WO2015119139A1 - 流速計測方法および流速計測システム - Google Patents

流速計測方法および流速計測システム Download PDF

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WO2015119139A1
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pipe
flow velocity
predetermined portion
temperature
temperature distribution
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梅沢　修一
勝彦 田中
雅樹 横坂
亮二 宮内
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東京電力株式会社
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow

Definitions

  • the present invention relates to a flow velocity measurement method and a flow velocity measurement system.
  • This application claims the priority based on Japanese Patent Application No. 2014-021298 for which it applied to Japan on February 6, 2014, and uses the content here.
  • One embodiment of the present invention provides a flow velocity measurement method and a flow velocity measurement system capable of accurately measuring the flow velocity of steam flowing in a pipe from the outside.
  • the flow velocity measuring method performs heat exchange at a predetermined portion of the surface of the pipe and measures the temperature distribution of the surface in the tube axis direction of the pipe at which heat exchange is performed at the predetermined portion. And determining the flow velocity of the thermal fluid flowing inside the pipe based on the measured temperature distribution.
  • the heat exchange may include heating the predetermined portion.
  • measuring the temperature distribution may include measuring the temperature of the surface of the pipe at the predetermined portion, upstream of the predetermined portion, and downstream of the predetermined portion.
  • measuring the temperature distribution may include measuring temperatures at a plurality of locations in the circumferential direction of the pipe.
  • measuring the temperature distribution may further include measuring an average value of the temperatures at the plurality of locations.
  • the heat exchange may include heat exchange at a predetermined portion of the surface of the pipe using a ring-shaped heater.
  • the pipe may be one in which at least one of the predetermined portion, the upstream side of the predetermined portion, and the downstream side of the predetermined portion is covered with a heat insulating material.
  • determining the flow velocity of the thermal fluid may include determining the flow velocity of the thermal fluid that is steam.
  • the flow velocity measurement system includes a heat exchanger that exchanges heat with a predetermined portion of a surface of a pipe, and the surface of the pipe that is heat-exchanged with the heat exchanger at the predetermined portion in the pipe axis direction.
  • a temperature measurement unit that measures the temperature distribution of the thermal fluid
  • a flow rate calculation unit that calculates a flow rate of the thermal fluid flowing through the pipe based on the measured temperature distribution.
  • the heat exchanger may be a heating device.
  • the heating device may be a ring heater.
  • the temperature measurement unit may measure the temperature of the surface of the pipe at the predetermined portion, upstream of the predetermined portion, and downstream of the predetermined portion.
  • the temperature measuring unit may measure a plurality of temperatures in the circumferential direction of the pipe.
  • the flow velocity calculation unit may calculate the flow velocity of the thermal fluid that is steam.
  • the figure which shows schematic structure of the flow-velocity measurement system which concerns on this embodiment The figure which shows the principal part structure of the flow velocity measurement system which concerns on this embodiment.
  • the flow velocity measurement system is a system capable of measuring the flow velocity of a thermal fluid (for example, steam) flowing in a pipe disposed between a steam production apparatus such as a boiler and a load facility, for example.
  • a thermal fluid for example, steam
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a flow velocity measuring system according to this embodiment.
  • 2A to 2C are diagrams showing a main configuration of the flow velocity measurement system according to the present embodiment.
  • the flow velocity measurement system 100 includes a heating unit (heat exchanger) 2, a temperature measurement unit 3, and a control unit (flow velocity calculation unit) 4.
  • a pipe 10 is disposed between a steam production apparatus 20 (such as a boiler) and a load facility 30. Steam from the steam production apparatus 20 flows through the pipe 10 and is sent to the load facility 30. In the load facility 30, steam or steam heat is used. The steam discharged from the load facility 30 is collected as a drain, collected in a return water tank (not shown), and then supplied again to the steam production apparatus 20.
  • the heating unit 2 is for heating a predetermined portion by exchanging heat with the surface 10a of the pipe 10.
  • the heating part 2 is comprised, for example from the ring-shaped heater, and is arrange
  • the heating part 2 heats the surface 10a of the said piping 10 uniformly in the predetermined part (installed part 11 of the said heating part 2) of the piping 10.
  • the heating unit 2 is electrically connected to the control unit 4 and its operation is controlled.
  • the temperature sensor group 3A is disposed on both sides (upstream and downstream) of the installation portion 11 of the heating unit 2 on the surface 10a of the pipe 10.
  • Each temperature sensor group 3 ⁇ / b> A has an installation position determined according to the distance from the installation portion 11. For example, taking the upstream side of the installation part 11 as an example, each temperature sensor group 3A has a distance from the end face of the installation part 11 of 0 mm, 6 mm, 14 mm, 24 mm, 36 mm, 50 mm, 66 mm, 84 mm, 104 mm, 126 mm, It is installed at 150mm and 176mm.
  • the distance from the end face of the installation portion 11 being 0 mm means that the temperature sensor group 3 ⁇ / b> A is arranged along the end face of the heating unit 2.
  • FIG. 2B as the cross-sectional structure of the pipe 10, the vicinity of the downstream end face of the installation portion 11 (cross section taken along the line AA) is illustrated, and in FIG. The cross section taken along the line BB is shown.
  • the temperature sensor group 3A is arranged so that the distance between adjacent temperature sensor groups 3A increases by 2 mm as the distance from the installation portion 11 increases. Therefore, in the temperature sensor group 3A, the sensors are more densely arranged closer to the installation portion 11 (heating unit 2). Thereby, it is possible to accurately detect the temperature of the surface 10a of the pipe 10 in the vicinity of the installation portion 11.
  • the temperature measuring unit 3 includes a plurality (for example, 12 in this embodiment) of temperature sensor groups 3A.
  • Each temperature sensor group 3 ⁇ / b> A is arranged on the surface 10 a of the pipe 10 along the pipe axis direction of the pipe 10.
  • Each temperature sensor group 3 ⁇ / b> A includes a plurality of temperature sensors 3 a that measure the temperature of the surface 10 a of the pipe 10.
  • each temperature sensor group 3A includes four temperature sensors 3a.
  • the four temperature sensors 3a are equally arranged in the circumferential direction on the surface 10a of the pipe 10. That is, the four temperature sensors 3a are arranged so that their positions are different by 90 degrees in the circumferential direction of the pipe 10.
  • Each temperature sensor group 3A outputs an average value of values measured by the four temperature sensors 3a as a measured value. As described above, the temperature sensor group 3A can output a highly reliable measurement result (temperature) by using an average of values obtained by measuring a plurality of locations on the surface 10a of the pipe 10 as a measurement value.
  • the temperature measurement unit 3 can measure the temperature distribution of the surface 10a in the pipe axis direction of the pipe 10 from the measurement result of each temperature sensor group 3A. The temperature distribution measured by the temperature measuring unit 3 is transmitted to the control unit 4.
  • the pipe 10 has at least a part of the surface 10 a covered with a heat insulating material 12.
  • the heat insulating material 12 is installed over the tube axis direction so as to cover the heating unit 2 and the temperature measurement unit 3 (each temperature sensor 3 a) provided on the surface of the pipe 10.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the control unit 4.
  • the computing device 50 is, for example, a computer system.
  • the control unit 4 includes an input device 60 and a display device (output device) 64 in addition to the calculation device 50.
  • the calculation device 50 includes a converter 61 such as an A / D converter, a CPU (arithmetic processing means) 62, a memory 63, and the like.
  • Measurement data (temperature distribution) sent from the temperature measurement unit 3 of the flow velocity measurement system 100 is converted by the converter 61 or the like as necessary, and is taken into the CPU 62.
  • initial setting values, temporary data, and the like are taken into the computing device 50 via the input device 60 and the like.
  • the display device 64 can display information about input data, information about calculation, and the like.
  • the CPU 62 can calculate the flow velocity of the steam flowing in the pipe 10 based on the measurement data and the information stored in the memory 63. For example, the CPU 62 uses the measurement result of the temperature measurement unit 3 (temperature distribution of the pipe 10), and calculates the flow velocity of the steam flowing through the pipe 10 from the information stored in the memory 63 as described later. That is, the control unit 4 constitutes a flow velocity calculation unit that calculates the flow velocity of the steam flowing inside the pipe.
  • the flow velocity measurement system 100 and its measurement method are characterized in that the heat transfer in the pipe changes according to the flow velocity of the fluid flowing in the pipe, and the heat applied to the surface of the pipe in accordance with the change in the pipe heat transfer has a temperature distribution. It focuses on the points that are generated.
  • the following equation (1) is a Dittus-Boelter equation.
  • the following formula (2) is a formula indicating the Nusselt number.
  • the following expression (3) is an expression indicating the Prandtl number.
  • the following expression (4) is an expression indicating the Reynolds number.
  • di Inner diameter of pipe (m) ⁇ : thermal conductivity (W / m / K) ⁇ : Kinematic viscosity coefficient (m 2 / s) ⁇ : fluid density (kg / m 3 ) Cp: Specific heat (KJ / Kg / K) u: Flow velocity of fluid in pipe (m / s) ⁇ i: Heat transfer coefficient inside the pipe (w / m 2 ⁇ K)
  • FIG. 4 shows the calculation result of the heat transfer coefficient ⁇ i in the pipe from the above formulas (1) to (4) when the pipe fluid (fluid flowing in the pipe) is steam and water. It is the table
  • the fluid in the pipe was saturated steam with a pressure of 800 kPa, and the di (inner diameter of the pipe) was 0.1 m.
  • the heat transfer coefficient ⁇ i of steam is about 191 and the heat transfer coefficient ⁇ i of water is about 39604. That is, when the heat transfer coefficient ⁇ i of steam is 1, the heat transfer coefficient ⁇ i of water is 207.28 with respect to the steam. It can be seen that steam has a sufficiently small heat transfer coefficient compared to water. Therefore, it can be seen that it is very difficult to measure the temperature change on the outside (surface) of the pipe due to the change in the way the heat of the internal steam is transferred when the steam flow rate changes.
  • the heat transfer coefficient ⁇ i in the pipe is proportional to the 0.8th power of the flow velocity u of the fluid in the pipe.
  • the heat transfer coefficient ⁇ i in the pipe can be regarded as the ease of heat transfer from the inside to the outside in the pipe in the pipe fluid (hereinafter also referred to as pipe heat transfer).
  • a steel material used as a constituent material of piping has a sufficiently large heat transfer in the tube axis direction compared to heat transfer in the tube by a fluid. This is particularly noticeable in the case of steam. Therefore, for example, when heat is applied to the surface of the pipe, the applied heat is conducted not in the inner side (radial direction) but mainly in the direction along the pipe surface (the pipe axis direction).
  • the heat applied to the surface of the pipe is transmitted to the inside of the pipe.
  • the amount of heat transfer to the inside of the pipe is affected by the magnitude of the pipe heat transfer described above. That is, when the heat transfer in the pipe is relatively large (when the flow rate of the fluid in the pipe is high), heat is easily transferred to the inside of the pipe, so that the heat applied to the surface of the pipe is transferred to the inside of the pipe. Therefore, the knowledge that the temperature distribution on the surface of the pipe does not spread in the pipe axis direction was obtained.
  • the present inventors have found that when a pipe is heated from the outside, the flow velocity of the fluid flowing in the pipe can be estimated based on the temperature distribution generated in the pipe axis direction.
  • the flow velocity measurement system and flow velocity measurement method were completed.
  • the control unit 4 drives the heating unit 2 to heat the surface 10a of the pipe 10 (first step). Subsequently, the control unit 4 starts supplying steam from the steam production apparatus 20 to the load facility 30 via the pipe 10. In the pipe 10, the heat transfer coefficient in the pipe changes in the radial direction due to the flow of steam.
  • the temperature measuring unit 3 measures the temperature of the pipe 10 in the tube axis direction. Specifically, the temperature measurement unit 3 measures the temperature distribution of the surface 10a in the tube axis direction of the pipe 10 by each temperature sensor group 3A (second step).
  • a method of controlling the initial temperature of the heating unit 2 to be constant and a method of keeping the heat input from the heating unit 2 constant are conceivable. Since the temperature difference (temperature distribution) can be increased by a method in which the heat input from the heating unit 2 is constant, measurement sensitivity can be improved.
  • the control unit 4 acquires, for example, data from which the temperature distribution on the surface 10a of the pipe 10 as shown by the solid line in FIG.
  • the case where the temperature distribution does not spread in the tube axis direction as described above is due to the fact that the heat transfer in the tube is increased due to the high flow velocity of the steam, and the heat applied by the heating unit 2 is transmitted to the inside of the pipe 10.
  • control unit 4 acquires data in which the temperature distribution on the surface 10a of the pipe 10 as shown by the broken line in FIG. 5 is relatively expanded in the pipe axis direction.
  • the case where the temperature distribution spreads in the direction of the tube axis as described above is due to the fact that the heat transfer in the tube becomes low due to the slow flow rate of the steam, and the heat applied by the heating unit 2 is transferred to the outside of the pipe 10.
  • the measurement result (temperature distribution data) by the temperature measuring unit 3 is sent to the control unit 4.
  • the control unit 4 calculates the flow velocity of the steam flowing in the pipe 10 from the information stored in the memory 63 (see FIG. 3) using the measurement data of the temperature distribution of the pipe 10 (third step).
  • the control unit 4 reads the above information stored in the memory 63 and compares the measured value of the temperature distribution of the pipe 10 with the steam corresponding to the actually measured temperature distribution (measurement result of the temperature measuring unit 3). Can be calculated.
  • the amount of heat entering the mesh is input by heat conduction from the heating unit 2 for the first mesh and from the steel material of the next mesh for the next mesh.
  • the amount of heat coming out of the mesh is generated by heat transfer to the steam flow in the pipe in each mesh.
  • the temperature distribution is obtained by calculating the heat balance for each mesh and the convergent calculation as the heat output from the heating unit 2 to the steam.
  • the calculation conditions for the temperature distribution were an initial temperature of 50 ° C. for both the steam flow rate of 10 m / s and the steam flow rate of 5 m / s. At this time, the heat input at a steam flow rate of 10 m / s is 118.9 W per unit cell, and the heat input at a steam flow rate of 5 m / s is 88.4 W per unit cell.
  • the data shown in the graph of FIG. 6 (data indicating the relationship between the flow velocity of the steam and the temperature distribution) can be acquired by such a calculation simulation.
  • the memory 63 stores various data acquired by appropriately changing the above-mentioned calculation simulation conditions (flow velocity, pipe thickness, steam pressure, pipe material, inner diameter, outer shape, etc.).
  • the control unit 4 compares the measurement result (temperature distribution) by the temperature measurement unit 3 as shown in FIG. 5 with a large number of data as shown in FIG.
  • the flow velocity is obtained as the flow velocity of the steam flowing inside the pipe 10.
  • the steam flow velocity can be obtained based on the temperature distribution generated on the surface 10a of the pipe 10 without using the steam temperature, which is an internal fluid that cannot be directly measured. it can. Therefore, the flow velocity of the steam can be obtained easily and accurately from the outside of the pipe 10.
  • steam which flows through the inside of piping as a thermal fluid
  • this invention is not limited to this, When measuring the flow velocity of the hot water which flows through the inside of piping. Is also applicable.
  • the fluid flowing in the pipe may be chlorofluorocarbon, ammonia, LNG (Liquefied Natural ⁇ Gas) or the like, and the present invention is also applicable when measuring the flow velocity of these fluids.
  • the heating part 2 was illustrated as a heat exchanger which heat-exchanges with the piping 10, this invention is not limited to this.
  • a cooler that cools the surface 10a of the pipe 10 may be used, and the flow velocity of the steam flowing in the pipe 10 based on the temperature distribution generated in the pipe axis direction of the pipe 10 by cooling. May be measured.
  • condensation may occur, and therefore it is necessary to consider it when calculating the heat transfer coefficient.

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Abstract

本発明の一態様の流速計測方法は、配管の表面の所定部分で熱交換を行うことと、所定部分で熱交換が行われた配管の管軸方向における表面の温度分布を計測することと、計測した温度分布に基づいて、配管の内部を流れる熱流体の流速を求めることと、を備える。

Description

流速計測方法および流速計測システム
　本発明は、流速計測方法および流速計測システムに関する。
　本願は、２０１４年２月６日に日本に出願された特願２０１４－０２１２９８に基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、配管内を流れる流体の流量を計測する手法として、配管表面の上流および下流に設置した２つの温度センサーにより配管内を流れる流体の温度変化を検出し、その際の時間差に基づいて配管内を流れる流体の流速等を求める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　上記従来技術を蒸気の流速計測に適用すると、精度良く計測を行うことができない場合があった。これは、蒸気は水に比べて熱伝達が大幅に低いため、配管内を流れる蒸気の熱が配管表面に伝わらず、温度センサーによって温度が良好に検出できないからである。そこで、配管の外部から内部を流れる蒸気の流速を精度良く計測可能な新たな技術の提供が望まれていた。
特開２０１０－２６１８２６号公報
　本発明の一態様は、外部から配管内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することが可能な流速計測方法および流速計測システムを提供する。
　本発明の第１態様の流速計測方法は、配管の表面の所定部分で熱交換を行うことと、前記所定部分で熱交換が行われた前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測することと、計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の内部を流れる熱流体の流速を求めることと、を備えてよい。
　上記第１態様において、前記熱交換を行うことは、前記所定部分を加熱することを備えてよい。
　上記第１態様において、前記温度分布を計測することは、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測することを備えてよい。
　上記第１態様において、前記温度分布を計測することは、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測することを備えてよい。
　上記第１態様において、前記温度分布を計測することは、前記複数個所の温度の平均値を計測することをさらに備えてよい。
　上記第１態様において、前記熱交換を行うことは、リング状のヒーターを用いて前記配管の表面の所定部分で熱交換を行うことを備えてよい。
　上記第１態様において、前記配管として、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側の少なくともいずれかが保温材で覆われたものを用いてよい。
　上記第１態様において、前記熱流体の流速を求めることは、蒸気である熱流体の流速を求めることを備えてよい。
　本発明の第２態様の流速計測システムは、配管の表面の所定部分と熱交換を行う熱交換器と、前記所定部分で前記熱交換器と熱交換された前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測する温度計測部と、計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の内部を流れる熱流体の流速を算出する流速算出部と、を備えてよい。
　上記第２態様において、前記熱交換器が加熱装置であってよい。さらに、前記加熱装置は、リング状のヒーターであってよい。
　上記第２態様において、前記温度計測部は、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測してよい。
　上記第２態様において、前記温度計測部は、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測してよい。
　上記第２態様において、前記流速算出部は、蒸気である前記熱流体の流速を算出してよい。
　この流速計測方法及び流速計測装置によれば、外部から配管内を流れる蒸気の流速を精度良く計測することができる。
本実施形態に係る流速計測システムの概略構成を示す図。 本実施形態に係る流速計測システムの要部構成を示す図。 本実施形態に係る流速計測システムの要部構成を示す図。 本実施形態に係る流速計測システムの要部構成を示す図。 本実施形態に係る制御ユニットを示す模式図。 本実施形態に係る配管の内部における熱伝達率を計算で求めた結果を示した表。 本実施形態に係る温度計測部による計測結果から取得される温度分布を示す図。 本実施形態に係る計算シミュレーションで求められた蒸気の流速および温度分布の関係を示す図。
　以下、本発明のいくつかの実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る流速計測システムは、例えば、ボイラーなどの蒸気製造装置と負荷設備との間に配設される配管内を流れる熱流体（例えば、蒸気）の流速を計測可能なシステムである。
　図１は本実施形態に係る流速計測システムの概略構成を示す図である。図２Ａ～図２Ｃは、本実施形態に係る流速計測システムの要部構成を示す図である。
　本実施形態に係る流速計測システム１００は、図１に示すように、加熱部（熱交換器）２と、温度計測部３と、制御ユニット（流速算出部）４と、を含む。図１において、配管１０は、蒸気製造装置２０（ボイラーなど）と負荷設備３０との間に配設されている。蒸気製造装置２０からの蒸気が配管１０を流れ、負荷設備３０に送られる。負荷設備３０において、蒸気又は蒸気の熱が利用される。負荷設備３０から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽（不図示）に集約された後、蒸気製造装置２０に再度給水される。
　加熱部２は、配管１０の表面１０ａと熱交換することで所定部分を加熱するためのものである。本実施形態において、加熱部２は、例えば、リング状のヒーターから構成されており、図２Ｂに示すように、配管１０の表面１０ａの所定位置において周方向に亘って配置される。これにより、加熱部２は、配管１０の所定部分（上記加熱部２の設置部分１１）において、上記配管１０の表面１０ａを均一に加熱する。加熱部２は、制御ユニット４に電気的に接続されており、その動作が制御される。
　温度センサー群３Ａは、配管１０における表面１０ａの加熱部２の設置部分１１の両側（上流側および下流側）に配置されている。各温度センサー群３Ａは、上記設置部分１１からの距離に応じて設置位置が決定される。例えば、設置部分１１の上流側を例に挙げると、各温度センサー群３Ａは、設置部分１１の端面からの距離が０ｍｍ、６ｍｍ、１４ｍｍ、２４ｍｍ、３６ｍｍ、５０ｍｍ、６６ｍｍ、８４ｍｍ、１０４ｍｍ、１２６ｍｍ、１５０ｍｍ、１７６ｍｍに設置されている。ここで、設置部分１１の端面からの距離が０ｍｍとは、温度センサー群３Ａが加熱部２の端面に沿って配置されることを意味する。図２Ｂでは、配管１０の断面構造として、設置部分１１の下流側端面の近傍（Ａ－Ａ矢視による断面）を図示し、図２Ｃでは、設置部分１１の下流側端面からの距離２４ｍｍ近傍（Ｂ－Ｂ矢視による断面）を図示した。
　図２Ａに示されるように、温度センサー群３Ａは、設置部分１１から離間するに従って、隣接する温度センサー群３Ａ間の距離が２ｍｍずつ大きくなるように配置されている。したがって、温度センサー群３Ａは、設置部分１１（加熱部２）に近い程、センサーが密集して配置されている。これにより、設置部分１１の近傍において配管１０の表面１０ａの温度を精度良く検出することが可能である。
　温度計測部３は、複数（本実施形態では、例えば、１２個）の温度センサー群３Ａから構成される。各温度センサー群３Ａは、配管１０の表面１０ａにおいて、上記配管１０の管軸方向に沿って配置される。各温度センサー群３Ａは、それぞれ配管１０の表面１０ａの温度を計測する温度センサー３ａを複数含む。本実施形態において、各温度センサー群３Ａは４つの温度センサー３ａから構成される。４つの温度センサー３ａは、配管１０の表面１０ａにおいて、周方向に均等に配置されている。すなわち、４つの温度センサー３ａは、配管１０の周方向において、９０度ずつ位置を違えるように配置されている。各温度センサー群３Ａは、４つの温度センサー３ａが計測した値の平均値を計測値として出力する。このように温度センサー群３Ａは、配管１０の表面１０ａにおける複数個所を計測した値の平均を計測値とすることで信頼性の高い計測結果（温度）を出力可能である。
　このような構成に基づき、温度計測部３は、各温度センサー群３Ａの計測結果から配管１０の管軸方向における表面１０ａの温度分布を計測することが可能である。温度計測部３が計測した温度分布は、制御ユニット４に送信される。
　配管１０は、表面１０ａの少なくとも一部が保温材１２により覆われている。本実施形態において、保温材１２は、配管１０の表面に設けられた加熱部２および温度計測部３（各温度センサー３ａ）を覆うように管軸方向に亘って設置されている。
　図３は、制御ユニット４を示す模式図である。図３において、計算装置５０は、例えばコンピュータシステムである。制御ユニット４は、計算装置５０に加え、入力装置６０、及び表示装置（出力装置）６４を有する。計算装置５０は、Ａ／Ｄ変換器等の変換器６１、ＣＰＵ（演算処理手段）６２、及びメモリ６３等を有する。流速計測システム１００の温度計測部３から送られる測定データ（温度分布）が、必要に応じて変換器６１等で変換され、ＣＰＵ６２に取り込まれる。また、初期設定値、及び仮データなどが入力装置６０などを介して計算装置５０に取り込まれる。表示装置６４は、入力されたデータに関する情報、及び計算に関する情報などを表示することができる。
　ＣＰＵ６２は、測定データ、及びメモリ６３に記憶された情報に基づき、配管１０の内部を流れる蒸気の流速を算出することができる。ＣＰＵ６２は、例えば、温度計測部３の測定結果（配管１０の温度分布）を用い、後述のようにメモリ６３に記憶された情報から配管１０の内部を流れる蒸気の流速を算出する。すなわち、制御ユニット４は、配管内部を流れる蒸気の流速を算出する流速算出部を構成する。
　流速計測システム１００、およびその計測方法は、配管内を流れる流体の流速に応じて管内熱伝達が変化する点、および、管内熱伝達の変化に伴って配管の表面に加えた熱が温度分布を生じさせる点に着目したものである。
　まず、配管内を流れる流体（以下、管内流体と称す場合もある）の流速に応じて管内熱伝達が変化する点について説明する。
　下式（１）は、ディタス・ベルター（Dittus-Boelter）の式である。下式（２）は、ヌセルト数を示す式である。下式（３）は、プラントル数を示す式である。下式（４）は、レイノルズ数を示す式である。
　Ｎｕ＝０．０２３×Ｒｅ０．８×Ｐｒ０．４　　　…（１）
　Ｎｕ＝αｉ×ｄｉ／λ　　　…（２）
　Ｐｒ＝ν×ρ×Ｃｐ／λ　　　…（３）
　Ｒｅ＝ｕ×ｄｉ／ν　　　…（４）
　ここで、
ｄｉ：配管の内径（ｍ）
λ　：熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）
ν　：動粘性係数（ｍ２／ｓ）
ρ　：流体の密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｃｐ：比熱（ＫＪ／Ｋｇ／Ｋ）
ｕ　：管内流体の流速（ｍ／ｓ）
αｉ：配管の内部における熱伝達率（ｗ／ｍ２・Ｋ）
　図４は、上記式（１）～（４）から、管内流体（配管内を流れる流体）が蒸気の場合および水の場合のそれぞれについて、配管の内部における熱伝達率αｉを計算で求めた結果を示した表である。本計算において、管内流体は圧力８００ｋＰａの飽和蒸気とし、上記ｄｉ（配管の内径）は０．１ｍとした。
　図４に示されるように、蒸気の熱伝達率αｉは約１９１であり、水の熱伝達率αｉは約３９６０４である。すなわち、蒸気の熱伝達率αｉを１とした場合、蒸気に対し、水の熱伝達率αｉは２０７．２８となる。蒸気は水に比べて熱伝達率が十分に小さいことが分かる。したがって、蒸気流速が変化した場合に、内部の蒸気の熱の伝わり方の変化による配管の外側（表面）温度変化を測定することは非常に難しいことが分かる。
　上記式（１）～（４）によれば、配管の内部における熱伝達率αｉは管内流体の流速ｕの０．８乗に比例する関係となることが分かる。
　ここで、配管の内部における熱伝達率αｉとは、管内流体における配管の径方向内側から外側への熱の伝わり易さ（以下、管内熱伝達と称す場合もある）とみなすことができる。
　すなわち、管内流体の流速が速い場合は、管内流体による管内熱伝達が比較的大きくなり、管内流体の流速が遅い場合は、管内流体による管内熱伝達が比較的小さくなる。
　以上のように、管内流体の流速に応じて管内熱伝達が変化することが確認できる。
　続いて、管内熱伝達の変化に伴って、配管の表面に加えた熱が温度分布を生じさせる点について説明する。
　一般的に配管の構成材料として用いられる鋼材においては、流体による管内熱伝達に比べて、管軸方向の熱伝達が十分に大きい。蒸気の場合はそれが特に顕著である。そのため、例えば、配管の表面に熱を加えた場合、加えられた熱は内側（半径方向）ではなく、主に配管表面に沿った方向（管軸方向）に伝導していく。
　一方、配管の表面に加えられた熱は配管の内側に少なからず伝達される。配管内側への熱伝達の量は、上述した管内熱伝達の大きさに影響される。
　すなわち、管内熱伝達が比較的大きい場合（管内流体の流速が早い場合）、配管内側に熱が伝達し易くなるため、配管の表面に加えられた熱は配管の内側に伝達していく。よって、配管の表面において温度分布は、管軸方向に拡がらないとの知見を得た。
　また、管内熱伝達が比較的小さい場合（管内流体の流速が遅い場合）、配管内側に熱が伝達し難くなるため、配管の表面に加えられた熱は配管の内側よりも表面に沿って伝達していく。よって、配管の表面において温度分布は、管軸方向に拡がっていくとの知見を得た。
　本発明者らは、上述の知見に基づき、配管を外部から加熱した際、管軸方向に生じた温度分布に基づいて、配管内を流れる流体の流速を推算できることを見出し、本発明の一態様の流速計測システムおよび流速計測方法を完成させた。
　続いて、本実施形態に係る流速計測システム１００による流速計測方法について説明する。
　まず、制御ユニット４は加熱部２を駆動し、配管１０の表面１０ａを加熱した状態とする（第１工程）。
　続いて、制御ユニット４は蒸気製造装置２０から配管１０を介して負荷設備３０への蒸気の供給を開始する。配管１０は、蒸気が流れたことにより径方向において管内の熱伝達率が変化する。
　温度計測部３は、配管１０の管軸方向における温度を計測する。具体的には、温度計測部３は、各温度センサー群３Ａにより配管１０の管軸方向における表面１０ａの温度分布を計測する（第２工程）。
　配管１０の温度分布を計測する際、例えば、加熱部２の初期温度を一定に制御する方法と、加熱部２からの入熱を一定とする方法が考えられる。加熱部２からの入熱を一定とする方法により温度差（温度分布）を大きくできるため、計測感度を向上させることが可能である。
　制御ユニット４は、例えば、温度計測部３による計測結果から、図５の実線で示すような配管１０の表面１０ａにおける温度分布が相対的に管軸方向に拡がっていないデータを取得する。このように温度分布が管軸方向に拡がらない場合とは、蒸気の流速が早いことで管内熱伝達が高くなり、加熱部２により加えられた熱が配管１０の内側に伝達したことによる。
　また、制御ユニット４は、図５の破線で示すような配管１０の表面１０ａにおける温度分布が相対的に管軸方向に拡がったデータを取得する。このように温度分布が管軸方向に拡がった場合とは、蒸気の流速が遅いことで管内熱伝達が低くなり、加熱部２により加えられた熱が配管１０の外側に伝達したことによる。
　温度計測部３による計測結果（温度分布データ）は、制御ユニット４へと送られる。制御ユニット４は、配管１０の温度分布の計測データを用い、メモリ６３（図３参照）に記憶された情報から配管１０の内部を流れる蒸気の流速を算出する（第３工程）。
　メモリ６３には、例えば、予め実験やシミュレーション等によって求められた蒸気の流速と温度分布とに関する情報が記憶されている。制御ユニット４は、メモリ６３に記憶された上記情報を読み出し、配管１０の温度分布の計測値を比較することで、実際に計測された温度分布（温度計測部３の計測結果）に対応した蒸気の流速を算出することができる。
　例えば、メモリ６３に記憶された情報（蒸気の流速および温度分布の関係）を計算シミュレーションで求めた例について説明する。
　本計算シミュレーションの条件は、管内径が１００ｍｍ、管外径が１１０ｍｍの配管内を、０．８ＭＰａの飽和蒸気が流速１０ｍ／ｓで流れ、配管の構成材料である鋼材熱伝導率を５０Ｗ／ｍ／Ｋとした。また、メッシュサイズは、管軸方向および管厚さ方向においてそれぞれ５ｍｍとした。メッシュに入ってくる熱量と出ていく熱量が同じになるように収束計算を行った。
　具体的に本計算では、メッシュに入ってくる熱量は、最初のメッシュは加熱部２から、次のメッシュはとなりのメッシュの鋼材から熱伝導で入熱する。また、メッシュから出ていく熱量は、各メッシュとも配管内の蒸気の流れに熱伝達で出熱する。
　各メッシュ毎の熱バランス、加熱部２からの入熱が蒸気に伝わる出熱として収束計算することで温度分布が求められる。
　温度分布の計算条件は、蒸気流速１０ｍ／ｓおよび蒸気流速５ｍ／ｓのいずれにおいても初期温度５０℃とした。このとき、蒸気流速１０ｍ／ｓの入熱は単位セル当たり１１８．９Ｗであり、蒸気流速５ｍ／ｓの入熱は単位セル当たり８８．４Ｗである。
　このような計算シミュレーションにより、例えば、図６のグラフに示されるデータ（蒸気の流速および温度分布の関係を示すデータ）を取得することができる。メモリ６３には、上記計算シミュレーションの条件（流速、配管の厚さ、蒸気圧力、配管の材質、内径、及び外形など）を適宜変更することで取得された様々なデータが記憶されている。
　制御ユニット４は、図５に示したような温度計測部３による計測結果（温度分布）を、メモリ６３に記憶された図６に示したような多数のデータと比較し、温度分布に対応した流速を配管１０の内部を流れる蒸気の流速として求める。
　以上述べたように、本実施形態によれば、直接的に計測ができない内部流体である蒸気温度を用いること無く、配管１０の表面１０ａに生じる温度分布に基づいて、蒸気の流速を求めることができる。よって、配管１０の外部から簡便且つ精度良く蒸気の流速を求めることができる。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、配管１０において、加熱部２および温度計測部３（各温度センサー３ａ）が保温材１２で覆われた構成を例に挙げたが、これに限定されることは無い。例えば、制御ユニット４が配管１０の表面１０ａからの放熱を考慮して温度計測部３から送られる測定データ（温度分布）を補正する態様であれば、配管１０の表面１０ａを保温材１２で被覆しなくてもよい。あるいは、表面１０ａの一部（温度計測部３の設置部分）のみを保温材１２で被覆する構成であってもよい。
　また、上記実施形態では、熱流体として配管内を流れる蒸気の流速を計測する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、配管内を流れる熱水の流速を計測する場合にも適用可能である。また、配管内を流れる流体がフロン、アンモニア、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）等であってもよく、これら流体の流速を計測する場合にも本発明は適用可能である。
　また、上記実施形態では、配管１０と熱交換を行う熱交換器として加熱部２を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、熱交換器としては、配管１０の表面１０ａを冷却する冷却器を用いてもよく、冷却することで配管１０の管軸方向に生じた温度分布に基づいて配管１０内を流れる蒸気の流速を計測しても良い。この場合において、蒸気が飽和蒸気あるいはそれに近い過熱蒸気の時は、凝縮が生じる可能性が有ることから熱伝達率算出の際はそれを考慮する必要がある。
２…加熱部（熱交換器、加熱装置）、３…温度計測部、４…制御ユニット（流速算出部）、１０…配管、１０ａ…表面、１１…設置部分（所定部分）、１２…保温材、１００…流速計測システム。

Claims (14)

  1. 　配管の表面の所定部分で熱交換を行うことと、
    　前記所定部分で熱交換が行われた前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測することと、
    　計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の内部を流れる熱流体の流速を求めることと、
    　を備える、流速計測方法。
  2. 　前記熱交換を行うことは、前記所定部分を加熱することを備える、
    　請求項１に記載の流速計測方法。
  3. 　前記温度分布を計測することは、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測することを備える、
    　請求項１又は２に記載の流速計測方法。
  4. 　前記温度分布を計測することは、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測することを備える、
    　請求項１～３のいずれか一項に記載の流速計測方法。
  5. 　前記温度分布を計測することは、前記複数個所の温度の平均値を計測することをさらに備える、
    　請求項４に記載の流速計測方法。
  6. 　前記熱交換を行うことは、リング状のヒーターを用いて前記配管の表面の所定部分で熱交換を行うことを備える、
    　請求項１～５のいずれか一項に記載の流速計測方法。
  7. 　前記配管として、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側の少なくともいずれかが保温材で覆われたものを用いる、
    　請求項１～６のいずれか一項に記載の流速計測方法。
  8. 　前記熱流体の流速を求めることは、蒸気である熱流体の流速を求めることを備える、
    　請求項１～７のいずれか一項に記載の流速計測方法。
  9. 　配管の表面の所定部分と熱交換を行う熱交換器と、
    　前記所定部分で前記熱交換器と熱交換された前記配管の管軸方向における前記表面の温度分布を計測する温度計測部と、
    　計測した前記温度分布に基づいて、前記配管の内部を流れる熱流体の流速を算出する流速算出部と、を備える
    　流速計測システム。
  10. 　前記熱交換器が加熱装置である
    　請求項９に記載の流速計測システム。
  11. 　前記加熱装置は、リング状のヒーターである
    　請求項１０に記載の流速計測システム。
  12. 　前記温度計測部は、前記所定部分、前記所定部分の上流側、および前記所定部分の下流側において前記配管の表面の温度を計測する
    　請求項９～１１のいずれか一項に記載の流速計測システム。
  13. 　前記温度計測部は、前記配管の周方向における複数個所の温度を計測する
    　請求項９～１２のいずれか一項に記載の流速計測システム。
  14. 　前記流速算出部は、蒸気である前記熱流体の流速を算出する
    　請求項９～１３のいずれか一項に記載の流速計測システム。
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