JP2004360462A - 圧縮装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより省エネルギーにすることのできる手段を提供しようとする。
【解決手段】従来の需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置にかわって、原動機と、前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、一方の口を前記分岐配管の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸気口に連通する開閉弁である回生開閉弁と、を備え、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、ものとした。
【選択図】 図１
【解決手段】従来の需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置にかわって、原動機と、前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、一方の口を前記分岐配管の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸気口に連通する開閉弁である回生開閉弁と、を備え、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、ものとした。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置に係る。特に圧縮のための機器の配置に特徴のある圧縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラント等では、圧縮気体（例えば、圧縮空気）が多く使用されるので、圧縮気体を供給する圧縮装置が備えられる。
プラント等での圧縮気体の使用量は、プラントの稼働状況に応じて変動する。圧縮気体の需要が圧縮装置の定格風量よりも下回った際にも、圧縮装置を安定して運転することが求められる。
圧縮装置の形式の中に、多段のターボ圧縮機を利用したものがある。ターボ圧縮機を所定の風量（サージング限界風量という。）以下で使用すると、ターボ圧縮機の回転が不安定になる現象（サージング現象という。）が発生することが知られている。
そこで、ターボ圧縮機を使用した圧縮装置では、圧縮気体の需要が下がった際に余剰の空気を大気に放風して、ターボ圧縮機の吐出する風量をサージング限界風量より下回らない様にしている。
すなわち、需要側の需要風量が圧縮装置の定格風量より大きく下回った際にも、圧縮装置が一定以上の動力を消費してしまうという不具合があった。
【０００３】
【特許文献１】
実公平１−２１１９４号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０４６９８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように需要側の需要風量が圧縮装置の定格風量より大きく下回った際に、圧縮装置の動力を下げて今以上に省エネルギーにしたいという要請があった。
【０００５】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより省エネルギーにすることのできる手段を提供しようとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を、原動機と、前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、を備え、前記分岐配管の一つの出口と前記膨張タービンの吸入口とを連通し、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、ものとした。
【０００７】
上記本発明の構成により、前記原動機がターボ圧縮機を駆動して、前記ターボ圧縮機が圧縮気体を吐出し、膨張タービンが前記ターボ圧縮機を駆動し、分岐配管が少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有し、前記分岐配管の一つの出口と前記膨張タービンの吸入口とを連通し、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通するので、前記ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体の一部を需要側へ送気しつつ、前記ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の他の一部を前記膨張タービンの吸入口に送り、前記膨張タービンが前記ターボ圧縮機を駆動して前記原動機の動力を補うことができる。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を、原動機と、前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、一方の口を前記分岐配管の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通する開閉弁である回生開閉弁と、を備え、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、ものとした。
【０００９】
上記本発明の構成により、前記原動機がターボ圧縮機を駆動して、前記ターボ圧縮機が圧縮気体を吐出し、膨張タービンが前記ターボ圧縮機を駆動し、分岐配管が少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有し、回生開閉弁が一方の口を前記分岐配管の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通し、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通するので、ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体の一部を需要側へ送気しつつ、ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の他の一部を前記回生開閉弁を経由して膨張タービンの吸入口に送り、その膨張タービンがターボ圧縮機を駆動して原動機の動力を補うことができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機の吐出風量が前記ターボ圧縮機のサージング現象をおこす上限の風量であるサージング限界風量を下回らない様に前記回生開閉弁の開度を制御する、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記回生開閉弁の開度を制御して、前記ターボ圧縮機の吐出風量が前記ターボ圧縮機のサージング現象をおこす上限の風量であるサージング限界風量を下回らない様にするので、需要側へ送気する圧縮気体の量が変動しても、サージング現象が前記ターボ圧縮機に生じにくい。
【００１１】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、一方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である放風弁を備える、のが好ましい。
上記本発明の構成により、放風弁が一方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通し他方の口から気体を放出するので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなり、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
【００１２】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、一方の口を前記ターボ圧縮機の吐出口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である放風弁を備える、のが好ましい。
上記本発明の構成により、放風弁が一方の口を前記ターボ圧縮機の吐出口に連通し他方の口から気体を放出するので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなるり、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
【００１３】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値を越えた際に、前記放風弁の開度を大きくする、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値を越えた際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値を下回った際に、前記放風弁の開度を大きくする、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値を下回った際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、一方の口から気体を受け入れ他方の口を前記ターボ圧縮機の吸入口に連通する開閉弁である吸入開閉弁を、備え、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様に前記吸入開閉弁の開度を制御する、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記吸入開閉弁が一方から気体を受け入れ他方の口をターボ圧縮機の吸入口に連通し、前記吸入開閉弁の開度を制御し、ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様にするので、需要側に所定の圧力範囲に収まった圧縮気体を送気できる。
【００１６】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、互いに噛み合ったブルギアとピニオンギアとを有するトルク伝達機構を、備え、前記原動機の駆動軸が前記ブルギアに連結し、前記膨張タービンのタービン出力軸が前記ピニオンギアに連結する、のが好ましい。
上記本発明の構成により、トルク伝達機構のブルギアとピニオンギアとが互いに噛み合い、前記原動機の駆動軸が前記ブルギアに連結し、前記膨張タービンのタービン出力軸が前記ピニオンギアに連結するので、ブルギアとピニオンギアのギア比率を適切に選定することで、前記原動機の定格回転数と前記膨張タービンの定格回転数の設定が容易になる。
【００１７】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機が低圧ターボ圧縮機と高圧ターボ圧縮機とを有し、前記膨張タービンの駆動軸と前記高圧ターボ圧縮機の駆動軸とが同一のピニオンギアに連結されている、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記ターボ圧縮機が低圧ターボ圧縮機と高圧ターボ圧縮機とを有し、前記膨張タービンの駆動軸と前記高圧ターボ圧縮機の駆動軸とが同一のピニオンギアに連結されている、ので、前記膨張タービンの定格回転数と前記高圧ターボ圧縮機の定格回転数を等しくなるように設計し、前記トルク伝達機構の構造を簡略化できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
本発明の実施形態に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧縮装置の配管系統図である。
【００２０】
圧縮装置１は、需要側へ圧縮気体を供給する装置であって、原動機２とトルク伝達機構３とターボ圧縮機７と膨張タービン８とクーラ９とレシーバタンク１０と吸入フィルタ１１とサイレンサ１２と吸入開閉弁１３と回生開閉弁１４と放風弁１５と逆止弁１６と圧力センサ１７と風量センサ１８と制御装置１９と送気配管２０と分岐配管２１とで構成される。
【００２１】
原動機２は、ターボ圧縮機７を回転駆動させるものであり、例えば、誘導式電動機である。誘導式電動機は、駆動電源の周波数により決まる回転数（例えば、３６００ｒｐｍ）で回転する。原動機２の駆動軸は、後述するトルク伝達機構３に連結する。
【００２２】
トルク伝達機構３は、原動機２の出力トルクと後述する膨張タービン８の出力トルクをターボ圧縮機７へ伝達する機構であり、一個のブルギア５と２個のピニオンギア４，６とを持つ。
２個のピニオンギア４，６とブルギア５とが互いに噛み合って回転する。
原動機２の駆動軸がブルギア５の回転軸に連結する。
２個のピニオンギア４，５は、低速ピニオンギア４と高速ピニオンギア６である。低速ピニオンギア４の回転数は高速ピニオンギア６の回転数より低い。例えば、低速ピニオンギア４の回転数は３００００ｒｐｍであり、高速ピニオンギア６の回転数は４５０００乃至６００００ｒｐｍである。
【００２３】
ターボ圧縮機７は、原動機２に駆動され圧縮気体を吐出するターボ式の圧縮機である。
ターボ圧縮機７は、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとで構成される。
第１段低圧ターボ圧縮機７ａの吸入口から気体を吸気し、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとが気体を順番に圧縮し、高圧ターボ圧縮機７ｃの吐出口から圧縮気体を吐出する。
第１段低圧ターボ圧縮機７ａの回転軸が低速ピニオンギア４の回転軸の一方の端部に連結し、第２段低圧ターボ圧縮機７ｂの回転軸が低速ピニオンギア４の回転軸の他方の端部に連結する。
高圧ターボ圧縮機７の回転軸が、高速ピニオンギア６の回転軸の一方の端部に連結する。
ターボ式の圧縮機は、サージング現象が発生することが知られている。サージング現象は、ターボ式の圧縮機をサージング限界風量より低い風量で運転した時に運転が不安定になる現象である。
サージング限界風量は、ターボ圧縮機の回転数と吐出圧力により定まる。回転数が一定である場合、吐出圧力が高くなるとサージング限界風量も大きくなる。
【００２４】
分岐配管２１は、すくなくとも一つの入口と２つの出口を持つ配管であり、入口をターボ圧縮機の吐出口に連通する。
分岐配管２１の入口が高圧ターボ圧縮機７ｃの吐出口に連通し、分岐配管２１の一つの出口が後述するアフタークーラ９ｂの入口に連通し、分岐配管２１の他の一つの出口が後述する回生開閉弁１４の入口に連通する。
【００２５】
膨張タービン８は、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張式のタービンである。膨張式のタービンは、圧縮気体を吸入口から吸い込み、膨張した圧縮気体を吐出口から吐出する。膨張タービン８の出力軸が、トルク伝達機構３の高速ピニオンギア６の回転軸に連結する。圧縮気体が膨張する際に仕事をして、出力が回転軸から取りだされる。
従って、膨張タービン８は、トルク伝達機構３を介してターボ圧縮機７を駆動する。
【００２６】
クーラ９は、圧縮気体を冷却する冷却器であり、インタークーラ９ａとアフタークーラ９ｂとで構成される。
インタークーラ９ａは、第１段低圧ターボ圧縮機７ａから吐出した圧縮気体を受け入れて、圧縮気体冷却した後、第２段低圧ターボ圧縮機７ｂへ送る。
アフタークーラ９ｂは、高圧ターボ圧縮機７ｃから吐出した圧縮気体を受け入れて、圧縮気体を冷却した後、レシーバタンク１０へ送る。
【００２７】
レシーバタンク１０は、圧縮気体を一時貯留した後、圧縮気体を需要側へ送る容器である。
レシーバタンク１０の入口が、アフタークーラ９ｂの出口と連通する。
レシーバタンク１０の出口が、送気配管２０と連通する。
圧縮気体がレシーバタンク１０で一時貯留するので、需要側へ送られる圧縮気体の圧力が安定する。仮に、圧縮装置が一時的に圧縮気体の吐出を停止しても、安定的に圧縮気体を需要側へ送ることが出来る。
【００２８】
吸入フィルタ１１は、圧縮装置１が取り込む気体をフィルタリングする装置である。例えば気体が空気であれば、吸入フィルタ１１の入口が大気に開放され、吸入フィルタ１１の出口が吸入開閉弁１３の入口に連通する。
【００２９】
サイレンサ１２は、放風した圧縮気体を膨張させる際に消音する装置である。サイレンサ１２の入口が膨張タービン８の吐出口に連通し、後述する放風弁１５の出口に連通する。
【００３０】
吸入開閉弁１３は、一方の口から気体を受け入れ他方の口をターボ圧縮機の吸入口に連通する開閉弁である。開閉弁は、電気信号を受けると、その電気信号に対応して開口を開き、気体を通過させる。吸入開閉弁１３は、ターボ圧縮機７へ吸気する気体の風量を調整する。吸入開閉弁の１３の入口が吸入フィルタ１１の出口に連通し、吸入開閉弁１３の出口が第１段低圧ターボ圧縮機７ａの吸入口に連通する。
吸入開閉弁１３の開度を制御して、ターボ圧縮機７の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様にするのが好ましい。
【００３１】
回生開閉弁１４は、一方の口を分岐配管２１の他の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通する開閉弁である。開閉弁は、電気信号を受けると、その電気信号に対応して開口を開き、圧縮気体を通過させる。
回生開閉弁１４の開度を制御して、ターボ圧縮機７の吐出風量がターボ圧縮機７のサージング現象をおこす上限の風量であるサージング限界風量を下回らない様にするのが好ましい。
【００３２】
放風弁１５は、一方の口を膨張タービン８の吸入口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である。例えば、開閉弁はオン信号を受けると全開し、オフ信号をうけると全閉する。
放風弁１５が、一方の口を回生開閉弁１４と膨張タービン８の吸入口を連通する配管から枝分かれした配管に連通し、他方の口をサイレンサ１２の入口に連通する。
ターボ圧縮機７の吐出圧力が所定の値を越えた際に、放風弁１５の開度を大きくするのが好ましい。例えば、放風弁１５は定常時に全閉し、ターボ圧縮機７の吐出圧力が所定の値を越えた際に全開する。この場合の所定の値は、サージング現象がターボ圧縮機７に生ずる吐出圧力からマージンを差し引いた値であるのが好ましい。
または、ターボ圧縮機７の吐出風量が所定の値を下回った際に、放風弁１５の開度を大きくするのが好ましい。例えば、放風弁１５は定常時に全閉し、ターボ圧縮機７の吐出風量が所定の値を下回った際に全開する。この場合の所定の値は、サージング現象がターボ圧縮機７に生ずる吐出風量にマージンを加えた値であるのが好ましい。
【００３３】
逆止弁１６は、圧縮気体の逆方向への送気を防止する弁である。逆止弁１６の入口はアフタークーラ９ｂの入口に連通し、逆止弁１６の出口はレシーバタンク１０の入口に連通する。
従って、圧縮装置１が非常停止し吐出圧力が下がっても、圧縮装置１へ気体が逆送される恐れがない。
【００３４】
圧力センサ１７は、ターボ圧縮機７の吐出圧力を検出し、圧力信号を制御装置１９へ送るセンサである。
例えば、圧力センサ１７は、逆止弁１６とレシーバタンク１０とを連通する配管の途中に設けられる。
【００３５】
風量センサ１８は、ターボ圧縮機７の吐出風量を検出し、風量信号を制御装置１９へ送るセンサである。
例えば、風量センサ１８は、高圧ターボ圧縮機７ｃの吐出口と分岐配管２１の入口とを連通する配管の途中に設けられる。
【００３６】
制御装置１９は、圧縮装置１を制御する装置である。
制御装置１９は、圧力センサ１７からの圧力信号と、風量センサ１８からの風量信号とを入力し、所定の手続きに従って、吸入開閉弁１３と回生開閉弁１４と放風弁１５とを制御する。
【００３７】
送気配管２０は、圧縮装置の供給する圧縮気体を需要側へ送気する配管である。送気配管２０の一方の端部がレシーバタンク１０の出口に連通し、送気配管２０の他方の端部が需要側の受け入れ口に連通する。
【００３８】
次に、本発明の実施形態に係る圧縮装置の作用をを説明する。図２は、本発明の実施形態に係る圧縮装置の風量−圧力グラフ図である。図３は、本発明の実施形態に係る需要側への送気量−動力グラフ図である。
【００３９】
原動機２が回転すると、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとが回転する。
気体が、吸入フィルタ１１から吸い込まれ、吸入開閉弁１３を通って第１段低圧ターボ圧縮機７ａの吸入口へ入る。気体は、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとを順に通って、圧縮される。圧縮されたために昇温した圧縮空気は、インタークーラ９ａで冷却される。
高圧ターボ圧縮器７ｃを出た圧縮気体は、分岐配管２１により分岐される。
圧縮気体の一部は、回生開閉弁１４を通って、膨張タービン８へ入る。膨張タービン８は、圧縮気体により回転し、トルク伝達機構３を介して、ターボ圧縮機７を回転させる。膨張タービン８を出た圧縮気体は、サイレンサ１２を経て、大気へ捨てられる。
圧縮気体の残りは、アフタークーラ９ｂを経て、レシーバタンク１０へ入る。圧縮気体は、需要要求に応じて、送気配管２０を経て、需要側へ送られる。
【００４０】
制御装置１９は、圧力信号と風量信号とを入力し、圧縮装置を低圧制御または非サージ制御する。以下に、低圧制御と非サージ制御とに分けて制御を説明する。
（定圧制御）
定圧制御の目的は、需要側の消費気体量の変動にあわせてターボ圧縮機の吐出風量を制御し、常にターボ圧縮機の吐出圧力を一定の値に保ち、ターボ圧縮機を安定して運転することである。
図２では、ａ領域が圧縮装置の起動時の状態を示し、ｂ領域が需要側の消費気体量が定格風量よりも大きい場合の状態を示し、ｃ領域が定圧制御している状態を示す。
制御装置１９は、圧力信号が予めセットされた設定圧力になるように、吸入開閉弁１３の開度を調整し、ターボ圧縮機７の吐出風量を増減させる。設定圧力は、ターボ圧縮機の仕様圧力またはこれ以下の希望使用圧力である。
需要側の消費気体量が減少すると、ターボ圧縮機の特性曲線に応じて吐出圧力が上昇する。制御装置１９は、この吐出圧力の上昇を検知し、吐出圧力が設定圧力になるように吸入開閉弁１３の開度を小さくする。ターボ圧縮機の吐出風量が減少し、吐出圧力が設定圧力になる。
【００４１】
（非サージ制御）
非サージ制御の目的は、需要側での消費気体量が減少して、ターボ圧縮機の運転点がサージング領域に近づいた時に、吐出風量の一部を回生開閉弁１４を介して膨張タービン８へ送り、ターボ圧縮機の吐出風量を一定以上に維持してターボ圧縮機のサージング現象の発生を防止することである。
図２では、減量限界点が非サージ制御をしている状態を示している。サージラインは、ターボ圧縮機の理論上のサージング現象をおこす境界である。サージコントロールは、サージラインにマージンを付加した制御用の設定ラインである。
制御装置１９は、風量信号が予めセットされた設定風量以下にならないように、回生開閉弁１４の開度を調整し、ターボ圧縮機７の吐出風量が所定の設定風量以下にならないようにする。
非サージ制御の設定風量は、ターボ圧縮機７のサージングラインでの風量にマージンを加えた風量とする。
【００４２】
需要側の気体消費量が設定風量以上の時は、回生開閉弁１４は全閉になっている。
需要側の気体消費量が減少し、風量信号が設定風量以下になると、制御装置１９からの信号により、回生開閉弁１４が開き、ターボ圧縮機７の吐出風量の一部を膨張タービン８へ送り、ターボ圧縮機の吐出風量を一定以上に維持してサージング現象の発生を防止する。
膨張タービン８は、圧縮気体により回転し、トルク伝達機構３を介してターボ圧縮機７を回転するので、原動機２の消費動力が減る。
図３では、減量限界点より左側の実線が原動機の消費動力を示す。比較のために、減量限界点より左側の二点破線が回生開閉弁と膨張タービンがない場合の原動機の消費動力を示す。
従って、ターボ圧縮機７の吐出風量の内で需要側で消費しない風量からエネルギーを回生できる。
【００４３】
さらに、例えば需要側が緊急停止等をして、需要側の気体消費量が激減すると、ターボ圧縮機の吐出風量が減少して、ターボ圧縮機の吐出圧力が上昇して、サージ限界に近づく。
制御装置１９は、圧力信号が所定の値を越えたか、風量信号が所定の値を下回った際に、放風弁１５を開く。
ターボ圧縮機７の吐出した圧縮気体は、放風弁１５を経由してサイレンサ１２へ送られ、ターボ圧縮機７の吐出風量が一定以上に保たれて、サージング現象がターボ圧縮機７に生ずるのを防止する。
需要側の気体消費量が回復すると、放風弁１５を閉じて、通常の非サージ制御に戻る。
【００４４】
発明者らの試算によれば、減量限界点での風量が定格風量の６０％である圧縮装置において、需要側へ送気している風量が定格風量の３０％である時に回生動力が圧縮装置の定格動力の約１５％となる。従って、本発明の構成により大きな省エネルギー効果が期待できる。
【００４５】
上述の実施形態の圧縮装置を用いれば、以下の効果を発揮できる。
原動機に駆動されるターボ圧縮機に膨張タービンを連結し、ターボ圧縮機の吐出する圧縮気体を分岐して、一部を膨張タービンに導入する様にしたので、吐出圧力のエネルギーを回収できる。また、需要側の圧縮気体の消費量が変動しても、ターボ圧縮機の吐出圧力が変動しにくくなり、ターボ圧縮機にサージング現象が生じにくくなる。
また、回生開閉弁を分岐配管と膨張タービンの吸入口とを連通する配管の途中に設けたので、膨張タービンへ送る圧縮空気の量を調整でき、さらに、ターボ圧縮機にサージング現象が生じにくくなる。
また、回生開閉弁の開度を吐出風量に応じて調整し、吐出風量が所定の値を下回らない様にしたので、ターボ圧縮機にサージング現象が生じるのを抑制できる。
また、膨張タービンの吸入口に連通する放風弁を設けたので、需要側の圧縮気体の消費が激減等した際に、放風弁を開くことで、サージング現象を生ずるのを防止できる。
また、ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値以上になると放風弁を開くので、確実にサージング現象を生ずるのを防止できる。
また、ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値以下になると放風弁を開くので、確実にサージング現象を生ずるのを防止できる。
また、吸入開閉弁によりターボ圧縮機に入る気体の量を調製し、ターボ圧縮機の吐出圧力を制御して吐出圧力を所定の値に維持でき、吸入開閉弁がターボ圧縮機の吐出風量を所定の値に維持するので、需要側の圧縮気体の消費量が減量限界点の風量を下回ってもに、吸入開閉弁による圧力制御と回生開閉弁の風量制御により、需要側へ安定して圧縮気体を供給できる。
また、原動機が誘導電動機であるので、トルク伝達機構に連結したターボ圧縮機と膨張タービンの回転数を簡単に一定値に安定させることができる。
また、ブルギアと２個のピニオンギアとを組み合わせたトルク伝達機構を設け、原動機でブルギアを駆動し、２つの低圧ターボ圧縮機を１つのピニオンギアに連結し、高圧ターボ圧縮機と膨張タービンとを他の一つのピニオンギアに連結したので、構造が簡単で、定格回転数を選定しやすく、無理のないトルク伝達機構を実現できる。
【００４６】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
膨張タービンをトルク伝達機構のピニオンギアに連結したがこれに限定されず、原動機の駆動軸に別個のトルク伝達機構で連結してもよい。このようにすると、膨張タービンの定格回転数をより自由に設定できる。
また、放風弁を膨張タービンの吸入口に連通する様に設けたがこれに限定されず、例えば、放風弁をターボ圧縮機の吐出口に連通してもよい。
また、回生開閉弁をターボ圧縮機の吐出口と膨張タービンの吸入口とを連通する配管の途中に設けたがこれに限定されず、例えば、ターボ圧縮機の吐出口と膨張タービンの吸入口とを配管で連通し、その配管の途中にしぼりやオリフィスを設けてもよい。絞りの形状やオリフィスの寸法を適正に選定することで、上述したのと同様の効果を得ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置は、その構成により、以下の効果を有する。
ターボ圧縮機の吐出口に分岐配管を設け、圧縮空気の一部を膨張タービンの吸入口に導入し、膨張タービンでターボ圧縮機を駆動する様にしたので、ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体を需要側へ送気しつつ、ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の一部を膨張タービンの吸入口に送り、その膨張タービンがターボ圧縮機を駆動して原動機の動力を補うことができる。
分岐配管と膨張タービンの吸入口の間に回生開閉弁を設け、膨張タービンでターボ圧縮機を駆動する様にしたので、ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体を需要側へ送気しつつ、ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の一部を前記回生開閉弁を経由して膨張タービンの吸入口に送り、その膨張タービンがターボ圧縮機を駆動して原動機の動力を補うことができる。
また、前記ターボ圧縮機の吐出風量が前記ターボ圧縮機のサージング現象をおこす上限風量であるサージング限界風量を下回らない様にするので、需要側へ送気する圧縮気体の量が変動しても、サージング現象が前記ターボ圧縮機に生じにくい。
また、前記膨張タービンの吸入口に気体を放出する放風弁を設けたので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなり、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
また、ターボ圧縮機の吐出口に気体を放出する放風弁を設けたので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなるので、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
また、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値を越えた際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
また、前記ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値を下回った際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
また、ターボ圧縮機の吸入口に気体を入れる吸入開閉弁を設け、吸入開閉弁の開度を制御し、ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様にするので、需要側に所定の圧力範囲に収まった圧縮気体を送気できる。
また、原動機が連結する前記ブルギアと膨張タービンが連結する前記ピニオンギアを持ったトルク伝達機構を設けたので、ブルギアとピニオンギアのギア比率を適切に選定することで、原動機の定格回転数と膨張タービンの定格回転数を設定できる。
また、前記膨張タービンの駆動軸と前記高圧ターボ圧縮機の駆動軸とが同一のピニオンギアに連結されているので、膨張タービンの定格回転数と高圧ターボ圧縮機の定格回転数を等しくなるように設計し、トルク伝達機構の構造を簡略化できる。
従って、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより省エネルギーにすることのできる手段を提供できる。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧縮装置の配管系統図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧縮装置の風量−圧力グラフ図である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧縮装置の送気量−動力グラフ図である。
【符号の説明】
１ 圧縮装置
２ 原動機
３ トルク伝達機構
４ 低速ピニオンギア
５ ブルギア
６ 高速ピニオンギア
７ ターボ圧縮機
７ａ 第１段低圧ターボ圧縮機
７ｂ 第２段低圧ターボ圧縮機
７ｃ 高圧ターボ圧縮機
８ 膨張タービン
９ クーラ
９ａ インタークーラ
９ｂ アフタークーラ
１０ レシーバタンク
１１ 吸入フィルタ
１２ サイレンサ
１３ 吸入開閉弁
１４ 回生開閉弁
１５ 放風弁
１６ 逆止弁
１７ 圧力センサ
１８ 風量センサ
１９ 制御装置
２０ 送気配管
２１ 分岐配管
【発明の属する技術分野】
本発明は、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置に係る。特に圧縮のための機器の配置に特徴のある圧縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラント等では、圧縮気体（例えば、圧縮空気）が多く使用されるので、圧縮気体を供給する圧縮装置が備えられる。
プラント等での圧縮気体の使用量は、プラントの稼働状況に応じて変動する。圧縮気体の需要が圧縮装置の定格風量よりも下回った際にも、圧縮装置を安定して運転することが求められる。
圧縮装置の形式の中に、多段のターボ圧縮機を利用したものがある。ターボ圧縮機を所定の風量（サージング限界風量という。）以下で使用すると、ターボ圧縮機の回転が不安定になる現象（サージング現象という。）が発生することが知られている。
そこで、ターボ圧縮機を使用した圧縮装置では、圧縮気体の需要が下がった際に余剰の空気を大気に放風して、ターボ圧縮機の吐出する風量をサージング限界風量より下回らない様にしている。
すなわち、需要側の需要風量が圧縮装置の定格風量より大きく下回った際にも、圧縮装置が一定以上の動力を消費してしまうという不具合があった。
【０００３】
【特許文献１】
実公平１−２１１９４号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０４６９８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように需要側の需要風量が圧縮装置の定格風量より大きく下回った際に、圧縮装置の動力を下げて今以上に省エネルギーにしたいという要請があった。
【０００５】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより省エネルギーにすることのできる手段を提供しようとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を、原動機と、前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、を備え、前記分岐配管の一つの出口と前記膨張タービンの吸入口とを連通し、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、ものとした。
【０００７】
上記本発明の構成により、前記原動機がターボ圧縮機を駆動して、前記ターボ圧縮機が圧縮気体を吐出し、膨張タービンが前記ターボ圧縮機を駆動し、分岐配管が少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有し、前記分岐配管の一つの出口と前記膨張タービンの吸入口とを連通し、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通するので、前記ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体の一部を需要側へ送気しつつ、前記ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の他の一部を前記膨張タービンの吸入口に送り、前記膨張タービンが前記ターボ圧縮機を駆動して前記原動機の動力を補うことができる。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を、原動機と、前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、一方の口を前記分岐配管の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通する開閉弁である回生開閉弁と、を備え、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、ものとした。
【０００９】
上記本発明の構成により、前記原動機がターボ圧縮機を駆動して、前記ターボ圧縮機が圧縮気体を吐出し、膨張タービンが前記ターボ圧縮機を駆動し、分岐配管が少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有し、回生開閉弁が一方の口を前記分岐配管の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通し、前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通するので、ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体の一部を需要側へ送気しつつ、ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の他の一部を前記回生開閉弁を経由して膨張タービンの吸入口に送り、その膨張タービンがターボ圧縮機を駆動して原動機の動力を補うことができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機の吐出風量が前記ターボ圧縮機のサージング現象をおこす上限の風量であるサージング限界風量を下回らない様に前記回生開閉弁の開度を制御する、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記回生開閉弁の開度を制御して、前記ターボ圧縮機の吐出風量が前記ターボ圧縮機のサージング現象をおこす上限の風量であるサージング限界風量を下回らない様にするので、需要側へ送気する圧縮気体の量が変動しても、サージング現象が前記ターボ圧縮機に生じにくい。
【００１１】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、一方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である放風弁を備える、のが好ましい。
上記本発明の構成により、放風弁が一方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通し他方の口から気体を放出するので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなり、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
【００１２】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、一方の口を前記ターボ圧縮機の吐出口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である放風弁を備える、のが好ましい。
上記本発明の構成により、放風弁が一方の口を前記ターボ圧縮機の吐出口に連通し他方の口から気体を放出するので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなるり、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
【００１３】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値を越えた際に、前記放風弁の開度を大きくする、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値を越えた際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値を下回った際に、前記放風弁の開度を大きくする、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値を下回った際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、一方の口から気体を受け入れ他方の口を前記ターボ圧縮機の吸入口に連通する開閉弁である吸入開閉弁を、備え、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様に前記吸入開閉弁の開度を制御する、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記吸入開閉弁が一方から気体を受け入れ他方の口をターボ圧縮機の吸入口に連通し、前記吸入開閉弁の開度を制御し、ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様にするので、需要側に所定の圧力範囲に収まった圧縮気体を送気できる。
【００１６】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、互いに噛み合ったブルギアとピニオンギアとを有するトルク伝達機構を、備え、前記原動機の駆動軸が前記ブルギアに連結し、前記膨張タービンのタービン出力軸が前記ピニオンギアに連結する、のが好ましい。
上記本発明の構成により、トルク伝達機構のブルギアとピニオンギアとが互いに噛み合い、前記原動機の駆動軸が前記ブルギアに連結し、前記膨張タービンのタービン出力軸が前記ピニオンギアに連結するので、ブルギアとピニオンギアのギア比率を適切に選定することで、前記原動機の定格回転数と前記膨張タービンの定格回転数の設定が容易になる。
【００１７】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、前記ターボ圧縮機が低圧ターボ圧縮機と高圧ターボ圧縮機とを有し、前記膨張タービンの駆動軸と前記高圧ターボ圧縮機の駆動軸とが同一のピニオンギアに連結されている、のが好ましい。
上記本発明の構成により、前記ターボ圧縮機が低圧ターボ圧縮機と高圧ターボ圧縮機とを有し、前記膨張タービンの駆動軸と前記高圧ターボ圧縮機の駆動軸とが同一のピニオンギアに連結されている、ので、前記膨張タービンの定格回転数と前記高圧ターボ圧縮機の定格回転数を等しくなるように設計し、前記トルク伝達機構の構造を簡略化できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
本発明の実施形態に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧縮装置の配管系統図である。
【００２０】
圧縮装置１は、需要側へ圧縮気体を供給する装置であって、原動機２とトルク伝達機構３とターボ圧縮機７と膨張タービン８とクーラ９とレシーバタンク１０と吸入フィルタ１１とサイレンサ１２と吸入開閉弁１３と回生開閉弁１４と放風弁１５と逆止弁１６と圧力センサ１７と風量センサ１８と制御装置１９と送気配管２０と分岐配管２１とで構成される。
【００２１】
原動機２は、ターボ圧縮機７を回転駆動させるものであり、例えば、誘導式電動機である。誘導式電動機は、駆動電源の周波数により決まる回転数（例えば、３６００ｒｐｍ）で回転する。原動機２の駆動軸は、後述するトルク伝達機構３に連結する。
【００２２】
トルク伝達機構３は、原動機２の出力トルクと後述する膨張タービン８の出力トルクをターボ圧縮機７へ伝達する機構であり、一個のブルギア５と２個のピニオンギア４，６とを持つ。
２個のピニオンギア４，６とブルギア５とが互いに噛み合って回転する。
原動機２の駆動軸がブルギア５の回転軸に連結する。
２個のピニオンギア４，５は、低速ピニオンギア４と高速ピニオンギア６である。低速ピニオンギア４の回転数は高速ピニオンギア６の回転数より低い。例えば、低速ピニオンギア４の回転数は３００００ｒｐｍであり、高速ピニオンギア６の回転数は４５０００乃至６００００ｒｐｍである。
【００２３】
ターボ圧縮機７は、原動機２に駆動され圧縮気体を吐出するターボ式の圧縮機である。
ターボ圧縮機７は、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとで構成される。
第１段低圧ターボ圧縮機７ａの吸入口から気体を吸気し、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとが気体を順番に圧縮し、高圧ターボ圧縮機７ｃの吐出口から圧縮気体を吐出する。
第１段低圧ターボ圧縮機７ａの回転軸が低速ピニオンギア４の回転軸の一方の端部に連結し、第２段低圧ターボ圧縮機７ｂの回転軸が低速ピニオンギア４の回転軸の他方の端部に連結する。
高圧ターボ圧縮機７の回転軸が、高速ピニオンギア６の回転軸の一方の端部に連結する。
ターボ式の圧縮機は、サージング現象が発生することが知られている。サージング現象は、ターボ式の圧縮機をサージング限界風量より低い風量で運転した時に運転が不安定になる現象である。
サージング限界風量は、ターボ圧縮機の回転数と吐出圧力により定まる。回転数が一定である場合、吐出圧力が高くなるとサージング限界風量も大きくなる。
【００２４】
分岐配管２１は、すくなくとも一つの入口と２つの出口を持つ配管であり、入口をターボ圧縮機の吐出口に連通する。
分岐配管２１の入口が高圧ターボ圧縮機７ｃの吐出口に連通し、分岐配管２１の一つの出口が後述するアフタークーラ９ｂの入口に連通し、分岐配管２１の他の一つの出口が後述する回生開閉弁１４の入口に連通する。
【００２５】
膨張タービン８は、前記ターボ圧縮機を駆動する膨張式のタービンである。膨張式のタービンは、圧縮気体を吸入口から吸い込み、膨張した圧縮気体を吐出口から吐出する。膨張タービン８の出力軸が、トルク伝達機構３の高速ピニオンギア６の回転軸に連結する。圧縮気体が膨張する際に仕事をして、出力が回転軸から取りだされる。
従って、膨張タービン８は、トルク伝達機構３を介してターボ圧縮機７を駆動する。
【００２６】
クーラ９は、圧縮気体を冷却する冷却器であり、インタークーラ９ａとアフタークーラ９ｂとで構成される。
インタークーラ９ａは、第１段低圧ターボ圧縮機７ａから吐出した圧縮気体を受け入れて、圧縮気体冷却した後、第２段低圧ターボ圧縮機７ｂへ送る。
アフタークーラ９ｂは、高圧ターボ圧縮機７ｃから吐出した圧縮気体を受け入れて、圧縮気体を冷却した後、レシーバタンク１０へ送る。
【００２７】
レシーバタンク１０は、圧縮気体を一時貯留した後、圧縮気体を需要側へ送る容器である。
レシーバタンク１０の入口が、アフタークーラ９ｂの出口と連通する。
レシーバタンク１０の出口が、送気配管２０と連通する。
圧縮気体がレシーバタンク１０で一時貯留するので、需要側へ送られる圧縮気体の圧力が安定する。仮に、圧縮装置が一時的に圧縮気体の吐出を停止しても、安定的に圧縮気体を需要側へ送ることが出来る。
【００２８】
吸入フィルタ１１は、圧縮装置１が取り込む気体をフィルタリングする装置である。例えば気体が空気であれば、吸入フィルタ１１の入口が大気に開放され、吸入フィルタ１１の出口が吸入開閉弁１３の入口に連通する。
【００２９】
サイレンサ１２は、放風した圧縮気体を膨張させる際に消音する装置である。サイレンサ１２の入口が膨張タービン８の吐出口に連通し、後述する放風弁１５の出口に連通する。
【００３０】
吸入開閉弁１３は、一方の口から気体を受け入れ他方の口をターボ圧縮機の吸入口に連通する開閉弁である。開閉弁は、電気信号を受けると、その電気信号に対応して開口を開き、気体を通過させる。吸入開閉弁１３は、ターボ圧縮機７へ吸気する気体の風量を調整する。吸入開閉弁の１３の入口が吸入フィルタ１１の出口に連通し、吸入開閉弁１３の出口が第１段低圧ターボ圧縮機７ａの吸入口に連通する。
吸入開閉弁１３の開度を制御して、ターボ圧縮機７の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様にするのが好ましい。
【００３１】
回生開閉弁１４は、一方の口を分岐配管２１の他の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通する開閉弁である。開閉弁は、電気信号を受けると、その電気信号に対応して開口を開き、圧縮気体を通過させる。
回生開閉弁１４の開度を制御して、ターボ圧縮機７の吐出風量がターボ圧縮機７のサージング現象をおこす上限の風量であるサージング限界風量を下回らない様にするのが好ましい。
【００３２】
放風弁１５は、一方の口を膨張タービン８の吸入口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である。例えば、開閉弁はオン信号を受けると全開し、オフ信号をうけると全閉する。
放風弁１５が、一方の口を回生開閉弁１４と膨張タービン８の吸入口を連通する配管から枝分かれした配管に連通し、他方の口をサイレンサ１２の入口に連通する。
ターボ圧縮機７の吐出圧力が所定の値を越えた際に、放風弁１５の開度を大きくするのが好ましい。例えば、放風弁１５は定常時に全閉し、ターボ圧縮機７の吐出圧力が所定の値を越えた際に全開する。この場合の所定の値は、サージング現象がターボ圧縮機７に生ずる吐出圧力からマージンを差し引いた値であるのが好ましい。
または、ターボ圧縮機７の吐出風量が所定の値を下回った際に、放風弁１５の開度を大きくするのが好ましい。例えば、放風弁１５は定常時に全閉し、ターボ圧縮機７の吐出風量が所定の値を下回った際に全開する。この場合の所定の値は、サージング現象がターボ圧縮機７に生ずる吐出風量にマージンを加えた値であるのが好ましい。
【００３３】
逆止弁１６は、圧縮気体の逆方向への送気を防止する弁である。逆止弁１６の入口はアフタークーラ９ｂの入口に連通し、逆止弁１６の出口はレシーバタンク１０の入口に連通する。
従って、圧縮装置１が非常停止し吐出圧力が下がっても、圧縮装置１へ気体が逆送される恐れがない。
【００３４】
圧力センサ１７は、ターボ圧縮機７の吐出圧力を検出し、圧力信号を制御装置１９へ送るセンサである。
例えば、圧力センサ１７は、逆止弁１６とレシーバタンク１０とを連通する配管の途中に設けられる。
【００３５】
風量センサ１８は、ターボ圧縮機７の吐出風量を検出し、風量信号を制御装置１９へ送るセンサである。
例えば、風量センサ１８は、高圧ターボ圧縮機７ｃの吐出口と分岐配管２１の入口とを連通する配管の途中に設けられる。
【００３６】
制御装置１９は、圧縮装置１を制御する装置である。
制御装置１９は、圧力センサ１７からの圧力信号と、風量センサ１８からの風量信号とを入力し、所定の手続きに従って、吸入開閉弁１３と回生開閉弁１４と放風弁１５とを制御する。
【００３７】
送気配管２０は、圧縮装置の供給する圧縮気体を需要側へ送気する配管である。送気配管２０の一方の端部がレシーバタンク１０の出口に連通し、送気配管２０の他方の端部が需要側の受け入れ口に連通する。
【００３８】
次に、本発明の実施形態に係る圧縮装置の作用をを説明する。図２は、本発明の実施形態に係る圧縮装置の風量−圧力グラフ図である。図３は、本発明の実施形態に係る需要側への送気量−動力グラフ図である。
【００３９】
原動機２が回転すると、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとが回転する。
気体が、吸入フィルタ１１から吸い込まれ、吸入開閉弁１３を通って第１段低圧ターボ圧縮機７ａの吸入口へ入る。気体は、第１段低圧ターボ圧縮機７ａと第２段低圧ターボ圧縮機７ｂと高圧ターボ圧縮機７ｃとを順に通って、圧縮される。圧縮されたために昇温した圧縮空気は、インタークーラ９ａで冷却される。
高圧ターボ圧縮器７ｃを出た圧縮気体は、分岐配管２１により分岐される。
圧縮気体の一部は、回生開閉弁１４を通って、膨張タービン８へ入る。膨張タービン８は、圧縮気体により回転し、トルク伝達機構３を介して、ターボ圧縮機７を回転させる。膨張タービン８を出た圧縮気体は、サイレンサ１２を経て、大気へ捨てられる。
圧縮気体の残りは、アフタークーラ９ｂを経て、レシーバタンク１０へ入る。圧縮気体は、需要要求に応じて、送気配管２０を経て、需要側へ送られる。
【００４０】
制御装置１９は、圧力信号と風量信号とを入力し、圧縮装置を低圧制御または非サージ制御する。以下に、低圧制御と非サージ制御とに分けて制御を説明する。
（定圧制御）
定圧制御の目的は、需要側の消費気体量の変動にあわせてターボ圧縮機の吐出風量を制御し、常にターボ圧縮機の吐出圧力を一定の値に保ち、ターボ圧縮機を安定して運転することである。
図２では、ａ領域が圧縮装置の起動時の状態を示し、ｂ領域が需要側の消費気体量が定格風量よりも大きい場合の状態を示し、ｃ領域が定圧制御している状態を示す。
制御装置１９は、圧力信号が予めセットされた設定圧力になるように、吸入開閉弁１３の開度を調整し、ターボ圧縮機７の吐出風量を増減させる。設定圧力は、ターボ圧縮機の仕様圧力またはこれ以下の希望使用圧力である。
需要側の消費気体量が減少すると、ターボ圧縮機の特性曲線に応じて吐出圧力が上昇する。制御装置１９は、この吐出圧力の上昇を検知し、吐出圧力が設定圧力になるように吸入開閉弁１３の開度を小さくする。ターボ圧縮機の吐出風量が減少し、吐出圧力が設定圧力になる。
【００４１】
（非サージ制御）
非サージ制御の目的は、需要側での消費気体量が減少して、ターボ圧縮機の運転点がサージング領域に近づいた時に、吐出風量の一部を回生開閉弁１４を介して膨張タービン８へ送り、ターボ圧縮機の吐出風量を一定以上に維持してターボ圧縮機のサージング現象の発生を防止することである。
図２では、減量限界点が非サージ制御をしている状態を示している。サージラインは、ターボ圧縮機の理論上のサージング現象をおこす境界である。サージコントロールは、サージラインにマージンを付加した制御用の設定ラインである。
制御装置１９は、風量信号が予めセットされた設定風量以下にならないように、回生開閉弁１４の開度を調整し、ターボ圧縮機７の吐出風量が所定の設定風量以下にならないようにする。
非サージ制御の設定風量は、ターボ圧縮機７のサージングラインでの風量にマージンを加えた風量とする。
【００４２】
需要側の気体消費量が設定風量以上の時は、回生開閉弁１４は全閉になっている。
需要側の気体消費量が減少し、風量信号が設定風量以下になると、制御装置１９からの信号により、回生開閉弁１４が開き、ターボ圧縮機７の吐出風量の一部を膨張タービン８へ送り、ターボ圧縮機の吐出風量を一定以上に維持してサージング現象の発生を防止する。
膨張タービン８は、圧縮気体により回転し、トルク伝達機構３を介してターボ圧縮機７を回転するので、原動機２の消費動力が減る。
図３では、減量限界点より左側の実線が原動機の消費動力を示す。比較のために、減量限界点より左側の二点破線が回生開閉弁と膨張タービンがない場合の原動機の消費動力を示す。
従って、ターボ圧縮機７の吐出風量の内で需要側で消費しない風量からエネルギーを回生できる。
【００４３】
さらに、例えば需要側が緊急停止等をして、需要側の気体消費量が激減すると、ターボ圧縮機の吐出風量が減少して、ターボ圧縮機の吐出圧力が上昇して、サージ限界に近づく。
制御装置１９は、圧力信号が所定の値を越えたか、風量信号が所定の値を下回った際に、放風弁１５を開く。
ターボ圧縮機７の吐出した圧縮気体は、放風弁１５を経由してサイレンサ１２へ送られ、ターボ圧縮機７の吐出風量が一定以上に保たれて、サージング現象がターボ圧縮機７に生ずるのを防止する。
需要側の気体消費量が回復すると、放風弁１５を閉じて、通常の非サージ制御に戻る。
【００４４】
発明者らの試算によれば、減量限界点での風量が定格風量の６０％である圧縮装置において、需要側へ送気している風量が定格風量の３０％である時に回生動力が圧縮装置の定格動力の約１５％となる。従って、本発明の構成により大きな省エネルギー効果が期待できる。
【００４５】
上述の実施形態の圧縮装置を用いれば、以下の効果を発揮できる。
原動機に駆動されるターボ圧縮機に膨張タービンを連結し、ターボ圧縮機の吐出する圧縮気体を分岐して、一部を膨張タービンに導入する様にしたので、吐出圧力のエネルギーを回収できる。また、需要側の圧縮気体の消費量が変動しても、ターボ圧縮機の吐出圧力が変動しにくくなり、ターボ圧縮機にサージング現象が生じにくくなる。
また、回生開閉弁を分岐配管と膨張タービンの吸入口とを連通する配管の途中に設けたので、膨張タービンへ送る圧縮空気の量を調整でき、さらに、ターボ圧縮機にサージング現象が生じにくくなる。
また、回生開閉弁の開度を吐出風量に応じて調整し、吐出風量が所定の値を下回らない様にしたので、ターボ圧縮機にサージング現象が生じるのを抑制できる。
また、膨張タービンの吸入口に連通する放風弁を設けたので、需要側の圧縮気体の消費が激減等した際に、放風弁を開くことで、サージング現象を生ずるのを防止できる。
また、ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値以上になると放風弁を開くので、確実にサージング現象を生ずるのを防止できる。
また、ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値以下になると放風弁を開くので、確実にサージング現象を生ずるのを防止できる。
また、吸入開閉弁によりターボ圧縮機に入る気体の量を調製し、ターボ圧縮機の吐出圧力を制御して吐出圧力を所定の値に維持でき、吸入開閉弁がターボ圧縮機の吐出風量を所定の値に維持するので、需要側の圧縮気体の消費量が減量限界点の風量を下回ってもに、吸入開閉弁による圧力制御と回生開閉弁の風量制御により、需要側へ安定して圧縮気体を供給できる。
また、原動機が誘導電動機であるので、トルク伝達機構に連結したターボ圧縮機と膨張タービンの回転数を簡単に一定値に安定させることができる。
また、ブルギアと２個のピニオンギアとを組み合わせたトルク伝達機構を設け、原動機でブルギアを駆動し、２つの低圧ターボ圧縮機を１つのピニオンギアに連結し、高圧ターボ圧縮機と膨張タービンとを他の一つのピニオンギアに連結したので、構造が簡単で、定格回転数を選定しやすく、無理のないトルク伝達機構を実現できる。
【００４６】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
膨張タービンをトルク伝達機構のピニオンギアに連結したがこれに限定されず、原動機の駆動軸に別個のトルク伝達機構で連結してもよい。このようにすると、膨張タービンの定格回転数をより自由に設定できる。
また、放風弁を膨張タービンの吸入口に連通する様に設けたがこれに限定されず、例えば、放風弁をターボ圧縮機の吐出口に連通してもよい。
また、回生開閉弁をターボ圧縮機の吐出口と膨張タービンの吸入口とを連通する配管の途中に設けたがこれに限定されず、例えば、ターボ圧縮機の吐出口と膨張タービンの吸入口とを配管で連通し、その配管の途中にしぼりやオリフィスを設けてもよい。絞りの形状やオリフィスの寸法を適正に選定することで、上述したのと同様の効果を得ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置は、その構成により、以下の効果を有する。
ターボ圧縮機の吐出口に分岐配管を設け、圧縮空気の一部を膨張タービンの吸入口に導入し、膨張タービンでターボ圧縮機を駆動する様にしたので、ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体を需要側へ送気しつつ、ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の一部を膨張タービンの吸入口に送り、その膨張タービンがターボ圧縮機を駆動して原動機の動力を補うことができる。
分岐配管と膨張タービンの吸入口の間に回生開閉弁を設け、膨張タービンでターボ圧縮機を駆動する様にしたので、ターボ圧縮機の吐出口からでた圧縮気体を需要側へ送気しつつ、ターボ圧縮機の吐出口から出た圧縮気体の一部を前記回生開閉弁を経由して膨張タービンの吸入口に送り、その膨張タービンがターボ圧縮機を駆動して原動機の動力を補うことができる。
また、前記ターボ圧縮機の吐出風量が前記ターボ圧縮機のサージング現象をおこす上限風量であるサージング限界風量を下回らない様にするので、需要側へ送気する圧縮気体の量が変動しても、サージング現象が前記ターボ圧縮機に生じにくい。
また、前記膨張タービンの吸入口に気体を放出する放風弁を設けたので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなり、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
また、ターボ圧縮機の吐出口に気体を放出する放風弁を設けたので、放風弁が開くとターボ圧縮機の吐出口の背圧が下がり、ターボ圧縮機の送風量が大きくなるので、サージング現象がターボ圧縮機に生じにくくなる。
また、前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値を越えた際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
また、前記ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値を下回った際に、前記放風弁の開度を大きくするので、所定の値を適切に設定することにより、好適なタイミングでサージング現象を生じにくくすることができる。
また、ターボ圧縮機の吸入口に気体を入れる吸入開閉弁を設け、吸入開閉弁の開度を制御し、ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様にするので、需要側に所定の圧力範囲に収まった圧縮気体を送気できる。
また、原動機が連結する前記ブルギアと膨張タービンが連結する前記ピニオンギアを持ったトルク伝達機構を設けたので、ブルギアとピニオンギアのギア比率を適切に選定することで、原動機の定格回転数と膨張タービンの定格回転数を設定できる。
また、前記膨張タービンの駆動軸と前記高圧ターボ圧縮機の駆動軸とが同一のピニオンギアに連結されているので、膨張タービンの定格回転数と高圧ターボ圧縮機の定格回転数を等しくなるように設計し、トルク伝達機構の構造を簡略化できる。
従って、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより省エネルギーにすることのできる手段を提供できる。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧縮装置の配管系統図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧縮装置の風量−圧力グラフ図である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧縮装置の送気量−動力グラフ図である。
【符号の説明】
１ 圧縮装置
２ 原動機
３ トルク伝達機構
４ 低速ピニオンギア
５ ブルギア
６ 高速ピニオンギア
７ ターボ圧縮機
７ａ 第１段低圧ターボ圧縮機
７ｂ 第２段低圧ターボ圧縮機
７ｃ 高圧ターボ圧縮機
８ 膨張タービン
９ クーラ
９ａ インタークーラ
９ｂ アフタークーラ
１０ レシーバタンク
１１ 吸入フィルタ
１２ サイレンサ
１３ 吸入開閉弁
１４ 回生開閉弁
１５ 放風弁
１６ 逆止弁
１７ 圧力センサ
１８ 風量センサ
１９ 制御装置
２０ 送気配管
２１ 分岐配管
Claims (10)
- 需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置であって、
原動機と、
前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、
少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、
を備え、
前記分岐配管の一つの出口と前記膨張タービンの吸入口とを連通し、
前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、
ことを特徴とする圧縮装置。 - 需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置であって、
原動機と、
前記原動機に駆動され圧縮気体を吐出するターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機を駆動する膨張タービンと、
少なくとも２つの出口と前記ターボ圧縮機の吐出口に連通する入口とを有する分岐配管と、
一方の口を前記分岐配管の一つの出口に連通し他方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通する開閉弁である回生開閉弁と、
を備え、
前記分岐配管の他の一つの出口と需要側とを連通する、
ことを特徴とする圧縮装置。 - 前記ターボ圧縮機の吐出風量が前記ターボ圧縮機のサージング現象をおこす上限の風量であるサージング限界風量を下回らない様に前記回生開閉弁の開度を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載の圧縮装置。 - 一方の口を前記膨張タービンの吸入口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である放風弁を、
備える、
ことを特徴とする請求項１または請求項２のうちのひとつに記載の圧縮装置。 - 一方の口を前記ターボ圧縮機の吐出口に連通し他方の口から気体を放出する開閉弁である放風弁を、
備える、
ことを特徴とする請求項１または請求項２のうちのひとつに記載の圧縮装置。 - 前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の値を越えた際に、前記放風弁の開度を大きくする、
ことを特徴とする請求項４または請求項５のうちのひとつに記載の圧縮装置。 - 前記ターボ圧縮機の吐出風量が所定の値を下回った際に、前記放風弁の開度を大きくする、
ことを特徴とする請求項４または請求項５のうちのひとつに記載の圧縮装置。 - 一方の口から気体を受け入れ他方の口を前記ターボ圧縮機の吸入口に連通する開閉弁である吸入開閉弁を、
備え、
前記ターボ圧縮機の吐出圧力が所定の圧力範囲内に収まる様に前記吸入開閉弁の開度を制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７に記載の圧縮装置。 - 互いに噛み合ったブルギアとピニオンギアとを有するトルク伝達機構を、
備え、
前記原動機の駆動軸が前記ブルギアに連結し、
前記膨張タービンのタービン出力軸が前記ピニオンギアに連結する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２のうちのひとつに記載の圧縮装置。 - 前記ターボ圧縮機が低圧ターボ圧縮機と高圧ターボ圧縮機とを有し、
前記膨張タービンの駆動軸と前記高圧ターボ圧縮機の駆動軸とが同一のピニオンギアに連結されている、
ことを特徴とする請求項９に記載の圧縮装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003156104A JP2004360462A (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 圧縮装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003156104A JP2004360462A (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 圧縮装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004360462A true JP2004360462A (ja) | 2004-12-24 |
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ID=34050284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003156104A Pending JP2004360462A (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 圧縮装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004360462A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012072690A (ja) * | 2010-09-28 | 2012-04-12 | Kobe Steel Ltd | 圧縮装置 |
| KR101204900B1 (ko) | 2011-02-23 | 2012-11-26 | 삼성테크윈 주식회사 | 안티 서지 로직을 구비한 압축 유니트 및 이를 구비한 다단 압축 장치 |
-
2003
- 2003-06-02 JP JP2003156104A patent/JP2004360462A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012072690A (ja) * | 2010-09-28 | 2012-04-12 | Kobe Steel Ltd | 圧縮装置 |
| CN102418710A (zh) * | 2010-09-28 | 2012-04-18 | 株式会社神户制钢所 | 压缩装置 |
| KR101204900B1 (ko) | 2011-02-23 | 2012-11-26 | 삼성테크윈 주식회사 | 안티 서지 로직을 구비한 압축 유니트 및 이를 구비한 다단 압축 장치 |
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