JP5605991B2

JP5605991B2 - 蒸気発生装置

Info

Publication number: JP5605991B2
Application number: JP2009005698A
Authority: JP
Inventors: 省二吉村; 晃一朗飯塚
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP2010164223A

Description

本発明は、蒸気発生装置に関する。

蒸気発生装置としては、燃料を燃焼させて水を沸騰させるボイラが広く用いられている他、特許文献１および２に記載されているように、電気加熱によるものも知られている。電気加熱方式の蒸気発生装置は、燃料を用いないので操作が容易で安全であるが、エネルギコストが高いため、小型小容量のものに限られている。

また、特許文献３には、ボイラのブローダウン水をフラッシュタンクで減圧し、低圧蒸気と温水とに分離して蒸気を回収する発明が記載されているが、分離された温水は熱エネルギを有するにも拘わらず廃棄される。

また、工場設備等では、ブローダウン水以外にも、スチームトラップのドレン水やその他の温水が、その熱エネルギを有効に利用することなく廃棄されている。

特開平１０−９５０６号公報特開２００２−１０６８０１号公報特開平１１−３４４２０３号公報

廃棄されている温水を加熱して蒸気を発生させることができれば、熱エネルギの廃棄量を低減できるが、電気加熱によるボイラはエネルギコストが高いため、このニーズに応えることができない。

前記問題点に鑑みて、本発明は、燃料を用いずに蒸気を発生することができるエネルギ効率の高い蒸気発生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、本発明による蒸気発生装置は、冷媒圧縮機、温水で冷却される凝縮器、膨張弁および蒸発器を冷媒循環流路に介設してなるヒートポンプと、前記凝縮器から流出する前記温水を減圧して蒸気と温水とに分離するフラッシュタンク、および、前記フラッシュタンクが分離した温水を前記凝縮器に供給するポンプを備える温水循環流路と、前記フラッシュタンクが分離した蒸気を吸引し、圧縮して当該蒸気での需要のある蒸気発生装置外となる前記温水循環流路の系外へ向けて当該蒸気を吐出する蒸気圧縮機とを有する蒸気発生装置であって、前記フラッシュタンクが分離した温水の液面を所定の高さに維持するように、前記温水循環流路の前記フラッシュタンクと前記ポンプとの間に設けられた当該フラッシュタンクの出口配管または前記フラッシュタンクに、前記蒸気として当該蒸気での需要のある蒸気発生装置外となる前記温水循環流路の系外へ向けて吐出した分だけ補給水を供給する給水手段とを有し、前記フラッシュタンクで分離される前記蒸気の圧力を一定とするために、前記温水循環流路のいずれかの位置における前記温水の温度、或いは、前記フラッシュタンク内の圧力または温度を一定に維持するように、前記冷媒圧縮機の出力を調整することで、前記ヒートポンプから前記温水循環流路に供給される熱量を調節するよう構成されている。

この構成によれば、ヒートポンプが冷媒圧縮機の消費動力エネルギよりも大きなエネルギを温水に供給できるので、効率よく蒸気を発生させられる。

この構成によれば、蒸気として吐出した分だけ補給水を供給するので、温水循環流路内の温水量が一定に保たれる。また、蒸気の吐出量に合わせて補給水を連続して供給することで、補給水の供給量の変動によって運転が不安定になることを防止できる。

また、本発明の蒸気発生装置において、前記温水循環流路のいずれかの位置における前記温水の温度、或いは、前記フラッシュタンク内の圧力または温度を一定に維持するように、前記冷媒圧縮機の出力を調整してもよく、好ましくは、前記冷媒圧縮機はスクリュ圧縮機であり、その回転数を調節して出力を調整するとよい。

この構成によれば、ヒートポンプから温水循環流路に供給される熱量を調節して、フラッシュタンクで分離される蒸気の圧力を一定にできる。これにより、蒸気圧縮機から吐出する蒸気の圧力が一定になる。また、冷媒圧縮機として容積形圧縮機を用いれば、冷媒圧縮機の出力がその回転数に比例するので、制御が容易である。

また、本発明の蒸気発生装置において、前記補給水は温水であることが好ましい。

この構成によれば、補給水の昇温のために熱エネルギを消費することによる蒸気発生量の減少をなくして蒸気を安定供給できる。また、補給水として、ボイラのブローダウン水、スチームドレン、その他の温排水を利用することで、温排水の熱エネルギを蒸気として回収できる。

本発明によれば、ヒートポンプを用いて消費電力を上回る熱エネルギを温水に供給して、蒸気を得るので、効率よく蒸気を発生させられる。
この構成によれば、蒸気として吐出した分だけ補給水を供給するので、温水循環流路内の温水量が一定に保たれる。また、蒸気の吐出量に合わせて補給水を連続して供給することで、補給水の供給量の変動によって運転が不安定になることを防止できる。

本発明の第１実施形態の蒸気発生装置の概略構成図である。本発明の第２実施形態の蒸気発生装置の概略構成図である。本発明の第３実施形態の蒸気発生装置の概略構成図である。本発明の第４実施形態の蒸気発生装置の概略構成図である。本発明の第５実施形態の蒸気発生装置の概略構成図である。

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実施形態の蒸気発生装置１を示す。

蒸気発生装置１は、容積形圧縮機の一種であるスクリュ圧縮機からなる冷媒圧縮機２、温水で冷却される凝縮器３、膨張弁４、および、蒸発器５を介設してなり、冷媒（例えばフロン）を封入した冷媒循環流路を構成するヒートポンプ６と、凝縮器３から流出する温水を減圧して蒸気と温水とに分離するフラッシュタンク７、および、フラッシュタンク７で分離されて貯留されている温水を凝縮器３に再供給するポンプ８を備える温水循環流路９と、フラッシュタンク７で分離された蒸気を吸引し、圧縮して吐出するスクリュ圧縮機である蒸気圧縮機１０と、補給水タンク１１から温水循環流路９に補給水を供給する給水調節弁１２とを有する。

冷媒圧縮機２は、回転数制御可能なモータ１３によって駆動され、フラッシュタンク７の内圧を検出する圧力検出器１４の検出圧力に基づいて、フラッシュタンク７の内圧が所定の設定圧力になるように例えばＰＩＤコントローラによって制御される。

給水調節弁１２は、フラッシュタンク７内の温水の液面の高さを検出するレベルセンサ１５の検出値に基づいて開度調整され、フラッシュタンク７内の液面を一定の高さに保つ。つまり、給水調節弁１２は、温水循環流路９内の温水の量を一定に保つように補給水を供給する給水手段である。

蒸気圧縮機１０は、モータ１６によって駆動され、一定速度で駆動、或いは、需要に応じて蒸気の吐出量を調整するように駆動される。

例えば、フラッシュタンク７の内圧を５８ｋＰａＡに設定すると、フラッシュタンク７内の蒸気および温水の温度は、その圧力における飽和蒸気温度である約８５℃になる。ヒートポンプ６において、冷媒は、蒸発器５で水と熱交換して加熱気化され、冷媒圧縮機２で圧縮されて約１００℃まで昇温し、凝縮器３において温水に熱を放出して凝縮する。このとき、フラッシタンク７からポンプ８によって凝縮器３に供給された８５℃の温水は、約９０℃まで加熱される。加熱された温水は、フラッシュタンク７において一部を蒸発させることで、８５℃の温水に戻る。

フラッシュタンク７で温水から分離された８５℃の蒸気は、蒸気圧縮機１０に吸い込まれ、所定の圧力（例えば０．５ＭＰａＧ）に圧縮して吐出される。蒸気発生装置１において、蒸気圧縮機１０が吐出する蒸気の圧力は、フラッシュタンク７の内圧と蒸気圧縮機１０の圧縮比とによって決定される。

ここで、蒸気圧縮機１０の吸込量がフラッシュタンク７における蒸気発生量に勝ると、フラッシュタンク７の内圧が低下する。その場合、冷媒圧縮機２の回転数が上昇し、凝縮器３により多くの冷媒を供給するので、凝縮器３において温水が受け取る熱量が増大し、フラッシュタンク７における蒸気発生量を増加させてフラッシュタンク７の内圧を設定圧力に維持する。フラッシュタンク７の内圧上昇に対しては、冷媒圧縮機２の回転数が低下して温水への供給熱量が減少し、フラッシュタンク７における蒸気発生量を低減してフラッシュタンク７の内圧を低下させる。

本実施形態において、補給水タンク１１に貯留される補給水として、ボイラのブローダウン水、スチームトラップのドレン水、その他の温排水を用いることで、それらの温水の熱エネルギを蒸気として回収できる。また、補給水の温度をフラッシュタンク７における温水温度と略同じにすれば、給水調節弁１２の開度変化による蒸気発生量の変動がなくなるので好ましい。仮に補給水の温度が温水温度と異なっても、蒸気発生装置１が安定して運転している間は給水調節弁１２の開度が大きく変化しないように制御パラメータを設定することで、安定した定常運転が可能になる。

蒸気発生装置１では、冷媒の蒸発温度が低いので、蒸発器５における冷媒の加熱は、常温以上の温度を有する水を用いればよく、工業用水や冷却水の環流水を使用できる。つまり、ヒートポンプ６は、殆どコストのかからない水を温熱源として用いることができる。蒸気発生装置１において、エネルギ消費が最も大きいのは、蒸気の潜熱を供給するヒートポンプ６である。このため、蒸気発生装置１のエネルギ効率は、ヒートポンプ６のエネルギ効率に略近い値となる。つまり、ヒートポンプ６が３を超える成績係数（ＣＯＰ）を達成できることから、蒸気発生装置１は、消費電力の３倍以上の熱エネルギを有する蒸気を発生させられる。

尚、本実施形態では、冷媒圧縮機２に、回転数と出力とがリニアなスクリュ圧縮機を用いたことで、フラッシュタンク７の圧力制御を容易にしている。しかしながら、本発明においてターボ型の圧縮機を使用することも可能である。

続いて、図２に、本発明の第２実施の蒸気発生装置１ａの構成を示す。尚、これ以降の実施形態の説明において、先に説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

第２実施形態の蒸気発生装置１ａは、フラッシュタンク７内の蒸気の温度を検出する温度検出器１７を有し、フラッシュタンク７内の蒸気の温度を設定温度一定に保つように、冷媒圧縮機２の回転数を調節する。フラッシュタンク７内の蒸気の温度はフラッシュタンク７の内圧によって決定されるので、蒸気発生装置１ａは、第１実施形態の蒸気発生装置１と同様の運転が可能である。本実施形態において、フラッシュタンク７内の蒸気温度の設定値を８５℃にすれば、先の説明と同じ条件になる。

さらに、図３に、本発明の第３実施形態の蒸気発生装置１ｂの構成を示す。本実施形態の蒸気発生装置１ｂは、フラッシュタンク７に貯留する温水の温度を検出する温度検出器１８を有し、フラッシュタンク７に貯留する温水の温度を一定に保つように、冷媒圧縮機２の回転数を調節する。

フラッシュタンク７に導入された温水は、フラッシュタンク７の内圧における飽和蒸気と、その飽和蒸気温度の温水とに分離される。つまり、フラッシュタンク７に貯留された温水の温度によっても、フラッシュタンク７で発生する蒸気の温度および圧力を知ることができ、蒸気圧縮機１０から吐出される蒸気の圧力を一定に保つことができる。

第３実施形態の蒸気発生装置１ｂにおいて、フラッシュタンク７に貯留する温水の量が多いと、温度検出器１８の検出値の変化がフラッシュタンク７で発生する蒸気の圧力の変化に対して遅れることがある。その場合、図４に示す本発明の第４実施形態の蒸気発生装置１ｃのように、凝縮器３から流出し、フラッシュタンク７に導入される前の温水の温度を検出する温度検出器１９を設け、フラッシュタンク７に導入される温水の温度を一定に保つように、冷媒圧縮機２の回転数を調節してもよい。

フラッシュタンク７に導入される前の温水の温度と、フラッシュタンク７において分離される蒸気の圧力とは、一義的な関係にはないが、運転条件が安定していれば、フラッシュタンク７に導入される前の温水の温度を調節することによっても、蒸気圧力の調整が可能である。第１実施形態について説明した運転条件では、温度検出器１９の検出温度が９０℃になるように冷媒圧縮機２の回転数を制御すれば、フラッシュタンク７における蒸気圧力を約５８ｋＰａＡに調節して、蒸気圧縮機１０の吐出蒸気圧力を約０．５ＭＰａＧに保つことができる。

フラッシュタンク７に導入される前の温水温度に基づいて蒸気圧縮機１０の回転数を制御してもよいということは、本発明の蒸気発生装置１ｃにおいて、温水循環流路９のいずれの位置において温水の温度を検出してもよいことを意味する。例えば、フラッシュタンク７の出口配管や、ポンプ８の吐出配管において温水の温度を検出しても、冷媒圧縮機２の回転数制御によって、蒸気圧縮機１０の吐出蒸気圧力を一定できる。

また、補給水は、直接、フラッシュタンク７に供給するようにしてもよい。補給水の温度がフラッシュタンク７に貯留する温水と略同じであれば、ボールタップ等で簡易に補給水の給水量を調節することも可能である。

さらに、図５に、本発明の第５実施形態の蒸気発生装置１ｄを示す。本実施形態では、フラッシュタンク７の内圧を一定に保つように、蒸気圧縮機１０の回転数を制御している。そして、本実施形態のヒートポンプ６は、最大効率となる条件で連続運転する。

本実施形態の蒸気発生装置１ｄは、フラッシュタンク７の内圧下において、ヒートポンプ６から供給された熱量によって温水から蒸発する量の蒸気だけを蒸気圧縮機１０が吸引するように、蒸気圧縮機１０の回転数を制御する。これは、蒸気発生効率を最大化するものであり、発生する蒸気量は、温熱源である水の温度や補給水の水温などに依存する。よって、本実施形態の蒸気発生装置１は、主たるボイラの蒸気供給ラインに接続されて、補助的に使用されるのに適する。

また、本実施形態のヒートポンプ６を最大出力で運転すれば、蒸気発生装置１ｄによる蒸気発生量を最大化することができる。

当然ながら、上述の第２乃至第４実施形態のように、蒸気温度や温水温度を一定に保つように、蒸気圧縮機１０の回転数を制御することも可能である。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…蒸気発生装置
２…冷媒圧縮機
３…凝縮器
４…膨張弁
５…蒸発器
６…ヒートポンプ
７…フラッシュタンク
８…ポンプ
９…温水循環流路
１０…蒸気圧縮機
１１…補給水タンク
１２…給水調節弁
１４…圧力検出器
１５…レベルセンサ
１７…温度検出器
１８…温度検出器
１９…温度検出器

Claims

冷媒圧縮機、温水で冷却される凝縮器、膨張弁および蒸発器を冷媒循環流路に介設してなるヒートポンプと、
前記凝縮器から流出する前記温水を減圧して蒸気と温水とに分離するフラッシュタンク、および、前記フラッシュタンクが分離した温水を前記凝縮器に供給するポンプを備える温水循環流路と、
前記フラッシュタンクが分離した蒸気を吸引し、圧縮して当該蒸気での需要のある蒸気発生装置外となる前記温水循環流路の系外へ向けて当該蒸気を吐出する蒸気圧縮機と
を有する蒸気発生装置であって、
前記フラッシュタンクが分離した温水の液面を所定の高さに維持するように、前記温水循環流路の前記フラッシュタンクと前記ポンプとの間に設けられた当該フラッシュタンクの出口配管または前記フラッシュタンクに、前記蒸気として当該蒸気での需要のある蒸気発生装置外となる前記温水循環流路の系外へ向けて吐出した分だけ補給水を供給する給水手段と
を有し、
前記フラッシュタンクで分離される前記蒸気の圧力を一定とするために、前記温水循環流路のいずれかの位置における前記温水の温度、或いは、前記フラッシュタンク内の圧力または温度を一定に維持するように、前記冷媒圧縮機の出力を調整することで、前記ヒートポンプから前記温水循環流路に供給される熱量を調節するよう構成されていることを特徴とする蒸気発生装置。
前記冷媒圧縮機は、容積形圧縮機であり、前記出力の調整は回転数を調節することを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
前記補給水は、温水であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸気発生装置。