JP2009024582A - ガス圧縮装置及びガス圧縮装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの流れ方向に対して直列に複数配列された圧縮手段によってガスを圧縮するガス圧縮装置において、圧縮手段におけるサージングの発生を抑制しつつ駆動手段の負荷を十分に低減させることにより、エネルギの消費量を低減させる。
【解決手段】需要先のガスの需要量に応じてガス圧縮部２に吸入するガスの流量を制御し、各圧縮手段２１，２２の流量がサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、ガス圧縮部２から排出されたガスの少なくとも一部を、圧縮手段２１，２２のディフューザ２１ｈ，２２ｈに循環供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単一の駆動手段によって駆動される複数の圧縮手段を備えるガス圧縮装置及びガス圧縮装置の制御方法に関するものである。

従来から、単一のモータ（駆動手段）によって回転駆動されるシャフトに連結される複数の遠心圧縮機（圧縮手段）を備えるターボ圧縮装置（ガス圧縮装置）が用いられている。
このようなターボ圧縮装置においては、各遠心圧縮機がガスの流れ方向に対して直列に配列されており、各遠心圧縮機においてガスが徐々に圧縮される。

ところで、一般工場ではターボ圧縮装置から圧縮されたガス（以下、圧縮ガスと称する）が供給される装置（需要先）においては、必要となる圧縮ガスの量（需要量）が時間と伴に変化する。すなわち、ターボ圧縮装置から需要先の装置に供給される圧縮ガスの量が時間とともに変化する。
そして、圧縮ガスの需要量の減少に対しては、ターボ圧縮装置へのガスの吸入量を減少させることによって圧縮ガスの量を減少させる方法や、一定量のガスを常に圧縮して必要な分だけ需要先の装置に供給すると共に残りを排気する方法にて対応することが考えられるが、ターボ圧縮装置におけるエネルギ消費量を低減可能（すなわちモータへの負荷を低減可能）な、圧縮ガスの量を減少させる方法にて対応することが好ましい。

ところが、圧縮ガスの量を減少するためには、ターボ圧縮装置において流れるガスの流量を減少させる必要があり、遠心圧縮機においては限界以上減少させるとサージングが発生する。より詳細には、遠心圧縮機のインペラによって加速されたガスがディフューザにおいて減速される際に当該ガスの流れが失速し、これによってサージングの発生の引金となる。
そこで、従来のターボ圧縮装置においては、例えば、特許文献１〜３に開示されるような遠心圧縮機におけるサージングを回避する方法を用いることによって、遠心圧縮機におけるサージングを抑制しながらモータへの負荷を低減させている。
特公平２−６１６４０号公報 特公平２−５９３１７号公報 実開昭５９−９９１９６号公報 特開平１０−２５２６９６号公報

しかしながら、従来の遠心圧縮機においては、特許文献１〜３に開示された技術を用いても、遠心圧縮機に吸入されるガスの流量が少ない環境において十分にサージングを抑止することが難しく、遠心圧縮機に吸入されるガスの流量は、６０〜７０％以下に減少させることができなかった。このため、モータへの負荷も６０〜７０％以下に低減させることができなかった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ガスの流れ方向に対して直列に複数配列された圧縮手段によってガスを圧縮するガス圧縮装置において、圧縮手段におけるサージングの発生を抑制しつつ駆動手段の負荷を十分に低減させることにより、エネルギの消費量を低減させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のガス圧縮装置は、ガスに対して速度エネルギを与えるインペラと、上記速度エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザとを備える圧縮手段をガスの流れ方向に対して直列に複数配列し、複数の上記圧縮手段を介して圧縮されたガスを所定の需要先に供給するガス圧縮装置であって、上記インペラに動力を供給する駆動手段と、上記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段に吸入されるガスの流量を調整する流量調整手段と、上記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの少なくとも一部を、各圧縮手段の上記ディフューザあるいは該ディフューザと上記インペラとの間に循環供給可能な循環供給手段と、少なくとも上記駆動手段、上記流量調整手段及び上記循環供給手段を制御する制御手段とを備え、上記制御手段が、上記需要先の上記ガスの需要量に応じて上記流量調整手段を制御し、各圧縮手段において、吸入される上記ガスの流量が当該圧縮手段におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、上記循環供給手段を制御して当該圧縮手段に上記ガスの一部を循環供給することを特徴とする。

このような特徴を有する本発明のガス圧縮装置によれば、需要先のガスの需要量に応じて流量調整手段が制御される。すなわち、需要先のガスの需要量が減少した場合には、この減少量に応じてガス圧縮装置に吸入されるガスの流量が低減される。
そして、各圧縮手段において、吸入されるガスの流量が当該圧縮手段におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、当該圧縮手段にガスの一部が、各圧縮手段のディフューザあるいは該ディフューザとインペラとの間に循環供給される。

また、本発明のガス圧縮装置においては、最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの圧力を検出する圧力検出手段と、最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの流量を検出する流量検出手段とを備え、上記制御手段は、上記圧力検出手段及び上記流量検出手段のうち、少なくとも上記圧力検出手段の検出結果を上記需要先の上記ガスの需要量として上記流量調整手段の制御を行うという構成を採用する。

また、本発明のガス圧縮装置においては、上記制御手段は、最下流に位置する圧縮手段から上流の圧縮手段に向けて段階的に上記循環供給手段による上記ガスの循環供給を開始するという構成を採用する。

また、本発明のガス圧縮装置においては、上記設定値は、上記圧縮手段におけるサージング限界の流量と所定のマージンを合わせた値であるという構成を採用する。

また、本発明のガス圧縮装置においては、上記制御手段は、上記需要先の上記ガスの需要量がゼロである場合に、上記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段における上記ガスの吸入を維持すると共に、上記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの一部を上記需要先へ供給することなく排気するという構成を採用する。

次に、本発明のガス圧縮装置の制御方法は、ガスに対して速度エネルギを与えるインペラと、上記速度エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザとを備える圧縮手段をガスの流れ方向に対して直列に複数配列し、複数の上記圧縮手段を介して圧縮されたガスを所定の需要先に供給するガス圧縮装置の制御方法であって、上記需要先の上記ガスの需要量に応じて、上記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段に吸入されるガスの流量を調整し、各圧縮手段において、吸入される上記ガスの流量が当該圧縮手段におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、上記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの少なくとも一部を、各圧縮手段のディフューザあるいは該上記ディフューザと上記インペラとの間に循環供給することを特徴とする。

このような特徴を有する本発明のガス圧縮装置の制御方法によれば、需要先のガスの需要量に応じて、ガス圧縮装置に吸入されるガスの流量が制御される。すなわち、需要先のガスの需要量が減少した場合には、この減少量に応じてガス圧縮装置に吸入されるガスの流量が低減される。
そして、各圧縮手段において、吸入されるガスの流量が当該圧縮手段におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、当該圧縮手段に最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの一部が各圧縮手段のディフューザあるいは該ディフューザとインペラとの間に循環供給される。

また、本発明のガス圧縮装置の制御方法においては、最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの圧力及び流量を検出し、当該検出結果うち、少なくとも上記圧力を上記需要先の上記ガスの需要量として、最上流に位置する圧縮手段に吸入されるガスの流量を制御するという構成を採用する。

また、本発明のガス圧縮装置の制御方法においては、最下流に位置する圧縮手段から上流の圧縮手段に向けて段階的に上記ガスの循環供給を開始するという構成を採用する。

また、本発明のガス圧縮装置の制御方法においては、上記設定値は、上記圧縮手段におけるサージング限界の流量と所定のマージンを合わせた値であるという構成を採用する。

また、本発明のガス圧縮装置の制御方法においては、上記需要先の上記ガスの需要量がゼロである場合に、上記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段における上記ガスの吸入を維持すると共に、上記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの一部を上記需要先へ供給することなく排気するという構成を採用する。

本発明のガス圧縮装置及びガス圧縮装置の制御方法によれば、需要先のガスの需要量に応じて、ガス圧縮装置に吸入されるガスの流量が制御される。すなわち、需要先のガスの需要量が減少した場合には、この減少量に応じてガス圧縮装置に吸入されるガスの流量が低減される。
そして、各圧縮手段において、吸入されるガスの流量が当該圧縮手段におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、当該圧縮手段に最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの一部が各圧縮手段のディフューザあるいは該ディフューザとインペラとの間に循環供給される。
ここで、循環供給されるガスは、インペラに供給されることなくディフューザに流れ込む。このため、インペラへの負荷を増加させることなく、ディフューザに十分な流量のガスを供給することができ、駆動手段への負荷を増加させることなくストールの発生及びサージングの発生を抑制することができる。つまり、各圧縮手段に吸入されるガスの流量がどれだけ少ない場合であっても、圧縮手段のディフューザにサージングを抑制可能な流量のガスを流れ込ませることが可能となる。
したがって、本発明によれば、ガスの流れ方向に対して直列に複数配列された圧縮手段によってガスを圧縮するガス圧縮装置において、圧縮手段におけるサージングの発生を抑制しつつ駆動手段の負荷を十分に低減させることにより、エネルギの消費量を低減させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係るガス圧縮装置及びガス圧縮装置の制御方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のターボ圧縮装置Ｓ（ガス圧縮装置）の概略構成を示すブロック図である。
この図に示すように、本実施形態のターボ圧縮装置Ｓは、インレットガイドベーン１（流量調整手段）、ガス圧縮部２、第１循環供給制御バルブ３（循環供給手段）、第２循環供給制御バルブ４（循環供給手段）、排気制御バルブ５、流量検出器６（流量検出手段）、圧力検出器７（圧力検出手段）及び制御装置８（制御手段）を備えている。

インレットガイドベーン１は、ガス圧縮部２に吸入されるガスの流量を調整するためのものであり、制御装置８によって制御される。なお、後に詳説するが、ガス圧縮部２は、２つ（複数）の遠心圧縮機２１，２２（圧縮手段）をガスの流れ方向に直列に配列した構成を有している。そして、インレットガイドベーン１を介してガス圧縮部２に吸入されるガスは、まずガスの流れ方向に対して上流側（最上流）に位置する遠心圧縮機２１に吸入される。つまり、インレットガイドベーン１は、ガスの流れ方向に対して最上流に位置する遠心圧縮機２１に吸入されるガスの流量を調整するものである。
このインレットガイドベーン１は、遠心圧縮機２１が備えるインペラ２１ａ（図２参照）の回転方向と同じ方向に、ガスに対してひねりを与える。これによって、遠心圧縮機２１のインペラの仕事量が減少される。
なお、インレットガイドベーン１の代用として、バタフライバルブを使用することもできる。この場合はガスにひねりを与えることなくガスに抵抗を与えることで吸入されるガスの流量を調整する。

ガス圧縮部２は、ガスの流れ方向に配列される２つの遠心圧縮機２１，２２（圧縮手段）と、遠心圧縮機２１，２２が備えるインペラ２１ａ，２２ａに回転動力を供給するモータ２３（駆動手段）と、ガスの流れ方向に対して上流側に位置する遠心圧縮機２１（以下、第１遠心圧縮機２１と称する）から排出されるガスを冷却するインタクーラ２４と、ガスの流れ方向に対して下流側に位置する遠心圧縮機２２（以下、第２遠心圧縮機２２と称する）から排出されるガスを冷却するアフタクーラ２５とを備えている。

第１遠心圧縮機２１及び第２遠心圧縮機２２は、吸入するガスを圧縮して排出するものである。図２は、第１遠心圧縮機２１及び第２遠心圧縮機２２の概略構成を説明するための断面図である。なお、第１遠心圧縮機２１と第２遠心圧縮機２２とは、同一の構成を有しているため、図２においては、単一の遠心圧縮機を示している。また図２において、括弧なしの符号が第１遠心圧縮機２１に対応し、括弧つきの符号が第２遠心圧縮機２２に対応している。

図２に示すように、遠心圧縮機２１（２２）は、一側が開口しかつ内方周縁近傍部分に周方向に延びるスクロール流路２１ｂ（２２ｂ）を有するケーシング本体２１ｃ（２２ｃ）と、スクロール流路２１ｂ（２２ｂ）に連なるようにケーシング本体２１ｃ（２２ｃ）の所定箇所に設けたガス吐出管２１ｄ（２２ｄ）と、ケーシング本体２１ｃ（２２ｃ）の他側壁部中央に設けたシール部材２１ｅ（２２ｅ）を回転可能に貫通するロータ軸２１ｆ（２２ｆ）と、ケーシング本体２１ｃ（２２ｃ）の内部中央に位置しかつロータ軸２１ｆ（２２ｆ）に連結されたインペラ２１ａ（２２ａ）と、該インペラ２１ａ（２２ａ）を覆うようにケーシング本体２１ｃ（２２ｃ）の開口部分に嵌合しかつ外部からインペラ２１ａ（２２ａ）の先端へ向かうガス流入口２１ｇ（２２ｇ）及びインペラ２１ａ（２２ａ）の周縁部からスクロール流路２１ｂ（２２ｂ）へ連なるディフューザ２１ｈ（２２ｈ）を形成する環状のケーシング蓋２１ｉ（２２ｉ）と、ディフューザ２１ｈ（２２ｈ）に周方向に等間隔に配置される多数のディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）とを備えている。

そして、第１遠心圧縮機２１のロータ軸２１ｆと、第２遠心圧縮機２２のロータ軸２２ｆとは、各々が歯車増速機構を介してモータ２３と接続されている。そして、インペラ２１ａ（２２ａ）は、モータ２３の出力に応じた回転速度にて回転する。
また、ディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）は、ケーシング本体２１ｃ（２２ｃ）の内部にインペラ２１ａ（２２ａ）を囲むように設けた凹陥部２１ｋ（２２ｋ）に設置された環状のベーン支持座２１ｌ（２２ｌ）に対して一体的に形成されている。
また、スクロール流路２１ｂ（２２ｂ）の流路断面形状は、ガス吐出管２１ｄ（２２ｄ）に近接するほど大きくなるように形成されている。

さらに遠心圧縮機２１（２２）においては、ケーシング蓋２１ｉ（２２ｉ）には、インペラ２１ａ（２２ａ）とディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）との間に位置するバイパス流路孔２１ｍ（２２ｍ）が複数形成されている。このバイパス流路孔２１ｍ（２２ｍ）は、遠心圧縮機２１（２２）の外部からディフューザ２１ｈ（２２ｈ）のディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）の前縁側へ向かってガスを流すための流路である。なお、バイパス流路孔２１ｍ（２２ｍ）は、インペラ２１ａ（２２ａ）の回転方向に複数形成されている。すなわち、ディフューザ２１ｈ（２２ｈ）と外部とは複数のバイパス流路２１ｍ（２２ｍ）によって接続されている。

このような遠心圧縮機２１（２２）においては、ガス流入口２１ｇ（２２ｇ）から流入したガスに対して、回転駆動されるインペラ２１ａ（２２ａ）によって速度エネルギが付与される。そして、ガスに付与された速度エネルギは、ガスがディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）によって圧力エネルギに変換される。これによってガスが圧縮され、圧縮されたガスは、スクロール流路２１ｂ（２２ｂ）を介して遠心圧縮機２１（２２）の外部に排出される。そして、バイパス流路孔２１ｍ（２２ｍ）を介して流入するガスは、インペラ２１ａ（２２ａ）に供給されることなく、インペラ２１ａ（２２ａ）によって速度エネルギが付与されたガスと共にディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）に供給される。

なお、図１においては、便宜上、ディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）及びスクロール流路２１ｂ（２２ｂ）をインペラ２１ａ（２２ａ）の片方側にしか図示していないが、実際には、全周に亘って存在している。そして、バイパス流路孔２１ｍ（２２ｍ）は、インペラ２１ａ（２２ａ）と全周に亘って存在するディフューザベーン２１ｊ（２２ｊ）との間に等間隔で形成されており、各バイパス流路孔２１ｍ（２２ｍ）に対してガスが均等に供給される構成となっている。

図１に戻り、モータ２３は、インペラ２１ａ及びインペラ２２ａと接続されており、インペラ２１ａとインペラ２２ａとは一定の回転数にて回転駆動させる。このようなモータ２３としては、例えば誘導モータを用いることができる。

第１循環供給制御バルブ３は、ガス圧縮部２から排出されたガスの一部あるいは全部を第１遠心圧縮機２１のバイパス流路孔２１ｍ（すなわち、インペラ２１ａとディフューザベーン２１ｊとの間）に循環供給可能とするためのものである。
この第１循環供給制御バルブ３は、制御装置８によって開度が制御可能とされている。そして、第１循環供給制御バルブ３の開度が調整されることによって、バイパス流路孔２１ｍに供給されるガスの流量が調整される。

第２循環供給制御バルブ４は、ガス圧縮部２から排出されたガスの一部あるいは全部を第２遠心圧縮機２２のバイパス流路孔２２ｍ（すなわち、インペラ２２ａとディフューザベーン２２ｊとの間）に循環供給可能とするためのものである。
この第２循環供給制御バルブ４は、制御装置８によって開度が制御可能とされている。そして、第２循環供給制御バルブ４の開度が調整されることによって、バイパス流路孔２２ｍに供給されるガスの流量が調整される。

排気制御バルブ５は、ガス圧縮部２から排出されたガスの一部あるいは全部をターボ圧縮装置Ｓの外部に排気するためのものであり、制御装置８によって開閉が制御可能とされている。

流量検出器６は、ガス圧縮部２から排出されたガスの流量を計測する計測器と、該計測器の計測結果を、ガス圧縮部２から排出されたガスの流量（すなわち、第２遠心圧縮機２２から排出されたガスの流量）を示す信号として出力する発信器とを有する。
圧力検出器７は、ガス圧縮部２から排出されたガスの圧力（すなわち、第２遠心圧縮機２２から排出されたガスの圧力）を計測する計測器と、該計測器の計測結果を、ガス圧縮部２から排出されたガスの圧力を示す信号として出力する発信器とを有する。

制御装置８は、インレットガイドベーン１（あるいはバタフライバルブ）、ガス圧縮部２のモータ２３、第１循環供給制御バルブ３、第２循環供給制御バルブ４、排気制御バルブ５、流量検出器６及び圧力検出器７と電気的に接続されている。

このような本実施形態のターボ圧縮装置Ｓにおいては、外部からフィルタＦ等を介して吸入されたガスがガス圧縮部２によって圧縮されて排出される。そして、ガス圧縮部２から排出されたガスのうち、第１循環供給制御バルブ３を介して第１遠心圧縮機２１に供給されるガスと、第２循環供給制御バルブ４を介して第２遠心圧縮機２２に供給されるガスと、排気制御バルブ５を介して外部に排気されるガスとを除いたガスが、需要先の装置に供給される。

そして、制御装置８は、まず圧力検出器７の検出結果と予め定められた設定値とを比較して、インレットガイドベーン１を制御する。
より詳細に説明すると、ガス圧縮部２より後のガスの圧力が予め設定された所望の圧力設定値である場合には、ターボ圧縮装置Ｓから需要先の装置に供給するガスの流量と、需要先の装置が必要とするガスの流量とが等しいことを示す。そして、需要先の装置が必要とするガスの流量が変化した場合には、ターボ圧縮装置Ｓから需要先の装置に供給するガスの流量と、需要先の装置が必要とするガスの流量とのバランスが崩れ、ガス圧縮部２から排出されたガスの圧力が変化する。
このため、制御装置８は、圧力検出器７の検出結果と予め定められた設定値とを比較して、上記所望の圧力となるようにインレットガイドベーン１を制御する。この結果、ターボ圧縮装置Ｓから需要先の装置に供給するガスの流量を、需要先の装置が必要とするガスの流量に合わせることができる。
このようにガス圧縮部２より後のガスの圧力（最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの圧力）は、ターボ圧縮装置Ｓから需要先の装置に供給するガスの流量に関連する。つまり、圧力検出器７の検出結果に基づいてインレットガイドベーン１を制御するということは、ターボ圧縮装置Ｓから需要先の装置に供給するガスの流量に基づいてインレットガイドベーン１を制御することである。

続いて、制御装置８は、圧力検出器７の検出結果が所望の圧力となった場合において、流量検出器６の検出結果から、ガス圧縮部２から排出されるガスの流量を確認する。なお、圧力検出器７の検出結果に加え、流量検出器６の検出結果も用いてインレットガイドベーン１の制御を行っても良い。

なお、インレットガイドベーン１の素早い制御を必要としない場合には、需要先の装置に供給されるガスの流量を直接計測し、当該計測結果を圧力検出器７の検出結果に換えることも可能である。

そして、制御装置８は、インレットガイドベーン１の制御の結果、各遠心圧縮機２１，２２に吸入されるガスの流量が、予め記憶する遠心圧縮機２１，２２におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、第１循環供給制御バルブ３あるいは／及び第２循環供給制御バルブ４を制御することによって、第１遠心圧縮機２１あるいは／及び第２遠心圧縮機２２に、ガス圧縮部２から排出されたガスの一部を循環供給する。
なお、制御装置８は、まず、第２遠心圧縮機２２において、第１遠心圧縮機２１を介して吸入されるガスの流量が、サージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、第２循環供給制御バルブ４を制御して、ガス圧縮部２から排出されたガスの一部を、第２遠心圧縮機２２のインペラ２２ａとディフューザベーン２２ｊとの間（すなわちディフューザ２１ｈ（２２ｈ））に循環供給する。そして、制御装置８は、さらに、第１遠心圧縮機２１において、インレットガイドベーン１を介して吸入されるガスの流量が、サージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、第１循環供給制御バルブ３を制御して、ガス圧縮部２から排出されたガスの一部を、第１遠心圧縮機２１のインペラ２１ａとディフューザベーン２１ｊとの間（すなわちディフューザ２１ｈ（２２ｈ））に循環供給する。
なお、本実施形態のターボ圧縮装置Ｓにおいて、サージング限界に基づいて設定される設定値とは、サージング限界の流量と所定のマージンとを合わせた値である。また、サージング限界の流量とは、各遠心圧縮機Ｓにおいて、サージングが発生しない最小限界のガスの流量を示す。

なお、第１遠心圧縮機２１に吸入されるガスの流量は、インレットガイドベーン１の開度に対応する。また、第２遠心圧縮機２２に吸入されるガスの流量は、インレットガイドベーン１の開度及び第１循環供給制御バルブ３の開度に応じる。そして第１循環供給制御バルブ３の開度は、インレットガイドベーン１の開度に基づいて制御される。このため、遠心圧縮機２１，２２に吸入されるガスの流量は、インレットガイドベーン１の開度に応じて一義的に決定される。

また、制御装置８は、需要先の装置のガスの需要量がゼロである場合には、インレットガイドベーン１を介してのガス圧縮部２におけるガスの吸入を維持しつつ排気制御バルブ５を開放することによって、ガスを外部に排気する。
すなわち、制御装置８は、需要先の装置のガスの需要量がゼロである場合であっても、インレットガイドベーン１を完全に閉塞させることなく、ターボ圧縮装置Ｓの動作を最低限のエネルギ消費にて維持する。

このように構成された本実施形態のターボ圧縮装置Ｓにおいては、外部から吸入されるガスは、インレットガイドベーン１を介してターボ圧縮装置Ｓに吸入し、ガス圧縮部２に吸入される。ガス圧縮部２において、ガスは、第１遠心圧縮機２１において圧縮され、その後インタクーラ２４によって冷却され、さらに第２遠心圧縮機２２において圧縮され、その後アフタクーラ２５によって冷却されて排出される。
ガス圧縮部２から排出されたガスは、第１循環供給制御バルブ３、第２循環供給制御バルブ４及び排気制御バルブ５の開度に応じて分配され、残りが需要先の装置に供給される。
そして、第１循環供給制御バルブ３によって分配されたガスは、必要に応じて第１遠心圧縮機２１のインペラ２１ａとディフューザベーン２１ｊとの間に供給される。また、第２循環供給制御バルブ４によって分配されたガスは、第２遠心圧縮機２２のインペラ２２ａとディフューザベーン２２ｊとの間に供給される。また、排気制御バルブ５によって分配されたガスは、外部に排気される。

次に、このように構成された本実施形態のターボ圧縮装置Ｓの具体的な動作（制御方法）について、図３及び図４を参照して説明する。なお、以下の説明において、（流量％）とは、ガスの重量流量％を示すものであり、インレットガイドベーン１の開度を最大とした場合における各場所での流量を１００流量％とするものである。
また、図３は、需要先の装置に供給するガスの（流量％）に対応付けて、各位置Ａ〜Ｉにおける（流量％）を示す表である。図４は、需要先の装置への需要流量とモータ負荷との関係を示したグラフである。モータのなお、図１に示すように、図３におけるＡがインレットガイドベーン１の上流側位置であり、Ｂがインレットガイドベーン１と第１遠心圧縮機２１との間の位置であり、Ｃが第１遠心圧縮機２１と第２遠心圧縮機２２との間の位置であり、Ｄが第２遠心圧縮機２２の下流側位置であり、Ｅが第２遠心圧縮機２２の下流側位置であって排気制御バルブ５を介して排気されるガスが除かれた後の位置であり、Ｆが第２遠心圧縮機２２の下流側位置であって第１循環供給制御バルブ３及び第２循環供給制御バルブ４側に分離された位置であり、Ｇが排気制御バルブの下流側位置であり、Ｈが第１循環供給制御バルブ３と第１遠心圧縮機２１との間の位置であり、Ｉが第２循環供給制御バルブ４と第２遠心圧縮機２２との間の位置であり、Ｊが需要先の直前の位置である。
また、本実施形態において、第１遠心圧縮機２１のサージング限界に基づく設定値が６０流量％であるものとし、第２遠心圧縮機２２のサージング限界に基づく設定値が７０流量％であるものとする。

まず、需要先の装置の需要流量が１００流量％である場合（すなわち、Ｊにおける流量が１００流量％である場合）には、インレットガイドベーン１の開度は最大とされ、これによってＡ〜Ｄにおける流量は１００流量％となる。そして、制御装置８は、需要先の装置の需要流量が１００流量％である場合には、モータ２３の出力を１００％とすると共に、第１循環供給制御バルブ３、第２循環供給制御バルブ４及び排気制御バルブ５を閉塞した状態に制御する。この結果、Ｅにおける流量が１００流量％、Ｆ〜Ｉにおける流量が０流量％となる。すなわち、需要先の装置の需要流量が１００流量％である場合には、全てのガスが需要先の装置に供給され、第１遠心圧縮機２１、第２遠心圧縮機２２に循環供給されることはない。
そして、需要先の装置の需要流量が１００流量％である場合には、第１遠心圧縮機２１に吸入されるガスの流量及び第２遠心圧縮機２２に供給されるガスの流量が１００流量％となるため、モータ２３の負荷も図４に示すように１００％となる。

需要先の装置の需要流量が７０流量％である場合（すなわち、Ｊにおける流量が７０流量％である場合）には、制御装置８は、インレットガイドベーン１の開度を絞り、Ａにおける流量が７０流量％となるようにする。この場合には、Ｂ〜Ｄにおける流量も７０流量％となる。そして、制御装置８は、需要先の装置の需要流量が７０流量％である場合には、第１循環供給制御バルブ３、第２循環供給制御バルブ４及び排気制御バルブ５を閉塞した状態に制御する。この結果、Ｅにおける流量が７０流量％、Ｆ〜Ｉにおける流量が０流量％となる。すなわち、需要先の装置の需要流量が７０流量％である場合には、全てのガスが需要先の装置に供給され、第１遠心圧縮機２１、第２遠心圧縮機２２に循環供給されることはない。
そして、需要先の装置の需要流量が７０流量％である場合には、第１遠心圧縮機２１に吸入されるガスの流量及び第２遠心圧縮機２２に吸入されるガスの流量が７０流量％となるため、モータ２３の負荷も図４に示すように約７０％となる。

需要先の装置の需要流量が６０流量％である場合（すなわち、Ｊにおける流量が６０流量％である場合）には、制御装置８は、インレットガイドベーン１の開度を絞り、Ａにおける流量が６０流量％となるようにする。この場合には、第２循環供給制御バルブ４が閉められたままであると、第２遠心圧縮機２２へ吸入されるガスの流量が設定値である７０流量％を下回るため、制御装置８は、ガス圧縮部２から排出されたガスのうち１０流量％分が第２遠心圧縮機２２に循環供給されるように第２循環供給制御バルブ４を開放する。なお、第１循環供給制御バルブ３と排気制御バルブ５は閉塞したままである。この結果、Ｂ，Ｃにおける流量が６０流量％、Ｄ，Ｅにおける流量が７０流量％、Ｆ，Ｉにおける流量が１０流量％、Ｇ，Ｈにおける流量が０流量％となる。
そして、第２遠心圧縮機２２においては、ディフューザ２２ｈにおける流量は７０流量％となるため、第２遠心圧縮機２２におけるサージングの発生を抑制することができる。
一方、インペラ２２ａにおける流量及び第１遠心圧縮機２１のインペラ２１ａの流量は６０流量％であるため、モータ２３の負荷を図４に示すように約６０％にまで低減させることができる。

需要先の装置の需要流量が５０流量％である場合（すなわち、Ｊにおける流量が５０流量％である場合）には、制御装置８は、インレットガイドベーン１の開度を絞り、Ａにおける流量が５０流量％となるようにする。この場合には、第１循環供給制御バルブ３及び第２循環供給制御バルブ４が閉められたままであると、第１遠心圧縮機２１及び第２遠心圧縮機２２へ吸入されるガスの流量が各々の設定値である、６０流量％及び７０流量％を下回るため、制御装置８は、ガス圧縮部２から排出されたガスのうち、１０流量％が第１遠心圧縮機２１に、１０流量％分が第２遠心圧縮機２２に循環供給されるように第１循環供給制御バルブ３及び第２循環供給制御バルブ４を開放する。なお、排気制御バルブ５は閉塞したままである。この結果、Ｂにおける流量が５０流量％、Ｃにおける流量が６０流量％、Ｄ，Ｅにおける流量が７０流量％、Ｆにおける流量が２０流量％、Ｇにおける流量が０流量％、Ｈ，Ｉにおける流量が１０流量％となる。
そして、第１遠心圧縮機２１においては、ディフューザ２１ｈにおける流量が６０流量％となり、第２遠心圧縮機２２においては、ディフューザ２２ｈにおける流量は７０流量％となるため、第１遠心圧縮機２１及び第２遠心圧縮機２２におけるサージングの発生を抑制することができる。
一方、インペラ２１ａにおける流量は５０流量％となり、インペラ２２ａにおける流量は６０流量％となるため、モータ２３への負荷は、図４に示すように需要先の装置の需要流量が６０流量％である場合と比較してさらに低減される。

需要先の装置の需要流量が１０流量％である場合（すなわち、Ｊにおける流量が１０流量％である場合）には、制御装置８は、インレットガイドベーン１の開度を絞り、Ａにおける流量が１０流量％となるようにする。この場合には、第１循環供給制御バルブ３及び第２循環供給制御バルブ４が閉められたままであると、第１遠心圧縮機２１及び第２遠心圧縮機２２へ吸入されるガスの流量が各々の設定値である、６０流量％及び７０流量％を下回るため、制御装置８は、ガス圧縮部２から排出されたガスのうち、５０流量％が第１遠心圧縮機２１に、１０流量％分が第２遠心圧縮機２２に循環供給されるように第１循環供給制御バルブ３及び第２循環供給制御バルブ４を開放する。なお、排気制御バルブ５は閉塞したままである。この結果、Ｂにおける流量が１０流量％、Ｃにおける流量が６０流量％、Ｄ，Ｅにおける流量が７０流量％、Ｆにおける流量が６０流量％、Ｇにおける流量が０流量％、Ｈにおける流量が５０流量％、Ｉにおける流量が１０流量％となる。
そして、第１遠心圧縮機２１においては、ディフューザ２１ｈにおける流量が６０流量％となり、第２遠心圧縮機２２においては、ディフューザ２２ｈにおける流量は７０流量％となるため、第１遠心圧縮機２１及び第２遠心圧縮機２２におけるサージングの発生を抑制することができる。
一方、インペラ２１ａにおける流量は１０流量％となり、インペラ２２ａにおける流量は６０流量％であるため、モータ２３への負荷は、図４に示すように需要先の装置の需要流量が５０流量％である場合と比較してさらに低減される。

需要先の装置の需要流量が０流量％である場合（すなわち、Ｊにおける流量が０流量％である場合）には、制御装置８は、需要先の装置の需要流量が１０流量％である場合と同様に、ガス圧縮部２から排出されたガスのうち、５０流量％が第１遠心圧縮機２１に、１０流量％分が第２遠心圧縮機２２に循環供給されるように第１循環供給制御バルブ３及び第２循環供給制御バルブ４を開放する。そして、排気制御バルブ５を介して開放し、モータ２３の出力を１０％に維持する。この結果、Ｂにおける流量が１０流量％、Ｃ，Ｅにおける流量が６０流量％、Ｄにおける流量が７０流量％、Ｆにおける流量が６０流量％、Ｇにおける流量が１０流量％、Ｈにおける流量が５０流量％、Ｉにおける流量が１０流量％となる。

このように本実施形態のターボ圧縮装置Ｓにおいては、最下流に位置する第２遠心圧縮機２２から上流の第１遠心圧縮機２１に向けて段階的にガスの循環供給を開始して行く。

このような本実施形態のターボ圧縮装置及びターボ圧縮装置の制御方法によれば、需要先の装置のガスの需要流量（需要量）に比例して、ターボ圧縮装置Ｓが吸入するガスの流量が制御される。すなわち、需要先の装置のガスの需要流量が減少した場合には、この減少量に応じてターボ圧縮装置Ｓが吸入するガスの流量が低減される。
そして、各遠心圧縮機２１，２２において、吸入されるガスの流量が当該遠心圧縮機２１，２２におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、当該遠心圧縮機２１，２２にガス圧縮部２から排出されたガスの一部が各遠心圧縮機２１，２２のディフューザ２１ｈ，２２ｈに、サージングが抑制されるように循環供給される。
ここで、循環供給されるガスは、インペラ２１ａ，２２ａに供給されることなくディフューザ２１ｈ，２２ｈに流れ込む。このため、インペラ２１ａ，２２ａへの負荷を増加させることなく、ディフューザ２１ｈ，２２ｈに十分な流量のガスを供給することができ、モータへの負荷を増加させることなくサージングの発生を抑制することができる。つまり、第１遠心圧縮機２１に吸入されるガスの流量がどれだけ少ない場合であっても、各遠心圧縮機２１，２２のディフューザ２１ｈ，２２ｈにサージングを抑制可能な流量のガスを流れ込ませることが可能となる。
したがって、本実施形態によれば、ガスの流れ方向に対して直列に複数配列された遠心圧縮機２１，２２によってガスを圧縮するターボ圧縮装置において、遠心圧縮機２１，２２におけるサージングの発生を抑制しつつモータの負荷を十分に低減させることにより、エネルギの消費量を低減させることが可能となる。

また、本実施形態のターボ圧縮装置及びターボ圧縮装置の制御方法によれば、需要先の装置のガスの需要流量がゼロである場合に、ガス圧縮部２におけるガスの吸入を維持すると共に、ガス圧縮部２から排出されたガスの一部（ガス圧縮部２から排出されたガスのうち循環供給されないガス）を需要先の装置へ供給することなく排気する。このため、需要先の装置のガスの需要量がゼロである場合であっても、インレットガイドベーン１を完全に閉塞させることなく、ターボ圧縮装置Ｓの動作を最低限のエネルギ消費にて維持することができる。よって、再度需要先の装置へのガスの供給が必要となった場合にすばやく供給を再開することができる。

また、本実施形態のターボ圧縮装置及びターボ圧縮装置の制御方法によれば、予め制御装置８に記憶される、第１遠心圧縮機２１及び第２遠心圧縮機２２に関する設定値が遠心圧縮機２１，２２におけるサージング限界の流量と所定のマージンを合わせた値であるという構成とした。このため、サージング限界の流量に対して余裕を持った上で、各遠心圧縮機２１，２２に対してガスが循環供給されるため、確実にサージングの発生を抑制させることができる。
また、一般的にガス圧縮部２においては、ガスの流れ方向に対して下流側に位置される遠心圧縮機の方が流量係数が小さいため、先に下流側に位置する遠心圧縮機にガスを循環供給することとなる。しかしながら、例えば、第１遠心圧縮機２１に関する設定値におけるマージンを、第２遠心圧縮機２２に関する設定値におけるマージンよりも大きく設定することによって、各遠心圧縮機２１，２２に対するガスの循環供給を同時に開始することが可能となり、制御を簡素化することが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明に係るガス圧縮装置及びガス圧縮装置の制御方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、ターボ圧縮装置が備える遠心圧縮機が２つの場合について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、遠心圧縮機が３つ以上の場合であっても良い。このような場合には、例えば、各遠心圧縮機に関する上記設定値におけるマージンを適切に設定することによって、いくつかの遠心圧縮機に対して同時にガスを循環供給させる構成を採用しても良い。
遠心圧縮機を３つ備える場合には、具体的には、図５の模式図に示すように、最下流の遠心圧縮機Ｘ３、中流の遠心圧縮機Ｘ２、最上流の遠心圧縮機Ｘ１の順に段階的にガスの循環供給を開始しても良いし、図６の模式図に示すように、最下流の遠心圧縮機Ｘ３及び中流の遠心圧縮機Ｘ２に対して同時に循環供給を開始し、その後最上流の遠心圧縮機Ｘ１に対して循環供給を開始しても良いし、図７の模式図に示すように、最下流の遠心圧縮機Ｘ３に対して循環供給を開始した後、中流の遠心圧縮機Ｘ２及び最上流の遠心圧縮機Ｘ１に対して同時に循環供給を開始しても良い。
なお、最終下流の圧縮段が流量係数が小さくて先にサージに入るゆえ、いずれの場合であっても、先に下流側に位置する遠心圧縮機への循環供給が開始され、その後上流側に位置する遠心圧縮機への循環供給が開始される。

また、上記実施形態においては、流量検出器６によってガス圧縮部２から排出されたガスの流量を直接計測し、当該計測結果に基づいて制御装置８が需要先の装置のガスの需要量を取得する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、流量検出器６に換えてモータ２３の消費電流あるいは消費電力を計測し、これによって間接的にガス圧縮部２から排出されたガスの流量を計測しても良い。このような構成によっても、計測結果に基づいて需要先の装置のガスの需要量を取得することができる。

また、上記実施形態においては、本発明の圧縮手段として遠心圧縮機２１，２２を備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の圧縮手段として軸流圧縮機を用いることもできる。

また、上記実施形態においては、本発明の駆動手段としてモータを備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の駆動手段として、ディーゼルエンジン等のエンジンや、スチームタービン等のタービンを用いることもできる。なお、このような場合には、流量検出器６に換えてエンジンやタービンのトルクを検出することによって需要先の装置のガスの需要量を取得することができる。

また、上記実施形態においては、モータ２３の回転数が一定である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばモータ２３の回転数をガス圧縮部２のガスの吸入量に応じて変化させるようにしても良い。このような場合には、モータ２３としてインバータモータが用いられることが多い。

また、上記実施形態においては、インペラ２１ａ，２２ａの直後にディフューザ２１ｈ，２２ｈが配置される構成を採用したため、ガスをディフューザ２１ｈ，２２ｈに循環供給する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、インペラ２１ａ，２２ａとディフューザ２１ｈ，２２ｈとの間に絞り流路等が存在する場合には、ディフューザ２１ｈ，２２ｈあるいは該ディフューザ２１ｈ，２２ｈとインペラ２１ａ，２２ａとの間（すなわち絞り流路）に循環供給させることができる。

また、本発明は、複数の遠心圧縮機が一軸に多段に配置された、いわゆる一軸多段の多段圧縮機、及び、複数の軸の各軸に歯車増速機構を介して遠心圧縮機が配置された、いわゆる複数軸多段の多段圧縮機に適用することもできる。

また、本発明のガスとしては、例えば空気、窒素、酸素あるいは炭酸ガスを用いることができる。

本発明の一実施形態であるターボ圧縮装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態であるターボ圧縮装置が備える遠心圧縮機の断面図である。 本発明の一実施形態であるターボ圧縮装置における、ガスの流量分布を示す表である。 本発明の一実施形態であるターボ圧縮装置が備えるモータの負荷変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態であるターボ圧縮装置の変形例を示す模式図である。 本発明の一実施形態であるターボ圧縮装置の変形例を示す模式図である。 本発明の一実施形態であるターボ圧縮装置の変形例を示す模式図である。

符号の説明

１……インレットガイドベーン（流量調整手段）、２……ガス圧縮部、２１……第１遠心圧縮機（圧縮手段）、２２……第２遠心圧縮機（圧縮手段）、２３……モータ（駆動手段）、３……第１循環供給制御バルブ（循環供給手段）、４……第２循環供給制御バルブ（循環供給手段）、５……排出バルブ、６……流量検出器（流量検出手段）、７……圧力検出器（圧力検出手段）、８……制御装置（制御手段）、２１ａ，２２ａ……インペラ、２１ｈ，２２ｈ……ディフューザ、Ｓ……ターボ圧縮装置（ガス圧縮装置）

Claims (10)

1. ガスに対して速度エネルギを与えるインペラと、前記速度エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザとを備える圧縮手段をガスの流れ方向に対して直列に複数配列し、複数の前記圧縮手段を介して圧縮されたガスを所定の需要先に供給するガス圧縮装置であって、
   前記インペラに動力を供給する駆動手段と、
   前記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段に吸入されるガスの流量を調整する流量調整手段と、
   前記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの少なくとも一部を、各圧縮手段の前記ディフューザあるいは該ディフューザと前記インペラとの間に循環供給可能な循環供給手段と、
   少なくとも前記駆動手段、前記流量調整手段及び前記循環供給手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記需要先の前記ガスの需要量に応じて前記流量調整手段を制御し、
   各圧縮手段において、吸入される前記ガスの流量が当該圧縮手段におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、前記循環供給手段を制御して当該圧縮手段に前記ガスの一部を循環供給する
   ことを特徴とするガス圧縮装置。
2. 最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの圧力を検出する圧力検出手段と、最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの流量を検出する流量検出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段及び前記流量検出手段のうち、少なくとも前記圧力検出手段の検出結果を前記需要先の前記ガスの需要量として前記流量調整手段の制御を行う
   ことを特徴とする請求項１記載のガス圧縮装置。
3. 前記制御手段は、最下流に位置する圧縮手段から上流の圧縮手段に向けて段階的に前記循環供給手段による前記ガスの循環供給を開始することを特徴とする請求項１または２記載のガス圧縮装置。
4. 前記設定値は、前記圧縮手段におけるサージング限界の流量と所定のマージンを合わせた値であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のガス圧縮装置。
5. 前記制御手段は、前記需要先の前記ガスの需要量がゼロである場合に、前記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段における前記ガスの吸入を維持すると共に、前記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの一部を前記需要先へ供給することなく排気することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のガス圧縮装置。
6. ガスに対して速度エネルギを与えるインペラと、前記速度エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザとを備える圧縮手段をガスの流れ方向に対して直列に複数配列し、複数の前記圧縮手段を介して圧縮されたガスを所定の需要先に供給するガス圧縮装置の制御方法であって、
   前記需要先の前記ガスの需要量に応じて、前記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段に吸入されるガスの流量を調整し、
   各圧縮手段において、吸入される前記ガスの流量が当該圧縮手段におけるサージング限界に基づいて設定される設定値を下回る場合に、前記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの少なくとも一部を、各圧縮手段のディフューザあるいは該前記ディフューザと前記インペラとの間に循環供給する
   ことを特徴とするガス圧縮装置の制御方法。
7. 最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの圧力及び流量を検出し、当該検出結果うち、少なくとも前記圧力を前記需要先の前記ガスの需要量として、最上流に位置する圧縮手段に吸入されるガスの流量を制御することを特徴とする請求項６記載のガス圧縮装置の制御方法。
8. 最下流に位置する圧縮手段から上流の圧縮手段に向けて段階的に前記ガスの循環供給を開始することを特徴とする請求項６または７記載のガス圧縮装置の制御方法。
9. 前記設定値は、前記圧縮手段におけるサージング限界の流量と所定のマージンを合わせた値であることを特徴とする請求項６〜８いずれかに記載のガス圧縮装置の制御方法。
10. 前記需要先の前記ガスの需要量がゼロである場合に、前記ガスの流れ方向に対して最上流に位置する圧縮手段における前記ガスの吸入を維持すると共に、前記ガスの流れ方向に対して最下流に位置する圧縮手段から排出されたガスの一部を前記需要先へ供給することなく排気することを特徴とする請求項６〜９いずれかに記載のガス圧縮装置の制御方法。
    
    
    
    

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