JPS6155396A - 適応利得遠心圧縮機サージング制御装置および方法 - 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】 〔発明の分腎〕 本発明は、一般的には圧縮機のサージング制御に関し、
特に、緩慢なサージング状態に対して第１の利得制御を
提供し、緊急状態に対して第２の大利得制御を提供する
可変利得機能を備えるサージング制御装置に関する。

〔発明の背景〕

遠心圧縮機において、ある所与の速度ではこの遠心圧縮
機がもはやその圧力ヘッドに抗して吸引できなくなるま
で吸入流量が減少した時、サージング状態が起こる。こ
の時点において、圧力ヘッドの減小とともに瞬間的な逆
流が起こる。圧縮が正常になり、このサイクルが繰り返
される。これは全圧縮機と配管に脈動と衝撃を与える。

これを制御しないと、圧縮機に損傷を与え危険を招く。

すべての遠心圧縮機は、特性曲線と設定値曲線を有しそ
れらがこの動作領域を画成する。これらの圧縮機１マツ
プ０はこのターボ機械のサージング領域と１ストーンウ
オール１１領域つまり吸引限界を示、す。第１図（ａ）
で示されるように、サージング曲線は、吐出圧力と流量
との関係でプロットされている。

速度、もしくは吸入ガス温度の変化を考慮に入れないと
、サージング制御曲線は次の式によってプロットするこ
とができる。

現在、通常に使用されている３つのサージング制御曲線
の形を第１図に示す。１つはサージング曲線に平行であ
る（第１図（ａ））、再循環をできるだけ少なくするた
めに、このサージング制御曲線はできるだけサージング
曲線に接近して設定されるべきである。サージング制御
曲線をその傾きがサージング曲線の傾きよりも一トさく
すると（第１図（ｂ））、高い圧力で過剰な再循環を起
こし、停止もしくは起動時の低圧力ではサージングを起
こすことがある。第３番目の方法ではできるだけ少ない
安全体積流量を選び、サージング制御曲線を垂直にする
（第１図（ｅ））。これは低圧力で過剰な再循環を起こ
し、高圧力でサージングを起こす可能性がある。多くの
システムでは、吸入状態に対する修正をせずに、吐出し
における流量を測定している。これでは、再循環が最大
であり、サージング防止機能が最小である。

様々なサージング制御において、制御は、遠心圧縮機の
まわりのバイパス弁を開けるかガスを大気中に放出して
、圧縮機中に最小の流量を維持す。

ることによって行う。ガスをバイパスまたは放出するこ
とは動力を浪費するので、サージングが起こるできるだ
け正確な流量を決定し、安全に作動しているにもかかわ
らず、不必要にガスをバイパスさせることは避けること
が望ましい。しかし、サージング流量を決定することは
簡単ではなく、複雑であることが多い。サージング状態
は、緩慢にもしくは急速に接近し得るが、このような状
態は、標準的なサージング制御ループがバイパス弁を開
放する動作が緩慢すぎて、サージング状態を回避するこ
とができない場合に発生し得る。従来技術のシステムで
は、先の緊急のサージング状態用に第２の制御ループを
使用して、バイパス弁を急速にしかも完全に開放してい
る。この種の２つの分離制御ループを備える制御システ
ムの一例は、米国特許第４，１４２，８３８号明細書に
開示されている。

従来技術の２つの別個の制御ループを備える２モード制
御システムは複雑で安定性がなく高価であり、これら２
つの制御ループを適切に切り換えるだめの大規模な調整
を必要とすることは明らかである。標準的なサージング
状態および緊急の急速なサージング状態に対する制御を
提供する簡単で単一の制御ループしか必要としない。

〔発明の要約〕

本発明は、標準的なサージング状態と急速動作の緊急の
サージング状態に対して、同一の単一制御ループを使用
して、サージング制御を行う遠心圧縮器用のサージング
制御システムを用意スることにより、従来のサージング
制御技術に関連する問題やその他の問題をも解決するも
のである。この単一のループ制御システムでは、標準的
な低利得サージング制御を起動し、さらに急速動作の緊
急サージ状態中はこの単一制御ループの制御器の利得を
増加させることによりバイパス弁を迅速かつ十分に開放
して緊急の反サージング動作を起動する。

これを実現するために、本発明の制御システムは、２モ
ード原理で動作する。バイパス弁の標準動作そ−ドは、
緩慢な逆転すなわち標準的なサージング状態に対して利
用される。

緩慢な逆転は、第１の利得因子で設定される制御ループ
の標準的な調整制御により、ＩＪ　ＩＪ−フ弁によるバ
イパス流量の制限により″′Ｃ最犬最大のエネルギー使
用でこのサージング状態を、偏倚させることにより解消
することができる。第２の動作モードは緊急用モードで
ある。この緊急用そ−ドは、急速な逆転すなわち緊急の
サージング状態中に動作し始める。制御器の利得因子を
増大させて、＋７　＋７−フ弁を階段的に機能させてこ
れを急激にしかも完全に開放することにより制御器は、
この急速な逆転を偏倚させる。遠心圧縮機の防護を維持
するために、＋７　＋７−フ弁を階段的に開放すること
Ｋより効率は犠牲にされる。

制御器の入力条件に対する応答は、その比例制御モード
帯域幅とその積分モードの積分時間に依存する。これら
のパラメータは、制御システムの安定性に影響を与える
。

この比例制御モード帯域幅を低減させるかもしくは積分
時間を増大させると、制御器の応答速度は増大する。し
かし、一定の点を過ぎるとシステムの安定性は乱される
。閉ループ制御システムはすべて安定限界を有する。

先に述べた２種のサージング状態に伴うこの安定限界に
より、２種の抗サージング制御動作モードを必要とする
。制御システムが標準的なサージングモードで動作して
いる場合は、制御器の利得を低レベルに設定することに
より、制御システムは、制御器の安定範囲内に維持され
る。この制御システムが緊急のサージング状態に到達す
ると、制御システムの安定性を犠牲にして、遠心圧縮器
に対する防護が行われ、制御器の利得は、標準的な安定
動作限界を超えてドライブされる。

以上の通り、本発明の一様相として、標準的なサージン
グ状態と緊急のサージング状態の両方を制御する単一ル
ープ制御システムが提供されろことは明らかであろう。

本発明の他の様相は、可変利得制御器を備え、この制御
器の利得がサージング状態の強さによって決定される単
一ループのサージング制御システムを提供することであ
る。

〔好ましい実施例の詳細な説明〕

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例につ
いて説明する。

第２図では、遠心圧縮機１４とこれに並列に接続されて
いる往復圧縮機１２とからなる圧縮機並列システム１０
を示しており、そしてこのシステムは出力線１６に出力
圧力を提供する。往復圧縮機１２は基単負荷機械として
動作し、通常その出力圧力の５０％と１００％の２つの
異なった容量の１つで動作することができる。容量が１
００％から５０％に変化すると遠心圧縮機１４のサージ
ング状態が起こり、そしてこの変化がサージング制御シ
ステム１８の早期警告システムの基礎を形成する。

遠心圧縮機１４はこの並列システムにおいて増圧器とし
て動作しそしてそれが動的機械（往復圧縮機１２のよう
な容積形に対して）であるゆえに、流量が減少すること
罠よってサージングが起こる可能性をもっている。

第３図に示されているように、このサージング制御シス
テム１８が、機械的、空気式または電子的制御システム
に適用できる記号をもつＳＡＭＡ規準ＲＣ２２−１１−
１９６６表記法により略示されている。

測定変数％ΔＰ□と％ΔＰＣは各々、遠心圧縮機１４０
入口線２４に設けられたオリフィス２２を横切る圧力差
と遠心圧縮機１４を横切る圧力差を表わす。これらの測
定変数が関数発生器２６に入力されると、関数発生器２
６は線２８上にサージング制御曲線３０に相当する出力
を発生する。このサージング制御曲線３０は、第４図を
見るとよくわかるように、遠心圧縮機のサージング曲線
３２に平行で右側に予め設定される距離ｄだけ離隔して
いる。

乗算要素３４が、線２８に出力されるサージング制御曲
線と線２９に出力される遠心圧縮機１４の測定速度ＳＴ
とを乗算し、特定の遠心圧縮機回転速度点Ｎｉ　　とサ
ージング制御曲線６００交点３６を設定する。

この交点３６は、一定の遠心圧縮機１４の流量を決定し
、この流量は線３８に出力され、蓋要素４０において、
線４２よりこの要素４ｏに供給される遠心圧縮機の実測
流量ＦＴと比較される。

蓋要素４０の出力は、線４４に沿ってプリセット値を有
する比例／積分動作制御器４６ＶＣ入方され、ついでこ
の比例／積分動作制御器４６が最終制御要素４８を制御
する。、［ＳＯにおけるバイパス流量を制御して、遠心
圧縮機１４の流量の不足した入口２４に線５２かもの出
口流量を利用させることによってサージング状態を停止
させるバイパス弁がこの最終制御要素４８に相当する。

残余の回路は、略示的に番号５４で示される適応利得制
御モジュールであり、これは、本発明による利得因子を
発生するために利用され、線５８で検出される障害の変
動幅に比例して、追加の利得が線５６により比例／積分
動作制御器４６に入力されて、バイパス弁を階段的に開
動作させる。

ここで使用される記号の定義は以下の通りである。

ΔＰＯ：入口のオリフィスを横切る圧力差（ｉｎ　Ｈ２
Ｏ） ΔＰｃ　；遠心圧縮機を横切る圧力差Ｃｐｓｉ　〕Ｋ　
　：特定の圧縮機の圧縮機サージング曲線の特性を表わ
す定数 ｆｏ　：入口のオリフィス圧力伝達量の校正幅（例えば
＋）〜１４　ｉｎ　Ｈ２Ｏは０〜１００％出力を生成す
る）〔％〕 ｆｃ　：遠心圧縮機圧力差伝達量の校正幅（例えば、Ｄ
〜２８．１ｋｇ／ｃＩｒＬ２（０〜４００ｐｓｉ　）は
０〜１００％出力を生成する）〔％〕 ｄ　　：入口オリフィス圧力差Ｐ□の最大値の割合とし
て表わされるサージング曲線 からの偏差（例えば、入口オリフィス 圧力差Ｐｏの最大値が０．３６　ｍＨ２０（１４＋ｎＨ
２０）の時に０．０３６ｍ（ｔ４ｉｎ）の偏差に対して
ｄは、ｉｏｘである・）〔％〕 Ｇ　　：比例／積分動作制御器の利得因子（無単位） 遠心圧縮機のサージング曲線が以下の通り表わされるこ
とは周知である。

（ΔＰＣ／　△Ｐ□　）　　＝　Ｋ　　　　　　　　Ｉ
ｌｌしたがって、 △Ｐ　ｃ−ＫΔＰ　□　　＝　０　　　　　　　　　　
　（２）同様に ここで、 Ｋ’　　＝　（ｆＯ／ｆＣ）Ｋ　　　　　　　　　（４
）また、 と定義し、式（３）に代入すれば ％ΔＰｃ　−Ｋ’ＸΔＰ　Ｏ＝　０　　　　　　　（７
）となる。

同様に、このサージング曲線に平行で、ある値ｄだけこ
のサージング曲線から水平方向に偏倚して℃・る曲線に
対する式は、 ％ΔＰ　ｃ　−Ｋ　’％△Ｐ　□　＝　−ｄ　Ｋ　’　
　　　　　（８）と表わされ、これより Ｎ′ となる。

式（９）のｄ値がＯの時に、式（９）は式（７）と同等
であり、遠心圧縮機のサージング曲線を画成することに
注意されたい。

種々のｄの値（すなわち、ｄｌ、ｄ２、・・・ｄｉ　）
に対して、サージング曲線に平行な一群の曲線が発生す
る。もし、ｄの値が単一の特定値、たとえば１０Ｘ、に
制限されていたならば、発生する曲線は、第４図に例示
の標準的なサージング制御曲線に相当する曲線３０であ
る。

第５図に例示されているように、種々の圧縮機配列の実
験的試験に基づいて、最適の利得因子Ｇを、各ｄ値に対
して決定することができる。ｄ値が０〜４０％に対して
、利得因子Ｇの値は４〜１２が標準であるが、その正確
な値は、使用される種々の圧縮機、圧縮機の組合せ、管
配列に依存する。

動作的には、測定変数％△ＰＣと定数に’は、除算要素
６０に入力され、この除算要素６０は、線６２の出力を
発生する。測定変数％ΔＰ□　　と線６２の出力は、加
算要素６４に入力され、この加算要素は、式（９）が定
義しているｄ値を表わす出力を線５８に発生する。

第５図を参照するとよ（わかるように、関数発生器６６
が、線５Ｂで検出される各ｄ値に対する利得因子Ｇの予
設定値を発生するよう調節されている。標準的なすなわ
ち安定なシステム（緩慢な逆転）の利得因子Ｇは、標準
の調整制御に使用される。しかし、ｄ値がある設定値に
接近すると（急速な逆転）、追加の利得が線６８を通っ
て、比例／精分動作制御器４６に接続している同調ブロ
ック７Ｑに入力され、次にこの比例／柘分動作制御器が
バイパス弁４８を階段的に開動作させろ。

この比例／精分動作制御器４６は行き過ぎ防止機能を有
している。この行き過ぎ防止機能は、比例／積分関数の
性質により必要とされるものである。通常、遠心圧縮機
１４は、サージング制御曲線３０から離れた領域で動作
している。その結果、比例／積分動作制御器４６の測定
値とプリセット値との間には違いがある。その結果、比
例／積分動作制御器４６の出力信号はその下限値に振れ
る。

行き過ぎ防止機能は、積分負荷を調節して、この比例／
積分動作制御器４６がその出力限界に達した時に、測定
値がある、主サージング制御曲線の同じ側にその比例帯
を移す。そうして、もしサージング制御曲線が急速に近
づくならば、その測定値はこの比例帯に入り、この値が
サージング制御曲線に達する前に制御が起こる。それゆ
え、行き過ぎが防止される。

微分制御は用いられない。なぜならサージング曲線から
遠く離れた所で反サージング弁を開くことがあるからで
ありまたシステムに振動を引き起こすことがあるからで
ある。流れの迅速な振動（それが安全動作領域であって
も）は、微分応答の特性によりバイパス弁を開いてしま
う可能性がある。

本発明の技術思想の範囲から逸脱しない様々な変化・変
更が可能であることは当業者には明らかであろう。

線を示す６本の曲線である。

第２図は、本発明によるサージング制御システムを用い
た圧縮機の概略線図である。

第３図は第２図のサージング制御システムのブロック図
でちる。

第４図は、サージング制御曲線と遠心圧縮機サージング
曲線との関係を示す遠心圧縮機の吐出圧力対流量のグラ
フである。

第５図は、ｄ値の関数として例示した利得因子の概念図
である。

図中の各番号が示す名称を以下に挙げる。

１０：圧縮機並列システム １２：往復圧縮機 １４：遠心圧縮機 １６：出力線 １８：サージング制御システム ２０：基準負荷用手動／自動要素 ２２ニオリフイス ２４：入口線 ２６：関数発生器 ３４：乗算要素 ４０：蓋要素 ４６：比例／積分動作制御器 ４８：最終制御要素（バイパス弁） ５４：適応利得制御モジュール ６０：除算要素 ６４：加算要素 ６６：関数発生器 ７０：同調ブロック ＦＩＧ　／、４．　　　　　　　　　　　　　ＦＩＧ　
ＩＳ。

ｒｕ；　ｔｃ。

ＦＩＧ３゜ Ｆ／に、４゜ ＦＩＧ、　５　。

ｄ（〃）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）サージング曲線とバイパス管を有する遠心圧縮機
   用の適応利得サージング制御システムにおいて、 可変利得設定手段を有する遠心圧縮機のバイパス管を制
   御する制御器と、 サージング制御曲線と遠心圧縮機のサージング曲線間の
   偏位ｄを決定するための第１の手段と、制御器の利得を
   変化させるために、偏位ｄに応答して制御信号を発生す
   るための第２の手段と、制御器に接続され、制御信号に
   応答して遠心圧縮機を横切るバイパス流量を変化させる
   ためのバイパス弁制御手段と を備える適応利得サージング制御システム。
2. （２）第２の手段は、制御器利得信号を偏位ｄの関数と
   して設定するための関数発生器を備える特許請求の範囲
   第１項記載の適応利得サージング制御システム。
3. （３）遠心圧縮器に並列に接続される往復圧縮機と、往
   復圧縮機の出力圧力を変化させるための制御要素を備え
   る特許請求の範囲第２項記載の適応利得サージング制御
   システム。
4. （４）制御器は、比例／積分機能制御器である特許請求
   の範囲第１項記載の適応利得サージング制御システム。
5. （５）制御器は、その出力限界に到達する時に、測定値
   があるサージング制御曲線と同じ側に比例帯を移す行き
   過ぎ防止機能を有する特許請求の範囲第４項記載の適応
   利得サージング制御システム。
6. （６）予設定のサージング曲線とバイパス弁制御器とを
   有する遠心圧縮機の標準的サージングと緊急のサージン
   グを、可変利得制御器により制御する方法において、 遠心圧縮機に関連する圧力差の関数により、遠心圧縮機
   のサージング曲線から偏位しているサージング制御曲線
   を測定し、 このサージング曲線からのサージング制御曲線の偏位の
   関数である制御器利得制御信号を設定し、緊急のサージ
   ング状態に対して制御器の利得を増加させるために制御
   器利得制御信号を使用する諸段階を備える適応利得サー
   ジング制御方法。
7. （７）遠心圧縮機を横切るバイパス路における流量を制
   御するための弁を用意し、 制御器の利得に応じてこの弁を制御する 段階を備える特許請求の範囲第６項記載の適応利得サー
   ジング制御方法。