JP5549804B2 - 蒸気質モニタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラで発生した蒸気を冷却し、このとき発生した凝縮水の水質を計測することにより、蒸気の質をモニタリングする蒸気質モニタリング装置に関するものであ。

ボイラで発生した蒸気を熱交換器で冷却して凝縮水にし、この凝縮水を所定温度まで冷却して、その水質を水質計測器により計測することで、蒸気の質、すなわち、蒸気中に含まれる不純物量や蒸気の腐食性等をリアルタイムにモニタリング（監視）する、蒸気質モニタリング装置は知られている。

かかる蒸気質モニタリング装置には、冷却水を用いて蒸気を冷却させる水冷式の熱交換器を用いたもの（例えば、特許文献１、特許文献２）の他、大気中の空気で蒸気や凝縮水を強制的に冷却する空冷式の熱交換器を用いたもの（特許文献３）もある。水冷式の熱交換器を用いた蒸気質モニタリング装置は、蒸気等の冷却効率がよいので多く使用されているが、冷却水が容易に利用できない現場等では、空冷式の熱交換器を用いたものの利用価値も高い。

空冷式の熱交換器を用いた蒸気質モニタリング装置では、サンプリングされた蒸気を熱交換器に通して冷却した後、生じた凝縮水を、流量をコントロールすることなく、そのまま水質計測器に送り、この水質計測器により、凝縮水の水質が計測される。すなわち、空冷式の熱交換器は、蒸気の冷却効率が悪く、蒸気の冷却によって生じる凝縮水の流量が小さいため、蒸気や凝縮水は流量コントロールされることなく、蒸気の圧力に見合った流量だけ蒸気が凝縮水として取り込まれた後、水質計測器側に送られ、水質の計測後そのまま排出される。なお、水質計測器に送る凝縮水の流量と温度は、水質計測に適合した所定の流量条件及び温度条件を満たす必要がある。

特開２００７−９３１２８号公報 特願２００８−２０２３４２号公報 特願２００９−１６５０００号公報

この蒸気質モニタリング装置では、熱交換器等の機器の管内径が、比較的高めの蒸気圧力を基準に定められていて小さいため、サンプリングされる蒸気の圧力が比較的高い場合には、それ程問題は生じなかったが、サンプリングされる蒸気の圧力が比較的低い場合には、凝縮水の流量が減少し、凝縮水の水質をリアルタイムに計測できない（蒸気質をモニタリングできない）という問題があった。

ここで、サンプリングされる蒸気の圧力が比較的低い場合には、機器等の管内径を大きくすればよいが、空冷式の熱交換器の場合、伝熱管の内径を安易に大きくすると、冷却効率が大きく低下してしまい、凝縮水の温度が適正範囲を超えてしまって、凝縮水の水質が正しく計測できないという問題が生じる。さらに、この問題を解決するには、伝熱管の長さを変えたり、空冷ファンの能力や台数を増加させる必要も生じる。

この発明は、以上の点に鑑み、蒸気の圧力に見合った流量だけ蒸気が凝縮水として取り込まれる場合に、サンプリングする蒸気の圧力が大きく異なる場合でも、熱交換器等を変更することなく、水質計測器に適正な流量の凝縮水を適正な温度で供給できる蒸気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、ボイラで発生した蒸気を冷却して凝縮水にし、この凝縮水を所定温度まで冷却して、その水質を水質計測器により計測することにより、前記蒸気の質をモニタリングするとともに、前記蒸気と凝縮水のうち、少なくとも何れか一方を、大気中の空気で強制的に冷却する空冷式の熱交換器を備えた蒸気質モニタリング装置であって、前記蒸気が前記水質計測器による水質計測に必要な流量だけ流された場合に、この蒸気を所定の圧力範囲まで減圧する減圧手段と、前記水質計測器にて水質が計測された後の前記凝縮水で、前記減圧手段にて減圧された前記蒸気を、前記熱交換器に先だって冷却する凝縮水冷却器とを備えているとともに、前記減圧手段の下流側の、前記凝縮水冷却器と前記熱交換器とを含めた機器及び配管が、前記ボイラ側から前記所定の圧力範囲にある蒸気が供給された場合に、水質計測に必要な温度で、かつ、水質計測に必要な流量の凝縮水を前記水質計測器に供給するように形成されていることを特徴とする。

この発明では、減圧手段を用いて、ボイラからの蒸気の圧力を所定の圧力範囲まで減圧した場合に、この蒸気を、減圧手段の下流側に、水質計測器による水質計測に必要な流量だけ供給できるようにしている。また、この発明では、ボイラ側の所定の圧力範囲にある蒸気に対して、水質計測に必要な温度で流量の凝縮水を水質計測器に供給するように、減圧手段下流側の機器の大きさ（例えば、空冷式の熱交換器の伝熱管の径や長さ）や配管の径を大きめに定めている。したがって、減圧手段を通った蒸気は、その後、何のコントロールをしなくても、空冷式の熱交換器等によって、水質計測に必要な温度で流量の凝縮水に変えられて、水質計測器に供給される。

なお、減圧手段により減圧した蒸気の圧力を所定の圧力範囲として、一定の幅を持たせたのは、水質計測に必要な凝縮水の温度と流量にも一定の幅（範囲）があるからである。

さらに、この発明では、ボイラからの蒸気は、凝縮水冷却器と空冷式の熱交換とにより、冷却されて所定温度の凝縮水に変えられる。

この発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の場合において、前記減圧手段が、入口側の蒸気の圧力の違いに応じて、所定範囲の圧力毎にノズル径の異なるものに取り替えられるオリフィス、又は、入口側の蒸気の圧力の違いに応じて、ノズルの大きさを変更できるノズル可変型オリフィスであることを特徴とする。

この発明では、減圧手段としてオリフィスを用いているので、このオリフィスを用いて、蒸気の流量、すなわち、凝縮水の流量を容易に知ることができる。この場合、蒸気が水質計測に必要な流量だけ流れておれば、オリフィス出口側の蒸気圧力が、所定の圧力範囲内の圧力にまで減圧されていることが認識される。

この発明の請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の場合において、前記減圧手段が、入口側の蒸気の圧力の違いに応じて、所定範囲の圧力毎にノズル径の異なるものに取り替えられるオリフィス式のスチームトラップであることを特徴とする。

この発明の請求項１記載の発明によれば、サンプリングする蒸気の圧力が大きく異なる場合でも、減圧手段により蒸気の圧力を所定の範囲内に減圧しているので、その後、圧力に見合った流量だけ蒸気を凝縮水として取り込んでも、水質計測器に適正な流量の凝縮水を適正な温度で供給できる。すなわち、この発明によれば、サンプリングする蒸気の圧力が大きく異なる場合に、減圧手段による減圧以外に、蒸気や凝縮水について何のコントロールをしなくても、機器の大きさや配管径を変更することなく凝縮水の水質を適正に計測することができる。

また、この発明によれば、減圧手段により減圧される蒸気の圧力を上げれば、減圧手段下流側の配管サイズを小さくできるので、例えば、ボイラ側で定期的に蒸気圧の変動が生じる場合には、この蒸気圧の変動を考慮して、所定の圧力範囲を定めることにより、減圧手段下流側の配管径を最適なものとすることができる。

さらに、この発明によれば、水質計測器にて水質が計測された後の凝縮水で蒸気を冷却することにより、蒸気や凝縮水の冷却効率のアップを図ることができる。

この発明の請求項２記載の発明によれば、減圧手段として構成の簡単なオリフィスを用いているので、蒸気を簡単に減圧することができる。また、この発明によれば、オリフィスで計測された蒸気の流量を知ることによって、水質計測に必要な温度で、かつ、水質計測に必要な流量の凝縮水が水質計測器に供給されているか否かを簡単に知ることができる。

この発明の請求項３記載の発明によれば、オリフィス式のスチームトラップは、減圧手段として、使用が容易であり、かつ、入手も容易である。

この発明の一実施の形態に係る蒸気質モニタリング装置を示す図である。 ボイラ側の蒸気圧とオリフィスのノズル径等を示す図である。

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質モニタリング装置を示している。

蒸気質モニタリング装置１は、図１で示されるように、凝縮水冷却器２と、空冷式熱交換器３と、水質計測器４と、オリフィス装置５と、蒸気ライン６と、気水混合ライン７と、凝縮水ライン８と、計測済み凝縮水ライン９とから構成されている。

凝縮水冷却器２は、図１で示されるように、蒸気Ｓを、計測済み凝縮水Ｗ３によって冷却して、蒸気混合水Ｗ１を作るものであり、計測済み凝縮水Ｗ３が貯められるケーシング２０内に、熱交換部２１が収納されたものである。ケーシング２０の上部の蓋部分には、大気開放用のベント管２０ａと計測済み凝縮水ライン９とつながるノズル２０ｂが設けられている。また、ケーシング２０の側壁には、計測済み凝縮水Ｗ３のオーバーフロー管２０ｃが設けられている。熱交換部２１は、一端側が蒸気ライン６に接続され、他端側が気水混合ライン７に接続されている。この熱交換部２１は、例えば、内径２．１７ｍｍで所定長さの伝熱管から形成されている。

空冷式熱交換器３は、蒸気混合水Ｗ１を、大気中の空気Ａによって強制冷却して、水質測定用の凝縮水Ｗ２を作るものであり、図１で示されるように、送風機３０と、ダクト３１と、熱交換部３２とから構成されている。ダクト３１内に収納された熱交換部３２の入口側は、気水混合ライン７に接続され、出口側は凝縮水ライン８に接続されている。ダクト３１の一端側、すなわち、熱交換部３２の出口側には送風機３０が取り付けられ、ダクト３１の他端側、すなわち、熱交換部３２の入口側は、送風機３０からの空気Ａを排出するために開放されている。熱交換部３２は、例えば、内径が２．１７ｍｍで所定長さの伝熱管から形成されている。

水質計測器４は、凝縮水Ｗ２の種々の水質、例えばこの実施の形態では、溶存酸素濃度（ＤＯ）と電気伝導率（ＥＣ）とｐＨ値とを計測するものである。この水質計測器４は、図１で示されるように、溶存酸素濃度計４０と、電気伝導率計４１と、ｐＨ計４２と、溶存酸素濃度計４０と電気伝導率計４１とを連結する配管４３と、電気伝導率計４１とｐＨ計４２とを連結する配管４４とを有している。この水質計測器４は、溶存酸素濃度計４０の入口部が、２次凝縮水ライン８に接続され、ｐＨ計４２の出口部が、計測済み凝縮水ライン９に接続されている。なお、配管４３，４４は、内径２．０ｍｍのパイプ等から形成されている。

オリフィス装置５は、蒸気ライン６中に設けられ、蒸気Ｓが水質計測器４による水質計測に必要な流量（例えば、１０〜２０ｍＬ／ｍｉｎ）だけ流された場合に、ボイラ１００側の蒸気Ｓの圧力を、所定の圧力範囲（例えば、０．２〜０．３５ＭＰａ）まで減圧するとともに、蒸気ライン６中を流れる蒸気Ｓの流量（凝縮水の流量）を計測するものである。この所定の圧力範囲には、ボイラ１００からの蒸気Ｓの質がモニタリングされる場合に、この蒸気Ｓの圧力として想定される最も低い圧力を中心とした圧力範囲が選定される。

このオリフィス装置５は、一対のフランジ部５０，５１間に挟みこまれた、減圧手段であるオリフィス５２前後の圧力を計測器５３で計測して、蒸気Ｓの流量を表示するようにしたものである。このオリフィス装置５では、ボイラ１００側の蒸気Ｓの圧力が異なる場合でも、このオリフィス装置５下流側の蒸気Ｓの圧力を所定の圧力範囲内Ｐに保てるように、ノズル径の異なる複数のオリフィス５２が使用できるようになっている。

すなわち、このオリフィス装置５では、図２で示されるように、所定範囲毎に分類されたボイラ１００側の蒸気圧に対して、ノズル径がＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのオリフィス５２と、これらのオリフィス５２に対応する、タイプがａ，ｂ，ｃ，ｄの計測器５３とが準備されており、一定範囲の蒸気圧毎に準備されたオリフィス５２と計測器５３とを使用することにより、オリフィス５２の下流側の蒸気Ｓが所定の圧力範囲の圧力に減圧されるとともに、このときの蒸気Ｓの流量が測定される。

蒸気ライン６は、図１で示されるように、ボイラ１００側の蒸気Ｓを、詳細には、ボイラ１００の蒸気ヘッダ１０１に設けられた圧力計１０２横の枝管側からの蒸気Ｓを、凝縮水冷却器２側に取り込むためのものである。この蒸気ライン６中には、蒸気Ｓの流れに沿って、止め弁６１と、電磁弁６２と、フィルタ６３とが設けられており、オリフィス装置５は、フィルタ６３の下流側に設けられている。なお、オリフィス装置５より下流側の配管６０の径は、内径が２．１７ｍｍとなっている。

気水混合ライン７は、凝縮水冷却器２出口の蒸気混合水Ｗ１を、空冷式熱交換器３側に送るものであり、その配管７０の径は、内径２．１７ｍｍとなっている。

凝縮水ライン８は、空冷式熱交換器３出口の凝縮水Ｗ２を水質計測器４側に送るものであり、内部にサーモスタット８１が設けられている。サーモスタット８１は、バイメタル式であり、高温の凝縮水Ｗ２や蒸気Ｓが水質計測器４側に流れ込むのを防止すると同時に、凝縮水Ｗ２の温度が所定値以上の高温に達すると、蒸気ライン６中の電磁弁６２を閉じさせる。凝縮水ライン８の配管８０の径は、内径が２．１７ｍｍとなっている。

計測済み凝縮水ライン９は、水質計測器４からの計測済み凝縮水Ｗ３を凝縮水冷却器２に供給するためのものであり、その配管９０の径は、内径が４．０ｍｍとなっている。

この蒸気質モニタリング装置１では、蒸気ライン６を通って取り込まれたボイラ１００側の蒸気Ｓは、凝縮水冷却器２により冷却されて蒸気混合水Ｗ１に変えられた後、気水混合ライン７を通って空冷式熱交換器３に送られる。蒸気混合水Ｗ１は、空冷式熱交換器３により冷却されて、水質計測に適した温度と流量の凝縮水Ｗ２に変えられた後、凝縮水ライン８を通って水質計測器４に送られる。凝縮水Ｗ２は、水質計測器４と計測済み凝縮水ライン９を通って、計測済み凝縮水Ｗ３として凝縮水冷却器２に送られる。計測済み凝縮水Ｗ３は、凝縮水冷却器２内で蒸気Ｓと熱交換された後、ベント管２０ａから一部蒸気に変えられ大気に放出されるとともに、オーバーフロー管２０ｃから残りのものが外部に排出される。なお、凝縮水冷却器２中には、予め冷却用の水が入れられており、これに、計測済み凝縮水Ｗ３が補給されていく。

以上のような運転を一定時間継続し、凝縮水冷却器２中の冷却媒体として、計測済み凝縮水Ｗ３が補給されていくとともに、凝縮水Ｗ２の温度と流量が計測に適した、一定値になると、水質計測器４により、凝縮水Ｗ２の溶存酸素濃度と電気伝導度とｐＨ値とが計測され、ボイラ１００からの蒸気Ｓの質がリアルタイムにモニタリングされる。なお、計測に適した凝縮水Ｗ２の流量は、５ｍＬ／ｍｉｎ以上（好ましくは、１０〜２０ｍＬ／ｍｉｎ）であり、計測に適した凝縮水Ｗ２の温度は、１０〜４０℃である。

ところで、この蒸気質モニタリング装置１では、蒸気ライン６中に設けられたオリフィス装置５の下流側に設けられている機器や配管（以下、これを説明上、下流側機器配管Ｋという）が、これに、ボイラ１００側から、所定の圧力範囲にある蒸気が供給された場合に、水質計測に必要な温度で流量の凝縮水を水質計測器４に供給できるように形成されている。

そこで、つぎに、オリフィス装置５と、このオリフィス装置５の下流側の下流側機器配管Ｋの作用効果について説明する。なお、下流側機器配管Ｋとは、オリフィス装置５より下流側の、蒸気ライン６、気水混合ライン７及び凝縮水ライン８，９中にある機器及び配管を言い、具体的には、凝縮水冷却器２、空冷式熱交換器３、水質計測器４、サーモスタット８１、オリフィス装置５の下流側配管６０、及び、配管７０，８０，９０を意味する。

ボイラ１００側の蒸気Ｓの圧力が、例えば、０．８ＭＰａである場合には、オリフィス装置５で使用されるオリフィス５２には、図２中の上から２番目のノズル径Ｂのものが使用され、オリフィス装置５下流側に、所定の圧力範囲にある圧力の蒸気Ｓが、水質計測器４による水質計測に必要な流量だけ供給される。この場合、計測器５３は、図２中の上から２番目の、タイプｂのものが使用され、このオリフィス装置５によって蒸気Ｓの流量が計測される。

一方、下流側機器配管Ｋでは、これに、所定の圧力範囲内にある圧力の蒸気Ｓが供給された場合に、この蒸気圧に従って、計測に必要な温度で流量の凝縮水Ｗ２を水質測定器４に供給し、凝縮水Ｗ２の、溶存酸素濃度と電気伝導率とｐＨ値とが適正に計測されるように、機器の大きさ（例えば、凝縮水冷却器２や空冷式熱交換器３の伝熱管のサイズや長さ）及び配管径が通常のものより大きめに定められている。

したがって、この蒸気質モニタリング装置１では、ボイラ１００側の蒸気Ｓの圧力が、定期的に大きく変動したり、蒸気質のモニタリング現場毎に異なるものであっても、オリフィス装置５により蒸気Ｓの圧力を所定の圧力範囲内に減圧しているので、その後、圧力に見合った流量だけ蒸気を凝縮水として取り込んでも、適正な流量の凝縮水Ｗ２を適正な温度で水質測定器４に供給できる。

すなわち、この蒸気質モニタリング装置１によれば、サンプリングする蒸気の圧力が大きく異なる場合に、オリフィス装置５による減圧以外に、蒸気Ｓや凝縮水（蒸気混合水Ｗ１、凝縮水Ｗ２、計測済み凝縮水Ｗ３）について何のコントロールをしなくても、機器の大きさや配管径を変更することなく、凝縮水Ｗ２の水質を適正に計測することができ、蒸気質のモニタリングの容易化を図ることができる。

この場合、種々のノズル径のオリフィス５２を、ボイラ１００側の蒸気Ｓの一定の圧力範囲毎に定めているので、どのオリフィス５２を使用すればよいかも容易に判断することができる。

また、この蒸気質モニタリング装置１では、オリフィス装置５により減圧される蒸気Ｓの圧力を上げれば、オリフィス装置５下流側の配管サイズを小さくできるので、例えば、ボイラ１００側で定期的に蒸気圧の変動が生じる場合には、この蒸気圧の変動を考慮して、所定の圧力範囲を定めることにより、オリフィス装置５下流側の配管径を最適なものとすることができる。

さらに、この蒸気質モニタリング装置１では、減圧手段としてオリフィス装置５を使用しているので、このオリフィス装置５により、蒸気Ｓの流量、すなわち、凝縮水Ｗの流量を容易に知ることができる。このため、この蒸気質モニタリング装置１では、蒸気Ｓの流量によって、オリフィス装置５の出口側の蒸気圧力が、所定の圧力範囲内の圧力にまで減圧されているか否かを容易に認識でき、このことによって、水質計測器４側に流される凝縮水Ｗ２の温度と流量が適正であるか否かを簡単かつ迅速に知ることができる。

ここで、オリフィス装置５下流側の蒸気Ｓの圧力を所定の圧力範囲として、蒸気圧に一定の幅を持たせたのは、水質計測に必要な凝縮水Ｗ２の流量には、例えば、５ｍＬ／ｍｉｎ以上であるという幅があるとともに、水質計測に必要な凝縮水Ｗ２の温度にも、例えば、１０〜４０℃といった幅があるため、蒸気Ｓの圧力に一定の幅を持たせても、水質計測に必要な凝縮水Ｗ２の温度及び流量を上記範囲に定めることができるからである。

なお、この蒸気質モニタリング装置１では、凝縮水冷却器２を使用して蒸気Ｓの冷却を行っているが、蒸気Ｓや凝縮水Ｗ２の冷却を空冷式熱交換器３のみで行ってもよい。

また、オリフィスには、蒸気流量が自在に変更できるノズル可変型のものを使用してもよい。このオリフィスでは、入口側の蒸気Ｓの圧力の違いに応じてノズルの大きさが変更されて、下流側の蒸気Ｓの圧力が、所定の圧力範囲内のものとなるように調整される。この調整は、自動的に行ってもよいし、手動で行ってもよい。

さらに、オリフィス装置５の計測器５３は省略することもできる。この場合、蒸気流量は計測済み凝縮水Ｗ３の流量を流量計もしくは実測で測定すればよい。

つぎに、この蒸気質モニタリング装置１を、実際の現場で使用した結果について説明する。この場合、減圧手段として、オリフィス式のスチームトラップを使用した。このオリフィス式のスチームトラップは、一般のオリフィスより使用が容易であり、かつ、入手も容易である。

ボイラ１００からの蒸気Ｓの圧力が、０．７ＭＰａの場合には、図２中のノズル径Ｂのオリフィス５２に相当するオリフィス式のスチームトラップ（圧力０．７ＭＰａの蒸気の大気解放時の蒸気流量が１ｋｇ／ｈのもの）が使用され、ボイラ１００からの蒸気Ｓの圧力が、０．４ＭＰａの場合には、図２中のノズル径Ｄのオリフィス５２に相当するオリフィス式のスチームトラップ（圧力０．４ＭＰａの蒸気の大気解放時の蒸気流量が１ｋｇ／ｈのもの）が使用された。いずれの場合においても、凝縮水の流量は、１０〜２０ｍＬ／ｍｉｎで安定し、凝縮水の温度は３０℃で安定して、適正な凝縮水の水質を計測することができ、ボイラ１００からの蒸気Ｓの質を適正にモニタリングすることができた。

１ 蒸気質モニタリング装置
２ 凝縮水冷却器（機器）
３ 空冷式熱交換器（熱交換器、機器）
４ 水質計測器（機器）
４３，４４ 配管
５２ オリフィス（減圧手段）
６０，７０，８０，９０ 配管
１００ ボイラ
Ｓ 蒸気
Ｗ２ 凝縮水

Claims (3)

1. ボイラで発生した蒸気を冷却して凝縮水にし、この凝縮水を所定温度まで冷却して、その水質を水質計測器により計測することにより、前記蒸気の質をモニタリングするとともに、前記蒸気と凝縮水のうち、少なくとも何れか一方を、大気中の空気で強制的に冷却する空冷式の熱交換器を備えた蒸気質モニタリング装置であって、
   前記蒸気が前記水質計測器による水質計測に必要な流量だけ流された場合に、この蒸気を所定の圧力範囲まで減圧する減圧手段と、前記水質計測器にて水質が計測された後の前記凝縮水で、前記減圧手段にて減圧された前記蒸気を、前記熱交換器に先だって冷却する凝縮水冷却器とを備えているとともに、
   前記減圧手段の下流側の、前記凝縮水冷却器と前記熱交換器とを含めた機器及び配管が、前記ボイラ側から前記所定の圧力範囲にある蒸気が供給された場合に、水質計測に必要な温度で、かつ、水質計測に必要な流量の凝縮水を前記水質計測器に供給するように形成されていることを特徴とする蒸気質モニタリング装置。
2. 前記減圧手段が、入口側の蒸気の圧力の違いに応じて、所定範囲の圧力毎にノズル径の異なるものに取り替えられるオリフィス、又は、入口側の蒸気の圧力の違いに応じて、ノズルの大きさを変更できるノズル可変型オリフィスであることを特徴とする請求項１記載の蒸気質モニタリング装置。
3. 前記減圧手段が、入口側の蒸気の圧力の違いに応じて、所定範囲の圧力毎にノズル径の異なるものに取り替えられるオリフィス式のスチームトラップであることを特徴とする請求項１記載の蒸気質モニタリング装置。

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