JP2020518765A - 複数段の圧縮機を制御する方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの第１段（１０）、第２段（２０）、および第１段（１０）と第２段（２０）との間の第１段間ライン（１２）を含む複数段の圧縮機を制御する方法は、ａ．圧縮機の入口側温度を測定するステップ、ｂ．圧縮機の第１段（１０）の出口側圧力（Ｐｏｕｔ）と入口側圧力（Ｐｉｎ）との比を測定するステップ、ｃ．少なくとも入口側温度（Ｔｉｎ）の値に基づいて、さらに測定された圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に基づいて、係数（Ψ）を計算するステップ、ｄ．計算された係数（Ψ）が所定の範囲内にある場合、圧縮機の第１段（１０）の入口側への供給を行うライン（４；８）に取り付けられた、または第１段間ライン（１２）内へ開口しているガス再循環ライン（７４）に取り付けられた、制御弁（７０；７６；９２）に作用するステップを含む。

Description

本発明は、複数段の圧縮機を制御する方法および当該方法を実現する制御システムに関する。

本発明は、特に、作業を行う機関または機械への天然ガスの供給に関する。当該機関または機械（および圧縮機）は、車両（船舶、列車など）に搭載されていてもよいし、または陸上にあってもよい。圧縮機入口側のガスは、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）の貯蔵所から到来する。したがって、当該ガスは（−１００℃を下回る）低温でありうる。当該ガスはボイルオフガスまたは気化液体であってよい。

圧縮機に関する通常の知識を有する者には公知の通り、圧縮機および複数段の圧縮機は、圧縮機の特徴に依存する与えられた条件においてしか動作できない。遠心式圧縮機の利用は、一方ではストーンウォール条件によって制限されており、他方ではサージング条件によって制限されている。

ストーンウォールは、揚程に対して流れが過大となった場合に発生する。例えば、一定の速度を有する圧縮機では、揚程は与えられた値より大きくなければならない。

サージングは、圧縮機が充分な放出圧力を維持できないほどガス流が圧縮機内で低下した場合に発生する。この場合、圧縮機の出口側圧力は、入口側圧力より低くなりうる。これにより圧縮機（インペラおよび／またはシャフト）が損なわれることがある。

従来技術においては、圧縮機の出口側を入口側に接続してバイパス弁を取り付けた「アンチサージング」ラインによって圧縮機をサージング条件から保護することが公知である。

米国特許第４５２６５１３号明細書には、パイプライン圧縮機を制御する方法および装置が開示されている。当該文献は、より具体的には、圧縮機のサージング条件に関している。しかし、ここでは、ストーンウォールが存在する場合、付加的な圧縮機ユニットをラインに配置する必要があることが示されている。こうした手段はこれまで適用不能であったし、可能であっても高価な手段となる。

本発明の第１の課題は、ストーンウォール条件を回避するための、複数段の圧縮機用の制御システムを提供することである。

本発明の第２の課題は、いくつかの出口側条件がセットされている場合に、圧縮機の入口側条件の範囲を増大させるための制御システムを提供することである。

本発明の第３の課題は、サージング条件の回避に適した制御システムに比べて、制限された過充を有する制御システムを提供することである。

これらの課題もしくは他の課題の少なくとも１つを満たすために、本発明の第１態様は、少なくとも１つの第１段、第２段、および第１段と第２段との間の第１段間ラインを含む複数段の圧縮機を制御する方法を提案する。

本発明によれば、当該方法は、
ａ．圧縮機の入口側温度を測定するステップ、
ｂ．圧縮機の第１段の出口側圧力と入口側圧力との比を測定するステップ、
ｃ．少なくとも入口側温度の値に基づいて、さらに測定された圧力比に基づいて、係数を計算するステップ、
ｄ．計算された係数が所定の範囲内にある場合、圧縮機の第１段の入口側への供給を行うラインに取り付けられた、または第１段間ライン内へ開口しているガス再循環ラインに取り付けられた、制御弁に作用するステップ
を含む。

当該方法は、圧縮機の第１段の動作条件への作用を提案する。入口側温度、入口側圧力および出口側圧力が測定される。計算された係数が所定の範囲内にない場合、入口側温度を、かつ／または入口側圧力に対する出口側圧力の比を、増大させなければならない。

当該方法の第１実施形態では、ステップｃで計算される係数は、入口側圧力に対する出口側圧力の比の対数を圧縮機の入口側温度に乗算することによって計算された係数であってよい。

当該方法の好ましい一実施形態では、ステップｃで計算される係数は、揚程係数、すなわち
Ψ＝２×Δｈ／Ｕ^２
であり、ここで、
Δｈは、第１段での等エントロピーのエンタルピー上昇量であり、
Ｕは、インペラ羽根チップ速度であり、
さらに、
Δｈ＝Ｒ×Ｔｉｎ×Ｉｎ（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）／ＭＷ
であり、ここで、
Ｒは、定数であり、
Ｔｉｎは、第１段の入口側でのガス温度であり、
Ｐｏｕｔは、第１段の出口側圧力であり、
Ｐｉｎは、第１段の入口側圧力であり、
ＭＷは、圧縮機を通るガスの分子量である、
ように構成されている。

当該実施形態では、気体は理想気体であり、変換は等エントロピーかつ断熱的である。ここでの近似は産業上の実現性に対して良好な結果をもたらす。

上述した方法のステップｄにおいては、制御システムが、
・圧縮機の第１段の再循環ラインに取り付けられたバイパス弁に、かつ／または
・第１段間ライン内へ開口している再循環ラインに取り付けられたバイパス弁に、
かつ／または
・圧縮機の主供給ラインに取り付けられた制御弁に、
作用することができる。

これらの作用においては、それぞれ、圧縮機の第１段の、入口側温度の増大および／または出口側圧力の増大および／または入口側圧力の低減が可能である。

本発明はまた、複数段の圧縮機であって、
・圧縮機の第１段、
・圧縮機の少なくとも１つのさらなる段、
・第１段と第２段との間の第１段間ライン、
・第１段の入口側温度を測定する温度センサ、
・圧縮機の第１段の入口側圧力を測定する第１圧力センサ、
・圧縮機の第１段の出口側圧力を測定する第２圧力センサ、
を含む、複数段の圧縮機において、当該複数段の圧縮機はさらに、
・圧縮機の第１段の出口側から圧縮機の上記第１段の入口側へ延在しかつバイパス弁を含む第１再循環ラインを含み、
・上述した方法を実現する手段を含む、
ことを特徴とする複数段の圧縮機に関する。

当該複数段の圧縮機はさらに、
・バイパス弁を含む、圧縮機の第ｎ段の出口側から第１段間ラインへの再循環ライン、および／または
・圧縮機の主供給ラインに取り付けられた制御弁
を含むことができる。

複数段の圧縮機は、４段または６段の圧縮機であってよい。

本発明による圧縮機では、各段はインペラを含むことができ、上記インペラの全てが機械的に結合可能である。

本発明のこれらの特徴および他の特徴を、本発明の好ましい、ただし非限定の実施形態に関連する添付の図を参照しながら、以下に説明する。

本発明の可能な一構成を示す図である。 本発明の可能な一構成を示す図である。 本発明の可能な一構成を示す図である。 本発明の可能な一構成を示す図である。

これらの図のそれぞれに示した同じ参照番号は、同一の要素または同一の機能を有する要素を表している。

図１には、この例では４段の圧縮機である複数段の圧縮機が示されている。図１に概略的に示されている圧縮機の各段１０，２０，３０，４０は、一定の速度を有する遠心インペラを含む。各段は、シャフトおよび／またはギヤボックスを介して機械的に結合されている。各インペラは類似していてよいが、例えばそれぞれ異なる直径を有する異なるものであってもよい。

供給ライン４は、圧縮機に、より具体的には圧縮機の第１段１０の入口側にガスを供給する。当該ガスは、船舶搭載のまたは陸上の貯蔵タンクからの例えばボイルオフガスであってよい。

第１段１０を通過した後、ガスは、第１段間ライン１２を介して第２段２０の入口側へ供給される。第２段２０を通過した後、ガスは、第２段間ライン２２を介して第３段３０の入口側へ供給される。第３段３０を通過した後、ガスは、第３段間ライン３２を介して第４段４０の入口側へ供給される。

第４段４０の後、圧縮されたガスは、（図示されていない）機関または他の装置への供給ライン６を介して導通される前に、後部冷却器５において冷却可能である。

圧縮機は、第１段１０の出口側の圧縮されたガスを引き取ってこれを第１段１０の入口側へ供給可能な第１再循環ライン８を含む。第１バイパス弁７０が、当該第１再循環ライン８を通るガスの通過を制御する。図に示されているように、ガスは、第１段の入口側へ送給される前に、中間冷却器７２により、完全にもしくは部分的に冷却可能であり、または冷却されなくてもよい。第１バイパス弁の下流では、第１再循環ライン８が２つの分岐を有することができ、一方には中間冷却器７２と制御弁とが取り付けられており、他方には制御弁のみが取り付けられている。

図１に示されている例では、第２再循環ライン７４が設けられている。第２再循環ライン７４は、第４段４０の出口側、好ましくは後部冷却器５の下流の圧縮されたガスを引き取り、これを第１段間ライン１２内、第２段２０の入口側へ供給可能である。第２バイパス弁７６が、第２再循環ライン７４を通るガスの通過を制御する。

また、圧縮機は、温度センサ７８、第１圧力センサ８０および第２圧力センサ８２を含む。温度センサ７８は、第１段１０の入口側のガス温度を測定する。当該センサは、第１再循環ライン８と供給ライン４との接合部の下流に配置されている。第１圧力センサ８０は、第１段１０の入口側、例えば温度センサ７８と同じ点の圧力を測定し、第２圧力センサ８２は、第１段１０の出口側の圧力を測定する。第２圧力センサ８２は、例えば、第１再循環ライン８の派生部の上流の第１段間ライン１２内に組み込まれている。

図３に示されている圧縮機も同様に４段の圧縮機であり、図１に即して上述した圧縮機と同じ構造を有する。

図２（および図４）に示されている圧縮機は、６段の圧縮機である。当該圧縮機の各段１０，２０，３０，４０，５０，６０も遠心インペラを含み、当該各インペラは、シャフトおよび／またはギヤボックスを介して機械的に結合されている。各インペラは類似していてよいが、例えばそれぞれ異なる直径を有する異なるものであってもよい。

図２においても、ガスを圧縮機に供給する供給ライン４、第１段間ライン１２、第２段間ライン２２および第３段間ライン３２が見て取れる。当該圧縮機には６つの段が存在するので、こちらの圧縮機は、第４段の出口側を第５段の入口側へ接続する第４段間ライン４２と、圧縮機の第５段５０の出口側と第６段６０の入口側との間の最終の第５段間ライン５２とを有する。

当該６段の実施形態では、圧縮されたガスは、例えば第３段３０の後および第６段の後に後部冷却器５，５’において冷却可能である。後部冷却器５は第３段間ラインに取り付けられており、後部冷却器５’は、圧縮されたガスが（図示されていない）機関または他の装置への供給ライン６へ導通される前にこれを冷却する。

図２（および図４）に示されている圧縮機も、第１バイパス弁７０を備えた第１再循環ライン８を含む。ガスは、同様に、第１段の入口側に送給される前に、中間冷却器７２により、部分的にもしくは完全に冷却可能である。

図２に示されている例では、第２再循環ライン７４および第３再循環ライン８４が設けられている。第２再循環ライン７４は、第３段３０の出口側、好ましくは後部冷却器５の下流の圧縮されたガスを引き取り可能であり、これを、第１段間ライン１２内、第２段２０の入口側へ供給可能である。第２バイパス弁７６は、第２再循環ライン７４を通るガスの通過を制御する。

第３再循環ライン８４は、第６段６０の出口側、好ましくは後部冷却器５’の下流の圧縮されたガスを引き取り可能であり、これを、第３段間ライン３２内、第４段４０の入口側へ供給可能である。第３再循環ライン８４は、第２再循環ライン７４の派生部の下流の第３段間ライン３２内へ開口している。第３バイパス弁８６は、第３再循環ライン８４を通るガスの通過を制御する。

６段の圧縮機も、４段の圧縮機と類似の方式で取り付けられた温度センサ７８、第１圧力センサ８０および第２圧力センサ８２を含む。

ここで上述した（４段または６段の）圧縮機または他の複数段の圧縮機では、圧縮機の各段を通る大きな流れによる低い揚程圧力に関連して、ストーンウォールが発生しうる。ストーンウォール領域での動作は、一般に振動を生じさせ、圧縮機に損傷を与えることもある。

こうした振動および／または損傷を回避し、圧縮機（より具体的には段１０）が低い揚程圧力および大きな流れで動作することを回避するための方法を以下に提案する。

当該方法によれば、好ましい一実施形態では、等エントロピーの揚程係数が計算される。当該計算は連続的にもしくは所定の周波数で周期的に実行可能である。温度および圧力の条件が緩慢にもしくは迅速に変化しうる場合、当該周波数を適応化することができる。

等エントロピーの揚程係数は、
Ψ＝２×Δｈ／Ｕ^２
によって与えられ、ここで、
Δｈは、圧縮機の第１段１０での等エントロピーのエンタルピー上昇量であり、
Ｕは、圧縮機の第１段１０内のインペラ羽根チップ速度である。

等エントロピーのエンタルピー上昇量は、
Δｈ＝Ｒ×Ｔｉｎ×Ｉｎ（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）／ＭＷ
によって与えられ、ここで、
Ｒは、一般気体定数であり、
Ｔｉｎは、第１段１０の入口側でのガス温度であり、
Ｐｏｕｔは、第１段１０の出口側圧力であり、
Ｐｉｎは、第１段１０の入口側圧力であり、
ＭＷは、圧縮機を通るガスの分子量である。

Ｒ値は、近似的に８．３１４ｋＪ／（ｋｍｏｌＫ）であり、
Ｔｉｎは、Ｋで与えられ、
ＰｏｕｔおよびＰｉｎは、ｂａｒ（ａ）で与えられ、
ＭＷは、ｋｇ／ｋｍｏｌで与えられ、
よって、Δｈは、ｋＪ／ｋｇで与えられる。

第１段のインペラの羽根チップの速度はｍ／ｓで与えられる。

ガスの組成が変化しないかまたは僅かなスケールでしか変化せず、シャフト２の回転速度が一定である場合、
Ψ＝α×［Ｔｉｎ×Ｉｎ（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）］
である。

ここで、圧縮機に組み込まれた、適応化計算手段８８によるΨの計算を提案する。当該計算手段は、温度センサ７８からの情報、第１圧力センサ８０からの情報および第２圧力センサ８２からの情報を受信する。ガスの分子量が変化する場合、（例えば濃度計および／またはガス分析器から到来する）ガスに関する情報も当該計算手段に供給することができる。同様に、インペラの速度が変化する場合、速度計をシャフト２に設けることができる。

この場合、Ψの値は、圧縮機に設けられた対応するアクチュエータに指示可能な電子制御手段９０へ供給される。

提案の方法では、説明のための非限定の例として、（上述した各単位により）Ψが０．２未満の場合、圧縮機がストーンウォール条件の近傍で動作することが考慮される。

図１から図４では、係数Ψを変化させるため、圧縮機に作用する種々の手法が提案されている。

図１では、電子制御手段９０が、第２バイパス弁７６に作用するように適応化されたアクチュエータに接続されている。Ψが０．２に等しくなった場合、制御手段９０は、第２バイパス弁７６が開放されるように作用する。当該動作により、ガスは第１段間ライン１２内へ導通される。第２段２０の圧縮機の回転速度は変化しないので、第２段を通るガス体積流は変化しない。結果として、第２段の入口側の圧力は、インペラの一定の速度により、第１段１０のＰｏｕｔと共に増大し、これにともなってΔｈひいてはΨも増大する。

図２では、制御手段９０の動作は図１の動作と類似している。当該手段９０は、第２バイパス弁７６に作用し、第１段１０の出口側圧力を増大させる。図１と図２との相違点は、図１が４段の圧縮機に関連しており、図２が６段の圧縮機に関連しているということである。

図３では、制御手段９０は、第１バイパス弁７０に作用するように適応化されたアクチュエータに接続されている。制御の基本方式は、熱間ガスを第１段１０の入口側へ再循環させることにより、第１段１０の等エントロピーの揚程を制御することである。

ここでは、Ψが０．２に等しくなった場合、制御手段９０は、第１バイパス弁７０が開放されるように作用する。当該動作により、熱間ガスが第１段の入口側へ導通される。結果として、シャフト２の一定の速度により、Ｔｉｎが増大し、これにともなってΔｈひいてはΨが増大する。

当該分野の通常の知識を有する者であれば、こうした制御が、図２または図４の圧縮機と同様の６段の圧縮機においても動作することは明らかであろう。

図４では、Ψの値に作用する第３手法が提案されている。当該実施形態では、制御弁９２が圧縮機の主供給ライン４に取り付けられている。当該制御弁９２は、好ましくは第１再循環ライン８の上流に取り付けられている。

当該実施形態では、制御手段９０は、制御弁９２に作用するように適応化されたアクチュエータに接続されている。制御の基本方式は、第１段１０の入口側圧力を適応化することにより、第１段１０の等エントロピーの揚程を制御することである。

ここでは、Ψが０．２に等しくなった場合、制御手段９０は、制御弁９２が閉鎖されるように作用する。結果として、Ｐｉｎは低下し、これにともなって、シャフト２の一定の速度により、ΔｈひいてはΨが増大する。

当該制御の３つの異なる方法は、複数段の圧縮機におけるストーンウォールに関する制限が第１段に由来することを基礎としている。これにより、圧縮機の動作条件を実質的に拡大することができる。

例えば、圧縮機がボイルオフガス、例えばＬＮＧボイルオフガスによって動作する場合、圧縮機の第１段の入口側圧力は、１．０３ｂａｒ（ａ）から１．７ｂａｒ（ａ）まで変化しうる。また、入口側温度も−１４０℃から＋４５℃までの大きなスケールで変化しうる。ガスの組成も変化しうるので、ＬＮＧの濃度は０．６２ｋｇ／ｍ^３（１００％のＣＨ_４）から２．８３ｋｇ／ｍ^３（８５％のＣＨ_４および１５％のＮ_２）まで変化しうる。

ボイルオフガスの処理用途ごとの圧縮機ストーンウォールは（ガスの組成に依存して）、低温に関連した高いタンク圧力によって生じる。提案の方法により、当該圧縮機は、従来技術の圧縮機に比べて高い圧力でかつ／または低い温度で動作可能である。提案の制御が行われない場合、圧縮機は１．７ｂａｒ（ａ）の圧力および−１００℃の温度のストーンウォール領域に入り、提案の制御が行われれば、−１４０℃の温度までストーンウォール領域外で動作可能であることが、実験により判明している。

提案の方法の好ましい実施形態では等エントロピーの揚程係数を計算したが、入口側温度と、入口側圧力に対する出口側圧力の比とに依存する他の係数の計算に基づく方法も動作可能である。好ましくは、係数は、
Ｔｉｎ×Ｉｎ（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）
に依存する。

提案の方法の利点は、従来技術の圧縮機を変更することなく動作可能であることである。説明したバイパス弁は、アンチサージング弁として通常使用されており、従来技術の圧縮機の多くに存在するものである。提案の方法はこれらの弁を他の機能のために用いる。

ここで上述した圧縮機は、船舶上または浮体式貯蔵再ガス化ユニット上で使用可能である。また、当該圧縮機は、陸上、例えばターミナル内で、または車両、例えば列車で使用可能である。当該圧縮機は、機関または発電機（または他の作業装置）にエネルギ供給可能である。

上の詳細な説明が本発明の実施形態の例に過ぎないことが理解されるべきなのは明らかである。また、副次的な実施態様も、言及した利点の少なくともいくつかを維持したまま、用途に応じて適応化可能である。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの第１段（１０）、第２段（２０）、および、前記第１段（１０）と前記第２段（２０）との間の第１段間ライン（１２）を含む複数段の圧縮機を制御する方法であって、前記方法は、
   ａ．前記圧縮機の入口側温度を測定するステップと、
   ｂ．前記圧縮機の前記第１段（１０）の出口側圧力（Ｐｏｕｔ）と入口側圧力（Ｐｉｎ）との比を測定するステップと、
   ｃ．少なくとも前記入口側温度（Ｔｉｎ）の値と、測定された圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）と、に基づいて、係数（Ψ）を計算するステップと、
   ｄ．計算された前記係数（Ψ）が所定の範囲内にある場合、前記圧縮機の前記第１段（１０）の入口側への供給を行うライン（４；８）に取り付けられた、または、前記第１段間ライン（１２）内へ開口しているガス再循環ライン（７４）に取り付けられた制御弁（７０；７６；９２）に作用するステップと、
   を含む方法。
2. 前記ステップｃで計算される前記係数（Ψ）は、前記入口側圧力に対する前記出口側圧力の前記比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）の対数を前記圧縮機の前記入口側温度（Ｔｉｎ）に乗算することによって計算された係数である、
   請求項１記載の方法。
3. 前記ステップｃで計算される前記係数は、揚程係数、すなわち
   Ψ＝２×Δｈ／Ｕ^２
   であり、
   Δｈは、前記第１段での等エントロピーのエンタルピー上昇量であり、
   Ｕは、インペラ羽根チップ速度であり、
   さらに、
   Δｈ＝Ｒ×Ｔｉｎ×Ｉｎ（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）／ＭＷ
   であり、
   Ｒは、定数であり、
   Ｔｉｎは、前記第１段の前記入口側でのガス温度であり、
   Ｐｏｕｔは、前記第１段の出口側圧力であり、
   Ｐｉｎは、前記第１段の入口側圧力であり、
   ＭＷは、前記圧縮機を通るガスの分子量である、
   請求項２記載の方法。
4. 前記ステップｄにおいて、制御システム（９０）が、前記圧縮機の前記第１段（１０）の再循環ライン（８）に取り付けられたバイパス弁（７０）に作用する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記ステップｄにおいて、制御システム（９０）が、前記第１段間ライン（１２）内へ開口している再循環ライン（７４）に取り付けられたバイパス弁（７６）に作用する、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記ステップｄにおいて、制御システム（９０）が、前記圧縮機の主供給ライン（４）に取り付けられた制御弁（９２）に作用する、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 複数段の圧縮機であって、前記複数段の圧縮機は、
   ・第１段（１０）と、
   ・少なくとも１つのさらなる段（２０，３０，４０，５０，６０）と、
   ・前記第１段（１０）と第２段（２０）との間の第１段間ライン（１２）と、
   ・前記第１段（１０）の入口側温度（Ｔｉｎ）を測定する温度センサ（７８）と、
   ・前記第１段（１０）の入口側圧力（Ｐｉｎ）を測定する第１圧力センサ（８０）と、
   ・前記第１段（１０）の出口側圧力を測定する第２圧力センサ（８２）と、
   を含み、前記複数段の圧縮機は、さらに、
   ・前記第１段（１０）の出口側から前記第１段（１０）の入口側へ延在しかつバイパス弁（７０）を含む第１再循環ライン（８）と、
   ・請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実現する手段（８８，９０）と、
   を含むことを特徴とする複数段の圧縮機。
8. 前記複数段の圧縮機は、さらに、バイパス弁（７６）を含む、第ｎ段の出口側から前記第１段間ライン（１２）への再循環ライン（７４）を含む、
   請求項７記載の複数段の圧縮機。
9. 前記複数段の圧縮機は、さらに、前記圧縮機の主供給ライン（４）に取り付けられた制御弁（９２）を含む、
   請求項７または８記載の複数段の圧縮機。
10. 前記複数段の圧縮機は、４段の圧縮機である、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の複数段の圧縮機。
11. 前記複数段の圧縮機は、６段の圧縮機である、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の複数段の圧縮機。
12. 各段はインペラを含み、前記インペラの全てが機械的に結合されている、
    請求項７から１１までのいずれか１項記載の複数段の圧縮機。

Images