JP2016099018A - ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法およびヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加熱水の流路を空にした状態あるいは空に近い状態を保ったまま、ヒートポンプサイクルが正常に運転されるよう制御を行うことができるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供する。【解決手段】温水の熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置１において、排水経路Ｌ６０から被加熱水を排出したのち運転を開始し、凝縮器１３０から排出される冷媒状態により供給水ポンプＰ３１の回転数を制御することで、装置全体の昇温効率を高めることができ、短時間で通常運転への移行が可能なヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、工場排水などから排熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

蒸気生成装置の一つとして、ヒートポンプを利用したヒートポンプ式蒸気生成装置がある。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、工場排水や使用済冷却水などの排温水から排熱を回収して蒸気を生成するものであって、ボイラ設備等を利用して蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べて、ランニングコストが低く、ＣＯ_２の排出量を低減できるなどのメリットがある。

ヒートポンプ装置では、圧縮された高温の冷媒を熱媒体として使用するが、通常は冷媒の温度や圧力を測定し、そこから計算される過熱度が常に一定以上の値を保つよう制御されている。

しかし、ヒートポンプ式蒸気生成装置を長時間停止した後に起動する場合、装置各部の温度が室温に近い状態にあるため、排熱を回収し蒸発した気体が、圧縮機内で冷却されて凝縮し、液圧縮による機器損傷の原因となる。

このような問題を解決するために、特許文献１ではヒートポンプ式蒸気生成装置を長時間停止した後に起動する場合、排熱回収器で排温水から冷媒へ移動する熱量を制御することで、装置を低い気体冷媒温度で予熱運転し、圧縮機内で気体冷媒が凝縮することによる液圧縮を防止している。

特開２００８−８５９５号公報

しかしながら、特許文献１に係る装置では、蒸気生成装置の被加熱水である水の比熱が大きいため、装置の昇温が阻害され、定常運転が可能になるまでの起動時間が長いという欠点がある。

したがって本発明の目的は、定常運転が可能となるまでの起動時間を短縮することができる、ヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法では、前記ヒートポンプ式蒸気生成装置内から被加熱水を排出したのち、ヒートポンプサイクルを稼働させ、被加熱水供給条件が成立した時点から前記ヒートポンプ式蒸気生成装置への前記被加熱水の供給を開始することを特徴とする。

また、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、排熱回収器、圧縮機、凝縮器、絞り膨張器が設けられ、その順に冷媒が循環流通するヒートポンプ部と、前記温水を前記排熱回収器に供給する温水供給部と、前記凝縮器に被加熱水を供給し、該凝縮器から出力される該被加熱水に基づいて蒸気を生成する蒸気生成部と、少なくとも前記凝縮器内の前記被加熱水を排出する排出部と、被加熱水排出条件が成立したことにより、前記凝縮器から前記被加熱水の排出を行ったのち前記ヒートポンプサイクルを稼働させ、被加熱水供給条件が成立した時点から前記凝縮器に前記被加熱水の供給を開始する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプ式蒸気発生装置の起動時間を短縮し、さらに昇温に必要な、排熱回収器に供給される排温水量を最小限にすることができる。

本発明の実施形態であるヒートポンプ式蒸気生成装置の概略構成図である。 本発明の実施形態における起動時の給水制御のフローチャートである。 本発明の変形例における起動時の給水制御のフローチャートである。

まず、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の第一の実施形態について説明する。図１は第一の実施形態における、ヒートポンプ式蒸気生成装置の概略構成図である。このヒートポンプ装置１は、大きく分けてヒートポンプ部１００、温水供給部２００、蒸気生成部３００、排出部４００、制御部５００からなる。

ヒートポンプ部１００では循環流通している冷媒を介し、温水供給部２００を流通する温水から熱を回収するとともに、蒸気生成部３００を流通する被加熱水に冷媒の熱を伝熱するように構成されている。

ヒートポンプ部１００には、排熱回収器１１０、圧縮機１２０、凝縮器１３０、絞り膨張器１４０が設けられ、その順に冷媒が循環流通するように冷媒流路Ｌ１０により接続されている。また、凝縮器１３０と絞り膨張器１４０の間には、冷媒状態を測定するための温度計１５０および圧力計１６０が、圧縮機１２０と凝縮器１３０の間には温度計１７０がそれぞれ設けられている。

温水供給部２００は、工場排水などの温水を系外から温水供給流路Ｌ２０ａを経由して排熱回収器１１０に導入し、冷媒へ熱を伝達する。熱交換に用いられた温水は温水排出流路Ｌ２０ｂを経由して、系外へ排出される。

蒸気生成部３００には、供給水ポンプＰ３１、凝縮器１３０、気液分離器３１０が設けられている。被加熱水である供給水は外部の給水源より供給水流路Ｌ３０によって凝縮器１３０へ供給される。

凝縮器１３０で供給水から生成された熱水と蒸気の気液二相流は、被分離流体流路Ｌ４０を通って、気液分離器３１０に供給される。

気液分離器３１０の上部には、蒸気流路Ｌ５０が接続されており、蒸気利用設備６１０に蒸気を供給する。また、気液分離器３１０の下部には、循環熱水流路Ｌ７０が接続されており、凝縮器１３０手前の供給水流路Ｌ３０に熱水を戻している。

排水部４００は、被分離流体流路Ｌ４０より排水流路Ｌ６０が分岐され、凝縮器１３０より被加熱水を排出する。排水流路Ｌ６０には電磁弁４１０が設けられ、水の排出を調整している。

制御部５００は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などを備えた、図示しないマイクロコンピューターにより構成される。マイクロコンピューターはＲＯＭに記憶されているプログラムを読みだして実行し、ヒートポンプ部１００に設けられた温度計１５０、温度計１７０および圧力計１６０などの検出部で検出された測定値を入力し、もしくは内部に備えたタイマに基づき供給水ポンプＰ３１の回転数や電磁弁４１０、絞り膨張器１４０の開度、圧縮機１２０の回転数を制御している。

次に、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の動作について、熱の流れに沿って説明する。

（冷媒について）
冷媒は、排熱回収器１１０で温水供給流路Ｌ２０aから供給された温水との熱交換により加温されて気体となり、圧縮機１２０へ送られる。気体状態となった冷媒は、圧縮機１２０で気体のまま圧縮され、高温高圧となり、凝縮器１３０へ送られる。

高温高圧の冷媒は、凝縮器１３０内で供給水流路Ｌ３０から供給された供給水との熱交換により凝縮され、液体となる。液体となった冷媒は、絞り膨張器１４０において減圧されたのち、再び排熱回収器１１０へ導入される。

ここで挙げられた絞り膨張器１４０としては、電子膨張弁が最も好適であるが、用途や構成に合わせ、手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁、オリフィス、キャピラリーなどを適宜選択しても良い。

（供給水について）
供給水は、給水源から供給水ポンプＰ３１で供給され、気液分離器３１０から循環熱水流路Ｌ７０を介して送られてくる熱水（循環熱水）と合流し、混合熱水となり、凝縮器１３０へ導入される。凝縮器１３０に導入された混合熱水は、高温高圧状態の冷媒との熱交換により加熱され、熱水及び蒸気の気液二相流になり、被分離流体流路Ｌ４０を経由して気液分離器３１０に導入される。

気液分離器３１０に導入された熱水及び蒸気の気液二相流は、蒸気と熱水とに分離される。気液分離器３１０の気相部に貯留された蒸気は、蒸気流路Ｌ５０を経由して蒸気利用設備６１０に供給される。また、気液分離器３１０の液相部に貯留された熱水は、循環熱水流路Ｌ７０を経由して供給水流路Ｌ３０内へ合流される。

ここで、前記気液二相流については、圧力を加え高圧熱水の状態で移送しても良い。この場合には気液分離手段として、気液分離器の代わりにフラッシュタンクを設け、減圧により高圧熱水を気化させた上で気液分離を行っても良い。

被分離流体流路Ｌ４０からは排水流路Ｌ６０が分岐され、被加熱水を外部に排出する。
この排水流路Ｌ６０は、凝縮器１３０内の被加熱水を大気圧開放により自然排出できるように配置するのが望ましい。凝縮器１３０の最も低い位置より分岐させることで、大気解放による自然排水により、確実に凝縮器から排水を行うことができる。
凝縮器１３０内から排水されれば、分岐位置はこれに限定されない。また、別途排水ポンプを設けて能動的に水を排出してもよい。この場合、排水流路Ｌ６０の分岐位置にかかわらず、凝縮器１３０内の水を速やかに排水できる。
この排水流路Ｌ６０は、被分離流体流路Ｌ４０ではなく、図１の破線で示されるように、供給水流路Ｌ３０、気液分離器３１０、循環熱水流路Ｌ７０のいずれかから分岐してもよい。また、排水流路Ｌ６０をこれらのうち２ヶ所以上から分岐させてもよく、その場合、途中で合流させてもよい。
また、凝縮器１３０前後にバルブを設け、凝縮器１３０内を隔離させた上で凝縮器１３０内の非加熱水を排出しても良い。この場合、排水対象となる部位が凝縮器１３０内のみとなるため、排水にかかる時間を短縮することができる。

次に、本装置の第一の実施形態における起動時の給水制御フローについて、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、装置起動時に被加熱水排水条件を満たしているかどうか判定が行われる（Ｓ１）。この判定は、温度計１５０、温度計１７０、圧力計１６０の指示値のいずれか、または温度と圧力を組み合わせて求められる過冷却度の値が基準となる。温度もしくは圧力を基準とした場合、測定値が所定値以上であれば高温起動、所定値未満であれば低温起動が選択される。また、過冷却度を基準とした場合、過冷却度が所定値以上であれば低温起動、所定値未満であれば高温起動が選択される。過冷却度とは、ある圧力における液の飽和温度と測定した冷媒温度との温度差である。ある圧力における液の飽和温度は、圧力温度表などから求めることが可能である。凝縮器１３０出口における冷媒の過冷却度を一定未満に制御することで、絞り膨張器１４０において冷媒を確実に気化させることが可能となる。
この基準となる値は設計値より、もしくは運用、装置の構成より適宜設定される。

高温起動と判定された場合は、直ちに通常運転へ移行する。また、低温起動と判定された場合、排水処理を開始する。

低温起動では、まず電磁弁４１０を開き、排水処理を行う（Ｓ２）。用途や設置場所に応じて電磁弁４１０の代わりに手動弁、三方弁などを適宜採用してもよい。

排水処理が完了する（Ｓ３）と、電磁弁４１０を閉じる（Ｓ４）。排水完了条件が満たされていない場合は、条件が満たされるまで、このステップで待機する。この排水処理の完了条件としては、排水開始後あらかじめ設定された時間が経過した場合、もしくは凝縮器１３０と気液分離器３１０の水位が連動している場合は、気液分離器３１０の水位があらかじめ設定した値未満のレベルを示した場合などである。後者を採用する場合、気液分離器には差圧式のレベル計を設けることが望ましい。

排水完了後、圧縮機１２０が起動される（Ｓ５）。圧縮機１２０が起動すると、ヒートポンプ部１００では冷媒の流通が開始される。ただし、ここでは被加熱水が排水されているため、冷媒の熱はヒートポンプ部１００の各部を予熱するために用いられる。十分にヒートポンプ部１００が予熱され、被加熱水供給条件が成立（Ｓ６）すると、供給水ポンプＰ３１が起動される（Ｓ７）。被加熱水供給条件が満たされていない場合は、条件が満たされるまでこのステップで待機する。
この被加熱水供給条件としては、温度計１５０で計測された冷媒の温度があらかじめ設定された温度以上になった場合が挙げられる。この温度計１５０の位置は、圧縮機１２０と絞り膨張器１４０の間から適宜選択することができる。
また、凝縮器１３０入口と出口の２ヶ所で冷媒の温度を測定し、その温度差を被加熱水供給条件の判定基準としても良い。この場合、２台の温度計の温度差が一定未満になった場合に、凝縮器が十分に予熱されたと判断して供給水ポンプＰ３１を起動させる。
また、温度計１５０と圧力計１６０の値から凝縮器１３０出口における冷媒の過冷却度を求め、被加熱水供給条件の判定基準としても良い。この場合、過冷却度が一定未満になった場合に、供給水ポンプＰ３１を起動させる。温度計１５０の位置は圧縮機１２０から絞り膨張器１４０の間より適宜選択され、圧力計１６０の位置は、凝縮器１３０から絞り膨張器１４０の間より適宜選択される。

また、排水完了後のタイマ設定により、被加熱水供給条件の判定基準としても良い。この場合、排水完了後タイマが一定の時間経過した場合に、凝縮器が十分に予熱されたと判断して供給水ポンプＰ３１を起動させる。
被加熱水排出条件と、被加熱水供給条件は同じ検出部の値を参照しても良く、異なる検出部を用いても良い。また、その組合せも自由であり、設計や運転状況に応じて適宜選択することが可能である。

凝縮器１３０へ供給される給水量は供給水ポンプＰ３１の回転数をインバータで可変とし、制御部５００からの信号に基づいて制御を行うことで、連続的に調整される。または、図示しない電磁弁を供給水流路Ｌ３０に設け、この電磁弁の開度を制御することにより流量を調整しても良い。

具体的な制御としては、例えば、温度計１５０、圧力計１６０の計測値から冷媒の過冷却度を求め、冷媒の過冷却度が一定になるよう、供給水ポンプＰ３１の回転数または電磁弁の開度をＰＩＤ制御することにより、凝縮器１３０から排出される冷媒が液状態を維持するようにする（Ｓ８）。

通常運転開始条件が成立（Ｓ９）すると、通常運転へと移行する。通常運転開始条が満たされていない場合は、条件が満たされるまでこのステップで待機する。この通常運転開始条件としては、温度計１５０、もしくは温度計１７０で計測された冷媒の温度があらかじめ設定された温度以上になった場合、温度計１５０と圧力計１６０の値から求められた、凝縮器１３０出口における冷媒の過冷却度が一定未満になった場合などが挙げられる。
通常運転時は、供給水の質量Ｑ１が、蒸気流路Ｌ５０から取り出される蒸気の質量Ｑ２および排水流路Ｌ６０から排水される質量Ｑ３との合計量となるように制御される場合が多い。

続いて、本装置起動時の給水制御フローの変形例について、図３のフローチャートを用いて説明する。機器構成については第一の実施形態と同様のため説明を省略する。

変形例では、排水処理は装置起動時でなく、運転停止中に行われる。
運転停止中に被加熱水排出条件が成立した場合（Ｓ１）、排水処理を開始する（Ｓ２）。被加熱水排出条件が成立する前に起動指令があった場合（Ｓ１１）は、起動後直ちに通常運転へ移行する。どちらの条件も成立していない場合は、どちらかの条件が満たされるまでこのステップで待機する。
この被加熱水排出条件としては、運転停止後あらかじめ設定した時間が経過した場合、運転停止中に温度計１５０、圧力計１６０で計測された値のいずれかがあらかじめ設定した値を下回った場合、もしくは温度計１５０で測定された温度および圧力計１６０で測定された圧力から求められた冷媒の過冷却度が一定値以上になった場合などである。この条件が成立した場合、排水処理が開始される。

排水が完了した段階で起動指令（Ｓ１２）がなければ、排水完了後に装置は停止し、次回起動時は圧縮機１２０を起動する段階（Ｓ５）から開始される。排水処理中に装置が起動された場合は、排水処理完了を待って圧縮機１２０が起動される。以降の動作は第一の実施形態と同様である。

この変形例では、装置起動時に排水処理完了を待つ必要が無くなるため、さらなる起動時間の短縮が可能となる。

以上のように、本発明に係るヒートポンプ装置は、被加熱水に吸収される熱量を最小限に抑えつつ、ヒートポンプサイクルが正常に運転されるよう制御を行うことで、起動時の昇温効率を高めることができ、短時間で起動可能なヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することができる。

１：ヒートポンプ装置
１００：ヒートポンプ部
１１０：排熱回収器
１２０：圧縮機
１３０：凝縮器
１４０：絞り膨張器
１５０：温度計(凝縮器〜絞り膨張器間)
１６０：圧力計
１７０：温度計(圧縮機〜凝縮器間)
２００：温水供給部
３００：蒸気生成部
３１０：気液分離器
４００：排出部
４１０：電磁弁
５００：制御部
６１０：蒸気利用設備
Ｌ１０：冷媒流路
Ｌ２０ａ：温水供給流路
Ｌ２０ｂ：温水排出流路
Ｌ３０：供給水流路
Ｌ４０：被分離流体流路
Ｌ５０：蒸気流路
Ｌ６０：排水流路
Ｌ７０：循環熱水流路
Ｐ３１：供給水ポンプ

Claims (17)

1. ヒートポンプサイクルを用いて温水から熱を回収し、回収した熱を被加熱水に伝達し、蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法において、
   前記ヒートポンプ式蒸気生成装置内から前記被加熱水を排出したのち、前記ヒートポンプサイクルを稼働させ、被加熱水供給条件が成立した時点から前記ヒートポンプ式蒸気生成装置への前記被加熱水の供給を開始することを特徴とする、ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。
2. 前記ヒートポンプサイクルの停止中もしくは起動時に、前記ヒートポンプ式蒸気生成装置の状態を判断し、判断結果に基づいて前記被加熱水の排出を行うことを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。
3. 温水から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   排熱回収器、圧縮機、凝縮器、絞り膨張器が設けられ、その順に冷媒が循環流通するヒートポンプ部と、
   前記温水を前記排熱回収器に供給する温水供給部と、
   前記凝縮器に被加熱水を供給し、該凝縮器から出力される該被加熱水に基づいて蒸気を生成する蒸気生成部と、
   少なくとも前記凝縮器内の前記被加熱水を排出する排出部と、
   被加熱水排出条件が成立したことにより、前記凝縮器から前記被加熱水の排出を行ったのち前記ヒートポンプサイクルを稼働させ、被加熱水供給条件が成立した時点から前記凝縮器に前記被加熱水の供給を開始する制御部とを備えることを特徴とする、ヒートポンプ式蒸気生成装置。
4. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機出口と絞り膨張器入口間のいずれかにおける第１冷媒温度が第１の判定値以上となった場合に、前記被加熱水供給条件が成立したと判断し、前記凝縮器に供給される前記被加熱水の流量を制御することを特徴とする、請求項３に記載の前記ヒートポンプ式蒸気生成装置。
5. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル内で前記凝縮器前後の２点における第２および第３冷媒温度の差が第２の判定値未満となった場合に、前記被加熱水供給条件が成立したと判断し、前記凝縮器に供給される前記被加熱水の流量を制御することを特徴とする、請求項３に記載の前記ヒートポンプ式蒸気生成装置。
6. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機出口と絞り膨張器入口間のいずれかにおける第４冷媒温度と凝縮器出口の第１冷媒圧力から求められた過冷却度が第３の判定値未満となった場合に、前記被加熱水供給条件が成立したと判断し、前記凝縮器に供給される前記被加熱水の流量を制御することを特徴とする、請求項３に記載の前記ヒートポンプ式蒸気生成装置。
7. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル稼働開始後の第１経過時間が第４の判定値以上となった場合に、前記被加熱水供給条件が成立したと判断し、前記凝縮器に供給される前記被加熱水の流量を制御することを特徴とする、請求項３に記載の前記ヒートポンプ式蒸気生成装置。
8. 前記第１経過時間を測定する第１タイマを備えることを特徴とする、請求項７に記載の前記ヒートポンプ式蒸気生成装置。
9. 前記ヒートポンプサイクルの停止中もしくは起動時に、前記ヒートポンプ式蒸気生成装置の状態を判断し、前記被加熱水排出条件が成立した場合、前記凝縮器から前記被加熱水の排出を行うことを特徴とする、請求項３乃至８のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
10. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機出口と絞り膨張器入口間のいずれかにおける第５冷媒温度が第５の判定値未満となった場合に、前記被加熱水排出条件が成立したと判断し、前記被加熱水の排出を行うことを特徴とする、請求項９に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
11. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機出口と絞り膨張器入口間のいずれかにおける第２冷媒圧力が第６の判定値未満となった場合に、前記被加熱水排出条件が成立したと判断し、前記被加熱水の排出を行うことを特徴とする、請求項９に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
12. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機出口と絞り膨張器入口間のいずれかにおける第６冷媒温度と凝縮器出口の第３冷媒圧力から求められた過冷却度が第７の判定値以上となった場合に、前記被加熱水排出条件が成立したと判断し、前記被加熱水の排出を行うことを特徴とする、請求項９に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
13. 前記制御部は、前記ヒートポンプサイクル停止後の第２経過時間が第８の判定値以上となった時に、前記被加熱水排出条件が成立したと判断し、前記被加熱水の排出を行うことを特徴とする、請求項９に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
14. 前記第２経過時間を測定する第２タイマを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の前記ヒートポンプ式蒸気生成装置。
15. 前記排出部の配管は、前記凝縮器内の被加熱水が大気圧開放により自然排出される位置から分岐されることを特徴とする、請求項３乃至１４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
16. 前記排出部の配管は、前記凝縮器内の被加熱水をポンプにより能動的に排出できる位置から分岐されることを特徴とする、請求項３乃至１４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
17. 前記絞り膨張器は、電子膨張弁、手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁、オリフィス、キャピラリーのいずれか一つであることを特徴とする請求項３乃至１６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。