JP2012202336A - 多段圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】臨界点近傍で物性が大きく変化するガスを圧縮する多段圧縮機において、最下流部の圧縮機に導入されるガスの温度を臨界点に比較的近い低い温度域に設定しつつ、該ガスが臨界点に近付くことを確実に防止する手段を提供する。
【解決手段】本発明に係る多段圧縮機は、第３冷却器１３３から吐出されて第４圧縮機１１４に供給されるＣＯ２ガスに、それより温度の高い高温ガスを混合するバイパス流路１４と、該バイパス流路１４における高温ガスの流量を調整する流量調整バルブ１５と、高温ガスの混合後であって第４圧縮機１１４への供給前にＣＯ２ガスの温度及び圧力を検出するセンサ１６と、該センサ１６により検出されたＣＯ２ガスの温度及び圧力の値に基づいて、流量調整バルブ１５の動作を制御する制御装置１７と、を備えるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、低圧側圧縮機で圧縮したガスを冷却器で冷却した後、高圧側圧縮機で再度圧縮する多段圧縮機に関するものである。

従来、プラント等から排出されたＣＯ_２ガス（炭酸ガス）を圧縮する圧縮機として、複数段の羽根車を備えた多段圧縮機が広く用いられている。ここで圧縮機では一般的に、ＣＯ_２ガスを導入する側の吸込温度を下げれば、同じ圧力上昇を得るのに必要なヘッド（単位質量当たりの仕事量）が少なくて済み、羽根車を駆動する駆動機の軸動力を低減することができる。従って多段圧縮機では、所定段数の羽根車ごとに、前段側の羽根車から吐出されたＣＯ_２ガスを冷却して後段側の羽根車に供給する冷却器が設けられる。

ところで、ＣＯ_２ガスは、臨界点近傍でその物性（密度や圧縮係数や分子量等）が大きく変化する特性を有している。従って、冷却器から吐出されるＣＯ_２ガスが臨界点に近付くと、ＣＯ_２ガスの上記特性により、ＣＯ_２ガスの濃度の変化或いは状態量（圧力や温度等）の変化に大きな影響を受けることによって羽根車のヘッドが不安定になるため、多段圧縮機を安定して運転することができない。

従って、多段圧縮機を安定して運転するためには、最も後段側の冷却器から吐出されるＣＯ_２ガスが臨界点に近付かないよう、その圧力及び温度を臨界点からある程度余裕を持たせて遠ざけた条件に設定する必要があった。しかし、このような設定によれば、羽根車に導入されるＣＯ_２ガスの吸込温度が高くなるため、当該羽根車のヘッドを十分に確保するためには駆動機の軸動力を増加させる必要がある。このため、多段圧縮機全体として圧縮効率が低下するという問題がある。

そこで、最も後段側の冷却器から吐出されるＣＯ_２ガスを臨界点からある程度近い範囲内に設定しつつ、物性が変化してもＣＯ_２ガスが臨界点に近付かないようにするために、冷却器から吐出されるＣＯ_２ガスの温度を一定に制御する多段圧縮機が従来提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。

この特許文献１の図１に示される多段圧縮機では、上段側圧縮機１と後段側圧縮機２とを接続する中間ガスライン１０には、ＣＯ_２ガスを冷却する中間熱交換器３（冷却器に相当）が設けられている。また中間ガスライン１０には、中間熱交換器３をバイパスしてその上流側と下流側とを連通するバイパスガスライン１１が設けられるとともに、このバイパスガスライン１１におけるＣＯ_２ガスの流量を調整するバイパスコントロール弁６が設けられている。更に、中間ガスライン１０における中間熱交換器３より下流側であってパイバスガスライン１１の接続箇所より更に下流側には、ＣＯ_２ガスの温度を検出する温度検出器７が設けられている。そして、温度検出器７が検出したＣＯ_２ガスの温度に基づいて温度コントローラ７がバイパスコントロール弁６の動作を制御することにより、中間熱交換器３をバイパスして中間ガスライン１０に戻される高温のＣＯ_２ガスの流量が調整される。これにより、上段側圧縮機１に導入されるＣＯ_２ガスの温度が一定に制御される。

特許第２７５３３９２号公報

しかし、従来の多段圧縮機によれば、中間熱交換器３から吐出されるＣＯ２ガスがその温度変化によって臨界点に近付くことは防止できるものの、その圧力変化によって臨界点に近付くことは防止できないという問題があった。より詳細に説明すると、臨界点近傍においてＣＯ_２ガスの密度が大きく変化する温度域では、中間熱交換器３の内部の圧力損失が変動することにより、中間熱交換器３から吐出されるＣＯ_２ガスの圧力が大きく変化する。具体的には、ＣＯ_２ガスの密度が大きくなると、中間熱交換器３の内部の圧力損失が小さくなることにより、吐出されるＣＯ_２ガスの圧力が上昇する。これにより、中間熱交換器３から吐出されるＣＯ_２ガスが臨界点に近付き、後段側圧縮機２のヘッドが不安定になる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、臨界点近傍で物性が大きく変化するガスを圧縮する多段圧縮機において、冷却器から吐出されるガスの温度を臨界点に比較的近い低い温度域に設定することによって駆動機の軸動力を低く抑えつつ、冷却器から吐出されるガスが臨界点に近付いてヘッドが不安定化することを確実に防止する手段を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係る多段圧縮機は、低圧側圧縮機で圧縮された中間ガスが冷却器で冷却され、その後、該中間ガスが高圧側圧縮機に供給される多段圧縮機において、前記冷却器から吐出されて前記高圧側圧縮機に供給される前記中間ガスに、該中間ガスよりも温度の高い高温ガスを混合するバイパス流路と、該バイパス流路における前記高温ガスの流量を調整する流量調整手段と、前記高温ガスの混合後であって前記高圧側圧縮機への供給前に前記中間ガスの温度及び圧力を検出するセンサと、該センサにより検出された前記中間ガスの温度及び圧力の値に基づいて、前記流量調整手段の動作を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、中間ガスの温度及び圧力の両方に基づいてバイパス流路における高温ガスの流量が調整されるので、臨界点近傍で冷却器から吐出されるガスの圧力が大きく変化しても、中間ガスが臨界点に近付くことを確実に防止することができる。

また、本発明に係る多段圧縮機は、前記制御装置は、前記センサにより検出された前記中間ガスの温度及び圧力に基づいて該中間ガスのＴ−Ｓ線図上の位置を算出し、算出した前記中間ガスの位置が前記Ｔ−Ｓ線図上における臨界点の近傍に予め定められた危険領域の内部である場合に、前記バイパス流路の流量を増加させるように前記流量調整手段の動作を制御することを特徴とする。

このような構成によれば、制御装置は、算出した中間ガスの位置が危険領域の内部である場合に、中間ガスが臨界点に近付いたと判断し、高温ガスの流量を増加させて中間ガスの温度を上昇させることにより、中間ガスの位置を危険領域の外部へ移動させる。これにより、中間ガスを臨界点から遠ざけることによってヘッドの不安定化を防止することができ、多段圧縮機の安定した運転が可能となる。

また、本発明に係る多段圧縮機は、前記制御装置は、前記低圧側圧縮機に前記中間ガスを供給するガス供給源から排出される前記中間ガスの流量が変動したことを検知すると、前記センサにより検出された前記中間ガスの温度と予想される温度変化量とに基づいて前記中間ガスの予想温度を算出するとともに、算出した前記予想温度と前記センサにより検出された前記中間ガスの圧力とに基づいて前記中間ガスのＴ−Ｓ線図上の位置を算出し、算出した前記中間ガスの位置が前記Ｔ−Ｓ線図上における臨界点の近傍に予め定められた危険領域の内部である場合に、前記バイパス流路の流量を増加させるように前記流量調整手段の動作を制御することを特徴とする。

このような構成によれば、ガス供給源から排出される中間ガスの流量が変動したことを検知した制御装置は、中間ガスの流量が変動することによって冷却器から吐出される中間ガスが臨界点に近付くと予想される場合には、高温ガスの流量を増加させる。これにより、ガス供給源がガスの流量を変更するように操作された場合に、冷却器から吐出されるガスが臨界点に近付くことを未然に防止することができる。

また、本発明に係る多段圧縮機は、前記高温ガスは、前記低圧側圧縮機によって圧縮された後、前記冷却器に導入される前の前記中間ガスであることを特徴とする。

このような構成によれば、冷却器に導入される前の中間ガスを高温ガスとして使用するので、高圧側圧縮機に導入される中間ガスの流量は、低圧側圧縮機から吐出される中間ガスの流量と同じである。従って、高圧側圧縮機の軸動力を低圧側圧縮機の軸動力と略同じ大きさに抑えることができる。

また、本発明に係る多段圧縮機は、前記高温ガスは、前記高圧側圧縮機から吐出される前記中間ガスであることを特徴とする。

このような構成によれば、低圧側圧縮機から吐出される中間ガスを高温ガスとして使用する場合と比較すると、高圧側圧縮機から吐出される高温の中間ガスを使用する分、少量の高温ガスによって中間ガスの温度調整を行うことができる。

また、本発明に係る多段圧縮機は、前記高圧側圧縮機は回転駆動される複数段の羽根車を備え、前記高温ガスは、前記複数段のうち最下段以外の羽根車から吐出される前記中間ガスであることを特徴とする。

このような構成によれば、高圧側圧縮機の構成上、最下段の羽根車から吐出される中間ガスを高温ガスとして使用することが難しい場合でも、高温ガスを確実に確保することができる。

本発明に係る多段圧縮機によれば、臨界点近傍で物性が大きく変化するガスを圧縮する多段圧縮機において、冷却器から吐出されるガスの温度を臨界点に比較的近い低い温度域に設定することによって駆動機の軸動力を低く抑えつつ、冷却器から吐出されるガスが臨界点に近付いてヘッドが不安定化することを確実に防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機を備えたプラントの全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機の構成を示す模式図である。 制御装置に格納されたＴ−Ｓ線図を示す図である。 図３における危険領域の一部を拡大した部分拡大図である。 制御装置に格納された温度変化量予想テーブルを示す図である。 制御装置による流量調整バルブの制御の流れを示すフローチャートである。 ＣＯ_２ガスの予想温度についての説明図である。 本発明の第２実施形態に係る多段圧縮機の構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係る多段圧縮機について、第４圧縮機の内部構造を示す概略断面図である。 本発明の第４実施形態に係る多段圧縮機について、第４圧縮機の内部構造を示す概略断面図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る多段圧縮機１０を備えたプラント１の全体構成を示す模式図である。

プラント１は、図１に示すように、ＣＯ_２ガス（中間ガス）を排出するプラント本体２（ガス供給源）と、このプラント本体２に電気的に接続された操作盤３と、プラント本体２に配管を介して接続されるとともに操作盤３に電気的に接続された多段圧縮機１０と、を備えるものである。

操作盤３は、オペレータがプラント本体２を操作するためのものである。より詳細には、オペレータはこの操作盤３を介することにより、プラント本体２から排出されるＣＯ_２ガスの流量を変動させるような操作、本実施形態ではプラント本体２の負荷を変更できるようになっている。すなわち、オペレータが操作盤３を操作すると、図１に示すように、操作盤３からプラント本体２に対して操作信号が発せられることによりプラント本体２の負荷が変更され、その結果としてプラント本体２から排出されるＣＯ_２ガスの流量が変化する。また、オペレータがプラント本体２の負荷を変更すると、図１に示すように、操作盤３から多段圧縮機１０に対して負荷変更信号が通知されるようになっている。尚、操作盤３は、プラント本体２の負荷を変更する機能だけでなく、その他の設定を変更する機能を有していてもよい。

多段圧縮機１０は、プラント本体２から排出されたＣＯ_２ガスを圧縮するためのものである。ここで、図２は、多段圧縮機１０の構成を示す模式図である。多段圧縮機１０は、４個の圧縮機１１と、これら４個の圧縮機１１を順に接続するガス流路１２と、このガス流路１２において４個の圧縮機１１の間の位置にそれぞれ設けられた３個の冷却器１３と、最下流部の冷却器１３をバイパスして設けられたバイパス流路１４と、このバイパス流路１４に設けられた流量調整バルブ１５（流量調整手段）と、ガス流路１２において最も下流側の圧縮機１１の直前位置に設けられたセンサ１６と、流量調整バルブ１５及びセンサ１６に対して電気的に接続された制御装置１７と、を備えるものである。

４個の圧縮機１１は、プラント本体２から排出されたＣＯ_２ガスを圧縮するためのものである。この４個の圧縮機１１は、ガス流路１２に沿って上流側から順に設けられた第１圧縮機１１１、第２圧縮機１１２、第３圧縮機１１３（低圧側圧縮機）、及び第４圧縮機１１４（高圧側圧縮機）によって構成されている。そして、４個の圧縮機１１はそれぞれ回転駆動され、図に詳細は示さないが、吐出するＣＯ_２ガスの圧力が一定になるように、その回転数が制御装置１７によってそれぞれ制御されている。

ガス流路１２は、図２に破線で示すプラント本体２から排出されたＣＯ_２ガスが流通する経路である。このガス流路１２は、プラント本体２から排出されたＣＯ_２ガスを第１圧縮機１１１に導入する第１導入流路１Ｓと、第１圧縮機１１１からＣＯ_２ガスが吐出される第１吐出流路１Ｄと、第２圧縮機１１２にＣＯ_２ガスを導入する第２導入流路２Ｓと、第２圧縮機１１２からＣＯ_２ガスが吐出される第２吐出流路２Ｄと、第３圧縮機１１３にＣＯ_２ガスを導入する第３導入流路３Ｓと、第３圧縮機１１３からＣＯ_２ガスが吐出される第３吐出流路３Ｄと、第４圧縮機１１４にＣＯ_２ガスを導入する第４導入流路４Ｓと、第４圧縮機１１４からＣＯ_２ガスが吐出される第４吐出流路４Ｄと、を有している。

そして、第１吐出流路１Ｄの下流端と第２導入流路２Ｓの上流端とが互いに接続されている。また、第２吐出流路２Ｄの下流端と第３導入流路３Ｓの上流端とが互いに接続されている。更に、第３吐出流路３Ｄの下流端と第４導入流路４Ｓの上流端とが互いに接続されている。

３個の冷却器１３は、ガス流路１２を流通するＣＯ_２ガスを冷却するための熱交換器である。この３個の冷却器１３は、第１吐出流路１Ｄと第２導入流路２Ｓの接続部分に設けられた第１冷却器１３１と、第２吐出流路２Ｄと第３導入流路３Ｓの接続部分に設けられた第２冷却器１３２と、第３吐出流路３Ｄと第４導入流路４Ｓの接続部分に設けられた第３冷却器１３３と、を有している。そして、第１圧縮機１１１が吐出するＣＯ_２ガスを第１冷却器１３１が、第２圧縮機１１２が吐出するＣＯ_２ガスを第２冷却器１３２が、第３圧縮機１１３が吐出するＣＯ_２ガスを第３冷却器１３３が、それぞれ冷却するものとなっている。

バイパス流路１４は、第３冷却器１３３から吐出されたＣＯ_２ガスに対してそれより高温のＣＯ_２ガス（高温ガス）を混合させるための流路である。このバイパス流路１４は、図２に示すように、第３吐出流路３Ｄにおける第３冷却器１３３より上流側の位置と、第４導入流路４Ｓにおける第３冷却器１３３より下流側の位置とを配管で接続することによって設けられている。

流量調整バルブ１５は、バイパス流路１４におけるＣＯ_２ガスの流量を調整するためのものである。この流量調整バルブ１５は、図２に示すように、バイパス流路１４の中間位置に設けられ、その開度が制御装置１７によって制御されている。

センサ１６は、ガス流路１２を流通するＣＯ_２ガスの温度及び圧力を検出するためのものである。このセンサ１６は、図２に示すように、第４導入流路４Ｓにおいてバイパス流路１４の接続箇所より下流側の位置、すなわち第４圧縮機１１４の直前位置に設置されている。これによりセンサ１６は、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガス、すなわち第３冷却器１３３から吐出されたＣＯ_２ガスに対してバイパス流路１４から高温のＣＯ_２ガスが混合された後のＣＯ_２ガスの温度及び圧力を検出する。

制御装置１７は、多段圧縮機１０を構成する各部の動作を制御するものである。この制御装置１７は、図２に示すように、センサ１６による検出結果が検出信号として入力されるとともに、操作盤３から負荷変更信号が通知される。そして制御装置１７は、これら検出信号及び負荷変更信号に基づいて、流量調整バルブ１５に対して制御信号を発することによりその開度を調整する。ここで、制御装置１７の内部には、流量調整バルブ１５の制御に用いるためのＴ−Ｓ線図１７１と温度変化量予想テーブル１７２とがそれぞれ格納されている。

図３は、制御装置１７に格納されたＴ−Ｓ線図１７１を示す図である。Ｔ−Ｓ線図１７１は、ＣＯ_２ガスの状態を示す図であって、縦軸が温度を、横軸がエントロピーをそれぞれ示している。そして、このＴ−Ｓ線図１７１上におけるいわゆる臨界点Ｒの近傍には、図に二点鎖線で示す危険領域Ｋが予め設定されている。この危険領域Ｋとは、ＣＯ_２ガスが臨界点Ｒに近付いたか否かを判断するための基準として使用するものである。ここで、図４は、図３における危険領域Ｋの一部を拡大した部分拡大図である。本実施形態では、図４で横方向に延びる等圧ラインＬａと縦方向に延びる等密度ラインＬｍとが９０°に近い角度をなす領域を、危険領域Ｋとして設定している。尚、Ｔ−Ｓ線図１７１上における危険領域Ｋの設定は本実施形態に限定されず、ガスの種類や状態等に応じて適宜変更が可能である。

また、図３に示す８個のプロット１Ｓ，１Ｄ，２Ｓ，２Ｄ，３Ｓ，３Ｄ，４Ｓ，４Ｄを結ぶ線分Ｘは、４個の圧縮機１１を通過するＣＯ２ガスの状態変化の一例を、第１導入流路１Ｓから第４吐出流路４Ｄまで示したものである。具体的には、プロット１Ｓは第１圧縮機１１１に導入されるＣＯ_２ガスの位置を、プロット１Ｄは第１圧縮機１１１から吐出されるＣＯ_２ガスの位置をそれぞれ示している。また同様に、プロット２Ｓ，３Ｓ，４Ｓは、第２圧縮機１１２，第３圧縮機１１３，第４圧縮機１１４に導入されるガスの位置をそれぞれ示している。更に同様に、プロット２Ｄ，３Ｄ，４Ｄは、第２圧縮機１１２，第３圧縮機１１３，第４圧縮機１１４から吐出されるＣＯ_２ガスの位置をそれぞれ示している。

一方、図５は、制御装置１７に格納された温度変化量予想テーブル１７２を示す図である。温度変化量予想テーブル１７２は、プラント本体２の負荷が変更された時に、最下流部の圧縮機１１すなわち本実施形態では第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度がどの程度変化するかを予想するために使用するものである。図５に示す温度変化量予想テーブル１７２では、縦軸がＣＯ_２ガスの温度変化量を、横軸がプラント本体２の負荷の変化速度をそれぞれ示している。本実施形態の温度変化量予想テーブル１７２は、負荷の変化速度が増加すると、これに比例して温度変化量も増加する関係にあることを示している。例えば、プラント本体２の負荷を１０（％／ｓｅｃ）の速度で上昇させると、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度は５℃だけ低下することが予想される。尚、この温度変化量予想テーブル１７２の設定も、ガスの種類や状態等に応じて適宜変更が可能である。

次に、第１実施形態に係る多段圧縮機１０の作用効果、特には制御装置１７による流量調整バルブ１５の制御について説明する。ここで、図６は、制御装置１７による流量調整バルブ１５の制御の流れを示すフローチャートである。まず制御装置１７は、図１及び図２に示す操作盤３から負荷変更信号が通知されたか否かを判定する（Ｓ１）。その結果、負荷変更信号の通知はないと判断した場合（Ｓ１：Ｎｏ）、制御装置１７は、後述するＳ７へそのまま進む。

一方、Ｓ１での判定の結果、負荷変更信号の通知があったと判断した場合（Ｓ１：Ｙｅｓ）、制御装置１７は、プラント本体２の負荷が変更されることによってプラント本体２から排出されるＣＯ_２ガスの流量が変動したと判断し、図２に示すセンサ１６から、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度及び圧力をそれぞれ取得する（Ｓ２）。

次に制御装置１７は、センサ１６から取得したＣＯ_２ガスの温度及び圧力に基づいて、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの予想温度を算出する（Ｓ３）。ここで図７は、ＣＯ_２ガスの予想温度Ｔｙについての説明図である。予想温度Ｔｙとは、プラント本体２の負荷が図に一点鎖線で示すように変更された場合に、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度が図に二点鎖線で示すように一瞬遅れて一時的に低下するが、この低下時の最低温度を意味している。ここで、このようにＣＯ_２ガスの温度が一時的に低下するのは、ＣＯ_２ガスの流量の変動に対する冷却器１３の応答性が悪いことに起因している。すなわち、例えば負荷が変更されることでＣＯ_２ガスの流量が減少すると、流量に対する第３冷却器１３３の伝熱面積が負荷変更前より広くなるため、第３冷却器１３３によるＣＯ_２ガスの冷却度合いが増すことにより、第３冷却器１３３から吐出されるＣＯ_２ガスの温度が低下する。しかし、第３冷却器１３３から吐出されるＣＯ_２ガスの温度は、所定の設定温度で一定に制御されているため、時間の経過と共にＣＯ_２ガスの温度は設定温度まで上昇して、負荷変更前の状態に戻る。尚、本実施形態では、プラント本体２の負荷を低下させた場合に第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度が一時的に低下する場合を例に説明したが、これとは逆に、プラント本体２の負荷を増大させた場合に第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度が一時的に上昇してもよい。

ここで、予想温度Ｔｙの算出について具体的に説明すると、制御装置１７はまず図２に示す温度変化量予想テーブル１７２を参照することにより、操作盤３から通知された負荷の変化速度に対応する温度変化量を導き出す。そして、前述のようにセンサ１６から取得したＣＯ_２ガスの温度に、導出した温度変化量を合算することにより、予想温度Ｔｙを算出する。

次に制御装置１７は、センサ１６から取得したＣＯ_２ガスの圧力及び算出した予想温度Ｔｙに基づいて、図２に示すＴ−Ｓ線図１７１上におけるポイント４Ｓの位置、すなわち第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの位置を算出する（Ｓ４）。

そして制御装置１７は、算出したポイント４Ｓの位置がＴ−Ｓ線図１７１上における危険領域Ｋの内部に位置しているか否かを判定する（Ｓ５）。その結果、ポイント４Ｓは危険領域Ｋの外部に位置していると判断した場合（Ｓ５：Ｎｏ）、制御装置１７は、後述するＳ７へそのまま進む。

一方、Ｓ５での判定の結果、ポイント４Ｓが危険領域Ｋの内部に位置していると判断した場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、制御装置１７は、流量調整バルブ１５の動作を制御する（Ｓ６）。すなわち制御装置１７は、流量調整バルブ１５の開度を大きくすることにより、図７に示すように、バイパス流路１４を流通する高温ガスの流量を一時的に増大させる。従ってプラント本体２の負荷が低下しても、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度は、図７に太い実線で示すように、一時的に低下することなく一定に維持される。

このように、オペレータがプラント本体２の負荷を変更したことにより、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスが臨界点Ｒに近付くと予想される場合には、流量調整バルブ１５を制御することにより、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスが臨界点Ｒに近付くことが抑制される。これにより、プラント本体２の負荷が変更されることに伴って多段圧縮機１０のヘッドが不安定化することを未然に防止することができる。

その後、Ｓ１，Ｓ５，及びＳ６のいずれかからＳ７へ進んだ制御装置１７は、図２に示すセンサ１６から、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度及び圧力をそれぞれ取得する（Ｓ７）。

そして制御装置１７は、センサ１６から取得したＣＯ_２ガスの温度及び圧力に基づいて、図２に示すＴ−Ｓ線図１７１上におけるポイント４Ｓの位置、すなわち第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの位置を算出する（Ｓ８）。

次に制御装置１７は、算出したポイント４Ｓの位置がＴ−Ｓ線図１７１上における危険領域Ｋの内部に位置しているか否かを判定する（Ｓ９）。その結果、ポイント４Ｓは危険領域Ｋの外部に位置していると判断した場合（Ｓ９：Ｎｏ）、制御装置１７は、Ｓ１へ戻って上記と同様の処理を繰り返す。

一方、ポイント４Ｓは危険領域Ｋの内部に位置していると判断した場合（Ｓ９：Ｙｅｓ）、制御装置１７は、流量調整バルブ１５の動作を制御する（Ｓ１０）。すなわち制御装置１７は、流量調整バルブ１５の開度を大きくすることにより、バイパス流路１４を流通する高温ガスの流量を増大させる。そうすると、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度が上昇し、ポイント４ＳがＴ−Ｓ線図１７１上で上方へ移動することにより、危険領域Ｋの内部から外部へと移動する。これにより、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスを臨界点Ｒから遠ざけることができるので、多段圧縮機１０のヘッドが不安定化することを防止することができる。以上により、制御装置１７による流量調整バルブ１５の制御が終了する。

このように、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度及び圧力の両方の検出結果に基づいて流量調整バルブ１５を制御するので、当該ＣＯ_２ガスを正確且つ確実に臨界点Ｒから遠ざけることによってヘッドの不安定化を防止することができる。また、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの温度を臨界点Ｒに比較的近い低い温度域に設定することができるので、第４圧縮機１１４を駆動する駆動機の軸動力を低く抑えることができる。

尚、以上説明した本実施形態では、プラント本体２から排出されるＣＯ_２ガスの流量を変動させるような操作として、プラント本体２の負荷を変更する場合を例に説明した。しかし、ＣＯ_２ガスの流量が変動するような操作は、負荷の変更以外に、例えば冷却器１３に汚れ等が生じた場合に予備の冷却器１３に切り替える操作や、プラント本体２をシャットダウンする操作等であってもよい。

また、本実施形態では、多段圧縮機１０でＣＯ_２ガスを圧縮する場合を例に説明したが、臨界点Ｒ近傍で物性が大きく変化する特性を有するガスであれば、ＣＯ_２ガス以外のガスを圧縮することに本多段圧縮機１０を適用することも可能である。

また、本実施形態では、最下流部の圧縮機１１である第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスが臨界点Ｒに近付くのを防止する場合について説明したが、第１〜第３圧縮機１１１，１１２，１１３に導入されるＣＯ_２ガスが臨界点Ｒに近付くのを防止する場合には、バイパス流路１４及びセンサ１６を設置する位置を適宜変更すればよい。また、多段圧縮機１０が有する圧縮機１１の個数は４個に限られず、任意の個数とすることが可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る多段圧縮機の構成について説明する。図８は、第２実施形態に係る多段圧縮機２０の構成を示す模式図である。第２実施形態の多段圧縮機２０は、第１実施形態の多段圧縮機１０と比較すると、バイパス流路２１の構成だけが異なっている。それ以外の構成は第１実施形態と同じであるため、図８では図２と同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。

バイパス流路２１は、第３冷却器１３３から吐出されたＣＯ_２ガスに対してそれより高温のＣＯ_２ガス（高温ガス）を混合させるための流路である。このバイパス流路２１は、図８に示すように、第４導入流路４Ｓにおける第３冷却器１３３より下流側の位置と、第４吐出流路４Ｄとを配管で接続することによって設けられている。

ここで、第４圧縮機１１４から第４吐出流路４Ｄへ吐出されるＣＯ_２ガスは、第３圧縮機１１３から第３吐出流路３Ｄへ吐出されるＣＯ_２ガスよりも高温である。従って、第４吐出流路４Ｄを流通するＣＯ_２ガスの一部を高温ガスとして第４導入流路４Ｓへ戻す本実施形態は、第１実施形態と比較すると、第４圧縮機１１４に導入するＣＯ_２ガスを臨界点Ｒから遠ざけるために使用する高温ガスがより少量で済むという利点がある。

但し、本実施形態の場合、第４吐出流路４Ｄから第４導入流路４ＳへＣＯ_２ガスを戻すことにより、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスの流量が増加することになる。ここで、圧縮機１１を構成する羽根車（インペラ）は一般的にＣＯ_２ガスの流量が増加するとヘッドが低下する流量特性を有し、ヘッドがどのような曲線を描いて低下するかは羽根車ごとに固有のものである。従って、羽根車の流量特性を予め把握し、ＣＯ_２ガスの流量増加に対してヘッドが急激に低下する領域では、第４吐出流路４Ｄから第４導入流路４Ｓへ戻すＣＯ_２ガスの戻し流量について上限値を予め設定することが好ましい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る多段圧縮機の構成について説明する。第３実施形態の多段圧縮機も、第１実施形態の多段圧縮機１０と比較すると、バイパス流路の構成だけが異なっている。尚、第１実施形態と同じ構成については第１実施形態と同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。

図９は、第３実施形態に係る多段圧縮機３０について、最後段の圧縮機１１である第４圧縮機１１４の内部構造を示す概略断面図である。第４圧縮機１１４は、回転駆動される駆動軸３１と、この駆動軸３１の周面に軸方向に所定間隔で固定された３段の羽根車３２と、これら３段の羽根車３２を接続して設けられたガス流路３３と、このガス流路３３をバイパスして設けられた２本のバイパス流路３４と、を有している。

３段の羽根車３２は、図９に示すように、ガス流路３３に沿って上流側から順に設けられた第１羽根車３２１と、第２羽根車３２２と、第３羽根車３２３とを有している。

ガス流路３３は、図９に示すように、第１羽根車３２１にＣＯ_２ガスを導入する第４導入流路４Ｓと、第１羽根車３２１から第２羽根車３２２へＣＯ_２ガスを案内する第１案内流路３５と、第２羽根車３２２から第３羽根車３２３へＣＯ_２ガスを案内する第２案内流路３６と、第３羽根車３２３からＣＯ_２ガスが吐出される第４吐出流路４Ｄと、を有している。

２本のバイパス流路３４は、図９に示すように、第１案内流路３５と第４導入流路４Ｓとを配管で接続して設けられた第１バイパス流路３４１と、第２案内流路３６と第４導入流路４Ｓとを配管で接続して設けられた第２バイパス流路３４２と、を有している。尚、第１バイパス流路３４１及び第２バイパス流路３４２に流量調整バルブ１５（流量調整手段）がそれぞれ設けられ、流量調整バルブ１５それぞれの動作が不図示の制御装置１７によって制御されている点は第１実施形態と同様である。

本実施形態の２本のバイパス流路３４は、第４圧縮機１１４に導入されるＣＯ_２ガスを臨界点Ｒから遠ざけるために、第４導入流路４Ｓより下流側のガス流路から高温のＣＯ_２ガスを戻す点では第２実施形態のバイパス流路２１と同じである。しかし本実施形態の第１バイパス流路３４１及び第２バイパス流路３４２は、第４吐出流路４ＤからＣＯ_２ガスを戻す第２実施形態と異なり、第４吐出流路４Ｄより上流側の第１案内流路３５及び第２案内流路３６からＣＯ_２ガスを戻すものである。このような構成によれば、第４圧縮機１１４の構成上、第４吐出流路４ＤからはＣＯ_２ガスを戻すことができない場合でも、高温のＣＯ_２ガスを確実に確保することができるという利点がある。

尚、本実施形態では、バイパス流路３４として第１バイパス流路３４１及び第２バイパス流路３４２を設けたが、第１バイパス流路３４１または第２バイパス流路３４２のいずれか一方のみを設けた構成としてもよい。また、バイパス流路３４の本数は、本実施形態の２本に限定されず、羽根車３２の数に応じて適宜設計変更が可能である。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る多段圧縮機の構成について説明する。図１０は、第４実施形態に係る多段圧縮機４０について、最後段の圧縮機１１である第４圧縮機１１４の内部構造を示す概略断面図である。本実施系形態の第４圧縮機１１４は、図９に示す第３実施形態の第４圧縮機１１４と比較すると、バイパス流路４１の構成だけが異なっている。それ以外の構成は第３実施形態と同じであるため、図９と同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。

本実施形態のバイパス流路４１は、図１０に示すように、第１案内流路３５と第４導入流路４Ｓとを接続して設けられている点で第３実施形態の第１バイパス流路３４１と同じであるが、両者を配管で接続するのではなく、ケーシング４２を貫通した穴として形成されている点で第３実施形態とは異なっている。

そして、このバイパス流路４１には、その流路断面積を変化させることによってＣＯ_２ガスの流量を調整する流量調整部材４３（流量調整手段）が設けられ、この流量調整部材４３の動作が不図示の制御装置１７によって制御されている。尚、流量調整部材４３は、バイパス流路４１におけるＣＯ_２ガスの流量を調整可能な構成であれば足り、本実施形態の構成には限定されない。

このように構成される本実施形態のバイパス流路４１によれば、第１案内流路３５と第４導入流路４Ｓとを接続するための配管をケーシング４２の外部に這わせる必要がないため、第４圧縮機１１４の小型化を図ることができるとともに、配管が不要となる分だけ原材料費を削減することができるという利点がある。尚、バイパス流路４１は、本実施形態では第１案内流路３５と第４導入流路４Ｓとを接続して設けたが、これに限られず、例えば第２案内流路３６と第４導入流路４Ｓとを接続するケーシング４２を貫通した穴として形成してもよい。

尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１ プラント
２ プラント本体
３ 操作盤
１０ 多段圧縮機
１１ 圧縮機
１２ ガス流路
１３ 冷却器
１４ パイパス流路
１５ 流量調整バルブ
１６ センサ
１７ 制御装置
２０ 多段圧縮機
２１ バイパス流路
３０ 多段圧縮機
３１ 駆動軸
３２ 羽根車
３３ ガス流路
３４ バイパス流路
３５ 第１案内流路
３６ 第２案内流路
４０ 多段圧縮機
４１ バイパス流路
４２ ケーシング
４３ 流量調整部材
１１１ 第１圧縮機
１１２ 第２圧縮機
１１３ 第３圧縮機
１１４ バイパス流路
１３１ 第１冷却器
１３２ 第２冷却器
１３３ 第３冷却器
１７１ Ｔ−Ｓ線図
１７２ 温度変化量予想テーブル
３２１ 第１羽根車
３２２ 第２羽根車
３２３ 第３羽根車
３４１ 第１バイパス流路
３４２ 第２バイパス流路
１Ｄ 第１吐出流路
１Ｓ 第１導入流路
２Ｄ 第２吐出流路
２Ｓ 第２導入流路
３Ｄ 第３吐出流路
３Ｓ 第３導入流路
４Ｄ 第４吐出流路
４Ｓ 第４導入流路
Ｋ 危険領域
Ｌａ 等圧ライン
Ｌｍ 等密度ライン
Ｒ 臨界点
Ｘ 線分

Claims (6)

1. 低圧側圧縮機で圧縮された中間ガスが冷却器で冷却され、その後、該中間ガスが高圧側圧縮機に供給される多段圧縮機において、
   前記冷却器から吐出されて前記高圧側圧縮機に供給される前記中間ガスに、該中間ガスよりも温度の高い高温ガスを混合するバイパス流路と、
   該バイパス流路における前記高温ガスの流量を調整する流量調整手段と、
   前記高温ガスの混合後であって前記高圧側圧縮機への供給前に前記中間ガスの温度及び圧力を検出するセンサと、
   該センサにより検出された前記中間ガスの温度及び圧力の値に基づいて、前記流量調整手段の動作を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする多段圧縮機。
2. 前記制御装置は、前記センサにより検出された前記中間ガスの温度及び圧力に基づいて該中間ガスのＴ−Ｓ線図上の位置を算出し、算出した前記中間ガスの位置が前記Ｔ−Ｓ線図上における臨界点の近傍に予め定められた危険領域の内部である場合に、前記バイパス流路の流量を増加させるように前記流量調整手段の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
3. 前記制御装置は、前記低圧側圧縮機に前記中間ガスを供給するガス供給源から排出される前記中間ガスの流量が変動したことを検知すると、前記センサにより検出された前記中間ガスの温度と予想される温度変化量とに基づいて前記中間ガスの予想温度を算出するとともに、算出した前記予想温度と前記センサにより検出された前記中間ガスの圧力とに基づいて前記中間ガスのＴ−Ｓ線図上の位置を算出し、算出した前記中間ガスの位置が前記Ｔ−Ｓ線図上における臨界点の近傍に予め定められた危険領域の内部である場合に、前記バイパス流路の流量を増加させるように前記流量調整手段の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
4. 前記高温ガスは、前記低圧側圧縮機によって圧縮された後、前記冷却器に導入される前の前記中間ガスであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の多段圧縮機。
5. 前記高温ガスは、前記高圧側圧縮機から吐出される前記中間ガスであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の多段圧縮機。
6. 前記高圧側圧縮機は回転駆動される複数段の羽根車を備え、前記高温ガスは、前記複数段のうち最下段以外の羽根車から吐出される前記中間ガスであることを特徴とする請求項５に記載の多段圧縮機。

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