JP6083899B2

JP6083899B2 - 乾き度測定装置

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Publication number: JP6083899B2
Application number: JP2013043396A
Authority: JP
Inventors: 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: JP2014169987A

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１０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１０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の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遠心力を用いて気水分離する気水分離部と、
前記気水分離部にて気水分離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し、前記気水分離部にて気水分離した水分量に基づいて前記乾き度を補正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。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。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、気液分離器であるサイクロンセパレータ１０、サンプル採取管１１、サイクロンセパレータ１０用（１次圧力用）の圧力センサ１２、サンプル採取管１１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、乾き度算出部１７、入口側の流量計１８ａ及び、出口側の流量計１８ｂを含む。

サイクロンセパレータ１０は、蒸気配管４の内部を流れる湿り蒸気を、気液分離することができる。具体的には、サイクロンセパレータ１０は、蒸気配管４から入口１０ａを介して流入した蒸気Ｓ１を、分離部材１０１に導き入れる。蒸気Ｓ１は、分離部材１０１の形状に基づく作用により分離部材１０１の外周を旋回する蒸気Ｓ２となり、サイクロンセパレータ１０の下部に向けて降下する。

このとき、遠心力によって、比重の重い水滴Ｗ（液体）と、比重の軽い蒸気（気体）は分離される。比重の軽い蒸気は、蒸気Ｓ３に示すように分離部材１０１の空洞部１０１ａを上昇し、出口１０ｂを介して蒸気配管４に流出する。サイクロンセパレータ１０は、「蒸気配管内を流れる蒸気を遠心力を用いて気水分離する気水分離部」に該当する。

なお、分離された液滴Ｗは、凝縮してドレンＤとなりサイクロンセパレータ１０の下部に滞留する。また、滞留したドレンＤは所定水量になるとフリーフロートの開弁作用により、出口１０ｃを介して外部に排出される。

上述した通り、湿り蒸気においては、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。しかしながら、サイクロンセパレータ１０を用いて湿り蒸気に含まれる水滴Ｗを分離することにより、水滴が存在しない、または、水滴が極めて少ない蒸気（乾き度の高い蒸気（以下において乾き蒸気ということがある。））を得ることができる。

サンプル採取管１１は、その一端がサイクロンセパレータ１０の内部に配置されている。サンプル採取管１１は、サイクロンセパレータ１０において分離された乾き蒸気をサンプリングすることができる。例えば、図１に示すように、サンプル採取管１１の下端は、サイクロンセパレータ１０の上部空間と連結している。このため、サイクロンセパレータ１０にて気水分離された直後の乾き蒸気を容易にサンプリングすることができる。

サンプル採取管１１は、サンプリングした乾き蒸気を、オリフィス１５を介して内部に流入させ、ヒータ１６により加熱させることができる。サンプル採取管１１は、「気水分離部にて気水分離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。

圧力センサ１２は、サイクロンセパレータ１０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の内部温度を計測することができる。

オリフィス１５は、サンプル採取管１１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。

流量計（ＦＭ）１８ａは、サイクロンセパレータ１０の入口１０ａに流れ込む湿り蒸気の流量を計測することができる。流量計（ＦＭ）１８ｂは、サイクロンセパレータ１０の出口１０ｃから排出されるドレンＤの流量を計測することができる。

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、ヒータ１６、流量計１８ａ及び流量計１８ｂ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し、気水分離部にて気水分離した水分量に基づいて乾き度を補正する乾き度算出部」に該当する。

具体的には、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した後、流量計１８ａ及び流量計１８ｂからの情報に基づいて、算出した乾き度を補正する。

このように補正を行うのは、サンプル採取管１１にてサンプリングした蒸気は液滴Ｗが分離されているため、蒸気配管４から流入した蒸気とは含有水量が異なるからである。よって、乾き度算出部１７は、蒸気配管４から流入してくる蒸気の乾き度を正確に算出するために、流量計１８ａ及び流量計１８ｂからの情報に基づいて乾き度の補正を行う。すなわち、乾き度算出部１７は、「気水分離部にて気水分離した水分量に基づいて乾き度を補正」する。

[１−２．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、サイクロンセパレータ１０を介してサンプル採取管１１に導かれる。サイクロンセパレータ１０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。

[１−３．まとめ]
上記乾き度測定装置１において、気水分離部であるサイクロンセパレータ１０は、蒸気配管４内を流れる湿り蒸気を気水分離する。サンプリング部は、気水分離部であるサイクロンセパレータ１０にて気水分離された乾き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し、気水分離部にて気水分離した水分量に基づいて、蒸気算出した乾き度を補正する。

このため、上記乾き度測定装置１は、水滴が存在しない、又は、水滴が極めて少ない乾き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．第２の実施形態]
図２は、本発明の第２の実施形態にかかる乾き度測定装置の構成図の一例を模式的に示す図である。図２において、本実施形態と上記第１の実施形態との主な相違点は、サイクロンセパレータ１０の出口１０ｂから流出した蒸気を、サンプリング部１１１を介してサンプリングする点である。なお、上記第１の実施形態と共通する要素については、同じ符号を付して、その重複した説明を省略する。

[２−１．乾き度測定装置の構成]
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の一部であり、蒸気配管４の内部を流れる湿り蒸気を、サンプリングすることができる。つまり、サンプリング部１１１は、サイクロンセパレータ１０において分離された乾き蒸気を、複数の異なる位置からサンプリングすることができる。

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。

[２−２．サンプル採取管におけるサンプリング部の構成]
図３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。サイクロンセパレータ１０において完全に水滴（液滴）を分離できない場合、液滴径が比較的小さいが配管４内に存在することがあり得る。例えば、図３に示すように、液滴径が比較的小さい水滴５１は、配管断面４０の全体にまばらに分布している。

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、水滴が採取孔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３に示すように、例えば採取孔４１ａ、４１ｂ及び４１ｄは、それぞれ液滴５１を１つず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。

[２−３．サンプリング部の変形例]
図４、図５、図６、図７及び図８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６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７又は図８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個数を異ならせている。

具体的には、図８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。

一方、図８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。

[３．第３の実施形態]
図９は、本発明の第３の実施形態にかかる乾き度測定装置の構成図の一例を模式的に示す図である。図９において、本実施形態と上記第２の実施形態との主な相違点は、サイクロンセパレータ１０の出口１０ｂから流出した蒸気を、撹拌部であるスタティックミキサ５５で撹拌した後、サンプリング部１１１を介してサンプリングする点である。なお、上記第２の実施形態と共通する要素については、同じ符号を付して、その重複した説明を省略する。

[３−１．乾き度測定装置の構成]
乾き度測定装置１は、スタティックミキサ５５を含む。スタティックミキサ５５は、蒸気配管４の内部に乱流を発生させることにより、サイクロンセパレータ１０の出口１０ｂから流出した蒸気を混ぜ合わせることができる。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。サンプリング部１１１は、スタティックミキサ５５において撹拌された蒸気をサンプリングすることができる。

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５５は、サイクロンセパレータ１０の出口１０ｂから流出した蒸気を撹拌する。このように、サンプリング前において、蒸気を混ぜ合わせることにより、乾き蒸気において残存する水滴（液滴）を、蒸気内において均一に分布させることができる。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。

[３−２．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５５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５５に代えてダイナミックミキサを用いてもよい。

[４．他の実施形態]
[４−１．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。

[４−２．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サイクロンセパレータ
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
１８流量計

Claims

蒸気配管を流れる蒸気の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遠心力を用いて気水分離する気水分離部と、
前記気水分離部にて気水分離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し、前記気水分離部にて気水分離した水分量に基づいて前記乾き度を補正する乾き度算出部とを備え、
前記サンプリング部は、前記気水分離部にて気水分離した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の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遠心力を用いて気水分離する気水分離工程と、
前記気水分離工程にて気水分離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し、前記気水分離工程にて気水分離した水分量に基づいて前記乾き度を補正する乾き度算出工程とを含み、
前記サンプリング部は、前記気水分離部にて気水分離した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。