JP6083898B2

JP6083898B2 - 乾き度測定装置

Info

Publication number: JP6083898B2
Application number: JP2013043395A
Authority: JP
Inventors: 湯本　秀昭; 湯本　　秀昭; 高之森井
Original assignee: Tlv Co Ltd
Current assignee: Tlv Co Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: JP2014169986A

Description

本発明は、例えば蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置等に関する。

蒸気の乾き度とは、蒸気中の気相と液相との重量割合をいう。従来の乾き度測定装置には、蒸気配管に流れる水蒸気の一部をサンプリング管に導き入れてサンプリングし、このサンプリングした水蒸気を気液分離した際の液体水量と、このサンプリングした水蒸気を凝縮させた全体水量との比率に基づいて、蒸気の乾き度を測定するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−７５３１７号公報

しかしながら、上記従来の乾き度測定装置は、配管の一部のみから蒸気をサンプリングしているので、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定できないという問題があった。

例えば、水滴と蒸気とが混合している状態の水蒸気は、湿り蒸気といわれている。このような湿り蒸気においては、乾き度が１（１００％）に近づくにつれて水滴の大きさや個数が減少していく。つまり、乾き度が１以下の水蒸気(湿り蒸気)が流れる蒸気配管中においては、大きさの異なる水滴が複数存在している。

そして、これらの大きさの異なるそれぞれの水滴は、配管内において決して均一に存在していない。図８は、蒸気配管の断面における水滴の存在状態の一例を模式的に示す図である。

図８に示すように、液滴径が比較的小さい水滴９１は、配管断面９０の全体にまばらに分布している。また、液滴径が中程度の水滴９２は、配管断面９０の中部及び下部に多く存在している。さらに、液滴径が比較的大きい水滴９３は、配管断面９０の下部に多く存在している。

この場合において、配管断面９０の中心部にある領域９４においては、水滴９１及び９２をそれぞれ１つずつサンプリングすることができる。一方、配管断面９０の右下部にある領域９５においては、２つの水滴９１（液滴径小）、１つの水滴９２（液滴径中）及び、１つの水滴９３（液滴径大）をそれぞれサンプリングすることができる。

つまり、領域９５においてサンプリングした水蒸気を気液分離した際の液体水量は、領域９４においてサンプリングした水蒸気を気液分離した際の液体水量よりも、１つの水滴９１及び１つの水滴９３の分だけ多くなる。乾き度は、気液分離した際の液体水量を用いて算出されるため、サンプリングした位置によりサンプリングした水蒸気の液体水量が異なると、配管中における正確な乾き度を算出することができない。

このように、上記従来の乾き度測定装置では、配管の一部のみから蒸気をサンプリングしているので、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することは困難である。

したがって本発明が解決しようとする課題は、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することである。

上記の課題を解決するために、本発明の乾き度測定装置は、
蒸気配管を流れる蒸気をサンプリングして乾き度を測定する乾き度測定装置であって、
前記蒸気配管内を流れる蒸気を撹拌する撹拌部と、
前記撹拌部にて撹拌した蒸気をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部にてサンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出部とを備える。

本願明細書の開示によれば、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することが可能となる。

乾き度測定装置１の構成図の一例を模式的に示す図である。配管内にサンプル採取管１１の一端（サンプリング部１１１）が設置された場合における配管断面の一例を模式的に示す図である。サンプリング部１１１の変形例の一例を模式的に示す図である。サンプリング部１１１の変形例の一例を模式的に示す図である。サンプリング部１１１の変形例の一例を模式的に示す図である。サンプリング部１１１の変形例の一例を模式的に示す図である。サンプリング部１１１の変形例の一例を模式的に示す図である。配管断面における水滴の存在状態の一例を模式的に示す図である。

以下、本発明の乾き度測定装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、サンプリングした水蒸気を加熱した場合におけるエンタルピ変化に基づいて、その乾き度を計測する例について説明する。また、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

[１．第１の実施形態]
[１−１．乾き度測定装置の構成]
図１は、乾き度測定装置１の構成図の一例を模式的に示す図である。乾き度測定装置１は、スタティックミキサ１０、サンプル採取管１１、蒸気配管用（１次圧力用）の圧力センサ１２、サンプル採取管用（２次圧力用）の圧力センサ１３、サンプル採取管用の温度センサ１４、オリフィス１５、ヒータ１６及び、乾き度算出部１７を含む。

スタティックミキサ１０は、蒸気配管４の内部に乱流を発生させることにより、蒸気配管内を流れる湿り蒸気を混ぜ合わせることができる。湿り蒸気を混ぜ合わせることにより、湿り蒸気を均一化することができる。この場合、乱流効果により、湿り蒸気に含まれる水滴が配管壁面に衝突してドレン化する確率を低減することができる。

上述した通り、湿り蒸気においては、液滴径の異なる水滴が複数存在し、これらの水滴は、配管内において決して均一に存在していない。しかしながら、スタティックミキサ１０を用いて湿り蒸気を撹拌することにより、液滴径のそれぞれ異なる水滴を蒸気配管内において均一存在させることができる。

スタティックミキサ１０の内部には、例えば板材をねじって形成した複数のエレメント１０１、１０２が設けられている。スタティックミキサ１０は、これらのエレメント１０１、１０２により、流入した流体を順次撹拌して混ぜ合わせることができる。スタティックミキサ１０は、「蒸気配管内を流れる蒸気を撹拌する撹拌部」に該当する。

サンプル採取管１１は、サンプリング部１１１と加熱部１１２とを含む。サンプリング部１１１は、その一端が蒸気配管４の内部に配置されているサンプル採取管１１の一部である。サンプリング部１１１は、スタティックミキサ１０において撹拌された湿り蒸気をサンプリングすることができる。サンプリング部１１１は、蒸気配管４内に配置され、かつ、蒸気を複数の異なる位置からそれぞれ流入させる複数の採取孔を備える。サンプリング部１１１は、「撹拌部にて撹拌した蒸気をサンプリングするサンプリング部」に該当する。

加熱部１１２は、蒸気配管４の外部に配置されているサンプル採取管１１の一部であり、サンプリング部１１１においてサンプリングした湿り蒸気を、ヒータ１６により加熱させることができる。このため、加熱部１１２は、ヒータ１６により加熱可能な位置に配置される。なお、サンプリング部１１１と加熱部１１２とは、それぞれ別体とし、それぞれを連結する構成としてもよい。

圧力センサ１２は、蒸気配管４の内部圧力を計測することができる。圧力センサ１３は、サンプル採取管１１における加熱部１１２の内部圧力を計測することができる。温度センサ１４は、サンプル採取管１１における加熱部１１２の内部温度を計測することができる。

オリフィス１５は、加熱部１１２の上流側と下流側の二箇所に配置されており、サンプル採取管１１における加熱部１１２に存在する蒸気の圧力及び体積を一定に保持することができる。

ヒータ１６は、サンプル採取管１１における加熱部１１２に存在する蒸気を加熱することができる。ヒータ１６には、例えば電熱式ヒータを用いることができる。

乾き度算出部１７は、圧力センサ１２、圧力センサ１３、温度センサ１４及び、ヒータ１６からの情報に基づいて、サンプリングした蒸気の乾き度を算出することができる。乾き度算出部１７には、例えばＣＰＵを備えたコンピュータ装置を用いることができる。乾き度算出部１７は、「サンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出部」に該当する。

[１−２．サンプル採取管におけるサンプリング部の構成]
図２は、配管内にサンプル採取管１１の一端（サンプリング部１１１）が設置された場合における配管断面の一例を模式的に示す図である。図２においては、図８と比較して、液滴径が比較的小さい水滴５１、液滴径が中程度の水滴５２及び、液滴径が比較的大きい水滴５３のそれぞれは、配管断面４０からみて均一に存在している。

サンプリング部１１１には、複数の採取孔４１がそれぞれ形成される。蒸気配管４の内部を流れる湿り蒸気は、採取孔４１に流入する。湿り蒸気には、気相と液相が含まれているため、液相である水滴（液滴）が採取孔４１に流入する。つまり、採取孔４１を介して、水滴を含む蒸気を採取することができる。

図２に示すように、例えば採取孔４１ａ、４１ｂ及び４１ｄは、それぞれ水滴５１を１つずつ採取することができる。また、採取孔４１ｃは、水滴５２を１つ採取することができる。

このように、蒸気配管４の中に発生している水滴を含む湿り蒸気を、複数の異なる位置に設けられた採取孔４１に流入させることにより、蒸気配管４の内に発生する大きさの異なる水滴をまんべんなくサンプリングすることができる。特に、複数の採取孔４１が形成されたサンプリング部１１１を、配管４の断面中央付近において垂直方向に延びるように配置することにより、配管４の垂直方向の各位置（例えば、上、中、下）において流れ飛ぶ水滴を確実に採取することができる。

[１−３．乾き度の算出例]
図１に示した度測定装置１において蒸気の乾き度を算出する例を以下に説明する。蒸気配管４を流れる蒸気は、サンプリング部１１１を介してサンプル採取管１１に導かれる。蒸気配管４の圧力は、圧力センサ１２により計測され、乾き度算出部１７に通知される。

サンプリング部１１１を介してサンプリングされた蒸気は、サンプル採取管１１の上流側のオリフィス１５を介して、加熱部１１２に流入する。加熱部１１２に流入した蒸気は、ヒータ１６により加熱されて乾き度１（１００％）の過熱蒸気となる。乾き度１の過熱蒸気が、圧力センサ１３及び温度センサ１４に導かれると、加熱部１１２における圧力及び温度が計測される。これら計測された、加熱部１１２における圧力及び温度は、乾き度算出部１７に通知される。この過熱蒸気は、サンプル採取管１１の下流側のオリフィス１５を介して、サンプル採取管１１の外部に排出される。

なお、圧力センサ１４及び下流側のオリフィス１５は必須ではない。圧力センサ１４及び下流側のオリフィス１５を設けない場合、過熱蒸気は大気に放出される。この場合、乾き度算出装置１７は、大気圧を用いて乾き度を算出することができる。

また、サンプル採取管１１の断面積、オリフィス１５の孔断面積及び、オリフィスの流量係数等は、予め乾き度算出部１７に設定されており、圧力センサ１２及び１３からの圧力値に基づいて加熱部１１２における蒸気流量が算出可能である。なお、オリフィス１５に代えて、図示しない流量センサを用いてもよい。この場合、流量センサは、サンプル採取管１１における加熱部１１２に流入した蒸気の流量を、乾き度算出部１７に通知することができる。また、流量センサを用いた場合、圧力センサ１２を設ける必要はない。

乾き度算出部１７は、圧力センサ１３及び温度センサ１４からの計測値に基づいて、加熱部１１２における過熱蒸気のエンタルピｈ１を算出する。また、乾き度算出部１７は、ヒータ１６において与えた熱量と、加熱部１１２に流入した蒸気の流量値とにより、単位流量当りのエンタルピ変化量Δｈを算出する。過熱蒸気のエンタルピｈ１から、エンタルピ変化量Δｈを減算することにより、湿り蒸気のエンタルピｈ２を求め、湿り蒸気のエンタルピｈ２に基づいて、湿り蒸気の乾き度を算出することができる。

[１−４．まとめ]
上記乾き度測定装置１においては、撹拌部であるスタティックミキサ１０は、蒸気配管４内を流れる蒸気を乱流により撹拌する。サンプリング部は、撹拌部であるスタティックミキサ１０にて撹拌された蒸気をサンプリングする。乾き度算出部は、サンプリング部にてサンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する。このため、上記乾き度測定装置１は、水滴が均一に存在する蒸気を用いてその乾き度を算出することができる。これにより、上記乾き度測定装置１は、配管を流れる蒸気の乾き度を正確に測定することが可能となる。

[２．他の実施形態]
[２−１．撹拌部の変形例]
上記実施形態においては、撹拌部としてスタティックミキサ１０を用いて乾き度測定装置１を構成したが、スタティックミキサ１０に代えてダイナミックミキサを用いてもよい。また、撹拌部には、１又は２以上の撹拌羽根を備えた装置を用いてもよい。

[２−２．サンプリング部の変形例]
図３、図４、図５、図６及び図７は、それぞれ、サンプリング部１１１の変形例の一例を模式的に示す図である。

例えば図３に示すように、サンプリング部１１１を、配管４の断面４０からみて略十字形状となるように構成して、複数の異なる位置に採取孔４１を配置してもよい。

例えば図４に示すように、サンプリング部１１１を、配管４の断面４０からみて垂直方向に２つのＩ字形状となるように構成して、複数の異なる位置に採取孔４１を配置してもよい。

例えば図５に示すように、サンプリング部１１１を、配管４の断面４０からみて略Ｈ字形状となるように構成して、複数の異なる位置に採取孔４１を配置してもよい。

例えば図６又は図７に示すように、蒸気配管の断面４０の中心からの距離に応じて、蒸気のサンプリング量を異ならせてもよい。図６においては、蒸気配管の断面４０の中心からの距離に応じて、蒸気をサンプリングする採取孔の個数を異ならせている。

具体的には、図６においては、蒸気配管の断面４０の中心付近は４つの採取孔４１Ａを設け、その下部には３つの採取孔４１Ｂを設け、さらにその下部には２つの採取孔４１Ｃを設けている。このように、蒸気配管の断面４０の中心から離れる程、採取孔の個数を減少させることにより、水滴の分布が多い配管下部からのサンプリング量を抑制することができる。なお、採取孔４１Ａ、採取孔４１Ｂ及び採取孔４１Ｃは、蒸気配管の断面４０の中心からの距離が異なる同心円状にそれぞれ配置してもよい。

また、図７においては、蒸気配管の断面４０の中心からの距離に応じて、蒸気をサンプリングする採取孔の大きさを異ならせている。具体的には、図７においては、蒸気配管の断面４０の中心付近は開口面積が比較的大きい採取孔４１Ｄを設け、その下部には開口面積が中程度の採取孔４１Ｅを設け、さらにその下部には開口面積が比較的小さい採取孔４１Ｆを設けている。このように、蒸気配管の断面４０の中心から離れる程、採取孔の開口面積を小さくすることにより、水滴の分布が多い配管下部からのサンプリング量を抑制することができる。なお、採取孔４１Ｄ、採取孔４１Ｅ及び採取孔４１Ｆは、蒸気配管の断面４０の中心からの距離が異なる同心円状にそれぞれ配置してもよい。

なお、サンプリング部１１１に形成される採取孔４１の形状、大きさ又は個数は、上記において例示したものに限定されない。例えば、配管径や蒸気の質に応じて、上記採取孔４１の形状、大きさ又は個数は適宜変更することができる。

[２−３．乾き度算出部の変形例]
上記実施形態においては、サンプリングした湿り蒸気を加熱した際におけるエンタルピ変化に基づいて乾き度を算出する例を説明したが、他の方法を用いて乾き度を算出してもよい。

例えば、湿り蒸気をノズルを通して測定容器内に噴射して断熱膨脹させて過熱蒸気とし、ノズルの上流側の圧力と測定容器内の圧力及び温度を検出することにより、モリエル線図あるいは飽和蒸気表及び過熱蒸気表を用いて乾き度を測定する方法により、蒸気の乾き度を算出してもよい。

また、赤外線、超音波又はレーザー等を利用して検出した気相と液相の割合に基づいて、蒸気の乾き度を算出してもよい。

[２−４．その他]
なお、上記各実施形態において説明した構成の一部または全部を、２以上組み合わせた構成としてもよい。

１乾き度測定装置
１０スタティックミキサ
１１サンプル採取管
１２圧力センサ
１３圧力センサ
１４温度センサ
１５オリフィス
１６ヒータ
１７乾き度算出部

Claims

蒸気配管を流れる蒸気をサンプリングして乾き度を測定する乾き度測定装置であって、
前記蒸気配管内を流れる蒸気を撹拌する撹拌部と、
前記撹拌部にて撹拌した蒸気をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部にてサンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出部とを備え、
前記サンプリング部は、前記蒸気配管内に配置され、かつ、前記蒸気を複数の異なる位置からそれぞれ流入させる複数の採取孔を備えており、
前記複数の採取孔は、前記蒸気配管の中心から離れる程、サンプリング量を抑制するように配置されている、乾き度測定装置。
前記複数の採取孔は、前記蒸気配管の中心から離れる程、採取孔の個数が減少するように配置されている、請求項１に記載の乾き度測定装置。
前記複数の採取孔は、前記蒸気配管の中心から離れる程、採取孔の開口面積が小さくなるように配置されている、請求項１に記載の乾き度測定装置。
蒸気配管を流れる蒸気をサンプリングして乾き度を測定する乾き度測定方法であって、
前記蒸気配管内を流れる蒸気を撹拌する撹拌工程と、
前記撹拌工程にて撹拌した蒸気をサンプリングするサンプリング工程と、
前記サンプリング工程にてサンプリングした蒸気を計測して乾き度を算出する乾き度算出工程とを含み、
前記サンプリング工程は、前記蒸気配管内に配置され、かつ、前記蒸気を複数の異なる位置からそれぞれ流入させる複数の採取孔を用いるものであり、
前記複数の採取孔は、前記蒸気配管の中心から離れる程、サンプリング量を抑制するように配置されている、乾き度測定方法。