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May 26, 2023

結露を防ぐ方法

Colpo d'ariete indotto da condensa (CIWH) è un termine comunemente usato quando:

凝縮誘起ウォーターハンマー (CIWH) は、水蒸気が冷水によって急速に凝縮されるときに発生するさまざまな過渡現象を説明するときに一般的に使用される用語です。 この記事では、CIWH のさまざまな種類と原因について説明し、それに伴う速度と圧力を推定する方法を説明し、CIWH を防ぐために使用できる解決策を読者に提供します。

パイプライン内の蒸気と液体の水は、常にうまく連携するとは限りません。 予期せぬ接触があった場合、状況は不安定になる可能性があります。 油圧過渡現象は、パイプの流速または圧力の急激な変化によって引き起こされる短期間のイベントです。 この現象により圧力パルスが発生し、その圧力パルスは波のように原点から下流と上流に伝わります。 パルスはパイプ内を移動する際に障害物に衝撃を与えて反射します。 これにより、ハンマーのような音とキックのようなパイプの動きが生成されます。 「ウォーターハンマー」という用語は、他の液体や気体が関与している場合でも、これらの過渡状態を指す場合に一般的に使用されます。

水蒸気は湿った蒸気です。 沸点で大量の水に熱を加えると、水は液体から蒸気に変化（蒸発）し始めます。 熱を加え続けると、すべての液体が蒸気に変換されるまで、液体と蒸気は同じ温度に保たれます。 これは飽和状態にあるとして知られています。 気体と液体の水を同時に運ぶパイプラインには二相流が含まれると言われます。

パイプ内の高温の飽和水の圧力が低下すると、蒸発が始まります。 小さな蒸気の泡が発生します。 これらの泡は浮力があるため、上昇して高い位置のポケットに集まる傾向があります。 ポケットは、システムの補充または停止中にパイプの形状によって大量の蒸気が隔離される場合にも作成される可能性があります。 たとえば、充填時に両方のライザーが水で詰まると、垂直の U 字型ベンドに蒸気が閉じ込められる可能性があります。

液体は、特定の圧力で飽和温度より低い温度にある場合、過冷却されていると言われます。 蒸気ポケットが過冷却された液体と接触すると、蒸気と液体の境界で凝縮が始まります。 温度差が大きくなると、凝縮率も増加します。 温度差が約 35F を超えると、すべての蒸気が突然凝縮します。 蒸気は液体よりもはるかに多くの空間を占めます。 したがって、低圧の空隙が生成されます。 ポケットを囲む水は加速して空間へと流れ込みます。 この爆縮はほんの一瞬で起こります。 衝突直前に進む水の速度 (VI、フィート/秒) は衝突時にゼロに減少し、式 1 に示すように計算できます。

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( α / ( 1 – α )))

ここで、α は空隙率 (保守的に約 0.5) です。 gc は重力定数 (32.2 ft-lbm/sec2-lbf) です。 ρ は流体密度 (lbm/ft3) です。 蒸気ポケット (PD) 内の圧力は、周囲の水の温度に対応する蒸気圧です。 移動距離が非常に短いため、摩擦の影響は最小限に抑えられ、無視されます。

急激な速度変化により水撃圧力パルスが発生します。 パイプ内を伝わるパルスの速度は音響 (音速) 速度 (c、フィート/秒) であり、式 2 を使用して計算できます。

c = √(( 144 gc G / ρ ) / ( 1 + ( G / E ) φ ))

ここで、G は液体の体積圧縮率 (psi) です。 E はパイプの弾性率 (psi) です。 φ はパイプの境界条件パラメータであり、両端が固定された薄肉チューブの場合は D/t です。 ここで、D はパイプ内径 (インチ) です。 t はパイプの厚さ (インチ) です。 空気の巻き込みにより速度が低下します。

理論上の最大圧力パルス (ΔP、psi) は、ここでは式 3 として示す、おなじみの「Joukowski」ウォーター ハンマー方程式を使用して求めることができます。

∆P = k (( ρ c ∆V ) / ( 144 gc ))

ここで、蒸気ポケットの崩壊がパイプの行き止まりや閉じたバルブなどの硬い表面の隣で発生する場合、変数 k は 1.0、それ以外の場合、k = 0.5 です。 ΔP は全圧力ではなく、過渡現象の前に存在した定常状態の圧力からの増加または減少であることに注意してください。

水平配管内に成層二相流がある場合、蒸気と水の界面での凝縮により配管内の水位が上昇します。 これにより、蒸気が占めるパイプの断面積が減少し、蒸気の速度が増加します。 速度の差が十分に大きい場合、成層流からスラグ流への移行が起こります。 表面波が形成され、液体よりも速い速度で移動します。 流れが乱れるほど波は大きくなります。 大きな表面波がパイプの断面積を遮断すると、パイプラインに入る蒸気が波の上流側に圧力を加え、水スラッグとしてパイプライン内を押し流されます。

フルード数 (Fr) は、開水路流れにおける重力波の形成を評価するために通常使用されるパラメータです。 研究により、成層二相流からスラグ流への移行が起こらない最小速度 (VMIN) が存在することがわかっています。 この流量はフルード数 0.5 に相当します。 業界の慣例では、設計マージンを確保するために、パイプのサイジング時にフルード数 1.0 を控えめに使用します。 VMIN は式 4 を使用して計算できます。

VMIN = Fr √( gc D / 12 )

水スラッグがその経路上で何かに衝突すると、水撃圧力パルスが生成されます。 摩擦を無視すると、衝撃速度は式 5 を使用して計算されます。

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( LV / LS ))

ここで、PU は上流蒸気圧力 (psi) です。 PD は下流側空隙圧力 (psi) です。 LS はスラッグの長さ (フィート) です。 LV は蒸気空間の長さ (フィート) です。

衝撃時の圧力パルス (ΔP) は、k = 1.0 の式 3 を使用して求めることができます。 スラグ衝撃力 (FS、lbf) は、式 6 に示すように、主にスラグの運動量の関数です。

FS = ( AP ( ρ VI2 )) / gc

ここで、AP はパイプの内部流れ面積 (ft2) です。 衝撃の動的影響を含めるために、設計には 2X に等しい保守的な動的荷重係数 (DLF) がよく使用されます。 この係数は、急速に加えられた荷重による応力と、荷重がゆっくり加えられた場合に発生する応力の比を表します。

発電所における水力過渡現象は、1970 年代から 1990 年代にかけて電力研究所 (EPRI) によって広範囲に研究されました。 この記事で紹介されている資料の多くは、1996 年に発行された EPRI の「原子力発電所の技術者および運転員のためのウォーターハンマーハンドブック」TR-106438 に基づいており、EPRI の Web サイト (www.epri.com) からダウンロードできます。 この研究では、次の 4 つの基本的な CIWH メカニズムが特定され、定義されました。

メカニズム1—蒸気は過冷却水に排出されます。蒸気ラインが水中に排出され、上流のバルブを閉じて蒸気の流れを止めると、蒸気のポケットがパイプ内に閉じ込められます (図 1)。 パイプ出口の水は蒸気によって加熱されなくなるため、冷却され始めます。 過冷却された水と接触すると、蒸気ポケットが急速に凝縮します。 爆縮によって生じる低圧ゾーンにより、水柱がパイプ内を引き上げられ、閉じたバルブに高速で衝突します。 インパクト時にウォーターハンマー圧力パルスが放出されます。 この CIWH メカニズムが放水銃と呼ばれるのも不思議ではありません。

水柱を横切る差水頭 (ΔH、ft) は、式 7 を使用して求められます。

ΔH = Ha + x0 – HVP

ここで、x0 はパイプの浸出深さ (フィート) です。 Ha は水面の圧力水頭です。 HVP は蒸気ポケット内の圧力です。

水柱速度 (VO、フィート/秒) は、式 8 を使用して求められます。

VO = ∆V = √((2 gc ∆H ) / KTotal )

ここで、KTotal は、「Darcy-Weisbach」コンポーネント損失係数の合計に (f L) / D を加えたものです。ここで、f はパイプの摩擦係数、L はバルブからパイプの出口までの距離、D はパイプの内径です。 。

衝撃速度 (VI) は、EPRI ハンドブックのデータに適合した経験的曲線である式 9 に基づいて求めることができます。

VI = VO (( 0.0097 L / ΔH – 0.438) KTotal2 + ( –0.161 L / ΔH + 1.18) KTotal – 0.061 L / ΔH + 1.056)

衝撃圧力パルス (ΔP) は、k = 1.0 の式 3 を使用して求めることができます。

メカニズム 1 の過渡現象を防ぐには:

メカニズム 2 — 水平パイプ内の層状の蒸気と水の逆流。この CIWH メカニズムは、二相流を含む水平パイプ内で発生します。 図 2 は、パイプラインを使用して蒸気容器にサブクール水を供給する例を示しています。 最初、パイプは蒸気で満たされています。 充填バルブが開くと、パイプラインは下から上に水で満たされ始めます。 垂直パイプ部分は水でいっぱいになります。 ただし、水平パイプセクションでは、水がパイプの底面に残り、蒸気が水の上の空間を占める二相流になります。

水と接触した蒸気は凝縮し、より多くの蒸気がパイプ内に引き込まれ、凝縮と蒸気の流量が増加します。 これにより、蒸気と水の間の逆流パターンが開始され、スラグ流状態への移行が始まります。 パイプ断面を満たす大きな表面波は、その下流側に蒸気ポケットを形成します。 波は蒸気の圧力によって下流に押し流されます。 圧縮された蒸気ポケットは、過冷却された水と接触すると崩壊します。 爆縮によって水撃圧力パルスが発生し、波全体の大きな圧力差によって水スラッグとしてパイプライン内を加速されます。 スラグが方向の変化や流れの障害物に衝突すると、その衝撃により再び大きな圧力パルスが発生します。

メカニズム 2 の過渡状態は、パイプが水で満たされている場合には発生しません。 満水を実行するための最小質量流量 (m、lbm/秒) は、フルード数 0.5 に基づく式 10 に示す基準を使用して求めることができます。

m≧2.227ρD2.5

また、流れモデルのテストでは、水充填時の質量流量が式 11 の基準を満たす低流量では層状逆流状態が形成されないことが示されています。

m ≤ C D2 e–0.005 (LH/D)

ここで、LH は水平パイプ長さ (フィート) です。 C は式 12 で与えられるパイプ直径 (1.5 ～ 36 インチ) の関数である係数です。

C = –0.00001745 D4 + 0.0001736 D3 – 0.06152 D2 + 0.9425 D + 4.280

逆流 CIWH は、非常に有害な一時的な力を生成する可能性があります。 問題はほとんどの場合、起動時に発生します。 凝縮水戻りラインと蒸気減温器スプレー システムは特に影響を受けやすいです。

メカニズム 2 の過渡現象を防ぐには:

メカニズム 3 - 蒸気で満たされた垂直パイプに入る加圧水。この CIWH メカニズムは、蒸気が満たされた垂直パイプ、または 3 度以上傾斜した水平パイプ (垂直パイプのように機能します) で発生します。 システムを停止すると、ポケットに蒸気が残ることがあります。 飽和水は遮断弁を通過して漏れ、低圧側で蒸気となって蒸気ポケットを形成する可能性もあります。

結露も影響しますが、メカニズム 3 の過渡状態の深刻さの主な要因は、パイプを満たす水の慣性と圧力、および水が垂直パイプに下から入るか上から入るかです。

トップフィリング。過冷却された水が蒸気ポケットと接触すると、水中に蒸気の泡が形成されます。 パイプがゆっくりと満たされる場合、水は主に垂直なパイプ壁を下って流れ (環状膜流)、気泡がパイプの中心で上昇して逃げる機会を与えます。 しかし、水の充填速度が気泡の上昇速度よりも速い場合、蒸気の気泡は閉じ込められ、侵入する水によって加えられる圧力によって凝縮して崩壊します。 崩壊する蒸気泡は、崩壊する蒸気ポケットよりもはるかに小さいため、結果として生じる水撃圧力パルスは中程度であり、深刻なものではないと考えられます (図 3)。

垂直パイプ内の環状流れの最大安全充填速度 (VF、フィート/秒) は、式 13 を使用して計算できます。

VF = 0.67 √((( ρf – ρg ) / ρf ) (( gc D ) / 12 ))

ここで、ρf と ρg はそれぞれ液相と気相の飽和状態での密度です。 圧力が低い場合、ガス密度はゼロに近いため、密度項は無視できることに注意してください。 また、パイプが垂直から 15 度を超えて傾斜している場合、環状の流れのパターンが変化することにも注意してください。 蒸気泡はパイプ断面の上部に沿って集まり、その上昇速度が増加するため、安全な充填速度は√2 倍に増加する必要があります。

底面充填。システムを底部から充填する場合、蒸気ポケットを圧縮して凝縮するため、水柱前面が乱流になります。 ポケットは内破して低圧ゾーンを形成し、水柱が上向きに加速されます。 水柱前面が閉じた蒸気バルブに衝突すると、大きな圧力パルスが生成されます (図 4)。

メカニズム 3 の過渡現象を防ぐには:

メカニズム 4 - 熱水が低圧のパイプに入る。図 5 は、閉じた排出パイプを備えた加圧水容器を示しています。 排出配管には滞留水が含まれており、時間の経過とともに冷却されます。 バルブが再び開くと、過冷却された水は問題なくバルブからすぐに吹き出されます。 しかし、高温の水がバルブを通って低圧側に流れると、水が「フラッシュ」して蒸気になり、流れが「チョーク」します。 流れがチョークすると、バルブを通過する質量流束 (質量流量) が制限されます。 過冷却水から高温二相流への質量流束の急激な変化により、大きな速度変化が生じ、バルブに水撃衝撃波と乱流が発生します (図 5)。

水圧が蒸気圧を下回ると、水は蒸発して蒸気になります。 水のフラッシュによりパイプ内が蒸気の泡で満たされ、蒸気ポケットに蓄積する可能性があり、蒸気が突然凝縮するとウォーターハンマーが発生します。

凝縮器へのヒーターのドレンは、この CIWH メカニズムの影響を受けやすくなります。 高温凝縮水が蒸気にフラッシュする典型的な原因は、過熱防止器のスプレー バルブの漏れや蒸気トラップの故障です。

メカニズム 4 の過渡現象を防ぐには:

凝縮水と蒸気の相互作用イベントに加えて、ウォーター ハンマー過渡現象の種類と原因は他にもありますが、ここでは説明しません。 ウォータースラグによるウォーターハンマーは、蒸気隔離弁が開いてパイプライン内の凝縮水の水たまりがスラグとなり、水が蒸気に取り込まれることで発生します。 ポンプやバルブを急速に動作させると過渡現象が発生します。 水柱の分離により空隙が生じ、水柱が再び結合するような状況ではウォーターハンマーが発生します。

これらの過渡状態は、「特性法」を使用した非圧縮性および圧縮性流れモデリング用の従来の商用ソフトウェアを使用してモデル化および分析できます。 ほとんどのウォーター ハンマー ソフトウェアは、二相流 CIWH イベントをモデル化できません。 詳細については、前述の EPRI リファレンスを参照してください。 ■

—マイケル・F・チェチェフスキー、PE([email protected]) は、電力業界で 45 年の設計経験を持つ機械工学コンサルタントです。

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