JP2004353498A - ターボ圧縮機およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、エネルギ損失が少ないターボ圧縮機を実現する。
【解決手段】ターボ圧縮機１は、インレットガイドベーン５を付設したターボ圧縮機本体２と、このターボ圧縮機本体を回転駆動する回転速度一定型の駆動機３と、この駆動機とインレットガイドベーンとを制御する制御装置４と、圧縮機本体から吐出されるガスの流量を調整する流量調整弁１３とを備える。ターボ圧縮機本体の吐出側に圧縮された吐出ガスの温度と圧力を計測する第１の手段８、９を、圧縮された吐出ガスの使用側であって流量調整弁の下流側に吐出ガスの温度と圧力を検出する第２の検出手段１４、１５を設けた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ圧縮機及びその運転方法に係り、特に圧縮機の吐出圧力が一定のターボ圧縮機及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のターボ圧縮機における容量制御の例が、特許文献１および特許文献２に記載されている。特許文献１では、吸込み温度が変化する一定吐出圧力で運転されるターボ圧縮機において、軸動力の変化をなくしてサージングを回避するために、ターボ圧縮機のモータをインバータ駆動とし、インバータへの回転指示を吸込み温度の約１／３乗に比例して変化させている。
【０００３】
また、特許文献２においては吐出圧力の上昇幅を小さく抑え、圧力制御動作を迅速に行なって吐出圧力を一定に制御するとともに、効率的な制御を可能とするために、吸込み容量調整装置と放風弁とを設け、これらを制御している。その際、放風弁が開であれば、吸込み側と吐出側の圧力差を保ったまま設定圧力を下方修正し、吐出弁が閉であれば吸込み側の設定圧力を変化させている。
【特許文献１】
特開平１０−８９２８７号公報
【特許文献２】
特開平１０−２９９６６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術に記載のターボ圧縮機では、主としてターボ圧縮機に固有の現象であるサージングを回避するために、ターボ圧縮機を容量制御している。その結果、低風量領域ではサージングを回避するとともに軸動力の改善が可能となっているが、最も使用頻度の大きい通常の使用点での動力低減については十分には考慮されていない。
【０００５】
また構成が簡単で安価なターボ圧縮機では、一定回転速度で運転される電動機を使用することが多い。この場合、回転速度を変えずに吸込み流量を変化させて吐出流量と吐出圧力を変化させる必要があるが、使用圧力が一定になるように圧縮機の吐出圧力を制御するのは困難である。
【０００６】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は簡単な構成でエネルギ損失が少ないターボ圧縮機を実現することにある。本発明の他の目的は、サージングを回避した省エネルギのターボ圧縮機を実現することにある。
【０００７】
【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特徴は、インレットガイドベーンを付設したターボ圧縮機本体と、このターボ圧縮機本体を回転駆動する回転速度一定型の駆動機と、この駆動機とインレットガイドベーンとを制御する制御装置と、圧縮機本体から吐出されるガスの流量を調整する流量調整弁とを備えたターボ圧縮機において、ターボ圧縮機本体の吐出側に圧縮された吐出ガスの温度と圧力を計測する第１の手段を、圧縮された吐出ガスの使用側であって流量調整弁の下流側に吐出ガスの温度と圧力を検出する第２の検出手段を設けたことにある。
【０００８】
そしてこの特徴において、第２の手段が検出した圧力に基いて、制御装置は駆動機とインレットガイドベーンの開度とを制御することが望ましい。
【０００９】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、インレットガイドベーンを付設した圧縮機本体から吐出される吐出ガスの圧力を略一定に制御するターボ圧縮機の運転方法において、制御装置が圧縮機本体の下流側である使用部で測定した吐出ガス温度と吐出ガス圧力に基いて圧力損失を演算し、この演算した結果に基いて圧縮機の吐出流量とインレットガイドベーン開度とを制御するものである。そしてこの特徴において、制御装置は、エネルギー損失が最小になるようにインレットガイドベーン開度と吐出流量とを制御するのが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明に係る圧縮機装置の一実施例について説明する。図１は、圧縮機装置１の構成を表わす模式図であり、図２は使用部における圧縮ガスの流量および圧力と、インレットガイドベーン（以下、ＩＧＶと称す）５の開度との関係を示す図である。図１に示すように、圧縮機装置１は作動ガスを圧縮する圧縮機本体２と、この圧縮機本体２を回転駆動する駆動機３と、駆動機の回転を制御する制御装置４と、圧縮機本体２の吸込み側に配置されたＩＧＶ５とを有している。
【００１１】
ＩＧＶ５よりも上流側の圧縮機本体２の入口部には、吸込みガス温度を検出する温度計６と吸込みガス圧力を検出する圧力計７とが取り付けられている。圧縮されて高温高圧になった作動ガスの温度と圧力を検出するために、圧縮機本体２の吐出部には温度計７と圧力計８が取り付けられている。これらの各センサ６〜９が検出した信号は、制御装置４に入力される。圧縮機本体２で圧縮された作動ガスを吐出部１１から使用部１６まで導くために、配管系１２が設けられている。配管系１２の途中には、調整弁１３が設けられている。
【００１２】
圧縮機本体２は、ターボ圧縮機である。圧縮機本体２の上流側に設けたＩＧＶ５の開度を変化させて、圧縮機本体２に吸込まれる作動ガスの吸込み流量を変化させる。圧縮機本体２は、駆動機３から回転動力を供給される。圧縮性の作動ガスを吸込口１０から吸込み、圧縮した後に吐出口１１から吐き出す。駆動機３は一定回転速度で回転される電動機である。
【００１３】
配管系１２の末端に設けた調整弁１３のさらに下流に、図示しない使用機器を取り付ける。この使用機器の使用流量は流量調整弁１３により調整される。本発明で特徴的なことは、この流量調整弁１３の下流側に作動ガスの温度と圧力を検出する温度計１４と圧力計１５を取り付けたことにある。温度計１４と圧力計１５が検出した結果は、電気信号として制御装置４に送られる。この送信のために配線１７が温度計１４、圧力計１５と制御装置４間に設けられている。この配線１７は、制御装置４から温度計および圧力計１５に電力を供給するのにも用いられる。また、流量調整弁１３は制御装置４に配線１８を介して接続されており、制御装置４からは開度指令が、流量調整弁１３からは開度情報がそれぞれ相手側に送信される。
【００１４】
このように構成した圧縮機装置１の動作を、以下に説明する。
圧縮機本体２を起動する時は、制御装置４が駆動機３に回転速度を増加させるように指令する。それとともに、ＩＧＶ５の開度を徐々に上げていく。駆動機３の回転速度が上昇すると、それに比例して圧縮機本体２の回転速度も増し、吸込み部１０から作動ガスを吸込んで圧縮し始める。作動ガスの圧縮とともに徐々に吐出量が増加するが、吐出量が使用流量に近づくと吐出配管１２の内部圧力も上昇する。圧力計１５が検出する吐出配管１２の圧力が予め定められた圧力に達すると、制御装置４はＩＧＶ５の開度を固定するよう制御する。これにより、所定圧力まで作動ガスを圧縮することができ、起動動作が完了する。
【００１５】
起動動作が完了したら、通常の運転モードに移行する。この運転モードにおいて、使用流量が変化したら、以下のように制御系が動作する。すなわち、使用流量が一定の状態から、調整弁１３の開度が大になり使用流量が増加したら、吐出配管１２に流入する流量よりも流出する流量が多くなり、一時的に吐出配管１２の内部圧力が降下する。圧力計１５が使用部１６付近の圧力を常に監視しているので、圧力降下が生じるとすぐに制御装置４が感知する。制御装置４は、圧力計１５のデータに基づき圧縮機本体２から吐出されている現在の作動ガスの容量と増加すべき量とを演算する。そして、ＩＧＶ５に増加すべき流量に見合った開度を指示する。開度を大にすると流量が増加し、吐出配管１２の内部圧力が上昇する。所定の値に回復するまで、制御装置４はＩＧＶ５の開度を大にする。
【００１６】
一方、使用流量が一定の状態から減少した場合には、制御装置４は上記動作と逆にＩＧＶ５を制御する。吐出圧力が所定値まで上昇したら、ＩＧＶ５の開度を絞り、吐出流量を制御する。これにより、一時的に超過した吐出圧力が減少し、所定値まで回復する。
【００１７】
本実施例によれば、使用部に近い箇所である吐出配管１２の末端で、作動圧力が一定になるように制御するので、使用流量によらず略一定圧力で安定して圧力ガスを供給できる。また、供給量が変化しても速やかに吐出量が応答できるので吐出圧力の安定性もよい。さらに吐出側の２箇所に圧力センサーを設けたので、万一、一方の圧力センサーの検出信号が途絶しても他の圧力センサーを用いることにより対処可能であり、圧縮機の信頼性が向上する。
【００１８】
上記実施例におけるＩＧＶ５の動作を、図２に示した性能曲線を用いて説明する。図２の横軸は流量Ｑであり、縦軸は圧力Ｐである。ＩＧＶ５の開度φを６０％から１００％まで変化させている。圧縮機装置１の運転点は、上側の三角であるＰｘで表されている。下側の三角は使用圧力点Ｐｑである。圧縮機装置１の運転点Ｐｘと使用圧力点Ｐｑとの差が、圧力損失ΔＰである。圧力曲線の左端部を接続する線Ｓ１は、サージングラインである。圧縮機本体２は、圧力損失を見込んで使用圧力点ＰｑよりもΔＰだけ高い吐出圧力となる圧力Ｐｘで運転される。この運転点は、サージングラインよりも大流量側に設定される。
【００１９】
ＩＧＶ５を制御する際に、圧縮機装置１の全体の損失である圧力損失を一定と仮定して計算すると、流量が少ない領域では圧力損失を過大に見積もることになる。これは、配管の圧力損失が流量に依存するためである。この結果、制御装置４は必要以上に圧縮機本体２の吐出圧力が大きくなるように制御する。また、逆に大流量の領域では、実際の配管の圧力損失が予測よりも大きくなり、吐出圧力が不足する。
【００２０】
この不具合を解消するために、本実施例では、吐出配管１２の圧力損失を吐出配管に設けた温度計１４と流量調整弁１３が示す流量と温度から求めている。求められた圧力損失を補うように、制御装置４は圧縮機本体２を制御する。これにより、流量と吐出圧力を最適な値に制御でき、省エネルギー化が可能となる。
【００２１】
なお上記実施例では、圧縮機の温度や圧力を計測する計測手段の検出信号を制御装置に配線を用いて入力しているが、無線手段や配管の振動エネルギにより１００μＷ程度発電可能で１０ｍ程度の送信範囲があるセンサ一体型のセンサネットを用いてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、使用側での作動流体の圧力と温度とを用いて圧縮機を制御するので、簡易な構成で圧縮機装置を省エネルギーで運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るターボ圧縮機の一実施例の模式図である。
【図２】図１に示したターボ圧縮機の運転状態を説明するグラフである。
【符号の説明】
１…圧縮機装置、２…圧縮機本体、３…駆動機、４…制御装置、５…ＩＧＶ（インレットガイドベーン）、６…吸込み部圧力計、７…吸込み部温度計、８…吐出部温度計、９…吐出部圧力計、１０…吸込み部、１１…吐出部、１２…吐出配管、１３…調整弁、１４…使用部温度計、１５…使用部圧力計、１６…使用部。

Claims (4)

1. インレットガイドベーンを付設したターボ圧縮機本体と、このターボ圧縮機本体を回転駆動する回転速度一定型の駆動機と、この駆動機と前記インレットガイドベーンとを制御する制御装置と、圧縮機本体から吐出されるガスの流量を調整する流量調整弁とを備えたターボ圧縮機において、前記ターボ圧縮機本体の吐出側に圧縮された吐出ガスの温度と圧力を計測する第１の手段を、圧縮された吐出ガスの使用側であって前記流量調整弁の下流側に吐出ガスの温度と圧力を検出する第２の検出手段を設けたことを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記第２の手段が検出した圧力に基いて、前記制御装置は前記駆動機と前記インレットガイドベーンの開度とを制御することを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. インレットガイドベーンを付設した圧縮機本体から吐出される吐出ガスの圧力を略一定に制御するターボ圧縮機の運転方法において、制御装置が圧縮機本体の下流側である使用部で測定した吐出ガス温度と吐出ガス圧力に基いて圧力損失を演算し、この演算した結果に基いて圧縮機の吐出流量とインレットガイドベーン開度とを制御することを特徴とするターボ圧縮機の運転方法。
4. 前記制御装置は、エネルギー損失が最小になるように前記インレットガイドベーン開度と吐出流量とを制御することを特徴とする請求項３に記載のターボ圧縮機の運転方法。

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