JP2018062880A - 動力システム - Google Patents

Abstract

【課題】供給される流体の圧力に変動が生じた場合等に、原動機の回転数が上がりすぎることを抑制できる動力システムを提供すること。【解決手段】動力システム１は、流体を動力源として動力を発生させる原動機３と、原動機３に流体を供給する流体供給ラインＬ１と、流体供給ラインＬ１に配置され原動機３に供給される流体の流量を調整する流量調整弁５２と、原動機３に供給される流体の供給圧力を測定する供給圧測定部５１と、原動機３から排出される流体の排出圧力を測定する排出圧測定部５３と、要求負荷に基づいて流量調整弁５２の開度を制御する開度制御部９１と、供給圧測定部５１により測定された供給圧力と、排出圧測定部５３により測定された排出圧力との差圧に基づいて、流量調整弁５２の開度上限値を設定する上限開度設定部９２と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、動力システムに関する。より詳しくは、蒸気等の流体を動力源として動力を発生させる原動機の動作を制御する動力システムに関する。

従来、流体としての蒸気を動力源として動力を発生させる蒸気膨張機が原動機として用いられている。蒸気膨張機は、高圧蒸気が低圧蒸気に変化する際の膨張エネルギーを利用して回転体であるスクロールやスクリューを回転させることで動力を発生させる（例えば、特許文献１参照）。

蒸気膨張機の回転数は、この蒸気膨張機に供給される蒸気の量を調整する流量調整弁の開度を調整することにより制御される。具体的には、回転数を大きくしたい場合（要求負荷が大きい場合）には、蒸気膨張機に供給される蒸気の供給量が増加するように流量調整弁の開度を大きくし、回転数を小さくしたい場合（要求負荷が小さい場合）には、蒸気膨張機に供給される蒸気の供給量が減少するように流量調整弁の開度を小さくする。

特許第４２４０１５５号公報

しかしながら、蒸気膨張機に供給される蒸気の圧力に急激な変動があった場合等には、蒸気膨張機の動作が不安定になってしまう場合があった。
例えば、蒸気の供給源である蒸気ボイラの起動時には、蒸気膨張機への蒸気の供給が不安定となり、蒸気の供給圧力が急激に上昇する場合がある。

即ち、蒸気の供給圧力が低く、流量調整弁の開度が大きくされた状態（例えば、開度１００％の状態）で蒸気膨張機が設定回転数で回転している場合において、蒸気の供給圧力が急激に上昇すると、蒸気膨張機に供給される蒸気の量が急激に増加し、蒸気膨張機の回転数が大きくなってしまう。すると、蒸気膨張機の回転数を設定回転数に下げるために流量調整弁の開度が小さくなるように絞られるが、流量調整弁の開度が１００％（全開）に近い程、開度を一定値絞った場合における蒸気（流体）の流量の変化が小さい。そのため、流量調整弁の開度が大きくされている場合には、流量調整弁の開度調整による供給される蒸気の流量変化の追従性が悪く、蒸気膨張機の回転数が上がりすぎてしまう。

従って、本発明は、供給される流体の圧力に変動が生じた場合等に、原動機の回転数が上がりすぎることを抑制できる動力システムを提供することを目的とする。

本発明は、流体を動力源として動力を発生させる原動機と、前記原動機に流体を供給する流体供給ラインと、前記流体供給ラインに配置され前記原動機に供給される流体の流量を調整する流量調整弁と、前記原動機に供給される流体の供給圧力を測定する供給圧測定部と、前記原動機から排出される流体の排出圧力を測定する排出圧測定部と、要求負荷に基づいて前記流量調整弁の開度を制御する開度制御部と、前記供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧に基づいて、前記流量調整弁の開度上限値を設定する上限開度設定部と、を備える動力システムに関する。

また、前記上限開度設定部は、供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧が大きくなるに従って、前記開度上限値を小さく設定することが好ましい。

また、前記供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧に基づいて、前記流量調整弁の開度下限値を設定する下限開度設定部を更に備えることが好ましい。

また、前記下限開度設定部は、供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧が小さくなるに従って、前記開度下限値を大きく設定することが好ましい。

また、前記流体は蒸気であり、前記原動機は蒸気膨張機であることが好ましい。

本発明の動力システムによれば、供給される流体の圧力に変動が生じた場合等に、原動機の回転数が上がりすぎることを抑制できる。

本発明の一実施形態に係る動力システムの全体構成を示す図である。 一実施形態に係る動力システムの制御部の構成を示す機能ブロック図である。 一実施形態に係る動力システムにおける差圧と開度上限値及び開度下限値との関係の一例を示す図である

以下、本発明の動力システムの好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る動力システム１の概略図である。本実施形態の動力システム１は、流体としての蒸気を動力源として動力を発生させ、その動力を利用して圧縮空気を製造する蒸気利用システムとして用いられる。

動力システム１は、蒸気を供給する蒸気発生装置２と、蒸気発生装置２から供給された蒸気により作動する原動機としてのスクロール膨張機３と、スクロール膨張機３から供給される動力によって駆動され、圧縮空気を吐出する被動機としてのスクロール圧縮機４と、スクロール膨張機３において発生した動力をスクロール圧縮機４に伝達する伝達機構６と、これらの動作を制御する制御部９と、を主要な構成として備える。
また、動力システム１は、蒸気や空気等の流体が流通するラインとして、流体供給ラインとしての蒸気供給ラインＬ１と、蒸気排出ラインＬ２と、給気ラインＬ３と、圧縮空気供給ラインＬ４と、を備える。

蒸気発生装置２は、蒸気ボイラ１１と、スチームヘッダ１２と、蒸気配管１３と、を備える。蒸気ボイラ１１は、水道管や地下水源等から供給される水を加熱し、蒸気を生成する。スチームヘッダ１２は、蒸気ボイラ１１により生成された蒸気を貯留する。蒸気配管１３は、蒸気ボイラ１１とスチームヘッダ１２とを接続し、蒸気ボイラ１１で生成された蒸気をスチームヘッダ１２に送る。

蒸気供給ラインＬ１は、蒸気発生装置２（スチームヘッダ１２）とスクロール膨張機３とを接続し、蒸気をスクロール膨張機３に供給する。蒸気供給ラインＬ１には、供給圧測定部としての第１圧力センサ５１と、流量調整弁５２と、が配置される。
第１圧力センサ５１は、蒸気供給ラインＬ１を流通する（スクロール膨張機３に供給される）蒸気の圧力を測定する。流量調整弁５２は、例えば、開度調整可能なモータバルブにより構成され、蒸気供給ラインＬ１を流通する蒸気の量（スクロール膨張機３に供給される蒸気の流量）を調整する。

スクロール膨張機３は、スチームヘッダ１２から供給される高圧蒸気が低圧蒸気に変化する際の膨張エネルギーを利用して動力を取り出す蒸気膨張機である。スクロール膨張機３は、ハウジングと、このハウジングに旋回可能に保持される旋回スクロールと、ハウジングに固定される固定スクロールと、を含んで構成される（いずれも図示せず）。そして、旋回スクロールと固定スクロールとによって形成される内部空間に高圧の蒸気を導入し、この導入された蒸気の体積膨張を利用して旋回スクロールを旋回（回転）させ動力を発生させる。

蒸気排出ラインＬ２は、スクロール膨張機３で動力を発生させるのに用いられた蒸気を排出する。蒸気排出ラインＬ２には、排出圧測定部としての第２圧力センサ５３が配置される。第２圧力センサ５３は、蒸気排出ラインＬ２を流通する蒸気の圧力を測定する。蒸気排出ラインＬ２を流通する蒸気は、低圧蒸気として低圧蒸気利用機器（図示せず）に用いられる。

スクロール圧縮機４は、伝達機構６を介してスクロール膨張機３に接続され、スクロール膨張機３から伝達された動力によって駆動する。本実施形態では、スクロール圧縮機４は、スクロール膨張機３と同様に、ハウジングと、このハウジングに旋回可能に保持される旋回スクロールと、ハウジングに固定される固定スクロールと、を含んで構成される（いずれも図示せず）。そして、スクロール膨張機３から伝達された動力により旋回スクロールを旋回（回転）させ、旋回スクロールと固定スクロールとによって形成される内部空間に供給された空気を圧縮する。

給気ラインＬ３は、スクロール圧縮機４に空気を供給する。
圧縮空気供給ラインＬ４は、スクロール圧縮機４から吐出された圧縮空気を圧縮空気使用機器（図示せず）に送られる。尚、圧縮空気は、アフタークーラ（図示せず）で冷却された後、圧縮空気使用機器に送られる。
圧縮空気供給ラインＬ４には、第３圧力センサ５４が配置される。第３圧力センサ５４は、圧縮空気供給ラインＬ４を流通する圧縮空気の圧力を測定する。

制御部９は、圧縮空気使用機器からの要求負荷に応じてスクロール膨張機３の動作（回転数）を制御することで、スクロール圧縮機４により製造される圧縮空気の量を制御している。より具体的には、制御部９は、例えば、スクロール膨張機３の回転数を検出すると共に、この検出される回転数が予め設定された定格回転数となるように、流量調整弁５２の開度を調整する。

ここで、上述のような制御を行っていた場合であっても、スクロール膨張機３に供給される蒸気の圧力に急激な変動があった場合等には、スクロール膨張機３の動作が不安定になってしまう場合があった。
例えば、蒸気発生装置２の起動時等に、蒸気の供給圧力が低いと、流量調整弁５２の開度が大きくされる（例えば、開度１００％）。そして、蒸気の供給圧力が低い状態でスクロール膨張機３が設定された定格回転数で回転している状況において、蒸気の供給圧力が急激に上昇すると、スクロール膨張機３に供給される蒸気の量が急激に増加し、スクロール膨張機３の回転数が大きくなってしまう。すると、スクロール膨張機３の回転数を定格回転数に下げるために流量調整弁５２の開度が小さくなるように絞られるが、流量調整弁５２の開度が１００％（全開）に近い程、開度を一定値絞った場合における蒸気の流量の変化が小さい。そのため、流量調整弁５２の開度が大きくされている場合には、流量調整弁５２の開度調整による供給される蒸気の流量変化の追従性が悪く、スクロール膨張機３の回転数が上がりすぎてしまう。

そこで、本実施形態では、第２圧力センサ５３により測定されるスクロール膨張機３で使用された蒸気の圧力と、第１圧力センサ５１により測定されるスクロール膨張機３に供給される蒸気の圧力との差圧に基づいて流量調整弁５２の開度を制御することで、供給される蒸気の圧力に変動が生じた場合等に、スクロール膨張機３の回転数が上がりすぎることを抑制している。
このような機能を実現するための構成として、図２に示すように、制御部９は、開度制御部９１と、上限開度設定部９２と、下限開度設定部９３と、を備える。

開度制御部９１は、圧縮空気使用機器からの要求負荷に基づいて、流量調整弁５２の開度を制御する。具体的には、上述のように、開度制御部９１は、スクロール膨張機３の回転数を検出すると共に、この検出される回転数が予め設定された定格回転数となるように、流量調整弁５２の開度を調整する。また、開度制御部９１は、第３圧力センサ５４で測定される圧縮空気の圧力（スクロール圧縮機４からの吐出圧力）が設定された圧力となるように、流量調整弁５２の開度を調整してスクロール膨張機３の回転数を制御することもできる。また、開度制御部９１は、第１圧力センサ５１で測定される蒸気の圧力が設定された圧力となるように、流量調整弁５２の開度を調整してスクロール膨張機３の回転数を制御することもできる。

上限開度設定部９２は、第１圧力センサ５１により測定された供給圧力と、第２圧力センサ５３により測定された排出圧力との差圧に基づいて、流量調整弁５２の開度上限値を設定する。これにより、スクロール膨張機３における排出圧力と供給圧力との差圧に応じて、流量調整弁５２の最大開度が規制される。

本実施形態では、図３に示すように、上限開度設定部９２は、第１圧力センサ５１により測定された供給圧力と、第２圧力センサ５３により測定された排出圧力との差圧が大きくなるに従って、開度上限値を小さく設定する。これにより、スクロール膨張機３における排出圧力と供給圧力との差圧が大きい場合、つまり、スクロール膨張機３の回転に寄与する蒸気量が多い場合（例えば、差圧が０．５ＭＰａのとき）に、流量調整弁５２の開度上限値を小さく（例えば、５０％に）設定することで、流量調整弁５２の開度を一定値変化させた場合における蒸気の流量の変化を大きくできる。よって、蒸気発生装置２から供給される蒸気の圧力に変動が生じた場合等に、スクロール膨張機３に供給される蒸気の流量を追従性よく変化させられるので、スクロール膨張機３の回転数が急激に変化することを抑制できる。

下限開度設定部９３は、第１圧力センサ５１により測定された供給圧力と、第２圧力センサ５３により測定された排出圧力との差圧に基づいて、流量調整弁５２の開度下限値を設定する。これにより、スクロール膨張機３における排出圧力と供給圧力との差圧に応じて、流量調整弁５２の最小開度が規制される。

本実施形態では、図３に示すように、下限開度設定部９３は、第１圧力センサ５１により測定された供給圧力と、第２圧力センサ５３により測定された排出圧力との差圧が小さくなるに従って、開度下限値を大きく設定する。これにより、スクロール膨張機３における排出圧力と供給圧力との差圧が小さい場合、つまり、スクロール膨張機３の回転に寄与する蒸気量が少ない場合（例えば、差圧が０．３ＭＰａのとき）に、流量調整弁５２の開度下限値を大きく（例えば、５５％に）設定することで、スクロール膨張機３に供給される蒸気の流量の追従性をより好適に保ちながら流量を増加できる。よって、スクロール膨張機３の回転数の失速を効果的に防止できる。

以上説明した本実施形態の動力システム１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）動力システム１を、スクロール膨張機３に供給される蒸気の流量を調整する流量調整弁５２と、要求負荷に基づいて流量調整弁５２の開度を制御する開度制御部９１と、蒸気の供給圧力と排出圧力との差圧に基づいて流量調整弁５２の開度上限値を設定する上限開度設定部９２と、を含んで構成した。これにより、例えば、蒸気の供給圧力と排出圧力との差圧が大きい場合、即ち、スクロール膨張機３の回転に寄与する流体の量が多い場合に、流量調整弁５２の開度上限値を１００％よりも低い所定の開度に設定することで、流量調整弁５２の開度を調整した場合における流体の流量の変化の追従性を向上させられる。よって、供給される蒸気の圧力に変動が生じた場合等に、スクロール膨張機３に供給される蒸気の流量を追従性よく変化させられるので、スクロール膨張機３の回転数が上がりすぎることを抑制できる。
また、蒸気の供給圧力と排出圧力との差圧に応じて開度上限値を設定することで、スクロール膨張機３に不具合が生じた場合に、不具合が生じたスクロール膨張機３に過剰に負荷がかかってしまうことを防げる。即ち、スクロール膨張機３に不具合が発生して回転数が設定回転数に到達しない状況では、回転数を上げるために流量調整弁５２の開度が大きくされ蒸気の供給量が増加されるが、スクロール膨張機３の不具合により回転数は上がらず、流量調整弁５２の開度は更に大きくされる。これにより、蒸気の供給圧力と排出圧力との差圧も大きくなっていく。ここで、本実施形態では、蒸気の供給圧力と排出圧力との差圧に応じて開度上限値を設定しているので、たとえ、スクロール膨張機３に不具合が発生して回転数が設定回転数に到達しない場合であっても、流量調整弁５２の開度は、差圧に基づいて設定された開度上限値以上には大きくならない。よって、スクロール膨張機３に過剰に流体が供給されることを抑制できるので、スクロール膨張機３に過剰に負荷がかかってしまうことを防げる。

（２）上限開度設定部９２に、供給圧力と排出圧力との差圧が大きくなるに従って、開度上限値を小さく設定させた。これにより、スクロール膨張機３に供給される蒸気の量が多い場合に、より開度上限値を小さく設定できるので、蒸気の圧力に変動が生じた場合に、スクロール膨張機３に供給される蒸気の流量の追従性をより好適に保ちながら流量を減少できる。その結果、スクロール膨張機３の回転数の超過を効果的に防止できる。

（３）動力システム１を、蒸気の供給圧力と排出圧力との差圧に基づいて流量調整弁５２の開度下限値を設定する下限開度設定部９３を含んで構成した。これにより、スクロール膨張機３の回転に寄与する蒸気の量に応じて、流量調整弁５２の開度下限値を設定できるので、供給される蒸気の圧力に変動が生じた場合等に、スクロール膨張機３の回転数が下がりすぎることを抑制できる。

（４）上限開度設定部に、供給圧力と排出圧力との差圧が小さくなるに従って、開度上限値を大きく設定させた。これにより、スクロール膨張機３に供給される蒸気の量が少ない場合に、より開度上限値を大きく設定できるので、蒸気の圧力に変動が生じた場合に、スクロール膨張機３に供給される蒸気の流量の追従性をより好適に保ちながら流量を増加できる。その結果、スクロール膨張機３の失速を効果的に防止できる。

以上、本発明の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、原動機として蒸気膨張機であるスクロール膨張機３を用いたが、これに限らない。即ち、原動機としてスクリュー膨張機を用いてもよい。
また、本実施形態では、動力源の流体として蒸気を用い、原動機として蒸気膨張機を用いたが、これに限らない。即ち、動力源の流体として圧縮空気を用いてもよく、原動機として、空気膨張機を用いてもよい。

１ 動力システム
３ スクロール膨張機（原動機、蒸気膨張機）
５１ 第１圧力センサ（供給圧測定部）
５２ 流量調整弁
５３ 第２圧力センサ（排出圧測定部）
９１ 開度制御部
９２ 上限開度設定部
９３ 下限開度設定部

Claims (5)

1. 流体を動力源として動力を発生させる原動機と、
   前記原動機に流体を供給する流体供給ラインと、
   前記流体供給ラインに配置され前記原動機に供給される流体の流量を調整する流量調整弁と、
   前記原動機に供給される流体の供給圧力を測定する供給圧測定部と、
   前記原動機から排出される流体の排出圧力を測定する排出圧測定部と、
   要求負荷に基づいて前記流量調整弁の開度を制御する開度制御部と、
   前記供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧に基づいて、前記流量調整弁の開度上限値を設定する上限開度設定部と、を備える動力システム。
2. 前記上限開度設定部は、供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧が大きくなるに従って、前記開度上限値を小さく設定する請求項１に記載の動力システム。
3. 前記供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧に基づいて、前記流量調整弁の開度下限値を設定する下限開度設定部を更に備える請求項１又は２に記載の動力システム。
4. 前記下限開度設定部は、供給圧測定部により測定された供給圧力と、前記排出圧測定部により測定された排出圧力との差圧が小さくなるに従って、前記開度下限値を大きく設定する請求項３に記載の動力システム。
5. 前記流体は蒸気であり、
   前記原動機は蒸気膨張機である請求項１〜４のいずれかに記載の動力システム。

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