JP2012062893A - 圧縮機システム - Google Patents

Abstract

【課題】より省エネ化を図ることができ、しかも適用範囲の広い圧縮機システムの提供。
【解決手段】ターボ圧縮機２１〜２５と容積形圧縮機１１〜１３を組み合わせて設置し、負荷機器による圧縮ガスの消費量に応じて各圧縮機からの圧縮ガス流量の制御をなすようにされている圧縮機システムにおいて、ターボ圧縮機については吸込ガス量の調整による定風圧制御で圧縮ガス流量の制御をなし、容積形圧縮機については負荷運転と無負荷運転の切換によるオンオフ制御で圧縮ガス流量の制御をなすようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、容積形圧縮機とターボ圧縮機を組み合わせて設置し、圧縮ガスの消費量に応じてこれら圧縮機からの圧縮ガス流量の制御をなすようにされている圧縮機システムに関する。

例えば工場やプラントのような設備では空圧アクチュエータの作動用ガスやガス封入の高圧ガス源などとして圧縮ガスが用いられる。その圧縮ガスは複数台の圧縮機が並列的に設置されてなる圧縮機システムにより供給されるのが一般的である。その圧縮機システムで用いられる圧縮機には大別して二つのタイプがある。一つは、スクリューやレシプロ、スクロールといった圧縮対象ガスの容積を強制的に収縮させて圧力を高める容積形圧縮機であり、他の一つは圧縮対象ガスに運動エネルギーを与えた後に速度を減じて圧力を高めるターボ圧縮機である。両者は容量や圧縮ガスの使用環境などに応じて有利とされる分野が違う。例えば容量についてみると、概して小容量では容積形圧縮機が有利であり、大容量ではターボ圧縮機が有利であるといえる。このため圧縮機システムにあっては、容積形圧縮機とターボ圧縮機を一つのシステム内で組み合わせて用いる場合が多い。

このような圧縮機システムでは、負荷機器による圧縮ガスの消費量に応じて圧縮ガス流量（圧縮ガスの圧送流量）の制御がなされる。圧縮機システムにおける圧縮ガス流量の制御としては、圧縮ガスの消費状況を確認して作業員が例えば圧縮機の運転台数の増減を調整する方法がある。この方法は、作業員を常時配置しておかなければならないため人員の無駄であるし、運転台数の増減のタイミングが遅れて適切な状態の圧縮ガスを供給できなくなるなどのヒューマンエラーを起す可能性も高い。

そこで、圧縮機システムの自動制御が望まれる。自動制御法の一つとして、圧縮ガスの時間帯による消費状況を前もって予測できる場合に、タイマーにより圧縮機の運転台数などを制御する方法がある。この方法は、時間帯ごとに最大消費量（単位時間当たりの最大消費量）を予測し、その最大消費量を前提にして圧縮機の運転台数などを調整することになる。そのためにどうしても無駄の多い運転となってしまう可能性が高い。

自動制御法の他の一つは、圧縮ガスの消費状況を圧力検出手段などで検出し、その検出データに基づいたフィードバック制御で圧縮ガス流量を調整する方法である。圧縮ガス流量の調整には、圧縮機の運転台数調整と圧縮機ごとの圧縮ガス流量調整とを何れか単独で、または両者の組み合わせで用いることができる。運転台数調整には、各圧縮機の起動・停止による調整と起動状態の圧縮機に負荷運転と無負荷運転の切換を行なわせるオンオフ制御があり、主には後者が用いられる。一方、圧縮機ごとの圧縮ガス流量調整は、圧縮機への吸込ガス量の調整でなすことができる。ただ、吸込ガス量調整は、動力効率の点から容積形圧縮機では一般的に用いられず、主にターボ圧縮機で用いられる。ターボ圧縮機における吸込ガス量調整は、その入口ガイドベーンによる吸込ガス量の調整でなすことができるし、また吸込絞り弁を用いた吸込ガス量の調整でなすこともできる（例えば特許文献１、特許文献２）。このようなフィードバック制御は、変動する圧縮ガスの消費量に追随した制御を行なえるので無駄を少なくすることができる。そのため多くの圧縮機システムではこの方法が用いられている。

容積形圧縮機とターボ圧縮機を組み合わせた圧縮機システムあるいは単一種類の圧縮機だけを用いた圧縮機システムにおける圧縮ガス流量制御技術については既にさまざまな方法が提案されている。例えば容積形圧縮機とターボ圧縮機を組み合わせる場合については、容積形圧縮機で圧縮機システム全体の圧縮ガス流量の調整を行なう、つまり容積形圧縮機を圧縮機システム全体の容量調整のための容量調整機とし、ターボ圧縮機を常時負荷運転のベースロード機として使用する方法が知られている（例えば特許文献３、特許文献４）。

また、高圧と低圧の圧縮ガスを供給する二つの圧縮ガス供給ラインがある場合に、低圧ライン側の圧縮機は常に全負荷運転に保ち、不足分を高圧ラインから減圧して供給する方法も提案されている（例えば特許文献５）。この方法は、低圧ライン側の圧縮機の方が高圧ライン側の圧縮機よりも一般的に容量が大きく、そして容量の大きな圧縮機より容量の小さな圧縮機の方が流量調整時の動力効率がよいという関係を利用している。

また、ターボ圧縮機の圧縮ガス流量制御について吸込絞り弁と放風弁を用いた制御が提案されている（例えば特許文献２）。この方法では、圧送流量の異なる複数台のターボ圧縮機を組み合わせることで広い圧送流量範囲に渡り吸込絞り弁による吸込絞り制御を行なえるようにしている。またターボ圧縮機では一定以下の圧送流量域においてサージングと呼ばれる管内不安定現象が生じるために吸込絞り制御を利用できる範囲が最大流量の例えば約７０〜１００％と制限を受けるということから、この吸込絞り制御を利用できない流量範囲については圧縮ガスの一部を放風することで圧送圧力を略一定に保ちながら流量制御を行なえるようにしている。そして、吸込絞り制御では圧送圧力を略一定に保てるという特徴があるので、これを利用してレシーバタンクを不要にするなど、圧縮機システムの合理化を図っている。

特開平７−３０５６９８号公報 特開平６−２４９１９０号公報 特開平７−３３２４８号公報 特開平７−１１９６４４号公報 特開平５−６００７７号公報

容積形圧縮機とターボ圧縮機を組み合わせた圧縮機システムにおける従来の圧縮ガス流量制御では、容積形圧縮機を容量調整機としターボ圧縮機をベースロード機とする、特許文献２や特許文献３に記載される例のような手法が主流であった。その理由は、流量調整における容積形圧縮機とターボ圧縮機の特性の違いにある。流量調整は、上述のように、負荷運転と無負荷運転の切換によるオンオフ制御や吸込ガス量の調整で行なうことができるが、調整可能範囲の制限などの問題から、一般的にはオンオフ制御が用いられる。オンオフ制御では、負荷運転時間と無負荷運転時間の割合（負荷率）で圧送流量が決まり、動力もその負荷率に応じて定まる。

このオンオフ制御におけるターボ圧縮機と容積形圧縮機それぞれの圧送流量と必要動力の関係の一例をグラフにして図７に示す。グラフの横軸は、圧縮機の圧送流量であり、圧縮機の最大圧送流量を１００とした百分率で表わされている。一方、縦軸は、圧縮機の単位時間当たりの消費軸動力であり、全負荷運転状態で圧縮機が消費する単位時間当たりの軸動力を１００とした百分率で表わされている。このグラフから分るように、容積形圧縮機では無負荷運転時の動力が全負荷運転時の動力の約１８％であるのに対して、ターボ圧縮機では無負荷運転時の動力は全負荷運転時の動力の約３５％と大きい。しかもターボ圧縮機の方が容積形圧縮機よりも最大容量（最大流量）が大きいことが一般的である。例えば、３００ｋＷの容積形圧縮機では風量０のときの無負荷動力が約５４ｋＷであるのに対して、１０００ｋＷのターボ圧縮機では無負荷動力が約３５０ｋＷになる。このようにターボ圧縮機は容積形圧縮機に較べて無負荷運転時の動力効率が悪いということから、ターボ圧縮機を常に全負荷運転のベースロード機として容積形圧縮機で容量調整を行なう手法が多用されることになっている。

しかしこのターボ圧縮機ベースロード機手法は、より一層の省エネ化という点で問題を残している。具体的にはターボ圧縮機ベースロード機手法は、負荷機器による圧縮ガスの消費量が全負荷運転のターボ圧縮機で供給される圧縮ガス量よりも上回っている条件では有効であるものの、その逆の場合に効率が低下する。すなわち圧縮ガスの消費量は大きく変動する場合も少なくないが、そのような場合には圧縮ガスの消費量が全負荷運転のターボ圧縮機で供給される圧縮ガス量よりも少なくなる状態も起こり、この状態では容積形圧縮機による容量調整を働かせる余地がなくなり、圧縮ガスを必要以上に供給することになって無駄を生じる。したがって省エネという観点からすると、ターボ圧縮機ベースロード機手法は、圧縮ガス消費量の変動が大きく、ベースロード機としたターボ圧縮機からの圧縮ガス流量よりも圧縮ガス消費量が少なくなる状態をしばしば生じる条件では必ずしも適切でなく、特にターボ圧縮機の方が容積形圧縮機よりも一般的に容量が大きいことを考慮すると、この手法を適用できる範囲はかなり限られることになるといえる。

また、従来における圧縮機システム制御技術の一つである上記特許文献５に記載の例のような手法、つまり高・低二つの圧縮ガス供給ラインを前提に高圧ラインの圧縮機の流量制御で低圧ライン側の流量も制御する手法にも汎用性の問題がある。すなわち、高・低二つの圧縮ガス供給ラインを必要としない圧縮機システムには適用できない。またこの手法は、低圧ライン側の圧縮機を常時負荷運転のベースロード機とし、高圧ライン側の圧縮機を容量調整機とする制御といえることから、上記ターボ圧縮機ベースロード機手法におけるのと同様に生成した圧縮ガスを無駄にするという問題もある。

また、従来における圧縮機システム制御技術の一つである上記特許文献４に記載の例のように、ターボ圧縮機の圧縮ガス流量制御として吸込絞り弁と放風弁を用いてなす制御手法には、吸込絞り弁制御の範囲外で放風を行なうために、その放風分が無駄になり、動力効率が低下するという問題がある。

ここで、ターボ圧縮機については、上記したように、その入口ガイドベーンによる吸込ガス量の調整をなしたり、吸込絞り弁による吸込ガス量の調整をなしたりすることで容量制御を行なうことができる。この吸込絞り制御は定風圧制御（定風圧容量制御）とも呼ばれる。そして入口ガイドベーンによる場合は、入口ガイドベーンの角度調整で吸込ガスに旋回を与えて吸込流量を変化させることにより圧送流量の調整がなされる。そのため入口ガイドベーンによる定風圧制御は、吸込絞り弁で吸込ガスに圧損を与えて圧送流量を変化させる定風圧制御と比較して効率が良く、容積形圧縮機のオンオフ制御と同等以上の効率で流量の調整が可能である。ただ、その調整可能範囲に制限がある。すなわち吸込絞り弁による調整の場合と同様にサージングを回避するために調整を行なうことのできる圧送流量範囲が最大流量の例えば約７０〜１００％に制限される。図８に、最大流量の７０％まではオンオフ制御を行ない、７０％以上では定風圧制御とした場合のターボ圧縮機における圧送流量と必要動力の関係の一例をグラフにして示す。グラフの横軸と縦軸は図７の場合と同様であり、参考までに図７における容積形圧縮機のオンオフ制御時の圧送流量と必要動力の関係も併せて示してある。なお図では簡略化して定風圧制御域（流量７０〜１００％の範囲）での流量と軸動力の関係を直線で表してあるが実際には下に凸な曲線となる。このグラフから定風圧制御が可能な範囲についてはそれを行なうようにすることで、動力効率を高めることが可能であることが分る。

本発明は、以上のような従来の圧縮機システムにおける事情を背景になされたものであり、より省エネ化を図ることができ、しかも適用範囲の広い圧縮機システムの提供を目的としている。

本発明は、複数台のターボ圧縮機と複数台の容積形圧縮機を組み合せて設置し、前記ターボ圧縮機や前記容積形圧縮機により供給される圧縮ガスの流量を負荷機器による圧縮ガスの消費量に応じて制御するようにされている圧縮機システムにおいて、
前記ターボ圧縮機については、吸込ガス量の調整による定風圧制御で圧縮ガス流量の制御をなすようにされ、かつサージング回避のために前記ターボ圧縮機に設定される下限圧縮ガス流量以上の範囲で前記定風圧制御を行うようにされ、
前記容積形圧縮機については、負荷運転と無負荷運転の切換によるオンオフ制御で圧縮ガス流量の制御をなすようにされ、
前記定風圧制御が可能な範囲にあって、前記ターボ圧縮機が１台当りの最大圧縮ガス流量と最小圧縮ガス流量としてＱmaxとＱminを有するとして、前記複数台の容積形圧縮機の全台による圧縮ガス流量ＱｔがＱmin≦Ｑｔ≦Ｑmaxとなるように前記容積形圧縮機の台数が設定され、
そして、前記複数台のターボ圧縮機と前記複数台の容積形圧縮機の組合せにおける圧縮ガス流量制御は、
当該制御の開始として、前記複数台のターボ圧縮機と前記複数台の容積形圧縮機のいずれもが起動していない状態から前記複数台の容積形圧縮機の全台を負荷運転状態で起動する過程、
前記過程で起動された前記複数台の容積形圧縮機を個々にオンオフ制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなす過程、
前記過程での圧縮ガス流量の制御にあって前記複数台の容積形圧縮機を全台負荷運転とした状態での圧縮ガス流量を圧縮ガス消費量が上回ることを条件に前記複数台のターボ圧縮機の内の１台を前記下限圧縮ガス流量の状態で起動させる一方で、前記複数台の容積形圧縮機を全台無負荷運転とする過程、
前記過程で起動されて運転中となっている１台目のターボ圧縮機を定風圧制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなすか、又は前記１台目の運転中ターボ圧縮機を前記最大圧縮ガス流量にした状態で前記複数台の容積形圧縮機を個々にオンオフ制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなす過程、
前記過程での圧縮ガス流量の制御にあって前記１台目の運転中ターボ圧縮機を前記最大圧縮ガス流量にし、かつ前記複数台の容積形圧縮機を全台負荷運転とした状態での圧縮ガス流量を圧縮ガス消費量が上回ることを条件に前記複数台のターボ圧縮機の内の次の１台を前記下限圧縮ガス流量の状態で起動させる一方で、前記複数台の容積形圧縮機を全台無負荷運転とする過程、
前記過程で起動されて運転中となっている２台目のターボ圧縮機と前記１台目の運転中ターボ圧縮機のいずれか一方、又は両方を定風圧制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなすか、又は前記１台目の運転中ターボ圧縮機と前記２台目の運転中ターボ圧縮機をともに前記最大圧縮ガス流量にした状態で前記複数台の容積形圧縮機を個々にオンオフ制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなす過程、及び
前記複数台の運転中ターボ圧縮機の全台を前記最小圧縮ガス流量にし、かつ前記複数台の容積形圧縮機を全台無負荷運転とした状態での圧縮ガス流量が圧縮ガス消費量を上回ることを条件に前記複数台の運転中ターボ圧縮機の内の１台を停止させる一方で、前記複数台の容積形圧縮機を全台負荷運転とする過程
を含むことを特徴とする圧縮機システムを開示する。

以上説明したように、本発明によれば、広い圧縮ガス流量範囲についてきめ細かく制御することができる。このため、放風などによる無駄を招くことがなく、圧縮機システムのより一層の省エネ化を図ることが可能となる。また、圧縮ガス消費量が大きく変動する場合にも容易に対応でき、適用範囲の広い汎用的なシステムとすることができる。さらに、流量制御における動力効率も最大限に高めることができ、この点でも圧縮機システムのより一層の省エネ化を図ることが可能となる。

一実施形態による圧縮機システムの構成を模式化して示す図である。 図１の圧縮機システムにおける処理の流れを示す第１の分図である。 図１の圧縮機システムにおける処理の流れを示す第２の分図である。 図１の圧縮機システムにおける処理の流れを示す第３の分図である。 図１の圧縮機システムにおける処理の流れを示す第４の分図である。 図１の圧縮機システムにおける圧縮ガス流量と圧縮機の軸動力の関係を示すグラフ図である。 オンオフ制御におけるターボ圧縮機と容積形圧縮機それぞれの圧送流量と必要動力の関係の一例を示すグラフ図である。 オンオフ制御と定風圧制御を組み合わせて用いた場合のターボ圧縮機における圧送流量と必要動力の関係の一例をグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に一実施形態による圧縮機システムの構成を模式化して示す。この圧縮機システムは、圧縮ガス流量制御盤（圧縮ガス流量制御装置）１、圧力検出手段２、レシーバタンク３、それに各々複数台が並列に設置される容積形圧縮機１１〜１３とターボ圧縮機２１〜２５を備えてなる。容積形圧縮機１１〜１３やターボ圧縮機２１〜２５が供給する圧縮ガスは、共通の圧送ライン３ｐを通してレシーバタンク３に貯蔵された後に図外の負荷機器（圧縮ガス消費機器）に圧送される。圧縮ガス流量制御盤１と圧力検出手段２は、圧縮ガス流量制御系を構成しており、レシーバタンク３における圧縮ガスの圧力つまり負荷機器による圧縮ガスの消費状態を圧力検出手段２で検出し、その検出圧力に基づいて圧縮ガス流量制御盤１が容積形圧縮機１１〜１３やターボ圧縮機２１〜２５の運転状態を調整して圧縮機システムからの圧縮ガス流量を制御する。そのために圧縮ガス流量制御盤１は、データ処理機能を有し、そのデータ処理機能に後述するような台数制御を可能とするソフトウエアが組み込まれている。

ここで、図の例では容積形圧縮機を１１〜１３の３台、ターボ圧縮機を２１〜２５の５台としているが、圧縮機の台数はこれに限られない。ただし、容積形圧縮機については、後述するような制御を可能とするために、その台数に一定の要件が課される。すなわち本発明では、容積形圧縮機の台数制御（後述のオンオフ制御）とターボ圧縮機の入口ガイドベーンを用いた吸込ガス量調整による容量制御つまり定風圧制御とを組み合わせて圧縮機システムの圧縮ガス流量制御を行なう。そしてこの組み合わせ制御おいてターボ圧縮機の定風圧制御は、サージング回避のために下限容量（下限圧縮ガス流量）を設定し、この下限容量以上の範囲に制限する。その下限容量は、例えばターボ圧縮機１台の最大容量（入口ガイドベーン最大角度運転状態での容量）の７０％であり、その場合には各ターボ圧縮機の容量の７０〜１００％に定風圧制御範囲が制限される。そのために、後述の説明から分るように、ターボ圧縮機の起動や停止に際し、各ターボ圧縮機の最大容量の７０％に相当する量で圧縮ガス流量が不連続的に変化することになる。そこで、この不連続部分を容積形圧縮機のオンオフ制御で補間することにより、圧縮ガス消費量に応じた全範囲についてきめ細かく圧縮ガス流量の制御を行なえるようにし、そのために容積形圧縮機の台数に一定の要求を課すことになる。

具体的には容積形圧縮機の台数は、各容積形圧縮機を全負荷運転した状態での容積形圧縮機の合計容量がターボ圧縮機１台の下限容量を超える台数とする。つまり容積形圧縮機１１〜１３の合計容量をＱｔ、ターボ圧縮機１台の下限容量（最小容量）をＱminとすれば、Ｑｔ≧Ｑminとなるように容積形圧縮機の台数を設定する。より好ましくは、ターボ圧縮機１台の最大容量をＱmaxとして、Ｑmin≦Ｑｔ≦Ｑmaxとなるような台数とする。なおターボ圧縮機２１〜２５それぞれの最小容量が異なっている場合には、最小容量が最も小さいターボ圧縮機を基準にして容積形圧縮機の台数を設定するのが好ましい。この容積形圧縮機の台数設定については、ターボ圧縮機の容量は吸込ガスの温度により変化するため、最も低温の吸込ガス温度を想定し、それに基づいて容積形圧縮機の台数を定めるのが好ましい。

以下では、圧縮ガス流量制御盤１でなされる圧縮機システムの圧縮ガス流量制御について説明する。図２〜図５に、圧縮ガス流量制御盤１がなす圧縮ガス流量制御における一連の処理の流れを４つの分図に分けて示す。ここで、図中に用いられているＰは圧力検出手段２により検出された圧縮ガスの圧力、Ｐ１は予め設定してある下限圧力、Ｐ３は予め設定してある上限圧力である。つまり負荷機器による圧縮ガス消費量に応じて変化する検出圧力ＰがＰ１とＰ３の間にあるようにフィードバック制御するということである。なお、ターボ圧縮機については入口ガイドベーンの角度調整による定風圧制御で容量制御を行なう。そのためにターボ圧縮機に対しては目標圧力が必要となるが、それをＰ２とするとＰ１＜Ｐ２＜Ｐ３の関係になる。

図２の処理Ａ１で圧縮ガス流量制御盤１による圧縮ガス流量制御が開始されると、まず容積形圧縮機１１〜１３の全台を全負荷運転の状態で起動する（処理Ａ２）。処理Ａ３は運転中のターボ圧縮機の有無を判断する処理である。制御開始時点では運転中のターボ圧縮機はないので、処理Ａ３の結果は“ＮＯ”となり、図３に示す容積形圧縮機の台数制御に移行する。容積形圧縮機の台数制御は、全負荷運転（ＯＬ）と無負荷運転（ＵＬ）の切換によるオンオフ制御でなす。具体的には、処理Ｄ１で検出圧力Ｐが上限圧力Ｐ３を上回っているか否かを判断し、処理Ｄ２で検出圧力Ｐが下限圧力Ｐ１を下回っているか否かを判断する。処理Ｄ１の結果が肯定の“ＹＥＳ”であれば、つまり検出圧力Ｐが上限圧力Ｐ３を上回っていれば、圧縮ガスの供給量が負荷機器による消費量を上回って過剰な状態であるので、容積形圧縮機１１〜１３の何れか１台を無負荷運転にし（処理Ｄ３）、再度処理Ｄ１での判断を行なう。この処理を繰り返して処理Ｄ１の結果が否定の“ＮＯ”になれば、つまり検出圧力Ｐが上限圧力Ｐ３を下回るようになれば、処理Ｄ２に進む。処理Ｄ２の結果が肯定の“ＹＥＳ”であれば、つまり検出圧力Ｐが下限圧力Ｐ１を下回っていれば、圧縮ガスの供給量が負荷機器による消費量を下回って不足な状態であるので、圧縮ガスの供給量を増やすようにする。そのためにまず無負荷運転状態にある容積形圧縮機の有無を判断する（処理Ｄ４）。無負荷運転の容積形圧縮機があれば、それを全負荷運転にする（処理Ｄ５）。処理Ｄ２の結果が “ＹＥＳ”であり、しかも処理Ｄ４の結果が“ＮＯ”である場合には、容積形圧縮機の全台が全負荷運転でありながら消費量が供給量を上回っている状態なので、ターボ圧縮機の制御も開始し、まずターボ圧縮機を１台起動する（処理Ｇ１）。新たなターボ圧縮機の起動は入口ガイドベーンを最小角度に固定した状態（これは上述の下限容量状態ないし最小容量状態に相当する）で行なう。

ここで、容積形圧縮機１１〜１３の台数は、上記のように、各容積形圧縮機を全負荷運転した状態での合計容量Ｑｔ、ターボ圧縮機１台の最小容量Ｑmin、およびターボ圧縮機１台の最大小容量Ｑmaxについて、Ｑｔ≧ＱminないしＱmin≦Ｑｔ≦Ｑmaxとなるように設定されている。したがって容積形圧縮機１１〜１３の全台が全負荷運転にあるということは、例えば最初のターボ圧縮機だけが運転されている状態の場合であれば、そのターボ圧縮機の最小容量を負荷機器による圧縮ガスの消費量が上回った状態にあるということである。すなわち最小容量を消費量が上回った状態になって初めてターボ圧縮機が起動されるということである。

処理Ｇ１でターボ圧縮機が起動されると、処理Ａ３の結果が“ＹＥＳ”となるのでターボ圧縮機の容量制御に移行する。ターボ圧縮機の容量制御が実質的に開始されるのは後述の処理Ｇ３においてである。その容量制御は、入口ガイドベーンの角度を調整して吸込ガス量を増減させる定風圧制御でなされる。より具体的には、検出圧力Ｐに基づいたフィードバック制御による入口ガイドベーンの角度調整でターボ圧縮機への吸込ガス量を調整する定風圧制御によりなされる。その入口ガイドベーンのフィードバック制御はＰＩ制御ないしＰＩＤ制御などとも呼ばれる。

ターボ圧縮機の容量制御においては、まず図２の処理Ａ４で起動中のターボ圧縮機が容量調整状態であるか否かを判断する。これは、ターボ圧縮機の入口ガイドベーンが限界角度つまり最小角度（最小容量状態）または最大角度（最大容量状態）にあれば非容量調整状態であり、最小角度と最大角度の中間状態にあれば容量調整状態であるとして判断される。処理Ａ４の結果が否定の“ＮＯ”になれば、つまり非容量調整状態と判断されれば処理Ｂ１に進む。

処理Ｂ１では運転中のターボ圧縮機が全て入口ガイドベーン最大角度状態つまり最大容量状態であるか否かを判断する。例えばターボ圧縮機の最初の１台が起動された状態では、上記のように入口ガイドベーンを最小角度にして起動がなされることから、処理Ａ４の結果は“ＮＯ”であり、それに続く処理Ｂ１の結果も“ＮＯ”となる。処理Ｂ１の結果が“ＮＯ”であれば、運転中のターボ圧縮機は全て入口ガイドベーン最小角度運転状態ということになる（処理Ｂ２）。一方、後述するような処理を経て複数台のターボ圧縮機が運転されている状態では処理Ｂ１の結果が“ＹＥＳ”となる場合もある。

処理Ｂ１の結果が“ＮＯ”の場合には、図４の処理Ｆ１で検出圧力Ｐが上限圧力Ｐ３を上回っているか否かを判断し、処理Ｆ２で検出圧力Ｐが下限圧力Ｐ１を下回っているか否かを判断する。処理Ｆ１の結果が肯定の“ＹＥＳ”であれば圧縮ガスの供給量が消費量を上回って過剰な状態である。そこで処理Ｆ３として全負荷運転中の容積形圧縮機の有無を判断する。処理Ｆ３の結果が“ＹＥＳ”であれば、全負荷運転中の容積形圧縮機の何れか１台を無負荷運転に切り換え（処理Ｆ４）、再度処理Ｆ１での判断を行なう。このＦ１、Ｆ３、Ｆ４の一連の処理が最初のターボ圧縮機を起動したままの状態においてなされる場合には、最初のターボ圧縮機起動後に圧縮ガス消費量に急激な変動がない限り、上述の容積形圧縮機台数とターボ圧縮機の最小容量との関係から、容積形圧縮機の台数が１台のターボ圧縮機の最小容量程度であれば、その時点での消費量を運転中の１台のターボ圧縮機だけで賄えるのが通常であり、そのため処理Ｆ１、Ｆ３、Ｆ４の繰り返しで容積形圧縮機の全台が無負荷運転になるのが通常である。したがってＱｔとＱminがほぼ同じ程度になるように容積形圧縮機の台数を設定してある場合には最初のターボ圧縮機を起動すると同時に容積形圧縮機の全台を無負荷運転にするようにしてもよい。

処理Ｆ３の結果が“ＮＯ”となる場合は、容積形圧縮機が全台無負荷運転であり、入口ガイドベーン最小角度運転状態の１台ないし複数台のターボ圧縮機だけで圧縮ガスを供給している状態において、供給圧縮ガス量が消費ガス量を上回って過剰となっているので、ターボ圧縮機の１台を停止させる（処理Ｇ４）。それから運転中のターボ圧縮機の有無を判断する（処理Ｇ５）。処理Ｇ５の結果が“ＮＯ”であれば、上述した処理Ａ３〜処理Ｇ１による容積形圧縮機の台数制御を行ない、“ＹＥＳ”であれば、後述の処理Ｅ１以下の処理に移行する。一方、上記の処理を繰り返して処理Ｆ１の結果が“ＮＯ”になれば処理Ｆ２を行ない、その結果に応じて処理Ｇ３においてターボ圧縮機の容量制御が開始される。つまり処理Ｆ１の結果が“ＮＯ”になるのは、運転中のターボ圧縮機の全台が最小容量状態運転であり、容積形圧縮機の全台が無負荷運転の場合であるのが、この状態を前提にしてターボ圧縮機の定風圧制御への移行がなされる。

処理Ｆ２においてその結果が“ＹＥＳ”であれば、つまり検出圧力Ｐが下限圧力Ｐ１を下回っていれば、運転中のターボ圧縮機の全台が入口ガイドベーン最小角度状態運転において圧縮ガスの供給量が消費量を下回って不足な状態であるので、ターボ圧縮機の定風圧制御で圧縮ガスの供給量を増やすようにする。それには、この時点で全てのターボ圧縮機が入口ガイドベーン最小角度状態で運転中であることから、何れか１台のターボ圧縮機について、その入口ガイドベーン角度を検出圧力Ｐに応じて最大角度方向へ調整する容量調整を行なう（処理Ｇ３）。具体的には最小角度状態にある入口ガイドベーンの角度を拡げて吸込ガス量を増加させる。一方、処理Ｆ２の結果が“ＮＯ”であれば、処理Ｆ１に戻る。

図２の処理Ｂ１の結果が“ＹＥＳ”の場合、つまり運転中の全てのターボ圧縮機が入口ガイドベーンを最大に開いて最大容量運転状態にある場合には、図４の処理Ｅ１で検出圧力Ｐが下限圧力Ｐ１を下回っているか否かを判断し、処理Ｅ２で検出圧力Ｐが上限圧力Ｐ３を上回っているか否かを判断する。処理Ｅ１の結果が肯定の“ＹＥＳ”であれば、運転中のターボ圧縮機の全台が最大容量運転状態にありながら、つまりターボ圧縮機の容量制御をなせない状態でありながら、圧縮ガスの供給量が不足な状態である。そこで処理Ｅ３として無負荷運転中の容積形圧縮機の有無を判断する。処理Ｅ３の結果が“ＹＥＳ”であれば、無全負荷運転中の容積形圧縮機の何れか１台を全負荷運転に切り換え（処理Ｅ４）、再度処理Ｅ１での判断を行なう。この処理を繰り返しても処理Ｅ１の結果が“ＹＥＳ”で処理Ｅ３の結果が“ＮＯ”であれば、全台の容積形圧縮機が全負荷運転で、しかも運転中のターボ圧縮機の全台が最大容量運転状態でありながら、供給圧縮ガス量が消費ガス量に不足しているので、新たに１台のターボ圧縮機を入口ガイドベーン最小角度で起動させる（処理Ｇ２）。一方、処理Ｅ１の結果が“ＮＯ”になれば処理Ｅ２を行なう。

処理Ｅ２の結果が“ＹＥＳ”であれば、つまり検出圧力Ｐが上限圧力Ｐ３を上回っていれば、圧縮ガスの供給量が過剰な状態であるので、圧縮ガスの供給量を減らすようにする。それには、この時点で全てのターボ圧縮機が入口ガイドベーン最大角度状態で運転中であることから、何れか１台のターボ圧縮機について、その入口ガイドベーン角度を検出圧力Ｐに応じて最小角度方向へ調整する容量調整を行なう（処理Ｇ３）。一方、処理Ｅ２の結果が“ＮＯ”であれば、処理Ｅ１に戻る。

処理Ｇ３でターボ圧縮機の上述のような入口ガイドベーンによる容量制御が開始されると、図５の処理Ｃ１以下の処理がなされる。いま圧縮ガスの消費量が増加して供給が不足する状態になっている、つまり図４の処理Ｆ２の結果が“ＮＯ”の状態にあるとすると、運転中のターボ圧縮機の何れか１台が容量調整機となり、そのターボ圧縮機が入口ガイドベーンの角度を拡げて供給ガス流量を増加させる。この間において図１の圧縮ガス流量制御盤１は容量調整機からの限界角度到達信号（この場合は最大角度到達信号）を待つ信号待ちの状態にある（処理Ｃ１）。容量調整機が検出圧力Ｐに応じて入口ガイドベーンの角度を拡げ続け、入口ガイドベーンが最大角度になると、容量調整機から最大角度到達信号を送信し、これを圧縮ガス流量制御盤１が受信する（処理Ｃ６）。最大角度到達信号を受信した圧縮ガス流量制御盤１は、容量調整機に対して最大角度維持運転を行なうよう指令を送信する（処理Ｃ７）。それから圧縮ガス流量制御盤１は、運転中のターボ圧縮機が全て最大角度状態運転であるか否かを判断する（処理Ｃ８）。そして圧縮ガス流量制御盤１は、処理Ｃ８の結果が“ＮＯ”であり、最小角度維持運転を行っているターボ圧縮機が残っている場合に、その時点でまだ圧縮ガス供給量が不足していれば、最小角度維持運転中のターボ圧縮機の１台に容量調整機となるように信号を送信し（Ｃ９）、限界角度到達信号待ち（処理Ｃ１）に戻る。一方、処理Ｃ８の結果が“ＹＥＳ”であった場合には、図２の処理Ａ４に戻り、その時点でまだ圧縮ガス供給量が不足していれば、上述した容積形圧縮機による台数制御（処理Ｅ３、Ｅ４）や新たターボ圧縮機の起動（処理Ｇ２）などがなされる。

以上とは逆に、圧縮ガスの消費量が減少して供給が過剰な状態になっている、つまり図４の処理Ｅ２の結果が“ＹＥＳ”の状態にあるとすると、運転中のターボ圧縮機の何れか１台が容量調整機となり、そのターボ圧縮機は入口ガイドベーンの角度を狭めて供給ガス流量を減少させる。容量調整機が検出圧力Ｐに応じて入口ガイドベーンの角度を狭め続け、入口ガイドベーンが最小角度になると、容量調整機から最小角度到達信号を送信し、これを圧縮ガス流量制御盤１が受信する（処理Ｃ２）。最小角度到達信号を受信した圧縮ガス流量制御盤１は、容量調整機に対して最小角度維持運転を行なうよう指令を送信する（処理Ｃ３）。それから圧縮ガス流量制御盤１は、運転中のターボ圧縮機が全て最小角度状態運転であるか否かを判断する（処理Ｃ４）。そして圧縮ガス流量制御盤１は、処理Ｃ４の結果が“ＮＯ”であり、最大角度維持運転を行っているターボ圧縮機が残っている場合に、その時点でまだ圧縮ガス供給量が過剰になっていれば、最大角度維持運転中のターボ圧縮機の１台に容量調整機となるように信号を送信し（Ｃ５）、限界角度到達信号待ち（処理Ｃ１）に戻る。一方、処理Ｃ４の結果が“ＹＥＳ”であった場合には、図２の処理Ａ４に戻り、その時点でまだ圧縮ガス供給量が過剰となっていれば、上述したターボ圧縮機の停止（処理Ｇ４）や容積形圧縮機による台数制御（処理Ｅ３、Ｅ４）などがなされる。

本発明では以上のように、容積形圧縮機のオンオフ制御とターボ圧縮機の定風圧制御とを組み合わせて圧縮機システムの圧縮ガス流量制御を行なうようにしている。また、その組み合わせ制御に関して、ターボ圧縮機のサージング回避のために定風圧制御を一定範囲に制限する一方で、それによる不連続性を容積形圧縮機の台数制御で補間するようにしている。このため広い圧縮ガス流量範囲についてきめ細かく制御することができる。したがって、負荷機器による圧縮ガスの消費量がいかなる状態にあっても無駄に圧縮ガスを供給するようなことがなく、上述した従来の制御方式に較べて、より一層省エネ化を図ることができる。また、広い流量範囲をきめ細かく制御できることによって、圧縮ガス消費量が大きく変動する場合にも容易に対応でき、適用範囲の広い汎用的なシステムとなる。さらに、広い流量範囲の制御を流量に応じた制御手法の組み合わせでなすことから、流量制御における動力効率も最大限に高めることができる。図６に示すのは、以上のような圧縮機システムにおける圧縮ガス流量と圧縮機の軸動力の関係についてのグラフである。グラフの横軸と縦軸は上で説明した図７の場合と同様である。図６は、圧縮ガス流量と圧縮機の軸動力の関係を１台のターボ圧縮機の容量範囲について示したものであるが、原理的には複数台のターボ圧縮機についても同様である。この図から分るように、ターボ圧縮機の最小容量つまり下限容量までは容積形圧縮機のオンオフ制御により流量制御をなすことで動力効率を最大限に高め、また下限容量を上回る範囲ではターボ圧縮機の定風圧制御により流量制御をなすことで動力効率を最大限に高め、この組み合わせにより広い流量範囲の全体で動力効率を最大限に高めることができている。

以上の実施形態ではターボ圧縮機の台数の調整を起動と停止でなすようにしている。これは省エネという点で、より好ましい形態である。しかし起動と停止は応答性の点で劣る。そこで、応答性を重視する場合には起動・停止に代えて負荷・無負荷運転の切り替えでターボ圧縮機の台数調整をなすようにしてもよい。ただし、負荷・無負荷運転の切り替えとする場合には、無負荷運転状態が一定時間経過したらそのターボ圧縮機を停止させるような制御とするのが好ましい。また以上の実施形態ではターボ圧縮機の定風圧制御を入口ガイドベーンの角度調整で行なうようにしている。入口ガイドベーンによる定風圧制御は、動力効率に優れるが必ずしもこれである必要はなく、吸込絞り弁を用いて定風圧制御を行なうようにすることも可能である。

１ 圧縮ガス流量制御盤
２ 圧力検出手段
３ レシーバタンク
１１〜１３ 容積形圧縮機
２１〜２２ ターボ圧縮機

Claims (1)

1. 複数台のターボ圧縮機と複数台の容積形圧縮機を組み合せて設置し、前記ターボ圧縮機や前記容積形圧縮機により供給される圧縮ガスの流量を負荷機器による圧縮ガスの消費量に応じて制御するようにされている圧縮機システムにおいて、
   前記ターボ圧縮機については、吸込ガス量の調整による定風圧制御で圧縮ガス流量の制御をなすようにされ、かつサージング回避のために前記ターボ圧縮機に設定される下限圧縮ガス流量以上の範囲で前記定風圧制御を行うようにされ、
   前記容積形圧縮機については、負荷運転と無負荷運転の切換によるオンオフ制御で圧縮ガス流量の制御をなすようにされ、
   前記定風圧制御が可能な範囲にあって、前記ターボ圧縮機が１台当りの最大圧縮ガス流量と最小圧縮ガス流量としてＱmaxとＱminを有するとして、前記複数台の容積形圧縮機の全台による圧縮ガス流量ＱｔがＱmin≦Ｑｔ≦Ｑmaxとなるように前記容積形圧縮機の台数が設定され、
   そして、前記複数台のターボ圧縮機と前記複数台の容積形圧縮機の組合せにおける圧縮ガス流量制御は、
   当該制御の開始として、前記複数台のターボ圧縮機と前記複数台の容積形圧縮機のいずれもが起動していない状態から前記複数台の容積形圧縮機の全台を負荷運転状態で起動する過程、
   前記過程で起動された前記複数台の容積形圧縮機を個々にオンオフ制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなす過程、
   前記過程での圧縮ガス流量の制御にあって前記複数台の容積形圧縮機を全台負荷運転とした状態での圧縮ガス流量を圧縮ガス消費量が上回ることを条件に前記複数台のターボ圧縮機の内の１台を前記下限圧縮ガス流量の状態で起動させる一方で、前記複数台の容積形圧縮機を全台無負荷運転とする過程、
   前記過程で起動されて運転中となっている１台目のターボ圧縮機を定風圧制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなすか、又は前記１台目の運転中ターボ圧縮機を前記最大圧縮ガス流量にした状態で前記複数台の容積形圧縮機を個々にオンオフ制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなす過程、
   前記過程での圧縮ガス流量の制御にあって前記１台目の運転中ターボ圧縮機を前記最大圧縮ガス流量にし、かつ前記複数台の容積形圧縮機を全台負荷運転とした状態での圧縮ガス流量を圧縮ガス消費量が上回ることを条件に前記複数台のターボ圧縮機の内の次の１台を前記下限圧縮ガス流量の状態で起動させる一方で、前記複数台の容積形圧縮機を全台無負荷運転とする過程、
   前記過程で起動されて運転中となっている２台目のターボ圧縮機と前記１台目の運転中ターボ圧縮機のいずれか一方、又は両方を定風圧制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなすか、又は前記１台目の運転中ターボ圧縮機と前記２台目の運転中ターボ圧縮機をともに前記最大圧縮ガス流量にした状態で前記複数台の容積形圧縮機を個々にオンオフ制御することで圧縮ガス消費量に応じた圧縮ガス流量の制御をなす過程、及び
   前記複数台の運転中ターボ圧縮機の全台を前記最小圧縮ガス流量にし、かつ前記複数台の容積形圧縮機を全台無負荷運転とした状態での圧縮ガス流量が圧縮ガス消費量を上回ることを条件に前記複数台の運転中ターボ圧縮機の内の１台を停止させる一方で、前記複数台の容積形圧縮機を全台負荷運転とする過程
   を含むことを特徴とする圧縮機システム。

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