JP2017161105A

JP2017161105A - ヒートポンプ式蒸気生成装置

Info

Publication number: JP2017161105A
Application number: JP2016043446A
Authority: JP
Inventors: 吉成小田; Yoshinari Oda
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-14

Abstract

【課題】供給水中の不純物の種類及び量が変化する場合であっても適正なブローダウン水の流量調節を行うことができるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供すること。【解決手段】ヒートポンプサイクルであるヒートポンプ部１６と、凝縮器２２で被加熱水が伝熱され生成した気液二相流を蒸気と熱水とに分離する気液分離器４２と、凝縮器２２から気液分離器４２へ気液二相流を供給する気液二相流流路４６ｂと、気液分離器４２で分離した蒸気を蒸気利用設備に送る蒸気流路４４と、気液分離器４２で分離した熱水を凝縮器４４に送る循環熱水流路４６ａと、循環熱水流路４６ａに接続され、供給水を供給する供給水流路３０と、気液分離器４２で分離した熱水の一部を抽出し、当該抽出した熱水をブローダウン水として排出するブローダウン流路４５と、を備え、ブローダウン水の流量は気液分離器４２の蒸気圧力設定値に基づき調節される。【選択図】図１

Description

本発明は、供給水中の不純物の種類及び量が変化する場合であっても適正なブローダウン水の流量調節を行うことができるヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

水蒸気生成のボイラーなどでは、水蒸気がボイラーから排出されると、供給水中に混入した不純物がボイラー内の循環水中に残る。この不純物が連続的に加わり、不純物の少ない水蒸気が排出される結果、循環水中の不純物濃度が増大する。循環水中の不純物濃度が飽和状態を超えると析出してスケールとなるのを防止するため、循環水をブローダウンし、循環水中の不純物濃度が飽和状態を超えないようにしている。なお、ブローダウン水の流量を大きくすると熱エネルギー効率が低下する。

特許文献１には、ボイラー中でボイラーに供給した新鮮な給水から水蒸気を発生させ、追加の水を補給して入れながらブローダウンしてボイラー水をボイラーから除去してボイラー水中の不純物濃度を減少させるボイラー系が記載されている。

特開２０００−１１１００４号公報

しかしながら、循環水で濃縮される不純物の量及び不純物の種類は、供給水によって左右される。すなわち、供給水は常に同じ不純物量あるいは同じ種類の不純物が含まれるとは限らず、循環水で濃縮される不純物の量及び不純物の種類は異なる場合がある。したがって、不純物濃度を検出してブローダウン水の量を調整しようとしても、すべての不純物に対して精度高く検出することができないことから、適正なブローダウン水の流量調節を行うことは難しい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、供給水中の不純物の種類及び量が変化する場合であっても適正なブローダウン水の流量調節を行うことができるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を被加熱水に伝熱させて前記冷媒を凝縮させる凝縮器、前記凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する膨張機構、及び熱源温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記凝縮器で被加熱水が伝熱され生成した気液二相流を蒸気と熱水とに分離する気液分離器と、前記凝縮器から前記気液分離器へ前記気液二相流を供給する気液二相流流路と、前記気液分離器で分離した蒸気を蒸気利用設備に送る蒸気流路と、前記気液分離器で分離した熱水を前記凝縮器に送る循環熱水流路と、前記循環熱水流路に接続され、供給水を供給する供給水流路と、前記気液分離器で分離した熱水の一部を抽出し、当該抽出した熱水をブローダウン水として排出するブローダウン流路と、を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置において、前記ブローダウン水の流量は前記気液分離器の蒸気圧力設定値に基づき調節されることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、上記の発明において、前記ブローダウン水の流量は、さらに、前記供給水のスケール濃度、前記気液分離器の水位の少なくとも１つに基づき調節されることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、上記の発明において、前記ブローダウン流路には開度調節可能な調節弁が設けられ、該調節弁により前記ブローダウン水の流量が調節されることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、上記の発明において、前記ブローダウン流路には前記ブローダウン水の流出を遮断する遮断弁をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、上記の発明において、前記調節弁は、前記気液分離器の蒸気圧力設定値が上がった場合に開度を大きくし、前記気液分離器の蒸気圧力設定値が下がった場合に開度を小さくすることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、上記の発明において、前記調節弁は、前記供給水のスケール濃度が上がった場合に開度を大きくし、前記供給水のスケール濃度が下がった場合に開度を小さくすることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、上記の発明において、前記調節弁は、気液分離器の水位が上がった場合に開度を小さくし、気液分離器の水位が下がった場合に開度を大きくすることを特徴とする。

本発明によれば、気液分離器の蒸気圧力設定値を用いてブローダウン水の流量を調節するようにしているので、供給水中の不純物の種類及び量が変化する場合であっても適正なブローダウン水の流量調節を行うことができる。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の全体構成図である。蒸気圧力設定値による調節弁開度制御処理手順を示すフローチャートである。本発明の実施形態の変形例１に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の全体構成図である。スケール濃度による調節弁開度制御処理手順を示すフローチャートである。本発明の実施形態の変形例２に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の全体構成図である。気液分離器の水位による調節弁開度制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０の全体構成図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０は、工場排水等の温水から排熱を回収し、回収した排熱を利用して水蒸気を生成するシステムであり、生成した水蒸気は乾燥装置や殺菌装置等の外部の蒸気利用設備に送られる。

図１に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０は、水を蒸発させて水蒸気を生成し、外部へと送り出す蒸気生成部１２と、温水供給部１４によって供給される温水（熱源温水）から熱を回収し、この熱を蒸気生成部１２での蒸気生成のための熱源として供給するヒートポンプ部１６と、制御部１８とを備える。

ヒートポンプ部１６は、冷媒を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器２２と、凝縮器２２を出た冷媒を減圧する膨張機構２４と、熱源温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器２６とを環状に接続したヒートポンプサイクルを有したヒートポンプ装置である。本実施形態では、凝縮器２２の出口側と膨張機構２４の入口側との間に加熱器２８を接続している。膨張機構２４は、例えば電子膨張弁である。

ヒートポンプサイクルに流れる冷媒は、Ｐ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側で過熱域にあり、高圧側で飽和ガス線と等エントロピー線とが２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ冷媒であることが好ましい。この冷媒は、例えば、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（構造式：ＣＨＦ_２ＣＨ_２ＣＦ_３、Ｒ２４５ｆａ）である。

圧縮機２０で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２２で蒸気生成部１２を循環する水と熱交換して冷却され凝縮する。凝縮器２２を出た冷媒は、加熱器２８で供給水流路３０を流れる水を予熱してさらに冷却された後、膨張機構２４で断熱膨張され、蒸発器２６で温水供給部１４の温水流路３２を流れる熱源温水から吸熱して蒸発して圧縮機２０へと戻る。

ヒートポンプ部１６の冷媒流路には、圧縮機２０の吸入側の冷媒圧力Ｐｉｎ及び冷媒温度Ｔｉｎをそれぞれ検出する吸入圧力センサ３４及び吸入温度センサ３５と、圧縮機２０の吐出側の冷媒圧力Ｐｏｕｔ及び冷媒温度Ｔｏｕｔをそれぞれ検出する吐出圧力センサ３６及び吐出温度センサ３７と、膨張機構２４の入口側の冷媒の温度Ｔａを検出する入口温度センサ３８と、蒸発器２６に流入する熱源温水の温度Ｔｗを検出する熱源温水温度センサ２９とが設置されている。

圧縮機２０の吐出側と吸入側との間は、バイパス弁７１を介して接続されるバイパス管路７０が設けられる。このバイパス弁７１は、ヒートポンプ装置の起動時に、制御部１８によって開閉制御される。バイパス弁７１が開のとき、圧縮機２０の吐出側の冷媒が吸入側に流入する。

蒸気生成部１２は、ヒートポンプ部１６を循環する冷媒を熱源として水を蒸発させて蒸気を生成する凝縮器２２と、凝縮器２２で生成される水と蒸気を含む気液二相流を蒸気と水とに分離する気液分離器４２と、気液分離器４２で分離された蒸気を外部の蒸気利用設備に供給する蒸気流路４４と、気液分離器４２で分離された熱水を供給水流路３０から供給される供給水と合流点Ｐ２で合流させて凝縮器２２から気液分離器４２へと導く水循環流路４６とを有する。

気液分離器４２は、鉛直方向に沿った円筒状容器で構成され、下端壁に接続された水循環流路４６に接続された供給水流路３０から供給水が給水補給されることで容器内部に水を貯留する。供給水流路３０は、図示しない水道管や水タンクからの水（給水）を給水ポンプ４８によって加熱器２８を経て水循環流路４６まで導入する。給水ポンプ４８は制御部１８の制御下に、気液分離器４２内に貯留された水の水位を測定する水位センサ５０の検出値（水位）に基づきインバータ（ＩＮＶ）５２を介してその運転回転数が制御される。気液分離器４２には、内部の蒸気圧が所定圧力以上になった際に開放される圧力逃がし弁５４が接続されている。

水循環流路４６は、気液分離器４２の下端壁から凝縮器２２までを連通して熱水を凝縮器２２まで送る循環熱水流路４６ａと、凝縮器２２から気液分離器４２の上部側壁までを連通し、気液二相流を気液分離器４２に送る気液二相流流路４６ｂとから構成されている。循環熱水流路４６ａには熱水が流通し、気液二相流流路４６ｂには熱水及び蒸気を含む気液二相流が流通する。循環熱水流路４６ａには循環ポンプ５６が設けられている。循環ポンプ５６は制御部１８の制御下に、インバータ（ＩＮＶ）５８を介してその運転回転数が制御される。

蒸気流路４４は、気液分離器４２の上端壁に接続され、気液二相流流路４６ｂから当該気液分離器４２内に供給され、ここで熱水が分離された後の蒸気を外部に送り出す流路である。蒸気流路４４には、流れる蒸気の圧力を調整する圧力調整弁６０が設置されている。圧力調整弁６０は、制御部１８の制御下に、圧力センサ６２で測定される気液分離器４２内の蒸気圧力に基づきその開度が調整される。圧力調整弁６０の開度を適宜調整することにより、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０から外部に送り出される蒸気の流量や圧力を制御できる。蒸気流路４４を流れる蒸気の圧力を調整する蒸気圧力調整手段としては、圧力調整弁６０に代えて又はこれと共に蒸気を圧縮する蒸気圧縮機を用いてもよい。

気液分離器４２の下端壁から合流点Ｐ２までの循環熱水流路４６ａ上の分離点Ｐ１には、気液分離器４２で分離した熱水の一部を抽出し、この抽出した熱水をブローダウン水として排出するブローダウン流路４５が接続される。

ブローダウン流路４５には、分離点Ｐ１側から、遮断弁８１、調節弁８２が順次配置される。遮断弁８１は、ブローダウン水の流出を遮断する。調節弁８２は、開度調節可能な弁であり、ブローダウン水の流量を、気液分離器の蒸気圧力設定値、すなわち圧力センサ６２が検出した圧力値に基づいて調節する。調節弁８２は、気液分離器４２の蒸気圧力設定値が上がった場合に開度を大きくし、気液分離器４２の蒸気圧力設定値が下がった場合に開度を小さくする。蒸気圧力設定値が上がった場合に開度を大きくするのは、不純物の少ない蒸気量（水）が水循環流路４６から外部に多く排出されるため、水循環流路４６内の水が濃縮され、不純物濃度が高くなるためである。また、蒸気圧力設定値が下がった場合に開度を小さくするのは、不純物の少ない蒸気量（水）が水循環流路４６から外部への排出が少ないため、水循環流路４６内の水の濃縮が小さくなり、不純物濃度も高くならないからである。

制御部１８は、インバータ（ＩＮＶ）４０を介して圧縮機２０の運転回転数を制御する。制御部１８は、ヒートポンプ装置の起動時に起動運転モードとなり、起動運転モード制御部１８ａに対して起動運転モード制御を行わせる。また、制御部１８は、起動運転モード制御が終了した時点で通常運転モードとなり、通常運転モード制御部１８ｂに対して通常運転モード制御を行わせる。

起動運転モード制御部１８ａは、ヒートポンプ装置の起動時に、起動運転モード制御を行う。この起動運転モード制御は、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力Ｐｉｎ、熱源温水温度Ｔｗ、圧縮機２０の吸入側における冷媒過熱度ΔＴｉｎ、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度ΔＴｏｕｔ、圧縮機２０の吸入側における冷媒温度Ｔｉｎのうちの少なくとも１つに基づきバイパス弁７１を開閉制御するとともに、各センサ３４〜３８の検出値をもとにインバータ４０を介して圧縮機２０の運転回転数を制御する。

通常運転モード制御部１８ｂは、バイパス弁７１が閉となって起動運転モード制御が終了した時点から、各センサ３４〜３８の検出値に基づき圧縮機２０の運転制御を行うことで、ヒートポンプ部１６の加熱出力を制御する。すなわち、通常運転モード制御部１８ｂは、各センサ３４〜３８の検出値をもとに、圧縮機２０の吐出側から膨張機構２４の入口側までの冷媒のエンタルピー差と、ヒートポンプサイクルの冷媒循環量との積であるヒートポンプ加熱出力を算出し、この算出したヒートポンプ加熱出力が目標加熱出力となるように、圧縮機２０の運転回転数を制御する。なお、通常運転モード制御部１８ｂによる制御時、バイパス弁７１は閉状態となっている。

なお、制御部１８は、さらに給水ポンプ４８、循環ポンプ５６及び圧力調整弁６０の制御を行うものであってもよいが、これら蒸気生成部１２側は図示しない別の制御部によって制御してもよい。

（蒸気圧力設定値による調節弁開度制御処理）
ここで、図２に示したフローチャートを参照して、調節弁８２の、蒸気圧力設定値による調節弁開度制御処理手順について説明する。図２に示すように、まず、調節弁８２は、圧力センサ６２が検出した蒸気圧力設定値が所定圧力を超えたか否かを判断する（ステップＳ１０１）。蒸気圧力設定値が所定圧力を超えた場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）には、調節弁８２は、蒸気圧力設定値と所定圧力との圧力差分に応じた開度分、開度を開いて（ステップＳ１０２）、本処理を終了する。

一方、蒸気圧力設定値が所定圧力を超えない場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）には、さらに蒸気圧力設定値が所定圧力未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。蒸気圧力設定値が所定圧力未満である場合（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）には、調節弁８２は、蒸気圧力設定値と所定圧力との圧力差分に応じた開度分、開度を閉じて（ステップＳ１０４）、本処理を終了する。蒸気圧力設定値が所定圧力未満でない場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）には、そのまま、本処理を終了する。なお、上述した処理は、所定時間毎、繰り返して行う。

（変形例１）
図３に示すように、この変形例１では、上述した実施形態に、供給水のスケール濃度を検出するスケール濃度センサ９０をさらに備え、調節弁８２が供給水のスケール濃度を加味して開度調節するようにしている。調節弁８２による、スケール濃度による調節弁開度制御処理と、実施形態で示した蒸気圧力設定値による調節弁開度制御処理とは、独立して制御処理される。例えば、実施形態で示した蒸気圧力設定値による調節弁開度制御処理で開度が設定されている場合に、スケール濃度による調節弁開度制御処理が行われた場合、現在設定されている開度の状態を基準にして開度調節される。

（スケール濃度による調節弁開度制御処理）
ここで、図４に示したフローチャートを参照して、調節弁８２の、スケール濃度による調節弁開度制御処理手順について説明する。図４に示すように、まず、調節弁８２は、スケール濃度センサ９０が検出したスケール濃度が所定濃度を超えたか否かを判断する（ステップＳ２０１）。スケール濃度が所定濃度を超えた場合（ステップＳ２０１，Ｙｅｓ）には、調節弁８２は、スケール濃度と所定濃度との濃度差分に応じた開度分、開度を開いて（ステップＳ２０２）、本処理を終了する。

一方、スケール濃度が所定濃度を超えない場合（ステップＳ２０１，Ｎｏ）には、さらにスケール濃度が所定濃度未満であるか否かを判断する（ステップＳ２０３）。スケール濃度が所定濃度未満である場合（ステップＳ２０３，Ｙｅｓ）には、調節弁８２は、スケール濃度と所定濃度との濃度差分に応じた開度分、開度を閉じて（ステップＳ２０４）、本処理を終了する。スケール濃度が所定濃度未満でない場合（ステップＳ２０３，Ｎｏ）には、そのまま、本処理を終了する。なお、上述した処理は、所定時間毎、繰り返して行う。

（変形例２）
図５に示すように、この変形例２では、さらに、気液分離器４２の水位センサ５０が検出した水位を加味して開度調節するようにしている。調節弁８２による、気液分離器４２の水位による調節弁開度制御処理と、実施形態で示した蒸気圧力設定値による調節弁開度制御処理とは、独立して制御処理される。

（気液分離器の水位による調節弁開度制御処理）
ここで、図６に示したフローチャートを参照して、調節弁８２の、気液分離器４２の水位による調節弁開度制御処理手順について説明する。図６に示すように、まず、調節弁８２は、水位センサ５０が検出した水位が前回水位を超えたか否かを判断する（ステップＳ３０１）。検出した水位が前回水位を超えた場合（ステップＳ３０１，Ｙｅｓ）には、調節弁８２は、検出した水位と前回水位との水位差分に応じた開度分、開度を閉じて（ステップＳ３０２）、本処理を終了する。

一方、検出した水位が前回水位を超えない場合（ステップＳ３０１，Ｎｏ）には、さらに、検出した水位が前回水位未満であるか否かを判断する（ステップＳ３０３）。検出した水位が前回水位未満である場合（ステップＳ３０３，Ｙｅｓ）には、調節弁８２は、検出した水位と前回水位との水位差分に応じた開度分、開度を開いて（ステップＳ３０４）、本処理を終了する。検出した水位が前回水位未満でない場合（ステップＳ３０３，Ｎｏ）には、そのまま、本処理を終了する。なお、上述した処理は、所定時間毎、繰り返して行う。

なお、検出した水位が前回水位を超えた場合、開度を小さくし、検出した水位が前回水位未満である場合、開度を大きくするのは、水位が増加する現象を、供給水量の増加とみなすことを前提としている。水位が増加すると、供給水量の増加によって循環水量が増え、循環水のスケール濃度が希釈されるため、この場合、開度を小さくしている。

また、上述した実施形態、変形例１，２は、適宜組み合わせが可能である。

なお、上述した実施形態、変形例１，２における調節弁８２に替えて、手動設定できるニードル弁を用いてもよい。この場合における手動設定支援として、圧力センサ６２、スケール濃度センサ９０、水位センサ５０の検出結果と、所定圧力（蒸気圧力設定値）、所定濃度、所定水位とのそれぞれの比較結果を表示する表示装置などの案内装置を設けることが好ましい。

１０ヒートポンプ式蒸気生成装置
１２蒸気生成部
１４温水供給部
１６ヒートポンプ部
１８制御部
１８ａ起動運転モード制御部
１８ｂ通常運転モード制御部
２０圧縮機
２２凝縮器
２４膨張機構
２６蒸発器
２８加熱器
２９熱源温水温度センサ
３０供給水流路
３２温水流路
３４吸入圧力センサ
３５吸入温度センサ
３６吐出圧力センサ
３７吐出温度センサ
３８入口温度センサ
４０，５２，５８インバータ
４２気液分離器
４４蒸気流路
４５ブローダウン流路
４６水循環流路
４６ａ循環熱水流路
４６ｂ気液二相流流路
５０水位センサ
７０バイパス管路
７１バイパス弁
８１遮断弁
８２調節弁
９０スケール濃度センサ
Ｐ１分離点
Ｐ２合流点

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を被加熱水に伝熱させて前記冷媒を凝縮させる凝縮器、前記凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する膨張機構、及び熱源温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、
前記凝縮器で被加熱水が伝熱され生成した気液二相流を蒸気と熱水とに分離する気液分離器と、
前記凝縮器から前記気液分離器へ前記気液二相流を供給する気液二相流流路と、
前記気液分離器で分離した蒸気を蒸気利用設備に送る蒸気流路と、
前記気液分離器で分離した熱水を前記凝縮器に送る循環熱水流路と、
前記循環熱水流路に接続され、供給水を供給する供給水流路と、
前記気液分離器で分離した熱水の一部を抽出し、当該抽出した熱水をブローダウン水として排出するブローダウン流路と、
を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置において、
前記ブローダウン水の流量は前記気液分離器の蒸気圧力設定値に基づき調節されることを特徴とする、ヒートポンプ式蒸気生成装置。
前記ブローダウン水の流量は、さらに、前記供給水のスケール濃度、前記気液分離器の水位の少なくとも１つに基づき調節されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
前記ブローダウン流路には開度調節可能な調節弁が設けられ、該調節弁により前記ブローダウン水の流量が調節されることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
前記ブローダウン流路には前記ブローダウン水の流出を遮断する遮断弁をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
前記調節弁は、前記気液分離器の蒸気圧力設定値が上がった場合に開度を大きくし、前記気液分離器の蒸気圧力設定値が下がった場合に開度を小さくすることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
前記調節弁は、前記供給水のスケール濃度が上がった場合に開度を大きくし、前記供給水のスケール濃度が下がった場合に開度を小さくすることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
前記調節弁は、気液分離器の水位が上がった場合に開度を小さくし、気液分離器の水位が下がった場合に開度を大きくすることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。