JP6380170B2 - 蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、蒸気配管で発生するドレンの流量を測定し、蒸気配管の熱エネルギー損失を評価する方法に関する。

工場内で使用される蒸気は、ボイラー等の蒸気を供給する設備から蒸気を消費する設備まで、蒸気配管を通じて送られる。蒸気配管においては、放熱によって高温の蒸気から低温の外気へ熱移動が生じ、蒸気の持つ熱エネルギーが徐々に消費される。消費された熱エネルギーの分だけ蒸気（気相）がドレン（液相）に相変化する。ドレンは様々なトラブルの原因となるため、蒸気配管から速やかに排出させる必要がある。一般的には、蒸気配管の各所に一定の間隔でドレントラップを設け、ドレントラップによりドレンを自動的に排出する。

省エネルギー化を進める上で、蒸気配管において放熱によって消費される熱エネルギー（熱エネルギー損失）を把握することは非常に重要である。熱エネルギー損失は理論的には保温材を考慮した伝熱計算によって求めることができる。しかし、実際の熱エネルギー損失は蒸気の流量に依存するほか、保温材の一部老朽や欠落等に影響を受けるため、理論的な計算値とは乖離する。実際の熱エネルギー損失を求めるためにはドレンの排出量を実測するのが簡便で正確な方法である。ところが、蒸気配管が高度に良好な保温状態である場合、熱エネルギー損失が少なくドレンの排出量も少なくなる。このような場合、熱エネルギー損失を正確に求めるには微小なドレンの流量を高精度で測定することが求められる。

特許文献１には、フロートとその下方の弁口との間にドレンが通過する流路を設け、弁室の下部に取り付けた超音波送受信器によってドレンの液位を測定し、この液位から弁口を流下するドレンの流量を測定するものが開示されている。しかし、このドレン流量計は蒸気トラップの入口側と出口側にそれぞれ圧力センサを取り付けるとともに、本体底面に超音波送受信器を取り付けなければならない。そのため、高価であるという問題がある。

特許文献２には、蒸気トラップの出口側にドレン排出管を接続して、ドレン排出管に冷却流体供給管と第一の流量計を取り付けるとともに、ドレン排出管を分岐してドレン分岐管を設けて、ドレン分岐管に第二の流量計を取り付けたドレン流量計が開示されている。第一の流量計で冷却流体供給管から供給される冷却水の流量を測定し、第二の流量計で冷却水とドレンの混合流体の流量を測定し、この差分からドレンの流量を測定する。

このドレン流量計では、ドレンに比べて流量の多い冷却水および混合流体の流量を測定する。そのため、第一、第二の流量計として測定レンジが広く、高流量域である流量計を採用する必要があり、その分測定精度が低くなる。また、２台の流量計の測定値の差分からドレンの流量を求めることから、それぞれの流量計の測定誤差の伝播により、求めたドレンの流量の誤差が大きくなる。そのため、ドレンの流量を高精度で測定できないという問題がある。

特開２０００−３５６５３５号公報 特開２０１３−２４６０２０号公報

ドレントラップからドレンが排出される際には、二次側の圧力低下によりドレンが再蒸発するフラッシュ現象が発生する。そのため、そのまま排出されたドレンの流量を測定したのではフラッシュ蒸気の分だけ流量が少なくなる。微小なドレンの流量を高精度で測定するためには、フラッシュ蒸気の影響を無視することはできない。

本発明は上記事情に鑑み、フラッシュ蒸気を含めたドレンの流量を測定し、熱エネルギー損失を正確に求めることができる蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法を提供することを目的とする。

第１発明の蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法は、蒸気配管の熱エネルギー損失を求める方法であって、前記蒸気配管には複数の流量測定装置が設けられており、それぞれの前記流量測定装置は、前記蒸気配管内で蒸気が凝縮して生じたドレンを排出するドレントラップの二次側に接続されたドレン排出管と、前記ドレン排出管に設けられた間接冷却方式の冷却器と、前記ドレン排出管の前記冷却器より下流側に設けられた流量計と、を備え、前記複数の流量測定装置の前記流量計により測定された値の総和としてドレン流量を求め、前記ドレン流量を前記蒸気配管への蒸気供給流量で割ることで前記熱エネルギー損失を求めることを特徴とする。
第２発明の蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法は、第１発明において、下記式に従い、前記熱エネルギー損失を求めることを特徴とする。
ΔE = B ÷ A × 100 [%]
ここで、ΔEは前記熱エネルギー損失、Bは前記ドレン流量、Aは前記蒸気供給流量である。
第３発明の蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法は、第１または第２発明において、前記流量計がコリオリ式流量計であることを特徴とする。

第１、第２発明によれば、冷却器で冷却されることでフラッシュ蒸気が凝縮しドレンに戻るので、流量計によりフラッシュ蒸気を含めたドレンの流量を測定できる。そのため、熱エネルギー損失を正確に求めることができる。
第３発明によれば、冷却器によりコリオリ式流量計の使用温度範囲までドレンを冷却できるので、コリオリ式流量計でドレンの流量を測定できる。

本発明の一実施形態に係る流量測定装置Ａの説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１に示すように、蒸気配管の各所には配管１が接続されている。蒸気配管内で蒸気が凝縮して生じたドレン（凝縮水）は配管１を通じてドレントラップ２に導かれる。ドレントラップ２はスチームトラップとも称される。ドレントラップ２は蒸気配管内の蒸気を極力漏らすことなく、ドレンだけを排出する。

ドレントラップ２は特に限定されないが、例えばフリーフロート式のドレントラップが挙げられる。フリーフロート式のドレントラップ２は以下のように動作する。すなわち、蒸気が凝縮して生じたドレンは弁室の底部に貯留される。このドレンが所定量を超えるとフロートが浮き上がり、フロートで塞がれていた弁口が開いてドレンが二次側に排出される。

（流量測定装置Ａ）
本実施形態に係る流量測定装置Ａはドレントラップ２の二次側に設けられる。流量測定装置Ａは、ドレントラップ２の二次側に接続されたドレン排出管３と、ドレン排出管３に設けられた冷却器４および流量計５とからなる。流量計５は冷却器４より下流側に設けられる。

冷却器４は間接冷却方式であれば特に限定されない。ここで、「間接冷却方式」とは被冷却物（ドレン）と冷媒とを間接的に接触させて被冷却物を冷却する方式である。被冷却物と冷媒とが直接接触しないため、被冷却物に冷媒が混入することもないし、冷媒に被冷却物が混入することもない。冷却器４の具体例としては、蛇管式、シェルアンドチューブ式、プレート式等の熱交換器や、電気駆動の投げ込み式冷却器が挙げられる。

流量計５はドレンの流量測定に必要な精度有すれば特に限定されない。ドレンの流量測定に適した測定レンジと精度を有するものとしてコリオリ式流量計が挙げられる。なお、流量計５のその他の具体例としては、楕円ギア式流量計、接線流羽根車式流量計などが挙げられる。

ところで、ドレントラップ２からドレンが排出される際には、二次側の圧力低下によりドレンが再蒸発するフラッシュ現象が発生する。以下、フラッシュ現象により生じる蒸気をフラッシュ蒸気と称する。ドレントラップ２の一次側（蒸気配管）は蒸気を送るために大気圧より高く設定されている。一次側は高温高圧であり例えば100℃／0.1MPa〜150℃／0.5MPaである。一方、ドレントラップ２の二次側（ドレン排出管３）は大気圧である。そのため、高温高圧のドレンが二次側に排出され低圧の雰囲気に晒されると、ドレンの一部が蒸発してフラッシュ蒸気となる。また、ドレントラップ２からドレンが排出される際には、僅かに蒸気も排出されてしまう。以下、この蒸気を漏洩蒸気と称する。

ドレントラップ２から排出された直後のドレンは高温（例えば100〜150℃）である。一方、コリオリ式流量計には使用温度範囲（例えば-10〜+60℃）が定められており、高温のドレンをそのまま測定することができない。

（流量測定方法）
つぎに、流量測定装置Ａによるドレンの流量測定方法を説明する。
前述のごとく、ドレントラップ２からドレンが排出される際には、僅かに蒸気が漏洩するとともに、ドレントラップ２の二次側ではフラッシュ蒸気が発生する。すなわち、ドレン排出管３内にはドレンのほかにフラッシュ蒸気と漏洩蒸気が存在する。例えば、ドレントラップ２からの総排出量を１００とすると、ドレン９６、フラッシュ蒸気３、漏洩蒸気１の割合となる。

これらは冷却器４を通ることで冷却される。フラッシュ蒸気と漏洩蒸気は冷却されることで凝縮しドレンに戻る。すなわち、ドレントラップ２から排出された気体成分（フラッシュ蒸気３、漏洩蒸気１）を含む全て（総排出量１００）がドレンとなる。その後、ドレンの流量を流量計５で測定する。

このように、冷却器４で冷却されることでフラッシュ蒸気および漏洩蒸気が凝縮しドレンに戻るので、流量計５によりフラッシュ蒸気およびドレンを含めたドレンの流量を測定できる。フラッシュ蒸気および漏洩蒸気を大気中に逃がすことがないので、ドレンの流量を高精度で測定できる。

また、冷却器４によりコリオリ式流量計の使用温度範囲までドレンを冷却できるので、コリオリ式流量計でドレンの流量を測定できる。そのため、安価で高精度なコリオリ式流量計を採用できる。

測定されたドレンの流量から蒸気配管における熱エネルギー損失を求めることができる。具体的には下記数１に示すように、熱エネルギー損失ΔEは、ドレン流量Bを蒸気供給流量Aで割ることで得られる。例えば、蒸気配管に蒸気を供給するボイラーの蒸気供給流量Aが12,000kg/時であり、ドレン流量Bが20kg/時であるとすると、熱エネルギー損失ΔEは0.17%である。ここで、ドレン流量Bは蒸気配管に設けられた複数の流量測定装置により測定された値の総和である。
（数１）
ΔE = B ÷ A × 100 [%]

本実施形態によれば、間接冷却方式の冷却器４を用いるので、ドレンに冷媒が混入することがない。そのため、特許文献２のように２台の流量計を用いる必要がないので、ドレンの流量を高精度で測定できる。

冷却器４の冷媒の流量を多くすれば、熱交換の前後において冷媒の温度がほとんど変わらない。冷媒へのドレンの混入もないので、冷媒をその他の用途にそのまま利用できる。系外に排出するために除害された排水を冷媒として利用することも可能であり、利用後はそのまま排水することができる。

冷却器４の冷媒の流量を少なくすれば、熱交換により冷媒の温度を上昇させることができる。冷媒の温度を上昇させて熱媒としてその他の工程に利用することで、ドレンの熱エネルギーの一部を再利用でき、省エネルギーに貢献できる。

つぎに、実施例を説明する。
以下の実施例１、比較例１における共通の条件は以下の通りである。
蒸気配管の熱エネルギー損失（設計値）：0.20%
ボイラーの蒸気供給流量：12,000kg/時
ドレントラップの設置箇所：100箇所

流量計として以下のコリオリ式流量計を用いた。
メーカー：オーバル
商品名：廉価・微少形コリオリ流量計 CoriMateII
型番：CR003
使用温度範囲：-10〜+60℃
最大流量：300g/min
流量精度：±0.07％ of F.S.（フルスケール）流量33％以下
±0.2％ of R.D.（リーディング）流量33〜100%
なお、ドレンの流量は、流量計１個あたり1〜6g/min程度（最大流量の2％以下）であった。すなわち、フルスケールの精度で測定されている。

（実施例１）
上記実施形態に係る流量測定装置Ａを採用した。冷却器４として蛇管式の熱交換器を用いた。
その結果、流量計５付近のドレンの温度は50℃であった。また、測定で得られたドレンの流量（100箇所の合計）は24.2kg/時であった。ドレンの流量から求められた熱エネルギー損失は0.2017%であり、設計値との誤差は0.85%であった。

（比較例１）
実施例１において冷却器４を設けなかった。
その結果、流量計５付近のドレンの温度は90℃であった。また、測定で得られたドレンの流量（100箇所の合計）は21.1kg/時であった。しかし、流量計５の使用温度範囲外であるため、信頼性のおける値ではない。ドレンの流量から求められた熱エネルギー損失は0.1758%であり、設計値との誤差は2.42%であった。

以上より、実施例１によればドレンの流量を高精度で測定でき、熱エネルギー損失を正確に求めることができることが確認された。

Ａ 流量測定装置
１ 配管
２ ドレントラップ
３ ドレン排出管
４ 冷却器
５ 流量計

Claims (3)

1. 蒸気配管の熱エネルギー損失を求める方法であって、
   前記蒸気配管には複数の流量測定装置が設けられており、
   それぞれの前記流量測定装置は、
   前記蒸気配管内で蒸気が凝縮して生じたドレンを排出するドレントラップの二次側に接続されたドレン排出管と、
   前記ドレン排出管に設けられた間接冷却方式の冷却器と、
   前記ドレン排出管の前記冷却器より下流側に設けられた流量計と、を備え、
   前記複数の流量測定装置の前記流量計により測定された値の総和としてドレン流量を求め、
   前記ドレン流量を前記蒸気配管への蒸気供給流量で割ることで前記熱エネルギー損失を求める
   ことを特徴とする蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法。
2. 下記式に従い、前記熱エネルギー損失を求める
   ことを特徴とする請求項１記載の蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法。
   ΔE = B ÷ A × 100 [%]
   ここで、ΔEは前記熱エネルギー損失、Bは前記ドレン流量、Aは前記蒸気供給流量である。
3. 前記流量計がコリオリ式流量計である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気配管の熱エネルギー損失評価方法。

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