JP2022501545A - オイル噴射式多段圧縮機システム及びこのような圧縮機システムを制御するための手順 - Google Patents

Abstract

少なくとも入口（４ａ）及び出口（５ａ）を有する低圧段圧縮機要素（２）と入口（４ｂ）及び出口（５ｂ）を有する高圧段圧縮機要素（３）とを備え、低圧段圧縮機要素（２）の出口（５ａ）がパイプライン（６）を介して高圧段圧縮機要素（３）の入口（４ｂ）に接続されるオイル噴射式多段圧縮機システムであって、圧縮機要素（２、３）は、それ自体の電気モータ（２ａ、３ａ）の形式の駆動装置を備え、圧縮機要素（２、３）は、電気モータ（２ａ、３ａ）に直接結合されるか又は変速機を介して結合され、中間冷却器（９）が、低圧段圧縮機要素（２）と高圧段圧縮機要素（３）との間でパイプライン（６）に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、オイル噴射式多段圧縮機システムに関連する。

従来、オイルフリーの圧縮により、ガス圧縮を２又は３以上の段階、すなわち「多段」で行うことが知られており、そのため、特に最大許容排気温度に関する技術的制約により２又は３以上の圧縮機要素が直列に配置される。

これらの技術的制約は、水又はオイルなどの冷却媒体を圧縮機要素の中に噴射することで克服することができ、これは単段圧縮を可能にする。

「多段」の実施は、かなりの複雑さ及び追加費用を伴うので、現在、オイル又は水噴射式の単段圧縮機システムが好ましい選択肢である。

多段圧縮機システムの維持管理がより大規模でより複雑であるという現実は、単段圧縮機システムが、多くの場合、依然として好ましい選択肢であることも意味する。

多段圧縮機システムの第２の及び後続段の改善された効率は、上記の欠点に優る利点であろう。この改善された効率は、第２の及び後続段の消費を低減するガスを冷却することで可能になるであろう。しかしながら、これを実現するのは容易ではない。

多段圧縮機システムは既存であり、このシステムでは、例えば、冷却オイルがガスの温度を下げるオイルカーテンを利用して、冷却目的で２つの段の間にオイルが噴射される。

しかしながら、このような解決手法は、ガスの制限された冷却だけを可能にするので、オイルフリーの多段圧縮機システムに比べて、限定された改善された効率をもたらすだけである。
また、より多くのオイルがガスに加えられ、これは必ずしも望ましくない。

オイル噴射式多段圧縮機システムを利用することができ、それによって、例えば、冷却器を第１の圧縮機要素と第２の圧縮機要素との間に設けることができ、これは第１の圧縮段の後でガスから熱を積極的に除去することになる。

しかしながら、このことは以下の理由で行われない。
−第１に、この冷却器内で圧力降下が見込まれ、これは必然的に効率損失を意味する。
−また、中間冷却は、凝縮液の形成につながる可能性がある。凝縮液は、常に次の圧縮機要素に流入するのを阻止する必要がある。従って、全ての運転状態で凝縮液を確実に防止できるように過度に冷却することができない。それにもかかわらず凝縮液が発生すると、これはオイルに行き着き、次にこのオイルが使用される軸受及び他の部品に行き着くことになる。
−さらに、この解決手法は、必然的により複雑であり、オイルフリーの多段圧縮機システムよりもさらに費用がかかる場合もある。

これに伴う全ての欠点により、原則として、最終結果が好ましいことを保証するために冷却によって効率の非常に大きな利益を得ることができ、この利益は、凝縮液の発生によって制限される可能性がある。

凝縮液の問題が発生しないとしても、単純に第１の圧縮段の後のオイル−ガス混合気の温度上昇が十分でない理由から、冷却を十分に行うのが依然としてできないであろうことが想定される。

本発明は、上記の及び他の欠点のうちの少なくとも１つに対する解決手法を提供することを目的とする。

本発明の主題は、オイル噴射式多段圧縮機システムであり、これは少なくとも入口及び出口を有する低圧段圧縮機要素と入口及び出口を有する高圧段圧縮機要素とを備え、低圧段圧縮機要素の出口は、パイプラインを介して高圧段圧縮機要素の入口に接続されており、圧縮機要素は、それ自体の電気モータの形式の駆動装置を備え、圧縮機要素は、電気モータに直接結合されるか又は変速機を介して結合され、中間冷却器が、低圧段圧縮機要素と高圧段圧縮機要素との間でパイプラインに設けられ、中間冷却器は、
−ファンによって調節可能であり、ファンの速度を調節することで空気流量を制御することができる空冷ユニット、又は
−水流量を調整できるバルブによって調節可能な水冷ユニット、
のいずれかであり、
中間冷却器は、バイパスパイプラインによって及び／又は冷却されるガスが中間冷却器の一部にのみ触れるように中間冷却器の一部を遮蔽することで、空気又は水の温度を変えることで調整することもできる。

低圧段の後で冷却を行うと、文献に記載されたものよりも非常に大きな温度降下をもたらし得ることが分かっている。
オイル−ガス混合気の温度は、低圧段圧縮機要素の出口での温度を測定する際に測定される。測定温度は、湿球作用によって、ガスの実際の温度よりも低いことになる。

これは、得られるガスの潜在的温度降下が、文献に記載されたものよりも実際には非常に大きいことを意味する。

また、これは、冷却による効率の潜在的利益が従来の想定よりも非常大きいことを意味するので、上記の欠点が改善された効率を相殺しない。
１つの利点は、このようなオイル噴射式多段圧縮機システムが、冷却なしの又はオイルカーテンの形式のオイル噴射器を備える公知の圧縮機よりも、優れた性能をもたらし得ることである。

本発明の好ましい特徴によれば、中間冷却器は調節可能であり、圧縮機システムは、高圧段圧縮機要素の入口での温度が露点を上回るように、中間冷却器を制御又は調整するための制御ユニット又は調整器をさらに備える。
高圧段圧縮機要素の入口の温度を、露点を上回る状態に保つことで、この時点での凝縮液の発生を防ぐことができる。

中間冷却器を調節可能にすることで、凝縮液形成のリスクなしで常に最大の冷却を行うことができる。従って、中間冷却器の冷却能力を決定する場合に最悪のシナリオを用いる必要がない。露点が上昇するや否や、中間冷却器がガスを過度に冷却するので凝縮液が形成され、中間冷却器は、凝縮液の形成を防ぐためにガスをより少なく冷却するように調整することができる。

中間冷却器は、種々の方法で調節可能とすることができる。調節可能な中間冷却器の要件は、ガスの冷却度合い又はガスの温度降下であり、これは変更することができる。これは、例えば、中間冷却器の冷却能力を変えることで及び／又はガスの一部を中間冷却器を通す代わりにバイパスパイプラインに送ることで行うことができる。

露点は固定値ではなく、ガスの温度、湿度、圧力などの種々のパラメータに依存することが知られている。この露点を特定するためのいくつかの可能性がある。
凝縮液の潜在的存在は、露点から推定することができる。

本発明の好ましい特徴では、中間冷却器はヒートポンプを備える。
この手法の利点は、さらなる冷却が可能になる点であり、中間冷却器の後で凝縮液形成のリスクがない時には、最大冷却能力を得ることができ、高圧段圧縮機要素はさらに効率が良くなることになる。
従って、効率又は性能の総利益は、非常に高くなることになる。

本発明は、オイル噴射式多段圧縮機システムを制御するための手順も含み、オイル噴射式多段圧縮機システムは、少なくとも入口及び出口を有する低圧段圧縮機要素と入口及び出口を有する高圧段圧縮機要素とを備え、低圧段圧縮機要素の出口は、パイプラインを介して高圧段圧縮機要素の入口に接続されており、
圧縮機要素は、それ自体の電気モータの形式の駆動装置を備え、圧縮機要素は、電気モータに直接結合されるか又は変速機を介して結合され、中間冷却器が、低圧段圧縮機要素と高圧段圧縮機要素との間でパイプラインに組み込まれており、中間冷却器は調節可能であり、圧縮機システムは、高圧段圧縮機要素の入口での温度が露点を上回るように、中間冷却器を制御又は調整するための制御ユニット又は調整器をさらに備え、手順は、
−高圧段圧縮機要素の入口での露点を計算又は特定するためのステップと、
−高圧段圧縮機要素の入口での温度が露点を上回るように中間冷却器を調整するステップとを含む。

この手順の利点は、もちろん上記のオイル噴射式多段圧縮機システムの利点と同様である。

本発明の特徴をさらに説明するために、添付図面を参照して非限定的で例示的に、本発明によるオイル噴射式多段圧縮機システム及びそれに適用される手順の複数の変形例が以下に記載される。

本発明によるオイル噴射式多段圧縮機システムの概略図を提示する。

図１に示されるオイル噴射式多段圧縮機システム１は、この場合、低圧段圧縮機要素２を備える低圧段及び高圧段圧縮機要素３を備える高圧段の２つの段すなわち「多段」を備える。
両方の圧縮機要素２、３は、例えば、スクリュー圧縮機要素であるが、これは本発明では必須要件ではない。

本発明では、圧縮機要素２、３は、それぞれ電気モータ２ａ及び３ａの形式の駆動装置を備え、それによって、この場合、圧縮機要素２、３は電気モータ２ａ、３ａに直結される。圧縮機要素２、３を、変速機を介して電気モータ２ａ、３ａに結合することができることは明らかである。

また、圧縮機要素２、３は、オイルを圧縮機要素２、３の中に噴射するためのオイル回路を備える。明瞭化のために、これらのオイル回路は図示されていない。
低圧段圧縮機要素２は、ガス用の入口４ａ及び圧縮ガス用の出口５ａを有する。
この出口５ａは、パイプライン６を介して高圧段圧縮機要素３の入口４ｂに接続される。

また、高圧段圧縮機要素３は、出口５ｂを備え、出口５ｂは、液体分離器７に接続される。
液体分離器７の出口８は、最終冷却器に接続することができる。

中間冷却器９は、低圧段圧縮機要素２と高圧段圧縮機要素３との間の上記のパイプライン６に組み込まれる。
この場合、中間冷却器９は調節可能であるが、本発明ではこのことは必須ではない。

この中間冷却器９は、様々にデザインすることができる。
例えば、中間冷却器９は、空冷ユニットとすることができ、空冷ユニットはファンによって調節可能であり、ファンの速度を調節することで空気流量を制御することができる。

もしくは、中間冷却器９は、冷水器とすることができ、冷水器は、水の流量を調節することができるバルブによって調節することができる。
中間冷却器９は、空気又は水の温度を変えることで制御することも可能である。

ガスが中間冷却器９を通過することなく低圧段圧縮機要素２から高圧段圧縮機要素３に直接進むように、ガスの一部を迂回させることができるパイプラインを設けることも可能である。
中間冷却器全体が使用されないように、例えばプレートなどで中間冷却器９の一部を遮蔽することも可能である。これは、冷却されることになるガスが中間冷却器９全体に触れないことを意味する。

この場合、中間冷却器９は、ヒートポンプ１０を備えるが、このことは本発明では必須ではない。
ヒートポンプ１０は調節可能とすることができるが、このことは必須ではない。
ヒートポンプ１０の助けによりガスからさらにいっそう熱を除去することも可能である。

また、圧縮機システム１は、中間冷却器９を調整又は制御するための制御ユニット又は調整器１１を備える。ヒートポンプ１０が調節可能であれば、制御ユニット又は調整器１１は、ヒートポンプ１０を制御することもできる。
この場合、センサ１２が設けられる。センサ１２は、上記の制御ユニット又は調整器１１に接続される。

これに関連して、センサ１２は、低圧段圧縮機要素２の入口４ａの１又は２以上の環境パラメータを測定することができる。
例えば、センサ１２は、圧力、温度、及び湿度を測定することができる。

センサ１２の代わりに又はこれに加えて、センサ１３を高圧段圧縮機要素３の入口４ｂに設けることは排除されない。これは、図中に概略的に点線で示されている。
従って、センサ１３は、入口４ｂでの湿度を測定することができる。

さらに、装置１は、温度を測定するためのセンサ１４を入口４ｂに備える。
最後に、中間冷却器９の下流側でパイプライン６にオイルを噴射することができるように装置１がオイル噴射器１５を備えることは排除されない。これは概略的に点線で示されている。

以下に示すようにオイル噴射式多段圧縮機システム１の動作は非常に単純である。
動作時、圧縮されるガス、例えば空気は、低圧段圧縮機要素２の入口４ａを通って吸引され、最初の圧縮が行われることになる。

部分的に圧縮されたガスは、パイプライン６を通過して中間冷却器９に流入し、ここで冷却され、次に、高圧段圧縮機要素３の入口４ｂに流入し、ここで次の圧縮が行われる。
低圧段圧縮機要素２及び高圧段圧縮機要素３の両方にオイルが噴射され、これは圧縮機要素２、３の潤滑及び冷却を可能にする。

圧縮ガスは、出口５ｂを通って高圧段圧縮機要素３から出てオイル分離器７に導かれる。
噴射されたオイルが分離され、次に、圧縮ガスは、消費者に供給される前に最終冷却器に移送することができる。

ガスが中間冷却器９で冷却される際に凝縮液が生成されないことを保証するために、この中間冷却器９は、圧縮機要素２、３の環境変化及び／又は駆動パラメータの変化に適合するように適切な方法で制御する必要がある。

このために、制御ユニット又は調整器１１は、高圧段圧縮機要素３の入口４ｂでの温度が露点を上回るように中間冷却器９を調整することになる。上述のように、このことは、中間冷却器９の後の高圧段圧縮機要素３の入口４ｂにおいて凝縮液が発生しないを意味する。

第１のステップにおいて、露点、すなわち凝縮液の存在は、高圧段圧縮機要素３の入口４ｂで特定される又は計算される。露点は、様々なパラメータに依存し、換言すると、固定値ではなく変数である。
露点を特定するための複数の選択肢又は方法が存在する。

図１の場合、露点は、センサ１２の助けにより環境パラメータを測定することで特定される。
このために、センサ１２からの測定値は制御ユニット又は調整器１１に送られ、これに基づいて露点が計算される。

オイル噴射式多段圧縮機システム１が高圧段圧縮機要素３の入口４ｂに湿度センサ１３を備える場合、露点を換言すると凝縮液の存在を直接特定するために、入口４ｂでの湿度を測定することができる。この場合、湿度センサ１３は、同様に測定値を制御ユニット１１に送ることになる。

他の代替手段は、例えば、高圧段圧縮機要素３の入口４ｂでの温度センサ１４又はそのために特別に設計された他のセンサを用いて、高圧段圧縮機要素３の入口４ｂの温度を監視することで露点を特定することである。

この場合、温度センサ１４は、入口４ｂの温度の測定値を制御ユニット又は調整器１１に送り、制御ユニット又は調整器１１は、測定温度の推移を監視及び評価し、これに基づいて露点を特定することになる。
露点が特定されると、制御ユニット又は調整器１１は、高圧段圧縮機要素３の入口４ｂの温度が露点を上回るように中間冷却器９を調整することになる。

このために、制御ユニット又は調整器１１は、温度センサ１４による入口４ｂの温度を要求し、これを設定露点と比較することになる。
制御ユニット１１は、入口４ｂの温度が露点よりも高い場合、凝縮液が発生することなくガスの温度をさらにもっと低下させることができるように、中間冷却器９がさらに冷却を行うのを可能にすることになる。

中間冷却器９がすでに最大で冷却を行っている時に温度が依然として露点よりも高い場合、制御ユニット１１は、ヒートポンプ１０を作動状態にすることになる。
また、ヒートポンプ１０が常時作動すること及び調整が中間冷却器９でのみ行われることも可能である。

また、ヒートポンプ１０を調整可能とすることもでき、露点が低い場合に、従って要求冷却能力が高い場合に、制御ユニット１１によって、第１の中間冷却器９が、続いてヒートポンプ１０が、若しくはその逆で、若しくはその両方が同時に又は交互に冷却能力を高めるのが可能になる。

入口４ｂでの温度が露点であるか又はそれよりも低い場合、制御ユニット１１は、ガスの温度が上昇するように中間冷却器９の冷却を低減させることになり、これにより凝縮液の形成が阻止される。
また、ヒートポンプ１０が調整可能な場合、制御ユニット１１は、最初にヒートポンプ１０の冷却能力を低くすること、又は代替的に中間冷却器９及びヒートポンプ１０の冷却能力を低くすることもできる。

露点が低下した場合、制御ユニット又は調整器１１によって、中間冷却器９はガスの温度が再度低下するように再度冷却することが可能になる。
これにより、凝縮液が発生することなく常に最大の冷却を達成することが可能になる。

高圧段圧縮機要素の性能は、常に冷却を最適にできることで最大にすることができる。
装置１がオイル噴射器１５を備える場合、これを用いてガスの追加の冷却を行うことができる。加えて、噴射されたオイルは、高圧段圧縮機要素３の追加の潤滑を可能にすることになる。

本発明は、例示的に説明されかつ図面に示され実施形態に限定されるものではないが、本発明によるオイル噴射式多段圧縮機システム及びこれに適用される手順は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変形形態で実現することができる。

Claims (12)

1. 入口（４ａ）及び出口（５ａ）を有する低圧段圧縮機要素（２）と入口（４ｂ）及び出口（５ｂ）を有する高圧段圧縮機要素（３）とを少なくとも備え、前記低圧段圧縮機要素（２）の前記出口（５ａ）がパイプライン（６）を介して前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）に接続されたオイル噴射式多段圧縮機システムであって、
   前記圧縮機要素（２、３）は、それ自体の電気モータ（２ａ、３ａ）の形式の駆動装置を備え、前記圧縮機要素（２、３）は、前記電気モータ（２ａ、３ａ）に直接結合されるか又は変速機を介して結合され、中間冷却器（９）が、前記低圧段圧縮機要素（２）と前記高圧段圧縮機要素（３）との間で前記パイプライン（６）に設けられ、
   前記中間冷却器（９）は、
   −ファンによって調節可能であり、前記ファンの速度を調節することで空気流量を制御することができる空冷ユニット、又は
   −水流量を調整できるバルブによって調節可能な水冷ユニット、
   のいずれかであり、
   前記中間冷却器（９）は、バイパスパイプラインによって及び／又は冷却されるガスが前記中間冷却器（９）の一部にのみ触れるように前記中間冷却器（９）の一部を遮蔽することで、空気又は水の温度を変えることで調整することもできる、
   ことを特徴とするオイル噴射式多段圧縮機システム。
2. 前記中間冷却器（９）は調節可能であり、前記圧縮機システム（１）は、前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）での温度が露点を上回るように、前記中間冷却器（９）を制御又は調整するための制御ユニット又は調整器（１１）をさらに備える、
   請求項１に記載のオイル噴射式多段圧縮機システム。
3. 前記圧縮機システム（１）は、環境パラメータを測定するための前記制御ユニット又は調整器（１１）に接続されるセンサ（１２）を備え、前記制御ユニット又は調整器（１１）は、前記センサ（１２）の測定値に基づいて露点を特定又は計算することができる、
   請求項２に記載のオイル噴射式多段圧縮機システム。
4. 前記圧縮機システム（１）は、前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）に前記制御ユニット又は調整器（１１）に接続される湿度センサ（１３）をさらに備え、前記湿度センサ（１３）は、湿度を測定又は特定することができ、前記制御ユニット又は調整器（１１）は、前記湿度センサ（１３）の測定値に基づいて露点を特定又は計算することができる、
   請求項２に記載のオイル噴射式多段圧縮機システム。
5. 前記圧縮機システム（１）は、前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）に前記制御ユニット又は調整器（１１）に接続される温度センサ（１４）をさらに備え、前記温度センサ（１４）は、温度を測定又は特定することができ、前記制御ユニット又は調整器（１１）は、前記温度センサ（１４）で測定された温度に基づいて露点を特定するのを可能にするアルゴリズムを備える、
   請求項２に記載のオイル噴射式多段圧縮機システム。
6. 前記中間冷却器（９）は、ヒートポンプ（１０）を備える、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のオイル噴射式多段圧縮機システム。
7. 前記ヒートポンプ（１０）は、調節可能である、
   請求項６に記載のオイル噴射式多段圧縮機システム。
8. 前記オイルは、前記中間冷却器（９）の下流側で前記パイプライン（６）に噴射される、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のオイル噴射式多段圧縮機システム。
9. 少なくとも入口（４ａ）及び出口（５ａ）を有する低圧段圧縮機要素（２）と入口（４ｂ）及び出口（５ｂ）を有する高圧段圧縮機要素（３）とを備え、前記低圧段圧縮機要素（２）の前記出口（５ａ）がパイプライン（６）を介して前記高圧段圧縮機要素（３）の入口（４ｂ）に接続されるオイル噴射式多段圧縮機システム（１）を制御する手順であて、
   前記圧縮機要素（２、３）は、それ自体の電気モータ（２ａ、３ａ）の形式の駆動装置を備え、前記圧縮機要素（２、３）は、前記電気モータ（２ａ、３ａ）に直接結合されるか又は変速機を介して結合され、中間冷却器（９）が、前記低圧段圧縮機要素（２）と前記高圧段圧縮機要素（３）との間で前記パイプライン（６）に組み込まれており、前記中間冷却器（９）は調節可能であり、前記圧縮機システム（１）は、前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）での温度が露点を上回るように、前記中間冷却器（９）を制御又は調整するための制御ユニット又は調整器（１１）をさらに備え、前記手順は、
   −前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）での露点を計算又は特定するためのステップと、
   −前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）での温度が露点を上回るように前記中間冷却器（９）を調整するステップと、
   を含む、
   ことを特徴とする手順。
10. 前記露点の計算又は特定は、圧力、温度、及び／又は湿度などの環境パラメータを測定することで行われる、
    請求項９に記載の手順。
11. 前記露点の計算又は特定は、前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）での湿度を測定することで行われる、
    請求項９に記載の手順。
12. 前記露点の計算又は特定は、前記高圧段圧縮機要素（３）の前記入口（４ｂ）での温度の推移をたどることで行われる、
    請求項９に記載の手順。

Images