JP2013130575A - 遠心圧縮機段の試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機段の試験装置を提供する。
【解決手段】ヘッドがゼロに近いか又は負になる動作領域での圧縮機の性能特性に関連する非外挿実験データを求める装置及び方法が提供される。試験ループは、補助圧縮機が各圧縮機の入力から出力にループで試験圧縮機に接続されるように作成され、所望のほぼゼロから負のヘッド領域で作動される。この領域で作動している間、試験圧縮機のプロセス流体入力及びプロセス流体出力に隣接して装着されたセンサからデータが収集される。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題の実施形態は、全体的に、方法及び装置に関し、より詳細には、多段遠心圧縮機の１つの段の試験、特に、極めて低い抵抗からゼロ抵抗のもしくは負の吸込ヘッドに関連する性能曲線の部分を試験する機構及び技法に関する。

遠心圧縮機は、幅広い用途にわたって現代の多くの産業で広く利用されている。遠心圧縮機の製造、販売及び配送における重要な必要条件は、遠心圧縮機の性能曲線を提供し、これは、できる限り性能曲線の外挿を少なくした実験データに基づいている。遠心圧縮機の性能曲線を生成する現行の方法及びシステムを用いた従来技術の試験システム１００が、図１の従来技術に図示されたように構成される。遠心圧縮機１０２は、ギアボックス１０４及び電気モータ１０６に接続される。ギアボックス１０４及び電気モータ１０６は、遠心圧縮機１０２の要件に基づいたサイズにされる。引き続き従来技術の試験システム１００の実施例に関して、遠心圧縮機の出口１０８は、制御バルブ１１０を通り、次いでプロセス流体冷却器１１２を通った後、遠心圧縮機入口１１４に戻るよう配管される。従来技術の実施例において、限定ではないが、プロセス流体の温度及び圧力などの動作パラメータを記録するセンサが遠心圧縮機の出口１０８及び入口１１４に近接して配置される点に留意されたい。

遠心圧縮機１０２は、従来技術の試験システム１００に付随するセンサからデータが収集される間、限定ではないが、１０％刻みで１０％〜１００％までなど、様々な位置の制御バルブ１１０を用いて作動する。収集データは、従来技術の図２に示した遠心圧縮機の性能曲線を生成するのに用いる。従来技術の図２は、ヘッド対流れのグラフであり、制御バルブ１１０がほぼ閉鎖位置２０４、部分的開放位置２０６、及び完全開放位置２０８の異なる位置にある状態で試験手順により収集されたデータに基づく性能曲線を示している。従来技術の試験システム１００において、圧縮機による抵抗の発生は、この試験に基づくと、制御バルブ１１０がほぼ閉鎖位置２０４にあるときに最大値となり、完全開放位置２０８にあるときに従来技術の試験システムにより得られる最小値となる点に留意されたい。

性能曲線の未知セクション２１０は、従来技術の試験システム１００を用いた外挿に基づいてしか求められず、固有の外挿法はない。従来技術の試験システム１００において、制御バルブ１１０が完全に開放位置２０８にあっても、従来技術の試験システム１００の構成要素が存在すること及びこれらの関連の損失に基づくシステムの設計に関連した損失が依然として存在する点に留意されたい。外挿法の不確定さと境界条件での外挿に関連した誤差とが相まって、性能の未知セクション２１０に経験に基づいて生成される仕様を提供し、その上、遠心圧縮機性能曲線上の負のヘッド位置まで提供するような市場圧力を招いた。従って、上述の問題及び欠点を回避した設計及び方法を提供することが望ましいことになる。

例示的な実施形態では、試験圧縮機に共に直列に接続された１以上の圧縮機を試験するシステムが提供される。引き続きこの例示的な実施形態に関して、試験圧縮機の出力が直列の第１の圧縮機に接続されて全体ループを形成する。次に、例示的な実施形態では、全体ループは、１以上のプロセス流体冷却器と、１以上のオリフィスと、全体ループの制御バルブと、を含む。引き続きこの例示的な実施形態に関して、第１の複数のセンサが試験圧縮機のプロセス流体入力に隣接して構成され、第２の複数のセンサが試験圧縮機のプロセス流体出力に隣接して構成される。

別の例示的な実施形態では、試験圧縮機に関連する電気モータのサイズを試験圧縮機の始動要件に最適に適合させるような大きさにするシステムが提供される。例示的な実施形態は、試験圧縮機に接続された補助圧縮機を備え、補助圧縮機のプロセス流体出力が試験圧縮機のプロセス流体入力に接続され、試験圧縮機のプロセス流体出力が補助圧縮機のプロセス流体入力に接続されて試験ループを形成する。次に、例示的な実施形態では、１以上のプロセス流体冷却器及び１以上のオリフィスが試験ループにおいて構成される。引き続きこの例示的な実施形態に関して、制御バルブが試験ループにおいて構成される。さらに例示的な実施形態では、第１の複数のセンサが試験圧縮機のプロセス流体入力に隣接して構成され、第２の複数のセンサが試験圧縮機のプロセス流体出力に隣接して構成される。

別の例示的な実施形態では、圧縮機の性能特性に関連する非外挿実験データを、該圧縮機に接続される試験ループに関連するヘッド値損失よりも低いヘッド値で取得する方法が提供される。引き続きこの例示的な実施形態に関して、本方法は、試験ループにおいて、補助圧縮機からのプロセス流体出力が主圧縮機のプロセス流体入力に接続され、主圧縮機からのプロセス流体出力が補助圧縮機のプロセス流体入力に接続されるように、補助圧縮機を主圧縮機に接続する。次に、例示的な実施形態では、本方法は、試験ループにおいて補助圧縮機と主圧縮機との間に制御バルブを設置する。引き続きこの例示的な実施形態に関して、本方法は、試験ループにおいて補助圧縮機と主圧縮機との間に１以上のプロセス流体冷却器及び１以上のオリフィスを設置する。次に、例示的な実施形態では、本方法は、試験ループにおいて主圧縮機のプロセス流体入力に隣接して第１の複数のセンサを設置する。引き続きこの例示的な実施形態に関して、本方法は、試験ループにおいて主圧縮機のプロセス流体出力に隣接して第２の複数のセンサを設置する。さらに例示的な実施形態では、本方法は、主圧縮機ヘッドが試験ループに関連するヘッド値損失よりも低いような条件で試験ループを作動させながら、第１の複数のセンサ及び第２の複数のセンサからデータを収集する。

本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、１以上の実施形態を例証しており、本明細書と共にこれらの実施形態を説明する。

ギアボックス及び駆動モータに接続され、制御バルブ及びプロセス流体冷却器を通じて出口が入口に接続されるように構成された遠心圧縮機を示す従来技術の実施形態の図。 制御バルブの位置に基づく種々の抵抗負荷によるヘッド対流れ軸上にプロットした遠心圧縮機の性能曲線の従来技術の例示的な実施形態のグラフ。 直列に接続され、ゼロヘッド及びさらに負のヘッド条件までの試験圧縮機の性能試験を可能にするよう構成された補助圧縮機及び試験圧縮機を示す例示的な実施形態の図。 直列に接続され、ゼロヘッド及びさらに負のヘッド条件までの試験圧縮機の性能試験を可能にするよう構成された補助圧縮機及び試験圧縮機の全体試験ループにおけるプロセス流体の流路を示す例示的な実施形態を示す図。 直列に接続された補助及び試験遠心圧縮機に基づく負のヘッド抵抗条件による制御バルブの位置に基づいた種々の抵抗負荷によるヘッド対流れ軸上にプロットした遠心圧縮機の性能曲線の例示的な実施形態のグラフ。 圧縮機に接続された試験ループに関連するヘッド値損失よりも低いヘッド値で圧縮機の性能特性に関連する非外挿実験データを取得する方法を示す例示的な方法の実施形態のフローチャート。

例示的な実施形態の以下の説明は、添付図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は同じ又は同様の要素とみなす。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、限定ではないが、圧縮機及び膨張器を含むターボ機械の用語及び構造に関して考察される。

本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が本開示の主題の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「一実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、具体的な特徴、構造、又は特性は、１以上の実施形態ではあらゆる好適な様態で組み合わせてもよい。

ここで図３において、例示的な実施形態は、事前構成された多段遠心圧縮機試験システム３００構成に基づく３つの独立した試験ループを含む多段遠心圧縮機試験システム３００を示している。多段遠心圧縮機試験システムの第１の試験ループは、主試験ループであり、ギアボックス３０４及びモータ３０６に接続された主遠心圧縮機３０２を含む。引き続きこの例示的な実施形態に関して、主遠心圧縮機３０２からのプロセス流体出力は、最初に制御バルブ３０８を通り、次にプロセス流体冷却器３１０を通り、次いでオリフィス３３０を通って主遠心圧縮機３０２のプロセス流体入力に接続される。例示的な実施形態では、システムが主試験ループ又は全体試験ループとして動作するかどうかに基づいてプロセス流体流れを配向するためにバイパスバルブ３１２が必要となる点に留意されたい。

引き続きこの例示的な実施形態に関して、多段遠心圧縮機試験システム３００の第２の試験ループは、補助試験ループであり、補助ギアボックス３１６及び補助モータ３１８に接続された補助遠心圧縮機３１４を含む。次に、例示的な実施形態では、補助圧縮機３１４からのプロセス流体出力は、最初に補助バルブ３２６を通り、次にプロセス流体補助冷却器３２４を通り、次いで補助制御バルブ３２０、次に補助オリフィス３２８を通って補助遠心圧縮機３１４のプロセス流体入力に接続される。例示的な実施形態では、システムが主試験ループ又は全体試験ループとして動作するかどうかに基づいてプロセス流体流れを配向するためにバイパスバルブ３３２が必要となる点に留意されたい。次に、例示的な実施形態では、多段遠心圧縮機システム３００における第３の試験ループは、全体試験ループであり、主遠心圧縮機３０２と補助遠心圧縮機３１４の直列接続を含む。例示的な実施形態では、補助遠心圧縮機の出力は、主遠心圧縮機３０２の入力に送り込まれ、主遠心圧縮機３０２の出力は、補助遠心圧縮機の入力に送り込まれる点に留意されたい。引き続きこの例示的な実施形態に関して、補助試験ループにおける補助遠心圧縮機３１４と補助バルブ３２６との間の分岐接続から、主試験ループにける制御バルブ３０８とプロセス流体冷却器３１０との間の分岐接続までの接続が形成される。次に、例示的な実施形態では、主試験ループにける主遠心圧縮機３０２と主制御バルブ３０８との間の分岐接続から、補助試験ループにおける補助バルブ３２６と補助冷却器３２４との間の分岐接続までの接続が形成される。例示的な実施形態では、他の配管構成も実施可能であり、分岐位置は、他のシステム構成要素に対して異なる位置に置くことができる点に留意されたい。

引き続きこの例示的な実施形態に関して、多段遠心圧縮機試験システム３００は、補助遠心圧縮機３１４用の試験システム及び主遠心圧縮機３０２用の試験システムとして動作することができ、ここで補助遠心圧縮機３１４及び主遠心圧縮機３０２は、直列に動作し、ゼロ又は負の抵抗で主遠心圧縮機３０２の試験を可能にする点に留意されたい。次に、例示的な実施形態では、補助遠心圧縮機３１４試験ループは、補助バイパスバルブ３２２の閉鎖、主バイパスバルブ３１２の閉鎖、及び補助バルブ３２６の開放によって制御することができる。例示的な実施形態では、プロセス流体流れは、補助制御バルブ３２０によって制御され、補助冷却器３２４によって冷却される。さらに例示的な実施形態では、主遠心圧縮機試験ループは、補助バイパスバルブ３２２の閉鎖及び主バイパスバルブ３１２の閉鎖によって作動することができる。例示的な実施形態では、プロセス流体流れは、主制御バルブ３０８によって制御され、主冷却器３１０によって冷却される。引き続きこの例示的な実施形態に関して、全体試験ループ（すなわち、補助遠心圧縮機と主遠心圧縮機を直列に作動させる）は、補助バルブ３２６及び主制御バルブ３０８の閉鎖、及び補助バイパスバルブ３２２及び主バイパスバルブ３１２の開放によって作動することができる。例示的な実施形態では、プロセス流体流れは、補助制御バルブ３２０によって制御され、補助冷却器３２４によって冷却される。例示的な実施形態では、補助遠心圧縮機は、主遠心圧縮機よりも大きな容量の圧縮機である点に留意されたい。例示的な実施形態では、全体試験ループの作動時に、補助遠心圧縮機３１４が全体試験ループの損失に対処し、主遠心圧縮機３０２がゼロ又は負のヘッドで動作可能にして、主遠心圧縮機の性能をこれらの動作条件で直接測定できるようになる点に留意されたい。さらに、例示的な実施形態では、補助オリフィス３２８及び／又は主オリフィス３３０が全体試験ループの流路内に含まれる点に留意されたい。

ここで図４を参照すると、全体試験ループ４００のプロセス流体流路の例示的な実施形態が図示されている。引き続きこの例示的な実施形態に関して、試験圧縮機４０２が補助圧縮機４１２に直列に接続される。次に例示的な実施形態では、主圧縮機からのプロセス流体出力は、補助冷却器４２０を通り、次いで制御バルブ４１８を通って流れた後、入力プロセス流体として補助圧縮機４１２に流入する。引き続きこの例示的な実施形態に関して、補助圧縮機４１２からのプロセス流体出力は、プロセス流体冷却器４０８及びオリフィス４１０を通って流れた後、試験圧縮機４０２に入力として流入する。例示的な実施形態では、補助圧縮機４１２は、補助ギアボックス４１４及び補助モータ４１６に接続され、試験圧縮機４０２は、ギアボックス４０４及びモータ４０６に接続される点に留意されたい。さらに例示的な実施形態では、補助圧縮機４１２及び試験圧縮機４０２は遠心圧縮機とすることができる点に留意されたい。また、全体試験ループにおいて補助冷却器４２０と補助圧縮機４１２との間に追加オリフィスを構成することができる点に留意されたい。

ここで図５を参照すると、グラフ５００は、主遠心圧縮機のヘッド対流れを描いた、全体試験ループ手順により収集されたデータに基づく性能曲線５０２を示しており、補助制御バルブ４１８が完全開放位置５０４にあり、補助遠心圧縮機４１２が加圧プロセス流体流れ５０６を主遠心圧縮機４０２入口に送給し、主遠心圧縮機４０２への抵抗を低下させて、ゼロ抵抗又は負のヘッド動作条件での主遠心圧縮機４０２の性能特性に関する実験データの収集を可能にしている。例示的な実施形態では、多段遠心圧縮機試験システム３００、４００の作動、及びグラフ５００で表されるように収集されグラフ化されるデータを用いて、遠心圧縮機用の電気モータを、遠心圧縮機始動要件に基づく適切なサイズになるような大きさにすることができ、すなわち、ゼロヘッド又は負のヘッド条件からの非外挿の実験データに基づいてより小さなモータを指定できる点に留意されたい。

ここで図６を参照すると、圧縮機に接続された試験ループに関連するヘッド値損失よりも小さいヘッド値で圧縮機の性能特性に関する非外挿実験データを取得する例示的な方法のフローチャート６００が示される。最初に例示的な実施形態のステップ６０２において、補助圧縮機が試験ループにおいて主圧縮機すなわち試験圧縮機に接続される。例示的な方法の実施形態では、補助圧縮機のプロセス流体出力は、主圧縮機のプロセス流体入力に接続され、主圧縮機のプロセス流体出力は、補助圧縮機のプロセス流体入力に接続される点に留意されたい。また、例示的な方法の実施形態では、補助圧縮機は、供試の主圧縮機よりも大きな出力容量を有する点に留意されたい。

次に、例示的な方法の実施形態のステップ６０４において、試験ループにおける補助圧縮機と主圧縮機との間に制御バルブが設置される。引き続きこの例示的な実施形態に関して、制御バルブは、データを収集し試験圧縮機の性能曲線を作成する機能を提供する試験ループの異なる実行において、試験ループの抵抗を変えることを可能にする。例示的な実施形態では、制御バルブが完全に開放されているときには、ゼロに近い又は負の条件下の試験圧縮機ヘッドで性能データの収集を可能にするよう試験圧縮機を作動させることができる点に留意されたい。

次に、例示的な方法の実施形態のステップ６０６において、試験ループにおいてと主圧縮機との間にプロセス流体冷却器が設置される。例示的な実施形態では、プロセス流体冷却器の位置は、実施される試験構成、並びに試験ループに設置される補助圧縮機及び主圧縮機に基づいて、主圧縮機から補助圧縮機に流れる試験ループ部分のような最適設置位置を有することができる点に留意されたい。続いて、例示的な方法の実施形態のステップ６０８では、センサは、主圧縮機のプロセス流体入力接続に隣接する制御ループに設置される。例示的な方法の実施形態では、センサは、限定ではないが、温度、圧力、体積流量、質量流量、その他を測定できる点に留意されたい。さらに、例示的な方法の実施形態では、これらのセンサから収集されるデータは、主圧縮機の性能曲線の生成に含まれる点に留意されたい。次に、例示的な方法の実施形態のステップ６１０において、センサが、主圧縮機上のプロセス流体出力接続に隣接した制御ループに設置される。例示的な方法の実施形態では、センサは、限定ではないが、温度、圧力、体積流量、質量流量、その他を測定できる点に留意されたい。さらに、例示的な方法の実施形態では、これらのセンサから収集されるデータは、主圧縮機の性能曲線の生成に含まれる点に留意されたい。

続いて、例示的な実施形態のステップ６１２において、圧縮機が制御バルブの位置で示される種々の抵抗条件で作動している間に、制御ループ内に設置されたセンサからデータが収集される。例示的な実施形態では、制御バルブが完全開放位置にあるときに、プロセス流体入力の主圧縮機ヘッドはゼロに近付き、さらに負のヘッド値に達することができる点に留意されたい。例示的な方法の実施形態のこれらの環境は、圧縮機の始動手順に重要なこの領域におけるデータの外挿を用いる必要もなく、主圧縮機の性能曲線を生成するためのデータ収集を可能にする。

開示された例示的な実施形態は、より大型の遠心圧縮機の性能特性を維持しながら、遠心圧縮機のサイズを低減するシステム及び方法を提供する。本明細書は、本発明を限定するものではない点は理解すべきである。逆に、例示的な実施形態は、添付の請求項によって定義される本発明の技術的思想及び範囲に含まれる、代替形態、修正形態、及び均等形態を保護するものとする。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明において、請求項に記載された本発明を包括的に理解するために多数の具体的な詳細事項が記載されている。しかしながら、種々の実施形態はこのような具体的な詳細事項がなくとも実施できる点は当業者であれば理解されるであろう。本発明の例示的な実施形態の特徴及び要素は、特定の組み合わせで実施形態では説明したが、各特徴又は要素は、実施形態の他の特徴及び要素を伴わず単独で、或いは本明細書で開示される他の特徴及び要素の有無に関わりなく種々の組み合わせで用いることができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

３００ 多段遠心圧縮機試験システム
３０２ 主遠心圧縮機
３０４ ギアボックス
３０６ モータ
３０８ 制御バルブ
３１０ プロセス流体冷却器
３１２ バイパスバルブ
３１４ 補助遠心圧縮機
３１６ 補助ギアボックス
３１８ 補助モータ
３２０ 補助制御バルブ
３２２ 補助バイパスバルブ
３２４ 補助冷却器
３２６ 補助バルブ
３２８ 補助オリフィス
３３０ 主オリフィス

Claims (10)

1. 圧縮機を試験するためのシステムであって、
   試験圧縮機に共に直列に接続された１以上の圧縮機であって、上記試験圧縮機の出力が直列の第１の圧縮機に接続され、全体ループを形成する１以上の圧縮機と、
   前記全体ループにおける１以上のプロセス流体冷却器と、
   前記全体ループにおける１以上のオリフィスと、
   前記全体ループにおける制御バルブと、
   前記試験圧縮機のプロセス流体入力に隣接して構成される第１の複数のセンサ及び前記試験圧縮機のプロセス流体出力に隣接して構成される第２の複数のセンサと
   を備える、システム。
2. 前記試験圧縮機が遠心圧縮機である、請求項１記載のシステム。
3. 前記１以上の圧縮機が遠心圧縮機である、請求項２記載のシステム。
4. 前記１以上の圧縮機が、前記試験圧縮機よりも大きな累積出力容量を有する、請求項１記載のシステム。
5. 前記累積出力容量が、前記全体ループに関係するヘッド値損失に対処するのに十分である、請求項４記載のシステム。
6. 前記試験が、前記全体ループの動作条件に関連する前記ヘッド値損失よりも小さいヘッド値で前記試験圧縮機の非外挿実験データに基づく試験圧縮機性能曲線の生成に関連付けられる、請求項５記載のシステム。
7. 前記１以上の圧縮機の各々及び前記試験圧縮機への別個のモータ及びギアボックスの接続部をさらに備える、請求項１記載のシステム。
8. 前記圧縮機の各々及び前記試験圧縮機が離隔されて独立した試験ループとして作動するように前記全体ループにおいて構成された複数のバルブをさらに備える、請求項１記載のシステム。
9. 圧縮機の性能特性に関連する非外挿実験データを、該圧縮機に接続される試験ループに関連するヘッド値損失よりも低いヘッド値で取得する方法であって、
   試験ループにおいて、補助圧縮機からのプロセス流体出力が主圧縮機のプロセス流体入力に接続され、前記主圧縮機からのプロセス流体出力が前記補助圧縮機のプロセス流体入力に接続されるように、前記補助圧縮機を前記主圧縮機に接続するステップと、
   前記試験ループにおいて前記補助圧縮機と前記主圧縮機との間に制御バルブを設置するステップと、
   前記試験ループにおいて前記補助圧縮機と前記主圧縮機との間に１以上のプロセス流体冷却器及び１以上のオリフィスを設置するステップと、
   前記試験ループにおいて前記主圧縮機のプロセス流体入力に隣接して第１の複数のセンサを設置するステップと、
   前記試験ループにおいて前記主圧縮機のプロセス流体出力に隣接して第２の複数のセンサを設置するステップと、
   前記主圧縮機ヘッドが前記試験ループに関連するヘッド値損失よりも低いような条件で前記試験ループを作動させながら、前記第１の複数のセンサ及び前記第２の複数のセンサからデータを収集するステップと
   を含む、方法。
10. 単一段又は多段圧縮機に関連する電気モータのサイズを前記圧縮機の始動要件に最適に適合させるような大きさにする方法であって、
    請求項９記載の方法を用いて、前記圧縮機の各段における非外挿実験データを取得するステップと、
    前記圧縮機の各段における非外挿実験データを用いて前記圧縮機の全体性能マップを計算するステップと、
    前記圧縮機の全体性能マップを用いて始動時の前記圧縮機の吸収される出力を計算して電気モータのサイズを決定するステップと
    を含む、方法。