JPH02230093A - 熱交換器のチューブリーク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、プラント運転時においても熱交換器のチュー
ブリーク検出が可能な熱交換器のチューブリーク検出装
置に関する。

（従来の技術） 従来より、発電プラントや化学プラント等では、多数の
熱交換器が用いられている。

このような熱交換器としては、胴体内に多数の加熱管を
収容し、この胴体内と加熱管内に夫々異なる温度の流体
を流通させて、加熱管を介して該加熱管の内外表面で熱
交換を行うように構成されたものがある。

この熱交換器では、熱交換器内に収容された加熱管に漏
洩（以下、チューブリーク）が発生すると、プラントの
熱効率の低下を招き、エネルギー資源の労費につながる
。また、原子力発電プラントの一部の熱交換器や、化学
プラント等の可燃性あるいは有毒性流体を扱う熱交換器
では、周囲の環境汚染や火災の危険性もある。

これらのチューブリークの原因としては加熱管のクラッ
ク、溶接部の割れ等が考えられ、これらは経年劣化によ
り発生する場合が多いことから、熱交換器完成時等の気
密あるいは耐圧試験では発見することができず、予防で
きない場合が多い。

一般にチューブリークはプラント運転中に発生進展する
が、このチューブリークは胴体外部からは視認すること
はできない。また加熱管内の流体と加熱管外の流体とが
同一成分の流体であれば、成分の分析による検出を行う
こともできない。

このようなチューブリークが発生した場合、リーク部か
ら高周波の音波が発生することが一般に知られており、
この音を現場パトロール員が検知するという方法が考え
られるが、一般にこの種の音波は大気中ではすぐ減衰す
ること、またプラントの運転中は周囲の暗騒音が大きい
こと、さらに可聴域より高い周波数成分が大きいこと等
から、人間の耳での検知が困難であるという問題があっ
た。

（発明が解決しようとする課題） このように、プラント運転中の熱交換器に発生するチュ
ーブリークを早期に発見して対処することは、プラント
の熱効率や保安上有意義であるが、従来のチューブリー
ク検出方法では、熟練者による人為的な発見以外に有効
な検出手段がなく、チューブリーク検出の信頼性向上は
望めなかった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになさ
れたもので、プラント運転時における熱交換器のチュー
ブリーク検出およびリーク発生位置同定を自動検出し、
チューブリーク検出の信頼性の向上が図れる熱交換器の
チューブリーク検出装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の熱交換器のチューブリーク検出装置は、熱交換
器内に配設された熱交換用配管のリーク発生を検出する
熱交換器のチューブリーク検出装置において、この熱交
換器の外壁に設置され、この熱交換用配管のリーク部か
ら発生するリーク音を検出する音響検出器と、この音響
検出器で検出されたリーク音情報と予め設定されたリー
ク発生がない場合の熱交換用配管の音情報とを比較しこ
の比較結果により熱交換用配管のリーク発生を判定する
リーク判定機構とを備えたことを特徴とするものである
。

また、本発明の熱交換器のチューブリーク検出装置は、
熱交換器内に配設された熱交換用配管のリーク発生部を
検出する熱交換器のチューブリーク検出装置において、
この熱交換器内部の流体に圧力波を加えて前記熱交換用
配管のリーク部から発生するリーク音を変化させる圧力
波発振器と、上記熱交換器の外壁の互いに異なる位置に
設置され、圧力波により変化したリーク音を検出する音
響検出器と、上記各音響検出器で夫々検出されたリーク
音の検出時間差に基づいて、リーク発生部の位置を判定
するリーク位置判定機構とを備えたことを特徴とするも
のである。

（作　用） 本発明は、チューブリークが発生した場合、リーク部か
ら流体が流出する際にその乱流エネルギー、衝撃波蒸発
等により振動が発生することに若目し、熱交換器の外壁
に音響センサを設置し、この音響検出器により熱交換器
内のチューブリーク部から流出する流体により発生する
音響を計測し、該検出した音ｇ情報と正常時の音響情報
とを対比することで、プラント運転中におけるチューブ
リークの自動検出および検出精度の向上を可能とし、さ
らに、熱交換器の内部流体に圧力波を発生させて、この
圧力波によりリーク部の音響を強制的に変化させこの音
響情報を複数の音響センサに到達するパルス信号の時間
差により、リーク発生管の位置およびリーク部の位置座
標の検出を可能とするものである。

（実施例） 以下、本発明を蒸気タービンプラントにおける給水加熱
器に適用した例について第１図ないし第６図を参照して
説明する。

第１図および第２図は実施例のチューブリーク検出装置
を適用した蒸気タービンプラントの給水加熱器の｛１カ
成を示す図である。第１図は、加熱管の長さ方向に対す
るリーク位置を同定するためのもので、第２図は、胴体
の軸方向に直角な断面方向に対するリーク位置を同定す
るためのものである。

円筒状の胴体１の一方端例えば図中右端には、半球状の
給水水室２が形成されており、この水室２は、胴体１の
一方端を閉塞する管板３により胴体１と隔離されている
。

この水室２内は、仕切壁４により二室に分離されており
、一方の室２ａは水室壁に設けられた給水入口５からの
給水を導入する室で、他方の室２ｂは水室壁に設けられ
た給水出口６から高温蒸気と熱交換された給水を排出す
るための室である。

また胴体１内には、Ｕ字状管である加熱管７が多数その
開放端を管板３に挿通して胴体１の軸方向に並設されて
おり、各加熱管７の開放端の一方側は水室２内の給水導
入側室２ａ内へ、そして他方端は水室２内の給水υト出
側室２ｂ内へ連絡されており、給水人口５から導入され
た給水は、水室２の給水導入側室２ａに流れ込み管板３
により支持された加熱管７を通って、水室２の給水排出
側室２ｂに流れ給水出口６から排出されるように構成さ
れている。

さらに胴体１内には、胴体１を軸方向に仕切り加熱管７
を支持するとともに、蒸気と給水とを効率良く熱交換さ
せるための仕切板８が多数配設されており、胴体１の周
壁に設けられた蒸気導入口９から導入された高温蒸気は
、各仕切阪８間で仕切られた胴体内を流通しながら加熱
管７内を流通する給水を加熱する。

一方、管板３の外周には音響検出器１０ａが、そして胴
体１の水室２との反対方向の端部外周には音響検出器１
０ｂが夫々配設されており、各音響検出器１０ａ，１０
ｂからの検出信号は夫々高周波成分だけを通すハイパス
フィルタ（ＨＰＦ）１１ａ，ｌｌｂを経て増幅器１２ａ
，１２ｂに送られ、ここで増幅された検出信号はリーク
判定機？１１７　１　３、および相互相関解析機Ｊ＋１
？　１　４に入力され、該相互相関解析機横１４からの
゛出力はリーク位置同定機構１５に送られるように構成
されている。

また、水室２には水室内にパルス状の圧力波を発振する
ための圧力波発振器（以下、パルサ）１６が設けられて
おり、該バルサ１６はリーク判定機横１３からの信号で
駆動するバルサ制御機構１７によって制御される。

第２図は第１図の給水加熱器のＡ−Ａ断面即ち軸方向に
直角な断面を示す図で、給水加熱器断面の垂直方向に音
響検出器２１ａ，２１ｂが、そして水平方向には音響検
出器２１ｃ，２１ｄが設置されており、各音響検出器２
　１　ａ　−，　２　１　ｂ　ｓ　２　１ｃ　ｓ　２　
１　ｄは第１図と同様にＨＰＦ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ
，２２ｄを経て増幅器２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ
で増幅される。そして増幅器２３ａ　ｓ　２　３　ｂで
増幅された検出信号は相互相関解析機構２４ａへ、増幅
器２３ｃ、２３ｄからの出力は同様にして相互相関解析
機構２４ｂに・人力される。

相互相関解析機構２４ａ、２４ｂからの出力はリーク管
同定機構２５に入力され、ここで７ｌｌｌｊ定した音響
情報と加熱管位置情報記ｔａ部２６に記憶された加熱管
位置情報とを比較することにより、リーク管を同定する
。

尚、増幅器２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄからの音響
出力は第１図に示したリーク判定機構１３にも送られて
おり、リーク有無の判定に用いられている。また第１図
のリーク位置同定機構１５と同様にリーク位置同定機構
２５もリーク有の判定がなされたときに動作する。

このような構成のチューブリーク検出装置のリーク検出
動作について以下に説明する。

まず、加熱管７の長さ方向に対するリーク位置を同定す
る場合の動作について説明する。

第３図に示すようにｐめ音響出力の大小によりリーク発
生を判定するためのしきい値を設定する。

この音響出力のしきい値設定方法としては、例えば過去
のリーク発生時における音響出力データから求めてもよ
いし、実験値から求めてもよい。

加熱管７にリークの発生が無い場合には、音響検出器１
０ａ、１０ｂは蒸気や給水の流れやポンプ等からの音に
よる暗騒音（ＢＣ；Ｎ）のみを計測する。従って、ＨＰ
Ｆ１１ａ，ｌｌｂ、増幅器１２ａ、１２ｂによって増幅
された信号出力は小さい。この暗騒音による音響出力が
正常時となる。

この正常時の音響出力は、予め設定したしきい値よりも
小さいため、リーク判定機構１３は、リーク発生が無い
と判定する。この場合、相互相関解｝Ｊ丁機構１４、リ
ーク位置同定機横１５、バルサ１６、パルス制御機＋Ｍ
　１　７は動作しない。

次に加熱管７にリークが発生した場合には、リーク部Ａ
の微小な隙間から、加熱管７内部の高圧水が流出し、こ
のとき数十Ｋｌｌｚから数百Ｋｌｌｚの高周波音が発生
するため、ＨＰＦ１１ａ，ｌｌｂを経て増幅器１２ａ，
１２ｂで増幅された音響出力もリーク部からの高周波音
が加算されている分たけ正常値の音響出力よりも増大し
、予め定めたしきい値を越える。

リーク判定機構１３は、入力した音響出力がしきい値を
超え場合にリーク発生ａりと判定し、パルス制御機構１
７にリーク発生信号を出力する。

そして、リーク発生信号を入力したパルス制御機構１７
は、バルサ１６を動作させ、水室２内に第４図（ａ）で
示すようなパルス状の圧力波を発生させる。

この水室２内に発生した圧力波は加熱管７内を伝播し、
リーク発生部Ａに．ｆｆ＋／Ｃ２（Ｃ２は給水中の音速
）後に到達する（第４図（ｂ））。

リーク部Ａにこの圧力波が加わることにより、瞬間的に
リーク二が増大し、リーク部Ａで発生する音響出力も増
大する。この瞬間的に大きくなった音波は加熱管７を伝
播し、音響検出器１０ａ、１０ｂに各々 △ｔａ＝ｆ２ａ／Ｃ＋ △ｔｂ　−Ｊ２ｂ　／Ｃフ　（Ｃ＋は金属内の音速）後
到達する。これをグラフ化したものが第４図（ｃ）およ
び同図（ｄ）である。

従って、相互相関解析機構１４で得られる相関関数は第
５図に示すようなピークを持ち容易に到達時間差が求め
られる。

到達時間差τ（△ｔ１）一△ｔａ）はリーク位置同定機
構１５に送られる。ここで，ｅａ　＋Ｊ２ｂは音皆検出
器１０ａ、と１０ｂの距離βＣであり、予めに記憶され
ている。従って、 ｒ＝　（ｎｂ　−Ｊ２ａ　）／Ｃ＋ βａ十，９ｂ　−Ｊ２ｃ の２式にから、βａＳＪ２ｂを求めることができ、リー
ク位置同定機構１５からは加熱管７の長さ方向のリーク
位置の同定結果が出力される。

次に、胴体１の軸方向に直角な断面方向に対するリーク
位置を同定する動作について説明する。

前述第２図で示したように、胴体中心部から十字方向の
胴体外周に設置された４ケ所の音グ検出器２１ａ，２１
ｂ，２１ｃ，２１ｄを用いて、バルサ１６からの圧力波
により瞬間的に大きくなった音響信号を検出する。

音響検出器２１ａ、２ｌｂからの検出信号は、ＨＰＦ２
２ａ，２２ｂを経て増幅器２３ａ，２３ｂで増幅された
後、相互相関解析機構２４ａに入力され、ここで到達時
間差でａか３》出される。

同様にして音響検出器２１ｃ，２１ｄからの検出信号は
、ＨＰＦ２２ｃ，２２ｄを経て増幅器２３ｃ、２３ｄで
増幅されて後、相斤柑関解析機（７，７２４ｂに入力さ
れ、ここで到達時間差τｂか算出される。

ここでは、前述したような位置の同定はできないが、例
えば音響検出器２１ａ，２ｌｂからの信号については、 τａ−（β’ａ−ｎ’ｂ）／Ｃ１ なる式が得られる。

上式から第６図で示す双曲線αが得られる。同様にして
音響検出器２１ｃ、２１ｄからの音響信号に基づいて双
曲線βが得られる。そしてこれらの双曲線の交点Ｏか、
胴体１の軸方向に直角な断面方向に対するリーク管７ａ
の位置となる。

リーク管７ａの位置同定機構２５では、予め加熱管位置
情報記憶部２６に記憶されている加熱管位置データ２５
と上記求めたリーク管位置情報とを比較して、リーク管
７ａを同定する。

尚、本実施例のようなＵ字状の加熱管７のリーク位置を
求める場合、加熱管曲部を挟んで上部側即ち下流側のリ
ーク発生か、下部側即ち上流側でのリーク発生かの判定
も必要となる。このような場合、加熱管の総延長をＬと
すると、第４図（ｂ）に示した時間遅れ△ｔ１が・ △ｔ　＋　＜Ｌ／　（２ＸＣ２　） のとき、リーク発生部Ａは加熱管曲部を挟んで上部側即
ち下流側であり、 △ｔ　１＞Ｌ／　（２ＸＣ２　） のとき、リーク発生部Ａは加熱管曲部を挟んで下部側即
ち上流側であると判定する。

また、音響検出器１０ａ、１０ｂ、２１ａ、２ｌｂ，２
１ｃ，２１ｄの取付位置については種々考えられ、例え
ば給水加熱器のように高温環境下で使用する場合には、
第７図に示すように導波棒３１を介してＦＦｆ　９検出
器３２を胴体１外周に固定して音響検出器３１を冷却す
る必要がある。パルサ１６についても同様な対処が必要
である。

このように、本実施例によればプラント運転中において
、給水加熱器のチューブリークを確実に自動検出するこ
とが可能となり、さらにリーク位置、リーク管の同定も
可能となる。

ところで、上述実施例では、加熱管の長さ方向のリーク
位置同定に２個の音響検出器を用い、リーク管同定に４
個の音ツ倹出器を用いているが、リーク管の同定には３
個でも可能であり、またさらに１個はリーク位置同定用
の検出器と兼用も可能である。従って、最低４個の検出
器で上記機能を実現することも可能である。逆に、検出
器の数を増やして、精度の向上を図ることも可能であり
、検出器の数は、検出精度や設置コスト等の条件から任
意に設定すればよい。

さらに、圧力波のパルスとしては、例えば第８図（ａ）
に示すように連続パルスでもよく、このような連続的な
パルスであれば長時間の解析が可能となり、相互相関解
析の精度が向上する。また、パルス形状としては第８図
（ｂ）のような正弦波でもよい。

さらにまた、リーク判定機構１５の音響出力のしきい値
を複数設け、各音響出力のしきい値とリーク水量との相
関関係を予め求めておけば、求めた音響出力からリーク
水二の推定も同時に行える。

尚、上述実施例では、本発明を蒸気タービンプラントの
給水加熱器に適用した例について説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、例えば復水器等他の熱
交換器でも同様に適用できることは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のチューブリーク検出装置に
よれば、プラント運転時でも熱交換器内部のチューブリ
ークの確実な自動検出およびリーク位置の同定が可能と
なり、エネルギーの節減や事故防止を図ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を蒸気タービンプラントの熱交換器に適
用した実施例の構成を示す図、第２図は第１図の胴体軸
方向に対して直角方向の断面を示す図、第３図は第１図
および第２図の音響出力の例を示す図、第４図はパルス
によるリーク位置同定方法を説明するための図、第５図
は相互相関関数を示す図、第６図はリーク管同定方法を
説明するための図、第７図は検出器取付位置の他の例を
示す図、第８図はバルサの出力の他の例を示す図である
。 １・・・・・・・・・胴体 ２・・・・・・・・・水室 ７・・・・・・・・・加熱管 １０ａ，１０ｂ・・・・・・音響検出器１１ａ，ｌｌｂ
・・・・・・ハイパスフィルタ１２ａ，１２ｂ・・・・
・・増幅器 １３・・・・・・・・・リーク判定機構ｌ４・・・・・
・・・・相互関係角７析機ｔ１″？１ｌ５・・・・・・
・・・リーク位置同定機構１６・・・・・・・・・バル
サ １７・・・・・・・・・パルス制御機構２１ａ，２ｌｂ
，２１ｃ，２１ｄ ・・・・・・音響検出器 ２　２　ａ　ｓ　２　２　ｂ　１２　２　Ｃ　％　２　
２　ｄ・・・・・・ハイパスフィルタ ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ ・・・・・・増幅器 ２４ａ，２４ｂ・・・相互関係解析装置２５・・・・・
・・・・リーク位置同定機構２６・・・・・・・・・加
熱管位置情報記憶部出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱交換器内に配設された熱交換用配管のリーク発
   生を検出する熱交換器のチューブリーク検出装置におい
   て、 前記熱交換器の外壁に設置され、前記熱交換用配管のリ
   ーク部から発生するリーク音を検出する音響検出器と、 前記音響検出器で検出されたリーク音情報と予め設定さ
   れたリーク発生がない場合の前記熱交換用配管の音情報
   とを比較しこの比較結果により前記熱交換用配管のリー
   ク発生を判定するリーク判定機構とを備えたことを特徴
   とする熱交換器のチューブリーク検出装置。
2. （２）熱交換器内に配設された熱交換用配管のリーク発
   生部を検出する熱交換器のチューブリーク検出装置にお
   いて、 前記熱交換器内部の流体に圧力波を加えて前記熱交換用
   配管のリーク部から発生するリーク音を変化させる圧力
   波発振器と、 前記熱交換器の外壁の互いに異なる位置に設置され、前
   記圧力波により変化したリーク音を検出する音響検出器
   と、 前記各音響検出器で夫々検出されたリーク音の検出時間
   差に基づいて、リーク発生部の位置を判定するリーク位
   置判定機構とを備えたことを特徴とする熱交換器のチュ
   ーブリーク検出装置。