JP2009052489A - 蒸気システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成および制御で、圧縮機の負荷変動に対し迅速で正確に蒸気エンジンを応答させ、蒸気を必要量のみ蒸気エンジンに供給する蒸気システムの提供。
【解決手段】 蒸気を用いて動力を起こすスクリュ式蒸気エンジン２と、この蒸気エンジン２により駆動される空気圧縮機３とを備える。蒸気エンジン２には給蒸路４を介して蒸気が供給され、蒸気エンジン２にて使用後の蒸気は、排蒸路６を介して排出され、蒸気利用設備で使用される。蒸気エンジン２への給蒸路４と蒸気エンジン２からの排蒸路６とは、バイパス路１４で接続される。バイパス路１４には、開度調整可能なバイパス弁１５が設けられる。バイパス弁１５は、圧縮機３からの圧縮空気の圧力に基づき開度調整されることで、圧縮空気の利用負荷に応じて蒸気エンジン２への給蒸量を調整する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、蒸気を用いて圧縮機を駆動する蒸気システムに関するものである。

下記特許文献１には、スクリュ型膨張機（１）により空気圧縮機（２）を駆動し、空気圧縮機（２）の負荷変動に際してはスクリュ型膨張機（１）に流入する蒸気を加減弁（１０）により制御して対応すると共に、スクリュ型膨張機（１）の蒸気流入側と蒸気流出側との間に設けたバイパス弁（９）を制御することにより、前記負荷変動に拘らず蒸気流出側における蒸気の背圧を一定に保持する方法が開示されている。ここで、バイパス弁（９）の制御は、スクリュ型膨張機（１）からの蒸気出口管（５）の背圧を検出器（２０）により検出してなされる。また、加減弁（１０）の制御は、スクリュ型膨張機（１）の駆動軸の回転数を検出器（２３）により検出してなされる。

また、下記特許文献２には、ガスタービン（１）と、これにより駆動される発電機（８）と、ガスタービン（１）の排ガスを熱源とする排熱ボイラ（１３）と、この排熱ボイラ（１３）から供給される蒸気を動力源とするスクリュ式蒸気エンジン（３０）と、この蒸気エンジン（３０）により駆動されて燃料を圧縮して前記ガスタービン（１）の燃焼器（３）に供給する燃料圧縮機（１１）とを備えたガスタービン設備が開示されている。このガスタービン設備においては、燃料圧縮機（１１）からガスタービン（１）への燃料供給量は、燃料圧縮機（１１）の入口と出口との間に設けたバイパス制御弁（３７）により調整されるが、このバイパス制御弁（３７）で制御し切れない大きな負荷変動に対しては、蒸気エンジン（３０）へ供給される蒸気量が制御弁（３２）で調整される。
特開昭６３−４５４０３号公報 （特許請求の範囲、図１、公報第２頁左下欄第１−５行） 特開平９−６８００６号公報 （請求項１、請求項８、段落番号［００１９］、図１）

前記特許文献１に開示される発明の場合、空気圧縮機の負荷変動にも拘らずその回転を一定に保持するために、加減弁を調整してスクリュ型膨張機へ供給する蒸気量が制御されるが、空気圧縮機の能力制御はアンローダによって行われる（公報第２頁右下欄第１８行−第３頁左上欄第５行）。あるいは、空気圧縮機の能力制御は、スクリュ型膨張機へ供給する蒸気量を加減弁によって制御して、スクリュ型膨張機の回転数を変化させて行われる（公報第３頁左上欄第５−９行）。しかしながら、空気圧縮機の負荷変動を検知して、その負荷変動に対し迅速で正確に応答するように制御するものではない。また、スクリュ型膨張機への蒸気量を調整する加減弁の他、それに伴い調整されるバイパス弁を必要とするので、構造および制御が複雑となるものであった。

一方、前記特許文献２に開示される発明の場合、タービンへの燃料供給量は、蒸気エンジンではなく燃料圧縮機の側に設けたバイパス制御弁と、蒸気エンジンへの蒸気量を調整する制御弁とにより制御される。従って、構造および制御が複雑となるものである。

この発明が解決しようとする課題は、簡易な構成および制御で、圧縮機の負荷変動に対し迅速で正確に蒸気エンジンを応答させ、蒸気を必要量のみ蒸気エンジンに供給することにある。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジンと、この蒸気エンジンにより駆動される圧縮機と、前記蒸気エンジンへの給蒸路と前記蒸気エンジンからの排蒸路とを接続するバイパス路に設けられ、前記圧縮機からの吐出気体の圧力に基づき開度調整されるバイパス弁とを備えることを特徴とする蒸気システムである。

請求項１に記載の発明によれば、蒸気エンジンの給蒸路と排蒸路とをバイパス路で接続し、このバイパス路にバイパス弁を設けて構成され、圧縮機からの吐出気体の圧力に基づきバイパス弁の開度を調整することで、圧縮機の負荷変動に迅速で正確に蒸気エンジンを応答させることができる。

請求項２に記載の発明は、前記蒸気エンジンは、スクリュ式蒸気エンジンとされ、前記圧縮機は、空気圧縮機とされ、前記バイパス弁は、前記圧縮機からの圧縮空気の圧力に基づき開度調整されることで、圧縮空気の利用負荷に応じて前記蒸気エンジンへの給蒸量を調整することを特徴とする請求項１に記載の蒸気システムである。

請求項２に記載の発明によれば、スクリュ式蒸気エンジンを用いることで、タービン式に比べて効率がよい。また、各種工場、事業所におけるエア駆動機の作動用、ブロー、乾燥など製造プロセス用、その他各分野において広く用いられる空気圧縮機を駆動させるので、汎用性に優れる。さらに、圧縮機からの圧縮空気の圧力を監視して、バイパス弁を開度調整するので、圧縮空気の利用負荷の変動に容易に対応することができる。

請求項３に記載の発明は、前記給蒸路を介して前記蒸気エンジンへ蒸気を供給するボイラを備え、このボイラへの給水タンクに、前記蒸気エンジンからのドレンが供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気システムである。

請求項３に記載の発明によれば、蒸気エンジンから排出されるドレンの有効利用を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記ボイラまたはその給水タンクへの給水を用いて、前記圧縮機の冷却が図られることを特徴とする請求項３に記載の蒸気システムである。

請求項４に記載の発明によれば、圧縮機の放熱で給水を加温するので、省エネルギーを図ることができる。

さらに、請求項５に記載の発明は、前記蒸気エンジンは、ボイラと蒸気利用設備との間に設けられる減圧弁に代えて設置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気システムである。

請求項５に記載の発明によれば、蒸気エンジンを減圧弁の代わりに用いて、蒸気エンジンから吐出される蒸気を蒸気利用設備にて使用することができる。また、蒸気エンジンは減圧弁の代わりに用いられて圧縮機を駆動するので、蒸気のエネルギーを効率よく動力エネルギーとして回収することができる。

この発明の蒸気システムによれば、簡易な構成および制御で、圧縮機の負荷変動に対し迅速で正確に蒸気エンジンを応答させ、蒸気を必要量のみ蒸気エンジンに供給することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。
本発明の蒸気システムは、蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジンと、この蒸気エンジンにより駆動される圧縮機とを備える。蒸気エンジンには、通常、ボイラからの蒸気が供給される。ボイラは、その種類を特に問わないが、たとえば小型貫流ボイラである。ボイラには、給水タンクからの水が供給され、その水はボイラで蒸気化される。そして、その蒸気が蒸気エンジンへ供給可能とされる。

蒸気エンジンとしては、蒸気タービンでもよいが、スクリュ式蒸気エンジンが好適に用いられる。スクリュ式蒸気エンジンは、互いにかみ合うスクリュロータ間に蒸気が導入され、その蒸気がスクリュロータを回転させつつ膨張して減圧されるが、その際のスクリュロータの回転により動力を得る装置である。蒸気エンジンには給蒸路を介して蒸気が供給され、蒸気エンジンにて使用後の蒸気は、排蒸路を介して排出され、蒸気利用設備などで使用される。蒸気エンジンにより得られた回転動力は、圧縮機の駆動に使用される。その際、圧縮機は、発電機を介することなく、直接に駆動されるのがよい。

圧縮機は、その種類を特に問わないが、スクリュ式圧縮機が好適に用いられる。スクリュ式圧縮機は、互いにかみ合って回転するスクリュロータ間に気体を吸入して、スクリュロータの回転により圧縮して吐出する装置である。圧縮機により圧縮される気体は、その種類を特に問わないが、たとえば空気、蒸気、冷媒ガスなどが挙げられる。但し、圧縮空気は幅広い分野で使用されるので、空気圧縮機とするのが汎用性に優れる。

蒸気エンジンへの給蒸路と蒸気エンジンからの排蒸路は、バイパス路にて接続される。このバイパス路には、開度調整可能なバイパス弁が設けられる。このバイパス弁は、圧縮機からの吐出気体の圧力に基づき開度調整される。たとえば、圧縮機が空気圧縮機の場合、バイパス弁は、圧縮機からの圧縮空気の圧力に基づき開度調整される。これにより、圧縮空気の利用負荷に応じて、蒸気エンジンへの給蒸量が調整される。

蒸気エンジンからのドレンは、ボイラへの給水タンクに戻して、熱回収を図るようにしてもよい。また、ボイラやその給水タンクへの給水を用いて、圧縮機の冷却を図ってもよい。この場合、圧縮機の放熱でボイラへの給水を加温できるメリットもある。

蒸気エンジンは、蒸気を減圧するものであるから、減圧弁として利用することもできる。すなわち、ボイラと蒸気利用設備との間に設けられる減圧弁に代えて、蒸気エンジンを設置してもよい。この場合、減圧弁としての蒸気エンジンで、空気圧縮機などを駆動できるので、省エネルギーを図ることができる。

以下、この発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の蒸気システムの一実施例を示す概略構成図である。本実施例の蒸気システム１は、蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジン２と、この蒸気エンジン２により駆動される圧縮機３とを備える。

本実施例の蒸気エンジン２は、スクリュ式蒸気エンジンとされる。スクリュ式蒸気エンジンは、互いにかみ合うスクリュロータ間に蒸気が導入され、その蒸気がスクリュロータを回転させつつ膨張して減圧される構成であり、その際のスクリュロータの回転により動力を得る装置である。蒸気エンジン２には給蒸路４を介してボイラ５からの蒸気が供給され、蒸気エンジン２にて減圧後の蒸気は排蒸路６を介して蒸気利用設備（図示省略）へ送られる。

ボイラ５は、その種類を特に問わないが、たとえば小型貫流ボイラとされる。ボイラ５には、給水タンク７からの水（軟水）が供給され、蒸気化される。具体的には、給水タンク７には、所定水量の水が貯留されており、その水は給水ポンプ８を介してボイラ５へ供給される。ボイラ５に供給された水は、ボイラ５において加熱され蒸気化される。その蒸気は、所望により気水分離器（図示省略）や蒸気ヘッダ（図示省略）を介して、給蒸路４から蒸気エンジン２へ供給される。ボイラ５は、缶内圧力が所定に維持されるように、バーナ（図示省略）の燃焼量が制御される。

本実施例の圧縮機３は、スクリュ式の空気圧縮機とされる。この圧縮機３は、互いにかみ合って回転するスクリュロータ間に空気を吸入して、その空気をスクリュロータの回転により圧縮して、圧縮空気として吐出する装置である。

この圧縮機３は、蒸気エンジン２により駆動される。具体的には、スクリュ式蒸気エンジン２のスクリュロータの回転駆動力を用いて、スクリュ式圧縮機３のスクリュロータが回転される。この際、スクリュ式蒸気エンジン２の出力軸９と、スクリュ式圧縮機３の入力軸１０とは、たとえばクラッチ１１を介して接続される。この場合、蒸気エンジン２による圧縮機３の駆動の有無が切り替え可能とされる。また、クラッチ１１は、変速機を備えてもよい。この場合、変速比を変更することで、圧縮機３の吐出圧力を変更することができる。但し、スクリュ式蒸気エンジン２の出力軸９と、スクリュ式圧縮機３の入力軸１０とは、クラッチ１１を介して接続する代わりに、カップリングを介して接続したり、補助モータを介して接続したりしてもよい。

圧縮機３からの圧縮空気は、圧縮空気路１２を介して、一または複数の各種の圧縮空気利用機器（図示省略）へ送られる。圧縮空気利用機器は、特に問わず、前記蒸気利用設備やその構成機器であってもよい。ところで、圧縮空気路１２には、圧力センサ１３が設けられる。

蒸気エンジン２への給蒸路４と蒸気エンジン２からの排蒸路６は、バイパス路１４にて接続される。このバイパス路１４には、開度調整可能な電動弁から構成されるバイパス弁１５が設けられる。

バイパス弁１５およびクラッチ（または補助モータ）１１の他、圧力センサ１３などには、制御器（図示省略）が接続される。制御器は、圧力センサ１３による検出圧力（圧縮空気の圧力）に基づき、バイパス弁１５を制御すると共に、必要によりクラッチ（または補助モータ）１１を制御する。たとえば、圧力センサ１３による検出圧力が設定圧力を維持するように、バイパス弁１５の開度を調整する。具体的には、たとえば圧力センサ１３による検出圧力が設定圧力よりも下がれば、バイパス弁１５を閉じる方向へ調整すればよい。これにより、蒸気エンジン２への給蒸量を調整して、圧縮空気の利用負荷に合わせて圧縮機３を運転することができる。

ところで、蒸気エンジン２からのドレンは、ドレン回収路１６を介して、給水タンク７に戻される。また、給水タンク７への給水路１７は、圧縮機３を介して給水タンク７へ接続するのがよい。この場合、給水タンク７への給水により圧縮機３の冷却を図ることができると共に、圧縮機３の放熱で給水を加温することができる。

蒸気エンジン２は、蒸気を減圧するものであるから、減圧弁として利用することもできる。すなわち、従来からボイラ５と蒸気利用設備との間には減圧弁が設けられているが、その減圧弁に代えて蒸気エンジン２を用いることができる。この場合、減圧弁としての蒸気エンジン２で、空気圧縮機３などを駆動できるので、省エネルギーを図ることができる。バイパス弁１５を開度調整することで、蒸気エンジン２からの排蒸路６の蒸気圧は多少変化するものの、大きく変動することはない。また、所望により、排蒸路６に、蒸気圧を補正するための圧力調整器を設けてもよい。

本発明の蒸気システム１は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、蒸気エンジン２は、スクリュ式としたが、場合によりタービン式としてもよい。また、前記実施例では、圧縮機３は、スクリュ式としたが、場合により軸流式や遠心式などとしてもよい。また、前記実施例では、圧縮機３で圧縮される気体は空気としたが、場合により蒸気やフロンなどとしてもよい。さらに、前記実施例では、蒸気エンジン２で圧縮機３を駆動させたが、この圧縮機３として、場合により送風機を設置してもよい。

また、図１においては、ボイラ５は一台のみを設置しているが、ボイラ５は複数台を設置してもよい。この場合、各ボイラ５からの蒸気は、蒸気ヘッダ（図示省略）にまとめられた後、蒸気エンジン２やバイパス路１４へ供給可能とされる。その際、蒸気ヘッダからの蒸気の一部は、蒸気エンジン２やバイパス弁１５を介することなく、直接に蒸気利用設備へ供給可能に構成してもよい。

また、これと同様に、前記実施例においても、蒸気ヘッダからの蒸気の一部は、蒸気エンジン２やバイパス路１４を介することなく、直接に蒸気利用設備へ供給可能に構成してもよい。さらに、前記実施例では、給水タンク７への給水で圧縮機３の冷却を図る例を示したが、これに代えてまたはこれに加えて、蒸気エンジン２の軸受部の冷却を図ってもよい。また、圧縮機３などの冷却は、給水タンク７への給水にて冷却したが、場合により、給水タンク７からボイラ５への給水にて冷却を図ってもよい。

本発明の蒸気システムの一実施例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 蒸気システム
２ 蒸気エンジン
３ 圧縮機
４ 給蒸路
５ ボイラ
６ 排蒸路
７ 給水タンク
１４ バイパス路
１５ バイパス弁

Claims (5)

1. 蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジンと、
   この蒸気エンジンにより駆動される圧縮機と、
   前記蒸気エンジンへの給蒸路と前記蒸気エンジンからの排蒸路とを接続するバイパス路に設けられ、前記圧縮機からの吐出気体の圧力に基づき開度調整されるバイパス弁と
   を備えることを特徴とする蒸気システム。
2. 前記蒸気エンジンは、スクリュ式蒸気エンジンとされ、
   前記圧縮機は、空気圧縮機とされ、
   前記バイパス弁は、前記圧縮機からの圧縮空気の圧力に基づき開度調整されることで、圧縮空気の利用負荷に応じて前記蒸気エンジンへの給蒸量を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気システム。
3. 前記給蒸路を介して前記蒸気エンジンへ蒸気を供給するボイラを備え、
   このボイラへの給水タンクに、前記蒸気エンジンからのドレンが供給される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気システム。
4. 前記ボイラまたはその給水タンクへの給水を用いて、前記圧縮機の冷却が図られる
   ことを特徴とする請求項３に記載の蒸気システム。
5. 前記蒸気エンジンは、ボイラと蒸気利用設備との間に設けられる減圧弁に代えて設置される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気システム。

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