WO2020195528A1 - 圧縮機システム、及び、その制御方法 - Google Patents

圧縮機システム、及び、その制御方法 Download PDF

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WO2020195528A1
WO2020195528A1 PCT/JP2020/008208 JP2020008208W WO2020195528A1 WO 2020195528 A1 WO2020195528 A1 WO 2020195528A1 JP 2020008208 W JP2020008208 W JP 2020008208W WO 2020195528 A1 WO2020195528 A1 WO 2020195528A1
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valve
compressor
path
coolant
temperature
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PCT/JP2020/008208
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English (en)
French (fr)
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岳廣 松坂
真克 岡谷
Original Assignee
株式会社日立産機システム
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    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C28/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids
    • F04C28/06—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids specially adapted for stopping, starting, idling or no-load operation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C28/24—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids characterised by using valves controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves or unloading valves
    • F04C28/26—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids characterised by using valves controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves or unloading valves using bypass channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type

Definitions

  • the present invention relates to a compressor system that recovers exhaust heat from a gas compressor.
  • Patent Document 1 provides an air cooler in which compressed air from an oil-free compressor is cooled by circulating water between the compressor and the cooling tower, or is cooled by ventilation by a fan, and an air passage from the compressor to the air cooler.
  • a heat recovery heat exchanger that produces hot water by exchanging heat between compressed air and water, an air passage from the compressor to the heat recovery heat exchanger, and air from the heat recovery heat exchanger to the air cooler.
  • It is equipped with a bypass path that connects to the path, and is in a heat recoverable state in which compressed air from the compressor is sent to the air cooler via a heat recovery heat exchanger without passing through the bypass path, and the compressed air from the compressor is heated. It is possible to switch between the heat recovery stopped state, which is sent to the air cooler via the bypass path without passing through the recovery heat exchanger, and the compressor is a load / unload machine, which is used for heat recovery while the compressor is unloading. There is no circulation of compressed air to the heat exchanger, but a heat recovery system that allows water to pass through the heat recovery heat exchanger is disclosed.
  • Patent Document 1 a normal air path and a bypass path to a heat recovery heat exchanger are provided, and the opening and closing of the valve is controlled depending on whether the compressor is in load operation or unload operation for heat recovery.
  • the purpose is to suppress excessive start and stop of the water supply pump for passing water to the heat recovery heat exchanger by performing operations such as passing water to the heat exchanger and stopping the flow of water.
  • Patent Document 1 does not mention a method for cooling the compressor itself.
  • the low-pressure stage and high-pressure stage compressors themselves also need to be cooled by some method such as air cooling type or liquid cooling type, but in Patent Document 1, the ambient temperature of the place where the compressor unit containing the compressor is installed. How to cool the compressor and compressed gas and recover heat when the temperature of the compressed gas discharged by the compressor becomes higher than usual and approaches the alarm temperature of the compressed gas due to an increase in There is no mention of driving methods such as whether to continue or stop.
  • a compressor that compresses an inhaled gas and discharges a compressed gas
  • an aftercooler that cools the compressed gas
  • a first pump supply a coolant to the compressor for cooling.
  • a first coolant path for cooling the coolant with a heat exchanger and a second coolant path for passing the coolant through the aftercooler with a second pump and recovering exhaust heat from the coolant with a heat recovery heat exchanger.
  • a compressor system comprising, the first valve arranged in the bypass path on the suction side of the first pump among a plurality of bypass paths connecting the first coolant path and the second coolant path.
  • the second valve arranged in the bypass path on the discharge side of the first pump, and the discharge side of the first pump that controls the circulation of the coolant from the first pump in the first coolant path. It has a third valve, a fourth valve on the suction side of the first pump, a control unit that controls the first valve, the second valve, the third valve, and the fourth valve. , The control unit closes the first valve and the second valve and opens the third valve and the fourth valve, and opens the first valve and the second valve and opens the third. The second control for closing the valve and the fourth valve is performed.
  • heat recovery from the high temperature heat source is performed while cooling the compressor, the compressed gas, and the lubricating oil so that the compressed gas can be maintained below the alarm temperature at which the temperature is higher than usual as much as possible.
  • a compressor system that can be continued and a control method thereof can be provided.
  • FIG. 1 It is a system diagram of the compressor system in Example 1. It is a simple wiring pipe connection diagram of the compressor system in Example 1.
  • FIG. It is a flowchart of the control performed by the control device of the heat recovery unit in Example 1.
  • FIG. 1 is a system diagram of the compressor system in this embodiment.
  • a water-cooled oil-free screw compressor is applied as the compressor unit.
  • the oil-free screw compressor shown in FIG. 1 is configured as a water-cooled gas compressor that sucks gas (air in this embodiment), compresses it, and discharges it.
  • the compressor unit 1 has a single-stage compressor 100 that sucks air through an air path 401, compresses it to a predetermined pressure, and discharges it, and a water-cooled type that cools the discharged high-temperature compressed air.
  • the aftercooler 202 is provided.
  • a discharge air temperature sensor 501 for measuring the temperature of the discharged high-temperature compressed air is installed on the air path 401 downstream of the compressor 100.
  • the compressor 100 and a water-cooled oil cooler 203 for cooling the lubricating oil for lubricating the drive mechanism are provided, and the lubricating oil is sent to each part through the lubricating oil path 408 at the required location inside the compressor unit 1. Supplied and circulated.
  • the compressor 100 and the oil cooler 203 are usually cooled by the first coolant path 402 and the cooling water passing through the oil cooler cooling path branching from the first coolant path 402.
  • the cooling water in the first coolant path 402 is circulated by the cooling pump 103, and heat is discharged to the outside by the cooling heat exchanger 204 represented by a cooling tower or the like.
  • the water supply valve 303 is arranged on the discharge side of the cooling pump 103, and the water supply valve 304 is arranged on the path where the cooling water returns to the cooling heat exchanger 204 on the suction side of the cooling pump 103. Will be done.
  • the cooling pump 103 and the cooling heat exchanger 204 are jointly used with the existing equipment other than the compressor unit 1 in this embodiment and the heat recovery unit 2 described later. Therefore, the compressor unit 1 or the heat recovery unit 2 does not directly control the operation of the circulation pump 104 or the cooling heat exchanger 204 unless the user requests it as a required specification.
  • the heat recovery unit 2 is attached to the compressor unit 1.
  • the heat recovery unit 2 includes a heat recovery heat exchanger 205 and a circulation pump 104, and the suction side of the circulation pump 104 is connected to the high temperature fluid side outlet side of the heat recovery heat exchanger 205. Further, the discharge side of the circulation pump 104 and the cooling water inlet side of the aftercooler 202 in the compressor unit 1 are connected, and the cooling water outlet side of the aftercooler 202 and the high temperature side fluid inlet of the heat recovery heat exchanger 205 are connected. By connecting to the side, the second coolant path 403 is formed.
  • a water supply valve 306 is arranged on the discharge side of the circulation pump 104 of the second coolant path 403. The water supply valve 306 operates in conjunction with the circulation pump 104 and is open during the operation of the circulation pump 104.
  • the low-temperature side fluid path 407 of the heat recovery heat exchanger 205 is a path for supplying a liquid such as relatively low-temperature water from the outside, and the temperature rises after cooling the high-temperature compressed air with the aftercooler 202.
  • Coolant path This is a path that exchanges heat with the high-temperature circulating water in the coolant path 403, is heated, and returns to the outside again.
  • the water circulating in the low temperature side fluid path 407 is not particularly limited in use, but can be widely used, for example, for preheating boiler feed water, hot water heating, and showers.
  • first bypass path 405 that branches from the downstream of the cooling water outlet of the compressor 100 on the first coolant path 402 and connects to the downstream portion from the cooling water outlet of the aftercooler 202 on the second coolant path 403 is provided. It is formed. Further, a second bypass path 406 is formed that branches from the upstream of the cooling water inlet of the aftercooler 202 on the second coolant path 403 and connects to the downstream portion close to the water supply valve 303 on the first coolant path 402. .. Further, the first coolant path 402 and the second coolant path 403 communicate with each other by the first bypass path 405 and the second bypass path 406. A solenoid valve 301 is provided on the first bypass path 405, and a solenoid valve 302 is provided on the second bypass path 406.
  • FIG. 2 is a simple wiring / piping connection diagram of the compressor system in this embodiment.
  • the compressor unit 1 is provided with a control device 505.
  • the control device 505 mainly operates and stops an electric motor (not shown) for driving the compressor 100, and controls the discharge air pressure by controlling the rotation speed, switching between loading and unloading operations, and the like.
  • the heat recovery unit 2 is provided with a control device 507.
  • the control device 507 is mainly responsible for the operation, stop, rotation speed control, etc. of the circulation pump 104, and further, the solenoid valves 301, 302, and the water supply valve 303, which are located on the water path of each part via the control wirings 506, 508. Open / close control of 304 and 306 is performed.
  • FIG. 3 is a flowchart of control performed by the control device 507 of the heat recovery unit 2 in this embodiment.
  • the control is started from the procedure S101.
  • the procedure S102 defines the heat recovery mode A in which the solenoid valve 301 and the solenoid valve 302 are closed and the water supply valves 303 and 304 are opened, and the flag is initialized to OFF inside the control device 507 at this time.
  • the control device 505 in the compressor unit 1 detects the signal that the compressor unit 1 has started operation, and the circulation pump 104 in the heat recovery unit 2 detects the signal that the operation has started. To do.
  • step S104 after resetting the time variable t counted by the timer 510 inside the control device 507, counting is started again.
  • step S106 if the discharge air temperature Td1 detected by the discharge air temperature sensor 501 is smaller than the predetermined temperature threshold value Tdx, the process proceeds to step S107 and the discharge air temperature Td1 becomes higher. If the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature threshold value Tdx, the process branches to step S110.
  • the set time ct is a time set to limit the switching frequency of the heat recovery modes A and B, and is set to, for example, 3 minutes.
  • procedure S108 the heat recovery mode B that defines the state in which the solenoid valve 301 and the solenoid valve 302 are opened and the water supply valves 303 and 304 are closed is started, and the flag is turned ON at this time. After executing step S108, the process returns to the front of step S105.
  • step S109 if the time variable t is larger than the predetermined set time tc, the process proceeds to the procedure S108, and if it is smaller, the process returns to the front of the procedure S105.
  • step S110 the time variable t is reset once, and counting is restarted from zero again.
  • the flag is turned off, that is, the heat recovery mode A is executed.
  • the flow of the cooling water is independent of the first coolant path 402 and the second coolant path 403.
  • the compressor 100 and the oil cooler 203 are performed by the external cooling heat exchanger 204 via the first coolant path 402.
  • the aftercooler 202 is cooled only by the water circulated by the circulation pump 104, and the water in the second coolant path, which is the high temperature side fluid in the heat recovery heat exchanger 205, and the low temperature side fluid.
  • Heat exchange is performed with the water in the path 407, and the heat extracted from the high-temperature compressed air can be supplied to the outside as hot water.
  • the ambient temperature rises due to the influence of the installation environment of the compressor unit 1, and the temperature of the discharged compressed air rises accordingly, and in some cases, the discharge air alarm temperature Tda may be reached.
  • a cooling heat exchanger 204 having a cooling capacity sufficiently larger than the amount of heat exhausted by the compressor unit 1 is used for the compressor 100 and the oil cooler 203. From the cooling water in the second coolant path whose temperature has risen through the aftercooler 202 to the low temperature side fluid in the low temperature side fluid path 407 via the heat recovery heat exchanger 205 while safely cooling the water. The heat can be recovered.
  • the effect of executing the heat recovery mode B will be described below.
  • the amount of air used at the demand destination is small and the load factor of the compressor 100 is low, and the amount of discharged air is reduced by reducing the rotation speed of the compressor 100 or switching to unload operation.
  • the amount of heat that can be recovered from the compressed air is significantly reduced.
  • the first coolant circuit and the second coolant circuit are first by executing the heat recovery mode B. They communicate with each other via the bypass path 405 and the second bypass path 406.
  • the cooling heat exchanger 204 is functionally separated to close the water supply valves 303 and 304, and the cooling water is circulated inside the compressor unit 1 and the heat recovery unit 2 only by the circulation pump 104.
  • the compressor 100, the aftercooler 202, and the oil cooler 203 are each cooled, and heat is recovered from all the cooling water whose temperature has risen to the low temperature side fluid path 407 via the heat recovery heat exchanger 205. it can. Therefore, even when the load factor of the compressor 100 is low, the decrease in the amount of heat recovered can be suppressed to save energy.
  • the temperature is as low as possible below the alarm temperature at which the compressed gas becomes higher than usual. It is possible to provide a compressor system capable of continuously cooling the compressor, the compressed gas, and the lubricating oil so as to be maintained, and continuing the heat recovery from their high temperature heat source, and a control method thereof.
  • FIG. 4 is a system diagram of the compressor system in this embodiment.
  • the portions having the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 of the first embodiment indicate the same or corresponding portions, and the description thereof will be omitted.
  • a bypass path 410 communicating the heat exchanger 205 inlet and outlet for heat recovery is provided on the second coolant path 403, and a temperature control valve 308 is provided on the bypass path 410.
  • the temperature control valve 308 opens the valve so that the low temperature side fluid outlet temperature Tu of the temperature sensor 504 that measures the temperature of the heat recovery heat exchanger 205 outlet side on the low temperature side fluid path 407 becomes a predetermined target temperature Tux. It has a function to automatically adjust the temperature.
  • the purpose of providing the temperature control valve 308 is to obtain the effect of allowing the low temperature side fluid outlet temperature Tu to reach the target temperature Tux earlier.
  • the temperature control valve 308 is a two-way valve, and the volume of the liquid filling the inside of the temperature control valve 308 expands as the low temperature side fluid outlet temperature Tu measured by the temperature sensor 504 approaches the target temperature Tux.
  • a force acts on the opening / closing mechanism inside the valve body, the opening degree of the valve gradually decreases, and it is assumed that the valve is a self-powered type that completely closes when the target temperature Tax is reached.
  • the temperature control valve 308 When the low temperature side fluid outlet temperature Tu is still sufficiently lower than the target temperature Tux, the temperature control valve 308 has the maximum opening, and in this case, the pipe diameter forming the bypass path 410 and the pipe diameter forming the second coolant path 403.
  • the cooling water corresponding to the ratio of the above returns to the suction side of the circulation pump 104 without passing through the heat recovery heat exchanger 205, and is discharged again. Then, since some of the cooling water does not pass through the heat recovery heat exchanger 205, the hot water that is not heat-exchanged receives heat from the high-temperature compressed air again in the aftercooler 202. By continuing this circulation, the temperature in the second coolant circuit rises faster, and the low temperature side fluid outlet temperature Tu also rises faster accordingly.
  • the opening degree of the temperature control valve 308 decreases, so that the amount of cooling water passing through the heat recovery heat exchanger 205 increases, so that in the second coolant circuit.
  • the rise in the cooling water temperature becomes gradual, and the rise in the low temperature side fluid outlet temperature Tu also becomes gradual. Therefore, by providing the temperature control valve 308, there is an effect that the low temperature side fluid outlet temperature Tu can reach the target temperature Tux earlier.
  • FIG. 5 is a system diagram of the compressor system in this embodiment.
  • the parts having the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 4 indicate the same or corresponding parts, and the description thereof will be omitted.
  • the compressor unit 1 is a multi-stage oil-free screw compressor that compresses air to a predetermined pressure with a multi-stage compressor.
  • the compressor system includes a low-pressure stage compressor 101, a high-pressure stage compressor 102, an intercooler 201 for cooling the compressed air discharged from the low-pressure stage compressor 101, and a high-pressure stage compressor 102.
  • An aftercooler 202 for cooling the discharged compressed air is provided.
  • a low pressure stage discharge air temperature sensor 501 for measuring the discharge air temperature from the low pressure stage compressor 101, and an air temperature after cooling by the intercooler 201 and before being sucked into the high pressure stage compressor 102.
  • the high-pressure stage suction air temperature sensor 502 for measuring the above and the high-pressure stage discharge air temperature sensor 503 for measuring the discharge air temperature from the high-pressure stage compressor 102 are provided.
  • this Example also includes a first coolant path 402 and a second coolant path 403. Further, a first bypass that branches from the downstream of the cooling water outlet of the high-pressure compressor 102 on the first coolant path 402 and connects to a portion downstream of the cooling water outlet of the aftercooler 202 on the second coolant path 403. Path 405 is formed. Further, a second bypass path 406 is formed which branches from the upstream of the cooling water inlet of the intercooler 201 on the second coolant path 403 and connects to the downstream portion close to the water supply valve 303 on the first coolant path 402. .. The first coolant path 402 and the second coolant path 403 communicate with each other through the first bypass path 405 and the second bypass path 406. A solenoid valve 301 is provided on the first bypass path 405, and a solenoid valve 302 is provided on the second bypass path 406.
  • the cooling water in the first coolant path 402 is cooled. It is sent to the low pressure stage compressor 101, the high pressure stage compressor 102, and the oil cooler 203 by the pump 103.
  • the cooling water that has passed through the low-pressure stage compressor 101 passes through the high-pressure stage compressor 102, then merges with the cooling water that has passed through the oil cooler 203, and is sent to the cooling heat exchanger 204. ..
  • the cooling water in the second coolant path 403 is sent to the intercooler 201 by the circulation pump 104, then passes through the aftercooler 202, the heat recovery heat exchanger 205, and the low temperature side fluid and heat. After the replacement, the path is discharged again by the circulation pump 104. That is, in the first coolant path, the low-pressure stage compressor 101 and the high-pressure stage compressor 102 are connected in series, and in the second coolant path, the intercooler 201 and the aftercooler 202 are connected in series. It has become.
  • heat recovery mode B that is, when the solenoid valve 301 and the solenoid valve 302 are open and the water supply valve 303 and the water supply valve 304 are closed, the low pressure stage compressor 101, the high pressure stage compressor 102, All of the cooling water heated by the intercooler 201, the aftercooler 202, and the oil cooler 203 exchange heat with the low temperature side fluid path 407 via the heat recovery heat exchanger 205 to heat and supply the low temperature side fluid. be able to.
  • the method of connecting multiple compressors and coolers in series and passing the cooling water as described above has a higher cooling water temperature than the method of connecting these elements in parallel and passing the cooling water of the same flow rate. Can be obtained. That is, since a high temperature can be obtained for the low temperature side fluid temperature after heat exchange with the heat recovery heat exchanger 205, the temperature range of the low temperature side fluid that can be supplied can be widened.
  • the control of each valve in this embodiment can be performed by the same procedure as the flowchart of FIG.
  • Td1a ⁇ Tdx and Td2a ⁇ Tdx which can contribute to the protection of both the low pressure stage compressor 101 and the high pressure stage compressor 102 from the overheated state.
  • FIG. 6 is a system diagram of the compressor system in this embodiment.
  • the parts having the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5 indicate the same or corresponding parts, and the description thereof will be omitted.
  • the aftercooler 202 cooling water outlet on the second coolant path 403 and the heat recovery heat exchanger 205 inlet are branched to cool the downstream side of the water supply valve 304 on the first coolant path 402.
  • a bypass path 411 that joins between the heat exchangers 204 is provided, and a water supply valve 307 is provided on the bypass path 411.
  • a differential pressure switch 509 that opens and closes an internal electric circuit according to the pressure difference, and heat.
  • the recovery heat exchanger 205 is provided with a detection pipe 412 for introducing the pressure at the inlet and outlet into the differential pressure switch 509.
  • the intercooler 201 and the aftercooler 202 cannot be cooled while the heat recovery mode A is being executed. Further, while the heat recovery mode B is being executed, the low-pressure compressor 101, the high-pressure compressor 102, and the oil cooler 203 cannot be cooled in addition to the cooler. Therefore, the compressor unit 1 has to be automatically stopped in order to prevent a serious failure, and the supply of compressed air, which is relatively important, is stopped rather than the hot water supply by heat recovery.
  • the purpose of this embodiment is to prevent the above situation, ensure cooling of each element inside the compressor unit 1 even if a failure such as a failure of the circulation pump 104 occurs, and continue to supply compressed air. It is a configuration with.
  • the circulation pump 104 breaks down and the operation is stopped, or the heat recovery heat exchanger 205 is clogged inside and water flows. If not, it is judged as a failure. That is, normally, when water is flowing, the differential pressure switch 509 does not operate due to the differential pressure switch 509, but when water does not flow, the differential pressure becomes zero and the differential pressure switch 509 operates, resulting in a failure. to decide. In that case, a backup cooling mode is performed in which the solenoid valve 301, the solenoid valve 302, the water supply valve 303, and the water supply valve 307 are opened, and the water supply valve 304 and the water supply valve 306 are closed.
  • the first coolant path 402 and the second coolant path 403 communicate with each other, but since all the cooling water is cooled by the cooling heat exchanger 204, an element that requires cooling in the compressor unit 1. Are all cooled, and it is possible to prevent the compressor unit 1 from stopping due to a defect on the heat recovery unit 2 side.
  • a water outage detection device may be used as another configuration instead of the differential pressure switch.
  • FIG. 7 is a system diagram of the compressor system in this embodiment.
  • the parts having the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5 indicate the same or corresponding parts, and the description thereof will be omitted.
  • the first bypass path 405 is assumed to branch from the low pressure stage compressor 101 cooling water outlet on the first coolant path 402 and join the intercooler 201 outlet on the second coolant path, and the first bypass path 405 thereof.
  • An solenoid valve 301 and an orifice 309 immediately after the solenoid valve 301 are provided on the bypass path 405.
  • the third bypass path 409 further branches from the high-pressure stage compressor 102 cooling water outlet on the first coolant path 402 and joins the upstream portion of the aftercooler cooling water inlet on the second coolant path 403.
  • a solenoid valve 305 is provided on the third bypass path 409.
  • the heat recovery mode A controls the solenoid valve 301, the solenoid valve 302, and the solenoid valve 305 to be closed and the water supply valve 303 and the water supply valve 304 to be opened. Further, in the heat recovery mode B, the solenoid valve 301, the solenoid valve 302, and the solenoid valve 305 are opened, and the water supply valve 303 and the water supply valve 304 are closed.
  • the inner diameter of the orifice 309 is designed and incorporated in advance according to the specifications such as the heat exchange performance of the compressor and the cooler, the pressure loss of the cooling water path, etc., which are known in advance.
  • the optimum distribution of the cooling water flow rate flowing into the high-pressure stage compressor 102 and the cooling water flow rate flowing into the aftercooler 202 can be obtained.
  • bypass path 411, the water supply valve 307, the detection pipe 412, and the differential pressure switch 509 which are the configurations of the fourth embodiment, may be added.
  • FIG. 8 is a system diagram of the compressor system in this embodiment.
  • the parts having the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5 and 7 indicate the same or corresponding parts, and the description thereof will be omitted.
  • bypass path 411, the water supply valve 307, the detection pipe 412, and the differential pressure switch 509 which are the configurations of the fourth embodiment, may be added.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned examples, and includes various modifications.
  • an example in which the present invention is applied to an oil-free screw compressor has been described, but the present invention is not limited to this, and the same applies to an oil-cooled screw compressor or a water-injection screw compressor.
  • any fluid machine such as a scroll compressor, a roots blower, or a supercharger can be similarly applied.
  • an example of a screw compressor having a pair of male and female screw rotors in the rotor chamber has been described, but the same applies to a single screw compressor having one screw rotor.
  • bypass path is not limited to the above embodiment, and a bypass path is provided so as to flow toward the cooling heat exchanger or the heat recovery heat exchanger through which the internal coolant flows. It suffices if the two coolant paths can communicate with each other.
  • control device may be realized by software by interpreting and executing a program in which a processor realizes each function, or may be realized by hardware by designing an integrated circuit, for example.
  • Compressor unit 2 Heat recovery unit, 100: Compressor (single stage type), 101: Low pressure stage compressor, 102: High pressure stage compressor, 103: Cooling pump, 104: Circulation pump, 201: Intercooler , 202: Aftercooler, 203: Oil cooler, 204: Cooling heat exchanger, 205: Heat recovery heat exchanger, 301, 302, 305: Electromagnetic valve, 303, 304, 306, 307: Water supply valve, 308: Temperature control valve, 309: orifice, 401: air path, 402: first coolant path, 403: second coolant path, 404: oil cooler cooling path, 405: first bypass path, 406: second bypass path, 407: Low temperature side fluid path, 408: Lubricating oil path, 409: Third bypass path, 410, 411: Bypass path, 412: Detection pipe, 501: Discharge air temperature sensor, or low pressure stage discharge air temperature sensor, 502: High-pressure stage suction air temperature sensor, 50

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Abstract

水冷式気体圧縮機からの排熱を回収する圧縮機システムにおいて、圧縮気体警報温度未満の状態を可能な限り維持できるように冷却しつつ、熱源からの熱回収を継続可能とすることを目的とする。　上記目的を達成するために、圧縮気体を吐出する圧縮機と、圧縮気体を冷却するアフタークーラと、圧縮機に冷却液を供給し冷却用熱交換器により冷却液を冷却する第１冷却液経路と、アフタークーラに冷却液を通し熱回収用熱交換器により冷却液から排熱を回収する第２冷却液経路とを備える圧縮機システムであって、第１冷却液経路と第２冷却液経路とを接続する複数のバイパス経路に配置された第１の弁及び第２の弁と、第１冷却液経路に配置された第３の弁及び第４の弁と、制御部を有し、制御部は、第１の弁及び第２の弁を閉とし第３の弁及び第４の弁を開とする第１の制御と、第１の弁及び第２の弁を開とし第３の弁及び第４の弁を閉とする第２の制御を行う。

Description

圧縮機システム、及び、その制御方法
　本発明は気体圧縮機からの排熱を回収する圧縮機システムに関する。
　従来、空気等の気体を圧縮する圧縮機において、圧縮後の高温の流体と、それよりも低温の冷却液との間で熱交換することで、高温流体から熱を回収し、温められた冷却液を有効利用する圧縮機システムが知られている。
　本技術分野における従来技術としては、特開２０１６－７９８９４号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、オイルフリー式の圧縮機からの圧縮空気を、冷却塔との間の循環水で冷却するか、ファンによる通風で冷却するエアクーラと、圧縮機からエアクーラへの空気路に設けられ、圧縮空気と水とを熱交換して温水を製造する熱回収用熱交換器と、圧縮機から熱回収用熱交換器への空気路と、熱回収用熱交換器からエアクーラへの空気路とを接続するバイパス路とを備え、圧縮機からの圧縮空気をバイパス路に通さずに熱回収用熱交換器を介してエアクーラへ送る熱回収可能状態と、圧縮機からの圧縮空気を熱回収用熱交換器に通さずにバイパス路を介してエアクーラへ送る熱回収停止状態とを切り替え可能とされ、圧縮機は、ロード・アンロード機とされ、圧縮機がアンロード中、熱回収用熱交換器への圧縮空気の流通はないが、熱回収用熱交換器に通水可能とされた熱回収システム、が開示されている。
特開２０１６－７９８９４号公報
　特許文献１では、通常の空気路と熱回収用熱交換器へのバイパス路を設け、圧縮機がロード運転、または、アンロード運転をしているかによって、弁の開閉を制御して熱回収用熱交換器へ通水したり、通水を止めたりする運転を行い、熱回収用熱交換器へ通水するための給水ポンプの過剰な発停を抑えることを目的としている。
　しかしながら、特許文献１では、圧縮機自体の冷却方法については言及されていない。一般的に、低圧段及び高圧段圧縮機自体も空冷式や液冷式等のなんらかの方式による冷却が必要であるが、特許文献１では、圧縮機を内包する圧縮機ユニットの設置場所の周囲温度が上昇するなどして、圧縮機が吐出する圧縮気体の温度が通常よりも高くなり、圧縮気体の警報温度に近づくような場合に、圧縮機と圧縮気体の冷却、及び、熱回収をどのように継続するか、または、停止するのかといった運転方法に関しての言及がなされていない。
　また、熱回収用熱交換器に通水するための給水ポンプが故障するなどして熱回収用熱交換器へ給水できない場合に、圧縮気体の冷却をどのように継続するか、また、圧縮機の運転をどうするのかについて記述が無く、考慮されていない。
　本発明は、その一例を挙げるならば、吸入した気体を圧縮して圧縮気体を吐出する圧縮機と、圧縮気体を冷却するアフタークーラと、第１のポンプにより圧縮機に冷却液を供給し冷却用熱交換器により冷却液を冷却する第１冷却液経路と、第２のポンプによりアフタークーラに冷却液を通し熱回収用熱交換器により冷却液から排熱を回収する第２冷却液経路とを備える圧縮機システムであって、第１冷却液経路と第２冷却液経路とを接続する複数のバイパス経路のうち、第１のポンプの吸込み側のバイパス経路に配置された第１の弁と、第１のポンプの吐出し側のバイパス経路に配置された第２の弁と、第１冷却液経路で第１のポンプからの冷却液の循環を制御する第１のポンプの吐出し側の第３の弁及び第１のポンプの吸込み側の第４の弁と、前記第１の弁と前記第２の弁と前記第３の弁と前記第４の弁を制御する制御部を有し、制御部は、第１の弁及び第２の弁を閉とし第３の弁及び第４の弁を開とする第１の制御と、第１の弁及び第２の弁を開とし第３の弁及び第４の弁を閉とする第２の制御を行う。
　本発明によれば、圧縮気体が通常よりも高温な状態となる警報温度未満を可能な限り維持できるように圧縮機、圧縮気体、潤滑油を冷却しつつ、それらの高温熱源からの熱回収を継続することが可能な圧縮機システム、及び、その制御方法を提供できる。
実施例１における圧縮機システムの系統図である。 実施例１における圧縮機システムの簡易な配線配管接続図である。 実施例１における熱回収ユニットの制御装置が行う制御のフローチャートである。 実施例２における圧縮機システムの系統図である。 実施例３における圧縮機システムの系統図である。 実施例４における圧縮機システムの系統図である。 実施例５における圧縮機システムの系統図である。 実施例６における圧縮機システムの系統図である。
　以下、本発明の圧縮機システムの具体的実施例を、図面に基づいて説明する。
　図１は、本実施例における圧縮機システムの系統図である。本実施例では、圧縮機ユニットとして水冷式の無給油式スクリュー圧縮機を適用した例について説明する。また、図１に示す無給油式スクリュー圧縮機は、気体（本実施例では空気）を吸入して圧縮し、吐出する水冷式気体圧縮機として構成されている。
　図１において、圧縮機ユニット１には、空気経路４０１を通して空気を吸入し、所定の圧力まで圧縮し、吐出する単段式の圧縮機１００と、吐出された高温の圧縮空気を冷却する水冷式のアフタークーラ２０２を備える。圧縮機１００より下流の空気経路４０１上には、吐出された高温の圧縮空気温度を測定する吐出空気温度センサ５０１が設置されている。
　また、圧縮機１００と、図示しない駆動機構を潤滑するための潤滑油を冷却する水冷式のオイルクーラ２０３を備え、潤滑油は潤滑油経路４０８を通して各部へ圧縮機ユニット１内部の必要な個所に供給、循環される。圧縮機１００及びオイルクーラ２０３は、通常は第１冷却液経路４０２、及び、第１冷却液経路４０２から分岐するオイルクーラ冷却経路を通る冷却水によって冷却される。この第１冷却液経路４０２内の冷却水は冷却ポンプ１０３で循環し、クーリングタワー等に代表される冷却用熱交換器２０４で熱を外部に排出する。第１冷却液経路４０２においては、冷却ポンプ１０３の吐出し側に給水弁３０３が配置され、冷却ポンプ１０３の吸込み側の冷却用熱交換器２０４に冷却水が戻る経路上に給水弁３０４が配置される。
　一般的には、冷却ポンプ１０３と冷却用熱交換器２０４は、本実施例における圧縮機ユニット１、及び、後述する熱回収ユニット２とは別の既設設備と共同使用されている。そのため、使用者が要求仕様として求めない限り、圧縮機ユニット１、または、熱回収ユニット２が、循環ポンプ１０４や冷却用熱交換器２０４の運転を直接的に制御することは無い。
　本実施例の圧縮機システムでは、圧縮機ユニット１に熱回収ユニット２が併設される。熱回収ユニット２は熱回収用熱交換器２０５と、循環ポンプ１０４を備えており、循環ポンプ１０４の吸込み側は熱回収用熱交換器２０５の高温流体側出口側に接続される。また、循環ポンプ１０４の吐出し側と圧縮機ユニット１内のアフタークーラ２０２の冷却水入口側とが接続され、アフタークーラ２０２の冷却水出口側と熱回収用熱交換器２０５の高温側流体入口側とが接続されることで、第２冷却液経路４０３が形成される。第２冷却液経路４０３の循環ポンプ１０４の吐出し側には給水弁３０６が配置される。給水弁３０６は循環ポンプ１０４に連動して動作し、循環ポンプ１０４の運転中は開となる。
　熱回収用熱交換器２０５の低温側流体経路４０７は、外部から比較的低温の水等の液体が供給される経路であり、アフタークーラ２０２で高温の圧縮空気を冷却後、温度が上昇した第２冷却液経路４０３内の高温の循環水と熱交換し、加温されて再度外部へと戻っていく経路である。低温側流体経路４０７を循環する水は、用途としては特に限定されないが、例えば、ボイラ給水の予熱や、温水暖房、シャワーなど広範に利用され得る。
　また、第１冷却液経路４０２上の圧縮機１００の冷却水出口より下流から分岐し、第２冷却液経路４０３上のアフタークーラ２０２の冷却水出口より下流部に接続する第１バイパス経路４０５が形成される。また、第２冷却液経路４０３上のアフタークーラ２０２の冷却水入口より上流から分岐し、第１冷却液経路４０２上の給水弁３０３至近の下流部に接続する第２バイパス経路４０６が形成される。また、第１冷却液経路４０２と第２冷却液経路４０３は、第１バイパス経路４０５と第２バイパス経路４０６で互いに連通している。第１バイパス経路４０５上には電磁弁３０１が、第２バイパス経路４０６上には電磁弁３０２が設けられている。
　図２は、本実施例における圧縮機システムの簡易な配線配管接続図である。図２において、圧縮機ユニット１には制御装置５０５が設けられる。制御装置５０５は、主に圧縮機１００を駆動するための図示しない電動機の運転、停止と、回転速度制御やロード、アンロード運転切り替え等による吐出空気圧力制御などを行う。熱回収ユニット２には制御装置５０７が設けられる。制御装置５０７は、主に循環ポンプ１０４の運転、停止、回転速度制御などを担い、さらに、制御配線５０６、５０８を介して、各部の水経路上にある電磁弁３０１、３０２、給水弁３０３、３０４、３０６の開閉制御を行う。
　図３は、本実施例における熱回収ユニット２の制御装置５０７が行う制御のフローチャートである。図３において、電源が投入されることで手順Ｓ１０１より制御を開始する。手順Ｓ１０２は、電磁弁３０１及び電磁弁３０２を閉とし、給水弁３０３及び３０４を開とする熱回収モードＡを定義し、このときの制御装置５０７内部においてフラグをＯＦＦに初期化する。次に、手順Ｓ１０３では、圧縮機ユニット１内の制御装置５０５から圧縮機ユニット１が運転を開始した信号を検知し、かつ、熱回収ユニット２内の循環ポンプ１０４が運転を開始した信号を検知する。そして、手順Ｓ１０４では、制御装置５０７内部のタイマー５１０がカウントする時間変数tをリセットした後、改めてカウントを開始する。
　次に、手順Ｓ１０５では、圧縮機ユニット１からロード運転信号を検知したかどうかを判断し、検知していれば、手順Ｓ１０６へと進み、していなければ手順Ｓ１０９へ分岐する。
　ロード運転信号を検知している場合、手順Ｓ１０６においては、吐出空気温度センサ５０１が検出する吐出空気温度Ｔｄ１が、所定の温度閾値Ｔｄｘよりも小さい場合は手順Ｓ１０７へと進み、吐出空気温度Ｔｄ１が、所定の温度閾値Ｔｄｘ以上となる場合は、手順Ｓ１１０に分岐する。ここで、温度閾値Ｔｄｘは、吐出空気警報温度を表すＴｄａよりも若干低い温度（例えば、Ｔｄａ＝４００℃に対し、３９５℃等）に設定することが望ましい。
　手順Ｓ１０７では、タイマー５１０がカウントする時間変数tが所定の設定時間ｔｃよりも大きいかどうかを判断し、大きければ手順Ｓ１０８へと進み、小さければ、手順Ｓ１１１へと分岐する。ここで、設定時間ｔｃは熱回収モードＡ及びＢの切り替え頻度を制限するために設定する時間であり、例えば３分間などに設定する。この設定時間ｔｃを設けることで、電磁弁や給水弁の開閉頻度を抑え、部品寿命が極端に短くなることを抑制することができる。
　手順Ｓ１０８では、電磁弁３０１及び電磁弁３０２を開とし、給水弁３０３及び３０４を閉とする状態を定義する熱回収モードＢを開始し、このときフラグをＯＮとする。手順Ｓ１０８を実行後、手順Ｓ１０５の手前へと戻る。
　手順Ｓ１０９では、時間変数ｔが所定の設定時間ｔｃよりも大きければ、手順Ｓ１０８へと進み、小さければ、手順Ｓ１０５の手前に戻る。手順Ｓ１１０では、時間変数ｔを一度リセットし、改めて、ゼロからカウントを再開する。
　手順Ｓ１１１では、フラグをＯＦＦとし、すなわち、熱回収モードＡを実行する。熱回収モードＡを実行する場合、冷却水の流れは第１冷却液経路４０２と、第２冷却液経路４０３がそれぞれ独立することになる。圧縮機１００及びオイルクーラ２０３は、第１冷却液経路４０２を介し、外部の冷却用熱交換器２０４で行わる。第２冷却液経路ではアフタークーラ２０２の冷却は循環ポンプ１０４で循環される水によってのみ行われ、熱回収用熱交換器２０５において高温側流体である第２冷却液経路の水と、低温側流体経路４０７の水との間で熱交換が行われ、高温の圧縮空気から取り出した熱を温水として外部に供給することができる。
　次に、熱回収モードＡを実行する効果を以下に説明する。例えば、圧縮機ユニット１の設置環境の影響で周囲温度が上昇し、それに伴い、吐出される圧縮空気温度が上昇し、場合によっては吐出空気警報温度Ｔｄａに達する恐れがある。その場合に、圧縮機１００の過熱による故障を防ぐため、一般的には圧縮機ユニット１が排熱する熱量よりも十分大きな冷却能力をもつ冷却用熱交換器２０４で圧縮機１００及びオイルクーラ２０３を安全に冷却しつつ、アフタークーラ２０２を通過して温度が上昇した第２冷却液経路内の冷却水から、熱回収用熱交換器２０５を介して低温側流体経路４０７内の低温側流体に熱を回収することができることになる。
　次に、熱回収モードＢを実行する効果を以下に説明する。例えば、需要先での使用空気量が少なく圧縮機１００の負荷率が低く、圧縮機１００の回転速度を落として吐出空気量を少なくしたり、アンロード運転に切り替わったりすることで吐出空気量がほとんど無いような運転状態においては、圧縮空気から回収できる熱量は大幅に少なくなる。その場合、圧縮機１００ではロード運転、または、アンロード運転に関わらず冷却が必要であることから、熱回収モードＢを実行することで、第１冷却液回路と第２冷却液回路が第１バイパス経路４０５、及び、第２バイパス経路４０６を介して互いに連通することになる。また、一方で、給水弁３０３及び３０４を閉じるため冷却用熱交換器２０４は機能的に切り離され、冷却水は循環ポンプ１０４のみで圧縮機ユニット１、及び、熱回収ユニット２の内部を循環させることができ、圧縮機１００、アフタークーラ２０２、及び、オイルクーラ２０３をそれぞれ冷却し、温度の上昇した全ての冷却水から熱回収用熱交換器２０５を介して低温側流体経路４０７に熱を回収できる。従って、圧縮機１００の負荷率が低い状態であっても、回収熱量の減少を抑制し、省エネとなる。また、ロード運転中の負荷率が１００％に近い運転状態であっても、吐出空気温度Ｔｄ１が温度閾値Ｔｄｘ未満の条件を満たし、かつ、時間変数ｔが設定時間ｔｃよりも大となる条件を満たしていれば、熱回収モードＢを実行するため、圧縮機１００の過熱といった信頼性に影響を及ぼすことなく、かつ、大きな熱量を回収することができ、大きな省エネ効果を得ることができる。
　以上のように、本実施例によれば、圧縮機や圧縮気体、潤滑油を水で冷却する水冷式気体圧縮機において、圧縮気体が通常よりも高温な状態となる警報温度未満を可能な限り維持できるように効果的に圧縮機、圧縮気体、潤滑油を冷却しつつ、それらの高温熱源からの熱回収を継続することが可能な圧縮機システム、及び、その制御方法を提供できる。
　図４は、本実施例における圧縮機システムの系統図である。図４において、実施例１の図１～図３と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示しており、その部分については説明を省略する。
　本実施例では、第２冷却液経路４０３上において熱回収用熱交換器２０５入口及び出口を連通するバイパス経路４１０を備え、そのバイパス経路４１０上に温度調節弁３０８を設ける。温度調節弁３０８は低温側流体経路４０７上の熱回収用熱交換器２０５出口側の温度を測定する温度センサ５０４の低温側流体出口温度Ｔｕが、所定の目標温度Ｔｕｘとなるように弁の開度を自動で調節する機能を備える。温度調節弁３０８を設ける目的は、低温側流体出口温度Ｔｕがより早く目標温度Ｔｕｘに到達できるようにする効果を得るためである。
　本実施例においては、温度調節弁３０８は、二方弁で、温度センサ５０４が測定した低温側流体出口温度Ｔｕが目標温度Ｔｕｘに近づくに従って、温度調節弁３０８内部を満たす液体の体積が膨張することで弁体内部の開閉機構に力が作用し、弁の開度が徐々に小さくなり、目標温度Ｔｕｘに達すると完全に閉じる自力式のものを想定している。
　低温側流体出口温度Ｔｕが目標温度Ｔｕｘよりもまだ十分に低い場合、温度調節弁３０８は最大開度となり、この場合、バイパス経路４１０を成す配管直径と、第２冷却液経路４０３を成す配管直径の比に応じた相当流量分の冷却水が熱回収用熱交換器２０５を通らずに循環ポンプ１０４の吸込み側に戻り、再び吐出される。すると、熱回収用熱交換器２０５を一部の冷却水が通らないことになるため、熱交換されない温水が再度アフタークーラ２０２で高温の圧縮空気から熱をもらうことになる。この循環を継続していくことで、第２冷却液回路内の温度はより早く上昇し、それに伴って低温側流体出口温度Ｔｕもより早く上昇していくことになる。低温側流体出口温度Ｔｕが目標温度Ｔｕｘに近づくに従い、温度調節弁３０８の開度が小さくなっていくため、熱回収用熱交換器２０５を通る冷却水量が増えるため、第２冷却液回路内の冷却水温度の上昇は緩やかになり、それに応じて、低温側流体出口温度Ｔｕの上昇も緩やかになる。従って、この温度調節弁３０８を設けることにより、低温側流体出口温度Ｔｕがより早く目標温度Ｔｕｘに到達できるようにする効果がある。
　図５は本実施例における圧縮機システムの系統図である。図５において、図１～図４と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示しており、その部分については説明を省略する。
　本実施例は、圧縮機ユニット１を複数段の圧縮機で空気を所定の圧力まで圧縮する多段式の無給油式スクリュー圧縮機とした。図５に示すように、圧縮機システムは、低圧段圧縮機１０１と高圧段圧縮機１０２と、低圧段圧縮機１０１から吐出された圧縮空気を冷却するインタークーラ２０１と、高圧段圧縮機１０２から吐出された圧縮空気を冷却するアフタークーラ２０２を備える。また、空気経路４０１上には、低圧段圧縮機１０１からの吐出空気温度を測定する低圧段吐出空気温度センサ５０１と、インタークーラ２０１で冷却後、高圧段圧縮機１０２に吸い込まれる前の空気温度を測定する高圧段吸込空気温度センサ５０２と、高圧段圧縮機１０２からの吐出空気温度を測定する高圧段吐出空気温度センサ５０３を備えている。
　実施例１ないし実施例２と同様に、本実施例においても第１冷却液経路４０２と第２冷却液経路４０３を備えている。また、第１冷却液経路４０２上の高圧段圧縮機１０２の冷却水出口より下流から分岐し、第２冷却液経路４０３上のアフタークーラ２０２の冷却水出口より下流の箇所に接続する第１バイパス経路４０５が形成される。また、第２冷却液経路４０３上のインタークーラ２０１の冷却水入口より上流から分岐し、第１冷却液経路４０２上の給水弁３０３至近の下流部に接続する第２バイパス経路４０６が形成される。そして、第１冷却液経路４０２と第２冷却液経路４０３は、第１バイパス経路４０５と第２バイパス経路４０６で互いに連通している。第１バイパス経路４０５上には電磁弁３０１が設けられ、第２バイパス経路４０６上には電磁弁３０２が設けられている。
　熱回収モードＡの場合、即ち、電磁弁３０１、及び、電磁弁３０２が閉で、給水弁３０３、及び、給水弁３０４が開である場合、第１冷却液経路４０２内の冷却水は、冷却ポンプ１０３によって、低圧段圧縮機１０１及び高圧段圧縮機１０２とオイルクーラ２０３へと送られる。一方、低圧段圧縮機１０１を通過した冷却水は高圧段圧縮機１０２を通った後、オイルクーラ２０３を通った冷却水と合流して冷却用熱交換器２０４へ送水される経路となっている。このとき、第２冷却液経路４０３内の冷却水は、循環ポンプ１０４によって、インタークーラ２０１へ送られ、その後、アフタークーラ２０２を通り、熱回収用熱交換器２０５を通り、低温側流体と熱交換後、再び循環ポンプ１０４で吐出される経路となっている。つまり、第１冷却液経路においては、低圧段圧縮機１０１と高圧段圧縮機１０２が直列に、また、第２冷却液経路においては、インタークーラ２０１とアフタークーラ２０２が直列に接続される構成となっている。
　熱回収モードＢの場合、即ち、電磁弁３０１、及び、電磁弁３０２が開で、給水弁３０３、及び、給水弁３０４が閉である場合は、低圧段圧縮機１０１、高圧段圧縮機１０２、インタークーラ２０１、アフタークーラ２０２、オイルクーラ２０３で加熱された冷却水の全てが熱回収用熱交換器２０５を介して低温側流体経路４０７と熱交換し、低温側流体を加温して供給することができる。
　上記のように複数の圧縮機やクーラを直列に接続して冷却水を通す方法は、同じ流量の冷却水をこれらの要素を並列に接続して冷却水の通す方法よりも、高い冷却水温度を得られる。すなわち、熱回収用熱交換器２０５で熱交換した後の低温側流体温度も高い温度が得られるため、供給できる低温側流体の温度範囲を広くできる。
　なお、本実施例における各々の弁の制御は、図３のフローチャートと同じ手順で実施することができる。ただし、圧縮空気の所定の温度閾値Ｔｄｘを、低圧段吐出空気警報温度Ｔｄ１ａ及び高圧段吐出空気警報温度Ｔｄ２ａよりも低い温度、例えば、Ｔｄ１ａ＝２１５℃、Ｔｄ２ａ＝２２０℃、に対して、両方の警報温度よりも若干低い温度のＴｄｘ＝２１０℃などに設定することが望ましい。この場合、低圧段吐出空気温度センサ５０１で測定した低圧段吐出空気温度Ｔｄ１と、高圧段吸込空気温度センサ５０２で測定した高圧段吸込空気温度Ｔｄ２を用いて、図３の手順Ｓ１０６における判断条件を、「Ｔｄ１ａ＜Ｔｄｘ、かつ、Ｔｄ２ａ＜Ｔｄｘ」とすることが望ましく、低圧段圧縮機１０１と高圧段圧縮機１０２の両方の過熱状態からの保護に寄与できる。
　図６は本実施例における圧縮機システムの系統図である。図６において、図１～図５と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示しており、その部分については説明を省略する。
　本実施例では、第２冷却液経路４０３上のアフタークーラ２０２冷却水出口と熱回収用熱交換器２０５入口の間から分岐し、第１冷却液経路４０２上の給水弁３０４の下流側と冷却用熱交換器２０４の間に合流するバイパス経路４１１を設け、前記バイパス経路４１１上に給水弁３０７を備えている。また、第２冷却液経路４０３上の熱回収用熱交換器２０５入口と出口の間の圧力差を検出するために、圧力差に応じて内部の電気回路を開閉する差圧スイッチ５０９と、熱回収用熱交換器２０５入口及び出口の圧力を差圧スイッチ５０９に導入する検出配管４１２を備えている。
　万が一、循環ポンプ１０４が故障したり、熱回収用熱交換器２０５が内部で目詰まりを起こしたりした場合、熱回収モードＡ実行中はインタークーラ２０１及びアフタークーラ２０２の冷却が出来なくなる。また、熱回収モードＢ実行中は、上記クーラに加えて低圧段圧縮機１０１、高圧段圧縮機１０２、及び、オイルクーラ２０３の冷却が出来なくなってしまう。そのため、圧縮機ユニット１は重大な故障を防ぐために自動的に停止せざるを得なくなり、熱回収による温水供給よりも、相対的に重要な圧縮空気の供給が停止することになる。
　本実施例は、上記のような事態を防ぎ、循環ポンプ１０４の故障等の不具合が発生した場合でも圧縮機ユニット１内部の各要素の冷却を確保し、圧縮空気の供給を継続させることを目的とした構成である。
　本実施例における熱回収ユニットの制御装置５０７の行う制御としては、循環ポンプ１０４が故障して運転を停止したり、あるいは、熱回収用熱交換器２０５が内部で目詰まりを起こし、水が流れない場合を故障と判断する。すなわち、差圧スイッチ５０９により、通常、水が流れている場合は差圧があり差圧スイッチ５０９が作動しないが、水が流れない場合、差圧がゼロとなり差圧スイッチ５０９が作動し故障と判断する。その場合に、電磁弁３０１、電磁弁３０２、給水弁３０３、及び、給水弁３０７を開とし、給水弁３０４と給水弁３０６を閉とするバックアップ冷却モードを行う。
　これにより、第１冷却液経路４０２と第２冷却液経路４０３は連通するが、全ての冷却水は冷却用熱交換器２０４で冷却されるため、圧縮機ユニット１内で冷却を必要とする要素は全て冷却されることになり、熱回収ユニット２側の不具合に起因した圧縮機ユニット１の停止を防ぐことができる。
　なお、熱回収ユニット２側の不具合が解消され、故障信号等のリセットがなされない限りは、バックアップ冷却モードを継続することが望ましい。また、故障判断は、水が流れない場合を検出すればよいので上記差圧スイッチに換えて別の構成として断水検出装置としてもよい。
　また、本実施例は、実施例３の図５をベースに、構成を追加した構成について説明したが、これに限定されるものでなく、実施例１や２の構成に同様の構成を追加してもよい。
　以上のように、本実施例によれば、熱回収用熱交換器への給水ポンプが故障した場合等においても圧縮機、圧縮気体、潤滑油の冷却を継続できるようにすることができる。
　図７は本実施例における圧縮機システムの系統図である。図７において、図１～図５と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示しており、その部分については説明を省略する。
　図７において、第１バイパス経路４０５は、第１冷却液経路４０２上の低圧段圧縮機１０１冷却水出口から分岐し、第２冷却液経路上のインタークーラ２０１出口に合流するものとし、その第１バイパス経路４０５上に電磁弁３０１とその直後にオリフィス３０９を設ける。また、第１冷却液経路４０２上の高圧段圧縮機１０２冷却水出口からさらに第３バイパス経路４０９が分岐し、第２冷却液経路４０３上のアフタークーラ冷却水入口の上流部に合流し、この第３バイパス経路４０９上には電磁弁３０５を備える。
　本実施例においては、熱回収モードＡは、電磁弁３０１、電磁弁３０２、及び、電磁弁３０５を閉とし、かつ、給水弁３０３及び給水弁３０４を開とする制御を行なう。また、熱回収モードＢにおいては、電磁弁３０１、電磁弁３０２、及び、電磁弁３０５を開とし、給水弁３０３及び給水弁３０４を閉とする制御を行う。
　本実施例によれば、事前に把握している圧縮機やクーラの熱交換性能、冷却水経路の圧力損失等の諸元に応じて、オリフィス３０９の内径を事前に設計して組み込むことで、高圧段圧縮機１０２に流入する冷却水流量と、アフタークーラ２０２に流入する冷却水流量のそれぞれの最適な配分が得られる。
　なお、本実施例において、実施例４の構成である、バイパス経路４１１、給水弁３０７、検出配管４１２、差圧スイッチ５０９を付加してもよい。
　図８は本実施例における圧縮機システムの系統図である。図８において、図１～図５及び図７と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示しており、その部分については説明を省略する。
　本実施例においては、実施例５の図７の構成において、実施例２と同様の温度調節弁３０８と、低温側流体経路４０７上の熱回収用熱交換器２０５出口に取り付けられた温度センサ５０４を備えている。従って、本実施例によれば、実施例５において実施例２と同様に、温度調節弁３０８を設けることにより、低温側流体出口温度Ｔｕがより早く目標温度Ｔｕｘに到達できるようにする効果がある。
　なお、本実施例において、実施例４の構成である、バイパス経路４１１、給水弁３０７、検出配管４１２、差圧スイッチ５０９を付加してもよい。
　以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施例では無給油式スクリュー圧縮機に本発明を適用した例について述べたが、これに限られず、油冷式スクリュー圧縮機、或いは水注入式スクリュー圧縮機にも同様に適用でき、更にスクロール圧縮機、ルーツブロワ、或いは過給機など、流体機械であれば同様に適用できる。また、上述した実施例では、ロータ室に雄雌一対のスクリューロータを備えているスクリュー圧縮機の例について説明したが、スクリューロータが１つのシングルスクリュー圧縮機にも同様に適用できる。また、上記実施例では、第１冷却液経路および第２冷却液経路を循環する冷却液には水を使用した例を示したが、他にもアルコール類などの不凍液成分を含んだクーラント液や、油を使用する場合なども想定でき、冷却液として水のみに限定されるものではない。さらに、熱回収後に外部に供給する低温側流体も、水だけに限らず、さまざまな流体が想定される。
　その他、バイパス経路の分岐位置は上記実施例のみに限定されるものではなく、内部の冷却液が流れる冷却用熱交換器ないし熱回収用熱交換器に向かって流れるようにバイパス経路が設けられ、二つの冷却液経路が互いに連通可能であればよい。
　また、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の制御装置は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することによりソフトウェアで実現してもよいし、例えば集積回路で設計することによるハードウェアで実現してもよい。
１：圧縮機ユニット、２：熱回収ユニット、１００：圧縮機（単段式）、１０１：低圧段圧縮機、１０２：高圧段圧縮機、１０３：冷却ポンプ、１０４：循環ポンプ、２０１：インタークーラ、２０２：アフタークーラ、２０３：オイルクーラ、２０４：冷却用熱交換器、２０５：熱回収用熱交換器、３０１、３０２、３０５：電磁弁、３０３、３０４、３０６、３０７：給水弁、３０８：温度調節弁、３０９：オリフィス、４０１：空気経路、４０２：第１冷却液経路、４０３：第２冷却液経路、４０４：オイルクーラ冷却経路、４０５：第１バイパス経路、４０６：第２バイパス経路、４０７：低温側流体経路、４０８：潤滑油経路、４０９：第３バイパス経路、４１０、４１１：バイパス経路、４１２：検出配管、５０１：吐出空気温度センサ、または、低圧段吐出空気温度センサ、５０２：高圧段吸込空気温度センサ、５０３：高圧段吐出空気温度センサ、５０４：温度センサ、５０５、５０７：制御装置、５０６、５０８：制御配線、５０９：差圧スイッチ、５１０：タイマー、Ｔｄ１：吐出空気温度、または、低圧段吐出空気温度、Ｔｄ２：高圧段吐出空気温度、Ｔｄｘ：温度閾値、Ｔｄａ：吐出空気警報温度、Ｔｄ１ａ：低圧段吐出空気警報温度、Ｔｄ２ａ：高圧段吐出空気警報温度、Ｔｕ：低温側流体温度、Ｔｕｘ:目標温度、ｔｃ：設定時間

Claims (9)

  1. 　吸入した気体を圧縮して圧縮気体を吐出する圧縮機と、前記圧縮気体を冷却するアフタークーラと、第１のポンプにより前記圧縮機に冷却液を供給し冷却用熱交換器により冷却液を冷却する第１冷却液経路と、第２のポンプにより前記アフタークーラに冷却液を通し熱回収用熱交換器により冷却液から排熱を回収する第２冷却液経路とを備える圧縮機システムであって、
    　前記第１冷却液経路と前記第２冷却液経路とを接続する複数のバイパス経路のうち、前記第１のポンプの吸込み側のバイパス経路に配置された第１の弁と、前記第１のポンプの吐出し側のバイパス経路に配置された第２の弁と、前記第１冷却液経路で前記第１のポンプからの冷却液の循環を制御する前記第１のポンプの吐出し側の第３の弁及び前記第１のポンプの吸込み側の第４の弁と、前記第１の弁と前記第２の弁と前記第３の弁と前記第４の弁を制御する制御部を有し、
    　前記制御部は、前記第１の弁及び第２の弁を閉とし前記第３の弁及び第４の弁を開とする第１の制御と、前記第１の弁及び第２の弁を開とし前記第３の弁及び第４の弁を閉とする第２の制御を行うことを特徴とする圧縮機システム。
  2. 　請求項１に記載の圧縮機システムであって、
    　前記第２冷却液経路において、前記熱回収用熱交換器の入口と出口の間を連通する第２のバイパス経路を備え、該第２のバイパス経路上には前記熱回収用熱交換器の低温側流体出口の温度が目標温度となるように開度を調節する温度調節弁を備えることを特徴とする圧縮機システム。
  3. 　請求項１に記載の圧縮機システムであって、
    　前記圧縮機は、吸入した気体を多段階に圧縮する低圧段圧縮機と高圧段圧縮機からなり、前記低圧段圧縮機から吐出された圧縮気体を冷却するインタークーラと、高圧段圧縮機から吐出された圧縮気体を冷却するアフタークーラを備えることを特徴とする圧縮機システム。
  4. 　請求項３に記載の圧縮機システムであって、
    　前記第２のポンプの吸込み側の前記バイパス経路が、前記第１冷却液経路の低圧段圧縮機の下流で分岐し、前記第２のポンプの吸込み側の前記バイパス経路上に前記第１の弁と前記第１の弁の下流に絞り部を備え、前記第２冷却液経路の前記インタークーラ出口側と合流し、さらに、前記第１冷却液経路は前記高圧段圧縮機の下流から追加バイパス経路が分岐し、前記追加バイパス経路は前記第２冷却液経路上の前記インタークーラと前記アフタークーラの間に合流し、前記追加バイパス経路上に第５の弁を備え、
    　前記制御部は、前記第１の弁と前記第２の弁と前記第５の弁を閉とし前記第３の弁及び第４の弁を開とする第１の制御と、前記第１の弁と前記第２の弁と前記第５の弁を開とし前記第３の弁及び第４の弁を閉とする第２の制御を行うことを特徴とする圧縮機システム。
  5. 　請求項４に記載の圧縮機システムであって、
    　前記第２冷却液経路において、前記熱回収用熱交換器の入口と出口の間を連通する第２のバイパス経路を備え、該第２のバイパス経路上には前記熱回収用熱交換器の低温側流体出口の温度が目標温度となるように開度を調節する温度調節弁を備えることを特徴とする圧縮機システム。
  6. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機システムであって、
    　前記第２のポンプ至近の吐出し側に配置される第６の弁を備え、前記第２冷却液経路上の前記アフタークーラの下流側と、前記第４の弁の下流側とを連通するバイパス経路上に第７の弁を備え、さらに、前記第２冷却液経路の断水を検出する断水検出装置を備え、
    　前記制御部は、前記第２のポンプが故障、または、前記断水検出装置が作動した場合、前記第１の弁と前記第２の弁と前記第３の弁と前記第７の弁を開とし、前記第４の弁及び前記第６の弁を閉とする制御を行うことを特徴とする圧縮機システム。
  7. 　請求項４または５に圧縮機システムであって、
    　前記第２のポンプ至近の吐出し側に配置される第６の弁を備え、前記第２冷却液経路上の前記アフタークーラの下流側と、前記第４の弁の下流側とを連通するバイパス経路上に第７の弁を備え、さらに、前記第２冷却液経路の断水を検出する断水検出装置を備え、
    　前記制御部は、前記第２のポンプが故障、または、前記断水検出装置が作動した場合、前記第１の弁と前記第２の弁と前記第３の弁と前記第５の弁と前記第７の弁を開とし、前記第４の弁及び前記第６の弁を閉とする制御を行うことを特徴とする圧縮機システム。
  8. 　吸入した気体を圧縮して圧縮気体を吐出する圧縮機と、前記圧縮気体を冷却するアフタークーラと、第１のポンプにより前記圧縮機に冷却液を供給し冷却用熱交換器により冷却液を冷却する第１冷却液経路と、第２のポンプにより前記アフタークーラに冷却液を通し熱回収用熱交換器により冷却液から排熱を回収する第２冷却液経路とを備える圧縮機システムの制御方法であって、
    　前記第１冷却液経路と前記第２冷却液経路とを接続するバイパス経路と、該バイパス経路に配置された弁を有し、
    　前記吐出された圧縮気体の吐出気体温度が所定温度よりも高い場合は、前記弁を閉じて前記第１冷却液経路と前記第２冷却液経路をそれぞれ独立とする熱回収モードＡとして制御し、前記吐出気体温度が前記所定温度よりも低い場合は、前記弁を開として前記第１冷却液経路と前記第２冷却液経路を連通する熱回収モードＢとして制御することを特徴とする圧縮機システムの制御方法。
  9. 　請求項８に記載の圧縮機システムの制御方法であって、
    　前記熱回収モードＡから前記熱回収モードＢへの切り替えは、所定時間経過後に行なうことを特徴とする圧縮機システムの制御方法。
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