JP5171334B2

JP5171334B2 - 発電装置

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Publication number: JP5171334B2
Application number: JP2008075728A
Authority: JP
Inventors: 英明桑原; 真西村; 治幸松田
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Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
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Description

本発明は、供給された蒸気から動力（駆動力）を得る駆動源によって、発電機を駆動する発電装置に関し、特に駆動源として容積型膨張機を用いて発電機を駆動する発電装置に関する。

工場等の蒸気プロセスにおいて、蒸気の余剰な圧力差を利用して発電を行う発電装置としては、特許文献１に記載された以下の発電装置が知られている。

この発電装置は、上流側の蒸気源（ボイラ等）から供給された蒸気から動力を得る駆動源としてのスクリュ膨張機と、このスクリュ膨張機から前記動力が伝達されるように当該スクリュ膨張機に連結される発電機とを備える。前記スクリュ膨張機は、容積型膨張機であり、膨張室に導入（供給）された前記蒸気の圧力による当該膨張室の容積変化に応じて回転力（動力）を得るものである。

この容積型膨張機では、当該容積型膨張機の上流側（入口）と下流側（出口）との前記蒸気の圧力差を効率よく回転力に変換することが可能であり、従来の蒸気タービン式の駆動源に比べて低圧の蒸気から効率よく発電機を駆動するための回転力（動力）を得ることができる。そのため、前記容積型膨張機を用いた発電装置を前記蒸気プロセス中に配置することで、中小規模の製造工場における小型ボイラー等を蒸気源とした低圧の蒸気、例えば、１０気圧未満の蒸気を用いた蒸気プロセスであっても高効率な発電を行うことが可能となる。
特開２００７−７４８９４号公報

前記のように蒸気から動力を得る容積型膨張機においては、蒸気の有するエネルギーを発電機を駆動する回転力（動力）等に変換して用いるため、当該容積型膨張機を通過することで蒸気の有するエネルギーが減少する。そのため、通常、前記容積型膨張機を通過した蒸気からは当該蒸気の一部が凝縮してドレンが発生する。特に、蒸気の有するエネルギーを効率よく前記動力に変換して発電機を駆動することのできる前記容積型膨張機においては、通過した前記蒸気のエネルギーの減少が大きく、そのためドレンの発生が多くなる。

このように発生した前記ドレンがドレンセパレータ等によって取り除かれると、前記容積型膨張機の下流側のプロセス（製造プロセス等）に供給される蒸気量が減少する。そのため、前記蒸気プロセスにおいて、余剰蒸気のない状態で前記発電装置が用いられた場合には前記減少分の蒸気を追加する必要が生じる。このように前記蒸気プロセスに新たに蒸気を追加する場合、この蒸気を発生させるために燃料等が別途必要となり、前記蒸気プロセスの経済性が低下する。

そこで、本発明は、発電の際に蒸気から発生するドレンを抑制することができる発電装置を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る発電装置は、供給された蒸気によって発電し、発電に利用された前記蒸気を排出する発電装置であって、膨張室に導入された前記蒸気の圧力による当該膨張室の容積変化に応じて動力を発生するスクリュ膨張機と、前記スクリュ膨張機からの前記動力が伝達されるように動力伝達手段を介して当該スクリュ膨張機に連結される発電機と、前記スクリュ膨張機の下流側の流路に設けられて通過する前記蒸気が絞り膨張されることにより、前記供給された蒸気が前記スクリュ膨張機を通過することで当該蒸気から発生するドレンを抑制する減圧弁と、前記スクリュ膨張機から前記減圧弁までの間の前記蒸気の圧力を計測する圧力計と、前記発電機の回転数制御を介して前記スクリュ膨張機の回転数を制御する制御部と、を備える。そして、前記スクリュ膨張機は、回転数を制御することにより、当該スクリュ膨張機から排出される蒸気の圧力を制御できる構成を有し、前記制御部は、前記圧力計によって計測された蒸気の圧力に基づいて前記発電機の回転数を制御することにより、前記スクリュ膨張機の出口圧力を所望の圧力にすることを特徴とする。

かかる構成によれば、当該発電装置に供給された蒸気によって前記スクリュ膨張機が動力を発生させ、この動力が当該スクリュ膨張機に連結された前記発電機に伝達されることで当該発電装置が発電する。

このとき、前記蒸気においては、前記スクリュ膨張機を通過する、換言すると前記膨張室の容積変化によって膨張過程を経ることで当該蒸気の有するエネルギーが減少するが、前記減圧弁によって当該蒸気からのドレンの発生が抑制される。即ち、前記蒸気からのドレンの発生を抑制しつつ発電することが可能となる。

また、上記構成とすることで、湿り蒸気や腐蝕性ガス等からのエネルギー回収も可能となり、当該発電装置における作動流体の制約が少なくなる。また、前記スクリュ膨張機は、回転容積型の流体機械であるため、容積型でありながら取り扱い流量が多く、出力が他の容積型膨張機に比べ大きくなる。そのため、小型でありながら効率よく発電することが可能となる。

また、上記構成によれば、前記スクリュ膨張機の下流側において、前記スクリュ膨張機の下流側圧力（出口圧力）から前記流路の下流側のプロセスが必要とする圧力（以下、単に「プロセス側圧力」とも称する。）に前記減圧弁により減圧する際に前記蒸気中に発生していたドレンを再蒸発させ、ドレンの発生を抑制することが可能となる。

即ち、前記減圧弁を設けることで、前記蒸気がこの減圧弁を通過する際に絞り膨張作用により比エンタルピーが一定の状態で前記蒸気が減圧されて前記スクリュ膨張機の出口圧力からプロセス側圧力まで減圧される。この減圧の際に前記蒸気の乾き度が向上して湿り蒸気状態から乾き蒸気状態に向けて前記蒸気の状態量が変化する。即ち、前記スクリュ膨張機を通過した蒸気中にドレンが発生していた場合、このドレンが再蒸発する。そのため前記減圧弁を設けることで前記スクリュ膨張機を通過した蒸気からのドレンの発生を抑制しつつ前記蒸気の圧力をプロセス側圧力に調整することが可能となる。

特に、開度調整可能な前記減圧弁を用いることで、前記スクリュ膨張機に供給される蒸気の流量変動やプロセス側圧力の変動があった場合でも、前記減圧弁を調整することにより前記スクリュ膨張機の出口圧力を調整し、前記蒸気を当該減圧弁を通過させることで過熱蒸気又は飽和蒸気に状態変化させると共にプロセス側圧力まで減圧することが可能となる。

以上より、本発明によれば、発電の際に蒸気から発生するドレンを抑制することができる発電装置を提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る発電装置２０は、ボイラー等の蒸気源（蒸気発生手段）１０で生成されて蒸気利用設備（以下、単に「プロセス」とも称する。）１２で利用させる蒸気のエネルギーを利用して発電を行う装置である。

蒸気源１０とプロセス１２とは、蒸気が流通する主配管１４によって接続されている。この主配管１４には、コントロール弁１６が設けられている。

プロセス１２は、例えば給湯器、暖房機、乾燥機、洗浄装備、殺菌器等の蒸気を利用する設備である。また、コントロール弁１６は、発電装置２０で発電を行わない場合には減圧弁として働き、発電装置２０で発電を行う場合には主配管１４を閉塞する弁である。

発電装置２０は、蒸気源１０から供給される蒸気の圧力を下流側のプロセス１２が必要とする圧力（以下、単に「プロセス側圧力」とも称する。）に減圧する際に、この蒸気減圧時の圧力差を利用して発電を行う装置である。具体的には、容積型膨張機２２、発電機２４、周波数変換器２６、コントローラ２８等を備えており、これらはケーシング３０内に収納されている。

容積型膨張機２２は、内部に形成された膨張室に導入された蒸気（流体）の圧力による当該膨張室の容積変化に応じて動力を発生する膨張機である。本実施形態においては、スクリュ膨張機（いわゆるスクリューエキスパンダ）２２が用いられ、このスクリュ膨張機２２は、回転容積型の流体機械である。

詳細には、図３（ａ）乃至図４（ｂ）にも示されるように、スクリュ膨張機２２は、内部にローター室３２が形成された膨張機ケーシング３４とローター室３２内に回転可能に配置される雄雌一対のスクリュローター３６，３８とを備える。これら雌及び雄のスクリュローター３６，３８は、互いに逆方向の螺旋状の羽根３６ａ，３８ａを備えている。また、互いに回転軸３６ｂ、３８ｂが平行となるように膨張機ケーシング３４のローター室３２内に配置されている。膨張室４０は、各ローター３６，３８の羽根３６ａ，３８ａと膨張機ケーシング３４とで囲まれることで形成されている（図４（ａ）及び図４（ｂ）の斜線部参照）。後述するようにこの膨張室４０内に蒸気が導入されて膨張することで当該膨張室４０の容積が増大して各スクリュローター３６，３８が回転する。膨張機ケーシング３４には、スクリュローター３６（又は３８）の軸方向の一方側端部に蒸気が供給される入口（給気ポート）４２が形成され、他方側端部に膨張過程を経た蒸気が排出される出口（排気ポート）４４が形成されている。

スクリュ膨張機２２の入口４２には供給管４６が接続され、出口４４には排出管４８が接続されている。供給管４６は、主配管１４におけるコントロール弁１６の上流側に接続され、また排出管４８は、主配管１４におけるコントロール弁１６の下流側に接続されている。これにより、蒸気源１０で生成された蒸気がスクリュ膨張機２２に供給され、このスクリュ膨張機２２から排出された蒸気が主配管１４に戻されるようになっている。

供給管４６には、上流側から順に供給蒸気仕切弁（開閉弁）５０、ドレンセパレータ５２及び緊急遮断弁５４が設けられている。供給蒸気仕切弁５０は、供給管４６におけるケーシング３０の外側近傍に設けられている。ドレンセパレータ５２は、供給管４６を流れる蒸気からドレンを分離するためのものである。緊急遮断弁５４は、供給管４６を完全に閉塞するものであり、コントローラ２８によって開閉制御可能となっている。

排出管４８におけるケーシング３０の外側近傍には、排出蒸気仕切弁（開閉弁）５６が設けられている。この排出蒸気仕切弁５６と供給管４６の供給蒸気仕切弁５０とは、主配管１４を流れる蒸気を供給管４６へ導入（供給）するか否かを切り換える切換手段を構成している。即ち、蒸気源１０で生成された蒸気をそのままプロセス１２へ供給するときには、これら両方の蒸気仕切弁５０，５６を閉じてコントロール弁１６を開き、蒸気を利用した発電を行うときにはこれら両方の蒸気仕切弁５０，５６を開いてコントロール弁１６を閉じる。尚、これら両方の蒸気仕切弁５０，５６は、それぞれ全開及び全閉の二状態に切り換え可能な仕切弁、開度調整可能な仕切弁のいずれによって構成されてもよい。また、切換手段として、蒸気仕切弁に代えて、三方切換弁を配設してもよい。この場合、三方切換弁は、主配管１４と供給管４６との接続部及び主配管１４と排出管４８との接続部に配設される。この場合、コントロール弁１６は、単に通過する蒸気の圧力を減圧する減圧弁に変更されてもよい。

また、排出管４８におけるスクリュ膨張機２２の出口４４から排出蒸気仕切弁５６までの間にドレン抑制減圧弁５８が設けられている。このドレン抑制減圧弁５８は、排出管４８を流れる蒸気が当該ドレン抑制減圧弁５８を通過する際に絞り膨張される減圧弁であり、本実施形態においては後述するようにスクリュ膨張機２２を通過した蒸気から発生するドレンを抑制するドレン抑制手段を構成している。

さらに、排出管４８において、スクリュ膨張機２２の出口４４からドレン抑制減圧弁５８までの間に第１圧力計６０が設けられ、ドレン抑制減圧弁５８から排出蒸気仕切弁５６までの間に第２圧力計６２が設けられている。第１圧力計６０は、スクリュ膨張機２２の出口４４からドレン抑制減圧弁５８までの排出管４８内を流れる蒸気の圧力を計測する圧力計であり、第２圧力計６２は、ドレン抑制減圧弁５８から排出蒸気仕切弁５６までの排出管４８内を流れる蒸気の圧力を計測する圧力計である。

これら第１及び第２圧力計６０，６２で計測された排出管４８内の各圧力データはコントローラ２８に送られ、後述するようにこの圧力データに基づいてコントローラ２８が発電機２４の回転数制御及び／又はドレン抑制減圧弁５８の制御（開度調整）を行う。

発電機２４は、動力伝達手段６４を介してスクリュ膨張機２２に連結されている。具体的には、発電機２４の回転軸が回転駆動軸６４を介してスクリュ膨張機２２の回転軸３６ｂ（又は３８ｂ）と連結されている。従って、スクリュ膨張機２２が供給された蒸気のエネルギーを回転動力に変換すると、この回転動力が回転駆動軸６４を介して発電機２４の回転軸に伝達され、発電機２４において発電が行われる。

発電機２４で発電された電気は、周波数変換器２６に送られる。この周波数変換器２６は、発電機２４で発電された電気の周波数を変換するものであり、例えば３０〜１２０Ｈｚの電気をＡＣ５０又は６０Ｈｚの商用周波数の電気に変換する。

コントローラ２８は、第１圧力計６０で計測した圧力データに基づく発電機２４の回転数制御、第２圧力計６２で計測した圧力データに基づくドレン抑制減圧弁５８の制御、緊急遮断弁５４の開閉等の発電装置２０を構成する各要素の動作制御等を行うものである。

第１実施形態に係る発電装置２０は、以上の構成からなり、次に、この発電装置２０の動作について説明する。

ボイラー等の蒸気源１０の駆動によって生成された蒸気は、主配管１４を流れてコントロール弁１６で減圧された後、下流側のプロセス１２へ供給される。そして、発電を行う場合には、供給管４６の供給蒸気仕切弁５０及び排出管４８の排出蒸気仕切弁５６を開くと共にコントロール弁１６を閉じ、これにより、蒸気源１０で生成されて主配管１４を流れてきた蒸気が供給管４６へ供給される。

主配管１４から供給管４６へ供給された蒸気は、スクリュ膨張機２２の入口（給気ポート）４２から内部に導入される。導入された蒸気は、雄雌一対のスクリュローター３６，３８及び膨張機ケーシング３４で構成される膨張室４０の壁を均等に押し退けようとする（図４（ａ）参照）。膨張機ケーシング３４は固定されており、回転体である雄雌一対のスクリュローター３６，３８の羽根３６ａ，３８ａの裏側（出口４４側）が表側（入口４２側）に比べて低圧となっているためこの羽根３６ａ，３８ａの表側と裏側との差圧によって両方のスクリュローター３６，３８がそれぞれ回転する（図４（ａ）の矢印参照）。両方のスクリュローター３６，３８がそれぞれ回転するのに伴って膨張室４０の閉じ込み容積が増大し（図４（ａ）及び図４（ｂ）の斜線部参照）、同時に蒸気も膨張して容積最大となったところでスクリュ膨張機２２の出口（排気ポート）４４に達し、膨張室４０内での閉じ込みが開放されて排出される。この動作が連続することで回転動力が発生し、回転駆動軸６４を介して発電機２４に伝達され、発電機２４の回転軸を回転させる。

発電機２４は、その回転軸がスクリュ膨張機２２から伝達された回転動力によって回転することで発電する。この発電機２４で生成された電気は、周波数変換器２６に送られる。そしてこの周波数変換器２６で前記のように商用周波数の電流に変換され、変圧器６６を経て系統６８に送られる。

一方、スクリュ膨張機２２から排出された蒸気は、排出管４８を流れてドレン抑制減圧弁５８を通過する。このとき、蒸気は絞り膨張されてプロセス側圧力まで減圧された後、排出管４８を流れて主配管１４に戻され、下流側のプロセス１２へ供給される。

前記ドレン抑制減圧弁５８での減圧では、排出管４８内の圧力をプロセス側圧力とするために、第２圧力計６２での計測に基づいてドレン抑制減圧弁５８の制御が行われる。具体的には、第２圧力計６２で計測した圧力データがコントローラ２８に送られ、この圧力データに基づくコントローラ２８からの指令でドレン抑制減圧弁５８の開度調整が行われ、ドレン抑制減圧弁５８を通過後の蒸気の圧力が減圧されてプロセス側圧力となる。

このとき、ドレン抑制減圧弁５８の上流側の圧力、即ち、スクリュ膨張機２２の出口４４での圧力（出口圧力）は、ドレン抑制減圧弁５８が設けられることでプロセス側圧力よりも高くなっている。そして、スクリュ膨張機２２に供給される蒸気量（蒸気の流量）が変動した場合にはスクリュ膨張機２２の回転数を制御して排出される蒸気量を制御することで当該スクリュ膨張機２２の出口圧力が一定に保たれる。

このスクリュ膨張機２２の回転数制御は、第１圧力計６０での計測に基づいて発電機２４の回転数を制御することによって行われる。即ち、発電機２４の回転軸とスクリュ膨張機２２の回転軸３６ｂ（又は３８ｂ）とは回転駆動軸６４で連結されているため、発電機２４の回転数を制御することでスクリュ膨張機２２の回転数が制御される。

具体的には、前記蒸気量の変動等によるスクリュ膨張機２２の出口圧力の変動を第１圧力計６０で計測し、その圧力データがコントローラ２８に送られる。コントローラ２８は、この圧力データに基づいてスクリュ膨張機２２の出口圧力が所望の圧力となる回転数を算出する。さらに、スクリュ膨張機２２の回転数が前記算出した回転数となる発電機２４の回転数を算出し、この回転数となるように発電機２４に指令を送る。このように制御することで、スクリュ膨張機２２に供給される蒸気量の変動があっても、スクリュ膨張機２２の出口圧力が所望の圧力（一定圧力）となるように、スクリュ膨張機２２の回転数制御が行われる。

前記のスクリュ膨張機２２における所望の出口圧力は、以下のようにして導出される。ここで、スクリュ膨張機２２の入口圧力をＰ１、スクリュ膨張機２２における膨張室４０の開放直前の当該膨張室４０内の圧力をＰ２、プロセス側圧力をＰ３、スクリュ膨張機２２の出口圧力（前記所望の出口圧力）をＰ４とする。また、プロセス１２で必要とされている蒸気が飽和蒸気の場合について説明する。

スクリュ膨張機２２に供給された蒸気は、当該スクリュ膨張機２２を通過することで膨張過程を経てＰ１からＰ２に減圧される。このときの蒸気の状態量の変化は、図５（ａ）に示す矢印ＱＳ１のように変化する。この膨張過程を経た蒸気は、スクリュ膨張機２２の膨張室４０が開放されることでＰ２からＰ４に昇圧される。このときの前記状態量の変化は、図５（ａ）に示す矢印ＱＳ２のように変化する。そして、圧力がＰ４となった蒸気は、ドレン抑制減圧弁５８を通過して絞り膨張されることでＰ４からＰ３に減圧される。このとき、蒸気は、絞り膨張作用により図５（ａ）に示す矢印ＱＳ３のように比エンタルピーが一定の状態で圧力が低下する。このように蒸気の圧力がＰ３に減圧されたときに状態量の変化の矢印ＱＳ３と圧力Ｐ３との交点が飽和蒸気線上に位置するようにＰ４の圧力が設定される。

尚、プロセス１２で必要とされる蒸気が乾き蒸気の場合は、図５（ａ）に示す矢印ＱＳ３がＰ３に到達する前に飽和蒸気線と交差する、即ち、図５（ｂ）に示されるように、矢印ＱＳ３と圧力Ｐ３との交点が飽和蒸気線よりも上側（乾き蒸気側）の領域に位置するようにＰ４の値が設定されればよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、ドレン抑制減圧弁５８（絞り膨張手段）を設けることで、蒸気がこのドレン抑制減圧弁５８を通過する際に絞り膨張作用により比エンタルピーが一定の状態で当該蒸気が減圧されてスクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ４からプロセス側圧力Ｐ３まで減圧される。この減圧の際に蒸気の乾き度が向上して湿り蒸気状態から乾き蒸気状態に向けて蒸気の状態量が変化する。即ち、スクリュ膨張機２２を通過した蒸気中にドレンが発生していた場合、このドレンが再蒸発する。そのためドレン抑制減圧弁５８を設けることでスクリュ膨張機２２を通過した蒸気からのドレンの発生を抑制しつつ前記蒸気の圧力Ｐ４をプロセス側圧力Ｐ３に調整（減圧）することが可能となる。

また、絞り膨張手段を開度調整可能なドレン抑制減圧弁５８で構成することで、スクリュ膨張機２２に供給される蒸気量の変動やプロセス側圧力Ｐ３の変動があった場合でも、ドレン抑制減圧弁５８を制御することによりスクリュ膨張機２２の出口圧力を調整し、蒸気を当該ドレン抑制減圧弁５８を通過させることで過熱蒸気又は飽和蒸気に状態変化させると共にプロセス側圧力Ｐ３まで減圧することが可能となる。

尚、本実施形態においては、ドレン抑制手段としてドレン抑制減圧弁５８が用いられているが、蒸気源１０からの蒸気量の変動やプロセス側圧力Ｐ３の変動がほとんどない場合においては、前記絞り膨張手段は、絞り弁又は排出管４８に形成された絞り部で構成されてもよい。

このように前記絞り膨張手段が開度調整できない前記絞り弁又は前記絞り部で構成されても、前記絞り弁又前記絞り部によってスクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ４とプロセス側圧力Ｐ３とが、前記同様、蒸気が当該絞り弁又は当該絞り部を通過することで過熱蒸気又は飽和蒸気と状態変化するような圧力比となるように排出管４８の開度（絞り度）を設定しておくことで、ドレンの発生を抑制すると共にプロセス側圧力Ｐ３への調整が可能となる。

次に、本発明の第２実施形態について図６も参照しつつ説明するが、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。図６は、発電装置２０における図２の点線で囲まれた部分に相当する部分を示す概略構成図である。

本実施形態に係る発電装置２０においては、ドレン抑制手段は、エジェクタ７０と分岐管７２と吸引用排出管７４とで構成されている。エジェクタ７０は、図７にも示されるように、供給される流体（蒸気）を絞り膨張させて負圧を発生させるノズル部７６と、前記負圧によって他の流体（蒸気）を吸引する吸引部７８と、ノズル部７６及び吸引部７８からの流体を混合した後、排出するディフューザ部８０とがエジェクタ本体８１に設けられることで構成されている。

エジェクタ７０のノズル部７６にはスクリュ膨張機２２の上流側の供給管４６から分岐している分岐管７２が接続されている。この分岐管７２の途中には、当該分岐管７２内を流れる蒸気量を調整するための流量調整弁８２が設けられている。また、エジェクタ７０の吸引部７８には吸引用排出管７４が接続されており、この吸引用排出管７４の他端はスクリュ膨張機２２の出口４４に接続されている。また、ディフューザ部８０には排出管４８が接続されている。

吸引用排出管７４には第３圧力計８４が設けられ、排出管４８には第４圧力計８６が設けられている。これら第３及び第４圧力計で計測された圧力データは、コントローラ２８に送られる。

次に、この発電装置２０の動作について説明する。蒸気源１０から供給された蒸気は、主配管１４から供給管４６に供給され、スクリュ膨張機２２の入口４２から内部に供給される。そして、第１実施形態同様、スクリュ膨張機２２において膨張室４０の容積変化によって動力が得られ、この動力が発電機２４に伝達されて発電が行われる。この発電により生成された電気も前記第１実施形態同様に周波数変換器２６で周波数が商用周波数に変換され、変圧器６６で変圧されて系統６８に送られる。また、発電に利用された蒸気は、スクリュ膨張機２２から排出され、吸引用排出管７４を流れてエジェクタ７０に吸引される。

一方、供給管４６に供給された蒸気の一部は、スクリュ膨張機２２の上流側で分岐管７２に分流され、エジェクタ７０のノズル部７６に供給される。このノズル部７６に供給される蒸気の圧力は、スクリュ膨張機２２の入口圧力Ｐ１と等しくなる。ノズル部７６からエジェクタ本体８１の内部に噴出される蒸気は、当該ノズル部７６で絞り膨張されて過熱蒸気状態となる。このようにノズル部７６から噴出された蒸気によってエジェクタ本体８１内に負圧が発生し、この負圧によって吸引部７８に接続された吸引用排出管７４内の蒸気が吸引される。これら噴出された蒸気と吸引された蒸気とは混合され、ディフューザ部８０から排出管４８に排出される。

このとき、吸引用排出管７４に設けられた第３圧力計で計測した圧力データと、排出管４８に設けられた第４圧力計８６で計測した圧力データとから、コントローラ２８がエジェクタ７０の吸引部７８の圧力（スクリュ膨張機２２の出口圧力）Ｐ２とディフューザ部８０の圧力（排出管４８の圧力）との圧力差を算出する。そして、コントローラ２８によって前記圧力差が適正な圧力差となるように流量調整弁８２が制御される。

具体的には、例えば、前記のエジェクタ７０を用い、スクリュ膨張機２２に供給される蒸気量が３．０ｔ／ｈ、スクリュ膨張機２２の入口圧力Ｐ１が０．７ＭＰａ、プロセス側圧力Ｐ３が０．２ＭＰａのとき、吸引用排出管７４内の圧力Ｐ２が０．１ＭＰａとなるように制御される。このとき、ノズル部７６を通過する蒸気量は、１．２ｔ／ｈ程度となる。

エジェクタ７０から排出管４８に排出された蒸気は主配管１４に戻り、下流側のプロセス１２へ供給される。

以上説明したように、本実施形態によれば、スクリュ膨張機２２を通過する際の膨張過程で蒸気が凝縮されてドレンが一端発生するが、このドレンは、吸引用排出管７４を経てエジェクタ７０の吸引部７８から吸引され、分岐管７２から供給されてノズル部７６において過熱蒸気状態となった蒸気と混合されることで再蒸発して蒸気となる。その結果、当該発電装置２０全体としては、蒸気からのドレンの発生が抑制される。

スクリュ膨張機２２下流側の吸引用排出管７４内の蒸気は、エジェクタ７０によって昇圧されてプロセス１２側（排出管４８）に排出される。即ち、スクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ２をプロセス側圧力Ｐ３よりも低くすることができる。そのため、スクリュ膨張機２２の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との圧力差を蒸気源１０から供給される蒸気の圧力Ｐ１とプロセス側圧力Ｐ３との圧力差よりも大きくすることが可能となる。そのため、発電装置２０では、当該発電装置２０に供給される蒸気が有するエネルギーを最大限仕事（動力）として回収することが可能となり、発電効率がより向上する。

具体的には、ドレン抑制手段としてエジェクタ７０を用いた場合に、図８から、例えば、圧力差が０．５ＭＰａから０．６ＭＰａになることで約５０％の発電出力が増加することがわかる。ここで、図８は、本実施形態に係る発電装置２０において前記のエジェクタ７０を用い、スクリュ膨張機２２に供給される蒸気量が３．０ｔ／ｈ、このスクリュ膨張機２２内で蒸気の圧力がＰ１からＰ２に減圧される際のスクリュ膨張機２２の変換効率が７０％、スクリュ膨張機２２の入口圧力Ｐ１が０．７Ｐａ、プロセス側圧力Ｐ３が０．２ＭＰａとした場合に、スクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ２を前記入口圧力Ｐ１からの圧力差で表したときの発電量を示す。

本実施形態のように分岐管７２に流量調整弁８２が設けられることで、ノズル部７６に供給される蒸気量が調整可能となり、吸引用排出管７４内の圧力（スクリュ膨張機２２の出口圧力）Ｐ２とエジェクタ７０の下流側の圧力（プロセス側圧力）Ｐ３との圧力差の調整が容易となる。

しかし、蒸気源１０から供給される蒸気量が一定で、且つプロセス側圧力が変動しない場合には、前記Ｐ２とＰ３との圧力差が一定となるため分岐管７２に流量調整弁８２がなくてもよい。

次に、本発明の第３実施形態について図９も参照しつつ説明するが、上記第１及び第２実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。この図９も図６同様に発電装置２０における図２の点線で囲まれた部分に相当する部分を示す概略構成図である。

本実施形態に係る発電装置２０においては、ドレン抑制手段は、圧縮機９０で構成されている。この圧縮機９０は、スクリュ膨張機と同様の構成で、雌雄一対のスクリュローター３６，３８の回転方向が逆回転であるスクリュ圧縮機である。

このスクリュ圧縮機９０は、スクリュ膨張機２２の下流側に設けられ、スクリュ膨張機２２の出口４４とスクリュ圧縮機９０の入口とが連結管９２で連結されている。また、スクリュ圧縮機９０の出口は、排出管４８に接続されている。このように連結されることで、スクリュ膨張機２２から排出された蒸気がスクリュ圧縮機９０で圧縮されて昇圧された後、排出管４８に排出される。

また、このスクリュ圧縮機９０は、スクリュ膨張機２２から発電機２４に動力を伝達する回転駆動軸６４に連結されている。具体的には、スクリュ圧縮機９０の一方のスクリュローター３６（又は３８）の回転軸３６ｂ（又は３８ｂ）と回転駆動軸６４とが共通の軸で構成され、スクリュ圧縮機９０がスクリュ膨張機２２と発電機２４との中間位置に配置されている。

また、スクリュ圧縮機９０の下流側の排出管４８には第５圧力計９４が設けられており、この圧力計９４で計測された圧力データは、コントローラ２８に送られる。

次に、この発電装置２０の動作について説明する。蒸気源１０から供給された蒸気は、主配管１４から供給管４６に供給され、スクリュ膨張機２２の入口４２から内部に供給される。そして、第１実施形態同様、スクリュ膨張機２２において膨張室４０の容積変化によって動力が得られ、この動力が発電機２４に伝達されて発電が行われる。この発電により生成された電気も前記第１実施形態同様に周波数変換器２６で周波数が商用周波数に変換され、変圧器６６で変圧されて系統６８に送られる。また、発電に利用された蒸気は、前記膨張過程で当該蒸気のエネルギーを回転動力に変換されることで蒸気源１０から供給された蒸気の圧力Ｐ１からスクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ２にまで減圧されてスクリュ膨張機２２から排出される。この排出された蒸気は、連結管９２を流れてスクリュ圧縮機９０に供給される。

スクリュ圧縮機９０では、連結管９２によってスクリュ膨張機２２から供給された蒸気が圧縮され、スクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ２からプロセス側圧力Ｐ３まで昇圧される。このとき、スクリュ圧縮機９０は、回転駆動軸６４から駆動力を得て前記圧縮を行っている。

そして、圧縮された蒸気は、スクリュ圧縮機９０から排出管４８に排出される。この排出された蒸気の圧力が第５圧力計９４で計測され、この計測によって得られた圧力データに基づいてコントローラ２８が発電機２４の回転数を制御し、プロセス側圧力Ｐ３を所望の圧力に調整する。

詳細には、スクリュ膨張機２２とスクリュ圧縮機９０とが回転駆動軸６４で連結されているため回転数が同一となる。また、回転駆動軸６４には発電機２４も連結されている。そのため、発電機２４の回転数を制御することで、スクリュ膨張機２２及びスクリュ圧縮機９０の回転数制御を同時に行うことができる。尚、このときのスクリュ膨張機２２の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の比、及びスクリュ圧縮機９０の入口圧力Ｐ２と出口圧力Ｐ３の比は、共に設計値（設計膨張比及び設計圧縮比）と同じになっている。

スクリュ圧縮機９０から排出管４８に排出された蒸気は主配管１４に戻り、下流側のプロセス１２へ供給される。

以上説明したように、本実施形態によれば、スクリュ膨張機２２を通過する際の膨張過程で蒸気が凝縮されてドレンが一端発生するが、このドレンは、スクリュ膨張機２２から排出された蒸気と共にスクリュ圧縮機９０内に導入され、当該スクリュ圧縮機９０内で圧縮されることで再蒸発して蒸気となる。その結果、当該発電装置２０全体としては、蒸気からのドレンの発生が抑制される。

また、スクリュ圧縮機９０によりスクリュ膨張機２２から排出された蒸気の圧力を上昇させることができるため、プロセス側圧力Ｐ３よりもスクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ２を低くすることができる。即ち、第２実施形態同様、スクリュ膨張機２２の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との圧力差を蒸気源１０から供給される蒸気の圧力Ｐ１とプロセス側圧力Ｐ３との圧力差よりも大きくすることが可能となる。そのため、当該発電装置２０に供給される蒸気が有するエネルギーを最大限仕事（動力）として回収することが可能となり、発電効率がより向上する。

また、本実施形態においては、スクリュ膨張機２２と発電機２４とスクリュ圧縮機９０とが共通の回転駆動軸６４によって連結されている。そのため、複数の部材を介してクスリュ膨張機２２からの動力が発電機２４とスクリュ圧縮機９０に伝達される場合に比べ、前記動力の機械損失を小さくすることができ、発電効率がより向上する。また、前記動力を伝達する手段として回転駆動軸６４のような簡単な構成とすることで、当該動力伝達手段において故障が発生し難く且つメンテナンスも容易になる。

尚、本発明の発電装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、第３実施形態においては、回転駆動軸６４に沿って、順にスクリュ膨張機２２、スクリュ圧縮機９０及び発電機２４が配置されているが、これに限定される必要はなく、図１０（ａ）に示されるように、回転駆動軸６４に沿って、スクリュ膨張機２２、発電機２４及びスクリュ圧縮機９０の順で配置されてもよい。このような順に配置されても、それぞれが共通の回転駆動軸６４で連結されることで、いずれか１つの回転数を制御することで、他の２つの回転数の制御を同時に行うことが可能となる。従って、ケーシング３０内のスペース等により必要に応じて前記順序を入れ換えて配置すればよい。

また、第３実施形態において、連結管９２にドレン飛散器９６が設けられてもよい（図１０（ｃ）参照）。このドレン飛散器９６は、蒸気が膨張過程で凝縮したドレンを飛散させ、再び蒸気中に分散させるためのものである。このようなドレン飛散器９６が連結管９２に設けられることで、スクリュ膨張機２２での膨張過程で一旦蒸気が凝縮して発生したドレンが連結管９２内で液膜となっても、この液膜が当該連結管９２内の蒸気中に飛散されることでスクリュ圧縮機９０内での前記ドレンの再蒸発が容易になる。

また、第３実施形態において、図１０（ｂ）に示されるように、連結管９２に液体注入装置９８が設けられてもよい。この液体注入装置９８は、連結管９２内に蒸気を構成する液体を注入するためのものである。このような液体注入装置９８が連結管９２に設けられ、前記液体が連結管９２内に注入されることで、プロセス１２に供給される蒸気量を増加させることが可能となる。この場合、連結管９２にドレンセパレータ１００を設けることで、連結管９２内の蒸気からドレンを分離して排出した後、液体注入装置９８によって前記液体を注入するようにしてもよい。また、液体注入装置９８を設けることなく連結管９２にドレンセパレータ１００のみを設けることで、プロセス１２において過熱蒸気を得ることができる。

尚、圧縮機が容積型圧縮機（第３実施形態においては、スクリュ圧縮機９０）で構成されることで、当該圧縮機内に前記液体注入装置９８等からの液体が導入されても故障し難くなる。

これらドレン飛散器９６と液体注入装置９８とは、図１０（ｂ）に示されるように、連結管９２に設けられてもよい。このように両方が連結管９２に設けられることで、連結管９２内で液膜となったドレンがスクリュ圧縮機９０で再蒸発し易くなると共に、プロセス１２に供給する蒸気量を増加させることができる。

第３実施形態において、スクリュ膨張機２２で発生した動力（回転動力）を発電機２４及びスクリュ圧縮機９０に伝達するための動力伝達手段として、回転駆動軸６４が用いられているがこれに限定される必要はなく、図１１に示されるように、複数の歯車１０２，１０２，…によって構成されてもよい。この場合、圧縮機９０は外部からの動力を得るための歯車１０４を有し、この歯車１０４が複数の歯車１０２，１０２，…のいずれかに噛み合うように配置されればよい。尚、図１１においては、これら複数の歯車１０２，１０２，…及びスクリュ圧縮機９０の有する歯車１０４は、減速機１０６を構成している。

前記動力伝達手段が前記のように構成されることで、各歯車１０２，１０４のギア比を設定することで所望のスクリュ圧縮機９０の出口圧力（プロセス側圧力）Ｐ３及び所望のスクリュ膨張機２２の出口圧力Ｐ２を容易に得ることが可能となる。そのため、スクリュ膨張機２２の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との圧力差を所望の圧力差に設定すると共にプロセス側圧力Ｐ３も所望の圧力とすることができる。

さらに、種々の歯車の組み合わせによりスクリュ膨張機２２、発電機２４及びスクリュ圧縮機９０の配置の自由度が向上する。また、歯車の組み合わせを変更可能な機構（変速機構等）としてもよい。この場合、蒸気源１０から供給される蒸気量の変動やプロセス側圧力の変動に合わせて各部位での圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が適正な圧力（スクリュ膨張機２２における設計膨張比及びスクリュ圧縮機９０における設計圧縮比）となるよう、スクリュ膨張機２２、発電機２４及びスクリュ圧縮機９０の回転数がそれぞれ適した回転数となるように歯車の組み合わせを変更するような制御がコントローラ２８により行われる。

第１実施形態に係る蒸気プロセス全体の概略構成図である。同実施形態に係る発電装置における概略構成図である。同実施形態に係るスクリュ膨張機における（ａ）は部分断面平面図であり、（ｂ）は部分断面側面図であり、（ｃ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。同実施形態に係るスクリュ膨張機における（ａ）及び（ｂ）は、膨張室の容積変化を示すための一対のスクリュローターの斜視図である。同実施形態に係る発電装置における（ａ）は蒸気の状態変化を示す図であり、（ｂ）はスクリュ膨張機の出口圧力を変更した場合の蒸気の状態変化を示す図である。第２実施形態に係る発電装置における図２の点線で囲まれた部分に相当する部分の概略構成図である。同実施形態に係るエジェクタの縦断面図である。同実施形態に係るスクリュ膨張機の出口圧力を入口圧力からの圧力差で表したときの理論発電量を示す図である。第３実施形態に係る発電装置における図２の点線で囲まれた部分に相当する部分の概略構成図である。図９に示される第３実施形態の変形例を示す図であって、（ａ）は発電機の両側にスクリュ膨張機とスクリュ圧縮機を配置した状態を示す概略構成図であり、（ｂ）は連結管にドレンセパレータと液体注入装置とを設けた状態を示す概略構成図であり、（ｃ）は連結管にドレン飛散器と液体注入装置とを設けた状態を示す概略構成図である。図９に示される第３実施形態の変形例を示す図であって、動力伝達手段が複数の歯車で構成された状態を示す概略構成図である。

符号の説明

１０蒸気源
１２プロセス
１４主配管
１６コントロール弁
２０発電装置
２２スクリュ膨張機（容積型膨張機）
２４発電機
４０膨張室
５８ドレン抑制減圧弁（ドレン抑制手段）
６４回転駆動軸（動力伝達手段）
７０エジェクタ
７２分岐管（分岐流路）
７４吸引用排出管
７６ノズル部
７８吸引部
８２流量調整弁
９０スクリュ圧縮機（圧縮機）
９６ドレン飛散器
９８液体注入装置
１０２歯車
１０４歯車

Claims

供給された蒸気によって発電し、発電に利用された前記蒸気を排出する発電装置であって、
膨張室に導入された前記蒸気の圧力による当該膨張室の容積変化に応じて動力を発生するスクリュ膨張機と、
前記スクリュ膨張機からの前記動力が伝達されるように動力伝達手段を介して当該スクリュ膨張機に連結される発電機と、
前記スクリュ膨張機の下流側の流路に設けられて通過する前記蒸気が絞り膨張されることにより、前記供給された蒸気が前記スクリュ膨張機を通過することで当該蒸気から発生するドレンを抑制する減圧弁と、
前記スクリュ膨張機から前記減圧弁までの間の前記蒸気の圧力を計測する圧力計と、
前記発電機の回転数制御を介して前記スクリュ膨張機の回転数を制御する制御部と、を備え、
前記スクリュ膨張機は、回転数を制御することによって当該スクリュ膨張機から排出される蒸気の圧力を制御できる構成を有し、
前記制御部は、前記圧力計によって計測された蒸気の圧力に基づいて前記発電機の回転数を制御することにより、前記スクリュ膨張機の出口圧力を所望の圧力にすることを特徴とする発電装置。