JP5054597B2 - Steam expander driven air compressor - Google Patents
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Description
本発明は、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置に関する。 The present invention relates to a steam expander driven air compressor.
ボイラで発生した蒸気を使用するプラントにおいて、ボイラが発生する高圧(例えば1.2〜1.6MPa)の蒸気を減圧弁で減圧し、低圧(例えば0.8〜0.9MPa)の蒸気を需要設備に供給するのが一般的である。減圧弁で蒸気を減圧すると、蒸気の圧力差エネルギを廃棄することになるため、このエネルギを回収することが望まれる。 In a plant that uses steam generated in a boiler, high pressure (for example, 1.2 to 1.6 MPa) steam generated by the boiler is reduced by a pressure reducing valve, and low pressure (for example, 0.8 to 0.9 MPa) steam is demanded. It is common to supply equipment. When the pressure of the steam is reduced by the pressure reducing valve, the pressure difference energy of the steam is discarded, and it is desired to recover this energy.
特許文献1には、スクリュ蒸気膨張機でスクリュ空気圧縮機を駆動して、空気を圧縮する装置が記載されている。引用文献1には記載されていないが、スクリュ蒸気膨張機には、その軸受を潤滑・冷却するために、オイルポンプやオイルクーラなどの付帯設備が必要である。また、空気圧縮機では、吸気とともに潤滑油を吸入させたり、ロータ室の低圧部に潤滑油を供給したりする油冷式のものが多く用いられているが、油冷式空気圧縮機では、吐出した圧縮空気から潤滑油を分離する油分離器等が必要である。 Patent Document 1 describes a device that compresses air by driving a screw air compressor with a screw steam expander. Although not described in the cited document 1, the screw steam expander requires additional equipment such as an oil pump and an oil cooler in order to lubricate and cool the bearing. Further, in the air compressor, an oil-cooled type in which lubricating oil is sucked together with the intake air or the lubricating oil is supplied to the low pressure portion of the rotor chamber is used, but in the oil-cooled air compressor, An oil separator or the like for separating the lubricating oil from the discharged compressed air is necessary.
油冷式空気圧縮機の油分離器で分離された潤滑油は、油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気の圧力で送出されるのでオイルポンプが不要である。そこで、油冷式空気圧縮機の潤滑油で蒸気膨張機の潤滑をすればよいようにも思われるが、油冷式空気圧縮機の潤滑油の圧力は蒸気膨張機のシールの耐用圧力より高く、シールの破損を招く危険がある。 Since the lubricating oil separated by the oil separator of the oil-cooled air compressor is sent out with the pressure of the compressed air discharged from the oil-cooled air compressor, an oil pump is unnecessary. Therefore, it seems to be sufficient to lubricate the steam expander with the lubricating oil of the oil-cooled air compressor, but the pressure of the lubricating oil of the oil-cooled air compressor is higher than the service pressure of the seal of the steam expander. Risk of damaging the seal.
このため、蒸気膨張機で油冷式の空気圧縮機を駆動する蒸気膨張機駆動空気圧縮装置では、蒸気膨張機のために潤滑油を循環させる付帯設備と、空気圧縮機の吐出から潤滑油を分離して空気圧縮機に循環させる付帯設備との2種類の潤滑系統が必要であり、装置が複雑になるという欠点があった。
前記問題点に鑑みて、本発明は、潤滑系統の構成が簡単な蒸気膨張機駆動空気圧縮装置を提供することを課題とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a steam expander-driven air compressor having a simple lubricating system configuration.
前記課題を解決するために、本発明による蒸気膨張機駆動空気圧縮装置は、蒸気膨張機と、前記蒸気膨張機によって駆動される油冷式空気圧縮機と、前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気から潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器で分離された前記潤滑油を、前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気の圧力によって、前記油冷式空気圧縮機が停止したときに流路を遮断する遮断弁を介して、前記蒸気膨張機の軸受空間に供給する潤滑油供給ラインと、前記蒸気膨張機の前記軸受空間から前記潤滑油を、逆止弁を介して前記油冷式空気圧縮機のロータ室に供給する潤滑油環流ラインとを有するものとする。 In order to solve the above problems, a steam expander-driven air compressor according to the present invention includes a steam expander, an oil-cooled air compressor driven by the steam expander, and the oil-cooled air compressor discharging An oil separator that separates lubricating oil from the compressed air, and the oil-cooled air compressor that separates the lubricating oil separated by the oil separator by the pressure of the compressed air discharged by the oil-cooled air compressor. A lubricant supply line that supplies the bearing space of the steam expander via a shut-off valve that shuts off the flow path when the engine stops, and a check valve that supplies the lubricant from the bearing space of the steam expander. And a lubricating oil recirculation line for supplying to the rotor chamber of the oil-cooled air compressor.
この構成によれば、油冷式空気圧縮機の吐出圧によって蒸気膨張機にも潤滑油を供給するので、蒸気膨張機専用のオイルポンプやオイルクーラなどの付帯設備が必要なく、装置構成が簡単である。また、蒸気膨張機には遮断弁を介して潤滑油を供給し、逆止弁を介して油冷式空気圧縮機に環流させるので、装置が停止して油冷式空気圧縮機の吸引力がなくなっても、空気圧による潤滑油の供給が遮断されるので、軸受空間の圧力が大きく上昇することを防止できる。 According to this configuration, since the lubricating oil is also supplied to the steam expander by the discharge pressure of the oil-cooled air compressor, no additional equipment such as an oil pump or oil cooler dedicated to the steam expander is required, and the device configuration is simple. It is. In addition, since the lubricating oil is supplied to the steam expander via the shut-off valve and is circulated to the oil-cooled air compressor via the check valve, the apparatus stops and the suction force of the oil-cooled air compressor is reduced. Even if it disappears, the supply of lubricating oil by air pressure is cut off, so that the pressure in the bearing space can be prevented from significantly increasing.
また、本発明の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置は、前記蒸気膨張機のハウジングと前記油冷式空気圧縮機のハウジングとを接続し、前記蒸気膨張機のロータ軸の一端の軸受空間、および、前記油冷式空気圧縮機のロータ軸の一端の軸受空間と一体となって密封された接続空間を形成する接続ハウジングを備えてもよい。 The steam expander-driven air compressor of the present invention connects the steam expander housing and the oil-cooled air compressor housing, bearing space at one end of the rotor shaft of the steam expander, and You may provide the connection housing which forms the connection space sealed integrally with the bearing space of the end of the rotor axis | shaft of the said oil-cooled type air compressor.
この構成によれば、蒸気膨張機および油冷式空気圧縮機のロータ軸が外部に露出しないので、軸周りから外部に潤滑油が漏出する心配がなく、ロータ軸のシール構造を簡略化できる。 According to this configuration, since the rotor shafts of the steam expander and the oil-cooled air compressor are not exposed to the outside, there is no fear that the lubricating oil leaks out from the periphery of the shaft, and the seal structure of the rotor shaft can be simplified.
また、本発明の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置において、前記蒸気膨張機のロータ軸と前記油冷式空気圧縮機のロータ軸とは、前記接続空間に収容された歯車を介して接続されていてもよい。 In the steam expander-driven air compressor of the present invention, the rotor shaft of the steam expander and the rotor shaft of the oil-cooled air compressor are connected via a gear accommodated in the connection space. Also good.
この構成によれば、油冷式空気圧縮機の負荷トルクに応じて歯車の比を選択することで、機械効率が高くなる。また、歯車を接続空間に収容したので、蒸気膨張機の軸受空間に供給された潤滑油によって、歯車も潤滑できる。 According to this configuration, the mechanical efficiency is increased by selecting the gear ratio according to the load torque of the oil-cooled air compressor. Moreover, since the gear is accommodated in the connection space, the gear can also be lubricated by the lubricating oil supplied to the bearing space of the steam expander.
また、本発明の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置において、前記蒸気膨張機は、スクリュ膨張機であり、前記油冷式空気圧縮機は、スクリュ圧縮機であってもよい。 In the steam expander-driven air compressor of the present invention, the steam expander may be a screw expander, and the oil-cooled air compressor may be a screw compressor.
この構成によれば、スクリュ膨張機およびスクリュ圧縮機のトルク変動が小さいために、運転可能な圧力範囲が広く、安定した運転ができる。 According to this configuration, since the torque fluctuation of the screw expander and the screw compressor is small, the operable pressure range is wide and stable operation can be performed.
本発明によれば、油冷式空気圧縮機の吐出圧によって潤滑油を蒸気膨張機の軸受空間に供給するので、蒸気膨張機専用の潤滑系統が不要である。また、潤滑油を、遮断弁を介して供給し、逆止弁を介して油冷式空気圧縮機に環流させるので、装置が停止したときに、蒸気膨張機の軸受空間が高圧になることを防止できる。 According to the present invention, since the lubricating oil is supplied to the bearing space of the steam expander by the discharge pressure of the oil-cooled air compressor, a dedicated lubrication system for the steam expander is unnecessary. In addition, lubricating oil is supplied via a shut-off valve and recirculated to the oil-cooled air compressor via a check valve, so that when the device stops, the bearing space of the steam expander becomes high pressure. Can be prevented.
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の1つの実施形態の蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1の概要を示す。蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1は、容積形蒸気膨張機であるスクリュ膨張機(エキスパンダ)2と、容積形空気圧縮機であるスクリュ圧縮機3とを有する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.
FIG. 1: shows the outline | summary of the steam expander drive air compression apparatus 1 of one Embodiment of this invention. The steam expander-driven air compressor 1 includes a screw expander (expander) 2 that is a positive displacement steam expander and a screw compressor 3 that is a positive displacement air compressor.
スクリュ膨張機2は、ハウジング4に形成されたロータ室5に雌雄一対のスクリュロータ6が収容されている。スクリュロータ6のロータ軸7は、吸気側(高圧側)の軸受空間8に配設した軸受9,10と、排気側(低圧側)の軸受空間11に配設した軸受12,13とで支持されている。また、ロータ室5と吸気側の軸受空間8との間は、シール部材14で封止され、ロータ室5と排気側の軸受空間11との間はシール部材15で封止されている。排気側の軸受空間11は、ハウジング4で封止されているが、吸気側の軸受空間8は軸方向に開放し、ロータ軸7がハウジング4から突出している。
In the screw expander 2, a pair of male and
スクリュ圧縮機3は、ハウジング16に形成されたロータ室17に雌雄一対のスクリュロータ18が収容されている。スクリュロータ18のロータ軸19は、吸込側(低圧側)の軸受空間20に配設した軸受21と、吐出側(高圧側)の軸受空間22に配設した軸受23とで支持されている。吐出側の軸受空間22は、ハウジング16で封止されているが、吸込側の軸受空間20は軸方向に開放し、ロータ軸19がハウジング16から突出している。
In the screw compressor 3, a pair of male and
蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1は、スクリュ膨張機2のハウジング4の開放端とスクリュ圧縮機3のハウジング16の開放端とを接続する接続ハウジング24を有する。ハウジング4、ハウジング16および接続ハウジング24は、スクリュ膨張機2の軸受空間8およびスクリュ圧縮機3の軸受空間20と一体となって密封された接続空間25を画定する。
The steam expander-driven air compressor 1 has a
スクリュ膨張機2のロータ軸7のハウジング4から突出した端部には、駆動歯車26が配設され、スクリュ圧縮機3のロータ軸19のハウジング16から突出した端部には、駆動歯車26に咬合し、駆動歯車26より歯数の多い従動歯車27が配設されている。つまり、駆動歯車26および従動歯車27は、接続空間25の中に収容されており、スクリュ膨張機2のロータ軸7の回転を、減速してスクリュ圧縮機3のロータ軸19に伝えるようになっている。
A
また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1では、不図示のボイラから高圧の蒸気が、スチームトラップ28および容量調整弁29を介してスクリュ膨張機2へ供給され、スクリュ膨張機2で膨張して所定圧力に減圧された低圧蒸気を、不図示の需要設備に供給するようになっている。また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1では、高圧蒸気を減圧弁30によって減圧して、スクリュ膨張機2を介さずに、需要設備に供給することもできるようになっている。
In the steam expander-driven air compressor 1, high-pressure steam is supplied from a boiler (not shown) to the screw expander 2 via the
スクリュ膨張機2における蒸気の膨張力は、スクリュロータ6によって、ロータ軸7の回転力に変換され、駆動歯車26および従動歯車27を介してスクリュ圧縮機3のロータ軸19を駆動してスクリュロータ18を回転させる。スクリュ圧縮機3は、スクリュロータ18の回転により、ロータ室17の吸込側に負圧を生じ、エアフィルタ31を介して、外気を吸い込む。スクリュロータ18によって圧縮され、スクリュ圧縮機3から吐出された圧縮空気は、油分離器32に導入され、その中に含まれる潤滑油が分離され、アフタークーラ33で冷却されてから、需要設備に供給される。
The expansion force of the steam in the
油分離器32で分離された潤滑油は、自動温度調節弁34、油冷却器35およびオイルフィルタ36を介して、スクリュ膨張機2の軸受空間8およびスクリュ圧縮機3のロータ室17に供給されるようになっている。ただし、スクリュ膨張機2の軸受空間8へ潤滑油を供給する潤滑油供給ライン37には、スクリュ圧縮機3が停止すると流路を遮断する電磁弁からなる遮断弁38が配設されている。また、スクリュ膨張機2の軸受空間8に供給された潤滑油は、接続空間25に漏出して駆動歯車26および従動歯車27を潤滑する。接続空間25に流入した過剰な潤滑油は逆止弁39が介設された潤滑油環流ライン40を介して、スクリュ圧縮機3のロータ室17に供給されるようになっている。
The lubricating oil separated by the
さらに、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1は、油分離器31の出口配管において、圧縮空気の圧力を検出する圧力検出器41と、圧力検出器41の検出値が所定の設定値になるように、スクリュ膨張機2の吸気側の容量調整弁27の開度を制御するPIDコントローラ42とを備えている。
Further, the steam expander-driven air compressor 1 has a
本実施形態では、油分離器32で分離した潤滑油を、スクリュ圧縮機3が吐出した圧縮空気の圧力によって、スクリュ膨張機2の軸受空間8およびスクリュ圧縮機3のロータ室17に供給するので、潤滑油の供給のための付帯設備をスクリュ膨張機2とスクリュ圧縮機3とで別々に設ける必要がなく、潤滑油を圧送するためのポンプも不要である。このため、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1は、構成が簡単で、安価に提供できる。
In this embodiment, the lubricating oil separated by the
蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1において、潤滑油環流ライン40は、流路抵抗が十分に小さくなるように構成され、スクリュ圧縮機3が運転されていれば、スクリュ圧縮機3の吸込圧力によって、スクリュ膨張機2の軸受空間8および接続空間25から潤滑油を吸引し、軸受空間8および接続空間25の内圧を大気圧に近い低い圧力に維持できるようになっている。
In the steam expander drive air compressor 1, the lubricating
また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1において、スクリュ圧縮機3が停止されても、スクリュ圧縮機3が停止される直前の油分離器32の内部の圧力が高圧に維持されているため、遮断弁38を閉鎖しない限りは、油分離器32の内部の圧力によって、潤滑油供給ライン37を介して軸受空間8へ、ある程度は潤滑油が供給されることになる。しかしながら、本実施形態では、潤滑油供給ライン37に設けた遮断弁38を閉鎖するので、スクリュ膨張機2の軸受空間8への潤滑油の供給が停止される。
Further, in the steam expander-driven air compressor 1, even if the screw compressor 3 is stopped, the pressure inside the
さらに、スクリュ圧縮機3が停止した場合、スクリュ圧縮機3内のリークによってロータ室17の吸込側の圧力が高くなるので、ロータ室17から接続空間25への潤滑油が逆流が懸念される。しかしながら、本実施形態では、スクリュ潤滑油環流ライン40に逆止弁39を介設したことで、スクリュ圧縮機3内のリークによってロータ室17の吸込側の圧力が高くなったとしても、スクリュ圧縮機3のロータ室17から接続空間25へ潤滑油が逆流しない。
Furthermore, when the screw compressor 3 stops, the pressure on the suction side of the
これらの遮断弁38および逆止弁39の作用により、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1では、スクリュ圧縮機3が停止しても、スクリュ膨張機2の軸受空間8および接続空間25への潤滑油の流入が阻止されるので、軸受空間8および接続空間25の内圧は、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1が運転されていたときの圧力を維持することができ、軸受空間8および接続空間25内の圧力が、許容される圧力(シール部材14の耐用圧力等により制約を受ける大気圧に近い圧力)より高くなることを防止できる。
Due to the action of the shut-off
また、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1では、スクリュ膨張機2の軸受空間8およびスクリュ圧縮機の軸受空間20と一体の接続空間25が密閉されている。つまり、スクリュ膨張機2のロータ軸7およびスクリュ圧縮機3のロータ軸19は、スクリュ膨張機2のハウジング4、スクリュ圧縮機3のハウジング16および接続ハウジング24によって密閉されている。このため、蒸気膨張機駆動空気圧縮装置1では、スクリュ膨張機2のロータ軸7がハウジング4を貫通する部分、および、スクリュ圧縮機3のロータ軸19がハウジング16を貫通する部分から潤滑油が外部に漏出しない。これにより、この部分の軸封構造を例えば非接触シールを採用するなどして長寿命化したり、軸封構造を簡略化または省略することができる。また、従来のように、軸周りから漏出した潤滑油を回収する装置も不要である。
Further, in the steam expander-driven air compressor 1, the
本発明では、スクリュ圧縮機3の吐出した圧縮空気から分離した潤滑油を、圧縮空気の圧力により、遮断弁38または独立した遮断弁を介してスクリュ膨張機2の排気側の軸受室11に供給したり、接続空間25内の駆動歯車26および従動歯車27に直接に噴霧したりして、逆止弁39または独立した逆止弁を介して、スクリュ圧縮機3のロータ室17に環流させてもよい。また、潤滑油環流ライン40は、ロータ室17に直接潤滑油を導入する以外に、エアフィルタ31からロータ室17までの吸込流路に潤滑油を導入してもよい。
In the present invention, lubricating oil separated from the compressed air discharged from the screw compressor 3 is supplied to the bearing
1…蒸気膨張機駆動空気圧縮装置
2…スクリュ膨張機(蒸気膨張機)
3…スクリュ圧縮機(油冷式空気圧縮機)
4…ハウジング
7…ロータ軸
8…軸受空間
16…ハウジング
19…ロータ軸
20…軸受空間
24…接続ハウジング
25…接続空間
26…駆動歯車
27…従動歯車
32…油分離器
35…油冷却器
37…潤滑油供給ライン
38…遮断弁
39…逆止弁
40…潤滑油環流ライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Steam expander
3 ... Screw compressor (oil-cooled air compressor)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ...
Claims (4)
前記蒸気膨張機によって駆動される油冷式空気圧縮機と、
前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気から潤滑油を分離する油分離器と、
前記油分離器で分離された前記潤滑油を、前記油冷式空気圧縮機が吐出した圧縮空気の圧力によって、前記油冷式空気圧縮機が停止したときに流路を遮断する遮断弁を介して、前記蒸気膨張機の軸受空間に供給する潤滑油供給ラインと、
前記蒸気膨張機の前記軸受空間から前記潤滑油を、逆止弁を介して前記油冷式空気圧縮機のロータ室に供給する潤滑油環流ラインとを有することを特徴とする蒸気膨張機駆動空気圧縮装置。 A steam expander,
An oil-cooled air compressor driven by the steam expander;
An oil separator for separating lubricating oil from the compressed air discharged by the oil-cooled air compressor;
The lubricating oil separated by the oil separator is passed through a shutoff valve that shuts off the flow path when the oil-cooled air compressor stops due to the pressure of compressed air discharged by the oil-cooled air compressor. A lubricating oil supply line that supplies the bearing space of the steam expander,
A steam expander drive air, characterized by having a lubricating oil recirculation line for supplying the lubricant from the bearing space of the steam expander to the rotor chamber of the oil-cooled air compressor through a check valve. Compression device.
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