KR100644418B1 - 터보압축기 및 그 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입구 가이드 베인(2) 및 방풍밸브(10)를 구비하는 전동기 구동의 터보압축기에 있어서, 압축기에 흡입되는 작동가스의 온도나 압력에 대한 입구 가이드 베인의 최소 각도에 대한 데이터 베이스를 가짐으로써, 서징을 시키지 않고 넓은 작동영역을 확보할 수 있는 것이다.

Description

터보압축기 및 그 운전방법{TURBO COMPRESSOR AND METHOD OF OPERATING THE TURBO COMPRESSOR}
본 발명은 터보압축기 및 그 운전방법에 관한 것으로, 특히 서징을 방지하여 터보압축기의 운전을 개선하는 터보압축기 및 그 운전방법에 관한 것이다.
화학 플랜트 등에서 사용되는 터보압축기에서는 대부분의 경우 거의 일정한 토출압력이 사양압력으로 되어 있다. 터보압축기에 있어서는 흡입가스의 온도나 압력이 변화되면 회전속도가 일정하여도 토출압력이 변화된다. 그 결과, 소정 토출압력에 도달하지 않을 염려도 있다. 따라서 일본국 특개소56-121898호 공보에 기재된 바와 같이 작동기체의 흡입온도와 압력을 재빨리 검출하고, 이 검출한 흡입온도와 압력에 대응하여 구동기의 회전속도를 변화시켜 터보압축기의 토출압력이 소정 토출압력이 되도록 터보압축기를 제어하고 있었다.
종래의 터보압축기의 다른 예가, 일본국 특개평1-200095호 공보에 기재되어 있다. 이 공보에 기재된 다단 원심압축기에서는 흡입온도의 변화에 대응하여 구동기의 최소 회전속도를 바꿈으로써, 서징이라 불리우는 불안정현상을 회피하여 압축기의 넓은 작동범위에 있어서 안정되게 동작시키고 있다. 또 일본국 특개평10-89287호 공보에는 터보압축기의 작동가스의 흡입온도를 검출하고, 이 검출한 흡입 온도와 미리 구한 기준 흡입온도와의 비의 약 1/3승에 비례하여 압축기의 회전속도를 변화시킴으로써, 터보압축기의 토출압력을 일정하게 하는 정풍압제어에 있어서 축동력을 저감하고 있다.
이들 압축기의 회전속도를 변화시켜 정풍압제어하는 각 종래예와는 별도로 일본국 특개소62-96798호 공보에는, 터보압축기의 흡입가스의 흡입온도에 대응하여 압축기의 흡입측에 설치한 입구 가이드 베인의 블레이드 각도를 변화시켜 유량을 정밀도 좋게 조정하는 것이 기재되어 있다.
그런데, 상기 일본국 특개소56-121898호 공보, 특개평1-200095호 공보 및 특개평10-89287호 공보에 기재된 터보압축기에서는 흡입온도에 따라 압축기의 회전속도를 제어하고 있으나, 전동기 구동의 터보압축기에 있어서, 회전속도를 변화시키기 위해서는 인버터 구동의 전동기가 필요하게 되어 고가가 된다는 단점이 있다. 또 일본국 특개소62-96798호 공보에 기재의 압축기에서는 용량제어에 있어서 압축기의 안정 작동영역을 서징을 회피하면서 확대하는 것에 대해서는 고려되어 있지 않다.
본 발명은 상기 종래기술의 단점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 전동기 구동의 터보압축기에 있어서, 토출압력을 대략 일정하게 유지하는 제어를 하면서 서징을 발생시키지 않고 넓은 작동영역을 확보하는 것에 있다. 본 발명의 다른 목적은 간단한 구성으로 터보압축기의 넓은 작동범위를 확보하는 것에 있다. 그리고 본 발명은 적어도 이 어느 하나의 목적을 달성하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 블레이드 각도 가변의 입구 가이드 베인과 방풍밸브를 구비하는 터보압축기에 있어서, 이 터보압축기에 흡입되는 작동가스의 흡입온도와 흡입압력의 적어도 어느 하나를 검출하는 흡입상태 검출수단과, 흡입상태와 목표압력에 대한 상기 입구 가이드 베인의 최소 각도에 대한 데이터베이스를 가지는 제어수단을 구비하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 다른 특징은 블레이드 각도를 가변의 입구 가이드 베인과, 터보압축기 본체와, 터보압축기의 토출압력을 검출하는 토출압력 검출수단과, 이 토출압력 검출수단보다도 터보압축기 본체측에 위치하는 체크밸브와, 터보압축기로 압축된 가스를 방풍하는 방풍밸브와, 입구 가이드 베인의 상류측에 위치하여 터보압축기에 흡입되는 작동가스의 흡입온도 및 흡입압력의 적어도 어느 하나를 검출하는 흡입상태 검출수단과, 입구 가이드 베인의 각도 및 방풍밸브의 개폐를 제어하는 조절장치를 구비하는 터보압축기에 있어서, 체크밸브와 터보압축기 본체와의 사이에 서징 검출수단을, 조절장치에 흡입조건과 목표압력에 대하여 최소 입구 가이드 베인 각도와의 관계를 기술한 데이터베이스를 각각 설치하는 것에 있다.
그리고 이 특징에 있어서 조절수단은 서징 검출수단이 서징을 검출하였을 때에 데이터베이스의 최소 입구 가이드 베인 각도 데이터를 갱신하는 것이 바람직하고, 조절장치를 제어하는 상위 제어장치를 가져도 좋다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 또 다른 특징은, 입구 가이드 베인과 방풍밸브를 사용하여 터보압축기의 토출압력을 제어하는 터보압축기의 운전방법에 있어서, 입구 가이드 베인의 상류측에 설치한 온도검출수단 또는 압력검출수단이 검출한 검출값에 의거하여 이 압축기가 구비하는 조절장치에 미리 기억된 최소 가이드 베인 각도 데이터를 참조하여 그 검출값에 있어서의 최소 가이드 베인 각도를 구하고, 입구 가이드 베인을 이 최소 각도 이상으로 베인 구동장치가 구동하는 것이다.
그리고 이 특징에 있어서, 터보압축기에 서징이 발생하면 입구 가이드 베인을 소정량만큼 개방하여 입구 가이드 베인 각도 데이터베이스를 갱신하여 흡입유량에 대한 압축기의 토출압력의 특성을 미리 조절장치에 기억하여 두고, 흡입유량이 변화되어 특성에 의거하여 구한 입구 가이드 베인 각도가 최소 입구 가이드 베인 각도보다 작아지면, 입구 가이드 베인을 최소 입구 가이드 베인 각도로 설정함과 동시에 방풍밸브를 개방하고, 토출압력이 목표 토출압력보다 높을 때에는 베인 각도의 편차량을 구하여, 이 편차량을 가한 베인 각도가 최소 가이드 베인 각도 이하가 되면, 입구 가이드 베인을 최소 입구 가이드 베인 각도로 설정함과 동시에 방풍밸브를 소정량만큼 개방하고, 토출압력이 목표 토출압력보다 높고 방풍밸브가 완전 개방일 때에는 입구 가이드 베인을 완전 폐쇄로 하여 무부하 운전으로 이행하고, 이 상태가 소정시간 계속될 것 같으면 압축기를 정지하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3은 터보압축기의 특성을 설명하는 도면으로,
도 1은 흡입유량과 토출압력의 관계를 설명하는 도,
도 2는 흡입온도의 차이에 의한 특성곡선의 변화를 설명하는 도,
도 3은 흡입압력의 차이에 의한 특성곡선의 변화를 설명하는 도,
도 4는 본 발명에 관한 터보압축기의 일 실시예의 계통도,
도 5 및 도 6은 도 4에 나타낸 터보압축기의 운전제어의 플로우차트이다.
이하, 본 발명에 관한 터보압축기의 일 실시예를 도면을 사용하여 설명한다. 도 1 내지 도 3은 압축기의 특성을 나타내는 도면이다. 터보압축기의 흡입측에 입구 가이드 베인을 설치하여 터보압축기의 회전속도를 일정하게 제어하는 정풍압제어를 사용한 경우이다. 종래 이 종류의 터보압축기에서는 입구 가이드 베인의 최소 개방도(βmin)를 일정하게 설정하여 서징을 회피하고 있다.
이 터보압축기의 유량과 토출압력의 관계인 Qs-Pd 특성곡선을, 도 1에 나타낸다. 토출압력(Pd)이 목표압력(Pt)이 되도록 정풍압제어한 예이다. 점선(SL)은 서징라인을 나타낸다. 입구 가이드 베인 개방도(β)를 변화시켜 흡입유량(Qs)을 변화시키면, 흡입유량은 토출압력(Pd)이 목표압력(Pt)과 같아지는 도면에 있어서의 일점쇄선상을 변화한다. 그리고 입구 베인 개방도(β)가 최소 개방도(βmin) 이하가 되면, 이 정풍압제어에서는 서징이 발생한다. 이것에 대하여 입구 가이드 베인 개방도(β)를 일정하게 유지하여 압축기를 운전하였을 때는 토출압력(Pd)은 흡입유량(Qs)이 변화하는 것에 따라 동 도면에 있어서 실선으로 나타내는 바와 같이 변화된다. 입구 가이드 베인 개방도를 최대인 βmax로부터 최소인 βmin까지 변화시켜 목표 토출압력(Pd)이 되도록 제어하였을 때의 유량범위가 안정 작동영역(Qst)이다.
그런데 터보압축기에서는 압축기에 흡입되는 작동가스의 흡입온도가 변화되면 그 특성이 변화된다. 예를 들면 작동가스의 흡입온도(Ts)가 여름철의 흡입온도 인 Ts = Ts1 이면, 토출압력(Pd)은 흡입유량(Qs)에 대하여 도면에 있어서 파선(B1)으로 표시된 특성을 나타낸다. 흡입온도(Ts)가 겨울철의 흡입온도인 Ts = Ts2까지 저하하면, 토출압력(Pd)은 도면에 있어서 실선(A1)으로 나타낸 특성이 된다.
이 도 2에 있어서는 작동가스의 흡입온도(Ts)가 낮을 때(Ts = Ts2)의 압축기의 안정 작동영역(QTs2)은 흡입온도(Ts)가 높을 때(Ts = Ts1)의 안정 작동영역 (QTs1)에 비하여 넓어진다. 즉, 가변 입구 가이드 베인의 개방도(β)를 최소 개방도(βmin)로 유지하는 종래의 서징 회피방법에서는, 흡입온도(Ts)가 낮은 겨울철이어도 서징이 발생할 염려가 있는 한계유량이 보다 많은 여름철의 서징 한계유량에 의거하여 입구 가이드 베인 개방도를 설정할 필요가 있었다. 그 결과, 흡입온도가 낮아 그 가이드 베인 개방도에서는 서징을 발생하지 않을 때에도, 서징 회피동작으로서 방풍밸브를 개방하여 방기(放氣) 운전한다는 낭비가 많은 운전을 하지 않을 수 없었다.
또한 터보압축기의 특성은 작동가스의 흡입압력에 의해서도 변화된다. 도 3에 흡입유량(Qs)과 토출압력(Pd)의 관계가 흡입압력에 의해 변화되는 모양을 나타낸다. 흡입압력이 낮을 때(Ps = Ps1)에 입구 가이드 베인 각도(β)를 일정하게 유지한 채로 흡입유량을 변화시켰을 때의 토출압력의 변화를 파선(B2)으로, 흡입압력이 높을 때(Ps = Ps2)에 동일한 변화를 시켰을 때의 토출압력의 변화를 실선(A2)으로 나타낸다. 또 각각의 조건에 있어서의 서징발생의 한계인 서징라인을 파선(SL1및 SL2)으로 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같이 흡입압력(Ps1)에 있어서의 안정 작동영역(QPs1)은 흡입압력(Ps2)에 있어서의 안정 작동영역(QPs2)보다도 좁다. 즉, 흡입압력(Ps)이 높을 수록 안정 작동영역은 넓어진다. 또한 터보압축기의 안정 작동영역은 흡입온도나 흡입압력에 의하여 변화될 뿐만 아니라, 내부의 오염이나 경년열화 등에 의해서도 변화된다.
이와 같이 흡입조건 등에 의하여 특성이 변화되는 터보압축기에 있어서, 동력을 쓸데없이 사용하지 않고, 서징한계까지 유효하게 유량제어하는 모양을, 도 4를 사용하여 설명한다. 도 4는 본 발명에 관한 전동기 구동의 터보압축기의 일 실시예의 계통도이다. 실선은 작동가스의 실제의 흐름상태를 표시하고, 파선은 각종 신호의 전기적인 흐름을 나타낸다. 본 실시예의 터보압축기는 3단의 압축실(3, 5, 7)을 가지고 있다. 각 단의 압축기실 사이에는 인터쿨러(4, 6)가 설치되어 있고, 최종단의 압축실(7)의 하류에는 애프터 쿨러(8)가 설치되어 있다. 초단의 압축실(5)의 입구측에는 가변 입구 가이드 베인(2)이, 이 가변 입구 가이드 베인(2)의 상류측에는 흡입필터(1)가 각각 설치되어 있다.
이와 같이 구성한 터보압축기에서는 작동가스는 흡입필터(1)를 통과한 후, 가변 입구 가이드 베인(2)으로 유입된다. 터보압축기의 주위의 온도나 기압의 변화, 및 필터의 압력손실 등에 의하여 흡입온도(Ts)와 흡입압력(Ps)은 항상 변화되고 있다. 따라서 흡입온도(Ts)를 검출하기 위하여 온도센서(11)가 흡입필터(1)와 입구 가이드 베인(2) 사이의 유로에 설치되어 있다. 마찬가지로 흡입압력(Ps)을 검출하기 위하여 압력센서(13)가 흡입유로에 설치되어 있다. 온도센서(11)가 검출한 흡입온도의 신호는, 신호선(12)을 거쳐 조절장치(27)에 보내진다. 압력센서(13)가 검출한 흡입압력의 신호는, 신호선(13)을 거쳐 이것도 조절장치(27)에 보내 진다.
입구 가이드 베인(2)의 베인 개방도(β)를 검출하기 위하여 베인 개방도 검출장치(15)가 입구 가이드 베인(2)의 근방에 설치되어 있다. 이 베인 개방도 검출장치(15)가 검출한 게인 개방도의 신호는, 신호선(16)을 거쳐 조절장치(27)에 보내진다.
입구 가이드 베인(2)으로 유량 조정된 작동가스는, 각 단의 압축실(4, 6, 8)에서 압축되어 고온이 된다. 이 고온의 작동가스는 압축실(4, 6, 8)의 하류에 배치된 인터쿨러(4, 6) 및 애프터 쿨러(8)에 있어서 냉각수 또는 냉각공기와 열교환하여 40℃정도까지 냉각된다. 애프터 쿨러(8)의 하류에는 체크밸브(9)가 설치되어 있고, 체크밸브(9)를 통한 압축가스는 수요원으로 보내진다. 체크밸브(9)의 하류에는 토출압력(Pd)을 검출하는 압력센서(19)가 설치되어 있다. 이 압력센서(19)가 검출한 토출압력의 신호는 신호선(20)을 거쳐 조절장치(27)에 보내진다.
애프터 쿨러(8)와 체크밸브(19) 사이에는, 분기관부(30)가 형성되어 있고, 분기된 배관에는 방풍밸브(10)가 설치되어 있다. 방풍밸브(10)는 토출압력(Pd)이 과대해지는 것을 방지하기 위하여 설치되어 있다. 조절장치(27)로부터의 지령신호를 신호선(22)을 거쳐 방풍밸브 구동장치(21)에 입력하면 방풍밸브(21)가 개방되어 토출압력의 상승이 방지된다. 방풍밸브(10)는 개방도 조절이 가능하다. 따라서 방풍밸브(10)의 개방도를 검출하는 방풍밸브 개방도 검출장치(25)가 방풍밸브(10) 또는 방풍밸브 구동장치(21)에 설치되어 있다. 방풍밸브 개방도 검출장치(25)가 검출한 방풍밸브(10)의 개방도는 신호선(26)을 거쳐 조절장치(27)에 보내진다. 분 기관부(30)와 애프터 쿨러(8)와의 사이에는 서징 검출장치(23)가 설치되어 있고, 이 서징 검출장치(23)가 검출한 신호는 신호선(24)을 거쳐 조절장치(27)에 보내진다. 또한 조절장치(27)에는 목표압력이 신호선(28)을 거쳐, 상위 제어수단(40)으로부터 보내진다.
각종 신호가 입력되는 조절장치(27)의 동작을, 도 5 및 도 6의 플로우차트를 사용하여 상세하게 설명한다. 조절장치(27)에는 상위 제어수단(40)으로부터 목표압력(Pt)의 신호가 입력되어 있다. 조절장치(27)에 의한 제어가 개시되면(단계 50), 조절장치(27)는 터보압축기로 서징이 발생하고 있는 지의 여부를 서징 검출장치(23)를 사용하여 조사한다(단계 52). 서징 검출장치(23)는 체크밸브(9)보다도 상류측에 설치되어 있고, 압축기의 토출압력(Pda)의 신호(24)를 조절장치(27)에 보낸다. 이 Pda의 시간 변화율(ΔPda/Δt)이 미리 설정한 값을 초과한 경우에는 급격한 압력변화가 생기고 있기 때문에 서징이 발생하고 있는 것으로 한다.
단계 52에서 압축기에 서징이 발생하고 있지 않다고 판단하였을 때에는 온도센서(11) 및 압력센서(13)가 검출한 흡입온도(Ts) 및 압력(Ps)을 사용하여 입구 가이드 베인(2)에 설정하는 최소 베인 개방도(βmin)를 계산하고(단계 54), 입구 가이드 베인(2)의 최소 베인 개방도(βmin)의 설정을 갱신한다. 이어서 방풍밸브(10)의 개방도 검출장치(25)가 검출한 신호에 의거하여 방풍밸브 개방도(α)가 완전 폐쇄상태(αmin)인지 개방상태인지를 판정한다(단계 56).
방풍밸브(10)가 완전 폐쇄상태(αmin)일 때는 부하운전이기 때문에 토출압력(Pd)을 목표압력(Pt)과 비교한다(단계 58). 토출압력(Pd)이 목표압력(Pt)보다도 높을(Pd > Pt)때는 소비 가스량이 압축기에서 발생하는 압축 가스량보다도 적기 때문에 유량을 감소시킨다. 방풍밸브 개방도(α)를 검출하였을 때에 베인 개방도 검출장치(15)가 검출한 입구 가이드 베인(2)의 베인 개방도(β)를 설정한 최소 가이드 베인 개방도(βmin)와 비교한다(단계 60). 설정한 최소 베인 개방도(βmin)가 베인 개방도 검출장치(15)의 검출한 베인 개방도 이상일 때, 즉 β≤βmin일 때에는 베인 구동장치(17)를 사용하여 베인 개방도(β)를 최소 베인 개방도(βmin)까지 개방한다(단계 70, 72). 이 상태에서는 입구 가이드 베인을 사용한 유량제어가 불가능하기 때문에, 이른바 방풍운전으로 이행한다.
단계 60의 입구 가이드 베인 개방도의 판정에 있어서, 설정한 최소 베인 개방도(βmin)보다 베인 개방도 검출장치(15)가 검출한 베인 개방도(β)가 크다(β > βmin)고 판정되었을 때, 및 단계 58의 토출압력의 판정에 있어서 토출압력(Pd)이 목표압력보다 낮다(Pd < Pt)고 판정되었을 때는, 최적의 부하운전이 되도록 유량조정을 한다. 그래서 목표압력(Pt)과 토출압력(Pd)과의 편차로부터 유량의 어긋남을 베인 개방도의 편차량(Δ13)으로 환산하여 다음회 설정하는 베인 개방도[βn(=β+ Δβ)]를 연산한다(단계 62). 연산한 베인 개방도(βn)를 최대 베인 개방도(βmax)와 비교한다(단계 64).
설정하는 베인 개방도(βn)가 최대 베인 개방도(βmax)보다 작을 때, 즉 βn < βmax일 때는 설정 베인 개방도(βn)를 최소 베인 개방도(βmin)와 비교한다(단계 66). 설정 베인 개방도(βn)가 최소 베인 개방도보다 클 때는, 설정 베인 개방도(βn)가 되도록 편차 개방도(Δβ)만큼 입구 가이드 베인을 움직이는 지령을 베인 구동장치(17)에 보낸다(단계 68).
단계 64에 있어서, 설정 베인 개방도(βn)가 최대 베인 개방도(βmax) 이상(βn ≥βmax)이라고 판정되었을 때에는 베인을 최대 베인 개방도 이상으로 개방할 수는 없기 때문에, 설정 베인 개방도(βn)를 최대 베인 개방도(βmax)로 재설정(βn = βmax)한다(단계 74). 마찬가지로 단계 66에서 설정 베인 개방도(βn)가 최소 베인 개방도(βmin) 이하라고 판정되었을 때는, 서징방지를 위해 설정 베인 개방도(βn)를 최소 베인 개방도로 재설정(βn = βmin)한다(단계 76). 이상과 같이 하여 설정 베인 개방도(βn)를 설정하여, 입구 가이드 베인(2)을 베인 구동장치(17)를 사용하여 설정 베인 개방도(βn)까지 구동한다(단계 68). 그후 다음 측정에 대비하여 단계 52로 되돌아간다.
단계 56에 있어서 방풍밸브(10)가 완전 폐쇄가 아니라고 판정되었을 때는, 이미 방풍운전상태(단계 86)에 들어가 있기 때문에, 방풍량을 조정하여 유량 조정한다. 이 방풍운전에 있어서의 제어순서를 도 6에 나타낸다. 토출압력(Pd)과 목표압력(Pt)으로부터 방풍밸브의 편차 개방도(Δα)와 다음회 설정 방풍밸브 개방도(αn)를 계산한다(단계 100). 연산한 설정 방풍밸브 개방도(αn)를 최대 방풍밸브 개방도(αmax)와 비교한다(단계 102). 설정 방풍밸브 개방도(αn)가 최대 방풍밸브 개방도(αmax)보다 작을 때(αn <αmax)는, 설정 방풍밸브 개방도(αn)를 최소 방풍밸브 개방도인 완전 폐쇄각도(αmin)와 비교(단계 1O4)한다. 설정 방풍밸브 개방도(αn)가 완전 폐쇄각도(αmin) 이하(αn ≤αmin)이면, 방기운전이 종료된 것을 의미하기 때문에, 설정 방풍밸브 개방도(αn)를 완전 폐쇄각도(αmin)로 재설 정한다(단계 106).
설정 방풍밸브 개방도(αn)가 결정되면, 방풍밸브 구동지령 신호(26)를 방풍밸브 구동장치(21)에 보내어, 방풍밸브(10)를 설정 방풍밸브 개방도(αn)까지 구동한다(단계 108). 다음 측정에 대비하여 단계 52로 되돌아간다. 여기서 단계 102에서 설정 방풍밸브 개방도(αn)가 최대 방풍밸브 개방도(αmax) 이상(αn≥αmax)이 되면, 서징을 회피하기 위하여 설정 방풍밸브 개방도(αn)를 최대 방풍밸브 개방도(αmax)로 설정한다. 그것과 함께 입구 가이드 베인을 완전 폐쇄로 하여(단계 110) 무부하 운전으로 이행한다(단계 112). 무부하 운전 중은 토출압력(Pd)을 상시 계측한다(단계 114). 토출압력(Pd)이 목표압력(Pt)보다 기정치(ΔP)만큼 작아진 것을 확인하여, 입구 가이드 베인 개방도(β)를 최소 베인 개방도(βmin)까지 개방한다(단계 114). 그후 단계 1O0으로 되돌아가 방풍운전을 재개한다. 단계 114에 있어서, 소정시간 경과하여도 토출압력(Pd)이 목표압력(Pt)으로부터 기정치(ΔP)만큼 뺀 값 이하가 되지 않을(Pd ≥ Pt-AP)때는 압축기를 정지한다(단계118).
그런데, 단계 52에 있어서 서징의 발생이 검출되었으면 서징으로부터 빠져 나오기 위하여 입구 가이드 베인을 개방한다. 그때의 입구 가이드 베인(2)의 개방도 변경량을 단계 78에서 연산한다. 단계 78에서는 베인 개방도의 최소 보정치(Δβmin)를 흡입온도 또는 흡입압력에 따라 미리 설정한 식 또는 데이터 테이블로부터 계산한다. 또한 이 변경량은 예를 들면 1도와 같은 소정값(일정값)으로 설정하여도 좋다. 베인 개방도의 보정량(Δβmin)이 구해졌기 때문에 단계 80에서 최소 베인 개방도[βmin(=β+Δβmin)]를 갱신한다. 서징회피를 위해 갱신된 최소 베인 개방도(βmin)까지 입구 가이드 베인(2)을 개방하여 그 만큼 압축기의 흡입유량이 증대하기 때문에, 증대한 유량분만큼 방풍운전을 한다(단계 82). 이 양은 방풍밸브(10)의 개방도를 규정치만큼 개방함으로써 달성된다. 서징이 검출되었을 때는 긴급을 필요하기 때문에, 단계 52, 78로부터 82는 거의 동시에 실행된다. 그리고 단계 82와 병렬, 또는 단계 82 종료후에 최소 베인 개방도(βmin)에 관한 데이터 베이스의 갱신이 행하여진다(단계 84).
단계 86에 있어서, 방풍밸브 개방도(αn)가 최대 방풍밸브 개방도(αmax), 즉 완전 개방이라고 판정된 경우에는, 부하량이 적기 때문에 소정시간 그대로의 상태를 유지하고, 그 동안은 토출압력(Pd)과 목표압력(Pt)을 계속하여 비교한다(단계100). 소정시간 경과후도 토출압력(Pd)이 목표압력(Pt) 이상이라고 판정된 경우에는 압축기를 정지한다(단계 102). 또 토출압력(Pd)이 목표압력(Pt)보다 작다고 판정된 경우에는 방풍운전을 재개하기 위하여 단계 88로 이행한다.
다음에, 최소 베인 개방도(βmin)의 설정에 대하여 설명한다.
목표압력(Pt)으로서 설정할 가능성이 있는 값을 선정한다. 그 값이 k개 있을 때는, 낮은 쪽부터 순서대로 Pt(1) ∼ Pt(k)라고 정한다. 압축기가 사용되는 환경에 있어서 흡입온도(Ts)가 취득하는 최소값[Ts(min)]과 최대값[Ts(max)]을 결정한다. 흡입온도의 최소값[Ts(min)]과 최대값[Ts(max)]의 사이를 m개의 이산된 값[Ts(1), Ts(2), …, Ts(m)]으로 분할한다. k개 정한 목표압력[Pt(i)](i = 1, 2,…, k)마다, 흡입온도[Ts(j)](j = 1, 2, …, m)와 최소 베인 개방도[βmin(i, j)]와의 관계를 상위 제어장치(40) 또는 조절장치(27)가 구비하는 데이터 베이스 중에 미리 저장하여 둔다. 또한 이 데이터 베이스에 기억하는 데이터에 대해서는 표준 흡입압력(Ps0)을 흡입압력으로서 사용하고 있다. 따라서 기억되는 데이터는 k × m 개의 데이터를 가지는 배열 데이터가 된다.
최소 베인 개방도(βmin)는, 이하와 같이 산출된다.
Figure 112005007425412-pct00001
흡입온도(Ts)와 흡입압력(Ps)의 값을 신호로서 수취하였으면, 흡입압력(Ps)을 이용하여 다음식에 의하여 목표압력(Pt)을 보정한다. 유량과 토출압력과의 특성(Qs - Pd 특성)이 동일하면 상사(相似)가 되는 성질을 이용하여, 목표압력(Pt)을 보정하고 있다.
여기서, Pt1은 보정후의 목표압력으로, 최소 입구 가이드 베인 개방도(βmin)를 계산하기 위해서만 사용한다. 또 Pa는 표준상태에서의 대기압이고, Pa1은 흡입상태를 검출할 때의 대기압이다. 보정후의 목표압력(Pt1)과 흡입온도(Ts)를 얻어졌기 때문에, 상기한 데이터 베이스를 이용하고 보간법을 사용하여 최소 베인 개방도(βmin)를 계산한다. 단, 보정후의 목표압력(Pt1)이 설정 목표압력[Pt(1) ~ Pt(k)]의 범위 밖이 되었을 때는 외부 삽입에 의하여 최소 베인 개방도(βmin)를 계산한다.
서징이 발생하였을 때에 최소 베인 개방도를 변경하는 방법을 이하에 설명한다. 서징발생시의 흡입압력(Ps) 및 목표압력(Pt)으로부터 목표압력의 보정값(Pt1) 을 구한다. 흡입온도(Ts)와 보정 목표압력(Pt1)일 때의 최소 베인 개방도가 βmin 이었다고 하면, βmin1 = βmin + Δβmin 가 되도록 데이터 베이스를 변경한다. 상기한 바와 같이 Δβmin은 흡입온도(Ts)나 흡입압력(Ps) 등의 측정값으로부터 식 또는 데이터 테이블을 사용하여 구할 수 있다. 또 소정값(일정값)으로서 주어져도 지장이 없다. βmin은 보간법에 의하여 주변의 βmin(i, j)값을 사용하여 유도되기 때문에, 보간방법이 선형이면, 보간에 사용한 최소 베인 개방도 데이터[βmin(i, j)]를 βmin(i, j) + Δmin으로 함으로써 최소 베인 개방도의 갱신을 행할 수 있다. 이 보정을 한 후는 가령 흡입온도(Ts)와 보정 목표압력(Pt1)이 이전 서징이 생겼을 때와 동일한 값이 되어도, 최소 베인 개방도(βmin)는 서징라인으로 정해지는 개방도 이하로는 되지 않는 것이 보증된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 터보압축기에 흡입되는 작동가스의 흡입온도와 흡입압력을 검출하는 것만으로 광역의 범위에 걸쳐 압축기의 서징을 회피할 수 있다. 또 안정되게 터보압축기를 동작시킬 수 있다. 또한 본 실시예에서는 최소 베인 각도의 설정을 흡입온도의 변화에 의거하여 실행하고 있으나, 흡입압력의 변화에 의해서도 마찬가지로 실행할 수 있는 것은 상기한 바와 같다.

Claims (9)

  1. 터보압축기에 있어서,
    블레이드 각도 가변의 입구 가이드 베인;
    방풍밸브;
    상기 터보압축기로 흡입되는 작동가스의 흡입온도와 흡입압력 중 하나 이상을 검출하는 흡입상태 검출수단; 및
    흡입상태에 대한 상기 입구 가이드 베인의 최소 각도에 관한 데이터베이스를 가지는 제어수단을 구비하되,
    상기 제어수단은 상기 데이터베이스를 참조하여 최소 각도를 결정함과 동시에, 상기 터보압축기의 서징 검출시 상기 데이터베이스를 갱신하는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  2. 블레이드 각도를 가변의 입구 가이드 베인과, 터보압축기 본체와, 터보압축기의 토출압력을 검출하는 토출압력 검출수단과, 이 토출압력 검출수단보다도 터보압축기 본체측에 위치하는 체크밸브와, 터보압축기로 압축된 가스를 방풍하는 방풍밸브와, 상기 입구 가이드 베인의 상류측에 위치하여 터보압축기에 흡입되는 작동가스의 흡입온도 및 흡입압력의 적어도 어느 하나를 검출하는 흡입상태 검출수단과, 상기 입구 가이드 베인의 각도 및 상기 방풍밸브의 개폐를 제어하는 조절장치를 구비하는 터보압축기에 있어서,
    상기 체크밸브와 상기 터보압축기 본체와의 사이에 서징 검출수단을, 상기 조절장치에 상기 흡입조건과 목표 압력에 대한 최소 가이드 베인 각도와의 관계를 기술(記述)한 데이터베이스를 각각 설치하고, 상기 조절장치는 상기 데이터베이스를 참조하여 최소 각도를 결정함과 동시에 서징 검출수단이 서징을 검출하면 데이터베이스를 갱신하는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 조절장치를 제어하는 상위 제어장치를 가지는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  5. 입구 가이드 베인과 방풍밸브를 사용하여 터보압축기의 토출압력을 제어하는 터보압축기의 운전방법에 있어서,
    입구 가이드 베인의 상류측에 설치된 온도 검출수단 또는 압력 검출수단이 검출한 검출값에 의거하여 상기 압축기에 구비된 조절장치에 미리 기억된 최소 입구 가이드 베인 각도 데이터를 참조하여 그 검출값에서의 최소 입구 가이드 베인 각도를 구하는 단계;
    베인 구동장치가 구동하여 상기 입구 가이드 베인을 상기 최소 입구 가이드 베인 각도 이상으로 구동하는 단계; 및
    서징이 발생하면 입구 가이드 베인 각도 데이터를 갱신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보압축기의 운전방법.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서,
    흡입유량에 대한 압축기의 토출압력의 특성을 미리 조절장치에 기억하여 두고 흡입유량이 변화되어 이 특성에 의거하여 구한 입구 가이드 베인 각도가 최소 입구 가이드 베인 각도보다 작아지면 입구 가이드 베인을 최소 입구 가이드 베인 각도로 설정함과 동시에 방풍밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 터보압축기의 운전방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    토출압력이 목표 토출압력보다 높을 때에는 베인 각도의 편차량을 구하고, 이 편차량을 가한 베인 각도가 최소 입구 가이드 베인 각도 이하가 되었으면 입구 가이드 베인을 최소 입구 가이드 베인 각도로 설정함과 동시에 방풍밸브를 소정량만큼 개방하는 것을 특징으로 하는 터보압축기의 운전방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    토출압력이 목표 토출압력보다 높고, 방풍밸브가 완전 개방일 때에는 입구 가이드 베인을 완전 폐쇄로 하여 무부하 운전으로 이행하고, 이 상태가 소정시간 계속되면 압축기를 정지하는 것을 특징으로 하는 터보압축기의 운전방법.
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