(57)【要約】【課題】配管内のドレン量を推定し、当該推定結果からウォーターハンマーを監視する。【解決手段】配管１０１を透過した検査光及び参照光に基づいて、当該配管１０１内のドレン量を推定するドレン量推定部（第１の判定部１１４３及び第２の判定部１１４４）と、ドレン量推定部による推定結果に基づいて、ウォーターハンマーを監視するウォーターハンマー監視部１１４５と、ウォーターハンマー監視部１１４５による監視結果を報知する報知部１１４６とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気が流れる配管を透過した、飽和液で吸収される波長を有する検査光及び当該検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光に基づいて、当該配管内のドレン量を推定するドレン量推定部と、
前記ドレン量推定部による推定結果に基づいて、ウォーターハンマーを監視するウォーターハンマー監視部と、
前記ウォーターハンマー監視部による監視結果を報知する報知部と
を備えたウォーターハンマー監視装置。
【請求項２】
前記ドレン量推定部は、
前記配管内での検査光の吸収量が基準上限値以上であるかを判定する第１の判定部と、
前記第１の判定部により吸収量が基準上限値以上であると判定された場合に、前記配管内での検査光の吸収量が、基準時間内に基準下限値以下に変化したかを判定する第２の判定部とを有し、
前記ウォーターハンマー監視部は、前記第２の判定部により吸収量が基準時間内に基準下限値以下には変化していないと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生する可能性が高いと判定し、前記第２の判定部により吸収量が基準時間内に基準下限値以下に変化したと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生した可能性が高いと判定する
ことを特徴とする請求項１記載のウォーターハンマー監視装置。
【請求項３】
蒸気が流れる配管を透過した、飽和液で吸収される波長を有する検査光及び当該検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光により得られた、当該配管内の吸光度に基づいて、当該配管内のドレン量を推定するドレン量推定部と、
前記ドレン量推定部による推定結果に基づいて、ウォーターハンマーを監視するウォーターハンマー監視部と、
前記ウォーターハンマー監視部による監視結果を報知する報知部と
を備えたウォーターハンマー監視装置。
【請求項４】
前記ドレン量推定部は、
前記配管内の吸光度が基準上限値以上であるかを判定する第１の判定部と、
前記第１の判定部により吸光度が基準上限値以上であると判定された場合に、前記配管内の吸光度が、基準時間内に基準下限値以下に変化したかを判定する第２の判定部とを有し、
前記ウォーターハンマー監視部は、前記第２の判定部により吸光度が基準時間内に基準下限値以下には変化していないと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生する可能性が高いと判定し、前記第２の判定部により吸光度が基準時間内に基準下限値以下に変化したと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生した可能性が高いと判定する
ことを特徴とする請求項３記載のウォーターハンマー監視装置。
【請求項５】
蒸気が流れる配管を透過した、飽和液で吸収される波長を有する検査光及び当該検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光により得られた、当該配管内の乾き度に基づいて、当該配管内のドレン量を推定するドレン量推定部と、
前記ドレン量推定部による推定結果に基づいて、ウォーターハンマーを監視するウォーターハンマー監視部と、
前記ウォーターハンマー監視部による監視結果を報知する報知部と
を備えたウォーターハンマー監視装置。
【請求項６】
前記ドレン量推定部は、
前記配管内の乾き度が基準下限値以下であるかを判定する第１の判定部と、
前記第１の判定部により乾き度が基準下限値以下であると判定された場合に、前記配管内の乾き度が、基準時間内に基準上限値以上に変化したかを判定する第２の判定部とを有し、
前記ウォーターハンマー監視部は、前記第２の判定部により乾き度が基準時間内に基準上限値以上には変化していないと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生する可能性が高いと判定し、前記第２の判定部により乾き度が基準時間内に基準上限値以上に変化したと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生した可能性が高いと判定する
ことを特徴とする請求項５記載のウォーターハンマー監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ウォーターハンマーを監視するウォーターハンマー監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気が流れる配管では、蒸気及びドレンによりウォーターハンマーと呼ばれる現象が発生する場合がある。このウォーターハンマーが発生すると、配管、又は配管に接続された測定機器等が破壊される恐れがある。
【０００３】
ウォーターハンマーは、衝撃型と凝縮型に分類される。衝撃型のウォーターハンマーは、配管内に溜まったドレンが高速な蒸気により押し流されて塊となり、この塊が配管のコーナー部又はレデューサ部等に衝突することで生じるウォーターハンマーである。また、凝縮型のウォーターハンマーは、配管内に溜まった冷たいドレンに蒸気が触れることで蒸気が一気に凝縮し、この蒸気が存在していた空間が真空状態となることでドレン同士が衝突して生じるウォーターハンマーである。
【０００４】
一方、従来から、ウォーターハンマーの発生を防止する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。なお、特許文献１では、凝縮型のウォーターハンマーを対象としている。この特許文献１に開示された方法では、給水過熱器内でのドレン水位が高レベルとなったときに、給水過熱器と復水器との間に接続されたドレン配管に設けられた高水位調整弁を全閉状態から大きく開く。これにより、ドレン配管における高水位調整弁より復水器側に溜まっている冷えたドレンを、ドレン配管における高水位調整弁より給水過熱器側から流れるドレンにより復水器側に一気に押し流すことができ、ウォーターハンマーの発生を防止できる。
また、特許文献１に開示された方法では、タイマー手段が、高水位調整弁が全閉となった時点からの時間を計測している。そして、高水位調整弁が全閉になって通常水位制御が開始されてからの経過時間が、ウォーターハンマーが発生すると評価できる時間を経過しているか否かに応じて、高水位調整弁に対する開閉制御を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１３７１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された方法のように、時間を管理することでウォーターハンマーの発生を防止するよう制御を行う方法では、配管内のドレン量の状態までは管理できず、この状態を監視して制御を行う方法が望まれている。一方、蒸気が流れる配管は鋼管であり、配管内のドレン量を目視で確認することはできない。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、配管内のドレン量を推定でき、当該推定結果からウォーターハンマーを監視可能なウォーターハンマー監視装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るウォーターハンマー監視装置は、蒸気が流れる配管を透過した、飽和液で吸収される波長を有する検査光及び当該検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光に基づいて、当該配管内のドレン量を推定するドレン量推定部と、ドレン量推定部による推定結果に基づいて、ウォーターハンマーを監視するウォーターハンマー監視部と、ウォーターハンマー監視部による監視結果を報知する報知部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、上記のように構成したので、配管内のドレン量を推定でき、当該推定結果からウォーターハンマーを監視可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置が設けられた蒸気システムの構成例を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置の構成例を示す模式図である。
【図３】標準大気圧における水の状態変化を示すグラフである。
【図４】飽和蒸気及び飽和液の吸光スペクトルと乾き度との関係の一例を示すグラフである。
【図５】この発明の実施の形態１における２つの発光素子の発光強度と順方向電圧との関係の一例を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態１における２つの発光素子の順方向電圧と周辺温度との関係の一例を示すグラフである。
【図７】この発明の実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置による乾き度の測定動作例を示すフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態１に係るウォーターハンマーは監視装置によるウォーターハンマーの監視動作例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１が設けられた蒸気システムの構成例を示す模式図である。
ウォーターハンマー監視装置１は、図１に示すように、蒸気（冷媒等）が流れる配管２に接続される配管１０１を有し、当該配管１０１内のドレン量を推定し、当該推定結果からウォーターハンマーを監視する。なお、ここでのウォーターハンマーは、衝突型のウォーターハンマーである。また、ウォーターハンマー監視装置１は、例えば、配管２のコーナー部又はレデューサ部等のように、ウォーターハンマーが生じ易い箇所の前段に設けられる。図１では、ウォーターハンマー監視装置１が、配管２に設けられたバルブ３と配管２のコーナー部との間に設けられている。以下では、ウォーターハンマー監視装置１が、配管１０１内の乾き度ｚを測定し、当該乾き度ｚに基づいてドレン量を推定する場合を示す。
【００１２】
ウォーターハンマー監視装置１は、図２に示すように、配管１０１、発光素子（検査光発光素子）１０２、発光素子（参照光発光素子）１０３、駆動回路１０４、光導波路１０５、光導波路１０６、光合波器１０７、光導波路１０８、光導波路１０９、受光素子１１０、信号増幅分離回路１１１、温度センサ（温度測定部）１１２、データ記憶装置１１３、ＣＰＵ１１４、入力装置１１５、出力装置１１６、プログラム記憶装置１１７及び一時記憶装置１１８を備えている。また、データ記憶装置１１３は、演算情報記憶部１１３１を有している。また、ＣＰＵ１１４は、吸光度算出部１１４１、乾き度算出部１１４２、第１の判定部１１４３、第２の判定部１１４４、ウォーターハンマー監視部１１４５及び報知部１１４６を有している。
【００１３】
配管１０１は、耐熱性を有する配管である。また、図２に示す配管１０１の側壁には、窓１０１１及び窓１０１２が設けられている。窓１０１１及び窓１０１２は対向配置されている。この窓１０１１及び窓１０１２は、例えば光透過性を有する耐熱ガラスから構成されたサイトグラスである。
なお、ウォーターハンマー監視装置１における乾き度ｚの測定対象としている蒸気の流動様式は、配管１０１が水平配置の場合には層状流及び波状流であり、配管１０１が垂直配置の場合には環状流である。以下では、配管１０１が水平配置の場合を想定して説明を行うが、配管１０１が垂直配置の場合についても同様である。
【００１４】
発光素子１０２は、飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する。なお、検査光はパルス光である。発光素子１０２としては発光ダイオード等が使用可能である。
【００１５】
発光素子１０３は、発光素子１０２により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する。なお、参照光はパルス光である。また、発光素子１０３は、発光素子１０２の周辺に配置される。発光素子１０３としては発光ダイオード等が使用可能である。
【００１６】
なお、配管１０１と発光素子１０２及び発光素子１０３との間の距離は、一定の範囲内となるように設定されている。上記一定の範囲とは、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度ＴＬが、配管１０１内の温度（内部温度）Ｔｓに伴って変化する範囲である。
【００１７】
駆動回路１０４は、発光素子１０２及び発光素子１０３を駆動する。また、駆動回路１０４は、信号増幅分離回路１１１に対し、検査光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とを分離するための同期信号を出力する。この駆動回路１０４としては定電流駆動回路又は定電圧駆動回路等が使用可能である。
また、駆動回路１０４は、図２に示すように、温度センサ（周辺温度測定部）１０４１を有している。温度センサ１０４１は、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度ＴＬを測定する。
【００１８】
光導波路１０５は、発光素子１０２により発光された検査光を光合波器１０７に伝搬する。光導波路１０５は、一端が発光素子１０２の出力部に対向配置され、他端が光合波器１０７の入力部に対向配置されている。
【００１９】
光導波路１０６は、発光素子１０３により発光された参照光を光合波器１０７に伝搬する。光導波路１０６は、一端が発光素子１０３の出力部に対向配置され、他端が光合波器１０７の入力部に対向配置されている。
【００２０】
光合波器１０７は、光導波路１０５により伝搬された検査光と光導波路１０６により伝搬された参照光とを合波する。
【００２１】
光導波路１０８は、光合波器１０７により合波された光（検査光及び参照光）を配管１０１に伝搬する。光導波路１０８は、一端が光合波器１０７の出力部に対向配置され、他端が配管１０１に設けられた窓１０１１の外面に対向配置されている。また、光導波路１０８の他端と窓１０１１の外面との間に、コリメータレンズを配置してもよい。
【００２２】
光導波路１０９は、一端が配管１０１を介して光導波路１０８の他端に対向配置され、配管１０１の内部からの光を受光素子１１０に伝搬する。光導波路１０９は、一端が配管１０１に設けられた窓１０１２の外面に対向配置され、他端が受光素子１１０の入力部に対向配置されている。また、光導波路１０９の一端と窓１０１２の外面との間に、光導波路１０９に配管１０１の内部からの光を入射させるレンズを配置してもよい。
【００２３】
なお、光導波路１０５、光導波路１０６、光導波路１０８及び光導波路１０９としては、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ  Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）等のプラスチックから成るシングルコア光ファイバ、又は、石英ガラス等のガラスから成るシングルコア光ファイバ等が使用可能であるが、光を伝搬可能であればよく、これらに限定されない。
【００２４】
受光素子１１０は、光導波路１０９により伝搬された光（検査光及び参照光）を受光する。そして、受光素子１１０は、受光した光の光強度に応じた信号を出力する。受光素子１１０としてはフォトダイオード等の光強度検出素子が使用可能である。
【００２５】
信号増幅分離回路１１１は、受光素子１１０により出力された信号を増幅し、駆動回路１０４からの同期信号に基づいて、増幅した信号を検出光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とに分離する。この信号増幅分離回路１１１により分離された各信号はＣＰＵ１１４に出力される。
【００２６】
温度センサ１１２は、配管１０１の内部温度Ｔｓを測定する。
【００２７】
演算情報記憶部１１３１は、ＣＰＵ１１４で実施される演算で用いられる情報を記憶する。演算情報記憶部１１３１には、例えば、吸光度Ａｓと乾き度ｚとの関係を示す情報、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化を補正するための関数ｆ（ＴＬ，Ｔｓ）を示す情報、及び、ウォーターハンマーを監視するために用いられるしきい値（図２に示す構成では乾き度ｚに対する基準上限値及び基準下限値、乾き度ｚの変化に対する基準時間）を示す情報等が記憶される。
【００２８】
吸光度算出部１１４１は、受光素子１１０により受光された光に基づいて、配管１０１内の吸光度Ａｓを算出する。
乾き度算出部１１４２は、吸光度算出部１１４１により算出された吸光度Ａｓ、温度センサ１０４１により測定された周辺温度ＴＬ、及び、温度センサ１１２により測定された内部温度Ｔｓに基づいて、配管１０１内の乾き度ｚを算出する。
【００２９】
第１の判定部１１４３は、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚが基準下限値以下であるかを判定する。
第２の判定部１１４４は、第１の判定部１１４３により乾き度ｚが基準下限値以下であると判定された場合に、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚが基準時間内に基準上限値以上に変化したかを判定する。
【００３０】
なお、第１の判定部１１４３及び第２の判定部１１４４は、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚに基づいて、配管１０１内のドレン量を推定するドレン量推定部を構成する。
【００３１】
ウォーターハンマー監視部１１４５は、第２の判定部１１４４による判定結果に基づいて、ウォーターハンマーを監視する。この際、ウォーターハンマー監視部１１４５は、第２の判定部１１４４により乾き度ｚが基準時間内に基準上限値以上には変化していないと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生する可能性が高いと判定し、第２の判定部１１４４により乾き度ｚが基準時間内に基準上限値以上に変化したと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生した可能性が高いと判定する。
【００３２】
報知部１１４６は、ウォーターハンマー監視部１１４５による監視結果を報知する。この際、報知部１１４６は、出力装置１１６に上記監視結果を示す情報を表示させてもよいし、また、ウォーターハンマー監視装置１の外部に装置（外部機器又は上位機器等）が接続されている場合には、通信装置（不図示）を介して上記監視結果を示す情報を当該装置に通知してもよい。
【００３３】
入力装置１１５は、演算情報記憶部１１３１に記憶される情報のユーザ入力を受付ける。入力装置１１５としてはスイッチ及びキーボード等が使用可能である。
出力装置１１６は、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚを示す情報を出力する。出力装置１１６としては、光インジケータ、デジタルインジケータ及び液晶表示装置等が使用可能である。
プログラム記憶装置１１７は、ＣＰＵ１１４に接続された装置間のデータ送受信等をＣＰＵ１１４に実行させるためのプログラムを記憶する。
一時記憶装置１１８は、ＣＰＵ１１４の演算過程でのデータを一時的に記憶する。
【００３４】
次に、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１による配管１０１内の乾き度ｚの算出方法について説明する。
図３に示すように、標準大気圧下においては、水は沸点（１００℃）に達した後、飽和蒸気と飽和液（水）とが混合した湿り蒸気となる。蒸気の圧力Ｐが一定である場合、蒸気の加熱及び冷却により潜熱が変化するため、飽和温度は一定となる。ここで、下式（１）のように、乾き度ｚは、湿り蒸気全量に対する飽和蒸気の質量比で表される。したがって、飽和蒸気の乾き度ｚは１となり、飽和液の乾き度ｚは０となる。
ｚ＝ｍｖａｐｏｒ／（ｍｖａｐｏｒ＋ｍｗａｔｅｒ）          （１）
なお、式（１）において、ｍｖａｐｏｒは蒸気中の飽和蒸気の質量を表し、ｍｗａｔｅｒは蒸気中の飽和液の質量を表す。
【００３５】
ここで、蒸気中の飽和蒸気の質量ｍｖａｐｏｒは、蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒに比例する。また、蒸気中の飽和液の質量ｍｗａｔｅｒは、蒸気中の飽和液の吸光度ａｗａｔｅｒに比例する。そのため、式（１）から下式（２）が導かれる。
ｚ＝ｍｖａｐｏｒ／（ｍｖａｐｏｒ＋ｍｗａｔｅｒ）
＝ａｖａｐｏｒ／（ａｖａｐｏｒ＋ｋ×ａｗａｔｅｒ）            （２）
なお、式（２）において、ｋはモル吸光係数比を表す。
【００３６】
また、モル吸光係数比ｋは下式（３）で与えられる。
ｋ≒ｅｖａｐｏｒ／ｅｗａｔｅｒ            （３）
なお、式（３）において、ｅｖａｐｏｒは蒸気中の飽和蒸気の吸光係数を表し、ｅｗａｔｅｒは蒸気中の飽和液の吸光係数を表す。
【００３７】
また、蒸気の吸光度Ａｓは、下式（４）のように、蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒと蒸気中の飽和液の吸光度ａｗａｔｅｒとの和で与えられる。
Ａｓ＝ａｖａｐｏｒ＋ａｗａｔｅｒ            （４）
【００３８】
一方、検査光を用いて配管１０１内の蒸気の吸光度Ａｓ’を求めることもできる。この蒸気の吸光度Ａｓ’は、ランベルト・ベールの法則により、下式（５）のように、蒸気を透過する前又は蒸気が存在しない場合での検査光の光強度Ｉｓｔｅａｍ０に対する、蒸気を透過した後の検査光の光強度Ｉｓｔｅａｍ１の比の対数で与えられる。
Ａｓ’＝−ｌｎ（Ｉｓｔｅａｍ１／Ｉｓｔｅａｍ０）            （５）
【００３９】
図４に示すように、飽和蒸気の吸収スペクトル４０１と飽和液の吸収スペクトル４０２とは異なり、蒸気の乾き度ｚが変化すると蒸気中の飽和液の吸収スペクトル４０２が変化する。例えば、乾き度ｚが０から１に向かって変化するにつれて蒸気中の飽和液の含有量は減少するので、飽和液の吸収スペクトル４０２のピーク波長における蒸気の吸光度Ａｓも減少する。なお図４において、符号４０３は、蒸気の吸光スペクトルを示している。飽和液の吸収スペクトル４０２のピーク波長は、１８８０ｎｍ付近である。
なお、湿り蒸気においては、飽和蒸気の体積が飽和液の体積より非常に大きい。よって、蒸気温度（内部温度Ｔｓ）又は圧力Ｐが一定であれば飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒは一定とみなすことができ、飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒを蒸気温度（内部温度Ｔｓ）又は圧力Ｐから導くことができる。
【００４０】
一方、図４に示すように、配管１０１の内部に進入した検査光４０４のうちの一部の光４０５は、配管１０１の内部における飽和液の層状流又は波状流によって反射、散乱及び屈折等され、検査光４０４は損失する。また、配管１０１に設けられた窓１０１１及び窓１０１２が汚れている場合にも、上記検査光４０４の一部は損失する。よって、これらの損失の分、検査光４０４を用いて算出した蒸気の吸光度Ａｓ’は、蒸気の吸光度Ａｓからずれる。そこで、参照光４０６を用いて算出した蒸気の吸光度Ａｒにより、上記反射、散乱及び屈折並びに窓１０１１及び窓１０１２の汚れ等による検査光４０４の損失を補正する。なお図４において、光４０７は、参照光４０６のうちの、配管１０１の内部における飽和液の層状流又は波状流によって反射、散乱及び屈折等した光を示している。また図４において、光４０４〜４０７の幅は、光強度の強弱を表している。
【００４１】
ここで、蒸気の吸光度Ａｒは、ランベルト・ベールの法則により、下式（６）のように、蒸気を透過する前又は蒸気が存在しない場合での参照光の光強度Ｉｒｅｆ０に対する、蒸気を透過した後の参照光の光強度Ｉｒｅｆ１の比の対数で与えられる。
Ａｒ＝−ｌｎ（Ｉｒｅｆ１／Ｉｒｅｆ０）              （６）
【００４２】
そして、下式（７）のように、検査光を用いて算出した蒸気の吸光度Ａｓ’から、参照光を用いて算出した蒸気の吸光度Ａｒを差し引く。これにより、配管１０１の内部における反射、散乱及び屈折並びに窓１０１１及び窓１０１２の汚れ等による検査光の損失を補正でき、蒸気の吸光度Ａｓを得ることができる。
Ａｓ＝Ａｓ’−Ａｒ              （７）
【００４３】
そして、乾き度ｚは、式（２）及び式（４）から下式（８）のようにも導かれる。
ｚ＝１／（１−ｋ＋（ｋ／ａｖａｐｏｒ）×Ａｓ×ｆ（ＴＬ，Ｔｓ））          （８）
なお、式（８）において、ｆ（ＴＬ，Ｔｓ）は、周辺温度ＴＬ及び内部温度Ｔｓを変数とする関数であり、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化を補正するための関数である。この関数ｆ（ＴＬ，Ｔｓ）は、事前に、周辺温度ＴＬ及び内部温度Ｔｓを変えながら発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度を測定する等して得ることができる。
【００４４】
また、式（８）において、モル吸光係数比ｋは定数である。また、上述したように、飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒは一定の蒸気温度（内部温度Ｔｓ）又は一定の圧力Ｐの下では一定とみなせるため、飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒは蒸気温度（内部温度Ｔｓ）又は圧力Ｐから導くことができる。そのため、蒸気の吸光度Ａｓ及び関数ｆ（ＴＬ，Ｔｓ）を算出することで、式（８）から乾き度ｚを算出できる。
【００４５】
ここで、従来の乾き度測定装置では、２つの発光素子により発光された検査光及び参照光（配管を透過する前の検査光及び参照光）をモニタして、その光に基づいて乾き度ｚを補正している。この方法では、乾き度測定装置の構造が複雑となり、また、モニタ用の特殊な光ファイバ及び受光素子が必要になる。
【００４６】
一方、例えば図５に示すように、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度は、発光素子１０２及び発光素子１０３の順方向電圧ＶＬに依存する。また、例えば図６に示すように、発光素子１０２及び発光素子１０３の順方向電圧ＶＬは、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度ＴＬに依存する。なお図５に示す発光強度は、基準値からの変化率を示している。また、発光素子１０２及び発光素子１０３は配管１０１の近くに配置されており、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度ＴＬは配管１０１の内部温度Ｔｓに依存する。すなわち、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度は、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度ＴＬの影響を受ける。また、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度は、配管１０１の内部温度Ｔｓの影響を受けるとも言える。なお、配管１０１に蒸気が流れている場合での内部温度Ｔｓは１５０℃程度である。また、この内部温度Ｔｓは、従来の乾き度測定装置においても必須のものとして測定している。
そこで、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１では、上記周辺温度ＴＬ及び内部温度Ｔｓを測定し、その測定結果に基づいて発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化（関数ｆ（ＴＬ，Ｔｓ））を推定し、その変化に応じて乾き度ｚを補正する。これにより、従来構成に対して簡易な構成で、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化に基づく乾き度ｚの補正を行うことができる。
【００４７】
次に、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１による乾き度ｚの測定動作例について、図７を参照しながら説明する。
実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１による乾き度ｚの測定動作例では、図７に示すように、まず、発光素子１０２が、飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する（ステップＳＴ７０１）。発光素子１０２により発光された検査光は、光導波路１０５を介して光合波器１０７に伝搬する。
ここで、発光素子１０２により発光される検査光は、例えば、波長領域が８００〜２５００ｎｍの近赤外光である。図４に示すように、検査光４０４の中心波長を、飽和液の吸収スペクトル４０２のピーク波長（１８８０ｎｍ付近）としてもよい。
【００４８】
また、発光素子１０３が、発光素子１０２により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する（ステップＳＴ７０２）。発光素子１０３により発光された参照光は、光導波路１０６を介して光合波器１０７に伝搬する。ここで、湿り蒸気に吸収され難い波長とは、例えば１３００ｎｍ未満の波長である（図４参照）。
【００４９】
なお、発光素子１０２及び発光素子１０３の駆動は、駆動回路１０４により制御される。また、駆動回路１０４は、信号増幅分離回路１１１に対し、検査光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とを分離するための同期信号を出力する。
【００５０】
次いで、光合波器１０７が、光導波路１０５により伝搬された検査光と光導波路１０６により伝搬された参照光とを合波する（ステップＳＴ７０３）。光合波器１０７により合波された光（検査光及び参照光）は、光導波路１０８を介して配管１０１の内部に進入して配管１０１を透過した後、光導波路１０９を介して受光素子１１０に伝搬する。
【００５１】
ここで、光導波路１０８の他端から発せられた光に含まれる検査光は、配管１０１内において、蒸気中の飽和液によって吸収される。また上述したように、蒸気中の飽和液は、乾き度ｚが０から１に近づくにつれて減少する。したがって、乾き度ｚが０から１に近づくにつれて、蒸気の吸光度Ａｓは低下する傾向にある。
【００５２】
また、光導波路１０８の他端から発せられた光のうちの一部は、配管１０１内における飽和液の層状流又は波状流によって反射、散乱及び屈折等され、当該光は損失する。また、配管１０１に設けられた窓１０１１及び窓１０１２が汚れている場合にも、上記光の一部は損失する。ここで、上記反射、散乱及び屈折並びに窓１０１１及び窓１０１２の汚れ等による検査光の損失量は、参照光の損失量と略同一である。
【００５３】
次いで、受光素子１１０が、光導波路１０９により伝搬された光（検査光及び参照光）を受光する（ステップＳＴ７０４）。そして、受光素子１１０は、受光した光の光強度に応じた信号を出力する。そして、信号増幅分離回路１１１は、受光素子１１０により出力された信号を増幅し、駆動回路１０４からの同期信号に基づいて、増幅した信号を検出光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とに分離する。
【００５４】
また、温度センサ１０４１が、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度ＴＬを測定する（ステップＳＴ７０５）。
また、温度センサ１１２が、配管１０１の内部温度Ｔｓを測定する（ステップＳＴ７０６）。
【００５５】
次いで、吸光度算出部１１４１が、受光素子１１０により受光された光に基づいて、配管１０１内の吸光度Ａｓを算出する（ステップＳＴ７０７）。
【００５６】
この際、吸光度算出部１１４１は、まず、信号増幅分離回路１１１から、受光素子１１０により受光された検査光の光強度Ｉｓｔｅａｍ１（測定値）を示す信号及び参照光の光強度Ｉｒｅｆ１（測定値）を示す信号を受信する。
次に、吸光度算出部１１４１は、検査光の光強度Ｉｓｔｅａｍ１に基づいて、例えば式（５）に従い、吸光度Ａｓ’を算出する。なお、蒸気を透過する前又は配管１０１に蒸気が存在しない場合での検査光の光強度Ｉｓｔｅａｍ０は、事前に測定された値を定数として用いてもよい。
【００５７】
同様に、吸光度算出部１１４１は、参照光の光強度Ｉｒｅｆ１に基づいて、例えば式（６）に従い、吸光度Ａｒを算出する。なお、蒸気を透過する前又は配管１０１に蒸気が存在しない場合での参照光の光強度Ｉｒｅｆ０は、事前に測定された値を定数として用いてもよい。
【００５８】
次に、吸光度算出部１１４１は、例えば式（７）に従い、検査光を用いて算出した吸光度Ａｓ’から、参照光を用いて算出した吸光度Ａｒを差し引くことで、吸光度Ａｓを算出する。
【００５９】
次いで、乾き度算出部１１４２が、吸光度算出部１１４１により算出された吸光度Ａｓ、温度センサ１０４１により測定された周辺温度ＴＬ、及び、温度センサ１１２により測定された内部温度Ｔｓに基づいて、配管１０１内の乾き度ｚを算出する（ステップＳＴ７０８）。
【００６０】
この際、乾き度算出部１１４２は、まず、吸光度算出部１１４１から吸光度Ａｓを示す情報を受信する。また、乾き度算出部１１４２は、温度センサ１０４１から周辺温度ＴＬ（測定値）を示す情報を受信する。また、乾き度算出部１１４２は、温度センサ１１２から内部温度Ｔｓ（測定値）を示す情報を受信する。
【００６１】
次に、乾き度算出部１１４２は、周辺温度ＴＬ及び内部温度Ｔｓに基づいて、関数ｆ（ＴＬ，Ｔｓ）を算出する。
次に、乾き度算出部１１４２は、例えば式（８）に対し、吸光度Ａｓの値と、算出した関数ｆ（ＴＬ，Ｔｓ）の値とを代入して、乾き度ｚを算出する。なお式（８）における飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒは、蒸気温度（内部温度Ｔｓ）から導く。
【００６２】
ここで、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１では、検査光及び参照光を合波した後、光導波路１０８の他端から配管１０１の内部に照射する。これにより、配管１０１の内部における検査光の光路及び参照光の光路はほぼ同じとなる。ここで、配管１０１の内部における検査光の光路及び参照光の光路が異なる場合、配管１０１の内部の乾き度ｚを正確に測定できないことがありうる。これに対し、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１によれば、配管１０１の内部の乾き度ｚを正確に測定できる。
【００６３】
また、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１では、周辺温度ＴＬ及び内部温度Ｔｓに基づいて発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度を推定し、その発光強度の変化に応じて乾き度ｚの補正を行う。これにより、モニタ用の特殊な光ファイバ及び受光素子を用いずに、従来構成に対して簡易な構成で、乾き度ｚとは無関係に発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度が変化した場合でも、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化に基づく乾き度ｚの補正を行うことができ、乾き度ｚを正確に測定可能となる。
【００６４】
なお図２では、配管１０１に光透過性を有する窓１０１１を設け、窓１０１１の外面に光導波路１０８の他端が対向配置された場合を示した。しかしながら、これに限らず、配管１０１には窓１０１１を設けず、光導波路１０８の他端が配管１０１の側壁に貫通されてもよい。
また図２では、光導波路１０８の他端が窓１０１１の外面に対向配置された場合を示したが、これに限らず、光導波路１０８は用いず、光合波器１０７の出力部が窓１０１１の外面に対向配置されてもよい。
【００６５】
また図２では、配管１０１に光透過性を有する窓１０１２を設け、窓１０１２の外面に光導波路１０９の一端が対向配置された場合を示した。しかしながら、これに限らず、配管１０１には窓１０１２を設けず、光導波路１０９の一端が配管１０１の側壁に貫通されてもよい。
また図２では、光導波路１０９の一端が窓１０１２の外面に対向配置された場合を示したが、これに限らず、光導波路１０９は用いず、受光素子１１０の入力部が窓１０１２の外面に対向配置されてもよい。
【００６６】
また図２では、光導波路１０８と光導波路１０９とが対向配置された透過形の構成を示したが、これに限らず、反射形に構成されてもよい。この場合、窓１０１２に代えて、配管１０１の側壁における窓１０１１に対向する内面に反射板が配置される。また、光導波路１０９は一端が窓１０１１の外面に対向配置される。この場合、光導波路１０８により配管１０１の内部に伝搬された光は、配管１０１の内部を進行して反射板で反射され、光導波路１０９により受光素子１１０に伝搬される。
【００６７】
なお上記では、乾き度算出部１１４２が、蒸気温度（内部温度Ｔｓ）から飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒを算出する場合を示した。しかしながら、これに限らず、配管１０１の内部の圧力Ｐを測定する圧力センサ（圧力測定部）をウォーターハンマー監視装置１に追加し、乾き度算出部１１４２が、圧力センサにより測定された圧力Ｐから飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒを算出してもよい。
【００６８】
また上記では、温度センサ１１２が内部温度Ｔｓを測定する場合を示した。しかしながら、温度センサ１１２による内部温度Ｔｓの測定は必須ではなく、温度センサ１１２をウォーターハンマー監視装置１から取除いてもよい。
この場合、乾き度算出部１１４２は、吸光度算出部１１４１により算出された吸光度Ａｓ、及び、温度センサ１０４１により測定された周辺温度ＴＬに基づいて、例えば下式（９）に従って、配管１０１を流れる蒸気の乾き度ｚを算出する。
ｚ＝１／（１−ｋ＋（ｋ／ａｖａｐｏｒ）×Ａｓ×ｆ（ＴＬ））          （９）
なお、式（９）において、ｆ（ＴＬ）は、周辺温度ＴＬを変数とする関数であり、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化を補正するための関数である。この関数ｆ（ＴＬ）は、事前に、周辺温度ＴＬを変えながら発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度を測定する等して得ることができる。
【００６９】
次に、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１によるウォーターハンマーの監視動作例について、図８を参照しながら説明する。
実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１では、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚに基づいて配管１０１内のドレン量を推定し、その推定結果からウォーターハンマーの監視を行う。すなわち、配管１０１内のドレン量が少ない場合、この配管１０１内に検査光を透過させても配管１０１内のドレンによる吸収量は少ないため、乾き度算出部１１４２により算出される乾き度ｚは高くなる。逆に、配管１０１内のドレン量が多い場合、この配管１０１内に検査光を透過させると配管１０１内のドレンによる吸収量が多くなるため、乾き度算出部１１４２により算出される乾き度ｚが低くなる。よって、この乾き度ｚの値によりドレン量を推定可能であり、ウォーターハンマーを監視可能となる。
なお、ウォーターハンマーは、蒸気システムにおいて、バルブ３を開いた直後等のようにスタートアップの際に生じ易い。そのため、ウォーターハンマー監視装置１は、例えばバルブ３を開く直前から配管１０１内の乾き度ｚの測定を開始する。
【００７０】
実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１によるウォーターハンマーの監視動作例では、図８に示すように、まず、配管１０１内の乾き度ｚの測定を行う（ステップＳＴ８０１）。このステップＳＴ８０１におけるウォーターハンマー監視装置１による乾き度ｚの測定動作は、例えば図７に示すフローチャートに沿って実行される。
【００７１】
次いで、第１の判定部１１４３は、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚが基準下限値以下であるかを判定する（ステップＳＴ８０２）。このステップＳＴ８０２により、第１の判定部１１４３は、配管１０１内にドレンが多く溜まっているかを推定する。なお、基準下限値は、配管１０１内の圧力Ｐ等により異なり適宜設定されるが、例えば０．０５以下の値である。
このステップＳＴ８０２において、第１の判定部１１４３が乾き度ｚが基準下限値以下ではないと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ８０１に戻り、上記の動作を繰り返す。
【００７２】
一方、ステップＳＴ８０２において、第１の判定部１１４３が乾き度ｚが基準下限値以下であると判定した場合には、第２の判定部１１４４は、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚが基準時間内に基準上限値以上に変化したかを判定する（ステップＳＴ８０３）。このステップＳＴ８０３により、第２の判定部１１４４は、配管１０１内に溜まっていたドレンが蒸気により押し流されたかを推定する。なお、基準時間及び基準上限値は、配管１０１内の圧力Ｐ等により異なり適宜設定される。
【００７３】
このステップＳＴ８０３において、第２の判定部１１４４が乾き度ｚが基準時間内に基準上限値以上には変化していないと判定した場合には、ウォーターハンマー監視部１１４５は、ウォーターハンマーが発生する可能性が高いと判定する（ステップＳＴ８０４）。
【００７４】
一方、ステップＳＴ８０３において、第２の判定部１１４４が乾き度ｚが基準時間内に基準上限値以上に変化したと判定した場合には、ウォーターハンマー監視部１１４５は、ウォーターハンマーが発生した可能性が高いと判定する（ステップＳＴ８０５）。
【００７５】
次いで、報知部１１４６は、ウォーターハンマー監視部１１４５による監視結果を報知する（ステップＳＴ８０６）。この際、報知部１１４６は、出力装置１１６に上記判定結果を示す情報を表示させてもよいし、外部の装置に上記判定結果を示す情報を通知してもよい。
【００７６】
このように、ウォーターハンマー監視装置１は、配管１０１内の乾き度ｚに基づいて当該配管１０１内のドレン量を推定し、ウォーターハンマーが発生する可能性が高い場合には、そのことを表示する又は外部の装置に伝える。そして、蒸気システムを利用するユーザが、この情報を基に、バルブ３をゆっくり開く又はドレンを取除く等することで、ウォーターハンマーの発生を未然に防止可能となる。
また、ウォーターハンマー監視装置１は、配管１０１内の乾き度ｚに基づいて当該配管１０１内のドレン量を推定し、ウォーターハンマーが発生した可能性が高い場合にも、そのことを表示する又は外部の装置に伝える。これにより、蒸気システムを利用するユーザは、この情報を基に、ウォーターハンマーの発生回数及び頻度等を考慮して、配管２、又は配管２に接続された測定機器等の診断及び点検の回数及び内容等を検討できる。
【００７７】
また図１では、蒸気システムに１つのウォーターハンマー監視装置１を設けた場合を示した。しかしながら、これに限らず、蒸気システムに複数のウォーターハンマー監視装置１を設け、相互に連携してもよい。これにより、例えば、蒸気システムを利用するユーザがドレンを取除く場所をより適切に判断できる。
【００７８】
なお上記に示した配管１０１内の乾き度ｚを算出するための構成及び算出方法は一例であり、検査光及び参照光を用いて配管１０１内の乾き度ｚを算出する構成及び算出方法であればよい。
【００７９】
また上記では、ウォーターハンマー監視装置１が、乾き度ｚを測定する機能も有する場合を示した。しかしながら、これに限らず、ウォーターハンマー監視装置１は乾き度ｚを測定する機能を持たず、乾き度ｚを測定する機能を有する外部装置（乾き度測定装置）から測定結果を示す情報を取得して、ウォーターハンマーの監視を行ってもよい。
【００８０】
また上記では、ドレン量推定部が、乾き度算出部１１４２により算出された乾き度ｚに基づいて、配管１０１内のドレン量を推定する場合を示した。しかしながら、これに限らず、ドレン量推定部は、吸光度算出部１１４１により算出された吸光度Ａｓに基づいて、配管１０１内のドレン量を推定してもよく、同様の効果が得られる。
【００８１】
この場合、第１の判定部１１４３は、吸光度算出部１１４１により算出された吸光度Ａｓが基準上限値以上であるかを判定する。
また、第２の判定部１１４４は、第１の判定部１１４３により吸光度Ａｓが基準上限値以上であると判定された場合に、吸光度算出部１１４１により算出された吸光度Ａｓが、基準時間内に基準下限値以下に変化したかを判定する。
また、ウォーターハンマー監視部１１４５は、第２の判定部１１４４により吸光度Ａｓが基準時間内に基準下限値以下には変化していないと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生する可能性が高いと判定し、第２の判定部１１４４により吸光度Ａｓが基準時間内に基準下限値以下に変化したと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生した可能性が高いと判定する。
【００８２】
またこの場合には、図２に示すウォーターハンマー監視装置１のうち、温度センサ１１２、温度センサ１０４１及び乾き度算出部１１４２は不要である。
また上記では、ウォーターハンマー監視装置１が、吸光度Ａｓを測定する機能も有する場合を示した。しかしながら、これに限らず、ウォーターハンマー監視装置１は吸光度Ａｓを測定する機能を持たず、吸光度Ａｓを測定する機能を有する外部装置（吸光度測定装置）から測定結果を示す情報を取得して、ウォーターハンマーの監視を行ってもよい。
【００８３】
また、ドレン量推定部は、受光素子１１０により受光された検査光及び参照光に基づいて、配管１０１内のドレン量を推定してもよく、同様の効果が得られる。すなわち、ドレン量推定部は、検査光の配管１０１通過後の減少量に対し、参照光の配管１０１通過後の減少量を加算することで、配管１０１内での検査光の吸収量を算出し、この吸収量から、配管１０１内のドレン量を推定する。
【００８４】
この場合、第１の判定部１１４３は、受光素子１１０により受光された光から得られた配管１０１内での検査光の吸収量が基準上限値以上であるかを判定する。
また、第２の判定部１１４４は、第１の判定部１１４３により吸収量が基準上限値以上であると判定された場合に、受光素子１１０による受光された光から得られた配管１０１内での検査光の吸収量が、基準時間内に基準下限値以下に変化したかを判定する。
また、ウォーターハンマー監視部１１４５は、第２の判定部１１４４により吸収量が基準時間内に基準下限値以下には変化していないと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生する可能性が高いと判定し、第２の判定部１１４４により吸収量が基準時間内に基準下限値以下に変化したと判定された場合に、ウォーターハンマーが発生した可能性が高いと判定する。
【００８５】
またこの場合には、図１に示すウォーターハンマー監視装置１のうち、温度センサ１１２、温度センサ１０４１、吸光度算出部１１４１及び乾き度算出部１１４２は不要である。
また上記では、ウォーターハンマー監視装置１が、配管１０１を透過した検査光及び参照光を測定する機能も有する場合を示した。しかしながら、これに限らず、ウォーターハンマー監視装置１は配管１０１を透過した検査光及び参照光を測定する機能を持たず、配管１０１を透過した検査光及び参照光を測定する機能を有する外部装置（光測定装置）から測定結果を示す情報を取得して、ウォーターハンマーの監視を行ってもよい。
【００８６】
以上のように、この実施の形態１によれば、配管１０１を透過した検査光及び参照光に基づいて、当該配管１０１内のドレン量を推定するドレン量推定部と、ドレン量推定部による推定結果に基づいて、ウォーターハンマーを監視するウォーターハンマー監視部１１４５と、ウォーターハンマー監視部１１４５による監視結果を報知する報知部１１４６とを備えたので、配管１０１内のドレン量を推定でき、当該推定結果からウォーターハンマーを監視可能となる。
【００８７】
また、特許文献１に開示された方法では、凝縮型のウォーターハンマーの発生を防止するため、高水位調整弁を全閉状態から一気に大きく開く制御を行っている。このように、弁を急激に開いた場合、衝撃型のウォーターハンマーが発生する恐れがある。それに対し、実施の形態１に係るウォーターハンマー監視装置１では、配管１０１内のドレン量を推定してウォーターハンマーを監視することで、衝撃型のウォーターハンマーの発生を防止可能となる。
【００８８】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１  乾き度測定装置
２  配管
３  バルブ
１０１  配管
１０２  発光素子（検査光発光素子）
１０３  発光素子（参照光発光素子）
１０４  駆動回路
１０５  光導波路
１０６  光導波路
１０７  光合波器
１０８  光導波路
１０９  光導波路
１１０  受光素子
１１１  信号増幅分離回路
１１２  温度センサ（温度測定部）
１１３  データ記憶装置
１１４  ＣＰＵ
１１５  入力装置
１１６  出力装置
１１７  プログラム記憶装置
１１８  一時記憶装置
１０１１  窓
１０１２  窓
１０４１  温度センサ（周辺温度測定部）
１１３１  演算情報記憶部
１１４１  吸光度算出部
１１４２  乾き度算出部
１１４３  第１の判定部
１１４４  第２の判定部
１１４５  ウォーターハンマー監視部
１１４６  報知部
【図１】
2019095098.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019095098.tif 000008
【図７】
2019095098.tif 000009
【図８】
2019095098.tif 000010