JP5474852B2

JP5474852B2 - 膨張機評価装置

Info

Publication number: JP5474852B2
Application number: JP2011046179A
Authority: JP
Inventors: 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: JP2012184928A

Description

本発明は、膨張機評価装置に関する。

従来、各種設備で発生する余剰の蒸気等は、設備の外部（外気）に放出して、何ら有効的な利用を行わず、廃棄されていた。しかしながら、昨今では、省エネルギーの観点から、その余剰の蒸気等に伴う熱、いわゆる排熱を回収し、その排熱を利用して発電等を行う発電装置のような排熱回収装置が種々提案されている。

そのような発電装置や排熱回収装置として、例えば、特許文献１及び２に記載されているような、いわゆるランキンサイクルを利用したシステムがある。ランキンサイクルシステムでは、余剰の蒸気等を蒸発器（熱媒体の加熱器）に供給して、その蒸発器で蒸気等と熱媒体との間で熱交換して熱媒体を加熱し、その加熱された熱媒体を膨張機に供給して、熱的膨張力を機械的回転力に変換し、膨張機の出力軸に接続された発電機や圧縮機等を駆動する。熱媒体は膨張機において膨張することによって圧力が低下する。膨張機から排出された低圧の熱媒体は、凝縮器（熱媒体の冷却器）で液化され、液ポンプ等によって再度蒸発器に供給されることによって、システム内で循環使用される。

このようなランキンサイクル発電システムでは、凝縮器で多くの熱を廃棄することになるため、理論的に最大効率が数％に留まる。このため。ランキンサイクル発電システムの実用化には、膨張機の熱エネルギーから機械エネルギーへの変換効率等も最大化する必要がある。

しかしながら、ランキンサイクル発電システムを、排熱回収に適用する場合、熱源となる排熱の条件を選択することができないので、膨張機の入口や出口における熱媒体の温度や圧力といった条件を、膨張機が最大効率を発揮できるような条件に合わせて調整することが困難である。したがって、エネルギー変換効率の高いランキンサイクル発電システムを設計するためには、膨張機のエネルギー変換効率が入口及び出口の条件に応じてどのように変化するかを把握することが重要である。

特開昭６０−１４４５９４号公報特開２００９−１７４４９４号公報

井上修行、竹内崇雄、金子淳、内村知行、入江毅一、渡辺啓悦、「排熱発電装置の開発（作動媒体及び膨張タービンの検討）」、エバラ時報、荏原製作所、２００６年４月、Ｎｏ．２１１、ｐ１１〜２０

前記問題点に鑑みて、本発明は、膨張機の熱−機械エネルギー変換効率を、給排気の条件を任意に設定して測定できる膨張機評価装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による膨張機評価装置は、熱媒体を吸い込んで圧縮してから吐出し、吐出容量を調節する容量調節手段を備える圧縮機と、熱媒体を冷却して凝縮させる凝縮器とを有し、前記圧縮機が熱媒体を吸い込む吸込流路と、前記圧縮機が吐出した熱媒体を評価すべき膨張機に供給する供給流路と、前記膨張機から排出された熱媒体を前記凝縮器に導く排気流路と、前記凝縮器で凝縮した熱媒体を前記吸込流路に供給する液体流路と、前記排気流路から熱媒体の一部を分岐して、前記凝縮器を介さずに、前記吸込流路に供給するガス流路とを備え、前記液体流路における冷媒の流量を調整可能な液調整弁と、前記ガス流路における冷媒の流量を調整可能なガス調整弁とを備えるものとする。

この構成によれば、液調整弁とガス調整弁の開度を調整して、液体の熱媒体と気体の熱媒体との混合比を調整することで、圧縮機が吸い込む熱媒体の温度を調節できる。さらに、圧縮機の容量を調整することで、膨張機に供給する熱媒体の圧力を調節できる。これにより、膨張機に供給する熱媒体の条件（モリエル線図上の位置）を任意に設定できる。

また、本発明による膨張機評価装置は、前記供給流路における熱媒体の温度を検出する給気温度計と、前記供給流路における熱媒体の圧力を検出する給気圧力計と、前記排気流路における熱媒体の圧力を検出する排気圧力計と、前記供給流路の熱媒体の流量を検出する流量計と、前記膨張機の出力を電力に変換する発電機と、前記発電機の出力を測定する電力計とを備えてもよい。

この構成によれば、供給流路の温度と圧力を検出することにより、膨張機に供給される熱媒体の条件（モリエル線図上の位置）が特定できる。また、排気流路の圧力を検出することにより、膨張機が理想的な等エントロピー膨張を行った場合の条件（モリエル線図上の位置）を特定できる。これにより、膨張機の理想的な出力を求めることができる。これに対する熱媒体１ｋｇ当たりの発電機の発電電力の比として、膨張機の効率が算出できる。

また、本発明による膨張機評価装置において、前記発電機が発電した電力を、前記圧縮機を駆動する電源系統に供給してもよい。

この構成によれば、圧縮機の消費電力の一部を発電機が発電した電力でまかなうことができるので、装置全体としての消費電力を低減できる。

また、本発明による膨張機評価装置において、前記容量調節手段は、前記圧縮機の回転数を制御するものであってもよい。

この構成によれば、インバータ等の一般的な構成や周知の制御が適用できる。

また、本発明による膨張機評価装置において、前記容量調節手段は、前記供給流路の熱媒体の一部を、流量調整可能な環流調整弁を介して、前記吸込流路に環流させる環流流路であってもよい。

この構成によれば、環流調整弁から吸込流路に環流させる熱媒体の流量を調整することによって、供給流路の圧力を調節できる。

また、本発明による膨張機評価装置は、前記吸込流路に、前記液体流路から供給される熱媒体と、前記ガス流路から供給される熱媒体とを混合する混合部を設けてもよい。

この構成によれば、圧縮機が吸い込む熱媒体を均質化できるので、安定した運転が可能である。

また、本発明による膨張機評価装置は、前記圧縮機が油冷式スクリュ圧縮機であって、前記供給流路に気液分離する圧縮油分離器を設け、圧縮油分離器が分離した油を前記油冷式スクリュ圧縮機に供給する圧縮油供給流路を設け、前記排気流路に気液分離する排気油分離器を設け、前記膨張油分離器が分離した油を前記膨張機に供給する膨張油供給流路を設けてもよい。

この構成によれば、油冷式の膨張機の性能評価試験ができる。

本発明によれば、圧縮機の容量調整により、圧縮機が吸い込む熱媒体の圧力を定めることができる。また、液調整弁とガス調整弁の開度を調整して、圧縮機が吸い込む熱媒体のモリエル線図上の位置を横軸方向に移動させられる。これにより、膨張機に供給する熱媒体の条件を任意に設定できる。

本発明の第１実施形態の膨張機評価装置の構成図である。図１の膨張機評価装置におけるモリエル線図である。本発明の第２実施形態の膨張機評価装置の構成図である。本発明の第３実施形態の膨張機評価装置の構成図である。

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に、本発明の第１実施形態の膨張機評価装置１を示す。膨張機評価装置１は、評価すべき膨張機２に熱媒体（例えばＲ２４５ｆａ）を圧縮して供給するスクリュ圧縮機３と、膨張機２が排出した熱媒体を冷却して凝縮液化する凝縮器４とを接続してなる。

膨張機評価装置１は、スクリュ圧縮機３に低圧の熱媒体を供給して吸い込ませるための吸込流路５と、スクリュ圧縮機３が吐出した熱媒体を膨張機２に供給するための供給流路６と、膨張機２から排気された熱媒体、つまり、膨張機２を駆動して圧力が低下した熱媒体を凝縮器４に導入するための排気流路７と、凝縮器４で凝縮した熱媒体を吸込流路５に供給する液体流路８と、排気流路７から分岐し、膨張機２から排気された熱媒体の一部を、凝縮器４を介さずに吸込流路５に供給するガス流路９とを備える。

液体流路８には、吸込流路５に供給される熱媒体の流量を調節する液調整弁１０が設けられ、ガス流路９には、吸込流路５に供給される熱媒体の流量を調節するガス調整弁１１が設けられている。また、吸込流路５には、液体流路８から供給された液体の熱媒体とガス流路９から供給された気体の熱媒体とを混合するための混合部１２が設けられている。混合部１２は、図示するように屈曲したパイプの他、長さのある直管、内部に撹拌羽根を備える静的或いは動的なミキサであってもよい。

また、膨張機評価装置１において、スクリュ圧縮機３を駆動するモータ１３は、インバータ（容量調整手段）１４によって回転数制御可能である。また、膨張機評価装置１では、評価すべき膨張機２には、発電機１５を接続し、発電機１５の発電量を計測する電力計１６を設ける必要がある。つまり、膨張機評価装置１では、膨張機２の出力を発電機１５の発電電力として計測する。

さらに、膨張機評価装置１は、供給流路６における熱媒体の温度を検出する給気温度計１７と、供給流路６における熱媒体の圧力を検出する給気圧力計１８と、排気流路７における熱媒体の圧力を検出する排気圧力計１９とを備える。そして、供給流路６には、熱媒体の流量を測定する流量計２０が設けられている。

図２に、膨張機評価装置１における熱媒体の状態変化を、モリエル線図（Ｐ−Ｉ線図）上に示す。モリエル線図上の点Ａ〜Ｇは、図１の点Ａ〜Ｇにおける熱媒体の状態を示す。言うまでもなく、モリエル線図の縦軸は圧力であり、横軸はエンタルピーであるが、圧力と温度とを特定することでも、モリエル線図上の一点が特定できる。

膨張機２に供給される熱媒の状態は、給気温度計１７の検出値と給気圧力計１８の検出値とによって定められる点Ａである。膨張機２に供給された熱媒は、膨張することによって膨張機２の回転力を生じ、圧力及びエンタルピーが低下する（点Ａ→点Ｂ）。点Ａと点Ｂとのエンタルピーの差が、熱媒体１ｋｇ当たりの膨張機２の出力である。つまり、点Ｂのエンタルピーは、電力計１６の検出値を流量計２０の検出値で除した値として算出できる。そして、膨張機２から排出された熱媒体の圧力は、排気圧力計１９によって検出される。このようにして、点Ｂの圧力とエンタルピーとが定められるので、モリエル線図上に点Ｂをプロットすることができる。

凝縮器４に供給された熱媒体は、飽和液線上まで、エンタルピーが低下する（点Ｃ）。液供流路８において、熱媒体は、液調整弁１０によって流量調整する際に減圧される（点Ｄ）。また、ガス流路９においても、同様に、熱媒体は、点Ｂの状態から、ガス調整弁１１によって減圧される（点Ｅ）。このとき、液体流路８とガス流路９とは、同じ吸込流路５に接続されているため、点Ｄの圧力と、点Ｅの圧力とは同じ圧力になる。

混合部１２において混合された熱媒体の状態は、点Ｄと点Ｅの間の点Ｆになる。点Ｆの位置は、液調整弁１０及びガス調整弁１１により決定される液体流路８とガス流路９との熱媒体の流量の比によって、直線ＤＥ上を移動する。ただし、スクリュ圧縮機３に供給する熱媒体は気体でなければならないので、点Ｆが飽和蒸気線の右側に位置するように、液調整弁１０及びガス調整弁１１を調整する必要がある。

ここで、膨張機２の理想的な出力について考える。理想的な膨張機では、吸い込んだガスの状態が、等エントロピー線に沿って排気圧力まで低下する。したがって、膨張機２が理想的な出力（エネルギー効率１００％）である場合、排気流路７における熱媒体のエンタルピーは、モリエル線図上で、点Ａを通る等エントロピー線が線分ＢＣと交差する点Ｂ’である。本発明では、熱媒体１ｋｇ当たりの膨張機２の実際の出力である点Ａと点Ｂとのエンタルピーの差、つまり、電力計１６の検出値及び流量計２０の検出値から算出される熱媒体エンタルピーの減少分を、理想的な出力である点Ａと点Ｂ’とのエンタルピーの差で除することによって、膨張機２の効率ηを算出する。

以上のように膨張機２の効率ηを算出するに際、インバータ１４の周波数を低くして、スクリュ圧縮機３の回転数を低下させてゆくと、膨張機２が消費する熱媒体を十分に供給できなくなり、供給流路６の圧力が低下する。つまり、給気圧力計１８が検出する供給流路５の圧力は、スクリュ圧縮機３の熱媒体供給能力と、膨張機２の熱媒体消費量とがバランスする圧力になる。したがって、インバータ１４によってスクリュ圧縮機３の回転数を調整することにより、スクリュ圧縮機３の能力の範囲内で点Ａの圧力を自由に設定できる。さらに、スクリュ圧縮機３が吸い込む熱媒体のエンタルピーは、液調整弁１０及びガス調整弁１１により調整できるので、その範囲内で、点Ａのモリエル線図上で横軸方向に移動させることもできる。このようにして、膨張機評価装置１では、膨張機２に供給する熱媒体の圧力及びエンタルピーが自由に設定でき、これにより熱媒体の温度及びエントロピーも特定される。これらの条件を変化させながら膨張機２の効率ηを測定することで、膨張機２の入口における熱媒体の状態変化に応じた膨張機２のエネルギー変換効率の変化を確認することができる。

つまり、膨張機評価装置１を用いることによって、計画中の排熱回収装置の個別の条件における膨張機２の特性を知ることができるので、最適な膨張機の選定、最適な熱媒体の流量の設定、最適な熱交換器の容量の選定等を行うことが可能になる。これにより、熱効率の高い排熱回収装置を安価に設置することができる。

続いて、図３に、本発明の第２実施形態である膨張機評価装置１ａを示す。尚、以下の実施形態の説明において、第１実施形態と同じ構成要素には、第１実施形態と同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態の膨張機評価装置１ａは、供給流路６から分岐して、スクリュ圧縮機３が吐出した熱媒体の一部を吸込流路５に環流させる環流流路２１を備える。環流流路２１には、吸込流路５に環流する熱媒体の流量を調整する環流調整弁２２が設けられている。

本実施形態では、スクリュ圧縮機３の回転数を調整することはできないが、環流調整弁２２の開度を調整して、膨張機２に供給される熱媒体の流量を調整することにより、供給流路６における熱媒体の圧力を調整することができる。つまり、環流調整弁２２を有する環流流路２１は、スクリュ圧縮機３の吐出容量を実質的に低下させることが可能な容量調節手段である。したがって、膨張機評価装置１ａも、第１実施形態の膨張機評価装置１と同様に、膨張機２に供給する熱媒体の条件を任意に設定して、膨張機２のエネルギー変換効率を評価することができる。

さらに、本実施形態の膨張機評価装置１ａにおいて、スクリュ圧縮機３は、油冷式圧縮機である。このため、スクリュ圧縮機３の直後の供給流路６に気液分離する圧縮油分離器２３が設けられ、圧縮油分離器２３が分離した油をスクリュ圧縮機３の吐出圧力によってスクリュ圧縮機３に供給する圧縮油供給流路２４を備えている。

同様に、排気流路７にも、膨張機２が油潤滑式である場合に、膨張機２から排気された熱媒体から油を分離する膨張油分離器２５が設けられている。膨張油分離器２５で分離された油は、給油ポンプ２６によって膨張油供給流路２７を介して膨張機２に供給されるようになっている。

さらに、図４に、本発明の第３実施形態である膨張機評価装置１ｂを示す。本実施形態では、発電機１５が発電した電力を、電力計１６で計測した後、スクリュ圧縮機３を駆動するインバータ１４に電力供給する電源系統２８に給電している。これにより、発電機１５が発電した電力で、スクリュ圧縮機が消費する電力の一部をまかない、膨張機評価装置１ｂ全体としての消費電力を低減している。

１，１ａ，１ｂ…膨張機評価装置
２…膨張機
３…スクリュ圧縮機
４…凝縮器
５…吸込流路
６…供給流路
７…排気流路
８…液体流路
９…ガス流路
１０…液調整弁
１１…ガス調整弁
１２…混合部
１３…モータ
１４…インバータ（容量調整手段）
１５…発電機
１６…電力計
１７…給気温度計
１８…給気圧力計
１９…排気圧力計
２０…流量計
２１…環流流路
２２…環流調整弁
２３…圧縮油分離器
２４…圧縮油供給流路
２５…膨張油分離器
２６…給油ポンプ
２７…膨張油供給流路

Claims

熱媒体を吸い込んで圧縮してから吐出し、吐出容量を調節する容量調節手段を備える圧縮機と、
熱媒体を冷却して凝縮させる凝縮器とを有し、
前記圧縮機が熱媒体を吸い込む吸込流路と、
前記圧縮機が吐出した熱媒体を評価すべき膨張機に供給する供給流路と、
前記膨張機から排出された熱媒体を前記凝縮器に導く排気流路と、
前記凝縮器で凝縮した熱媒体を前記吸込流路に供給する液体流路と、
前記排気流路から熱媒体の一部を分岐して、前記凝縮器を介さずに、前記吸込流路に供給するガス流路とを備え、
前記液体流路における冷媒の流量を調整可能な液調整弁と、
前記ガス流路における冷媒の流量を調整可能なガス調整弁とを備えることを特徴とする膨張機評価装置。
前記供給流路における熱媒体の温度を検出する給気温度計と、
前記供給流路における熱媒体の圧力を検出する給気圧力計と、
前記排気流路における熱媒体の圧力を検出する排気圧力計と、
前記供給流路の熱媒体の流量を検出する流量計と、
前記膨張機の出力を電力に変換する発電機と、
前記発電機の出力を測定する電力計と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の膨張機評価装置。
前記発電機が発電した電力は、前記圧縮機を駆動する電源系統に供給されることを特徴とする請求項２に記載の膨張機評価装置。
前記容量調節手段は、前記圧縮機の回転数を制御するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の膨張機評価装置。
前記容量調節手段は、前記供給流路の熱媒の一部を、流量調整可能な環流調整弁を介して、前記吸込流路に環流させる環流流路であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の膨張機評価装置。
前記吸込流路に、前記液体流路から供給される熱媒体と、前記ガス流路から供給される熱媒体とを混合する混合部を設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の膨張機評価装置。
前記圧縮機は油冷式スクリュ圧縮機であって、前記供給流路に気液分離する圧縮油分離器を設け、圧縮油分離器が分離した油を前記油冷式スクリュ圧縮機に供給する圧縮油供給流路を設け、
前記排気流路に気液分離する排気油分離器を設け、前記膨張油分離器が分離した油を前記膨張機に供給する膨張油供給流路を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の膨張機評価装置。