JP2014505826A - 体積膨張装置の潤滑 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は膨張装置を潤滑するための方法を提供する。この方法は、潤滑剤を含む作動媒体を蒸発器により供給するステップと、潤滑剤を含み、蒸発器により供給された作動媒体から潤滑剤の少なくとも一部を分離するステップと、潤滑剤から少なくともその一部が分離されることにより減少した作動媒体を膨張装置に供給するステップとを含む。さらに、潤滑剤を含む作動媒体を蒸発させ、膨張装置にその作動媒体を供給させるように構成された蒸発器と、潤滑剤を含み、蒸発器により膨張装置に供給される作動媒体から、潤滑剤の少なくとも一部を分離するように構成された潤滑剤分離装置とを含む装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、体積膨張装置（volumetrically operating expansion machine）に関し、特に、体積膨張装置の潤滑のための方法に関する。

蒸気タービンのような膨張装置の動作としては、たとえば、有機媒体を用いた発電方法としてのオーガニックランキンサイクル（ＯＲＣ）を利用したものが従来より知られている。この有機媒体は、たとえば、作動媒体としての水と比較して、同温のときの蒸気圧（vaporization pressure）がより高くなるように、低い沸点（vaporization temperature）をもつ。ＯＲＣプラントは、クラウジウスランキンサイクルを実現するように構成される。クラウジウスランキンサイクルでは、たとえば、作動媒体が断熱的及び等圧的に状態変化することにより電力が得られる。作動媒体の蒸発、膨張、凝縮により、機械エネルギーが得られ、得られた機械エネルギーは電力に変換される。作動媒体は、主として、供給ポンプにより作動圧力となり、燃焼や廃熱の流れにより生じた熱エネルギーが蒸発器内で作動媒体に供給される。作動媒体は、蒸発器から圧力管を通して膨張装置にまで流れ、その膨張装置内で膨張して低圧力となる。つづいて、膨張した作動媒体は凝縮器を通して流れ、その凝縮器内で、気化した作動媒体と冷媒との間で熱交換が行われる。それから、凝縮した作動媒体は、循環過程内において、供給ポンプにより蒸発器に戻される。

ある種類の膨張装置は、容積型膨張装置（displacement expansion machine）としても知られるような、体積膨張装置により構成される。この体積膨張装置は、動作室（working chamber）を備え、その動作室の体積が増加する間に作動媒体が膨張して作動する。これらの膨張装置は、たとえば、ピストン膨張装置（piston expansion machine）、スクリュー膨張装置（screw expansion machine）、スクロール膨張装置（scroll expander）の態様により実現される。これらの体積膨張装置は、（たとえば、１〜５００ｋＷの電力を使う）小電力クラスのＯＲＣプラント内で特に用いられている。しかし、タービンを用いる場合と比較して、体積膨張装置は、特にピストンや、互いに回転している膨張室の外形部分、作動室の転がり軸受けやスライド壁に対して、潤滑剤による潤滑が必要となる。潤滑剤の使用は、膨張装置の動作エリアのシーリングにも有効となり、これにより、膨張装置内でのオーバーフローにより失われる蒸気量が小さくなり、仕事率の向上が図れる。

図１は、従来の潤滑システムの概略図である。作動媒体は蒸発器１から膨張装置２に供給される。膨張装置内２において、気化した作動媒体は膨張し、放出されるエネルギー（released energy）は発電機３を通して、電力に変換される。潤滑油等の潤滑剤は、ロータリーポンプ４を通して膨張装置２に供給される。潤滑剤は膨張装置２から膨張した作動媒体とともに排出される。潤滑剤は、微細に分散したオイルミストとして、膨張した作動媒体内に存在している。潤滑剤は、油分離器５内で作動媒体と分離し、これにより、作動媒体は、オイルを実質的に含まない状態で、油分離器５から凝縮器６に供給される。凝縮した作動媒体は、供給ポンプ７により、蒸発器１に再度供給される。回収された油は、ロータリーポンプ４を通して膨張装置２に再度供給される。

しかし、従来技術の潤滑システムでは、次のような不利な要素を含んでいる。潤滑剤（潤滑油）は、膨張装置２を通過した後の低圧側の箇所で分離されるうえ、膨張装置２に対して高圧側の箇所から供給される必要がある。このため、供給ポンプ７が作動媒体を送り出すために生じさせている圧力差よりも大きい圧力差を生じさせるロータリーポンプ４を用いる必要があり、これに伴い多くの部品数が必要となり、その結果としてコスト増を招く。さらに、膨張装置２から排出される排蒸気（waste steam）は、膨張装置２に供給される生蒸気（live steam）と比較して、たとえば、一桁以上小さくなるほど低密度であるため、比較的大きな油分離器５が必要となる。さらに、排蒸気としての作動媒体からの潤滑剤の分離は、遠心式分離器やデフレクタ（deflector）により実現される。これらは潤滑剤を含む排蒸気の流れる方向を大きく変える必要があり、比較的に大きい体積のそのような排蒸気の流れにより圧力損失が発生する。これにより、膨張装置２に作用する逆圧の発生を招き、膨張装置２の仕事率の低下を招いてしまう。

さらに、比較的に大きい質量、体積の排蒸気により、比較的に大きい油分離器５にはある程度の慣性力（inertia）が作用し、その慣性力によりプラントの稼働開始時や負荷の変更時において不都合が生じる。さらに、排蒸気の温度とほぼ同じ温度の液相としての潤滑剤がノズルから生蒸気内に供給されると、生蒸気の温度やエンタルピーを低減させてしまう。

そこで、このような問題に対する要望に鑑みて、本発明の目的は、上述した問題を除去、又は少なくとも弱めることができるような、体積膨張装置を潤滑するための方法を提供することにある。

上述の目的は、次のステップを含むような、膨張装置を潤滑するための方法により達成される。潤滑剤を含む作動媒体は熱交換器（蒸発器）により供給される。作動媒体は、一部又は全部が、気相の状態で存在している。潤滑剤の少なくとも一部は、潤滑剤を含んでおり、蒸発器により供給される作動媒体から分離される。潤滑剤から少なくともその一部を分離することにより減少した（depleted）作動媒体は膨張装置に供給される。

本発明によれば、従来技術と比較して、潤滑剤の少なくとも一部は、蒸発器により供給される作動媒体から分離される。一方、従来技術では、この分離は、膨張装置から作動媒体が排出されてから実現される。本発明に係る方法によれば、ロータリーポンプを用いることが不要となる。さらに、蒸発器により供給された作動媒体から潤滑剤の少なくとも一部を分離するために用いられる潤滑剤分離装置は、従来技術と比較して小さくできる。なぜなら、潤滑剤は、排蒸気から分離されるのではなく生蒸気から分離されるためである。さらに、本発明によれば、生蒸気の温度やエンタルピーについて、比較的低温の潤滑剤を加えることによる減少が抑えられる。

別の実施形態において、本発明に係る方法は、分離した潤滑剤の少なくとも一部を膨張装置に供給するステップを含む。膨張装置に供給される作動媒体内に残る潤滑剤の一部は、互いに回転又はスライドするような体積膨張装置の動作室の潤滑すべき部分（lubricating parts）に用いられる。一方で、この別の実施形態において、分離した潤滑剤の少なくとも一部は膨張装置の潤滑箇所（lubrication point）に供給される。

本発明に係る方法は、オーガニックランキンサイクル（ＯＲＣ）プラントの体積膨張装置の潤滑に好適に用いることができる。したがって、作動媒体は、有機作動媒体により提供されてもよい。作動媒体としては、たとえば、フッ化炭化水素が用いられてもよい。作動媒体は、通常、蒸発器から膨張装置に気相の状態で供給される。この一方で、別の実施形態によれば、潤滑剤は、潤滑剤を含む作動媒体内に存在しており、その作動媒体の蒸気により運ばれるような油滴状の液相の状態で蒸発器により供給される。この油滴は、膨張装置に作動媒体が導入される前に、潤滑剤分離装置により作動媒体から少なくとも一部が分離されて回収される。これにより、膨張装置の潤滑箇所に潤滑剤を供給できる。油滴状の潤滑剤は、たとえば、合成エステルである（後述の説明も参照されたい）。

潤滑剤は、作動媒体とともに蒸発器を通過するため、実質的に気相である作動媒体から分離された後、高温になっている。これにより、潤滑剤は、潤滑剤分離装置内で回収されるとき、比較的に高圧な状態にある。このように高圧であることにより、別のポンプ装置による汲み上げを要することなく、潤滑剤を膨張装置の潤滑箇所まで自由に流す（flow freely）ことができる。この潤滑箇所とは、たとえば、潤滑する必要のある軸受けである。

一方、既に説明したように、潤滑剤分離装置から膨張装置の潤滑箇所に供給される潤滑剤は、比較的に高温である。しかし、その潤滑剤は、膨張装置の潤滑箇所から熱を除去するためにも用いることができる。このため、本発明に係る方法は、一例として、膨張装置の潤滑箇所に供給する前に、その分離された潤滑剤を冷却するステップを更に含む。

このとき、潤滑剤（たとえば、潤滑油）の熱は、冷却媒体（たとえば、空気）に直接に伝達されてもよい。この熱は、膨張装置の潤滑箇所に潤滑剤を供給するためのパイプから周囲の空気に直接に伝達されてもよい。もしくは、リブが設けられたパイプを用いれば、熱伝達が良好となる。この場合、この熱は、プロセスで利用されることはなくなる。

他の形態としては、冷却のために冷却された作動媒体が用いられてもよい。このとき、潤滑剤及び作動媒体は、熱交換器を通して流れてもよい。これにより、冷却された作動媒体が蒸発器に供給される前に、熱は、潤滑剤から冷却された作動媒体に向けて伝達され、冷却された作動媒体をプロセスで再度用いることができる。

膨張装置の潤滑箇所に供給される分離した潤滑剤の冷却は、潤滑剤を含む作動媒体であって、蒸発器に供給される作動媒体を用いて、少なくともその一部が実現されてもよい。作動媒体は、蒸発器の上流側において液体の状態で存在しており、その作動媒体に溶解した潤滑剤を含んでいる。この形態において、作動媒体は、蒸発器の下流側にある場合と比較して比較的に冷たくなる。よって、たとえば、分離された潤滑剤が膨張装置の潤滑箇所に流れるためのパイプの周囲に冷却リブを設け、その冷却リブまでその作動媒体の少なくとも一部が導かれるようにしてもよい。これにより、膨張装置に向かう経路にある潤滑剤をその作動媒体により冷却できる。

上述した目的は、潤滑剤を含む作動媒体を蒸発させ、その作動媒体を膨張装置に供給させるように構成された蒸発器と、潤滑剤を含み、蒸発器により膨張装置に供給される作動媒体から、潤滑剤の少なくとも一部を分離するように構成された潤滑剤分離装置と、を含む装置によっても達成される。

潤滑剤分離装置は、さらに、膨張装置の対応する潤滑箇所に、分離された潤滑剤の少なくとも一部を供給されるように構成されてもよい。この潤滑箇所とは、たとえば、潤滑されるべき膨張装置の軸受けである。

別の実施形態によれば、本発明に係る装置は、有機作動媒体が用いられるオーガニックランキンサイクル装置である。

膨張装置は、ピストン膨張装置、スクリュー膨張装置、スクロール膨張装置、ベーン機械及びルーツ膨張機から構成される群から選択されてもよい。

本発明に係る装置は、潤滑剤分離装置内で分離された潤滑剤を膨張装置の潤滑箇所まで導くパイプラインと、パイプラインの周囲に設けられた冷却リブとを更に含んでもよい。

さらに、上述した例の何れかに係る装置を含んでおり、たとえば、地熱汽力発電所、バイオマス燃焼汽力発電所等のような汽力発電所が提供されてもよい。

さらなる特徴や実施形態は、本発明の利点とともに、これより図面を参照にして詳述される。これら実施形態は本発明の分野を限定するものではないことは理解される。さらに、後述する特徴の一部又は全部もまた別の態様により互いに組み合わせてもよいことは理解される。

図１は、従来技術に係る体積膨張装置に適した潤滑システムを示す。 図２は、本発明に係る体積膨張装置に適した潤滑システムを一例として示す。

図２に示すように、本発明の一例としての、体積膨張装置に適した潤滑システムは、潤滑剤分離装置１０（後述のように、一例は油分離器）を備える。潤滑剤分離装置１０は、蒸発器２０と膨張装置３０との間に配置される。蒸発器２０は、全部又は一部が気化した作動媒体を供給する。膨張装置３０は、発電機４０と協働して電力を得るために用いられる。図１を参照して上述したように、従来技術では、排蒸気の流れの中から潤滑剤が分離されるように構成される。一方、本発明においては、潤滑剤の少なくとも一部は、その潤滑剤と混ざっており、膨張装置３０に供給される生蒸気としての作動媒体から分離される。油分離器１０内には、膨張装置３０に到達する作動媒体内に十分量の潤滑剤（潤滑油）が残って存在するように、対応する分離板（separation plate）が設けられる。これにより、互いに回転又はスライドするような体積膨張装置３０の動作室の各部位に対して確実な潤滑が行われる。この代替として、油分離器１０内での潤滑剤の分離は、実質的に完全に実現されるようにしてもよいし、作動媒体が膨張装置３０に導入される前に、適量の潤滑剤が生蒸気としての作動媒体内に再度供給されてもよい。

分離された潤滑油は、油分離器１０内で回収される。潤滑油は、作動媒体とともに蒸発器内を通過後に高温になっているため、油分離器１０内において高圧になる。これにより、分離された潤滑油は、対応するパイプを通して膨張装置３０まで自由に流れ（flow freely）、膨張装置３０の対応する潤滑箇所が潤滑される。軸受けの潤滑に加えて、分離された潤滑油は、軸受けからの熱を除去するようにしてもよい。この目的のため、膨張装置３０の潤滑箇所に潤滑油に導く前又は間に、その潤滑油を冷却すると好ましい。この冷却は、たとえば、膨張装置３０の潤滑箇所においてパイプライン周りに設けられた冷却リブにより行われてもよい。冷却は、膨張装置３０内での膨張後、凝縮のために凝縮器６０を通過し、供給ポンプ５０により戻された作動媒体との間で熱交換（heat coupling）して行われてもよい。この熱は、代替として、膨張装置の潤滑箇所に潤滑剤を供給するためのパイプラインから周囲の大気に直接に伝達されてもよい。更なる代替として、潤滑剤と作動媒体は、熱交換器を通して流れてもよい。これにより、この熱は、潤滑剤から冷却された作動媒体に伝達される。

一例として、作動媒体が供給ポンプ５０を通して蒸発器２０に供給されるとき、潤滑剤は、その作動媒体内に溶解した状態で存在する。これは、作動媒体と潤滑剤との選択が適したものであるときに達成される。この作動媒体は、たとえば、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等のフッ化炭化水素により提供されてもよい。また、この潤滑剤は、たとえば、業者Fuchs（登録商標）のオイルシリーズであるReniso Triton（登録商標）のSE/SEZ等の合成エステルにより提供されてもよい。このとき、作動媒体と潤滑剤との相分離が起きるような溶解度ギャップは作動する温度範囲内では生じないことに留意されたい。この代替として、潤滑油は、作動媒体の沸点よりその沸点を大きく高くしてもよい。これにより、蒸発器２０の通過後に、気相としての作動媒体中に、滴として液相の状態で潤滑油が存在できる。

説明した例によれば、油分離器１０内で分離された潤滑油は、高圧な状態にある。このため、潤滑油は、その圧力によって、膨張装置３０まで自由に流れるので、潤滑剤のために別のポンプ装置を設けることが不要となる。さらに、従来技術と比較して、油分離器１０を流れる時間当たりの流量（volume）が少なくなるため、油分離器１０を比較的にコンパクトなサイズにでき、スペース及びコストの削減を図れる。さらに、膨張装置３０の下流側での圧力損失が低減するため、膨張装置３０の下流側に油分離器１０を設けた従来の構造と比較して、膨張装置３０を通しての圧力差を大きくできる。これにより、膨張装置３０の仕事率を増大できる。さらに、潤滑剤は、生蒸気としての作動媒体内にそのまま残るか、生蒸気の温度で作動媒体に供給されるため、従来技術と比較して、潤滑剤を用いても、生蒸気の温度やエンタルピーの低下を招かない。

さらに、本発明に係る体積膨張装置の潤滑によれば、ＯＲＣプラントの稼働開始時の振る舞い（start-up behavior）を大きく改善できる。ＯＲＣプラントが稼働しはじめたとき、冷たい作動媒体が蒸発するまで熱圧力を高められたうえで蒸発器２０に供給される。蒸気は、バイパスライン（図２に図示せず）を経由するように稼働動作開始用の経路を通して凝縮器６０に供給される。たとえば、油分離器１０から供給される潤滑油のような、液相の潤滑剤も同様にその凝縮器に供給される。液化した作動媒体と潤滑油は、供給コンテナ内に流れ、その供給コンテナから供給ポンプ５０を通して蒸発器２０に供給される。潤滑油は作動媒体内に溶解させるため、供給コンテナ内に直接に供給されてもよい。つまり、時間を節約するように、提供された潤滑剤の全部が蒸発器を通して導かれ、作動温度にすることができる。

Claims (14)

1. 膨張装置を潤滑するための方法であって、
   蒸発器により供給される作動媒体内に油滴状の潤滑剤が存在するように、潤滑剤を含む作動媒体を蒸発器により供給するステップと、
   前記蒸発器により供給された前記作動媒体から前記潤滑剤の一部を分離するステップと、
   前記潤滑剤からその一部を分離することにより減少した作動媒体を前記膨張装置に供給するステップと、を含む方法。
2. 前記分離した潤滑剤の少なくとも一部を前記膨張装置に供給するステップを更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記作動媒体は、有機作動媒体により提供される請求項１または２に記載の方法。
4. 前記分離した潤滑剤は、ある圧力の下で潤滑装置の一部に回収され、前記圧力により、特に汲み上げられることなく、この一部から前記膨張装置の潤滑箇所まで流れる請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記膨張装置の潤滑箇所に供給される前に、前記分離した潤滑剤を冷却するステップを更に含む請求項４に記載の方法。
6. 前記膨張装置の潤滑箇所に供給される前記分離した潤滑剤の冷却は、前記潤滑剤を含む作動媒体であって、前記蒸発器に供給される作動媒体を用いて実現される請求項５に記載の方法。
7. 前記作動媒体は、フッ化炭化水素を含む又はフッ化炭化水素により構成され、前記潤滑剤は、合成エステルを含む又は合成エステルにより構成される請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 作動媒体内に油滴状の潤滑剤が存在するように、潤滑剤を含む作動媒体を蒸発させ、膨張装置にその作動媒体を供給するように構成された蒸発器と、
   前記潤滑剤を含み、前記蒸発器により前記膨張装置に供給される前記作動媒体から、前記潤滑剤の一部を分離するように構成された潤滑剤分離装置と、を含む装置。
9. 前記潤滑剤分離装置は、前記分離した潤滑剤の少なくとも一部を前記膨張装置に供給するように更に構成される請求項８に記載の装置。
10. 前記装置はオーガニックランキンサイクル装置である請求項８または９に記載の装置。
11. 前記膨張装置は、ピストン膨張装置、スクリュー膨張装置、スクロール膨張機、ベーン機械及びルーツ膨張機から構成される群から選択される請求項８から１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記潤滑剤分離装置内で分離された潤滑剤を前記膨張装置の潤滑箇所まで導くパイプラインと、
    前記パイプラインの周囲に設けられた冷却リブとを更に含む請求項８から１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記潤滑剤及び前記作動媒体が導かれ、前記潤滑剤からの熱が、前記蒸発器に供給される前の冷たい作動媒体に伝達されるように設けられた熱交換器を更に備える請求項８から１２のいずれかに記載の装置。
14. 請求項８から１３のいずれかに記載の装置を含む汽力発電所。

Images