JP5621659B2 - 蒸気管の損失計測システム及び計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気管の損失計測システム及び計測方法に関する。

産業分野における工場において、蒸気は、生産工程での加熱や空調の加熱・加湿まで幅広い用途に用いられる。

蒸気は、４５℃程度の低温域から１７０℃程度の高温域まで幅広い温度帯をカバーすることが可能であり、いわば使い勝手の良い熱媒体である。そのため、工場の多くの場所に蒸気配管が敷設され、集中設置されたボイラーから各生産工程等に蒸気が送られるのが一般的である。

図６は、工場に敷設される蒸気系統の一般的な概念図を示す。ボイラーなどの蒸気製造装置で製造された蒸気は蒸気ヘッダに送られ、生産工程における加熱や空調の加熱・加湿等の用途に用いられる。各種用途に用いられた蒸気はドレンとして回収され、還水槽等に集約された後、ボイラーに再度給水される。また、配管途中には、配管からの放熱に伴う蒸気の凝縮で生じたドレンを排出するスチームトラップが複数配置されている。

図６に示す蒸気系統において、投入した燃料エネルギーに対して以下の４つの損失（ロス）の存在が考えられる。（１）ボイラーのロス：ボイラーの使用燃料流量に対するボイラーにて製造される熱量を算出することにより明らかとなるロス（いわゆるボイラー効率に伴うロス）、（２）送気時（配管）のロス：配管からの放熱等によって配管上のスチームトラップから排出されるロス、あるいはバルブや配管損傷部からのリーク蒸気によるロス、（３）負荷設備後のトラップのロス：ドレンを回収するためのスチームトラップからの漏洩によるロス、（４）回収のロス：ドレンを返送するための配管からのロスで、例えば還水槽が大気開放型である場合等にポンプキャビテーション発生防止のために補給する水等により温度低下することによるロス。これら（１）−（４）のロスを、ボイラーへの投入燃料から差し引いたエネルギーが生産工程や空調設備にて有効に活用されたエネルギーとなる。

送気時（配管）のロス（以下「配管ロス」）は次の３種類のロスを含む。（１）ドレンロス：配管からの放熱に伴い配管内蒸気が凝縮・ドレン化しスチームトラップから排出されるロス、（２）トラップリークロス：スチープトラップにて捕捉されたドレンが排出される際に配管内蒸気が同時に漏洩するロス、（３）配管等リークロス：蒸気配管、バルブ、フランジ等を含む配管系統に物理的損傷等があり、蒸気が漏洩するロス。

配管ロスの計測方法として以下がある。すなわち、配管入口側（ボイラー出口直後）及び配管出口側（各種負荷設備直前）のそれぞれに蒸気流量計を設置し、その計測結果の比較に基づきロスを算出する。しかしながら、この方法では、蒸気流量計を直接配管に設置することで計測可能となるから、配管出口側が複雑な構成であると、流量計を複数設置する必要が生じる。また、新規設置に際して既存の蒸気配管を切断する必要がある。さらに、湿り分（ドレン）がスチームトラップからすべて取り除かれるとは限らないために湿り度の評価が不十分となる可能性がある。

配管ロスの他の計測方法としてサーモグラフィなどの特殊な装置を用いた方法がある。しかしながら、この方法は、装置が高価である、計測結果の分析・評価に専門技術を要する、配管表面温度の計測精度が不十分となる傾向にある、蒸気管又は保温材の熱伝導率の評価が比較的困難である、などの課題を有する。

本発明は、蒸気管の損失、特に配管ロスを好ましく計測することが可能な計測システム及び計測方法を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、蒸気管の損失を計測するシステムであって、蒸気が流れる蒸気管に設定され、連続的に並ぶ複数の区間と、前記蒸気管内の圧力及び温度の少なくとも１つを測定する第１測定装置と、前記複数の区間の終点からそれぞれドレンを排出可能な複数のドレンユニットであり、各々がスチームトラップを有する前記複数のドレンユニットと、ドレン量に関する値を前記複数のドレンユニットでそれぞれ測定する第２測定装置と、前記第１測定装置の測定結果と前記第２測定装置の測定結果とを用いて、前記蒸気管の損失を計測する計算装置と、を備える損失計測システムが提供される。

本発明の別の態様に従えば、蒸気管の損失を計測する方法であって、蒸気が流れる蒸気管内の圧力及び温度の少なくとも１つを測定する第１測定工程と、各々の終点にスチームトラップが設けられた前記蒸気管に設定されかつ連続的に並ぶ複数の区間について、前記スチームトラップを介したドレン量に関する値を測定する第２測定工程と、前記第１測定工程の測定結果と前記第２測定工程の測定結果とを用いて、前記蒸気管の放熱損失を計測する計算工程と、を含む損失計測方法が提供される。

この計測システム及び計測方法によれば、スチームトラップを有するドレンユニットでの測定結果を用いて、配管ロスを好ましく計測することができる。

損失計測システムを示す概略図である。 ドレンユニットを示す概略図である。 制御ユニットを示す模式図である。 スチームトラップ前後の蒸気管内の様子を示す模式図である。 実証試験結果と理論計算結果との比較を示す図である。 一般的な蒸気系統を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、損失計測システム１を示す概略図である。図１において、蒸気管１０は、蒸気製造装置２０（ボイラなど）と負荷設備３０との間に配設される。蒸気製造装置２０からの蒸気が蒸気管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。蒸気管１０は、不図示の保熱手段によって保熱されている。公知の様々な保熱手段が適用可能である。保熱手段は、例えば、蒸気管１０の外面を覆う保温材を有する。

蒸気管１０には、複数のスチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、・・・ＳＴｎが配設されている。蒸気管１０内で凝縮して生じたドレンの少なくとも一部がスチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、・・・ＳＴｎに捕捉される。公知の様々なスチームトラップが適用可能である。通常、スチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、・・・ＳＴｎは、捕捉したドレンを適宜排出可能な構造を有する。

図１に示すように、損失計測システム１は、蒸気管１０に連続的に設定される区間ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、・・・ＳＣｎと、蒸気管１０内の圧力及び温度の少なくとも１つを測定するセンサ（第１測定装置）ＰＳと、スチームトラップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、・・・ＳＴｎをそれぞれ有するドレンユニットＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３、・・・ＤＵｎと、計算装置５０を含む制御ユニット４０とを備える。本実施形態において、センサＰＳは蒸気管１０内の圧力を測定する。センサＰＳとして、公知の様々な圧力センサが適用可能である。センサＰＳからの測定結果は、制御ユニット４０に送られる。

ドレンユニットＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３、・・・ＤＵｎは、蒸気管１０内で生じたドレンを、区間ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、・・・ＳＣｎの終点からそれぞれ排出可能である。図４に示すように、トラップ前に存在する蒸気管１０内のドレンの一部がスチームトラップＳＴｎに捕捉される。トラップ後において、ドレンの他の一部が蒸気管１０内に残る。ここで、スチームトラップＳＴｎに捕捉されるドレンの割合を捕捉率と称する。

図２は、ドレンユニットＤＵｎを示す概略図である。図２に示すように、ドレンユニットＤＵｎは、スチームトラップＳＴｎに加え、ドレンライン６０、仮設ホース６２、受水槽６４、及び重量計（第２測定装置）８０を有する。また、ドレンユニットＤＵｎは、必要に応じて、受水槽６４内のドレンの温度を計測する温度センサ７０、及びスチームトラップＳＴｎから排出される蒸気量、すなわちトラップリークロスを計測するトラップチェッカー７２（スチームトラップチェッカー）を有することができる。ドレンライン６０は、蒸気管１０の分岐ラインであり、蒸気管１０からのドレンが流れる配管を有することができる。ドレンライン６０上にスチームトラップＳＴｎが配設される。

仮設ホース６２は、スチームトラップＳＴｎからのドレンを受水槽６４に導くためのものであり、スチームトラップＳＴｎ（又はスチームトラップＳＴｎの出口端に配設された配管機器）に接続される。仮設ホース６２は、スチームトラップＳＴｎに対して着脱自在に配設され得る。スチームトラップＳＴｎからのドレンが受水槽６４に直接的に好ましく導かれる場合には、仮設ホース６２を省くことが可能である。

受水槽６４は、スチームトラップＳＴｎからのドレンを貯溜する。受水槽６４は、必要に応じてドレン温度の低下を抑制する構造及び／又はドレンの蒸発を抑制する構造を有することができる。

ドレンユニットＤＵｎの少なくとも一部は、区間ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、・・・ＳＣｎの間で共有することができる。例えば、ある区間の測定で使用した後に、仮設ホース６２、受水槽６４、重量計８０、温度センサ７０、及びトラップチェッカー７２の少なくとも１つを別の区間の測定に使用することができる。

図１に戻り、ドレンユニットＤＵｎを用いたドレン流量の測定は、区間ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、・・・ＳＣｎの１ずつ順に実施できる。あるいは、その測定は、区間ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、・・・ＳＣｎの２以上で同時に実施できる。測定区間の選択及び／又は切替は、制御ユニット４０を用いて、自動又は手動で実行できる。

図３は、制御ユニット４０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４０は、計算装置５０に加え、入力装置１２７、及び表示装置（出力装置）１２８を有する。計算装置５０は、Ａ／Ｄ変換器等の変換器１２３、ＣＰＵ（演算処理手段）１２４、及びメモリ１２５等を有する。損失計測システム１のセンサ（センサＰＳ、及び重量計８０など）などから送られる測定データが、必要に応じて変換器１２３等で変換され、ＣＰＵ１２４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１２７などを介して計算装置５０に取り込まれる。表示装置１２８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。

ＣＰＵ１２４は、測定データ、及びメモリ１２５に記憶された情報に基づき、蒸気管の損失に関する計算を実行することができる。例えば、センサＰＳ、及び重量計８０の測定結果を用いて、蒸気管１０の放熱損失を算出することができる。以下、蒸気管１０の損失に関する算出手法の一例を示す。

まず、ｎ番目のスチームトラップ周辺のドレン量について、以下の式（１）で表すことができる。

Ｄ_ｎ−１＋Ｄ’_ｎ−１＝Ｄ_ｎ＋Ｄ_{ｎ（ｏｕｔ）} …（１）

ここで、
Ｌ_ｎ：ｎ番目とｎ＋１番目のスチームトラップ間の距離、
ＳＴ_ｎ：ｎ番目のスチープトラップ、
Ｄ_ｎ：ｎ番目のスチームトラップで捕捉できなかったドレン量、
Ｄ_ｎ’：ｎ番目とｎ＋１番目のスチームトラップ間の配管の放熱により発生するドレン量、
Ｄ_{ｎ（ｏｕｔ）}：ｎ番目のスチームトラップで排出されるドレン量、
である。

また、単位蒸気配管長あたりの放熱量をｑ（Ｗ／ｍ）、蒸気の蒸発潜熱をｈ（Ｊ／ｋｇ）とすれば、以下の式（２）が成り立つ。

Ｄ’_ｎ−１＝ｑＬ_ｎ−１／ｈ …（２）

そこで、式（２）を式（１）に代入し、式（３）を得ることができる。

Ｄ_ｎ−１＋ｑＬ_ｎ−１／ｈ＝Ｄ_ｎ＋Ｄ_{ｎ（ｏｕｔ）} …（３）

ここで、Ｄ_ｎ−１、Ｄ_ｎ、ｑは計測不能であり未知の値である。ｈは蒸気管内の圧力（又は温度）から算出できる。Ｌ_ｎ−１とＤ_{ｎ（ｏｕｔ）}とを３ヶ所計測し、未知数３つの連列方程式を解くことで、ｑすなわち単位配管長あたりの放熱量（Ｗ／ｍ）を算出することができる。この算出結果から配管全体長からの放熱量、すなわち蒸気配管からのロスを求めることができる。算出されるロスは、ドレンロスとトラップリークロスを含む。トラップリークロスを計測可能なトラップチェッカーなどの装置を用いることにより、ロスの分析が可能である。なお、ドレンの温度を測定した結果に基づき、統計的演算手法を用いて、トラップリークロスを算出することも可能である。

具体的なＤ_{ｎ（ｏｕｔ）}の算出方法は以下である。まず、スチームトラップから排出されるドレンをホースにて捕捉し、予め水を張った保温容器にて捕捉したドレンを受ける。そして、計測前後の水量差から捕捉されたドレン量を算出する。

なお、この計測および算出においては、スチームトラップによるドレン捕捉率（Ｄ_{ｎ（ｏｕｔ}）／（Ｄ_ｎ−１＋Ｄ’_ｎ−１）が実質的に一定であることを前提としている。すなわち、複数のドレンユニットの間で、捕捉率が同じであると仮定している。例えば、計測対象とするスチームトラップが連続しかつスチームトラップが設置される配管構造が互いに同形状である。一例において、計測対象のスチームトラップのすべてが立ち上がり配管直前に配置される。

代替的に、スチームトラップが設置される配管構造に応じて、捕捉率を相対的に補正することが可能である。例えば、計測対象のスチームトラップの一部が立ち上がり配管直前に配置され、残りが水平配管途中に配置される。配置構造に応じて捕捉率に補正係数を乗じることにより、スチームトラップが配置される構造が互いに異なる場合も同様にドレン量を算出することが可能である。

計測結果から求められた単位配管長あたりの放熱量ｑ（Ｗ／ｍ）は計測地点での配管径や保温径の下での値であるため、配管径等が異なる場合には補正をかける必要がある。

蒸気系統における蒸気管のサイズや保温厚さは、負荷設備の蒸気条件（使用蒸気量、圧力、温度）により異なる場合がある。このような場合にも、ある蒸気管の放熱量が既知であれば、配管サイズ、保温厚さ、配管内部温度、および外気温度の相違に基づく補正を施すことにより放熱量を求めることが可能である。既知の放熱量から、別の配管サイズ及び保温厚さに対応した放熱量を算出する方法の一例を以下に示す。

放熱にかかる基本式を以下の式（４）に示す。

ここで、
ｑ：単位長さ当たりの放熱量（Ｗ／ｍ）、
Ｔ_０：配管内部温度（供給蒸気温度）（℃）、
Ｔ_１：外気温度（℃）、
ｒ_０：配管内径（ｍ）、
ｒ_１：配管外径（ｍ）、
ｒ_２：保温外径（断熱材外径）（ｍ）、
λ：保温熱伝導率（Ｗ／ｍ／℃）、
ｈ_１：蒸気の熱伝達率（Ｗ／ｍ²／℃）、
ｈ_２：外気の熱伝達率（Ｗ／ｍ²／℃）、
である。

式（４）から以下の補正計算式（５）を導き出すことができる。
補正計算式（５）において、ｑ’：別の配管における単位長さ当たりの放熱量（Ｗ／ｍ）、ｒ_１’：別の配管の配管外径（ｍ）、ｒ_２’：別の配管の保温外径（断熱材外径）（ｍ）、Ｔ_０’：別の配管の配管内部温度（供給蒸気温度）（℃）、Ｔ_１’：別の配管の外気温度（大気温度）（℃）、である。

以上説明したように、スチームトラップから排出されるドレン量を計測することで、蒸気配管ロスを計算することができる。蒸気配管からの放熱により、蒸気の一部はドレン化、ドレン管より系外に排出される。ドレン化する蒸気量は、蒸気配管からの放熱量と蒸気圧力(又は温度)から求められる飽和蒸気・飽和水のエンタルピより計算される。

こうしたドレン量計測による損失計算は、工場設備の稼動・非稼動に関わらず計測可能である、設備の改造が不要である、などの利点を有する。

ドレン量計測による損失計算方法について実証試験を行った。計測結果については、上記の式（４）を用いた理論計算と比較することとした。計測にあたっては、トラップチェッカーを用いてドレン排出と同時にスチームトラップから排出される蒸気量すなわちトラップリークロスも計測した。理論計算では「ドレンロス」のみでしか算出できないのに対し、実計測では「ドレンロス」と「トラップリークロス」とが混在して計測される。正確な検証を行うために計測結果からこれら２つのロスを分離した。

比較結果を図５に示す。図５に示すように、ドレンロスに関わる理論値とトラップリークロス分を除いた計測値は、ほぼ一致している。ドレンロスについて、計測値の方が若干大きな値となっているが、これは、保温材の経年劣化によるものと思われる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

１…損失計測システム、１０…蒸気管、２０…蒸気製造装置、３０…負荷設備、４０…制御ユニット、５０…計算装置、６０…ドレンライン、６２…仮設ホース、７０…温度センサ、６４…受水槽、８０…重量計（第２測定装置）、１２３…変換器、１２４…ＣＰＵ、１２５…メモリ、１２７…入力装置、１２８…表示装置、ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、・・・ＳＴｎ…スチームトラップ、ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３、・・・ＤＵｎ…ドレンユニット、ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、・・・ＳＣｎ…区間、ＰＳ…センサ（第１測定装置）。

Claims (4)

1. 蒸気管の損失を計測するシステムであって、
   蒸気が流れる蒸気管に設定され、連続的に並ぶ複数の区間と、
   前記蒸気管内の圧力及び温度の少なくとも１つを測定する第１測定装置と、
   前記複数の区間の終点からそれぞれドレンを排出可能な複数のドレンユニットであり、各々がスチームトラップを有する前記複数のドレンユニットと、
   ドレン量に関する値を前記複数のドレンユニットでそれぞれ測定する第２測定装置と、
   前記第１測定装置の測定結果、前記第２測定装置の測定結果、下式（３）、及び前記スチームトラップに捕捉されるドレンの割合を示す捕捉率を用いて、前記蒸気管の損失を計測する計算装置と、を備え、
   前記計算装置は、前記スチームトラップが設置される配管構造に応じて前記捕捉率を補正することを特徴とする蒸気管の損失計測システム。
   Ｄ _ｎ−１ ＋ｑＬ _ｎ−１ ／ｈ＝Ｄ _ｎ ＋Ｄ _{ｎ（ｏｕｔ）} …（３）
   （但し、Ｄ _ｎ−１ はｎ−１番目のスチームトラップで捕捉できなかったドレン量であり、ｑは単位配管長あたりの放熱量であり、Ｌ _ｎ−１ はｎ−１番目とｎ番目のスチームトラップ間の距離であり、ｈは蒸気の蒸発潜熱であり、Ｄ _{ｎ（ｏｕｔ）} はｎ番目のスチームトラップで排出されるドレン量である。）
2. 前記計算装置は、前記蒸気管内の蒸気流量に関する値を実質的に用いることなく前記蒸気管の損失を計測することを特徴とする請求項１に記載の蒸気管の損失計測システム。
3. 蒸気管の損失を計測する方法であって、
   蒸気が流れる蒸気管内の圧力及び温度の少なくとも１つを測定する第１測定工程と、
   各々の終点にスチームトラップが設けられた前記蒸気管に設定されかつ連続的に並ぶ複数の区間について、前記スチームトラップを介したドレン量に関する値を測定する第２測定工程と、
   前記第１測定工程の測定結果、前記第２測定工程の測定結果、下式（３）、及び前記スチームトラップに捕捉されるドレンの割合を示す捕捉率を用いて、前記蒸気管の放熱損失を計測する計算工程と、を含み、
   前記計算工程は、前記スチームトラップが設置される配管構造に応じて前記捕捉率を補正する
   ことを特徴とする蒸気管の損失計測方法。
   Ｄ _ｎ−１ ＋ｑＬ _ｎ−１ ／ｈ＝Ｄ _ｎ ＋Ｄ _{ｎ（ｏｕｔ）} …（３）
   （但し、Ｄ _ｎ−１ はｎ−１番目のスチームトラップで捕捉できなかったドレン量であり、ｑは単位配管長あたりの放熱量であり、Ｌ _ｎ−１ はｎ−１番目とｎ番目のスチームトラップ間の距離であり、ｈは蒸気の蒸発潜熱であり、Ｄ _{ｎ（ｏｕｔ）} はｎ番目のスチームトラップで排出されるドレン量である。）
4. 前記計算工程は、前記蒸気管内の蒸気流量に関する値を実質的に用いることなく前記蒸気管の損失を計測することを特徴とする請求項３に記載の蒸気管の損失計測方法。

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