JP3930987B2 - 圧縮空気製造設備及びその運転方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量制御可能な圧縮空気製造設備及びその運転方法に係り、特に、回転速度を変化させて圧縮機容量を調整する圧縮機と、定回転速度で運転する圧縮機とを組み合わせて容量制御する圧縮空気製造設備及びその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の圧縮空気製造設備の一例が、特開平9−250485号公報に開示されている。この公報に記載の圧縮機では、圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力センサーが圧縮機出口に設けられており、PID制御を用いて圧縮機の回転数を変化させ、圧縮機を容量制御している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術においては、圧縮機を単独で運転したときには、圧縮機の回転速度一定として容量制御するそれまでの方法に対し消費動力を大幅に低減している。しかしながら、圧縮機を複数台並列に接続して運転する圧縮空気製造設備では、ある程度の省電力効果は得られるものの、それまでの複数台運転制御に比較してもそれほど大きな消費電力低減が得られない、という不具合があった。
【0004】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は圧縮空気製造設備において、複数台の圧縮機を並列に運転するときの動力消費を極力低減することにある。本発明の他の目的は、複雑な構成を採用しなくとも圧縮空気製造設備において、省電力を達成することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第1の特徴は、少なくとも1台の回転速度可変の圧縮機と、少なくとも1台の固定回転速度の圧縮機とを備えた圧縮空気製造設備において、可変速度圧縮機及び前記固定速度圧縮機の各々から吐出される吐出空気をその吐出側で合流させる手段と、この合流した吐出空気の圧力を検出する圧力検出手段と、この検出圧力と予め設定された圧力とに基づいて圧縮機を停止または始動させる制御手段とを設け、この制御手段は固定速度圧縮機がすべて停止したあとで可変速度圧縮機を停止させ、固定速度圧縮機及び可変速度圧縮機の各々から吐出される吐出空気の圧力を検出する個別吐出圧力検出手段を設け、前記吐出圧力検出手段に不具合が発生したときにはこの個別吐出圧力検出手段の検出圧力に基づいて、制御手段が各圧縮機を制御するものである。
【0006】
そして、可変速度圧縮機は吸い込み絞り弁を備え、制御手段は、この可変速度圧縮機の回転速度が所定回転速度に低下するまでは回転速度を変えて圧縮機の容量を制御し、所定回転速度に達すると吸込み絞り弁により圧縮機の容量を制御する;合流手段の近傍に吐出圧力を制御する制御弁を設け、制御手段は、可変速度圧縮機が所定回転速度に達したら、吸込み絞り弁を閉じ、制御弁を用いて吐出圧力を低下させるよう制御し、固定速度圧縮機及び可変速度圧縮機の各々から吐出される吐出空気の圧力を検出する個別吐出圧力検出手段を設け、前記吐出圧力検出手段に不具合が発生したときにはこの個別吐出圧力検出手段の検出圧力に基づいて、制御手段が各圧縮機を制御する;制御手段は、少なくとも1台の固定速度圧縮機の始動及び停止の少なくともいずれかの手順を記憶する記憶手段を有することが望ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図1は、本発明に係る圧縮空気製造設備の一実施例のブロック図である。図2は、この図1に示した圧縮空気製造設備を運転するときのタイミングチャートの一例であり、いわゆるターンバック制御の例である。さらに、図5ないし図7は、ターンバック制御のフローチャート図である。
【0011】
本実施例は、3台の電動機で駆動される圧縮機を備えた圧縮空気製造設備であるが、台数は3に限るものでないことは言うまでもない。また、圧縮機としては、スクリュー圧縮機を前提としているが、これに限るものではない。ACV、BCC、CCC号機からなる3台の圧縮機の中で、ACV号機は電動機の回転速度が可変の可変速圧縮機である。BCC号機およびCCC号機は、電動機の回転速度が一定の圧縮機である。各圧縮機で圧縮された空気は、各圧縮機の出口部で集合されて空気槽1に導かれ、圧縮空気使用ラインに供給される。
【0012】
空気槽1には圧力センサーZSが取り付けられており、この信号は制御装置ACに取り込まれる。制御装置AC、BC、CCには予め制御上限圧力Hと制御下限圧力Lが設定されている。通常運転では、圧力センサーZSが検出した圧力と、制御装置ACに記憶された制御上限圧力Hおよび制御下限圧力Lを常時比較する。
【0013】
また、制御装置AC、BC、CCに運転する圧縮機の順序を予め設定しておく。例えば、ACV号機(最上位機)からCCC号機(最下位機)へACV→BCC→CCCの順に運転する。圧縮機の運転中に、空気槽の圧力が制御下限圧力Lより高く、制御上限圧力H未満であれば、圧縮機ACV号機は回転数制御を含む容量制御を行い、圧縮機BCC号機およびCCC号機は容量制御を行わずに全負荷で運転する。空気槽1の圧力が制御上限圧力H以上になったことを圧力センサーZSが検出したら、制御装置ACはAタイマーの積算を開始する。
【0014】
積算開始から制御装置ACに予め設定した時間が経過すると、制御装置ACから制御装置BCおよび制御装置CCをこの順で経由して、最終的に制御装置CCに圧縮機CCC号機を停止させる信号を発生させる指令が送られ、制御装置CCが圧縮機CCC号機を停止させる。圧縮機を停止させる信号を発する前に、圧力が制御上限圧力H以下になった場合は、Aタイマーを0にリセットする。圧縮空気製造設備から吐出される空気量より消費量が減少して、圧力が制御上限圧力Hに到達する毎に、この動作を繰り返し、末端の圧縮機から順次停止させる。
【0015】
これとは逆に、圧力センサーZSが圧力が制御下限圧力L以下であることを検出したときは、制御装置ACはBタイマーの積算を開始する。積算開始時間から制御装置ACに予め設定した時間が経過したら、停止順とは逆の順序、つまり上位側から圧縮機を始動する指令を制御装置ACが指令する。そして、始動する圧縮機が圧縮機ACV号機の場合には、圧縮機ACV号機を回転数制御を含む容量制御する。始動する圧縮機が、圧縮機BCC号機より末端側なら、全負荷運転する。圧縮機を始動する前に圧力が制御下限圧力L以上になったら、Bタイマーを0にリセットする。ここで、Aタイマー及びBタイマーの設定時間は、圧縮空気製造設備の安定性等を考慮して任意に設定できる。
【0016】
容量制御する圧縮機ACV号機は、圧力が一定になるように回転数を変化させて運転する。圧縮機ACV号機の回転速度可変範囲は、図2に示したように、30〜100%に設定している。この制御圧力は制御下限圧力Lと制御上限圧力Hの間の任意の圧力に設定する。この圧力も圧力センサーZSで検出する。以上の制御の様子は図5から図7に示したフローチャートに詳しいが、図5は圧縮機ACV号機の運転に関するフローチャートであり、図6は圧縮機BCC号機の運転に関するフローチャート、図7は圧縮機CCC号機の運転に関するフローチャートである。なお、圧縮機の運転台数が、4台以上になったときには、図7に示した圧縮機CCC号機の制御フローチャートと同様な手順を踏んで、各圧縮機DCC,ECC,・・・を制御する。
【0017】
図3に、圧縮空気製造設備を、上記実施例とは異なる制御法を用いて制御するときのタイミングチャートを示す。圧縮空気設備としては、図1に示した設備を用いている。この制御法は、いわゆるロータリー制御といわれる制御である。図8及び図9に、ロータリー制御時のフローチャートを示す。
【0018】
制御装置AC、BC、CCはターンバック制御機能と、下記のロータリー制御機能の双方を備えている。各制御装置AC、BC、CCに、始動及び停止する圧縮機の順序を予め設定する。例えば、圧縮機ACV号機(最上位機)を始動し、その後圧縮機BCC号機、次いで圧縮機CCC号機(最下位機)をACV→BCC→CCC順で始動する点は、上記ターンバック制御と同一である。
【0019】
圧縮機の運転中に空気槽の圧力が制御下限圧力Lより高く、制御上限圧力H未満であれば、圧縮機ACV号機について回転数制御を含む容量制御し、圧縮機BCC号機および圧縮機CCC号機を容量制御せずに全負荷で運転する点も、上記ターンバック制御と同じである。ただし、容量制御運転に入ると、回転速度制御可能な圧縮機ACV号機を除いて、常に圧縮機BCC号機を先に、圧縮機CCC号機を後に始動、または停止する。すなわち、容量が低下するときは、圧縮機BCC号機を先に停止し、圧縮機CCC号機を後に停止する。また、運転再開も圧縮機BCC号機を先に始動し、圧縮機CCC号機を後に始動する。この詳細を以下に示す。
【0020】
空気槽1の圧力が制御上限圧力H以上になったことを圧力センサーZSが検出したら、制御装置ACはAタイマーの積算を開始する。積算開始から制御装置ACに予め設定した時間が経過すると、制御装置ACが、制御装置BCおよび制御装置CCの順に各制御装置を経由して、圧縮機ACV号機を除く最後に停止した号機の次の号機の制御装置に圧縮機を停止させる指令を送信し、この号機の圧縮機を停止する。最後に停止した号機が最終号機(最下位機)の場合は、圧縮機BCC号機に戻る。圧縮機ACV号機を除く全ての圧縮機が停止しているときは、圧縮機ACV号機を停止させる。圧縮機を停止する信号を発する前に、圧力が制御上限圧力H以下になったときは、Aタイマーを0にリセットする。圧縮空気製造設備から吐出される空気量より、消費量が減少して圧力が制御上限圧力Hに到達する毎に、この動作を繰り返し順次圧縮機を停止する。
【0021】
これとは逆に、圧力が制御下限圧力L以下になったことを圧力センサーZSが検出したら、制御装置ACはBタイマーの積算を開始する。積算開始時間から、制御装置ACに予め設定された時間が経過すると、制御装置ACから制御装置BC、次いで制御装置CCの順に各制御装置を経由して、圧縮機ACV号機を除く最後に始動した号機の次の号機の制御装置に圧縮機を始動させる指令が送られる。そして、停止指令に対応した制御装置が、対応の圧縮機を停止させる。
【0022】
ここで、最後に始動した号機が最終号機(最下位機)であるか、またはまだ圧縮機BCC号機以降全て運転していなければ圧縮機BCC号機を停止させる。圧縮機ACV号機が停止しているときは、圧縮機ACV号機を始動させる。
【0023】
始動した圧縮機が圧縮機ACV号機の場合は回転数制御を含む容量制御をし、圧縮機BCC号機以降の場合は全負荷運転する。圧縮機を始動させる前に圧力が制御下限圧力L以上になったときは、Bタイマーを0にリセットする。以上の制御については、図8及び図9にフローチャートの詳細を示している。
【0024】
図8は、圧縮機ACV号機に関する制御のフローチャートであり、図9は代表的に圧縮機BCC号機に関する制御のフローチャートを示したものである。圧縮機CCC号機に関しては、図9と同様の制御のフローチャートとなる。また、圧縮機の台数が4台以上の場合には、増加した分の制御のフローチャートは図9と同様である。さらに、図3は制御のタイミングチャートであり、図2に示したターンバック制御に比べて、圧縮機BCC号機及びCCC号機の始動、停止タイミングが相違している点がロータリー制御の特徴である。なお、この図3のロータリー制御においても、圧縮機ACV号機の回転速度制御範囲を30〜100%に設定している。
【0025】
ターンバック制御は、各圧縮機の最大吐出空気量が違う場合に採用すると有効であり、圧縮機ACV号機を除く他の圧縮機の最大吐出空気量の多い機種から、BCC号機、CCC号機と順に定めるのが良い。一方、ロータリー制御は、圧縮機ACV号機を除く各圧縮機の運転時間を平均化できるので、ほぼ同一の圧縮機を複数台採用するときに特に有効である。
【0026】
圧縮機ACV号機以外の圧縮機が故障したら、その故障した圧縮機の制御装置を上記ターンバック制御またはロータリー制御の制御システムから切り離す。このとき、故障した圧縮機より優先度が下位の号機の圧縮機の始動・停止については、圧縮機ACV号機からの指令が、優先度が最下位の圧縮機の制御装置、次いで最下位より一つ手前の圧縮機の制御装置という具合に伝達されるように、優先度の最下位から順次優先度が上位の制御装置を経由するようにする。
【0027】
圧力センサーZSが故障した場合は、圧力センサーZSを上記ターンバック制御またはロータリ制御の制御システムから切り離し、制御に係る圧力を圧縮機ACV号機の圧力センサーASで検出するようにする。さらに圧力センサーASも故障した場合には、圧力センサーASも制御システムから切り離し、制御に係る圧力を圧縮機BCC号機の圧力センサーBSで検出するようにする。この場合、制御装置BCから制御装置ACに圧力の検出値を伝え、制御装置ACはその圧力値に基づいて制御する。この結果、圧縮空気製造設備の全ての圧力センサーが故障するまで、安定して圧縮空気製造設備を容量制御することができる。
【0028】
圧縮機ACV号機が故障したときは、全ての圧縮機を制御システムから切り離す。そして、圧縮機ACV号機以外の各圧縮機を、それぞれが有する圧力センサーで、独立に容量制御する。
【0029】
図10及び図11に、本圧縮空気製造設備に用いる圧縮機1台についての、使用空気量Qと消費動力LDの関係を示す。これらの図において、全負荷時の吐出し空気量を100%、そのときの圧縮機の消費動力を100%と正規化して示している。
【0030】
図10は、圧縮機の回転速度を一定にし、圧縮機の吸込側に設けた絞り弁の開度を変えて流量調整したときの消費動力の変化を示した図である。図11は、回転速度を可変にした圧縮機を用いて、圧縮機の流量調整したときの消費動力の変化を示した図である。空気量が、30%〜100%の範囲では回転速度制御し、30%以下の空気量範囲では、図10と同様の吸込絞りにより流量調整している。圧縮機1台のみを用いるときには、図11に示した回転速度制御併用の方が大幅に容量制御特性に優れている。そして、負荷変動時の電力消費を大きく改善できる。
【0031】
ところで、圧縮機の回転速度が一定の吸込絞り方式の圧縮機を5台採用し、その中の1台のみを容量制御し、他は全負荷運転させると、図4においてIIで示した消費動力特性となる。これは、従来の圧縮機の台数制御方法として広く用いられている制御方法である。
【0032】
また、回転速度可変の5台の圧縮機を単純に並列運転すると、図4においてIで示した消費動力特性が得られる。この図4におけるIとIIの比較においては、部分的にIIの方が消費動力が下回るところがあり、必ずしも回転速度可変による制御方法が省電力面で吸込み絞り制御に比べて優位であるとは言えない。
【0033】
以上に対し、本発明の圧縮空気製造設備では、回転速度が可変の圧縮機1台と、回転速度が一定の圧縮機複数台とを備えているので、図4においてIIIで示した消費動力特性を得ることが可能となる。すなわち、複数台の圧縮機を備えた圧縮空気製造設備においても、消費空気量に対してほぼ直線的に消費動力が低下する理想的な消費動力特性を得ることができる。
【0034】
この場合、回転速度可変の圧縮機5台を用いるIIの方式と比較すると、図4において傾斜部が省電力となる。具体的には、37kWの圧縮機5台を用いる場合、本発明の実施例のほうが、最大18kWhだけ省電力となる。これは、図10のP点と図11のQ点との差に相当する。なお、この比較は圧縮機5台の場合であるが、圧縮機の台数がこれ以外でも、台数に応じて省電力となることは言うまでもない。
【0035】
また、回転速度可変の圧縮機は、吐出圧力を一定値にするように制御を行わせることができるため、この設定圧力を制御下限圧力Lより少し高く設定しておけば、無駄な圧力上昇を防止し、この面でも消費電力を軽減することが可能である。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、複数台の圧縮機を有する圧縮空気製造設備において、回転速度が可変の圧縮機を最小数備えただけで、使用空気量の減少に対応してほぼ直線的に消費動力を減少させることが可能になり、容量制御による無駄な消費動力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る圧縮空気製造設備の一実施例のブロック図。
【図2】図1に示した実施例をターンバック制御したときのタイムチャート。
【図3】図1に示した実施例をロータリー制御したときのタイムチャート。
【図4】圧縮空気製造設備の消費動力特性を説明する図。
【図5】図1に示した実施例をターンバック制御するときのフローチャート。
【図6】図1に示した実施例をターンバック制御するときのフローチャート。
【図7】図1に示した実施例をターンバック制御するときのフローチャート。
【図8】図1に示した実施例をロータリー制御するときのフローチャート。
【図9】図1に示した実施例をロータリー制御するときのフローチャート。
【図10】圧縮機の消費動力特性を説明する図。
【図11】圧縮機の消費動力特性を説明する図。
【符号の説明】
1…空気槽、
AS,BS,CS,ZS…圧力センサー、
AC,BC,CC…制御装置、
ACV…可変回転速度圧縮機、
BCC,CCC,DCC,ECC…固定回転速度圧縮機、
H…制御上限圧力、L…制御下限圧力。
Claims (4)
- 少なくとも1台の回転速度可変の圧縮機と、少なくとも1台の固定回転速度の圧縮機とを備えた圧縮空気製造設備において、前記可変速度圧縮機及び前記固定速度圧縮機の各々から吐出される吐出空気をその吐出側で合流させる手段と、この合流した吐出空気の圧力を検出する圧力検出手段と、この検出圧力と予め設定された圧力とに基づいて圧縮機を停止または始動させる制御手段とを設け、この制御手段は前記固定速度圧縮機がすべて停止したあとで前記可変速度圧縮機を停止させ、前記固定速度圧縮機及び可変速度圧縮機の各々から吐出される吐出空気の圧力を検出する個別吐出圧力検出手段を設け、前記吐出圧力検出手段に不具合が発生したときにはこの個別吐出圧力検出手段の検出圧力に基づいて、前記制御手段が各圧縮機を制御することを特徴とする圧縮空気製造設備。
- 前記可変速度圧縮機は吸い込み絞り弁を備え、前記制御手段は、この可変速度圧縮機の回転速度が所定回転速度に低下するまでは回転速度を変えて圧縮機の容量を制御し、所定回転速度に達すると前記吸込み絞り弁により圧縮機の容量を制御することを特徴とする請求項1に記載の圧縮空気製造設備。
- 前記合流手段の近傍に吐出圧力を制御する制御弁を設け、前記制御手段は、前記可変速度圧縮機が所定回転速度に達したら、前記吸込み絞り弁を閉じ、前記制御弁を用いて吐出圧力を低下させるよう制御することを特徴とする請求項2に記載の圧縮空気製造設備。
- 前記制御手段は、前記少なくとも1台の固定速度圧縮機の始動及び停止の少なくともいずれかの手順を記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の圧縮空気製造設備。
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