JP6434537B2 - 蒸気を膨張させる装置とその装置を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は蒸気を膨張させる装置に関する。

蒸気とは、本発明では、水蒸気又は二相気体の他の形態を意味する。

より詳細に、本発明は、蒸気を膨張させる装置に係り、この装置は、蒸気エネルギーをローターの軸に加えられる機械エネルギーに変換するためのローターを有する膨張機を含み、この膨張機は、蒸気の流入管に接続される流入口と、蒸気の流出管に接続される流出口と、を含み、流入管は流入弁を具備し、流出管は流出弁を具備し、流入弁及び流出弁は、膨張機が作動していないとき、これらの弁を閉じることによって、膨張機を含む流入弁と流出弁との間の区域を隔離するためのものである。

このような装置は、高圧蒸気を低圧蒸気に膨張させ、それによって機械エネルギー又は電気エネルギーを発生させることが知られている。

作動中、流入弁と流出弁は開弁され、装置は完全に蒸気の中にある。

例えば、蒸気又はエネルギーの需要がない又は故障状態であるため装置が停止しているとき、この流入弁と流出弁は閉じられて、蒸気は、装置内に、より詳細には膨張機を含むこれら２つの弁の間の区域内に閉じ込まれる。

この閉じ込まれた蒸気は周囲温度まで冷え、蒸気の特性により前述した区域内の圧力は低下し、流入弁と流出弁との間に強い真空が引き起される。

その結果、空気が、例えば、蒸気膨張機又は弁又は他の場所のシールを通って、装置内に吸い込まれることがある。

装置内の空気と水蒸気の凝縮物の結合は、非常に高い腐食性環境を作り出し、装置、かくして膨張機の構成要素がこの腐食性環境にさらされる。

これは構成要素の寿命を大幅に減少させるといった不利益を有する。

その上、これは装置の信頼性にとって有害な結果を有する。

追加の不利益は、膨張機それ自体の腐食が効率を低下させることがあり、機械を再始動しても、あまりエネルギーを生じさせないことである。

追加の利益は、ユニットを再始動したとき管及び機器の腐食が起こることがあるので、装置内の空気が流出管の下流で問題を引き起こし、例えば熱交換器の熱伝達の低下により工程の効率損失を引き起こすことがある。

本発明の目的は、前述した不利益と他の不利益の少なくとも１つに対する解決案を提供することである。

本発明の目的は、蒸気を膨張させるための装置であり、この装置は、蒸気エネルギーをローターの軸に加えられる機械エネルギーに変換するローターを有する膨張機を含み、この膨張機は、蒸気の流入管に接続される流入口と、蒸気の流出管に接続される流出口と、を含み、流入管は流入弁を具備し、流出管は流出弁を具備し、流入弁及び流出弁は、膨張機が作動していないとき、これらの弁を閉じることによって、膨張機を含む流入弁と流出弁との間の区域を隔離するためのものであり、装置は、膨張機が作動していないとき、流入弁と流出弁との間の前述した区域に過圧の蒸気を供給する蒸気供給部を更に具備する。

ここで、過圧とは、多くの場合、局部的な大気圧である、膨張機の周囲圧力よりも高い圧力を意味する。

利点は、前述した区域が過圧の中におかれ、かくして真空が発生せず、装置内に空気が侵入しないことである。

その結果、装置内の腐食性環境のリスクは最小限に抑えられ、これに付随する不利な結果を制限することができる。

好ましくは、蒸気供給部は、コントローラーに接続される供給弁が設けられ、該コントローラーは、膨張機が作動していないとき供給弁を開弁し、膨張機が作動に戻ったとき供給弁を再び閉じる。

これは、蒸気供給部は、膨張機が作動しなくなったとき、言い換えれば、空気を吸い込むことの腐食や他の有害な結果を防止するのに必要なときのみに提供される利点を有する。

実際の実施形態では、膨張機には凝縮液を排出するための排水管が設けられ、膨張機の良好稼働に有害な影響を及ぼすことがある凝縮液が膨張機内に蓄積することがないといった利点がある。

好ましい実施形態では、蒸気供給部は、流入弁の上流で流入管から及び/又は流出弁の下流で流出管から蒸気を取り出す蒸気供給管によって形成される。

これは、流入管又は流出管内の既に利用可能な蒸気を使用することができ、特別な蒸気を別々に製造する必要がないという利点を有する。

当然、流出弁の下流で流出管からの蒸気は、この蒸気が十分な圧力である場合にのみ使用することができ、それは流出管内の圧力が、少なくとも２つの弁の間の前述した区域の圧力よりも高く、好ましくは周囲圧力より高くなければならないことを意味している。

本発明の好ましい特徴によれば、装置は少なくとも１つの圧力センサ及び/又は温度センサを具備し、そのセンサの信号はコントローラーに連絡され、コントローラーはこの信号に基づいて供給弁を開閉し、流入弁と流出弁との間の区域に過圧を得る。

この利点は、区域を過圧に維持するのに必要な蒸気量が供給されることである。

実際の実施形態では、膨張機が作動していないとき、膨張機のローターが蒸気供給部により作動されないようにする手段を設けることが好ましい。

これは、使用中でないとき、ローターが好ましくない作動をしないという利点を有する。

本発明は、また、本発明による蒸気を膨張させる装置を制御するための方法に係り、この装置は、流入管に接続される流入口と、流出管に接続される流出口と、蒸気エネルギーをローターの軸に加えられる機械エネルギーに変換するローターとを有する膨張機を含み、方法は、膨張機が作動していないとき流入弁及び流出弁を閉弁するステップを含み、このステップの間、方法は、膨張機を含む流入弁と流出弁との間の区域に蒸気を供給することからなる。

本発明の装置の概略図を示す。 図１の装置の別の実施形態の概略図を示す。 図１の装置の別の実施形態の概略図を示す。

本発明の特徴をより示すために、本発明の装置の幾つかの好ましい実施形態を、添付図面を参照し、以下、実施例により説明する。

図１に示す装置は、本質的に、流入口３と流出口４とを備えた膨張機２を含む。

流入口３は、例えば蒸気発生器又は工業プロセスから生ずる蒸気の流入管５に接続されており、流出口４は、例えば工業プロセスの供給のため、蒸気の流出管６に接続されている。

流入管５には流入弁７が設けられ、一方、流出管６には流出弁８が設けられる。

２つの弁７、８の間の区域９は膨張機２を収容する。

この場合、膨張機２は、ローター１０を備えたスクリュー式膨張機であり、この場合、互いに噛み合うローブが設けられた雌ローター１０ａと雄ローター１０ｂのダブルローターである。

雄ローター１０ｂは発電機１２を駆動する軸１１に固定される。発電機１２は電力需要家１３に接続される。

膨張機２には凝縮液の排水管１４が設けられている。この場合、排水管１４には制御弁１５が設けられるが、これは例えば凝縮液分離器であってもよい。

その上、蒸気供給部１６は、流入弁７のダイレクトバイパスを形成する蒸気供給管１７の形で設けられ、一方では、流入弁７の上流で流入管５に接続され、他方では、流入弁７の下流で流入管５に接続される。

蒸気供給管１７には供給弁１８が設けられ、この場合、供給弁１８は、制御弁１８として構成される。

コントローラー１９は、また、制御弁１８に接続され、且つ、この場合、膨張機２の流入口３の位置で前述した区域９内の圧力を測定する圧力センサ２０に接続されている。

装置１には、膨張機２が作動していない間、ダブルローター１０が好ましくない作動をするのを防止する手段が更に設けられる。

図１の場合、これらの手段は、コントローラー１９によって作動され又は作動されない機械式ブレーキ２１により形成される。

コントローラー１９は、排出管１４の前述した制御弁１５に接続されることも含む。

装置１の動作はとても簡単で以下の通りである。

発電機１２を駆動するため、流入弁７と流出弁８を開弁して、例えば流入管５が接続されている蒸気発生器から生じる蒸気を膨張機２に供給する。

その結果として、膨張機２のダブルローター１０は駆動され、蒸気は膨張を受け、蒸気エネルギーは、発電機１２が接続される雄ローター１０ｂの軸１１に加えられる機械エネルギーに変換される。

発電機１２は電力需要家１３に供給することができる電気エネルギーを作り出す。

膨張された蒸気は、流出管６を使用し、膨張機２の流出口４を経て、下流に配置された製造プロセスに除去され、又は蒸気発生器に戻される。この蒸気は蒸気需要家に導けることもできる。

一時的に、蒸気又はエネルギーの需要がないとき、図１に示すように、流入弁７と流出弁８を閉弁することにより膨張機は作動しなくなり、流入弁７と流出弁８の間の前述した区域は閉鎖される。

区域９の中の蒸気は、時が過つにつれて冷えて、圧力は下がり、真空を引き起こす。

これを防止するために、コントローラー１９により発生される制御信号に基づいて供給弁１８を開弁することにより蒸気が区域９に供給され、コントローラーは、確実に、環境に関して、過圧が区域９内で常に効果を奏し、その結果、外側からの空気の侵入が防止される。

この目的のために、コントローラーは、前述した区域９内の圧力と周囲圧力との差を連続的又は交互に決定する。

この差に基づいて、コントローラー１９は、環境に関して、区域９を過圧に維持するため、いつ蒸気を供給しなければならないか、どのくらい蒸気を供給しなければいけないかを決定する。

この目的のため、これらの測定値に基づいて、コントローラー１９は、供給弁１８を開弁し、前述した区域９内に過圧を得るために蒸気供給管１７を介して膨張機２の流入口３の位置で区域９に蒸気を供給する。

供給される蒸気は、未膨張蒸気を供給する供給管１７から生ずるので、前述した区域９内の蒸気に関して過圧である。

この場合、過圧は、コントローラー１９によって、設定値、例えば周囲圧力より１キロパスカル高い値に維持される。

周囲圧力に関して前述した区域９内に過圧を生じさせることにより、この区域９に、その結果、膨張機２に空気が侵入することはない。

その結果として、腐食性環境は起こらず、これに関連する有害な結果は防止される。

発生する凝縮液は、制御弁１５を開弁することによって、凝縮液の排水管１４を経て除去される。

膨張機２の作動中、制御弁１５を開弁して凝縮液を除去することは含まれる。

このようにして、膨張機２内の凝縮物の蓄積を防止することができる。

その上、制御弁１５をコントローラー１９によって制御することも可能である。

膨張機２が作動していないとき、好ましくない、供給された蒸気によりダブルローター１０が作動するのを防止するため、コントローラー１９は、膨張機２が作動していない間、ダブルローター１０の軸１１のブレーキ２１を作動する。

蒸気又はエネルギーの需要が再びあるとき、流入弁７と流出弁８を再び開弁することができ、膨張機２を再び運転することができる。

次いで、コントローラー１９は供給弁１８を閉弁し、ブレーキ２１を解放する。

図２は代替の第二実施形態を示している。

装置は、蒸気供給部１６が蒸気を流出弁８から下流で流出管６から流出弁８を横切るダイレクトバイパスを経て取り出し、この蒸気を、この場合膨張機２の流出口４の位置で流入弁７と流出弁８の間の区域９に供給する蒸気供給管１７によって形成されることだけ、前に説明した装置１と異なっている。

この場合、圧力センサ２０は、流出口４の位置における温度センサ２２で置き換えられ、この温度センサ２２によってコントローラー１９は区域９内の圧力を間接的に決定することが可能である。

結局のところ、飽和蒸気の場合、圧力と温度の間に因果関係がある。

その上、機械式ブレーキ２１は、必要ならば、発電機に直流を注入して発電機の回転を止めるために、発電機１２に結合された電源２３で置き換えられる。

図２の装置１の動作は、図１の動作と類似しており、蒸気供給部１６のみが膨張機２の流出口４に蒸気を供給し、蒸気は流出管６から生じる。

これは、流出管６の圧力が前述した区域９内の圧力より大きいときに可能である。

コントローラー１９は、温度センサ２２による測定値に基づいて供給弁１８を制御する。

この場合、供給された蒸気によりダブルローター１０の軸１１が動作するのを防止するために、発電機１２の巻線に直流を印加する電池２３が使用される。

その結果として、発電機１２は、言わばダブルローター１０の軸１１に設けられたブレーキとして使用される。

発電機１２の巻線に直流を印加するために、電池２３以外の電源を使用することも可能である。

図３は、図１の装置１の別の変形例を示している。

この装置１は第一実施形態と同じであるが、流入口３の位置に配置される前述した区域９内の接続点と流出口４の位置に配置される前述した区域９内の接続点との間にバイパスを形成する追加の蒸気管２４を具備する。

その上、ブレーキ２１の代わりとして、ダブルローター１０の回転を妨げる手段は、蒸気が膨張機の中を流れないように、同じ圧力の蒸気が膨張機２の両側に供給されることによって実現される。

動作は第一実施形態の動作と類似している。

この場合、コントローラー１９によって供給弁１８が開弁されるとき、膨張機２の動作停止中、膨張機２の流入口３と流出口４の両方に蒸気を供給する。

その結果、膨張機２の両側は同時に圧力下に置かれ、膨張機２のダブルローター１０が２つの側間の圧力差により作動するのを防止する。

蒸気供給管１７は流入管５の代わりに流出管６から蒸気を取り出す実施形態も含む。

例えば、膨張機２が作動を開始することを防止するため、流量がダブルローター１０を駆動するのに不十分であるように、供給弁１８にできるだけ小量を通す流量を選択する。

上記実施形態の各々において、ダブルローター１０が蒸気供給部１６によって駆動されないようにするための上記手段の一つ又はそれ以上を使用してもよいことは明らかである。

その上、上記の実施形態の各々において、一つ又はそれ以上の圧力センサ２０及び／又は一つ又はそれ以上の温度センサ２２を、流入口３と流出口４の位置で、両方を異なる適当な場所に設けてもよいことも明らかである。

その上、スクリュー式膨張機２は、例えば、他タイプの膨張機又はタービン若しくは同様のものであってもよいことも明らかである。

例えば、装置１は供給弁１８とコントローラー１９を設けないで作動することも含むのは明らかであり、流入弁７と流出弁８を閉じるとき、供給弁１８を、蒸気の流れを十分に通過させ、区域９内の圧力が、環境に関して、確実に、常に過圧であるようにするのに十分な蒸気を流通させる、例えば、較正開口で置き換えられる。供給弁１８を流入弁７又は流出弁８と組み合わせることも可能である。言い換えれば、流入弁７及び／又は流出弁８は供給弁１８として働き、停止中、コントローラー１９によって制御もされる。

本発明は、一例として記載され図示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、蒸気を膨張させるための装置およびそのような装置を制御する方法は、様々な変形例で実現することができる。

Claims (21)

1. 蒸気を膨張させる装置であって、
   この装置（１）は、蒸気のエネルギーをローター（１０）の軸（１１）に加えられる機械エネルギーに変換する前記ローター（１０）を有するスクリュー式膨張機（２）を含み、このスクリュー式膨張機（２）は、蒸気の流入管（５）に接続される流入口（３）と、蒸気の流出管（６）に接続される流出口（４）と、を含み、
   前記流入管（５）は流入弁（７）を具備し、前記流出管（６）は流出弁（８）を具備し、前記流入弁及び前記流出弁は、前記スクリュー式膨張機（２）が作動していないとき、これらの弁（７、８）を閉じることによって、前記スクリュー式膨張機（２）を含む前記流入弁（７）と前記流出弁（８）との間の区域（９）を隔離するためのものである蒸気膨張機において、
   前記装置（１）は、空気が前記区域（９）内に侵入できないように、前記スクリュー式膨張機（２）が作動していないとき、前記流入弁（７）と前記流出弁（８）との間の前記区域（９）を調整するための蒸気供給部（１６）を更に具備しており、
   前記蒸気供給部（１６）は、前記流入弁（７）から上流で前記流入管（５）から及び／又は前記流出弁（８）の下流で前記流出管（６）から蒸気を取り出す蒸気供給管（１７）で形成されることを特徴とする装置。
2. 前記蒸気供給部（１６）は、コントローラー（１９）に接続される供給弁（１８）を有し、このコントローラー（１９）は、前記スクリュー式膨張機（２）が作動しなくなったとき、前記供給弁（１８）を開弁し、前記スクリュー式膨張機（２）が作動状態に戻ったとき前記供給弁（１８）を再び閉じる請求項１に記載の装置。
3. 前記供給弁（１８）は制御弁であり、前記流入弁（７）と前記流出弁（８）との間の前記区域（９）内の過圧は前記制御弁で制御される請求項２記載の装置。
4. 前記スクリュー式膨張機（２）は、凝縮液を排出するための排水管（１４）を有する請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記排水管（１４）は、凝縮液分離器又は制御弁（１５）を有する請求項４に記載の装置。
6. 前記蒸気供給管（１７）は、前記流入弁（７）を横切る及び／又は前記流出弁（８）を横切るダイレクトバイパスを形成する請求項１に記載の装置。
7. 前記装置（１）は、少なくとも１つの圧力センサ（２０）及び／又は温度センサ（２２）を具備し、そのセンサの信号はコントローラー（１９）に連絡され、その信号に基づいて前記コントローラー（１９）は供給弁（１８）を開閉し、前記流入弁（７）と前記流出弁（８）の間の区域（９）内に過圧を得る請求項２乃至６の何れか１項に記載の装置。
8. 前記コントローラー（１９）は、前記過圧を設定値に維持するようにする請求項７に記載の装置。
9. 前記スクリュー式膨張機（２）が作動していない間、前記スクリュー式膨張機（２）の前記ローター（１０）が前記蒸気供給部（１６）によって作動しないようにする手段が設けられる請求項１乃至８の何れか１項に記載の装置。
10. 前記手段は、前記スクリュー式膨張機（２）の前記ローター（１０）を作動するのに不十分である流れを流通させる供給弁（１８）からなる請求項２又は請求項９に記載の装置。
11. 前記手段は、前記流入口（３）の位置と前記流出口（４）の位置の両方で前記区域（９）に蒸気を供給することからなる請求項１又は請求項９に記載の装置。
12. 前記手段は、前記ローター（１０）の前記軸（１１）に設けられたブレーキ（２１）で形成され、該ブレーキは、前記スクリュー式膨張機（２）が作動していないとき作動され、前記スクリュー式膨張機（２）が作動しているとき作動されない請求項９に記載の装置。
13. 前記ブレーキ（２１）は、機械式ブレーキ（２１）である請求項１２に記載の装置。
14. 前記ローター（１０）は発電機（１２）に機械的に連結されており、前記発電機は、前記スクリュー式膨張機（２）が作動していない間、前記発電機（１２）の巻線に直流を印加することによって、前記ブレーキ（２１）として用いられる請求項１２に記載の装置。
15. 蒸気を膨張させる装置を制御する方法であって、
    この装置（１）は、蒸気の流入管（５）に接続される流入口（３）と、蒸気の流出管（６）に接続される流出口（４）と、蒸気エネルギーをローターの軸（１１）に加えられる機械エネルギーに変換するローター（１０）とを有するスクリュー式膨張機（２）を含み、
    前記方法は、前記スクリュー式膨張機（２）が作動していないとき、流入弁（７）及び流出弁（８）を閉じるステップを含み、
    前記ステップの間、前記方法は、前記スクリュー式膨張機（２）を含む前記流入弁（７）と前記流出弁（８）との間の区域（９）に蒸気を供給することからなり、
    前記区域（９）への蒸気供給部（１６）のため、前記流入管（５）及び／又は前記流出管（６）から蒸気を取り出すことを特徴とする方法。
16. 前記区域（９）で生じる凝縮液は、少なくとも前記スクリュー式膨張機（２）が作動していない間に除去される請求項１５に記載の方法。
17. 前記スクリュー式膨張機を含む閉鎖された前記区域（９）内の圧力と周囲圧力とを測定し、その２つの圧力の差を決定し、前記差に基づいて、前記蒸気供給部（１２）を、前記区域（９）内に過圧を得るため増減させる請求項１５又は１６に記載の方法
18. 前記方法は、前記スクリュー式膨張機（２）が作動していない間、前記スクリュー式膨張機（２）の前記ローター（１０）が前記蒸気供給部（１６）によって駆動されないようにする請求項１５乃至１７の何れか１項に記載の方法。
19. 前記スクリュー式膨張機（２）の前記ローター（１０）を駆動するのに不十分な蒸気を前記区域（９）に供給する請求項１８に記載の方法。
20. 前記スクリュー式膨張機（２）の前記流入口（３）と前記流出口（４）の両方に蒸気を供給する請求項１８に記載の方法。
21. 前記ローター（１０）の前記軸（１１）は、前記スクリュー式膨張機（２）が作動していない間、ブレーキがかけられ、スクリュー式膨張機（２）が作動しているとき自由のままである請求項１８に記載の方法。

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