JP2018003640A - 流体機械の制御方法および流体機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体機械に吸い込まれる流体の流量をより少ないパラメータを用いて制御することができる流体機械の制御方法および流体機械の制御装置を提供する。【解決手段】流体機械１００への流体の吸込流量Ｑ、流体機械１００に取り付けられている可変式の案内羽根２の開度Ｉ、および流体機械１００における回転軸６の回転速度Ｎに基づいて、流体機械１００の運転点が特定される。そして、特定された運転点を移動させることによって吸込流量Ｑが予め設定された目標吸込流量Ｆとなるように、案内羽根２の開度Ｉと回転軸６の回転速度Ｎとが制御される。【選択図】図２

Description

本発明は、流体機械の制御方法および流体機械の制御装置に関する。

流体を圧送するターボ型のブロワ、圧縮機などの流体機械が存在する。遠心式や斜流式などの流体機械は、駆動機により回転する羽根車によって、ガスや液体などの作動流体にエネルギを与える。このような流体機械では一般に、消費電力の低減や安定作動範囲の拡大が要求される。

このため、流体機械の中でも特に単段構成の流体機械では、駆動機の回転速度の制御や、可変式の案内羽根の開度（つまり翼取付角度）の制御などが行われる場合が多い。ここで、駆動機の回転速度は、インバータ等で制御され得る。また、可変式の案内羽根は、例えば羽根車へ流入する流れに対して羽根車仕事が低減される方向の旋回流を付与する旋回流発生装置として、流体機械に取り付けられている。

例えば、特許文献１に記載の技術では、流体機械の設計点よりも低流量側で生じるサージングによる運転状態の変動を精度良く検出し、流体機械における可変式の案内羽根の開度と羽根車の回転数とを制御することによって安定な運転の実現を図っている（要約等参照）。

また、特許文献２に記載の技術では、流体機械の吸込圧力、吐出圧力、および吸気温度から算出された無次元量と、吸込流量とを用いて目標回転数を演算し、前記無次元量を制御パラメータとして、流量制御を行っている（段落００３０〜００３４等参照）。

特開平９−１３３０９３号公報 特開２００３−３２２０９６号公報

特許文献１，２に記載の技術のいずれも、流体機械の運転制御のためには、パラメータとして多くの物理量の計測が必要となるため、多くのセンサ等の計測機器を流体機械の内部または外部に設置する必要がある。そのため、計測機器の設置に伴って必要となる加工の費用や、計測機器そのものの費用を確保することによるコスト増加が懸念される。また、場合によっては、例えばプラント側の配管への計測機器の設置が必要となり、プラント側の配管への追加工の必要が生じるおそれもある。

本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、流体機械に吸い込まれる流体の流量をより少ないパラメータを用いて制御することができる流体機械の制御方法および流体機械の制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を達成すべく、本発明に係る流体機械の制御方法は、流体機械に吸い込まれる流体の流量である吸込流量、前記流体機械に取り付けられている可変式の案内羽根の開度、および前記流体機械における駆動軸の回転速度に基づいて、前記流体機械の運転点を特定し、前記運転点を移動させることによって前記吸込流量が予め設定された目標吸込流量となるように、前記案内羽根の開度と前記駆動軸の回転速度とを制御することを特徴とする。

また、本発明に係る流体機械の制御装置は、流体機械に吸い込まれる流体の流量である吸込流量を検出する流量検出部と、前記流体機械に取り付けられている可変式の案内羽根の開度を検出する開度検出部と、前記流体機械における駆動軸の回転速度を検出する速度検出部と、前記流量検出部によって検出された前記吸込流量、前記開度検出部によって検出された前記案内羽根の開度、および前記速度検出部によって検出された前記駆動軸の回転速度に基づいて、前記流体機械の運転点を特定し、前記運転点を移動させることによって前記吸込流量が予め設定された目標吸込流量となるように、前記案内羽根の開度と前記駆動軸の回転速度とを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、流体機械に吸い込まれる流体の流量をより少ないパラメータを用いて制御することができる流体機械の制御方法および流体機械の制御装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る流体機械の制御方法が適用される流体機械の上半分を示す縦断面図である。 流体機械の制御装置の構成を模式的に示すブロック図である。 流体機械の制御方法の内容を示すフローチャートである。 流体機械の吸込流量と吐出圧力との相関を、回転軸の回転速度が変化したときの作動範囲マップの変化とともに示す図である。 流体機械の吸込流量と吐出圧力との相関を、吸気温度が変化したときの作動範囲マップの変化とともに示す図である。 流体機械の運転点を特定するプロセスを示す図であって、予想性能曲線の作成を説明するための図である。 流体機械の運転点を特定するプロセスを示す図であって、実際の運転時における性能曲線の作成を説明するための図である。 吸込流量の制御の一例を示す図である。 吸込流量の制御の一例を示す図である。 流体機械の吸込流量と効率との相関を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る流体機械の制御方法の内容を示すフローチャートである。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図７を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体機械の制御方法が適用される流体機械１００の上半分を示す縦断面図である。
なお、図１中の白抜き矢印は、流体の流れを示す（図２でも同様）。

ここでは、単段の流体機械の一例として、遠心式のターボ型ブロワを例に説明するが、本発明は、その他の流体機械に適用しても構わない。
本実施形態では、流体機械１００は、例えば下水処理場の曝気設備などに使用される曝気用ブロワである。

流体機械１００は、流体機械１００への作動流体（以下、単に「流体」ともいう）の流入流れに任意の旋回角を付与する可変式の案内羽根２を備えている。また、流体機械１００は、羽根車駆動機２２によって回転させられる回転軸（駆動軸）６に装着された羽根車３と、羽根車３の下流側に配置されているディフューザ４と、吐出スクロール５とを備えている。流体機械１００のこれらの構成要素は、ケーシング７内に格納されており、内部流路を構成している。

案内羽根２は、回転軸６の軸線ＣＬに対して放射状に設けられた複数枚の板状の翼から構成される翼列である。案内羽根２は、案内羽根駆動機１によって回動させられることで、その開度が調整され得る。羽根車３は、回転エネルギを流体に付与して流体を昇圧する。ディフューザ４は、周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚の翼を有するベーン（羽根）付きディフューザである。ただし、翼を有さないベーンレスディフューザが使用されてもよい。ディフューザ４は、羽根車３の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換するものである。吐出スクロール５は、スクロールと類似の別の形態の吐出流路であってもよい。

このような流体機械１００では、流体は、流体機械１００の吸込流路８から吸い込まれ、可変式の案内羽根２によって任意の旋回角を与えられた状態で羽根車３に流入する。羽根車３に流入した流体は、羽根車３によって昇圧され、ディフューザ４で減速された後、吐出スクロール５によって吐出流路９へと導き出される。

次に、以上のように構成された流体機械１００における流量制御について、図２および図３を参照して説明する。
図２は、流体機械１００の制御装置２０の構成を模式的に示すブロック図である。
図２に示すように、制御装置２０は、流体機械１００に吸い込まれる流体の流量である吸込流量を計測する流量計（流量検出部）２１を備えている。また、制御装置２０は、流体機械１００に取り付けられている可変式の案内羽根２の開度を計測する開度計測器（開度検出部）２４と、流体機械１００における回転軸６の回転速度を計測する回転速度計（速度検出部）２３とを備えている。

流量計２１は、流体機械の吸込流路８に設けられている。羽根車３は、回転軸６を介して羽根車駆動機２２に接続されている。回転速度計２３は、例えば回転軸６に取り付けられて、回転軸６の回転速度を計測する。可変式の案内羽根２の回動軸は、案内羽根２の開度を調整するための案内羽根駆動機１に接続されている。また、開度計測器２４は、例えば案内羽根駆動機１に取り付けられて、可変式の案内羽根２の開度を計測する。

流量計２１、回転速度計２３、および開度計測器２４は、それぞれ回線を介して制御器（制御部）２５に接続されており、これらの計測機器からの信号が制御器２５に入力される。制御器２５は、回線を介して案内羽根駆動機１と接続されており、制御器２５からの信号が案内羽根駆動機１に入力される。制御器２５は、案内羽根駆動機１を介して、可変式の案内羽根２の開度を制御する。また、制御器２５は、回線を介して羽根車駆動機２２と接続されており、制御器２５からの信号が羽根車駆動機２２に入力される。制御器２５は、羽根車駆動機２２を介して、回転軸６の回転速度を制御する。

流体機械１００の設置場所の一つとして挙げられる下水処理場では、曝気用ブロワとして使用される流体機械１００の吐出側は、曝気槽（図示せず）の側壁に接続されており、この曝気槽の水位が一定となるように、曝気設備において制御されている。したがって、流体機械１００の吐出側の圧力が、常時一定、もしくは圧力特性がある抵抗曲線でほぼ決まっていることが多い。そのため、制御器２５の記憶部２５ａには、図２に示すように、吐出圧力Ｐｄの特性が、予め入力されて記憶（記録）させられている。

図３は、流体機械１００の制御方法の内容を示すフローチャートである。
図３に示すように、まずステップＳ０として、制御器２５は、流体機械１００の現在の運転点を算出する。

このステップＳ０では、制御器２５は、流体機械１００の吸込流量Ｑ、可変式の案内羽根２の開度Ｉ、および回転軸６の回転速度Ｎに基づいて、流体機械１００の運転点を特定する。すなわち、制御器２５は、制御器２５に入力された、吸込流量Ｑ、開度Ｉ、および回転速度Ｎの３つを用いて、流体機械１００の性能曲線（吸込流量と吐出圧力の相関）上のどの動作点で運転しているかを確認する。このステップＳ０は、一定時間間隔で絶えず実施され、制御器２５は、常に流体機械１００の運転点を監視している。

前記したように予め制御器２５の記憶部２５ａに流体機械１００の吐出圧力Ｐｄの特性が格納されているため、制御器２５に入力された、吸込流量Ｑ、開度Ｉ、および回転速度Ｎの３つを用いて、流体機械１００の運転点を導出することができる。

以下、流体機械１００の運転点の具体的な特定方法について説明する。
図４は、流体機械１００の吸込流量Ｑと吐出圧力Ｐｄとの相関を、回転軸６の回転速度Ｎが変化したときの作動範囲マップの変化とともに示す図である。図５は、流体機械１００の吸込流量Ｑと吐出圧力Ｐｄとの相関を、吸気温度が変化したときの作動範囲マップの変化とともに示す図である。ここで、吸気温度とは、流体機械１００に吸い込まれる流体の温度である。

作動範囲マップは、予め実施された流体機械１００の性能試験によって基準温度（例えば２０℃）において可変式の案内羽根２の開度Ｉを変化させて取得される性能曲線から決定される、運転可能範囲を示している。すなわち、作動範囲マップは、取得された複数の性能曲線を含む面の領域で表される。ここでは、作動範囲マップ作成時の回転軸６の回転速度Ｎは、ある一種類の回転速度（例えばＮ＝１００％）のデータのみが制御器２５に記憶されているとして説明する。ただし、制御器２５は、複数種類の回転速度Ｎについて、作動範囲マップを所有していてもよい。

図４〜図５では、可変式の案内羽根２の開度Ｉの最小値は１５％とされている。ただし、可変式の案内羽根２の開度Ｉは実際には０％近くまで絞ることが可能であるため、開度Ｉの最小値は１５％よりも小さくてもよい。ここで、案内羽根２の表面が吸込流路８の軸線に対して、略平行な場合を開度Ｉ＝１００％、略垂直な場合を開度Ｉ＝０％とする。

可変式の案内羽根２を有する単段の流体機械１００は、一般的に、可変式の案内羽根２の開度毎に図４中の太い実線で示すような性能曲線を有している。また、流体機械１００の吸込流量点は、図４中の太い破線で示す抵抗曲線Ｒ上に位置している。

図４に示すように、作動範囲マップは、回転軸６の回転速度が変化することによって、図４中の一点鎖線で示された一定勾配を有する直線Ｌ上をシフトする。したがって、予め流体機械１００の性能試験を実施する際に、異なる回転速度Ｎで運転した際の性能曲線も合わせて取得しておけば、回転軸６の回転速度Ｎの変化に伴う作動範囲マップの変化を規定する１次関数の勾配および変化幅が得られる。これにより、回転軸６の回転速度Ｎの変化に対する作動範囲マップの変化の相関関数を導出できるため、流体機械１００の運転時における作動範囲マップの変化を容易に算出できる。

図５には、吸気温度の変化に伴う作動範囲マップの変化が示されている（図５中に細い破線で示す）。図５に示すように、吸気温度が変化しても作動限界Ｋの吸込流量点は変化しない。そのため、作動範囲マップは、吸気温度の変化に応じて図５において上下にシフトすることとなる。この変化幅は、吸気温度の１次関数で表されるため、作動範囲マップの変化を容易に算出できる。ここで、作動限界Ｋは、流れが失速し、サージングが生じる低流量側の限界である。

実際の性能試験で取得できる試験データは、限られた開度Ｉと、限られた回転速度Ｎのときのデータのみであることが多い。そのため、取得されたデータの間に位置するデータは、何らかの形で補完される。作動範囲マップは、例えば、図４、図５に太い実線で示す複数の性能曲線を含む面の領域に分布されるマッピングデータで与えられてもよいし、多項式近似のような近似式（関数）で与えられてもよい。

図６は、流体機械１００の運転点を特定するプロセスを示す図であって、予想性能曲線Ｃ１の作成を説明するための図である。図７は、流体機械１００の運転点を特定するプロセスを示す図であって、実際の運転時における性能曲線Ｃ２の作成を説明するための図である。

まず、制御器２５が、流体機械１００の吸込流量Ｑ、可変式の案内羽根２の開度Ｉ、および回転軸６の回転速度Ｎを、流量計２１、開度計測器２４、および回転速度計２３からそれぞれ受け取る。

続いて、図６に示すように、制御器２５は、受け取った開度Ｉおよび回転速度Ｎと、予め制御器２５の記憶部２５ａに記憶されている作動範囲マップを用いて、基準温度（例えば２０℃）における開度Ｉおよび回転速度Ｎに基づく予想性能曲線Ｃ１を算出する。ここで、制御器２５に記憶されている作動範囲マップの回転速度と、制御器２５が回転速度計２３から受け取った回転速度Ｎとの間に差がある場合、前記した相関関数によって作動範囲マップが修正された後に、予想性能曲線Ｃ１が算出される。

この際、基準温度における開度Ｉおよび回転速度Ｎに基づく運転時の想定吸込流量は、予想性能曲線Ｃ１と、流体機械１００の吐出側の圧力特性にもとづく抵抗曲線Ｒとの交点の位置Ｐ０で表される。しかし、基準温度と実際の運転時の吸込温度とが異なるとき、予想性能曲線Ｃ１と抵抗曲線Ｒの交点の位置Ｐ０と、実測された吸込流量Ｑの位置Ｐ１との間に差分δが生じる。この流量の差分δは吸気温度の差によるものなので、この差分δによる誤差を修正する。

温度変化によって生じた差分δは、図５に示したとおり、作動範囲マップの上下シフトによって生じている。したがって、図７に示すように、予想性能曲線Ｃ１を、作動範囲マップのシフト幅を決定する温度の１次関数にもとづいて上下方向に移動させる。そして、移動後の予想性能曲線Ｃ１と抵抗曲線Ｒとの交点が実測された吸込流量Ｑと一致するとき、移動後の予想性能曲線Ｃ１は、実際の運転時の性能曲線Ｃ２であると言える。このようなプロセスによって、流体機械１００の実際の運転時における性能曲線Ｃ２、および該性能曲線Ｃ２上の位置Ｐ１で示す動作点を特定することができる。すなわち、流体機械１００の運転点が特定される。

図３の説明に戻り、ステップＳ１では、制御器２５は、流体機械１００に要求したい吸込流量である目標吸込流量Ｆの入力を受け付ける。これにより、目標吸込流量Ｆが設定される。

ステップＳ２では、制御器２５は、流量計２１を用いることによって、流体機械１００の現在の吸込流量Ｑを計測する。

ステップＳ３では、制御器２５は、流体機械１００の現在の吸込流量Ｑと目標吸込流量Ｆとの間に差があるか否かを判定する。そして、現在の吸込流量Ｑと目標吸込流量Ｆとの間に差がないと判定された場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、図３に示す制御は終了となるが、差がある場合（ステップＳ３でＮｏ）、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、制御器２５は、流体機械１００の吸込流量Ｑ、可変式の案内羽根２の開度Ｉ、および回転軸６の回転速度Ｎに基づいて、流体機械１００の運転点を特定する。ステップＳ４の処理は、前記したステップＳ０の処理と同様であるため、説明を省略する。このステップＳ４では、各計測値が変化している場合を想定して、流体機械１００の現在の運転点が再度特定される。

図８および図９は、吸込流量Ｑの制御の一例を示す図である。
ステップＳ５以降では、吸込流量Ｑと目標吸込流量Ｆとの関係を判定し、具体的にどの部位を動かして流量制御を実施するかを判定する。具体的には、可変式の案内羽根２の開度Ｉを制御するのか、回転軸６の回転速度Ｎを制御するのかを判定する。

ステップＳ５では、制御器２５は、目標吸込流量Ｆが現在の吸込流量Ｑよりも大きいか否かを判定する。そして、目標吸込流量Ｆが現在の吸込流量Ｑよりも大きいと判定された場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、ステップＳ６へ進む。一方、目標吸込流量Ｆが現在の吸込流量Ｑよりも小さいと判定された場合（ステップＳ５でＮｏ）、ステップＳ９へ進む。

ステップＳ６では、制御器２５は、可変式の案内羽根２の開度Ｉによって作動範囲マップ内において制御可能、すなわち可変式の案内羽根２の開度Ｉを調整することによって目標吸込流量Ｆを達成できるか否かを判定する。そして、可変式の案内羽根２の開度Ｉによって制御可能と判定された場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、ステップＳ７へ進む。一方、可変式の案内羽根２の開度Ｉによって制御不可能と判定された場合（ステップＳ６でＮｏ）、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ７では、設定された目標吸込流量Ｆが可変式の案内羽根２の開度Ｉの調整範囲内であると判断されたため、制御器２５は、図８に示すように、可変式の案内羽根の開度Ｉのみを上げる（大きくする）ように調整して流量変更を行う。これにより、現在の性能曲線Ｃ２上の位置Ｐ１で示す動作点が、吸込流量の大きくなる方へ移行して、流量変更後における性能曲線Ｃ３上の目標吸込流量Ｆに向かう。

ステップＳ８では、制御器２５は、回転軸６の回転速度Ｎを上げる（高くする）ように調整して流量変更を行う。すなわち、図４に示したように、回転速度Ｎを上げることによって、作動範囲マップを吸込流量の大きい方へシフトさせる。これにより、目標吸込流量Ｆの達成を図る。ただし、本ステップの処理を行っても目標吸込流量Ｆを達成できない場合には、警告等の所定のエラー処理が行われる。

ステップＳ９では、制御器２５は、可変式の案内羽根２の開度Ｉによって作動範囲マップ内において制御可能、すなわち可変式の案内羽根２の開度Ｉを調整することによって目標吸込流量Ｆを達成できるか否かを判定する。そして、可変式の案内羽根２の開度Ｉによって制御可能と判定された場合（ステップＳ９でＹｅｓ）、ステップＳ１０へ進む。一方、可変式の案内羽根２の開度Ｉによって制御不可能と判定された場合（ステップＳ９でＮｏ）、ステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１０では、設定された目標吸込流量Ｆが可変式の案内羽根２の開度Ｉの調整範囲内であると判断されたため、制御器２５は、可変式の案内羽根の開度Ｉのみを下げる（小さくする）ように調整して流量変更を行う。これにより、現在の性能曲線上の位置で示す動作点が、吸込流量の小さくなる方へ移行して、流量変更後における性能曲線上の目標吸込流量Ｆに向かう。

ステップＳ１１では、制御器２５は、目標吸込流量Ｆが回転軸６の現在の回転速度Ｎにおける作動限界よりも小さいか否か、すなわち作動限界よりも低流量域に位置するか否かを判定する。そして、目標吸込流量Ｆが現在の回転速度Ｎにおける作動限界よりも小さいと判定された場合（ステップＳ１１でＹｅｓ）、ステップＳ１２へ進む。一方、目標吸込流量Ｆが現在の回転速度Ｎにおける作動限界以上であると判定された場合（ステップＳ１１でＮｏ）、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１２では、制御器２５は、図９に示すように、回転軸６の回転速度Ｎを上げるとともに可変式の案内羽根の開度Ｉを下げるように調整して流量変更を行う。つまり、回転速度Ｎを上昇させたうえで開度Ｉの調整を実施して、目標吸込流量Ｆに対応することになる。これにより、現在の性能曲線Ｃ２上の位置Ｐ１で示す動作点が、流量変更後における性能曲線Ｃ３上の目標吸込流量Ｆに向かう。ただし、本ステップの処理を行っても目標吸込流量Ｆを達成できない場合には、所定のエラー処理が行われる。

ステップＳ１３では、制御器２５は、回転軸６の回転速度Ｎを下げるように調整して流量変更を行う。例えば、図４に示す位置に目標吸込流量Ｆａが設定されている場合が該当する。図４に示すように、回転速度Ｎを下げることによって、作動範囲マップを吸込流量の小さい方へシフトさせる。これにより、目標吸込流量Ｆの達成を図る。ただし、本ステップの処理を行っても目標吸込流量Ｆを達成できない場合には、所定のエラー処理が行われる。

このような制御ループ（ステップＳ２〜Ｓ１３）を繰り返すことにより、最終的に吸込流量Ｑ＝目標吸込流量Ｆの関係に至ることで（ステップＳ３でＹｅｓ）、図３に示す制御が終了する。

図３に示す制御を実施する際の開度Ｉ、回転速度Ｎの調整幅（変化幅）は、制御すべき流体機械１００の特性によって異なるため、どのような調整幅でも構わない。例えば、調整幅は、予め決められた一定値であってもよいし、あるいは吸込流量Ｑと目標吸込流量Ｆとの差に応じて変化させられてもよい。

また、目標吸込流量Ｆの達成の精度は、図３に示す制御を実施する流体機械１００が適用されるプラント側の流量誤差許容値にも依存する。このため、必ずしも吸込流量Ｑ＝目標吸込流量Ｆを厳密に実現する必要はなく、ある要求された誤差範囲内に吸込流量Ｑと目標吸込流量Ｆの差分が収まれば、図３に示す制御は終了としてもよい。

前記したように本実施形態では、流体機械１００への流体の吸込流量Ｑ、流体機械１００に取り付けられている可変式の案内羽根２の開度Ｉ、および流体機械１００における回転軸６の回転速度Ｎに基づいて、流体機械１００の運転点が特定される。そして、特定された運転点を移動させることによって吸込流量Ｑが予め設定された目標吸込流量Ｆとなるように、案内羽根２の開度Ｉと回転軸６の回転速度Ｎとが制御される。

このような本実施形態によれば、流体機械１００に吸い込まれる流体の流量をより少ないパラメータを用いて制御することができる。
したがって、従来のように多くのセンサ等の計測機器を流体機械１００の内部または外部に設置する必要なしに流量制御が可能となる。

ここで、前記したように、流体機械１００が使用される曝気設備などの定圧力特性を有するプラントでは、一般に、流体機械１００の吐出側の圧力がプラント側で一定に保たれるように制御がなされている。また、吐出圧力一定の制御がなされていない場合であっても、曝気槽を含めたシステムの抵抗曲線が既知、もしくは、既存の曝気ブロワ（流体機械）の運用状態から予測可能である。このため、流体機械１００の制御器２５側で吐出圧力を常時計測する必要はなく、予めプラント特性に応じた圧力値、またはシステムの抵抗曲線を制御器２５へ入力しておけばよい。この場合、吸込流量Ｑ、開度Ｉ、回転速度Ｎの３つのパラメータさえわかれば、流体機械１００の性能曲線（吸込流量と吐出圧力の相関）上のどの位置（動作点）で運転しているかは、予め作成された作動範囲マップを用いて特定可能である。

流体機械１００は、昼夜の変化、季節の変化に応じて、吸い込む流体の温度や湿度が変化する。一般的に、吸い込む流体の温度が高くなると、流体の密度が低下することが知られている。このため、同一の吸込体積流量であっても、吸い込む流体の温度が高いほど、吐出圧力が低下する。したがって、同一の開度Ｉ、同一の回転速度Ｎの運転条件であったとしても、吸い込む流体の温度が基準温度（例えば２０℃）に対して高いとき、吐出圧力一定のプラント下においては、吸込体積流量が少なくなる。同様に、吸い込む流体の温度が基準温度に対して低いときは、吸込体積流量が大きくなる。

しかし、吸込む流体の温度が変化した場合であっても、同一の開度Ｉ、同一の回転速度Ｎの運転条件下においては、失速、サージングに入る低流量側の作動限界の流量点は、変化しない。したがって、この特性を利用すれば、吸気温度が変化した場合においても、吸込流量Ｑ、開度Ｉ、回転速度Ｎの３つのパラメータさえわかれば、流体機械１００の性能曲線上のどの位置で運転しているかは、作動範囲マップを用いて特定可能である。

なお、前記した吸込流量Ｑと吐出圧力Ｐｄの相関は、流体機械１００の性能試験によって予め作成され、流体機械１００を制御する制御器２５の記憶部２５ａに記憶されている。吸気温度の変化や回転速度Ｎの変化に伴って、吸込流量と吐出圧力の相関を示す性能曲線はシフトするが、これらの相関についても、性能試験にて予め計測することで、もしくは、一般的な流体機械の相似則に則って、取得できる。

また、本実施形態では、吸込流量Ｑ、可変式の案内羽根２の開度Ｉ、および回転軸６の回転速度Ｎに基づいて、流体機械１００の運転時における性能曲線、および該性能曲線上の動作点の特定が行われる。これにより、開度Ｉと回転速度Ｎとを制御することで流体機械１００の流量制御を確実に行うことができる。

また、本実施形態では、案内羽根２は、流体機械１００における流体の流入部に設けられている。この構成によれば、案内羽根２は、流体機械１００に流入する流れに対して羽根車３の仕事が低減される方向の旋回流を付与する旋回流発生装置として機能することができる。ただし、案内羽根２は、流体機械１００における流体の流出部に設けられてもよい。この場合、案内羽根２は、羽根車３の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換するディフューザとして機能することができる。

また、本実施形態では、案内羽根２の開度Ｉの制御が回転軸６の回転速度Ｎの制御に優先して実行される（図３のステップＳ６，Ｓ９参照）。この構成では、容易に応答性良く制御することができる。

また、本実施形態では、目標吸込流量Ｆが回転軸６の現在の回転速度Ｎにおける作動限界よりも低流量域に位置する場合、回転軸６の回転速度Ｎを上げるとともに案内羽根２の開度Ｉを下げる制御が行われる。この構成によれば、作動限界を下回って失速、サージングのおそれがあるために案内羽根２の開度Ｉの調整では対応できない場合でも、目標吸込流量Ｆの実現を図ることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、図１０〜図１１を参照しながら、本発明の第２実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
図１０は、流体機械１００の吸込流量Ｑと効率ηとの相関を示す図である。図１１は、本発明の第２実施形態に係る流体機械１００の制御方法の内容を示すフローチャートである。

まず、図４を参照して、可変式の案内羽根２の開度Ｉの調整、および回転軸６の回転速度Ｎの調整によって、流体機械１００に吸い込まれる流体の流量制御を行う場合における、流体機械１００の性能特性を説明する。

図４中に示すＰ１を流体機械１００の現在の運転時における動作点と考えると、図４から、可変式の案内羽根２の開度Ｉ＝３０％、回転軸６の回転速度Ｎ＝１００％で運転されていると考えられる。しかし実際には、Ｐ１で示す点が、或る運転条件下の作動範囲マップ上に位置してさえいれば、流体機械１００は運転可能である。そのため、目標吸込流量Ｆを満足しようとしたとき、可変式の案内羽根２の開度Ｉと回転軸６の回転速度Ｎとの組合せは、ほぼ無限に存在する。また、運転条件によっては、あまり効率が良くない運転点であっても、目標吸込流量Ｆを満足できることが容易に想定される。

図１０には、太い破線で示す最大効率曲線Ｅが示されており、効率が最大となるηmaxが存在することがわかる。この最大効率ηmaxの傾向を見ると、可変式の案内羽根２の開度Ｉは、開いている（大きい）ほど、効率は高くなることがわかる。また、回転軸６の回転速度Ｎは、流体機械１００使用上の最大吸込流量以下においては、低い（小さい）ほど、効率は高くなることがわかる。したがって、流量制御においては、できるだけ可変式の案内羽根２の開度Ｉが開いている、または、回転軸６の回転速度が低くなるように運転することが、流体機械１００の高効率状態での運用のためには重要であると言える。

図１０に示すグラフにおいて、各回転速度Ｎ、各開度Ｉの変化に応じて与えられる性能曲線は、吸気温度が変化しても変化しない。ただし、最大効率曲線Ｅは、吸気温度の変化によって、相似を保ったまま図１０において左右にシフトする。最大効率曲線Ｅの位置は、図４中に示される開度Ｉごとに描かれる作動限界線Ｌｋが、抵抗曲線Ｒと交わる点の集合として表現される。このため、図６において示した予想性能曲線Ｃ１の特定のプロセスにおいて、最大効率曲線Ｅの位置も合わせて特定することができる。これにより、或る吸込流量Ｑにおいて流体機械１００が取りうる最大効率ηmaxが算出可能となる。

第２実施形態では、目標吸込流量Ｆを満たす性能曲線Ｃ３（図８、図９参照）を探索するにあたり、効率ηと吸込流量Ｑの相関を示すデータ（図１０参照）が、予め制御器２５に記憶させられている。

図１１に示すステップＳ０〜Ｓ１３の処理は、前記した第１実施形態（図３参照）と同様であるため、説明を省略する。
図１１のステップＳ３において現在の吸込流量Ｑと目標吸込流量Ｆとが一致した際に（ステップＳ３でＹｅｓ）、制御器２５は、目標吸込流量Ｆを満たすように決定された性能曲線Ｃ３（図８、図９参照）上の動作点における効率ηが最大効率ηmaxと一致するか否かを判定する（ステップＳ２１）。そして、η＝ηmaxと判定された場合（ステップＳ２１でＹｅｓ）、図１１に示す制御は終了となるが、差がある場合（ステップＳ２１でＮｏ）、ステップＳ２２へ進む。
なお、ステップＳ２１の判定において、厳密にη＝ηmaxであるか否かではなく、効率ηと最大効率ηmaxとの差が或る程度の範囲内に収まるか否かが判定されてもよい。

ステップＳ２２では、制御器２５は、回転軸６の回転速度Ｎを下げる（低くする）ように調整する。そして、制御器２５は、回転軸６の回転速度Ｎが最も低くなるように制御する。これにより、吸込流量Ｑが目標吸込流量Ｆを満足するとともに、より高効率の領域にて流体機械１００を運転することができる。あるいは、制御器２５が、ステップＳ２２において、可変式の案内羽根２の開度Ｉが最も大きくなるように制御する構成とされてもよい。このような制御によっても、同様に、吸込流量Ｑが目標吸込流量Ｆを満足するとともに、より高効率の領域にて流体機械１００を運転することができる。

このように第２実施形態では、第１実施形態で行われる制御に加え、運用時においてできるだけ回転軸６の回転速度Ｎをできるだけ低く保つように、もしくは、可変式の案内羽根２の開度Ｉを開いた状態に保つように制御される。ここで、ターボ型のブロワは、最も回転速度Ｎの低い条件で運転するほど、可変式の案内羽根２の開度Ｉが開き、かつ、最も効率の高い運転が可能となることが知られている。目標吸込流量Ｆを達成するための運転条件には、様々な開度Ｉと回転速度Ｎの組合せが想定される。そのうち最も効率が高くなると想定されるのは、回転軸６の回転速度Ｎが最も低い、もしくは、可変式の案内羽根２の開度Ｉが最も開いている（大きい）条件であることが多い。そこで、できる限り、回転速度Ｎが低い、もしくは、可変式の案内羽根２の開度Ｉが開いている条件での運転を行うことによって、流体機械１００の効率向上を実現できる。したがって第２実施形態によれば、最も効率の良い運転が流量域でなされるため、高効率化が実現できる。

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、前記した実施形態では、遠心式の流体機械１００について説明したが、遠心式に限らず、回転機械全般に適用可能な技術である。
また、前記した実施形態では、流体機械１００の制御方法は、単段の流体機械に適用されているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、多段の流体機械であっても、回転速度Ｎが可変かつ可変式の案内羽根２を有する流体機械であれば、適用可能な技術である。
また、前記した実施形態では、案内羽根２の開度Ｉの制御が回転軸６の回転速度Ｎの制御に優先して実行されるように構成されているが、回転軸６の回転速度Ｎの制御が案内羽根２の開度Ｉの制御に優先して実行されるように構成されてもよい。

１ 案内羽根駆動機
２ 案内羽根
３ 羽根車
４ ディフューザ
５ 吐出スクロール
６ 回転軸
７ ケーシング
８ 吸込流路
９ 吐出流路
２０ 流体機械の制御装置
２１ 流量計（流量検出部）
２２ 羽根車駆動機
２３ 回転速度計（速度検出部）
２４ 開度計測器（開度検出部）
２５ 制御器（制御部）
１００ 流体機械
Ｃ１ 予想性能曲線
Ｃ２ 実際の運転時における性能曲線
Ｃ３ 流量変更後における性能曲線
Ｅ 最大効率曲線
Ｆ，Ｆａ 目標吸込流量
Ｉ 案内羽根の開度
Ｋ 作動限界
Ｌｋ 作動限界線
Ｎ 回転軸の回転速度
Ｐｄ 吐出圧力
Ｑ 吸込流量
Ｒ 抵抗曲線
η 流体機械の効率
ηmax 流体機械の最大効率

Claims (8)

1. 流体機械に吸い込まれる流体の流量である吸込流量、前記流体機械に取り付けられている可変式の案内羽根の開度、および前記流体機械における駆動軸の回転速度に基づいて、前記流体機械の運転点を特定し、
   前記運転点を移動させることによって前記吸込流量が予め設定された目標吸込流量となるように、前記案内羽根の開度と前記駆動軸の回転速度とを制御することを特徴とする、流体機械の制御方法。
2. 前記運転点の特定は、前記流体機械の運転時における性能曲線、および該性能曲線上の動作点の特定であることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械の制御方法。
3. 前記案内羽根の開度の制御が前記駆動軸の回転速度の制御に優先して実行されることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械の制御方法。
4. 前記目標吸込流量が前記駆動軸の現在の回転速度における作動限界よりも低流量域に位置する場合、前記駆動軸の回転速度を上げるとともに前記案内羽根の開度を下げることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械の制御方法。
5. 前記吸込流量が前記目標吸込流量を満足するとともに、前記駆動軸の回転速度が最も低くなるように制御することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流体機械の制御方法。
6. 前記吸込流量が前記目標吸込流量を満足するとともに、前記案内羽根の開度が最も大きくなるように制御することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流体機械の制御方法。
7. 流体機械に吸い込まれる流体の流量である吸込流量を検出する流量検出部と、
   前記流体機械に取り付けられている可変式の案内羽根の開度を検出する開度検出部と、
   前記流体機械における駆動軸の回転速度を検出する速度検出部と、
   前記流量検出部によって検出された前記吸込流量、前記開度検出部によって検出された前記案内羽根の開度、および前記速度検出部によって検出された前記駆動軸の回転速度に基づいて、前記流体機械の運転点を特定し、前記運転点を移動させることによって前記吸込流量が予め設定された目標吸込流量となるように、前記案内羽根の開度と前記駆動軸の回転速度とを制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする、流体機械の制御装置。
8. 前記案内羽根は、前記流体機械における前記流体の流入部または流出部に設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の流体機械の制御装置。

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