JP6104702B2 - 蒸気生成システム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気生成システムに関する。より詳細には、温水を熱源として蒸気を生成する蒸気発生装置と、この蒸気発生装置で生成された蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置と、を備える蒸気生成システムに関する。

従来、温水を熱源として蒸気を生成する蒸気発生装置と、この蒸気発生装置で生成された蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置と、を備える蒸気生成システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような蒸気生成システムでは、蒸気発生装置により生成された低圧の蒸気は、蒸気昇圧装置によって昇圧された後、蒸気使用機器に供給される。

特開２０１０−１６４２２３号公報

ところで、蒸気生成システムにおいては、蒸気昇圧装置の駆動状態（負荷率）は、この蒸気昇圧装置に供給される蒸気の圧力に基いて制御される。より具体的には、蒸気昇圧装置の負荷率は、蒸気昇圧装置に供給される蒸気の圧力（蒸気発生装置から蒸気昇圧装置に蒸気を供給する蒸気供給ラインの蒸気圧）が予め設定された所定の目標圧力を下回らないように制御される。

即ち、蒸気供給ラインの蒸気圧が目標圧力よりも所定の範囲を超えて高くなっている場合には、蒸気昇圧装置は、最大負荷率（１００％）にて駆動される。これにより、蒸気昇圧装置には上限量の蒸気が吸引され、蒸気供給ラインの蒸気圧の上昇は抑制される。
一方、蒸気供給ラインで測定される蒸気圧が、目標圧力付近まで低下した場合や、目標圧力を下回った場合には、蒸気昇圧装置は、低い負荷率で駆動される。これにより、蒸気昇圧装置に吸引される蒸気の量は減少し、蒸気供給ラインの蒸気圧は上昇する。
蒸気生成システムでは、蒸気供給ラインの蒸気圧、つまり、蒸気発生装置における蒸気の出口圧力を安定化させることで、蒸気発生装置における蒸気の生成量を安定化させている。

ここで、目標圧力は、蒸気生成システムが定常状態で運転している場合における蒸気供給ラインの蒸気圧よりも低く設定される。これにより、定常状態において蒸気昇圧装置を高負荷率で運転させられ、蒸気生成システムのエネルギ効率を向上させられる。
しかしながら、蒸気生成システムの起動時には、蒸気供給ラインの蒸気圧は、定常状態とは異なった挙動を示す。即ち、蒸気生成システムの起動時には、停止していた蒸気発生装置及び蒸気昇圧装置の駆動が開始されることに起因して、蒸気供給ラインの蒸気圧が、定常状態に比して大きく上下する。そして、蒸気供給ラインの蒸気圧が大きく上下してしまうと、目標圧力の設定値によっては、蒸気昇圧装置の負荷率を好適に制御できなくなり、蒸気供給ラインの蒸気圧が過剰に上昇してしまう場合がある。

従って、本発明は、起動時においても安定的に運転させられる蒸気生成システムを提供することを目的とする。

本発明は、温水を熱源として蒸気を生成する蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置において生成された蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置と、前記蒸気発生装置において生成された蒸気を前記蒸気昇圧装置に供給する蒸気供給ラインと、前記蒸気供給ラインを流通する蒸気の圧力を測定する蒸気圧測定部と、前記蒸気圧測定部により測定される蒸気圧が設定された目標圧力を下回らないように前記蒸気昇圧装置の負荷率を制御する制御部と、を備える蒸気生成システムであって、前記目標圧力を、前記蒸気発生装置の起動時において前記蒸気圧測定部により測定される最低蒸気圧よりも低く設定する蒸気生成システムに関する。

また、前記目標圧力を、前記蒸気発生装置の起動後の運転時においても継続して前記蒸気圧測定部により測定される最低蒸気圧よりも低く設定することが好ましい。

本発明の蒸気生成システムによれば、起動時においても安定的に運転させられる。

本発明の一実施形態に係る蒸気生成システムの構成を示す図である。 目標圧力を高く設定した場合の蒸気生成システムの起動時における蒸気供給ラインの蒸気圧と蒸気昇圧装置の負荷率との関係を示す図である。 目標圧力を低く設定した場合の蒸気生成システムの起動時における蒸気供給ラインの蒸気圧と蒸気昇圧装置の負荷率との関係を示す図である。

以下、本発明の蒸気生成システムの好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の蒸気生成システム１は、蒸気を生成する蒸気発生装置１０と、この蒸気発生装置１０において生成された蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置２０と、蒸気発生装置１０と蒸気昇圧装置２０とを接続する蒸気供給ライン３０と、この蒸気供給ライン３０を流通する蒸気の圧力（蒸気圧）を測定する蒸気圧測定部としての圧力センサ４０と、この圧力センサ４０により測定される蒸気圧に基いて蒸気昇圧装置２０の動作を制御する制御部５０と、を備える。

蒸気発生装置１０は、図１に示すように、ガスエンジン１００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。この蒸気発生装置１０は、タンク部１１と、タンク部１１の内部に配置されるチューブ１２及び噴霧ノズル１３と、温水供給ライン１４と、温水排出ライン１５と、噴霧水供給ライン１６と、補給水ライン１７と、を備える。「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。

タンク部１１は、蒸気発生装置１０における本体部分を構成する。タンク部１１の内部は負圧もしくは低圧（例えば、−０．０５ＭＰａＧ〜０．１ＭＰａＧ程度）に維持され、このタンク部１１の内部において蒸気が生成される。このタンク部１１の上部には、後述の蒸気供給ライン３０の基端部が接続される。
また、タンク部１１には、安全弁３１が設けられる。安全弁３１は、タンク部１１の内部の圧力が所定の圧力（設定圧力）を超えた場合に、蒸気を外部に放出してタンク部１１（蒸気発生装置１０）の内部の圧力を低下させる。

チューブ１２は、タンク部１１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１２は、タンク部１１の内部において、水平方向に所定間隔をあけて複数本配置されると共に、高さ方向にも所定間隔をあけて複数本配置される。このチューブ１２の内部には、熱源となる温水が流通する。

噴霧ノズル１３は、タンク部１１の内部におけるチューブ１２よりも上方に配置される。この噴霧ノズル１３は、チューブ２５に向けて水を噴霧する。
温水供給ライン１４は、チューブ１２に熱源となる温水を供給する。温水供給ライン１４の上流側は、熱源となる温水を供給するガスエンジン１００等に接続される。温水供給ライン１４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１５は、チューブ１２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１５の上流側は、チューブ１２の他端部に接続される。
噴霧水供給ライン１６は、タンク部１１の下部と噴霧ノズル１３とを接続し、タンク部１１の下部に貯留された水を、噴霧水として噴霧ノズル１３に供給する。噴霧水供給ライン１６には、噴霧水ポンプ１６１が配置されている。
噴霧水ポンプ１６１は、タンク部１１に貯留された水を噴霧ノズル１３まで汲み上げる。

補給水ライン１７は、タンク部１１と水を貯留している貯留槽等（図示せず）とを接続する。補給水ライン１７は、タンク部１１に補給水を供給する。この補給水ライン１７には、補給水ポンプ１７１が配置される。
補給水ポンプ１７１は、貯留槽等から供給された水を昇圧してタンク部１１の内部に供給する。

以上の蒸気発生装置１０によれば、まず、ガスエンジン１００等から熱源となる温水（例えば、約９０℃）が、温水供給ライン１４を通じてチューブ１２に供給される。チューブ１２に供給された温水は、タンク部１１の内部に配置されたチューブ１２に導入される。
一方、タンク部１１の内部においては、噴霧ノズル１３からチューブ１２に向けて、噴霧水が噴霧される。また、タンク部１１の内部は、負圧もしくは低圧（例えば、−０．０５ＭＰａＧ〜０．１ＭＰａＧ程度）に維持されている。これにより、チューブ１２を流通する温水は、噴霧水によって熱を奪われて８５℃程度まで降温し、温水排出ライン１５を通じて排出される。

また、温水が流通するチューブ１２には、噴霧ノズル１３から８０℃程度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、タンク部１１の内部が負圧に維持された状態において、チューブ１２の表面に薄い液膜が形成されることによって、チューブ１２の内部を流通する温水と、噴霧ノズル１３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１０℃）であっても効率的に蒸気を生成することが可能になる。

タンク部１１の内部で発生した蒸気は、蒸気供給ライン３０から導出される。
タンク部１１の内部で蒸気にならなかった水は、タンク部１１の下部に貯留される。タンク部１１の下部に貯留された水は、噴霧水供給ライン１６を通じて、噴霧水ポンプ１６１によって噴霧ノズル１３まで汲み上げられ、再びチューブ１２に噴霧される。
タンク部１１に貯留される水が少なくなった場合には、補給水ライン１７からタンク部１１に補給水が補給される。

蒸気昇圧装置２０は、蒸気発生装置１０において生成された低圧の蒸気（例えば、−０．０５ＭＰａＧ〜０．１ＭＰａＧ）を吸引して圧縮し、昇圧する。蒸気昇圧装置２０は、例えば、スクリュー式の蒸気圧縮機により構成され、低圧の蒸気を０．４ＭｐａＧ〜０．８ＭＰａＧ程度に昇圧する。
蒸気昇圧装置２０により昇圧された蒸気は、圧縮蒸気供給ライン１１０を介して蒸気使用機器１２０に供給される。

蒸気供給ライン３０は、蒸気発生装置１０において生成された蒸気を蒸気昇圧装置２０に供給する。
圧力センサ４０は、蒸気供給ライン３０の内部における蒸気圧を測定する。

制御部５０は、蒸気供給ライン３０を流通する蒸気の圧力（圧力センサ４０で測定される蒸気圧）に基いて、蒸気昇圧装置２０の動作（負荷率）を制御する。より具体的には、制御部５０は、蒸気供給ライン３０において測定される蒸気圧が設定された目標圧力Ｐを下回らないように、蒸気昇圧装置２０の負荷率を制御する。

即ち、蒸気供給ライン３０の蒸気圧が目標圧力Ｐよりも所定の範囲を超えて高くなっている場合には、制御部５０は、負荷率を最大（負荷率１００％）にして蒸気昇圧装置２０を駆動させる。これにより、蒸気昇圧装置２０には、上限量の蒸気が吸引されることになり、蒸気供給ライン３０の蒸気圧は低下していく。

一方、蒸気供給ライン３０で測定される蒸気圧が、目標圧力Ｐ付近まで低下した場合や、目標圧力Ｐを下回った場合には、制御部５０は、蒸気昇圧装置２０の負荷率を低下させる。これにより、蒸気昇圧装置２０に吸引される蒸気の量は減少し、蒸気供給ライン３０の蒸気圧は上昇する。
このようにして、蒸気供給ライン３０の蒸気圧を所定の範囲に維持させることにより、蒸気発生装置１０により蒸気を効率よくかつ安定的に生成させられ、また、蒸気生成システム１を安定的に運転させられる。

図２は、目標圧力Ｐを高く設定した場合の蒸気生成システム１の起動時における蒸気供給ライン３０の蒸気圧と蒸気昇圧装置２０の負荷率との関係を示す図である。図３は、目標圧力Ｐを低く設定した場合の蒸気生成システム１の起動時における蒸気供給ライン３０の蒸気圧と蒸気昇圧装置２０の負荷率との関係を示す図である。

ところで、蒸気生成システム１の運転開始時には、蒸気発生装置１０及び蒸気昇圧装置２０が起動される。図２及び図３に示すように、まず、蒸気発生装置１０が起動されると、蒸気供給ライン３０の蒸気圧が徐々に増加していく。次いで、蒸気昇圧装置２０が起動されると、蒸気昇圧装置２０の負荷率も増加していく。

ここで、蒸気発生装置１０の起動時には、蒸気昇圧装置２０の負荷率が低いため、蒸気供給ラインの蒸気圧は、上昇していく。すると、制御部５０は、蒸気昇圧装置２０の負荷率を増加させ、蒸気昇圧装置２０の負荷率は、最大（１００％）まで上昇する。
蒸気昇圧装置２０の負荷率が最大になると、蒸気昇圧装置２０に吸引される蒸気の量が増加するため、蒸気供給ライン３０の蒸気圧は低下していく。そして、蒸気供給ライン３０の蒸気圧が目標圧力Ｐを下回る（又は目標圧力Ｐに近づく）と、制御部５０は、蒸気供給ライン３０の圧力が目標圧力を下回らないように、蒸気昇圧装置２０の負荷率を低下させる。すると、蒸気昇圧装置２０に吸引される蒸気の量が減少するため、蒸気供給ライン３０の蒸気圧の低下はとまり、蒸気圧は再び上昇していく。

このように、蒸気発生装置１０の起動時（蒸気生成システム１の運転開始時）には、蒸気供給ライン３０の蒸気圧は、上下を繰り返しながら徐々に安定化していき、定常状態に至る。

ところで、図２に示すように、目標圧力Ｐを蒸気発生装置１０の起動時に蒸気供給ライン３０で測定される最低蒸気圧よりも高く設定した場合は、蒸気供給ライン３０の蒸気圧が過剰に上昇してしまう場合がある。
即ち、目標圧力Ｐを高く設定した場合には、蒸気発生装置１０の起動時に蒸気供給ライン３０の蒸気圧が上昇した後、この蒸気圧が低下すると目標圧力Ｐを下回る。すると、制御部５０は、蒸気供給ライン３０の蒸気圧を目標圧力Ｐ以上にするために、蒸気昇圧装置２０の負荷率を大きく低下させる。これにより、蒸気圧の更なる低下は回避され、蒸気圧は再び上昇する。しかしながら、蒸気圧の低下により、蒸気発生装置１０で生成される蒸気の量は増えていくため、生成される蒸気量が増加する一方で蒸気昇圧装置２０の負荷率が低下するという事態が生じる。その結果、図２に示すように、蒸気圧が過剰に増加してしまう。そして、蒸気圧が過剰に増加して蒸気発生装置１０の安全弁３１の設定圧力を超えた場合には、安全弁３１から生成された蒸気が外部に放出され、蒸気生成システム１が停止してしまう。

そこで、本実施形態では、図３に示すように、目標圧力Ｐを、蒸気発生装置１０の起動時において圧力センサ４０により測定される最低蒸気圧よりも低く設定した。
これにより、蒸気発生装置１０の起動時に蒸気供給ライン３０の蒸気圧が上昇した後、この蒸気圧が低下しても、低下した蒸気圧が目標圧力Ｐを下回ることを防げる。よって、蒸気発生装置１０の起動時に蒸気圧が上下した場合であっても、蒸気昇圧装置２０を、負荷率を大きく低下させることなく運転させられる。その結果、蒸気発生装置１０の起動時に、蒸気供給ライン３０の蒸気圧が過剰に増加することを防げるので、蒸気生成システム１を起動時においても安定的に運転させられる。

尚、本発明において、蒸気発生装置１０の起動時とは、蒸気発生装置１０が起動してから、蒸気供給ライン３０を流通する蒸気の圧力が安定化して定常状態に至るまでの期間を示す。そして、蒸気発生装置１０の起動時における最低蒸気圧とは、蒸気発生装置１０が起動してから定常状態に至るまでの間に蒸気圧が上下する場合の最低圧力を示す。また、この最低蒸気圧には、蒸気発生装置１０が起動してから最初に上限に達するまでの間における蒸気圧の値は含まない。

また、蒸気発生装置１０の起動後の運転時においても継続して、目標圧力Ｐを上記のように設定することで、例えば、給水時等に蒸気発生装置１０において生成される蒸気の圧力（蒸気圧）が低下した場合にも、蒸気昇圧装置２０を最大負荷率で運転させられる。これにより、蒸気生成システム１を構成する機器を改造等することなく、システム性能を向上させられ、また、システムを安定化させられる。尚、蒸気発生装置１０が最大負荷率で運転している状態では、蒸気発生装置１０からは、蒸気昇圧装置２０の許容吸引蒸気量以上の蒸気が発生するため、蒸気供給ライン３０の蒸気圧は時間の経過と共に所定の圧力にバランスしていく。

以上、本発明の蒸気生成システム１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。

１ 蒸気生成システム
１０ 蒸気発生装置
２０ 蒸気昇圧装置
３０ 蒸気供給ライン
４０ 圧力センサ（蒸気圧測定部）
５０ 制御部
Ｐ 目標圧力

Claims (2)

1. 温水を熱源として蒸気を生成する蒸気発生装置と、
   前記蒸気発生装置において生成された蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置と、
   前記蒸気発生装置において生成された蒸気を前記蒸気昇圧装置に供給する蒸気供給ラインと、
   前記蒸気供給ラインを流通する蒸気の圧力を測定する蒸気圧測定部と、
   前記蒸気圧測定部により測定される蒸気圧が設定された目標圧力を下回らないように前記蒸気昇圧装置の負荷率を制御する制御部と、を備える蒸気生成システムであって、
   前記目標圧力を、前記蒸気発生装置の起動時において前記蒸気圧測定部により測定される最低蒸気圧よりも低く設定する蒸気生成システム。
2. 前記目標圧力を、前記蒸気発生装置の起動後の運転時においても継続して前記蒸気圧測定部により測定される最低蒸気圧よりも低く設定する請求項１に記載の蒸気生成システム。

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