JPH0418157B2

JPH0418157B2 -

Info

Publication number: JPH0418157B2
Application number: JP6270487A
Authority: JP
Inventors: Yoshiteru Fukao; Fumitada Kano; Junpei Ikeda; Hiroshi Terai
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1987-03-19
Publication date: 1992-03-26
Also published as: JPS63230997A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、酸素製造プラントや各種プラントに
おいて用いられる原料空気圧縮機，工場空気源用
圧縮機，化学プラント用ガス圧縮機の遠心圧縮機
の容量，圧力を制御するための装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

一般に、酸素製造プラントや各種プラントにお
ける遠心圧縮機としては多段構成のものが用いら
れている。このような多段遠心圧縮機において、
第９図に示すように、遠心圧縮機１は、駆動機２
からの回転を増速する動力伝達歯車３によつて駆
動される第１段目圧縮機４，第２段目圧縮機５，
第３段目圧縮機６および第４段目圧縮機７をそな
えるとともに、圧縮機４，５間に中間冷却器８
を、圧縮機５，６間に中間冷却器９を、また圧縮
機６，７間に中間冷却器１０をそなえて構成され
ている。なお、圧縮機４と５および圧縮機６と７
はそれぞれ同一軸端にオーバハングされている。

このような遠心圧縮機１においては、第１段目
の圧縮機４に吸い込まれた空気は、各圧縮機５〜
７および中間冷却器８〜１０によつて順次圧縮お
よび冷却され、第４段目の圧縮機７からプロセス
に送出されるようになつている。

そして、各段の圧縮機４〜７の入口側には、角
度可変式の入口ガイドベーン（GV）１１〜１４
が設けられ、これらの入口ガイドベーン１１〜１
４の角度を調整することにより、各圧縮機４〜７
に流入する空気容量を調整できるようになつてい
る。また、各段の圧縮機４〜７の出口側には、デ
イフユーザベーン（DV）１５〜１８が設けられ
ており、これらのデイフユーザベーン１５〜１８
の角度を調整することによつて、各圧縮機４〜７
から流出する空気容量を調整できるようになつて
いる。

これらの入口ガイドベーン１１〜１４およびデ
イフユーザベーン１５〜１８の角度は、それぞれ
駆動装置１９によつて任意の値に調整される。

さらに、この遠心圧縮機１全体もしくは各段の
圧縮機４〜７の運転状態、例えば、空気流量，温
度，圧力等の運転状態量は、それぞれ、流量セン
サ２０，温度センサ２１，圧力センサ２２などの
検出手段によつて検出される。そして、各センサ
２０〜２２と駆動装置１９との間には、制御装置
２３が設けられている。

上述のような多段遠心圧縮機を、各種の運転条
件に応じ常に所定の空気容量（流量）を最適運転
効率で得られるよう制御すべく、従来、第１０図
に示すような制御手段が開示されている（特開昭
55−60692号公報）。この制御手段においては、遠
心圧縮機１全体もしくは各段の圧縮機４〜７にお
ける空気流量，温度，圧力等によつて表した各種
の運転状態に対して最適運転状態を実現するため
の操作量として、各段の入口ガイドベーン１１〜
１４およびデイフユーザベーン１５〜１８の角度
の最適な組合せ値を、予め制御装置２３内の記憶
部にプログラムして記憶させておく（ステツプ
S0）。

そして、第１０図に示すように、制御装置２３
は、センサ２０〜２２から状態検出値を受ける
と、その検出値から現在の多段遠心圧縮機の運転
状態を演算して監視する（ステツプS1）ととも
に、その運転状態に対応し、予め決定しておいた
操作プログラム（ベーン角度の合せ値）照合し最
適運転効率実現できるような操作量求めて、この
操作量を駆動装置１９に出力する（ステツプ
S2）。

この後、センサ２０〜２２からの状態検出値を
もとに演算される運転状態が予め求めれた最適運
転効率状態であるか否か判定される（ステツプ
S3）。最適運転効率状態であると判定されると、
その時点で制御を終了し選択された操作プログラ
ムでのベーン角度を維持する一方、その運転状態
が最適状態ではないと判定されると、選択された
操作プログラムによる制御出力（ベーン角度）を
修正して出力しなおし（ステツプS4）、状態検出
値から効率が向上したか否かを判定する（ステツ
プS5）。

このようにして、各段の運転状態をフイードバ
ツクせしめ、予めプログラムされた各段の入口ガ
イドベーン１１〜１４およびデイフユーザベーン
１５〜１８の角度の組合せが最適が否かを監視
し、経年変化や性能変化等の運転状態の変化に対
応して常時最適運転効率が得られるように、操作
プログラムにおけるベーン角度の組合せを修正す
る制御が行なわれる（ステツプS6）。

ところで、多段遠心圧縮機を、各種の運転条件
に応じ常に所定の空気容量を最適運転効率で得ら
れるように制御するために、上述のごとく入口ガ
イドベーン１１〜１４およびデイフユーザベーン
１５〜１８の角度を制御する手段のほかに、従
来、第１１図に示すような制御手段も開示されて
いる（特開昭56−66490号公報）。この制御手段
は、入口ガイドベーン１１〜１４およびデイフユ
ーザベーン１５〜１８の角度を制御する代わり
に、入口ガイドベーン１１（第９図参照）の角度
と駆動機２（第９図参照）の回転数とを制御する
もので、第１１図に示すように、入口ガイドベー
ン１１のみの角度を調整する駆動装置１９Ａと、
駆動機２の回転数を検出するための回転数センサ
２４と、駆動機２の回転数を制御するための駆動
機制御装置２５とがそなえられている。そして、
遠心圧縮機全体もしくは各段の圧縮機４〜７にお
ける空気流量，温度，圧力等によつて表した各種
の運転状態に対して最適運転状態を実現するため
の操作量として、入口ガイドベーン１１の角度と
駆動機２の回転数との最適な組合せ値の操作表
（吸込流量に対応して、最適な運転効率を得るた
めの入口ガイドベーン１１の角度と駆動機２の回
転数とを与えたもの）を、予め、制御装置２３Ａ
内の記憶部２６にプログラムして記憶させてお
く。

そして、第１１図に示すように、制御装置２３
Ａは、センサ２０〜２２，２４から状態検出値を
受けると、その検出値から現在の多段遠心圧縮機
の運転状態（運転条件や吸込流量など）を演算し
て監視する（ステツプT1）とともに、その運転
状態に対応し、特に運転条件の変化によつて吸込
流量が変化した場合、記憶部２６における操作表
に基づいて、最適運転効率を実現できるような操
作量が求められ、その操作量が駆動装置１９Ａお
よび駆動機制御装置２５に出力される。

即ち、現時点における駆動機２および入口ガイ
ドベーン１１の操作状態が、記憶部２６における
操作表と比較され（ステツプT2）、その比較結果
から最適運転効率状態であるか否かが判定される
（ステツプT3）。

このとき、最適運転効率状態であると判定され
れば、その時点で制御を終了し操作状態（ベーン
角度および回転数）を維持する一方、最適運転効
率状態ではないと判定されると、入口ガイドベー
ン１１の角度および駆動機２の回転数が、操作表
に基づいて修正された後、得られた操作量が駆動
装置１９Ａおよび駆動機制御装置２５に出力され
る（ステツプT4）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述のような従来の遠心圧縮機
の制御手段では、入口ガイドベーン１１〜１４の
角度とデイフユーザベーン１５〜１８の角度との
組合せ、または、入口ガイドベーン１１の角度と
駆動機２の回転数との組合せにより、予め設定さ
れた操作プログラムまたは操作表に基づいてデイ
スクリートな操作量による制御しか行なえないの
で、特に流量制御を行なうに際しては、流量制御
範囲が広く、且つ、運転効率の高い制御をするこ
とができない（第８図参照）という問題点があ
る。

そこで、入口ガイドベーン１１〜１４の角度，
デイフユーザベーン１５〜１８の角度および駆動
機２の回転数を同時に制御することも考えられる
が、この場合、制御要素が多くなり過ぎ、実際に
制御を実現するのは困難である。

本発明は、このような問題点の解決をはかろう
とするもので、駆動機の回転数制御と入口ガイド
ベーンおよびデイフユーザベーンの角度制御とを
適宜選択して行なうことにより、広い流量範囲に
亘り極めて高い運転効率で流量制御を行なえるよ
うにした遠心圧縮機の制御装置を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

このため、本発明の遠心圧縮機の制御装置は、
圧縮機回転数を検出する圧縮機検出手段と、上記
遠心圧縮機における流量，効率等の運転状態を検
出する運転状態検出手段と、上記遠心圧縮機の回
転数を制御する圧縮機制御手段と、上記の入口ガ
イドベーンおよびデイフユーザベーンの角度をそ
れぞれ制御するベーン角度制御手段とをそなえ、
流量制御において上記遠心圧縮機における流量お
よび効率をそれぞれ目標流量および最適効率点と
すべく、上記の回転数検出手段および運転状態検
出手段からの検出信号に基づいて上記の回転数制
御手段とベーン角度制御手段とを適宜選択する選
択制御手段を設けたものである。

〔作用〕

上述の本発明の遠心圧縮機の制御装置では、回
転数検出手段および運転状態検出手段からの検出
信号に基づき選択制御手段により回転数制御手段
とベーン角度制御手段とを適宜選択して制御モー
ドを切り替えることによつて、流量制御におい
て、効率を最適なものとしながら遠心圧縮機にお
ける流量が目標流量となるように制御される。

〔発明の実施例〕

以下、図面により本発明の一実施例としての遠
心圧縮機の制御装置について説明すると、第１図
はそのブロツク図であり、この第１図において、
第９，１１図中の符号と同一のもはほぼ同様の部
分を示しているので、その説明は省略する。ただ
し、第１図における本実施例の制御装置が適用さ
れる多段遠心圧縮機では、圧縮機４〜７が全て同
一軸上に配列され動力伝達歯車３が省略されてい
る点が、第９図における多段遠心圧縮機と異なつ
ているが、第９図における多段遠心圧縮機にも本
装置を適用することができる。

第１図に示すように、本実施例では、入口ガイ
ドベーン（GV）１１〜１４はそれぞれ入口ガイ
ドベーン駆動装置１９ａ〜１９ｄにより駆動され
るとともに、デイフユーザベーン（DV）１５〜
１８はそれぞれデイフユーザベーン駆動装置１９
ｅ〜１９ｈにより駆動されるようになつている。
また、センサとしては、運転状態検出手段として
の流量センサ２０，温度センサ２１，圧力センサ
２２のほかに、圧縮機回転数を検出する回転数検
出手段としての回転数センサ２４と、湿度センサ
２７とが設けられている。

そして、センサ２０〜２２，２４，２７からの
検出信号は、すべて制御装置２８へ入力されるよ
うになつている。この制御装置２８は、遠心圧縮
機１の回転数を制御すべく駆動機２への制御信号
を演算して出力する回転数制御手段としての回転
数制御演算部２９と、入口ガイドベーン１１〜１
４およびデイフユーザベーン１５〜１８の角度を
それぞれ制御すべく各駆動装置１９ａ〜１９ｈへ
の制御信号を演算して出力するベーン角度制御手
段としてのベーン角度制御演算部３０と、２段階
制御手段，流量減量時制御モード切替手段かつ流
量増量時制御モード切替手段としての機能を有す
る選択制御手段としての中央制御演算部３１と、
同中央制御演算部３１に制御指令信号を入力する
ための制御指令入力部３２とから構成されてい
る。

ここで、中央制御演算部３１は、センサ２０〜
２２，２４，２７からの検出信号を受けこれらの
検出信号から多段遠心圧縮機の運転状態を演算し
てこれらの検出信号および運転状態信号を回転数
制御演算部２９およびベーン角度制御演算部３０
へ出力する機能をもつとともに、後述する２段階
制御機能，流量減量時制御モード切替機能，流量
増量時制御モード切替機能および流量一定保持制
御機能をもつている。

即ち、中央制御演算部３１に制御指令入力部３
２から流量の変更要求が入力されている場合に
は、中央制御演算部３１の２段階制御機能によ
り、回転数センサ２４からの圧縮機回転数が設定
値よりも大きいときは、回転数制御演算部２９に
よる駆動機２の回転数制御（１次制御）を行つた
後、ベーン角度制御演算部３０による入口ガイド
ベーン１１〜１４およびデイフユーザベーン１５
〜１８の角度制御（２次制御）が行なわれるよう
になつている。

そして、特に、上記流量の変更要求が減量要求
である場合には、１次制御の回転数制御により上
記圧縮機回転数が設定値になると、中央制御演算
部３１の流量減量時制御モード切替機能により、
この圧縮機回転数を維持しながら、２段階制御機
能になる制御モードからベーン角度制御演算部３
０による入口ガイドベーン１１〜１４およびデイ
フユーザベーン１５〜１８の角度制御モードに切
り替えられるようになつている。ここで、上記圧
縮機回転数の設定値は、回転数制御によつてサー
ジングを生じることなく高効率を得ることのでき
る最小回転数として与えられる。

また、特に、上記流量の変更要求が増量要求で
ある場合には、中央制御演算部３１の流量増量時
制御モード切替機能により、上記圧縮機回転数が
上記設定値であるときはこの圧縮機回転数を維持
しながらベーン角度制御演算部３０によるベーン
角度制御モードとされ、このベーン角度制御モー
ドによつて増量された流量が所定の上限値となる
と、上記２段階制御機能による制御モードに切り
替えられ、回転数制御（１次制御）およびベーン
角度制御（２次制御）が行なわれるようになつて
いる。ここで、上記流量の上限値は、上記最小回
転数の状態でベーン角度制御モードにより得られ
る最大流量として与えられる。

なお、回転数制御演算部２９は、中央制御演算
部３１からの運転状態信号に基づき目標流量に近
づきうる最適の回転数制御量を演算する制御量演
算部２９ａと、この制御量演算部２９ａからの回
転数制御量に基づき実際に圧縮機回転数を制御す
べく駆動機２の操作量を演算する操作量演算部２
９ｂとから構成されている。同様に、ベーン角度
制御演算部３０は、中央制御演算部３１からの運
転状態信号に基づき最適効率状態を保ちながら目
標流量に近づきうる最適のベーン角度制御量を演
算する制御量演算部３０ａと、この制御量演算部
３０ａからのベーン角度制御量に基づき実際に各
ベーン角度を制御すべく駆動装置１９ａ〜１９ｈ
の各操作量を演算する操作量演算部３０ｂとから
構成されている。

次に、本実施例による遠心圧縮機の制御装置の
動作について第２〜８図を用いて説明する。

まず、本実施例の遠心圧縮機１において流量を
変更制御する場合には、制御装置２８の制御指令
入力部３２において目標流量Q_Pが設定され、こ
の目標流量Q_Pが制御信号として中央制御演算部
３１へ入力される。この中央制御演算部３１にお
いては、入力された目標流量Q_Pが現在流量Ｑよ
りも小さければ流量減量要求信号が入力されたと
判断して２段階制御機能または流量減量時制御モ
ード切替機能が動作する一方、入力された目標流
量Q_Pが現在流量Ｑよりも大きければ流量増量要
求信号が入力されたと判断して２段階制御機能ま
たは流量増量時制御モード切替機能が動作する。

流量を減量変更する際には、第２図ａに示すよ
うに、中央制御演算部３１において、上述のごと
く目標流量Ｑから流量減量要求であることを判断
してから（ステツプA1）、回転数センサ２４によ
り検出された圧縮機回転数が予め設定された最小
回転数よりも大きいか否かが判定される（ステツ
プA2）。

そして、上記圧縮機回転数が最小回転数よりも
大きい場合には、中央制御演算部３１からの運転
状態信号をもとに回転数制御演算部２９により駆
動機２の回転数を減少制御し（ステツプA3）、こ
の回転数制御により変更された流量Ｑと、目標流
量Q_Pとの差が回転数制御での流量許容値ΔQ_RPMよ
りも小さいか否かを中央制御演算部３１において
判定する（ステツプA4）。

上記の流量差が流量許容値ΔQ_RPM以上であれば
再びステツプA2における回転数判定に戻る一方、
流量許容値ΔQ_RPMよりも小さければ、その時点で
の駆動機２の回転数つまり圧縮機回転数を固定す
る（ステツプA5：２段階制御機能による１次制
御終了）。そして、制御モードを回転数制御から
入口ガイドベーン１１〜１４およびデイフユーザ
ベーン１５〜１８の角度制御（２段階制御機能に
よる２次制御）に切り替え、このベーン角度制御
により回転数制御よりも細かい流量の調整および
最適効率運転点の探索を行なう（ステツプA6）。

この後、ベーン角度制御により変更された流量
Ｑと、目標流量Q_Pとの差がベーン角度制御での
流量許容値ΔQ_Vよりも小さいか否か、また、その
運転状態が最適効率となつているかどうかが、中
央制御演算部３１において判定される（ステツプ
A7）。

これらの条件が満たされない場合には、再びス
テツプA6におけるベーン角度制御に戻る一方、
上記条件が満たされた場合には、目標流量Q_Pに
到達したと判断して、中央制御演算部３１におけ
る制御モードを、遠心圧縮機１における流量Ｑを
一定の目標流量Q_Pに保持制御する制御モード
（第３図により後述する）の状態に切り替える
（ステツプA8）。

ところで、ステツプA2において圧縮機回転数
が予め設定された最小回転数であると判定された
場合（ステツプA3の回転数減少制御を行なうこ
とにより最小回転数状態となつた場合も含む）に
は、流量減量時制御モード切替機能により、その
後回転数制御を行なうことなく、圧縮機回転数を
最小回転数に維持したまま、ステツプA6のベー
ス角度制御によつて流量制御を行なう制御モード
に切り替える。そして、以下、上述と同様にして
ステツプA7，A8を実行する。

一方、流量を増量変更する際には、第２図ｂに
示すように、中央制御演算部３１において、目標
流量Ｑから流量増量要求であることを判断し（ス
テツプB1）、回転数センサ２４により検出された
圧縮機回転数が予め設定された最小回転数よりも
大きいか否かが判定される（ステツプB2）。

そして、上記圧縮機回転数が最小回転数よりも
大きい場合には、２段階制御機能によつて、中央
制御演算部３１からの運転状態信号をもとに回転
数制御演算部２９により駆動機２の回転数を増加
制御し（ステツプB3）、この回転数制御により変
更された流量Ｑと、目標流量Q_Pとの差が回転数
制御での流量許容値ΔQ_RPMよりも小さいか否かを
中央制御演算部３１において判定する（ステツプ
B4）。

上記の流量差が流量許容値ΔQ_RPM以上であれば
再びステツプB3における回転数増加制御に戻る
一方、流量許容値ΔQ_RPMよりも小さければ、その
時点での駆動機２の回転数つまり圧縮機回転数を
固定する（ステツプB5：２段階制御機能による
１次制御終了）。そして、制御モードを回転数制
御から入口ガイドベーン１１〜１４およびデイフ
ユーザベーン１５〜１８の角度制御に切り替え、
前述した流量減量要求時のフローにおけるステツ
プA6〜A8と全く同様のステツプB6〜B8を実行
する（２段階制御機能による２次制御）。

ところで、ステツプB2において圧縮機回転数
が予め設定された最小回転数であると判定された
場合には、流量増量時制御モード切替機能によ
り、その圧縮機回転数を最小回転数に維持したま
ま、制御モードを入口ガイドベーン１１〜１４お
よびデイフユーザベーン１５〜１８の角度制御に
切り替え、このベーン角度制御により最適効率運
転点にて流量の増量制御を行なう（ステツプ
B9）。

この後、ベーン角度制御により変更された流量
Ｑと、目標流量Q_Pとの差がベーン角度制御での
流量許容値ΔQ_Vよりも小さいか否か、また、その
運転状態が最適効率となつているかどうかが、中
央制御演算部３１において判定される（ステツプ
B10）。これらの条件が満たされない場合には、
その時点での流量Ｑが所定の上限値となつたか否
かを判定する（ステツプB11）。流量Ｑが所定の
上限値となつていない場合には、再びステツプ
B9によるベーン角度制御に戻る一方、流量Ｑが
所定の上限値となつた場合には、中央制御演算部
３１における制御モードを、２段階制御機能によ
る制御モードに切り替え、ステツプB3の実行に
移る。

また、ステツプB10における条件が満たされた
場合には、目標流量Q_Pに到達したと判断して、
中央制御演算部３１における制御モードを、遠心
圧縮機１における流量Ｑを一定の目標流量Q_Pか
つ最適効率運転状態に保持制御する制御モード
（第３図により後述する）の状態に切り替える
（ステツプB8）。

上述のようにして、遠心圧縮機１における流量
Ｑが目標流量Q_Pとなつた後は、前述の通り中央
制御演算部３１における制御モードは流量一定保
持制御モードになる（ステツプA8，B8）。この
流量一定保持制御モードによる制御フローを第３
図により説明する。

第３図に示すように、ステツプA8，B8によ
り、または、制御指令入力部３２からの制御信号
により流量一定保持制御モードとすべく流量一定
保持制御要求を受けると（ステツプＣ１１、中央
制御演算部３１は、流量センサ２０からの検出信
号を常時監視し、大気温度変化等の環境変化に対
して流量Ｑが目標流量Q_Pから変動した場合に、
その流量変動分ΔQ（＝Q_P−Ｑ）を求め、同流量
変動分ΔQの大きさがベーン角度制御での流量許
容値ΔQ_Vよりも小さいか否かを判定する（ステツ
プC2）。この流量変動分ΔQの大きさが流量許容
値ΔQ_Vよりも小さければ再び流量変動監視状態に
戻る一方、流量許容値ΔQ_V以下であれば、入口ガ
イドベーン１１〜１４およびデイフユーザベーン
１５〜１８の角度制御を行なつて（ステツプ
C3）、流動変動分ΔQを修正し流量Ｑが一定の目
標流量Q_Pかつ最適効率運転状態に保持する。

このとき、中央制御演算部３１は、常時、ベー
ン角度制御により修正した流量変動分ΔQを積算
して記憶しておき、その積算値ΣΔQの大きさが
回転数制御での流量許容値ΔQ_RPMよりも小さいか
否かを判定する（ステツプC4）。この積算値ΣΔQ
の大きさが流量許容値ΔQ_RPMよりも小さければ再
びステツプC2による流量変動監視状態に戻る一
方、流量許容値ΔQ_RPM以上であれば、回転数セン
サ２４により検出された現時点での圧縮機回転数
が予め設定された最小回転数よりも大きいか否か
が判定される（ステツプC5）。

そして、上記圧縮機回転数が最小回転数よりも
大きい場合には、回転数制御演算部２９により駆
動機２の回転数を制御し圧縮機回転数を流量許容
値ΔQ_RPMに対応する１ステツプ分制御する。これ
と同時に、入口ガイドベーン１１〜１４およびデ
イフユーザベーン１５〜１８の角度制御を行な
い、流量Ｑを目標流量Q_Pかつ最適効率運転状態
にするとともに、積算値ΣΔQもゼロにリセツト
する（ステツプC6）。

一方、ステツプＣ５において上記圧縮機回転数
が予め設定された最小回転数であると判定された
場合には、積算値ΣΔQの正負を判定し（ステツ
プC7）、この積算値ΣΔQが正であれば、流量Ｑを
増加する方向つまり圧縮機回転数を増加する方向
への回転数制御を行なえばよく、圧縮機回転数を
最小回転数よりも大きくなるように制御すればよ
いので、ステツプC6による回転数制御を行なう。
また、積算値ΣΔQが負であれば、回転数制御を
行なうことなく、そのベーン角度を維持したま
ま、再びステツプC2による流量変動監視状態に
戻る。

このようにして、遠心圧縮機１における流量Ｑ
は、環境変化により変動しても常に一定の目標流
量Q_Pかつ最適効率運転状態に保持されるが、第
３図に示すようなフローに基づく流量一定保持制
御は、特に駆動機２として微小な回転数制御がで
きないガスタービンやスチームタービンを用いる
場合に有効であり、ステツプ的な回転数制御によ
りステツプ的に得られる流量値をより細かなベー
ン角度制御により補間しかつ最適効率運転状態に
制御するものと考えられる。

さて、ここまで、本実施例の遠心圧縮機の制御
装置による大きな３つの制御機能（流量減量変更
制御，流量増量変更制御，流量一定保持制御）に
ついて説明したが、以下に、こらの制御機能を実
現する際に用いられる詳細部分、特にベーン角度
の制御量の決定方法（ステツプA6，B6，B9，
C3）について、第４〜７図により説明する。

本実施例では、４段の遠心圧縮機４〜７をそな
えた多段遠心圧縮機について制御するようにして
いるが、ベーン角度制御に際して各段における入
口ガイドベーン１１〜１４およびデイフユーザベ
ーン１５〜１８を別個独立に制御するとその制御
操作が極めて複雑かつ煩雑となり収束も不安定と
なるので、入口ガイドベーン１１〜１４およびデ
イフユーザベーン１５〜１８の角度を無次元化し
１組の無次元入口ガイドベーン角度αおよび無次
元デイフユーザベーンβで代表して、制御操作の
簡素化をはかつている。

まず、第５図ａ，ｂにより無次元入口ガイドベ
ーン角度αおよび無次元デイフユーザベーンβの
定義および意味について簡単に説明する。一般に
遠心圧縮機の特性として、第５図ａに示すような
流量−吐出圧（Ｑ−Ｐ）曲線がある。遠心圧縮機
が単独であれば、当然、特性曲線は１つだけであ
るので、入口ガイドベーンおよびデイフユーザベ
ーンの角度を無次元化する必要はないが、多段遠
心圧縮機の場合、第５図ｂに示すように、各段の
遠心圧縮機ごとに特性曲線は異なる。

そこで、圧力（吐出圧Ｐ）が装置側抵抗により
ほぼ一定の場合に、各入口ガイドベーン１１〜１
４の角度を、各段の遠心圧縮機４〜７の運転流量
Ｑ１〜Ｑ４が設計流量Q_D（＝Ｑ１）に対して同一
比の相似運転流量となるような１つの無次元入口
ガイドベーン角度αとして表すとともに、各デイ
フユーザベーン１５〜１８も、各段の遠心圧縮機
４〜７の運転流量Ｑ１〜Ｑ４が設計流量Q_D（＝Ｑ
１）に対して同一比の相似運転流量となるような
１つの無次元デイフユーザベーン角度αとして表
す。

即ち、第５図ｂにおいて、デイフユーザベーン
１５〜１８の角度を設計値一定とし各段の圧力比
配分を不変とし、ある段の設計吐出圧P_Dを一定
とすると、各入口ガイドベーン１１〜１４の角度
について流量Ｑ１〜Ｑ４が定まる。これらの設計
流量Q_D（＝Ｑ１）に対する比Ｑ２／Ｑ１（Ｑ３／
Ｑ１，Ｑ４／Ｑ１）が同一となるような各段の入
口ガイドベーン１１〜１４の角度（GV₁〜GV₄）
を、次式(1)のような無次元入口ガイドベーン角度
αとして表す。

α＝K_oα・（α_o／α_op−１） …(1) ここでα_oはｎ段目の入口ガイドベーンの角度、
α_opはｎ段目の入口ガイドベーン基準角度、K_oα
はｎ段目の運転流量が設計流量Q_Dに対して各段
相似運転流量になるように決められるｎ段目の入
口ガイドベーン角度の係数である。

また、この無次元入口ガイドベーン角度αと全
く同様にして、各段のデイフユーザベーン１５〜
１８の角度も、次式(2)のような無次元デイフユー
ザベーン角度βとして表す。

β＝K_oβ・（β_o／β_op−１） …(2) ここで、β_oはｎ段目のデイフユーザベーンの角
度、β_opはｎ段目のデイフユーザベーン基準角度、
K_oβはｎ段目の運転流量が設計流量Q_Dに対して
各段相似運転流量になるように決められるｎ段目
のデイフユーザベーン角度の係数である。

そして、ベーン制御演算部３０の制御量演算部
３０ａにおいて、予め、入口ガイドベーン１１〜
１４およびデイフユーザベーン１５〜１８の角度
を上述のように定義される１組の無次元入口ガイ
ドベーン角度αおよび無次元デイフユーザベーン
βとしてそれぞれ表しておき、この後、第４図に
示すようなフローに従い、これら無次元ベーン角
度α，βにより決まる無次元ベーン角度平面αβ
上においてベーン角度の制御量を決定する（ここ
で説明するベーン角度制御量の決定方法は外挿法
と呼ばれる）。

前述したようにステツプA6，B6，B9，C3に
おいてベーン角度制御モードになると、本実施例
では、ベーン角度制御演算部３０の制御量演算部
３０ａで第４図に示すフローが開始され、まず、
無次元ベーン角度平面αβ上において、第６図ａ
に示すように、現在のベーン位置Ａの近傍に同一
点を含む適当な３点Ａ，Ｂ，Ｃを選択する（ステ
ツプD1）。そして、選択した３点Ａ，Ｂ，Ｃにつ
いて、操作量演算部３０ｂおよび駆動装置１９ａ
〜１９ｈにより、実際に入口ガイドベーン１１〜
１４およびデイフユーザベーン１５〜１８を駆動
し、各点Ａ，Ｂ，Ｃにおける流量Ｑおよび効率η
を実測する（ステツプD2）。ここで、流量Ｑは、
流量センサ２０により検出され中央制御演算部３
１を介して制御量演算部３０ａに入力される一
方、効率ηは、センサ２０〜２２からの検出信号
をもとに中央制御演算部３１において演算されて
から制御量演算部３０ａに入力される。

ステツプD3においては、無次元ベーン角度平
面αβ上で、第１回目の実測点Ａ〜Ｃを取り囲む
ように第１回目の複数（本実施例では９個）の外
挿点〜を展開して設定する。そして、各外挿
点〜における流量および効率を、実測点Ａ〜
Ｃにおける実流量および実効率から予測する（ス
テツプD4）。

つまり、前述したように、流量Ｑおよび効率η
には、回転数ごとに第７図に示すような特性曲面
（流量についてはQ₀＞Q₁＞Q₂＞Q₃＞、効率につ
いてはη₀＞η₁＞η₂＞η₃）があり、３つの実測点Ａ
〜Ｃにおける実流量および実効率から、それぞれ
第７図に示す特性曲面に対応する流量特性曲面お
よび効率特性曲面を、平面近似あるいは曲面近似
により推定する。ついで、この推定された特性曲
面をもとに、各外挿点〜における流量および
効率を予測するのである。

ところで、無次元ベーン角度平面αβ上におい
て、一般に流量Ｑおよび効率ηは、圧縮機回転数
ごとに第７図に示すような傾向（特性曲面：Q₀，
Q₁，Q₂，Q₃は等流量線、η₀，η₁，η₂，η₃は等効
率線）をもつている。特に、図中、流量について
はQ₀＞Q₁＞Q₂＞Q₃の関係があり、ベーン角度
α，βが大きくれば必ず流量は増加するというベ
ーン角度と流量増減との関係があるので、この関
係を予め制御量演算部３０に設定して記憶させて
おき、ステツプD2において実測された流量値の
信頼性の検証をステツプD5，D6により行なう。

即ち、第６図ａに示す第１回目の実測点Ａ〜Ｃ
については上記関係から実測点ＡとＢとでは必ず
点Ｂにおける流量の方が点Ａにおける流量よりも
大きくることが明かであるか、ステツプD2によ
る各実測点Ａ〜Ｃの実計測流量のうち、実測点Ａ
とＢとを予め記憶されている流量増減関係と比較
し（ステツプD5）、その増減関係が逆転している
場合には、比較結果が論理予盾を起こすものであ
ると判定し（ステツプD6）、流量センサ２０によ
る計測誤差が大きいと判断して、この実計測流量
に基づくデータ取り込みをキヤンセルし、再度実
計測流量を求めるべくステツプD2に戻る。また、
上記比較結果が論理予盾を起こすものでないと判
定された場合（ステツプD6）には、次のステツ
プＤ７へ移る。このようにして、実計測流量の信
頼性を検証することにより、制御実行中に計測さ
れた流量の変動や計測上の誤差等のために目標流
量の方向を見失うことなく、ベーン角度制御を行
えるようになる。

そして、ステツプD6において上記比較結果が
論理予盾を起こすものでないと判定さた場合に
は、ステツプD7において、上記の第１回目の外
挿点〜の中から、予測された流量が目標流量
Q_Pに近く且つ予測された効率が高い外挿点を選
択する。

次に、ステツプD8において、ステツプD7によ
り選択された外挿点がサージング領域に入るもの
か否かの判定を行なう。サージング領域は、第７
図に示すように、圧縮機回転数ごとに無次元ベー
ン角度平面αβ上においてサージング防止ライン
SLにより規定することができる（サージング防
止ラインSLの斜線側部分）。従つて、制御量演算
部３０ａにおいて、サージング領域を規定するサ
ージング防止ラインSLを、圧縮機回転数ごとに
無次元ベーン角度α，βの関数として予め設定し
て記憶させておき、ステツプＤ７により外挿点が
選択されるたびに、その外挿点が、サージング防
止ラインSLを越えてサージング領域に入るか否
かをチエツクするのである。

選択された外挿点がサージング領域内のもので
ある場合には、今回選択した外挿点以外の外挿点
の中から、予測された流量が目標流量Q_Pに近く
且つ予測された効率が高いものを選択してから
（ステツプD9）、再びステツプD8において、その
外挿点が、サージング領域に入るか否かをチエツ
クする。これを繰り返すことにより、サージング
領域内にある外挿点以外の外挿点の中から目標流
量Q_Pに近く且つ高効率の外挿点を選択する。

このようにして、ベーン角度制御に伴つてサー
ジングが発生するのを確実に防止できる。

目標流量に近く且つ高効率の外挿点でサージン
グ領域に入らないものが選択されると［ここでは
第６図ａにおける外挿点が選択されたものとす
る］、この外挿点の座標である１組の無次元入
口ガイドベーン角度αおよび無次元デイフユーザ
ベーン角度βを、各段における実際の入口ガイド
ベーン１１〜１４およびデイフユーザベーン１５
〜１８の角度に変換する（ステツプD10）。

つまり、前述した(1)，(2)式から、実際に操作す
べきベーン角度α_o，β_o（本実施例ではｎ＝１〜４）
を求めるのである。

無次元ベーン角度α，βから実際のベーン角度
α_o，β_oを求めるステツプD10においては、遠心圧
縮機４〜７のいずれかにおいて運転点のバラツキ
を生じる外乱を検出した場合、次のようにして、
外乱を生じた段の遠心圧縮機における運転流量の
相似運転流量からの偏差を修正することができ
る。

各段の運転特性（ヘツドＨ，次段の吸込流量
Q₂₀）は、一般に次式のように表される。

Ｈ＝ｘ・Ｒ・T₁・{(P₂/P₁)^k-1/k−１}/(x-1)
…(3) Q₂₀∝１／P₂ …(4) ここで、ｘは比熱比、Ｒはガス定数、T₁は吸
込温度、P₁は吸込圧力、P₂は吐出圧力である。

各段が設計流量に対して相似運転流量となるよ
うに、各段の入口ガイドベーン１１〜１４および
デイフユーザベーン１５〜１８の角度が、無次元
ベーン角度α，βから(1)，(2)式により求められ操
作量として与えられていても、外乱により、例え
ばある段の吸込温度のみが相対的に低くなつたと
すると、外乱を生じた遠心圧縮機のヘツド（吸込
圧力）Ｈは変わらないので、(3)式より吐出圧力
P₂が大きくなる。その結果、(4)式より次段の吸
込流量Q₂₀は減少し、相似運転流量が変化するこ
とになる。

このように外乱が生じることにより、各段が設
計流量に対して相似運転流量であることが変化し
てしまい、運転点のマツチング不良から効率の低
下のある段のみが早くサージングを起こすといつ
た現象が生じて、運転範囲が狭くなつてしまう。

そこで、(5)，(6)式のように、検出された外乱に
基づきこの外乱を生じた段における入口ガイドベ
ーンおよびデイフユーザベーンの無次元補正量
［K_oα・A₁・（a_oｔ／α_o0）等］を求め、各無次元
補正量を、無次元入口ガイドベーンαおよび無次
元デイフユーザベーンβに付加して得られる(5)，
(6)式から、外乱を生じた段における入口ガイドベ
ーンおよびデイフユーザベーンの角度を求めるの
である。

α＝K_oα・｛α_o／α_o0＋A₁・（α_oｔ／α_o0）＋A₂・（α_oRH／α_o0）＋…−１｝…(5) β＝K_oβ・｛β_o／β_o0＋B₁・（β_oｔ／β₀）＋B₂・（β_oRH／β_o0）＋…−１｝…(6) ここで、α_oｔはｎ段目の吸込温度による外乱補
正量、α_oRHはｎ段目の湿度による外乱補正量、β_o
ｔはｎ段目の吸込温度による外乱補正量、β_oRHは
ｎ段目の湿度による外乱補正量、A₁，A₂，B₁，
B₂は係数である。

このようにして、目標流量Q_Pに近く且つ高効
率の外挿点を探索している際においても、外乱を
生じた遠心圧縮機における運転流量の相似運転流
量からの偏差を修正することができ、さらにこの
修正により、各段における流量を設計流量に対し
て常に相似運転流量とすることができる。

以上のようにして、外乱を生じた段がある場合
には(5)，(6)式により、また、外乱を生じていない
段については(1)，(2)式により、１組の無次元入口
ガイドベーン角度αおよび無次元デイフユーザベ
ーン角度βから実際の入口ガイドベーン１１〜１
４およびデイフユーザベーン１５〜１８の角度が
求めれ、得れた角度に応じてベーン角度制御演算
部３０の操作量演算部３０ｂから駆動装置１９ａ
〜１９ｈへ制御信号を出力して、入口ガイドベー
ン１１〜１４およびデイフユーザベーン１５〜１
８を駆動制御する（ステツプD11）。

この後、以上のベーン駆動制御により変更され
た流量Ｑと、目標流量Ｑとの差がベーン角度制御
での流量許容値ΔQ_Vよりも小さいか否か判定して
（ステツプD12）、その流量差が流量許容値ΔQ_Vよ
りも小さければ、その時点でベーン角度制御を終
了する一方、上記流量差が流量許容値ΔQ_V以上で
あれば、再びステツプD3に戻り新たな基本点を
３点選択して、これらの第２回目の基本点や同基
本点を取り囲むように展開される第２回目の外挿
点について、上述と同様にステツプD3〜D12を
実行する。

ここで、第２回目に選択される基本点は、第６
図ａに示すように、第１回目の実測点のうちの１
点Ａと、第１回目に選択されステツプD12におい
て入口ガイドベーン１１〜１４およびデイフユー
ザベーン１５〜１８を操作し流量，効率を実測し
た外挿点と、第１回目の外挿点のうち残りの外
挿点から選ばれたものとの３点とし、これらの
基本点のまわりに、第回目の外挿点，，，
実測点Ｂ，Ｃおよび新たな外挿点P₁〜P₄の９点
に相当する位置での流量，効率を実測点Ａ，外挿
点およびの値を基に予測する。

このようにして、ステツプD12における条件が
満たされるまで、操作点を選択し入口ガイドベー
ン１１〜１４およびデイフユーザベーン１５〜１
８を操作し流量，効率を実測してから、外挿点を
展開して、目標流量Q_Pに近く且つ高効率の外挿
点を求めてベーン角度制御を行なうのである。

なお、上記実施列では、基本点のまわりにおけ
る外挿点の展開を、第６図ａに示すように、９個
の１次外挿点のみとしているが、第６図ｂに示す
ように、９個の１次外挿点のまわりにさらに15個
の２次外挿点を選択して、これらの外挿点につい
ても流量および効率を予測するようにしてもよ
い。ただし、実測点の個数を本実施例では３個と
しているが、これに限定されるものではなく、４
個以上であつてもよい。また、外挿点の展開の仕
方も第６図ａ，ｂに示すようなものに限定される
ものではなく、外挿点の範囲を任意に変化させて
もよい。

以上のように、本実施例の装置によれば、例え
ば、最も単純な例として、圧縮機回転数RPM１
で、無次元ベーン角度平面上の（α，β）＝（α₁，
β₁）のａ点において流量がQ₀である運転状態か
ら、目標流量Q₂へ減量する場合には、第２図ａ
のフローに従い、まず、回転数制御モード（２段
階制御機能における１次制御）により予め設定さ
れている最小回転数RPM２まで圧縮機回転数を
減少させて、流量を第７図に示すようなαβ平面
上の（α₁，α₁）とした後、ベーン角度制御モード
により（第４図のフローに従う）、ａ点から目標
流量Q₂に近く且つ高効率η₁のｂ点（ａ，β₂）が
探索されて、流量の減量変更がなされるのであ
る。

また、第８図により、本発明の装置によつて行
なわれる制御モード選択、即ち、回転数制御を１
次制御として含む２段階制御機能による制御モー
ドとベーン角度制御モードとをる設定回転数また
は流量の上限値を基準として適宜選択する方式
と、従来の他の方式とを比較し、本発明の装置の
効率および流量範囲についての効果を説明する。
第８図は吐出圧力一定として各制御方式での流量
−効率特性を示すグラフであり、この第８図に示
すように、回転数制御のみでは、効率はよいが流
量範囲が小さい。入口ガイドベーンの角度制御の
みでは、曲線L₁で示すように、流量範囲は回転
数制御のみの場合よりも増加するが小流量側で効
率が低下する。デイフユーザベーンの角度制御の
みでは、曲線L₂で示すように、流量範囲は大き
いが効率の低下が著しい。

また、入口ガイドベーンおよびデイフユーザベ
ーンの角度制御を組合せたもの、あるいは、回転
数制御と入口ガイドベーンの角度制御とを組合せ
たものでは、それぞれ曲線L₃，L₄で示すように、
いずれも流量範囲は大きいがやはり小流量側での
効率低下を免れることはできない。

しかし、本発明の装置によれば、曲線L₅で示
すように、流量範囲を大きくとりながら、小流量
側においても極めて高い効率を得ることができる
のである。

このように、本実施例の装置によれば、駆動機
２の回転数制御を１次制御として含む２段階流量
制御機能による制御と、入口ガイドベーン１１〜
１４およびデイフユーザベーン１５〜１８の角度
制御とを適宜選択して行なうことにより、前述の
通り広い流量範囲に亘り極めて高い運転状態で流
量制御を行なえるようになるのである。

すなわち、本実施例の装置によれば、流量制御
を行なう場合、回転数の設定値よりも大きいとき
には、回転数制御により効率良く大きなステツプ
での流量制御（１次制御）が行なわれ、流量を目
標流量に近づけてから、ベーン角度制御（２次制
御）により目標流量かつ高効率点を探索すること
ができ、高効率を保ちながら流量制御を行なえる
利点がある。

さらに、本実施例によれば、入口ガイドベーン
１１〜１４およびデイフユーザベーン１５〜１８
の角度制御に際し、第４図に示すような外挿法に
より、適当な操作点を直接探索しながら求めるよ
うにしたので、従来手段のように予めベーン角度
等の組合せをプログラムする必要がなく、環境変
化や経年変化に即応しながら、常に高効率の制御
を最小操作回数で行なえる利点もある。

また、本実施例では、多段遠心圧縮機につい
て、無次元入口ガイドベーン角度αおよび無次元
デイフユーザベーン角度βを用いることにより、
多数ある制御要素としての入口ガイドベーン１１
〜１４およびデイフユーザベーン１５〜１８の角
度を１組のものとして扱うことができるようにな
るので、制御の複雑化を招くことなく、極めて容
易に多段遠心圧縮機の制御を行なうことができ
る。

なお、上記実施例では、多段遠心圧縮機に本発
明の装置を適用した場合について説明している
が、本発明の装置は単独の遠心圧縮機にも適用で
き、この場合、上述したような無次元ベーン角度
を用いることなく、上記実施例と同様の効果が得
られる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、回転数検出
手段および運転状態検出手段からの検出信号に基
づき選択制御手段により回転数制御手段とベーン
角度制御手段とを適宜選択して制御モードを切り
替えるように構成したので、広い流量範囲に亘つ
て極めて高い運転効率で流量制御を行なえるよう
になるのである。

【図面の簡単な説明】

第１〜８図は本発明の一実施例としての遠心圧
縮機の制御装置を示すもので、第１図はそのブロ
ツク図、第２図ａはその流量減量要求時の制御手
順を説明するためのフローチヤート、第２図ｂは
その流量増量要求時の制御手順を説明するための
フローチヤート、第３図はその流量一定保持制御
モードにおける制御手順を説明するためのフロー
ヤート、第４図はその入口ガイドベーンおよびデ
イフユーザベーンの角度制御手順を詳細に説明す
るためのフローチヤート、第５図ａ，ｂはいずれ
も無次元入口ガイドベーン角度および無次元デイ
フユーザベーン角度を説明するための流量−吐出
圧特性を示すグラフ、第６図ａ，ｂはいずれも入
口ガイドベーンおよびデイフユーザベーンの角度
制御手順における外挿法を説明するための無次元
ベーン角度平面、第７図は無次元ベーン角度平面
上における流量特性曲面，効率特性曲面およびサ
ージング領域を示すグラフ、第８図は本発明の装
置の効果を説明するための流量−効率特性を示す
グラフであり、第９図は一般的な多段遠心圧縮機
を示すブロツク図、第１０図は従来の遠心圧縮機
の制御手段を説明するためのフローチヤート、第
１１図は他の従来の遠心圧縮機の制御手段を説明
するためのフローチヤートである。図において、１…遠心圧縮機、１１〜１４…入
口ガイドベーン、１５〜１８…デイフユーザベー
ン、２０…運転状態検出手段としての流量セン
サ、２１…運転状態検出手段としての温度セン
サ、２２…運転状態検出手段としての圧力セン
サ、２４…回転数検出手段としての回転数セン
サ、２９…回転数制御手段としての回転数制御演
算部、３０…ベーン角度制御手段としてのベーン
角度制御演算部、３１…２段階制御手段，流量減
量時制御モード切替手段かつ流量増量時制御モー
ド切替手段としての機能を有する選択制御手段と
しての中央制御演算部。

Claims

【特許請求の範囲】１入口側および出口側にそれぞれ角度可変式の
入口ガイドベーンおよびデイフユーザベーンを有
する遠心圧縮機において、圧縮機回転数を検出す
る回転数検出手段と、上記遠心圧縮機における流
量，効率等の運転状態を検出する運転状態検出手
段とをそなえるとともに、上記遠心圧縮機の回転
数を制御する回転数制御手段と、上記の入口ガイ
ドベーンおよびデイフユーザベーンの角度をそれ
ぞれ制御するベーン角度制御手段とをそなえ、流
量制御において上記遠心圧縮機における流量およ
び効率をそれぞれ目標流量および最適効率点とす
べく、上記の回転数検出手段および運転状態検出
手段からの検出信号に基づいて上記の回転数制御
手段とベーン角度制御手段とを適宜選択する選択
制御手段が設けられたことを特徴とする遠心圧縮
機の制御装置。２上記選択制御手段が、上記回転数制御手段に
よる１次制御を行なつた後に上記ベーン角度制御
手段による２次制御を行なう２段階制御手段と、
同２段階制御手段の上記１次制御による流量減量
制御時において上記回転数検出手段により検出さ
れる上記圧縮機回転数が設定値になると同圧縮機
回転数を維持して上記２段階制御手段による制御
モードから上記ベーン角度制御手段による制御モ
ードに切り替える流量減量時制御モード切替手段
と、流量増量制御時において上記圧縮機回転数が
上記設定値のときは同圧縮機回転数を維持しなが
ら上記ベーン角度制御手段による制御モードにし
上記運転状態検出手段により検出される流量が所
定の上限値になると上記２段階制御手段による制
御モードに切り替える流量増量時制御モード切替
手段とをそなえて構成されたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の遠心圧縮機の制御装
置。