JPH11505004A

JPH11505004A - ダイナミックコンプレッサーのためのサージ再発防止制御システム

Info

Publication number: JPH11505004A
Application number: JP9524628A
Authority: JP
Inventors: マックリースター，ラリー，ディー．; ボスティック，ギャリー，ダブリュー．
Original assignee: ウッドウォードガヴァナーカンパニー
Priority date: 1996-01-02
Filing date: 1997-01-02
Publication date: 1999-05-11
Anticipated expiration: 2017-01-02
Also published as: WO1997024512A1; JP3205562B2; CN1212038A; CN1078934C; EP0871818A1; CA2231444C; DE69728254T2; US5709526A; EP0871818A4; EP0871818B1; HK1019353A1; DE69728254D1; CA2231444A1

Abstract

(57)【要約】この制御システム（２０）はダイナミックコンプレッサーのサージの再発を防止するものである。アンチサージバルブ（１２）が流れをバイパスさせ、このバルブは制御システムにより下限位置と全開位置との間で制御される。下限は最初はゼロ、すなわち完全閉位置にに設定される。コンプレッサーのサージが発生した場合、システムは、サージ発生時のアンチサージバルブの位置を検知し、新たな下限（４０）として検知位置に関連される位置を記憶する。この記憶された位置は、サージ現象の再発を防止するために、検知位置にわずかな増分を加えた値とするのが好適である。

Description

【発明の詳細な説明】ダイナミックコンプレッサーのためのサージ再発防止制御システム発明の分野本発明は、概してダイナミックコンプレッサーの運転を制御するための制御システムに関するものであり、より詳細には、ダイナミックコンプレッサー内におけるサージ（圧力変動）を防止する制御システムとその方法に関するものである。発明の背景ダイナミックコンプレッサーは、工業過程において圧縮ガスを供給するために広く用いられている。圧縮ガスを受ける下流工程の運転を中断することのないように、ダイナミックコンプレッサーの運転は、下流工程が必要とする安定した吐出圧力あるいは流量を供給するよう適切に制御されなければならない。しかしながら、下流工程の状況変化といったような理由で、ダイナミックコンプレッサーの流量がある閾値以下に落ちた場合には、コンプレッサー内でサージが生じたり流れが想到に減衰したりすることがよく知られている。このサージは、必然的に下流工程を中断させることに加えて、ダイナミックコンプレッサーにとって破壊的な現象となり、コンプレッサー内に可聴のレトルトと強い振動を引き起こす可能性がある。そして、深刻な場合には、重篤なダメージを与えかねない。それ以下でダイナミックコンプレッサーがサージを起こす閾流量は、ダイナミックコンプレッサーにおける差圧の関数である。サージの条件はしばしば、コンプレッサーの運転を、ポリトロープヘッドに対する実流量という関係で表示するコンプレッサーマップを用いて表わされる。コンプレッサーマップ上のコンプレッサーの運転点がサージ領域内に入った場合に、サージが起きることが発見されている。サージ領域とは、（実流量）²／（ポリトロープヘッド）＝Ｋ＜Ｋは定数＞の式で定義される放物線に非常に近いサージラインによって境界された領域である。ダイナミックコンプレッサーのサージ防止、あるいはサージ状態からの脱却のために一般的に採用されている方法は、コンプレッサーの吐出口に取り付けたアンチサージバルブを開放することである。最も代表的な方法では、アンチサージバルブにより流れがコンプレッサーの吐出口から吸込口にバイパスされる。あるいは、アンチサージバルブにより、単純に吐出流がダンプされる場合もある。どちらもここでは広くバイパスと表現する。このようなバイパスが増えることによって、コンプレッサーの流量が増加し、コンプレッサーの運転点がサージ領域から脱する。アンチサージバルブが効果的に作動して、ダイナミックコンプレッサーのサージを防止し、サージが起こった場合にはコンプレッサーをサージ状態から脱却させるために、色々な制御手段が開発され、ダイナミックコンプレッサーの運転状況に応じてアンチサージバルブの開度を制御するようになってきている。一般的に、今日採用されているバルブ開度制御手段は、閉ループ制御プロセス、または閉ループ制御プロセスと開ループ制御プロセスの組み合わせを用いている。閉ループ制御は、連続した閉ループ方式でアンチサージバルブを制御するよう作用しコンプレッサーの運転点がサージラインに不適当に近づいた時に、コンプレッサーの流れを調節する。閉ループ制御プロセスは、典型的な比例積分偏差（ＰＩＤ）制御プロセスであり、これはコンプレッサーの運転点に対応する制御変数に作用するものである。また、このＰＩＤ制御プロセスは、コンプレッサーマップの安定領域におけるサージ制御ラインに対応する目標値を有する。開ループ制御プロセスの目的は、閉ループ制御がサージの回避に無効であることが明らかになったとき、それに代わるかあるいは補助することである。サージバックアップ点を超えた場合、開ループ制御プロセスがアンチサージバルブの制御を引き継ぎ、速やかにバルブを十分に開放して、可能ならばサージ発生を防止し、あるいはサージが既に始まっていたならばそれから脱却するようにする。運転点が安全な運転領域に戻った後、開ループ制御プロセスは、ある一定の速度でまたは可変速度でアンチサージバルブを閉じ始める。そしてある時点で、アンチサージバルブの制御を閉ループ制御プロセスに戻す。ところが、今日までに開発されたバルブ制御手段では、サージ制御システムがサージを防止することができない事態が多発している。このような不具合には、数多くの原因がある。例えば、プロセスの設計不良、プロセスの混乱による緩速制御変動（control dynamics）、不正確な計算、不正確なプロセスの計測あるいは故障センサー、入力ミス、不正確な信号計測、コンプレッサーの性能の変化などが考えられる。ほとんどの閉ループ制御プロセスでは、コンプレッサーのプロセス状態の計測データをもとにプロセス変数を計算し、それを用いているために、上記の問題は、その性能に直接的な打撃を与える。従って、精巧になったとは言え、閉ループサージ防止手段が計測データに基づいている場合には、十分に正確な制御が行われず、サージを防止できない状況が存在する。閉ループ制御における正確な制御の欠如という問題を克服するために提案された一方法は、各サージ現象の発生後に閉ループ制御プロセスの制御目標値を移動することである。これは、新しい目標値に対応するサージ制御ラインがサージ領域から十分に離れていれば、サージの再発を防止するに足る防御が得られるはずであるという仮定に基づいている。それでもサージ現象が再発した場合には、目標値を再び別の安全であると推定される場所まで移動させる。このプロセスは、閉ループ制御の目標値が従来の制御システムにおける不具合の原因を補償するに十分な遠方に移されるまで続けられ、その結果閉ループ制御プロセスによってコンプレッサーを安定して運転することができるようになると考えられる。しかしながらこのようなサージ再発防止方法は、多くの場合無効であった。従来のサージの原因が緩速変動であるならば、閉ループ制御の目標値の移動によってサージ再発防止に十分な安全マージンが得られるであろう。一方、従来のサージの原因がプロセス計測や変数計算のエラーによるものであれば、閉ループ制御手段に拘わらずサージは繰り返されるであろう。計測、制御変動あるいはプロセス変数の計算にシステムエラーがある限り、たとえ正しく設定されたとしても、後続のサージを防止するのに有効なシステムは今のところ存在しない。発明の概要前述の観点から、本発明の総括的な目的は、ダイナミックコンプレッサー内で用いられ、サージ現象の再発を効果的に防止する改善された制御システムを提供することである。従って、ダイナミックコンプレッサーにおいて、計測、制御変動あるいはプロセス変数の計算にシステムエラーが存在した場合でもサージ現象の再発防止に有効な制御システムを提供することを本発明の目的の一つとしている。サージ防止制御システムを提供する本発明の関連目的は、過去のサージ現象から発生した情報を用いて、将来のサージ現象を効果的に防止するよう制御プロセスを調整することである。本発明の以上のような目的や他の諸目的に従って、ダイナミックコンプレッサーに用いられサージの再発を防止する制御システムが提供される。この制御システムは、コンプレッサーの流れをバイパスするように、ダイナミックコンプレッサーの吐出口に取り付けたアンチサージバルブを制御するものである。この制御システムは、コンプレッサーの運転点に応答するサージ制御装置を具備し、このサージ制御装置は、アンチサージバルブを最小位置から制御可能に開放して、運転点がサージ領域内に移動するのを防止することができる。サージ制御装置は、最小位置を記憶されたより小さい限度に制限するためのサージ限界（リミット）メモリーに機能的に連結されている。サージ検出器は、サージ現象の始まりを検出し、更にサージ限界メモリーと連動して、サージ開始時のバルブ開度に対応する下限を記憶させる。この下限は、サージの再発を防止するよう設定される。好ましい実施態様では、サージ開始時のバルブ開度に少しのデルタ増分を加えて、サージ再発防止のための下限が設定される。本発明の特徴は、サージ制御装置が通常時はアンチサージバルブの最小開度をゼロとしているが、この最小開度をサージ現象の発生のたびに、サージの再発を防止するのに十分なレベルまで増加させることである。また、本発明の特徴は、サージ制御装置の出力の修正であるが、サージ制御ラインの修正は行わず、ただＰＩＤ制御装置が下限（最小開度）以下にバルブを閉じることの無いように、バルブ位置の下限を設定するという点である。本発明の他の諸目的と利点については、以下の詳細な説明により図面と関連して明らかになろう。図面の簡単な説明図１は、本発明の一例である制御装置によって操作されるアンチサージバルブを具備するダイナミックコンプレッサーを示すブロック図である。図２は、バルブの最小開度を設定するためのモジュールを具備する制御装置を示すブロック図である。図３は、図２に示した制御装置の複合モジュールの実施形態を表示したブロック図である。図４は、サージ限界メモリーの実施形態を示すブロック図である。図５は、ダイナミックコンプレッサーのコンプレッサーマップと、マップ内の様々な運転点の位置を示したものである。本発明は、様々な変更や別の構造を許容するものであり、そのうちのある特定の実施形態についてのみ図面に示し、以下の詳細な説明の中で説明する。しかしながら、開示した特定の形態に本発明を限定する意図はなく、請求の範囲において特定した本発明の精神や範囲内にあるものであれば、すべての変更態様や別の構造、均等物を含有する意図があることは、理解されるであろう。発明の詳細な説明さて、図面に戻る。図１は、本発明の実施形態であるサージ防止制御システムに連結されたダイナミックコンプレッサー１１を示すブロック図である。このサージ防止制御システムは、ダイナミックコンプレッサー１１の吐出口に取り付けたアンチサージバルブ１２を利用して、ダイナミックコンプレッサー１１内の流れを制御するものである。アンチサージバルブ１２は調節可能な開口部を具備しその開口部はアンチサージバルブ１２の制御入力部１１２に送られる電気信号によって制御される。アンチサージバルブ１２が開放された場合には、ダイナミックコンプレッサー１１の吐出ガスの一部がコンプレッサー１１の周りをバイパスされる。この周囲のバイパス流は、ダイナミックコンプレッサー１１の全流量を増加させ、運転点をサージ領域から離脱させる効果がある。図１に示されるように吐出口から吸込口にガスを再循環させる代わりに、アンチサージバルブ１２を通してダイナミックコンプレッサー１１の吐出ガスの一部を単純にダンピング（排出）することによっても、ダイナミックコンプレッサー１１の流量を増加させることが可能である。本明細書中で「バイパス」という用語が用いられた場合には、文脈によって違ったものを指す場合を除いて、より好ましい再循環形態のもの、および、あまり好ましくないダンピング形態のものを包含する意図を持つものである。コンプレッサー１１のサージを効果的に防止し、同時に圧縮ガスを受け取る下流工程１４への妨害を最小限にくいとめるために、アンチサージバルブ１２の開放のタイミング、開放時間、開放の程度は、慎重に制御されなければならない。図１に示したように、バルブの開度は、コンプレッサー１１のプロセス状態に従ってバルブの開度を調節する制御装置２０によって制御される。本発明の教示に従って、制御装置２０は、アンチサージバルブ１２の開度を全開から最小開度までの間で制御して、ダイナミックコンプレッサー１１のサージを防止するように構成されている。以下に更に詳細に説明されるとおり、アンチサージバルブ１２の最小開度は、その直前に起こったサージ開始時のバルブ開度によって設定される。つまり、サージの発生後、最小開度より閉じられることが決してないように、アンチサージバルブ１２の有効運転範囲が調整される。この最小開度は、サージ発生時の開度より少し大きく設定されることが好ましい。更に詳細には、ガスはコンプレッサー吸込口からコンプレッサー１１内に流れ込み、圧縮されたガスが下流工程１４へと渡される。コンプレッサー１１のプロセス状態を監視するために、複数のセンサーが配置され、コンプレッサー１１の入力状態と出力状態を感知している。図１に示されているように、センサーは、通常、入口温度センサー９１、入口圧力センサー９２、流量センサー９３、吐出し圧力センサー９４および吐出し温度センサー９５等であり、ここに示されていない他のセンサーも含まれる。これらのセンサーからの出力信号は、プロセス計測モジュール１５に送られ、そこで処理されてコンプレッサー１１の運転状態が決定される。プロセス計測モジュール１５の出力はプロセス変数計算機１６に連結されており、そこで少なくとも１個のプロセス変数が算出される。かかるプロセス変数は、制御装置２０によって、出力制御信号の発生に利用される。この後、出力制御信号はバルブ位置制御装置１７によりアンチサージバルブ１２の開閉調節に利用される。制御装置２０を例示するブロック図が図２に示されている。概して述べるならば、制御装置２０はサージ制御装置３０を具備し、これがアンチサージバルブ１２の開度を全開から最小開度の間で制御する。制御装置２０は、通常、アンチサージバルブを最小開度、望ましくは完全に閉じた状態に維持する。サージ制御装置３０は、コンプレッサーの運転点がサージ状態に近づいた場合に、アンチサージサイクルにおいてアンチサージバルブを開放するモジュールを具備する。一般的に、サージ制御装置３０には、アンチサージバルブ１２に最小開度を維持させる静止モードと、アンチサージバルブ１２を周期的に開放して運転点がサージ領域に入るのを妨げ、その後最小開度に戻すアンチサージモードの両状態があると考えられる。しかし、上述のように、コンプレッサー１１がサージ領域に入ってサージを生じてしまう場合もありうる。そこで、コンプレッサー１１が反復性のあるサージサイクルに陥るのを防止するため、アンチサージバルブ１２の最小開度が、直前に起こったサージ発生時のバルブ開度をもとに、下限制御モジュール４０によって設定される。この目的で、サージ検知器２２が、ダイナミックコンプレッサー１１のプロセス状態を監視し、サージの発生を検知することとしている。サージの発生が検知されると、サージ検知器２２がサージ信号を発生しモジュール４０を起動させて、検知したサージ発生時のバルブ開度をもとに新たな最小開度が設定される。ダイナミックコンプレッサー１１がサージ状態から脱しても、制御モジュール３０はアンチサージバルブ１２を全開から新たな最小開度の範囲内で制御しつづけ、次のサージの発生を防止する。アンチサージバルブ１２の開度が、適正に設定された最小開度より小さくなるのを防止すれば、サージ現象の繰り返しが効果的に抑えられることは明白であろう。従来の技術における閉ループサージ防止手段は、サージの発生に応答して閉ループ制御の目標値を動かすことにより将来のサージ発生を防止しようとするものであった。計算によりバルブの閉鎖が認可された場合には、閉ループ制御プロセスにより、アンチサージバルブ１２は別のサージサイクルが始まりかねない状態まで閉鎖されてしまい、その結果サージ現象の反復が永続してしまう。このことは、どんなに目標値を変更しても起こるであろう。本発明の主旨によれば、アンチサージバルブ１２が直前のサージによって示されたある開度より閉じることのないようにすれば、このようなサージ現象の反復は断ち切られる。本発明による新規な制御手段は閉ループ運転からは独立している。従って、閉ループ制御手段が、例えば、プロセス計測の間違い、不正確な計算、プロセス仮定の間違い、閉ループ制御手段自体の間違い、あるいは緩速制御変動などによってシステムエラーを生じた場合であっても適切なサージ防止を提供するものである。サージ現象の再発を効果的に防止するためには、アンチサージバルブ１２の最小開度位置を正確に設定することが重要である。上で指摘したように、閉ループ制御装置ではすべてのケースにおいてサージを防止することができるものではないと明らかになっているので、バルブを閉位置や、ある一定の最小開放位置まで戻すことは有効ではない。特にサージが制御プロセスのシステムエラーに関係している場合には、最小開度を直前のサージ現象発生時のバルブ開度に設定することも、多くの場合有効に将来のサージ現象の反復を断ち切ることはできないと判断される。本発明によれば、バルブの最小開度を直前のサージ現象発生時の開度に少しの増分を加えて設定することが、後のサージ現象を効果的に防止するであろう。サージ現象の再発を防止するのに必要なこの増分の大きさは、一般的にバルブの特性、コンプレッサー１１のプロセス変動、ラグタイム等のシステム制御応答特性、その他の要素により左右される。更に、適正な増分は、起こったサージがコンプレッサーの運転に与える衝撃にも依存する。もし、２度連続して起こるサージが、コンプレッサー１１や下流工程１４(図１)に重篤なダメージを与えそうな場合には、バルブ開度の増分は２度目のサージ発生を防止するためにかなり大きく設定されるべきである。満足のいく結果を得るためのこの増分の設定法には、増分を開度のある一定割合値に設定することが考えられる。その一定割合値とは、バルブ全開時の５％から１０％の間が望ましい。しかし、最小開度をサージ発生時の開度よりどの程度増加させるかについては、本発明の視点や精神を損なわない限りにおいて、様々な割合や一定のデルタ（Δ）増分を用いる方法なども採用できることは明らかであろう。図３は、制御装置２０の一実施形態を示したもので、アンチサージバルブ１２の開度が最小開度以下にならないようにハイシグナルセレクターを採用している。ハイシグナルセレクター３６を用いることにより、制御装置２０から出力される制御信号が、常にバルブの開度を下限制御モジュール４０の設定した最小開度以上に保つことが保証される。図３に示されるように、ハイシグナルセレクター３６は下限制御モジュール４０に連結されており、最小開度に対応する下限開度信号を受け取るようになっている。ハイシグナルセレクター３６は更に、それぞれバルブの開度に対応する制御信号を発生する別のモジュールにも連結されている。例えば、図３には閉ループＰＩＤモジュール３２と開ループ制御モジュール３４が示されているが、閉ループＰＩＤモジュール３２はＰＩＤ制御信号を発生し、開ループ制御モジュール３４は開ループ制御信号を発生する。以上と同様かあるいは異なった制御手段を用いた別のモジュールがハイシグナルセレクター３６に連結されてもよいことは明らかであろう。ハイシグナルセレクター３６は、下限開度信号を含む多数の信号を受容し、アンチサージバルブ１２を制御するための出力信号として、最大の開度に対応する入力信号を選択する。このようにした場合、出力制御信号は、下限開度制御モジュール４０が設定した最小開度と少なくとも同じ大きさのバルブ開度に対応する。言い換えると、ＰＩＤを含む他の制御装置が下限値を下回るバルブ開度を命じた場合には、この下限値はその制御装置を無効とする。更に詳細には、この実施形態においてサージ制御装置３０は、ダイナミックコンプレッサー１１の運転点がサージラインに近づいた場合にその運転点を制御するために、閉ループＰＩＤモジュールを用いている。ＰＩＤモジュール３２のプロセス変数は、以下のように定義される制御変数であることが望ましい。制御変数＝（実流量）²／（ポリトロープヘッド）このように定義した場合、制御変数の各値は、コンプレッサーマップにおける放物線に相当する。更にＰＩＤモジュール３２の目標値は、一般にコンプレッサーマップ上の安定領域内に位置するサージ制御ラインを画す。ここで短く図５について述べるが、図５は典型的なコンプレッサーマップを示している。サージライン７０は、マップを安定運転領域７３とサージ領域７４とに分けている。サージ制御ライン７１は安定運転領域７３内に位置し、サージライン７０から少し離れている。サージ制御ライン７１は一般にサージ制御モジュールの目標値を示している。サージ制御モジュールは、運転点がサージ制御ライン７１とサージライン７０との間の領域に入りそうになった時、サージ制御ライン７１にて運転点を制御するように作動する。図３に戻る。この実施形態において、制御変数は、プロセス計測モジュール１５により発生されたデータを用いて制御変数計算装置１１６によって計算される。ＰＩＤモジュール３２は、アンチサージバルブ１２の開度を制御するためのＰＩＤ制御信号を発生すべく、制御変数に影響を与える比例、積分、導関数の各項を有している。運転点がサージライン７０とサージ制御ライン７１の間の領域に陥った時には、ＰＩＤモジュール３２はアンチサージバルブ１２の開放するよう調整され、運転点がサージライン７０に接近するのを妨げる。そして一般にＰＩＤモジュールは、運転点がコンプレッサーマップ上の安定運転領域７３にある時は、ＰＩＤ制御信号を発生してアンチサージバルブ１２を閉じるような形態に、構成されている。しかし、最小開度より小さなバルブ開度に対応するＰＩＤ制御信号は、ハイシグナルセレクター３６の働きによって、アンチサージバルブ１２の開度制御のために選択されることはない。制御作用の安定性を考慮したことにより、閉ループＰＩＤモジュール３２は一般に、急に発生したサージ現象を防止するのに足る迅速な応答性を有していない。この実施形態においては、差し迫ったサージを防止し、あるいは、サージ発生が避けられない場合にコンプレッサー１１をサージから脱しようとするのを制御する目的で、開ループ制御モジュール３４が設けられている。開ループ制御モジュールは、アンチサージバルブ１２を迅速に開放する開ループ制御信号を発生することにより、アンチサージバルブ１２の制御を引き継ぐ。このような出力信号はハイシグナルセレクター３６によって選択される。そしてサージ現象の終了後に、開ループ制御モジュール３４はアンチサージバルブ１２を閉じ始める。ＰＩＤモジュール３２の場合と同様に、ハイシグナルセレクター３６は開ループ制御モジュール３４がアンチサージバルブ１２を最小開度以下まで閉じることを防止する。サージ検知器２２は、プロセス計測モジュール１５によって計測されたプロセス状態をもとにサージ現象の発生を検知する。サージ現象の発生は、例えばコンプレッサー１１のスピード、吸込み圧力あるいは吐出し圧力の変動の割合、流量等を監視することによって判定できる。サージ現象の発生が感知されると、サージ検知器２２はサージ信号を下限制御モジュール４０に送り出す。サージ信号に起動されて下限制御モジュール４０は、新たな最小開度信号を発生し、記憶する。この最小開度は、サージ現象発生時のバルブ位置に基づいて設定される。図４は、下限制御モジュール４０の実施形態を示している。この実施形態において、下限信号はサージ限界メモリー４６に記憶される。モジュール４０は、サージ発生時のバルブ開度をハイシグナルセレクター３６から出力される制御信号の監視によって検出する。この目的で、出力制御信号は、データ入力として、バルブ開放位置レジスタ４２に伝えられる。そしてレジスタ４２は、出力制御信号を現在のバルブ開度の示度として記憶する。モジュール４０は、サージ限界計算機４４を具備する。計算機４４は、サージ検知器２２からのサージ信号に起動されると、バルブ開放位置レジスタ４２に記憶されていた信号を受け、バルブ位置の新しい下限を設定する。サージ限界計算機４４はその後、新たな下限位置を生成し、それはサージ限界メモリー４６に記憶され、それまで記憶されていた下限と置換される。サージ限界計算機４４は、レジスタ４２に記憶されていた（サージ発生時の開度に対応する）バルブ位置に、少しの増分、即ちデルタ（Δ）を加えることにより、その役割も果たす。上述した通り、このデルタはバルブ開度の一定割合値であるはずである。このように計算された位置は、サージ制御モジュールの新しい下限を設定するために、サージ限界メモリー４６に送られる。次に、図３に示されている制御装置２０の実施形態の作用について、図５に関連する例を用いて説明する。図５は、コンプレッサー１１のコンプレッサーマップを示している。このコンプレッサーマップは、垂直軸にポリトロープヘッドを、水平軸にコンプレッサー内の実流量をとって表わされたものである。コンプレッサーマップは、サージライン７０によってサージ領域７４と安定運転領域７３とに分割される。サージ制御ライン７１は、ＰＩＤモジュール３２の目標値に対応し、安定運転領域７３内にサージライン７０から所定の安全マージンをとって置かれるのが一般的である。コンプレッサー１１の運転点は最初、ポイントＡにあると仮定し、アンチサージバルブの最小開度は最初、完全閉鎖すなわち開度ゼロであると仮定する。ポイントＡでは、ＰＩＤモジュールは、アンチサージバルブ１２を閉じるように働き、アンチサージバルブは完全に閉じられる。次に、例えば下流工程の状況変化による流量の変化のために、運転点がサージライン７０の方へ移動すると仮定する。運転点がポイントＢを越えて、サージ制御ライン７１とサージライン７０との間の領域７５内まで移動した場合、ＰＩＤモジュール３２は、アンチサージバルブ１２を開放して運転点をサージライン７０から離そうとする。閉ループＰＩＤモジュール３２がアンチサージバルブ１２を制御しつづけてもサージ防止に失敗し、運転点がサージライン７０に向かって移動し続けると仮定する。運転点がサージライン上のポイントＣを越えてポイントＤまで移動した時、実際にサージ現象が始まり、サージ検知器２２がサージの開始を検知する。サージ検知器２２は、下限制御モジュール４０を起動してサージ発生時のバルブ開度を検知させ、その値をもとに新たな最小開度を設定する。例えば新たな最小開度は、サージ発生時の開度より５％大きく設定されるとよい。サージの発生後に開ループ制御モジュール３４は、アンチサージバルブ１２の全開といったような大きな開度に対応する開ループ制御信号を発生することで、アンチサージバルブ１２の制御を引き継ぐ。この開ループ制御信号はハイシグナルセレクター３６により選択されて、アンチサージバルブ１２が速やかに開放される。これにより、運転点はポイントＤから安定運転領域７３内のポイントＥに移動してサージ現象が終了する。運転点が安定運転領域７３に戻った後、ＰＩＤモジュール３２と開ループ制御モジュール３４は両方ともアンチサージバルブを閉じ始める。ハイシグナルセレクター３６の働きにより、ＰＩＤモジュール３２も開ループ制御モジュール３４も新たに設定された最小開度以下までバルブを閉じることはできない。このように運転点がサージ制御ライン７１の右側領域にあっても、アンチサージバルブは最小開度に維持される。別の流れの乱れが運転点を領域７５に移動させた場合、ＰＩＤモジュールは、新たな下限のバルブ開放位置からバルブ開度を大きくすることにより、コンプレッサーの運転点がサージ領域に入るのを防ぐ。ＰＩＤ制御下でアンチサージバルブの開放位置を維持するよう、ＰＩＤのようなアンチサージ制御モジュールに頼る従来のシステムと異なり、本発明では最小開度を固定し、メンテナンス機能が問題を解決するまでその開度を維持することとしている。従って、ハイシグナルセレクターと連結した下限開放位置信号は、すべての制御装置が下限を下回ってバルブを閉じることを防止する。この状況では、すぐにシステムのメンテナンスサイクルが起動して、サージを起こした原因状況を除去しようとする。除去が完遂した時に、メンテナンスパネルリセット機能８０（図４参照）が好ましくは手動で作動させられ、リセット信号を下限制御モジュール４０に伝える。図４に示されているように、そのリセット信号はサージ限界メモリー４６に伝えられて下限をゼロ、つまりバルブを閉じた状態に戻す。この状況では、コンプレッサー１１は通常モードで運転しており、アンチサージバルブ１２は通常通り閉じている。またサージ状態の発生を防止すべく、アンチサージバルブ１２はサージ制御装置の制御下で運転されている。サージ現象下では、上述のように最小開度はより大きくされるであろう。本発明によるダイナミックコンプレッサー１１（図１）のサージ再発防止方法を、以下に詳細に述べる。このサージ防止方法はアンチサージバルブ１２（図１）を利用するもので、このバルブはコンプレッサー１１の吐出口に連結され、コンプレッサー１１の周りに流れをバイパスするよう開度が調節可能となっている。コンプレッサー１１のサージ防止のために、本方法は、ダイナミックコンプレッサー１１のプロセス状態を連続して監視するステップと、前記プロセス状態に応じてバルブの開度を全開から最小開度までの間で制御するステップとを含んでいる。本方法は更に、コンプレッサー１１のプロセス状態の監視によって、サージ現象の発生を検知するステップを含んでいる。サージ現象の発生が検知されると、新たな下限のバルブ開放位置を設定するステップが遂行され、これにより、サージ発生時のバルブ開度に基づいて新たな最小開度が設定される。これらのステップは繰り返され、バルブ開度制御ステップにおいて、アンチサージバルブ１２は、全開と新たな最小開度との間で開閉されるよう制御される。本発明の方法の好ましい実施形態において、バルブ開度の制御ステップは、サージ制御ライン７１（図５）付近での制御を受け持つよう閉ループＰＩＤ制御を行うことと、サージ現象の最中にそれを終了させるよう開ループ制御を行うことととを含んでいる。下限開度を設定するステップでは、新たな最小開度を、検知されたサージ現象発生時の開度より少し大きく設定する。新たな下限開度は、サージ現象の発生時の開度よりも、ある一定の割合で大きく設定されるのが好ましい。本発明の様々な好ましい実施形態についての上記説明は、単に例示ないしは説明を目的として行われたものである。従って、本発明は、上記の特定形態に限定されるものではない。上記内容に基づいて自明の変更や修正が可能である。取り上げた実施形態は、様々な実施形態において、また予想される個々の用例に適した変更を加えた上で、当業者によって本発明を利用することができるよう、本発明の精神と実際の応用について最良の実例を提供するために選択され説明されたものである。様々な変形や変更等は、それらが公正、合法的、正当に与えられた広がりに従って解釈される場合、特許請求の範囲により特定される発明の範囲内にあるとされる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年８月２８日【補正内容】数多くの原因がある。例えば、プロセスの設計不良、プロセスの混乱による緩速制御変動(control dynamics)、不正確な計算、不正確なプロセスの計測あるいは故障センサー、入力ミス、不正確な信号計測、コンプレッサーの性能の変化などが考えられる。ほとんどの閉ループ制御プロセスでは、コンプレッサーのプロセス状態の計測データをもとにプロセス変数を計算し、それを用いているために、上記の問題は、その性能に直接的な打撃を与える。従って、閉ループサージ防止手段が精巧になったとは言え、計測データに基づいている場合には、十分に正確な制御が行われず、サージを防止できない状況が存在する。閉ループ制御における正確な制御の欠如という問題を克服するために提案された一方法は、各サージ現象の発生後に閉ループ制御プロセスの制御目標値を移動することである。これは、新しい目標値に対応するサージ制御ラインがサージ領域から十分に離れていれば、サージの再発を防止するに足る防御が得られるはずであるという仮定に基づいている。それでもサージ現象が再発した場合には、目標値を再び別の安全であると推定される場所まで移動させる。このプロセスは、閉ループ制御の目標値が従来の制御システムにおける不具合の原因を補償するに十分な遠方に移されるまで続けられ、その結果閉ループ制御プロセスによってコンプレッサーを安定して運転することができるようになると考えられる。しかしながらこのようなサージ再発防止方法は、多くの場合無効であった。従来のサージの原因が緩速変動であるならば、閉ループ制御の目標値の移動によってサージ再発防止に十分な安全マージンが得られるであろう。一方、従来のサージの原因がプロセス計測や変数計算のエラーによるものであれば、閉ループ制御手段に拘わらずサージは繰り返されるであろう。計測、制御変動あるいはプロセス変数の計算にシステムエラーがある限り、たとえ正しく設定されたとしても、後続のサージを防止するのに有効なシステムは今のところ存在しない。請求の範囲１．サージ領域と、安定運転領域と、これらの領域を分けるサージラインと、前記安定運転領域内にあって前記サージラインから離れたサージ制御ラインとを含むコンプレッサーマップ上で定義される可変の運転点を有するダイナミックコンプレッサーにおけるサージの再発を防止するための制御システムであって、開度が調整可能であり、コンプレッサーの流れをバイパスするアンチサージバルブと、サージ現象の発生を検知し、サージ信号を発生するサージ検知器と、前記サージ信号に応答し、サージ現象の発生時のバルブ開度に関連されるバルブ位置の下限を記憶するサージ限界メモリーと、前記コンプレッサーの運転点に応答し、該運転点が前記サージ領域内に移動するのを防止するよう前記アンチサージバルブを最小位置から制御可能に開くサージ制御装置であり、前記サージ限界メモリーに機能的に連結されており、前記記憶された下限に最小位置を設定する前記サージ制御装置とを備える制御システム。２．前記サージ制御装置が前記サージ限界メモリーと協働して、サージ再発防止のために選定された増分Δをサージ発生時のバルブ開度に加えた値に等しい下限を記憶するようにした、請求項１に記載の制御システム。３．前記増分Δはバルブ開度の一定割合値である、請求項２に記載の制御システム。４．前記サージ制御装置は、前記サージ制御ラインに対応する目標値を持つ閉ループＰＩＤモジュールであって、前記コンプレッサーの運転点が前記サージラインと前記サージ制御ラインとの間にある場合に前記アンチサージバルブを開放するよう調整される前記閉ループＰＩＤモジュールを有している、請求項１に記載の制御システム。５．前記サージ制御装置は、バルブ位置に対応する複数の入力を受けるハイシグナルセレクターを有しており、前記閉ループＰＩＤモジュールは前記入力の一つとして接続されており、前記サージ現象メモリーは前記入力の他のものとして接続されており、前記ハイシグナルセレクターは、バルブ開度を制御するために最大のバルブ開度に対応する入力制御信号を選択する、請求項４に記載の制御システム。６．前記サージ制御装置は、前記バルブを速やかに開放した後、前記バルブを前記記憶された下限になるよう緩やかに閉じる開ループ制御サイクルを遂行する開ループモジュールであって、前記入力の一つとして前記ハイシグナルセレクターに接続されている前記開ループモジュールを有している、請求項５に記載の制御システム。７．前記開ループモジュールは、前記コンプレッサーの運転点が前記サージ領域にある時に前記安定運転領域まで前記運転点を戻す働きを有しており、前記サージ限界メモリーは、それまで記憶していたバルブ位置の下限よりも大きな新しいバルブ位置の下限を記憶すると共に、新たなバルブ下限を設定するために前記新しいバルブ位置の下限を前記ハイシグナルセレクターに伝えるよう応答する、請求項６に記載の制御システム。８．サージ状態から脱した後に手動でバルブ位置の下限をゼロのバルブ開度に戻せるよう、前記サージ限界メモリーに連結されたリセット入力を備えるメンテナンス入力を更に含んでいる、請求項７に記載の制御システム。９．前記サージ制御装置は、（ｉ）前記アンチサージバルブの開度を前記記憶された下限に維持するよう、前記安定運転領域にある静止モードと、（ii）前記コンプレッサーの運転点が前記サージ領域内に移動するのを防止するのに十分なほど流量を増加させるよう、前記アンチサージバルブを前記記憶された下限から制御可能に開く、アンチサージモードと、の２つの制御モードを有している、請求項１に記載の制御システム。１０．前記アンチサージモードは、前記コンプレッサーの運転点を前記安定運転領域に戻すのに十分なほど前記バルブを開放し、該バルブを前記記憶された下限になるように再度閉じるというサイクルモードを有している、請求項９に記載の制御システム。１１．サージ領域と、安定運転領域と、これらの領域を分けるサージラインと、前記安定運転領域内にあって前記サージラインから離れたサージ制御ラインとを含むコンプレッサーマップ上で定義される可変の運転点を有するダイナミックコンプレッサーにおけるサージの再発を防止するための制御システムであって、開度が調整可能であり、コンプレッサーの流れをバイパスするアンチサージバルブと、サージ現象の発生を検知し、サージ信号を発生するサージ検知器と、前記アンチサージバルブの開度に関連されるデータ入力と、前記サージ検知器に機能的に連結してサージ現象発生時のバルブ位置を記憶するための制御入力とを有する下限制御モジュールであり、サージ現象の再発を防止するためにサージ現象発生時のバルブ開度に関連される新たな下限を記憶するよう、サージ信号に応答する前記下限制御モジュールと、前記コンプレッサーの運転点が前記サージ制御ラインに達した時に、前記アンチサージバルブの制御を行う閉ループＰＩＤモジュールと、前記下限制御モジュール及び前記ＰＩＤ制御モジュールに連結されるハイシグナルセレクターであり、、前記バルブを制御するための出力制御信号として最大のバルブ開度に対応するモジュールを選択する前記ハイシグナルセレクターとを備える制御システム。１２．前記下限制御モジュールは、記憶されるバルブ位置がサージ発生時のバルブ位置に増分Δを加えた値になるように、前記データ入力に増分Δを加える手段を有している、請求項１１に記載の制御システム。１３．前記増分Δはバルブ開度の一定割合値である、請求項１２に記載の制御システム。１４．サージ状態が改善された後に、前記下限制御モジュールを、閉じたアンチサージバルブに対応する最小開度信号にリセットするための、メンテナンスを受けることができ手動で操作可能なリセット手段を更に含んでいる、請求項１１に記載の制御システム。１５．サージラインにより区画されたサージ領域及び安定運転領域を有するコンプレッサーマップ上で定義される可変の運転点を有するダイナミックコンプレッサーにおけるサージの再発を防止するための方法であって、開度が調整可能でありコンプレッサーの流れをバイパスするアンチサージバルブを設けるステップと、前記コンプレッサーの運転点を連続して監視し、一時的にバルブを下限の最小開度から全開へと開放して運転点をサージ領域から戻すステップと、サージ現象の発生を検知するステップと、サージ現象発生時のバルブ開度を検知するステップと、前記検知したサージ発生時のバルブ開度に基づいて下限バルブ開度を増加させるステップと、を含む方法。１６．下限バルブ開度を増加させるるステッブは、下限バルブ開度が検知されたサージ現象の開始時におけるバルブ開度よりも僅かに大きなものとなるように、前記検知したバルブ開度を増分Δだけ増加させる、請求項１５に記載の方法。１７．前記増分Δはバルブ開度のある一定割合値である、請求項１６に記載の方法。１８．連続的に監視するステップは、前記コンプレッサーの運転点を前記サージラインと前記安定領域におけるサージ制御ラインとの間で制御するよう閉ループＰＩＤ制御を遂行することを含んでいる、請求項１５に記載の方法。１９．連続的に監視するステップは、前記コンプレッサーがサージから脱すべくバルブ開度を制御するよう開ループ制御を遂行することを更に含んでいる、請求項１８に記載の方法。

Claims

【特許請求の範囲】１．サージ領域と、安定運転領域と、これらの領域を分けるサージラインと、前記安定運転領域内にあって前記サージラインから離れたサージ制御ラインとを含むコンプレッサーマップ上で定義される可変の運転点を有するダイナミックコンプレッサーにおけるサージの再発を防止するための制御システムであって、開度が調整可能であり、コンプレッサーの流れをバイパスするアンチサージバルブと、サージ現象の発生を検知し、サージ信号を発生するサージ検知器と、前記サージ信号に応答し、サージ現象の発生時のバルブ開度に関連されるバルブ位置の下限を記憶するサージ限界メモリーと、前記コンプレッサーの運転点に応答し、該運転点が前記サージ領域内に移動するのを防止するよう前記アンチサージバルブを最小位置から制御可能に開くサージ制御装置であり、前記サージ限界メモリーに機能的に連結されており、前記記憶された下限に最小位置を設定する前記サージ制御装置とを備える制御システム。２．前記制御手段が、サージ再発防止のために選定された増分Δをサージ発生時のバルブ開度に加えた値に等しい下限を記憶するよう、前記サージ限界メモリーに関連されている、請求項１に記載の制御システム。３．前記増分Δはバルブ開度の一定割合値としてのものである、請求項２に記載の制御システム。４．前記サージ制御装置は、前記サージ制御ラインに対応する目標値を持つ閉ループＰＩＤモジュールであって、前記コンプレッサーの運転点が前記サージラインと前記サージ制御ラインとの間にある場合に前記アンチサージバルブを開放するよう調整される前記閉ループＰＩＤモジュールを有している、請求項１に記載の制御システム。５．前記サージ制御装置は、バルブ位置に対応する複数の入力を受けるハイシグナルセレクターを有しており、前記閉ループＰＩＤモジュールは前記入力の一つとして接続されており、前記サージ現象メモリーは前記入力の他のものとして接続されており、前記ハイシグナルセレクターは、バルブ開度を制御するために最大のバルブ開度に対応する入力制御信号を選択する、請求項４に記載の制御システム。６．前記サージ制御装置は、前記バルブを速やかに開放した後、前記バルブを前記記憶された下限になるよう緩やかに閉じる開ループ制御サイクルを遂行する開ループモジュールであって、前記入力の一つとして前記ハイシグナルセレクターに接続されている前記開ループモジュールを有している、請求項５に記載の制御システム。７．前記開ループモジュールは、前記コンプレッサーの運転点が前記サージ領域にある時に前記安定運転領域まで前記運転点を戻す働きを有しており、前記サージ限界メモリーは、それまで記憶していたバルブ位置の下限よりも大きな新しいバルブ位置の下限を記憶すると共に、新たなバルブ下限を設定するために前記新しいバルブ位置の下限を前記ハイシグナルセレクターに伝えるよう応答する、請求項６に記載の制御システム。８．サージ状態から脱した後に手動でバルブ位置の下限をゼロのバルブ開度に戻せるよう、前記サージ限界メモリーに連結されたリセット入力を備えるメンテナンス入力を更に含んでいる、請求項７に記載の制御システム。９．前記サージ制御装置は、（ｉ）前記アンチサージバルブの開度を前記記憶された下限に維持するよう、前記安定運転領域にある静止モードと、（ii）前記コンプレッサーの運転点が前記サージ領域内に移動するのを防止するのに十分なほど流量を増加させるよう、前記アンチサージバルブを前記記憶された下限から制御可能に開く、アンチサージモードと、の２つの制御モードを有している、請求項１に記載の制御システム。１０．前記アンチサージモードは、前記コンプレッサーの運転点を前記安定運転領域に戻すのに十分なほど前記バルブを開放し、該バルブを前記記憶された下限になるように再度閉じるというサイクルモードを有している、請求項９に記載の制御システム。１１．サージ領域と、安定運転領域と、これらの領域を分けるサージラインと、前記安定運転領域内にあって前記サージラインから離れたサージ制御ラインとを含むコンプレッサーマップ上で定義される可変の運転点を有するダイナミックコンプレッサーにおけるサージの再発を防止するための制御システムであって、開度が調整可能であり、コンプレッサーの流れをバイパスするアンチサージバルブと、サージ現象の発生を検知し、サージ信号を発生するサージ検知器と、前記アンチサージバルブの開度に関連されるデータ入力と、前記サージ検知器に機能的に連結してサージ現象発生時のバルブ位置を記憶するための制御入力とを有する下限制御モジュールであり、サージ現象の再発を防止するためにサージ現象発生時のバルブ開度に関連される新たな下限を記憶するよう、サージ信号に応答する前記下限制御モジュールと、前記コンプレッサーの運転点が前記サージ制御ラインに達した時に、前記アンチサージバルブの制御を行う閉ループＰＩＤモジュールと、前記下限制御モジュール及び前記ＰＩＤ制御モジュールに連結されるハイシグナルセレクターであり、、前記バルブを制御するための出力制御信号として最大のバルブ開度に対応するモジュールを選択する前記ハイシグナルセレクターとを備える制御システム。１２．前記下限制御モジュールは、記憶されるバルブ位置がサージ発生時のバルブ位置に増分Δを加えた値になるように、前記データ入力に増分Δを加える手段を有している、請求項１１に記載の制御システム。１３．前記増分Δはバルブ開度の一定割合値である、請求項１２に記載の制御システム。１４．サージ状態が改善された後に、前記下限制御モジュールを、閉じたアンチサージバルブに対応する最小開度信号にリセットするための、メンテナンスを受けることができ手動で操作可能なリセット手段を更に含んでいる、請求項１１に記載の制御システム。１５．サージラインにより区画されたサージ領域及び安定運転領域を有するコンプレッサーマップ上で定義される可変の運転点を有するダイナミックコンプレッサーにおけるサージの再発を防止するための方法であって、開度が調整可能でありコンプレッサーをバイパスするアンチサージバルブを設けるステップと、前記コンプレッサーの運転点を連続して監視し、一時的にバルブを下限の最小開度から全開へと開放して運転点をサージ領域から戻すステップと、サージ現象の発生を検知するステップと、サージ現象発生時のバルブ開度を検知するステップと、前記検知したサージ発生時のバルブ開度に基づいて下限バルブ開度を増加させるステップと、を含む方法。１６．下限バルブ開度を増加させるるステップは、下限バルブ開度が検知されたサージ現象の開始時におけるバルブ開度よりも僅かに大きなものとなるように、前記検知したバルブ開度を増分Δだけ増加させる、請求項１５に記載の方法。１７．前記増分Δはバルブ開度のある一定割合値である、請求項１６に記載の方法。１８．連続的に監視するステップは、前記コンプレッサーの運転点を前記サージラインと前記安定領域におけるサージ制御ラインとの間で制御するよう閉ループＰＩＤ制御を遂行することを含んでいる、請求項１５に記載の方法。１９．連続的に監視するステップは、前記コンプレッサーがサージから脱すべくバルブ開度を制御するよう開ループ制御を遂行することを更に含んでいる、請求項１８に記載の方法。