JP2012007879A - 再生熱酸化装置における弁切替用電動ギヤモーター駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動システムを備えた弁を利用する再生熱酸化装置において、円滑に高い信頼性で作動し、費用効果が高く、整備も少なくて済む駆動システムを提供する。
【解決手段】切替弁用の電動駆動装置と、その様な駆動装置を有している切替弁と、切替弁と駆動システムを含んでいる再生熱酸化装置において、電動駆動システムは、回転弁の回転の開始と停止が正確な位置決めで行われるようにし、弁の停止には、弁の運動エネルギーを電気的な手段によって消散させることが含ませ、弁は、垂直方向に動くようになっており、振動回転運動が可能である。駆動システムは、ギア、ギアボックス、可変速度駆動装置、及び少なくとも１つの位置決めセンサーを含んでいるのが望ましく、弁の加速と減速は、制御された方式で、繰り返し可能に実行することができるので、弁の最終的な停止位置を一定にする。弁の垂直運動をも許容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、再生熱酸化装置における弁切替用電動ギヤモーター駆動装置に関する。

再生熱酸化装置は、従来から、工場や発電所からの高流量低濃度排気内の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を分解するのに用いられている。その様な酸化装置は、高いＶＯＣ分解能を実現するために、通常、高い酸化温度を必要とする。高い熱回収効率を実現するために、処理対象の「汚れた」処理ガスは、酸化前に予め加熱される。これらのガスを予加熱するために、通常、熱交換器コラムが設けられている。コラムには、通常、良好な熱的及び機械的安定性と十分な熱質量を有する熱交換材料が装填されている。作動時、処理ガスは、予め加熱された熱交換器コラムを通って送られるが、熱交換器コラムは、処理ガスを、そのＶＯＣ酸化温度に近づくか又は到達する温度まで加熱する。この予加熱された処理ガスは、次に燃焼ゾーンに送られ、そこで不完全なＶＯＣ酸化が普通は完了する。処理されて「清浄」になったガスは、燃焼ゾーンを出て、熱交換器コラムを通して送り返されるか、又は第２熱交換コラムに送られる。高温の酸化されたガスがこのコラムを連続的に通過する際に、ガスは、その熱をコラム内の熱交換媒体に伝達し、ガス自体は冷却され、熱交換媒体を予加熱することになるので、別のバッチの処理ガスが、酸化処理の前に予加熱できることになる。

普通は、再生熱酸化装置は、少なくとも２つの熱交換器コラムを有しており、処理ガスと処理されたガスが交互に中を通される。この処理は、継続して実行されるので、大量の処理ガスを効率的に処理することができる。

再生酸化装置の能力は、ＶＯＣ分解効率を向上させ、運転及び資本コストを低減することによって最適化される。ＶＯＣ分解効率を向上させる技術については、文献で、例えば、改良された酸化システム及び掃気システム（例えば、取り込みチャンバ）の様な手段や、切替の間に酸化装置内の未処理のガスの量を処理するための３つ又はそれ以上の熱交換器を使って取り組んでいる。運転コストは、熱回収効率を向上させ、酸化装置に亘る圧力降下を小さくすることによって低減することができる。運転及び資本コストは、酸化装置を適切に設計し、適切な熱伝達装填材料を選択することによって低減することができる。

効率的な酸化装置の１つの重要な要素は、処理ガスの流れを、或る熱交換コラム又はベッドから別のものに切り替えるのに使われる弁の働きである。弁システムを通って未処理の処理ガスが漏れると、装置の効率が低下する。更に、弁の切り替え中に、システム内の圧力及び／又は流れの乱れと変動が発生するかもしれず、望ましくない。弁の磨耗も、特に、再生熱酸化装置作動中は弁の切り替えが頻繁であることを考えると問題である。

米国特許第６，２６１，０９２号は、以上の問題に取り組んでいる再生熱酸化装置に適した切替弁を開示しており、その開示を参考文献としてここに援用する。第０９２号の特許に開示されている駆動システムは、空圧式シリンダーが作動するラックアンドピニオン型である。

ラックアンドピニオン空圧式駆動システムは、多くの制約を有している。第１に、このシステムは、空圧式空気供給が、通常は一定の圧力に調整されるので、力が一定の設計になっている。しかしながら、回転式切替弁に作用する状態は変化し、結果的に弁の密封面に掛かる力が変動する。弁の上部密封面に生じる摩擦は、弁を回転させるのに必要な力を決める際の重要な因子である。この力は一定ではなく、空圧シリンダーの作動力は比較的
一定なので、駆動システムの性能は変動する。場合によっては、弁を回転させることができないこともある。また、弁の回転が速すぎて、弁を停止させる手段が巧く働かない場合もある。

空圧式駆動システムの第２の制約は、空圧シリンダーの制動能力が最小なことである。通常、動いている駆動装置及び弁のエネルギーを吸収するのに利用できるのは、空圧空気クッション又はゴムクッションだけである。これらの装置によって安全に制動できるのは、小型の弁だけである。大型の弁は、弁を制動するのに、衝撃吸収材の様な外部のエネルギー吸収装置を用いなければならない。これらの装置は、装置のコストを増大させ、信頼性を低下させる。

空圧式駆動装置の第３の制約は、寒冷環境で使用するには、空気配管の氷による閉塞を防ぐために非常に乾燥した空気の供給を必要とすることである。これには、高価な空気乾燥装置を追加することが必要となる。

最後に、ラックアンドピニオン空圧式駆動システムは、弁を正確に位置決めするのに用いられる機械的なストッパを有している。しかしながら、弁の制動装置が故障したり、弁が過度に早く回転して制動装置の能力を超えたりすると、駆動装置及び／又は弁は、ストッパとの衝突によって損傷を被ることになる。

第０９２号特許に開示されている弁の様な回転弁に、円滑に高い信頼性で作動し、費用効果が高く、整備も少なくて済む代替駆動システムを提供することが望まれている。その様な駆動システムを備えた弁を利用する再生熱酸化装置を提供することも望まれている。
米国特許第６，２６１，０９２号

先行技術の問題は、切替弁用の電動駆動装置と、その様な駆動装置を有する切替弁と、切替弁と駆動システムを含む再生熱酸化装置を提供する本発明により克服されている。電動駆動システムは、回転弁の回転の開始と停止を正確な位置決めで行うことができる。弁の停止には、電気的手段による弁の運動エネルギーの消散が含まれている。弁は、垂直方向に動けるようになっており、振動回転運動が可能である。

駆動システムは、ギア、ギアボックス、動的制動能力を有する可変周波数駆動装置付きモーター、及び少なくとも１つの位置決めセンサーを含んでいるのが望ましい。システムは、回転弁の回転の頻繁な開始と停止を精度良く行うことができ、弁の加速と減速は、制御された方式で繰り返し実行されるので、弁の最終的な停止位置は、機械的なストッパを使用すること無しに一定している。弁を垂直運動できるようにするのも、本発明の範囲内にある。

或る好適な実施形態では、駆動システムが装着されている弁は、２つのチャンバを画定するシールプレートを有しており、各チャンバは、酸化装置の２つの再生ベッドの一方に繋がる流れの出入り口である。弁は、更に、入口又は出口の処理ガスを、シールプレートの各半分に交互に流す切り替え式流れ分配器を含んでいる。弁は、静止モードと弁運動モードの２つのモードの間で作動する。静止モードでは、処理ガスの漏れを最小にするか又は防ぐため気密ガスシールが用いられる。ガスシールは、弁運動中も密封している。弁は、コンパクトに設計されているので、従来の設計では通常必要とされる配管を無くしている。これにより、サイクルの間に処理ガスが占有する容積が少なくなり、サイクルの間に処理されずに残る汚い処理ガスが少なくなる。付帯しているバッフルは、スイッチ切り替えの間に、弁を横切る未処理の処理ガスの漏れを最小にするか又は無くする。従来通り２つ又は４つの弁を使うのではなく、１つの弁を使用する方が、密封しなければならない領域が相当に少なくなる。切り替え式流れ分配器の幾何学形状によって、流れ分配器を熱交換ベッド近くに配置できるため、処理ガスが通過する曲がりの距離と数を減らすことができる。これによって、弁の切り替え中に閉じ込められる未処理のガスの量が減る。処理ガスは、出口サイクルの場合と同じく、入口サイクルの場合も同じの弁の出入り口を通過するので、熱交換ベッドへのガスの分配が改良される。

圧力の変動が最小で、密封性に優れており、切り替え中の迂回が無いか又は最小である弁の切り替えが実現される。切り替え中の迂回を低減又は無くすることを考えると、切り替え中に或る量の未処理のガスをシステム内に貯えるのに用いられる従来の閉じ込めチャンバを無くすことができるので、実質的なコスト節減となる。

図１と図２は、回転弁１０に連結されている、本発明の或る実施形態による電動ギアモーター駆動システムを概略的に示している。弁１０は、ギアセット２１に接続されているシャフト２０を含んでいる。ギアセット２１は、ギアボックス２２の中に収納されているギアによって駆動され、ギアは、図示の様に、ＡＣ駆動装置２４により電力供給されるモーター２３によって駆動される。図示の実施形態では、ギアボックス２２は、ギアボックス取付プレート７（図３）によって支持されており、プレート７は、一対の間隔を空けて配置されているベースフレーム取付梁５によって支持されている。この構造は、システムの作動中に生じるトルクに耐えることができる。ギアセット２１は、ギア３０と３１で構成されている。ギア３０は、弁のシャフト２０に取り付けられているギア３１と噛み合っている。ギア３０は、ギアボックス２２内のギアによって駆動され、そのギアは、モーター２３によって駆動される。ギア３０、３１は、アッセンブリが、弁１０の垂直方向の運動を許容するスパーギア（平歯車）であるのが望ましい。垂直運動は、通常、空圧シリンダーを使って行われる。しかしながら、弁を垂直方向に位置決めするのに、スクリュー式アクチュエータ又は圧縮ばねを含む別の装置を用いてもよい。ベベルギア（傘歯車）セットを使用してもよいが、その場合と、弁は、図６に示す一方向だけに垂直に動くことができる。

ギアボックス２２の主要な機能は、弁を作動させるのに用いられる電動モーター２３のトルク出力を増して速度を減速することである。この様に、ギアボックス２２は、高速モーター２３に適切なトルクと出力速度を提供する。例えば、５馬力で１８００ｒｐｍのモーターに減速比１２５：１のギアを装備すれば、約１４ｒｐｍの出力速度と、（ギアで減速しなければ約１５−１６ｆｔ−ｌｂｓのトルクしか得られないのに比べて）約２０００ｆｔ−ｌｂｓの始動トルクが得られる。噛み合っているギア３０と３１は、同じ大きさである必要は無い。これらのギアは、特に所望の減速に２段階以上を必要とする場合は、第２減速器セットとして用いることができる。

適したギアボックス２２には、直角型ギアボックスと直列型（即ち、惑星式）ギアボックスがあるが、前者が空間的制約の点で好ましい。直角型ギアセットでは、入力及び出力シャフトの軸が、直列ではなく垂直になっているので、ギア列の全高が、直列構成の場合よりも低い。直角型ギアボックスの場合は、更に、モーターを、図３に示す様に垂直出力シャフトに垂直な方向に取り付けることができるようになる。三段ヘリカル−ベベル式直角型ギアボックスが特に好ましいが、当業者には理解頂けるように、ヘリカルウォーム式ギアボックスの様な他の直角型ギアボックスを使用してもよい。

電動モーターからのトルクは、適切な減速比を備えたギアボックス以外の手段によっても、所望通りに増大させることができる。例えば、ギアボックスをベルト駆動システムと組み合わせて使用してもよい。代わりに、多段ベルト駆動方式を使用してもよい。また更に、図５は、ウォーム駆動装置を有するスクリュー式アクチュエータ５０を駆動する電動モーター２３を示している。スクリュー式アクチュエータ５０は、ガイド５３に案内されているラック５１を作動させ、ラックは、弁１０の弁棒に取り付けられているギア５２を駆動する。

電動モーター２３は、通常、約４６０ボルト、６０サイクル、１８００ｒｐｍであり、適した交流電源によって電力供給されている。
誘導近接センサーの様な１つ又は複数の位置センサーを用いて弁の位置を感知し、弁を所望の位置で正確且つ再現可能に停止させて適切な密封性を保証するのが望ましい。第１センサーがモーターの減速を開始させる位置に配置され、第２又は停止センサーがモーターを停止させる位置に配置されているのが望ましい。これらのセンサーの正確な場所は、技術の技量の範囲内にある。弁の位置を判定するのに適した代替手段には、カムの様なリミットスイッチとアクチュエータ、エンコーダー、近接センサーによるギアの歯の計数、フォトアイと光源、ホール効果ベーンスイッチなどがある。

ベーンの動きを制御するのに増分エンコーダー又はギアの歯の計数を用いる場合は、計数し損なう危険がある。これが起こると、時間が経つにつれて、弁の位置決めが不正確になる。好適な装置は、角度位置を４−２０ｍａ信号に変換する絶対エンコーダーである。これは、計数し損なって、弁を適切に配置しない危険を無くする。

弁の制動は、各切り替え操作後に弁が適切に正確に位置決めされることを保証するために、重要である。切り替え後に、弁が適切に位置決めされない場合は、酸化装置に漏れと非効率的なＶＯＣ分解が生じることもある。従って、停止センサーに出会う前に、制動によって弁を徐行速度に到達させるのが望ましい。ＡＣ可変速度駆動装置は、制動能力を良好なものとするため、余分な容量の電力消散抵抗器と防熱回路を含んでいるのが望ましい。しかしながら、外部制動抵抗器を備えていない大馬力のモーターと可変周波数駆動装置を代わりに使用してもよい。駆動装置は、回転弁の運動エネルギーを電気的に効率的に消散しなければならない。電気エネルギーを消散させる抵抗器の代替策は、バッテリーの様な貯蔵装置を充電することである。代わりに、モーターブレーキ、機械的弁ストッパ、モーターへのＤＣ電流注入、又は、ＲＴＯの弁とシールプレートの間の摩擦力を使用して弁を制動してもよい。

図２Ａと２Ｂは、本発明の再生熱酸化装置における電動ギア駆動装置の作動を概括的に示している。作動時、モーターは、作動速度まで、図示の実施形態では６０Ｈｚで約１７５０ｒｐｍまで加速する。その後、モーターは、減速センサーが始動するまでは、この所定の設定速度で作動し、減速センサーが始動すると、モーターは、ＡＣ駆動装置によって徐行速度に、通常は５Ｈｚで１５０ｒｐｍに、減速される。モーターは、停止センサーが始動するまで、徐行速度で作動する。例えば、切り替え中の弁の回転が１８０度の場合、徐行モード中の弁の実際の回転量は、約２度である。停止センサーが始動すると、モーターは、徐行速度から惰行運転し、停止する。この一連の動きも、図２Ｂにグラフで示されている。

停止センサー及び減速又は徐行センサーによる好適な作動の論理流れ図を図７に示している。論理シーケンスの初期設定部分は、弁を、Ａと選択された基準位置まで向けるのに必要である。基準位置が見出されると、弁は、位置Ａから位置Ｂに動くときに正確に位置決めされる。ゼロ空間は、停止センサーも減速センサーも、その弁回転位置で目標を感知していないことを意味しているに過ぎないことに留意されたい。初期設定状態では、減速と停止のセンサーは、共に、自分たちの目標を見ている。初期設定プロセスでは、弁は、位置Ａに到達するまでは一方向に回転できるだけである。センサーと目標は、システムが、位置ＡとＢを区別して、正しい開始位置が確実に常に実現できるように、配置されている。

位置ＡからＢへの回転中に、弁は、所定の速度まで加速し、減速目標が感知されるまでその速度で作動する。次いで、弁は、徐行速度まで減速され、停止目標が停止センサーと出会うまでこの速度で回転する。位置ＢからＡへの回転は、逆回転方向で起こり、同じ論理シーケンスを有している。初期設定は、弁駆動装置が、電源オフの状態から最初に作動開始するときにだけ起こることに留意されたい。

ＰＬＣ装置と可変周波数駆動装置の間の典型的な相互作用には、位置センサー信号に関する情報の交換が関わっている。例えば位置センサー信号に基づいて、ＰＬＣは、モーター駆動装置に、回転方向又は回転速度を変えさせる。更に、ＰＬＣは、通常、設備の作動の問題を診断するための貴重な故障情報を提供する。しかしながら、幾つかのＡＣ駆動装置は、センサー情報を処理する能力を有しており、ＰＬＣ装置とは独立して作動する。

弁の切り替え時間の規格は、再生熱酸化装置内の捕捉チャンバ容積を最小にするように選定される。捕捉チャンバは、弁の切り替え作動中の未浄化ガスの放出を防ぐ。弁の切り替えが早くなるほど、捕捉チャンバは小さくて済む。従って、弁の切り替え時間に対する規格の下限は無い。上限は、駆動装置の能力に基づいており、概ね、徐行モードの時間を含まず、５秒未満に設定される。徐行モードの間、シールプレートは、未浄化ガスの放出を防ぐため、既に適切に整列されている。

１つ又は複数のセンサー２５を適切に配置すれば、弁１０の垂直運動を感知することができる。而して、図４に示す様に、空気シリンダーの様な空圧シリンダー４０と、電気信号を圧力出力に変換する電空調節器４１とを使って、弁１０を垂直方向に動かすことができる。これは、弁の回転運動と同時に実行することができる。弁が回転に適正な圧力に設定されていることを示す信号が与えられる。回転が過剰なドラグにより失速する場合、装置は、空気シリンダー４０の揚力を下げることによって、弁が回転するのを支援する。更に、弁が停止センサーを始動させるときには、揚圧力を上げることによって、弁の停止及び位置決めを支援することができる。

システムは、開始／停止作動が頻発するにも関わらず、所望の弁の回転速度、円滑な作動、及び最終的な位置決め精度を実現するために、加速度、減速度、モーター作動速度、徐行速度、及び位置センサーの角度位置の変動を許容している。例えば、１つの適した作動パラメーターのセットは、１．１秒の加速度、０．５秒の減速度、５５Ｈｚの最大モーター速度、及び３Ｈｚの徐行速度を使用する。電力を使って弁を始動させると、空圧系の圧縮気に含まれている水分の問題を回避することができる。

本発明の再生熱酸化装置における電動駆動装置は、設定及び取替えが簡単であり、必要なのは、ギアボックスと噛み合いギアの搭載と、アッセンブリの水準合わせだけである。弁速度が勾配をなして上下する間は、衝突の負荷と振動を減らすことで、弁の円滑で静かな加速及び制動が実現される。ＡＣ駆動装置のパラメーターは、遠隔で変更することができるし、遠隔診断を採用することもできる。部品の直線状の案内が無く機械的な接続も殆ど無いことによって、整列に関する懸念事項も殆ど無く、構成要素の過早摩耗が生じることもない。駆動装置が、加速度と減速度を事前設定限界に維持するようモーター出力を調整するので、装置も、弁／シールプレートのインターフェースの状態に対する感度が低い。

本発明による再生熱酸化装置が装備している弁の概略図である。 図２Ａと図２Ｂは、本発明装置における電動ギアモーターの作動を示す図である。 本発明装置における、弁と電動ギアモーター駆動装置の斜視図である。 本発明装置における別の形態による、電動ギアモーター駆動装置を装備した弁の概略図である。 本発明装置における別の形態による、ラックを使用している電動駆動装置の概略図である。 代替形態による、ベベルギアセットを使用している電動モーター駆動装置が装備されている弁の概略図である。 本発明の再生熱酸化装置における駆動システムの作動を示す論理フローチャートである。

Claims (13)

1. 燃焼ゾーンと連通している少なくとも第１及び第２熱交換コラムと、ガスの流れを前記コラムへ出入りするように向けるための弁と、前記弁を作動させるための電動モーター駆動装置と、を備えている再生熱酸化装置において、前記モーター駆動装置は、電動モーターと、前記モーターのトルク出力を増大させるために前記モーターに連結されている手段と、モーターブレーキと、前記弁が所定の位置に到達したときに前記モーターを停止させるための第１の位置センサーと、前記弁が第２の所定の位置に到達したときに前記モーターを減速させるための第２の位置センサーと、を備えている、再生熱酸化装置。
2. 前記モーター駆動装置は、可変周波数駆動手段を有するモーターブレーキを備えている、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
3. 電力消散抵抗器を更に備えている、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
4. 外部のエネルギー貯蔵手段を更に備えている、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
5. 前記弁を垂直方向に動かすための手段を更に備えている、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
6. 前記第１の位置センサーは、エンコーダーである、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
7. 弁の回転速度を測定するためのセンサーを更に備えている、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
8. 前記弁と係合させるためのギアセットを更に備えている、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
9. 前記ギアセットは、スパーギア、ベベルギア、又はラックアンドピニオンギアを備えている、請求項１に記載の再生熱酸化装置。
10. 前記弁を垂直方向に動かすための前記手段は、空圧シリンダーを備えている、請求項５に記載の再生熱酸化装置。
11. 前記空圧シリンダーは、圧力調節手段を備えている、請求項１０に記載の再生熱酸化装置。
12. 前記圧力調節手段は、電子的に制御されている、請求項１１に記載の再生熱酸化装置。
13. 前記弁の作動は、角度方向で逆になっており、１８０度の振動又は逆転の動きを含んでいる、請求項１に記載の再生熱酸化装置。

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