JP2001501694A - 遠心圧縮機におけるサージ発生の検出法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 遠心圧縮機における作動流体サージの制御法。本法により、サージの検出は、第１及び第２の圧縮機運転パラメーターの時間変化率を計算し；計算した第１及び第２の圧縮機運転パラメーターの時間変化率と、第１及び第２の圧縮機運転パラメーターの許容設定値とを比較し；計算した両方の変化率がそれぞれの変化率設定値に等しい又はそれ以上の場合には、吸入弁を通る流体流に変化を与えてサージ状態を回避することによって達成される。本発明の一実施態様において、吐出圧力及び原動機の引出し電流の変化を計算して、基準設定値と比較してサージ状態の存否を決定する。本発明の別の実施態様においては、サージ状態の存在は、吐出圧力及び吐出温度と基準設定値とを計算及び比較することによって決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 遠心圧縮機におけるサージ発生の検出法 技術分野 この発明は、一般に遠心圧縮機に関し、特に電動機駆動の遠心圧縮機における サージの発生を吐出圧力及び電動機電流の測定変化率に基づいて、電子的に検出 する優れた方法に関する。 背景技術 サージは遠心圧縮機における有害な現象であって、圧縮機を通る流体の流量が 突然減少するときに生じる。流量が予め決めた必要な最小流量以下に減少したと き、流体は圧縮機の吐出口に集まり、流体が集まるにつれ吐出口の流体圧力がサ ージ発生まで増大する。サージの発生中、流体流の方向は逆転して増大した流体 が圧縮機に戻る。 サージは多くの理由で望ましくない。圧縮機のサージは圧縮機内に不安定な流 体流及び大きな騒音を与えると共に、圧縮機の発生する熱の量を増す。サージの 結果の一つは、圧縮機の構成部品への損傷である。 サージを回避する従来の方法の一つは、圧縮機吸気口を通る流体の流量を増す 方法である。サージは圧縮機吸入口を通る流体の流量を増すことによって回避さ れるが、この圧縮機運転に対するかかる増大容量は圧縮機の運転経費にマイナス に影響する。 吸入流量を増すことによって、圧縮気の効率を犠牲にして、代わるものとして 、サージ発生を回避する機械的手段が開発されてきた。サージ発生を回避するか かる従来の機械的手段の一つは、スイッチ・チューブ又はハウジングに配置され る機械的差圧スイッチである。かかる既知差圧スイッチはハウジングに配置され る一対の間隔接点を含む。スイッチ・ハウジングの端部間の差圧がサージ発生を 示す圧カレベルにあるとき、差圧は接点を閉じて、圧縮機の運転者にサージ状態 の存在を表示する。圧縮機のサージのとき、弁は開いて圧縮機を通る流体流を 調節して、圧縮機のサージを取り除く。 圧縮機の運転者にとって既知の差圧スイッチにおける接点間の間隙を正確にセ ットすることは難しい。その上、接点の感度は時間の経過と共に低下する。さら に、かかる差圧スイッチ及び他の機械的作動のサージ検出手段は、一般に一旦サ ージが検出されると圧縮機が深サージになるのを防止しない。 以上、現在の装置及び方法に存在する既知の問題点を説明した。従って、前記 問題点を解決する方向のものを提供することが有利であることは明白である。圧 縮機のサージ状態を除去する信頼できる方法を提供することが重要である。従っ て、以下にさらに詳しく開示する特徴を含む適当な代替品及び方法を提供する。 発明の開示 本発明の一面において、これは、吸入弁及び該吸入弁に流体流をもたらす少な くとも一つの制御手段を有する圧縮機におけるサージの検出法を提供することに よって達成される。本発明の方法は、第１及び第２の圧縮機運転パラメーターの 時間変化率を計算し；計算した第１及び第２の圧縮機運転パラメーターの時間変 化率と、第１及び第２の圧縮機運転パラメーターの基準設定値とを比較し；計算 した両方の変化率がそれぞれの変化率設定値に等しい又はそれ以上の場合には、 吸入弁を通る流体流に変化を与えてサージ状態を回避する工程からなる。 以上及び他の面は、添付図面と共に本発明の以下の詳細な説明を考慮すること によって明白になると考えられる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の方法に従って、圧縮機におけるサージ状態を検出するために 制御器を含む圧縮機システムの略図である； 図２は、吐出圧力の変化率を圧縮流体の吐出温度変化率と組み合わせたときに 、圧縮機吐出圧力の変化率を計算することによってサージ状態の存否を決定する 制御器ソフトウェア論理のフローチャートである。 図３は、圧縮流体の吐出温度変化率を計算することによってサージ状態の存否 を決定する制御器ソフトウェア論理のフローチャートである； 図４は、圧縮流体の吐出温度変化率及び原動機の引出し電流を計算することに よってサージ状態の存否を決定する制御器ソフトウェア論理のフローチャートで ある； 図５は、電動機電流、吐出温度及び吐出圧力のアナログ信号と時間の関係を示 す典型的チャートである；及び 図６は、図５のアナログ信号の時間変化率と時間の関係を示す典型的チャート である。 発明を実施するための最良の実施態様 類似の符号が２、３の図面を通して対応する部品を示す図面を参照すると、図 １は圧縮機１１を含む圧縮空気システムの概略図である。 圧縮機１１は第１の圧縮段１２と第２の圧縮段１４を有する２段式遠心圧縮機 である。圧縮機の圧縮段は、回転時に流体を圧縮する回転可能インペラ（図示せ ず）を含む。圧縮段は当業者には周知の従来設計のものである。圧縮段１２及び １４は原動機１８によって駆動される歯車システム１６によって駆動される。歯 車システム１６はしばしば「ブルギヤ」と呼ばれる。この開示の目的の「原動機 」は圧縮機の駆動に使用できるが、電動機、内燃機関に限定されないことを意味 する。特に、好適な実施態様における原動機は電動３相誘導モータである。 圧縮システム１０は、１００〜１０，０００馬力の範囲内で０．３５〜３５ｋ ｇ／ｃｍ²の圧力で９．９〜２８３１ｍ³を発生する遠心圧縮機の制御を意図して いる。 圧縮機は、さらに吸入口２０と吐出口２１を含む。吸入口２０を介して圧縮機 に流入する空気の体積は、吸入管路２４の長手方向に沿って配置の吸入弁２２に よって変更できる。吸入口の各位置の変化は、マイクロプロセッサを基にした電 子制御器１００によって作動される弁制御器２６によって行われる。弁制御器２ ６は、電子制御器１００との関係を信号で受け、吸入弁２２との関係を信号で伝 送する。 吸入フィルタ３０も吸入管路２４に沿って配置されて、未圧縮吸入空気流から の微粒物質及び他の有害な物質を濾過する。 中間冷却器３２及び水分分離器３４が、第１の圧縮段１２の吐出口３６及び第 ２の圧縮段１４の吸入口３８にフロー連結される。中間冷却器３２及び水分分離 器３４は、それぞれ圧縮流体の冷却及び第２の圧縮段１４においてさらに圧縮さ れる前に圧縮流体から水のような水分の除去をする。 アフタクーラ４２及び乾燥器４４は、図１に略示したように吐出管路４０に沿 ってフロー連結される。アフタクーラ４２及び乾燥器４４は、中間冷却器３２及 び水分分離器３４のように第２の圧縮段１４と圧縮流体受入れ関係に配置されて 、例えば空気作動工具のようなものに流入する前に熱圧縮流体の冷却及び圧縮流 体からの水分の除去をする。それらの中間冷却器、アフタクーラ及び乾燥器は従 来の設計のもであって、当業者には周知である。 戻り管路５０は、吸入管路２４と吐出管路４０をフロー連結し、該戻り管路に フロー連結されたバイパス弁５２を含む。バイパス弁５２は、圧縮機１１の操作 中に再配置されて、第２の圧縮段から吐出され、圧縮機吸入口２０へ流されて未 圧縮の吸入空気と混合される圧縮空気の体積を変える。バイパス弁制御器５４は 、制御器１００と信号を受ける関係に配置され、かつバイパス弁５２と信号伝送 関係にある。 第１のセンサ５６及び第２のセンサ５８は、それぞれ吐出管路４０を介して吐 出口２１から流出される圧縮空気の吐出圧力及び吐出温度を測定する。第１のセ ンサ５６及び第２のセンサ５８は、制御器１００と信号伝送関係にあって、電気 アナログ信号を提供する、そしてそれらの信号は本発明の制御器によって処理さ れて圧縮器がサージ状態を受けたか否かを決定する。センサの発生したアナログ 信号の例は図５に示す。 第３のセンサ６０は、電動機１８により引き出される電流を検知する。電動機 の電流を示す信号は、その信号を処理する制御器に伝送される。その信号はアナ ログ信号であって、図５に引出されたアンペアと時間の関係がプロットされてい る。 実施態様の次の記載は、マイクロプロセッサー基制御器１００及びサージ状態 の発生を決定する制御器の論理に関する。 制御器ソフトウェア論理はマイクロコントローラ・メモリーに記憶され、吐出 温度、吐出圧力、及び電動機電流の変化率に対する変化率の計算及び比較論理か らなる。制御器ソフトウェア論理はフローチャートの図２〜図４に示す。 図２は、制御器ソフトウェア論理回路２００のフローチャートであって、吐出 圧力に変化率を圧縮流体の吐出温度の変化率と組み合わせるときに、圧縮機の吐 出圧力の変化率を計算することによってサージ状態が存否を決定する。 図３は、圧縮流体の吐出温度の変化率を計算することによってサージ状態の存 否を決定する制御器ソフトウェア論理回路３００のフローチャートである。 図４は、吐出圧力及び原動機の電流の変化率を計算することによって、サージ 状態の存否を決定する制御器ソフトウェア論理回路４００のフローチャートであ る。 吐出圧力及びモータ電流の時間変化率測定によるサージの検出 この部分の説明は図１〜図４を参照する。電動機１８により駆動される圧縮機 １１のサージは、電動機電流及び吐出圧力の時間変化率の大きさを計算して、そ れらの計算値と基準設定値と比較することによって検出される。両方の変化率が それらの設定値より大きい又は等しいときいは、圧縮機はサージ状態にある。図 ４に示した方法は、原動機が電動機のときに利用してサージを検出する。 図４に一般に４００で示すソフトウェア論理は制御器１００によって１２０ｍ ｓｅｃの固定間隔で実行される。論理４００は制御器によって圧縮器制御シーケ ンスの部分として実行される。圧縮器制御シーケンスにおける他の工程は本発明 の部分を形成しない。 図４の工程４０２において、変数の前電流、比率電流、前圧力及び比率圧力を ゼロに初期設定し、可変サージを疑似に設定する。変数の前圧力及び前電流は吐 出圧力及びモータ電流の前値を表す。変数の比率圧力及び比率電流は、それぞれ 吐出圧力及びモータ電流の変化率を表す。サージは、サージ状態の存在を示し、 最初疑似に設定してサージ状態が存在しないことを示す。 工程４０４において、制御ループ・タイマを始動する。制御ループ・タイマは 前記圧縮機制御シーケンスを完全に実行する時間を測定する。 次に工程４０６において、センサの検出した電動機の電流値とセンサ５６の検 出した吐出圧力値を制御器アアログ入力チャネルから得る。 論理工程４０８〜４１４は計算工程を示す。工程４０８における比率圧力は前 圧力から検出した吐出圧力を引くことによって計算される。工程４１０における 前圧力はセンサ５６の検出した現在の吐出圧力に設定する。工程４１２における 比率電流は、前電流から検出電流値を引くことによって計算される。工程４１４ における前電流はセンサ６０の測定した電流値に設定する。 判断（決定）工程において、比率電流値が電流変化率の基準設定値又はそれ以 上で、比率圧力値が吐出圧力変化率の基準値以上の場合には、圧縮機はサージ状 態にあって、サージの値は真に設定して、吸入弁に供給される空気流はそれぞれ の工程４２２と４２４で行う。このように、吐出圧力及び引出し電流の降下があ る場合は、圧縮機はサージ状態にある。 工程４２４において、吸入弁への空気流は、信号をバイパス弁制御器５４及び 吸入弁制御器２６に送ることに変えられ、それによってバイパス弁を全開し吸入 弁を無負荷位置に再配置させる。 圧縮空気システムのバイパス弁コネクタ５０は吸入弁２２にフロー連結される よりむしろ大気中に向けられる。この場合、バイパス弁を開けると、圧縮流体は 大気中へ吐出される。 決定工程４１６において、原動機によって引き出される電流の変化率又は吐出 圧力の変化率が基準設定値又はそれ以上であることが決定されると、工程４１８ において疑似に設定され、工程４２０において論理ルーチンは、制御ループ・タ イマが圧縮機制御シーケンスの完了まで休止する。 吐出圧力及びモータ電流の基準設定値は、電子信号における誘導ノイズに起因 する変化率が実サージによる変化率と区別できるように十分大きい値に設定すべ きである。 吐出圧力及び吐出温度の時間的変化率の計算によるサージの検出 吐出圧力及び吐出温度の時間変化率を分析することによるサージの検出法を説 明する。その方法は、図２及び図３に示したソフトウェア論理フローチャートに よって示す。以下に説明する方法は、圧縮機の原動機が電動機でない場合の圧縮 空気システムにおけるサージの検出に使用することが望ましい。吐出圧力及び吐 出温度の時間変化率を組み合わせてサージ圧力の存在を決定するとき、先ず吐出 圧力の変化率を計算し、吐出温度の変化率が予めきめた基準設定値又はそれ以上 の場合には、制御器１００はソフトウェア論理３００を実行して吐出温度の変化 率を計算する。 ルーチン２００は、前記圧縮器制御シーケンスの実行中に制御器１００によっ て１２０ｍｓｅｃ毎に実行される。圧縮器の吐出圧力の変化率を計算するために 図２のフローチャートに戻って、最初に工程２０２において、変数の“前圧力” ，“比率圧力”，及び“サージ”をそれぞれ０、０及び疑似に設定する。変数の 前圧力、比率圧力、及びサージはルーチン４００で前記したものと同一である。 工程２０２において制御ループ・タイマを始動する。工程２０６において、第 １の圧力センサ５６によって検出された吐出圧力は、制御器１００によって得ら れ、前圧力値から引いて吐出圧力の新しい変化率を得る。比率圧力は前圧力と検 出した吐出圧力との差に等しい（工程２０８参照）。次に工程２１０において前 圧力を検出した吐出圧力値に等しく設定する。 決定ブロック２１２において、吐出圧力の変化率が基準設定値の吐出圧力変化 率又はそれ以上の場合は、工程２１４においてソフトウェア２００がサージ検出 タイマを始動し次に工程２１６においてソフトウェア・ルーチンを実行する。そ のルーチンはルーチン３００の工程３０６へ進む。 吐出圧力の変化率が基準設定値の変化率より小さい場合は、サージを工程２１ ８において疑似に等しく設定する、そして論理ルーチンは、工程２０４へ戻りル ーチン２００を実行する前に、制御ループ・タイマの終了を待つ。 許容できる吐出圧力変化率が工程２１２において等しい又は越える場合には、 ソフトウェア論理ルーチン２００がソフトウェア論理ルーチン３００を実行して 、吐出圧縮流体の温度変化率を計算する。 ルーチン２００の工程２０２において、変数の“前温度”，“比率温度”、“ 加算温度”は０に初期設定する。前温度は前検出吐出温度値を表し、比率温度は 吐出温度の変化率を表し、加算温度は論理ルーチン３００の現在実行したルー プの変化率の和を表す。 工程３０６において、温度センサ５８によって検出された吐出圧縮流体の温度 は制御器アナログ入力チャネルから得られ、次にそれぞれ工程３０８、３１０及 び３１２において、比率温度を前温度と検出した吐出温度間との差に設定し；前 温度を検出した吐出温度に設定し；そして加算温度を加算温度と比率温度の和に 設定する。 既知温度センサの応答時間が比較的遅いために、温度の変化率は、吐出圧力を 分析する時間よりも長い時間かけて分析する。固定数（例えば４）の制御ループ 選び、その数内の制御ループの変化率を吐出温度の全変化率として蓄積する。か くして、より大きな温度上昇が得られるのでノイズによる疑似サージ表示が排除 される。 工程３１４において、加算温度値が吐出温度変化率の基準設定値より小さい場 合には、圧縮機はサージ状態になくサージは工程３１６において疑似に設定し、 サージ検出タイマが決定工程３１８において終了しない場合には、論理ルーチン は工程３１９において制御ループ・タイマが終了するのを待って、工程３０４に 戻り、再び論理ルーチン３００を実行して、前記の方法で別の吐出温度変化率を 得る。 工程３１８において、サージ検出タイマが終了しない場合には、加算温度をゼ ロに設定して、ルーチンをルーチン２００において工程２１８に戻す（工程３２ ０及び工程３２３参照）。 工程３１４において、加算温度値が吐出温度変化率の基準設定値より大きい場 合には、サージを工程３２２において真に設定する。次に工程３２４のおいて、 サージ検出タイマがクリアして、制御器が空気流を工程３２６において吸入口に 変える。制御器は信号を吸入弁２２及びバイパス弁５４に送って弁の位置を変え 吸入口を空気供給に変えてサージ状態を回避する。バイパス弁制御器５４に送ら れた信号はバイパス弁５２を全開し、吸入弁制御器２６へ送られた信号は吸入弁 を圧縮器無負荷位置に開口させる。 前記のように、バイパス流は吸入弁よりむしろ大気中へ直接排出される。 前記の方法によって、吐出圧力の降下が吐出温度の上昇に付随した場合には、 サージ状態が存在する。２つの変数を組合わせてサージの発生を決定することに よって、疑似サージの表示が防止される。 サージ状態が存在する場合には、吐出圧縮流体の温度変化率を決定するよりむ しろ段１２と１４間を流れる流体のサージ温度変化率又はインペラ・ディフュー ザにおける流体の変化率を吐出圧力変化率と組合わせてサージ状態の存否を決定 することも意図している。 要約 流量がゼロに降下して反転する反転流動のサージ現象をより直接的に扱うこと によってサージを検出することが本発明の目的である。これは、圧縮機を流れる 質量流量の時間微分を使用することにより達成される。若干の圧縮機は流量測定 装置を備えているが、かかる装置が非常に高価であるので、大部分の圧縮機はか かる装置を備えていない。従って、それに代わる安い装置として、圧縮機の全馬 力に関係する流体質量流量及び理想的なヘッドの式を提案する。これは、軸受の ような圧縮機系内の機械的損失及び歯車動力の損失を無視する。 前記の式は次のように示される： 誘導電動機の全シャフト動力は： ＨＰ＝§ｉ²ｒ これら２つの式を組み合わせ、質量流量を求め、時間に関して微分して、質量 流量の時間的変化率の次の一般式を得る： 式中のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは系のパラメーターであるガス吸入温度Ｔ１，吸入圧 力Ｐ１，吐出圧力Ｐ２，及びモータ電流ｉの単純関数である。 吐出圧力、吐出温度及びモータ電流の変化率を計算する本発明は、圧縮機の質 量流量を直接測定するので、サージの存在又は不在を決定する正確な手段である 。 従って、電流、吐出圧力及び吐出温度の変化を測定することによって、サージ 状態を効果的に決定できる。 以上本発明の好適な実施態様を記載、説明したが、これは変更できること、従 って我々は前記詳細説明に限定されないで、次の請求項の範囲内で種々の変化及 び変更がありうることが理解される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年６月２９日（１９９８．６．２９） 【補正内容】 （１） 請求の範囲を次のように補正する。 「１． 吸入弁（２２）及び吸入弁（２２）に流体流もたらす少なくとも１つの 手段を有する遠心圧縮機（１１）において、第１の圧縮機運転パラメーター （２０８，４０８）の変化率を計算する工程、及び第２の圧縮機運転パラメ ーター（３１２，４１２）の変化率を計算して、それぞれ前記第１及び第２ の運転パラメーター変化率の許容設定値と比較する工程を有するサージ発生 の検出法において、さらに、 （ａ） 第１及び第２のの圧縮機運転パラメーター変化率の計算を加えること によって圧縮機（１１）を通る質量流量の変化率を計算する工程；及び （ｂ） 計算した質量流量変化率が許容質量流量変化率以上又はその値に等し い場合には、吸入弁を通る流体流に変化を与える工程からなることを特徴 とするサージ発生の検出法。 ２． 第１の圧縮機運転パラメーターが吐出圧力（４０８）であり、第２の圧縮 機運転パラメーター（４１２）が圧縮機原動機の引出し電流であることを特 徴とする請求項１記載の方法。 ３． 第１の圧縮機運転パラメーターが吐出圧力（２０８）であり、第２の圧縮 機運転パラメーターが吐出温度（３０８）であることを特徴とする請求項１ 記載の方法。 ４． 圧縮機が、吸入弁制御器（２６）、バイパス弁（５２）、及びバイパス弁 制御器（５４）を含み、前記工程（ｂ）が、信号をバイパス制御器（５４） 及び吸入弁制御器（２６）へ伝送して、バイパス弁（５２）を開口させ吸入 弁（２２）を圧縮機機無負荷位置に再配置させる工程からなることを特徴と する請求項１記載の方法。 ５． 流体を圧縮し該流体を関連の吐出圧力で吐出さす電動機（１８）により駆 動される遠心圧縮機（１１）において、圧縮機の吐出圧力（４０８）の変化 率を計算する工程，及び電動機（４１２）の引出し電流の変化率を計算して 、それぞれ前記圧縮機の吐出圧力及び電動機の電流変化率の許容設定値と比 較する工程を有するサージ発生の検出法において、さらに、 （ａ） 電動機の引出し電流の変化率及び圧縮機吐出圧力の変化率を加えるこ とによって、質量流量変化率を得る工程；及び （ｂ） 前記質量流量変化率を許容質量流量変化率の限界と比較して、サージ の存在又は開始を決定し、サージ状態が存在する又は切迫している場合に は、圧縮機（１１）の吸入弁（２２）に供給する流体の体積を変えること によって圧縮機を運転する工程からなることを特徴とするサージ発生の検 出法。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 吸入弁及び吸入弁に流体流をもたらす少なくとも１つの手段を有する遠心 圧縮機において、 （ａ） 第１の圧縮機運転パラメーターの時間変化率を計算し； （ｂ） 計算した第１の圧縮機運転パラメーターの時間変化率を、該第１の圧 縮機運転パラメーターの許容設定値と比較し； （ｃ） 第２の圧縮機運転パラメーターの時間変化率を計算し； （ｄ） 計算した第２の圧縮機運転パラメーターの時間変化率を、該第２の圧 縮機運転パラメーターの許容設定値と比較し；そして （ｅ） 前記計算した両方の変化率がそれぞれの変化率設定値に等しい又はそ れ以上の値の場合には、吸入弁を通る流体流に変化を与える工程からなるこ とを特徴とする方法。 ２． 第１の圧縮機運転パラメーターが吐出圧力であり、第２の圧縮機運転パラ メーターが圧縮機原動機の引出し電流であることを特徴とする請求項１記載 の方法。 ３． 第１の圧縮機運転パラメーターが吐出圧力であり、第２の圧縮機運転パラ メーターが吐出温度であることを特徴とする請求項１記載の方法。 ４． 圧縮機が、吸入弁制御器、バイパス弁、及びバイパス弁制御器を含み、前 記工程（ｅ）が、信号をバイパス弁制御器及び吸入弁制御器へ伝送して、バ イパス弁を開口させ吸入弁を圧縮機機無負荷位置に再配置させる工程からな ることを特徴とする請求項１記載の方法。 ５． 流体を圧縮し該流体を関連の吐出圧力で吐出させる電動機により駆動され る遠心圧縮機において、 （ａ） 圧縮機の吐出圧力の変化率を計算する工程； （ｂ） 計算した圧縮機吐出圧力の変化率を、該圧縮機吐出圧力の許容変化率 と比較する工程； （ｃ） 電動機の引出し電流の変化率を計算する工程； （ｄ） 計算した電動機引出し電流変化率を、許容電動機引出し電流変化率と 比較する工程；及び （ｅ） 前記電動機電流変化率と圧縮機吐出圧力変化率の両方が許容変化率外 にある場合には、圧縮機を運転させる工程からなることを特徴とするサージ 発生検出法。 ６． 圧縮機が吸入弁を含み、前記工程（ｅ）が吸入弁に供給された流体の体積 を変える工程からなることを特徴とする請求項５記載のサージ発生検出法。