(57)【要約】サージを防止するためにターボ圧縮機を調整する方法について説明する。本方法は、ターボ圧縮機２１の少なくとも１つのサージ限界線（ＳＬＬ）を提供するステップと、ターボ圧縮機２１の補正速度（Ｎｃ）の実際の値を連続的に決定するステップと、補正速度の実際の値に対応して、サージ限界線上の少なくとも最大許容圧力比（ＰＲｍａｘ）を連続的に決定するステップと、実際の圧力比（ＰＲ）を連続的に決定するステップと、実際の圧力比が最大許容圧力比以上である場合にアンチサージ構成を作動させるステップと、を含む。【選択図】図５
2016514789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サージを防止するためにターボ圧縮機（２１）を調整する方法であって、
前記ターボ圧縮機（２１）の少なくとも１つのサージ限界線（ＳＬＬ）および／または少なくとも１つのチョーク線（ＣＬＬ）を提供するステップと、
圧縮機入口における処理ガス温度（Ｔｓ）、前記圧縮機（２１）の回転速度（Ｎ）、ならびに吐出圧力値および吸込圧力値（Ｐｄ、Ｐｓ）を測定する、前記圧縮機（２１）の動作点を連続的に決定するステップと、
比率
【数１】
2016514789.tif 000009
に比例する補正速度（Ｎｃ）である前記ターボ圧縮機（２１）の補正速度（Ｎｃ）の実際の値を連続的に決定するステップと、
前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値に対応する、少なくとも前記サージ限界線（ＳＬＬ）上の最大許容圧力比（ＰＲｍａｘ）および／または少なくとも前記チョーク線（ＣＬＬ）上の最小許容圧力比（ＰＲｍｉｎ）を連続的に決定するステップと、
吐出圧力と吸込圧力との比（Ｐｄ／Ｐｓ）に等しい実際の圧力比（ＰＲ）を連続的に決定するステップと、
前記実際の圧力比（ＰＲ）が前記最大許容圧力比（ＰＲｍａｘ）以上であるか、または前記最小許容圧力比（ＰＲｍｉｎ）以下である場合には、吸込ライン（２５）を通して前記圧縮機（２１）の前記圧縮ガスの一部を再循環させるために、アンチサージ構成（３５）を作動させるステップと、を含む方法。
【請求項２】
次式で定義されるサージパラメータを算出するステップをさらに含み、
【数２】
2016514789.tif 000010
ここで、
ＰＲｍａｘは、前記最大許容圧力比であり、
ＰＲは、前記実際の圧力比であり、
前記アンチサージ構成（３５）を制御するために前記サージパラメータを用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
次式で定義されるチョークパラメータを算出するステップをさらに含み、
【数３】
2016514789.tif 000011
ここで、
ＰＲｍｉｎは、前記最小許容圧力比であり、
ＰＲは、前記実際の圧力比であり、
アンチチョーク構成を制御するために前記チョークパラメータを用いる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ターボ圧縮機（２１）の少なくとも１つの最大許容補正速度（Ｎｃｍａｘ）および少なくとも１つの最小許容補正速度（Ｎｃｍｉｎ）を提供するステップと、
前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値が前記最大許容補正速度（Ｎｃｍａｘ）より高い場合には、前記圧縮機（２１）の前記回転速度（Ｎ）を減少させるステップと、
前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値が前記最小許容補正速度（Ｎｃｍｉｎ）より低い場合には、前記圧縮機（２１）の前記回転速度（Ｎ）を増加させるステップと、をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ターボ圧縮機（２１）の前記入口に可変静翼（５１）を設けるステップと、
前記可変静翼（ＶＳＶ）（５１）の位置を表すパラメータを決定するステップと、
各々が前記可変静翼（５１）のそれぞれの位置に対応する、複数のサージ限界線（ＳＬＬ）および／または複数のチョーク線（ＣＬＬ）の中から、前記パラメータの関数として前記サージ限界線（ＳＬＬ）および／または前記チョーク線（ＣＬＬ）を選択するステップと、をさらに含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記可変静翼（ＶＳＶ）（５１）の前記位置に対応する、最大許容補正速度（Ｎｃｍａｘ）および最小許容補正速度（Ｎｃｍｉｎ）を設定するステップと、
前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値が前記最大許容補正速度（Ｎｃｍａｘ）より高い場合、または、前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値が前記最小許容補正速度（Ｎｃｍｉｎ）より低い場合には、前記可変静翼（５１）を作動させるステップと、をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ターボ圧縮機（２１）に入るガスの種類を検出する前記先行するステップをさらに含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つの圧縮機（２１）を含む圧縮システムのためのアンチサージ制御を提供する装置であって、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法を実行するために配置され構成される装置。
【請求項９】
少なくとも１つの圧縮機（２１）を含む圧縮システムのためのアンチサージ制御を提供する装置（３７）であって、前記装置（３７）は、
前記ターボ圧縮機（２１）の少なくとも１つのサージ限界線（ＳＬＬ）および／または少なくとも１つのチョーク線（ＣＬＬ）を定義するデータを格納するデータ記憶装置（３８）と、
前記圧縮機（２１）の動作点を連続的に決定するための構成であって、圧縮機入口における処理ガス温度（Ｔｓ）を測定するための温度センサ（４１）と、前記圧縮機（２１）の回転速度（Ｎ）を測定するための回転速度センサと、吐出圧力値および吸込圧力値（Ｐｄ、Ｐｓ）を測定するための圧力センサ（４３、４５）と、を含む構成と、
比率
【数４】
2016514789.tif 000012
に比例する補正速度（Ｎｃ）である前記ターボ圧縮機（２１）の補正速度（Ｎｃ）の実際の値を連続的に決定するための構成と、
前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値に対応する、少なくとも前記サージ限界線（ＳＬＬ）上の最大許容圧力比（ＰＲｍａｘ）および／または少なくとも前記チョーク線（ＣＬＬ）上の最小許容圧力比（ＰＲｍｉｎ）を連続的に決定するための構成と、
吐出圧力と吸込圧力との比（Ｐｄ／Ｐｓ）に等しい実際の圧力比（ＰＲ）を連続的に決定するための構成と、
吸込ライン（２５）を通して前記圧縮機（２１）の前記圧縮ガスの一部を再循環させるためのアンチサージ構成（３５）であって、前記実際の圧力比（ＰＲ）が前記最大許容圧力比（ＰＲｍａｘ）以上であるか、または前記最小許容圧力比（ＰＲｍｉｎ）以下である場合に作動するアンチサージ構成（３５）と、を含む装置（３７）。
【請求項１０】
次式で定義されるサージパラメータを算出するための装置をさらに含み、
【数５】
2016514789.tif 000013
ここで、
ＰＲｍａｘは最大許容圧力比であり、
ＰＲは、前記実際の圧力比である、請求項９に記載の装置（３７）。
【請求項１１】
次式で定義されるチョークパラメータを算出するための装置をさらに含み、
【数６】
2016514789.tif 000014
ここで、
ＰＲｍｉｎは、前記最小許容圧力比であり、
ＰＲは、前記実際の圧力比である、請求項９または請求項１０に記載の装置（３７）。
【請求項１２】
前記記憶装置（３８）は、前記圧縮機（２１）の少なくとも１つの最大許容補正速度（Ｎｃｍａｘ）および少なくとも１つの最小許容補正速度（Ｎｃｍｉｎ）を定義するデータを格納し、  速度制御装置が設けられ、前記速度制御装置は、前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値が前記最大許容補正速度（Ｎｃｍａｘ）より高い場合には、前記圧縮機（２１）の前記回転速度（Ｎ）が減少し、前記補正速度（Ｎｃ）の前記実際の値が前記最小許容補正速度（Ｎｃｍｉｎ）より低い場合には、前記圧縮機（２１）の前記回転速度（Ｎ）が増加するように、前記圧縮機の回転速度（Ｎ）を制御する、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の装置（３７）。
【請求項１３】
前記圧縮機（２１）の可変静翼（５１）の位置を制御するための作動装置をさらに含み、前記記憶装置（３８）は、前記可変静翼（５１）の複数のそれぞれの位置に対応する複数のサージ限界線（ＳＬＬ）および／またはチョーク線（ＣＬＬ）を定義するデータを格納する、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の装置（３７）。
【請求項１４】
少なくとも１つの圧縮機（２１）を含む圧縮システム、および前記圧縮機（２１）のアンチサージ制御のための、請求項９乃至１３の１項または複数項に記載の装置（３７）。
【請求項１５】
前記ターボ圧縮機（２１）に入るガスの種類を検出するための構成（５０）をさらに含む、請求項１４に記載の圧縮システム。
【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および／または遠心圧縮機を含む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、サージおよびその他の望ましくない運転条件などの動作包絡線外の現象を防止するために圧縮機装置を制御するための方法およびシステムに関する。
【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る作動吸収ターボ機械である。作動流体の圧力は、１つもしくは複数の翼車および／または環状に配置された１つもしくは複数の組のブレードを支持するロータの回転により、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。ガスおよびオイル用途、冷却システム、ガスタービン、ならびに他の用途において、例えば生産サイトから消費者の場所にガスを送るために、天然ガスのパイプライン輸送でターボ圧縮機が頻繁に使用されている。
【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可能性があり、それはターボ機械の重大な損傷を招くおそれのある不安定動作をもたらす。
【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る場合、および／または流量が最小限度を超えて低下した場合に、圧縮機サージが発生する。
【０００５】
一般に、システム抵抗、すなわちシステム全体にわたる落差、急速な流れおよび吐出圧力の減少をもたらす状況を克服するために、圧縮機が作動流体に十分なエネルギーを加えることができない場合にサージ現象が発生する。サージは、高振動、温度上昇および圧縮機のベアリングの軸方向推力の急激な変化を伴うことがあり得る。これらの現象は、圧縮機、ならびに弁および配管などの圧縮機に接続されたシステムの構成要素を激しく損傷するおそれがある。
【０００６】
他の望ましくない動作条件が、ターボ圧縮機の運転中に生じる可能性がある。より具体的には、チョーク（ストーンウォールとも呼ばれる）は、ヘッドの急激な減少、すなわち圧縮比の低下もたらす条件である。非常に高い流量での動作は、圧縮機の性能に悪影響を及ぼし、圧縮機の損傷を招くおそれがある。サージおよびチョーク現象の発生を防止するために、制御システムが開発され、現在ターボ圧縮機設備において使用されている。
【０００７】
図１は、システム１の例示的な実施形態を概略的に示し、システム１は、主原動機５、例えば電動モータによって回転駆動されるターボ圧縮機３、ガスまたは蒸気タービンなどを含む。符号７は吸込ラインを示し、そ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は吐出パイプを示し、圧縮された流体がそれを通って圧縮機３の吐出側から排出される。
【０００８】
図２は、圧縮機性能マップ、典型的には、軸流圧縮機の圧縮機性能マップを概略的に示す。性能マップは、縦軸に圧力比を示し、横軸に入口体積流量を示す。入口の流量を文字Ｑで示す。圧縮機の動作条件、例えば回転速度（ｒｐｍ）に応じて、複数の予想性能曲線を性能マップに記録することができる。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対して、性能曲線のファミリーを性能マップ上に記録することができる。ターボ圧縮機の種々の設定または動作条件について、例えばターボ圧縮機に提供され得る可変静翼（ＶＳＶ）の様々な位置について、類似した曲線ファミリーを描くことができる。各性能曲線は、サージポイント、すなわち圧力比および圧縮機を流れるガス流量がある値に到達し、それを越えるとサージ現象が発生するポイントによって制限される。各性能曲線は、これを超えるとチョーク現象が発生するチョークポイントによってさらに制限される。線ＳＬＬは、いわゆるサージ限界線であって、性能マップに記録された様々な性能曲線のサージポイントによって形成される。線ＣＬＬは、チョーク限界線であって、チョークポイントによって形成される。ＳＬＬ線およびＣＬＬ線は、包絡線、すなわち性能マップの一部分を規定し、その内側では、ターボ圧縮機の安定した運転条件を保証し、サージおよびチョーク条件の両方を防止するように、圧縮機の動作点が維持されなければならない。
【０００９】
したがって、ＳＬＬおよびＣＬＬは、ターボ圧縮機の動作の限界を示しており、サージおよびチョーク現象のリスクを防止するために、それを超えてターボ圧縮機を動作させないようにする。公知の圧縮機システムは、ターボ圧縮機を制御するための制御装置および構成を備えており、常に性能マップの安定領域内、すなわちサージ限界線ＳＬＬとチョーク限界線ＣＬＬとの間で動作する。
【００１０】
図１の概略図では、制御部１１は、ターボ機械の動作条件を判定し、サージおよびチョーク現象の発生を防止するためのアンチサージ制御およびアンチチョーク制御を提供するために、ターボ圧縮機を取り囲む様々な手段に接続されている。
【００１１】
より具体的には、図１に示すように、制御部１１は、フローエレメント１３とも呼ばれる流量測定装置に接続され、フローエレメント１３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。入口側すなわち吸込側の温度センサは温度Ｔｓを提供し、圧力センサは吐出圧力値Ｐｄおよび吸込圧力値Ｐｓを提供するか、あるいは圧縮比Ｐｄ／Ｐｓを直接提供する。
【００１２】
入力データに基づいて、制御部１１は、ターボ圧縮機３の動作のどの時点でも入口体積流量および圧力比を決定することができる。これら２つのパラメータは、図２の圧縮機性能マップ上の動作点を規定する。追加パラメータとして圧縮機の回転速度Ｎ（ｒｐｍ）を提供することができるので、性能マップにおける圧縮機動作点の実際の位置を決定するために、正確な動作曲線を選択することができる。動作点が動いてサージ限界線ＳＬＬに接近した場合には、サージ制御システムは、アンチサージバイパス弁１５を作動させる。弁１５は、圧縮機３の吐出側と吸込側とを接続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から吐出される作動流体の一部は、必要であれば、サージ現象を防止するためにアンチサージ弁１５を通って再循環される。吐出圧が増加して、動作点がサージ限界線ＳＬＬに近づくと、アンチサージ制御装置は、アンチサージバイパス弁１５を開いて、圧縮機を流れる流量を増加させ、吐出圧を減少させることができる。
【００１３】
アンチサージ弁１５を通って再循環される前に、作動流体を熱交換器１９で冷却することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、サージ制御構成は、抽気ラインを設けることができ、それに沿ってアンチサージ弁が配置され、気体の性質が許すのであれば、環境に処理ガスを放出するように設計される。
【００１５】
吸込ライン７に沿って、あるいはターボ圧縮機３の吐出ラインの上流側または下流側に沿って配置されたアンチチョーク制御弁を閉じることにより、圧縮機のチョークを防止することができる。
【００１６】
実際の既知の解決策は、サージ現象を防止するために、圧縮機の作動点を決定するためのフローエレメント１３を必要とする。いくつかの用途では、フローエレメント１３は、扱いにくいものであって、入口流量の正確な測定を提供するために、その上流側および下流側に比較的長いパイプを必要とする。ターボ圧縮機の入口側すなわち吸込側に測定要素または装置を設けることは、特に空気ターボ圧縮機では、困難な場合があり得る。
【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２００７／０９５０６３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つの圧縮機を含む圧縮システムのアンチサージ制御を提供するための改良された方法および装置に関する。いくつかの実施形態では、本方法および装置は、圧縮機のアンチサージおよび／またはアンチチョーク制御を提供する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの動作包絡線が規定され、圧縮機の動作点が動作包絡線内に収まるように制御される。動作点が動作包絡線の外側または境界にある場合、あるいは、前記動作点が包絡線の境界に近づく場合に、操作が実行される。動作包絡線は、圧縮機の２つの動作パラメータすなわち圧縮機の補正速度および圧力比に基づく性能マップに基づいて定義される。圧力比は、圧縮機の吐出圧力と吸込圧力との比である。補正速度は、圧縮機によって処理されるガスの吸込温度および圧縮機の回転速度の関数として定義される。したがって、補正速度は、以下の比に比例する。
【００２０】
【数１】
2016514789.tif 000003
ここで、
Ｔｓは、圧縮機入口における処理流体温度であり、
Ｎは、圧縮機の回転速度である。
【００２１】
ガス組成が一定であれば、補正速度は上述した比によって定義される。したがって、本明細書で開示する方法は、既知で一定の組成を有するガス、例えば二酸化炭素などを処理する圧縮機のアンチサージ／アンチチョーク制御に好適である。
【００２２】
動作包絡線は、吸込限界線、チョーク限界線、ならびに最大許容補正速度および最小許容補正速度を境界とすることができる。
【００２３】
可動入口案内翼すなわち可変静翼が圧縮機に設けられている場合には、動作包絡線は、可変静翼の位置ごとに定義することができる。したがって、いくつかによれば、複数の動作包絡線は、補正速度対圧縮比図すなわち性能マップにおいて規定される。可変静翼の実際の位置に応じて、対応する動作包絡線が、アンチサージおよび／またはアンチチョーク制御のために選択される。可変静翼の位置は典型的には連続的に変化し得るので、いくつかの実施形態によれば、限られた数の動作包絡線が決定され、それは可変静翼の異なる位置の限定された数に対応している。可変静翼の実際の位置が、包絡線が決定されたものおよび制御目的のために格納された対応するデータと異なる場合には、新たな中間動作包絡線が、データが利用可能な２つの最も近い動作包絡線のデータを補間することにより算出される。
【００２４】
したがって、いくつかの実施形態によれば、サージを防止するためにターボ圧縮機を調整する方法が提供され、本方法は、
ターボ圧縮機の少なくとも１つの動作条件について、少なくとも１つのサージ限界線および／または少なくとも１つのチョーク線を提供するステップと、
圧縮機入口における処理ガス温度、圧縮機の回転速度、ならびに吐出圧力値および吸込圧力値を測定する、圧縮機の動作点を連続的に決定するステップと、
比率
【００２５】
【数２】
2016514789.tif 000004
に比例する補正速度であるターボ圧縮機の補正速度の実際の値を連続的に決定するステップと、
補正速度の実際の値に対応する、少なくともサージ限界線上の最大許容圧力比および／または少なくともチョーク線上の最小許容圧力比を連続的に決定するステップと、
吐出圧力と吸込圧力との比に等しい実際の圧力比を連続的に決定するステップと、
実際の圧力比が最大許容圧力比以上であるか、または最小許容圧力比以下である場合には、吸込ラインを通して圧縮機の圧縮ガスの一部を再循環させるために、アンチサージ構成を作動させるステップと、を含む。
【００２６】
本開示および添付した特許請求の範囲の文脈において、パラメータを「連続的に決定する」という用語は、圧縮機の連続した動作中に一定または可変の時間間隔で前記パラメータを決定することを含む。
【００２７】
好ましい実施形態では、サージ限界線は、チョーク限界線ならびに最大および最小許容補正速度線と共に動作包絡線を規定し、圧縮機の動作点はその範囲内に維持されなければならない。
【００２８】
圧縮機の動作点がサージ限界線に近づいている場合には、アンチサージ構成を作動させることができる。アンチサージ構成は、従来技術で公知の任意の構成とすることができる。サージは、アンチサージバイパス弁を開くことにより防止される。特定の実施形態では、処理ガスが空気である場合には、圧縮機吐出流量の一部を環境において排気または抽気することによって、サージを防止することができる。いずれの場合も、吐出流量を増加させることによって、圧縮機の動作点をサージ限界線から離れるようにシフトさせる。
【００２９】
本方法はまた、ターボ圧縮機に入るガスの種類またはガス組成を検知する先行するステップを含むことができる。
【００３０】
正確な速度はガス組成または種類に関係するので、ガス検出または予測によって、本方法のオンライン連続設定が可能になる。
【００３１】
特に、作動ガスが経時的に一定でない組成である場合には、本方法は、ターボ圧縮機により作動されるガスについての情報を必要とする。この情報を得るためには、当該技術分野で知られている任意のガス検出器、例えば処理ガスクロマトグラフを用いることができる。
【００３２】
また本装置は、それぞれのガスに関係する動作包絡線を格納するための好適なデータベースを含む。
【００３３】
圧縮機の動作点が上側補正速度限界または下側補正速度限界に近づいた場合には、圧縮機の回転速度をそれぞれ減少または増加させるように動作が行われる。
【００３４】
圧縮機の動作点がチョーク限界線に近づいている場合には、アンチチョーク構成を作動させることができる。前記構成は、当該技術分野で知られている任意の構成とすることができる。例えば、アンチチョーク弁を閉じることができる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、可変静翼すなわち可動入口案内翼を圧縮機の吸込側に設けることができる。可変静翼は、圧縮機の動作点が動作包絡線の境界を定める線に接近すること、またはそれを越えて移動することを防止するための制御手段として用いることができる。チョークは、例えば入口の断面積を縮小して、圧縮されたガスの入口流量を減少させることによって、防止することができる。
【００３６】
また可変静翼は、圧縮機動作点が上側補正速度限界より上に移動すること、または下側補正速度限界より下に低下することを防止するために、作動させることができる。
【００３７】
さらなる態様によれば、本明細書で開示される主題は、少なくとも１つの圧縮機を含む圧縮システムのためのアンチサージおよび／またはアンチチョーク制御を提供するための装置に関するものであり、前記装置は上記の制御方法を実行する。さらに別の態様によれば、本明細書で開示される主題は、少なくとも１つの圧縮機と、アンチサージおよび／またはアンチチョーク制御のための前記装置と、を含む圧縮システムに関する。
【００３８】
さらなる態様によれば、本明細書で開示される主題は、ターボ圧縮機を調整するための方法に関し、本方法は、
補正速度対圧力比図すなわち性能マップ上の少なくとも１つの圧縮機動作包絡線であって、チョーク限界線、サージ限界線、最大許容補正速度線、および最小許容補正速度線を境界とすることができる動作包絡線を決定するステップと、
前記補正速度対圧力比図上でターボ圧縮機の動作点を連続的に決定するステップと、
動作点が動作包絡線内に含まれているか否かを判定するステップと、
ターボ圧縮機の動作点が動作包絡線内にない場合には、前記ターボ圧縮機の少なくとも１つの動作パラメータを変更するために作動システムを作動させるステップと、を含む。本方法は環境へのガスの拡散を防止することができるので、汚染ガスに特に適している。
【００３９】
特徴および実施形態は、以下で開示され、また添付の特許請求の範囲にさらに記載されて、本明細書の不可欠な部分を成す。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をより良く理解できるように、また当該技術分野への本発明の貢献がより良く評価されるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。当然のことながら、以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴がある。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、その応用において、以下の説明に記載しまたは図面に示した構造の詳細および構成要素の配置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、様々な方法で実施し実行することができる。また、本明細書で用いられる表現および用語は説明のためのものであって、限定としてみなされるべきではないことを理解されたい。
【００４０】
このように、当業者は、本発明のいくつかの目的を実行するために、他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として、本開示の基礎を成す概念を容易に利用できることを理解するであろう。したがって、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲はこのような等価な構成を含むとみなすことが重要である。
【００４１】
本発明の開示された実施形態のより完全な評価および本発明に付随する利点の多くは、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来技術による圧縮機システムの概略を示す図である。
【図２】アンチサージおよびアンチチョーク制御システムで現在使用されている圧縮機性能マップを示す図である。
【図３】本発明による圧縮機システムの概略図である。
【図４】可動可変静翼を有するターボ圧縮機を含むシステムの図３と同様な概略図である。
【図５】１つの動作包絡線を示す、本発明による圧縮機性能マップを示す図である。
【図６】ターボ圧縮機の可動入口案内翼すなわち可変静翼の２つの異なる位置に対応する２つの重なり合った包絡線を示す圧縮機性能マップを示す図である。
【図７】本開示による制御アルゴリズムを要約するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ符号は、同一または類似の要素を示す。さらに、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。そうではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【００４４】
明細書全体にわたって、「一実施形態」または「ある実施形態」または「いくつかの実施形態」に対する言及は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、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、本明細書全体にわたって様々な箇所に現れるフレーズ「一実施形態では」または「ある実施形態では」、または「いくつかの実施形態では」というフレーズは、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。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好適な方法で組み合わせることができる。
【００４５】
図３は、本明細書で開示される主題を具現化した圧縮機システム２０を概略的に示す。圧縮機システム２０は、ターボ圧縮機２１、例えば遠心または軸流ターボ圧縮機を含む。ターボ圧縮機２１は、原動機２３によって回転駆動することができる。いくつかの実施形態では、原動機２３は電動モータであってもよい。他の実施形態では、原動機２３はガスタービン、例えば航空転用ガスタービンであってもよい。さらなる実施形態では、異なる主原動機、例えば蒸気タービンを用いてもよい。負荷カップリング２６は、主原動機２３をターボ圧縮機２１に接続する。速度操作装置（図示せず）、例えばギアボックスを主原動機２３とターボ圧縮機２１との間に配置することができる。
【００４６】
作動ガスが吸込ライン２５を通してターボ圧縮機２１の入口側すなわち吸込側に供給され、圧縮された流体が吐出ラインすなわち圧力ライン２７を介して圧縮機の吐出側から排出される。逆止すなわちチェック弁２９Ａ、２９Ｂは、吸込ラインおよび／または圧力ライン２７に配置することができる。
【００４７】
熱交換器３１は、圧力ライン２７上に、あるいは符号３１ｘで示すように、圧力ライン２７を吸込ライン２５に接続するバイパスライン３３に沿って、配置することができる。アンチサージバイパス弁３５は、バイパスライン３３に沿って配置される。アンチサージ弁３５は、以下でより詳細に説明するアンチサージ制御システム３７によって制御される。
【００４８】
特定の実施形態では、例えば作動流体が空気または環境に排出することができる流体である場合には、吸込ライン２５を通って一部が再循環されるとしても、大気中に作動流体を直接排出する抽気ライン上にアンチサージ弁３５を配置することができる。
【００４９】
ターボ圧縮機に入る作動ガスを検出するために、システムは、ガスの組成または種類を検出するための構成５０を備えることができる。この構成は、特定種類のガスクロマトグラフであってもよい。
【００５０】
システム２０には、制御部３９がさらに設けられる。制御部３９は、ターボ圧縮機２１の入口側すなわち吸込側の温度センサ４１、ならびに圧力センサに接続される。圧力センサは、圧縮機の吐出側と吸込側との圧力比の測定値を直接的または間接的に提供する。例として、図３の概略図では、吐出側圧力センサ４３は、ターボ圧縮機２１の排出側の吐出圧力の値Ｐｄを提供する。ターボ圧縮機２１の入口の圧力センサ４５は、ターボ圧縮機２１の入口の吸込圧力Ｐｓの測定値を提供する。圧力比は、２つの測定された圧力値Ｐｄ、Ｐｓに基づいて、制御部３９により算出することができる。他の実施形態では、圧力比を制御部３９の外部で決定することができ、圧力比の値を制御部３９に直接入力することができる。
【００５１】
回転速度センサは、制御部３９に回転速度Ｎ（例えばｒｐｍで表す）をさらに提供する。
【００５２】
上述した動作パラメータに基づいて、制御部３９は、圧縮機の圧力比、および以下のように定義されるいわゆる圧縮機の補正速度を算出することができる。
【００５３】
【数３】
2016514789.tif 000005
ここで、
Ｃ１は、温度、圧力およびガス組成の関数であり、
Ｎは、ターボ圧縮機２１の回転速度であり、
Ｔｓは、ターボ圧縮機２１の吸込の絶対温度である。
【００５４】
係数Ｃ１は、ガス組成の関数であり、ガスが一定の組成を有しており、ＴおよびＰが限定された範囲であれば、一定であると仮定する。
【００５５】
既知であって一定の組成を有するガスの場合には、補正速度は、次のように単純化することができる。
【００５６】
【数４】
2016514789.tif 000006
補正速度は、圧縮機性能マップを定義するために使用することができ、補正速度は座標の１つに記録され、圧力比は他の座標に記録される。
【００５７】
図５は、この種の性能マップを模式的に示し、補正速度を縦軸に記録し、圧力比Ｐｄ／Ｐｓを横軸に記録している。この性能マップ上に、サージ限界線ＳＬＬを描くことができる。サージ現象を防止するために、図５の性能マップ上の動作点がサージ制御線上またはその左側に留まるように、圧縮機２１が動作し、そのようにして、圧縮機がサージ限界線ＳＬＬ上またはそれを超えて動作することがないようにする。
【００５８】
図５の同じ性能マップ上に、チョーク限界線ＣＬＬも描くことができ、チョーク現象が生じる可能性がある限界を示している。チョークを生じないように圧縮機２１を動作させるために、圧縮機の動作点は、チョーク限界線ＣＬＬを越えてその左方に移動しないようにする。
【００５９】
図５の性能マップ上には、さらに２つの線、すなわち最小許容補正速度線（Ｎｃ）ｍｉｎおよび最大許容補正速度線（Ｎｃ）ｍａｘが描かれている。後者は水平座標（横軸）に平行な直線であり、それより下では圧縮機が動作してはいけない最小許容補正速度およびそれより上ではターボ圧縮機が動作してはいけない最大補正速度をそれぞれ表している。
【００６０】
上で定義した４つの線は、動作包絡線ＯＥを形成する。圧縮機制御システムは、動作点が動作包絡線ＯＥの内側に留まるように圧縮機を制御する。図５には、ＯＰとラベル付けされた例示的な動作点を示してあり、それは補正速度値Ｎｃおよび圧力比ＰＲ＝Ｐｄ／Ｐｓに対応している。
【００６１】
点ＯＰが右方向に移動してサージ限界線ＳＬＬに達すると、ターボ圧縮機２１の動作条件が変更され、動作点ＯＰを動作包絡線ＯＥの中に戻すように、制御システムは設計され配置されている。これは、例えば、アンチサージ弁３５を開くことによって得ることができる。動作点ＯＰがチョーク限界線ＣＬＬに達するまで左方向に移動すると、流れ条件を変更して動作点を動作包絡線ＯＥの内側に戻すように制御システムが動作する。これは、例えばアンチチョーク弁４７を作動させることによって行うことができる。
【００６２】
動作点ＯＰが下方に移動して最小許容補正速度値（Ｎｃ）ｍｉｎ線に達した場合には、圧縮機２１の回転速度を増加させることによって、最小許容補正速度値（Ｎｃ）ｍｉｎより下に移動することが防止される。最大許容補正速度値（Ｎｃ）ｍａｘを超える動作点の移動は、それに応じてターボ圧縮機２１の回転速度を減少させることにより防止される。
【００６３】
図３の簡略化された概略図では、ターボ圧縮機２１は、可動入口案内翼すなわち可変静翼（ＶＳＶ）を備えていない。これら後者は、通常、一般的なターボ圧縮機ではシステムの運転条件に応じて入口断面の幾何学的形状を変更するために設けられている。図４は、図３と同じシステムを示すが、符号５１で模式的に示す可変静翼が追加されている。図３と同じ符号は、同一もしくは対応する構成要素または部品を示し、これらについては再度説明しない。図４のシステムでは、制御部３９は、ターボ圧縮機２１の可変静翼の実際の位置の情報をさらに受け取る。符号ＶＳＶは、ターボ圧縮機２１の動作中の可変静翼の実際の位置に関する情報を示す。ＶＳＶの位置は、図示していない適切なアクチュエータにより設定することができる。アクチュエータは、同じ制御部３９によって制御することができる。
【００６４】
アンチチョーク弁４７は、図４の概略図から省略されているが、代わりにＶＳＶを作動することによりチョーキングを防止することができるからである。必ずしもアンチチョーク弁を用いることなく、圧縮機のチョーキングを回避するために、後者を閉じてターボ圧縮機の入口体積流量を減少させる。
【００６５】
実際には、可動可変静翼５１の可能な位置ごとに、異なる性能マップ、したがって異なる動作包絡線を描くことができる。これを図６に模式的に示してあり、ＯＥ１およびＯＥ２とラベル付けされた２つの異なる動作包絡線を示す。各動作包絡線は、図５に関連して上述したものと同様に、両方の場合について定義された４つの曲線によって囲まれている。したがって、各動作包絡線は、サージ限界線ＳＬＬ、チョーク限界線ＣＬＬ、最大許容補正速度線（Ｎｃ）ｍａｘ、最小許容補正速度線（Ｎｃ）ｍｉｎによって囲まれている。
【００６６】
実際、不特定多数の動作包絡線を提供することができ、それは可変静翼の位置ごとに１つある。各動作包絡線を規定するデータは、制御部３９がアクセスすることができるメモリに記憶されており、図３および図４の符号３８で模式的に示す。実用的な実施形態では、有限数の動作包絡線を算出して、例えばルックアップテーブルなどの形式で記憶する。ターボ圧縮機２１の動作中に、可変静翼の実際の位置に対応する動作包絡線が存在する場合には、制御部３９はこのような包絡線を使用する。可変静翼の実際の位置が、動作包絡線が制御システムに記憶されているものと異なる場合には、制御部は、例えば動作包絡線が記憶メモリで利用可能な２つの最も近いＶＳＶの位置に対応するデータを用いて、既存のデータを補間することにより、動作包絡線を算出する。
【００６７】
ここまでで説明したシステムの動作は、上の図面を参照し、また図７のフローチャートを参照して、以下の説明から、より明らかになるであろう。後者においては、制御処理を一連のステップとして示す。圧縮機２１の動作条件の連続的な制御を得るために、図７に示す一連の方法ステップがシステムの動作中に連続して反復的に繰り返されることが理解されよう。
【００６８】
制御処理が開始されると、補正速度Ｎｃを決定する。これは、ターボ圧縮機２１の回転速度Ｎおよび吸込側の温度Ｔｓを検出することにより行われる。図４に関連して説明したように、ターボ圧縮機２１に可変静翼５１が設けられている場合には、ＶＳＶの位置を決定する。可変静翼の実際の位置に関するデータに基づいて、例えば記憶メモリ３８に記憶されたデータを用いて、動作包絡線を算出する。上述したように、可変静翼の位置のいくつかについて、動作包絡線データを記憶メモリ３８に直接記憶することができる。他の中間位置については、例えば既存データを補間することにより、動作包絡線を算出することができる。
【００６９】
動作包絡線が決定されると、実際の補正速度Ｎｃに対する最大および最小圧力比を決定することができる。この最大比および最小比は、図５ではＰＲｍａｘおよびＰＲｍｉｎで示してある。
【００７０】
それから、圧縮機の実際の動作点は、上述したように算出された補正速度Ｎｃと、ターボ圧縮機２１の吐出圧力Ｐｄおよび吸込圧力Ｐｓを測定する圧力センサによって決定された実際の圧力比と、に基づいて決定される。実際の圧力比は、図５ではＰＲで示してある。
【００７１】
この時点で、制御システムは、システムのチョークおよびサージを防止するアンチサージおよび／またはアンチチョーク構成を作動させるために必要な全てのデータを有している。いくつかの実施形態では、サージパラメータおよびチョークパラメータを以下のように算出することができる。サージパラメータは次のように定義される。
【００７２】
【数５】
2016514789.tif 000007
ここで、
ＰＲｍａｘは最大許容圧力比であり、
ＰＲは実際の圧力比である。
【００７３】
チョークパラメータは、以下のように定義することができる。
【００７４】
【数６】
2016514789.tif 000008
ここで、
ＰＲｍｉｎは最小許容圧力比である。
【００７５】
サージパラメータおよびチョークパラメータは、アンチサージ弁３５およびアンチチョーク弁４７および／またはＶＳＶ５１を制御するアクチュエータを作動させる制御信号を生成するために使用することができる。サージパラメータが１に等しくなる場合、すなわち圧縮機の動作点がサージ制御線上に移動した場合には、アンチサージ弁３５のアクチュエータが、バイパスライン３３上のアンチサージ弁３５を少なくとも部分的に開くように作動する。作動ガスが圧縮機の吐出側から吸込側へ再循環して、動作点ＯＰを動作包絡線ＯＥの中に戻す。チョークパラメータが１に等しくなった場合には、吸込ライン２５上のアンチチョーク弁４７が部分的に閉じて、吸込流量を減少させ、圧縮機の動作点を動作包絡線ＯＥの内側に戻す。
【００７６】
制御システムにより知られた実際の補正速度値Ｎｃおよびターボ圧縮機２１の回転速度Ｎの補正は、補正速度が最小許容値（Ｎｃ）ｍｉｎより下に低下すること、または最大許容値（Ｎｃ）ｍａｘより上に増加することを防止するために、必要に応じて行うことができる。いくつかの実施形態では、補正速度値Ｎｃが最小値より下に低下した場合、または最大許容値より上に上昇した場合には、異なる動作包絡線の異なる動作点にターボ圧縮機を移動させるように、ＶＳＶの位置を変更することができる。
【００７７】
本明細書に記載した主題の開示された実施形態について、図面に示し、いくつかの例示的な実施形態に関連して具体的かつ詳細に上で完全に説明したが、新規な教示、本明細書に記載した原理および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に記載した発明の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、およ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、全てのそのような修正、変更、および省略を含むように、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。さらに、いかなる処理もしくは方法ステップの順序またはシーケンスは、代替的な実施形態に応じて変更または再順番付けすることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１  システム
３  ターボ圧縮機
５  主原動機
７  吸込ライン
９  吐出パイプ
１１  制御部
１３  フローエレメント
１５  アンチサージバイパス弁
１７  バイパスライン
１９  熱交換器
２０  圧縮機システム
２１  ターボ圧縮機
２３  原動機
２５  吸込ライン
２６  負荷カップリング
２７  圧力ライン
２９Ａ、２９Ｂ  チェック弁
３１  熱交換器
３３  バイパスライン
３５  アンチサージバイパス弁
３７  アンチサージ制御システム
３８  記憶メモリ
３９  制御部
４１  温度センサ
４３  圧力センサ
４５  圧力センサ
４７  アンチチョーク弁
５０  構成
５１  可変静翼（ＶＳＶ）
ＣＬＬ  チョーク限界線
Ｎ  回転速度
Ｎｃ  補正速度
ＯＥ  動作包絡線
ＯＰ  動作点
ＰＲ  圧力比
Ｐｄ  吐出圧力
Ｐｓ  吸込圧力
ＳＬＬ  サージ限界線
【図１】
2016514789.tif 000015
【図２】
2016514789.tif 000016
【図３】
2016514789.tif 000017
【図４】
2016514789.tif 000018
【図５】
2016514789.tif 000019
【図６】
2016514789.tif 000020
【図７】
2016514789.tif 000021
【国際調査報告】
2016514789.tif 000022
2016514789.tif 000023
2016514789.tif 000024