JP4906607B2

JP4906607B2 - 圧縮装置および圧縮装置の起動方法

Info

Publication number: JP4906607B2
Application number: JP2007167587A
Authority: JP
Inventors: 祐二石上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: JP2009007949A

Description

本発明は、圧縮装置、特にターボ圧縮機を用いた圧縮装置の起動方法に関する。

図５に、従来の圧縮装置の構成を示す。ターボ圧縮機１０１を用いた従来の圧縮装置は、ターボ圧縮機１０１の吸気流路を制限するインレットガイドベーン（ＩＧＶ）１０２と、ターボ圧縮機１０１の吐出した圧縮ガスを外部に放出する放気バルブ（ＢＯＶ）１０３とを有しており、吐出流路の圧力を検出する圧力伝送器１０４と、吐出流量を検出する圧力伝送器１０５とを備える。

この圧縮装置では、ターボ圧縮機１０１の吐出圧力が設定値になるように、インレットガイドベーン１０２の開度が調節され、吐出流量を監視して、圧縮ガスの需要が低下したときにサージを起こさないように、放気バルブ１０３を開いてターボ圧縮機１０１におけるガス流量を確保するように制御される。放気バルブ１０３の制御において、吐出流量の目標値は吐出圧力に比例して変化する。

図６に、従来の圧縮装置の起動手順を示し、起動時の吐出ガスの圧力および流量の遷移を図７に示す。従来の圧縮装置では、インレットガイドベーン１０２を全閉、放気バルブ１０３を全開にした状態から起動する。先ず、ステップＳ１０１で、ターボ圧縮機１０１の主電動機を起動し、ステップＳ１０２で、所定の待機時間が経過してターボ圧縮機１０１の回転が安定するのを待つ（点Ａ）。そして、ステップＳ１０３で、インレットガイドベーン１０２を所定開度まで開くと、吐出流量は、全量放風曲線に沿って流量が上昇する（点Ａ→点Ｂ）。さらに、ステップＳ１０４で、放気バルブ１０３を全閉にすると、吐出流量が減少して吐出圧力が上昇する（点Ｂ→点Ｃ）。この状態で、ステップＳ１０５で、インレットガイドベーン１０２の開度調節を吐出圧力による自動制御に切り替えると、吐出圧力を一定に保ちながら、負荷（需要）に応じて吐出流量が変化する（点Ｃ−点Ｄ間）。

以上のような圧縮装置の従来の起動手順によれば、放気バルブ１０３の全閉動作後、インレットガイドベーン１０２が自動制御になるまでの時間が比較的長時間に及ぶため、その時間が経過するまで（圧縮機が起動するまで）は、需要側に必要十分な圧縮ガスを供給することができないうえ、放気によって無駄な動力を消費してしまうことになる。

また、放気バルブ１０３を急速に閉じると、点Ｂから点Ｃへの吐出圧力の上昇および吐出流量の減少が急激となり、サージ領域にオーバーシュートしてしまう可能性があるため、放気バルブ１３の閉塞速度を抑える必要があり、圧縮装置の起動時間が長くなるという問題があった（図８のタイミングチャート参照）。
特開平６−３４６８９４号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、運転状態が不安定にならず、短時間で起動できる圧縮装置および圧縮装置の起動方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による圧縮装置は、ターボ圧縮機の吐出圧力を目標値に近づけるようにインレットガイドベーンの開度を調節する圧力調節計と、ターボ圧縮機の吐出流量を目標値に近づけるように放気バルブの開度を調節する流量調節計とを有し、起動時に、前記圧力調節計と前記流量調節計とを同時に動作させる機能を有し、前記吐出流量の目標値は、起動時には定常運転時よりも大きな値に設定され、吐出圧力が大きくなる程大きな値に設定されるものとする。

この構成によれば、インレットガイドベーンを開放しながら放気バルブを閉塞するので、定常運転に到達するまでの時間が短い。

また、本発明の圧縮装置において、前記吐出流量の目標値は、吐出圧力が大きくなる程大きな値に設定される。

このため、サージを効果的に防止できる。

また、本発明の圧縮装置において、前記吐出流量の目標値は、起動時には、定常運転時よりも大きな値に設定される。

このため、定常運転時には、サージを防止できる範囲で運転可能範囲を広く設定し、起動時には、サージに対するマージンを大きくすることで、制御の係数を大きくして、短時間で起動するようにできる。

また、本発明の圧縮装置において、前記吐出流量の起動時の目標値は、定常運転時の目標値に一定の値を加算した値に設定されてもよい。

この構成によれば、目標値の切替が容易である。

また、本発明によれば、ターボ圧縮機の吐出圧力を目標値に近づけるようにインレットガイドベーンの開度を調節する圧力調節計と、ターボ圧縮機の吐出流量を目標値に近づけるように放気バルブの開度を調節する流量調節計とを有する圧縮装置の起動方法は、起動時に、前記圧力調節計と前記流量調節計とを同時に動作させ、起動時には、前記吐出流量の目標値を、定常運転時よりも大きな値に設定する方法とする。

この方法によれば、インレットガイドベーンを開放しながら放気バルブを閉塞するので、定常運転に到達するまでの時間が短い。

また、本発明の圧縮装置の起動方法において、前記吐出流量の目標値を、起動時には、定常運転時よりも大きな値に設定する。

このため、定常運転時には、サージを防止できる範囲で運転可能範囲を広く設定し、起動時には、サージに対するマージンを大きくすることで、制御の係数を大きくして、短時間で起動できる。

本発明によれば、前記圧力調節計と前記流量調節計とを同時に動作させることで、圧縮装置を短時間に起動できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の１つの実施形態の圧縮装置を示す。本実施形態の圧縮装置は、ターボ圧縮機１によって、ガスを圧縮するものである。

この圧縮装置は、ターボ圧縮機１の吸込流路を制限するインレットガイドベーン（ＩＧＶ）２と、吐出流路から系外にガスを放出する放気バルブ（ＢＯＶ）３とを有している。ターボ圧縮機１は、主電動機４によって駆動され、主電動機１の駆動電流を計測する電流伝送器５を備える。また、圧縮装置の吐出流路には、ターボ圧縮機１の吐出圧力を検出する圧力伝送器６と、ターボ圧縮機１の吐出流量を検出する流量伝送器７とが設けられている。

インレットガイドベーン２の開度は、電流伝送器５の出力を制御入力とする電流調節計８の制御出力と、圧力伝送器６の出力を制御入力とする第１圧力調節計９の制御出力との内、ローセレクタ１０で選択した、値が低い方の制御出力に応じて定められる。

放気バルブ３の開度は、圧力伝送器６の出力を制御入力とする第２圧力調節計１１の制御出力と、流量伝送器７の出力を制御入力とする流量調節計１２の制御出力との内、ローセレクタ１３で選択した、値が低い方の制御出力に応じて定められるが、放気バルブ３は、入力された制御出力に対して逆動作するようになっている。

電流調節計８は、主電動機４の電流値の目標値に対する偏差を負帰還した制御出力を出力し、主電動機４が過負荷とならないようにするリミッタの役目を果たす。第１圧力調節計９は、ターボ圧縮機１の吐出圧力の所定の目標値Ｐ_Ｓ１に対する偏差を負帰還した制御出力を出力する。通常の運転条件では、電流調節計８の制御出力より第１圧力調節計９の制御出力の方が低くなり、第１圧力調節計９の制御出力がローセレクタ１０によってインレットガイドベーン２に入力される。そして、インレットガイドベーン２の開度調節によって、ターボ圧縮機１の吐出圧力は目標値Ｐ_Ｓ１に近づけられる。その結果、ターボ圧縮機１の吐出圧力は、目標値Ｐ_Ｓ１に維持される。

第２圧力調節計１１は、ターボ圧縮機１の吐出圧力の所定の目標値Ｐ_Ｓ１より高い目標値Ｐ_Ｓ２対する偏差を負帰還した制御出力を出力する。第２圧力調節計１１の目標値Ｐ_Ｓ２は目標値Ｐ_Ｓ１より高いので、第２圧力調節計１１の出力は、圧縮装置の起動後上昇し、異常がなければ１００％を維持する。

流量調節計１２は、ターボ圧縮機１の吐出流量の目標値に対する偏差を正帰還した制御出力を出力する。ターボ圧縮機１の吐出流量の目標値は、圧縮装置の定常運転時には、サージ限界流量より僅かに大きな値であって、ターボ圧縮機１の吐出圧力に比例して増減するサージ制御目標線上の値として規定される。ただし、圧縮装置の起動時には、ターボ圧縮機１の吐出流量の目標値は、サージ制御目標線を大流量側に平行移動した起動制御目標線が示す値、つまり、定常運転時の目標値に一定の値を加算した値に設定される。

異常のない通常の運転条件では、１００％の出力となる第２圧力調節計１１の制御出力より流量調節計１２の制御出力の方が低くなる。その場合、流量調節計１２の制御出力が、ローセレクタ１３によって放気バルブ３に入力される。そして、放気バルブ３の開度調節によって、ターボ圧縮機１の吐出流量は、目標値に近づけられる。

図２に、本実施形態の圧縮装置の起動手順を示し、起動時の吐出ガスの圧力および流量の遷移を図３に示す。圧縮装置は、インレットガイドベーン２を全閉、放気バルブ３を全開にした状態から起動する。

先ず、ステップＳ１で、主電動機４を起動し、ステップＳ２で、ターボ圧縮機１の回転数を安定させるために所定の待機時間が経過するのを待つ。ターボ圧縮機１の回転数が安定すると、ターボ圧縮機１の吐出圧量および吐出流量は、図３のＡ点になる。

そして、ステップＳ３で、電流調節計８または第１圧力調節計９によるインレットガイドベーン２の開度調節を開始するとともに、ステップＳ４で、流量調節計１２に起動制御目標線を適用し、ステップＳ５で、第２圧力調節計１１または流量調節計１２による放気バルブ３の開度調節を開始する。先に述べたように、圧縮装置に異常がなければ、ローセレクタ１０は、第１圧力調節計９の制御出力をインレットガイドベーン２に入力し、ローセレクタ１３は、流量調節計１２の制御出力を放気バルブ３に入力することになる。

第１圧力調節計９によってインレットガイドベーン２を自動制御すると同時に、流量調節計１２によって放気バルブ３を自動制御すると、図４に示すように、インレットガイドベーン２が開放されるとともに、放気バルブ３が閉鎖されてゆき、ターボ圧縮機１の吐出流量および吐出圧力が上昇する。本実施形態では、流量調節計１２の応答性が、第１圧力調節計９の応答性に勝るので、図３において、ターボ圧縮機１の吐出流量および吐出圧力は、概略起動制御目標線に沿うように上昇する。

そして、定格状態が起動目標線よりも大風量の場合には、ターボ圧縮機１の吐出流量および吐出圧力は、図３において、起動制御目標線上のＤ_０点に到達してから、Ｄ_１点に移動する。なお、逆に、定格の状態が起動目標線よりも小風量の場合には、ターボ圧縮機１の吐出圧力がＰ_ｓ１まで到達してから、ターボ圧縮機１の吐出流量の目標値が起動制御目標線からサージ制御目標線へと切り替えられ、ターボ圧縮機１の吐出流量がサージ制御目標線側に移動するのに追従して、Ｄ_２点に移動する。吐出流量および吐出圧力が定格に達したとき、放気バルブ３は全閉状態となるが、インレットガイドベーン２は全開に至らず制御の余裕を残す。

本実施形態の圧縮装置では、ステップＳ６において、放気バルブ３が全閉、ターボ圧縮機１の吐出圧力が定格値、および、主電動機の電流値が定格値のいずれかの条件を満たす（実際には、制御の許容差を考慮して、いずれかが、例えば９７％に達した）場合、定格運転状態に入ったものとみなし、ステップＳ７で、ターボ圧縮機１の吐出流量の目標値を起動制御目標線からサージ制御目標線に切り替える。ただし、急激に目標値を変えると、制御が不安定になるので、所定時間をかけて、徐々に、目標値を低下（制御線を平行移動）させる。

そして、圧縮装置は、ステップＳ８で、ターボ圧縮機１の吐出流量および吐出圧力がサージ制御目標線に達した時点で、昇圧（起動）が完了したものと判断する。そして、圧縮装置は、その後、定常運転を行う。

また、本実施形態の圧縮装置において、ステップＳ６の判定条件を満たさない場合、ステップＳ９で、所定時間が経過するのを待って、ターボ圧縮機１の吐出流量の目標値を起動制御目標線からサージ制御目標線に切り替えるようにする。

また、本実施形態において、起動制御目標線を適用する際には、流量調節計１２の制御パラメータ（ＰＩＤ係数など）を定常運転での応答性を重視した値に変更してもよい。つまり、起動制御目標線のサージ限界に対する余裕度が大きいので、流量が低流量側にオーバーシュートしてもサージが発生せず、流量調節計１２を過制御に設定して、すなわち、放気バルブ３の閉速度を早いものに設定して、起動時間を短縮できる。

定常運転の安定性を重視すると、流量調節計１２は、急激な需要の低下に対応できなくなる。そこで、流量低下検出ラインを設け、ターボ圧縮機１の吐出流量が流量低下検出ライン（図３参照）以下になったときは、放気バルブ３を強制的に全開するようにして、サージの発生を防止するとよい。この場合にも、図２のステップＳ３およびステップＳ４以下の、流量調節計１２に起動制御目標線を適用した制御を行うことで、定常運転に復帰させられる。

また、本実施形態の圧縮装置を停止する際にも、流量調節計１２に起動制御目標線を適用するとよい。この場合、インレットガイドベーン２が一定開度に到達する際、放気バルブ３は、起動制御目標線に沿った（開度）制御を維持し、その上で、放気バルブ３が全開となり、その後にインレットガイドベーン２が全閉となる。これにより、インレットガイドベーン２の閉動作におけるサージの発生を防止することができる。

本発明の実施形態の圧縮装置。図１の圧縮装置の起動手順を示す流れ図。図１の圧縮装置の起動時の状態変化を示す負荷曲線。図１の圧縮装置の起動時の状態変化を示すタイムチャート。従来の実施形態の圧縮装置。図５の圧縮装置の起動手順を示す流れ図。図５の圧縮装置の起動時の状態変化を示す負荷曲線。図５の圧縮装置の起動時の状態変化を示すタイムチャート。

符号の説明

１ターボ圧縮機
２インレットガイドベーン（ＩＧＶ）
３放気バルブ（ＢＯＶ）
４主電動機
５電流伝送器
６圧力伝送器
７流量伝送器
８流量調節計
９第１圧力調節計
１０ローセレクタ
１１第２圧力調節計
１２流量調節計
１３ローセレクタ

Claims

ターボ圧縮機の吐出圧力を目標値に近づけるようにインレットガイドベーンの開度を調節する圧力調節計と、
ターボ圧縮機の吐出流量を目標値に近づけるように放気バルブの開度を調節する流量調節計とを有し、
起動時に、前記圧力調節計と前記流量調節計とを同時に動作させる機能を有し、
前記吐出流量の目標値は、起動時には定常運転時よりも大きな値に設定され、吐出圧力が大きくなる程大きな値に設定されることを特徴とする圧縮装置。
前記吐出流量の起動時の目標値は、定常運転時の目標値に一定の値を加算した値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮装置。
ターボ圧縮機の吐出圧力を目標値に近づけるようにインレットガイドベーンの開度を調節する圧力調節計と、
ターボ圧縮機の吐出流量を目標値に近づけるように放気バルブの開度を調節する流量調節計とを有する圧縮装置の起動方法であって、
起動時に、前記圧力調節計と前記流量調節計とを同時に動作させ、
起動時には、前記吐出流量の目標値を、定常運転時よりも大きな値に設定することを特徴とする圧縮装置の起動方法。