JP7084155B2 - チューブリーク検知装置及びチューブリーク検知方法 - Google Patents

Description

本開示は、チューブリーク検知装置及びチューブリーク検知方法に関する。

例えば多管型熱交換器において、チューブ内を流通する水と、チューブの外側を流通するガスとが熱交換を行うことで、水を暖めることができる。チューブの外側を流通するガスが腐食性成分を含むと、チューブが腐食してチューブリークが発生してしまう場合がある。

特許文献１には、給水系統で給水を循環使用するボイラプラントにおいて、給水系統に補給される補給水量が増加したときに温度センサで計測したリーク検出個所の温度変化から、水蒸気又は水のリーク個所を検出することが記載されている。

特許第５０１９８６１号公報

しかしながら、チューブに小さな穴があいたことによるリークの場合には温度変化はわずかであるため、リークの検出が難しいといった問題点があった。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、小さなリークも検出することのできるチューブリーク検知装置及びチューブリーク検知方法を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも１つの実施形態に係るチューブリーク検知装置は、少なくとも１つのチューブ内を流通する液体と、少なくとも１つのチューブの外側を流通する流体とが熱交換することによって液体の温度を昇温させる熱交換器において、少なくとも１つのチューブのリークを検知するチューブリーク検知装置であって、少なくとも１つのチューブの入口端及び出口端のそれぞれに設けられた入口側開閉弁及び出口側開閉弁と、入口側開閉弁と出口側開閉弁との間で少なくとも１つのチューブ内の圧力を検出する圧力検出部材とを備え、入口側開閉弁と出口側開閉弁との間で少なくとも１つのチューブ内に加圧状態で密封された液体と流体とを熱交換させている状態において、圧力検出部材によって検出される圧力の変化に基づいて少なくとも１つのチューブのリークが検知される。

この構成によると、入口側開閉弁及び出口側開閉弁のそれぞれを閉止すると、チューブ内の液体の温度が流体との熱交換によって上昇し、液体の一部が気化する。チューブにリークが発生していない場合、液体の一部が気化したガスの圧力が流体との熱交換によって上昇するので、チューブ内の圧力が上昇する。しかし、チューブにリークが発生している場合、ガスの圧力が上昇するとガスがリークすることによって、チューブにリークが発生していない場合に比べてチューブ内の圧力の上昇が小さくなる。このようなチューブ内の圧力変化に基づいて、小さなリークも検出することができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのチューブのそれぞれには、入口側開閉弁と出口側開閉弁との間で少なくとも１つのチューブ内の液体又は液体が気化したガスの少なくとも一方を噴出可能に構成された安全弁が設けられていてもよい。

チューブ内の圧力上昇が早すぎると、チューブ内の圧力でチューブが破損してしまうおそれがある。しかし、この構成によると、チューブ内の圧力が高くなり過ぎた場合に、安全弁によってチューブ内の液体又はガスの少なくとも一方を噴出させて圧力を低下させることができるので、チューブが破損してしまうおそれを低減することができる。

いくつかの実施形態では、圧力検出部材による検出値を経時的に表示するためのモニタをさらに備えてもよい。

この構成によると、チューブ内の圧力変化をモニタにおいて視覚的に理解することができるので、チューブ内の圧力変化が理解しやすくなり、リークの検知が容易になる。

いくつかの実施形態では、入口側開閉弁及び出口側開閉弁がそれぞれ電磁弁であってもよい。

この構成によると、入口側開閉弁及び出口側開閉弁がリモート操作可能となるので、入口側開閉弁及び出口側開閉弁の開閉作業の作業性を向上することができる。また、モニタと組み合わせることにより、現場作業なしでチューブリーク検知装置を操作することができようになるので、リーク検知の作業性を向上することができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態に係るチューブリーク検知方法は、少なくとも１つのチューブに液体を流通させるステップと、少なくとも１つのチューブの外側に、液体よりも温度の高い流体を流通させるステップと、液体及び流体を流通させた後、少なくとも１つのチューブ内の液体を密封するステップと、少なくとも１つのチューブ内の液体を密封した後、少なくとも１つのチューブ内の圧力を検出するステップとを含み、少なくとも１つのチューブ内に加圧状態で密封された液体と流体とを熱交換させている状態において、少なくとも１つのチューブ内の圧力の変化に基づいて少なくとも１つのチューブのリークが検知される。

この方法によると、チューブ内の液体を密封すると、チューブ内の液体の温度が流体との熱交換によって上昇し、液体の一部が気化する。チューブにリークが発生していない場合、液体の一部が気化したガスの圧力が流体との熱交換によって上昇するので、チューブ内の圧力が上昇する。しかし、チューブにリークが発生している場合、ガスの圧力が上昇するとガスがリークすることによって、チューブにリークが発生していない場合に比べてチューブ内の圧力の上昇が小さくなる。このようなチューブ内の圧力変化に基づいて、小さなリークも検出することができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのチューブの入口端及び出口端のそれぞれには入口側開閉弁及び出口側開閉弁が設けられ、少なくとも１つのチューブ内の液体を密封するステップは、入口側開閉弁及び出口側開閉弁の両方を閉止することを含んでもよい。

この方法によると、チューブ内の液体の密封を簡単に行えるので、チューブリークの検知作業を容易に行うことができるようになる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのチューブ内の圧力の上限値を設定するステップと、少なくとも１つのチューブ内の圧力が上限値に達した場合に少なくとも１つのチューブ内の液体又は液体が気化したガスの少なくとも一方を少なくとも１つのチューブから噴出させるステップとをさらに含んでもよい。

チューブ内の圧力上昇が早すぎると、チューブ内の圧力でチューブが破損してしまうおそれがある。しかし、この方法によると、チューブ内の圧力が高くなり過ぎた場合に、チューブ内の液体又はガスの少なくとも一方をチューブから噴出させて圧力を低下させることにより、チューブが破損してしまうおそれを低減することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、入口側開閉弁及び出口側開閉弁のそれぞれを閉止すると、チューブ内の液体の温度が流体との熱交換によって上昇し、液体の一部が気化する。チューブにリークが発生していない場合、液体の一部が気化したガスの圧力が流体との熱交換によって上昇するので、チューブ内の圧力が上昇する。しかし、チューブにリークが発生している場合、ガスの圧力が上昇するとガスがリークすることによって、チューブにリークが発生していない場合に比べてチューブ内の圧力の上昇が小さくなる。このようなチューブ内の圧力変化に基づいて、小さなリークも検出することができる。

本開示の実施形態１に係るチューブリーク検知装置が設けられた熱交換器の構成を示す模式図である。 本開示の実施形態１に係るチューブリーク検知装置において、チューブのリークを検知する時のチューブ内の圧力変化を模式的に示すグラフである。 本開示の実施形態２に係るチューブリーク検知装置が設けられた熱交換器の構成を示す模式図である。 本開示の実施形態２に係るチューブリーク検知装置において、チューブのリークを検知する時のチューブ内の圧力変化を模式的に示すグラフである。構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
図１に示されるように、熱交換器であるエコノマイザ１は、複数のチューブ２と、複数のチューブ２を内部に含むシェル３とを備えている。チューブ２内は、ボイラへの給水が流通し、シェル３内（チューブ２の外側）は、ボイラの燃焼ガスが流通する。エコノマイザ１には、各チューブ２のリークを検知するためのチューブリーク検知装置１０が設けられている。尚、図１には５つのチューブ２が図示されているが、５つのチューブ２を備える構成に限定するものではなく、少なくとも１つのチューブ２を備えていればよい。

チューブリーク検知装置１０は、各チューブ２の入口端２ａ及び出口端２ｂのそれぞれに設けられた入口側開閉弁１１及び出口側開閉弁１２と、入口側開閉弁１１と出口側開閉弁１２との間でチューブ２内の圧力を検出する圧力検出部材である圧力センサ１３とを備えている。チューブリーク検知装置１０に必須の構成要件ではないが、チューブリーク検知装置１０は、圧力センサ１３による検出値の経時変化を表示するモニタ１４を備えていてもよい。

次に、チューブリーク検知装置１０によってチューブ２のリークを検知する動作について説明する。
エコノマイザ１において、ボイラへの給水が各チューブ２内を流通するとともにボイラの燃焼ガスがシェル３内を流通することで、給水と燃焼ガスとが熱交換して給水が加熱される。各チューブ２にリークが発生しているか否かを判定するためには、給水と燃焼ガスとが熱交換している状態で、入口側開閉弁１１及び出口側開閉弁１２の両方を閉止する。すなわち、入口側開閉弁１１と出口側開閉弁１２との間でチューブ２内に給水が密封される。

入口側開閉弁１１と出口側開閉弁１２との間でチューブ２内に密封された給水は、燃焼ガスとの熱交換によって温度が上昇していき、やがてその一部が気化する。気化したガスが燃焼ガスによってさらに加熱されると圧力が上昇する。図２に示されるように、チューブ２にリークが発生していない場合、給水の一部が気化すると、気化したガスの圧力が上昇していくため、ある時点（図２ではｔ＝ｔ_１のとき）からチューブ２内の圧力Ｐ（圧力センサ１３による検出値）が上昇していく。

一方、チューブ２にリークが発生している場合、給水の一部が気化し、気化したガスの圧力が上昇すると、気化したガスがリークすることにより、チューブ２内の圧力Ｐの上昇が抑えられる。このため、チューブ２にリークが発生している場合、図２に示されるように圧力Ｐは一定のままであるか、あるいは、チューブ２にリークが発生していない場合に比べて圧力Ｐの上昇が緩やかとなる。このようなチューブ２内の圧力Ｐの変化に基づいて、小さなリークも検出することができる。

尚、このようなチューブ２内の圧力変化は、圧力センサ１３の指示値（アナログ表示の圧力センサの場合は針が示す位置、又は、デジタル表示の圧力センサの場合は数値）の変化を観察することにより判断することができる。しかし、図２のような圧力Ｐの経時変化を表示できるモニタ１４（図１参照）を用いることにより、視覚的にチューブ２内の圧力Ｐの変化を理解することができる。特に、モニタ１４を用いることにより、リークのないチューブ２内の圧力Ｐの変化とリークのあるチューブ２内の圧力Ｐの変化を視覚的に比較することができる。このため、モニタ１４を用いることによって、チューブ２内の圧力Ｐの変化が理解しやすくなり、リークの検知が容易になる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係るチューブリーク検知装置について説明する。実施形態２に係るチューブリーク検知装置は、実施形態１に対して、チューブリーク検知の動作時にチューブの破損を防止するようにしたものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３に示されるように、各入口側開閉弁１１と各出口側開閉弁１２との間と、各出口側開閉弁１２の下流側とボイラとをつなぐ配管４とを連結するようにバイパス配管５が設けられ、バイパス配管５のそれぞれに安全弁２０が設けられている。安全弁２０は、任意に設定された上限値にチューブ２内の圧力が達したときにチューブ２内の給水又は水蒸気の少なくとも一方を噴出可能に構成されている。チューブ２から噴出された給水又は水蒸気の少なくとも一方は、バイパス配管５を介して配管４に流入するようになっている。その他の構成は実施形態１と同じである。尚、実施形態１と同様に実施形態２においても、モニタ１４はチューブリーク検知装置１０の必須の構成要件ではない。

実施形態２に係るチューブリーク検知装置１０がチューブ２のリークを検知する動作は実施形態１と同じである。ただし、リークのないチューブ２では、実施形態１と同様にチューブ２内の圧力Ｐが上昇するので、その上昇速度が早すぎて出口側開閉弁１２を開ける動作が遅くなると、チューブ２が圧力Ｐによって破損してしまうおそれがある。

しかし、実施形態２では、チューブ２を破損させないための圧力の上限値を予め決めておき、この上限値で開く安全弁２０が設けられている。そうすると、図４に示されるように、チューブ２内の圧力Ｐの上昇が早すぎて出口側開閉弁１２を速やかに開けることができずに、圧力Ｐが上限値Ｐ_ｈに達すると（図４ではｔ＝ｔ_２のとき）、安全弁２０が開くことにより、給水又は水蒸気の少なくとも一方がチューブ２から噴出してチューブ２内の圧力Ｐが低下するので、チューブ２の破損を防止できる。

実施形態１及び２のそれぞれでは、熱交換器を、ボイラで使用されるエコノマイザ１として説明したが、チューブ２内を液体が流通して液体が加熱される熱交換機であれば、どのような用途の熱交換器であってもよい。したがって、チューブ２の外側を流通する流体も、熱交換器の用途に応じた任意の流体であってもよい。

実施形態１及び２のそれぞれにおいて、モニタ１４を用いるとともに、入口側開閉弁１１及び出口側開閉弁１２のそれぞれをリモート操作可能な電磁弁とすることにより、現場作業なしでチューブリーク検知装置１０を操作することができようになるので、リーク検知の作業性を向上することができる。また、モニタ１４がない場合でも、入口側開閉弁１１及び出口側開閉弁１２のそれぞれが電磁弁の場合、それらの開閉作業の作業性を向上することができる。

尚、実施形態１の構成において入口側開閉弁１１及び出口側開閉弁１２のそれぞれをリモート操作可能な電磁弁とした場合、チューブ２内の圧力の上限値で出口側開閉弁１２を開くように設定することで、実施形態２のような安全弁２０を設けた場合と同様の効果を得ることができる。また、実施形態２の構成において入口側開閉弁１１及び出口側開閉弁１２のそれぞれをリモート操作可能な電磁弁とした場合、チューブ２内の圧力Ｐの上限値Ｐ_ｈよりも低い第２上限値で出口側開閉弁１２を開くように設定することで、出口側開閉弁１２と安全弁２０との２段階でチューブ２の破損を防止することができる。

１ エコノマイザ（熱交換器）
２ チューブ
２ａ （チューブの）入口端
２ｂ （チューブの）出口端
３ シェル
４ 配管
５ バイパス配管
１０ チューブリーク検知装置
１１ 入口側開閉弁
１２ 出口側開閉弁
１３ 圧力センサ（圧力検出部材）
１４ モニタ
２０ 安全弁

Claims (7)

1. 少なくとも１つのチューブ内を流通する液体と、前記少なくとも１つのチューブの外側を流通する流体とが熱交換することによって前記液体の温度を昇温させる熱交換器において、前記少なくとも１つのチューブのリークを検知するチューブリーク検知装置であって、
   前記少なくとも１つのチューブの入口端及び出口端のそれぞれに設けられた入口側開閉弁及び出口側開閉弁と、
   前記入口側開閉弁と前記出口側開閉弁との間で前記少なくとも１つのチューブ内の圧力を検出する圧力検出部材と
   を備え、
   前記入口側開閉弁と前記出口側開閉弁との間で前記少なくとも１つのチューブ内に加圧状態で密封された前記液体と前記流体とを熱交換させている状態において、前記圧力検出部材によって検出される圧力の変化に基づいて前記少なくとも１つのチューブのリークが検知されるチューブリーク検知装置。
2. 前記少なくとも１つのチューブのそれぞれには、前記入口側開閉弁と前記出口側開閉弁との間で前記少なくとも１つのチューブ内の液体又は該液体が気化したガスの少なくとも一方を噴出可能に構成された安全弁が設けられている、請求項１に記載のチューブリーク検知装置。
3. 前記圧力検出部材による検出値を経時的に表示するためのモニタをさらに備える、請求項１または２に記載のチューブリーク検知装置。
4. 前記入口側開閉弁及び前記出口側開閉弁がそれぞれ電磁弁である、請求項１～３のいずれか一項に記載のチューブリーク検知装置。
5. 少なくとも１つのチューブに液体を流通させるステップと、
   前記少なくとも１つのチューブの外側に、前記液体よりも温度の高い流体を流通させるステップと、
   前記液体及び前記流体を流通させた後、前記少なくとも１つのチューブ内の液体を密封するステップと、
   前記少なくとも１つのチューブ内の液体を密封した後、前記少なくとも１つのチューブ内の圧力を検出するステップと
   を含み、
   前記少なくとも１つのチューブ内に加圧状態で密封された前記液体と前記流体とを熱交換させている状態において、前記少なくとも１つのチューブ内の圧力の変化に基づいて前記少なくとも１つのチューブのリークが検知されるチューブリーク検知方法。
6. 前記少なくとも１つのチューブの入口端及び出口端のそれぞれには入口側開閉弁及び出口側開閉弁が設けられ、
   前記少なくとも１つのチューブ内の液体を密封するステップは、前記入口側開閉弁及び前記出口側開閉弁の両方を閉止することを含む、請求項５に記載のチューブリーク検知方法。
7. 前記少なくとも１つのチューブ内の圧力の上限値を設定するステップと、
   前記少なくとも１つのチューブ内の圧力が前記上限値に達した場合に前記少なくとも１つのチューブ内の前記液体又は該液体が気化したガスの少なくとも一方を前記少なくとも１つのチューブから噴出させるステップと
   をさらに含む、請求項５または６に記載のチューブリーク検知方法。
   

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