KR101146835B1

KR101146835B1 - 발전 장치

Info

Publication number: KR101146835B1
Application number: KR1020110092873A
Authority: KR
Inventors: 히데아끼 구와바라; 마꼬또 니시무라; 하루유끼 마쯔다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-05-21
Also published as: JP2009228569A; CN101545382B; KR101087832B1; KR20090101811A; JP5171334B2; CN101545382A; KR20110107313A

Abstract

본 발명은 발전시에 증기로부터 발생하는 드레인을 억제할 수 있는 발전 장치를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.
본 발명에 관한 발전 장치(20)는 공급된 증기에 의해 발전하고, 발전에 이용된 증기를 배출하는 발전 장치(20)이며, 팽창실(40)로 도입된 증기의 압력에 의한 당해 팽창실(40)의 용적 변화에 따라서 동력을 발생하는 용적형 팽창기(22)와, 용적형 팽창기(22)로부터의 동력이 전달되도록 동력 전달 수단(64)을 통해 당해 용적형 팽창기(22)에 연결되는 발전기(24)와, 공급된 증기가 용적형 팽창기(22)를 통과함으로써 당해 증기로부터 발생하는 드레인을 억제하기 위한 드레인 억제 수단(58)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

발전 장치{POWER GENERATION DEVICE}

본 발명은 공급된 증기로부터 동력(구동력)을 얻는 구동원에 의해 발전기를 구동하는 발전 장치에 관한 것으로, 특히 구동원으로서 용적형 팽창기를 이용하여 발전기를 구동하는 발전 장치에 관한 것이다.

공장 등의 증기 프로세스에 있어서, 증기의 잉여의 압력차를 이용하여 발전을 행하는 발전 장치로서는 특허 문헌 1에 기재된 이하의 발전 장치가 알려져 있다.

이 발전 장치는, 상류측의 증기원(보일러 등)으로부터 공급된 증기로부터 동력을 얻는 구동원으로서의 스크류 팽창기와, 이 스크류 팽창기로부터 상기 동력이 전달되도록 당해 스크류 팽창기에 연결되는 발전기를 구비한다. 상기 스크류 팽창기는 용적형 팽창기이며, 팽창실로 도입(공급)된 상기 증기의 압력에 의한 당해 팽창실의 용적 변화에 따라서 회전력(동력)을 얻는 것이다.

이 용적형 팽창기에서는, 당해 용적형 팽창기의 상류측(입구)과 하류측(출구)의 상기 증기의 압력차를 효율적으로 회전력으로 변환하는 것이 가능해, 종래의 증기 터빈식 구동원에 비해 저압의 증기로부터 효율적으로 발전기를 구동하기 위한 회전력(동력)을 얻을 수 있다. 그로 인해, 상기 용적형 팽창기를 이용한 발전 장치를 상기 증기 프로세스 중에 배치함으로써, 중소 규모의 제조 공장에 있어서의 소형 보일러 등을 증기원으로 한 저압의 증기, 예를 들어 10기압 미만의 증기를 이용한 증기 프로세스에서도 고효율의 발전을 행하는 것이 가능해진다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 제2007-74894호 공보

상기와 같이 증기로부터 동력을 얻는 용적형 팽창기에 있어서는, 증기가 갖는 에너지를 발전기를 구동하는 회전력(동력) 등으로 변환하여 이용하기 때문에, 당해 용적형 팽창기를 통과함으로써 증기가 갖는 에너지가 감소한다. 그로 인해, 통상 상기 용적형 팽창기를 통과한 증기로부터는 당해 증기의 일부가 응축되어 드레인이 발생한다. 특히, 증기가 갖는 에너지를 효율적으로 상기 동력으로 변환하여 발전기를 구동할 수 있는 상기 용적형 팽창기에 있어서는, 통과한 상기 증기의 에너지의 감소가 크고, 그로 인해 드레인의 발생이 많아진다.

이와 같이 발생한 상기 드레인이 드레인 세퍼레이터 등에 의해 제거되면, 상기 용적형 팽창기의 하류측의 프로세스(제조 프로세스 등)에 공급되는 증기량이 감소한다. 그로 인해, 상기 증기 프로세스에 있어서, 잉여 증기가 없는 상태에서 상기 발전 장치가 이용된 경우에는 상기 감소분의 증기를 추가할 필요가 발생한다. 이와 같이 상기 증기 프로세스에 새롭게 증기를 추가하는 경우, 이 증기를 발생시키기 위해 연료 등이 별도로 필요해져 상기 증기 프로세스의 경제성이 저하된다.

그래서 본 발명은, 발전시에 증기로부터 발생하는 드레인을 억제할 수 있는 발전 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

그래서, 상기 과제를 해소하기 위해 본 발명에 관한 발전 장치는, 공급된 증기에 의해 발전하고, 발전에 이용된 상기 증기를 배출하는 발전 장치이며, 팽창실로 도입된 상기 증기의 압력에 의한 당해 팽창실의 용적 변화에 따라서 동력을 발생하는 용적형 팽창기와, 상기 용적형 팽창기로부터의 상기 동력이 전달되도록 동력 전달 수단을 통해 당해 용적형 팽창기에 연결되는 발전기와, 상기 공급된 증기가 상기 용적형 팽창기를 통과함으로써 당해 증기로부터 발생하는 드레인을 억제하기 위한 드레인 억제 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 당해 발전 장치에 공급된 증기에 의해 상기 용적형 팽창기가 동력을 발생시키고, 이 동력이 당해 용적형 팽창기에 연결된 상기 발전기에 전달됨으로써 당해 발전 장치가 발전한다.

이때, 상기 증기에 있어서는 상기 용적형 팽창기를 통과함으로써, 환언하면 상기 팽창실의 용적 변화에 의해 팽창 과정을 경유함으로써 당해 증기가 갖는 에너지가 감소하지만, 상기 드레인 억제 수단에 의해 당해 증기로부터의 드레인의 발생이 억제된다. 즉, 상기 증기로부터의 드레인의 발생을 억제하면서 발전하는 것이 가능해진다.

본 발명에 관한 발전 장치에 있어서는, 상기 용적형 팽창기는 스크류 팽창기인 구성이 바람직하다.

이러한 구성으로 함으로써, 습한 증기나 부식성 가스 등으로부터의 에너지 회수도 가능해지고, 당해 발전 장치에 있어서의 작동 유체의 제약이 적어진다. 또한, 상기 스크류 팽창기는 회전 용적형의 유체 기계이므로, 용적형이면서 취급 유량이 많아 출력이 다른 용적형 팽창기에 비해 커진다. 그로 인해, 소형이면서 효율적으로 발전하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 드레인 억제 수단은 상기 용적형 팽창기의 하류측의 유로에 설치되고, 통과하는 상기 증기가 교축 팽창되는 교축 팽창 수단이라도 좋다. 이 경우, 상기 교축 팽창 수단은 감압 밸브인 구성이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 상기 용적형 팽창기의 하류측에 있어서, 상기 용적형 팽창기의 하류측 압력(출구 압력)으로부터 상기 유로의 하류측의 프로세스가 필요로 하는 압력(이하, 단순히「프로세스측 압력」이라고도 함)으로 상기 교축 팽창 수단에 의해 감압할 때에 상기 증기 중에 발생되어 있었던 드레인을 재증발시켜 드레인의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

즉, 상기 교축 팽창 수단을 설치함으로써, 상기 증기가 이 교축 팽창 수단을 통과할 때에 교축 팽창 작용에 의해 비엔탈피가 일정한 상태에서 상기 증기가 감압되어 상기 용적형 팽창기의 출구 압력으로부터 프로세스측 압력까지 감압된다. 이 감압시에 상기 증기의 건조도가 향상되어 습한 증기 상태로부터 건조한 증기 상태를 향해 상기 증기의 상태량이 변화된다. 즉, 상기 용적형 팽창기를 통과한 증기 중에 드레인이 발생되어 있었던 경우, 이 드레인이 재증발한다. 그로 인해, 상기 교축 팽창 수단을 설치함으로써 상기 용적형 팽창기를 통과한 증기로부터의 드레인의 발생을 억제하면서 상기 증기의 압력을 프로세스측 압력으로 조정하는 것이 가능해진다.

특히, 상기 교축 팽창 수단을 개방도 조정 가능한 상기 감압 밸브로 구성함으로써, 상기 용적형 팽창기에 공급되는 증기의 유량 변동이나 프로세스측 압력의 변동이 있었던 경우라도 상기 감압 밸브를 조정함으로써 상기 용적형 팽창기의 출구 압력을 조정하여, 상기 증기를 당해 교축 팽창 수단을 통과시킴으로써 과열 증기 또는 포화 증기로 상태 변화시키는 동시에 프로세스측 압력까지 감압하는 것이 가능해진다.

또한, 상류측으로부터의 증기의 유량 변동이나 프로세스측 압력의 변동이 거의 없는 상기 증기 프로세스에 있어서는, 상기 교축 팽창 수단은 교축 밸브 또는 상기 유로에 형성된 교축부라도 좋다. 이와 같이 상기 교축 팽창 수단이 개방도 조정할 수 없는 상기 교축 밸브 또는 상기 교축부로 구성되어도 상기 교축 밸브 또는 상기 교축부에 의해 상기 용적형 팽창기의 출구 압력과 프로세스측 압력이, 상기와 마찬가지로 상기 증기가 당해 교축 밸브 또는 당해 교축부를 통과함으로써 과열 증기 또는 포화 증기로 상태 변화하는 압력비가 되도록 유로의 개방도를 설정해 둠으로써, 드레인의 발생을 억제하는 동시에 프로세스측 압력으로의 조정이 가능해진다.

또한, 상기 드레인 억제 수단은 노즐부에 공급되는 증기를 이용하여 부압(負壓)을 발생시켜 이 부압에 의해 흡인부로부터 다른 증기를 흡인하는 이젝터와, 상기 용적형 팽창기의 상류측의 유로로부터 분기된 분기 유로와, 상기 용적형 팽창기의 하류측에 접속된 배출 유로에 의해 구성되고, 상기 이젝터는 상기 노즐부에 상기 분기 유로가 접속되는 동시에 상기 흡인부에는 상기 배출 유로가 접속되는 구성이라도 좋다. 이 경우, 상기 분기 유로에는 유량 조정 밸브가 설치되는 구성이 바람직하다.

상기 용적형 팽창기를 통과할 때의 팽창 과정에서 상기 증기가 응축되어 드레인이 일단 발생하지만, 이 드레인은 상기 배출 유로를 거쳐서 상기 이젝터의 흡인부로부터 흡인되고, 상기 용적형 팽창기의 상류측의 상기 유로로부터 분류(分流)하여 당해 이젝터의 노즐부에 있어서 과열 증기 상태로 된 증기와 혼합되어 다시 증발하여 증기로 된다. 그 결과, 당해 발전 장치 전체적으로는 상기 증기로부터의 드레인의 발생이 억제된다.

또한, 상기 용적형 팽창기의 배출 유로 내의 상기 증기는, 상기 이젝터에 의해 승압되어 프로세스측으로 배출된다. 즉, 상기 용적형 팽창기의 출구 압력을 프로세스측 압력보다도 낮게 할 수 있다. 그로 인해, 상기 용적형 팽창기의 입구 압력과 출구 압력의 압력차를 증기원으로부터 공급되는 증기의 압력과 프로세스측 압력의 압력차보다도 크게 하는 것이 가능해진다. 그로 인해, 당해 발전 장치에 공급되는 상기 증기가 갖는 에너지를 최대한 일(동력)로서 회수하는 것이 가능해져 발전 효율이 보다 향상된다.

또한, 상기 분기 유로에 상기 유량 조정 밸브가 설치됨으로써 상기 노즐부에 공급되는 상기 증기의 유량이 조정 가능해져, 상기 배출 유로 내의 상기 증기의 압력(상기 용적형 팽창기의 출구 압력)과 상기 이젝터의 하류측의 증기의 압력(프로세스측 압력)의 압력차의 조정이 용이해진다.

또한, 상기 드레인 억제 수단은 상기 용적형 팽창기의 하류측의 유로에 설치된 압축기로 구성되고, 이 압축기는 상기 동력 전달 수단에 연결되어 구동되는 구성이라도 좋다.

이러한 구성에 따르면, 상기 용적형 팽창기를 통과할 때의 팽창 과정에서 상기 증기가 응축되어 드레인이 일단 발생하지만, 이 드레인은 상기 용적형 팽창기로부터 배출된 증기와 함께 상기 압축기 내로 도입되고, 당해 압축기 내에서 압축됨으로써 재증발하여 증기로 된다. 그 결과, 당해 발전 장치 전체적으로는 상기 증기로부터의 드레인의 발생이 억제된다.

또한, 상기 압축기에 의해 상기 용적형 팽창기로부터 배출된 증기의 압력을 상승시킬 수 있으므로, 프로세스측 압력보다도 상기 용적형 팽창기의 출구 압력을 낮게 할 수 있다. 즉, 상기와 마찬가지로 상기 용적형 팽창기의 입구 압력과 출구 압력의 압력차를 증기원으로부터 공급되는 증기의 압력과 프로세스측 압력의 압력차보다도 크게 하는 것이 가능해진다. 그로 인해, 당해 발전 장치에 공급되는 상기 증기가 갖는 에너지를 최대한 일(동력)로서 회수하는 것이 가능해져 발전 효율이 보다 향상된다.

이 경우, 상기 동력 전달 수단은 상기 용적형 팽창기와 상기 발전기를 연결하는 회전 구동축으로 구성되고, 상기 압축기는 상기 회전 구동축에 연결되어 있는 구성이라도 좋다.

이러한 구성에 따르면, 상기 회전 구동축을 통해 상기 용적형 팽창기와 발전기가 연결되어 있으므로, 복수의 부재를 통해 상기 동력이 전달되는 경우에 비해 상기 동력의 기계 손실을 작게 할 수 있다. 그로 인해, 발전 효율이 보다 향상된다.

또한, 상기 회전 구동축과 같은 간단한 구성으로 함으로써, 당해 동력 전달 수단에 있어서 고장이 발생하기 어렵고 또한 유지 보수도 용이해진다.

또한, 상기 동력 전달 수단은 복수의 기어에 의해 구성되고, 상기 압축기는 외부로부터 동력을 얻기 위한 기어를 갖고, 이 기어가 상기 복수의 기어 중 어느 하나에 맞물리도록 배치되는 구성이라도 좋다.

이러한 구성에 따르면, 각 기어의 기어비를 설정함으로써 원하는 상기 압축기의 출구 압력(프로세스측 압력) 및 원하는 상기 용적형 팽창기의 출구 압력을 용이하게 얻는 것이 가능해진다. 그로 인해, 상기 용적형 팽창기의 입구 압력과 출구 압력의 압력차를 원하는 압력차로 설정하는 동시에 프로세스측 압력도 원하는 압력으로 할 수 있다.

또한, 상기 압축기는 스크류 압축기로 구성됨으로써 당해 압축기 내에 다소의 액체가 도입되었다고 해도 고장나기 어려워진다. 그로 인해, 상기 용적형 팽창기와 스크류 압축기 사이의 유로에는, 상기 용적형 팽창기를 통과할 때에 응축된 상기 증기를 비산시키기 위한 드레인 비산기가 설치되어도 좋고, 또한 상기 용적형 팽창기와 스크류 압축기 사이의 유로에는 상기 증기를 구성하는 액체를 당해 유로 내에 주입하기 위한 액체 주입 장치가 설치되어도 좋다.

이러한 드레인 비산기가 설치됨으로써, 상기 용적형 팽창기에서의 팽창 과정에서 일단 증기가 응축되어 발생한 드레인이 상기 유로 내에서 액막으로 되어도, 이 액막이 당해 유로 내의 증기 중으로 비산됨으로써 상기 압축기 내에서의 상기 드레인의 재증발이 용이해진다. 그 결과, 드레인의 발생이 보다 억제된다.

또한, 상기 액체 주입 장치에 의해 액체가 주입됨으로써, 프로세스측으로 공급되는 증기량을 증가시키는 것이 가능해진다.

이상으로부터, 본 발명에 따르면 발전시에 증기로부터 발생하는 드레인을 억제할 수 있는 발전 장치를 제공할 수 있다.

도1은 제1 실시 형태에 관한 증기 프로세스 전체의 개략 구성도.
도2는 제1 실시 형태에 관한 발전 장치에 있어서의 개략 구성도.
도3은 제1 실시 형태에 관한 스크류 팽창기에 있어서의 도면으로, 도3의 (a)는 부분 단면 평면도이고, 도3의 (b)는 부분 단면 측면도이고, 도3의 (c)는 도3의 (a)에 있어서의 A-A 단면도.
도4는 제1 실시 형태에 관한 스크류 팽창기에 있어서의 도면으로, 도4의 (a) 및 도4의 (b)는 팽창실의 용적 변화를 나타내기 위한 한 쌍의 스크류 로터의 사시도.
도5는 제1 실시 형태에 관한 발전 장치에 있어서의 도면으로, 도5의 (a)는 증기의 상태 변화를 나타내는 도면이고, 도5의 (b)는 스크류 팽창기의 출구 압력을 변경한 경우의 증기의 상태 변화를 나타내는 도면.
도6은 제2 실시 형태에 관한 발전 장치에 있어서의 도2의 점선으로 둘러싸인 부분에 상당하는 부분의 개략 구성도.
도7은 제2 실시 형태에 관한 이젝터의 종단면도.
도8은 제2 실시 형태에 관한 스크류 팽창기의 출구 압력을 입구 압력으로부터의 압력차로 나타냈을 때의 이론 발전량을 나타내는 도면.
도9는 제3 실시 형태에 관한 발전 장치에 있어서의 도2의 점선으로 둘러싸인 부분에 상당하는 부분의 개략 구성도.
도10은 도9에 도시되는 제3 실시 형태의 변형예를 도시하는 도면으로, 도10의 (a)는 발전기의 양측에 스크류 팽창기와 스크류 압축기를 배치한 상태를 도시하는 개략 구성도이고, 도10의 (b)는 연결관에 드레인 세퍼레이터와 액체 주입 장치를 설치한 상태를 도시하는 개략 구성도이고, 도10의 (c)는 연결관에 드레인 비산기와 액체 주입 장치를 설치한 상태를 도시하는 개략 구성도.
도11은 도9에 도시되는 제3 실시 형태의 변형예를 도시하는 도면이며, 동력 전달 수단이 복수의 기어로 구성된 상태를 도시하는 개략 구성도.

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해 도1 및 도2를 참조하면서 설명한다.

본 실시 형태에 관한 발전 장치(20)는, 보일러 등의 증기원(증기 발생 수단)(10)에서 생성되어 증기 이용 설비(이하, 단순히「프로세스」라고도 함)(12)에서 이용시키는 증기의 에너지를 이용하여 발전을 행하는 장치이다.

증기원(10)과 프로세스(12)는 증기가 유통하는 주 배관(14)에 의해 접속되어 있다. 이 주 배관(14)에는 컨트롤 밸브(16)가 설치되어 있다.

프로세스(12)는, 예를 들어 급탕기, 난방기, 건조기, 세정 장비, 살균기 등의 증기를 이용하는 설비이다. 또한, 컨트롤 밸브(16)는 발전 장치(20)에서 발전을 행하지 않는 경우에는 감압 밸브로서 작용하고, 발전 장치(20)에서 발전을 행하는 경우에는 주 배관(14)을 폐색하는 밸브이다.

발전 장치(20)는, 증기원(10)으로부터 공급되는 증기의 압력을 하류측의 프로세스(12)가 필요로 하는 압력(이하, 단순히「프로세스측 압력」이라고도 함)으로 감압할 때에, 이 증기 감압시의 압력차를 이용하여 발전을 행하는 장치이다. 구체적으로는, 용적형 팽창기(22), 발전기(24), 주파수 변환기(26), 컨트롤러(28) 등을 구비하고 있으며, 이들은 케이싱(30) 내에 수납되어 있다.

용적형 팽창기(22)는 내부에 형성된 팽창실로 도입된 증기(유체)의 압력에 의한 당해 팽창실의 용적 변화에 따라서 동력을 발생하는 팽창기이다. 본 실시 형태에 있어서는, 스크류 팽창기(이른바 스크류 익스팬더)(22)가 이용되고, 이 스크류 팽창기(22)는 회전 용적형 유체 기계이다.

상세하게는, 도3의 (a) 내지 도4의 (b)에도 도시되는 바와 같이, 스크류 팽창기(22)는 내부에 로터실(32)이 형성된 팽창기 케이싱(34)과 로터실(32) 내에 회전 가능에 배치되는 수형 암형 한 쌍의 스크류 로터(36, 38)를 구비한다. 이들 암형 및 수형의 스크류 로터(36, 38)는 서로 역방향의 나선 형상의 날개(36a, 38a)를 구비하고 있다. 또한, 서로 회전축(36b, 38b)이 평행으로 되도록 팽창기 케이싱(34)의 로터실(32) 내에 배치되어 있다. 팽창실(40)은 각 로터(36, 38)의 날개(36a, 38a)와 팽창기 케이싱(34)으로 둘러싸임으로써 형성되어 있다[도4의 (a) 및 도4의 (b)의 사선부 참조]. 후술하는 바와 같이, 이 팽창실(40) 내에 증기가 도입되어 팽창됨으로써 당해 팽창실(40)의 용적이 증대되어 각 스크류 로터(36, 38)가 회전한다. 팽창기 케이싱(34)에는 스크류 로터(36)[또는(38)]의 축방향의 한쪽측 단부에 증기가 공급되는 입구(급기 포트)(42)가 형성되고, 다른 쪽측 단부에 팽창 과정을 거친 증기가 배출되는 출구(배기 포트)(44)가 형성되어 있다.

스크류 팽창기(22)의 입구(42)에는 공급관(46)이 접속되고, 출구(44)에는 배출관(48)이 접속되어 있다. 공급관(46)은 주 배관(14)에 있어서의 컨트롤 밸브(16)의 상류측에 접속되고, 또한 배출관(48)은 주 배관(14)에 있어서의 컨트롤 밸브(16)의 하류측에 접속되어 있다. 이에 의해, 증기원(10)에서 생성된 증기가 스크류 팽창기(22)에 공급되고, 이 스크류 팽창기(22)로부터 배출된 증기가 주 배관(14)으로 복귀되도록 되어 있다.

공급관(46)에는 상류측으로부터 차례로 공급 증기 구획 밸브(개폐 밸브)(50), 드레인 세퍼레이터(52) 및 긴급 차단 밸브(54)가 설치되어 있다. 공급 증기 구획 밸브(50)는 공급관(46)에 있어서의 케이싱(30)의 외측 근방에 설치되어 있다. 드레인 세퍼레이터(52)는 공급관(46)을 흐르는 증기로부터 드레인을 분리하기 위한 것이다. 긴급 차단 밸브(54)는 공급관(46)을 완전하게 폐색하는 것이며, 컨트롤러(28)에 의해 개폐 제어 가능하게 되어 있다.

배출관(48)에 있어서의 케이싱(30)의 외측 근방에는, 배출 증기 구획 밸브(개폐 밸브)(56)가 설치되어 있다. 이 배출 증기 구획 밸브(56)와 공급관(46)의 공급 증기 구획 밸브(50)는, 주 배관(14)을 흐르는 증기를 공급관(46)으로 도입(공급)되는지 여부를 절환하는 절환 수단을 구성하고 있다. 즉, 증기원(10)에서 생성된 증기를 그대로 프로세스(12)로 공급할 때에는, 이들 양쪽의 증기 구획 밸브(50, 56)를 폐쇄하고 컨트롤 밸브(16)를 개방하고, 증기를 이용한 발전을 행할 때에는 이들 양쪽의 증기 구획 밸브(50, 56)를 개방하고 컨트롤 밸브(16)를 폐쇄한다. 또한, 이들 양쪽의 증기 구획 밸브(50, 56)는 각각 완전 개방 및 완전 폐쇄의 2가지 상태로 절환 가능한 구획 밸브, 개방도 조정 가능한 구획 밸브 중 어느 것에 의해 구성되어도 좋다. 또한, 절환 수단으로서 증기 구획 밸브 대신에 삼방 절환 밸브를 배치해도 좋다. 이 경우, 삼방 절환 밸브는 주 배관(14)과 공급관(46)의 접속부 및 주 배관(14)과 배출관(48)의 접속부에 배치된다. 이 경우, 컨트롤 밸브(16)는 단순히 통과하는 증기의 압력을 감압하는 감압 밸브로 변경되어도 좋다.

또한, 배출관(48)에 있어서의 스크류 팽창기(22)의 출구(44)로부터 배출 증기 구획 밸브(56)까지의 사이에 드레인 억제 감압 밸브(58)가 설치되어 있다. 이 드레인 억제 감압 밸브(58)는, 배출관(48)을 흐르는 증기가 당해 드레인 억제 감압 밸브(58)를 통과할 때에 교축 팽창되는 감압 밸브이며, 본 실시 형태에 있어서는 후술하는 바와 같이 스크류 팽창기(22)를 통과한 증기로부터 발생하는 드레인을 억제하는 드레인 억제 수단을 구성하고 있다.

또한, 배출관(48)에 있어서, 스크류 팽창기(22)의 출구(44)로부터 드레인 억제 감압 밸브(58)까지의 사이에 제1 압력계(60)가 설치되고, 드레인 억제 감압 밸브(58)로부터 배출 증기 구획 밸브(56)까지의 사이에 제2 압력계(62)가 설치되어 있다. 제1 압력계(60)는 스크류 팽창기(22)의 출구(44)로부터 드레인 억제 감압 밸브(58)까지의 배출관(48) 내를 흐르는 증기의 압력을 계측하는 압력계이며, 제2 압력계(62)는 드레인 억제 감압 밸브(58)로부터 배출 증기 구획 밸브(56)까지의 배출관(48) 내를 흐르는 증기의 압력을 계측하는 압력계이다.

이들 제1 및 제2 압력계(60, 62)에서 계측된 배출관(48) 내의 각 압력 데이터는 컨트롤러(28)로 보내지고, 후술하는 바와 같이 이 압력 데이터를 기초로 하여 컨트롤러(28)가 발전기(24)의 회전수 제어 및/또는 드레인 억제 감압 밸브(58)의 제어(개방도 조정)를 행한다.

발전기(24)는 동력 전달 수단(64)을 통해 스크류 팽창기(22)에 연결되어 있다. 구체적으로는, 발전기(24)의 회전축이 회전 구동축(64)을 통해 스크류 팽창기(22)의 회전축(36b)[또는(38b)]과 연결되어 있다. 따라서, 스크류 팽창기(22)가 공급된 증기의 에너지를 회전 동력으로 변환하면, 이 회전 동력이 회전 구동축(64)을 통해 발전기(24)의 회전축으로 전달되어 발전기(24)에 있어서 발전이 행해진다.

발전기(24)에서 발전된 전기는 주파수 변환기(26)로 보내진다. 이 주파수 변환기(26)는 발전기(24)에서 발전된 전기의 주파수를 변환하는 것이며, 예를 들어 30 내지 120 ㎐의 전기를 AC 50 또는 60 ㎐의 상용 주파수의 전기로 변환한다.

컨트롤러(28)는 제1 압력계(60)에서 계측한 압력 데이터를 기초로 하는 발전기(24)의 회전수 제어, 제2 압력계(62)에서 계측한 압력 데이터를 기초로 하는 드레인 억제 감압 밸브(58)의 제어, 긴급 차단 밸브(54)의 개폐 등의 발전 장치(20)를 구성하는 각 요소의 동작 제어 등을 행하는 것이다.

제1 실시 형태에 관한 발전 장치(20)는 이상의 구성으로 이루어지고, 다음에 이 발전 장치(20)의 동작에 대해 설명한다.

보일러 등의 증기원(10)의 구동에 의해 생성된 증기는, 주 배관(14)을 흘러 컨트롤 밸브(16)에서 감압된 후, 하류측의 프로세스(12)로 공급된다. 그리고 발전을 행하는 경우에는, 공급관(46)의 공급 증기 구획 밸브(50) 및 배출관(48)의 배출 증기 구획 밸브(56)를 개방하는 동시에 컨트롤 밸브(16)를 폐쇄하고, 이에 의해 증기원(10)에서 생성되어 주 배관(14)을 흘러 온 증기가 공급관(46)으로 공급된다.

주 배관(14)으로부터 공급관(46)으로 공급된 증기는, 스크류 팽창기(22)의 입구(급기 포트)(42)로부터 내부로 도입된다. 도입된 증기는, 수형 암형 한 쌍의 스크류 로터(36, 38) 및 팽창기 케이싱(34)으로 구성되는 팽창실(40)의 벽을 균등하게 밀어내려고 한다[도4의 (a) 참조]. 팽창기 케이싱(34)은 고정되어 있고, 회전체인 수형 암형 한 쌍의 스크류 로터(36, 38)의 날개(36a, 38a)의 이면측[출구(44)측]이 표면측[입구(42)측]에 비해 저압으로 되어 있으므로 이 날개(36a, 38a)의 표면측과 이면측의 차압에 의해 양쪽의 스크류 로터(36, 38)가 각각 회전한다[도4의 (a)의 화살표 참조]. 양쪽의 스크류 로터(36, 38)가 각각 회전하는 것에 따라서 팽창실(40)의 폐쇄 용적이 증대되고[도4의 (a) 및 도4의 (b)의 사선부 참조], 동시에 증기도 팽창하여 용적 최대로 된 시점에서 스크류 팽창기(22)의 출구(배기 포트)(44)에 도달하고, 팽창실(40) 내에서의 폐쇄가 개방되어 배출된다. 이 동작이 연속됨으로써 회전 동력이 발생하고, 회전 구동축(64)을 통해 발전기(24)에 전달되어 발전기(24)의 회전축을 회전시킨다.

발전기(24)는 그 회전축이 스크류 팽창기(22)로부터 전달된 회전 동력에 의해 회전함으로써 발전한다. 이 발전기(24)에서 생성된 전기는 주파수 변환기(26)로 보내진다. 그리고 이 주파수 변환기(26)에서 상기와 같이 상용 주파수의 전류로 변환되어, 변압기(66)를 거쳐 계통(68)으로 보내진다.

한편, 스크류 팽창기(22)로부터 배출된 증기는 배출관(48)을 흘러 드레인 억제 감압 밸브(58)를 통과한다. 이때, 증기는 교축 팽창되어 프로세스측 압력까지 감압된 후, 배출관(48)을 흘러 주 배관(14)으로 복귀되어 하류측의 프로세스(12)로 공급된다.

상기 드레인 억제 감압 밸브(58)에서의 감압에서는, 배출관(48) 내의 압력을 프로세스측 압력으로 하기 위해 제2 압력계(62)에서의 계측을 기초로 하여 드레인 억제 감압 밸브(58)의 제어가 행해진다. 구체적으로는, 제2 압력계(62)에서 계측한 압력 데이터가 컨트롤러(28)로 보내지고, 이 압력 데이터를 기초로 하는 컨트롤러(28)로부터의 지령에 의해 드레인 억제 감압 밸브(58)의 개방도 조정이 행해지고, 드레인 억제 감압 밸브(58)를 통과 후의 증기의 압력이 감압되어 프로세스측 압력으로 된다.

이때, 드레인 억제 감압 밸브(58)의 상류측의 압력, 즉 스크류 팽창기(22)의 출구(44)에서의 압력(출구 압력)은 드레인 억제 감압 밸브(58)가 설치됨으로써 프로세스측 압력보다도 높게 되어 있다. 그리고 스크류 팽창기(22)에 공급되는 증기량(증기의 유량)이 변동된 경우에는, 스크류 팽창기(22)의 회전수를 제어하여 배출되는 증기량을 제어함으로써 당해 스크류 팽창기(22)의 출구 압력이 일정하게 유지된다.

이 스크류 팽창기(22)의 회전수 제어는 제1 압력계(60)에서의 계측을 기초로 하여 발전기(24)의 회전수를 제어함으로써 행해진다. 즉, 발전기(24)의 회전축과 스크류 팽창기(22)의 회전축(36b)[또는(38b)]은 회전 구동축(64)에 의해 연결되어 있으므로, 발전기(24)의 회전수를 제어함으로써 스크류 팽창기(22)의 회전수가 제어된다.

구체적으로는, 상기 증기량의 변동 등에 의한 스크류 팽창기(22)의 출구 압력의 변동을 제1 압력계(60)에서 계측하고, 그 압력 데이터가 컨트롤러(28)로 보내진다. 컨트롤러(28)는 이 압력 데이터를 기초로 하여 스크류 팽창기(22)의 출구 압력이 원하는 압력으로 되는 회전수를 산출한다. 또한, 스크류 팽창기(22)의 회전수가 상기 산출한 회전수로 되는 발전기(24)의 회전수를 산출하여, 이 회전수로 되도록 발전기(24)에 지령을 보낸다. 이와 같이 제어함으로써, 스크류 팽창기(22)에 공급되는 증기량의 변동이 있어도 스크류 팽창기(22)의 출구 압력이 원하는 압력(일정 압력)으로 되도록 스크류 팽창기(22)의 회전수 제어가 행해진다.

상기한 스크류 팽창기(22)에 있어서의 원하는 출구 압력은 이하와 같이 하여 도출된다. 여기서, 스크류 팽창기(22)의 입구 압력을 P1, 스크류 팽창기(22)에 있어서의 팽창실(40)의 개방 직전의 당해 팽창실(40) 내의 압력을 P2, 프로세스측 압력을 P3, 스크류 팽창기(22)의 출구 압력(상기 원하는 출구 압력)을 P4로 한다. 또한, 프로세스(12)에서 필요로 되어 있는 증기가 포화 증기인 경우에 대해 설명한다.

스크류 팽창기(22)에 공급된 증기는, 당해 스크류 팽창기(22)를 통과함으로써 팽창 과정을 거쳐서 P1로부터 P2로 감압된다. 이때의 증기의 상태량의 변화는, 도5의 (a)에 나타내는 화살표 QS1과 같이 변화된다. 이 팽창 과정을 거친 증기는, 스크류 팽창기(22)의 팽창실(40)이 개방됨으로써 P2로부터 P4로 승압된다. 이때의 상기 상태량의 변화는, 도5의 (a)에 나타내는 화살표 QS2와 같이 변화된다. 그리고 압력이 P4로 된 증기는, 드레인 억제 감압 밸브(58)를 통과하여 교축 팽창됨으로써 P4로부터 P3으로 감압된다. 이때, 증기는 교축 팽창 작용에 의해 도5의 (a)에 나타내는 화살표 QS3과 같이 비엔탈피가 일정한 상태에서 압력이 저하된다. 이와 같이 증기의 압력이 P3으로 감압되었을 때에 상태량의 변화의 화살표 QS3과 압력 P3의 교점이 포화 증기선 상에 위치하도록 P4의 압력이 설정된다.

또한, 프로세스(12)에서 필요해지는 증기가 건조한 증기인 경우는, 도5의 (a)에 나타내는 화살표 QS3이 P3에 도달하기 전에 포화 증기선과 교차하는, 즉 도5의 (b)에 나타내어지는 바와 같이 화살표 QS3과 압력 P3의 교점이 포화 증기선보다도 상측(건조한 증기측)의 영역에 위치하도록 P4의 값이 설정되면 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면 드레인 억제 감압 밸브(58)(교축 팽창 수단)를 설치함으로써, 증기가 이 드레인 억제 감압 밸브(58)를 통과할 때에 교축 팽창 작용에 의해 비엔탈피가 일정한 상태에서 당해 증기가 감압되어 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P4로부터 프로세스측 압력 P3까지 감압된다. 이 감압시에 증기의 건조도가 향상되어 습한 증기 상태로부터 건조한 증기 상태를 향해 증기의 상태량이 변화된다. 즉, 스크류 팽창기(22)를 통과한 증기 중에 드레인이 발생되어 있었던 경우, 이 드레인이 재증발한다. 그로 인해 드레인 억제 감압 밸브(58)를 설치함으로써 스크류 팽창기(22)를 통과한 증기로부터의 드레인의 발생을 억제하면서 상기 증기의 압력 P4를 프로세스측 압력 P3으로 조정(감압)하는 것이 가능해진다.

또한, 교축 팽창 수단을 개방도 조정 가능한 드레인 억제 감압 밸브(58)로 구성함으로써, 스크류 팽창기(22)에 공급되는 증기량의 변동이나 프로세스측 압력 P3의 변동이 있었던 경우라도, 드레인 억제 감압 밸브(58)를 제어함으로써 스크류 팽창기(22)의 출구 압력을 조정하고, 증기를 당해 드레인 억제 감압 밸브(58)를 통과시킴으로써 과열 증기 또는 포화 증기로 상태 변화시키는 동시에 프로세스측 압력 P3까지 감압하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는 드레인 억제 수단으로서 드레인 억제 감압 밸브(58)가 이용되고 있지만, 증기원(10)으로부터의 증기량의 변동이나 프로세스측 압력 P3의 변동이 거의 없는 경우에 있어서는, 상기 교축 팽창 수단은 교축 밸브 또는 배출관(48)에 형성된 교축부로 구성되어도 좋다.

이와 같이 상기 교축 팽창 수단이 개방도 조정할 수 없는 상기 교축 밸브 또는 상기 교축부로 구성되어도, 상기 교축 밸브 또는 상기 교축부에 의해 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P4와 프로세스측 압력 P3이 상기와 마찬가지로 증기가 당해 교축 밸브 또는 당해 교축부를 통과함으로써 과열 증기 또는 포화 증기로 상태 변화하는 압력비가 되도록 배출관(48)의 개방도(교축도)를 설정해 둠으로써, 드레인의 발생을 억제하는 동시에 프로세스측 압력 P3으로의 조정이 가능해진다.

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 도6도 참조하면서 설명하지만, 상기 제1 실시 형태와 동일한 구성에는 동일한 부호를 이용하는 동시에 상세한 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해서만 상세하게 설명한다. 도6은 발전 장치(20)에 있어서의 도2의 점선으로 둘러싸인 부분에 상당하는 부분을 도시하는 개략 구성도이다.

본 실시 형태에 관한 발전 장치(20)에 있어서는, 드레인 억제 수단은 이젝터(70)와 분기관(72)과 흡인용 배출관(74)에 의해 구성되어 있다. 이젝터(70)는 도7에도 도시되는 바와 같이, 공급되는 유체(증기)를 교축 팽창시켜 부압을 발생시키는 노즐부(76)와, 상기 부압에 의해 다른 유체(증기)를 흡인하는 흡인부(78)와, 노즐부(76) 및 흡인부(78)로부터의 유체를 혼합한 후, 배출하는 디퓨저부(80)가 이젝터 본체(81)에 설치됨으로써 구성되어 있다.

이젝터(70)의 노즐부(76)에는 스크류 팽창기(22)의 상류측의 공급관(46)으로부터 분기되어 있는 분기관(72)이 접속되어 있다. 이 분기관(72)의 도중에는, 당해 분기관(72) 내를 흐르는 증기량을 조정하기 위한 유량 조정 밸브(82)가 설치되어 있다. 또한, 이젝터(70)의 흡인부(78)에는 흡인용 배출관(74)이 접속되어 있고, 이 흡인용 배출관(74)의 타단부는 스크류 팽창기(22)의 출구(44)에 접속되어 있다. 또한, 디퓨저부(80)에는 배출관(48)이 접속되어 있다.

흡인용 배출관(74)에는 제3 압력계(84)가 설치되고, 배출관(48)에는 제4 압력계(86)가 설치되어 있다. 이들 제3 및 제4 압력계에서 계측된 압력 데이터는 컨트롤러(28)로 보내진다.

다음에, 이 발전 장치(20)의 동작에 대해 설명한다. 증기원(10)으로부터 공급된 증기는 주 배관(14)으로부터 공급관(46)으로 공급되고, 스크류 팽창기(22)의 입구(42)로부터 내부로 공급된다. 그리고 제1 실시 형태와 마찬가지로 스크류 팽창기(22)에 있어서 팽창실(40)의 용적 변화에 의해 동력이 얻어지고, 이 동력이 발전기(24)에 전달되어 발전이 행해진다. 이 발전에 의해 생성된 전기도 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로 주파수 변환기(26)에서 주파수가 상용 주파수로 변환되고, 변압기(66)에서 변압되어 계통(68)으로 보내진다. 또한, 발전에 이용된 증기는 스크류 팽창기(22)로부터 배출되고, 흡인용 배출관(74)을 흘러 이젝터(70)에 흡인된다.

한편, 공급관(46)에 공급된 증기의 일부는 스크류 팽창기(22)의 상류측에서 분기관(72)으로 분류되고, 이젝터(70)의 노즐부(76)에 공급된다. 이 노즐부(76)에 공급되는 증기의 압력은 스크류 팽창기(22)의 입구 압력 P1과 동등해진다. 노즐부(76)로부터 이젝터 본체(81)의 내부로 분출되는 증기는, 당해 노즐부(76)에서 교축 팽창되어 과열 증기 상태로 된다. 이와 같이 노즐부(76)로부터 분출된 증기에 의해 이젝터 본체(81) 내에 부압이 발생하고, 이 부압에 의해 흡인부(78)에 접속된 흡인용 배출관(74) 내의 증기가 흡인된다. 이들 분출된 증기와 흡인된 증기는 혼합되어, 디퓨저부(80)로부터 배출관(48)으로 배출된다.

이때, 흡인용 배출관(74)에 설치된 제3 압력계에서 계측한 압력 데이터와, 배출관(48)에 설치된 제4 압력계(86)에서 계측한 압력 데이터로부터 컨트롤러(28)가 이젝터(70)의 흡인부(78)의 압력[스크류 팽창기(22)의 출구 압력] P2와 디퓨저부(80)의 압력[배출관(48)의 압력]의 압력차를 산출한다. 그리고 컨트롤러(28)에 의해 상기 압력차가 적정한 압력차로 되도록 유량 조정 밸브(82)가 제어된다.

구체적으로는, 예를 들어 상기한 이젝터(70)를 이용하여, 스크류 팽창기(22)에 공급되는 증기량이 3.0 t/시간, 스크류 팽창기(22)의 입구 압력 P1이 0.7 ㎫, 프로세스측 압력 P3이 0.2 ㎫일 때, 흡인용 배출관(74) 내의 압력 P2가 0.1 ㎫로 되도록 제어된다. 이때, 노즐부(76)를 통과하는 증기량은 1.2 t/시간 정도로 된다.

이젝터(70)로부터 배출관(48)으로 배출된 증기는 주 배관(14)으로 복귀되어, 하류측의 프로세스(12)로 공급된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면 스크류 팽창기(22)를 통과할 때의 팽창 과정에서 증기가 응축되어 드레인이 일단 발생하지만, 이 드레인은 흡인용 배출관(74)을 거쳐서 이젝터(70)의 흡인부(78)로부터 흡인되고, 분기관(72)으로부터 공급되어 노즐부(76)에 있어서 과열 증기 상태로 된 증기와 혼합됨으로써 재증발하여 증기로 된다. 그 결과, 당해 발전 장치(20) 전체적으로는 증기로부터의 드레인의 발생이 억제된다.

스크류 팽창기(22) 하류측의 흡인용 배출관(74) 내의 증기는, 이젝터(70)에 의해 승압되어 프로세스(12)측[배출관(48)]으로 배출된다. 즉, 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P2를 프로세스측 압력 P3보다도 낮게 할 수 있다. 그로 인해, 스크류 팽창기(22)의 입구 압력 P1과 출구 압력 P2의 압력차를 증기원(10)으로부터 공급되는 증기의 압력 P1과 프로세스측 압력 P3의 압력차보다도 크게 하는 것이 가능해진다. 그로 인해, 발전 장치(20)에서는 당해 발전 장치(20)에 공급되는 증기가 갖는 에너지를 최대한 일(동력)로서 회수하는 것이 가능해져, 발전 효율이 보다 향상된다.

구체적으로는, 드레인 억제 수단으로서 이젝터(70)를 이용한 경우에, 도8로부터, 예를 들어 압력차가 0.5 ㎫ 내지 0.6 ㎫로 됨으로써 약 50 ％의 발전 출력이 증가하는 것을 알 수 있다. 여기서, 도8은 본 실시 형태에 관한 발전 장치(20)에 있어서 상기한 이젝터(70)를 이용하여, 스크류 팽창기(22)에 공급되는 증기량을 3.0 t/시간, 이 스크류 팽창기(22) 내에서 증기의 압력이 P1로부터 P2로 감압될 때의 스크류 팽창기(22)의 변환 효율을 70 ％, 스크류 팽창기(22)의 입구 압력 P1을 0.7 ㎩, 프로세스측 압력 P3을 0.2 ㎫로 한 경우에, 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P2를 상기 입구 압력 P1로부터의 압력차로 나타냈을 때의 발전량을 나타낸다.

본 실시 형태와 같이 분기관(72)에 유량 조정 밸브(82)가 설치됨으로써, 노즐부(76)에 공급되는 증기량이 조정 가능해지고, 흡인용 배출관(74) 내의 압력[스크류 팽창기(22)의 출구 압력] P2와 이젝터(70)의 하류측의 압력(프로세스측 압력) P3의 압력차의 조정이 용이해진다.

그러나 증기원(10)으로부터 공급되는 증기량이 일정하고, 또한 프로세스측 압력이 변동되지 않는 경우에는 상기 P2와 P3의 압력차가 일정해지므로 분기관(72)에 유량 조정 밸브(82)가 없어도 좋다.

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해 도9도 참조하면서 설명하지만, 상기 제1 및 제2 실시 형태와 동일한 구성에는 동일한 부호를 이용하는 동시에 상세한 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해서만 상세하게 설명한다. 이 도9도 도6과 마찬가지로 발전 장치(20)에 있어서의 도2의 점선으로 둘러싸인 부분에 상당하는 부분을 도시하는 개략 구성도이다.

본 실시 형태에 관한 발전 장치(20)에 있어서는, 드레인 억제 수단은 압축기(90)로 구성되어 있다. 이 압축기(90)는 스크류 팽창기와 동일한 구성이며, 암형 수형 한 쌍의 스크류 로터(36, 38)의 회전 방향이 역회전인 스크류 압축기이다.

이 스크류 압축기(90)는 스크류 팽창기(22)의 하류측에 설치되고, 스크류 팽창기(22)의 출구(44)와 스크류 압축기(90)의 입구가 연결관(92)에 의해 연결되어 있다. 또한, 스크류 압축기(90)의 출구는 배출관(48)에 접속되어 있다. 이와 같이 연결됨으로써, 스크류 팽창기(22)로부터 배출된 증기가 스크류 압축기(90)에서 압축되어 승압된 후, 배출관(48)으로 배출된다.

또한, 이 스크류 압축기(90)는 스크류 팽창기(22)로부터 발전기(24)에 동력을 전달하는 회전 구동축(64)에 연결되어 있다. 구체적으로는, 스크류 압축기(90)의 한쪽의 스크류 로터(36)[또는(38)]의 회전축(36b)[또는(38b)]과 회전 구동축(64)이 공통의 축으로 구성되고, 스크류 압축기(90)가 스크류 팽창기(22)와 발전기(24)의 중간 위치에 배치되어 있다.

또한, 스크류 압축기(90)의 하류측의 배출관(48)에는 제5 압력계(94)가 설치되어 있고, 이 압력계(94)에서 계측된 압력 데이터는 컨트롤러(28)로 보내진다.

다음에, 이 발전 장치(20)의 동작에 대해 설명한다. 증기원(10)으로부터 공급된 증기는 주 배관(14)으로부터 공급관(46)으로 공급되고, 스크류 팽창기(22)의 입구(42)로부터 내부로 공급된다. 그리고 제1 실시 형태와 마찬가지로 스크류 팽창기(22)에 있어서 팽창실(40)의 용적 변화에 의해 동력이 얻어지고, 이 동력이 발전기(24)에 전달되어 발전이 행해진다. 이 발전에 의해 생성된 전기도 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로 주파수 변환기(26)에서 주파수가 상용 주파수로 변환되고, 변압기(66)에서 변압되어 계통(68)으로 보내진다. 또한, 발전에 이용된 증기는, 상기 팽창 과정에서 당해 증기의 에너지를 회전 동력으로 변환됨으로써 증기원(10)으로부터 공급된 증기의 압력 P1로부터 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P2까지 감압되어 스크류 팽창기(22)로부터 배출된다. 이 배출된 증기는, 연결관(92)을 흘러 스크류 압축기(90)로 공급된다.

스크류 압축기(90)에서는 연결관(92)에 의해 스크류 팽창기(22)로부터 공급된 증기가 압축되어, 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P2로부터 프로세스측 압력 P3까지 승압된다. 이때, 스크류 압축기(90)는 회전 구동축(64)으로부터 구동력을 얻어 상기 압축을 행하고 있다.

그리고 압축된 증기는, 스크류 압축기(90)로부터 배출관(48)으로 배출된다. 이 배출된 증기의 압력이 제5 압력계(94)에서 계측되고, 이 계측에 의해 얻어진 압력 데이터를 기초로 하여 컨트롤러(28)가 발전기(24)의 회전수를 제어하여 프로세스측 압력 P3을 원하는 압력으로 조정한다.

상세하게는, 스크류 팽창기(22)와 스크류 압축기(90)가 회전 구동축(64)에 의해 연결되어 있으므로 회전수가 동일해진다. 또한, 회전 구동축(64)에는 발전기(24)도 연결되어 있다. 그로 인해, 발전기(24)의 회전수를 제어함으로써, 스크류 팽창기(22) 및 스크류 압축기(90)의 회전수 제어를 동시에 행할 수 있다. 또한, 이때의 스크류 팽창기(22)의 입구 압력 P1과 출구 압력 P2의 비 및 스크류 압축기(90)의 입구 압력 P2와 출구 압력 P3의 비는, 모두 설계값(설계 팽창비 및 설계 압축비)과 동일하게 되어 있다.

스크류 압축기(90)로부터 배출관(48)으로 배출된 증기는 주 배관(14)으로 복귀되어, 하류측의 프로세스(12)로 공급된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면 스크류 팽창기(22)를 통과할 때의 팽창 과정에서 증기가 응축되어 드레인이 일단 발생하지만, 이 드레인은 스크류 팽창기(22)로부터 배출된 증기와 함께 스크류 압축기(90) 내에 도입되고, 당해 스크류 압축기(90) 내에서 압축됨으로써 재증발하여 증기로 된다. 그 결과, 당해 발전 장치(20) 전체적으로는 증기로부터의 드레인의 발생이 억제된다.

또한, 스크류 압축기(90)에 의해 스크류 팽창기(22)로부터 배출된 증기의 압력을 상승시킬 수 있으므로, 프로세스측 압력 P3보다도 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P2를 낮게 할 수 있다. 즉, 제2 실시 형태와 마찬가지로 스크류 팽창기(22)의 입구 압력 P1과 출구 압력 P2의 압력차를 증기원(10)으로부터 공급되는 증기의 압력 P1과 프로세스측 압력 P3의 압력차보다도 크게 하는 것이 가능해진다. 그로 인해, 당해 발전 장치(20)에 공급되는 증기가 갖는 에너지를 최대한 일(동력)로서 회수하는 것이 가능해져, 발전 효율이 보다 향상된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 스크류 팽창기(22)와 발전기(24)와 스크류 압축기(90)가 공통의 회전 구동축(64)에 의해 연결되어 있다. 그로 인해, 복수의 부재를 통해 스크류 팽창기(22)로부터의 동력이 발전기(24)와 스크류 압축기(90)에 전달되는 경우에 비해 상기 동력의 기계 손실을 작게 할 수 있어 발전 효율이 보다 향상된다. 또한, 상기 동력을 전달하는 수단으로서 회전 구동축(64)과 같은 간단한 구성으로 함으로써, 당해 동력 전달 수단에 있어서 고장이 발생하기 어렵고 또한 유지 보수도 용이해진다.

또한, 본 발명의 발전 장치는 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있는 것은 물론이다.

예를 들어, 제3 실시 형태에 있어서는, 회전 구동축(64)을 따라 차례로 스크류 팽창기(22), 스크류 압축기(90) 및 발전기(24)가 배치되어 있지만, 이것에 한정될 필요는 없고, 도10의 (a)에 도시되는 바와 같이 회전 구동축(64)을 따라 스크류 팽창기(22), 발전기(24) 및 스크류 압축기(90)의 순으로 배치되어도 좋다. 이러한 순서로 배치되어도, 각각이 공통의 회전 구동축(64)에 의해 연결됨으로써, 어느 하나의 회전수를 제어함으로써, 다른 2개의 회전수의 제어를 동시에 행하는 것이 가능해진다. 따라서, 케이싱(30) 내의 공간 등에 의해 필요에 따라서 상기 순서를 바꾸어 배치하면 좋다.

또한, 제3 실시 형태에 있어서, 연결관(92)에 드레인 비산기(96)가 설치되어도 좋다[도10의 (c) 참조]. 이 드레인 비산기(96)는 증기가 팽창 과정에서 응축된 드레인을 비산시키고, 다시 증기 중으로 분산시키기 위한 것이다. 이러한 드레인 비산기(96)가 연결관(92)에 설치됨으로써, 스크류 팽창기(22)에서의 팽창 과정에서 일단 증기가 응축되어 발생한 드레인이 연결관(92) 내에서 액막으로 되어도, 이 액막이 당해 연결관(92) 내의 증기 중으로 비산됨으로써 스크류 압축기(90) 내에서의 상기 드레인의 재증발이 용이해진다.

또한, 제3 실시 형태에 있어서, 도10의 (b)에 도시되는 바와 같이 연결관(92)에 액체 주입 장치(98)가 설치되어도 좋다. 이 액체 주입 장치(98)는 연결관(92) 내에 증기를 구성하는 액체를 주입하기 위한 것이다. 이러한 액체 주입 장치(98)가 연결관(92)에 설치되고, 상기 액체가 연결관(92) 내에 주입됨으로써 프로세스(12)에 공급되는 증기량을 증가시키는 것이 가능해진다. 이 경우, 연결관(92)에 드레인 세퍼레이터(100)를 설치함으로써, 연결관(92) 내의 증기로부터 드레인을 분리하여 배출한 후, 액체 주입 장치(98)에 의해 상기 액체를 주입하도록 해도 좋다. 또한, 액체 주입 장치(98)를 설치하지 않고 연결관(92)에 드레인 세퍼레이터(100)만을 설치함으로써 프로세스(12)에 있어서 과열 증기를 얻을 수 있다.

또한, 압축기가 용적형 압축기[제3 실시 형태에 있어서는, 스크류 압축기(90)]로 구성됨으로써, 당해 압축기 내에 상기 액체 주입 장치(98) 등으로부터의 액체가 도입되어도 고장나기 어려워진다.

이들 드레인 비산기(96)와 액체 주입 장치(98)는, 도10의 (b)에 도시되는 바와 같이 연결관(92)에 설치되어도 좋다. 이와 같이 양쪽이 연결관(92)에 설치됨으로써, 연결관(92) 내에서 액막으로 된 드레인이 스크류 압축기(90)에서 재증발하기 쉬워지는 동시에, 프로세스(12)에 공급하는 증기량을 증가시킬 수 있다.

제3 실시 형태에 있어서, 스크류 팽창기(22)에서 발생한 동력(회전 동력)을 발전기(24) 및 스크류 압축기(90)에 전달하기 위한 동력 전달 수단으로서 회전 구동축(64)이 이용되어 있지만 이에 한정될 필요는 없고, 도11에 도시되는 바와 같이 복수의 기어(102, 102, …)에 의해 구성되어도 좋다. 이 경우, 압축기(90)는 외부로부터의 동력을 얻기 위한 기어(104)를 갖고, 이 기어(104)가 복수의 기어(102, 102, …) 중 어느 하나에 맞물리도록 배치되면 좋다. 또한, 도11에 있어서는 이들 복수의 기어(102, 102, …) 및 스크류 압축기(90)가 갖는 기어(104)는 감속기(106)를 구성하고 있다.

상기 동력 전달 수단이 상기와 같이 구성됨으로써, 각 기어(102, 104)의 기어비를 설정함으로써 원하는 스크류 압축기(90)의 출구 압력(프로세스측 압력) P3 및 원하는 스크류 팽창기(22)의 출구 압력 P2를 용이하게 얻는 것이 가능해진다. 그로 인해, 스크류 팽창기(22)의 입구 압력 P1과 출구 압력 P2의 압력차를 원하는 압력차로 설정하는 동시에 프로세스측 압력 P3도 원하는 압력으로 할 수 있다.

또한, 다양한 기어의 조합에 의해 스크류 팽창기(22), 발전기(24) 및 스크류 압축기(90)의 배치의 자유도가 향상된다. 또한, 기어의 조합을 변경 가능한 기구(변속 기구 등)로 해도 좋다. 이 경우, 증기원(10)으로부터 공급되는 증기량의 변동이나 프로세스측 압력의 변동에 맞추어 각 부위에서의 압력 P1, P2, P3이 적정한 압력[스크류 팽창기(22)에 있어서의 설계 팽창비 및 스크류 압축기(90)에 있어서의 설계 압축비]으로 되도록, 스크류 팽창기(22), 발전기(24) 및 스크류 압축기(90)의 회전수가 각각 적합한 회전수로 되도록 기어의 조합을 변경하는 제어가 컨트롤러(28)에 의해 행해진다.

10 : 증기원
12 : 프로세스
14 : 주 배관
16 : 컨트롤 밸브
20 : 발전 장치
22 : 스크류 팽창기(용적형 팽창기)
24 : 발전기
40 : 팽창실
58 : 드레인 억제 감압 밸브(드레인 억제 수단)
64 : 회전 구동축(구동 전달 수단)
70 : 이젝터
72 : 분기관(분기 유로)
74 : 흡인용 배출관
76 : 노즐부
78 : 흡인부
82 : 유량 조절 밸브
90 : 스크류 압축기(압축기)
96 : 드레인 비산기
98 : 액체 주입 장치
102, 104 : 기어

Claims

공급된 증기에 의해 발전하고, 발전에 이용된 상기 증기를 배출하는 발전 장치(20)이며,
팽창실(40)로 도입된 상기 증기의 압력에 의한 당해 팽창실(40)의 용적 변화에 따라서 동력을 발생하는 용적형 팽창기(22)와,
상기 용적형 팽창기(22)로부터의 상기 동력이 전달되도록 동력 전달 수단(64)을 통해 당해 용적형 팽창기(22)에 연결되는 발전기(24)와,
상기 공급된 증기가 상기 용적형 팽창기(22)를 통과함으로써 당해 증기로부터 발생하는 드레인을 억제하기 위한 드레인 억제 수단(58)을 구비하고,
상기 드레인 억제 수단(58)은 상기 용적형 팽창기(22)의 하류측의 유로에 설치되고, 통과하는 상기 증기가 교축 팽창되는 교축 팽창 수단이며,
상기 교축 팽창 수단은 교축 밸브 또는 상기 유로에 형성된 교축부인 것을 특징으로 하는 발전 장치.