(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象となる蒸気を導く入口管と、この入口管の終端部に設けられて前記蒸気を断熱膨張させるオリフィスと、このオリフィス出口側に設けられ、前記入口管の軸線を下流方向に延長した線を中心とする筒状でその半径方向に貫通する多数の孔が設けられている攪拌部と、この攪拌部の端部を塞ぐ無孔板の衝突部とを備え、前記オリフィスを通過した蒸気を、前記衝突部に衝突させると共に前記攪拌部の孔より吐出させることにより蒸気を攪拌する混合ノズルと、この混合ノズルの外側を覆う混合室と、この混合室の下流に設けられる膨張管と、前記混合室と前記膨張管の間に設けられ、前記蒸気を前記膨張管の内部に拡散させる拡散部と、前記オリフィスよりも上流の圧力を測定する圧力計と、前記膨張管の内部の温度を測定する温度計とを備えたことを特徴とする熱量計。
【請求項２】
前記オリフィスの口径は、蒸気が通過するときに臨界圧力となる大きさであることを特徴とする請求項１に記載の熱量計。
【請求項３】
多数の孔が設けられた整流板を前記拡散部の下流に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱量計。
【請求項４】
前記整流板を蒸気が流れる方向に間隔を有して複数配置したことを特徴とする請求項３に記載の熱量計。
【請求項５】
前記オリフィスの上流の蒸気を加熱するヒータとを備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の熱量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気を取扱うプラントなどの機器や配管などにおける熱量測定に使用される熱量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電所、火力発電所、地熱発電所など発電設備のようなプラントには、例えばボイラやこのボイラから延びる主蒸気管のような蒸気を取扱う機器や配管がある。機器の中の蒸気や配管を流れる蒸気の状態を把握するために、蒸気の温度や圧力などを計測する場合がある。そして、計測した温度や圧力などを用いて蒸気の熱量や湿り度などを求める。
【０００３】
一般に蒸気の熱量は、エンタルピとして求められる。この場合、蒸気が過熱蒸気や乾き飽和蒸気であれば、その温度と圧力から蒸気のエンタルピを容易に求めることができる。しかしながら、実際の機器や配管などの計測対象となる蒸気は、湿り蒸気であることが多く、この湿り蒸気の状態ではエンタルピを求めることが難しい。
【０００４】
そこで、この湿り蒸気を断熱膨張させて過熱蒸気にすることで、蒸気のエンタルピを求める熱量計がある。この熱量計は、蒸気が流れる方向に、計測対象となる蒸気を取出す入口管、この入口管の終端に設けられたオリフィス、オリフィスの下流側へ続き流路を次第に拡大する拡散部、多数の孔が開いた整流板、整流板を挟んで拡散部の下流側へ続く膨張管を備えている。入口管には、圧力計が設けられ、膨張管には温度計が設けられている。また、熱量計の外面は、熱の出入りを防止するために断熱材で覆われる。
【０００５】
機器や配管から導管などで取出した蒸気は、オリフィスを通って大気圧まで断熱膨張する。そして、断熱膨張前後の蒸気の温度や圧力を計測することで、この蒸気のエンタルピを求め、ここから、オリフィスを通過する前の蒸気の湿り度や温度などを求める。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、湿り蒸気は、オリフィスを通過する前において、飽和蒸気と飽和液が混在する二層流であり、それぞれの温度が同じでもエンタルピは異なる。この湿り蒸気を断熱膨張させて過熱蒸気にすると、膨張過程で飽和液が蒸発するときに周りの蒸気から蒸発潜熱として熱を奪う。そのため、断熱膨張過程にある蒸気は、温度分布が不均一である。
【０００７】
また、オリフィスを通過して断熱膨張した蒸気は、音速に近い流速で出てくるので、オリフィスの下流に設けられた整流板では蒸気の流れが充分に攪拌されない。そのため、流れに沿う方向の断面の速度分布が不均一となるとともに、温度分布も不均一のままである。
【０００８】
したがって、以上のような構成の熱量計の場合、オリフィスによって断熱膨張させてオリフィスで整流しただけでは、蒸気の攪拌及び拡散が不充分である。すなわち、オリフィス通過後の蒸気の流れに沿う方向の断面、及び流れを横切る方向の断面において、温度分布及び速度分布が不均一となる。
【０００９】
このように、膨張管内の温度分布や速度分布が不均一な場合、蒸気の平均エンタルピを精度よく求めるには、膨張管内の蒸気の温度及び速度を流れ方向及び膨張管の半径方向についての分布をそれぞれ精細に計測しなければならない。そのため、熱量計が複雑化するとともに、計測に時間を要する。また、取得したデータについても複雑な処理が必要となる。
【００１０】
オリフィス通過後の蒸気の温度分布や速度分布が均一になるまで拡散または攪拌するように、膨張管を延長したり、膨張管の口径を大きくしたりしてもよいが、熱量計が大型化して熱容量が増えるとともに、放熱量または侵入熱量の補正が大きくなる。そのため、ここから求められる蒸気の平均エンタルピの誤差が大きくなってしまう。また、熱量計が大型化すると熱容量が大きくなるので、熱応答性が悪くなる。
【００１１】
また、計測された温度と圧力からその蒸気の膨張室におけるエンタルピを求め、この膨張室のエンタルピに熱量計の単位流量当りの放熱量（または侵入熱量）を加算することで、オリフィスより上流の蒸気のエンタルピが分かる。しかしながら、この放熱量を求める際に必要となる断熱材の熱伝導率は、温度と断熱材の充填率に依存している。そのため、断熱材の熱伝導率を最適に決めることが難しい。
【００１２】
そこで、本発明は、構造が簡単で、かつ精度よく熱量を求めることのできる熱量計を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱量計は、（１）計測対象となる蒸気を導く入口管と、この入口管の終端部に設けられて前記蒸気を断熱膨張させるオリフィスと、このオリフィス出口側に設けられ、前記入口管の軸線を下流方向に延長した線を中心とする筒状でその半径方向に貫通する多数の孔が設けられている攪拌部と、この攪拌部の端部を塞ぐ無孔板の衝突部とを備え、前記オリフィスを通過した蒸気を、前記衝突部に衝突させると共に前記攪拌部の孔より吐出させることにより蒸気を攪拌する混合ノズルと、この混合ノズルの外側を覆う混合室と、この混合室の下流に設けられる膨張管と、前記混合室と前記膨張管の間に設けられ、前記蒸気を前記膨張管の内部に拡散させる拡散部と、前記オリフィスよりも上流の圧力を測定する圧力計と、前記膨張管の内部の温度を測定する温度計とを備える。
【００１４】
（２）前記（１）の熱量計において、前記オリフィスの口径は、蒸気が通過するときに臨界圧力となる大きさである。
【００１５】
（３）前記（１）又は（２）の熱量計において、多数の孔が設けられた整流板を前記拡散部の下流に備える。
【００１６】
（４）前記（３）の熱量計において、前記整流板を蒸気が流れる方向に間隔を有して複数配置した。
【００１７】
（５）前記（１）ないし（４）の何れかの熱量計において、前記オリフィスの上流の蒸気を加熱するヒータとを備えた。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態の熱量計１について、図１を参照して説明する。図１に示す熱量計１は、入口管２、オリフィス３、混合ノズル４、混合室５、拡散部６、膨張管７、圧力計８、温度計９を備えている。
【００１９】
入口管２は、例えば発電設備などの蒸気を取扱う機器の中の蒸気や配管を流れる蒸気など、熱量を測定する蒸気Ｓを取出す導管（図示せず）に接続されている。入口管２の内部には、ヒータ１０が取付けられている。このヒータ１０は、発熱した熱量が入口管２を流れる蒸気Ｓに速やかに伝達されるように、例えば、コイル状に形成されており、直接加熱で蒸気Ｓを加熱する。なお、ヒータ１０による蒸気Ｓの加熱方法は、直接加熱以外に、例えばコイルを入口管２の外面２ａに巻きつけて入口管２を加熱し、入口管２から蒸気Ｓに熱伝達するなどの間接加熱で行ってもよい。
【００２０】
オリフィス３は、入口管２の終端部２ｂに取付けられている。このとき、オリフィス３の口径は、蒸気Ｓが通過するときにこの蒸気Ｓの臨界圧力となるように設けると、オリフィス３を通過する蒸気Ｓの流速が臨界流れとなる。したがって、オリフィス３の上流の蒸気Ｓの圧力を測定することで、蒸気Ｓの流量を算出できるようになる。
【００２１】
混合ノズル４は、衝突部１１と攪拌部１２とを備えている。衝突部１１は、蒸気の流通が不可能な無孔板であって、入口管２の軸線を下流方向へ延長した線を横切るように配置されている。また、攪拌部１２は、入口管２の軸線を下流方向に延長した線を中心とする筒状に形成され、半径方向に貫通する多数の孔１２ａが並べて設けられている。これら多数の孔１２ａの開口総断面積は、オリフィス３を通過する蒸気Ｓの断熱膨張に影響しない大きさとなるように設けられている。そして、各孔１２ａは、攪拌部１２に等間隔に並ぶように配置してもよいし、オリフィス３を通過した直後のエンタルピ的に不均質な蒸気Ｓを好適に攪拌するように偏りを持たせて配置してもよい。なお、混合ノズル４は、前述のような衝突部１１と攪拌部１２を備えた構造に限らず、オリフィス３を通過した蒸気Ｓを好適に攪拌する構造であればよい。
【００２２】
混合室５は、混合ノズル４の外側を覆うように設けられている。具体的には、混合ノズル４の攪拌部１２から均等な間隔、かつ、攪拌部１２を通過した蒸気Ｓが衝突部１１の下流側の拡散部６に圧力勾配を生じずに流れ込む容積に形成されている。
【００２３】
拡散部６は、混合室５と膨張管７の間に設けられ、混合室５と連通する開口部１３から膨張管７の内径までなだらかに拡開した円錐形状である。このとき、開口部１３の開口断面積は、オリフィス３を通過するときに断熱膨張する蒸気Ｓの圧力に影響しない大きさとする。
【００２４】
膨張管７は、内部を流れる蒸気Ｓの流速が高速気流の扱いを必要としない速度となる流路断面積に形成されている。また、膨張管７の下流は、大気圧に開放されている。膨張管７の上流寄りの位置には、多数の孔１４ａが開けられた整流板１４が蒸気の流れを横切るように１枚以上、例えば複数枚、本実施形態では３枚設けられている。それぞれの整流板１４は、互いに間隔を有して配置されている。なお、整流板１４を複数並べる場合、各整流板１４の間隔は、等間隔であってもよいし、整流効果を考慮した間隔で不等間隔にそれぞれ並べてもよい。
【００２５】
なお、整流板１４の孔１４ａは、膨張管７の中を流れる蒸気Ｓの流量、圧力、温度、流速などの分布の平均化を考慮して、孔１４ａの配置や口径を変えてもよい。また、多数の孔１４ａを有する整流板１４の代わりに、網や格子を設けてもよい。整流板１４の開口総断面積（流路総断面積）は、オリフィス３を通過する蒸気Ｓの断熱膨張に影響しないように決められる。整流板１４は、図１のように蒸気Ｓが流れる方向に対して直角に設けてもよいし、上流に向かって凸状、または凹状に形成すると、蒸気Ｓの流量、圧力、温度、流速などの分布を調整することが可能である。混合室５によって蒸気Ｓの温度を好適に平均化し、拡散部６によって蒸気Ｓの流速や流量などを好適に平均化することができる場合は、整流板１４の枚数を減らす、あるいは、具備しないことで、熱量計１の熱容量を小さくし、熱応答性を向上させることができる。
【００２６】
膨張管７の下流に例えば熱電対などを備えた温度計９を設けて、蒸気Ｓの温度を測定する。また、入口管２に例えば圧電素子などを備えた圧力計８と、膨張管７に取付けた温度計９と同様の温度計９とを設けて、オリフィス３より上流の蒸気Ｓの圧力と温度を測定する。なお、圧力計８及び温度計９は、本実施形態に示した以外の適所にもそれぞれ配置すると、より精度よく熱量を求めることができる。膨張管７の下流は、大気圧に開放されているので、膨張管７の下流の圧力は、大気圧で代用するのが一般的であるが、膨張管７の内部の静圧を入口管２の圧力計８と同様の圧力計で測定するか、静圧管を取付けて膨張管７の内部の静圧を測定してもよい。
また、圧力計８は、圧電素子以外にブルドン管、静電容量及び歪方式などの圧力計や、入口管２の外面２ａに歪ゲージを貼り付けて計測することも可能である。なお、湿り蒸気の温度は、蒸気のＰｖ線図を用いれば圧力に対して一義的に求めることができるので、入口管２に温度計９を設けなくても、入口管２における圧力から温度を求めることが可能である。なお、飽和状態にあるという確認と、クロスチェックの意味から、圧力計と温度計を両方備えたほうが好ましい。
【００２７】
そして、入口管２、混合室５、拡散部６、膨張管７の外面２ａ，５ａ，６ａ，７ａは、熱の出入りが無いように断熱材１５で覆われている。なお、熱遮蔽の方法として、断熱材以外に蒸気加熱や電気ヒータ加熱による熱遮蔽手段を設けてもよい。
【００２８】
以上のように構成された熱量計１は、計測対象となる蒸気Ｓを入口管２から取込み、オリフィス３を通過させて断熱膨張させることで、湿り蒸気を過熱蒸気に変える。オリフィス３を通過した蒸気Ｓは、混合ノズル４の衝突部１１に当って流れの向きを変えられるとともに、攪拌部１２に設けられた多数の孔１２ａから混合室５へ流出することで攪拌される。すなわち、複雑な機構を有することなくオリフィス３を通過した蒸気Ｓを攪拌することができる。そして、湿り蒸気中に存在した飽和液に起因する蒸気中の温度分布が、攪拌されることによって均一化される。
【００２９】
混合ノズル４及び混合室５で攪拌されて温度分布が均一化された蒸気Ｓは、混合室５と拡散部６を連通する開口部１３に向かって混合ノズル４の衝突部１１の下流側に回り込み、開口部１３から拡散部６を通って膨張管７へ流れる。蒸気Ｓは、開口部１３を通過するために一度流路が絞られ、拡散部６で徐々に流路が広がることで、流量が均一になるように拡散される。そして、膨張管７の上流に配置された整流板１４に設けられた多数の孔１４ａを通過することによって、さらに蒸気Ｓの流量及び流速が均一化される。
【００３０】
このように、温度、流量、流速が均一化された蒸気Ｓは、膨張管７の軸線を横切る断面、及び軸線に沿う方向の断面において熱量（エンタルピ）の分布も均一である。したがって、膨張管７の下流の少なくとも１か所で蒸気Ｓの温度を計測することで、蒸気Ｓの平均エンタルピを精度よく求めることができる。
【００３１】
また、本実施形態の熱量計１は、オリフィス３を通過した蒸気Ｓを混合ノズル４の衝突部１１に当てることで、蒸気Ｓの流速を遅くすることができる。そのため、膨張管７における蒸気Ｓの流速を遅くするために流路断面積の広い膨張管を必要としない。すなわち、流路断面積（管の口径）が小さく、かつ、路程の短い膨張管７を適用することが可能となる。したがって、膨張管７と蒸気Ｓが接触する伝熱面積が小さくなるので、膨張管７からの放熱量を小さくすることができる。
【００３２】
また、本実施形態の熱量計１は、膨張管７の上流寄りに設けられた整流板１４で、拡散部６によって拡散された蒸気Ｓを効果的に整流することができるので、さらに路程の短い膨張管７を適用することができる。これにより、膨張管７の放熱量を小さくすることができる。
【００３３】
また、本実施形態の熱量計１は、入口管２の内部にヒータ１０を備えているので、このヒータ１０でオリフィス３より上流の蒸気Ｓに熱量（エンタルピ）を加えることができる。そこで、ヒータ１０で蒸気Ｓに加えたエンタルピと、実際に膨張管７で計測された温度から求められた蒸気Ｓのエンタルピとを、データ処理手段Ａが備えるエンタルピ評価部Ｂで比較することで、熱量計１が精度よく機能しているかどうかを診断することができる。
【００３４】
そして、ヒータ１０で蒸気Ｓに加えたエンタルピの変化に対して膨張管７で計測される温度から求められたエンタルピの変化の応答性を前記データ処理手段Ａで評価することで、熱量計１の熱容量を求めたり、ヒータ１０の加熱量を変えた２つ以上のデータを基に熱量計１の外面を覆う断熱材１５の熱伝導率などを精度よく求めることも可能である。勿論、手間を要するが、データ処理手段は、手計算でも可能である。また、断熱材１５の熱伝導率や、熱量計１の熱容量を精度よく求めることで、熱量計１のより精度のよい放熱量や熱応答性を考慮したデータの取扱いが可能となるので、さらに熱量計１の精度を向上させることができる。
【００３５】
さらに、断熱膨張させたときに過熱蒸気となるように、放熱量を考慮した上で、ヒータ１０で入口管２を流れる湿り蒸気を予め加熱することも可能であるので、エンタルピを計測できる湿り蒸気の範囲を広げることができる。
【００３６】
なお、蒸気Ｓが一部不凝縮ガスを含む水蒸気の場合、この不凝縮ガスを水蒸気の分圧として扱える範囲内であれば、水蒸気と同様に扱える。また、本実施形態の熱量計１は、水の湿り蒸気の熱量を求めることに限らず、沸点を有する物質の湿り蒸気に対して有効である。このとき、オリフィス３の口径、混合ノズル４の形状、混合室５、拡散部６、膨張管７の各大きさは、対象となる蒸気に適した形状及び大きさであるものとする。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施形態の熱量計１について、図２を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。第２の実施形態の熱量計１は、整流板１４を膨張管７の上流寄りの位置ではなく、なだらかに拡開する拡散部６に配置したことが、第１の実施形態と異なる。
【００３８】
このようにすると、拡散部６において蒸気Ｓを拡散する際に、同時に整流板１４で整流するので、より効果的に流量及び流速を均一にすることができる。そして、膨張管７の上流において、温度、流量、流速が均一化された蒸気を得ることができるので、より路程の短い膨張管７とすることができる。したがって、熱量計１全体を小さくできるため、放熱量や侵入熱量を小さくすることができ、熱量をより精度よく求めることができる。
【００３９】
なお、第２の実施形態において、以下のようにすることで混合ノズル４と混合室５を省略することも可能である。この場合、少なくとも１つ、好適には複数、本実施形態においては３枚設けた整流板１４のうち、最も上流の位置に配置された整流板１４の中央部分に無孔の衝突部を設ける。オリフィス３を通過した蒸気Ｓは、この衝突部に直接当って攪拌され、温度的に均一化される。また、このとき衝突部に当ることで、蒸気Ｓの流速が遅くなる。衝突部に当った蒸気Ｓは、衝突部の周りに設けた多数の孔１４ａを通過し、拡散部６で拡散されながら、この拡散部６に設けた他の整流板１４で整流される。したがって、膨張管７を流れる蒸気Ｓの温度、流量、流速を均一化することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の熱量計によれば、計測対象となる蒸気を導く入口管と、この入口管の終端部に設けられて前記蒸気を断熱膨張させるオリフィスと、このオリフィス出口側に設けられ、前記入口管の軸線を下流方向に延長した線を中心とする筒状でその半径方向に貫通する多数の孔が設けられている攪拌部と、この攪拌部の端部を塞ぐ無孔板の衝突部とを備え、前記オリフィスを通過した蒸気を、前記衝突部に衝突させると共に前記攪拌部の孔より吐出させることにより蒸気を攪拌する混合ノズルと、この混合ノズルの外側を覆う混合室と、この混合室の下流に設けられる膨張管と、前記混合室と前記膨張管の間に設けられ、前記蒸気を前記膨張管の内部に拡散させる拡散部と、前記オリフィスよりも上流の圧力を測定する圧力計と、前記膨張管の内部の温度を測定する温度計とを備えたので、複雑な機構を有することなくオリフィスを通過した蒸気を混合ノズルおよび混合室で好適に攪拌する。これにより、断熱膨張した蒸気の温度分布が均一化される。
【００４１】
本流量計によれば、オリフィスを通過した蒸気を効果的に攪拌することができる。したがって、簡単な構造で蒸気の温度を均一化することができる。
【００４２】
また、本発明の熱量計は、混合部で温度を均一化された蒸気を、流量及び流速が均一になるように膨張管の内部に拡散させるので、膨張管の内部の温度、流量、流速が均一化される。
【００４３】
また、オリフィスの内径を蒸気が通過するときに臨界圧力となる大きさとした本発明の熱量計によれば、オリフィスを通過する蒸気の流速が臨界流れとなるので、オリフィスの上流の蒸気の圧力を測定することで、蒸気の流量を求めることができる。
【００４４】
多数の孔が設けられた整流板を前記拡散部の下流に備えた熱量計によれば、拡散部によって拡散された蒸気を効果的に整流し、膨張管内部の流量及び流速を均一にするので、膨張管の路程を短くすることができる。そして、整流板を複数枚設けることで、整流効果をさらに向上させることができる。つまり、膨張管の熱容量及び放熱量が小さくなり、熱応答性がよくなるとともに、放熱による熱損失が少ない。
【００４５】
オリフィスの上流の蒸気を加熱するヒータを備えた本発明の熱量計によれば、ヒータでオリフィスより上流の蒸気に熱量（エンタルピ）を加えることができる。そこで、ヒータで蒸気に加えたエンタルピと、実際に膨張管で計測された温度から求められた蒸気のエンタルピを比較することで、熱量計が精度よく機能しているかどうかを診断することができる。
【００４６】
また、ヒータで蒸気に加えたエンタルピの変化に対して膨張管で計測される温度から求められたエンタルピの変化の応答性を評価することで、熱量計の熱容量を求めたり、ヒータの加熱量を変えた２つ以上のデータを基に熱量計の外面を覆う断熱材の熱伝導率などを精度よく求めることも可能である。また、断熱材の熱伝導率や、熱量計の熱容量を精度よく求めることで、熱量計のより精度のよい放熱量や熱応答性を考慮したデータの取扱いが可能となるので、さらに熱量計の精度を向上させることができる。
【００４７】
また、本発明の熱量計は、拡散部において蒸気を拡散する際に、同時に整流板で整流するので、より効果的に流量及び流速を均一にすることができる。そして、膨張管の上流において、温度、流量、流速が均一化された蒸気を得ることができる。
【００４８】
以上のように、発明の熱量計は、精度よく蒸気の熱量を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の熱量計を示す断面図。
【図２】  本発明の第２の実施形態の熱量計を示す断面図。
【符号の説明】
１…熱量計
２…入口管
２ｂ…終端部
３…オリフィス
４…混合ノズル
５…混合室
６…拡散部
７…膨張管
８…圧力計
９…温度計
１０…ヒータ
１１…衝突部
１２…攪拌部
１２ａ…（攪拌部の）孔
１４…整流板
１４ａ…（整流板の）孔
Ｓ…蒸気
【図１】
0003924149.tif 000002
【図２】
0003924149.tif 000003