JP2010031716A

JP2010031716A - 圧縮装置

Info

Publication number: JP2010031716A
Application number: JP2008193641A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Murao; 和孝村尾
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: JP5379421B2

Abstract

【課題】スクリュ圧縮機のスライド弁のみで精密な吐出圧力の制御が可能な圧縮装置を提供する。
【解決手段】圧縮装置１に、スプール弁１０を周期的にロード位置とアンロード位置との間で変化させ、スプール弁１０のロード位置にある時間の比率であるスプール値を制御可能なスプール弁駆動手段１１と、スクリュ圧縮機２の吐出圧力と目標圧力との偏差に応じて、スライド弁３の目標開度を設定するスライド弁開度設定手段１６と、スライド弁３の開度とスライド弁開度設定手段１６が決定した目標開度との偏差に応じて、スプール弁駆動手段１１におけるスプール値の目標値を設定するスプール値設定手段１７とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮装置、特にスライド弁によって吐出圧力を制御するスクリュ式の圧縮装置に関する。

従来、スクリュ圧縮機の吐出位置を定め、吐出圧力を変化させられるスライド弁は、特許文献１にあるように、その位置が検出可能な油圧シリンダによって駆動されている。従来は、油圧シリンダの位置が設定位置になるように、油圧シリンダの作動油の供給（ロード）／排出（アンロード）／保持（中立）の状態を選択するスプール弁（３位置切換弁）の動作を制御し、さらに、吐出圧力の目標圧力に対する偏差に応じて、油圧シリンダの設定位置を調整している。

スライド弁によるスクリュ圧縮機の容量調節では、スライド弁の開度を変更する際、スプール弁をロードまたはアンロード状態にし、スライド弁が設定位置に達したことを確認してから、スプール弁を中立状態にしていた。このとき、スライド弁の開度の検出およびスプール弁の駆動の遅れにより、スライド弁の開度に誤差が生じる。作動油の供給経路にニードルバルブなどを配設して作動油の流速を制限して、遅れ時間中の移動量を低減しても、スライド弁の開度には１．５％程度の誤差を許容せざるを得なかった。

特許文献１では、微小な吐出圧力の誤差を解消するため、吐出流路からバイパス弁を介して吸込流路に圧縮ガスを貫流させるバイパス流路を設け、バイパス弁の開度調節によって吐出流路の圧力を微調節している。

特許文献２には、空気圧シリンダによってスライド弁を駆動するスクリュ圧縮装置が記載されているが、細かな吐出圧力の制御は、やはり、バイパス弁によって行われるようになっている。

例えば、ＬＮＧ発電の燃料ガス昇圧用スクリュ圧縮装置などでは、許容誤差が例えば±０．１％以下の厳密な圧力制御が要求される。このため、従来のスクリュ式圧縮装置では、吐出流路の圧力を精密に制御するために、バイパス弁を介して１０％程度の圧縮ガスを吐出側から吸込側に環流する必要があり、スクリュ圧縮機の軸動力を大きく無駄にしていた。
特許第３４２９９９９号公報特開第２００５−１９４９２６号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、定常運転時にはスクリュ圧縮機のスライド弁のみで精密な吐出圧力の制御が可能な圧縮装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による圧縮装置は、ロータ室内に互いに咬合して回転し、気体を圧縮する雌雄一対のスクリュロータを収容し、前記ロータ室の吐出位置を変化させるスライド弁を有するスクリュ圧縮機と、前記スライド弁を駆動し、その位置を検出する流体圧シリンダと、前記流体圧シリンダの主室に作動流体を供給するロード位置と、前記主室から前記作動流体を排出するアンロード位置とを有するスプール弁と、前記スプール弁を周期的に前記ロード位置と前記アンロード位置との間で変化させ、前記スプール弁の前記ロード位置にある時間の比率であるスプール値を制御可能なスプール弁駆動手段と、前記スクリュ圧縮機の吐出圧力と目標圧力との偏差に応じて、前記スライド弁の目標開度を設定するスライド弁開度設定手段と、前記流体圧シリンダが検出した前記スライド弁の開度と前記スライド弁開度設定手段が決定した前記目標位置との偏差に応じて、前記スプール弁駆動手段における前記スプール値の目標値を設定するスプール値設定手段とを有するものとする。

この構成によれば、ロード位置における流体圧シリンダの伸張量とアンロード位置における流体圧シリンダの収縮量がバランスしていれば、実質的に流体圧シリンダが伸縮していないものとみなし得る程度に高速に行うことで、スプール値に対応する速度で流体圧シリンダを伸縮させることができる。このように、連続値であるスプール値によって流体圧シリンダの伸縮速度を連続的に変化させることで、流体圧シリンダの停止の遅れによるスライド弁の開度の誤差を小さくでき、圧縮装置の吐出圧を正確に制御できる。

また、本発明による圧縮装置において、前記スプール値の実際の値を検出するスプール値検出手段をさらに有し、前記スプール値の実際の値と、前記スプール値の目標値との偏差が所定の値以上となったとき、警報信号を発してもよい。

スプール弁の駆動には大きなトルクを要しないので、スプール値が目標値と乖離している場合、何らかの異常が発生していると考えられる。このため、警報信号によって、オペレータに異常の可能性を通知したり、装置の非常停止をしたりして、重大事故を回避できる。

また、本発明による圧縮装置において、前記スクリュ圧縮機の吐出側と吸込側とがバイパス弁を介して接続され、前記気体の需要の急激な減少を示す外部信号を受信したとき、前記バイパス弁を開放してもよい。

この構成によれば、需要の急激な減少にはバイパス弁で対応して圧力上昇を防止することにより、定常運転時の制御を最適化することができ、定常運転時の吐出圧力の誤差を小さくできる。

また、本発明による圧縮装置において、前記スクリュ圧縮機の吐出側と吸込側がバイパス弁を介して接続され、前記スクリュ圧縮機の吐出圧力が予め設定した上限圧力に達したとき、前記バイパス弁を開放してもよい。

この構成によれば、何らかの要因で、スライド弁による吐出圧力の制御が適切に行えなくなったときに、バイパス弁により吐出圧力の上昇を解消できるので、安全である。

本発明によれば、スクリュ圧縮機の吐出圧力に応じてスプール値を制御するため、スライド弁の開度を適切に調節できるので、スクリュ圧縮機の吐出圧力を高精度に制御できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明に１つの実施形態である圧縮装置１を示す。圧縮装置１は、ロータ室内に雌雄一対のスクリュロータを収容したスクリュ圧縮機２によって気体を圧縮するためのものである。

スクリュ圧縮機２は、ロータ室の吐出位置を変化させられるスライド弁３を有する。スライド弁３は、油圧シリンダ（流体圧シリンダ）４によって駆動される。油圧シリンダ４は、スライド弁３の反力を受ける主室５と、主室５と補完関係にある副室６とを有し、主室５および副室６が、スプール比例制御弁７を介して、油圧ポンプ８およびオイルレシーバ９に接続されている。油圧シリンダ４は、スライド弁３の開度を示す自身のピストン位置を示す例えば０〜５Ｖの位置信号を出力する。

スプール比例制御弁７は、主室５および副室６と油圧ポンプ８およびオイルレシーバ９との接続状態を切り換えるスプール弁１０と、スプール弁１０を駆動するアクチュエータ１１と、アクチュエータ１１を制御するスプール弁制御装置１２とを有する。

スプール弁１０は、主室５を油圧ポンプ８に接続し、且つ、副室６をオイルレシーバ９への流路に接続して、主室５に作動油（作動流体）が供給されるようにするロード位置と、主室５をオイルレシーバ９への流路に接続し、副室６を油圧ポンプ８に接続して、主室５から作動油を排出させるアンロード位置と、ロード位置とアンロード位置との間にあって主室５および副室６を、ともに油圧ポンプ８およびオイルレシーバ９から隔離して作動油の増減を禁止する中立位置との３つの状態を有する。

アクチュエータ１１は、例えば、スプール弁制御装置１２から電圧が入力されるとスプール弁１０をロード位置に保持し、スプール弁制御装置１２から電圧の入力がなければスプール弁１０をアンロード位置に保持する。

スプール弁制御装置１２は、アクチュエータ１１に所定周波数の矩形波状の駆動電圧を入力する。スプール弁制御装置１２は、例えば、駆動電圧のパルスの幅を変化（ＰＷＭ）させることによって、スプール弁１０がロード位置にある時間の比を制御できるようになっている（スプール弁駆動手段）。また、アクチュエータ１１は、実際のスプール弁１０がロード位置にある時間の比であるスプール値を、例えば４〜２０ｍＡの電流信号として出力できる（スプール値検出手段）。

スプール比例制御弁７の駆動電圧の周波数は十分に高いので、油圧シリンダ４は、実質的に、実際のスプール弁１０がロード位置にある時間とアンロード位置にある時間との差分に比例した速度で伸縮する。スプール値が５０％のとき、スプール弁１０がロード位置にあって油圧シリンダ４の主室５に作動油を供給する時間と、スプール弁１０がアンロード位置にあって、油圧シリンダ４の主室５から作動油を排出する時間とが等しく、油圧シリンダ４のピストンの位置は実質的に不変である。

また、圧縮装置１は、スクリュ圧縮機２の吐出流路と吸込流路とがバイパス弁１３を介して接続されている。さらに、圧縮装置１は、スクリュ圧縮機２の吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器１４と、コンピュータからなる制御装置１５とを備える。

制御装置１５は、それぞれプログラムとして実現される、スライド弁開度制御部（スライド弁開度設定手段）１６と、スプール値制御部１７（スプール値設定手段）と、警報制御部１８と、バイパス弁制御部１９とを有する。

スライド弁開度制御部１６は、コンソール２０を介して入力された圧縮装置１の目標吐出圧力と吐出圧力検出器１４が検出した圧力との偏差が小さくなるように、フィードバック制御（例えばＰＩＤ制御）によりスライド弁３の目標開度を設定し、スプール値制御部１７に入力する。

スプール値制御部１７は、スライド弁開度制御部１６が設定したスライド弁３の目標開度と油圧シリンダ４のピストン位置信号との偏差が小さくなるように、フィードバック制御（例えばＰＩＤ制御）によりスプール比例制御弁７のスプール値の目標値を設定し、スプール弁制御装置１２に入力する。

警報制御部１８は、スプール値制御部１７が設定したスプール値の目標値とアクチュエータ１１から出力されたスプール値との偏差が所定の値以上となったとき、外部に警報信号を出力する。

バイパス弁制御部１９は、吐出圧力検出器１４が検出した圧力が予め設定した上限圧力に達したとき、および、外部から所定の信号が入力されたとき、スライド弁３の開度から現在の流量を算出し、算出した流量において吐出圧力を目標吐出圧力に維持できるような開度で、バイパス弁１３を開放する。

スプール比例制御弁７において、スプール弁１０のスプール値は０〜１００％の連続量であり、このスプール値は油圧シリンダ４への供給（または排出）される作動油の流量に略比例する。つまり、スクリュ圧縮機２の吐出圧力が目標吐出圧力に近付くと、作動油の流量が少なくなり、油圧シリンダ４の伸縮速度が小さくなるので、スライド弁３の開度変化の速度が遅くなる。このため、制御装置１５の制御に多少の遅れがあっても、遅れ時間の間のスライド弁３の開度変化が殆どなく、スライド弁３を最適な開度に調節できる。

これにより、制御装置１では、負荷の急な変動等がない定常運転時には、スプール比例制御弁７によるスライド弁３の開度制御のみで、スクリュ圧縮機２の吐出圧力を目標吐出圧力±０．１以内に厳密に制御できる。また、定常運転時には、バイパス弁１３を閉鎖しているので、吐出した気体の圧力エネルギーの損失、つまり、スクリュ圧縮機２の軸動力の損失をなくすことができる。

また、スプール比例制御弁７によって、作動油の流量が調節されるので、油圧シリンダ４への作動油の供給／排出流路に、ニードルバルブと逆止弁とのセットのような流量調節手段を設ける必要がない。

また、スライド弁開度制御部１６およびスプール値制御部１７の制御パラメータ（例えばＰＩＤ制御の微分時間や積分時間）を、定常運転において最適となるように設定すると、需要設備が突然停止したときのような急激な需要の減少に対応できず、圧縮装置１の吐出圧力が高くなってしまう。そこで、制御装置１５は、運転条件の急な変動を検知してバイパス弁１３を開放するバイパス弁制御部１９を備える。これにより、圧縮装置１の吐出圧力の上昇を防止できるので、スライド弁３の開度の制御を定常運転時にあわせて最適化できる。

また、スプール弁１０の駆動には大きなトルクを必要とせず、スプール弁１０のスプール値が目標値と乖離した場合、スプール比例制御弁７の異常であると考えられる。このため、警報制御部１８が警報信号を出力したとき、警告灯を点灯させるなどしてオペレータに異常の可能性を通知、或いは、圧縮装置１またはプラント全体を非常停止してもよい。

本発明の１つの実施形態の圧縮装置の概略図。

符号の説明

１…圧縮装置
２…スクリュ圧縮機
３…スライド弁
４…油圧シリンダ（流体圧シリンダ）
５…主室
６…副室
７…スプール比例制御弁
８…油圧ポンプ
９…オイルレシーバ
１０…スプール弁
１１…アクチュエータ
１２…スプール制御装置
１３…バイパス弁
１４…吐出圧力検出器
１５…制御装置
１６…スライド弁開度制御部（スライド弁開度設定手段）
１７…スプール値制御部（スプール値設定手段）
１８…警報制御部
１９…バイパス弁制御部
２０…コンソール

Claims

ロータ室内に互いに咬合して回転し、気体を圧縮する雌雄一対のスクリュロータを収容し、前記ロータ室の吐出位置を変化させるスライド弁を有するスクリュ圧縮機と、
前記スライド弁を駆動し、その位置を検出する流体圧シリンダと、
前記流体圧シリンダの主室に作動流体を供給するロード位置と、前記主室から前記作動流体を排出するアンロード位置とを有するスプール弁と、
前記スプール弁を周期的に前記ロード位置と前記アンロード位置との間で変化させ、前記スプール弁の前記ロード位置にある時間の比率であるスプール値を制御可能なスプール弁駆動手段と、
前記スクリュ圧縮機の吐出圧力と目標圧力との偏差に応じて、前記スライド弁の目標開度を設定するスライド弁開度設定手段と、
前記流体圧シリンダが検出した前記スライド弁の開度と前記スライド弁開度設定手段が決定した前記目標開度との偏差に応じて、前記スプール弁駆動手段における前記スプール値の目標値を設定するスプール値設定手段とを有することを特徴とする圧縮装置。
前記スプール値の実際の値を検出するスプール値検出手段をさらに有し、
前記スプール値の実際の値と、前記スプール値の目標値との偏差が所定の値以上となったとき、警報信号を発することを特徴とする請求項１に記載の圧縮装置。
前記スクリュ圧縮機の吐出側と吸込側とがバイパス弁を介して接続され、
前記気体の需要の急激な減少を示す外部信号を受信したとき、前記バイパス弁を開放することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧縮装置。
前記スクリュ圧縮機の吐出側と吸込側とがバイパス弁を介して接続され、
前記スクリュ圧縮機の吐出圧力が予め設定した上限圧力に達したとき、前記バイパス弁を開放することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧縮装置。