(57)【要約】【課題】圧縮機としての機能を損なうことなく、圧縮機から排出される圧縮ガスの排出エネルギー回収により、圧縮機のトータル効率を向上させる。【解決手段】ガスの圧縮過程において不要な熱エネルギーを水との熱交換によって、圧縮ガスを冷却するクーラーまたはアフタークーラーを備えた圧縮機において、水による冷却と異なる、別の循環システムとして水よりも低沸点の液相作動媒体を気相作動媒体に相変換させる蒸発器と、外部から供給される冷却媒体との熱交換によって前記蒸発器から送出される圧縮ガスを冷却する冷却器と、前記蒸発器から送出される気相作動媒体によって回転駆動されて電力を発生するタービン発電機と、前記冷却媒体との熱交換によって前記タービン発電機から送出される気相作動媒体を液相作動媒体に相変換させる凝縮器と、前記凝縮器から送出される液相作動媒体を前記蒸発器へ圧送する循環ポンプとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの圧縮過程において不要な熱エネルギーを水との熱交換によって、圧縮ガスを冷却するクーラーまたはアフタークーラーを備えた圧縮機において、
水による冷却と異なる、別の循環システムとして水よりも低沸点の液相作動媒体を気相作動媒体に相変換させる蒸発器と、
外部から供給される冷却媒体との熱交換によって前記蒸発器から送出される圧縮ガスを冷却する冷却器と、
前記蒸発器から送出される気相作動媒体によって回転駆動されて電力を発生するタービン発電機と、
前記冷却媒体との熱交換によって前記タービン発電機から送出される気相作動媒体を液相作動媒体に相変換させる凝縮器と、
前記凝縮器から送出される液相作動媒体を前記蒸発器へ圧送する循環ポンプと、
を備えることを特徴とする圧縮機のエネルギー回収システム。
【請求項２】
前記圧縮機が多段圧縮機の場合、
前記多段圧縮機における前段の羽根車から後段の羽根車への圧縮ガスの移送経路と、最終段の羽根車から排出される圧縮ガスの排出経路とのそれぞれに、前記蒸発器及び前記冷却器が設けられ、
前記循環ポンプから圧送される液相作動媒体は、前記蒸発器のそれぞれに対して並列的に供給され、
前記冷却媒体は、前記冷却器のそれぞれと前記凝縮器に対して並列的に供給され、
前記蒸発器のそれぞれから送出される気相作動媒体は、前記タービン発電機の入口側で合流することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機のエネルギー回収システム。
【請求項３】
商用交流電力を直流電力に変換して出力する第１電力変換器と、
前記第１電力変換器から出力される直流電力をモータ駆動用交流電力に変換して前記圧縮機の主軸を回転させるモータへ出力する第２電力変換器と、
前記タービン発電機から出力される交流電力を直流電力に変換して前記第１電力変換器から前記第２電力変換器への直流電力の伝送経路へ出力する第３電力変換器と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機のエネルギー回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機における効率改善のためのエネルギー回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、圧縮機は圧縮工程で熱が発生して圧縮ガスが高温状態となる。そのため、従来では、圧縮機から排出される高温の圧縮ガスをクーラーに導入し、クーラー内で冷却水等の冷却媒体と圧縮ガスとの熱交換を行うことにより圧縮ガスを冷却し、冷却後の圧縮ガスをクーラー外へ廃棄することが一般的である。
下記特許文献１には、圧縮機から排出される圧縮ガスと冷却水との熱交換によって生じる水蒸気をクーラーから取り出し、この水蒸気を利用して蒸気タービンを駆動させて発電機から電力としてエネルギーを取り出し、再び水蒸気を冷却して水に戻し、再び冷却水として循環することにより、圧縮機の熱エネルギーを回収する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１５２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、圧縮機から排出される圧縮ガスの温度は１００〜２００°Ｃ程度である。そのため、圧縮過程で高温となった圧縮ガスの熱エネルギーを用いて冷却水から水蒸気を発生させるシステムの場合、十分な温度と圧力を持った水蒸気を発生させることができない恐れが考えられる。そのため、蒸気タービンを駆動するシステムへの水蒸気の循環が滞って、再び水蒸気を冷却し、水として冷却水に用いる循環ができなくなり、結果として本来冷却すべき圧縮ガスを十分に冷却することができず、圧縮機としての機能を損なう虞がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、圧縮機としての機能を損なうことなく、圧縮機から排出される圧縮ガスの排出エネルギーから熱回収を行い、そのエネルギーを電気エネルギーとして取り出し、トータルの圧縮機効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、圧縮機のエネルギー回収システムに係る第１の解決手段として、ガスの圧縮過程において不要な熱エネルギーを水との熱交換によって、圧縮ガスを冷却するクーラーまたはアフタークーラーを備えた圧縮機において、水による冷却と異なる、別の循環システムとして水よりも低沸点の液相作動媒体を気相作動媒体に相変換させる蒸発器と、外部から供給される冷却媒体との熱交換によって前記蒸発器から送出される圧縮ガスを冷却する冷却器と、前記蒸発器から送出される気相作動媒体によって回転駆動されて電力を発生するタービン発電機と、前記冷却媒体との熱交換によって前記タービン発電機から送出される気相作動媒体を液相作動媒体に相変換させる凝縮器と、前記凝縮器から送出される液相作動媒体を前記蒸発器へ圧送する循環ポンプとを備える、という手段を採用する。
【０００７】
圧縮機のエネルギー回収システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記圧縮機が多段圧縮機の場合、前記多段圧縮機における前段の羽根車から後段の羽根車への圧縮ガスの移送経路と、最終段の羽根車から排出される圧縮ガスの排出経路とのそれぞれに、前記蒸発器及び前記冷却器が設けられ、前記循環ポンプから圧送される液相作動媒体は、前記蒸発器のそれぞれに対して並列的に供給され、前記冷却媒体は、前記冷却器のそれぞれと前記凝縮器に対して並列的に供給され、前記蒸発器のそれぞれから送出される気相作動媒体は、前記タービン発電機の入口側で合流する、という手段を採用する。
【０００８】
圧縮機のエネルギー回収システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、商用交流電力を直流電力に変換して出力する第１電力変換器と、前記第１電力変換器から出力される直流電力をモータ駆動用交流電力に変換して前記圧縮機の主軸を回転させるモータへ出力する第２電力変換器と、前記タービン発電機から出力される交流電力を直流電力に変換して前記第１電力変換器から前記第２電力変換器への直流電力の伝送経路へ出力する第３電力変換器とを備える、という手段を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水よりも低沸点の液相作動媒体を低温の圧縮ガスの廃熱を利用して蒸発させて、高圧な（蒸気エネルギーの大きな）気相作動媒体を生成し、この気相作動媒体を利用して、タービンを駆動し、圧縮機の排出エネルギーを電気として回収することで、従来のように、圧縮ガスと冷却水との熱交換によって得られた水蒸気を利用する場合よりもより安定的に圧縮機を駆動しながら、エネルギー回収を行うことができる。
また、エネルギー回収システム（蒸発器、タービン発電機、凝縮器及び循環ポンプ）の稼働を停止させた場合でも、圧縮機から排出される圧縮ガスを冷却器によって冷却することができるので、圧縮機としての機能を損なうことはない。
つまり、本発明によれば、圧縮機としての機能を損なうことなく、圧縮機から排出される圧縮ガスのエネルギー回収による圧縮機の効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムＡの構成概略図である。
【図２】第２実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムＢの構成概略図である。
【図３】第３実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムＣの構成概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムＡの構成概略図である。この図１に示すように、エネルギー回収システムＡは、圧縮機１０から排出される低温（１００〜２００°Ｃ程度）の圧縮ガスＸの熱を除去する過程でエネルギーを回収して電気に変換するものであり、クーラーユニット１、タービン発電機２、凝縮器３及び循環ポンプ４から構成されている。また、クーラーユニット１は、圧縮ガスＸの排出経路に沿って設置された蒸発器１ａ及び冷却器１ｂを備えている。
【００１２】
蒸発器１ａは、圧縮機１０から排出される圧縮ガスＸと、後述の循環ポンプ４から圧送される液相作動媒体Ｙ１との熱交換によって液相作動媒体Ｙ１を気相作動媒体Ｙ２に相変換させる熱交換器である。ここで、液相作動媒体Ｙ１とは、液体状態の低沸点（少なくとも水よりも低い沸点）の作動媒体（例えばフロンやアンモニア等）である。つまり、圧縮ガスＸとの熱交換によって液相作動媒体Ｙ１は容易に蒸発して、大きな蒸気エネルギーを有する気体状態の作動媒体（気相作動媒体Ｙ２）に変化する。なお、この蒸発器１ａは、圧縮ガスＸとの熱交換によって得られた気相作動媒体Ｙ２をタービン発電機２へ送出すると共に、熱交換後の圧縮ガスＸを下流側の冷却器１ｂへ送出する。
【００１３】
冷却器１ｂは、外部から供給される冷却媒体（例えば冷却水）Ｚと、蒸発器１ａから送出される圧縮ガスＸとの熱交換によって圧縮ガスＸを冷却する熱交換器である。なお、この冷却器１ｂは、冷却後の圧縮ガスＸを外部に排出すると共に、圧縮ガスＸの冷却に使用された冷却媒体Ｚを不図示の冷却媒体供給源へ返送する。
【００１４】
タービン発電機２は、蒸発器１ａから送出される気相作動媒体Ｙ２によって回転駆動されて交流電力を発生するものであり、高圧な（蒸気エネルギーの大きな）気相作動媒体Ｙ２によって回転駆動されるタービン２ａと、このタービン２ａの回転軸に軸結合された交流発電機２ｂとから構成されている。なお、このタービン発電機２は、タービン２ａの駆動に使用された気相作動媒体Ｙ２を凝縮器３へ送出する。
【００１５】
凝縮器３は、外部から供給される冷却媒体Ｚと、タービン発電機２から送出される気相作動媒体Ｙ２との熱交換によって気相作動媒体Ｙ２を液相作動媒体Ｙ１に相変換させる  熱交換器である。つまり、冷却媒体Ｚとの熱交換によって気相作動媒体Ｙ２は凝縮して、液体状態の作動媒体（液相作動媒体Ｙ１）に再変化する。なお、この凝縮器３は、冷却媒体Ｚとの熱交換によって得られた液相作動媒体Ｙ１を循環ポンプ４へ送出すると共に、熱交換後の冷却媒体Ｚを不図示の冷却媒体供給源へ返送する。
循環ポンプ４は、凝縮器３から得られる液相作動媒体Ｙ１を、一定流量で蒸発器１ａへ圧送するものである。
【００１６】
次に、上記のように構成された第１実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムＡの作用効果について説明する。
上記のエネルギー回収システムＡにおいて、循環ポンプ４によって液相作動媒体Ｙ１が蒸発器１ａに送出されると、この液相作動媒体Ｙ１は蒸発器１ａに導入される圧縮ガスＸの熱エネルギーによって沸騰蒸発し、これにより高圧の（蒸気エネルギーの大きな）気相作動媒体Ｙ２が生成される。
【００１７】
蒸発器１ａで生成された気相作動媒体Ｙ２（蒸気）は、タービン発電機２に供給されて膨張しつつタービン発電機２（タービン２ａ）を駆動し、これによってタービン発電機２（交流発電機２ｂ）で発電が行われる。タービン発電機２を介した気相作動媒体Ｙ２は、凝縮器３で冷却媒体Ｚによって冷却されることにより凝縮し、液相作動媒体Ｙ１に再度相変換する。凝縮器３によって得られた液相作動媒体Ｙ１は、循環ポンプ４によって加圧されて再び蒸発器１ａに向けて送出される。このように、エネルギー回収システムＡ内で液相作動媒体Ｙ１の蒸発及び凝縮が繰り返されることにより、圧縮機の排出エネルギーを電気に変換し、圧縮機としてのトータル効率の改善が行われる。
【００１８】
以上のような第１実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムＡによれば、水よりも低沸点の液相作動媒体Ｙ１を低温の圧縮ガスＸの熱を利用して蒸発させて、低い圧力で蒸気エネルギーの大きな気相作動媒体Ｙ２を生成し、この気相作動媒体Ｙ２を利用してタービンを駆動するので、従来のように、圧縮ガスと冷却水との熱交換によって得られた水蒸気を利用して発電を行う場合と比較して、圧縮機の機能を損なうことなく、圧縮機の排出エネルギーを回収し、圧縮機のトータル効率を改善することができる。
また、エネルギー回収システム（蒸発器１ａ、タービン発電機２、凝縮器３及び循環ポンプ４）の稼働を停止させた場合でも、圧縮機１０から排出される圧縮ガスＸを冷却器１ｂによって冷却することができるので、圧縮機１０としての機能を損なうことはない。
つまり、第１実施形態に係るエネルギー回収システムＡによれば、圧縮機１０としての機能を損なうことなく、圧縮機１０から排出される圧縮ガスＸの熱回収による圧縮機１０のトータル効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムシステムＢの構成概略図である。この図２に示すように、第２実施形態に係るエネルギー回収システムＢは、圧縮機１０が多段圧縮機（例えば２段圧縮機）である場合のシステム構成例である。従って、第２実施形態において、第１実施形態と同様の要素には同一符号を付し、以下での説明を省略する。
【００２０】
図２に示すように、エネルギー回収システムＢでは、圧縮機１０における前段（１段目）の羽根車１０ａから後段（２段目）の羽根車１０ｂへの圧縮ガスＸの移送経路と、最終段（ここでは２段目）の羽根車１０ｂから排出される圧縮ガスＸの排出経路とのそれぞれに、クーラーユニット１（つまり蒸発器１ａ及び冷却器１ｂ）が設けられ、循環ポンプ４から圧送される液相作動媒体Ｙ１は、蒸発器１ａのそれぞれに対して並列的に供給され、外部供給される冷却媒体Ｚは、冷却器１ｂのそれぞれと凝縮器３に対して並列的に供給され、蒸発器１ａのそれぞれから送出される気相作動媒体Ｙ２は、タービン発電機２の入口側で合流する構成となっている。
【００２１】
このような構成を採用する第２実施形態に係るエネルギー回収システムＢでも、第１実施形態と同様に、圧縮機１０（多段圧縮機）としての機能を損なうことなく、圧縮機１０から排出される圧縮ガスＸの熱回収による圧縮機１０のトータル効率を向上させることが可能となる。
【００２２】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図３は、第３実施形態に係る圧縮機のエネルギー回収システムＣの構成概略図である。この図３に示すように、第３実施形態に係るエネルギー回収システムＣは、第２実施形態のエネルギー回収システムＢの構成に、第１電力変換器５、第２電力変換器６及び第３電力変換器７を追加したものである。従って、第３実施形態において、第２実施形態と同様の要素には同一符号を付し、以下での説明を省略する。
【００２３】
第１電力変換器５は、商用交流電力（例えば３相交流電力）Ｐ１を直流電力Ｐ２に変換して第２電力変換器６へ出力する。第２電力変換器６は、第１電力変換器から出力される直流電力Ｐ２をモータ駆動用交流電力Ｐ３に変換して、圧縮機１０の主軸１０ｃを回転させるモータ１０ｄへ出力する。第３電力変換器７は、タービン発電機２（交流発電機２ｂ）から出力される交流電力Ｐ４を直流電力Ｐ５に変換して、第１電力変換器５から第２電力変換器６への直流電力Ｐ２の伝送経路へ出力する。
つまり、第２電力変換器６は、第１電力変換器から出力される直流電力Ｐ２と第３電力変換器７から出力される直流電力Ｐ５とが加算されて得られる直流電力からモータ駆動用交流電力Ｐ３を生成する。
【００２４】
このような構成を採用する第３実施形態に係るエネルギー回収システムＣによれば、第２実施形態と同様な効果を得られると共に、圧縮ガスＸの熱を利用して得られたエネルギーを直流電力Ｐ５として、モータ駆動用交流電力Ｐ３の生成に使用することができるので、圧縮機１０を回転させるモータ１０ｄの駆動に必要な電力の全てを商用電源から得る必要がなくなり、圧縮機の駆動システムとしての省エネルギー効果を上げることが可能となる。
【００２５】
以上、本発明の第１〜第３実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
例えば、上記第２及び第３実施形態では、圧縮機１０が２段圧縮機の場合のシステム構成例について説明したが、本発明はこれに限定されず、圧縮機１０が３段以上の多段圧縮機であっても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
Ａ、Ｂ、Ｃ…エネルギー回収システム、１…クーラーユニット、１ａ…蒸発器、１ｂ…冷却器、２…タービン発電機、２ａ…タービン、２ｂ…交流発電機、３…凝縮器、４…循環ポンプ、５…第１電力変換器、６…第２電力変換器、７…第３電力変換器、１０…圧縮機、Ｘ…圧縮ガス、Ｙ１…液相作動媒体、Ｙ２…気相作動媒体、Ｚ…冷却媒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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