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配管の設計
- 0.5Mpaの高圧蒸気を、0.2Mpaに減圧し、熱交換させて温水を取り出しているのですが、例えば温水に100kW熱を与えたときの還水流量、蒸気流量の求め方を知りたいです。また、200m程の蒸気配管の途中でドレン排水しているのですが、蒸気の何％くらいが排出されているのか、何か資料がありましたらよろしくお願いします。
- 供給蒸気圧力0.6MPaG → 0.4MPaG → 0.18MPaG → 0.04MPaGに減圧し、装置に蒸気を供給する場合に蒸気の状態は最終的にどうなりますか？乾き度は95％と仮定します。
- 蒸気配管末端から蒸気を噴霧しようとした場合ドレンが発生し問題となっています。ドレン有無による流量変動による熱と水分の供給量が不安定になる問題等が懸念されます。 外気温度変化は夏冬では約5℃〜40℃。 蒸気設備構造は、大元から枝で蒸気を引っ張っています。スチームトラップ後から約20m後蒸気配管一本を2分割し、配管末端付近にオリフィスを入れ同量になる様制御し噴霧しています。末端までの30cm位保温材が巻かれていないためか？末端でのドレンが目立ちます。
以下について教えて下さい。
1.ドレン対策 発生防止対策（保温材種類選定と保温材の効果の確認方法）と簡易除去方法（トラップ設置位置、トラップ種類の選定方法）
2.配管からの放熱等の熱ロスの推測計算方法と簡易測定方法
3.ドレン発生量の推測計算方法と簡易実測方法
4.オリフィス制御時の蒸気理論流量の計算方法と簡易計算方法 「入圧2kg/cm2、出圧0kg/cm2でオリフィス¢1.5mm」 - 蒸気配管の勾配、還水管の勾配（自然、及び圧送時）の適正な選定方法を教えて下さい。
- 飽和蒸気で減圧弁を使用した場合、2次側の蒸気の湿り度は変化すると思いますが、変化の割合はどうなりますか？0.7MPaGから0.1MPaGに減圧しています。
- ボイラーで発生させた蒸気で、タンク内に充填した水溶液の温度を一定(80℃）にコントロールするための、機器設備を紹介して下さい。
- 乾き度を制御したいのですが良い方法がありますか？
- シリンダードライヤーの制御を手動から自動の温度制御へ変更したいが、回転体なので良い方法がわかりません。
- ストール現象とは何ですか？
- ストール現象が発生して困っています。良い解決方法を教えてください。
- スチームロッキングとは何ですか？
- 竣工後約1年で蒸気ヘッダー以降のヘッダーとバルブの接続部から蒸気漏れが発生しました。使用蒸気圧力は各現場共0.7MPaG設定、管及びバルブ（フランジ共）10K材質はSUS304を使用しています。パッキンはボルテックスNA（トンボ製内外輪付20K）を使用しています。高圧蒸気の場合、このようなリークは一般的なのでしょうか。
- 複数の熱交換機に対してスチームトラップを1つで使用しています。そのうち1台の熱交換機の内部チューブが破損し、ウォーターハンマーが原因と推測しています。グループトラッピングは、トラップの能力が低下する以外にウォーターハンマー発生の原因にもなり得るのでしょうか？
- 蒸気ヒーターのストールによるウォーターハンマーを防止したいと考えています。ストールの解消策としてバキュームブレーカーは有効ですか？
- 毎日、停止時に元弁を閉める蒸気系統で、次の日の起動時、溜まった低温ドレンにより、スチームハンマーを生じて困っています。蒸気流通時の高温ドレンはドレントラップで環水ラインに戻しています。
- ドレン回収ラインからと思いますが「カン、カン」とウォータハンマーを打っています。解決するよい機器はありますか。
- スチームトラップ集中ドレン管がハンマーをおこしているので調べてみると、数十台ある中の2台のトラップで生蒸気の漏洩を確認しましたが、はたしてこれがハンマーの原因になるのでしょうか？
設計に関するご質問
- 0.5Mpaの高圧蒸気を、0.2Mpaに減圧し、熱交換させて温水を取り出しているのですが、例えば温水に100kW熱を与えたときの還水流量、蒸気流量の求め方を知りたいです。また、200m程の蒸気配管の途中でドレン排水しているのですが、蒸気の何％くらいが排出されているのか、何か資料がありましたらよろしくお願いします。
- 間接熱交換をする場合、蒸気の潜熱だけを使用していることになります。0.2MPaG蒸気の潜熱は、約2163kJ/kgです。従って、100kWの加熱を行う場合、100kW×3600s÷2163kJ/kg=約166kg/hの蒸気量が必要です。この蒸気はドレン化してトラップから排出されますので、消費蒸気量＝還水量です。
蒸気送気配管からの排出ドレン量は、蒸気送気配管の放熱量によって決まります。放熱量は配管径と断熱の仕様によって大きく異なりますので、配管の長さだけでは一概に申し上げることはできません。計算式は財団法人省エネルギーセンターから発行されている省エネデーターシートや、省エネルギー手帳などに記載がされています。また、当社の技術計算ソフトSE-1 Ver.3にも保温配管からの放熱量計算のメニューがあります。これらをご活用いただければ、計算で求める事ができます。
- 供給蒸気圧力0.6MPaG → 0.4MPaG → 0.18MPaG → 0.04MPaGに減圧し、装置に蒸気を供給する場合に蒸気の状態は最終的にどうなりますか？乾き度は95％と仮定します。
- 当社の技術計算ソフトSE-1 Ver.3で計算したところ、減圧後の乾き度は98.6％となります。従って、蒸気温度は飽和です。
なお、各減圧の過程で放熱が全く無いとすると減圧前後のエンタルピーの差から計算できますので、0.6MPaG → 0.04MPaGの減圧とみなして計算しても結果は同じです。
- 蒸気配管末端から蒸気を噴霧しようとした場合ドレンが発生し問題となっています。ドレン有無による流量変動による熱と水分の供給量が不安定になる問題等が懸念されます。 外気温度変化は夏冬では約5℃〜40℃。 蒸気設備構造は、大元から枝で蒸気を引っ張っています。スチームトラップ後から約20m後蒸気配管一本を2分割し、配管末端付近にオリフィスを入れ同量になる様制御し噴霧しています。末端までの30cm位保温材が巻かれていないためか？末端でのドレンが目立ちます。以下について教えて下さい。
- ドレン対策 発生防止対策（保温材種類選定と保温材の効果の確認方法）と簡易除去方法（トラップ設置位置、トラップ種類の選定方法）
- 配管からの放熱等の熱ロスの推測計算方法と簡易測定方法
- ドレン発生量の推測計算方法と簡易実測方法
- （4）オリフィス制御時の蒸気理論流量の計算方法と簡易計算方法 「入圧2kg/cm2、出圧0kg/cm2でオリフィス¢1.5mm」
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しっかりした保温・断熱を実施することは基本ですが、実際、断熱を完璧に行うことは不可能です。そこで、ドレンを効率よく除去する方策を併用する必要があります。
本件のように直接蒸気を噴霧する用途の場合、ドレンセパレータの取り付けをお勧めします。 これは配管にインライン取り付けして、蒸気の流れをサイクロンで螺旋旋回させ、蒸気中の水滴を強制分離するものです。98％の分離効率がありますので、目に見えるような水滴はほぼ確実に除去できます（流速による効率の変動はあります）。
保温・断熱についてですが、保温材の選定および厚みに関してはJIS B9501をご参照ください。蒸気温度は不明ですが、外気温度は通常の条件とみなせるので、断熱材はグラスウールまたはロックウールの保温筒でよいと思います。
スチームトラップは蒸気輸送配管の立ち上がり部や立下り部に取り付けることになります。すでに1台ご使用とのことですので、これ以上枝管の直管部にトラップを取り付けても効果はあまり期待できないと思われます。
- 配管からの放熱量およびドレン発生量は、蒸気の温度、周囲の温度、断熱材の種類や厚みなどから計算できます。
- 通気初期に配管から発生するドレン量は、配管の種類、長さ、蒸気温度などから計算できます。
- この条件では以下の近似式が使えます。流量＝4.0×d^2×絶対圧(MPa)＝4.0×(1.5)^2×0.3＝2.7kg/H
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しっかりした保温・断熱を実施することは基本ですが、実際、断熱を完璧に行うことは不可能です。そこで、ドレンを効率よく除去する方策を併用する必要があります。
- 蒸気配管の勾配、還水管の勾配（自然、及び圧送時）の適正な選定方法を教えて下さい。
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当社では、蒸気輸送配管の勾配は先下がりに1/100〜1/250、還水配管の勾配は先下がりに1/200〜1/300としています。
勾配設定時には、配管のたわみも考慮する必要があります。配管がたわんだ部分にドレンが残ってしまわないように勾配を付ける必要があるわけです。従って、配管の仕様と支持点の間隔で必要な勾配の強弱は変わってきます。そのために幅があります。
- 飽和蒸気で減圧弁を使用した場合、2次側の蒸気の湿り度は変化すると思いますが、変化の割合はどうなりますか？0.7MPaGから0.1MPaGに減圧しています。
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減圧により湿り度の変化が起こりますが、「変化の割合」が元の湿り度に対する変化の割合とすると、これは元の湿り度によって異なります。乾き度で表現すると、0.7MPaGから0.1MPaGに減圧した場合、乾き度95％なら3％程度、乾き度80％なら5％程度乾き度が向上します。放熱を無視して考えると、乾き度向上の程度は初めの圧力と最終的な圧力、そして減圧前の乾き度（湿り度）で決まります。
なお、ボイラーメーカーのカタログなどには乾き度99％以上との表現がよく登場しますが、乾き度99％の蒸気を0.7MPaG → 0.1MPaGに減圧を行った場合、約19℃の過熱蒸気となります。
- ボイラーで発生させた蒸気で、タンク内に充填した水溶液の温度を一定(80℃）にコントロールするための、機器設備を紹介して下さい。
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蒸気を使用して水溶液を温度コントロールする方法はいくつかあります。当社から直接ご提供できるのは、蒸気を制御する制御弁や減圧弁、バルブ、スチームトラップ、調節計、温度センサなどです。
温度制御に使用する機器の例を挙げてみます。
- ●計装機器を使用しない方法
- 自力式温度調整弁 TC8 + スチームトラップ
- ●計装機器を使用する方法
- 汎用制御弁 CV5またはCV10 + 調節計（SC-H50等）+ 温度センサ TR-1 + スチームトラップ
蒸気流量や必要熱量などをお知らせいただきましたら選定のお手伝いをさせていただきます。
- 乾き度を制御したいのですが良い方法がありますか？
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一般論としては、既に凝縮して水滴化したドレンを除去することはセパレーターを使用することにより可能ですが、蒸気の湿り度（乾き度）をフィードバックして任意の値にコントロールする制御は現時点では非常に困難です。最大の阻害要因は蒸気の乾き度をリアルタイムで計測する方法がないことです。
目的によっては流量制御（熱量制御）や圧力制御で代用できるかもしれません。
- シリンダードライヤーの制御を手動から自動の温度制御へ変更したいが、回転体なので良い方法がわかりません。
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シリンダー状の熱交換器の場合、
- 熱交換器自体が回転するため温度を測りにくいこと
- 被加熱物がシート状であるため温度が測りにくいこと
飽和蒸気の場合、圧力を決めると自動的に蒸気温度が決まります。従って圧力を一定に維持すれば蒸気温度も常に一定になりますので、熱交換器内部のドレンの滞留に気をつければ、実質的には熱交換器の温度制御を行うのと同じ効果が得られます。 温度制御と圧力制御の詳細はこちらの「温度制御の問題点」「蒸気の圧力制御」をご参照ください。
簡便に圧力制御を行う場合、最も手軽で信頼性が高いのは減圧弁を使用する方法です。減圧弁は負荷変動（＝流量の変動）や一次圧力変動があっても設定圧力を維持し続ける機能があります。一群、二群、三群のそれぞれの系統ごとに減圧弁を設置し、設定圧力を変えることで、系統ごとに異なる温度の蒸気が供給できます。
圧力制御を行う際には熱交換器内が蒸気雰囲気になっていることが肝心です。複数のシリンダを1台のスチームトラップでまかなうような配管は、グループトラッピングと呼ばれ、ドレン抜けが悪くなる可能性が極めて高く、このような配管は避けなければなりません。 グループトラッピングの解説は「スチームロッキングとエアバインディング」をご参照ください。
以上を踏まえ、「個別トラッピング＋各系統ごとに減圧弁を設置する圧力制御」を軸に改善をご検討されてはいかがでしょうか。
トラブルに関するご質問
- ストール現象とは何ですか？
- トラップの作動差圧（トラップ前後の圧力差）がなくなり、トラップからドレンが排出されずに熱交換器内に滞留してしまう現象です。温度制御が行われている装置で負荷と伝熱面積の関係によっては発生することがあります。 詳しくは「ストール現象 前編（発生原因と問題）」をご覧ください。
- ストール現象が発生して困っています。良い解決方法を教えてください。
- ストール現象は、トラップの前後差圧が逆転してドレンが排出されない状態です。必ずしもトラップ一次側が負圧にならなくても発生しますので、トラップの二次側が立ち上がり配管になっているなど、トラップ背圧が大きい場合は要注意です。
まず、ストールが発生しているかどうか確認するために一番確実な方法は、スチームトラップ前後に圧力計を取り付けて圧力を確認することです。圧力計が設置できない場合は、トラップやトラップ前後の表面温度を測定することである程度推測できます。
原因としては、
- （1）負荷に対して伝熱面積が過大
- （2）トラップ背圧が大きい
（1）では、ヒーターを小さくすることが根本的な対策となりますが、これは現実的ではありません。そのため、「ストールが発生しても、ヒーター内部にドレンを溜めない。」対策を考える必要があります。
（2）について、これはトラップ一次圧に対する相対的なものですから、立ち上がり配管をなくせばクリアできるケースもあります。またヒーター内部が負圧になるような条件であれば、いくらトラップ出口が開放で立ち上がりがなくてもストールは発生します。従って、ヒーター内部が負圧にならない場合はトラップの背圧をできるだけ排除し、立ち上がり部分は何らかのポンプを使用して圧送する方法が考えられます。内部が負圧になる場合は、トラップ内蔵メカニカルポンプ(GT10)か、真空ポンプを使用する必要があります。これは（1）の「・・・ヒーター内部にドレンを溜めない」対策にもなります。
いずれの場合も、解消のためには現地を確認させていただく必要があります。
- スチームロッキングとは何ですか？
- トラップ手前の蒸気層に阻害されてドレンがトラップ内に流れ込むことができずにドレン排出に遅れが生じることです。サイフォン管が使用される回転体状の装置（シリンダードライヤー、ロールヒーター）などではこのスチームロッキングが起こりやすいといえます。その解消のために“ロックレリーズバルブ”をオプション装着できるスチームトラップがあります。 詳しくは「スチームロッキングとエアバインディング」をご覧ください。
- 竣工後約1年で蒸気ヘッダー以降のヘッダーとバルブの接続部から蒸気漏れが発生しました。使用蒸気圧力は各現場共0.7MPaG設定、管及びバルブ（フランジ共）10K材質はSUS304を使用しています。パッキンはボルテックスNA（トンボ製内外輪付20K）を使用しています。高圧蒸気の場合、このようなリークは一般的なのでしょうか。
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恐らく蒸気の圧力（＝温度）の高低やガスケットの問題ではなく、ステンレス配管の線膨張係数の問題と思われます。
鋼管に比べ、ステンレス管（18-8)の線膨張係数は常温〜蒸気温度付近では約1.4倍です。従って、朝通気して夜間は停止するような温度変化のある配管であれば、管の伸縮が繰り返されるので、鋼管以上にフランジ接続部は大きな移動が繰り返されることになります。その結果、フランジボルトが非常に緩みやすくなります。そのため、フランジ接続や、ねじ接続のステンレス配管では通常工事直後に行う通気後の増し締めだけでは不十分で、その後数回増し締めを行う必要があります。
本件とは直接関係ありませんが、同じ理由でステンレス製のユニオンも非常に緩みやすく、時々増し締めを行わないと漏れてしまいます。
- 複数の熱交換機に対してスチームトラップを1つで使用しています。そのうち1台の熱交換機の内部チューブが破損し、ウォーターハンマーが原因と推測しています。グループトラッピングは、トラップの能力が低下する以外にウォーターハンマー発生の原因にもなり得るのでしょうか？
- グループトラッピングを行った場合、ウォータハンマー発生の危険性があります。
グループトラッピングを行うと、「スチームロッキング」という現象が発生する可能性があります。スチームロッキングが発生すると、トラップ自体は閉弁してしまいます。こうなると、トラップ一次側にドレンが存在していてもロッキングが解消されるまで、ドレンは排出されません。
グループトラッピングによりスチームロッキングが発生している場合、ロッキングを生じさせている蒸気とは負荷の小さい熱交換器から回り込んでくる蒸気であるため、連続的にトラップへ蒸気が供給され続けることになり、なかなかロッキングが解消され難いという厄介な面があります。
文章では説明し切れていない点があろうかと思います。
ロッキングの発生と解消が比較的短時間で繰り返されている場合は、「能力低下」という現象に見えますが、そのメカニズムは上記の説明と同じです。発生から解消までのサイクルが長い時、最悪の場合はウォータハンマーの発生が起こり得ます。
- 蒸気ヒーターのストールによるウォーターハンマーを防止したいと考えています。ストールの解消策としてバキュームブレーカーは有効ですか？
- バキュームブレーカーで真空破砕をした場合、一時的にはヒーター外へドレンを出すことができ、ウォーターハンマーの防止には有効かもしれませんが、空気を吸い込むことになりますので、その後の運転で空気障害などの問題を引き起こす可能性が高く、解決策として推奨できません。また、ストールは必ずしもヒーター内部が負圧になるとは限らず、その場合、バキュームブレーカー自体が作動しません。
ヒーター内部でウォーターハンマーが発生している場合、ストール現象が起きていることが多くあります。ストールには運転条件だけでなく、トラップの種類、トラッピング方法や配管など様々な要因があります。
当社製品にもストール対策に有効なものがありますが、まずは原因究明が必要です。
- 毎日、停止時に元弁を閉める蒸気系統で、次の日の起動時、溜まった低温ドレンにより、スチームハンマーを生じて困っています。蒸気流通時の高温ドレンはドレントラップで環水ラインに戻しています。
- 蒸気輸送配管で発生するスチームハンマー（ウォーターハンマー）は蒸気とドレンの流速差からドレン塊が発生してこれが管壁などにぶつかるハンマーと、低温ドレンと蒸気が触れて蒸気が急凝縮して発生するハンマーの2通りが考えられます。いずれにしても、低温ドレンが蒸気輸送管内に存在していることが問題です。
従って、このドレンを適切に排除することがウォーターハンマー対策の第一歩です。ドレンが溜まっている箇所があるということであれば、トラップの設置箇所と、トラップのタイプが不適切である可能性があります。最低作動圧力差の大きいトラップでは、停止時にドレンが流入してきただけでは排出できないものがあります。
また、停止時のドレンが全て排除できていたとしても、蒸気を送気し始めると、蒸気は配管を暖めるために消費され、ドレンが発生します。これを上手く排除しないとやはりハンマーが生じてしまいます。つまり、送気はじめもトラップの設置箇所の問題が重要ですし、加えて短時間に急速にドレンを排出するという、トラップのドレン排出能力も問題となります。
ウォーターハンマーの発生にはこれらの問題が複合的に絡み合っていますので、残念ながら、この製品を使用すれば解消できる、とは行きません。現場の調査と現象の確認を踏まえて対策を立てることが大切です。
- ドレン回収ラインからと思いますが「カン、カン」とウォータハンマーを打っています。解決するよい機器はありますか。
- 蒸気系のウォーターハンマーは蒸気輸送配管で起こるハンマーとドレン回収配管（還水配管）で起こるウォーターハンマーに大別できます。しかし、ハンマー発生のメカニズムはいくつかあり、蒸気配管はこれ、ドレン配管はこれと分類できるほど単純ではありません。
ドレン配管で発生しているハンマーの場合、いつからそのハンマーが発生し始めたかを調べることで、原因を推定する事ができるケースが多くあります。
大雑把に言えば、配管変更など行っていないのにドレン回収配管において今まで発生していなかったハンマーがある時点から突然発生した。という場合はトラップ周辺からの生蒸気の漏れこみが疑われます。これに対し、配管を敷設して運転を始めた当初からハンマーが発生しているということであれば、配管上問題があることが疑われます。
基本的に、ウォーターハンマーに対しては、「これを設置すれば解消する」という機器はなく、発生原因と発生箇所の特定を行った上でそのハンマに最適な改善を行うことが重要です。詳しい情報がいただけるようでしたら絞り込みが可能かもしれません。また、処置を行っていくためには現場確認は不可避です。
- スチームトラップ集中ドレン管がハンマーをおこしているので調べてみると、数十台ある中の2台のトラップで生蒸気の漏洩を確認しましたが、はたしてこれがハンマーの原因になるのでしょうか？
- スチームトラップのタイプによらず、回収管への生蒸気の漏れこみはウォーターハンマーの原因になり得ます。今回漏洩を起こしているトラップが特定できているようですから、まずそれらを取替えることは必須です。また、トラップそのものは正常であっても、併設されているバイパスバルブが漏れている場合にハンマーが起こることもあります。念のため、バイパスバルブの漏れ、誤操作の有無のチェックをお勧めします。
最後に、ドレン回収配管におけるウォーターハンマーは生蒸気だけが原因となるわけではありません。トラップが漏洩を起こしていなくても、フラッシュ蒸気でハンマーが発生するケースもあります。
