JP6511395B2 - 診断器具を備えた蒸気トラップ監視装置及び蒸気トラップの動作監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセスで用いられる蒸気トラップを監視（モニタ）することに関する。特に、本発明は、蒸気トラップ中のリーク又は劣化を検出するシステム及び方法に関する。

蒸気トラップ(steam trap)は、蒸気配管から不要な水や凝縮物を除去するために多くの産業で一般に用いられている。典型的な産業プラントには、何千ものそのような装置が配備されている。蒸気トラップは、通常、比較的低価格で設計されている低レベルの技術装置である。時折、蒸気トラップは完全にメカニカルである。

蒸気トラップは、一般に、効率を維持しパイプの"ノッキング"を減らすために、凝縮物がパイプから漏れ出ることができるように設計されている。典型的な蒸気トラップは一つ以上の室(chambers)と、凝縮物と物理的に接触している部材とを有している。凝縮物のレベルはある閾値より高いので、蒸気トラップ内の可動部材は、凝縮物が漏れ出ることができるように、一つ以上のバルブを作動させるか、又は、噛合する。凝縮物が漏れ出すにつれて、蒸気トラップ内の凝縮物のレベルはバルブが閉じられる程度まで低減され、トラップは再圧縮する。

蒸気トラップは、経験的に大変頻繁に起きる問題を有している。それらは、リーク又は閉位置での膠着(stick in a closed position)、つまり固定したまま動かなくなることである。蒸気トラップのリークは、しばしば、蒸気トラップ内の可動部材の摩耗に原因があり、一方バルブの劣化や汚染が、閉位置での膠着の原因になりうる。それらの原因が何であれ、蒸気トラップのリーク又は膠着(sticking;スチッキング)は多くの理由のために望ましくない。第１に、それは、水を蒸気に加熱するために比較的大きなエネルギーを要することである。つまり、リークする蒸気トラップは、含有するエネルギーが十分に利用される前に、蒸気を漏れ出させることになり、エネルギーを浪費するであろう。さらに、多くの凝縮物除去システムは、例えば蒸気のリークにより引き起こされるような持続的な加圧のための設計がなされていない。従って、蒸気トラップから下流の部品は、連続する蒸気リークにより、ダメージを被るか、あるいは劣化するであろう。さらに、大きなリークが生ずると、蒸気パイプはその所望の目的を達成するのに十分な蒸気圧と流量を供給できなくなる可能性がある。膠着された蒸気トラップはまた、水が蒸気システムから除去されるのを防止するので、腐食損傷(corrosive damage)や水撃音(water hammers)を発生する恐れがある。

本発明に関連する先行技術として、下記の公報に記されているものがある。

特許第５０４８０７９号公報

従って、継続的に、蒸気トラップの動作を監視し診断することが必要である。

蒸気トラップの監視装置は、蒸気トラップの動作に関連するプロセス変数を感知するように構成されたプロセス変数センサを含む。メモリはプロセス変数の基準パラメータ(baseline parameter)に関連する情報を含む。診断回路はプロセス変数センサにより感知されるプロセス変数の現在パラメータを計算し、該プロセス変数の現在パラメータを前記基準パラメータと比較する。この比較に基づいて、診断回路は診断出力を提供する。前記基準及び現在パラメータは、蒸気トラップが開いている又は閉じている時間周期に基づいている。

本発明によれば、蒸気トラップの動作に関連するプロセス変数を感知することにより、簡単な装置又は方法で、蒸気トラップが故障の途上にある又は故障が差し迫っている等の診断をすることができるようになる。

図１は、本発明の有用な実施形態の蒸気トラップの説明図である。
図２は、本発明の有用な実施形態の他の蒸気トラップの説明図である。
図３は、蒸気トラップ監視システムの簡単なブロック図である。
図４は、時間に関して、蒸気トラップが開いている及び閉じていることを示すグラフである。
図５は、時間に関して、蒸気トラップが開いている及び閉じていることを示す他のグラフである。

本発明では、蒸気トラップに関する診断を行うのに用いるプロセス変数センサを含む蒸気トラップ監視装置が提供される。該プロセス変数センサは、蒸気トラップの動作に関連するプロセス変数を感知する。例えば、感知されたプロセス変数は、蒸気トラップの開及び／又は閉に関連されることができる。蒸気トラップ監視装置中の診断回路は、プロセス変数センサによって感知されたプロセス変数の現在パラメータを計算する。これは、メモリ中に記憶されている基準パラメータと比較され、診断を応答的に提供するのに用いられる。

従来のいくつかの蒸気トラップ監視装置は、トラップが完全に故障した、例えば、開状態又は閉状態に膠着されてしまっているという指示を単に提供するだけである。しかしながら、完全に故障してしまう前に故障の過程中にあるトラップを識別することが望まれるであろう。これは、産業プロセスを不必要に停止することなしに所望の時間に蒸気トラップを交換できるようにするであろう。一形態に置いては、本発明は、蒸気トラップが故障の途上にある又はすぐに完全に故障してしまうかもしれないという予測測定器を提供する。この予測は、完全に故障する前に蒸気トラップの残寿命を予測することを含む。

本発明の実施形態は、例えば蒸気パイプののような蒸気源に結合される、又は結合され得る注入口(inlet)と、凝縮物及び／又は空気を周期的に開放する排出口(outlet)とをもつ、いかなる蒸気トラップに関して実行されることができるが、周囲環境に関してそれよりも高い圧力を維持することが期待される。本発明は、ここに示されている又は説明されている蒸気トラップ構成に限定されるものではない。

図１は、本発明の有用な実施形態の蒸気トラップの説明図である。蒸気トラップ１００は、蒸気パイプ１０２と水収集／回収ライン１０４に流体的に結合されている。蒸気パイプ１０２には、その中に蒸気が存在している。該蒸気は静止していても良いし、流れていても良い、また飽和蒸気(saturated steam)であっても良いし、加熱蒸気(superheated steam)であっても良い。蒸気パイプ１０２内を流れる凝縮物あるいは他の物は注入口１０６中に流れ入り、室１０８中に蓄積するであろう。室１０８は、可動部材１１２によって閉じられる又は塞がれる排出口ポート１１０を含む。可動部材１１２は、バッフル(baffle)又はいかなる他の物理的構造から構成することができる。凝縮物１１４が室１０８内に蓄積されるにつれて、凝縮物１１４のレベル１１６は上昇する。レベルが上昇するにつれて、可動部材１１２により退去させられる凝縮物の量は増加し、それにより部材１１２の浮力が部材１１２を上方に押し上げる程度を増大する。ある時点で、凝縮物１１４のレベルは、可動部材１１２が参照数字１１８で架空線（点線）で示される位置に持ち上げられる、つまり閾値に達するであろう。一度、部材１１２が持ち上げられると、凝縮物１１４は短い間排出口１１０を通って流れ出る。一度、十分な凝縮物１１４が流れ出ると、重力は部材１１２を排出口１１０と接触するように下降させ、よって排出口１１０をシールする。このようにして、蒸気トラップ１００は多くの凝縮物１１４と多少の空気と蒸気（蒸気）とを周期的に排出するであろう。

図２は、本発明の有用な実施形態の他の蒸気トラップの説明図である。蒸気トラップ２００は蒸気パイプ１０２と回収ライン１０４とに結合されている。トラップ２００は、導管２０６、注入口２０４を通って蒸気パイプ１０２に流体的に結合されているトラップ本体２０２を含む、又は前記注入口２０４を含む。従って、蒸気パイプ１０２内を流れている又は存在する凝縮物又は他の液体は、導管２０６を通って降下し、注入口２０４を経てトラップ本体２０２に入るだろう。このため、流体２０８は、トラップ本体２０２内に蓄積する。フロート(float)２１０は、トラップ本体２０２内に配置され、流体２０８の上に選定された高さだけ浮くように構成されている。フロート２１０が持ち上がるにつれて、該フロートは最終的にバルブ２１４の可動部材２１２と接触するようになるであろう。フロート２１０が部材２１２を十分に動かすと、バルブ２１４は開き、よって上流部分２１６を下流部分２１８に結合するであろう。上流部分２１６は、トラップ本体２０２に近接する位置２２０で流体的に結合している。このため、位置２２０に近接する流体２０８は導管２２２中に流れ、バルブ２１４を通り、導管２２４を通り、そして回収ライン１０４中に流れるであろう。流体２０８の流れは、流体２０８の表面２２６を押し下げる蒸気パイプ１０２内の相対的に高い圧力により、促進される。

本発明の実施形態が現存するまたは過去の機械的な蒸気トラップで実行されるようにするために、そのような装置に何らの変更を加える必要がないことが好ましい。このため、本発明の実施形態は、一般的に、蒸気トラップそれ自体に何らの変更をすることなく、また蒸気トラップへ伸びるいかなる配線を必要とせずに、注入口と周期的に凝縮物を解放する排出口とをもつ、蒸気トラップ用の監視装置及び監視方法を提供することを目指している。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。

図１と図２は、また本発明の一実施形態に従って蒸気トラップ１００／２００に結合される蒸気トラップ監視システムを示している。単純であるために、図示されている監視装置２３０はいかなる蒸気トラップにも用いられることができる。蒸気トラップ監視装置２３０は以下に詳細に説明されており、流体が実際に監視装置２３０等を介して流れるように、導管と一直線にして蒸気トラップの本体に結合されることができる。代替的には、監視装置２３０は、単に、蒸気トラップ２００に近接して、例えば導管２２４又はトラップ本体２０２に取り付け又は貼り付けて設置されることができる。

図３は、蒸気トラップ監視装置２３０の簡単なブロック図である。蒸気トラップ監視装置２３０は、プロセス変数センサ２３２を含んでいる。センサ２３２は、蒸気トラップ２００に近接して、例えば図２に示されているバルブ２１４、又は図１に示されている可動部材１１２に近接して設置されるように構成されている。センサ２３２は、蒸気トラップの開及び／又は閉を示す出力を提供するいかなるタイプのプロセス変数センサであってもよい。例えば、温度センサが、蒸気トラップの開と閉に起因する温度の変化を感知するのに用いられることができる。さらに、蒸気トラップの開と閉によって生成されるノイズ及び／又は蒸気や液体が回収ライン１０４に回収される時のノイズを検知することのできる音響センサを用いることができる。他の例のセンサは、蒸気と水との違いを検出するのに用いられる分析センサである。

プロセス変数センサ２３２からの出力は、センサ回路２３４に提供される。センサ回路２３４は、増幅器、フィルタ、アナログ・デジタル変換器、又は感知されたプロセス変数のデジタル値をマイクロプロセッサ２３６に提供するための他の回路を含むことができる。該マイクロプロセッサ２３６は、メモリ２３８に蓄積されている命令に従って及びシステムクロック２４０によって決定されたクロックレートに従って動作する。マイクロプロセッサ２３６は本発明による診断回路の一例であり、図３に示されている蒸気トラップ、例えば蒸気トラップ２００の診断をするのに用いられる。通信回路２４２は、マイクロプロセッサ２３６により行われる診断に関する出力２４６を提供するように構成されている。出力２４６は、例えば有線又は無線出力、例えば可視指示のようなローカル指示器、可聴出力等からなることができる。いくつかの形態では、有線出力が用いられる場合には、同じ接続が蒸気トラップ監視装置２３０に電力を供給するのに用いられることができる。有線出力の一例は、電流レベルが情報を表わすのに用いられる２線プロセス制御ループである。デジタル情報はまた変調されて、そのような２線プロセス制御ループ上を伝送されることができる。特定の一例は、HART（登録商標）通信プロトコルに従うプロセス制御ループである。無線出力の一例は、WirelessHART（登録商標）通信プロトコルや、IEC６２５９１標準を含む。いくつかの形態では、蒸気トラップ監視装置２３０は例えばバッテリ等の内部電源を含む。蒸気トラップ監視装置２３０を作動するためのエネルギーはまた、産業プロセスから捻出するようにしてもよい。例えば、温度差が電気を発生するのに用いられることができる。振動や他のメカニズムも電気を発生するのに用いられることができる。太陽電池等は、光エネルギーを電気に変換するのに用いられることができる。

マイクロプロセッサ２３６はプロセス変数センサ２３２により感知されたプロセス変数を監視（モニタ）し、パラメータ計算回路２４４を用いてプロセス変数の現在パラメータを計算する。これは、メモリ２３８に蓄積されている命令のプログラミングに基づくアルゴリズムから構成されている。一つの実施形態では、計算されたパラメータは、監視されている蒸気トラップのバルブ又はシールの開及び／又は閉に関連している。該計算されたパラメータは、それからメモリ２３８に蓄積されている基準（ベースライン）パラメータとマイクロプロセッサ２３６により比較される。この比較に基づいて、診断出力が通信回路２４２により提供される。一実施形態では、診断出力は、蒸気トラップ２００の差し迫った故障に関する兆候を提供する予測出力である。

一つの形態では、計算されたパラメータは時間に関し、特に蒸気トラップが開いている及び／又は閉じている時間周期（継続時間）に関している。例えば、図４は、プロセス変数センサ２３２からの出力対時間のグラフである。正常な動作の間は、蒸気トラップは時間ｔの間、開いている。このように、時間ｔは、メモリ２３８に蓄積された基準（ベースライン）パラメータである。蒸気トラップが用いられるにつれて、該トラップが開である期間は変化する可能性がある。例えば、図４では、該蒸気トラップの開時間周期はｔ＋Δｔに変化する。これは、マイクロプロセッサ２３６により計算又は演算により求められた現在パラメータである。マイクロプロセッサ２３６は、前記基準パラメータを該現在パラメータと比較する。この比較は、単純な閾値比較であっても良いし、又は例えば蒸気トラップが開いている又は閉じている期間の傾向を観察するといったより複雑な比較であっても良い。この比較はまた、例えばパーセントといった可調整マージン(adjustable margin)を含むことができる。例えば、もし現在パラメータが基準パラメータからＸ％以上離れていると、診断出力がトリガされる。図４は該トラップが開いている期間が増加していることを示しているが、同じ技術が該開期間の低減を検知するのに用いられることができる。前記診断出力は、蒸気トラップ又はプロセスについての何かが変化したことを示している。例えば、トラップのシールが故障し始めたり、パイプの内の一つが詰まり始めた等である。このように、該診断は蒸気トラップが完全に故障する前の診断出力を提供する予測診断である。該予測出力はまた、蒸気トラップが完全に故障する前の期待残使用寿命に関する傾向情報又は該蒸気トラップが完全に故障する前の期待残使用寿命に関する情報を提供することができる。これは、例えば、実際の蒸気トラップの故障を観察することにより実験的に決定されることができる。この出力は、一つの時間周期以上に基づいて提供されることができる。例えば、ヒストグラムタイプの情報等を生成するために、多くの時間周期が平均され、蓄積されることができる。

図５は、蒸気トラップが開及び／又は閉する周波数又は頻度(frequency)を診断に用いる、本発明の他の実施形態を示す。図５において、プロセス変数センサからの出力は時間に関して示されている。図５は、蒸気トラップ２００の開周波数(又は、頻度)の変化を示す。例えば、図５において、正常な動作中は、蒸気トラップはｆの周期で開く。そのような態様では、ｆはメモリ２３８に蓄積されている基準パラメータを表わす。図５はまた、該蒸気トラップが開いている第２の周期、ｆ−Δｆを示す。例えば、該蒸気トラップが、それが以前に開した頻度よりより頻繁に開き始めるなら、これは、各開の間に解放又は排出される凝縮物が不十分であり、これが該蒸気トラップをより大きな頻度で開く原因であることを指示している可能性がある。図４に示されている形態と同様に、前記開周波数はメモリ２３８に蓄積されている基準パラメータと比較されることができ、傾向に基づいて観察されることができ、又は他の診断技術が用いられることができる。該診断は蒸気トラップが故障の過程にあるがまだ完全には故障していないことを示す予測診断である。傾向(trending)又は他の技術が、蒸気トラップが完全に故障する前の残寿命の評価を提供するために用いられることができる。該トラップの完全な故障までの時間を予測するのに加えて、該予測診断は、故障するまたは劣化している蒸気トラップをそれが完全に故障する前に交換されることにより得られるであろうエネルギーの節約に関する出力を提供することができる。これは、該蒸気トラップが交換された場合に得られるであろう炭素放出の削減量にさえ関連付けられることができる。この診断は、一度以上のベース診断技術に基づいている。例えば、図４と図５に示されている診断技術は、同時により正確な診断を提供するのに用いられることができる。いくつかの形態では、該診断はさらに他の情報に基づいて、例えば放出される蒸気の温度又はトラップ中の蒸気の温度、トラップ中の蒸気の圧力、蒸気を解放又は排出している間の圧力等に基づいて、なされる。本発明は、図４及び図５に示された二つの時間ベースパラメータに限定されず、蒸気トラップの開及び／又は閉に関する他の時間ベースパラメータを用いることができる。

本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神と範囲を逸脱することなしに、形状と細部を変更できることを認識するであろう。他の実施例の診断技術は数々の蒸気トラップをモニタし、それらが実行又は経験する排出サイクル(venting cycles)の数をカウントすることである。この情報は、それから、蒸気トラップが故障前に実行又は経験するであろうサイクルの平均の数を求めるために、統計的に処理されることができる。この情報は寿命予測因子として用いられることができる。例えば、蒸気トラップが前記平均に近づくにつれて、該蒸気トラップがその寿命の末期に近付いていることを示す出力が提供される。

１００，２００・・・蒸気トラップ、１０２・・・蒸気パイプ、１０４・・・回収ライン、１０６，２０４…注入口、１１０・・・排出口、１１２・・・可動部材、２０２・・・トラップ本体、２１０・・・フロート、２１４・・・バルブ、２３０・・・監視装置、２３２・・・プロセス変数センサ、２３６・・・マイクロプロセッサ、２３８・・・メモリ、２４４・・・パラメータ計算回路。

Claims (20)

1. 水蒸気を対象とした蒸気トラップ監視装置において、
   蒸気トラップの動作に関連するプロセス変数を感知するように構成されたプロセス変数センサと、
   該プロセス変数の基準パラメータに関連する情報を蓄積するメモリと、
   該プロセス変数センサにより感知されたプロセス変数の現在パラメータを計算し、該プロセス変数の現在パラメータと前記基準パラメータとを比較し、該比較に基づいて診断出力を応答的に出力するように構成された診断回路とを具備し、
   前記基準パラメータと前記現在パラメータとは、前記蒸気トラップが開いている及び／又は閉じている時間周期に基づくものであり、
   前記診断出力は、蒸気トラップが、開状態に膠着される状態として定義される完全故障の前の故障の過程にあることを示す予測診断として構成されており、該予測診断は、故障の過程にある蒸気トラップを完全故障の前に交換することにより得られるであろうエネルギーの節約に関する出力を提供するように構成されている蒸気トラップ監視装置。
2. 前記プロセス変数センサは、音響センサである、請求項１に記載の蒸気トラップ監視装置。
3. 前記診断出力は、前記蒸気トラップの残寿命を示す、請求項１に記載の蒸気トラップ監視装置。
4. 前記残寿命は、蒸気トラップにより実行される排出サイクルの数に基づくものである、請求項３に記載の蒸気トラップ監視装置。
5. 前記診断出力は、蒸気トラップが故障の過程にあることに起因するエネルギー損失を示すものである、請求項１に記載の蒸気トラップ監視装置。
6. 前記完全故障は開状態に膠着される状態として定義され、前記エネルギーの節約に関する出力は蒸気トラップのリークに関するものであり、
   前記予測診断に前記診断回路が所与の関係を適用することで前記エネルギーの節約に関する出力を提供するように構成されている、請求項１に記載の蒸気トラップ監視装置。
7. 前記蒸気トラップは、該蒸気トラップ内にあるプロセス流体によって周期的に作動されることで該蒸気トラップを開き前記プロセス流体を放出する可動部材を有するタイプのものであり、前記プロセス変数センサは、該蒸気トラップにおける放出によって変化するプロセス変数を検知するよう構成されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の蒸気トラップ監視装置。
8. 前記現在パラメータは、前記蒸気トラップが開いている間の時間周期に関連するものである、且つ／又は、前記蒸気トラップが閉じている間の時間周期に関連するものである、
   又は、
   前記現在パラメータは、前記蒸気トラップが開いている継続時間に関連するものである、且つ／又は、前記蒸気トラップが閉じている継続時間に関連するものである、請求項１に記載の蒸気トラップ監視装置。
9. 水蒸気を対象とした蒸気トラップの動作を監視する方法であって、
   前記蒸気トラップの動作に関連するプロセス変数をプロセス変数センサで感知することと、
   前記プロセス変数の基準パラメータに関連する情報をメモリから読み出すことと、
   前記プロセス変数の現在パラメータを計算することと、
   前記プロセス変数の基準パラメータを前記プロセス変数の現在パラメータと比較することと、
   前記比較のステップに基づいて前記蒸気トラップの動作を応答的に診断することとからなり、
   前記基準パラメータと前記現在パラメータとは、前記蒸気トラップが開いている及び／又は閉じている時間に基づくものであり、
   前記診断することは、蒸気トラップが、開状態に膠着される状態として定義される完全故障の前の故障の過程にあることを示す予測診断を与えるように構成されており、該予測診断は、故障の過程にある蒸気トラップを完全故障の前に交換することにより得られるであろうエネルギーの節約に関する出力を提供するように構成されている蒸気トラップの動作監視方法。
10. 前記プロセス変数センサは、音響センサからなる、請求項９に記載の蒸気トラップの動作監視方法。
11. 動作を診断することが、前記蒸気トラップの残寿命を予測することを含む、請求項９に記載の蒸気トラップの動作監視方法。
12. 前記残寿命は、前記蒸気トラップに実行された排出サイクルの数に基づいて予測される、請求項１１に記載の蒸気トラップの動作監視方法。
13. 動作を診断することは、蒸気トラップが故障の過程にあることに起因するエネルギー損失を測定することを含む、請求項９に記載の蒸気トラップの動作監視方法。
14. 前記完全故障は開状態に膠着される状態として定義され、前記エネルギーの節約に関する出力は蒸気トラップのリークに関するものであり、
    前記予測診断に前記診断することが所与の関係を適用することで前記エネルギーの節約に関する出力を提供するように構成されている、請求項９に記載の蒸気トラップの動作監視方法。
15. 前記蒸気トラップは、該蒸気トラップ内にあるプロセス流体によって周期的に作動されることで該蒸気トラップを開き前記プロセス流体を放出する可動部材を有するタイプのものであり、前記プロセス変数センサは、該蒸気トラップにおける放出によって変化するプロセス変数を検知するよう構成されている、請求項９ないし１４のいずれかに記載の蒸気トラップの動作監視方法。
16. 前記現在パラメータは、前記蒸気トラップが開いている間の時間周期に関連するものである、且つ／又は、前記蒸気トラップが閉じている間の時間周期に関連するものである、
    又は、
    前記現在パラメータは、前記蒸気トラップが開いている継続期間に関連している、且つ／又は、前記蒸気トラップが閉じている継続期間に関連している、請求項９に記載の蒸気トラップの動作監視方法。
17. 水蒸気を対象とした蒸気トラップ監視装置において、
    前記蒸気トラップの動作に関連するプロセス変数を感知する手段と、
    前記プロセス変数の基準パラメータに関連する情報をメモリから読みだす手段と、
    前記プロセス変数の現在パラメータを計算する手段と、
    前記プロセス変数の基準パラメータを前記プロセス変数の前記現在パラメータと比較する手段と、
    前記比較のステップに基づいて前記蒸気トラップの動作を応答的に診断する手段とからなり、
    前記基準パラメータと前記現在パラメータとは、前記蒸気トラップが開いている及び／又は閉じている時間周期に基づくものであり、
    前記診断する手段は、蒸気トラップが、開状態に膠着される状態として定義される完全故障の前の故障の過程にあることを示す予測診断を与えるように構成されており、該予測診断は、故障の過程にある蒸気トラップを完全故障の前に交換することにより得られるであろうエネルギーの節約に関する出力を提供するように構成されている蒸気トラップ監視装置。
18. 動作を診断する手段が、前記蒸気トラップの残寿命を予測する手段を含む、請求項１７に記載の蒸気トラップ監視装置。
19. 動作を診断する手段が、蒸気トラップが故障の過程にあることに起因するエネルギー損失を測定する手段を含む、請求項１７に記載の蒸気トラップ監視装置。
20. 前記完全故障は開状態に膠着される状態として定義され、前記エネルギーの節約に関する出力は蒸気トラップのリークに関するものであり、
    前記予測診断に前記診断する手段が所与の関係を適用することで前記エネルギーの節約に関する出力を提供するように構成されている、請求項１７に記載の蒸気トラップ監視装置。