JP7225868B2

JP7225868B2 - 蒸気システム

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Publication number: JP7225868B2
Application number: JP2019019490A
Authority: JP
Inventors: 司小栗; 陽貴井上; 裕介岡本; 拓哉佐伯
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-02-06
Also published as: JP2020125738A

Description

本発明は、蒸気を用いる蒸気システムに関する。

従来、蒸気膨張機や蒸気圧縮機等の蒸気を用いた蒸気システムが知られている。この種の技術を開示するものとして特許文献１や特許文献２がある。

特許文献１には、蒸気を用いて動力を起こす原動機と、この原動機により駆動され、流体を吐出又は吸入する被動機と、原動機にて使用後の蒸気が供給される箇所へ、原動機を介することなく蒸気を供給するバイパス路と、原動機からの蒸気とバイパス路からの蒸気とが供給される箇所の蒸気負荷と、被動機により流体が吐出又は吸入される空間内の流体負荷とに基づき、原動機への給蒸を制御する制御器とを備えることを特徴とする蒸気システムが記載されている。

特許文献２には、ボイラからの蒸気を用いて動力を起こす原動機と、この原動機により駆動され、流体を吐出又は吸入する被動機と、原動機にて使用後の蒸気が供給される箇所へ、原動機を介することなく蒸気を供給するバイパス路と、このバイパス路に設けられるバイパス弁と、原動機からの蒸気と前記バイパス路からの蒸気とが供給される箇所の蒸気負荷と、被動機により流体が吐出又は吸入される空間内の流体負荷とに基づき、原動機への給蒸を制御する制御器と、ボイラへの給水が貯留され、原動機の軸封部から漏れる蒸気もしくはドレン、原動機で発生するドレン、又は被動機の発熱を利用して、貯留水又は補給水が温められる給水タンクと、を備えることを特徴とする蒸気システムが記載されている。

特許第４２４０１５５号公報特許第４３２９８７５号公報

蒸気システムにおいては、蒸気機械への蒸気の供給が停止されて設備が冷態になると、設備内で蒸気が凝縮してドレンが発生する。本体内部でドレンが生じている状態で蒸気機械が駆動された場合、回転体の軸支部分の要素（例えばシール部）に振動・破壊につながる流体の流れが発生するおそれがあった。従来型の蒸気システムでは、許容できない量のドレンが生じている状態であっても、蒸気機械が駆動される可能性があるため、回転体の軸支部分の損傷を抑制するという点で改善の余地があった。

本発明は、許容できない量のドレンが生じている状態で回転体が回転することに起因する蒸気機械へのダメージを効果的に抑制できる蒸気システムを提供することを目的とする。

本発明は、蒸気が流入する本体及び前記本体の内部に軸支される回転体を有する蒸気機械と、前記本体に接続される蒸気管と、前記本体又は前記蒸気管から排出されたドレンが流れるドレン管と、前記ドレン管に配置されるスチームトラップと、前記スチームトラップから排出されるドレン量を検出するドレン検出部と、前記ドレン検出部の検出値が許容値を超えると前記蒸気機械を停止する制御を行う制御部と、を備える蒸気システムに関する。

前記蒸気システムは、前記本体及び前記蒸気管から排出されたドレンが流れる複数のドレン管と、複数の前記ドレン管の下流側の端部が接続され、末端部が大気開放される集合ドレン管と、を備え、前記スチームトラップは、複数の前記ドレン管のそれぞれに配置されると共に、前記スチームトラップの下流側には逆止弁が配置され、前記ドレン検出部は、前記集合ドレン管に配置されることが好ましい。

前記ドレン検出部は、前記スチームトラップから排出されるドレンを受容する貯留部と、前記貯留部に接続され、前記貯留部内のドレンを外部に排出する排出管と、前記貯留部内の水位を検出可能な水位検出部と、を備え、前記制御部は、前記水位検出部の検出値が許容値を超えることを示すと前記回転体の回転を停止する制御を行うことが好ましい。

前記ドレン検出部は、前記貯留部における前記排出管の上方に接続されるオーバーフロー管と、を更に備え、前記水位検出部は、ドレンがオーバーフロー管に流れる水位を検出するフロートスイッチであることが好ましい。

前記制御部は、前記水位検出部の検出値が許容値を下回ることを示してから所定時間経過後に前記回転体の回転を許可することが好ましい。

前記蒸気機械は、蒸気を膨張する蒸気膨張機であって、前記蒸気管に配置される給蒸弁を有し、前記制御部は、前記ドレン検出部の検出値が許容値を超えることを示すと前記給蒸弁を閉じて前記回転体の回転を停止する制御を行うことが好ましい。

前記蒸気機械は、蒸気を圧縮する蒸気圧縮機であって、前記回転体を回転させるモータを有し、前記制御部は、前記ドレン検出部の検出値が許容値を超えることを示すと前記モータの駆動を停止することが好ましい。

本発明の蒸気システムによれば、許容できない量のドレンが生じている状態で回転体が回転することに起因する蒸気機械へのダメージを効果的に抑制できる。

本発明の一実施形態に係る蒸気システムを模式的に示す図である。本実施形態の蒸気システムが備えるドレン検出部が所定水位を検出していない状態を模式的に示す図である。本実施形態の蒸気システムが備えるドレン検出部が所定水位を検出した状態を模式的に示す図である。本実施形態の蒸気システムの運転開始から通常運転に至るまでの制御を示すフローである。本実施形態の蒸気システムの許容値を超えるドレンの検出制御を示すフローである。変形例の蒸気システムを模式的に示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る蒸気システム１を模式的に示す図である。図１に示すように、蒸気システム１は、蒸気膨張機１０と、被動機としての蒸気圧縮機１５と、給蒸気管２０と、蒸気セパレータ２１と、給蒸弁２２と、排蒸気管４０と、制御部１００と、を備える。

蒸気膨張機１０は、蒸気が流入する本体１１と、本体１１の内部に軸支される回転体としてのスクリュー１２と、スクリュー１２の軸封部としてのシール部１３と、スクリュー１２の回転数を検出する回転検出部１４と、を備える。なお、スクリュー１２は、蒸気流により回転運動する駆動スクリューと、駆動スクリューに噛み合って回転運動する従動スクリューとから構成されるが、図１では従動スクリューのみを代表して図示している。

蒸気圧縮機１５は、蒸気膨張機１０に機械的に連結されており、蒸気膨張機１０のスクリュー１２の回転力によって駆動される。

給蒸気管２０は、ボイラ等の蒸気発生装置（図示省略）から蒸気膨張機１０の本体１１に導入される蒸気が流通する。給蒸気管２０には、蒸気セパレータ２１及び給蒸弁２２等が配置される。

蒸気セパレータ２１は、蒸気に対して気水分離を行う。蒸気セパレータ２１は、気水分離したドレンを排出するドレン管２５と、ドレン管２５が接続されるスチームトラップ２６と、を備える。

本実施形態のドレン管２５にはセパレータ側温度センサ２７が配置される。セパレータ側温度センサ２７は、例えば熱電対により構成される。セパレータ側温度センサ２７の検出値は制御部１００に送信される。

給蒸弁２２は、給蒸気管２０における蒸気セパレータ２１の下流側に配置される。給蒸弁２２が開くと蒸気が蒸気膨張機１０の本体１１に供給され、給蒸弁２２が閉じると蒸気の供給が停止される。給蒸弁２２の開閉は制御部１００によって制御される。本実施形態の給蒸弁２２は、緊急遮断機能付き容量制御弁である。

給蒸弁２２の上流側には給蒸気温度センサ５１及び給蒸気圧力センサ５２が配置される。給蒸弁２２の下流側には給蒸気温度センサ６１及び給蒸気圧力センサ６２が配置される。給蒸気温度センサ５１、給蒸気圧力センサ５２、給蒸気温度センサ６１及び給蒸気圧力センサ６２の各検出値は制御部１００に送信される。

なお、給蒸気温度センサ５１及び給蒸気温度センサ６１は、許容値以上のドレンを検出する観点では、ドレンが溜まり易い部位に配置されることが好ましい。例えば、給蒸弁２２が水平に設置される場合は、給蒸気温度センサ５１又は給蒸気温度センサ６１を給蒸気管２０の下部あたりに配置する。

排蒸気管４０は、蒸気膨張機１０で膨張されて本体１１から排出された蒸気が流通する。排蒸気管４０には、排蒸気温度センサ４１及び排蒸気圧力センサ４２が配置される。排蒸気温度センサ４１及び排蒸気圧力センサ４２の検出値は制御部１００に送信される。

次に、給蒸気管２０及び蒸気膨張機１０の本体１１で生じたドレンを排出する構成について説明する。給蒸気管２０の給蒸弁２２の上流側には第１ドレン管８１が接続される。蒸気膨張機１０の本体１１には、本体１１の内部で生じたドレンを排出する第２ドレン管８２が接続される。給蒸弁２２の下流側には第３ドレン管８３が接続される。

第１ドレン管８１にはスチームトラップ１０１が配置され、該スチームトラップ１０１の下流側には逆止弁１０５が配置される、第２ドレン管８２にもスチームトラップ１０２が配置され、該スチームトラップ１０２の下流側には逆止弁１０６が配置される。第３ドレン管８３にもスチームトラップ１０３が配置され、該スチームトラップ１０３の下流側には逆止弁１０７が配置される。

第１ドレン管８１、第２ドレン管８２及び第３ドレン管８３は、何れも、下流側の端部が集合ドレン管９０に接続される。これによって第１ドレン管８１、第２ドレン管８２及び第３ドレン管８３のそれぞれに流れるドレンが集合ドレン管９０に集約されることになる。集合ドレン管９０にはドレン量を検出するドレン検出部１１０が配置され、ドレンはドレン検出部１１０を通過して排水ピット９１に排出される。ドレン検出部１１０の検出値は制御部１００に送信される。

次に、図２及び図３を参照してドレン検出部１１０の構成について説明する。図２は、本実施形態の蒸気システム１が備えるドレン検出部１１０が所定水位Ｌを検出していない状態を模式的に示す図である。図３は、本実施形態の蒸気システムが備えるドレン検出部１１０が所定水位Ｌを検出した状態を模式的に示す図である。

本実施形態のドレン検出部１１０は、集合ドレン管９０が接続される貯留部１１１と、貯留部１１１に接続され、貯留部１１１内のドレンを外部に排出する排出管１１２と、貯留部１１１における排出管１１２の上方に接続されるオーバーフロー管１１３と、を備える。排出管１１２及びオーバーフロー管１１３は、それぞれの下流側の端部が合流しており、排出管１１２又はオーバーフロー管１１３を通過したドレンは最終的に排水ピット９１に排出される。排出管１１２にはオリフィス１１６が配置されており、オリフィス１１６によって排出管１１２の流量が絞られた状態となっている。

貯留部１１１の内部には、オーバーフロー管１１３にドレンが流れる所定水位Ｌ（図３参照）を検出するフロートスイッチ１２０が配置される。所定水位Ｌは、蒸気システム１において、給蒸気管２０及び蒸気膨張機１０から生じたドレンの総量が許容できない量、すなわち蒸気膨張機１０の起動又は運転継続に適さない量となったことを示す水位である。フロートスイッチ１２０の検出値は制御部１００に送信される。

制御部１００は、蒸気システム１の各種の制御を行うコンピュータである。次に、制御部１００による蒸気システム１の制御について説明する。図４は、本実施形態の蒸気システムの運転開始から通常運転に至るまでの制御を示すフローである。

蒸気システム１が起動開始信号を受信すると、制御部１００は起動許可条件を充足している否かを判定する起動許可判定を実行する（ステップＳ１０１）。本実施形態の起動許可条件は、蒸気膨張機１０の本体１１に流入させる蒸気の温度が所定温度以上か否かである。なお、蒸気膨張機１０の停止中は給蒸弁２２が閉じられているため、蒸気温度を給蒸弁２２の上流側で検出しつつ起動許可判定が実行される。

起動許可判定の第１例では、制御部１００が給蒸気温度センサ５１の検出値を監視し、この検出値が所定温度以上になった場合に起動許可と判定する。第１例における所定温度は、例えば飽和蒸気温度に設定される。冷態時に給蒸弁２２の上流側でドレンが大量発生したり、スチームトラップ１０１でドレンの排出不良が起こったりすると、給蒸気管２０にドレンが充満し、給蒸気温度センサ５１の検出値が低下する。一方、給蒸気管２０内のドレンが適切に排出され、かつ新たなドレンの発生がない場合には、蒸気発生装置から供給された蒸気が給蒸気管２０に充満するので、給蒸気温度センサ５１の検出値が飽和蒸気温度以上となる。なお、給蒸気温度センサ５１の検出値が飽和蒸気温度を超えていると、給蒸気管２０に過熱蒸気が充満していることになるので、蒸気膨張機１０の起動により適した状態となる。

起動許可判定の第２例では、制御部１００がセパレータ側温度センサ２７の検出値を監視し、この検出値が所定温度以上になった場合に起動許可と判定する。第２例における所定温度は、例えば飽和蒸気温度に設定される。冷態時に蒸気セパレータ２１の上流側でドレンが大量発生したり、スチームトラップ２６でドレンの排出不良が起こったりすると、蒸気セパレータ２１にドレンが溜まり、セパレータ側温度センサ２７の検出値が低下する。一方、蒸気セパレータ２１内のドレンが適切に排出され、かつ新たなドレンの発生がない場合には、蒸気発生装置から供給された蒸気が蒸気セパレータ２１及びドレン管２５に充満するので、セパレータ側温度センサ２７の検出値が飽和蒸気温度以上となる。なお、セパレータ側温度センサ２７の検出値が飽和蒸気温度を超えていると、蒸気セパレータ２１に過熱蒸気が充満していることになるので、蒸気膨張機１０の起動により適した状態となる。

起動許可判定の第３例では、制御部１００が給蒸気温度センサ５１及びセパレータ側温度センサ２７の検出値を監視し、各々の検出値が所定温度以上になった場合に起動許可と判定する。第３例における所定温度は、例えば飽和蒸気温度に設定される。

起動許可と判定された場合、制御部１００は給蒸弁２２を開き、蒸気膨張機１０に蒸気の供給を開始する暖機制御を開始する（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２で暖機制御が開始された状態では、制御部１００は、スクリュー１２の静止状態を維持した状態で、蒸気を蒸気膨張機１０の本体１１の内部に供給する。ここでいう静止状態とは、回転体としてのスクリュー１２が停止及び停止していると見なせる状態を意味し、スクリュー１２が完全に停止している状態に限られず、スクリュー１２が僅かに動いている状態も含まれるものとする。

暖機制御中は、スクリュー１２を静止状態に維持するために本体１１に流入する蒸気量を調節する制御が行われる。本実施形態では、給蒸弁２２の開閉を繰り返す第１制御又は静止状態を維持できる開度で給蒸弁２２の開状態を所定時間維持する第２制御を行ってスクリュー１２の静止状態を維持しつつ、本体１１の内部に蒸気を流入させる。

第１制御において、給蒸弁２２を開いたときの開度は、暖機制御完了後の通常運転時の開度よりも相対的に小さく設定される。また、第２制御における静止状態を維持できる開度及び当該開度を維持する所定時間は、スクリュー１２を静止状態にできる関係であればよい。なお、暖機制御における給蒸弁２２の開度や開状態の時間及び間隔は特に制限されるわけではない。暖機制御は、静止状態を維持しつつ、蒸気を流入させることができる制御であればよく、第１制御と第２制御を交互に行う等、第１制御と第２制御を組み合せる制御としてもよい。

本実施形態では、制御部１００は、回転検出部１４の検出値に基づいてスクリュー１２が静止状態にあるか回転状態にあるかを判定する。回転検出部１４は、例えば誘導型近接センサである。回転検出部１４の検出値が、静止状態ではない又は静止状態ではなくなる予兆を示した場合、制御部１００は静止状態が維持されるように給蒸弁２２の開度調節を行って本体１１への蒸気の供給量を低減させる。

暖機制御移行後、制御部１００は暖機完了条件を充足したか否かを判定する（ステップＳ１０３）。暖機完了条件は、蒸気圧力、蒸気温度、暖機制御の時間又はこれらの組み合わせである。以下、各条件について説明する。

蒸気圧力を暖機完了条件とする場合について説明する。制御部１００は、排蒸気圧力センサ４２の検出値を監視し、本体１１から排出される蒸気の検出値が所定圧力となった場合に暖機完了と判定する。本例における所定圧力は、予め制御部１００に入力された設定値でもよいし、本体１１の入口近傍に配置された給蒸気圧力センサ６２の検出値であってもよい。暖機制御中は、スクリュー１２を回転させないように制御しているため、暖機が十分に行われると、蒸気が本体１１の内部を流通する際の膨張が抑制され、エネルギーロスがほぼなくなる。そのため、本体１１の入口近傍と出口近傍の圧力差が実質的にゼロと見なせる状態となった場合に、暖機完了と判定させることができる。なお、本体１１で放熱によるエネルギーロスが見込まれる場合には、所定圧力として設定する給蒸気圧力センサ６２の検出値に対して１以下の適当な損失係数を乗じてもよい。

蒸気温度を暖機完了条件とする場合について説明する。制御部１００は、排蒸気温度センサ４１の検出値を監視し、本体１１から排出される蒸気の検出値が所定温度となった場合に暖機完了と判定する。本例における所定温度は、予め制御部１００に入力された飽和蒸気温度等の設定値でもよいし、本体１１の入口近傍に配置された給蒸気温度センサ６１の検出値であってもよい。暖機制御中は、スクリュー１２を回転させないように制御しているため、暖機が十分に行われると、蒸気が本体１１の内部を流通する際の膨張が抑制され、エネルギーロスがほぼなくなる。そのため、本体１１の入口近傍と出口近傍の温度差が実質的にゼロと見なせる状態となった場合に、暖機完了と判定させることができる。なお、本体１１で放熱によるエネルギーロスが見込まれる場合には、所定温度として設定する給蒸気温度センサ６１の検出値に対して１以下の適当な損失係数を乗じてもよい。

時間を暖機完了条件とする場合について説明する。制御部１００は、ステップＳ１０１で起動許可と判定してからの経過時間を監視し、経過時間が所定時間経過した場合に暖機完了と判定する。

以上説明した蒸気圧力、蒸気温度、時間は、それぞれ単独で暖機完了条件としてもよいし、組み合わせたものを暖機完了条件とすることもできる。例えば、排蒸気圧力センサ４２が所定値を超えた時点で暖機完了と判定してもよいし、排蒸気圧が所定値を超えた上で、蒸気温度が所定を超えており、かつ起動許可から所定時間経過した場合に暖機完了と判定することもできる。本実施形態では、蒸気圧力、蒸気温度及び時間の少なくとも１つが暖機完了条件に設定される。

暖機完了条件を充足したと判定された後、通常運転に移行する（ステップＳ１０４）。通常運転では、スクリュー１２が回転するために必要な流量で蒸気が流れるように給蒸弁２２の開度が制御される。例えば、排蒸気圧力センサ４２の検出値をフィードバック値とし、このフィードバック値が目標値に維持されるように、給蒸弁２２の開度がＰＩＤ制御される。

以上、起動許可から通常運転に移行するまでの流れについて説明した。次に、運転状態に関わらず、一定以上のドレンが生じた場合に蒸気システム１を停止する安全機能について説明する。図５は、蒸気システム１の許容値を超えるドレンの検出制御を示すフローである。

制御部１００は、常時、ドレン検出部１１０の検出値を監視し、ドレン量が予め設定される許容値を超えたか否かを判定する（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０１の処理で、許容値を超えた場合は、給蒸弁２２を閉じてスクリュー１２の回転を停止する停止制御を行う（ステップＳ２０２）。

停止制御後、制御部１００は、ドレン検出部１１０の許容値を下回ったか否かを監視する（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０３で許容値を下回ったことが検出されると、制御部１００は、許容値を下回った状態のまま一定時間経過するか否かを監視する（Ｓ２０４）。許容値を下回った状態のまま一定時間経過した場合は、蒸気膨張機１０の起動を許可する状態に移行する（Ｓ２０５）。許容値を下回った状態が一定時間継続したことを起動許可の条件とすることにより、ドレンが許容値を上回った状態での蒸気システム１の運転開始を確実に防止できる。起動許可に移行した後はステップＳ２０１に戻り、Ｓ２０２以降の処理が行われる。

ここで、ドレン検出部１１０を利用したドレンの発生有無の判定は、本体１１に流入させる蒸気の温度を検出することによって代替することができる。前述した起動許可判定の第１例及び第２例で説明したように、給蒸気温度センサ５１の検出値あるいはセパレータ側温度センサ２７の検出値が低下して飽和蒸気温度未満になると、蒸気の凝縮によりドレンの発生が起こるようになる。そこで、ステップＳ２０１の処理においては、いずれかの検出値が飽和蒸気温度未満になった場合は、ステップＳ２０２の処理に移行して、給蒸弁２２を閉じてスクリュー１２の回転を停止する停止制御を行うようにする。停止制御後は、制御部１００は、ステップＳ２０３の処理に移行し、給蒸気温度センサ５１の検出値及び／又はセパレータ側温度センサ２７の検出値が飽和蒸気温度以上になったか否かを監視する。ステップＳ２０４の処理では、制御部１００は、温度の検出値が飽和蒸気温度以上の状態のまま一定時間経過するか否かを監視する。以上のように、蒸気管路の温度でドレンの発生有無の判定するように構成した場合には、ドレン検出部１１０を省略することができるため、蒸気システムの簡素化に貢献する。

以上説明したように、本実施形態の蒸気システム１は、蒸気が流入する本体１１及び１１本体の内部に軸支されるスクリュー１２を有する蒸気膨張機１０と、本体１１に流入させる蒸気温度を検出する温度検出部としての給蒸気温度センサ５１又はセパレータ側温度センサ２７と、給蒸気温度センサ５１、セパレータ側温度センサ２７又はこれら両方によって検出された蒸気温度が所定温度以上になると蒸気膨張機１０の起動を許可する制御部１００と、を備える。これにより、本体１１内部に導入される蒸気の温度が所定温度以上であることが蒸気膨張機１０の起動許可条件となるので、所定温度を飽和蒸気温度に設定することにより、起動開始時の本体１１内部へのドレンの流入を効果的に防止できる。また、起動時に本体１１の内部が暖められる前にドレンが生じる事態の発生も防止できる。従って、ドレンによって配管の異物（錆等）が本体１１内部に侵入したり、スクリュー（回転体）１１の軸支部分周りの構成（例えば、シール部１３）が本体１１内部に流入したドレンの体積膨張によって損傷したりする事態を効果的に防止できる。

また、本実施形態の蒸気膨張機１０は、本体１１に接続される給蒸気管２０及び給蒸気管２０に配置される給蒸弁２２を有し、制御部１００は、蒸気温度が所定温度以上になると、給蒸弁２２を開いて蒸気の供給を開始する制御に移行する。これにより、蒸気膨張機１０の起動時の本体１１の内部へのドレンの流入を効果的に防止できる。

また、本実施形態では、給蒸気温度センサ５１は、給蒸気管２０における給蒸弁２２の上流側に配置されることが好ましい。これにより、給蒸弁２２より上流側の給蒸気管２０の内部でドレンが生じない状態になった後に起動が許可されることになるので、より安定した蒸気膨張機１０の起動が実現できる。

また、本実施形態では、蒸気システム１は、給蒸気管２０における給蒸弁２２の上流側に配置される蒸気セパレータ２１と、蒸気セパレータ２１にドレン配管を介して接続されるスチームトラップ２６と、を更に備える。そして、セパレータ側温度センサ２７が蒸気セパレータ２１又はドレン管２５に配置される。本実施形態では、蒸気セパレータ２１又はドレン管２５の温度を監視することにより、ドレンの大量発生や排出不良がない状態を起動の条件とすることができ、より安定した蒸気膨張機１０の起動が実現できる。

また、本実施形態の制御部１００は、回転体としてのスクリュー１２の静止状態を維持しつつ本体１１の内部に蒸気を流通させるように給蒸弁２２を制御する暖機制御を実行し、暖機制御後にスクリュー１２を回転させるように給蒸弁２２を制御する。これにより、暖機制御中はスクリュー１２が静止状態にあるので、本体１１内部にドレンが流入した状態でスクリュー１２が回転することによって、スクリュー１２の軸支部分周りの構成（例えば、シール部１３）が損傷する事態の発生を防止しつつ、本体１１内部の暖機運転を行うことができる。

また、本実施形態の制御部１００は、暖機制御中に給蒸弁２２の開閉を繰り返す。給蒸弁２２の開閉が繰り返されることにより、スクリュー１２の静止状態を維持しつつ暖機に必要な蒸気を蒸気膨張機１０に供給することができる。

また、本実施形態の制御部１００は、暖機制御中にスクリュー１２の静止状態を維持できる開度で、給蒸弁２２の開状態を所定時間維持する。これにより、スクリュー１２を回転させることなく給蒸弁２２に溜まったドレンを給蒸気管２０から系外に確実に排出できる。

また、本実施形態の蒸気システム１は、スクリュー１２の回転を検出する回転検出部１４を更に備え、回転検出部１４の検出値に基づいて開度調節を行う。これにより、暖機制御中のスクリュー１２の回転を確実に防止できる。

また、本実施形態の蒸気システム１は、蒸気圧力を検出する圧力検出部としての排蒸気圧力センサ４２を更に備え、制御部１００は、排蒸気圧力センサ４２の検出値が所定圧力になったことをトリガとして暖機制御を終了することができる。これにより、蒸気圧力によって変化する蒸気膨張機１０の歪み量に起因するシール性能の低下を防止できる。例えば、初期動作で接触摩耗させてクリアランス０を想定するシール部１３を用いる場合において、低圧状態でスクリュー（回転体）１２を回転させてエージングを行った後に高圧状態にするとシール材の歪み量の変化によってクリアランスが大きくなってしまう。この点、本構成によれば、蒸気圧力が所定圧力になることにより、歪みによるクリアランスがない状態になったと判断でき、暖機制御を終了させることができる。

また、本実施形態の蒸気システム１は、蒸気温度を検出する温度検出部としての排蒸気温度センサ４１を更に備え、制御部１００は、排蒸気温度センサ４１の検出値が所定圧力になったことをトリガとして暖機制御を終了することができる。これにより、例えば所定温度を飽和蒸気温度に設定することで本体１１の内部でドレンが生じない状態になっていることを判定し、暖機終了のタイミングの決定をより適切に行うことができる。

また、本実施形態では、制御部１００は、暖機制御が所定時間を経過したことをトリガとして暖機制御を終了することもできる。これにより、所定時間をカウントするシンプルな処理で暖機制御を終了するタイミングを決定できる。

また、本実施形態の蒸気システム１は、本体１１又は給蒸気管２０から排出されたドレンが流れる集合ドレン管９０と、集合ドレン管９０を流れるドレン量を検出するドレン検出部１１０と、を備える。制御部１００は、ドレン検出部１１０の検出値が許容値を超えると蒸気膨張機１０を停止する制御を行う。これにより、許容値を超えるような大量のドレンが存在する状態でスクリュー１２が回転することによる蒸気膨張機１０の故障を防止できる。

また、本実施形態では、ドレン検出部１１０は、集合ドレン管９０が接続される貯留部１１１と、貯留部１１１に接続され、貯留部１１１内のドレンを外部に排出する排出管１１２と、貯留部１１１内部の水位を検出可能な水位検出部としてのフロートスイッチ１２０と、を備える。制御部１００は、フロートスイッチ１２０の検出値が許容値を超えることを示すと、スクリュー１２の回転を停止する制御を行う。これにより、貯留部１１１を利用してドレンが許容値を超えたか否かを正確に判定できる。

また、本実施形態では、ドレン検出部１１０は、貯留部１１１における排出管１１２の上方に接続されるオーバーフロー管１１３を更に備え、フロートスイッチ１２０によってドレンがオーバーフロー管１１３に流れる所定水位Ｌが検出される。これにより、フロートスイッチ１２０を用いたシンプルな構成で、ドレンが許容値を超えた否かを検出できるドレン検出部１１０を実現できる。

また、本実施形態では、制御部１００は、フロートスイッチ１２０の検出値が許容値を下回ることを示すと、所定時間経過後にスクリュー１２の回転を許可する。これにより、ドレンが残った状態での蒸気膨張機１０の起動を防止できる。

また、本実施形態のドレン検出部１１０は、第１ドレン管８１、第２ドレン管８２及び第３ドレン管８３からのドレンの総量を検出する。これにより、１つのドレン検出部１１０によって複数個所のドレンの過剰発生を検出できる。

また、本実施形態では、制御部１００は、ドレン検出部１１０の検出値が許容値を超えると給蒸弁２２を閉じてスクリュー１２の回転を停止する制御を行う。これにより、蒸気の膨張によって生じるドレンが不具合等によって過剰になったとしても、その状態が検出されて蒸気膨張機１０の駆動が停止されるので、本体１１内部で過剰に生じたドレンに起因する故障を未然に防止することができる。

ここで、給蒸弁２２を閉じてスクリュー１２の回転を停止する制御に関し、ドレン検出部１１０を利用した許容値の判定は、本体１１に流入させる蒸気の温度、例えば給蒸気温度センサ５１やセパレータ側温度センサ２７の検出値を検出することによって代替することができる。これにより、簡素なシステム構成でドレンの本体流入に起因する故障を防止することができる。

次に、上記実施形態の構成の一部を変更した変形例について説明する。以下の説明において、上記実施形態と共通又は同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する場合がある。

上記実施形態では、セパレータ側温度センサ２７がドレン管２５に配置される構成であるが、この構成に限定されない。例えば、セパレータ側温度センサ２７を蒸気セパレータ２１の下部に配置し、蒸気セパレータ２１内部のドレン溜まりを判定する構成としてもよい。蒸気セパレータ２１に短時間に多量のドレンが流れ込むとドレン溜まりによる分離効率の低下を招くが、蒸気セパレータ２１の下部温度を検出することで、許容水位を超えたドレンの蓄積状態を識別できる。

また、蒸気セパレータ２１の外部にスチームトラップ２６を設けるのではなく、蒸気セパレータ２１の下部にスチームトラップ２６を内蔵させる構成としてもよい。この場合、セパレータ側温度センサ２７は、蒸気セパレータ２１の下方であって、スチームトラップ２６の上流となる位置に設ければよい。

上記実施形態に、スチームトラップの異常を検出する構成を追加することもできる。例えば、セパレータ側温度センサ２７の検出値を利用してスチームトラップ２６の異常を検出する構成としてもよい。この構成では、制御部１００は、セパレータ側温度センサ２７によってドレン管２５に蓄積・滞留するドレンに起因する温度低下が一定期間継続して検出されると、スチームトラップ２６が異常であると判定する。この構成において、スチームトラップ２６に異常が発生したことを示すアラームを出す報知器（図示省略）を更に配置し、スチームトラップ２６の異常を速やかに検出する構成としてもよい。

更に、スチームトラップ２６だけではなく、スチームトラップ１０１，１０２，１０３の一次側配管に温度検出部を配置し、制御部１００が温度検出部によってドレンの蓄積・滞留による温度低下を検出すると、スチームトラップに異常が発生していると判定する構成としてもよい。

また、上記実施形態の蒸気システム１の暖機完了条件は、上述の条件に限定されない。例えば、蒸気温度以外にも、蒸気システム１の換気温度（周囲への放熱温度）に基づいて暖機完了か否かを判定する構成としてもよい。

上記実施形態のドレン検出部１１０の構成は適宜変更することができる。例えば、ドレン検出部１１０を流量センサに置き換えることもできる。この構成では、制御部１００は、流量センサの検出値に基づいてドレン量が許容値を超えたか否かを判定する。

上記実施形態では、スクリュー式の蒸気膨張機１０を例に説明したが、スクリュー式の蒸気膨張機１０に限定されるわけではない。例えば、スクロール式の蒸気膨張機であってもよい。この場合、旋回するスクロールが回転体として本体の内部に軸支され、回転検出部はスクロールの回転を検出する構成となる。

上記実施形態では、蒸気膨張機１０を蒸気圧縮機１５の被動機とする例を説明したが、この構成に限定されない。例えば、蒸気膨張機１０によって駆動される被動機に発電機を用いることもできる。

以上、蒸気機械として蒸気膨張機を用いる蒸気システム１の例を説明した。次に、図６を参照して蒸気機械として蒸気圧縮機を用いる場合について説明する。図６は、変形例の蒸気システム２０１を模式的に示す図である。

蒸気圧縮機２１５は、本体２１６の内部の回転体（図示省略）を回転させるモータ２１０を備える水添加式圧縮機である。なお、蒸気圧縮機２１５も、上記実施形態の蒸気膨張機１０と同様にスクリュー式であってもよいし、スクロール式であってもよい。

蒸気圧縮機２１５の本体２１６には、給蒸気管２２０を通じてボイラ（図示省略）からの蒸気が供給される。また、本体２１６の圧縮空間内には、補給水管２３０を介して冷却水が噴霧される。本体２１６に流入した蒸気は、モータ２１０によって駆動される回転体の回転によって圧縮され、排蒸気管２４０から排出される。排蒸気管２４０には、ドレンセパレータ（図示省略）が配置され、蒸気圧縮機２１５の作動中にドレンセパレータで分離されたドレンは、冷却水として再利用される。給蒸気管２２０には、給蒸弁２２２、給蒸気温度センサ５１及び給蒸気圧力センサ５２が配置される。また、排蒸気管２４０には排蒸気圧力センサ４２が配置される。給蒸気温度センサ５１、給蒸気圧力センサ５２及び排蒸気圧力センサ４２の各検出値は制御部１００に送信される。

蒸気システム２０１の運転が開始されると、制御部１００は給蒸弁２２２を開き、蒸気圧縮機２１５の本体２１６に蒸気の流入を開始させるとともに、給蒸気温度センサ５１によって検出された蒸気温度が所定温度以上か否かを監視する。制御部１００は、蒸気温度が所定温度以上になったことが検出されると、モータ２１０の回転を許可する起動許可条件が満たされたと判定し、モータ２１０を駆動して回転体の回転を開始させる。これにより、モータ起動時の本体内部へのドレンの流入を効果的に防止できる。

本変形例では、蒸気圧縮機２１５の本体２１６で生じたドレンは、ドレン管２９０を通じて本体２１６の外部に排出される。ドレン管２９０には流量センサによって構成されるドレン検出部３１０が配置される。なお、ドレン管２９０がドレンセパレータの排出管に接続され、ドレンセパレータからの排出ドレンに合流させる構成としてもよい。

ドレン検出部３１０の検出値は制御部１００に送信される。給蒸気管２２０を通じて多量のドレンが本体２１６に流入した場合等、ドレン検出部３１０の検出値が許容値を超えるとモータ２１０の駆動を停止する。水添加式圧縮機は、圧縮空間内に冷却水を噴霧し、回転体の表面に付着したミストを蒸発させることで回転体を冷却している。そのため、圧縮空間内に冷却水以外にドレンが流入すると、回転体の表面で水膜が形成されてミストの蒸発が阻害され、回転体の冷却不良が起こってしまう。本変形例では、蒸気圧縮機２１５の本体２１６の内部に冷却水以外にドレンが流入したとしても、その状態が検出されて蒸気圧縮機の駆動が停止されるので、回転体の冷却不良に起因する故障を未然に防止することができる。なお、ドレン検出部３１０は、蒸気機械を蒸気膨張機１０とした実施形態で説明したドレン検出部１１０と同じ構成のものであってもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態や変形例に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

１，２０１蒸気システム
１０蒸気膨張機（蒸気機械）
１１本体
１２スクリュー（回転体）
２０給蒸気管（蒸気管）
２１蒸気セパレータ
２２給蒸弁
９０集合ドレン管（ドレン管）
１００制御部
１１０ドレン検出部
１１１貯留部
１１２排出管
１１３オーバーフロー管
１２０フロートスイッチ（水位検出部）
２１０モータ
２１５蒸気圧縮機（蒸気機械）
２１６本体
２２０給蒸気管（蒸気管）

Claims

蒸気が流入する本体及び前記本体の内部に軸支される回転体を有する蒸気機械と、
前記本体に接続される蒸気管と、
前記本体又は前記蒸気管から排出されたドレンが流れるドレン管と、
前記ドレン管に配置されるスチームトラップと、
前記スチームトラップから排出されるドレン量を検出するドレン検出部と、
前記ドレン検出部の検出値が許容値を超えると前記蒸気機械を停止する制御を行う制御部と、
を備える蒸気システム。
前記本体及び前記蒸気管から排出されたドレンが流れる複数のドレン管と、
複数の前記ドレン管の下流側の端部が接続され、末端部が大気開放される集合ドレン管と、を備え、
前記スチームトラップは、複数の前記ドレン管のそれぞれに配置されると共に、前記スチームトラップの下流側には逆止弁が配置され、
前記ドレン検出部は、前記集合ドレン管に配置される請求項１に記載の蒸気システム。
前記ドレン検出部は、
前記スチームトラップから排出されるドレンを受容する貯留部と、
前記貯留部に接続され、前記貯留部内のドレンを外部に排出する排出管と、
前記貯留部内の水位を検出可能な水位検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記水位検出部の検出値が許容値を超えることを示すと前記回転体の回転を停止する制御を行う請求項１又は請求項２に記載の蒸気システム。
前記ドレン検出部は、
前記貯留部における前記排出管の上方に接続されるオーバーフロー管と、
を更に備え、
前記水位検出部は、ドレンがオーバーフロー管に流れる水位を検出するフロートスイッチである請求項３に記載の蒸気システム。
前記制御部は、前記水位検出部の検出値が許容値を下回ることを示してから所定時間経過後に前記回転体の回転を許可する請求項３又は４に記載の蒸気システム。
前記蒸気機械は、蒸気を膨張する蒸気膨張機であって、前記蒸気管に配置される給蒸弁を有し、
前記制御部は、前記ドレン検出部の検出値が許容値を超えることを示すと前記給蒸弁を閉じて前記回転体の回転を停止する制御を行う請求項１から５の何れかに記載の蒸気システム。
前記蒸気機械は、蒸気を圧縮する蒸気圧縮機であって、前記回転体を回転させるモータを有し、
前記制御部は、前記ドレン検出部の検出値が許容値を超えることを示すと前記モータの駆動を停止する請求項１から５の何れかに記載の蒸気システム。