(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気用水を加熱して蒸気を発生させるボイラーと、該ボイラーで発生した蒸気を利用する蒸気使用部と、該蒸気使用部から戻る温蒸気用水を貯留する循環槽と、該循環槽内の蒸気用水を加圧して前記ボイラーに供給するポンプとを有する循環系統と、該循環系統に補給する補給水の硬質成分を除去する軟水化装置を有する水補給系統と、前記循環系統内の蒸気用水中に窒素ガスを導入して蒸気用水中の溶存酸素を低減する溶存酸素低減装置と、該溶存酸素低減装置に窒素ガスを供給する圧力変動吸着分離式窒素製造装置とを備えた蒸気供給装置であって、前記圧力変動吸着分離式窒素製造装置の吸着筒に供給される加圧原料空気の温度を制御する温度制御手段を設け、該温度制御手段は、前記加圧原料空気と前記補給水とを熱交換させる熱交換器と、該熱交換器導出後の加圧原料空気の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定した加圧原料空気の温度に基づいて熱交換器への補給水の導入量を調節する流量調節手段とを備えていることを特徴とする蒸気供給装置。
【請求項２】
蒸気用水を加熱して蒸気を発生させるボイラーと、該ボイラーで発生した蒸気を利用する蒸気使用部と、該蒸気使用部から戻る温蒸気用水を貯留する循環槽と、該循環槽内の蒸気用水を加圧して前記ボイラーに供給するポンプとを有する循環系統と、該循環系統に補給する補給水の硬質成分を除去する軟水化装置を有する水補給系統と、前記循環系統内の蒸気用水中に窒素ガスを導入して蒸気用水中の溶存酸素を低減する溶存酸素低減装置と、該溶存酸素低減装置に窒素ガスを供給する圧力変動吸着分離式窒素製造装置とを備えた蒸気供給装置であって、前記圧力変動吸着分離式窒素製造装置の吸着筒に供給される加圧原料空気の温度を制御する温度制御手段を設け、該温度制御手段は、前記加圧原料空気と前記補給水及び前記循環系統から抜出した温蒸気用水の一部とを熱交換させる熱交換器と、該熱交換器導出後の加圧原料空気の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定した加圧原料空気の温度に基づいて熱交換器に導入する補給水及び温蒸気用水の導入量を調節する流量調節手段とを備えていることを特徴とする蒸気供給装置。
【請求項３】
前記温度制御手段は、前記加圧原料空気の温度を１０〜３０℃の範囲に制御することを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気供給装置に関し、例えば、空調設備等の蒸気を利用する装置に蒸気を供給する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ビルの空調では、循環槽内の蒸気用水（蒸気の発生に用いる水）をボイラーに圧送して蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気使用部に供給して空調に利用した後、該蒸気使用部からの蒸気用水を循環槽に戻す空調装置を用いている。
【０００３】
上記空調装置では、蒸気用水を循環使用し、必要に応じて水を補給しているが、これらの水には、比較的多量の、７ｐｐｍ程度の酸素ガスが溶存している。このため、ボイラーで発生した蒸気を蒸気使用部に供給する際、ボイラーと蒸気使用部とを連結する鋼管製の蒸気供給管が蒸気と酸素との共存に伴う酸化作用によって腐食する。
【０００４】
上記腐食を防止するため、例えば、特開平６−２４９４５０号公報に記載された蒸気供給装置では、蒸気用水に不活性ガスである窒素ガスを接触させ、溶存酸素を低減させることが記載されており、前記窒素ガスを供給する手段としては、圧力変動吸着分離式窒素製造装置、いわゆる窒素ＰＳＡ装置を用いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記窒素ＰＳＡ装置は、通常、酸素ガスを優先的に吸着する吸着剤を充填した筒内の圧力を変動させて空気中の酸素ガスを吸着分離するものであるため、原料となる空気の温度が変動すると、吸着量や吸着脱離速度が変動するという性質を有している。
【０００６】
例えば、窒素ＰＳＡ装置において、吸着筒に導入する原料空気を、圧縮機で大気圧から５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度に加圧すると、加圧された原料空気（加圧原料空気）は、加圧による圧縮熱によって環境温度の高い夏場では４０℃以上になる。このように、加圧原料空気の温度が４０℃以上になると、吸着筒での吸着脱離速度が速くなりすぎて酸素ガスの吸着量が減少するため、製品となる窒素ガスの純度を保つためには、窒素ガスの製造量を大幅に減少させなければならない。一方、環境温度が低い冬場では、自然放熱によって加圧原料空気は３０℃以下になって吸着筒に導入されるが、加圧原料空気の温度が１０℃以下まで下がると、吸着脱離速度が遅くなるために吸着性能が悪化し、処理能力が大幅に低下する。このため、窒素ガスの製造量を一定に保とうとすると、純度が悪化することになる。
【０００７】
したがって、蒸気供給装置の蒸気用水中の溶存酸素を低減させるために、窒素ＰＳＡ装置からの窒素ガスを用いる場合、環境温度が大きく異なる夏場と冬場で所定純度の窒素ガスを所要量製造するためには、環境温度に応じて運転条件をその都度変化させたり、あるいは、性能的に相当の余裕を持った窒素ＰＳＡ装置を設置したりしなければならなかった。
【０００８】
そこで本発明は、窒素ＰＳＡ装置で製造する窒素ガスの純度及び製造量を環境温度に影響されずに安定して得ることができ、蒸気用水中の溶存酸素を十分に低減させて蒸気供給管等の腐食を確実に防止することができる蒸気供給装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、蒸気用水を加熱して蒸気を発生させるボイラーと、該ボイラーで発生した蒸気を利用する蒸気使用部と、該蒸気使用部から戻る温蒸気用水を貯留する循環槽と、該循環槽内の蒸気用水を加圧して前記ボイラーに供給するポンプとを有する循環系統と、該循環系統に補給する補給水の硬質成分を除去する軟水化装置を有する水補給系統と、前記循環系統内の蒸気用水中に窒素ガスを導入して蒸気用水中の溶存酸素を低減する溶存酸素低減装置と、該溶存酸素低減装置に窒素ガスを供給する窒素ＰＳＡ装置（圧力変動吸着分離式窒素製造装置）とを備えた蒸気供給装置であって、前記窒素ＰＳＡ装置の吸着筒に供給される加圧原料空気の温度を制御する温度制御手段を設け、その第１は、該温度制御手段は、前記加圧原料空気と前記補給水とを熱交換させる熱交換器と、該熱交換器導出後の加圧原料空気の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定した加圧原料空気の温度に基づいて熱交換器への補給水の導入量を調節する流量調節手段とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
また、その第２は、該温度制御手段が、前記加圧原料空気と前記補給水とを熱交換させる熱交換器と、前記加圧原料空気と前記補給水及び前記循環系統から抜出した温蒸気用水の一部とを熱交換させる熱交換器と、該熱交換器導出後の加圧原料空気の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定した加圧原料空気の温度に基づいて熱交換器に導入する補給水及び温蒸気用水の導入量を調節する流量調節手段とを備えていることを特徴としている。さらに、第１及び第２の発明において、前記加圧原料空気の温度を１０〜３０℃の範囲に制御することもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。図１は、本発明の蒸気供給装置の一例を示す系統図であって、この蒸気供給装置は、蒸気用水を加熱して所定の圧力の蒸気を発生させるボイラー１と、該ボイラー１で発生した蒸気を利用する蒸気使用部２と、該蒸気使用部２から戻る温蒸気用水（以下、温水という）を貯留する循環槽３と、該循環槽３内の蒸気用水を加圧して前記ボイラー１に供給するポンプ４と、これらを接続する蒸気用水供給管５，蒸気供給管６，温水戻り管７からなる循環系統８と、該循環系統８に補給する補給水の硬質成分を除去する軟水化装置９を有する水補給系統１０と、前記循環系統８の循環槽３内の蒸気用水中に窒素ガスを導入して蒸気用水中の溶存酸素を低減する溶存酸素低減装置１１と、該溶存酸素低減装置１１に不活性ガスである窒素ガスを供給する窒素ＰＳＡ装置１２とにより構成されるとともに、窒素ＰＳＡ装置１２には、該窒素ＰＳＡ装置１２の吸着筒１５，１５に供給される加圧原料空気の温度を制御する温度制御手段１３が設けられている。
【００１２】
循環槽３内の蒸気用水は、蒸気用水供給管５からポンプ４に導入され、所望の圧力に加圧されてボイラー１に圧送され、該ボイラー１で加熱されて所定の圧力の蒸気となり、蒸気供給管６を介して蒸気使用部２に供給される。蒸気使用部２に供給された蒸気は、熱交換器、蒸気を動力とする原動機等によって利用された後、温水戻り管７を介して前記循環槽３に戻される。
【００１３】
前記水補給系統１０は、軟水化装置９で硬質成分を除去した補給水を管１４を介して前記循環槽３に所定量導入するものであって、例えば、循環槽３内の水位により自動的に所定量の水を補給するように構成されている。
【００１４】
また、前記窒素ＰＳＡ装置１２は、酸素ガスを優先的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着筒１５，１５を切換えて周知の圧力変動吸着分離法により窒素ガスを製造するもので、得られた窒素ガスは、管１６から溶存酸素低減装置１１に供給される。
【００１５】
溶存酸素低減装置１１は、窒素ＰＳＡ装置１２で製造した窒素ガスを循環槽３の底部から蒸気用水中にバブリングし、蒸気用水中の溶存酸素を窒素ガスに同伴させて排気管１７から排出することにより、蒸気用水中の溶存酸素を極微量にまで低減させ、これにより、蒸気供給管６等の腐食を抑制するためのものである。
【００１６】
そして、前記窒素ＰＳＡ装置１２に設けられた加圧原料空気の温度制御手段１３は、原料空気圧縮機１８で所定圧力に圧縮された加圧原料空気と水補給系統１０の補給水とを熱交換させて加圧原料空気を冷却するための熱交換器１９と、該熱交換器１９を導出した加圧原料空気の温度を測定する温度測定手段（温度計ＴＩ）２０と、該温度計２０で測定した加圧原料空気の温度に基づいて熱交換器１９への補給水の導入量を調節するための制御器２１と、該制御器２１により制御される流量調節手段である制御弁２２及びバイパス弁２３とにより構成されている。
【００１７】
この温度制御手段１３は、温度計２０で測定した加圧原料空気の温度が所定値よりも高いときに、制御器２１が制御弁２２を開方向に作動させるとともに、バイパス弁２３を閉方向に作動させて熱交換器１９への補給水の導入量を増加させ、補給水により加圧原料空気を所定温度以下に冷却するもので、例えば、環境温度が高く、加圧原料空気の温度が３０℃以上になるときには、制御弁２２を全開状態、バイパス弁２３を全閉状態として補給水の全量を熱交換器１９に導入し、吸着筒１５に導入する加圧原料空気の温度を所定温度以下、例えば３０℃以下にする。
【００１８】
すなわち、制御弁２２及びバイパス弁２３の開度を温度計２０の測定温度により制御して熱交換器１９に導入する補給水の流量を調節することにより、加圧原料空気の温度を窒素ＰＳＡ装置１２における最適な温度範囲に維持することができる。したがって、一年を通じて最適な温度範囲の加圧原料空気を吸着筒１５に導入することができるので、窒素ＰＳＡ装置１２における窒素ガスの製造効率を高めることができる。
【００１９】
図２は、本発明の他の形態例を示すもので、例えば、寒冷地で使用される蒸気供給装置に特に適した構成を有している。すなわち、水補給系統１０の軟水化装置９の下流側、熱交換器１９の上流側に、循環系統８の温水戻り管７を流れる温水の一部を分岐して導入するための温水導入管３１を設け、温水を熱交換器１９に導入することにより、加圧原料空気を加温できるようにしたものである。なお、前記図１に示した形態例と同一要素のものには同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
上記温水導入管３１には、制御器２１により制御される流量調節手段である温水制御弁３２が設けられており、温度計２０で測定した加圧原料空気の温度に応じてバイパス弁２３と温水制御弁３２とが開閉制御される。
【００２１】
例えば、温度計２０で測定した加圧原料空気の温度が設定値よりも高いときには、バイパス弁２３及び温水制御弁３２を閉じて軟水化装置９から導出した補給水を全量熱交換器１９に導入して加圧原料空気を冷却し、加圧原料空気の温度が設定値よりも低いときには、温水制御弁３２を開いて温水を導入することにより補給水の温度を上昇させ、熱交換器１９で加圧原料空気を加温する。
【００２２】
すなわち、バイパス弁２３及び温水制御弁３２の開度を温度計２０の測定温度に応じて制御し、熱交換器１９に導入する補給水の温度及び流量を調節することにより、加圧原料空気の温度を一年を通じて最適な温度範囲である１０〜３０℃に調節することができ、窒素ＰＳＡ装置１２を環境温度に影響されずに安定した状態で効率よく運転することができる。
【００２３】
上記両形態例で示したように、窒素ＰＳＡ装置１２を安定した状態で効率よく運転することにより、溶存酸素低減装置１１に所定純度、所定量の窒素ガスを安定して供給することができ、蒸気用水中の溶存酸素を効率よく低減して蒸気供給管６等の腐食を長期にわたって抑制することができる。
【００２４】
なお、溶存酸素低減装置１１は、循環槽３と別に専用の槽を設けてもよく、配管の途中に窒素ガスを導入するようにしてもよい。また、加圧原料空気を加温する熱源は、蒸気温水戻り管７を流れる温水に限らず、加圧原料空気を所定温度に加温可能な温度を有していればよく、循環槽３や蒸気用水供給管５内の蒸気用水，蒸気供給管６内の蒸気を用いることもできる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例を説明する。
実施例１及び比較例１
図１に示す構成の蒸気供給装置を使用して実験を行った。この蒸気供給装置は、溶存酸素低減装置で純度９９．９％の窒素ガスを１時間当たり１ｍ3 バブリングすることにより、蒸気用水中の溶存酸素を、蒸気供給管等の腐食がほとんど発生しない０．２ｐｐｍ以下にすることができる。
【００２６】
したがって、窒素ＰＳＡ装置には、モレキュラーシービングカーボン（ＭＳＣ）を吸着剤として用い、定格として加圧原料空気温度が１０〜３０℃のときに、純度９９．９％の窒素ガスを１時間当たり１ｍ3 製造することができるものを用いた。
【００２７】
夏場に相当する環境温度２８℃で運転したとき、窒素ＰＳＡ装置の原料空気圧縮機で圧縮した加圧原料空気の温度は４５℃になった。この温度の加圧原料空気を、そのまま冷却することなく吸着筒に導入したところ、窒素ＰＳＡ装置から得られた窒素ガスは、純度は９９．９％であったが、１時間当たりの製造流量は設計値よりも２割減少した０．８ｍ3 となった。この窒素ガスを溶存酸素低減装置に供給したところ、蒸気用水中の溶存酸素は、鋼管の腐食を完全に防止することが困難な０．５ｐｐｍとなった。
【００２８】
一方、加圧原料空気供給管の外周にコイル状に巻回した補給水導入管に、２５℃の補給水を１時間当たり０．２５ｍ３流して加圧原料空気を２９℃に冷却した後、これを吸着筒に導入したところ、純度９９．９％の窒素ガスが１時間当たり１．０５ｍ３製造することができ、溶存酸素低減装置において、蒸気用水中の溶存酸素を０．１５ｐｐｍにすることができた。
【００２９】
実施例２及び比較例２
図２に示す構成の蒸気供給装置を使用して実験を行った。その他の条件は実施例１と同様であり、窒素ＰＳＡ装置も同じ設計値のものである。
【００３０】
冬場に相当する環境温度０℃で、加圧原料空気温度が９℃の加圧原料空気を吸着筒に導入したところ、窒素ＰＳＡ装置から得られた窒素ガスは、製造流量は設計値と同じ１時間当たり１ｍ３であったが、純度が９９．８％に低下し、特に酸素濃度が増加していた。この窒素ガスを溶存酸素低減装置に供給したところ、蒸気用水中の溶存酸素は１．２ｐｐｍとなり、大幅に上昇してしまった。
【００３１】
一方、８℃で１時間当たり０．３ｍ3 の流量の補給水に、温水導入管から８０℃の温水を１時間当たり５４リットル導入して１９℃とし、これを用いて加圧原料空気を１５℃に加温したところ、窒素ＰＳＡ装置からは、純度９９．９％の窒素ガスが１時間当たり１．０８ｍ3 得られ、溶存酸素低減装置で処理した蒸気用水中の溶存酸素は０．１２ｐｐｍになった。
【００３２】
また、加圧原料空気の温度が１０〜２０℃の間になるようにバイパス弁及び温水制御弁を調節して運転した結果、蒸気用水中の溶存酸素は、略０．１２ｐｐｍで安定していた。
【００３３】
これらの実施例及び比較例から明らかなように、窒素ＰＳＡ装置の加圧原料空気の温度を１０〜３０℃に制御することにより、設計値通りあるいはそれ以上の窒素ガスを得ることができるので、環境温度の変化にかかわらず、蒸気供給装置の蒸気用水中の溶存酸素を０．２ｐｐｍ以下に維持することができる。
【００３４】
また、両比較例に示すように、加圧原料空気の温度が高い場合や低い場合は、所定の窒素ガスを得ることができないため、処理能力の高い窒素ＰＳＡ装置を用いたり、加圧原料空気の温度に応じた運転、例えばサイクルタイムの変更等を行わなければならないことがわかる。
【００３５】
したがって、加圧原料空気の温度を制御することにより、最小限の能力の窒素ＰＳＡ装置で十分な溶存酸素低減効果が得られることがわかる。さらに、本発明では、加圧原料空気の温度制御に、蒸気供給装置自体で使用する補給水（冷却用）や温水戻り管の温水（加温用）を用いるので、運転コストもほとんど上昇することがない。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の蒸気供給装置によれば、溶存酸素低減装置で使用する窒素ガスを効率よく得ることができ、蒸気用水中の溶存酸素を確実に低減することができるので、蒸気供給装置の蒸気供給管等の腐食を経済的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の蒸気供給装置の一例を示す系統図である。
【図２】  本発明の蒸気供給装置の他の形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…ボイラー、２…蒸気使用部、３…循環槽、４…ポンプ、５…蒸気用水供給管、６…蒸気供給管、７…温水戻り管、８…循環系統、９…軟水化装置、１０…水補給系統、１１…溶存酸素低減装置、１２…窒素ＰＳＡ装置、１３…温度制御手段、１５…吸着筒、１７…排気管、１８…原料空気圧縮機、１９…熱交換器、２０…温度計、２１…制御器、２２…制御弁、２３…バイパス弁、３１…温水導入管、３２…温水制御弁
【図１】
0003759222.tif 000002
【図２】
0003759222.tif 000003