JP4971399B2 - 蒸気発生装置 - Google Patents
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Description
本発明が解決しようとする課題は、より高いエネルギー効率で蒸気を生産することである。
上記の構成では、圧縮機を通過した高温の流体が、第1流体路における、熱交換器の上流位置に供給されるため、熱交換器上流の流体の温度が上がる。そのため、第2流体路における、熱交換器の下流位置(圧縮機の上流位置)で発生する蒸気の、温度及び圧力(給気圧)が上昇する。
従って、本構成によると、圧縮機からの排気圧をある目標値に設定(固定)した場合において、圧縮機に送られる蒸気の給気圧を効率的に高められる。その結果、圧縮機の運転に必要な動力を低減でき、高いエネルギー効率で、所望の圧力の蒸気を生産することができる。
また、圧縮機に冷却水が供給される場合には、圧縮機を通過する流体には、冷却水が含まれる。
「圧縮機」としては、スクリュータイプ(シングル、ツイン)、ターボタイプ、レシプロタイプなどを利用できる。
「供給装置」は、第2流体路における圧縮機の下流位置と、第1流体路における熱交換器の上流位置とを接続する。供給装置は、例えば、管路を含んでいても良いし、管路及びポンプを含んでいてもよい。
また、熱源から排出され、第1流体路を流れる流体としては、工場、発電所などからの高温排水などを利用できる。この流体の温度は、50度乃至300度程度であることが望ましい。また、この温度については、100度以上であることが更に望ましい。
また、第2流体路を流れる流体(被加熱流体)は、第1流体路を流れる流体からの熱を受けて相変化(気化)するものであればよく、この流体としては、水、フロン系冷媒、炭化水素系冷媒などを利用できる。
また、前記供給装置は、(i)前記第2流体路における、前記圧縮機の下流側、且つ、前記気体管の上流側の位置に配置された気液分離装置と、(ii)前記気液分離装置において分離した液体の流路となる液体管と、(iii)当該液体管における液体流量を調整するための液体流量調整弁と、を備えていてもよい。
また、液体状態のまま圧縮機を通過する冷却水については、気液分離装置により気体(蒸気)から分離できる。
さらに、液体冷却水の熱を使って、熱交換器上流の流体の温度を上昇させることにより、液体冷却水を有効に利用できる。
「気液分離装置」は、蒸気中の液体を分離する装置のことであり、この気液分離装置としては、例えばサイクロン式のものを利用できる。
また、冷却水は、圧縮機などの熱を受けて相変化(気化)するものが望ましくこの冷却水としては、水、フロン系冷媒、炭化水素系冷媒などを利用できる。
また、前記流体供給管は、前記第1流体路における、前記熱交換器の下流位置と、前記第2流体路における、前記熱交換器の上流位置とを接続してもよい。
なお、この構成では、排水であったものが生産蒸気になる。そのため、本構成は、特に、次のいずれかの場合に有効である。
(i)排水に不純物が多く含まれている場合において、蒸気に不純物が含まれることが、蒸気の利用先において大きな問題にならないとき
(ii)排水が十分に清浄である場合
なお、この構成では、排水であったものが生産蒸気になる。そのため、本構成は、特に、次のいずれかの場合に有効である。
(i)排水に不純物が多く含まれている場合において、蒸気に不純物が含まれることが、蒸気の利用先において大きな問題にならないとき
(ii)排水が十分に清浄である場合
また、熱交換前の排水(すなわち、高温側の排水)の温度は高く、沸点に比較的近いので、熱交換前の排水を冷却水として使用することにより、冷却水が気化されやすい。そのため、低温の冷却水を使用する場合に比べて、生産蒸気の流量が増大する。
(i)排水に不純物が多く含まれている場合において、蒸気に不純物が含まれることが、蒸気の利用先において大きな問題にならないとき
(ii)排水が十分に清浄である場合
以下、本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態に係る蒸気発生装置1は、排水の熱を利用して(すなわち、廃熱を利用して)蒸気を発生させ、放出する装置であり、第1流体路10、第2流体路20、熱交換器30、圧縮機40、供給装置50、及び冷却装置60を備える。以下、蒸気発生装置1から放出される蒸気を「生産蒸気」と記す。
第1流体路10は、3本の連続したパイプ(パイプ10a、パイプ10b、及びパイプ10c)からなる。第1流体路10の内部においては、熱源から排出された流体(排水)が流れる。また、パイプ10aの途中には、排水を先に送るためのポンプ10pが設けられている。また、パイプ10a及びパイプ10cは、図示しない熱原に接続されている。
第2流体路20は、4本のパイプ(パイプ20a、パイプ20b、パイプ20c、及びパイプ20d)から成る。第2流体路20の内部においては、被加熱流体として、水(H2O)が流れている。この水は、熱交換器30における熱交換により気化(蒸発)し、圧縮機40において圧縮され、そして、その蒸気の一部(または全部)が、生産蒸気として放出される。
パイプ20aの途中には、水を先に送るためのポンプ20pが設けられている。また、パイプ20dからは、後述するように、気体管51及び液体管53が分岐している。
熱交換器30は、第1流体路10及び第2流体路20を熱的に接続するものである。熱交換器30の内部に、第1流体路10のパイプ10bと、第2流体路20のパイプ20bとが配置されており、これらは熱的に接続された状態になっている。そして、蒸気発生装置1の運転時には、熱交換器30の内部において、第1流体路10の流体から、第2流体路20の被加熱流体(水)へ熱が伝えられ、被加熱流体が気化する。すなわち、蒸気発生装置1において、被加熱流体の蒸発潜熱は、第1流体路10の流体から得られる。
圧縮機40は、第2流体路20の途中(パイプ20cとパイプ20dとの間)に配置されており、第2流体路20を流れる流体を圧縮する。圧縮機40は、シングルスクリュー型である。また、圧縮機40には、後述する冷却装置60によって冷却水が供給される。
供給装置50は、第2流体路20の内部の流体を、第1流体路10に供給するものであり、気体管51、気体流量調整弁51v、液体管53、液体流量調整弁53v、及び、気液分離装置52から成る。そして、供給装置50は、圧縮機40を通過した後の流体の一部を、第1流体路10における、熱交換器30の上流位置に供給する。
例えば、CPU(CentralProcessing Unit)、及び、記憶装置(RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、ハードディスクなど)を含むコンピュータ(制御装置)が、気体流量調整弁51v及び液体流量調整弁53vの開度を制御するようになっていてもよい。これにより、第2流体路20から、気体管51又は液体管53へ流れる流体の流量が調整される。
また、流量調整弁は、遠隔操作できるものであってもよい。
冷却装置60は、圧縮機40に冷却水を供給する装置であり、本実施形態においては、冷却水貯蔵タンク(図示せず)、供給管61、及びポンプ(図示せず)から成る。
次に、蒸気発生装置1の動作について説明する。まず、熱源からの排水が、パイプ20aの流入口から、第1流体路10に流される。また、パイプ20aの流入口から、第2流体路20に、被加熱流体である水(液体)が流される。そして、ポンプ10p及びポンプ20pを動作させると、第1流体路10及び第2流体路20の内部に流体(伝熱媒体)が流れている状態になる。
圧縮機40の内部の流体(被加熱流体、及び、圧縮機40に供給された冷却水)は、圧縮機40において圧縮され、高温・高圧になる。そして、圧縮機40からパイプ20dへ、(i)液体状態の冷却水、(ii)気体状態の冷却水、および(iii)気体状態の被加熱流体、から成る混合流体が送り出される。
なお、圧縮機40においては、冷却装置60から供給された冷却水との熱交換によって、圧縮熱が除去される。
次に、蒸気発生方法について説明する。まず、第1流体路10に、熱源からの排水を流す。また、第2流体路20に、被加熱流体である水を流す(伝熱流体供給工程)。
次に、圧縮機40に冷却水を供給する(冷却水供給工程)。
次に、圧縮機40を用いて、第2流体路20の水を圧縮する(圧縮工程)。
次に、圧縮機40を通過した流体(気体および液体)の一部を、供給装置50を用いて、熱交換器30の上流位置に供給する(高温流体供給工程)。
次に、熱交換器30を用いて、第1流体路10の流体の熱を、第2流体路20の水に伝え、水を蒸発させる(気化工程)。
その後、この蒸気を圧縮する(上記の圧縮工程参照)。
以上のようにして生産した蒸気(生産蒸気)を、パイプ20dから取り出す。本方法により、効率的に蒸気を生産できる。
次に、図2及び図3について説明する。図2及び図3は、蒸気発生装置1を用いて、0.8MPaの生産蒸気を発生させる場合における、生産蒸気の流量の計算結果を示している。なお、図2及び図3の計算は、液体管53における液体流量をある流量に固定して、気体管51の流量のみを変化させて行なったものである。
液比率=CRL/CF (式1)
CRL:圧縮機40から液体状態のままで放出される冷却水の流量
CF :圧縮機40に供給される冷却水の流量
液比率=0.0;冷却水の全てが気化した状態で圧縮機40から放出される。
液比率=0.5;供給された冷却水のうち、50%が気化した状態で、残りの50%が液体状態で、圧縮機40から放出される。
液比率=1.0;冷却水の全てが、液体状態のまま圧縮機40から放出される。
なお、液比率は、蒸気発生装置1の運転条件(冷却水の温度、前後の圧力差、圧縮機40の圧縮比、圧縮機40の回転数など)により変化する。
圧縮機吐出蒸気流量=CG+WG (式2)
CG:気体状態の冷却水の流量
WG:気体状態の被加熱流体の流量
なお、液比率が1.0のときには、気化した冷却水は存在しないので、気体管51を通して送られる蒸気は、被加熱流体のみとなる。
そのため、図2に示すように、液比率に係わらず、リサイクルスチーム流量が、300〜400kg/hのときに、蒸気流量が最大となる。
このことは、液比率が1.0の場合においても同様である。
気体流量調整弁51vの調整に加えて、液体流量調整弁53vを調整することにより、蒸気流量を、さらに幅広く制御することが可能となる。具体的には、気体流量調整弁51vのみを調整する場合に比べて、蒸気流量を増大できる。
次に、本実施形態に係る蒸気発生装置1により得られる効果について説明する。蒸気発生装置1は、内部を、熱源から排出された流体が流れる第1流体路10と、内部を流体が流れる第2流体路20と、第1流体路10及び第2流体路20を熱的に接続し、第1流体路10を流れる流体の熱を、第2流体路20を流れる流体に伝えて、当該流体を気化させる熱交換器30と、第2流体路20の途中に配置されており、第2流体路20を流れる流体を圧縮する圧縮機40と、圧縮機40を通過した後の流体の一部を、第1流体路10における、熱交換器30の上流位置に供給する供給装置50と、を備える。
従って、本構成によると、圧縮機40からの排気圧をある目標値に設定(固定)した場合において、圧縮機40に送られる蒸気の給気圧を効率的に高められる。その結果、圧縮機40の運転に必要な動力を低減でき、高いエネルギー効率で、所望の圧力の蒸気を生産することができる。
また、供給装置50は、(i)第2流体路20における、圧縮機40の下流側、且つ、気体管51の上流側の位置に配置された気液分離装置52と、(ii)気液分離装置52において分離した液体の流路となる液体管53と、(iii)当該液体管53における液体流量を調整するための液体流量調整弁53vと、を備えている。
また、液体状態のまま圧縮機40を通過する冷却水については、気液分離装置52により気体(蒸気)から分離できる。
さらに、液体冷却水の熱を使って、熱交換器30の上流における流体の温度を上昇させることにより、液体冷却水を有効に利用できる。
その他の効果について説明する。蒸気発生装置1においては、リサイクルスチーム流量(気体管51を流れる蒸気の流量)を調整することにより、所望の流量の蒸気を生産できる(図2参照)。
さらに、蒸気発生装置1においては、リサイクルスチーム流量の調整に加えて、液体管53を流れる液体冷却水の流量を調整することにより、生産蒸気の流量を、より幅広く制御することができる。
次に、蒸気発生装置1の実施例について説明する。蒸気発生装置1を、下記の条件で運転するとする。
・第1流体路10に、90℃の廃水を流す。
・第2流体路20に、0.1MPa、25℃の水(被加熱流体)を供給する。
・熱交換器30で被加熱流体を加熱して、0.1MPa、99℃の飽和蒸気を発生させる。
・圧縮機40を用いて流体を圧縮し、0.4MPa、154℃、流量760kg/hの生産蒸気を発生させる。
また、この場合に、一次燃料消費量(エネルギー換算値)は、発電端効率を38%として計算すると、223kWとなる。そのため、蒸気発生装置1を用いて上記を発生させると、ボイラを用いる場合に比べて、一次燃料消費量を約64%削減できる。そして、ボイラの場合の、およそ半分のエネルギーで、ボイラと同じ流量の蒸気を生産できる。
次に、本発明の第2実施形態について、図4を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、図に同一の符号を付してその説明を省略する。
以下、上記の第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。図4において、符号110、110c、120、120b、160、161を付した部分は、それぞれ、第1実施形態において、符号10、10c、20、20b、60、61を付した部分に相当する。
また、パイプ120bの途中には、バルブ120vが設けられており、バルブ120vの開度を調節することにより、第2流体路120に供給される流体の流量が調整される。
本実施形態による効果について説明する。蒸気発生装置101は、第2流体路120に対して、第1流体路110を流れる流体を供給する流体供給管171を更に備えている。
また、流体供給管171は、第1流体路110における、熱交換器30の下流位置と、第2流体路120における、熱交換器30の上流位置とを接続している。
この構成により、排水から蒸気を生産することが可能となる。
この構成により、圧縮機40の冷却水として、排水を利用できる。
次に、本発明の第3実施形態について、図5を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、図に同一の符号を付してその説明を省略する。
以下、上記の第2実施形態と異なる部分を中心に説明する。図5において、符号210、210c、260、262を付した部分は、それぞれ、上記の実施形態において、符号10、10c、160、162を付した部分に相当する。
なお、接続管262は、第1流体路110において、気体管51及び液体管53の合流位置よりも下流の位置から分岐していてもよい。
なお、本実施形態の冷却装置260においては、冷却水貯蔵タンク及びポンプは、不要であるために設けられていない。
本実施形態による効果について説明する。
蒸気発生装置201において、冷却装置260によって供給される冷却水は、第1流体路210を流れる流体である。また、冷却装置260は、第1流体路210における、熱交換器30の上流位置から分岐して形成されている。
また、熱交換前の排水(すなわち、高温側の排水)の温度は高く、沸点に比較的近いので、熱交換前の排水を冷却水として使用することにより、冷却水が気化されやすい。そのため、低温の冷却水を使用する場合に比べて、生産蒸気の流量が増大する。
次に、本発明の第4実施形態について、図6を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、図に同一の符号を付してその説明を省略する。
以下、上記の第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
本発明の実施の形態は、上記の実施形態には限られない。例えば、上記の実施形態においては、冷却水を圧縮機に供給しているが、圧縮機ではなく、圧縮機の下流の蒸気を冷却してもよい。圧縮機の下流位置において、生産蒸気の目標温度よりも、蒸気の温度が高い場合(過熱状態である場合)には、ここに冷却水を供給することにより、(i)蒸気の温度が目標温度まで低下し、且つ、(ii)その熱交換において冷却水が気化し、蒸気流量が増大する。
圧縮機を冷却しない場合には、圧縮機の摩擦部分(回転軸の周囲など)における潤滑油の温度管理が必要となる。
10 第1流体路
10a、10b、10c パイプ
10p ポンプ
20 第2流体路
20a、20b、20c、20d パイプ
20p ポンプ
30 熱交換器
40 圧縮機
50 供給装置
51 気体管
51v 気体流量調整弁
52 気液分離装置
53 液体管
53v 液体流量調整弁
60 冷却装置
61 供給管
161 供給管
162 接続管
262 接続管
171 流体供給管
Claims (6)
- 内部を、熱源から排出された流体が流れる第1流体路(10)と、
内部を流体が流れる第2流体路(20)と、
前記第1流体路及び前記第2流体路を熱的に接続し、前記第1流体路を流れる流体の熱を、前記第2流体路を流れる流体に伝えて、当該流体を気化させる熱交換器(30)と、
前記第2流体路における前記熱交換器の下流側に配置されており、前記熱交換器にて気化した前記第2流体路を流れる流体を圧縮する圧縮機(40)と、
前記圧縮機を通過した後の流体の一部を、前記第1流体路における、前記熱交換器の上流位置に供給する供給装置(50)と、を備えることを特徴とする、蒸気発生装置(1)。 - 前記供給装置は、気体の流路となる気体管(51)と、当該気体管における気体流量を調整するための気体流量調整弁(51v)と、を有していることを特徴とする、請求項1に記載の蒸気発生装置。
- 前記圧縮機に冷却水を供給する冷却装置(60)を更に備え、
前記供給装置は、(i)前記第2流体路における、前記圧縮機の下流側、且つ、前記気体管の上流側の位置に配置された気液分離装置(52)と、(ii)前記気液分離装置において分離した液体の流路となる液体管(53)と、(iii)当該液体管における液体流量を調整するための液体流量調整弁(53v)と、を備えていることを特徴とする、請求項2に記載の蒸気発生装置。 - 前記第2流体路に対して、前記第1流体路を流れる流体を供給する流体供給管(171)を更に備え、
前記流体供給管は、前記第1流体路における、前記熱交換器の下流位置と、前記第2流体路における、前記熱交換器の上流位置とを接続することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の蒸気発生装置。 - 前記冷却装置によって供給される冷却水は、前記第1流体路を流れる流体であり、
前記冷却装置は、前記第1流体路における、前記熱交換器の下流位置から分岐して形成されていることを特徴とする、請求項3に記載の蒸気発生装置。 - 前記冷却装置によって供給される冷却水は、前記第1流体路を流れる流体であり、
前記冷却装置は、前記第1流体路における、前記熱交換器の上流位置から分岐して形成されていることを特徴とする、請求項3に記載の蒸気発生装置。
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