JP5758818B2

JP5758818B2 - 圧縮機システムおよびその運転制御方法

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Publication number: JP5758818B2
Application number: JP2012030661A
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Inventors: 齋藤　隆史; 隆史齋藤; 徹植木; 良太山村
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Description

本発明は圧縮機システムおよびその運転制御方法に係り、特に複数台の圧縮機を組み合わせて使用するときに好適な圧縮機システムおよびその運転制御方法に関する。

工場空気源等に使用される圧縮機設備では、複数台の圧縮機を組み合わせて、空気の使用量に応じた最適な運転が試みられている。その際、容量や形式の異なる圧縮機を組み合わせることもある。ところで、圧縮機の形式には大別して容積形圧縮機とターボ形圧縮機があり、それぞれ異なる特性を示す。

スクリュー圧縮機やレシプロ圧縮機、スクロール圧縮機等の容積形圧縮機は、圧縮対象ガスの容積を強制的に収縮させて圧力を高める。そして、目標吐出ガス圧力に対して所定の圧力変動幅を許容して全負荷運転と無負荷運転を繰り返し、容量調整する。さらに、インバータを備えた容積形圧縮機では、吐出ガス圧力と目標圧力の偏差を用いてモータ回転数をＰＩ（またはＰＩＤ）制御し、容量調整している。この種の回転数制御式容積形圧縮機では、従来の全負荷運転と無負荷運転を繰り返して容量調整する圧縮機に対し、より少ない消費電力で運転することが可能である。また、インバータを有するので、起動時にモータへ大電流が流れるのを回避でき、起動回数や起動頻度の制限がほとんどない。

ターボ形圧縮機は、圧縮対象ガスに遠心力により運動エネルギを与えた後、速度を減じて圧力を高めるもので、吸入口に吸込絞り弁を設け、吐出ガス圧力と目標圧力の偏差に基づいて吸込絞り弁の開度をＰＩ（またはＰＩＤ）制御して容量調整する。つまり、吸込絞り弁の角度を調整して吸入ガスに旋回を与え、吸入ガス流量を変化させて容量調整する。

吸込絞り制御は、消費ガス流量の減少に比例して消費動力が減少するため、省エネ性が高い。しかし、吸込絞り弁によりガス流量を減じていくと、サージングと呼ばれる不安定現象が生じ、たとえば３段ターボ形圧縮機の場合の吸込絞り弁制御は約７０〜１００％の容量に限定される。

そこでターボ形圧縮機ではより広い範囲の容量制御を実現するために、吸込絞り弁による容量制御では下限値を設定し（たとえば上記例では７０％負荷）、この下限値以下の容量範囲で運転するために、容積形圧縮機と同様に全負荷運転と無負荷運転を繰り返すオンオフ制御を併用する。これをデュアル制御と呼ぶ。または、吐出ガス圧力変動に応じて放風弁から吐出ガスを大気に開放する定風圧制御を併用する。

複数台の圧縮機を用いた際の容量制御方法の例が、特許文献１および特許文献２に記載されている。これらの公報に記載の圧縮機設備では、容積形圧縮機が全負荷運転と無負荷運転を繰り返すオンオフ制御により容量調整し、ターボ形圧縮機が全負荷運転のベースロード機として使用されている。

複数台の圧縮機を用いた際の台数制御の例が、特許文献３に記載されている。この公報に記載の圧縮機設備では、さらに省エネ性を高めるため、数台のターボ形圧縮機を用いており、ターボ形圧縮機の吸込絞り制御により吐出ガス圧力をほぼ一定に保ち、吐出ガス圧力の変動を抑制している。

また、特許文献４に記載の圧縮機設備では、複数台のターボ圧縮機を並列接続し、全ての圧縮機を容量調整機として吸込絞り制御している。そして、運転中の全てのターボ形圧縮機が吸込絞り制御できる範囲を超える場合には、放風制御またはオンオフ制御に切り替えて容量制御をしている。

この特許文献４に記載の方法では、必要なガス量が少ない場合には、サージングを回避するためターボ形圧縮機によるオンオフ制御または放風制御を用いざるを得ず、全領域で省エネ性を高めることが困難になる。そこで、特許文献５では、運転圧縮機の台数が最少となるように、負荷容量を複数の範囲に区分し、区分された範囲毎に予め設定した運転圧縮機の組合せに切り替えて運転する。そしてデュアル制御可能なターボ形圧縮機を優先的に容量調整し、このターボ形圧縮機の容量調整可能範囲を超える場合には、オンオフ制御する容積形圧縮機を優先して容量調整機としている。

特開平７−３３２２４８号公報特開平７−１１９６４４号公報特開平６−２４９１９０号公報特開２００６−６３８１３号公報特開２０００−１２０５８３号公報

上記従来の圧縮機の台数制御運転の各例では、特定の消費風量においては最適な圧縮機の組み合わせ運転が得られる。しかし、負荷変動が大きくなり運転する圧縮機の組み合わせや台数を変更せざるを得ない場合等では、稼働中の圧縮機の中のいくつかを停止させる必要が生じる。圧縮機を駆動する電動機には、起動時に大電流が流れコイル温度が上昇する。そこで、電動機コイルの寿命の短縮や焼損を防止するため、電動機の起動回数や起動頻度に制限が設けられている。特に必要圧縮機台数が変化するような大きな負荷変動が頻繁に生じる場合には、暫時使用しない圧縮機を予め定めた時間だけ無負荷運転で待機させ、需要が回復したら再使用している。無負荷運転で待機中の圧縮機の動力は無駄な消費動力であり、省エネに反する制御となる。

また、容積形圧縮機とターボ形圧縮機は容量や制御性の観点からそれぞれ有利な利用範囲があり、組み合わせて使用する際には、一方を容量調整機、他方をベースロード機とする等の運用に限られていた。例えば、容量に着目すると、消費動力の観点から小容量では容積形圧縮機が有利であり、大容量ではターボ形圧縮機が有利であるので。ターボ形圧縮機をベースロード機、容積形圧縮機を容量調整機に使用する。なお、一般的には消費動力が５００ｋＷ以下であれば容積形圧縮機、５００ｋＷ以上であればターボ形圧縮機の方が運転効率が良くなる。このように容積形圧縮機とターボ形圧縮機を組み合わせることについてはいくつか報告されているものの、吸込絞り制御で運転されるターボ形圧縮機と、省エネ性の高い回転数制御式容積形圧縮機を組み合わせて、省エネ化を図ることについては、従来十分には考慮されていない。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、より省エネ性が高く、また圧縮機を駆動する電動機の寿命短縮を防止した複数台の圧縮機の台数制御を実現することにある。本発明の他の目的は、容積形圧縮機とターボ形圧縮機とを組み合わせた圧縮機設備において、複雑な入力信号系を不要とするサージングを回避した圧縮機の台数制御を実現することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、吸込絞り弁を有し、この吸込み絞り弁で吸入ガス量を調整し容量調整する少なくとも１台のターボ形圧縮機と、電動機を有し、この電動機の回転数を制御して容量調整する少なくとも１台の回転数制御式容積形圧縮機と、負荷運転と無負荷運転を繰り返して容量調整するオンオフ式容積形圧縮機とを備え、これらターボ形圧縮機と回転数制御式容積形圧縮機とオンオフ式容積形圧縮機の吐出側を並列に配管接続した圧縮機システムにおいて、前記ターボ形圧縮機と前記回転数制御式容積形圧縮機と前記オンオフ式容積形圧縮機はそれぞれ圧縮機制御手段を有し、前記並列配管接続部分よりも下流側の圧力である吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、この吐出圧力検出手段が検出した吐出圧力が入力され、前記各圧縮機制御盤に制御指令を出力する台数制御盤とを設け、この台数制御盤は、ターボ形圧縮機が運転中には優先的に前記ターボ形圧縮機が容量制御するよう前記ターボ圧縮機の制御盤に制御指令を出力し、前記ターボ形圧縮機が停止中または無負荷運転中または吸込絞り制御範囲の下限時には、前記回転数制御式容積形圧縮機が容量制御するよう前記回転数制御式容積形圧縮機の圧縮機制御盤に制御指令を出力することにある。

そしてこの特徴において、前記ターボ形圧縮機が容量制御の状態では、前記台数制御盤を用いずに前記ターボ形圧縮機の制御盤が前記吸込絞り弁を用いて容量制御するのが好ましく、前記ターボ形圧縮機の吸込絞り制御範囲の下限は、前記オンオフ式容積形圧縮機および前記回転数制御式容積形圧縮機の定格容量の和以下であり、前記ターボ形圧縮機の定格容量が前記オンオフ式容積形圧縮機および前記回転数制御式容積形圧縮機の定格容量の和以上であってもよい。

また、上記目的を達成する本発明の他の特徴は、吸込絞り弁を有し、この吸込み絞り弁で吸入ガス量を調整し容量調整する少なくとも１台のターボ形圧縮機と、電動機を有し、この電動機の回転数を制御して容量調整する少なくとも１台の回転数制御式容積形圧縮機と、負荷運転と無負荷運転を繰り返して容量調整するオンオフ式容積形圧縮機とを備え、これらターボ形圧縮機と回転数制御式容積形圧縮機とオンオフ式容積形圧縮機の吐出側を並列に配管接続した圧縮機システムの運転制御方法において、前記ターボ形圧縮機が運転中には優先的に前記ターボ形圧縮機により容量制御し、前記ターボ形圧縮機が停止中または無負荷運転中または吸込絞り制御範囲の下限時には、前記回転数制御式容積形圧縮機が容量制御することにある。

本発明によれば、複数台の圧縮機を並列接続した圧縮機システムが回転数制御式容積形圧縮機を有するので、起動／停止回数に制限のあるオンオフ式容積形圧縮機やターボ形圧縮機の無負荷運転時間を低減できるとともに、オンオフ式容積形圧縮機やターボ圧縮機の起動／停止回数も低減でき、省エネ性が高く、また圧縮機を駆動する電動機の寿命短縮を防止した複数台の圧縮機の台数制御を実現できる。また、複雑な入力信号系を不要とするサージングを回避した圧縮機の台数制御を実現できる。

本発明に係る圧縮機の一実施例のシステム図である。複数台の圧縮機を組み合わせて運転するときの組み合わせ状態の一例を説明するグラフである。複数台の圧縮機を組み合わせて運転したときの一例であり、運転状態の推移を示す図である。複数台の圧縮機を台数制御運転するときのフローチャートである。複数台の圧縮機を台数制御運転するときのフローチャートである。複数台の圧縮機を台数制御運転するときのフローチャートである。

以下、本発明に係る圧縮機の一実施例を、図面を用いて説明する。図１に、本発明に係る圧縮機システム１００の一実施例をブロック図で示す。本実施例では、複数台、図１では３台の圧縮機２〜４を組み合わせて運転する。３台の圧縮機２〜４は、ガス配管６により並列接続され、ガス配管６に集められた圧縮ガスはレシーバタンク５に貯蔵される。そしてレシーバタンク５から需要元に送られる。表１に、この圧縮機システム１００に用いる３台の圧縮機２〜４の詳細を示す。

本圧縮機システム１００は、３種類の圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔを有するシステムである。すなわち、回転数制御式容積形圧縮機Ｖが１台、回転数制御式容積形圧縮機Ｖと同じ定格風量のオンオフ制御式容積形圧縮機Ｓが１台、回転数制御式容積形圧縮機Ｖとオンオフ制御式容積形圧縮機Ｓの定格風量の和より吸込絞り制御範囲の下限値が小さいターボ形圧縮機Ｔが１台である。回転数制御式容積形圧縮機Ｖとオンオフ制御式容積形圧縮機Ｓの定格風量を１００とすると、ターボ形圧縮機Ｔの全負荷容量は２８０であり、吸込絞り制御における下限容量は、全負荷の７０％となる１９６である。ここで図１に戻ると、圧縮機２は回転数制御式容積形圧縮機Ｖであり、圧縮機３はオンオフ式容積形圧縮機Ｓであり、圧縮機４はターボ形圧縮機Ｔである。

レシーバタンク５には圧力検出器５２が設置されており、この圧力検出器５２が検出した吐出ガス圧力の測定データが、台数制御盤１に取り込まれる。各圧縮機２〜４は、それぞれ吐出側に圧力検出器２２、３２、４２を備えている。また、この圧力検出器２２、３２、４２の出力が入力される圧縮機制御盤２１、３１、４１も備えており、各圧縮機制御盤２１、３１、４１と台数制御盤１間には、図示しない接点信号入出力機器とアナログ入出力信号機器または通信機器が設けられている。

接点信号入出力機器は、少なくとも各圧縮機２〜４の起動／停止指令信号と、圧縮機運転アンサーバック信号と、故障信号とが入出力される機器である。また、アナログ入出力信号機器または通信機器は、台数制御盤１内で圧力検出器５２から取り込まれた吐出ガス測定圧力と目標圧力の偏差に基づいて回転数制御式容積形圧縮機２をＰＩ（またはＰＩＤ）制御するため、回転数指令信号及び回転数指令アンサーバック信号を入出力するための機器である。ターボ形圧縮機４を吸込絞り制御するときは、レシーバタンク５の圧力検出器５２が検出した吐出ガスの測定圧力と目標圧力の偏差に基づいて、ターボ形圧縮機４の制御盤４１がＰＩ（またはＰＩＤ）制御する。

このような３種の圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔを用いて台数制御した場合に、最適な圧縮機の組み合わせ結果を図２に示す。図２では、消費風量と消費動力の関係を示している。ここで、台数制御において最適な運転状態とは、各消費風量ごとに、消費動力が最も少なくなる組み合わせである。

図２において、消費風量が０〜１００の範囲では、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを用いて容量調整するのが最も消費動力が少ない。これは消費風量が２０〜１００の範囲では回転数制御による調整で、無駄に空気を圧縮せず必要量しか圧縮しないためである。風量０〜２０の範囲では、オンオフ制御となるが、低回転数の状態でのオンオフ制御であるから、オンオフ式容積形圧縮機Ｓによる定格（最大回転数）でのオンオフ制御よりも消費動力は少ない。

消費風量１００〜２００の範囲では、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを全負荷運転させ、回転数制御式容積形圧縮機Ｖで容量調整する。この流量範囲は、ターボ形圧縮機Ｔの吸込絞り制御の下限（１９６）とほぼ同じ風量を上限とするものであり、ターボ形圧縮機Ｔを使用する場合には吸込み絞り制御を適用できず、一般に定風圧制御と呼ばれる放風を伴う制御となる。定風圧制御は放風を伴うことにより、圧縮機で圧縮した空気を捨てることになり、当然無駄な消費動力が大きくなる。そこで、風量０〜１００までに実績のある回転数制御式容積形圧縮機Ｖと、最大風量で駆動されるオンオフ式容積形圧縮機Ｓを組み合わせるのが、最適な組み合わせとなる。

消費風量２００〜２８０の範囲で、圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔを組み合わせて使用するとすれば、容積形圧縮機Ｖ、Ｓの２台では所定風量を発生できないから、ターボ形圧縮機Ｔとの組み合わせとならざるを得ない。しかしながら上述したように、容積形圧縮機Ｓ、Ｖの何れかまたは双方とターボ形圧縮機Ｔを組み合わせると、ターボ形圧縮機Ｔは定風圧制御範囲となり、放風による無駄な動力を使用することになる。そこで、吸込絞り制御が可能な範囲なので、ターボ形圧縮機Ｔを単独使用して容量調整する。

消費風量２８０〜３００の範囲では、もはやターボ形圧縮機Ｔの単独運転では要求風量を達成することが不可能なので、圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔの２または３種の組み合わせとなる。ここで、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを組み合わせる場合、オンオフ式容積形圧縮機Ｓのオンオフ回数の制限からオンオフ式容積形圧縮機Ｓを最大風量で連続運転させることが望ましい。

この消費風量２８０〜３００の範囲では、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを連続運転し、ターボ形圧縮機Ｔをこのオンオフ式容積形圧縮機Ｓに組み合わせて運転すると、ターボ形圧縮機Ｔを吸込み絞り制御の下限以下で運転する場合が生じる。すなわち、ターボ形圧縮機では、定風圧制御による放風が発生し消費動力が増大する。そこで、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを使用せず、容量調整可能なターボ形圧縮機Ｔと回転数制御式容積形圧縮機Ｖの組み合わせとする。この場合、運転形態はいくつか考えられるが、ターボ形圧縮機Tの方が回転数制御式容積形圧縮機Ｖよりも消費動力の観点から高性能であるので、ターボ形圧縮機Ｔを高効率が得られる吸込絞り制御の下限容量に近い風量２００で負荷運転する。これに伴い、回転数制御式容積形圧縮機Ｖで残りの必要な風量を得るよう容量調整する。

さらに消費風量が増大する消費風量３００〜３８０の範囲では、やはり圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔの２種または３種の組み合わせとなる。ここで、容積形圧縮機Ｓ、Ｖのいずれかを最大風量で駆動してもターボ形圧縮機Ｔに求められる容量は吸込み絞り制御の範囲となり、放風等の無駄な動力の使用が無くなる。そこで、容積形圧縮機Ｖ、Ｓのいずれかとターボ形圧縮機Ｔとを組み合わせる。消費風量が変動する場合、大きな変動よりも小さな変動が頻発することが経験的に知られているので、この風量範囲に隣り合う風量範囲で使用している圧縮機を継続的に使用するほうが、圧縮機のオンオフの頻度を低減できる。そこで、この風量範囲よりも小風量範囲で使用していた回転数制御式容積形圧縮機Ｖを全負荷運転させ、ターボ形圧縮機Ｔを吸込絞り制御して容量調整する。

消費風量が３８０を超えると、３種の圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔ全てを使用しないと必要風量を発生できない。その場合、放風を伴うターボ形圧縮機Ｔの定風圧制御を回避するため、ターボ形圧縮機Ｔは吸込絞り制御可能な範囲とする。つまり、ターボ形圧縮機Ｔの発生風量は２００以上とする。また、オンオフ式容積形圧縮機Ｓは、全負荷運転（１００%ロード）状態で運転するのが一番効率の良い状態なので、オンオフ式容積形圧縮機Ｓの発生風量を１００とする。したがって、風量３８０〜４００の範囲では、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを全負荷運転させ、ターボ形圧縮機Ｔでは吸込絞り制御のほぼ下限容量で負荷運転し、必要な残りの量を回転数制御式容積形圧縮機Ｖが容量調整する。

消費風量４００〜４８０の範囲では、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを全負荷運転させるのは上記消費風量３８０〜４００の場合と同様であるが、回転数制御式容積形圧縮機Ｖも全負荷運転させる。そして残りの必要風量は２００〜２８０であるからターボ形圧縮機Ｔの吸込絞り制御範囲（１９６〜２８０）内であるので、ターボ形圧縮機Ｔを容量調整運転させる。なお、ターボ形圧縮機Ｔを吸込み絞り制御の下限で運転し、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを回転数制御しても同風量を得られるが、上述したようにターボ形圧縮機Tの吸込み絞り制御運転の方が、回転数制御式容積形圧縮機Ｖの回転数制御運転よりも消費動力の観点から高性能であるので、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを最大風量で運転するのがよい。

図２に示した３種の圧縮機のＶ、Ｓ、Ｔの各風量における最適組み合わせに基づいて台数制御するときに、消費風量０の状態から消費風量最大の４８０まで緩やかに増大させた場合の各圧縮機２〜４の状態を、図３に示す。細分した状態１〜２６に従って、３種の圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔの運転状態が図３に示すように推移する。

消費風量０〜１００の範囲Ｒ_Ａでは、全ての圧縮機Ｖ、Ｓ、Ｔが停止しているときに、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを起動する（状態１）。その後必要容量に応じて、回転数制御式容積形圧縮機が容量調整する（表３において容調と略す）（状態２）。

消費風量０〜１００の範囲Ｒ_Ａから消費風量１００〜２００の範囲Ｒ_Ｂに移行するときは、まず回転数制御式容積形圧縮機Ｖが全負荷運転（表３において１００％と略す）（状態３）となる。そして、吐出ガス圧力が予め設定した設定下限圧力ＬＬまで低下したら、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを起動する（状態４）。オンオフ式容積形圧縮機Ｓは全負荷運転もしくは無負荷運転しかできないので、オンオフ回数を低減させるために全負荷運転させ、回転数制御式容積形圧縮機Ｖで容量調整（状態５）する。

消費風量１００〜２００の範囲Ｒ_Ｂから消費風量２００〜２８０の範囲Ｒ_Ｃに移行するのは、回転数制御式容積形圧縮機Ｖも全負荷運転（状態６）となったときであり、吐出ガス圧力が予め設定した設定下限圧力ＬＬまで低下したときである。この場合、さらに圧縮機の発生容量を増すために、ターボ形圧縮機Ｔを起動する（状態７）。

ターボ形圧縮機Ｔの運転時には、優先的に吸込絞り制御で容量調整（状態８）する。ターボ形圧縮機Ｔの容量は、他の圧縮機Ｖ、Ｓに比べて吸込絞り制御の下限容量（７０％）でも多いので、ターボ型圧縮機Ｔが起動できたら、ターボ形圧縮機Ｔの容量をまず下限容量に固定する（状態９）。

ターボ形圧縮機Ｔを起動したので速やかに吐出圧力が増加し、所要吐出圧力を超えてしまう。そこで、所要吐出圧力と比較しながら回転数制御式容積形圧縮機Ｖの容量を調整し（状態１０）、所要吐出圧を越えるようであれば回転数制御式容積型圧縮機Ｖを停止する（状態１１）。回転数制御式容積形圧縮機Ｖを停止する際には、回転数を最小回転数まで低下させてから停止させることができるので、無駄な動力消費となる無負荷運転等を必要としない。また、始動電流を低く抑えられるので、頻繁な起動／停止に対応できる。

ターボ形圧縮機Ｔが起動しているので、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを停止させただけでは、吐出ガス圧力が予め設定した設定上限圧力ＬＬを超えてしまう。そこで、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを無負荷運転させる（状態１２）。ところで、オンオフ式容積形圧縮機Ｓでは、モータの起動回数が制限されているので、むやみに停止させないほうがよい。そこで、無負荷運転状態でオンオフ式圧縮機Ｓを待機させ所定時間経過しても負荷運転に戻らない（つまり圧縮空気を必要としない）ことを確認し、停止させる。

なお、回転数制御式容積形圧縮機Ｖは、起動時にモータに負荷がかからないので、起動回数の制限がない。そのため、頻繁な起動停止にも対応できる。これにより、回転数制御式容積形Ｖを常に優先的に起動停止させ、オンオフ式容積形圧縮機Ｓの頻繁な起動／停止による損傷の発生を防止している。また、無負荷運転時に吐出圧力が上昇すれば、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを１００％負荷運転に戻す。無負荷運転でも多少の動力を消費するので、無負荷運転が長時間継続する場合には、オンオフ式容積形圧縮機Ｓも停止する。

その後、ターボ形圧縮機Ｔの吸込絞り制御で、容量調整する（状態１３）。オンオフ式容積形圧縮機Ｓは、予め設定した設定時間が経過するまで連続で無負荷運転を続ける。この設定時間が経過したら、オンオフ式容積形圧縮機Ｓの運転が不要であると判断し、停止させる（状態１４）。

消費風量２００〜２８０の範囲Ｒ_Ｃから消費風量２８０〜３００の範囲Ｒ_Ｄに移行する状態では、ターボ形圧縮機Ｔを全負荷運転としても、吐出ガス圧力が予め設定した設定下限圧力ＬＬまで低下して、他の圧縮機を必要とする状態である。この場合、起動／停止の制限が無く起動が容易な回転数制御式容積形圧縮機Ｖを起動（状態１５）し、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを全負荷運転させる（状態１６）。回転数制御式容積形圧縮機Ｖを全負荷運転するとターボ型圧縮機Ｔを全負荷運転させたままでは必要容量を超えていると考えられるので、ターボ形圧縮機Ｔを吸込絞り制御して容量調整し、吸込絞り制御の下限容量（７０％）まで絞る（状態１７）。この状態でもなお吐出圧力が予め設定した設定上限圧力ＬＬを超えるおそれが高いので、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを全負荷運転から容量調整する（状態１８）。

消費風量２８０〜３００の範囲Ｒ_Ｄから消費風量３００〜３８０の範囲Ｒ_Ｅに移行するときは、もはや容量調整範囲の広いターボ形圧縮機Ｔを容量調整しなければ、回転数制御式容積形圧縮機Ｖが全負荷運転となっている（状態１９）ので、要求容量を発生できない。そこで、ターボ形圧縮機（Ｔ）を吸込絞り制御して容量調整する（状態２０）。

消費風量３００〜３８０の範囲Ｒ_Ｅから消費風量３８０〜４００の範囲Ｒ_Ｆに移行するときは、ターボ形圧縮機Ｔも回転数制御式容積形圧縮機Ｖも全負荷運転（状態２１）であり、それでも、吐出ガス圧力が予め設定した設定下限圧力ＬＬに低下する状態である。そのため、３個目の圧縮機としてオンオフ式容積形圧縮機Ｓを起動する（状態２２）。

オンオフ式容積形圧縮機Ｓは無負荷／負荷の繰り返しを避けるために全負荷運転させる。そこで、１００％負荷運転していたターボ形圧縮機Ｔを吸込絞り制御して容量調整（状態２３）し、吸込絞り制御の下限容量（７０％）まで絞る（状態２４）。この状態では、容積形の２種の圧縮機Ｖ、Ｓが全負荷運転であるから、吐出ガス圧力が予め設定した設定上限圧力ＬＬまで上昇する可能性が高い。そこで、回転数制御式容積形圧縮機Ｖで容量調整する（状態２５）。

消費風量３８０〜４００の範囲Ｒ_Ｆから消費風量４００〜４８０の範囲Ｒ_Ｇに移行するときは、２種の容積形圧縮機Ｖ、Ｓは双方とも全負荷運転であり（状態２６）、ターボ形圧縮機Ｔを容量調整しない限り必要容量を達成できない状態である。そこで、ターボ形圧縮機Ｔを吸込絞り制御して容量調整（状態２７）する。

以上は図２に示した関係を用いた、本発明に係る圧縮機システムの運転例の一例を示したものである。本発明はこの運転例に限るものではなく、種々の運転方法に対応できる。そこで、本発明に係る圧縮機システムの運転フローチャートを、上記実施例と同様の圧縮機構成の場合について、図４Ａ〜図４Ｃに示す。

図４Ａ〜図４Ｃに、図１に示した複数台の圧縮機２〜４を備えた圧縮機システム１００の台数制御運転時の運転フローチャートを示す。ここで、圧縮機Ｖは回転数制御式容積形圧縮機であり、圧縮機Ｓはオンオフ式容積形圧縮機であり、圧縮機Ｔはターボ形圧縮機である。図４Ａは、主として図２のＲ_Ａ、Ｒ_Ｂにおける運転制御のフローチャートであり、図４Ｂは、主として図２のＲ_ＣおよびＲ_Ｃから容量を増減させる移行状態における運転制御のフローチャートであり、図４Ｃは、主として図２のＲ_Ｄ〜Ｒ_Ｇにおける運転制御のフローチャートである。

圧縮機システム１００の台数制御を開始すると、まず回転数制御式容積形圧縮機Ｖを起動する（ステップＳ１１０）。そして、圧力検出器５２が検出した吐出ガス圧力の測定データと目標圧力の偏差に基づいて、台数制御盤１から制御盤２２へ回転数制御式容積形圧縮機Ｖを駆動する電動機のＰＩ（またはＰＩＤ）制御指令を送信して、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを容量調整する（ステップＳ１４０）。つまり、台数制御盤１は、回転数制御式容積形圧縮機Ｖの制御盤２２へ、回転数指令信号を出力する。そして、回転数制御式容積形圧縮機Ｖの制御盤２２が、回転数指令アンサーバック信号を台数制御盤１に戻すことで、運転状況が監視される。ステップＳ１５０で目標圧力に達していて目標容量が達成されていたら、次の制御時間を待つ（ステップＳ１５５）。

目標圧力に達しておらず、ステップＳ１６０でターボ形圧縮機Ｔが運転中でない場合には、回転数制御式容積形圧縮機Ｖが全負荷運転か否か（ステップＳ１７０）を台数制御盤１が調べる。圧縮機Ｖが全負荷運転であれば、ステップＳ１８０で圧力検出器５２が検出する運転圧力が設定最低圧力ＬＬよりも高いか否かを判断する。設定最低圧力よりも低い場合には圧縮機の能力不足であるので、ステップＳ１９０で待機中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがあるか否かを調べる。待機中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがある場合には、オンオフ式容積形圧縮機Ｓの無負荷運転時間を計測中のタイマＴｍ１をリセットするとともにカウントを停止する（ステップＳ１９２）。そして、待機中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓを起動し全負荷運転させ（ステップＳ１９４）、結節点Ａに戻る。

ステップＳ１８０で運転圧力が設定最低圧力よりも高ければ、結節点Ａに戻り回転数制御式容積形圧縮機Ｖを容量調整する。また、ステップＳ１７０で回転数制御式容積形圧縮機Ｖが全負荷運転でなければ、ステップＳ２００で回転数制御式容積形圧縮機Ｖが最小負荷運転中か否かを判断する。最小負荷運転で無ければ結節点Ａに戻る。回転数制御式容積形圧縮機Ｖが最小負荷運転で、運転圧力が設定最高圧力ＨＨ未満であれば、結節点Ａに戻る。

運転圧力が設定最高圧力ＨＨ以上であれば、全負荷運転中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがあるか否かをステップＳ２２０で調べる。全負荷運転中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがあれば、オンオフ式容積形圧縮機の無負荷運転時間をカウントするタイマＴｍ１のカウントを開始（ステップＳ２２２）し、オンオフ式容積形圧縮機を無負荷運転（ステップＳ２２４）する。全負荷運転中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓが無い場合には、圧縮機システムが発生する圧縮ガス量の要求が無いので、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを停止（ステップＳ２３０）する。この場合、圧力検出器５２が検出する圧縮空気供給ラインの圧力が低下していないかを確認し、台数制御フローの初期状態に戻る。そしてライン圧が低下していれば回転数制御式容積形圧縮機Ｖを再起動し、低下していなければ所定時間が経過後に再起動するか否かを判定する。

なお、この図４Ａでは、結節点Ａの後に、オンオフ式容積形圧縮機Ｓの無負荷運転経過時間を計測するタイマＴｍ１およびターボ形圧縮機Ｔの定風圧制御運転経過時間を計測するタイマＴｍ２の計測時間が所定時間経過したか否かを判断するステップ（ステップＳ１２０、１３０）と、経過した場合に各圧縮機Ｓ、Ｔを停止するステップ（Ｓ１２５、１３５）を含んでいる。これらは図４Ｂ、図４Ｃの運転状態からの移行時に必要となるステップである。

図４Ｂは、目標容量が大であり、ターボ形圧縮機Ｔを起動させる場合の運転フローチャートである。ターボ形圧縮機Ｔを起動させるので、ターボ形圧縮機Ｔの定風圧制御運転時間を計測し、所定時間継続したらターボ型圧縮機を停止させるタイマＴｍ２をリセットするとともに、停止する（ステップＳ３１０）。そして、ターボ形圧縮機Ｔを起動する（ステップＳ３２０）。

ターボ形圧縮機Ｔが起動したので、このターボ形圧縮機Ｔを容量調整する（ステップＳ３３０）。つまり、ターボ形圧縮機Ｔの制御盤４１が、吐出ガス圧力の測定データと目標圧力の偏差を用いてＰＩ制御またはＰＩＤ制御し、ターボ形圧縮機Ｔを吸込絞り制御する。ここで、台数制御盤１が、吐出ガス圧力の測定データと目標圧力の偏差を用いてＰＩまたはＰＩＤ制御により、ターボ形圧縮機Ｔを吸込絞り制御してもよいが、ターボ形圧縮機Ｔの吸込絞り制御範囲が吸込ガス温度によって変化するので、吸込ガス温度信号や吐出ガス圧力、電動機電流値も取り込む必要があり、好ましくない。そこで、本実施例では、ターボ形圧縮機Ｔの制御盤４１が吸込絞り制御している。

次いで、ステップＳ３４０で目標圧力に到達したか否かを判定し、到達していれば次回の制御時間まで待つ（ステップＳ３４５）。目標圧力になっていない場合には、ターボ形圧縮機Ｔが最小負荷運転（７０％負荷運転）か否かをステップＳ３５０で調べる。ターボ形圧縮機Ｔが最小負荷運転であれば、ステップＳ３６０で運転圧力が設定最高圧力以下か否かを判定し、設定最高圧力以下であれば、結節点Ｃへ戻る。

一方、ターボ形圧縮機Ｔを最小負荷運転しても目標圧力を超えていれば圧縮機システム１００からの供給過多であるので、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを容量調整する（ステップＳ３７０）。これで目標圧力を達成しておれば（ステップＳ３８０）、次回の制御時間まで待つ（ステップＳ３８５）。目標圧力を達成できない場合には、回転数制御式容積形圧縮機Ｖが最小負荷運転中か否かをステップＳ３９０で判断する。

回転数制御式容積形圧縮機Ｖが最小負荷運転中で、運転圧力が設定最高圧力よりも高い（ステップＳ４００）と判断したときには、圧縮ガスの供給が過多であるので、圧縮機システム１００の稼働中の圧縮機のいずれかを停止させることになる。そこで、ステップＳ４１０で全負荷運転中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがあるか否かを調べる。全負荷運転中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがあれば、この圧縮機Ｓを停止させる準備として、ステップＳ４１２でオンオフ式容積形圧縮機Ｓの無負荷時間を計測するタイマＴｍ１がカウントを開始する。それとともに、ステップＳ４１４でオンオフ式容積形圧縮機Ｓを無負荷運転させる。オンオフ式容積形圧縮機Ｓは、起動／停止の回数に制限があるので、頻繁な起動／停止を繰り返さないために停止条件に達したらまず無負荷運転させ、無負荷運転時間が所定時間継続したときのみ、オンオフ式容積形圧縮機は使用しないものとみなして停止させる。全負荷運転中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓが無い場合には、結節点Ｄに進む。

ステップＳ３５０でターボ形圧縮機Ｔが最小負荷運転で無いと判断された場合には、ステップＳ４２０でターボ形圧縮機Ｔが全負荷運転されているか否かを判断する。ターボ形圧縮機Ｔが全負荷運転されているときは、ステップＳ４３０に進み運転圧力が設定最小圧力を超えているか否かを判断する。ターボ形圧縮機Ｔが全負荷運転しても圧力が上昇しないので、圧縮機システム１００は供給不足であるから、無負荷運転または停止中で待機中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがあるか無いかをステップＳ４４０で調べる。待機中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓが無い場合には、圧縮機システム１００の想定容量を超えているので、結節点Ｘに進む。この場合、この圧縮機システム１００に含まれない他の圧縮機から圧縮ガスを供給するか、圧縮機の台数制御を停止する。もしくは需要元の消費量を抑制する。

待機中のオンオフ式容積形圧縮機Ｓがあれば、このオンオフ式容積形圧縮機Ｓの無負荷運転時間を計測していたタイマＴｍ１をリセットし、カウントを停止する（ステップＳ４５０）。それとともに、オンオフ式容積形圧縮機Ｓを起動し、全負荷運転する（ステップＳ４６０）。

図４Ｃは、図２におけるＲ_Ｃの領域での運転とその領域Ｒ_Ｃから他の領域へ移る際の運転制御フローチャートを示したものである。図２の領域Ｒ_Ｃへの移行のため、ステップＳ５１０で回転数制御式容積形圧縮機Ｖを停止する。ターボ形圧縮機Ｔが起動しているので、ターボ形圧縮機Ｔの制御盤４１が吐出ガス圧力の測定データと目標圧力の偏差を用いてＰＩまたはＰＩＤ制御により、ターボ形圧縮機Ｔを吸込絞り制御する（ステップＳ５２０）。この容量制御により目標圧力になっているか否かをステップＳ５３０で判断し、目標圧力になっておればステップＳ５３５で次回の制御タイミングを待つ。

目標圧力で無い場合には、ターボ形圧縮機Ｔが最小負荷運転であるか否かをステップＳ５４０で判断し、最小負荷運転であれば運転圧力が設定最高圧力ＨＨ未満であるか否かを調べる（ステップＳ５５０）。ターボ形圧縮機Ｔが最小負荷運転でも設定最高圧力を超えるときは供給過剰であるので、ターボ形圧縮機Ｔを停止するために、ターボ形圧縮機Ｔの無負荷運転時間を計測するタイマＴｍ２がカウントを開始し（ステップＳ５６０）、ターボ形圧縮機Ｔを無負荷運転（放風運転）させる（ステップＳ５７０）。次いで、ターボ形圧縮機Ｔの代わりに回転数制御式容積形圧縮機Ｖを起動し（ステップＳ５８０）、需要に合うようにする。

一方、ステップＳ５４０でターボ形圧縮機Ｔが最小負荷運転でないと判断されたときには、ステップＳ５９０に進み、ターボ形圧縮機Ｔが全負荷運転か否かを調べる（ステップＳ５９０）。ターボ形圧縮機Ｔが全負荷運転であれば運転圧力が設定最低圧力ＬＬ以下か否かを判断し、設定最低圧力以下であれば供給不足なので、圧縮機の組み合わせをターボ形圧縮機Ｔの単独運転から回転数制御式容積形圧縮機Ｖとターボ形圧縮機Ｔの組み合わせに変える。そのため、ターボ形圧縮機Ｔを最小負荷運転（ステップＳ６１０）にし、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを起動する（ステップＳ６２０）。

以上説明したように、本実施例によれば、回転数制御式容積形圧縮機Ｖを起動／停止の回数制限無く使用できる圧縮機として圧縮機システムに組み合わせているので、回転数制御式容積形圧縮機の停止の際に無負荷運転する必要が無く、すぐに停止できるので、消費動力を低減することができる。また、起動／停止の回数制限があるオンオフ式容積形圧縮機とターボ形圧縮機を、可能な限り連続運転できるように起動する圧縮機を要求風量に応じて組み合わせているので、無負荷運転による動力損失を低減できる。また、オンオフ式容積形圧縮機およびターボ形圧縮機の起動／停止の回数を低減しているので、オンオフ式容積形圧縮機およびターボ形圧縮機を長寿命化できる。

さらに、台数制御盤は運転台数の制御だけすればよく、各圧縮機が備える圧縮機制御盤が対応する圧縮機の容量制御をしている。そして、ターボ形圧縮機においては、ターボ形圧縮機制御盤がサージング回避運転をするので、台数制御盤と圧縮機制御盤との間に、複雑な入力信号系が不要となる。したがって台数制御盤は、ターボ形圧縮機のサージングを回避する制御に関与する必要がなくなり、信号系が簡素化した圧縮機の台数制御を実現できる。

１…台数制御盤、２…回転数制御式容積形圧縮機、３…オンオフ式容積形圧縮機、４…ターボ形圧縮機、５…レシーバタンク、６…ガス配管、２１…圧縮機制御盤、２２…圧力検出器、３１…圧縮機制御盤、３２…圧力検出器、４１…圧縮機制御盤、４２…圧力検出器、５２…圧力検出器、１００…圧縮機システム、Ｓ…オンオフ式容積形圧縮機、Ｔ…ターボ形圧縮機、Ｖ…回転数制御式容積形圧縮機。

Claims

吸込絞り弁を有し、この吸込み絞り弁で吸入ガス量を調整し容量調整する少なくとも１台のターボ形圧縮機と、電動機を有し、この電動機の回転数を制御して容量調整する少なくとも１台の回転数制御式容積形圧縮機と、負荷運転と無負荷運転を繰り返して容量調整するオンオフ式容積形圧縮機とを備え、これらターボ形圧縮機と回転数制御式容積形圧縮機とオンオフ式容積形圧縮機の吐出側を並列に配管接続した圧縮機システムにおいて、
前記ターボ形圧縮機と前記回転数制御式容積形圧縮機と前記オンオフ式容積形圧縮機はそれぞれ圧縮機制御手段を有し、前記並列配管接続部分よりも下流側の圧力である吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、この吐出圧力検出手段が検出した吐出圧力が入力され、前記各圧縮機制御盤に制御指令を出力する台数制御盤とを設け、この台数制御盤は、ターボ形圧縮機が運転中には優先的に前記ターボ形圧縮機が容量制御するよう前記ターボ圧縮機の制御盤に制御指令を出力し、前記ターボ形圧縮機が停止中または無負荷運転中または吸込絞り制御範囲の下限時には、前記回転数制御式容積形圧縮機が容量制御するよう前記回転数制御式容積形圧縮機の圧縮機制御盤に制御指令を出力することを特徴とする圧縮機システム。
前記ターボ形圧縮機が容量制御の状態では、前記台数制御盤を用いずに前記ターボ形圧縮機の制御盤が前記吸込絞り弁を用いて容量制御することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機システム。
前記ターボ形圧縮機の吸込絞り制御範囲の下限は、前記オンオフ式容積形圧縮機および前記回転数制御式容積形圧縮機の定格容量の和以下であり、前記ターボ形圧縮機の定格容量が前記オンオフ式容積形圧縮機および前記回転数制御式容積形圧縮機の定格容量の和以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機システム。
吸込絞り弁を有し、この吸込み絞り弁で吸入ガス量を調整し容量調整する少なくとも１台のターボ形圧縮機と、電動機を有し、この電動機の回転数を制御して容量調整する少なくとも１台の回転数制御式容積形圧縮機と、負荷運転と無負荷運転を繰り返して容量調整するオンオフ式容積形圧縮機とを備え、これらターボ形圧縮機と回転数制御式容積形圧縮機とオンオフ式容積形圧縮機の吐出側を並列に配管接続した圧縮機システムの運転制御方法において、
前記ターボ形圧縮機が運転中には優先的に前記ターボ形圧縮機により容量制御し、前記ターボ形圧縮機が停止中または無負荷運転中または吸込絞り制御範囲の下限時には、前記回転数制御式容積形圧縮機が容量制御することを特徴とする圧縮機システムの運転制御方法。