(57)【要約】【課題】圧縮機の吐出圧力の展開パターンに基づいてサージ現象を検出し、サージ現象の始まりに記録されたサージパラメータ値に相対してサージマージンを再配置する、方法、システム、およびコントローラを提供すること。【解決手段】コントローラは、吐出圧力の値を圧縮機から受け取り、信号および警告を出力するように構成されたインターフェースと、インターフェースに接続されるとともに、吐出圧力、吐出圧力の割合、および割合の変化率の展開に基づいて、圧縮機内のサージ現象を検出するように構成されたサージ現象検出ユニットと、サージ現象検出ユニットおよびインターフェースに接続されるとともに、サージ現象の始まりに記録されたサージパラメータ値に相対してサージマージンを再配置するように構成されたサージマージン再配置ユニットとを有する。【選択図】図４
2012052542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する流体流の圧力を増加させるように構成された圧縮機と、
前記圧縮機を通過する前記流体流の一部を前記圧縮機の吐出出力から前記圧縮機の入力へと選択的に方向付け直すように構成された耐サージ流れ再循環ループと、
前記耐サージ流れ再循環ループおよび前記圧縮機に接続されたコントローラであって、（ｉ）前記圧縮機の吐出圧力、前記吐出圧力の割合、および前記吐出圧力の前記割合の変化率の展開に基づいてサージ現象を検出し、（ｉｉ）前記サージ現象の始まりに記録されるサージパラメータ値に基づいて、流体輸送システムの動作を特徴付けるサージマージンを再配置するように構成されたコントローラとを備える、流体輸送システム。
【請求項２】
前記コントローラが、
前記圧縮機内における前記吐出圧力、前記吐出圧力の前記割合、および前記吐出圧力の前記割合の前記変化率の減少に基づいて、前記サージ現象の始まりを検出し、
前記サージ現象の前記始まりの後、前記吐出圧力が予期される低吐出圧力値未満に減少するまで、前記吐出圧力を監視し、
前記吐出圧力が前記予期される低吐出圧力値未満に減少した後、前記吐出圧力の前記割合が正になったとき、前記サージ現象の終わりを検出することによって、前記サージ現象を検出するように構成された、請求項１記載の流体輸送システム。
【請求項３】
前記サージパラメータが前記圧縮機を通る前記流体流と関連する、請求項１記載の流体輸送システム。
【請求項４】
前記コントローラが、前記圧縮機を出る前記流体流の前記吐出圧力、および前記吐出圧力の割合の展開に基づいて前記サージ現象を検出するように構成された、請求項１記載の流体輸送システム。
【請求項５】
前記コントローラがタイマを含み、予め定められた時間の間、前記タイマを使用して前記吐出圧力の展開を監視し、前記サージ現象が検出されなかった場合、前記予め定められた時間が経過した後に前記サージ現象の探索をリセットするように構成された、請求項１記載の流体輸送システム。
【請求項６】
前記サージマージンが変更されると、前記コントローラが再配置警告を発行する、請求項１記載の流体輸送システム。
【請求項７】
前記コントローラが、前記サージマージンが定義されるサージパラメータが前記サージ現象の前記始まりに記録された前記サージパラメータ値よりも１０％大きいままであるように前記流体輸送システムを動作させることを要求することによって、前記サージマージンを再配置するように構成された、請求項１記載の流体輸送システム。
【請求項８】
圧縮機の吐出圧力の割合および前記吐出圧力の前記割合の変化率に基づいて、サージ現象の始まりを検出するステップと、
前記サージ現象の前記始まりの後、前記吐出圧力が予期される低吐出圧力値未満に減少するまで前記吐出圧力を監視するステップと、
前記吐出圧力が前記予期される低吐出圧力値未満に減少した後、前記吐出圧力の前記割合が正になったとき前記サージ現象の終わりを検出するステップと、
前記サージ現象の前記終わりの後、前記サージ現象の前記始まりに記録されたサージパラメータ値に基づいてサージマージンを再配置するステップとを含む、圧縮機を含む流体輸送システムのための方法。
【請求項９】
圧縮機から吐出圧力の値を受け取り、信号および警告を出力するように構成されたインターフェースと、
前記インターフェースに接続されるとともに、前記吐出圧力、前記吐出圧力の割合、および前記吐出圧力の割合の変化率の展開に基づいて、前記圧縮機内のサージ現象を検出するように構成されたサージ現象検出ユニットと、
前記サージ現象検出ユニットおよび前記インターフェースに接続されるとともに、前記サージ現象検出ユニットが前記展開中にサージ現象のパターンを検出した後、前記サージ現象の始まりに記録されたサージパラメータ値に相対してサージマージンを再配置するように構成されたサージマージン再配置ユニットとを備える、コントローラ。
【請求項１０】
前記サージマージン再配置ユニットが、前記サージマージンが定義されるサージパラメータが検出された前記サージ現象の始まりに記録された前記サージパラメータ値よりも１０％大きいように前記流体輸送システムを動作させることを要求することによって、前記サージマージンを再配置するように構成された、請求項９記載のコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題の実施形態は、全体として、吐出圧力の展開のパターン認識に基づいて、サージ現象の発生が検出された後、サージマージンを再配置する方法およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、半径流負荷吸収（ｗｏｒｋ−ａｂｓｏｒｂｉｎｇ）ターボ機械の一種である。遠心圧縮機では、圧縮機のロータまたはインペラの回転を通して、流体の連続流に運動エネルギー／速度を加えることによって圧力が増大する。遠心圧縮機は、生産地から消費者へとガスを移動させる天然ガスのパイプライン輸送、製油所、冷凍システム、ガスタービンなどで使用される場合が多い。
【０００３】
遠心圧縮機の動作は、サージの発生に影響を受けることがある。圧縮機を通過する流体流の圧力は、圧縮機の入力側におけるサージ圧力から圧縮機の出力側における吐出圧力まで増加する。圧縮機がシステム抵抗を上回るのに十分なエネルギーを加えることができないと、サージ現象が発生し、結果として流れが急速になるとともに吐出圧力が減少する。サージには、高振動、温度上昇、および軸スラストの急激な変化が伴うことがある。これらの影響によって圧縮機が損傷することがある。圧縮機を含むほとんどのシステムは、偶発的なサージングに耐えるように設計される。しかし、サージが繰り返され長期間続くことによって壊損につながることがある。
【０００４】
サージ現象中のシステム動作は不安定である。したがって、技術者は、圧縮機に入力される流体の圧力と圧縮機から吐出される流体の圧力との比、制御することができる流体流または他のパラメータを調節することによって、圧縮機の安定限界から遠ざけて圧縮機を動作させようとする。サージマージンは、圧縮機の動作状態がサージ状態にどれくらい接近しているかの基準となる。サージマージンを評価するのに様々なパラメータが使用されてもよい。例えば、サージマージンは、技術者が安全であると見なす（すなわち、サージが発生することが予期されない）圧縮機に入力される流体流と、サージが発生する傾向があるサージ流体流との比であってもよく、流体流を除いて他のすべての動作条件（例えば、サージ圧力と吐出圧力との比）は同じである。
【０００５】
図１は、エキスパンダ１０および圧縮機２０を含む従来システム１の図を示す。従来システム１は、圧縮機２０の出力３２から圧縮機２０の入力３４までの流路を提供する、耐サージ流れ再循環ループ３０を含む。耐サージ流れ再循環ループ３０に沿って、サージ検出器４０および耐サージバルブ５０が位置する。耐サージ流れ再循環ループ３０はまた、ガス冷却機６０および流れ要素７０を含んでもよい。
【０００６】
耐サージバルブ５０の動作状態に応じて、ガス流は、圧縮機２０の出力３２から圧縮機２０の入力３４まで再循環されてもよい。検出器がサージ傾向を検出すると、耐サージバルブ５０が動作して、サージ傾向を反転させるように流れを調節することによってサージサイクルを断ち切る。従来、耐サージ制御およびサージ検出は独立している。従来のサージ検出は単にシステムをトリップさせるものであることがある。
【０００７】
サージショットは、サージ傾向の発生によって特徴付けられる現象である。サージ現象の影響が壊滅的であるという可能性により、あらゆるサージ現象の発生を回避するのに十分なサージマージンを有してシステムを動作させることが望ましい。
【０００８】
サージ検出器４０は、圧縮機２０の出力３２で吐出圧力（Ｐd）を監視することによって、サージ傾向の発生を検出してもよい。従来、吐出圧力が急速に減少するとサージ傾向が検出される（すなわち、吐出圧力の時間に対する一次導関数に基づく）。吐出圧力の一次導関数は図１のサージ検出器４０内で機械的に計算されるが、あるいは、図２に関して後述される電子サージ検出器での信号処理に基づいて電子的に得られてもよい。
【０００９】
図２は、従来の電子サージ検出器１００のブロック図を示す。吐出圧力（Ｖ）は計算ブロック１１０に、かつ加算／減算ブロック１２０に入力される。時定数（Ｔ）も計算ブロック１１０に入力される。計算ブロック１１０は、時定数Ｔとともに一次遅れフィルタを使用して得られた吐出圧力（Ｖ）に比例した値を出力する。
【００１０】
加算／減算ブロック１２０は、吐出圧力をブロック１１０によって出力された値から減算し、−ＰdＴｓ／（１＋Ｔｓ）に等しい値（Ａ）（ラプラス変換命名法によって表現される）を比較ブロック１３０に出力する。比較ブロック１３０は、ブロック１２０から受け取った値（Ａ）が、比較ブロック１３０に別個に入力される予め定められた値（Ｂ）よりも大きい場合、イベントカウンタブロック１４０に信号を送る。
【００１１】
イベントカウンタ１４０は、予め定められた時間間隔（Ｔ３ｓｕｒｇｅ）内で比較ブロック１３０から受け取った、サージショットを表す多数の信号を追跡し、その値はイベントカウンタ１４０に別個に入力される。予め定められた時間間隔（Ｔ３ｓｕｒｇｅ）に等しい期間の間に２つ以上のサージショットが発生する場合、イベントカウンタ１４０は警告信号を出力する。予め定められた時間間隔（Ｔ３ｓｕｒｇｅ）に等しい期間の間に３つ以上のサージショットが発生する場合、イベントカウンタ１４０は、システムの緊急トリップ（すなわち、停止）を知らせるトリップ信号を出力する。
【００１２】
従来のサージ検出は、サージショット検出が瞬間的な吐出圧力の傾斜（すなわち、吐出圧力の一次導関数）のみに依存するという欠点を有する。しかし、一般的にはサージ傾向の後に発生する吐出圧力対時間パターンは、より複雑な特徴を有する。例えば、比較的短時間で吐出圧力が急激に降下した後、最小圧力値に達し、次に吐出圧力が再び増加する。このサージパターンの従来の認識は、サージショットの始めにおける吐出圧力の一次導関数のみを考慮するという理由で劣っている。
【００１３】
それに加えて、従来のシステムは、誤って構成されたサージラインに基づいて耐サージコントローラが動作する場合に回復動作を提供せず、従来のシステムの唯一の応答はシステムをトリップさせることである。例えば、マージンが実際のサージラインに対して低すぎる設定の場合、ループ３０を介した耐サージ制御は圧縮機を通る最小限の安全な流れを維持することができず、耐サージバルブ５０の閉止率にも依存した頻度でサージ傾向サイクルが発生することがある。
【００１４】
従来システム１の別の欠点は、吐出圧力の時間導関数に適用される増幅が、サージショットの発生を判断するのに使用される予め定められた閾値に関することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、上述の課題および欠点を回避するシステムおよび方法を提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
例示的な一実施形態によれば、流体輸送システムは、（ａ）通過する流体流の圧力を増加させるように構成された圧縮機と、（ｂ）圧縮機を通過する流体流の一部を圧縮機の吐出出力から圧縮機の入力へと選択的に方向付け直すように構成された耐サージ流れ再循環ループと、（ｃ）耐サージ流れ再循環ループおよび圧縮機に接続されたコントローラであって、（ｉ）圧縮機の吐出圧力、吐出圧力の割合、および吐出圧力の割合の変化率の展開に基づいてサージ現象を検出し、（ｉｉ）サージ現象の始まりに記録されるサージパラメータ値に基づいて、流体輸送システムの動作を特徴付けるサージマージンを再配置するように構成されたコントローラとを含む。
【００１７】
例示的な一実施形態によれば、圧縮機を含む流体輸送システムのための方法は、（ｉ）圧縮機の吐出圧力の割合および吐出圧力の割合の変化率に基づいて、サージ現象の始まりを検出するステップと、（ｉｉ）サージ現象の始まりの後、吐出圧力が予期される低吐出圧力値未満に減少するまで圧力を監視するステップと、（ｉｉｉ）吐出圧力が予期される低吐出圧力値未満に減少した後、吐出圧力の割合が正になったときサージ現象の終わりを検出するステップと、（ｉｖ）サージ現象の終わりの後、サージ現象の始まりに記録されたサージパラメータ値に基づいてサージマージンを再配置するステップとを含む。
【００１８】
別の実施形態によれば、コントローラは、（ｉ）圧縮機から吐出圧力の値を受け取り、信号および警告を出力するように構成されたインターフェースと、（ｉｉ）インターフェースに接続されるとともに、吐出圧力、吐出圧力の割合、および割合の変化率の展開に基づいて、圧縮機内のサージ現象を検出するように構成されたサージ現象検出ユニットと、（ｉｉｉ）サージ現象検出ユニットおよびインターフェースに接続されるとともに、サージ現象検出ユニットが展開中にサージ現象のパターンを検出した後、サージ現象の始まりに記録されたサージパラメータ値に相対してサージマージンを再配置するように構成されたサージマージン再配置ユニットとを有する。
【００１９】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、１つまたは複数の実施形態を例証し、明細書と併せてそれら実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】圧縮機および機械的サージ検出器を含む従来システムの概略図である。
【図２】従来の電子サージ検出器のブロック図である。
【図３】サージ傾向が発生するときの吐出圧力の展開を示すグラフである。
【図４】一実施形態による圧縮機を含むシステムの概略図である。
【図５】一実施形態による、サージを検出しサージマージンを再配置する方法の流れ図である。
【図６】一実施形態によるサージ現象の始まりを検出する流れ図である。
【図７】例示的な一実施形態による、サージ現象中の吐出圧力の一次導関数、吐出圧力の二次導関数、および初期値からの吐出圧力の偏差の展開を表すグラフである。
【図８】例示的な一実施形態による、サージ現象の始まりの検出を実行する電子回路のブロック図である。
【図９】例示的な一実施形態による、吐出圧力の減少を監視する流れ図である。
【図１０】例示的な一実施形態による、減少する吐出圧力の監視を実行する電子回路のブロック図である。
【図１１】例示的な一実施形態による、吐出圧力の一次導関数が吐出圧力の増加を示唆するときにサージ現象の終わりを検出する流れ図である。
【図１２】例示的な一実施形態による、吐出圧力の一次導関数が吐出圧力の増加を示唆するときにサージ現象の終わりの検出を実行する電子回路のブロック図である。
【図１３】例示的な一実施形態による、サージマージンの再配置を実行する電子回路のブロック図である。
【図１４】例示的な一実施形態によるコントローラのブロック図である。
【図１５】例示的な一実施形態による、圧縮機を含むシステムでのサージ現象の取扱いに対する影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
例示的実施形態の以下の記載は添付図面を参照する。異なる図面中の同じ参照番号は同じまたは類似の要素を特定する。以下の詳細な説明は本発明を限定しない。その代わりに、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、単純にするため、圧縮機および耐サージ流れ再循環ループを含むガスシステムの用語および構造に関連して考察される。しかし、以下に考察される実施形態はこれらのシステムに限定されず、ターボ機械の繰り返されるサージサイクルを回避することを必要とする他のシステムに適用されてもよい。
【００２２】
本明細書全体を通して、「１つの実施形態」または「一実施形態」に対する言及は、ある実施形態に関して記載される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な場所に登場する、「１つの実施形態では」または「一実施形態では」という語句は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な形で組み合わされてもよい。
【００２３】
図３は、サージ傾向が発生するときの吐出圧力の展開を示すグラフである。以下の記載では、サージ現象とはサージ傾向が観察された後の展開を指す。当業者であれば、耐サージバルブの開放によってサージ傾向が反転することを理解する。
【００２４】
サージ現象は、サージ現象中の吐出圧力（Ｐd）の展開を表すパターンの特徴に基づいて特定されてもよい。サージ現象の始まり２００では、吐出圧力は急速に減少する。吐出圧力の割合は絶対値単位で増加する（吐出圧力は減少するので実際の値は負である）。吐出圧力の割合の変化率も絶対値単位で増加している（これは負なので実際の値は増加する）。
【００２５】
したがって、サージ現象中、吐出圧力は時間間隔Δｔdropの間、量Δｐdだけ降下する。圧力降下の量Δｐdは、サージの始まりにおける吐出圧力と吸気圧力（すなわち、圧縮機の吸気口の圧力）との間の差の既知の百分率（例えば、１２％）程度であってもよい。耐サージ流れ再循環ループの存在を考えると、吐出圧力が低期待値２１０よりも大幅に減少することは予期されない。吐出圧力が降下し始めてから吐出圧力が増加し始めるまでの時間間隔Δｔdropも、通常、既知の時間値程度、例えばサージ現象が観察され始めてから２．５ｓである。予め定められた時間間隔（既知の値より大きい）の間、吐出圧力が吐出圧力の低期待値よりも低く落ち込まない場合、システムは、マージンの再配置を必要とするサージ現象は発生していないと見なしてもよい。
【００２６】
最小値に達した後、吐出圧力は増加する（例えば、２２０）。吐出圧力が増加すると、吐出圧力の割合は正になる。
【００２７】
図４は、例示的な一実施形態による、エキスパンダ４１０および圧縮機４２０を含むシステム４００の概略図である。システム４００は、圧縮機４２０の出力４３２から圧縮機４２０の入力４３４までの流路を提供する、耐サージ流れ再循環ループ４３０を含む。
【００２８】
圧縮機の出力４３２における吐出圧力の展開に基づいて、コントローラ４４０はサージ現象を検出する。コントローラ４４０は、吐出圧力の展開の多数の特徴を検証してもよい。例えば、コントローラ４４０は、吐出圧力の割合が予め定められた値を超過すると、吐出圧力の割合の変化に従って高速で低下する、サージ現象の始まりを検出してもよい。次に、コントローラ４４０は、吐出圧力が低期待値よりも低くなるまで、吐出圧力および吐出圧力の割合を監視してもよい。次に、コントローラ４４０は、割合が正になったときサージ現象の終わりを検出してもよい。サージ現象に続いて、コントローラ４４０は、再配置警告信号を出力し、圧縮機の動作に対する新しいサージマージン値を提供してもよい。
【００２９】
サージ傾向が発生すると、耐サージ流れ再循環ループ４３０上の耐サージバルブ４５０が開いて、サージ傾向を反転させる。耐サージ流れ再循環ループ４３０はまた、ガス冷却機４６０および流量測定要素４７０を含んでもよい。
【００３０】
図５は、別の実施形態によるサージ検出およびマージン再配置の方法５００の流れ図を示す。ステップＳ５１０で、サージ現象の始まりは、吐出圧力の割合および吐出圧力の割合の変化率の値に基づいて検出される。ステップＳ５２０で、圧力が低期待値未満に低下するまで、吐出圧力の減少が監視される。ステップＳ５３０で、吐出圧力の割合が吐出圧力の増加を示唆すると、サージ現象の終わりが検出される。
【００３１】
したがって、ステップＳ５１０、Ｓ５２０、およびＳ５３０は、サージ現象中の吐出圧力の展開を認識する。ステップＳ５４０では、サージの再発生を回避するためにサージマージンが再配置される。
【００３２】
サージ傾向の発生に対する応答によってのみ（例えば、図２の従来の電子サージ検出器の場合、３回のショット後に）システムをトリップさせていた従来の方策と比較して、本項に記載される様々な実施形態による方法およびシステムのいくつかでは、サージマージンが再配置され、その再配置によって別のサージ現象が発生する傾向が小さくなる（再配置されたマージンは初期のサージマージンよりもサージラインから遠いため）。
【００３３】
それに加えて、サージ傾向のみが特定される（すなわち、サージショット）従来の方策と比較して、様々な実施形態による方法およびシステムのいくつかでは、サージ現象の始まりは、吐出圧力、吐出圧力の割合、および割合の変化率の展開を使用して特定され、次に、予期される低圧力値未満に減少するまで吐出圧力が監視され、吐出圧力の割合が正になったときサージ傾向の反転が観察される。したがって、吐出圧力の展開パターンの複数の特徴が認識される。
【００３４】
図６は、一実施形態によるサージ現象の始まりを検出する流れ図である。図６に示されるステップは、図５の方法におけるステップＳ５１０の可能な実現例と見なされてもよい。Ｓ５５２で、割合Ｄ１および変化率Ｄ２が計算される。
【００３５】
割合Ｄ１は吐出圧力の時間単位の変動を表す。一実施形態では、割合Ｄ１は、吐出圧力の時間に対する一次導関数として計算されてもよい。代替実施形態では、雑音除去一次フィルタを伴う割合Ｄ１を、吐出圧力のラプラス変換Ｐｄ（ｓ）を使用して計算し、伝達関数ｓ／（ｓ＋１）を乗算して、Ｄ１＝Ｐｄ×ｓ／（ｓ＋１）としてもよい。
【００３６】
変化率Ｄ２は割合Ｄ１の時間単位の変動を表す。一実施形態では、割合率Ｄ２は、吐出圧力の時間に対する二次導関数として計算されてもよい。代替実施形態では、変化率Ｄ２は、二次雑音除去フィルタを使用して計算されてもよい。
【００３７】
サージ現象が発生し得るかを判断するため、Ｓ５５４で、割合Ｄ１が最大率（ＭａｘＲａｔｅ）の分画ｋと比較される（吐出圧力は減少するので、ｋおよびＭａｘＲａｔｅが正の値の場合、負の符号が使用される）。分画ｋおよび最大率（ＭａｘＲａｔｅ）は予め定められた値を有する。例えば、分画ｋは約６０％であってもよい。サージ現象が発生すると、吐出圧力は急速に減少する。割合Ｄ１が最大率の分画よりも大きいままの場合（Ｓ５５４のＮＯ分岐）、吐出圧力はゆっくりと減少し、サージ現象は予期されない。
【００３８】
割合Ｄ１が最大率の分画よりも小さい場合（Ｓ５５４のＹＥＳ分岐）、Ｓ５５６で、変化率Ｄ２は最大率変化（ＭａｘＲａｔｅＣｈａｎｇｅ）と比較される。変化率Ｄ２が（−ＭａｘＲａｔｅＣｈａｎｇｅ）より大きいままである限り、サージ現象は予期されない（Ｓ５５６のＮＯ分岐）。サージの始まりを示唆するＤ１の急な（すなわち、瞬間的な）高速の降下を検出するのに、二次導関数が使用される。
【００３９】
変化率Ｄ２が最大率変化を超える場合（Ｓ５５６のＹＥＳ分岐）、サージ現象が発生しやすく、Ｓ５５８で、吐出圧力ｐd、吸気圧力ｐs、およびサージパラメータＰａｒの現在値が、基準値Ｐd＿Ｆ、Ｐs＿Ｆ、およびＰａｒ＿Ｆとして格納される。
【００４０】
サージパラメータは、圧縮機を通る流れと、同じ圧縮機の圧力比でサージが発生することが知られている流れとの比であってもよい。サージパラメータのこの定義に基づいて、サージパラメータは、流れパラメータ対圧力比の二次元プロットのサージライン上にあるものである。サージマージンはサージパラメータの値であり、それよりも低いと、サージパラメータをサージマージン値で維持するため、耐サージ制御によって耐サージバルブが開く。
【００４１】
図６に示されるステップＳ５５２、Ｓ５５４、Ｓ５５６、およびＳ５５８は、サージ現象の始まりの検出を実現する。
【００４２】
吐出圧力ならびにその一次および二次導関数が、実際のサージ現象中どのように展開するかが図７に示される。図７のプロット線６０１は、吐出圧力の時間に対する一次導関数（すなわち、一実施形態によるＤ１）を（任意単位で）表す。図７のプロット線６０２は、吐出圧力の時間に対する二次導関数（すなわち、一実施形態によるＤ２）を（任意単位で）表す。図７のプロット線６０３は、初期吐出圧力の格納値からの吐出圧力の変動を（百分率で）表す。
【００４３】
図８は、一実施形態による、サージ現象の始まりの検出を実行する回路７００（電子、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせ）のブロック図である。ブロック７１０および７２０は、吐出圧力ｐdの入力値に基づいて、割合Ｄ１および変化率Ｄ２をそれぞれ計算する。ブロック７３０および７４０では、計算されたＤ１およびＤ２が、最大減少割合（−ＭａｘＲａｔｅ）および最大減少変化率（−ＭａｘＲａｔｅＣｈａｎｇｅ）の分画Ｋとそれぞれ比較される。（ｉ）割合Ｄ１が（−Ｋ×ＭａｘＲａｔｅ）よりも低い場合、かつ（ｉｉ）変化率Ｄ２が（−ＭａｘＲａｔｅＣｈａｎｇｅ）よりも低い場合、回路７５０は回路７６０に信号を送って、吐出圧力ｐd、吸気圧力ｐs、およびサージパラメータＰａｒの現在値を、基準値ｐd＿Ｆ、ｐs＿Ｆ、およびｐａｒ＿Ｆとして回路７６０に格納させる。
【００４４】
図９は、一実施形態による、吐出圧力が低い予期圧力よりも低くなるまで吐出圧力の減少を監視する流れ図である。図９に示されるステップは、図５の方法におけるステップＳ５２０の可能な実現例と見なされてもよい。
【００４５】
Ｓ７８２で、サージ現象の始まりからの時間（Ｔsurge）を測定するように構成されたタイマが始動する。Ｓ７８４での比較が、サージ現象の始まりからの時間（Ｔsurge）が予め定められた最大時間（ＭａｘＴ）を超えていることを示す場合（すなわち、Ｓ７８４の分岐ＹＥＳ）、サージショットはそれ以上起こりにくいので、サージ検出論理がリセットされる。予め定められた最大時間（ＭａｘＴ）はサージ現象の推定最大持続時間である。
【００４６】
Ｓ７８４での比較が、サージ現象の始まりからの時間（Ｔsurge）が予め定められた最大時間を超えていないことを示す場合（すなわち、Ｓ７８４の分岐ＮＯ）、Ｓ７８６で、割合Ｄ１が最大率（ＭａｘＲａｔｅ）の分画ｆと比較される。割合Ｄ１が（−ＭａｘＲａｔｅ×ｆ）よりも低くなるまで（すなわち、Ｓ７８６の分岐ＹＥＳ）、ステップＳ７８４およびＳ７８６が行われる。次に、Ｓ７８８で、現在の吐出圧力ｐdが低い予期圧力と比較される。低い予期圧力は、吐出圧力の格納値Ｐd＿Ｆと予期される最大圧力降下（ＭａｘＰＦａｌｌ）との間の差である。予期される最大圧力降下は、吐出圧力の格納値Ｐd＿Ｆと吸気圧力の格納値Ｐs＿Ｆとの間の差の予め定められた分画ｇであってもよい（例えば、予め定められた分画ｇは１２％であってもよい）。
【００４７】
Ｓ７８８での比較が、吐出圧力が低い予期値未満ではないことを示す場合（すなわち、Ｓ７８８の分岐ＮＯ）、Ｔsurge＜ＭａｘＴ以内でステップＳ７８４、Ｓ７８６、およびＳ７８８が再び行われる。吐出圧力が低い予期値よりも低い場合（すなわち、Ｓ７８８の分岐ＹＥＳ）、監視は完了する。
【００４８】
図１０は、一実施形態による、吐出圧力が低い予期される圧力よりも低くなるまで、吐出圧力の監視を実行する回路８００（電子、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせ）のブロック図である。ブロック８１０は、サージ現象の始まりからの時間（Ｔsurge）を測定し、時間が最大時間ＭａｘＴを超えないことを確保する。ブロック８２０は、吐出圧力ｐdの入力値に基づいて割合Ｄ１を計算する。例えば、Ｄ１は、吐出圧力ｐdのラプラス変換（Ｐd（ｓ））を使用し、伝達関数ｓ／（ｓ＋１）を乗算して計算されてもよい。別の実施形態では、Ｄ１は、吐出圧力ｐdの時間に対する一次導関数として計算されてもよい。
【００４９】
ブロック８３０は、計算されたＤ１を、最大減少率（−ＭａｘＲａｔｅ）の分画ｆと比較する。ブロック８４０は、吐出圧力の格納値Ｐd＿Ｆと吐出圧力の現在値ｐdとの間の差を計算する。ブロック８５０は、ブロック８４０によって計算された差を、吐出圧力の格納値Ｐd＿Ｆと吸気圧力の格納値Ｐs＿Ｆとの間の差の分画ｇと比較する。ＴsurgeがＭａｘＴよりも低く、Ｄ１が（−ｆ×ＭａｘＲａｔｅ）よりも低い場合、ブロック８４０は、ブロック８１０および８３０から信号を受け取り、ブロック８７０に信号を出力する。追加のブロック８７０が、ブロック８４０によって計算された差がｇ×（Ｐd＿Ｆ−Ｐs＿Ｆ）よりも高いことを示す信号をブロック８５０から受け取った場合、ブロック８７０は、吐出圧力の減少の監視を完了することを示す信号を出力する。
【００５０】
図１１は、割合Ｄ１が吐出圧力ｐdの増加を示すとき、サージ現象の終わりを検出し、新しいサージマージンを設定する流れ図である。図１１に示されるステップは、図５の方法におけるステップＳ５３０およびＳ５４０の可能な実現例と見なされてもよい。
【００５１】
Ｓ７８４に類似するステップＳ９１０は、サージ現象の推定される始まりからの時間（Ｔsurge）が、サージを検出する最大時間を超えているかを判断する。Ｓ９１０が、サージ現象の始まりからの時間（Ｔsurge）が最大時間を超えていると判断した場合（すなわち、Ｓ９１０の分岐ＹＥＳ）、サージ検出は、サージショットにとって重要であると見なされる予め定められた時間よりも長く続いている。この状況では、方法が終了し、サージ検出論理がリセットされて、サージ傾向の発生を特定するため、吐出圧力の監視に戻る。
【００５２】
サージ現象の始まりからの時間（Ｔsurge）が最大時間を超えていない場合（すなわち、Ｓ９１０の分岐ＮＯ）、ステップＳ９２０は、割合Ｄ１が正である（すなわち、０よりも大きい）かを判断する。割合Ｄ１が正である場合、吐出圧力は増加しており、それはサージ現象が終わりを迎えていることを意味する。サージ現象の完了はＳ９３０で指摘される。Ｓ９４０で、新しいサージマージンが設定される。
【００５３】
図１２は、吐出圧力の一次導関数が吐出圧力の増加を示唆するとき、サージ現象の終わりの検出を実行する回路９５０（電子、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせ）のブロック図である。ブロック９５２は、吐出圧力ｐdの入力値に基づいて割合Ｄ１を計算する。例えば、Ｄ１は、ｐdのラプラス変換を使用し、伝達関数ｓ／（ｓ＋１）で乗算して計算されてもよい。Ｄ１の計算値が正（すなわち、０よりも大きい）の場合、ブロック９５４はブロック９５６に信号を出力する。ブロック９５６はタイマであり、それが出力する再配置信号は、マージンが再配置される予定であり、単なるスパイク（ｍｅｒｅ  ｓｐｉｋｅ）に続いてそれが発生しないことを確保するのに十分に長い間（例えば、１秒）「Ｔｒｕｅ」のままである、ブロック９５４によって出力される信号である。
【００５４】
サージ現象の終わりが検出されたので、次にサージマージンの再配置について考察する。図１３は、サージマージンの再配置を実行する回路９６０（電子、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせ）のブロック図である。回路９６０は、図１２のブロック９５６によって出力される再配置信号を受け取る。再配置信号を受け取るフリップフロップ回路９６２は、ブロック９６４による再配置警告の発行を始動させてもよい。ブロック９６８が再配置信号を受け取ると、ブロック９６６に格納された再配置マージンの前回値がセレクタ９７０に提供される。セレクタ９７０はまた、サージパラメータの格納値Ｐａｒ#Ｆをブロック９７２から受け取る。ブロック９７４は、再配置論理がマージン以外は増加させることができないことを確保するブロック９７６に公称マージンを提供する。再配置論理がアクティブにされると、セレクタ９７０は、１走査のみに対して入力１を選択する（９７０のｓｅｌ１は、ＦａｌｓｅからＴｒｕｅへの再配置移行時のパルスである）。この１走査に対して、セレクタ９７０の出力はＰａｒ＿Ｆ＊１．２１である（流れの１０％がサージ限界を上回ることを意味する）。以降の走査で、ｓｅｌ１はＦａｌｓｅになるが、ｓｅｌ２はアクティブのままなので、先行する走査において計算されたマージンが維持される（９７０の入力２）。
【００５５】
入力として、ラッチされた再配置論理ビットであるｓｅｌ１、公称サージマージンであるＣＭＤ、および再配置されたマージンであるＩｎ１を受け取る第２のセレクタ９８０は、新しいサージマージンを出力する。ブロック９８２は、新しいマージンの減少率を制限して、再配置論理がリセットされるとき（例えば、フリップフロップ回路９６２のＲ入力を介して）に、不安定または有害な一時的状態を生じさせる可能性がある急激な変化を伴わず、システムがブロック９７４に格納された公称マージンに向けて耐サージバルブを円滑に動作させることを確保する。
【００５６】
図１４は、別の実施形態によるコントローラ１０００のブロック図である。コントローラ１０００は、圧縮機から吐出圧力の値を受け取り、信号および警告を出力するように構成されたインターフェース１０１０を含む。コントローラ１０００はさらに、インターフェースに接続され、吐出圧力、吐出圧力の割合、および割合の変化率の展開に基づいて、圧縮機内のサージ現象を検出するように構成されたサージ現象検出ユニット１０２０を含む。コントローラ１０００はさらに、サージ現象検出ユニット１０２０およびインターフェース１０１０に接続され、サージ現象の始まりに記録されたサージパラメータ値に対してサージマージンを再配置するように構成されたサージマージン再配置ユニット１０３０を含む。サージマージン再配置ユニット１０３０の一実施形態は、図１３の回路９６０であってもよい。
【００５７】
サージ現象検出ユニットは、インターフェース１０１０に接続され、吐出圧力の割合および割合の変化率に基づいて、圧縮機内のサージ現象の始まりを検出するように構成された第１の回路１０４０を含んでもよい。第１の回路１０４０の一実施形態は、図８の回路７００であってもよい。
【００５８】
サージ現象検出ユニット１０２０はさらに、第１の回路１０４０およびインターフェース１０１０に接続され、吐出圧力が低い予期される吐出圧力よりも低くなるのを監視するように構成された第２の回路１０５０を含んでもよい。第２の回路１０５０の一実施形態は、図１０の回路８００であってもよい。
【００５９】
サージ現象検出ユニット１０２０はさらに、第２の回路１０５０、サージマージン再配置ユニット１０３０、およびインターフェース１０１０に接続され、吐出圧力の割合が正になったときにサージ現象の終わりを検出するように構成された第３の回路１０６０を含んでもよい。第３の回路１０６０の一実施形態は、図１２の回路９５０であってもよい。
【００６０】
サージ現象検出ユニット１０２０はさらに、タイマ１０７０を含んでもよく、サージ現象が圧縮機にとって安全であると見なされる予め定められた時間よりも長く続く場合に警告を出力するように構成されてもよい。
【００６１】
コントローラ１０００はさらに、サージ現象検出ユニットおよび再配置ユニットに接続され、サージ現象検出ユニットがサージ現象の始まりを検出すると、吐出圧力、吸気圧力、およびサージパラメータの値を格納するように構成されたバッファ１０８０を含んでもよい。
【００６２】
図１５は、圧縮機を含むシステムにおけるサージ現象の取扱いに対する一実施形態の影響を示すグラフである。グラフのｘ軸は時間を表す。吐出圧力は線１０９０として表される。Ｔ１でサージ現象が始まり、吐出圧力の割合が増加する。この実施形態は、次に、吐出圧力ｐd、吸気圧力ｐs、およびサージパラメータＰａｒの現在値を凍結し、基準値Ｐd＿Ｆ、Ｐs＿Ｆ、およびＰａｒ＿Ｆとして格納する。上述した様々な実施形態によれば、サージ現象中の吐出圧力の展開パターンが監視され、吐出圧力がＴ２で増加し始めると、これら実施形態はサージマージンの再配置に進む。例えば、図１４の線１０９３によって示されるように、初期マージンが予期されるサージから１０％に設定された場合、再配置されたマージンは、検出されたサージから１０％であるようにしてＴ２で設定される。サージパラメータが予期されるサージ値の１．１倍の初期値を有するときにサージ現象が発生していると仮定すると、新しいサージマージンを設定した後、Ｔ２の後に、システムは予期されるサージ値の１．２１倍ものサージパラメータなどで動作し、流れに関しては、初期値の１．１倍で動作する（流れはパラメータの平方根に比例する）。図１５の線１０９５は再配置警告信号を示す。
【００６３】
上述の例示的実施形態は、時間単位での吐出圧力のパターンの認識および監視に基づいて、サージ現象の特定を向上させる。サージ現象が、例えば耐サージバルブの状態を変化させて圧縮機を通る流体流を変更することによって克服されると、サージマージンは、サージ現象の再発生を回避するように修正される。
【００６４】
したがって、サージ現象が発生した場合、実施形態は、システムをトリップさせることに加えてさらなる可能な応答を提供する。さらに、サージ現象の観察に基づいて格納された情報（例えば、格納値）は、システム動作を向上させるため、パラメータ（例えば、サージマージン）を調節するのに使用される。したがって、システムをトリップさせることしかできなかった従来のサージ検出と比較して、様々な実施形態によるサージ検出は、サージ現象の発生を防ぐことを目的とする、システムを動作させる方式の実質的な変化（すなわち、サージマージンの変化）のきっかけとなってもよい。
【００６５】
開示される例示的実施形態は、サージ現象を検出し、サージ現象中の吐出圧力のパターンを監視し、続いてサージマージンを再配置するデバイスおよび方法を提供する。本明細書は本発明を限定しようとするものではないことを理解されたい。それとは逆に、例示的実施形態は、添付の請求項によって定義されるような本発明の趣旨および範囲内に含まれる、代案、修正、および等価物を包含するものとする。さらに、例示的実施形態の詳細な記載では、請求される本発明の包括的な理解のため、多数の特定の詳細が記述される。しかし、当業者であれば、様々な実施形態はそのような特定の詳細を伴わずに実施されてもよいことを理解するであろう。
【００６６】
本発明の例示的実施形態の特徴および要素は、特定の組み合わせで実施形態に記載されるが、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素を伴わずに単独で、または本明細書に開示される他の特徴および要素を伴う、もしくは伴わない様々な組み合わせで使用することができる。
【００６７】
本明細書は、開示される主題の実施例を使用して、あらゆるデバイスまたはシステムの作成および使用ならびにあらゆる組み込まれた方法の実施を含めて、当業者が当該主題を実施することを可能にする。特許性のある主題の範囲は請求項によって定義され、当業者には想起される他の実施例を含んでもよい。他のそのような実施例は請求項の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００６８】
４００  システム
４１０  エキスパンダ
４２０  圧縮機
４３０  耐サージ流れ再循環ループ
４３２  出力
４３４  入力
４４０  コントローラ
４５０  再循環バルブ
４６０  ガス冷却機
４７０  流量測定要素
【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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【図７】
2012052542.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2012052542.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
2012052542000001.pdf