JP2020143641A - 圧縮機の圧力制御方法および圧力制御装置 - Google Patents

圧縮機の圧力制御方法および圧力制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧縮機の圧力制御において圧縮ガスの圧送先のガス圧力が変動する場合でも省エネルギー化を図れ、かつ圧縮機の応答性を向上させることができる圧縮機の圧力制御方法を提供することにある。【解決手段】圧縮機により圧縮したガスの圧送先のガス圧力が変動する場合における圧縮機の圧力制御を行うに際し、前記圧送先のガス圧力の変動に応じて圧縮機の圧力制御の目標設定値を変更し、前記目標設定値は、前記圧送先のガス圧力に所定の加算設定値を加算して得た基本設定値に、前記基本設定値と圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差に所定の乗算係数値を乗算して得た付加設定値を加算することで求めた値に基づくものとする圧力制御方法である。【選択図】図1

Description

本発明は、圧縮機により圧縮したガスの圧送先のガス圧力が変動する場合における圧縮機の圧力制御方法および圧力制御装置に関するものである。
一般的に、ガス圧送設備は、圧送先の負荷の変動によって供給ガス圧力が変化しないように圧力制御を行い、供給ガス圧力を一定に保つ必要があることが知られており、そのための制御方法として、圧縮機のインバータ制御(特許文献1参照)や、圧縮機の台数制御(特許文献2参照)等、多くの先行技術がある。
また、それらの制御方法として、圧送先へのガス供給流量の検出結果に応じた組み合わせパターンによる圧縮機の台数制御(特許文献3参照)や、圧送先へのガス供給配管の管路抵抗を算出してその結果に基づき圧力制御の目標設定値を変更する制御(特許文献4参照)、圧縮機の吐出圧力と圧力制御の目標地点のプロセス圧力の差から圧力損失を算出してその結果に基づき圧力制御の目標設定値を変更する制御(特許文献5参照)等、省エネルギーを図ることができかつ圧力制御の目標地点のプロセス圧力を制御領域内に維持できるように様々な提案がなされている。
特開2000−320467号公報 特開昭58−127216号公報 特開平06−249151号公報 特開昭61−201900号公報 特開2009−013961号公報
ところで、圧縮機の圧力制御は通常、圧力制御の目標地点のプロセス圧力が変化し、圧力制御の目標設定値と差が生じると、周知技術であるPID(比例・積分・微分)制御でモータ用インバータや吐出弁開度を制御することで圧縮機の吐出流量を制御する。例えば図6は、従来のガス圧送設備の一例を示しており、このガス圧送設備は、ガス圧送配管1の一端側に圧縮機(CMP)2と吐出弁3とを直列に具えるとともにそのガス圧送配管1の他端側の圧力制御目標地点に圧力計4を具え、その圧力計4で測定するプロセス圧力P1が別途与えられた圧力制御の目標設定値SPに近づくように圧力指示調節計(PIC)5が、吐出弁3の開度を制御するとともにインバータ(INV)6を介して圧縮機2の駆動モータの作動を制御し、さらにガス圧送配管1の他端側に流量計7と吐出弁8とを直列に具え、その流量計7で測定するガス流量に基づいて流量指示調節計(FIC)9が吐出弁8の開度を制御して、ガス圧送配管1から圧送先である混合ガスライン(MGL)10へのガス流量を調節し、その混合ガスライン10のガス圧力P2を圧力計11で測定するとともに、その混合ガスライン10から工場等の各使用先(USR)12へ混合ガスを供給する。
この図6に示すようなガス圧送設備の構成の場合、特許文献4記載の制御では、圧送先である混合ガスライン10へのガス流量を増やすと、圧力制御目標地点のプロセス圧力P1が下がり、それに対して圧縮機2の吐出流量を増やすことでプロセス圧力P1を目標設定値SPに保ち、また、圧送先である混合ガスライン10へのガス流量を減らすと、圧力制御目標地点のプロセス圧力P1が上がり、それに対して圧縮機2の吐出流量を減らすことで目標地点のプロセス圧力P1を目標設定値SPに保つようにする。
しかしながら、圧送先のガス圧力が変動する場合、圧縮機の圧力制御の目標設定値は、その圧送先のガス圧力の変動を考慮した上で、常に圧送先のガス圧力より高い値となるように設定しなければならない。このことは、圧縮機の吐出圧力と圧力制御目標地点のプロセス圧力の差から圧力損失を算出して圧力制御の目標設定値を変更する特許文献5記載の制御においても同様で、基本となる目標設定値は常に圧送先のガス圧力より高い値としなければならない。よって、圧送先のガス圧力が下がっている場合でも圧縮機は必要以上にガスを昇圧していることになり、適切な省エネルギー運転を行っているとは言えない。また、圧送先へのガス流量を増減させることによって圧力制御目標地点のプロセス圧力が下降あるいは上昇してから圧縮機が吐出流量を増減させるので、圧力制御に時間を要し、応答性が良くないという問題がある。
そして、圧送先へのガス流量の検出結果に応じて圧力損失を計算し、圧力制御の目標設定値を変更する特許文献4記載の制御においては、圧力制御目標地点のプロセス圧力が最小になるようにされているが、圧送先へのガス流量の検出を圧力制御に組み込んでいるため実施面でコストがかかるという問題がある。
さらに、特許文献4,5記載の制御方法においては何れも、配管構成が変わった場合にその都度圧力損失の算出式を見直す必要があるという問題がある。
それゆえ本発明は、前記従来技術の課題を有利に解決し、圧縮機の圧力制御において圧縮ガスの圧送先のガス圧力が変動する場合でも省エネルギー化を図ることができ、かつ圧縮機の応答性を向上させることができる圧縮機の圧力制御方法および圧力制御装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成する本発明の圧縮機の圧力制御方法は、
圧縮機により圧縮したガスの圧送先のガス圧力が変動する場合における圧縮機の圧力制御を行うに際し、
圧縮ガスの圧送先のガス圧力の変動に応じて圧縮機の圧力制御の目標設定値を変更し、
前記目標設定値は、前記圧送先のガス圧力に所定の加算設定値を加算して基本設定値を得るとともに、その基本設定値に、前記基本設定値と圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差に所定の乗算係数値を乗算して得た付加設定値を加算することで求めた値に基づくものとすること、
を特徴としている。
また、前記目的を達成する本発明の圧縮機の圧力制御装置は、
圧縮機により圧縮したガスの圧送先のガス圧力が変動する場合における圧縮機の圧力制御を行う圧力制御装置において、
前記圧送先のガス圧力を検出する圧送先ガス圧力検出手段と、
圧力制御の目標地点のプロセス圧力を検出するプロセス圧力検出手段と、
前記圧送先ガス圧力手段が検出した前記圧送先のガス圧力の変動に応じて圧縮機の圧力制御の目標設定値を変更し、前記目標設定値は、前記圧送先のガス圧力に所定の加算設定値を加算して基本設定値を得るとともに、その基本設定値に、前記基本設定値と前記プロセス圧力検出手段が検出した前記圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差に所定の乗算係数値を乗算して得た付加設定値を加算することで求めた値に基づくものとする目標設定値変更手段と、
前記変更した目標設定値に応じて前記圧縮機の圧力制御を行う圧力制御手段と、
を具えることを特徴としている。
前記圧送先のガス圧力に所定の加算設定値を加算して基本設定値を得るとともに、その基本設定値に、前記基本設定値と前記圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差に所定の乗算係数値を乗算して得た付加設定値を加算することは、以下の式(1)の計算を行うものである。
SP = (P2+α)+(((P2+α)−P1)×β) ・・・(1)
ここに、
SP:圧縮機の圧力制御の目標設定値
P1:圧縮機の圧力制御の目標地点のプロセス圧力
P2:圧送先のガス圧力
P2+α:基本設定値
((P2+α)−P1)×β:付加設定値
α:加算設定値(設定可変の固定値)
β:乗算係数値(設定可変の固定値)
である。
本発明の圧縮機の圧力制御方法および圧力制御装置によれば、圧縮機の圧力制御において、圧送先のガス圧力が変動する場合に、その圧送先のガス圧力の変動に応じて、常に圧送先のガス圧力に加算設定値αを加算した値を圧縮機の圧力制御の基本設定値とし、その基本設定値に基づき目標設定値を常時変更することで、圧縮機によるガスの昇圧を最小限にすることができ、省エネルギー化を図ることができる。
また、圧送先のガス圧力に加算設定値αを加算した値と圧縮機の圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差にβをかけた値を付加設定値とし、基本設定値にその付加設定値を加算した値に基づいて圧縮機の圧力制御の目標設定値を変更することで、圧力制御の目標地点のプロセス圧力と目標設定値との差が一時的に大きくなり、圧縮機の圧力制御の応答性を向上させることができる。
この制御においては、圧力制御の目標地点のプロセス圧力>目標設定値となった場合に、より早く圧縮機によるガスの昇圧を小さくすることができ、この点でも省エネルギー化を図ることができるという効果がある。また、圧送先へのガス流量計を設置してガス流量を圧力制御に取り込む必要がないのでガス圧送設備の低廉化も図ることができ、さらに、配管構成が変わった場合においてもその都度圧力損失の算出式を見直す必要がない。
例えば、バッチ的に発生する製鋼プロセスの吹錬中に発生する可燃性副生ガスを回収しているガスホルダー内のガスを圧縮機が圧縮して使用先に圧送するようなガス圧送設備の場合、圧縮機の応答性が向上することで、ホルダーレベルが高くて可燃性副生ガスをガスホルダーで回収できない場合でも圧縮機がより早く多くの圧縮ガスを払い出すことができ、これにより可燃性副生ガスを放散させる効果を期待することができる。
なお、制御におけるハンチングを防止するために、前記目標設定値の変更に不感帯を設けても良く、また、設備能力の限界を超えた値にならないようにするために、前記目標設定値の変更に上下限を設けても良い。
本発明の圧縮機の圧力制御方法の一実施形態を適用した、本発明の圧縮機の圧力制御装置の一実施形態を具えるガス圧送設備の構成を示す略線図である。 上記実施形態の圧力制御装置における、上記実施形態の圧力制御方法の手順を示すブロック線図である。 上記実施形態の圧力制御方法における時間経過に伴う目標設定値の変更の不感帯および上下限を示す特性線図である。 上記実施形態の圧力制御方法の比較例における時間経過に伴う圧縮機の吐出流量、圧力制御の目標設定値、圧力制御の目標地点のプロセス圧力および混入先ガス圧力の推移を示すトレンドグラフである。 上記実施形態の圧力制御方法の実施例における時間経過に伴う圧縮機の吐出流量、圧力制御の目標設定値、圧力制御の目標地点のプロセス圧力および混入先ガス圧力の推移を示すトレンドグラフである。 従来の圧縮機の圧力制御装置を具えるガス圧送設備の構成例を示す略線図である。
以下、この発明の実施の形態を図面に基づく実施例によって詳細に説明する。ここに、図1は、本発明の圧縮機の圧力制御方法の一実施形態を適用した、本発明の圧縮機の圧力制御装置の一実施形態の構成を示す略線図であり、図1中、先の図6におけると同様の部分はそれと同一の符号にて示す。
すなわち、この実施形態の圧縮機の圧力制御装置を具えるこのガス圧送設備は、ガス圧送配管1の一端側に圧縮機(CMP)2と吐出弁3を直列に具えるとともにそのガス圧送配管1の他端側の圧力制御目標地点にプロセス圧力検出手段としての圧力計4を具え、その圧力計4で測定するプロセス圧力P1が別途与えられた圧力制御の目標設定値SPに近づくように圧力制御手段としての圧力指示調節計(PIC)5が吐出弁3の開度を制御するとともにインバータ(INV)6を介して圧縮機2の駆動モータの作動を制御し、さらにガス圧送配管1の他端側に流量計7と吐出弁8を直列に具え、その流量計7で測定するガス流量に基づいて流量指示調節計(FIC)9が吐出弁8の開度を制御して、ガス圧送配管1から圧送先である混合ガスライン(MGL)10へのガス流量を調節し、その混合ガスライン10のガス圧力P2を圧送先ガス圧力検出手段としての圧力計11で測定するとともに、その混合ガスライン10から工場等の各使用先(USR)12へ混合ガスを供給する。
さらに、この実施形態の圧力制御装置は、目標設定値変更手段としての通常のコンピュータ13を具え、このコンピュータ13は、中央処理ユニット(CPU)、メモリおよびハードディスクドライブ装置等の記憶手段、キーボードおよびディスプレイ装置等の入出力装置並びに、それらの入出力装置とCPUとを繋ぐ入出力インターフェースを有する通常のものであり、基本的には、あらかじめ与えられたプログラムに基づき作動して、圧力計4で測定するプロセス圧力P1および圧力計11で測定する混合先(圧送先)のガス圧力P2を入力されるとともに、加算設定値(設定可変の固定値)αと乗算係数値(設定可変の固定値)βとを入力され、それらプロセス圧力P1,混合先のガス圧力P2,加算設定値αおよび乗算係数値βに基づいて、図1に示すように、以下の式(1)により圧縮機の圧力制御の目標設定値SPを演算し、圧力指示調節計5に与える圧力制御の目標設定値SPをその演算で求めた値に変更する。
ここに、
SP:圧縮機2の圧力制御の目標設定値(kPa)
P1:圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力(kPa)
P2:混合ガスライン10(圧送先)のガス圧力(kPa)
P2+α:基本設定値
((P2+α)−P1)×β:付加設定値
α:加算設定値(設定可変の固定値)(kPa)
β:乗算係数値(設定可変の固定値)
である。
図1に示す構成の圧送設備の圧縮機2の圧力制御において、混入先の混合ガスライン10のガス圧力P2が変動する場合に、この実施形態の圧力制御装置によれば、そのガス圧力P2の変動に応じて、常に混入先の混合ガスライン10のガス圧力P2に加算設定値αを加算した値である基本設定値(P2+α)を圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPに用いて目標設定値SPを常時変更することで、圧縮機2によるガス圧送配管1内のガスの昇圧を最小限にすることができ、省エネルギー化が図れるようになる。なお、加算設定値αの値は、運用の中で調整することができるようにするため、設定可変とすることが好ましく、例えばα≧0を設定可能とすることが好ましい。
さらに、この実施形態の圧力制御装置によれば、混合ガスライン10のガス圧力P2に加算設定値αを加算した基本設定値(P2+α)と、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1との差((P2+α)−P1)に乗算係数値βをかけた値である付加設定値(((P2+α)−P1)×β)を、基本設定値(P2+α)に加えて圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPに用いることによって、圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1と圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPとの差が大きくなるので、圧力制御の応答性を向上させることができる。なお、乗算係数値βの値は、運用の中で調整することができるようにするため、設定可変とすることが好まく、例えばβ≧0を設定可能とすることが好ましい。
図2は、上記実施形態の圧力制御装置における、上記実施形態の圧力制御方法の手順を示すブロック線図であり、この実施形態の圧力制御装置ではさらに、混合ガスライン10のガス圧力P2にαを加算した基本設定値(P2+α)と、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1との差に圧縮機2やインバータ6等の設備故障を防ぐため乗算係数値βをかけた値である付加設定値(((P2+α)−P1)×β)に、圧力計4,11の計器感度やプロセス圧力P1の細かな変動による制御ハンチングの防止を考慮して不感帯(非加算上下限設定値)のフィルタを設けるとともに、目標設定値が圧縮機2等の設備能力の限界を超えた圧力制御の目標設定値にならないように加算上下限設定値のフィルタを設け、加えて、最終出力する圧力制御の目標設定値SPにも、圧力制御の目標設定値の上下限設定値のフィルタを設けている。
図3は、上記実施形態の圧力制御方法における横軸に示す時間経過に伴う目標設定値SPの変更の不感帯および上下限を示す特性線図であり、フィルタ通過後は非加算上下限設定値の間では不感帯となり、フィルタ通過前の変化に係らず、数値が0になる。また、フィルタ通過後は加算上下限設定値より上下では一定になり、フィルタ通過前の変化に係らず、数値がそれら加算上下限設定値になる。
実際に上記実施形態の圧力制御方法を用いて制御した図1の圧送設備の圧縮機2の吐出流量Q、圧力制御の目標設定値SP、圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1、およびガスの混入先の混合ガスライン10のガス圧力P2の推移のトレンドグラフを図5および図6に示す。
図5は、α=1.5、β=0に設定した比較例のトレンドグラフである。混入先の混合ガスライン10へのガス流量を+20kNm/H増やしたタイミングが、トレンドグラフの横軸の0秒である。混入先へのガス流量が増えたことで、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1が下がり出し、圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPと圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1に差が生じたことで、圧縮機2の圧力制御によって圧縮機2の吐出流量Qが増加していることがわかる。この比較例の場合、圧縮機2の吐出流量Qが80kNm/Hから100kNm/Hまで増えるのに要した時間は184秒であった。また、混入先のガス圧力P2より常に1.5kPa高い値が、圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPとなっていることが分かる。αの値は、混入先へのガス流量を増やした場合に、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1の下がった値よりも混入先のガス圧力P2が低い値になるようにすることを考慮して設定する必要がある。そしてその値はできるだけ小さい方が好ましい。
図6は、α=1.5、β=1.5に設定した実施例のトレンドグラフである。混入先の混合ガスライン10へのガス流量を+20kNm/H増やしたタイミングが、トレンドグラフの横軸の0秒である。混入先へのガス流量が増えたことで、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1が下がり出し、混入先のガス圧力P2にαを加算した基本設定値(P2+α)と、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1との差に乗算係数値βをかけた値を、混入先のガス圧力P2にαを加算した基本設定値(P2+α)に加算した値を、圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPとすることによって、圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPが一時的に高くなり、圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPと圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1との差が図5のトレンドグラフに比べてより大きくなっていることが分かる。この実施例の場合、圧縮機2の圧力制御により圧縮機2の吐出流量Qが80kNm/Hから100kNm/Hまで増加するのに要した時間は138秒で、図5のトレンドグラフに比べて46秒早くなっており、圧縮機2の吐出流量Qの推移の傾きからも分かるように、圧縮機2の応答性が向上した良好な圧力制御結果を得ることができた。
また、この実施例によれば、圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPと圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1にさほど差が無い場合は、混入先のガス圧力P2よりも常に1.5kPa高い値が圧縮機2の圧力制御の目標設定値SPとなっていることが分かる。αの値は、混入先へのガス流量を増やした場合に、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1の下がった値よりも混入先のガス圧力P2が低い値になるようにすることを考慮して設定する必要があり、そしてその値は出来るだけ小さい方が好ましく、例えば、運用の中で混入先へのガス流量を増やした場合に、圧縮機2の圧力制御の目標地点のプロセス圧力P1が最大で1.4kPa下がるのであれば、1.6≧α>1.4とすることが好ましい。また、βの値は、圧縮機2の応答性向上を図るためには大きい方が好ましいが、設備仕様や制御性(オーバーシュート等)を考慮して設定する必要があり、例えば、β=1.6で、インバータの速度変化レイトの上限に達したり、圧縮機の振動上昇が見受けられたりするのであれば、1.6>β≧1.4とすることが好ましい。
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限られるものでなく、所要に応じて特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、上記実施形態の圧力制御方法は、圧縮機2が複数台あった場合に、上述の如くして求めた圧力制御の目標設定値SPをマスター圧力制御目標設定値とし、それを各単体の圧縮機2用の制御に分配して用いることもできる。また、圧縮機2で圧縮するガスの圧送先は、工場等の使用先12に混合ガスを供給する混合ガスライン10に限られず、他の種類の設備でもよい。
かくして本発明の圧縮機の圧力制御方法および圧力制御装置によれば、圧縮機の圧力制御において圧縮ガスの圧送先のガス圧力が変動する場合でも省エネルギー化を図ることができ、かつ圧縮機の応答性を向上させることができる。
1 ガス圧送配管
2 圧縮機(CMP)
3,8 吐出弁
4,11 圧力計
5 圧力指示調節計(PIC)
6 インバータ(INV)
7 流量計
9 流量指示調節計(FIC)
10 混合ガスライン(MGL)
12 使用先(USR)
13 コンピュータ
SP 圧力制御の目標設定値
P1 圧力制御の目標地点のプロセス圧力
P2 混合ガスライン(圧送先)のガス圧力
α 加算設定値
β 乗算係数値

Claims (5)

  1. 圧縮機により圧縮したガスの圧送先のガス圧力が変動する場合における圧縮機の圧力制御を行うに際し、
    前記圧送先のガス圧力の変動に応じて圧縮機の圧力制御の目標設定値を変更し、
    前記目標設定値は、前記圧送先のガス圧力に所定の加算設定値を加算して得た基本設定値に、前記基本設定値と圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差に所定の乗算係数値を乗算して得た付加設定値を加算することで求めた値に基づくものとすることを特徴とする圧縮機の圧力制御方法。
  2. 前記圧送先のガス圧力に所定の加算設定値を加算して基本設定値を得るとともに、その基本設定値に、前記基本設定値と圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差に所定の乗算係数値を乗算して得た付加設定値を加算することは、以下の式(1)の計算を行うものであることを特徴とする、請求項1記載の圧縮機の圧力制御方法。
    SP = (P2+α)+(((P2+α)−P1)×β) ・・・(1)
    ここに、
    SP:圧縮機の圧力制御の目標設定値
    P1:圧縮機の圧力制御の目標地点のプロセス圧力
    P2:圧送先のガス圧力
    P2+α:基本設定値
    ((P2+α)−P1)×β:付加設定値
    α:加算設定値(設定可変の固定値)
    β:乗算係数値(設定可変の固定値)
    である。
  3. 前記目標設定値の変更に不感帯を設けることを特徴とする、請求項1または2記載の圧縮機の圧力制御方法。
  4. 前記目標設定値の変更に上下限を設けることを特徴とする、請求項1から3までの何れか1項記載の圧縮機の圧力制御方法。
  5. 圧縮機により圧縮したガスの圧送先のガス圧力が変動する場合における圧縮機の圧力制御を行う圧力制御装置において、
    前記圧送先のガス圧力を検出する圧送先ガス圧力検出手段と、
    圧力制御の目標地点のプロセス圧力を検出するプロセス圧力検出手段と、
    前記圧送先ガス圧力手段が検出した前記圧送先のガス圧力の変動に応じて圧縮機の圧力制御の目標設定値を変更し、前記目標設定値は、前記圧送先のガス圧力に所定の加算設定値を加算して基本設定値を得るとともに、その基本設定値に、前記基本設定値と前記プロセス圧力検出手段が検出した前記圧力制御の目標地点のプロセス圧力との差に所定の乗算係数値を乗算して得た付加設定値を加算することで求めた値に基づくものとする目標設定値変更手段と、
    前記変更した目標設定値に応じて前記圧縮機の圧力制御を行う圧力制御手段と、
    を具えることを特徴とする圧縮機の圧力制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024004092A1 (ja) * 2022-06-29 2024-01-04 Smc株式会社 流体制御装置、流体圧力供給装置および流体制御方法

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