JP5424970B2

JP5424970B2 - 圧縮装置および圧縮装置の運転方法

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Publication number: JP5424970B2
Application number: JP2010098088A
Authority: JP
Inventors: 泰治松本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: JP2011226418A

Description

本発明は、圧縮装置および圧縮装置の運転方法に関する。

一般的にガスを圧縮する圧縮装置は、その吐出圧力を一定に保つように制御される。圧縮装置と需要先とが離れている場合、圧縮装置から需要先までの流路における圧力損失があり、需要先における末端圧力は、圧縮装置の吐出圧力より低い圧力となる。そのような圧力損失は、流量が多くなるほど大きくなるため、末端圧力がガスの消費量に応じて変動してしまう。このため、圧縮装置の吐出圧力は、需要先のガス消費量が最大のときに末端圧力が必要圧力となるように設定され、ガス消費量が少ないときには過剰な圧力でガスを供給して余分なエネルギーを消費してしまう。

特許文献１には、インバータ駆動される圧縮機の吐出流量が回転数によって決定され、且つ、需要先までの流路損失がガス流量に依存することを前提に、需要先までの流路損失を圧縮機の回転数に基づいて推測し、末端圧力を一定に保つように吐出圧力の目標値を変更して、省エネを達成する圧縮装置が記載されている。

一方、例えば特許文献２に記載されているように、圧縮機の回転数制御ではなく、圧縮機の容量を調整するスライド弁や吐出ガスを吸込側に環流させるスピルバック弁によって圧縮機の吐出圧力を制御する圧縮装置も存在する。そのような圧縮装置では、前記特許文献１の方法は適用できない。

特開２００８−１９７４６号公報特開平１１−２０１０６９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明による圧縮装置は、スライド弁やスピルバック弁を用いながら、需要先におけるガス圧力を一定に保つことができる圧縮装置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、ロータ室に収容したスクリュロータによって吸込流路から吸い込んだガスを圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機を有し、需要先に供給流路を介して圧縮ガスを供給する圧縮装置であって、前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁と、前記吸込流路の圧力を検出する吸込圧力検出器と、前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を一定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度を調整する制御手段とを有するものとする。

この構成によれば、スライド弁の位置およびスピルバック弁の開度によって、供給流路に供給される圧縮ガスの流量を算出して供給流路における圧力損失を算出し、供給流路に所望圧力よりも圧力損失分だけ高い圧力の圧縮ガスを供給することにより、無駄なエネルギー消費を抑制できる。

また、本発明の圧縮装置において、前記制御手段は、次の数式１により前記目標値を決定してもよい。

但し、Ｐ１は前記目標値、Ｚは前記スライド弁の位置、ｆ（Ｚ）は予め与えられた前記スクリュ圧縮機の特性関数、Ｘは前記スピルバック弁の開度、ＣＶ（Ｘ）は予め与えられた前記スピルバック弁の特性関数、Ｐ２は前記需要先において望まれる圧力、Ｐｓは前記吸込流路の圧力、Ｐｓｏは前記スクリュ圧縮機の設計吸込圧力、Ｐｄは前記吐出流路の圧力、ΔＰｍａｘは前記供給流量が前記スクリュ圧縮機の定格流量であるときの前記供給流路における圧力損失、Ｑｔｙｐは前記スクリュ圧縮機の定格流量、Ａは圧縮するガスの物性により定まる定数である。

上記数式１において、右辺の｛｝内は、供給流路へのガス供給流量のスクリュ圧縮機の定格流量Ｑｔｙｐに対する比を示す。供給流路における圧力損失は、流量の二乗に比例するため、数式１は、所望の末端圧力Ｐ２に供給流路における圧力損失分を加算した圧力を、スクリュ圧縮機の吐出圧力Ｐｄの目標値Ｐ１とすることを意味する。

また、本発明の圧縮装置において、前記制御手段は、前記需要先のガス消費量の急変を示す信号を受信したときに、前記スライド弁および前記スピルバック弁の少なくともいずれかに対する制御出力に、予め定めた加算値を加算してもよい。これにより、前記需要先における不連続な負荷変動に対しても、圧縮装置の安定した運転が可能になる。

また、本発明によれば、ロータ室に収容したスクリュロータによって吸込流路から吸い込んだガスを圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機によって、需要先に供給流路を介して圧縮ガスを供給する圧縮装置であって、前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁とを有する圧縮装置において、前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を一定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度を調整する。

本発明の１つの実施形態の圧縮装置の構成図である。図１の制御装置における制御のフローチャートである。図１のスクリュ圧縮機のスライド弁の位置に応じた流量を示す図である。図１のスピルバック弁の開度に応じた流量を示す図である。

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１を示す。圧縮装置１は、ロータ室内に雌雄一対のスクリュロータを収容したスクリュ圧縮機２を有する。スクリュ圧縮機２は、吸込口の開口を可変して実効的な圧縮容量を変更するスライド弁３を有し、吸込流路４から空気（ガス）を吸い込んで、スクリュロータによって圧縮し、圧縮した空気を吐出流路５に吐出する。スライド弁３は、流体圧アクチュエータ６によって位置決め駆動される。

また、圧縮装置１は、吐出流路５から吸込流路４に、吐出した圧縮空気の一部を環流させるスピルバック弁７と、吐出流路５の圧力（吐出圧力）Ｐｄを検出する吐出圧力検出器８と、吸込流路４の圧力（吸込圧力）Ｐｓを検出する吸込圧力検出器９と、吐出流路５に接続したバッファとなる吐出空気槽１０と、吸込流路４に接続したバッファとなる吸込空気槽１１とを有する。スライド弁３の位置Ｚおよびスピルバック弁７の開度Ｘは、コンピュータからなる制御装置１２によって、吐出圧力検出器８および吸込圧力検出器９の検出結果に基づいて調節される。

圧縮装置１からは、配管からなる供給流路１３を通して、圧縮空気を消費する需要先１４に圧縮空気が供給される。圧縮装置１において、制御装置１２は、この需要先１４における圧縮空気の圧力（末端圧力）Ｐｃを直接検知することはできないが、末端圧力Ｐｃを所定の圧力Ｐ２に維持するために、スクリュ圧縮機２の吐出圧力の目標値Ｐ１を変更するようにプログラムされている。また、制御装置１２は、需要先１４から負荷遮断を示す接点信号等を受信できるようになっている。

図２に、圧縮装置１において、制御装置１２が行うスライド弁３およびスピルバック弁７の制御の流れを示す。先ず、ステップＳ１では、供給流路１３における圧縮空気流量を算出する。スクリュ圧縮機２の吐出流量Ｑｃは、吸込圧力検出器９が検出した吸込圧力Ｐｓと、設計吸込圧力Ｐｓｏと、定格容量（吐出量）Ｑｔｙｐと、制御装置１２によって定められるスライド弁３の位置に応じて定められるスクリュ圧縮機２の容量の定格容量に対する比を示す容量特性関数ｆ（Ｚ）とによって、数式２のように表すことができる。

尚、スクリュ圧縮機２の容量特性関数ｆ（Ｚ）は、スクリュ圧縮機２の型式等により特定され、例えば、図３に示すような関係になる。したがって、容量特性関数ｆ（Ｚ）は、予め制御装置１２に、スライド弁３の位置Ｚの区分に対応する容量の比を示す表である参照テーブルのような形式のデータとして記憶される。

また、スピルバック弁を介した環流流量Ｑｂは、吐出圧力検出器８が検出した吐出流路５の圧力Ｐｄと、吸込圧力検出器９が検出した吸込流路４の圧力Ｐｓと、制御装置１２によって定められるスピルバック弁７の弁開度Ｘにより決定される容量係数（ＣＶ値）ＣＶ（Ｘ）と、空気の物性によって定められる係数（水に対する流量比）Ａとによって、数式３のように表すことができる。

尚、スピルバック弁７の容量係数ＣＶ（Ｘ）は、スピルバック弁７の型式等により定められ、通常、仕様書等においてバルブのメーカから提供されるものである。容量係数ＣＶ（Ｘ）は、例えば、図３に示すような関係を有し、予め制御装置１２に参照テーブルのような形式のデータとして記憶される。

続いて、ステップ２で、供給流路１３における圧力損失を算出する。圧力損失は、供給流路１３を流れる圧縮空気の流量に依存するため、最初に供給流路１３における流量を算出する。供給流路１３を通した供給流量Ｑは、スクリュ圧縮機２の吐出流量Ｑｃからスピルバック弁７を介した環流量Ｑｂを差し引いた流量（Ｑｃ−Ｑｂ）である。

そして、圧力損失ΔＰは供給流量Ｑの二乗に比例するため、スクリュ圧縮機２の吐出量Ｑｂが最大で、スピルバック弁７を介した環流量Ｑｂがゼロであるときに、供給流量Ｑが最大となる。このとき、つまり、供給流量Ｑがスクリュ圧縮機２の定格吐出量Ｑｔｙｐと等しいときに、圧力損失は最大値ΔＰｍａｘになる。これより、圧力損失Ｐは、次の数式４で表すことができる。

供給流路１３の末端圧力Ｐｃを所望の圧力Ｐ２にするには、吐出流路５の圧力Ｐｄの制御上の目標値である設定値Ｐ１を、Ｐ２とΔＰとの和に設定すればよい。尚、ΔＰｍａｘは、供給流路１３の付設時や圧縮装置１の設置時に実験により確認し、制御装置１２に記憶させなければならない。

したがって、制御装置１２は、ステップＳ３において、Ｐ１を次の数式５によって表される値に設定する。

そして、制御装置１２は、ステップＳ４において、吐出圧力検出器８が検出した実際の吐出流路５の圧力Ｐｄと、前記設定値Ｐ１との偏差に基づいて、公知のＰＩＤ演算によって、スピルバック弁７の制御量ＭＶ１を算出する。

さらに、制御装置１２は、ステップＳ５で、需要先１４の負荷の急激な変動を示す信号入力がないか確認する。ステップＳ５で、負荷変動、つまり、圧縮空気の消費量の急変が確認されなければステップＳ６で、ステップＳ４におけるＰＩＤ制御の演算結果にしたがってスピルバック弁７の開度を調整する。もしも、ステップＳ５で信号入力により負荷変動が確認されれば、制御装置１２は、ステップＳ７で、ＰＩＤ演算の制御出力ＭＶ１に、信号に対応して予め設定されている加算値ＦＦを加算した量を操作量として、スピルバック弁７の開度を調整する。これにより、急激な負荷の変動を相殺して、ＰＩＤ制御の乱れを低減できる。

このようにして、圧縮装置１は、短期的には、応答の早いスピルバック弁７の開度調節により、吐出流路５の圧力Ｐｄを設定値Ｐ１に維持する。しかしながら、スピルバック弁７を介して吸込流路４に圧縮空気を環流させることは、圧縮に要したエネルギーを廃棄するに等しい。このため、圧縮装置１では、スピルバック弁７の開度を小さくできるように、スライド弁３を操作する。スピルバック弁７は、実質的にスクリュ圧縮機２の圧縮容量を変化させるので、吐出流量の減少に伴って消費動力が小さくなる。

このために、制御装置１２は、ステップＳ８において、スライド弁３の位置調整の制御量ＭＶ２をＰＩＤ演算によって算出し、ステップＳ９において、流体圧アクチュエータ６を駆動してスライド弁３を位置決め操作する。

以上のステップＳ１からＳ９の制御は、圧縮装置１の運転中は、休むことなく繰り返される。

本実施形態では、エネルギー効率に優れたスライド弁３と応答性に優れたスピルバック弁７とを吐出圧力Ｐｄの制御に用いている。すなわち、本実施形態では、スライド弁３とスピルバック弁７の各々の制御上の特性を活かしつつ、所望圧力よりも供給流路１３における圧力損失分だけ高圧の圧縮ガスを供給して、無駄なエネルギー消費を抑制した吐出圧力制御（末端圧力Ｐｃを所望の圧力Ｐ２に維持することができるような吐出圧力Ｐｄの制御）を実現できる。

１…圧縮装置
２…スクリュ圧縮機
３…スライド弁
４…吸込流路
５…吐出流路
７…スピルバック弁
８…吐出圧力検出器
９…吸込圧力検出器
１２…制御装置
１３…供給流路
１４…需要先

Claims

ロータ室に収容したスクリュロータによって吸込流路から吸い込んだガスを圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機を有し、需要先に供給流路を介して圧縮ガスを供給する圧縮装置であって、
前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁と、
前記吸込流路の圧力を検出する吸込圧力検出器と、
前記吐出流路の圧力を検出する吐出圧力検出器と、
前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を一定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度を調整する制御手段とを有することを特徴とする圧縮装置。
前記制御手段は、次の式により前記目標値を決定することを特徴とする請求項１に記載の圧縮装置。

但し、Ｐ１は前記目標値、Ｚは前記スライド弁の位置、ｆ（Ｚ）は予め与えられた前記スクリュ圧縮機の特性関数、Ｘは前記スピルバック弁の開度、ＣＶ（Ｘ）は予め与えられた前記スピルバック弁の特性関数、Ｐ２は前記需要先において望まれる圧力、Ｐｓは前記吸込流路の圧力、Ｐｓｏは前記スクリュ圧縮機の設計吸込圧力、Ｐｄは前記吐出流路の圧力、ΔＰｍａｘは前記供給流量が前記スクリュ圧縮機の定格流量であるときの前記供給流路における圧力損失、Ｑｔｙｐは前記スクリュ圧縮機の定格流量、Ａは圧縮するガスの特性により定まる定数である。
前記制御手段は、前記需要先のガス消費量の急変を示す信号を受信したときに、前記スライド弁および前記スピルバック弁の少なくともいずれかに対する制御出力に、予め定めた加算値を加算することを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮装置。
ロータ室に収容したスクリュロータによって吸込流路から吸い込んだガスを圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機によって、需要先に供給流路を介して圧縮ガスを供給する圧縮装置であって、
前記ロータ室の開口を可変して圧縮容量を変更するスライド弁と、前記吐出流路に吐出したガスの一部を前記吸込流路へ環流させるスピルバック弁とを有する圧縮装置において、
前記スライド弁の位置と前記吸込流路の圧力とから前記スクリュ圧縮機の吐出流量を算出し、前記スピルバック弁の開度と前記吸込流路の圧力と前記吐出流路の圧力とから前記吐出流路から前記吸込流路へのガスの環流量を算出し、前記吐出流量から前記環流量を減じて得られる前記需要先へのガスの供給流量に基づいて、前記供給流路における圧力損失を補償して前記需要先における末端圧力を一定の圧力に維持するように、前記吐出流路の圧力の目標値を定め、前記吐出流路の圧力が前記目標値になるように、前記スライド弁の位置および前記スピルバック弁の開度を調整することを特徴とする圧縮装置の制御方法。
次の式により前記目標値を決定することを特徴とする請求項４に記載の圧縮装置の制御方法。

但し、Ｐ１は前記目標値、Ｚは前記スライド弁の位置、ｆ（Ｚ）は予め与えられた前記スクリュ圧縮機の特性関数、Ｘは前記スピルバック弁の開度、ＣＶ（Ｘ）は予め与えられた前記スピルバック弁の特性関数、Ｐ２は前記需要先において望まれる圧力、Ｐｓは前記吸込流路の圧力、Ｐｓｏは前記スクリュ圧縮機の設計吸込圧力、Ｐｄは前記吐出流路の圧力、ΔＰｍａｘは前記供給流量が前記スクリュ圧縮機の定格流量であるときの前記供給流路における圧力損失、Ｑｔｙｐは前記スクリュ圧縮機の定格流量、Ａは圧縮するガスの特性により定まる定数である。