(57)【要約】【課題】磁気軸受の制御の追従性が良好な採掘ガス圧縮機の軸受システムを提供する。【解決手段】採掘ガス圧縮機の軸受システムは、採掘ガスを昇圧するための圧縮機の軸受システムであり、前記圧縮機の回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させるための磁力生成部を含むスラスト磁気軸受と、前記スラスト磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出するための変位センサと、前記変位センサの検出結果に基づいて、前記磁力生成部を制御して前記磁力を調節するように構成されたコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記変位センサによる検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、フィードバック指令値を算出するための指令値算出部と、前記圧縮機の入口上流側における前記採掘ガスの状態量に基づいて前記フィードバック指令値の補正量を算出するための補正量算出部と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の軸受システムであり、
前記圧縮機の回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させるための磁力生成部を含むスラスト磁気軸受と、
前記スラスト磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出するための変位センサと、
前記変位センサの検出結果に基づいて、前記磁力生成部を制御して前記磁力を調節するように構成されたコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記変位センサによる検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、フィードバック指令値を算出するための指令値算出部と、
前記圧縮機の入口上流側における前記採掘ガスの状態量に基づいて前記フィードバック指令値の補正量を算出するための補正量算出部と、
を含む
ことを特徴とする採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項２】
前記採掘ガスの前記状態量は、前記採掘ガスの密度又は前記採掘ガスの圧力の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項３】
前記圧縮機は、前記圧縮機の上流側に設けられた気液分離器を通過した前記採掘ガスの気体成分を圧縮するように構成され、
前記補正量算出部は、前記気液分離器と前記圧縮機との間における前記気体成分の前記状態量に基づいて前記補正量を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記気液分離器の上流側にて前記採掘ガスが採掘される採掘現場と、前記気液分離器との間における前記採掘ガスの状態量の変化速度が規定範囲内であるとき、前記フィードバック指令値を前記磁力生成部に対して出力し、
前記採掘現場と前記気液分離器との間における前記採掘ガスの前記状態量の前記変化速度が前記規定範囲外のとき、前記フィードバック指令値を前記補正量によって補正して得た補正指令値を前記磁力生成部に対して出力する
ように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項５】
採掘ガスを昇圧するための圧縮機と、
前記圧縮機の回転軸を支持するように構成された請求項１乃至４の何れか一項に記載の軸受システムと、を備えることを特徴とする採掘ガス圧縮システム。
【請求項６】
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の磁気軸受の制御方法であって、
前記圧縮機は、前記圧縮機の回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させるための磁力生成部を含むスラスト磁気軸受を備え、
前記スラスト磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出する変位検出ステップと、
前記変位検出ステップで検出された前記相対変位に基づいて、前記磁力生成部を制御して前記磁力を調節する制御ステップと、を備え、
前記制御ステップは、
前記変位検出ステップにおいて検出された前記相対変位と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、フィードバック指令値を算出するフィードバック指令値算出ステップと、
前記圧縮機の入口上流側における前記採掘ガスの状態量に基づいて前記フィードバック指令値の補正量を算出する補正量算出ステップと、を含む
ことを特徴とする採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法。
【請求項７】
前記採掘ガスの前記状態量は、前記採掘ガスの密度又は前記採掘ガスの圧力の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項６に記載の採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法。
【請求項８】
前記圧縮機の上流側に設けられた気液分離器により前記採掘ガスを気体部分と液体部分とに分離する気液分離ステップをさらに備え、
前記補正量算出ステップでは、前記気液分離ステップで分離された前記気体成分の前記圧縮機の入口上流側における前記状態量に基づいて前記補正量を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法。
【請求項９】
前記制御ステップは、前記磁力生成部に対して指令値を出力する指令値出力ステップをさらに含み、
前記指令値出力ステップでは、
前記気液分離器の上流側にて前記採掘ガスが採掘される採掘現場と、前記気液分離器との間における前記採掘ガスの状態量の変化速度が規定範囲内であるとき、前記フィードバック指令値算出ステップで算出された前記フィードバック指令値を前記指令値として前記磁力生成部に対して出力し、
前記採掘現場と前記気液分離器との間における前記採掘ガスの前記状態量の前記変化速度が前記規定範囲外のとき、前記フィードバック指令値算出ステップで算出された前記フィードバック指令値を前記補正量算出ステップで算出された前記補正量によって補正して得た補正指令値を前記指令値として前記磁力生成部に対して出力する
ように構成されたことを特徴とする請求項８に記載の採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、採掘ガス圧縮機の軸受システム及び採掘ガス圧縮システム並びに採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受によって回転軸が支持される回転機械では、通常、回転軸を非接触支持するために生成する磁力を調節するために、回転軸の変位に基づくフィードバック制御が行われる。
例えば、特許文献１には、磁性体で構成させるロータを、電磁石の吸引力を利用して非接触支持する磁気軸受装置が記載されている。この磁気軸受装置では、変位センサによって検出されたロータの変位量と目標値との偏差に基づいて励磁電流値が演算されて、その演算結果に基づいて磁気軸受部の電磁石のコイルに励磁電流を与えることで、ロータを非接触支持するための磁力が調節されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４９２９２０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、圧縮機においては、圧縮対象の流体の状態量（例えば密度）が変化すると、圧縮機の回転軸に作用する流体スラスト力が変化する。スラスト軸受として磁気軸受が用いられる場合、このような流体スラスト力の変化が生じた場合には、該流体スラスト力の変化により生じる回転軸の変位に基づいて、上述したようなフィードバック制御により、回転軸に作用させる磁力（軸受反力）を適切に調節できる場合がある。しかしながら、圧縮対象の流体が天然ガスなどの採掘ガスである場合、流体の状態量に変化が生じやすく、圧縮機の回転軸に作用する流体スラスト力の変化が急激となることがある。この場合、磁気軸受の制御の追従性が十分でなく、回転体と回転体の周囲の部材（電磁石等）とが接触するおそれがある。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、磁気軸受の制御の追従性が良好な採掘ガス圧縮機の軸受システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムは、
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の軸受システムであり、
前記圧縮機の回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させるための磁力生成部を含むスラスト磁気軸受と、
前記スラスト磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出するための変位センサと、
前記変位センサの検出結果に基づいて、前記磁力生成部を制御して前記磁力を調節するように構成されたコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記変位センサによる検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、フィードバック指令値を算出するための指令値算出部と、
前記圧縮機の入口上流側における前記採掘ガスの状態量に基づいて前記フィードバック指令値の補正量を算出するための補正量算出部と、
を含む。
【０００７】
上記（１）の構成によれば、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック指令値を、圧縮機入口上流側における採掘ガスの状態量に基づいて補正する。すなわち、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック制御において、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による流体スラスト力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮するので、フィードバック指令値を補正しない場合に比べて、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記採掘ガスの前記状態量は、前記採掘ガスの密度又は前記採掘ガスの圧力の少なくとも一方を含む。
圧縮機に導入される採掘ガスの密度または圧力に応じて、圧縮機の回転軸に作用する流体スラスト力は変化する。上記（２）の構成によれば、採掘ガスの密度又は圧力に応じてフィードバック指令値の補正量を算出するので、適切な補正量を算出することができる。このため、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【０００９】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記圧縮機は、前記圧縮機の上流側に設けられた気液分離器を通過した前記採掘ガスの気体成分を圧縮するように構成され、
前記補正量算出部は、前記気液分離器と前記圧縮機との間における前記気体成分の前記状態量に基づいて前記補正量を算出するように構成される。
採掘現場にて採掘された採掘ガスは、気体成分と液体成分が混合した気液混合流体である場合がある。上記（３）の構成によれば、採掘ガスのうち、圧縮機に導入されて、回転軸に作用する流体スラスト力に影響を及ぼす気体成分の状態量に基づいてフィードバック指令値の補正量を算出するようにしたので、適切な補正量を算出することができる。このため、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１０】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記コントローラは、
前記気液分離器の上流側にて前記採掘ガスが採掘される採掘現場と、前記気液分離器との間における前記採掘ガスの状態量の変化速度が規定範囲内であるとき、前記フィードバック指令値を前記磁力生成部に対して出力し、
前記採掘現場と前記気液分離器との間における前記採掘ガスの前記状態量の前記変化速度が前記規定範囲外のとき、前記フィードバック指令値を前記補正量によって補正して得た補正指令値を前記磁力生成部に対して出力する
ように構成される。
上記（４）の構成によれば、比較的採掘現場に近い位置における採掘ガスの状態量の変化速度が比較的大きいときにのみ、フィードバック指令値を気体成分の状態量に基づいて補正した補正指令値が磁力生成部に与えられるとともに、採掘ガスの状態量の変化速度が比較的小さいときには、補正されないフィードバック指令値が磁力生成部に与えられる。このように、採掘ガスの状態量の変化速度に応じて、磁力生成部に与える指令値としてフィードバック指令値又は補正指令値の何れかを選択することで、フィードバック制御だけでは磁気軸受の制御の追従性が十分でなくフィードバック指令値の補正が必要な場合に限って、フィードバック指令値の補正を有効化することができる。
【００１１】
（５）本発明の少なくとも一実施形態に係る採掘ガス圧縮システムは、
採掘ガスを昇圧するための圧縮機と、
前記圧縮機の回転軸を支持するように構成された前記（１）〜（４）の何れかの構成の軸受システムと、を備える。
【００１２】
上記（５）の構成によれば、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック指令値を、圧縮機入口上流側における採掘ガスの状態量に基づいて補正する。すなわち、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック制御において、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による流体スラスト力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮するので、フィードバック指令値を補正しない場合に比べて、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１３】
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る採掘ガスの磁気軸受制御方法は、
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の磁気軸受の制御方法であって、
前記圧縮機は、前記圧縮機の回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させるための磁力生成部を含むスラスト磁気軸受を備え、
前記スラスト磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出する変位検出ステップと、
前記変位検出ステップで検出された前記相対変位に基づいて、前記磁力生成部を制御して前記磁力を調節する制御ステップと、を備え、
前記制御ステップは、
前記変位検出ステップにおいて検出された前記相対変位と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、フィードバック指令値を算出するフィードバック指令値算出ステップと、
前記圧縮機の入口上流側における前記採掘ガスの状態量に基づいて前記フィードバック指令値の補正量を算出する補正量算出ステップと、を含む。
【００１４】
上記（６）の方法によれば、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック指令値を、圧縮機入口上流側における採掘ガスの状態量に基づいて補正する。すなわち、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック制御において、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による流体スラスト力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮するので、フィードバック指令値を補正しない場合に比べて、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１５】
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の方法において、前記採掘ガスの前記状態量は、前記採掘ガスの密度又は前記採掘ガスの圧力の少なくとも一方を含む。
圧縮機に導入される採掘ガスの密度または圧力に応じて、圧縮機の回転軸に作用する流体スラスト力は変化する。上記（７）の方法によれば、採掘ガスの密度又は圧力に応じてフィードバック指令値の補正量を算出するので、適切な補正量を算出することができる。このため、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１６】
（８）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）の方法において、
前記圧縮機の上流側に設けられた気液分離器により前記採掘ガスを気体部分と液体部分とに分離する気液分離ステップをさらに備え、
前記補正量算出ステップでは、前記気液分離ステップで分離された前記気体成分の前記圧縮機の入口上流側における前記状態量に基づいて前記補正量を算出する。
採掘現場にて採掘された採掘ガスは、気体成分と液体成分が混合した気液混合流体である場合がある。上記（８）の方法によれば、採掘ガスのうち、圧縮機に導入されて、回転軸に作用する流体スラスト力に影響を及ぼす気体成分の状態量に基づいてフィードバック指令値の補正量を算出するようにしたので、適切な補正量を算出することができる。このため、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１７】
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、
前記制御ステップは、前記磁力生成部に対して指令値を出力する指令値出力ステップをさらに含み、
前記指令値出力ステップでは、
前記気液分離器の上流側にて前記採掘ガスが採掘される採掘現場と、前記気液分離器との間における前記採掘ガスの状態量の変化速度が規定範囲内であるとき、前記フィードバック指令値算出ステップで算出された前記フィードバック指令値を前記指令値として前記磁力生成部に対して出力し、
前記採掘現場と前記気液分離器との間における前記採掘ガスの前記状態量の前記変化速度が前記規定範囲外のとき、前記フィードバック指令値算出ステップで算出された前記フィードバック指令値を前記補正量算出ステップで算出された前記補正量によって補正して得た補正指令値を前記指令値として前記磁力生成部に対して出力する
ように構成される。
上記（９）の方法によれば、比較的採掘現場に近い位置における採掘ガスの状態量の変化速度が比較的大きいときにのみ、フィードバック指令値を気体成分の状態量に基づいて補正した補正指令値が磁力生成部に与えられるとともに、採掘ガスの状態量の変化速度が比較的小さいときには、補正されないフィードバック指令値が磁力生成部に与えられる。このように、採掘ガスの状態量の変化速度に応じて、磁力生成部に与える指令値としてフィードバック指令値又は補正指令値の何れかを選択することで、フィードバック制御だけでは磁気軸受の制御の追従性が十分でなくフィードバック指令値の補正が必要な場合に限って、フィードバック指令値の補正を有効化することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、磁気軸受の制御の追従性が良好な採掘ガス圧縮機の軸受システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一実施形態に係る採掘ガス圧縮システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】一実施形態に係る圧縮機の構成を示す概略図である。
【図３】一実施形態に係るコントローラの構成を示す図である。
【図４】一実施形態に係る採掘ガスの磁気軸受の制御フロー図である。
【図５】一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムのブロック線図である。
【図６】回転軸に作用するスラスト力を説明するための図である。
【図７】一実施形態に係る採掘ガスの磁気軸受の制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
図１は、一実施形態に係る採掘ガス圧縮システムの全体構成を示す概略図であり、図２は、一実施形態に係る圧縮機の構成を示す概略図である。図１に示すように、採掘ガス圧縮システム１は、採掘現場２６で採掘された採掘ガスを昇圧するための圧縮機４と、圧縮機４の回転軸３を支持するように構成された軸受システム２と、を備える。圧縮機４で圧縮する採掘ガスは、採掘現場２６にて、地下や海底に存在する資源層２８（例えばガス層や油層等）から採掘される。圧縮機４の上流側には気液分離器２４が設けられており、採掘現場２６で採掘された採掘ガスは気液分離器２４にて気体成分と液体成分とに分離される。圧縮機４には、気液分離器２４で分離された気体成分が供給されて、この気体成分が圧縮機４によって昇圧されるようになっている。
【００２２】
図２に示すように、圧縮機４は、回転軸３と、回転軸３に取り付けられたインペラ５と、回転軸３及びインペラ５を収容するとともにガスを流す流路３８を形成するケーシング３２と、を含む。回転軸３は、中心軸Ｏの周りを回転可能にラジアル磁気軸受１０（１０Ａ，１０Ｂ）及びスラスト磁気軸受６によって支持される。また、ケーシング３２には、気体を圧縮機４に導入するための入口３４及び気体を圧縮機４の外部に排出するための出口３６が設けられる。
圧縮機４の入口３４から流入したガスは、回転軸３とともに回転するインペラ５を通過する際に遠心力により昇圧されて、出口３６から圧縮機４の外部に排出される。なお、圧縮機の入口３４及び出口３６は、ケーシング３２に形成される。
【００２３】
回転軸３を支持するための軸受システム２（図１及び図２参照）は、磁力によって回転軸３を支持するように構成されたスラスト磁気軸受６と、スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位を検出するための変位センサ２２と、磁力を調節するためのコントローラ１００とを備える。
【００２４】
スラスト磁気軸受６は、圧縮機４の回転軸３に設けられたスラストカラー８に対して磁力を作用させるための磁力生成部９を含む。
磁力生成部９は、スラストカラー８の側方に設けられる電磁石（７ａ，７ｂ）と、電磁石（７ａ，７ｂ）を駆動するための電磁石ドライバ（不図示）とを含む。電磁石ドライバによって電磁石（７ａ，７ｂ）のコイルに通電すると、電磁石（７ａ，７ｂ）が励磁されて電磁力が生じ、磁性体であるスラストカラー８に吸引力を作用させて、電磁石とスラストカラー８との間にギャップが形成されるようにスラストカラー８を浮上させる。このように、スラスト磁気軸受６は、回転軸３に設けられたスラストカラー８に対して磁力を作用させて回転軸３のスラスト荷重を受けるように構成される。
【００２５】
変位センサ２２は、スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位（すなわち、回転軸３の軸方向における変位、又は、スラストカラー８と電磁石（７ａ，７ｂ）との間のギャップの変化量）を検出するように構成される。
【００２６】
コントローラ１００は、変位センサ２２の検出結果に基づいて磁力生成部９を制御して、スラストカラー８に作用させる磁力を調節するように構成される。図３は、一実施形態に係るコントローラの構成を示す図である。図３に示すように、コントローラ１００は、フィードバック指令値を算出するための指令値算出部１１０と、指令値算出部１１０で算出されたフィードバック指令値の補正量を算出するための補正量算出部１２０と、を備える。
【００２７】
図４は、一実施形態に係る採掘ガスの磁気軸受の制御フロー図である。図４の制御フロー図に沿って、一実施形態に係る採掘ガスの磁気軸受の制御の概要について説明する。
まず、スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位を変位センサ２２を用いて検出する（Ｓ２）。そして、指令値算出部１１０により、Ｓ２で検出されたスラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位と、該相対変位の目標値との偏差に基づいて、スラストカラー８に対して作用させる磁力をフィードバック制御するためのフィードバック指令値を算出する（Ｓ４）。次に、圧縮機４の入口３４の上流側において状態量センサ９２で取得された採掘ガスの状態量に基づいて、Ｓ４で算出されたフィードバック指令値の補正量を算出する（Ｓ６）。そして、Ｓ４で算出されたフィードバック指令値をＳ６で算出された補正量によって補正して得られる補正指令値を磁力生成部９に対して出力することによって、スラストカラー８に作用させる磁力を調節する（Ｓ８）。
【００２８】
図５は、一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムのブロック線図である。以下、図５を参照して、一実施形態に係る採掘ガスの磁気軸受の制御についてより詳細に説明する。
【００２９】
図５に示す実施形態において、変位センサ２２から出力される検出信号（スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位を示す検出信号）は、コントローラ１００に送られる。コントローラ１００は、上述した指令値算出部１１０と補正量算出部１２０のほかに、ノイズカットフィルタ１３２と位相補償フィルタ１３６とを含む。
【００３０】
ノイズカットフィルタ１３２は、変位センサ２２から出力される検出信号におけるノイズを低減又は除去するためのものである。
また、位相補償フィルタ１３６は、必要に応じて（例えば、指令値算出部１１０にて微分要素に関する演算を行わない場合に）、位相補償を行なって固有振動数に対応する不安定化力を減衰させるものである。
【００３１】
指令値算出部１１０は、変位センサ２２から出力されてノイズカットフィルタ１３２を通過した検出信号を受け取って、この検出信号の示すスラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位と、該相対変位の目標値との偏差に基づいて、フィードバック指令値を算出する。そして、指令値算出部１１０は、算出したフィードバック指令値を制御信号として出力する。
指令値算出部１１０によって算出されるフィードバック指令値は、スラストカラー８に対して作用させる磁力をフィードバック制御するために磁力生成部９に与える指令値である。一実施形態では、該フィードバック指令値は、電磁石ドライバ１８から電磁石７のコイルに与えられる励磁電流の指令値である。他の実施形態では、該フィードバック指令値は、電磁石ドライバ１８によって電磁石７のコイルに与えられる電圧の指令値であり、あるいは、電磁石ドライバ１８によって電磁石７のコイルに通電することによって生じる磁力の指令値である。
【００３２】
指令値算出部１１０から出力されて、必要に応じて位相補償フィルタ２３を経た制御信号は、スラスト磁気軸受６の電磁石７を駆動する電磁石ドライバ１８に供給される。そして、この電磁石ドライバ１８によって電磁石７のコイルが励磁されることによって電磁石７から回転軸３に作用する磁力（支持力）が調整される。
その後、上述の制御や外力により生じるスラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位は変位センサ２２により再度検出され、その変位量に基づき電磁石７のコイル（磁力生成部９）に対して供給する励磁電流値を再演算して調整するというフィードバック制御により、スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位を目標値にするようにしている。なお、図１において符号３で示すものは、入力されたスラスト磁気軸受６の支持力に対して変位する回転軸３を制御系の一要素（質量に生じる加速度に対応する伝達関数）として模式的に示したブロックである。
【００３３】
上述の指令値算出部１１０は、変位センサ２２によって検出されたスラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位と、該相対変位の目標値との偏差に基づいて、該偏差に比例した動作を演算する比例要素（Ｐ）、該偏差の時間積分に比例した動作を演算する積分要素（Ｉ）、及び、該偏差の時間的変化に比例した動作を演算する微分要素（Ｄ）を求め、これら要素と予め設定しておいたプロセス式とから、電磁石７のコイル（磁力生成部９）に対して供給する励磁電流値（フィードバック指令値）を算出する。
また、指令値算出部１１０では、比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）、微分要素（Ｄ）の制御定数であるゲイン（Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ）がそれぞれ設定されており、このゲインの設定値によって制御系の位相を調整して応答性を上げる又は下げることができる。
【００３４】
補正量算出部１２は、圧縮機４の入口３４の上流側において状態量センサ９２によって検出される採掘ガスの状態量（図１に示すように、気液分離器２４を通過した採掘ガスが圧縮機４に導入される場合には、気体成分の状態量）に基づいてフィードバック指令値の補正量を算出する。指令値算出部１１０において算出されたフィードバック指令値は、補正量算出部１２０で算出される補正量によって補正されて、補正されたフィードバック指令値（補正指令値）として磁力生成部９に出力される。
ここで、採掘ガスの状態量とは、その変化によってスラスト力に影響を及ぼす状態量のことであり、例えば、採掘ガスの密度又は圧力の少なくとも一方である。なお、以下の説明において、「採掘ガス」又は「気体成分」を単に「ガス」と記載することもある。
【００３５】
補正量算出部１２０では、圧縮機４の入口３４の上流側のガスの状態量から、圧縮機４の回転軸に作用するスラスト力を推定する。そして、状態量センサ９２によって検出されるガスの状態量が急変し、これによってスラスト力が大きく変動すると推定される場合に、スラスト力の変動に対応する補正量を算出して、これをスラスト力補正信号として指令値算出部１１０での積分器出力に印加する。このようにして、ガスの状態量の変化に起因するスラスト力の変動による回転軸３の応答を低減させる。
【００３６】
ここで、採掘ガスの密度又は圧力によって回転軸３に作用するスラスト力が変動することについて説明する。図６は、回転軸３に作用するスラスト力を説明するための図であり、図６（ａ）（ｂ）には、圧縮機４の部分的な断面図が示されている。図６（ａ）において、Ａ１は圧縮機４の入口側領域及び入口側面積を示し、Ａ３は圧縮機４の出口側領域を示す。また、Ａ２は、圧縮機４の入口側領域Ａ１と出口側領域Ａ３とを接続する部分の領域を示す。図６（ａ）に示すシール（４２，４４）により、入口側領域Ａ１と出口側領域Ａ３との間には差圧が発生する。また、領域Ａ２における圧力は、出口側領域Ａ３の圧力と等しくなる。ここで、圧縮機４の入口圧力をＰｓ、圧縮機４の出口圧力をＰｄとすると、図６（ｂ）からわかるように、回転軸３に作用するスラスト力Ｆは、圧縮機４の入口側面積Ａ１を用いて、Ｆ＝Ａ１×（Ｐｄ−Ｐｓ）で表すことができる。ここで、圧縮機４の出口圧力Ｐｄ［ｋｇｆ／ｃｍ２Ａ］は、圧縮機４の入口圧力Ｐｓを用いて下記式で表される。
【数１】
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ただし、上記式において、ｎ：ガスのポリトロープ指数、Ｈｐ：ガスのポリトロープヘッド、ＺＳ：圧縮機出口におけるガスの圧縮係数、Ｒ：ガス定数＝８４７．８／ｍ［ｋｇｆ・ｍ／ｋｇｆ・Ｋ］、ｍ：ガスの分子量、ＴＳ：圧縮機の出口温度、である。
上記式からわかるように、Ｈｐ、Ｚｓ、及びＴｓが一定であるとみなせば、圧縮機４の出口圧力Ｐｄは、圧縮機４の機入口圧力Ｐｓとガス定数Ｒの関数であり、すなわち、回転軸３に作用するスラスト力は、圧縮機４の入口圧力Ｐｓと、ガス定数Ｒの関数であることがわかる。
ここで、ガス定数Ｒは、ガスの分子量ｍの関数である。ガスの分子量ｍは、圧縮機の上流のガスの密度及び圧力から算出できる。つまり、圧縮機４の回転軸３には、圧縮機４の入口３４から流入するガスの密度及び圧力に応じたスラスト力が作用する。よって、圧縮機４の上流におけるガスの密度及び圧縮機上流側の圧力（≒圧縮機入口圧力Ｐｓ）は、回転軸３に作用するスラスト力の指標となる。
【００３７】
よって、上述のように、指令値算出部１１０で算出されるフィードバック指令値を、圧縮機４の入口上流側における採掘ガスの状態量に基づいて補正することで、スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位に基づくフィードバック制御において、圧縮機４に実際に流入する前の採掘ガスの状態量（例えば、密度又は圧力の少なくとも一方）の変化による流体スラスト力の変化を当該採掘ガスの圧縮機４への到達に先立って考慮することができる。これにより、フィードバック指令値を補正しない場合に比べて、スラスト磁気軸受６の制御の追従性が良好となる。
【００３８】
一実施形態では、気液分離器２４よりも上流側に設けられた上流側状態量センサ９４（図１参照）によって、採掘現場２６と気液分離器２４との間における採掘ガスの状態量（すなわち、気液分離器２４で気体成分と液体成分に分離される前の状態での状態量）を検出し、この状態量の変化速度に基づいて、コントローラ１００から磁力生成部９に出力される指令値を決定してもよい。より具体的には、該状態量の変化速度が規定範囲内であり、比較的小さい場合には、指令値算出部１１０で算出されたフィードバック指令値を磁力生成部９に出力し、該状態量の変化速度が規定範囲外であり、比較的大きい場合には、指令値算出部１１０で算出されたフィードバック指令値を、補正量算出部１２０で算出した補正量によって補正した補正指令値を磁力生成部９に出力するようにしてもよい。
この場合、比較的採掘現場２６に近い位置における採掘ガスの状態量の変化速度に応じて、磁力生成部９に与える指令値としてフィードバック指令値又は補正指令値の何れかを選択することで、フィードバック制御だけでは磁気軸受の制御の追従性が十分でなくフィードバック指令値の補正が必要な場合に限って、フィードバック指令値の補正を有効化することができる。
【００３９】
図７は、上述の実施形態に係る採掘ガスの磁気軸受の制御フロー図である。この制御フローでは、まず、スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位を変位センサ２２を用いて検出する（Ｓ１２）。そして、指令値算出部１１０により、Ｓ１２で検出されたスラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位と、該相対変位の目標値との偏差に基づいて、スラストカラー８に対して作用させる磁力をフィードバック制御するためのフィードバック指令値を算出する（Ｓ１４）。次に、圧縮機４の入口３４の上流側において状態量センサ９２で取得された採掘ガスの状態量に基づいて、Ｓ１４で算出されたフィードバック指令値の補正量を算出する（Ｓ１６）。
【００４０】
次に、気液分離器２４よりも上流側に設けられた上流側状態量センサ９４で取得された採掘ガスの状態量の変化速度が規定範囲内であるか否かを判定する（Ｓ１８）。Ｓ１８において変化速度が規定範囲内であれば（Ｓ１８のＹＥＳ）、Ｓ１４で算出されたフィードバック指令値を磁力生成部９に対して出力することによって、スラストカラー８に作用させる磁力を調節する（Ｓ２０Ａ）。また、Ｓ１８において変化速度が規定範囲外であれば（Ｓ１８のＮＯ）、Ｓ１４で算出されたフィードバック指令値をＳ１６で算出された補正量によって補正して得られる補正指令値を磁力生成部９に対して出力することによって、スラストカラー８に作用させる磁力を調節する（Ｓ２０Ｂ）。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００４２】
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００４３】
１        採掘ガス圧縮システム
２        軸受システム
３        回転軸
４        圧縮機
５        インペラ
６        スラスト磁気軸受
７        電磁石
８        スラストカラー
９        磁力生成部
１０      ラジアル磁気軸受
１２      補正量算出部
１８      電磁石ドライバ
２２      変位センサ
２３      位相補償フィルタ
２４      気液分離器
２６      採掘現場
２８      資源層
３２      ケーシング
３４      入口
３６      出口
３８      流路
９２      状態量センサ
９４      上流側状態量センサ
１００    コントローラ
１１０    指令値算出部
１２０    補正量算出部
１３２    ノイズカットフィルタ
１３６    位相補償フィルタ
【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】
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