JPH0331918B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各段に入口ガイドベーンを具えた多
段遠心圧縮機において、前記入口ガイドベーンを
操作することによつて高い効率を維持して広範囲
に流量制御するようにした遠心圧縮機の容量制御
方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の遠心圧縮機においては、入口ガイドベー
ンやデイフユーザベーンなどの操作部の角度を調
節することにより、流量の調整や省エネルギー運
転を達成しようとするものがある。この種の装置
としては、例えば米国特許第3362624号明細書及
び米国特許第3362625号明細書に記載されている。
これらの操作部の操作量を調節するための手段と
しては、運転員が吸入空気の状態や負荷の状態を
監視しながら作動流量を目標流量に一致するよう
に上記の操作部を調節する方法、および検出器、
調節器、駆動機から成う制御装置によつて、運転
状態を検知し、調節器によつて予め定められた一
通りの信号処理方式によつて操作部の操作量を決
定して作動流量を目標流量に一致するように上記
の操作部を制御する方法が一般に用いられてい
る。

一方、圧縮機の操作部として、圧縮機の各段に
入口ガイドベーンおよびデイフユーザベーンを設
け、これらの操作部を操作して、より広範囲な流
量領域において高い効率を得ようとするものがあ
る。例えば、４段圧縮機の場合には、各段に入口
ガイドベーンとデイフユーザベーンとを備えるの
で、操作部は合計８個あることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術において、従来のものより広範囲
の流量領域で、与えられた目標流量を速やかに達
成し、かつどのような条件下においても高い運転
効率が得られるように制御するのは、前述した制
御方法では不可能であり、相当複雑な制御方法を
予め設計しておかなければならない。

本発明は上記した欠点にかんがみなされたもの
で、その目的とするところは、多段遠心圧縮機に
それぞれの段に入口ガイドベーンを取付けたもの
において、それら入口ガイドベーンを協調制御し
て与えられた目標流量を速やかに達成すると共
に、その状態において高効率運転を達成すること
ができる遠心圧縮機の容量制御方法を得ることに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、各段に設け
た入口ガイドベーンの角度を駆動装置によつて可
変とした多段遠心圧縮機の制御方法において、前
記遠心圧縮機の作動状態の流量を流量検出器によ
り検出し、該作動状態の流量が負荷変動に対して
与えられる流量目標値に近い流量領域にあるか、
または流量目標値から遠い流量の領域にあるかを
制御装置により判定し、作動状態の流量が流量目
標値から遠い流量の領域に属するときには、前記
圧縮機の抵抗曲線に沿つて流量に関連して予め設
定した制御情報を用い、前記作動状態の流量が流
量目標値に近い値が得られるように、制御装置に
おいて入口ガイドベーンの操作量を選び出し、そ
の角度を制御することにより、作動状態の流量を
流量目標値に近い流量の領域に到達させ、これに
より作動状態の流量が流量目標値に近い領域に入
つたときまたは作動状態の流量が流量目標に近い
領域に属しているときには、その流量目標値の領
域からはずれない範囲で、前記前段側の入口ガイ
ドベーン及び前記後段側の入口ガイドベーンの角
度を前記駆動装置及び制御装置により微調整して
圧縮機の効率が向上する状態を探し、現状の作動
状態をこの状態に移行させ、この操作を繰り返す
ことにより圧縮機の効率がより向上する方向に前
後段の入口ガイドベーン角度の組合せを制御して
いくことにある。

〔作用〕

上記本発明においては、作動状態におけるその
時点の流量（作動流量）を流量検出器により検出
し、該作動流量と負荷変動に対して与えられる流
量目標値とを制御装置において比較することによ
り、その作動流量が流量目標値から近い流量領域
にあるか、または流量目標値から遠い流量領域に
あるかを判定する。

前記作動流量が流量目標値から遠い流量の領域
にあるときには、前記圧縮機の抵抗曲線に沿つて
流量に関連して予め設定されている制御情報を用
い制御装置から駆動装置に指令を発して前記各段
入口ガイドベーンの角度を制御するので、吸込流
量を速やかに目標流量値に近い流量の領域に到達
させることができる。

また、作動流量が流量目標値に近い流量の領域
に入つたとき、またはその領域に属しているとき
には、その流量の領域からはずれない範囲で、制
御装置及び駆動装置により前段側の入口ガイドベ
ーン及び後段側の入口ガイドベーンの角度を試行
錯誤法により微調整することにより、圧縮機の効
率がより高い状態を探し出し、現状の作動状態を
この状態に移行させる。

この操作を順次繰り返すことにより、最適な前
後入口ガイドベーン角度の組合せが得られ、圧縮
機を最高効率の状態に移行させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

第１図は、本発明の制御方法を実施する遠心圧
縮機の構成の一例を示したものである。図におい
て、遠心圧縮機１は、電動機２および歯車３で駆
動される第１段圧縮機４、第２段圧縮機５、第３
段圧縮機６、第４段圧縮機７および第１段中間冷
却器８、第２段中間冷却器９、第３段中間冷却器
１０から成る多段遠心圧縮機である。吸込口から
吸込まれた大気は、圧縮機の各段で順次圧縮およ
び冷却され、吐出口から圧縮機の負荷となるプロ
セスに送り出される。各段の圧縮機の入口側に
は、入口ガイドベーン１１，１２，１３，１４が
設けられている。これらの角度を調整することに
よつて、各段の圧縮機に流入する空気の状態量を
調整することができる。入口ガイドベーンの操作
量は、駆動装置１９によつてそれぞれ任意の角度
に設定される。また、この遠心圧縮機全体もしく
は各段圧縮機における空気の状態量、例えば流
量、温度、圧力等の状態量は、一段目吸入側に設
けた流量検出器２０、及び各段の吸入及び吐出側
それぞれ設けた温度検出器２１と圧力検出器２２
によつて検出することができる。これらの検出器
２０〜２２と駆動装置１９との間には、本発明の
容量制御方法を実現させるため、電子計算機など
により構成された制御装置２３が設けられてい
る。この制御装置２３による制御方法を、次に詳
しく説明する。

第２図は第１図に示される遠心圧縮器の特性曲
線の一例である。図において、横軸に吸込流量
Qs、縦軸に吐出圧力P_Dをとつて表わすと、圧縮
機の状態は右下がりの曲線C₁〜C₄となる。この
特性曲線C₁〜C₄は入口ガイドベーン１１〜１４
の操作角度V₁、V₂、V₃、V₄が対応している。こ
の各々の曲線C₁〜C₄に対応する効率ηをとると、
その効率曲線は第２図の上方に示すように上方に
凸な曲線E₀〜E₃となる。このような特性を持つ
圧縮機において、吐出側に接続するプラントなど
の負荷抵抗は、第２図において抵抗曲線Ｒとして
表わすことができる。このような負荷抵抗をもつ
圧縮機は、この抵抗曲線Ｒに沿つて運転されるの
がプラントの圧縮空気に対する要求仕様を満して
おり、かつ効率が高いことになる。第２図におい
て、R′は抵抗曲線Ｒと特性曲線C₁〜C₄との交点
D₀〜D₃を効率曲線E₀〜E₃に対応させたときに得
られる効率曲線に対する抵抗曲線である。Ｓはサ
ージング開始線である。この第２図に示す特性曲
線に基づいて、制御すべき入口ガイドベーン１１
〜１４の操作部の操作量を吸込流量Qsに対応さ
せた制御テーブルを作成することができ、この制
御テーブルを制御装置２３に記憶させておく。こ
れによつて、実際の運転状態においては、制御装
置２３により、その時の吸込流量Qsに対応する
操作量Ｖを制御テーブルより選び出して操作部を
制御すれば、第２図の上方に示す効率曲線に沿つ
た所定の効率を得ることができる。

しかしながら、実際の圧縮機は長時間連続運転
されるものである。このため、例えば、遠心圧縮
機の設置時に第２図に示す特性曲線および制御テ
ーブルを正確に作成したとしても、遠心圧縮機の
経年変化や性能劣化が起こることは避け難い。従
つて、制御テーブルのみに依存して容量制御を行
なつたとしても、必ずしも目標流量が達成された
時に、所定の効率が得られない恐れがある。この
ため、この発明においては、吸込流量がプラント
の負荷変動に対応して与えられる目標流量に近い
流量の領域に入つたか、もしくはその領域にある
か、または目標流量から遠い流量の領域にあるか
を制御装置２３により判定し、この判定に応じて
操作部をそれぞれ別の制御方法によつて制御する
ようにしたものである。

前述した吸込流量が２つの領域のどちらに属し
ているかの判定は、新しい要求風量Qspが入力さ
れたとき、その時々の流量Ｑに対して例えば、 ｜Ｑ−Qsp｜＜ε₀ ……(1) 但しε₀：予め与えられた定数 のような判定式によつて簡単に求めることができ
る。

そこで、吸込流量が(1)式を成立させないような
目標流量から遠い流量の領域に属している場合、
すなわち｜Ｑ−Qsp｜＞ε₀でQspとＱの差がε₀よ
り大きいとき、吸込流量をできるだけ速やかに目
標流量に達するようにしなければならないこと、
その途中での圧縮機の効率が良いこと、およびど
のような目標流量が与えられても同一の制御性能
が得られること等を考慮して、予め設定した制御
テーブルの情報を用い、プラントの変化に応じて
目標流量に移行する途中の刻々の吸込流量に応じ
て操作部の操作量が選択される。この選択された
操作量は入口ガイドベーン１１〜１４の操作量と
して駆動装置１９に加えられる。

次に吸込流量が(1)式を成立させるような目標流
量に近い流量の領域に入つた場合、またはその領
域に属している場合、すなわち、｜Ｑ−Qsp｜≦
ε₀のとき、一応目標流量が達成されたものとする
ことができる。しかし、この状態では先に述べた
ような理由により、必ずしも効率が最も良いとは
言えない。いいかえれば、されに効率が良い状態
があり得るので、前記の制御方法だけでは不満足
である。従つて、(1)式が一旦成立して目標流量が
達成されたならば、前段側と後段側の入口ガイド
ベーンの角度を制御装置２３及び駆動装置１９に
より微調整してさらに効率が良い作動状態を探し
現状の作動状態をこの状態に移行させるように駆
動装置１９を制御装置２３により制御する。この
最適制御方法について、要約すれば、この最適制
御方法は、圧縮機の入口ガイドベーンを前段側
A_Oと後段側B_Oの２グループに分け、A_O、B_Oの２
個のグループの入口ガイドベーン角度を微調整し
て効率が向上する方向を探し出し、現状の作動状
態をより効率の高い状態に移行させる。これを順
次繰り返して最適な前後段ベーン角度の組合せを
求めていく。

次に、A_O、B_Oを各々２個のグループ、すなわ
ち、前段側A_O1、後段側A_O2及び前段側B_O1、後段
側B_O2に分ける。そして、A_O1、A_O2のベーンの操
作角度時の効率を求め、この効率が更に向上する
ようにA_O1、A_O2の入口ガイドベーン角度の組合
せを微調整し、これを繰り返して最適なベーン角
度の組合せを求めていく。

更に、B_O1、B_O2についてもA_O1、A_O2の場合と
同様の操作を繰り返して、B_O1、B_O2における最
適なベーン角度の組合せ求める。このようにして
最終的に各段入口ガイドベーンを最適なベーン操
作角度に決めていくものである。

上記した最適制御方法を第３図により説明す
る。水平面内に圧縮機の操作量ｘ、ｙ座標すなわ
ち圧縮機の前段側A_O1と後段側A_O2の操作量をと
り、他の座標で圧縮機の効率ηを表わすと流量Ｑ
をパラメータとする超平面を想定する。この超平
面において、目標流量Qspに対して(1)式を満足す
るものは（Qsp＋ε₀）、（Qsp−ε₀）ではさまれた
範囲Ｖである。

プログラム制御完了時点での操作量をCp＝
（xp、yp）として効率をηpとする作動点は点Ｐで
表わされる。この操作量から効率が向上する方向
に試行錯誤法により操作量の一部を修正すること
により移行し、最終的に操作量Cp（xp、yp）に
よつてほぼ極限に近い効率ηpを達成し、作動点
は点Ｑとなる。

この過程で各操作量はK₁（ｘの試行時の増分）
K₂（ｙの試行時の増分）ずつ増加もしくは減少さ
れ、探索条件として 流量条件；｜Ｑ−Qsp｜＞ε₀ 効率条件；η₂＞η₁ η₁：試行前の効率 η₂：試行後の効率 の条件を満す方向へ作動点は進む。

次に、前段側A_Oの前段側A_O1、後段側A_O2の入
口ガイドベーンの開度V₁、V₂の組合せについて
前述と同様の最適制御を行なう。

更に、後段側のB_Oの前段側B_O1、後段側B_O2の
入口ガイドベーンの開度についても同様な最適制
御を行なう。

このようにして各入口ガイドベーンの開度V₁
〜V₄の関係を最適に制御することができる。

以上述べた制御方法は制御装置２３の演算指令
によつて実現される。この制御装置２３における
演算処理作業のフローチヤートを第４図に示す。
第４図において第１図と同符号のものは同一部分
である。

このほか、操作量の修正量の絶対量の決定、こ
れから決まる各段修正量の相対比の決定、探索方
向の順序の決定、効率が良くならなかつた場合の
判断基準と新しい修正方法の採用および最も効率
が良い点の近くまで進んだ場合の判定等について
は、それぞれ上記のような圧縮機の特性に加えて
検出装置や駆動装置の性能や制御装置における本
制御方式の実現形式やその性能を考慮して決めら
れる。

次に上述した本発明の容量制御方法による制御
動作を第４図および第５図によつて説明する。

第４図において、制御装置２３には始めに各検
出器２０〜２２によつて検出された信号が入力さ
れる。これらの信号によつて、制御装置２３はそ
の時点での吸込流量Qsと効率ηとを演算する。
このようにして求められた流量Qsは、前述した
(1)式が成立するか否かを判定するために、目標流
量と比較される。そして、(1)式が成立しない場合
においては、予め設定記憶している制御テーブル
から現在の流量が対応する操作量が選択されて駆
動装置１９に出力される。このため駆動装置１９
は入口ガイドベーン１１〜１４を操作し、流量を
目標流量に移行させることができる。圧縮機に対
するプラントの負荷変動がある場合には、その時
の吸込流量Ｑに対応して操作量を制御装置２３に
おいて選び出して、駆動装置１９を制御するので
順次目標流量に向かつて流量を制御することがで
きる。また目標流量は与えられており、これを実
現するための操作量は制御テーブルによつて予め
決定されているので圧縮機に対するプラントの負
荷変動時の有無によらず、この操作量によつて操
作部を制御すれば、目標流量を達成することがで
きる。従つて、この制御方式によれば、予め設定
された抵抗曲線Ｒに沿うように作動点が移動する
ので、サージングやチヨーキングといつた危険な
状態を予め防止することができる。

次に流量Ｑと目標流量との比較により、(1)式が
成立する場合においては、第３図に示すように効
率ηが良くなる方向に現在の操作部を操作するた
めの操作量が決定される。このように決定された
操作量は制御装置２３から制御信号として駆動装
置１９に出力される。このため、操作部となる各
段の入口ガイドベーン１１〜１４はその角度に制
御される。この一連の制御動作は、目標流量の変
更に対応し、またプラント負荷の変動や環境条件
の変化によつて生ずる圧縮機の運転状態の変化に
追従して速やかに容量調整するとともに、高効率
を維持するに必要な範囲で繰り返し行なわれる。

上述の制御動作によつて、圧縮機の運転状態即
ち、流量Ｑおよび効率ηがどのように制御される
かを、第５図に示す。この図は第２図に関連し
て、横軸に吸込流量Qs、縦軸に効率ηをとり、
負荷の抵抗曲線R′によつて圧縮機に対する所定
の運転状態を表わしたものである。制御前の状態
における流量をQ_Oとしてその作動点をD_Oで表わ
し、また目標流量Qspとし、そのときの作動点を
SPで表わす。この状態において、プラントの変
化に応じて目標流量に移行する途中の流量に応じ
て、制御テーブルから操作量が選択される。そし
て、その操作量によつて操作部が制御される。従
つて作動点は抵抗曲線R′に沿つて移行し、その
軌跡はおおむね曲線Lpのようになる。

この制御方法によつて制御動作が進められ、プ
ラントの変化と相応して、点Ｐに到達した時点で
(1)式が成立したと仮定する。ここで、制御テーブ
ルによつて操作部を制御する限りにおいては、通
常、点SPの効率ηspと点Ｐの効率ηpとの間には、
さほど差が無いものである。さらに高い効率の運
転状態にするためには、続いて第３図によつて詳
述したような探索的な制御動作が実行される。こ
の制御動作によつて、点Ｐにおいて設定していた
操作部の角度が順次調整され、これに応じて運転
点は点Ｐから効率が良くなる方向に移行する。そ
して、点Ｑにおいて、この制御動作が終了し、効
率ηpが達成される。もちろん、この制御動作は、
操作量の微調整とそれによる効率の変動を確認す
るという手順を遂一踏まなければならないので、
点Ｐから点Ｑに到達するためにはかなりの時間を
必要とする。しかし、その軌跡Lqに沿つて目標
流量Qpが一応達成されているので、いかなる外
乱や負荷抵抗の変動が発生しても、常に効率が良
くなる方向に運転点が移動し、また高い効率の状
態を維持し続けるので、制御の安定性や確実性を
保証することができる。

上述の実施例においては、４段の遠心圧縮機を
示したが、この形式に限定されるものではない。

〔発明の効果〕

以上述べた如く本発明は、各段に設けた入口ガ
イドベーンの角度を可変とした多段遠心圧縮機の
制御方法において、圧縮機の動作状態の流量が流
量目標値に近い流量の領域にあるか、または流量
目標値から遠い流量の領域にあるかを判定し、作
動流量が流量目標値から遠い流量の領域に属する
ときには、圧縮機の抵抗線に沿つて流量に関連し
て予め決められている入口ガイドベーンの操作量
にもとづいて入口ガイドベーンの角度を制御する
ことにより、作動流量を流量目標値に近い流量の
領域に到達され、これにより作動流量が流量目標
値に近い流量の領域に入つたときまたは作動流量
が流量目標値に近い領域に属しているときには、
その流量の領域からはずれない範囲で、前記前段
側と後段側の入口ガイドベーンの角度を微調整し
て効率をより高い状態に移行させるように構成し
たので、その圧縮機の広範囲な流量条件におい
て、目標流量を速やかに達成すると共に、その状
態において高い効率を容易に達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御方法を実施する遠心圧縮
機の構成の一例を示す図、第２図は第１図に示さ
れる遠心圧縮機の特性曲線、第３図は本発明の制
御方法における効率の良い作動状態を求めるため
の制御動作の説明図、第４図は本発明の制御方法
に用いられる制御装置の演算処理作業のフローチ
ヤート図、第５図は本発明の制御方法によつて制
御される遠心圧縮機の作動状態を示す説明図であ
る。 １……遠心圧縮機、４……第１段圧縮機、５…
…第２段圧縮機、６……第３段圧縮機、７……第
４段圧縮機、１１〜１４……入口ガイドベーン、
１５〜１８……デイフユーザベーン、１９……駆
動装置、２０……流量検出器、２１……温度検出
器、２２……圧力検出器、２３……制御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各段に設けた入口ガイドベーンの角度を駆動
   装置によつて可変とした多段遠心圧縮機の制御方
   法において、前記遠心圧縮機の作動状態の流量を
   流量検出器により検出し、該作動状態の流量が負
   荷変動に対して与えられる流量目標値に近い流量
   領域にあるか、または流量目標値から遠い流量の
   領域にあるかを制御装置より判定し、作動状態の
   流量が流量目標値から遠い流量の領域に属すると
   きには、前記圧縮機の抵抗曲線に沿つて流量に関
   連して予め設定した制御情報を用い、前記作動状
   態の流量が流量目標値に近い値が得られるよう
   に、制御装置において入口ガイドベーンの操作量
   を選び出し、その角度を制御することにより、作
   動状態の流量を流量目標値に近い流量の領域に到
   達させ、これにより作動状態の流量が流量目標値
   に近い領域に入つたときまたは作動状態の流量が
   流量目標値に近い領域に属しているときには、そ
   の流量目標値の領域からはずれない範囲で、前記
   前段側の入口ガイドベーン及び前記後段側の入口
   ガイドベーンの角度を前記駆動装置及び制御装置
   により微調整して圧縮機の効率が向上する状態を
   探し、現状の作動状態をこの状態に移行させ、こ
   の操作を繰り返すことにより圧縮機の効率がより
   向上する方向に前後段の入口ガイドベーン角度の
   組合せを制御していくことを特徴とする遠心圧縮
   機の容量制御方法。 ２ 作動状態の流量が流量目標値より遠い領域に
   属するときの前記各段ガイドベーンの操作量は、
   予め設定した制御テーブル情報を用いることによ
   り、プラントの負荷変動に応じて流量目標値に移
   行する途中の刻々の吸込流量に応じて選択され、
   この操作量によつて各段入口ガイドベーンの角度
   が操作制御されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の遠心圧縮機の容量制御方法。