(57)【要約】  流体分配システムに接続された複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１が、前記流体分配システムの容量に基づいて、ロードおよび／またはアンロードされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体分配システムの容量（capacitance）に基づいて、流体分配システムの複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードまたはアンロードのいずれかを選択的に実行する構成された制御部（３０６）を具えることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１の装置において、前記制御部（３０６）は、前記流体分配システムの変化割合（mass rate change）に基づいてロードまたはアンロードのいずれかを選択的に実行することを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２の装置において、前記制御部（３０６）は、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードまたはアンロードのいずれかのリードタイムに基づいて、ロードまたはアンロードのいずれかを選択的に実行するよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１の装置において、前記制御部（３０６）は、前記流体分配システムの容量に基づいて、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１を選択的にロードするよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４の装置において、前記制御部（３０６）は、前記流体分配システムの最低圧力に基づいて、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１を選択的にロードするよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項４の装置において、前記制御部（３０６）は、前記流体分配システムの容量に基づいて、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１を選択的にアンロードするよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項６の装置において、前記制御部（３０６）は、前記流体分配システムの許容範囲に基づいて、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１を選択的にロードまたはアンロードするよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１の装置において、前記制御部（３０６）は、前記流体分配システムの容量に基づいて、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１を選択的にアンロードするよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１の装置において、前記制御部（３０６）は、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の各容量に基づいて、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）のいずれか１以上のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）のロードまたはアンロードを選択するよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１の装置において、前記制御部（３０６）は、前記流体分配システムの容量に基づいて、前記流体分配システム内の変化量をサンプリングするサンプリング期間を調整するよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１の装置において、さらに、
流体分配システムと、
複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）であって、これら複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１が、前記制御部（３０６）の制御信号に応じて、前記流体分配システムと選択的に空気力学的に連結および分離されるよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１２】
プロセッサ読み取り可能な媒体であって：
流体分配システムの容量に基づいて、前記流体分配システムに接続された複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードおよびアンロードのいずれかを選択的に実行する命令が格納されていることを特徴とする媒体。
【請求項１３】
請求項１２のプロセッサ読み取り可能な媒体において、さらに、前記流体分配システム内の流体の浮動量変化割合を判定して、この浮動量変化割合に応じて前記流体分配システムに接続された複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードおよびアンロードのいずれかを選択的に実行する命令が格納されていることを特徴とする媒体。
【請求項１４】
請求項１１のプロセッサ読み取り可能な媒体において、ロードおよびアンロードのいずれかを選択的に実行する前記格納された命令が、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）のいずれか１の始動とロードにかかるリードタイムに基づくことを特徴とする媒体。
【請求項１５】
請求項１１のプロセッサ読み取り可能な媒体において、さらに、追加的に前記流体分配システムの許容圧力範囲に基づいて、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードおよびアンロードのいずれかを選択的に実行する命令が格納されていることを特徴とする媒体。
【請求項１６】
流体分配システムの容量に基づいて、流体分配システムの複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードまたはアンロードのいずれかを選択的に実行するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６の方法において、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードまたはアンロードは、前記流体分配システム内の流体の変化割合に基づくことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６の方法において、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の少なくとも１のロードまたはアンロードは、前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）のいずれか１の始動とロードにかかるリードタイムに基づくことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６の方法において、前記ロードまたはアンロードは、前記流体分配システムの許容圧力範囲に基づいて前記複数のコンプレッサ（Ｃ１−Ｃ７）の１以上の選択的なロードおよびアンロードを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６の方法において、さらに、前記流体分配システム内の流体の変化割合に基づいてサンプリング期間を調整するステップを具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付随するプロセスの完全性に影響を及ぼすことなく需要と供給を効率的に最適化する圧縮、分配、および圧縮性流体の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば大気、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、窒素、フレオン、液体などの加圧圧縮流体は、様々な工業用途で圧力の形態のエネルギをもたらすものとして一般に用いられている。負荷装置として知られる加圧流体を用いる装置には、ロボット、着色業務、タービン、発電機、ジェットエンジン、空気ツール、冷蔵室、エアコンディショナーその他がある。圧縮流体は通常コンプレッサで加圧されるが、これは様々な形態があり、例えば遠心力コンプレッサ、往復運動コンプレッサ、回転スクリュ、ロータとステータの積層、その他の形態がある。
【０００３】
コンプレッサは、圧縮性流体を入口から取り入れ、この圧縮性流体の体積を少量で高圧なものに圧縮し、圧縮された流体を出口から放出する。個々のコンプレッサは、コンプレッサの入口における時間ごとの自由流体の量で規定される仕様の流量で圧縮流体を供給する。個々のコンプレッサはまた、コンプレッサの通常動作として出口から選択された放出圧を提供する。この選択された放出圧は一般に、コンプレッサが可能な仕様の最大放出圧以下で変化する。
【０００４】
仕様の流量や選択される放出圧は、このコンプレッサが予定する特定のアプリケーションに適合するよう選択される。例えば、化学製造およびパッケージング工場に適用されるいくつかの典型的なコンプレッサは、放出圧が通常の範囲で平方インチあたり９０乃至１２５ポンド（ＰＳＩＧ）、流量が標準状態で毎分２，０００乃至４，０００立方フィート（ＳＣＦＭ）が選択される。ＳＣＦＭは、「平方インチあたり１４．７ポンド（ｐｓｉＡ）の標準状態で華氏６０度における分ごとの立方フィート」として規定されている。特定のアプリケーションで必要に応じて他の多くの放出圧や流量が可能である。
【０００５】
負荷装置にはそれぞれ要求される流量があり、これはその運用での負荷装置が使用する流体の速度である。各負荷装置はまた、通常動作に必要な吸い込み圧の仕様がある。要求される流量は、適用例に応じてまったく一定である場合もありしばしば変更される場合もある。どの負荷装置も、メンテナンスや故障等の不通で少なくとも一時的に要求流量が落ちてしまう。
【０００６】
多くの負荷装置が動作する施設では、負荷装置が下流出口に接続された単一の流体分配システムで必要な加圧流体を負荷装置へ供給することが普通である。この単一の流体分配システムは、逆にシステムの上流入口から当該分配システムに加圧流体を供給する様々な数のコンプレッサを接続することができる。この単一の分配システムは、要求流量の変化を平均化できるため、各負荷装置が独自のコンプレッサに接続される場合よりも柔軟性が高い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、負荷装置が収集する要求流量はそれでも運用中に変動するものである。この変動量は、負荷装置を用いる設備の種類や運用性質に依存する。動作するコンプレッサが少なすぎる場合、要求流量が特に高く増えた場合はコンプレッサからの流量限界を超えてしまう。これにより分配圧が低下し、負荷装置の正常運用が停止してしまう。
【０００８】
この種類の中断を避けるために、通常は複合的なコンプレッサシステムが設計され、必要な負荷圧の最大ピーク要求流量を提供するように組み上げられる。施設のオペレータは、負荷装置の最大要求流量の場合にも十分な圧力が得られるように、全コンプレッサの最大設備容量を最大圧力で運用することが多い。すなわち、設置されるコンプレッサの流体放出容量は通常求められるものより大きく、これらのコンプレッサは、負荷装置の殆どの場合に要求される放出圧力より高く設定される。余分なコンプレッサ容量と放出圧力はともに高いエネルギ消費、メンテナンスコスト、キャピタルコストに繋がる。
【０００９】
しかしながら、通常は負荷装置の良好な運用の方が、コンプレッサの効率的な運用よりも優先順位が遙かに高い。従来の複合コンプレッサシステムはこのため、コンプレッサシステムの効率を犠牲にしてピーク要求流量期間中の圧力不足を回避している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、従来技術にかかる複合コンプレッサシステム１００の一例を示す概略図である。図１に示す例では、複合コンプレッサシステム１００は化学製造施設であり、圧縮される流体は空気である。この施設は圧縮空気のエネルギを、循環バルブ、清掃集塵バッグ室、機器、包装設備、コンベヤ、ロボット、粉砕動作、空気圧工具等に用いる。
【００１１】
複合コンプレッサシステム１００は、複数の個別のコンプレッサＣ１−Ｃ７を具え、これらはそれぞれ乾燥・フィルタ装置Ｄ１−Ｄ７を介してメイン流体分配ヘッダ１０２に連結されている。コンプレッサＣ１−Ｃ７は、施設の１またはそれ以上の領域に配置することができる。コンプレッサＣ１−Ｃ７は、それぞれの吸気口から大気を取り入れ、空気を高圧に圧縮し、それぞれの放出口から圧縮空気を放出する。流体の圧力を高めるエネルギは、１またはそれ以上の原動力から供給され、これが各コンプレッサのシャフトを駆動する。各コンプレッサは、仕様の流量と仕様の最大放出圧を有する。コンプレッサＣ１−Ｃ７の放出圧は、通常は仕様の最大放出圧以下の一部の範囲内で調整可能である。図１は、コンプレッサＣ１−Ｃ７の放出圧の設定の一例を示している。例えば、コンプレッサＣ５は流体空気を１１５ゲージｐｓｉ（pounds per square inch gage：ＰＳＩＧ）の放出圧に圧縮する。ゲージ圧は、合計の絶対圧力が周囲の気圧を超えた量である。すべてのコンプレッサが、ブローダウンしないように上側領域で調節制御されるよう設定されている。
【００１２】
コンプレッサＣ１−Ｃ７の放出口はそれぞれ各乾燥・フィルタ装置Ｄ１−Ｄ７に連結されている。乾燥・フィルタ装置Ｄ１−Ｄ７は圧縮空気から水分、埃、その他の汚染物質を取り除いて、乾燥した清潔な空気がメイン分配ヘッダ１０２に供給される。
【００１３】
メイン分配ヘッダ１０２は、溶接か、機能的あるいは非機能的な隔離バルブを有するあるいは有さないその他の適切な固定手段により相互接続される。例えば、メイン分配ヘッダ１０２は、直径１インチ乃至４インチのパイプの組合せを具えてもよい。
【００１４】
Ｌ１やＬ２といった負荷装置は、メイン分配ヘッダ１０２に沿った出口に連結されてもよい。上述したように、負荷装置Ｌ１、Ｌ２は、循環バルブ、清掃集塵バッグ室、機器、包装設備、コンベヤ、ロボット、粉砕動作、空気圧工具等である。負荷装置Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ要求流量があり、それはこの負荷装置が運用中に使用する流量（本実施例では気体）の流量である。負荷装置Ｌ１、Ｌ２は通常、さらに正常動作に要求される望ましい入力圧を有する。図１に示す例では、負荷装置Ｌ１、Ｌ２は最低９０ゲージｐｓｉの圧力が必要である。
【００１５】
メイン分配ヘッダ１０２の合計の要求流量は、システム１００の必要性によってほぼ一定であるかしばしば変動することがある。このため、図１に示すような従来技術の複合コンプレッサシステムは、要求される最大要求流量をまかなうべく設計され組み上げられる。負荷装置Ｌ１、Ｌ２の要求が増大したときにコンプレッサＣ１−Ｃ７が十分に動作しなければ、このシステムからの流出流が流入流より多くなり、システム内の空気の密度ひいては気圧が低くなる。圧力が低下するとこの施設での製造に支障が出る。システムにおける過度の圧力低下は、例えば清掃設備やパイピングの小型化や、システム内の汚れの蓄積などによっても生じる。
【００１６】
要求が変動する期間内の圧力低下を防ぐために、施設のオペレータは複合コンプレッサシステムを、常時システムのすべてのコンプレッサが設定された最大流量および最大放出圧で供給するよう動作させる。この種類の運用では、平均の要求流量は常に設定された放出流量より低くなる。このため、コンプレッサＣ１−Ｃ７は「パーシャルロード」での運用を余儀なくされる。パーシャルロードは、要求流量（ＳＣＦＭ）を放出流量（ＳＣＦＭ）で割ったもので規定される。コンプレッサは、当該コンプレッサが選択された放出圧で要求流量より高い流量を供給可能である場合に、パーシャルロードにあるとされる。
【００１７】
パーシャルロードでは、システム１００の効率が落ちる。この効率は、「圧縮空気の平均ＳＣＦＭ／平均消費ｋＷ」で規定され、ここでＳＣＦＭは各コンプレッサの吸気口の毎分の流量立方フィートであり、ｋＷはコンプレッサの動力源の消費エネルギをキロワットで表したものである。システム合計の効率は、システム１００で「合計した圧縮空気の平均ＳＣＦＭ／合計した平均消費ｋＷ」となる。
【００１８】
一般的なルールでは、様々な容積式圧縮機で放出圧が２ＰＳＩＧ高まる毎に、エネルギ消費が１％増える。同様に、様々な容積式圧縮機で放出圧が２ＰＳＩＧ低まる毎に、エネルギ消費は１％減る。したがって、必要な圧力より１０ＰＳＩＧ大きく駆動されているコンプレッサは、必要な分より約５％多くのエネルギを消費している。
【００１９】
表１は、システム１００が年に８，４００時間空気を使用しメイン分配ヘッダが約９０ＰＳＩＧを維持するコンプレッサＣ１−Ｃ７の推測される特性リストである。これらの特性は、各コンプレッサの種類、モデル、メーカ、設計された最大放出圧、流量（ＳＣＦＭ）、原動力が消費するエネルギレート（ｋＷ）、最大効率（ＳＣＦＭ／ｋＷ）、および、ＳＣＦＭ・ｋＷ・ＳＣＦＭ／ｋＷの推測値を含む。
【００２０】
表１
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【００２１】
表１にあるように、すべてのコンプレッサがパーシャルロードで稼働しており、最大効率より低いものとなっている。コンプレッサＣ４はスタンバイモードで示されている。抵抗率の主たる原因の一つは、要求レートより供給レートが大きいことである。
【００２２】
表２は、図１に示す複合コンプレッサシステム１００ののシステム効率の概要である。
【００２３】
表２
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【００２４】
システム１００のコンプレッサは、流量において平均５１．５％のパーシャルロードであり、たったの３．０１ＳＣＦＭ／ｋＷの合計の平均効率である。
【００２５】
図２は、一実施例にかかる複合コンプレッサ制御システム３００の概略図である。システム３００は通常、複数のコンプレッサＣ１−Ｃ７と、各々複数の乾燥・フィルタ装置Ｄ１−Ｄ７と、メイン分配ヘッダ３０２と、１以上の負荷装置Ｌ１、Ｌ２とを具える。
【００２６】
コンプレッサＣ１−Ｃ７は、それぞれ選択的に乾燥・フィルタ装置Ｄ１−Ｄ７を介してメイン分配ヘッダ３０２に接続されている。コンプレッサＣ１−Ｃ７は、施設の１またはそれ以上の領域に配置され、様々な数のコンプレッサを用いることができる。コンプレッサＣ１−Ｃ７は、様々なコンプレッサの種類、メーカ、モデルの組合せであってよい。例えば、コンプレッサＣ１−Ｃ７は、往復式、回転スクリュ式、遠心力式、スクロール・ベーン式のコンプレッサであってもよい。各コンプレッサは、仕様の流量と仕様の最大放出圧を有する。コンプレッサＣ１−Ｃ７の放出圧は、仕様の最大放出圧以下の所定範囲で調整可能である。代替実施例では、１またはそれ以上のコンプレッサＣ１−Ｃ７が固定の放出圧であり、この放出圧は当該コンプレッサが用いられる特定のアプリケーションで選択される。コンプレッサＣ１−Ｃ７の原動力は、例えば電気、化石燃料または他の燃料、蒸気などで駆動される。
【００２７】
コンプレッサＣ１−Ｃ７の出口は、それぞれ乾燥・フィルタ装置Ｄ１−Ｄ７に連結されている。乾燥・フィルタ装置Ｄ１−Ｄ７は圧縮空気から水分、埃、その他の汚染物質を取り除いて、乾燥した清潔な空気がメイン分配ヘッダ１０２に供給される。代替実施例では
１またはそれ以上の装置Ｄ１−Ｄ７はシステム３００の別の場所、例えば各コンプレッサの出口側などに配置されてもよい。また、いずれか１の装置Ｄ１−Ｄ７が１より多いコンプレッサからの空気の乾燥・フィルタリングに用いられてもよい。
【００２８】
メイン分配ヘッダ３０２は、１または一連のパイプ、あるいは例えば負荷装置Ｌ１、Ｌ２へと続く１以上の出口に加圧流体を運ぶ他の機能的に類似の流路を具えてもよい。この流路は溶接か、機能的あるいは非機能的な隔離バルブを有するあるいは有さないその他の適切な固定手段により相互接続される。一実施例では、メイン分配ヘッダ３０２は、直径１インチ乃至１２インチのパイプの組合せを具えてもよい。他のサイズのパイプを用いてもよい。
【００２９】
負荷装置Ｌ１、Ｌ２は、循環バルブ、清掃集塵バッグ室、機器、包装設備、コンベヤ、ロボット、粉砕動作、空気圧工具等である。負荷装置Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ要求流量（demand flow rate）を有し、それはこの負荷装置が運用中に使用する流量（本実施例では気体）の流量である。負荷装置Ｌ１、Ｌ２は通常、さらに正常動作に要求される望ましい入力圧を有する。
【００３０】
図２に示す例では、負荷装置Ｌ１、Ｌ２の正常動作には、メイン分配ヘッダ３０２内に最低９０ゲージｐｓｉの圧力が必要である。コンプレッサＣ１−Ｃ７は、メイン分配ヘッダ３０２に接続されている。組み立て式規格単位でなる圧縮空気タンク３０３がメイン分配ヘッダ３０２に接続されている。正しく較正された温度伝達装置３０４と圧力伝達装置３０５が伝達ヘッダ３０２に、好ましくはタンク３０３の部分に接続されている。
【００３１】
以下で詳細に述べるが、電子制御部３０６が新規なコンプレッサシステム３００に接続されており、制御ケーブルを介してコンプレッサＣ１乃至Ｃ７と、温度・圧力伝達部３０４，３０５にそれぞれ接続されている。別の実施例では、制御部３０６はコンプレッサＣ１乃至Ｃ７と、例えばローカルエリアネットワークなどの光ケーブルやワイヤレスなど別の手段と接続されてもよい。
【００３２】
電子制御部３０６は、本実施例の圧縮空気システム３００に接続されている限りの様々な数のコンプレッサを制御するよう設計されている。電子制御部３０６は、制御システム３００を閉ループ制御方式または開ループ制御方式で制御しうるよう構成されている。１またはそれ以上のセンサ（図示せず）をシステム３００に所望位置に分散させて、電子制御部３０６にシステム内の様々な一から適切な測定値を供給してもよい。例えば、これらのセンサは圧力センサ、温度センサ、流量センサである。
【００３３】
電子制御部３０６は、１またはそれ以上のコンプレッサＣ１−Ｃ７の方へ制御信号を精製するよう構成された処理ユニットを具える。一実施例では、このような制御信号は流体分配システムの容量に基づいて生成される。この開示の目的において、「処理ユニット」の語は、メモリ内に格納された命令のシーケンスを実行する、従来から知られたあるいは将来開発される処理ユニットをいう。この命令シーケンスの実行は、処理ユニットが制御信号を生成したりするステップを実行させる。この命令は、コンピュータまたはプロセッサが読み取り可能な例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含む媒体３０７に格納され、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、大容量メモリ、または他の不揮発性メモリから処理ユニットに実行される。一実施例では、メモリ３０７は取り外し可能であり、制御部３０６に対して可搬型である。別の実施例では、代わりに配線回路を用いたり、ソフトウェア命令と組合せて上述の機能を実現してもよい。制御部３０６は特定のハードウェア回路とソフトウェアの組合せに限定されず、また処理ユニットが実行する特定の命令ソースにも限定されない。
【００３４】
電子制御部３０６は、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、マイクロプロセッサ型コントローラ、あるいはパーソナルコンピュータ型コントローラなどの様々な制御装置を具えてもよい。電子コントローラ３０６はデジタル式またはアナログ式の制御部であってよい。代替的な実施例では、電子制御部３０６は複数の個別の制御部と置換して各制御部がシステム３００内の１またはそれ以上の要素を制御してもよい。さらに、電子制御部３０６は、マニュアル式の制御部、異なる電子式の制御部またはこれらの組合せとしてもよい。
【００３５】
タンクのサイズは、従来技術と同様に期間中のＳＣＦＭでの空気の要求の変化、コンプレッサＣ１乃至Ｃ７に必要なスタートアップ時（Ｔ１，Ｔ２等）と、設定圧力（ＰＳＩＧでＰｓ）と、プラント運用で許される許容振り幅（例えば、プラスマイナス３ＰＳＩＧ）に依存する。タンク３０３は、６，０００ガロン（７８０ＣＦ）の容量に設計されるが、別の容量のタンクを用いてもよい。フィルタ、クリーニング機器の量を含む分配ヘッダパイプ全体の容量は４０ＣＦ（図２のシステムと同じ）と測定され、したがってこのシステム３００の全体容量は８２０ＣＦである。
【００３６】
制御アルゴリズムに影響する要素の１つは、有用な貯蔵具または貯蔵容量（Ｃ）である。貯蔵容量は、空気システム内の自由空気（標準状態の大気）の標準立方フィートの値であって、システム内の圧力を１ＰＳＩ（プラスまたはマイナスに）変化させる値として規定される。これは式Ｐ１Ｖ１＝Ｐ２Ｖ２により算出され、ここでＰ１とＶ１は期間１の圧力と体積であり、Ｐ２とＶ２は期間２の圧力と体積である。様々なシステムの容量は、Ｃ＝Ｖ／Ｐａに近似することができ、ここでＣは標準立方フィート（ＳＣＦ）／ＰＳＩＡにおけるシステム容量であり、Ｖは立方フィート（ＣＦ）でのシステム全体の容量、Ｐａは標準状態の周囲の気圧であり、１４．７ＰＳＩＡである。
【００３７】
図２に示す例では、システム３００は、２，９９０ＳＣＦＭの平均流量の圧縮空気を最低９０ＰＳＩＧでメイン分配ヘッダ３０２に供給する必要がある。表４は、本例におけるコンプレッサＣ１−Ｃ７の推測の仕様である。
【００３８】
与えられている各コンプレッサの流体容量とその効率において、最低限のコンプレッサＣ１、Ｃ２、およびＣ４が選択され稼働される。Ｃ１とＣ２は電子制御部によりフルロード（吸気バルブが完全に開）で稼働され２，４００ＳＣＦＭを分配ヘッダに供給する。残りの５９０ＤＦＭはＣ４から供給される（サイクルタイムの９０％がフルロードで、期間の１０％が完全にアンロード）。これらのコンプレッサは、負荷装置の正常稼働を実践的に許容する最低限の放出圧を供給するよう設定される。このプラントのメインヘッダ３０２における最低必要圧力は９０ＰＳＩＧである。
【００３９】
電子制御部３０６はこのため、分配ヘッダ３０２において９０ＰＳＩＧの最低ヘッダ圧力を維持すべくプログラムされている。プラントのヘッダ圧力は、本例では常に乾燥・クリーニング機器Ｄ１乃至Ｄ７の後段の圧力変換器３０７で検出されるため、乾燥・クリーニング機器における圧力損失は負荷効率やコンプレッサＣ１乃至Ｃ７の負荷や開始・停止に影響しない。
【００４０】
表３に示す例では、コンプレッサＣ１の放出容量は１，５００ＳＣＦＭであり、コンプレッサＣ２の放出容量は９００ＳＣＦＭである。システム３００はこのため、残りの５９０ＳＣＦＭを最低９０ＰＳＩＧで要求し、これが容量６５０ＳＣＦＭのコンプレッサＣ３から供給される。
【００４１】
表３
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【００４２】
表３を見ると、コンプレッサＣ１，Ｃ２が最大流量で運用され、Ｃ４がフルロード容量のすぐ近くで運用されているが、これらのコンプレッサは表１に示す従来システムの同じコンプレッサよりＳＣＦＭ／ｋＷ効率が高い。
【００４３】
表４は、表３に示すシステム１００の効率と比較した場合のシステム３００の全体効率の概要である。
【００４４】
表４
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【００４５】
実際に実現する場合、表３、表４に規定するシステム運用構成は同一である。
【００４６】
従来技術で可能な制御では、最適数のコンプレッサを稼働させる同一の状況は、信頼性がなく矛盾無しに実現できない。システム容量を考慮してコンプレッサをロードまたはアンロードする制御ではないため、従来技術ではこの信頼性と無矛盾性は完全に得られるものではない。プラントのオペレータは、システムに矛盾がなく信頼性があると信頼し安全性を感じる。プラントのオペレータが確信と安心がない場合、彼は通常制御部を無視し、エネルギ節約または効率的なプロジェクトが失敗する。
【００４７】
コントローラ３０６の制御アルゴリズムは、蒸気のような状況をなくし、いつでもシステムパラメータの変化に応じて、自動的に計算してダイナミックベースでリードタイムを選択する。
【００４８】
この制御アルゴリズムは、可能な容量、要求の変化、定期的に変化するサンプル時間と対応するリカバリそしてリード期間、許容の最低圧力と許容度、各コンプレッサの可能な容量とオンラインでロードするのに必要な最低時間、に基づいて開発される。また、システムの圧力要求を妥協することなく、システム３００における流量制御と面倒な構築労力の必要性が回避される。これにより構築のコストが大幅に低減する。
【００４９】
一実施例によると、浮動調整を行う１のコンプレッサを除く、システム３００で稼働しているすべてのコンプレッサがフルロードされる。上述と同じ例で考えると、システム３００の２，９９０ＳＣＦＭの要求流量は、フルロードのＣ１，Ｃ２と、９０ＰＳＩＧでロードされ９６ＰＳＩＧでアンロードされるＣ３（９３ＰＳＩＧはプラスマイナス３ＰＳＩＧの許容範囲をもたせた圧力設定）の３つのコンプレッサにより供給される。Ｃ３により圧縮される６５０ＳＣＦＭ以外は負荷装置Ｌ１とＬ２で消費され、残りの６０ＳＣＦＭはヘッダ３０２の圧力を９０から９６ＰＳＩＧに上げる。システム容量は８２０ＣＦ／１４．７ＰＳＩ＝５５．７ＳＣＦ／ＰＳＩである。システムの要求が３６０ＳＣＦＭに上昇した場合、システム圧力が９１ＰＳＩＧでありコンプレッサＣ３がアンロード状態であれば、電子制御部３０６は、Ｃ３のロードに必要なリード時間、この場合は約１秒を待って即座に稼働中のコンプレッサ＃３をロードする。合計の要求エアは３，３５０ＳＣＦＭであり、すべてのコンプレッサの合計の供給容量は３，０５０ＳＣＦＭのみであり、３００ＳＣＦＭまたは５ＣＦ／秒だけ足りないことになる。システム内の圧力は落ち続ける。本実施例の制御アルゴリズムは、容量４５０ＳＣＦＭののコンプレッサＣ７を作動させロードする前に、サンプリング期間と対応するリカバリ期間および応答時間（従来技術で設定された５秒の代わり）を算出する。システム３００の容量は５５．７ＳＣＦ／ＰＳＩである。足りないのは５ＣＦ／秒、現在のシステム圧力は９１ＰＳＩＧ、圧力の設定下限は９０ＰＳＩＧであり、制御部３０６は、コンプレッサを作動させロードする前のサンプリング期間と対応する最大応答期間を（（９１−９０）＊５５．７ＣＦ／ＰＳＩ）／（５ＣＦ／せｃ）＝１１．１４と算出する。制御部は、足りないのが５ＣＦ／秒であると判定し、即座に利用可能なコンプレッサから５ＣＦ／秒に近い容量のコンプレッサを探す。この制御部は、表３から足りない５ＳＣＦ／秒に最も近い（表３より）容量７．５ＳＣＦ／秒のＣ７を選択する。Ｃ７を選択した後、決定したサンプリング期間および最大応答期間と、Ｃ７に必要な応答時間を比較し整合させる。Ｃ７の応答期間が３０６により決定された最大応答期間より短い場合、制御部はＣ７を始動させロードさせる信号と適切な時間を送出する。例えば始動およびロードの応答時間が５秒である場合、制御部３０６はこのコンプレッサを可能な１１．１４秒の６秒目に始動させる。すると、要求の３，３５０ＳＣＦＭに対し供給容量が３，４９０ＳＣＦＭとなる。あまりの１４０ＳＣＦＭはシステム３００の圧力を、この上昇中にシステムの要求空気がさらに増えた場合を除き、１３１秒内に約９０．５ＰＳＩＧから９６ＰＳＩＧ（設定圧力９３ＰＳＩＧプラス許容の３ＰＳＩＧ）に上昇させる。このため、システムは（従来技術の制御部と反対に）１３１秒間は何もせず、過剰な流量に近い容量のコンプレッサをアンロードすべき１１３秒後が殆ど経過するまで待つ。換言すれば制御部はＣ７をアンロードする。ここで同じく要求の５ＳＣＦ／秒が足りなくなり、制御部は再びＣ７をロードする前に、前述したのと同じ方法でサンプリング期間が少なくとも６６秒であると判定する。このコンプレッサＣ１とＣ２のサイクルと、コンプレッサＣ７のサイクリング（ロードおよびアンロード）は、要求が３，３５０に近づくまで続けられる。
【００５０】
結果として、複合コンプレッサシステム３００は安定し、この状況がオペレータにシステムの安定性の安全の感触を伝える（３つのコンプレッサがロード／アンロードを短期間に行う前述の例に対して）。
【００５１】
このように、制御部３０６では約４６２ｋＷの突出した電力消費節約が実際に可能である。
【００５２】
上述の実施例では、コンプレッサＣ４は２，９９０ＳＣＦＭの要求における浮動調整を行うコンプレッサであり、コンプレッサＣ７は３，３５０ＳＣＦＭの要求における浮動調整を行うコンプレッサである。同様に、上下を問わず様々な要求の変化において、複合コンプレッサの制御部は浮動調整コンプレッサを１つのみに維持する。
【００５３】
図３は、電子制御部３０６の制御機能をより詳細に示すブロック図である。一実施例では、電子制御部３０６は、プログラム４０１とデータベース４０２を具えるプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）４００である。プログラム４０１は、データベース４０２に格納されたデータと、例えば圧力センサ３０７と温度センサ３０８から受け取る入力パラメータに基づいて複合コンプレッサシステムの所望の機能制御を実行するよう作成されている。プログラム４０１はソフトウェア、ハードウェア、またはこれらの組合せとして実現することができる。
【００５４】
データベース４０２は、システム内の各要素の明細といったシステム特定データを具える。これらの明細は、最大放出圧、選択された放出圧、各コンプレッサの最大放出容量およびエネルギ消費レート、各乾燥・フィルタ装置の消費圧力、各乾燥・フィルタ装置の流量、システム全体の流量、システム３００の「総容量」等を含む。
【００５５】
図４は、一実施例にかかる複合コンプレッサシステム３００の様々な要素を制御するＰＬＣ５００が実行するステップを示すフローチャートである。
【００５６】
ステップ５００で、複合コンプレッサの制御部にデータベース４０２（図４参照）およびシステム内の様々なセンサからデータが提供される。ステップ５０１で、システムが作動され初期化される。コントローラが起動され、作動させてロードする所望のコンプレッサが選択される。ステップ４０１は、施設の各作業日の最初か、この施設が１日２４時間稼働している場合はそれ以下の頻度でに実行される。
【００５７】
ステップ５０２で、複合コンプレッサ制御部３０６は変化の全体量、システムの容量に基づいて始動およびロードまたはアンロードおよび停止の応答期間、どの時点で動作を行うかを、５００からのシステムデータを用いて算出する。
【００５８】
この演算は、センサ、変換器、取得される時間、内部メモリストレージ、ネットワークホストデータベース、その他の入力源から複合コンプレッサ制御部３０６への入力に基づく。入力が示すシステム圧力、温度、設定圧力、許容度、容量、コンプレッサＣ１乃至Ｃ７の始動特性の値、サンプリング時間と設定圧力の上限または下限に到達する時間を示している。
【００５９】
一実施例では、空気密度の算出方法を用いて、任意に選択した状況下の標準空気密度が標準値を形成し、これが温度や圧力が局所的な状況で正確な値になるように修正される。システム３００の空気量はそれ故以下の形式で算出しうる：
Ｍｔ＝（Ｄｓ＊Ｖｔ）／［（Ｐａ＊（Ｔ＋４６０））／（（Ｐａ＋Ｐｔ）＊（Ｔｓ＋４６０））］
ここで、Ｍｔはシステム３０２内の空気量（タンク３０３と配管）、Ｄｓは標準状態の温度と圧力での標準空気密度、Ｖはシステムの合計容量であって、タンク、フィルタ、乾燥機、配管等の容量である。Ｔは華氏での空気の測定温度、Ｔｓは華氏での標準気温、ＰａはｐｓｉＡでの標準周辺気圧、ＰｓはｐｓｉＧでのシステム圧力である。両方の温度セットに加えられる４６０の値は、絶対零度が華氏で零度より４６０度下であることを補償するものである。この式の詳細は別の実施例で変化してもよく、例えば温度がケルビンや摂氏で測定された場合、あるいは全体的な圧力値、体積、密度などのよく知られた算出方法でさらなる修正値が盛り込まれた場合などである。代替実施例では、全体の変化レートはタンクのみについて計算される。この実施例では、Ｖはタンク容量となる。
【００６０】
全体量の変化は、期間ｔ１秒ごとに、システムの変化により動的に変化する現在のサンプリング期間（ｔ１）についてカスタマイズされたプログラム５０２により決定される。例えば、ｔ１＝３０秒でｔ２＝１秒である場合、ＰＬＣは３０秒の期間に１秒のインターバルで全体割合の６つのサンプルを計算する。
【００６１】
システムの変化の割合が図４のステップ５０３に示すような下向きの勾配を示す場合、ステップ５０４、５０５、５０６でこの下向きの勾配がマイナスかプラスか同じかを判定する。５０４と判定されたら、コンプレッサを始動しロードする動作は必要なく、したがってループは完了し４０２へ戻る。５０５と判定されたら、ステップ５０６で下向きの勾配が浮動調整コンプレッサによるものと判断され、ステップ５０７で別のコンプレッサを始動しロードする動作はとらず、ループは５０２へ戻る。ステップ５０６と判断されたら、変化割合は浮動調整コンプレッサの下降トレンドと同じではなく、ステップ５０８でステップ５０９に進む。ステップは量の変化割合を調査し、アンロードされた浮動コンプレッサ（がアンロードサイクルにある場合）ロードすることを決定し、これにより容量と可能な量、浮動コンプレッサのロード時間特性に基づいて、浮動コンプレッサを適切な時間にロードする。量の変化割合がまだ下降している場合、ステップ５０５に進み量の比較で不足し、ステップ５０２で利用可能なコンプレッサの可能なサンプリングおよび応答期間および測定が行われる。この場合ステップ５１０は変化割合を上側と判定して浮動調整コンプレッサと比較し、システム圧力がその上側許容度に到達した場合に浮動調整コンプレッサをアンロードする。
【００６２】
このプロセスは続き、サンプリング期間や応答期間等の演算サイクルは繰り返され、システム圧力が許容レベル内に維持され、同時に１つのみのコンプレッサを浮動調整として維持するよう制御する。
【００６３】
変化割合の勾配がステップ５１１で判定されるように上向きである場合、ステップ５１２で勾配を浮動コンプレッサのロードサイクルと比較し、算出された勾配が同じである場合、この浮動コンプレッサをアンロードする動作は行わない。上向きの勾配が同じではなく、現在のサンプリング期間、いずれかのコンプレッサをアンロードする時間である場合、浮動調整コンプレッサをアンロードする。ステップ５１５で、浮動コンプレッサの選択停止遅延時間だけ待ち、原動力（モータまたは発電機）を停止する。特定の１の浮動コンプレッサがアンロードされた場合、複合コンプレッサのコントローラは残りの稼働しているコンプレッサのいずれか１を浮動コンプレッサとして選択し、システムの安定性を維持し、１より多いコンプレッサの頻繁なロード・アンロードサイクルを回避する。
【００６４】
システムの空気流が変化するためこれらのステップは動的である。複合コンプレッサが実行するメイン分配ヘッダ内の圧力を維持するための特定のステップは、単に例示としてのみ提供されている。本発明の代替実施例では様々な変更を行うことができる。さらに、変化量の割合の値は様々な方法で演算することができる。例えば、複合コンプレッサは変化の割合を、体積や圧力で演算してもよい。
【００６５】
概略すると、本発明の複合コンプレッサ制御システムは、「合計の平均圧縮ＳＣＦＭ／合計の平均消費ｋＷ」で示される運用システム効率の改善問題を解消するための、経済的に実現可能でより安価で実践的な解決方法である。これはシステムの消費エネルギ、システムで用いる要素のコスト、メンテナンス料金、その他の副次的なコストの低減につながる。システムはまた、プラントヘッダ内での所望圧力の狭い許容範囲内で安定した圧力を提供する。圧力の安定化は製品の破裂を低減させ生産性が向上する。
【００６６】
本発明を好適な実施例について説明したが、当業者であれば本発明の意図および範囲を逸脱することなくその形態および詳細に変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、従来技術１の複合コンプレッサシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施例にかかる、電子制御部を具える複合コンプレッサ制御システムの概略図である。
【図３】図３は、一実施例にかかる図１の制御部の実施例のブロック図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例にかかる、図２に示す複合コンプレッサシステムを制御するための、図３の電子制御部に適用されるルーチン例のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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