JP2005513328A - 制御システムを備えたコンプレッサユニット - Google Patents

Abstract

変化する負荷需要をもつ消費者装置に変化する出力流量で加圧ガス状媒体を供給するため、一つ以上のコンプレッサ段を形成しかつ高速度で連続して作動し、それによりある一定の出力流量を供給する一つ以上のローター（Ｋ；１０，１１）と、駆動モーター（Ｍ；１９）と、ローター（Ｋ；１０，１１）を駆動モーター（Ｍ；１９）に機械的に結合する駆動ライン組立体（Ｎ；１７、１８）と、コンプレッサ段の出力端部に接続された廃物流回路とを有し、そして実際の負荷需要によってカバーされない上記ある一定の出力流量の少なくとも一部を受けるように構成され、廃物流回路が、駆動ライン組立体（Ｎ；１７、１８）に機械的に結合した少なくとも一つのパワー回生タービン（ＴＲ；２２、２３）を備え、また実際の負荷需要に応じて廃物流回路を通る廃物流を制御する一つ以上の弁（Ｖ；２５、３４、３５）が設けられ、パワー回生タービン（ＴＲ；２２、２３）が、ローター（Ｋ；１０，１１）から供給されるある一定の出力流量より小さい負荷需要時に駆動ライン組立体（Ｎ；１７、１８）にパワーを供給するように構成されて成るコンプレッサユニット。

Description

本発明は、変化する負荷需要をもつ消費者装置に変化する出力流量で加圧ガス状媒体を供給するコンプレッサユニットに関するものである。

特に、本発明は、少なくとも一つのコンプレッサローター及びコンプレッサローターの連続した高速度及びある一定の出力流量をもたらす制御システムを備えた上記型のコンプレッサユニットの出力を制御する技術に関する。この技術は、大気への過剰な圧力媒体を減衰したり絞ったりすることなしに、消費者装置からの負荷需要の急激な変化に対する準備を整えることを目的としている。負荷需要は何分の一秒内に大きく変化し得る。

かかるターボコンプレッサの特徴は、減速した速度で間欠的に作動される場合に加速及び圧力形成が比較的遅いことにある。このことは、この形式のコンプレッサでは、出力流量を制御しそして急速な負荷需要の増大に対する準備を整えるように非常に良好な仕方で速度調整できないことを意味している。この問題に対する一つの解決法は、一つ又は複数のコンプレッサローターの加速過程中に圧力媒体供給量を維持するためにある容積の圧力媒体容器を使用することにある。十分に大きな容器に利用できるスペースがない場合には、準備の問題を解決する別の仕方は、高い出力流量で高速度で連続して一つ又は複数のコンプレッサローターを作動することにある。この技術は従来技術のシステムにおいて周知であり、そして一方では、一つ又は複数のコンプレッサローターの構造が特定の速度レベルに最適化され、非常に良好な効率をもたらし得ることを意味している。また他方では、負荷需要の少ない時には、過剰圧力媒体は大気へ逃がして減衰されたり絞られなければならず、このことは、パワー損失が高く、コンプレッサユニットの総体効率が低いことを意味している。

この形式のガスタービン駆動型ターボコンプレッサユニットは特許文献１に記載されている。十分な出力量を迅速に供給する良好な準備をするために、コンプレッサは全速で連続して作動され、消費者装置からの負荷需要の減少は、過剰な流量を大気へ放出するバイパスラインを開くことで対処される。この流量減少構造は、コンプレッサのサージング及びその結果としての損傷の危険を阻止するように設けられる。しかし、ガスタービンを全出力で作動しながらバイパスラインを介しての大気への過剰空気の放出は、望ましくないエネルギーの損失及びコンプレッサユニットの効率の悪さを意味している。

特許文献２には、望ましくは放出ラインを介して圧力空気を供給するようにされるガスタービン駆動型ターボコンプレッサが記載されている。しかし、ガスタービンは、発電機、流体ポンプなどの形式の別の負荷にも機械的に接続され、そしてその負荷からほんの僅かな出力が要求され、同時に小さな圧力空気量のみが要求されるような場合には、コンプレッサからの出力量の実質的な部分は、放出ラインを介して廃物流として大気へ放出される。これは相当なエネルギー損失及びコンプレッサの効率の悪さを意味している。

特許文献３には、負荷に接続され、そしてタービンから排気ガスが部分的に再循環されるガスタービンエンジンが記載されている。出力要求の増大時には、コンプレッサには増大した量の新鮮な空気が供給され、またコンプレッサには、負荷からの変化する出力要求時に廃棄ガスを大気へ段階状に放出する多数の出口タップが設けられる。出力損失を低減するために、コンプレッサの高圧領域においてタップからの廃物ガスで駆動され、出力要求の高い時にコンプレッサに新鮮空気を供給する新鮮空気コンプレッサを駆動するようにされる補助タービンが設けられる。この廃物ガス回生装置は高負荷需要の時のみ用いられる。というのは、低負荷需要時には、タービンの燃焼に必要な新鮮空気が極僅かであるからである。このことは、低出力の要求時に、殆んどの廃物ガスがエネルギー回生なしにコンプレッサから大気へ放出されることを意味している。
米国特許第４，８０９，４９７号 米国特許第５，１１７，６２５号 国際特許出願ＷＯ０１／２７４５２

本発明の主目的は、負荷需要における急速な変化に対する高い程度の準備をもって加圧ガス状媒体を供給するコンプレッサユニットを提供することにあり、一つ又は複数のコンプレッサローターは、高速及び高出力流量で連続して作動され、また負荷需要の低減時に一つ又は複数のコンプレッサローターから出る廃物流はエネルギー回生に用いられる。

本発明の別の目的は、一つ又は複数のコンプレッサローターを高速で連続して回転して、高出力流量を供給しながら、変化する出力流量で加圧ガス状媒体を供給するコンプレッサユニットを提供することにあり、部分出力要求時に一つ又は複数のコンプレッサローターから廃物出力流量は、機械的出力をコンプレッサ駆動ラインに戻すため一つ又は複数のコンプレッサローターの駆動ラインに機械的に結合した一つ以上の出力回生タービンを駆動するのに用いられる。

本発明の別の目的及び利点は明細書の以下の説明及び特許請求の範囲から明らかとなろう。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１に概略的に示すコンプレッサユニットは、駆動モーターＭと、駆動ラインＮを介して駆動モーターＭに結合されたコンプレッサーローターＫとを有している。駆動ラインＮは適当には一つ以上の同軸部分における回転軸を備えている。コンプレッサーローターＫは、大気圧Ｐ_１の空気が供給され、そしてＰ_２の圧力空気を供給するように構成されている。コンプレッサーローターＫは、駆動モーターMによって定速度で駆動され、そして定流量の加圧空気を供給するように構成されている。この定速度レベルは、最適条件のもとでローターＫが動作できるようにローターＫの特性に関連して選択される。

コンプレッサユニットは、負荷需要がコンプレッサローターＫの全出力量とゼロとの間で急速に変化し得る加圧空気消費者装置（図示していない）に接続される。コンプレッサローターの全能力出力流量が消費者装置によって要求されない時には、流量の過剰な部分は弁Ｖを介して廃物流回路へ流される。この廃物流回路はパワー回生タービンＴ_Ｒを有し、このパワー回生タービンＴ_Ｒは駆動ラインＮに機械的に接続され、して廃物流によって駆動される。実際の廃物流量は、パワー回生タービンＴ_Ｒにより駆動ラインＮ及び駆動モーターＭへパワーを戻させ、それにより消費者装置による実際の負荷需要で維持するのに瞬時的に必要でないエネルギーを回復する。それによって、駆動モーターＭへのパワー供給は、コンプレッサローターＫをそれの予定の最適速度レベルに丁度維持するレベルまで低減され得る。

廃物流弁Ｖは、コンプレッサローターＫの出力端部における圧力によって適当に制御され、消費者装置によって要求されないパワー回復タービンへの流量を正確に連続して分流させるようにしている。パワー制御ユニットＰＣＵは、廃物制御弁V及び駆動モーターＭの両方に接続され、そしてコンプレッサローターＫを予定の最適速度レベルに維持するようにモーターＭにパワー供給を連続して行なうようにされる。

駆動モーターＭは任意の種類の同期電動機、ガスタービンなどであり得る。

図２に示すコンプレッサユニットは二つのコンプレッサローター１０、１１を有し、これらのコンプレッサローター１０、１１は、中間クーラー１２を介して直列に構成され、二段コンプレッサを形成している。コンプレッサユニットは、大気空気の空気入口１３及び加圧空気出口１４を備え、加圧空気出口１４は空気クーラー１５を介して消費者装置（図示していない）に加圧空気を供給する。消費者装置は低い負荷需要と高い負荷需要との間で急速に変化する可変負荷需要をもつ形式のものであり得る。

コンプレッサローター１０、１１は、二つの別個の駆動ライン１７、１８に接続され、これら二つの別個の駆動ライン１７、１８はガスタービン１９によって駆動される回転軸で形成され、ガスタービン１９は二つのローター２０、２１を有し、これら各ローターは駆動ライン１７、１８の一つに接続されている。ある応用では、タービンローター２０、２１及び二つの駆動ライン１７、１８は、タービンの良好な効率を得るために反対方向に回転し得る。駆動ライン１７、１８には、二つのパワー回復タービン２２、２３が機械的に接続され、これらのパワー回復タービン２２、２３は、加圧空気消費者装置からの部分負荷需要時に、コンプレッサからの過剰の廃物空気によって付勢される。

二つの別個の駆動ラインを用いる理由は、二つの連続したコンプレッサローター１０、１１に対して異なる最適速度レベルを提供するためである。

廃物空気流回路は、弁２５を介してコンプレッサ１０、１１の加圧空気出口端部１４に接続され、そして両方のパワー回復タービン２２、２３への分岐部を備えている。弁２５はまた、ガスタービン１９に接続されたバーナー２７への空気の供給を制御するように構成されている。ばーなー２７へ分岐する空気流は、実際の負荷需要に依存している。パワー回復タービン２２、２３に分岐した空気流量は、消費者装置でもバーナー２７でも瞬時的に要求されない過剰の廃物空気量である。負荷需要が低い時には、パワー回復タービン２２、２３には大量の廃物流が分流され、駆動ライン１７、１８に実質的なパワーが戻される。また、タービン１９を付勢するある一定量の空気流がバーナー２７へ向けられ、そしてローター速度を予定のレベルに維持する。

バーナー２７には、燃料供給ユニット２８から燃料が供給され、またコンプレッサ１０、１１の加圧空気出口端部１４から弁２５を介して空気が供給される。空気は、伝熱式熱交換器２９を介してバーナー２７に供給され、伝熱式熱交換器２９はタービン１９からの排出ガスによって加熱される。燃料供給ユニット２８はまたバーナー２７を始動させる点火装置を備える。

最初の段のコンプレッサローター２０に接続した駆動ライン１７は、ターピンを始動させる目的の電動機３０にも接続されている。電動機３０は、アキュムレータ３１によって又は主接続部を介して付勢される。

異なった流量時にパワー回復タービン２２、２３の良好な動作を得るために、これらタービンには好ましくは調整可能なガイドベーン３２、３３が設けられる。また、パワー回復タービン２２、２３への個々の廃物流量は廃物流回路における二つの別個の弁３４、３５によって制御される。また、ガスタービン１９の第１段に、異なる負荷需要に対してタービン動作を最適化する調整可能なガイドベーン（図示していない）を設けることも適当であり得る。ガイドベーン３２、３３及び弁２５、３４、３５はローター速度、実際の圧力レベルＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９のような多数のパラメーターに応じて調整される。図２参照。これらのパラメーターのセンサーは詳細に示していない。

コンプレッサユニットの動作を適切に制御するために、制御システム３６が設けられる。簡潔にするために、制御システム３６はシステムの種々の部分に立ち入ることなくに概略的に例示されている。制御システム３６はそれ自体本発明の一部を成すものではなく、詳しくは説明しない。

上記のコンプレッサユニットは加圧空気消費者装置の特性に関連して種々の仕方で作動できる。加圧空気消費者装置が全流量に対して非常に短い確認準備を必要とする種類のものである場合には、コンプレッサは常に全速度で作動されるべきであり、パワー回復タービン２２、２３を通る廃物流を介して過剰のエネルギーを回復する。負荷需要が低い時には、廃物空気流（廃気流）は大きく、駆動ライン１５、１６及びモーター即ちガスタービンに戻されるエネルギーは高く、正味の消費エネルギーは極めて低い。負荷需要が急速にコンプレッサの全流量まで増大すると、全速度で回転しているガスタービンは即座に全出力流量を供給できる。

加圧空気消費者装置がある一定時間遅れて全流量を要求する場合には、コンプレッサユニットに僅かに程度の低い準備を施すことができる。このことは、ガスタービン１９及びコンプレッサローター１０、１１が部分負荷又は無負荷需要時には幾分減速した速度、例えば全速度の８０〜９０％で作動され得ることを意味している。コンプレッサから全出力流量を得られるまでの遅れは非常に短く、しかもガスタービンに対して要求されたパワー供給は更に低減される。なお、部分負荷時における廃物流は回復（利用）され、パワー回復タービン２２、２３によって機械的エネルギーに変換される。

本発明の基本実施形態によるコンプレッサユニットを示す概略線図。 本発明の別の実施形態による二段コンプレッサユニットを示す概略線図。

Claims (5)

1. 変化する負荷需要をもつ消費者装置に変化する出力流量で加圧ガス状媒体を供給するため、一つ以上のコンプレッサ段を形成しかつ高速度で連続して作動し、それによりある一定の出力流量を供給する一つ以上のローター（Ｋ；１０，１１）と、駆動モーター（Ｍ；１９）と、上記ローター（Ｋ；１０，１１）を上記駆動モーター（Ｍ；１９）に機械的に結合する駆動ライン組立体（Ｎ；１７、１８）とを有するコンプレッサユニットにおいて、
   廃物流回路が上記一つ以上のコンプレッサ段の出力端部（１４）に接続され、そして実際の負荷需要によってカバーされない上記ある一定の出力流量の少なくとも一部を受けるように構成され、上記廃物流回路が、上記駆動ライン組立体（Ｎ；１７、１８）に機械的に結合した少なくとも一つのパワー回生タービン（ＴＲ；２２、２３）を備え、また実際の負荷需要に応じて上記廃物流回路を通る廃物流を制御する少なくとも一つの弁（Ｖ；２５、３４、３５）が設けられ、上記少なくとも一つのパワー回生タービン（ＴＲ；２２、２３）が上記廃物流によって駆動され、そして上記ある一定の出力流量より小さい負荷需要時に上記駆動ライン組立体（Ｎ；１７、１８）にパワーを供給するように構成されることを特徴とするコンプレッサユニット。
2. 上記駆動モーター（Ｍ；１９）へのパワー供給と共に実際の負荷需要に応じて上記一つ以上の弁（Ｖ；２５、３４、３５）の動作を制御し、それにより変化する負荷需要時に、上記一つ以上のローター（Ｋ；１０，１１）の回転速度を高いレベルに維持する制御ユニット（ＰＣＵ；３６）が設けられることを特徴とする請求項１記載のコンプレッサユニット。
3. 上記一つ以上のローター（Ｋ；１０，１１）が二つの別個のコンプレッサローター（１０、１１）から成り、上記駆動ライン組立体（Ｎ；１７、１８）が二つの別個の駆動ライン部（１７、１８）から成り、上記二つの別個のコンプレッサローター（１０、１１）の各々が上記駆動ライン部（１７、１８）の一つに機械的に結合され、上記駆動モーター（１９）が二つのタービンローター（２０、２１）を備えたガスタービン（１９）から成り、上記二つのタービンローター（２０、２１）の各々が上記駆動ライン部（１７、１８）の一つに機械的に結合され、上記少なくとも一つのパワー回生タービン（２２、２３）が二つのパワー回生タービン（２２、２３）から成り、上記二つのパワー回生タービン（２２、２３）の各々が上記駆動ライン部（１７、１８）の一つに機械的に結合され、上記廃物流回路が上記二つのパワー回生タービン（２２、２３）の両方に分岐され、上記一つ以上の弁（２５、３４、３５）が上記二つのパワー回生タービン（２２、２３）の両方を流れる上記廃物流を制御するように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のコンプレッサユニット。
4. 上記二つのコンプレッサローター（１０、１１）が直列に接続されて第１コンプレッサ段及び第２コンプレッサ段を形成し、また上記廃物流回路が第２コンプレッサ段の出力端部（１４）に接続されることを特徴とする請求項３記載のコンプレッサユニット。
5. 上記二つの駆動ライン部（１７、１８）が対抗回転することを特徴とする請求項３記載のコンプレッサユニット。

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