング装置を示している。

蒸気品質モニタリング装置１は、ボイラ２にて発生した、例えば温度１５０℃の供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量を測定して、この供給用蒸気Ｓ１の品質を監視するものである。この蒸気品質モニタリング装置１は、図１で示されるように、供給用蒸気ラインＬ１中の、蒸気使用設備３へ供給用蒸気Ｓ１を送る供給弁４の直前に設けられている。そして、この蒸気品質モニタリング装置１は、蒸気サンプリングユニットＹ１と、計測ユニットＹ２ととから構成されている。なお、ボイラ２は、丸ボイラ、水管ボイラ、貫流ボイラ、その他特殊ボイラであってもよいし、供給用蒸気Ｓ１の圧力も、低圧、中圧、高圧の何れであってもよい。

蒸気サンプリングユニットＹ１は、供給用蒸気Ｓ１の凝縮水Ｇを、所定の温度及び流量で計測ユニットＹ２に供給するものである。この蒸気サンプリングユニットＹ１は、冷却器１０と、冷却器１０と供給用蒸気ラインＬ１とをつなぐ蒸気配管Ｌ２と、冷却器１０と計測ユニットＹ２とをつなぐ凝縮水配管Ｌ３と、蒸気配管Ｌ２中に設けられる逆止弁１１、遮断弁１２、圧力計１３と、凝縮水配管Ｌ３中に設けられる温度計１４、流量計１５、流量調整弁１６と、冷却器１０への冷却水入口に設けられる冷却水量調整弁１７と、コントローラ１８と、所定の配線とから構成されている。

冷却器１０は、供給用蒸気Ｓ１を冷却水Ｒにより冷却し、これを凝縮水Ｇに変える熱交換器である。遮断弁１２は、圧力計１３からの信号を受けて開閉する電磁弁である。コントローラ１８は、温度計１４からの凝縮水Ｇの温度信号を基に、冷却水量調整弁１７の弁開度を制御するとともに、流量計１５からの流量信号を基に、流量調整弁１６の弁開度を制御する。

ここで、凝縮水Ｇの流量は、例えば、１２０ｍＬ／ｍｉｎであるが、３０〜２００ｍＬ／ｍｉｎであることが好ましく、５０〜１５０ｍＬ／ｍｉｎであることがより好ましい。また、凝縮水Ｇの温度は、例えば、２０℃であるが、１０〜４０℃であることが好ましく、２０〜３０℃であることがより好ましい。

計測ユニットＹ２は、凝縮水Ｇの吸光度を計測し、この吸光度からＴＯＣ濃度を介して、供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量を定めるものである。この計測ユニットＹ２は、所定波長の光に対する凝縮水Ｇの吸光度を計測する分光光度計２０と、凝縮水Ｇの吸光度から凝縮水ＧのＴＯＣ濃度を算出する演算手段としての演算器２１と、算出されたＴＯＣ濃度又はこれを蒸気中の有機系不純物量に換算した値を供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量として表示し、記録する記録計２２とから構成されている。なお、ＴＯＣ濃度は、凝縮水Ｇの有機系不純物濃度と見なせるものであり、これによって、供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量を知ることができる。

分光光度計２０は、波長が１９０〜７８０ｎｍの紫外及び可視領域の光を用いて、試料の吸光度を計測する紫外／可視分光光度計である。この分光光度計２０は、紫外及び可視領域の全波長の光を用いる必要は無く、例えば、複数又は一つの所定波長の光（具体的には波長が２５０ｎｍの紫外領域の光）を用いて、試料である凝縮水Ｇの吸光度を計測すればよいので、計測に数ミリセカンドの時間しか要しない。このため、この分光光度計２０には、試料を保持するセルにフローセル、すなわち、試料を静止させず流しながら吸光度が連続的に計測できるセルが用いられている。なお、フローセルから流れ出た凝縮水Ｇは、排出管Ｌ４を通って外部に排出される。

つぎに、演算器２１で使用される凝縮水の吸光度とＴＯＣ濃度との関係について説明する。なお、ボイラの負荷変動や缶水濃縮によって、キャリオーバが生じ、ボイラ水中の有機系不純物、すなわち、ボイラに持ち込まれた水処理剤（有機酸やその塩又は糖類を含む）やこれらの熱分解物が蒸気中に混入する。

水処理剤やこれらの熱分解物質からなる蒸気中の有機系不純物は、光を吸収する官能基（多重結合を持った発色基と助色基など）を有すので、光のいくつかの波長に関して吸収特性を有する。また、この有機系不純物は、一般の有機成分と同様に、紫外領域の光を吸収して基底状態における結合軌道からエネルギーの高い反結合軌道へと遷移するので、紫外領域の光を吸収する性質を有す。さらに、着色された水処理剤が使用された場合、この有機系不純物は、可視領域の光を吸収する性質を有する。したがって、ボイラの蒸気を凝縮して液体（凝縮水）とし、これに紫外領域や特定の可視領域の光を当てると、波長毎に光の吸収が生じ、この光の吸収の程度が、吸光度として分光光度計により計測できる。一方、この吸光度は、凝縮水の有機系不純物濃度、例えば、ＴＯＣ濃度によっても変化する。

図２は、蒸気の凝縮水に関して調べられた、ＴＯＣ濃度と、紫外領域の光の波長と、吸光度との関係をグラフで示している。このグラフは、ＴＯＣ濃度をパラメータとして実際のボイラ実験によって求められたものであるが、このグラフでは、ＴＯＣ濃度が大きくなるほど、かつ、波長が小さくなるほど、吸光度が大きくなることが分かる。

上記ボイラ実験では、実験ボイラの補給水に、水処理剤として有機酸を主体とする脱酸素剤（栗田工業（株）製ダイクリーンＴＬ４０４）を１８０ｍｇ／Ｌの割合で加えた。そして、実験ボイラからのボイラ水のブローダウン量を０とし、ボイラ水中の有機系不純物濃度を上げて、実験ボイラ中でキャリオーバを発生させ、蒸気中の有機系不純物量を上げた。そして、バッチにてサンプリングした蒸気の凝縮水中の有機系不純物濃度をＴＯＣ濃度としてＴＯＣ計で計測するとともに、この凝縮水の吸光度を分光光度計で計測した。この場合、波長スペクトルをとる際のスキャン速度は１００ｎｍ／ｍｉｎで行ったため、一つのサンプルの吸光度を計測するのに約１分半の時間を要した。なお、分光光度計には日立社製のもの（Ｕ−２８１０型）を使用し、ＴＯＣ計にはＳＩＥＲＶＥＲＳ社製のもの（ＴＯＣ分析計ポータブル型）を使用した。

図３は、凝縮水のＴＯＣ濃度と、例えば、波長２５０ｎｍの光に対する凝縮水の吸光度との関係をグラフで示している。このグラフは、図２中の２５０ｎｍの波長に対する、ＴＯＣ濃度と吸光度から求められたもので、吸光度とＴＯＣ濃度とが比例関係にあることを示している。もちろん、吸光度とＴＯＣ濃度との関係は、図２から紫外部の他の波長の光についても表すことができる。

したがって、演算器２１は、上記吸光度とＴＯＣ濃度との関係を基に、分光光度計２０で計測された吸光度から、凝縮水ＧのＴＯＣ濃度を算出する。なお、複数の波長について吸光度とＴＯＣ濃度との関係を調べ、演算器２２は、これらを基に算出されたＴＯＣ濃度の例えば平均値を出力するようにしてもよい。

つぎに、蒸気品質モニタリング装置１の作用効果について説明する。
ボイラ２からの供給用蒸気Ｓ１は、供給用蒸気ラインＬ１から蒸気配管Ｌ２を介して蒸気サンプリングユニットＹ１に導かれる。この供給用蒸気Ｓ１は、蒸気サンプリングユニットＹ１において、冷却水Ｒにて冷やされて凝縮水Ｇに変えられる。この場合、冷却器１０出口の凝縮水Ｇの温度は温度計１４で計測され、この温度が設定温度になるように、コントローラ１８が冷却水量調整弁１７を介して冷却器１０に流入する冷却水Ｒの流量を制御する。また、冷却器１０出口の凝縮水Ｇの流量は流量計１５で計測され、この流量が設定流量になるように、コントローラ１８が流量調整弁１６を介して冷却器１０に流入する供給用蒸気Ｓ１の流量を制御する。したがって、凝縮水Ｇは、コントローラ１８による流量調整弁１６と冷却水量調整弁１７との制御の結果、設定温度（２０℃）、設定流量（１２０ｍＬ／ｍｉｎ）で、継続的に計測ユニットＹ２側に送られる。

ここで、ボイラ２が運転を停止するなど、供給用蒸気Ｓ１の圧力が所定の設定値まで降下すると、蒸気配管Ｌ２中の圧力を計測している圧力計１３からの信号により遮断弁１２が閉じ、計測ユニットＹ２側での計測動作を中止させる。また、ボイラ２が運転を開始するなど、供給用蒸気Ｓ１の圧力が所定の設定値より上昇すると、圧力計１３からの信号により遮断弁１２が開き、計測ユニットＹ２側での計測動作を開始させる。なお、逆止弁１１は、ボイラ２側の圧力が負圧になった場合に、蒸気サンプリングユニットＹ１側からの凝縮水Ｇ等の逆流を防止する。

計測ユニットＹ２に送られた凝縮水Ｇは、分光光度計２０のセル（フローセル）中を通過中に、所定波長の光（例えば波長２５０ｎｍの紫外部の光）による吸光度が計測され、その後、排出配管Ｌ４から排出される。この場合、分光光度計２０に送られる凝縮水Ｇの流量及び温度が一定条件に保たれるので、凝縮水Ｇに対する計測結果と供給用蒸気Ｓ１の品質とが常に一定の関係となり、凝縮水Ｇに対する計測結果から、供給用蒸気Ｓ１の品質の正確な判断が可能となる。

演算器２１は、分光光度計２０にて計測された吸光度を基に、凝縮水ＧのＴＯＣ濃度を算出し、記録計２２は、このＴＯＣ濃度又はこれを蒸気中の有機系不純物量に換算した値を供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量として、表示し、記録する。

以上のように、この蒸気品質モニタリング装置１では、ボイラ２の供給用蒸気Ｓ１を凝縮水Ｇにして、この凝縮水Ｇの吸光度を計測した後、所定の演算を行えば、供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量が決定されるので、この決定までに時間がかからず、供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量を短時間のうちに容易に測定できる。また、この蒸気品質モニタリング装置１では、有機系不純物量を算出するのに使用される、凝縮水のＴＯＣ濃度と、この凝縮水の所定波長の光に対する吸光度との関係も、実験によって充分に明確化できるので、供給用蒸気Ｓ１中の有機系不純物量も精度よく算出できる。

したがって、作業者は、蒸気使用設備３の使用ポイント直前の供給用蒸気Ｓ１の品質を直ちに確認して、供給弁４を開くことができるので、蒸気使用設備３側で品質のよい蒸気のみを確実に使用でき、蒸気の品質に起因するトラブルを未然に防止することができる。

また、この蒸気品質モニタリング装置１では、計測ユニットＹ２側に連続的に凝縮水Ｇを流し、時々刻々変化する供給用蒸気Ｓ１の品質を短時間のうちに連続的に表示することができる。このため、例えば作業者は、使用している供給用蒸気Ｓ１の品質が低下すれば直ちに供給弁４を閉じて、蒸気使用設備３への供給用蒸気Ｓ１の供給を停止することができ、常に品質のよい蒸気のみを使用して、蒸気の品質に起因するトラブルを確実に防止することができる。

さらに、この蒸気品質モニタリング装置１では、ＴＯＣ計に比べて構成パーツが少なく、かつ、キャリヤガスや反応試薬も使用しない分光光度計を使用すればよいので、ＴＯＣ計を使用する場合に比べて、装置の維持管理が容易であり、ＴＯＣ濃度を簡易迅速に計測できる。したがって、この蒸気品質モニタリング装置１は、設置が容易であり、蒸気が採取できる場所であれば、どのような場所にも容易に設置して、蒸気の品質を監視できる。

なお、計測ユニットＹ２に、ＴＯＣ濃度が設定値より高い場合、警報を発する警報機を設けてもよい。

また、凝縮水Ｇの有機系不純物濃度は、ＴＯＣ濃度測定以外の方法で行ってもよい。

この発明の一実施の形態に係るボイラの蒸気品質モニタリング装置の機器配置と、水、蒸気、信号の流れを示す図である。 蒸気の凝縮水に関する、ＴＯＣ濃度と、紫外部における光の波長と、吸光度との関係を示す線図である。 波長２５０ｎｍの光に対する、凝縮水の吸光度とＴＯＣ濃度との関係を示す線図である。

符号の説明

１ 蒸気品質モニタリング装置
２ ボイラ
１０ 冷却器
２０ 分光光度計
２１ 演算器（演算手段）
Ｇ 凝縮水
Ｓ１ 供給用蒸気

Claims (2)

1. 加熱又は殺菌用に製品に直接吹き込んで使用する、ボイラの供給用蒸気の品質をモニタリングし、品質のよい蒸気を使用できるようにするためのボイラの蒸気品質モニタリング装置であって、
   前記ボイラの供給用蒸気を順次冷却して凝縮水にする冷却器と、前記凝縮水をフローセル内に流しつつ、この凝縮水の所定波長の光に対する吸光度を連続的に計測する分光光度計と、前記分光光度計によって計測された前記吸光度を用いて、前記供給用蒸気の品質を評価するための、前記供給用蒸気中の有機系不純物量を算出する演算手段とを備えたことを特徴とするボイラの蒸気品質モニタリング装置。
2. 前記分光光度計の計測波長は、１９０〜７８０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のボイラの蒸気品質モニタリング装置。

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