JP2015056962A - 密封油トラップ槽およびそれを備えた水素冷却式発電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】 密封油トラップ槽において簡易な構成で安定して密封油を収容、排出する。【解決手段】 密封油トラップ槽１は、内部に密封油を収容し、水素を分離するトラップ槽２０と、トラップ槽２０内の油面を検出する油面センサ２と、トラップ槽２０から密封油を出口配管１２に排出する出口弁５と、油面センサ２から油面を示す信号を受信して出口弁５を開閉制御し、トラップ槽２０内の油面を所定の基準レベルに調整する演算処理装置８とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、密封油系統において戻り油の密封油から水素を分離する密封油トラップ槽とそれを備えた水素冷却式発電機システムに関する。

水素冷却式発電機の密封油系統は、発電機のシーリングに密封油を供給し、発電機を冷却する水素の機外への漏洩を防止するものである。この密封油系統において、発電機のシーリングから軸受台の機内側の排油経路に排出された戻り油には水素が混入する。そこで、戻り油をトラップ槽において一旦収容して水素を除去した後、再びシーリングに供給している。

従来のトラップ槽は、フロート弁を有したフロートトラップ槽が一般的である。図１０は、従来のフロートトラップ槽を示す概略構成図である。フロートトラップ槽５０は、拡大槽からの戻り油を収容し、油面を形成する。この油面が上昇するとフロート５１が持ち上げられ、機械的に連動するフロート弁５２が開動作して戻り油が空気抽出槽へ排出され、フロートトラップ槽５０内の油面が一定に保たれる（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開２０１０−１７８６１６号公報 特開平１１−３３２１７９号公報

上述した従来のフロートトラップ槽において、特にフロート弁は、機械的な要素を含む多数の部品によって構成される。したがって、内部部品の故障や制御損失、調整時に高度な技術力が要求されるといった課題がある。また、内部部品の磨耗等による異物やゴミの清浄作業や、内部部品の点検、交換といった作業コストも発生する。

そこで本発明は、簡易な構成で安定して密封油を収容、排出することができる密封油トラップ槽を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の密封油トラップ槽は、内部に密封油を収容し、水素を分離するトラップ槽と、トラップ槽内の油面を検出する油面センサと、トラップ槽から密封油を出口配管に排出する出口弁と、油面センサから油面を示す信号を受信して出口弁を開閉制御し、トラップ槽内の油面を所定の基準レベルに調整する演算処理装置とを備えることを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る密封油トラップ槽を示す概略構成図。 本発明の第１の実施形態に係る密封油トラップ槽を適用した水素冷却式発電機の密封油系統を示す概略構成図。 本発明の第３の実施形態に係る密封油トラップ槽における油量測定方法を示すフロー図。 トラップ槽からの排油量と出口弁の開度特性を示すグラフ。 発電機運転状態と発電機全体の密封油量の関係を示すグラフ。 本発明の第５の実施形態に係る密封油トラップ槽の出口弁開度修正方法を示すフロー図。 シーリングへの密封油量供給特性曲線を示すグラフ。 本発明の第６の実施形態に係る密封油トラップ槽の概略斜視図。 本発明の第７の実施形態に係る密封油トラップ槽の概略構成図。 従来のフロートトラップ槽を示す概略構成図。

以下、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第１の実施形態に係る密封油トラップ槽について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る密封油トラップ槽の概略縦断面図である。図１は、本発明の第１の実施形態に係る密封油トラップ槽を示す概略構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る密封油トラップ槽を適用した水素冷却式発電機の密封油系統を示す概略構成図である。

図１に示すように密封油トラップ槽１は、トラップ槽２０と、油面センサ２と、機内圧力センサ３と、トランスミッタ４と、出口弁５と、入口弁６と、バイパス弁７と、演算処理装置８と、操作パネル９とから構成される。

トラップ槽２０は、内部に密封油を収容可能な容器形状である。トラップ槽２０と拡大槽（図２）は、入口配管１１によって接続され、入口配管１１のトラップ槽２０近傍には入口弁６が設けられる。また、トラップ槽２０下部には出口配管１２が接続され、トラップ槽２０から排出された密封油を空気抽出槽１１（図２）へ導く。出口配管１２のトラップ槽２０近傍には出口弁５が設けられる。入口配管１１と出口配管１２は、バイパス管１４で接続される。バイパス管１４にはバイパス弁７が設けられる。

トラップ槽２０上部には通気管９が接続される。通気管２９は拡大槽２８（図２）に延伸され、トラップ槽２０内で分離された水素を拡大槽２８に導く。さらにトラップ槽２０上部には、油面センサ２が設けられる。油面センサ２は、トラップ槽２０内の油面を測定するセンサであり、例えばトラップ槽２０の内部上面に設けられる超音波センサを適用することができる。

トラップ槽２０側面にはサイトゲージ１５を設けてもよい。サイトゲージ１５は、トラップ槽２０の気相と油相に連通し、内部にトラップ槽２０と同じ油面を形成する。油面センサ２は、このサイトゲージ１５に設けてもよく、サイトゲージ１５内に浮かべたフロート式の油面検出器としてもよい。

演算処理装置８は、トランスミッタ４を介して油面センサ２から油面を示す信号を受信するとともに、機内圧力センサ３から発電機４の機内圧力を受信する。また、出口弁５、入口弁６、バイパス弁７をそれぞれ開動作、閉動作させる制御信号を送信することができる。さらに演算処理装置８は、発電機密封油系統の各運転状態を受信することができる。

操作パネル９は、トランスミッタ４を介して演算処理装置８から油面、機内圧力といった測定情報や、各弁の開閉情報を受信して表示させることができる。

図２に示すように、密封油系統は、真空槽１から油供給ポンプ２によって密封油をシーリング６へ供給し、密封油は軸受台７の機外側または機内側の排油経路に分かれる。このうち、拡大槽２８を通ってトラップ槽２０へと戻り油が流れ、最終的に軸受台２７の外側経路を流れた戻り油と空気抽出槽３１で合流し、戻り油母管３２を通って油タンク３４へと流れる。油タンク３４にて回収された戻り油は油冷却器により冷却され、冷却油として再び真空槽２１に戻りシーリング６へ供給する循環経路となっている。

（作用）
以下、本発明の第１の実施形態の作用について説明する。

拡大槽２８からの密封油の戻り油がトラップ槽２０に溜まると、油面センサ２が油面を検出し、演算処理装置８に送信する。さらに演算処理装置８は、密封油系統の各機器から運転状態を受信するとともに、機内圧力センサ３から機内圧力を受信する。

演算処理装置８は、発電機密封油系統が運転状態であり、かつ発電機機内圧力がある一定圧力以上のときに、油面センサ２によって測定した油面が所定の閾値以上である場合、出口弁５を開動作させ、戻り油２３をトラップ槽２０から排出する。このとき、入口弁６は開動作させ、バイパス弁７は閉動作させる。

演算処理装置８は、トラップ槽２０の油面が所定の閾値以下になると出口弁３６を閉動作させ、戻り油を所定の基準レベルまで収容する。この場合、入口弁６は開動作、バイパス弁７は閉動作させる。

操作パネル９のディスプレイは、油面および各弁の開閉情報を受信して表示する。操作パネル９によって、万が一、演算処理装置８による油面レベルに応じた弁の開閉動作に異常がある場合等において、手動で弁を操作することもできる。

（効果）
本発明の第１の実施形態によれば、油面センサ２によって油面を計測し、油面レベルに応じて演算処理装置８によって出口弁３７を操作することによって、トラップ槽２０において所定量の密封油の収容と排出を行なうことができる。結果、従来のフロート式トラップ槽の構成を省いた簡易な構成とすることができる。

油面センサ２は、トラップ槽２０の外部にのみ設けられることから、フロート等の内部部品が招くスティックや、機械磨耗や内部部品破損による排油管の詰りが生じない。さらに内部部品の点検、交換に伴うトラップ槽２０の開放作業等の作業コストを削減できる。

（第２の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第２の実施形態に係る密封油トラップ槽について説明する。本実施形態において演算処理装置８は、機内圧力変化に応じたバイパス弁７の操作を行なう。

（作用）
以下、本発明の第２の実施形態の作用について説明する。

演算処理装置８は、発電機機内圧力センサ３から受信した機内圧力変化に応じて、バイパス弁７の開閉動作を制御する。発電機組立後や定期点検後の発電機への水素封入前において、機内圧力が大気圧状態程度に低い場合、拡大槽２８からトラップ槽２０を経て、空気抽出槽３１までの配管は密封油で満たされており、油面センサ２の油面測定が不能となる可能性がある。このような発電機機内圧力が所定の閾値以下の場合には、油面はトラップ槽２０内まで降下していない状態であるためバイパス弁１６を開動作させる。この場合、入口弁６および出口弁５は、開動作とする。

その後、発電機起動に向け水素を機内に封入し始めると、機内圧力の増加に応じて、油面が押し下げられ、油面がトラップ槽２０内まで降下する。このとき、油面を油面センサ２が感知し、かつ発電機機内圧力が所定の閾値以上の場合には、バイパス弁７を閉動作とし、第１の実施形態に示した出口弁５の開閉制御を行う。

発電機運転中に発電機機内圧力が降圧した場合も、上述した制御と同様に、発電機機内圧力が所定圧力以下の場合にバイパス弁７を開動作させる制御を行なう。

（効果）
本発明の第２の実施形態によれば、演算処理装置８が機内圧力に応じて、自動でバイパス弁７を制御することができる。結果、従来の発電機機内圧力変化に伴うバイパス弁の手動開閉操作が不要となり、作業コストが削減される。

（第３の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第３の実施形態に係る密封油トラップ槽について図３を参照して説明する。本実施形態において演算処理装置８は、出口弁３７の開閉操作と液面センサ３７による油面測定によって発電機内側油量測定を行なう。この発電機内側油量は、図２に示すシーリング２６に供給される密封油のうち、発電機側に排出され、トラップ槽２０に回収される密封油の量である。

（作用）
以下、本発明の第３の実施形態の作用について説明する。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る密封油トラップ槽における油量測定方法を示すフロー図である。本実施形態の弁制御は、入口弁６が開状態、バイパス弁７が閉状態である密封油をトラップ槽２０内に収容している状態において発電機内側油量測定を行なう。この発電機内側油量測定モードは、演算処理装置８に手動で指令を行なってもよいし、所定日時に自動で行なってもよい（ステップ１００）。

まず、トラップ槽２０内の油面位置を油面センサ２にて検出する。検出時油面が所定の基準レベルよりも低い場合、出口弁５を閉動作とし、トラップ槽２０内に戻り油２３を収容する（ステップ１０１）。

一方、油面２４が基準レベル以上である場合、出口弁５を開動作させるとともに、油面が油量測定するに当たっての所定の許容値内にあるかを判定し、所定の油面上限レベルまで裕度があることを確認する（ステップ１０２）。許容外レベル値である場合は、出口弁５の開度を更に開き、油面を減少させ、油面上限レベルに裕度を確保する。

一方、許容レベル内であれば、発電機内側油量測定を開始する。まず、出口弁５を閉鎖させた時刻から時間計測を開始し、油面上限レベルまで油面を上昇させる（ステップ１０３）。油面が、油面上限レベルまで上昇したとき、時間計測を終了し、出口弁５を開動作させる（ステップ１０４）。演算処理装置８は、出口弁５の閉動作から開動作までの時間と、油面上昇変位を用いて発電機内側油量を計算し、油量測定結果を操作パネル９のディスプレイ上に表示させる（ステップ１０５）。

（効果）
本発明の第３の実施形態によれば、出口弁３７の開閉操作と液面センサ３７による油面測定によって発電機内側内側油量を自動で測定することができる。

（第４の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第４の実施形態に係る密封油トラップ槽について図４および図５を参照して説明する。本実施形態において演算処理装置８は、トラップ槽２０から排出される排油量に応じて出口弁５の開度を制御する。

（作用）
以下、本発明の第４の実施形態の作用について説明する。

図４は、トラップ槽からの排油量と出口弁の開度特性を示すグラフである。排出される排油量が０のときは、開度は０である。出口弁５の開度１００％時の排油量は、設計値による定格運転中の排油量に裕度を持たせた値である。ここで定格運転とは、定格回転速度にて全負荷運転時の排油量を意味する。そこで、予め出口弁５の開度と排油量を計測して関係付け、演算処理装置８に記憶させる。演算処理装置８は、各運転状態におけるトラップ槽２０への油供給量、ならびにトラップ槽２０からの排油量に応じて出口弁５を開閉制御することによってトラップ槽２０内部の油面を基準レベルに保つことができる。

図５は、発電機運転状態と発電機全体の密封油量の関係を示すグラフである。真空槽１から供給ポンプ２によってシーリング６へと供給される発電機全体の密封油の油量が増加するのは、主に発電機機内圧力において大気圧状態からの定格機内圧力に達する昇圧過程と、ターニングから定格回転速度に達する昇速過程の範囲である。発電機内側密封油量は、概ね全体の油量と比例する関係にあるため、発電機運転状態における発電機密封油全体油量のデータを演算処理装置８に記録させておき、上述した出口弁５の開度と排油量のデータに基づき、各運転状態の排油量に応じて出口弁５の開度制御を行なう。

（効果）
本発明の第４の実施形態によれば、各運転状態における排油量に応じて出口弁５を制御することによって、より正確にトラップ槽２０内の油面を制御することができる。

（第５の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第５の実施形態に係る密封油トラップ槽について図６および図７を参照して説明する。本実施形態において演算処理装置８は、単位時間当たりの変位油面量に基づく出口弁５の開閉制御を行なう。

（作用）
以下、本発明の第５の実施形態の作用について説明する。

図６は、本発明の第５の実施形態に係る密封油トラップ槽の出口弁の開度修正方法を示すフロー図である。油面センサ２は、単位時間当たりの油面変位を計測する。この油面変位量のデータを必要な油排出量を決定した後、この油排出量となる弁開度を演算処理装置８にて計算し、弁開度制御にフィードバックする。結果、変位する油面に対して油面を基準レベルに保つことができる。

図７は、シーリングへの密封油量供給特性曲線を示すグラフである。横軸は、ターニングから定格回転到達後とその後の時間経過を示す。縦軸は、発電機シーリング６に供給される全体の密封油量を示す。トラップ槽２０内の油量は全体の密封油量にも比例するため、同様の特性を有する。ターニングから昇速後、密封油は徐々に油量を増加させるが、定格回転数到達直後、オーバーシュートした後（図中の（i）、（ii））、油量が整定する。

演算処理装置８は、上述した油面の変動に対して油面変位に基づく出口弁５の開度調整により、トラップ槽２０内に収容する油面を一定に維持することができる。さらに演算処理装置８において、各運転状態における油面変位をあらかじめ記憶させることによって、各運転状態における油面変位への追従をより正確に行なうことができる。

（効果）
本発明の第５の実施形態によれば、過渡的な油量変化に対しても出口弁５の開度制御することができ、より安定して油面を一定に保つことができる。

（第６の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第６の実施形態に係る密封油トラップ槽について図８を参照して説明する。図８は、本発明の第６の実施形態に係る密封油トラップ槽の概略斜視図である。密封油トラップ槽１は、縦長形状の円筒容器形状である。さらに、底部を漏斗形状とし、漏斗形状先端の排油口に出口配管１２を接続することができる。

（作用）
以下、本発明の第６の実施形態の作用について説明する。

密封油トラップ槽１は、底部の漏斗形状先端の排油口４０から密封油を排出するため、槽内の底に残存する異物やゴミの堆積がなく、フランジ部の分解、再組立によるメンテナンスを必要としない。また、縦長の円筒形状であるため、設置スペースを削減することができる。

ここで、従来のフロート式トラップ槽において縦長円筒形状を適用すると、油面にフロートの占有面積が大きくなり、水素の除去効率が悪化する。本実施形態では、油面を占有するフロートがない構成であるため、縦型円筒形状としても水素の除去効率を損なわない。

図１０に示す従来のフロートトラップ槽５０は、底面が平坦であるため、異物やゴミが底にたまりやすい構造となっており、密封油系統運転中ではこれらを槽内から取り除くことができず、定期的なフロートトラップ槽の内部清掃が必要であった。本実施形態では、漏斗形状の先端から異物やゴミが排出され、下流にフィルタ等を設けることによって容易に異物やゴミを回収できる。

（効果）
本発明の第６の実施形態によれば、トラップ槽２０を縦長円筒形状とすることによって設置スペースを削減することができる。さらに底部を漏斗形状とすることによって、異物の堆積を防ぎ、メンテナンス性の向上を向上させることができる。

（第７の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第７の実施形態に係る密封油トラップ槽について図９を参照して説明する。図９は、本発明の第７の実施形態に係る密封油トラップ槽の概略構成図である。本発明が第１の実施形態と異なる点は、底部センサ１６と水素遮断弁１７をさらに設けた点である。

底部センサ１６は、トラップ槽２０の底部に設けられ、トラップ槽２０底部からの液面の有無を検出する。水素遮断弁１７は、出口配管１２のバイパス管１４接続部より下流に設けられ、閉動作により水素の下流への流出を防止する。さらに水素遮断弁１７は、拡大槽２８から空気抽出槽３１までの配管は全体でＵ字形状に形成されるが、このＵ字形状最下点の手前に設けることができる。

（作用）
以下、本発明の第７の実施形態の作用について説明する。

トラップ槽２０内の油面が急激に降下する異常が発生した場合、トラップ槽２０の底に設置された底部センサ１６にて油面がないことを検知し、演算処理装置８は水素遮断弁１７を閉動作させる。水素遮断弁１７の閉鎖によって水素が出口配管１２の下流に流出することを防ぐことができる。

また、出口弁５の開閉による油面制御において、万が一、トラップ槽２０内の油面が低下し、出口弁５の閉鎖によってトラップ槽２０内の油面の形成が間に合わない場合においても、底部センサ４３によって油面がないことを検知し、水素遮断弁１７を閉動作させ、水素が出口配管１２の下流に流出することを防ぐことができる。

（効果）
本発明の第７の実施形態によれば、底部センサ１６によってトラップ槽２０内の油面の有無を判定し、水素遮断弁１７を閉動作させることによって、水素が出口配管１２を介して外部へ漏洩することを防ぐことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・密封油トラップ槽
２・・・油面センサ
３・・・機内圧力センサ
４・・・トランスミッタ
５・・・出口弁
６・・・入口弁
７・・・バイパス弁
８・・・演算処理装置
９・・・操作パネル
１０・・・排油口
１１・・・入口配管
１２・・・出口配管
１４・・・バイパス配管
１５・・・サイトゲージ
１６・・・底部センサ
１７・・・水素遮断弁
２０・・・トラップ槽
２１・・・真空槽
２２・・・油供給ポンプ
２３・・・ストレーナ
２４・・・発電機
２５・・・軸受
２６・・・シーリング
２７・・・軸受台
２８・・・拡大槽
２９・・・通気管
３１・・・空気抽出槽
３２・・・戻り油母管
３３・・・冷却油
３４・・・油タンク
５０・・・フロートトラップ槽
５１・・・フロート
５２・・・フロート弁

Claims (9)

1. 内部に密封油を収容し、水素を分離するトラップ槽と、
   前記トラップ槽内の油面を検出する油面センサと、
   前記トラップ槽内の密封油を出口配管に排出する出口弁と、
   前記油面センサから油面を示す信号を受信して前記出口弁を開閉制御し、前記トラップ槽内の油面を所定の基準レベルに調整する演算処理装置とを備えることを特徴とする密封油トラップ槽。
2. 発電機機内ガス圧力を検出する圧力計センサをさらに備え、
   前記演算処理装置は、前記圧力センサから機内圧力を受信し、所定の機内圧力以下の場合にバイパス弁を開動作させることを特徴とする請求項１に記載の密封油トラップ槽。
3. 前記演算処理装置は、前記出口弁を所定時間閉動作させるとともに、前記油面センサによって当該所定時間の油面の変位を計測し、単位時間当たりの発電機内側油量を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の密封油トラップ槽。
4. 前記演算処理装置は、各運転状態における発電機密封油量に応じて前記出口弁の開度を調整し油面を基準レベルに保つことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の密封油トラップ槽。
5. 前記油面センサは、単位時間当たりの油面変位量を計測し、
   前記演算処理装置は、前記油面変位量に基づいて、油面を基準レベルに保つように前記出口弁の開閉制御を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の密封油トラップ槽。
6. 前記トラップ槽は、縦長の容器形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の密封油トラップ槽。
7. 前記トラップ槽は、底部を漏斗形状とし、この漏斗形状先端に前記出口配管を接続したことを特徴とする請求項６に記載の密封油トラップ槽。
8. 前記トラップ槽の底に設けられ、前記トラップ槽内の油面の有無を検出する底部センサと、
   前記出口配管に設けられる水素漏洩遮断弁とをさらに備え、
   前記演算処理装置は、前記底部センサが前記トラップ槽内の油面が無いことを検知すると、前記水素漏洩遮断弁を閉鎖させることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の密封油トラップ槽。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の密封油トラップ槽と、
   機内を水素によって冷却する水素冷却式発電機と、
   前記密封油トラップ槽から排出された密封油を前記水素冷却式発電機のシーリングに供給するとともに、前記水素冷却式発電機の発電機内側から排出された密封油を前記密封油トラップ槽に供給する密封油系統とを備えることを特徴とする水素冷却式発電機システム。

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