JP4627763B2 - 圧縮空気製造設備及びその運転方法 - Google Patents

Description

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。

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、圧縮機を容量制御するものである。
特開平９−２５０４８５号公報

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。

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。

上記目的を達成するため本願発明は、少なくとも１台の可変速圧縮機と、少なくとも１台の一定速圧縮機とを備えた圧縮空気製造設備において、前記可変速圧縮機および前記一定速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、該合流した吐出空気の圧力を検出する圧力検出手段と、該検出された圧力と、予め設定された制御上限圧力Hと制御下限圧力Lとを比較し、前記検出された圧力が、前記制御下限圧力Lより高く、前記制御上限圧力H未満であるとき、前記可変速圧縮機は回転数制御を含む容量制御を行い、前記一定速圧縮機は全負荷で運転し、前記検出された圧力が、前記制御上限圧力H以上になったとき、前記一定速圧縮機をすべて停止させ、前記可変速圧縮機を停止させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本願発明は、前記検出された圧力が前記制御下限圧力L以下であるとき、前記可変速圧縮機、前記一定速圧縮機の順に始動し、前記可変速圧縮機は回転数制御を含む容量制御を行い、前記一定速圧縮機は全負荷運転をする制御手段を備えたことを特徴とする。

そして、前記合流した吐出空気の圧力が予め設定した目標圧力以下である場合には、前記可変速圧縮機の回転数を上げる制御を行った後、前記一定速圧縮機を運転させることが望ましい。
さらに、前記合流した吐出空気の圧力が予め設定した目標圧力以上である場合には、前記可変速圧縮機の回転数を下げる制御を行った後、前記一定速圧縮機を停止させることが望ましい。
さらに、前記すべての一定速圧縮機が停止した後、前記可変速圧縮機を停止させることが望ましい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に本発明による実施例2について図３より説明する。
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 圧縮空気製造設備の消費動力特性を説明する図。 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。 圧縮機の消費動力特性を説明する図。 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 (2)

1. 少なくとも１台の可変速圧縮機と、少なくとも１台の一定速圧縮機とを備えた圧縮空気製造設備において、
   前記可変速圧縮機および前記一定速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、
   該合流した吐出空気の圧力を検出する圧力検出手段と、
   該検出された圧力と、予め設定された制御上限圧力Hと制御下限圧力Lとを比較し、
   前記検出された圧力が、前記制御下限圧力Lより高く、前記制御上限圧力H未満であるとき、前記可変速圧縮機は回転数制御を含む容量制御を行い、前記一定速圧縮機は全負荷で運転し、前記検出された圧力が、前記制御上限圧力H以上になったとき、前記一定速圧縮機をすべて停止させ、前記可変速圧縮機を停止させる制御手段と、を備えたことを特徴とする圧縮空気製造設備。
2. 請求項１記載の圧縮空気製造設備において、
   前記検出された圧力が前記制御下限圧力L以下であるとき、前記可変速圧縮機、前記一定速圧縮機の順に始動し、
   前記可変速圧縮機は回転数制御を含む容量制御を行い、前記一定速圧縮機は全負荷運転をする制御手段を備えたことを特徴とする圧縮空気製造設備。

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