JP2006316759A - 圧縮装置 - Google Patents

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Susumu Kono
進 河野
Makoto Tsutsui
誠 筒井
Kazuko Takeshita
和子 竹下
Kazuhiro Takeda
一浩 武多
Noritaka Yanai
法貴 柳井
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Abstract

【課題】
本発明は、圧縮機吸入圧力を所定値に制御でき、且つ、弁が故障しても圧縮機に流入する流量がゼロにならず、サージング現象の防止、圧縮機の破損をカバーすることができる圧縮装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
そのために、本発明の圧縮装置は、原動機で駆動される圧縮機と、前記圧縮機の吸入口に接続された吸入配管と、前記吸入配管に介装された吸入側圧力調節弁と、前記吸入側圧力調節弁の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路とを備えた。
【選択図】 図1

Description

本発明は、蒸気タービン、ガスタービン及び電動モータ等の原動機(モータ)で駆動する遠心型等の圧縮装置に関する。
従来、図6に図示のように、取扱うガスの分子量が大幅に変化するような運転条件であっても、圧縮機1のサージングの発生を確実に防止するために、圧縮機1の回転数N、吸込ガス温度Ts、吐出ガス温度Td、吸込圧力Ps、吐出圧力Pd、吸込流量オリフィス差圧ΔPsを計測し、これらからガス分子量MWや吸込流量Qsを求め、さらに分子量に基づくサージング発生流量係数を求め、圧縮機の運転中の吸込流量係数が、サージング発生流量係数に近付くと、リサイクル弁5を開いて吐出ガスを吸込側へ導入するようにしたものがある(例えば、特許文献1。)。
図6に図示の従来の圧縮機1の運転時における、運転状況を図7、図8について説明する。
まず、圧縮機1の吸込側の圧力が低いときの運転状況を図7について説明する。
図7(a)は、横軸に体積流量、縦軸に吐出圧力をとり、回転数がN、N、N(N>N>N)の場合の圧縮機1の性能曲線を示している。
また、サージラインとサージ防止の流量制御をおこなうためアンチサージ制御ライン(設定値)も示している。
圧縮機1は、吐出圧力が所定の目標圧力になるように運転されており、体積流量は、回転数に応じて目標圧力ラインに沿って変化する。
この場合、回転数は最小回転数Nから最大回転数Nまで変更可能となっており、最大流量FH1は、目標圧力ラインと最大回転数Nとの交点である運転点Aで達成される。
最小流量FL1は、回転数Nと最小回転数Nの中間の運転点Bで実現できる。
なお、運転点Bはアンチサージ制御ライン上にあり、これ以上体積流量が少なくなるのをリサイクル弁5を開くことで防止している。
このときの圧縮機1を駆動する原動機2の消費動力を図7(b)に示す。
図7(b)のグラフ上の運転点Aが最大流量FH1時の原動機2の消費動力を示し、運転点Bが最小流量FL1時の原動機2の消費動力を示す。
この図中に示す原動機2の最大出力より運転点A、B共に消費動力は小さいため、問題なく運転できる。
次に、圧縮機1の吸込側の圧力が高いときの運転状況を図8について説明する。
図8(a)に示すように、運転点Cにおいて、流量は最大流量FH2、回転数はNとなる。
また運転点Dにおいて、流量は最小流量FL2、回転数はNとなる。
回転数Nは、変更可能な最低回転数である。
このとき、アンチサージ制御ラインには到達しておらず、リサイクル弁5は全閉のままである。
しかしながら、消費動力は図8(b)に示すように、最大流量FH2時の運転点Cにおいて、原動機2は最大出力をオーバーしており、原動機2はオーバートルクでトリップする。
したがって、原動機2の最大出力FH2に等しい運転点E(回転数N以下)以下の流量でないと運転ができずトリップする問題点がある。
この問題点を解決するために、図9、又は図10に示すものが想定される。
しかしながら、図9、又は図10に示すものにも問題点があり、これについて説明する。
まず、図9に示す第1の想定例ついて説明する。
これは、図6に図示の従来の圧縮機の制御方法の問題点を解決するために、入口側配管50に入口側圧力調節弁15を設置し、吸入配管51に吸入側圧力計11を設置する。
そして、吸入側圧力計11の検出値を制御量として、圧縮装置制御装置20の入口側圧力制御器28により、圧力調節弁15を制御する。
この構成によれば、常に遠心圧縮機1の吸入圧を一定にすることができるため、圧縮機1の吸込側の圧力の設定値を、図7に示すように、原動機2の最大出力以上にならないように低めに設定しておけば、入口ヘッダ3の圧力が高くなっても、原動機2はオーバトルクでトリップすることはない。
また、図9に示す第1の想定例のものでは、入口側圧力制御器28により、入口ヘッダ3の圧力が高く、且つ、出口ヘッダ7への流出流量がゼロのとき、入口側圧力調節弁15は全閉となる。
このとき、リサイクル弁制御器21でのアンチサージング制御によりリサイクル弁5が開くため、圧縮機1の流量は規定値となり、サージに入ることはない。
しかしながら、入口側圧力調節弁15が全閉になるということは、吸入圧力は所定値に制御される保証はなく、オーバートルクとなる高目の吸入圧力になる可能性があり、トリップすることがある。
このような問題点が、図9に示す第1の想定例のものにはあった。
次に、図10に示す第2の想定例ついて説明する。
これは、図6に図示の従来の圧縮機の制御方法の問題点を解決するために、吸入配管51に吸入側圧力調節弁8を設置し、吸入配管51に吸入側圧力計11を設置する。
そして、吸入側圧力計11の検出値を制御量として、圧縮装置制御装置20の吸入圧力制御器23により、吸入側圧力調節弁8を操作する。
この構成によれば、常に圧縮機1の吸入圧を一定に制御することができ、圧縮機1の吸込側の吸入圧力は、オーバートルクの発生する圧力まで上昇することはなく、トリップは回避できる。
また、図9に示す第1の想定例のものの問題点であった出口ヘッダ7への流出流量がゼロでも、この吸入側圧力調節弁8は、全閉になることはない。
このとき、リサイクル弁制御器21でのアンチサージ制御により、圧縮機1の流量は設定流量に保持されており、この流量を流すためには、吸入側圧力調節弁8は開いていることになる。
この吸入側圧力調節弁8が開いていることは、吸入圧力制御器23による吸入圧制御ができることを示しており、圧縮機1の吸込側の吸入圧力が、オーバートルクの発生する圧力まで上昇することはなく、トリップすることはない。
しかし、図10に示す第2の想定例のものは、次の問題点をもっており、実際に使用されることはほとんどない。
一般に弁は故障することを考慮する必要があり、仮に吸入側圧力調節弁8が故障して瞬時に全閉になると、圧縮機1に流入する流量は瞬時にゼロとなり、サージング現象が発生し、圧縮機1が破損する恐れがある。
なお、弁の故障は図9に示す第1の想定例のものでも起こりうるが、入口側圧力調節弁15が故障すると、リサイクル弁5を開けることでカバーできる。
また、リサイクル弁5が故障すれば、出口ヘッダ7への流出流量を多くするか、圧縮機1の出口に設置してある大気放出弁14を開くことでカバーできる。
しかし、図10に示す第2の想定例のものでは、吸入側圧力調節弁8が故障した場合はカバーするものがない。
特開平7−12090号公報
本発明は、このような、問題点を解決しようとするものであり、圧縮機吸入圧力を所定値に制御でき、且つ、弁が故障しても圧縮機に流入する流量がゼロにならず、サージング現象の防止、圧縮機の破損をカバーすることができる圧縮装置を提供することを目的とするものである。
上記の問題点に対し本発明は、以下の各手段を以って課題の解決を図る。
(1)第1の手段の圧縮装置は、原動機で駆動される圧縮機と、前記圧縮機の吸入口に接続された吸入配管と、前記吸入配管に介装された吸入側圧力調節弁と、前記吸入側圧力調節弁の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路とを備えたことを特徴とする。
(2)第2の手段の圧縮装置は、原動機で駆動される圧縮機と、前記圧縮機の吸入口に接続された吸入配管と、前記圧縮機の吐出口に接続された吐出配管と、前記吸入配管に介装された吸入側圧力調節弁と、前記吸入側圧力調節弁の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路と、前記吸入配管に設けられ前記圧縮機の吸入口圧力を検出する吸入側圧力計と、前記吸入側圧力計にて検出された吸入口圧力値に基づき前記吸入側圧力調節弁の開度を制御する吸入圧力制御器とを備えたことを特徴とする。
(3)第3の手段の圧縮装置は、原動機で駆動される圧縮機と、前記圧縮機の吸入口に接続された吸入配管と、前記圧縮機の吐出口に接続された吐出配管と、前記吸入配管に介装された吸入側圧力調節弁と、前記吸入側圧力調節弁の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路と、前記吸入側圧力調節弁の上流側に設けられ流入する流体の圧力を検出する入口圧力計と、前記入口圧力計にて検出された流入流体の圧力値に基づき前記吸入側圧力調節弁の開度を制御する吸入圧力制御器とを備えたことを特徴とする。
(4)第4の手段の圧縮装置は、上記第2又は3の手段において、前記吐出配管に接続された放出用配管と、前記放出用配管に介装された大気放出弁と、前記吸入配管に設けられ前記圧縮機に吸入される流体の流量を検出する吸入側流量計と、前記吸入側流量計にて検出された吸入流体の流量値が所定値を超えたときに前記大気放出弁を開放する放出弁制御器とを備えたことを特徴とする。
特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明の圧縮装置は、上記の(1)〜(4)に記載の各手段を採用しており、圧縮機の入口圧力を吸入側圧力調節弁により制御しているため、吸入圧力が高いとき運転ができずトリップするという現象は回避できる。
更に、吸入側圧力調節弁が故障しても小流量連続流れ流路があるため圧縮機に流入する流量がゼロにならず、サージング現象の防止、圧縮機の破損を防止することができる。
以下、本発明の各実施の形態を図1〜図5に基づいて説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る圧縮装置の全体構成図、図2は本発明の第2の実施の形態に係る圧縮装置の全体構成図、図3は図2の吸入圧力制御器における関数発生器の説明図、図4は図2の吸入圧力制御器における関数発生器のその他の例の説明図、図5は本発明の第3の実施の形態に係る圧縮装置の全体構成図である。
まず、図1に基づき本発明の第1の実施の形態に係る圧縮装置につき説明する。
図1に図示のように、入口ヘッダ3は入口側配管50に接続され、入口側配管50の下流側は吸入配管51に接続され、吸入配管51の下流側は圧縮機1の吸入口に接続されている。
圧縮機1の回転軸は、図示略のクラッチ等を介して蒸気タービン、電動モータ等の原動機(モータ)2に連結されている。
また、入口側配管50には、管内を流れるガス等の流体の逆流を防止する入口側逆止弁4が介装されている。
更に、吸入配管51は吸入側圧力調節弁8が介装され、吸入側圧力調節弁8の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路58が設けられている。
即ち、吸入側圧力調節弁8と小流量連続流れ流路58とは並列に設置されており、吸入配管51の上流側から流れてきた流体の多くは吸入側圧力調節弁8を通り、一部は小流量連続流れ流路58通った後、合流し、圧縮機1の吸入口に流入するようになっている。
なお、本実施の形態においては、小流量連続流れ流路58は、吸入側圧力調節弁8の上流側と下流側とを接続する配管と、この配管に介装されたオリフィス9により構成されている。
オリフィス9は、可動部分がなく閉鎖することはないため、オリフィス9のサイズをサージング現象を防止できる最小限流量を確保できる大きさにしておけば、破損にいたるサージング現象は回避される。
また、一般の手動弁をオリフィス9の変わりに用いても良い。
手動弁の場合、人が操作しないかぎり誤動作することはない。
また、小流量連続流れ流路58は、上述の構成に換えて、全体的に或いは部分的に細く流体抵抗となるような配管のみで構成しても良い。
更に、小流量連続流れ流路58は、吸入側圧力調節弁8に、ある開度以下には閉じることのないように機械的なストッパを設けた形態のもの、或いは弁体の一部分を切り欠いたもの、弁体に小さな孔を開けたものでも良い。
要は、小流量連続流れ流路58は、可動部がなく、或いは誤作動しても完全に閉鎖することのない構成のものであれば良い。
圧縮機1の吐出口は吐出配管52に接続され、吐出配管52の下流側は出口側配管53に接続され、出口側配管53の下流側は出口ヘッダ7に接続されている。
出口側配管53には、管内を流れるガス等の流体の逆流を防止する出口側逆止弁6が介装されている。
また、入口側配管50と吸入配管51との配管合流点55と、吐出配管52と出口側配管53との配管分岐点56とは、リサイクル配管54により接続され、リサイクル配管54にはリサイクル弁5が介装されている。
上述の構成において、入口ヘッダ3から供給されたガス等の流体は、入口側配管50、入口側逆止弁4、吸入配管51、吸入側圧力調節弁8及びオリフィス9を介して、圧縮機1により吸引され圧縮される。
圧縮機1によって圧縮された流体は、吐出配管52、出口側配管53及び出口側逆止弁6を介して出口ヘッダ7に貯蔵される。
また、リサイクル弁5は、アンチサージ制御機能も持っており、圧縮機1がサージング状態に入ったときに、速やかにその状態から抜け出すために開いて吐出圧力を低下させる機能を有している。
また、圧縮機1の吸入口付近の吸入配管51には、圧縮機1に吸入される流体の吸入口圧力を検出する吸入側圧力計11、及び流量を検出する吸入側流量計10が取り付けられている。
更に、圧縮機1の吐出口付近の吐出配管52には、圧縮機1から吐出する流体の吐出口圧力を検出する吐出側圧力計12が取り付けられている。
これらの原動機2、吸入側圧力調節弁8及びリサイクル弁5は、原動機制御器22、リサイクル弁制御器21及び吸入圧力制御器23を有する圧縮装置制御装置20により制御される。
即ち、原動機制御器22は、吐出側圧力計12にて検出された吐出口圧力を受信して、所定の吐出圧力になるように原動機2の回転数を制御する。
また、リサイクル弁制御器21は、吸入側流量計10にて検出された吸入流体の流量を受信して、圧縮機1がサージング状態にならないようにリサイクル弁5の開度を制御する。
更に、吸入圧力制御器23は、吸入側圧力計11にて検出された吸入口圧力を受信して、所定の吸入圧力になるように吸入側圧力調節弁8の開度を制御する。
なお、上述の各計測機器、或いは各操作盤から出力される各計測値、或いは出力信号は、言うまでもなく一般に用いられている所定の電気信号に変換されたものである。
更に、圧縮装置制御装置20はコンピュータの形態をなしており、各制御器等は、それを実行するプログラム、シーケンスブロック、或いはメモリの形態をなしているが、これに限定されるものではなく、個々の電気回路により構成するようにしても良い。
本発明の第1の実施の形態に係る圧縮装置は、上述の構成により、圧縮機1の吸入圧力を吸入側圧力計11で検出し、吸入圧力制御器23にてこの検出値を一定とするように吸入側圧力調節弁8を制御しているため、図6に図示の従来技術、図9、図10に図示の想定例の問題点である吸入圧力が高いときに圧縮機1を駆動する原動機2がオーバートルクとなりトリップするという現象は回避できる。
また、図9に図示の第1の想定例における、出口ヘッダ7への流出流量がゼロのとき、吸入圧力の制御が不能になるという問題点は、吸入配管51の配管合流点55より下流側に吸入側圧力調節弁8を設置しており、アンチサージ制御によって所定流量以上の流量が吸入側圧力調節弁8に流れるため、吸入圧力制御は常にできることになる。
また、図10に図示の第2の想定例における、吸入側圧力調節弁8が故障し全閉となったとき、圧縮機1の破損を回避する他の手段がないという問題点は、吸入側圧力調節弁8と並列的に小流量連続流れ流路58を設けることにより、例え吸入側圧力調節弁8が故障し全閉になっても、小流量連続流れ流路58があるため圧縮機1に流入する流量がゼロにならず、サージング現象、及び圧縮機1の破損は防止される。
次に、図2、図3、図4に基づき本発明の第2の実施の形態に係る圧縮装置につき説明する。
本実施の形態に係る圧縮装置も、第1の実施の形態(図1)と同様に、圧縮機1、原動機2、リサイクル弁5、吸入側圧力調節弁8、小流量連続流れ流路58、各配管類、圧縮装置制御装置20等を備えている。
第1の実施の形態(図1)と異なる点は、吸入側圧力調節弁8を制御するために、吸入配管51ではなく、入口側配管50の圧力を検出している。
即ち、吸入側圧力調節弁8より上流側の吸入配管51、入口側配管50、或いは入口ヘッダ3に入口ヘッダ圧力計13が設けられている。
そして、圧縮装置制御装置20内の吸入圧力制御器23aは、入口ヘッダ圧力計13にて検出された入口圧力を受信して、吸入側圧力調節弁8の開度を、入口圧力が低い場合は全開にし、高い場合は全閉にするように制御する。
この吸入圧力制御器23aにおける入口圧力と弁開度との変換関数は、例えば、図3に図示のように、入口圧力が低い場合は弁開度を全開にし、入口圧力が高くなるに従い弁開度を小さくして行き、所定の高圧力以上では弁開度を全閉にする関数とすることができる。
或いは、この変換関数は、図4に図示のように、入口圧力がある値をこえたとき、弁を全閉し、ある値以下では全開する関数でも良い。
ある値とは、図8の状態となる入口ヘッダ圧力の下限値とすれば良い。
入口ヘッダ圧力がこの下限値以下であれば、図7の状態であり、原動機2の最大出力より消費動力は小さくなっており、トルクオーバーでトリップすることはないことは明白である。
本発明の第2の実施の形態に係る圧縮装置は、上述のごとく構成されており、吸入側圧力調節弁8より上流側の入口圧力が検出され、吸入圧力制御器23aにて図3、図4に図示のような関数により弁開度が演算されて、吸入側圧力調節弁8が制御される。
従って、吸入側圧力調節弁8の開度は、入力ヘッダ圧力が高いときは小さくなり、また入口ヘッダ圧力が低いときは大きくなるように制御されるため、圧縮機1の吸入口圧力は、ほぼ一定に保たれる。
このため、本発明の第1の実施の形態と同様に、図6に図示の従来技術、図9、図10に図示の想定例の問題点である吸入圧力が高いときに圧縮機1を駆動する原動機2がオーバートルクとなりトリップするという現象は回避できる。
また、本発明の第1の実施の形態に係る圧縮装置と同様に、吸入側圧力調節弁8が故障し全閉になっても、小流量連続流れ流路58があるため圧縮機1に流入する流量がゼロにならず、サージング現象、及び圧縮機1の破損は防止される。
次に、図5に基づき本発明の第3の実施の形態に係る圧縮装置につき説明する。
本実施の形態に係る圧縮装置も、第1の実施の形態(図1)と同様に、圧縮機1、原動機2、吸入側圧力調節弁8、小流量連続流れ流路58、各配管類、圧縮装置制御装置20等を備えている。
第1の実施の形態(図1)と異なる点は、サージング現象を回避するために設置した図1に図示のリサイクル配管54とリサイクル弁5がなく、そのかわりに大気、又はフレアスタックに放出する放出用配管57と大気放出弁14がありこれでサージング現象の発生を防止するようになっている。
即ち、図5に図示のように、吐出配管52(或いは、出口側配管53)には、放出用配管57が接続され、放出用配管57には、大気放出弁14が介装されている。
そして、圧縮装置制御装置20には、図1に図示のリサイクル弁制御器21に替えて放出弁制御器27が設けられている。
この圧縮装置制御装置20内の放出弁制御器27は、吸入側流量計10にて検出された吸入流体の流量を受信して、吸入流体の流量が低下した場合には、放出弁制御器27を開放することにより圧縮機1の体積流量を増加させて、圧縮機1がサージング状態にならないようにする。
本実施例においても、本発明の第1、2の実施の形態に係る圧縮装置と同様に、吸入側圧力調節弁8が故障し全閉になっても、小流量連続流れ流路58があるため圧縮機1に流入する流量がゼロにならず、サージング現象、及び圧縮機1の破損は防止される。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は上記の各実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
本発明の第1の実施の形態に係る圧縮装置の全体構成図である。 本発明の第2の実施の形態に係る圧縮装置の全体構成図である。 図2の吸入圧力制御器における関数発生器の説明図である。 図2の吸入圧力制御器における関数発生器のその他の例の説明図である。 本発明の第3の実施の形態に係る圧縮装置の全体構成図である。 従来の圧縮機の制御方法の構成図である。 従来の圧縮機の入口ヘッダ圧が低いときの作用説明図である。 従来の圧縮機の入口ヘッダ圧が高いときの作用説明図である。 圧縮装置の第1の想定例の全体構成図である。 圧縮装置の第2の想定例の全体構成図である。
符号の説明
1 圧縮機
2 原動機
3 入口ヘッダ
4 入口側逆止弁
5 リサイクル弁
6 出口側逆止弁
7 出口ヘッダ
8 吸入側圧力調節弁
9 オリフィス
10 吸入側流量計
11 吸入側圧力計
13 入口ヘッダ圧力計
12 吐出側圧力計
14 大気放出弁
15 入口側圧力調節弁
20 圧縮装置制御装置
21 リサイクル弁制御器
22 原動機制御器
23 吸入圧力制御器
23a 吸入圧力制御器
27 放出弁制御器
28 入口側圧力制御器
50 入口側配管
51 吸入配管
52 吐出配管
53 出口側配管
54 リサイクル配管
55 配管合流点
56 配管分岐点
57 放出用配管
58 小流量連続流れ流路

Claims (4)

  1. 原動機で駆動される圧縮機と、
    前記圧縮機の吸入口に接続された吸入配管と、
    前記吸入配管に介装された吸入側圧力調節弁と、
    前記吸入側圧力調節弁の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路と
    を備えたことを特徴とする圧縮装置。
  2. 原動機で駆動される圧縮機と、
    前記圧縮機の吸入口に接続された吸入配管と、
    前記圧縮機の吐出口に接続された吐出配管と、
    前記吸入配管に介装された吸入側圧力調節弁と、
    前記吸入側圧力調節弁の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路と、
    前記吸入配管に設けられ前記圧縮機の吸入口圧力を検出する吸入側圧力計と、
    前記吸入側圧力計にて検出された吸入口圧力値に基づき前記吸入側圧力調節弁の開度を制御する吸入圧力制御器と
    を備えたことを特徴とする圧縮装置。
  3. 原動機で駆動される圧縮機と、
    前記圧縮機の吸入口に接続された吸入配管と、
    前記圧縮機の吐出口に接続された吐出配管と、
    前記吸入配管に介装された吸入側圧力調節弁と、
    前記吸入側圧力調節弁の上流側と下流側とを接続する小流量連続流れ流路と、
    前記吸入側圧力調節弁の上流側に設けられ流入する流体の圧力を検出する入口ヘッダ圧力計と、
    前記入口ヘッダ圧力計にて検出された流入流体の圧力値に基づき前記吸入側圧力調節弁の開度を制御する吸入圧力制御器と
    を備えたことを特徴とする圧縮装置。
  4. 前記吐出配管に接続された放出用配管と、
    前記放出用配管に介装された大気放出弁と、
    前記吸入配管に設けられ前記圧縮機に吸入される流体の流量を検出する吸入側流量計と、
    前記吸入側流量計にて検出された吸入流体の流量値が所定値を超えたときに前記大気放出弁を開放する放出弁制御器と
    を備えたことを特徴とする請求項2又は3に記載の圧縮装置。
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