JP6417107B2 - 蒸気システム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気システムに関する。より詳細には、温水等の熱源流体を熱源として蒸気を生成する蒸気発生装置と、この蒸気発生装置で生成された蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置と、を備える蒸気システムに関する。

従来、温水等の熱源流体を熱源として低圧蒸気を生成する蒸気発生装置と、この蒸気発生装置で生成された低圧蒸気を吸引して昇圧する蒸気昇圧装置と、を備える蒸気システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような蒸気システムでは、蒸気発生装置により生成された低圧蒸気は、蒸気発生装置と蒸気昇圧装置とを接続する低圧蒸気供給ラインを介して蒸気昇圧装置に供給され、蒸気昇圧装置によって昇圧された後、蒸気使用機器に供給される。

特開２００８−１３８９２４号公報

ところで、このような蒸気システムにおいては、蒸気昇圧装置の駆動状態（負荷率）を、この蒸気昇圧装置に供給される蒸気の圧力に基いて制御することが行われる。より具体的には、蒸気昇圧装置の負荷率は、蒸気昇圧装置に供給される蒸気の圧力が予め設定された所定の目標圧力となるように制御される。

即ち、蒸気昇圧装置は、低圧蒸気供給ラインを流通する低圧蒸気の圧力が目標圧力よりも低い場合には、負荷率を落として駆動する。これにより、蒸気昇圧装置に供給される蒸気量（つまり、蒸気昇圧装置が吸引する蒸気量）は減少するため、低圧蒸気供給ラインにおける低圧蒸気の圧力は上昇して目標圧力に近づく。
一方、低圧蒸気供給ラインを流通する低圧蒸気の圧力が目標圧力よりも高い場合には、蒸気昇圧装置は、最大負荷率（１００％）で駆動する。これにより、蒸気昇圧装置が吸引する蒸気量は最大量となるため、低圧蒸気供給ラインにおける低圧蒸気の圧力は低下して目標圧力に近づく。
このように、低圧蒸気供給ラインを流通する低圧蒸気の圧力が目標圧力となるように蒸気昇圧装置を駆動させることで、蒸気発生装置において安定的に蒸気を生成させられる。

しかしながら、蒸気昇圧装置が最大負荷率で駆動した状態においても低圧蒸気供給ラインを流通する低圧蒸気の圧力が目標圧力よりも高い状態が継続される状況では、蒸気発生装置において生成される蒸気の量は過剰になっているといえる。

従って、本発明は、蒸気発生装置及び蒸気昇圧装置をより適切な状態で連携させられる蒸気システムを提供することを目的とする。

本発明は、熱源流体を熱源としてボイラ水を加熱して低圧蒸気を生成させる蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置に供給される熱源流体の流量を調整する流量調整弁と、前記蒸気発生装置において生成された低圧蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置と、前記蒸気昇圧装置に付設され、当該蒸気昇圧装置の蒸気圧縮部に導入される低圧蒸気の圧力を検出する第１圧力センサと、前記蒸気発生装置において生成された低圧蒸気を前記蒸気昇圧装置に供給する低圧蒸気供給ラインと、前記低圧蒸気供給ラインを流通する低圧蒸気の圧力を検出する第２圧力センサと、を備える蒸気システムであって、前記蒸気昇圧装置は、前記第１圧力センサの検出圧力が設定された第１目標圧力になるように前記蒸気圧縮部の負荷率を制御する負荷率制御部を備え、前記第２圧力センサの検出圧力が前記第１目標圧力よりも高い第２目標圧力になるように前記流量調整弁を制御する弁制御部を更に備える蒸気システムに関する。

また、前記第２目標圧力は、前記蒸気発生装置が最大出力で運転し、かつ、前記蒸気昇圧装置が最大負荷率で運転している状態において前記第２圧力センサで検出されるバランス圧力よりも高く設定されることが好ましい。

本発明の蒸気システムによれば、蒸気発生装置及び蒸気昇圧装置をより適切な状態で連携させられる。

本発明の一実施形態に係る蒸気システムの構成を示す図である。

以下、本発明の蒸気システムの好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の蒸気システム１は、図１に示すように、蒸気を生成する蒸気発生装置１０と、この蒸気発生装置１０において生成された蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置２０と、蒸気発生装置１０と蒸気昇圧装置２０とを接続する低圧蒸気供給ライン３０と、この低圧蒸気供給ライン３０を流通する低圧蒸気の圧力を検出する低圧蒸気圧力センサ３１（以下、「第２圧力センサ３１」という）と、蒸気昇圧装置２０から吐出される吐出蒸気が流通する蒸気吐出ライン４０と、この蒸気吐出ライン４０を流通する吐出蒸気の圧力を検出する吐出蒸気圧力センサ４１と、蒸気システム１の動作を制御する制御装置５と、を備える。

蒸気発生装置１０は、図１に示すように、ガスエンジン２００のジャケット冷却水の排熱等の比較的低温の熱源流体を利用して水（ボイラ水）を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気発生装置１０は、タンク部１１と、タンク部１１の内部に配置されるチューブ１２及び噴霧ノズル１３と、熱源流体供給ラインとしての温水供給ライン１４と、熱源流体排出ラインとしての温水排出ライン１５と、噴霧水供給ライン１６と、補給水ライン１７と、バイパスライン１８と、流量調整弁としての三方弁１９と、を備える。「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

タンク部１１は、蒸気発生装置１０における本体部分を構成する。タンク部１１の内部は負圧もしくは低圧（例えば、−０．０５ＭＰａＧ〜０．１ＭＰａＧ程度）に維持され、このタンク部１１の内部において蒸気が生成される。このタンク部１１の上部には、後述の低圧蒸気供給ライン３０の基端部が接続される。
また、タンク部１１には、安全弁３２が設けられる。安全弁３２は、タンク部１１の内部の圧力が所定の圧力（設定圧力）を超えた場合に、蒸気を外部に放出してタンク部１１（蒸気発生装置１０）の内部の圧力を低下させる。

チューブ１２は、タンク部１１の内部に水平方向に延びて配置される。より具体的には、チューブ１２は、タンク部１１の内部において、水平方向に所定間隔をあけて複数本配置されると共に、高さ方向にも所定間隔をあけて複数本配置される。このチューブ１２の内部には、熱源流体としての温水が流通する。

噴霧ノズル１３は、タンク部１１の内部におけるチューブ１２よりも上方に配置される。この噴霧ノズル１３は、チューブ１２に向けてボイラ水を噴霧する。
温水供給ライン１４は、チューブ１２に熱源となる温水を供給する。温水供給ライン１４の上流側は、熱源となる温水を供給するガスエンジン２００等に接続される。温水供給ライン１４の下流側は、チューブ１２の一端部に接続される。

温水排出ライン１５は、チューブ１２の内部を流通し、熱源として利用された温水を外部に排出する。温水排出ライン１５の上流側は、チューブ１２の他端部に接続される。温水排出ライン１５の下流側は、ガスエンジン２００等に接続される。
噴霧水供給ライン１６は、タンク部１１の下部と噴霧ノズル１３とを接続し、タンク部１１の下部に貯留されたボイラ水を、噴霧水として噴霧ノズル１３に供給する。噴霧水供給ライン１６には、噴霧水ポンプ１６１が配置されている。
噴霧水ポンプ１６１は、タンク部１１に貯留された水を噴霧ノズル１３まで汲み上げる。

補給水ライン１７は、タンク部１１と水を貯留している貯留槽等（図示せず）とを接続する。補給水ライン１７は、タンク部１１に補給水を供給する。この補給水ライン１７には、補給水ポンプ１７１が配置される。
補給水ポンプ１７１は、貯留槽等から供給された水を昇圧してタンク部１１の内部に供給する。

バイパスライン１８は、温水供給ライン１４と温水排出ライン１５とを接続する。
三方弁１９は、温水供給ライン１４とチューブ１２との接続部分の近傍に配置され、温水供給ライン１４、チューブ１２（蒸気発生装置１０）及びバイパスライン１８を接続する。三方弁１９は、温水供給ライン１４からチューブ１２側に流れる温水の量及びバイパスライン１８側に流れる温水の流量を調整する。

即ち、三方弁１９により温水供給ライン１４からバイパスライン１８への流路を閉止した状態（全開状態）では、温水供給ライン１４を流通する温水は、全量チューブ１２側に流れる。この状態からバイパスライン１８への流路を開くように三方弁１９の開度を調整すると、温水供給ライン１４を流通する温水の一部は、バイパスライン１８側に流れる。また、三方弁１９により温水供給ライン１４からチューブ１２への流路を閉止した状態（全閉状態）では、温水供給ライン１４を流通する温水は、全量バイパスライン１８側に流れる。このように、三方弁１９の開度を調整することで、チューブ１２側に流れる温水の流量を調整できる。

以上の蒸気発生装置１０によれば、三方弁１９により温水供給ライン１４からバイパスライン１８への流路を閉止した状態では、まず、ガスエンジン２００等から熱源となる温水（例えば、約９０℃）が、温水供給ライン１４を通じてチューブ１２に供給される。チューブ１２に供給された温水は、タンク部１１の内部に配置されたチューブ１２に導入される。
一方、タンク部１１の内部においては、噴霧ノズル１３からチューブ１２に向けて、噴霧水が噴霧される。また、タンク部１１の内部は、負圧もしくは低圧（例えば、−０．０５ＭＰａＧ〜０．１ＭＰａＧ程度）に維持されている。これにより、チューブ１２を流通する温水は、噴霧水によって熱を奪われて８５℃程度まで降温し、温水排出ライン１５を通じて排出される。

また、温水が流通するチューブ１２には、噴霧ノズル１３から８０℃程度の水が噴霧されることで、表面に薄い液膜が形成される。このように、タンク部１１の内部が負圧に維持された状態において、チューブ１２の表面に薄い液膜が形成されることによって、チューブ１２の内部を流通する温水と、噴霧ノズル１３によって噴霧される水との温度差が比較的小さい場合（例えば、約１０℃）であっても効率的に蒸気を生成することが可能になる。

タンク部１１の内部で発生した蒸気は、低圧蒸気供給ライン３０を通って導出される。
タンク部１１の内部で蒸気にならなかった水は、タンク部１１の下部に貯留される。タンク部１１の下部に貯留された水は、噴霧水供給ライン１６を通じて、噴霧水ポンプ１６１によって噴霧ノズル１３まで汲み上げられ、再びチューブ１２に噴霧される。
タンク部１１に貯留される水が少なくなった場合には、補給水ライン１７からタンク部１１に補給水が補給される。

また、三方弁１９の開度を調整してチューブ１２に供給される温水の流量を調整することで、タンク部１１の内部で発生する蒸気の量を調整できる。

蒸気昇圧装置２０は、蒸気発生装置１０において生成された低圧蒸気（例えば、−０．０５ＭＰａＧ〜０．１ＭＰａＧ）を吸引して圧縮し、昇圧する。この蒸気昇圧装置２０は、低圧の蒸気を圧縮する蒸気圧縮部２１と、この蒸気圧縮部２１の動作を制御する負荷率制御部２２と、を備える。

蒸気圧縮部２１は、例えば、スクリュー式の蒸気圧縮機により構成され、低圧の蒸気を０．４ＭｐａＧ〜０．８ＭＰａＧ程度に昇圧する。
負荷率制御部２２は、蒸気圧縮部２１に導入される低圧蒸気の圧力（後述する第１圧力センサの検出圧力）に基いて、圧縮部２１の駆動状態（負荷率）を制御する。より具体的には、負荷率制御部２２は、蒸気圧縮部２１に導入される低圧蒸気の圧力が設定された第１目標圧力Ｐ１（例えば、０．０４ＭＰａ〜０．０５ＭＰａ）となるように、蒸気昇圧装置２０の負荷率を制御する。

即ち、蒸気圧縮部２１に導入される低圧蒸気の圧力が第１目標圧力Ｐ１よりも高くなっている場合には、負荷率制御部２２は、負荷率を最大（負荷率１００％）にして蒸気昇圧装置２０を駆動させる。これにより、蒸気昇圧装置２０には、上限量の蒸気が吸引されることになり、低圧蒸気供給ライン３０の蒸気圧は低下していく傾向にある。尚、蒸気昇圧装置２０が１００％の負荷率で運転した状態においても、蒸気圧縮部２１に導入される低圧蒸気の圧力が第１目標圧力Ｐ１を上回っている場合には、蒸気昇圧装置２０は最大負荷率（１００％）で運転を続ける。

一方、蒸気圧縮部２１に導入される低圧蒸気の圧力が、第１目標圧力Ｐ１を下回った場合には、負荷率制御部２２は、蒸気昇圧装置２０の負荷率を低下させる。これにより、蒸気昇圧装置２０に吸引される蒸気の量は減少し、低圧蒸気供給ライン３０の蒸気圧は上昇する。
このようにして、蒸気圧縮部２１に導入される低圧蒸気の圧力を第１目標圧力Ｐ１となるように制御することにより、蒸気発生装置１０により蒸気を効率よくかつ安定的に生成させられる。
尚、負荷率制御部２２は、蒸気昇圧装置２０に設けられた圧力センサ（以下、「第１圧力センサ」という、図示せず）により蒸気圧縮部２１に導入される低圧蒸気の圧力を検出する。

低圧蒸気供給ライン３０は、蒸気発生装置１０において生成された低圧蒸気を蒸気昇圧装置２０に供給する。
第２圧力センサ３１は、低圧蒸気供給ライン３０の内部における蒸気圧（蒸気昇圧装置２０に供給される前の低圧蒸気の圧力）を測定する。

蒸気吐出ライン４０は、基端側が蒸気昇圧装置２０に接続される。この蒸気吐出ライン４０は、蒸気昇圧装置２０において昇圧された後吐出される吐出蒸気を流通させる。蒸気吐出ライン４０の先端側は、蒸気使用機器２１０に接続される。
吐出蒸気圧力センサ４１は、蒸気吐出ライン４０の内部における蒸気圧（吐出蒸気の圧力）を測定する。

制御装置５は、蒸気発生装置１０の動作を制御する。本実施形態では、制御装置５は、第２圧力センサ３１の検出圧力に基いて、三方弁１９の開度を制御する弁制御部５１を含んで構成される。
上述のように、蒸気システム１において、蒸気昇圧装置２０が最大負荷率で運転した状態においても、第１圧力センサの検出圧力が第１目標圧力Ｐ１を上回っている場合には、蒸気昇圧装置２０は１００％の負荷率で運転を続ける。このような、蒸気昇圧装置２０が最大負荷率で運転した状態においても第１圧力センサの検出圧力が第１目標圧力Ｐ１よりも高い状態が継続される状況では、蒸気発生装置１０において生成される蒸気の量は過剰になっているといえる。

そこで、弁制御部５１は、第２圧力センサ３１の検出圧力が第１目標圧力Ｐ１よりも高い第２目標圧力Ｐ２になるように三方弁１９を制御する。
この場合、蒸気昇圧装置２０が最大負荷率で運転し、かつ第１圧力センサの検出圧力が第１目標圧力Ｐ１を上回っている状態において、第２圧力センサ３１の検出圧力が第２目標圧力Ｐ２を上回ると、弁制御部５１は、温水供給ライン１４から蒸気発生装置１０（チューブ１２）側に供給される温水の量が減少するように三方弁１９の開度を制御する（三方弁１９の開度を小さくする）。すると、蒸気発生装置１０に供給される温水の量が減少するので、蒸気発生装置１０における蒸気の生成量が減少する。これにより、低圧蒸気供給ライン３０を流通する低圧蒸気の圧力は低下し、第２目標圧力Ｐ２に近づく。よって、蒸気昇圧装置２０を最大負荷率で運転させつつ、低圧蒸気供給ライン３０を流通する低圧蒸気の圧力が過剰に高くなることを防げるので、蒸気発生装置１０及び蒸気昇圧装置２０をより適切な状態で連携させられる。

尚、第２圧力センサ３１の検出圧力が第２目標圧力Ｐ２以下である場合には、弁制御部５１は、三方弁１９を全開状態に制御し、温水供給ライン１４を流通する温水を全量蒸気発生装置１０（チューブ１２）側に流通させる。

また、第２目標圧力Ｐ２を第１目標圧力Ｐ１よりも高く設定することで、蒸気昇圧装置２０を最大負荷率で安定的に運転させられる。即ち、第１目標圧力Ｐ１と第２目標圧力Ｐ２を同じ値に設定すると、弁制御部５１による三方弁１９の制御により、低圧蒸気供給ライン３０を流通する低圧蒸気の圧力は、第１目標圧力Ｐ１（第２目標圧力Ｐ２）付近を上下する。そのため、蒸気昇圧装置２０は、最大負荷率で安定的に運転できなくなってしまう。

また、第２目標圧力Ｐ２は、低圧蒸気供給ライン３０における低圧蒸気のバランス圧力よりも高く設定され、第１目標圧力Ｐ１は、バランス圧力よりも低く設定されることが好ましい。
ここで、低圧蒸気のバランス圧力とは、蒸気発生装置１０を最大出力で運転させ、かつ、蒸気昇圧装置２０を最大負荷率で運転させた場合に、低圧蒸気供給ライン３０を流通する低圧蒸気の圧力が安定した状態で、第２圧力センサ３１により検出される低圧蒸気の圧力を示す。

第２目標圧力Ｐ２をバランス圧力よりも高く設定することで、蒸気発生装置１０が最大出力に到達する前に三方弁１９の開度を小さくしてしまうことを防げる。また、第１目標圧力Ｐ１をバランス圧力よりも低く設定することで、低圧蒸気供給ライン３０を流通する低圧蒸気の圧力がバランス圧力に到達した状態においても蒸気昇圧装置２０が最大負荷率で運転されなくなってしまうことを防げる。

以上、本発明の蒸気システム１の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、熱源流体として温水を用いたが、これに限らない。即ち、熱源流体として、排ガスや空気等の他の流体を用いてもよい。

また、本実施形態では、第２圧力センサ３１を低圧蒸気供給ライン３０に配置して低圧蒸気供給ライン３０を流通する蒸気の圧力を測定したが、これに限らない。即ち、低圧蒸気供給ライン３０を流通する蒸気の圧力は、蒸気発生装置１０（タンク部１１）における蒸気の圧力と等しいため、低圧蒸気圧力センサを蒸気発生装置（タンク部）に配置してもよい。

また、本実施形態では、流量調整弁を三方弁１９により構成したが、これに限らない。即ち、流量調整弁を、複数の弁を組み合わせて構成してもよい。

１ 蒸気システム
１０ 蒸気発生装置
１４ 温水供給ライン（熱源流体供給ライン）
１５ 温水排出ライン（熱源流体排出ライン）
１８ バイパスライン
１９ 三方弁（流量調整弁）
２０ 蒸気昇圧装置
２１ 蒸気圧縮部
２２ 負荷率制御部
３０ 低圧蒸気供給ライン
３１ 低圧蒸気圧力センサ（第２圧力センサ）
５１ 弁制御部
Ｐ１ 第１目標圧力
Ｐ２ 第２目標圧力

Claims (2)

1. 熱源流体を熱源としてボイラ水を加熱して低圧蒸気を生成させる蒸気発生装置と、
   前記蒸気発生装置に供給される熱源流体の流量を調整する流量調整弁と、
   前記蒸気発生装置において生成された低圧蒸気を昇圧する蒸気昇圧装置と、
   前記蒸気昇圧装置に付設され、当該蒸気昇圧装置の蒸気圧縮部に導入される低圧蒸気の圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記蒸気発生装置において生成された低圧蒸気を前記蒸気昇圧装置に供給する低圧蒸気供給ラインと、
   前記低圧蒸気供給ラインを流通する低圧蒸気の圧力を検出する第２圧力センサと、を備える蒸気システムであって、
   前記蒸気昇圧装置は、前記第１圧力センサの検出圧力が設定された第１目標圧力になるように前記蒸気圧縮部の負荷率を制御する負荷率制御部を備え、
   前記第２圧力センサの検出圧力が前記第１目標圧力よりも高い第２目標圧力になるように前記流量調整弁を制御する弁制御部を更に備える蒸気システム。
2. 前記第２目標圧力は、前記蒸気発生装置が最大出力で運転し、かつ、前記蒸気昇圧装置が最大負荷率で運転している状態において前記第２圧力センサで検出されるバランス圧力よりも高く設定される請求項１に記載の蒸気システム。

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