JP5787657B2

JP5787657B2 - 蒸気管構造

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Publication number: JP5787657B2
Application number: JP2011166481A
Authority: JP
Inventors: 竹内　勝次; 勝次竹内
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: JP2013029271A

Description

本発明は、内部に蒸気が流れる蒸気管に適用される蒸気管構造に関する。

一般に、発電プラントや化学プラント等においては、多数の蒸気管が用いられている。具体的には、例えば発電プラントにて、蒸気管は、ボイラで発生させた蒸気を蒸気タービンに輸送するために用いられていたり、ガスタービンの燃焼器で低ＮＯｘ燃焼を行うために、燃焼器に蒸気を供給する際に用いられている。

このような蒸気管では、蒸気が輸送中に放熱して凝縮（液化）すると、ドレンが発生する。ドレンは、蒸気管の形状や配置構成によって蒸気管内に滞留することがあり、この滞留水はスチームハンマーの発生原因となる。なお、スチームハンマーは別名としてウォーターハンマーと呼ばれることもある。スチームハンマーの発生メカニズムはいくつか挙げられるが、蒸気管内に滞留するドレンが蒸気流によって波立ち、これにより生成される蒸気層がドレンによって圧縮される際に衝撃波が生じてスチームハンマーが発生することが知られている。また別のメカニズムとして、蒸気管内に滞留するドレンによって蒸気が冷却されて急激に凝縮し、これにより蒸気層を囲むドレン同士が互いに衝突して衝撃波が発生する場合もある。このような状況になると、異音を発生して振動により蒸気管、あるいはバルブ等の付帯機器が損傷してしまうことがある。

したがって、ドレンが滞留するような蒸気管においては、従来からスチームハンマーの発生を防止するための対策が採られていた。例えば、蒸気管を保温材で被覆して蒸気が冷却されることを抑制したり、蒸気管をドレンが排出される方向に傾斜させて滞留水を排出するようにしたり、蒸気管にドレン管を接続して滞留水を排出するようにしていた。

関連する技術として、特許文献１（特開２００３−５６７８５号公報）に、蒸気管のドレン滞留を防止することができる補助蒸気供給配管系統の構成が開示されている。この系統は、水平蒸気配管を、蒸気流の下流側に対して上流側が下方に位置するような勾配を設けて配置している。さらにこの勾配の最下部位と、水平蒸気配管後流の垂直蒸気配管とを接続するドレン滞留防止管を設けている。これにより、簡易にドレンを排出可能としている。

特開２００３−５６７８５号公報

しかしながら、スチームハンマーを防止するための従来の対策として、上記したように蒸気管に保温材を巻くのみでは蒸気の温度低下は避けられず、やはり時間が経つとドレンが滞留してしまう。特に、蒸気の供給元と供給先との間の蒸気管が長い場合には、外気によって蒸気が冷却されやすくなり、蒸気の凝縮は回避できずドレンが滞留してしまうこととなる。
一方、蒸気管にドレン排出管を設ける方法は、機器の設置にコストがかかり、また、機器配置の制約上、蒸気管の下方にドレン排出管を設置するスペースを確保できない場合には適用できなかった。さらに、蒸気管にドレンを排出するための傾斜を設ける場合も、蒸気管の熱伸びや機器配置の制約上、適用できないケースが多数存在する。

さらにまた、特許文献１の構成についても、Ｕ字状管やコの字管等のように、水平蒸気配管とその後流の垂直蒸気配管が存在しない場合には適用できず、また上記と同様に、機器配置の制約上、下方にスペースが無い場合にも適用できなかった。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、蒸気管にドレンが滞留することを抑制可能で、且つ、蒸気管下方のスペースが小さい場合にも適用できる蒸気管構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る蒸気管構造は、内部に蒸気が流れる蒸気管を有する蒸気管構造であって、前記蒸気管のうち下向き管路と上向き管路との間に位置する底側管路に、前記蒸気の温度が飽和温度を超えるように前記蒸気を加温若しくは減圧する液化防止手段を設けたことを特徴とする。
なお、下向き管路とは、水平方向より下向きの管路であり、垂直方向下向きの管路を含む。上向き管路とは、水平方向より上向きの管路であり、垂直方向上向きの管路を含む。さらに、底側管路とは、下向き管路と上向き管路との間に位置していればどのような形状であってもよい。

通常、蒸気管において、下向き管路と上向き管路とで挟まれる部位には、ドレンが滞留する。そこで、上記蒸気管構造では、下向き管路と上向き管路との間に位置する底側管路に、蒸気の温度が飽和温度以上となるように蒸気を加温若しくは減圧する液化防止手段を設ける構成としている。これにより、蒸気が凝縮してドレンが生じることを抑制でき、さらにはドレンの滞留により発生するスチームハンマーを防止可能となる。
また、上記蒸気管構造は滞留水の発生自体を抑制するものであるため、蒸気管を傾斜させたり、ドレン排出管を設けたりする必要がなく、そのため蒸気管下方のスペースが小さい場合にも適用できる。

さらにまた、液化防止手段が配置されていない他の蒸気管部位でドレンが発生し、このドレンが底側管路に流入してしまうことがあっても、液化防止手段によって再蒸気化が可能であるため、底側管路にドレンが大量に滞留することを防止できる。したがって、蒸気の円滑な流れを確保できるとともに、スチームハンマーの発生を防止できる。
なお、液化防止手段の構成としては、蒸気の温度が飽和温度を超えるように加温する構成が挙げられ、この構成により蒸気が飽和蒸気となることを防ぎ、ドレンの発生を防止する。また別の構成として、蒸気を減圧することで飽和温度を低下させ、蒸気自体の温度はほぼ変わらないが、蒸気の温度が飽和温度を超えるようにする構成が挙げられる。

上記蒸気管構造において、前記蒸気管は、Ｕ字状蒸気管、横コの字状蒸気管、及び下流側に上向き傾斜部を有する蒸気管のうち少なくともいずれか一であることが好ましい。
これらの構造を有する蒸気管には、特にドレン水が滞留しやすい。したがって、これらの構造を有する蒸気管に上記の液化防止手段を適用することで、確実に滞留水の発生を抑制することが可能となる。

上記蒸気管構造において、前記液化防止手段は、前記底側管路の少なくとも一部の外周面に包被または巻回された発熱体を含み、前記発熱体により前記底側管路の管壁を介して前記蒸気を加温するようにしてもよい。
このように、上記液化防止手段が発熱体を含み、発熱体により蒸気を加温することで、所望の温度に蒸気を加温できる。また、蒸気の温度変化に追従させて供給熱量を変化させることもできる。

この場合、前記発熱体は、電源に接続された抵抗加熱素子を含み、前記抵抗加熱素子と前記底側管路との間に絶縁材が介装されていてもよい。
通常、抵抗加熱素子は極めて小型に形成できるため、十分にスペースが確保可能な場所に電源を設置し、電源に接続した抵抗加熱素子のみを蒸気管外周に配設することで、蒸気管外周のスペースが小さい場合であっても発熱体を設置できる。また、この蒸気管構造は、既存の蒸気管に容易に適用可能である。

また、前記発熱体は、前記底側管路の外周に接触して配設された蒸気流路を含み、前記蒸気流路には、他の蒸気管から分岐された過熱蒸気が流れるようにしてもよい。
このように、発熱体として、飽和温度より高温である過熱蒸気が流れる蒸気流路を設けることにより、発熱体の加温に電源を不要とすることができ、ランニングコストの低減が図れる。

上記蒸気管構造において、前記液化防止手段は、前記底側管路の少なくとも一部がその上流側及び下流側より縮径された縮径部位を含むようにしてもよい。
これにより、縮径部位で蒸気が加速されて低圧力となり、蒸気の飽和温度を下げることができ、蒸気の凝縮を抑制することが可能となる。この構成では、蒸気管の外周側に新たに機器を設置する必要がないため、蒸気管外周にスペースが存在しない場合であっても適用できる。

以上記載のように本発明によれば、下向き管路と上向き管路との間に位置する底側管路に、蒸気の温度が飽和温度以上となるように蒸気を加温若しくは減圧する液化防止手段を設ける構成としている。これにより、蒸気が凝縮してドレンが生じることを抑制でき、さらにはドレンの滞留により発生するスチームハンマーを防止可能となる。
また、上記蒸気管構造は滞留水の発生自体を抑制するものであるため、蒸気管を傾斜させたり、ドレン排出管を設けたりする必要がなく、そのため蒸気管下方のスペースが小さい場合にも適用できる。
さらにまた、液化防止手段が配置されていない他の蒸気管部位でドレンが発生し、このドレンが底側管路に流入してしまうことがあっても、液化防止手段によって再蒸気化が可能であるため、底側管路にドレンが大量に滞留することを防止できる。したがって、蒸気の円滑な流れを確保できるとともに、スチームハンマーの発生を防止できる。

本発明の第１実施形態に係る蒸気管構造を示す断面図である。本発明の第１実施形態の変形例に係る蒸気管構造を示す断面図である。（ａ）は本発明の第２実施形態に係る蒸気管構造を示す断面図で、（ｂ）は比較例として縮径部位を備えていない蒸気管を示す断面図である。図３に示す第２実施形態及び比較例における飽和温度を示す表である。本発明の他の実施形態に係る蒸気管構造を示す断面図である。本発明の実施形態を適用可能な蒸気管の例を示す概略図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る蒸気管構造を示す断面図である。
同図に示す蒸気管構造１は、主として、内部に蒸気が流れる蒸気管２と、蒸気管２に設けられる液化防止手段３とを備える。
蒸気管２には、図中、矢印の向きに蒸気が流れるものとする。蒸気管２は、蒸気流れ方向が下向きに傾斜するように配置された下向き管路２１と、蒸気流れ方向が上向きに傾斜するように配置された上向き管路２２と、下向き管路２１と上向き管路２２との間に配置された底側管路２３とを有する。

液化防止手段３は、底側管路２３の少なくとも一部に設けられ、蒸気管２内を流れる蒸気の温度が飽和温度を超えるように加温する。具体的には、液化防止手段３は、底側管路２３の少なくとも一部の外周面に包被または巻回された発熱体３１を含み、この発熱体３１により底側管路２３の管壁を介して管内部の蒸気を加温する構成となっている。発熱体３１は、変形可能な線状若しくはシート状であってもよい。また、底側管路２３に対して密着させたまま固定するために、発熱体３１は可撓性を有してもよい。

ここで、発熱体３１としては、電源３２に接続された抵抗加熱素子を用いることが好ましい。この場合、抵抗加熱素子３１と底側管路２３との間には絶縁材を介装する。なお、抵抗加熱素子３１には、ニクロム線やカンタル線や白金線等の金属発熱体、若しくは炭化珪素やモリブデン-シリサイトやカーボン等の非金属発熱体を用いることができる。
通常、抵抗加熱素子３１は極めて小型に形成できるため、十分にスペースが確保可能な場所に電源３２を設置し、電源３２に接続した抵抗加熱素子３１のみを蒸気管外周に配設することで、蒸気管外周のスペースが小さい場合であっても発熱体３１を設置できる。また、この蒸気管構造１は、既存の蒸気管２に容易に適用可能である。

具体的には、発熱体３１は、蒸気管２内の蒸気の温度が、飽和温度を超える温度で且つ飽和温度＋２０℃以下となるように加温することが好ましい。特に好ましくは、蒸気管２内の蒸気の温度が、飽和温度＋５℃以上で、且つ飽和温度＋２０℃以下となるように加温する。この蒸気温度の下限値は、飽和温度より低くなると凝縮してドレンが発生するためである。上限値は、飽和温度＋２０℃を超えると、加温コストが嵩むためである。
上記蒸気の温度設定は、配管の熱伝導率、又は蒸気と発熱体の熱伝達率に基づいて適宜設定することができる。なお、熱伝導率又は熱伝達率は、配管の肉厚、材料等によって異なる。

さらに、蒸気管構造１は、上記した構成に加えて、底側管路２３の上流側に設置した蒸気温度センサと、このセンサで測定された蒸気温度に基づいて電源３２の制御を行うコントローラとを有していてもよい。蒸気温度センサで測定された蒸気温度はコントローラに入力され、コントローラは蒸気温度が飽和温度以下となったときに電源３２をＯＮにし、加温を開始する。また、蒸気温度センサで測定された蒸気温度が、飽和温度以上に設定された温度しきい値以上となったら電源３２をＯＦＦにし、加温を停止する。これにより、常時加温する場合に比べて電力コストを低減することができる。
このように、例えば冷熱プラント等のように大気温度の影響を受けやすい場合などには、コントローラを用いて断続的に加温してもよいし、一方、例えば発電プラント等のように大気温度の影響を受けにくい場合などには、コントローラを用いずに常時加温してもよい。

本実施形態の蒸気管構造１によれば、下向き管路２１と上向き管路２２との間に位置する底側管路２３に、蒸気の温度が飽和温度以上となるように蒸気を加温する発熱体３１を設ける構成としたので、蒸気が凝縮してドレンが生じることを抑制でき、さらにはドレンの滞留により発生するスチームハンマーを防止可能となる。
また、上記蒸気管構造１は滞留水の発生自体を抑制するものであるため、蒸気管２を傾斜させたり、ドレン排出管を設けたりする必要がなく、そのため蒸気管下方のスペースが小さい場合にも適用できる。
さらに、発熱体３１が配置されていない他の蒸気管部位でドレンが発生し、このドレンが底側管路２３に流入してしまうことがあっても、発熱体３１によって再蒸気化が可能であるため、底側管路２３にドレンが大量に滞留することを防止できる。したがって、蒸気の円滑な流れを確保できるとともに、スチームハンマーの発生を防止できる。
さらにまた、上記液化防止手段３が発熱体３１を含み、発熱体３１により蒸気を加温することで、所望の温度に蒸気を加温できる。また、蒸気の温度変化に追従させて供給熱量を変化させることもできる。

また、本発明の第１実施形態において、図２に示す変形例を用いることもできる。
この変形例では、液化防止手段３の発熱体３５として、底側管路２３の外周に接触して配設された蒸気流路３５を含む構成としている。この蒸気流路３５には、接続管３６を介して、他の蒸気管から分岐された過熱蒸気が流れるようになっている。また、図２に示すように、蒸気流路３５が底側管路２３の外側を包被するように形成し、底側管路２３の少なくとも一部を二重管構造とすることが好ましい。これにより過熱蒸気を用いて効率的に底側管路２３内の蒸気を加温することができる。
このように、発熱体３５として、飽和温度より高温である過熱蒸気が流れる蒸気流路を設けることにより、電源を不要とすることができ、ランニングコストの低減が図れる。

（第２実施形態）
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る蒸気管構造を示す断面図である。なお、以下に示す第２実施形態において、上述した第１実施形態と同一の構成については、その詳細な説明を省略する。
同図に示す蒸気管構造４は、主に、下向き管路５１と下向き管路５２と底側管路５３とを有する蒸気管５と、底側管路５３に設けられる液化防止手段６とを備える。

液化防止手段６は、底側管路５３の少なくとも一部がその上流側及び下流側より縮径された縮径部位を含むことによって構成されている。図３には、底側管路５３の径Ｄ_２が、下向き管路５１及び上向き管路の径Ｄ_１より小さい場合を示している。但し、この構成に限定されるものではなく、底側管路５３内において径を異ならせてもよい。また、蒸気流れの圧損を低減するために、縮径部位の入口側及び出口側は、テーパ状に形成することが好ましい。

このように、液化防止手段６は、底側管路５３の少なくとも一部がその上流側及び下流側より縮径された縮径部位を含むように構成することで、縮径部位にて蒸気が加速されて低圧力となり、蒸気の飽和温度を下げることができ、蒸気の凝縮を抑制することが可能となる。この構成では、蒸気管５の外周側に新たに機器を設置する必要がないため、蒸気管外周にスペースが存在しない場合であっても適用できる。

ここで、比較例として図３（ｂ）に示す縮径部位を備えていない蒸気管構造４’を用いて、本実施形態の縮径部位の径の設定について説明する。
図３（ａ）に示す第２実施形態の蒸気管構造４において、上向き管路５１及び下向き管路５２の内径をＤ_１、底側管路（縮径部位）５３の内径をＤ_２、蒸気流量をＱ、底側管路５３の蒸気流速をＶ_２、底側管路５３の蒸気圧力をＰ_２とする。また、図３（ｂ）に示す比較例の蒸気管構造４’において、上向き管路５１及び下向き管路５２の内径をＤ_１、同様に底側管路（縮径部位なし）５３’の内径をＤ_１、蒸気流量をＱ、底側管路５３’の蒸気流速をＶ_１、底側管路５３の蒸気圧力をＰ_１とする。

さらに、蒸気の飽和温度をＴｃとしたとき、以下の関係式が成り立つ。

実際の蒸気管に適用される数値を用いて、上記関係式から算出した飽和温度を図４に示す。なお、図４は、図３に示す第２実施形態及び比較例における飽和温度を示す表である。この表に示すように、蒸気管５の底側管路５３の径を小さくすることで、飽和温度を十分に低くすることができ、これにより蒸気の凝縮を抑制可能であることが明らかである。

以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、上述の第１実施形態及び第２実施形態において各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、図５に示すように、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせた構成とすることもできる。すなわち、同図に示す蒸気管構造９は、蒸気管８の下向き管路８１と上向き管路８２との間の底側管路８３に、縮径部位を設けるとともに、電源９２に接続された抵抗加熱素子９１を配設する。これにより、縮径部位のみの場合に比べて底側管路８３の内径を大きくでき圧損を低減でき、また発熱体９１による加温量を小さくでき電力コストの低減が可能となる。

また、上述の第１実施形態及び第２実施形態においては、一例として横コの字状蒸気管を用いた場合について説明したが、他にも、図６に示すように、Ｕ字状蒸気管１０、下流側に上向き傾斜部を有する蒸気管１１等を用いることができる。なお、図示したＵ字状蒸気管１０においては、下向き管路は１０１、上向き管路は１０２、底側管路は１０３で表わされる。また、下流側に上向き傾斜部を有する蒸気管１１においては、下向き管路は１１１、上向き管路は１１２、底側管路は１１３で表わされる。

１、４、７蒸気管構造
２、５、８蒸気管
３、６、９液化防止手段
２１、５１、８１下向き管路
２２、５２、８２上向き管路
２３、５３、８３底側管路
３１、９１発熱体（抵抗加熱素子）
３５発熱体（蒸気流路）
３６接続管
３２、９２電源

Claims

蒸気の供給元から供給先へ向けて蒸気を輸送するための蒸気管を有する蒸気管構造であって、
前記蒸気管は、前記供給元側に位置する下向き管路と、前記供給先側に位置する上向き管路と、前記下向き管路と前記上向き管路との間に位置する底側管路とを含み、前記下向き管路から前記上向き管路まで同径で連続した管路構造を有し、
前記底側管路に、前記底側管路内において輸送中の前記蒸気の温度が飽和温度を超えるように前記蒸気を加温若しくは減圧し、前記蒸気の凝縮を抑制するように構成された液化防止手段を設けたことを特徴とする蒸気管構造。
前記蒸気管が、Ｕ字状蒸気管、横コの字状蒸気管、及び下流側に上向き傾斜部を有する蒸気管のうちいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の蒸気管構造。
前記液化防止手段は、前記底側管路の少なくとも一部の外周面に包被または巻回された発熱体を含み、前記発熱体により前記底側管路の管壁を介して管内部の前記蒸気を加温することを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気管構造。
前記発熱体は、電源に接続された抵抗加熱素子を含み、前記抵抗加熱素子と前記底側管路との間に絶縁材が介装されていることを特徴とする請求項３に記載の蒸気管構造。
内部に蒸気が流れる蒸気管を有する蒸気管構造であって、
前記蒸気管のうち下向き管路と上向き管路との間に位置する底側管路に、前記蒸気の温度が飽和温度を超えるように前記蒸気を加温若しくは減圧する液化防止手段を設けており、
前記液化防止手段は、前記底側管路の少なくとも一部の外周面に包被または巻回された発熱体を含み、前記発熱体により前記底側管路の管壁を介して前記蒸気を加温するように構成され、
前記発熱体は、前記底側管路の外周に接触して配設された蒸気流路を含み、
前記蒸気流路には、他の蒸気管から分岐された過熱蒸気が流れるようにしたことを特徴とする蒸気管構造。
前記液化防止手段は、前記底側管路の少なくとも一部がその上流側及び下流側より縮径された縮径部位を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の蒸気管構造。
前記底側管路の上流側に設置された蒸気温度センサと、
前記蒸気温度センサで測定された蒸気温度に基づいて、前記電源の制御を行うコントローラと、をさらに備え、
前記コントローラは、前記蒸気温度センサで測定された前記蒸気温度が飽和温度以下となったときに前記電源をＯＮにして加温を開始し、前記蒸気温度が飽和温度以上に設定された温度しきい値以上となったら前記電源をＯＦＦにし、加温を停止するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の蒸気管構造。