(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧蒸気の流入・流出により駆動力を発生させるとともに流出蒸気を蒸気利用対象へ供給する蒸気式原動機と、
この蒸気式原動機が発生する駆動力によって駆動され、外部から流体を取り入れ吐出流路を介して流体利用対象へ向けて吐出する被動機と、
前記被動機から吐出される流体に関する負荷の情報である流体負荷、および前記蒸気式原動機を流入・流出する蒸気に関する負荷の情報である蒸気負荷を用いて、前記蒸気式原動機に対する給蒸を制御する給蒸制御手段と、
前記被動機または前記蒸気式原動機について求められた負荷率またはこれに相当する数値情報に基づいて、前記被動機の内部圧力を減圧しあるいは減圧状態を解除する制御を行う内圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする蒸気システム。
【請求項２】
前記内圧制御手段は、前記被動機の吐出流路から分岐された外部放出流路に介挿された流体放出弁である
請求項１に記載の蒸気システム。
【請求項３】
前記内圧制御手段で用いられる前記負荷率は、第１の負荷率値と第２の負荷率値とを含み、前記第１の負荷率値は前記第２の負荷率値より小さいものとし、
前記内圧制御手段は、前記負荷率が前記第１の負荷率値をそれ以上の値からそれ未満の値へと遷移したときに減圧制御動作を開始し、前記負荷率が前記第２の負荷率値をそれより小さい値からそれ以上の値へと遷移したときに減圧解除制御動作を開始するように構成されている
請求項１または請求項２に記載の蒸気システム。
【請求項４】
前記内圧制御手段が流体放出弁であり、前記負荷率が前記第１の負荷率値を下方へ遷移したときに開弁し、前記負荷率が前記第２の負荷率値を上方へ遷移したときに閉弁するように構成されている
請求項３に記載の蒸気システム。
【請求項５】
前記内圧制御手段で用いられる前記負荷率は、前記被動機の吐出流路に配された圧力センサによる検出圧力に基づいて求められるように構成されている
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の蒸気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気式原動機によって駆動される空気圧縮機などの被動機により外部から流体を取り込み内圧など流体状態を変化させた上で流体利用対象へ向けて吐出するとともに、蒸気式原動機からの流出蒸気を蒸気利用対象へ供給するように構成された蒸気システムに関する。空気圧縮機などの被動機を蒸気式原動機（蒸気エンジン）で駆動する方式は、電動機（電気モータ）で駆動する方式に比べて、ランニングコストを大幅に低減でき、しかもＣＯ2 の排出量を大幅にカットでき環境に優しいという利点を有している。
【背景技術】
【０００２】
上記のような構成の蒸気システムに関して、運転効率向上を簡易な構成で実現する従来技術として特許文献１に開示した技術がある。
【０００３】
その従来技術の概要を、図８を用いて説明する。その蒸気システムの構成要素は、蒸気を用いて動力を起こす蒸気式原動機１００と、蒸気式原動機１００により駆動されて流体を吐出する被動機１０１とを基本とする。蒸気式原動機１００に関しては、使用後の蒸気が供給される箇所に対して蒸気式原動機１００を介することなく蒸気を供給するバイパス路１０２が付設されている。さらに、蒸気式原動機１００に対する給蒸を制御する制御手段として、被動機１０１により流体が吐出される空間内の流体負荷Ｐ１と、蒸気式原動機１００からの蒸気とバイパス路１０２からの蒸気が供給される箇所の蒸気負荷Ｐ２とを用いて給蒸制御を行う制御器１０３が設けられている。
【０００４】
制御器１０３は、典型的には次のように給蒸を制御する。
【０００５】
１．流体利用対象１０４において流体負荷Ｐ１があり、かつ蒸気利用対象１０５において蒸気負荷Ｐ２がある場合には、蒸気式原動機１００に対する給蒸を実行する。この場合、流体負荷Ｐ１があることから被動機１０１を駆動する必要がある。そこで、蒸気式原動機１００に対して給蒸して蒸気式原動機１００を駆動し、その駆動力を被動機１０１に与え、流体負荷Ｐ１に対する仕事を行わせる。さらに蒸気負荷Ｐ２があることから、蒸気式原動機１００を通過した後の蒸気を蒸気利用対象１０５へ供給し、蒸気負荷Ｐ２に対する仕事を行わせる。
【０００６】
２．流体利用対象１０４において流体負荷Ｐ１がなく、かつ蒸気利用対象１０５において蒸気負荷Ｐ２がない場合には、制御器１０３により給蒸弁１０６を制御して蒸気式原動機１００に対する給蒸を停止する。この場合、流体負荷Ｐ１がないことから被動機１０１は駆動しないこととし、蒸気式原動機１００も駆動する必要がないので、蒸気式原動機１００に対する給蒸も停止する。さらに蒸気負荷Ｐ２もないことから、蒸気供給は全面的に停止することとする。バイパス路１０２にも蒸気は流れない。
【０００７】
３．流体利用対象１０４において流体負荷Ｐ１がなく、かつ蒸気利用対象１０５において蒸気負荷Ｐ２がある場合には、蒸気式原動機１００に対する給蒸を停止した状態で、バイパス路１０２を介して蒸気利用対象１０５に蒸気供給を実行する。この場合、流体負荷Ｐ１がないことから被動機１０１は停止され、蒸気式原動機１００に対する給蒸も停止される。一方、蒸気利用対象１０５で蒸気負荷Ｐ２があることからバイパス路１０２を介しての蒸気供給を有効にする。このとき、バイパス弁１０７の開度が大きくなる。
【０００８】
４．流体利用対象１０４において流体負荷Ｐ１があり、かつ蒸気利用対象１０５において蒸気負荷Ｐ２がない場合には、蒸気式原動機１００は停止とする。この場合、被動機１０１は蒸気式原動機１００以外の電動機１０８などで駆動する。
【０００９】
この従来技術においては、流体負荷Ｐ１だけでなく蒸気負荷Ｐ２をも考慮して蒸気式原動機１００への給蒸を制御することが特徴となっている。この特徴ゆえに、蒸気式原動機１００の無駄な運転を防止しつつ（省エネ）、高い運転効率が得られ、また、流体負荷Ｐ１有り・蒸気負荷Ｐ２なしのときには、給蒸を停止して蒸気式原動機１００は停止するが代わりに電動機１０８で被動機１０１を駆動するので流体吐出が安定することとされている。また、バイパス路１０２に介挿するバイパス弁１０７として自力式の減圧弁を用いれば、システム全体の構成および制御を簡易化できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４２４０１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、流体利用対象での流体使用量は、使用状況に応じて刻々と変化する。空気圧縮機などの被動機の一定の能力での運転中に流体使用量が減少すると吐出圧力は上昇し、逆に流体使用量が増加すると吐出圧力は低下する。負荷時は吐出圧力が設定範囲内に収まっていることが望ましい。吐出圧力が設定範囲を超えて増減することは、蒸気式原動機による被動機の運転に不安定現象を誘発するからである。
【００１２】
流体使用量の減少に伴って吐出圧力が上昇し設定限界を上回る傾向を示した場合に、蒸気式原動機に対する給蒸を停止し蒸気式原動機の動作をいったん停止すれば、被動機における動作も停止し、吐出圧力が降下して設定圧力範囲内に収束する。こうして吐出圧力が設定圧力範囲内に収束すれば、蒸気式原動機に対する給蒸を再開し被動機を再駆動する。
【００１３】
さらに、蒸気使用量の減少に伴って蒸気圧力が上昇し設定限界を上回る傾向を示した場合にも、蒸気式原動機に対する給蒸を停止し蒸気式原動機の動作をいったん停止する。すると、被動機における動作も停止する。蒸気使用量が有限であれば蒸気利用対象への蒸気供給はバイパス路を介して行うことになる。蒸気使用量が再び増加し、蒸気圧力が降下して設定圧力範囲内に収束するようになれば、蒸気式原動機に対する給蒸を再開し被動機を再駆動する。
【００１４】
このように、給蒸制御を単に流体負荷の変動に応じて行うだけでなく蒸気負荷の変動に応じても行うために、運転状況によっては、蒸気式原動機および被動機の停止・再起動が頻繁に繰り返されることになる。このような蒸気式原動機および被動機の頻繁な停止・再起動は、蒸気式原動機および被動機に過大な機械的負担をかけ、不安定動作などのトラブルや故障を誘発する要因となりやすい。また、停止後の再起動は比較的時間のかかるものであり、運転効率低下の要因ともなりかねない。
【００１５】
以上の点に鑑み本発明の課題は、取り入れた流体を流体利用対象へ向けて吐出する被動機を蒸気式原動機によって駆動する過程で、流体負荷と蒸気負荷との少なくとも２つの要素を用いて蒸気式原動機に対する給蒸を制御する蒸気システムにおいて、負荷状態の変動にかかわらず、運転形態の安定性を維持することを通じて、運転効率の向上を実効あるものにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記の課題を解決するために次の手段を講じる。
【００１７】
本発明における蒸気システムは、蒸気式原動機、被動機および給蒸制御手段をその基本的構成要素として有し、併せて特徴的構成要素として内圧制御手段を備える。
【００１８】
蒸気式原動機は、加圧蒸気の流入・流出により駆動力を発生させるとともに流出蒸気を蒸気利用対象へ供給するものとして構成されている。
【００１９】
被動機は、蒸気式原動機が発生する駆動力によって駆動され、外部から流体を取り入れ吐出流路を介して流体利用対象へ向けて吐出するものとして構成されている。なお、被動機の好ましい一例が空気圧縮機であり、蒸気式原動機の好ましい一例がスクリュ式蒸気エンジン（スチームモータ）である。
【００２０】
蒸気式原動機と被動機との機械的連結の態様については、これを特に問うものではなく、任意の種々様々な形態を取り得るものである。たとえば、両者間を直結してもよいし、あるいは両者間にクラッチや減速機を介在させてもよい。
【００２１】
給蒸制御手段は、蒸気式原動機に対する給蒸を制御するものであり、被動機から吐出される流体に関する負荷の情報である流体負荷と、蒸気式原動機を流入・流出する蒸気に関する負荷の情報である蒸気負荷との少なくとも２つの要素を用いて、蒸気式原動機に対する給蒸を制御するように構成されている。この方式においては、流体負荷に加えて少なくとも蒸気負荷をも考慮して蒸気式原動機に対する給蒸を制御するので、単に流体負荷だけで蒸気式原動機に対する給蒸を制御する場合に比べてより高い運転効率が得られる。
【００２２】
蒸気式原動機に対する給蒸の制御については、ボイラ等で生成された加圧蒸気を蒸気式原動機へ供給する流路である給蒸路の部分で給蒸の制御を行うのでもよいし、あるいは、駆動力生成後の蒸気を蒸気式原動機から排出する流路である排蒸路の部分で給蒸の制御を行うのでもよい。また、給蒸の制御については、加圧蒸気の蒸気式原動機への流入・流出の蒸気量の容量制御としてもよく、さらに容量制御は無段階連続制御でもよいし、有段階不連続制御であってもよい。
【００２３】
さて、特徴的構成要素としての内圧制御手段は、被動機または蒸気式原動機について求められた負荷率またはこれに相当する数値情報に基づいて、被動機の内部圧力を減圧しあるいは減圧状態を解除する制御（減圧・減圧解除の遷移制御）を行うものとして構成されている。負荷率というのは、負荷にかかわる何らかの物理量に関して最大定格運転状態での値に対する実運転状態での値の比率のことである。典型的には流体使用量から求められるもので、これには、回転数で求める場合や流量で求める場合や圧力で求める場合などがある。特異的には流速から求める場合や負荷運転時間の割合（負荷運転時間／(負荷運転時間＋無負荷運転時間)）で求める場合もある。求める方式としては、演算方式やテーブル参照方式などがある。負荷率に相当する数値情報は、負荷率に対応する何らかの物理情報を数値的に示したものであり、これについては特別に限定する必要はなく、広く任意の形態に適用され得るものとする。
【００２４】
以上を要するに、本発明の蒸気システムは、加圧蒸気の流入・流出により駆動力を発生させるとともに流出蒸気を蒸気利用対象へ供給する蒸気式原動機と、この蒸気式原動機が発生する駆動力によって駆動され、外部から流体を取り入れ吐出流路を介して流体利用対象へ向けて吐出する被動機と、前記被動機から吐出される流体に関する負荷の情報である流体負荷、および前記蒸気式原動機を流入・流出する蒸気に関する負荷の情報である蒸気負荷を用いて、前記蒸気式原動機に対する給蒸を制御する給蒸制御手段と、前記被動機または前記蒸気式原動機について求められた負荷率またはこれに相当する数値情報に基づいて、前記被動機の内部圧力を減圧しあるいは減圧状態を解除する制御を行う内圧制御手段とを備えたものとして構成されている。
【００２５】
この構成において、内圧制御手段が前記負荷率（または相当情報）に基づいて被動機の内部圧力を減圧しあるいは減圧状態を解除する制御を行うことの技術的意義は次のとおりである。
【００２６】
負荷率が一定以上に低下すると、内圧制御手段の制御によって被動機の内部圧力を減圧する。内部圧力を減圧された被動機は、限界を超えた過剰圧力状態を免れることとなって動作を止める必要性がなくなる。減圧により駆動トルクが軽減されるからである。動作を止めないので、再起動も必要でない。すなわち、負荷率の変動にかかわらず、継続的な運転が許容されることになる（実質的な無負荷状態でのアンロード運転）。再び負荷率が回復すると、内圧制御手段の制御によって被動機の内部圧力に対する減圧状態を解除する。内部圧力に対する減圧状態を解除された被動機は、本来のロード運転に復帰する。この内圧制御手段による制御は原則的に給蒸制御手段における制御からは独立しており、給蒸制御手段による制御とは無関係な制御の形態をとることが可能である。その結果として、蒸気式原動機や被動機の停止・再起動の頻繁な繰り返しが抑制されることになり、運転の形態が安定性の高いものに維持される。
【００２７】
被動機を蒸気式原動機の駆動力で駆動する蒸気駆動方式では、従来、アンロード運転の概念がなかった。被動機をモータで駆動するモータ駆動方式の場合には、モータのオン／オフを繰り返すと発熱が生じ、これを避けるためには、再投入までのインターバル時間を長くしなければならないという制約がある。これでは、運転効率が悪いので、モータ駆動方式の場合、基本的に低負荷時には電源を切らないアンロード運転が採用される。しかし、蒸気駆動方式の場合には、このような制約がなく、インターバルの必要がないことから、アンロード運転の概念が生じなかった。つまり、給蒸の停止・再開の繰り返しはなんら問題ではないというのが一般常識であった。蒸気式原動機と被動機のユニット自体では、問題とはされなかった。しかるに、ユニットではなく設備側つまり流体利用機器側には、圧力過剰印加による不安定動作や過大な機械的負担・故障の課題が問題となってきた。この点に着眼し、その課題を解決したのが本発明である。本発明は、単に、モータ駆動方式でのアンロード運転を転用したものではない。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、蒸気式原動機によって被動機を駆動する過程で、流体負荷と蒸気負荷との少なくとも２つの要素を用いて蒸気式原動機に対する給蒸を制御する蒸気システムにおいて、給蒸制御手段の制御から原則的に独立する状態で、内圧制御手段が被動機または蒸気式原動機の負荷率（相当数値情報）に基づいて被動機の内部圧力を制御する。その結果、負荷変動に伴い過剰圧力状態となり、また回復したときに、被動機や蒸気式原動機を停止および再起動させる必要性がなくなる。すなわち、負荷状態の変動にかかわらず、蒸気式原動機や被動機の停止・再起動の頻繁な繰り返しを抑制し、高安定性の運転形態を維持させ、運転効率の向上を実効あるものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１における蒸気システムの構成の概略図である。
【図２】本発明の実施例１における蒸気システムの給蒸制御部による制御動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例１における蒸気システムの内圧制御部による制御動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例２における蒸気システムの構成の概略図である。
【図５】本発明の実施例３における蒸気システムの構成の概略図である。
【図６】本発明の実施例４における蒸気システムの構成の概略図である。
【図７】本発明の実施例５における蒸気システムの構成の概略図である。
【図８】従来技術の蒸気システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００３１】
本発明の蒸気システムは、ボイラなどの蒸気発生装置から供給されてくる加圧蒸気の流入・流出により駆動力を発生させる蒸気式原動機と、この蒸気式原動機が発生する駆動力によって駆動される空気圧縮機などの被動機を備える。蒸気式原動機は、それから流出する蒸気を蒸気利用対象へ向けて供給する機能を併せ有している。被動機は、その駆動によって、外部から流体を取り入れ吐出流路を介して流体利用対象へ向けて吐出する機能を有している。
【００３２】
蒸気式原動機は、蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジンである。蒸気エンジンは、蒸気タービンでもよいが、好適にはスクリュ式蒸気エンジンである。スクリュ式蒸気エンジンは、互いに噛み合うスクリュロータ間に蒸気が導入され、その蒸気によりスクリュロータを回転させつつ蒸気を膨張して減圧し、その際のスクリュロータの回転により動力を得る装置である。
【００３３】
被動機は、蒸気エンジンにより駆動され、流体を吐出する装置である。具体的には、被動機は、ポンプ、送風機または圧縮機などである。
【００３４】
被動機は、たとえば空気圧縮機とされる。空気圧縮機は、往復式や回転式などその種類を問わないが、好適にはスクリュ式圧縮機である。スクリュ式圧縮機は、互いに噛み合って回転するスクリュロータ間に気体を吸入して、スクリュロータの回転により気体を圧縮して吐出する装置である。
【００３５】
蒸気エンジンには、ボイラなどから給蒸路を介して蒸気が供給される。ボイラなどからの蒸気は、蒸気溜めとも言われる蒸気ヘッダ（第一蒸気ヘッダ）に供給され、その蒸気ヘッダの蒸気が給蒸路を介して蒸気エンジンに供給されてもよい。
【００３６】
蒸気エンジンにて使用後の蒸気は、排蒸路を介して排出される。蒸気エンジンは、蒸気を減圧するものであるから減圧弁としても機能する。それ故、蒸気エンジンにて使用後の蒸気は、一般的な減圧弁通過後の蒸気と同様に利用可能である。すなわち、一般的に、ボイラなどからの蒸気は減圧弁を介して蒸気利用機器に供給されるが、それと同様に、蒸気エンジンにて使用後の蒸気も蒸気利用機器に供給できる。この際、蒸気エンジンからの蒸気は、排蒸路を介して蒸気ヘッダ（第二蒸気ヘッダ）に供給され、その蒸気ヘッダの蒸気が蒸気利用機器に供給される。
【００３７】
蒸気エンジンの制御は、蒸気エンジンへの給蒸の量を制御してなされる。具体的には、蒸気エンジンへの給蒸路に給蒸弁を設け、この給蒸弁の開度を制御する。これにより、蒸気エンジンへの給蒸量を調整でき、蒸気エンジンの作動出力を変更できる。
【００３８】
たとえば、蒸気エンジンがスクリュ式蒸気エンジンの場合、給蒸弁の開度を制御してスクリュ式蒸気エンジンへの給蒸量を調整し、スクリュ式蒸気エンジンの出力を変更することができる。
【００３９】
ただし、蒸気エンジンの制御は、以上の構成に限らない。すなわち、蒸気エンジンは、給蒸量が変更可能であれば足り、給蒸路に給蒸弁を設けて、その給蒸弁により制御する必要は必ずしもない。たとえば、前述したように、蒸気エンジンに対する給蒸路と排蒸路とをバイパス路で接続し、このバイパス路に設けたバイパス弁の開閉または開度を制御してもよい。また、前述の給蒸弁に加えて、このバイパス弁を設けてもよい。
【００４０】
蒸気エンジンは、被動機により流体が吐出される空間内の流体負荷と、蒸気エンジンの出口側の蒸気負荷とを用いて給蒸を制御される。
【００４１】
ここで、流体負荷とは、被動機により流体が吐出される空間内の流体の負荷である。具体的には、被動機がポンプ、送風機または圧縮機の場合、これが吐出する空間内の流体の使用量である。流体負荷は、被動機により流体が吐出される空間内の圧力により検出できる。
【００４２】
一方、蒸気負荷とは、蒸気エンジンにて使用後の蒸気が供給される箇所の蒸気の使用量である。この蒸気負荷は、蒸気エンジンにて使用後の蒸気が供給される箇所の蒸気圧により検出できる。たとえば、蒸気エンジンからの排蒸路またはその先に設けられる第二蒸気ヘッダ内の蒸気圧に基づき、蒸気の使用負荷（蒸気負荷）を検出できる。すなわち、蒸気利用機器にて蒸気が使用される場合には、排蒸路内または第二蒸気ヘッダ内の蒸気圧が下がるので蒸気負荷を検出できる。
【００４３】
このように、流体負荷も蒸気負荷も、圧力にて検出するのが簡易である。したがって、被動機により流体が吐出される空間内の圧力と、蒸気エンジンにて使用後の蒸気が供給される箇所の蒸気圧とを用いて蒸気エンジンへの給蒸を制御することができる。
【００４４】
給蒸の制御は、ボイラからの加圧蒸気の流路である給蒸路の部分で行うのでもよいし、あるいは排蒸路の部分で行うのでもよい。
【００４５】
給蒸制御手段はより具体的には、被動機の吐出流路に配された流体圧力センサと、蒸気式原動機からの蒸気の流路に配された蒸気圧力センサと、流体圧力センサの検出信号をデジタルデータに変換するＡＤ変換部と、蒸気圧力センサの検出信号をデジタルデータに変換するＡＤ変換部と、両ＡＤ変換部のデータを用いて給蒸弁に対する制御信号を生成するマイクロコンピュータとを備えた構成が好ましい。
【００４６】
蒸気式原動機に対する給蒸を制御する給蒸制御手段は、被動機から吐出される流体に関する負荷の情報である流体負荷と、蒸気式原動機を流入・流出する蒸気に関する負荷の情報である蒸気負荷との少なくとも２つの要素を用いて蒸気式原動機に対する給蒸を制御する。流体負荷と蒸気負荷を考慮して給蒸を制御するので、単に流体負荷だけで給蒸を制御する場合に比べてより高い運転効率が得られる。
【００４７】
上記において、前記の内圧制御手段の好ましい１態様として、被動機の吐出流路から分岐された外部放出流路に流体放出弁を介挿することが考えられる。被動機が空気圧縮機の場合は、空気圧縮機の吐出流路から分岐された放気流路に放気弁を介挿する例が考えられる。弁としては、電磁弁でも電動弁でもよい。
【００４８】
より具体的には、内圧制御手段の主制御部を給蒸制御手段の主制御部とともにマイクロコンピュータ（またはマイクロコントローラ、以下同様）で構成することとする。空気圧縮機の吐出流路に設けた圧力センサでの検出圧力、あるいは空気圧縮機の流入の検出圧力と吐出の検出圧力との差分値、あるいは空気圧縮機の回転軸について検出した回転数または回転周波数、あるいは吐出する圧縮空気の流量、あるいは吐出する圧縮空気の流速などについての検出信号値または検出データ値をマイクロコンピュータに入力する。マイクロコンピュータは、入力した信号値またはデータ値に基づいて空気圧縮機または蒸気式原動機の負荷率を求め、得られた負荷率（または相当情報）に応じた制御信号を生成し、この制御信号によって放気弁を制御する。
【００４９】
上記における前記の内圧制御手段による減圧・減圧解除の制御については、負荷率との関係においてヒステリシス制御とするのが運転安定化にとって好ましい。すなわち、負荷率に関して、第１の負荷率値と第２の負荷率値とを設定する。第１の負荷率値は第２の負荷率値より小さいものとする。内圧制御手段は、負荷率が第１の負荷率値をそれ以上の値からそれ未満の値へと遷移したときに減圧制御動作を開始し、負荷率が第２の負荷率値をそれより小さい値からそれ以上の値へと遷移したときに減圧解除制御動作を開始する。
【００５０】
もし、減圧・減圧解除の遷移時の負荷率値をただ１つだけ定めたとする。この負荷率値を負荷率閾値とする。負荷率が負荷率閾値を下回ると減圧制御動作となり、負荷率が負荷率閾値を下回ると減圧解除制御動作となる。これでは、負荷率が負荷率閾値の前後で振れるとき、減圧制御動作と減圧解除制御動作とが頻繁に繰り返されることとなり（ハンチング動作）、制御の不安定化現象を招来してしまうことになる。
【００５１】
これに対して、上記のように動作隙間（ディファレンシャル）を確保するための第１の負荷率値と第２の負荷率値とを用いてヒステリシス制御を行うこととすると、負荷率が第１の負荷率値と第２の負荷率値との間のある負荷率値の前後で振れたとしても、第１の負荷率値を下回らなければ減圧解除制御動作が維持され、また第２の負荷率値を上回らなければ減圧制御動作が維持されることとなる。その結果として、制御の安定化（ハンチング防止）を図ることが可能となる。
【００５２】
本発明の主要な課題は、前述のとおり、蒸気式原動機や被動機の停止・再起動の頻繁な繰り返しの抑制を通じて運転形態を高安定性に維持し、もって運転効率の向上を実効あるものにすることにあるが、本項の負荷率との関係における減圧・減圧解除のヒステリシス制御は運転安定化にとってさらに好ましい結果を招来することになる。
【００５３】
上記において、前記の内圧制御手段を流体放出弁とする場合には、前記の負荷率が第１の負荷率値を下方へ遷移したときに開弁し、負荷率が第２の負荷率値を上方へ遷移したときに閉弁するように構成するのが好ましい態様である。すなわち、減圧制御動作時には流体放出弁を開弁し、減圧解除制御動作時には流体放出弁を閉弁するものである。これは、減圧・減圧解除の遷移制御の態様として最も簡易なもののひとつであり、制御の安定性を担保する。
【００５４】
また、前記内圧制御手段を流体放出弁とする場合、上記のような開閉弁としてもよいが、負荷率（または相当情報）を一定に保つように開度調整可能な弁としてもよい。
【００５５】
上記における内圧制御手段で用いられる負荷率については、被動機の吐出流路に配された圧力センサによる検出圧力に基づいて求めるのが好ましい。この検出圧力は、もう１つの制御手段である給蒸制御手段で用いられるものであり、兼用による構成の簡素化が促進される。なお、検出圧力が兼用されても、それは制御の独立性を侵すものではない。
【００５６】
あるいは、上記における内圧制御手段で用いられる負荷率については、蒸気式原動機の吐出流路に配された第二圧力センサによる検出圧力に基づいて求めるのでもよい。
【００５７】
あるいは、上記における内圧制御手段で用いられる負荷率については、被動機の吐出流路に配された第一圧力センサによる検出圧力に基づいて求められる負荷率と、蒸気式原動機の吐出流路に配された第二圧力センサによる検出圧力に基づいて求められる負荷率とが選択切り替えされるように構成されているのでもよい。
【実施例１】
【００５８】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて説明する。
【００５９】
図１は、本発明の実施例１における蒸気システム（蒸気駆動空気圧縮機）の構成の概略図である。
【００６０】
本実施例の蒸気システム１は、蒸気を用いて動力を起こす蒸気式原動機２と、これにより駆動される被動機３とを備える。
【００６１】
蒸気式原動機２としては蒸気エンジン、好適には、入口側の圧力と出口側の圧力との差分のエネルギーをもってスクリュロータを回転するスクリュ式蒸気エンジンが用いられる。
【００６２】
蒸気エンジン２により駆動され流体を吐出する被動機３としては空気圧縮機、好適にはスクリュ式圧縮機が用いられる。
【００６３】
蒸気エンジン２のスクリュロータの回転駆動力を用いてスクリュ式空気圧縮機３のスクリュロータが回転される。この際、蒸気エンジン２の出力軸４と空気圧縮機３の入力軸５とは、発電機を介することなくカップリング６で接続される。ただし、出力軸４と入力軸５とは、クラッチを介して接続されてもよい。この場合、蒸気エンジン２による空気圧縮機３の駆動の有無をクラッチにより切り替えることができる。また、クラッチは、変速機を備えてもよい。この場合、変速比を変更することで、空気圧縮機３の吐出圧力を変更することができる。さらに、出力軸４と入力軸５とは、電動機（モータ）を介して接続されてもよい。この場合、空気圧縮機３は、蒸気エンジン２と電動機とのうち、一方または双方により駆動可能とされ、駆動割合を変更可能とされる。
【００６４】
蒸気エンジン２には、蒸気ボイラ７からの蒸気が給蒸路８を介して供給される。本実施例では、蒸気ボイラ７からの蒸気は第一蒸気ヘッダ９に供給され、この第一蒸気ヘッダ９の蒸気が給蒸路８を介して蒸気エンジン２に供給される。第一蒸気ヘッダ９から蒸気エンジン２への給蒸路８には給蒸弁１０が設けられる。この給蒸弁１０の開度を制御して蒸気エンジン２の出力を調整する。
【００６５】
蒸気エンジン２にて使用後の蒸気は、各種の蒸気利用機器１１において利用することができる。本実施例では、蒸気エンジン２からの蒸気は、排蒸路１２を介して第二蒸気ヘッダ１３に供給され、この第二蒸気ヘッダ１３の蒸気が各種の蒸気利用機器１１へ供給される。蒸気エンジン２は、空気圧縮機３を駆動するだけでなく、減圧弁としても機能する。したがって、蒸気エンジン２にて使用後の蒸気は、減圧弁通過後の蒸気として各種の蒸気利用機器においてそのまま利用することもできる。
【００６６】
第一蒸気ヘッダ９と第二蒸気ヘッダ１３とは、バイパス路１４を介しても接続される。図示例では、第一蒸気ヘッダ９から蒸気エンジン２への給蒸路８のうち、給蒸弁１０よりも上流部と蒸気エンジン２から第二蒸気ヘッダ１３への排蒸路１２の中途部とがバイパス路１４で接続される。このバイパス路１４の中途部には、バイパス弁１５が設けられる。このバイパス弁１５は、電磁弁または電動弁とされてもよいが、本実施例では自力式の減圧弁とされる。具体的には、バイパス弁１５は、第二蒸気ヘッダ１３内の蒸気圧を所定に維持するように機械的に自力で開度調整する。いずれにしても、蒸気エンジン２経由とバイパス弁１５経由とのいずれで第二蒸気ヘッダ１３に蒸気を供給してもよい条件では、蒸気エンジン２経由による蒸気供給が優先されるのがよい。
【００６７】
蒸気利用機器１１での蒸気負荷Ｐ２がある状態で給蒸弁１０が絞られるとき、第二蒸気ヘッダ１３から蒸気利用機器１１への蒸気の供給は、バイパス弁１５が自力で開度を増しバイパス路１４を有効利用する状態で実現される。
【００６８】
本実施例においては、制御部１６は給蒸制御部１７とは別に内圧制御部１８を有している。この内圧制御部１８については、あとで詳しく説明する。給蒸制御部１７と内圧制御部１８とを含む制御部１６については、これをマイクロコンピュータ（またはマイクロコントローラ）で構成する。
【００６９】
圧力および温度が異なる二つの蒸気ヘッダ９，１３のそれぞれの蒸気は、所望の蒸気利用機器１１へ供給可能とされる。各蒸気ヘッダ９，１３内の蒸気は、温度が異なるので、用途に応じた蒸気の使用が可能となる。すなわち、比較的高温の蒸気が必要とされる場合には第一蒸気ヘッダ９から蒸気を供給すればよいし、それよりも低温の蒸気が必要とされる場合には第二蒸気ヘッダ１３から蒸気を供給すればよい。
【００７０】
蒸気ボイラ７は、第一蒸気ヘッダ９内の蒸気圧に基づき運転状態を制御される。具体的には、第一蒸気ヘッダ９内の蒸気圧に基づきバーナの燃焼量を制御される。
【００７１】
空気圧縮機３からの圧縮空気は、吐出流路としての圧縮空気路１９を介して一または複数の圧縮空気利用機器２０へ供給可能とされる。圧縮空気路１９には、圧縮空気の使用負荷を把握するために第一圧力センサ２１が設けられる。この第一圧力センサ２１により圧縮空気路１９内の空気圧が監視される。したがって、その空気圧が設定値未満であるか否かにより、空気負荷Ｐ２があるか否かを検知できる。すなわち、圧縮空気が使用される場合には、圧縮空気路１９内の空気圧が下がるので、それが設定値未満であるか否かにより、圧縮空気の使用負荷を検知できる。ただし、圧縮空気路１９の中途に中空のエアタンク（図示省略）を設け、このエアタンクに第一圧力センサ２１を設けて、圧縮空気の使用負荷を検知してもよい。
【００７２】
第二蒸気ヘッダ１３には、その蒸気の使用負荷を把握するために第二圧力センサ２２が設けられる。この第二圧力センサ２２により、第二蒸気ヘッダ１３内の蒸気圧が監視される。したがって、その蒸気圧が所定値未満であるか否かにより、蒸気負荷Ｐ２があるか否かを検知できる。すなわち、蒸気が使用される場合には、第二蒸気ヘッダ１３内の蒸気圧が下がるので、それが所定値未満であるか否かにより蒸気の使用負荷を検知できる。
【００７３】
本実施例の蒸気システム１では、制御部１６における給蒸制御部１７は、第一圧力センサ２１と第二圧力センサ２２の検出圧力を常時監視し、これらを用いて後述のとおり給蒸弁１０の開度を制御する。さらに、制御部１６における給蒸制御部１７は、所望によりバイパス弁１５や前記のクラッチなどを制御可能としてもよい。ただし、本実施例では、バイパス弁１５は、前述したとおり自力式の減圧弁とされている。
【００７４】
空気圧縮機３から延出されている圧縮空気路１９において、第一圧力センサ２１より上流部に逆止弁２３が介挿され、さらに逆止弁２３より上流部において圧縮空気路１９から外部放出流路としての放気流路２４が分岐され、放気流路２４に流体放出弁としての放気弁２５が設けられている。
【００７５】
制御部１６における内圧制御部１８は、空気圧制御優先モードにおいて、第一圧力センサ２１で得られる圧縮空気利用機器２０の空気負荷Ｐ２に従って負荷率を求め、その求めた負荷率に基づいて放気弁２５を制御するように構成されている。さらに、内圧制御部１８は、蒸気圧制御優先モードにおいて、第二圧力センサ２２で得られる蒸気利用機器１１の蒸気負荷Ｐ２に従って負荷率を求め、その求めた負荷率に基づいて放気弁２５を制御するように構成されている。
【００７６】
放気弁２５を圧縮空気路１９において逆止弁２３の上流側に設けるのは、放気弁２５の開弁にもかかわらず、圧縮空気利用機器２０側の圧縮空気路１９内の圧力を保持させるためである。それは、アンロード運転からロード運転へ復帰したときの運転効率の低下を回避するためである。さらに、空気圧縮機３について、その入口（外気）と出口（放気で大気圧）との圧力差がほとんどない状態での無負荷運転となり、エネルギーロスが少なくて済む。
【００７７】
放気弁２５に対する制御の態様は、常時は放気弁２５は閉弁状態にしておき、負荷率が一定以上に低下したときに放気弁２５を開放することによって空気圧縮機３の内部圧力を減圧し、負荷率が復帰すれば放気弁２５を閉弁して空気圧縮機３の内部圧力に対する減圧状態を解除するものとする。
【００７８】
次に、制御部１６による制御動作を説明する。制御部１６は、機能的には、空気負荷率および蒸気負荷率と給蒸弁開度との関係を制御する給蒸制御部１７と、空気負荷率および蒸気負荷率と放気弁状態との関係を制御する内圧制御部１８とを有する。
【００７９】
〔１〕空気圧制御優先モード
空気圧制御優先モードは、内圧制御部１８が、第一圧力センサ２１の検出空気圧に基づいて負荷率ＬＰを求め、さらにその負荷率ＬＰに基づいて放気弁２５の動作を制御するモードである。ここで、負荷率ＬＰについて、第１の負荷率値ＬＰ1 ＜第２の負荷率値ＬＰ2 の関係にあるものとする。
【００８０】
第一圧力センサ２１の検出空気圧による負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 以上であれば、蒸気システム１はロード運転状態にあり、第１の負荷率値ＬＰ1 未満であれば、蒸気システム１はアンロード運転状態にあるとする。放気弁２５は、ロード運転状態では閉弁状態とされ、アンロード状態では開弁状態とされる。第１の負荷率値ＬＰ1 と第２の負荷率値ＬＰ2 との間はヒステリシス制御の遷移領域となる。
【００８１】
いま、圧縮空気利用機器２０における圧縮空気の使用量が一定以上にあり、蒸気システム１はロード運転状態にあるとする。ロード運転状態では、放気弁２５は閉弁状態にある。このロード運転状態において、第一圧力センサ２１の検出空気圧による負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 未満に遷移したとき、内圧制御部１８は、閉弁状態にある放気弁２５を開弁し、空気圧縮機３の内部空間を開放状態の放気弁２５を介して大気に開放する。これにより、空気圧縮機３の内圧が下げられる。
【００８２】
もし、この放気弁２５による大気開放がなければ、空気圧縮機３の内圧ひいては駆動トルクが過剰上昇し、その結果、空気圧縮機３や蒸気エンジン２に過大な機械的負担をかけるリスクが高まる。そして、このリスクを回避するには、給蒸弁１０を閉弁して蒸気エンジン２を停止し、空気圧縮機３も停止しなければならなくなる。
【００８３】
しかし、本実施例のように放気弁２５を開弁して空気圧縮機３の内部空間を減圧すれば、駆動トルクが軽減されるため、空気圧縮機３の継続した駆動が許容されることになる。すなわち、給蒸弁１０を介しての蒸気エンジン２への給蒸は低レベル状態で維持し、蒸気エンジン２の駆動による空気圧縮機３の駆動を維持する。これで、空気圧縮機３は実質的に無負荷の状態での運転（アンロード運転）となる。
【００８４】
また、アンロード運転状態において、第一圧力センサ２１の検出空気圧による負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 以上に遷移したとき、内圧制御部１８は、開弁状態にある放気弁２５を閉弁する。これにより、ロード運転状態に復帰することになる。
【００８５】
上記のロード運転状態とアンロード運転状態との間の遷移は第１の負荷率値ＬＰ1 と第２の負荷率値ＬＰ2 とを用いたヒステリシス制御となっているため、状態遷移が起こる割合が減殺され、制御の安定化を期することができる。
【００８６】
ロード運転状態にあっては、給蒸制御部１７は、第一圧力センサ２１の検出空気圧による負荷率ＬＰの変化に応じて給蒸弁１０の開度を調節する。すなわち、負荷率ＬＰが減少するに従って給蒸弁１０の開度を減らして給蒸量を減少させる一方、負荷率ＬＰが増加するに従って給蒸弁１０の開度を増やして給蒸量を増加させる。給蒸弁１０の開度の調節範囲は、上限が１００％であり、下限はアンロード運転時に要求される開度で、これは設計事項であり、また必要に応じて開閉調整できるものとするとよい。
【００８７】
〔２〕蒸気圧制御優先モード
蒸気圧制御優先モードは、内圧制御部１８が、第二圧力センサ２２の検出蒸気圧に基づいて負荷率ＬＰを求め、さらにその負荷率ＬＰに基づいて放気弁２５の動作を制御するモードである。
【００８８】
第二圧力センサ２２の検出蒸気圧による負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 以上であれば、蒸気システム１はロード運転状態にあり、第１の負荷率値ＬＰ1 未満であれば、蒸気システム１はアンロード運転状態にある。放気弁２５は、ロード運転状態では閉弁状態とされ、アンロード状態では開弁状態とされる。
【００８９】
いま、蒸気利用機器１１における高圧蒸気の使用量が一定以上にあり、蒸気システム１はロード運転状態にあるとする。ロード運転状態では、放気弁２５は閉弁状態にある。このロード運転状態において、第二圧力センサ２２の検出蒸気圧による負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 未満に遷移したとき、内圧制御部１８は、閉弁状態にある放気弁２５を開弁し、空気圧縮機３の内部空間を開放状態の放気弁２５を介して大気に開放する。これにより、空気圧縮機３の内圧が下げられる。
【００９０】
このように放気弁２５を開弁して空気圧縮機３の内部空間を減圧すれば、駆動トルクが軽減されるため、空気圧縮機３の継続した駆動が許容されることになる。すなわち、給蒸弁１０を介しての蒸気エンジン２への給蒸は低レベル状態で維持し、蒸気エンジン２の駆動による空気圧縮機３の駆動を維持する。これで、空気圧縮機３は実質的に無負荷の状態での運転（アンロード運転）となる。
【００９１】
また、アンロード運転状態において、第二圧力センサ２２の検出蒸気圧による負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 以上に遷移したとき、内圧制御部１８は、開弁状態にある放気弁２５を閉弁する。これにより、ロード運転状態に復帰することになる。
【００９２】
上記のロード運転状態とアンロード運転状態との間の遷移は第１の負荷率値ＬＰ1 と第２の負荷率値ＬＰ2 とを用いたヒステリシス制御となっているため、状態遷移が起こる割合が減殺され、制御の安定化を期することができる。
【００９３】
ロード運転状態にあっては、給蒸制御部１７は、第二圧力センサ２２の検出蒸気圧による負荷率ＬＰの変化に応じて給蒸弁１０の開度を調節する。すなわち、負荷率ＬＰが減少するに従って給蒸弁１０の開度を減らして給蒸量を減少させる一方、負荷率ＬＰが増加するに従って給蒸弁１０の開度を増やして給蒸量を増加させる。給蒸弁１０の開度の調節範囲は、上限が１００％であり、下限はアンロード運転時に要求される開度で、これは設計事項であり、また必要に応じて開閉調整できるものとするとよい。
【００９４】
本発明の上記の実施例では、負荷率を判定基準にして、負荷率が一定以上に低下すると、放気弁２５を開弁して空気圧縮機３の内部圧力を減圧し、限界を超えた過剰圧力状態を免れさせ、駆動トルクを軽くすることから、空気圧縮機３の動作を止める必要性を排除する。動作を止めないので、再起動も必要でない。すなわち、負荷率の変動にかかわらず、継続的な運転が許容されることになる（実質的な無負荷状態でのアンロード運転）。この内圧制御部１８による放気弁２５の制御は給蒸制御部１７による給蒸弁１０の制御から実質的に独立している。その結果として、蒸気エンジン２や空気圧縮機３の停止・再起動の頻繁な繰り返しが抑制され、運転の形態が安定性の高いものに維持され、もって運転効率の向上を実効あるものにすることができる。
【００９５】
次に、内圧制御部１８による放気弁２５のヒステリシス制御について詳しく説明する。
【００９６】
負荷率ＬＰに関して、第１の負荷率値ＬＰ1 と第２の負荷率値ＬＰ2 とを設定する。第１の負荷率値ＬＰ1 は、従来技術であれば、蒸気エンジン２への給蒸を停止し、空気圧縮機３の動作を停止させる停止領域の上限に対応する。第２の負荷率値ＬＰ2 は第１の負荷率値ＬＰ1 より大きいものとする。オイルフリー仕様でない通常型の場合、第１の負荷率値ＬＰ1 は十分に小さくて、たとえば５〜２０％であり、第２の負荷率値ＬＰ2 はたとえば１０〜３０％である。
【００９７】
典型例としては、第１の負荷率値ＬＰ1 ＝１０％、第２の負荷率値ＬＰ2 ＝２０％がある。なお、オイルフリー仕様というのは、環境問題の観点からスクリュロータの部分に潤滑油を供給しない簡易タイプのことであり、軸受部の隙間管理が厳しい関係上、回転数の変動（特に低下）をよしとしないという制約がある。
【００９８】
従来技術であれば、負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 を下回ったとき（停止領域に入ったとき）に、給蒸弁１０を閉弁して蒸気エンジン２を停止し、空気圧縮機３の動作を停止させる。これに対して、本発明の実施例では、負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 を下回ったときの領域は停止領域ではなく、上記の通り運転を継続する（アンロード運転）。そして、負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 を上回る状態まで回復すれば、ロード運転に戻す。つまり、負荷率ＬＰの変動に応じてロード運転とアンロード運転とを切り替える。より詳しくは、次のとおりである。
【００９９】
制御部１６における内圧制御部１８は、負荷率が第１の負荷率値ＬＰ1 をそれ以上の値からそれ未満の値へと遷移したときに放気弁２５を開弁して減圧制御動作を行い、負荷率が第２の負荷率値ＬＰ2 をそれより小さい値からそれ以上の値へと遷移したときに放気弁２５を閉弁して減圧解除制御動作を行う。
【０１００】
第１の負荷率値ＬＰ1 と第２の負荷率値ＬＰ2 との間の領域では、放気弁２５は開弁状態も閉弁状態もともに取り得る。第１の負荷率値ＬＰ1 を下回っていったん開弁状態になれば、次は第２の負荷率値ＬＰ2 を上回らない限り開弁状態を保持する。また、第２の負荷率値ＬＰ2 を上回って閉弁状態になれば、次は第１の負荷率値ＬＰ1 を下回らない限り閉弁状態を保持する。
【０１０１】
空気圧縮機３の内部圧力は、負荷率ＬＰが次第に低下するに従って増加する。負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 を下回って放気弁２５が開弁し、空気圧縮機３が大気に開放されると、内部圧力は急激に低下し、大気圧に近い圧力で安定化する。次に、負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 を上回らない限り、内部圧力はほぼ大気圧の状態を保つ。第２の負荷率値ＬＰ2 を上回ると放気弁２５が閉弁し、このときまで空気圧縮機３は無負荷運転状態を保持していたので、内部圧力は比較的ゆっくりと上昇し、圧力ヒステリシスのループを形成しつつ、負荷運転状態へ復帰する。
【０１０２】
放気弁２５の開弁状態から閉弁状態への遷移あるいは閉弁状態から開弁状態への遷移や、空気圧縮機３の内部圧力の高圧状態から大気圧状態への遷移あるいは大気圧状態から高位圧力状態への遷移は、負荷率ＬＰが（ＬＰ2 −ＬＰ1 ）よりも大きく変化しない限り生じない。それゆえ、放気弁２５の頻繁な開閉動作が回避され、結果として、制御の安定化を実現することができるのである。
【０１０３】
本発明においては、蒸気エンジン２や空気圧縮機３の停止・再起動の頻繁な繰り返しの抑制を通じて運転形態を高安定性に維持し、もって運転効率の向上を実効あるものにすることにあるが、負荷率との関係における減圧・減圧解除のヒステリシス制御は運転安定化にとってさらに好ましい結果を招来することになる。
【０１０４】
次に、蒸気システム１の動作を図２、図３のフローチャートに従って説明する。定常運転状態までのフローについては、本発明の主旨とは直接関係しないので、説明を省略する。
【０１０５】
平常時は給蒸制御部１７が制御実行権を持っており、ロード運転状態からアンロード運転状態へ遷移すると制御実行権が給蒸制御部１７から内圧制御部１８へ渡される。そして、アンロード運転状態からロード運転状態へ復帰すると、制御実行権が内圧制御部１８から給蒸制御部１７へ戻される。
【０１０６】
まず、給蒸制御部１７による制御動作について図２を用いて説明する。
【０１０７】
まずステップＳ１において、マイクロコンピュータの給蒸制御部１７は、蒸気システム１に設定されている優先モードを判定する。すなわち、空気圧制御優先モードであるか否かを判定し、空気圧制御優先モードであると判定したときはステップＳ２に進み、蒸気圧制御優先モードであると判定したときはステップＳ３に進む。
【０１０８】
空気圧制御優先モードの場合に進んだステップＳ２においては、給蒸制御部１７は第一圧力センサ２１の検出空気圧Ｐ１を取得し、それを制御変数Ｐに代入する。
【０１０９】
蒸気圧制御優先モードの場合に進んだステップＳ３においては、給蒸制御部１７は第二圧力センサ２２の検出蒸気圧Ｐ２を取得し、それを制御変数Ｐに代入する。
【０１１０】
次いでステップＳ４において、給蒸制御部１７は、ステップＳ２またはステップＳ３で値が確定した制御変数Ｐ（検出圧力値）に基づいて蒸気システム１の負荷率ＬＰを算出する。
【０１１１】
次いでステップＳ５において、給蒸制御部１７は、フラグＦに「０」がセットされているか否かを判定する。このフラグＦは、蒸気システム１の運転状態がロード運転状態かアンロード運転状態かを識別するもので、たとえばロード運転状態ではＦ＝０であり、アンロード運転状態ではＦ＝１であるとする。フラグＦ＝０であればステップＳ６に進み、フラグＦ＝１であればステップＳ８に進む。
【０１１２】
ロード運転状態にあってフラグＦ＝０のときに進んだステップＳ６においては、給蒸制御部１７は、ステップＳ４で求めた負荷率ＬＰを閾値判定する。すなわち、負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 以上であるか否を判定する。第１の負荷率値ＬＰ1 以上であると判定したときは、ステップＳ７に進み、そうでないときはステップＳ８に進む。ステップＳ７に進むのは、蒸気システム１の運転状態がロード運転状態にあることが確認されたときである。ステップＳ８に進むのは、蒸気システム１の運転状態がアンロード運転状態にあることが確認されたときである。
【０１１３】
運転状態がロード運転状態にあることが確認されたときに進んだステップＳ７においては、給蒸制御部１７はステップＳ４で求めた負荷率ＬＰに比例して開度を示すように給蒸弁１０を容量制御する。ステップＳ７に続いては処理をステップＳ１に戻す。
【０１１４】
一方、蒸気システム１の運転状態がアンロード運転状態にあることが確認されたときに進んだステップＳ８においては、給蒸制御部１７は給蒸弁１０の開度をロックする。これ以降、ロックが解除されるまでは、給蒸弁１０はその最小の開度に保たれる。最小の開度は、第１の負荷率値ＬＰ1 に対応した開度である。
【０１１５】
次いでステップＳ９において、給蒸制御部１７は制御実行権を内圧制御部１８に渡す。
【０１１６】
次に、制御実行権を給蒸制御部１７から渡された内圧制御部１８による制御動作について図３を用いて説明する。
【０１１７】
まずステップＳ１１において、マイクロコンピュータの内圧制御部１８は、優先モードが空気圧制御優先モードであるか否かを判定し、空気圧制御優先モードであると判定したときはステップＳ１２に進み、蒸気圧制御優先モードであると判定したときはステップＳ１３に進む。
【０１１８】
空気圧制御優先モードの場合に進んだステップＳ１２においては、内圧制御部１８は第一圧力センサ２１の検出空気圧Ｐ１を取得し、それを制御変数Ｐに代入する。
【０１１９】
一方、蒸気圧制御優先モードの場合に進んだステップＳ１３においては、内圧制御部１８は第二圧力センサ２２の検出蒸気圧Ｐ２を取得し、それを制御変数Ｐに代入する。
【０１２０】
次いでステップＳ１４において、内圧制御部１８は、ステップＳ１２またはステップＳ１３で値が確定した制御変数Ｐ（検出圧力値）に基づいて蒸気システム１の負荷率ＬＰを算出する。
【０１２１】
次いでステップＳ１５において、内圧制御部１８は、フラグＦに「１」がセットされているか否かを判定する。ロード運転状態でフラグＦ＝０であればステップＳ１６に進み、アンロード運転状態でフラグＦ＝１であればステップＳ１９に進む。
【０１２２】
ロード運転状態にあってフラグＦ＝０のときに進んだステップＳ１６においては、内圧制御部１８は、ステップＳ１４で求めた負荷率ＬＰを閾値判定する。すなわち、負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 未満に遷移したか否を判定する。第１の負荷率値ＬＰ1 未満に遷移したと判定したときは、ステップＳ１７に進み、そうでないときはステップＳ２３に進む。ステップＳ１７に進むと、アンロード運転への移行となり、そうでなければロード運転の状態が保たれる。
【０１２３】
ステップＳ１７において、内圧制御部１８は、放気流路２４における放気弁２５を開弁する。これでアンロード運転へ移行する。
【０１２４】
次いでステップＳ１８において、内圧制御部１８は、フラグＦに放気弁２５が開弁されて現在アンロード運転状態であることを示す「１」をセットし、ステップＳ１１へ戻る。
【０１２５】
フラグＦ＝１がセットされている状態でステップＳ１５に移行すると、今度はステップＳ１９に進むことになる。
【０１２６】
アンロード運転状態にあってフラグＦ＝１のときに進んだステップＳ１９においては、内圧制御部１８は、ステップＳ１４で求めた負荷率ＬＰ（新たなサイクルで取得）を閾値判定する。すなわち、負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 以上に遷移したか否を判定する。第２の負荷率値ＬＰ2 以上に遷移したと判定したときは、ステップＳ２０に進み、そうでないときはステップＳ１１に戻る。
【０１２７】
ステップＳ１９→Ｓ１１→Ｓ１２（Ｓ１３）→Ｓ１４→Ｓ１５→Ｓ１９のループを繰り返すうちは、アンロード運転状態が保たれていることになる。その場合に、負荷率ＬＰが第１の負荷率値ＬＰ1 に対して小さい側にあるか大きい側にあるかは無関係である。第１の負荷率値ＬＰ1 を下回っていったんアンロード運転状態になると、第２の負荷率値ＬＰ2 を上回る状態にならない限り、上記のループ内にとどまり、アンロード運転の状態が保たれる。同様に、第２の負荷率値ＬＰ2 を上回って再びロード運転状態になり、後述するステップＳ２０→Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３を経て図３のルーチンに戻ると、今度は、第１の負荷率値ＬＰ1 を下回る状態にならない限り、ステップＳ６→Ｓ７→Ｓ１→Ｓ２（Ｓ３）→Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６のループ内にとどまる。これがヒステリシス制御である。
【０１２８】
負荷率ＬＰが第２の負荷率値ＬＰ2 以上に遷移したと判定した結果進んだステップＳ２０においては、内圧制御部１８は、放気弁２５を閉弁する。これでロード運転へ移行（復帰）する。
【０１２９】
次いでステップＳ２１において、内圧制御部１８は、フラグＦに放気弁２５が閉弁されて現在ロード運転状態であることを示す「０」をセットする。
【０１３０】
次いでステップＳ２２において、内圧制御部１８は給蒸制御部１７にロック解除指令を与え、ステップＳ２３に移行する。なお、ロック解除指令を受けた給蒸制御部１７は、給蒸弁１０の開度を制御する状態に復帰する。
【０１３１】
ステップＳ２３においては、内圧制御部１８は制御実行権を給蒸制御部１７に戻す。制御実行権を受け取った給蒸制御部１７は、図３の制御を遂行する。
【０１３２】
なお、ステップＳ１６からステップＳ２３への移行は、通常は起こらない。これは、ＬＰ＜ＬＰ1 となった結果、ステップＳ６の判定結果が否定され、制御実行権が給蒸制御部１７から内圧制御部１８へ移った直後に、ＬＰ≧ＬＰ1 に戻ったことを意味する。このような推移は通常では起こらないが、ルーチン上必要である。
【実施例２】
【０１３３】
図４は、本発明の実施例２における蒸気システムの構成の概略図である。本実施例２の蒸気システム１も、基本的には上記実施例１と同様である。そこで、以下では、両者の異なる点についてのみ説明し、同様の部分については対応する箇所に同一の符号を付すにとどめ説明を省略する。
【０１３４】
本実施例２では、上記実施例１の蒸気システム１に、蒸気ボイラ７への給水タンク２６と空気圧縮機３の廃熱利用を関連付けたものである。蒸気ボイラ７には給水タンク２６からの水（軟水）が供給され、蒸気化される。具体的には、給水タンク２６には所定量の水が貯留されており、その水は給水ポンプ２７を介してボイラ７へ供給される。ボイラ７に供給された水は、ボイラ７において加熱され蒸気化される。その蒸気は、所望により気水分離器（図示省略）や第一蒸気ヘッダ９を介して給蒸路８から蒸気エンジン２へ供給される。ボイラ７は、缶内圧力が所定に維持されるようにバーナ（図示省略）の燃焼量が制御される。
【０１３５】
空気圧縮機３には、空気圧縮機３で発生する廃熱を熱交換によって回収するための熱交換器２８が付設されている。この熱交換器２８には給水タンク２６への給水路２９が接続されている。
【０１３６】
この場合、給水タンク２６への給水により空気圧縮機３の冷却を図ることができるとともに、空気圧縮機３の放熱で給水を加温することができる。
【０１３７】
上記のとおり、アンロード運転状態では、無負荷状態でも空気圧縮機３を運転し続けるために、給蒸弁１０を開いて蒸気エンジン２を駆動している。このアンロード運転時の蒸気エンジン２の駆動にはそれなりのエネルギーを必要とする。しかし、仕事については何ら実効的な仕事はなされていない。その消費エネルギーは、仕事遂行の観点からは無駄なエネルギーといえる。本実施例２では、給水タンク２６への給水路２９に空気圧縮機３との熱交換器２８を接続し、その熱交換で得られた廃熱エネルギーを回収し再利用するので、エネルギー上の無駄が解消され、アンロード運転を無理なく採用できるのである。
【０１３８】
上記の実施例１では、負荷率の閾値として、第１の負荷率値ＬＰ1 ＝１０％、第２の負荷率値ＬＰ2 ＝２０％を例に挙げたが、これはオイルフリー仕様でない通常型の場合のものである。オイルフリー仕様の場合には、摩擦抵抗要素の条件が厳しくなり、ＬＰ1 ＝１０％、ＬＰ2 ＝２０％では運転不能である。そこで、オイルフリー仕様の場合には、第１の負荷率値ＬＰ1 ＝４０％、第２の負荷率値ＬＰ2 ＝５０％など高めに設定することになる。
【実施例３】
【０１３９】
図５は、本発明の実施例３における蒸気システムの構成の概略図である。本実施例３の蒸気システム１も、基本的には上記実施例１と同様である。以下では、両者の異なる点についてのみ説明し、同様の部分については対応する箇所に同一の符号を付すにとどめ説明を省略する。
【０１４０】
本実施例３では、放気弁２５を介挿する放気流路２４が、逆止弁２３より下流側において圧縮空気路１９から分岐されている。この場合の放気弁２５は、開状態と閉状態の２状態を切り替える開閉弁とするよりは、流量を段階的または連続的に可変する流量調整弁とする方が好ましい。
【０１４１】
本実施例３と上記の実施例１との差は次のとおりである。実施例１の場合、逆止弁２３の上流側で放気弁２５が大気開放となる。この大気開放の位置は、圧縮空気利用機器２０よりも空気圧縮機３により近い位置である。空気圧縮機３がその吐出側で近いところから大気開放されると、入口出口間の圧力差の急激な低下のために空気圧縮機３の回転数が大きく変動し、駆動トルクが不安定になってしまう。とりわけ、オイルフリー仕様の空気圧縮機の場合は、回転抵抗要素が大きい関係で回転数・駆動トルクの変動が大きい。
【０１４２】
そこで、本実施例３では、逆止弁２３より下流側の位置を大気開放位置としている。大気開放位置と空気圧縮機３の出口との間に逆止弁２３が存在していることと、大気開放位置が空気圧縮機３の出口からの距離が大きくなったことの相乗により、大気開放時の入口出口間の圧力差の変動を抑制する。その結果として、空気圧縮機３の回転数・駆動トルクの変動を抑制して、アンロード運転をより安定性の高いものにすることができる。
【０１４３】
さらに、放気弁２５を流量調整弁とする場合には、次のような利点がある。放気弁２５が放気動作をする時点では、圧縮空気利用機器２０につながる圧縮空気路１９にはすでに大きな空気圧がかかっている。そのような大きな空気圧の状態から急激に大気開放へ進むと、圧縮空気利用機器２０またはその付帯設備（圧縮空気貯溜タンク）に過大な機械的負担を与える結果となる。そこで、放気弁２５を流量調整弁として、いきなり大気開放するのではなく、開度を徐々に増していくことにより、圧縮空気利用機器２０またはその付帯設備（圧縮空気貯溜タンク）に過大な機械的負担がかかるのを回避する。つまり、放気動作に伴う状態変化を穏やかなものにすることができる。これも、特にオイルフリー仕様の場合に効果的である。
【０１４４】
放気動作時、空気圧縮機３の内圧は実施例１ほどには下がらず、したがって実施例１より多くのエネルギーを消費する。そこで、本実施例３では空気圧縮機３から熱回収を行う実施例２のタイプに適用するのがよりが好ましい。
【実施例４】
【０１４５】
図６は、本発明の実施例４における蒸気システムの構成の概略図である。本実施例４の蒸気システム１も、基本的には上記実施例１と同様である。以下では、両者の異なる点についてのみ説明し、同様の部分については対応する箇所に同一の符号を付すにとどめ説明を省略する。
【０１４６】
蒸気エンジン２は、２段の空気圧縮機３，３に対して動力伝達系３０を介して連結されている。前段の空気圧縮機３と後段の空気圧縮機３とは連通路３１を介して接続されている。圧縮空気利用機器２０につながる圧縮空気路１９は、後段の空気圧縮機３の出口に接続されている。この圧縮空気路１９には逆止弁２３が介挿され、また第一圧力センサ２１が設けられている。そして、連通路３１から外部放出流路としての放気流路２４が分岐され、放気流路２４に流体放出弁としての放気弁２５が設けられている。
【０１４７】
オイルフリー仕様の場合、空気圧縮機３は２段構成とすることが多い。１段構成では摩擦抵抗要素の条件が厳しく、圧縮性能が不足しがちとなるためである。２段構成の空気圧縮機３，３の場合、放気弁２５は、後段の空気圧縮機３からの圧縮空気路１９に設けるのではなく、前段の空気圧縮機３と後段の空気圧縮機３をつなぐ連通路３１に設けることが望ましい。前段の空気圧縮機３にかかる負荷は、後段の空気圧縮機３にかかる負荷よりも大きく、アンロード運転時は、後段の圧縮空気路１９を大気開放するよりは、前段の連通路３１を大気開放するほうが、より負担の少ない、より安定性の高い無負荷運転を実現できるからである。この場合、放気弁２５は、開閉弁、流量調整弁のいずれでもよいが、前述の理由により流量調整弁とするのがより好ましい。なお、連通路３１に加えて圧縮空気路１９にも放気弁２５を設けてもよい。
【実施例５】
【０１４８】
バイパス路１４に介挿してあるバイパス弁１５は、通常は、蒸気駆動空気圧縮機の主装置部である蒸気エンジン・空気圧縮機ユニットとは別の独立構成となっている。バイパス弁１５を容量制御する場合、通常は第二圧力センサ２２からの検出信号に基づく制御信号でバイパス弁１５を制御している。その結果、高圧蒸気が蒸気エンジン２を流れる状態とバイパス路１４を流れる状態とが同時的に起こる場合が生じる。給蒸弁１０の制御とバイパス弁１５の制御とが互いに独立しているためである。
【０１４９】
ところで、蒸気エンジン２は原理的に出口と入口との間の差圧で動作するものであり、この差圧はなるべく変動させたくないのが実態である。しかし、従来の一般的方式であると、給蒸弁１０の制御とバイパス弁１５の制御とが互いに独立していることから、負荷の不規則な変動によってバイパス弁１５が流量調整されると、蒸気エンジン２における出口と入口との間の差圧が変動してしまい、安定動作に支障を来すことがある。
【０１５０】
この不都合をも含めて対策を講じたのが本発明の実施例５である。
【０１５１】
図７は、本発明の実施例５における蒸気システムの構成の概略図である。本実施例５の蒸気システム１も、基本的には上記実施例１と同様である。以下では、両者の異なる点についてのみ説明し、同様の部分については対応する箇所に同一の符号を付すにとどめ説明を省略する。
【０１５２】
本実施例５では、制御部１６における給蒸制御部１７が、バイパス路１４に介挿のバイパス弁１５を直接に制御するように構成してある。この結果、給蒸制御部１７は、単に給蒸弁１０だけでなく、給蒸弁１０の制御とともにバイパス弁１５をも直接的に制御することができる。その結果として、負荷の不規則な変動が生じても、給蒸弁１０とともにバイパス弁１５をも同時並行的に流量調整することが可能で、蒸気エンジン２における出口と入口との間の差圧を一定に保つことができるようになる。すなわち、動作の安定性を確保することができる。
【０１５３】
上記の構成においては、流量調整が可能なバイパス弁１５を給蒸制御部１７で直接的に制御する構成としたので、そのバイパス弁１５はいわゆる減圧弁機能を有しているといえる。なお、給蒸弁１０での流量とバイパス弁（減圧弁）１５での流量とを一括表示することは容易であり、そうすることにより制御の容易性・確実性を担保しやすい。
【０１５４】
本発明の蒸気システムは、上記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、上記実施例では蒸気エンジン３はスクリュ式としたが、場合によりタービン式としてもよい。
【０１５５】
また、上記実施例では、蒸気の使用負荷は第二蒸気ヘッダ１３に設けた第二圧力センサ２２により検出したが、第二圧力センサ２２は第二蒸気ヘッダ１３ではなく、蒸気エンジン３からの排蒸路１２とバイパス路１４との合流後の管路に設けてもよい。その場合、第二蒸気ヘッダ１３は、その設置を省略することもできる。
【０１５６】
また、上記実施例において、空気圧縮機３に代えてポンプまたは送風機を設置してもよい。その場合も、上記実施例と同様に制御すればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明は、蒸気式原動機によって被動機を駆動するもので、流体負荷と蒸気負荷Ｐ２との少なくとも２つの要素を用いて蒸気式原動機に対する給蒸を制御する蒸気システムにおいて、負荷状態の変動に起因する蒸気式原動機や被動機の停止・再起動の頻繁な繰り返しを抑制し、高安定性の運転形態を維持させ、運転効率の向上を実効あるものにする技術として有用である。
【符号の説明】
【０１５８】
１  蒸気システム
２  蒸気エンジン（蒸気式原動機）
３  空気圧縮機（被動機）
７  蒸気ボイラ
８  給蒸路
９  第一蒸気ヘッダ
１０  給蒸弁
１１  蒸気利用機器（蒸気利用対象）
１２  排蒸路
１３  第二蒸気ヘッダ
１４  バイパス路
１５  バイパス弁
１６  制御部
１７  給蒸制御部（給蒸制御手段）
１８  内圧制御部（内圧制御手段）
１９  圧縮空気路（吐出流路）
２０  圧縮空気利用機器（圧縮空気利用対象）
２１  第一圧力センサ
２２  第二圧力センサ
２３  逆止弁
２４  放気流路（外部放出流路）
２５  放気弁（流体放出弁）
２６  給水タンク
２７  給水ポンプ
２８  熱交換器
２９  給水路
３０  動力伝達系
３１  連通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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