JP6892007B2 - 検出装置、温度分布測定装置および検出装置の製造方法 - Google Patents

Description

本件は、検出装置、温度分布測定装置および検出装置の製造方法に関する。

発電用ボイラでは、多数の過熱器管が火炉によって過熱されている。この過熱器管の温度を測定する技術が求められている。そこで、光ファイバを用いて各過熱器管の温度を測定する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１６／０２７７６３号

しかしながら、光ファイバは、曲げ半径を小さくすると破断するおそれがある。また、自重により過熱器管との密着性が得られないと良好な温度測定精度が得られないおそれがある。上記技術では、これらの課題については検討されていない。

本件は上記課題に鑑みなされたものであり、光ファイバの破断を抑制しつつ良好な温度測定精度が得られる検出装置、温度分布測定装置および検出装置の製造方法を提供することを目的とする。

１つの態様では、検出装置は、内部を蒸気が流動する複数本の過熱器管が列をなして互いに平行に直線状に延びる第１区間と、前記複数本の過熱器管が前記第１区間から２組に分れるように湾曲して管寄せの側面に放射状に接続される第２区間とを備えるパネルが、前記管寄せの延在方向に複数設けられ、各パネルにおいて前記複数本の過熱器管が列をなす方向が前記管寄せの延在方向と交差している場合において、前記複数のパネルのうち一のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第１部分と、前記一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在する第２部分と、前記他のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第３部分とを有する光ファイバを備え、前記第１部分が敷設された前記過熱器管において前記第１部分が前記他のパネルと反対側に位置しかつ前記第３部分が敷設された前記過熱器管において前記第３部分が前記一のパネルと反対側に位置し、湾曲している前記過熱器官の外壁面のうち、外側の湾曲面に接するように前記光ファイバが敷設されている。

１つの態様では、上記検出装置と、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの各測定点の温度を測定する温度測定部と、を備える。

１つの態様では、検出装置の製造方法は、内部を蒸気が流動する複数本の過熱器管が列をなして互いに平行に直線状に延びる第１区間と、前記複数本の過熱器管が前記第１区間から２組に分れるように湾曲して管寄せの側面に放射状に接続される第２区間とを備えるパネルが、前記管寄せの延在方向に複数設けられ、各パネルにおいて前記複数本の過熱器管が列をなす方向が前記管寄せの延在方向と交差している場合において、前記複数のパネルのうち一のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って光ファイバの第１部分を敷設し、前記光ファイバの第２部分を前記一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在させ、前記光ファイバの第３部分を前記他のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設し、前記第１部分が敷設された前記過熱器管において前記第１部分が前記他のパネルと反対側に位置しかつ前記第３部分が敷設された前記過熱器管において前記第３部分が前記一のパネルと反対側に位置し、湾曲している前記過熱器官の外壁面のうち、外側の湾曲面に接するように前記光ファイバが敷設された状態とする。１つの態様では、検出装置は、内部を蒸気が流動する複数本の過熱器管が列をなして互いに平行に直線状に延びる第１区間と、前記複数本の過熱器管が前記第１区間から２組に分れるように湾曲して管寄せの側面に放射状に接続される第２区間とを備えるパネルが、前記管寄せの延在方向に複数設けられ、各パネルにおいて前記複数本の過熱器管が列をなす方向が前記管寄せの延在方向と交差している場合において、前記複数のパネルのうち一のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第１部分と、前記一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在する第２部分と、前記他のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第３部分とを有する光ファイバを備え、前記第１部分および前記第３部分がそれぞれが敷設された前記過熱器管の間に位置するか、前記第１部分が敷設された前記過熱器管において前記第１部分が前記他のパネルと反対側に位置しかつ前記第３部分が敷設された前記過熱器管において前記第３部分が前記一のパネルと反対側に位置するか、のいずれかであり、前記管寄せは、間仕切りされた空間の内部に配置されており、前記検出装置は、前記空間の外部に位置し前記空間の内部に導入される導入部と、いずれかの過熱器管に沿って敷設され前記空間から外部に引き出された引出部と、を備え、前記導入部と前記引出部とは、前記空間の外部において互いに結束されている。

光ファイバの破断を抑制しつつ良好な温度測定精度が得られる。

（ａ）は実施形態に係る温度分布測定装置の全体構成を表す概略図であり、（ｂ）は制御部のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。 （ａ）は検出装置の全体構成を表す概略図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 後方散乱光の成分を表す図である。 （ａ）は、レーザによる光パルス発光後の経過時間と、ストークス成分およびアンチストークス成分の光強度との関係を例示する図であり、（ｂ）は（ａ）の検出結果および式（１）を用いて算出した温度である。 室温約２４℃時に光ファイバの一部区間を約５５℃のお湯に浸漬した場合の応答例を示す。 図５および式（２）から得られる結果を例示する図である。 発電用ボイラの概略断面図である。 ペントハウス内における過熱器管の拡大図である。 （ａ）および（ｂ）は検出装置の敷設を例示する図である。 集約区間および拡大区間を例示する図である。 出口管寄せに接続される過熱器管の接続態様を例示する模式的な斜視図である。 各パネルの同一位置の過熱器管に対する検出装置の敷設態様（比較形態）を例示する図である。 実施形態に係る検出装置の敷設構造を例示する図である。 （ａ）は検出装置の敷設構造の斜視図であり、（ｂ）は検出装置をパネル方向から見た図である。 （ａ）および（ｂ）は検出装置がパネル方向の手前側と奥側とに交互に敷設される場合を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は検出装置が過熱器管のベンド部で曲げ方向に対して外接する場合を例示する図である。 過熱器管に対する検出装置の敷設例を説明するための図である。 測定温度を例示する図である。 （ａ）は検出装置が過熱器管のベンド部で過熱器管の曲げ方向に対して外接するように敷設されている場合を例示する図であり、（ｂ）は検出装置が過熱器管のベンド部で過熱器管の曲げ方向に対して内接するように敷設されている場合を例示する図である。 （ａ）は図１９（ａ）の例での温度測定結果を例示する図であり、（ｂ）は図１９（ｂ）の例での温度測定結果を例示する図である。 約７００℃での加熱実験結果を例示する図である。 （ａ）は隣接列との接続構成を例示する図であり、（ｂ）は構造体に対して結束される構造を例示する図である。 検出装置の製造方法を表すフローチャートを例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

（実施形態）
図１（ａ）は、温度分布測定装置１００の全体構成を表す概略図である。図１（ａ）で例示するように、温度分布測定装置１００は、測定機１０、制御部２０、検出装置３０などを備える。測定機１０は、レーザ１１、ビームスプリッタ１２、光スイッチ１３、フィルタ１４、複数の検出器１５ａ，１５ｂなどを備える。制御部２０は、指示部２１、温度測定部２２、補正部２３などを備える。

図１（ｂ）は、制御部２０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１（ｂ）で例示するように、制御部２０は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が記憶装置１０３に記憶されている温度測定プログラムを実行することによって、制御部２０に指示部２１、温度測定部２２および補正部２３が実現される。なお、指示部２１、温度測定部２２および補正部２３は、専用の回路などのハードウェアであってもよい。

レーザ１１は、半導体レーザなどの光源であり、指示部２１の指示に従って所定の波長範囲のレーザ光を出射する。本実施形態においては、レーザ１１は、所定の時間間隔で光パルス（レーザパルス）を出射する。レーザ１１が出射した光パルスは、ビームスプリッタ１２を通過して光スイッチ１３に入射される。光スイッチ１３は、入射された光パルスの出射先（チャネル）を切り替えるスイッチである。ダブルエンド方式では、光スイッチ１３は、指示部２１の指示に従って、検出装置３０の第１端および第２端に一定周期で交互に光パルスを入射する。シングルエンド方式では、光スイッチ１３は、指示部２１の指示に従って、検出装置３０の第１端または第２端のいずれか一方に光パルスを入射する。検出装置３０は、光ファイバを備え、温度測定対象の所定の経路に沿って配置されている。

図２（ａ）は、検出装置３０の全体構成を表す概略図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、検出装置３０の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）で例示するように、検出装置３０は、光ファイバ４０、セラミックス編組５０、金属管６０、ジョイント６１などを備える。なお、図２（ａ）では、部分的に、金属管６０内のセラミックス編組５０が描かれ、セラミックス編組５０内の光ファイバ４０が描かれている。

光ファイバ４０は、線状の光ファイバガラス４１を同心円状に被覆材４２が覆う構造を有している。光ファイバガラス４１は、コア４１ａを同心円状にクラッド４１ｂが覆うガラス構造物である。被覆材４２は、特に限定されるものではないが、カーボン、有機物などである。本実施形態においては、被覆材４２は、一例として、光ファイバガラス４１を同心円状に覆うカーボン層４２ａと、カーボン層４２ａを同心円状に覆うポリイミド層４２ｂとを備えている。カーボン層４２ａの厚さは、例えば１００ｎｍ以下である。ポリイミド層４２ｂの厚さは、例えば３０μｍ以下である。被覆材４２は、光ファイバガラス４１よりも柔軟性および伸縮性が高いため、光ファイバガラス４１を被覆材４２で覆うことで、光ファイバ４０の耐曲げ性が向上する。それにより、光ファイバ４０の断線を抑制することができる。

セラミックス編組５０は、光ファイバ４０を周方向に被覆する構造を有している。セラミックス編組５０は、耐熱性のセラミックス系繊維を組紐状に編組したものである。セラミックス系繊維として、例えば、ＳｉＯ_２成分を６０ｍａｓｓ％以上含むガラス繊維（高珪酸ガラス繊維）、アルミナ繊維等を用いることができる。また、セラミックス系繊維は、上記ガラス繊維、アルミナ繊維等のセラミックス材料に有機材料が加えられた複合材料であってもよい。

金属管６０は、セラミックス編組５０を周方向に覆う構造を有している。金属管６０は、例えば、可撓性を有する可撓管である。例えば、金属管６０は、金属螺旋管、金属編組などである。金属管６０は、緻密でなくてもよいため、通気性、通液性などを有していてもよい。金属管６０は、ジョイント６１によって複数の金属管が長さ方向に接続された構造を有していてもよい。

検出装置３０に入射した光パルスは、検出装置３０内の光ファイバ４０を伝搬する。光パルスは、伝搬方向に進行する前方散乱光および帰還方向に進行する後方散乱光（戻り光）を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ４０内を伝搬する。後方散乱光は、光スイッチ１３を通過してビームスプリッタ１２に再度入射する。ビームスプリッタ１２に入射した後方散乱光は、フィルタ１４に対して出射される。フィルタ１４は、ＷＤＭカプラなどであり、後方散乱光を長波長成分（後述するストークス成分）と短波長成分（後述するアンチストークス成分）とを抽出する。検出器１５ａ，１５ｂは、受光素子である。検出器１５ａは、後方散乱光の短波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２に送信する。検出器１５ｂは、後方散乱光の長波長成分の受光強度を電気信号に変換して温度測定部２２に送信する。温度測定部２２は、ストークス成分およびアンチストークス成分を用いて、検出装置３０の延伸方向の温度分布を測定する。補正部２３は、温度測定部２２が測定した温度分布を補正する。

図３は、後方散乱光の成分を表す図である。図３で例示するように、後方散乱光は、大きく３種類に分類される。これら３種類の光は、光強度の高い順かつ入射光波長に近い順に、ＯＴＤＲ（光パルス試験器）などに使用されるレイリー散乱光、歪測定などに使用されるブリルアン散乱光、温度測定などに使用されるラマン散乱光である。ラマン散乱光は、温度に応じて変化する光ファイバ４０内の格子振動と光との干渉で生成される。強めあう干渉によりアンチストークス成分と呼ばれる短波長成分が生成され、弱めあう干渉によりストークス成分とよばれる長波長成分が生成される。

図４（ａ）は、レーザ１１による光パルス発光後の経過時間と、ストークス成分（長波長成分）およびアンチストークス成分（短波長成分）の光強度との関係を例示する図である。経過時間は、検出装置３０における伝搬距離（光ファイバ４０における位置）に対応している。図４（ａ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分の光強度は、両方とも経過時間とともに低減する。これは、光パルスが前方散乱光および後方散乱光を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ４０内を伝搬することに起因する。

図４（ａ）で例示するように、アンチストークス成分の光強度は検出装置３０において高温になる位置では、ストークス成分と比較してより強くなり、低温になる位置では、ストークス成分と比較してより弱くなる。したがって、両成分を検出器１５ａ，１５ｂで検出し、両成分の特性差を利用することによって、検出装置３０内の各位置の温度を検出することができる。なお、図４（ａ）において、極大を示す領域は、図１（ａ）においてドライヤなどで検出装置３０を意図的に加熱した領域である。また、極小を示す領域は、図１（ａ）において冷水などで検出装置３０を意図的に冷却した領域である。

本実施形態においては、温度測定部２２は、経過時間ごとにストークス成分とアンチストークス成分とから温度を測定する。それにより、検出装置３０内における各位置の温度を測定することができる。温度測定部２２は、例えば、下記式（１）に従って温度を算出することによって、検出装置３０内の各位置の温度を測定する。光量は、光強度に対応している。２つの成分の比を用いることで微弱な成分の差が強調され、実用的な値を得ることができる。なお、ゲインおよびオフセットは、検出装置３０の光ファイバ４０の仕様に依存するため、予め較正しておけばよい。
温度＝ゲイン／｛オフセット−２×ｌｎ（アンチストークス光量／ストークス光量｝｝ （１）

図４（ｂ）は、図４（ａ）の検出結果および上記式（１）を用いて算出した温度である。図４（ｂ）の横軸は、経過時間を基に算出した検出装置３０内の位置である。図４（ｂ）で例示するように、ストークス成分およびアンチストークス成分を検出することによって、検出装置３０内の各位置の温度を測定することができる。レーザ１１は、例えば一定周期で光パルスを検出装置３０に入射する。空間分解能は、光パルスのパルス幅が狭いほど向上する。他方、パルス幅が狭いほど光量が小さく（＝暗く）なるので、その分パルスの尖塔値を高くする必要が生じ、上記式のゲインが非線形となる応答に変わる。

光スイッチ１３からの検出装置３０への入射位置が第１端または第２端で固定されていれば、上記式（１）での温度測定が可能である。本実施形態のように入射位置を一定周期で第１端と第２端とで切り替える場合には、アンチストークス光量とストークス光量とを各検出装置３０の位置で平均化（平均値の算出）すればよい。この切替による方式は、「ループ式測定」や、「ダブルエンド測定」や、「デュアルエンド測定」などと呼ばれる。

続いて、検出装置３０における温度測定対象区間長と、ラマン散乱光から得られる測定温度との関係を例示する。図５は、室温約２４℃時に光ファイバの一部区間を約５５℃のお湯に浸漬した場合の応答例を示す。０．５ｍから１０．５ｍまで浸漬長を長くしていく場合に、約２ｍ以上で、ピーク温度がお湯と同じ５５℃となる。したがって、正確な温度を測定するためには、温度測定対象区間を長くすることが好ましい。

正確な湯温から正確な室温を差し引いた温度を検出装置３０への印加温度とすると、測定系の感度は下記式（２）で定義される。
感度＝（お湯浸漬位置のピーク温度−浸漬位置前後の光ファイバで測定した室温）／印加温度×１００（％） （２）

図５および上記式（２）から得られる結果を図６に示す。図６で例示するように、わずかにオーバーシュートが見られる。これは、システムのインパルス応答がガウシアンではなく、ｓｉｎｃ関数に近い負の成分および高次のピークを持つ波形のためである。感度１００％となる、もしくはみなせる最小長さを最小加熱長と称する。

図５および図６の結果から、同じ温度で同じ長さの２つの対象物に対して、最小加熱長（例えば２ｍ）よりも短く、異なる長さ（例えば、片方は１ｍ、片方は１．５）を敷設すると、異なる温度として検出されることが分かる。したがって、温度測定対象に敷設する検出装置３０の長さとしては、以下の条件が求められている。
・最小加熱長以上の長さ
・最小加熱長以上の敷設が困難な場合では、略同じ長さ

続いて、温度分布測定装置１００による温度測定対象について説明する。温度分布測定装置１００は、内部を蒸気が流動する過熱器管を温度測定対象とする。過熱器管は、例えば、発電用ボイラの過熱器管である。発電用ボイラは、主として火力発電所で用いられており、過熱器管を火炉で加熱して内部を高圧で流れる蒸気を過熱蒸気にして管寄せに集合させてタービンに送る役割を有している。

図７は、発電用ボイラ２００の概略断面図である。図７で例示するように、発電用ボイラ２００は、火炉２０１内に複数本の過熱器管２０２が配置された構造を有している。過熱器管２０２内では、蒸気が流動している。複数本の過熱器管２０２の一端は、火炉２０１の天井２０３を貫通してペントハウス２０４内の入口管寄せ２０５に接続されている。複数本の過熱器管２０２の他端は、天井２０３を貫通してペントハウス２０４内の出口管寄せ２０６に接続されている。

火炉２０１とペントハウス２０４とは、天井２０３によって間仕切りされている。それにより、入口管寄せ２０５および出口管寄せ２０６は、火炉２０１の火および熱で直接加熱されないようになっている。ペントハウス２０４は、天井２０３の上部において間仕切りされた空間である。蒸気は、入口管寄せ２０５から過熱器管２０２内に導入され、火炉２０１によって過熱され、出口管寄せ２０６に回収される。

火炉２０１内においては、過熱器管２０２が火炉２０１の火および熱で加熱される。ペントハウス２０４内においては、過熱器管２０２は、火炉２０１の熱は伝搬されるが、火で直接加熱されることはない。したがって、ペントハウス２０４内の過熱器管２０２が温度測定対象に適している。そこで、温度分布測定装置１００による温度測定対象は、ペントハウス２０４内の過熱器管２０２とする。入口管寄せ２０５および出口管寄せ２０６は、例えば有底有蓋の円筒形状を有し、互いに平行に延びている。

図８は、ペントハウス２０４内における過熱器管２０２の拡大図である。一例として、図８の例では、１４本の過熱器管２０２の一端が入口管寄せ２０５に接続され、他端が出口管寄せ２０６に接続されている。ペントハウス２０４内において入口管寄せ２０５に接続される各過熱器管２０２は、専有面積、密閉度、燃焼効率などの理由により、同一平面を構成するように列をなし、互いに平行に近接して鉛直方向に天井２０３を貫通している。各過熱器管２０２は、上方で２組に互いに離れるように拡がる。どの過熱器管２０２についても略同一の圧力損失を持たせるために、各過熱器管２０２は、入口管寄せ２０５の側面に対して放射状に接続される。この場合の放射形状は、入口管寄せ２０５の軸方向に見た場合の形状である。複数の過熱器管２０２のうち何本かは管が途中から分岐するように見えている。これは、紙面奥行き方向にずれていて、重なっているためである。

ペントハウス２０４内において出口管寄せ２０６に接続される各過熱器管２０２も、専有面積、密閉度、燃焼効率などの理由により、同一平面を構成するように列をなし、互いに平行に近接して鉛直方向に天井２０３を貫通している。各過熱器管２０２は、上方で２組に互いに離れるように拡がる。どの過熱器管２０２についても略同一の圧力損失を持たせるために、各過熱器管２０２は、入口管寄せ２０５の側面に対して放射状に接続される。この場合の放射形状は、入口管寄せ２０５の軸方向に見た場合の形状である。複数の過熱器管２０２のうち何本かは管が途中から分岐するように見える。これは、紙面奥行き方向にずれていて、重なっているためである。

上述したように、温度測定対象に敷設する検出装置３０の長さは、最小加熱長以上の長さであることが望まれる。そこで、図９（ａ）で例示するように、ベンド区間も含めて過熱器管２０２に沿って検出装置３０を敷設することが考えられる。この場合、十分な長さを確保することができるため、過熱器管２０２に接触する検出装置３０の長さが最小加熱長以上となる。

上述したように、検出装置３０は、光ファイバ４０が金属管６０によって覆われた（外装された）構造を有している。このような検出装置３０を過熱器管２０２にステンレスワイヤ２０７で部分的に結束して過熱器管２０２と密着することで、輻射、熱伝達、および熱伝導を用いて過熱器管２０２の温度を測定することができる。しかしながら、過熱器管２０２がベンドしている場合、金属管６０が柔軟であるため、金属管６０が過熱器管２０２よりも相対的に下方に位置する場合は、自重で垂れてしまう。この場合、過熱器管２０２と検出装置３０とが離間し、離間した部分の過熱器管２０２の温度と金属管６０の温度とに差が生じ、温度測定精度が低下してしまう。そこで、温度測定精度を向上させるためには、ステンレスワイヤ２０７での結束点を増やすことになる。この場合、検出装置３０の敷設作業時間が大幅に増大してしまう。以上のことから、検出装置３０をベンド部が多い箇所へ敷設することは好適ではない。

そこで、本実施形態においては、図９（ｂ）で例示するように、上下方向に直線状に延びる過熱器管２０２に沿って検出装置３０を敷設することとする。この場合、検出装置３０を過熱器管２０２に対して間隔を空けて固定しても、離間が抑制され、検出装置３０と過熱器管２０２とを密着させることができる。それにより、温度測定精度を向上させることができる。

図１０で例示するように、過熱器管２０２が直線状となるのは、複数の過熱器管２０２が集約されて天井２０３を貫通して鉛直上方に延びる集約区間Ａ、および２組に互いに離れるように拡がった後に鉛直上方に延びる拡大区間Ｂである。

拡大区間Ｂにおいて、過熱器管２０２の直線区間の長さは大小様々である。例えば、外側の過熱器管２０２は、入口管寄せ２０５または出口管寄せ２０６の上方から接続されるため、直線区間が長くなる。したがって、最小加熱長以上の直線区間を確保することができる。しかしながら、内側の過熱器管２０２は、入口管寄せ２０５または出口管寄せ２０６の下方に接続されるため、直線区間が短くなる。したがって、最小加熱長以上の直線区間を確保することが困難となる。そこで、検出装置３０を折り返して往復させることで過熱器管２０２に接触させる区間を長くすることが考えられる。しかしながら、光ファイバ４０を許容曲げ半径（以下、最小曲げ半径）よりも小さい半径で曲げると、光ファイバ４０の破断確率が増加する。温度差の大きい環境では検出装置３０が敷設される周囲の膨張収縮量も大きくなるので、破断確率はより増加する。つまり、温度差の大きい環境では、最小曲げ半径の値は大きくなる。過熱器管２０２は、普段は±２０℃程度のバラツキで運用されるが、運転の計画的な停止時等に常温になる。つまり、常温における最小曲げ半径の仕様値よりも大きな曲げ半径で敷設することが望まれる。したがって、検出装置３０を折り返さないことが望まれる。

そこで、本実施形態においては、図１０の集約区間Ａで示すように、主に過熱器管２０２の直線区間に対して検出装置３０を敷設することにする。この場合、検出装置３０の光ファイバ４０の破断を抑制しつつ、温度測定精度を向上させることができる。

次に、管寄せに対する過熱器管２０２の接続態様について説明する。図１１は、出口管寄せ２０６に接続される過熱器管２０２の接続態様を例示する模式的な斜視図である。なお、入口管寄せ２０５に接続される過熱器管２０２の接続態様も、出口管寄せ２０６に接続される過熱器管２０２の接続態様と同様である。

上述したように、複数本の過熱器管２０２が同一平面を構成するように列をなし、互いに平行に近接して配置され、出口管寄せ２０６に接続されている。この１組の過熱器管２０２をパネル２０８と称する。各パネル２０８は、出口管寄せ２０６が延びる方向において所定の間隔を空けて配置されている。各パネル２０８が並ぶ方向（管寄せが延びる方向）は、パネル方向とも称する。パネル方向は、各パネルにおいて過熱器管２０２が列をなす方向と交差し、図１１の例では直交している。

本実施形態においては、出口管寄せ２０６の一端のパネル２０８のいずれかの過熱器管２０２に沿って検出装置３０を敷設し、次に、隣接するパネル２０８の同一位置の過熱器管２０２に沿って検出装置３０を敷設する。この敷設を繰り返すことにより、出口管寄せ２０６の他端のパネル２０８の過熱器管２０２まで検出装置３０を敷設する。

図１２は、各パネルの同一位置の過熱器管２０２に対する検出装置３０の敷設態様（比較形態）を例示する図である。図１２で例示するように、検出装置３０を過熱器管２０２に対して接触させつつ下方に向かって敷設する。過熱器管２０２に対する接触区間を１〜２ｍとする。例えば、ステンレスワイヤ２０７などの固定具で検出装置３０を過熱器管２０２に固定する。次に、隣接する次のパネルの過熱器管２０２に向かって検出装置３０を延ばす。パネル間では検出装置３０は過熱器管２０２に接触しないため、当該区間を非接触区間と称する。次のパネルでは、過熱器管２０２に対して接触させつつ上方に向かって敷設する。次に、隣接する次のパネルの過熱器管２０２に向かって検出装置３０を延ばし、過熱器管２０２に対して接触させつつ下方に向かって敷設する。このように検出装置３０を敷設することで、光ファイバを急激に曲げずに、曲げ半径を大きくすることができる。それにより、光ファイバの破断を抑制することができる。

しかしながら、図１０で例示した集約区間Ａにおいては、隣接する２本の過熱器管２０２間の距離が短いため、検出装置３０が温度測定対象ではない他の過熱器管２０２の温度の影響を受けるおそれがある。この場合、温度測定精度が低下するおそれがある。また、検出装置３０の自重によって検出装置３０と過熱器管２０２とが離間する箇所が生じるおそれもある。この場合においても、温度測定精度が低下するおそれがある。

図１３は、本実施形態に係る検出装置３０の敷設構造を例示する図である。図１３で例示するように、本実施形態においては、検出装置３０は、各パネルの過熱器管２０２に対して、パネル方向の一端側（以下、手前側）、パネル方向の他端側（以下、奥側）、パネル方向の手前側、パネル方向の奥側、のように交互になるように敷設されている。したがって、隣接する２つのパネルのそれぞれの過熱器管２０２に敷設された検出装置３０は、いずれも過熱器管２０２よりも対向するパネル側に位置するか、いずれも過熱器管２０２よりも対向するパネルと反対側に位置する。言い換えると、検出装置３０の各部分のうち、複数のパネルのうち一のパネルにおいて集約区間Ａの過熱器管２０２に沿って敷設された部分を第１部分（接触区間）とし、当該一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在する部分を第２部分（非接触区間）とし、当該他のパネルにおいて集約区間Ａの過熱器管２０２に沿って敷設された部分を第３部分（接触区間）とする。この場合において、第１部分および第３部分がそれぞれが敷設された過熱器管２０２の間に位置するか、第１部分が敷設された過熱器管２０２において第１部分が当該他のパネルと反対側に位置しかつ第３部分が敷設された過熱器管において第３部分が当該一のパネルと反対側に位置するか、のいずれかとなっている。

図１４（ａ）は、検出装置３０の敷設構造の斜視図である。図１４（ｂ）は、検出装置３０をパネル方向から見た図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）で例示するように、検出装置３０は、過熱器管２０２のベンド部では、過熱器管２０２の曲げ（ベンド）方向に対して外接するように敷設されている。すなわち、検出装置３０は、過熱器管２０２の曲げ（ベンド）方向の曲率中心から見て、過熱器管２０２よりも外側（上側）に敷設されている。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、検出装置３０がパネル方向の手前側と奥側とに交互に敷設される場合を例示する図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）では、手前側のパネルでは検出装置３０が過熱器管２０２の手前側に敷設され、奥側のパネルでは検出装置３０が過熱器管２０２の奥側に敷設されている。図１５（ａ）で例示するように、過熱器管２０２の手前側とは、パネル内において、各過熱器管２０２の中心軸を通る線よりも、検出装置３０の中心軸が手前側に位置することを意味する。過熱器管２０２の奥側とは、パネル内において、各過熱器管２０２の中心軸を通る線よりも、検出装置３０の中心軸が奥側に位置することを意味する。ただし、隣接過熱器管２０２の温度の影響を抑制するためには、図１５（ｂ）で例示するように、検出装置３０は、過熱器管２０２のパネル方向の頂点に位置することが好ましい。

図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、検出装置３０が過熱器管２０２のベンド部で曲げ（ベンド）方向に対して外接する場合を例示する図である。図１６（ａ）で例示するように、検出装置３０が過熱器管２０２の手前側に配置される場合には、検出装置３０のベンド部の手前側において、過熱器管２０２の中心軸を通る線よりも、検出装置３０の中心軸が上側に位置している。また、検出装置３０が過熱器管２０２の奥側に配置される場合には、検出装置３０のベンド部の奥側において、過熱器管２０２の中心軸を通る線よりも、検出装置３０の中心軸が上側に位置している。ただし、検出装置３０の自重による検出装置３０と過熱器管２０２との離間を抑制する観点から、図１６（ｂ）で例示するように、検出装置３０は、過熱器管２０２の上側頂点に位置することが好ましい。

次に、検出装置３０がパネル方向の手前側と奥側とに交互に敷設される場合の効果について説明する。図１７は、過熱器管２０２に対する検出装置３０の敷設例を説明するための図である。図１７で例示するように、第１パネルにおいて、第１過熱器管２０２ａ、第２過熱器管２０２ｂ、第３過熱器管２０２ｃ、および第４過熱器管２０２ｄがこの順に互いに近接しつつ列をなして配置されているものとする。

第２過熱器管２０２ｂにおいては、第１過熱器管２０２ａと第２過熱器管２０２ｂとの間において第２過熱器管２０２ｂに沿って検出装置３０が敷設されている。第３過熱器管２０２ｃにおいては、第３過熱器管２０２ｃに沿って第３過熱器管２０２ｃの奥側に検出装置３０が敷設されている。

このような敷設構造において、垂直平板の自然対流熱伝達モデルを用いたシミュレーションによる温度測定を行った。各過熱器管の直径を５０ｍｍとした。検出装置３０の直径（外装のステンレス管の直径）を４．６ｍｍとした。同一パネルにおいて各過熱器管の隙間を５ｍｍとした。第１過熱器管２０２ａおよび第４過熱器管２０２ｄの温度を６５０℃とした。第２過熱器管２０２ｂおよび第３過熱器管２０２ｃの温度を５５０℃とした。この場合において、第２過熱器管２０２ｂおよび第３過熱器管２０２ｃにおいて、５５０℃に近い温度が測定されることが望まれる。

図１８は、測定温度を例示する図である。図１８において、縦軸は測定温度を示し、横軸は隣接する過熱器管表面からの距離を示す。左側のプロットは、第２過熱器管２０２ｂに敷設された検出装置３０によって測定された温度を示す。右側のプロットは、第３過熱器管２０２ｃに敷設された検出装置３０によって測定された温度を示す。図１８で例示するように、第２過熱器管２０２ｂに敷設された検出装置３０によって測定された温度は、６０６℃であった。これは、第２過熱器管２０２ｂに隣接する第１過熱器管２０２ａの温度の影響を受けたからであると考えられる。これに対して、第３過熱器管２０２ｃに敷設された検出装置３０によって測定された温度は、５５０℃であった。これは、検出装置３０がパネル方向の奥側に敷設されたことで、隣接する過熱器管の温度の影響を受けなかったからであると考えられる。このように、各パネルの過熱器管２０２に対して、パネル方向の手前側とパネル方向の奥側とに交互になるように検出装置３０を敷設することで、隣接する過熱器管の温度の影響を抑制することができる。したがって、温度測定精度を向上させることができる。

次に、検出装置３０が過熱器管２０２のベンド部で過熱器管２０２の曲げ方向に対して外接するように敷設されている場合の効果について説明する。図１９（ａ）は、検出装置３０が過熱器管２０２のベンド部で過熱器管２０２の曲げ方向に対して内接するように敷設されている場合を例示する図である。これに対して、図１９（ｂ）は、検出装置３０が過熱器管２０２のベンド部で過熱器管２０２の曲げ方向に対して外接するように敷設されている場合を例示する図である。

図１９（ａ）の例では、過熱器管２０２が鉛直方向に延びる区間において検出装置３０を１ｍにわたって密着させた。ベンド部では検出装置３０が過熱器管２０２下に敷設されるため、検出装置３０が自重によってたるむ。それにより、１０ｃｍにわたって過熱器管２０２から離間した。固定具において検出装置３０を過熱器管２０２に固定した箇所では、５ｃｍにわたって検出装置３０を過熱器管２０２に密着させた。その後、２０ｃｍにわたって検出装置３０が過熱器管２０２から離間し、固定箇所では５ｃｍにわたって検出装置３０を過熱器管２０２に密着させた。その後、隣接するパネルまでの非接触区間を５０ｃｍとした。図１９（ａ）の例では、過熱器管２０２が鉛直方向に延びる区間において検出装置３０を１ｍにわたって密着させた。ベンド部では検出装置３０は過熱器管２０２上に敷設されるため、４０ｃｍにわたって密着させることができた。その後、隣接するパネルまでの非接触区間を５０ｃｍとした。

このような敷設構造において、図５および図６を用いた応答シミュレーションによる温度測定を行った。各過熱器管の直径を５０ｍｍとした。検出装置３０の直径（外装のステンレス管の直径）を４．６ｍｍとした。同一パネルにおいて各過熱器管の隙間を５ｍｍとした。雰囲気の温度を５５０℃とした。過熱器管２０２の温度を６００℃とした。この場合において、各過熱器管２０２において、６００℃に近い温度が測定されることが望まれる。

図２０（ａ）は、図１９（ａ）の例での温度測定結果を例示する図である。図２０（ａ）で例示するように、各過熱器管２０２の温度として６００℃に近い温度が検出されたものの、非接触区間でも６００℃に近い温度が検出された。これは、検出装置３０と過熱器管２０２との密着する箇所と離間する箇所とが混在することで、温度測定の分解能が低下したからであると考えられる。

これに対して、図２０（ｂ）は、図１９（ｂ）の例での温度測定結果を例示する図である。図２０（ｂ）で例示するように、各過熱器管２０２の温度として６００℃に近い温度が検出された。さらに、非接触区間では、雰囲気温度に近い温度が検出された。これは、検出装置３０を過熱器管２０２に沿って敷設した箇所では検出装置３０と過熱器管２０２とを密着させることができたため、検出装置３０と過熱器管２０２とが密着する箇所と離間する箇所とが混在せず、温度測定の分解能が向上したからであると考えられる。このように、検出装置３０を上方の非接触区間で過熱器管２０２の曲げ方向に対して内接するように敷設することで、密着区間と離間区間とを正確に管理することができる。その結果、温度測定精度が向上し、正確な漏洩検知、寿命推定などが可能になる

ところで、高温において、光ファイバは伝送損失が増大していくことが知られている。図２１は、約７００℃での加熱実験結果を例示する図である。温度分布測定装置１００に用いるＧＩマルチモードファイバは、時間の経過とともに確かに伝送損失が増大する傾向が得られている。他方、レーザパルスの尖塔値を誘導ラマン散乱に至らない線形領域にとどめる制約などから、図１（ａ）において、１ループあたりに許容される光ファイバの伝送損失は有限である。したがって、１ループあたりの伝送損失を比較的容易に調整・設定できることが好ましい。

また、温度分布測定装置１００では、逐次増大していく伝送損失を補正しなければ、正確な温度を求めることはできない。これは、一般的に、ストークス成分とアンチストークス成分とでは波長が異なるために、生じる伝送損失の大きさに差分が生じるため、算出される温度に、当該差分に応じた差が生じてしまうためである。これを回避するためには、伝送損失が生じている箇所を挟むように、温度条件が既知の、伝送損失が生じていない箇所を有する必要があり、そのような敷設構成を有することが好ましい。

図５の例では、たとえば加熱長さ(図５では浸漬長）が５．５ｍであった場合に、９０ｍ〜９５ｍの区間および１１０ｍ〜１１５ｍの区間が常温（たとえば０℃〜４０℃）で既知であれば、仮に５．５ｍの区間で伝送損失の発生により、１００ｍ近傍と１０５ｍ近傍の温度が本来一定のはずが一定でなかったとしても、これら両端の区間により、正確な温度に補正することが可能となる、というものである。

ところで、本実施形態に係る敷設構造では、一旦、検出装置３０の先頭を管寄せの長手方向に沿うように、端部のパネルから逆の端部のパネルまで通している。このような作業を速やかに行う場合、引っ張り側と送り側が１対１であることが好ましく、そのような敷設構成を有することが好ましい。

これらの敷設構造の要件を満たす構成として、隣接列との接続構成を図２２（ａ）で例示する。図２２（ａ）で例示するように、検出装置３０は、ペントハウス２０４の壁の一部に設けられた取り出し口αからペントハウス２０４内に導入され、各パネルの過熱器管２０２に沿って敷設され、取り出し口αからペントハウス２０４外に引き出されている。この場合の検出装置３０において、ペントハウス２０４の外部に位置しペントハウス２０４内部に導入される導入部と、各パ熱の過熱器管２０２に沿って敷設され取り出し口αからペントハウス２０４外部に引き出された引出部とが、ペントハウス２０４外部において互いに結束されている。

結束された区間では、最小加熱長以上の所定の長さが同一とみなせる経路を通過し、それらは同一温度を有するとみなすことができるため、伝送損失の影響を受けない測定器に近い（上流）側に接続された検出装置３０の温度を基準として、逐次的に下流側に接続された検出装置３０の温度を補正することが可能になる。図１（ａ）の補正部２３は、結束された区間の温度が同一温度であると仮定して、温度測定部２２が測定した温度を補正する。

なお、過熱器管への敷設箇所の端部から取り出し口に至る経路において、図２２（ｂ）で例示するように、複数の位置で直接もしくは同一の構造体を間接的に経由して結束されることが好ましい。この構成では、最小加熱長以上の所定の長さが同一とみなせる経路を通過し、それらは同一温度を有するとみなすことができる。外気温と、ペントハウス２０４内の温度（たとえば４００℃）という２つの基準を設けることで、より好適な補正が可能になる。また、伝送損失が想定以上に増大した場合でも、発電所等の運転を停止することなく、ループ数を増加することで測定を継続できる。

本実施形態によれば、内部を蒸気が流動する複数本の過熱器管２０２が列をなして互いに平行に直線状に延びる集約区間Ａ（第１区間）と、複数本の過熱器管２０２が集約区間Ａから２組に離れるようにベンドして管寄せの側面に放射状に接続される拡大区間Ｂ（第２区間）とを備えるパネル２０８が、管寄せの延在方向に所定の間隔を空けて複数設けられ、各パネルにおいて複数本の過熱器管２０２が列をなす方向が管寄せの延在方向と交差している場合において、検出装置３０が、複数のパネルのうち一のパネルにおいて集約区間Ａの過熱器管２０２に沿って敷設された第１部分と、当該一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在する部分を第２部分と、当該他のパネルにおいて集約区間Ａの過熱器管２０２に沿って敷設された部分を第３部分とを有している。この場合において、第１部分および第３部分がそれぞれが敷設された過熱器管２０２の間に位置するか、第１部分が敷設された過熱器管２０２において第１部分が当該他のパネルと反対側に位置しかつ第３部分が敷設された過熱器管において第３部分が当該一のパネルと反対側に位置するか、のいずれかとなっている。この場合、検出装置３０を折り返さなくてもよいため、光ファイバ４０の破断を抑制することができる。また、隣接する過熱器管２０２の温度の影響が抑制されるため、良好な温度測定精度が得られる。良好な温度測定精度が得られることで、過熱器管２０２の破断の有無や、寿命を推定することができるようになる。

第１部分が敷設された過熱器管２０２において第１部分が当該他のパネルと反対側に位置しかつ第３部分が敷設された過熱器管２０２において第３部分が当該一のパネルと反対側に位置する場合に、ベンド区間において、過熱器管２０２のベンド方向の曲率中心から見て外接するように敷設されていることが好ましい。この構成においては、検出装置３０の自重による検出装置３０と過熱器管２０２との離間を抑制することができる。それにより、良好な温度測定精度が得られる。

図２３は、検出装置３０の製造方法を表すフローチャートを例示する図である。図２３で例示するように、いずれかのパネルにおいて、集約区間Ａの過熱器管２０２の直線区間の手前側に対して検出装置３０を敷設する（ステップＳ１）。次に、ベンド区間において、過熱器管２０２のベンド方向の曲率中心から見て外接するように検出装置３０を敷設する（ステップＳ２）。次に、上方の非接触区間を設けて、隣接するパネルの同一過熱器管２０２のベンド区間において、過熱器管２０２のベンド方向の曲率中心から見て外接するように検出装置３０を敷設する（ステップＳ３）。次に、集約区間Ａの直線区間の奥側に対して検出装置３０を敷設する（ステップＳ４）。次に、下方の非接触区間を設けて、隣接するパネルの同一過熱器管２０２の集約区間Ａの直線区間の手前側に検出装置３０を敷設する（ステップＳ５）。以下、ステップＳ２〜ステップＳ５を繰り返すことで、検出装置３０を製造することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 測定機
１１ レーザ
１２ ビームスプリッタ
１３ 光スイッチ
１４ フィルタ
１５ａ，１５ｂ 検出器
２０ 制御部
２１ 指示部
２２ 温度測定部
２３ 補正部
３０ 検出装置
４０ 光ファイバ
４１ 光ファイバガラス
４１ａ コア
４１ｂ クラッド
４２ａ カーボン層
４２ｂ ポリイミド層
４２ 被覆材
５０ セラミックス編組
６０ 金属管
１００ 温度分布測定装置
２００ 発電用ボイラ
２０１ 火炉
２０２ 過熱器管
２０３ 天井
２０４ ペントハウス
２０５ 入口管寄せ
２０６ 出口管寄せ
２０７ ステンレスワイヤ

Claims (5)

1. 内部を蒸気が流動する複数本の過熱器管が列をなして互いに平行に直線状に延びる第１区間と、前記複数本の過熱器管が前記第１区間から２組に分れるように湾曲して管寄せの側面に放射状に接続される第２区間とを備えるパネルが、前記管寄せの延在方向に複数設けられ、各パネルにおいて前記複数本の過熱器管が列をなす方向が前記管寄せの延在方向と交差している場合において、前記複数のパネルのうち一のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第１部分と、前記一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在する第２部分と、前記他のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第３部分とを有する光ファイバを備え、
   前記第１部分が敷設された前記過熱器管において前記第１部分が前記他のパネルと反対側に位置しかつ前記第３部分が敷設された前記過熱器管において前記第３部分が前記一のパネルと反対側に位置し、
   湾曲している前記過熱器官の外壁面のうち、外側の湾曲面に接するように前記光ファイバが敷設されていることを特徴とする検出装置。
2. 前記管寄せは、間仕切りされた空間の内部に配置されており、
   前記検出装置は、前記空間の外部に位置し前記空間の内部に導入される導入部と、いずれかの過熱器管に沿って敷設され前記空間から外部に引き出された引出部と、を備え、
   前記導入部と前記引出部とは、前記空間の外部において互いに結束されていることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の検出装置と、
   前記光ファイバに光を入射する光源と、
   前記光ファイバからの後方散乱光に基づいて前記光ファイバの各測定点の温度を測定する温度測定部と、を備えることを特徴とする温度分布測定装置。
4. 内部を蒸気が流動する複数本の過熱器管が列をなして互いに平行に直線状に延びる第１区間と、前記複数本の過熱器管が前記第１区間から２組に分れるように湾曲して管寄せの側面に放射状に接続される第２区間とを備えるパネルが、前記管寄せの延在方向に複数設けられ、各パネルにおいて前記複数本の過熱器管が列をなす方向が前記管寄せの延在方向と交差している場合において、前記複数のパネルのうち一のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って光ファイバの第１部分を敷設し、前記光ファイバの第２部分を前記一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在させ、前記光ファイバの第３部分を前記他のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設し、
   前記第１部分が敷設された前記過熱器管において前記第１部分が前記他のパネルと反対側に位置しかつ前記第３部分が敷設された前記過熱器管において前記第３部分が前記一のパネルと反対側に位置し、湾曲している前記過熱器官の外壁面のうち、外側の湾曲面に接するように前記光ファイバが敷設された状態とすることを特徴とする検出装置の製造方法。
5. 内部を蒸気が流動する複数本の過熱器管が列をなして互いに平行に直線状に延びる第１区間と、前記複数本の過熱器管が前記第１区間から２組に分れるように湾曲して管寄せの側面に放射状に接続される第２区間とを備えるパネルが、前記管寄せの延在方向に複数設けられ、各パネルにおいて前記複数本の過熱器管が列をなす方向が前記管寄せの延在方向と交差している場合において、前記複数のパネルのうち一のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第１部分と、前記一のパネルに隣接する他のパネルに向かって延在する第２部分と、前記他のパネルにおいて前記第１区間の前記過熱器管に沿って敷設された第３部分とを有する光ファイバを備え、
   前記第１部分および前記第３部分がそれぞれが敷設された前記過熱器管の間に位置するか、前記第１部分が敷設された前記過熱器管において前記第１部分が前記他のパネルと反対側に位置しかつ前記第３部分が敷設された前記過熱器管において前記第３部分が前記一のパネルと反対側に位置するか、のいずれかであり、
   前記管寄せは、間仕切りされた空間の内部に配置されており、
   前記検出装置は、前記空間の外部に位置し前記空間の内部に導入される導入部と、いずれかの過熱器管に沿って敷設され前記空間から外部に引き出された引出部と、を備え、
   前記導入部と前記引出部とは、前記空間の外部において互いに結束されていることを特徴とする検出装置。

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