JP2010526961A - ターボ圧縮機の制御方法 - Google Patents

Abstract

逆止め弁（６）を備えた圧縮空気管路（５）が連結されたターボ圧縮機の制御方法において、１つ又は幾つかのプロセスパラメーターが予め定めた限度又は限度外の値になったときにターボ圧縮機（１）の回転速度を予め定めた最小回転速度にまで非常に急激に減少させ、前記逆止め弁（６）を閉じること、及び、該回転速度の減少の後１つ又は幾つかの切換条件を満たすときに圧縮機（１）の回転速度を再び増加させ、逆止め弁（６）を開くことを特徴とする。

Description

本発明は、ターボ圧縮機の制御方法に関するものである。

すでに知られているように、ターボ圧縮機は、軸方向の入口と、ターボ圧縮機の種類によって決まる軸方向又は半径方向の出口とを備えたハウジングの中に回転するように設けた羽根付ローターで構成されている。

前記ローターが駆動している間、空気又は他の気体が入口から圧縮機によって軸方向に吸い入れられ、出口から排出される。

前記の気体は、遠心力のバランス及び力学的エネルギーの圧力への変換によって圧縮されるのである。

正常な作動区域において作動させるために、種々の異なる調節技術がすでに知られている。例えば、圧縮機の入口で気体の流量を制限することができるように、所望の気体の流れにする機能を有する部材として姿勢を変えることのできる調節自在な吸込ベーンを使用すること等が知られている。

また、上記の吸込ベーンの場合と同様に、所望の気体の流量にする機能をもった部材として、姿勢を変えることのできる調節自在な拡散ベーンを備えたターボ圧縮機を設けることもすでに知られている。

他の知られている調節方法は、例えば圧縮機の回転速度を調節すること、圧縮機の空気の吸込口を絞ること、又は前記の調節技術のうちの２つ以上を組み合せたものから成っている。

これら全ての知られている方法によって、一定の送出圧力を生じさせるために圧縮機が一定の最小限流量を供給しなければならない。この最小限流量は各々の方法ごとに異なる。

前記の最小限流量よりも小さい流量値になっている間は、安定した作動はもはや可能ではなく、圧縮動作は「サージ」と呼ばれる現象によって妨げられる。それにより、吸込及び送出の状態が激変して、圧縮機のシステム全体が不安定になり、圧縮率及び送出流量にも影響を与える。この不安定で異常な流れは大きな機械的力を生じさせるので、継続して作動させるとその領域の機械を損傷させ得る。

圧力又は圧縮率が十分に低ければ、継続して作動させても、結果として生じる機械的力は常に機械に吸収される形でより小さなものとなる。

このことを異なった種々の圧力値についてグラフで表示すると、最小限流量が一続きのものとして描かれた普通の曲線、すなわちサージ曲線を得る。

最小限流量を圧力の関数としてグラフに描くこととし、圧力を縦の上向きの軸によって表示し、最小限流量を右側に向けられた横軸で表示すると、不安定な調節領域はサージ曲線の左側に位置することになる。

実際には、安全のためのゆとりが得られるように、上記のグラフを右にシフトさせることによって得られるサージ制御曲線が常に用いられる。上記のゆとりをゼロに等しくセットすると、サージ制御曲線とサージ曲線とは一致する。

もし、ある管路系に必要な流量が、ある圧力値の場合に、サージ制御曲線によって表示される最小限流量よりも少ない場合は、まず圧縮機がサージの影響を受けず、さらにはそのような少ない流量をその管路系に供給することを可能にするような方法を導入しなければならない。

上記のような少ない流量を不安定な調節領域又はサージ領域において供給するための幾つかの方法がすでに知られているが、下記の方法もそれらに含まれるものである。

すでに知られている第１の方法は、圧縮機内の流量がサージ制御曲線によって決定された最小値に下がると、直ちに圧縮機の出口にある一定量の圧縮された気体を大気中に噴出させることを可能にする開閉式の排気弁を用いることである。これにより、吸込ベーン等のような調節部分はもはや変異することはない。

同時に、圧縮機がその管路系から孤立するように、圧縮機の圧縮空気管路に設けた逆止め弁が閉じる。このため、その管路系に供給される流量が無くなる。

その結果、サージを防止するように、上記の最小値よりも大きな流量が圧縮機の中を貫流する。

その次に再び前記の排気弁を閉めることによって、前記の逆止め弁が再び開き、圧縮機は再びその管路系に流量を供給する。

前記の排気弁の開閉を交互に行うことにより、必要な流量がその管路系に平均して供給される。

この方法の大きな欠点は、空気又は気体の全流量が排気弁を通じて排出され、大きなエネルギーの損失になることである。

別の知られた方法は調節自在の排気弁を用いることであり、それによれば、サージ制御曲線に達すると排気弁が部分的に開くだけであり、適切な流量が供給されるように排気弁の開き方の程度が絶えず調節される。

結局、この方法においても、一定量の流体が排気弁によって噴出されて失われ、一定量のエネルギー損失を招いてしまう。

第３の知られている方法は上記の第１の方法を発展させたものであり、それによると、排気弁を開いたり逆止め弁を閉じたりすることとは別に、吸込ベーンや拡散ベーン等のような姿勢調節部品を圧縮機内の流量が少なくなるような姿勢で取付けるものであり、逆止め弁を閉じることによってその管路系に供給される流量が無くなるのである。

しかし、この方法においては、圧縮機が設計されたとおりの回転速度で作動を続けることになり、その結果として、駆動システムに顕著に生じる損失は動力の見積り値の１５％〜２０％程の大きなものとなる。

そのプロセスに再び流量を供給するために、前記姿勢調節部品をそれらのもとの姿勢の方向に戻し、排気弁を閉じ、逆止め弁を再び開く。

これらのサイクルを交互に行うことによって、所望の流量がその管路系に平均的に供給される。

この方法は第１の方法に比べて噴出流量が相当少ないため、エネルギー損失がより小さなものとなる。しかし、圧縮機は設計されたとおりの回転速度で作動を続けるため、エネルギー損失の総計は依然としてかなりの量になる。

本発明は、上記の欠点及びその他の欠点のうちの１つ又は幾つかを克服することを目的とするものである。

この目的のため、本発明はターボ圧縮機を調節するための方法に関するものであり、逆止め弁を備えた圧縮空気管路がこのターボ圧縮機に接続され、１つ又は幾つかのプロセスパラメーターが予め定めた限度又は限度外の値になったときに該ターボ圧縮機の回転速度を非常に急激に予め定めた最小回転速度に減少させ、上記の逆止め弁を閉じる。上記の回転速度の減少の後、もし１つ又は幾つかの切換条件を満たすときに圧縮機の回転速度を再び増加させ、逆止め弁を開く。

この方法の１つの有利な点は、圧縮機が最小回転速度で回転する時、圧縮機は非常に限られた圧縮力だけしか消費しないことである。この小さい回転速度のおかげで、この状態で必要な力は標準作動の場合のほんの一部になり、駆動に伴うエネルギー損失は標準作動の場合に比べて相当少なくなる。

本発明によるそのような方法のさらなる有利な点は、急激に流量が増加する場合に備えて、圧縮機の回転速度を再び上げて素早く最初の作動状態に切り換えることができるような体勢に常にしてあることである。

この方法は、一定量のガス又は圧縮空気を大気中に噴出させることを必ずしも必要とせずに、調節することをも考慮している。

本発明による上記の方法では、ターボ圧縮機の回転速度を非常に急激に減少させて逆止め弁を閉じる時に発生する一時的な現象が起こっている間、圧縮機がサージの状態で回転することも起りうる。

すでに知られているように、そのようなサージという重大事が発生すれば結果的にさらなる機械的負荷をもたらす。

従って、その機械はいかなる損傷も受けずにその一時的なさらなる負荷に耐えられるように設計しなければならない。

逆止め弁を閉じた状態で圧縮機が減速された回転速度で回転するとき、圧縮機はサージ状態を続けることになる。

しかし、この場合においてはいかなる大きな問題も伴わないように機械的負荷は小さいものとなる。必要であれば、温度の上昇を避けるための方策を採ることは常に可能である。

しかし、本発明の好ましい特徴によれば、いかなる逆流をも防ぐために、回転速度の急激な減少と共に一定量の圧縮ガスの行き場を変えるか、若しくは大気中に噴出させるか、又はそれらの両方がなされる。

このことは、圧縮機の圧縮率が非常に低いという点において有利であり、その結果として、消費される圧縮力はさらに減少し、エネルギーはさらに節約されることになる。

そのような方法の別の有利な点は、行き場を変えたり或いは大気中に噴出させたりするガスがその管路系の圧力よりもはるかに低い圧力であり、エネルギーの損失がより少なくなることである。

さらに、噴出流量を少なくしたり圧縮率を低くすることでエネルギーの損失を抑えるようにして、行き場を変えたり或いは大気中に噴出させたりする空気又はガスの量を、公知の方法を用いるよりもさらに抑えることができる。

そのような本発明による方法をさらに発展させて、幾つかの圧縮段階によって構成される多段階の圧縮機にも適用することができる。

多段階の圧縮機への適用については次のような場合がある。

１）幾つかの圧縮段階が単一のモーターによって駆動される場合、又は２）幾つかの圧縮段階が幾つかのモーターによって駆動される（モーターの数は圧縮段階の数以下である）場合である。これらのモーターの減速時の回転速度だけでなく標準時の回転速度もここでは必ずしも同じというわけではなく、また上記の別々のモーターの回転速度の急激な減速は同時に起こってもよいし、同時に起こらなくてもよい。

上記２つの場合のいずれにおいても、１つ又は幾つかの排気弁を異なる圧縮段階の間及び／又は最後の圧縮段階の手前に設けてよい。

本発明の特徴をより良く説明するために、本発明による下記の好ましい方法を、一例に過ぎないものとしていかなる限定もしないで、添付図面を参照しながら説明する。

第１図はターボ圧縮機を示し、その吸引側２には吸引管路３が接続され、送出側４には圧縮空気管路５が接続されている。該圧縮空気管路５には該ターボ圧縮機１の方に流れるのを防止する逆止め弁６が設けられている。

上記の逆止め弁６は、ここでは、スプリングがシール部材を台座に押圧する従来の方式によって組込まれているが、調節弁などのような他の方法によって実現することを排除するものではない。

上記圧縮空気管路５には、前記ターボ圧縮機１と上記逆止め弁６との間の箇所において、排気弁８を備えた排気管７が接続されている。

前記排気弁８は、ここでは開き方の程度の調節が可能な調節弁の型式にしてあるが、そのような型式の弁が本発明において必ずしも必要というわけではない。

圧縮機１は、ここでは制御モジュール１０を備えた電気式スピード制御モーター９によって駆動するが、例えば熱モーターのような他のタイプのモーターの型式にしてもよい。

さらに、圧縮機１は、ここでは例えばＰＬＣ等の型式のコントローラー１１を備えており、該コントローラーは少なくとも上記制御モジュール１０に接続されているが、ここでは排気弁８にも接続されている。

前記圧縮機は、前記圧縮空気管路５のうち、該圧縮機１と逆止め弁６との間の箇所に設けた第１圧力読取り機１２と、該圧縮空気管路５のうち、上記逆止め弁６を通り越した先の箇所に設けた第２圧力読取り機１３とを備えており、この第２圧力読取り機１３はその圧縮空気ネットワークすなわち該圧縮空気管路５を経由して供給されている管路系にゆきわたっている圧力を読取る。

最後に、この実施例における圧縮機１は、ここでは吸引管路３に設けてある流量読取り機１４をも備えている。

読取り機１２乃至１４の各々は上記コントローラー１１に接続されている。

本発明による方法は下記のように非常にシンプルである。

安定した作動状態、換言すればサージングを起こす領域以外の領域において、すなわち、第２図のグラフにおいて影線区域Ａで図示した正常作動区域において、ターボ圧縮機１を、モーター９の回転速度を制御することによって、つまり該圧縮機の回転速度を制御することによって調節するのが好ましい。

第２図のグラフにおける縦軸は前記ターボ圧縮機１の圧縮率ｃを表わし、一方、横軸は圧縮機の流量ｑを表わしている。

本発明によれば、１つ又はいくつかのプロセスパラメーターが予め定めた限度又は限度外の値になると直ちに、ターボ圧縮機１の回転速度を非常に急激に、予め定めた最小回転速度に減少させ、上記逆止め弁６を閉じる。

この実施例においては、前記流量読取り機１４によって測定された流量がサージ制御曲線に一致する予め定めた最小流量値以下になると、ターボ圧縮機１の回転速度を、第２図のグラフにおいて正常作動区域Ａの外側の作動ポイントＢで表示したように、本発明による予め定めた最小回転速度にまで非常に急激に減少させる。

上記の最小流量値及び最小回転速度は例えば上記のコントローラー１１に記憶させることができ、例えば最良の結果が得られるまで実験的に値を定めて試してみてもよい。

本発明による方法の１つの好ましい特徴によれば、回転速度の急激な減少及び逆止め弁６の閉鎖と共に、圧縮機１をその管路系から孤立させるように排気弁８を開く。

前記排気弁８が開いている間中、圧縮機１は非常に小さい回転速度で回転するため、圧縮機１の圧縮率は低く、圧縮機１はほんの限られた圧縮力を消費するだけである。

前記の小さい回転速度のおかげで、例えばモーター９や圧縮機１のベアリング及びモーター９と圧縮機１との間の伝導機構において発生するエネルギー損失は標準作動の場合よりもはるかに小さい。

正常作動状態を再び始める条件、換言すれば、圧縮機の回転速度を再び増加させて排気弁８を閉じ、その結果として前記逆止め弁６の圧縮機側で増加する圧力によって該逆止め弁６が再び開く条件は、コントローラー１１にもプログラムされる。

そのような切替条件の例としては、例えば、前記第２圧力読取り機１３によって測定される管路系又は圧縮空気ネットワークの圧力の値が或る値よりも低下することとしてもよい。

本発明の特別な特徴によれば、前記排気弁８は多くの異なった開き位置で調節が可能であるか、又は測定された流量が上記の最小流量値にまで低下するとモジュール制御によって制御されるやり方で先ず該排気弁８が開くように、該排気弁８を絶えず変位させるようにして調節することさえできる。

ここで、例えば排気弁８が予め定めた分量だけ開いた状態に達して停止状態が発生したならば、本発明による方法の上記の段階、すなわち、回転速度を急激に減少させ、排気弁８を全開にし、逆止め弁６を閉じるという動作が始まる。

本発明によれば、上記の方法を調節可能な吸込ベーンや調節可能な拡散ベーンと組み合わせて、吸引管路又はその他の調節手段を抑制し、圧縮機に供給される流量を調節可能にすることを排除するものではない。

上述の例においては、排気弁８が用いられているが、そのような排気弁の存在は厳密には必ず必要というわけではなく、除いてもよいし、或いは一定量の圧縮ガスの行き場を変えるためのリターンラインと組み合わせるか、又はリターンラインに取り換えてもよい。

本発明は、あらゆる型のターボ圧縮機、すなわち遠心ターボ圧縮機だけでなく軸流ターボ圧縮機にも適用できる。

本発明のある特別な特徴によれば、上記の圧縮機１は幾つかの圧縮段階から成り、それらの圧縮段階は
ａ）１つの単一のモータによって駆動されるか、或いは
ｂ）同一又は異なった標準時の回転速度及び同一又は異なった減速時の回転速度を有する幾つかのモーターによって駆動される。

後者の場合において、幾つかのモーターがある場合に上記の異なるモーターの回転速度は同時に減少させることも、同時に減少させないことも可能である。

もし必要であれば、上記のａ）及びｂ）の各々の場合において、異なった圧縮段階の間及び／又は最後の圧縮段階の後に１つ又は幾つかの排気弁を設けてもよい。

本発明は、１つの例として図面に表わした方法に限定されるものでは決してない。そればかりか、本発明によるそのような方法は、その発明の範囲内で様々な態様において実現できるものである。

本発明の方法によって駆動される圧縮機を図示するものである。 本発明による方法の動作原理を表わすものである。

Claims (12)

1. 逆止め弁（６）を備えた圧縮空気管路（５）が接続されたターボ圧縮機の制御方法において、１つ又は幾つかのプロセスパラメーターが予め定めた限度又は限度外の値になったときに、ターボ圧縮機（１）の回転速度を予め定めた最小回転速度にまで非常に急激に減少させ、前記逆止め弁（６）を閉じること、及び、該回転速度の減少の後１つ又は幾つかの切換条件を満たすときに、圧縮機（１）の回転速度を再び増加させ、逆止め弁（６）を開くことを特徴とするターボ圧縮機の制御方法。
2. 安定した作動状態で回転速度を調節することによってターボ圧縮機（１）を駆動させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 安定した作動状態で次の制御技術のうち１つ又は幾つかを適用することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
   
   −圧縮機（１）に設けた調節可能な吸込ベーンを制御すること
   −圧縮機（１）に設けた調節可能な拡散ベーンを制御すること
   −圧縮機（１）の吸引管路（３）を絞ること
4. いかなる逆流をも防止するため、回転速度の急激な減少と共に、一定量の圧縮ガスの行き場を変えるか、若しくは大気中に噴出させるか、又はそれらの両方がなされることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の方法。
5. 前記の切換条件が、圧縮機（１）の出口で予め定めた最小圧力値に達することにあることを特徴とする先行する請求項のうちいずれか１つに記載の方法。
6. 圧縮機（１）によって供給される流量が予め定めた最小流量値よりも減少したとき、最初に可変排気弁（８）をモジュール制御によって制御されるやり方で或る一定の停止条件に達するまで開き、その次に圧縮機の回転速度を急激に減少させることを特徴とする先行する請求項のうちいずれか１つに記載の方法。
7. 上記の停止条件が、前記排気弁（８）が予め定めた分量だけ開いた状態に達することにあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 圧縮機（１）が、単一のモーターで駆動する幾つかの圧縮段階を含むことを特徴とする先行する請求項のうちいずれか１つに記載の方法。
9. 圧縮機（１）が、同一又は異なった標準時の回転速度及び同一又は異なった減速時の回転速度を有する幾つかのモーターによって駆動される幾つかの圧縮段階を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
10. 上記の幾つかのモーターの回転速度の減少が同時に起こることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 上記の幾つかのモーターの回転速度の減少が同時に起こらないことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. １つ又は幾つかの排気弁が異なる圧縮段階の間若しくは最終圧縮段階の後又はそれらの両方に設けられていることを特徴とする請求項８乃至１１のうちいずれか１つに記載の方法。

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