説明

蒸気駆動式圧縮装置

【課題】蒸気膨張機の回転数が急変しない蒸気駆動式圧縮装置を提供する。
【解決手段】蒸気駆動式圧縮装置1は、蒸気膨張機2と、蒸気膨張2によって駆動される圧縮機4,5と、逆止弁8を備える吐出流路9と、逆止弁8の上流側において吐出流路9から分岐し、放風弁10を介して外部に開放した放風流路12とを有し、逆止弁8の下流側において吐出流路9の圧力を検出する制御圧力検出器14の検出値Pcが所定の設定圧力になるように、蒸気膨張機2の蒸気の流量を制御する蒸気制御弁15の開度を調節する主制御装置17と、回転数検出器16の検出値が所定の下限回転数以下である場合、逆止弁8の上流側において吐出流路9の圧力を検出する吐出圧力検出器13の検出値Pdが設定圧力になるように、放風弁10を開放する放風制御装置18とを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、蒸気駆動式圧縮装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ボイラで発生した蒸気を使用するプラントにおいては、ボイラが発生する中圧(例えば1.2〜1.6MPa)の蒸気を減圧弁で減圧し、低圧(例えば0.8〜0.9MPa)の蒸気を需要設備に供給するのが一般的である。減圧弁で蒸気を減圧すると、蒸気の圧力差エネルギーを廃棄することになるためエネルギーを回収することが望まれる。
【0003】
特許文献1には、蒸気でスクリュ蒸気膨張機(「蒸気モータ」または「スチームエンド」)を駆動することによって、蒸気の圧力エネルギーを回転力に変換して回収し、さらにその蒸気膨張機の回転力によってスクリュ圧縮機を駆動して、空気を圧縮する蒸気駆動式圧縮装置が記載されている。
【0004】
電気モータで駆動するスクリュ圧縮機では、スクリュ圧縮機が吐出した圧縮空気を蓄えるリザーバ(または配管)の圧力(負荷)が設定値に到達するとスクリュ圧縮機の吸込流路に設けられた吸込調整弁を閉じ、リザーバの圧力が設定値以下に低下すると再度吸込調整弁を開くロード/アンロード機構が広く採用されている。気体を圧縮するために必要な圧縮仕事(トルク)は、気体の圧力に比例するため、ロード/アンロード機構により吸込調整弁を閉じてスクリュ圧縮機の吸込圧力を低下させることで、スクリュ圧縮機の負荷(スクリュ圧縮機が発生する制動トルク)を全負荷の約20%まで低減できることが知られている。
【0005】
蒸気膨張機によってスクリュ圧縮機を駆動する場合、蒸気膨張機およびスクリュ圧縮機の回転数は、蒸気膨張機において発生する駆動トルクとスクリュ圧縮機の制動トルクとが釣り合う回転数になる。したがって、スクリュ圧縮機の制動トルクが低下すると、蒸気膨張機の回転数が上昇する。つまり、蒸気駆動式圧縮装置にロード/アンロード機構を採用すると、アンロード時に蒸気膨張機が急加速するという問題が生じる。
【0006】
特許文献1の蒸気駆動式圧縮装置は、蒸気膨張機に蒸気を供給する流路に制御弁を設け、この制御弁をスクリュ圧縮機の吐出流路の圧力を一定に保つようにPID制御することで、蒸気膨張機の回転数を制御するようになっている。このような構成では、負荷が小さいときにスクリュ圧縮機の回転数が非常に低くなる。すると、スクリュロータの隙間から、吐出側の圧縮空気が吸込側に漏れ戻る。この圧縮空気の漏れ戻りによって、圧縮によって生じた熱が吸込側に伝達されるため、吐出する圧縮空気の温度が徐々に上昇するという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2009−250196号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
前記問題点に鑑みて、本発明は、蒸気膨張機の回転数が急変しない蒸気駆動式圧縮装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記課題を解決するために、本発明による蒸気駆動式圧縮装置は、蒸気の膨張力を回転力に変換する蒸気膨張機と、前記蒸気膨張機によって駆動されて対象気体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から圧縮された前記対象気体が吐出され、逆止弁を備える吐出流路と、前記逆止弁の上流側において前記吐出流路から分岐し、放風弁を介して外部に開放した放風流路とを有し、前記逆止弁の上流側において前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、前記逆止弁の下流側において前記吐出流路の圧力を検出する制御圧力検出器と、前記蒸気膨張機の回転数を検出する回転数検出器と、前記蒸気膨張機の前記蒸気の流量を制御可能な蒸気制御弁と、前記制御圧力検出器の検出値が所定の設定圧力になるように、前記蒸気制御弁の開度を調節する主制御装置と、前記回転数検出器の検出値が所定の下限回転数以下である場合、前記吐出圧力検出器の検出値が前記設定圧力になるように、前記放風弁を開放する放風制御装置とを備えるものとする。
【0010】
この構成によれば、需要負荷と圧縮空気の供給量とのバランスに応じて変動する制御圧力検出器の検出値に応じて蒸気制御弁の開度を調節する。これにより、蒸気膨張機の駆動トルクを制御して、蒸気圧縮機の回転数を調整することで、圧縮空気の供給量を需要量にバランスさせる。また、蒸気圧縮機の回転数が下限値まで低下した場合には、放風弁を開放して圧縮空気の供給量を強制的に減少させることで、蒸気圧縮機の回転数が下限回転数より小さくならないようにする。これによって、圧縮機内において、対象気体が吐出側(高圧側)から吸込側(低圧側)にリークすることにより対象気体の吸込温度ひいては吐出温度が高温になることを防止できる。
【0011】
また、本発明の蒸気駆動式圧縮機において、前記放風制御装置は、前記放風弁の開度を連続的に調節可能であってもよい。
【0012】
この構成によれば、放風量を連続的に調節できるので、圧縮空気の供給量をスムーズに変化させて、急激な負荷変動を抑制し、安定した運転ができる。
【0013】
また、本発明の蒸気駆動式圧縮機において、前記放風流路は、それぞれに前記放風弁を備える複数の分岐流路を備え、前記放風制御装置は、前記吐出圧力検出器の検出値に応じて、開放する前記放風弁の数を調節してもよい。
【0014】
この構成によれば、放風弁の台数制御によって放風量を調節するので、圧縮機のトルク変動を低減してスムーズな運転が可能である。
【0015】
また、本発明の蒸気駆動式圧縮機において、前記放風弁の下流側にサイレンサを備えてもよい。
【0016】
この構成によれば、放風による騒音が低減される。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の第1実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【図2】本発明の第2実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【図3】本発明の第3実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【図4】本発明の第4実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、図1に、本発明の第1実施形態である蒸気駆動式圧縮装置1を示す。蒸気駆動式圧縮装置1は、空気を圧縮すべき対象気体とする圧縮空気製造装置である。
【0019】
蒸気駆動式圧縮装置1は、蒸気の膨張力を回転力に変換する蒸気膨張機2と、ギア3を介して蒸気膨張機2によって駆動され、空気を圧縮する第1段圧縮機4および第2段圧縮機5とを有する。蒸気膨張機2は、ハウジング内に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、スクリュロータの歯溝内の密閉空間において蒸気を膨張させることによって、スクリュロータを回転させるスクリュエキスパンダである。第1段圧縮機4および第2段圧縮機5は、ハウジング内に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、スクリュロータを回転駆動することによって、スクリュロータの歯溝内の密閉空間において空気を圧縮するスクリュ圧縮機である。
【0020】
蒸気駆動式圧縮装置1において、第1段圧縮機4と第2段圧縮機5とはインタークーラ6を介して直列に接続されている。つまり、第1段圧縮機4が圧縮して吐出した空気は、インタークーラ6で冷却された後、第2段圧縮機5によってさらに圧縮される。第2段圧縮機5が吐出した圧縮空気は、アフタークーラ7および逆止弁8が介設された吐出流路9を通して不図示のリザーバに送られ、リザーバから需要先に供給される。リザーバには、他の空気圧縮装置が並列に接続されてもよい。
【0021】
また、蒸気駆動式圧縮装置1は、アフタークーラ7と逆止弁8との間において吐出流路9から分岐し、放風弁10を介してサイレンサ11に接続された放風流路12を有する。つまり、サイレンサ11を設けた放風流路12の末端は、大気に開放されている。
【0022】
また、吐出流路9には、逆止弁8の上流側、より詳しくは、アフタークーラ7と放風流路12との間において圧縮空気の圧力Pdを検出する吐出圧力検出器13と、逆止弁8の下流側において圧縮空気の圧力Pcを検出する制御圧力検出器14とを備える。
【0023】
さらに、蒸気駆動式圧縮装置1は、蒸気膨張機2に蒸気を供給する流路に、開度調節することによって蒸気の流量を制御できる蒸気制御弁15が設けられており、蒸気膨張機2の回転数RIを検出する回転数検出器16を備える。
【0024】
そして、蒸気駆動式圧縮装置1は、制御圧力検出器14の検出値Pcが入力され、制御圧力検出器14の検出値が予め設定した所定の設定圧力Pset(例えば0.7MPa)になるように、蒸気制御弁15の開度を調節するPIDコントローラからなる主制御装置17と、吐出圧力検出器13の検出値Pdおよび回転数検出器16の検出値RIに基づいて放風弁10の開度を調節する放風制御装置18とを備える。尚、主制御装置17と放風制御装置18とは、同一のコンピュータ等の制御装置によって実現されてもよい。
【0025】
放風制御装置18は、蒸気膨張機2の回転数RIが所定の下限値RL(例えば定格回転数の40%)を超えている場合には放風弁10を全閉状態に保ち、回転数RIが下限値RL以下である場合にのみ、放風弁10を開放し得るようにプログラムされている。そして、放風制御装置18は、吐出圧力検出器13の検出値Pdに基づいて、吐出圧力検出器13の検出値Pdが設定圧力Psetになるように、例えばPID制御によって放風弁10の開度を調節する。
【0026】
回転数RIの下限値RLは、第1段圧縮機4または第2段圧縮機5において一度圧縮した吐出側の空気がスクリュロータの隙間から吸込側に漏れ戻ることにより、圧縮空気の温度が上昇して不具合の発生が危惧される回転数に、安全のための余裕分の回転数を加えた回転数に設定する。
【0027】
この蒸気駆動式圧縮装置1において、圧縮空気の需要が多い場合には、リザーバの圧力、即ち、制御圧力検出器14の検出値Pcが低下する。すると、主制御装置17は、蒸気制御弁15の開度を大きくして、蒸気膨張機2への蒸気供給量を増加させる。これにより、蒸気膨張機2の駆動トルクが増大し、第1段圧縮機4および第2段圧縮機5の回転数を上昇させて、圧縮空気の吐出量を増大させる。
【0028】
逆に、圧縮空気の需要が少ない場合には、蒸気駆動式圧縮装置1からリザーバに圧縮空気が過剰に供給されるため、制御圧力検出器14の検出値Pcが上昇する。すると、主制御装置17は、蒸気制御弁15の開度を小さくして、蒸気膨張機2への蒸気供給量を減少させる。これにより、蒸気膨張機2の駆動トルクが低下し、第1段圧縮機4および第2段圧縮機5の回転数を低下させて、圧縮空気の吐出量を減少させる。
【0029】
圧縮空気の需要がさらに少なくなり、蒸気膨張機2の回転数RIが下限値RLまで低下すると、放風制御装置18が放風弁10の開度調節を開始する。主制御装置17が蒸気制御弁15の開度をさらに小さくしようとする状態、つまり、制御圧力検出器14の検出値Pcが設定圧力Psetより大きい場合には、蒸気駆動式圧縮装置1からの圧縮空気の供給が勝っている状態であるので、吐出圧力検出器13の検出値Pdは、検出値Pcと略等しい値となる。したがって、放風制御装置18は、放風弁10を開放して吐出流路9の逆止弁8よりも上流側から圧縮空気を放出し、制御圧力検出器14の検出値Pcを低下させる。
【0030】
つまり、放風制御装置18は、放風弁10の開度調節によって、吐出流路9の逆止弁8の上流側における圧力Pdを逆止弁8の下流側の圧力Pcよりも低くして、蒸気駆動式圧縮装置1からリザーバへの圧縮空気の供給を停止する。逆止弁8よりも下流側の制御圧力検出器14の検出値Pcは、その後、リザーバ中の圧縮空気が需要設備によって消費されることによって低下する。
【0031】
さらにリザーバ中の圧縮空気が消費されて、制御圧力検出器14の検出値Pcが設定圧力Psetよりも小さくなると、主制御装置17が蒸気制御弁15の開度を大きくして、蒸気膨張機2の回転数を増大させる。これにより、蒸気膨張機2の回転数RIが下限値RLより大きくなるので、放風制御装置18は、放風弁10を閉鎖する。
【0032】
以上のように、蒸気駆動式圧縮装置1では、蒸気膨張機2の回転数RIが下限値RLまで低下したとき、放風制御装置18が圧縮空気を放風流路12から大気に放出することで、制御圧力検出器14の検出値Pcを低下させ、蒸気膨張機2の回転数RIのさらなる低下を防止する。これにより、第1段圧縮機4および第2段圧縮機5において、圧縮空気が吐出側から吸込側に漏れ戻ることが防止されるので、圧縮空気の過熱による第1段圧縮機4および第2段圧縮機5の損傷等のトラブルがない。
【0033】
図2に、本発明の第2実施形態である蒸気駆動式圧縮装置1を示す。尚、以降の実施形態において、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【0034】
本実施形態の蒸気駆動式圧縮装置1において、放風流路12は、それぞれ、全閉または全開のみが選択できる放風弁10aを備え、大気開放された末端にサイレンサ11が設けられた複数の分岐流路19を有する。放風制御装置18は、回転数検出器16の検出値RIが下限値RL以下である場合に、吐出圧力検出器13の検出値Pdが設定圧力Psetになるように、開放する放風弁10aの個数を制御する。つまり、吐出圧力検出器13の検出値Pdが上昇している場合には、放風制御装置18は、開放している放風弁10aの個数を増加し、吐出圧力検出器13の検出値Pdが低下している場合には、放風制御装置18は、開放している放風弁10aの個数を減少する。
【0035】
このような放風流路12の構成でも、圧縮空気を適切な量だけ大気に放出して、蒸気膨張機2の回転数RIのさらなる低下を防止できる。
【0036】
図3に、本発明の第3実施形態である蒸気駆動式圧縮装置1を示す。本実施形態の蒸気駆動式圧縮装置1は、第1段圧縮機4を有するが、第2段圧縮機を有しない単段の圧縮装置である。本実施形態が示すように、本発明は、圧縮機の段数に関係なく適用できる。
【0037】
また、本実施形態の駆動式圧縮装置1において、蒸気制御弁15は、蒸気膨張機3の排気側に設けられている。このように、蒸気制御弁15は、蒸気膨張機2が発生する駆動トルクを調節できるものであればどのように配設されてもよい。
【0038】
図4に、本発明の第4実施形態である蒸気駆動式圧縮装置1を示す。本実施形態の蒸気駆動式圧縮装置1で、放風流路12は、アフタークーラ7の上流において、吐出流路9から分岐している。本実施形態では、放風流路12を介して大気の放出される圧縮空気がアフタークーラ7を通過しないので、アフタークーラ7の負荷が小さい。また、本実施形態が示すように、本発明における放風流路12は、逆止弁8の上流側であれば、吐出流路9のどこから分岐してもよい。
【符号の説明】
【0039】
1…蒸気駆動式圧縮装置
2…蒸気膨張機
4…第1段圧縮機
5…第2段圧縮機
8…逆止弁
9…吐出流路
10,10a…放風弁
11…サイレンサ
12…放風流路
13…吐出圧力検出器
14…制御圧力検出器
15…蒸気制御弁
16…回転数検出器
17…主制御装置
18…放風制御装置
19…分岐流路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
蒸気の膨張力を回転力に変換する蒸気膨張機と、
前記蒸気膨張機によって駆動されて対象気体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から圧縮された前記対象気体が吐出され、逆止弁を備える吐出流路と、
前記逆止弁の上流側において前記吐出流路から分岐し、放風弁を介して外部に開放した放風流路とを有し、
前記逆止弁の上流側において前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、
前記逆止弁の下流側において前記吐出流路の圧力を検出する制御圧力検出器と、
前記蒸気膨張機の回転数を検出する回転数検出器と、
前記蒸気膨張機の前記蒸気の流量を制御可能な蒸気制御弁と、
前記制御圧力検出器の検出値が所定の設定圧力になるように、前記蒸気制御弁の開度を調節する主制御装置と、
前記回転数検出器の検出値が所定の下限回転数以下である場合、前記吐出圧力検出器の検出値が前記設定圧力になるように、前記放風弁を開放する放風制御装置とを備えることを特徴とする蒸気駆動式圧縮装置。
【請求項2】
前記放風制御装置は、前記放風弁の開度を連続的に調節可能であることを特徴とする請求項1に記載の蒸気駆動式圧縮装置。
【請求項3】
前記放風流路は、それぞれに前記放風弁を備える複数の分岐流路を備え、
前記放風制御装置は、前記吐出圧力検出器の検出値に応じて、開放する前記放風弁の数を調節することを特徴とする請求項1に記載の蒸気駆動式圧縮装置。
【請求項4】
前記放風弁の下流側にサイレンサを備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の蒸気駆動式圧縮装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−7283(P2013−7283A)
【公開日】平成25年1月10日(2013.1.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−138814(P2011−138814)
【出願日】平成23年6月22日(2011.6.22)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】(000175272)三浦工業株式会社 (1,055)
【Fターム(参考)】