JP3638911B2

JP3638911B2 - 流量制御装置

Info

Publication number: JP3638911B2
Application number: JP2002049430A
Authority: JP
Inventors: 隆二堺; 時彦梅田
Original assignee: Kawasaki Precision Machinery KK
Current assignee: Kawasaki Precision Machinery KK
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003248516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ガスタービン、燃料電池および燃焼装置などに燃料を圧送する流体機械の吐出流量を制御する流量制御装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、省エネルギおよび流体の安定供給などの観点から、流体機械から圧送される流体の吐出流量が精度よく制御されることが望まれている。特に、熱または電気容量が小さく、かつ、日または季節の負荷変動が大きい分散型のコージェネレーション設備などに使用される燃料供給用の流体機械は、設備全体の効率を向上させるために、燃料の供給量が負荷変動に追従して制御されることが望まれている。
【０００３】
このような要望に応えて各種流体機械の流量制御装置が提案されている。例えば、特開平５−１５７０５９号公報に開示された流量制御装置は、重油などの燃料を圧送する流体機械に関するものであって、その吐出流量および吐出圧力を計測し、各計測結果のうちしきい値を越えたものを制御変数として選択し、その制御変数に基づいて流体機械の被駆動軸の回転数のフィードバック制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の流量制御装置は、流体機械の吐出流量および吐出圧力を計測する計測手段、およびこれらに対応する発信器および信号選択器など多くの計測機器を用いて複雑な制御を行っている。そのため、制御系が複雑となり制御の信頼性を劣化させる虞がある。
【０００５】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、計測点数を低減することにより、制御系を簡単にして、その信頼性を向上させることができる流量制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を以下のような構成からなる流量制御装置によって解決することができる。
【０００７】
本発明は、流体機械から圧送される流体の吐出流量を計測する流量計測手段と、該流量計測手段の計測結果に基づいて流体機械の被駆動軸の回転数を制御する制御器とを備える流量制御装置において、流体機械の吐出通路と吸込通路とを連絡し、該吐出通路中の流体を吸込通路に戻す還流通路を備え、該還流通路に、流量計測手段が配されており、当該流量計測手段が、前記還流通路中の流体の流れに対して直列に配され、その流量を制限する２つの絞り機構と、該絞り機構間の圧力を計測する圧力発信器とを備えることを特徴とする。
【０００８】
まず、本発明に係る流量制御装置の原理について以下に説明する。例えば、流体機械が一定の吐出流量で運転されているときに、流体の供給先が一方的に流体の必要流量を変更するために弁などを開閉した場合、流体機械から圧送される流体の吐出流量を変えなければ、流体の余剰流量または不足流量に対応して流体機械の吐出圧力が変動する。この場合、流体機械の吐出通路と吸込通路とを連絡する還流通路の入口圧力と出口圧力とが流体機械の吐出圧力と吸込圧力とにそれぞれ略等しく、さらに、流体機械の吸込圧力が安定運転のために略一定であるので、上記のように流体機械の吐出圧力が変動した場合、該還流通路の入口圧力と出口圧力との差圧も変動する。その結果、還流通路中の流体の流量も変動する。さらに、この場合、還流通路の出口圧力が一定であることから、ベルヌーイの定理（上記の差圧は、還流通路中の流体の流量の略２乗に比例する。）によれば、流体機械の吐出圧力が還流通路中の流体の流量の略２乗に比例する。従って、還流通路中の流体の流量を一定に維持するように、流体機械の被駆動軸の回転数を制御することにより、流体機械の吐出流量と流体の使用先での流体の必要流量とを一致させることができる。
【０００９】
上記の原理を用いる本発明によれば、流量計測手段が、流体機械の吐出通路（高圧側）から吸込通路（低圧側）へ還流通路を介して流れる流体の流量を計測しており、制御器が、該流量計測手段の計測結果に基づいて流体機械の被駆動軸の回転数を制御し、その吐出流量を調整している。このように制御変数が還流通路中の流体の流量のみであるので、制御系が簡略化され、制御の信頼性も向上させることができる。
【００１０】
また、還流通路内の流体の流量計測に必要な最少流量は、流体機械から圧送される流体の吐出流量とは関係がなく、流体機械の吸込圧力と吐出圧力とから定まるので、流体機械の吐出通路の内径に比べて還流通路の内径を小さくすることができる。また、通常、流体機械の吐出圧力と吸込圧力とはそれぞれ略一定であるので、流体機械から圧送される流体の吐出流量の多少によらず、還流通路の内径を固定とすることができる。これに対して、流体機械の吐出通路の内径は、流体機械から圧送される流体の流量が多くなればなるほど大きくなるので、その場合には、従来のように流体機械の吐出通路に流量計測手段を介在させる場合に比べて、還流通路に介在させる流量制御手段を相対的に小さくすることができる。その結果、流量計測手段のコストを低減することができる。
【００１１】
また、上記の流量計測手段は、流体機械の吐出圧力が還流通路中の流体の流量の略２乗に比例することに着目したものである。ここで、流体機械の吐出圧力を直接計測せず、圧力発信器の取り付け位置より上流の還流通路に一の絞り機構を設置する理由は、流体機械の流量制御に外乱を与えるおそれのある流体機械の吐出通路中の短周期の圧力変動を取り除き、安定した圧力を計測するためである。
【００１２】
なお、上記流量計測手段として、還流通路中の流体の流量を直接計測する場合には、その他の形式のもの、例えばベンチュリ管、渦流量計、超音波流量計、熱線流量計なども使用することができる。
【００１３】
また、本発明は、絞り機構の流体の流れ方向の前後に接続される貫流通路中の流体の温度を計測する温度計測手段をさらに備え、制御器が、該温度計測手段の計測結果に基づいて流量計測手段の計測結果を補正し、該補正結果に基づいて流体機械の被駆動軸の回転数を制御してもよい。
【００１４】
この構成によれば、制御器は、流量計測手段によって計測される流体の流量を温度計測手段によって計測された温度により補正してさらに正確な流体の流量を計算することができる。その結果、該計算結果に基づいた流体機械の被駆動軸の回転数の制御も精度良く行うことができる。
【００２５】
本発明に係る流量制御装置は、上記の流量制御装置に、流体機械の被駆動軸の回転数、回転位相、入力電力、入力電流、吸込圧力および吐出圧力のうち少なくとも１つを計測する計測手段をさらに備え、該計測手段の計測結果に基づいて流体機械の被駆動軸の回転数を制御することもできる。
【００２６】
上記の計測項目は、いずれも流体機械の吐出流量と一定の関係を有するので、これらの計測項目を用いて流体機械の被駆動軸の回転数を制御することにより、流体機械の流量制御の精度をさらに向上させることができる。なお、上述の回転位相は、後述の可変速駆動機がサーボモータである場合に適用される。
【００２７】
また、上記の流体機械の駆動機は、サーボモータまたはインバータモータなどの電動機であり、その出力軸の回転数は、別設の可変速装置より変更される。ここで、「可変速装置」とは、一般にインバータとコンバータとからなり、商用の交流電源を一旦直流電力に変換し、その直流電力を用いて所定の周波数の交流電力に変換するものである。
【００２８】
また、電動機の駆動軸と流体機械の被駆動軸とを同軸とし、駆動機を流体機械のケーシングに収納してもよい。これにより、可変速駆動機用のケーシングが削減されるので、流体機械を小型化することもできる。さらに、電動機の回転子または固定子を永久磁石に置き換えることにより流体機械をさらに小型化することもできる。
【００２９】
【発明の実施形態】
本発明に係る流量制御装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る流量制御装置が燃料供給システムに適用された場合の系統図である。
【００３１】
流体機械１には、吸込配管１ａを介して燃料タンク２が接続されており、該燃料タンク２には、都市ガス、天然ガス、水素、重油、灯油、ＬＰＧなどの燃料が貯蔵されている。また、流体機械１は、吐出配管３、逆止弁４、およびこの出口配管４ａを介して一または複数の燃焼器５と接続され、燃料タンク２から吸込配管１ａを介して流体機械１に吸い込まれた燃料を昇圧した後、吐出配管３を介してそれぞれの燃焼器５に圧送している。また、燃料供給が遮断された場合に対応して、燃料戻り配管１１が、逆止弁４の出口配管４ａと流体機械１の吸込配管１ａとを連絡している。さらに、流体機械１には、インバータモータまたはサーボモータなどの可変速駆動機９が連結されており、流体機械１の回転数を変更することができるようになっている。これにより、流体機械１から燃焼器５に圧送される燃料の流量を容易に変更することができる。
【００３２】
なお、流体機械１は、その燃料が気体または液体かで異なるが、気体燃料用としては、レシプロ式、スクリュー式、スクロール式、ターボ式などの燃料ガス圧縮機であり、液体燃料用としては、プランジャー式、スクリュー式、ギア式、ターボ式などの燃料ポンプである。
【００３３】
また、流体機械１の吐出配管３から吸込配管１ａまで還流通路１０が連絡しており、該還流通路１０には、流量計測手段６が設けられ、還流通路１０中の流体の流量を計測し、その流量信号６ａを後述の制御器７に送信している。
【００３４】
上記の流量計測手段６は、図２（ａ）に示すように、絞り機構６ｂと差圧発信器６ｃとから構成されており、絞り機構６ｂの上流および下流の配管１０には導圧配管６ｄの一端がそれぞれ接続され、各導圧配管６ｄの他端が、差圧発信器６ｃの高圧側と低圧側とにそれぞれ接続されている。
【００３５】
なお、本実施の形態に示す流量計測手段６は、固定開度の絞り機構６ｂを使用しているが、これに代えて、その他の形式のもの、例えばベンチュリ管、渦流量計、超音波流量計、熱線流量計などを使用しても構わない。
【００３６】
また、図２（ｂ）に示すような別の流量計測手段６を使用してもよい。該流量計測手段６は、第１絞り機構６ｅ、第２絞り機構６ｆ、および圧力発信器６ｈから構成される。両絞り機構６ｅ、６ｆ間の配管１０には、導圧配管６ｇの一端が接続され、他端が圧力発信器６ｈに接続される。なお、ここでは、絞り機構の数を２つとしているが、これに限定するものではない。
【００３７】
また、本実施の形態に係る流量制御装置の制御系は、制御器７および可変速装置８から構成されており、これらは通信可能に信号配線で接続されている。それぞれの機器の作用は、以下の通りである。
【００３８】
制御器７は、上記の流量計測手段６から送信された流量信号６ａに基づいて、還流通路１０中の流体の流量を演算し、さらに、その演算結果に基づいて流体機械１の回転数信号７ａを演算してそれを可変速装置８に送信する。
【００３９】
一方、可変速装置８は、制御器７から送信された回転数信号７ａに基づいて、商用の交流電力（周波数５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）を一旦直流電力に変換し、これをさらに所定の周波数の交流電力８ａに変換して、上記の可変速駆動機９に供給する。その結果、可変速駆動機９の回転数が変更される。これにより、この可変速駆動機９に連結される流体機械１の回転数も変更される。
【００４０】
以上のように、還流通路１０中の流体の流量に基づいて流体機械１の回転数のフィードバック制御を行うことにより、流体機械１の流量制御が行われる。
【００４１】
また、上記流量計測手段６によって計測された流量を補正し、流体機械１の流量制御精度をさらに向上させるため、還流通路１０中の流体の温度を計測する温度発信器６ｔを設けてもよい。例えば、図２（ａ）が示すように絞り機構６ｂの上流の配管１０に、または図２（ｂ）が示すように第１絞り機構６ｅと第２絞り機構６ｆとの間の配管１０に温度発信器６ｔを設けることができる。なお、温度発信器６ｔの取り付け場所としては、上記差圧発信器６ｃの導圧配管６ｄまたは上記圧力発信器６ｈの導圧配管６ｇが取り付けられる還流配管１０の近傍が好ましい。
【００４２】
このような構成によれば、上記温度発信器６ｔにより計測された温度は、制御器７に送信され、該制御器７は、前記温度を用いて上記の流量計測手段６から送信された流量信号６ａに基づいて演算された還流通路１０中の流体の流量を補正する。そして、制御器７は、補正された流体の流量に基づいて流体機械１の回転数信号７ａを演算してそれを可変速装置８に送信し、該可変速装置８は上述したように可変速駆動機９の回転数を変更する。これにより、流体機械１の回転数も変更される。
【００４３】
図３は、参考の流量制御装置が燃料供給システムに適用された場合の系統図である。この流量制御装置は、第１の実施の形態が還流通路１０に流量計測手段６を設けているのに対して、流体機械１の吐出配管３に流量計測手段６を備え、流体機械１から圧送される流体の流量を直接計測することと、該流量計測手段６が可変絞り機構６ｋを備え、流体機械１から圧送される流体の流量に応じて可変速絞り機構６ｋの開度を適宜変更することができることとが異なる。なお、第１の実施の形態と同様の部分には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
上記の流量計測手段６は、具体的には、図４に示すように、可変絞り機構６ｋおよびその差圧を計測する差圧発信器６ｃから構成されており、該可変絞り機構６ｋの上流および下流の配管３には、導圧配管６ｄがそれぞれ接続され、差圧発信器６ｃの高圧側と低圧側とにそれぞれ接続されている。なお、可変絞り機構６ｋとしては、特に限定するものではないが、操作性がよく入手し易い制御弁などを使用するとよい。
【００４５】
また、この流量制御装置の制御器７は、可変絞り機構６ｋの差圧によるエネルギ損失を低く押さえるとともに、正確な流量計測を行うための差圧を確保することができるような複数段階の開度を予め記憶している。なお、ここでは、可変絞り機構６ｋの開度として、複数段階に変化させる場合を示すが、可変絞り機構６ｋの開度を連続的に変更させても構わない。
【００４６】
この構成によれば、流体機械１の定常運転において、制御器７は、計測された可変絞り機構６ｋの流体の流れ方向の前後の差圧に基づいて可変速駆動機９の回転数を演算し、この演算結果に基づいて流体機械１の回転数を制御する。一方、この状態から燃焼器５の燃料使用量が変更された場合、変更後の新たな燃料使用量が、流体機械１から圧送される流体の設定流量として制御器７に入力される。この場合、「流体機械１から圧送される流体の設定流量」は、オペレータが、制御器７に直接入力しても構わないが、流体機械１が組み込まれるコージェネレーション設備などの設備から制御器７に自動的に送信するようにしても構わない。そして、制御器７は、上記の設定流量に基づいて可変絞り機構６ｋの開度を演算し、その演算結果に基づいて可変絞り機構６ｋの開度を変更するとともに、開度変更後の可変絞り機構６ｋの差圧に基づいて流体機械１の回転数を変更する。
【００４７】
また、第１の実施の形態において述べたように、流量計測手段６により計測された流体機械１から圧送される流体の流量をその流体の温度により補正することもできる。例えば、図４に示すように、差圧発信器６ｃの導圧配管６ｄの上流側の吐出配管３に温度発信器６ｔを取り付けることができる。なお、温度発信器６ｔの取り付け場所は、差圧発信器６ｃの導圧配管６ｄが取り付けられている吐出配管３の近傍であることが好ましい。
【００４８】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る流量制御装置が、ガスタービンを用いたコージェネレーション設備の燃料供給システムに適用された場合の系統図を示している。なお、第１の実施の形態と同様の部分には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
上記のコージェネレーション設備は、熱出力と電気出力とを供給することができる設備であり、図５が示すように、空気圧縮機２１、ガスタービン２２、および発電機２３などから構成される。
【００４９】
上記のコージェネレーション設備は、熱出力と電気出力とを供給することができる設備であり、図５が示すように、空気圧縮機２１、ガスタービン２２、および発電機２３などから構成される。
【００５０】
上記の空気圧縮機２１、ガスタービン２２、および発電機２３は、同軸で連結されており、燃焼器２４とともに一体として形成され、該発電機２３は、空気圧縮機２１の吸込側に連設されている。なお、図５では、空気圧縮機２１の吸込配管（図示せず）と発電機２１とが別設されているが、発電機２１を覆うように前記吸込配管を配して空気圧縮機２１に吸込まれる空気ＡＩＲでもって発電機２３を冷却しても構わない。
【００５１】
また、空気圧縮機２１の吐出口は、配管２１ａを介して予熱器２５と接続され、該予熱器２５は、燃焼器２４と配管２１ｂとを介して接続されている。該燃焼器２４は、空気圧縮機２１とガスタービン２２との間に付設され、燃焼器２４の排気口はガスタービン２２の吸込口に連通している。該ガスタービン２２の排気口は、配管２２ａを介して予熱器２５と接続されており、該予熱器２５は、配管２２ａを介して廃熱回収器２６と接続され、該廃熱回収器２６には、配管２６ａが接続されている。廃熱回収器２６は、配管２８ｂを介して給湯設備２７と接続されている。該給湯設備２７と廃熱回収器２６との間には、循環ポンプ２８が付設され、給湯設備２７は、配管２７ａを介して循環ポンプ２８と接続されている。該循環ポンプ２８は、配管２８ａを介して廃熱回収設備２６と接続されている。なお、この例では、給湯設備２７としているが、熱を利用できる冷暖房設備などであっても構わない。
【００５２】
この構成によれば、空気圧縮機２１により吸い込まれた被圧縮空気ＡＩＲは、予熱器２５においてガスタービン２２からの排気ガスと熱交換して加温された後、燃焼器２４に供給される。該燃焼器２４では、圧縮加温された被圧縮空気ＡＩＲと後述の流体機械１から供給される燃料とが混合され燃焼する。燃焼後の燃焼ガスは、ガスータービン２２に導入され、膨張して配管２２ａから排気される。この際、ガスタービン２２では、熱エネルギが回転エネルギに変換され、該回転エネルギによりガスタービン２２と同軸の発電機２３が回転し発電する。また、ガスタービン２２から排気された高温の排気ガスは、廃熱回収設備２６に導入され、給湯設備２７の循環水と熱交換した後、大気中に放出される。
【００５３】
一方、コージェネレーション設備の電気関連設備は、発電量を制御する発電機盤１８と送電設備２９などとから構成される。該発電機盤１８と発電機２３との間、および発電機盤１８と送電設備２９との間は、電力配線を介してそれぞれ接続され、発電機盤２３において電気の質を調整した後一般需要先に配電している。また、発電機盤１８は、ガスタービン２２の回転数を計測する計測器１９、および発電機２３のトルクまたは発電量などを計測する計測器２０などと計測配線を介して接続されており、各計測器１９、２０からの出力信号１９ａ、２０ａなどを受信している。なお、通常、これらの計測器１９、２０は、ガスタービン２２または発電機２３を制御するためコージェネレーション設備に常設されている。
【００５４】
また、コージェネレーション設備の燃焼器２４に燃料を供給する設備は、燃料タンク２、流体機械１、これを駆動する可変速駆動機９、これに所定の周波数の交流電力８ａを供給する可変速装置８、およびこれらを制御する制御器７などから構成される。制御器７は、計測配線を介して発電機盤１８と接続され、発電機２３のトルク若しくは発電量、またはガスタービン２２の回転数などと流体機械１の回転数との関係を予め記憶している。
【００５５】
なお、小型のコージェネレーション設備の流体機械１としては、少流量域で高効率な運転が可能であり、吐出圧力の変動が小さいスクロール圧縮機を使用することが望ましい。
【００５６】
この構成によれば、上記計測器１９、２０において計測された発電機２３のトルク若しくは発電量、またはガスタービン２２の回転数などのうち少なくとも１つの出力信号１８ａが、発電機盤１８から制御器７に送信され、その計測結果に基づいて流体機械１の回転数が演算される。その後、可変速装置８が、演算された回転数に基づいて所定の周波数の交流電力８ａを演算し、その演算された交流電力８ａが可変速駆動機９に供給される。その結果、可変速駆動機９により駆動される流体機械１の回転数が変わり、その吐出流量も変化する。この場合、流体機械１の燃料供給量と直接関係のある発電機２３のトルクなどを流体機械１の流量制御装置に使用しているので、正確な流量制御を行うことができる。
【００５７】
さらに、流体機械１の流量制御の精度を上げるために、流体機械１の運転にに関連する入力電力、入力電流、回転数、回転位相、吸込圧力または吐出圧力などの運転パラメータを計測し、その計測結果を制御器７に入力して流体機械１の回転数を制御することも可能である。
【００５８】
具体的には、流体機械１への入力電力または入力電流を計測する計測器を可変速装置８に付設し、ここで計測された入力電力または入力電流を出力信号８ｂとして制御器７に送信する。または、流体機械１の回転数または回転位相を計測する測定器１７を流体機械１に付設し、その出力信号１７ａを制御器７に送信する。そのほか、流体機械１の吸込配管１ａに吸込圧力計測器１５を、または流体機械１の吐出配管３に吐出圧力計測器１６を付設して、それぞれの出力信号１５ａ、１６ａを制御器７に送信することもできる。制御器７には、上記の運転パラメータと上記のコージェネレーション設備のガスタービン２２の回転数などとの関係が予め記憶されている。但し、上記の運転パラメータの全てが、制御器７に記憶される必要はなく、少なくとも１つが記憶されていればよい。
【００５９】
以上の構成によれば、例えば、流体機械１の入力電力を一例して説明すると、まず、コージェネレーション設備の発電機盤１８からの出力信号１８ａ（ガスタービン２２の回転数など）が制御器７に送信される。その後、制御器７では、これに対応する流体機械１の入力電力の設定値が演算され、さらに、この演算結果と計測された入力電力とが比較され、偏差が無くなるような流体機械１の回転数が演算される。その後、この演算結果に基づいて演算された所定の周波数の交流電力８ａが、可変速装置８から可変速駆動機９に送信され、その回転数を変更する。このように、発電機盤１８からの出力信号１８ａに基づいて流体機械１の回転数のフィードバック制御を行うことによって、流体機械１から圧送される流体の吐出流量の制御が行われる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係る流体機械の流体制御装置によれば、計測点数を低減することにより、制御系を簡単にして、その信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る流量制御装置を燃料供給システムに適用した場合の系統図である。
【図２】図１の流量制御装置に使用する流量計測手段の系統図である。
【図３】参考の流量制御装置を燃料供給システムに適用した場合の系統図である。
【図４】図３の流量制御装置に使用する流量計測手段の系統図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る流量制御装置がガスタービンを用いたコージェネレーション設備の燃料供給システムに適用された場合の系統図である。

Claims

流体機械から圧送される流体の吐出流量を計測する流量計測手段と、該流量計測手段の計測結果に基づいて前記流体機械の被駆動軸の回転数を制御する制御器とを備える流量制御装置において、
前記流体機械の吐出通路と吸込通路とを連絡し、該吐出通路中の流体を前記吸込通路に戻す還流通路を備え、
該還流通路に、前記流量計測手段が配されており、
前記流量計測手段が、前記還流通路中の流体の流れに対して直列に配され、その流量を制限する２つの絞り機構と、該絞り機構間の圧力を計測する圧力発信器とを備えることを特徴とする流量制御装置。
請求項１に記載の流量制御装置において、
前記絞り機構の流体の流れ方向の前後に接続される前記貫流通路中の流体の温度を計測する温度計測手段をさらに備え、
前記制御器が、該温度計測手段の計測結果に基づいて前記流量計測手段の計測結果を補正し、該補正結果に基づいて前記流体機械の被駆動軸の回転数を制御すべくなしてあることを特徴とする流量制御装置。
請求項１または２に記載の流量制御装置において、
前記流体機械の回転数、回転位相、入力電力、入力電流、吸込圧力および吐出圧力のうち少なくとも１つを計測する計測手段をさらに備え、
前記制御器が、前記計測手段の計測結果に基づいて前記流体機械の回転数を制御すべくなしてあることを特徴とする流量制御装置。