JPH0350919B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は、一般的には遠心圧縮機のサージング
制御に関し、特定すると、そのようなサージング
状態を前もつて指示するフイードフオワード信号
によるサージング制御に関する。

〔発明の背景〕

遠心圧縮機において、ある所与の速度では該遠
心圧縮機がもはやその圧力ヘツドに抗して吸引で
きなくなるまで吸入流量が減少した時、サージン
グ状態が起こる。この時点において、圧力ヘツド
の減小とともに瞬間的な逆流が起こる。圧縮が正
常になり、このサイクルが繰り返される。これは
全圧縮機と配管に脈動と衝撃を与える。これを制
御しないと、圧縮機に損傷を与え危険を招く。

すべての遠心圧縮機は、特性曲線と設定値曲線
を有しそれらがその動作領域を画成する。これら
の圧縮機“マツプ”はこのターボ機械のサージン
グ領域と“ストーンウオール”領域つまり吸引限
界を示す。第１図ａで示されるように、サージン
グ曲線は、吐出圧力と流量との関係でプロツトさ
れている。

速度、流量、圧力、もしくは吸入ガス温度の変
化を考慮に入れないと、サージング制御曲線は次
の式によつてプロツトすることができる。

サージング制御曲線 ＝所望の制御余裕（％）×△P_c／△P_p (1) 現在、通常に使用されている３つのサージング
制御曲線の形を第１図に示す。１つはサージング
曲線に平行である（第１図ａ）、再循環をできる
だけ少なくするために、サージング制御曲線はで
きるだけサージング曲線に接近して設定されるべ
きである。サージング制御曲線をその傾きがサー
ジング曲線の傾きよりも小さくすると（第１図
ｂ）、高い圧力で過剰な再循環を起こし、停止も
しくは起動時の低圧力ではサージングを起こすこ
とがある。第３番目の方法ではできるだけ少ない
安全体積流量を選び、サージング制御曲線を垂直
にする（第１図ｃ）。これは低圧力で過剰な再循
環を起こし、高圧力でサージングを起こす可能性
がある。多くのサージング制御装置では、吸入状
態に対する修正をせずに、吐出しにおける流量を
測定している。これでは、再循環が最大であり、
サージング防止機能が最小である。

様々なサージング制御において、制御は、遠心
圧縮機のまわりのバイパス弁を開けるかガスを大
気中に放出して、遠心圧縮機中に最小の流量を維
持することによつて行う。ガスをバイパスまたは
放出することは動力を浪費するので、サージング
が起こるできるだけ正確な流量を決定し、安全に
作動しているにもかかわらず、不必要にガスをバ
イパスさせることは避けることが望ましい。しか
し、サージング流量を決定することは簡単ではな
く、複雑であることが多い。遠心圧縮機のサージ
ング流量はある固定した量ではなく、サージング
制御曲線を設定する際に使用した変数以外の他の
変数に関係している。かかる他の変数がサージン
グ流量に相当に影響を及ぼしている場合、それら
の変数を測定し、サージング装置に組み入れられ
ねばならない。ところで、現在のサージング装置
は、サージングをサージング制御曲線の関数とし
てのみ制御し、制御変数をフイードフオワード信
号として用いることによる予期動作のための設備
をもたない。

〔本発明の要約〕

本発明は、遠心圧縮機のためのサージング制御
装置を設置して主サージング制御曲線に先んじて
サージング状態を予期し、このサージング制御曲
線によつて始められる動作よりも早くサージング
防止動作を起こすことによつて、先行技術のサー
ジング制御における問題やその他の問題をも解説
するものである。

このことを実現するために、主サージング制御
曲線を設定するのに使用された変数以外の制御変
数から得られるフイードフオワード制御信号を利
用して、主サージング制御曲線からずれている予
期サージング制御曲線を設定し、そしてこの予期
サージング制御曲線で、主サージング制御曲線に
先んじてサージング防止動作を開始させるのであ
る。この予期サージング制御曲線は主サージング
制御曲線から可動的にずれておりかつ制御変数の
変動、たとえば後述の基準負荷に対する手動また
は自動要求の変動、に依存して変わる制御点（オ
フセツト制御点）を提供する。このようにして、
この制御変数が大きく変化すると、小さな変化の
場合よりもオフセツト値、すなわち予期サージン
グ制御曲線と主サージング制御曲線との間の距離
が、一層大きくなり、近づきつつあるサージング
状態をいち早く知らせるのである。

以上の見地から、本発明の一つの目的は、近づ
きつつあるサージング状態をいち早く警告するこ
とができるサージング制御装置および方法を提供
することである。

本発明の他の目的は、予期されるサージング状
態がさらに大きい場合にはさらに早く警告を発す
るサージング制御装置および方法を提供すること
である。

〔本発明の好ましい実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実
施例について説明する。

第２図では、遠心圧縮機１４とこれに並列に接
続されている往復圧縮機とからなる圧縮機並列シ
ステム１０を示しており、そしてこのシステムは
出力線１６に出力圧力を提供する。往復圧縮機１
２は基準負荷機械として動作し、通常その出力圧
力の50％と100％の２つの異なつた容量の１つで
動作することができる。容量が100％から50％に
変化すると遠心圧縮機１４のサージング状態が起
こり、そしてこの変化がサージング制御装置１８
の早期警告システムの基礎を形成する。

遠心圧縮機１４はこの並列システムにおいて増
圧器として動作しそしてそれが動的機械（往復圧
縮機１２のような容積形に対して）であるゆえ
に、流量が減少することによつてサージングが起
こる可能性をもつている。

手動／自動ステーシヨン２０からの命令で往復
圧縮機１２からの要求を100％から50％に減ずる
と、サージング状態の発端が作られる。

この潜在的サージング状態が、線２２に沿つて
サージング制御装置１８へ入力されると、第４図
を見るとよくわかるように、主サージング制御曲
線２６から離れている予期サージング制御曲線２
４を設定する。このようにして、遠心圧縮機を横
切る流量を線３０に沿つてバイパスさせるという
バイパス弁の制御がサージング制御装置１８によ
つて、遠心圧縮機１４のサージングに先立つて行
われる。

第３図および第４図に示されているように、こ
のサージング制御装置１８が、機械的、空気式ま
たは電子的制御システムに適用できる記号をもつ
SAMA規準RC22−11−1966表記法により略示さ
れている。

測定変数△P_pと△P_cは各々、遠心圧縮機１４の
入口線３４に設けられたオリフイス３２を横切る
圧力差と遠心圧縮機１４を横切る圧力差を表わ
す。これらの測定変数が関数発生器３６に入力さ
れると、関数発生器３６は線４０上に主サージン
グ制御曲線２６に相当する出力を発生する。この
主サージング制御曲線２６は、遠心圧縮機サージ
ング曲線３８にほぼ平行で、かつこのサージング
曲線３８から右側に所定の距離Ｋだ離れて位置し
ている。

比較ステーシヨン４２は線４０上に発生した主
サージング制御曲線２６と、遠心圧縮機１４の速
度の測定値S_Tとを比較し、遠心圧縮機の特定の回
転速度点Niと主サージング制御曲線２６の交差
点４４を突き止める。

この交差点４４は線４６に沿つて加算ステーシ
ヨン４８に伝達され、一方予期サージング信号が
線２２によつて加算ステーシヨン４８に加えられ
る。この予期サージング信号は、先の主サージン
グ制御曲線２６を設定するのに使用された変数△
P_pおよび△P_c以外の変数でありそしてサージング
状態を起こすプロセス変数、すなわち基準負荷に
対する手動もしくは自動的な要求の変動、から得
られる。明らかに、このプロセス変数によるフイ
ードオワード制御信号が大きければ加算ステーシ
ヨン４８に加わる信号も大きくなり、予期サージ
ング制御曲線２４と主サージング制御曲線２６と
の間の距離も増大する、すなわち、予期サージン
グ制御曲線２４と主サージング制御曲線２６との
間の距離は、上記プロセス変数によるフイードフ
オワード信号の大きさに比例する。このようにし
て、加算ステーシヨン４８の最終結果により、交
差点４４は予期サージング制御曲線２４上の点５
０に移動する。

この点５０は一定の遠心圧縮機流量を確定し、
この遠心圧縮機流量と、線５４に沿つて減算ステ
ーシヨン５２に入力された圧縮機流量の実測値
F_Tとは減算ステーシヨン５２で比較される。こ
の減算ステーシヨン５２は、フイードフオワード
信号である予期サージング信号に第２の測定変数
を用意することにより、このサージング制御装置
１８にカスケード態様の制御を加える。このよう
にしてこのサージング制御装置１８は、プロセス
の乱れに対する速い応答と急速な補償とを安定に
結合することにより、高い性能を保持している。

減算ステーシヨン５２の出力は、線５５に沿つ
てプリセツト値を有する比例／積分動作制御器５
６に入力され、ついでこの比例／積分動作制御器
５６が最終制御要素２８を制御する。線３０にお
けるバイパス流量を制御して、遠心圧縮機の流量
の不足した入口３４にライン５８からの出口流量
を利用させることによつてサージング状態を停止
させるバイパス弁がこの最終制御要素２８に相当
する。

この比例／積分動作制御器５６は行き過ぎ防止
機能を有している。この行き過ぎ防止機能は、比
例／積分関数の性質により必要とされるものであ
る。通常、遠心圧縮機１４は、主サージング制御
曲線２６から離れた領域で動作している。その結
果、比例／積分動作制御器５６の測定値とプリセ
ツト値との間には違いがある。その結果、比例／
積分動作制御器５６の出力信号はその上限値また
は下限値に振れる。

行き過ぎ防止機能は、積分負荷を調節して、こ
の比例／積分動作制御器５６がその出力限界に達
した時に、測定値がある、主サージング制御曲線
の同じ側にその比例帯を移す。そうして、もし主
サージング制御曲線が急速に近づくならば、その
測定値はこの比例帯に入り、この値が主サージン
グ制御曲線に達する前に制御が起こる。それゆ
え、行き過ぎが防止される。

微分制御を用いられない。なぜなら主サージン
グ曲線から遠く離れた所で反サージング弁を開く
ことがあるからでありまたシステムに振動を引き
起こすことがあるからである。流れの迅速な振動
（それが安全動作領域であつても）は、微分応答
の特性によりバイパス弁を開いてしまう可能性が
ある。

比例／積分動作制御器５６がプリセツト値とプ
ロセス変数との偏差を検出するとすぐに、バイパ
ス弁２８を開いて、サージング状態の前兆を回避
するように制御する。これは通常の制御モードで
ある。線２２に沿つた加算ステーシヨンへの予期
フイードフオワード信号によつて、サージング状
態のこのような制御は、遠心圧縮機１４がこの作
用を見出す前に行われ、大規模もしくは小規模な
サージングを引き起こすような状態は、さらに大
規模なサージング状態を早期に予期することによ
つてたやすく回避することができる。

本発明によれば、主サージング制御曲線に加え
予期サージング制御曲線が設定され、かかる予期
サージング制御曲線に基づいて、近づきつつある
サージング状態を迅速に警告しそして主サージン
グ制御曲線によつて始められる動作よりも迅速な
サージング防止動作を起こし、遠心圧縮機ならび
にその配管に脈動と衝撃が与えられるのを未然に
回避してその損傷を回避することができる。

本発明の技術思想の範囲から逸脱しない様々な
変化・変更が可能であることは当業者には明らか
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、先行技術におけるサージング制御曲
線を示す３本の曲線である。第２図は、本発明に
よるサージング制御装置を用いた遠心圧縮機の概
略線図である。第３図は第２図のサージング制御
装置のブロツク図である。第４図は、本発明によ
る予期サージング制御曲線と周知の遠心圧縮機サ
ージング制御曲線との関係を示す遠心圧縮機の吐
出圧力対流量のグラフである。 １０：圧縮機並列システム、１２：往復圧縮
機、１４：遠心圧縮機、１６：出力線、１８：サ
ージング制御装置、２０：手動／自動ステーシヨ
ン、２４：予期サージング制御曲線、２６：主サ
ージング制御曲線、２８：最終制御要素（バイパ
ス弁）、３２：オリフイス、３４：入口線、３
６：関数発生器、３８：遠心圧縮機サージング曲
線、４２：比較ステーシヨン、４４：交差点、４
８：加算ステーシヨン、５２：減算ステーシヨ
ン、５６：比例／積分動作制御器、N₁，N₂，
N₃，Ni：遠心圧縮機の回転速度点、△P_p，△
P_c：圧力差（実測値）、S_T：遠心圧縮機の速度
（実測値）、F_T：遠心圧縮機の流量（実測値）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 遠心圧縮機に関連するサージング曲線３８と
   バイパスライン３０を有する該遠心圧縮機１４の
   ためのサージング制御装置において、 前記遠心圧縮機のサージング曲線３８から所定
   の距離だけ離して主サージング制御曲線２６を設
   定し、当該主サージング制御曲線上に一点４４を
   確定する第１手段と、 主サージング制御曲線４４の設定の際に当該第
   １の手段が使用せず且つ前記遠心圧縮機にサージ
   ング状態を引き起こし得るプロセス変数によるフ
   イードフオワード制御信号を設定する第２手段
   と、 前記第１手段および第２手段の信号を結合し
   て、前記第２手段からの前記フイードフオワード
   制御信号の大きさに比例した距離だけ当該第１手
   段の主サージング制御曲線２６から離れている予
   期サージング制御曲線２４を提供するための加算
   手段４８と、 当該加算手段４８に接続されており、該加算手
   段４８からの制御信号に応答して、前記遠心圧縮
   機を横切るバイパス流量を変化させるためのバイ
   パス弁制御手段とから構成された遠心圧縮機のサ
   ージング制御装置。 ２ 前記第２手段は、前記遠心圧縮機の負荷要求
   を変化させるための制御ステーシヨン２０を備え
   ている特許請求の範囲第１項記載の遠心圧縮機サ
   ージング制御装置。 ３ 前記遠心圧縮機に並列に接続された往復圧縮
   機と、 当該往復圧縮機の出力圧力を変化させるための
   制御ステーシヨンとを備えており、 前記第２手段は、前記往復圧縮機に対する圧力
   変化要求によつて前記予期サージング制御曲線が
   引き離されるよう、前記制御ステーシヨンと前記
   加算手段との間に接続された制御線を備えている
   特許請求の範囲第１項記載の遠心圧縮機サージン
   グ制御装置。 ４ 前記第１手段は、 前記サージング曲線に平行な前記主サージング
   制御曲線を設定するために、前記遠心圧縮機に関
   連した圧力差を示す入力信号に応答する関数発生
   器と、 前記遠心圧縮機の速度を示す信号を設定する手
   段と、 前記関数発生器の信号と当該速度設定手段の速
   度信号を結合して、前記主サージング制御曲線上
   の前記遠心圧縮機の動作点を示す信号とする手段
   とから構成されている特許請求の範囲第１項記載
   の遠心圧縮機サージング制御装置。 ５ 前記第１手段は、遠心圧縮機を貫流する予め
   設定された流量を確保するために、前記第２手段
   からの信号と結合される遠心圧縮機の流量を指示
   するカスケード信号を含む特許請求の範囲第１項
   記載の遠心圧縮機サージング制御装置。 ６ 所定のサージング状態曲線３８を有する遠心
   圧縮機１４のサージングの制御方法において、 当該遠心圧縮機１４に関連する圧力差の関数に
   応じて、前記遠心圧縮機のサージング状態曲線３
   ８から離して主サージング制御曲線２６を設定
   し、 前記遠心圧縮機１４の圧力の信号以外で、前記
   遠心圧縮機にサージング状態を引き起こし得る変
   数の関数であるフイードフオワード制御信号を設
   定し、 当該主サージング制御曲線２６および前記フイ
   ードフオワード制御信号の関数として、前記主サ
   ージング制御曲線２６から離間した予期サージン
   グ制御曲線２４を設定することより成る遠心圧縮
   機のサージング制御方法。 ７ 前記主サージング制御曲線は、前記サージン
   グ状態曲線に平行で、前記サージング状態曲線か
   ら所定の距離だけ離して設定される特許請求の範
   囲第６項記載の遠心圧縮機のサージング制御方
   法。 ８ 前記フイードフオワード制御信号の大きさに
   比例した距離だけ、前記主サージング制御曲線か
   ら前記予期サージング制御曲線を離す特許請求の
   範囲第７項記載の遠心圧縮機のサージング制御方
   法。 ９ 出力圧力切り換え可能動作を有し、前記遠心
   圧縮機に並列に設置された往復圧縮機を用意し、 前記フイードフオワード制御信号は、前記出力
   圧力切り換えの状態をモニターする信号である特
   許請求の範囲第６項記載の遠心圧縮機のサージン
   グ制御方法。 １０ 前記遠心圧縮機を横切るバイパス路中の流
   体の流量を制御する弁を用意し、 前記予期サージング制御曲線に関する測定点の
   相対位置によつて前記弁を制御する特許請求の範
   囲第９項記載の遠心圧縮機のサージング制御方
   法。