JP2011226418A - Compression device and method of operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮装置および圧縮装置の運転方法に関する。 The present invention relates to a compressor and a method for operating the compressor.
一般的にガスを圧縮する圧縮装置は、その吐出圧力を一定に保つように制御される。圧縮装置と需要先とが離れている場合、圧縮装置から需要先までの流路における圧力損失があり、需要先における末端圧力は、圧縮装置の吐出圧力より低い圧力となる。そのような圧力損失は、流量が多くなるほど大きくなるため、末端圧力がガスの消費量に応じて変動してしまう。このため、圧縮装置の吐出圧力は、需要先のガス消費量が最大のときに末端圧力が必要圧力となるように設定され、ガス消費量が少ないときには過剰な圧力でガスを供給して余分なエネルギーを消費してしまう。 Generally, a compression device that compresses gas is controlled so as to keep the discharge pressure constant. When the compressor and the customer are separated, there is a pressure loss in the flow path from the compressor to the customer, and the terminal pressure at the customer is lower than the discharge pressure of the compressor. Since such pressure loss increases as the flow rate increases, the end pressure varies depending on the amount of gas consumed. For this reason, the discharge pressure of the compression device is set so that the terminal pressure becomes the required pressure when the gas consumption at the demand destination is the maximum, and when the gas consumption is small, the gas is supplied with an excessive pressure and an excessive pressure is supplied. It consumes energy.
特許文献1には、インバータ駆動される圧縮機の吐出流量が回転数によって決定され、且つ、需要先までの流路損失がガス流量に依存することを前提に、需要先までの流路損失を圧縮機の回転数に基づいて推測し、末端圧力を一定に保つように吐出圧力の目標値を変更して、省エネを達成する圧縮装置が記載されている。
In
一方、例えば特許文献2に記載されているように、圧縮機の回転数制御ではなく、圧縮機の容量を調整するスライド弁や吐出ガスを吸込側に環流させるスピルバック弁によって圧縮機の吐出圧力を制御する圧縮装置も存在する。そのような圧縮装置では、前記特許文献1の方法は適用できない。
On the other hand, as described in
前記問題点に鑑みて、本発明による圧縮装置は、スライド弁やスピルバック弁を用いながら、需要先におけるガス圧力を一定に保つことができる圧縮装置を提供することを課題とする。 In view of the above-described problems, an object of the compression device according to the present invention is to provide a compression device that can keep a gas pressure at a demand destination constant while using a slide valve or a spillback valve.
前記課題を解決するために、本発明による圧縮装置は、ロータ室に収容したスクリュロータによって吸込流路から吸い込んだガスを圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機を有し、需要先に供給流路を介して圧縮ガスを供給する圧縮装置であって、前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁と、前記吸込流路の圧力を検出する吸込圧力検出器と、前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を所定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度の少なくともいずれかを調整する制御手段とを有するものとする。 In order to solve the above problems, a compression apparatus according to the present invention has a screw compressor that compresses gas sucked from a suction flow path by a screw rotor accommodated in a rotor chamber and discharges the gas into a discharge flow path. A compression device for supplying compressed gas via a supply flow path, wherein the slide valve changes the compression capacity by changing the opening of the rotor chamber, and a part of the gas discharged to the discharge flow path is the suction flow A spillback valve that circulates to the passage, a suction pressure detector that detects the pressure of the suction flow path, a discharge pressure detector that detects the pressure of the discharge flow path, the position of the slide valve, and the suction flow path The discharge flow rate of the screw compressor is calculated from the pressure, and the amount of gas from the discharge flow path to the suction flow path is calculated from the opening of the spillback valve, the pressure of the suction flow path, and the pressure of the discharge flow path. Calculate the ring flow rate and Based on the gas supply flow rate to the demand destination obtained by subtracting the ring flow rate from the output flow rate, the pressure loss in the supply flow path is compensated to maintain the terminal pressure at the demand destination at a predetermined pressure. Control means for determining a target value of the pressure of the discharge flow path and adjusting at least one of the position of the slide valve and the opening of the spillback valve so that the pressure of the discharge flow path becomes the target value It shall have.
この構成によれば、スライド弁の位置およびスピルバック弁の開度によって、供給流路に供給される圧縮ガスの流量を算出して供給流路における圧力損失を算出し、供給流路に所望圧力よりも圧力損失分だけ高い圧力の圧縮ガスを供給することにより、無駄なエネルギー消費を抑制できる。 According to this configuration, the flow rate of the compressed gas supplied to the supply channel is calculated according to the position of the slide valve and the opening of the spillback valve, the pressure loss in the supply channel is calculated, and the desired pressure is applied to the supply channel. By supplying compressed gas having a pressure higher than the pressure loss, wasteful energy consumption can be suppressed.
また、本発明の圧縮装置において、前記制御手段は、次の数式1により前記目標値を決定してもよい。
In the compression apparatus of the present invention, the control means may determine the target value by the following
上記数式1において、右辺の{}内は、供給流路へのガス供給流量のスクリュ圧縮機の定格流量Qtypに対する比を示す。供給流路における圧力損失は、流量の二乗に比例するため、数式1は、所望の末端圧力P2に供給流路における圧力損失分を加算した圧力を、スクリュ圧縮機の吐出圧力Pdの目標値P1とすることを意味する。
In the
また、本発明の圧縮装置において、前記制御手段は、前記需要先のガス消費量の急変を示す信号を受信したときに、前記スライド弁および前記スピルバック弁の少なくともいずれかに対する制御出力に、予め定めた加算値を加算してもよい。これにより、前記需要先における不連続な負荷変動に対しても、圧縮装置の安定した運転が可能になる。 In the compression device of the present invention, when the control means receives a signal indicating a sudden change in the gas consumption of the demand destination, the control means outputs in advance a control output for at least one of the slide valve and the spillback valve. A predetermined addition value may be added. As a result, the compressor can be operated stably even with respect to discontinuous load fluctuations at the demand destination.
また、本発明によれば、圧縮装置においてロータ室に収容したスクリュロータによって吸込流路から吸い込んだガスを圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機によって、需要先に供給流路を介して圧縮ガスを供給する圧縮装置であって、前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁とを有する圧縮装置の制御方法は、前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を所定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度の少なくともいずれかを調整する。 Further, according to the present invention, the screw compressor that compresses the gas sucked from the suction passage by the screw rotor housed in the rotor chamber in the compression device and discharges it to the discharge passage through the supply passage to the customer. A compression device for supplying compressed gas, wherein the slide valve changes the compression capacity by changing the opening of the rotor chamber, and the spillback that circulates part of the gas discharged to the discharge flow path to the suction flow path The control method of the compression device having a valve calculates the discharge flow rate of the screw compressor from the position of the slide valve and the pressure of the suction flow path, and the opening degree of the spillback valve and the pressure of the suction flow path The flow rate of the gas from the discharge flow channel to the suction flow channel is calculated from the pressure of the discharge flow channel and the pressure of the discharge flow channel, and the gas supply flow rate to the demand destination obtained by subtracting the ring flow rate from the discharge flow rate is obtained. Based on The target value of the pressure of the discharge channel is determined so as to compensate the pressure loss in the supply channel and maintain the end pressure at the demand destination at a predetermined pressure, and the pressure of the discharge channel is set to the target value So that at least one of the position of the slide valve and the opening of the spillback valve is adjusted.
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、本発明の1つの実施形態の圧縮装置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を有する。スクリュ圧縮機2は、吸込口の開口を可変して実効的な圧縮容量を変更するスライド弁3を有し、吸込流路4から空気(ガス)を吸い込んで、スクリュロータによって圧縮し、圧縮した空気を吐出流路5に吐出する。スライド弁3は、流体圧アクチュエータ6によって位置決め駆動される。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a
また、圧縮装置1は、吐出流路5から吸込流路4に、吐出した圧縮空気の一部を環流させるスピルバック弁7と、吐出流路5の圧力(吐出圧力)Pdを検出する吐出圧力検出器8と、吸込流路4の圧力(吸込圧力)Psを検出する吸込圧力検出器9と、吐出流路5に接続したバッファとなる吐出空気槽10と、吸込流路4に接続したバッファとなる吸込空気槽11とを有する。スライド弁3の位置Zおよびスピルバック弁7の開度Xは、コンピュータからなる制御装置12によって、吐出圧力検出器8および吸込圧力検出器9の検出結果に基づいて調節される。
The
圧縮装置1からは、配管からなる供給流路13を通して、圧縮空気を消費する需要先14に圧縮空気が供給される。圧縮装置1において、制御装置12は、この需要先14における圧縮空気の圧力(末端圧力)Pcを直接検知することはできないが、末端圧力Pcを所定の圧力P2に維持するために、スクリュ圧縮機2の吐出圧力の目標値P1を変更するようにプログラムされている。また、制御装置12は、需要先14から負荷遮断を示す接点信号等を受信できるようになっている。
Compressed air is supplied from the
図2に、圧縮装置1において、制御装置12が行うスライド弁3およびスピルバック弁7の制御の流れを示す。先ず、ステップS1では、供給流路13における圧縮空気流量を算出する。スクリュ圧縮機2の吐出流量Qcは、吸込圧力検出器9が検出した吸込圧力Psと、設計吸込圧力Psoと、定格容量(吐出量)Qtypと、制御装置12によって定められるスライド弁3の位置に応じて定められるスクリュ圧縮機2の容量の定格容量に対する比を示す容量特性関数f(Z)とによって、数式2のように表すことができる。
FIG. 2 shows a flow of control of the
尚、スクリュ圧縮機2の容量特性関数f(Z)は、スクリュ圧縮機2の型式等により特定され、例えば、図3に示すような関係になる。したがって、容量特性関数f(Z)は、予め制御装置12に、スライド弁3の位置Zの区分に対応する容量の比を示す表である参照テーブルのような形式のデータとして記憶される。
The capacity characteristic function f (Z) of the
また、スピルバック弁を介した環流流量Qbは、吐出圧力検出器8が検出した吐出流路5の圧力Pdと、吸込圧力検出器9が検出した吸込流路4の圧力Psと、制御装置12によって定められるスピルバック弁7の弁開度Xにより決定される容量係数(CV値)CV(X)と、空気の物性によって定められる係数(水に対する流量比)Aとによって、数式3のように表すことができる。
The recirculation flow rate Qb through the spillback valve is determined by the pressure Pd of the
尚、スピルバック弁7の容量係数CV(X)は、スピルバック弁7の型式等により定められ、通常、仕様書等においてバルブのメーカから提供されるものである。容量係数CV(X)は、例えば、図3に示すような関係を有し、予め制御装置12に参照テーブルのような形式のデータとして記憶される。
The capacity coefficient CV (X) of the
続いて、ステップ2で、供給流路13における圧力損失を算出する。圧力損失は、供給流路13を流れる圧縮空気の流量に依存するため、最初に供給流路13における流量を算出する。供給流路13を通した供給流量Qは、スクリュ圧縮機2の吐出流量Qcからスピルバック弁7を介した環流量Qbを差し引いた流量(Qc−Qb)である。
Subsequently, in
そして、圧力損失ΔPは供給流量Qの二乗に比例するため、スクリュ圧縮機2の吐出量Qbが最大で、スピルバック弁7を介した環流量Qbがゼロであるときに、供給流量Qが最大となる。このとき、つまり、供給流量Qがスクリュ圧縮機2の定格吐出量Qtypと等しいときに、圧力損失は最大値ΔPmaxになる。これより、圧力損失Pは、次の数式4で表すことができる。
Since the pressure loss ΔP is proportional to the square of the supply flow rate Q, the supply flow rate Q is maximum when the discharge amount Qb of the
供給流路13の末端圧力Pcを所望の圧力P2にするには、吐出流路5の圧力Pdの制御上の目標値である設定値P1を、P2とΔPとの和に設定すればよい。尚、ΔPmaxは、供給流路13の付設時や圧縮装置1の設置時に実験により確認し、制御装置12に記憶させなければならない。
In order to set the terminal pressure Pc of the
したがって、制御装置12は、ステップS3において、P1を次の数式5によって表される値に設定する。
Therefore, the
そして、制御装置12は、ステップS4において、吐出圧力検出器8が検出した実際の吐出流路5の圧力Pdと、前記設定値P1との偏差に基づいて、公知のPID演算によって、スピルバック弁7の制御量MV1を算出する。
In step S4, the
さらに、制御装置12は、ステップS5で、需要先14の負荷の急激な変動を示す信号入力がないか確認する。ステップS5で、負荷変動、つまり、圧縮空気の消費量の急変が確認されなければステップS6で、ステップS4におけるPID制御の演算結果にしたがってスピルバック弁7の開度を調整する。もしも、ステップS5で信号入力により負荷変動が確認されれば、制御装置12は、ステップS7で、PID演算の制御出力MV1に、信号に対応して予め設定されている加算値FFを加算した量を操作量として、スピルバック弁7の開度を調整する。これにより、急激な負荷の変動を相殺して、PID制御の乱れを低減できる。
Further, in step S5, the
このようにして、圧縮装置1は、短期的には、応答の早いスピルバック弁7の開度調節により、吐出流路5の圧力Pdを設定値P1に維持する。しかしながら、スピルバック弁7を介して吸込流路4に圧縮空気を環流させることは、圧縮に要したエネルギーを廃棄するに等しい。このため、圧縮装置1では、スピルバック弁7の開度を小さくできるように、スライド弁3を操作する。スピルバック弁7は、実質的にスクリュ圧縮機2の圧縮容量を変化させるので、吐出流量の減少に伴って消費動力が小さくなる。
In this manner, the
このために、制御装置12は、ステップS8において、スライド弁3の位置調整の制御量MV2をPID演算によって算出し、ステップS9において、流体圧アクチュエータ6を駆動してスライド弁3を位置決め操作する。
For this purpose, the
以上のステップS1からS9の制御は、圧縮装置1の運転中は、休むことなく繰り返される。
The above control of steps S1 to S9 is repeated without rest while the
本実施形態では、エネルギー効率に優れたスライド弁3と応答性に優れたスピルバック弁7とを吐出圧力Pdの制御に用いている。すなわち、本実施形態では、スライド弁3とスピルバック弁7の各々の制御上の特性を活かしつつ、所望圧力よりも供給流路13における圧力損失分だけ高圧の圧縮ガスを供給して、無駄なエネルギー消費を抑制した吐出圧力制御(末端圧力Pcを所望の圧力P2に維持することができるような吐出圧力Pdの制御)を実現できる。
In this embodiment, the
1…圧縮装置
2…スクリュ圧縮機
3…スライド弁
4…吸込流路
5…吐出流路
7…スピルバック弁
8…吐出圧力検出器
9…吸込圧力検出器
12…制御装置
13…供給流路
14…需要先
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁と、
前記吸込流路の圧力を検出する吸込圧力検出器と、
前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、
前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を所定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度の少なくともいずれかを調整する制御手段とを有することを特徴とする圧縮装置。 A compression device that has a screw compressor that compresses gas sucked from a suction flow path by a screw rotor housed in a rotor chamber and discharges the gas to a discharge flow path, and supplies the compressed gas to a customer through a supply flow path. And
A slide valve that changes the compression capacity by changing the opening of the rotor chamber, and a spillback valve that circulates a part of the gas discharged to the discharge passage to the suction passage;
A suction pressure detector for detecting the pressure of the suction flow path;
A discharge pressure detector for detecting the pressure of the discharge flow path;
The discharge flow rate of the screw compressor is calculated from the position of the slide valve and the pressure of the suction flow path, and the discharge is calculated from the opening of the spillback valve, the pressure of the suction flow path, and the pressure of the discharge flow path. Calculate the flow rate of the gas from the flow path to the suction flow path, and calculate the pressure loss in the supply flow path based on the supply flow rate of the gas to the demand destination obtained by subtracting the ring flow rate from the discharge flow rate. A target value of the pressure of the discharge flow path is determined so as to compensate and maintain the terminal pressure at the demand destination at a predetermined pressure, and the pressure of the slide valve is adjusted so that the pressure of the discharge flow path becomes the target value. And a control means for adjusting at least one of a position and an opening of the spillback valve.
但し、P1は前記目標値、Zは前記スライド弁の位置、f(Z)は予め与えられた前記スクリュ圧縮機の特性関数、Xは前記スピルバック弁の開度、CV(X)は予め与えられた前記スピルバック弁の特性関数、P2は前記需要先において望まれる圧力、Psは前記吸込流路の圧力、Psoは前記スクリュ圧縮機の設計吸込圧力、Pdは前記吐出流路の圧力、ΔPmaxは前記供給流量が前記スクリュ圧縮機の定格流量であるときの前記供給流路における圧力損失、Qtypは前記スクリュ圧縮機の定格流量、Aは圧縮するガスの特性により定まる定数である。 The compression device according to claim 1, wherein the control unit determines the target value according to the following equation.
However, P1 is the target value, Z is the position of the slide valve, f (Z) is a characteristic function of the screw compressor given in advance, X is the opening of the spillback valve, and CV (X) is given in advance P2 is the pressure desired at the customer, Ps is the pressure of the suction passage, Pso is the designed suction pressure of the screw compressor, Pd is the pressure of the discharge passage, and ΔPmax. Is the pressure loss in the supply flow path when the supply flow rate is the rated flow rate of the screw compressor, Qtyp is the rated flow rate of the screw compressor, and A is a constant determined by the characteristics of the gas to be compressed.
前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁とを有する圧縮装置において、
前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を所定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度の少なくともいずれかを調整することを特徴とする圧縮装置の制御方法。 A compression device that supplies compressed gas to a customer through a supply flow path by a screw compressor that compresses gas sucked from a suction flow path by a screw rotor housed in a rotor chamber and discharges the gas to the discharge flow path.
In the compression device having a slide valve that changes the compression capacity by changing the opening of the rotor chamber, and a spillback valve that circulates a part of the gas discharged to the discharge flow path to the suction flow path,
The discharge flow rate of the screw compressor is calculated from the position of the slide valve and the pressure of the suction flow path, and the discharge is calculated from the opening of the spillback valve, the pressure of the suction flow path, and the pressure of the discharge flow path. Calculate the flow rate of the gas from the flow path to the suction flow path, and calculate the pressure loss in the supply flow path based on the supply flow rate of the gas to the demand destination obtained by subtracting the ring flow rate from the discharge flow rate. A target value of the pressure of the discharge flow path is determined so as to compensate and maintain the terminal pressure at the demand destination at a predetermined pressure, and the pressure of the slide valve is adjusted so that the pressure of the discharge flow path becomes the target value. A method for controlling a compressor, comprising adjusting at least one of a position and an opening of the spillback valve.
但し、P1は前記目標値、Zは前記スライド弁の位置、f(Z)は予め与えられた前記スクリュ圧縮機の特性関数、Xは前記スピルバック弁の開度、CV(X)は予め与えられた前記スピルバック弁の特性関数、P2は前記需要先において望まれる圧力、Psは前記吸込流路の圧力、Psoは前記スクリュ圧縮機の設計吸込圧力、Pdは前記吐出流路の圧力、ΔPmaxは前記供給流量が前記スクリュ圧縮機の定格流量であるときの前記供給流路における圧力損失、Qtypは前記スクリュ圧縮機の定格流量、Aは圧縮するガスの特性により定まる定数である。 5. The method for controlling a compressor according to claim 4, wherein the target value is determined by the following equation.
However, P1 is the target value, Z is the position of the slide valve, f (Z) is a characteristic function of the screw compressor given in advance, X is the opening of the spillback valve, and CV (X) is given in advance P2 is the pressure desired at the customer, Ps is the pressure of the suction passage, Pso is the designed suction pressure of the screw compressor, Pd is the pressure of the discharge passage, and ΔPmax. Is the pressure loss in the supply flow path when the supply flow rate is the rated flow rate of the screw compressor, Qtyp is the rated flow rate of the screw compressor, and A is a constant determined by the characteristics of the gas to be compressed.
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