(57)【要約】【課題】  熱源に蒸気を使用するガス加熱器において、ガス加熱器内部（胴内）に漏洩したガスには水蒸気を含んでおり、ガス検知素子にて検知するには耐熱性や結露対策などの課題がある。本発明は、ガス検知器を使用せずにガス漏洩を検知するガス漏洩検知システムを提供する。【解決手段】  ガス加熱器内部（胴内）へのガス漏洩に伴う様々な状態変化（ガス流量，蒸気圧力，蒸気温度，ドレン量）を捉えることにより、間接的にガス漏洩の有無を検知する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源に蒸気を用いるガス加熱器のガス検知システムにおいて、前記ガス加熱器に供給するガスの流量と、ガス加熱器に供給する蒸気圧力を調節する蒸気圧力調節弁の弁開度とが所定の関係に設定された関数発生器に基づいて、ガス加熱器に供給するガスの流量の検出値から蒸気圧力調節弁の弁開度を算出し、この算出された弁開度と実際の蒸気圧力調節弁の弁開度とに偏差が発生することによりガス漏洩を検出することを特徴とするガス漏洩検知システム。
【請求項２】
熱源に蒸気を用いるガス加熱器のガス検知システムにおいて、前記ガス加熱器胴内の飽和蒸気圧力と飽和蒸気温度とが所定の関係に設定された関数発生器に基づいて、ガス加熱器内の蒸気圧力の検出値から蒸気温度を算出し、この算出された蒸気温度と実際の蒸気温度の検出値とに偏差が発生することによりガス漏洩を検出することを特徴とするガス漏洩検知システム。
【請求項３】
熱源に蒸気を用いるガス加熱器のガス検知システムにおいて、前記ガス加熱器に供給される蒸気流量と、ガス加熱器から排出される蒸気流量の検出値に偏差が発生することによりガス漏洩を検出することを特徴とするガス漏洩検知システム。
【請求項４】
熱源に蒸気を用いるガス加熱器のガス検知システムにおいて、前記ガス加熱器に供給するガスの流量と、ガス加熱器のドレン流量とが所定の関係に設定された関数発生器に基づいて、ガス加熱器に供給するガスの流量の検出値からドレン流量を算出し、この算出されたドレン流量と実際のドレン流量とに偏差が発生することによりガス漏洩を検出することを特徴とするガス漏洩検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源に蒸気を用いるガス加熱器における胴内のガス漏洩検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス加熱器は、各分野により熱源に蒸気，温水，燃焼ガスなど様々な流体を使用しており、その形状も多種多様である。ガス加熱器としてのシェルアンドチューブ形熱交換器は、管板を境界にガス側と蒸気側（胴内）に隔離されているが、胴内にガスが流れるチューブなどが、腐食等により損傷し漏洩が発生した場合は、ガス側の圧力は胴内側の蒸気圧力よりも高いため、圧力差が生じ胴内にガスが混入される。この結果、胴内はもとより胴体に接続されているドレン配管にまでガスが拡散する恐れがある。ガス加熱器を扱うプラントでは、安全性の観点からガス加熱器胴内の蒸気をサンプリングし、ガスがある規定値以上の濃度に達すると警報を発し、運転員にガス漏洩を知らせるようなガス漏洩検知システムのニーズが多い。
【０００３】
しかし、この技術ではガス検出素子の耐熱性や結露等による検出精度に課題があり、水蒸気を含んだガスサンプリングは非常に困難である。このため現状は、サンプリングしたガスを蒸気分離器等に送り、ガス検出素子が使用できる温度湿度条件にまで下げてから、ガス検知器にて検出する方法が採用されている。
【０００４】
なお、従来の蒸気分離器を備えたガス検知システムとして、例えば特開２００２−
９０２７０号公報に記載の技術がある。蒸気を分離する手段として中空糸膜等が使用されている。またガス圧力及び温度センサを使用し、微小なガス漏洩を検知する技術としては、特開２００２−３２３３９８号公報に記載のものがある。この従来技術では、装置停止中における外部へのガス漏洩検知を対象にしており、ガス流入が遮断されてから、ある一定時間経過後に密閉された状態での内部の圧力低下を計測することで、外部漏洩の有無を検知している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９０２７０号公報
【０００６】
【特許文献２】特開２００２−３２３３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のように、蒸気分離器等を使用することにより、ガス加熱器胴内のガス漏洩は検知可能である。しかしながら、蒸気分離器等は汎用性が低く、使用圧力温度条件に見合った設計が必要なことから、一般的に高価なものが多い。また前述の蒸気分離器は、水蒸気を除去させるのに冷却水や計装空気を使用しており、経済性及び環境的にもまだまだ改善の余地がある。
【０００８】
本発明の目的は、ガス検知器を使用せずに間接的にガス漏洩を検知するガス漏洩検知システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ガス加熱器内部（胴内）へのガス漏洩に伴う様々な状態変化（ガス流量，蒸気圧力，蒸気温度，ドレン量）を捉えることにより、間接的にガス漏洩の有無を検知するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガス検知器を使用しなくてもガス漏洩を間接的に検知することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ガス加熱器は、各分野により熱源に蒸気，温水，燃焼ガスなど様々な流体を使用しており、その形状も多種多様である。本実施例のガス検知システムは、熱源の流体を過熱蒸気とし、被加熱流体は、天然ガスなどの高圧ガスを対象とする。また説明を簡略化するため、ガス加熱器は一般的な形状であるシェルアンドチューブ形熱交換器を代表例に説明するものとする。
【００１２】
シェルアンドチューブ形熱交換器は、管板を境界にガス側と蒸気側（胴内）に隔離されているが、胴内にガスが流れるチューブなどが、腐食等により損傷し漏洩が発生した場合は、ガス側の圧力は胴内側の蒸気圧力よりも高いため、圧力差が生じ胴内にガスが混入される。この結果、胴内はもとより胴体に接続されているドレン配管にまでガスが拡散する恐れがある。ガス加熱器を扱うプラントでは、安全性の観点からガス加熱器胴内の蒸気をサンプリングし、ガスがある規定値以上の濃度に達すると警報を発し、運転員にガス漏洩を知らせるようなガス漏洩検知システムのニーズが多い。
【００１３】
しかし現状技術では、ガス検出素子の耐熱性や結露等による検出精度に課題があり、水蒸気を含んだガスサンプリングは非常に困難である。このため現状は、サンプリングしたガスを蒸気分離器等に送り、ガス検出素子が使用できる温度湿度条件にまで下げてから、ガス検知器にて検出する方法が採用されている。
【００１４】
図５は、一般的なガス加熱器のガスサンプリング方法の概念図を示したものである。
【００１５】
ガス加熱器１は、管板２によりガス側と蒸気側（胴体側）に隔離されている。蒸気側は、圧力発信器３と蒸気圧力調節弁４にて圧力制御を行い、胴内のチューブ５を蒸気にて加熱している。一方ガス側は、入口ノズル６から入り、チューブ５内を流れることにより、冷たいガスは蒸気によって加熱されて出口ノズル７へと流れる。また胴内の水蒸気は、チューブ５にて熱交換が行われるため、液化し水となってドレンノズル８から排出される。
【００１６】
胴内の蒸気圧力はガス圧力より低いため、チューブ等に漏洩が発生すると、胴内にガスが拡散されることになる。水蒸気を含んだガスを直接検知するのは、前述の通り非常に困難であるため、蒸気分離器９にて水蒸気を取り除いてからガスセンサー部１０にて検知する。この蒸気分離器９は、冷却水や乾燥した計装空気などを使用して水蒸気を取り除く。取り除かれた水蒸気は、液化しドレンとなって蒸気分離器９より排出される。ガスセンサー部１０は、規定値以上のガス濃度が検知されると警報を発し、運転員に知らせるシステムとなっている。蒸気分離器９は、経済性の観点から蒸気分離器９の前段にオリフィス
１１を設けてサンプリング量を必要最小限にし、冷却水や計装空気の低減を図っているのが一般的である。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第一の実施例を示す。
【００１８】
ガス加熱器１は、管板２によりガス側と蒸気側（胴内）に隔離されている。胴体に設置されている制御用の圧力発信器３及び蒸気圧力調節弁４にて、胴内の蒸気は圧力制御されている。胴内の蒸気（加熱流体）は、チューブ５を流れる冷たいガス（被加熱流体）と熱交換するため、冷却されることによって液化しドレン（水）となって排出される。
【００１９】
ガス加熱器１の熱交換が正常に行われていれば、ガス流量と蒸気流量は比例関係にある。しかしチューブリーク等により胴内にガスが漏洩した場合は、チューブ損傷の度合いに応じて緩やか又は急激に胴内の圧力が上昇していくが、他方で胴内の圧力を制御している蒸気圧力調節弁の弁開度は、圧力を低下させようと閉方向に制御され、全閉に至った時点で制御不能となる。この結果、ガスがガス加熱器１内（加熱流体側領域）に漏洩しているにもかかわらず、蒸気圧力調節弁４が全閉する事象が生じ、熱交換が正常に行われているガス流量と蒸気圧力調節弁４の弁開度の関係とは明らかに異なる事象が生じる。
【００２０】
この特性を利用して、ガス流量と蒸気圧力調節弁４の弁開度を監視し、ガス漏洩を間接的に検知するのが本実施例の特徴である。なお蒸気圧力調節弁４の弁開度ではなく、蒸気流量に置き換えることも可能であるが、本実施例では蒸気圧力調節弁４の弁開度を一例として説明する。
【００２１】
この蒸気圧力調節弁４の弁開度は、弁開度発信器２１にて計測する。一方、計画運転時の蒸気圧力調節弁４の弁開度は、ガス加熱器１に被加熱ガスを供給する系統の流量発信器
２２及び蒸気圧力調節弁開度関数発生器２３にて求める。すなわち、蒸気圧力調節弁開度関数２３では流量発信器２２で検出されたガス流量を元に、図示するようにガス流量との関係から規定される蒸気圧力調節弁４の弁開度を算出する。そして、この計画運転時の弁開度と弁開度発信器２１による実測の弁開度を減算器２４により偏差を求め、比較器２５にて規定値以上（α％開度以上）の偏差が認められる場合には、ガス漏洩と判断し警報を発する。
【００２２】
なお、ガス温度及びガス圧力が変化するガス加熱器１は、ガス流量に温圧補正を行い正確な流量を計測するものとする。またガス加熱器１の起動時は、胴内の蒸気圧力制御が不安定で、蒸気圧力調節弁４の弁開度も安定していないため、不用意な警報を発しないように、警報の発する条件としてガス加熱器運転中の信号２６及びタイマー２７とのＡＮＤ回路２８を設けることで、起動時の警報を除外する。また、ガス供給系統のガス遮断弁２９及び蒸気供給系統の蒸気遮断弁３０を設置することで、ガス漏洩を検知した際には、自動的にガス及び蒸気供給を遮断できるガス漏洩検知システムとすることもできる。
【００２３】
図２は、本発明の他の実施例を示す。図１の実施例ではガス流量と蒸気圧力調節弁４の弁開度の関係からガス漏洩を検出していたが、本実施例ではガス加熱器１胴内の蒸気圧力の実測値から、飽和蒸気圧力温度関数に基づいて飽和蒸気温度を算出し、これを蒸気温度の実測値との偏差を監視してガス漏洩を検出しようとする手法である。
【００２４】
熱交換が正常に行われていれば、胴内の蒸気圧力温度はほぼ飽和状態になっている。ここで、チューブリーク等により胴内にガス漏洩が発生した場合は、胴内の圧力が上昇する。そして、蒸気圧力調節弁４は圧力を低下させようと閉方向に制御され、全閉に至った時点で制御不能となる。この結果、熱源である蒸気の流入が遮断されるため、胴内の温度は低下する。胴内の圧力は上昇しているにもかかわらず、胴内の温度が低下する事象が生じ、正常な飽和蒸気圧力温度の関係とは明らかに異なる事象が生じる。なお、本実施例では飽和蒸気圧力温度における温度偏差ではなく、圧力の偏差に置き換えることも可能であるが、ここでは温度偏差を一例として説明する。
【００２５】
胴内の温度監視用として流量発信器３１を設け、計画運転時の胴内の蒸気温度は、圧力発信器３２及び飽和蒸気圧力温度関数発生器３３にて求める。具体的には、飽和状態となっているガス加熱器１胴内の蒸気圧力を検出し、図示するように飽和蒸気圧力と飽和蒸気温度が比例関係となっている飽和蒸気圧力温度関数発生器３３に基づいて飽和蒸気温度を算出している。そして、この計画運転時の蒸気温度と流量発信器３１による実測の蒸気温度の偏差を減算器３４により求める。比較器３５にて規定値以上（α℃以上）の偏差が認められる場合には、ガス漏洩と判断し警報を発する。
【００２６】
なお、ガス加熱器の起動時は、胴内の蒸気圧力が不安定であり、不用意な警報を発しないように、警報の発する条件としてガス加熱器運転中の信号３６及びタイマー３７との
ＡＮＤ回路３８を設けることで、起動時の警報を除外する。またガス漏洩を検知した際、ガス遮断弁２９及び蒸気遮断弁３０を設置することで、自動的にガス及び蒸気供給を遮断できるガス漏洩検知システムとすることもできる。
【００２７】
図３は、本発明の他の実施例を示す。ガス加熱器が正常に運転されている状態では、ガス入口部と出口部の流量は同じである。しかしチューブリーク等によるガス漏洩が発生した場合は、胴内及び胴体に接続されているドレン配管にもガスが流出し、流量偏差が大きくなる。本実施例は、ガス加熱器１に流入するガス流量とガス加熱器１から流出するガス流量の偏差からガス漏洩を検出しようとするものである。なお、流量偏差ではなく、圧力偏差（差圧）に置き換えることも可能である。
【００２８】
ガス加熱器１出入口のガス流量は、入口側の流量発信器４１と出口側のガス流量発信器４２にて計測する。この実測のガス流量を減算器４３により偏差を求め、比較器４４にてある規定以上（αkg／ｈ）の偏差が認められる場合には、ガス漏洩と判断し警報を発する。
【００２９】
一方、外部（大気中）にガスが漏洩した場合も流量偏差は大きくなるため、ガス加熱器近傍に拡散式のガス検知器を設置し、外部への漏洩も同時に監視する。なおガス出口流量は、ガス加熱器内のチューブを通過するために圧損及び温度が上昇するが、入口流量もまた流量偏差に正確な流量が求められることから、出入口ガス流量に温圧補正を行う。またガス漏洩を検知した際、ガス遮断弁２９及び蒸気遮断弁３０を設置することで、自動的にガス及び蒸気供給を遮断できるガス漏洩検知システムとすることもできる。
【００３０】
図４は、本発明の他の実施例を示す。本実施例では、ガス加熱器１に供給されるガス流量を検出し、ドレン発生量関数に基づいてドレン量を算出し、これと実測値のドレン量との偏差を監視してガス漏洩を検出するものである。
【００３１】
ガス加熱器が正常に運転されている状態では、ガス流量と胴内の蒸気ドレン（水）量は比例関係にある。チューブリーク等のガス漏洩が発生した場合は、胴内の圧力が上昇するが、圧力を低下させようと蒸気圧力調節弁は閉方向に制御され、全閉に至った時点で制御不能となる。この結果、熱源である蒸気の流入が遮断されるため、熱交換性能が低下する。ガスが流れているにもかかわらず、蒸気ドレン量が低下する事象が生じる。
【００３２】
蒸気ドレン量はガス流量に比例することから、流量発信器３１にてガス流量を計測する。この実測のガス流量およびドレン発生量関数発生器５１にて、計画運転時のドレン発生量を求める。この計画運転時のドレン流量と流量発信器５２による実測のドレン流量を減算器５３により偏差を求め、比較器５４にてある規定以上の偏差（αkg／ｈ以上）が認められる場合には、ガス漏洩と判断し、警報を発する。
【００３３】
なお、ガス温度及びガス圧力が変化するガス加熱器１は、ガス流量に温圧補正を行い、正確な流量を計測するものとする。またガス加熱器の起動時には、胴内のドレン発生量が不安定なため、警報を発する条件として、ガス加熱器運転中の信号２６及びタイマー２７とのＡＮＤ回路２８を設けることで、起動時の警報を除外する。またガス漏洩を検知した際、ガス遮断弁２９及び蒸気遮断弁３０を設置することで、自動的にガス及び蒸気供給を遮断できるガス漏洩検知システムとすることもできる。
【００３４】
以上説明したように、図１〜図４に示す本実施例のガス漏洩検知システムは、ガス検知器を使用せずに間接的にガス漏洩を検出することが可能となる。これにより、蒸気分離器等を設置する必要がなくなり、設置スペース，設置コスト，蒸気分離器に使用する冷却水や計装空気などのユーティリティが低減でき、経済性及び環境的にメリットが大きい。またガス検知器の保守点検は、一般高圧ガス保安規則関係基準によれば、１回／年以上の点検が義務付けられており、長期的に保守点検コストが発生するが、本実施例によればガス検知器を使用する必要が無くなるので、ガス検知器の保守点検コストが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例であるガス検知システムの概念図。
【図２】本発明の他の実施例を示すガス検知システムの概念図。
【図３】本発明の他の実施例を示すガス検知システムの概念図。
【図４】本発明の他の実施例を示すガス検知システムの概念図。
【図５】一般的なガス加熱器のガスサンプリング方法の概念図。
【符号の説明】
【００３６】
１…ガス加熱器、２…管板、３…圧力発信器、４…蒸気圧力調節弁、５…チューブ、６…ガス入口ノズル、７…ガス出口ノズル、８…ドレンノズル、９…蒸気分離器、１０…ガスセンサー部、１１…オリフィス、２１…弁開度発信器、２２，４１，４２，５２…流量発信器、２３…蒸気圧力調節弁開度関数発生器、２４，３４，４３，５３…減算器、２５，３５，４４，５４…比較器、２６…ガス加熱器運転中の信号、２７…タイマー、２８…
ＡＮＤ回路、２９…ガス遮断弁、３０…蒸気遮断弁、３１…流量発信器、３２…圧力発信器、３３…飽和蒸気圧力温度関数発生器、５１…ドレン発生量関数発生器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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