JP2013227946A

JP2013227946A - 往復動圧縮機および、該往復動圧縮機の運転方法

Info

Publication number: JP2013227946A
Application number: JP2012101427A
Authority: JP
Inventors: Shogo Tateyama; 省吾立山; Junji Oba; 淳司大羽
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-11-07

Abstract

【課題】クリアランスポケットに異常が発生した場合でも、部分負荷での圧縮機の運転継続ができる機構を提供する。
【解決手段】往復動圧縮機は、吸入口５に設けられた吸入弁７と、吸入弁７を強制的に開いて、ガス圧縮室２ａの吸入口５を開放状態にするアンローダ１１と、往復動圧縮機の運転中に油圧アクチュエータ１３の油圧の異常を検出した場合にアンローダ１１を作動する制御装置１７と、をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧アクチュエータを用いて往復動圧縮機の容量調節を行うクリアランスポケットを備えた往復動圧縮機および、該往復動圧縮機の運転方法に関する。

往復動圧縮機の容量制御（すなわち吐出量制御）の方法として、クリアランスポケットを用いる方法がある。このクリアランスポケットを用いた容量制御では、シリンダの圧縮室の隙間容積（クリアランスボリューム）を増減させること、より正確には、圧縮室に連通した空間（クリアランスポケット）の容積を変化させることにより、圧縮室の実質的な容量を制御する。

具体的には、圧縮室のクリアランスボリュームを増加させることで、ガス吸入行程に入る前のシリンダ内ガスの膨張工程で膨張するガスの量が増加する。これにより、吸入できるガス量は減少し、圧縮機の容量を減少することができる。

クリアリンスポケットによる容量調節では、ガスが膨張する過程でガス圧がピストンに作用するため、圧縮に用いられたエネルギは膨張時に回収され、容量調節と同時に動力の低減も出来る。

特開2011−21487号公報

クリアランスポケットの容量調節のために該ポケット内に設けられたクリアランスピストンを駆動する方法には、軸に切った雄ねじに噛合う雌ねじを回転させるねじ式アクチュエータによるものと、油圧アクチュエータを用いる方法がある。

ねじ式アクチュエータに比べて油圧アクチュエータでは、数十メガパスカルの大きな油圧も簡単な装置で達成可能であり、コンパクトなアクチュエータでクリアランスピストンの駆動装置を構成することが出来る。また、作動油は圧縮性がほぼゼロであるため、変動荷重が作用してもクリアランスピストンの移動が起こらず機械の振動を発生することがない。

しかし、ポンプや電磁弁の故障などで油圧系の圧力を保持できなくなった場合には、変動荷重に対する油圧の反力が効かなくなり、クリアランスピストンの振動を引き起こす。

クリアランスピストンには、シリンダ内でのガスの吸入、圧縮、吐出行程に応じた圧力変化による変動荷重が働いているが、クリアランスピストンの振動が起きるとこの慣性力による荷重が付加され、油圧アクチュエータ内の作動油の圧力変動も増大する。これは、油圧ピストンのシール性を劣化させたり、電磁弁などの機器に悪影響を及ぼしたりして、更に装置の状況を悪化させる傾向にある。

また、クリアランスピストンの振動により圧縮機内部の力のバランスが崩れ、圧縮機本体も大きな振動を起こしてしまう。この状態では軸受などの本体部品にも過大な荷重が作用していると考えられ、これが長く継続するとこれらの部品の損傷を引き起こす原因となる。従って、このような状況になった場合は速やかに停止を行い、不良箇所の点検・整備を行なう必要がある。

一方、プラントとしてはプロセス系統内で一部の機械が予期せず停止した場合、製品の生産計画に影響が出るだけではなく、プラント運用上の安全性や環境保護の面でも問題が生じる。該当の圧縮機に予備機が準備されている場合でも、圧縮機を停止し切替えるには数分〜数十分必要になるため生産プロセスへの影響は大きい。従って、圧縮機に何らかの異常が発生した場合でも、圧縮機停止までの時間を延ばすことが望まれ、容量が減少した状態であったとしても圧縮機の運転を継続できることは有意義である。

そこで本発明は、上述した背景技術の実情に鑑み、クリアランスピストンの駆動に油圧アクチュエータを用いた構造の容量調節装置を備えた往復動圧縮機において、クリアランスポケットに異常が発生した場合でも、部分負荷での圧縮機の運転を可能とする機構を提供することにある。

本発明は、ガス圧縮室、該ガス圧縮室にガスを吸入する吸入口、該ガスを吸入し圧縮するピストン、及び、該ガスを吐出する吐出口を有するシリンダと、該シリンダの外側にて該ガス圧縮室に連通するように設置されたクリアランスポケットと、該クリアランスポケット内に設置され、該クリアランスポケット内の容積を調節するクリアランスピストンと、該クリアランスピストンを駆動する油圧アクチュエータと、を備えた往復動圧縮機に係るものである。

そして本発明の一態様は、上記した往復動圧縮機において、吸入口に設けられた吸入弁と、該吸入弁を強制的に開いて、ガス圧縮室の吸入口を開放状態（すなわちアンロード状態）にするアンローダと、往復動圧縮機の運転中に該油圧アクチュエータの油圧の異常を検出した場合に該アンローダを作動する制御装置と、をさらに備えることを特徴とする。

さらに本発明の他の態様は、上記した往復動圧縮機の運転方法に係るものであり、往復動圧縮機の運転中に油圧アクチュエータの油圧の異常を検出した場合に、吸入弁を強制的に開いて、ガス圧縮室をアンロード状態にすることを特徴とする。

本発明によれば、往復動圧縮機の運転中に油圧アクチュエータの油圧の異常が発生したときにはガス圧縮室が自動的にアンロード状態になるため、クリアランスピストンに作用する圧力変動は非常に小さく抑えられる。アンロード状態のシリンダのガス圧縮室では、吸入弁は常時開の状態になるため、吸入されたガスは圧縮行程で圧縮されず再び吸入弁から吸入ラインに排出される。このときシリンダ内部の圧力はシリンダ弁で生じる圧力損失分だけの変動であり、通常運転時に比べれば非常に小さい変動幅となる。従って、油圧機器などへの悪影響は生じず、シリンダの下側ガス圧縮室はガスの圧縮を行なうことができ、圧縮機としては運転の継続が可能である。

すなわち、圧縮機の処理容量としては、シリンダが１連の圧縮機の場合は約５０％容量となり、シリンダが２連の場合には約７５％容量での運転継続が可能となる。このため、減量運転でのプラント生産を継続することや、必要なプロセス側の措置を行なった後に圧縮機を停止することができる可能性が高まる。

本発明の一実施形態による往復動圧縮機の構造を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態による往復動圧縮機の構造を示す模式図である。なお、図示した往復動圧縮機は、１つのシリンダ内のピストンの上方と下方の両方の室でガスの圧縮仕事を行う複動式で１本のシリンダのみを持つ１連圧縮機であるが、本発明はこれに限定されない。

図１に示されるように、本実施形態による往復動圧縮機は、フレーム１上に設置されたシリンダ２を有する。シリンダ２内にはピストン３が配置されている。ピストン３はピストン棒４を介して駆動され、シリンダ２内で往復動される。この往復動圧縮機は複動式であるため、シリンダ２内には、ピストン３より上側の空間（上側ガス圧縮室２ａ）と下側の空間（下側ガス圧縮室２ｂ）が存在する。

シリンダ２には、外部からシリンダ２内へガス６を吸入する吸入口５と、シリンダ２内から外部へガス９を吐出する吐出口８とが備えられている。

上側ガス圧縮室２ａおよび下側ガス圧縮室２ｂのガス吸入側にはそれぞれ、吸入口５に連通する不図示の吸入ポートが設けられ、各吸入ポートに吸入弁７が設置されている。同様に、上側ガス圧縮室２ａおよび下側ガス圧縮室２ｂのガス吐出側にはそれぞれ、吐出口８に連通する不図示の吐出ポートが設けられ、各吐出ポートに吐出弁１０が設置されている。これらシリンダ弁（吸入弁７および吐出弁１０）はシリンダ内外の差圧により受動的に開閉する逆止弁である。

シリンダ２の上部にはクリアランスポケット１２が設けられていて上側ガス圧縮室２ａと連通している。クリアランスポケット１２内には、油圧アクチュエータ１３によって駆動されるクリアランスピストン１２ａが配置され、このピストンの位置を変更することでクリアランスポケット１２の容積を調整可能となっている。

油圧アクチュエータ１３はクリアランスポケット１２の上部に設置されており、油圧ピストン１３ａが内部に組み込まれた油圧シリンダからなる。油圧ピストン１３ａはロッド１３ｂを介してクリアランスピストン１２ａに連結されている。これにより、クリアランスピストン１２ａは油圧ピストン１３ａの動作と共に移動でき、上側ガス圧縮室２ａに連通する隙間容積（クリアランスボリューム）を増減させることが出来る。もっとも、油圧シリンダ内部における油圧ピストン１３ａのロッド１３ｂ側の室または該ロッドとは反対側の室に作動油を選択的に供給することで、油圧ピストン１３ａを図の上側または下側に移動させることが可能である。

このため、作動油を送り出す油圧ユニット１４と、該作動油を該ロッド１３ｂとは反対側の室に供給する第１の作動油供給ライン１６ａ−１と、該作動油を該ロッド１３ｂ側の室に供給する第２の作動油供給ライン１６ａ−１と、第１の作動油供給ライン１６ａと第２の作動油供給ライン１６ｂを選択的に切り替えるための電磁弁１６ａと、が用意されている。

また、上側ガス圧縮室２ａのガス吸入口側に設けられた吸入弁７には、吸入弁アンローダ１１が設置されている。この吸入弁アンローダ１１は、エアの供給で作動してそのエア圧を上側ガス圧縮室２ａの吸入弁７に作用し、そのエアの供給中、吸入弁７を開放状態に保持する（いわゆるアンロード状態）。従って、吸入弁アンローダ１１を作動している間は、ピストン３による圧縮行程であっても、上側ガス圧縮室２ａ内のガス６は吸入口５側に排出されて、高圧に圧縮されることがない。

吸入弁アンローダ１１を作動するエアはエア源（圧縮空気源）１５から供給され、そのエア圧は電磁弁１６ｂの開閉により制御される。なお、アンローダのタイプには、エアが供給されたときにシリンダ弁をアンロードするAir to unload型と、エアの供給が止まったときにアンロードするAir less unload型とがあり、アンローダ構造は異なるが、本実施形態においてはどちらの構造を用いた場合でも同じ効果を得ることができる。なお、電磁弁１６ａ，１６ｂはそれぞれ制御装置１７により駆動制御されている。

上記した形態の往復動圧縮機が運転されている状態では、クリアランスピストン１２ａは要求される容量（吐出量）に応じた位置にあり、作動油供給ラインの電磁弁１６ａは閉じており、油圧アクチュエータ１３および作動油供給ライン（配管）１６ａ−１，１６ａ―２内には油圧が掛かっているが、クリアランスピストン１２ａが受ける圧力変動に応じた油圧変動が起きている。

この状態で油圧系統にエアが混入したり、電磁弁１６ａ又は配管１６ａ−１，１６ａ―２内などで作動油の漏れが生じたりした場合は、クリアランスピストン１２ａでの振動が起き、油圧の変動が大きくなり平均圧力は下がる。この状態を検出した場合は、吸入弁アンロード１１を作動させ、上側ガス圧縮室２ａをアンロード状態にする。

油圧ユニット１４から油圧アクチュエータ１３までの油圧ラインに関して、上記した作動油圧力の異常を検出する方法としては、次のような、圧力伝送器を用いる方法、クリアリンスピストンの位置センサを用いる方法、振動センサを用いる方法、のうちの何れかを用いることができる。

１）圧力伝送器を用いる方法
この方法では、電磁弁１６ａを備えた作動油供給ライン１６ａ−１，１６ａ―２を含む油圧系統において、圧力を測定し、測定した圧力を電気信号に変えて伝送する圧力伝送器(PT)１８が設置される。そして、制御装置１７が圧力伝送器(PT)１８からの電気信号を監視することで作動油圧力の異常を検出する。

前述したように第１の作動油供給ライン１６ａ−１が、油圧シリンダ内部における油圧ピストン１３ａのロッド１３ｂとは反対側の室に接続されており、第２の作動油供給ライン１６ａ−１が、油圧シリンダ内部における油圧ピストン１３ａのロッド１３ｂ側の室に接続されている。

油圧ピストン１３ａを前進させる時（図の下側に移動させる時）には、第１の作動油供給ライン１６ａ−１からの作動油供給により油圧ピストン１３ａの背面に圧力を作用させ、油圧ピストン１３ａが移動した分、該ピストンの前側の室の作動油を第２の作動油供給ライン１６ａ−２に排出する。油圧ピストン１３ａを後退させる時（図の上側に移動させる時）は、この逆の操作を行う。

油圧ピストン１３ａが停止しているときは、該ピストンの移動方向前後の面にかかる油圧は平均圧としてほぼ均等で、シリンダ２側のガス圧変動に応じて変動している。しかし、この状態で油圧系統に異常が生じたときは油圧アクチュエータ１３内の作動油の圧力変動幅が大きくなり、また完全に油圧が抜けてしまった時には油圧がほぼゼロの状態になる。したがって、このような所定の範囲外になった圧力を異常として検出する。

２）クリアリンスピストン１２ａの位置センサを用いる方法
クリアランスピストン１２ａは、シリンダ２内でのガスの吸入、圧縮、吐出行程に応じたガス圧変動による変動荷重を受けているが、油圧が掛かっているため、変移はごく僅かである。しかし、油圧系統に異常が起きた場合には、油圧ピストン１３ａの変移量が増大するため、これを位置センサ１９の信号から判定し、この信号の変動幅が所定の幅以上に大きくなったときを異常とする。制御装置１７が位置センサ(XT)１９からの電気信号を監視することで作動油圧力の異常を検出する。なお、図１の例では位置センサ１９は油圧アクチュエータ１３のシリンダ壁に設置されており、油圧ピストン１３ａの変移を監視することで、油圧ピストン１３ａに連結されたクリアリンスピストン１２ａの位置を判定しているが、位置センサ１９の位置はクリアランスポケット１２の壁にあってもよい。

このような方法の場合、位置センサ１９はクリアランスポケット１２の容量制御を行うパラメータの測定手段として元々用意されているので、新たなセンサを準備する必要がない。

３）振動センサを用いる方法
この方法では、シリンダ２やクリアランスポケット１２の周囲壁などといった圧縮機本体に振動センサ(VT)２０が設置され、振動センサ２０からの信号（振動値）が所定の範囲外の値になったときを異常と判断する。

本発明の最終目的は、クリアランスポケット１２の異常が原因で圧縮機本体内の部品が損傷することを防止するためのものであり、圧縮機本体の振動の増大は往復動圧縮機の異常につながる明確な指針となる。従って、この方法によれば、油圧系統の異常判定をより正確に行える。

１．フレーム２．シリンダ２ａ．上側ガス圧縮室２ｂ．下側ガス圧縮室
３．ピストン４．ピストン棒５．吸入口６．吸入ガス７．吸入弁
８．吐出口９．吐出ガス１０．吐出弁１１．吸入弁アンローダ
１２．クリアランスポケット１２ａ．クリアランスピストン
１３．油圧アクチュエータ１３ａ．油圧ピストン１３ｂ．ロッド
１４．油圧ユニット１５．エア源１６ａ，１６ｂ電磁弁
１６ａ−１，１６ａ−２．作動油供給ライン１７．制御装置
１８．圧力伝送器
１９．位置センサを取り付けるときの設置位置の例
２０．振動センサを取り付けるときの設置位置の例

Claims

ガス圧縮室、該ガス圧縮室にガスを吸入する吸入口、該ガスを吸入し圧縮するピストン、及び、該ガスを吐出する吐出口を有するシリンダと、該シリンダの外側にて該ガス圧縮室に連通するように設置されたクリアランスポケットと、該クリアランスポケット内に設置され、前記クリアランスポケット内の容積を調節するクリアランスピストンと、該クリアランスピストンを駆動する油圧アクチュエータと、を備えた往復動圧縮機において、
前記吸入口に設けられた吸入弁と、
前記吸入弁を強制的に開いて、前記ガス圧縮室の前記吸入口を開放状態にするアンローダと、
前記往復動圧縮機の運転中に前記油圧アクチュエータの油圧の異常を検出した場合に前記アンローダを作動する制御装置と、
をさらに備えた往復動圧縮機。
請求項１に記載の往復動圧縮機であって、
前記油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ユニットと、
前記油圧アクチュエータと前記油圧ユニットとの間に形成された作動油供給ラインと、
前記油圧ユニットと前記作動油供給ラインと前記油圧アクチュエータとを含む油圧系統に設置された、圧力を測定し、測定した圧力を電気信号に変えて伝送する圧力伝送器とをさらに備え、
前記制御装置は、
前記往復動圧縮機の運転中に前記圧力伝送器からの電気信号が所定の範囲外であるときに前記アンローダを作動する、
往復動圧縮機。
請求項１に記載の往復動圧縮機であって、
前記クリアランスピストンの位置を検出する位置センサをさらに備え、
前記制御装置は、
前記往復動圧縮機の運転中に前記位置センサからの信号の変動が所定の範囲外であるときに前記アンローダを作動する、
往復動圧縮機。
請求項１に記載の往復動圧縮機であって、
前記シリンダまたは前記クリアランスポケットの壁に設置された振動センサをさらに備え、
前記制御装置は、
前記往復動圧縮機の運転中に前記振動センサからの信号の変動が所定の範囲外であるときに前記アンローダを作動する、
往復動圧縮機。
ガス圧縮室、該ガス圧縮室にガスを吸入する吸入口、該ガスを吸入し圧縮するピストン、及び、該ガスを吐出する吐出口を有するシリンダと、該シリンダの外側にて該ガス圧縮室に連通するように設置されたクリアランスポケットと、該クリアランスポケット内に設置され、該クリアランスポケット内の容積を調節するクリアランスピストンと、該クリアランスピストンを駆動する油圧アクチュエータと、前記吸入口に設けられた吸入弁と、を備えた往復動圧縮機の運転方法であって、
前記往復動圧縮機の運転中に前記油圧アクチュエータの油圧の異常を検出した場合に、前記吸入弁を強制的に開いて、前記ガス圧縮室の前記吸入口を開放状態にする、往復動圧縮機の運転方法。
請求項５に記載の往復動圧縮機の運転方法であって、
前記油圧アクチュエータを含む油圧系統に、圧力を測定し、測定した圧力を電気信号に変えて伝送する圧力伝送器を設置しておき、
前記往復動圧縮機の運転中に前記圧力伝送器からの電気信号が所定の範囲外であるときに前記吸入弁を強制的に開いて、前記ガス圧縮室の前記吸入口を開放状態にする、運転方法。
請求項５に記載の往復動圧縮機の運転方法であって、
前記クリアランスピストンの位置を検出する位置センサを使用し、
前記往復動圧縮機の運転中に前記位置センサからの信号の変動が所定の範囲外であるときに前記吸入弁を強制的に開いて、前記ガス圧縮室の前記吸入口を開放状態にする、運転方法。
請求項５に記載の往復動圧縮機の運転方法であって、
前記シリンダまたは前記クリアランスポケットの壁に振動センサを設置しておき、
前記往復動圧縮機の運転中に前記振動センサからの信号の変動が所定の範囲外であるときに前記吸入弁を強制的に開いて、前記ガス圧縮室の前記吸入口を開放状態にする、運転方法。