JP6056057B2 - 整圧装置の安定化方法 - Google Patents

Description

本発明は、パイロット式の整圧装置の安定化方法に関するものである。

パイプラインによる都市ガス等の流体供給方式としては、上流側の高圧流体を段階的に減圧して下流側に供給する方式が採用されている。この際、減圧のための各段階には流体導管に整圧装置（ガバナ）が装備され、下流側の圧力を設定圧力に調整することが行われている。以下の説明では、整圧装置の上流側流体導管内の圧力を一次圧といい、整圧装置によって設定される下流側流体導管内の圧力を二次圧という。

整圧装置は、上流側流体導管の圧力変動や負荷流量に関係なく、下流側導管内の二次圧が設定圧力になるように調整する。この整圧装置は、一般的に、比較的小さい流量の流体導管に装備される簡易な構造のものとして直動式があり、比較的大きな流量の流体導管に装備されるものとしてパイロット式がある（例えば、下記特許文献１参照）。

図１は、従来のパイロット式整圧装置の構成例を示した説明図（図１（ａ）が配管構成図であり、図１（ｂ）が動作説明図）である。流体導管１に装備される整圧装置Ｊ１０は、上流側流体導管１Ａと下流側流体導管１Ｂの間に装備され、メインガバナ１１、パイロット流路１２、パイロットガバナ１３を備えている。パイロット流路１２は上流側流体導管１Ａと下流側流体導管１Ｂとを連通する流路である。パイロットガバナ１３は、パイロット流路１２に設けられ、二次圧検出流路１４を介して検出される二次圧Ｐ₂に応じて開閉してパイロット流路１２を流れる流体の流量を調整するものである。メインガバナ１１は、パイロット流路１２から分岐した制御圧流路１５を介して制御圧力Ｐ_Cが駆動部１１Ａの制御圧室１１Ａ１に供給され、制御圧力Ｐ_Cが低下すると上流側流体導管１Ａと下流側流体導管１Ｂとを連通する流通部の開度が大きくなるように作動する弁機構を備える。

このような整圧装置Ｊ１０によると、パイロット流路１２で増幅された制御圧力Ｐ_Cによってメインガバナ１１の開度を制御することができる。すなわち、下流側での流体消費によって二次圧Ｐ₂が低下すると、パイロットガバナ１３のダイヤフラムにかかる圧力が低下してパイロットガバナ１３の弁が開き、パイロット流路１２の流量が増加する。パイロット流路１２には抵抗部（絞り）１２Ａが設けられているので、パイロット流路１２の流量が増すと抵抗部１２Ａによる圧力損失が大きくなり、制御圧流路１５によってメインガバナ１１の駆動部１１Ａの制御圧室１１Ａ１に供給される制御圧力が低下する。これによってメインガバナ１１の流通部の開度が大きくなり、この流通部を介して二次側に流れる流量が増加する。二次圧Ｐ₂が設定圧まで上昇すると新たな定常状態に達し、二次圧Ｐ₂が設定圧に保持される。

特開２００６−２８５６６０号公報

図１（ｂ）に示すように、前述した従来の整圧装置では、メインガバナ１１の開度を制御する制御圧力Ｐ_Cはパイロット流路１２から出力される。そして、パイロット流路１２に設ける抵抗部１２Ａによる圧力損失でどれだけ制御圧力Ｐ_Cを低下させることができるかで、メインガバナの開度を高めるための駆動力Ｆが確保されることになる。しかしながら、制御圧力Ｐ_Cは一次圧Ｐ₁と二次圧Ｐ₂の間の圧力になるので、一次圧Ｐ₁が例えば常用圧力（＝７００ｋＰａＧ）から設計最低圧力Ｐ₁’（＝３００ｋＰａＧ）に低下すると、一次圧Ｐ₁’と二次圧Ｐ₂（例えば、１５０ｋＰａＧ）の差が小さくなり、パイロット流路１２の流量を大きくできず、抵抗部１２Ａの圧力損失による制御圧力Ｐ_C’を下げることができない。よって、駆動力Ｆ’が小さくなり、メインガバナ１１を全開にするだけの十分な駆動力が得られない問題が生じる。

これを解消するための低差圧整圧機構としては、図２に示すようなベンチュリ方式の整圧装置がある（図２（ａ）が配管構成図であり、図２（ｂ）が動作説明図である。）。図２において図１と共通する部位は同一符号を付して重複説明を省略する。この方式は、パイロット流路１２に設ける抵抗部にベンチュリ１２Ｖを採用し、ベンチュリ１２Ｖの狭窄部１２Ｖ１に制御圧流路１５を連通させている。これによると、ベンチュリ１２Ｖの狭窄部１２Ｖ１を高速で流体が通過することにより雰囲気圧力より低い圧力を発生させることができ、この低い圧力を制御圧力Ｐ_C（Ｐ_C’）として出力させることで、図２（ｂ）に示すように、一次圧低下時（設定最低圧力Ｐ₁’時）にも比較的大きな駆動力Ｆ_V’を得ることができる（図示におけるＦ_Vは一次圧が比較的高い場合（常用圧力Ｐ₁時）の駆動力を示している。）。

しかしながら、このベンチュリ方式のパイロット式整圧装置は、急激な負荷変動でメインガバナ１１を急動作させる必要がある場合には、駆動部１１Ａに流出入する流量に遅れが生じて、制御圧力Ｐ_C（Ｐ_C’）が負荷変動に追従できず、動作が不安定になる傾向がある。このため、図２に示したベンチュリ方式のパイロット式整圧装置は、一次側の負荷変動が緩やかであること、或いは二次側の容量が大きく二次圧の不安定挙動が起こり難いことなど、使用条件に制限を設けざるを得ない問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、メインガバナの開度を制御する制御圧力をパイロット流路から出力するパイロット式の整圧装置において、一次圧と二次圧の差が小さい場合であっても、メインガバナの開度を十分な駆動力で制御することができること、急激な負荷変動に対しても安定した二次圧を得ることができ、使用条件の汎用性を高めることができること、などが本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による整圧装置の安定化方法は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

流体導管に装備され、上流側流体導管における一次圧を下流側流体導管における二次圧に整圧する整圧装置の安定化方法であって、前記整圧装置は、前記上流側流体導管と前記下流側流体導管の間に装備されるメインガバナと、前記上流側流体導管と前記下流側流体導管とを連通するパイロット流路とを備え、前記メインガバナは、前記パイロット流路から出力される制御圧力によって開度調整を行う駆動部を備え、前記パイロット流路に、狭窄部が前記駆動部に連通するベンチュリを設けると共に、その下流側に当該パイロット流路の流量を前記二次圧に基づいて調整するパイロットガバナを設け、前記一次圧の負荷変動に対して前記制御圧力が安定化するように、前記ベンチュリと前記パイロットガバナとの連通部容量を設定することを特徴とする整圧装置の安定化方法。

本発明は、パイロット流路に設けたベンチュリによって制御圧力を出力するパイロット式整圧装置の制御系を現実動作に即してモデル化することを創案し、急激な負荷変動に対して二次圧を安定化させる有効な設定パラメータがベンチュリとパイロットガバナの連結部容量にあることを新たに見出したものである。本発明の整圧装置によると、ベンチュリとパイロットガバナの連結部容量を適正に設定することで、ベンチュリ方式のパイロット式整圧装置の二次圧を安定化させることができるので、一次圧と二次圧の差が小さい場合であっても、メインガバナの開度を十分な駆動力で安定的に制御することができる。これによって、ベンチュリ方式のパイロット式整圧装置の汎用性を高めることができる。

従来のパイロット式整圧装置の構成例を示した説明図（図１（ａ）が配管構成図であり、図１（ｂ）が動作説明図）である。 ベンチュリ方式のパイロット式整圧装置の構成例を示した説明図（図２（ａ）が配管構成図であり、図２（ｂ）が動作説明図）である。 本発明の実施形態に係る整圧装置の制御系モデルを説明する説明図である。 図３に示した制御系モデルの動作を示すブロック線図及び伝達関数である。 図４（ｂ）に示した伝達関数の周波数特性を示したボード線図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る整圧装置の制御系モデルを説明する説明図であり、図４は、図３に示した制御系モデルの動作を示すブロック線図及び伝達関数である。前述した説明と共通する部位は同一符号を付して重複説明を一部省略する。

図３に示すように、本発明の実施形態に係る整圧装置の制御系は、パイロット流路１２、ベンチュリ１２Ｖ、パイロットガバナ１３、制御圧室１１Ａ１、制御圧流路１５、ベンチュリ１２Ｖとパイロットガバナ１３の連結部２０を制御要素として備えている。また、パイロットガバナ１３はパイロットガバナ１３の開度を調整するためのノズル１３ａとフラッパ１３ｂを備えている。ここで、ｘ：フラッパ１３ｂの変位、Ｃ_PG：パイロットガバナ１３の開度、Ｐ₁：一次圧、Ｐ_M：連結部圧力、Ｐ_C：制御圧力、Ｐ₂：二次圧、ｇ₁：ベンチュリ１２Ｖの上流通過流量、ｇ_M：ベンチュリ１２Ｖの下流通過流量、ｇ₂：パイロットガバナ１３の通過流量、ｇ_C：制御流量（＝ｇ₁−ｇ_M）、Ｖ_M：連結部容量、Ｖ_C：制御圧流路１５の容積をそれぞれ示している。

図４（ａ）に示したブロック線図の各制御要素について説明する。制御要素ｅ１は、パイロットガバナ１３の開度Ｃ_PGの変化要素であり、フラッパ１３ｂの変位ｘが開くとパイロットガバナ１３の開度Ｃ_PGが開く。制御要素ｅ２は、パイロットガバナ１３の通過流量ｇ₂の変化要素であり、パイロットガバナ１３の通過流量ｇ₂はパイロットガバナ１３の開度Ｃ_PGによって変化する。制御要素ｅ３は、連結部圧力Ｐ_Mを求める伝達要素であり、連結部圧力Ｐ_Mは連結部容量Ｖ_Mに流出入する流量の積分で求められる。制御要素ｅ４は、ベンチュリ１２Ｖの下流通過流量ｇ_Mの変化要素であり、ベンチュリ１２Ｖの下流通過流量ｇ_Mは、連結部圧力Ｐ_Mによって変化する。制御要素ｅ５は、制御圧力Ｐ_Cを求める伝達要素であり、制御圧力Ｐ_Cは制御圧流路１５の容積Ｖ_Cに流出入する流量の積分で求められる。制御要素ｅ６は、ベンチュリ１２Ｖの上流通過流量ｇ₁の変化要素であり、ベンチュリ１２Ｖの上流通過流量ｇ₁はベンチュリ出力圧力（制御圧力）Ｐ_Cによって変化する。制御要素ｅ７は、ベンチュリ１２Ｖの下流通過流量ｇ_Mの変化要素であり、ベンチュリ１２Ｖの下流通過流量ｇ_Mはベンチュリ出力圧力（制御圧力）Ｐ_Cによって変化する。制御要素ｅ８は、パイロットガバナ１３の通過流量ｇ₂の変化要素であり、パイロットガバナ１３の通過流量ｇ₂はパイロットガバナ１３の上流圧力（連結部圧力）Ｐ_Mによって変化する。

図４（ａ）に示したブロック線図を式変形すると、図４（ｂ）に示した二次遅れ伝達関数が得られる。ここで、Ｔ_Pは下記式（ａ）、Ｋ_VCは下記式（ｂ）で表すことができる（ここで、Ｒは気体定数、θはガス温度である。）、なお、図４（ｂ）の式を求めるに際しては、ベンチュリ１２Ｖの圧力流量挙動が下記の実験式（１），（２）で表現できることを確認している。

ｇ₁＝Ｃ・｛Ｐ_C・（Ｐ₁−Ｐ_C）｝^1／2 （１）
ただし、Ｃはベンチュリ上流側形状に応じた係数

ただし、ａ〜ｆはベンチュリ形状に応じた係数

図５は、図４（ｂ）に示した開ループの伝達関数の周波数特性を示したボード線図である。ここでは、連結部容量Ｖ_Mを変化させた場合の周波数特性の違いを示している。先ず、連結部容量Ｖ_M＝２４ｍｌとした整圧装置の例では、ゲイン＝０ｄＢにおける位相が−１８０°より小さくなっており、この場合の周波数特性が不安定であることを示している。これに対して、連結部容量Ｖ_M＝０．８ｍｌとした整圧装置の例では、ゲイン＝０ｄＢにおける位相が−１８０°より大きくなっており、この場合の周波数特性が安定になっていることを示している。

このように、図４（ｂ）に示した伝達関数の周波数特性は、他の条件を一致させて連結部容量Ｖ_Mを変化させた場合に、連結部容量Ｖ_Mを小さくするほど、ゲイン＝０ｄＢにおける位相は大きく（位相遅れは小さく）なって、位相余裕が大きくなることを確認することができる。このことから明らかなように、一次圧Ｐ１の急激な負荷変動が生じる場合であっても、連結部容量Ｖ_Mの設定によって、制御圧力Ｐ_C及び二次圧Ｐ₂を安定化させることが可能になる。特に、連結部容量Ｖ_Mを微小化すること、具体的には、ベンチュリ１２Ｖの出力側とパイロットガバナ１３の入力側を直結させることで、安定性の高いベンチュリ方式のパイロット式整圧装置を得ることができる。

１：流体導管，１Ａ：上流側流体導管，１Ｂ：下流側流体導管，
１１：メインガバナ，１１Ａ：駆動部，１１Ａ１：制御圧室，
１２：パイロット流路，１２Ａ：抵抗部，
１２Ｖ：ベンチュリ，１２Ｖ１：狭窄部，
１３：パイロットガバナ，１３ａ：ノズル，１３ｂ：フラッパ，
１４：二次圧検出流路，１５：制御圧流路，
２０：連結部，Ｖ_M：連結部容量

Claims (1)

1. 流体導管に装備され、上流側流体導管における一次圧を下流側流体導管における二次圧に整圧する整圧装置の安定化方法であって、
   前記整圧装置は、
   前記上流側流体導管と前記下流側流体導管の間に装備されるメインガバナと、前記上流側流体導管と前記下流側流体導管とを連通するパイロット流路とを備え、
   前記メインガバナは、前記パイロット流路から出力される制御圧力によって開度調整を行う駆動部を備え、
   前記パイロット流路に、狭窄部が前記駆動部に連通するベンチュリを設けると共に、その下流側に当該パイロット流路の流量を前記二次圧に基づいて調整するパイロットガバナを設け、
   前記一次圧の負荷変動に対して前記制御圧力が安定化するように、前記ベンチュリと前記パイロットガバナとの連通部容量（Ｖ _M ）を、当該連通部容量（Ｖ _M ）をパラメータとして、前記パイロットガバナの開度（Ｃ _PG ）から前記制御圧力（Ｐ _C ）を求める下記式（１）の二次遅れ伝達関数に基づいて設定することを特徴とする整圧装置の安定化方法。
   

   

   但し、
   ｇ₁：ベンチュリの上流通過流量，
   ｇ₂：パイロットガバナの通過流量，
   ｇ_M：ベンチュリの下流通過流量，
   Ｖ_M：連結部容量，
   Ｖ_C：制御圧流路の容積，
   Ｐ_M：連結部圧力，
   Ｒ：気体定数，
   θ：ガス温度，
   Ｔ_Pは下記式（ａ）、Ｋ_VCは下記式（ｂ）で表す。
   

   

   

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