JP6229521B2 - 流速計測方法および流速計測システム - Google Patents

Description

本発明は、流速計測方法および流速計測システムに関する。

従来、配管内を流れる流体の流量を計測する手法として、配管表面の上流および下流に設置した２つの温度センサーにより配管内を流れる流体の温度変化を検出し、その際の時間差に基づいて配管内を流れる流体の流速等を求める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２６１８２６号公報

しかしながら、上記従来技術を蒸気の流速計測に適用すると、精度良く計測を行うことができなかった。これは、蒸気は水に比べて熱伝達が大幅に低いため、配管内を流れる蒸気の熱が配管表面に伝わらず、温度センサーによって温度が良好に検出できないからである。そこで、配管の外部から内部を流れる蒸気の流速を精度良く計測可能な新たな技術の提供が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、外部から配管内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することが可能な流速計測方法および流速計測システムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、配管の内部を流れる熱流体の流速を計測する流速計測方法であって、前記配管の表面の所定部分で熱交換を行う第１工程と、前記所定部分で熱交換が行われた前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測する第２工程と、計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の前記内部を流れる前記熱流体の流速を求める第３工程と、を備え、前記第２工程では、前記熱流体の流速に応じて変化する当該熱流体による管内熱伝達に対応して前記表面に生じた温度分布を計測する。

また、上記第１態様においては、前記第１工程において、前記所定部分を加熱する構成としてもよい。

また、上記第１態様においては、前記第２工程において、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測する構成としてもよい。

また、上記第１態様においては、前記第２工程において、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測する構成としてもよい。

また、上記第１態様においては、前記第２工程において、前記複数個所の温度の平均値を用いる構成としてもよい。

また、上記第１態様においては、前記第１工程において、リング状のヒーターを用いる構成としてもよい。

また、上記第１態様においては、前記配管として、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側の少なくともいずれかが保温材で覆われたものを用いる構成としてもよい。

また、上記第１態様においては、前記熱流体が蒸気である構成としてもよい。

本発明の第２態様に従えば、配管の内部を流れる熱流体の流速を計測する流速計測装置であって、前記配管の表面の所定部分と熱交換を行う熱交換器と、前記所定部分が前記熱交換器と熱交換された前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測する温度計測部と、計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の前記内部を流れる前記熱流体の流速を算出する流速算出部と、を備え、前記温度計測部は、前記熱流体の流速に応じて変化する当該熱流体による管内熱伝達に対応して前記表面に生じた温度分布を計測する。

また、上記第２態様においては、前記熱交換器が加熱装置である構成としてもよい。さらに、前記加熱装置は、リング状のヒーターである構成としてもよい。

また、上記第２態様においては、前記温度計測部は、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測する構成としてもよい。

また、上記第２態様においては、前記温度計測部は、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測する構成としてもよい。

また、上記第２態様においては、前記熱流体が蒸気である構成としてもよい。

この流速計測方法及び流速計測装置によれば、外部から配管内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することができる。

本実施形態に係る流速計測システムの概略構成を示す図。 流速計測システムの要部構成を示す図。 制御ユニットを示す模式図。 配管の内部における熱伝達率を計算で求めた結果を示した表。 温度計測部による計測結果から取得される温度分布を示す図。 計算シミュレーションで求められた蒸気の流速および温度分布の関係を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る流速計測システムは、例えば、ボイラーなどの蒸気製造装置と負荷設備との間に配設される配管内を流れる熱流体（例えば、蒸気）の流速を計測可能なシステムである。

図１は本実施形態に係る流速計測システムの概略構成を示す図である。図２は、流速計測システムの要部構成を示す図である。
本実施形態に係る流速計測システム１００は、図１に示すように、加熱部（熱交換器）２と、温度計測部３と、制御ユニット（流速算出部）４と、を含む。図１において、配管１０は、蒸気製造装置２０（ボイラーなど）と負荷設備３０との間に配設されている。蒸気製造装置２０からの蒸気が配管１０を流れ、負荷設備３０に送られる。負荷設備３０において、蒸気又は蒸気の熱が利用される。負荷設備３０から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽（不図示）に集約された後、蒸気製造装置２０に再度給水される。

加熱部２は、配管１０の表面１０ａと熱交換することで所定部分を加熱するためのものである。本実施形態において、加熱部２は、例えば、リング状のヒーターから構成されており、図２に示すように、配管１０の表面１０ａの所定位置において周方向に亘って配置される。これにより、加熱部２は、配管１０の所定部分（該加熱部２の設置部分１１）において、該配管１０の表面１０ａを均一に加熱する。加熱部２は、制御ユニット４に電気的に接続されており、その動作が制御される。

温度センサー群３Ａは、配管１０における表面１０ａの加熱部２の設置部分１１の両側（上流側および下流側）に配置されている。各温度センサー群３Ａは、上記設置部分１１からの距離に応じて設置位置が決定される。例えば、設置部分１１の上流側を例に挙げると、各温度センサー群３Ａは、設置部分１１の端面からの距離が０ｍｍ、６ｍｍ、１４ｍｍ、２４ｍｍ、３６ｍｍ、５０ｍｍ、６６ｍｍ、８４ｍｍ、１０４ｍｍ、１２６ｍｍ、１５０ｍｍ、１７６ｍｍに設置されている。ここで、設置部分１１の端面からの距離が０ｍｍとは、温度センサー群３Ａが加熱部２の端面に沿って配置されることを意味する。なお、図２では、配管１０の断面構造として、設置部分１１の下流側端面の近傍（Ａ−Ａ矢視による断面）と、設置部分１１の下流側端面からの距離２４ｍｍ近傍とを図示した。

図２に示されるように、温度センサー群３Ａは、設置部分１１から離間するに従って、隣接する温度センサー群３Ａ間の距離が２ｍｍずつ大きくなるように配置されている。したがって、温度センサー群３Ａは、設置部分１１（加熱部２）に近い程、センサーが密集して配置されたものとなっている。これにより、設置部分１１の近傍において配管１０の表面１０ａの温度を精度良く検出することが可能とされている。

温度計測部３は、複数（本実施形態では、例えば、１２個）の温度センサー群３Ａから構成される。各温度センサー群３Ａは、配管１０の表面１０ａにおいて、該配管１０の管軸方向に沿って配置される。各温度センサー群３Ａは、それぞれ配管１０の表面１０ａの温度を計測する温度センサー３ａを複数含む。本実施形態において、各温度センサー群３Ａは４つの温度センサー３ａから構成される。４つの温度センサー３ａは、配管１０の表面１０ａにおいて、周方向に均等に配置されている。すなわち、４つの温度センサー３ａは、配管１０の周方向において、９０度ずつ位置を違えるように配置されている。各温度センサー群３Ａは、４つの温度センサー３ａが計測した値の平均値を計測値として出力する。このように温度センサー群３Ａは、配管１０の表面１０ａにおける複数個所を計測した値の平均を計測値とすることで信頼性の高い計測結果（温度）を出力可能である。

このような構成に基づき、温度計測部３は、各温度センサー群３Ａの計測結果から配管１０の管軸方向における表面１０ａの温度分布を計測することが可能である。温度計測部３が計測した温度分布は、制御ユニット４に送信される。

配管１０は、表面１０ａの少なくとも一部が保温材１２により覆われている。本実施形態において、保温材１２は、配管１０の表面に設けられた加熱部２および温度計測部３（各温度センサー３ａ）を覆うように管軸方向に亘って設置されている。

図３は、制御ユニット４を示す模式図である。図３において、計算装置５０は、例えばコンピュータシステムである。制御ユニット４は、計算装置５０に加え、入力装置６０、及び表示装置（出力装置）６４を有する。計算装置５０は、Ａ／Ｄ変換器等の変換器６１、ＣＰＵ（演算処理手段）６２、及びメモリ６３等を有する。流速計測システム１００の温度計測部３から送られる測定データ（温度分布）が、必要に応じて変換器６１等で変換され、ＣＰＵ６２に取り込まれる。また、初期設定値、及び仮データなどが入力装置６０などを介して計算装置５０に取り込まれる。表示装置６４は、入力されたデータに関する情報、及び計算に関する情報などを表示することができる。

ＣＰＵ６２は、測定データ、及びメモリ６３に記憶された情報に基づき、配管１０の内部を流れる蒸気の流速を算出することができる。ＣＰＵ６２は、例えば、温度計測部３の測定結果（配管１０の温度分布）を用い、後述のようにメモリ６３に記憶された情報から配管１０の内部を流れる蒸気の流速を算出する。すなわち、制御ユニット４は、配管内部を流れる蒸気の流速を算出する特許請求の範囲に記載の流速算出部を構成する。

流速計測システム１００、およびその計測方法は、配管内を流れる流体の流速に応じて管内熱伝達が変化する点、および、管内熱伝達の変化に伴って配管の表面に加えた熱が温度分布を生じさせる点に着目したものである。

まず、配管内を流れる流体（以下、管内流体と称す場合もある）の流速に応じて管内熱伝達が変化する点について説明する。

下式（１）は、ディタス・ベルター（Dittus-Boelter）の式である。下式（２）は、ヌセルト数を示す式である。下式（３）は、プラントル数を示す式である。下式（４）は、レイノルズ数を示す式である。

Ｎｕ＝０．０２３×Ｒｅ^０．８×Ｐｒ^０．４ …（１）

Ｎｕ＝αｉ×ｄｉ／λ …（２）

Ｐｒ＝ν×ρ×Ｃｐ／λ …（３）

Ｒｅ＝ｕ×ｄｉ／ν …（４）

ここで、
ｄｉ：配管の内径（ｍ）
λ ：熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）
ν ：動粘性係数（ｍ^２／ｓ）
ρ ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｃｐ：比熱（ＫＪ／Ｋｇ／Ｋ）
ｕ ：管内流体の流速（ｍ／ｓ）
αｉ：配管の内部における熱伝達率（ｗ／ｍ^２・Ｋ）

図４は、上記式（１）〜（４）から、管内流体（配管内を流れる流体）が蒸気の場合および水の場合のそれぞれについて、配管の内部における熱伝達率αｉを計算で求めた結果を示した表である。本計算において、管内流体は圧力８００ｋＰａの飽和蒸気とし、上記ｄｉ（配管の内径）は０．１ｍとした。

図４に示されるように、蒸気の熱伝達率αｉは約１９１であり、水の熱伝達率αｉは約３９６０４である。すなわち、蒸気の熱伝達率αｉを１とした場合、蒸気に対し、水の熱伝達率αｉは２０７．２８となる。蒸気は水に比べて熱伝達率が十分に小さいことが分かる。したがって、蒸気流速が変化した場合に、内部の蒸気の熱の伝わり方の変化による配管の外側（表面）温度変化を測定することは非常に難しいことが分かる。

上記式（１）〜（４）によれば、配管の内部における熱伝達率αｉは管内流体の流速ｕの０．８乗に比例する関係となることが分かる。
ここで、配管の内部における熱伝達率αｉとは、管内流体における配管の径方向内側から外側への熱の伝わり易さ（以下、管内熱伝達と称す場合もある）とみなすことができる。

すなわち、管内流体の流速が速い場合は、管内流体による管内熱伝達が比較的大きくなり、管内流体の流速が遅い場合は、管内流体による管内熱伝達が比較的小さくなる。
以上のように、管内流体の流速に応じて管内熱伝達が変化することが確認できる。

続いて、管内熱伝達の変化に伴って、配管の表面に加えた熱が温度分布を生じさせる点について説明する。

一般的に配管の構成材料として用いられる鋼材は、流体による管内熱伝達に比べて十分に大きい。蒸気の場合はそれが特に顕著である。そのため、例えば、配管の表面に熱を加えた場合、加えられた熱は内側（半径方向）ではなく、主に配管表面に沿った方向（管軸方向）に伝導していく。

一方、配管の表面に加えられた熱は配管の内側に少なからず伝達される。配管内側への熱伝達の量は、上述した管内熱伝達の大きさに影響される。
すなわち、管内熱伝達が比較的大きい場合（管内流体の流速が早い場合）、配管内側に熱が伝達し易くなるため、配管の表面に加えられた熱は配管の内側に伝達していく。よって、配管の表面において温度分布は、管軸方向に拡がらないとの知見を得た。

また、管内熱伝達が比較的小さい場合（管内流体の流速が遅い場合）、配管内側に熱が伝達し難くなるため、配管の表面に加えられた熱は配管の内側よりも表面に沿って伝達していく。よって、配管の表面において温度分布は、管軸方向に拡がっていくとの知見を得た。

本発明者らは、上述の知見に基づき、配管を外部から加熱した際、管軸方向に生じた温度分布に基づいて、配管内を流れる流体の流速を推算できることを見出し、本発明の流速計測システムおよび流速計測方法を完成させた。

続いて、本実施形態に係る流速計測システム１００による流速計測方法について説明する。
まず、制御ユニット４は加熱部２を駆動し、配管１０の表面１０ａを加熱した状態とする（第１工程）。
続いて、制御ユニット４は蒸気製造装置２０から配管１０を介して負荷設備３０への蒸気の供給を開始する。配管１０は、蒸気が流れたことにより径方向において管内の熱伝達率が変化する。

温度計測部３は、配管１０の管軸方向における温度を計測する。温度計測部３は、各温度センサー群３Ａにより配管１０の管軸方向における表面１０ａの温度分布を計測する（第２工程）。

なお、配管１０の温度分布を計測する際、例えば、加熱部２の初期温度を一定に制御する方法と、加熱部２からの入熱を一定とする方法が考えられるが、加熱部２からの入熱を一定とする方が温度差（温度分布）を大きくできるため、計測感度を向上させることが可能である。

制御ユニット４は、例えば、温度計測部３による計測結果から、図５の実線で示すような配管１０の表面１０ａにおける温度分布が相対的に管軸方向に拡がっていないデータを取得する。このように温度分布が管軸方向に拡がらない場合とは、蒸気の流速が早いことで管内熱伝達が高くなり、加熱部２により加えられた熱が配管１０の内側に伝達したことによる。

また、制御ユニット４は、図５の破線で示すような配管１０の表面１０ａにおける温度分布が相対的に管軸方向に拡がったデータを取得する。このように温度分布が管軸方向に拡がった場合とは、蒸気の流速が遅いことで管内熱伝達が低くなり、加熱部２により加えられた熱が配管１０の外側に伝達したことによる。

温度計測部３による計測結果（温度分布データ）は、制御ユニット４へと送られる。制御ユニット４は、配管１０の温度分布の計測データを用い、メモリ６３（図３参照）に記憶された情報から配管１０の内部を流れる蒸気の流速を算出する（第３工程）。

メモリ６３には、例えば、予め実験やシミュレーション等によって求められた蒸気の流速と温度分布とに関する情報が記憶されている。制御ユニット４は、メモリ６３に記憶された上記情報を読み出し、配管１０の温度分布の計測値を比較することで、実際に計測された温度分布（温度計測部３の計測結果）に対応した蒸気の流速を算出することができる。

ここで、例えば、メモリ６３に記憶された情報（蒸気の流速および温度分布の関係）を計算シミュレーションで求めた例について説明する。
本計算シミュレーションの条件は、管内径が１００ｍｍ、管外径が１１０ｍｍの配管内を、０．８ＭＰａの飽和蒸気が流速１０ｍ／ｓで流れ、配管の構成材料である鋼材熱伝導率を５０Ｗ／ｍ／Ｋとした。また、メッシュサイズは、管軸方向および管厚さ方向においてそれぞれ５ｍｍとした。そして、メッシュに入ってくる熱量と出ていく熱量が同じになるように収束計算を行った。

具体的に本計算では、メッシュに入ってくる熱量は、最初のメッシュは加熱部２から、次のメッシュはとなりのメッシュの鋼材から熱伝導で入熱する。また、メッシュから出ていく熱量は、各メッシュとも配管内の蒸気の流れに熱伝達で出熱する。
そして、各メッシュ毎の熱バランス、加熱部２からの入熱が蒸気に伝わる出熱として収束計算することで温度分布が求められる。

なお、温度分布の計算条件は、蒸気流速１０ｍ／ｓおよび蒸気流速５ｍ／ｓのいずれにおいても初期温度５０℃とした。このとき、蒸気流速１０ｍ／ｓの入熱は単位セル当たり１１８．９Ｗであり、蒸気流速５ｍ／ｓの入熱は単位セル当たり８８．４Ｗである。

このような計算シミュレーションにより、例えば、図６のグラフに示されるデータ（蒸気の流速および温度分布の関係を示すデータ）を取得することができる。メモリ６３には、上記計算シミュレーションの条件（流速、配管の厚さ、蒸気圧力、配管の材質・内径・外形など）を適宜変更することで取得された様々なデータが記憶されている。

制御ユニット４は、図５に示したような温度計測部３による計測結果（温度分布）を、メモリ６３に記憶された図６に示したような多数のデータと比較し、温度分布に対応した流速を配管１０の内部を流れる蒸気の流速として求める。

以上述べたように、本実施形態によれば、直接的に計測ができない内部流体である蒸気温度を用いること無く、配管１０の表面１０ａに生じる温度分布に基づいて、蒸気の流速を求めることができる。よって、配管１０の外部から簡便且つ精度良く蒸気の流速を求めることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、配管１０において、加熱部２および温度計測部３（各温度センサー３ａ）が保温材１２で覆われた構成を例に挙げたが、これに限定されることは無い。例えば、制御ユニット４が配管１０の表面１０ａからの放熱を考慮して温度計測部３から送られる測定データ（温度分布）を補正する態様であれば、配管１０の表面１０ａを保温材１２で被覆しなくてもよい。あるいは、表面１０ａの一部（温度計測部３の設置部分）のみを保温材１２で被覆する構成であってもよい。

また、上記実施形態では、熱流体として配管内を流れる蒸気の流速を計測する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、配管内を流れる熱水の流速を計測する場合にも適用可能である。また、配管内を流れる流体がフロン、アンモニア、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）等であってもよく、これら流体の流速を計測する場合にも本発明は適用可能である。

また、上記実施形態では、配管１０と熱交換を行う熱交換器として加熱部２を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、熱交換器としては、配管１０の表面１０ａを冷却する冷却器を用いてもよく、冷却することで配管１０の管軸方向に生じた温度分布に基づいて配管１０内を流れる蒸気の流速を計測しても良い。この場合において、蒸気が飽和蒸気あるいはそれに近い過熱蒸気の時は、凝縮が生じる可能性が有ることから熱伝達率算出の際はそれを考慮する必要がある。

２…加熱部（熱交換器、加熱装置）、３…温度計測部、４…制御ユニット（流速算出部）、１０…配管、１０ａ…表面、１１…設置部分（所定部分）、１２…保温材、１００…流速計測システム。

Claims (14)

1. 配管の内部を流れる熱流体の流速を計測する流速計測方法であって、
   前記配管の表面の所定部分で熱交換を行う第１工程と、
   前記所定部分で熱交換が行われた前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測する第２工程と、
   計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の前記内部を流れる前記熱流体の流速を求める第３工程と、を備え、
   前記第２工程では、前記熱流体の流速に応じて変化する当該熱流体による管内熱伝達に対応して前記表面に生じた温度分布を計測する
   ことを特徴とする流速計測方法。
2. 前記第１工程において、前記所定部分を加熱する
   ことを特徴とする請求項１に記載の流速計測方法。
3. 前記第２工程において、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流速計測方法。
4. 前記第２工程において、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の流速計測方法。
5. 前記第２工程において、前記複数個所の温度の平均値を用いる
   ことを特徴とする請求項４に記載の流速計測方法。
6. 前記第１工程において、リング状のヒーターを用いる
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の流速計測方法。
7. 前記配管として、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側の少なくともいずれかが保温材で覆われたものを用いる
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の流速計測方法。
8. 前記熱流体が蒸気である
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の流速計測方法。
9. 配管の内部を流れる熱流体の流速を計測する流速計測装置であって、
   前記配管の表面の所定部分と熱交換を行う熱交換器と、
   前記所定部分が前記熱交換器と熱交換された前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測する温度計測部と、
   計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の前記内部を流れる前記熱流体の流速を算出する流速算出部と、を備え、
   前記温度計測部は、前記熱流体の流速に応じて変化する当該熱流体による管内熱伝達に対応して前記表面に生じた温度分布を計測する
   ことを特徴とする流速計測システム。
10. 前記熱交換器が加熱装置である
    ことを特徴とする請求項８に記載の流速計測システム。
11. 前記加熱装置は、リング状のヒーターである
    ことを特徴とする請求項１０に記載の流速計測システム。
12. 前記温度計測部は、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測する
    ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の流速計測システム。
13. 前記温度計測部は、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測する
    ことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の流速計測システム。
14. 前記熱流体が蒸気である
    ことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載の流速計測システム。

Images