(57)【要約】【課題】蒸気供給源から供給される高圧蒸気の圧力が変化しても、高圧蒸気の圧力を低減させて蒸気を利用するプロセス処理の種類が変更されても、比較的に安定した電力を取り出すことができる小型蒸気発電装置を提供する。【解決手段】高圧蒸気を導入して複数の蒸気噴射ノズルから蒸気を複数の羽根に吹き付けて羽根およびロータを回転させるとともに蒸気の圧力を低減させて調整する減圧・羽根車ユニット１２を備え、ロータと一体的に回転する回転軸３６を誘導電動機１６の駆動軸に連結し、電源周波数を変化させて誘導電動機の同期速度を制御するインバータ５８、回転軸の回転数を計測するパルス発生器６０、および、パルス発生器によって計測された回転数に基づいて誘導電動機の同期速度が回転速度より小さくなるようにインバータへ指令信号を送ってインバータにより誘導電動機の同期速度を制御するコントローラ６２を備えて小型蒸気発電装置を構成する。【選択図】図１
0003217898.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された回転軸と、
この回転軸の一端側に、一体的にかつ回転軸と同心に固着されたロータと、
このロータの外周面に、その円周方向に等配してそれぞれ放射状に固着された複数の羽根と、
前記ロータおよび前記複数の羽根を包囲するように配設され、複数の羽根の外方端と近接して対向する環状周壁部を有し前面側中央部に蒸気吐出口が形設されたケーシングと、
このケーシングの環状周壁部の外周面側を環状に包囲するように配設され、蒸気供給源に流路接続された蒸気導入口を有する外側ケーシングと、
前記ケーシングの環状周壁部に、その円周方向に配列して設けられ、ケーシングと前記外側ケーシングとの間に画定される環状通路へ前記蒸気導入口を通って送り込まれた蒸気を前記各羽根にそれぞれ吹き付けて羽根および前記ロータを回転させるとともに蒸気の圧力を低減させて調整する複数の蒸気噴射ノズルと、
前記回転軸の他端側に伝動機構を介して駆動軸が連結された誘導電動機と、
を備えた小型蒸気発電装置であって、
電源周波数を変化させて前記誘導電動機の同期速度を制御するインバータと、
前記回転軸の回転数を計測する回転数計測手段と、
この回転数計測手段によって計測された回転軸の回転数に基づいて、前記誘導電動機の同期速度が誘導電動機の回転速度より小さくなるように、前記インバータへ指令信号を送ってインバータにより前記誘導電動機の同期速度を制御するコントローラと、
をさらに備え、前記誘導電動機を、その回転速度より常に小さい同期速度に制御することによって誘導電動機に発生する回生電力を得るようにしたことを特徴とする小型蒸気発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この考案は、ボイラ等で発生した高圧蒸気の圧力を所定圧力に低減させて各種のプロセス処理に使用する場合において、高圧蒸気の圧力を低減させる過程で蒸気の圧力によって回転羽根を回転させ、その回転エネルギを電気エネルギに変換する小型蒸気発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラ等で発生した高圧蒸気を利用する装置として、蒸気の持つ速度エネルギにより回転羽根を回転させて機械的エネルギに変換しその動力によって発電機を駆動させる蒸気タービンが広く使用されている。この蒸気タービンは、大型の設備により長時間にわたり連続的に稼働させて大容量の電気エネルギを生産するのに適したものであり、蒸気の持つエネルギの一部だけを利用して小電力の発電を行うような方式には向いておらず、小型の設備では却って効率が悪くなる。そこで、蒸気の圧力を所定圧力に低減させるとともにその際のエネルギを利用して発電させる小型の蒸気発電装置として、例えば、回転軸と一体的に回転するロータの外周面に放射状に複数の羽根を固着し、それらロータおよび複数の羽根を包囲するように、羽根の外方端と近接し対向する環状周壁部を有し前面側中央部に蒸気吐出口が形設されたケーシングを配設し、このケーシングの環状周壁部の外周面側を環状に包囲するように、蒸気導入口を有する外側ケーシングを配設し、ケーシングの環状周壁部に、ケーシングと外側ケーシングとの間に画定される環状通路へ蒸気導入口を通って送り込まれた蒸気を前記複数の羽根に吹き付けて羽根およびロータを回転させるとともに蒸気の圧力を低減させて調整する複数の蒸気噴射ノズルを円周方向に配列して設け、ロータと一体的に回転する回転軸に発電機の駆動軸を連結した装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１６７４７１号公報（第５−７頁、図１−図４）
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された小型蒸気発電装置を使用すると、小型の設備により、蒸気供給源から供給される高圧蒸気の圧力を低減させて調整するとともに、高圧蒸気が保有しているエネルギを電気エネルギに変換して有効利用することができる。しかしながら、ボイラで発生させる高圧蒸気の圧力は季節や天候などによって変化し、それに伴って発電量が変動する。また、高圧蒸気の圧力を低減させて蒸気を利用する場合に、蒸気を利用しようとするプロセス処理の種類が変更されたりにすると発電量が変動することとなる。
【０００５】
この考案は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、蒸気供給源から供給される高圧蒸気の圧力が変化し、また、高圧蒸気の圧力を低減させて蒸気を利用するプロセス処理の種類が変更されても、比較的に安定した電力を取り出すことができる小型蒸気発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この考案では、複数の羽根に蒸気を吹き付けて回転させるロータと一体的に回転する回転軸の回転エネルギを電気エネルギに変換するために、発電機に代えて誘導電動機を使用し、蒸気の噴射圧力に応じて、従ってロータおよび回転軸の回転数に応じて、誘導電動機の電源周波数を変化させ、誘導電動機の同期速度を制御する、といった手段により上記目的を達成した。
すなわち、この考案は、回転自在に支持された回転軸と、この回転軸の一端側に、一体的にかつ回転軸と同心に固着されたロータと、このロータの外周面に、その円周方向に等配してそれぞれ放射状に固着された複数の羽根と、前記ロータおよび前記複数の羽根を包囲するように配設され、複数の羽根の外方端と近接して対向する環状周壁部を有し前面側中央部に蒸気吐出口が形設されたケーシングと、このケーシングの環状周壁部の外周面側を環状に包囲するように配設され、蒸気供給源に流路接続された蒸気導入口を有する外側ケーシングと、前記ケーシングの環状周壁部に、その円周方向に配列して設けられ、ケーシングと前記外側ケーシングとの間に画定される環状通路へ前記蒸気導入口を通って送り込まれた蒸気を前記各羽根にそれぞれ吹き付けて羽根および前記ロータを回転させるとともに蒸気の圧力を低減させて調整する複数の蒸気噴射ノズルと、前記回転軸の他端側に伝動機構を介して駆動軸が連結された誘導電動機と、を備えた小型蒸気発電装置であって、電源周波数を変化させて前記誘導電動機の同期速度を制御するインバータと、前記回転軸の回転数を計測する回転数計測手段と、この回転数計測手段によって計測された回転軸の回転数に基づいて、前記誘導電動機の同期速度が誘導電動機の回転速度より小さくなるように、前記インバータへ指令信号を送ってインバータにより前記誘導電動機の同期速度を制御するコントローラと、をさらに備え、前記誘導電動機を、その回転速度より常に小さい同期速度に制御することによって誘導電動機に発生する回生電力を得るようにしたことを特徴とする。
【考案の効果】
【０００７】
この考案に係る小型蒸気発電装置においては、蒸気噴射ノズルから複数の羽根への蒸気の吹付けによって回転するロータおよび回転軸の回転数が回転数計測手段によって計測され、その計測された回転数に基づいて、交流電源によって回転させられる誘導電動機の同期速度（回転磁界の回転速度）が回転速度（回転子の回転速度）より常に小さくなるように制御される。これにより、誘導電動機には、それが電動機として動作するときとは極性が反転（位相が１８０°変化）した誘導電流が流れる。誘導電動機の同期速度は、インバータにより電源から誘導電動機に与える周波数を変化させることにより制御される。誘導電動機の同期速度は、滑りが無いと仮定すると、〔同期速度Ｎｓ（ｒｐｍ）＝１２０×周波数ｆ（Ｈｚ）／極数ｐ〕の関係式で表され、例えば極数ｐが４極であれば、同期速度Ｎｓ（ｒｐｍ）＝３０×周波数ｆ（Ｈｚ）となる。このように誘導電動機を発電機として機能させる場合であっても、特別な結線や機器を必要としない。単にインバータにより、電源周波数を変化させ、それと同時に電圧を調整するだけで済む。そして、誘導電動機に与えるのは電圧と周波数だけであり、誘導電動機の同期速度を回転速度より常に小さくすることにより、誘導電動機に勝手に電流が流れることとなり、この回生電流、従って回生電力を取り出すことにより、ロータの回転エネルギが電気エネルギに変換される。
したがって、この考案に係る小型蒸気発電装置を使用すると、蒸気供給源から供給される高圧蒸気の圧力が変化しても、また、高圧蒸気の圧力を低減させて蒸気を利用するプロセス処理の種類が変更されても、比較的に安定した電力を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この考案の実施形態の１例を示し、小型蒸気発電装置の制御系を模式的に示すブロック図である。
【図２】この考案の実施形態の１例に係る小型蒸気発電装置の重要な構成要素である減圧・羽根車ユニットを側面から見た断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】図２に示した減圧・羽根車ユニットを備えた小型蒸気発電装置の外形側面図である。
【考案を実施するための形態】
【０００９】
以下、この考案の最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、図２ないし図４により、この考案に係る小型蒸気発電装置の機械的構成の１例について説明する。
【００１０】
この小型蒸気発電装置１０は、図４に示すように、減圧・羽根車ユニット１２、動力伝達部１４および誘導電動機１６を備えて構成されている。減圧・羽根車ユニット１２は、高圧蒸気の圧力を低減させるとともに蒸気の持つ速度エネルギを利用して回転動力を取り出すためのものであり、図１に示すように、減圧・羽根車ユニット１２の蒸気入口側は、蒸気供給源、例えばボイラ１８に流路接続されている。また、減圧・羽根車ユニット１２の蒸気出口側は、蒸気を利用するプロセス処理部２０に流路接続されている。
【００１１】
減圧・羽根車ユニット１２は、図３に示すように前面側中央部に蒸気吐出口２４が形設され、図２に示すように環状周壁部２６を有するケーシング２２を備えている。ケーシング２２の内部には、円周方向に等配されて複数の羽根２８が配設されており、複数の羽根２８は、ケーシング２２の中央に配置されたロータ３０の外周面にそれぞれ放射状に固着されている。これらの羽根２８は、蒸気噴射ノズル３２から吹き出される蒸気が効果的に当たるように、それぞれの外方側端部が「く」の字形に折曲されている。そして、複数の羽根２８は、それぞれの外方端が環状周壁部２６の内周面と近接し対向するようにケーシング２２内に収容されている。ロータ３０は、キー３４によって回転軸３６の一端部に一体的にかつ回転軸３６と同心に連結されている。回転軸３６は、ケーシング２２の内部からメカニカルシール部３８を経て外部へ延設され、図４に示すように、一対の軸受け部４０、４０によって回転自在に支持されている。
【００１２】
ケーシング２２の環状周壁部２６には、円周方向に配列された複数の連通孔４２が穿設されている。連通孔４２は、ロータ３０の軸線方向に沿った方向に延びる矩形状をなしている。また、ケーシング２２の環状周壁部２６の外周面には、複数の連通孔４２の周囲の空間を気密に閉塞し環状に包囲するように外側ケーシング４４が固設されている。そして、ケーシング２２と外側ケーシング４４との間に画定されるように環状通路４６が形成されており、この環状通路４６内に蒸気流出口５０が開口しボイラ１８に流路接続された蒸気導入口５２を有する蒸気導入管４８が外側ケーシング４４に取着されている。
【００１３】
ケーシング２２の各連通孔４２には、蒸気噴射ノズル３２がそれぞれ挿着され、環状通路４６とケーシング２２の内部空間とは複数の蒸気噴射ノズル３２を介在させて流路的に連絡している。各蒸気噴射ノズル３２は、ケーシング２２と外側ケーシング４４との間に画定される環状通路４６へ送り込まれた蒸気を各羽根２８にそれぞれ吹き付けて羽根２８およびロータ３０を回転させる。また、蒸気噴射ノズル３２は、それを通過して環状通路４６からケーシング２２の内部空間へ高圧蒸気が流れる際に、流路抵抗により蒸気の圧力を低減させて調整する機能を有する。図示していないが、蒸気噴射ノズル３２は、ロータ３０の軸線方向に沿った方向に延びる細長い形状を有しており、その長手方向に沿って並列するように複数の貫通孔が形成されている。貫通孔は、環状通路４６側に配置される開口の径より、ケーシング２４の内部空間側に配置される開口の径が小さくされていて、蒸気噴射ノズル３２の複数の貫通孔を高圧蒸気が通過する間に、蒸気の速度エネルギが増加することになる。
【００１４】
蒸気噴射ノズル３２は、ケーシング２２の連通孔４２に対して着脱可能とされ、あるいは、一部の部品を交換可能とされ、貫通孔の径や個数が異なるものに取り替えることにより、蒸気噴射ノズル３２の流路断面積を変更することができるようにされる。このように蒸気噴射ノズル３２の流路断面積を変更することにより、高圧蒸気が蒸気噴射ノズル３２を通過して環状通路４６からケーシング２４の内部空間へ流れるときの流路抵抗を変化させて、蒸気噴射ノズル３２を通過した後の蒸気圧力を変更することが可能とされる。
【００１５】
また、図４に示すように、減圧・羽根車ユニット１２のロータ３２に一体的に連結され軸受け部４０、４０によって回転自在に支持された回転軸３６は、カップリング５４を介して誘導電動機１６の駆動軸５６に接続されている。
【００１６】
そして、この小型蒸気発電装置は、図１に示すように、交流電源から送られる交流、例えば三相交流の周波数および電圧を変化させて誘導電動機１６へ出力するインバータ５８を備えている。このインバータ５８としては、電源回生機能を内蔵したインバータが使用される。また、この装置は、羽根２８およびロータ３０と一体的に回転する回転軸３６の回転数を計測するパルス発生器６０を備えており、パルス発生器６０はコントローラ６２に接続されている。コントローラ６２は、パルス発生器６０から入力される回転数に基づいてインバータ５８を制御し、インバータ５８の出力周波数および出力電圧を制御する。このコントローラ６２は、予め定められたプログラムに従って逐次制御を行うプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）（シーケンサとも呼ばれる）である。コントローラ６２によるインバータ５８の制御は、次のようにして行われる。すなわち、パルス発生器６０によって計測された回転軸３６の回転数から、回転軸３６にカップリング５４を介して駆動軸５６が連結された誘導電動機１６の回転速度（回転子の回転速度）を算出し、その回転速度に比べて誘導電動機１６の同期速度（回転磁界の回転速度）が常に小さくなる回転磁界の周波数、および、その周波数に見合った電圧を演算し、インバータ５８へ制御信号を送って、演算された周波数と電圧をインバータ５８から出力し誘導電動機１６に与える、といった制御が行われる。
【００１７】
次に、上記したような構成を備えた小型蒸気発電装置における動作について説明する。
図１に示すように、ボイラ１８、例えば小型低圧ボイラ（１０ｔｏｎ／ｈ未満、運転圧力１０ｋｇ／ｃｍ２未満）から比較的高い圧力の蒸気、例えば７ｋｇ／ｃｍ２〜９ｋｇ／ｃｍ２の高圧蒸気が減圧・羽根車ユニット１２へ供給されると、高圧蒸気は、外側ケーシング４４の蒸気導入口５２を通って環状通路４６へ送り込まれる。環状通路４６へ送り込まれた高圧蒸気は、円周方向に配列された複数の蒸気噴射ノズル３２を通ってケーシング２２内へ噴出させられる。このとき、高圧蒸気は、蒸気噴射ノズル３２の複数の貫通孔を通過する間に流路抵抗によって圧力が低減させられ、一方、速度エネルギが増加する。各蒸気噴射ノズル３２を通ってケーシング２２内へ噴出した蒸気は、ケーシング２２内の各羽根２８にそれぞれ吹き付けられる。そして、蒸気の持つ速度エネルギによって羽根２８およびロータ３０が回転させられ、ロータ３０が一体的に固着された回転軸３６が回転する。回転軸３６の回転動力は、カップリング５４を介して誘導電動機１６の駆動軸５６に伝達される。
【００１８】
蒸気の噴射力によって羽根２８、ロータ３０および回転軸３６が回転させられると、回転軸３６の回転数がパルス発生器６０によって計測され、その計測信号がコントローラ６２に入力される。コントローラ６２においては、パルス発生器６０によって計測された回転軸３６の回転数から誘導電動機１６の回転子の回転速度が算出され、誘導電動機１６の同期速度が回転子の回転速度より小さくなるような回転磁界の周波数が演算され、それと併せて、当該周波数に見合った電圧が演算される。そして、コントローラ６２からインバータ５８へ制御信号が送られて、インバータ５８が制御され、インバータ５８から所要の周波数と電圧が出力されて誘導電動機１６に付加される。以上のようなパルス発生器６０による回転軸３６の回転数の計測、コントローラ６２における演算処理およびインバータ５８への指令、および、インバータ５８による誘導電動機１６の周波数と電圧の調節制御といった一連の動作が繰り返される。これにより、ボイラ１８から供給される高圧蒸気の圧力が変化しても、また、蒸気を利用するプロセス処理部２０の種類が変更されても、誘導電動機１６の同期速度が回転速度より常に小さくなるように保持される。この結果、誘導電動機１６が常時、発電機として機能し、発生した誘導電流が、電源回生機能を内蔵したインバータ５８を経て負荷へ流れることとなる。
【００１９】
一方、蒸気噴射ノズル３２を通過する間に圧力が低減させられた蒸気は、ケーシング２２内を通過する間にさらに圧力が低減させられる。そして、適度に圧力が低減させられた蒸気、例えば２．５ｋｇ／ｃｍ２〜３ｋｇ／ｃｍ２の低圧蒸気は、ケーシング２２内から蒸気吐出口２４を通って流出する。このようにして、ボイラ１８から供給される高圧蒸気の圧力が低減させられて調整された後、図１に示したように、低圧蒸気がプロセス処理部２０へ送られて利用される。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
この考案に係る小型蒸気発電装置は、比較的に小規模の事業所や施設などで高圧蒸気を利用した発電を行う場合に好適である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  小型蒸気発電装置
１２  減圧・羽根車ユニット
１４  動力伝達部
１６  誘導電動機
１８  ボイラ
２０  プロセス処理部
２２  ケーシング
２４  ケーシングの蒸気吐出口
２６  ケーシングの環状周壁部
２８  羽根
３０  ロータ
３２  蒸気噴射ノズル
３６  回転軸
４２  ケーシングの連通孔
４４  外側ケーシング
４６  環状通路
５０  蒸気導入口
５４  カップリング
５６  誘導電動機の駆動軸
５８  インバータ
６０  パルス発生器
６２  コントローラ
【図１】
0003217898.tif 000003
【図２】
0003217898.tif 000004
【図３】
0003217898.tif 000005
【図４】
0003217898.tif 000006