JPS61155697A - 圧縮機の最適制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧４Ｍ機のｉ＋ｌ制御装置の改良に関する。

（従来の技術） 圧ＪＩ機は、種々のプロセスの応用において多用されて
いる。第７図は、よく用いられる吸入ガイドベーン例の
空気圧Ｓｌ［（以下単に圧縮機と略す）の特性曲線の一
例を示す図である。図において、横軸は１Ｍ　＜Ｎｌ　
３　、／ｈ　）　、縦軸は吐出圧力（Ｋｇ　／ｃｉ＋’
　）を示す。図には、ガイドベーン角度をパラメータに
した特性曲線が示されている。／１はサージラインであ
る。この優の圧縮機では、流はを減らしていくと吐出圧
力が増大するが、この圧力がある値以上になると異常動
作状態（振動、異常音の発生）になる。この臨界圧力の
包絡線がサージラインである。

１２は定圧ラインで、通常は圧縮機の吐出圧力がこの定
圧ライン／２にのるような制御が行われる。１３はサー
ジコントロールラインで、吐出圧力がサージライン／Ｉ
に届く前にその手前にライン！！３を引いて、如何なる
場合でも圧縮機がサージ現象（サージング）を引き起こ
さないような配慮がされている。

第８図はサージング防止を施した圧縮ＩｌｌｉＩ１ｇＩ
ｌ装置の一例を示す構成図である。吸入フィルタ１を通
過した空気はガイドベーン２を介して圧縮ｌＩ３に入り
、圧縮される。圧縮された空気は、調節弁４を介して負
荷に供給される。場合によっては、図に示すように他圧
縮機からの圧縮空気も加えられることがある。圧縮機出
口側の吐出圧力は、圧力検出１１５により検出されて、
圧力調節Ｈｆ　６に送られる。ｗＡ圧力調節計６は、圧
力測定値が予め定められた目Ｗ値に一致するように負荷
分配器７を介してガイドベーン２を駆動する。

この結果、所要負荷ＦｉｔＩＩｌの減少に伴い、ガイド
ベーン２の羽根角度は変えられ、第７図の１２のライン
を矢印方向に進む定圧割部が行われる。ここで、制御点
が第７図のサージングコントロールラインＩｌ！に達す
ると、流Ｉｌ検出器８．開平演算器９．関数発生器１０
．サージ調節計１１及び放風弁１２とで構成されるサー
ジング防止装置が働き、放風弁１２から圧縮空気を放出
せしめて吐出圧力を下げ、サージングの発生を防止して
いる。

次にサージング防１ｔ［Ｉｌの動作を概説すると、以下
のとおりである。圧縮機３人口部の流量は、流量検出器
８により検出された後、開平演算器９に入る。開平演算
ａ９の出力は、関数発生器１０に入り、該関数発生１１
１０は、流量に対応した吐出圧力を目標１ｍ５ｖとして
サージ調節計１１に与える。一方、実際の吐出圧力は、
吐出側に設けられた圧）Ｊ検出器１３によって検出され
、測定値Ｐ■としてサージ調節計１１に与えられる。サ
ージＸＩ！１節計１１１よＰＶがＳ■を越えそうになる
と、操作出力ＭＶを放風弁１２に与えて、弁を開き圧縮
空気の一部を放出し、吐出圧力を下げる。

（発明が解決しようとする問題点） 前述した従来の制ｔ２Ｉｌｅ置によっても、サージング
を防止しながら［縮機の吐出圧力制御を適正に行うこと
ができるように考えられる。しかしながら、第７図に示
す圧縮機の特性は固定された一定のものではなく、吸入
圧力、ｉ度、ガス定Ｗｌ（プロセスガス圧ｗｉ機の場合
）等の運転条件によって変化するものである。従って、
正確で安定な圧力制御を行うためには、第７図のサージ
コントロールライン／３を圧縮機３の特性変化に応じて
自動的に変えてやる必要がある。しかしながら、現実に
このような方法をとることは困難であり、このため、実
際の制御においては、圧縮機３の特性変化を見込んで、
サージコントロールライン／３をサージラインＩｔに対
して相当のマージンを兄込んで設定せざるを得なかった
。このことは、マージン分だけ早めに放風弁１２を開い
て放風を開始するということになり、低負荷運転時の動
力損失の一大原因ともなり、効率のよい運転をすること
ができなかった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであって、
その目的はサージコントロールラインをサージラインぎ
りぎりに設定できて効率のよい運転を行うことができる
圧縮機の最適制御装置を実現することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記した問題点を解決する本発明は、圧縮機の実吸入量
とヘッドとの関係を示す特性を予め関数発生器に記憶さ
せておき、圧縮機入力部の温度。

圧力から実吸入層を痺出し、該実吸入量を入力とする前
記関数発生器の出力をヘッド目標値として圧縮機の吐出
圧力を制御するように構成したことを特徴とするもので
ある。

本発明の要旨は、圧縮機の特性を、直接計測できる吐出
圧力と１ｍの関係として把えるのではなく、圧縮機の真
の作動状態を示すヘッド（等温ヘッド又は断熱ヘッド）
と実吸入層の関係に変換して把えているところにある。

これにより圧縮機の特性は、一義的に固定され変化する
ものでなくなることから、関数発生器によってサージコ
ントロールラインをヘッドと実吸入量の関係として折線
開数により、サージラインぎりぎりに設定できる。

このことにより低負荷運転時の不要な放夙用を減らし、
動力損失を最小にしようというものである。

更に、圧縮機特性をヘッドと実吸入層として把ええるこ
とにより、特性曲線は運転条件によらず一定のものとな
ることからＣＲＴディスプレイ上に静画として表示する
ことができ、作動点をこの上にダイナミックに表示する
ことができる。このためオペレータは目視により圧縮懺
作初状態が作動範囲のどのような所で運転されているの
か容易に認識することができるようにしている。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実１ｉ＆例を詳細に説明
する。

Ｉ′！１図は、本発明の一実施例を示す構成ブロック図
である。第８図と同一のものは、同一の番号を付して示
す。図において、２１．２２は圧縮機３人口部の圧力を
検出する圧力検出器、２３は圧縮機３人口部の空気の温
度を検出する温度検出器、２４は同じく圧４１１３人口
部のオリフィス差圧を検出する差圧検出器である。２５
は圧力検出器２１の出力Ｐｔ、差圧検出器２４の出力Δ
Ｐ及び温度検出器２３の出力ＴＳを受けて、これらのプ
ロセス変動−から吸入実風量（以下実吸入量と略す）Ｑ
ａを算出する第１の演陣器、２６は該第１の演算１１２
５の出力Ｑａを入力として受ｔノ、実吸入量Ｑａに対応
したヘッド量を目標値Ｓｖとして出力する関数発生器で
ある。即ら、関数発生器２６には、圧縮機３の真の作動
状態を示す実吸入ＩＱａとヘッドとの関係を示す特性曲
線が格納されている。

第２図は、実吸入ＩＱａ　　［鴎３．．／ｈ］とヘッド
〈断熱ヘッド又は等温ヘッド）　　［ｓ　ｋａ、／ｋａ
ｌとの関係を示す特性曲線の一例図である。図において
、横軸は実吸入ｆｆ１Ｑａを、縦軸はヘッドを示づ。１
１１はサージライン、／Ｉンは折線構成のサージコント
ロールライン、ｌ！１１は運転ヘッドラインである。図
に示す特性も第７図に示した特性曲線と同様、ガイドベ
ーン角度をパラメータとして、変化する。

２７は、圧縮機３入口部の温度Ｔｓ、圧縮機３ｉ：［前
の圧力Ｐｓ　　（圧力検出器２２の出力）及び圧縮機３
直後の圧力ｐｄ　　（圧力検出器２８の出力）を受けて
、圧縮機３の発生しているヘッドを算出する第２の演算
器である。尚、第２の演算器２７には、更に別途ガス定
数及び比熱比が与えられる。

２９は関数発生器２６の出力をヘッド目ａ＊ＳＶ。

第２の演算器２７の出力をヘッド測定＊ｐｖとするヘッ
ド調節計で、該ＩＩ節計２８の操作出力ＭＶが放風弁１
２に印加されて、放風１１ｍを行うようになっている。

３０は、第２の演算器２７の出力（ヘッド測定値）を入
力として受け、図に示すような特性の曲線を発生させる
開数発生器である。開数発生器３Ｏは、ある動作点以下
での放風弁１２とガイドベーン２との干渉を避けるため
のもので、サージコントロールライン／１２とガイドベ
ーン開度一定の特性曲線との交点から、各ヘッドに対す
る最大調節角を与える折線ユニットである。

３１は関数発生！１３０の出力及び負荷分配置！１７の
出力を受け、低い方の値を出力するローセレクタで、該
ローセレクタ３０の出力はガイドベーン２を駆動するよ
うになっている。３２は、実吸入ｌＱａと測定ヘッドと
の関係を図示するＣＲＴディスプレイである。このよう
に構成された装置の動作を説明すれば、以下のとおりで
ある。

先ず、通常の圧力Ｉｌｌ　ＩＩＩについて説明する。圧
力検出器５は圧縮１１３の吐出圧力を計測して圧力調節
計６に測定１［ＰＶとして与える。該圧力調節計６は、
測定値Ｐ■と予め与えられた目標値Ｓｖとを比較し、こ
れらの偏差に応じた操作信号ＭＶを出力する。この圧力
調節計６の出力は、負両分配器７を経てＯ−セレクタ３
１に与えられる。ローセレクタ３１は、圧力調節計６の
出力及び関数発生器３０の出力のうち小さい方の値をセ
レクトしてガイドベーン２に伝える。この結果、ガイド
ベーン２は、ローセレクタ３１の出力に応じてガイドベ
ーンの羽角度を変え、圧縮１１１３の吐出圧力を一定に
保つ。

一方、圧縮１１３が圧縮動作を行っている間に、第１の
演算！５２５は圧力検出器２１の出力Ｐ１゜濃度検出器
２３の出カフｓ及び差圧検出６２４の出力ΔＰを受け、
実吸入ＩＱａを計褌し求める。

一方、関数発生器２６には、実吸入ｆｆ１Ｑａとそれに
対するサージコントロールラインとの関係を承り第２図
のような特性曲線が予め格納されている。

第２図の／１２がサージコントロールラインで、図に示
すような折線関数として格納される。この実吸入ＩＱａ
とヘッドとの関係を示す特性曲線は、前述したように圧
縮１１３に固有のものであり、ベーン角度に対して一義
的に定まる。

第２図の縦軸は、圧縮機ヘッドで、断熱ヘッド又は等温
ヘッドがとられる。圧縮ＦｊＡ３としては、通常は多段
圧縮機が用いられることが多く、この場合中間冷却があ
るので等温ヘッドが用いられることが多い。関数発生器
２６は、実吸入ＩＱａに対応したヘッド目標ｉａｓ　ｖ
を出力してヘッド調節計２９に与える。

一方、第２の演算器２７は、圧縮１１１３の直前。

！後の圧力Ｐｓ　、Ｐｄ　、ｆｉｌ！Ｔｓ及びガス定数
、比熱比とから、以下の式によりヘッド測定値を計算に
より求める。

Ｈａｄ　−（ｋ　、／　（ｋ−１）　’ｔ　−ＲＴｓ　
ｘ：（Ｐｄ／Ｐｓ　）ｅｘｐ　　（（ｋ−１）／ｋ　）
−１］Ｈｉｓ−ＲＴｓ　１０（ｌｅ　　（Ｐｄ　／Ｐｓ
　）　　　　（２）但し、Ｈａｄは断熱ヘッドを、ｌ−
１ｉｓは等温ヘッドを示す。Ｒはガス定数、Ｋは比熱比
である。演算器２７は（１）、（２）式で与えられるヘ
ッドのうち何れか一方の演算を行って、その結果をヘッ
ド測定ｍｐｖとしてヘッド調節計２９に与える。

今、負荷が減少してきて、圧力調節計６によって、第２
図／１３ラインの矢印方向にガイドベーン角度が変化し
て、サージコントロールライン１１ｚ上の点Ｂまで到達
したものとする。第３図は８点近傍の拡大図である。８
点まで到達すると、ローセレクタ３１はその出力をそれ
までの圧力調節計６の出力から関数発生器３０の出力に
切換えてガイドベーン２に与える。従って、ガイドベー
ン角度はそれ以上変化し冑ないから、動作点は第３図に
示すように８点からサージライン／＋＋に向かって矢印
方向に進もうとする。

そうすると、ヘッドの偏差（ＰＶ−８Ｖ）がそれまでの
マイナスからプラスに逆転する。ヘッド調節計２９は、
錫差沿に対してｉｌｌ　ａｌｌ演弾を施し、放風弁に対
して開度指令ＭＶを与えて、圧縮空気を一部放出し、第
３図に示すように動作点をサージコントロールラインＩ
！１２上に引き戻す。このようにして、圧縮機３はサー
ジコントロールライン／１２ぎりぎりのところで運転さ
れることになる。

尚、第２の演算器２７により運転状態における圧縮機３
のヘッドを（１）、（２）式により直接計算することは
容易ではない。そこで、第４因に示すように、折Ｉ関敗
と演算器の組合せによって、ヘッドを計算するようにし
ている。即ち、ＰｓとＰｄは演算！！１４１に入ってＰ
ｄ　／ＰＳの割算が行われ、続く関数発生！１４２によ
り （Ｐｄ　／Ｐｓ　）　ｅｘｐ　　（（ｋｌ　）　、’ｋ
　）　−１或いは　　　１ｔｏａｅ　　（Ｐｄ　／Ｐｓ
　）が出力される。関数発生器４２の出力は、演算器４
３に入って、（１）、（２）式に示すヘッド１−１ａｄ
或いはＨｌＳが算出される。

第５図は、各部の動作波形を示すタイミングチャートで
ある。図において、ｆｌは負荷流量を、「２はガイドベ
ーン角度を、「３はヘッド目標値Ｓ■を、ｆ４は圧縮機
ヘッド測定（ｌｔｌＰＶを、ｔ５はヘッド調節計２９の
出力をそれぞれ示す。今、時刻ｔ１以前では一定であっ
た負荷流量が、時刻１、より減少し始めるとする。圧縮
機３の吐出圧力は圧力調節計６により、ガイドベーン角
度が調節されて一定圧力に制御される（つまりヘッド一
定）、負荷流量が更に減少し８点（圧縮機ヘッドーヘッ
ド目標１ｌｌＩ）に到達し、更に流量が時刻む２以後も
減少し続けると、第１のｌＩｌ＠発生ｆｉ２６によって
与えられるヘッド目１１１罐は大きく減少し、調節計に
は図のようにプラスの偏差が生じる。この偏差を打ち消
そうとヘッド調節１１２９は放風弁１２に開放指令を出
すことにより吸入量が増加し、圧縮機動作点は第３図の
８点に引き戻される。

このような、第５図に示されるような動作点の移動状況
は、ＣＲＴディスプレイ３２により、オペレータに一目
瞭然に観察させることができる。

第６図は、ＣＲＴディスプレイ３２の表示の一例を示す
図である。圧縮１３の特性を第２図のようにヘッドと実
吸入量で表わすことにより、特１！Ｅ曲線は吸入状態、
ガスの物性変化によらず固定したものとなるので、ＣＲ
Ｔディスプレイ３２上に静画としてバックグラウンド表
示しうる。更に出願人の製造に係るディジタルｔｌｌＩ
Ｉ２Ｄ装置ＣＥＮＴＵＭのＧ−ＤＡＴＡという機能を用
いてヘッドと実吸入量を動画としてｉｌｂ表示すれば、
２直線の交点として動作点が表示され、実際の運転状態
を容易に認識することができる。更にヘッド曲線だ１プ
でなく、効率、軸動力をも表示しておけば、実測値と比
較することにより保守に対する一つの目安としうる。

上述の説明においては、圧縮機３は定速回転駆動として
いるが、可変速駆動形の圧縮機によって容１１１１！！
される場合は、第２図のパラメータ（ガイドベーン開度
）を回転数と考えることにより、可変速駆動形の圧縮顆
にもそのまま本発明を適用することができる。

（凡用の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、圧縮機の
特性を実測値である吐出圧力と、＄１準状態ｌｌＡ篩流
ｍの関係として把えるのではなく、ヘッドと実吸入睦の
関係として把えることにより、圧縮機特性を吸入状態や
ガス物性変動に影響されない固定したものとすることが
できる。このため上記変動を、サージング防止線を設定
するにあたってセイフテイー・マージンとして見込む必
要がなくなり、コントロールラインを圧縮機サージライ
ンに近接して設定することができる。このことはすでに
説明した制御Ｘｌ装Ｃによって実現される。これによっ
て低負荷運転時の不要なＭ風を極力押えることができ、
無駄な釣力損失がセーブされる。

又、圧縮機特性曲線が［ｆ縮機固有のものとして一義的
に固定されたことにより、特性曲線をＣＲＴ上にディス
プレイすることができ、この上に圧縮機動作点をダイナ
ミックに重ね表示することができる。これによ・す、サ
ージ制Ｗ装置の動作のみならず、圧縮機運転状態を個別
の指示計によるよりも総括的に捕えることができ、オペ
レータにとっては稼働状況全般がより容易に把握しうる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図、第２
図は圧縮機の特性を示す図、第３図はその一部拡大図、
第４図は演算器の具体的構成を示す図、第５図は各部の
動作を示すタイミングチせ一部、第６図はＣＲＴディス
プレイの表示例を示す図、第７図は圧縮機の特性を示す
図、第８図は従来装置例を示す図である。 １・・・吸入フィルタ　　　２・・・ガイドベーン３・
・・圧縮！１１４・・・弁 ５．２１，２２．２８・・・圧力検出器６・・・圧力調
節計　　　　７・・・負荷分配器８・・・流量検出器 ９．２５．２７・・・演ｆｌｉＢ １０．２６．３０・・・関数発生器 １１・・・サージ調節計　　１２・・・放風弁２３・・
・温度検出器　　　２４・・・差圧検出器２９・・・ヘ
ッド調節計　　３１・・・ローセレクタ３２・・・ＣＲ
Ｔディスプレイ ４１．４３・・・演算器　　４２・・・関数発生器特許
出願人　　ｔＲ河北辰ｍ１機株式会社帛２図 Ｍ４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧縮機の実吸入量とヘッドとの関係を示す特性を予め関
   数発生器に記憶させておき、圧縮機入力部の温度、圧力
   から実吸入量を算出し、該実吸入量を入力とする前記関
   数発生器の出力をヘッド目標値として圧縮機の吐出圧力
   を制御するように構成したことを特徴とする圧縮機の最
   適制御装置。