7635045 熱交換装置及び熱交換装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-14

(45)【発行日】2025-02-25

(54)【発明の名称】熱交換装置及び熱交換装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F17C 9/02 20060101AFI20250217BHJP

   F28F 27/00 20060101ALI20250217BHJP

【ＦＩ】

F17C9/02

F28F27/00 511Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021053951

(22)【出願日】2021-03-26

(65)【公開番号】P2022151054

(43)【公開日】2022-10-07

【審査請求日】2023-11-13

(73)【特許権者】

【識別番号】306022513

【氏名又は名称】日鉄エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100145012

【弁理士】

【氏名又は名称】石坂 泰紀

(74)【代理人】

【識別番号】100171099

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】松本 駿斗

(72)【発明者】

【氏名】幸前 穂

【審査官】加藤 信秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２５７４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５３４３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１４３４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－００３１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０８３９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６５８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２１８９３３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ ９／０２

Ｆ２８Ｆ ２７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蒸気と当該蒸気の凝縮液とを収容する熱交換容器と、
前記凝縮液の液位に従って前記蒸気に触れる表面積が変わるように前記熱交換容器内に設けられ、且つ、その内部を伝熱流体が通過する伝熱管と、
前記伝熱管を通過した伝熱流体を需要先に送る第１管路と、
前記需要先を通過した伝熱流体を前記伝熱管に送る第２管路と、
前記需要先の状態に関する情報に基づいて前記伝熱管内の前記伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出する熱量算出部と、
前記需要先の状態の変化によって前記第１管路内の温度が変化する前に、前記目標熱量に基づいて前記液位を変更する液面調節部と、
前記第１管路内の温度に基づいて前記熱交換容器内の蒸気圧を変更する蒸気圧調節部と、を備える熱交換装置。

【請求項2】

前記熱量算出部は、前記需要先の状態に対する設定値に基づいて前記目標熱量を算出する、請求項１記載の熱交換装置。

【請求項3】

前記目標熱量と前記液位との関係を表す液位プロファイルを記憶するプロファイル記憶部を更に備え、
前記液面調節部は、前記液位プロファイルに基づいて前記目標熱量に対応する液位目標値を算出し、前記液位を前記液位目標値に近付ける、請求項１又は２記載の熱交換装置。

【請求項4】

前記熱交換容器における外乱を検出する外乱検出部と、
前記蒸気圧調節部に対する前記外乱の影響を抑制するように前記液位プロファイルを変更するプロファイル変更部と、を更に備える、請求項３記載の熱交換装置。

【請求項5】

前記外乱検出部は、前記蒸気圧が所定の制御限界に達した状態の継続期間に基づいて前記外乱を検出する、請求項４記載の熱交換装置。

【請求項6】

前記外乱検出部は、前記蒸気の温度の変化に基づいて前記外乱を検出する、請求項４又は５記載の熱交換装置。

【請求項7】

前記外乱検出部は、前記蒸気から前記伝熱流体への伝熱効率の変化に基づいて前記外乱を検出する、請求項４～６のいずれか一項記載の熱交換装置。

【請求項8】

蒸気と当該蒸気の凝縮液とを収容する熱交換容器と、前記凝縮液の液位に従って前記蒸気に触れる表面積が変わるように前記熱交換容器内に設けられ、且つ、その内部を伝熱流体が通過する伝熱管と、伝熱管を通過した伝熱流体を需要先に送る第１管路と、前記需要先を通過した伝熱流体を前記伝熱管に送る第２管路と、を備える熱交換装置において、前記需要先の状態に関する情報に基づいて前記伝熱管内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出することと、
前記需要先の状態の変化によって前記第１管路内の温度が変化する前に、前記目標熱量に基づいて凝縮液の液位を変更することと、
前記第１管路内の温度に基づいて前記熱交換容器内の蒸気圧を変更することと、を含む熱交換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱交換装置及び熱交換装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、蒸気との熱交換により、被加熱流体であるＬＮＧを加温するように構成された熱交換器を開示している。熱交換器は、ＬＮＧ温度を目標温度に近づけるために、熱交換器内の蒸気圧力と設定値との偏差に基づいて、熱交換器内の凝縮水の液面レベル（液面高さ）を制御するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平９－１４３４８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、凝縮液の液位を利用した伝熱量の調節と、熱の需要先の状態変化への適応性との両立に有効な熱交換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一側面に係る熱交換装置は、蒸気と当該蒸気の凝縮液とを収容する熱交換容器と、凝縮液の液位に従って蒸気に触れる表面積が変わるように熱交換容器内に設けられ、且つ、その内部を伝熱流体が通過する伝熱管と、伝熱管を通過した伝熱流体を需要先に送る第１管路と、需要先を通過した伝熱流体を伝熱管に送る第２管路と、需要先の状態に関する情報に基づいて伝熱管内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出する熱量算出部と、目標熱量に基づいて液位を変更する液面調節部と、第１管路内の温度に基づいて熱交換容器内の蒸気圧を変更する蒸気圧調節部と、を備える。

【0006】

蒸気圧の変更に対して、液位の変更には時間がかかる。このため、仮に液位と蒸気圧との両方を第１管路内の温度に基づいて調節すると、当該温度の変化に対する蒸気圧の適応タイミングに比較して、当該温度の変化に対する液位の適応タイミングが遅れる。液位と蒸気圧とにより、伝熱流体の温度を調節する装置においては、液位による温度の調整範囲が蒸気圧による温度の調整範囲よりも大きい傾向がある。このため、液位の適応タイミングが遅れると、その影響を蒸気圧の調節で吸収しきれない可能性がある。これに対し、本熱交換装置によれば、目標熱量の変化によって第１管路内の温度が変化する前に、目標熱量に基づいて液位の変更が開始される。このため、蒸気圧の適応タイミングに対する液位の適応タイミングの遅れが抑制される。従って、この熱交換装置は凝縮液の液位を利用した伝熱量の調節と、熱の需要先の状態変化への適応性との両立に有効である。

【0007】

熱量算出部は、需要先の状態に対する設定値に基づいて目標熱量を算出してもよい。この場合、蒸気圧の適応タイミングに対する液位の適応タイミングの遅れが更に抑制される。

【0008】

熱交換装置は、目標熱量と液位との関係を表す液位プロファイルを記憶するプロファイル記憶部を更に備え、液面調節部は、液位プロファイルに基づいて目標熱量に対応する液位目標値を算出し、液位を液位目標値に近付けてもよい。この場合、目標熱量に基づく液位調節を容易且つ適切に実行可能である。

【0009】

熱交換装置は、熱交換容器における外乱を検出する外乱検出部と、蒸気圧調節部に対する外乱の影響を抑制するように液位プロファイルを変更するプロファイル変更部と、を更に備えていてもよい。この場合、目標熱量に基づく液位調節をより適切に実行可能である。

【0010】

外乱検出部は、蒸気圧が所定の制御限界に達した状態の継続期間に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、外乱を簡素な構成で検出可能である。外乱検出部は、蒸気の温度の変化に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、外乱を迅速に検出可能である。外乱検出部は、蒸気から伝熱流体への伝熱効率の変化に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、経時的な特性変化に起因する外乱も迅速に検出可能である。

【0011】

本開示の他の側面に係る熱交換装置の制御方法は、蒸気と当該蒸気の凝縮液とを収容する熱交換容器と、凝縮液の液位に従って蒸気に触れる表面積が変わるように熱交換容器内に設けられ、且つ、その内部を伝熱流体が通過する伝熱管と、伝熱管を通過した伝熱流体を需要先に送る第１管路と、需要先を通過した伝熱流体を伝熱管に送る第２管路と、を備える熱交換装置において、需要先の状態に関する情報に基づいて伝熱管内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出することと、目標熱量に基づいて凝縮液の液位を変更することと、第１管路内の温度に基づいて熱交換容器内の蒸気圧を変更することと、を含む。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、凝縮液の液位を利用した伝熱量の調節と、熱の需要先の状態変化への適応性との両立に有効な熱交換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】熱交換システムの構成を例示する模式図である。

【図2】熱交換コントローラのハードウェア構成図である。

【図3】熱交換装置の制御手順を例示するフローチャートである。

【図4】液位プロファイルの変更手順を例示するフローチャートである。

【図5】液位プロファイルの変更手順の変形例を示すフローチャートである。

【図6】液位プロファイルの変更手順の他の変形例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0015】

〔熱交換システム〕
図１に示す熱交換システム１は、需要先に熱を供給するための伝熱流体を、蒸気との熱交換により加熱するシステムである。需要先の具体例としては、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：液化天然ガス）の気化設備が挙げられるがこれに限られない。需要先は、伝熱流体による熱の供給を必要とする限りいかなる設備であってもよい。

【0016】

一例として、熱交換システム１は、熱交換装置２と、ガス冷却装置３とを備える。熱交換装置２は、蒸気との熱交換により伝熱流体を加熱する。伝熱流体の具体例としては水が挙げられるが、これに限られない。伝熱流体は、水の他の液体であってもよいし、気体であってもよい。

【0017】

ガス冷却装置３は、需要先において吸熱された伝熱流体との熱交換によりガスを冷却する装置である。ガス冷却装置３は、ガスとの熱交換により伝熱流体を加熱する装置でもある。例えばガス冷却装置３は、伝熱流体との熱交換によりガスタービンの吸気を冷却するＧＴ吸気冷却装置である。なお、熱交換システム１は必ずしもガス冷却装置３を備えなくてもよいし、伝熱流体との熱交換を利用する他の装置を更に備えていてもよい。

【0018】

例えば熱交換装置２は、熱交換容器１０と、蒸気供給管２０と、排液管３０と、伝熱管４０と、第１管路５０と、第２管路６０と、熱交換コントローラ１００とを備える。熱交換容器１０は、蒸気と、当該蒸気の凝縮により生成される凝縮液（例えば凝縮水）とを収容する。熱交換容器１０には、蒸気圧センサ１１と液位センサ１２とが設けられている（熱交換装置２は蒸気圧センサ１１と液位センサ１２とを更に備える）。蒸気圧センサ１１は、熱交換容器１０内の蒸気圧を検出する。液位センサ１２は、熱交換容器１０内の凝縮液の液位を検出する。

【0019】

蒸気供給管２０は、熱交換容器１０内に蒸気を供給する。蒸気供給管２０には蒸気バルブ２１が設けられている（熱交換装置２は蒸気バルブ２１を更に備える）。蒸気バルブ２１は、制御信号に従って蒸気供給管２０内の流路の開度を変更する。蒸気供給管２０内の流路の開度変更によって、熱交換容器１０内の蒸気の圧力が変更される。

【0020】

排液管３０は、熱交換容器１０内から凝縮液を排出する。排液管３０には排液バルブ３１が設けられている（熱交換装置２は排液バルブ３１を更に備える）。排液バルブ３１は、制御信号に従って排液管３０内の流路の開度を変更する。排液管３０内の流路の開度変更によって、熱交換容器１０内の凝縮液の液位が変更される。

【0021】

伝熱管４０は、熱交換容器１０内の凝縮液の液位に従って蒸気に触れる表面積が変わるように熱交換容器１０内に設けられている。例えば伝熱管４０は、熱交換容器１０内の少なくとも一部において上下に延びている。図示のように、伝熱管４０は屈曲しながら上下に延びていてもよいし、熱交換容器１０を上下に貫通していてもよい。上記伝熱流体は、伝熱管４０の内部を通過する。

【0022】

伝熱管４０のうち、凝縮液の液面よりも上に位置する部分（以下、「気中部分４０ａ」という。）は蒸気に触れ、凝縮液の液面よりも下に位置する部分（以下、「液中部分４０ｂ」という。）は蒸気に触れない。伝熱管４０が熱交換容器１０内を上下に延びるので、凝縮液の液位に従って気中部分４０ａの長さが変化する。具体的には、凝縮液の液位が高くなると気中部分４０ａが短くなり、凝縮液の液位が低くなると気中部分４０ａが長くなる。このため、蒸気に触れる伝熱管４０の表面積は、凝縮液の液位が高くなると小さくなり、凝縮液の液位が低くなると大きくなる。

【0023】

第１管路５０は、伝熱管４０を通過した伝熱流体を需要先に送る。一例として、需要先はＬＮＧ気化システム４である。ＬＮＧ気化システム４は、ＬＮＧ気化装置７０と、ＬＮＧコントローラ２００とを有する。ＬＮＧ気化装置７０は、伝熱流体との熱交換によりＬＮＧを気化させる。

【0024】

例えばＬＮＧ気化装置７０は、ＬＮＧが流れるＬＮＧ管路７１と、伝熱流体が流れる伝熱流体管路７２とを有する。第１管路５０は、伝熱管４０の一端部と、伝熱流体管路７２の一端部とに接続されており、伝熱管４０を通過した伝熱流体を伝熱流体管路７２内に送る。以下、伝熱管４０の両端部のうち、第１管路５０が接続される端部を「出端部４０ｃ」といい、出端部４０ｃの反対の端部を「入端部４０ｄ」という。また、伝熱流体管路７２の両端部のうち、第１管路５０が接続される端部を「入端部７２ａ」といい、入端部７２ａの反対の端部を「出端部７２ｂ」という。ＬＮＧ気化装置７０は、ＬＮＧ管路７１と伝熱流体管路７２との間の伝熱により、伝熱流体とＬＮＧとの間の熱交換を生じさせる。

【0025】

ＬＮＧ管路７１にはＬＮＧ流量計７３が設けられていてもよい。ＬＮＧ流量計７３は、ＬＮＧ管路７１内のＬＮＧの流量を検出する。ＬＮＧコントローラ２００は、ＬＮＧ管路７１内のＬＮＧの流量を所定の目標流量に追従させるようにＬＮＧ気化装置７０を制御する。

【0026】

第１管路５０には、温度センサ５１が設けられている（熱交換装置２は温度センサ５１を更に備える）。温度センサ５１は、第１管路５０内の温度を検出する。温度センサ５１が検出する温度は、伝熱管４０から伝熱流体管路７２に向かう伝熱流体の温度に相当する。なお、第１管路５０内の温度を検出することは、第１管路５０内からサンプリングした伝熱流体の温度を検出することを含む。

【0027】

第２管路６０は、需要先を通過した伝熱流体を伝熱管４０に送る。例えば第２管路６０は、伝熱流体管路７２の出端部７２ｂに接続されており、伝熱流体管路７２を通過した伝熱流体を伝熱管４０に送る。第２管路６０は、ガス冷却装置３を経て、伝熱管４０の入端部４０ｄに接続されている。これにより、伝熱管４０から出て、第１管路５０、伝熱流体管路７２、及び第２管路６０を経て伝熱管４０に戻る伝熱流体の循環流路が形成されている。

【0028】

第２管路６０には、ポンプ６１と、流量センサ６４と、温度センサ６２，６３とが設けられている（熱交換装置２は、ポンプ６１と、温度センサ６２，６３と、流量センサ６４とを更に備える）。ポンプ６１は、伝熱流体管路７２からガス冷却装置３に向かって伝熱流体を圧送する。流量センサ６４は、伝熱流体管路７２からガス冷却装置３への伝熱流体の流量を検出する。温度センサ６２は、伝熱流体管路７２とガス冷却装置３との間における第２管路６０内の温度を検出する。温度センサ６２が検出する温度は、伝熱流体管路７２からガス冷却装置３に向かう伝熱流体の温度に相当する。温度センサ６３は、ガス冷却装置３と伝熱管４０との間における第２管路６０内の温度を検出する。温度センサ６３が検出する温度は、ガス冷却装置３を通過して伝熱管４０に向かう伝熱流体の温度に相当する。なお、第２管路６０内の温度を検出することは、第２管路６０内からサンプリングした伝熱流体の温度を検出することを含む。

【0029】

熱交換コントローラ１００は、例えばプログラマブルロジックコントローラであり、需要先の状態に関する情報に基づいて伝熱管４０内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出することと、目標熱量に基づいて熱交換容器１０内の凝縮液の液位を変更することと、第１管路５０内の温度に基づいて熱交換容器１０内の蒸気圧を変更することと、を実行するように構成されている。熱交換コントローラ１００は、１つの制御用コンピュータにより構成されていてもよいし、複数の制御用コンピュータにより構成されていてもよい。熱交換コントローラ１００は、機能上の構成（以下、「機能ブロック」という。）として、ポンプ制御部１１７と、熱量算出部１１１と、液面調節部１１２と、蒸気圧調節部１１３とを有する。

【0030】

ポンプ制御部１１７は、伝熱流体管路７２からガス冷却装置３への伝熱流体の流量を所定の目標流量に追従させるようにポンプ６１を制御する。例えばポンプ制御部１１７は、流量センサ６４により検出される流量を上記目標流量に追従させるようにポンプ６１を制御する。

【0031】

熱量算出部１１１は、需要先の状態に関する情報に基づいて伝熱管４０内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出する。需要先の状態に関する情報は、少なくとも需要先が必要とする熱量を直接的又は間接的に示す限りいかなる情報であってもよい。需要先が上述したＬＮＧ気化システム４である場合、需要先の状態に関する情報の具体例としては、ＬＮＧ管路７１におけるＬＮＧの流量が挙げられる。

【0032】

熱量算出部１１１は、需要先の状態に対する設定値に基づいて目標熱量を算出してもよい。例えば熱量算出部１１１は、ＬＮＧ管路７１におけるＬＮＧの目標流量（設定値）の情報をＬＮＧコントローラ２００から取得し、当該目標流量に基づいて目標熱量を算出してもよい。

【0033】

熱量算出部１１１は、伝熱流体の流量と温度とに更に基づいて目標熱量を算出してもよい。一例として、熱量算出部１１１は、次式により目標熱量を算出する。
目標熱量＝ＬＮＧ気化装置での予測熱交換量－ガス冷却装置での熱交換量・・・（１）
ＬＮＧ気化装置での予測熱交換量
＝ＬＮＧの目標流量×ＬＮＧの気化前後のエンタルピ差・・・（２）
ガス冷却装置での熱交換量
＝伝熱流体の流量×ガス冷却装置の前後における第２管路６０内の温度差・・・（３）

【0034】

例えば熱量算出部１１１は、伝熱流体の流量情報を流量センサ６４から取得し、ガス冷却装置３の前（上流）における第２管路６０内の温度情報を温度センサ６２から取得し、ガス冷却装置３の後（下流）における第２管路６０内の温度情報を温度センサ６３から取得する。

【0035】

なお、熱量算出部１１１は、需要先の状態の設定値に代えて、需要先の状態の検出値に基づいて目標熱量を算出してもよい。例えば熱量算出部１１１は、ＬＮＧ流量計７３により検出された流量に基づいて目標熱量を算出してもよい。

【0036】

液面調節部１１２は、熱量算出部１１１が算出した目標熱量に基づいて熱交換容器１０内における凝縮液の液位（以下、単に「液位」という。）を変更する。例えば液面調節部１１２は、目標熱量が高くなるのに応じて液位を低くし、目標熱量が低くなるのに応じて液位を高くするように排液バルブ３１の開度を調節する。

【0037】

液面調節部１１２は、上記目標熱量と、第１管路５０内の温度との両方に基づいて液位を変更してもよい。例えば液面調節部１１２は、以下２つの制御を組み合わせて実行してもよい。
制御１）目標熱量が高くなるのに応じて液位を低くし、目標熱量が低くなるのに応じて液位を高くするように排液バルブ３１の開度を調節する。
制御２）第１管路５０内の温度が高くなるのに応じて液位を高くし、第１管路５０内の温度が低くなるのに応じて液位を低くするように排液バルブ３１の開度を調節する。

【0038】

蒸気圧調節部１１３は、第１管路５０内の温度に基づいて熱交換容器１０内の蒸気圧（以下、単に「蒸気圧」という。）を変更する。例えば蒸気圧調節部１１３は、第１管路５０内の温度が高くなるのに応じて蒸気圧を低くし、第１管路５０内の温度が低くなるのに応じて蒸気圧を高くするように蒸気バルブ２１の開度を調節する。

【0039】

蒸気圧調節部１１３は、温度センサ５１が検出した温度に基づくフィードバック制御により蒸気バルブ２１の開度を変更してもよい。例えば蒸気圧調節部１１３は、所定の目標温度と、温度センサ５１が検出した温度との偏差を縮小するように蒸気圧目標値を算出し、蒸気圧（例えば蒸気圧センサ１１が検出する蒸気圧）を蒸気圧目標値に追従させるように蒸気バルブ２１の開度を変更する。一例として、蒸気圧調節部１１３は、上記偏差に比例演算、比例・積分演算、又は比例・積分・微分演算等を施して上記蒸気圧目標値を算出する。

【0040】

熱交換コントローラ１００は、目標熱量と液位との関係を表すように予め生成された液位プロファイルと、目標熱量とに基づいて液位を変更するように構成されていてもよい。例えば熱交換コントローラ１００は、液位プロファイルを記憶するプロファイル記憶部１１４を更に有する。液位プロファイルは、例えば事前の実機試験又はシミュレーションにより予め生成されている。液位プロファイルは、目標熱量と液位との関係を表す関数であってもよいし、目標熱量と液位との関係を離散的に表すテーブルであってもよい。液面調節部１１２は、液位プロファイルに基づいて目標熱量に対応する液位目標値を算出し、液位（例えば液位センサ１２が検出する液位）を液位目標値に近付けるように排液バルブ３１の開度を調節する。

【0041】

熱交換コントローラ１００は、熱交換容器１０における外乱を検出し、蒸気圧調節部１１３に対する外乱の影響を抑制するように液位プロファイルを変更するように構成されていてもよい。例えば熱交換コントローラ１００は、外乱検出部１１５と、プロファイル変更部１１６とを更に有する。

【0042】

外乱検出部１１５は、熱交換容器１０における外乱を検出する。熱交換容器１０における外乱とは、熱交換容器１０の状態変化のうち、液位の変化、蒸気圧の変化、及び伝熱流体の温度変化の他の状態変化を意味する。外乱の具体例としては、ポンプ６１による伝熱流体の流量（以下、単に「伝熱流体の流量」という。）の変化、蒸気供給管２０により供給される蒸気の温度（以下、単に「蒸気の温度」という。）の変化、蒸気から伝熱流体への伝熱効率（以下、単に「伝熱効率」という。）の変化等が挙げられる。

【0043】

外乱検出部１１５は、蒸気圧が所定の制御限界に達した状態の継続期間に基づいて外乱を検出してもよい。制御限界の具体例としては、蒸気圧に対して予め設定された下限値及び上限値が挙げられる。例えば外乱検出部１１５は、蒸気圧の情報を蒸気圧調節部１１３から取得する。

【0044】

液面調節部１１２により液位が適切に調節されている場合、外乱が生じない限り、蒸気圧は下限値及び上限値の間に保たれ得る。そこで、液面調節部１１２により液位が適切に調節されているにもかかわらず、蒸気圧が下限値又は上限値に達した状態が継続してしまう場合、外乱が生じていることが予測される。例えば、蒸気圧が下限値に達した状態が継続している場合、伝熱流体の温度を上げる外乱が生じていることが予測される。伝熱流体の温度を上げる外乱としては、伝熱流体の流量増加、蒸気の温度上昇、又は伝熱効率上昇等が挙げられる。蒸気圧が上限値に達した状態が継続している場合、伝熱流体の温度を下げる外乱が生じていることが予測される。伝熱流体の温度を下げる外乱としては、伝熱流体の流量減少、蒸気の温度低下、又は伝熱効率低下等が挙げられる。

【0045】

外乱検出部１１５は、蒸気の温度の変化に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、外乱検出部１１５は、蒸気の発生源（例えばボイラ）等から蒸気の温度に関する情報を取得する。外乱検出部１１５は、蒸気から伝熱流体への伝熱効率の変化に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、外乱検出部１１５は、蒸気の温度、蒸気圧、液位、伝熱流体の流量、伝熱管４０の通過前後の伝熱流体の温度差等に基づいて伝熱効率を算出する。

【0046】

プロファイル変更部１１６は、蒸気圧調節部１１３に対する外乱の影響を抑制するように液位プロファイルを変更する。例えばプロファイル変更部１１６は、伝熱流体の温度を下げる外乱が生じている場合に、これに応じた蒸気圧の上昇を抑制するように、液位プロファイルにおける液位を低くする。プロファイル変更部１１６は、伝熱流体の温度を上げる外乱が生じている場合に、これに応じた蒸気圧の下降を抑制するように、液位プロファイルにおける液位を高くする。

【0047】

一例として、蒸気圧が上述の上限値に達した状態の継続を外乱検出部１１５が検出した場合、プロファイル変更部１１６は、蒸気圧が上限値に達した状態が解除されるまで、液位プロファイルの液位から所定値を減算することを繰り返す。蒸気圧が上述の下限値に達した状態の継続を外乱検出部１１５が検出した場合、プロファイル変更部１１６は、蒸気圧が下限値に達した状態が解除されるまで、液位プロファイルの液位に所定値を加算することを繰り返す。

【0048】

蒸気の温度上昇を外乱検出部１１５が検出した場合、プロファイル変更部１１６は、蒸気の温度の上昇量に応じた上昇量にて、液位プロファイルの液位を高くする。蒸気の温度低下を外乱検出部１１５が検出した場合、プロファイル変更部１１６は、蒸気の温度の低下量に応じた低下量にて、液位プロファイルの液位を低くする。

【0049】

伝熱効率の上昇を外乱検出部１１５が検出した場合、プロファイル変更部１１６は、伝熱効率の上昇量に応じた上昇量にて、液位プロファイルの液位を高くする。伝熱効率の低下を外乱検出部１１５が検出した場合、プロファイル変更部１１６は、伝熱効率の低下量に応じた上昇量にて、液位プロファイルの液位を低くする。プロファイル変更部１１６は、液位プロファイルにおける液位の変更量を、目標熱量によらず一定にしてもよいし、目標熱量に応じて変えてもよい。

【0050】

図２は、熱交換コントローラ１００のハードウェア構成を例示するブロック図である。図２に示すように、熱交換コントローラ１００は、一つ又は複数の制御用コンピュータにより構成される。例えば熱交換コントローラ１００は、回路１９０を有する。回路１９０は、少なくとも１つのプロセッサ１９１と、少なくとも１つのメモリ１９２と、ストレージ１９３と、入出力ポート１９４と、通信ポート１９５とを有する。ストレージ１９３は、例えばハードディスク等、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を有する。記憶媒体は、不揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク及び光ディスク等の取り出し可能な媒体であってもよい。ストレージ１９３は、需要先の状態に関する情報に基づいて伝熱管４０内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出することと、目標熱量に基づいて熱交換容器１０内の凝縮液の液位を変更することと、第１管路５０内の温度に基づいて熱交換容器１０内の蒸気圧を変更することと、を熱交換コントローラ１００に実行させるためのプログラムを記憶している。例えばストレージ１９３は、上述した各機能ブロックを熱交換コントローラ１００に構成させるためのプログラムを記憶している。

【0051】

メモリ１９２は、ストレージ１９３からロードしたプログラム及びプロセッサ１９１による演算結果を一時的に記憶する。プロセッサ１９１は、メモリ１９２と協働して上記プログラムを実行することで、熱交換コントローラ１００の各機能ブロックを構成する。入出力ポート１９４は、プロセッサ１９１からの指令に従って、蒸気圧センサ１１、液位センサ１２、蒸気バルブ２１、温度センサ５１，６２，６３、流量センサ６４及びポンプ６１との間で電気信号の入出力を行う。通信ポート１９５は、プロセッサ１９１からの指令に従って、ＬＮＧコントローラ２００との間で情報通信を行う。

【0052】

なお、熱交換コントローラ１００は、必ずしもプログラムにより各機能ブロックを構成するものに限られない。例えば熱交換コントローラ１００の各機能ブロックは、専用の論理回路又はこれを集積したＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により構成されていてもよい。

【0053】

〔熱交換装置の制御手順〕
続いて、熱交換装置の制御方法の一例として、熱交換コントローラ１００が実行する制御手順を例示する。この手順は、熱交換装置２の制御手順と、液位プロファイルの変更手順とを含む。以下、それぞれの手順を詳細に例示する。

【0054】

（熱交換装置の制御手順）
この手順は、需要先の状態に関する情報に基づいて伝熱管４０内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出することと、目標熱量に基づいて凝縮液の液位を変更することと、第１管路５０内の温度に基づいて熱交換容器１０内の蒸気圧を変更することと、を含む。

【0055】

例えば図３に示すように、熱交換コントローラ１００は、ステップＳ０１，Ｓ０２，Ｓ０３，Ｓ０４，Ｓ０５，Ｓ０６，Ｓ０７を実行する。ステップＳ０１では、熱量算出部１１１が、需要先の状態に関する情報を取得する。例えば熱量算出部１１１は、ＬＮＧ管路７１におけるＬＮＧの流量に関する情報を取得する。一例として、熱量算出部１１１は、ＬＮＧ管路７１におけるＬＮＧの目標流量の情報をＬＮＧコントローラ２００から取得する。

【0056】

ステップＳ０２では、熱量算出部１１１が、伝熱流体の流量の情報と、ガス冷却装置３の前後における第２管路６０内の温度の情報とを取得する。例えば熱量算出部１１１は、伝熱流体の流量の検出結果を流量センサ６４から取得し、第２管路６０内の温度の検出結果を温度センサ６２，６３から取得する。

【0057】

ステップＳ０３では、熱量算出部１１１が、ＬＮＧの目標流量と、伝熱流体の流量と、ガス冷却装置３の通過前後の伝熱流体の温度とに基づいて、目標熱量を算出する。例えば熱量算出部１１１は、上述した式（１）、（２）及び（３）に基づいて目標熱量を算出する。

【0058】

ステップＳ０４では、プロファイル記憶部１１４が記憶する液位プロファイルに基づいて、液面調節部１１２が、目標熱量に対応する液位目標値を算出する。ステップＳ０５では、液面調節部１１２が、液位を液位目標値に近付けるように排液バルブ３１の開度を調節する。

【0059】

ステップＳ０６では、蒸気圧調節部１１３が、第１管路５０内の温度（伝熱管４０から需要先に向かう伝熱流体の温度）の情報を取得する。例えば蒸気圧調節部１１３は、第１管路５０内の温度の検出結果を温度センサ５１から取得する。ステップＳ０７では、蒸気圧調節部１１３が、目標温度と、第１管路５０内の温度との偏差を縮小するように開度の変更量を算出し、当該変更量にて蒸気バルブ２１の開度を変更する。熱交換コントローラ１００は、以上の手順を繰り返す。これにより、ＬＮＧの流量が変動しても、第１管路５０内の温度が目標温度の近傍に保たれる。

【0060】

（液位プロファイルの変更手順）
この手順は、熱交換容器１０内における外乱を検出し、蒸気圧調節部１１３に対する外乱の影響を抑制するように液位プロファイルを変更することを含む。例えば図４に示すように、熱交換コントローラ１００は、まずステップＳ１１を実行する。ステップＳ１１では、蒸気バルブ２１の開度が上限に達しているかを外乱検出部１１５が確認する。

【0061】

ステップＳ１１において蒸気バルブ２１の開度が上限に達していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ１２を実行する。ステップＳ１２では、蒸気バルブ２１の開度が下限に達しているかを外乱検出部１１５が確認する。ステップＳ１２において蒸気バルブ２１の開度が下限に達していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００は処理をステップＳ１１に戻す。

【0062】

ステップＳ１１において蒸気バルブ２１の開度が上限に達していると判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ１３を実行する。ステップＳ１３では、蒸気バルブ２１の開度が上限に達した状態が所定期間継続したかを外乱検出部１１５が確認する。ステップＳ１３において蒸気バルブ２１の開度が上限に達した状態が所定期間継続していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００は処理をステップＳ１１に戻す。

【0063】

ステップＳ１３において蒸気バルブ２１の開度が上限に達した状態が所定期間継続したと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ１４を実行する。ステップＳ１４では、プロファイル変更部１１６が、液位プロファイルの液位から所定値を減算する。

【0064】

ステップＳ１２において蒸気バルブ２１の開度が下限に達していると判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ１５を実行する。ステップＳ１５では、蒸気バルブ２１の開度が下限に達した状態が所定期間継続したかを外乱検出部１１５が確認する。ステップＳ１５において蒸気バルブ２１の開度が下限に達した状態が所定期間継続していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００は処理をステップＳ１１に戻す。

【0065】

ステップＳ１５において蒸気バルブ２１の開度が下限に達した状態が所定期間継続したと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ１６を実行する。ステップＳ１６では、プロファイル変更部１１６が、液位プロファイルの液位に所定値を加算する。

【0066】

熱交換コントローラ１００は以上の手順を繰り返す。これにより、蒸気圧が上限値に達した状態の継続が検出された場合、蒸気圧が上限値に達した状態が解除されるまで、液位プロファイルの液位から所定値を減算することが繰り返される。蒸気圧が下限値に達した状態の継続が検出された場合、蒸気圧が下限値に達した状態が解除されるまで、液位プロファイルの液位に所定値を加算することが繰り返される。

【0067】

液位プロファイルを変更手順の変形例として、蒸気温度に基づく液位プロファイルの変更手順を示す。図５に示すように、熱交換コントローラ１００は、まずステップＳ２１を実行する。ステップＳ２１では、蒸気の温度が低下したかを外乱検出部１１５が確認する。

【0068】

ステップＳ２１において蒸気の温度が低下していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ２２を実行する。ステップＳ２２では、蒸気の温度が上昇したかを外乱検出部１１５が確認する。ステップＳ２２において蒸気の温度が上昇していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００は処理をステップＳ２１に戻す。

【0069】

ステップＳ２１において蒸気の温度が低下したと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ２３を実行する。ステップＳ２３では、プロファイル変更部１１６が、蒸気の温度の低下量に応じた低下量にて、液位プロファイルの液位を低くする。

【0070】

ステップＳ２２において蒸気の温度が上昇したと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ２４を実行する。ステップＳ２４では、プロファイル変更部１１６が、蒸気の温度の上昇量に応じた上昇量にて、液位プロファイルの液位を高くする。熱交換コントローラ１００は以上の手順を繰り返す。

【0071】

液位プロファイルを変更手順の他の変形例として、伝熱効率に基づく液位プロファイルの変更手順を示す。図６に示すように、熱交換コントローラ１００は、まずステップＳ３１を実行する。ステップＳ３１では、伝熱効率が低下したかを外乱検出部１１５が確認する。

【0072】

ステップＳ３１において伝熱効率が低下していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ３２を実行する。ステップＳ３２では、伝熱効率が上昇したかを外乱検出部１１５が確認する。ステップＳ３２において伝熱効率が上昇していないと判定した場合、熱交換コントローラ１００は処理をステップＳ３１に戻す。

【0073】

ステップＳ３１において伝熱効率が低下したと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ３３を実行する。ステップＳ３３では、プロファイル変更部１１６が、伝熱効率の低下量に応じた低下量にて、液位プロファイルの液位を低くする。

【0074】

ステップＳ３２において伝熱効率が上昇したと判定した場合、熱交換コントローラ１００はステップＳ３４を実行する。ステップＳ３４では、プロファイル変更部１１６が、伝熱効率の上昇量に応じた上昇量にて、液位プロファイルの液位を高くする。熱交換コントローラ１００は以上の手順を繰り返す。

【0075】

〔本実施形態の効果〕
以上に説明したように、熱交換装置２は、蒸気と当該蒸気の凝縮液とを収容する熱交換容器１０と、凝縮液の液位に従って蒸気に触れる表面積が変わるように熱交換容器１０内に設けられ、且つ、その内部を伝熱流体が通過する伝熱管４０と、伝熱管４０を通過した伝熱流体を需要先に送る第１管路５０と、需要先を通過した伝熱流体を伝熱管４０に送る第２管路６０と、需要先の状態に関する情報に基づいて伝熱管４０内の伝熱流体に付与すべき目標熱量を算出する熱量算出部１１１と、目標熱量に基づいて液位を変更する液面調節部１１２と、第１管路５０内の温度に基づいて熱交換容器１０内の蒸気圧を変更する蒸気圧調節部１１３と、を備える。

【0076】

蒸気圧の変更に対して、液位の変更には時間がかかる。このため、仮に液位と蒸気圧との両方を第１管路５０内の温度に基づいて調節すると、当該温度の変化に対する蒸気圧の適応タイミングに比較して、当該温度の変化に対する液位の適応タイミングが遅れる。液位と蒸気圧とにより伝熱流体の温度を調節する装置においては、液位による温度の調整範囲が蒸気圧による温度の調整範囲よりも大きい傾向がある。このため、液位の適応タイミングが遅れると、その影響を蒸気圧の調節で吸収しきれない可能性がある。これに対し、熱交換装置２によれば、目標熱量の変化によって第１管路５０内の温度が変化する前に、目標熱量に基づいて液位の変更が開始される。このため、蒸気圧の適応タイミングに対する液位の適応タイミングの遅れが抑制される。従って、この熱交換装置２は凝縮液の液位を利用した伝熱量の調節と、熱の需要先の状態変化への適応性との両立に有効である。

【0077】

熱量算出部１１１は、需要先の状態に対する設定値に基づいて目標熱量を算出してもよい。この場合、蒸気圧の適応タイミングに対する液位の適応タイミングの遅れが更に抑制される。

【0078】

熱交換装置２は、目標熱量と液位との関係を表す液位プロファイルを記憶するプロファイル記憶部１１４を更に備え、液面調節部１１２は、液位プロファイルに基づいて目標熱量に対応する液位目標値を算出し、液位を液位目標値に近付けてもよい。この場合、目標熱量に基づく液位調節を容易且つ適切に実行可能である。

【0079】

熱交換装置２は、熱交換容器１０における外乱を検出する外乱検出部１１５と、蒸気圧調節部１１３に対する外乱の影響を抑制するように液位プロファイルを変更するプロファイル変更部１１６と、を更に備えていてもよい。この場合、目標熱量に基づく液位調節をより適切に実行可能である。

【0080】

外乱検出部１１５は、蒸気圧が所定の制御限界に達した状態の継続期間に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、外乱を簡素な構成で検出可能である。外乱検出部１１５は、蒸気の温度の変化に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、外乱を迅速に検出可能である。外乱検出部１１５は、蒸気から伝熱流体への伝熱効率の変化に基づいて外乱を検出してもよい。この場合、経時的な特性変化に起因する外乱も迅速に検出可能である。

【0081】

以上、実施形態について説明したが、本開示は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0082】

２…熱交換装置、１０…熱交換容器、４０…伝熱管、５０…第１管路、６０…第２管路、１１１…熱量算出部、１１２…液面調節部、１１３…蒸気圧調節部、１１４…プロファイル記憶部、１１５…外乱検出部、１１６…プロファイル変更部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】