KR101670710B1

KR101670710B1 - 원심 압축 설비와 그 서징 방지 방법

Info

Publication number: KR101670710B1
Application number: KR1020147005452A
Authority: KR
Inventors: 쓰네오 코키; 나오키 니시야마; 유지 에치젠; 타카시 오야부; 토모노리 세키; 마사시 모리구치
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2016-10-31
Also published as: EP2765313B1; JP5871157B2; CN105626566A; CN103857920B; CN105626566B; WO2013051559A1; CN103857920A; EP2765313A1; US10202980B2; IN2014CN02427A; US20140219820A1; KR20140054155A; EP2765313A4; JP2013079586A

Abstract

기체(1)를 원심 압축하는 원심 압축기(12)와, 원심 압축기를 회전 구동하는 전동기(14)와, 전동기의 구동 전류(I)를 검출하는 전류 검출기(16)와, 압축 기체(2)를 그것보다 저압 부분(3)으로 배기하는 배기 밸브(18)를 구비하고, (A) 구동 전류(I)를 샘플링 주기(ts)로 검출하고, (B) 샘플링 기간(tp)에 계측된 복수의 구동 전류를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차'를 전류 임계치로서 실시간 갱신하고, 여기에서 n은 3 이상 4 이하의 정수이며, (C) 배기 밸브(18)가 닫혀 있고 또한 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만인 경우에 서징(surging)으로 판정하고, (D) 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브(18)를 열어 압축 기체(2)를 배기한다.

Description

원심 압축 설비와 그 서징 방지 방법{CENTRIFUGAL COMPRESSOR APPARATUS AND METHOD FOR PREVENTING SURGE THEREIN}

본 발명은 원심 압축기를 이용한 원심 압축 설비와 그 서징 방지 방법에 관한 것이다.

터보 압축기나 터보 냉동기에 이용되는 원심 압축기는, 저유량 영역에서 격렬한 압력 변동과 소음을 수반하는 서징(surging)이 발생한다. 원심 압축기가 서징 상태에 들어가면 압축기로서 안정 운전이 불가능하게 되어, 수명이 단축되고, 최악의 경우, 손상될 가능성도 있다.

따라서, 종래부터 서징의 발생을 방지하는 여러 가지 수단이 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 9).

한편, 이하에서는 원심 압축기를 '압축기', 서징을 '서지'라고 약칭하여 부르기도 한다.

특허 문헌 1: 일본 특허공개 소60-111093호 공보, '축류 압축기의 서지 방지 장치' 특허 문헌 2: 일본 특허공개 소62-195492호 공보, '터보 압축기의 서징 방지 장치' 특허 문헌 3: 일본 특허공개 소64-394호 공보, '압축기의 서징 방지 장치' 특허 문헌 4: 일본 특허공개 2000-199495호 공보, '터보 냉동기의 서징 예측 방법 및 장치' 특허 문헌 5: 일본 특허공개 2004-316462호 공보, '원심 압축기의 용량 제어 방법 및 장치' 특허 문헌 6: 일본 특허공개 2005-16464호 공보, '압축 장치' 특허 문헌 7: 일본 실용공개 소62-93194호 공보, '터보 압축기 등의 안전 장치' 특허 문헌 8: 일본 특허 제4191560호 공보, '터보 냉동기 및 그 제어 방법' 특허 문헌 9: 일본 특허공개 2002-276590호 공보, '압축기의 서징 검출 장치'

a. 서지 방지 제어와 에너지 절약의 관계

종래, 원심 압축기의 예상 성능 곡선 혹은 계측된 서지 라인을 이용해, 유량을 감소시켰을 때 압축기 동작점이 그 라인을 넘지 않도록 서지 방지 라인을 마련하고, 서지 방지 라인을 넘는 경우에는 신속하게 방풍 제어 또는 바이패스 제어하여, 압축기가 서징 상태에 빠지지 않게 하는 방식이 일반적으로 이용되고 있다.

그러나, 압축기의 특성은 운전 환경이나 시간이 경과함에 따라 변화하는 경우가 있어, 실제의 서지 라인은 예상 성능 곡선과 다른 경우가 있다. 이 때문에, 현지에서 서징을 의도적으로 발생시키는 시험(서지 시험)을 행하여, 실제로 계측된 서지 라인에 대해 10 내지 15% 정도의 고유량측에 서지 마진을 마련하는 것이 종래 일반적이다.

이 때문에, 종래에는 서지 마진 만큼 원심 압축기의 용량 제어 범위가 좁아져, 용량(유량)이 작은 감량 운전시에 에너지 손실이 발생하는 문제가 있다.

b. 서징의 검출 수단

압축기가 서징 상태에 들어가면 압축기가 압축기로서의 역할을 하지 않게 되기 때문에, 축 동력 및 압축기의 유량이 직전의 운전 상태로부터 현저하게 감소하는 것이 알려져 있다.

이 상태를 검출하는 수단으로, 유량, 혹은 이와 관련이 있는 압축기용 전동기의 구동 전류 혹은 구동 전력이나 토출 압력 등의 상태량을, 미리 설정한 값과 비교함으로써 서징 상태의 판정을 행하는 것이 지금까지 제안되어 왔다.

압력 변화를 이용하는 경우, 압력은 그 압력 용기에 출입하는 유량의 적산치이기 때문에, 압력의 변동을 감시하는 것은 즉 유량을 측정하는 것이 되어 항상 지연 제어계가 되고, 또한 그 변화는 압력 용기의 크기에 반비례하고, 유량에 비례한다는 특징이 있다. 압력 변화를 이용하는 것은 용이하지만, 서징 상태의 감시는 압축기의 유량 변동을 기록하는 것과 다름이 없다. 압력 계측 범위에 대해, 서징 발생시의 작은 압력 진폭 신호를 추출하려면 2회 미분 처리가 필요하므로, 서징 상태를 적정하게 검출하기 위해서는 복잡한 디지털 신호 처리 기술이 필요하여, 서지 검출 장치의 비용이 증가한다는 문제가 있다.

유량 변화를 이용하는 경우는, 유량을 1회 미분하는 것만으로 충분하기 때문에, 압력을 이용하는 경우에 비해 신호 처리는 용이하게 된다. 그러나 그 반면, 유량 계측 결과에는 노이즈 성분(요동)이 다수 포함되어 그 제거가 어려울 뿐만 아니라, 유량 계측 수단을 마련하게 되면 계측 부품수가 증가해 비용 증가로 연결된다는 문제도 있다.

전동기의 구동 전류는, 일정한 토출 압력 조건하에서, 좁은 범위에 있어서 유량에 비례하는 특징이 있기 때문에, 유량의 대체 계측 수단으로서 사용할 수 있다. 그러나, 유량과 마찬가지로 구동 전류의 요동이 커, 적정하게 임계치를 마련하지 않으면 오작동이나 서징 검출이 행해지지 않는 등의 문제가 있다.

c. 서지 방지 라인의 결정 수단

압축기의 서지 라인은, 압축기의 특성에 맞춰 미리 입력(설정)하는 것이 일반적이다.

그러나 압축기의 특성이 운전 환경이나 시간이 경과함에 따라 변화하면 예기치 않게 서징 상태에 들어가는 일이 있어, 이러한 경우에는 이후 계속적으로 압축기를 운전하는 것이 곤란하게 된다.

d. 서지 방지 제어 수단

압축기의 서징 방지 제어는, 유량과 토출 압력 혹은 압력비에 의해 행해지는 것이 일반적이다.

그러나, 유량을 계측하려면 복수의 계측기가 필요하여 비용이 증가하게 되기 때문에, 대체 수단으로서 전동기의 구동 전류를 이용하는 경우가 있다. 이는, 토출 압력이 일정하고 또한 서지 방지 라인 근방에서, 유량이 전동기의 구동 전류와 거의 비례 관계에 있다는 점에 착안한 것이다.

그러나, 전동기의 구동 전류와 토출 유량은 운전 조건에 따라 오차가 생긴다는 문제가 있다. 또한, 토출 압력에 대해서도, 흡입 압력이 변화하면 서지 라인이 변화하기 때문에, 압력비를 이용하는 것이 바람직하다.

전술한 특허 문헌 1 내지 6은, 미리 서징 상태가 발생하는 한계로서 서지 라인 또는 서지 방지 라인을 설정하고, 압력비, 압력비 변화율, 동력 변화율, 차압, 유량 등에 근거해 서지 라인을 넘지 않도록 제어하는 것이다.

특허 문헌 7 내지 9는, 구동 전류의 변동, 압력, 유량, 유속 등에 근거해 서징을 검출하는 것이다.

전술한 바와 같이, 미리 서지 방지 라인을 설정하는 경우, 실제로 계측된 서지 라인에 대해, 종래는 10 내지 15% 정도의 여유(서지 마진)를 마련하기 때문에, 그만큼 원심 압축기의 용량 제어 범위가 좁아진다는 문제점이 있다.

또한, 서지 라인은 운전 환경이나 경년 변화에 의해 변동하기 때문에, 서지 마진을 충분히 크게 하지 않으면 예기치 않게 서징 상태에 들어갈 가능성이 있다.

또한, 원심 압축기의 유량이나 구동 전류는, 운전중의 변동(요동)이 크기 때문에, 오작동이나 서징의 불검출이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 종래의 서징 검출 수단의 경우, 서징 발생으로부터 검출까지의 검출 지연이 길고(예를 들면, 20 내지 30초), 격렬한 진동, 압력 변동 및 소음을 회피할 수 없다.

본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, (1) 서징 발생으로부터 서징 검출까지의 검출 지연이 짧고, 진동, 압력 변동 및 소음의 발생을 방지할 수 있고, (2) 서지 마진을 작게 설정해 원심 압축기의 용량 제어 범위를 큰 폭으로 넓힐 수 있고, (3) 운전 환경이나 경년 변화에 의한 운전 특성의 변동에 추종해 서지 라인을 자동 갱신할 수 있는 원심 압축 설비와 그 서징 방지 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 기체를 원심 압축하는 원심 압축기와, 원심 압축기를 회전 구동하는 전동기와, 전동기의 구동 전류를 검출하는 전류 검출기와, 압축된 기체를 그것보다 저압 부분으로 배기하는 배기 밸브와, 원심 압축기의 서징을 방지하도록 배기 밸브를 제어하는 서지 방지 제어 장치를 구비하고,

상기 서지 방지 제어 장치는,

(A) 상기 구동 전류를 샘플링 주기로 검출하고,

(B) 샘플링 기간에 계측된 복수의 구동 전류를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차'를 전류 임계치로서 실시간 갱신하고, 여기에서 n은 3 이상 4 이하의 정수이며,

(C) 배기 밸브가 완전 폐쇄 또는 중간 개방도이고, 또한 상기 구동 전류가 상기 전류 임계치 미만인 경우에 서징으로 판정하고,

(D) 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브를 더 개방하여 압축된 기체를 배기하는 것을 특징으로 하는 원심 압축 설비가 제공된다.

또한, 본 발명에 의하면, 기체를 원심 압축하는 원심 압축기와, 원심 압축기를 회전 구동하는 전동기와, 전동기의 구동 전류를 검출하는 전류 검출기와, 압축된 기체를 그것보다 저압 부분으로 배기하는 배기 밸브를 구비하고,

(A) 상기 구동 전류를 샘플링 주기로 검출하고,

(D) 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브를 더 개방하여 압축된 기체를 배기하는 것을 특징으로 하는 원심 압축 설비의 서징 방지 방법이 제공된다.

원심 압축기가 서징 상태가 되면 압축기가 기능하지 않게 되기 때문에, 서징과 동시에 압축기의 축 동력이 감소하여, 서징 상태를 전동기의 구동 전류의 변화로서 관측할 수 있다.

구동 전류는, 압축기의 운전 상태에 따라 변화하기 때문에 일정하지는 않지만, 표본의 분포와 표준 편차에 대해 3σ(산출한 표준 편차의 3배)에 포함되는 표본의 수가 99% 이상이라고 하는 통계적 방법을 응용하면, 구동 전류의 요동량은 표준 편차를 계산함으로써 추측할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 견해에 근거하는 것이다.

즉, 상기 본 발명의 장치 및 방법에 의하면, 서지 방지 제어 장치에 의해 (B) 샘플링 기간에 계측된 복수의 구동 전류를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차'를 전류 임계치로서 실시간 갱신하고, 여기에서 n은 3 이상 4 이하의 정수이며, (C) 배기 밸브가 닫혀 있고 또한 구동 전류가 전류 임계치 미만인 경우에 서징으로 판정하므로, 구동 전류의 요동(불균형)의 영향을 받지 않고 확실하게 서징 현상을 검출할 수 있다.

또한, 이 판정 수단에 의한 서징 발생으로부터 서징 검출까지의 검출 지연은, 실시예로부터 1초 이내(예를 들면, 0.1초 정도)이고, (D) 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브를 열어 압축된 기체를 배기함으로써, 진동, 압력 변동 및 소음을 회피할 수 있는 것이 실시예에서 확인되었다.

따라서, 종래와 같이 서지 마진을 크게 설정할 필요가 없어, (2) 서지 마진을 작게 설정해 원심 압축기의 용량 제어 범위를 큰 폭으로 넓힐 수 있다.

또한, 서징이 발생해도 진동, 압력 변동 및 소음을 회피해 압축기를 안정적으로 운전할 수 있으므로, 서징을 발생시켜 그때의 압축기 운전 조건을 데이터로서 취득해, (3) 운전 환경이나 경년 변화에 의한 운전 특성의 변동에 추종해 서지 라인을 자동 갱신할 수 있다.

도 1a는 본 발명에 의한 원심 압축 설비의 실시 형태도로서, 배기 밸브가 방풍 밸브인 경우를 나타낸다.
도 1b는 본 발명에 의한 원심 압축 설비의 실시 형태도로서, 배기 밸브가 바이패스 밸브인 경우를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 방법의 설명도이다.
도 3은 서지 라인과 서지 방지 라인의 설명도이다.
도 4는 서지 발생점의 설명도와 서지 데이터의 예이다.
도 5는 서징 검출 후의 처리의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 서지 발생점의 처리 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 서지 라인 재구축시, 유효 데이터 추출 처리를 나타내는 도면이다.
도 8a는 서징의 발생 횟수가 1회인 경우에서의 서지 라인의 재구축을 나타내는 도면이다.
도 8b는 근사 직선에 의한 서지 라인의 재구축을 나타내는 도면이다.
도 9는 꺾은선 데이터의 갱신을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 A부분을 확대한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부 도면에 기초해 상세하게 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 1a와 도 1b는 본 발명에 의한 원심 압축 설비의 실시 형태도이다.

본 실시예에서, 원심 압축 설비(10)는 원심 압축기(12), 전동기(14), 전류 검출기(16), 배기 밸브(18), 및 서지 방지 제어 장치(30)를 구비한다.

원심 압축기(12)는 기체(1)(예를 들면, 공기)를 원심 압축한다. 전동기(14)는 원심 압축기(12)를 회전 구동한다. 전류 검출기(16)는 전동기(14)의 구동 전류(I)를 검출한다. 배기 밸브(18)는 압축된 기체(2)(압축 기체)를 그것보다 저압 부분(3)으로 배기한다.

배기 밸브(18)는 방풍 밸브라도 바이패스 밸브라도 무방하다.

도 1a의 예에서의 배기 밸브(18)는 방풍 밸브이고, 도 1b의 예에서의 배기 밸브(18)는 바이패스 밸브이다. 바이패스 밸브는, 원심 압축기(12)의 토출측과 흡입측을 연통하는 배관을 마련하고, 그 배관의 중간에 마련한 조절 밸브이다. 이 경우, 저압 부분은 원심 압축기(12)의 흡입측이다.

한편, 이들 도면에서 참조 부호 19는, 기체(1)의 수요처(4)에 압축 기체(2)를 공급하는 토출 밸브이다. 토출 밸브(19)의 개방도는, 예를 들면 수요처(4)로부터의 요구에 의해 적절하게 제어된다.

저압 부분(3)은, 예를 들면 바깥 공기이며, 그 사이에 방풍 사이렌서(미도시)를 마련하는 것이 좋다. 배기 밸브(18)는 원심 압축기(12)의 정상 운전중에는 완전히 폐쇄되어 있다.

도 1a와 도 1b에서, 원심 압축 설비(10)는 원심 압축기(12)의 흡입 압력(Ps)과 토출 압력(Pd)을 검출하는 흡입 압력계(22) 및 토출 압력계(24)와, 원심 압축기(12)의 흡입 온도(Ts)를 검출하는 흡입 온도계(26)를 더 구비한다.

서지 방지 제어 장치(30)는, 예를 들면 컴퓨터(PC)이며, 원심 압축기(12)의 서징을 방지하도록 배기 밸브(18)를 제어한다. 배기 밸브(18)의 제어는, ON/OFF 제어라도, 유량을 조절하는 조절 동작이라도 된다.

서지 방지 제어 장치(30)는 동력 계산기(32), 유량 계산기(34), 압력비 계산기(36)를 구비한다.

동력 계산기(32)는 구동 전류(I)로부터 전동기(14)의 구동 동력(W)을 계산한다. 유량 계산기(34)는 구동 동력(W), 흡입 압력(Ps), 토출 압력(Pd) 및 흡입 온도(Ts)로부터 원심 압축기(12)의 유량(Q)을 계산한다. 압력비 계산기(36)는 흡입 압력(Ps) 및 토출 압력(Pd)으로부터 압력비(Π)를 계산한다.

서지 방지 제어 장치(30)는 다음과 같이 작동한다.

(A) 구동 전류(I)를 샘플링 주기(ts)로 검출한다.

(B) 샘플링 기간(tp)에 계측된 복수의 구동 전류(I)를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차'를 전류 임계치(X)로서 실시간 갱신한다. 여기에서, n은 3 이상 4 이하의 정수이다.

(C) 배기 밸브(18)가 닫혀 있고, 또한 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만인 경우에 서징으로 판정한다.

(D) 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브(18)를 열어 압축 기체(2)를 배기한다.

도 2는 본 발명에 의한 방법의 설명도이다. 한편, 이 도면에서 n은 3이다.

이 도면에서, 횡축은 시간(t), 종축은 구동 전류(I)이다. 샘플링 주기(ts)는, 후술하는 실시예에서는 50 msec(0.05초)이다. 또한, 샘플링 기간(tp)은, 후술하는 실시예에서는 약 25초이다.

샘플링 주기(ts)는 서지 방지 제어 장치(30)의 제어를 추종할 수 있는 한 짧은 것이 바람직하지만, 10 msec(0.01초) 이상 1초 이하의 범위에서 임의로 설정할 수 있다.

샘플링 기간(tp)은, 전술한 모집단의 표본수가 바람직하게는 100 이상이 되도록, 예를 들면 1초 이상 100초 이하의 범위에서 임의로 설정할 수 있다. 한편, 표본수는 100 미만이라도 무방하다.

전술한 장치를 이용하여, 본 발명의 방법은 이하의 A 내지 D의 각 단계로 이루어진다.

(A)에서는, 구동 전류(I)를 샘플링 주기(ts)로 검출한다.

(B)에서는, 샘플링 기간(tp)에 계측된 복수의 구동 전류(I)를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차(σ)'를 전류 임계치(X)로서 실시간 갱신한다. 여기에서 n은 3 이상 4 이하의 정수이다.

(C)에서는, 배기 밸브(18)가 닫혀 있고, 또한 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만인 경우에 서징으로 판정한다.

(D)에서는, 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브(18)를 열어 압축 기체(2)를 배기한다.

전술한 본 발명의 장치 및 방법에 의하면, 서지 방지 제어 장치(30)에 의해, (B) 샘플링 기간(tp)에 계측된 복수의 구동 전류(I)를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차(σ)'를 전류 임계치(X)로서 실시간 갱신하고, 여기에서 n은 3 이상 4 이하의 정수이며, (C) 배기 밸브(18)가 닫혀 있고, 또한 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만인 경우에 서징으로 판정하므로, 구동 전류(I)의 요동(편차)의 영향을 받지 않고 확실하게 서징 현상을 검출할 수 있다.

전술한 바와 같이, 원심 압축기(12)가 서징 상태에 들어가면 압축기(12)가 기능하지 않게 되기 때문에, 서징과 동시에 압축기(12)의 축 동력이 감소해, 전동기(14)의 구동 전류(I)의 변화로서 관측할 수 있다.

전동기(14)의 구동 전류(I)는, 압축기(12)의 운전 상태에 따라 변화하기 때문에 일정하지는 않지만, 표본의 분포와 표준 편차에 대해 3σ(산출한 표준 편차의 3배)에 포함되는 표본의 수가 99% 이상이라고 하는 통계적 방법을 응용하면, 구동 전류(I)의 요동량은 표준 편차(σ)를 계산함으로써 추측할 수 있다.

즉, 이동 평균과 이동 평균 계산 구간의 표준 편차(σ)를 계산해, '전류 임계치(X)=이동 평균-n×표준 편차(σ)(n은 3 이상 4 이하의 정수)'라고 가정하면, 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만인 경우, 통상 발생하고 있는 구동 전류(I)의 요동의 폭을 넘었다고 생각되어, 높은 확률로 서징 현상이 발생했을 가능성이 있다고 볼 수 있고, 수동 개재에 의한 조정이 불필요하게 된다.

전류 임계치(X) 미만인 데이터의 내역은, '외래 노이즈에 의한 돌발적인 데이터의 변동'이나 '서징 발생'이라고 볼 수 있고, 계측 데이터의 요동을 배제하고 있기 때문에, 전자의 발생 확률은 1% 이하라고 할 수 있다. 즉, 표본수가 100이라고 가정한 경우, 이상 데이터는 하나라고 할 수 있다. 지금, 샘플링 기간을 tp[초], 샘플링 주기를 ts[초]라고 했을 때, 서징 현상의 발생 시간이 샘플링 주기(ts)에 대해 충분히 길고, tp/ts＞100이면, 2회 이상 연속적으로 전류 판정치 미만인 경우, '돌발적인 데이터의 변동'은 모두 무시할 수 있어 발생 사상의 원인은 서징 발생이라고 볼 수 있다.

이러한 생각에 기초해, 서징 발생시의 전류 거동에 대해 확인한 결과, 이와 같은 판정 수단에 의한 서징 발생으로부터 서징 검출까지의 검출 지연은, 실시예에서 1초 이내(예를 들면 0.6초 정도)였다.

따라서, 이 판정 수단은, 적절한 샘플링 기간(tp) 및 샘플링 주기(ts)를 마련하면, 1초 이내의 검출 지연으로 확실하게 서징 발생을 검출할 수 있다는 것이 후술하는 실시예에 의해 확인되었다.

그러나, 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만이 되는 현상은, 배기 밸브(18)를 급격하게 열었을 경우에도 성립한다. 이 때문에, 본 발명에서는 배기 밸브(18)가 완전 폐쇄 또는 중간 개방도인 것을 서징 판정의 전제 조건으로 하고 있다.

여기에서, '완전 개방' 혹은 '완전 폐쇄' 상태란, 리미트 스위치(개방도 검출기)가 각각 작동하고 있는 개방도 영역을 일반적으로 가리키지만, 반드시 개방도 100%, 개방도 0%라고 하는 값은 아니다.

구체적으로, '완전 개방'은 일반적으로 개방도 약 95% 근방으로부터 100%까지를 가리키는 경우가 많지만, 90% 근방으로 설정되는 일도 있다.

예를 들면, 버터플라이 밸브는 이론상 90 deg에서 움직이지만, 흐름에 대해 0 deg를 완전 폐쇄라고 한 경우, 60 deg를 개방도 100%라고 정의해 상한을 제한하는 사용법도 있다. 따라서, '완전 개방'이란 '운용상 최대가 되는 개방도'라고 정의할 수 있다.

또한 '완전 폐쇄'는, 일반적으로 개방도 약 5% 근방으로부터 0%까지인 경우가 많지만, 압축기의 IGV에서는 30%를 완전 폐쇄라고 정의하는 사용법도 있다.

따라서, 완전 개방과 마찬가지로, '완전 폐쇄'란 '운용상 최소가 되는 개방도'라고 정의할 수 있다.

중간 개방도란, '완전 개방' 혹은 '완전 폐쇄'가 아닌 개방도 상태이다. 즉, 서지 방지 제어에서의 중간 개방도란, '배기 밸브가 열릴 여지가 있는 개방도'이며, 거의 일정한 개방도 상태를 의미한다.

압축기의 배기 밸브(방풍 밸브) 설계상, 배기 밸브를 완전 개방으로 하면 토출 압력이 정격 사양점보다 낮아지므로, 통상적으로 플랜트에 송기하는 상태에서 완전 개방이 되는 운용은 없다.

따라서, 서지 방지 제어를 행하는 경우는, 배기 밸브를 완전 폐쇄 내지 중간 개방도(배기 밸브가 열릴 여지가 있는 개방도)보다 더 크게 열게 된다.

또한, 압축기(12)의 작동점을 감시해, 미리 설정한 서지 라인(5)(도 3 참조)에 대해 작동점이 접근하는 방향으로 이동한 경우에만 서징 판정함으로써, 배기 밸브(18)에 의한 방풍 동작과 구별해도 된다.

또한, 압축기(12)의 제어 장치에 저장되어 있는 서지 라인과 새롭게 서징으로서 검출한 동작점을 비교해, 그 거리가 서지 라인(5)으로부터 고유량측으로 서지 마진보다 멀어진 경우에는 서징으로서 판정하지 않도록 하는 알고리즘을 실장해도 된다.

(서징 발생점의 특정)

또한, 본 발명의 방법에 의하면, 원심 압축기(12)의 운전 데이터를 일정 주기(샘플링 주기(ts))로 일정 시간(샘플링 기간(tp)) 기억하고, 서징이라고 판정한 시점을 기준으로, 그것보다 거슬러 올라간 시점의 운전 데이터를 참조해 서징 발생점의 운전 데이터를 구한다.

즉, 서지 방지 제어 장치(30)의 내부에서 압축기(12)의 운전 데이터를 일정 주기로 일정 시간 동안 서지 방지 제어 장치(30)의 기록 장치(기록 버퍼 등)에 기록하고, 서징을 검출한 시점을 기준으로 조금 거슬러 올라간 시점(예를 들면 1초전)의 운전 기록을 참조해 서징 발생 시점의 정보로서 이용함으로써, 정확한 서징 발생점을 기록할 수 있다.

(서징 발생점의 데이터베이스를 이용한 서지 라인(5)의 자동 갱신)

또한, 본 발명의 방법에 의하면, 서징 발생점의 운전 데이터를 데이터베이스에 기억하고, 이 데이터베이스에 근거해 원심 압축기(12)의 서지 라인(5)을 갱신한다.

압축기(12)의 운전 환경에 대해, 1시간 내지 1일이라고 하는 짧은 시간 단위로 생각했을 경우, 운전 조건은 거의 일정하다고 간주할 수 있는 경우가 많기 때문에, 압축기(12)의 서징 발생시의 데이터를 제어 장치에 하나 이상 저장할 수 있으면, 압축기(12)의 서징 라인은 대체로 예측할 수 있다.

서징의 발생점을 표본으로 하여 서징 발생 데이터베이스로서 기록하고, 데이터베이스에 기록한 데이터로부터 적절한 표본을 추출해, 최소이승법 등을 이용해 다항식 근사로 서지 라인(5)을 추측한다.

(서지 방지 라인(6)의 변경)

또한, 본 발명의 방법에 의하면, 서지 방지 라인(6)(도 3 참조)을 이하와 같이 설정한다.

(E) 서지 라인(5)에 대해 계절 또는 경년 변화의 영향을 받지 않는 크기의 서지 마진으로 서지 방지 라인(6)을 설정한다.

(F) 원심 압축기(12)의 동작점이 서지 방지 라인(6)보다 저유량측에 위치하는 경우에, 배기 밸브(18)를 개방해 압축된 기체(2)를 배기한다.

(G) 서지 방지 라인(6)을 시프트 주기로 서지 라인(5)을 향해 시프트해 서지 라인(5)에 서서히 근접시킨다. 시프트 주기는 후술하는 예에서는 1시간이며, 시프트량은 예를 들면 정격 유량의 0.001%이다.

(H) 서징을 판정한 경우에, 서지 방지 라인(6)을 고유량측으로 시프트해 상기 서지 마진을 갖도록 재설정한다.

예를 들면, 공기(1)를 압축하는 원심 압축기(12)의 서지 라인(5)이 여름철과 겨울철에 다른 것이 알려져 있고, 서지 라인(5)이 고유량측에 설정되어 있으면 서지 라인(5)의 충분히 전방에서 방풍 제어가 기능할 가능성이 있다.

따라서, 서지 방지 라인(6)에 대해 조금씩 저류량측으로 시프트하는 연산을 행하면, 서지 방지 라인(6)은 최종적으로 서지 라인(5)에 점점 가까워져 압축기(12)의 운전중에 서지 라인(5)에 도달한다.

따라서 본 발명의 방법을 이용하면, 서징은 확실하게 검출 가능하므로, 서징을 검출한 경우에는 서지 방지 라인(6)을 조금 고유량측으로 이동시켜 최적 운전으로 수정함으로써, 압축기(12)의 안정 동작, 에너지 절약을 양립시킬 수 있다.

(운전 조건의 변화에의 대응)

원심 압축기(12)는 횡축을 유량, 종축을 압력비로서 제어하는 것이 이상적이다.

한편, 유량 대신에 전동기(14)의 구동 전류(I)를 이용함으로써 비용 성능비(cost performance)를 높일 수 있다. 압축기(12)의 제어 장치가 표준적으로 계측하는 항목은 전동기(14)의 구동 전류(I)와 토출 압력(Pd)이고, 옵션으로 흡입 압력(Ps)이나 흡입 온도(Ts)를 용이하게 계측할 수 있다.

공기(1)를 압축하는 거치식 원심 압축기(12)라면 흡입 압력(Ps)은 대기압력과 등가이기 때문에, 표고를 고려해 상수로서 입력함으로써 대용할 수 있다.

동시에, 종축에 압력비(Π)(=토출 압력(Pd)/흡입 압력(Ps))를 이용함으로써 압축기(12)의 운전 조건의 변화를 적절히 반영해 서지 라인(5)을 구축할 수 있다.

(전동기(14) 구동 전류(I)의 전력 환산 방법)

전동기(14)의 구동 전류(I)와 전동기(14)의 축 출력(W)은 완전한 선형이 아니지만, 전동기(14)의 특성표를 이용해 전동기(14)의 구동 전류(I)를 축 출력 상당으로 환산해 유량 연산에 이용함으로써, 실제 유량과의 상관성을 높일 수 있다.

실시예 1

1. 서지 라인(5)의 무차원화

전류(I)-토출 압력(Pd)의 동작선도는 계절의 변화에 의한 기온, 기압의 변동을 보정하지 않으면, 서지 라인(5)이 계절이나 운전 장소에 따라 변화한다. 이들 조건에 의한 성능의 변화는, 전류(I)-토출 압력(Pd)으로부터 유량(Q)-압력비(Π)의 동작선도(도 3 참조)로 변환함으로써 표준화할 수 있다. 압력비(Π)는 흡입 압력(Ps)과 토출 압력(Pd)에 의해 구할 수 있고, 유량은 수학식 1의 보정식 (1)에 의해 구할 수 있다.

단, α는 상수, Ps, Pd는 절대 압력, Ts는 흡입 온도이다. 원심 압축기(12)가 공기 압축기인 경우에는, Ps≒1, Ts=바깥 공기 온도로 할 수 있다.

α를 적절히 보정하면, Q는 Nm³/hr로 환산할 수 있다.

식 (1)을 스캔할 때마다 행해, 구해진 유량(Q), 압력비(Π)로 서지 방지 제어(FIC)를 행한다. 서지 라인(5)은 '유량(Q)-압력비(Π)'로 나타내진다.

도 3은 서지 라인과 서지 방지 라인의 설명도이다.

이 도면에서 횡축은 유량(Q), 종축은 압력비(Π)이다. 또한 도면 중의 참조 부호 5는 서지 라인, 6은 서지 방지 라인, c1, c2는 원심 압축기(12)의 회전수 일정 라인, d는 설정 압력비, e는 정격 유량을 나타내고 있다. 또한 도면 중의 양쪽 화살표는 원심 압축기(12)의 용량 제어 범위를 나타내고 있다.

서지 방지 라인(6)은, 서지 라인(5)에 대해 고유량측에 서지 마진을 마련해 설정되어 있다. 서지 마진은, 유량 환산으로, 종래는 10 내지 15% 정도, 본 발명에서는 0 내지 5%의 범위에서 설정된다.

전술한 바와 같이, 원심 압축기(12)가 공기 압축기인 경우에는 Ps≒1로 할 수 있고, 이 경우, 설정 압력비(d)는 설정 압력을 의미한다.

도 3으로부터, 본 발명에 의하면 종래와 같이 서지 마진을 크게 설정할 필요가 없기 때문에, 서지 마진을 작게 설정해 원심 압축기(12)의 용량 제어 범위를 큰 폭으로 넓힐 수 있다는 것을 알 수 있다.

2. 서징 발생점의 기록, 축적

도 4의 (A)는 서지 발생점의 설명도이고, (B)는 서지 데이터의 예이다.

도 4의 (A)에서, ×표는 서징 발생시에서의 유량과 압력비를 플로팅한 것이다. 이상적인 서지 라인(5)을 형성하기 위해서는, 서징 돌입 압력을 변화시키면서 유량과 압력비를 기록해야 한다. 따라서, 가능한 한 적은 서징으로 서지 라인(5)을 형성하기 위해, 도 4의 (B)에 나타내는 바와 같은, 몇 개의 유량과 압력비의 데이터로부터 선형 보간에 의해 근사 직선을 구한다.

도 5는 서징 검출 후의 처리의 흐름을 나타내는 도면이다.

도 5의 S1 '서징 판정'에서 서징을 검출하면(true), S2에서 경보의 발생 및 서지 방지의 처리가 행해지고, 계속해서 S3에서 서지 발생점 기록 버퍼의 갱신이 행해진다. 이 갱신은, 도면에 파선으로 나타내는 범위 내의 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 포인터가 가리키는 서지 발생점 기록 버퍼의 번지에 시각과 유량과 압력비를 기입하고, 포인터를 차례로 이동시킴으로써 행해진다.

도 6은 서지 발생점의 처리 방법을 나타내는 도면이다.

유량 및 압력비는, 서징 발생시에 급격한 변화가 일어나기 때문에, 서징을 검출한 순간에 발생점을 기록하는 방법에서는 안정적인 데이터를 얻을 수 없다. 따라서, 서징 발생 이전의 안정되어 있는 상태를 발생점으로 하여, 도 6과 같이, 일정 간격(예를 들면 1초 간격)으로 유량(Q) 및 압력비(Π)의 샘플링을 행하고, 서징 검출시에 샘플링을 중단시키고 마지막 샘플링 데이터를 발생점으로 하였다.

도 7의 (A) 및 (B)는, 서지 라인 재구축시 유효 데이터 추출 처리를 나타내는 도면이다.

서지 라인 재구축은 최소이승법에 의한 직선 근사이기 때문에, 기록된 발생점이 각각 접근하고 있는 경우에 근사의 원데이터로는 불충분하다. 따라서, 새롭게 기록된 데이터가 압력 베이스인 정도로 떨어져 있는 경우에, 서지 라인 재구축의 유효 데이터로 한다. 도 7의 (A) 및 (B)는, 그 유효 데이터를 판별하는 알고리즘을 나타내고 있다. 도 7의 (A)에 나타내는 바와 같이, Π1, Π2, Π3을 압력비로 하는 서지 발생점이 각각 차례로 기록되었다고 하면, 최초의 데이터 Π1은 비교하는 데이터가 없기 때문에 유효 데이터로 판별되고, 다음의 Π2는 Π1로부터 떨어져 있기 때문에 이것도 유효 데이터로 판별된다. 그러나, Π3은 Π1과 Π2의 사이이고, Π1로부터도 Π2로부터도 가깝기 때문에, 도 7의 (B)에 나타내는 바와 같이, 무효 데이터로 판별된다.

샘플 수집 방법으로는, 압축기(12)의 사용시에 자동적으로 서징을 일으켜, 운전중 백그라운드에서 서지 라인 재구축의 처리를 행하는 것이 이상적이다. 그러나, 서지 방지 제어에 의해 서징시의 큰 거동이 억제되지 않는 경우, 이 방법은 실현하기 힘들다. 이러한 경우에는, 압축기(12)의 열화 진단 테스트로서 서징을 몇 개정도 일으킴으로써 수집하는 것으로 한다.

3. 서지 라인 추측

도 8a와 도 8b는 서지 라인(5)의 재구축을 나타내는 도면이고, 도 9의 (A) 및 (B)는 꺾은선 데이터의 갱신을 나타내는 도면이다.

서지 라인(5)의 재구축은 최소이승법에 따라 근사 직선을 구한다. 도 9의 (A) 및 (B)와 같이, 서지 라인(5)은 꺾은선 테이블로 저장되고, 초기 설정치는 압축기(12)의 성능 곡선에 의해 구해진다.

여기에서, 꺾은선 테이블이란, 입력 신호를 미리 정의한 수의 표를 이용해 바꾸어 읽어 적절한 값을 출력하는 기능 요소로서, JIS-Z8103에서의 '변환기'에 상당한다.

이 꺾은선 테이블의 압력비를 최소이승법에 의해 구해진 일차 함수의 계수에 의해 모든 유량치에 대해 구해 갱신한다. 이 처리에 의해, 도 8b와 같이 서지 라인(5)을 재구축한다.

또한, 서징의 발생 횟수가 1회의 경우는, 도 8a와 같이 원점과 그 발생점을 통과하는 직선으로 한다.

4. 서징 검출 기능

본 발명의 방법에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 이동 평균치로부터 표준 편차(σ)의 3배를 뺀 것을 전류 임계치(X)로 하여, 범용성이 높은 서징 검출 기능을 실현하고 있다.

또한, 종래의 방법에서는, 서징과 다른 급격한 유량 수요 증가나 강제 무부하 등의 전류 감소를 명확하게 구별하는 것이 불가능했다. 따라서, 본 발명의 방법에서는, 강제 무부하 조작(배기 밸브(18)의 개방)과 동시에 서징 판정 기능을 무효로 하는 것과, 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만일 때 압력이 서지 라인(5) 방향을 향하고 있었는지 여부(상승 경향인지 하강 경향인지)를 서징 판정에 이용하는 것, 두 가지를 채용했다.

5. 서지 데이터 수집

아날로그 입출력치를 대상으로 하여, 서징이 발생한 전후의 리콜 데이터를 서지 데이터로서 자동적으로 수집한다.

서징이라고 판정하면, 샘플링해 둔 서징 전의 기록 버퍼로부터 샘플링 데이터가 서징 기록 버퍼의 전반에 기록되고, 그 다음 영역으로부터 데이터수 N_log개까지 샘플링을 행하는 처리를 개시한다. 샘플링이 데이터수 N_log개에 도달하면, 샘플링을 종료하고 플래시 메모리로의 보존 가능 상태가 된다.

여기에서 'N_log'는 변수이다.

서징이라고 판정한 때에, 올바른 서징의 발생 포인트를 추측하기 위한 수단으로서, 계산기에 일정 시간마다 기록한 계측치(측정치의 모집단)를 이용해, 서징의 발생 판정을 한 시점으로부터 일정 시간(대략 1초 전후) 거슬러 올라간 데이터를 '서징 발생 직전의 데이터'로서 채용한다.

서지 데이터의 수집 목적은, 서징이 발생한 시점의 압축기 운전 상태를 정확하게 파악해 데이터 해석의 기초 자료로 하기 위함이다.

'데이터수 N_log까지 샘플링을 행한다'란, 계산기의 기록 장치에 표본을 'N_log'개까지 기록하는 행위가 된다.

기록 가능한 표본수에는 한계가 있기 때문에, 수량을 한정하는 의미에서 상한 설정의 변수명으로서 'N_log'를 이용한다. 기록 상한에 도달한 경우에는, 오래된 것부터 덧쓰기 소거하는 등의 처리를 수반한다.

도 10은 본 발명의 실시예를 나타내는 도면이다.

이 도면에서, 횡축은 시간(초), 좌측의 종축은 전류(A), 우측의 종축은 압력(㎫)이다. 또한, 도면 중의 곡선은 토출 압력(Pd), 구동 전류(I), 구동 전류(I)의 이동 평균, 표준 편차(σ), 및 전류 임계치(X)이다.

또한, 본 실시예에서의 샘플링 주기(ts)는 50 msec, 샘플링 기간(tp)은 25 sec였다.

본 실시예에서, 토출 압력(Pd)을 약 0.86 ㎫로부터 약 0.25 ㎫까지 서서히 감소시키면, 이에 수반해 구동 전류(I)가 저하되고 이동 평균과 전류 임계치(X)도 저하된다.

도 11은 도 10의 A부분을 확대한 도면이다. 이 범위는, 도 10에서는 0.5 내지 1초이며, 계측 시간에서 711.5 내지 712초에 상당한다.

한편, 이 계측 결과에서는 구동 전류(I)의 이동 평균은 약 31.5 A, 표준 편차(σ)의 3배(3σ)는 약 ±0.2 A, 구동 전류(I)의 정상 운전 범위는 31.5±0.2 A이다.

도 11에서, 구동 전류(I)의 저하는 711.8초에서 시작되어, 711.9초 때에 구동 전류(I)가 전류 임계치(X) 미만이 되어 서징으로서 판정되고 있다. 따라서, 구동 전류(I)의 저하 개시부터 서징 판정(711.9초 근방)까지의 시간은 약 0.1초였다.

따라서, 본 발명에 의하면, 1초 이내의 검출 지연으로 확실하게 서징 발생을 검출할 수 있다는 것이 이 실시예에 의해 확인되었다.

또한, 본 실시예에서 서징에 수반하는 소음은 없고, 진동이나 압력 변동도 검지되지 않았다.

또한, 본 실시예에서, 서징 검지를 확실하게 행하기 위해 필요한 조건으로서 다음 사항이 확인되었다.

샘플링 주기: 200 ms 이하일 것. 서징을 올바르게 검출하기 위해 필요한 시간이다.

이동 평균 구간: 6초간 이상 2분간 이하일 것. 압축기의 동적 특성보다 충분히 늦는 것이 중요하고, 6초간 이상이 필요하다. 또한, 플랜트의 동적 특성보다 충분히 빠른 것이 중요하고, 2분 이하이면 충분하다.

표준 편차 임계치: 3배(3σ). 3σ는 표준 정규 확률 분포에서 99.865% 정도에 상당한다.

전술한 본 발명은, 이하의 특징을 갖는다.

(1) 전동기(14) 구동 전류(I)의 저하 판정은, 이동 평균과 이동 평균 계산 구간의 표준 편차(σ)를 이용해 압축기(12)의 운전 상태에 따라 판정치(전류 임계치(X))를 동적으로 변경한다.

또한, 전동기(14) 구동 전류(I)의 저하를 검출해, 압축기(12)의 동작점과 비교함으로써 서징으로서 판정한다.

또한, 구동 전류(I) 변동의 계속 시간은 판단 기준으로 채용하지 않기 때문에, 서징 판정까지의 시간이 극히 짧다(약 1초 이내).

판정치(전류 임계치(X))의 계산에는 통계적 방법을 이용하고 있기 때문에, 압축기(12)가 정상적으로 운전되고 있는 한 서징으로서 판정할 확률이 매우 높아진다.

(2) 서징 발생시의 데이터는, 이동 평균을 계산하기 위해 축적되어 있던 데이터 버퍼를 이용해 규정 시간 전의 운전 상태를 채용한다.

이 방법을 이용함으로써 서징 발생점을 정확하게 기록할 수 있다.

(3) 전동기(14)의 구동 전류(I)는 유량과 상관 관계에 있지만, 압축기(12)의 운전 상태(흡입 온도(Ts), 흡입 압력(Ps), 토출 압력(Pd) 등)의 영향을 받기 때문에, 반드시 1년간 전류와 유량의 관계가 안정된다는 보증은 없다.

이 때문에, 구동 전류(I)를 유량(Q)으로 환산하는 식(1)을 이용하므로, 압축기(12)의 운전 상태가 변화해도 구동 전류(I)와 유량(Q)의 관련성이 변화하지 않는다.

(4) 데이터베이스(통계학 용어에서는 집단)를 제어 장치 내부의 기록 장치에 저장하고, 최소이승법을 이용해 서지 라인(5)을 집단으로부터 적당하게 추출한 표본을 이용해 상관 함수를 산출하는 방법으로 서징 발생점을 추측하고 있다.

집단으로부터 표본을 추출하는 방법이 적절하면, 서지 시험을 실시해 서지 라인(5)을 구하는 것과 같은 확실성을 자동적으로 얻을 수 있다.

(5) 서지 라인(5)과 서지 방지 라인(6) 사이의 마진에 대해, 서징이 장기간 발생하고 있지 않는 경우, 서징 마진이 여유를 갖고 있다고 평가할 수 있기 때문에 마진의 삭감 조정이 가능하고, 전술한 시프트 주기를 예를 들면 1시간, 시프트량을 예를 들면 1시간당 0.001% 등으로 하면 자동화가 가능하다.

서지 마진을 삭감한 결과, 서징이 발생한 경우에는, 서지 마진의 삭감량이 과대했다고 생각되므로, 마진을 ＋1% 가산하는 등의 방법으로 마진을 자동적으로 원래대로 되돌리는 구조를 마련할 수 있다.

이 방법에 의해, 서지 마진을 자동적으로 최적치로 조정하는 것이 가능하게 된다. 이 경우, 서지 마진은 예를 들면 3 내지 7%의 변동폭이 된다고 추측된다.

(6) 제어에 사용하는 서지 라인(5)은, 압축기(12)의 서징 발생점에 대해 운전 상태 변화를 보정한 값으로서 구해지기 때문에, 단순하게 구동 전류(I)와 유량(Q)을 이용한 서지 라인(5)보다 무차원화 정도가 높고, 서지 라인(5)의 신뢰성이 높다.

또한, 서징 발생 검출의 응답 속도와 확실성에 의해, 서지 라인(5)이 만일 잘못되어 있었다고 해도 안전하게 서징을 회피할 수 있다.

따라서, 종래는 서지 라인(5)과 서지 방지 라인(6) 사이에 마련하던 유량 마진 10 내지 15%를 극한(0 내지 5%)까지 좁힐 수 있게 된다.

이 결과, 종래 수단과 비교해, 압축기(12)의 스로틀(throttle) 한계를 5% 이상 확대하는 것이 가능하게 되어, 저압에서 ON/OFF 제어 동작을 행한 경우의 부하/무부하 운전 횟수의 삭감과 에너지 절약 운전이 가능하게 된다.

전술한 본 발명에 의해, 이하의 a 내지 e의 효과를 얻을 수 있다.

a. 압축기(12)의 서징을 거의 1초 이내(사람이 인지하는 것보다 빨리)에 검출할 수 있다.

그 결과, 서징을 검출한 후, 신속하게 방풍 제어로 이행하는 것이 가능하게 되어, 서징 발생과 함께 발생하는 축 진동의 증가를 일으키지 않고 안전하게 서징 현상을 회피할 수 있다.

바꾸어 말하면, 지금까지는 서징이 발생해도 확실하게 회피할 수 있는 수단이 없었기 때문에, 서지 라인(5)과 서지 방지 라인(6) 사이의 마진을 10 내지 15% 정도 확보해, 계측 오차가 발생해도 서징 상태에는 절대로 들어가지 않게 운용하고 있었다.

이에 대해, 본 발명의 방법에 의하면, 서지 마진을 극한의 0으로 해도, 압축기(12)에 악영향을 미치지 않고 안정적으로 운용할 수 있게 되므로, 종래에 비해 5% 이상 스로틀 제어하는 것이 가능하게 되어, 저류량측에서의 제어 안정성의 향상과 에너지 절약을 양립할 수 있다.

b. 공기 수요 급증(강제 무부하 조작을 포함)과 서징을 구별할 수 있다.

제어 장치 내부의 신호뿐만 아니라, 수요처의 설비측에서 외란(disturbance)이 발생해도 적절히 서징 판정이 행해지기 때문에, 압축기(12)의 안정적인 운용이 가능하게 된다.

c. 서지 라인 추측을 정확하게 할 수 있다.

서징 발생점을 정확하게 특정할 수 있기 때문에, 서징 발생점의 데이터베이스로부터 표본 추출해 최소이승법으로 구한 서지 라인(5)의 신뢰성이 높다.

d. 서지 방지 라인(6)을 서서히 저류량측으로 이동하는 알고리즘과 확실한 서징 판정 알고리즘을 실장함으로써, 설령 서지 라인(5)이 변화해도 서지 방지 라인(6)을 항상 서지 라인(5)에 서서히 근접시키는 것이 가능해져, 종래 10 내지 15%는 필요했던 서지 라인(5)으로부터 서지 방지 라인(6)까지의 여유(서지 마진)를 0 내지 5%까지 삭감할 수 있게 되어, 종래에 비해 5 내지 15% 정도의 폭으로 감량 운전 범위를 확대하는 것이 가능하게 된다.

이 결과, 대폭적으로 감량 범위를 확대할 수 있게 되어, 압축기(12)의 에너지 절약과 압력 제어의 안정성 향상을 도모할 수 있다.

e. 압축기(12)의 운전 조건 변화에의 대응이 가능하게 된다.

서지 방지 라인(6)을 거의 정확하게 자동으로 갱신할 수 있는 것으로부터, 전동기(14)의 구동 전류(I)를 유량으로 환산해, 유량과 압력비를 이용해 압축기(12)의 서지 방지 제어를 행하는 것이 가능하게 되었다.

이 결과, 단순하게 전동기(14)의 구동 전류(I)와 토출 압력을 이용한 제어 방식에 비하면 무차원화의 정도가 높아져, 서징 판정의 확실성과 함께 서지 방지 제어의 신뢰성이 높아졌다.

한편, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않고, 특허 청구의 범위의 기재에 의해 개시되고, 또한 특허 청구 범위의 기재와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이다.

1 기체
2 압축 기체
3 저압 부분
4 수요처
5 서지 라인
6 서지 방지 라인
10 원심 압축 설비
12 원심 압축기(압축기)
14 전동기
16 전류 검출기
18 배기 밸브
19 토출 밸브
22 흡입 압력계
24 토출 압력계
26 흡입 온도계
30 서지 방지 제어 장치
32 동력 계산기
34 유량 계산기
36 압력비 계산기

Claims

기체를 원심 압축하는 원심 압축기와, 원심 압축기를 회전 구동하는 전동기와, 전동기의 구동 전류를 검출하는 전류 검출기와, 압축된 기체를 그것보다 저압 부분으로 배기하는 배기 밸브와, 원심 압축기의 서징을 방지하도록 배기 밸브를 제어하는 서지 방지 제어 장치를 구비하고,
상기 서지 방지 제어 장치는,
(A) 상기 구동 전류를 샘플링 주기로 검출하고,
(B) 샘플링 기간에 계측된 복수의 구동 전류를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차'를 전류 임계치로서 실시간 갱신하고, 여기에서 n은 3 이상 4 이하의 정수이며,
(C) 배기 밸브가 완전 폐쇄 또는 중간 개방도이고, 또한 상기 구동 전류가 상기 전류 임계치 미만인 경우에 서징으로 판정하고,
(D) 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브를 더 개방하여 압축된 기체를 배기하도록 구성되어 있는 원심 압축 설비로서,
상기 서지 방지 제어 장치는,
(E) 서지 라인에 대해 계절 또는 경년 변화의 영향을 받지 않는 크기의 서지 마진으로 서지 방지 라인을 설정하고,
(F) 원심 압축기의 동작점이 서지 방지 라인보다 저류량측에 위치하는 경우에, 배기 밸브를 개방해 압축된 기체를 배기하고,
(G) 서지 방지 라인을 시프트 주기에 서지 라인을 향해 시프트해 서지 라인에 서서히 근접시키고,
(H) 서징을 판정했을 경우, 서지 방지 라인을 고유량측으로 시프트해 상기 서지 마진을 갖도록 재설정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축 설비.
제1항에 있어서,
상기 원심 압축기의 흡입 압력과 토출 압력을 검출하는 흡입 압력계 및 토출 압력계와, 원심 압축기의 흡입 온도를 검출하는 흡입 온도계를 구비하고,
상기 서지 방지 제어 장치는, 상기 구동 전류로부터 전동기의 구동 동력을 계산하는 동력 계산기와, 상기 구동 동력, 흡입 압력, 토출 압력 및 흡입 온도로부터 원심 압축기의 유량을 계산하는 유량 계산기와, 상기 흡입 압력 및 토출 압력으로부터 압력비를 계산하는 압력비 계산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 원심 압축 설비.
기체를 원심 압축하는 원심 압축기와, 원심 압축기를 회전 구동하는 전동기와, 전동기의 구동 전류를 검출하는 전류 검출기와, 압축된 기체를 그것보다 저압 부분으로 배기하는 배기 밸브를 구비하고,
(A) 상기 구동 전류를 샘플링 주기로 검출하고,
(B) 샘플링 기간에 계측된 복수의 구동 전류를 모집단으로 하는 '이동 평균-n×표준 편차'를 전류 임계치로서 실시간 갱신하고, 여기에서 n은 3 이상 4 이하의 정수이며,
(C) 배기 밸브가 완전 폐쇄 또는 중간 개방도이고, 또한 상기 구동 전류가 상기 전류 임계치 미만인 경우에 서징으로 판정하고,
(D) 서징으로 판정한 경우, 배기 밸브를 더 개방하여 압축된 기체를 배기하는 서징 방지 방법으로서,
(E) 서지 라인에 대해 계절 또는 경년 변화의 영향을 받지 않는 크기의 서지 마진으로 서지 방지 라인을 설정하고,
(F) 원심 압축기의 동작점이 서지 방지 라인보다 저류량측에 위치하는 경우에, 배기 밸브를 개방해 압축된 기체를 배기하고,
(G) 서지 방지 라인을 시프트 주기에 서지 라인을 향해 시프트해 서지 라인에 서서히 근접시키고,
(H) 서징을 판정했을 경우, 서지 방지 라인을 고유량측으로 시프트해 상기 서지 마진을 갖도록 재설정하는 것을 특징으로 하는 서징 방지 방법.
제3항에 있어서,
상기 원심 압축기의 운전 데이터를 일정 주기에 일정 시간 기억하고,
서징이라고 판정한 시점을 기준으로, 그것보다 거슬러 올라간 시점의 운전 데이터를 참조해 서징 발생점의 운전 데이터를 구하는 것을 특징으로 하는 서징 방지 방법.
제4항에 있어서,
상기 서징 발생점의 운전 데이터를 데이터베이스에 기억하고, 데이터베이스에 근거해 원심 압축기의 서지 라인을 갱신하는 것을 특징으로 하는 서징 방지 방법.
삭제
원심 압축기의 서지 라인에 대해 서지 방지 라인을 설정하는 단계;
상기 원심 압축기의 동작점이 상기 서지 방지 라인보다 저류량측에 위치하는 경우에, 상기 원심 압축기의 토출측과 흡입측을 연통하는 배관에 마련된 조절 밸브를 개방하는 단계; 및
상기 원심 압축기의 서징을 판정했을 경우, 상기 서지 방지 라인을 고유량측으로 시프트하여 재설정하는 단계;
를 가지는 서징 방지 방법.