温度制御システム
【課題】スチームドラム内の気液温度を飽和温度に維持することで高精度の温度制御を行う。
【解決手段】温度制御システム１は、蒸気と水が気液平衡状態で収容されたスチームドラム２から供給配管３で水を反応器５の除熱部７に供給する。反応器５では水の一部を反応熱で蒸発させて蒸気と水との二相流体として、戻り配管８によってスチームドラム２に戻す。戻り配管８の途中の合流部６で補給配管１０を接続して補給水を供給し、比較的温度の低い補給水を蒸気で瞬時に加熱して飽和温度にすることにより、高精度な温度制御が可能となる。また、制御手段２５では、補給水およびスチームドラム２内の温度と反応器５内の反応熱量から、スチームドラム２内から系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を決定するため、補給水量が蒸気量を超えず、合流部での急激な凝縮によるハンマリングを防止できる。
【解決手段】温度制御システム１は、蒸気と水が気液平衡状態で収容されたスチームドラム２から供給配管３で水を反応器５の除熱部７に供給する。反応器５では水の一部を反応熱で蒸発させて蒸気と水との二相流体として、戻り配管８によってスチームドラム２に戻す。戻り配管８の途中の合流部６で補給配管１０を接続して補給水を供給し、比較的温度の低い補給水を蒸気で瞬時に加熱して飽和温度にすることにより、高精度な温度制御が可能となる。また、制御手段２５では、補給水およびスチームドラム２内の温度と反応器５内の反応熱量から、スチームドラム２内から系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を決定するため、補給水量が蒸気量を超えず、合流部での急激な凝縮によるハンマリングを防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スチームドラム等の冷媒ドラム内の温度を均一にすることによって、反応器の緻密な温度制御が可能となる温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スチームドラムへの給水システムとして、例えば特許文献１及び２に記載されたものがある。特許文献１に記載されたものでは、排ガスを受けて節炭器から給水管を経てドラムに水を供給し、蒸発器用の気液分離装置で気液分離して蒸気を発生する。しかし、起動時等の低負荷運転時には、節炭器の給水出口温度が上昇してドラム圧力に対する飽和温度よりも高温になる。このような気水をそのままドラムに供給する場合、ドラム内圧より高圧であるため、ドラム内でのスチーミングを防ぐために気水分離用の気液分離装置を設けてドラム内で気水分離をしている。
また、特許文献２に記載されたものでは、気液分離装置に変えてドラム内に給水内管を設け、その上半部に小孔を下半部にこれより口径の大きい透孔を形成して蒸気と給水を流出するようにしている。
【０００３】
しかしながら、上述した構成は一般的なボイラについてのものであり、補給水の温度がスチームドラム内の蒸気相の温度より低い場合、蒸気相と液相とに温度差が発生する。スチームドラムへの補給水の給水温度が低いと液相温度が飽和温度より低くなるため、この構成をＦＴ反応器の温度制御に適用すると制御が不安定になる。また、スチームドラムへの給水量によって液相温度が低下するため蒸気発生量が不安定になるという問題がある。
【０００４】
ところで、近年、ＦＴ反応器で用いるＦＴ合成反応（フィッシャー・トロプシュ合成反応）方法の一つとして、天然ガスを改質して一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分とする合成ガスを生成し、この合成ガスを原料ガスとしてＦＴ合成反応（フィッシャー・トロプシュ合成反応）により液体炭化水素を合成し、更にこの液体炭化水素を水素化および精製することで、ナフサ（粗ガソリン）、灯油、軽油、ワックス等の液体燃料製品を製造するＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ：液体燃料合成）技術が開発されている。
このようなＦＴ合成反応において、反応器は、水素ガスおよび一酸化炭素ガスリッチの合成ガスを、触媒を用いて炭化水素に変換する。ＦＴ合成反応は発熱反応であり、かつ適正に反応する温度域が非常に狭いため、発生する反応熱を回収しながら反応器内の反応温度を緻密に制御する必要がある。
【０００５】
上述したＦＴ反応器を用いた温度制御システムとして、例えば図７に示すものが知られている。この温度制御システム１００は、スチームドラム１０１に気液平衡状態で貯えられた水を底部よりポンプ１０２にてフィッシャー・トロプシュ合成反応（発熱反応）を行なう反応器１０３内の除熱管１０４に送る。そして、反応器１０３にて発生した発熱反応に伴う反応熱により除熱管１０４内の水を一部蒸発させて熱回収し、この蒸気および水の二相流体は、スチームドラム１０１への戻り配管１０５を通ってスチームドラム１０１に戻される。そして、蒸気は蒸気出口配管１０７を通って系外の蒸気ユーザーに供給される。
一方、系外に供給された蒸気に見合った量の補給水が、補給配管１０６を通してスチームドラム１０１に補給される。補給水の補給量は、スチームドラム１０１内の水面レベルを測定するレベル測定部１０８の測定結果に基づいて液面が一定になるように調節される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−５３５２１号公報
【特許文献２】特開平６−２５７７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した温度制御システム１００では、補給水の補給配管１０６は開口がスチームドラム１０１内の水面下に水没しているため、比重の大きな比較的低温の補給水は、直接スチームドラム１０１の底部に流れ、スチームドラム１０１内の蒸気相と水相との間に温度差が生じる。すると、スチームドラム１０１の蒸気相圧力と水相の温度との相関関係が崩れるため、温度制御システム１００による制御が高精度に行われないおそれがあるという欠点がある。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、スチームドラム内の気液温度を飽和温度に維持することで、高精度の温度制御ができるようにした温度制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による温度制御システムは、内部で発熱反応が生じる反応器内の反応熱を回収して該反応器内の温度を制御する温度制御システムであって、蒸気及び液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、反応器に配設されていて冷媒ドラムから供給された液体冷媒の一部を反応熱で蒸発させる除熱部と、除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を冷媒ドラムに戻す戻り配管と、冷媒ドラム内の蒸気を系外へ供給する蒸気出口配管と、系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を戻り配管に供給する補給配管とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、反応器内の反応熱量を冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分および冷媒の物性値（比熱、蒸発潜熱）から決定される単位冷媒量当たりの熱容量で除して補給水量を決定する制御手段と、この制御手段で決定された補給水量に応じて補給配管から戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、を更に備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されることが好ましい。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記反応器内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００１２】
また、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管は戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って戻り配管と鋭角の角度で接続されていてもよい。
また、補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられていてもよい。
或いは、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管に補給水を戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による温度制御システムは、反応器の除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を冷媒ドラムに戻す戻り配管に、系外に排出された蒸気の量に見合った補給水量を供給する補給配管を設けたから、系外へ排出された蒸気量に見合った補給水量を戻り配管に合流させて戻り配管内の飽和温度にある蒸気と直接混合させることで、補給水を冷媒ドラムに供給される前に飽和温度まで加熱することができることになり、冷媒ドラム内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。
しかも、補給水を直接冷媒ドラムへ供給する従来の温度制御システムと比較して、構造の複雑化や設備の大型化を避けて冷媒ドラム内の温度を均一にできる。
以上より、効率よく冷媒ドラム内の温度が均一にできることから、高精度かつ緻密な反応器の温度制御が可能となる。
【００１４】
また、反応器内の反応熱量を冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分および冷媒の物性値（比熱、蒸発潜熱）から決定される単位冷媒量当たりの熱容量で除して補給水量を決定する制御手段と、決定された補給水量に応じて補給配管から戻り配管に補給水を供給する補給水調整手段と、を更に備えているから、補給水量は系外に供給する蒸気流量と同等となるように制御手段によって正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように正確に制限することができることになり、合流部での全凝縮によるハンマリングを確実に防止することができる。
【００１５】
なお、制御手段で決定する補給水量は、具体的には次式によって演算されるから、補給水量は系外に供給する蒸気流量と同等となるように正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように制限できる。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：反応器内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００１６】
また、本発明による温度制御システムは、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管は混相流体の進行方向に沿って戻り配管と鋭角の角度で接続されているから、補給配管の補給水を、戻り配管の蒸気と液体冷媒との混相流体に合流させる際、混相流体の流れ方向に沿って補給水の給水を行うことができるため、合流時に補給水が混相流体に衝突した衝撃によるハンマリングの発生を防止できる。
【００１７】
また、補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられているから、補給水の供給量が少ない場合、戻り配管内の蒸気が補給配管内に逆流して凝縮によるハンマリングが生じることを防止できる。
【００１８】
また、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管に補給水を戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられているから、補給水を補給配管から合流部で戻り配管に供給する際、スプレーノズルで補給水を噴霧して均等に分散させて混相流体の蒸気に接触させれば、補給水の偏りによる急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による温度制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】実施形態による温度制御システムにおける水と蒸気の循環路とその流量及び温度とを示す説明図である。
【図３】第一変形例による反応器の戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図４】第二変形例による反応器の戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図５】第三変形例による反応器の戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図６】実施例における、反応器の出口と合流後の戻り配管とにおける蒸気の割合の変化を示すグラフである。
【図７】従来の温度制御システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示す温度制御システム１において、冷媒ドラムであるスチームドラム２には気液平衡状態で液体冷媒として例えば水が飽和温度で貯えられており、水の液面より上側には蒸気が飽和状態で満たされている。スチームドラム２の底部には供給配管３が接続され、この供給配管３を通して給水用のポンプ４によってフィッシャー・トロプシュ合成反応（発熱反応）を行なうＦＴ反応器（以下、単に反応器という）５内の除熱管（除熱部）７に水が送られる。反応器５によって発生した発熱反応に伴う反応熱により除熱管７内で水を一部蒸発させ、この反応熱を回収する。
【００２１】
また、除熱管７で一部の水が蒸発した蒸気および水からなる二相流体（混相流体）は、スチームドラム２への戻り配管８を通ってスチームドラム２に戻され、戻り配管８の吐出口はスチームドラム２内の水面より上方の蒸気の領域に開口している。そして、蒸気は蒸気出口配管９を通って系外の図示しない蒸気ユーザーに供給される。蒸気出口配管９には系外への蒸気排出量を測定する蒸気排出量測定手段１１が設けられている。
【００２２】
さらに、系外に供給された蒸気排出量に見合った量の液体冷媒、例えば補給水をスチームドラム２へ補給するための補給配管１０が配設され、補給配管１０は戻り配管８の途中の合流部６で接続されている。これにより、比較的低温（例えば温度ｔ３とする）の補給水は、戻り配管８内において反応器５で蒸発させられた比較的高温（例えば温度ｔ１とする。ｔ１＞ｔ３）の蒸気と直接混合して加熱され、飽和温度となる。補給配管１０には補給水の温度を測定する補給温度測定部１６が設けられている。
補給配管１０の補給水は、戻り配管８で飽和温度となってスチームドラム２内へ供給される。
【００２３】
発熱反応を行なう反応器５には、反応器５内の温度を測定する反応熱温度測定部１４と反応熱量Ｑを計算する反応熱量計算部１５が設けられている。
また、発熱反応を行なう反応器５内の温度を測定する反応熱温度測定部１４の測定結果に基づいて、スチームドラム２内の圧力を制御する圧力制御部１８が、蒸気出口配管９から系外に排出する蒸気量をカスケード制御にて調節することで、発熱反応を行なう反応器５の温度を制御している。なお反応熱温度測定部１４は、例えば反応器５において上下方向に互いに離間して配置された図示しない複数の温度センサを備えていてもよく、これらの温度センサにより測定された各温度の平均値を、反応器５内の温度として測定することができる。
【００２４】
スチームドラム２内の蒸気相（気相部）と水相（液相部）とは気液平衡状態であるため、スチームドラム２の蒸気相圧力と水相の温度とは一定の相関関係にある。したがって、発熱反応を行なう反応器５の温度設定値に対し、反応熱温度測定部１４により測定された反応器５内の実温度に偏差が生じた場合、圧力制御部１８を作動させてスチームドラム２の蒸気相圧力を変更する。
【００２５】
ここで、圧力制御部１８は、蒸気出口配管９と、蒸気出口配管９に設けられた圧力調節弁１９と、圧力調節弁１９を制御することで蒸気出口配管９を介してスチームドラム２内の圧力を設定する圧力設定部２１と、を備えている。圧力設定部２１には、反応熱温度測定部１４の温度測定結果が入力されており、圧力設定部２１は、この温度測定結果から反応器５内における実温度の温度設定値に対する偏差を算出し、この偏差に基づいて圧力調節弁１９を制御し、スチームドラム２の蒸気相圧力を変更する。
【００２６】
以上のようにしてスチームドラム２の蒸気相圧力を変更することで、スチームドラム２内の水相の温度（すなわち、発熱反応を行なう反応器５内の除熱管７に給水される水の温度）が変化して除熱管７で回収する熱量を変化させることが可能になり、発熱反応を行なう反応器５の温度を温度設定値に近づけることができる。
なお本実施形態では、スチームドラム２内の水相の温度は、スチームドラム２の底部に設けられた水相温度測定部２３により測定可能となっている。本実施形態では、スチームドラム２、供給配管３、除熱管７および戻り配管８により、液体冷媒としての水が循環する系が構成されている。また、補給水を戻り配管８に供給しているため、スチームドラム２内の温度は、いずれの圧力においても常に飽和温度になることから、反応器温度を緻密かつ高精度で制御できる。
【００２７】
また、温度制御システム１には、補給配管１０からの補給水量が蒸気出口排管９から系外へ排出される蒸気量を超えないように補給水量を制御する制御手段２５が設けられている。この制御手段２５では、スチームドラム２内の水相温度を測定する水相温度測定部２３、反応熱量計算部１５、補給配管１０内の補給水温度を測定する補給温度測定部１６による各測定値が入力され、補給水量が蒸気排出管９から排出される蒸気量を超えないように演算して決定される。
【００２８】
演算された補給水量のデータは補給配管１０に設けた流量調整手段２６に出力され、流量調節弁１３の開度を調整して補給水量を制御することになる。なお、スチームドラム２にはスチームドラム２内の水面レベル（液面レベル）を測定するレベル測定部１２が設けられ、スチームドラム２への過剰給水防止（オーバーフロー防止）のため、レベル測定部１２の測定結果から出力される流量調節弁１３の弁開度が上記演算された補給水量に該当する弁開度より小さい場合は、その開度が選択される。
これらによって補給水量が蒸気流量を超えないように制御される。
【００２９】
つぎに、制御手段２５による補給水量の演算方法の一例について説明する。
図２に示すように、蒸気出口配管９で排出される蒸気量をＷＶ１，温度をｔ１，供給配管３で反応器５に供給される水の流量をＷＬ４、温度ｔ１、反応器５から戻り管８へ吐出される蒸気量をＷＶ２、水の流量をＷＬ２、各温度ｔ１、補給配管１０から戻り配管８へ供給される水の流量をＷＬ３、温度ｔ３、合流後の戻り管８からスチームドラム２へ戻される蒸気量をＷＶ１、水の流量をＷＬ４、各温度ｔ１とする。なお、水の流量は単位ｋｇ／ｈ，蒸気の流量は単位ｋｇ／ｈとし、温度は℃とする。
また、反応器５での反応熱量をＱ（ｋｃａｌ／ｈ）、水の蒸発潜熱をｒ（ｋｃａｌ／ｋｇ）、水の比熱をＣｐ（ｋｃａｌ／ｋｇ／℃）とする。
【００３０】
まず、物質収支により、蒸気出口配管９で排出される蒸気発生量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３は等しいため、次式（１）式が成り立つ。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
上記（１）式を導き出す手順について以下に説明する。
図２において、まずスチームドラム２から供給される温度ｔ１の水の流量ＷＬ４は反応器５で反応熱を回収することで、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２＋水流量ＷＬ２となるから、反応器５で相変化する入出の物質収支を示すと下記（２）式になる。
ＷＬ４＝ＷＶ２＋ＷＬ２ …（２）
更に、補給配管１０から補給水量ＷＬ３が供給されることで、戻り配管８と補給配管１０の合流部６での物質収支（給水＋相変化）は次の式（３）になる。
ＷＶ２＋ＷＬ２＋ＷＬ３＝ＷＶ１＋ＷＬ４ …（３）
（２）式を（３）式に代入して整理すると次式になる。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
【００３１】
また、補給水量ＷＬ３の温度は低温ｔ３であり、他は高温ｔ１（＞ｔ３）である。戻り配管８と補給配管１０の合流部においては、蒸気凝集量＝給水予熱量／蒸発潜熱となるから、
（ＷＶ２−ＷＶ１）×ｒ＝ＷＬ３×Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３） …（４）
となる。
反応熱量Ｑと反応器５での蒸気発生量ＷＶ２との関係は以下の通りである。
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ …（５）
そして、式（１）と（５）を（４）式に代入して整理する。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ} …（６）
このようにして、反応熱量Ｑと給水温度ｔ１，ｔ３との関係から補給水量ＷＬ３を求めることができる。
なお、反応熱量Ｑは、別途測定・計算される反応器５での反応量またはスチームドラム２と反応器５の温度差と除熱管の伝熱面積と総括伝熱係数の積から求めることができる。
【００３２】
本実施形態による温度制御システム１は上述の構成を有しており、次にその制御方法について説明する。
例えば、給水用のポンプ４を駆動することで、スチームドラム２から温度ｔ１の水の流量ＷＬ４が反応器５へ供給される。反応器５で発生する発熱反応に伴う反応熱により除熱管７内で水流量ＷＬ４は一部が蒸発されて温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２と水の流量ＷＬ２の二相となり、この二相流体（混相流体）は戻り配管８によって給送される。
【００３３】
また、スチームドラム２内の蒸気相と水相とは、上述した水の流量ＷＬ４をポンプ４により反応器５に向けて排出することで水面が低下するため、制御手段２５で決定された補給水量ＷＬ３が流量調節弁１３によって調整されて供給される。
一方、補給配管１０では、制御手段２５で決定された比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３が補給されて、戻り配管８との合流部６で戻り配管８内の二相流体（ＷＶ２＋ＷＬ２）と合流する。すると、合流部６では、温度ｔ３の補給水量ＷＬ３が戻り配管８内で高温ｔ１の蒸気ＷＶ２と直接混合して加熱され、飽和温度ｔ１まで加熱される。また、合流部６では一部の蒸気が凝縮することで戻り配管８内の水の流量は、スチームドラム２から供給配管３に供給される水流量ＷＬ４と同じになる。
そして、合流部６以降の戻り配管８では、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ１と水の流量ＷＬ４となってスチームドラム２内の水面の上方に吐出される。
【００３４】
ここで、制御手段２５による補給水量ＷＬ３の制御方法について説明する。
スチームドラム２内の水相温度を測定する水相温度測定部２３で測定した温度ｔ１と、反応熱量計算部１５で計算した反応熱量Ｑと、補給配管１０の補給温度測定部１６で測定した補給水の温度ｔ３とが制御手段２５に入力される。そして、制御手段２５では上記（６）式により補給水量ＷＬ３を演算する。
この補給水量ＷＬ３の演算値を流量調整手段２６に出力して流量調節弁１３を作動させて補給水流量ＷＬ３を補給配管１０に供給し、合流部６で戻り配管８に合流させてスチームドラム２へ吐出させることになる。
【００３５】
そして、スチームドラム２内では、蒸気相圧力と水相の温度とは、気液平衡状態に基づいた相関関係が常に保たれる。
また、蒸気出口配管９によってスチームドラム２内から蒸気流量ＷＶ１が系外に供給されると共に、補給水量ＷＬ３が戻り配管８との合流部６で蒸気と水との二相流体と合流してスチームドラム２内に供給される。しかも、制御手段２５によって、補給水量ＷＬ３は蒸気流量ＷＶ１と等しく制御されるため、スチームドラム２内の水面は一定となる。
【００３６】
上述のように本実施形態による温度制御システム１によれば、蒸気出口配管９によって系外へ供給する蒸気流量ＷＶ１に等しい比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３を補給配管１０から戻り配管８に合流させて、戻り配管８内の飽和温度ｔ１にある蒸気流量ＷＶ２と直接混合させることができるから、補給水を瞬時に加熱して飽和温度にさせることができる。そのため、スチームドラム２内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。その結果、反応器温度を緻密かつ高精度で制御できる。
更に、制御手段２５によって、補給水量ＷＬ３が系外に供給する蒸気流量ＷＶ１と同等となるように演算でき、補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１を超えないように補給水量を正確に制限することができて、合流部６での全凝縮によるハンマリングを防止することができる。
【００３７】
従来の温度制御システムでは、補給水を直接スチームドラム２へ供給する構成であるため、補給水の加熱はスチームドラム２内の熱移動（蒸気の凝縮）によって行われ、補給水の温度を飽和温度まで加熱するためには補給配管１０内で補給水量をできるだけ少量の給水に分割することやスチームドラム２内での十分な滞留時間を確保することが必要になり、構造の複雑化や設備の大型化などを招き高コストになる欠点がある。その点、本発明は、構造の複雑化や設備の大型化を避けてスチームドラム２内の温度を均一に制御できる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
次に、補給配管１０が合流部６で戻り配管８に合流する際のハンマリングを防止するための構成について図３乃至図５により変形例として説明する。
図３は第一変形例による合流部６の構成を示すものである。図３において、補給配管１０は戻り配管８の二相流体の流れ方向に対して鋭角αをなすように連結して合流する。これにより戻り配管８を流れる蒸気と水の二相流体に対して補給水がスムーズに合流するため、合流時に補給水が混相流体に衝突した衝撃や混相流体の急激な凝縮によるハンマリングを生じない。
【００３９】
次に図４に示す第二変形例による合流部では、補給配管１０は戻り配管８の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結して合流すると共に、合流部６の上流側の補給配管１０では例えば略Ｕ字形状の凹部１０ａを形成して凹部１０ａ内に水を残留充填させた水シール部２７がシール部として設けられている。
この構成によれば、補給水量ＷＬ３が少ない場合、戻り配管８内の蒸気が補給配管１０内に逆流しようとしても水シール部２７で停止させられる。そのため、戻り配管８内の蒸気が補給配管１０内に逆流して凝縮によるハンマリングが発生することを防止できる。
なお、蒸気の逆流を防ぐシール部として、水シール部２７に代えて逆止弁を設けてもよい。
【００４０】
図５は第三変形例による合流部６の構成を示すものである。図５において、補給配管１０は戻り配管８の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結しており、しかも補給配管１０の先端部には戻り配管８内で補給水を分散して噴霧するスプレーノズル２８が形成されている。これにより、戻り配管８の蒸気と水に合流する補給水は、スプレーノズル２８で広く噴霧されるため、急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングを防止できる。
なお、実施形態による温度制御システム１においては、上述した第一乃至第三変形例の構成のいずれか二つまたは三つを組み合わせて構成してもよい。
【実施例】
【００４１】
次に本発明の実施形態による温度制御システム１の実施例について説明する。
まず、図２において、スチームドラム２内の温度や供給配管３を通して供給する水量ＷＬ４や水量ＷＬ２の各水温ｔ１、そして蒸気流量ＷＶ１、ＷＶ２の温度ｔ１をいずれも１９５℃の飽和温度とする。そして、補給水量ＷＬ３の水温ｔ３を１１０℃とする。
さらに、反応熱量Ｑ＝８００００００ｋｃａｌ／ｈ
水の蒸発潜熱ｒ＝４７０ｋｃａｌ／ｋｇ（物性値（定数））
水の比熱Ｃｐ＝１ｋｃａｌ／ｋｇ／℃（物性値（定数））
スチームドラム圧力＝１．３ＭＰａＧ
給水ポンプ４の循環量ＷＬ４＝６８０００ｋｇ／ｈ
とする。
【００４２】
上記の条件下において、温度制御システム１の制御手段２５において、スチームドラム２内の温度の均一化と液面レベルの一定化を図って、系外への蒸気の流量ＷＶ１と同一量になる補給水量ＷＬ３を決定するには上記（６）式によって行う。即ち、（６）式に上記の各数値を代入すると、
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
＝８００００００／{１×（１９５−１１０）＋４７０}
＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。
【００４３】
また、（１）式により蒸気の流量ＷＶ１は補給水量ＷＬ３と等しいから
ＷＶ１＝ＷＬ３＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。また、（５）式により反応器５内での蒸気発生量ＷＶ２を求めると、
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ
＝８００００００／４７０
＝１７０００ｋｇ／ｈ
となる。また、反応器５の出口における水の流量ＷＬ２を（２）式から求めると
ＷＬ２＝ＷＬ４−ＷＶ２
＝６８０００−１７０００
＝５１０００ｋｇ／ｈ
となる。
【００４４】
次に、図６は、温度制御システム１において、戻り配管８と補給配管１０との合流部６の前後位置での蒸気割合の変化を示す実施例のグラフである。
図６において、スチームドラム２から反応器５へ供給される水の循環量ＷＬ４に対する反応器５内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を横軸にとり、合流部６の前後における戻り配管８内の二相流体中の蒸気量の割合を気相部の割合として縦軸にとった。
そして、水の循環量ＷＬ４に対する反応器５内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を変化させた場合における、戻り配管８中の合流部６の前後における二相液体中の蒸気量（気相部）の割合を計算した。
【００４５】
図６において、破線Ｍは、反応器５の出口（戻り配管８）での気相（蒸気）の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））、実線Ｎは、補給配管１０が合流した後の戻り配管８での気相（蒸気）の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４）の変化を示している。
図６に示すグラフにおいて、スタート時点では反応器５での蒸発割合は０であるが（ＷＶ２／ＷＬ４＝０）、反応器５の温度上昇に伴い蒸気ＷＶ２の発生量は増加する。反応器５での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）は通常３０％で運転される。これを通常運転ポイントとする。この状態で、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれていれば、反応器５の出口で生成された蒸気量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）から補給水ＷＬ３合流後の戻り配管８での蒸気量ＷＶ１の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））への変化は約１％程度の低下にすぎない。
【００４６】
また、反応器５での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）が０を超えて３５％までの全範囲において、破線Ｍで示す蒸気量の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））から合流後の戻り配管８における実線Ｎで示す蒸気量の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））に変化しても、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれていれば、その変化は１％〜３％程度の範囲内であり、極めて低いためハンマリングは起こらない。
ここで、戻り配管８の補給配管１０との合流部６において、戻り配管８内の蒸気ＷＶ２の全凝縮が起こればハンマリングが生じる可能性があるが、本発明の実施例では、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれていれば、上記のように補給水量ＷＬ３の合流後の戻り配管８内での蒸気ＷＶ１の割合の変化は約１％〜３％の範囲であり、ハンマリングは生じない。
【００４７】
また、上述した実施形態では、反応器５内でフィッシャー・トロプシュ合成反応がなされているＦＴ反応器であるとしたが、反応器５内で発熱反応がなされていれば、フィッシャー・トロプシュ合成反応でなくてもよい。
また上述の実施形態や各変形例や実施例等では、液体冷媒として水を採用したが、水でなくてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１ 温度制御システム
２ スチームドラム
３ 供給配管
４ ポンプ
５ 反応器
６ 合流部
７ 除熱管
８ 戻り配管
９ 蒸気出口配管
１０ 補給配管
１１ 蒸気排出量測定手段
１２ レベル制御部
１３ 流量調節弁
１４ 反応熱温度測定部
１５ 反応熱量計算部
１６ 補給温度測定部
２３ 水相温度測定部
２５ 制御手段
２６ 流量調整手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スチームドラム等の冷媒ドラム内の温度を均一にすることによって、反応器の緻密な温度制御が可能となる温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スチームドラムへの給水システムとして、例えば特許文献１及び２に記載されたものがある。特許文献１に記載されたものでは、排ガスを受けて節炭器から給水管を経てドラムに水を供給し、蒸発器用の気液分離装置で気液分離して蒸気を発生する。しかし、起動時等の低負荷運転時には、節炭器の給水出口温度が上昇してドラム圧力に対する飽和温度よりも高温になる。このような気水をそのままドラムに供給する場合、ドラム内圧より高圧であるため、ドラム内でのスチーミングを防ぐために気水分離用の気液分離装置を設けてドラム内で気水分離をしている。
また、特許文献２に記載されたものでは、気液分離装置に変えてドラム内に給水内管を設け、その上半部に小孔を下半部にこれより口径の大きい透孔を形成して蒸気と給水を流出するようにしている。
【０００３】
しかしながら、上述した構成は一般的なボイラについてのものであり、補給水の温度がスチームドラム内の蒸気相の温度より低い場合、蒸気相と液相とに温度差が発生する。スチームドラムへの補給水の給水温度が低いと液相温度が飽和温度より低くなるため、この構成をＦＴ反応器の温度制御に適用すると制御が不安定になる。また、スチームドラムへの給水量によって液相温度が低下するため蒸気発生量が不安定になるという問題がある。
【０００４】
ところで、近年、ＦＴ反応器で用いるＦＴ合成反応（フィッシャー・トロプシュ合成反応）方法の一つとして、天然ガスを改質して一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分とする合成ガスを生成し、この合成ガスを原料ガスとしてＦＴ合成反応（フィッシャー・トロプシュ合成反応）により液体炭化水素を合成し、更にこの液体炭化水素を水素化および精製することで、ナフサ（粗ガソリン）、灯油、軽油、ワックス等の液体燃料製品を製造するＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ：液体燃料合成）技術が開発されている。
このようなＦＴ合成反応において、反応器は、水素ガスおよび一酸化炭素ガスリッチの合成ガスを、触媒を用いて炭化水素に変換する。ＦＴ合成反応は発熱反応であり、かつ適正に反応する温度域が非常に狭いため、発生する反応熱を回収しながら反応器内の反応温度を緻密に制御する必要がある。
【０００５】
上述したＦＴ反応器を用いた温度制御システムとして、例えば図７に示すものが知られている。この温度制御システム１００は、スチームドラム１０１に気液平衡状態で貯えられた水を底部よりポンプ１０２にてフィッシャー・トロプシュ合成反応（発熱反応）を行なう反応器１０３内の除熱管１０４に送る。そして、反応器１０３にて発生した発熱反応に伴う反応熱により除熱管１０４内の水を一部蒸発させて熱回収し、この蒸気および水の二相流体は、スチームドラム１０１への戻り配管１０５を通ってスチームドラム１０１に戻される。そして、蒸気は蒸気出口配管１０７を通って系外の蒸気ユーザーに供給される。
一方、系外に供給された蒸気に見合った量の補給水が、補給配管１０６を通してスチームドラム１０１に補給される。補給水の補給量は、スチームドラム１０１内の水面レベルを測定するレベル測定部１０８の測定結果に基づいて液面が一定になるように調節される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−５３５２１号公報
【特許文献２】特開平６−２５７７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した温度制御システム１００では、補給水の補給配管１０６は開口がスチームドラム１０１内の水面下に水没しているため、比重の大きな比較的低温の補給水は、直接スチームドラム１０１の底部に流れ、スチームドラム１０１内の蒸気相と水相との間に温度差が生じる。すると、スチームドラム１０１の蒸気相圧力と水相の温度との相関関係が崩れるため、温度制御システム１００による制御が高精度に行われないおそれがあるという欠点がある。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、スチームドラム内の気液温度を飽和温度に維持することで、高精度の温度制御ができるようにした温度制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による温度制御システムは、内部で発熱反応が生じる反応器内の反応熱を回収して該反応器内の温度を制御する温度制御システムであって、蒸気及び液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、反応器に配設されていて冷媒ドラムから供給された液体冷媒の一部を反応熱で蒸発させる除熱部と、除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を冷媒ドラムに戻す戻り配管と、冷媒ドラム内の蒸気を系外へ供給する蒸気出口配管と、系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を戻り配管に供給する補給配管とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、反応器内の反応熱量を冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分および冷媒の物性値（比熱、蒸発潜熱）から決定される単位冷媒量当たりの熱容量で除して補給水量を決定する制御手段と、この制御手段で決定された補給水量に応じて補給配管から戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、を更に備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されることが好ましい。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記反応器内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００１２】
また、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管は戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って戻り配管と鋭角の角度で接続されていてもよい。
また、補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられていてもよい。
或いは、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管に補給水を戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による温度制御システムは、反応器の除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を冷媒ドラムに戻す戻り配管に、系外に排出された蒸気の量に見合った補給水量を供給する補給配管を設けたから、系外へ排出された蒸気量に見合った補給水量を戻り配管に合流させて戻り配管内の飽和温度にある蒸気と直接混合させることで、補給水を冷媒ドラムに供給される前に飽和温度まで加熱することができることになり、冷媒ドラム内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。
しかも、補給水を直接冷媒ドラムへ供給する従来の温度制御システムと比較して、構造の複雑化や設備の大型化を避けて冷媒ドラム内の温度を均一にできる。
以上より、効率よく冷媒ドラム内の温度が均一にできることから、高精度かつ緻密な反応器の温度制御が可能となる。
【００１４】
また、反応器内の反応熱量を冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分および冷媒の物性値（比熱、蒸発潜熱）から決定される単位冷媒量当たりの熱容量で除して補給水量を決定する制御手段と、決定された補給水量に応じて補給配管から戻り配管に補給水を供給する補給水調整手段と、を更に備えているから、補給水量は系外に供給する蒸気流量と同等となるように制御手段によって正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように正確に制限することができることになり、合流部での全凝縮によるハンマリングを確実に防止することができる。
【００１５】
なお、制御手段で決定する補給水量は、具体的には次式によって演算されるから、補給水量は系外に供給する蒸気流量と同等となるように正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように制限できる。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：反応器内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００１６】
また、本発明による温度制御システムは、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管は混相流体の進行方向に沿って戻り配管と鋭角の角度で接続されているから、補給配管の補給水を、戻り配管の蒸気と液体冷媒との混相流体に合流させる際、混相流体の流れ方向に沿って補給水の給水を行うことができるため、合流時に補給水が混相流体に衝突した衝撃によるハンマリングの発生を防止できる。
【００１７】
また、補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられているから、補給水の供給量が少ない場合、戻り配管内の蒸気が補給配管内に逆流して凝縮によるハンマリングが生じることを防止できる。
【００１８】
また、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管に補給水を戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられているから、補給水を補給配管から合流部で戻り配管に供給する際、スプレーノズルで補給水を噴霧して均等に分散させて混相流体の蒸気に接触させれば、補給水の偏りによる急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による温度制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】実施形態による温度制御システムにおける水と蒸気の循環路とその流量及び温度とを示す説明図である。
【図３】第一変形例による反応器の戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図４】第二変形例による反応器の戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図５】第三変形例による反応器の戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図６】実施例における、反応器の出口と合流後の戻り配管とにおける蒸気の割合の変化を示すグラフである。
【図７】従来の温度制御システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示す温度制御システム１において、冷媒ドラムであるスチームドラム２には気液平衡状態で液体冷媒として例えば水が飽和温度で貯えられており、水の液面より上側には蒸気が飽和状態で満たされている。スチームドラム２の底部には供給配管３が接続され、この供給配管３を通して給水用のポンプ４によってフィッシャー・トロプシュ合成反応（発熱反応）を行なうＦＴ反応器（以下、単に反応器という）５内の除熱管（除熱部）７に水が送られる。反応器５によって発生した発熱反応に伴う反応熱により除熱管７内で水を一部蒸発させ、この反応熱を回収する。
【００２１】
また、除熱管７で一部の水が蒸発した蒸気および水からなる二相流体（混相流体）は、スチームドラム２への戻り配管８を通ってスチームドラム２に戻され、戻り配管８の吐出口はスチームドラム２内の水面より上方の蒸気の領域に開口している。そして、蒸気は蒸気出口配管９を通って系外の図示しない蒸気ユーザーに供給される。蒸気出口配管９には系外への蒸気排出量を測定する蒸気排出量測定手段１１が設けられている。
【００２２】
さらに、系外に供給された蒸気排出量に見合った量の液体冷媒、例えば補給水をスチームドラム２へ補給するための補給配管１０が配設され、補給配管１０は戻り配管８の途中の合流部６で接続されている。これにより、比較的低温（例えば温度ｔ３とする）の補給水は、戻り配管８内において反応器５で蒸発させられた比較的高温（例えば温度ｔ１とする。ｔ１＞ｔ３）の蒸気と直接混合して加熱され、飽和温度となる。補給配管１０には補給水の温度を測定する補給温度測定部１６が設けられている。
補給配管１０の補給水は、戻り配管８で飽和温度となってスチームドラム２内へ供給される。
【００２３】
発熱反応を行なう反応器５には、反応器５内の温度を測定する反応熱温度測定部１４と反応熱量Ｑを計算する反応熱量計算部１５が設けられている。
また、発熱反応を行なう反応器５内の温度を測定する反応熱温度測定部１４の測定結果に基づいて、スチームドラム２内の圧力を制御する圧力制御部１８が、蒸気出口配管９から系外に排出する蒸気量をカスケード制御にて調節することで、発熱反応を行なう反応器５の温度を制御している。なお反応熱温度測定部１４は、例えば反応器５において上下方向に互いに離間して配置された図示しない複数の温度センサを備えていてもよく、これらの温度センサにより測定された各温度の平均値を、反応器５内の温度として測定することができる。
【００２４】
スチームドラム２内の蒸気相（気相部）と水相（液相部）とは気液平衡状態であるため、スチームドラム２の蒸気相圧力と水相の温度とは一定の相関関係にある。したがって、発熱反応を行なう反応器５の温度設定値に対し、反応熱温度測定部１４により測定された反応器５内の実温度に偏差が生じた場合、圧力制御部１８を作動させてスチームドラム２の蒸気相圧力を変更する。
【００２５】
ここで、圧力制御部１８は、蒸気出口配管９と、蒸気出口配管９に設けられた圧力調節弁１９と、圧力調節弁１９を制御することで蒸気出口配管９を介してスチームドラム２内の圧力を設定する圧力設定部２１と、を備えている。圧力設定部２１には、反応熱温度測定部１４の温度測定結果が入力されており、圧力設定部２１は、この温度測定結果から反応器５内における実温度の温度設定値に対する偏差を算出し、この偏差に基づいて圧力調節弁１９を制御し、スチームドラム２の蒸気相圧力を変更する。
【００２６】
以上のようにしてスチームドラム２の蒸気相圧力を変更することで、スチームドラム２内の水相の温度（すなわち、発熱反応を行なう反応器５内の除熱管７に給水される水の温度）が変化して除熱管７で回収する熱量を変化させることが可能になり、発熱反応を行なう反応器５の温度を温度設定値に近づけることができる。
なお本実施形態では、スチームドラム２内の水相の温度は、スチームドラム２の底部に設けられた水相温度測定部２３により測定可能となっている。本実施形態では、スチームドラム２、供給配管３、除熱管７および戻り配管８により、液体冷媒としての水が循環する系が構成されている。また、補給水を戻り配管８に供給しているため、スチームドラム２内の温度は、いずれの圧力においても常に飽和温度になることから、反応器温度を緻密かつ高精度で制御できる。
【００２７】
また、温度制御システム１には、補給配管１０からの補給水量が蒸気出口排管９から系外へ排出される蒸気量を超えないように補給水量を制御する制御手段２５が設けられている。この制御手段２５では、スチームドラム２内の水相温度を測定する水相温度測定部２３、反応熱量計算部１５、補給配管１０内の補給水温度を測定する補給温度測定部１６による各測定値が入力され、補給水量が蒸気排出管９から排出される蒸気量を超えないように演算して決定される。
【００２８】
演算された補給水量のデータは補給配管１０に設けた流量調整手段２６に出力され、流量調節弁１３の開度を調整して補給水量を制御することになる。なお、スチームドラム２にはスチームドラム２内の水面レベル（液面レベル）を測定するレベル測定部１２が設けられ、スチームドラム２への過剰給水防止（オーバーフロー防止）のため、レベル測定部１２の測定結果から出力される流量調節弁１３の弁開度が上記演算された補給水量に該当する弁開度より小さい場合は、その開度が選択される。
これらによって補給水量が蒸気流量を超えないように制御される。
【００２９】
つぎに、制御手段２５による補給水量の演算方法の一例について説明する。
図２に示すように、蒸気出口配管９で排出される蒸気量をＷＶ１，温度をｔ１，供給配管３で反応器５に供給される水の流量をＷＬ４、温度ｔ１、反応器５から戻り管８へ吐出される蒸気量をＷＶ２、水の流量をＷＬ２、各温度ｔ１、補給配管１０から戻り配管８へ供給される水の流量をＷＬ３、温度ｔ３、合流後の戻り管８からスチームドラム２へ戻される蒸気量をＷＶ１、水の流量をＷＬ４、各温度ｔ１とする。なお、水の流量は単位ｋｇ／ｈ，蒸気の流量は単位ｋｇ／ｈとし、温度は℃とする。
また、反応器５での反応熱量をＱ（ｋｃａｌ／ｈ）、水の蒸発潜熱をｒ（ｋｃａｌ／ｋｇ）、水の比熱をＣｐ（ｋｃａｌ／ｋｇ／℃）とする。
【００３０】
まず、物質収支により、蒸気出口配管９で排出される蒸気発生量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３は等しいため、次式（１）式が成り立つ。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
上記（１）式を導き出す手順について以下に説明する。
図２において、まずスチームドラム２から供給される温度ｔ１の水の流量ＷＬ４は反応器５で反応熱を回収することで、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２＋水流量ＷＬ２となるから、反応器５で相変化する入出の物質収支を示すと下記（２）式になる。
ＷＬ４＝ＷＶ２＋ＷＬ２ …（２）
更に、補給配管１０から補給水量ＷＬ３が供給されることで、戻り配管８と補給配管１０の合流部６での物質収支（給水＋相変化）は次の式（３）になる。
ＷＶ２＋ＷＬ２＋ＷＬ３＝ＷＶ１＋ＷＬ４ …（３）
（２）式を（３）式に代入して整理すると次式になる。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
【００３１】
また、補給水量ＷＬ３の温度は低温ｔ３であり、他は高温ｔ１（＞ｔ３）である。戻り配管８と補給配管１０の合流部においては、蒸気凝集量＝給水予熱量／蒸発潜熱となるから、
（ＷＶ２−ＷＶ１）×ｒ＝ＷＬ３×Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３） …（４）
となる。
反応熱量Ｑと反応器５での蒸気発生量ＷＶ２との関係は以下の通りである。
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ …（５）
そして、式（１）と（５）を（４）式に代入して整理する。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ} …（６）
このようにして、反応熱量Ｑと給水温度ｔ１，ｔ３との関係から補給水量ＷＬ３を求めることができる。
なお、反応熱量Ｑは、別途測定・計算される反応器５での反応量またはスチームドラム２と反応器５の温度差と除熱管の伝熱面積と総括伝熱係数の積から求めることができる。
【００３２】
本実施形態による温度制御システム１は上述の構成を有しており、次にその制御方法について説明する。
例えば、給水用のポンプ４を駆動することで、スチームドラム２から温度ｔ１の水の流量ＷＬ４が反応器５へ供給される。反応器５で発生する発熱反応に伴う反応熱により除熱管７内で水流量ＷＬ４は一部が蒸発されて温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２と水の流量ＷＬ２の二相となり、この二相流体（混相流体）は戻り配管８によって給送される。
【００３３】
また、スチームドラム２内の蒸気相と水相とは、上述した水の流量ＷＬ４をポンプ４により反応器５に向けて排出することで水面が低下するため、制御手段２５で決定された補給水量ＷＬ３が流量調節弁１３によって調整されて供給される。
一方、補給配管１０では、制御手段２５で決定された比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３が補給されて、戻り配管８との合流部６で戻り配管８内の二相流体（ＷＶ２＋ＷＬ２）と合流する。すると、合流部６では、温度ｔ３の補給水量ＷＬ３が戻り配管８内で高温ｔ１の蒸気ＷＶ２と直接混合して加熱され、飽和温度ｔ１まで加熱される。また、合流部６では一部の蒸気が凝縮することで戻り配管８内の水の流量は、スチームドラム２から供給配管３に供給される水流量ＷＬ４と同じになる。
そして、合流部６以降の戻り配管８では、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ１と水の流量ＷＬ４となってスチームドラム２内の水面の上方に吐出される。
【００３４】
ここで、制御手段２５による補給水量ＷＬ３の制御方法について説明する。
スチームドラム２内の水相温度を測定する水相温度測定部２３で測定した温度ｔ１と、反応熱量計算部１５で計算した反応熱量Ｑと、補給配管１０の補給温度測定部１６で測定した補給水の温度ｔ３とが制御手段２５に入力される。そして、制御手段２５では上記（６）式により補給水量ＷＬ３を演算する。
この補給水量ＷＬ３の演算値を流量調整手段２６に出力して流量調節弁１３を作動させて補給水流量ＷＬ３を補給配管１０に供給し、合流部６で戻り配管８に合流させてスチームドラム２へ吐出させることになる。
【００３５】
そして、スチームドラム２内では、蒸気相圧力と水相の温度とは、気液平衡状態に基づいた相関関係が常に保たれる。
また、蒸気出口配管９によってスチームドラム２内から蒸気流量ＷＶ１が系外に供給されると共に、補給水量ＷＬ３が戻り配管８との合流部６で蒸気と水との二相流体と合流してスチームドラム２内に供給される。しかも、制御手段２５によって、補給水量ＷＬ３は蒸気流量ＷＶ１と等しく制御されるため、スチームドラム２内の水面は一定となる。
【００３６】
上述のように本実施形態による温度制御システム１によれば、蒸気出口配管９によって系外へ供給する蒸気流量ＷＶ１に等しい比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３を補給配管１０から戻り配管８に合流させて、戻り配管８内の飽和温度ｔ１にある蒸気流量ＷＶ２と直接混合させることができるから、補給水を瞬時に加熱して飽和温度にさせることができる。そのため、スチームドラム２内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。その結果、反応器温度を緻密かつ高精度で制御できる。
更に、制御手段２５によって、補給水量ＷＬ３が系外に供給する蒸気流量ＷＶ１と同等となるように演算でき、補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１を超えないように補給水量を正確に制限することができて、合流部６での全凝縮によるハンマリングを防止することができる。
【００３７】
従来の温度制御システムでは、補給水を直接スチームドラム２へ供給する構成であるため、補給水の加熱はスチームドラム２内の熱移動（蒸気の凝縮）によって行われ、補給水の温度を飽和温度まで加熱するためには補給配管１０内で補給水量をできるだけ少量の給水に分割することやスチームドラム２内での十分な滞留時間を確保することが必要になり、構造の複雑化や設備の大型化などを招き高コストになる欠点がある。その点、本発明は、構造の複雑化や設備の大型化を避けてスチームドラム２内の温度を均一に制御できる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
次に、補給配管１０が合流部６で戻り配管８に合流する際のハンマリングを防止するための構成について図３乃至図５により変形例として説明する。
図３は第一変形例による合流部６の構成を示すものである。図３において、補給配管１０は戻り配管８の二相流体の流れ方向に対して鋭角αをなすように連結して合流する。これにより戻り配管８を流れる蒸気と水の二相流体に対して補給水がスムーズに合流するため、合流時に補給水が混相流体に衝突した衝撃や混相流体の急激な凝縮によるハンマリングを生じない。
【００３９】
次に図４に示す第二変形例による合流部では、補給配管１０は戻り配管８の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結して合流すると共に、合流部６の上流側の補給配管１０では例えば略Ｕ字形状の凹部１０ａを形成して凹部１０ａ内に水を残留充填させた水シール部２７がシール部として設けられている。
この構成によれば、補給水量ＷＬ３が少ない場合、戻り配管８内の蒸気が補給配管１０内に逆流しようとしても水シール部２７で停止させられる。そのため、戻り配管８内の蒸気が補給配管１０内に逆流して凝縮によるハンマリングが発生することを防止できる。
なお、蒸気の逆流を防ぐシール部として、水シール部２７に代えて逆止弁を設けてもよい。
【００４０】
図５は第三変形例による合流部６の構成を示すものである。図５において、補給配管１０は戻り配管８の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結しており、しかも補給配管１０の先端部には戻り配管８内で補給水を分散して噴霧するスプレーノズル２８が形成されている。これにより、戻り配管８の蒸気と水に合流する補給水は、スプレーノズル２８で広く噴霧されるため、急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングを防止できる。
なお、実施形態による温度制御システム１においては、上述した第一乃至第三変形例の構成のいずれか二つまたは三つを組み合わせて構成してもよい。
【実施例】
【００４１】
次に本発明の実施形態による温度制御システム１の実施例について説明する。
まず、図２において、スチームドラム２内の温度や供給配管３を通して供給する水量ＷＬ４や水量ＷＬ２の各水温ｔ１、そして蒸気流量ＷＶ１、ＷＶ２の温度ｔ１をいずれも１９５℃の飽和温度とする。そして、補給水量ＷＬ３の水温ｔ３を１１０℃とする。
さらに、反応熱量Ｑ＝８００００００ｋｃａｌ／ｈ
水の蒸発潜熱ｒ＝４７０ｋｃａｌ／ｋｇ（物性値（定数））
水の比熱Ｃｐ＝１ｋｃａｌ／ｋｇ／℃（物性値（定数））
スチームドラム圧力＝１．３ＭＰａＧ
給水ポンプ４の循環量ＷＬ４＝６８０００ｋｇ／ｈ
とする。
【００４２】
上記の条件下において、温度制御システム１の制御手段２５において、スチームドラム２内の温度の均一化と液面レベルの一定化を図って、系外への蒸気の流量ＷＶ１と同一量になる補給水量ＷＬ３を決定するには上記（６）式によって行う。即ち、（６）式に上記の各数値を代入すると、
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
＝８００００００／{１×（１９５−１１０）＋４７０}
＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。
【００４３】
また、（１）式により蒸気の流量ＷＶ１は補給水量ＷＬ３と等しいから
ＷＶ１＝ＷＬ３＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。また、（５）式により反応器５内での蒸気発生量ＷＶ２を求めると、
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ
＝８００００００／４７０
＝１７０００ｋｇ／ｈ
となる。また、反応器５の出口における水の流量ＷＬ２を（２）式から求めると
ＷＬ２＝ＷＬ４−ＷＶ２
＝６８０００−１７０００
＝５１０００ｋｇ／ｈ
となる。
【００４４】
次に、図６は、温度制御システム１において、戻り配管８と補給配管１０との合流部６の前後位置での蒸気割合の変化を示す実施例のグラフである。
図６において、スチームドラム２から反応器５へ供給される水の循環量ＷＬ４に対する反応器５内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を横軸にとり、合流部６の前後における戻り配管８内の二相流体中の蒸気量の割合を気相部の割合として縦軸にとった。
そして、水の循環量ＷＬ４に対する反応器５内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を変化させた場合における、戻り配管８中の合流部６の前後における二相液体中の蒸気量（気相部）の割合を計算した。
【００４５】
図６において、破線Ｍは、反応器５の出口（戻り配管８）での気相（蒸気）の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））、実線Ｎは、補給配管１０が合流した後の戻り配管８での気相（蒸気）の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４）の変化を示している。
図６に示すグラフにおいて、スタート時点では反応器５での蒸発割合は０であるが（ＷＶ２／ＷＬ４＝０）、反応器５の温度上昇に伴い蒸気ＷＶ２の発生量は増加する。反応器５での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）は通常３０％で運転される。これを通常運転ポイントとする。この状態で、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれていれば、反応器５の出口で生成された蒸気量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）から補給水ＷＬ３合流後の戻り配管８での蒸気量ＷＶ１の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））への変化は約１％程度の低下にすぎない。
【００４６】
また、反応器５での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）が０を超えて３５％までの全範囲において、破線Ｍで示す蒸気量の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））から合流後の戻り配管８における実線Ｎで示す蒸気量の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））に変化しても、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれていれば、その変化は１％〜３％程度の範囲内であり、極めて低いためハンマリングは起こらない。
ここで、戻り配管８の補給配管１０との合流部６において、戻り配管８内の蒸気ＷＶ２の全凝縮が起こればハンマリングが生じる可能性があるが、本発明の実施例では、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれていれば、上記のように補給水量ＷＬ３の合流後の戻り配管８内での蒸気ＷＶ１の割合の変化は約１％〜３％の範囲であり、ハンマリングは生じない。
【００４７】
また、上述した実施形態では、反応器５内でフィッシャー・トロプシュ合成反応がなされているＦＴ反応器であるとしたが、反応器５内で発熱反応がなされていれば、フィッシャー・トロプシュ合成反応でなくてもよい。
また上述の実施形態や各変形例や実施例等では、液体冷媒として水を採用したが、水でなくてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１ 温度制御システム
２ スチームドラム
３ 供給配管
４ ポンプ
５ 反応器
６ 合流部
７ 除熱管
８ 戻り配管
９ 蒸気出口配管
１０ 補給配管
１１ 蒸気排出量測定手段
１２ レベル制御部
１３ 流量調節弁
１４ 反応熱温度測定部
１５ 反応熱量計算部
１６ 補給温度測定部
２３ 水相温度測定部
２５ 制御手段
２６ 流量調整手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で発熱反応が生じる反応器内の反応熱を回収して該反応器内の温度を制御する温度制御システムであって、
蒸気及び液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、
前記反応器に配設されていて前記冷媒ドラムから供給された前記液体冷媒の一部を前記反応熱で蒸発させる除熱部と、
前記除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、
前記冷媒ドラム内の蒸気を系外へ供給する蒸気出口配管と、
前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を前記戻り配管に供給する補給配管と
を備えていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項２】
前記反応器内の反応熱量を前記冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度および冷媒の物性値（比熱、蒸発潜熱）から決定される単位冷媒熱量で除して前記補給水量を決定する制御手段と、
前記制御手段で決定された前記補給水量に応じて前記補給配管から戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、
を更に備えている請求項１に記載された温度制御システム。
【請求項３】
前記制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されるようにした請求項２に記載された温度制御システム。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記反応器内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【請求項４】
前記戻り配管と補給配管との合流部において、前記補給配管は前記戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って前記戻り配管と鋭角の角度で接続されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載された温度制御システム。
【請求項５】
前記補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられている請求項１乃至４のいずれか１項に記載された温度制御システム。
【請求項６】
前記戻り配管と補給配管との合流部において、前記補給配管に補給水を前記戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載された温度制御システム。
【請求項１】
内部で発熱反応が生じる反応器内の反応熱を回収して該反応器内の温度を制御する温度制御システムであって、
蒸気及び液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、
前記反応器に配設されていて前記冷媒ドラムから供給された前記液体冷媒の一部を前記反応熱で蒸発させる除熱部と、
前記除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、
前記冷媒ドラム内の蒸気を系外へ供給する蒸気出口配管と、
前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を前記戻り配管に供給する補給配管と
を備えていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項２】
前記反応器内の反応熱量を前記冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度および冷媒の物性値（比熱、蒸発潜熱）から決定される単位冷媒熱量で除して前記補給水量を決定する制御手段と、
前記制御手段で決定された前記補給水量に応じて前記補給配管から戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、
を更に備えている請求項１に記載された温度制御システム。
【請求項３】
前記制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されるようにした請求項２に記載された温度制御システム。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記反応器内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【請求項４】
前記戻り配管と補給配管との合流部において、前記補給配管は前記戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って前記戻り配管と鋭角の角度で接続されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載された温度制御システム。
【請求項５】
前記補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられている請求項１乃至４のいずれか１項に記載された温度制御システム。
【請求項６】
前記戻り配管と補給配管との合流部において、前記補給配管に補給水を前記戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載された温度制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３４９３０（Ｐ２０１３−３４９３０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１８１２（Ｐ２０１１−１７１８１２）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（５０４１１７９５８）独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 (101)
【出願人】（５０９００１６３０）国際石油開発帝石株式会社 (57)
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５９１０９０７３６）石油資源開発株式会社 (70)
【出願人】（０００１０５５６７）コスモ石油株式会社 (443)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄住金エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（５０４１１７９５８）独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 (101)
【出願人】（５０９００１６３０）国際石油開発帝石株式会社 (57)
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５９１０９０７３６）石油資源開発株式会社 (70)
【出願人】（０００１０５５６７）コスモ石油株式会社 (443)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄住金エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
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