JPH04203397A - 炭酸ガス用の多段圧縮機における中間ガスの冷却方法及び中間ガス冷却装置を備えた炭酸ガス用の多段圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、前段側圧縮機から吐出ガスを冷却し、後段側
圧縮機へ導くようにした多段圧縮機における中間ガスの
冷却方法及び中間ガス冷却装置を備えた多段圧縮機に関
し、特に塩化物応力腐食割れが発生する要因を持つ等の
腐食環境下で使用される炭酸ガス圧縮機に通用して好適
なものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種技術としては、日立評論ｖＯ］９６０　Ｎ
ｏ、３（１９７８年３月号）に記載されたものがある。

この文献に記載されたものは炭酸ガス（以下ＣＯ２ガス
と言う）を圧縮する多段圧縮機であって前段側（低圧側
）圧縮機により圧縮機されたＣＯ２ガスは中間熱交換器
（中間冷却器）により冷却された次の段側（後段側ある
いは高圧側）圧縮機へ送られる。

（発明が解決しようとする課題〕 一般に圧縮機でガスを圧縮する場合、駆動機からガスに
与えられる単位質量当りの仕事量（ヘッド）と、ガスの
状態変化の関係は（１）式のように表わされる。

ここで、Ｈｔｈ＝理論揚程 η　＝ポリトロープ指数 Ｒ＝気体定数 Ｔｓ−吸込温度 Ｐｄ＝吐出圧力 Ｐｓ＝吸込圧力 ηｐａｌ：ボリトロープ効率 （１）式で晃かなように、吸込温度Ｔｓを下げれば同じ
圧力上昇（既ち圧力比Ｐ　、１／　Ｐ　ｓ）を得るのに
必要な単位質量当りの仕事量（Ｈｔｈ）が小さくてすむ
。従って、一般に熱交換器出口のガス温度は、低い方が
駆動機の軸動力（エネルギ）を低減できるるので望まし
い。このため、右グループの間には熱交換器が設けられ
ておりＣＯ２ガスを冷却するようになっている。

一方、ＣＯ２ガスは常温以上の温度でも圧力が高ければ
液化する性質を持つので、熱交換器出口でのガス温度は
、この液化を生じない温度以上でなければならない。さ
らにＣ０２ガスは圧縮機に吸込まれた後、一部は軸封部
から機外側へ漏れる。

機外側の圧力は必ず圧縮機内部の圧力よりも低い。

従って、機外側へ膨張しながらもれるＣＯ２ガスが途中
で（例えば軸封ラビリンス内）液化すると、エロージョ
ンアタックを生じ圧縮機有害な損傷をきたすことになる
。吸込ＣＯ２ガス温度が低いと膨張して液化することに
なる。これらのことを考慮してＣＯ□ガス熱交換器の出
口の温度制御がなされている。

さらに熱交換器の製作に当っては、冷却水は塩素イオン
のような腐食因子を含むので、熱交換器のチューブ材質
、チューブ温度、冷却水速度など腐食に対して十分考慮
されて設計がなされている。

また、チューブ熱伝達能力は、運転中の冷却水による汚
れを考慮して、熱交換容量に予め余裕を持って製作がな
されている。

既ち、長期連続運転にも熱交換器量が不足しないように
製作されている。

一般に熱交換器の熱通過率には（２）式で表わされる。

］ ここで、　Ｋ＝熱通過率 α□＝ガス側（チューブ側）熱伝達率 α２＝水側（シェル側）熱伝達率 ｆ、＝汚れ係数 （２）式において、汚れ係数ｆｖは初期の運転時には０
．０００１以下であるが、製作においては長期運転によ
る冷却水側の汚れを考慮して、−般に０．０００４程度
としている。

一方、伝熱量Ｑは（３）、（４）、（５）式で表わされ
る。

Ｑ＝ＫＸＡＸΔＴｍ　　−・旧＝　（３）Ｑ＝Ｇ、ｊＸ
Ｃｐ％、ＸＡＴｗ　　＋＋＋＋＋＋　（４）Ｑ＝ＧりＸ
Ｃ，、ＸΔＴＩ＋　・・・・・・（５）ここで、Ｑ＝伝
熱量 Ａ＝熱交換面積 ΔＴｍ＝対数平均温度差 Ｇ＝流量 ひいては熱交換器チューブの温度が上昇することになる
。即ち、熱交換器出口の被冷却ガスの温度が一定になる
ような冷却水量を調節する従来システムでは、運転初期
において冷却水過少となり熱交換器チューブの温度上昇
を引き起こし、冷却水流速源によるスケールの付着やチ
ューブ壁面温度の上昇を引き起こすことになり、塩化物
応力腐食割れが発生する危険性があった。

本発明の目的は、チューブ壁面温度の上昇を起こさず、
かつ、取扱いガスの液化も生じないような多段圧縮機に
おける中間ガスの冷却方法及び中間ガス冷却装置を備え
た多段圧縮機を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、低圧
側の圧縮機で圧縮機された中間ガスを中間熱交換器にお
いて冷却水と熱交換させることにより冷却し、しかる後
、この冷却されたガスがラビリンス部が膨張しても液化
しない温度まで該ガス加熱して高圧側の圧縮機へ供給す
る多段圧縮機における中間ガスの冷却方法にある。

本発明の第２の特徴は、低圧側の圧縮機から吐出された
中間ガスの一部をバイパスさせ、前記中間ガスの残りを
中間冷却器において冷却流体と熱交換させて冷却し、し
かる後、この冷却されたガスが次段圧縮機のラビリンス
部で膨張しても液化しない温度まで加熱するため前記バ
イパスさせた中間ガスと混合し、次段圧縮機へ供給する
多段圧縮機における中間ガスの冷却方式にある。

本発明の第３の特徴は、前段圧縮機から吐出された中間
ガスの一部をバイパスさせ、前記中間ガスの残りを中間
冷却器において冷却水と熱交換器チューブを介して熱交
換させてそのガスの気液臨界点近くまで冷却し、しかる
後、この冷却されたガスの一部が次段圧縮機のラビリン
スシール部に流入して膨張しても液化しない温度まで前
記気液臨界点近くまで冷却したガスを加熱するため、前
記バイパスさせた中間ガスを混合し、次段圧縮機へ供給
するようにした多段圧縮機における中間ガスの冷却方法
にある。

本発明の第４の特徴は、低圧側圧縮機、と高圧側圧縮機
と、前記低圧側圧縮機から吐出された中間ガスを高圧側
圧縮機へ導くガスラインと、この中間ガスラインに設け
られ前記中間ガスを熱交換器チューブを介して冷却水に
より冷却するようにした中間冷却器とを備えた多段圧縮
機において前記中間ガスラインに前記中間冷却器をバイ
パスラインと、このバスパスラインに設けられバイパス
ガス量を制御するコントロール弁と、前記中間ガスライ
ンと前記バイパスラインの合流後ガスが高圧側圧縮機の
ラビリンス部で膨張しても液化しない温度となるように
前記コントロール弁の開度を制御する制御手段とを備え
ている中間ガス冷却装置を備えた多段圧縮機にある６ 本発明の第５の特徴は、前段側圧縮機と、後段側圧縮機
から吐出された中間ガスを後段側圧縮機へ導く中間ガス
ラインと、この中間ガスラインに設けられ前記中間ガス
を冷却流体により冷却するようにした中間冷却器とを備
えた多段圧縮機において、前記中間冷却器に冷却流体を
送る管路に設けられ該冷却流体の流量を制御するコント
ロール弁と、前記中間冷却器の出口側に設けられ中間冷
却器から出たガスの温度を検出する第１の温度検出手段
と、該温度検出手段で検知された温度に基づいて前記コ
ントロール弁を制御する第１の制御手段と、前記第１の
温度検出手段よりも下流側の中間ガスを加熱するための
手段と、該加熱手段によって加熱された後のガス温度を
検知する第２の温度検出手段と、前記加熱後のガスがラ
ビリンス部で膨張しても液化しないように前記第２温度
検出手段に基づいて前記加熱手段を制御する第２の制御
手段とを備えている中間ガス冷却装置を備えた多段圧縮
機にある。

本発明の第６の特徴は、前段側圧縮機と、後段側圧縮機
と、前記前記側圧縮機から吐出された中間ガスを後段側
圧縮機へ導く中間ガスラインと、この中間ガスラインと
、この中間ガスラインに設けられ前記中間ガスを熱交換
器チューブを介して冷却水により冷却するようにした中
間冷却器とを備えた多段圧縮機において、前記中間冷却
器に冷動水を送る管路に設けられ該冷却水の流量を制御
する第１のコントロール弁と、前記中間冷却器の出口側
に設けられ中間冷却器から出たガスの温度を検出する第
１の温度検出手段と、該温度検出手段で検知された温度
に基づいて中間ガスをその帰依器臨界点近くまで冷却す
るように前記コントロール弁を制御する第１の制御手段
と、前記中間ガスラインに前記中間冷却器をバイパスし
前記第１温度検出手段下流で合流するように設けられた
バイパスガスラインと、このバイパスガスラインに設け
られバイパスガス量を制御する第２のコントロール弁と
、前記中間ガスラインと前記バイパスラインの合流側の
ガスの温度を検出するする第２の温度検出手段と、前記
合流後のガスが後段側圧縮気のラビリンスシール部に流
入して膨張しても液化しない温度となるように前記第２
温度検出手段に基づいて前記第２コントロール弁の開度
を制御する第２の制御手段とを備えている中間ガス冷却
装置を備えた多段圧縮機にある。

本発明の第７の特徴は、上記各特徴を有する多膜圧縮機
における取扱いガスは炭酸ガス（ＣＯ２ガス）である点
にある。

〔作用〕

上記構成とすることにより、熱交換器初期の運転におい
ても冷却流体の流量を少なくする必要はなく、気液臨界
点に極く近接しない範囲であればよい。過冷却分は、加
熱手段あるいはバイパスさせたホットガスと混合させる
ことにより、後段側圧縮機に吸入されるガスの温度をラ
ビリンス部膨張時に液化しない程度まで上昇させること
ができる。

したがって、中間冷却器の熱交換器チューブが応力腐食
割れを起こさない程度の温度に常時体てるように十分な
冷却流体を常に流すことができる。

〔実施例〕

第２図は、炭酸ガス圧縮機の全体構成を示す図である。

一般に圧縮機は、用と」二、大気圧から約２６０気圧ま
で昇圧される。はぼ大気圧で吸込まれたＣＯ２ガスは、
例えば第１グループで約５気圧、第２グループで約２５
気圧、第３グループで約９０気圧、最後の第４グループ
で吐出し圧力約２６０気圧まで昇圧される。

第３図はＣＯ２ガスの状態線図を示す。第３図において
、例えばＣＯ２圧縮機の第２グループ出口圧力が２５気
圧の場合、液相線との交点は約−１１℃となり、この温
度以下にならなければＣＯ□ガスは液化しない。一般に
、水クーラにおいては０℃以下に冷却されることはない
ため、第１、第２クーラはいくら冷却しても液化するこ
とはない。しかし第３グループ出ロ圧力９０気圧の場合
、気液臨界線との交点は約４０℃となり、この温度以下
になると液化するため、この温度以上（例えば４．０　
’Ｃ以上）としなければならない。

さらに４５℃以上の場合でも圧縮器外へもれる時の膨張
により液化を生ずる。（例えば４５℃の場合、膨張によ
り液相線と交わり液化する。このためＣＯ２ガスが膨張
した場合でも液相線と交差しない温度（例えば６８°Ｃ
）に圧縮機第４グループ入口温度を制御する必要がある
。このように、エネルギの低減過冷却及び膨張による液
化防止を考慮してＣＯ２ガス熱交換器の出口の温度制御
がなされている。

また、ＣＯ２ガス以外のガスにおいても、液相線または
気液臨界線付近において取扱う場合には、ＣＯ２ガスと
同様のことが言える。

本発明の具体的実施例を炭酸ガス（ＣＯ２）圧縮機に適
用した場合を例にとり第１図により説明する。前段側（
低圧側）圧縮機１により圧縮機されたＣＯ２ガスは中間
ガスライン１０を通り、中間熱交換器、中間冷却器３に
より冷却されると同時に、一部のガスは中間ガスライン
１−１により中間熱交換器３をバイパスして前記冷却さ
れたガスと混合し、ある任意の一定温度になるように調
節されて次段の高圧側（後段側）圧縮機２へ送られる。

熱交換器３内では中間ガスが冷却水により熱交換器チュ
ーブ３ａを介して冷却される。

冷却ガスの温度は、熱交換器３下流の第１の温度検出器
５ａで検出され温度コントローラ（第１の制御手段）５
により、ある一定の温度になるようにコントロール弁４
を制御し、冷却水量を調節している。

次に、バイパスガス量は、混合後のガス温度を第２の検
出器７ａで検出し、温度コントローラ（第２の制御手段
）７により前記混合後のガスがある一定の温度になるよ
うにバイパスコン）〜ロール弁９を制御する。温度コン
トローラ５の設定温度は、温度コントローラ７の設定温
度より低くする。温度コントローラ５，７の設定温度を
第３図を参照説明する。温度コントローラ５は第３図に
おいてＣＯ□ガスが液化を生じない最低の温度（例えば
ＣＯ２ガスが９ｏ気圧の場合は約４５℃）に設定する。

又、温度コントローラ７の設定温度は、ＣＯ２ガスが膨
張しても液化を生じない最低の温度（例えばＣＯ□ガス
が９０気圧の場合は約９８℃）に設定する。

本実施例によれば、ホットガスバイパスライン１１を設
けたことにより、冷却水量を該バイパスがないときより
も十分多くすることができる。このことを次に説明する
。

熱交換器３出口のガス温度を、混合後のガス温度よりも
低くなるように制御しているので、かならずホットガス
バイパスを行う必要がある。従って、熱交換器３の通過
ガス量が減る。そうすると、流量の約０．８乗に比例し
てガス側の熱伝達率α１が減少することになる。一方、
ホットガスバイパスは行なっても、総合的にガス側と水
側の熱交換量は該バイパスがない場合と変わらない６つ
まり、熱交換器の熱通過率にもほとんど変わらない。ガ
ス側熱伝達率α１が小さくなっても、熱通過率Ｋを同じ
にするためには、水側の熱伝達率α２を大きくするか、
熱交換器チューブの汚れを除去する必要がある。すなわ
ち、長期連続運転を考慮しである汚れ係数で設計され熱
交換器が初期の汚れなしで運転される時、ホットガスバ
イパスを用いればα２を小さくしなくてもよいというこ
とになる。

水側の熱伝達率α２は冷却水量の約０．６乗に比例して
変わるので、このα２は小さくすることは流量を小さく
することになり、このため冷却水の出口温度が高くなり
、熱交換器チューブ３ａの出口側の温度が高くなり、冷
却水に腐食因子が含まれる場合（この冷却水として通常
の水を用いた場合）には腐食が促進されて応力腐食割れ
を引き起こす原因となる。本発明のシステムによれば、
水側の熱伝達率α２を小さくして応力腐食割れを引き起
こすのを防止できる。

本発明の作用を第４図、第５図を用いて更に詳しく説明
する。

本発明のようにホットガスバイパスライン１〕−を設け
ても熱交換器８の必要熱交換熱量は、該バイパスライン
１１がない場合と変わらない。第４図はバイパスライン
がない場合の概略構成図、第５図は本発明の概略構成図
である。熱の授受部分を検査空間８，９で囲んでみると
、ガスと水との熱の授受の量は、総合的には従来も本発
明も同じである。また、目的のガス温度にするにはホッ
トガスバイパスが必要となるが、ホン１〜ガスバイパス
をした量だけ熱交換器を通過する量が減る。そうすると
、熱交換器チューブのガス側根伝達率α□は流量の約０
．８乗に比例するのでα１は小さくなる。

交換熱量を同じにするには、上記（３）式で示した熱通
過率Ｋをほぼ同じにする必要がある。従って」１記（２
）式より明らかなように、ガス側熱伝達率α、が小さく
なれば、それに見合って水側熱伝達率α２を大きくする
ことになる。α２を大きくするためには、上述したよう
に冷却水量Ｇｌを多くする必要がある。交換熱量が同じ
で冷却水量を多くできるということは、（４）式から明
らかなように冷却水の温度差を小さくできるということ
であり冷却水の出口温度を下げるということであり、こ
のように熱交換器３のチューブ３ａ内の冷却水温度を下
げることができることにより、チューブ３ａの温度を下
げることができる。

尚、上記実施例では、バイパスガスライン１１を設けて
中間熱交換器３で冷却されたガスとホットガスとを合流
させて、冷却ガスが後段側圧縮機のラビリンスシール部
に流入して膨張しても液化しない温度となるように所定
の温度まで前記冷却ガスを加熱するようにしているが、
バイパスガスラインを設ける代りに、別の中間ガスの加
熱手段を段けて中間熱交換器３から出てきたガスを前記
所定の温度まで加熱するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱交換器のチューブ壁面温度を低く保
てると同時に取扱いガスの液化も生じないようにしてい
るので、熱交換器チューブの応力腐食割れの発生を防止
できると共に、チューブの寿命を延ばすことのできる多
段圧縮器における中間ガスの冷却方法及び中間ガス冷却
装置を備えた多段圧縮器が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図はＣＯ
２ガス圧縮機の全体システムを示す構成図、第３図はＣ
Ｏ２ガスの温度とエントロピにおける変化の関係を示す
状態図、第４図及び第５図は本発明の詳細な説明する要
部の構成図で、第４図はバイパスラインがないもの、第
５図はバイパスラインを設けたものを示す図である。 １・・・低圧側（前段側）圧縮機、２・・高圧側（後段
側）圧縮機、３・・・中間熱交換器（中間冷却器）、４
・・第１コントロール弁、５・・・温度コントローラ（
第１の制御手段）、５ａ・・第１の温度検出器、６・・
・第２コントロール弁、７・温度コントローラ（第２の
制御手段）、７ａ・・・第２の温度検出器、１０・・中
間ガスライン、１１・・・バイパスガスライン。 ＝２３＝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低圧側の圧縮機で圧縮機された中間ガスを中間熱交
   換器において冷却水と熱交換させることにより冷却し、
   しかる後、この冷却されたガスがラビリンス部で膨張し
   ても液化しない温度まで該ガスを加熱して高圧側の圧縮
   機へ供給することを特徴とする多段圧縮機における中間
   ガスの冷却方法。 ２、低圧側の圧縮機から吐出された中間ガスの一部をバ
   イパスさせ、前記中間ガスの残りを中間冷却器において
   冷却流体と熱交換させて冷却し、しかる後、この冷却さ
   れたガスが次段圧縮機のラビリンス部で膨張しても液化
   しない温度まで加熱するため前記バイパスさせた中間ガ
   スと混合し、次段圧縮機へ供給することを特徴とする多
   段圧縮機における中間ガスの冷却方法。 ３、前段圧縮機から吐出された中間ガスの一部をバイパ
   スさせ、前記中間ガスの残りを中間冷却器において冷却
   水と熱交換器チューブを介して熱交換させてそのガスの
   気液臨界点近くまで冷却し、しかる後、この冷却された
   ガスの一部が次段圧縮機のラビリンスシール部に流入し
   て膨張しても液化しない温度まで前記帰依機臨界点近く
   まで冷却したガスを加熱するため、前記バイパスさせた
   中間ガスを混合し、次段圧縮機へ供給するようにしたこ
   とを特徴とする多段圧縮機における中間ガスの冷却方法
   。 ４、低圧側圧縮機と、高圧側圧縮機と、前記低圧側圧縮
   機から吐出された中間ガスを高圧側圧縮機へ導くガスラ
   インと、この中間ガスラインに設けられ前記中間ガスを
   熱交換器チューブを介して冷却水により冷却するように
   した中間冷却器とを備えた多段圧縮機において、前記中
   間ガスラインに前記中間冷却器をバイパスするように設
   けられた中間ガスのバイパスラインと、このバイパスラ
   インに設けられバイパスガス量を制御するコントロール
   弁と、前記中間ガスラインと前記バイパスラインの合流
   後のガスが高圧側圧縮機のラビリンス部で膨張しても液
   化しない温度となるように前記コントロール弁の開度を
   制御する制御手段とを備えていることを特徴とする中間
   ガス冷却装置を備えた多段圧縮機。 ５、前段側圧縮機と、後段側圧縮機と、前記前段側圧縮
   機から吐出された中間ガスを後段側圧縮機へ導く中間ガ
   スラインと、この中間ガスラインに設けられ前記中間ガ
   スを冷却流体により冷却するようにした中間冷却器とを
   備えた多段圧縮機において、前記中間冷却器に冷却流体
   を送る管路に該冷却流体の流量を制御するコントロール
   弁と、前記中間冷却器の出口側に設けられ中間冷却器か
   ら出たガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、該
   温度検出手段で見地された温度に基づいて前記コントロ
   ール弁を制御する第１の制御手段と、前記第１の温度検
   出手段よりも下流側の中間ガスを加熱するための手段と
   、該加熱手段によって加熱された後のガス温度を検知す
   る第２の温度検出手段と、前記加熱のガスがラビリンス
   部で膨張しても液化しないように前記第２温度検出手段
   に基づいて前記加熱手段を制御する第２の制御手段とを
   備えていることを特徴とする中間ガス冷却装置に備えた
   多段圧縮機。 ６、前段側圧縮機と、後段側圧縮機と、前記前段側圧縮
   機から吐出れさた中間ガスを後段側圧縮機へ導く中間ガ
   スラインと、この中間ガスラインに設けられ前記中間ガ
   スを熱交換器チューブを介して冷却水により冷却するよ
   うにした中間冷却とを備えた多段圧縮機において、前記
   中間冷却器に冷却水を送る管路に設けられ該冷却水の流
   量を制御する第１のコントロール弁と、前記中間冷却器
   の出口側に設けられ中間冷却器から出たガスの温度を検
   出する第１の温度検出手段と、該温度検出手段で検知さ
   れた温度に基づいて中間ガスをその気液臨界点近くまで
   冷却するように前記コントロール弁を制御する第１の制
   御手段と、前記中間ガスラインに前記中間冷却器をバイ
   パスし前記第１温度検出手段下流で合流するように設け
   られたバイパスガスラインと、このバイパスガスライン
   に設けられバイパスガス量を制御する第２のコントロー
   ル弁と、前記中間ガスラインと前記バイパスラインの合
   流後のガスの温度を検出する第２の温度検出手段と、前
   記合流後のガスが後段側圧縮機のラビリンスシール部に
   流入して膨張しても液化しない温度となるように前記第
   ２温度検出手段に基づいて前記第２コントロール弁の開
   度を制御する第２の制御手段とを備えていることを特徴
   とする中間ガス冷却装置を備えた多段圧縮機。 ７、請求項４〜６のいずれかにおいて、圧縮される取扱
   いガスは炭酸ガス（ＣＯ＿２ガス）であることを特徴と
   する中間ガス冷却装置を備えた多段圧縮機。