(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を供与するためのガスを通すガス配管及び熱を享受するための空気を通す空気配管を有する空気予熱器、並びに、上記ガス配管であって上記空気予熱器で熱を供与した後のガスを通す配管の部分に取り付けた電極部を有する電気化学センサからなり、上記電極部は、複数の電極及び上記電極部内部に空気を導入する空気導入部を有し、上記電極の一端面を上記の熱を供与した後のガスと接触させると共に、上記電極の他端面を上記空気導入部から導入された空気と接触させ、上記電気化学センサが上記電極表面の腐食の進行程度に応じたカップリング電流に基づく電気化学的電流ノイズ及び上記電極間の電位差に基づく電気化学的電位ノイズから露点を判断する空気予熱器管理装置。
【請求項２】
上記空気導入部から空気を導入し、上記電極を冷却することにより、上記電極の一端面で接触させたガスの液化を生じさせ、これによる電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズの発生を感知することにより上記ガスの露点を測定し、上記空気予熱器で熱を供与したガスの温度を上記露点以上の温度に保持するように、空気予熱器で熱を享受する空気の温度を調整する請求項１に記載の空気予熱器管理装置。
【請求項３】
上記電気化学センサは、上記電極部、上記電極部の各電極間に生じる電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズをそれぞれに測定する電流電圧測定手段、前記電流電圧測定手段で測定された電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズの各測定データを取り入れて、この測定データを時系列に蓄積するデータ記憶手段、並びに、前記データ記憶手段に時系列で蓄積された電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズの各測定データを取り出し、この取り出された電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズの各測定データから上記露点を判断する露点判断手段を備えるセンサである請求項１又は２に記載の空気予熱器管理装置。
【請求項４】
上記電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズが、０．０１〜１Ｈｚの周波数帯域である、請求項１乃至３のいずれかに記載の空気予熱器管理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空気予熱器管理装置に関し、詳しくは、空気予熱器で熱を供与したガスの露点を測定し、そのガスが露点以下にならないように、空気予熱器で熱を享受する空気の温度を調節する空気予熱器管理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学工場において、ボイラープラントの燃焼ガス等の加熱されたガスは、一般に、熱交換器である空気予熱器で、ボイラーでの燃焼用に使用される空気に熱を供与した後、排出される。
【０００３】
上記の排出されるガスには、亜硫酸ガス（ＳＯ3）が含まれている場合が多く、熱交換で温度を下げすぎると、亜硫酸ガスが水と反応して硫酸となって液化する等、上記の排出するガスに含まれる成分が液化する。そうすると、空気予熱器やその配管に露点腐食が生じる場合があり、設備管理上、問題を生ずる場合がある。
【０００４】
これに対し、上記空気予熱器で熱交換によって熱を享受する空気を、前もってスチーム等によって加熱することにより、空気予熱器での熱交換量を減少させ、排ガスの温度をあまり下げない方法が考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排ガスの温度と露点とに差があればあるほど、排ガスの熱の利用度が低下し、空気に加えられるスチーム量が増加する。このため、全体として熱効率が低下することとなる。
【０００６】
そこでこの発明は、空気予熱器で熱を供与した後のガスの露点を測定することにより、熱効率を上昇させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、熱を供与するためのガスを通すガス配管並びに熱を享受するための空気を通す空気配管を有する空気予熱器、及び上記ガス配管であって、上記空気予熱器で熱を供与した後のガスを通す配管の部分に取り付けた電極部を有する電気化学センサからなり、上記電極部は、複数の電極及び上記電極部内部に空気を導入する空気導入部を有し、上記電極の一端面を上記の熱を供与した後のガスと接触させると共に、上記電極の他端面を上記空気導入部から導入された空気と接触させる空気予熱器管理装置を用いることにより、上記課題を解決したのである。
【０００８】
上記空気導入部から空気を電極部内部に導入し、上記電極を他端面側から冷却することにより、上記電極全体の温度を低下させることができる。ある程度冷却すると、上記電極の一端面で接触させたガスが液化し始める。液化した液には電解質を含有するので、電極間に電気化学的電流ノイズや電気化学的電位ノイズが発生する。すなわち、上記露点は、上記電気化学的電流ノイズや電気化学的電位ノイズの発生を感知することにより測定することができる。そして、上記ガスの温度を測定された露点以上の温度に保持するように、空気予熱器で熱を享受する空気の導入温度を調整する。これにより、上記ガスにより露点腐食が生じるのを防止できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下において、この発明について詳細に説明する。
この発明にかかる空気予熱器管理装置は、図１に示すように、空気予熱器１、及び電極部２を有する電気化学センサ３からなる。
【００１０】
上記空気予熱器１は、熱交換器であり、図１に示すように、熱を供するためのガス（以下、「加熱ガス」と称する。）ｐ１を通すガス配管４、及び熱を享受するための空気（以下、「供給空気」と称する。）ｑ１を通す空気配管５を有する。ガス配管４を通って空気予熱器１に送り込まれる加熱ガスｐ１は、空気予熱器１で空気配管５を通じて送り込まれた供給空気ｑ１に熱を供与する。そして、熱を供与した後の加熱ガス（以下、「熱交換済ガス」と称する。）ｐ２は、ガス配管４を通って大気放出等の処理がされる。
【００１１】
一方、供給空気ｑ１は、空気配管５を通って空気予熱器１に送られ、上記の通り熱を享受する。そして、熱を享受した供給空気（以下、「燃焼用空気」と称する。）ｑ２は、ボイラー等に送られ、燃焼用に使用される。
【００１２】
上記電気化学センサ３は、上記のガス配管４であって、上記熱交換済ガスｐ２を通す配管の保温材１０の部分に取り付けた電極部２、電極部２での測定データを処理する制御部６から構成される。この制御部６で検出された熱交換済ガスｐ２の露点（Ｔｒ）のデータは、管理システム７に送られ、また、この管理システム７に、ガス配管４内の熱交換済ガスｐ２の温度（Ｔ２）のデータも送られる。そして、これらのデータから、供給空気ｑ１の温度（Ｔ１）が、下記式（２）
Ｔｒ＜（Ｔ１＋Ｔ２）／２    （１）
すなわち、  Ｔ１＞２×Ｔｒ−Ｔ２    （２）
を満たすように、スチームバルブ８を操作して供給スチームｓの量を調整しながら、供給空気ｑ１の温度（Ｔ１）を調節する。これにより、熱交換済ガスｐ２が露点以下にならないように調整され、露点腐食を防止できる。
【００１３】
上記の露点とは、熱交換済ガスｐ２中に含まれる成分が液化を開始する温度をいう。また、露点防止とは、露点に達することにより、ガス中の成分の液化が生じ、この液化物に含まれる電解質成分によって、腐食が起こることをいう。
【００１４】
上記の電極部２は、図２に示すように、筒状のソケット９の先端に複数の電極２１〜２３を有するとともに、ソケット９の後部に、電極部２内部に空気を導入するための空気導入部１１を有し、内部に空洞部を有するものである。上記電極２１〜２３は、互いに接触しないように絶縁材１２を介して設けられ、少なくともその一端面がガス配管４内の熱交換済ガスｐ２と接触するように設けられる。また、その先端がガス配管４内に突き出すように、ガス温度計１３が設けられる。
【００１５】
さらに、上記電極２１〜２３の他端面及びガス温度計１３の他端は、上記絶縁材１２で覆われておらず、ソケット９内部の空洞部に面する。
そして、各電極２１〜２３及びガス温度計１３は、同一の熱伝導性の材料、例えば、金属から形成される。このため、各電極２１〜２３及びガス温度計１３がガス配管４を通過する熱交換済ガスｐ２と一端面で接すると、この各電極２１〜２３及びガス温度計１３は、その熱交換済ガスｐ２の温度となる。
【００１６】
熱交換済ガスｐ２の露点の測定は、次の方法で行われる。まず、熱交換済ガスｐ２をガス配管４に流し、各電極２１〜２３及びガス温度計１３の温度を熱交換済ガスｐ２の温度とする。次いで、上記の空気導入部１１からソケット９内部に空気を導入する。すると、上記の電極２１〜２３の他端面及びガス温度計１３の他端がこの空気と接触し、上記電極２１〜２３及びガス温度計１３が冷却される。この空気導入部１１からソケット９内部への空気の導入を続けることにより、上記の電極２１〜２３及びガス温度計１３の温度は徐々に下がっていく。上記の電極２１〜２３及びガス温度計１３の温度が熱交換済ガスｐ２の露点まで下がると、上記電極２１〜２３の一端面で接触させた熱交換済ガスｐ２の液化が生じる。このとき、上記電極２１〜２３間に電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズが発生する。これを制御部６で感知するとともに、ガス温度計１３でその感知した時点の温度を検出することによって熱交換済ガスｐ２の露点を測定することができる。
【００１７】
この露点のデータを管理システム７に送り、上記の方法に従って、熱交換済ガスｐ２の温度（Ｔ２）を上記露点以上の温度に保持するように、スチームバルブ８を調節することにより、空気予熱器で熱を享受する供給空気ｑ１の温度（Ｔ１）を調整することができる。
【００１８】
上記の電気化学センサ３は、図１に示すように、上記電極部２、及び制御部６を備える。また、この制御部６は、図３に示すように、上記各電極２１〜２３間の電気化学的電流ノイズ並びに電気化学的電位ノイズをそれぞれに測定する電流電圧測定手段３０、前記電流電圧測定手段で測定された電気化学的電流ノイズ並びに電気化学的電位ノイズの各測定データを取り入れて、この測定データを時系列に蓄積するデータ記憶手段、及び前記データ記憶手段に時系列で蓄積された電気化学的電流ノイズ又は電気化学的電位ノイズの測定データを取り出し、この取り出された電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズの測定データから上記露点を判断する露点判断手段を備える。
【００１９】
上記の電気化学センサ３について、図３乃至図５を用いてより詳細に説明する。
図３は、本実施形態例を含む電気化学センサの全体構成の概要を示すブロック図であり、ここでは、本実施形態例を含む電気化学センサ全体の構成とその作用並びに効果について述べる。
【００２０】
まず、上記腐食電流電圧測定手段３０について説明する。これは、図３に示す電気化学センサのうち、測定電極部２、無抵抗電流計２４、バッファー回路２５、及びバンドパスイフィルター２６、２７から構成される。
【００２１】
上記電極部２の構成は、上記の通りであり、電極の数は３つである。
また、前記第１の電極２１と第２の電極２２間には、内部抵抗がほぼゼロの電流測定回路、いわゆる無抵抗電流計（ｚｅｒｏ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ａｍｍｅｒｔｅｒ）２４を接続させ、前記第２の電極２２と第３の電極２３間には、該電極側に影響を与えずに信号電圧を測定し得る入力インピーダンスが非常に大きいアンプ回路、ここではバッファー回路２５を接続させる。
【００２２】
従って、この態様の場合、前記第１の電極２１と第２の電極２２間には、それぞれ、各電極表面の腐食の進行程度に応じたカップリング電流（結合電流：Ｉmean）ａを生じ、該カップリング電流ａは、前記無抵抗電流計２４によって測定され、且つ後述する信号処理をなした上で、データ記憶手段であるコンピュータ７１のデータ記憶部７２に時系列で蓄積される。
【００２３】
このとき、電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂについては、前記カップリング電流ａの変動をフィルター回路、特にバンドパスフィルター回路２６によって、その低周波数領域、特に１Ｈｚ程度以下の周波数領域、好ましくは０．０１〜１Ｈｚ程度の周波数領域の電流変動を測定して得ることができ、該測定された電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂもまた後述する信号処理をなした上で、コンピュータ７１のデータ記憶部７２に時系列で蓄積される。ここで、この電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂは、コンピュータ７１に取り込まれたカップリング電流（Ｉmean）ａをしかるべく演算処理し、その標準偏差を求めることによっても同様に得られる。
【００２４】
一方、電気化学的電位ノイズ（Ｖn）ｃについては、前記第２の電極２２と第３の電極２３間の電位差（Ｖmean）を前記バッファー回路２５によって測定すると共に、この電位差の変動をフィルター回路、特にバンドパスフィルター回路２７によって、その低周波数領域、特に１Ｈｚ程度以下の周波数領域、好ましくは０．０１〜１Ｈｚ程度の周波数領域の電位差変動を測定して得ることができ、該測定された電気化学的電位ノイズ（Ｖn）ｃもまた後述する信号処理をなした上で、コンピュータ７１のデータ記憶部７２に時系列で蓄積される。ここでも、この電気化学的電位ノイズ（Ｖn）ｃは、前記電位差を直接コンピュータ７１に取り込んでしかるべく演算処理し、その標準偏差を求めることによっても同様に得られる。
【００２５】
次に、前記各測定データ信号（電流及び電圧の各測定データ）をコンピュータ７１に入力するまでのデータ処理の具体的な回路手段の詳細を図４（ａ）、（ｂ）及び図５（ａ）、（ｂ）に示す。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）は、同上データ処理回路をアナログ回路によって構成したときの一例である。この場合、先ず、前記電流信号、即ち、前記第１の電極２１と第２の電極２２間のカップリング電流ａは、同図（ａ）にみられるように、無抵抗電流計２４によって測定されると共に、その電流信号の一方は、信号の２乗平均を求めるＲＭＳ回路→求めた信号を直流に変換するＤＣ回路→直流に変換された信号を対数に変換するＬＯＧ回路からなるコンバータ（以下、対数コンバータという）３１によって対数変換され、さらに、アナログ／デジタルコンバータ（以下、Ａ／Ｄコンバータという）３２によってデジタル変換された後、前記コンピュータ７１にカップリング電流（Ｉmean）ａとして入力され、電流信号の他方は、バンドパスフィルター回路２６によって１Ｈｚ程度以下の周波数成分が取り出された上で、同様に対数コンバータ４１によって対数変換され、さらに、Ａ／Ｄコンバータ４２によってデジタル変換された後、前記コンピュータ７１に電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂとして入力される。
【００２７】
次いで、前記電圧信号、即ち、前記第２の電極２２と第３の電極２３間の電位差は、同図（ｂ）にみられるように、バッファー回路２５によって測定され、且つこの信号からバンドパスフィルター回路２７によって１Ｈｚ程度以下の周波数成分が取り出された上で、ここでも、対数コンバータ５１によって対数変換され、さらに、Ａ／Ｄコンバータ５２によってデジタル変換された後、前記コンピュータ７１に電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃとして入力される。
【００２８】
また、図５（ａ）、（ｂ）は、前記図４（ａ）、（ｂ）のアナログ回路構成に対応してデータ処理回路をデジタル回路で構成したときの一例で、図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しており、該デジタル回路構成によっても同様な作用が得られる。
【００２９】
一方、ガス温度計１３で検出された温度は、データ記憶部７２に蓄積される。上記露点判断手段は、前記データ記憶部７２に蓄積されている電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂ、及び電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃの測定データの急激な変化と、その時点のガス温度計１３で測定された温度から判断する。すなわち、熱交換済ガスｐ２の成分が液化すると、電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂ、及び電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃが発生するので、その変化は急激となる。このため、これらのデータが急激に変化した時点の温度が熱交換済ガスｐ２の露点と判断することができる。
【００３０】
上記露点のデータは、管理システム７に送られ、上記のとおり、供給空気ｑ１の温度（Ｔ１）の調整に利用される。
【００３１】
【実施例】
以下に実施例及び比較例をあげてこの発明をさらに具体的に説明する。
【００３２】
（実施例１）
空気予熱器１のガス配管４であって、熱交換済ガスｐ２が通る部分に、図１に示すような電極部２を設け、これに制御部６及び管理システム７を接続する。この電極部２及び制御部６からなる電気化学センサ３は、図２乃至図４に示す構成及び機能を有する。
そして、加熱ガスｐ１として、窒素７０．３％、酸素４．１％、水蒸気１６．４％、二酸化炭素９．２％、亜硫酸ガス７．６ｐｐｍの組成を有する１２０℃のボイラー排ガスを用いる。また、供給空気ｑ１として、常温の空気を用いる。
【００３３】
空気予熱器１で、上記ボイラー排ガスを熱交換して温度を１００℃前後に低下させ、熱交換済ガスｐ２を排出する。
この状態で、空気導入部１１から電極部２内部に空気を導入し、電極２１〜２３の温度を図６に示すように、７０℃、６５℃、６０℃、７０℃と変化させる。そして、そのときの電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂ、及び電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃの変化を見た。その結果を図６に示す。
なお、図６において、Ｉｎ／Ｖｎを腐食速度（Corrosion Rate）としてその変化を示した。また、「Gas Temp」は、熱交換済ガスｐ２の温度（Ｔ２）を表し、「Probe Temp」は、電極の温度を示す。
【００３４】
その結果、６０℃で腐食速度が大幅に変化しており、この温度が、熱交換済ガスの露点であることが分かった。
【００３５】
【発明の効果】
この発明によると、空気予熱器で熱を供与したガスの露点を測定できるので、ガス配管の露点腐食の発生を防止でき、空気予熱器及びそれに連なる配管の設備管理が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる空気予熱管理装置の例を示す模式図
【図２】図１の電極部の例を示す模式図
【図３】図１の電気化学センサの全体構成の概要を示すブロック図
【図４】図３の電気化学センサにおける電流、電圧の各測定データ信号の処理回路をアナログ回路で構成したときの例を示すブロック図
【図５】図３の電気化学センサにおける電流、電圧の各測定データ信号の処理回路をデジタル回路で構成したときの例を示すブロック図
【図６】実施例における結果データ
【符号の説明】
１  空気予熱器
２  電極部
３  電気化学センサ
４  ガス配管
５  空気配管
６  制御部
７  管理システム
８  スチームバルブ
９  ソケット
１０  保温材
１１  空気導入部
１２  絶縁材
１３  ガス温度計
２１、２２、２３  電極
２４  無抵抗電流計
２５  バッファー回路
２６，２７  バンドパスフィルター回路
７１  コンピュータ
７２  データ記憶部
７３  露点の判定
ａ  カップリング電流（Ｉmean）
ｂ  電気化学的電流ノイズ（Ｉn）
ｃ  電気化学的電位ノイズ（Ｖn）
ｐ１  加熱ガス
ｐ２  熱交換済ガス
ｑ１  供給空気
ｑ２  燃焼用空気
ｓ  スチーム
【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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【図６】
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