配管内のガス置換方法及びガス置換装置
【課題】安全に短時間で、また置換するために必要なガス量が少ない配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法、及びガス置換装置を提供する。
【解決手段】配管２１内の可燃性ガスの一部を不活性ガスに置換し、該配管２１内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換工程と、該不活性ガス置換工程により、該配管２１内に不活性ガス領域を形成した後、該配管２１内に残留する該可燃性ガスに接触しないように、該配管内に空気を供給し、供給する空気により該不活性ガスを押出し、該配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する空気置換工程と、を含む。
【解決手段】配管２１内の可燃性ガスの一部を不活性ガスに置換し、該配管２１内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換工程と、該不活性ガス置換工程により、該配管２１内に不活性ガス領域を形成した後、該配管２１内に残留する該可燃性ガスに接触しないように、該配管内に空気を供給し、供給する空気により該不活性ガスを押出し、該配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する空気置換工程と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法、及びガス置換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所で発生する高炉ガスなどの燃料ガスを輸送する燃料ガス輸送配管は、定期点検工事や補修工事を行いながら使用している。この燃料ガス輸送配管を定期点検工事や補修工事で内部点検作業等を行う場合は、ガス中毒、火災及びガス爆発を防止するために、配管内の燃料ガスを不活性ガスである窒素ガスで置換した後、この窒素ガスを空気で置換している。特に重油と高炉ガスなどの製鉄所副生ガスを混焼している発電用ボイラーでは定期点検工事等で発電設備を停止する際、炉内爆発防止のため重油専焼中に燃料ガス輸送管内の燃料ガスを不活性ガスである窒素ガスで置換した後に発電機の解列を行っている。
【０００３】
図６は、一般的な高炉ガス輸送配管の概略的な配管系統を示す図である。高炉ガスはＵ字水封弁１、高炉ガス輸送配管２を介してボイラー３に送られる。高炉ガス輸送配管２の途中には、高炉ガスを緊急遮断することが可能な緊急水封弁４、予熱器５、流量制御ダンパー６が配設されている。高炉ガス輸送配管２に滞留する高炉ガスを空気に置換する場合は、高炉ガス輸送配管２の一端近傍に接続された窒素ガス供給管７を用いて、高炉ガス輸送配管２に窒素ガスを送りながら、高炉ガス輸送配管２に配設されたブリーダ弁８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ）から高炉ガスを排出する。
【０００４】
ブリーダ弁８で高炉ガスを排出しながら、ブリーダ弁８に近接して設けられる試料採取弁９（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ）で試料ガスを採取し、高炉ガスの濃度を図示を省略したガス濃度計で測定する。この濃度が、所定の値以下であることを確認した後、窒素ガスの供給を停止して、高炉ガス輸送配管２に接続した空気ブロワ１０で空気を供給しながら、ブリーダ弁８で高炉ガス輸送配管２内の窒素ガスを排出し、高炉ガス輸送配管２のガスを空気に置換する。空気への置換の完了は、試料採取弁９で酸素濃度を測定することで行う。
【０００５】
上記の方法は、従来から一般的によく用いられている高炉ガスの置換方法であるが、ガス置換の効率が必ずしも高いとは言えず、ガス置換に必要な窒素ガスの量が多いことや、ガスの置換に時間を要するなどの課題が指摘されている。配管、又は容器内のガスを効率的に又は安全に置換する方法の一つとして、地下式貯槽内の空気を窒素ガスに一度置換した後、この窒素ガスをメタンガスに置換する場合に、少ない窒素ガス量で効率的に置換する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−３０１７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
製鉄所などで使用される燃料ガス輸送配管は、配管の内径は大きいところでは２〜３ｍにも及び、長さも１００ｍを超えるなど容量が大きい。また燃料ガス輸送配管は、曲り部、分岐部を有するなど複雑な形状、経路を有する。特許文献１に記載の技術は、地下式貯槽内の空気を窒素ガスに一度置換した後、この窒素ガスをメタンガスに置換する場合に、少ない量で効率的に置換する方法に関するものであるが、この方法は、置換すべき対象物の形状が単純であり、かつ空気、窒素ガス、メタンガスの比重量の違いを利用しガスの置換を行うものであり、この方法を燃料ガス輸送配管内のガスの置換方法として利用することはできない。
【０００７】
大容量でかつ、配管の長さが長く、曲り部、分岐部を有するなど複雑な形状を有する配管内の可燃性ガスを、短時間にかつ少ない不活性ガス量で効率的に置換する技術がないのが現状であり、これら配管内のガスを短時間に、かつ少ない窒素ガス量で効率的に置換する方法の開発が待たれている。特に重油と高炉ガスなどの製鉄所副生ガスを混焼している発電用ボイラーでは定期点検工事等で発電設備を停止する際、炉内爆発防止のため重油専焼として燃料ガス輸送管内の高炉ガスなどの製鉄所副生ガスを不活性ガスである窒素ガスで置換した後に発電機の解列を行っているため、ガス置換の時間短縮は切実な問題である。また、配管内の可燃性ガスを、安全にかつ短時間で効率的に空気に置換する技術が開発されれば、燃料ガス輸送配管に限定されることなく、多くの場所で使用されるであろうことは言うに及ばない。
【０００８】
本発明の目的は、安全に短時間で、またガス置換するために必要なガス量が少ない配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法、及びガス置換装置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、配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法であって、
配管内の可燃性ガスの一部を不活性ガスに置換し、該配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換工程と、
該不活性ガス置換工程により、該配管内に不活性ガス領域を形成した後、該配管内に残留する該可燃性ガスに接触しないように、該配管内に空気を供給し、供給する空気により該不活性ガスを押出し、該配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する空気置換工程と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換方法である。
【００１０】
また本発明で、前記不活性ガス置換工程での不活性ガス領域の形成は、前記配管の一端から前記不活性ガスを供給しながら、前記配管の中央部及び／又は他端部から前記可燃性ガスを排出することで行い、
前記空気置換工程での空気の供給は、前記不活性ガスを供給した前記配管の端部と同じ端部側から行うことを特徴とする請求項１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１１】
また本発明は、さらに、前記不活性ガス置換工程により、前記配管内に所定の長さの不活性ガス領域が形成されたことを確認する確認工程と、を含み、
不活性ガス領域の形成の確認は、前記配管の軸方向の可燃性ガス濃度を検出し、予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の濃度以下であることで確認することを特徴とする請求項１又は２に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１２】
また本発明で、前記可燃性ガスは、比重量が前記不活性ガスの比重量と近似することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１３】
また本発明で、前記可燃性ガスは、製鉄所の高炉ガスであり、前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１４】
また本発明で、前記不活性ガス及び前記空気の供給は、前記配管の横断面に対し多方向から供給することを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１５】
また本発明で、前記配管に装置、機器が配設されているときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１６】
また本発明で、前記空気置換工程の空気で不活性ガスを押し出す方向とは異なる方向にもガス置換すべき他の管路を有するときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該他の管路内の可燃性ガス濃度を十分に低下させる不活性ガス置換操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１７】
また本発明で、前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、前記確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の大きいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１８】
また本発明で、前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、前記確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の小さいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１９】
また本発明は、配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換装置であって、
該配管に接続し、不活性ガスを供給可能な不活性ガス供給手段と、
該配管に接続し、該配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、
該配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、
該配管内に接続し、該配管内に空気を供給可能な空気供給手段と、
該配管内の予め定める位置の該可燃性ガス濃度が、所定の値以下であることを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給可能に制御し、該配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値を超えたことを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給不能に制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の配管内のガス置換方法は、配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成し、その後、配管内に残留する可燃性ガスに直接接触しないように、配管内に空気を供給し、供給する空気で不活性ガスを押出し、配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する。従来のガス置換方法では、配管内全体を不活性ガスに置換した後、空気を供給し配管内を空気に置換していたけれども、本発明のガス置換方法は、配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い領域を形成した後、この不活性ガスを空気で押出すことでガス置換を行うので、従来のように配管全体を不活性ガスに置換する必要がない。このため不活性ガスに置換する時間が短縮されるとともに、ガス置換に必要な不活性ガスの量も従来法に比較して少なくすることができる。
【００２１】
また本発明によれば、不活性ガス領域の形成は、配管の一端から不活性ガスを供給しながら、配管の中央部及び／又は他端部から可燃性ガスを排出することで行うので、効率的に、また確実に不活性ガス領域を形成することができる。また空気置換工程での空気の供給は、不活性ガスを供給した配管の端部と同じ端部側から行うので、可燃性ガスと供給する空気との間に不活性ガス領域が存在し、空気が可燃性ガスと直接接触することがなく、安全に配管内を空気に置換することができる。
【００２２】
また本発明によれば、さらに、配管の軸方向の可燃性ガス濃度を検出し、予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の濃度以下であることで不活性ガス領域が形成されたことを確認するので、不活性ガス領域の形成を確実に確認することができる。また可燃性ガス濃度の管理値を、可燃性ガスの燃焼範囲、爆発範囲に基づき決定することで安全に配管内のガス置換を行うことができる。
【００２３】
また本発明によれば、可燃性ガスの比重量が不活性ガスの比重量と近似するので、不活性ガスによる置換操作の際、配管内を不活性ガスが局所的に流れるガスの吹き抜けが発生しにくい。これにより、短時間で効率的に不活性ガス領域を形成させることができる。
【００２４】
また本発明によれば、可燃性ガスは、製鉄所の高炉ガスであり、不活性ガスは、窒素ガスである。高炉ガスは、一般的に一酸化炭素、水素などの可燃性ガスのほか、窒素ガス、二酸化炭素を含み、ガスの比重量は、１．３４（ｋｇ／ｍ３Ｎ）程度である。これに対して窒素ガスの比重量は、１．２５（ｋｇ／ｍ３Ｎ）であり、高炉ガスと窒素ガスとは比重量が近似する。よって短時間で効率的に不活性ガス領域を形成させることができる。
【００２５】
また本発明によれば、不活性ガス及び空気の供給は、配管の横断面に対し多方向から供給するので、不活性ガス及び空気の供給を配管の横断面方向に対して略均一になすことができる。この結果、配管径の大きい配管であっても、配管内での局所的なガスの吹き抜け、ガスの混合を抑制することができる。
【００２６】
また本発明によれば、配管に装置、機器が配設されているときは、不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行う。配管に配設された装置、機器は、配管と異なり複雑な形状、構造を有することから、不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換操作では、装置、機器内の可燃性ガスが不活性ガスに十分に置換されない可能性もある。しかしながら本発明のガス置換方法では、不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行うので、これらについても確実に不活性ガスに置換することが可能となり、配管及び装置等のガス置換を安全、確実に行うことができる。
【００２７】
また本発明によれば、空気置換工程の空気で不活性ガスを押し出す方向とは異なる方向にもガス置換すべき他の管路を有するときは、不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、他の管路内の可燃性ガス濃度を十分に低下させる不活性ガス置換操作を行い、その後空気置換操作を行うので、安全、確実にガス置換を行うことができる。
【００２８】
また本発明によれば、可燃性ガスが混合ガスからなるときは、不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の大きいガスを対象とするので、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。比重量の大きいガスは、配管の下部に滞留しやすい。よって可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、比重量の大きいガスが検出された時点では、比重量の小さいガスは既に排出された可能性が高い。これにより可燃性ガスが混合ガスであっても、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。
【００２９】
また本発明によれば、可燃性ガスが混合ガスからなるときは、不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の小さいガスを対象とするので、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。比重量の小さいガスは、配管の上部に滞留しやすい。よって可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、比重量の小さいガスが検出された時点では、比重量の大きいガスは既に排出された可能性が高い。これにより可燃性ガスが混合ガスであっても、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。
【００３０】
また本発明のガス置換装置は、配管内に不活性ガスを供給可能な不活性ガス供給手段と、配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、配管内に空気を供給可能な空気供給手段と、配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値以下であることをガス濃度検出手段が検出すると、空気供給手段から配管へ空気を供給可能に制御し、配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値を超えたことをガス濃度検出手段が検出すると、空気供給手段から配管へ空気を供給不能に制御する制御手段と、を含むので、本ガス置換装置を用いて安全に、また効率的に配管内のガスを置換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０の概略的構成を示す図である。ここに示した燃料ガス輸送配管２１は、高炉ガスをボイラー２２に供給するための管路で、配管途中に緊急水封弁２８、流量制御ダンパー２９、燃料ガスを予熱する予熱器２３、バーナへの燃料を遮断するバーナ弁２４ａ、２４ｂを有する。また燃料ガス輸送配管２１には、配管内の燃料ガスを最終的に空気に置換するためのガス置換装置２０が装着されている。
【００３２】
本ガス置換装置２０は、ガス置換を行う燃料ガス輸送配管２１に接続し、配管内のガスを排出するガス排出管３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ）、ガス排出管に接続する試料採取管３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ）、窒素ガスを供給する窒素ガス供給管４０、予熱器窒素ガス供給管４２、及び管路に配設されるブリーダ弁３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ）、試料採取弁３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ）、窒素ガス供給弁４１、予熱器窒素ガス供給弁４３、空気を供給する空気供給手段５０、ガス濃度を測定するためのガス濃度計６０、各種自動弁などを制御する制御装置７０などを含み構成される。
【００３３】
燃料ガス輸送配管２１には、燃料ガス輸送配管２１内のガスを排出するためのガス排出管３０ａ、３０ｂが、燃料ガス輸送配管２１の両端２５、２６近傍に設けられている。また燃料ガス輸送配管２１の中央部に２ヶ所、ガス排出管３０ｃ、３０ｄが配設されている。また、予熱器２３内のガスを排出するために、予熱器２３の上部にもガス排出管３０ｅが設けられている。各ガス排出管３０は、管路の途中にガスを排出するブリーダ弁３１を備える。ブリーダ弁３１は、後述の制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する自動弁である。
【００３４】
また各ガス排出管３０は、ブリーダ弁３１と燃料ガス輸送配管２１とを接続する管路に分岐部を有し、分岐部には、燃料ガス輸送配管２１内のガス濃度を検出するための試料採取管３２が接続されている。試料採取管３２は、管路途中にガスを採取するための試料採取弁３３を有する。試料採取弁３３は、後述の制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する自動弁である。
【００３５】
窒素ガス供給管４０は、燃料ガス輸送配管２１に窒素ガスを供給するための管路であり、制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する窒素ガス供給弁４１を管路途中に有する。窒素ガス供給管４０は、燃料ガス輸送配管２１内の可燃性ガスを窒素ガスに置換するためのものであるから、燃料ガス輸送配管２１の一端２５近傍に接続されている。また、燃料ガス輸送配管２１の途中に設置された予熱器２３内の高炉ガスを窒素ガスに置換するために、予熱器窒素ガス供給管４２も設けられている。
【００３６】
これは、予熱器２３は燃料ガス輸送配管２１と大きさも異なり、複雑な形状を有するので、燃料ガス輸送配管２１の窒素ガス置換操作のみでは、予熱器２３内のガスを窒素ガスに十分に置換できない恐れがあることによる。また、大口径の燃料ガス輸送配管に窒素ガスを供給するときは、配管の横断面に比重量差によるガスの偏りが生じることを抑制する点から、図２に示すように多方向から窒素ガスを供給すことが望ましい。
【００３７】
空気供給手段５０は、空気ブロワ５１と、空気ブロワ５１からの空気を燃料ガス輸送配管２１に送る空気供給管５２とを含み構成される。空気ブロワ５１は、燃料ガス輸送配管２１に空気を送るもので、制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する空気供給弁５３を備える空気供給管５２を通じて、燃料ガス輸送配管２１へ空気を供給する。この空気供給管５２は、燃料ガス輸送配管２１の窒素ガスを空気に置換するためのものであるから、燃料ガス輸送配管２１の一端２５近傍に接続されている。窒素ガスと空気との比重量差は小さいものの、配管径が大きい場合は、空気の供給の偏りが懸念されるため、図３に示すように、多方向から空気を導入することが好ましい。
【００３８】
ガス濃度を測定するためのガス濃度計６０は、試料採取管３２から試料ガスを採取して、可燃性ガス濃度、及び酸素濃度を測定する。本実施形態に示す高炉ガスは、後述のように多種のガスの混合物である。このような混合ガスからなる可燃性ガス濃度の検出には、燃料ガスに含まれる特定のガスを代表ガスとし、このガスの濃度を検出する方法であってもよい。ガス濃度計６０の濃度測定範囲及び精度は、燃料ガスを窒素ガスで置換するときの管理値、窒素ガスを空気で置換するときの管理値から決定すればよい。またガス濃度計６０の測定原理等は特に限定されないけれども、オンラインで測定可能なガス濃度計であることが望ましい。
【００３９】
制御装置７０は、ガス濃度計６０からのガス濃度信号に基づき、空気ブロワ５１の起動停止、ブリーダ弁３１、試料採取弁３３、窒素ガス供給弁４１、空気供給弁５３などの弁の開閉を制御する。制御装置７０は、ガス濃度計６０からのガス濃度信号を入力する入力部、入力部を介して入力されるデータを記憶する記憶部、データを予め定める手順で演算する演算部、演算部が算出するデータを出力する出力部を備える。空気ブロワ５１は、制御装置７０の制御信号を受けて起動停止し、ブリーダ弁３１、試料採取弁３３、窒素ガス供給弁４１、空気供給弁５３などは、制御装置７０の制御信号を受けて開閉をする。制御装置７０は、コンピュータを用いて実現することが可能であり、データ処理手順は、プログラムとしてコンピュータに入力することができる。なお、制御装置７０には、バーナ弁２４が全て閉止などの条件で作動するインターロック機能が設けられている。
【００４０】
また、燃料ガス輸送配管２１は、燃料ガス入口部２５に燃料母管から分離するためのＵ字水封弁８０を備える。Ｕ字水封弁８０は、Ｕ字部に水を張り込むことでガスを遮断することができる。このためＵ字水封弁８０には、水位検出用のレベルスイッチ８８（８８ａ、８８ｂ）、水を供給するための給水管８１、Ｕ字水封弁８０からオーバーフローする水を排出するオーバーフロー管８２、及びＵ字水封弁８０の水を排出するための排水管８３が接続されている。給水管８１、オーバーフロー管８２、及び排水管８３には、各々制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する自動弁８４、８５、８６、８７が設けられている。
【００４１】
次ぎに、本発明の配管内のガス置換方法について説明する。本発明の配管内のガス置換方法は、配管内の可燃性ガスを空気に置換するとき、配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成させ、可燃性ガスと空気との間にこの不活性ガス領域（不活性ガスの塊）を置くことで、配管内に可燃性ガスが残留していても、空気と可燃性ガスとを直接接触させることなく配管内を空気に置換することができる特徴を有する。これは、不活性ガスの塊を空気で押出すことで、不活性ガスが配管内で栓として機能し、配管内に残留する可燃性ガスと空気とが直接接触することなく、可燃性ガスを押出すことができるとするものである。以下、本発明のガス置換装置２０を用いて、図１に示す燃料ガス輸送配管２１のガスを置換する方法を説明する。
【００４２】
図４は、本発明の配管内のガス置換手順を示すフローチャートである。また図５（ａ）〜図５（ｄ）は、配管内のガスの移り変わりを模擬的に示す図である。ここに示す手順は一例を示すだけであり、操作や判断を変更してもよいことはもちろんである。まずバーナ制御装置（ボイラー制御装置）からの指令によりバーナ弁２４ａ、２４ｂを閉とし、バーナを消火させガス置換の実施の条件を整えた後、制御装置７０によりＵ字水封弁８０に水張りを行う（ステップＳ１）。これにより、後述のガス置換操作により、ガスがＵ字水封弁８０の上流側（ボイラーと反対側）から燃料ガスが流れこむことを防止することができる。
【００４３】
図５（ａ）は、バーナ点火中の燃料ガス輸送配管２１内の状況を模擬的に示す図である。バーナ点火中は、Ｕ字水封弁８０は、排水管８３に設けられている排水弁８６が開となっており、図５（ａ）に示すように、Ｕ字水封弁８０には、水は張り込まれていない。よって、ボイラー制御装置（バーナ制御装置）からの指令によりバーナ弁２４ａ、２４ｂを閉じ、ガス置換の実施条件が成立した後、制御装置７０は、Ｕ字水封弁８０に接続する給水管８１の給水弁８４、及びオーバーフロー管８２のオーバーフロー弁８５を開とし、排水管８３に設けられている排水弁８６を閉となるように制御する。これによりＵ字水封弁８０に水を張ることができる。また、水位検出用のレベルスイッチ８８ａで水張完了後は給水弁８４を閉じ、給水弁８４をバイパスする小容量の給水弁８７を開として常時少量の給水を行い蒸発等による水位低下を防止する。なお、水位検出用のレベルスイッチ８８ｂは水抜き完了、及びバーナ点火中のＵ字水封弁水位上昇を警告するために使用する。
【００４４】
ステップＳ１でＵ字水封弁８０の水張りを行った後、ステップＳ２で燃料ガス輸送配管２１内に窒素ガスを供給しながら燃料ガスの排出を行う。窒素ガスの供給は、燃料ガス輸送配管２１の一端２５近傍に配設された窒素ガス供給管４０を通じて行う。燃料ガスの排出は、燃料ガス輸送管路２１の中央部に配設されたガス排出管３０ｄ、３０ｅ、及び窒素ガス供給管４０とＵ字水封弁８０との間に位置するガス排出管３０ａを用いて行う。窒素ガスの供給、燃料ガスの排出は、制御装置７０から窒素ガス供給弁４１、ブリーダ弁３１ａ、３１ｄ、３１ｅ弁へ制御信号を送り、これら弁を開くことで行う。図５（ｂ）は、燃料ガス輸送配管２１内に窒素ガスを供給しながら燃料ガスをブリーダ弁３１ｄ、３１ｅから排出している状況を示す。
【００４５】
本発明のガス置換方法は、可燃性ガスと空気との間に不活性ガス領域（不活性ガス濃度の高い領域）を設け、可燃性ガスと不活性ガスとを空気でピストンフロー的に押出し、配管内を最終的に空気に置換しようとする方法であるから、ステップＳ２の窒素ガス置換操作において、燃料ガス輸送配管２１内の全て領域において燃料ガスが窒素ガスに置換されている必要はない。所定の長さの窒素ガス濃度の高い領域が形成されればよい。このため、燃料ガスの排出は、窒素ガス供給管４０と燃料ガス輸送配管２１の中央部に配設されたガス排出管３０ｄ、３０ｅから行えばよい。燃料ガスの排出を窒素ガス供給管４０とＵ字水封弁８０との間に位置するガス排出管３０ａを用いて行うのは、この部分に燃料ガスが残留しないようにするためである。
【００４６】
窒素ガス置換操作である窒素ガスの供給、燃料ガスの排出は、燃料ガス輸送配管２１内に窒素ガス濃度の高い領域を設けることを主目的に行うものであり、これらの操作において配管内で局所的なガスの吹き抜けや、窒素ガスと燃料ガスとの混合を抑制することが必要である。よって窒素ガスの供給速度、燃料ガスの排出速度は、配管内で局所的に窒素ガス、及び燃料ガスが吹き抜けることのない速度であることが必要である。ステップＳ２の窒素ガスの供給、燃料ガスの排出操作とほぼ同時に、ステップＳ３で排出ガス中の可燃性ガス濃度の測定を開始する。これは窒素ガス置換操作の終点を判断するためのものである。可燃性ガス濃度の測定は、試料採取弁３３ａ、３３ｄ、３３ｅを開け、ガスを採取してガス濃度計６０に導くことで行う。
【００４７】
本実施形態では、高炉ガスを用いているので、可燃性ガスを代表するガスを一酸化炭素として、一酸化炭素濃度を測定することで、これを可燃性ガス濃度の指標とすることができる。高炉ガスの成分割合の一例を表１に示す。表１に示すように、高炉ガスに含まれる可燃性ガス成分として一酸化炭素の濃度が高いため、これを代表ガスとすることができる。また本発明の実施形態のようにガス排出管３０が、燃料ガス輸送配管２１の上部に配設されている場合は、比重量の大きいガスを代表ガスとすることで配管内のガス濃度の偏析を防止することができる。また、毒性のあるガスを代表ガスとすることが安全上の観点から望ましい。さらに混合ガスを代表させる可燃性ガスとしては、濃度測定が容易で、精度よく測定可能な可燃性ガスであることが望ましい。
【００４８】
【表１】
【００４９】
本実施形態のように可燃性ガスが混合ガスからなるときは、混合ガスのうち特定のガスを代表ガスとすることが可能なことは、上述の通りである。可燃性ガスの排出を配管の下部から行う場合にあっては、比重量の小さいガスを代表ガスとすべきである。これは比重量の小さいガスは、配管の上部に滞留しやすい。よって可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、比重量の小さいガスが検出された時点では、比重量の大きいガスは既に排出された可能性が高いことによる。これにより可燃性ガスが混合ガスであっても、可燃性ガスの濃度を確実に検出することができる。
【００５０】
不活性ガス領域の形成完了は、試料採取弁３３ｄでの一酸化炭素濃度が管理値となった時点とする。試料採取弁３３ｄで一酸化炭素濃度が管理値となったことは、窒素ガス供給管４０近傍の一酸化炭素濃度はさらに低いことから、これにより窒素ガス供給管４０と試料採取弁３３ｄとの間に不活性ガス領域が形成されたことが確認できる。なお、不活性ガス領域の形成に必要な窒素ガス量、及び窒素ガスを供給すべき時間などを把握した後は、その操作を行うことで、可燃性ガス濃度の測定を省略することもできる。
【００５１】
不活性ガス領域の形成完了を判断する可燃性ガス濃度は、燃料ガスの空気中での燃焼範囲を参考に決めることができる。本発明の実施形態では、不活性ガス領域の形成完了の管理値の一例として、試料採取弁３３ｄでの一酸化炭素濃度が５容量％以下に到達した時点とすることができる。一酸化炭素濃度が５容量％以下の状態は、燃料ガスの約８０容量％が窒素ガスに置換されたことを示し、空気中での燃焼範囲も６４〜７５容量％と狭くなっている。さらに後述の配管への空気の供給に伴い、不活性ガス領域は、配管内を移動するため、試料採取弁３３ｄでの一酸化炭素濃度はさらに低下する。これらのことから配管内に残留する燃料ガスが燃焼する可能性は極めて小さいと言える。
【００５２】
窒素ガス置換操作は、配管内の燃料ガスを局所的に窒素ガスに置換し、窒素ガス濃度の高い領域を形成することを目的に行うものであるから、ガス置換を行う配管の端部から窒素ガスを供給することが可能で、配管に機器、装置が装着されていないような場合は、窒素ガス領域の形成が確認された時点で、窒素ガス置換操作を終了することができる。しかしながら、本実施形態のように、窒素ガス供給管４０が、ガス置換をしようとする燃料ガス輸送配管２１の端部に接続されていない場合や、配管に機器、装置が装着されている場合は、この部分の燃料ガスが窒素ガスに十分に置換されたことを確認した後、窒素ガス置換操作を終了することが望ましい。
【００５３】
窒素ガス供給管４０とＵ字水封弁８０と間に位置する燃料ガス輸送配管２７の燃料ガスを窒素ガスに置換するには、配管内に不活性ガス領域を形成するための窒素ガスの流れとは、異なるガスの流れが必要となる。このため、試料採取弁３３ｄで一酸化炭素濃度が管理値となり、不活性ガス領域の形成が確認されたとしても、燃料ガス輸送配管２７の燃料ガスが窒素ガスに置換されていない可能性もある。本実施形態では、空気置換操作時に不活性ガス領域を栓として、配管容量の大きい方へ不活性ガスを送りながら残留する燃料ガスを排出する。このため、ガス排出管３０ｃ、３０ｄを接続する燃料ガス輸送配管部は、配管に空気を供給する後述の空気置換操作に伴い、不活性ガス領域を形成する窒素ガスが移動してくるため、さらに可燃性ガスの濃度は低下する。
【００５４】
しかしながら、燃料ガス輸送配管２７は、窒素ガス置換が終了した後は空気置換操作に伴う窒素ガスの供給がないので、空気置換操作に伴い可燃性ガス濃度が低下することはない。よって、この部分の可燃性ガス濃度は、十分に低下させておくことが望ましい。たとえば、試料採取弁３３ａでの一酸化炭素濃度が１容量％以下で窒素ガス置換終了とすることができる。この値に達すると、燃料ガスの空気中での燃焼範囲は、約７３〜７６容量％と非常に狭く、燃料ガスに空気が混入したとしても爆発にいたる可能性はほとんどない。
【００５５】
窒素ガス供給管４０及び、空気供給管５２が燃料ガス輸送配管２１の端部に設けられており、一方向にガスを流すのみで配管内のガス置換を行うことができるならば、このような操作が必要ないことは言うまでもない。燃料ガス輸送配管部２７を有するような配管にあっては、不活性ガス領域の形成と、この部分の窒素ガスへの置換が完了したことが確認された後、後述の空気置換操作へ移行することが望ましい。
【００５６】
同様に、予熱器２３など燃料ガス輸送配管２１と異なる形状を有する部分については、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作を流用して、燃料ガスの置換を行うだけではなく、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作に引き続き、別途窒素ガスに置換する操作を行うことが望ましい。これは形状が複雑であり、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作のみでは、十分に窒素ガスに置換することができない恐れがあることによる。予熱器２３内のガス置換操作は、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作とは、全く別個に行うこともできるが、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作に引き続き行うことが効率的である。
【００５７】
例えば、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作により、予熱器２３のガス排出管３０ｅに設けられた試料採取弁３３ｅでの一酸化炭素濃度が２０容量％に到達した後、予熱器２３に設けられている予熱器窒素ガス供給管４２から窒素ガスを供給しながら、予熱器２３に接続するブリーダ弁３１ｅからガスを排出すれば、先の燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作で、予熱器２３のところまで窒素ガスが来ていることが分かり、効率的に窒素ガス置換操作を行うことができる。
【００５８】
ステップＳ４において、所定の位置での一酸化炭素濃度が、所定の管理値以下になったことが確認された後は、窒素ガスの供給、ガスの排出を停止し（ステップＳ５）、引き続き燃料ガス輸送配管２１に空気を送りこむ。これにより、燃料ガス輸送配管２１内を空気に置換することができる。空気の供給は、配管末端部２６のブリーダ弁３１ｂを開け、空気供給管５２に配設された空気供給弁５３を開とし、空気ブロワ５１を起動して行う（ステップＳ６）。弁の開操作、空気ブロワ５１の起動は、制御装置７０の制御信号に基づき行われる。図５（ｃ）は、空気置換直後の配管内のガスの様子を模擬的に示す図である。
【００５９】
空気供給と同時に、ガス濃度計６０も酸素濃度の測定に切替え、配管末端部２６の試料採取弁３３ｂで酸素濃度が所定の管理値以上になったことを確認した後（ステップＳ７）、残りのブリーダ弁３１ａ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを開け、ガスを排出する（ステップＳ８）。図５（ｄ）は、空気置換終了近くの配管内のガスの様子を模擬的に示す図である。ブリーダ弁３１ａ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを開放した後、試料採取管３３ａ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅで酸素ガス濃度が管理値以上となっていることを確認の後（ステップＳ９）、空気ブロワ５１を停止し（ステップＳ１０）、ガス置換操作を終了する。なお、ステップＳ７での酸素濃度の管理値としては、濃度２０容量％を採用することができる。
【００６０】
次ぎに本発明の実施形態の変形例を示す。先の実施形態とは異なり、各試料採取管から採取するガスに含まれる可燃性ガス濃度と酸素ガス濃度とを同時にガス濃度計で検出する。ガス濃度を測定するガス濃度計は、別々のガス濃度計であってもよいことはもちろんである。不活性ガス領域を形成した後、配管内を空気に置換するとき、ガス中の可燃性ガス濃度と酸素濃度を同時に測定しながら行う。測定された酸素ガス濃度と可燃性ガス濃度とから、可燃性ガスが燃焼する可能性があると判断すると、空気供給弁５３を閉じ、窒素ガス供給弁４１を開け、窒素ガスを燃料ガス輸送配管２１内に供給する。一方、測定された酸素ガス濃度と可燃性ガス濃度とから、可燃性ガスが燃焼する可能性はないと判断すると、空気供給を継続する。
【００６１】
測定された酸素ガス濃度と可燃性ガス濃度とから、可燃性ガスが燃焼する可能性がある又は可燃性ガスが燃焼する可能性がないことの判断は、制御装置７０で行う。これらの判断に基づき、空気供給弁５３、及び窒素ガス供給弁４１の開閉を制御することで、より安全に配管内の可燃性ガスを空気に置換することができる。
【００６２】
本発明の配管内のガス置換方法は、上記のように、配管内の可燃性ガスを空気に置換するとき、可燃性ガスと空気との間に不活性ガス領域を形成させ、空気と可燃性ガスとを直接接触させることなく、配管内に空気を供給し、配管内の可燃性ガスを排出させる点に特徴を有する。このため、可燃性ガスを不活性ガスで置換する操作、及び不活性ガスを空気で置換する操作において、これらガスができるだけ混合しないようにすることが、効率的なガス置換、安全性の点から重要である。
【００６３】
ガス置換を短時間で終了させるには、不活性ガス又は空気を大流量で供給することが望ましいが、供給する不活性ガス又は空気と配管内のガスとを可能な限り混合しないようにするには、適正なガス流量とする必要がある。供給する不活性ガス又は空気の流速が極端に遅すぎると、拡散によるガスの混合が無視できず、供給する不活性ガス又は空気の流速が速すぎると、配管内でガスの吹き抜けが生じやすくなるので、配管内でのガス流れが、押出し流れとなるガス流速が望ましい。
【００６４】
また不活性ガス領域の形成完了の可燃性ガス濃度の管理値は、可燃性ガスの比重量と不活性ガスの比重量とを考慮して決めることが望ましい。本発明の実施形態で示した表１の高炉ガスの比重量は、１．３４（ｋｇ／ｍ３Ｎ）、窒素ガス、空気の比重量は、各々１．２５（ｋｇ／ｍ３Ｎ）、１．２９（ｋｇ／ｍ３Ｎ）であり、比重量が近似する。このような場合は、不活性ガス領域の形成の際、供給する不活性ガスが配管内を局所的に吹き抜けたり、配管内の上部、又は下部に滞留することも少ないと推察される。これに対し、ガスの比重量の大きく異なるガスを置換するような場合、例えばメタンガスを窒素ガスで置換するような場合は、各々の比重量が０．７２（ｋｇ／ｍ３Ｎ）、１．２５（ｋｇ／ｍ３Ｎ）と大きく異なるので、置換操作のときガスが吹き抜けやすく、またガスの混合が生じやすいので、窒素ガスの置換終了の管理値である可燃性ガス濃度を小さくする必要があろう。
【００６５】
これについては、窒素ガスを空気で置換するときにも当てはまることであるが、空気は窒素ガスと比重量差が殆どないため、配管内の横断面において各所で流速の差が生じないように空気を供給すれば、空気が形成された窒素ガスの塊を追い越し、可燃性ガスと混合し燃焼、爆発する可能性は極めて低いと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０の概略的構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０を構成する窒素ガス供給管４０の配置の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０を構成する空気供給管５２の配置の一例を示す図である。
【図４】本発明の配管内のガス置換方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）〜５（ｄ）は、本発明の配管内のガス置換方法を説明するための図であって、配管内のガスを模擬的に示したものである。
【図６】従来の一般的な高炉ガス輸送配管の概略的な配管系統を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
２０ ガス置換装置
２１ 燃料ガス輸送配管
２３ 予熱器
２５ 燃料ガス輸送配管の一端
２６ 燃料ガス輸送配管の他端
２７ 窒素ガス供給管とＵ字水封弁との間に位置する燃料ガス輸送配管
３０ ガス排出管
３１ ブリーダ弁
３２ 試料採取管
４０ 窒素ガス供給管
４１ 窒素ガス供給弁
４２ 予熱器窒素ガス供給管
５０ 空気供給手段
５１ 空気ブロワ
５２ 空気供給管
５３ 空気供給弁
６０ ガス濃度計
７０ 制御装置
８０ Ｕ字水封弁
８４ 給水弁
８５ オーバーフロー弁
８６ 排水弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法、及びガス置換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所で発生する高炉ガスなどの燃料ガスを輸送する燃料ガス輸送配管は、定期点検工事や補修工事を行いながら使用している。この燃料ガス輸送配管を定期点検工事や補修工事で内部点検作業等を行う場合は、ガス中毒、火災及びガス爆発を防止するために、配管内の燃料ガスを不活性ガスである窒素ガスで置換した後、この窒素ガスを空気で置換している。特に重油と高炉ガスなどの製鉄所副生ガスを混焼している発電用ボイラーでは定期点検工事等で発電設備を停止する際、炉内爆発防止のため重油専焼中に燃料ガス輸送管内の燃料ガスを不活性ガスである窒素ガスで置換した後に発電機の解列を行っている。
【０００３】
図６は、一般的な高炉ガス輸送配管の概略的な配管系統を示す図である。高炉ガスはＵ字水封弁１、高炉ガス輸送配管２を介してボイラー３に送られる。高炉ガス輸送配管２の途中には、高炉ガスを緊急遮断することが可能な緊急水封弁４、予熱器５、流量制御ダンパー６が配設されている。高炉ガス輸送配管２に滞留する高炉ガスを空気に置換する場合は、高炉ガス輸送配管２の一端近傍に接続された窒素ガス供給管７を用いて、高炉ガス輸送配管２に窒素ガスを送りながら、高炉ガス輸送配管２に配設されたブリーダ弁８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ）から高炉ガスを排出する。
【０００４】
ブリーダ弁８で高炉ガスを排出しながら、ブリーダ弁８に近接して設けられる試料採取弁９（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ）で試料ガスを採取し、高炉ガスの濃度を図示を省略したガス濃度計で測定する。この濃度が、所定の値以下であることを確認した後、窒素ガスの供給を停止して、高炉ガス輸送配管２に接続した空気ブロワ１０で空気を供給しながら、ブリーダ弁８で高炉ガス輸送配管２内の窒素ガスを排出し、高炉ガス輸送配管２のガスを空気に置換する。空気への置換の完了は、試料採取弁９で酸素濃度を測定することで行う。
【０００５】
上記の方法は、従来から一般的によく用いられている高炉ガスの置換方法であるが、ガス置換の効率が必ずしも高いとは言えず、ガス置換に必要な窒素ガスの量が多いことや、ガスの置換に時間を要するなどの課題が指摘されている。配管、又は容器内のガスを効率的に又は安全に置換する方法の一つとして、地下式貯槽内の空気を窒素ガスに一度置換した後、この窒素ガスをメタンガスに置換する場合に、少ない窒素ガス量で効率的に置換する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−３０１７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
製鉄所などで使用される燃料ガス輸送配管は、配管の内径は大きいところでは２〜３ｍにも及び、長さも１００ｍを超えるなど容量が大きい。また燃料ガス輸送配管は、曲り部、分岐部を有するなど複雑な形状、経路を有する。特許文献１に記載の技術は、地下式貯槽内の空気を窒素ガスに一度置換した後、この窒素ガスをメタンガスに置換する場合に、少ない量で効率的に置換する方法に関するものであるが、この方法は、置換すべき対象物の形状が単純であり、かつ空気、窒素ガス、メタンガスの比重量の違いを利用しガスの置換を行うものであり、この方法を燃料ガス輸送配管内のガスの置換方法として利用することはできない。
【０００７】
大容量でかつ、配管の長さが長く、曲り部、分岐部を有するなど複雑な形状を有する配管内の可燃性ガスを、短時間にかつ少ない不活性ガス量で効率的に置換する技術がないのが現状であり、これら配管内のガスを短時間に、かつ少ない窒素ガス量で効率的に置換する方法の開発が待たれている。特に重油と高炉ガスなどの製鉄所副生ガスを混焼している発電用ボイラーでは定期点検工事等で発電設備を停止する際、炉内爆発防止のため重油専焼として燃料ガス輸送管内の高炉ガスなどの製鉄所副生ガスを不活性ガスである窒素ガスで置換した後に発電機の解列を行っているため、ガス置換の時間短縮は切実な問題である。また、配管内の可燃性ガスを、安全にかつ短時間で効率的に空気に置換する技術が開発されれば、燃料ガス輸送配管に限定されることなく、多くの場所で使用されるであろうことは言うに及ばない。
【０００８】
本発明の目的は、安全に短時間で、またガス置換するために必要なガス量が少ない配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法、及びガス置換装置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、配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法であって、
配管内の可燃性ガスの一部を不活性ガスに置換し、該配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換工程と、
該不活性ガス置換工程により、該配管内に不活性ガス領域を形成した後、該配管内に残留する該可燃性ガスに接触しないように、該配管内に空気を供給し、供給する空気により該不活性ガスを押出し、該配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する空気置換工程と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換方法である。
【００１０】
また本発明で、前記不活性ガス置換工程での不活性ガス領域の形成は、前記配管の一端から前記不活性ガスを供給しながら、前記配管の中央部及び／又は他端部から前記可燃性ガスを排出することで行い、
前記空気置換工程での空気の供給は、前記不活性ガスを供給した前記配管の端部と同じ端部側から行うことを特徴とする請求項１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１１】
また本発明は、さらに、前記不活性ガス置換工程により、前記配管内に所定の長さの不活性ガス領域が形成されたことを確認する確認工程と、を含み、
不活性ガス領域の形成の確認は、前記配管の軸方向の可燃性ガス濃度を検出し、予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の濃度以下であることで確認することを特徴とする請求項１又は２に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１２】
また本発明で、前記可燃性ガスは、比重量が前記不活性ガスの比重量と近似することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１３】
また本発明で、前記可燃性ガスは、製鉄所の高炉ガスであり、前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１４】
また本発明で、前記不活性ガス及び前記空気の供給は、前記配管の横断面に対し多方向から供給することを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１５】
また本発明で、前記配管に装置、機器が配設されているときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１６】
また本発明で、前記空気置換工程の空気で不活性ガスを押し出す方向とは異なる方向にもガス置換すべき他の管路を有するときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該他の管路内の可燃性ガス濃度を十分に低下させる不活性ガス置換操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１７】
また本発明で、前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、前記確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の大きいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１８】
また本発明で、前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、前記確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の小さいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法である。
【００１９】
また本発明は、配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換装置であって、
該配管に接続し、不活性ガスを供給可能な不活性ガス供給手段と、
該配管に接続し、該配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、
該配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、
該配管内に接続し、該配管内に空気を供給可能な空気供給手段と、
該配管内の予め定める位置の該可燃性ガス濃度が、所定の値以下であることを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給可能に制御し、該配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値を超えたことを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給不能に制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の配管内のガス置換方法は、配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成し、その後、配管内に残留する可燃性ガスに直接接触しないように、配管内に空気を供給し、供給する空気で不活性ガスを押出し、配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する。従来のガス置換方法では、配管内全体を不活性ガスに置換した後、空気を供給し配管内を空気に置換していたけれども、本発明のガス置換方法は、配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い領域を形成した後、この不活性ガスを空気で押出すことでガス置換を行うので、従来のように配管全体を不活性ガスに置換する必要がない。このため不活性ガスに置換する時間が短縮されるとともに、ガス置換に必要な不活性ガスの量も従来法に比較して少なくすることができる。
【００２１】
また本発明によれば、不活性ガス領域の形成は、配管の一端から不活性ガスを供給しながら、配管の中央部及び／又は他端部から可燃性ガスを排出することで行うので、効率的に、また確実に不活性ガス領域を形成することができる。また空気置換工程での空気の供給は、不活性ガスを供給した配管の端部と同じ端部側から行うので、可燃性ガスと供給する空気との間に不活性ガス領域が存在し、空気が可燃性ガスと直接接触することがなく、安全に配管内を空気に置換することができる。
【００２２】
また本発明によれば、さらに、配管の軸方向の可燃性ガス濃度を検出し、予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の濃度以下であることで不活性ガス領域が形成されたことを確認するので、不活性ガス領域の形成を確実に確認することができる。また可燃性ガス濃度の管理値を、可燃性ガスの燃焼範囲、爆発範囲に基づき決定することで安全に配管内のガス置換を行うことができる。
【００２３】
また本発明によれば、可燃性ガスの比重量が不活性ガスの比重量と近似するので、不活性ガスによる置換操作の際、配管内を不活性ガスが局所的に流れるガスの吹き抜けが発生しにくい。これにより、短時間で効率的に不活性ガス領域を形成させることができる。
【００２４】
また本発明によれば、可燃性ガスは、製鉄所の高炉ガスであり、不活性ガスは、窒素ガスである。高炉ガスは、一般的に一酸化炭素、水素などの可燃性ガスのほか、窒素ガス、二酸化炭素を含み、ガスの比重量は、１．３４（ｋｇ／ｍ３Ｎ）程度である。これに対して窒素ガスの比重量は、１．２５（ｋｇ／ｍ３Ｎ）であり、高炉ガスと窒素ガスとは比重量が近似する。よって短時間で効率的に不活性ガス領域を形成させることができる。
【００２５】
また本発明によれば、不活性ガス及び空気の供給は、配管の横断面に対し多方向から供給するので、不活性ガス及び空気の供給を配管の横断面方向に対して略均一になすことができる。この結果、配管径の大きい配管であっても、配管内での局所的なガスの吹き抜け、ガスの混合を抑制することができる。
【００２６】
また本発明によれば、配管に装置、機器が配設されているときは、不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行う。配管に配設された装置、機器は、配管と異なり複雑な形状、構造を有することから、不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換操作では、装置、機器内の可燃性ガスが不活性ガスに十分に置換されない可能性もある。しかしながら本発明のガス置換方法では、不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行うので、これらについても確実に不活性ガスに置換することが可能となり、配管及び装置等のガス置換を安全、確実に行うことができる。
【００２７】
また本発明によれば、空気置換工程の空気で不活性ガスを押し出す方向とは異なる方向にもガス置換すべき他の管路を有するときは、不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、他の管路内の可燃性ガス濃度を十分に低下させる不活性ガス置換操作を行い、その後空気置換操作を行うので、安全、確実にガス置換を行うことができる。
【００２８】
また本発明によれば、可燃性ガスが混合ガスからなるときは、不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の大きいガスを対象とするので、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。比重量の大きいガスは、配管の下部に滞留しやすい。よって可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、比重量の大きいガスが検出された時点では、比重量の小さいガスは既に排出された可能性が高い。これにより可燃性ガスが混合ガスであっても、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。
【００２９】
また本発明によれば、可燃性ガスが混合ガスからなるときは、不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の小さいガスを対象とするので、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。比重量の小さいガスは、配管の上部に滞留しやすい。よって可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、比重量の小さいガスが検出された時点では、比重量の大きいガスは既に排出された可能性が高い。これにより可燃性ガスが混合ガスであっても、不活性ガス領域の形成を確実に検出することができる。
【００３０】
また本発明のガス置換装置は、配管内に不活性ガスを供給可能な不活性ガス供給手段と、配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、配管内に空気を供給可能な空気供給手段と、配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値以下であることをガス濃度検出手段が検出すると、空気供給手段から配管へ空気を供給可能に制御し、配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値を超えたことをガス濃度検出手段が検出すると、空気供給手段から配管へ空気を供給不能に制御する制御手段と、を含むので、本ガス置換装置を用いて安全に、また効率的に配管内のガスを置換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０の概略的構成を示す図である。ここに示した燃料ガス輸送配管２１は、高炉ガスをボイラー２２に供給するための管路で、配管途中に緊急水封弁２８、流量制御ダンパー２９、燃料ガスを予熱する予熱器２３、バーナへの燃料を遮断するバーナ弁２４ａ、２４ｂを有する。また燃料ガス輸送配管２１には、配管内の燃料ガスを最終的に空気に置換するためのガス置換装置２０が装着されている。
【００３２】
本ガス置換装置２０は、ガス置換を行う燃料ガス輸送配管２１に接続し、配管内のガスを排出するガス排出管３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ）、ガス排出管に接続する試料採取管３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ）、窒素ガスを供給する窒素ガス供給管４０、予熱器窒素ガス供給管４２、及び管路に配設されるブリーダ弁３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ）、試料採取弁３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ）、窒素ガス供給弁４１、予熱器窒素ガス供給弁４３、空気を供給する空気供給手段５０、ガス濃度を測定するためのガス濃度計６０、各種自動弁などを制御する制御装置７０などを含み構成される。
【００３３】
燃料ガス輸送配管２１には、燃料ガス輸送配管２１内のガスを排出するためのガス排出管３０ａ、３０ｂが、燃料ガス輸送配管２１の両端２５、２６近傍に設けられている。また燃料ガス輸送配管２１の中央部に２ヶ所、ガス排出管３０ｃ、３０ｄが配設されている。また、予熱器２３内のガスを排出するために、予熱器２３の上部にもガス排出管３０ｅが設けられている。各ガス排出管３０は、管路の途中にガスを排出するブリーダ弁３１を備える。ブリーダ弁３１は、後述の制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する自動弁である。
【００３４】
また各ガス排出管３０は、ブリーダ弁３１と燃料ガス輸送配管２１とを接続する管路に分岐部を有し、分岐部には、燃料ガス輸送配管２１内のガス濃度を検出するための試料採取管３２が接続されている。試料採取管３２は、管路途中にガスを採取するための試料採取弁３３を有する。試料採取弁３３は、後述の制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する自動弁である。
【００３５】
窒素ガス供給管４０は、燃料ガス輸送配管２１に窒素ガスを供給するための管路であり、制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する窒素ガス供給弁４１を管路途中に有する。窒素ガス供給管４０は、燃料ガス輸送配管２１内の可燃性ガスを窒素ガスに置換するためのものであるから、燃料ガス輸送配管２１の一端２５近傍に接続されている。また、燃料ガス輸送配管２１の途中に設置された予熱器２３内の高炉ガスを窒素ガスに置換するために、予熱器窒素ガス供給管４２も設けられている。
【００３６】
これは、予熱器２３は燃料ガス輸送配管２１と大きさも異なり、複雑な形状を有するので、燃料ガス輸送配管２１の窒素ガス置換操作のみでは、予熱器２３内のガスを窒素ガスに十分に置換できない恐れがあることによる。また、大口径の燃料ガス輸送配管に窒素ガスを供給するときは、配管の横断面に比重量差によるガスの偏りが生じることを抑制する点から、図２に示すように多方向から窒素ガスを供給すことが望ましい。
【００３７】
空気供給手段５０は、空気ブロワ５１と、空気ブロワ５１からの空気を燃料ガス輸送配管２１に送る空気供給管５２とを含み構成される。空気ブロワ５１は、燃料ガス輸送配管２１に空気を送るもので、制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する空気供給弁５３を備える空気供給管５２を通じて、燃料ガス輸送配管２１へ空気を供給する。この空気供給管５２は、燃料ガス輸送配管２１の窒素ガスを空気に置換するためのものであるから、燃料ガス輸送配管２１の一端２５近傍に接続されている。窒素ガスと空気との比重量差は小さいものの、配管径が大きい場合は、空気の供給の偏りが懸念されるため、図３に示すように、多方向から空気を導入することが好ましい。
【００３８】
ガス濃度を測定するためのガス濃度計６０は、試料採取管３２から試料ガスを採取して、可燃性ガス濃度、及び酸素濃度を測定する。本実施形態に示す高炉ガスは、後述のように多種のガスの混合物である。このような混合ガスからなる可燃性ガス濃度の検出には、燃料ガスに含まれる特定のガスを代表ガスとし、このガスの濃度を検出する方法であってもよい。ガス濃度計６０の濃度測定範囲及び精度は、燃料ガスを窒素ガスで置換するときの管理値、窒素ガスを空気で置換するときの管理値から決定すればよい。またガス濃度計６０の測定原理等は特に限定されないけれども、オンラインで測定可能なガス濃度計であることが望ましい。
【００３９】
制御装置７０は、ガス濃度計６０からのガス濃度信号に基づき、空気ブロワ５１の起動停止、ブリーダ弁３１、試料採取弁３３、窒素ガス供給弁４１、空気供給弁５３などの弁の開閉を制御する。制御装置７０は、ガス濃度計６０からのガス濃度信号を入力する入力部、入力部を介して入力されるデータを記憶する記憶部、データを予め定める手順で演算する演算部、演算部が算出するデータを出力する出力部を備える。空気ブロワ５１は、制御装置７０の制御信号を受けて起動停止し、ブリーダ弁３１、試料採取弁３３、窒素ガス供給弁４１、空気供給弁５３などは、制御装置７０の制御信号を受けて開閉をする。制御装置７０は、コンピュータを用いて実現することが可能であり、データ処理手順は、プログラムとしてコンピュータに入力することができる。なお、制御装置７０には、バーナ弁２４が全て閉止などの条件で作動するインターロック機能が設けられている。
【００４０】
また、燃料ガス輸送配管２１は、燃料ガス入口部２５に燃料母管から分離するためのＵ字水封弁８０を備える。Ｕ字水封弁８０は、Ｕ字部に水を張り込むことでガスを遮断することができる。このためＵ字水封弁８０には、水位検出用のレベルスイッチ８８（８８ａ、８８ｂ）、水を供給するための給水管８１、Ｕ字水封弁８０からオーバーフローする水を排出するオーバーフロー管８２、及びＵ字水封弁８０の水を排出するための排水管８３が接続されている。給水管８１、オーバーフロー管８２、及び排水管８３には、各々制御装置７０からの制御信号を受けて開閉する自動弁８４、８５、８６、８７が設けられている。
【００４１】
次ぎに、本発明の配管内のガス置換方法について説明する。本発明の配管内のガス置換方法は、配管内の可燃性ガスを空気に置換するとき、配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成させ、可燃性ガスと空気との間にこの不活性ガス領域（不活性ガスの塊）を置くことで、配管内に可燃性ガスが残留していても、空気と可燃性ガスとを直接接触させることなく配管内を空気に置換することができる特徴を有する。これは、不活性ガスの塊を空気で押出すことで、不活性ガスが配管内で栓として機能し、配管内に残留する可燃性ガスと空気とが直接接触することなく、可燃性ガスを押出すことができるとするものである。以下、本発明のガス置換装置２０を用いて、図１に示す燃料ガス輸送配管２１のガスを置換する方法を説明する。
【００４２】
図４は、本発明の配管内のガス置換手順を示すフローチャートである。また図５（ａ）〜図５（ｄ）は、配管内のガスの移り変わりを模擬的に示す図である。ここに示す手順は一例を示すだけであり、操作や判断を変更してもよいことはもちろんである。まずバーナ制御装置（ボイラー制御装置）からの指令によりバーナ弁２４ａ、２４ｂを閉とし、バーナを消火させガス置換の実施の条件を整えた後、制御装置７０によりＵ字水封弁８０に水張りを行う（ステップＳ１）。これにより、後述のガス置換操作により、ガスがＵ字水封弁８０の上流側（ボイラーと反対側）から燃料ガスが流れこむことを防止することができる。
【００４３】
図５（ａ）は、バーナ点火中の燃料ガス輸送配管２１内の状況を模擬的に示す図である。バーナ点火中は、Ｕ字水封弁８０は、排水管８３に設けられている排水弁８６が開となっており、図５（ａ）に示すように、Ｕ字水封弁８０には、水は張り込まれていない。よって、ボイラー制御装置（バーナ制御装置）からの指令によりバーナ弁２４ａ、２４ｂを閉じ、ガス置換の実施条件が成立した後、制御装置７０は、Ｕ字水封弁８０に接続する給水管８１の給水弁８４、及びオーバーフロー管８２のオーバーフロー弁８５を開とし、排水管８３に設けられている排水弁８６を閉となるように制御する。これによりＵ字水封弁８０に水を張ることができる。また、水位検出用のレベルスイッチ８８ａで水張完了後は給水弁８４を閉じ、給水弁８４をバイパスする小容量の給水弁８７を開として常時少量の給水を行い蒸発等による水位低下を防止する。なお、水位検出用のレベルスイッチ８８ｂは水抜き完了、及びバーナ点火中のＵ字水封弁水位上昇を警告するために使用する。
【００４４】
ステップＳ１でＵ字水封弁８０の水張りを行った後、ステップＳ２で燃料ガス輸送配管２１内に窒素ガスを供給しながら燃料ガスの排出を行う。窒素ガスの供給は、燃料ガス輸送配管２１の一端２５近傍に配設された窒素ガス供給管４０を通じて行う。燃料ガスの排出は、燃料ガス輸送管路２１の中央部に配設されたガス排出管３０ｄ、３０ｅ、及び窒素ガス供給管４０とＵ字水封弁８０との間に位置するガス排出管３０ａを用いて行う。窒素ガスの供給、燃料ガスの排出は、制御装置７０から窒素ガス供給弁４１、ブリーダ弁３１ａ、３１ｄ、３１ｅ弁へ制御信号を送り、これら弁を開くことで行う。図５（ｂ）は、燃料ガス輸送配管２１内に窒素ガスを供給しながら燃料ガスをブリーダ弁３１ｄ、３１ｅから排出している状況を示す。
【００４５】
本発明のガス置換方法は、可燃性ガスと空気との間に不活性ガス領域（不活性ガス濃度の高い領域）を設け、可燃性ガスと不活性ガスとを空気でピストンフロー的に押出し、配管内を最終的に空気に置換しようとする方法であるから、ステップＳ２の窒素ガス置換操作において、燃料ガス輸送配管２１内の全て領域において燃料ガスが窒素ガスに置換されている必要はない。所定の長さの窒素ガス濃度の高い領域が形成されればよい。このため、燃料ガスの排出は、窒素ガス供給管４０と燃料ガス輸送配管２１の中央部に配設されたガス排出管３０ｄ、３０ｅから行えばよい。燃料ガスの排出を窒素ガス供給管４０とＵ字水封弁８０との間に位置するガス排出管３０ａを用いて行うのは、この部分に燃料ガスが残留しないようにするためである。
【００４６】
窒素ガス置換操作である窒素ガスの供給、燃料ガスの排出は、燃料ガス輸送配管２１内に窒素ガス濃度の高い領域を設けることを主目的に行うものであり、これらの操作において配管内で局所的なガスの吹き抜けや、窒素ガスと燃料ガスとの混合を抑制することが必要である。よって窒素ガスの供給速度、燃料ガスの排出速度は、配管内で局所的に窒素ガス、及び燃料ガスが吹き抜けることのない速度であることが必要である。ステップＳ２の窒素ガスの供給、燃料ガスの排出操作とほぼ同時に、ステップＳ３で排出ガス中の可燃性ガス濃度の測定を開始する。これは窒素ガス置換操作の終点を判断するためのものである。可燃性ガス濃度の測定は、試料採取弁３３ａ、３３ｄ、３３ｅを開け、ガスを採取してガス濃度計６０に導くことで行う。
【００４７】
本実施形態では、高炉ガスを用いているので、可燃性ガスを代表するガスを一酸化炭素として、一酸化炭素濃度を測定することで、これを可燃性ガス濃度の指標とすることができる。高炉ガスの成分割合の一例を表１に示す。表１に示すように、高炉ガスに含まれる可燃性ガス成分として一酸化炭素の濃度が高いため、これを代表ガスとすることができる。また本発明の実施形態のようにガス排出管３０が、燃料ガス輸送配管２１の上部に配設されている場合は、比重量の大きいガスを代表ガスとすることで配管内のガス濃度の偏析を防止することができる。また、毒性のあるガスを代表ガスとすることが安全上の観点から望ましい。さらに混合ガスを代表させる可燃性ガスとしては、濃度測定が容易で、精度よく測定可能な可燃性ガスであることが望ましい。
【００４８】
【表１】
【００４９】
本実施形態のように可燃性ガスが混合ガスからなるときは、混合ガスのうち特定のガスを代表ガスとすることが可能なことは、上述の通りである。可燃性ガスの排出を配管の下部から行う場合にあっては、比重量の小さいガスを代表ガスとすべきである。これは比重量の小さいガスは、配管の上部に滞留しやすい。よって可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、比重量の小さいガスが検出された時点では、比重量の大きいガスは既に排出された可能性が高いことによる。これにより可燃性ガスが混合ガスであっても、可燃性ガスの濃度を確実に検出することができる。
【００５０】
不活性ガス領域の形成完了は、試料採取弁３３ｄでの一酸化炭素濃度が管理値となった時点とする。試料採取弁３３ｄで一酸化炭素濃度が管理値となったことは、窒素ガス供給管４０近傍の一酸化炭素濃度はさらに低いことから、これにより窒素ガス供給管４０と試料採取弁３３ｄとの間に不活性ガス領域が形成されたことが確認できる。なお、不活性ガス領域の形成に必要な窒素ガス量、及び窒素ガスを供給すべき時間などを把握した後は、その操作を行うことで、可燃性ガス濃度の測定を省略することもできる。
【００５１】
不活性ガス領域の形成完了を判断する可燃性ガス濃度は、燃料ガスの空気中での燃焼範囲を参考に決めることができる。本発明の実施形態では、不活性ガス領域の形成完了の管理値の一例として、試料採取弁３３ｄでの一酸化炭素濃度が５容量％以下に到達した時点とすることができる。一酸化炭素濃度が５容量％以下の状態は、燃料ガスの約８０容量％が窒素ガスに置換されたことを示し、空気中での燃焼範囲も６４〜７５容量％と狭くなっている。さらに後述の配管への空気の供給に伴い、不活性ガス領域は、配管内を移動するため、試料採取弁３３ｄでの一酸化炭素濃度はさらに低下する。これらのことから配管内に残留する燃料ガスが燃焼する可能性は極めて小さいと言える。
【００５２】
窒素ガス置換操作は、配管内の燃料ガスを局所的に窒素ガスに置換し、窒素ガス濃度の高い領域を形成することを目的に行うものであるから、ガス置換を行う配管の端部から窒素ガスを供給することが可能で、配管に機器、装置が装着されていないような場合は、窒素ガス領域の形成が確認された時点で、窒素ガス置換操作を終了することができる。しかしながら、本実施形態のように、窒素ガス供給管４０が、ガス置換をしようとする燃料ガス輸送配管２１の端部に接続されていない場合や、配管に機器、装置が装着されている場合は、この部分の燃料ガスが窒素ガスに十分に置換されたことを確認した後、窒素ガス置換操作を終了することが望ましい。
【００５３】
窒素ガス供給管４０とＵ字水封弁８０と間に位置する燃料ガス輸送配管２７の燃料ガスを窒素ガスに置換するには、配管内に不活性ガス領域を形成するための窒素ガスの流れとは、異なるガスの流れが必要となる。このため、試料採取弁３３ｄで一酸化炭素濃度が管理値となり、不活性ガス領域の形成が確認されたとしても、燃料ガス輸送配管２７の燃料ガスが窒素ガスに置換されていない可能性もある。本実施形態では、空気置換操作時に不活性ガス領域を栓として、配管容量の大きい方へ不活性ガスを送りながら残留する燃料ガスを排出する。このため、ガス排出管３０ｃ、３０ｄを接続する燃料ガス輸送配管部は、配管に空気を供給する後述の空気置換操作に伴い、不活性ガス領域を形成する窒素ガスが移動してくるため、さらに可燃性ガスの濃度は低下する。
【００５４】
しかしながら、燃料ガス輸送配管２７は、窒素ガス置換が終了した後は空気置換操作に伴う窒素ガスの供給がないので、空気置換操作に伴い可燃性ガス濃度が低下することはない。よって、この部分の可燃性ガス濃度は、十分に低下させておくことが望ましい。たとえば、試料採取弁３３ａでの一酸化炭素濃度が１容量％以下で窒素ガス置換終了とすることができる。この値に達すると、燃料ガスの空気中での燃焼範囲は、約７３〜７６容量％と非常に狭く、燃料ガスに空気が混入したとしても爆発にいたる可能性はほとんどない。
【００５５】
窒素ガス供給管４０及び、空気供給管５２が燃料ガス輸送配管２１の端部に設けられており、一方向にガスを流すのみで配管内のガス置換を行うことができるならば、このような操作が必要ないことは言うまでもない。燃料ガス輸送配管部２７を有するような配管にあっては、不活性ガス領域の形成と、この部分の窒素ガスへの置換が完了したことが確認された後、後述の空気置換操作へ移行することが望ましい。
【００５６】
同様に、予熱器２３など燃料ガス輸送配管２１と異なる形状を有する部分については、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作を流用して、燃料ガスの置換を行うだけではなく、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作に引き続き、別途窒素ガスに置換する操作を行うことが望ましい。これは形状が複雑であり、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作のみでは、十分に窒素ガスに置換することができない恐れがあることによる。予熱器２３内のガス置換操作は、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作とは、全く別個に行うこともできるが、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作に引き続き行うことが効率的である。
【００５７】
例えば、燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作により、予熱器２３のガス排出管３０ｅに設けられた試料採取弁３３ｅでの一酸化炭素濃度が２０容量％に到達した後、予熱器２３に設けられている予熱器窒素ガス供給管４２から窒素ガスを供給しながら、予熱器２３に接続するブリーダ弁３１ｅからガスを排出すれば、先の燃料ガス輸送配管２１内に不活性ガス領域を形成する窒素ガス置換操作で、予熱器２３のところまで窒素ガスが来ていることが分かり、効率的に窒素ガス置換操作を行うことができる。
【００５８】
ステップＳ４において、所定の位置での一酸化炭素濃度が、所定の管理値以下になったことが確認された後は、窒素ガスの供給、ガスの排出を停止し（ステップＳ５）、引き続き燃料ガス輸送配管２１に空気を送りこむ。これにより、燃料ガス輸送配管２１内を空気に置換することができる。空気の供給は、配管末端部２６のブリーダ弁３１ｂを開け、空気供給管５２に配設された空気供給弁５３を開とし、空気ブロワ５１を起動して行う（ステップＳ６）。弁の開操作、空気ブロワ５１の起動は、制御装置７０の制御信号に基づき行われる。図５（ｃ）は、空気置換直後の配管内のガスの様子を模擬的に示す図である。
【００５９】
空気供給と同時に、ガス濃度計６０も酸素濃度の測定に切替え、配管末端部２６の試料採取弁３３ｂで酸素濃度が所定の管理値以上になったことを確認した後（ステップＳ７）、残りのブリーダ弁３１ａ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを開け、ガスを排出する（ステップＳ８）。図５（ｄ）は、空気置換終了近くの配管内のガスの様子を模擬的に示す図である。ブリーダ弁３１ａ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを開放した後、試料採取管３３ａ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅで酸素ガス濃度が管理値以上となっていることを確認の後（ステップＳ９）、空気ブロワ５１を停止し（ステップＳ１０）、ガス置換操作を終了する。なお、ステップＳ７での酸素濃度の管理値としては、濃度２０容量％を採用することができる。
【００６０】
次ぎに本発明の実施形態の変形例を示す。先の実施形態とは異なり、各試料採取管から採取するガスに含まれる可燃性ガス濃度と酸素ガス濃度とを同時にガス濃度計で検出する。ガス濃度を測定するガス濃度計は、別々のガス濃度計であってもよいことはもちろんである。不活性ガス領域を形成した後、配管内を空気に置換するとき、ガス中の可燃性ガス濃度と酸素濃度を同時に測定しながら行う。測定された酸素ガス濃度と可燃性ガス濃度とから、可燃性ガスが燃焼する可能性があると判断すると、空気供給弁５３を閉じ、窒素ガス供給弁４１を開け、窒素ガスを燃料ガス輸送配管２１内に供給する。一方、測定された酸素ガス濃度と可燃性ガス濃度とから、可燃性ガスが燃焼する可能性はないと判断すると、空気供給を継続する。
【００６１】
測定された酸素ガス濃度と可燃性ガス濃度とから、可燃性ガスが燃焼する可能性がある又は可燃性ガスが燃焼する可能性がないことの判断は、制御装置７０で行う。これらの判断に基づき、空気供給弁５３、及び窒素ガス供給弁４１の開閉を制御することで、より安全に配管内の可燃性ガスを空気に置換することができる。
【００６２】
本発明の配管内のガス置換方法は、上記のように、配管内の可燃性ガスを空気に置換するとき、可燃性ガスと空気との間に不活性ガス領域を形成させ、空気と可燃性ガスとを直接接触させることなく、配管内に空気を供給し、配管内の可燃性ガスを排出させる点に特徴を有する。このため、可燃性ガスを不活性ガスで置換する操作、及び不活性ガスを空気で置換する操作において、これらガスができるだけ混合しないようにすることが、効率的なガス置換、安全性の点から重要である。
【００６３】
ガス置換を短時間で終了させるには、不活性ガス又は空気を大流量で供給することが望ましいが、供給する不活性ガス又は空気と配管内のガスとを可能な限り混合しないようにするには、適正なガス流量とする必要がある。供給する不活性ガス又は空気の流速が極端に遅すぎると、拡散によるガスの混合が無視できず、供給する不活性ガス又は空気の流速が速すぎると、配管内でガスの吹き抜けが生じやすくなるので、配管内でのガス流れが、押出し流れとなるガス流速が望ましい。
【００６４】
また不活性ガス領域の形成完了の可燃性ガス濃度の管理値は、可燃性ガスの比重量と不活性ガスの比重量とを考慮して決めることが望ましい。本発明の実施形態で示した表１の高炉ガスの比重量は、１．３４（ｋｇ／ｍ３Ｎ）、窒素ガス、空気の比重量は、各々１．２５（ｋｇ／ｍ３Ｎ）、１．２９（ｋｇ／ｍ３Ｎ）であり、比重量が近似する。このような場合は、不活性ガス領域の形成の際、供給する不活性ガスが配管内を局所的に吹き抜けたり、配管内の上部、又は下部に滞留することも少ないと推察される。これに対し、ガスの比重量の大きく異なるガスを置換するような場合、例えばメタンガスを窒素ガスで置換するような場合は、各々の比重量が０．７２（ｋｇ／ｍ３Ｎ）、１．２５（ｋｇ／ｍ３Ｎ）と大きく異なるので、置換操作のときガスが吹き抜けやすく、またガスの混合が生じやすいので、窒素ガスの置換終了の管理値である可燃性ガス濃度を小さくする必要があろう。
【００６５】
これについては、窒素ガスを空気で置換するときにも当てはまることであるが、空気は窒素ガスと比重量差が殆どないため、配管内の横断面において各所で流速の差が生じないように空気を供給すれば、空気が形成された窒素ガスの塊を追い越し、可燃性ガスと混合し燃焼、爆発する可能性は極めて低いと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０の概略的構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０を構成する窒素ガス供給管４０の配置の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の一形態としての配管内のガス置換装置２０を構成する空気供給管５２の配置の一例を示す図である。
【図４】本発明の配管内のガス置換方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）〜５（ｄ）は、本発明の配管内のガス置換方法を説明するための図であって、配管内のガスを模擬的に示したものである。
【図６】従来の一般的な高炉ガス輸送配管の概略的な配管系統を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
２０ ガス置換装置
２１ 燃料ガス輸送配管
２３ 予熱器
２５ 燃料ガス輸送配管の一端
２６ 燃料ガス輸送配管の他端
２７ 窒素ガス供給管とＵ字水封弁との間に位置する燃料ガス輸送配管
３０ ガス排出管
３１ ブリーダ弁
３２ 試料採取管
４０ 窒素ガス供給管
４１ 窒素ガス供給弁
４２ 予熱器窒素ガス供給管
５０ 空気供給手段
５１ 空気ブロワ
５２ 空気供給管
５３ 空気供給弁
６０ ガス濃度計
７０ 制御装置
８０ Ｕ字水封弁
８４ 給水弁
８５ オーバーフロー弁
８６ 排水弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法であって、
配管内の可燃性ガスの一部を不活性ガスに置換し、該配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換工程と、
該不活性ガス置換工程により、該配管内に不活性ガス領域を形成した後、該配管内に残留する該可燃性ガスに接触しないように、該配管内に空気を供給し、供給する空気により該不活性ガスを押出し、該配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する空気置換工程と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換方法。
【請求項２】
前記不活性ガス置換工程での不活性ガス領域の形成は、前記配管の一端から前記不活性ガスを供給しながら、前記配管の中央部及び／又は他端部から前記可燃性ガスを排出することで行い、
前記空気置換工程での空気の供給は、前記不活性ガスを供給した前記配管の端部と同じ端部側から行うことを特徴とする請求項１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項３】
さらに、前記不活性ガス置換工程により、前記配管内に所定の長さの不活性ガス領域が形成されたことを確認する確認工程と、を含み、
不活性ガス領域の形成の確認は、前記配管の軸方向の可燃性ガス濃度を検出し、予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の濃度以下であることで確認することを特徴とする請求項１又は２に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項４】
前記可燃性ガスは、比重量が前記不活性ガスの比重量と近似することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項５】
前記可燃性ガスは、製鉄所の高炉ガスであり、前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項６】
前記不活性ガス及び前記空気の供給は、前記配管の横断面に対し多方向から供給することを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項７】
前記配管に装置、機器が配設されているときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項８】
前記空気置換工程の空気で不活性ガスを押し出す方向とは異なる方向にもガス置換すべき他の管路を有するときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該他の管路内の可燃性ガス濃度を十分に低下させる不活性ガス置換操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項９】
前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、前記確認工程での可燃性ガス濃度の検出は、混合ガスのうち比重量の大きいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項１０】
前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、前記確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の小さいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項１１】
配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換装置であって、
該配管に接続し、不活性ガスを供給可能な不活性ガス供給手段と、
該配管に接続し、該配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、
該配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、
該配管内に接続し、該配管内に空気を供給可能な空気供給手段と、
該配管内の予め定める位置の該可燃性ガス濃度が、所定の値以下であることを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給可能に制御し、該配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値を超えたことを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給不能に制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換装置。
【請求項１】
配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換方法であって、
配管内の可燃性ガスの一部を不活性ガスに置換し、該配管内に局所的に不活性ガス濃度の高い不活性ガス領域を形成する不活性ガス置換工程と、
該不活性ガス置換工程により、該配管内に不活性ガス領域を形成した後、該配管内に残留する該可燃性ガスに接触しないように、該配管内に空気を供給し、供給する空気により該不活性ガスを押出し、該配管内の可燃性ガス及び不活性ガスを空気に置換する空気置換工程と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換方法。
【請求項２】
前記不活性ガス置換工程での不活性ガス領域の形成は、前記配管の一端から前記不活性ガスを供給しながら、前記配管の中央部及び／又は他端部から前記可燃性ガスを排出することで行い、
前記空気置換工程での空気の供給は、前記不活性ガスを供給した前記配管の端部と同じ端部側から行うことを特徴とする請求項１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項３】
さらに、前記不活性ガス置換工程により、前記配管内に所定の長さの不活性ガス領域が形成されたことを確認する確認工程と、を含み、
不活性ガス領域の形成の確認は、前記配管の軸方向の可燃性ガス濃度を検出し、予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の濃度以下であることで確認することを特徴とする請求項１又は２に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項４】
前記可燃性ガスは、比重量が前記不活性ガスの比重量と近似することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項５】
前記可燃性ガスは、製鉄所の高炉ガスであり、前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項６】
前記不活性ガス及び前記空気の供給は、前記配管の横断面に対し多方向から供給することを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項７】
前記配管に装置、機器が配設されているときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該装置、機器内の可燃性ガスを不活性ガスに置換する操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項８】
前記空気置換工程の空気で不活性ガスを押し出す方向とは異なる方向にもガス置換すべき他の管路を有するときは、前記不活性ガス置換工程の置換操作とは別に、該他の管路内の可燃性ガス濃度を十分に低下させる不活性ガス置換操作を行い、その後前記空気置換操作を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項９】
前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の上部から行い、前記確認工程での可燃性ガス濃度の検出は、混合ガスのうち比重量の大きいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項１０】
前記可燃性ガスが混合ガスからなるときは、前記不活性ガス置換工程の配管内の可燃性ガスの排出を配管の下部から行い、前記確認工程での可燃性ガスの検出は、混合ガスのうち比重量の小さいガスを対象とすることを特徴とする請求項３から８のいずれか１に記載の配管内のガス置換方法。
【請求項１１】
配管内の可燃性ガスを空気に置換する配管内のガス置換装置であって、
該配管に接続し、不活性ガスを供給可能な不活性ガス供給手段と、
該配管に接続し、該配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、
該配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、
該配管内に接続し、該配管内に空気を供給可能な空気供給手段と、
該配管内の予め定める位置の該可燃性ガス濃度が、所定の値以下であることを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給可能に制御し、該配管内の予め定める位置の可燃性ガス濃度が、所定の値を超えたことを該ガス濃度検出手段が検出すると、該空気供給手段から該配管へ空気を供給不能に制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする配管内のガス置換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２４２７１（Ｐ２００７−２４２７１Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１０３９２（Ｐ２００５−２１０３９２）
【出願日】平成１７年７月２０日（２００５．７．２０）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２０日（２００５．７．２０）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
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