(57)【要約】【課題】クリアランスアンローダの動作を少なくしてクリアランスアンローダの寿命を伸ばすことができるだけでなくエネルギー消費を少なくすることができる往復圧縮機の流量制御システムを提供することである。【解決手段】吐出配管２１途中に設けた吐出し流量制御弁２３および流量測定手段と、負荷が要求する流量要求値に対してクリアランスアンローダ５におけるピストン位置の調整並びに流量測定手段で得た流量測定値とピストン位置のデータを基に流量制御弁２３の開度調整で流量制御を行う流量コントローラ９とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クリアランスアンローダを備えた往復式圧縮機において、
吐出配管途中に設けた流量制御弁および流量測定手段と、負荷が要求する流量要求値に対して該クリアランスアンローダにおけるピストン位置の調整並びに該流量測定手段で得た流量測定値と該ピストン位置のデータを基に流量制御弁の開度調整で流量制御を行う流量コントローラとを有することを特徴とする往復圧縮機の流量制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の往復圧縮機の流量制御システムにおいて、該流量コントローラは流量制御弁の開度調整で負荷に対応し切れないときに該クリアランスアンローダにおけるピストン位置の調整を行うものであることを特徴とする往復圧縮機の流量制御システム。
【請求項３】
請求項１に記載の往復圧縮機の流量制御システムにおいて、該流量コントローラは該クリアランスアンローダが任意のピストン位置を有する状態において該流量制御弁が全開状態にあるときの該吐出配管における流量を上限値とし該流量制御弁を全開状態から開度を所望量下げたときの該吐出配管における流量を下限値として、負荷が要求する流量要求値が該吐出配管における流量の該上限値と該下限値の間にあるときに該負荷が要求する流量要求値となるように流量制御弁の開度調整を行うことを特徴とする往復圧縮機の流量制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油化学プロセス用圧縮ガスなどを得るために用いられるクリアランスアンローダを備えた往復圧縮機の流量制御システムに係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
往復圧縮機に設けられるクリアランスアンローダは、プラント（負荷）が必要とする圧縮ガスの流量の変動に応じて往復圧縮機における圧縮ガスの吐出流量（以下、吐出流量と略記）を制御する手段である。クリアランスアンローダは圧縮機におけるシリンダ頭頂部にアンローダシリンダを取り付け、アンローダシリンダ内のピストン位置を操作することでクリアランス容積を制御し、吐出流量を制御するものである。
【０００３】
アンローダシリンダ内のピストン位置を油圧で制御する従来技術を示すものとして下記の特許文献がある。
【０００４】
【特許文献】
実開平０１−１２４３９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
クリアランスアンローダではプラント（負荷）が要求する流量要求値の変動に連動して逐一ピストンを動作させて吐出流量を変化させることが本来の姿であるが、クリアランスアンローダの動作が頻繁であるとクリアランスアンローダ自体の寿命も短くなり、また駆動のためのエネルギー消費も無視できなくなる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、クリアランスアンローダの動作を少なくしてクリアランスアンローダの寿命を伸ばすことができるだけでなくエネルギー消費を少なくすることができる往復圧縮機の流量制御システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明往復圧縮機の流量制御システムの特徴とするところは、クリアランスアンローダを備えた往復式圧縮機において、吐出配管途中に設けた流量制御弁および流量測定手段と、負荷が要求する流量要求値に対してクリアランスアンローダにおけるピストン位置の調整並びに流量測定手段で得た流量測定値と該ピストン位置のデータを基に流量制御弁の開度調整で流量制御を行う流量コントローラとを有することにある。
【０００８】
特に、流量コントローラはクリアランスアンローダが任意のピストン位置を有する状態において流量制御弁が全開状態にあるときの吐出配管における流量を上限値とし流量制御弁を全開状態から開度を所望量下げたときの吐出配管における流量を下限値として、負荷が要求する流量要求値が吐出配管における流量の該上限値と下限値の間にあるときに負荷が要求する流量要求値となるように流量制御弁の開度調整を行う。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の一実施形態について説明する。
図１は本発明になる往復圧縮機の流量制御システムの構成を示し、図２は図１における往復圧縮機とクリアランスアンローダを説明するものである。
【００１０】
両図において、１はシリンダ１ａとシリンダ１ａ内で往復動するピストン１ｂからなる往復圧縮機で、２はピストン１ｂに連結してある主軸、３は駆動源４の回転運動を往復運動に変換するためのクランクシャフトである。駆動源４が作動することにより、クランクシャフト３と主軸２を介して１ｂは図１において左右方向に往復動する。
【００１１】
５は接合部６を介して往復圧縮機１のシリンダ頭頂部に固定されているクリアランスアンローダで、アンローダシリンダ５ａとアンローダシリンダ５ａ内を往復移動するアンローダピストン５ｂからなる。アンローダピストン５ｂは主軸７を介して駆動源８により図１において左右に移動し、クリアランスシリンダ５ａ内のクリアランス容積Ｖ５（図２参照）が増減する。
【００１２】
９は、クリアランスアンローダ５の駆動源８にアンローダピストン５ｂの位置に関する指示を与えるとともに入出力回路３１を介して流量制御弁コントローラ３２に後述する流量制御弁の開度調整に関する指示を与えるための流量コントローラである。
【００１３】
１１は圧縮対象のガスが貯蔵されているガス発生機、１２はガス発生機１１から送られるガスを圧縮機の吸込み用ガスの状態にする低圧タンク、１３は低圧タンク１２から往復圧縮機１のシリンダ１ａにガスを供給する吸込配管、１４と１５は吸込配管１３に取り付けてあって往復圧縮機１のシリンダ１ａに吸込まれるガスの吸込み圧力と温度をそれぞれ測定し流量コントローラ９に送信する吸込圧力測定手段と吸込温度測定手段である。
【００１４】
１６は流量コントローラ９のピストン位置指令によりアンローダピストン駆動源８が動作して移動したアンローダピストン５ｂの位置を測定し流量コントローラ９に送信するアンローダピストンのピストン位置測定手段である。
【００１５】
２１は、往復圧縮機１からプラント２２に圧縮ガスを供給する吐出配管、２３は吐出配管２１の途中に設けてある流量制御弁で、弁の開度は流量コントローラ９の指示に基づいて流量制御弁コントローラ３２で調整される。２４は吐出配管２１の途中に設けてあるオリフィス、２５は吐出配管２１を流れる圧縮ガスの流量（往復圧縮機１における圧縮ガスの吐出流量Ｑｄ）を測定するためにオリフィス２４の差圧を測定し流量コントローラ９に送信するオリフィス差圧測定手段、２６と２７は吐出配管２１に取り付けてあって往復圧縮機１におけるシリンダ１ａの吐出弁１ｄから吐出される圧縮ガスの吐出圧力Ｐｄと温度をそれぞれ測定し流量コントローラ９に送信する吐出圧力測定手段と吐出温度測定手段である。
【００１６】
流量コントローラ９は、オリフィス差圧測定手段２５で得た差圧を吐出配管２１における流量に換算し流量を測定する機能をもっている。なお、プラント２２が必要とする圧縮ガスの圧力Ｐと流量（流量要求値）Ｑは、プラント２２側から流量コントローラ９に入力されるようになっている。流量制御弁２３の弁開度は、流量制御弁コントローラ３２から入出力回路３１を経て流量コントローラ９に戻して監視している。
【００１７】
図１に示す往復圧縮機の流量制御システムにおける全負荷運転時の動作は、次の通りである。
【００１８】
駆動源４が作動することにより、クランクシャフト３と主軸２を介して往復圧縮機１のピストン１ｂが図中左右方向に往復動する。それによりガス発生機１１，低圧タンク１２から供給される低圧のガスが図２に示した吸込弁１ｃを通って圧縮機シリンダ１ａ内に吸入され、ピストン１ｂによって圧縮される。
【００１９】
全負荷運転時であるのでクリアランスアンローダ５のピストン５ｂはクリアランス容積Ｖ５（図２参照）を零とする図において右側の位置（図２に示すピストン５ｂの移動距離Ｌａが零の位置）にある。また流量制御弁２３は全開である。
【００２０】
プラント２２が必要とする流量（流量要求値）Ｑが減少した場合の動作は次のようになる。
【００２１】
流量コントローラ９にプラントの必要な流量（流量要求値）Ｑが入力されると、流量コントローラ９は往復圧縮機１の吐出流量Ｑｄが流量要求値Ｑになるクリアランスアンローダ５のクリアランス容積Ｖ５を計算する。計算に必要な吸込み条件として圧力は吸込圧力測定手段１４より、温度は吸込温度測定手段１５より得る。
【００２２】
往復圧縮機１の吐出圧力Ｐｄは、予め判っている流量制御弁２３における全開時の流量特性値（Ｃｖ値）、オリフィス２４での圧力損失特性およびプラント２２の必要とする圧力Ｐと流量要求値Ｑから計算によって求める。
【００２３】
そして、計算で得られたクリアランス容積Ｖ５からアンローダピストン５ｂの位置を計算して、アンローダピストン５ｂの駆動源８に位置指令（移動距離Ｌａ）を与える。駆動源８は、その位置指令に基づいてアンローダピストン５ｂを移動させ停止する。このとき、アンローダピストン５ｂの位置はピストン位置測定手段１６によって測定されており、測定結果は流量コントローラ９にフィードバックして所望の指令位置と大きくずれないように監視している。また、オリフィス差圧測定手段２５の差圧測定結果に基づいて吐出配管２１における吐出流量Ｑｄを計算し、流量要求値Ｑとずれがないか監視している。その際、圧力Ｐｄは吐出圧力測定手段２６から得、ガス温度は吐出温度測定手段２７から得て、流量計算を行う。
【００２４】
以下、流量コントローラ９で行なう諸計算について説明する。
【００２５】
往復圧縮機１における理論吐出流量Ｑｔｈ（ｍ３／ｈ）は、数式１で求めることができる。
【００２６】
【数１】
2004285865.tif 000003
【００２７】
ここで、  Ｄはシリンダ１ａの直径（ｍ）、
ＰＤはピストン１ｂの行程（ｍ）、
ｎはクランクシャフト３の回転数（ｍｉｎ．−１）である。
【００２８】
実吐出流量Ｑｄ（ｍ３／ｈ）は，理論吐出流量Ｑｔｈに体積効率ηｖを乗じたもので、数式２となり、体積効率ηｖは数式３で表される。
【００２９】
【数２】
2004285865.tif 000004
【００３０】
【数３】
2004285865.tif 000005
【００３１】
ここで、  εはクリアランス比（以下で説明）、
Ｐｓは吸込圧力（ＭＰａ）、
Ｐｄは吐出圧力（ＭＰａ）、
ｍはポリトロープ指数（圧縮ガスの種類で決まる定数）、
Δηｖは体積効率減少率（往復圧縮機の構造で決まる定数）である。
【００３２】
なお、クリアランス比εはシリンダ１ａ、５ａにおけるクリアランス容積Ｖ１（ｍ３），Ｖ５（ｍ３）および接合部６における体積Ｖ６（ｍ３）の合計とピストン１ｂの圧縮ガス押除量の比として表されるもので、数式４で与えられる。
【００３３】
【数４】
2004285865.tif 000006
【００３４】
以上より、アンローダピストン５ｂの位置を変化させる（移動距離Ｌａの変更）と数式４よりクリアランス比εが変化し、数式３より体積効率ηｖが変化する結果として実吐出流量Ｑｄが変化する。
【００３５】
ここで、新たに流量要求値Ｑａ（ｍ３／ｈ）が与えられたとする。この時の体積効率をηｖａとすると数式２より、以下数式５の関係が得られる。
【００３６】
【数５】
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【００３７】
数式５を体積効率ηｖａについて解くと、数式６が得られる。
【００３８】
【数６】
2004285865.tif 000008
【００３９】
次に数式３よりクリアランス比εａを求めると、数式７となる。
【００４０】
【数７】
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【００４１】
最後にアンローダピストン５ｂの移動距離Ｌａが、数式４における直径がＤｃであるアンローダシリンダ５ａの容積Ｖ５から数式８のように求まる。
【００４２】
【数８】
2004285865.tif 000010
【００４３】
以上の様にしてプラント２２の流量要求値Ｑａよりアンローダピストン５ｂの位置を計算で求めて、アンローダピストン５ｂの位置を先行して移動距離Ｌａの位置に移動させるので、吐出圧力Ｐｄの異常上昇を抑えることができるとともに、プラント２２が要求する流量の圧縮ガスを供給することができるのであるが、流量要求値Ｑの変動の度にアンローダピストン５ｂを移動距離Ｌａの位置に移動させていては駆動源８でのエネルギー消費が増えてしまう。
【００４４】
そこで、以下、本発明に従って、クリアランスアンローダ５が任意のピストン位置を有する状態において（任意のピストン位置にあるとき）、流量制御弁２３が全開状態にあるときの吐出配管２１における流量Ｑｄを上限値Ｑｄｍａｘとし、流量制御弁２３を全開状態から開度を所望量下げたときの吐出配管２１における流量Ｑｄを下限値Ｑｄｍｉｎとして、負荷（プラント）２２が要求する流量要求値Ｑａが吐出配管２１における流量の上限値Ｑｄｍａｘと下限値Ｑｄｍｉｎの間にあるときに負荷２２が要求する流量要求値Ｑａとなるように流量制御弁２３の開度調整を行って、流量制御弁２３の開度調整で負荷２２が要求する流量要求値Ｑａに対応するようにし、アンローダピストン５ｂの移動回数（位置の変更回数）を減らし、もって駆動源８でのエネルギー消費を抑制し、その一方で流量要求値Ｑａの変動に応じた圧縮ガスを供給するようにする。
【００４５】
これは、新たな流量要求値Ｑａと供給している実吐出流量Ｑｄの差が一定値以内であれば、プラント２２側で許容する圧縮ガスの変動範囲内で吐出圧力Ｐｄを変更することによって吐出流量Ｑｄを流量要求値Ｑａまで修正できるか計算し、可能な場合は流量制御弁コントローラ３２に入出力回路３１を介して制御信号を送り、流量制御弁２３の開度を制御するものである。
【００４６】
上記した流量制御弁２３の開度を制御することによっては流量修正が不可能な場合は、流量要求値Ｑに対応するだけのクリアランス容積Ｖ５やアンローダピストン５ｂの移動距離Ｌａを計算して、アンローダピストン５の駆動源８に信号を送ってピストン５ｂの位置を制御する。
【００４７】
以下、流量制御弁２３の開度を制御・調整して新たな流量要求値Ｑａに対応することについて、図３を参照しつつ説明する。
【００４８】
図３において、流量Ｑｄの上限値Ｑｄｍａｘは流量制御弁２３が全開状態にあるときの吐出配管２１における流量Ｑｄであり、流量Ｑｄの下限値Ｑｄｍｉｎはクリアランスアンローダ５におけるピストンの位置（任意のピストン位置Ｌａ）を変更せずに吐出圧力Ｐｄがプラント２２側で許容する変動範囲内に維持しつつ流量制御弁２３を全開状態から開度を所望量下げたときの吐出配管２１における流量Ｑｄである。
【００４９】
任意のピストン位置Ｌａにおいて、流量制御弁２３が全開であれば流量制御弁２３での損失は最も少なくて流量制御弁２３の開度を下げれば流量制御弁２３からでの損失が増加するので、その分往復圧縮機１は吐出圧力を高くする必要があり、流量Ｑｄが下限値Ｑｄｍｉｎの時に吐出圧力Ｐｄは最大値Ｐｄｍａｘになり、流量Ｑｄが上限値Ｑｄｍａｘの時に吐出圧力Ｐｄは最小値になる。
【００５０】
先ず、流量Ｑｄの上限値Ｑｄｍａｘを求める。
【００５１】
流量上限値Ｑｄｍａｘ時の吐出圧力Ｐｄｘは、プラント２２が必要とする圧力Ｐａに流量調整弁２３とオリフィス２４の圧力損失分を足したものとなる。
【００５２】
オリフィスの圧力損失ΔＰｏｒ（ＭＰａ）は、数式９で表される。
【００５３】
【数９】
2004285865.tif 000011
【００５４】
ここで、ΔＰｏは設計最大差圧（ＭＰａ）、
Ｑｄは実測流量（ｍ３／ｈ）、
Ｑｏは設計最大流量（ｍ３／ｈ）である。
【００５５】
流量調整弁２３の圧力損失をΔＰｃ（ＭＰａ）とすると、実測流量Ｑｄと圧力損失ΔＰｃには数式１０の関係がある。
【００５６】
【数１０】
2004285865.tif 000012
【００５７】
ここで、ΔＰｒはＣｖ値を表す基準差圧で流量調整弁固有の定数、
Ｃｖは流量調整弁全開時の流量特性値である。
【００５８】
以上から、吐出圧力Ｐｄは、数式１１で表すことができる。
【００５９】
【数１１】
2004285865.tif 000013
【００６０】
次に、数式３に従って体積効率ηｖｍａｘを求めると、数式１２で表すことができる。
【００６１】
【数１２】
2004285865.tif 000014
【００６２】
ここで、εａは現在のクリアランス比である。
【００６３】
なお、Ｐｓ，ｍ，Δηｖは、それぞれ上記した吸込圧力（ＭＰａ），ポリトロープ指数および体積効率減少率である。
【００６４】
数式２に従って、Ｑｄｍａｘを求めると数式１３になる。
【００６５】
【数１３】
2004285865.tif 000015
【００６６】
次ぎに、流量下限値Ｑｄｍｉｎを求める。
この場合、ピストン位置Ｌａの変更はないのでそのまま現在のクリアランス比εａを用い、その時の体積効率ηｖｍｉｎを数式１４で求める。
【００６７】
上述したように流量下限値Ｑｄｍｉｎはプラント２２側で許容する変動範囲内における吐出圧力Ｐｄが最大値Ｐｄｎの時のものであり、通常、吐出圧力最大値Ｐｄｎは流量上限値Ｑｄｍａｘにおける最小吐出圧力Ｐｄｘの５％増しの値を持たせている。
【００６８】
【数１４】
2004285865.tif 000016
【００６９】
以上から数式２に従って、流量下限値Ｑｄｍｉｎを数式１５のように求める。
【００７０】
【数１５】
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【００７１】
このようにして得られる上限値Ｑｄｍａｘ〜下限値Ｑｄｍｉｎ間の流量Ｑｄはクリアランスアンローダ５におけるピストン５ｂの位置は固定としたまま流量調整弁２３の開度調整動作のみで得られるものであるので、新たな流量要求値Ｑａがプラント２２側で許容する変動の範囲内である吐出圧力の最小値Ｐｄｘと最大値Ｐｄｎから定まる流量の上限値Ｑｄｍａｘ〜下限値Ｑｄｍｉｎの範囲内にあるかどうか計算をしたうえで判断し、範囲内であれば流量調整弁２３の開度調整動作を行ってクリアランスアンローダ５におけるピストン５ｂは動かさないようにし、範囲外であれば新たな吐出圧力条件の基でクリアランスアンローダ５のピストン位置を式８のように再計算し、ピストン位置を移動させて新たな流量要求値Ｑａに対処する。
【００７２】
従って、クリアランスアンローダ５のピストン移動を少なくすることができる。
なお、駆動源４の回転数の調整をしないで流量制御弁２３を絞った結果、流量制御弁２３より上流側で吐出圧力が上昇することを回避するために、流量制御弁２３より上流側から低圧タンク１２にバイパス弁を備えたバイパス配管を設けて、余剰圧縮ガスを戻すようにしてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、クリアランスアンローダの動作を少なくしてクリアランスアンローダの寿命を伸ばすことができるだけでなくエネルギー消費を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明往復圧縮機の流量制御システムの一実施形態を示す図である。
【図２】図１における往復圧縮機とクリアランスアンローダを説明する図である。
【図３】図１の実施形態における吐出流量とクリアランス比およびクリアランスアンローダにおけるピストン位置の関係を示す図である。
【符号の説明】
１…往復圧縮機
１ａ…シリンダ
１ｂ…ピストン
２，７…主軸
３…クランクシャフト
４，８…駆動源
５…クリアランスアンローダ
５ａ…アンローダシリンダ
５ｂ…アンローダピストン
６…接合部
９…流量コントローラ
１１…ガス発生機
１２…低圧タンク
１３…吸込配管
１４…吸込圧力測定手段
１５…吸込温度測定手段
１６…ピストン位置測定手段
２１…吐出配管
２２…プラント（負荷）
２３…流量制御弁
２４…オリフィス
２５…オリフィス差圧測定手段
２６…吐出圧力測定手段
２７…吐出温度測定手段
３１…入出力回路
３２…流量制御弁コントローラ
【図１】
2004285865.tif 000018
【図２】
2004285865.tif 000019
【図３】
2004285865.tif 000020