JP2009250196A

JP2009250196A - 蒸気膨張機駆動空気圧縮装置

Info

Publication number: JP2009250196A
Application number: JP2008102403A
Authority: JP
Inventors: Masaki Matsukuma; 正樹松隈
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: JP5054597B2

Abstract

【課題】潤滑系統の構成が簡単な蒸気膨張機駆動空気圧縮装置を提供する。
【解決手段】蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１は、蒸気膨張機２と、蒸気膨張機２によって駆動される油冷式空気圧縮機３と、油冷式空気圧縮機３が吐出した圧縮空気から潤滑油を分離する油分離器３２と、油分離器３２で分離された潤滑油を、油冷式空気圧縮機３が吐出した圧縮空気の圧力によって、油冷式空気圧縮機３が停止したときに流路を遮断する遮断弁３８を介して、蒸気膨張機２の軸受空間８に供給する潤滑油供給ライン３７と、蒸気膨張機２の軸受空間８から潤滑油を、逆止弁３９を介して油冷式空気圧縮機３のロータ室１７に供給する潤滑油環流ライン４０とを有する
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置に関する。

ボイラで発生した蒸気を使用するプラントにおいて、ボイラが発生する高圧（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を廃棄することになるため、このエネルギを回収することが望まれる。

特許文献１には、スクリュ蒸気膨張機でスクリュ空気圧縮機を駆動して、空気を圧縮する装置が記載されている。引用文献１には記載されていないが、スクリュ蒸気膨張機には、その軸受を潤滑・冷却するために、オイルポンプやオイルクーラなどの付帯設備が必要である。また、空気圧縮機では、吸気とともに潤滑油を吸入させたり、ロータ室の低圧部に潤滑油を供給したりする油冷式のものが多く用いられているが、油冷式空気圧縮機では、吐出した圧縮空気から潤滑油を分離する油分離器等が必要である。

油冷式空気圧縮機の油分離器で分離された潤滑油は、油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気の圧力で送出されるのでオイルポンプが不要である。そこで、油冷式空気圧縮機の潤滑油で蒸気膨張機の潤滑をすればよいようにも思われるが、油冷式空気圧縮機の潤滑油の圧力は蒸気膨張機のシールの耐用圧力より高く、シールの破損を招く危険がある。

このため、蒸気膨張機で油冷式の空気圧縮機を駆動する蒸気膨張機駆動空気圧縮装置では、蒸気膨張機のために潤滑油を循環させる付帯設備と、空気圧縮機の吐出から潤滑油を分離して空気圧縮機に循環させる付帯設備との２種類の潤滑系統が必要であり、装置が複雑になるという欠点があった。
特開平１−２８５６９２号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、潤滑系統の構成が簡単な蒸気膨張機駆動空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、本発明による蒸気膨張機駆動空気圧縮装置は、蒸気膨張機と、前記蒸気膨張機によって駆動される油冷式空気圧縮機と、前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気から潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器で分離された前記潤滑油を、前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気の圧力によって、前記油冷式空気圧縮機が停止したときに流路を遮断する遮断弁を介して、前記蒸気膨張機の軸受空間に供給する潤滑油供給ラインと、前記蒸気膨張機の前記軸受空間から前記潤滑油を、逆止弁を介して前記油冷式空気圧縮機のロータ室に供給する潤滑油環流ラインとを有するものとする。

この構成によれば、油冷式空気圧縮機の吐出圧によって蒸気膨張機にも潤滑油を供給するので、蒸気膨張機専用のオイルポンプやオイルクーラなどの付帯設備が必要なく、装置構成が簡単である。また、蒸気膨張機には遮断弁を介して潤滑油を供給し、逆止弁を介して油冷式空気圧縮機に環流させるので、装置が停止して油冷式空気圧縮機の吸引力がなくなっても、空気圧による潤滑油の供給が遮断されるので、軸受空間の圧力が大きく上昇することを防止できる。

また、本発明の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置は、前記蒸気膨張機のハウジングと前記油冷式空気圧縮機のハウジングとを接続し、前記蒸気膨張機のロータ軸の一端の軸受空間、および、前記油冷式空気圧縮機のロータ軸の一端の軸受空間と一体となって密封された接続空間を形成する接続ハウジングを備えてもよい。

この構成によれば、蒸気膨張機および油冷式空気圧縮機のロータ軸が外部に露出しないので、軸周りから外部に潤滑油が漏出する心配がなく、ロータ軸のシール構造を簡略化できる。

また、本発明の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置において、前記蒸気膨張機のロータ軸と前記油冷式空気圧縮機のロータ軸とは、前記接続空間に収容された歯車を介して接続されていてもよい。

この構成によれば、油冷式空気圧縮機の負荷トルクに応じて歯車の比を選択することで、機械効率が高くなる。また、歯車を接続空間に収容したので、蒸気膨張機の軸受空間に供給された潤滑油によって、歯車も潤滑できる。

また、本発明の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置において、前記蒸気膨張機は、スクリュ膨張機であり、前記油冷式空気圧縮機は、スクリュ圧縮機であってもよい。

この構成によれば、スクリュ膨張機およびスクリュ圧縮機のトルク変動が小さいために、運転可能な圧力範囲が広く、安定した運転ができる。

本発明によれば、油冷式空気圧縮機の吐出圧によって潤滑油を蒸気膨張機の軸受空間に供給するので、蒸気膨張機専用の潤滑系統が不要である。また、潤滑油を、遮断弁を介して供給し、逆止弁を介して油冷式空気圧縮機に環流させるので、装置が停止したときに、蒸気膨張機の軸受空間が高圧になることを防止できる。

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は、本発明の１つの実施形態の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１の概要を示す。蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１は、容積形蒸気膨張機であるスクリュ膨張機（エキスパンダ）２と、容積形空気圧縮機であるスクリュ圧縮機３とを有する。

スクリュ膨張機２は、ハウジング４に形成されたロータ室５に雌雄一対のスクリュロータ６が収容されている。スクリュロータ６のロータ軸７は、吸気側（高圧側）の軸受空間８に配設した軸受９，１０と、排気側（低圧側）の軸受空間１１に配設した軸受１２，１３とで支持されている。また、ロータ室５と吸気側の軸受空間８との間は、シール部材１４で封止され、ロータ室５と排気側の軸受空間１１との間はシール部材１５で封止されている。排気側の軸受空間１１は、ハウジング４で封止されているが、吸気側の軸受空間８は軸方向に開放し、ロータ軸７がハウジング４から突出している。

スクリュ圧縮機３は、ハウジング１６に形成されたロータ室１７に雌雄一対のスクリュロータ１８が収容されている。スクリュロータ１８のロータ軸１９は、吸込側（低圧側）の軸受空間２０に配設した軸受２１と、吐出側（高圧側）の軸受空間２２に配設した軸受２３とで支持されている。吐出側の軸受空間２２は、ハウジング１６で封止されているが、吸込側の軸受空間２０は軸方向に開放し、ロータ軸１９がハウジング１６から突出している。

蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１は、スクリュ膨張機２のハウジング４の開放端とスクリュ圧縮機３のハウジング１６の開放端とを接続する接続ハウジング２４を有する。ハウジング４、ハウジング１６および接続ハウジング２４は、スクリュ膨張機２の軸受空間８およびスクリュ圧縮機３の軸受空間２０と一体となって密封された接続空間２５を画定する。

スクリュ膨張機２のロータ軸７のハウジング４から突出した端部には、駆動歯車２６が配設され、スクリュ圧縮機３のロータ軸１９のハウジング１６から突出した端部には、駆動歯車２６に咬合し、駆動歯車２６より歯数の多い従動歯車２７が配設されている。つまり、駆動歯車２６および従動歯車２７は、接続空間２５の中に収容されており、スクリュ膨張機２のロータ軸７の回転を、減速してスクリュ圧縮機３のロータ軸１９に伝えるようになっている。

また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１では、不図示のボイラから高圧の蒸気が、スチームトラップ２８および容量調整弁２９を介してスクリュ膨張機２へ供給され、スクリュ膨張機２で膨張して所定圧力に減圧された低圧蒸気を、不図示の需要設備に供給するようになっている。また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１では、高圧蒸気を減圧弁３０によって減圧して、スクリュ膨張機２を介さずに、需要設備に供給することもできるようになっている。

スクリュ膨張機２における蒸気の膨張力は、スクリュロータ６によって、ロータ軸７の回転力に変換され、駆動歯車２６および従動歯車２７を介してスクリュ圧縮機３のロータ軸１９を駆動してスクリュロータ１８を回転させる。スクリュ圧縮機３は、スクリュロータ１８の回転により、ロータ室１７の吸込側に負圧を生じ、エアフィルタ３１を介して、外気を吸い込む。スクリュロータ１８によって圧縮され、スクリュ圧縮機３から吐出された圧縮空気は、油分離器３２に導入され、その中に含まれる潤滑油が分離され、アフタークーラ３３で冷却されてから、需要設備に供給される。

油分離器３２で分離された潤滑油は、自動温度調節弁３４、油冷却器３５およびオイルフィルタ３６を介して、スクリュ膨張機２の軸受空間８およびスクリュ圧縮機３のロータ室１７に供給されるようになっている。ただし、スクリュ膨張機２の軸受空間８へ潤滑油を供給する潤滑油供給ライン３７には、スクリュ圧縮機３が停止すると流路を遮断する電磁弁からなる遮断弁３８が配設されている。また、スクリュ膨張機２の軸受空間８に供給された潤滑油は、接続空間２５に漏出して駆動歯車２６および従動歯車２７を潤滑する。接続空間２５に流入した過剰な潤滑油は逆止弁３９が介設された潤滑油環流ライン４０を介して、スクリュ圧縮機３のロータ室１７に供給されるようになっている。

さらに、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１は、油分離器３１の出口配管において、圧縮空気の圧力を検出する圧力検出器４１と、圧力検出器４１の検出値が所定の設定値になるように、スクリュ膨張機２の吸気側の容量調整弁２７の開度を制御するＰＩＤコントローラ４２とを備えている。

本実施形態では、油分離器３２で分離した潤滑油を、スクリュ圧縮機３が吐出した圧縮空気の圧力によって、スクリュ膨張機２の軸受空間８およびスクリュ圧縮機３のロータ室１７に供給するので、潤滑油の供給のための付帯設備をスクリュ膨張機２とスクリュ圧縮機３とで別々に設ける必要がなく、潤滑油を圧送するためのポンプも不要である。このため、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１は、構成が簡単で、安価に提供できる。

蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１において、潤滑油環流ライン４０は、流路抵抗が十分に小さくなるように構成され、スクリュ圧縮機３が運転されていれば、スクリュ圧縮機３の吸込圧力によって、スクリュ膨張機２の軸受空間８および接続空間２５から潤滑油を吸引し、軸受空間８および接続空間２５の内圧を大気圧に近い低い圧力に維持できるようになっている。

また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１において、スクリュ圧縮機３が停止されても、スクリュ圧縮機３が停止される直前の油分離器３２の内部の圧力が高圧に維持されているため、遮断弁３８を閉鎖しない限りは、油分離器３２の内部の圧力によって、潤滑油供給ライン３７を介して軸受空間８へ、ある程度は潤滑油が供給されることになる。しかしながら、本実施形態では、潤滑油供給ライン３７に設けた遮断弁３８を閉鎖するので、スクリュ膨張機２の軸受空間８への潤滑油の供給が停止される。

さらに、スクリュ圧縮機３が停止した場合、スクリュ圧縮機３内のリークによってロータ室１７の吸込側の圧力が高くなるので、ロータ室１７から接続空間２５への潤滑油が逆流が懸念される。しかしながら、本実施形態では、スクリュ潤滑油環流ライン４０に逆止弁３９を介設したことで、スクリュ圧縮機３内のリークによってロータ室１７の吸込側の圧力が高くなったとしても、スクリュ圧縮機３のロータ室１７から接続空間２５へ潤滑油が逆流しない。

これらの遮断弁３８および逆止弁３９の作用により、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１では、スクリュ圧縮機３が停止しても、スクリュ膨張機２の軸受空間８および接続空間２５への潤滑油の流入が阻止されるので、軸受空間８および接続空間２５の内圧は、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１が運転されていたときの圧力を維持することができ、軸受空間８および接続空間２５内の圧力が、許容される圧力（シール部材１４の耐用圧力等により制約を受ける大気圧に近い圧力）より高くなることを防止できる。

また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１では、スクリュ膨張機２の軸受空間８およびスクリュ圧縮機の軸受空間２０と一体の接続空間２５が密閉されている。つまり、スクリュ膨張機２のロータ軸７およびスクリュ圧縮機３のロータ軸１９は、スクリュ膨張機２のハウジング４、スクリュ圧縮機３のハウジング１６および接続ハウジング２４によって密閉されている。このため、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置１では、スクリュ膨張機２のロータ軸７がハウジング４を貫通する部分、および、スクリュ圧縮機３のロータ軸１９がハウジング１６を貫通する部分から潤滑油が外部に漏出しない。これにより、この部分の軸封構造を例えば非接触シールを採用するなどして長寿命化したり、軸封構造を簡略化または省略することができる。また、従来のように、軸周りから漏出した潤滑油を回収する装置も不要である。

本発明では、スクリュ圧縮機３の吐出した圧縮空気から分離した潤滑油を、圧縮空気の圧力により、遮断弁３８または独立した遮断弁を介してスクリュ膨張機２の排気側の軸受室１１に供給したり、接続空間２５内の駆動歯車２６および従動歯車２７に直接に噴霧したりして、逆止弁３９または独立した逆止弁を介して、スクリュ圧縮機３のロータ室１７に環流させてもよい。また、潤滑油環流ライン４０は、ロータ室１７に直接潤滑油を導入する以外に、エアフィルタ３１からロータ室１７までの吸込流路に潤滑油を導入してもよい。

本発明の実施形態の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置の概略図。

符号の説明

１…蒸気膨張機駆動空気圧縮装置
２…スクリュ膨張機（蒸気膨張機）
３…スクリュ圧縮機（油冷式空気圧縮機）
４…ハウジング
７…ロータ軸
８…軸受空間
１６…ハウジング
１９…ロータ軸
２０…軸受空間
２４…接続ハウジング
２５…接続空間
２６…駆動歯車
２７…従動歯車
３２…油分離器
３５…油冷却器
３７…潤滑油供給ライン
３８…遮断弁
３９…逆止弁
４０…潤滑油環流ライン

Claims

蒸気膨張機と、
前記蒸気膨張機によって駆動される油冷式空気圧縮機と、
前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気から潤滑油を分離する油分離器と、
前記油分離器で分離された前記潤滑油を、前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気の圧力によって、前記油冷式空気圧縮機が停止したときに流路を遮断する遮断弁を介して、前記蒸気膨張機の軸受空間に供給する潤滑油供給ラインと、
前記蒸気膨張機の前記軸受空間から前記潤滑油を、逆止弁を介して前記油冷式空気圧縮機のロータ室に供給する潤滑油環流ラインとを有することを特徴とする蒸気膨張機駆動空気圧縮装置。
前記蒸気膨張機のハウジングと前記油冷式空気圧縮機のハウジングとを接続し、前記蒸気膨張機のロータ軸の一端の軸受空間、および、前記油冷式空気圧縮機のロータ軸の一端の軸受空間と一体となって密封された接続空間を形成する接続ハウジングを備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置。
前記蒸気膨張機のロータ軸と前記油冷式空気圧縮機のロータ軸とは、前記接続空間に収容された歯車を介して接続されていることを特徴とする請求項２に記載の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置。
前記蒸気膨張機は、スクリュ膨張機であり、前記油冷式空気圧縮機は、スクリュ圧縮機であ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膨張機駆動空気圧縮装置。