(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの上流の圧縮機段（５１、１５１）と、少なくとも１つの下流の圧縮機段（５２、１５２）と、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）と前記下流の圧縮機段（５２、１５２）との間の流路に流れをもたらす、少なくとも１つの副流（５９、１５９、１６０）とを有する、圧縮機システム（５０、１５０）のアンチサージ制御を設けるための方法であって、
前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の無次元性能マップを用いて、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）によって吐出された流れの温度を推定するステップと、
前記下流の圧縮機段（５２、１５２）に流入する流れの温度を、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）によって吐出された前記流れの質量流量及び前記流れ温度と、前記副流（５９、１５９、１６０）の前記質量流量及び前記流れ温度と、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）によって吐出された流れの温度とに基づいて推定するステップと、
前記下流の圧縮機段（５２、１５２）に流入する前記流れの前記温度に基づいて、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）のアンチサージ制御を実行するステップと、
を含み、
前記無次元性能マップが、マッハ数及び前記上流の圧縮機段（５１、１５１）を通る無次元流量の関数として、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）のポリトロピック効率を提供し、
前記無次元流量が、次の式で定義され、
【数１】
0006431896.tif 000021
ここで、
Ｄが、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の入口におけるインペラ先端又はブレード先端の直径であり、
Ｑが、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の前記入口における体積流量であり、
ｕが、前記インペラ先端又は前記ブレード先端の速度である、
方法。
【請求項２】
前記上流の圧縮機段（５１、１５１）によって吐出された前記流れの前記温度が、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）のポリトロピック効率に基づいて推定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の作動状態で、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の前記ポリトロピック効率を決定するステップと、
ガスの圧力及び温度条件と、前記ポリトロピック効率とに基づいて、ポリトロピック温度指数を決定するステップと、
前記ポリトロピック温度指数に基づいて、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）によって吐出された前記流れの前記温度を推定するステップと、
を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ポリトロピック温度指数が、次の式で決定される、請求項３に記載の方法。
【数２】
0006431896.tif 000022
【請求項５】
前記上流の圧縮機段（５１、１５１）によって吐出された前記流れの前記温度が、次の式で算出され、
【数３】
0006431896.tif 000023
ここで、
Ｔ１ｓが、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の吸込側における前記温度であり、
Ｐ２ｓｓが、前記副流（５９、１５９、１６０）の前記圧力であり、
Ｐ１ｓが、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の前記吸込側における前記圧力である、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記下流の圧縮機段（５２、１５２）に流入する前記流れの前記温度が、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の作動点の位置を、そこのサージ限界と比較して決定するために使用される、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記下流の圧縮機段（５２、１５２）に流入する前記流れの前記温度が、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の前記吸込側における等価のヘッドを算出するために使用され、前記等価のヘッドは、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）のアンチサージ制御を実行するために使用される、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記等価のヘッドが、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の作動点の位置を、そこの前記サージ限界と比較して決定するために使用される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記等価のヘッドが、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の前記吐出におけるヘッドの関数、ならびに前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の前記吸込側及び前記吐出側における流圧の関数として算出される、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記等価のヘッドが、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の前記吐出におけるヘッドの関数、前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の前記吸込側及び前記吐出側における前記流圧の関数、ならびに前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の前記吐出側及び前記吸込側における前記ガスの圧縮率の関数として算出される、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１１】
前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の前記吸込側の流量が、前記上流の圧縮機段（５１、１５１）の前記吸込側の前記圧力及び前記温度によって、ならびに前記下流の圧縮機段（５２、１５２）の前記吐出側で検出された前記流量によって決定される、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの上流の圧縮機段（５１、１５１）、少なくとも１つの下流の圧縮機段（５２、１５２）、及び前記上流の圧縮機段（５１、１５１）と前記下流の圧縮機段（５２、１５２）との間の流路に流れをもたらす、少なくとも１つの副流（５９、１５９、１６０）を有する圧縮機（５０、１５０）と、
アンチサージ構成であって、前記アンチサージ構成が、請求項１乃至１１のいずれかに係る方法を実行するように構成されている、アンチサージ構成と、
を有する、システム（５０、１５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧縮機システムに関し、より具体的には、ガス流を処理するための軸流圧縮機及び／又は遠心圧縮機を備えたターボ圧縮機システムに関する。本開示の主題は、具体的には、サージ現象その他の望ましくない作動条件を防止又は低減するために、圧縮機構成を制御する方法及びシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機は、作動ガス流の圧力を引き上げるのに用いられる、負荷吸収（ｗｏｒｋ−ａｂｓｏｒｂｉｎｇ）ターボ機械である。作動流体の圧力は、１つ以上のインペラ、及び／又は環状に配列された１組以上のブレードを支持しているロータの回転を介して、作動流体の連続的な流れに運動エネルギーを加えることによって増加する。ターボ圧縮機は、例えば、ガスを生産地から消費者のもとに移動させるための天然ガスのパイプライン輸送、ガス及び石油用途、冷却システム、ガスタービン、その他の用途にしばしば使用される。
【０００３】
ターボ圧縮機を通る流体の流れは、様々な条件によって影響を受ける場合があり、これが不安定な動作につながって、ターボ機械に重大な損傷をもたらす可能性がある。
【０００４】
圧縮機を流れる作動流体の圧力が、最大許容出力圧よりも高くなったり、かつ／あるいは流量が最小限度を下回ったりすると、圧縮機サージが発生する。
【０００５】
一般に、圧縮機が、システム抵抗、すなわちシステム全体にわたるヘッドの降下を克服するために、作動流体に十分なエネルギーを加えることができないときにサージ現象が発生し、これは結果として、流れが急激になるとともに吐出圧力が減少する状態となる。サージは、高振動、温度上昇、及び圧縮機シャフトのベアリングの軸方向推力の急激な変化を伴う場合がある。これらの現象は、圧縮機、及び弁や配管等の圧縮機に連結されたシステムの構成部品にも、深刻な損傷を与える可能性がある。サージ現象が生じるのを防止するために、制御システムが開発され、現在、ターボ圧縮機設備に使用されている。
【０００６】
図１は、例えば、電気モータ、ガスタービン又は蒸気タービン等の原動機５によって回転駆動されるターボ圧縮機３からなる、概略的なシステム１を示す図である。符号７は吸込ラインを示し、ここから作動流体が、ターボ圧縮機３の吸込側すなわち入口側に供給される。符号９は吐出管を示し、ここを通って、圧縮された流体が、圧縮機３の吐出側から吐出される。
【０００７】
図２は、圧縮機性能マップ、一般的には、軸流圧縮機の圧縮機性能マップを概略的に示す。この性能マップは、縦軸で圧力比を示し、横軸が体積流入量を表している。流入量は、文字Ｑで示されている。圧縮機の作動条件、例えば回転数（ｒｐｍ）に基づいて、複数の予想される性能曲線を性能マップに表すことができる。各曲線は、異なる圧縮機回転速度に対応することができる。したがって、所与の圧縮機の設定について、一連の性能曲線を性能マップに表すことができる。ターボ圧縮機の異なる設定又は作動条件に対して、例えば、ターボ圧縮機が備え得る可動入口案内ベーン（ＩＧＶ）の異なる位置に対して、同様の一連の曲線を描くことができる。各性能曲線は、サージ点すなわち圧力比及び圧縮機を通過するガス流が、それを越えるとサージ現象が生成される値に達した点で終わっている。ＳＬＬの線は、いわゆるサージ限界線であって、性能マップに表された様々な性能曲線のサージ点で形成されている。ＳＬＬは、性能マップを、安定した作動領域とサージ領域との２つの領域に分割している。安定した作動領域は、ＳＬＬの下かつ右側に位置する。ターボ圧縮機の作動点は、サージ現象が発生するのを防止するために、性能マップの安定した作動領域に保持される。
【０００８】
サージ現象は、ターボ機械及び連結された機械部品に重大な損傷をもたらす可能性があるため、システムを安全に運用するために、ＳＣＬと標識されたサージ制御線が、マップ上に描かれている。ＳＣＬは、安定した作動領域で、サージ限界線ＳＬＬとほぼ平行に延びている。ＳＣＬは、ターボ圧縮機の作動の限界を表しており、サージ現象の危険性を回避するために、これを超えて圧縮機を作動させるべきではない。知られている圧縮機システムは、性能マップの右側、すなわちサージ制御線ＳＣＬの下で常に作動するように、ターボ圧縮機を制御するためのサージ制御装置、及びサージ制御構成からなる。
【０００９】
図１の図表示において、制御ユニット１１は、ターボ機械の作動条件を決定し、サージ現象の発生を防止するアンチサージ制御をもたらすために、ターボ圧縮機の周囲の様々な手段に接続されている。
【００１０】
より具体的には、図１の例示的な実施形態において、制御ユニット１１は、ターボ圧縮機３の入口体積流量を決定するように設計され構成されている、流量エレメント１３とも呼ばれる流量測定装置に接続されている。入口側の温度センサは、温度値Ｔｓをもたらし、圧力センサは、吐出圧力値Ｐｄ、及び吸込圧力値Ｐｓ、又は直接、圧縮比Ｐｄ／Ｐｓをもたらす。
【００１１】
入力データに基づいて、制御ユニット１１は、ターボ圧縮機３の作動のあらゆる時点での入口体積流量と圧力比を決定することができる。これら２つのパラメータが、図２の圧縮機性能マップ上で作動点を定義する。追加パラメータとして、圧縮機の回転速度Ｎ（ｒｐｍ）を設けることができるので、性能マップで、圧縮機作動点の実際の位置を決定するための正確な作動曲線を選択することができる。作動点が、サージ制御線ＳＣＬに近づくと、サージ制御システムは、アンチサージバイパス弁１５に作用する。弁１５は、圧縮機３の吐出側と吸込側とを連結するバイパスライン１７上に配置されている。ターボ圧縮機３によって吐出される作動流体の一部は、必要に応じて、アンチサージ弁１５を介して再循環させることができ、サージ現象を防止する。吐出圧力が増加して、その結果、作動点がサージ制御線ＳＣＬに達すると、アンチサージ制御構成は、圧縮機を通る流量を増大させ、吐出圧力を減少させることができるように、アンチサージバイパス弁１５を開放する。
【００１２】
アンチサージ弁１５を介して再循環される前に、作動流体は、熱交換器１９で冷却することができる。
【００１３】
図３は、副流を含む圧縮機構成を示している。圧縮機３は、第１の圧縮機段３Ａ、及び第２の圧縮機段３Ｂからなる。副流２０は、第１の圧縮機段３Ａによって、第２の圧縮機段３Ｂへと吐出される流れに追加されるガス流を吐出する。原動機５は、２つの圧縮機段を回転駆動させる。流量エレメント１３、及び変換器ＦＴ１は、体積流量を決定するために、圧縮機３の吸込側に設けられている。温度変換器Ｔ１ｓ、及び圧力変換器Ｐ１ｓは、圧縮機の吸込側のガス温度及び圧力を測定する。同様の変換器ＦＴｓｓ、Ｔｓｓ及びＰｓｓが、副流の体積流量、温度、及び圧力を決定する。圧力変換器Ｐｄ２は、圧縮機の吐出圧力を決定する。吸込側の温度を直接測定するために、変換器を機械内に配置することはできないため、第２の圧縮機段３Ｂのアンチサージ制御を行うには、上述した変換器による測定に基づいて、その吸込側の温度条件が推定される必要がある。
【００１４】
アンチサージバイパス弁１５を有するアンチサージバイパスライン１７が設けられている。圧縮機の作動点がサージ限界線に近づくと、アンチサージ弁が開放される。
【００１５】
副流を有するターボ圧縮機で、第２の、又はそれ以降の圧縮機段の吸込側温度を推定する方法は、米国特許第６，５０３，０４８号明細書に開示されており、これは、参照することにより本明細書に組み入れられる。
【００１６】
下流の圧縮機段の吸込側温度を推定するための知られている方法は、大幅な簡素化に基づいており、圧縮機の作動点の推定が、かなり不正確な結果となる。ひいては、これによって、ターボ圧縮機の効率が悪くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／３１７２６０号明細書
【発明の概要】
【００１８】
本明細書で開示される主題は、少なくとも１つの上流の圧縮機段と、少なくとも１つの下流の圧縮機段と、上流の圧縮機段と下流の圧縮機段との間の流路内に流れをもたらす、少なくとも１つの副流とを有する圧縮機システムの、アンチサージ制御を設けるための改良された方法に関する。この方法は、上流の圧縮機段の無次元性能マップを用いて、上流の圧縮機段によって吐出された流れの温度を推定するステップを含む。推定吐出温度に基づいて、下流の圧縮機段に流入する流れの温度を推定する更なるステップが、下流の圧縮機段によって吐出された流れの質量流量及び流れの温度、ならびに副流の質量流量及び流れの温度に基づいて実行される。次に、下流の圧縮機段に流入する流れの温度に基づいて、下流の圧縮機段のアンチサージ制御を実行することができる。
【００１９】
複数の特徴及び実施形態が、本明細書で以下に開示され、また添付の特許請求の範囲に更に記載されて、本明細書の一部分を成す。上記の簡単な説明では、以下の詳細な説明をよりよく理解できるように、また当該技術分野に対する本発明の貢献がよりよく評価されるように、本発明の様々な実施形態の特徴について記載している。当然のことながら、本発明には、以下で説明される他の特徴があり、これは添付の特許請求の範囲に記載される。この点に関して、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態は、以下の説明に記載し又は図面に示された構造の詳細、及び構成部品の配置への適用に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、かつ様々な方法で実施及び実行することが可能である。また、本明細書で使用される表現及び用語は、説明のためのものであって、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。
【００２０】
このように、当業者は、本開示が基づく概念は、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、及び／又はシステムを設計するための基礎として、容易に利用可能であることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、このような同等の構造を含むと見なされることが重要である。
【００２１】
本発明の開示された実施形態のより完全な理解、及び本発明に付随する利点の多くは、添付の図面と関連して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによって、よりよく理解され、容易に得ることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術に係る、アンチサージ制御を有する圧縮機構成を示す図である。
【図２】ターボ圧縮機の性能マップを示す図である。
【図３】副流を備えた圧縮機システムにおける、アンチサージ制御構成を示す図である。
【図４】本明細書に開示された主題に係る、副流とアンチサージ制御とを有する圧縮機構成を示す図である。
【図５】無次元性能マップを示す。
【図６】別の性能マップを示す。
【図７】本開示の制御方法の制御アルゴリズムのフロー図を示す。
【図８】本明細書に開示された主題に係る、副流とアンチサージ制御とを有する圧縮機構成の別の図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照している。異なる図面における同一の参照番号は、同一又は類似の要素を特定する。更に、図面は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【００２４】
本明細書中で「一実施形態」又は「実施形態」、あるいは「いくつかの実施形態」と呼ぶのは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書中の様々な箇所で使われる「一実施形態において」又は「実施形態において」、あるいは「いくつかの実施形態において」という表現は、必ずしも同じ実施形態を指すわけではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ以上の実施形態において、任意適当な方法で組み合わせることができる。
【００２５】
図４は、２つの圧縮機段５１及び５２を備える、ターボ圧縮機５０を概略的に示す。２つの段は別体で表されているが、共通の筐体に収納することができる。ガスタービン、電気モータ等の原動機が５３で示されており、圧縮機を回転駆動させる。プロセスガスは、５５で概略的に示す入口ラインを介して、ターボ圧縮機５０の入口で吐出される。圧縮ガス吐出ラインは５７で示されている。副流ライン５９は、第２の圧縮機段５２の入口、すなわち吸込側に副流を吐出する。副流は、第１の圧縮機段５１の出口側で吐出されたガス流と混合される。
【００２６】
いくつかの実施形態において、バイパスライン６１は、ターボ圧縮機５０の吐出側、すなわち第２の圧縮機段５２の吐出と、ターボ圧縮機の第１の圧縮機段５１の入口すなわち吸込側との間、ならびに、第２の圧縮機段５２の吐出側と、副流入口との間に設けられる。第１のアンチサージ弁６３は、バイパスライン６１と、副流入口との間に配置することができる。第２のアンチサージ弁６４は、バイパスライン６１と、圧縮機５０の吸込との間に設けることができる。熱交換器６５は、バイパスライン６１を介してガスを再循環させる前に、圧縮ガスから熱を除去するために設けることができる。アンチサージ弁６３及び６４は、知られているアンチサージアルゴリズムに基づいて、アンチサージコントローラ６８によって制御することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、ターボ圧縮機５０の吸込側のガスの温度及び圧力を測定するために、ターボ圧縮機５０の吸込側に温度変換器６７及び圧力変換器６９が設けられている。第１の圧縮機段５１の吸込側で測定された温度及び圧力値は、それぞれ、Ｔ１ｓ、及びＰ１ｓで示され、１は段番号を示し、「ｓ」は「吸込（ｓｕｃｔｉｏｎ）」のｓである。また、圧縮機の回転速度を決定するために、回転速度検出器７０も設けられる。
【００２８】
同様に、第２の圧縮機段の吐出側の温度Ｔ２ｄ、及び圧力Ｐ２ｄを測定するために、温度変換器７１及び圧力変換器７３を、第２の圧縮機段５２の吐出側に配置することができる。ターボ圧縮機５０から吐出される圧縮ガスの体積流量を測定するために、ターボ圧縮機の吐出側に、流量測定装置、すなわち流量エレメント７５が設けられている。後に詳述するように、圧縮機５０の入口における体積流量は、上述した変換器及びエレメントによって測定された物理パラメータに基づいて算出することができる。他の実施形態において、流量測定装置は、圧縮機５０の吐出側ではなく、その入口に設けることができる。しかしながら、ガス流の体積は、圧縮機の圧縮比に伴って縮小されるため、圧縮機の吐出側に流量エレメントを配置することによって、より簡素で、コンパクトかつ的確な構成となる。
【００２９】
変換器は副流ライン５９に沿って設けることもできる。第２の圧縮機段５２の副流入口で、温度Ｔ２ｓｓ、圧力Ｐ２ｓｓ及び体積流量を検出するために、温度変換器７７、圧力変換器７９及び流量測定装置８１が設けられている。
【００３０】
以下の定義及び関係式は、本明細書で開示されているターボ圧縮機を制御する方法を理解するのに有用である。
【００３１】
よく知られているように、ガス密度は次の式で求められる。
【００３２】
【数１】
0006431896.tif 000002
ここで、
Ｒ＝８．３１４３  ｋＪ／ｋｍｏｌ  Ｋは、ガス定数である。
Ｐは圧力である。
Ｍｗはガスの分子量である。
Ｔは温度である。
Ｚはガスの圧縮率であり、ガスの組成及びガス条件（温度及び圧力）に依存する。
【００３３】
ガス内の音速は、次の式で求められる。
【００３４】
【数２】
0006431896.tif 000003
ここで、
ｋvは、等エントロピーの体積指数である。
Ｚ、Ｒ、Ｔ、Ｍｗは、上述の定義と同様である。
【００３５】
体積流量は、以下の関係式に基づいて、流量測定装置、例えば、オリフィスやベンチュリ管で決定される。
【００３６】
【数３】
0006431896.tif 000004
ここで、
ｋFEは、定数である。
ｈは、流量計測エレメントにわたる圧力降下である。
ρは、ガス密度である。
【００３７】
質量流量は、次の式で求められる。
【００３８】
【数４】
0006431896.tif 000005
圧縮機段にわたるポリトロピックヘッドは、次の式で求められる。
【００３９】
【数５】
0006431896.tif 000006
ここで、
ｎは、ポリトロピック体積指数である。
Ｐratioは、圧縮機段にわたる圧力比である。
ｈｒは、次の式で定義される減少したポリトロピックヘッドである。
【００４０】
【数６】
0006431896.tif 000007
圧縮機又は圧縮機段の吸込側及び吐出側における、ガス圧とガス密度との間の関係式、ならびにポリトロピック体積指数は、次の式で求められる。
【００４１】
【数７】
0006431896.tif 000008
ここで、
Ｐsは、圧縮機段の吸込側のガス圧である。
Ｐdは、圧縮機段の吐出側のガス圧である。
ρsは、圧縮機段の吸込側のガス密度である。
ρdは、圧縮機段の吐出側のガス密度である。
【００４２】
圧縮機段の吐出側の温度と、吸込側の温度との間の関係式は、次の通りである。
【００４３】
【数８】
0006431896.tif 000009
ここで、
Ｔｓは、圧縮機段の吸込側のガス温度である。
Ｔｄは、圧縮機段の吐出側のガス温度である。
ｍはポリトロピック温度指数である。
圧縮機段にわたるヘッドは、次の式で求められる。
【００４４】
【数９】
0006431896.tif 000010
ここで、
ηpは、圧縮機段のポリトロピック効率である。
【００４５】
本明細書に開示されている主題の制御方法は、圧縮機段の入口のガスパラメータに依存しない圧縮機性能マップを使用する。適切な無次元性能マップが、図５に示されている。このマップは、次の式で定義される、無次元のポリトロピック効率対圧縮機段にわたる無次元ガス流を表す、一連の性能曲線を示す。
【００４６】
【数１０】
0006431896.tif 000011
ここで、
Ｄは、圧縮機のインペラ先端又はブレード先端の直径である。
Ｑは、体積流量である。
ｕは、次の式で求められるインペラ先端又はブレード先端の速度である。
【００４７】
【数１１】
0006431896.tif 000012
Ｎは、圧縮機の回転速度ｒｐｍである。マッハ数は、次の式で求められる。
【００４８】
【数１２】
0006431896.tif 000013
ここでａは、式（２）で求められる音速である。
【００４９】
各曲線は、異なるマッハ数に対応している。
【００５０】
図５の無次元性能マップは、インペラモデルから解析的に得られ、テスト段階中に、機械内に配置された適切なセンサを使用して精緻化することができる。ターボ機械が設置され、作動可能になると、これらのセンサは除去される。機械が作動しているとき、性能マップ上の圧縮機の実作動点は、圧縮機流量パラメータの測定値に基づいて決定することができ、ポリトロピック効率は、性能マップによって得ることができる。
【００５１】
ポリトロピック効率は、ポリトロピック温度指数を算出し、圧縮機の通常の作動中は温度測定のためにアクセスすることができない圧縮機の位置で、ガス温度を決定するために使用される。
【００５２】
ここで用いられる主な物理パラメータを定義した上で、図４に示した副流を有する２段のターボ圧縮機の場合について、本開示の制御方法をより詳細に説明する。
【００５３】
第２の圧縮機段５２の吐出側にある、流量測定装置７５、温度変換器７１、及び圧力変換器７３は、圧縮率Ｚ及び密度ρをそれぞれ決定するために、流量測定エレメントのデータシート、及び測定された圧力と温度条件における補間されたガス特性により、数式（３）、数式（４）を用いて、第２の圧縮機段５２の体積流量、質量流量を測定するためのデータを提供する。
【００５４】
同様に、副流ライン５９の流量測定装置すなわち流量エレメント８１、圧力変換器７９、及び温度変換器７７は、副流の体積流量及び質量流量を算出するために必要なデータを提供する。副流の質量流量（Ｇ2ss）、及び圧縮機５０によって吐出される質量流量（Ｇ2d）が分かれば、第１の圧縮機段の吸込側の入口質量流量は、次の式の差によって決定される。
【００５５】
【数１３】
0006431896.tif 000014
ここで、
Ｇ2sは、ターボ圧縮機の第２の段５２の吐出側の質量流量である。
Ｇ2ssは、副流の質量流量である。
【００５６】
第１の圧縮機段５１にわたる質量流量から、圧縮機の入口における体積流量は、数式（４）を用いて算出することができる。ガスの温度及び圧力は、変換器６７、６９から知ることができるので、ガス密度は、測定された圧力及び温度条件における補間されたガス特性に基づいて、数式（１）を用いて算出することができる。
【００５７】
図示されていない異なる実施形態において、流量測定装置は、圧縮機５０の入口に設けることができるので、第１の段５１の入口体積流量は、直接算出することができる。しかしながら、上記の理由により、吐出側に流量測定装置を設けることが好ましい。
【００５８】
数式（１０）を用いて、第１の圧縮機段５１の入口側の無次元ガス流（Φ）が決定される。数式（２）を用いて、第１の圧縮機段５１の吸込側における音速が算出され、マッハ数（Ｍ）は、数式（１２）から求められる。（Φ）及び（Ｍ）の２つのパラメータに基づいて、ポリトロピック効率ηpは、図５の性能マップを使用して決定され、記憶メモリに適切な形式で保存することができる。
【００５９】
ポリトロピック効率ηpが決定されると、数式（８）のポリトロピック温度指数（ｍ）は、次の式で決定される。
【００６０】
【数１４】
0006431896.tif 000015
ここで、ポリトロピック効率ηpは、上述したように、図５の無次元性能マップにより得られ、パラメータｋＴ（Ｔにおける等エントロピー指数）及びＸ（圧縮関数）は、ガスの性質、ならびにその温度及び圧力条件に依存し、以下のように定義される。
【００６１】
【数１５】
0006431896.tif 000016
【００６２】
【数１６】
0006431896.tif 000017
第１の圧縮機段５１の吐出におけるガス温度Ｔ1dは、次のように数式（８）を用いて決定される。
【００６３】
【数１７】
0006431896.tif 000018
第１の圧縮機段５１の吐出圧力Ｐ1dは、副流の圧力Ｐ2ssに対応し、圧力変換器７９によって測定される。
【００６４】
第１の圧縮機段を通る質量流量、及び副流質量流量、ならびに副流のガス温度（Ｔ2ss）及び第１の段の吐出のガス温度（Ｔ1d）が分かれば、第２の圧縮機段５２の吸込におけるガス温度は、以下のように第１の圧縮機段５１によって吐出された質量流量Ｇ1dと、副流ライン５９から流入する質量流量Ｇ2ssとを混合することによって、以下の式で決定することができる。
【００６５】
【数１８】
0006431896.tif 000019
ここで、Ｇ1d＝Ｇ1sである。
【００６６】
第２の圧縮機段５２の入口の圧力及び温度の条件は、このようにして知られ、知られているアンチサージアルゴリズムを実行するために使用することができる。
【００６７】
いくつかの実施形態で、アンチサージアルゴリズムは、性能マップで圧縮機の作動点を決定し、ここで、パラメータの１つは、圧縮機の吸込側における体積流量の関数によって求められるか、あるいはその関数である。第２の圧縮機段５２の吸込における体積流量が不明であるため、前記の段の吐出側のパラメータに基づいて、等価パラメータが算出される。圧縮機段の吸込側の質量流量と、吐出側の質量流量とは同一であるので、以下の等価ヘッドを決定することができる。
【００６８】
【数１９】
0006431896.tif 000020
これは、数式（１）と数式（４）より得られ、ここで、
Ｐ2d、Ｐ2sは、それぞれ、第２の圧縮機段の吐出側及び吸込側のガス圧であって、圧力変換器で測定され、吸込側圧力は、副流圧力Ｐ２ｓｓと同一になる。
Ｔ2d、Ｔ2sは、それぞれ、第２の圧縮機段の吐出側及び吸込側のガス温度であり、温度変換器によって測定される第１の温度値、及び数式（１７）に基づいて推定される第２の温度値である。
Ｚ2d、Ｚ2sは、それぞれ、第２の圧縮機段の吐出側条件及び吸込側条件でのガスの圧縮率である。これら２つのパラメータは、記憶したライブラリから算出することができ、第２の圧縮機段の吸込側及び吐出側のガス条件は、上述のように決定される。
【００６９】
簡素化された実施形態では、圧縮率は、一定であると仮定して式（１６）から削除することができる。
【００７０】
パラメータｈ2s#eqは、例えば図６に示すような性能マップに、第２の圧縮機段５２の作動点を決定するために使用することができる。曲線ＳＬＬはサージ限界ラインであり、曲線ＳＣＬはサージ制御ラインである。上述したアルゴリズムに基づいて決定される圧縮機の作動点は、サージ制御線ＳＣＬの下にある、マップの安定領域に保持されなければならない。
【００７１】
ここまでの制御方法については、図７のフローチャートに要約されている。第２の圧縮機段の性能マップ上の作動点が決定されると、第２の圧縮機段５２の作動点がサージ制御線ＳＣＬに近づいた場合に、圧縮機を性能マップの安定領域に戻すようにアンチサージバイパス弁６３を開くために、アンチサージ制御システムを使用することができる。
【００７２】
上記に要約した方法は、３つ以上の圧縮機段、及びそれぞれの副流ラインを有するターボ圧縮機に対して、繰り返すことができる。図８は、２つの副流線を有する３段のターボ圧縮機を概略的に示す。ターボ圧縮機は、１５０で標識され、第１の圧縮機段１５１と、第２の圧縮機段１５２と、第３の圧縮機段１５３とを備えている。原動機１５４が、３つの段を回転駆動させる。符号１５５は吐出ラインを示しており、ガスを第１の圧縮機段１５１の吸込側に吐出する。圧縮ガスは、最終の圧縮機段１５３から、吐出ライン１５７に沿って吐出される。副流ライン１５９、１６０が更に設けられており、各副流はこれに沿って、第２の圧縮機段１５２の入口、及び第３の圧縮機段１５３の入口にそれぞれ吐出される。
【００７３】
温度変換器１６７、及び圧力変換器１６９が、第１の圧縮機段１５１の吸込側のガスの温度及び圧力を測定する。温度変換器１７１、及び圧力変換器１７３のそれぞれが、第３の、つまり最終の圧縮機段１５３の吐出のガスの温度及び圧力を測定する。流量測定装置、すなわち流量エレメント１７５が、吐出ライン１５７の体積流量を測定する。第１の副流ライン１５９に配置された温度変換器１７７、圧力変換器１７９、及び流量測定装置１８１は、第１の副流ライン１５９のガス圧及び温度条件、ならびに体積流量を測定する。温度変換器１８３、圧力変換器１８５、及び流量測定装置１８７を備えた同様の構成が、第２の副流ライン１６０に設けられている。
【００７４】
第２及び第３の圧縮機段１５２、１５３の吸込側のガス条件を決定するために、上述の算出方法が、ターボ圧縮機１５０に繰り返し使用される。まず、第１の段１５１の入口側、及び最終の圧縮機段１５３の吐出側の変換器によって検出された値に基づいて、第１の段１５１の入口の質量流量及び体積流量が決定される。続いて、この質量流量及び体積流量、ならびに副流のデータ（変換器１７９、１７７、流量測定装置１８１）に基づいて、第１の圧縮機段１５１の吐出の温度、及び第２の圧縮機段１５２の入口の温度が推定される。これらのデータが、同様の計算を行うのに使用され、変換器１８３、１８５、流量測定装置１８７によって決定された第２の副流のデータに基づいて、圧縮機段１５２の吐出温度、及び第３の圧縮機段１５３の吸込温度を推定する。
【００７５】
複数の圧縮機段のいずれか１つの入口側の温度を推定するために、同様のプロセスを使用することができる。このプロセスが実行される毎に、上流の圧縮機段、下流の圧縮機段、及び上流の圧縮機段から下流の圧縮機段への流路に流れをもたらす副流ラインのデータに基づいて計算が行われる。
【００７６】
概括的に述べると、第１の圧縮機段の入口における体積流量及び質量流量は、最終の圧縮機段（例えば、図８の実施形態の段１５３）の下流で行われる体積流量測定に基づいて決定することができる。代替実施形態において、流量測定装置、すなわち流量エレメントは、複数の連続的に配置された圧縮機段のうちの、第１の圧縮機段の上流側に配置することができるので、圧縮機の入口の体積流量及び質量流量は、直接、測定及び算出することができる。
【００７７】
本明細書に記載されている主題の、開示された実施形態は、いくつかの例示的な実施形態に関して、図面に示し、具体的かつ詳細に上記で十分に説明してきたが、本明細書に記載した新規な教示、原理及び概念、及び添付の特許請求の範囲に記載された主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、及び省略が可能であることは、当業者には明らかであろう。したがって、開示された発明の適正な範囲は、このような修正、変更、及び省略の全てを網羅するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。また、任意のプロセス又は方法ステップの、順序又は配列は、代替的な実施例に応じて変更、あるいは配列し直してもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１  システム
３  ターボ圧縮機
３Ａ  第１の圧縮機段
３Ｂ  第２の圧縮機段
５  原動機
７  吸込ライン
９  吐出管
１１  制御ユニット
１３  流量エレメント
１５  アンチサージバイパス弁
１７  アンチサージバイパスライン
１９  熱交換器
２０  副流
５０  ターボ圧縮機
５１  第１の圧縮機段
５２  第２の圧縮機段
５３  原動機
５５  入口ライン
５７  吐出ライン
５９  副流
６１  バイパスライン
６３  アンチサージバイパス弁
６３  第１のアンチサージ弁
６４  第２のアンチサージ弁
６５  熱交換器
６７  温度変換器
６８  アンチサージコントローラ
６９  圧力変換器
７０  回転速度検出器
７１  温度変換器
７３  圧力変換器
７５  流量測定装置（流量エレメント）
７７  温度変換器
７９  圧力変換器
８１  流量測定装置（流量エレメント）
１５０  ターボ圧縮機
１５１  第１の圧縮機段
１５２  第２の圧縮機段
１５３  第３の圧縮機段
１５４  原動機
１５５、１５７  吐出ライン
１５９  第１の副流
１６０  第２の副流
１６７  温度変換器
１６９  圧力変換器
１７１  温度変換器
１７３  圧力変換器
１７５  流量エレメント
１７７  温度変換器
１７９  圧力変換器
１８１  流量測定装置（流量エレメント）
１８３  温度変換器
１８５  圧力変換器
１８７  流量測定装置（流量エレメント）
Ｐｄ  吐出圧力値
Ｎ  回転速度
Ｐｓ  吸込圧力値
Ｔｓ  温度値
ＦＴｓｓ、Ｔｓｓ、Ｐｓｓ  変換器
Ｐｄ２、Ｐ１ｓ圧力変換器
Ｔ１ｓ  温度変換器
ＦＴ１  変換器
【図１】
0006431896.tif 000024
【図２】
0006431896.tif 000025
【図３】
0006431896.tif 000026
【図４】
0006431896.tif 000027
【図５】
0006431896.tif 000028
【図６】
0006431896.tif 000029
【図７】
0006431896.tif 000030
【図８】
0006431896.tif 000031