JP2012522182A - コンプレッサ用サージ制御システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2009年3月30日に出願された米国仮特許出願第61/164,641号の優先権を主張するものであり、当該出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に、パイプライン、液化天然ガスプラント、および他の産業施設におけるアプリケーションにおいてガス流サージにより引き起こされる損傷から電動モータ駆動式コンプレッサを保護するプロセス制御システムに関する。より詳細には、本システムおよび方法は、サージコントローラとして可変速度ドライブを用いる。
コンプレッサに対するサージは、ひどい振動、時として回転機器の損傷を引き起こす深刻な問題である。従来技術において既知の典型的なサージ制御システムを図1に示し、かかるシステムでは、モータ5がコンプレッサ10を駆動する。ガスは、パイプ15に沿って低圧入力吸込パイプ20を介してコンプレッサ10に流入し、パイプ25に沿ってガス出力パイプ30に吐出される。ガス流は、ライン40に沿ってサージコントローラ35により測定および監視される一方、吸込圧は、変化することが分かっている場合、ライン45に沿って測定および監視され、吐出圧は、ライン50に沿って測定および監視される。単純に言えば、サージは、パイプ25に沿うコンプレッサの吐出における過剰な圧力により、ガス流がコンプレッサ10に逆流する結果発生する。サージは、吐出における高圧ガスを低圧吸込パイプ20に逆流させて圧力を緩和する大型のバイパスバルブ55で制御される。バイパスバルブ55は、信号線60に沿ってサージコントローラ35により制御される。単純なバイパスバルブ以外の装置を用いてもよい。例えば、高吐出圧ガスをフレア(バーナ)に運ぶスプリング装荷ブローオフバルブが1つの可能性である。しかし、かかるバルブは、圧力を低く設定する必要があり、多用されると無駄が多く高くつく。第3の同様の機構には、吐出側のスプリング装荷リリーフバルブがあり、かかるバルブは、圧力が事前に設定された高い値に到達すると開き、ガスを吸込側に運び戻す。この種のバルブも、安全のために圧力を低く設定する必要があり、上記と同じ欠点を有する。
本発明の好適な実施形態についての装置を図5に示し、かかる装置では、図1と同様に、電動モータ5がコンプレッサ10に動力を与え、かかるコンプレッサは、ガス入力流パイプ15に接続された低圧入力吸込パイプ20とガス出力パイプ30に接続されたコンプレッサガス吐出パイプ25とを有する。しかし、GE Oil & Gas、Dresser Rand、三菱、およびSiemensによりかかる用途のために製造されたものなどのコンプレッサが用いられるときは、電動モータ5は、図5に示すように、スムーズにモータ5を始動させるとともにコンプレッサ10の速度を制御するために用いられる可変速度ドライブ(ASD)200により制御される。ASD200は、3相電力供給205により動力を与えられ、モータ5に供給するライン210を介して可変周波数の3相動力を生成し、モータ速度およびパワーを制御する。モータ5に適合しモータ5を制御するのに適切なサイズを有するとともにマイクロプロセッサベースの制御を含むものであれば、いずれのASDもこの目的に用いることができる。本明細書に開示の種類の編成において用いることが可能なASDの例には、ともに東芝三菱電機産業システム株式会社製のDura-Bilt5i MVおよびTMdrive-XL85がある。かかるコンプレッサに適合可能な電動モータは、東芝三菱電機産業システム株式会社、GE、およびSiemensなどの会社により生産されている。
Claims (17)
- ガス入力およびガス出力を有する産業用コンプレッサにおけるガスサージを防止するためのプロセス制御編成におけるシステムであって、前記コンプレッサは、3相電力供給により動力を与えられる電動モータにより駆動される、システムであって、
システムガス入力供給ラインと、
システムガス出力ラインと、
前記ガス入力供給ラインと前記コンプレッサの前記ガス入力との間に接続された低圧入力吸込ラインと、
前記コンプレッサの前記ガス出力と前記ガス出力ラインとの間に接続されたガス吐出ラインと、
前記ガス吐出ラインと前記低圧入力吸込ラインとの間に接続された、前記コンプレッサガス吐出ラインにおける過剰な圧力を緩和するためのバイパス手段と、
3相電力供給により動力を与えられるとともに前記電動モータと前記バイパス手段との間に接続された可変速度ドライブ(ASD)手段であって、前記ASD手段は、2次元コンプレッササージマップを生成して前記ASDに格納し、前記ガス吐出ラインにおけるガスサージの発生を判定し、かかるサージの検出に反応し、前記モータの速度およびパワーを制御するためのものであり、前記バイパス手段は、前記ASDにより作動される、ASD手段と、を含む、システム。 - 前記2次元サージマップは、前記電動モータのパワーおよび速度のみから導出される、請求項1に記載のシステム。
- 前記2次元サージマップは、前記電動モータのトルクおよび速度のみから導出される、請求項1に記載のシステム。
- 前記可変速度ドライブ手段は、さらに、
前記格納されたサージマップ上にプロットされた前記コンプレッサの動作点と前記格納されたサージマップ上にプロットされたサージ制御が必要な点を指示する制御ラインとを入力として有するとともに1つの出力を有する比例積分(PI)コントローラと、
前記PIコントローラを制御するとともにPIアルゴリズムを実行することが可能なマイクロプロセッサと、
前記ASD手段から前記バイパス手段に延在する制御ラインと、を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記コンプレッサへのガス入力の温度を表すデータを測定および収集するとともにそのデータを前記ASD手段に供給するための温度センサ手段と、
前記低圧入力吸込ラインにおける圧力を表すデータを測定および収集するとともにそのデータを前記ASD手段に供給するための圧力センサ手段と、をさらに任意で含む、請求項1に記載のシステム。 - ガスサージを検出すると、前記ASD手段は、前記バイパス手段の作動、サージ警報のプロセスコントローラへの送信、または前記コンプレッサの速度もしくはトルクの修正、のうちの1つ以上を生じさせる、請求項1に記載のシステム。
- 前記バイパス手段は、さらに、空気/油圧変換器と、バイパスバルブとを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記コンプレッサへのガス入力の温度を表すデータを測定および収集するとともにそのデータを前記ASD手段に供給するための温度センサ手段と、
前記低圧入力吸込ラインにおける圧力を表すデータを測定および収集するとともにそのデータを前記ASD手段に供給するための圧力センサ手段と、をさらに任意で含む、請求項1に記載のシステム。 - ガス入力およびガス出力を有する産業用コンプレッサにおけるガスサージを防止するためのプロセス制御編成におけるシステムであって、前記コンプレッサは、3相電力供給により動力を与えられる電動モータにより駆動される、システムであって、
システムガス入力供給ラインと、
システムガス出力ラインと、
前記ガス入力供給ラインと前記コンプレッサの前記ガス入力との間に接続された低圧入力吸込ラインと、
前記コンプレッサの前記ガス出力と前記ガス出力ラインとの間に接続されたガス吐出ラインと、
前記ガス吐出ラインと前記低圧入力吸込ラインとの間に接続された、前記コンプレッサガス吐出ラインにおける過剰な圧力を緩和するためのバイパス手段と、
入力ガス流と吐出圧との間の関係を表す事前にプログラムされた2次元サージマップを格納し、前記サージマップに基づいて前記ガス吐出ラインにおけるガスサージの発生を判定し、サージが検出された場合に前記バイパス手段を開く信号を発するためのサージコントローラ手段であって、前記サージコントローラ手段は、1つの出力と3つの入力とを有する、サージコントローラ手段と、
前記低圧入力吸込ラインと前記サージコントローラ手段の第1の入力との間に接続されたガス流センサと、
前記低圧入力吸込ラインと前記サージコントローラ手段の第2の入力との間に接続された第1の圧力センサと、
前記ガス吐出ラインと前記サージコントローラ手段の第3の入力との間に接続された第2の圧力センサと、
3相電力供給により動力を与えられるとともに1つの出力を有する可変速度ドライブ(ASD)手段であって、前記ASD手段は、前記電動モータに接続され、2次元コンプレッササージマップを生成して前記ASDに格納し、前記サージマップに基づいて前記ガス吐出ラインにおけるガスサージの発生を判定し、かかるサージの検出に反応し、前記モータの速度およびパワーを制御するためのものであり、前記バイパス手段は、前記ASDにより作動可能である、ASD手段と、
前記ASD手段の前記出力と前記サージコントローラ手段の前記出力とに接続されたサージ制御監視手段であって、前記サージコントローラ手段が適正に動作しているかを検出し、前記サージコントローラ手段の故障が検出された場合に前記ASD手段からの命令に応答して前記サージ制御監視手段からの出力に沿って前記バイパス手段を作動させるためのサージ制御監視手段と、を含む、システム。 - 前記ASD手段は、さらに、
前記格納されたサージマップ上にプロットされた前記コンプレッサの動作点と前記格納されたサージマップ上にプロットされたサージ制御が必要な点を指示する制御ラインとを入力として有するとともに1つの出力を有する比例積分(PI)コントローラと、
前記PIコントローラを制御するとともにPIアルゴリズムを実行することが可能なマイクロプロセッサと、
前記ASD手段の前記出力から前記サージ制御監視手段に延在する制御ラインと、を含む、請求項9に記載のシステム。 - 前記サージコントローラ手段は、さらに、
前記格納されたサージマップ上にプロットされた前記コンプレッサの動作点と前記格納されたサージマップ上にプロットされたサージ制御が必要な点を指示する制御ラインとを入力として有するとともに1つの出力を有する比例積分(PI)コントローラと、
前記PIコントローラを制御するとともにPIアルゴリズムを実行することが可能なマイクロプロセッサと、
前記PIコントローラの前記出力から前記サージコントローラ手段の前記出力に延在する制御ラインと、を含む、請求項9に記載のシステム。 - 前記バイパス手段は、さらに、空気/油圧変換器と、バイパスバルブとを含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記コンプレッサへのガス入力の温度を表すデータを測定および収集するとともにそのデータを前記ASD手段に供給するための温度センサ手段と、
前記低圧入力吸込ラインにおける圧力を表すデータを測定および収集するとともにそのデータを前記ASD手段に供給するための圧力センサ手段と、をさらに任意で含む、請求項9に記載のシステム。 - ガスコンプレッサを駆動する電動モータであって、前記ガスコンプレッサは、低圧入力吸込ラインによりガス入力流ラインに接続された入力とコンプレッサガス吐出ラインによりガス出力ラインに接続された出力とを有する、電動モータと、前記低圧入力吸込ラインと前記コンプレッサガス吐出ラインとの間に接続されたバイパスバルブであって、かかるバイパスバルブの動作は、マイクロプロセッサを搭載し3相動力を受ける可変速度ドライブ(ASD)により送られる空気/油圧変換器への信号により制御され、かかるASDは、前記電動モータに供給される可変周波数の3相動力を生成する、バイパスバルブとを有するプロセス制御システムにおけるガスサージを防止するための方法であって、
前記電動モータのパワーおよび速度のみに基づいて、いずれの所与の速度またはパワーについても望ましくないサージが生じる点を指示するサージラインのグラフ表現を含む2次元サージマップを、前記ASDにおける前記マイクロプロセッサにおいて生成するステップと、
いずれの所与の速度においても制御ラインがより高いコンプレッサ馬力を指示するとともにいずれの所与のコンプレッサ馬力においても制御ラインがより低い速度を指示するように、すべての点において前記サージラインから任意の距離だけ離間されたグラフ状の制御ラインを構成するステップと、
前記制御ラインを前記ASDにおける前記サージマップに挿入するステップと、
前記サージマップを前記ASDにおける前記マイクロプロセッサに格納するステップと、
少なくとも5ミリ秒毎に、前記電動モータの動作馬力および速度で表された前記コンプレッサの動作点を判定するステップと、
前記動作点が前記制御ラインと一致するかまたは前記制御ラインを越えるかを算出するステップと、
一致するかまたは越える場合、前記空気/油圧変換器を介して前記ASDから前記バイパスバルブに所定量だけ開くように指令するアナログ信号を発するステップと、
一致も越えることもせず、前記バイパスバルブが過去に開くように指令されている場合、前記空気/油圧変換器を介して前記ASDから前記バイパスバルブに閉じるようにさらに指令するステップと、
それ以外の場合、判定するステップに戻るステップと、を含む、方法。 - 生成ステップの後に、
前記コンプレッサへのガス入力の温度と、前記コンプレッサへのガス入力の吸込圧とを前記マイクロプロセッサに送信するステップと、
前記温度および圧力のデータに応答して要求に応じて前記サージラインを修正するステップと、をさらに含む、請求項14に記載の方法。 - ガスコンプレッサを駆動する電動モータであって、前記ガスコンプレッサは、ガス流センサおよび第1の圧力センサが接続された低圧入力吸込ラインを介してガス入力流ラインに接続された入力と第2の圧力センサが接続されたコンプレッサガス吐出ラインに接続された出力とを有し、前記コンプレッサガス吐出ラインは、さらに、ガス出力ラインに接続されている、電動モータと、前記低圧入力吸込ラインと前記コンプレッサガス吐出ラインとの間に接続されたバイパスバルブであって、かかるバイパスバルブの動作は、前記バイパスバルブに接続されたマイクロプロセッサを搭載し3相動力を受ける可変速度ドライブ(ASD)であって、かかるASDは、前記電動モータに供給される可変周波数の3相動力を生成する、ASD、または前記バイパスバルブに接続されたサージコントローラのいずれかにより制御することができ、前記ASDと前記サージコントローラとの両方の出力は、前記バイパスバルブの動作を調整するコンパレータを搭載する空気/油圧変換器に接続されている、バイパスバルブとを有するプロセス制御システムにおけるガスサージを防止するための方法であって、
前記電動モータのパワーおよび速度に基づいて、いずれの所与の速度またはパワーについても望ましくないサージが生じる点を指示するサージラインのグラフ表現を含む2次元サージマップを、前記ASDにおける前記マイクロプロセッサにおいて生成するステップと、
いずれの所与の速度においても制御ラインがより高いコンプレッサ馬力を指示するとともにいずれの所与のコンプレッサ馬力においても制御ラインがより低い速度を指示するように、すべての点において前記サージラインから任意の距離だけ離間されたグラフ状の制御ラインを構成するステップと、
前記制御ラインを前記ASDにおける前記サージマップに挿入するステップと、
前記サージマップを前記ASDにおける前記マイクロプロセッサに格納するステップと、
少なくとも5ミリ秒毎に、前記電動モータの動作馬力および速度で表された前記コンプレッサの動作点を判定するステップと、
前記動作点が前記制御ラインと一致するかまたは前記制御ラインを越えるかを算出するステップと、
一致するかまたは越える場合、前記サージコントローラが第1のアナログ信号を、前記ASDが第2のアナログ信号を発し、前記空気/油圧変換器に所定量だけ開くように指令し、このとき前記第1のアナログ信号を前記第2のアナログ信号と比較し、前記2つの信号の大きい方を前記空気/油圧変換器に送るステップと、
一致も越えることもせず、前記バイパスバルブが過去に開くように指令されている場合、前記サージコントローラが第1のアナログ信号を、前記ASDが第2のアナログ信号を発し、前記空気/油圧変換器に閉じるように指令し、このとき前記第1のアナログ信号を前記第2のアナログ信号と比較し、前記2つの信号の大きい方を前記空気/油圧変換器に送るステップと、
それ以外の場合、判定するステップに戻るステップと、を含む、方法。 - 生成ステップの後に、
前記低圧入力吸込ラインに取り付けられた温度センサからの前記コンプレッサへのガス入力の温度と、前記第1の圧力センサからの前記コンプレッサへのガス入力の吸込圧とを前記マイクロプロセッサに送信するステップと、
前記温度および圧力のデータに応答して要求に応じて前記サージマップにおける前記サージラインを修正するステップと、をさらに含む、請求項16に記載の方法。
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