JP5593902B2 - ヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、工場排水などから排熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

蒸気発生装置の一つとして、ヒートポンプを利用したヒートポンプ式蒸気発生装置がある。ヒートポンプ式蒸気発生装置は、工場排水など排熱を回収して蒸気を生成するものであって、燃焼系蒸気発生装置に比べて、ランニングコストが低く、ＣＯ_２の排出量を低減できるなどのメリットがある。

特許文献１には、圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、蒸気生成用熱交換器、温水生成用熱交換器、膨張弁、熱回収器を介して前記圧縮機の吸入側に接続された冷媒回路を備え、熱回収器において外部熱源からの熱を回収し、蒸気生成用熱交換器で蒸気を生成し、温水生成用熱交換器で温水を生成するように構成されたヒートポンプ式蒸気・温水発生装置が開示されている。そして、特許文献１のヒートポンプ式蒸気・温水発生装置では、給水用気液分離器を蒸気生成用熱交換器よりも高い位置に設け、給水用気液分離器内の温水を、重力により蒸気生成用熱交換器に送り、給水用気液分離器内の温水を自然循環している。

特開２００７−２３２３５７号公報（請求項１、９、１１）

しかしながら、気液分離器内の温水を重力の作用により自然循環を行う場合、液落差を確保するためには装置の高さを高くする必要があるので、装置が大型化する問題があった。
また、蒸気取り出し量が急増すると、気液分離器内の圧力が低下し、気液分離器から蒸気生成用熱交換器（本発明の媒体凝縮器に相当）への温水の供給量が減少する。気液分離器からの温水の供給量が不足すると、熱交換効率が低下する上、供給水に含まれる塩類の析出量が多くなって、配管内にスケールなどの異物が付着し、熱交換性能が低下する問題があった。

そこで、本願発明者らは、先の出願（特願２０１０−１１２６４５）に係る発明において、気液分離器内の温水を蒸気発生用熱交換器（媒体凝縮器）に戻す循環経路に循環ポンプを設けて蒸気発生用熱交換器を通流させる温水流量を増加させる構成とした。

しかし、この構成において、蒸気需要が低下して気液分離器からの蒸気取出し量が減少して外部から蒸気生成用熱交換器への給水流量を減少させた場合に、次のような課題があった。

すなわち、循環ポンプには吸込ヘッドが必要であり、吸込みヘッドが不足するとポンプ入口で水が蒸発しキャビテーションが発生してしまう。外部からの給水量が減少すると、循環ポンプを通流する水のうち、気液分離器から循環される高温の温水の割合が高まるので、循環ポンプを通流する温水の温度が高くなり、吸込みヘッドが不足して、循環ポンプ部でキャビテーションを起こすことがある。

よって、本発明の目的は、循環ポンプにおけるキャビテーションを防止すると共に、蒸気の安定供給可能なヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、
外部熱源から熱を回収して媒体を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した媒体を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された媒体の熱を被加熱水に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する媒体凝縮器、及び前記媒体凝縮器を通過した媒体を冷却する膨張機を有するヒートポンプ循環経路と、
前記媒体凝縮器に供給水を導入する給水経路と、
前記媒体凝縮器で生成した、温水及び蒸気の気液二相流を、水蒸気と水とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器の気相側に設けられた蒸気取出し経路と、
前記気液分離器の液相部と前記給水経路とを接続する水循環経路とを備えたヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
前記水循環経路の接続部より下流側の前記給水経路に、送液ポンプが配置され、
前記送液ポンプ入口の水温が、前記気液分離器内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、前記送液ポンプの必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度未満となるように、前記送液ポンプの駆動が制御されることを特徴とする。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、前記送液ポンプ入口の水温が所定値よりも高い時には前記送液ポンプによる送液量を低下させ、前記送液ポンプ入口の水温が所定値よりも低い時には前記送液ポンプによる送液量を増大させることが好ましい。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、前記水循環経路との接続部と、送液ポンプとの間の給水経路に、経路内の水温を検出する温度センサが配置され、前記送液ポンプ入口の水が、前記温度センサで計測されることが好ましい。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、前記給水経路の、前記水循環経路との接続部よりも上流側に配置され、前記水循環経路を流れる循環水と合流直前の供給水の温度を検出する供給水温度センサと、前記水循環経路に配置された、前記循環水の温度を検出する循環水温度センサとを備え、前記送液ポンプによる送液量の上限が、下記式（１）に基づいて算出されることが好ましい。
送液ポンプによる送液量の上限
＝（Ｔ_１−Ｔ_３）×Ｑ_１／（Ｔ_{０＿ｍａｘ}−Ｔ_３） ・・・（１）
（式中、Ｔ_１は、供給水温度センサの検出値であり、Ｔ_{０_ｍａｘ}は、気液分離器内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、送液ポンプの必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度であり、Ｔ_３は、循環水温度センサの検出値であり、Ｑ_１は給水経路に導入される供給水の流量である。）

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、水循環経路の接続部より下流側の給水経路に、送液ポンプが配置されているので、蒸気の需要に応じて媒体凝縮器への被加熱水の流量を調整でき、媒体凝縮器における熱交換効率の最適化を図ることができる。そして、送液ポンプ入り口の水温が、気液分離器内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、前記送液ポンプの必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度未満になるように送液ポンプの駆動が制御されるので、送液ポンプのキャビテーションを防止できる。

このため、蒸気の取出し量が急激に変動した場合であっても、送液ポンプのキャビテーションを抑制しつつ、媒体凝縮器における熱交換量を、蒸気取出し需要に応じて調整させることができ、蒸気を安定して取り出すことができる。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の第１の実施形態の概略構成図である。 本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の第２の実施形態の概略構成図である。

図１は、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の概略図である。

図１に示すように、このヒートポンプ式蒸気生成装置は、第１排熱回収器１の出口側から伸びた配管Ｌ１が、圧縮機２、媒体凝縮器３、媒体冷却器４、膨張機５の順に経由して、第１排熱回収器１の入り口側に接続したヒートポンプ循環経路２０を備える。

ヒートポンプ循環経路２０では、媒体（以下、ヒートポンプ媒体という）が循環流通しており、ヒートポンプ媒体を介して外部熱源から送られてくる熱媒体（この実施形態では、熱媒体として排温水を使用している）の熱を回収するとともに、給水源から送られてくる供給水にヒートポンプ媒体の熱を伝熱して蒸気を生成するように構成されている。

ヒートポンプ媒体としては、臨界温度が高く、地球温暖化係数が低く、オゾン破壊係数の低いものが好ましく用いられる。このような媒体としては、Ｒ２４５ｆａ、ハイドロフルオロエーテル系媒体、自然媒体であるペンタン等が好ましく用いることができる。

外部熱源から伸びた、排温水が流通する配管Ｌ２は、第１排熱回収器１、第２排熱回収器６の順に経由して系外に接続している。

給水源から伸びた、供給水が流通する配管Ｌ３は、第２排熱回収器６、媒体冷却器４、媒体凝縮器３の順に経由して、気液分離器７の気相部に接続している。

気液分離器７は、気相部に蒸気取出し用の配管Ｌ４と、圧力センサ４１が設けられている。また、液相部に、系外の排水系へと伸びる開閉弁Ｖ１を介装した配管Ｌ５と、媒体冷却器４と媒体凝縮器３との間の配管Ｌ３ａに接続する配管Ｌ６が設けられている。

そして、この実施形態のヒートポンプ式蒸気生成装置では、配管Ｌ３ａの配管Ｌ６との接続部よりも下流側に、温度センサ３１、送液ポンプＰ１がそれぞれ配置されている。

次に、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の動作について、熱の流れに沿って説明する。

（排温水）
工場排水系等の外部熱源から送られる排温水は、配管Ｌ２を流通し、第１排熱回収器１、第２排熱回収器６の順に通過して系外へと送られる。
第１排熱回収器１では、排温水の熱を、配管Ｌ１を流通するヒートポンプ媒体に伝熱してヒートポンプ媒体を加温する。
第２排熱回収器６では、ヒートポンプ媒体を加温後の排温水の余熱を、配管Ｌ３を流通する供給水に伝熱して供給水を一次予備加熱する。

（ヒートポンプ媒体）
第１排熱回収器１にて、排温水との熱交換により加温されたヒートポンプ媒体は、圧縮機２にて所定の圧力まで圧縮して高温高圧媒体とする。この高温高圧媒体は、媒体凝縮器３、媒体冷却器４の順に通過して、配管Ｌ３を流通する供給水との熱交換に利用される。

媒体凝縮器３では、高温高圧媒体（ヒートポンプ媒体）の熱を、配管Ｌ３を流通する被加熱水（後述する二次予備加熱された供給水と、配管Ｌ６から送られてくる気液分離器７内の温水との混合水）に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する。

媒体冷却器４では、媒体凝縮器３を通過後のヒートポンプ媒体の余熱を、前述した排温水との熱交換により一次予備加熱された、配管Ｌ３を通る供給水に伝熱して二次予備加熱する。

媒体冷却器４を通過したヒートポンプ媒体は、膨張機５にて所定圧力まで膨張して温度を下げ、第１排熱回収器１に再び導入して、配管Ｌ２を流通する排温水の熱回収に用いられる。

（供給水）
給水源から図示しないポンプ等で供給される供給水は、前述したように第２排熱回収器６、媒体冷却器４でそれぞれ予備加熱される。なお、給水源からの供給水の供給量は、配管Ｌ４から取出される蒸気量及び配管Ｌ５からの排水量と等しくなるように供給するのを基準とし、水蒸気分離器の水位（水位計は図示していない）が一定になるように補正して供給量を調整する。

予備加熱された供給水は、配管Ｌ６から送られてくる、気液分離器７内の温水（以下、循環水という）と合流して、循環水と供給水との混合水が形成される。

混合水の水温は、温度センサ３１で測定され、温度センサ３１の計測値が、気液分離器７内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、送液ポンプＰ１の必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度未満となるように送液ポンプＰ１の駆動を制御して、混合水が媒体凝縮器３に送液される。具体的には、温度センサ３１の検出値が、後述のように算出される閾値（Ｔ_ｍａｘ）を超えたら、送液ポンプＰ１の駆動を低下して、送液ポンプＰ１による混合水の送液量をあらかじめ設定した範囲内で低下させる。また、温度センサ３１の検出値が、後述の閾値（Ｔ_ｍｉｎ）を下回ったら、送液ポンプＰ１の駆動を増加して、送液ポンプＰ１による混合水の送液量をあらかじめ設定した範囲内で増加させる。なお、気液分離器７内の温水は飽和水であるので、気液分離器７内の温度は、圧力センサ４１の圧力計測値から求めることができる。

ここで、送液ポンプＰ１の必要吸込みヘッドは、ポンプ入口で水が蒸発しないようにするために設けるものなので、ポンプ入口実際圧力とポンプ入口の温度から計算される沸騰圧力の差分が、必要吸込みヘッド以上とする必要がある。必要吸込みヘッドは、ポンプ特性によって定まるものであるが、１．５ｍ以上に設計することが好ましく、３ｍ以上に設計するのがより好ましい。

ポンプ入口実際圧力は、実測した気液分離器７の圧力に、気液分離器の液位から送液ポンプＰ１位置までの水頭を加算して求められる。実運転では、必要吸込みヘッドに余裕を見るものなので、気液分離器の液位からポンプ位置までの水頭は余裕分として本実施形態では計算に入れないが、これに限られるものではない。１気圧＝１０１ｋＰａ＝１０．３ｍなので、吸込みヘッド１．５ｍは、１４．７ｋＰａに相当する。送液ポンプＰ１の必要吸込みヘッドが１．５ｍの場合、ポンプ入口の換算圧力は、換算圧力＝気液分離器の圧力−１４．７ｋＰａと算出され、換算圧力における飽和温度を上限としてポンプ入り口温度を設定すれば、キャビテーションを防止することができる。このようにして求めた気液分離器７の温度と、送液ポンプＰ１のポンプ入口温度（換算圧力における飽和温度）は、表１に示す関係となる。

例えば、送液ポンプＰ１の必要吸い込みヘッドを１．５ｍ、気液分離器７の液相部の運転温度下限値を１１０℃に設計すると、表１から、閾値Ｔ_ｍａｘは１０６℃以下に設定すれば良い。尚、閾値Ｔ_ｍａｘの上記算出過程で、気液分離器の液位からポンプ位置までの水頭分をポンプ入口実際圧力に加算した場合は、表１のポンプ入り口温度から余裕分の温度を引いた値を閾値Ｔ_ｍａｘに設定することとしてもよい。

気液分離器７内の圧力および温度は、運転状態によっても変わるため、気液分離器７の気相部の圧力を圧力センサ４１で制御装置に取り込み、その値と送液ポンプＰ１の必要吸込みヘッド設計値から閾値Ｔ_ｍａｘを算出し、算出された閾値Ｔ_ｍａｘと、ポンプ入口温度センサ３１の測定値との偏差に基いて、送液ポンプＰ１の駆動をリアルタイムで制御すれば、より厳密な制御を行うことができる。

一方、Ｔ_ｍｉｎは、送液ポンプＰ１の制御がハンチングしないようにヒステリシスを持たせることを目的として設定する値で、例えばＴ_ｍｉｎ＝Ｔ_ｍａｘ−１０℃で設定する。

供給水の供給量は、配管Ｌ４から取出される蒸気量及び配管Ｌ５からの排水量と等しくなるように調整されているので、送液ポンプＰ１による混合水の送液量を低下させることで、供給水の供給量に混合される循環水の流量のみが低減する。循環水の水温は、供給水の水温に比べて高温であるため、供給量に混合される循環水の流量が低減することで、混合水の水温が低下する。同様に、送液ポンプＰ１による混合水の送液量を増加させることで、供給水の供給量に混合される循環水の流量のみが増加するので、混合水の水温が増加する。なお、供給水の供給量は、配管Ｌ４から取出される蒸気量及び配管Ｌ５からの排水量と同量であるので、混合水の送液量を変化させても、気液分離器７の水面は安定している。

媒体凝縮器３に導入された混合水は、前述したように高温高圧媒体（ヒートポンプ媒体）の熱を回収し、温水及び蒸気の気液二相流を生成して、気液分離器７に送られる。

気液分離器７では、温水及び蒸気の気液二相流を蒸気と温水とに分離する。そして、気液分離器７の気相部に貯留された蒸気は、外部の需要に応じて配管Ｌ４から取出される。また、気液分離器７の液相部に貯留された温水は、配管Ｌ６を通して配管Ｌ３ａ内を流通する供給水と混合して循環利用される。また、気液分離器７内の水位が異常に高くなった場合や圧力・温度が異常に高くなった場合は開閉弁Ｖ１を開弁し、内部に貯留された温水の一部を、配管Ｌ５を通して系外に排水し、気液分離器７内の水位及び圧力・水温を所定範囲となるように制御する。

この実施形態のヒートポンプ式蒸気生成装置は、配管Ｌ３ａの配管Ｌ６との接続部よりも下流側に、送液ポンプＰ１が配置されているので、蒸気の需要に応じて、第１媒体凝縮器３への混合水（被加熱水）の流量を調整でき、第１媒体凝縮器３における熱交換効率の最適化を図ることができる。

そして、送液ポンプＰ１は、温度センサ３１の計測値が、気液分離器７内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、送液ポンプＰ１の必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度未満となるように駆動制御されているので、給水源からの供給水の供給量が、配管Ｌ４から取出される蒸気量と等しくなるように設定しても、送液ポンプＰ１のキャビテーションの発生を抑制でき、気液分離器の液面を安定に保つことができる。

更に、循環水中には、供給水に含まれる塩分が次第に蓄積してくるため、媒体凝縮器３等を通る経路内でスケールが発生しやすくなるが、この実施形態では、開閉弁Ｖ１を開閉して、気液分離器７内の循環水を所定量ずつ排水し、その量に応じて供給水を流入させることにより、塩分の蓄積を抑制し、スケールの発生を防止することができる。

図２に、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の第２の実施形態の概略図を示す。

この実施形態では、配管Ｌ３ａの配管Ｌ６との接続部よりも上流側に、二次予備加熱された供給水の水温を測定する温度センサ３２が配置されている点、配管Ｌ６に循環水の水温を測定する温度センサ３３が配置されている点で、上記第１の実施形態と相違する。

この実施形態では、送液ポンプＰ１は、送液量が下記式（１）に基づいて算出される値未満になるように、駆動制御される。

送液ポンプによる送液量の上限
＝（Ｔ_１−Ｔ_３）×Ｑ_１／（Ｔ_{０_ｍａｘ}−Ｔ_３） ・・・（１）
（式中、Ｔ_１は、温度センサ３２の検出値であり、Ｔ_{０_ｍａｘ}は、気液分離器７内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、送液ポンプＰ１の必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度であり、Ｔ_３は、温度センサ３３の検出値であり、Ｑ_１は給水経路に導入される供給水の流量である。）

送液ポンプ入口温度の上限値Ｔ_{０_ｍａｘ}を、気液分離器内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、送液ポンプの必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度に設定することにより、送液ポンプＰ１のキャビテーションの発生を抑制できる。

１：第１排熱回収器
２：圧縮機
３：媒体凝縮器
４：媒体冷却器
５：膨張機
６：第２排熱回収器
７：気液分離器
２０：ヒートポンプ循環経路
Ｌ１〜Ｌ６：配管
Ｐ１：送液ポンプ
Ｖ１：開閉弁
３１〜３３：温度センサ
４１：圧力センサ

Claims (4)

1. 外部熱源から熱を回収して媒体を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した媒体を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された媒体の熱を被加熱水に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する媒体凝縮器、及び前記媒体凝縮器を通過した媒体を減圧して温度を下げる膨張機を有するヒートポンプ循環経路と、
   前記媒体凝縮器に供給水を導入する給水経路と、
   前記媒体凝縮器で生成した、温水及び蒸気の気液二相流を、水蒸気と水とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の気相部に設けられた蒸気取出し経路と、
   前記気液分離器の液相部と前記給水経路とを接続する水循環経路とを備えたヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記水循環経路の接続部より下流側の前記給水経路に、送液ポンプが配置され、
   前記送液ポンプ入口の水温が、前記気液分離器内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、前記送液ポンプの必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度未満となるように、前記送液ポンプの駆動が制御されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
2. 前記送液ポンプ入口の水温が所定値よりも高い時には前記送液ポンプによる送液量を低下させ、前記送液ポンプ入口の水温が所定値よりも低い時には前記送液ポンプによる送液量を増大させる、請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
3. 前記水循環経路との接続部と、送液ポンプとの間の給水経路に、経路内の水温を検出する温度センサが配置され、
   前記送液ポンプ入口の水温が、前記温度センサで計測される請求項１又は２に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
4. 前記給水経路の、前記水循環経路との接続部よりも上流側に配置され、前記水循環経路を流れる循環水と合流直前の供給水の温度を検出する供給水温度センサと、
   前記水循環経路に配置された、前記循環水の温度を検出する循環水温度センサとを備え、
   前記送液ポンプによる送液量の上限が、下記式（１）に基づいて算出される請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
   送液ポンプによる送液量の上限
   ＝（Ｔ_１−Ｔ_３）×Ｑ_１／（Ｔ_{０＿ｍａｘ}−Ｔ_３） ・・・（１）
   （式中、Ｔ_１は、供給水温度センサの検出値であり、Ｔ_{０_ｍａｘ}は、気液分離器内の圧力検出値または温度検出値に基いて算出されるポンプ入口圧力と、送液ポンプの必要吸込み圧力との差から求められる圧力における飽和温度であり、Ｔ_３は、循環水温度センサの検出値であり、Ｑ_１は給水経路に導入される供給水の流量である。）