JPS623198A

JPS623198A - タ−ボ圧縮機の容量制御装置

Info

Publication number: JPS623198A
Application number: JP14035985A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nozawa; 野沢　清治
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1985-06-28
Publication date: 1987-01-09

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】〔発明の利用分野〕本発明は、ターボ圧縮機の制御装置に係り、特に、負荷
として、ニーテリティとプロダクティブプラントとの組
合せに好適な複数ターボ圧縮機の容量制御装置に関する
。

〔発明の背景〕

圧縮機の容量制御方法として、流量制御と圧力制御の方
法があるが、気体の圧縮性のため、容量系プロセスにお
いて、負荷変動時、流入量と流出量の差が発生し、且つ
圧力が両者の量に影響するため、圧縮機の容量制御のよ
うな気体収支の制御には、圧力制御が利用されている。

即ち、容量制御系プロセスにおいて、気体の流入量と流
出量間の差の積分は圧力であり、且つ、流量が零の場合
を除いて、圧力と流量との間には、自己平衡性があるた
め、プロセスの圧力を一定にすれば負荷側（流出量）の
変動に対応した供給量（流入量）に平衡させることがで
きるからである。

従って、従来から複数台の圧縮機の流量を負荷側の需要
量に応じて制御する容量制御方法は、各圧縮機の吐出圧
力共通母管の圧力を一定とすべく、圧力調節計により、
各圧縮機の吸入側に設けられたベーンコントロールを制
御する吐出圧力制御が利用されている。

この従来の制御方法では、各圧縮機の吐出圧力を一定と
する制御のため、負荷のいずれかの需要量が増加した場
合、末端の圧力降下現象は、遅れて圧縮機の吐出側に現
れる。管路等の容量に起因するものである。

末端の圧力降下が大きい場合には、圧力調節計の目標値
（設定値）の修正を必要とするが、プロセス特性を把握
し事前に正確に修正することは困難である。従って、通
常、最大・需要量をもって、圧縮機の台数を決定し、負
荷側の圧力が所要値以下とならぬよう圧縮機の吐出圧力
を高めに設定するため、電力を無駄に消費している。

同時に、圧力調節計の設定値を高くすることは、第６図
の圧縮機Ｐ−Ｑ特性曲線に示されるように、圧縮機のサ
ージングラインＸに平行するサージング防止制御ライン
Ｙと圧力設定値（目標値）Ｐｓとの交点の流量Ｑｓ、即
ち、サージング防止のための各圧縮機の最小流量制御値
Ｑｓが大きくなり。

容量制御巾が小さくなり制御性を悪くすることになる。

又、負荷が容積流量を必要とする負荷と質量流量を要求
する負荷との組合せ、即ち、ニーテリティとブロクティ
プラントとのような組合せの場合、圧縮機の吐出圧力は
、後者の流量（プラ・ント抵抗曲線）に従って定まるた
め、吐出圧力を一定とする制御方法では、最適制御をす
ることは困難である。

尚、この種の制御装置として関連するものには、例えば
、特開昭５９−６８５８１号公報があげられる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、容積流量を要求する負荷、又は、質量
流量を要求する負荷の変動に対し負荷間および制御量間
の干渉を排除し、圧力及び流量変動を最小にし、且つ、
各圧縮機の容量制御巾を広　　　　　　　□く保持し、
効率の良い圧縮機の容量制御装置を提供することにある
。

〔発明の概要〕

本発明は、複数の圧縮機に結合する負荷群としてニーテ
リティサービスのように所定の圧力を持ったガス量、即
ち、容積流量を必要とする負荷とプロダクティブプラン
トのように、製品の組成に関係した原料として質量流量
を必要とする負荷との複合から前述の二つの制御方法の
うち、流量制御方法を採用することにより、異質の特性
を持つ負荷の変動に対し他の負荷への圧力及び流量変動
を最小にすることができることに着目したものである。

即ち、容積流量を必要とする負荷の場合、負荷の変動に
対し、圧縮機の吐出圧力を一定とする制御方法が一般的
であるが、質量流量を必要とする負荷の変動に対しては
、負荷（プラント）の特性により、圧縮機の吐出圧力Ｐ
と負荷の流量Ｑとの間には、Ｐ＝ｆ　（Ｑ）の関係があ
り、Ｑの変化要求に対しＰの変化も要求されるため吐出
圧力を一定とする制御方法は適用できない。

一方、Ｑの変化要求に従って、圧縮機を流量制御し、且
つ、Ｐ＝ｆ　（Ｑ）の関係で変化するＰによる容積流量
を必要とする負荷への干渉、即ち。

流量変化を補償する制御系を追加すれば、　Ｐ、　Ｑを
安定させることがでる。

又、Ｐ＝ｆ　（Ｑ）の関係で変化するＰにより各圧縮機
の流量制御範囲を変えることにより、各圧　　　　　　
　、縮機の容量制御巾を広くすることができる。

前者の制御を各圧縮機に共通のマスター制御系で、後者
の制御を各縮機毎のマイナー制御系でそれぞれ行い、こ
の目的を達成するものである６尚、容積流量を必要とす
る負荷の流量を質量流　　　　　　　１１、量に等価に
取扱うため、負荷の温度、圧力で補正し置換するものと
する。

マスター制御系では、容積流量を要求する負荷群の流量
を一定のサンプリング周期で測定し、負荷群の流量変化
値の総和と各負荷に対応する管路等の容量の総和との比
率を求め、一定比率（規定値）を越えた場合、マスター
制御系の流量目標値をその比率に応じてプログラム制御
し、一時的に変化させる。

この制御が完了後、容積流量を要求する負荷群　　　　
　　　、の制御ｉ（流量）の総和と、質量流量を要求す
る　　　　　　　゛゛負荷設定流量との和により、マス
ター制御系の目標値を変更し、新目標値として各圧縮機
の容量を制御する。

同時に、複数の圧縮機の消費電力の低減及び総合運転効
率を向上させるため、負荷群の総流量から制御すべき圧
縮機台数を自動選択し、且つ、優先順位を定めて制御す
る。

又、負荷変動に伴う負荷間、圧力、流量の制御量間の相
互干渉を補償するため、質量流量を要求する負荷の流量
を目標値に制御する圧縮機の容量制御系を付加する。こ
の制御系により、Ｐ＝ｆ（Ｑ）の関係から圧縮機の吐出
圧力は安定し、この干渉を緩和することができる。

一方、マイナー制御系は、各圧縮機毎に独立して設けら
れ、第７図の圧縮機制御限界曲線に示すように、あらか
じめ、サージングラインＸ、サージング防止制御ライン
Ｙに平行する制御ライン２を設定して置き、質量流量を
要求する負荷のＰ＝ｆ　（Ｑ）め関係から定まる圧力に
対応した最小流量制御値Ｑ、を求め、流量制御範囲を可
変するとともに、各圧縮機の目標流量がＱ、以下となっ
た場合、マスター制御系からの出力信号を遮断し、最小
流量制御値Ｑ、に相当する操作信号にロックする。

制御ロック状態で各圧縮機の流量がマイナー制御系の目
標値以下になり、その偏差が規定値以上となった場合、
制御ロックを解除する。

なお、質量流量を要求する負荷とは、圧縮ガス（例えば
空気）を原料としその組成から他の製品（ガス、液状）
を生産するプラントである。

この場合、圧縮ガスの圧力Ｐと流量Ｑの関係は、第２図
に示すように、プラント抵抗曲線そのものであり、Ｐ＝
ｆ　（Ｑ）の関係となっている。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。第
１図は、本発明のターボ圧縮機の容量制御装置の一実施
例を示す制御系統図である。

ガスは、ターボ圧縮機ＬＡ、ＩＢ、Ｉｃで所定の圧力ま
で圧縮され、管路７，８，９，１０で分岐され負荷１，
２．３に供給される。

負荷１は質量流量を要求する負荷、即ち、圧縮ガスを原
料とするプラント、負荷２，３は容積流量を要求する負
荷である。

負荷１，２．Ｃの需要量に応じて圧縮機ＬＡ。

ＩＢ、ＩＣの流量を制御する容量制御装置は、マスター
制御系４とマイナー制御系５Ａ、５Ｂ。

５Ｃとから構成されている。マスター制御系４には圧縮
機ＩＡ、ＩＢ、ＩＣの吐出流量がマイナー制御系を介し
、又、負荷１，２．３へのガス流量が伝送器１４，１５
．１６を介して伝送され、マスター制御系４からマイナ
ー制御系５Ａ、５Ｂ。

５Ｃに操作信号が伝送されている。又、マイナー制御系
５Ａ、５Ｂ、５Ｇには、各圧縮機吐出側の流量が伝送器
１１Ａ、ＩＩＢ、ＩＩＣを介し、吐出側の圧力が伝送器
１２を介し、又、吐出側の温度が伝送器１３を介してそ
れぞれ伝送され、マイナー制御系５Ａ、５Ｂ、５Ｃから
各圧縮機の吸入側ベーンコントロール２Ａ、２Ｂ、２Ｇ
に操作信号が伝送されている。

次に、マスター制御系４の動作について第１図及び第３
図に従って説明する。

第３図は、マスター制御系４の構成を示すブロック図で
ある。圧縮機ＩＡ、ＩＢ、ＩＣの吐出流量は、マイナー
制御系５Ａ、５Ｂ、５Ｃから実測値信号として、端子２
６，２８．３０を通して加算器２１に与えられ、各流量
の総和を求めた後、加算器３１で流量の目標値信号と比
較後その偏差信号は、比例演算器３２に送られ演算後、
加算器３３で、積分演算器３４から演算信号と演算信号
とを加算後、端子２５．２７．２９からマイナー制御系
５Ａ、５Ｂ、５Ｇへ出力する。

一方、負荷１，２．３の流量は、流量検出器１４Ａ、１
５Ａ、１６Ａにより検出され、伝送器１４．１５．１６
で信号変換後、実測信号（但し温度圧力補正後）として
端子２２．２３．２４を通して、サンプリング回路３７
に与えられ、突発的な異常実測信号の入力を防止するた
め、平均値化される。

平均値化された信号は加算器３８に与えられる。

加算器３８で加算された実測値相当信号、即ち、負荷１
，２．３の流量の総和信号は、演算器３９Ａおよび負荷
配分器３９Ｂに対して、サンプリング回路３７のサンプ
リング周期に同期して送られ。

演算器３９Ａであらかじめ設定された管路等の容量（プ
ロセス容量）の総和値に対する負荷１，２゜３の流量の
総和信号の比率を求めた後、加算器４ｏに与えられる。

加算器４０で許容比率信号４１と比率信駒塔悦較後、そ
の偏差信号は、プログラム設定器４２に送られ、偏差信
号の値に応じて調整されたプログラム信号を加算器３６
に出力する。（第５図参照）加算器３６で加算器３５か
らの負荷１の流量設定信号Ｑ、６と負荷２，３の流量実
測信号の加算値とプログラム信号、又は、設定器４６か
らの信号と加算後、補正された目標値信号、即ち、圧縮
機ＩＡ、ＩＢ’、’ＩＣの流量制御用の目標値となる。

又、負荷間、制御量間の干渉補償の目的で端子２２から
サンプリング記憶演算器４３に与えられた負荷１の流量
信号は、サンプリング記憶演算器４３で新旧の流量値か
ら変化分を求めた後、加算器４４に与えられる６　　　
　” 加算器４４で許容流量変化値信号４５と変化分信号とを
比較後、その偏差信号は設定器４６に送られ、偏差信号
の値に応じて調整された補正信号となって、加算器３６
に出力する。

但し、プログラム設定器４２が動作中は、信号切換器５
ｏにより補正信号は、遮断されている。

又、負荷配分器３９Ｂでは、加算器３８からの負荷１，
２．３の流量の総和信号により、圧縮機ＬＡ、ＩＢ、Ｉ
Ｃの台数を選択するとともに、あらかしめ設定された制
御の優先順位に従って、信号切換器４７．４８．４９を
操作する。即ち、制　　　　　　、。

御待ち圧縮機に対して、負荷配分器３９Ｂから一定の操
作信号を該当するマイナー制御系５Ａ。

５Ｂ、５Ｃに出力すべく信号切換器４７．４８゜４９を
操作する。

コノヨウに、マスター制御系４はプロセス特性と需要量
の変動に応じて流量制御系の目標値を変化させ、負荷間
、制御量間の干渉を緩和し負荷群の圧力、流量変動を最
小に、且つ、複数の圧縮機を効率的に選択し、容量を制
御する。

次に、マイナー制御系５Ａ、５Ｂ、５Ｃの動作について
第１図及び第４図に従って説明する。

第４図は、マイナー制御系５Ａ、５Ｂ、５Ｇの構成を示
すブロック図である。

マスター制御系からの出力操作信号は、マイナー制御系
５Ａ、５Ｂ、５Ｇの端子５４を通して出力保持回路６１
に与えられ、その出力は信号切換器６３を経て端子５６
から圧縮機ＩＡ、ＩＢ。

ＩＣの吸入側ベーンコントロール２Ａ、２Ｂ。

２Ｃに出力し、流量（風量）を調整する。

信号切換器６３をＭ側に切換えると、手動操作信号６２
をベーンコントロール２Ａ、２Ｂ、２Ｇに出力する。

一方、圧縮機ＩＡ、ＩＢ、ＩＣの吐出側から検出された
流量信号は、伝送器１１Ａ、ＩＩＢ。

１１Ｃで信号変換後、実測値信号として端子５１を通し
て湿度圧力補正演算器６６に与えられる。

同様に、圧力信号は伝送器１２を介し端子５２を通して
、温度信号は伝送器１３を介し端子５３を通して、温度
圧力補正演算器６６に与えられている。この演算器で温
度、序び圧力補正された流量信号Ｑ、Ｉは、偏差警報器
６７Ａ、６７Ｂ、６７Ｃ及びマスター制御系４用として
端子５５に与えられる。

又、第２図の負荷１（プラント）の抵抗曲線より定まる
圧縮機の吐出圧力信号は端子５２を通して演算器６４Ｇ
に与えられ、第６図、第７図のように、あらかじめ設定
された制御ラインＺをツキ合わせられ、負荷１（プラン
ト）の特性（抵抗曲線）により変化する圧力に対応した
最小流量制御値信号Ｑ６を求めた後、信号比較器６７Ｇ
に送ら　　　　　　□れる。　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　・偏差警報器６７Ｇ
で温度圧力補正演算器６６からの流量信号Ｑ、、と最小
流量制御値信号Ｑ１とを比較しＱ、＜Ｑ、であればＡＮ
Ｄ回路６８にＱオ信号を発信し、ＯＲ回路７０を経て出
力保持回路６１に与えられ、マスター制御系４がらの出
方操作信号を遮断し、最小流量制御値信号Ｑ３に相当す
る信号にロックする。この制御ロックの解除は。

マスター制御系４の端子１９からマイナー制御系　　　
　　　′５Ａ、５Ｂ、５Ｇの端子５８を通して与えられ
る目標値と制御量との偏差信号ΔＱにより、偏差警報器
６４Ａ、６４Ｂで判別し、ΔＱ＞ｄであれば自己保持自
回路６Ｓをリセットし、リセット信号をＡＮＤ回路６８
に発信し出力保持回路６１の制御ロックを解除する。Δ
Ｑ＜−ａであれば、制御ロックの状態を保持する。

（但しａ、ｂは正の定数とする。）又、圧縮機ＬＡ、ＩＢ、ＩＣの吸入側ベーンコントロー
ルの機械的最小開度にリミットスイッチを取付け、この
リミットスイッチ動作信号を端子５７を通して、ＡＮＤ
回路６９に与え、同様に制御ロックを行う。これは制御
ロック信号のバックアップのためである。

（但し、Ｑ、は最小開度時の流量を示す、）このように
、マイナー制御系５Ａ、５Ｂ、５Ｃは圧縮機の流量制御
において、圧縮機側々の特性とプラント抵抗曲線ＣＰ＝
ｆ　（Ｑ）”）から定まる圧力とにより、最小流量制御
値を整定することにより、容量制御巾を広く調整するこ
とができる６本実施例によれば、管路等のプロセス容量
を全て、ガス容積と見なし、需要量の変化分との比率を
系統の圧力降下分としてマスター制御系４の容量制御用
目標値を補正することにより、プロセス容量に起因する
制御動作遅れを排除し、負荷側の圧力変動を最小限にす
ることができる。

又、圧縮機の容量制御方法として流量制御の方法を利用
することにより、質量流量を要求する負荷、即ち、圧縮
ガスを原流とするプラントへの流量変動を最小限にし、
相互干渉を緩和することができる。又、前述の各圧縮機
毎のマイナー制御系５Ａ、５８．５Ｇによる各圧縮機の
容量制御巾を広く調整する機能を付加することにより、
余裕を見込んだ操作を行う必要が無くなり、各圧縮機を
効率的に運用することができ、運転コストを低減する効
果がある。

【発明の効果〕

本発明によれば、管路等のプロセス容量に起因する制御
動作の遅れを排除することができ、ガスの需要量の変動
に対し負荷の圧力変動を最小限に、又、負荷として、圧
縮ガスを原料とするプラントが含まれる場合にも、異特
性をもつ負荷間の相互干渉を抑制しプラントへの流量変
動を最小限に、且つ、各圧縮機の容量制御巾を広く保持
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の制御系統図、第２図はプラ
ント抵抗曲線、第３図は第１図のマスター制御系の制御
構成例を示すブロック図、第４図は、第１図のマイナー
制御系の制御構成例を示すブロック図、第５図は、第３
図の動作説明を補足するタイムチャート、第６図はター
ボ圧縮機のＰ−Ｑ特性図、第７図は第４図の動作説明を
補足する圧縮機制御限界曲線図である。ＬＡ、ＩＢ、ＩＣ・・・ターボ圧縮機、２Ａ、２Ｂ。２Ｃ・・・ベーンコントロール、４・・・マスター制御
系、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・・マイナー制御系、ＩＩＡ、
　　−１１８、ＩＩＣ・・・差圧伝送器、１２・・・圧
力伝送器、１３・・・温度伝送器、１４Ａ、１５Ａ、１
６Ａ・・・流量検出器、１４，１５．１６・・・差圧伝
送器。第３回第４　図

Claims

【特許請求の範囲】

１、容積流量を要求する負荷群と質量流量を要求する負
荷に結合された複数の圧縮機において、前記各圧縮機の
サージングラインに平行となる制御ラインと質量流量を
要求する前記負荷の流量関数となる前記圧縮機の吐出圧
力とにより、前記各圧縮機の流量制御範囲を変えるマイ
ナー制御系と、容積流量を要求する前記負荷群の流量変
化値と管路等容量との比率により前記各圧縮機の流量を
不連続的に制御すること、質量流量を要求する前記負荷
の流量変化値により前記各圧縮機の流量を制御し、前記
負荷の流量関数である圧力の変化による容積流量を要求
する前記負荷の流量変化を補償するマスター制御系とを
具備したことを特徴とするターボ圧縮機の容量制御装置
。