JP2010133696A

JP2010133696A - 蒸気圧縮装置

Info

Publication number: JP2010133696A
Application number: JP2009239475A
Authority: JP
Inventors: Masaki Matsukuma; 正樹松隈; Hideaki Kuwabara; 英明桑原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2010-06-17
Also published as: CN101737332B; CN101737332A

Abstract

【課題】圧縮機の過剰な温度上昇を防止でき、圧縮機の出力を蒸気エネルギーとして最大限に利用可能な蒸気圧縮装置を提供する。
【解決手段】作用空間に吸い込んだ気相の対象流体である蒸気を圧縮して、所定の吐出圧力Ｐｄの吐出配管８に吐出する容積式の圧縮機７と、圧縮機７の作用空間または吸い込み部に、液相の対象流体を導入する液導入手段と、吐出配管８に設けられ、圧縮機７が吐出した対象流体から液相分を分離するドレンセパレータ９とを有する蒸気圧縮装置１において、液導入手段は、圧縮機７が対象流体に与えるエネルギーの内、圧縮機７が吸い込んだ気相の対象流体が吐出圧力に昇圧するために消費して残る熱エネルギーを、液相の対象流体を気化させるための蒸発潜熱として消費してなお、対象流体を圧縮機７から一部が液相である湿り蒸気の状態で吐出させるのに十分な量の液相の対象流体を導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は蒸気圧縮装置に関する。

産業界において、蒸気を使用する設備は多いが、その潜熱まで消費できる設備は非常に少なく、０ＭＰａ、１００℃の蒸気が多量に廃棄されている。これらの廃棄されていた低圧蒸気を回収して、圧縮機で圧縮することにより、ボイラで新たに水を蒸発させるよりも少ないエネルギーで安価に、利用可能な圧力の蒸気に再生する蒸気圧縮装置が提案されている（例えば特許文献１）。

このような蒸気圧縮装置では、ボイラの主蒸気配管の設定圧力によって、圧縮機の吐出圧力も決定される。圧縮機は、圧縮する蒸気の量と圧力に対して十分に大きい容量を有するものが使用されるが、過剰な出力は、吐出する蒸気の過剰な温度上昇をもたらす。これらの熱は、有効に利用できないばかりか、圧縮機の温度を上昇させる。スクリュ圧縮機の場合、構造上、耐用温度が２５０℃程度、高くとも３００℃程度であるため、過剰な温度上昇は避けなければならない。

特公平６−７０５４０号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、圧縮機の過剰な温度上昇を防止でき、圧縮機の出力を蒸気エネルギーとして最大限に利用可能な蒸気圧縮装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による蒸気圧縮装置は、作用空間に吸い込んだ気相の対象流体である蒸気を圧縮して、所定の吐出圧力の吐出配管に吐出する容積式の圧縮機と、前記圧縮機の前記作用空間または前記圧縮機の吸い込み部に、液相の前記対象流体を導入する液導入手段と、前記吐出配管に設けられ、前記圧縮機が吐出した前記対象流体から液相分を分離するドレンセパレータとを有し、前記液導入手段は、前記圧縮機が前記対象流体に与えるエネルギーの内、前記圧縮機が吸い込んだ前記気相の対象流体が前記吐出圧力に昇圧するために消費して残る熱エネルギーを、前記液相の対象流体を気化させるための蒸発潜熱として消費してなお、前記対象流体を前記圧縮機から一部が液相である湿り蒸気の状態で吐出させるのに十分な量の前記液相の対象流体を導入するものとする。

この構成によれば、圧縮機において、液導入手段により供給された液相の対象流体が蒸発することで過剰な熱を奪うので、吐出する蒸気温度が吐出圧力における飽和蒸気温度より高くなることがない。このため、圧縮機の温度が過剰に上昇することがない。また、圧縮機において液導入手段により導入された液相の対象流体を蒸発させるので、吐出する蒸気量を吸い込んだ蒸気量よりも増量することができる。このため、圧縮機の出力エネルギーを利用可能な蒸気エネルギーに余すことなく変換できる。このため、ボイラ設備を含めたプラント全体のエネルギー効率を高められる。

また、本発明の蒸気圧縮装置において、前記液導入手段は、前記圧縮機を駆動するモータの出力から算出される前記圧縮機の有効出力エネルギーを、前記対象流体の前記吐出圧力における単位量当たりの蒸発潜熱で除した値よりも多量の液相の前記対象流体を導入してもよい。

この構成によれば、圧縮機の作用空間または吸い込み部に導入すべき液相の対象流体の量の算出が容易であり、制御が簡単である。対象流体の顕熱負荷は、潜熱負荷に比べて小さいので、吐出を湿り蒸気とするのに必要な液量との誤差もそれほど大きくない。また、顕熱負荷を無視しているので、導入量が多めに算出され、吐出を湿り蒸気に保つためには安全サイドの誤差である。

また、本発明の蒸気圧縮装置において、前記ドレンセパレータで分離された液相の前記対象流体を前記作用空間または前記吸い込み部に導入し、不足する液相の前記対象流体を外部の流体供給源から導入してもよい。

この構成によれば、ドレンセパレータで分離された液相の対象流体は、温度が吐出圧力における飽和蒸気温度であるため、圧縮機内で温度を上昇させるためのエネルギーが不要であり、吐出する蒸気の増量効果が高い。

また、本発明の蒸気圧縮装置において、前記液導入手段は、前記流体供給源からの前記対象流体の供給を遮断できる供給バルブと、前記ドレンセパレータで分離された液の流量を検出する流量検出器とを備え、前記流量検出器の検出流量が、前記圧縮機の吐出する対象流体が飽和蒸気となるために必要な供給量以上の所定の下限流量となったとき、前記供給バルブを開き、前記下限流量より大きい所定の上限流量となったとき、前記供給バルブを閉じてもよい。

この構成によれば、ドレンセパレータで分離された液相の対象流体の流量が、湿り蒸気を吐出させるのに十分であるときは、他の供給源から液を導入しない。ドレンセパレータで分離された液の流量は、比較的正確に測定できるため、圧縮機の吐出を常に湿り蒸気となるように維持することが容易である。

本発明によれば、圧縮機の吐出が湿り蒸気となるように、作用空間または吸い込み部に液相の対象流体を導入するので、圧縮機の出力の内、供給される蒸気を所定圧力まで圧縮して余るエネルギーによって、新たな蒸気を生成するので、エネルギーを有効に利用でき、圧縮機の温度が過剰に上昇しない。

本発明の第１実施形態の蒸気圧縮装置を有するプラントの構成図である。本発明の第２実施形態の蒸気圧縮装置を有するプラントの構成図である。本発明の第３実施形態の蒸気圧縮装置を有するプラントの構成図である。本発明の第４実施形態の蒸気圧縮装置を有するプラントの構成図である。

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。図１に、本発明の１つの実施形態の蒸気圧縮装置１を含む製造プラントの構成を示す。

蒸気圧縮装置１は、ボイラ２から需要設備（製造設備）３に主配管４を介して所定の供給圧力Ｐｈ（例えば０．８ＭＰａＧ）の蒸気（気相の対象流体）を供給するプラントにおいて、需要設備３のスチームトラップ５で分離された高温水をフラッシュタンク６で、大気圧近くの吸込圧力Ｐｓ（例えば０．０６ＭＰａＧ）まで減圧して得られる吸込温度Ｔｓ（例えば１１０℃）、質量流量Ｇｃ（例えば１０００ｋｇ／ｈ）の低圧蒸気を、スクリュ圧縮機７の作用空間（互いに噛合する雌雄一対のスクリュロータと、これらを収容するケーシングとの間に形成され、スクリュ圧縮機７の吸い込み部および吐出口からは隔離された空間）に吸い込んで供給圧力Ｐｈと等しい吐出圧力Ｐｄまで昇圧して吐出し、吐出配管８を介して主配管４に環流させることで、ボイラ２の発生蒸気量を低減するもの、ひいてはボイラ２の燃料消費を低減するものである。

なお、主配管４には、供給圧力Ｐｈの検出のための圧力検出手段、および、その供給圧力Ｐｈの蒸気の温度Ｔｈの検出のための温度検出手段が設けられ、また、吐出配管８には、吐出圧Ｐｄの検出のための圧力検出手段、および、吐出温度Ｔｄの検出のための温度検出手段が設けられている。各温度検出手段にて検出された供給圧力Ｐｈおよび吐出圧力Ｐｄを表す信号は、図示しない制御手段に入力される。そして、その制御手段は、供給圧力Ｐｈに吐出圧力Ｐｄが等しくなるように、スクリュ圧縮機７を駆動するモータ１４の回転数を適宜調整する。

蒸気圧縮装置１では、吐出配管８に、スクリュ圧縮機７が吐出した蒸気から水（液相分）を分離するドレンセパレータ９が設けられ、分離された水（液相の対象流体）は、減圧のためのオリフィス１０および流量計１１を介してスクリュ圧縮機７の作用空間に導入される。また、スクリュ圧縮機７の作用空間には、フラッシュタンク６で低圧蒸気と分離された大気圧１００℃の温水（外部の流体供給源）もまた、ポンプ１２によって供給バルブ１３を介して導入されるようになっている（液導入手段）。なお、ドレンセパレータ９で分離された温水、および、フラッシュタンク６で分離された温水のスクリュ圧縮機７の作用空間への導入口は、そのスクリュ圧縮機７の吸い込み部の近傍（内部の圧力が略吸い込み圧力Ｐｈと同等である位置）に設けられている。

供給バルブ１３は、流量計１１が検出したスクリュ圧縮機７の吐出配管８から作用空間に環流される水の質量流量である環流流量Ｇｒが、所定の下限流量Ｇｒｍｉｎ以下となったときに開放される。供給バルブ１３が開放されると、フラッシュタンク６からスクリュ圧縮機７の作用空間に、温水が補給流量Ｇｐで供給される。また、供給バルブ１３は、環流流量Ｇｒが所定の上限流量Ｇｒｍａｘ以上になると閉鎖される。

下限流量Ｇｒｍｉｎは、スクリュ圧縮機７の吐出が、継続して湿り蒸気となるような値に設定される。つまり、スクリュ圧縮機７のモータ１４の出力Ｎｃ（例えば１６０ｋＷ）にスクリュ圧縮機７の機械効率η（例えば９５％）を乗じた有効出力エネルギー（Ｎｃ・η）と、吸込蒸気を吐出圧力Ｐｄまでポリトロープ圧縮するためのエネルギーとの差に比べて、流量Ｇｒの高温水が全て吐出圧力Ｐｄの水蒸気に気化するのに必要な熱エネルギーが十分に大きくなるように、つまり、有効出力エネルギーのうちの余剰分が水の蒸発潜熱として消費してなお、液相の水が残るように、下限流量Ｇｒｍｉｎが設定される。

一方、上限流量Ｇｒｍａｘは、制御上、安定を得られる程度に下限流量Ｇｒｍｉｎより大きな値を選択すればよい。供給バルブ１３を介して供給される補給流量Ｇｐは、スクリュ圧縮機７が液圧縮状態となるほどに多量であってはならない。マクロ的に見ると、環流流量Ｇｒは、系内に環流流量Ｇｒを維持できる水量が存在する限り、下限流量Ｇｒｍｉｎと上限流量Ｇｒｍａｘとの間の一定の流量に維持されるので、吐出配管８から主配管４に導入される蒸気の流量は、吸気流量Ｇｃに気化流量Ｇｅの平均値を加算した流量になる。なお、気化流量Ｇｅは、スクリュ圧縮機７の吸気から圧縮行程で発生する気化蒸気の流量である。

簡易的には、モータ１４の時間当たりの有効出力Ｎｃ・η（例えば１５２ｋＷ×３６００＝５４７２００Ｊ／ｈ）を吐出圧力Ｐｄにおける蒸発潜熱（例えば２０３０ｋＪ／ｋｇ）で除した理論気化流量Ｇｉ（例えば２７０ｋｇ／ｈ）を基にして、下限流量Ｇｒｍｉｎを決定することができる。例えば、下限流量Ｇｒｍｉｎは、理論流量の例えば１．１倍程度にすればよい。また、上限流量Ｇｒｍａｘは理論流量Ｇｉの例えば１．５倍程度にすればよい。なお、理論気化流量Ｇｉは、次式で表される。
Ｇｉ＝３６００×Ｎｃ・η／ｒｄ（単位：ｋｇ／ｈ）
但し、ｒｄは、吐出圧力Ｐｄにおける気化潜熱（単位：ｋＪ／ｋｇ）である

このように、理論気化流量Ｇｉ以上の環流流量Ｇｒを確保することで、スクリュ圧縮機７は、作用空間に導入された水を全て蒸発させることができず、吐出される蒸気は、吐出配管８に吐出される瞬間に、吐出圧力Ｐｄにおける飽和蒸気温度の湿り蒸気になる。このため、スクリュ圧縮機７に導入された蒸気および水に加えられた熱エネルギーが吐出蒸気やスクリュ圧縮機７自体を吐出圧力Ｐｄの飽和蒸気温度を超えて過剰に上昇させることがなく、エネルギーロスが少なく、スクリュ圧縮機７の熱による変形などで発生するトラブルも防止できる。

また、本実施形態では、主配管４に供給できる蒸気量は、需要設備３から回収できる蒸気量より、気化流量Ｇｅの平均値（瞬間的補給流量Ｇｐに供給バルブ１３の開放時間比を乗じた流量）だけ多くなる。実際の気化流量Ｇｅの平均値は、吸い込んだ低圧蒸気のポリトロープ圧縮の熱負荷や、供給バルブ１３を介して供給された水を昇温させるための顕熱負荷があるため、理論気化流量Ｇｉよりも小さくなるが、それでも、蒸気圧縮装置１は、吸い込んだ低圧蒸気を加圧するとともに、最大２０％程度増量して吐出することができる。

なお、環流流量Ｇｒの循環水は、作用空間へ導入されると、吐出圧力Ｐｄに加圧された状態から、略吸い込み圧力Ｐｓの状態へ減圧されるため、エンタルピーが低下する。そしてエンタルピーの差分（吐出圧力Ｐｄ下の飽和温度水の持つエンタルピーｈｄ（ｋＪ／ｋｇ）と、吸い込み圧力Ｐｓ下の飽和温度水の持つエンタルピーｈｓ（ｋＪ／ｋｇ）との差分）に環流流量Ｇｒを乗じた熱量Ｑ１を、吸い込み圧力Ｐｓの状態の蒸気の気化潜熱ｒｓで除した蒸気量Ｇｅ１の蒸気が、いわゆる「フラッシュ蒸気」として発生する。そして、スクリュ圧縮機７の作用空間に吸い込まれる質量流量Ｇｃの蒸気と、蒸気量Ｇｅ１の「フラッシュ蒸気」と、作用空間の水量（Ｇｒ−Ｇｅ１）の水が合わせて作用空間へ流入する。蒸気（Ｇｃ＋Ｇｅ１）は、圧縮され、Ｎｃ・ηの一部の熱量Ｑ１は、作用空間の水量（Ｇｒ−Ｇｅ１）の水に、顕熱の上昇の分として吸収される。吸収しきれない熱量Ｑ２が存在するときには、この熱量Ｑ２によって、さらに気化蒸気Ｇｅ２が発生する。そして、吐出される蒸気量は、Ｇｃ＋Ｇｅ１＋Ｇｅ２となる。

ここで、以上の関係を整理すると、以下の式に表される。
Ｎｃ／η＝Ｑ１＋Ｑ２
Ｑ１＝Ｇｒ×（ｈｄ−ｈｓ）
Ｇｅ１＝Ｑ１／ｒｓ
Ｇｅ２＝Ｑ２／ｒｄ
Ｇｅ＝Ｇｅ１＋Ｇｅ２

また、本実施形態では、モータ１４の出力および環流流量Ｇｒに基づいて供給バルブ１３を制御するが、モータ１４の消費電力や液相の水の流量は測定精度が高いので、制御が確実である。

また、本実施形態の蒸気圧縮装置１において、供給バルブ１３を開度調節可能なコントロールバルブとすることで、常時、供給バルブ１３を介してフラッシュタンク６から水を供給するようにすれば、循環流量Ｇｒを、補給流量Ｇｐの平均値または理論流量Ｇｉよりも小さくしても、作用空間に噴射される水量の合計が、理論気化流量Ｇｉを上回っていれば、スクリュ圧縮機７の吐出蒸気を湿り蒸気に維持することが可能である。

また、本実施形態の蒸気圧縮装置１において、流量計１１によらず、吐出配管８の吐出温度Ｔｄに応じて、供給バルブ１３を制御してもよい。スクリュ圧縮機７の作用空間に供給する水の量が少なすぎると、スクリュ圧縮機７の吐出蒸気が、乾き蒸気となり、スクリュ圧縮機によって過剰に供給されるエネルギーにより、吐出圧力Ｐｄにおける飽和蒸発温度より高い温度に加熱される。このため、吐出配管８において、スクリュ圧縮機７が吐出した蒸気の温度を検出し、蒸気温度が、所定の設定温度に達したとき、乾き蒸気（加熱蒸気）になっていると判断し、例えば、循環流量Ｇｒが十分に大きくなるような所定時間だけ供給バルブ１３を開放してもよい。

さらに、図２に、本発明の第２実施形態の蒸気圧縮装置１ａを含む製造プラントの構成を示す。なお、以下の実施形態に関して、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。

本実施形態の蒸気圧縮装置１ａでは、ドレンセパレータ９で分離されてオリフィス１０および流量計１１を介して供給される環流流量Ｇｒの循環水と、フラッシュタンク６で低圧蒸気から分離されてポンプ１２および供給バルブ１３を介して供給され補給流量Ｇｐの温水とを、合わせてスクリュ圧縮機７の吸い込み部に導入している。

本実施形態が示すように、本発明によれば、第１実施形態の蒸気圧縮装置１ａのように環流流量Ｇｒの循環水をスクリュ圧縮機７の作用空間に導入するのではなく、スクリュ圧縮機７の吸い込み部に導入するように構成してもよい。

また、図３に、本発明の第３実施形態の蒸気圧縮装置１ｂを含む製造プラントの構成を示す。本実施形態の蒸気圧縮装置１ｂでは、ドレンセパレータ９で分離された液相の水が環流流量Ｇｒの循環水としてスクリュ圧縮機７の作用空間に導入され、フラッシュタンク６で低圧蒸気から分離された補給流量Ｇｐの温水が、スクリュ圧縮機７の吸い込み部に導入されるようになっている。

さらに詳しく説明すると、循環水は、スクリュ圧縮機７の作用空間の中段部分および吐出口に近い位置に供給されており、供給先の圧力が異なるので、それぞれの水量を最適化するために、オリフィス１０がそれぞれの作用空間に接続された分岐路に個別に設けられている。

なお、フラッシュタンク６で分離された補給流量Ｇｐの温水が、配管の熱損失によって、フラッシュタンク６で分離された低圧蒸気よりも低温になっていると、スクリュ圧縮機７の吸い込み部において低圧蒸気を凝縮させることになるので、その場合は、ドレンセパレータ９で分離された高温の循環水の一部と混合して、供給することが好ましい。

また、本発明によれば、図４に示す第４実施形態の蒸気圧縮装置１ｃのように、ドレンセパレータ９で分離した液相の水を環流流量Ｇｒの循環水としてスクリュ圧縮機７の中段および後段の作用空間に導入し、フラッシュタンク６で低圧蒸気から分離された補給流量Ｇｐの温水を、吸い込み部に近い低圧の作用空間に導入してもよい。

なお、上述の蒸気圧縮装置１，１ａ，１ｂ，１ｃに関し、供給圧力Ｐｈに吐出圧力Ｐｄが等しくなるように、スクリュ圧縮機７を駆動するモータ１４の回転数を適宜調整する制御について説明した。しかしながら、ボイラ２からの蒸気供給量が大きく、蒸気圧縮装置１の運転状態に拘わらず、主配管４の供給圧力Ｐｈ、ひいては、スクリュ圧縮機７の吐出圧力Ｐｄが一定に保たれるようなプラントでは、吸込圧力Ｐｓ、つまり、フラッシュタンク６の圧力を一定に保つように、スクリュ圧縮機７の回転数を制御してもよい。

以上の実施形態は、水蒸気を圧縮する蒸気圧縮装置１，１ａ，１ｂ，１ｃについて説明したが、本発明は、天然ガスの圧縮装置など、他の種類の対象流体の蒸気を圧縮する蒸気圧縮装置にも適用できる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…蒸気圧縮装置
２…ボイラ
３…需要設備
４…主配管
５…スチームトラップ
６…フラッシュタンク
７…スクリュ圧縮機
８…吐出配管
９…ドレンセパレータ
１０…オリフィス
１１…流量計
１２…ポンプ
１３…供給バルブ
１４…モータ

Claims

作用空間に吸い込んだ気相の対象流体である蒸気を圧縮して、所定の吐出圧力の吐出配管に吐出する容積式の圧縮機と、
前記圧縮機の前記作用空間または前記圧縮機の吸い込み部に、液相の前記対象流体を導入する液導入手段と、
前記吐出配管に設けられ、前記圧縮機が吐出した前記対象流体から液相分を分離するドレンセパレータとを有し、
前記液導入手段は、前記圧縮機が前記対象流体に与えるエネルギーの内、前記圧縮機が吸い込んだ前記気相の対象流体が前記吐出圧力に昇圧するために消費して残る熱エネルギーを、前記液相の対象流体を気化させるための蒸発潜熱として消費してなお、前記対象流体を前記圧縮機から一部が液相である湿り蒸気の状態で吐出させるのに十分な量の前記液相の対象流体を導入することを特徴とする蒸気圧縮装置。
前記液導入手段は、前記圧縮機を駆動するモータの出力から算出される前記圧縮機の有効出力エネルギーを、前記対象流体の前記吐出圧力における単位量当たりの蒸発潜熱で除した値よりも多量の液相の前記対象流体を導入することを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮装置。
前記液導入手段は、前記ドレンセパレータで分離された液相の前記対象流体を前記作用空間または前記吸い込み部に導入し、不足する液相の前記対象流体を外部の流体供給源から導入することを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気圧縮装置。
前記液導入手段は、前記流体供給源からの前記対象流体の供給を遮断できる供給バルブと、前記ドレンセパレータで分離された液の流量を検出する流量検出器とを備え、前記流量検出器の検出流量が、前記圧縮機の吐出する対象流体が飽和蒸気となるために必要な供給量以上の所定の下限流量となったとき、前記供給バルブを開き、前記下限流量より大きい所定の上限流量となったとき、前記供給バルブを閉じることを特徴とする請求項３に記載の蒸気圧縮装置。