JPS5810593B2 - 遠心式圧縮機のタ−ビン現象防止制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は遠心式圧縮機の吐出側圧力が低下したとき圧縮
機の最終段附近の回転翼に生じるタービン現象を防止す
る遠心式圧縮機のタービン現象防止制御装置に関する。

一般に、製鉄所などにおいて高圧酸素を得るのに遠心式
圧縮機が用いられている。

高圧酸素は転炉の溶鉄の反応を促進させる酸素吹錬など
に使用される。

この場合、圧縮機より送出された気体酸素は一旦圧力槽
に貯えられた後に複数の転炉に供給される。

ところで、遠心式圧縮機は負荷の急変によりその吐出側
圧力が実吐出圧力より急激に低下すると最終段附近の回
転翼が回転力を受けるという、いわゆるタービン現象を
発生する。

ここで、平常時における吐出側圧力は配管の損失を無視
すれば圧縮機の実吐出圧力と等しくなるが、本明細書に
おいてはタービン現象を説明する観点から制御弁の圧縮
機側の圧力を吐出側圧力と称し、圧縮機の実吐出圧力と
区別して説明する。

タービン現象を生じると圧縮機は異常振動を生じ破損す
ることがある。

また、特に、酸素圧縮機においては異常振動によってス
ケールがはく離落下し回転翼に衝突することにより発生
する火花によって酸素が爆発するという重大事故を惹起
する。

従来、このようなタービン現象を防止するため圧縮機の
吐出側圧力が所定値となるように制御弁の開度を制御し
ている。

この従来装置を第１図により説明する。

第１図において、酸素プラント１から発生する気体酸素
（通常一定量）は吸入弁２を介して圧縮機３に流入する
。

圧縮機３に流入した気体酸素は昇圧され、逆止弁４およ
び制御弁５を介して圧力槽６に送り込まれる。

気体酸素は圧力槽６に一旦貯えられ各負荷に供給される
。

圧縮機３はしゃ断器１０を介して交流電源１１に接続さ
れている交流電動機（誘導機あるいは同期機）により駆
動される。

この場合、圧縮機３は吐出圧力の変動が大きくなるなど
の理由から回転数制御を行わないのが一般的である。

したがって、交流電動機９はその極数と電源周波数で定
まる定格速度（一定速度）で運転するようにしている。

さて、上述したタービン現象を防止するには制御弁５の
開度を制御する。

すなわち、圧縮機３の吐出側圧力を圧力伝送器７で検出
しＰＩ調節計８に入力する。

調節計８は吐出側圧力の実測値と設定値を比較し制御弁
５の開度を制御する。

例えば、吐出側圧力の圧力が設定値より小さくなると制
御弁５の開度を小さくする。

ここで、吸入弁２は圧縮機３に流入する酸素流量を制限
し、圧縮機３に流入する酸素の圧力を一定とすることに
より酸素の純度が低下するのを防止するものである。

また、逆止弁４は圧縮機３を停止する場合に圧力槽６か
らの逆流を防止するものである。

逆止弁４は制御弁５の圧力槽６側に設けられることもあ
る。

なお、圧縮機３には吐出側圧力が設定値よりも上昇した
場合にバイパスさせるバイパス弁も設けられているが図
示を省略しである。

さて、以上のように圧縮機の吐出側圧力が設定値となる
ように制御弁開度を制御することによりタービン現象を
防止している。

ところが、吐出側圧力が設定値となるように制御してい
るため圧縮機の回転速度が変化した場合に次のような問
題点を有する。

上述したように、交流電動機は電源周波数で定まる速度
で運転される。

したがって、電源周波数が変動すると、それに伴い交流
電動機、つまり圧縮機の回転速度も変化する。

電源周波数が低下すると回転速度も低下する。

ところで、圧縮機の吐出圧力と流量の関係は回転速度を
パラメータにとると第２図のようになる。

第２図において、曲線Ｃ２は予め定めた定格速度時の特
性で、曲線Ｃ１は回転数変動による最高速度時の特性で
ある、曲線Ｃ３は最低速度時の特性である。

なお、第２図においてＱＮは定格流量である。

一方、タービン現象の生じる原因を第３図において説明
すると、圧縮機回転軸３Ｓには例えば９個のブレードＢ
１〜Ｂ９が取付けられ、回転により酸素を圧縮する。

圧縮機の吸入圧力はブレードＢ１．〜Ｂ９の各段により
昇圧し、最終段のブレードＢ９を通過したときに定格圧
力ＰＮになる。

この状態において圧縮機の吐出側圧力が例えばＰ２に低
下したとするとブレードＢ８．Ｂ９の近辺では圧縮され
た気体が吐出側に流出する。

したがって、タービン現象を呈することになる。

この第３図の説明は定格速度の場合で第２図の曲線Ｃ２
の場合であるが、曲線Ｃ１，Ｃ３の場合においてタービ
ン現象を発生する吐出側圧力はＰｌ。

Ｐ３のようになる。

このように、圧縮機の回転数によりタービン現象を発生
する吐出側圧力もＰｌ。

Ｐ２．Ｐ３と変動する。

したがって、調節計８に設定する吐出側圧力設定値を定
格速度時の吐出側圧力Ｐ２に設定した場合、速度低下す
ると圧縮機の吐出流量が零となり、圧縮機は回転してい
るが負荷に気体を圧送しないことになる。

一方、速度が上昇するとタービン現象を生じることにな
る。

これは、曲線Ｃ１の圧力限界値Ｐ２がＰｌより小さいこ
とから明らかである。

このことを解決するには回転速度変動の最高速度のとき
の圧力に設定すれば良いが、このようにすると制御弁の
開度を小さくした状態となるため吐出流量が少なくなり
、運転効率が低下する。

以上のように、吐出側圧力を一点に設定して制御弁開度
を制御したのでは圧縮機の回転速度が変動した場合に良
好にタービン現象を防止できないという問題点を有する
。

本発明は上記点に対処して成されたもので、その目的と
するところは回転速度が変動してもタービン現象を良好
に防止できる遠心式圧縮機のタービン現象防止制御装置
を提供することにある。

本発明の特徴とするところは圧縮機の回転速度と吐出側
圧力設定値を変更し、実吐出圧力と吐出側圧力との差が
所定値以内になるように制御弁開度を制御することにあ
る。

本発明の一実施例を第４図により説明する。

第４図において第１図と同一記号のものは相当物を示し
、１２は設定値を外部条件により可変できる、いわゆる
カスケード設定形の調節計、１３は変成器、１４は交流
電源１１の周波数Ｆを検出し、第５図に示す如く周波数
Ｆに比例した信号Ｖを出力する周波数変換器、１５は信
号Ｖに比例し第５図の如く吐出圧設定値ＰＳを出力する
比率設定器である。

なお、設定値ＰＳ１．ＰＳ２．ＰＳ３は第２図に示す限
界値Ｐ１．Ｐ２．Ｐ３より若干大きく設定される。

かかる構成において、交流電源１１が定格周波数ＦＮで
あれば比率設定器１５から吐出圧設定値Ｐ８２が調節計
１２に与えられる。

調節計１２は吐出側圧力が設定値Ｐ８２になるように制
御弁５の開度を制御する。

設定値ＰＳ２は第２図のタービン現象を生じる吐出側圧
力Ｐ２より若干大きく設定されている。

したがって、タービン現象になることはない。

今、交流電源１１の周波数Ｆが高くなり、例えばＦＨに
なると、調節計１２には設定値ＰＳ１が与えられる。

したがって、調節計１２は制御弁５の開度を吐出側圧力
が設定値ＰＳ１となるような開度に制御する。

また、調節計１２は周波数ＦがＦＬになると吐出側圧力
ＰＳ３となるよう制御弁５を制御する。

このように、電源周波数の変動、つまり圧縮機の回転速
度に応じて吐出側圧力の設定値を変更しているので吐出
流量が零になったり、圧縮機の運転効率を低下させるこ
となく安定にタービン現象を防止できる。

なお、上述の実施例においては圧縮機の回転速度の変動
を電源周波数によって検出しているが、圧縮機あるいは
電動機に速度検出器を取り付けて回転速度を検出しても
同様に行える。

以上説明したように、本発明によれば圧縮機の運転効率
を低下させることなく良好にタービン現象を防止できる
。

なお、上述の説明は圧縮機の回転速度変動が電源周波数
の場合について述べたが他の原因で変動した場合でも同
様にして行えるのは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の一例を示す構成図、第２図は圧縮機
の圧力−流量特性図、第３図は遠心式圧縮機の圧縮工程
図、第４図は本発明の一実施例を示す構成図、第５図は
第４図における周波数検出器と比率設定器の入出力特性
図である。 ３・・・・・・圧縮機、５・・・・・・制御弁、６・・
・・・・圧力槽、７・・・・・・圧力伝送器、９・・・
・・・交流電動機、１１・・・・・・交流電源、１２・
・・・・・ＰＩ調節計、１４・・・・・・周波数検出器
、１５・・・・・・比率設定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流入する気体を圧縮し吐出する遠心式圧縮機と、該
   圧縮機の吐出側に設けられる制御弁と、前記圧縮機の吐
   出側圧力が設定値となるように、前記制御弁の開度を制
   御する弁制御装置とを備え、前記圧縮機の回転速度を検
   出し、この回転速度に応じて前記吐出側圧力設定値を変
   更し、圧縮機の実吐出圧力と吐出側圧力との差が所定値
   以内になるようにしたことを特徴とする遠心式圧縮機の
   タービン現象防止制御装置。 ２ 圧縮機の回転速度は該圧縮機を駆動する交流電動機
   の交流電源周波数により検出するようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の遠心式圧縮機のター
   ビン現象防止制御装置。