JP6585997B2 - 蒸気システム - Google Patents

Description

ここに開示された技術は、蒸気システムに関する。

従来より、ボイラとスチームヘッダとを備えた蒸気システムが知られている。

例えば、特許文献１に開示された蒸気システムは、ボイラとスチームヘッダとを備え、ボイラから供給される蒸気をスチームヘッダに一時的に貯留し、スチームヘッダから負荷機器へ蒸気を供給する。

特開２００８−２２４１４８号公報

スチームヘッダに貯留された蒸気は、スチームヘッダに接続された配管を介してスチームヘッダから負荷機器に供給される。この配管にはバルブが設けられており、スチームヘッダから流出する蒸気の体積流量は、バルブによって調節される。

このような蒸気が流通する配管においては、ウォータハンマが生じる虞がある。例えば、蒸気システムの運転を開始するような場合には、バルブが全閉にされた状態から開かれ、スチームヘッダからの蒸気が配管へ流出し始める。このときスチームヘッダには高圧の蒸気が貯留されているので、バルブの上流側と下流側とでは差圧が大きく、バルブを開弁したときに蒸気が急激に膨張しスチームヘッダから配管へ勢いよく流れ出す。配管内では蒸気が凝縮して、ドレンが発生し得る。ここへ蒸気が勢いよく流れてくると、ロールウェーブ現象によりドレンが蒸気に押されて、大きな塊となりながら配管内を移動していく。その結果、ウォータハンマが生じ得る。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、配管におけるウォータハンマの発生を抑制することにある。

ここに開示された蒸気システムは、蒸気を生成するボイラと、前記ボイラから供給される蒸気を貯留するスチームヘッダと、前記スチームヘッダに接続され、前記スチームヘッダに貯留された蒸気が流通する配管と、前記配管を流通する蒸気の体積流量を調節するバルブと、前記配管を流通する蒸気の体積流量を検出する体積流量計と、前記バルブを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記体積流量計により検出された蒸気の体積流量に基づいて前記バルブを制御する。

ここに開示された蒸気システムによれば、配管におけるウォータハンマの発生を抑制することができる。

図１は、蒸気システム１００のシステム図である。 図２は、バルブの開弁制御のフローチャートである。 図３は、開弁制御のタイミングチャートである。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《実施形態１》
図１は、蒸気システム１００のシステム図である。

蒸気システム１００は、蒸気を生成するボイラ１０と、蒸気を貯留するスチームヘッダ２０と、ボイラ１０とスチームヘッダ２０とを接続する蒸気管３１と、スチームヘッダ２０に接続された配管３２と、配管３２に設けられたバルブ４０と、配管３２に設けられた体積流量計５１と、配管３２に設けられた圧力計５２と、バルブ４０を制御する制御部６０とを備えている。

スチームヘッダ２０は、蒸気管３１を介してボイラ１０から供給される蒸気を一時的に貯留する。スチームヘッダ２０に貯留された蒸気は、配管３２を介して負荷機器（図示省略）に供給される。

バルブ４０は、開度を調節することによって配管３２を流通する蒸気の体積流量を調節する。バルブ４０は、制御部６０からの指令に応じて開度が調節される。

体積流量計５１は、配管３２を流通する蒸気の体積流量を検出する。体積流量計５１は、バルブ４０の下流側に設けられている。体積流量計５１は、配管３２におけるバルブ４０の下流側の体積流量を検出する。

圧力計５２は、配管３２内の圧力を検出する。圧力計５２は、バルブ４０の下流側に設けられている。圧力計５２は、配管３２におけるバルブ４０の下流側の圧力を検出する。

制御部６０は、プロセッサを含んで構成されている。制御部６０は、各信号の授受が可能な状態で、バルブ４０、体積流量計５１及び圧力計５２に接続されている。制御部６０は、体積流量計５１の検出信号に応じてバルブ４０の開度を調節する。具体的には、制御部６０は、バルブ４０の開度を調節することによって、配管３２を流通する蒸気の体積流量を制御する。

以下に、スチームヘッダ２０から蒸気の流出を開始する際の制御部６０によるバルブ制御（以下、「バルブの開弁制御」という）について、図２、３を参照しながら詳しく説明する。図２は、バルブの開弁制御のフローチャートである。図３は、開弁制御のタイミングチャートである。

スチームヘッダ２０から蒸気の流出を開始する前の段階では、バルブ４０は全閉状態とされ、配管３２には蒸気が流通していない。このとき、スチームヘッダ２０にはボイラ１０で生成された蒸気が貯留されており、スチームヘッダ２０は、比較的高圧な状態となっている。一方、配管３２は、大気圧等の比較的低圧な状態となっている。制御部６０は、この状態からバルブ４０を開弁するときに、配管３２におけるウォータハンマの発生を抑制するようにバルブ４０の開度を調節する。

まず、バルブ４０の開弁を開始するときに、制御部６０は、バルブ４０の開度Ａの上限値として第１開度ａ１を設定する（ステップＳ１）。そして、制御部６０は、バルブ４０を開き始める（ステップＳ２）。制御部６０は、配管３２における蒸気の体積流量Ｑが目標体積流量ｑｔとなるようにバルブ４０の開度Ａをフィードバック制御する。

図３（ii）に示すように、開弁を開始するとき（時間Ｔ＝０）は体積流量Ｑが略零であり、目標体積流量ｑｔと体積流量Ｑとの偏差が大きいので、制御部６０は、体積流量Ｑを増大させるべく開度Ａを急激に増大させていく。ただし、開度Ａの上限値が第１開度ａ１に設定されているので、開度Ａは第１開度ａ１までしか増大しない。そのため、体積流量Ｑが目標体積流量ｑｔに達していないものの、開度Ａは第１開度ａ１に維持される。

その後、制御部６０は、圧力計５２に基づいて配管３２の圧力Ｐを監視し、圧力Ｐが所定の第１圧力ｐ１以上となるか否かを判定する（ステップＳ３）。圧力Ｐが第１圧力ｐ１に達するまで、制御部６０は、ステップＳ３を繰り返す。

やがて、圧力Ｐが第１圧力ｐ１以上となると、制御部６０は、ステップＳ４において、開度Ａの上限値として第２開度ａ２を設定する（ステップＳ４）。第２開度ａ２は、第１開度ａ１よりも大きな開度である。

図３の例では、（iii）に示すように、時間ｔ１において、圧力Ｐが第１圧力ｐ１に達する。体積流量Ｑは、（ｉ）に示すように、時間ｔ１においても目標体積流量ｑｔに達していないので、制御部６０は、（ii）に示すように、開度Ａを第１開度ａ１から増大させる。ただし、開度Ａの上限値が第２開度ａ２に設定されているので、開度Ａは第２開度ａ２までしか増大しない。開度Ａは、しばらくの間、第２開度ａ２に維持される。

その後、制御部６０は、圧力計５２に基づいて配管３２の圧力Ｐを監視し、圧力Ｐが所定の第２圧力ｐ２以上となるか否かを判定する（ステップＳ５）。第２圧力ｐ２は、第１圧力ｐ１よりも高い圧力である。圧力Ｐが第２圧力ｐ２に達するまで、制御部６０は、ステップＳ５を繰り返す。

やがて、圧力Ｐが第２圧力ｐ２以上となると（図３（iii）参照）、制御部６０は、ステップＳ６において、開度Ａの上限値の設定を解除する（ステップＳ６）。これにより、制御部６０は、体積流量Ｑが目標体積流量ｑｔとなるように、開度Ａを制限無く制御することができるようになる。その後、制御部６０は、開弁制御を継続する（ステップＳ７）。

図３の例では、（iii）に示すように、時間ｔ２において、圧力Ｐが第２圧力ｐ２に達する。体積流量Ｑは、（ｉ）に示すように、時間ｔ２においても目標体積流量ｑｔに達していないので、制御部６０は、（ii）に示すように、開度Ａを第２開度ａ２から増大させる。このとき、開度Ａの上限値が設定されていないので、制御部６０は、体積流量Ｑが目標体積流量ｑｔとなるように、開度Ａを制限無く制御する。やがて、体積流量Ｑは目標体積流量ｑｔとなる。

ここで、圧力Ｐは、図３（iii）に示すように、スチームヘッダ２０からの蒸気の流出に伴って上昇する。それに従って、バルブ４０の上流側と下流側との差圧はしだいに小さくなるので、目標体積流量ｑｔを実現するために必要な開度Ａは、圧力Ｐの上昇に伴って大きくなる。そのため、体積流量Ｑが目標体積流量ｑｔに達した後も、目標体積流量ｑｔを維持するために、開度Ａは、圧力Ｐの上昇に伴ってさらに開けられていく。図３の例では、圧力Ｐがスチームヘッダ２０の圧力とバランスして一定の圧力ｐ０に安定する前に開度Ａが１００％に達するので、開度Ａが１００％に達した後は圧力Ｐの上昇に応じて体積流量Ｑが低下していく。やがて、圧力Ｐは、圧力ｐ０で安定し、体積流量Ｑは、圧力ｐ０及び開度１００％に対応する値に安定する。

このように、配管３０における蒸気の体積流量に基づいてバルブ４０の開度を制御することによって、蒸気の体積流量の急激な増大を抑制することができる。その結果、スチームヘッダ２０から蒸気の流出を開始する際のウォータハンマの発生を抑制することができる。

その際に、バルブ４０の開度に上限値を設けることによって、バルブ４０の開度に対する蒸気の体積流量の応答遅れに起因する蒸気の体積流量の急激な増大を抑制することができる。つまり、バルブ４０の開度を調節しても、それに対する蒸気の体積流量の変化にはタイムラグがあるため、蒸気の体積流量が目標体積流量に対してオーバーシュートする、即ち、蒸気の体積流量が過大になる虞がある。それに対し、バルブ４０の開度に上限値を設けることによって、蒸気の体積流量にも上限が設けられるので、蒸気の体積流量が過大となることが防止される。そして、バルブ４０の開度の上限値を徐々に大きくして、最終的には上限を解除することによって、蒸気の体積流量が過大となることを抑制しながら、蒸気の体積流量をしだいに増大させることができる。

特に、バルブ４０の上流側と下流側との差圧が大きい場合にはバルブ４０の下流側で蒸気の体積流量が増大しやすいので、バルブ４０の下流側の圧力が低いほど上限値を小さくすることによって、蒸気の体積流量の急激な増大を効果的に抑制することができる。

以上のように、蒸気システム１００は、蒸気を生成するボイラ１０と、ボイラ１０から供給される蒸気を貯留するスチームヘッダ２０と、スチームヘッダ２０に接続され、スチームヘッダ２０に貯留された蒸気が流通する配管３２と、配管３２を流通する蒸気の体積流量を調節するバルブ４０と、配管３２を流通する蒸気の体積流量を検出する体積流量計５１と、バルブ４０を制御する制御部６０とを備え、制御部６０は、体積流量計５１により検出された蒸気の体積流量に基づいてバルブ４０を制御する。

この構成によれば、配管３０における蒸気の体積流量に基づいてバルブ４０の開度を制御することによって、配管３０でのウォータハンマの発生を抑制することができる。例えば、バルブ４０の上流側と下流側との差圧が大きい場合には、バルブ４０の下流側での蒸気の体積流量が増大しやすい。蒸気の体積流量が急激に増大すると、ウォータハンマが発生する虞がある。例えば、バルブ４０の開度を蒸気の質量流量に基づいて制御する場合、蒸気の体積流量の急激な増大を把握することは難しく、ウォータハンマの発生を抑制することが難しい。それに対し、制御部６０は、蒸気の体積流量に基づいてバルブ４０の開度を制御するので、配管３０でのウォータハンマの発生を抑制することができる。

また、制御部６０は、バルブ４０が閉じた状態からバルブ４０を開けるときに、体積流量計５１により検出された蒸気の体積流量に基づいてバルブ４０の開度を調節する。

このように、バルブ４０を閉じた状態から開く場合には、バルブ４０の上流側と下流側との差圧が大きいので、バルブ４０の下流側で蒸気の体積流量が急増しやすい。そのため、このような状況において、蒸気の体積流量に基づくバルブ４０の開度の制御を行うことによって、ウォータハンマの発生を効果的に抑制することができる。

具体的には、制御部６０は、配管３２を流通する蒸気の体積流量が所定の目標体積流量となるようにバルブ４０を制御する。

つまり、蒸気の体積流量の目標値が設定され、蒸気の体積流量がその目標値となるようにバルブ４０の開度が制御されるので、蒸気の体積流量が過大となることが抑制される。

さらに、蒸気システム１００は、配管３２におけるバルブ４０の下流側の圧力を検出する圧力計５２をさらに備え、制御部６０は、圧力計５２により検出される圧力に基づいて、バルブ４０を制御する際のバルブ４０の開度の上限値を設定する。

この構成によれば、バルブ４０の開度に上限値が設定されるので、バルブ４０の開度に対する蒸気の体積流量の応答遅れに起因する蒸気の体積流量の急増を抑制することができる。さらに、蒸気の体積流量の増大のしやすさは、バルブ４０の下流側の圧力に影響を受けるので、上限値をバルブ４０の下流側の圧力に基づいて設定することによって、蒸気の体積流量の急増を効果的に抑制することができる。

具体的には、制御部６０は、バルブ４０の下流側の圧力が所定の圧力（第２圧力ｐ２）よりも小さいときには、バルブ４０の開度に上限値を設定し、バルブ４０の下流側の圧力が前記所定の圧力以上のときには、上限値の設定を解除する。

つまり、バルブ４０の下流側の圧力が小さいほど、蒸気の体積流量は増大しやすい。そのため、バルブ４０の下流側の圧力が小さいときには、開度の上限値を設定して蒸気の体積流量の急増を抑制し、バルブ４０の下流側の圧力が大きいときには、開度の制限を解除して蒸気の体積流量を目標体積流量に精度良く調節する。

それに加えて、制御部６０は、圧力計５２により検出される圧力が高くなるに従って、開度の上限値を大きくする。例えば、制御部６０は、圧力計５２により検出される圧力が高くなるに従って、開度の上限値を段階的に大きくする。

つまり、バルブ４０の下流側の圧力が小さいほど、蒸気の体積流量は増大しやすいので、バルブ４０の下流側の圧力が小さいほど上限値を小さくすることによって、蒸気の体積流量の急増をより効果的に抑制することができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、蒸気システム１００の構成は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。例えば、配管３２には、バルブ４０とは別のメインバルブと、メインバルブをバイパスするバイパス管とが設けられており、バルブ４０は、バイパス管に設けられていてもよい。このような構成の場合、スチームヘッダ２０から蒸気の流出を開始する前の段階では、メインバルブ及びバルブ４０の両方が全閉状態とされ、スチームヘッダ２０から蒸気の流出を開始する際にはまずバルブ４０だけが開弁される。この際のバルブ４０の開度の制御は、前述の開弁制御が実行される。そして、バルブ４０の開度が１００％に達する等の、ウォータハンマが発生する可能性が低くなった所定のタイミングでメインバルブが開かれるようにしてもよい。この際のメインバルブの作動は、オペレータによる手動であってもよい。

前記開弁制御はスチームヘッダ２０から蒸気の流出を開始する際に実行されているが、それ以外のバルブ４０の下流側で蒸気の体積流量が急増しやすい状況においても、蒸気の体積流量に基づいたバルブ４０の開度制御を行ってもよい。

また、前記開弁制御では、バルブ４０の開度Ａに上限値が設定されているが、必ずしも上限値を設定しなくてもよい。ただし、オーバーシュートに起因する蒸気の体積流量の増大を抑制する観点からは上限値を設定することが好ましい。

さらに、バルブ４０の開度Ａの上限値は、２段階（第１開度ａ１、第２開度ａ２）に限られるものではない。例えば、上限値は、１段階であってもよいし、３段階以上であってもよいし、さらには、圧力Ｐに応じて線形的に変動してもよい。

以上説明したように、ここに開示された技術は、蒸気システムについて有用である。

１００ 蒸気システム
１０ ボイラ
２０ スチームヘッダ
３２ 配管
４０ バルブ
５１ 体積流量計
５２ 圧力計
６０ 制御部

Claims (5)

1. 蒸気を生成するボイラと、
   前記ボイラから供給される蒸気を貯留するスチームヘッダと、
   前記スチームヘッダに接続され、前記スチームヘッダに貯留された蒸気が流通する配管と、
   前記配管を流通する蒸気の体積流量を調節するバルブと、
   前記配管を流通する蒸気の体積流量を検出する体積流量計と、
   前記バルブを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記体積流量計により検出された蒸気の体積流量に基づいて前記バルブを制御することを特徴とする蒸気システム。
2. 請求項１に記載の蒸気システムにおいて、
   前記制御部は、前記バルブが閉じた状態から前記バルブを開けるときに、前記体積流量計により検出された蒸気の体積流量に基づいて前記バルブの開度を調節することを特徴とする蒸気システム。
3. 請求項１又は２に記載の蒸気システムにおいて、
   前記制御部は、前記配管を流通する蒸気の体積流量が所定の目標体積流量となるように前記バルブを制御することを特徴とする蒸気システム。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の蒸気システムにおいて、
   前記配管における前記バルブの下流側の圧力を検出する圧力計をさらに備え、
   前記制御部は、前記圧力計により検出される圧力に基づいて、前記バルブを制御する際のバルブの開度の上限値を設定することを特徴とする蒸気システム。
5. 請求項４に記載の蒸気システムにおいて、
   前記制御部は、前記圧力計により検出される圧力が高くなるに従って、前記上限値を大きくすることを特徴とする蒸気システム。

Images