JPH0324599B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧縮機の制御装置の改良に関する。

（従来の技術） 圧縮機は、種々のプロセスの応用において多用
されている。第７図は、よく用いられる吸入ガイ
ドベーン付の空気圧縮機（以下単に圧縮機と略
す）の特性曲線の一例を示す図である。図におい
て、横軸は流量（Ｎm³／ｈ）、縦軸は吐出圧力
（Kg／cm²）を示す。図には、ガイドベーン角度を
パラメータにした特性曲線が示されている。l₁は
サージラインである。この種の圧縮機では、流量
を減らしていくと吐出圧力が増大するが、この圧
力がある値以上になると異常動作状態（振動、異
常音の発生）になる。この臨界圧力の包絡線がサ
ージラインである。

l₂は定圧ラインで、通常は圧縮機の吐出圧力が
この定圧ラインl₂にのるような制御が行われる。
l₃はサージコントロールラインで、吐出圧力がサ
ージラインl₁に届く前にその手前にラインl₃を引
いて、如何なる場合でも圧縮機がサージ現象（サ
ージング）を引き起こさないような配慮がされて
いる。

第８図はサージング防止を施した圧縮機制御装
置の一例を示す構成図である。吸入フイルタ１を
通過した空気はガイドベーン２を介して圧縮機３
に入り、圧縮される。圧縮された空気は、調節弁
４を介して負荷に供給される。場合によつては、
図に示すように他圧縮機からの圧縮空気を加えら
れることがある。圧縮機出口側の吐出圧力は、圧
力検出器５により検出されて、圧力調節計６に送
られる。該圧力調節計６は、圧力測定値が予め定
められた目標値に一致するように負荷分配器７を
介してガイドベーン２を駆動する。

この結果、所要負荷流量の減少に伴い、ガイド
ベーン２の羽根角度は変えられ、第７図のl₂のラ
インを矢印方向に進む定圧制御が行われる。ここ
で、制御点が第７図のサージングコントロールラ
インl₃に達すると、流量検出器８、開平演算器
９、関数発生器１０、サージ調節計１１及び放風
弁１２とで構成されるサージング防止装置が働
き、放風弁１２から圧縮空気を放出せしめて吐出
圧力を下げ、サージングの発生を防止している。

次にサージング防止装置の動作を概説すると、
以下のとおりである。圧縮機３入口部の流量は、
流量検出器８により検出された後、開平演算器９
に入る。開平演算器９の出力は、関数発生器１０
に入り、該関数発生器１０は、流量に対応した吐
出圧力を目標値SVとしてサージ調節計１１に与
える。一方、実際の吐出圧力は、吐出側に設けら
れた圧力検出器１３によつて検出され、測定値
PVとしてサージ調節計１１に与えられる。サー
ジ調節計１１はPVがSVを越えそうになると、操
作出力MVを放風弁１２に与えて、弁を開き圧縮
空気の一部を放出し、吐出圧力を下げる。

（発明が解決しようとする問題点） 前述した従来の制御装置によつても、サージン
グを防止しながら圧縮機の吐出圧力制御を適正に
行うことができるように考えられる。しかしなが
ら、第７図に示す圧縮機の特性は固定された一定
のものではなく、吸入圧力、温度、ガス定数（プ
ロセスガス圧縮機の場合）等の運転条件によつて
変化するものである。従つて、正確で安定な圧力
制御を行うためには、第７図のサージコントロー
ルラインl₃を圧縮機３の特性変化に応じて自動的
に変えてやる必要がある。しかしながら、現実に
このような方法をとることは困難であり、このた
め、実際の制御においては、圧縮機３の特性変化
を見込んで、サージコントロールラインl₃をサー
ジラインl₁に対して相当のマージンを見込んで設
定せざるを得なかつた。このことは、マージン分
だけ早めに放風弁１２を開いて放風を開始すると
いうことになり、低負荷運転時の動力損失の一大
原因ともなり、効率のよい運転をすることができ
なかつた。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので
あつて、その目的はサージコントロールラインを
サージラインぎりぎりに設定できて効率のよい運
転を行うことができる圧縮機の最適制御装置を実
現することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記した問題点を解決する本発明は、圧縮機の
実吸入量とヘツドとの関係を示す特性を予め関数
発生器に記憶させておき、圧縮器入力部の温度、
圧力から実吸入量を算出し、該実吸入量を入力と
する前記関数発生器の出力をヘツド目標値として
圧縮機の吐出圧力を制御するように構成したこと
を特徴とするものである。

本発明の要旨は、圧縮機の特性を、直接計測で
きる吐出圧力と流量の関係として把えるのではな
く、圧縮機の真の作動状態を示すヘツド（等温ヘ
ツド又は断熱ヘツド）と実吸入量の関係に変換し
て把えているところにある。これにより圧縮機の
特性は、一義的に固定され変化するものでなくな
ることから、関数発生器によつてサージコントロ
ールラインをヘツドと実吸入量の関係として折線
関数により、サージラインぎりぎりに設定でき
る。このことにより低負荷運転時の不要な放風量
を減らし、動力損失を最小にしようというもので
ある。更に、圧縮機特性をヘツドと実吸入量とし
て把えることにより、特性曲線は運転条件によら
ず一定のものとなることからCRTデイスプレイ
上に静画として表示することができ、作動点をこ
の上にダイナミツクに表示することができる。こ
のためオペレータは目視により圧縮機作動状態が
作動範囲のどのような所で運転されているのか容
易に認識することができるようにしている。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す構成ブロツ
ク図である。第８図と同一のものは、同一の番号
を付して示す。図において、２１，２２は圧縮機
３入口部の圧力を検出する圧力検出器、２３は圧
縮機３入口部の空気の温度を検出する温度検出
器、２４は同じく圧縮機３入口部のオリフイス差
圧を検出する差圧検出器である。２５は圧力検出
器２１の出力P₁、差圧検出器２４の出力△Ｐ及
び温度検出器２３の出力Tsを受けて、これらの
プロセス変動値から吸入実風量（以下実吸入量と
略す）Qaを算出する第１の演算器、２６は該第
１の演算器２５の出力Qaを入力として受け、実
吸入量Qaに対応したヘツド量を目標値SVとして
出力する関数発生器である。即ち、関数発生器２
６には、圧縮機３の真の作動状態を示す実吸入量
Qaとヘツドとの関係を示す特性曲線が格納され
ている。

第２図は、実吸入量Qa［m³／ｈ］とヘツド（断
熱ヘツド又は等温ヘツド）［ｍKg／Kg］との関係
を示す特性曲線の一例図である。図において、横
軸は実吸入量Qaを、縦軸はヘツドを示す。l₁₁は
サージライン、l₁₂は折線構成のサージコントロ
ールライン、l₁₃は運転ヘツドラインである。図
に示す特性も第７図に示した特性曲線と同様、ガ
イドベーン角度をパラメータとして、変化する。

２７は、圧縮機３入口部の温度Ts、圧縮機３
直前の圧力Ps（圧力検出器２２の出力）及び圧縮
機３直後の圧力Pd（圧力検出器２８の出力）を受
けて、圧縮機３の発生しているヘツドを算出する
第２の演算器である。尚、第２の演算器２７に
は、更に別途ガス定数及び比熱比が与えられる。
２９は関数発生器２６の出力をヘツド目標値SV、
第２の演算器２７の出力ヘツド測定値PVとする
ヘツド調節計で、該調節計２８の操作出力MVが
放風弁１２に印加されて、放風制御を行なうよう
になつている。

３０は、第２の演算器２７の出力（ヘツド測定
値）を入力として受け、図に示すような特性の曲
線を発生させる関数発生器である。関数発生器３
０は、ある動作点以下での放風弁１２とガイドベ
ーン２との干渉を避けるためのもので、サージコ
ントロールラインl₁₂とガイドベーン開度一定の
特性曲線との交点から、各ヘツドに対する最大調
節角を与える折線ユニツトである。

３１は関数発生器３０の出力及び負荷分配器７
の出力を受け、低い方の値を出力するローセレク
タで、該ローセレクタ３０の出力はガイドベーン
２を駆動するようになつている。３２は、実吸入
量Qaと測定ヘツドとの関係を図示するCRTデイ
スプレイである。このように構成された装置の動
作を説明すれば、以下のとおりである。

先ず、通常の圧力制御について説明する。圧力
検出器５は圧縮機３の吐出圧力を計測して圧力調
節計６に測定値PVとして与える。該圧力調節計
６は、測定値PVと予め与えらた目標値SVとを比
較し、これらの偏差に応じた操作信号MVを出力
する。この圧力調節計６の出力は、負荷分配器７
を経てローセレクタ３１に与えられる。ローセレ
クタ３１は、圧力調節計６の出力及び関数発生器
３０の出力のうち小さい方の値をセレクトしてガ
イドベーン２に伝える。この結果、ガイドベーン
２は、ローセレクタ３１の出力に応じてガイドベ
ーンの羽角度を変え、圧縮機３の吐出圧力を一定
に保つ。

一方、圧縮機３が圧縮動作を行つている間に、
第１の演算器２５は圧力検出器２１の出力P₁、
温度検出器２３の出力Ts及び差圧検出器２４の
出力△Ｐを受け、実吸入量Qaを計算し求める。
一方、関数発生器２６には、実吸入量Qaとそれ
に対するサージコントロールラインとの関係を示
す第２図のような特性曲線が予め格納されてい
る。第２図のl₁₂がサージコントロールラインで、
図に示すように折線関数として格納される。この
実吸入量Qaとヘツドとの関係を示す特性曲線は、
前述したように圧縮機３に固有のもであり、ベー
ン角度に対して一義的に定まる。

第２図の縦軸は、圧縮機ヘツドで、断熱ヘツド
又は等温ヘツドがとられる。圧縮機３としては、
通常は多段圧縮機が用いられることが多く、この
場合中間冷却があるので等温ヘツドが用いられる
ことが多い。関数発生器２６は、実吸入量Qaに
対応したヘツド目標値SVを出力してヘツド調節
計２９に与える。

一方、第２の演算器２７は、圧縮機３の直前、
直後の圧力Ps、Pd、温度Ts及びガス定数、比熱
比とから、以下の式によりヘツド測定値を計算に
より求める。

Had＝｛ｋ／（ｋ−１）｝・RTs×［（Pd ／Ps）exp｛（ｋ−１）／ｋ｝−１］ (1) His＝RTsloge（Pd／Ps） (2) 但し、Hadは断熱ヘツドを、Hisは等温ヘツド
を示す。Ｒはガス定数、Ｋは比熱比である。演算
器２７は(1)、(2)式で与えられるヘツドのうち何れ
か一方の演算を行つて、その結果をヘツド測定値
PVとしてヘツド調節計２９に与える。

今、負荷が減少してきて、圧力調節計６によつ
て、第２図l₁₃ラインの矢印方向にガイドベーン
角度が変化して、サージコントロールラインl₁₂
上の点Ｂまで到達したものとする。第３図はＢ点
近傍の拡大図である。Ｂ点まで到達すると、ロー
セレクタ３１はその出力をそれまでの圧力調節計
６の出力から関数発生器３０の出力の切換えてガ
イドベーン２に与える。従つて、ガイドベーン角
度はそれ以上変化し得ないから、動作点は第３図
に示すようにＢ点からサージラインl₁₁に向かつ
て矢印方向に進もうとする。

そうすると、ヘツドの偏差（PV−SV）がそれ
までのマイナスからプラスに逆転する。ヘツド調
節計２９は、偏差量に対して制御演算を施し、放
風弁に対して開度指令MVを与えて、圧縮空気を
一部放出し、第３図に示すように動作点をサージ
コントロールラインl₁₂上に引き戻す。このよう
にして、圧縮機３はサージコントロールライン
l₁₂ぎりぎりのところで運転されることにるなる。

尚、第２の演算器２７により運転状態における
圧縮機３のヘツドを(1)、(2)式により直接計算する
ことは容易ではない。そこで、第４図に示すよう
に、折線関数と演算器の組合せによつて、ヘツド
を計算するようにしている。即ち、PsとPdは演
算器４１に入つてPd／Psの割算が行われ、続く
関数発生器４２により （Pd／Ps）exg｛（ｋ−１）／ｋ｝−１ 或いは loge（Pd／Ps） が出力される。関数発生器４２の出力は、演算器
４３に入つて、(1)、(2)式に示すヘツドHad或いは
Hisが算出される。

第５図は、各部の動作波形を示すタイミングチ
ヤートである。図において、f₁は負荷流量を、f₂
はガイドベーン角度を、f₃はヘツド目標値SVを、
f₄は圧縮機ヘツド測定値PVを、f₅はヘツド調節
計２９の出力をそれぞれ示す。今、時刻t₁以前で
は一定であつた負荷流量が、時刻t₁より減少し始
めるとする。圧縮機３の吐出圧力調節計６によ
り、ガイドベーン角度が調節されて一定圧力に制
御される（つまりヘツド一定）、負荷流量が更に
減少しＢ点（圧縮機ヘツド＝ヘツド目標値）に到
達し、更に流量が時刻t₂以後も減少し続けると、
第１の関数発生器２６によつて与えられるヘツド
目標値は大きく減少し、調節計には図のようにプ
ラスの偏差が生じる。この偏差を打ち消そうとヘ
ツド調節計２９は放風弁１２に開放指令を出すこ
とにより吸入量が増加し、圧縮機動作点は第３図
のＢ点に引き戻される。

このような、第５図に示されるような動作点の
移動状況は、CRTデイスプレイ３２により、オ
ペレータに一目瞭然に観察させることができる。
第６図は、CRTデイスプレイ３２の表示の一例
を示す図である。圧縮機３の特性を第２図のよう
にヘツドと実吸入量で表わすことにより、特性曲
線は吸入状態、ガスの物性変化によらず固定した
ものとなるので、CRTデイスプレイ３２上に静
画としてバツクグランド表示しうる。更に出願人
の製造に係るデイジタル制御装置CENTUMのＧ
−DATAという機能を用いてヘツドと実吸入量
を動画として重ね表示すれば、２直線の交点とし
て動作点が表示され、実際の運転状態を容易に認
識することができる。更にヘツド曲線だけでな
く、効率、軸動力をも表示しておけば、実測値と
比較することにより保守に対する一つの目安とし
うる。

上述の説明においては、圧縮機３は定速回転駆
動としているが、可変速駆動形の圧縮機によつて
容量調整される場合は、第２図のパラメータ（ガ
イドベーン開度）を回転数と考えることにより、
可変速駆動形の圧縮機にもそのまま本発明を適用
することができる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、
圧縮機の特性を実測値である吐出圧力と、標準状
態換算流量の関係として把えるのではなく、ヘツ
ドと実吸入量の関係として把えることにより、圧
縮機特性を吸入状態やガス物性変動に影響されな
い固定したものとすることができる。このため上
記変動を、サージング防止線を設定するにあたつ
てセイフテイー・マージンとして見込む必要がな
くなり、コントロールラインを圧縮機サージライ
ンに近接して設定することができる。このことは
すでに説明した制御装置によつて実現される。こ
れによつて低負荷運転時の不要な放風を極力押え
ることができ、無駄な動力損失がセーブされる。
又、圧縮機特性曲線が圧縮機固有のものとして一
義的に固定されたことにより、特性曲線をCRT
上にデイスプレイすることができ、この上に圧縮
機動作点をダイナミツクに重ね表示することがで
きる。これにより、サージ制御装置の動作のみな
らず、圧縮機運転状態を個別の指示計によるより
も総括的に捕えることができ、オペレータにとつ
ては稼働状況全般がより容易に把握しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロツク
図、第２図は圧縮機の特性を示す図、第３図はそ
の一部拡大図、第４図は演算器の具体的構成を示
す図、第５図は各部の動作を示すタイミングチヤ
ート、第６図はCRTデイスプレイの表示例を示
す図、第７図は圧縮機の特性を示す図、第８図は
従来装置例を示す図である。 １……吸入フイルタ、２……ガイドベーン、３
……圧縮機、４……弁、５，２１，２２，２８…
…圧力検出器、６……圧力調節計、７……負荷分
配器、８……流量検出器、９，２５，２７……演
算器、１０，２６，３０……関数発生器、１１…
…サージ調節計、１２……放風弁、２３……温度
検出器、２４……差圧検出器、２９……ヘツド調
節計、３１……ローセレクタ、３２……CRTデ
イスプレイ、４１，４３……演算器、４２……関
数発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧縮機の空気の吸入量に応じて吐出側の放風
   弁を制御してサージング防止を図る圧縮機の最適
   制御装置において、前記圧縮機の入力部の温度、
   圧力から実吸入量を算出する第１の演算器と、前
   記実吸入量と前記圧縮機の断熱ヘツド又は等温ヘ
   ツドとの関係を示す特性曲線を予め記憶する第１
   の関数発生器と、前記圧縮機直前の温度及び圧力
   と前記圧縮機直後の圧力を受けて前記圧縮機のヘ
   ツドを算出する第２の演算器と、前記第１の関数
   発生器の出力をヘツド目標値とし前記第２の演算
   器の出力をヘツド測定値として制御演算を施し前
   記放風弁に開度指令を発するヘツド調節計と、前
   記第２の演算器出力に対応するサージコントロー
   ルラインと前記圧縮器のガイドベーン開度一定の
   特性曲線との交点から前記ヘツドに対する最大調
   節角を与える第２の関数発生器と、前記圧縮器の
   吐出側圧力に対応したガイドベーン調節出力と前
   記第２の関数発生器の出力のうち小さい方を選択
   するローセレクタとを設けたことを特徴とする圧
   縮機の最適制御装置。