JP2020060103A - Cryogenic liquefied gas pump, and operation control method for cryogenic liquefied gas pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温液化ガスを移送するために用いられる低温液化ガスポンプ、及び該低温液化ガスポンプの運転制御方法に関する。 The present invention relates to a low temperature liquefied gas pump used for transferring a low temperature liquefied gas, and an operation control method for the low temperature liquefied gas pump.
近年、超電導ケーブルを利用した多くのシステムの研究が進められており、実用化に近づいている。この超電導ケーブルはその特性を確保するためには、超低温状態に維持する必要があり、超電導ケーブル冷却システムが開発されている。このような、超電導ケーブル冷却システムでは、多くの場合、液体窒素等の低温液化ガスを用いて、この液体窒素をシステム内に循環させており、その為に、液体窒素を循環させるためのポンプ(以下、「低温液化ガスポンプ」という)が不可欠である。 In recent years, many systems using superconducting cables have been studied, and are approaching practical use. This superconducting cable needs to be maintained in an ultralow temperature state in order to secure its characteristics, and a superconducting cable cooling system has been developed. In such a superconducting cable cooling system, in many cases, a low-temperature liquefied gas such as liquid nitrogen is used to circulate the liquid nitrogen in the system. Therefore, a pump for circulating the liquid nitrogen ( Hereinafter, "low temperature liquefied gas pump") is indispensable.
なお、以下の説明では、低温液化ガスポンプが移送する流体として、液体窒素を例に挙げて説明するが、本発明における低温液化ガスポンプが移送する流体は液体窒素に限定されず、例えば、空気を構成するガスの液化ガス(例えば、液体酸素、液体アルゴン)、液体水素、液体ヘリウム、液体二酸化炭素等を移送流体としてもよい。 In the following description, the liquid transferred by the low-temperature liquefied gas pump will be described by taking liquid nitrogen as an example. A liquefied gas (for example, liquid oxygen, liquid argon), liquid hydrogen, liquid helium, liquid carbon dioxide, or the like of the gas to be used may be used as the transfer fluid.
低温液化ガスポンプの種類としては、例えば浸漬式液ポンプ、非浸漬式の液ポンプ、長軸型の液ポンプがあるので、以下、各ポンプについて説明する。 As the types of the low temperature liquefied gas pump, there are, for example, an immersion type liquid pump, a non-immersion type liquid pump, and a long axis type liquid pump. Hereinafter, each pump will be described.
(浸漬式液ポンプ)
浸漬式の液ポンプは、例えば、液化天然ガスの圧送に多用されている。この液ポンプは処理対象の液化ガス内に設置され、低温液化ガスを圧送する型式の液ポンプである。しかし、この浸漬式の液ポンプは、液ポンプのモータ発熱が全て、圧送する低温液化ガスへの侵入熱となるので、侵入熱を最小限に抑えなければならない超電導ケーブル冷却システムに用いると、熱的な効率が低下するので適切ではない。
(Immersion type liquid pump)
Immersion-type liquid pumps are often used, for example, for pressure-feeding liquefied natural gas. This liquid pump is a type of liquid pump that is installed in the liquefied gas to be processed and pressure-feeds the low-temperature liquefied gas. However, this immersion-type liquid pump uses heat generated from the liquid pump motor as heat that penetrates into the low-temperature liquefied gas that is pumped.Therefore, when it is used in a superconducting cable cooling system that must minimize the heat entering, It is not appropriate because it reduces the efficiency.
(非浸漬式の液ポンプ)
浸漬式と異なる形式の液ポンプとして、液ポンプのモータ部分を常温状態で用いる非浸漬式の液ポンプがあり、例えば、特許文献1に開示されている。この液ポンプのインペラ部分は、移送対象の低温液化ガス温度で運転されているが、インペラを駆動するモータ部分は常温状態で用いられる。この型式の液ポンプでは、液面トラブルによって、モータが冷却されない様に、インペラ部分とモータ部分の間に加熱手段が用いられる。この加熱手段により、インペラ部分への熱侵入が無視できない点に改良の余地がある。
(Non-immersion type liquid pump)
As a liquid pump of a type different from the immersion type, there is a non-immersion type liquid pump in which a motor portion of the liquid pump is used at room temperature, which is disclosed in
(長軸型の液ポンプ)
非浸漬式の液ポンプにおける侵入熱を抑えるために長軸シャフトを採用したものがある(以下、「長軸液ポンプ」という)。長軸液ポンプとしては、例えば、バーバーニコルス社から多くの型式の長軸液ポンプが販売されている。
(Long-axis liquid pump)
There is a non-immersion type liquid pump that employs a long shaft to suppress heat entering (hereinafter referred to as "long shaft liquid pump"). As the long-axis liquid pump, for example, many types of long-axis liquid pumps are sold by Barber Nichols.
長軸液ポンプは冷却システムへの熱負荷/熱侵入が小さいことがメリットであるが、長軸シャフトの軸受としてボールベアリングが採用されており、定期的にメンテナンスが必要であり、そのメンテナンス間隔が短いためメンテナンスが煩雑であるという問題がある。つまり、メンテナンスの度に、長軸液ポンプ全体を常温まで加熱し、メンテナンス後、再度、長軸液ポンプを冷却する必要がある。
一方、長軸シャフトの軸受としてボールベアリングを採用した場合、長軸シャフトとボールベアリングが物理的に接触してしっかりと保持されているので、後述する様に、ハウジング内に存在する低温液化ガスの液面の変動等があっても、その影響は少なく、液ポンプ自体の運転は比較的安定しているという利点がある。
The advantage of the long axis liquid pump is that the heat load / heat intrusion into the cooling system is small, but ball bearings are used as the bearings of the long axis shaft, so periodic maintenance is required, and the maintenance interval is There is a problem that maintenance is complicated because it is short. That is, it is necessary to heat the entire long-axis liquid pump to room temperature at every maintenance, and to cool the long-axis liquid pump again after the maintenance.
On the other hand, when a ball bearing is adopted as the bearing of the long shaft, the long shaft and the ball bearing are physically held in contact with each other and firmly held. Even if there is a change in the liquid level, the effect is small and the operation of the liquid pump itself is relatively stable.
上述の種類の中では、メンテナンスの問題を除くと長軸液ポンプが好適である。そこで、長軸液ポンプの有するメンテナンスの問題を解決するには、長軸シャフトの軸受けとして、ボールベアリングに代えて磁気ベアリングを採用することが考えられる。
しかしながら、長軸シャフトの軸受けとして磁気ベアリングを採用する場合、ポンプの安定性に懸念があった。この点を、図3に基づいて詳細に説明する。
Of the above-mentioned types, long-axis liquid pumps are preferable except for maintenance problems. Therefore, in order to solve the maintenance problem of the long shaft liquid pump, it is conceivable to use a magnetic bearing instead of the ball bearing as the bearing of the long shaft.
However, when a magnetic bearing is used as the bearing of the long shaft, there is concern about the stability of the pump. This point will be described in detail with reference to FIG.
図3において、45は長軸型の非浸漬式液ポンプ(以下、単に「液ポンプ45」という場合あり)、3は電動機、5はインペラ、電動機3とインペラ5を接続する長軸のシャフト7と、9はシャフト7を支持する磁気ベアリング、11はこれら構成機器を覆うハウジング(モータハウジング11m、シャフトハウジング11s、インペラハウジング11i)である。
非浸漬式液ポンプ45では、通常、電動機3とインペラ5を接続するシャフト7は鉛直下方に向けて配設されている。
In FIG. 3,
In the non-immersion type
図3に示す液ポンプ45を運転すると、導入口21から液体窒素は液ポンプ45に導入され、インペラ5によって加圧された後、吐出口23から吐出される。液ポンプ45には、稼動部分であるインペラ5の背面25とインペラハウジング11iの間には僅かの隙間(クリアランス27)が設けられている。
When the
インペラ5で加圧された液体窒素の一部は、定常運転の状態では、クリアランス27を通り、シャフトハウジング11sに侵入し、液面29を形成する。この液面29は、ハウジング11内のガス圧力、液体窒素の吐出圧力Pd、液体窒素が隙間(クリアランス27)を通過する抵抗、液体窒素液面のヘッド圧力及び液ポンプ45への侵入熱の大きさ等によって定まる。つまり、このシャフト7部分に存在する低温液化ガスの量すなわち低温液化ガスの液面29は成り行きであり、これを制御することは困難である。
液ポンプ45の液体窒素の吐出圧力Pdは、通常、一定の変動幅があり、又、液ポンプ45への侵入熱は変動しているので、液面29は変化している。
A part of the liquid nitrogen pressurized by the
The discharge pressure Pd of the liquid nitrogen of the
液化ガスの液面29が変動すると、液ポンプ45の吐出圧力の変動となり、磁気ベアリング9に作用する荷重が変動する。磁気ベアリング9は、非接触で長軸のシャフト7を片持ち状態で支持しているため、荷重変動があると運転が不安定になりやすいという問題がある。
また、液面29が上昇すると、電動機3が冷却されるので運転上の問題となる。逆に、液体窒素液面が極端に低下すると、ポンプ吐出流体にガスが混入する等の問題がある。
When the
Further, when the
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、液面変動を抑制して安定的な運転ができる低温液化ガスポンプ及びその運転制御方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a low-temperature liquefied gas pump that can suppress fluctuations in the liquid level and can perform stable operation, and an operation control method thereof.
(1)本発明に係る低温液化ガスポンプは、電動機、インペラ、前記電動機と前記インペラを接続するシャフトと、該シャフトを支持する磁気ベアリングと、これら構成機器を覆うモータハウジング、インペラハウジング及びシャフトハウジングからなるハウジングとを備えた非浸漬式の低温液化ガスポンプであって、
前記シャフトハウジングの外面に設けられ、内部の液面変化による前記シャフトハウジングの温度変化を検知する温度検知部と、
前記ハウジングの内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部と、
前記温度検知部の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいて前記ガス注入・排出部からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部とを備えたことを特徴とするものである。
(1) A cryogenic liquefied gas pump according to the present invention comprises an electric motor, an impeller, a shaft connecting the electric motor and the impeller, a magnetic bearing supporting the shaft, and a motor housing, an impeller housing, and a shaft housing that cover these components. A non-immersion type low temperature liquefied gas pump having a housing
A temperature detection unit provided on the outer surface of the shaft housing, the temperature detection unit detecting a temperature change of the shaft housing due to a change in the internal liquid level;
A gas injection / exhaust portion for injecting and exhausting a liquid level adjusting gas into the internal space of the housing;
A gas injection / exhaust mechanism section for inputting a temperature detection signal of the temperature detection section and injecting / exhausting gas from the gas injection / exhaust section based on the temperature detection signal. Is.
(2)また、上記(1)に記載のものにおいて、前記ガス注入・排出機構部は、前記低温液化ガスポンプから吐出される低温液化ガスをガス化したガスを注入するように構成されていることを特徴とするものである。 (2) Further, in the apparatus described in (1) above, the gas injection / exhaust mechanism is configured to inject a gas obtained by gasifying the low temperature liquefied gas discharged from the low temperature liquefied gas pump. It is characterized by.
(3)また、上記(1)又は(2)に記載のものにおいて、前記ガス注入・排出部は、ガス注入部とガス排出部が分離され、前記ガス注入部は、前記モータハウジングに設けられ、前記ガス排出部は、前記シャフトハウジングに設けられていることを特徴とするものである。 (3) Further, in the device described in (1) or (2), the gas injecting / exhausting portion has a gas injecting portion and a gas exhausting portion separated from each other, and the gas injecting portion is provided in the motor housing. The gas discharge part is provided in the shaft housing.
(4)本発明に係る低温液化ガスポンプの運転制御方法は、(1)乃至(3)のいずれかに記載の低温液化ガスポンプの運転制御方法であって、
前記低温液化ガスポンプの定常運転時において、
前記温度検知部が予め設定した温度よりも高い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを排出し、前記温度検知部が予め設定した温度よりも低い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを注入することを特徴とするものである。
(4) An operation control method for a low temperature liquefied gas pump according to the present invention is the operation control method for a low temperature liquefied gas pump according to any one of (1) to (3),
During steady operation of the low temperature liquefied gas pump,
When the temperature detecting unit detects a temperature higher than a preset temperature, the gas injecting / exhausting mechanism unit discharges gas, and the temperature detecting unit detects a temperature lower than the preset temperature. In addition, the gas injecting / exhausting mechanism injects gas.
(5)本発明に係る低温液化ガスポンプの運転制御方法は、(1)乃至(3)のいずれかに記載の低温液化ガスポンプの運転制御方法であって、
前記低温液化ガスポンプの起動時において、
前記温度検知部の検知温度が所定の温度以下になるまで、前記ガス注入・排出機構部は、前記ガス注入・排出部からガスを排出するようにしたことを特徴とするものである。
(5) An operation control method for a low temperature liquefied gas pump according to the present invention is the operation control method for a low temperature liquefied gas pump according to any one of (1) to (3),
At the time of starting the low temperature liquefied gas pump,
The gas injection / exhaust mechanism is configured to discharge the gas from the gas injection / exhaust unit until the temperature detected by the temperature detection unit falls below a predetermined temperature.
本発明においては、シャフトハウジングの外面に設けられ、内部の液面変化による前記シャフトハウジングの温度変化を検知する温度検知部と、ハウジングの内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部と、前記温度検知部の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいてガス注入・排出部からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部とを備えたことにより、以下の効果を奏することができる。
定常運転時において、シャフトハウジング内の液面を一定の範囲に制御できるので、液面変動による荷重の変動に起因して運転が不安定になるのを防止して、低温液化ガスポンプの安定運転を実現できる。
また、液面を所定の範囲に制御できることから、シャフトハウジング内において液面が上昇しすぎることによって電動機が冷却されるトラブルや、シャフトハウジング内の液面が所定位置以下に下降することによって、吐出口から吐出される低温液化ガスにガス流体が混入するトラブルを回避することができる。
According to the present invention, a temperature detecting portion which is provided on the outer surface of the shaft housing and detects a temperature change of the shaft housing due to a change of the inner liquid level, and a gas for adjusting the liquid level are injected into and discharged from the inner space of the housing. A gas injection / exhaust unit and a gas injection / exhaust mechanism unit for inputting a temperature detection signal from the temperature detection unit and injecting / exhausting gas from the gas injection / exhaust unit based on the temperature detection signal are provided. As a result, the following effects can be achieved.
During steady operation, the liquid level in the shaft housing can be controlled within a certain range, preventing unstable operation due to load fluctuations due to liquid level fluctuations, and ensuring stable operation of the low temperature liquefied gas pump. realizable.
In addition, since the liquid level can be controlled within a predetermined range, there is a problem that the motor is cooled due to the liquid level rising too much in the shaft housing, or the liquid level in the shaft housing drops below a predetermined position. It is possible to avoid the trouble that the gas fluid is mixed in the low temperature liquefied gas discharged from the outlet.
本実施の形態に係る低温液化ガスポンプ1は、図1に示すように、電動機3、インペラ5、電動機3とインペラ5を接続する長軸のシャフト7と、シャフト7を支持する磁気ベアリング9と、これら構成機器を覆うモータハウジング11m、インペラハウジング11i及びシャフトハウジング11sからなるハウジング11と、シャフトハウジング11sに設けられた温度検知部13と、ハウジング11の内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部15と、温度検知部13の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいてガス注入・排出部15からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部17とを備えたことを特徴とするものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the low temperature liquefied
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
<電動機>
電動機3としては、例えば、直流モータ、三相誘導モータなど一般的なものを適用できる。
電動機3は、ハウジング11における電動機3を収納する部位(モータハウジング11m)に収納されている。モータハウジング11mは気密構造になっており、このモータハウジング11m内には、電動機3が回転軸の先端を下方に向けて配置されている。
<Electric motor>
As the
The
<インペラ>
インペラ5は、シャフト7の先端に設置され、ハウジング11におけるインペラ5を収納する部位(インペラハウジング11i)内に配設されて、電動機3によって回転駆動される。インペラハウジング11iは、下部に低温液化ガスをハウジング11内に導入する導入口21が、側部に低温液化ガスを吐出する吐出口23が、それぞれ設けられている。
図3で説明したように、インペラ5の背面25とインペラハウジング11iの間には僅かの隙間(クリアランス27)が設けられている。
インペラ5は、インペラハウジング11i内で回転することにより、導入口21から低温液化ガスを導入し、所定の圧力に加圧して吐出口23から吐出する。
<Impeller>
The
As described in FIG. 3, a slight gap (clearance 27) is provided between the
The
<シャフト>
シャフト7は、一端が電動機3軸に接続され、他端にはインペラ5が取り付けられている。シャフト7は、長軸シャフトであり、その長さは、2箇所のベアリング9の軸方向の間隔(図1のL)のおよそ1.5倍又はそれ以上の長さを有する。
シャフト7は、ハウジング11におけるシャフト7を収納する部位(シャフトハウジング11s)内に配設されている。
シャフト7の一端側には、磁気ベアリング9が設けられ、片持ち状態で回転自在に支持されている。
<Shaft>
The
The
A
<磁気ベアリング>
磁気ベアリング9は、常電導電磁石の吸引力を利用した磁気軸受であり、変位センサと制御システムによってシャフト7を安定に回転支持するものである。
磁気ベアリング9は、非接触型のベアリングであるため、ボールベアリングのような短期間でのメンテナンスが不要であり、上述したボールベアリングにおける課題を解決できる。
<Magnetic bearing>
The
Since the
<ハウジング>
ハウジング11は、電動機3、インペラ5、シャフト7等の構成機器を収納するためのものであり、上述したように、モータハウジング11mと、インペラハウジング11iと、シャフトハウジング11sから構成される。
インペラハウジング11i、シャフトハウジング11s、モータハウジング11mは、図1に示すように、連通している。したがって、インペラハウジング11i内に導入された低温液化ガスは、シャフトハウジング11s内に侵入して、その液面29がシャフトハウジング11s内に形成される。低温液化ガスの蒸発ガスはシャフトハウジング11s内からモータハウジング11m内に至る。よって、シャフトハウジング11s内では、図2に示すように、液面29に近い部位の温度が低く、徐々に温度が高くなっている。
<Housing>
The
As shown in FIG. 1, the
<温度検知部>
温度検知部13は、シャフトハウジング11sの外壁に設けられ、内部の液面変化によるシャフトハウジング11sの温度変化を検知するものである。換言すれば、温度検知部13は、シャフトハウジング11sの温度の変化を検知することで、シャフト7内部の液面変化を推定するものである。
<Temperature detector>
The
図2に示すように、シャフトハウジング11s内の下部に液面29があり、シャフトハウジング11s内は低温液化ガスの蒸気で満たされる。このため、シャフトハウジング11sにおける液面29に近い部位の温度は低く、液面29から遠い部位(電動機3に近い部位)の温度は高くなる。例えば、シャフトハウジング11sにおける上端では常温であり(例えば300K)、下端では80Kであり、シャフトハウジング11s軸方向に温度勾配が存在する。
そのため、例えば液面29が図2におけるA位置から上昇して、二点鎖線で示すB位置に移動すると、温度曲線は、図2に示すように、そのまま図中の上方に平行移動したようになり、温度検知部13における検知温度が低下する。このように、温度検知部13での検知温度の変化を検知することで、液面29の上昇、下降を知ることができる。
As shown in FIG. 2, there is a
Therefore, for example, when the
なお、温度検知部13は、シャフトハウジング11s内の液面29が最上位にある位置と同じか、それよりも上方に設置される必要がある。なぜなら、仮に、常時液面位置よりも下方の位置で温度検知する場合、液面29が変化しても検知温度の変化がなく、液面29の変化を検知できないからである。
The
<ガス注入・排出部>
ガス注入・排出部15は、ハウジング11の内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出する部位であり、モータハウジング11mに設けられたガス注入部31と、シャフトハウジング11sに設けられたガス排出部33からなる。
液面調整用のガスは、所定の圧力を有する低温液化ガスをガス化したもの、例えば低温液化ガスが液体窒素の場合には窒素ガスでもよい。この場合、吐出口23から吐出された昇圧された液体窒素の一部を気化後、注入するようにしてもよい。
また、注入するガスは、移送対象としている低温液化ガスに限られず、例えばヘリウムガスを注入するようにしてもよい。ヘリウムガスは、一般に移送対象としている液体窒素等の低温液化ガスよりも露点が低く、ハウジング11内で、液体窒素に接触しても支障はない。
<Gas injection / exhaust section>
The gas injection /
The liquid level adjusting gas may be a gas obtained by gasifying a low temperature liquefied gas having a predetermined pressure, for example, nitrogen gas when the low temperature liquefied gas is liquid nitrogen. In this case, part of the pressurized liquid nitrogen discharged from the
Moreover, the gas to be injected is not limited to the low temperature liquefied gas to be transferred, and for example, helium gas may be injected. Helium gas generally has a lower dew point than low-temperature liquefied gas such as liquid nitrogen to be transferred, and there is no problem even if it contacts the liquid nitrogen in the
ガス注入部31とガス排出部33は同じ位置でもよく、別の位置でもよい。
なお、本実施の形態では、ガス注入部31をモータハウジング11mの上面部に設け、ガス排出部33をシャフトハウジング11sに設けているが、このようにした理由は以下の通りである。
モータハウジング11mの上部は、温度が常温に近く、注入するガス温度と差異がないため、ガス注入によって検知温度に影響を与えない。仮に、液面29近くに常温のガスを注入すると、液面29が急激に蒸発することになり、温度検知が不安定になる。
また、常温ガスを注入する方が低温ガスを注入するよりも、注入の絶対量を少なくしてハウジング11内の圧力上昇を図ることができるので効率がよい。
The
In the present embodiment, the
Since the temperature of the upper portion of the
Further, injecting the room temperature gas is more efficient than injecting the low temperature gas because the absolute amount of injection can be reduced and the pressure in the
ガス排出部33は、シャフトハウジング11sに設けているが、シャフトハウジング11s内は比較的低温であるため、排出の絶対量が少なくても、ハウジング11内部の圧力を低下しやすいためである。
なお、ガスを排出するとその位置よりも上方の温度が高いガスの移動により当該位置において温度変化が生ずるので、ガス排出部33は温度検知部13よりも上方に設け、ガスの排出による温度変化が生ずるのを抑えるようにするのが好ましい。
This is because the gas discharge part 33 is provided in the
When the gas is discharged, the temperature changes above the position due to the movement of the gas having a temperature higher than that position. Therefore, the gas discharge unit 33 is provided above the
なお、ガス排出部33と温度検知部13のシャフトハウジング11sにおける設置位置に関し、一応の目安を示すと以下の通りである。シャフトハウジング11sにおいて、インペラ5の背面25に対応する部分を0%とし、シャフトハウジング11sの常温部分を100%とすれば、温度検知部13よりもガス排出部33が上方にあることを前提として、温度検知部13は20〜80%の位置に設置でき、ガス排出部33は30〜80%の位置に設置できる。
Regarding the installation positions of the gas discharge part 33 and the
<ガス注入・排出機構部>
ガス注入・排出機構部17は、温度検知部13の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいてガス注入・排出部15からガスの注入・排出を行うものであり、ガス注入部31に接続されたガス注入管35と、ガス注入管35に設けられたガス注入用開閉弁37と、ガス排出部33に接続されたガス排出管39と、ガス排出管39に設けられたガス排出用開閉弁41と、温度検知部13の検知信号を入力してガス注入用開閉弁37とガス排出用開閉弁41の開閉制御を行う弁制御部43とを備えて構成されている。
<Gas injection / discharge mechanism>
The gas injection /
弁制御部43は、温度検知部13からの信号により液面29が上昇したことが推定されると、液面29を下げるために、ガス注入用開閉弁37を開放してガスをガス注入部31からハウジング11内に注入する。ガスが注入されることで、ハウジング11内の圧力が上昇するので、液面29が低下する。
逆に、弁制御部43は、温度検知部13からの信号により液面29が下降したことが推定されると、液面29を上げるために、ガス排出用開閉弁41を開放してガス排出部33からハウジング11内のガスを排出する。ガスが排出されることで、ハウジング11内の圧力が低下するので、液面29が上昇する。
When it is estimated that the
On the contrary, when it is estimated that the
液面29の制御についてより具体的に説明する。
仮に、図2において、液面29をA位置に制御したいとすれば、液面29がA位置にあるときの温度検知部13で検知される温度(目標温度)、液面29が許容値の限界まで上昇した場合の温度(液面上限温度)、液面29が許容値の限界まで下降した場合の温度(液面下限温度)を、弁制御部43に設定する。
The control of the
If, in FIG. 2, it is desired to control the
弁制御部43は、常時、温度検知部13の検知温度を入力し、入力された温度が液面上限温度まで低下すると、液面29を下げるためにガス注入用開閉弁37を開放してガスをガス注入部31からハウジング11内に注入する。ガス注入速度は、ガス注入用開閉弁37の開度を適宜調整することで調整できる。温度検知部13の検知温度が、目標温度になると、弁制御部43はガス注入用開閉弁37を閉止してガスの注入を停止する。
The
逆に、温度検知部13からの入力温度が液面下限温度まで上昇すると、弁制御部43は、液面29を上昇させるためにガス排出用開閉弁41を開放してガス排出部33からハウジング11内のガスを排出する。ガス排出速度は、ガス排出用開閉弁41の開度を適宜調整することで調整できる。温度検知部13の検知温度が、目標温度になると、制御部はガス排出用開閉弁41を閉止してガスの排出を停止する。
このような動作を繰り返すことで、液面29を所定の範囲内に制御することができ、液面変化による磁気ベアリング9へのモーメントの変化を抑えることができる。
すなわち、本発明では、シャフトハウジング11s内の正確な低温液化ガスの液面29の位置(高さ)を測定するのではなく、シャフトハウジング11s内の壁面の温度を測定するだけで、シャフトハウジング11s内の低温液化ガスの液面29の変化を抑制することができる。
On the contrary, when the input temperature from the
By repeating such an operation, the
That is, in the present invention, not by measuring the exact position (height) of the
なお、低温液化ガスの温度は、その圧力によって変化するので、上述した目標温度、液面上限温度、液面下限温度はポンプの運転圧力毎に設定する必要がある。もっとも、運転圧力が変化するごとに設定値を変更するのは煩雑なので、目標温度の設定値を移送対象とする流体の物性(沸点、露点等)に基づいて決めるようにしてもよい。例えば、移送対象流体が液体窒素の場合、その沸点は、運転圧力が1MPa(A)、2MPa(A)の場合、夫々、103.8K、115.6Kとなる。従って、弁制御部における目標温度の設定値を、移送対象流体である液体窒素の運転圧力における沸点+αとし、弁制御部は運転圧力を入力して自動的に目標温度を設定するようにすることで、制御のための目標温度をその都度変更することなく、スムーズな運転が可能となる。 Since the temperature of the low temperature liquefied gas changes depending on its pressure, the above-mentioned target temperature, liquid level upper limit temperature, and liquid level lower limit temperature must be set for each operating pressure of the pump. However, since it is complicated to change the set value every time the operating pressure changes, the set value of the target temperature may be determined based on the physical properties (boiling point, dew point, etc.) of the fluid to be transferred. For example, when the fluid to be transferred is liquid nitrogen, the boiling points thereof are 103.8K and 115.6K, respectively, when the operating pressure is 1 MPa (A) and 2 MPa (A). Therefore, the set value of the target temperature in the valve control unit is set to the boiling point + α of the operating pressure of the liquid nitrogen that is the transfer target fluid, and the valve control unit inputs the operating pressure and automatically sets the target temperature. Thus, smooth operation is possible without changing the target temperature for control each time.
次に、上記のように構成された本実施の形態に係る低温液化ガスポンプ1の運転制御方法について説明する。
なお、本発明の主な目的は、定常運転においてシャフトハウジング11s内の液面29の変化を抑制するものであるが、本発明の構成を有することで、ポンプ起動時における従来の課題も解決できるので、まず、ポンプ起動時について、従来の課題とそれに対する効果を説明する。
Next, an operation control method of the low temperature liquefied
The main purpose of the present invention is to suppress the change of the
<ポンプの起動時>
(起動における従来の課題)
従来の非浸漬式の液ポンプ45(図3参照)では、メンテナンス後に液ポンプ45を起動する際に定常運転時の温度まで冷却する必要があるが、この冷却に要する時間を短縮することが難しかった。
この理由を以下に説明する。
常温の液ポンプ45を冷却する際、液ポンプ45に移送対象の低温液化ガス(例えば液体窒素)を導入して冷却するが、液ポンプ45に導入口から導入された液体窒素は液ポンプ45のインペラ部分を冷却し、液体窒素は気化する。気化した窒素ガスは、液ポンプ45の吐出口23から吐出される。液ポンプ周りの配管は、通常液体窒素が流れることを想定して設計されており、その配管を気化した窒素ガスが流れる場合、液体が流れることを想定して設計されている配管に多量のガスが流れるために圧損が大きくなり、短期間で液ポンプ45の冷却は困難であった。
<At pump startup>
(Conventional issue at startup)
In the conventional non-immersion type liquid pump 45 (see FIG. 3), when the
The reason for this will be described below.
When the
起動時においては、インペラ5の背面25やシャフト7の下部の部分の本来低温にするべき部分については、液体窒素または気化した低温の窒素ガスに直接触れることがなく、その部分の冷却には時間が必要であった。なお、図3は、定常状態を示しているので、液面29がシャフトハウジング11sの位置にある。
また、インペラ5の背面25やシャフト7の下部については、基本的には、熱伝導で冷却されるが、何度まで冷却されたのか定量的に把握できなかった。その為、仮にインペラ5の背面25やシャフト7の下部について、冷却が不十分な状態で、液ポンプ45を起動した場合、液ポンプ45の導入口21から導入された液体窒素の一部が気化することで、液体窒素を押し出してしまい、液ポンプ45が正常に起動できず、再度、液ポンプ45の冷却が必要となる場合があった。
At the time of start-up, liquid nitrogen or vaporized low-temperature nitrogen gas does not come into direct contact with the
Further, the
上記のような、従来の液ポンプ45の有する課題に対して、本発明においては上記の構造を採用することで、従来と比較してスムーズな起動が可能となるので、このような起動方法を説明する。
低温液化ガスポンプ1の起動時、シャフトハウジング11sの壁面の温度が所定温度に冷却されるまで、ガス排出用開閉弁41を開放する。ガス排出用開閉弁41を開放とすることで、ハウジング11内圧力を低くできるので、インペラハウジング11i内に導入された液体窒素の一部がクリアランス27を通り、シャフトハウジング11sへ侵入するのを促進でき、低温液化ガスが直接接触することにより、インペラ5、シャフト7の冷却時間を短縮できる。また、シャフトハウジング11sの壁面の温度の測定によって、低温液化ガスポンプ1の冷却の状態も定量的に把握でき、所定の温度まで冷却が完了したか否かを正確に知ることができる。
また、ガス排出用開閉弁41からガスを抜き出すことで、電動機3の温度が低くなり過ぎるのを防止することもできる。
In order to solve the problems of the
When the low temperature liquefied
Further, by extracting the gas from the gas discharge on-off
さらに、上記のように、インペラ5、シャフト7の冷却が促進されることで、吐出される窒素ガスの温度が低下し、窒素ガスが吐出口23に接続されている配管を通過する際の圧損が小さくなるので、ポンプ初期冷却時における低温液化ガスのインペラ5内の通過を促進でき、この点でも、初期冷却を促進できる。
Further, as described above, the cooling of the
なお、ポンプ起動時、シャフトハウジング11sの壁面の温度によって、ガス排出用開閉弁41の開度を制御する場合、温度制御の設定値を、定常運転時の設定値と変えてもよい。つまり、ポンプ起動時は、温度制御の設定値を、定常運転時よりも低い温度にする。つまり、ポンプ全体の温度が高いので、シャフトハウジング11s内の低温液化ガス、例えば液体窒素の液面29を通常運転よりも高い位置に制御して、ポンプの冷却を推進することが出来る。この場合、例えば、シャフトハウジング11sの壁面の温度が、80(大気圧の液体窒素飽和温度)〜100Kになったら、ポンプが十分に冷却されたと判断し、ポンプを起動することが出来る。
When the opening of the gas discharge on-off
<定常運転時>
定常運転時においては、温度検知部13が予め設定した温度よりも高い温度を検知したときには、液面29が低下していると推定されることから、弁制御部43はガス排出用開閉弁41を開放することで、ハウジング11内のガスを排出し、ハウジング11内の圧力を低下させることで液面29を上昇させる。
逆に、温度検知部13が予め設定した温度よりも低い温度を検知したときに、液面29が上昇していると推定されることから、弁制御部43はガス注入用開閉弁37を開放することで、ガスをハウジング11内に注入し、ハウジング11内の圧力を高くすることで液面29を下降させる。
<During steady operation>
During steady operation, when the
On the contrary, when the
以上のように、本実施の形態によれば、ポンプ起動時の冷却時間を短縮することができる。
また、定常運転時において、シャフトハウジング11s内の液面29を一定の範囲に制御できるので、液面変動による荷重の変動に起因して運転が不安定になるのを防止して、低温液化ガスポンプ1の安定運転を実現できる。
さらに、液面29を所定の範囲に制御できることから、シャフトハウジング11s内において液面29が上昇しすぎることによって電動機3が冷却されるトラブルや、シャフトハウジング11s内の液面29が所定位置以下に下降することによって、吐出口23から吐出される低温液化ガスにガス流体が混入するトラブルを回避する事ができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to shorten the cooling time when starting the pump.
Further, since the
Further, since the
なお、本願発明では、シャフトハウジング11s内の正確な低温液化ガスの液面29の位置(高さ)を測定することは出来ない。
しかし、シャフトハウジング11s内の低温液化ガスの液面29の位置(高さ)は諸条件で定まる結果であり、液面高さが一定であれば、シャフトハウジング11s内のどこに存在しても問題はない。本発明は、低温液化ガスの液面29が変化することが問題である点に着目して、シャフトハウジング11sの壁面の温度を測定することで、シャフトハウジング11s内の低温液化ガスの液面29の傾向(上昇、下降)を推定し、液面高さを一定の範囲に制御するものである。
In the present invention, it is not possible to accurately measure the position (height) of the
However, the position (height) of the
1 低温液化ガスポンプ
3 電動機
5 インペラ
7 シャフト
9 磁気ベアリング
11 ハウジング
11m モータハウジング
11s シャフトハウジング
11i インペラハウジング
13 温度検知部
15 ガス注入・排出部
17 ガス注入・排出機構部
21 導入口
23 吐出口
25 背面
27 クリアランス
29 液面
31 ガス注入部
33 ガス排出部
35 ガス注入管
37 ガス注入用開閉弁
39 ガス排出管
41 ガス排出用開閉弁
43 弁制御部
45 非浸漬式液ポンプ
1 Low-temperature liquefied
Claims (5)
前記シャフトハウジングの外面に設けられ、内部の液面変化による前記シャフトハウジングの温度変化を検知する温度検知部と、
前記ハウジングの内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部と、
前記温度検知部の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいて前記ガス注入・排出部からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部とを備えたことを特徴とする低温液化ガスポンプ。 Non-immersion type low temperature liquefaction provided with an electric motor, an impeller, a shaft connecting the electric motor and the impeller, a magnetic bearing supporting the shaft, and a housing made up of a motor housing, an impeller housing and a shaft housing for covering these components. A gas pump,
A temperature detection unit provided on the outer surface of the shaft housing, the temperature detection unit detecting a temperature change of the shaft housing due to a change in the internal liquid level;
A gas injection / exhaust portion for injecting and exhausting a liquid level adjusting gas into the internal space of the housing;
A low temperature characterized by comprising a gas injection / exhaust mechanism section for inputting a temperature detection signal of the temperature detection section and for injecting / exhausting gas from the gas injection / exhaust section based on the temperature detection signal. Liquefied gas pump.
前記低温液化ガスポンプの定常運転時において、
前記温度検知部が予め設定した温度よりも高い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを排出し、前記温度検知部が予め設定した温度よりも低い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを注入することを特徴とする低温液化ガスポンプの運転制御方法。 The operation control method for a low temperature liquefied gas pump according to any one of claims 1 to 3,
During steady operation of the low temperature liquefied gas pump,
When the temperature detecting unit detects a temperature higher than a preset temperature, the gas injecting / exhausting mechanism unit discharges gas, and the temperature detecting unit detects a temperature lower than the preset temperature. In the method for controlling operation of a low temperature liquefied gas pump, the gas injection / exhaust mechanism section injects gas.
前記低温液化ガスポンプの起動時において、
前記温度検知部の検知温度が所定の温度以下になるまで、前記ガス注入・排出機構部は、前記ガス注入・排出部からガスを排出するようにしたことを特徴とする低温液化ガスポンプの運転制御方法。 The operation control method for a low temperature liquefied gas pump according to any one of claims 1 to 3,
At the time of starting the low temperature liquefied gas pump,
The operation control of the low temperature liquefied gas pump, wherein the gas injecting / exhausting mechanism is configured to discharge the gas from the gas injecting / exhausting section until the temperature detected by the temperature detecting section becomes equal to or lower than a predetermined temperature. Method.
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