JP5679258B2 - 水質計測装置及び蒸気質モニタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気を多量に含んだ蒸気の凝縮水について、その水質を計測する水質計測装置に関するものである。また、本発明は、空気を多量に含む蒸気を冷却し、このとき発生した凝縮水の水質を計測することにより、空気を除いた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装置で冷却し、このとき生じた凝縮水の水質を水質計測装置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（例えば、特許文献１）。

この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冷却装置により冷却して得られる凝縮水を、例えば、特許文献１に記載されているように、水質計測装置中の、溶存酸素濃度計測用のフローセルと、電気伝導率計測用のフローセルと、ｐＨ計測用のフローセルとに順次通して、この凝縮水の、溶存酸素濃度と電気伝導率とｐＨ値とを測定することにより、蒸気の質をモニタリングしている。

ところで、近年では、大型の水管ボイラや炉筒煙管ボイラに換えて、１缶当たりの蒸発量の小さい小型貫流ボイラを複数缶設置することが主流となっている。かかるボイラを複数缶設置のボイラ装置では、全ボイラが同時に稼働することは稀であり、一般に、一定のローテーションにより、稼働ボイラと停止ボイラとを定期的に取り換えていく運転がなされるし、蒸気の負荷が低い場合には、一部のボイラしか稼働されない。

この場合、停止ボイラ内の圧力がゲージ圧でゼロまで下がると、真空破壊弁を介して、ボイラ内に空気が入り込むが、この停止ボイラが稼働ボイラとなった場合、蒸気中に多量の空気が混入することとなる。

したがって、蒸気質モニタリング装置では、多量に空気が混入した蒸気の質をモニタリングする場合も多い。この場合、凝縮水中に多量の空気が存在することとなるが、蒸気質モニタリング装置により、凝縮水の水質を測定して、空気以外の蒸気の質をモニタリングしている。

特開２００７−９３１２８号公報

しかしながら、凝縮水中に多量の空気が存在すると、フローセル内に一時的に大量の空気が入り込み、このことによって、フローセル内の凝縮水流量が減少して、凝縮水の溶存酸素濃度や電気伝導率が正しく測定できないという問題があった。

また、凝縮水中に多量の空気が存在すると、溶存酸素濃度計測用のフローセル内が加圧状態となり、溶存酸素濃度の計測に悪影響を与えて、溶存酸素濃度が正しく計測できないという問題があった。

上記問題は、空気を多量に含んだ蒸気の凝縮水を複数のフローセル中に順次通すことにより、この凝縮水の水質を、前記各フローセルに設けられている計測センサにより計測する水質計測装置についても同様に生じる。

この発明は、以上の点に鑑み、蒸気中に空気が混入していても、溶存酸素濃度センサ等を用いて、フローセル内を流れる凝縮水の水質を正しく計測できる水質計測装置及び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、空気を含んだ蒸気の凝縮水を複数のフローセル中に順次通すことにより、この凝縮水の水質を、前記各フローセルに設けられている計測センサにより計測する水質計測装置であって、最初のフローセル出口の凝縮水流路を、次のフローセルに向かう下向き流路部と、この下向き流路部よりサイズが大きく、かつ、エア抜き流路の一部を形成する上向き流路部とに分岐させ、さらに、前記エア抜き流路の前記上向き流路部を、前記凝縮水が流れ出さない高さまで立ち上げるとともに、このエア抜き流路の上部側水平部に上向きに延びる大気開放部を設け、かつ、このエア抜き流路の一端側を、最終のフローセル出口の凝縮水排出流路に接続していることを特徴とする。

凝縮水中に空気が含まれる場合、エア抜き流路が無ければ、最初のフローセルを出た凝縮水が、次のフローセルに向かうため下向き流路部中を下降すると、凝縮水中の空気泡は、軽いため、凝縮水と共に移動せず、最初のフローセルの出口付近に溜まってくる。そして、この空気泡は、順次、最初のフローセル内に侵入して、最初のフローセル中の凝縮水の流量を減少させるとともに、凝縮水の流れがせき止められる分、最初のフローセル内の圧力を上昇させる。

この発明では、最初のフローセル出口側の下向き流路部の入口部に、この下向き流路部よりサイズが大きい、エア抜き流路となる上向き流路部を設けているので、最初のフローセルから下向き流路部に向かう空気泡を含む凝縮水は、内部の空気泡が上側のエア抜き流路の上向き流路部内を上昇して排出されるとともに、凝縮水のみが下向き流路部を通って、次のフローセルに入っていく。したがって、最初のフローセルの出口側には、空気の溜まりは生じず、最初のフローセル内に空気が溜まって、最初のフローセル内の凝縮水の流量が減少したり、最初のフローセル内が加圧されてしまうこともない。このことは、後のフローセルについても同様である。

また、エア抜き流路の上向き流路部には、凝縮水流路内の圧力バランスにしたがって、一定高さだけ凝縮水が貯められているが、この凝縮水中を上昇する空気泡が、凝縮水から出た段階で破裂を生じ、周りの凝縮水を周辺に飛散させる。この発明では、エア抜き流路を、計測済み凝縮水を排出する凝縮水排出流路に接続し、空気泡の破裂時に飛散した凝縮水を凝縮水排出流路側に逃がしてやるようにした。この場合、大気開放部は、エア抜き流路の上部側水平部から上向きに延びているため、この大気開放部を介して、凝縮水が飛散することはない。

この発明の請求項２記載の発明は、ボイラから発生した空気を含む蒸気を、冷却装置を用いて冷却し、生じた凝縮水を水質計測装置内の複数のフローセル中に順次通すことにより、この凝縮水の水質を前記各フローセルに設けられている計測センサにより計測して、前記空気を除いた前記蒸気の質をモニタリングする蒸気質モニタリング装置であって、最初のフローセル出口の凝縮水流路を、次のフローセルに向かう下向き流路部と、この下向き流路部よりサイズが大きく、かつ、エア抜き流路の一部を形成する上向き流路部とに分岐させ、さらに、前記エア抜き流路の前記上向き流路部を、前記凝縮水が流れ出さない高さまで立ち上げるとともに、このエア抜き流路の上部側水平部に上向きに延びる大気開放部を設け、かつ、このエア抜き流路の一端側を、最終のフローセル出口の凝縮水排出流路に接続してい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、蒸気中に空気が混入していても、凝縮水中の空気泡を最初のフローセル内等に溜め込んでしまうことなく、エア抜き流路を介して外部に排出できるので、例えば、最初のフローセル内に設けられている溶存酸素濃度センサを用いて、凝縮水の溶存酸素濃度を正しく計測することができるとともに、その後のフローセル内に設けられている、例えば、電気伝導率センサやｐＨセンサを用いて、凝縮水の電気伝導率センサやｐＨ値を正しく計測できる。

また、この発明によれば、凝縮水中の空気泡破裂により飛び散った凝縮水を、エア抜き流路から凝縮水排出流路に導くことができ、凝縮水の外部への飛散を防止できる。

この発明の請求項２記載の発明によれば、蒸気中に空気が含まれていても、水質測定装置により凝縮水の水質を適正に計測できるので、空気を除いた蒸気の質を適正にモニタリングすることができる。

また、この発明によれば、水質測定装置からの凝縮水の飛散を防止できるので、安全に蒸気の質をモニタリングすることができる。

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における、蒸気や凝縮水の流れを示す図である。 エア抜き流路の作用を示す図であり、（ａ）はエア抜き流路が設けられていない場合を示し、（ｂ）はエア抜き流路が設けられている場合を示す。

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、冷却装置２と、水質計測装置３と、凝縮水Ｗの流量調整弁４と、冷却水Ｃの流量調整弁５と、蒸気ライン６と、凝縮水ライン７と、凝縮水排出ライン８と、冷却水供給ライン９と、冷却水排出ライン１０等とから構成されている。

なお、この蒸気質モニタリング装置１により蒸気Ｓの質がモニタリングされるボイラ装置１００は、図１で示されるように、１缶当たりの蒸発量の小さい、例えば４缶の小型貫流ボイラ１００ａから構成されている。このボイラ装置１００では、３缶の小型貫流ボイラ１００ａを稼働ボイラとするとともに、１缶の小型貫流ボイラ１００ａを停止ボイラとして、一定のローテーションにより、停止ボイラが順次替えられていく運転がなされる。このボイラ装置１００からの蒸気Ｓは、蒸気ヘッダ１０１を介して、工場内の需要部門に送られる。

冷却装置２は、図１で示されるように、ボイラ１００からの蒸気Ｓを、冷却水Ｃによって冷却して、水質計測用の凝縮水Ｗに変えるものであり、ケーシング２０内に伝熱管からなる熱交換部２１が収納されたものである。熱交換部２１の凝縮水出口側のケーシング２０には、冷却水供給ライン９が接続され、熱交換部２１の蒸気入口側のケーシング２０には、冷却水排出ライン１０が接続されている。また、熱交換部２１の蒸気Ｓ入口側には、蒸気ライン６が接続され、熱交換部２１の凝縮水Ｗ出口側には、凝縮水ライン７が接続されている。

この冷却装置２では、冷却水供給ライン９中に設けられた流量調整弁５により、冷却水Ｃの流量がコントロールされて、凝縮水Ｗの温度が、水質の計測に適した所定の温度になるように調整されている。

水質計測装置３は、図１で示されるように、凝縮水Ｗを複数のフローセル中に順次通すことにより、各フローセルに設けられている計測センサにより、凝縮水Ｗ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３は、図１で示されるように、最初の第１フローセル３０ａ中に溶存酸素濃度センサ３０ｂが設けられている溶存酸素濃度計３０と、次の第２フローセル３１ａ中に電気伝導率センサ３１ｂが設けられている電気伝導率計３１と、最後の第３フローセル３２ａ中にｐＨセンサ３２ｂが設けられているｐＨ計３２と、溶存酸素濃度計３０と電気伝導率計３１とを接続する凝縮水流路３３と、電気伝導率計３１とｐＨ計３２とを連結する凝縮水流路３４とを有している。

ここで、凝縮水Ｗは、各フローセル３０ａ、３１ａ、３２ａの下部側から内部に流入して、各フローセル３０ａ、３１ａ、３２ａの上部側から排出される。このため、凝縮水ライン７は、第１フローセル３０ａの下部に接続され、凝縮水排出ライン８は、第３フローセル３２ａの上部に接続される。また、第１フローセル３０ａの上部と第２フローセル３１ａの下部とに接続される凝縮水流路３３は、水平流路部３３ａ，３３ｂ間に下降する下向き流路部３３ｃを有しており、第２フローセル３１ａの上部と第３フローセル３２ａの上部とに接続される凝縮水流路３４も、水平流路部間に下降する下向き流路部を有している。なお、凝縮水流路３３,３４の流路径は、内径が４．０ｍｍとなるように形成されている。

また、この水質計測装置３には、図１で示されるように、電気伝導率計３１とｐＨ計３２とを跨ぐように、第１フローセル３０ａと第２フローセル３１ａ間の凝縮水流路３３と、第３フローセル３２ａ出口の凝縮水排出ライン８とを接続する、エア抜き流路３５が設けられている。このエア抜き流路３５は、垂直に上昇する上向き流路部３５ａと、その後の水平流路部３５ｂと、その後下降する下向き流路部３５ｃとを有して、略（コ）字形に形成されており、流路径は、凝縮水流路３３,３４より充分に大きい、内径８ｍｍに形成されている。そして、このエア抜き流路３５は、上向き流路部３５ａの下端が、凝縮水流路３３の下向き流路部３３ｃの直上に（Ｔ）字形をなすように接続され、下向き流路部３５ｃの下端が、凝縮水排出ライン８の下降部直上に（Ｔ）字形をなすように接続されている。

エア抜き流路３５の上向き流路部３５ａには、図２の（ｂ）で示されるように、凝縮水流路３３内の圧力バランスにより、一定の高さだけ凝縮水Ｗが溜められる。したがって、上向き流路部３５ａは、内部の凝縮水Ｗが凝縮水排出ライン８側に流れ込まないような高さまで立ち上げられている。また、このエア抜き流路３５の上部側の水平流路部３５ｂには、上向きに、上部が９０度屈曲した大気開放部３５ｄが形成されており、その一端側に大気開放孔が形成されている。

蒸気ライン６は、ボイラ装置１００側の蒸気Ｓを、詳細には、図１で示されるように、ボイラ装置１００の蒸気ヘッダ１０１に設けられた圧力計１０２横の枝管１０３側から、冷却装置２に取り込むための蒸気流路である。この蒸気ライン６の流路径は、内径４ｍｍとなっている。

凝縮水ライン７は、冷却装置２からの凝縮水Ｗを水質計測装置３に送るための凝縮水流路であり、途中に流量調整弁４が設けられている。この蒸気ライン６の流路径は、内径４ｍｍとなっている。なお、流量調整弁４は、水質計測装置３に送られる凝縮水Ｗの流量を、計測に適した所定の流量にコントロールするものである。

凝縮水排出ライン８は、水質計測装置３から排出される計測済み凝縮水Ｗを外部に排出するための凝縮水排出流路であり、その流路径は、エア抜き流路３５と同じく、内径８ｍｍ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、冷却装置２により冷却されて凝縮水Ｗに変えられる。この凝縮水Ｗは、凝縮水ライン７を通って水質計測装置３に送られ、この水質計測装置３内の、第１フローセル３０ａ、凝縮水流路３３、第２フローセル３１ａ、凝縮水流路３４、第３フローセル３２ａを通って、凝縮水排出ライン８に送られる。この凝縮水Ｗは、第１フローセル３０ａを通過中に、溶存酸素濃度センサ３０ｂにより、溶存酸素濃度が計測され、第２フローセル３１ａを通過中に、電気伝導率センサ３１ｂにより、電気伝導率が計測され、第３フローセル３２ａを通過中に、ｐＨセンサ３２ｂにより、ｐＨ値が計測される。そして、計測された凝縮水Ｗの、溶存酸素濃度と電気伝導率とｐＨ値とにより、ボイラ装置１００からの蒸気Ｓの質がモニタリングされる。

一方、ボイラ装置１００では、４缶の小型貫流ボイラ１００ａのうち、１缶の小型貫流ボイラ１００ａを停止ボイラとし、一定のローテーションにより、この停止ボイラを取り換えていく運転がなされる。ところが、この停止ボイラには、停止中の蒸気圧の低下により、真空破壊弁を介して、内部に空気が導入されるため、この停止ボイラが稼働ボイラとなった場合に、一時的ではあるが、蒸気Ｓ中に多量の空気が混入することとなる。

つぎに、蒸気Ｓ中に多量の空気が混入している場合に、この蒸気質モニタリング装置１で蒸気Ｓの質をモニタリングするにあたっての、水質計測装置３の作用効果について、図２を参照しつつ説明する。

ここで、溶存酸素濃度計３０は、図２で示されるように、第１フローセル３０ａが、下部に入口部Ｈ１、上部に出口部Ｈ２を有する、上方が開口した凹状に形成されており、溶存酸素濃度センサ３０ｂが、つば部Ｂ３から下方に延びる棒状部Ｂ１の下端にセンサ部Ｂ２が設けられた形状に形成されている。第１フローセル３０ａに溶存酸素濃度センサ３０ｂを取り付けるには、溶存酸素濃度センサ３０ｂのつば部Ｂ３で蓋をするように、棒状部Ｂ１を第１フローセル３０ａ内に差し込むようにすればよい。

図２の（ａ）は、水質計測装置３の凝縮水流路３３側にエア抜き流路３５が設けられていない場合の、溶存酸素濃度計３０内と凝縮水流路３３内の状態を示している。

凝縮水Ｗ中に多量の空気Ａが含まれる場合、エア抜き流路３５が無ければ、最初の第１フローセル３０ａを出た凝縮水Ｗが、次の第２フローセル３１ａに向かうため凝縮水流路３３の下向き流路部３３ｃを下降すると、凝縮水Ｗ中の空気泡Ａ１は、軽いため、凝縮水Ｗと共に移動せず、図２の（ａ）で示されるように、第１フローセル３０ａの出口部Ｈ２付近の水平流路部３３ａに溜まってくる。そして、この空気泡Ａ１は、順次、第１フローセル３０ａ内に侵入して、第１フローセル３０ａ内の凝縮水Ｗの流量を減少させるとともに、凝縮水Ｗの流れをせき止め、第１フローセル３０ａ内の圧力を上昇させる。このため、この溶存酸素濃度計３０により、正確な溶存酸素濃度が測定できなくなる。

図２の（ｂ）は、水質計測装置３の凝縮水流路３３側にエア抜き流路３５を設けた場合の、溶存酸素濃度計３０内と、エア抜き流路３５及び凝縮水流路３３内の状態を示している。

凝縮水流路３３側にエア抜き流路３５が設けられていると、第１フローセル３０ａから凝縮水流路３３の下向き流路部３３ｃに向かう空気泡Ａ１を含む凝縮水Ｗは、内部の空気泡Ａ１が上側のエア抜き流路３５の上向き流路部３５ａ内を上昇して排出されるとともに、凝縮水Ｗのみが下向き流路部３３ｃを通って、次の第２フローセル３１ａに入っていく。特に、凝縮水流路３３に比べてエア抜き流路３５の流路径が大きく形成されているため、凝縮水Ｗ中の空気泡Ａ１は、流路抵抗の少ないエア抜き流路３５側へ容易に移動する。したがって、第１フローセル３０ａの出口部Ｈ２側には、空気Ａの溜まりは生じず、第１フローセル３０ａ内に空気Ａが溜まって、第１フローセル３０ａ内の凝縮水Ｗの流量が減少したり、第１フローセル３０ａが加圧されてしまうこともない。このことは、後の第２フローセル３１ａ等についても同様である。したがって、この水質計測装置３では、溶存酸素濃度計３０により凝縮水Ｗの溶存酸素濃度を正確に計測できるとともに、電気伝導率計３１等により凝縮水Ｗの電気伝導率等を正確に計測できる。

一方、エア抜き流路３５の上向き流路部３５ａには、図２の（ｂ）で示されるように、一定の高さまで凝縮水Ｗが溜められているので、上向き流路部３５ａ中を上昇する空気泡Ａ１が、凝縮水Ｗから出たときに破裂して、周りの凝縮水Ｗを周囲に飛散させる。このため、この水質計測装置３では、エア抜き流路３５の他端側を、凝縮水排出ライン８に接続し、空気泡Ａ１の破裂時に飛び散った凝縮水Ｗを凝縮水排出ライン８に回収して、安全を確保するようにしている。なお、エア抜き流路３５の大気開放部３５ｄは、水平流路部３５ｂから上方に延びるように設けられ、上端が９０度屈曲されているので、この大気開放部３５ｄから凝縮水Ｗが飛び出すことはない。

以上のように、この蒸気質モニタリング装置１では、蒸気Ｓ中に多量の空気Ａを有すため、凝縮水Ｗ中に多くの空気泡Ａ１を有すこととなっても、水質計測装置３の最初のフローセルである、第１フローセル３０ａ出口の凝縮水流路３３を、次の第２フローセル３１ａに向かう下向き流路３３ｃと、この下向き流路３３ｃよりサイズが大きく、かつ、端部側が大気に開放されている上向きのエア抜き流路３５とに分岐させているので、凝縮水Ｗ中の空気泡Ａ１が、このエア抜き流路３５から外部に排出され、この空気泡Ａ１が凝縮水流路３３の水平流路部３３ａ内や第１フローセル３０ａ内に溜められていくことはない。このため、この蒸気質モニタリング装置１では、蒸気Ｓ中に多量の空気Ａを有す場合でも、水質計測装置３により凝縮水Ｗの水質を正確に計測でき、空気Ａを除いた蒸気Ｓの質を精度よくモニタリングすることができる。

また、この蒸気質モニタリング装置１では、最終のフローセルである第３フローセル３２ａ出口の凝縮水排出ライン８に、エア抜き流路３５を接続するとともに、このエア抜き流路３５の上部、すなわち、水平流路部３５ｂに、上向きに延びる大気開放部３５ｃを設けているので、エア抜き流路３５中の空気泡Ａ１が内部で破裂して凝縮水Ｗを飛び散らせても、この飛散凝縮水Ｗを外部に排出してしまうことなく、凝縮水排出ライン８を使って安全に排出することができる。

なお、この蒸気質モニタリング装置１は、水冷式の冷却装置ではなく、大気中の空気により、蒸気Ｓや凝縮水Ｗを強制的に冷却する空冷式の冷却装置を有するものであってもよいのはもちろんである。

１ 蒸気質モニタリング装置
２ 冷却装置
３ 水質計測装置
８ 凝縮水排出ライン（凝縮水排出路）
３０ａ 第１フローセル（最初のフローセル）
３０ｂ 第２フローセル（次のフローセル）
３０ｃ 第３フローセル（最後のフローセル）
３３ 凝縮水流路
３３ｃ 下向き流路部
３５ エア抜き流路
３５ｄ 大気開放部
Ａ 空気
Ｓ 蒸気
Ｗ 凝縮水

Claims (2)

1. 空気を含んだ蒸気の凝縮水を複数のフローセル中に順次通すことにより、この凝縮水の水質を、前記各フローセルに設けられている計測センサにより計測する水質計測装置であって、
   最初のフローセル出口の凝縮水流路を、次のフローセルに向かう下向き流路部と、この下向き流路部よりサイズが大きく、かつ、エア抜き流路の一部を形成する上向き流路部とに分岐させ、
   さらに、前記エア抜き流路の前記上向き流路部を、前記凝縮水が流れ出さない高さまで立ち上げるとともに、このエア抜き流路の上部側水平部に上向きに延びる大気開放部を設け、かつ、このエア抜き流路の一端側を、最終のフローセル出口の凝縮水排出流路に接続していることを特徴とする水質計測装置。
2. ボイラから発生した空気を含む蒸気を、冷却装置を用いて冷却し、生じた凝縮水を水質計測装置内の複数のフローセル中に順次通すことにより、この凝縮水の水質を前記各フローセルに設けられている計測センサにより計測して、前記空気を除いた前記蒸気の質をモニタリングする蒸気質モニタリング装置であって、
   最初のフローセル出口の凝縮水流路を、次のフローセルに向かう下向き流路部と、この下向き流路部よりサイズが大きく、かつ、エア抜き流路の一部を形成する上向き流路部とに分岐させ、
   さらに、前記エア抜き流路の前記上向き流路部を、前記凝縮水が流れ出さない高さまで立ち上げるとともに、このエア抜き流路の上部側水平部に上向きに延びる大気開放部を設け、かつ、このエア抜き流路の一端側を、最終のフローセル出口の凝縮水排出流路に接続していることを特徴とする蒸気質モニタリング装置。

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