JP5634948B2

JP5634948B2 - 水噴射式蒸気圧縮機

Info

Publication number: JP5634948B2
Application number: JP2011127205A
Authority: JP
Inventors: 英明桑原; 利幸宮武; 松隈　正樹; 正樹松隈
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: JP2012251757A; KR101342792B1; CN102817849A; CN102817849B; KR20120135864A

Description

本発明は、圧縮機内部の圧縮空間および圧縮機に接続された吸気管内の少なくともいずれか一方に水を噴射する給水手段を備える水噴射式蒸気圧縮機に関する。

水噴射式蒸気圧縮機における水噴射量を制御するための技術として、例えば特許文献１に記載された技術がある。特許文献１に記載された制御技術は、圧縮機が蒸気に与えるエネルギーの内、圧縮機が吸い込んだ蒸気をその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、導入水（補給水）を気化させるための蒸発潜熱として消費してなお、圧縮機から一部が液相である湿り蒸気の状態で蒸気を吐出させるのに十分な量の導入水（補給水）とする、というものである。圧縮機内に噴射された補給水が蒸発することで、圧縮機が吸い込んだ蒸気量以上の蒸気を生成することが期待できる。すなわち、圧縮機から過剰に出力されるエネルギーを有効利用することが期待できる。

特開２０１０−１３３６９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された水噴射量の制御では、圧縮機から吐出される蒸気が過熱蒸気となる場合があり、圧縮機から過剰に出力されるエネルギーを利用する制御として十分なものではなかった。特許文献１に記載された制御は、導入水（補給水）の温度を把握して行うものではないため、補給水の温度が高くなると、補給水の気化熱量を過大に評価してしまうことになり、その結果、補給水量が不足して吐出蒸気が過熱蒸気となってしまう。

一方で、圧縮機内に噴射する補給水の量が多すぎると、過剰な補給水により圧縮機が吸い込んだ蒸気の一部が凝縮して吐出蒸気の量が減少してしまう。このため、圧縮機から過剰に出力されるエネルギーと補給水の気化熱量とが等しくなるように補給水の量を制御することが理想である。圧縮機から過剰に出力されるエネルギーを把握するには、圧縮機が吸い込む蒸気（圧縮前の蒸気）の状態量を適確に把握する必要がある。ここで、圧縮機が吸い込む蒸気は湿り蒸気であることが多い。特許文献１では、圧縮機の吸気管に温度計および圧力計を取り付けているが、温度計および圧力計のみでは、湿り蒸気の状態量（比エンタルピー）を把握することが困難である。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、補給水の温度、および吸込蒸気の状態量を適確に把握できる構成を備えることで、吐出蒸気が過熱蒸気となることを防止しつつ、且つ吐出蒸気の量が減少することを防止できる水噴射式蒸気圧縮機を提供することである。

本発明は、蒸気を圧縮して吐出する容積式の圧縮機と、前記圧縮機に接続され内部を蒸気が流れる吸気管および吐出管と、前記吸気管に取り付けられた吸気側ドレン分離手段と、前記圧縮機内部の圧縮空間および前記吸気側ドレン分離手段よりも下流側の前記吸気管内の少なくともいずれか一方に補給水を噴射する給水手段と、前記給水手段により噴射される補給水の噴射量を制御する制御部と、前記給水手段により噴射される補給水の温度を検出するための給水温度計と、を備え、前記制御部は、前記吸気側ドレン分離手段よりも下流側であって補給水が噴射供給される前の前記吸気管を流れる吸込蒸気の比エンタルピー、および前記給水温度計の検出値により求まる補給水の比エンタルピーに基づいて、吸込蒸気を所定の吐出圧力まで昇圧するために消費して残る前記圧縮機の出力エネルギーと補給水の気化熱量とが等しくなるように補給水の噴射量を制御することを特徴とする、水噴射式蒸気圧縮機である。

給水温度計により補給水の温度、ひいては補給水の状態量（比エンタルピー）を把握することができる。また、吸込蒸気が湿り蒸気である場合、吸気側ドレン分離手段により、吸込蒸気中の水分（液相分）が除去されて吸込蒸気は飽和乾き蒸気となる。飽和乾き蒸気の状態量（比エンタルピー）は、その圧力値（または温度値）から把握することができる。すなわち、上記した本発明の構成によると、補給水の温度、および吸込蒸気の状態量を適確に把握でき、これらをもとに補給水の噴射量を制御することで、吐出蒸気が過熱蒸気となることを防止しつつ、且つ吐出蒸気の量が減少することを防止することができる。

また本発明において、前記吐出管に取り付けられた吐出側ドレン分離手段をさらに備え、前記制御部は、さらに、前記吐出側ドレン分離手段よりも下流側の前記吐出管を流れる吐出蒸気の比エンタルピーと、前記圧縮機と前記吐出側ドレン分離手段との間の前記吐出管を流れる吐出蒸気の比エンタルピーと、の差が小さくなるように、補給水の噴射量を制御することが好ましい。

この構成によると、より、吐出蒸気が過熱蒸気となることを防止しつつ、且つ吐出蒸気の量が減少することを防止することができる。

本発明によれば、上記した給水温度計および吸気側ドレン分離手段を水噴射式蒸気圧縮機に設けることで、補給水の温度、および吸込蒸気の状態量（比エンタルピー）を適確に把握でき、これらをもとに補給水の噴射量を制御することで、吐出蒸気が過熱蒸気となることを防止しつつ、且つ吐出蒸気の量が減少することを防止することができる水噴射式蒸気圧縮機とすることができる。

本発明の一実施形態に係る水噴射式蒸気圧縮機を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（水噴射式蒸気圧縮機の構成）
図１に示すように、水噴射式蒸気圧縮機１は、蒸気を圧縮して吐出するスクリュ圧縮機２、スクリュ圧縮機２を駆動する電動機３、噴射水ポンプ４、および噴射水ポンプ４を制御する制御部５を具備してなる。噴射水ポンプ４は電動機４ａで駆動され、電動機４ａはインバータ４ｂにより回転数制御される。噴射水ポンプ４は本発明における給水手段に相当する。なお、スクリュ式の圧縮機ではなく、ロータリー式、スクロール式、ルーツ式などの容積式圧縮機であってもよい。

スクリュ圧縮機２には吸気管６および吐出管７が接続されている。吸気管６は、圧縮対象である蒸気をスクリュ圧縮機２に供給するための経路であり、吐出管７は、圧縮後の蒸気を送るための経路である。例えば、０．１ＭＰａ、１００℃程度の水蒸気を、スクリュ圧縮機２で、０．８ＭＰａの飽和蒸気にまで圧縮して吐出させる。なお、６０℃程度の温水を減圧沸騰させて発生させた水蒸気をスクリュ圧縮機２（水噴射式蒸気圧縮機１）で圧縮することもできる。

吸気管６には吸気側ドレンセパレータ９が取り付けられている。また、吸気側ドレンセパレータ９とスクリュ圧縮機２との間の吸気管６には、上流側から順に、吸込蒸気圧力計１０、吸込蒸気温度計１１、および吸込蒸気流量計１２が取り付けられている。スクリュ圧縮機２に多量の液（ドレン）が入るとエロージョンが発生することがある。吸気管６に吸気側ドレンセパレータ９を取り付けることで、吸込側からの液（ドレン）の流入を防止することができる。

吐出管７には吐出側ドレンセパレータ１５が取り付けられている。また、スクリュ圧縮機２と吐出側ドレンセパレータ１５との間の吐出管７には、上流側から順に、第１吐出蒸気温度計１３、および第１吐出蒸気圧力計１４が取り付けられ、ドレンセパレータ１５よりも下流側の吐出管７には、上流側から順に、第２吐出蒸気圧力計１６、および第２吐出蒸気温度計１７が取り付けられている。

また、スクリュ圧縮機２には給水管８が接続されている。給水管８には噴射水ポンプ４が取り付けられている。噴射水ポンプ４とスクリュ圧縮機２との間の給水管８に補給水流量計１９が取り付けられ、噴射水ポンプ４よりも上流側の給水管８には給水温度計１８が取り付けられている。なお、噴射水ポンプ４よりも下流側の給水管８に給水温度計１８が取り付けられていてもよい。さらには、補給水の温度を給水温度計１８で検出できればよいので、給水温度計１８は必ずしも給水管８に取り付けられている必要はない。

本実施形態では、スクリュ圧縮機２の圧縮空間のみに補給水を噴射供給するようにしているが、必ずしもこの形態に限られることはない。例えば、吸気側ドレンセパレータ９よりも下流側であって、吸込蒸気流量計１２とスクリュ圧縮機２との間の吸気管６内に補給水を噴射供給するようにしてもよい。この場合、吸込蒸気流量計１２とスクリュ圧縮機２との間の吸気管６に給水管８の先端が接続される。すなわち、噴射水ポンプ４を用いて、スクリュ圧縮機２の圧縮空間および吸気側ドレンセパレータ９よりも下流側（かつ圧力計、温度計、流量計などの計器の下流側）の吸気管６内の少なくともいずれか一方に補給水を噴射供給することになる。なお、スクリュ圧縮機２の圧縮空間とは、互いに噛合する雌雄一対のスクリュロータとスクリュロータを収容するケーシングとの間の空間のことをいう。また、補給水は、温水であってもよいし、常温の水であってもよい。例えば、工場の排蒸気が凝縮した凝縮水を補給水として用いる。

制御部５は、噴射水ポンプ４によりスクリュ圧縮機２の圧縮空間に噴射される補給水の噴射量を制御するためのものである。本実施形態では、吸込蒸気圧力計１０、吸込蒸気温度計１１、吸込蒸気流量計１２、第１吐出蒸気温度計１３、第１吐出蒸気圧力計１４、第２吐出蒸気圧力計１６、第２吐出蒸気温度計１７、給水温度計１８、および補給水流量計１９からの各測定値信号、ならびに、電動機３の回転数信号が、制御部５に入力されている。また、制御部５からの信号がインバータ４ｂに入力され、噴射水ポンプ４の回転数（吐出量）が制御されている。

（水噴射量の制御）
次に、制御部５による補給水の噴射量制御について説明する。

まず、本発明の前提について記載する。スクリュ圧縮機２（および電動機３）は、圧縮する蒸気の量および圧力に対して十分に大きい容量（出力）を有するものが使用されるが、過剰な出力は、吐出蒸気を過熱蒸気とする。前記した特許文献１（特開２０１０−１３３６９６号公報）では、吐出蒸気が過熱蒸気にならないように、スクリュ圧縮機２の圧縮空間などに噴射する補給水の噴射量を制御する技術が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載された制御技術は、「発明が解決しようとする課題」の欄に記載したように、まだ十分なものではなかった。以下、本発明に係る本実施形態の噴射量制御について記載する。

制御部５で行われる補給水の噴射量Ｇｐ（例えば単位：ｋｇ／ｈ）の算出は、次式により行われる。
ＱＬ＝Ｌｇ−Ｑｓ・・・・・・・・・（式１）
Ｇｐ＝ＱＬ／ＨＬ・・・・・・・・・（式２）
Ｌｇ：スクリュ圧縮機の蒸気圧縮動力（ｋＪ／ｈ）
Ｑｓ：吸込蒸気を吐出圧力での飽和乾き蒸気まで圧縮する仕事量（ｋＪ／ｈ）
ＱＬ：吸込蒸気を吐出圧力まで昇圧するために消費して残る出力エネルギー（ｋＪ／ｈ）
ＨＬ：補給水１ｋｇを吐出圧力での飽和乾き蒸気にするために必要な熱量（ｋＪ／ｋｇ）

（Ｌｇの求め方）
スクリュ圧縮機２の蒸気圧縮動力Ｌｇは、吸気圧力（吸込蒸気圧力計１０の検出値Ｐｓ）、吐出圧力（第１吐出蒸気圧力計１４の検出値Ｐｄ）、スクリュ圧縮機２の内部容積比、スクリュ圧縮機２の理論的な吸気体積などにより制御部５内で計算される。なお、スクリュ圧縮機２の理論的な吸気体積は、スクリュ圧縮機２が１回転あたりに吸い込む体積にスクリュ圧縮機２の回転数（電動機３の回転数信号から求まる）を乗じて算出される。

なお、スクリュ圧縮機２（電動機３）の消費電力に一定の効率を乗じて蒸気圧縮動力Ｌｇを算出してもよいし、スクリュ圧縮機２（電動機３）の電流値をもとに蒸気圧縮動力Ｌｇを算出してもよい。

（Ｑｓの求め方）
吸込蒸気を吐出圧力での飽和乾き蒸気まで圧縮する仕事量Ｑｓは、所定の吐出圧力（例えば０．８ＭＰａ）での飽和乾き蒸気の比エンタルピーｈｄ０（ｋＪ／ｋｇ）と吸込蒸気の比エンタルピーｈｓ（ｋＪ／ｋｇ）との差に吸込蒸気の質量流量Ｇｃ（ｋｇ／ｈ）を乗じて算出される。

［比エンタルピーｈｓの求め方］
まず、吸気管６に吸気側ドレンセパレータ９を取り付けているため、圧縮対象の吸込蒸気が湿り蒸気である場合、吸気側ドレンセパレータ９を通過することで、吸込蒸気中の水分（液相分）が除去されて吸込蒸気は飽和乾き蒸気となる。完全な（乾き度１００）飽和乾き蒸気とはならないまでも、ほぼ飽和乾き蒸気となる。なお、圧縮対象の吸込蒸気が過熱蒸気である場合は過熱蒸気のままである。すなわち、吸気側ドレンセパレータ９を通過した吸込蒸気は、飽和乾き蒸気または過熱蒸気となる。

制御部５は、吸込蒸気圧力計１０の検出値Ｐｓおよび吸込蒸気温度計１１の検出値Ｔｓをもとに、圧縮対象である吸込蒸気の比エンタルピーｈｓを求める。なお、吸込蒸気が飽和乾き蒸気である場合には、吸込蒸気圧力計１０の検出値Ｐｓまたは吸込蒸気温度計１１の検出値Ｔｓをもとに、制御部５は、吸込蒸気の比エンタルピーｈｓ（ｋＪ／ｋｇ）を求める。このように、吸気管６に吸気側ドレンセパレータ９を取り付けたことで、圧縮対象の吸込蒸気は、飽和乾き蒸気または過熱蒸気となり、吸込蒸気圧力計１０および吸込蒸気温度計１１からの信号をもとにその状態量（比エンタルピー）を適確に把握することができる。

なお、吸込蒸気の質量流量Ｇｃは、スクリュ圧縮機２の回転数より算出される。なお、吸込蒸気流量計１２の検出値からＧｃを算出してもよい。吸込蒸気の密度は、吸込蒸気圧力計１０および吸込蒸気温度計１１からの信号をもとに算出される。

（ＨＬの求め方）
補給水１ｋｇを吐出圧力での飽和乾き蒸気にするために必要な熱量ＨＬは、所定の吐出圧力（例えば０．８ＭＰａ）での飽和乾き蒸気の比エンタルピーｈｄ０（ｋＪ／ｋｇ）と補給水の比エンタルピーｈＬ（ｋＪ／ｋｇ）との差である。制御部５は、給水温度計１８の検出値ＴＬをもとに補給水の比エンタルピーｈＬを求める。このように、給水温度計１８により補給水の状態量（比エンタルピー）を把握することができる。

このようにして、制御部５は、吸込蒸気を所定の吐出圧力まで昇圧するために消費して残るスクリュ圧縮機２の出力エネルギーＱＬと補給水の気化熱量とが等しくなるように補給水の噴射量Ｇｐを算出する。そして制御部５は、噴射水ポンプ４に対して噴射量Ｇｐとなるように信号を出す。噴射水ポンプ４からの噴射量は、補給水流量計１９で監視し、噴射量Ｇｐとなるように噴射水ポンプ４の回転数を制御する。

本実施形態の水噴射量制御によると、補給水の温度、および吸込蒸気の状態量を制御部５で適確に把握することができる。これらをもとに補給水の噴射量を制御することで、吐出蒸気が過熱蒸気となることを防止しつつ、且つ吐出蒸気の量が減少することを防止することができる。すなわち、圧縮機の出力のうち、供給される蒸気を所定の圧力まで圧縮して余るエネルギーによって、吸込んだ蒸気を減ずることなく、補給水から新たに蒸気を最大限生成することができるので、エネルギーを有効に利用できるとともに圧縮機の温度が過剰に上昇しない。

ここで、制御部５により、吐出側ドレンセパレータ１５よりも下流側の吐出管７を流れる吐出蒸気の比エンタルピーｈｄＨ（ｋＪ／ｋｇ）と、吐出側ドレンセパレータ１５よりも上流側の吐出管７を流れる吐出蒸気の比エンタルピーｈｄＬ（ｋＪ／ｋｇ）と、の差が小さくなるように、補給水の噴射量をさらに制御することが好ましい。なお、比エンタルピーｈｄＨ≧比エンタルピーｈｄＬの関係がある。比エンタルピーｈｄＨと比エンタルピーｈｄＬとの差が所定の閾値まで大きくなれば、噴射水ポンプ４の回転数を下げる方向に制御して噴射量を減らす。これにより、比エンタルピーｈｄＨと比エンタルピーｈｄＬとの差が小さくなる方向に変化し、吐出蒸気が飽和乾き蒸気に近づいていく。なお、比エンタルピーｈｄＨと比エンタルピーｈｄＬとの差が所定の閾値にまで小さくなれば、噴射水ポンプ４の回転数を噴射量Ｇｐとする制御に戻す。

吐出側ドレンセパレータ１５よりも上流側の吐出蒸気の比エンタルピーｈｄＬ（ｋＪ／ｋｇ）は、第１吐出蒸気温度計１３の検出値Ｔｄおよび／または第１吐出蒸気圧力計１４の検出値Ｐｄをもとに制御部５で求められ、吐出側ドレンセパレータ１５よりも下流側の吐出蒸気の比エンタルピーｈｄＨは、第２吐出蒸気圧力計１６の検出値Ｐｈおよび／または第２吐出蒸気温度計１７の検出値Ｔｈをもとに制御部５で求められる。

なお、比エンタルピーｈｄＬ（ｋＪ／ｋｇ）は、吐出側ドレンセパレータ１５よりも上流側の吐出蒸気が飽和乾き蒸気または過熱蒸気であるとして求められる。一方、吐出側ドレンセパレータ１５よりも下流側の吐出蒸気は、吐出側ドレンセパレータ１５を通過することで飽和乾き蒸気または過熱蒸気となる。

スクリュ圧縮機２の吸気圧力、吐出圧力などが変動すると噴射量Ｇｐも変動する。補給水が気化した量をＧｅ（ｋｇ／ｈ）とすると、吐出側ドレンセパレータ１５からのドレン量はＧｐ−Ｇｅである。このドレン量Ｇｐ−Ｇｅを正確に把握することが好ましいが、Ｇｐ−Ｇｅを測定するのは難しい。よって、ドレン量Ｇｐ−Ｇｅに基づく噴射量制御とする代わりに、比エンタルピーｈｄＨと比エンタルピーｈｄＬとの差に基づく噴射量制御としている。この噴射量制御によると、吐出蒸気をより飽和乾き蒸気に近づけることができ、その結果、より、吐出蒸気が過熱蒸気となることを防止しつつ、且つ吐出蒸気の量が減少することを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：水噴射式蒸気圧縮機
２：スクリュ圧縮機
３：電動機
４：噴射水ポンプ（給水手段）
５：制御部
６：吸気管
７：吐出管
８：給水管
９：吸気側ドレンセパレータ（吸気側ドレン分離手段）
１５：吐出側ドレンセパレータ（吐出側ドレン分離手段）
１８：給水温度計

Claims

蒸気を圧縮して吐出する容積式の圧縮機と、
前記圧縮機に接続され内部を蒸気が流れる吸気管および吐出管と、
前記吸気管に取り付けられた吸気側ドレン分離手段と、
前記圧縮機内部の圧縮空間および前記吸気側ドレン分離手段よりも下流側の前記吸気管内の少なくともいずれか一方に補給水を噴射する給水手段と、
前記給水手段により噴射される補給水の噴射量を制御する制御部と、
前記給水手段により噴射される補給水の温度を検出するための給水温度計と、
を備え、
前記制御部は、前記吸気側ドレン分離手段よりも下流側であって補給水が噴射供給される前の前記吸気管を流れる吸込蒸気の比エンタルピー（ｈｓ）、および前記給水温度計の検出値（ＴＬ）により求まる補給水の比エンタルピー（ｈＬ）に基づいて、吸込蒸気を所定の吐出圧力まで昇圧するために消費して残る前記圧縮機の出力エネルギー（ＱＬ）と補給水の気化熱量とが等しくなるように補給水の噴射量（Ｇｐ）を制御することを特徴とする、水噴射式蒸気圧縮機。
請求項１に記載の水噴射式蒸気圧縮機において、
前記吐出管に取り付けられた吐出側ドレン分離手段をさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記吐出側ドレン分離手段よりも下流側の前記吐出管を流れる吐出蒸気の比エンタルピー（ｈｄＨ）と、前記圧縮機と前記吐出側ドレン分離手段との間の前記吐出管を流れる吐出蒸気の比エンタルピー（ｈｄＬ）と、の差が小さくなるように、補給水の噴射量（Ｇｐ）を制御することを特徴とする、水噴射式蒸気圧縮機。
請求項１または２に記載の水噴射式蒸気圧縮機において、
前記吸込蒸気を前記所定の吐出圧力まで昇圧するために消費して残る前記圧縮機の出力エネルギー（ＱＬ）は、前記圧縮機の電流値に基づいて算出されることを特徴とする、水噴射式蒸気圧縮機。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水噴射式蒸気圧縮機において、
前記吸込蒸気を前記所定の吐出圧力まで昇圧するために消費して残る前記圧縮機の出力エネルギー（ＱＬ）は、前記所定の吐出圧力での飽和乾き蒸気の比エンタルピー（ｈｄ０）と、前記吸込蒸気の比エンタルピー（ｈｓ）と、前記吸込蒸気の質量流量（Ｇｃ）と、に基づいて算出されることを特徴とする、水噴射式蒸気圧縮機。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水噴射式蒸気圧縮機において、
前記吸込蒸気の圧力を検出するための吸込蒸気圧力計と、
前記吸込蒸気の温度を検出するための吸込蒸気温度計と、
を備え、
前記吸込蒸気が過熱蒸気である場合には、前記吸込蒸気の比エンタルピー（ｈｓ）は、前記吸込蒸気圧力計の検出値（Ｐｓ）および前記吸込蒸気温度計の検出値（Ｔｓ）に基づいて算出され、
前記吸込蒸気が飽和乾き蒸気である場合には、前記吸込蒸気の比エンタルピー（ｈｓ）は、前記吸込蒸気圧力計の検出値（Ｐｓ）または前記吸込蒸気温度計の検出値（Ｔｓ）に基づいて算出されることを特徴とする、水噴射式蒸気圧縮機。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の水噴射式蒸気圧縮機において、
前記補給水の噴射量（Ｇｐ）は、単位質量の前記補給水を前記所定の吐出圧力での飽和乾き蒸気にするために必要な熱量（ＨＬ）に基づいて算出され、
前記必要な熱量（ＨＬ）は、前記所定の吐出圧力での飽和乾き蒸気の比エンタルピー（ｈｄ０）と、前記補給水の比エンタルピー（ｈＬ）と、に基づいて算出されることを特徴とする、水噴射式蒸気圧縮機。