JP6765419B2 - 液体を蒸気に変換するためのデバイス - Google Patents

Description

本発明は、蒸気発生器の分野、特に高温蒸気電解槽（ＨＴＳＥ）において使用される蒸気発生器に関する。

本発明は、より具体的には、一定圧力、特に大気圧または数十ミリバール低い圧力で作動する、液体を蒸気に変換するためのデバイスにおける過圧の防止に関する。

高温蒸気電解槽（ＨＴＳＥ）は、直列に電気的に接続されかつそれぞれ固体酸化物電解質膜を間に挟んだカソードおよびアノードの二つの電極からなる電解槽のスタックに電流を流すことによって蒸気から水素を発生させる電気化学的デバイスである。一般に、蒸気は、給電される各セルのカソードに導入され、そして蒸気の電気化学的還元の反応によりカソード上に水素が生成される。

一般に、電解槽の所与の運転点に関して、それに印加される電流が存在し、そして電解槽に印加される電流の強さに応じて電解槽に導入される水蒸気流または蒸気流が計算される。電流強度は、一般に、電解槽の作動範囲の０〜１００％の間で変化し得るので、生成される蒸気流は、容量の０〜１００％まで直線的に変化できなければならず、蒸気のみからなるべきである。

さらに、電解槽は、不均一性を有する電流／ガスの流れに対して非常に敏感なシステムであり、そのような不均一性は実際に電解槽の早すぎる劣化を引き起こす可能性がある。例えば、蒸気流量がその設定値付近で変化する場合、電解槽の運転点の不安定性が観察され、早期劣化の原因となるセル電圧の変動をもたらすことがある。さらに、蒸気流量の大きな変動は数十ないし数百ミリバールの圧力の変動をもたらすが、これは、シールを損傷させ、あるいは電気化学セルにクラックを発生させるのにさえ十分であろう。したがって、できるだけ均一かつ規則的な蒸気流量が望ましい。

蒸気発生デバイスは、一般に、液体の蒸発を生じさせるために、その上に置かれた液体を有する加熱される蒸発表面を含む。密閉されたチャンバー内で蒸気が生成されるとき、一定圧力、特に大気圧またはそれよりも数十ミリバール低い圧力で作動する、液体を蒸気に変換するためのデバイスにおける過剰圧力に対するセキュリティを提供することが必要である。過圧に対するセキュリティにより密閉されたチャンバーの爆発の危険性を制限することができる。

フランスでは、蒸発デバイスの規則は、統一された技術文書（ＤＴＵ：Document Technique Unifie）の形で発行されたルールを含んでいる。そのようなルールは、一般に全ての国で同一である。それらはボイラー製造業者の経験に基づいており、常に蒸気で満たされたチャンバーの領域に設置された圧力セキュリティ要素（圧力解放バルブまたはバーストディスク）の存在を強いる。同様に、このルールは、デバイスの上部に圧力測定器機（圧力計または圧力センサー）を設置することを推奨している。

液体の水相をその下部に含み、蒸気相をその上部に含む従来のボイラーでは、そのようなセキュリティ要素またはそのような圧力測定器機は、蒸気温度で作動するように必要以上に大きなものとされる必要があるが、必ずしも断熱されず、デバイス内部に結露の原因となるコールドスポットを形成することがある。これは問題ではない。というのは、さらなる結果を伴わずに、凝縮する水滴が落下して、デバイスの底部に既に存在する液相と混合するからである。これは、たとえば、特許文献１において適用された解決策であり、それはその上部にバルブが組み込まれている。

その主な目的の一つとして大きな圧力安定性を有する、高温蒸気電解槽で使用される、液体を蒸気に変換するシステムの特定の場合、水滴がコールドスポットで凝縮し、デバイスの底に落下することは許容できない。それらは、デバイスの非常に高温の床上での各液滴のほとんど瞬間的な気化に起因して、圧力および蒸気流量の変動を引き起こすであろう。

蒸発デバイスに関する規則に適合する実施形態によれば、バルブおよび圧力センサーを設置し、デバイスの考慮された運転圧力で、蒸気の凝縮温度よりも高い温度でそれが維持されるように、それらを確実に断熱しかつ加熱することが可能である。これには、２００〜３００℃の範囲の温度で作動可能なバルブおよび圧力センサーを使用する必要があり、したがって製造および使用が比較的複雑な器機が必要になる。したがって、そのような解決策の製造および設置コストは増大する。

蒸発デバイスに関する規則に適合する別の実施形態によれば、バーストディスクおよび２００〜３００℃の範囲の温度で作動可能な圧力センサーを設置し、それらの断熱を確実にすることが考えられる。この解決策は、バーストディスクが低コストであるので、経済的な観点から有利である。しかしながら、バーストディスクは、それが使用されるたびに交換されるべきであるので、より多くの人間の行動および蒸気デバイスの停止を必要とする。実際、それは破裂圧力に達すると破裂する金属膜を含むので、それはその動作後に壊れる。したがって、バルブを用いるよりも介入コストが高くなる。同様に、圧力センサーは２００〜３００℃の間で作動する必要があり、これは複雑さおよびコストを増大させる。

蒸発デバイスに関する規則を遵守する場合、デバイス停止時間および再活性化介入を制限しながら、デバイスの圧力測定およびセキュリティを可能にする費用対効果の高い、すなわち低コストコンポーネントのみに基づく解決策は存在しない。

中国特許第２，１５８，５１５号明細書

本発明の技術的課題は、動作温度と、規則に適合した蒸発デバイスのメンテナンスとを制限することである。

本発明は、デバイスの液体取入れ口に設置された圧力制限手段によって保護されたバーストディスクによって、この技術的問題を解決する。

これを達成するために、本発明は、液体を蒸気に変換するためのデバイスであって、
液体取入れ口に接続された開口と、圧力解放開口と、蒸気出口とを備えたチャンバーと、
液体取入れ口の高さに配置されたフローコントローラーと、
圧力解放開口の高さに設置されたバーストディスクと、
液体取入れ口の高さに配置された圧力制限手段とを備え、この圧力制限手段は、液体取入れ口の圧力がバーストディスクの破裂圧力よりも低い閾値を上回ったとき、液体取入れ口における流量を減少させるよう構成されたデバイスに関する。

したがって、本発明は、二つのレベルで過剰圧力に対するセキュリティを実現することを可能とし、すなわち、
第１の従来レベルはバーストディスクによって形成され、
第２のレベルは、液体流量の減少、これに続く液体取入れ口の高さでの過剰蒸気の排出によって形成される。

第１のセキュリティレベルは、液体を蒸気に変換するためのデバイスに関する規則を遵守することを可能にする。それは、規則に従って、デバイスによって許容される最大圧力で較正される。

第２のセキュリティレベルは、規則に準拠していないので、当業者には自明ではない。第２のセキュリティレベルは、デバイスによって許容される最大圧力よりも低い圧力で起動させられるように提供され、それは室温で作動するという利点を有する。

したがって、液体取入れ口の高さに設置されたバルブおよび／または圧力センサーの使用は、製造および使用するために複雑な器機の使用を必要としない。したがって、標準化された器機を使用することができる。実際、液体取入れ口は、過剰圧力をチャンバーから液体取入れ口に伝達する非圧縮性流体で満たされている。したがって、この液体取入れ口は短く水平であるので、センサーおよび／またはバルブの接続部における圧力は、液体を蒸気に変換するためのデバイスの内圧に等しい。

一実施形態によれば、圧力制限手段は圧力センサーを備え、フローコントローラーは、圧力センサーによって測定された圧力が閾値を超えたとき、液体取入れ口に注入される液体流を止めるように構成される。圧力センサーは、標準的な圧力センサーを用いて液体取入れ口において室温で、そして低コストで、デバイスの圧力を測定することを可能にする。

一実施形態によれば、デバイスはまたチャンバー内に配置された加熱手段を備え、この加熱手段は、圧力センサーによって測定された圧力が閾値を超えたとき、チャンバーの加熱を停止させるように構成される。したがって、セキュリティ制御装置は、デバイスの内部加熱抵抗の加熱を停止させ、デバイス内にまだ存在する液体をもはや蒸発させないようにする。そのような加熱手段の熱慣性は非常に低く、そのような制御は圧力上昇を非常に効率的に停止させる。

一実施形態によれば、圧力センサーによって測定される圧力の閾値は、バーストディスクの破裂圧力の１％〜９０％の範囲内にある。この実施形態は、デバイス内の圧力上昇を予測することを可能にする。

一実施形態によれば、デバイスはまた、バーストディスクが開いたときにチャンバーから生じる蒸気を流すために圧力解放開口と流体連通する安全ベントを備える。

一実施形態によれば、チャンバーと安全ベントの少なくとも一部とは断熱材で覆われる。この実施形態はコールドスポットの生成を回避することを可能にする。変形例として、安全ベントの少なくとも一部はまた、バーストディスクとの接続の高さで加熱されてもよい。

一実施形態によれば、圧力制限手段は、一方では液体取入れ口に接続され、かつ、他方では安全ベントに接続されたバルブを備え、当該バルブは、液体取入れ口の圧力が閾値を超えたときに液体取入れ口に存在する液体の一部を抽出するよう構成される。過剰圧力がバルブの開放を引き起こす場合、チャンバーの容積内に存在する蒸気は、それが完全に空になるまで、液体取入れ口に存在する液体を押し出す。その後、蒸気のみがバルブを通って出ることができる。この解決策の利点の一つは、正確には、過剰圧力の場合には液体取入れ口を空にし、これによって、圧力をさらに増大させるのに寄与したであろう液体がデバイス内に入るのを防止することである。

一実施形態によれば、バルブ開放閾値はバーストディスクの破裂圧力の８０％〜９５％の範囲内にある。

一実施形態によれば、圧力解放開口はエンクロージャの上壁の高さに配置される。

一実施形態によれば、圧力解放開口はエンクロージャを蒸気出口に接続するダクトの高さに配置される。

本発明は添付図面と関連して単に一例として提供される以下の説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。図面において同じ参照符号は同じまたは類似の要素を示す。

本発明の第１実施形態による、液体を蒸気に変換するためのデバイスに設置された圧力セキュリティシステムの概略図であり、ここでバーストディスクはデバイスの本体に設置されている。 本発明の第２実施形態による、液体を蒸気に変換するためのデバイスに設置された圧力セキュリティシステムの概略図であり、ここでバーストディスクはデバイスの蒸気出口ラインに設置されている。

図１は、液体を蒸気に変換するためのデバイスを示しており、当該デバイスは、蒸気出口６と、それ自体液体取入れ口１から供給を受ける従来のフローコントローラー２と好ましくは水平に接続された液体取入れ口３とを備えたチャンバー４を具備する。フローコントローラー２は、市販のコントローラー、例えばサーマルマスフローまたはコリオリコントローラーであってもよい。チャンバー４は、その中に挿入された、加熱手段として使用される、液体を蒸気に変換することを保証するさまざまな要素、例えば、円形断面を有するワイヤー加熱電気抵抗体を有する螺旋体を含む。コールドスポットを回避するために、デバイスの壁に断熱ジャケット５が配置される。好ましくは、エンベロープ５および蒸気出口６は、液体沸騰温度よりもはるかに高い温度に維持される。例えば、断熱ジャケット５および蒸気出口６は、２００℃の温度に維持される。

規則を遵守するために、バーストディスク７が圧力解放開口の高さでデバイスの本体に設置される。例えば、バーストディスク７は、５００ミリバールの圧力および２００℃の作動温度で開くように設計される。その直径は蒸気出口ライン６の直径と少なくとも等しい。

圧力解放開口は、バーストディスク７が破裂した場合に蒸気を流す機能を有する安全ベント１０に接続されている。バーストディスク７の高さでコールドスポットを回避するために、ベントライン１０の一部を包囲する断熱材が設けられている。

バルブ８は、室温で作動し、バーストディスク７の破裂圧力よりも低い圧力で開くように設定される。例えば、バルブ８は、４５０ミリバールの圧力で開くように設定される。バルブ８は、一方の側で、液体取入れライン３に接続され、他方の側で、バルブ８が開いた場合に液体および蒸気を流す機能を有する安全ベント１０に接続される。

ライン３に含まれる液体は非圧縮性であり、それはチャンバー４からの蒸気圧をバルブ８に伝達し、バルブ８はバーストディスク７の破裂圧力よりも５０ミリバール低い圧力で開く。バルブ８はバーストディスク７を保護し、その交換のための介入を強く制限するので、これは工業的使用において有利である。バルブ８を液体取入れライン３に配置することは、別の利点を有する。すなわちバルブ８が開放された場合にラインがこれによって排液される。液体状態から蒸気への移行に起因する容積増加が非常に重大であることを知ると（水対蒸気相変化に関して１７００倍）、過度の圧力の場合に追加の液体がデバイス内に入るのを防止することは、それが新しい圧力上昇を引き起こすので、非常に有用である。

圧力センサー９は圧力Ｐの測定を行うことを可能にする。例えば、圧力センサー９は、室温で０〜５００ミリバールの範囲で測定を行うことを可能にする。液体取入れライン３には圧力センサー９が設置され、そしてライン３に含まれる液体は非圧縮性であるので、チャンバー４の蒸気圧は圧力センサー９に伝達される。図示しない電子ユニットにおいて、センサー９によって測定された圧力値Ｐは、５０ミリバールと４５０ミリバールとの間の調整可能な閾値と比較され、もし圧力Ｐがこの閾値を超える場合、閉ループ制御は、コントローラー２による液体の送出を停止させ、デバイスの内部蒸発表面への電力を遮断する。

図１に示す第１実施形態では、バーストディスク７を含む圧力解放開口がチャンバー４の上壁の高さに配置されている。

図２に示す第２実施形態によれば、圧力解放開口は蒸気出口ライン６上に配置される。規則によれば、蒸気出口配管がデバイスの上部に接続されるので、この配管上に配置されるバーストディスク７は「デバイスの上部に直接配置される」と見なされ、規則の勧告に従っている。

図１および図２を参照して説明した本発明は、過圧を防止することを可能にする以下の三つのセキュリティレベルを有する。
・バーストディスク７を用いる必要なレベル
・センサー９およびフローコントローラー２の閉ループ制御によって形成される、チャンバー４の下流にある器機を保護する調節可能なレベル
・バーストディスク７を保護しかつ液体取入れライン３を空にするバルブ８を含む固定レベル

したがって、本発明は、過圧を効率的に防止しながら、使用される要素の複雑さ、したがってそのコストを制限することを可能にする。実際、液体取入れライン３上に配置される要素は、高温ではなく室温で作動し、そしてバーストディスク７の使用は、エンクロージャ４の高さでのバルブの使用よりも費用効果が高い。

したがって、本発明は、三つのセキュリティレベルによりデバイス停止時間および修理保守介入を制限することを可能にし、その中でバーストディスク７のみが手作業による修理介入を必要とする。

１ 液体取入れ口
２ フローコントローラー
３ 液体取入れ口
４ チャンバー
５ 断熱ジャケット
６ 蒸気出口
７ バーストディスク
８ バルブ
９ 圧力センサー
１０ 安全ベント

Claims (10)

1. 液体を蒸気に変換するためのデバイスであって、
   液体取入れ口（３）に接続された開口と、圧力解放開口と、蒸気出口（６）と、を備えたチャンバー（４）と、
   前記液体取入れ口（３）の高さに配置されたフローコントローラー（２）と、
   前記圧力解放開口の高さに設置されたバーストディスク（７）と
   を備え、
   前記デバイスはさらに、前記液体取入れ口（３）の高さに配置された圧力制限手段を備え、前記圧力制限手段は、前記液体取入れ口（３）の圧力（Ｐ）が前記バーストディスク（７）の破裂圧力よりも低い閾値を上回ったとき、前記液体取入れ口（３）における流量を減少させるよう構成されていることを特徴とするデバイス。
2. 前記圧力制限手段は圧力センサー（９）を備え、前記フローコントローラー（２）は、前記圧力センサー（９）によって測定された圧力（Ｐ）が閾値を上回ったとき、前記液体取入れ口（３）内に注入される液体の流れを停止させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体対蒸気変換デバイス。
3. 前記デバイスはさらに、前記チャンバー（４）内に配置された加熱手段を備え、前記加熱手段は、前記圧力センサー（９）によって測定された圧力（Ｐ）が閾値を上回ったとき、前記チャンバー（４）の加熱を停止するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の液体対蒸気変換デバイス。
4. 前記圧力センサー（９）によって測定された前記圧力（Ｐ）の前記閾値は、前記バーストディスク（７）の前記破裂圧力の１％〜９０％の範囲内にあることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の液体対蒸気変換デバイス。
5. 前記デバイスはさらに、前記バーストディスク（７）が開いたとき前記チャンバー（４）から生じる蒸気を流すために前記圧力解放開口と流体連通する安全ベント（１０）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の液体対蒸気変換デバイス。
6. 前記チャンバー（４）および前記安全ベント（１０）の少なくとも一部は断熱材（５）で覆われていることを特徴とする請求項５に記載の液体対蒸気変換デバイス。
7. 前記圧力制限手段は、一方では前記液体取入れ口（３）に、他方では前記安全ベント（１０）に接続されたバルブ（８）を備え、前記バルブ（８）は、前記液体取入れ口（３）における圧力が閾値を上回ったとき、前記液体取入れ口（３）に存在する液体の一部を取り出すよう構成されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の液体対蒸気変換デバイス。
8. 前記バルブ（８）を開くための前記閾値は前記バーストディスク（７）の破裂圧力の８０％〜９５％の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の液体対蒸気変換デバイス。
9. 前記圧力解放開口は、前記チャンバー（４）の上壁の高さに配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の液体対蒸気変換デバイス。
10. 前記圧力解放開口は、前記チャンバー（４）を前記蒸気出口（６）に接続するダクトの高さに配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の液体対蒸気変換デバイス。

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