JP6476340B1 - 副生ガス計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】副生ガスの熱量の計測の遅れを抑制できると共にフィルタの交換寿命を長期化しつつ清浄なサンプルガスの熱量を適切な条件で計測できる副生ガス計測システムを提供。【解決手段】本発明の一態様に係る副生ガス計測システムでは、導入管は、副生ガスが流れる母管に対しその外壁側から内部に進入するように接続され、副生ガスをサンプルガスとして導入するガス導入口を母管内に開口させる。移送管は、導入管と接続され、導入管にて導入されたサンプルガスを移送する。排出管は、移送管と接続されていると共に母管に対しその外壁側から内部に進入するように接続され、移送管にて移送されたサンプルガスを排出するガス排出口を母管内に開口させる。分岐管は、移送管から分岐する。熱量計は、移送管から分岐管へ流れてきたサンプルガスの熱量を計測する。サイクロン式のフィルタは、移送管における前記分岐管の分岐位置よりも上流側の位置に介在されている。【選択図】図１

Description

本発明は、副生ガスの熱量を計測するための副生ガス計測システムに関する。

製鉄所における鋼鉄の生産時には、例えば高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、転炉ガス（ＬＤＧ：Linz-Donawitz converter Gas）、コークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）などの副生ガスが発生する。この副生ガスは、例えばコンバインドサイクル発電設備などのガスタービンに燃料ガス（作動媒体）として供給される。

ところで、このような副生ガスは、一般的な燃料ガスに比べて熱量が小さいことから、燃料ガスとして適用する際には例えば熱量計による連続的な計測が必要となる。また、この種の副生ガスは、粉塵などの異物を多く含んでいるため、フィルタにより異物を除去して清浄化された後、熱量の計測が行われる。

ここで、従来の副生ガス計測システムの一例を図４に基づき説明する。図４に示すように、従来の副生ガス計測システム８０は、副生ガスの流れる母管８１から、副生ガスをサンプルガスとして取り出すサンプルガス検出管８２と、サンプルガス検出管８２にそれぞれ介在されたサンプルガス止め弁８３、８４と、サンプルガス検出管８２に取り付けられた熱量計９２と、サンプルガス大気放出管９１と、を備えている。

熱量計９２は、図４に示すように、サンプルガス検出管８２に連結された熱量計内配管８７、第１、第２のフィルタ８５、８８、サンプリングガス減圧弁８６、熱量計測部８９、サンプルガス大気放出管９１に連結されたサンプルガス排気管９０を有している。各フィルタにより異物を除去されかつサンプリングガス減圧弁８６により適切な圧力に減圧されたサンプリングガスは、熱量計測部８９により熱量を計測された後、サンプルガス排気管９０及びサンプルガス大気放出管９１を通じて大気中に放出される。

特開２０１７−１８１４６８号公報 特開平１１−１７３９８９号公報

上記した従来の副生ガス計測システム８０の場合、例えば口径１５〜２５ｍｍといった比較的口径の大きいサンプルガス検出管８２によってサンプルガスを母管８１から取り出していたことで、この配管内の容積が大きくなり過ぎて、これによりサンプルガスが熱量計９２に到達して熱量が計測されるまでの時間に遅れが発生していた。また、従来の副生ガス計測システム８０では、サンプルガス検出管８２を通じて母管８１から熱量計９２へと直接的にサンプルガスを引き込でいたため、熱量計９２内で除去すべき異物の量が多くなり、フィルタの交換周期が短縮されると共に、電気集塵機などの適用も必要であった。

上述したように、サンプルガスの熱量の計測に遅れが生じると、これが要因となって例えばガスタービンにおける比較的大きな負荷変動を招き、場合によっては、ガスタービンバーナーの失火につながる可能性もあり、この際にはガスタービンが停止に至る結果となる。また、上記したフィルタの交換周期が短縮されることは、結果的に交換前ではフィルタ本来の性能が低下し、フィルタの目詰まりなどが要因となるサンプルガスの流量の抵下や供給圧力の低下が生じ、熱量計による適切な条件でサンプルガスの熱量を計測することが困難となる。

本発明が解決しようとする課題は、副生ガスの熱量の計測の遅れを抑制できると共にフィルタの交換寿命を長期化しつつ清浄なサンプルガスの熱量を適切な条件で計測することができる副生ガス計測システムを提供することである。

本発明の一態様に係る副生ガス計測システムは、導入管、移送管、排出管、分岐管、熱量計及びサイクロン式のフィルタを備えている。導入管は、副生ガスが流れる母管に対しその外壁側から内部に進入するように接続され、副生ガスをサンプルガスとして導入するガス導入口を母管内に開口させる。移送管は、導入管と接続され、導入管にて導入されたサンプルガスを移送する。排出管は、移送管と接続されていると共に母管に対しその外壁側から内部に進入するように接続され、移送管にて移送されたサンプルガスを排出するガス排出口を母管内に開口させる。分岐管は、移送管から分岐する。熱量計は、移送管から分岐管へ流れてきたサンプルガスの熱量を計測する。サイクロン式のフィルタは、移送管における前記分岐管の分岐位置よりも上流側の位置に介在されている。

本発明によれば、副生ガスの熱量の計測の遅れを抑制できると共にフィルタの交換寿命を長期化しつつ清浄なサンプルガスの熱量を適切な条件で計測することができる副生ガス計測システムを提供することが可能である。

第１の実施形態に係る副生ガス計測システムの構成を概略的に示す図。 図１の副生ガス計測システムが備える熱量計の周辺の構成を概略的に示す図。 第２の実施形態に係る副生ガス計測システムの構成を概略的に示す図。 従来の副生ガス計測システムの構成を概略的に示す図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態に係る副生ガス計測システム１０は、例えばコンバインドサイクル発電設備のガスタービンなどに燃料ガス（作動媒体）として供給される副生ガスの熱量を計測するためのものである。副生ガス計測システム１０は、取入れ管２２及び戻し管２７からなる移送管２９、導入管２１、第１のガス止め弁２３、サイクロンセパレータ２４、分岐管２５、第２のガス止め弁２６、排出管２８を備えている。

導入管２１は、副生ガスが流れる母管１８に対しその外壁側から内部に進入するように接続されている。導入管２１は、母管１８内を流れる副生ガスをサンプルガスとして導入するガス導入口２１ａを、母管１８内に開口させている。また、母管１８は、副生ガスを上記したガスタービン側へ燃料ガスとして供給する。さらに上記した導入管２１のガス導入口２１ａは、母管１８内の軸心まで延び、母管１８内を流れる副生ガスを採取（サンプリング）する。なお、導入管２１における外壁は、配管挿脱部１８ａによって包囲されている。

移送管２９は、導入管２１と接続されている。移送管２９は、導入管２１によって導入されたサンプルガスを移送する。図１、図２に示すように、分岐管２５は、移送管２９から分岐し、サンプルガスを、後述する熱量計３９へ供給する例えば１０ｍｍ以下の口径の供給管である。熱量計３９は、移送管２９から分岐管２５へと流れてきたサンプルガスの熱量を計測する。

図１に示すように、サイクロンセパレータ２４は、移送管２９における分岐管２５の分岐位置よりも上流側の位置に介在されたサイクロン式のフィルタ（第１のフィルタ）である。サイクロンセパレータ２４は、移送管２９を移送されるサンプルガス中の異物を遠心分離して捕捉する、目詰まりのない実質的にメンテナンスフリーのフィルタである。

排出管２８は、移送管２９と接続されていると共に母管１８に対しその外壁側から内部に進入するように接続されている。排出管２８は、移送管２９によって移送されたサンプルガスを排出するガス排出口２８ａを、母管１８内に開口させている。排出管２８のガス排出口２８ａは、母管１８内の軸心まで延び、移送管２９によって移送されたサンプルガスを副生ガスとして母管１内へ帰還させる。ここで、導入管２１、移送管２９、排出管２８は、ガス導入口２１ａから、サイクロンセパレータ２４、分岐管２５の分岐位置を経て循環しつつガス排出口２８ａへとつながる循環流路を構成する。

第１のガス止め弁２３は、移送管２９上におけるサイクロンセパレータ２４よりも上流側の位置に設けられた開閉弁である。第１のガス止め弁２３は、閉塞時に移送管２９内のサンプルガスの流れを停止させる。一方、第２のガス止め弁２６は、移送管２９上における分岐管２５の分岐位置よりも下流側の位置に設けられている。この第２のガス止め弁２６も、移送管２９内の開口を開閉する開閉弁であり、閉塞時に移送管２９内のサンプルガスの流れを停止させる。

なお、上記した移送管２９は、前述したように、取入れ管２２及び戻し管２７から構成されている。具体的には、取入れ管２２の一端部は、導入管２１と接続されている。取入れ管２２の他端部は、戻し管２７の一端部と接続され、さらに、戻し管２７の他端部は、排出管２８と接続されている。サイクロンセパレータ２４は、取入れ管２２に設けられている。分岐管２５は、取入れ管２２から分岐している。

図２に示すように、本実施形態に係る副生ガス計測システム１０は、さらに、減圧弁３１、サンプルガス逃がし弁３２、サンプルガス大気放出管３３、ドレンセパレータ３４、ドレントラップ３５、サンプルガス差圧計（ＤＰＧ：Differential Pressure Gauge）３７、サンプルガス差圧計元弁３６ａ、３６ｂ、第２のフィルタ３８、及び上記した熱量計３９を備えている。

図１、図２に示すように、前述した分岐管２５は、サイクロンセパレータ２４の下流側で移送管２９（取入れ管２２）から分岐して延び、減圧弁３１、ドレンセパレータ３４、第２のフィルタ３８を介して熱量計３９に接続されている。減圧弁３１は、分岐管２５を流れてきたサンプルガスを、熱量計３９による計測が最適な条件となる圧力まで減圧する。

サンプルガス大気放出管３３は、分岐管２５からさらに分岐されている。サンプルガス逃がし弁３２は、減圧弁３１の下流側における分岐管２５内の圧力が必要以上に上昇することを回避するための開閉弁である。サンプルガス大気放出管３３は、開放されたサンプルガス逃がし弁３２を通過するサンプルガスを、大気中に放出する。つまり、サンプルガス逃がし弁３２及びサンプルガス大気放出管３３は、減圧弁３１の下流側で分岐管２５内に加わり得る過大な圧力から分岐管２５を保護する。

第２のフィルタ３８は、分岐管２５上における熱量計３９での計測位置よりも上流側に設けられている。第２のフィルタ３８は、分岐管を流れるサンプルガスの清浄度を上げるために当該サンプルガス中の微小なスケール（粉塵）を除去する例えば紙タイプのフィルタである。ドレンセパレータ３４は、分岐管２５上における第２のフィルタの取付位置よりも上流側に設けられている。ドレンセパレータ３４は、分岐管２５を流れるサンプルガス中の湿分を除去する湿分分離器である。ドレントラップ３５は、ドレンセパレータ３４によって除去された湿分（ドレン）を貯留する。

サンプルガス差圧計３７は、第２のフィルタ３８の上流側で分岐管２５から一旦分岐すると共に、第２のフィルタ３８の下流側で分岐管２５に再合流する第２の分岐管３７ａに設けられている。第２の分岐管３７ａ上におけるサンプルガス差圧計３７の上流側及び下流側には、サンプルガス差圧計３７の稼働時に開放されるサンプルガス差圧計元弁３６ａ、３６ｂがそれぞれ設けられている。すなわち、サンプルガス差圧計３７は、分岐管２５における第２のフィルタ３８の上流側と下流側との圧力差を算出する。これにより、第２のフィルタ３８の目詰りの状況などを把握でき、第２のフィルタ３８の交換時期を判別することが可能となる。

さらに、上記したドレンセパレータ３４は、サンプルガス中の湿分を除去することから、例えば紙タイプの第２のフィルタ３８における性能の劣化を抑制できる。また、移送管２９（取入れ管２２）上における分岐管２５の分岐位置よりも上流側に設けられたサイクロンセパレータ２４によって、異物の除去された比較的清浄なサンプルガスが分岐管２５を通じて第２のフィルタ３８へと導かれる。これにより、第２のフィルタ３８の目詰まりなどが抑制されるので、第２のフィルタ３８の交換寿命の長期化を図ることができる。

ここで、本実施形態の副生ガス計測システム１０では、導入管２１のガス導入口２１ａは、図１に示すように、母管１８内における副生ガスの流れの上流側に向けられている。より具体的には、導入管２１の母管１８内に進入している部位は、当該流れの上流側における進入の深さが、当該流れの下流側における進入の深さよりも浅くなっている状態で、ガス導入口２１ａの開口端面が傾斜面をなしている。

一方、排出管２８のガス排出口２８ａは、母管１８内における副生ガスの流れの下流側に向けられている。詳述すると、排出管２８の母管１８内に進入している部位は、当該流れの上流側における進入の深さが、当該流れの下流側における進入の深さよりも深くなっている状態で、ガス排出口２８ａの開口端面が傾斜面をなしている。

前述した導入管２１では、母管１８内の副生ガスの流れによる動圧によって、ガス導入口２１ａから導入管２１の内部への副生ガス（サンプルガス）の引き込み力が生じる。一方、排出管２８では、母管１８内の副生ガスの流れによる静圧によって、排出管２８の内部からのサンプルガス（副生ガス）の引き出し力が生じる。上記したガス排出口２８ａの周辺には、カルマン流などを生じさせることが可能となる。これらのことから、多くの流量の副生ガス（サンプルガス）を、母管１８から、導入管２１、移送管２９（取入れ管２２及び戻し管２７）を経て排出管２８へと、効率的に循環させることができる。

ここで、図１に示すように、上述した導入管２１の径方向に沿った断面（導入管２１の水平断面）とガス導入口２１ａの開口端面とがなす角度（ガス導入口２１ａの開口端面における傾斜面の角度）α１は、例えば３０°以上９０°未満であることが好ましく、４５°以上８０°以下であればより好ましい。角度α１が３０°未満になると、副生ガスの流れに起因する動圧が、ガス導入口２１ａ付近に加わり難くなる。

一方、図１に示すように、排出管２８の径方向に沿った断面（排出管２８の水平断面）とガス排出口２８ａの開口端面とがなす角度（ガス導入口２１ａの開口端面における傾斜面の角度）α２は、例えば３０°以上８０°以下であることが好ましく、４５°以上６０°以下であればより好ましい。角度α２は鋭角となる。

また、導入管２１のガス導入口２１ａ及び排出管２８のガス排出口２８ａは、母管１８内の軸心付近まで延びている（進入している）。つまり、母管１８の内壁付近と比べて母管１８の軸心付近では、副生ガスの流速が速く動圧も高いので、ガス導入口２１ａから導入管２１の内部への副生ガスの引き込み力を高めることができる。さらに、母管１８の軸心付近では、上記したように副生ガスの流速が速く静圧が小さいので、排出管２８の内部からのサンプルガス（副生ガス）の引き出し力を高めることができる。また、前述した導入管２１及び排出管２８、並びに母管１８、移送管２９（取入れ管２２及び戻し管２７）は、円管により構成されていてもよいし、矩形管で構成されていてもよい。さらに、導入管２１、排出管２８、分岐管２５、母管１８の口径の比率は、例えば、導入管２１の口径を１とした場合、以降の配管の順に、１／２、１／５、６であることなどが例示される。また、上記した導入管２１のガス導入口２１ａに代えて、導入管のガス導入口を、導入管本体の側面（母管１８内の副生ガスの流れと対向する位置の導入管本体の外周面）に設けてもよい。

さらに、本実施形態の副生ガス計測システム１０では、図１に示すように、導入管２１及び排出管２８は、少なくとも母管１８に対しその外壁側から内部にそれぞれ進入している部位が、互いに同軸的に配置された２重管構造を有している。すなわち、導入管２１の内径が、排出管２８の外径よりも、大きく構成されており、互いの径方向に間隙を空けつつ導入管２１の内側に排出管２８が同軸的に配置されている。また、導入管２１の内側に位置する排出管２８は、そのガス排出口２８ａが、導入管２１のガス導入口２１ａよりも突出する位置関係で構成されている。

なお、排出管２８と連結される戻し管２７の外径は、導入管２１と連結される取入れ管２２の内径よりも、小さく構成されている。この戻し管２７の少なくとも一部が、取入れ管２２に対しその外壁側から内部に進入し、このような戻し管２７の少なくとも一部は、取入れ管２２の内側に対して径方向に間隙を空けて配置されている。したがって、母管１８内から導入されるサンプリングガスは、排出管２８の外壁と導入管２１の内壁との間隙を通りつつ取入れ管２２内に取り入れられる。一方、戻し管２７を流れるサンプリングガスは、導入管２１の内側に位置する排出管２８内を経由して母管１８内に戻る。

このように、導入管２１及び排出管２８を２重管構造にしたことで、部品の設置スペースの有効活用が図れると共に、導入管２１及び排出管２８と母管１８との連結箇所を実質的に一箇所に集約でき、これにより、配管どうしの連結の簡易化を図ることができる。

既述したように、本実施形態の副生ガス計測システム１０では、母管１８から、導入管２１、移送管２９（取入れ管２２及び戻し管２７）、排出管２８を経て、母管１８へと帰還する循環系を形成したことで、多くの量のサンプルガスを循環させることができるので、サンプルガスにおける熱量の計測の遅れを抑制することができる。これにより、例えばガスタービンの負荷変動などが要因となってガスタービンを停止させてしまうことなどを回避できる。また、副生ガス計測システム１０では、移送管２９上における分岐管２５の分岐位置よりも上流側に、メンテナンスフリーのサイクロンセパレータ２４を設けたことで、分岐管２５を通じて熱量計３９に向うサンプルガス中の異物を除去することができる。

これに加えて、熱量計３９による計測に最適な圧力にサンプルガスを減圧する減圧弁３１の下流側に、ドレンセパレータ３４を設置したことで、さらにその下流側に位置する紙タイプの第２のフィルタ３８における交換寿命を延命させることが可能となる。さらに詳述すると、ガスタービンの燃料ガスとして使用する副生ガスは、入口圧力を２ＭＰａ程度まで上昇させる必要があるものの、ガスタービン入口における副生ガスは飽和に近い状態で送られるため、熱量計で計測されるサンプルガスも同様に飽和に近い状態であり、これが要因となってドレンが発生する。しかしながら、上記したドレンセパレータ３４を設置したことで、第２のフィルタ３８の性能の劣化を抑制することができる。

したがって、本実施形態の副生ガス計測システム１０によれば、副生ガスの熱量の計測の遅れを抑制できると共に、第２のフィルタ３８などの交換寿命を長期化しつつ清浄なサンプルガスの熱量を適切な条件で計測することができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態を図３に基づき説明する。なお、図３において、図１に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図３に示すように、本実施形態に係る副生ガス計測システム５０は、第１の実施形態における副生ガス計測システム１０の取入れ管２２及び戻し管２７からなる移送管２９、及び排出管２８に代えて、取入れ管５２及び戻し管５７からなる移送管５９、及び排出管５８を備えている。

すなわち、本実施形態の副生ガス計測システム５０は、導入管２１のガス導入口２１ａを母管１８内に開口させている位置が、排出管５８のガス排出口５８ａを母管１８内に開口させている位置よりも、当該母管１８内における副生ガスの流れの上流側にある。

したがって、本実施形態の副生ガス計測システム５０によれば、導入管２１、排出管５８、取入れ管５２及び戻し管５７をレイアウトするうえでの自由度が高まり、構造の簡素化を図ることができる。また、副生ガス計測システム５０では、導入管２１が一重管であることから、導入管２１の開口面積が増加し、しかもガス排出口５８ａがガス導入口２１ａから離間した位置にあることから、母管１８との間で副生ガスが導入及び排出される際の互いに流れの干渉が生じ難く、これにより、サンプルガスを、導入管２１、移送管５９、排出管５８を通じて好適に循環させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，５０…副生ガス計測システム、１８…母管、２１…導入管、２１ａ…ガス導入口、２２，５２…取入れ管、２４…サイクロンセパレータ、２５…分岐管、２７，５７…戻し管、２８，５８…排出管、２８ａ，５８ａ…ガス排出口、２９，５９…移送管、３４…ドレンセパレータ、３５…ドレントラップ、３８…第２のフィルタ、３９…熱量計。

Claims (8)

1. 副生ガスが流れる母管に対しその外壁側から内部に進入するように接続され、前記副生ガスをサンプルガスとして導入するガス導入口を前記母管内に開口させた導入管と、
   前記導入管と接続され、前記導入管にて導入されたサンプルガスを移送する移送管と、
   前記移送管と接続されていると共に前記母管に対しその外壁側から内部に進入するように接続され、前記移送管にて移送されたサンプルガスを排出するガス排出口を前記母管内に開口させた排出管と、
   前記移送管から分岐する分岐管と、
   前記移送管から前記分岐管へ流れてきたサンプルガスの熱量を計測する熱量計と、
   前記移送管における前記分岐管の分岐位置よりも上流側の位置に介在されたサイクロン式のフィルタと、
   を備える副生ガス計測システム。
2. 前記ガス導入口は、前記母管内における前記副生ガスの流れの上流側に向けられている、
   請求項１に記載の副生ガス計測システム。
3. 前記ガス排出口は、前記母管内における前記副生ガスの流れの下流側に向けられている、
   請求項１又は２に記載の副生ガス計測システム。
4. 前記導入管の前記母管内に進入している部位は、前記流れの上流側における進入の深さが、前記流れの下流側における進入の深さよりも浅くなっている状態で、前記ガス導入口の開口端面が傾斜面をなしている、
   請求項２に記載の副生ガス計測システム。
5. 前記排出管の前記母管内に進入している部位は、前記流れの上流側における進入の深さが、前記流れの下流側における進入の深さよりも深くなっている状態で、前記ガス排出口の開口端面が傾斜面をなしている、
   請求項３又は４に記載の副生ガス計測システム。
6. 前記導入管及び前記排出管は、少なくとも前記母管に対しその外壁側から内部にそれぞれ進入している部位が、互いに同軸的に配置された２重管構造を有する、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の副生ガス計測システム。
7. 前記ガス導入口を前記母管内に開口させている位置は、前記ガス排出口を前記母管内に開口させている位置よりも、当該母管内における前記副生ガスの流れの上流側にある、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の副生ガス計測システム。
8. 前記分岐管上における前記熱量計での計測位置よりも上流側に設けられ、前記分岐管を流れるサンプルガス中のスケールを除去する第２のフィルタと、
   前記分岐管上における前記第２のフィルタの取付位置よりも上流側に設けられ、前記分岐管を流れるサンプルガス中の湿分を除去する湿分分離器と、
   をさらに備える請求項１から７までのいずれか１項に記載の副生ガス計測システム。

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