KR102466168B1 - 과열 수증기 생성 장치 - Google Patents

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KR102466168B1 KR1020160027770A KR20160027770A KR102466168B1 KR 102466168 B1 KR102466168 B1 KR 102466168B1 KR 1020160027770 A KR1020160027770 A KR 1020160027770A KR 20160027770 A KR20160027770 A KR 20160027770A KR 102466168 B1 KR102466168 B1 KR 102466168B1
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마사요시 기무라
야스히로 후지모토
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토쿠덴 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은, 과열 수증기의 온도 제어를 고속 응답으로 고정밀도로 행하는 것이며, 수증기가 접촉하는 가열 금속체를 유도 코일에 의해서 유도 가열하여, 상기 가열 금속체에 접촉하는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치로서, 상기 유도 코일에 접속되는 교류 전원의 주파수가 50Hz 또는 60Hz이며, 상기 가열 금속체에서의 상기 유도 코일측을 향하는 유도 코일측 면과 상기 수증기와 접촉하는 수증기 접촉면과의 사이의 두께가 10mm 이하이다.

Description

과열 수증기 생성 장치{SUPERHEATED STEAM GENERATOR}
본 발명은, 유도(誘導) 가열에 의해서 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치에 관한 것이다.
이 과열 수증기 생성 장치에는, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같이, 철심에 권회(卷回)된 1차 코일에 교류 전압을 인가하여, 상기 철심에 권회된 2차 코일이 되는 도체관에 유도 전류를 흘리는 것에 의해서, 해당 도체관을 흐르는 포화 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 것이 있다.
그리고, 이 과열 수증기 생성 장치에서는, 도체관으로부터 도출되는 과열 수증기의 온도를 온도 검출기에 의해 검출하여, 이 검출 온도와 목표 온도와의 편차에 따른 제어 신호를 전압 제어 소자에 입력하여 유도 코일에 인가하는 전압을 제어하고 있다. 이것에 의해서, 도체관으로부터 도출되는 과열 수증기를 소망의 온도로 제어하고 있다.
그렇지만, 종래의 과열 수증기 생성 장치에서는, 과열 수증기를 고정밀도로 제어하기 위해서 피드백 제어(PID 제어)의 PID 정수(定數)를 설정하는 정도의 것에 지나지 않는다.
특허 문헌 1 : 일본특허 제5641578호
그래서, 본원 발명자는, PID 제어의 PID 정수의 설정만에 의지하지 않고, 과열 수증기의 온도를 고속 응답으로 고정밀도로 제어할 수 있는 과열 수증기 생성 장치의 개발을 진행하고 있으며, 본 발명은, 과열 수증기의 온도 제어를 고속 응답으로 고정밀도로 행하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.
즉 본 발명에 관한 과열 수증기 생성 장치는, 수증기가 접촉하는 가열 금속체를 유도(誘導) 코일에 의해서 유도 가열하여, 상기 가열 금속체에 접촉하는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치로서, 상기 유도 코일에 접속되는 교류 전원의 주파수가 50Hz 또는 60Hz이며, 상기 가열 금속체에서의 상기 유도 코일측을 향하는 유도 코일측 면과 상기 수증기와 접촉하는 수증기 접촉면과의 사이의 두께가 10mm 이하인 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 유도 코일측 면과 수증기 접촉면과의 사이의 두께가 10mm 이하의 가열 금속체에 50Hz 또는 60Hz의 교류 전압을 인가하므로, 가열 금속체의 수증기 가열면이 되는 수증기 접촉면과, 가열 금속체의 온도 제어면이 되는 유도 코일측 면과의 온도차를 작게 할 수 있어, 가열 금속체의 수증기 접촉면의 온도 제어를 고속 응답으로 고정밀도로 행할 수 있다. 따라서, 가열 금속체에 의해 가열되는 과열 수증기의 온도를 고속 응답으로 고정밀도로 제어할 수 있다. 상세에 대해서는 후술한다.
상기 가열 금속체가, 비자성 금속인 것이 바람직하다.
일반적으로 비자성 금속은 전류 침투 깊이가 깊고, 비교적 온도가 높은 범위 뿐만 아니라 낮은 범위의 과열 증기의 생성에도 적합하다.
자성체의 자성이 남은 온도 영역에서는 전류 침투 깊이는 얕으며, 예를 들면 탄소강의 300℃·50Hz에서의 전류 침투 깊이는 8.6mm 이다.
한편으로, SUS316L에서는 전류 침투 깊이가 75.4mm로서, 두께 10mm인 내면이라도, 가열 금속체의 외면에 대해서 90% 이상의 전류 밀도를 확보할 수 있다.
그 외의 비자성인 오스테나이트계 스테인리스강이면, 내부식성 및 내열성이 높고, 전류 침투 깊이도 유사하게 깊은 특성이 있므로, 저온으로부터 고온의 넓은 온도역의 과열 수증기의 생성에는 적합하다.
상기 가열 금속체에 의해 가열되는 과열 수증기의 온도를, 목표 온도와의 편차가 ±1℃ 미만이 되도록 피드백 제어하는 온도 제어부를 구비하는 것이 바람직하다.
이 구성이면, 두께가 10mm 이하인 가열 금속체에 50Hz 또는 60Hz의 교류 전압을 인가하는 구성을 살려서 과열 수증기의 온도를 용이하게 고정밀도로 제어할 수 있다.
과열 수증기의 온도 제어는, 예를 들면 도체관 등의 가열 금속체에 공급하는 전력량 제어를 행하는 것이며, 과열 수증기가 가지는 에너지량을 제어하는 것과 등가이다. 또, 과열 수증기가 가지는 에너지를 Q로 하면, 이 Q는, 예를 들면 포화 수증기로부터 과열 수증기를 생성하는 경우에 있어서 그 온도 상승값을 Θ로 하고, 과열 수증기 발생량을 V로 하면, Q≒ΘV로 나타낼 수 있다. 따라서, PID의 각 제어 정수는 Q, 즉 ΘV의 변화에 의해서 바뀌게 된다. 이 때문에, 상기 온도 제어부가, 목표 온도 및 목표 증기 발생량에 따라 PID 정수를 설정하는 것이 바람직하다.
상기 가열 금속체에서의 상기 유도 코일측 면의 전류 밀도에 대해서, 상기 수증기 접촉면의 전류 밀도가 90% 이상이 되도록, 상기 가열 금속체의 두께가 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성이면, 가열 금속체에서의 유도 코일측 면에 대한 수증기 접촉면의 발열비가 약 80% 이상이 되고, 용이하게 고정밀도로 제어할 수 있다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 유도 코일측 면과 증기 접촉면과의 사이의 두께가 10mm 이하인 가열 금속체에 50Hz 또는 60Hz의 교류 전압을 인가하므로, PID 제어의 PID 정수의 설정만에 의지하지 않고, 과열 수증기의 온도를 고속 응답으로 고정밀도로 제어할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 과열 수증기 생성 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면.
도 2는 SUS316L를 800℃로 가열한 경우의 전류 침투 깊이를 나타내는 도면.
도 3은 과열 수증기 에너지와 각 제어 정수의 적정값와의 관계를 나타내는 그래프.
도 4는 가열 금속체의 변형예를 나타내는 단면도.
이하에 본 발명에 관한 과열 수증기 생성 장치의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 과열 수증기 생성 장치(100)는, 외부에서 생성된 포화 수증기를 가열 금속체(2)에서 가열하여, 100℃ 초과(200℃~2000℃)의 과열 수증기를 생성하는 것이다. 또, 이 과열 수증기 생성 장치(100)는, 물을 가열 금속체에서 가열하여, 포화 수증기를 생성하는 포화 수증기 생성부와, 해당 포화 수증기 생성부에 의해 생성된 포화 수증기를 가열 금속체에서 가열하여, 100℃ 초과(200℃~2000℃)의 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성부를 구비한 것이라도 좋다.
상기 가열 금속체(2)는, 유체를 흘리기 위한 내부 유로가 형성된 것이며, 구체적으로는 도체관이다. 또, 각 가열 금속체(2)를 유도 가열하는 기구는, 철심(3)과, 해당 철심(3)을 따라서 권회(卷回)된 1차 코일인 유도 코일(4)로 이루어진다. 이 유도 가열 기구의 1차 코일(4)의 외주 또는 내주 또는 1차 코일(4) 사이에, 해당 1차 코일(4)을 따라서 상기 가열 금속체(2)가 마련된다.
또, 유도 코일(4)에 교류 전압을 인가하는 교류 전원(5)의 전원 주파수는, 50Hz 또는 60Hz의 상용 주파수이다.
이와 같이 구성된 과열 수증기 생성 장치(100)에서는, 유도 코일(4)에 50Hz 또는 60Hz의 교류 전압을 인가하는 것에 의해서, 가열 금속체(2)에 유도 전류가 흘러 각 가열 금속체(2)가 줄(Joul) 발열한다. 그리고, 가열 금속체(2)의 내부 유로를 흐르는 수증기가, 가열 금속체(2)의 내면으로부터 열을 받아 가열된다.
그러나 본 실시 형태의 가열 금속체(2)인 도체관은, 비자성 금속인 SUS316L 등의 스테인리스 강관(鋼管)을 나선 모양으로 권회하는 것에 의해 형성되어 있고, 그 관벽의 두께(관 두께)는 10mm 이하로 되어 있다. 즉, 도체관(2)에서의 유도 코일(4)측을 향하는 유도 코일측 면(도체관(2)의 외면)과 수증기와 접촉하는 수증기 접촉면(도체관(2)의 내면)과의 사이의 두께가 10mm 이하로 되어 있다. 또, 상기 관벽의 두께는, 상기 유도 코일측 면과 상기 수증기 접촉면과의 최단 거리가 10mm 이하이면 좋고, 또, 10mm 이하라도, 과열 수증기 압력이나 열신변형(熱伸變形)에 견딜 수 있는 소정의 기계적 강도를 가지는 두께 이상이면 좋다.
여기서, 유도 가열에서의 피가열체(도체관)의 전류 침투 깊이 σ[m]는, 금속의 저항율 ρ[Ωㆍm]와, 비투자율(比透磁率) μ와, 전원 주파수 f[Hz]에 의해서 정해지며, 다음 식으로 나타내어진다.
Figure 112016022459586-pat00001
예를 들면, SUS316L제의 도체관이 800℃로 가열된 상태에서, 상용 주파수 50Hz에서는, 전류 침투 깊이로 불리는 표면 전류 밀도의 36.8%가 되는 깊이는, 96.5mm 이며, 고주파인 10000Hz에서는, 6.8mm 이다.
도 2는, 800℃에서의 SUS316L의 유도 전류의 전류 침투 깊이를 나타내는 그래프이며, 도체관의 1차 코일측 표면 전류 밀도를 1.0으로 했을 때의, 전류 밀도와 깊이와의 관계를 나타내고 있다.
예를 들면, 도체관이 두께 6.8mm인 관이라고 하면, 10000Hz에서는 표면에 대한 내면의 전류 밀도가 36.8%이기 때문에, 표면 발열에 대해서 내면 발열은 전류 밀도의 제곱인 13.5%가 된다.
한편, 50Hz에서는, 도체관의 내면의 전류 밀도는 약 95%이기 때문에, 표면에 대한 내면의 발열비는 약 90%가 된다.
과열 수증기를 생성시키는 것은 도체관의 내면이기 때문에, 10000Hz의 고주파에서는 표면(1)의 가열에 대해서 내면 0.135의 발열 온도를 제어해야만 하는 것에 대해, 50Hz의 상용 주파수에서는 표면(1)의 가열로 내면 0.9의 발열 온도를 제어하면 된다. 즉, 도체관의 내면 및 도체관의 외면과의 온도차가 작은 상용 주파수에서의 제어성이 우수하다.
이 과열 수증기 생성 장치(100)에서는, 도체관(2)으로부터 도출되는 과열 수증기의 온도를 온도 검출기(6)에 의해 검출하여, 이 검출 온도와 목표 온도와의 편차에 따른 제어 신호를 전압 제어 소자(7)(예를 들면 사이리스터(thyristor))에 입력하여 유도 코일(4)에 인가하는 교류 전압을 제어하고 있다. 구체적으로 이 제어를 행하는 온도 제어부(8)는, 도체관(2)에 의해 가열되는 과열 수증기의 온도를, 목표 온도와의 편차가 ±1℃ 미만이 되도록 피드백 제어한다.
이 온도 제어부(8)는, 과열 수증기의 목표 온도 및 목표 증기 발생량에 따라 PID 정수를 설정하도록 구성되어 있다. 구체적으로 온도 제어부(8)는, 과열 수증기 에너지 Q와 각 제어 정수(PID 정수)의 적정값과의 관계를 나타내는 관계 데이터를 이용하여, PID 정수를 설정한다.
여기서, 상기 관계 데이터는, 생성하는 과열 수증기량 및 생성하는 과열 수증기 온도의 조건마다 적정한 PID 정수를 취득하여 작성된 것이며, 비례 정수 Kp, 적분 정수 Ki, 미분 정수 Kd 각각의 관계식(근사식)을 나타내는 것이다. 구체적으로는 도 3에 나타내는 바와 같다.
예를 들면, Kp는 이하와 같이 나타낼 수 있다.
Kp=anQn＋a(n－1)Q(n－1)＋…＋a1Q1＋a0
여기서, an~a0는, 정수이다. 또, Ki, Kd도 마찬가지로 나타낼 수 있다.
과열 수증기 에너지 Q는 ΘV로 계산할 수 있지만, 온도 상승값 Θ는 설정 온도로부터 산출할 수 있고, 과열 수증기 발생량 V는 과열 수증기량을 설정하는 전동(電動) 비례 밸브의 밸브 개도(開度) 혹은 공급수량(供給水量) 또는 공급 포화 증기량으로부터 산출할 수 있다.
본 실시 형태의 온도 제어부(8)는, 생성하는 과열 수증기 설정 온도로부터 Θ를 산출하여, 공급하는 포화 수증기량을 제어하는 전동 비례 밸브의 밸브 개도로부터 V를 산출하여 Q를 결정하고, 그 시점에서 Kp와 Ki 및 Kd를 연산시켜 제어 정수의 설정을 행하고 있다.
이 기능은 자동 설정(오토 튜닝)되기 때문에, 운전 개시로부터 최적의 제어 정수에 의해서 온도 제어된다. 여기서, 과열 수증기 생성 장치(100)에서는, 최초로 발생시키는 과열 수증기 온도 Θ와, 과열 수증기량 V를 설정하여 운전 개시되는 것이 통상이며, 안정된 부하 상태의 운전을 행하는 것이 통상이기 때문에, 상시 Θ와 V가 변화하여 부하량이 변동하지는 않아, 제어 정수를 상시 변화시킬 필요는 없다. 또, 전동 비례 밸브를 갖지 않는 기종의 경우에는, 설정 과열 수증기량 또는 공급되는 포화 수증기의 유량을 측정하는 유량계 및 상기 포화 수증기의 온도를 측정하는 온도계로부터의 측정값으로부터 산출할 수 있다.
＜본 실시 형태의 효과＞
이와 같이 구성한 과열 수증기 생성 장치(100)에 의하면, 두께가 10mm 이하인 가열 금속체(2)에 50Hz 또는 60Hz의 교류 전압을 인가하므로, 가열 금속체(2)의 수증기 가열면이 되는 내면과, 가열 금속체(2)의 온도 제어면이 되는 외면과의 온도차를 작게 할 수 있어, 가열 금속체(2)의 내면의 온도 제어를 고속 응답으로 고정밀도로 행할 수 있다. 따라서, 가열 금속체(2)에 의해 가열되는 과열 수증기의 온도를 고속 응답으로 고정밀도로 제어할 수 있다.
특히, 두께가 10mm 이하인 가열 금속체에 50Hz 또는 60Hz의 교류 전압을 인가하는 구성에서, 목표 온도 및 목표 증기 발생량에 따라 PID 정수를 설정하고 있으므로, 과열 수증기의 온도를, 목표 온도와의 편차가 ±1℃ 미만이 되도록, 용이하게 고정밀도로 피드백 제어할 수 있다.
＜본 발명의 변형 실시 형태＞
또, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
도체관의 재질로서는, SUS316L에 한정되지 않고, 예를 들면 인코넬(inconel) 합금(JIS 합금 번호 NCF601) 등이라도 좋다. 이 인코넬 합금을 이용한 과열 수증기 생성 장치에서는, 과열 수증기량 200kg/h, 최고 증기 온도 1200℃이며, 과열 수증기 압력이나 열신변형에 견딜 수 있는 두께로, 3mm로 하고 있다.
또, 가열 금속체는, 도체관에 한정되지 않고, 예를 들면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 내부에 물 또는 수증기를 흘리는 내부 유로가 형성된 블록체라도 좋다. 이 경우에는, 가열 금속체(2)의 유도 코일측 면인 일방면(2x)과, 해당 일방면(2x)에 인접하는 내부 유로(C)의 수증기 접촉면인 내면(Cx)과의 거리가 10mm 이하가 되도록 한다. 여기서, 상기 거리는, 내면(Cx)에서의 일방면(2x)측 부분(X)과의 최단 거리(도 4 참조)이다. 또, 상기 거리를, 내면(Cx)에서의 타방면(2y)측 부분(Y)과의 최단 거리로 해도 좋고, 상기 일방면(2x)측 부분(X) 및 타방면(2y)측 부분(Y)의 사이의 부분과의 최단 거리로 해도 좋다. 또, 모든 내부 유로(C)를 통과하는 수증기를 효율 좋게 가열하기 위해서는, 상기 일방면(2x)으로부터 가장 이간한 내부 유로(C)의 내면(Cx)과의 최단 거리를 10mm 이하로 해도 좋다. 또, 복수의 금속체 요소를 서로 겹치는 것에 의해 그들 사이에 내부 유로가 형성된 것이라도 좋다.
그 외, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
100 - 과열 수증기 생성 장치 2 - 가열 금속체
3 - 철심 4 - 유도 코일
5 - 교류 전원 6 - 온도 검출기
7 - 전압 제어 소자 8 - 온도 제어부

Claims (6)

  1. 수증기가 접촉하는 가열 금속체를 유도(誘導) 코일에 의해서 유도 가열하여, 상기 가열 금속체에 접촉하는 수증기를 가열하여 과열 수증기를 생성하는 과열 수증기 생성 장치로서,
    상기 유도 코일에 접속되는 교류 전원의 주파수가 50Hz 또는 60Hz이며,
    상기 가열 금속체에서의 상기 유도 코일측을 향하는 유도 코일측 면과 상기 수증기와 접촉하는 수증기 접촉면과의 사이의 두께가 10mm 이하이고,
    상기 가열 금속체에 의해 가열되는 과열 수증기의 온도를 피드백 제어하는 온도 제어부를 구비하고,
    상기 온도 제어부가, 과열 수증기 에너지 Q를 ΘV로 계산하는 것으로, 온도 상승값 Θ를 설정 온도로부터 산출하고, 과열 수증기 발생량 V를 과열 수증기량을 설정하는 전동(電動) 비례 밸브의 밸브 개도(開度) 혹은 공급수량(供給水量) 또는 공급 포화 증기량으로부터 산출하고, 그것에 의해서 얻어진 상기 과열 수증기 에너지 Q와, 과열 수증기 에너지 및 PID 정수의 관계를 나타내는 관계 데이터를 이용하여, PID 정수(定數)를 설정하는 것인, 과열 수증기 생성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 금속체가, 비자성 금속인 과열 수증기 생성 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 제어부는, 상기 가열 금속체에 의해 가열되는 과열 수증기의 온도를, 목표 온도와의 편차가 ±1℃ 미만이 되도록 피드백 제어하는 과열 수증기 생성 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 금속체에서의 상기 유도 코일측 면의 전류 밀도에 대해서, 상기 수증기 접촉면의 전류 밀도가 90% 이상이 되도록, 상기 가열 금속체의 두께가 설정되어 있는 과열 수증기 생성 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 금속체가, 상기 수증기가 흐르는 도체관이며, 해당 도체관의 관 두께가 10mm 이하인 과열 수증기 생성 장치.
KR1020160027770A 2015-03-18 2016-03-08 과열 수증기 생성 장치 KR102466168B1 (ko)

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