JPH0693997A - 多段圧縮機及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低圧圧縮段と高圧圧縮段との間に、循環ガス
の導入部を有する多段圧縮機において、その起動を円滑
に行うことができる構造及びその起動方法を提供する。 【構成】 低圧圧縮段１０と高圧圧縮段２０との間に、
自身の吐出ガスの一部を循環導入する循環ガス導入部３
２を有し、高圧圧縮段２０が低圧圧縮段１０に比べて大
容量である多段圧縮機において、前記低圧圧縮段１０と
高圧圧縮段２０との間に、制御弁３３を配設し、該多段
圧縮機を起動するにあたり、前記低圧圧縮段１０で昇圧
したガスを制御弁３３で減圧して高圧圧縮段２０に導入
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多段圧縮機及びその起
動方法に関し、例えば、ガス液化装置等のように、大量
のガスを高圧に圧縮するとともに、その中間段にガスを
導入する系統を有する多段圧縮機及びその起動方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】多段圧縮機の一つであるギヤード型多段
圧縮機は、図３に示すように、例えば低圧段から高圧段
までの４個の圧縮段１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの羽根車軸
２ａ，２ｂをギア結合して一つの原動機３で駆動するよ
うに構成したものであって、高圧ガスを必要とする各種
装置に広く使用されている。なお、各圧縮段の出口側に
は、ぞれぞれ圧縮熱を除去するためのクーラー４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄが設けられている。

【０００３】一方、ガスを臨界圧力以上に圧縮して冷却
した後、膨張（フラッシュ）させて液化ガスを生成する
ガス液化装置が知られている。このガス液化装置では、
フラッシュした際に生じるガス分を、圧縮ガスの冷却源
として使用した後、圧縮機に戻して循環させている。

【０００４】このように、圧縮後のガスの一部を圧縮機
に循環させる系統を有する装置では、循環ガスの戻り位
置を該ガスの圧力に対応する圧縮機中間部分に設定して
いるため、複数の圧縮段を有する圧縮機においては、低
圧側の圧縮段よりも高圧側の圧縮段の方が容量が大きく
なっていた。

【０００５】上記のように低圧圧縮段と高圧圧縮段との
間に、ガスを循環導入する循環ガス導入部を有し、高圧
圧縮段が低圧圧縮段に比べて大容量である圧縮機に、低
圧圧縮段と高圧圧縮段とが同時に駆動される前記ギヤー
ド型多段圧縮機を用いた場合、該圧縮機の起動時には、
前記循環ガスが無いことから、高圧圧縮段における処理
流量が少なくなり、該圧縮機が起動してから十分な量の
循環ガスが得られるまで、高圧圧縮段はチョーク領域で
の運転になっていた。

【０００６】そのため、従来は、低圧側と高圧側とを別
のユニットにしたり、中間の循環ガス導入部に別系統の
ガスを起動用として導入するようにしたり、吸入側にバ
ッファーを設けて起動時に大量のガスを送り込むように
したりしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、低圧側
と高圧側とを別のユニットにすると、設備コストや運転
コストが上昇し、また、起動時の操作も面倒であるとい
う問題があった。また、別系統のガスを導入したり、バ
ッファーを設けたりすると、設備コストが上昇するだけ
でなく、液化するガスを汚染する原因にもなる。

【０００８】そこで本発明は、上記のように中間に循環
ガスの導入部を有する多段圧縮機において、その起動を
円滑に行うことができる構造及びその起動方法を提供す
ることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の多段圧縮機は、低圧圧縮段と高圧圧縮段
との間に、自身の吐出ガスの一部を循環導入する循環ガ
ス導入部を有し、高圧圧縮段が低圧圧縮段に比べて大容
量である多段圧縮機において、前記低圧圧縮段と高圧圧
縮段との間に、制御弁を配設したことを特徴としてい
る。

【００１０】また、本発明の多段圧縮機の起動方法は、
該多段圧縮機の起動時に、前記低圧圧縮段で昇圧したガ
スを制御弁で減圧して高圧圧縮段に導入することを特徴
としている。

【００１１】

【作 用】上記構成によれば、低圧圧縮段で圧縮したガ
スを制御弁で減圧することにより、その実体積を増加さ
せることができるので、高圧圧縮段における実処理流量
を増加させてチョーク現象の発生を防止できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を、図面に示す実施例に基づい
て、さらに詳細に説明する。まず、図１は本発明を適用
した多段圧縮機の系統を示すもので、低圧圧縮段１０に
３段階の圧縮過程１１，１２，１３を有するとともに、
高圧圧縮段２０にも３段階の圧縮過程２１，２２，２３
を有するものである。また、低圧圧縮段１０と高圧圧縮
段２０との間には、高圧圧縮段２０から管３１に吐出さ
れたガスの一部を循環導入する循環ガス導入部３２が設
けられている。

【００１３】なお、低圧圧縮段１０及び高圧圧縮段２０
の吸入側には、それぞれ吸入量を調節するためのガイド
ベーン１４，２４が設けられ、吐出側には、逆流を防止
するための逆止弁１５，２５が設けられている。さら
に、圧縮機下流には、圧縮機下流側設備との縁切りや、
高圧圧縮段２０の内容積を小さくするための遮断弁２６
が、両者の吐出側と吸入側との間には、吐出ガスを吸入
側に戻すバイパスライン１６，２７が、それぞれ設けら
れている。

【００１４】そして、低圧圧縮段１０と高圧圧縮段２０
との間には、該多段圧縮機を起動する際の高圧圧縮段２
０における実処理量を調節するための制御弁３３が設け
られている。

【００１５】例えば、定常運転時に、低圧圧縮段１０で
１００００Ｎｍ³ ／ｈを１ａｔａから１０ａｔａに圧縮
し、高圧圧縮段２０では、この圧縮ガスと、循環ガス導
入部３２から導入される１０ａｔａ，９００００Ｎｍ³
／ｈの循環ガスとを合わせて１０００００Ｎｍ³ ／ｈを
処理する場合、高圧圧縮段２０における実際の吸入時の
ガスの体積は、１ａｔａ／１０ａｔａの関係から１００
００ｍ³ ／ｈとなっている。

【００１６】なお、温度変化による体積変化は、上記圧
力によるものに比べて小さく、また、前述のように各圧
縮段の出口には、通常、クーラーが設けられているた
め、温度変化による体積変化は無視する。

【００１７】この多段圧縮機の起動時には、低圧圧縮段
１０では、同様に１００００Ｎｍ³／ｈを１ａｔａから
１０ａｔａに圧縮するので、吐出されたガスの実体積
は、前記同様に、１０００ｍ³ ／ｈとなり、高圧圧縮段
２０の定常運転時における１００００ｍ³ ／ｈに比べて
１０分の１になっている。したがって、従来は、上記１
００００Ｎｍ³ ／ｈのガスが系内に導入されて１０ａｔ
ａ，９００００Ｎｍ³ ／ｈの循環ガスを生成するまで
は、高圧圧縮段２０は定常時の容量以下の運転となり、
ある程度の循環ガスが得られるまではチョーク領域での
運転になっていた。

【００１８】ここで、前記制御弁３３で上記低圧圧縮段
１０から吐出された１０ａｔａ，１０００ｍ³ ／ｈのガ
スを１ａｔａに減圧すると、圧力が１０分の１になるか
ら実体積は１０倍になり、高圧圧縮段２０における吸入
体積を、定常運転時と同様の１００００ｍ³ ／ｈにする
ことができる。

【００１９】なお、上記制御弁３３における減圧の程度
は、低圧圧縮段１０における吐出圧と、高圧圧縮段２０
のチョーク流量とに応じて設定すればよく、高圧圧縮段
２０における定常時の流量と同一にする必要はない。

【００２０】図２は、具体的な装置構成の一例を示すも
ので、以下、窒素ガスを液化する手順に従って説明す
る。管５１から、４０℃，１．１ａｔａ，１４０００Ｎ
ｍ³ ／ｈの原料窒素ガスが導入され、多段圧縮機７１の
第１段７１ａで６ａｔａに、第２段７１ｂで９ａｔａ
に、第３段７１ｃで３８ａｔａまで圧縮される。この多
段圧縮機７１の各段には、後述する管５２，５３，５４
からの各段の吸入圧力まで減圧された循環窒素ガスが導
入され、原料窒素ガスと共に圧縮される。このとき原料
窒素ガスの圧力が多段圧縮機７１の中間段の吸入圧力程
度の場合には、原料窒素ガスを、その圧力に見合った段
から導入することができる。

【００２１】３８ａｔａの臨界圧力以上まで圧縮された
窒素ガスは、管５５から管５６と管５７とに分岐し、そ
れぞれ膨張タービン７２，７３に直結した昇圧ブロワー
７４，７５に導入され、さらに臨界圧以上の圧力に昇圧
される。一方の昇圧ブロワー７４で昇圧した窒素ガス
は、アフタークーラーで冷却されて４０℃，５９ａｔａ
の超臨界圧窒素ガスとなり管５８に導出され、他方の昇
圧ブロワー７５で昇圧した窒素ガスは、アフタークーラ
ーで冷却されて４０℃，５５ａｔａの超臨界圧窒素ガス
となり管５９に導出される。

【００２２】管５８の超臨界圧窒素ガスは、コールドボ
ックス８０に導入され、第１の熱交換器８１で冷却され
る。この超臨界圧窒素ガスは、途中で一部が管６０に分
岐する以外は臨界温度（−１４７．１℃）以下まで冷却
され、例えば−１６５℃，５９ａｔａの超臨界窒素ガス
となる。

【００２３】上記第１の熱交換器８１から管６１に導出
された超臨界窒素ガスは、減圧弁９１で９ａｔａまで等
エンタルピー膨張して気液混合流体となった後、気液分
離器７６に導入されてフラッシュガスと液とに分離す
る。気液分離器７６で分離した液は、管６２に導出され
て第２の熱交換器８２に導入され、−１７５℃まで冷却
されて管６３に導出される。管６３の液化ガスは、その
一部が管６４から減圧弁９２に分岐する以外は、第３の
熱交換器８３に導入されて−１９０℃までさらに冷却さ
れ、管６５に導出される。管６５の液化ガスは、その一
部が管６６の減圧弁９３に分岐する以外は、減圧弁９４
で減圧され、−１９０℃，２ａｔａ，１４０００Ｎｍ³
／ｈの製品液化窒素として管６７から取り出される。

【００２４】一方、前記昇圧ブロワー７５で昇圧した４
０℃，５５ａｔａの超臨界圧窒素ガスは、管５９により
コールドボックス８０内に導入され、第１の熱交換器８
１で−１００℃まで冷却された後、膨張タービン７３で
９ａｔａまで等エントロピー膨張し、また、前記管５８
から管６０に分岐した超臨界圧窒素ガスは、膨張タービ
ン７２で９ａｔａまで等エントロピー膨張する。両膨張
タービン７２，７３で９ａｔａに膨張した窒素ガスは、
それぞれ管６８，６９を通って、前記気液分離器７６で
分離したフラッシュガスの戻り流路に、それぞれの温度
に見合った位置で合流し、前記管５２から多段圧縮機７
１の圧力の等しい第２段７１ｂと第３段７１ｃとの間に
戻される。

【００２５】また、管６３から管６４に分岐した液化窒
素は、減圧弁９２で６ａｔａまで等エンタルピー膨脹し
た後、前記第２の熱交換器８２，第１の熱交換器８１に
冷却源となる戻り流体として順次導入され、前記管５３
から多段圧縮機７１の圧力の等しい第１段７１ａと第２
段７１ｂとの間に戻される。同様に、管６５から管６６
に分岐した液化窒素は、減圧弁９３で１．１ａｔａまで
等エンタルピー膨脹した後、前記第３の熱交換器８３，
第２の熱交換器８２及び第１の熱交換器８１に冷却源と
なる戻り流体として順次導入され、前記管５４から多段
圧縮機７１の圧力の等しい第１段７１ａの吸入側に戻さ
れる。

【００２６】上記構成の窒素ガス液化装置において、定
常運転時の多段圧縮機７１における各段の処理量（定格
点）は、まず、第１段７１ａが、原料窒素ガス１４００
０Ｎｍ³ ／ｈと、管５４から循環する窒素ガス４０００
Ｎｍ³ ／ｈとを合わせて１８０００Ｎｍ³ ／ｈであり、
第２段７１ｂが、第１段７１ａからの１８０００Ｎｍ³
／ｈと、管５３からの循環窒素ガス９１００Ｎｍ³ ／ｈ
とを合わせて２７１００Ｎｍ³ ／ｈであり、第３段７１
ｃが、第２段７１ｂからの２７１００Ｎｍ³ ／ｈと、管
５２からの循環窒素ガス１２２９００Ｎｍ³ ／ｈとを合
わせて１５００００Ｎｍ³ ／ｈである。

【００２７】このときの各段における吸入ガスの実体積
は、それぞれ第１段７１ａが１６３６４ｍ³ ／ｈ（１８
０００／１．１）、第２段７１ｂが４５１７ｍ³ ／ｈ
（２７１００／６）、第３段７１ｃが１６６６７ｍ³ ／
ｈ（１５００００／９）である。

【００２８】一方、起動時に循環窒素ガスが全くない状
態では、各段の流量が、それぞれ原料窒素ガスの量、即
ち、１４０００Ｎｍ³ ／ｈとなるので、第１段７１ａに
おける吸入窒素ガスの実体積は、１２７２７ｍ³ ／ｈに
なり、定格の約７４％になる。また、第２段７１ｂにお
いては、第１段７１ａの吐出圧力が吸入量の減少により
低下するので、これを約４ａｔａとするれば、第２段７
１ｂの吸入窒素ガスの実体積は、３５００ｍ³ ／ｈにな
り、定格の約７７％になる。そして、第３段７１ｃで
は、第２段７１ｂの吐出圧力を５ａｔａとしても、吸入
窒素ガスの実体積は２８００ｍ³ ／ｈであり、定格の約
１７％にすぎないことになる。

【００２９】したがって、第３段７１ｃにおいては、吸
入ガス量が定格点に比べて大幅に少く、所定の圧力比を
得られなくなり、このままでは、系内に窒素ガスが十分
に導入されるまでの間、チョーク領域での運転となる。
また、これにより起動時の吸入側の負圧状態を招き、大
気を吸入し、純度汚染を発生する要因となる。

【００３０】そこで本発明では、上記多段圧縮機７１に
おける第２段７１ｂと第３段７１ｃとの間に制御弁１０
１を設け、該制御弁１０１で、起動時に第２段７１ｂか
ら吐出された窒素ガスを減圧して高圧圧縮段である第３
段７１ｃに導入するようにしている。

【００３１】すなわち、上記起動時において、第２段７
１ｂから吐出された５ａｔａ，１４０００Ｎｍ³ ／ｈ
（実体積２８００ｍ³ ／ｈ）の窒素ガスを、上記制御弁
１０１で１．１ａｔａに減圧すると、第３段７１ｃに吸
入される窒素ガスの実体積は１２７２７ｍ³ ／ｈに増
え、定格の約７７％の量になる。これにより、第３段７
１ｃは、十分な量の窒素ガスを吸入することができ、チ
ョーキングを生じることなく起動運転を行うことができ
る。

【００３２】制御弁１０１は、起動時に最も絞った状態
とし、起動後の系内圧力の上昇及び循環ガス量の増加に
応じて開いていき、定常運転あるいはこれに近くなった
ときには、全開状態にする。

【００３３】なお、制御弁は、上記のように、起動時に
チョーク領域での運転となる圧縮段群の直前に設けるこ
とで必要十分な効果を得ることができる。また、本発明
は、ギヤード型多段圧縮機に特に適したものである。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の多段圧縮
機及びその起動方法は、低圧圧縮段と高圧圧縮段との間
に、ガスを循環導入する循環ガス導入部を有し、高圧圧
縮段が低圧圧縮段に比べて大容量である多段圧縮機にお
いて、前記低圧圧縮段と高圧圧縮段との間に、制御弁を
配設し、該多段圧縮機を起動するにあたり、前記低圧圧
縮段で昇圧したガスを制御弁で減圧して高圧圧縮段に導
入するようにしたから、大容量の高圧圧縮段に十分な実
体積のガスを供給することができ、該高圧圧縮段におけ
るチョーキングの発生を防止でき、また、吸入側の負圧
発生，大気吸入による純度低下を防止し、安定した起動
運転を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の多段圧縮機の一実施例を示す系統図
である。

【図２】 本発明の多段圧縮機を使用した窒素ガス液化
装置の一実施例を示す系統図である。

【図３】 ギヤード型多段圧縮機の説明図である。

【符号の説明】

１０…低圧圧縮段 ２０…高圧圧縮段 ３２…循環
ガス導入部 ３３，１０１…制御弁 ７１…多段圧
縮機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低圧圧縮段と高圧圧縮段との間に、自身
   の吐出ガスの一部を循環導入する循環ガス導入部を有
   し、高圧圧縮段が低圧圧縮段に比べて大容量である多段
   圧縮機において、前記低圧圧縮段と高圧圧縮段との間
   に、制御弁を配設したことを特徴とする多段圧縮機。
2. 【請求項２】 低圧圧縮段と高圧圧縮段との間にガスの
   導入部を有し、高圧圧縮段が低圧圧縮段に比べて大容量
   である多段圧縮機を起動するにあたり、前記低圧圧縮段
   で昇圧したガスを制御弁で減圧して高圧圧縮段に導入す
   ることを特徴とする多段圧縮機の起動方法。