(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ膨張器−圧縮機システムにおいて、
膨張器インペラを有し、流入ガスを膨張するよう構成された膨張器と、
前記膨張器に取り付けられ、前記流入ガスの圧力を制御するよう構成された可動入口ガイドベーンの第１のセットと、
圧縮機インペラを有し、前記膨張器から受け取ったガスを加圧するよう構成された圧縮機と、
前記膨張器インペラ及び前記圧縮機インペラを支持し回転させるよう構成されたシャフトと、
前記圧縮機に取り付けられ、該圧縮機に入力されるガスの圧力を制御するよう構成された可動入口ガイドベーンの第２のセットと、
前記可動入口ガイドベーンの第２のセットに接続されて、シャフトの回転速度、前記流入ガスの圧力及び温度、並びに膨張器によって出力されるガスの圧力及び温度に関する情報を取得し、前記膨張器に流入および流出するガスの圧力および温度ならびにシャフトの回転速度が予め設定された設計範囲外にある場合には、前記可動入口ガイドベーンの第２のセットを制御して、前記圧縮機に入力されるガスの圧力を調整して、シャフトの回転速度に対する膨張器におけるエンタルピーの低下の比率を最大にするように構成されたコントローラと、
を備える、ターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項２】
前記比率が膨張器効率に関連付けられる、請求項１に記載のターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項３】
前記シャフトの回転速度を測定するよう構成された第１のセンサと、
前記流入ガスの圧力を測定するよう構成された第２のセンサと、
前記流入ガスの温度を測定するよう構成された第３のセンサと、
膨張器によって出力されるガスの圧力を測定するよう構成された第４のセンサと、
膨張器によって出力されるガスの温度を測定するよう構成された第５のセンサと、
を更に備え、
前記エンタルピーの低下が、前記第１、第２、第３、第４、及び第５のセンサから得られる情報を用いて推定される、
請求項１または２に記載のターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項４】
圧縮機の入口に位置付けられて前記コントローラに接続され、前記圧縮機において入力されるガスの圧力を測定するよう構成されたセンサを更に備える、請求項１から３のいずれかに記載のターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記ターボ膨張器−圧縮機システムが前記設計範囲外となる時点を判定するよう構成される、請求項１から４のいずれかに記載のターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項６】
前記コントローラが、前記可動入口ガイドベーンの第１のセットを制御して、前記流入ガスの圧力を予め定められた範囲に維持するよう構成される、請求項１から５のいずれかに記載のターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項７】
前記コントローラが、前記流入ガスの圧力、前記流入ガスの温度、前記流入ガスの組成、及び前記膨張器によって出力されるガスの圧力の関数を用いて前記膨張器にわたるエンタルピーの低下を推定するよう構成される、請求項１から６のいずれかに記載のターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項８】
前記膨張器、前記シャフト、及び前記圧縮機を予め定められた位置にて保持するよう構成されるケーシングを更に備える、請求項１から７のいずれかに記載のターボ膨張器−圧縮機システム。
【請求項９】
膨張器により出力されるガス流を加圧する圧縮機の圧縮機インペラにシャフトを介して接続される膨張器インペラを備えた膨張器を有するターボ膨張器−圧縮機システムの制御方法であって、
膨張器に入る流入ガスの圧力及び温度に関する第１の情報を受け取る段階と、
前記膨張器により出力されるガスの圧力に関する第２の情報を受け取る段階と、
前記圧縮機インペラ及び膨張器インペラに取り付けられるシャフトの回転速度に関する第３の情報を受け取る段階と、
前記受け取った第１、第２、及び第３の情報に基づいて、前記ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能している時点を判定する段階と、
前記ターボ膨張器−圧縮機システムが、前記膨張器に流入および流出するガスの圧力および温度ならびにシャフトの回転速度が予め設定された設計範囲外にあると判定されたときに、シャフトの回転速度に対する膨張器におけるエンタルピーの低下の比率を予め定められた値と比較する段階と、
膨張器によって出力されるガスが前記圧縮機に流入する圧縮機入口に接続された可動入口ガイドベーンの圧縮機セットを制御して、前記圧縮機に入力されるガスの圧力を調整し、前記比率を予め定められた値に近づけるようにする段階と、
を含む、方法。
【請求項１０】
膨張器インペラを備えた膨張器と圧縮機インペラを備えた圧縮機とを有するターボ膨張器−圧縮機システムを制御するよう構成されたコントローラであって、
前記膨張器インペラ及び前記圧縮機インペラが同じシャフトにより回転され、前記圧縮機が前記膨張器により出力されるガスを加圧し、
前記コントローラが、
膨張器に入る流入ガスの圧力及び温度、膨張器によって出力されるガスの圧力及び温度、シャフトの回転速度に関する情報を受け取り、前記圧縮機において入力されるガスの圧力を制御するよう構成された入口ベーンの圧縮機セットにコマンドを出力するよう構成されたインタフェースと、
前記インタフェースに接続され、該インタフェースからの第１、第２、及び第３の情報を受け取り、前記ターボ膨張器−圧縮機システムが、前記膨張器に流入および流出するガスの圧力および温度ならびにシャフトの回転速度が予め設定された設計範囲外となる時点を判定し、前記可動入口ガイドベーンの圧縮機セットが、設計外条件においてシャフトの回転速度に対する前記膨張器におけるエンタルピーの低下の比率を予め定められた範囲内に維持するようコマンドを生成するよう構成された制御ユニットと、
を備える、コントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題の実施形態は、全般的に、圧縮機入口において可動入口ガイドベーンを用いて膨張器の作動を向上させることを可能にする方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ膨張器は、工業用冷凍、石油及びガス処理、並びに低温プロセスにおいて広く用いられている。ターボ膨張器は、例えば、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ４Ｈ１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ４Ｈ１０）、ペンタン、及び更に高い分子量の炭化水素など、総称して液体天然ガス（ＮＧＬ）と呼ばれる重炭化水素ガスを天然ガスから抽出するのに用いられる。膨張器において生ガスから生じたガス−液体混合気は通常、ガスストリームと液体ストリームとに分離される。液体天然ガスのほとんどは、残留ガスストリームから別々に液体ストリームを出力することにより分離され、残留ガスストリームは通常、加圧されて下流側ユーザに送られる。
【０００３】
図１は、ターボ膨張器１０及び圧縮機２０が同じシャフト３０上に配置されたインペラを有する、従来のターボ膨張器−圧縮機システム１００を示している。ターボ膨張器１０は典型的には、流入ガス４０が内部で膨張される遠心又は軸流膨張器である。ガス膨張は、膨張器インペラ５０の回転を引き起こす機械的仕事を生み出す。膨張されたガスは、ガス流６０として出力される。ターボ膨張器１０から出力されるガス流６０は、圧縮機２０（すなわち、ガス流７０）に入力することができる。
【０００４】
ターボ膨張器１０に流入したときに圧力Ｐ1及び温度Ｔ1を有する流入ガス４０を膨張させた（計算の目的で等エントロピー膨張を用いることができる）後、ガス流６０は、圧力Ｐ1及び温度Ｔ1よりもそれぞれ低い圧力Ｐ2及び温度Ｔ2を有する。
【０００５】
圧縮機インペラ８０は、膨張器インペラ５０と同じシャフト３０上に装着されるので、膨張器インペラ５０の回転は、圧縮機インペラ８０の回転を引き起こす。このようにして、ターボ膨張器１０で生み出された機械的仕事は、圧縮機２０に伝達される。膨張器インペラ５０、圧縮機インペラ８０、及びシャフト３０は、同じ速度で回転する。圧縮機インペラ８０の回転エネルギーは、圧縮機２０内の圧力Ｐ3で入力されるガス流７０を加圧するために圧縮機２０において使用される。圧縮機２０は、圧力Ｐ3よりも高い圧力Ｐ4を有する出力ガス流９０を出力する。
【０００６】
ターボ膨張器１０に入る流入ガス４０の圧力は、多くの場合、設計値前後に維持されるよう制御される。例えば、標準的な可動入口ガイドベーン（図１には図示せず）のセットを利用して、ターボ膨張器１０に入る流入ガス４０の圧力を制御することができる。
【０００７】
理想的には、設計条件では、流入ガス４０の圧力Ｐ1及びターボ膨張器１０から出力されるガス流６０の圧力Ｐ2は、予め定められた値（すなわち、予め定められた値前後のある範囲内）を有する。圧力Ｐ1及びＰ2が予め定められた値を有する場合、シャフトの速度ｕは設計値の近くにある。しかしながら、ターボ膨張器−圧縮機システムは、設計条件とは異なる条件で機能することがある。
【０００８】
一般に、ターボ膨張器の効率は、（ｉ）シャフト速度ｕと（ｉｉ）ターボ膨張器１０にわたる等エントロピーのエンタルピー低下との比率に関連する。しかしながら、このような実際の変換はターボ膨張器１０において行われる。実際の変換は、流入ガス４０のガス組成、圧力Ｐ1、温度Ｔ1、並びにターボ膨張器１０から出力されるガス流６０の圧力Ｐ2及び温度Ｔ2が既知となったときに決定される。ガス組成、圧力Ｐ1、温度Ｔ1、及び圧力Ｐ2が既知であると、ターボ膨張器１０にわたる等エントロピーのエンタルピー低下を計算することができる。
【０００９】
圧縮機２０における圧縮は、シャフト３０の速度ｕを変えることによりターボ膨張器効率に受動的影響を与える。従って、設計外条件では、単一のパラメータ、すなわち流入ガス４０の圧力Ｐ1が調整されたときには、ターボ膨張器効率は最適化されない。流入ガス４０の圧力Ｐ1だけが調整可能であることにより、ターボ膨張器効率を最適化するオペレータ機能が制限される。
【００１０】
追加のエネルギー源が使用されない場合、圧縮は、膨張器１０における膨張の副次的結果である。圧縮効率は、圧縮機２０において入力されるガスの圧力Ｐ3、及びシャフト３０の回転速度ｕと同じ圧縮機インペラの回転速度によって決定される。
【００１１】
流入ガス４０の圧力Ｐ1だけを調整可能な従来のターボ膨張器−圧縮機システムでは、オペレータは、設計外条件においてシャフト３０の回転速度ｕを完全に制御する手段を持っていない。
【００１２】
従って、上述の問題及び欠点を排除したシステム及び方法を提供することが望ましいことになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
１つの例示的な実施形態によれば、ターボ膨張器−圧縮機システムは、膨張器と、可動入口ガイドベーンの第１のセットと、圧縮機と、シャフトと、可動入口ガイドベーンの第２のセットと、を含む。膨張器は、流入ガスを膨張するよう構成され、膨張器インペラを有する。可動入口ガイドベーンの第１のセットは、膨張器に取り付けられ、流入ガスの圧力を制御するよう構成される。圧縮機は、膨張器から受け取ったガスを加圧するよう構成され、圧縮機インペラを有する。シャフトは、膨張器インペラ及び圧縮機インペラを支持し回転させるよう構成される。可動入口ガイドベーンの第２のセットは、圧縮機に取り付けられ、該圧縮機に入力されるガスの圧力を制御するよう構成される。可動入口ガイドベーンの第２のセットに接続されるコントローラは、シャフトの回転速度、流入ガスの圧力及び温度、並びに膨張器によって出力されるガスの圧力及び温度に関する情報を取得するよう構成される。コントローラはまた、可動入口ガイドベーンの第２のセットを制御して、圧縮機に入力されるガスの圧力を調整して設計外条件においてシャフトの回転速度と膨張器にわたるエンタルピーの低下との間の比率を最大にするように構成される。
【００１４】
別の例示的な実施形態によれば、膨張器により出力されるガス流を加圧する圧縮機の圧縮機インペラにシャフトを介して接続される膨張器インペラを備えた膨張器を有するターボ膨張器−圧縮機システムの制御方法が提供される。本方法は、膨張器に入る流入ガスの圧力及び温度に関する第１の情報を受け取る段階と、膨張器により出力されるガスの圧力に関する第２の情報を受け取る段階と、圧縮機インペラ及び膨張器インペラに取り付けられるシャフトの回転速度に関する第３の情報を受け取る段階と、を含む。本方法は更に、受け取った第１、第２、及び第３の情報に基づいて、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能している時点を判定する段階を含む。本方法は更に、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能していると判定されたときに、シャフトの回転速度と膨張器にわたるエンタルピーの低下との間の比率を予め定められた値と比較する段階を含む。本方法はまた、圧縮機入口に接続された可動入口ガイドベーンの圧縮機セットを制御して、圧縮機に入力されるガスの圧力を調整し、設計外条件においてシャフトの回転速度と膨張器にわたるエンタルピーの低下との間の比率を予め定められた値に近づけるようにする段階を含む。
【００１５】
別の実施形態によれば、ターボ膨張器−圧縮機システムを制御するよう構成されたコントローラは、インタフェースと、制御ユニットと、を有する。ターボ膨張器−圧縮機システムは、膨張器インペラを備えた膨張器と、圧縮機インペラを備えた圧縮機とを有し、該膨張器インペラ及び圧縮機インペラが同じシャフトによって回転され、該圧縮機が膨張器により出力されるガスを加圧する。インタフェースは、膨張器に入る流入ガスの圧力及び温度、膨張器によって出力されるガスの圧力及び温度、シャフトの回転速度に関する情報を受け取り、圧縮機において入力されるガスの圧力を制御するよう構成された入口ベーンの圧縮機セットにコマンドを出力するよう構成される。制御ユニットは、インタフェースに接続され、該インタフェースからの第１、第２、及び第３の情報を受け取り、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能する時点を判定し、可動入口ガイドベーンの圧縮機セットが、設計外条件においてシャフトの回転速度と前記膨張器にわたるエンタルピーの低下との間の比率を予め定められた範囲内に維持するようなコマンドを生成するよう構成される。
【００１６】
本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のターボ膨張器−圧縮機システムの概略図。
【図２】例示的な実施形態によるターボ膨張器−圧縮機システムの概略図。
【図３】別の例示的な実施形態によるターボ膨張器−圧縮機システムの図。
【図４】別の例示的な実施形態によるターボ膨張器−圧縮機システムを制御する方法のフローチャート。
【図５】別の例示的な実施形態によるターボ膨張器−圧縮機システムを制御する方法のフローチャート。
【図６】別の例示的な実施形態によるコントローラ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は同じ又は同様の要素とみなす。以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は添付の請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、ターボ膨張器−圧縮機システムに関する用語及び構造に関して検討する。しかしながら、次に検討されることになる実施形態は、これらのシステムに限定されず、膨張器により生成される仕事を膨張器により出力されるガスを加圧する圧縮機に伝送する他のシステムにも適用することができる。
【００１９】
本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が開示される主題の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「１つの実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。更に、具体的な特徴、構造、又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態においてあらゆる好適な様態で組み合わせてもよい。
【００２０】
図２は、例示的な実施形態によるターボ膨張器−圧縮機システム２００の概略図である。膨張器２１０は膨張器インペラ２１２を有する。膨張器２１０は、流入ガス流２１４を受ける。膨張器２１０の内部では、ガスが膨張し、結果として膨張器インペラ２１２の回転を引き起こすことができる。膨張ガスは、膨張器２１０からガス流２１６として出力される。
【００２１】
ターボ膨張器−圧縮機システム２００が、設計条件で機能するときには、流入ガス流２１４の圧力Ｐ1及び温度Ｔ1,並びにガス流２１６の圧力Ｐ2及び温度Ｔ2は、予め定められた値に近い値を有する。しかしながら、場合によっては、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能する場合がある。設計外条件が生じた場合、流入ガス流２１４の圧力Ｐ1は、例えば、可動入口ガイドベーン（ＩＧＶ１）  ２１８を用いてそれぞれの予め定められた値に再度近接するように調整することができる。ＩＧＶ１  ２１８は、膨張器２１０の入口に取り付けられる。
【００２２】
流入ガス流２１４が重質の炭化水素ガスを含むガス混合気である場合、重質の炭化水素ガスの大部分が、膨張に起因してもたらされる低温で液化する。１つの用途において、液化した重質の炭化水素ガスは、セパレータ（Ｓｅｐ）２２０により別個の液体ストリームとして膨張器２１０から取り除くことができる。
【００２３】
図２に示すターボ膨張器−圧縮機システム２００において、圧縮機２２４は圧縮機インペラ２２６を有する。圧縮機２２４は、膨張器２１０からガス流２１６を受け取り、加圧ガス流２２８を出力する。しかしながら、膨張器２１０と圧縮機２２４との間では、ガス流２１６の圧力は、他のプロセス構成要素（例えば、セパレータ、クーラ、バルブ）及び圧力損失に起因して変わる可能性があり、圧縮機２２４内に入力されたときにはガス流２１６は圧力Ｐ3を有する。
【００２４】
ガスの膨張に起因して発生する機械的仕事は膨張器インペラ２１２を回転させる。膨張器インペラ２１２は、圧縮機インペラ２２６と同じシャフト２３０上に装着される。この構成に起因して、圧縮機インペラ２２６はまた、膨張器２１０におけるガスの膨張中に発生する機械的仕事により回転する。圧縮機インペラ２２６の回転は、圧縮機２２４においてガスを加圧するのに使用されるエネルギーをもたらす。従って、追加のエネルギー源が使用されない場合、圧縮は、膨張器２１０における膨張の副次的結果である。
【００２５】
逆に、負荷と名付けられもする圧縮機インペラ２２６を回転させるのに必要な機械的仕事は、シャフト２３０の回転速度ｕに影響を及ぼし、これにより膨張器２１０内部でのガスの膨張プロセスに間接的に影響を与える。
【００２６】
膨張器効率は、シャフト２３０の回転速度ｕと膨張器２１０にわたるエンタルピーΔＨの低下の比率に関連する。膨張器２１０におけるガス膨張は、等エントロピープロセスとして近似することができる。膨張器にわたるエンタルピーΔＨの等エントロピー低下は、（ｉ）膨張器２１０に入る流入ガス流２１４の圧力Ｐ1及び温度Ｔ1、（ｉｉ）膨張器２１０から出力されるガス流２１６の圧力Ｐ2、及び（ｉｉｉ）ガス組成の関数として推定することができる。ガス組成は、手動で入力するか、又はガス組成アナライザの出力として提供される定数とすることができる。
【００２７】
実際には、膨張器２１０内のガス膨張は理想的な等エントロピープロセスではない。膨張器２１０にわたるエンタルピーΔＨの低下は、（ｉ）膨張器２１０に入る流入ガス流２１４の圧力Ｐ1及び温度Ｔ1、（ｉｉ）膨張器２１０から出力されるガス流２１６の圧力Ｐ2及び温度Ｔ2、並びに（ｉｉｉ）ガス組成を用いて計算することができる。
【００２８】
膨張器２１０におけるガス膨張の特性パラメータ（すなわち、Ｐ1、Ｔ1、Ｐ2及びＴ2）とシャフト２３０の回転速度ｕとは、無関係に変化しない場合がある。従って、設計外条件では、膨張器効率を最大にするために、圧縮機２２４において入力されるガス流２１６の圧力Ｐ3は、例えば、圧縮機入口に設けられる可動入口ガイドベーン（ＩＧＶ２）２３２の第２のセットにより制御することができる。圧縮機２２４内に入力されるガス流２１６の圧力Ｐ3を修正することにより、シャフト２３０の回転速度ｕが修正され、従って、膨張器２１０の膨張器効率を最大にすることができる。
【００２９】
シャフト２３０の回転速度ｕは、例えば、速度センサ（Ｓｕ）によって膨張器２１０とシャフト２３０に隣接する圧縮機２２４との間の位置で測定することができる。膨張器２１０に入る流入ガス流２１４の圧力Ｐ1及び温度Ｔ1は、例えば、それぞれセンサ（ＳＰ1）２３６及びセンサ（ＳＴ1）２３８により測定することができる。
【００３０】
ガス流２１６の圧力Ｐ2及び温度Ｔ2は、例えば、それぞれセンサ（Ｓｐ２）２３７及びセンサ（ＳＴ２）２３８により膨張器２１０の出力で測定することができる。圧縮機２２４の入力におけるガス流２１６の圧力Ｐ3は、例えば、センサ（ＳＴ３）２３９により測定することができる。
【００３１】
コントローラ２４０は、センサ２３４、２３５、２３６、及び２３７それぞれから、膨張器２１０に入る流入ガス流２１４の圧力Ｐ1及び温度Ｔ1、圧縮機２２４に入るガス流２１６の圧力Ｐ2、及びシャフト２３０の回転速度ｕに関する情報を得る。
【００３２】
１つの実施形態において、コントローラ２４０は、流入ガス流２１４の圧力Ｐ1を予め定められた範囲内にあるように調整するよう、ＩＧＶ１  ２１８にコマンドＣ１を送ることができる。
【００３３】
得られた情報の監視に基づいて、コントローラ２４０は、ターボ膨張器−圧縮機システム２００が設計外条件で機能している時点を判定する。ターボ膨張器−圧縮機システム２００が設計外条件で機能しているとコントローラ２４０が判定すると、コントローラ２４０は、ＩＧＶ２  ２３２の第２のセットにコマンドＣ２を送り、圧縮機に入るガスの圧力Ｐ3を調整して、シャフト２３０の回転速度ｕと膨張器２１０にわたるエンタルピーΔＨの低下との間の比率Ｒが最大になるようにする。
【００３４】
図３は、膨張器インペラ２１２を備えた膨張器２１０と、同じシャフト２３０上に装着された圧縮機インペラ２２６を備えた圧縮機２２４とを有するターボ膨張器−圧縮機システム２０１の例示的な実施形態を示す。膨張器２１０に入る流入ガス流２１４の圧力Ｐ1は、可動入口ガイドベーン２１８のセットにより調整される。圧縮機２２４に入力されるガス流の圧力Ｐ3は、可動入口ガイドベーン２３２のセットにより制御される。膨張器２１０、シャフト２３０、及び圧縮機２２４は、ケーシング２５０内に入れられる。ケーシング２５０は、膨張器２１０、シャフト２３０、及び圧縮機２２４を互いに対して予め定められた位置にて保持する。
【００３５】
例示的な実施形態によれば、図４は、膨張器により出力されるガス流を加圧する圧縮機の圧縮機インペラにシャフトを介して接続された膨張器インペラを備えた膨張器を有するターボ膨張器−圧縮機システムにより実行される方法４００を示している。図２におけるコントローラ２４０と同様のコントローラにより実行できる方法は、Ｓ４１０において、膨張器に入る流入ガスの圧力Ｐ1及び温度Ｔ1に関する第１の情報を受け取る段階と、Ｓ４２０において、膨張器により出力されるガスの圧力Ｐ2及び温度Ｔ2に関する第２の情報を受け取る段階と、Ｓ４３０において、圧縮機インペラ及び膨張器インペラに取り付けられるシャフトの回転速度ｕに関する第３の情報を受け取る段階と、を含む。
【００３６】
膨張器に入る流入ガスの圧力Ｐ1及び温度Ｔ1に関する第１の情報は、Ｓ４０５において、例えば、図２におけるＳｐ１  ２３５及びＳＴ１  ２３６のようなセンサにより圧力Ｐ1及び温度Ｔ1を測定することに基づくことができる。膨張器によって出力されるガスの圧力Ｐ2及び温度Ｔ2に関する第２の情報は、Ｓ４１５において、圧力Ｐ2を測定することに基づくことができる。圧力Ｐ2及び温度Ｔ2は、膨張器２１０の出口において、例えば、図２のＳｐ２  ２３７及びＳＴ２  ２３８などのセンサにより測定することができる。シャフトの回転速度ｕに関する第３の情報は、Ｓ４２５において、回転速度ｕの測定に基づくことができる。回転速度ｕは、例えば、図２におけるＳｕ  ２３４などのセンサによって、膨張器２１０と圧縮機２２４との間のシャフト２３０に隣接する位置にて測定することができる。
【００３７】
図４に示す方法は更に、Ｓ４４０において、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能する時点を判定する段階を含む。ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能していないと判定された場合、本方法は、ループバックして、ｐ1及びＴ1（Ｓ４１０）、ｐ2（Ｓ４２０）、並びにｕ（Ｓ４３０）に関する情報を受け取り、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能しているかどうかを判定（Ｓ４４０）する。
【００３８】
ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能していると判定された場合、本方法は更に、Ｓ４５０において、シャフトの回転速度ｕと膨張器にわたるエンタルピーΔＨの低下との間の比率Ｒを計算して予め定められた値Ｖと比較する段階を含む。エンタルピー低下は、Ｓ４４５において、ｐ1、Ｔ1、ｐ2、Ｔ2及びガス組成の関数として計算することができる。
【００３９】
本方法は更に、Ｓ４６０において、膨張器によって出力されるガスが圧縮機に流入する圧縮機入口に接続された可動入口ガイドベーンの圧縮機セットを制御して、比率Ｒを予め定められた値Ｖに近づけるように、圧縮機に入力されるガスの圧力Ｐ3を調整する段階を含む。
【００４０】
本方法は更に、膨張器の入口に位置付けられた図２のＩＧＶ１のような可動入口ガイドベーンの膨張器セットを調整し、膨張器に入る流入ガスの圧力Ｐ1を予め定められた範囲内に維持する段階を含むことができる。
【００４１】
流入ガスが重質成分を含む混合気であるときには、本方法は更に、膨張器において液化された重質成分を該膨張器から出力されて圧縮機に入力されるガスから、例えば、図２のＳｅｐ２２０のようなセパレータにより分離する段階を含むことができる。
【００４２】
本方法は、膨張器のガス膨張が等エントロピープロセスであることを前提として、（ｉ）流入ガスの圧力Ｐ1及び温度Ｔ1、（ｉｉ）膨張器から出力されるガスの圧力Ｐ2、及び（ｉｉｉ）ガス組成の関数を用いて膨張器にわたるエンタルピーの低下を計算することができる。
【００４３】
別の例示的な実施形態によれば、図５は、膨張器により出力されるガス流を加圧する圧縮機の圧縮機インペラにシャフトを介して接続された膨張器インペラを備えた膨張器を有するターボ膨張器−圧縮機システムを制御する方法５００を示している。
【００４４】
本方法は、Ｓ５１０において、膨張器に入る流入ガスの圧力及び温度に関する第１の情報を受け取る段階と、Ｓ５２０において、膨張器により出力されるガスの圧力に関する第２の情報を受け取る段階と、Ｓ５３０において、圧縮機インペラ及び膨張器インペラに取り付けられたシャフトの回転速度に関する第３の情報を受け取る段階と、を含む。
【００４５】
本方法は更に、Ｓ５４０において、受け取った第１、第２、及び第３の情報に基づいて設計外条件でターボ膨張器−圧縮機システムが機能している時点を判定する段階を含む。
【００４６】
本方法はまた、Ｓ５５０において、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能していると判定されたときに、シャフトの回転速度と膨張器にわたるエンタルピーの低下との間の比率を予め定められた値と比較する段階を含む。
【００４７】
本方法は更に、Ｓ５６０において、膨張器によって出力されるガスが圧縮機に流入する圧縮機入口に接続された可動入口ガイドベーンの圧縮機セットを制御して、比率を予め定められた値に近づけるように、圧縮機に入力されるガスの圧力を調整する段階を含む。
【００４８】
図６は、別の例示的な実施形態によるコントローラを示す。コントローラ６００は、図２における２００のようなターボ膨張器−圧縮機システムを制御するよう構成される。コントローラは、インタフェース６１０、制御ユニット６２０、及びメモリ６３０を含むことができる。
【００４９】
インタフェース６１０は、例えば、図２におけるＳｐ１  ２３５、ＳＴ１  ２３６、Ｓｐ２  ２３７、及びＳｕ  ２３４などのセンサにより、膨張器に入る流入ガスの圧力Ｐ1及び温度Ｔ1、膨張器によって出力されるガスの圧力Ｐ2、及びシャフトの回転速度ｕに関する情報を受け取る。インタフェース６１０はまた、図２のＳＴ２  ２３８及びＳＰ３  ２３９などのセンサにより、膨張器から出力されるガスの温度Ｔ2、及び圧縮機に入力されるガスの圧力Ｐ3に関する情報を受け取ることができる。インタフェース６１０はまた、図２におけるＩＧＶ２  ２３２のような入口ベーンの圧縮機セットにコマンドＣ２を出力するよう構成される。インタフェース６１０はまた、図２におけるＩＧＶ１などの可動入口ガイドベーンの膨張器セットにコマンドＣ１を出力するよう構成することができる。
【００５０】
制御ユニット６２０は、インタフェース６１０に接続されて該インタフェースを通って受け取られる情報を監視し、例えば、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能している時点を判定する。例えば、コントローラは、圧力Ｐ１、温度Ｔ１、圧力Ｐ２、及びシャフトの回転速度ｕの値又は関数をメモリ６３０内に格納された予め定められた値と比較することにより、ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能するかどうかを判定することができる。エンタルピーの低下を計算するのに使用される組成もまた、メモリ６３０内に格納することができる。
【００５１】
ターボ膨張器−圧縮機システムが設計外条件で機能していると制御ユニット６２０が判定した場合、制御ユニット６２０は、可動入口ガイドベーンの圧縮機セットに送信されることになるコマンドを生成し、圧縮機に入るガスの圧力Ｐ3を調整して、シャフト２３０の回転速度ｕと膨張器２１０にわたるエンタルピーΔＨの低下との間の比率Ｒを予め定められた範囲内に維持するようにする。
【００５２】
制御ユニット６２０は、圧力Ｐ1、温度Ｔ1、圧力Ｐ2、及びガス組成に関する情報を用いてエンタルピーΔＨの低下を推定するよう構成することができる。制御ユニット６２０はまた、入口ガイドベーンの膨張器セットに送信されることになるコマンドを生成し、圧力Ｐ1を予め定められた範囲内に維持するようにすることができる。次いで、インタフェース６１０は、これらのコマンドを入口ガイドベーンの膨張器セットに出力することができる。制御ユニット６２０は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせにおいて実施することができる。
【００５３】
開示される例示的な実施形態は、圧縮機の入口において可動入口ガイドベーンのセットを用いてターボ膨張器−圧縮機システムの効率を最大限にするシステム、方法、及びコントローラを提供する。本明細書は本発明を限定する意図はない点は理解されたい。むしろ、例示的な実施形態は、添付の請求項によって定義される本発明の技術的思想及び範囲に含まれる代替形態、修正形態、及び均等形態を保護することを意図している。更に、例示的な実施形態の詳細な説明において、様々な実施形態を十分に理解するために、多数の具体的な詳細事項が記載されている。しかしながら、当業者であれば、種々の実施形態はこうした特定の詳細事項なしに実施可能であることは理解されるであろう。
【００５４】
本発明の例示的な実施形態の特徴及び要素は、特定の組み合わせで実施形態において説明したが、各特徴又は要素は、実施形態の他の特徴及び要素を伴わず単独で、或いは本明細書で開示される他の特徴及び要素の有無に関わりなく種々の組み合わせで用いることができる。
【００５５】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００５６】
２００：ターボ膨張器−圧縮機システム
２１０：膨張器
２１２：膨張器インペラ
２１４：流入ガス流
２１６：ガス流
２１８：可動入口ガイドベーン（ＩＧＶ１）
２２０：セパレータ（Ｓｅｐ）
２２４：圧縮機
２２６：圧縮機インペラ
２２８：加圧ガス流
２３０：シャフト
２３２：可動入口ガイドベーン（ＩＧＶ２）
２３４、２３５、２３６、２３７、２３８、２３９：センサ
２４０：コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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