KR20130000355A

KR20130000355A - 증기 구동식 압축 장치

Info

Publication number: KR20130000355A
Application number: KR1020120066837A
Authority: KR
Inventors: 유스께 야마모또
Original assignee: 미우라고교 가부시키카이샤; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: JP5568517B2; CN102840136B; KR101319192B1; CN102840136A; JP2013007283A

Abstract

증기 팽창기의 회전수가 급변하지 않는 증기 구동식 압축 장치(1)는, 증기 팽창기(2)와, 증기 팽창기(2)에 의해 구동되는 압축기(4, 5)와, 역지 밸브(8)를 구비하는 토출 유로(9)와, 역지 밸브(8)의 상류측에 있어서 토출 유로(9)로부터 분기하여, 방풍 밸브(10)를 통하여 외부에 개방된 방풍 유로(12)를 갖고, 역지 밸브(8)의 하류측에 있어서 토출 유로(9)의 압력을 검출하는 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc가 소정의 설정 압력으로 되도록, 증기 팽창기(2)의 증기의 유량을 제어하는 증기 제어 밸브(15)의 개방도를 조절하는 주 제어 장치(17)와, 회전수 검출기(16)의 검출값이 소정의 하한 회전수 이하인 경우, 역지 밸브(8)의 상류측에 있어서 토출 유로(9)의 압력을 검출하는 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd가 설정 압력으로 되도록, 방풍 밸브(10)를 개방하는 방풍 제어 장치(18)를 구비한다.

Description

증기 구동식 압축 장치{STEAM DRIVEN COMPRESSOR}

본 발명은, 증기 구동식 압축 장치에 관한 것이다.

보일러에서 발생한 증기를 사용하는 플랜트에 있어서는, 보일러가 발생하는 중압(예를 들어 1.2 내지 1.6MPa)의 증기를 감압 밸브에 의해 감압하고, 저압(예를 들어 0.8 내지 0.9MPa)의 증기를 수요 설비에 공급하는 것이 일반적이다. 감압 밸브에 의해 증기를 감압하면, 증기의 압력차에 상당하는 에너지를 폐기하게 되기 때문에 에너지를 회수하는 것이 요망된다.

특허문헌 1에는, 증기에 의해 스크류 증기 팽창기(「증기 모터」 또는 「스팀 엔드」)를 구동함으로써, 증기의 압력 에너지를 회전력으로 변환하여 회수하고, 또한, 그 증기 팽창기의 회전력에 의해 스크류 압축기를 구동하여, 공기를 압축하는 증기 구동식 압축 장치가 기재되어 있다.

전기 모터에 의해 구동하는 스크류 압축기에서는, 스크류 압축기가 토출한 압축 공기를 축적하는 리저버(또는 배관)의 압력(부하)이 설정값에 도달하면 스크류 압축기의 흡입 유로에 설치된 흡입 조정 밸브를 폐쇄하고, 리저버의 압력이 설정값 이하로 저하하면 다시 흡입 조정 밸브를 개방하는 로드/언로드 기구가 널리 채용되고 있다. 기체를 압축하기 위하여 필요한 압축 작업(토크)은, 기체의 압력에 비례하기 때문에, 로드/언로드 기구에 의해 흡입 조정 밸브를 폐쇄하여 스크류 압축기의 흡입 압력을 저하시킴으로써, 스크류 압축기의 부하(스크류 압축기가 발생하는 제동 토크)를 전체 부하의 약 20%까지 저감시킬 수 있는 것이 알려져 있다.

증기 팽창기에 의해 스크류 압축기를 구동하는 경우, 증기 팽창기 및 스크류 압축기의 회전수는, 증기 팽창기에 있어서 발생하는 구동 토크와 스크류 압축기의 제동 토크가 균형을 이루는 회전수로 된다. 따라서, 스크류 압축기의 제동 토크가 저하하면, 증기 팽창기의 회전수가 상승한다. 즉, 증기 구동식 압축 장치에 로드/언로드 기구를 채용하면, 언로드 시에 증기 팽창기가 급가속한다는 문제가 발생한다.

특허문헌 1의 증기 구동식 압축 장치는, 증기 팽창기에 증기를 공급하는 유로에 제어 밸브를 설치하고, 이 제어 밸브를 스크류 압축기의 토출 유로의 압력을 일정하게 유지하도록 PID 제어함으로써, 증기 팽창기의 회전수를 제어하게 되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 부하가 작을 때에 스크류 압축기의 회전수가 매우 낮아진다. 그러면, 스크류 로터의 간극으로부터, 토출측의 압축 공기가 흡입측으로 누설된다. 이 압축 공기의 누설에 의해, 압축에 의해 발생한 열이 흡입측에 전달되기 때문에, 토출하는 압축 공기의 온도가 서서히 상승한다는 문제가 발생한다.

일본 특허 출원 공개 제2009-250196호 공보

상기 문제점을 감안하여, 본 발명은, 증기 팽창기의 회전수가 급변하지 않는 증기 구동식 압축 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 증기 구동식 압축 장치는, 증기의 팽창력을 회전력으로 변환하는 증기 팽창기와, 상기 증기 팽창기에 의해 구동되어 대상 기체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 압축된 상기 대상 기체가 토출되고, 역지 밸브를 구비하는 토출 유로와, 상기 역지 밸브의 상류측에 있어서 상기 토출 유로로부터 분기하여, 방풍 밸브를 통하여 외부에 개방된 방풍 유로를 갖고, 상기 역지 밸브의 상류측에 있어서 상기 토출 유로의 압력을 검출하는 토출 압력 검출기와, 상기 역지 밸브의 하류측에 있어서 상기 토출 유로의 압력을 검출하는 제어 압력 검출기와, 상기 증기 팽창기의 회전수를 검출하는 회전수 검출기와, 상기 증기 팽창기의 상기 증기의 유량을 제어 가능한 증기 제어 밸브와, 상기 제어 압력 검출기의 검출값이 소정의 설정 압력으로 되도록, 상기 증기 제어 밸브의 개방도를 조절하는 주 제어 장치와, 상기 회전수 검출기의 검출값이 소정의 하한 회전수 이하인 경우, 상기 토출 압력 검출기의 검출값이 상기 설정 압력으로 되도록, 상기 방풍 밸브를 개방하는 방풍 제어 장치를 구비하는 것으로 한다.

이 구성에 의하면, 수요 부하와 압축 공기의 공급량의 밸런스에 따라 변동하는 제어 압력 검출기의 검출값에 따라 증기 제어 밸브의 개방도를 조절한다. 이에 의해, 증기 팽창기의 구동 토크를 제어하여, 증기 압축기의 회전수를 조정함으로써, 압축 공기의 공급량을 수요량에 맞춘다. 또한, 증기 압축기의 회전수가 하한값까지 저하한 경우에는, 방풍 밸브를 개방하여 압축 공기의 공급량을 강제적으로 감소시킴으로써, 증기 압축기의 회전수가 하한 회전수보다 작아지지 않도록 한다. 이에 의해, 압축기 내에서, 대상 기체가 토출측(고압측)으로부터 흡입측(저압측)으로 누설됨으로써 대상 기체의 흡입 온도, 나아가서는 토출 온도가 고온으로 되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 증기 구동식 압축기에 있어서, 상기 방풍 제어 장치는, 상기 방풍 밸브의 개방도를 연속적으로 조절 가능해도 좋다.

이 구성에 의하면, 방풍량을 연속적으로 조절할 수 있으므로, 압축 공기의 공급량을 원활하게 변화시켜, 급격한 부하 변동을 억제하여, 안정된 운전을 할 수 있다.

또한, 본 발명의 증기 구동식 압축기에 있어서, 상기 방풍 유로는, 각각에 상기 방풍 밸브를 구비하는 복수의 분기 유로를 구비하고, 상기 방풍 제어 장치는, 상기 토출 압력 검출기의 검출값에 따라, 개방되는 상기 방풍 밸브의 수를 조절해도 좋다.

이 구성에 의하면, 방풍 밸브의 대수 제어에 의해 방풍량을 조절하므로, 압축기의 토크 변동을 저감하여 원활한 운전이 가능하다.

또한, 본 발명의 증기 구동식 압축기에 있어서, 상기 방풍 밸브의 하류측에 사일렌서를 구비해도 좋다.

이 구성에 의하면, 방풍에 의한 소음이 저감된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 제3 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 제4 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치의 구성도.

본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 우선, 도 1에, 본 발명의 제1 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치(1)를 도시한다. 증기 구동식 압축 장치(1)는, 공기를 압축해야 할 대상 기체로 하는 압축 공기 제조 장치이다.

증기 구동식 압축 장치(1)는, 증기의 팽창력을 회전력으로 변환하는 증기 팽창기(2)와, 기어(3)를 통하여 증기 팽창기(2)에 의해 구동되어, 공기를 압축하는 제1단 압축기(4) 및 제2단 압축기(5)를 갖는다. 증기 팽창기(2)는, 하우징 내에 암수 한 쌍의 스크류 로터를 수용하여 이루어지고, 스크류 로터의 이홈 내의 밀폐 공간에 있어서 증기를 팽창시킴으로써 스크류 로터를 회전시키는 스크류 익스팬더이다. 제1단 압축기(4) 및 제2단 압축기(5)는, 하우징 내에 암수 한 쌍의 스크류 로터를 수용하여 이루어지고, 스크류 로터를 회전 구동함으로써, 스크류 로터의 이홈 내의 밀폐 공간에 있어서 공기를 압축하는 스크류 압축기이다.

증기 구동식 압축 장치(1)에 있어서, 제1단 압축기(4)와 제2단 압축기(5)는 인터 쿨러(6)를 개재하여 직렬로 접속되어 있다. 즉, 제1단 압축기(4)가 압축하여 토출한 공기는, 인터 쿨러(6)에서 냉각된 후, 제2단 압축기(5)에 의해 재차 압축된다. 제2단 압축기(5)가 토출한 압축 공기는, 애프터 쿨러(7) 및 역지 밸브(8)가 개재 설치된 토출 유로(9)를 통하여 도시하지 않은 리저버에 보내어지고, 리저버로부터 수요처에 공급된다. 리저버에는, 다른 공기 압축 장치가 병렬로 접속되어도 좋다.

또한, 증기 구동식 압축 장치(1)는, 애프터 쿨러(7)와 역지 밸브(8) 사이에 있어서 토출 유로(9)로부터 분기하여, 방풍 밸브(10)를 개재하여 사일렌서(11)에 접속된 방풍 유로(12)를 갖는다. 즉, 사일렌서(11)를 설치한 방풍 유로(12)의 말단은, 대기에 개방되어 있다.

또한, 토출 유로(9)에는, 역지 밸브(8)의 상류측, 보다 상세하게는 애프터 쿨러(7)와 방풍 유로(12) 사이에 있어서 압축 공기의 압력 Pd를 검출하는 토출 압력 검출기(13)와, 역지 밸브(8)의 하류측에 있어서 압축 공기의 압력 Pc를 검출하는 제어 압력 검출기(14)를 구비한다.

또한, 증기 구동식 압축 장치(1)는, 증기 팽창기(2)에 증기를 공급하는 유로에, 개방도를 조절함으로써 증기의 유량을 제어할 수 있는 증기 제어 밸브(15)가 설치되어 있고, 증기 팽창기(2)의 회전수 RI를 검출하는 회전수 검출기(16)를 구비한다.

그리고, 증기 구동식 압축 장치(1)는, 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc가 입력되어, 제어 압력 검출기(14)의 검출값이 미리 설정한 소정의 설정 압력 Pset(예를 들어 0.7MPa)로 되도록, 증기 제어 밸브(15)의 개방도를 조절하는 PID 컨트롤러로 이루어지는 주 제어 장치(17)와, 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd 및 회전수 검출기(16)의 검출값 RI에 기초하여 방풍 밸브(10)의 개방도를 조절하는 방풍 제어 장치(18)를 구비한다. 또한, 주 제어 장치(17)와 방풍 제어 장치(18)는, 동일한 컴퓨터 등의 제어 장치에 의해 실현되어도 좋다.

방풍 제어 장치(18)는, 증기 팽창기(2)의 회전수 RI가 소정의 하한값 RL(예를 들어 정격 회전수의 40%)을 초과하는 경우에는 방풍 밸브(10)를 완전 폐쇄 상태로 유지하고, 회전수 RI가 하한값 RL 이하인 경우에만, 방풍 밸브(10)를 개방할 수 있도록 프로그램되어 있다. 그리고, 방풍 제어 장치(18)는, 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd에 기초하여, 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd가 설정 압력 Pset로 되도록, 예를 들어 PID 제어에 의해 방풍 밸브(10)의 개방도를 조절한다.

회전수 RI의 하한값 RL은, 제1단 압축기(4) 또는 제2단 압축기(5)에 있어서 한번 압축한 토출측의 공기가 스크류 로터의 간극으로부터 흡입측으로 누설됨으로써, 압축 공기의 온도가 상승하여 문제 발생이 우려되는 회전수에, 안전을 위한 여유분의 회전수를 더한 회전수로 설정한다.

이 증기 구동식 압축 장치(1)에 있어서, 압축 공기의 수요가 많은 경우에는, 리저버의 압력, 즉 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc가 저하한다. 그러면, 주 제어 장치(17)는, 증기 제어 밸브(15)의 개방도를 크게 하여, 증기 팽창기(2)에의 증기 공급량을 증가시킨다. 이에 의해, 증기 팽창기(2)의 구동 토크가 증대하여, 제1단 압축기(4) 및 제2단 압축기(5)의 회전수를 상승시켜, 압축 공기의 토출량을 증대시킨다.

반대로, 압축 공기의 수요가 적은 경우에는, 증기 구동식 압축 장치(1)로부터 리저버에 압축 공기가 과잉 공급되기 때문에, 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc가 상승한다. 그러면, 주 제어 장치(17)는, 증기 제어 밸브(15)의 개방도를 작게 하여, 증기 팽창기(2)에의 증기 공급량을 감소시킨다. 이에 의해, 증기 팽창기(2)의 구동 토크가 저하하여, 제1단 압축기(4) 및 제2단 압축기(5)의 회전수를 저하시켜, 압축 공기의 토출량을 감소시킨다.

압축 공기의 수요가 더 적어져, 증기 팽창기(2)의 회전수 RI가 하한값 RL까지 저하하면, 방풍 제어 장치(18)가 방풍 밸브(10)의 개방도 조절을 개시한다. 주 제어 장치(17)가 증기 제어 밸브(15)의 개방도를 더 작게 하려는 상태, 즉 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc가 설정 압력 Pset보다 큰 경우에는, 증기 구동식 압축 장치(1)로부터의 압축 공기의 공급이 앞서고 있는 상태이므로, 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd는, 검출값 Pc와 대략 동등한 값으로 된다. 따라서, 방풍 제어 장치(18)는, 방풍 밸브(10)를 개방하여 토출 유로(9)의 역지 밸브(8)보다 상류측으로부터 압축 공기를 방출하여, 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc를 저하시킨다.

즉, 방풍 제어 장치(18)는, 방풍 밸브(10)의 개방도 조절에 의해, 토출 유로(9)의 역지 밸브(8)의 상류측에 있어서의 압력 Pd를 역지 밸브(8)의 하류측의 압력 Pc보다 낮게 하고, 증기 구동식 압축 장치(1)로부터 리저버에의 압축 공기의 공급을 정지한다. 역지 밸브(8)보다 하류측의 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc는, 그 후, 리저버 내의 압축 공기가 수요 설비에 의해 소비됨으로써 저하한다.

리저버 내의 압축 공기가 더 소비되어, 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc가 설정 압력 Pset보다 작아지면, 주 제어 장치(17)가 증기 제어 밸브(15)의 개방도를 크게 하여, 증기 팽창기(2)의 회전수를 증대시킨다. 이에 의해, 증기 팽창기(2)의 회전수 RI가 하한값 RL보다 커지므로, 방풍 제어 장치(18)는 방풍 밸브(10)를 폐쇄한다.

이상과 같이, 증기 구동식 압축 장치(1)에서는, 증기 팽창기(2)의 회전수 RI가 하한값 RL까지 저하했을 때, 방풍 제어 장치(18)가 압축 공기를 방풍 유로(12)로부터 대기로 방출함으로써, 제어 압력 검출기(14)의 검출값 Pc를 저하시켜, 증기 팽창기(2)의 회전수 RI의 저하를 한층 더 방지한다. 이에 의해, 제1단 압축기(4) 및 제2단 압축기(5)에 있어서, 압축 공기가 토출측으로부터 흡입측으로 누설되는 것이 방지되므로, 압축 공기의 과열에 의한 제1단 압축기(4) 및 제2단 압축기(5)의 손상 등의 트러블이 없다.

도 2에, 본 발명의 제2 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치(1)를 도시한다. 또한, 이후의 실시 형태에 있어서, 전술한 실시 형태와 동일 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.

본 실시 형태의 증기 구동식 압축 장치(1)에 있어서, 방풍 유로(12)는, 각각, 완전 폐쇄 또는 완전 개방만을 선택할 수 있는 방풍 밸브(10a)를 구비하고, 대기 개방된 말단에 사일렌서(11)가 설치된 복수의 분기 유로(19)를 갖는다. 방풍 제어 장치(18)는, 회전수 검출기(16)의 검출값 RI가 하한값 RL 이하인 경우에, 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd가 설정 압력 Pset로 되도록, 개방되는 방풍 밸브(10a)의 개수를 제어한다. 즉, 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd가 상승하고 있는 경우에는, 방풍 제어 장치(18)는, 개방되어 있는 방풍 밸브(10a)의 개수를 증가시키고, 토출 압력 검출기(13)의 검출값 Pd가 저하하고 있는 경우에는, 방풍 제어 장치(18)는, 개방되어 있는 방풍 밸브(10a)의 개수를 감소시킨다.

이러한 방풍 유로(12)의 구성에서도, 압축 공기를 적절한 양만큼 대기에 방출하여, 증기 팽창기(2)의 회전수 RI의 저하를 한층 더 방지할 수 있다.

도 3에, 본 발명의 제3 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치(1)를 도시한다. 본 실시 형태의 증기 구동식 압축 장치(1)는, 제1단 압축기(4)를 갖지만, 제2단 압축기를 갖지 않는 단단(單段)의 압축 장치이다. 본 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 압축기의 단수와 관계없이 적용할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 구동식 압축 장치(1)에 있어서, 증기 제어 밸브(15)는, 증기 팽창기(3)의 배기측에 설치되어 있다. 이와 같이, 증기 제어 밸브(15)는, 증기 팽창기(2)가 발생하는 구동 토크를 조절할 수 있는 것이면 어떻게 배치되든 상관없다.

도 4에, 본 발명의 제4 실시 형태인 증기 구동식 압축 장치(1)를 도시한다. 본 실시 형태의 증기 구동식 압축 장치(1)에서, 방풍 유로(12)는, 애프터 쿨러(7)의 상류에 있어서, 토출 유로(9)로부터 분기하고 있다. 본 실시 형태에서는, 방풍 유로(12)를 통하여 대기가 방출되는 압축 공기가 애프터 쿨러(7)를 통과하지 않으므로, 애프터 쿨러(7)의 부하가 작다. 또한, 본 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 있어서의 방풍 유로(12)는, 역지 밸브(8)의 상류측이면, 토출 유로(9)의 어디에서 분기해도 좋다.

또한, 본 발명에 있어서, 상술한 실시 형태의 구성이나 제어 방법의 세부는, 각각, 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다.

1: 증기 구동식 압축 장치
2: 증기 팽창기
4: 제1단 압축기
5: 제2단 압축기
8: 역지 밸브
9: 토출 유로
10, 10a: 방풍 밸브
11: 사일렌서
12: 방풍 유로
13: 토출 압력 검출기
14: 제어 압력 검출기
15: 증기 제어 밸브
16: 회전수 검출기
17: 주 제어 장치
18: 방풍 제어 장치
19: 분기 유로

Claims

증기의 팽창력을 회전력으로 변환하는 증기 팽창기와,
상기 증기 팽창기에 의해 구동되어 대상 기체를 압축하는 압축기와,
상기 압축기로부터 압축된 상기 대상 기체가 토출되고, 역지 밸브를 구비하는 토출 유로와,
상기 역지 밸브의 상류측에 있어서 상기 토출 유로로부터 분기하여, 방풍 밸브를 통하여 외부에 개방된 방풍 유로를 갖고,
상기 역지 밸브의 상류측에 있어서 상기 토출 유로의 압력을 검출하는 토출 압력 검출기와,
상기 역지 밸브의 하류측에 있어서 상기 토출 유로의 압력을 검출하는 제어 압력 검출기와,
상기 증기 팽창기의 회전수를 검출하는 회전수 검출기와,
상기 증기 팽창기의 상기 증기의 유량을 제어 가능한 증기 제어 밸브와,
상기 제어 압력 검출기의 검출값이 소정의 설정 압력으로 되도록, 상기 증기 제어 밸브의 개방도를 조절하는 주 제어 장치와,
상기 회전수 검출기의 검출값이 소정의 하한 회전수 이하인 경우, 상기 토출 압력 검출기의 검출값이 상기 설정 압력으로 되도록, 상기 방풍 밸브를 개방하는 방풍 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 증기 구동식 압축 장치.
제1항에 있어서, 상기 방풍 제어 장치는, 상기 방풍 밸브의 개방도를 연속적으로 조절 가능한 것을 특징으로 하는, 증기 구동식 압축 장치.
제1항에 있어서, 상기 방풍 유로는, 각각에 상기 방풍 밸브를 구비하는 복수의 분기 유로를 구비하고,
상기 방풍 제어 장치는, 상기 토출 압력 검출기의 검출값에 따라, 개방되는 상기 방풍 밸브의 수를 조절하는 것을 특징으로 하는, 증기 구동식 압축 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방풍 밸브의 하류측에 사일렌서를 구비하는 것을 특징으로 하는, 증기 구동식 압축 장치.