WO2019064948A1

WO2019064948A1 - 圧縮機

Info

Publication number: WO2019064948A1
Application number: PCT/JP2018/029714
Authority: WO
Inventors: 大輔川口
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2019-04-04
Also published as: JP2019065726A; US20200370559A1; JP6903539B2

Abstract

天然ガスを産出するガス井で使用される圧縮機に対して，液分混入時に効率や作動範囲低下を抑制する羽根車の運転状態を制御する圧縮機を提供する。　天然ガス井に用いられる圧縮機において，圧縮機の羽根車に液分が混入すると，圧縮機効率の低下や作動範囲の減少を招く。　液分が混入する動作環境で稼動する圧縮機において羽根車の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能とするために、液分混入時に羽根車の運転状態を制御する方法を提供することにある。

Description

圧縮機

　本発明は圧縮機に関し，特に天然ガスを産出するガス田で使用される圧縮機に関する。

　近年，化石燃料に対する需要の増加と採掘技術の発展に伴い，在来型ガス田から非在来型ガス田へ開発がシフトしつつあり，例えば大深水やガス田直下といった苛酷環境に圧縮機を設置する必要が生じてきた。

　大深水においては，数百メートルの海底に圧縮機を設置し，地中の貯留層から天然ガスを圧送する方法(サブシー圧縮機)が検討されている。また，ガス田直下においては，地下数千メートルのガス井内部に圧縮機を投入し，井戸の底部でガスを圧縮して地上まで送り出す方法が提唱され，そのための圧縮機（ダウンホール圧縮機）の研究開発が行われている。開発当初には地下の圧力が高いが，ガスを採取するにつれて内部の圧力が下がっていく。ガス田の地下の圧力が高い間は天然ガスを地上まで自噴させることができるが，圧力が限界以下に低下するとガスを自噴させることができなくなるため，従来は圧力が下がったガス井は枯渇したものとされていた。しかし，地下の圧力がガスを自噴させるには不十分なレベルに低下した後でも，ガス田の内部にはまだ相当量の天然ガスが残っている。

　そこで，ダウンホール圧縮機を適用しガス田直下の圧力をブーストすることで，ガス田の生産能力を回復することが可能であると考えられている。

　以上説明したサブシー圧縮機やダウンホール圧縮機はガス田の底部あるいはガス田直下に設置されるため，作動環境が非常に厳しい。一般的に天然ガスを産出するガス田で使用される圧縮機の作動流体には天然ガスだけでなく，水やコンデンセートと呼ばれる軽質液状炭化水素が含まれた液分が混入する動作環境下にあることが特徴として挙げられる。特に先に述べた大深水やガス田直下においては，液分率が非常に高い環境下にある。そのような環境下において圧縮機内部に侵入した液分は羽根車への衝突による効率の減少，ファウリングに起因する流路の閉塞による作動範囲の減少や不安定流体力の発生，壊食による羽根車の減肉をもたらすと考えられており，天然ガスを産出するガス田で使用される圧縮機には，液分が混入する動作環境下において性能低下させることなく圧縮機を運転する技術が必要となる。

　従って，本発明は液分が混入する動作環境で稼動する圧縮機において，羽根車の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能とするために羽根車に混入した液滴を制御する方法に関するものである。従来の羽根車に混入した液滴を除去する構造に関するものとして［特許文献1］が挙げられる。

特表２０１３－５０８６１８

　本発明の目的は，液分が混入する動作環境で稼動する圧縮機において羽根車の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能とするために液分混入時に羽根車の運転状態を制御する圧縮機を提供することにある。

　上記課題を達成するために、本発明は、回転軸と、前記回転軸を駆動するモータと、前記モータへ電力を供給するインバータと、前記インバータを制御する演算手段と、前記回転軸に取り付けられた羽根車とを備えた圧縮機において、少なくとも前記モータから検出される軸動力の情報を用いて，前記羽根車の羽根に対する液滴の付着を抑制するように、前記羽根車の回転状態を制御することを特徴とするものである。

　更に、本発明は、圧縮機において、液膜の形成が判定される場合には，前記演算手段によって前記インバータを介して前記モータの回転速度を一時的に増加させるように制御を行うことを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は、回転軸と、前記回転軸を駆動するモータと、前記モータへ電力を供給するインバータと、前記インバータを制御する演算手段と、前記回転軸に取り付けられた羽根車とを備えた圧縮機において、前記羽根車の上流に配置したセンサを備え、前記センサからの少なくとも液の流速の情報を用いて、前記羽根車の羽根に対する液滴の付着を抑制するように、前記羽根車の回転状態を制御することを特徴とするものである。

　更に、本発明は、圧縮機において、前記センサからの少なくとも液の流速の情報と供に、液滴径の情報を用いて、前記羽根車の羽根に対する液滴の付着を抑制するように、前記羽根車の回転状態を制御することを特徴とするものである。

　更に、本発明は、圧縮機において、記憶手段を備え、前記記憶手段は、液膜の形成が判定される状態であることを判断するためのデータベースを備えたことを特徴するものである。

　液分混入時に圧縮機効率や作動範囲低下を抑制することができる。また，液分を除去するための補機を必要としないため，機器を小型化することができる。

本発明の第一の実施形態を示す圧縮機の断面図である。本発明の第二の実施形態を示す圧縮機の断面図である。液分率と軸動力の関係を示す図である。従来の圧縮機の断面図である。本発明の実施形態に係る圧縮機が設置されたガス井の断面図である。

　以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。

　図5は、本実施形態に係る圧縮機が設置されたガス井の断面図を示す。

　ガス井１00は地上からガス層10２に達する掘削穴であり、その内部には内壁を保護するための鋼管104が設置されている。圧縮機１は、支持部材130によってガス井100底部の鋼管104の内壁に取り付けられる。圧縮機１は、鋼管104内に配設された送電ケーブル132を介して地上に設置された電源装置134と接続される。圧縮機１と鋼管104内壁との隙間には、圧縮機１の下方（上流側）と上方（下流側）とを分離し、圧縮機１の下流側から上流側へのガスの逆流を防止するパッカー(図示せず)が取り付けられている。圧縮機１は、自噴不能なレベルまで圧力が低下したガス層10２の天然ガス（以下、周囲ガスという）120を吸入し、自噴可能な圧力まで圧縮した後、地上に向けて放出する。圧縮機１から放出された圧縮ガス122は、鋼管104内を上昇して地上に噴出し、ガス輸送管142を介してセパレータ140に送られ、ガス成分とオイル成分とに分離される。図１は本発明の第一実施例を示す圧縮機の断面図を示す。図１に示す通り圧縮機１はターボ型圧縮機が採用されており，ケーシング１１内部に，モータ1２によって回転駆動する回転軸１３と回転軸１３に保持され円周方向にほぼ等間隔で設けられた羽根１４を持つ羽根車１５を有し，送電ケーブル132から供給される電力を変換してモータ１２を駆動するインバータ４と、インバータ4の制御機構として、記憶手段のデータベース２と演算手段３が備えられている。上記構成において，羽根車１５の回転により吸込口から吸入した作動流体は羽根車１５の回転作用により増速，昇圧され下流へと導かれる。

　従来の装置では、液分が混入する動作環境で稼動した場合，図４に示す従来の圧縮機において羽根車１５へ混入した液分は羽根１４へ付着し液膜を形成する。その結果，羽根車１５の軸動力が増加するため圧縮機の効率が低下するだけでなく，羽根車を駆動するモータ１２の許容軸動力を超過するためトリップによる停止を引き起こす。また，羽根１４へ付着した液膜は流路を閉塞させるため作動範囲の減少や不安定流体力の発生をもたらすとともに壊食による羽根車の減肉をもたらす。

　一方，本実施の圧縮機の形態では，モータ１２より取得した少なくとも軸動力の傾向がデータベース２において例えば図３に示す液分率に対する軸動力の増加量を参照して液膜の形成が判定される場合には，演算手段３によってインバータ４を介してモータ１２の回転速度を一時的に増加させるように制御を行う。

　具体的にはある液分率306の状態で、当初は羽根14には付着が無いので実線データ302に従い軸動力は低くて済むが、羽根車１５へ混入した液分が羽根１４へ付着すると、点線304に従って軸動力は増加するようになる。この軸動力の増加量を参照して、液膜の形成を判定して、モータ１２の回転速度を一時的に増加させるように制御する。

　結果的に羽根車１５に流入する液は回転速度によるせん断力で微粒化され液滴となることで液膜の形成が防止されるため，羽根１４に対する液分の付着を防ぎ，図３に示すとおり羽根車１５の軸動力の増加量が液膜が形成する場合と比較して抑制されるため効率の低下やモータ１２のトリップによる停止を抑制可能となる。

　また，羽根１４に対する液滴の付着が抑制されるため，流路の閉塞による作動範囲の減少や不安定流体力の発生を抑制することが可能となる。以上により，少なくともモータ１２から検出される軸動力の情報を用いて，羽根車１５の回転状態を制御することで羽根車１５に混入する液滴が液膜に変化することを防止することが可能となり，羽根車１５の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能とすることができる。なお，本発明は上述した実施形態に限定されず，本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

　図２は本発明の第二実施例を示す圧縮機の断面図である。図２に示す通り圧縮機１はターボ型圧縮機が採用されており，ケーシング１１内部に，モータ1２によって回転駆動する回転軸１３と回転軸１３に保持され円周方向にほぼ等間隔で設けられた羽根１４を持つ羽根車１５を有しており，羽根車１５の上流に配置したセンサ５とデータベース２と演算手段３ならびにインバータ４が設けられている。

　上記構成において，羽根車１５の回転により吸込口から吸入した作動流体は羽根車１５の回転作用により増速，昇圧され下流へと導かれる。液分が混入する動作環境で稼動した場合，図4に示す従来の圧縮機において羽根車１５へ混入した液分は羽根１４へ付着し液膜を形成する。その結果，羽根車１５の軸動力が増加するため圧縮機の効率が低下するだけでなく，モータ１２の許容軸動力を超過するためトリップによる停止を引き起こす。また，羽根１４へ付着した液膜は流路を閉塞させるため作動範囲の減少や不安定流体力の発生をもたらすとともに壊食による羽根車の減肉をもたらす。

　これに対して、本実施の圧縮機の形態では，羽根車１５の上流に設けられたセンサ２により取得した少なくとも液分の流速の情報、更には液の液滴径とを用いて算出した閾値に基づき，記憶手段のデータベース２に照会して液膜の形成が判定される状態場合には演算手段３によってインバータ4を介してモータ１２の回転速度を一時的に増加させるよう制御を行う。結果的に羽根車１５に流入する液は回転速度によるせん断力で微粒化され液滴となることで液膜の形成が防止されるため，羽根１４に対する液分の付着を防ぎ，図３に示すとおり羽根車１５の軸動力の増加量が抑制されるため効率の低下やモータ１２のトリップによる停止を抑制可能となる。

　また，羽根１４に対する液滴の付着が抑制されるため，流路の閉塞による作動範囲の減少や不安定流体力の発生を抑制することが可能となる。

　以上より，羽根車１５の上流にセンサ２を設置し，センサ２によって取得した少なくとも液分の流速の情報、更には液の液滴径の情報を用いて，羽根車の回転状態を制御することで羽根車１５に混入する液滴が液膜に変化することを防止することが可能となり，羽根車１５の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能とすることができる。なお，本発明は上述した実施形態に限定されず，本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１　圧縮機、２　データベース、３　演算手段、４　インバータ、５　センサ、１１　ケーシング、　１２　モータ、１３　回転軸、１４　羽根、１５　羽根車

Claims

回転軸と、
前記回転軸を駆動するモータと、
前記モータへ電力を供給するインバータと、
前記インバータを制御する演算手段と、
前記回転軸に取り付けられた羽根車とを備えた圧縮機において、
少なくとも前記モータから検出される軸動力の情報を用いて，前記羽根車の羽根に対する液滴の付着を抑制するように、前記羽根車の回転状態を制御することを特徴とする圧縮機。
請求項１の圧縮機において、
液膜の形成が判定される場合には，前記演算手段によって前記インバータを介して前記モータの回転速度を一時的に増加させるように制御を行うことを特徴とする圧縮機。
回転軸と、
前記回転軸を駆動するモータと、
前記モータへ電力を供給するインバータと、
前記インバータを制御する演算手段と、
前記回転軸に取り付けられた羽根車とを備えた圧縮機において、
前記羽根車の上流に配置したセンサを備え、
前記センサからの少なくとも液の流速の情報を用いて、前記羽根車の羽根に対する液滴の付着を抑制するように、前記羽根車の回転状態を制御することを特徴とする圧縮機。
請求項3の圧縮機において、
前記センサからの少なくとも液の流速の情報と供に、液滴径の情報を用いて、前記羽根車の羽根に対する液滴の付着を抑制するように、前記羽根車の回転状態を制御することを特徴とする圧縮機。
請求項3の圧縮機において、
記憶手段を備え、前記記憶手段は、液膜の形成が判定される状態であることを判断するためのデータベースを備えたことを特徴する圧縮機。