JP2016200413A - 湿り度計測システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配管を加工することなく蒸気の湿り度を計測することが可能な湿り度計測システム及び方法を提供する。【解決手段】湿り度計測システム１は、配管Ｐの外周面に取り付けられたプレヒータ１１と、プレヒータ１１よりも下流側の配管Ｐの外周面に取り付けられた温度計測部１３と、温度計測部１３で計測される温度を参照し、前記蒸気の湿分が全て蒸発するようにプレヒータ１１を制御するプレヒータ制御装置１７と、配管Ｐ内を流通する蒸気の流量を示す第１情報と、プレヒータ制御装置１７によって制御されるプレヒータ１１の出力を示す第２情報とに基づいて、配管Ｐ内を流通する蒸気の湿り度を求めるデータ処理装置２０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、湿り度計測システム及び方法に関する。

プラントや工場等において、蒸気は、生産工程での過熱、空調での加熱・加湿、その他の各種用途に幅広く用いられている。このような幅広い用途に用いられる蒸気を効率的に供給するために、プラント等においては、例えば蒸気を生成するボイラが集中設置されており、このボイラで生成された蒸気を、ボイラから延びる配管によって各部（蒸気を必要とする部位）に導く蒸気供給システムが設けられている。このような蒸気供給システムを備えるプラント等において、エネルギーの「見える化」を行うためには、蒸気の流量や湿り度（或いは、乾き度）を計測することが不可欠になる。

以下の特許文献１には、蒸気の乾き度を計測して蒸気中の飽和蒸気の流量を求める従来技術が開示されている。具体的に、以下の特許文献１には、蒸気を透過した光の受光強度に基づいて蒸気の乾き度を計測するとともに蒸気の質量流量を計測し、これらの計測結果に基づいて飽和蒸気の質量流量を算出し、算出した飽和蒸気の質量流量に基づいて飽和蒸気の流量を算出する従来技術が開示されている。

特開２０１４−８１２１４号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された従来技術は、蒸気を透過した光の受光強度に基づいて蒸気の乾き度を計測するものである。このため、上述した特許文献１に開示された従来技術を用いて既存の配管内を流通する蒸気の乾き度を計測するには、プラント等を停止させて配管の加工（例えば、孔あけ加工）等を行って乾き度を計測する装置を設置する必要がある。ここで、プラントを停止させることによる損失に加えて配管を加工するために要するコストを考慮すると、上記の装置を設けるのは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、配管を加工することなく蒸気の湿り度を計測することが可能な湿り度計測システム及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の湿り度計測システムは、配管（Ｐ）内を流通する蒸気の湿り度を計測する湿り度計測システム（１、２）において、前記配管の外周面に取り付けられた予備加熱部（１１）と、前記予備加熱部よりも下流側の前記配管の外周面に取り付けられた温度計測部（１３）と、前記温度計測部で計測される温度を参照し、前記蒸気の湿分が全て蒸発するように前記予備加熱部を制御する制御部（１７）と、前記配管内を流通する蒸気の流量を示す第１情報と、前記制御部によって制御される前記予備加熱部の出力を示す第２情報とに基づいて、前記配管内を流通する蒸気の湿り度を求める演算部（２０）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の湿り度計測システムは、前記予備加熱部よりも下流側に設けられ、前記配管内を流通する蒸気の流量を計測する流量計（１２、１４，１５）を備えており、前記演算部が、前記流量計の計測結果から前記第１情報を得ることを特徴としている。
或いは、本発明の湿り度計測システムは、前記演算部が、前記配管内を流通する蒸気を生成する蒸気生成装置（Ｅ１）に対する燃料の単位時間当たりの供給量に基づいて演算により前記第１情報を算出することを特徴としている。
また、本発明の湿り度計測システムは、前記温度計測部が、前記予備加熱部の近傍に取り付けられていることを特徴としている。
また、本発明の湿り度計測システムは、前記温度計測部が、前記配管の外周面における底部に取り付けられていることを特徴としている。
また、本発明の湿り度計測システムは、前記制御部が、前記温度計測部で計測される温度が一定となるように前記予備加熱部を制御することを特徴としている。
また、本発明の湿り度計測システムは、前記制御部が、前記温度計測部で計測される温度が、前記配管内の飽和蒸気温度よりも予め規定された温度だけ高い温度となるように前記予備加熱部を制御することを特徴としている。
本発明の湿り度計測方法は、配管（Ｐ）内を流通する蒸気の湿り度を計測する湿り度計測方法であって、前記配管の外周面に取り付けられた予備加熱部（１１）よりも下流側の前記配管の外周面に取り付けられた温度計測部（１３）で温度を計測する第１ステップと、前記温度計測部で計測される温度を参照し、前記蒸気の湿分が全て蒸発するように前記予備加熱部を制御する第２ステップと、前記配管内を流通する蒸気の流量を示す第１情報と、制御される前記予備加熱部の出力を示す第２情報とに基づいて、前記配管内を流通する蒸気の湿り度を求める第３ステップとを有することを特徴としている。
また、本発明の湿り度計測方法は、前記予備加熱部よりも下流側に設けられ、前記配管内を流通する蒸気の流量を計測する流量計の計測結果から前記第１情報を得ることを特徴としている。
或いは、本発明の湿り度計測方法は、前記配管内を流通する蒸気を生成する蒸気生成装置（Ｅ１）に対する燃料の単位時間当たりの供給量に基づいて演算により前記第１情報を算出することを特徴としている。
また、本発明の湿り度計測方法は、前記第２ステップが、前記温度計測部で計測される温度が一定となるように前記予備加熱部を制御するステップであることを特徴としている。

本発明によれば、配管の外周面に予備加熱部を設け、予備加熱部の下流側の配管の外周面に取り付けられた温度計測部で計測される温度を参照し、蒸気の湿分が全て蒸発するように予備加熱部を制御するようにしているため、配管を加工することなく蒸気の湿り度を計測することができるという効果がある。

本発明の第１実施形態による湿り度計測システムの要部構成を示す図である。 本発明の第１実施形態による湿り度計測システムの温度計測部の具体的構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による湿り度計測システムが備えるデータ処理装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による湿り度計測システムにおける温度計測部の取り付け位置を示す図である。 図４に示す取り付け位置の各々に温度計測部を取り付けた場合の計測結果を示す図である。 本発明の第１実施形態による湿り度計測システムの他の計測結果を示す図である。 本発明の第２実施形態による湿り度計測システムの要部構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による湿り度計測システム及び方法について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による湿り度計測システムの要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の湿り度計測システム１は、プレヒータ１１（予備加熱部）、計測用ヒータ１２（流量計）、温度計測部１３、温度計測部１４，１５（流量計）、圧力計１６、プレヒータ制御装置１７（制御部）、ヒータ電源１８、データ収集装置１９、及びデータ処理装置２０（演算部）を備えており、蒸気生成装置Ｅ１と負荷設備Ｅ２との間に配設される配管Ｐ内を流れる熱流体（例えば、蒸気）の湿り度を計測する。

ここで、蒸気生成装置Ｅ１は、例えばボイラであり、外部から供給される燃料を燃焼させて得られる熱によって蒸気を生成する。尚、本実施形態では、理解を容易にするために、蒸気生成装置Ｅ１によって生成される蒸気が水蒸気であるものとする。負荷設備Ｅ２は、蒸気生成装置Ｅ１で生成されて配管Ｐを介して送られてくる蒸気又は蒸気の熱が利用される設備である。尚、負荷設備Ｅ２から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽（図示省略）に集約された後、蒸気生成装置Ｅ１に再度給水される。また、配管Ｐとしては、圧力配管用炭素鋼鋼管（ＳＴＰＧ）やステンレス鋼管（ＳＵＳ）を用いることができる。

プレヒータ１１は、計測用ヒータ１２よりも上流側の配管Ｐの外周面に取り付けられており、計測用ヒータ１２よりも上流側において配管Ｐを加熱する。このプレヒータ１１は、蒸気生成装置Ｅ１によって生成された蒸気が計測用ヒータ１２に入力される前に、その蒸気を予め加熱するために設けられる。このようなプレヒータ１１を設けるのは、蒸気に含まれる湿分を予め蒸発させることで、湿り度が高い蒸気であっても流量を高い精度で計測可能とするためである。

このプレヒータ１１は、例えば電熱ヒータであり、配管Ｐを均一に加熱するように配管Ｐの外周面に一定のピッチで巻回されている。ここで、プレヒータ１１が巻回される長さ（配管Ｐの管軸方向の長さ）は、例えば１〜数メートル程度である。上述の通り、プレヒータ１１は、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を蒸発させるために設けられるため、湿分を蒸発させるために必要な長さが確保される。尚、プレヒータ１１は、セラミックヒーターであっても良い。このセラミックヒーターとして半円の２つのパートに割れるものを用いれば、配管Ｐへの装着を容易に行うことができる。

計測用ヒータ１２は、プレヒータ１１よりも下流側の配管Ｐの外周面に取り付けられており、プレヒータ１１よりも下流側において配管Ｐを加熱する。この計測用ヒータ１２は、配管Ｐの外部（外周面）の管軸方向における温度分布から配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を計測する流量計の一部をなすものである。

この計測用ヒータ１２は、プレヒータ１１と同様に、例えば電熱ヒータであり、配管Ｐを均一に加熱するように配管Ｐの外周面に一定のピッチで巻回されている。ここで、計測用ヒータ１２が巻回される長さ（配管Ｐの管軸方向の長さ）は、例えば１〜数センチメートル程度であり、プレヒータ１１が巻回される長さよりも短くなるように設定されている。これは、計測用ヒータ１２によって、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を計測するために必要となる温度分布が形成できれば十分だからである。尚、計測用ヒータ１２も、プレヒータ１１と同様にセラミックヒーターであって良い。

温度計測部１３は、プレヒータ１１と計測用ヒータ１２との間の配管Ｐの外周面に取り付けられており、配管Ｐの表面温度を計測する。具体的に、温度計測部１３は、プレヒータ１１よりも下流側であって、プレヒータ１１の近傍に取り付けられている。例えば、温度計測部１３は、プレヒータ１１の端部（下流側の端部）から１０センチメートル程度下流側の位置に取り付けられている。このような位置に温度計測部１３を取り付けるのは、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を効果的に蒸発させるためである。尚、温度計測部１３の取り付け位置の詳細については後述する。

また、温度計測部１３は、上記の位置において、少なくとも配管Ｐの外周面における底部に取り付けられている。このような取り付けを行うのも、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を効果的に蒸発させるためである。例えば、温度計測部１３が配管Ｐの外周面における側部にのみ取り付けられている場合には、蒸気が冷却されて配管Ｐの内周面の底部に生じた水滴による温度低下が遅れて計測され、配管Ｐ内を流れる蒸気に含まれる湿分を効果的に蒸発させることができないことがある。

温度計測部１４は、計測用ヒータ１２の上流側であって、温度計測部１３よりも下流側の配管Ｐの外周面に取り付けられており、配管Ｐの表面温度を計測する。温度計測部１５は、計測用ヒータ１２の下流側の配管Ｐの外周面に取り付けられており、配管Ｐの表面温度を計測する。これら、温度計測部１４，１５は、前述した流量計の一部をなすものであり、管軸方向における配管Ｐの表面の温度分布を計測するために設けられる。

圧力計１６は、計測用ヒータ１２の下流側に取り付けられており、配管Ｐ内を流れる蒸気の圧力を計測する。尚、圧力計１６は、図１に示す通り計測用ヒータ１２の下流側に取り付けられていても良く、プレヒータ１１の上流側に取り付けられていても良く、プレヒータ１１と計測用ヒータ１２との間に取り付けられていても良い。また、圧力計１６は、複数設けられていても良い。例えば、プレヒータ１１の上流側及び計測用ヒータ１２の下流側といった具合である。

図２は、本発明の第１実施形態による湿り度計測システムの温度計測部の具体的構成を示す断面図である。尚、図２（ａ）は、配管Ｐの管軸方向に沿う方向の断面図であり、図２（ｂ）は、配管Ｐの管軸方向に直交する方向の断面図（図２（ａ）中のＡ−Ａ線断面矢視図）である。図２（ａ）に示す通り、温度計測部１３は、プレヒータ１１の端部から所定距離だけ離間した位置（例えば、１０センチメートル程度下流側の位置）において、配管Ｐの外周面の周方向において、９０度ずつ位置を違えるように配置された４つの温度センサ１３ａ（例えば、熱電対）を備える。

温度計測部１４は、計測用ヒータ１２の上流側において、配管Ｐの管軸方向に沿って配列された複数のセンサ群（図２に示す例では、６個のセンサ群）を備える。温度計測部１４に設けられた各センサ群は、配管Ｐの外周面の周方向において、９０度ずつ位置を違えるように配置された４つの温度センサ１４ａ（例えば、熱電対）を備える。尚、温度計測部１４に設けられるセンサ群は、配管Ｐの管軸方向に沿って等間隔で配列されていても良く、不等間隔で配列されていても良い。通常、計測用ヒータ１２の近傍の管軸方向の温度分布は大きく、計測用ヒータ１２から離れると温度分布は小さくなるので、温度計測部１４が備えるセンサ群も計測用ヒータ１２近傍に多く密に配置し、計測ヒータ１２から離れる程、少なく疎に配置するのが望ましい。

温度計測部１５は、計測用ヒータ１２の下流側において、配管Ｐの管軸方向に沿って配列された複数のセンサ群（図２に示す例では、６個のセンサ群）を備える。温度計測部１５に設けられた各センサ群は、温度計測部１４に設けられた各センサ群と同様に、配管Ｐの外周面の周方向において、９０度ずつ位置を違えるように配置された４つの温度センサ１５ａ（例えば、熱電対）を備える。尚、温度計測部１５に設けられるセンサ群は、温度計測部１４に設けられるセンサ群と同様に、配管Ｐの管軸方向に沿って等間隔で配列されていても良く、不等間隔で配列されていても良い。通常、計測用ヒータ１２の近傍の管軸方向の温度分布は大きく、計測用ヒータ１２から離れると温度分布は小さくなるので、温度計測部１５が備えるセンサ群も計測用ヒータ１２近傍に多く密に配置し、計測ヒータ１２から離れる程、少なく疎に配置するのが望ましい。

このように、温度計測部１４のセンサ群の各々に複数の温度センサ１４ａを設け、温度計測部１５のセンサ群の各々に複数の温度センサ１５ａを設けるのは、複数の温度センサ１４ａの平均値を計測値として得るとともに、複数の温度センサ１５ａの平均値を計測値として得るためである。このように平均値を計測値として得ることで、信頼性の高い計測結果を得ることができる。尚、配管Ｐは、図２に示す通り、その表面の少なくとも一部が保温材Ｈにより覆われている。

プレヒータ制御装置１７は、温度計測部１３で計測される温度（平均値）を参照し、プレヒータ１１の内部に入力された蒸気の湿分が全て蒸発するように、プレヒータ１１を制御する。例えば、プレヒータ制御装置１７は、温度計測部１３の計測結果が一定となるように、ＰＩＤ（比例積分微分）制御を行うことによって、プレヒータ１１をフィードバック制御する。ここで、プレヒータ制御装置１７は、温度計測部１３で計測される温度が、配管Ｐ内の飽和蒸気温度よりも予め規定された温度だけ高い温度（例えば、数〜十数℃程度高い温度）となるようにプレヒータ１１を制御する。この温度は、プレヒータ１１の内部に入力された蒸気の湿分を全て蒸発させることができるように設定される。

尚、制御目標とする温度を飽和蒸気温度から数〜十数℃程度高い温度にすることで、後述する通り、湿り度の高い蒸気が入力されて温度が低下しても飽和蒸気温度以上を確保できるため、温度制御がしやすい。一方、制御目標とする温度を飽和蒸気温度（或いは、飽和蒸気温度から僅かに高い温度）にすると、湿り度の高い蒸気が入力されて温度が低下すると直ぐに飽和蒸気温度になるため、温度制御が困難になる。

ヒータ電源１８は、計測用ヒータ１２を加熱するための電力を計測用ヒータ１２に対して供給する電源である。データ収集装置１９は、湿り度計測システム１で用いられる各種データを収集する装置である。具体的に、データ収集装置１９は、温度計測部１３〜１５及び圧力計１６の計測結果を示すデータ、プレヒータ１１の制御に係るデータ（プレヒータ１１に印加される電圧及びプレヒータ１１に流れる電流を示すデータ）、及びヒータ電源１８のデータ（計測用ヒータ１２に印加される電圧及び計測用ヒータ１２に流れる電流を示すデータ）を収集する。このデータ収集装置１９としては、所謂データロガーと呼ばれる装置を用いることができる。

データ処理装置２０は、データ収集装置１９で収集されたデータ用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める。具体的に、データ処理装置２０は、温度計測部１４，１５の計測結果を示すデータから、流速が速い（流量が多い）と管軸方向の温度分布が小さくなり、逆に流速が遅い（流量が少ない）と管軸方向の温度分布が大きくなることを考慮して、流量（第１情報）を算出する。そして、データ処理装置２０は、算出した流量とプレヒータ１１の制御に係るデータ（第２情報）とを用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める。

図３は、本発明の第１実施形態による湿り度計測システムが備えるデータ処理装置の要部構成を示すブロック図である。図３に示す通り、データ処理装置２０は、入力部２１、データ取得部２２、データ処理部２３、メモリ２４、及び表示部２５を備える。尚、データ処理装置２０は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータによって実現することが可能である。

入力部２１は、キーボードやポインティングデバイス等の入力装置を備えており、外部からの各種指示を入力する。データ取得部２２は、入力部２１から入力される指示に基づき、データ処理部２３の制御の下で、データ収集装置１９で収集された各種データを取得する。データ処理部２３は、入力部２１から入力される指示に基づき、データ取得部２２で取得された各種データ及びメモリ２４に記憶された各種データを用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める。

具体的に、データ処理部２３は、温度計測部１３，１４の計測結果を示すデータから温度分布（配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布）を求め、この温度分布に基づいて配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を求める。ここで、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速に応じて配管Ｐの管内熱伝達（配管Ｐの径方向内側から外側への熱の伝わり易さ）が変化し、配管Ｐの管内熱伝達の変化に伴って配管Ｐの表面に加えた熱の温度分布が生ずるという関係がある。データ処理部２３は、この関係を用いて、配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布から配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を求め、求められた流速から配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を求めている。

また、データ処理部２３は、プレヒータ１１の制御に係るデータ及び求めた蒸気の流量等を用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める。ここで、プレヒータ１１は、例えば温度計測部１３で計測される温度が一定となるように制御されることから、湿り度の高い蒸気がプレヒータ１１の内部に入力された場合には、蒸気の湿分が蒸発されることによって生ずる温度低下を補う熱量がプレヒータ１１から供給されることになる。また、上記の温度低下は湿分の量に応じて大きくなるため、上記の温度低下を補うために必要となる熱量も湿分の量に応じて大きくなるという関係がある。データ処理部２３は、この関係を用いて、プレヒータ１１の制御に係るデータ（プレヒータ１１に供給される電力）を用いて、蒸気の湿り度を求めている。

ここで、プレヒータ１１の上流側の端部近傍における蒸気のエンタルピをｈ１とし、プレヒータ１１の下流側の端部近傍における蒸気のエンタルピをｈ２とすると、これらエンタルピｈ１，ｈ２は、以下の（１），（２）式でそれぞれ表される。
ｈ１＝ｈ２−（Ｗ／Ｇ） …（１）
ｈ２＝Ｈ（Ｐ，Ｔ） …（２）

但し、上記（１）式において、「Ｇ」は配管Ｐ内を流れる蒸気の流量であり、「Ｗ」はプレヒータ１１に供給される電力である。また、上記（２）式において、「Ｐ」は配管Ｐ内を流れる蒸気の圧力であり、「Ｔ」はプレヒータ１１の下流側の端部近傍における温度であり、「Ｈ」は圧力と温度との関数である。

また、配管Ｐ内を流れる蒸気の乾き度をｘとすると、この乾き度ｘは以下の（３）式で表される。但し、以下の（３）において、「Ｘ」はエンタルピと圧力との関数である。
ｘ＝Ｘ（ｈ１，Ｐ） …（３）

ここで、上記（２）式を上記（１）式に代入して得られる式を、上記（３）式に代入すると、以下の（４）式が得られる
ｘ＝Ｘ（Ｈ（Ｐ，Ｔ）−（Ｗ／Ｇ），Ｐ） …（４）
上記（４）式から、配管Ｐ内を流れる蒸気の乾き度ｘは、プレヒータ１１に供給される電力「Ｗ」、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量「Ｇ」、配管Ｐ内を流れる蒸気の圧力「Ｐ」、及びプレヒータ１１の下流側の端部近傍における温度「Ｔ」を用いて求められることが分かる。

尚、配管Ｐ内を流れる蒸気の乾き度ｘと湿り度ｙとの関係は、以下の（５）式に示す関係がある。
ｙ［％］＝１００［％］−ｘ［％］ …（５）
従って、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度ｙも、プレヒータ１１に供給される電力「Ｗ」、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量「Ｇ」、配管Ｐ内を流れる蒸気の圧力「Ｐ」、及びプレヒータ１１の下流側の端部近傍における温度「Ｔ」を用いて求めることができる。データ処理部２３は、上記（４），（５）式を用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度ｙを求めている。

メモリ２４は、例えば揮発性又は不揮発性のメモリ（半導体メモリ）であり、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める上で必要な各種データを記憶する。例えば、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量と配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布とが対応付けられたデータを記憶する。表示部２５は、例えば液晶表示装置等の表示装置を備えており、データ処理部２３で求められた配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を表示する。尚、上述の通り、データ処理部２３では、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量が求められるため、蒸気の流量を表示部２５に表示するようにしても良い。

次に、温度計測部１３の取り付け位置について詳細に説明する。図４は、本発明の第１実施形態による湿り度計測システムにおける温度計測部の取り付け位置を示す図である。図４中の符号Ｘ１で特定される取り付け位置は、プレヒータ１１の端部（下流側における端部）から２０センチメートル程度下流側の位置であり、図４中の符号Ｘ２で特定される取り付け位置は、同端部から１０センチメートル程度下流側の位置である。また、図４中の符号Ｘ３で特定される取り付け位置は、同端部から１０センチメートル程度上流側の位置（プレヒータ１１の内部の位置）である。尚、配管Ｐの内径は、５センチメートル程度である。

また、図５は、図４に示す取り付け位置の各々に温度計測部を取り付けた場合の計測結果を示す図である。具体的に、図５（ａ）は制御に用いる温度センサ１３ａ（配管Ｐの外周面における底部に取り付けられる温度センサ１３ａ）を図４中の取り付け位置Ｘ１に取り付け、図５（ｂ）は同温度センサ１３ａを図４中の取り付け位置Ｘ２に取り付け、図５（ｃ）は同温度センサ１３ａを図４中の取り付け位置Ｘ３に取り付けた場合の計測結果を示す図である。図５（ａ）〜（ｃ）の各グラフに示している温度Ｔは、それぞれ取り付け位置Ｘ１での温度（配管Ｐの右側面及び左側面に取り付けられた温度センサ１３ａで検出された温度の平均値）であり、計測用ヒータ１２に流入する蒸気温度にかなり近い。また、図５（ａ）〜（ｃ）の各グラフに示している消費電力Ｗは、プレヒータ１１の消費電力である。

図５に示す計測結果は、内径が５センチメートル程度であって肉厚が５ミリメートル程度の圧力配管用炭素鋼鋼管を配管Ｐとして用い、配管Ｐ内を流れる蒸気の流速を１０［ｃｍ／ｓ］程度にした場合に得られたものである。尚、プレヒータ１１と計測用ヒータ１２との間隔は、４５センチメートル程度に設定されており、図４に示す温度計測部１３の取り付け位置Ｘ１〜Ｘ３は何れも、温度計測部１４よりも上流側の位置である。

まず、図５（ａ）を参照すると、温度計測部１３の計測結果を示す曲線Ｔが一定の周期で脈動しており、プレヒータ１１の消費電力を示す曲線Ｗが同様の周期で大きく変動していることが分かる。これは、温度計測部１３の取り付け位置Ｘ１がプレヒータ１１に対して遠すぎるため、温度低下（湿分が蒸発されることによって生ずる温度低下）の検出遅れによる制御遅れが生じているためであると考えられる。

次に、図５（ｂ）を参照すると、温度計測部１３の計測結果を示す曲線Ｔがほぼ一定であり、且つ、プレヒータ１１の消費電力を示す曲線Ｗの変化が僅かであることが分かる。これは、温度計測部１３の取り付け位置Ｘ２がプレヒータ１１に対して適切な位置であるため、上記の温度低下が適切なタイミングで検出されるとともに、プレヒータ１１のＰＩＤ制御も適切に行われているためであると考えられる。

続いて、図５（ｃ）を参照すると、温度計測部１３の計測結果を示す曲線Ｔがなだらかに変化しており、プレヒータ１１の消費電力を示す曲線Ｗが細かな周期で変化していることが分かる。これは、温度計測部１３の取り付け位置Ｘ３がプレヒータ１１の内部に設定されているため、プレヒータ１１の僅かな温度変化が即座に計測され、この計測結果に基づいてプレヒータ１１の制御が行われているためであると考えられる。

図６は、本発明の第１実施形態による湿り度計測システムの他の計測結果を示す図である。尚、図６において符号Ｔ１が付された曲線は、図４に示す取り付け位置Ｘ２において、配管Ｐの底部に設けられた温度センサ１３ａの計測結果を示す曲線である。また、図６において符号Ｔ２が付された曲線は、図４に示す取り付け位置Ｘ１において、配管Ｐの側部に設けられた温度センサ１３ａの計測結果を示す曲線である。

図６に示す通り、時刻ｔ１（湿り度の高い蒸気がプレヒータ１１に入力される時刻）までは、取り付け位置Ｘ２において配管Ｐの底部に設けられた温度センサ１３ａの計測結果（曲線Ｔ１参照）は１８６℃であるが、時刻ｔ１を経過すると１７８℃程度まで急激に低下した後に緩やかに１８６℃まで回復する変化を示す。温度センサ１３ａの計測結果の急激な低下は、蒸気に含まれる湿分が蒸発されることによって生じ、温度センサ１３ａの計測結果の緩やかな上昇は、温度低下を補う熱量がプレヒータ１１から供給されることによって生ずるものと考えられる。

これに対し、取り付け位置Ｘ１において配管Ｐの側部に設けられた温度センサ１３ａの計測結果（曲線Ｔ２参照）は、取り付け位置Ｘ２において配管Ｐの底部に設けられた温度センサ１３ａの計測結果の変化に拘わらずほぼ一定の１７６℃である。以上から、温度計測部１３で計測される温度（平均値）が一定となるように良好にプレヒータ１１の制御が行われていることが分かる。尚、曲線Ｔ２よりも曲線Ｔ１の方が、温度が高くなっているのは、温度センサ１３ａの取り付け位置Ｘ２が取り付け位置Ｘ１よりもプレヒータ１１に近く、プレヒータ１１の発熱が伝わっているためと考えられる。

尚、制御に用いる温度センサ１３ａ（配管Ｐの外周面における底部に取り付けられる温度センサ１３ａ）が図４中の取り付け位置Ｘ２に取り付けられている場合に、図４中の取り付け位置Ｘ２，Ｘ３で計測された温度は、湿り度の高い蒸気が入力されると、以下に示す温度からある程度低下する。これに対し、図４中の取り付け位置Ｘ１及び取り付け位置Ｘ１よりも下流の位置で計測された温度は、以下に示す温度で安定していた。但し、以下に示す温度は、各々の位置において、配管Ｐの右側面及び左側面に取り付けられた温度センサ１３ａで検出された温度の平均値である。
・取り付け位置Ｘ１…１７６℃程度
・取り付け位置Ｘ２…１８５℃程度
・取り付け位置Ｘ３…２２２〜２２５℃程度
・取り付け位置Ｘ１よりも下流の位置…１７４℃程度

次に、上記構成における湿り度計測システム１による湿り度計測方法について説明する。尚、ここでは説明を簡単にするために、蒸気生成装置Ｅ１によって蒸気が生成されており、この生成された蒸気が配管Ｐを介して負荷設備Ｅ２に供給されている状態であるものとする。湿り度計測システム１の電源が投入されると、温度計測部１３で温度の計測が行われ（第１ステップ）、この温度計測部１３で計測される温度（平均値）が参照され、蒸気の湿分が全て蒸発するようにプレヒータ制御装置１７によってプレヒータ１１が制御される（第２ステップ）。例えば、温度計測部１３で計測される温度（平均値）が一定となるように制御される。

以上の動作と並行して、ヒータ電源１８から計測用ヒータ１２に対して電力が供給され、計測用ヒータ１２によって配管Ｐが加熱された状態にされる。ここで、配管Ｐ内には蒸気生成装置Ｅ１からの蒸気が流れているため、配管Ｐの管内熱伝達が変化する。そして、計測用ヒータ１２の上流側の温度が温度計測部１４で計測されるとともに、計測用ヒータ１２の下流側の温度が温度計測部１５で計測され、これにより配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布が計測される。

これら温度計測部１４，１５の計測結果を示すデータは、データ収集装置１９で収集された後にデータ処理装置２０のデータ取得部２２で取得される。すると、データ処理部２３において、配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布を求め、求めた温度分布を用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を求める処理が行われる。尚、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量は、例えば配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布とメモリ２４に記憶されたデータ（配管Ｐ内を流れる蒸気の流量と配管Ｐの外周面の管軸方向における温度分布とが対応付けられたデータ）とを比較することによって求められる。

また、プレヒータ１１の制御に係るデータ（プレヒータ１１に印加される電圧及びプレヒータ１１に流れる電流を示すデータ）、温度計測部１３及び圧力計１６の計測結果を示すデータも、データ収集装置１９で収集された後にデータ処理装置２０のデータ取得部２２で取得される。すると、データ処理部２３において、前述した（４），（５）式を用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める処理が行われる（第３ステップ）。以上の処理が終了すると、蒸気の湿り度を示す情報が表示部２５に出力されて表示される。

以上の通り、本実施形態によれば、流量計の一部をなす計測用ヒータ１２よりも上流側の配管Ｐの外周面にプレヒータ１１を設け、プレヒータ１１と計測用ヒータ１２との間の配管Ｐの外周面に取り付けられた温度計測部１３で計測される温度が一定となるように、プレヒータ制御装置１７によってプレヒータ１１を制御するようにしている。そして、温度計測部１４，１５の計測結果から蒸気の流量を求め、この流量とプレヒータ１１の制御に係るデータとを用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求めるようにしている。これにより、配管Ｐを加工することなく蒸気の湿り度を計測することができる。

〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態による湿り度計測システムの要部構成を示す図である。尚、図７においては、図１に示す構成と同じ構成については同一の符号を付してある。図７に示す通り、本実施形態の湿り度計測システム２は、図１に示す湿り度計測システム１の計測用ヒータ１２、温度計測部１４，１５、及びヒータ電源１８を省略し、流量計３０を追加した構成である。かかる構成の湿り度計測システム２は、配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を実際に計測することなく蒸気の湿り度を計測可能としたものである。

流量計３０は、外部から蒸気生成装置Ｅ１に供給される燃料の流量を計測する。ここで、蒸気生成装置Ｅ１に供給される燃料の燃焼によって生ずる単位時間当たりの熱量は、燃料の種類と燃料の単位時間当たりの供給量とによって定まる。流量計３０は、この熱量を求めるために設けられる。尚、流量計３０の計測結果を示すデータは、データ収集装置１９によって収集され、データ処理装置２０のデータ取得部２２で取得される。

図７に示すデータ処理装置２０は、図１に示すデータ処理装置２０と同様の構成（図３に示す構成）であるが、データ処理部２３で行われる処理が相違する。具体的に、図７に示すデータ処理装置２０のデータ処理部２３では、流量計３０の計測結果（蒸気生成装置Ｅ１に供給される燃料の流量）を示すデータ等を用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の流量等を求め、この流量から配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める処理が行われる。

ここで、外部から蒸気生成装置Ｅ１に供給される燃料の熱量をＱｉとし、蒸気生成装置Ｅ１から大気中に排出される熱量をＱｏとすると、蒸気生成装置Ｅ１の効率（ボイラ効率（損失法））ηは、以下の（６）式で定義される。損失法によるボイラ効率は、ボイラの排ガス分析等より（容易に）求められることが知られている。
η＝（Ｑｉ−Ｑｏ）／Ｑｉ×１００［％］ …（６）

また、蒸気生成装置Ｅ１で生成される蒸気の熱量をＱｓとすると、この蒸気の熱量Ｑｓは、以下の（７）式で表される。
Ｑｓ＝Ｑｉ×η …（７）
つまり、蒸気生成装置Ｅ１で生成される蒸気の熱量Ｑｓは、蒸気生成装置Ｅ１に供給される燃料の熱量Ｑｉ（即ち、流量計３０の計測結果）と蒸気生成装置Ｅ１の効率ηとを乗算して求められる。尚、蒸気生成装置Ｅ１の効率ηは、設計値又は実測値から予め求めることができる。

また、蒸気生成装置Ｅ１で生成される蒸気の熱量Ｑｓは、蒸気生成装置Ｅ１で生成される蒸気のエンタルピをｈｓ、蒸気の生成に用いられる水のエンタルピをｈ０とすると、以下の（８）式によっても表される。
Ｑｓ＝Ｇ×（ｈｓ−ｈ０） …（８）
尚、上記（８）式において、「Ｇ」は蒸気生成装置Ｅ１で生成される蒸気の流量（配管Ｐ内を流れる蒸気の流量）である。

上記（８）式において、左辺の変数「Ｑｓ」は、上記（７）式から求めることができ、右辺の変数「ｈ０」は、蒸気の生成に用いられる水の温度が分かれば求めることができる。よって、上記（８）式において未知の変数は、右辺の変数「Ｇ」及び「ｈｓ」の２つである。尚、変数「Ｇ」が未知なのは、湿り度計測システム２が流量計を備えていないからである。また、前述した（１）式において、右辺の変数「ｈ２」は、前述した（２）式から求めることができ、変数「Ｗ」は、プレヒータ１１に供給される電力である。すると、上述した（１）式において未知の変数は、左辺の変数「ｈ１」と右辺の変数「Ｇ」との２つである。

このように、前述した（１）式及び上記（８）式は、未知の変数を２つずつ有する式であるため、これらを連立させて解けば、蒸気生成装置Ｅ１で生成される蒸気の流量（配管Ｐ内を流れる蒸気の流量）を求めることができる。尚、配管Ｐを流れる蒸気の流量が求められると、前述した（４）式を用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の乾き度ｘを求めることができ、前述した（５）式を用いて配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求めることができる。

次に、上記構成における湿り度計測システム２による湿り度計測方法について説明する。尚、ここでも説明を簡単にするために、蒸気生成装置Ｅ１によって蒸気が生成されており、この生成された蒸気が配管Ｐを介して負荷設備Ｅ２に供給されている状態であるものとする。湿り度計測システム１の電源が投入されると、温度計測部１３で温度の計測が行われ（第１ステップ）、この温度計測部１３で計測される温度（平均値）が一定となるように、プレヒータ制御装置１７によってプレヒータ１１が制御される（第２ステップ）。

以上の動作と並行して、流量計３０で蒸気生成装置Ｅ１に供給される燃料の流量が計測される。この計測結果を示すデータは、データ収集装置１９で収集された後にデータ処理装置２０のデータ取得部２２で取得される。すると、データ処理部２３で配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を求める処理が行われる。

また、プレヒータ１１の制御に係るデータ（プレヒータ１１に印加される電圧及びプレヒータ１１に流れる電流を示すデータ）、温度計測部１３及び圧力計１６の計測結果を示すデータも、データ収集装置１９で収集された後にデータ処理装置２０のデータ取得部２２で取得される。すると、データ処理部２３において、前述した（４），（５）式を用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求める処理が行われる（第３ステップ）。以上の処理が終了すると、蒸気の湿り度を示す情報が表示部２５に出力されて表示される。

以上の通り、本実施形態によれば、プレヒータ１１を設け、プレヒータ１１の下流側の配管Ｐの外周面に取り付けられた温度計測部１３で計測される温度を参照し、蒸気の湿分が全て蒸発するように、プレヒータ制御装置１７によってプレヒータ１１を制御するようにしている。そして、流量計３０の計測結果を用いて配管Ｐを流れる蒸気の流量を求め、この流量とプレヒータ１１の制御に係るデータとを用いて、配管Ｐ内を流れる蒸気の湿り度を求めるようにしている。これにより、配管Ｐを加工することなく蒸気の湿り度を計測することができる。

以上、本発明の実施形態による湿り度計測システム及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、蒸気生成装置Ｅ１で生成された水蒸気の流量を計測する例について説明したが、本発明は、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）の蒸気の流量計測にも適用することができる。

また、上述した第１実施形態では、配管Ｐの外部（外周面）の温度分布から配管Ｐ内を流れる蒸気の流量を計測する流量計を備える例について説明したが、本発明は、この流量計以外に、オリフィス板を用いた差圧流量計、超音波流量計、渦流量計、曲率センサを用いた流量計、その他の流量計を用いることができる。また、上述した実施形態では、プレヒータ制御装置１７、ヒータ電源１８、データ収集装置１９、及びデータ処理装置２０が別体として設けられている例について説明したが、これらは一体的に設けられていても良い。

また、上述した実施形態では、配管Ｐに設けられたプレヒータ１１及び計測用ヒータ１２が保温材Ｈ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、データ処理装置２０が、配管Ｐの表面からの放熱を考慮して温度計測部１４，１５の計測結果を示すデータを補正する処理を行うものである場合には、配管Ｐの表面を保温材Ｈで被覆しなくてもよい。或いは、配管Ｐの表面の一部（温度計測部１３〜１５の設置部分）のみを保温材Ｈで被覆する構成であってもよい。

１，２ 湿り度計測システム
１１ プレヒータ
１２ 計測用ヒータ
１３ 温度計測部
１４ 温度計測部
１５ 温度計測部
１７ プレヒータ制御装置
２０ データ処理装置
Ｅ１ 蒸気生成装置
Ｐ 配管

Claims (11)

1. 配管内を流通する蒸気の湿り度を計測する湿り度計測システムにおいて、
   前記配管の外周面に取り付けられた予備加熱部と、
   前記予備加熱部よりも下流側の前記配管の外周面に取り付けられた温度計測部と、
   前記温度計測部で計測される温度を参照し、前記蒸気の湿分が全て蒸発するように前記予備加熱部を制御する制御部と、
   前記配管内を流通する蒸気の流量を示す第１情報と、前記制御部によって制御される前記予備加熱部の出力を示す第２情報とに基づいて、前記配管内を流通する蒸気の湿り度を求める演算部と
   を備えることを特徴とする湿り度計測システム。
2. 前記予備加熱部よりも下流側に設けられ、前記配管内を流通する蒸気の流量を計測する流量計を備えており、
   前記演算部は、前記流量計の計測結果から前記第１情報を得る
   ことを特徴とする請求項１記載の湿り度計測システム。
3. 前記演算部は、前記配管内を流通する蒸気を生成する蒸気生成装置に対する燃料の単位時間当たりの供給量に基づいて演算により前記第１情報を算出することを特徴とする請求項１記載の湿り度計測システム。
4. 前記温度計測部は、前記予備加熱部の近傍に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の湿り度計測システム。
5. 前記温度計測部は、前記配管の外周面における底部に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の湿り度計測システム。
6. 前記制御部は、前記温度計測部で計測される温度が一定となるように前記予備加熱部を制御することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の湿り度計測システム。
7. 前記制御部は、前記温度計測部で計測される温度が、前記配管内の飽和蒸気温度よりも予め規定された温度だけ高い温度となるように前記予備加熱部を制御することを特徴とする請求項６記載の湿り度計測システム。
8. 配管内を流通する蒸気の湿り度を計測する湿り度計測方法であって、
   前記配管の外周面に取り付けられた予備加熱部よりも下流側の前記配管の外周面に取り付けられた温度計測部で温度を計測する第１ステップと、
   前記温度計測部で計測される温度を参照し、前記蒸気の湿分が全て蒸発するように前記予備加熱部を制御する第２ステップと、
   前記配管内を流通する蒸気の流量を示す第１情報と、制御される前記予備加熱部の出力を示す第２情報とに基づいて、前記配管内を流通する蒸気の湿り度を求める第３ステップと
   を有することを特徴とする湿り度計測方法。
9. 前記予備加熱部よりも下流側に設けられ、前記配管内を流通する蒸気の流量を計測する流量計の計測結果から前記第１情報を得ることを特徴とする請求項８記載の湿り度計測方法。
10. 前記配管内を流通する蒸気を生成する蒸気生成装置に対する燃料の単位時間当たりの供給量に基づいて演算により前記第１情報を算出することを特徴とする請求項８記載の湿り度計測方法。
11. 前記第２ステップは、前記温度計測部で計測される温度が一定となるように前記予備加熱部を制御するステップであることを特徴とする請求項８から請求項１０の何れか一項に記載の湿り度計測方法。

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