JPH0643941A

JPH0643941A - ガス流量の広範囲制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH0643941A
Application number: JP19936992A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Aizawa; 均相澤; Masahiro Kawahara; 真博川原; Toshio Ito; 利男伊藤
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1992-07-27
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスの流量を極めて広い範囲に亘って高精度
に制御する。【構成】低流量から高流量迄、広い流量範囲に亘って
高精度の流量測定が可能な超音波パルス伝播時間逆数差
演算方式の超音波流量計をガス配管の内部に設けてガス
流量を検出すると共に、該ガス配管内を流れるガスの温
度及び圧力を検出し、該ガス流量、温度及び圧力からガ
ス流量の制御目標値を求め、前記ガス配管に配設した、
制御範囲の広い回転プラグ弁によりガス流量を調節す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス流量の広範囲制御
方法及び装置に係り、特に、焼入れ炉や焼戻し炉などの
ような加熱炉において、バーナーに供給される燃焼ガス
の流量を制御する際に用いるのに好適な、超音波パルス
の伝送時間の逆数の差を演算してガスの流量を求める超
音波流量計と、ガス配管に配設され、ガスの流量を調節
する回転プラグ弁を組み合わせて、ガスの流量を極めて
広い範囲に亘って高精度に制御することができるガス流
量の広範囲制御方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋼管の焼入れや焼戻しを連続炉で
操業する場合、事故などで鋼管の抽出を止められると、
加熱炉の燃焼ガス流量が非常に絞られた状態になり、そ
の比率は、焼入れ炉の予熱帯では例えば１：２０のガス
量となる。すなわち、ターンダウンが１／２０となる。

【０００３】また、最近の設備においては、製品の多品
種少量生産を可能とするため、製造条件も広範囲とな
り、コイル焼鈍設備などの建設にあたり、その燃焼系に
おいてターンダウンが１／２０という広範囲な制御系が
要求されることも多くなっている。

【０００４】しかし、従来の固定オリフィスを用いるガ
ス流量の測定では、流量のターンダウンは１／５が限度
であり、１／５以下のガス流量になると燃焼ガスの流量
検出ができず、その結果、ガス流量の制御が不可能にな
る等の問題があった。

【０００５】この問題を解決するため、特公昭５８−３
５４１９号で開示されているような二段オリフィスを用
いる流体制御装置によって、広いターンダウン比を得る
ことが試みられていた。すなわち、高流量用流量発信器
と低流量用流量発信器の２系統の流量発信器を用い、流
量係数の補正を行ないながら、ＤＣＳ（Ｄirect Ｃontr
ol Ｓystem ）のソフトウェアで切り替えを行なって、
広範囲の流量測定を実現することが試みられていた。

【０００６】また、例えば特開昭６２−５２８８号で開
示されているような広範囲流量計測方法を用いて、広い
ターンダウン比を得ることも試みられていた。すなわ
ち、本管に設けたオリフィスで本管流量を計測して本管
流量信号を得ると共に、ヘッダーと流体検出器の間の流
体圧力を検出した流体圧力信号及び上記本管流量信号
と、作動している流体噴出器の数から流体管路および流
体噴出器の流体抵抗を学習し、この学習による抵抗値と
上記流体圧力信号および流体噴出器数とから管流量を算
出し、その後、本管流量信号と予め設定された設定値と
を比較し、設定値以上のとき本管流量信号を選択し、設
定値以下のときは算出された管流量を選択すること等に
より、１：２０の広いターンダウン比を得ることが試み
られていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来例においては、いずれの場合も制御システム
が複雑化するうえ、狭いスペースに高流量用燃焼配管と
低流量用燃焼配管の２系統の燃焼配管を設置しなければ
ならない等、制御装置の設計から施工に至る各過程で困
難さが増大するという問題があった。また、制御装置の
保守という面でもコストが高くなるなど困難な問題が増
大していた。

【０００８】本発明は、かかる状況に鑑み、上述のよう
な従来例の問題などを解消せんとして成されたものであ
り、バーナーに供給する燃焼ガス等の流量を極めて広い
範囲に亘って高精度に制御し、加熱炉などにおける安定
燃焼を達成できるガス流量の広範囲制御方法及びその装
置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を達成するための手段】本発明は、ガス流量を制
御するに際して、ガス配管の内部に設けた超音波パルス
伝搬時間逆数差演算方式の超音波流量計で該ガスの流量
を検出すると共に、前記ガス配管内を流れるガスの温度
及び圧力を検出し、前記ガス流量、温度および圧力から
ガス流量の制御目標値を求め、前記ガス配管に配設した
回転プラグ弁を用いて前記ガス配管内を流れるガスの流
量を調節することにより、前記課題を解決したものであ
る。

【００１０】又、本発明は、ガス流量の制御装置におい
て、ガス配管の内部に設けられた超音波パルス伝搬時間
逆数差演算方式の超音波流量計と、該超音波流量計の出
力を受けて所定の流量信号に変換する流量変換器と、前
記ガス配管内を流れるガスの温度を検出する温度検出器
と、該温度検出器の出力を受けて所定の温度信号に変換
する温度変換器と、前記ガス配管内を流れるガスの圧力
を検出して所定の圧力信号に変換する圧力変換器と、前
記ガス配管に配設され、該ガス配管内を流れるガスの流
量を調節する回転プラグ弁と、前記流量変換器、前記温
度変換器、および前記圧力変換器の各出力信号を受けて
演算処理を行い、前記回転プラグ弁に開閉指令信号を送
出するコントローラとを具備し、該回転プラグ弁を用い
て前記ガス配管内を流れるガスの流量を調節することに
より、前記課題を解決したものである。

【００１１】

【作用】本発明においては、低流量から高流量迄、広い
流量範囲に亘って高精度の流量測定が可能な超音波パル
ス伝播時間逆数差演算方式の超音波流量計をガス配管の
内部に設けてガス流量を検出すると共に、該ガス配管内
を流れるガスの温度及び圧力を検出し、該ガス流量、温
度及び圧力からガス流量の制御目標値を求め、前記ガス
配管に配設した、制御範囲の広い回転プラグ弁によりガ
ス流量を調節するようにしたので、ガス流量を極めて広
い範囲に亘って高精度に制御することができる。

【００１２】即ち、通常のグローブ弁やバタフライ弁で
は、レンジアビリティが５０：１程度である。理由は、
弁の閉めきり性が悪いためである。従って、漏れを生じ
るために、その流量以下には制御できない。これに対し
て、本発明で用いた回転プラグ弁の場合は、構造上閉め
きり性がよいため、閉めきるまでの小流量を確実に制御
できるため、広範囲制御が可能である。

【００１３】なお、グローブ弁においても、１００：１
のレンジアビリティのものを特別発注すれば製作は可能
である。しかし、高価となるため金額上差を生じる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て詳細に説明する。

【００１５】図１は本実施例を説明するための流量制御
系の構成説明図であり、図中、１０は、内部を燃焼ガス
が流れる燃料配管、１２は、超音波パルスの伝搬時間の
逆数の差から演算によって燃焼ガスの流量を求める超音
波流量計、１４は、該超音波流量計１２の検出信号を受
けて、例えばディジタル信号など所定の流量信号Ｑ₀に
変換する流量変換器、１６は、燃料配管１０内を流れる
燃焼ガスの温度を検出する温度検出器、１８は、該温度
検出器１６の検出信号を受けて、例えばディジタル信号
など所定の温度信号Ｔに変換する温度変換器、２０は開
閉弁、２２は、該開閉弁２０を介して燃料配管１０内の
圧力を検出すると共に、該検出信号を例えばディジタル
信号など所定の圧力信号Ｐに変換する圧力変換器であ
る。

【００１６】また、２４は、燃料配管１０に配設され、
後述のコントローラ２６の指令信号に応じて開度を調節
する、例えば偏心型の回転プラグ弁、２６は、前記流量
変換器１４、温度変換器１８、および圧力変換器２２の
各出力信号を受けてＰＩＤ演算など所定の演算処理を行
い、前記回転プラグ弁２４に開閉指令信号を送出するコ
ントローラである。

【００１７】前記超音波流量計１２は、流れを伝わる音
の速さが、その流量によって変化することを捕えて流量
を測るものであり、超音波の送信と受信とを兼ねる１組
の送受信器１２ａ、１２ｂを燃料配管１０を挟んで取付
け、一定周期毎に送信と受信とを切換えて、その間に一
巡する超音波パルスの数を数え、その差から流量を求め
るものである。

【００１８】図２に、パルス伝搬時間逆数演算方式の流
速測定原理を示す。測定は、上流→下流、下流→上流へ
の超音波送受信を、例えば６回／１秒周期で実行して、
ほぼ連続測定することができる。

【００１９】測定される上流→下流の伝播時間 t₁は、
次式で表わされる。

【００２０】t₁＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖcos θ） …（１）

【００２１】ここで、Ｌは、超音波パルスの伝搬路長
（＝Ｄ／sin θ；Ｄは、配管内径）Ｃは、気体中の音速 θは、超音波パルス伝搬路と管軸の成す角度である。

【００２２】同じく、下流→上流の伝播時間 t₂は、次
式で表わされる。

【００２３】t₂＝Ｌ／（Ｃ−Ｖcos θ） …（２）

【００２４】従って、流体の線平均流速Ｖは、次式で表
わされる。

【００２５】Ｖ＝Ｌ／（２cos θ）｛（１／ t₁）−（１／ t₂）｝ …（３）

【００２６】この（３）式から明らかなように、伝搬時
間の逆数の差と流速との関係は一次の比例関係にあるの
で、直線性が非常に良く、低流量でも精度の良い測定が
できる。又、気体中の音速（伝搬速度）Ｃの項が消去さ
れるため、温度、圧力等に無関係となり、精度の良い測
定ができる。

【００２７】この超音波流量計１２としては、例えば、
特開昭６２−９２２３号や特開昭６２−５２４１７号に
開示されているものを用いることができる。

【００２８】前記送受信器１２ａ、１２ｂは、燃料配管
１０の、弁から十分な距離をとった、低流量から高流量
迄、精度を維持可能な場所に、図３に示すように水平に
配設されている。ここで送受信器を、配管に対して水平
方向に配設したのは、ガスのドレンの影響を防ぐためで
ある。

【００２９】図４および図５は、弁体の中心線が、その
回転軸からずれた前記偏心型回転プラグ弁２４の構成及
び動作を説明するための図であり、図４は、プラグ弁が
６０゜回転した開状態を示し、図５は、プラグ弁の回転
が零である全閉状態を示している。これらの図から明ら
かなように、上記回転プラグ弁２４は、上記コントロー
ラ２６の指令で開度が調節され、全閉状態と全開状態の
間のいずれかの開度を示すようになる。

【００３０】図６および図７は、上記回転プラグ弁２４
の固有流量特性を示す特性曲線図であり、図６におい
て、実線の特性曲線はフルポートの状態での回転プラグ
弁２４の固有流量特性を示し、破線は６０％ポートの状
態、すなわちフルポートの６０％に相当する状態での回
転プラグ弁２４の固有流量特性を示している。また、図
７は、４０％ポートの状態、すなわちフルポートの４０
％に相当する状態での回転プラグ弁２４の固有流量特性
を示している。

【００３１】尚、図６および図７において、各特性曲線
の内側が適正制御範囲、すなわち回転プラグ弁２４が正
確に流体流量を制御できる範囲を示している。

【００３２】また、上記回転プラグ弁２４の仕様は、例
えば、レンジアビリティが１：１００、流体圧力が最大
２．０メガパスカル（ＭＰａ）すなわち２０kg／cm²、
流体温度が−１００℃〜＋５００℃、流量特性が近似Ｅ
q ％とされている。

【００３３】更に、上記超音波流量計１２の仕様は、例
えば、測定方式が超音波パルス伝搬時間の逆数差演算方
式、精度がフルスケール（ＦＳ）の±２．５％、再現性
が±０．２％、流量分解能が１ｃｍ／ｓｅｃ．、測定プ
ローブ数が１測線、流量測定範囲が２０〜４００Ｎｍ₃
／ｈｒ．レンジアビリティが１：２０とされている。

【００３４】一方、図１のような構成からなる流量制御
系において、燃料配管１０内を流れる燃焼ガスは、回転
プラグ弁２４によって流量調節されてバーナー２８に供
給される。また、燃料配管１０内を流れる燃焼ガスの流
量は、超音波流量計１２によって検出され、例えばディ
ジタル信号など所定の流量信号Ｑ₀に変換されてコント
ローラ２６に送出される。燃料配管１０内を流れる燃焼
ガスの圧力は、開閉弁２０を介して圧力変換器２２で検
出され、所定のディジタル信号など所定の圧力信号Ｐに
変換されてコントローラ２６に送出される。

【００３５】同様に、燃料配管１０内を流れる燃焼ガス
の温度は温度検出器１６で検出され、温度変換器１８で
所定のディジタル信号など所定の温度信号Ｔに変換され
てコントローラ２６に送出される。尚、回転プラグ弁２
４の開度も、該回転プラグ弁２４から出力された信号と
してコントローラ２４に送出されることが多い。

【００３６】また、コントローラ２６は、流量変換器１
４、温度変換器１８、および圧力変換器２２の各出力信
号を受けてＰＩＤ演算などの所定の演算処理を行い、回
転プラグ弁２４の開度を調節する開度指令信号を回転プ
ラグ弁２４に送出する。

【００３７】具体的には、検出された流速を流量に換算
するが、流量は管の断面平均流速に断面積を乗じて求め
られる。しかし超音波流量計１２で測定される流速は、
超音波の伝搬軸（側線）の線平均流速Ｖ（m ／s ）であ
るため、断面平均流速Ｖバー（m ／s ）に換算する必要
がある。この換算式はプランテールの速度分布方程式に
より、次式で求めている。

【００３８】

【数１】

【００３９】ここで、Ｒe は、レイノズル数である。

【００４０】気体の流量Ｑ₀（ m³／Ｈ）への換算の場
合、温度、圧力の影響を補正する必要があるため、この
補正をボイル・シャールの法則により、次式で求めてい
る。

【００４１】

【数２】

【００４２】ここで、Ｓは、管の断面積（ m²）Ｔ₀は、標準状態の流体温度（Ｋ）Ｔは、使用状態の流体温度（Ｋ）Ｐ₀は、標準状態の流体圧力（mmＨ₂Ｏ、ａｂｓ）Ｐは、使用状態の流体圧力（mmＨ₂Ｏ、ａｂｓ）であ
る。

【００４３】流量換算器１４内で流量換算を行い、コン
トローラ２６では流量Ｑ₀の温度圧力補正を行って、流
量制御の流量実績値としている。制御の方法は、通常の
ＰＩ制御とすることができる。

【００４４】このようにしてコントローラ２６の指令で
開度が制御される回転プラグ弁２４により、燃料配管１
０内を流れる燃焼ガスが適正な値に流量調節されながら
バーナー２８に供給される。換言するならば、２つの自
由度をもつＰＩ演算を採用したＤＤＣ制御により、すな
わち、制御アルゴリズムに拡張性のある直接ディジタル
制御（Ｄirect Ｄigital Ｃontrol）により、燃料配管
１０内を流れる燃焼ガスが適正な値に流量調節されなが
らバーナー２８に供給される。

【００４５】図８および図９は、本実施例を連続焼鈍炉
加熱帯の燃焼ガス流量制御に適用した操業実績データを
示す図であり、図８は、燃焼ガス（いわゆるＭガス）が
最小流量のときの制御状況を示し、図９は、該燃焼ガス
が最大流量のときの制御状況を示している。また、これ
らの図において、横軸は日時を示し、縦軸は炉温（℃）
及び最大設計流量に対する百分率（％）を示している。

【００４６】図８および図９から明らかなように、最小
流量の時は定格の５％以下すなわち最大設計流量の５％
以下であっても、また、最大流量の時は定格の９０％以
上すなわち最大設計流量の９０％以上であっても、図１
の燃料配管１０内を流れる燃焼ガス（いわゆるＭガス）
が安定して制御されることが分かる。

【００４７】実際、本発明者らの実験によれば、本実施
例を連続焼鈍炉加熱帯の燃焼ガス流量制御に適用して
１：２０の広いターンダウン比を達成でき、しかも、約
２年間トラブルもなく高い信頼性を維持しながら連続焼
鈍炉加熱帯の燃焼ガス流量制御を行うことができた。

【００４８】表１は、前記従来例の２系統オリフィス方
式と本発明の実施例である超音波流量計方式について、
広範囲燃焼流量制御システムのメリットを実際に比較し
た結果を示す。

【００４９】

【表１】

【００５０】すなわち、燃焼ガス流量を制御する精度
は、前記従来例（△印）よりも本実施例（○印）の方が
優れている。また、センサや単体などのコストは、前記
従来例を１．０とすると、本実施例の場合は１．５とな
るが、工事費や制御系まで含めたコストは、前記従来例
を１．０とすると、本実施例の場合は０．８となり、全
体的なコスト面において前記従来例よりも本実施例の方
が優れている。

【００５１】更に、スペースファクタは、前記従来例で
は非常に悪かった（×印）が、本実施例では著しく改善
（◎印）されている。また、信頼性については前記従来
例と本実施例は同一であるが、保守性という面では前記
従来例（△印）よりも本実施例（○印）の方が優れてい
る。

【００５２】実際、本実施例である超音波流量計方式
は、前記従来例の２系統オリフィス方式に比して、計装
品単体では超音波流量計が高価なため高くなるが、制御
系、配管、及び工事を含めた全体的なコストでは２０％
もコストダウンとなる。また、前記従来例の２系統オリ
フィス方式に比して、精度面や保守性のみならずスペー
スファクタも良く、その結果、設計の自由度も高くなっ
て安全面でも非常に有利となる。

【００５３】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、広範囲のガス流量制御を簡単な構成で高精度に行
えるうえ、本発明は、前記従来例の２系統オリフィス方
式に比して、精度面や保守性のみならずスペース面やコ
スト面でも優れている。

【００５４】従って、本発明によれば、バーナーに供給
する燃焼ガスの流量を極めて広い範囲に亘って高精度に
制御し、安定燃焼を達成できる燃焼ガス流量の広範囲制
御が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するための構成説明図

【図２】超音波流量計の構成及び流速測定原理を説明す
るための断面図

【図３】同じく側面図

【図４】回転プラグ弁の動作を説明するための、プラグ
弁が６０゜回転した開状態を示す断面図

【図５】同じく、プラグ弁の回転が零である全閉状態を
示す断面図

【図６】フルポート（実線）及び６０％ポート（破線）
の状態での回転プラグ弁の固有流量特性を示す特性曲線
図

【図７】４０％ポートの状態での回転プラグ弁の固有流
量特性を示す特性曲線図

【図８】本実施例を連続焼鈍炉加熱帯の燃焼ガス流量制
御に適用した際の、燃焼ガスが最小流量のときの制御状
況を示す図

【図９】同じく燃焼ガスが最大流量のときの制御状況を
示す図

【符号の説明】

１０…燃料配管１２…超音波流量計１４…流量変換器１６…温度検出器１８…温度変換器２０…開閉弁２２…圧力変換器２４…回転プラグ弁２６…コントローラ２８…バーナー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス配管の内部に設けた超音波パルス伝搬
時間逆数差演算方式の超音波流量計で該ガスの流量を検
出すると共に、前記ガス配管内を流れるガスの温度及び圧力を検出し、前記ガス流量、温度および圧力からガス流量の制御目標
値を求め、前記ガス配管に配設した回転プラグ弁を用いて前記ガス
配管内を流れるガスの流量を調節することにより、前記ガスの流量を広範囲に制御することを特徴とするガ
ス流量の広範囲制御方法。
【請求項２】ガス配管の内部に設けられた超音波パルス
伝搬時間逆数差演算方式の超音波流量計と、該超音波流量計の出力を受けて所定の流量信号に変換す
る流量変換器と、前記ガス配管内を流れるガスの温度を検出する温度検出
器と、該温度検出器の出力を受けて所定の温度信号に変換する
温度変換器と、前記ガス配管内を流れるガスの圧力を検出して所定の圧
力信号に変換する圧力変換器と、前記ガス配管に配設され、該ガス配管内を流れるガスの
流量を調節する回転プラグ弁と、前記流量変換器、前記温度変換器、および前記圧力変換
器の各出力信号を受けて演算処理を行い、前記回転プラ
グ弁に開閉指令信号を送出するコントローラとを具備
し、該回転プラグ弁を用いて前記ガス配管内を流れるガスの
流量を調節することにより、ガスの流量を広範囲に制御
することを特徴とするガス流量の広範囲制御装置。