JP6335757B2 - ガス圧力調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス供給システムにおいて、上流側から一次圧力で輸送されてくるガス等を二次圧力に減圧して下流側に供給する、パイロットガバナを使用したガバナ（ガス圧力調整装置）に関する。

例えば都市ガス等のガス供給においては、上流側輸送管（以下、「上流管」と称する）内を一次圧力（高圧・中圧）で運ばれるガスを予め設定されている二次側設定圧力に減圧して下流側輸送管（以下、「下流管」と称する）に供給するために、ガス圧力調整装置（ガスガバナ）が設けられている。

従来のガスガバナは、図１０に示す通り、一般的に、上流から下流へのガスの量を調整するメインバルブ（ガバナ本体）１１と、下流管１３に接続されており下流側の圧力(以下「二次圧」と称する)Ｐ２の変化に応じてガバナ本体１１を制御するパイロットガバナ２１を備えている。パイロットガバナ２１は二次圧Ｐ２が所定の基準動作制御圧Ｐｓ以下になると、メインバルブ（ガバナ本体）１１を作動させて下流側にガスを供給するように設定されている。
このようなパイロットガバナ２１を使用したガス圧力調整装置は、下流側の圧力変動に対する応答性を良くすると、アオリが発生し易くなり、アオリの発生を抑えると応答性が悪くなるという、相反する特性があった。

ガス等の供給ライン中に設置されるガバナ等ではアオリを発生させてはならない。そのため、流量を確保しながらアオリが発生しないようにする方法としてパイロットガバナ２１の大気ブリード用絞り２２を十分に絞ることが考えられるが、この方法では二次圧Ｐ２
の低下に対応してガバナ本体を開く動作の応答性が著しく低下する。特にガス圧力調整装置が完全に停止した完全閉塞状態から下流管１３側の使用が開始されて使用量が増えた場合、使用を開始して二次圧Ｐ２が低下した時点から実際にガバナ本体１１が動作するまでに待ち時間が必要となるため、下流側の使用量と配管容量の関係如何によってはこの待ち時間内に二次圧低下が大きくなりすぎることもある。

このように応答が遅れて二次圧Ｐ２が極端に低下する状態を避けるため、アオリの発生を抑制しつつ応答特性を良くするための先行技術として、図１１に示すような特許文献１に記載の技術が提案されている。

特許文献１に記載の技術は、メインパイロットガバナＳＢに加えて、サブパイロットガバナＳＣを設けている。サブパイロットガバナＳＣの下流管１３側は、サブパイロットラインＳ２８を介して、メインパイロットガバナＳＢを下流管１３に接続するメインパイロットラインＳ２６に接続されている。また、サブパイロットガバナＳＣの動作設定圧力はメインパイロットガバナＳＢよりも低く設定されている。このように構成して、メインパイロットガバナＳＢのアオリを抑制するように調整しつつ、二次圧Ｐ２が低下したときには、まずサブパイロットガバナＳＣが応答することによりの応答特性を良くしている。

実開昭５３−７８６３７号公報

しかしながら、特許文献1に記載のガスガバナにおいては、応答特性は良くなるものの、サブパイロットガバナＳＣが動作すると、サブパイロットガバナＳＣからサブパイロットラインＳ２８及びメインパイロットラインＳ２６を介して下流管１３へガスが流れる。このガス流はメインパイロットラインＳ２６に供給される二次圧Ｐ２に影響を与える。そのためサブパイロットガバナＳＣが動作を開始すると、下流管の二次圧Ｐ２をメインパイロットガバナＳＢに正確に伝えることができず、メインパイロットガバナＳＢの動作が不安定になるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、アオリの発生を抑制しつつ、迅速な応答特性を得ることができ、しかも安定して十分な流量を確保することのできるガス圧力調整装置（ガスガバナ）を提供することを目的とする。

本発明に係るガス圧力調整装置は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、管路の途中に設置されて上流側から一次圧で輸送されてくるガスを二次圧に減圧して下流側に流すメインバルブと、
前記メインバルブの上流側の管路と下流側の管路とをリストリクタを介して接続するメインパイロットループと、
前記メインパイロットループ内の前記リストリクタの下流側に設けられて、前記二次圧が所定の基準動作制御圧以下になったときに、前記メインパイロットループを通過するガスの量を制御して、前記二次圧が一定となるように前記メインバルブを動作制御するメインパイロットガバナと、
一端が前記メインパイロットループの前記リストリクタと前記メインパイロットガバナの間に接続され、他端が前記下流側の管路に前記メインパイロットループとは異なる経路で接続されるサブパイロットループと、
前記サブパイロットループ内に設けられて、前記二次圧が前記基準動作制御圧よりも低い第２の基準圧となったときに、前記サブパイロットループ内を通過するガスの量を制御することにより前記メインバルブを動作制御するサブパイロットガバナとを備えることを特徴とする。

また、下流管側にベンチュリーを設けて、サブパイロットループをベンチュリーの細管部に接続することにより、さらに応答性を向上させることができる。

サブパイロットループの下流管への接続ポイントをメインパイロットループとは異なる位置とし、サブパイロットループをメインパイロットループとは異なる独立した別の経路とすることにより、サブパイロットガバナが動作してもメインパイロットガバナに影響を与えることがなく、安定した動作が可能となる。

本発明に係るガス圧力調整装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係るガス圧力調整装置に使用するメインバルブ（ガスガバナ本体）の一例を示す図である。 閉塞状態において二次圧が低下したときに、ガス圧力調整装置の動的特性を示す二次圧の変化を模式的に示すグラフであり、(ａ)はサブパイロットガバナが無い場合の二次圧の変化示すグラフであり、（ｂ）はサブパイロットガバナを設けた場合の二次圧の変化を示すグラフである。 本発明に係るガス圧力調整装置の他の実施形態を示す図である。 第２の実施形態及びその他の実施形態における、サブパイロットループの下流管への接続形態を示す模式図である。 上流管側の一次圧が０．２ＭＰａで流量５０ｍ³/ｈとした場合の本発明に係るガス圧力調整装置及び従来技術のＰ２−Ｑ動特性を示す図である。 上流管側の一次圧が０．２５ＭＰａで流量５０ｍ³/ｈとした場合の本発明に係るガス圧力調整装置及び従来技術のＰ２−Ｑ動特性を示す図である。 上流管側の一次圧が０．３ＭＰａで流量５０ｍ³/ｈとした場合の本発明に係るガス圧力調整装置及び従来技術のＰ２−Ｑ動特性を示す図である。 流量を１００ｍ³／ｈに増やしたときの動特性を示す図である。 従来技術に係るガス圧力調整装置の構成を示す模式図である。 特許文献１に係るガス圧力装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係るガス圧力調整装置１０について説明する。
図１は、本発明に係るガス圧力調整装置１０の構成の一例を示す図であり、図２は、メインバルブ（ガバナ本体）１１の一例を模式的に示す図である。
図１のガス圧力調整装置１０においては、図１０示した従来技術と同様の機能を有する部分は同じ番号を使用することとする。

このガス圧力調整装置１０は、管路の途中に設置されて上流側から一次圧Ｐ１で輸送されてくるガスを二次圧Ｐ２に減圧して下流側に流すメインバルブ１１を有している。
本実施形態においてメインバルブ１１として採用しているアキシャルフロー型ガバナは現在広く普及している。その概略構造は図２に示すように、周面に多数のスリットを有する鼓型の一対のクロージャ１６と該クロージャ１６のスリットを塞ぐゴム製のスリーブ１７とこれらを収納する円筒状のバルブボディ１８を含み、バルブボディ１８とスリーブ１７との間の空間に制御圧Ｐｃをかけることにより、鼓形状の一対のクロージャ１６のスリットをスリーブ１７で開閉させるようにしたものである。

本発明のガス圧力調整装置１０は、メインバルブ１１を迂回するように上流管１２と下流管１３とが接続されるパイロットループが設けられている。パイロットループは、メインパイロットループ２０とサブパイロットループ３０から構成される。

メインパイロットループ２０及びサブパイロットループ３０はいずれも、接続ポイントＣ１で上流側管路１２に接続され、上流管側にリストリクタ１４が設けられている。このリストリクタ１４により、メインバルブ１１を動作制御する制御圧Ｐｃが発生される。リストリクタ１４の出力側は下流側管路１３の接続ポイントＣ₂において下流側管路１３と接続されるメインパイロットループ２０と、接続ポイントＣ₃において下流管路１３に接続されるサブパイロットループ３０の２つの経路に分かれている。

メインパイロットループ２０には、リストリクタ１４と接続ポイントＣ２の間に、メインパイロットガバナ２１が設けられており、サブパイロットループ３０には、リストリクタ１４と接続ポイントＣ３の間にサブパイロットガバナ３１が設けられる。

また、リストリクタ１４の出力は、管路４０を介してメインバルブ１１に接続されており、制御圧Ｐｃをメインバルブ１１に供給する。二次圧Ｐ２が低下すると、サブパイロットガバナ３１及びメインパイロットガバナ２１が動作して制御圧Ｐｃが下がり、制御圧Ｐｃの低下に比例してメインバルブ１１は開く。メインバルブ１１が開くことにより、上流管１２から下流管１３にガスが供給される。

メインパイロットガバナ２１には、メインパイロットライン２０を介して下流側の二次圧Ｐ２が供給される。メインパイロットガバナ２１は、二次圧Ｐ２が、所定の基準動作制御圧Ｐｓ以下になると、内部に設けられたダイヤフラムに接続されたバルブが開くように、スプリング圧及び大気圧とを用いて調整されている。大気ブリード用絞り２２は大気圧への開口の大きさを変化させる絞りであり、これによりメインパイロットガバナ２１の応答感度を調整する。

メインパイロットガバナ２１の応答性を良くすると、メインバルブ１１が一気に開き二次圧Ｐ２が急激に上がるため、メインパイロットガバナ２１の開閉が繰り返されアオリが発生し易くなる。アオリの発生は安定制御の観点からガス圧力調整装置にとって極めて好ましくないため、多少応答性が悪くなってもアオリを抑制するように、メインパイロットガバナ２１の大気ブリード用絞り２２を調整しておく。

サブパイロットガバナ３１もメインパイロットガバナ２１とほぼ同様の構造及び機能を有している。しかし、サブパイロットガバナ３１では大気ブリード用絞りの機能は無くても良い。また、サブパイロットガバナ３１は、メインパイロットガバナ２１の立ち上がり応答性を補助するものであるため、メインパイロットガバナ２１に比べて流量の小さいもので良い。例えば、サブパイロットガバナ３１はメインパイロットガバナ２１の１／３程度の流量のもので良い。

サブパイロットガバナ３１は、メインパイロットガバナの基準動作制御圧Ｐｓよりも高い動作制御圧Ｐｓｓで動作するように調整されており、応答性も良い。また、サブパイロットガバナ３１は流量が小さいので、制御圧Ｐｃの低下が少なくアオリも発生し難い。
例えば、メインパイロットガバナの動作制御圧Ｐｓを２．２ｋＰａに設定し、サブメインパイロットガバナの動作制御圧Ｐｓｓを２．５ｋＰａ前後に設定することができる

以上のように構成されたガス圧力調整装置１０によれば、下流側の二次圧力Ｐ２が下がり、サブパイロットガバナの動作制御圧Ｐｓｓ以下になると、まずサブパイロットガバナ３１が開き、ガスが上流管１２からサブパイロットループ３０を経由して下流管１３に流れる。すると、リストリクタ１４の下流側管路４０の制御圧Ｐｃが低下する。メインバルブ１１の制御圧Ｐｃが低下するとメインバルブ１１が開き、上流管１２から下流管１３にガスが供給される。なお、流量の大きいサブパイロットガバナ３１を用いた場合等、アオリを抑制する必要がある場合には、図１に示すように、サブパイロットループ３０の下流管１３側に可変絞り２３を設けるよう構成しても良い。可変絞り２３を設けるか否かは任意である。

サブパイロットガバナ３１が開きしばらくすると、アオリを抑制するように大気ブリード用絞り２２により応答性を抑えたメインパイロットガバナ２１のバルブが開く。これによりメインバルブ１１の制御圧Ｐｃがさらに下がり、メインバルブ１１から大量のガスが下流側に供給され、二次圧Ｐ２が所定の設定圧力（基準動作制御圧Ｐｓ）に調整される。

図３を用いて説明する。図３はメインバルブ１１が閉塞している状態からガス圧力調整装置が動作した場合の二次圧力の変動を模式的に示すグラフである。(ａ)は、メインパイロットループ２０のみでサブパイロットループ３０の無い構成のガス圧力調整装置により調整した場合を示し、（ｂ）は本発明の構成であるメインパイロットループ２０及びサブパイロットループ３０の双方を備える構成のガス圧力調整装置により調整した場合を示している。

メインバルブ１１が閉塞しており流量が“０”の状態では、ロックアップにより、基準動作制御圧Ｐｓよりも若干高くなっている。
図３（ａ）からわかる通り、サブパイロットループ３０が無い場合には、アオリを抑制するために大気ブリード用絞り２２を絞ってあるので応答性が遅く、下流側の使用量が多い場合には、二次圧Ｐ２が“０”になるまで落ちてしまう場合も起こり得る。

これに対し、サブパイロットループ３０がある場合、二次圧がサブパイロットガバナ３１の動作制御圧Ｐｓｓに落ちたらすぐにサブパイロットガバナ３１が起動して、メインバルブ１１の制御圧Ｐｃが下がる。これにより、メインバルブ１１が開くため、メインパイロットガバナ２１がすぐに応答しなくても上流管１２から下流管１３にガスが供給される。そのため、二次圧Ｐ２が極端に下がることはない。またサブパイロットガバナ３１が動作を開始してしばらくすると、遅れてメインパイロットガバナ２１も起動するので、二次圧Ｐ２はすぐに所定の設定圧力（動作制御圧Ｐｓ）に調整され、アオリも発生しない。

このようにサブパイロットループ３０を設けることにより、メインパイロットガバナ２１の応答性を落としてアオリを抑制しても、ガス圧力調整装置全体として、応答性を良くすることが可能となる。
また、メインパイロットループ２０とサブパイロットループ３０において、メインパイロットガバナ２１とサブパイロットガバナ３１から下流管１３への接続経路を、それぞれ独立した異なる経路となるように構成している。そのため、サブパイロットガバナ３１が動作しても、メインパイロットループ２０へ供給される二次圧Ｐ２には影響を与えない。従って、メインパイロットガバナ２１は、下流管１３の実際の二次圧Ｐ２に応じて安定した制御動作行うことができる。

図４は本発明の第２の実施形態を示し、図５は第２の実施形態及びその他の実施形態における、サブパイロットループ３０の下流管１３への接続形態を示す模式図である。

第２の実施形態においては、サブパイロットループ３０の下流側管路１３への接続位置Ｃ₃’を、下流管に設けたベンチュリーの細管部５３に接続している。メインバルブ１１が開いてガスが供給されると、下流管１３にガスが流入するが、このときベンチュリー５１の細管部５３は二次圧Ｐ２よりも低くなるので、メインバルブ１１が開いた直後のサプパイロットガバナ３１の応答性がより良くなる。

また、他の実施形態として、サブパイロットループ３０の下流管１３への接続位置を、メインバルブから下流管路への入り口近傍の管路が急激に広がる部分近傍Ｃ₃”に設けてもよい。このように構成することにより、メインバルブ１１の出力側の細い管から広い下流管１３にガスが流れ出る際の負圧がサブパイロットガバナ３１の動作制御圧Ｐｓｓに作用し、サブパイロットガバナ３１の応答性を良くすることができる。

図６−図８に本発明にかかるガス圧力調整装置と従来の圧力調整装置による圧力調整時における二次圧Ｐ２と流量Ｑの動特性を比較したグラフである。
図６−図８の（ａ）は、本発明の構成、すなわち図１示すように、メインパイロットループ２０の下流管側を下流管１３の二次圧Ｐ２が安定した所Ｃ₂から分岐した整圧管に接続し、サブパイロットループ３０の下流管側をメインパイロットループ３０の接続位置Ｃ₂とは異なる下流管１３の出口近傍の位置Ｃ₃に接続した構成（以下、「実施例１」と称する）のガス圧力調整装置のＰ２−Ｑ動特性の測定結果を示している。図６−図８の（ｂ）は、図１のガス圧力調整装置のメインバイロットループ２０の下流管側を実施例１と同様に整圧管に接続し、サブパイロットループ３０の下流管側をメインパイロットループ２０と同じ位置Ｃ₂である整圧管に接続した構成（以下、「比較例１」と称する）のＰ２−Ｑ動特性の測定結果を示す。図６−図８の（ｃ）はサブパイロットループ３０を設けずにメインパイロットループだけで二次圧Ｐ２の調整を制御する構成のガス圧力調整装置のＰ２−Ｑの動特性の測定結果を示す（以下、「比較例２」と称する）。

図６−図８はそれぞれ、一次圧Ｐ１を０．２ＭＰａ、０．２５ＭＰａ、及び０．３ＭＰａに変化させた場合を示している。また、図６−図８のいずれの場合も流量Ｑは５０ｍ³／ｈを流す場合を示している。

図６−８からわかるように、本願発明のガス圧力調整装置１０（実施例１）及び比較例１では、比較例２に比べるといずれの場合も比較的早く二次圧Ｐ２が安定する。これは、サブパイロットループを設けた効果である。

また、図６−図８のグラフ（ａ）からわかるように、実施例１では、二次圧Ｐ２の過渡的な振動が収まった後は一次圧Ｐ１の如何に拘わらず、二次圧Ｐ２は安定した状態に維持される。これに対して、特にサブパイロットループ３０を設けない構成（比較例２）のＰ２−Ｑ動特性測定結果（ｃ）では、調整開始時の過渡的な振動が収まった後も二次圧Ｐ２が上下に比較的大きく変動（振動）をしている（図６−図８の（ｃ）参照）。

サブパイロットループの下流端をメインループの下流端側に接続した構成（比較例１）の動特性（図６−図８の（ｂ）参照）は、比較例２の構成（図６−図８の（ｃ）参照）ほど顕著では無いものの、本願発明の実施例１の動特性（図６−図８の（ａ）参照）に比べて、二次圧Ｐ２が安定状態に移行した後の二次圧Ｐ２の上下振動が比較的大きく、実施例１に比べて安定性に欠けることがわかる。
初期の過渡的振動が収まった後はできるだけ安定していることが望ましく、このような上下振動幅（振幅）は、ほぼ０．１kＰａが許容限界値であり、比較例１の動特性は限界ぎりぎりの振動値となっている（特に図７、図８の（ｂ）参照）。

また、図７の動特性を見るとわかるように、一次圧Ｐ１が高くなると、比較例１、２では、本願発明の実施例の動特性（ａ）に比べて、メインバルブを閉じた直後の二次圧Ｐ２が大きく圧力上昇する。この二次圧Ｐ２の圧力上昇は小さいほど良いが、図７に示す動特性では、実施例１に比較して比較例１、２では２倍ほど大きな圧力上昇があり、二次圧Ｐ２が安定するのに要する時間も２倍ほど長くかかり、実施例１に比べてかなり不安定であることがわかる。

この現象（動特性）は、流量が少ない５０ｍ³／ｈ程度では、さほど顕著に表れないが、流量Ｑが多くなるほど、また一次圧Ｐ１が高くなるほど顕著に表れる。参考までに、流量を１００ｍ³／ｈに増やしたときの動特性を図９に示す。図９の（ａ）−（ｃ）は、流量Ｑを１００ｍ³／ｈに増やし、一次圧Ｐ１をそれぞれ０．２ＭＰａ、０．２５ＭＰａ、０．３ＭＰａと増やした場合についての動特性を示している。図９の（ａ）−（ｃ）はいずれも左側に本願発明の実施例１の構成における動特性を示し、右側に比較例１の動特性を比較して示している。なお、図９では、比較例２については示していないが、メインバルブ１１を閉じたときに、比較例２も比較例１と同様またはそれ以上に二次圧Ｐ２が急激に圧力上昇している。

図９からわかるように、流量Ｑを１００ｍ³／ｈに増やすと、一次圧Ｐ１が０．２ＭＰａ、０．２５ＭＰａ、０．３ＭＰａのときのいずれも、メインバルブ１１が閉じた直後の二次圧Ｐ２が、本願発明の実施例１と比較して２倍以上大きな圧力上昇がある。２次圧Ｐ２が安定するのに要する時間もそれに比例して約２倍程度の時間を要している。

なお、比較例１のサブパイロットループ３０の下流管側をメインパイロットループ２０に接続した構成では、ときおり、メインバルブ１１が開いていない状態でも、二次圧が常時変動することがある。この現象が図７の（ｂ）に顕著に表れている。これは、メインバルブ１１がほぼ閉塞状態で僅かに１ｍ³／ｈ程度の僅かな量のガスを上流管１２から下流管１３に流しているときに、二次圧Ｐ２がふらついて安定していない現象が起こっていることを示している。このようなふらつき現象は、本発明の構成、すなわち、サブパイロットループ３０の下流管側とメインパイロットループ２０の下流管側を独立した別経路とすることにより、完全になくなる（図６−図８の（ａ）及び図９参照）。

以上からわかるように、本発明によると、メインパイロットループ２０とサブパイロットループ３０の下流管側の接続をそれぞれ異なる位置Ｃ₂，Ｃ₃として、各ループ２０，３０をそれぞれ独立した異なる経路としたことにより、応答特性が良く、アオリが少なくかつ安定して二次圧Ｐ２を一定値に維持することができるガス圧力調整装置を提供することができることがわかる。

また、下流管にベンチュリー５１を設けて、サブパイロットループ３０の下流管側をベンチュリー５１の細管部に接続することにより、メインバルブ１１弁開時の応答性をさらに向上させることが可能である。

さらに、サブパイロットループ３０の下流管側を、下流管のメインバルブ１１の出力近傍に接続することにより、メインバルブ１１弁開時の応答性を向上させることも可能である。

１０ 本発明のガス圧力調整装置
１１ メインバルブ（ガバナ本体）
１２ 上流側輸送管（上流管）
１３ 下流側輸送管（下流管）
１４ リストリクタ
１６ クロージャ
１７ スリーブ
１８ バルブボディ
１９ 上流側接続管路
２０ メインパイロットループ
２１ メインパイロットガバナ
２２ 大気ブリード用絞り
２３ 可変絞り２３
３０ サブパイロットループ
３１ サブパイロットガバナ
５０ 第２の実施形態に係るガス圧力調整装置
５１ ベンチュリー
５３ 細管部
Ｐ１ 一次圧
Ｐ２ 二次圧
Ｐｃ 制御圧
Ｐｓ 基準動作制御圧
Ｐｓｓ サブパイロットガバナの動作制御圧
Ｑ 流量

Claims (3)

1. 管路の途中に設置されて上流側から一次圧で輸送されてくるガスを二次圧に減圧して下流側に流すメインバルブと、
   前記メインバルブの上流側の管路と下流側の管路とをリストリクタを介して接続するメインパイロットループと、
   前記メインパイロットループ内の前記リストリクタの下流側に設けられて、前記二次圧が所定の基準圧以下になったときに、前記メインパイロットループを通過するガスの量を制御して、前記二次圧が一定となるように前記メインバルブを動作制御するメインパイロットガバナと、
   一端が前記メインパイロットループの前記リストリクタと前記メインパイロットガバナの間に接続され、他端が前記下流側の管路に前記メインパイロットループとは異なる経路で接続されるサブパイロットループと、
   前記サブパイロットループ内に設けられて、前記二次圧が前記基準圧よりも高い第２の基準圧となったときに、前記サブパイロットループ内を通過するガスの量を制御することにより前記メインバルブを動作制御するサブパイロットガバナを備えることを特徴とするガス圧力調整装置。
2. 前記サブパイロットループは、前記下流側の管路に接続される前記他端が、前記下流側の管路に設けられたベンチュリーの細管部に接続されることを特徴とする請求項１に記載のガス圧力調整装置。
3. 前記サブパイロットループは、前記下流側に接続される前記他端が、前記下流側の管路の前記メインバルブ出力口近くに接続されることを特徴とする請求項１に記載のガス圧力調整装置。

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