JP7298215B2 - Scroll steam expansion system - Google Patents

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Description

本発明は、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムに関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scroll steam expansion system that has a simple configuration and can appropriately control the amount of water that enters the upstream side of an expander to obtain a sufficient sealing effect.

従来、潤滑油を用いないスクロール膨張機は、膨張室間の微小隙間をシールすることができず、漏れ流量が増加するため、膨張機効率が低いという問題があった。そこで、膨張過程で生じる水を潤滑油の代替としてシールに用いることで、膨張機効率を向上するようにしている。 Conventionally, scroll expanders that do not use lubricating oil have had the problem of low expander efficiency due to the inability to seal minute gaps between expansion chambers and increased leakage flow. Therefore, the efficiency of the expander is improved by using the water generated during the expansion process as a substitute for the lubricating oil for the seal.

しかし、膨張に伴って生じる水は、膨張機入口付近ではシールに必要な十分な水量を確保できないため、シール効果が不十分であった。このため、特許文献１では、膨張機内部に放熱機構を設け、膨張過程で温度低下する蒸気と熱交換により凝縮水を発生し、膨張機内部に混入させてシール効果を上げるようにしている。 However, a sufficient amount of water required for sealing cannot be secured near the inlet of the expander, so the sealing effect was insufficient. Therefore, in Patent Document 1, a heat dissipation mechanism is provided inside the expander, and condensed water is generated by heat exchange with steam whose temperature drops during the expansion process, and is mixed inside the expander to increase the sealing effect.

特開２０１３－１８１５０６号公報JP 2013-181506 A

しかしながら、特許文献１のスクロール膨張機では、熱交換部の大きさが一定であるため、蒸気流量の変動に伴って熱交換量が変動し、生成される凝縮水量も変化する。このため、凝縮水の混入量を制御することができず、凝縮水量が少ないとシール効果を発揮できず、膨張機効率が低下し、凝縮水量が多いと膨張過程における蒸気流量が減り、出力が低下してしまうという問題があった。 However, in the scroll expander of Patent Document 1, since the size of the heat exchange portion is constant, the heat exchange amount fluctuates as the steam flow rate fluctuates, and the generated condensed water amount also fluctuates. For this reason, it is not possible to control the amount of condensed water mixed in. If the amount of condensed water is small, the seal effect cannot be demonstrated, and the expander efficiency will decrease. I had a problem with it going down.

また、特許文献１のスクロール膨張機では、膨張機内部に熱交換機構や水混入機構を設ける必要があるため、装置が複雑なものとなる。 Further, in the scroll expander of Patent Document 1, it is necessary to provide a heat exchange mechanism and a water mixing mechanism inside the expander, which makes the device complicated.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and provides a scroll steam expansion system that has a simple structure and can appropriately control the amount of water mixed into the upstream side of an expander to obtain a sufficient sealing effect. intended to provide

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、前記入口配管を流れる高圧蒸気と前記出口配管を流れる低圧蒸気とを熱交換する熱交換器を備え、前記熱交換によって前記高圧蒸気内に凝縮水を生成することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a scroll steam expansion system according to the present invention has a scroll expander that expands high-pressure steam sucked from an inlet pipe and discharges low-pressure steam from an outlet pipe. A steam expansion system comprising a heat exchanger for exchanging heat between high-pressure steam flowing through the inlet pipe and low-pressure steam flowing through the outlet pipe, wherein the heat exchange produces condensed water in the high-pressure steam. and

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記入口配管は、前記熱交換器をバイパスするバイパス配管と、前記バイパス配管を流れる高圧蒸気の流量を調整する流量調整弁と、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする。 Further, in the scroll steam expansion system according to the present invention, in the above invention, the inlet pipe includes a bypass pipe that bypasses the heat exchanger, a flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of high-pressure steam flowing through the bypass pipe, and a control unit that adjusts the degree of opening of the flow control valve.

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記制御部は、前記スクロール膨張機の回転数、前記熱交換に流入する高圧蒸気の温度、及び前記熱交換器から流入する低圧蒸気の温度をもとに、前記流量調整弁の開度を調整することを特徴とする。 Further, in the scroll steam expansion system according to the present invention, in the above invention, the control unit controls the rotation speed of the scroll expander, the temperature of high pressure steam flowing into the heat exchanger, and the low pressure steam flowing from the heat exchanger. The opening degree of the flow control valve is adjusted based on the steam temperature.

本発明によれば、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a sufficient sealing effect by appropriately controlling the amount of water mixed into the upstream side of the expander with a simple configuration.

図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システムの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a scroll steam expansion system that is an embodiment of the present invention. 図２は、制御部による流量調整弁の開度制御処理手順を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flow chart showing the flow control valve opening degree control processing procedure by the control unit. 図３は、スクロール膨張機による膨張過程を説明するためのＰ－ｈ線図である。FIG. 3 is a Ph diagram for explaining the expansion process by the scroll expander. 図４は、水混入率に対する蒸気漏れ流量の変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing changes in the steam leakage flow rate with respect to the water mixing rate.

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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

＜スクロール蒸気膨張システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システム１の構成を示す図である。図１に示すように、スクロール蒸気膨張システム１は、スクロール膨張機１０、熱交換器２０、流量調整弁３０及び制御部５０を有する。 <Configuration of scroll steam expansion system>
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a scroll steam expansion system 1 that is an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 , the scroll steam expansion system 1 has a scroll expander 10 , a heat exchanger 20 , a flow control valve 30 and a controller 50 .

スクロール膨張機１０は、入口１０ａに配管Ｌ６が接続され、凝縮水が混入した高圧蒸気ＨＷが吸入される。また、スクロール膨張機１０は、出口１０ｂに配管Ｌ７が接続され、膨張された低圧蒸気ＬＷが熱交換器２０側に吐出される。 A pipe L6 is connected to an inlet 10a of the scroll expander 10, and high-pressure steam HW mixed with condensed water is sucked. The scroll expander 10 has an outlet 10b connected to a pipe L7, and the expanded low-pressure steam LW is discharged to the heat exchanger 20 side.

スクロール膨張機１０は、固定スクロールと旋回スクロールとを有する。固定スクロールと旋回スクロールとは、それぞれ板状渦巻歯が互いに噛み合わされた状態で、旋回スクロールが固定スクロールの中心を公転運動する旋回を行い、この旋回に伴って中心の主吸入口から吸入される高圧蒸気ＨＷを、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される膨張室によって膨張させて低圧蒸気ＬＷを生成する。なお、この膨張室を形成する際、固定スクロールの板状渦巻歯壁面と旋回スクロールの板状渦巻歯壁面との当接位置におけるシールを行うため、高圧蒸気ＨＷに凝縮水が混入される。スクロール膨張機１０は、膨張過程に伴って旋回スクロールの回転軸１０ｃが回転駆動される。この回転軸１０ｃの回転エネルギーは外部出力される。 The scroll expander 10 has a fixed scroll and an orbiting scroll. The fixed scroll and the orbiting scroll have their plate-like spiral teeth meshed with each other, and the orbiting scroll orbits around the center of the fixed scroll. The high-pressure steam HW is expanded by an expansion chamber formed between the fixed scroll and the orbiting scroll to generate low-pressure steam LW. When the expansion chamber is formed, condensed water is mixed into the high-pressure steam HW in order to seal the contact position between the plate-like spiral tooth wall surface of the fixed scroll and the plate-like spiral tooth wall surface of the orbiting scroll. The rotary shaft 10c of the orbiting scroll of the scroll expander 10 is rotationally driven during the expansion process. The rotational energy of this rotating shaft 10c is output to the outside.

熱交換器２０は、配管Ｌ７から流入する低圧蒸気ＬＷが、配管Ｌ２を介して流入する高圧蒸気ＨＷから吸熱し、高圧蒸気ＨＷ内に凝縮水を生成する。この凝縮水が含まれた高圧蒸気ＨＷは、配管Ｌ３及び合流点Ｐｂを介して配管Ｌ６に接続され、スクロール膨張機１０内に吸入される。一方、吸熱した低圧蒸気ＬＷは、配管Ｌ８を介して外部出力される。 In the heat exchanger 20, the low-pressure steam LW flowing from the pipe L7 absorbs heat from the high-pressure steam HW flowing from the pipe L2 to generate condensed water in the high-pressure steam HW. The high-pressure steam HW containing the condensed water is connected to the pipe L6 via the pipe L3 and the confluence Pb, and sucked into the scroll expander 10 . On the other hand, the heat-absorbed low-pressure steam LW is output to the outside through the pipe L8.

ここで、スクロール蒸気膨張システム１に流入する高圧蒸気ＨＷは、配管Ｌ１、分岐点Ｐａ及び配管Ｌ２を介して熱交換器２０に流入する。分岐点Ｐａに接続される配管Ｌ４及び合流点Ｐｂに接続される配管Ｌ５は、バイパス配管であり、配管Ｌ４，Ｌ５間に流量調整弁３０が配置される。なお、流量調整弁３０は、配管Ｌ２と熱交換器２０との間、あるいは配管Ｌ２上に設けるようにしてもよい。したがって、流量調整弁３０の開度Ａに応じて、熱交換器２０に流れる高圧蒸気の流量とバイパス配管に流れる高圧蒸気の流量とが調整される。なお、配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３，Ｌ６は入口配管であり、配管Ｌ７，Ｌ８は出口配管である。 Here, the high-pressure steam HW flowing into the scroll steam expansion system 1 flows into the heat exchanger 20 via the pipe L1, the branch point Pa, and the pipe L2. A pipe L4 connected to the branch point Pa and a pipe L5 connected to the confluence point Pb are bypass pipes, and a flow control valve 30 is arranged between the pipes L4 and L5. The flow control valve 30 may be provided between the pipe L2 and the heat exchanger 20 or on the pipe L2. Therefore, the flow rate of the high-pressure steam flowing through the heat exchanger 20 and the flow rate of the high-pressure steam flowing through the bypass pipe are adjusted according to the degree of opening A of the flow rate control valve 30 . Pipes L1, L2, L3, and L6 are inlet pipes, and pipes L7 and L8 are outlet pipes.

制御部５０は、スクロール膨張機１０の回転数Ｎ、熱交換器２０に流入する高圧蒸気ＨＷの温度Ｔ１、及び、熱交換器２０から流出する低圧蒸気ＬＷの温度Ｔ２をもとに流量調整弁３０の開度調整機構３１を介して開度Ａを調整し、これにより、高圧蒸気ＨＷから生成される凝縮水の量を調整する。温度Ｔ１は、配管Ｌ１上に設けられた温度センサ４１によって検出する。また、温度Ｔ２は、配管Ｌ８上に設けられた温度センサ４２によって検出する。スクロール膨張機１０の回転数Ｎは、回転数検出部１１によって検出される。 The control unit 50 operates the flow control valve based on the rotational speed N of the scroll expander 10, the temperature T1 of the high-pressure steam HW flowing into the heat exchanger 20, and the temperature T2 of the low-pressure steam LW flowing out of the heat exchanger 20. The opening degree A is adjusted via the opening degree adjusting mechanism 31 of 30, thereby adjusting the amount of condensed water generated from the high-pressure steam HW. The temperature T1 is detected by a temperature sensor 41 provided on the pipe L1. Also, the temperature T2 is detected by a temperature sensor 42 provided on the pipe L8. The rotational speed N of the scroll expander 10 is detected by the rotational speed detector 11 .

＜制御部による流量調整弁の開度制御処理＞
図２は、制御部５０による流量調整弁３０の開度制御処理手順を示すフローチャートである。また、図３は、スクロール膨張機１０による膨張過程を説明するためのＰ－ｈ線図である。図２に示すように、制御部５０は、まず温度Ｔ１，Ｔ２を取得する（ステップＳ１０１）。その後、制御部５０は、配管Ｌ１を流れる高圧蒸気ＨＷの入力エンタルピｈ１を次式（１）によって算出する（ステップＳ１０２）。
ｈ１＝ｆsatg（Ｔ１） ・・・（１）
ｆsatgは、図３に示した飽和蒸気線Ｌ１２に対応する飽和蒸気関数である。 <Opening degree control processing of the flow rate adjustment valve by the control unit>
FIG. 2 is a flow chart showing the procedure for controlling the degree of opening of the flow control valve 30 by the controller 50. As shown in FIG. 3 is a Ph diagram for explaining the expansion process by the scroll expander 10. FIG. As shown in FIG. 2, the controller 50 first acquires temperatures T1 and T2 (step S101). After that, the control unit 50 calculates the input enthalpy h1 of the high-pressure steam HW flowing through the pipe L1 by the following equation (1) (step S102).
h1=fsatg(T1) (1)
fsatg is the saturated steam function corresponding to the saturated steam line L12 shown in FIG.

その後、次式（２）を用いて飽和液エンタルピｈsatlを算出する（ステップＳ１０３）。
ｈsatl＝ｆsatl（Ｔ２） ・・・（２）
ｆsatlは、図３に示した飽和液線Ｌ１１に対応する飽和液関数である。 Thereafter, the saturated liquid enthalpy hsatl is calculated using the following equation (2) (step S103).
hsatl=fsatl(T2) (2)
fsatl is the saturated liquid function corresponding to the saturated liquid line L11 shown in FIG.

その後、次式（３）を用いて、配管Ｌ６の目標入口エンタルピｈinを算出する（ステップS１０４）。
ｈin＝ｘ（ｈ1－ｈsatl）＋ｈsatl ・・・（３）
ここで、ｘは、目標乾き度である。 After that, using the following equation (3), the target inlet enthalpy hin of the pipe L6 is calculated (step S104).
hin=x(h1-hsatl)+hsatl (3)
where x is the target dryness.

その後、次式（４）を用いて入口密度ρinを算出する（ステップＳ１０５）。
ρin＝ｆsatg（Ｔ１） ・・・（４） After that, the inlet density ρin is calculated using the following equation (4) (step S105).
ρin = fsatg (T1) (4)

その後、次式（５）を用いて配管Ｌ１を流れる高圧蒸気ＨＷの流量Ｇ１を算出する（ステップＳ１０６）。
Ｇ１＝ρin・Ｎ・Ｖ ・・・（５）
Ｎはスクロール膨張機１０の回転数であり、Ｖは膨張機体積である。 After that, the flow rate G1 of the high-pressure steam HW flowing through the pipe L1 is calculated using the following equation (5) (step S106).
G1=ρin・N・V (5)
N is the rotation speed of the scroll expander 10, and V is the expander volume.

その後、次式（６）を用いて、必要な交換熱量Ｑを算出する（ステップＳ１０７）。
Ｑ＝Ｇ１・ｈ1－Ｇ１・ｈin ・・・（６） After that, the required heat exchange amount Q is calculated using the following equation (6) (step S107).
Q=G1.h1-G1.hin (6)

その後、熱交換量の関数ｆ１を用いて次式（７）のようにバイパス流量Ｇ２を算出する（ステップＳ１０８）。
Ｇ２＝ｆ１（Ｇ１，Ｑ，Ｔ１、Ｔ２） ・・・（７） After that, the bypass flow rate G2 is calculated as in the following equation (7) using the function f1 of the heat exchange amount (step S108).
G2=f1 (G1, Q, T1, T2) (7)

さらに、開度Ａと流量との関係を示す関数ｆ２を用いて次式（８）のように、開度Ａ
を算出し（ステップＳ１０９）、本処理を終了する。
Ａ＝ｆ２（Ｇ２） ・・・（８） Furthermore, using the function f2 that indicates the relationship between the opening A and the flow rate, the opening A
is calculated (step S109), and the process ends.
A=f2(G2) (8)

これにより、図３に示すように、スクロール膨張機１０の入口１０ａにおける乾き度ｘは、凝縮水の混入によって飽和蒸気線Ｌ１２上から湿り蒸気内にシフトし、高圧蒸気ＨＷは、等エントロピ線Ｌ上で膨張する。この結果、スクロール膨張機１０内の高圧蒸気ＨＷには、入口１０ａから常に適切な量の水が含まれ、潤滑油がなくても十分なシール効果を得ることができる。また、蒸気流量が変動しても、流量調整弁３０の開度Ａの調整により、常に適切な量の水が混入されているため、十分なシール効果とともに、膨張すべき蒸気流量が減少することもない。 As a result, as shown in FIG. 3, the dryness x at the inlet 10a of the scroll expander 10 shifts from the saturated steam line L12 to the wet steam due to the mixing of condensed water, and the high-pressure steam HW shifts to the isentropic line L Inflate on top. As a result, the high-pressure steam HW in the scroll expander 10 always contains an appropriate amount of water from the inlet 10a, and a sufficient sealing effect can be obtained without lubricating oil. In addition, even if the steam flow rate fluctuates, an appropriate amount of water is always mixed in by adjusting the opening degree A of the flow rate control valve 30. Therefore, the steam flow rate to be expanded is reduced along with a sufficient sealing effect. Nor.

本実施の形態では、熱交換器２０、パイパス配管、流量調整弁３０を設けるのみという簡易な構成で、水の混入量を調整することができる。 In this embodiment, the amount of mixed water can be adjusted with a simple configuration in which only the heat exchanger 20, the bypass pipe, and the flow control valve 30 are provided.

なお、図４に示すように、スクロール膨張機１０内の蒸気漏れ量は、蒸気流量に対する水Ｗの混入率が増大することによって減少するが、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量の減少傾きは急激に小さくなる。ここで、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量は、ほぼ飽和状態となるので、水混入率がＷａのときの蒸気漏れ量を飽和量Ｌａと記す。 As shown in FIG. 4, the amount of steam leakage in the scroll expander 10 decreases as the mixing rate of water W with respect to the steam flow rate increases. The slope of decrease becomes sharply smaller. Here, when the water mixture rate is Wa or higher, the steam leakage amount is substantially saturated, so the steam leakage amount when the water mixture rate is Wa is referred to as the saturated amount La.

したがって、流量調整弁３０は、水の混入率が、スクロール膨張機１０の蒸気漏れ流量の飽和量Ｌａと一致する水混入率が最小値Ｗａとなるように流量調整弁３０を調整してもよい。 Therefore, the flow regulating valve 30 may adjust the flow regulating valve 30 so that the water mixing rate that matches the saturation amount La of the steam leakage flow rate of the scroll expander 10 is the minimum value Wa. .

なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。 It should be noted that each configuration illustrated in the above-described embodiment and modified examples is functionally schematic, and does not necessarily need to be physically configured as illustrated. In other words, the form of dispersion/integration of each device and component is not limited to the illustrated one, and all or part of them can be functionally or physically distributed/integrated in arbitrary units according to various usage conditions. can be configured

１ スクロール蒸気膨張システム
１０ スクロール膨張機
１０ａ 入口
１０ｂ 出口
１０ｃ 回転軸
１１ 回転数検出部
２０ 熱交換器
３０ 流量調整弁
３１ 開度調整機構
４１，４２ 温度センサ
５０ 制御部
Ａ 開度
ｆ１，ｆ２ 関数
Ｇ１ 流量
Ｇ２ バイパス流量
ｈ１ 入力エンタルピ
ｈin 目標入口エンタルピ
ｈsatl 飽和液エンタルピ
ＨＷ 高圧蒸気
Ｌ 等エントロピ線
Ｌ１～Ｌ８ 配管
Ｌ１１ 飽和液線
Ｌ１２ 飽和蒸気線
ＬＷ 低圧蒸気
Ｎ 回転数
Ｐａ 分岐点
Ｐｂ 合流点
Ｑ 交換熱量
Ｔ１，Ｔ２ 温度
ｘ 目標乾き度
ρin 入口密度 REFERENCE SIGNS LIST 1 scroll steam expansion system 10 scroll expander 10a inlet 10b outlet 10c rotary shaft 11 rotation speed detector 20 heat exchanger 30 flow control valve 31 opening adjustment mechanism 41, 42 temperature sensor 50 controller A opening f1, f2 function G1 Flow rate G2 Bypass flow rate h1 Input enthalpy hin Target inlet enthalpy hsatl Saturated liquid enthalpy HW High-pressure steam L Isoentropic lines L1 to L8 Piping L11 Saturated liquid line L12 Saturated steam line LW Low-pressure steam N Speed Pa Branch point Pb Junction point Q Heat exchange amount T1 , T2 temperature x target dryness ρin inlet density

Claims (3)

入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、
前記入口配管を流れる高圧蒸気と前記出口配管を流れる低圧蒸気とを熱交換する熱交換器を備え、前記熱交換によって前記高圧蒸気内に凝縮水を生成することを特徴とするスクロール蒸気膨張システム。 A scroll steam expansion system having a scroll expander that expands high-pressure steam sucked from an inlet pipe and discharges low-pressure steam from an outlet pipe,
A scroll steam expansion system comprising a heat exchanger that exchanges heat between high-pressure steam flowing through the inlet pipe and low-pressure steam flowing through the outlet pipe, wherein the heat exchange produces condensed water in the high-pressure steam. 前記入口配管は、前記熱交換器をバイパスするバイパス配管と、
前記バイパス配管を流れる高圧蒸気の流量を調整する流量調整弁と、
前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスクロール蒸気膨張システム。 The inlet pipe includes a bypass pipe that bypasses the heat exchanger;
a flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of the high-pressure steam flowing through the bypass pipe;
a control unit that adjusts the degree of opening of the flow control valve;
The scroll vapor expansion system of claim 1, comprising: 前記制御部は、前記スクロール膨張機の回転数、前記熱交換器に流入する高圧蒸気の温度、及び前記熱交換器から流出する低圧蒸気の温度をもとに、前記流量調整弁の開度を調整することを特徴とする請求項２に記載のスクロール蒸気膨張システム。 The control unit adjusts the opening degree of the flow control valve based on the rotational speed of the scroll expander, the temperature of high-pressure steam flowing into the heat exchanger , and the temperature of low-pressure steam flowing out of the heat exchanger. 3. The scroll vapor expansion system of claim 2, wherein the scroll vapor expansion system is regulated.
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