JP6019990B2 - 蒸気発生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蒸気発生装置に関する。
従来、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。一方、工場等で発生する排熱のエネルギーを効率よく回収することを可能にするために、燃料を用いずに蒸気を発生させることができるエネルギー効率の高い蒸気発生装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された蒸気発生装置によれば、約90℃と、比較的低い温度の温水から蒸気を取り出すことができる。
このような、比較的低い温度の温水から蒸気を取り出すことができる蒸気発生装置としては、タンクと、このタンクの内部を貫通するように配置されるチューブとを備えるシェルアンドチューブ型の気水分離器を用いた蒸気発生装置も知られている。シェルアンドチューブ型の気水分離器を用いれば、例えば、ガスエンジンのジャケット冷却水(約91℃)を熱源としてチューブに流通させるとともに、タンクの内部において、約82℃の温水をチューブに噴霧することによって、ガスエンジンによって発電機を駆動させるのと同時に蒸気を発生させることが可能となる。
この場合、チューブ表面に薄い液膜を形成させることで、チューブ内を流通する熱源と、噴霧される水の温度との差が約9℃と比較的小さくても、蒸気を発生させることができる。なお、チューブに噴霧された水のうち蒸気とならなかった水は、タンクの下部に貯留され、タンクの下部に貯留された水は、汲み上げられて再度チューブに噴霧されるか、必要に応じてブローラインを経由して排水されることになる。
特開2010−164223号公報
ところで、上記のようにシェルアンドチューブ型の気水分離器を用いた蒸気発生装置においては、タンクの下部に貯留された水の水位が上昇することによってチューブが水に浸ってしまうと、表面に薄い液膜を形成することのできるチューブの表面積が減少し、蒸気発生装置の蒸気の発生効率が下がってしまうという問題があった。
本発明は、上記の問題点を鑑みて発明されたものであり、シェルアンドチューブ型の気水分離器の下部に貯留された水の水位が上昇することによってチューブが水に浸ってしまうことを防止することにより、蒸気の発生効率の低下を防ぐことができる蒸気発生装置を提供することを目的とする。
本発明は、蒸発タンクと、前記蒸発タンクの内部に水平方向に延びて配置され、内部に熱源となる温水が流通するチューブと、前記チューブに温水を供給する温水供給ラインと、前記チューブから温水を排出する温水排出ラインと、前記蒸発タンクの内部における前記チューブよりも上方に配置され、該チューブに水を噴霧する噴霧ノズルと、前記蒸発タンクの上部に設けられ、該蒸発タンクの内部で発生した蒸気を導出する蒸気導出部と、前記蒸発タンクの下部に貯留された水を前記噴霧ノズルに供給する噴霧水供給ラインと、前記噴霧水供給ラインに設けられる噴霧水供給ポンプと、前記蒸発タンクの下部に貯留された水を排出するブローラインと、前記ブローラインに設けられ、該ブローラインから排出される水の流量を調整する排水量調整バルブと、前記蒸発タンクの下部に貯留された水の水位を検出する水位検出部と、前記噴霧水供給ポンプ及び前記排水量調整バルブを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記噴霧水供給ポンプが駆動されて前記噴霧ノズルから水の噴霧中において、前記水位検出部により検出された水位に基づき、前記蒸発タンクの下部に貯留された水の水位が前記チューブに接触しない所定の範囲になるように、前記排水量調整バルブを制御する、蒸気発生装置に関する。
また、蒸発タンクは、幅方向の長さが奥行き方向の長さよりも短い直方体状であることが好ましい。
また、本発明の蒸気発生装置は、前記蒸発タンクに補給水を供給する補給水ラインと、前記補給水ラインを流通する補給水と前記温水排出ラインを流通する温水との間で熱交換を行う熱交換器と、を更に備えることが好ましい。
また、本発明の蒸気発生装置は、前記補給水ラインに設けられる逆止弁を更に備え、前記逆止弁は、前記補給水ラインの上流側への水の流通を遮断するとともに、所定の圧力以上の水圧を受けた場合に前記補給水ラインによる前記蒸発タンクへの補給水の供給を許容することが好ましい。
また、本発明の蒸気発生装置は、前記温水供給ラインと前記温水排出ラインとを接続するバイパスラインを更に備えることが好ましい。
本発明によれば、蒸発タンクの内部のチューブが、蒸発タンクの下部に貯留された水に浸ってしまうことを防止できるので、蒸気発生装置の蒸気の発生効率の低下を防ぐことができる。
本発明の実施形態に係る蒸気発生装置の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係る蒸気発生装置における蒸発タンクの断面図である。
以下、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、本発明の実施形態に係る蒸気発生装置の概略を示す図である。
本実施形態の蒸気発生装置1は、ガスエンジンのジャケット冷却水の排熱等の比較的低温の熱源を利用して蒸気を発生させる。蒸気発生装置1で発生した蒸気は圧縮され、例えば、排熱回収ボイラに送られる。
この蒸気発生装置1は、図1及び図2に示すように、蒸発タンク21と、蒸発タンク21に設けられる水位検出部26及び蒸気導出部24と、蒸発タンク21の内部に配置される噴霧ノズル23及びチューブ25と、を備える。また、蒸気発生装置1は、蒸気又は水が流通する複数のライン、これら複数のラインを開閉させる複数のバルブ、所定のラインに配置されるポンプ、所定のラインに配置される熱交換器3、及びこれら複数の弁やポンプ等の動作を制御する制御装置9を備える。具体的には、蒸気発生装置1は、ラインとして、温水供給ラインL1と、温水排出ラインL2と、蒸気導出ラインL3と、噴霧水供給ラインL4と、ブローラインL5と、補給水ラインL6と、バイパスラインL7と、を備える。また、制御装置9に制御されるポンプには、噴霧水供給ポンプ6が含まれ、弁には、排水量調整バルブ5が含まれる。
なお、本明細書において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。
図2(a)は、蒸発タンク21を、奥行き方向LDと垂直であって、蒸発タンク21と噴霧水供給ラインL4とが接続する部分を通過する面で切断し、蒸発タンク21の正面方向から観察した断面図である。図2(b)は、蒸発タンク21を、蒸発タンク21の幅方向WD中央部分で、蒸発タンク21の幅方向WDと垂直な面で切断し、蒸発タンク21の側面方向から観察した断面図である。
蒸発タンク21は、図2に示すように、高さ方向HDの長さ(高さ)H1及び幅方向WDの長さ(幅)W1が、奥行き方向LDの長さ(奥行き)D1よりも短い直方体状に形成される。
蒸発タンク21は、この蒸発タンク21に供給された水から蒸気を生成する。また、蒸発タンク21は、蒸気とならなかった水を下部に貯留する。
水位検出部26は、蒸発タンク21の下部に貯留された水の水位を検出する。
蒸気導出部24は、蒸発タンク21の上部における幅方向WDの中央領域で、かつ、奥行き方向LDの中央領域に設けられる。この蒸気導出部24からは、蒸発タンク21で生成された蒸気が導出される。
チューブ25は、蒸発タンク21の内部に水平方向に延びて配置される。より具体的には、チューブ25は、蒸発タンク21の奥行き方向LDに延びるとともに、蒸発タンク21の幅方向WDに複数本配置され、更に、蒸発タンク21の高さ方向HDにも複数本配置されている。また、蒸発タンク21の幅方向WDの中央部に配置されるチューブ25の間隔W2は、蒸発タンク21の幅方向WDの側部に配置されるチューブ25の間隔W3よりも狭い。即ち、蒸発タンク21の幅方向WDの中央部に配置されるチューブ25の本数は、蒸発タンク21の幅方向WDの側部に配置されるチューブ25の本数よりも多くなっている。
以上のチューブ25の内部には、熱源となる温水が流通する。より具体的には、チューブ25のうち蒸発タンク21の高さ方向HD下半分に存在するチューブ25は、後述の温水供給ラインL1に接続され、チューブ25のうち蒸発タンク21の高さ方向HD上半分に存在するチューブ25は、後述の温水排出ラインL2に接続される。
蒸発タンク21の高さ方向HD下半分に配置されるチューブ25と、蒸発タンク21の高さ方向HD上半分に配置されるチューブ25とは、蒸発タンク21の奥行き方向LD奥側において繋がっている。そして、温水供給ラインL1から供給された温水は、蒸発タンク21の高さ方向HD下半分に存在するチューブ25を流通した後に折り返して、蒸発タンク21の高さ方向HD上半分に存在するチューブ25を流通し、温水排出ラインL2から排出される。
噴霧ノズル23は、蒸発タンク21の内部におけるチューブ25よりも上方に配置される。噴霧ノズル23は、蒸発タンク21の幅方向WDの中央領域に、蒸発タンク21の奥行き方向LDに所定の間隔をあけて複数配置されている。本実施形態においては、噴霧ノズル23は、蒸気導出部24の奥側及び手前側に2つ配置されている。噴霧ノズル23の噴霧角は広角であり180°に近い。噴霧ノズル23は、チューブ25に向けて水を噴霧する。
温水供給ラインL1は、チューブ25に熱源となる温水を供給する。温水供給ラインL1の上流側は、温水を供給するガスエンジン等に接続される。温水供給ラインL1の下流側は、チューブ25の一端部に接続される。
温水排出ラインL2は、チューブ25の内部を流通し、熱源として利用された温水を外部に排出する。温水排出ラインL2の上流側は、チューブ25の他端部に接続される。
蒸気導出ラインL3は、蒸気導出部24に接続され、蒸発タンク21において生成された蒸気を導出する。蒸気導出ラインL3の下流側には、エゼクタや蒸気圧縮機等(図示せず)が接続される。
噴霧水供給ラインL4は、蒸発タンク21の下部と、噴霧ノズル23とを接続する。この噴霧水供給ラインL4は、蒸発タンク21の下部に貯留された水を、噴霧水として噴霧ノズル23に供給する。噴霧水供給ラインL4には、噴霧水供給ポンプ6が設けられている。
噴霧水供給ポンプ6は、蒸発タンク21の下部に貯留された水を噴霧ノズル23まで汲み上げる。
ブローラインL5は、蒸発タンク21の下部に貯留された水の一部を排出する。ブローラインL5の上流側は、噴霧水供給ラインL4に接続される。ブローラインL5には、排水量調整バルブ5が設けられている。
排水量調整バルブ5は、ブローラインL5から排出される水の量を調整する。
補給水ラインL6は、蒸発タンク21の下部と、水を貯留している貯留槽等とを接続する。補給水ラインL6は、蒸発タンク21に補給水を供給する。この補給水ラインL6には、補給水供給ポンプ7及び逆止弁8が設けられている。
補給水供給ポンプ7は、貯留槽等から供給された水を昇圧して蒸発タンク21の内部に供給する。
逆止弁8は、補給水ラインL6の上流側への水の流通を遮断するとともに、所定の圧力以上の水圧を受けた場合に補給水ラインL6による蒸発タンク21への補給水の供給を許容する。
バイパスラインL7は、温水供給ラインL1と温水排出ラインL2とを接続する。温水供給ラインL1からバイパスラインL7への分岐点には、三方弁4が配置される。三方弁4を切り替えることによって、供給される温水を蒸発タンク21の内部のチューブ25に流通させずにバイパスラインL7及び温水排出ラインL2を経由して排出させることができる。
熱交換器3は、温水排出ラインL2を流通する温水と補給水ラインL6を流通する水との間で熱交換を行う。
制御装置9は、上述のポンプの駆動や弁の開閉を制御することで、蒸気発生装置1による蒸気の発生量等を制御する。制御装置9による制御の詳細については、後述する。
本実施形態の蒸気発生装置1は、次のように動作する。
まず、ガスエンジン等から熱源となる約91℃の温水が、温水供給ラインL1を通じてチューブ25に供給される。チューブ25に供給された温水は、蒸発タンク21の高さ方向HD下側のチューブ25を流通した後に、蒸発タンク21の高さ方向HD上側のチューブ25を流通する。
一方、蒸発タンク21の内部においては、噴霧ノズル23からチューブ25に向けて、噴霧水が噴霧される。また、蒸発タンク21の内部は、負圧(例えば、−0.043MPaG)に維持されている。これにより、チューブ25を流通する温水は、噴霧水によって熱を奪われて約84℃まで降温し、温水排出ラインL2を通じて排出される。
また、温水が流通するチューブ25には、噴霧ノズル23から約82℃の水が噴霧されることで、表面に薄い液膜が形成される。このように、負圧に維持された状態において、チューブ25の表面に薄い液膜が形成されることによって、チューブ25内を流通する温水と、噴霧ノズル23によって噴霧される水との温度差が比較的小さい場合(例えば、約9℃)であっても効率的に蒸気を発生させることが可能になる。
蒸発タンク21の内部で発生した蒸気は、蒸気導出部24から導出され、蒸気導出ラインL3を通じて蒸気圧縮機等に供給される。
蒸発タンク21の内部で蒸気にならなかった水は、蒸発タンク21の下部に貯留される。蒸発タンク21の下部に貯留された水は、噴霧水供給ラインL4を通じて、噴霧水供給ポンプ6によって噴霧ノズル23まで汲み上げられ、再びチューブ25に噴霧される。
噴霧水供給ラインL4と蒸発タンク21との間を循環する水が少なくなった場合には、補給水ラインL6から蒸発タンク21に補給水が補給される。補給水ラインL6によって補給される水は、熱交換器3によって、温水排出ラインL2を流通する温水と熱交換を行う。補給水ラインL6によって補給される水は、温水排出ラインL2を流通する温水と熱交換を行うことによって、例えば、約40℃に昇温される。
また、補給水ラインL6には、所定の圧力以上の水圧を受けた場合に蒸発タンク21への補給水の供給を許容する逆止弁8が設けられている。これにより、蒸気発生装置1が停止した直後の補給水の蒸発タンク21への流入を防止できる。つまり、蒸気発生装置1の運転時には蒸発タンク21の内部は負圧になっているため、蒸気発生装置1を停止した直後には補給水がタンク側へ流入しようとする力が働くが、逆止弁8は、順方向(蒸発タンク21側)へ水が流れるためにもある程度の圧力が必要なので、蒸発タンク21内が若干負圧になっている程度では補給水が蒸発タンク21側へ流入しない。
一方、蒸気導出ラインL3の下流に接続されている蒸気圧縮機等の周辺機器に何らかのトラブルが発生した際に、蒸発タンク21内のチューブ25に温水を流通させ続けた場合、蒸発タンク21内の温度が低下せず、過剰な量の蒸気が発生してしまう。このような周辺機器のトラブルの際には、三方弁4を切り替えることによってバイパスラインL7に温水を流通させることで過剰な量の蒸気の発生を防止できる。また、蒸気発生装置1全体の電源を停止するのではなく、バイパスラインL7を使用することによって、蒸発タンク21内に貯留された水の水位や水温の低下を招くことがなく、周辺機器がトラブルから復旧した際にも蒸気発生の立ち上げを早くすることができる。
次に、本実施形態の蒸気発生装置1における蒸発タンク21に貯留された水の水位制御の詳細について説明する。
制御装置9は、制御部91としてのCPU及び記憶部92としてのメモリを備えるマイクロプロセッサを含んで構成される。
記憶部92は、蒸気発生装置1における蒸発タンク21の内部に貯留された水の水位制御の判断基準として設定された水位を記憶する。例えば、記憶部92は、蒸発タンク21に貯留される水がチューブ25に接触しない水位の上限である上限水位、及び蒸発タンク21に貯留されるべき最低限度の水位である下限水位を記憶する。
制御部91は、水位検出部26により検出された水位に基づいて、蒸発タンク21の水位が所定の範囲になるように排水量調整バルブ5の開度を調整する。本実施形態では、制御部91は、蒸発タンク21の内部に貯留された水がチューブ25に接触しないように、蒸発タンク21の水位を制御する。
具体的には、水位検出部26により検出される水位が、記憶部92に記憶された上限水位に達すると、制御部91は、排水量調整バルブ5を所定の開度で開放させる。すると、蒸発タンク21の内部に貯留された水は、ブローラインL5から排出され、蒸発タンク21の水位は低下する。
また、蒸発タンク21の水位が低下し、水位検出部26により検出される水位が、記憶部92に記憶された下限水位に達すると、制御部91は、排水量調整バルブ5を閉止させる。これにより、ブローラインL5からの排水は停止され、蒸発タンク21の水位の低下は止まる。
また、水位検出部26により検出される水位が下限水位に達した場合には、制御部91は、補給水供給ポンプ7を駆動させ、補給水ラインL6からの補給水の供給を開始させる。
本実施形態に係る蒸気発生装置1は、以下のような効果を奏する。
(1)蒸発タンク21下部に貯留された水の水位が上昇することによってチューブ25が水に浸ってしまうと、表面に薄い液膜を形成することのできるチューブ25の表面積が減少し、蒸気発生装置1の蒸気の発生効率が下がってしまう。そこで、蒸気発生装置1を、排水量調整バルブ5と、蒸発タンク21の水位を検出する水位検出部26と、水位検出部26によって検出された水位に基づいて排水量調整バルブ5を制御する制御部91とを含んで構成し、この制御部91に、蒸発タンク21の水位がチューブ25に接触しない範囲の水位となるように排水量調整バルブ5を制御させた。これにより、蒸発タンク21に貯留される水により、チューブ25が水に浸ってしまうことを防止することができるので、蒸気発生装置1の蒸気の発生効率が下がってしまうことがない。
また、蒸発タンク21下部に貯留された水の水位を制御することが可能であるので、蒸発タンク21の下部のスペースを小さくことができ、それによって、蒸発タンク21の高さを低く抑えることもできる。蒸発タンク21の高さを低くすることによって、蒸発タンク21下部に貯留された水を噴霧ノズル23まで汲み上げるためのエネルギーを抑えることができ、噴霧水供給ポンプ6による消費電力を節約することができる。
(2)蒸発タンク21の奥行き方向LDの長さD1を、蒸発タンク21の高さ方向HDの長さH1よりも長く構成した。これにより、蒸発タンク21の高さH1を低くした場合であっても、チューブ25の長さを長くできるので、蒸気の発生量が下がらないようにすることができる。よって、蒸気発生装置1の蒸気の発生効率を向上させることができる。
(3)温水排出ラインL2を流通する温水と補給水ラインL6を流通する補給水との間で熱交換を行う熱交換器3を備えることによって、蒸発タンク21に補給される補給水の温度をあらかじめ上げておくことができ、蒸気発生装置1の蒸気の発生効率を高くすることが可能である。
(4)蒸気発生装置1の運転時には蒸発タンク21の内部は負圧になっているため、蒸気発生装置1を停止した直後には補給水が蒸発タンク21側に流入しようとする力が働く。そこで、補給水ラインL6に、所定の圧力以上の水圧を受けた場合に蒸発タンク21への補給水の供給を許容する逆止弁8を配置した。これにより、蒸発タンク21側に水が流れるために、所定の圧力が必要なので、蒸発タンク21内が若干負圧になっていた場合であっても、補給水が蒸発タンク21側に流入することを防げる。
(5)蒸気導出ラインL3の下流に接続されている蒸気圧縮機等の周辺機器に何らかのトラブルが発生した際に、蒸発タンク21内のチューブ25に温水を流通させ続けた場合、蒸発タンク21内の温度が低下せず、望まない過剰な量の蒸気が発生してしまう。そこで、蒸気発生装置1を、バイパスラインL7を含んで構成した。これにより、周辺機器にトラブルが発生した場合等に、バイパスラインL7に温水を流通させることで、蒸発タンク21への温水の流通を遮断できるので、過剰な量の蒸気の発生を防止できる。
また、バイパスラインL7に温水を流通させて蒸発タンク21への温水の流通を遮断できるので、蒸気発生装置1全体の電源を停止することなく、蒸気の発生を抑制できる。よって、電源を停止することに起因した蒸発タンク21の内部の水位や水温の低下が生じないので、周辺機器がトラブルから復旧した際にも蒸気発生の立ち上げを早くすることができる。
以上、本発明の蒸気発生装置の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、蒸発タンク21が1台で構成されるものとしたが、蒸発タンク21を複数台にして、それぞれの蒸発タンク21で水位制御を行う構成としてもよいし、蒸発タンク21を複数台にして、更に複数台の蒸発タンク21において蒸発しなかった水をまとめて貯留する集合タンクを設けて、集合タンクにおいて水位制御を行う構成としてもよい。
1 蒸気発生装置
3 熱交換器
4 三方弁
5 排水量調整バルブ
6 噴霧水供給ポンプ
7 補給水供給ポンプ
8 逆支弁
9 制御装置
21 蒸発タンク
22 集合タンク
23 噴霧ノズル
24 蒸気導出部
25 チューブ
26 水位検出部
91 制御部
92 記憶部
L1 温水供給ライン
L2 温水排出ライン
L3 蒸気導出ライン
L4 噴霧水供給ライン
L5 ブローライン
L6 補給水ライン
L7 バイパスライン

Claims (5)

  1. 蒸発タンクと、
    前記蒸発タンクの内部に水平方向に延びて配置され、内部に熱源となる温水が流通するチューブと、
    前記チューブに温水を供給する温水供給ラインと、
    前記チューブから温水を排出する温水排出ラインと、
    前記蒸発タンクの内部における前記チューブよりも上方に配置され、該チューブに水を噴霧する噴霧ノズルと、
    前記蒸発タンクの上部に設けられ、該蒸発タンクの内部で発生した蒸気を導出する蒸気導出部と、
    前記蒸発タンクの下部に貯留された水を前記噴霧ノズルに供給する噴霧水供給ラインと、
    前記噴霧水供給ラインに設けられる噴霧水供給ポンプと、
    前記蒸発タンクの下部に貯留された水を排出するブローラインと、
    前記ブローラインに設けられ、該ブローラインから排出される水の流量を調整する排水量調整バルブと、
    前記蒸発タンクの下部に貯留された水の水位を検出する水位検出部と、
    前記噴霧水供給ポンプ及び前記排水量調整バルブを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記噴霧水供給ポンプが駆動されて前記噴霧ノズルから水の噴霧中において、前記水位検出部により検出された水位に基づき、前記蒸発タンクの下部に貯留された水の水位が前記チューブに接触しない所定の範囲になるように、前記排水量調整バルブを制御する、蒸気発生装置。
  2. 前記蒸発タンクは、幅方向の長さが奥行き方向の長さよりも短い直方体状である請求項1に記載の蒸気発生装置。
  3. 前記蒸発タンクに補給水を供給する補給水ラインと、
    前記補給水ラインを流通する補給水と前記温水排出ラインを流通する温水との間で熱交換を行う熱交換器と、を更に備える請求項1又は2に記載の蒸気発生装置。
  4. 前記補給水ラインに設けられる逆止弁を更に備え、
    前記逆止弁は、前記補給水ラインの上流側への水の流通を遮断するとともに、所定の圧力以上の水圧を受けた場合に前記補給水ラインによる前記蒸発タンクへの補給水の供給を許容する請求項3に記載の蒸気発生装置。
  5. 前記温水供給ラインと前記温水排出ラインとを接続するバイパスラインを更に備える請求項1〜4のいずれかに記載の蒸気発生装置。
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