KR101018969B1

KR101018969B1 - 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치

Info

Publication number: KR101018969B1
Application number: KR1020090015076A
Authority: KR
Inventors: 마사끼 마쯔꾸마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2011-03-02
Also published as: KR20090109053A

Abstract

본 발명은, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치이며, 용적형 증기 팽창기와, 상기 용적형 증기 팽창기에 의해 구동되는 용적형 공기 압축기와, 상기 용적형 증기 팽창기의 흡기량을 조절 가능한 용량 조정 밸브와, 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력을 검출하는 압력 검출기, 및 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력이 일정해지도록 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치로 이루어진다. 이와 같은 구성에 의해, 증기의 사용량에 관계없이, 안정되게 압력차 에너지를 회수할 수 있는 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치가 제공된다.

증기 팽창기 구동 공기 압축 장치, 스크류 팽창기, 스크류 압축기, 스팀 트랩, 용량 조정 밸브

Description

증기 팽창기 구동 공기 압축 장치{AIR COMPRESSOR DRIVEN WITH STEAM EXPANDER}

본 발명은, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 관한 것이다.

보일러에서 발생한 증기를 사용하는 플랜트에 있어서, 보일러가 발생하는 고압(예를 들어 1.2 내지 1.6㎫)의 증기를 감압 밸브로 감압하고, 저압(예를 들어 0.8 내지 0.9㎫)의 증기를 수요 설비에 공급하는 것이 일반적이다. 감압 밸브로 증기를 감압하면, 증기의 압력차 에너지를 폐기하게 되므로, 이 에너지를 회수하는 것이 요구된다.

일본 특허 출원 공개 제2007-16614호와 같이, 스크류식 증기 팽창기로 발전기를 구동함으로써, 증기의 압력차 에너지를 전기 에너지로서 회수하는 장치가 제안되어 있다. 일반적으로, 발전기는 일정 속도로 운전하는 것이 필요하지만, 스크류식 증기 팽창기의 속도를 일정하게 유지하면, 저압측의 증기 압력이 변동하게 되어 버린다.

스크류식 증기 팽창기의 속도 제어는, 일본 특허 출원 공개 제2007-16614호에 기재되어 있는 바와 같이, 토출압이 일정해지도록 흡입측에 설치한 유량 조정 밸브의 개방도를 제어하는 것이 일반적이다. 그래서, 속도 변화에 대응 가능한 발전기를 사용하여 스크류식 증기 팽창기의 토출압이 일정해지도록 제어함으로써, 증기 사용량의 변화에 대응하는 것이 가능해진다.

그러나, 소규모의 플랜트에서는, 증기 사용량이 불안정하기 때문에, 스크류식 증기 팽창기의 토출측 압력을 일정하게 유지하려고 하면, 스크류식 증기 팽창기의 회전수의 변동이 매우 커진다. 이로 인해, 증기 사용량이 저하되었을 때에, 스크류식 증기 팽창기의 출력 토크가 부족해져 발전기를 구동할 수 없게 되는 경우가 있다.

일본 특허 출원 공개 소63-50692호에는, 스크류식 증기 팽창기에서 스크류식 공기 압축기를 구동하여 공기를 압축하는 장치가 기재되어 있다. 그러나, 증기 사용량과 압축 공기 소비량이 비례 관계에 없는 경우에는, 스크류식 증기 팽창기의 토출측 압력을 일정하게 유지하면, 발생하는 압축 공기의 양을 제어할 수 없어 압축 공기에 과부족이 발생하여, 압축 공기의 압력이 변동해 버리는 문제가 있다.

상기 문제점에 비추어, 본 발명은 증기의 사용량에 관계없이, 안정되게 압력차 에너지를 회수할 수 있는 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치는, 용적형 증기 팽창기와, 상기 용적형 증기 팽창기에 의해 구동되는 용적형 공기 압축기와, 상기 용적형 증기 팽창기의 흡기량을 조절 가능한 용량 조정 밸브와, 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력을 검출하는 압력 검출기, 및 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력이 일정해지도록, 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치로 이루어진다.

이 구성에 따르면, 용량 조정 밸브에 의해 용적형 공기 압축기에 필요한 구동 토크에 따른 양의 증기를 용적형 증기 팽창기에 공급하므로, 용적형 공기 압축기를 안정되게 구동할 수 있다.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 PID 제어해도 좋다.

이 구성에 따르면, 널리 유통되어 있는 PID 컨트롤러를 사용할 수 있어, 구성이 간단하고, 저비용이다.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 감속기를 통해 상기 용적형 공기 압축기를 구동해도 좋다.

이 구성에 따르면, 용적형 공기 압축기의 부하 토크에 따라서 감속기의 감속비를 선택함으로써, 기계 효율이 높아진다.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 스크류 팽창기이며, 상기 용적형 공기 압축기는 스크류 압축기이라도 좋다.

이 구성에 따르면, 스크류 팽창기 및 스크류 압축기의 토크 변동이 작기 때문에, 운전 가능한 압력 범위가 넓어 안정된 운전을 할 수 있다.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 용량 조정 밸브의 상류와 상기 용적형 증기 팽창기의 토출측을 감압 밸브를 통해 접속해도 좋다.

이 구성에 따르면, 증기의 사용량이 많은 경우에, 감압 밸브를 통해 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치를 바이패스하여 필요한 증기를 수요 설비에 공급할 수 있다.

본 발명에 따르면, 용적형 증기 팽창기로 용적형 공기 압축기를 구동하고, 용적형 공기 압축기의 토출측 압력을 일정하게 유지하도록 용적형 증기 팽창기의 흡입측에 설치한 용량 조정 밸브의 개방도를 조절하므로, 증기의 공급 압력과 사용압력의 차압 에너지를 공기 압력 에너지로서 안정되게 회수할 수 있다.

이에 의해, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)의 개요를 나타낸다. 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)는 용적형 증기 팽창기인 스크류 팽창기(익스팬더)(2)와, 용적형 공기 압축기인 스크류 압축기(3)를 갖고, 스크류 팽창기(2)의 출력축과 스크류 압축기(3)의 입력축이 감속기(4)를 통해 접속되어 있다.

스크류 팽창기(2)에는, 도시하지 않은 보일러로부터 고압 증기가 스팀 트랩(5) 및 용량 조정 밸브(6)를 통해 공급되어 있다. 스크류 팽창기(2)는 흡기한 증기의 팽창력을 회전력으로 변환하여, 팽창에 의해 감압된 저압 증기를 도시 생략한 수요 설비에 공급하도록 되어 있다. 또한, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)는 고압 증기를 감압 밸브(7)를 통해 스크류 팽창기(2)를 거치지 않고 저압측에 공급할 수 있도록 되어 있다.

스크류 압축기(3)는 에어 필터(8)를 통해 공기를 흡인하고, 압축하여 토출한다. 스크류 압축기(3)가 토출한 압축 공기는 오일 세퍼레이터(9)에 의해 윤활유가 분리되고, 애프터 쿨러(10)로 냉각되어 수요 설비에 공급된다.

증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)는 오일 세퍼레이터(9)의 출구 배관에 압력 검출기(11)가 설치되어 있고, PID 제어 장치(12)에 의해 압력 검출기(11)의 검출 압력이 소정의 설정 압력이 되도록, 용량 조정 밸브(6)의 개방도를 PID 제어하도록 되어 있다.

오일 세퍼레이터(9)에 의해 분리된 윤활유는 자동 온도 조정 밸브(13), 오일 쿨러(14) 및 오일 필터(15)를 통해 스크류 팽창기(2)의 베어링부 및 스크류 압축기(3)의 로터실에 공급된다. 또한, 스크류 팽창기(2)가 정지하였을 때, 스크류 팽창기(2)의 베어링부로의 윤활유의 공급을 바로 정지할 수 있도록 전자기 밸브(16)가 배치되어 있다. 또한, 스크류 팽창기(2)의 베어링부에 공급된 윤활유는 감속기(4)에 유입하여 감속기(4)를 윤활하게 하고, 감속기(4)로부터 유출된 윤활유는 역지 밸브(17)를 통해 스크류 압축기(3)의 로터실에 공급된다.

본 실시 형태의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)에서는, 압축 공기의 수요가 적은 경우, 압력 검출기(11)의 검출 압력, 즉 스크류 압축기(3)의 토출측의 공기압이 상승하므로, PID 제어 장치(12)에 의해 스크류 팽창기(2)의 흡입 용량 조정 밸브(6)의 개방도가 제한되어, 스크류 팽창기(2)로의 증기 공급량이 적어진다. 이에 의해, 스크류 팽창기(2)의 회전수는 감소하고, 스크류 압축기(3)의 토출압도 저하되므로, 스크류 압축기(3)의 토출측 압력(압축 공기의 수요 설비로의 공급 압력)이 저하되어, 소정의 설정 압력으로 회복한다.

또한, 압축 공기의 수요가 많은 경우, 스크류 압축기(3)의 토출측 압력이 저하되므로, PID 제어 장치(12)에 의해 스크류 팽창기(2)의 흡입의 용량 조정 밸브(6)가 크게 개방된다. 이에 의해, 스크류 팽창기(2)의 회전수가 증대하여 스크류 압축기(3)의 토출압도 상승하므로, 압축 공기의 공급 압력이 상승하여, 설정 압력을 회복한다.

상세하게 설명하면, 용적형 증기 팽창기인 스크류 팽창기(2)의 출력 토크는 흡입 압력과 토출 압력의 차에 의해 정해진다. 또한, 마찬가지로, 용적형 공기 압축기인 스크류 압축기(3)의 구동 토크는 흡기 압력과 토출 압력의 차압에 의해 정해진다. 이로 인해, 스크류 압축기(3)의 구동에 필요한 토크에 맞게, 용량 조정 밸브(6)의 개방도를 조절함으로써 실질적인 스크류 팽창기(2)의 흡기 압력을 저하시킴으로써, 스크류 팽창기(2)의 출력을 제어하여 원하는 압력의 압축 공기를 발생시킬 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 압축 공기의 압력에 따라서 스크류 팽창기(2)의 증기 유량을 조절하므로, 보일러로부터 공급되는 고압 증기와, 상용 설비에서 사용하는 저압 증기의 차압 에너지를 공기 압력 에너지로서 안정되게 회수하여, 일정 압력의 압축 공기를 공급할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 감속기(4)는 스크류 팽창기(2)를 최적의 조건으로 운전하였을 때의 스크류 팽창기(2)의 출력이, 스크류 압축기(3)에 의해 공기를 압축하는 데 최적의 토크가 되도록 감속하고 있다. 이에 의해, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1) 전체의 기계 효율이 최적화되어, 에너지 회수 효율을 높이고 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 압축 공기의 수요에 비해 증기의 수요가 많은 경우에는, 감압 밸브(7)를 통해 증기 수요 설비에 증기를 공급할 수 있다.

본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치는, 증기 터빈과 같은 속도형의 기기와 비교하여, 운전 가능 범위가 넓은 용적형의 증기 팽창기 및 공기 압축기, 특히 회전형으로 진동(회전 중의 위상에 의한 토크 변동)이 작은 스크류 팽창기 및 스크류 압축기를 사용함으로써, 압축 공기의 수요 변동에 관계없이, 안정된 운전이 가능하다.

또한, 본 발명에 있어서, 증기 팽창기의 흡기측 용량 조정 밸브의 공기 압축기의 토출측 압력을 기초로 한 제어는 PID 제어에 한정되지 않고, 어떠한 제어를 사용해도 좋다.

도 1은 본 발명의 실시 형태의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치의 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치

2 : 스크류 팽창기

3 : 스크류 압축기

4 : 감속기

6 : 용량 조정 밸브

9 : 오일 세퍼레이터

11 : 압력 검출기

Claims

증기 팽창기 구동 공기 압축 장치이며,

용적형 증기 팽창기와,

상기 용적형 증기 팽창기에 의해 구동되는 용적형 공기 압축기와,

상기 용적형 증기 팽창기의 흡기량을 조절 가능한 용량 조정 밸브와,

상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력을 검출하는 압력 검출기와,

상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력이 일정해지도록, 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치로 이루어지는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 PID 제어하는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.
제1항에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 감속기를 통해 상기 용적형 공기 압축기를 구동하는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.
제1항에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 스크류 팽창기이며, 상기 용적형 공기 압축기는 스크류 압축기인, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.
제1항에 있어서, 상기 용량 조정 밸브의 상류와 상기 용적형 증기 팽창기의 토출측이 감압 밸브를 통해 접속되어 있는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.