JP5355375B2 - 圧縮機制御装置、圧縮機システム、及び、圧縮機制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機の制御に関する。

遠心圧縮機の多くは、回転数やＩＧＶ（Ｉｎｌｅｔ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅ）の開度などを調節することによって圧縮機を通過する作動流体の流量が制御される。圧縮機にガスを供給する側に制約がある場合のように、流入するガスの全量を圧縮機に流したい場合には、圧縮機の入口側の圧力が一定となるように制御が行われる。圧縮機の下流側のプロセスに基づいて消費されるガス量が決まっている場合には、圧縮機の出口側の圧力が一定となるように制御が行われる。

圧縮機の下流側のプロセスにおいて、機器が停止するなどの原因により、ガスの需要が急減する場合がある。このような場合の制御について、図１のプラント構成を参考例として説明する。遠心圧縮機１０１は、シャフト１０３によって蒸気タービン１０２と同軸に結合される。遠心圧縮機１０１は蒸気タービン１０２が生成するトルクによって駆動される。遠心圧縮機１０１は上流側の配管１０５のガスを取り込んで圧縮し、圧縮されたガスを下流側の配管１０６を介して下流側プロセス１０７に供給する。

回転数検出器１０８はシャフト１０３の回転数を検出する。制御器１０９は、検出された回転数に基づいて、シャフト１０３の回転数が設定値に近づくように、蒸気タービン１０２の入口側の配管１０４に設けられた弁１１０の開度を制御する。圧力検出器１１１は配管１０５の内部のガスの圧力を検出する。制御器１１２はガスの圧力の検出値に基づいて制御器１０９の設定値を調整し、制御器１０９によって弁１１０の開度が制御される。

圧縮機１０１の下流側には、下流側プロセス１０７におけるガスの需要が急減した場合にガスを逃がす機構が設けられる。圧力検出器１２１は出口側の配管１０６の内部のガスの圧力を検出する。配管１０６には、その内部のガスを大気中など系の外部に逃がすためのガス放出弁１２０が設けられる。制御器１２２は、圧力の検出値が第１の所定値を上回るとガス放出弁１２０を開けてガスを逃がす。配管１０６には更に、安全弁１２３が設けられる。安全弁１２３は、配管１０６の圧力が第１の所定値よりも高い値に設定された第２の所定値を上回って異常に上昇すると、その圧力によって駆動されて開き、配管１０６のガスを外部に逃がす。

特許文献１は、圧縮機に接続された配管の圧力上昇時における制御方法の一例を示す。この文献には、圧縮機出口側の圧力が上昇した際に、放出弁を開いて圧力上昇を抑える技術が記載されている。

特開２００６−１６１７５４号公報

図１に例示したような圧縮機システムの構成では、出口側の圧力が大きくなると、遠心圧縮機１０１で圧縮されたガスがガス放出弁１２０や安全弁１２３から放出される。例えば２００ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ程度の高圧ガスを放出する場合には、騒音の抑制やガスの凝固の防止のためにガスを減圧することが求められる。そのため減圧設備を設置することが必要となる。

更に、本願の発明者は、出口側からのガス放出を開始しても、圧縮機の負荷が変わらなければ、放出するガス流量を圧縮するためのエネルギーが有効に利用されないという点に着目した。

本発明の目的は、遠心圧縮機の出口側の圧力が急増した場合に、放出ガスの減圧設備を不要とする又は簡易な設備とすることを可能とする技術を提供することである。
本発明の他の目的は、遠心圧縮機の出口側の圧力が急増した場合に、エネルギーロスを抑えつつ圧力を下げる技術を提供することである。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の一側面において、圧縮機制御装置は、遠心圧縮機（１）の出口側配管（６）における気体の圧力を検出することにより出口側圧力検出値を生成する出口側圧力検出器（１４）と、出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに遠心圧縮機（１）の負荷を下げる制御を行う制御部（１５）（第一制御部）とを備え、圧縮機制御装置の制御部（１５）は、出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに、遠心圧縮機（１）に気体を供給する入口側配管（５）の内部の気体を外部に逃がすように設けられた入口側弁（１３）の開度を上げ、更に、入口側配管（５）の内部の気体の圧力を検出することにより入口側圧力検出値を生成する入口側圧力検出器（１１）を備える。制御部（２１、２２）（第二制御部）は、入口側圧力検出値と出口側圧力検出値との内で、より大きい値が所定の基準を上回ったときに入口側弁（１３）の開度を上げる。

本発明の更に他の側面において、制御部（２１、２２）は、遠心圧縮機（１）の起動時に、入口側配管（５）に供給された気体を逃がすために入口側弁（１３）の開度を上げる。

本発明の更に他の側面において、制御部（１５）は、出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに遠心圧縮機（１）の負荷を下げるように負荷設定値を生成する。

本発明の更に他の側面において、圧縮機制御装置は更に、入口側配管（５）の内部の気体の圧力を検出することにより入口側圧力検出値を生成する入口側圧力検出器（１１）を備える。制御部（１２、３１）は、入口側圧力検出値と出口側圧力検出値との内で、より小さい値が所定の基準を上回ったときに、遠心圧縮機（１）の負荷を下げるように負荷設定値を生成する。

本発明の一側面における圧縮機システムは、本発明による圧縮機制御装置と、その圧縮機制御装置によって制御される遠心圧縮機（１）とを備える。

本発明の一側面における圧縮機制御方法は、遠心圧縮機（１）の出口側配管（６）における気体の圧力を検出することにより出口側圧力検出値を生成する工程と、出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに遠心圧縮機（１）の負荷を下げる制御を行う工程とを有する。

本発明により、遠心圧縮機の出口側の圧力が急増した場合に、放出ガスの減圧設備を不要とする又は簡易な設備とすることを可能とする技術が提供される。
更に本発明により、遠心圧縮機の出口側の圧力が急増した場合に、エネルギーロスを抑えつつ圧力を下げる技術が提供される。

図１は、第１参考例における圧縮機システムを示す。 図２は、第２参考例における圧縮機システムを示す。 図３は、実施形態における圧縮機システムを示す。 図４は、第３参考例における圧縮機システムを示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２参考例における圧縮機システムを示す。遠心圧縮機１はシャフト３によって蒸気タービン２と結合される。蒸気タービン２は、配管４から流入する作動流体によって駆動され、シャフト３を中心とするトルクを生成する。遠心圧縮機１はそのトルクによって駆動される。

遠心圧縮機１は入口側の配管５のガスを吸い込んで圧縮することにより圧縮ガスを生成する。圧縮ガスは、遠心圧縮機１の出口側の配管６を介して下流側プロセス７に供給される。出口側の配管６には、図示は省力されているが、図１に示したガス放出弁１２０、圧力検出器１２１、制御器１２２及び安全弁１２３が設けられる。

蒸気タービン２の入口側の配管４には、作動流体の流量を制御するための弁１０が設けられる。回転数検出器８は、シャフト３の回転数を検出することにより回転数検出値を生成する。シャフト３の回転速度を制御する制御器９は、回転数検出値に基づいて、シャフト３の回転数（又はそれに対応する軸出力）が設定値に近づくように弁１０の開度指令値を生成して弁１０を制御する。

圧縮機システムは、圧縮機制御装置を備える。本第２参考例における圧縮機制御装置は、入口側の圧力検出器１１と、弁１３と、出口側の圧力検出器１４と、制御部とを備える。制御部は制御器１２と制御器１５を備える。圧力検出器１１は、遠心圧縮機１の入口側の配管５の内部を流れるガスの圧力を検出することにより入口側圧力検出値を生成する。
入口側圧力を制御するために設けられた制御器１２は、出口側圧力検出値に基づいて制御器９の設定値を調整する。制御器９は弁１０の開度指令値を生成して弁１０を制御する。

遠心圧縮機１の入口側の配管５に、配管５の内部を流れるガスを系の外部に放出するための弁１３が設けられる。遠心圧縮機１の出口側の配管６に、配管６の内部を流れるガスの圧力を検出して出口側圧力検出値を生成する圧力検出器１４が配置される。制御器１５は所定の基準を記憶し、出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったとき、弁１３の開度指令値を生成して入口側弁の開度を上げる。この場合の開度指令値は、例えば予め設定された所定値である。この入口側弁の開度を上げる制御により、遠心圧縮機１の入口側の低圧のガスが系の外部に放出される。その結果、遠心圧縮機１に供給されるガス流量が低下し、下流側の配管６の圧力が抑制される。

弁１３からガスが放出されることにより、圧縮機１の入口側の圧力が低下する。圧力検出器１１が生成する入口側圧力検出値が所定の基準を下回ると、制御器１２は弁１０の開度を下げるように開度指令値を生成する。この制御は、入口側圧力検出値が所定の圧力まで低下することを目標として行われる。その結果、シャフト３の回転数が低下し、遠心圧縮機１の負荷が低下する。更に、遠心圧縮機１に供給されるガスの流量が低下することにより、出口側の配管６の圧力の上昇が抑制される。

このような制御により、以下のような効果が得られる。下流側プロセス７でのガスの需要が急減した場合など配管６の圧力が急増した場合に、本第２参考例では、第１参考例のように遠心圧縮機１の出口側のガスを放出する場合に比べて、入口側のガスが放出される。そのため放出するガスを減圧するための設備が不要であるか、より簡易な設備とすることができる。更に、入口側のガスを放出することにより、遠心圧縮機１を通過するガス流量を減らすことができる。そのため負荷を下げ、エネルギーロスを減らすことができる。

図３は、本発明の実施形態における圧縮機システムを示す。本実施形態における圧縮機システムは、第２参考例に比べて、圧力検出器２０と制御器２１と高値選択器２２とを備える。圧力検出器２０は遠心圧縮機１の入口側の配管５の内部を流れるガスの圧力を検出して入口側圧力検出値を生成する。制御器２１は、入口側圧力検出値が所定値を上回っている場合、配管５の圧力がその所定値以下となるように弁１３を開けるための開度指令値を生成する。

高値選択器２２は、制御器１５が生成する開度指令値と制御器２１が生成する開度指令値とのうちの値が大きい方を選択する。選択された値は、弁１３を制御するための開度指令値として用いられる。

このような圧縮機システムは、次のように動作する。圧縮機システムの起動時、遠心圧縮機１の回転数が徐々に上がる。起動の初期において、配管５に供給されるガスの全量を遠心圧縮機１が吸収できない場合がある。このような場合、配管５の圧力が上昇する。その圧力が所定値を上回ると、制御器２１が生成した開度指令値が高値選択器２２によって選択されて弁１３の開度が上げられる。その結果、配管５の内部の余剰なガスは弁１３から放出される。遠心圧縮機１の回転数が上昇して配管５のガスを充分に吸収できるようになると、制御器２１は弁１３を閉めるように制御指令値を生成する。起動時には通常、出口側の配管６の圧力はあまり高くないため、制御器１５も弁１３を閉じるように制御指令値を生成し、高値選択器２２は弁１３を閉じる制御指令値を出力する。

下流側プロセス７のガスの需要が急減した場合など、出口側の配管６の圧力が急増した場合は、制御器１５が生成した開度指令値が高値選択器２２によって選択されることにより、第２参考例と同様の制御が行われる。本実施形態によれば、起動時における入口側の配管５の過剰なガスの放出と、運転中に出口側の配管６の圧力が急増したときの過剰なガスの放出とを共通の弁１３と制御部によって放出することができる。

図４は、第３参考例における圧縮機システムを示す。本第３参考例における圧縮機システムは、第２参考例と比べて更に、低値選択器３１を備える。

制御器１５は、予め所定の基準を記憶し、圧力検出器１４が検出した配管６の圧力検出値がその所定の基準を上回ったとき、制御器９の設定値を生成して、シャフト３の設定値を下げる。一方、制御器１２は実施形態と同様の設定値指令値を生成する。制御器１２の設定指令値は、遠心圧縮機１の負荷を制御するための設定量である。低値選択器３１は、制御器１２の設定値指令と制御器１５の設定値指令との内のより値が小さい方を選択する。選択された設定値指令は制御器９に送られる。通常時は低値選択器３１で制御器１２の設定値指令が選択され、制御器９は、その指令値と回転数検出器８の検出値に基づいて弁１０を制御している。出口側配管の圧力が所定の基準を上回って、制御器１５の設定値指令を生成すると、低値選択器３１では制御器１５の設定値指令が選択され、制御器９は弁１０の開度を下げるように制御する。このような制御により、下流側プロセス７でのガスの需要が急減した場合など配管６の圧力が急増した場合に、早期に遠心圧縮機１の負荷を低下させることができる。その結果、エネルギーロスを抑制することができる。また、このような制御を、第２参考例、実施形態における制御と併用することも可能である。

遠心圧縮機１の出口側の配管６の圧力が所定の基準を上回ったとき、第２参考例と同様に入口側の配管５からガスが系の外部に放出される。ガスの放出と並行して、制御器３０により遠心圧縮機１の負荷を低下させる制御が実行される。そのためガスの放出時に、第２参考例と比べて早期に遠心圧縮機１の負荷を低下させることができる。

１ 遠心圧縮機
２ 蒸気タービン
３ シャフト
４ 配管
５ 配管
６ 配管
７ 下流側プロセス
８ 回転数検出器
９ 制御器
１０ 弁
１１ 圧力検出器
１２ 制御器
１３ 弁
１４ 圧力検出器
１５ 制御器
２０ 圧力検出器
２１ 制御器
２２ 高値選択器
３０ 制御器
３１ 低値選択器
１０１ 遠心圧縮機
１０２ 蒸気タービン
１０３ シャフト
１０４ 配管
１０５ 配管
１０６ 配管
１０７ 下流側プロセス
１０８ 回転数検出器
１０９ 制御器
１１０ 弁
１１１ 圧力検出器
１１２ 制御器
１２０ ガス放出弁
１２１ 圧力検出器
１２２ 制御器
１２３ 安全弁

Claims (7)

1. 遠心圧縮機の出口側配管における気体の圧力を検出することにより出口側圧力検出値を生成する出口側圧力検出器と、
   前記出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに前記遠心圧縮機の負荷を下げる制御を行う第一制御部と、を具備し
   前記第一制御部は、前記出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに、前記遠心圧縮機に気体を供給する入口側配管の内部の気体を外部に逃がすように設けられた入口側弁の開度を上げ、
   更に、前記入口側配管の内部の気体の圧力を検出することにより入口側圧力検出値を生成する入口側圧力検出器と、
   前記入口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに、前記遠心圧縮機に気体を供給する入口側配管の内部の気体を外部に逃がすように設けられた入口弁の開度を上げるように制御を行う第二制御部と、を具備し、
   前記出口側圧力検出値に基づき前記第一制御部が入口弁開度を上げるように生成した値と入口側圧力検出値に基づき前記第二制御部が入口弁開度を上げるように生成した値との内で、より大きい値が選択され、前記入口側弁の開度を上げる圧縮機制御装置。
2. 請求項１に記載された圧縮機制御装置であって、
   前記第二制御部は、前記遠心圧縮機の起動時に、前記入口側配管に供給された気体を逃がすために前記入口側弁の開度を上げる圧縮機制御装置。
3. 請求項１又は２に記載された圧縮機制御装置であって、
   前記第一制御部は、前記出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに前記遠心圧縮機の負荷を下げるように負荷設定値を生成する圧縮機制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載された圧縮機制御装置と、
   前記圧縮機制御装置によって制御される前記遠心圧縮機と、を具備する圧縮機システム。
5. 遠心圧縮機の出口側配管における気体の圧力を検出することにより出口側圧力検出値を生成する工程と、
   前記出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに前記遠心圧縮機の負荷を下げる制御を行う工程と、を有し、
   前記負荷を下げる制御を行う工程は、
   前記出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに、前記遠心圧縮機に気体を供給する入口側配管の内部の気体を外部に逃がすように設けられた入口側弁の開度を上げる工程を有し、
   更に、前記入口側配管の内部の気体の圧力を検出することにより入口側圧力検出値を生成する工程と、
   前記入口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに、前記遠心圧縮機に気体を供給する入口側配管の内部の気体を外部に逃がすように設けられた入口弁の開度を上げるように制御を行う工程と、
   前記出口側圧力検出値に基づき第一制御部が入口弁開度を上げるように生成した値と入口側圧力検出値に基づき第二制御部が入口弁開度を上げるように生成した値との内で、より大きい値が選択され、前記入口側弁の開度を上げる工程と、を有する圧縮機制御方法。
6. 請求項５に記載された圧縮機制御方法であって、
   更に、前記遠心圧縮機の起動時に、前記入口側配管に供給された気体を逃がすために前記入口側弁の開度を上げる工程を有する圧縮機制御方法。
7. 請求項５又は６に記載された圧縮機制御方法であって、
   更に、前記出口側圧力検出値が所定の基準を上回ったときに前記遠心圧縮機の負荷を下げるように負荷設定値を生成する工程を有する圧縮機制御方法。

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