JP5549805B2 - 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る。

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、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、空冷式の熱交換器等に通して所定温度の凝縮水にまで冷却した後、この凝縮水を、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、凝縮水の水質を計測している。なお、水質計測器に送られる凝縮水の流量と温度は、水質計測器に合っ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

ところが、上記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、凝縮水の流量と温度とが、計測に必要な条件を満たしているにもかかわらず、凝縮水中に高濃度の溶存酸素を含む場合に、計測された溶存酸素濃度が、蒸気中の酸素ガス濃度に比べて、低くでてしまうという問題があった。

なお、水冷式の熱交換器を用いた蒸気質モニタリング装置では、蒸気中の酸素ガス濃度を、凝縮水の溶存酸素濃度によって適正に計測できることが実証されている。

この発明は、以上の点に鑑み、蒸気や凝縮水の冷却に空冷式の熱交換器を用いた場合であっても、蒸気中の酸素ガス濃度を、凝縮水中の溶存酸素濃度を用いて適正に計測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、前記熱交換器下流側の前記凝縮水の流路のうちの、前記水質計測器中の溶存酸素濃度計測用のフローセルの出口側流路中に、前記熱交換器側に背圧をかける背圧手段を設けていることを特徴とする。

蒸気中に比較的多量の酸素ガスが含まれている場合には、蒸気の凝縮段階において、蒸気や凝縮水に、ある程度の圧力がかけられていないと、酸素ガスが凝縮水中に溶解しにくいという現象が実験により確かめられている。そこで、この発明では、熱交換器下流側の凝縮水の流路中に背圧手段を設け、熱交換器側に背圧をかけるようにした。

また、この発明では、溶存酸素濃度測定用のフローセルの、凝縮水の出口側流路に背圧手段が設けられていると、空冷式の熱交換器から溶存酸素濃度計測用のフローセル内までの凝縮水にも、背圧手段により背圧がかけられる。一般に、ガスの溶解量は圧力に比例するため、溶存酸素濃度を計測するまでの凝縮水にも圧力（背圧）をかけることにより、蒸気中の酸素ガスをより確実に凝縮水中に溶解させることができることとなる。

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、前記ボイラからの蒸気を、前記熱交換器に先だって冷却する凝縮水冷却器が設けられていることを特徴とする。

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器とにより、冷却されて所定温度の凝縮水に変えられるが、いずれの機器に対しても、背圧手段により背圧をかけることができる。

この発明の請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明の場合において、前記背圧手段が背圧弁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、蒸気や凝縮水の冷却に空冷式の熱交換器を用いた場合であっても、背圧手段を用いて熱交換器側に背圧をかけることにより、蒸気中の酸素ガスを凝縮水中に充分に溶解させることができるので、蒸気中の酸素ガス濃度を、凝縮水の溶存酸素濃度により適正に計測することができる。

また、この発明によれば、溶存酸素濃度を計測するまでの凝縮水にも圧力（背圧）をかけることができるので、蒸気中の酸素ガスを確実に凝縮水中に溶解させることができ、凝縮水中の溶存酸素濃度により、蒸気中の酸素ガス濃度をより確実に知ることができる。

この発明の請求項２記載の発明によれば、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３記載の発明によれば、オリフィス等の背圧手段と比較して、背圧弁は、背圧の大きさを容易に変えることができ、かつ、使用も容易である。

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。 水冷式の熱交換器を有する従来の蒸気質モニタリング装置を示す図である。 空冷式の熱交換器を有するが、この熱交換器の下流側に背圧弁を有さない蒸気質モニタリング装置を示す図である。 図１の蒸気質モニタリング装置による溶存酸素濃度の計測値と、図２の蒸気質モニタリング装置による溶存酸素濃度の計測値と、図３の蒸気質モニタリング装置による溶存酸素濃度の計測値とを比較したグラフである。

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、背圧手段としての背圧弁５と、蒸気Ｓや凝縮水Ｗ２の流路を形成する、蒸気ライン６、気水混合ライン７、凝縮水ライン８、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、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、フローセル４０ａ中に溶存酸素濃度センサ４０ｂが設けられている溶存酸素濃度計４０と、フローセル４１ａ中に電気伝導率センサ４１ｂが設けられている電気伝導率計４１と、フローセル４２ａ中にｐＨセンサ４２ｂが設けられているｐＨ計４２と、溶存酸素濃度計４０と電気伝導率計４１とを連結する凝縮水流路４３と、電気伝導率計４１とｐＨ計４２とを連結する凝縮水流路４４とから構成されている。なお、溶存酸素濃度計４０は、これに所定の圧力がかけられても、凝縮水Ｗ２中の溶存酸素濃度を適正に計測できるように、耐圧性能を有している。

この水質計測器４は、溶存酸素濃度計４０の入口部が、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。凝縮水流路４３，４４の配管径は、内径が２．１７ｍｍとなっている。

背圧弁５は、図１で示されるように、空冷式熱交換器３下流側にある水質測定器４内の、溶存酸素計測用のフローセル４０ａ出口直後の凝縮水流路４３中に設けられている。この背圧弁５は、凝縮水Ｗ２の流量を絞るようにして、空冷式熱交換器３を含めた溶存酸素濃度計４０より上流側に背圧をかける背圧手段である。この背圧弁５には、凝縮水Ｗ２の流量コントロールをして、空冷式熱交換器３側に背圧がかけられるような流量調整弁、例えば、ニードル弁が使用されている。

蒸気ライン６は、ボイラ５００側の蒸気Ｓを、詳細には、図１で示されるように、ボイラ５００の蒸気ヘッダ５０１に設けられた圧力計５０２横の枝管Ｒ１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とが設けられている。なお、フィルタ６３より下流側の配管径は、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、その配管径は、内径が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５００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値とが計測される。なお、計測に適した凝縮水Ｗ２の流量は、５ｍＬ／ｍｉｎ以上であり、計測に適した凝縮水Ｗ２の温度は、１０〜４０℃である。

つぎに、空冷式熱交換器３の下流側の水質計測装置３内に置かれた背圧弁５の作用効果について、図４を参照しつつ説明する。なお、図４は、ボイラ５００からの蒸気Ｓの凝縮水Ｗ２中の溶存酸素濃度を、この蒸気質モニタリング装置１と、図２で示される蒸気質モニタリング装置１００と、図３で示される蒸気質モニタリング装置２００とで計測した結果を示している。

図２で示されるような、水冷式熱交換器１０を備えた蒸気質モニタリング装置１００では、計測された凝縮水Ｗ２の溶存酸素濃度が、蒸気Ｓ中の酸素ガス濃度を適正に示していることが確かめられている。したがって、図４で示されるような、蒸気質モニタリング装置１００により計測された溶存酸素濃度の計測値Ｋ１（測定点は□で示されている）は適正な値ということができる。

この蒸気質モニタリング装置１００は、図２で示されるように、蒸気質モニタリング装置１の蒸気ラインと６と凝縮水ライン８間に、凝縮水冷却器２や空冷式熱交換器３に換えて、水冷式熱交換器１０を設けるとともに、蒸気質モニタリング装置１の凝縮水ライン８中に、流量調整弁１１を設けたものである。この蒸気質モニタリング装置１００では、冷却水Ｃの流量コントロールによって、凝縮水Ｗ２の温度が計測に適したものとなるようにコントロールされるとともに、流量調整弁１１によって、凝縮水Ｗの流量が計測に適したものになるようにコントロールされる。この蒸気質モニタリング装置１でも、蒸気Ｓを凝縮させる水冷式熱交換器１０側に、流量調整弁１１によって一定の背圧がかけられている。

一方、蒸気Ｓ中に比較的多量の酸素ガス（例えば、凝縮水Ｗ２中では８〜１３ｍｇ／Ｌの溶存酸素濃度）が含まれている場合には、蒸気Ｓの凝縮段階において、蒸気Ｓや凝縮水Ｗ２に、ある程度の圧力がかけられていないと、酸素ガスが凝縮水Ｗ２中に充分に溶解しないという現象が実験により確かめられている。

すなわち、図３で示されるように、蒸気質モニタリング装置１中の背圧弁５を、蒸気ライン６側に配置し、背圧弁５による凝縮水Ｗ２の圧力損失を蒸気Ｓ側に持たせた蒸気質モニタリング装置２００では、この背圧弁５の下流側には、凝縮水Ｗ２等の流量や圧力を制御するもの（背圧弁等）はないので、ボイラ５００側の蒸気Ｓは、背圧弁５の下流側の蒸気圧力に見合った流量だけ、蒸気Ｓが凝縮水Ｗ２として取り込まれ、この凝縮水Ｗ２が水質計測器４側に送られる。この場合、水質計測器４の上流側の圧力は、水質計測器４内と計測済み凝縮水ライン９内とを流れる凝縮水Ｗ２の圧力損失分にしか過ぎないので、低いものとなり、この結果、蒸気Ｓの凝縮が生じる空冷式熱交換器３側の圧力も比較的低くなる。そして、この蒸気質モニタリング装置２００による溶存酸素濃度の計測値Ｋ２は、流量と温度が計測条件を満足しているにもかかわらず、図４中の▲で示されるように、蒸気質モニタリング装置１００による計測値より低く、上下に変動する不安定な値となっている。

そこで、蒸気質モニタリング装置１では、背圧弁５を、空冷式熱交換器３の下流側に設置し、この背圧弁５によって、空冷式熱交換器３側に一定の背圧をかけようにした。このことにより、蒸気質モニタリング装置１による溶存酸素濃度の計測値Ｋ３は、図４中の●で示されるように、蒸気質モニタリング装置１００による計測値Ｋ１とほぼ同じ値を示すとともに、上下に変動することなく安定した状態となった。すなわち、このことから、蒸気質モニタリング装置１では、蒸気Ｓ中に比較的多量の酸素ガスが含まれる場合でも、蒸気Ｓ中の酸素ガス濃度を適正に示す凝縮水Ｗ２中の溶存酸素濃度を計測していることが理解できる。

ここで、蒸気Ｓの凝縮は、空冷式熱交換器３内だけでなく、凝縮水冷却器２内でも生じているが、この凝縮水冷却器２にも背圧弁５により一定の背圧がかけられているので、このことによっても、蒸気Ｓ中の酸素ガス濃度が、凝縮水Ｗ２中の溶存酸素濃度によって適正に計測されていることがわかる。

つぎに、３つの蒸気質モニタリング装置１，１００，２００で、蒸気Ｓの質をモニタリングをする場合の、図４で示された凝縮水Ｗ２中の溶存酸素濃度の計測結果について、もう少し詳細に説明する。なお、図４のグラフは、縦軸が溶存酸素濃度ｍｇ／Ｌを示し、横軸が時間の経過を示している。

ボイラ５００側の蒸気Ｓの圧力は０．４ＭＰａであり、蒸気ヘッダ５０１の圧力計５０２横の枝管Ｒ１に、空冷式熱交換器３は有するが、これより下流側に背圧弁５を有しない蒸気質モニタリング装置２００が接続され、枝管Ｒ１横の枝管Ｒ２に、水冷式熱交換器１０を有した蒸気質モニタリング装置１００が接続されている。

水冷式熱交換器１０を有した蒸気質モニタリング装置１００では、スタート時（００：００）から、０２：０９の時間が経過するまで、凝縮水Ｗ２に対して、９．２〜８．０ｍｇ／Ｌの溶存酸素濃度を計測している。一方、空冷式熱交換器３を有するが、これより下流側に背圧弁５を有しない蒸気質モニタリング装置２００では、スタート時（００：００）から、０１：１２の時間が経過するまで、凝縮水Ｗ２に対して、５．０〜６．７ｍｇ／Ｌの溶存酸素濃度を計測しており、その値も上下に不安定に変動している。したがって、蒸気質モニタリング装置２００では、蒸気Ｓ中に比較的多量の酸素ガスを有す場合に、この酸素ガスが凝縮水Ｗ２中に充分に溶解しきれていないのではないかとも考えられる。

そこで、０１：１２の時間が経過した段階で、蒸気ヘッダ１０１の圧力計１０２横の枝管Ｒ１に、蒸気質モニタリング装置２００に換えて、空冷式熱交換器３の下流側に背圧弁５を有する蒸気質モニタリング装置１を接続した。この蒸気質モニタリング装置１では、背圧弁５を用いて、蒸気Ｓの凝縮が生じている空冷式熱交換器３側に０．１７５ＭＰａの背圧をかけたところ、０２：０９の時間までに、その凝縮水Ｗ２に対して、８．３〜７．９ｍｇ／Ｌの安定した状態の溶存酸素濃度が計測された。この溶存酸素濃度は、水冷式熱交換器１０を有した蒸気質モニタリング装置２００による計測値とほぼ同一であり、このことによって、蒸気Ｓ中に比較的多量の酸素ガスが含まれる場合でも、空冷式熱交換器３側に背圧をかけた蒸気質モニタリング装置１による溶存酸素濃度の計測が適正になされていることが理解できる。

また、この蒸気質モニタリング装置１では、背圧弁５を、水質計測器４内の、溶存酸素濃度測定用のフローセル４０ａ出口直後の凝縮水流路４３中に設置しているので、背圧弁５によって、空冷式熱交換器３から、溶存酸素濃度計測用のフローセル４０ａ内までの凝縮水Ｗ２にも、背圧がかけられることとなる。すなわち、この蒸気質モニタリング装置１では、一般に、ガスの溶解量は圧力に比例するため、蒸気Ｓ中の酸素ガスを確実に凝縮水Ｗ２中に溶存させることができ、凝縮水Ｗ２中の溶存酸素濃度により、蒸気Ｓ中の酸素ガス濃度をより確実に知ることができる。

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、この蒸気質モニタリング装置１では、背圧手段として、背圧弁５を設けているが、この背圧手段は、凝縮水Ｗ２の流れに抵抗を与えるものであればどのようなもの（例えば、オリフィス）であってもよい。

さらに、この蒸気質モニタリング装置１では、背圧弁５を水質測定器４内に設置しているが、これを、水質計測器４の上流側、すなわち、溶存酸素濃度測定用のフローセル４０ａの入口直前の凝縮水ライン８中に設置してもよい。この場合は、背圧弁５によって、水質測定器４内のフローセル４０ａに背圧がかけられることがないので、溶存酸素濃度計４０、すなわち、水質測定器４に耐圧性能を持たせる必要はない。

１ 蒸気質モニタリング装置
２ 凝縮水冷却器
３ 空冷式熱交換器
４ 水質計測器
５ 背圧弁（背圧手段）
８ 凝縮水ライン（凝縮水流路、フローセルへの入口側流路）
４０ａ フローセル
４３ 凝縮水流路（フローセル出口側流路）
Ｓ 蒸気
Ｗ 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、
   前記熱交換器下流側の前記凝縮水の流路のうちの、前記水質計測器中の溶存酸素濃度計測用のフローセルの出口側流路中に、前記熱交換器側に背圧をかける背圧手段を設け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、前記ボイラからの蒸気を、前記熱交換器に先だって冷却する凝縮水冷却器が設けられてい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. 前記背圧手段が背圧弁であることを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気質モニタリング装置。

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