(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動圧縮機を駆動する電動機に、２組以上の独立した巻線を有する極数切換誘導電動機を用い、高速回転する高速用巻線による高速出力トルクを低速回転する低速用巻線による低速出力トルクよりも少なくとも部分的に大きく、かつ極数切換時のトルク差が負荷トルクより大きくなるように設定し、
高速出力トルクと低速出力トルクの差が負荷トルクよりも大きくなるまで、低速用巻線に通電して加速し、
次いで、低速用巻線に通電したまま高速用巻線に通電し、短時間後に低速用巻線の通電をオフして極数切換を行う、ことを特徴とする往復動圧縮機の容量調整方法  。
【請求項２】
極数切換時に低速用巻線と高速用巻線の両方に通電する時間は、約０．５秒以内である、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動圧縮機の容量調整方法  。
【請求項３】
回転速度を検知しながら高速運転中に高速用巻線の通電をオフし、回転速度が低速回転時の同期速度付近まで減速された時点で、低速用巻線に通電して極数切換を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動圧縮機の容量調整方法  。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、往復動圧縮機の容量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、ＬＮＧ受入ターミナルのフロー図であり、ＬＮＧ船で輸送されたＬＮＧ（液化天然ガス）はＬＮＧタンク内に貯蔵され、蒸発器でガス化して発電設備に供給するようになっている。また、ＬＮＧタンク内では、吸熱によりＬＮＧが蒸発してＢＯＧ（ボイルオフガス）が発生するため、このＢＯＧを圧縮機で加圧して発電設備に供給し、タンク内の圧力上昇を抑えるようになっている。ＢＯＧ用の圧縮機には、ターボ形と往復動形とが用いられる。ターボ圧縮機は容量調整が困難なため一般に定流量運転され、往復動圧縮機の容量を変化させてＢＯＧの発生量の変動に対応するようになっている。
【０００３】
図７は、ＬＮＧ受入ターミナルで用いられる往復動圧縮機の一種である対向釣合い形圧縮機の模式図である。この図において、対向釣合い形圧縮機は、回転運動を往復運動に変換するクランク機構１と、クランク機構１に連結されガスを圧縮する２つの往復圧縮機２ａ，２ｂから構成され、クランク機構１により２つの往復圧縮機のピストン３を対向して駆動し、第１段圧縮機２ａのピストン３で圧縮したガスを中間冷却器４で冷却し、更に第２段圧縮機２ｂのピストン３で圧縮して高圧を得るようになっている。
【０００４】
図８は、対向釣合い形圧縮機における容量変化を模式的に示す図であり、黒く着色した部分は負荷状態を示している。
ＢＯＧ圧縮に用いる往復動圧縮機では、ＢＯＧの発生量の変動に対応して容量を変化させる必要があるため、圧縮機にアンローダ弁とクリアランス弁が設けられている。アンローダ弁（図示せず）は、往復圧縮機２ａ，２ｂのピストン３の両側の圧力をそれぞれ独立して開放する弁であり、このアンローダ弁を開くことにより、ピストン３の片側の圧力を開放して往復動における一方の圧縮上昇をなくし、容量を半減できるようになっている。また、クリアランス弁５は、往復圧縮機２ａ，２ｂのピストン３の一方の圧縮室に連通した別の圧縮室を設け、その間を開閉する弁であり、クリアランス弁５を開くことにより、圧縮室のすきま容積を倍増し、吐出容量を更に半減できるようになっている。従って、アンローダ弁とクリアランス弁を組み合わせて制御することにより、図８に示すように、０％，２５％，５０％，７５％，１００％の負荷（及び容量）に容量調整することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＢＯＧ（ボイルオフガス）の発生量は、ＬＮＧの受入れ時や、外気温度が高いときなどに多く、通常の場合には少ないため、往復圧縮機による容量変化（最大／最小比）は１０倍程度まで要求される。しかし、図８で説明したように、従来の往復動圧縮機では、定格負荷（１００％負荷）から２５％負荷までの４段階で容量変化（最大／最小比）は４倍程度までしかできない。そのため、従来は必要ガス量の半量能力の圧縮機２台を設置して容量調整による最小容量を全量圧縮機１台の場合の１／２にして対応していた。この台数制御と容量調整の組合せにより、２台の圧縮機の一方を停止することにより、最大流量の１／８までの容量調整が運転中に連続してできるが、反面、容量の大きい往復圧縮機を１台だけ設置する場合と比較すると、往復圧縮機のコストの他に制御装置等も倍増するため、費用がかかりすぎ、かつ据付スペースも大きくなる問題点があった。
【０００６】
この問題点を解決するために、往復圧縮機のクランク機構を駆動する電動機を極数切換法により変速することが一部で提案されている。この極数切換法による変速は、誘導電動機の極数を変化させることにより、回転速度を段階的に変えるものであり、例えば４Ｐから８Ｐに切り換えることにより、速度を半減でき、逆に８Ｐから４Ｐへ切り換えることにより、速度を２倍に増速することができる。
【０００７】
しかし、かかる極数切換は、両方の巻線に同時に通電すると、▲１▼速度が不安定になるばかりか、▲２▼一方の巻線による出力トルクがブレーキとして作用してトルク不足となり、▲３▼巻線に過剰電流が流れて巻線を損傷させたり、▲４▼一方の巻線が同期速度よりも高速で回転して予期しない発電を起こす、等の問題点がある。そのため、従来は極数切換の際に両方の巻線に電流が同時に流れないように両方の巻線を一時的にオフしている。しかし、両方の巻線をオフすると、その間に出力トルクがゼロになるため、圧縮機負荷状態のまま、回転数変更（極数切換え）をすると、速度が急速に低下し、安定した容量変化ができない問題点があった。
【０００８】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、圧縮機負荷状態のまま、極数切換えにより回転数変更を行い、これにより、広範囲で容量調整することができる往復動圧縮機の容量調整方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、往復動圧縮機を駆動する電動機に、２組以上の独立した巻線を有する極数切換誘導電動機を用い、高速回転する高速用巻線による高速出力トルクを低速回転する低速用巻線による低速出力トルクよりも少なくとも部分的に大きく、かつ極数切換時のトルク差が負荷トルクより大きくなるように設定し、
高速出力トルクと低速出力トルクの差が負荷トルクよりも大きくなるまで、低速用巻線に通電して加速し、
次いで、低速用巻線に通電したまま高速用巻線に通電し、短時間後に低速用巻線の通電をオフして極数切換を行う、ことを特徴とする往復動圧縮機の容量調整方法が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、極数切換時に低速用巻線と高速用巻線の両方に通電する時間は、約０．５秒以内である。
【００１０】
上記本発明の方法によれば、２組以上の独立した巻線を有する極数切換誘導電動機を用いるので、それぞれの巻線への通電を個別にでき、複数の巻線に重複して通電することもできる。従って、極数変換で増速する際に、低速用巻線に通電して加速して低速用巻線による同期速度に近い速度とし、次いで低速用巻線に通電したまま高速用巻線に通電すると、両方の巻線によりそれぞれ高速出力トルクと低速出力トルクが発生するが、その差が負荷トルクよりも大きく設定されているので、両方が通電されている間も速度をほぼ保持することができる。次いで、短時間後に低速用巻線の通電をオフすると、高速用巻線による高速出力トルクのみが作用して高速用巻線による同期速度付近まで加速されて極数切換が完了する。
【００１１】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、回転速度を検知しながら高速運転中に高速用巻線の通電をオフし、回転速度が低速回転時の同期速度付近まで減速された時点で、低速用巻線に通電して極数切換を行う。
【００１２】
この方法によれば、極数切換で減速する場合には、回転速度を検知しながら高速運転中に高速用巻線の通電をオフし、回転速度が低速回転時の同期速度付近まで減速された時点で、低速用巻線に通電して極数切換を行うことにより、両方の通電をオフしても、負荷トルクによる減速に合わせて低速用巻線に通電することができ、スムースな極数切換を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明の方法を模式的に示すフロー図である。本発明の往復動圧縮機の容量調整方法は、圧縮機負荷状態のまま、極数切換により回転数変更を行う方法であり、加速時と減速時で異なる手段が採られる。すなわち、図１（Ａ）に示すように、極数切換で加速する場合には、高速出力トルクと低速出力トルクの差が負荷トルクよりも大きくなるまで、低速用巻線に通電して加速する第１ステップＳ１（低速巻線通電）と、次いで低速用巻線に通電したまま高速用巻線に通電する第２ステップＳ２（重複通電）と、更に短時間後に低速用巻線の通電をオフする第３ステップＳ３（高速巻線通電）とからなる。
【００１４】
また、図１（Ｂ）に示すように、極数切換で減速する場合には、高速巻線通電の状態から回転速度を検知しながら高速運転中に高速用巻線の通電をオフする第４ステップＳ４（電源切断／速度検知）と、回転速度が低速回転時の同期速度付近まで減速された時点で、低速用巻線に通電する第５ステップＳ５（低速巻線通電）とからなる。第５ステップＳ５における低速巻線通電は、第１ステップＳ１における低速巻線通電と実質的に同一である。
【００１５】
図２は、本発明の方法に適用する極数切換誘導電動機の特性図である。往復動圧縮機を駆動する電動機には、２組以上の独立した巻線を有する極数切換誘導電動機を用いる。すなわち、図１に示した方法において、単独通電（低速巻線通電と高速巻線通電）と重複通電を自由に行うためには、独立した巻線を有する誘導電動機を用いる必要がある。また、２組或いは３組以上の独立した巻線を備えるためには、電動機はかご形誘導電動機であるのがよい。
【００１６】
更に、図２に示すように、高速回転する高速用巻線（４Ｐ）による高速出力トルクを低速回転する低速用巻線（８Ｐ）による低速出力トルクよりも少なくとも部分的に大きく設定する必要がある。すなわち、第２ステップＳ２の重複通電では、低速用巻線と高速用巻線の両方に通電するので、それぞれの巻線によりそれぞれ出力トルク（低速出力トルクと高速出力トルク）が発生するが、回転速度が同期していない（同一でない）ので、一方は実質的に制動トルクとして作用する。従って、重複通電時には、高速出力トルクと低速出力トルクのトルク差で回転が継続されるので、このトルク差を十分大きく設定することにより、重複通電時にほとんど減速することなく、極数切換して加速することができる。このトルク差は、極数切換時の負荷トルクよりも大きく設定するのがよい。
【００１７】
図３は、本発明による速度変化を示すシュミレーション図であり、（Ａ）は本発明の方法による増速時の速度変化、（Ｂ）は従来の方法による増速時の速度変化を示している。図３（Ａ）に示すように、本発明の方法では、極数切換時に短時間重複通電するので、極数切換時の出力トルクの低下がほとんどなく、円滑に加速して極数切換を完了することができる。これに対して、従来の方法では、極数切換のために、少なくとも一時的に両方の電源を切断して、出力トルクがゼロになるため、負荷を受けた状態で切り換えると、一時的に速度が大幅に低下し（この例では、約半分の速度まで減少）、これにより、スムースな切換が困難であり、往復動圧縮機の容量にも大きな変動を及ぼすことになる。
【００１８】
図４は、重複通電時の電動機の特性試験結果である。この図において、横軸は重複通電中の最初の１秒間を示しており、縦軸は電流，出力トルク，回転速度を示している。また、この図において重複通電直後の電流及びトルクが定常時の１４０％程度となっている。しかし、起動時や極数変換時に電動機の巻線に１００％〜２００％の電流が通常流れるので、この図に示す１４０％程度の過電流は、電動機にダメージを与えるおそれがないことがわかる。従って、上述した重複通電は、少なくとも１．０秒程度は全く問題ないといえる。なお、この重複通電時間は、極数変換時のスイッチの作動誤差や作動遅れを考慮してできるだけ短く設定するのがよく、好ましくは約０．５秒以内にするのがよい。
【００１９】
上述した本発明の方法によれば、２組以上の独立した巻線を有する極数切換誘導電動機を用いるので、それぞれの巻線への通電を個別にでき、複数の巻線に重複して通電することができる。従って、極数変換で増速する際に、低速用巻線に通電して加速して低速用巻線による同期速度に近い速度とし、次いで低速用巻線に通電したまま高速用巻線に通電すると、両方の巻線によりそれぞれ高速出力トルクと低速出力トルクが発生するが、その差が負荷トルクよりも大きく設定されているので、両方が通電されている間も速度をほぼ保持することができる。次いで、短時間後に低速用巻線の通電をオフすると、高速用巻線による高速出力トルクのみが作用して高速用巻線による同期速度付近まで加速されて極数切換が完了する。
【００２０】
また、極数切換で減速する場合には、回転速度を検知しながら高速運転中に高速用巻線の通電をオフし、回転速度が低速回転時の同期速度付近まで減速された時点で、低速用巻線に通電して極数切換を行うことにより、両方の通電をオフしても、負荷トルクによる減速に合わせて低速用巻線に通電することができ、スムースな極数切換を行うことができる。
【００２１】
図５は、本発明の方法による往復動圧縮機の容量調整方法の模式図である。上述したように、本発明の方法によれば、極数切換により負荷を受けながら速度を自由に１：２で加速／減速できるので、従来のアンローダ弁とクリアランス弁を組み合わせて制御することにより、図５に示すように、０％，１２．５％，２５％，３７．５％，５０％，７５％，１００％の負荷（及び容量）に負荷を受けながらスムースに容量調整することができる。すなわち、１２．５％負荷（３００ｒｐｍ）では、電動機の極数を切換えて低速化した状態を示している。従って、本発明の方法により、圧縮機負荷状態のまま、極数切換えにより回転数変更を行い、広範囲で容量調整することができる。
【００２２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法によれば、極数変換電動機を採用することによって、運転中に回転数を１／２に下げることにより、最少容量を２５％又は１２．５％にすることが可能となり容量調整範囲が拡大し、従来必要ガス量の半量２台を設置していたものを全量１台で対応できるようになる。また、回転数変換を従来のものと異なり、運転中に圧縮機負荷状態のまま実施することができる。
【００２４】
本発明の方法を用いることにより、▲１▼液化ガスの貯蔵基地では、タンクからの蒸発量が少ない保冷時は低速回転で運用し、蒸発ガス量の多い液受入れ時は高速回転で運用することにより、従来と比べ圧縮機台数を少なくでき、設備費の低減と稼働率向上によるランニングコスト、保守点検費用の低減を実現することができる。また、▲２▼低圧縮比の往復動圧縮機でクリアランス弁方式による容量調整が無理な場合でも、吸入弁アンローダー方式と、本回転数変換方式を併用することにより圧縮機１台での容量調整範囲が拡がり、最小容量が従来の１／２まで可能になる。
【００２５】
従って、本発明の往復動圧縮機の容量調整方法は、圧縮機負荷状態のまま、極数切換えにより回転数変更を行い、これにより、広範囲で容量調整することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を模式的に示すフロー図である。
【図２】本発明の方法に適用する極数切換誘導電動機の特性図である。
【図３】本発明による速度変化を示すシュミレーション図である。
【図４】重複通電時の電動機の特性試験結果である。
【図５】本発明の方法による往復動圧縮機の容量調整方法の模式図である。
【図６】ＬＮＧ受入ターミナルのフロー図である。
【図７】対向釣合い形圧縮機の模式図である。
【図８】対向釣合い形圧縮機における容量変化を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１  クランク機構
２ａ，２ｂ  往復圧縮機
３  ピストン
４  中間冷却器
５  クリアランス弁
【図１】
0003801702.tif 000002
【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】
0003801702.tif 000008
【図８】
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