JPS63230997A - 遠心圧縮機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、酸素製造プラントや各種プラントにおいて用
いられる原料空気圧縮機、工場空気源用圧縮機、化学プ
ラント用ガス圧縮機等の遠心圧縮機の容量、圧力を制御
するための装置に関するものである。

［従来の技術］ 一般に、酸素製造プラントや各種プラントにおける遠心
圧縮機としては多段構成のものが用いられている。この
ような多段遠心圧縮機において。

第９図に示すように、Ｊ心圧縮機１は、駆動機２からの
回転を増速する動力伝達歯車３によって駆動される第１
段目圧縮機４．第２段目圧縮機５゜第３段目圧縮機６お
よび第４段目圧縮機７をそなえるとともに、圧縮機４，
５間に中間冷却器８を、圧縮機５，６間に中間冷却器９
を、また圧縮機６゜７間に中間冷却器１０をそなえて構
成されている。

なお、圧縮機４と５および圧縮機６と７はそれぞれ同一
軸端にオーバハングされている。

このような遠心圧縮機１においては、第１段目の圧縮機
４に吸い込まれた空気は、各圧縮機５〜７および中間冷
却器８〜１０によって順次圧縮および冷却され、第４段
目の圧縮機７からプロセスに送出されるようになってい
る。

そして、各段の圧縮機４〜７の入口側には、角度可変式
の入口ガイドベーン（ＧＶ）１１〜１４が設けられ、こ
れらの入口ガイドベーン１１〜１４の角度を調整するこ
とにより、各圧縮機４〜７に流入する空気容量を調整で
きるようになっている。

また、各段の圧縮機４〜７の出口側には、ディフューザ
ベーン（ＤＶ）１５〜１８が設けられており。

これらのデイフユーザベー？１５〜１８の角度を調整す
ることによって、各圧縮機４〜７から流出する空気容量
を調整できるようになっている。

これらの入口ガイドベーン１１〜１４およびディフュー
ザベーン１５〜１８の角度は、それぞれ駆動装置１９に
よって任意の値に調整される。

さらに、この遠心圧縮機１全体もしくは各段の圧縮機４
〜７の運転状態１例えば、空気流量、温度、圧力等の運
転状態量は、それぞれ、流量センサ２０．温度センサ２
１．圧力センサ２２などの検出手段によって検出される
。そして、各センサ２０〜２２と駆動装置１９との間に
は、制御装置２３が設けられている。

上述のような多段遠心圧縮機を、各種の運転条件に応じ
常に所定の空気容量（流量）を最適運転効率で得られる
よう制御すべく、従来、第１０図に示すような制御手段
が開示されている（特開昭５５−６０６９２号公報）、
この制御手段においては、遠心圧縮機１全体もしくは各
段の圧縮機４〜７における空気流量、温度、圧力等によ
って表した各種の運転状態に対して最適運転状態を実現
するための操作量として、各段の入口ガイドベーン１１
〜１４およびディフューザベーン１５〜１８の角度の最
適な組合せ値を、予め制御装置２３内の記憶部にプログ
ラムして記憶させておく（ステップＳＯ）。

そして、第１０図に示すように、制御装置２３は、セン
サ２０〜２２から状態検出値を受けると、その検出値か
ら現在の多段遠心圧縮機の運転状態を演算して監視する
（ステップＳＬ）とともに、その運転状態に対応し、予
め決定しておいた操作プログラム（ベーン角度の組合せ
値）を照合し最適運転効率を実現できるような操作量を
求めて、この操作量を駆動装置１９に出力する（ステッ
プ８２）。

この後、センサ２０〜２２からの状態検出値をもとに演
算される運転状態が予め求められた最適運転効率状態で
あるか否か判定される（ステップＳ３）、最適運転効率
状態であると判定されると、その時点で制御を終了し選
択された操作プログラムでのベーン角度を維持する一方
、その運転状態が最適状態ではないと判定されると、選
択された操作プログラムによる制御出力（ベーン角度）
を修正して出力しなおしくステップＳ４）、状態検出値
から効率が向上したか否かを判定する（ステップＳ５）
。

このようにして、各段の運転状態をフィードバックせし
め、予めプログラムされた各段の入口ガイドベーン１１
〜１４およびディフューザベーン１５〜１８の角度の組
合せが最適か否かを監視し。

経年変化や性能変化等の運転状態の変化に対応して常時
最適運転効率が得られるように、操作プログラムにおけ
るベーン角度の組合せを修正する制御が行なわれる（ス
テップＳ６）。

ところで、多段遠心圧縮機を、各種の運転条件に応じ常
に所定の空気容量を最適運転効率で得られるように制御
するために、上述のごとく入口ガイドベーン１１〜１４
およびディフューザベーン１５〜１８の角度を制御する
手段のほかに、従来、第１１図に示すような制御手段も
開示されている（特開昭５６−６６４９０号公報）。こ
の制御手段は、入口ガイドベーン１１〜１４およびディ
フューザベーン１５〜１８の角度を制御する代わりに、
入口ガイドベーン１１（第９図参照）の角度と駆動機２
（第９図参照）の回転数とを制御するもので、第１１図
に示すように、入口ガイドベーン１１のみの角度を調整
する駆動装置１９Ａど、駆動機２の回転数を検出するた
めの回転数センサ２４と、駆動機２の回転数を制御する
ための駆動機制御装置２５とがそなえられている。そし
て、遠心圧縮機１全体もしくは各段の圧縮機４〜７にお
ける空気流量、温度、圧力等によって表した各種の運転
状態に対して最適運転状態を実現するための操作量とし
て、入口ガイドベーン１１の角度と駆動機２の回転数と
の最適な組合せ値の操作表（吸込流量に対応して、最適
な運転効率を得るための入口ガイドベーン１１の角度と
駆動機２の回転数とを与えたもの）を、予め、制御装置
２３Ａ内の記憶部２６にプログラムして記憶させておく
。

そして、第１１図に示すように、制御装置２３Ａは、セ
ンサ２０〜２２，２４から状態検出値を受けると、その
検出値から現在の多段遠心圧縮機の運転状態（運転条件
や吸込流量など）を演算して監視する（ステップＴｌ）
とともに、その運転状態に対応し、特に運転条件の変化
によって吸込流量が変化した場合、記憶部２６における
操作表に基づいて、最適運転効率を実現できるような操
作量が求められ、その操作量が駆動装置１１９Ａおよび
駆動機制御装置２５に出力される。

即ち、現時点における駆動機２および入口ガイドベーン
１１の操作状態が、記憶部２６における操作表と比較さ
れ（ステップＴ２）、その比較結果から最適運転効率状
態であるか否かが判定される（ステップＴ３）。

このとき、最適運転効率状態であると判定されれば、そ
の時点で制御を終了し操作状態（ベーン角度および回転
数）を維持する一方、最適運転効率状態ではないと判定
されると、入口ガイドベーン１１の角度および駆動機２
の回転数が、操作表に基づいて修正された後、得られた
操作量が駆動装置１９Ａおよび駆動機制御装置２５に出
力される（ステップＴ４）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上述のような従来の遠心圧縮機の制御手
段では、入口ガイドベーン１１〜１４の角度とディフュ
ーザベーン１５〜１８の角度との組合せ、または、入口
ガイドベーン１１の角度と駆動機２の回転数との組合せ
により、予め設定された操作プログラムまたは操作表に
基づいてディスクリートな操作量による制御しか行なえ
ないので、特に流量制御を行なうに際しては、流量制御
範囲が広く、且つ、運転効率の高い制御をすることがで
きない（第８図参照）という問題点がある。

そこで、入口ガイドベーン１１〜１４の角度。

ディフューザベーン１５〜１８の角度および駆動機２の
回転数を同時に制御することも考えられるが、この場合
、制御要素が多くなり過ぎ、実際に制御を実現するのは
困難である。

本発明は、このような問題点の解決をはかろうとするも
ので、駆動機の回転数制御と入口ガイドベーンおよびデ
ィフューザベーンの角度制御とを適宜選択して行なうこ
とにより、広い流量範囲に亘り極めて高い運転効率で流
量制御を行なえるようにした遠心圧縮機の制御装置を提
供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ このため、本発明の遠心圧縮機の制御装置は。

圧縮機回転数を検出する回転数検出手段と、上記遠心圧
縮機における流量、効率等の運転状態を検出する運転状
態検出手段と、上記遠心圧縮機の回転数を制御する回転
数制御手段と、上記の入口ガイドベーンおよびディフュ
ーザベーンの角度をそれぞれ制御するベーン角度制御手
段とをそなえ、流量制御において上記遠心圧縮機におけ
る流量および効率をそれぞれ目標流量および最適効率点
とすべく、上記の回転数検出手段および運転状態検出手
段からの検出信号に基づいて上記の回転数制御手段とベ
ーン角度制御手段とを適宜選択する選択制御手段を設け
たものである。

［作　　　用］ 上述の本発明の遠心圧縮機の制御装置では、回転数検出
手段および運転状態検出手段からの検出信号に基づき選
択制御手段により回転数制御手段とベーン角度制御手段
とを適宜選択して制御モードを切り替えることによって
、流量制御において、効率を最適なものとしながら遠心
圧縮機における流量が目標流量となるように制御される
。

［発明の実施例］ 以下、図面により本発明の一実施例としての遠心圧縮機
の制御装置について説明すると、第１図はそのブロック
図であり、この第１図において、第９，１１図中の符号
と同一のちはほぼ同様の部分を示しているので、その説
明は省略する。ただし、第１図における本実施例の制御
装置が適用される多段遠心圧縮機では、圧縮機４〜７が
全て同一軸上に配列され動力伝達歯車３が省略されてい
る点が、第９図における多段遠心圧縮機と異なっている
が、第９図における多段遠心圧縮機にも本装置を適用す
ることができる。

第１図に示すように、本実施例では、入口ガイドベーン
（ＧＶ）１１〜１４はそれぞれ入口ガイドベーン駆動装
置１９ａ〜１９ｄにより駆動されるとともに、ディフュ
ーザベーン（ＤＶ）１５〜１８はそれぞれディフューザ
ベーン駆動装置１９ｅ〜１９ｈにより駆動されるように
なっている。また。

センサとしては、運転状態検出手段としての流量センサ
２０．温度センサ２１．圧力センサ２２のほかに、圧縮
機回転数を検出する回転数検出手段としての回転数セン
サ２４と、湿度センサ２７とが設けられている。

そして、センサ２０〜２２，２４，２７からの検出信号
は、すべて制御装置２８へ入力されるようになっている
。この制御装置１１２８は、遠心圧縮機１の回転数を制
御すべく駆動機２への制御信号を演算して出力する回転
数制御手段としての回転数制御演算部２９と、入口ガイ
ドベーン１１〜１４およびディフューザベーン１５〜１
８の角度をそれぞれ制御すべく各駆動装置１９ａ〜１９
ｈへの制御信号を演算して出力するベーン角度制御手段
としてのベーン角度制御演算部３０と、２段階制御手段
、流量減量時制御モード切替手段かつ流量増量時制御モ
ード切替手段としての機能を有する選択制御手段として
の中央制御演算部３１と、同中央制御演算部３１に制御
指令信号を入力するための制御指令入力部３２とから構
成されている。

ここで、中央制御演算部３１は、センサ２０〜２２．２
４，２７からの検出信号を受けこれらの検出信号から多
段遠心圧縮機の運転状態を演算してこれらの検出信号お
よび運転状態信号を回転数制御演算部２９およびベーン
角度制御演算部３０へ出力する機能をもつとともに、後
述する２段階制御機能、流量減量時制御モード切替機能
、流量増量時制御モード切替機能および流量一定保持制
御機能をもっている。

即ち、中央制御演算部３１に制御指令入力部３２から流
量の変更要求が入力されている場合には、中央制御演算
部３１の２段階制御機能により。

回転数センサ２４からの圧縮機回転数が設定値よりも大
きいときは、回転数制御演算部２９による駆動機２の回
転数制御（１次制御）を行なった後、ベーン角度制御演
算部３０による入口ガイドベーン１１〜１４およびディ
フューザベーン１５〜１８の角度制御（２次制御）が行
なわれるようになっている。

そして、特に、上記流量の変更要求が減量要求である場
合には、１次制御の回転数制御により上記圧縮機回転数
が設定値になると、中央制御演算部３１の流量減量時制
御モード切替機能により、この圧縮機回転数を維持しな
がら、２段階制御機能による制御モードからベーン角度
制御演算部３０による入口ガイドベーン１１〜１４およ
びディフューザベーン１５〜１８の角度制御モードに切
り替えられるようになっている。ここで、上記圧縮機回
転数の設定値は、回転数制御によってサージングを生じ
ることなく高効率を得ることのできる最小回転数として
与えられる。

また、特に、上記流量の変更要求が増量要求である場合
には、中央制御演算部３１の流量増量時制御モード切替
機能により、上記圧縮機回転数が上記設定値であるとき
はこの圧縮機回転数を維持しなからベーン角度制御演算
部３０によるベーン角度制御モードとされ、このベーン
角度制御モードによって増量された流量が所定の上限値
となると、上記２段階制御機能による制御モードに切り
替えられ、回転数制御（１次制御）およびベーン角度制
御（２次制御）が行なわれるようになっている。

ここで、上記流量の上限値は、上記最小回転数の状態で
ベーン角度制御モードにより得られる最大流量として与
えられる。

なお、回転数制御演算部２９は、中央制御演算部３１か
らの運転状態信号に基づき目標流量に近づきうる最適の
回転数制御量を演算する制御量演算部２９ａと、この制
御量演算部２９ａからの回転数制御量に基づき実際に圧
縮機回転数を制御すべく駆動機２の操作量を演算する操
作量演算部２９ｂとから構成されている。同様に、ベー
ン角度制御演算部３０は、中央制御演算部３１からの運
転状態信号に基づき最適効率状態を保ちながら目標流量
に近づきうる最適のベーン角度制御量を演算する制御量
演算部３０ａと、この制御量演算部３０ａからのベーン
角度制御量に基づき実際に各ベーン角度を制御すべく駆
動装置１９ａ〜１９ｈの各操作量を演算する操作量演算
部３０ｂとから構成されている。

次に、本実施例による遠心圧縮機の制御装置の動作につ
いて第２〜８図を用いて説明する。

まず１本実施例の遠心圧縮機１において流量を変更制御
する場合には、制御装置２８の制御指令入力部３２にお
いて目標流量Ｑｐが設定され、この目標流量Ｑｐが制御
信号として中央制御演算部３１へ入力される。この中央
制御演算部３１においては、入力された目標流量Ｑｐが
現在流量Ｑよりも小さければ流量減量要求信号が入力さ
れたと判断して２段階制御機能または流量減量時制御モ
ード切替機能が動作する一方、入力された目標流量Ｑｐ
が現在流量Ｑよりも大きければ流量増量要求信号が入力
されたと判断して２段階制御機能または流量増量時制御
モード切替機能が動作する。

流量を減量変更する際には、第２図（ａ）に示すように
、中央制御演算部３１において、上述のごとく目標流量
Ｑから流量減量要求であることを判断してから（ステッ
プＡｌ）、回転数センサ２４により検出された圧縮機回
転数が予め設定された最小回転数よりも大きいか否かが
判定される（ステップＡ２）。

そして、上記圧縮機回転数が最小回転数よりも大きい場
合には、中央制御演算部３１からの運転状態信号をもと
に回転数制御演算部２９により駆動機２の回転数を減少
制御しくステップＡ３）、この回転数制御により変更さ
れた流量Ｑと、目標流量Ｑｐとの差が回転数制御での流
量許容値ΔＱ　ＲＰＭよりも小さいか否かを中央制御演
算部３１において判定する（ステップＡ４）。

上記の流量差が流量許容値ΔＱ　ＲＰＭ以上であれば再
びステップＡ２における回転数判定に戻る一方、流量許
容値ΔＱ　ＲＰＭよりも小さければ、その時点での駆動
機２の回転数つまり圧縮機回転数を固定する（ステップ
Ａ５：２段階制御機能による１次制御終了）、そして、
制御モードを回転数制御から入口ガイドベーン１１〜１
４およびディフューザベーン１５〜１８の角度制御（２
段階制御機能による２次制御）に切り替え、このベーン
角度制御により回転数制御よりも細かい流量の調整およ
び最適効率運転点の探索を行なう（ステップＡ６）。

この後、ベーン角度制御により変更された流量Ｑと、目
標流量Ｑｐとの差がベーン角度制御での流量許容値ΔＱ
Ｖよりも小さいか否か、また、その運転状態が最適効率
となっているかどうかが、中央制御演算部３１において
判定される（ステップＡ７）。

これらの条件が満たされない場合には、再びステップＡ
６におけるベーン角度制御に戻る一方、上記条件が満た
された場合には、目標流量Ｑｐに到達したと判断して、
中央制御演算部３１における制御モードを、遠心圧縮機
１における流量Ｑを一定の目標流量Ｑｐに保持制御する
制御モード（第３図により後述する）の状態に切り替え
る（ステップＡ８）。

ところで、ステップＡ２において圧縮機回転数が予め設
定された最小回転数であると判定された場合（ステップ
Ａ３の回転数減少制御を行なうことにより最小回転数状
態となった場合も含む）には、流量減量時制御モード切
替機能により、その後回転数制御を行なうことなく、圧
縮機回転数を最小回転数に維持したまま、ステップＡ６
のベーン角度制御によって流量制御を行なう制御モード
に切り替える。そして、以下、上述と同様にしてステッ
プＡ７．Ａ８を実行する。

一方、流量を増量変更する際には、第２図（ｂ）に示す
ように、中央制御演算部３１において、目標′流量Ｑか
ら流量増量要求であることを判断しくステップＢ１）１
回転数センサ２４により検出された圧縮機回転数が予め
設定された最小回転数よりも大きいか否かが判定される
（ステップＢ２）。

そして、上記圧縮機回転数が最小回転数よりも大きい場
合には、２段階制御機能によって、中央制御演算部３１
からの運転状態信号をもとに回転数制御演算部２９によ
り駆動機２の回転数を増加制御しくステップＢ３）、こ
の回転数制御により変更された流量Ｑと、目標流量Ｑｐ
との差が回転数制御での流量許容値ΔＱ　ＲＰＭよりも
小さいか否かを中央制御演算部３１において判定する（
ステップＢ４）。

上記の流量差が流量許容値ΔＱ　ＲＰＭ以上であれば再
びステップＢ３における回転数増加制御に戻る一方、流
量許容値ΔＱ　ＲＰＭよりも小さければ、その時点での
駆動機２の回転数つまり圧縮機回転数を固定する（ステ
ップＢ５：２段階制御機能による１次制御終了）、そし
て、制御モードを回転数制御から入口ガイドベーン１１
〜１４およびディフューザベーン１５〜１８の角度制御
に切り替え、前述した流量減量要求時のフローにおける
ステップＡ６〜八８と全く同様のステップ８６〜Ｂ８を
実行する（２段階制御機能による２次制御）。

ところで、ステップＢ２において圧縮機回転数が予め設
定された最小回転数であると判定された場合には、流量
増量時制御モード切替機能により、その圧縮機回転数を
最小回転数に維持したまま、制御モードを入口ガイドベ
ーン１１〜１４およびディフューザベーン１５〜１８の
角度制御に切り替え、このベーン角度制御により最適効
率運転点にて流量の増量制御を行なう（ステップＢ９）
。

この後、ベーン角度制御により変更された流量Ｑと、目
標流量Ｑｐとの差がベーン角度制御での流量許容値ΔＱ
ｖよりも小さいか否か、また、その運転状態が最適効率
となっているかどうかが。

中央制御演算部３１において判定される（ステップＢ１
０）。これらの条件が満たされない場合には、その時点
での流量Ｑが所定の上限値となったか否かを判定する（
ステップＢｉｔ）、流量Ｑが所定の上限値となっていな
い場合には、再びステップＢ９によるベーン角度制御に
戻る一方、流量Ｑが所定の上限値となった場合には、中
央制御演算部３１における制御モードを、２段階制御機
能による制御モードに切り替え、ステップＢ３の実行に
移る。

また、ステップＢＩＯにおける条件が満たされた場合に
は、目標流量Ｑｐに到達したと判断して、中央制御演算
部３１における制御モードを、遠心圧縮機１における流
量Ｑを一定の目標流量Ｑｐかつ最適効率運転状態に保持
制御する制御モード（第３図により後述する）の状態に
切り替える（ステップＢ８）。

上述のようにして、遠心圧縮機１における流量Ｑが目標
流量Ｑｐとなった後は、前述の通り中央制御演算部３１
における制御モードは流量一定保持制御モードになる（
ステップＡ８．Ｂ８）。この流量一定保持制御モードに
よる制御フローを第３図により説明する。

第３図に示すように、ステップＡ８．Ｂ８により、また
は、制御指令入力部３２からの制御信号により流量一定
保持制御モードとすべく流量一定保持制御要求を受ける
と（ステップＣ１）、中央制御演算部３１は、流量セン
サ２０からの検出信号を常時監視し、大気温度変化等の
環境変化に対して流量Ｑが目標流量Ｑｐから変動した場
合に、その流量変動分ΔＱ（＝Ｑｐ　　Ｑ）を求め、同
流量変動分ΔＱの大きさがベーン角度制御での流量許容
値ΔＱｖよりも小さいか否かを判定する（ステップＣ２
）。この流量変動分ΔＱの大きさが流量許容値ΔＱｖよ
りも小さければ再び流量変動監視状態に戻る一方、流量
許容値ΔＱｖ以上であれば、入口ガイドベーン１１〜１
４およびディフューザベーン１５〜１８の角度制御を行
なって（ステップＣ３）、流量変動分ΔＱを修正し流量
Ｑが一定の目標流量Ｑｐかつ最適効率運転状態に保持す
る。

このとき、中央制御演算部３１は、常時、ベーン角度制
御により修正した流量変動分ΔＱを積算して記憶してお
き、その積算値ΣΔＱの大きさが回転数制御での流量許
容値ΔＱ　ＲＰＭよりも小さいか否かを判定する（ステ
ップＣ４）。この積算値ΣΔＱの大きさが流量許容値Δ
Ｑ　ＲＰＭよりも小さければ再びステップＣ２による流
量変動監視状態に戻る一方、流量許容値ΔＱ　ＲＰＭ以
上であれば、回転数センサ２４により検出された現時点
での圧縮機回転数が予め設定された最小回転数よりも大
きいか否かが判定される（ステップＣ５）。

そして、上記圧縮機回転数が最小回転数よりも大きい場
合には、回転数制御演算部２９により駆動機２の回転数
を制御し圧縮機回転数を流量許容値ΔＱ　ＲＰＭに対応
する１ステップ分制御する。これと同時に、入口ガイド
ベーン１１〜１４およびディフューザベーン１５〜１８
の角度制御を行ない、流量Ｑを目標流量Ｑｐかつ最適効
率運転状態にするとともに、積算値ΣΔＱもゼロにリセ
ットする（ステップＣ６）。

一方、ステップＣ５において上記圧縮機回転数が予め設
定された最小回転数であると判定された場合には、積算
値ΣΔＱの正負を判定しくステップＣ７）、この積算値
ΣΔＱが正であれば、流量Ｑを増加する方向つまり圧縮
機回転数を増加する方向への回転数制御を行なえばよく
、圧縮機回転数を最小回転数よりも大きくなるように制
御すればよいので、ステップＣ６による回転数制御を行
なう。また、積算値ΣΔＱが負であれば、回転数制御を
行なうことなく、そのベーン角度を維持したまま、再び
ステップＣ２による流量変動監視状態に戻る。

このようにして、遠心圧縮機１における流量Ｑは、環境
変化により変動しても常に一定の目標流量Ｑｐかつ最適
効率運転状態に保持されるが、第３図に示すようなフロ
ーに基づく流量一定保持制御は、特に駆動機２として微
小な回転数制御ができないガスタービンやスチームター
ビンを用いる場合に有効であり、ステップ的な回転数制
御によりステップ的に得られる流量値をより細かなベー
ン角度制御により補間しかつ最適効率運転状態に制御す
るものと考えられる。

さて、ここまで、本実施例の遠心圧縮機の制御装置によ
る大きな３つの制御機能（流量減量変更制御、流量増量
変更制御、流量一定保持制御）について説明したが、以
下に、これらの制御機能を実現する際に用いられる詳細
部分、特にベーン角度の制御量の決定方法（ステップＡ
６．Ｂ６．Ｂ９゜Ｃ３）について、第４〜７図により説
明する。

本実施例では、４段の遠心圧縮機４〜７をそなえた多段
遠心圧縮機について制御するようにしているが、ベーン
角度制御に際して各段における入口ガイドベーン１１〜
１４およびディフューザベーン１５〜１８を別個独立に
制御するとその制御操作が極めて複雑かつ煩雑となり収
束も不安定となるので、入口ガイドベーン１１〜１４お
よびディフューザベーン１５〜１８の角度を無次元化し
１組の無次元入口ガイドベーン角度αおよび無次元ディ
フューザベーンβで代表して、制御操作の簡素化をはか
つている。

まず、第５図（ａ）、（ｂ）により無次元入口ガイドベ
ーン角度αおよび無次元ディフューザベーンβの定義お
よび意味について簡単に説明する。一般に遠心圧縮機の
特性として、第５図（ａ）に示すような流量−吐出圧（
Ｑ−Ｐ）曲線がある。遠心圧縮機が単段であれば、当然
、特性曲線は１つだけであるので、入口ガイドベーンお
よびディフューザベーンの角度を無次元化する必要はな
いが、多段遠心圧縮機の場合、第５図（ｂ）に示すよう
に、各段の遠心圧縮機ごとに特性曲線は異なる。

そこで、圧力（吐出圧Ｐ）が装置側抵抗によりほぼ一定
の場合に、各入口ガイドベーン１１〜１４の角度を、各
段の遠心圧縮機４〜７の運転流量Ｑ１〜Ｑ４が設計流量
ＱＤ（＝　０１　）に対して同−比の相似運転流量とな
るような１つの無次元入口ガイドベーン角度αとして表
すとともに、各ディフューザベーン１５〜１８も、各段
の遠心圧縮機４〜７の運転流量Ｑ１〜Ｑ４が設計流量Ｑ
ｏ（＝Ｑ１）に対して同−比の相似運転流量となるよう
な１つの無次元ディフューザベーン角度βとして表す。

即ち、第５図（ｂ）において、ディフューザベーン１５
〜１８の角度を設計値一定とし各段の圧力比配分を不変
とし、ある段の設計吐出圧ＦＤを一定とすると、各入口
ガイドベーン１１〜１４の角度について流量Ｑ１〜Ｑ４
が定まる。これらの設計流量Ｑｏ（＝０１）に対する比
Ｑ２／Ｑｌ（Ｑ３／Ｑ１．Ｑ４／Ｑｌ）が同一となるよ
うな各段の入口ガイドベーン１１〜１４の角度（ＧＶ、
　〜ＧＶ、）を。

次式（１）のような無次元入口ガイドベーン角度αとし
て表す。

α＝Ｋｎα・（αｎ／αｎ。−１）・・・（１）ここで
、αｎはｎ段目の入口ガイドベーンの角度、αｎｏはｎ
段目の入口ガイドベーン基準角度、Ｋｎαはｎ段目の運
転流量が設計流量ＱＤに対して各段相似運転流量になる
ように決められるｎ段目の入口ガイドベーン角度の係数
である。

また、この無次元入口ガイドベーン角度αと全く同様に
して、各段のディフューザベーン１５〜１８の角度も１
次式（２）のような無次元ディフューザベーン角度βと
して表す。

β＝に、β・（βｎ／βｎｏ　　１）　　”’（２）こ
こで、βｎはｎ段目のディフューザベーンの角度、βｎ
０はｎ段目のディフューザベーン基準角度、Ｋｎβはｎ
段目の運転流量が設計流量ＱＤに対して各段相似運転流
量になるように決められるｎ段目のディフューザベーン
角度の係数である。

そして、ベーン制御演算部３０の制御量演算部３０ａに
おいて、予め、入口ガイドベーン１１〜１４およびディ
フューザベーン１５〜１８の角度を上述のように定義さ
れる１組の無次元入口ガイドベーン角度αおよび無次元
ディフューザベーンβとしてそれぞれ表しておき、この
後、第４図に示すようなフローに従い、これらの無次元
ベーン角度α、βにより決まる無次元ベーン角度平面α
β上においてベーン角度の制御量を決定する（ここで説
明するベーン角度制御量の決定方法は外挿法と呼ばれる
）。

前述したよ゛うにステップＡ６．Ｂ６．Ｂ９．Ｃ３にお
いてベーン角度制御モードになると１本実施例では、ベ
ーン角度制御演算部３０の制御量演算部３０ａで第４図
に示すフローが開始され、まず。

無次元ベーン角度平面αβ上において、第６図（ａ）に
示すように、現在のベーン位置Ａの近傍に同Ａ点を含む
適当な３点Ａ、Ｂ、Ｃを選択する（ステップＤｉ）。そ
して、選択した３点Ａ、Ｂ、Ｃについて、操作量演算部
３０ｂおよび駆動装置１９ａ〜１９ｈにより、実際に入
口ガイドベーン１１〜１４およびディフューザベーン１
５〜１８を駆動し、各点Ａ、Ｂ、Ｃにおける流量Ｑおよ
び効率ηを実測する（ステップＤ２）。ここで、流量Ｑ
は、流量センサ２０により検出され中央制御演算部３１
を介して制御量演算部３０ａに入力される一方、効率η
は、センサ２０〜２２からの検出信号をもとに中央制御
演算部３１において演算されてから制御量演算部３０ａ
に入力される。

ステップＤ３においては、無次元ベーン角度平面αβ上
で、第１回目の実測点Ａ−Ｃを取り囲むように第１回目
の複数（本実施例では９個）の外挿点■〜■を展開して
設定する。そして、各外挿点■〜■における流量および
効率を、実測点Ａ−Ｃにおける実流量および実効率から
予測する（ステップＤ４）。

つまり、前述したように、流量Ｑおよび効率ηには１回
転数ごとに第７図に示すような特性曲面（流量について
はＱ、＞Ｑユ＞Ｑ、＞Ｑ、、効率についてはη。〉η１
〉η２〉η、）があり、３つの実測点Ａ−Ｃにおける実
流量および実効率から、それぞれ第７図に示す特性曲面
に対応する流量特性曲面および効率特性曲面を、平面近
似あるいは曲面近似により推定する。ついで、この推定
された特性曲面をもとに、各外挿点■〜■における流量
および効率を予測するのである。

ところで、無次元ベーン角度平面αβ上において、一般
に流量Ｑおよび効率ηは、圧縮機回転数ごとに第７図に
示すような傾向（特性曲面：Ｑ、。

Ｑｌ、　Ｑ、、　Ｑ、は等流量線、η。、η□、η２．
η３は等効率線）をもっている。特に、図中、流量につ
いてはＱ、＞Ｑ工＞Ｑ、＞Ｑ、の関係があり、ベーン角
度α、βが大きくなれば必ず流量は増加するというベー
ン角度と流量増減との関係があるので、この関係を予め
制御量演算部３０ａに設定して記憶させておき、ステッ
プＤ２において実測された流量値の信頼性の検証をステ
ップＤ５．Ｄ６により行なう。

即ち、第６図（ａ）に示す第１回目の実測点Ａ〜Ｃにつ
いては上記関係から実測点ＡとＢとでは必ず点Ｂにおけ
る流量の方が点Ａにおける流量よりも大きくなることが
明らかであるから、ステップＤ２による各実測点Ａ−Ｃ
の実計測流量のうち。

実測点ＡとＢとを予め記憶されている流量増減関係と比
較しくステップＤ５）、その増減関係が逆転している場
合には、比較結果が論理矛盾を起こすものであると判定
しくステップＤ６）、流量センサ２０による計測誤差が
大きいと判断して、この実計測流量に基づくデータ取り
込みをキャンセルし、再度実計測流量を求めるべくステ
ップＤ２に戻る。

また、上記比較結果が論理矛盾を起こすものでないと判
定された場合（ステップＤ６）には、次のステップＤ７
へ移る。このようにして、実計測流量の信頼性を検証す
ることにより、制御実行中に計測された流量の変動や計
測上の誤差等のために目標流量の方向を見失うことなく
、ベーン角度制御を行なえるようになる。

そして、ステップＤ６において上記比較結果が論理矛盾
を起こすものでないと判定された場合には、ステップＤ
７において、上記の第１回目の外挿点■〜■の中から、
予測された流量が目標流量Ｑｐに近く且つ予測された効
率が高い外挿点を選択する。

次に、ステップＤ８において、ステップＤ７により選択
された外挿点がサージング領域に入るものか否かの判定
を行なう。サージング領域は、第７図に示すように、圧
縮機回転数ごとに無次元ベーン角度平面αβ上において
サージング防止ラインＳＬにより規定することができる
（サージング防止ラインＳＬの斜線側部分）。従って、
制御量演算部３０ａにおいて、サージング領域を規定す
るサージング防止ラインＳＬを、圧縮機回転数ごとに無
次元ベーン角度α、βの関数として予め設定して記憶さ
せておき、ステップＤ７により外挿点が選択されるたび
に、その外挿点が、サージング防止ラインＳＬを越えて
サージング領域に入るか否かをチェックするのである。

選択された外挿点がサージング領域内のものである場合
には、今回選択した外挿点以外の外挿点の中から、予測
された流量が目標流量Ｑｐに近く且つ予測された効率が
高いものを選択してから（ステップＤ９）、再びステッ
プＤ８において、その外挿点が、サージング領域に入る
か否かをチェックする。これを繰り返すことにより、サ
ージング領域内にある外挿点以外の外挿点の中から目標
流量Ｑｐに近く且つ高効率の外挿点を選択する。

このようにして、ベーン角度制御に伴ってサージングが
発生するのを確実に防止できる。

目標流量に近く且つ高効率の外挿点でサージング領域に
入らないものが選択されると［ここでは第６図（ａ）に
おける外挿点■が選択されたものとする］、この外挿点
■の座標である１組の無次元入口ガイドベーン角度αお
よび無次元ディフューザベーン角度βを、各段における
実際の入口ガイドベーン１１〜１４およびディフューザ
ベーン１５〜１８の角度に変換する（ステップＤＩＯ）
。

つまり、前述した（１）、　（２）式から、実際に操作
すべきベーン角度αｎ、βｎ（本実施例ではｎ＝１〜４
）を求めるのである。

無次元ベーン角度α、βから実際のベーン角度αｎ、β
ｎを求めるステップＤ１０においては、遠心圧縮機４〜
７のいずれかにおいて運転点のバラツキを生じる外乱を
検出した場合、次のようにして、外乱を生じた段の遠心
圧縮機における運転流量の相似運転流量からの偏差を修
正することができる。

各段の運転特性（ヘッドＨ２次段の吸込流量Ｑ２゜）は
、一般に次式のように表される。

Ｈ＝に・Ｒ−Ｔ、・（（Ｐ！／Ｐ□）Ｋ−１）／（に−
１）・・・（３） Ｑ２゜伽１／Ｐ２　　　　　　　・・・（４）ここで、
には比熱比、Ｒはガス定数、Ｔ□は吸込温度、Ｐｌは吸
込圧力、Ｐ２は吐出圧力である。

各段が設計流量に対して相似運転流量となるように、各
段の入口ガイドベーン１１〜１４およびディフューザベ
ーン１５〜１８の角度が、無次元ベーン角度α、βから
（１）、　（２）式により求められ操作量として与えら
れていても、外乱により、例えばある段の吸込温度のみ
が相対的に低くなったとすると、外乱を生じた遠心圧縮
機のヘッド（吸込圧力）Ｈは変わらないので、（３）式
より吐出圧力Ｐ２が大きくなる。その結果、（４）式よ
り次段の吸込流量Ｑ２ａは減少し、相似運転流量が変化
することになる。

このように外乱が生じることにより、各段が設計流量に
対して相似運転流量であることが変化してしまい、運転
点のマツチング不良から効率の低下やある段のみが早く
サージングを起こすといった現象が生じて、運転範囲が
狭くなってしまう。

そこで、（５）、　（６）式のように、検出された外乱
に基づきこの外乱を生じた段における入口ガイドベーン
およびディフューザベーンの無次元補正量［Ｋ　ｎα・
Ａ１・（αｎｔ／αｎｏ）等コを求め、各無次元補正量
を、無次元入口ガイドベーン角度αおよび無次元ディフ
ューザベーン角度βに付加して得られる（５）、　（６
）式から、外乱を生じた段における入口ガイドベーンお
よびディフューザベーンの角度を求めるのである。

α＝Ｋｎα・（αｎ／αｎ０＋Ａ１・（αｎｔ／αｎｏ
）＋　Ａ　ｚ・（αｎＲＨ／αｎｏ）＋−・・−１）・
・・（５） β＝Ｋｎβ・（βｎ／βｎｏ”Ｂｘ”（βｎｔ／βｎｏ
）十８２・（βｎＲＨ／βｎｏ）＋・−−−１）・・・
（６） ここで、αｎｔはｎ段目の吸込温度による外乱補正量、
αｎＲＨはｎ段目の湿度による外乱補正量、βｎｔはｎ
段目の吸込温度による外乱補正量、βｎＲＨはｎ段目の
湿度による外乱補正量、Ａ□、Ａ２．Ｂ工。

Ｂ２は係数である。

このようにして、目標流量Ｑｐに近く且つ高効率の外挿
点を探索している際においても、外乱を生じた遠心圧縮
機における運転流量の相似運転流量からの偏差を修正す
ることができ、さらにこの修正により、各段における流
量を設計流量に対して常に相似運転流量とすることがで
きる。

以上のようにして、外乱を生じた段がある場合には（５
）、　（６）式により、また、外乱を生じていない段に
ついては（１）、　（２）式により、１組の無次元入口
ガイドベーン角度αおよび無次元ディフューザベーン角
度βから実際の入口ガイドベーン１１〜１４およびディ
フューザベーン１５〜１８の角度が求められ、得られた
角度に応じてベーン角度制御演算部３０の操作量演算部
３０ｂから駆動装置１９ａ〜１９ｈへ制御信号を出力し
て、入口ガイドベーン１１〜１４およびディフューザベ
ーン１５〜１８を駆動制御する（ステップＤ１１）。

この後、以上のベーン駆動制御により変更された流量Ｑ
と、目標流量Ｑとの差がベーン角度制御での流量許容値
ΔＱｖよりも小さいか否か判定して（ステップＤ１２）
、その流量差が流量許容値ΔＱｖよりも小さければ、そ
の時点でベーン角度制御を終了する一方、上記流量差が
流量許容値ΔＱｖ以上であれば、再びステップＤ３に戻
り新たな基本点を３点選択して、これらの第２回目の基
本点や同基本点を取り囲むように展開される第２回目の
外挿点について、上述と同様にステップＤ３〜Ｄ１２を
実行する。

ここで、第２回目に選択される基本点は、第６図（ａ）
に示すように、第１回目の実測点のうちの１点Ａと、第
１回目に選択されステップ０１２において入口ガイドベ
ーン１１〜１４およびディフューザベーン１５〜１８を
操作し流量、効率を実測した外挿点■と、第１回目の外
挿点のうち残りの外挿点から選ばれたちの■との３点と
し、これらの基本点のまわりに、第１回目の外挿点■、
■。

■、実測点Ｂ、Ｃおよび新たな外挿点ｐ１〜ｐ４の９点
に相当する位置での流量、効率を実測点Ａ。

外挿点■および■の値を基に予測する。

このようにして、ステップＤ１２における条件が満たさ
れるまで、操作点を選択し入口ガイドベーン１１〜１４
およびディフューザベーン１５〜１８を操作し流量、効
率を実測してから、外挿点を展開して、目標流量Ｑｐに
近く且つ高効率の外挿点を求めてベーン角度制御を行な
うのである。

なお、上記実施例では、基本点のまわりにおける外挿点
の展開を、第６図（ａ）に示すように、９個の１次外挿
点のみとしているが、第６図（ｂ）に示すように、９個
の１次外挿点のまわりにさらに１５個の２次外挿点を選
択して、これらの外挿点もよい。ただし、実測点の個数
を本実施例では３個としているが、これに限定されるも
のではなく、４個以上であってもよい。また、外挿点の
展開の仕方も第６図（ａ）、（ｂ）に示すようなものに
限定されるものではなく、外挿点の範囲を任意に変化さ
せてもよい。

以上のように、本実施例の装置によれば１例えば、最も
単純な例として、圧縮機回転数ＲＰＭＩで、無次元ベー
ン角度平面上の（α、β）＝（α１゜β□）のａ点にお
いて流量がＱｏである運転状態から、目標流量Ｑ、へ減
量する場合には、第２図（ａ）のフローに従い、まず５
回転数制御モード（２段階制御機能における１次制御）
により予め設定されている最小回転数ＲＰＭ２まで圧縮
機回転数を減少させて、流量を第７図に示すようなαβ
平面上のａ点（α１．β１）とした後、ベーン角度制御
モードにより（第４図のフローに従う）、ａ点から目標
流量Ｑ２に近く且つ高効率η□のｂ点（α２．β２）が
探索されて、流量の減量変更がなされるのである。

また、第８図により、本発明の装置によって行なわれる
制御モード選択、即ち、回転数制御を１次制御として含
む２段階制御機能による制御モードとベーン角度制御モ
ードとをある設定回転数または流量の上限値を基準とし
て適宜選択する方式と、従来の他の方式とを比較し、本
発明の装置の効率および流量範囲についての効果を説明
する。

第８図は吐出圧カ一定として各制御方式での流量−効率
特性を示すグラフであり、この第８図に示すように、回
転数制御のみでは、効率はよいが流量範囲が小さい。入
口ガイドベーンの角度制御のみでは１曲線Ｌ８で示すよ
うに、流量範囲は回転数制御のみの場合よりも増加する
が小流量側で効率が低下する。ディフューザベーンの角
度制御のみでは、曲線Ｌ２で示すように、流量範囲は大
きいが効率の低下が著しい。

また、入口ガイドベーンおよびディフューザベーンの角
度制御を組合せたもの、あるいは、回転数制御と入口ガ
イドベーンの角度制御とを組合せたものでは、それぞれ
曲１１１Ｌ３．Ｌ４で示すように、いずれも流量範囲は
大きいがやはり小流量側での効率低下を免れることはで
きない。

しかし１本発明の装置によれば、曲線Ｌ５で示すように
、流量範囲を大きくとりながら、小流量側においても極
めて高い効率を得ることができるのである。

このように１本実施例の装置によれば、駆動機２の回転
数制御を１次制御として含む２段階流量制御機能による
制御と、入口ガイドベーン１１〜１４およびディフュー
ザベーン１５〜１８の角度制御とを適宜選択して行なう
ことにより、前述の通り広い流量範囲に亘り極めて高い
運転効率で流量制御を行なえるようになるのである。

すなわち１本実施例の装置によれば、流量制御を行なう
場合、回転数が設定値よりも大きいときには、回転数制
御により効率良く大きなステップでの流量制御（１次制
御）が行なわれ、流量を目標流量に近づけてから、ベー
ン角度制御（２次制御）により目標流量かつ高効率点を
探索することができ、高効率を保ちながら流量制御を行
なえる利点がある。

さらに、本実施例によれば、入口ガイドベーン１１〜１
４およびディフューザベーン１５〜１８の角度制御に際
し、第４図に示すような外挿法により、適当な操作点を
直接探索しながら求めるようにしたので、従来手段のよ
うに予めベーン角度等の組合せをプログラムする必要が
なく、環境変化や経年変化に即応しながら、常に高効率
の制御を最小操作回数で行なえる利点もある。

また、本実施例では、多段遠心圧縮機について。

無次元入口ガイドベーン角度αおよび無次元ディフュー
ザベーン角度βを用いることにより、多数ある制御要素
としての入口ガイドベーン１１〜１４およびディフュー
ザベーン１５〜１８の角度を１組のものとして扱うこと
ができるようになるので、制御の複雑化を招くことなく
、極めて容易に多段遠心圧縮機の制御を行なうことがで
きる。

なお、上記実施例では、多段遠心圧縮機に本発明の装置
を適用した場合について説明しているが、本発明の装置
は単段の遠心圧縮機にも適用でき、この場合、上述した
ような無次元ベーン角度を用いることなく、上記実施例
と同様の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、回転数検出手段およ
び運転状態検出手段からの検出信号に基づき選択制御手
段により回転数制御手段とベーン角度制御手段とを適宜
選択して制御モードを切り替えるように構成したので、
広い流量範囲に亘って極めて高い運転効率で流量制御を
行なえるようになるのである。

【図面の簡単な説明】

第１〜８図は本発明の一実施例としての遠心圧縮機の制
御装置を示すもので、第１図はそのブロック図、第２図
（ａ）はその流量減量要求時の制御手順を説明するため
のフローチャート、第２図（ｂ）はその流量増量要求時
の制御手順を説明するためのフローチャート、第３図は
その流量一定保持制御モードにおける制御手順を説明す
るためのフローチャート、第４図はその入口ガイドベー
ンおよびディフューザベーンの角度制御手順を詳細に説
明するためのフローチャート、第５図（ａ）。 （ｂ）はいずれも無次元入口ガイドベーン角度および無
次元ディフューザベーン角度を説明するための流量−吐
出圧特性を示すグラブ、第６図（ａ）。 （ｂ）はいずれも入口ガイドベーンおよびディフューザ
ベーンの角度制御手順における外挿法を説明するための
無次元ベーン角度平面、第７図は無次元ベーン角度平面
上における流量特性曲面、効率特性曲面およびサージン
グ領域を示すグラフ、第８図は本発明の装置の効果を説
明するための流量−効率特性を示すグラフであり、第９
図は一般的な多段遠心圧縮機を示すブロック図、第１０
図は従来の遠心圧縮機の制御手段を説明するためのフロ
ーチャート、第１１図は他の従来の遠心圧縮機の制御手
段を説明するためのフローチャートである。 図において、１−遠心圧縮機、１１〜１４−人口ガイド
ベーン、１５〜１８−ディフューザベーン、２〇−運転
状態検出手段としての流量センサ。 ２１−運転状態検出手段としての温度センサ、２２−運
転状態検出手段としての圧力センサ、２４−回転数検出
手段としての回転数センサ、２〇一回転数制御手段とし
ての回転数制御演算部、３Ｑ　　ｇ−ン角度制御手段と
してのベーン角度制御演算部、３１−２段階制御手段、
流量減量時制御モード切替手段かつ流量増量時制御モー
ド切替手段としての機能を有する通釈制御手段としての
中央制御演算部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入口側および出口側にそれぞれ角度可変式の入口
   ガイドベーンおよびディフューザベーンを有する遠心圧
   縮機において、圧縮機回転数を検出する回転数検出手段
   と、上記遠心圧縮機における流量、効率等の運転状態を
   検出する運転状態検出手段とをそなえるとともに、上記
   遠心圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段と、上記
   の入口ガイドベーンおよびディフューザベーンの角度を
   それぞれ制御するベーン角度制御手段とをそなえ、流量
   制御において上記遠心圧縮機における流量および効率を
   それぞれ目標流量および最適効率点とすべく、上記の回
   転数検出手段および運転状態検出手段からの検出信号に
   基づいて上記の回転数制御手段とベーン角度制御手段と
   を適宜選択する選択制御手段が設けられたことを特徴と
   する遠心圧縮機の制御装置。
2. （２）上記選択制御手段が、上記回転数制御手段による
   １次制御を行なった後に上記ベーン角度制御手段による
   ２次制御を行なう２段階制御手段と、同２段階制御手段
   の上記１次制御による流量減量制御時において上記回転
   数検出手段により検出される上記圧縮機回転数が設定値
   になると同圧縮機回転数を維持して上記２段階制御手段
   による制御モードから上記ベーン角度制御手段による制
   御モードに切り替える流量減量時制御モード切替手段と
   、流量増量制御時において上記圧縮機回転数が上記設定
   値のときは同圧縮機回転数を維持しながら上記ベーン角
   度制御手段による制御モードにし上記運転状態検出手段
   により検出される流量が所定の上限値になると上記２段
   階制御手段による制御モードに切り替える流量増量時制
   御モード切替手段とをそなえて構成されたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の遠心圧縮機の制御装
   置。