(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気の膨張力を回転力に変換する蒸気膨張機と、
前記蒸気膨張機によって駆動されて対象気体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から圧縮された前記対象気体が吐出され、逆止弁を備える吐出流路と、
前記逆止弁の上流側において前記吐出流路から分岐し、放風弁を介して外部に開放した放風流路とを有し、
前記逆止弁の上流側において前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、
前記逆止弁の下流側において前記吐出流路の圧力を検出する制御圧力検出器と、
前記蒸気膨張機の回転数を検出する回転数検出器と、
前記蒸気膨張機の前記蒸気の流量を制御可能な蒸気制御弁と、
前記制御圧力検出器の検出値が所定の設定圧力になるように、前記蒸気制御弁の開度を調節する主制御装置と、
前記回転数検出器の検出値が所定の下限回転数以下である場合、前記吐出圧力検出器の検出値が前記設定圧力になるように、前記放風弁を開放する放風制御装置とを備えることを特徴とする蒸気駆動式圧縮装置。
【請求項２】
前記放風制御装置は、前記放風弁の開度を連続的に調節可能であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気駆動式圧縮装置。
【請求項３】
前記放風流路は、それぞれに前記放風弁を備える複数の分岐流路を備え、
前記放風制御装置は、前記吐出圧力検出器の検出値に応じて、開放する前記放風弁の数を調節することを特徴とする請求項１に記載の蒸気駆動式圧縮装置。
【請求項４】
前記放風弁の下流側にサイレンサを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蒸気駆動式圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気駆動式圧縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラで発生した蒸気を使用するプラントにおいては、ボイラが発生する中圧（例えば１．２〜１．６ＭＰａ）の蒸気を減圧弁で減圧し、低圧（例えば０．８〜０．９ＭＰａ）の蒸気を需要設備に供給するのが一般的である。減圧弁で蒸気を減圧すると、蒸気の圧力差エネルギーを廃棄することになるためエネルギーを回収することが望まれる。
【０００３】
特許文献１には、蒸気でスクリュ蒸気膨張機（「蒸気モータ」または「スチームエンド」）を駆動することによって、蒸気の圧力エネルギーを回転力に変換して回収し、さらにその蒸気膨張機の回転力によってスクリュ圧縮機を駆動して、空気を圧縮する蒸気駆動式圧縮装置が記載されている。
【０００４】
電気モータで駆動するスクリュ圧縮機では、スクリュ圧縮機が吐出した圧縮空気を蓄えるリザーバ（または配管）の圧力（負荷）が設定値に到達するとスクリュ圧縮機の吸込流路に設けられた吸込調整弁を閉じ、リザーバの圧力が設定値以下に低下すると再度吸込調整弁を開くロード／アンロード機構が広く採用されている。気体を圧縮するために必要な圧縮仕事（トルク）は、気体の圧力に比例するため、ロード／アンロード機構により吸込調整弁を閉じてスクリュ圧縮機の吸込圧力を低下させることで、スクリュ圧縮機の負荷（スクリュ圧縮機が発生する制動トルク）を全負荷の約２０％まで低減できることが知られている。
【０００５】
蒸気膨張機によってスクリュ圧縮機を駆動する場合、蒸気膨張機およびスクリュ圧縮機の回転数は、蒸気膨張機において発生する駆動トルクとスクリュ圧縮機の制動トルクとが釣り合う回転数になる。したがって、スクリュ圧縮機の制動トルクが低下すると、蒸気膨張機の回転数が上昇する。つまり、蒸気駆動式圧縮装置にロード／アンロード機構を採用すると、アンロード時に蒸気膨張機が急加速するという問題が生じる。
【０００６】
特許文献１の蒸気駆動式圧縮装置は、蒸気膨張機に蒸気を供給する流路に制御弁を設け、この制御弁をスクリュ圧縮機の吐出流路の圧力を一定に保つようにＰＩＤ制御することで、蒸気膨張機の回転数を制御するようになっている。このような構成では、負荷が小さいときにスクリュ圧縮機の回転数が非常に低くなる。すると、スクリュロータの隙間から、吐出側の圧縮空気が吸込側に漏れ戻る。この圧縮空気の漏れ戻りによって、圧縮によって生じた熱が吸込側に伝達されるため、吐出する圧縮空気の温度が徐々に上昇するという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５０１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記問題点に鑑みて、本発明は、蒸気膨張機の回転数が急変しない蒸気駆動式圧縮装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明による蒸気駆動式圧縮装置は、蒸気の膨張力を回転力に変換する蒸気膨張機と、前記蒸気膨張機によって駆動されて対象気体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から圧縮された前記対象気体が吐出され、逆止弁を備える吐出流路と、前記逆止弁の上流側において前記吐出流路から分岐し、放風弁を介して外部に開放した放風流路とを有し、前記逆止弁の上流側において前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、前記逆止弁の下流側において前記吐出流路の圧力を検出する制御圧力検出器と、前記蒸気膨張機の回転数を検出する回転数検出器と、前記蒸気膨張機の前記蒸気の流量を制御可能な蒸気制御弁と、前記制御圧力検出器の検出値が所定の設定圧力になるように、前記蒸気制御弁の開度を調節する主制御装置と、前記回転数検出器の検出値が所定の下限回転数以下である場合、前記吐出圧力検出器の検出値が前記設定圧力になるように、前記放風弁を開放する放風制御装置とを備えるものとする。
【００１０】
この構成によれば、需要負荷と圧縮空気の供給量とのバランスに応じて変動する制御圧力検出器の検出値に応じて蒸気制御弁の開度を調節する。これにより、蒸気膨張機の駆動トルクを制御して、蒸気圧縮機の回転数を調整することで、圧縮空気の供給量を需要量にバランスさせる。また、蒸気圧縮機の回転数が下限値まで低下した場合には、放風弁を開放して圧縮空気の供給量を強制的に減少させることで、蒸気圧縮機の回転数が下限回転数より小さくならないようにする。これによって、圧縮機内において、対象気体が吐出側（高圧側）から吸込側（低圧側）にリークすることにより対象気体の吸込温度ひいては吐出温度が高温になることを防止できる。
【００１１】
また、本発明の蒸気駆動式圧縮機において、前記放風制御装置は、前記放風弁の開度を連続的に調節可能であってもよい。
【００１２】
この構成によれば、放風量を連続的に調節できるので、圧縮空気の供給量をスムーズに変化させて、急激な負荷変動を抑制し、安定した運転ができる。
【００１３】
また、本発明の蒸気駆動式圧縮機において、前記放風流路は、それぞれに前記放風弁を備える複数の分岐流路を備え、前記放風制御装置は、前記吐出圧力検出器の検出値に応じて、開放する前記放風弁の数を調節してもよい。
【００１４】
この構成によれば、放風弁の台数制御によって放風量を調節するので、圧縮機のトルク変動を低減してスムーズな運転が可能である。
【００１５】
また、本発明の蒸気駆動式圧縮機において、前記放風弁の下流側にサイレンサを備えてもよい。
【００１６】
この構成によれば、放風による騒音が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態の蒸気駆動式圧縮装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、図１に、本発明の第１実施形態である蒸気駆動式圧縮装置１を示す。蒸気駆動式圧縮装置１は、空気を圧縮すべき対象気体とする圧縮空気製造装置である。
【００１９】
蒸気駆動式圧縮装置１は、蒸気の膨張力を回転力に変換する蒸気膨張機２と、ギア３を介して蒸気膨張機２によって駆動され、空気を圧縮する第１段圧縮機４および第２段圧縮機５とを有する。蒸気膨張機２は、ハウジング内に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、スクリュロータの歯溝内の密閉空間において蒸気を膨張させることによって、スクリュロータを回転させるスクリュエキスパンダである。第１段圧縮機４および第２段圧縮機５は、ハウジング内に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、スクリュロータを回転駆動することによって、スクリュロータの歯溝内の密閉空間において空気を圧縮するスクリュ圧縮機である。
【００２０】
蒸気駆動式圧縮装置１において、第１段圧縮機４と第２段圧縮機５とはインタークーラ６を介して直列に接続されている。つまり、第１段圧縮機４が圧縮して吐出した空気は、インタークーラ６で冷却された後、第２段圧縮機５によってさらに圧縮される。第２段圧縮機５が吐出した圧縮空気は、アフタークーラ７および逆止弁８が介設された吐出流路９を通して不図示のリザーバに送られ、リザーバから需要先に供給される。リザーバには、他の空気圧縮装置が並列に接続されてもよい。
【００２１】
また、蒸気駆動式圧縮装置１は、アフタークーラ７と逆止弁８との間において吐出流路９から分岐し、放風弁１０を介してサイレンサ１１に接続された放風流路１２を有する。つまり、サイレンサ１１を設けた放風流路１２の末端は、大気に開放されている。
【００２２】
また、吐出流路９には、逆止弁８の上流側、より詳しくは、アフタークーラ７と放風流路１２との間において圧縮空気の圧力Ｐｄを検出する吐出圧力検出器１３と、逆止弁８の下流側において圧縮空気の圧力Ｐｃを検出する制御圧力検出器１４とを備える。
【００２３】
さらに、蒸気駆動式圧縮装置１は、蒸気膨張機２に蒸気を供給する流路に、開度調節することによって蒸気の流量を制御できる蒸気制御弁１５が設けられており、蒸気膨張機２の回転数ＲＩを検出する回転数検出器１６を備える。
【００２４】
そして、蒸気駆動式圧縮装置１は、制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃが入力され、制御圧力検出器１４の検出値が予め設定した所定の設定圧力Ｐｓｅｔ（例えば０．７ＭＰａ）になるように、蒸気制御弁１５の開度を調節するＰＩＤコントローラからなる主制御装置１７と、吐出圧力検出器１３の検出値Ｐｄおよび回転数検出器１６の検出値ＲＩに基づいて放風弁１０の開度を調節する放風制御装置１８とを備える。尚、主制御装置１７と放風制御装置１８とは、同一のコンピュータ等の制御装置によって実現されてもよい。
【００２５】
放風制御装置１８は、蒸気膨張機２の回転数ＲＩが所定の下限値ＲＬ（例えば定格回転数の４０％）を超えている場合には放風弁１０を全閉状態に保ち、回転数ＲＩが下限値ＲＬ以下である場合にのみ、放風弁１０を開放し得るようにプログラムされている。そして、放風制御装置１８は、吐出圧力検出器１３の検出値Ｐｄに基づいて、吐出圧力検出器１３の検出値Ｐｄが設定圧力Ｐｓｅｔになるように、例えばＰＩＤ制御によって放風弁１０の開度を調節する。
【００２６】
回転数ＲＩの下限値ＲＬは、第１段圧縮機４または第２段圧縮機５において一度圧縮した吐出側の空気がスクリュロータの隙間から吸込側に漏れ戻ることにより、圧縮空気の温度が上昇して不具合の発生が危惧される回転数に、安全のための余裕分の回転数を加えた回転数に設定する。
【００２７】
この蒸気駆動式圧縮装置１において、圧縮空気の需要が多い場合には、リザーバの圧力、即ち、制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃが低下する。すると、主制御装置１７は、蒸気制御弁１５の開度を大きくして、蒸気膨張機２への蒸気供給量を増加させる。これにより、蒸気膨張機２の駆動トルクが増大し、第１段圧縮機４および第２段圧縮機５の回転数を上昇させて、圧縮空気の吐出量を増大させる。
【００２８】
逆に、圧縮空気の需要が少ない場合には、蒸気駆動式圧縮装置１からリザーバに圧縮空気が過剰に供給されるため、制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃが上昇する。すると、主制御装置１７は、蒸気制御弁１５の開度を小さくして、蒸気膨張機２への蒸気供給量を減少させる。これにより、蒸気膨張機２の駆動トルクが低下し、第１段圧縮機４および第２段圧縮機５の回転数を低下させて、圧縮空気の吐出量を減少させる。
【００２９】
圧縮空気の需要がさらに少なくなり、蒸気膨張機２の回転数ＲＩが下限値ＲＬまで低下すると、放風制御装置１８が放風弁１０の開度調節を開始する。主制御装置１７が蒸気制御弁１５の開度をさらに小さくしようとする状態、つまり、制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃが設定圧力Ｐｓｅｔより大きい場合には、蒸気駆動式圧縮装置１からの圧縮空気の供給が勝っている状態であるので、吐出圧力検出器１３の検出値Ｐｄは、検出値Ｐｃと略等しい値となる。したがって、放風制御装置１８は、放風弁１０を開放して吐出流路９の逆止弁８よりも上流側から圧縮空気を放出し、制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃを低下させる。
【００３０】
つまり、放風制御装置１８は、放風弁１０の開度調節によって、吐出流路９の逆止弁８の上流側における圧力Ｐｄを逆止弁８の下流側の圧力Ｐｃよりも低くして、蒸気駆動式圧縮装置１からリザーバへの圧縮空気の供給を停止する。逆止弁８よりも下流側の制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃは、その後、リザーバ中の圧縮空気が需要設備によって消費されることによって低下する。
【００３１】
さらにリザーバ中の圧縮空気が消費されて、制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃが設定圧力Ｐｓｅｔよりも小さくなると、主制御装置１７が蒸気制御弁１５の開度を大きくして、蒸気膨張機２の回転数を増大させる。これにより、蒸気膨張機２の回転数ＲＩが下限値ＲＬより大きくなるので、放風制御装置１８は、放風弁１０を閉鎖する。
【００３２】
以上のように、蒸気駆動式圧縮装置１では、蒸気膨張機２の回転数ＲＩが下限値ＲＬまで低下したとき、放風制御装置１８が圧縮空気を放風流路１２から大気に放出することで、制御圧力検出器１４の検出値Ｐｃを低下させ、蒸気膨張機２の回転数ＲＩのさらなる低下を防止する。これにより、第１段圧縮機４および第２段圧縮機５において、圧縮空気が吐出側から吸込側に漏れ戻ることが防止されるので、圧縮空気の過熱による第１段圧縮機４および第２段圧縮機５の損傷等のトラブルがない。
【００３３】
図２に、本発明の第２実施形態である蒸気駆動式圧縮装置１を示す。尚、以降の実施形態において、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の蒸気駆動式圧縮装置１において、放風流路１２は、それぞれ、全閉または全開のみが選択できる放風弁１０ａを備え、大気開放された末端にサイレンサ１１が設けられた複数の分岐流路１９を有する。放風制御装置１８は、回転数検出器１６の検出値ＲＩが下限値ＲＬ以下である場合に、吐出圧力検出器１３の検出値Ｐｄが設定圧力Ｐｓｅｔになるように、開放する放風弁１０ａの個数を制御する。つまり、吐出圧力検出器１３の検出値Ｐｄが上昇している場合には、放風制御装置１８は、開放している放風弁１０ａの個数を増加し、吐出圧力検出器１３の検出値Ｐｄが低下している場合には、放風制御装置１８は、開放している放風弁１０ａの個数を減少する。
【００３５】
このような放風流路１２の構成でも、圧縮空気を適切な量だけ大気に放出して、蒸気膨張機２の回転数ＲＩのさらなる低下を防止できる。
【００３６】
図３に、本発明の第３実施形態である蒸気駆動式圧縮装置１を示す。本実施形態の蒸気駆動式圧縮装置１は、第１段圧縮機４を有するが、第２段圧縮機を有しない単段の圧縮装置である。本実施形態が示すように、本発明は、圧縮機の段数に関係なく適用できる。
【００３７】
また、本実施形態の駆動式圧縮装置１において、蒸気制御弁１５は、蒸気膨張機３の排気側に設けられている。このように、蒸気制御弁１５は、蒸気膨張機２が発生する駆動トルクを調節できるものであればどのように配設されてもよい。
【００３８】
図４に、本発明の第４実施形態である蒸気駆動式圧縮装置１を示す。本実施形態の蒸気駆動式圧縮装置１で、放風流路１２は、アフタークーラ７の上流において、吐出流路９から分岐している。本実施形態では、放風流路１２を介して大気の放出される圧縮空気がアフタークーラ７を通過しないので、アフタークーラ７の負荷が小さい。また、本実施形態が示すように、本発明における放風流路１２は、逆止弁８の上流側であれば、吐出流路９のどこから分岐してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…蒸気駆動式圧縮装置
２…蒸気膨張機
４…第１段圧縮機
５…第２段圧縮機
８…逆止弁
９…吐出流路
１０，１０ａ…放風弁
１１…サイレンサ
１２…放風流路
１３…吐出圧力検出器
１４…制御圧力検出器
１５…蒸気制御弁
１６…回転数検出器
１７…主制御装置
１８…放風制御装置
１９…分岐流路
【図１】
0005568517.tif 000002
【図２】
0005568517.tif 000003
【図３】
0005568517.tif 000004
【図４】
0005568517.tif 000005