JP4746505B2

JP4746505B2 - ガス供給用圧縮機の運転方法

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Publication number: JP4746505B2
Application number: JP2006253257A
Authority: JP
Inventors: 和也中山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008075477A

Description

本発明は、圧縮機を用いたガス圧送供給における、圧送流量の制御方法に関し、詳しくは、複数台の圧縮機を並列接続して運転する場合に有効なガス供給用圧縮機の運転方法に関する発明である。

従来より、一般に圧縮機の運転は、供給先でのガス使用量の変動に応じて供給量の調整を行う必要があるため、圧縮機の台数の調整、吐出圧力の調整、吸入流量の調整、回転数の調整などにより流量の調整を行っている。とりわけ、大容量を扱うガス圧送設備においては、圧縮機の台数調整、および吸入流量調整を併用し、ガス圧送量を調整することが一般的である。

複数台の圧縮機を並列運転する場合、各圧縮機の定格流量や流量効率が異なると、その流量分担によって圧縮機全体の効率が変化する。負荷量の変化に対応して、高い効率で並列運転を行う技術は、以下に示すような例が知られている。

第一の例として、特許文献１に開示されているように、並列運転する各圧縮機の容量が異なる場合、大容量の圧縮機をなるべく定格容量で運転させた方が効率が良いという点に着目した自動制御方法である。負荷量が大容量圧縮機の定格容量を超える範囲では、大容量圧縮機を定格運転させ、負荷量が減り、大容量圧縮機の定格容量を下回る範囲になれば、大容量圧縮機に流量調整をさせることなく、停止させる。大容量圧縮機の定格容量未満の負荷量の増減に伴う流量調整は、小容量圧縮機に行わせるという運転方法で、結果、大容量圧縮機が効率の悪い低負荷運転を行うことを回避できるため、効率の良い並列運転が可能となる、と述べられている。

また、第二の例として、特許文献２に開示されている方法がある。この方法は、並列運転する各圧縮機の効率の違いを考慮し、各圧縮機の流量制御における最適な組合せを選択する自動制御方法である。流量制御の最適な組合せとは、任意の流量において、どの圧縮機で流量調整を行い、どの圧縮機を定格流量一定運転または軽負荷一定運転とすれば最高効率が得られるか、というものである。この組合せの決定方法については、各圧縮機の吸入流量、吸入ガス温度、冷却水温度等がパラメータとなっている。最適な組合せを、パラメータの範囲にて複数のテーブルとして、あらかじめ計算機に記憶させておく。吸入流量、吸入温度、冷却水温度等の各検出器からのプロセスデータを計算機に取込み、各データの組合せに合致するテーブルを選択し、テーブルで指定された流量制御を行なわせる。この制御方法を用いることにより、負荷量の変動に対して常に最高効率での並列運転が可能としたものである。
特開昭５０−７４２１４号公報特開昭６２−２４３９９５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される方法では、並列運転する各圧縮機の効率の違いが考慮されておらず、そのため、実際には必ずしも最高効率で並列運転ができる方法ではない。例えば、並列運転される圧縮機の中で大容量の圧縮機が、他の小容量圧縮機よりも流量を減少させた時（以下、減量時と称す）の効率に優れ、大容量圧縮機で流量調整を行った方が総合効率が高くなるケースも考えられ、必ずしも十分に効率的な運転方法ではない。

この問題点を補った技術が、特許文献２に開示される方法である。この方法は、並列運転する各圧縮機の流量と効率との関係を考慮した並列運転技術であり、常に最高効率運転が可能である。しかしながら、この技術にも次に示す２つの問題点がある。

まず一つは、当該技術を実際の産業プロセスに導入するには、高額な設備投資を必要とし不経済であることである。その理由はまず、圧縮機の流量制御の組合せテーブルを複数記憶させるための計算機が必要であるからである。また、計算機での選択結果により出力される情報は圧縮機１台毎の流量制御の設定値であるため、検出器および制御機器を圧縮機の台数分設置する必要があるからである。

もう一つの問題点は、圧縮機の操作監視が難しいという点である。この制御方法では、負荷量の変動に伴い選択される組合せテーブルが替わる。それに伴って、流量制御の対象となる圧縮機および一定流量運転となる圧縮機が、その都度変更されることとなり、また、各圧縮機の流量制御の設定値もその都度変更される。つまり、オペレータが圧縮機の運転監視を行なうにあたり、制御対象と制御目標が常に一定で無いので、正常な運転状態を把握することが極めて難しい制御装置になるのである。

以上に説明したように、従来技術による圧縮機の流量制御方法には、高価なシステムが必要であるといったコスト上の問題点や、操作監視の難易度が高いことなどの問題があった。これらの問題を解決するための技術が求められていた。

従来技術には、以上に述べたような問題点があり、本発明はこれらの問題点を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下に記載する通りである。

複数の圧縮機を並列に運転してガスを供給する方法において、１台の流量制御手段によって全圧縮機の流量の制御を行う方法であって、以下に示す手順に従い流量調整を行うことを特徴とするガス供給用圧縮機の運転方法である。
（１）ガスの供給先への必要流量に基づき、並列運転する複数台の圧縮機から、流量を減少させた際の電力原単位上昇率の最も低い圧縮機（以下、圧縮機１と称す）を選定する。
（２）圧縮機１がガス供給量を低減できる範囲内においては、当該圧縮機１のみで流量制御を行い、他の圧縮機は各圧縮機の最大流量値で運転する。
（３）圧縮機１のガス供給量の下限流量に至ってからのガス供給量の減量は、圧縮機１は下限流量の一定運転とし、圧縮機１の次に電力原単位上昇率の低い圧縮機（以下、圧縮機２と称す）を制御対象圧縮機として選定し、当該圧縮機２のみで流量制御を行い、圧縮機１を除く他の圧縮機については各圧縮機の最大流量値で運転する。
（４）以下同様にして、電力原単位上昇率の低い順番に制御対象圧縮機を選定し、当該制御対象圧縮機の流量制御可能領域では、当該圧縮機のみで流量制御を行う。

本発明におけるガス圧縮機の運転方法によれば、従来の圧縮機並列運転制御方法における課題であった、安価な設備費で且つ容易な操作性を備えた高効率運転制御装置を実現でき、産業上極めて大きな効果を奏するものである。

図１から図３を用いて本発明におけるガス流量制御の基本的な考え方について説明する。ここでは、製鉄業における酸素や窒素等のガスを供給先へ圧縮供給するための圧縮機についての機器構成を一例として挙げているが、本発明は当例に限らず、流量制御を行う手段を持つ圧縮機であれば、適用可能である。まず図１は、並列運転されるガス圧縮機３ａ及び３ｂ、並びに、圧力伝送器６、流量伝送器７、フィードバック制御調節計８、ガイドベーン２ａ、２ｂから構成される制御装置の機器構成の一例を示す図である。なお、図１は圧縮機を２台並列で運転する例であるが、３台以上の並列構成でも適用可能である。図２は、各圧縮機の性能曲線図であり、横軸に流量、縦軸に電力原単位の関係を示したものである。

図１において、圧縮機にて供給先へ供給しようとするガスは、ガス製造設備あるいはガス発生源等から共通吸入管路１に低い圧力で充填される。共通吸入管路１に充填されたガスは、それぞれ吸入管路１ａ、１ｂから圧縮機３ａ、３ｂへ導入され、吐出管路４ａ、４ｂ、共通吐出管路４、ガスホルダー５を介して供給先１０へ圧縮供給される。この図で、圧縮供給するガスが空気の場合は、共通吸入管路１は無くても良い。なお、圧縮機の種類については、流量制御を行う手段があればどのような種類を用いても良い。

各圧縮機の流量制御は、ガイドベーン２ａ、２ｂの開度を調整することにより行う。流量を制御する手段はガイドベーンに限らず、流量調節弁や圧縮機の回転数にて流量を制御する手段などでも適用可能である。圧力伝送器６は、共通吐出管路４のガス圧力を測定し、電気信号などに変換するものである。流量伝送器７は、供給先１０への供給流量を測定し、電気信号などに変換するものである。フィードバック型流量制御手段（以下、調節計と称す）８は、圧力伝送器６または流量伝送器７から伝送されるプロセス信号の入力値と、ある任意の設定値との偏差により制御機器への操作信号を出力するものである。これに適用される例としては、一般的に産業用として市販されているＰＩＤ調節計などが挙げられる。圧縮機のガイドベーン２ａ、２ｂは、調節計８からの操作信号の大きさに比例した開度へ無段階に動作するものである。簡易的な方法としては、調節計８の操作信号で圧縮機のガイドベーン２ａ、２ｂを直接、同一開度で操作することにより、圧送流量を自動制御することができる。

本発明では、調節計８からの操作信号を、信号演算器９に入力してある演算に則って分配出力する。そして、各圧縮機のガイドベーン２ａ、２ｂを、分配した異なる操作量で操作を行うことで流量を自動制御し、高効率を得ることを可能にする。その信号演算器９での演算方法について以下に説明する。

まず、各圧縮機の特性の違いについて説明する。図２は、圧縮機３ａ、３ｂの流量−電力原単位特性の例を示した図である。横軸に流量、縦軸に電力原単位を示しており、実線（ａ）が圧縮機３ａ、一点鎖線（ｂ）が圧縮機３ｂの特性曲線である。この例では、圧縮機３ａは、最大流量が８０ｍ^３Ｎ／ｈで、流量調整範囲が５０〜８０ｍ^３Ｎ／ｈである。圧縮機３ｂは、最大流量が１００ｍ^３Ｎ／ｈで、ガイドベーンによる流量調整範囲は７０〜１００ｍ^３Ｎ／ｈである。電力原単位とは、単位流量あたりの消費電力であり、流量に対して図のように変化する。

この例における圧縮機の特徴は、最大流量時に最も電力原単位が良く、ガイドベーンで流量を減少させた場合に電力原単位が上昇するという、一般的なものを示している。ただし、その電力原単位の上昇率については、圧縮機の型式等の違いで様々である。当例の圧縮機３ａは、圧縮機３ｂに比して小容量であり、電力原単位も高いが、特性曲線の傾きが緩やかなため、減量時の電力原単位の上昇率は低い。圧縮機３ｂは、圧縮機３ａに比して大容量且つ原単位も低いが、特性曲線の傾きが急であるため、減量時の動力原単位の上昇率が高くなるという特徴を有している。

効率を最高とする並列運転を考える場合、圧縮機を減量運転させたときの電力原単位の上昇率に着目する。上記のとおり、圧縮機３ａよりも圧縮機３ｂの方が電力原単位では優れている。しかしながら、減量運転したときの電力原単位の上昇率を比較すると、圧縮機３ａの方が低い。従って、これらの圧縮機の並列運転においては、圧縮機３ａを先に流量制御させる方が高い効率を得られることになる。したがって、圧縮機の定格容量の大小および電力原単位の絶対値には関係なく、減量運転時の電力原単位の変化率の違いを考慮して流量制御の優先順位を決定する。

以上説明してきたガス流量制御の考え方に則り、本発明におけるガス流量制御の具体的手段について更に詳述する。

先ず、図１のガス供給先１０におけるガス必要流量と複数台設置されている圧縮機の個々の流量調整可能範囲とを考慮して運転させる圧縮機を選定する。図１に示されている例では、供給先でのガス必要流量が最大１８０ｍ^３Ｎ／ｈから最小が１２０ｍ^３Ｎ／ｈまで変動する例であり、この場合の制御対象とする圧縮機は、圧縮機３ａの最大流量が８０ｍ^３Ｎ／ｈ、流量調整可能範囲が５０〜７０ｍ^３Ｎ／ｈであり、圧縮気３ｂの最大流量が１００ｍ^３Ｎ／ｈ、流量調整可能範囲が７０〜１００ｍ^３Ｎ／ｈであるので、圧縮機３ａ、３ｂの２台並列運転となる。この場合の合計流量は、最大流量が１８０ｍ^３Ｎ／ｈ、最下限流量が１２０ｍ^３Ｎ／ｈであり、その範囲での調整が可能である。

次に、設置されている２台の圧縮機のどちらから減量運転を開始させるかの判断は、図２に示す圧縮機３ａ、３ｂの流量−電力原単位特性から、減量範囲が３０ｍ^３Ｎ／ｈの範囲では、圧縮機３ａの方が電力原単位の上昇率が圧縮機３ｂと比較して小さいため、減量運転時の電力原単位が有利であるので、一番目に減量運転させる圧縮機は３ａとする。圧縮機３ｂは圧縮機３ａの減量運転の範囲では最大流量値である１００ｍ^３Ｎ／ｈで運転する。

すなわち、圧縮機３ａが減量運転する範囲では、圧縮機３ａの流量は８０ｍ^３Ｎ／ｈから５０ｍ^３Ｎ／ｈへ減量され、圧縮機３ｂは１００ｍ^３Ｎ／ｈの一定運転となり、２台の圧縮機の合計流量は１８０ｍ^３Ｎ／ｈから１５０ｍ^３Ｎ／ｈへ減量されることになり、これは、図３における実線（ａ）で表される。一番目に減量運転した圧縮機３ａの下限流量である５０ｍ^３Ｎ／ｈを越えても更にガス供給量の減量を行う必要がある場合は、圧縮機３ａは下限流量である５０ｍ^３Ｎ／ｈの一定運転とし、圧縮機３ｂの減量運転に移行する。

図１に示す例は、圧縮機が２台設置されている例であるため、二番目に減量運転させる圧縮機は必然的に３ｂとなるが、３台以上設置されている場合は、一番目に減量運転させる圧縮機を選定した時と同様に決定する。圧縮機３ｂの減量運転範囲では、圧縮機３ａは５０ｍ^３Ｎ／ｈの一定運転とし、圧縮機３ｂは１００ｍ^３Ｎ／ｈから７０ｍ^３Ｎ／ｈへ減量され、２台の圧縮機の合計流量は１５０ｍ^３Ｎ／ｈから１２０ｍ^３Ｎ／ｈへ減量されることになり、これは、図３の一点鎖線（ｂ）で表される。

ここで、図３について説明を加えると、図３は操作信号の分配の例を示すもので、横軸に調節計８からの操作出力とそれに対応する合計流量、縦軸に演算結果に基づく出力を示しており、信号演算器９が入力に対しどのような出力を行なうかを表している。

前述したように、１８０ｍ^３Ｎ／ｈから１２０ｍ^３Ｎ／ｈへ減量運転されるのであるが、図３に示すように、調節計８は、この１８０ｍ^３Ｎ／ｈから１２０ｍ^３Ｎ／ｈという流量調整範囲を０〜１００％の制御信号として出力する。圧縮機３ａを優先して減量運転した方が効率が良いので、圧縮機３ａが流量制御できる１８０から１５０の範囲は圧縮機３ａのみの流量制御とし、１５０から１２０の範囲は圧縮機３ｂの流量制御を行わせるので、０〜５０％、５０〜１００％で信号を分配する演算を信号演算器９に行わせることになる。

表１は、圧縮機３ａ、３ｂの流量−電力原単位特性から、各流量における消費電力を算出したものである。この２台の圧縮機の並列運転を行うときの合計消費電力を算出したものが、表２である。この算出結果のとおり、上記の信号演算を行うことにより、消費電力の削減を図ることができ、経済的な並列運転が可能となる。

また、本発明における運転方法では、調節計８の流量設定値を１２０〜１８０ｍ^３Ｎ／ｈの範囲で設定するだけでよく、逐次各圧縮機に対する設定値を検討する必要がない。したがって、複数台の圧縮機の並列運転においても、運転操作が容易である。

本発明における圧縮機の運転方法を、鉄鋼業における酸素圧送設備の圧縮機流量制御に適用した。酸素圧送設備では、共通吸入管路に酸素製造プラントが接続されており、高純度酸素が予測負荷量に応じて常に２０ｋＰａ程度の圧力で充填されている。その高純度酸素を２，３台程度の圧縮機の並列運転で５００ｋＰａ程度まで昇圧し、ガスホルダーを介して製鋼工程等に圧送し使用されている。流量調整は、各圧縮機のガイドベーン開度を調整することにより行う。

図４および表３は、本発明に基づき圧縮機を並列で運転する時の流量−電力原単位の関係を示すものである。圧縮機（Ｉ）は、１２〜１６ｋｍ^３Ｎ／ｈの範囲で使用可能な圧縮機で、圧縮機（II）は、流量調整範囲２６〜４０ｋｍ^３Ｎ／ｈと、圧縮機（I）に比較して大きく、効率も高い圧縮機である。また、図４から判るように、特性の傾きが小さく、流量の変化に対して電力原単位の上昇代が小さいのは圧縮機（II）である。したがって、圧縮機（II）から優先的に減量制御が行われるように、信号演算器９を用いて調節計８の操作出力の分配を行えば、省電力運転が可能となる。その結果は、図５および表４の流量−消費電力特性に示すとおりであり、本発明による演算を行うことにより、流量調整範囲全域において比較的少ない消費電力での運転ができる。

ＰＩＤ調節計にて流量制御を行い、その操作出力は演算器９で分配され各圧縮機のガイドベーンを操作しているが、分配方法はあらかじめ演算器９に設定されているため、運転中に操作する必要は無い。よって、運転員は、目的となる総流量調整に関しては調節計８の設定値のみを調整すれば良く、操作性については従来の制御方法から変化が無く、容易である。

本発明は、従来の圧縮機並列運転制御方法における課題であった、安価な設備費で且つ容易な操作性を備えた高効率運転制御装置を実現できるため、産業上極めて有用である。

並列運転されるガス圧縮機および制御装置の機器構成の一例を示す図である。圧縮機（ａ）及び圧縮機（ｂ）の流量と電力原単位の関係を示す図である。信号演算器９における操作信号の分配例を示す図である。圧縮機（I）及び圧縮機（II）の流量と電力原単位の関係を示す図である。信号演算器９における調節計８の操作出力信号の分配例を示す図である。

Claims

複数の圧縮機を並列に運転してガスを供給する方法において、１台の流量制御手段によって全圧縮機の流量の制御を行う方法であって、以下に示す手順に従い流量調整を行うことを特徴とするガス供給用圧縮機の運転方法。
（１）ガスの供給先への必要流量に基づき、並列運転する複数台の圧縮機から、流量を減少させた際の電力原単位上昇率の最も低い圧縮機（以下、圧縮機１と称す）を選定する。
（２）圧縮機１がガス供給量を低減できる範囲内においては、当該圧縮機１のみで流量制御を行い、他の圧縮機は各圧縮機の最大流量値で運転する。
（３）圧縮機１のガス供給量の下限流量に至ってからのガス供給量の減量は、圧縮機１は下限流量の一定運転とし、圧縮機１の次に電力原単位上昇率の低い圧縮機（以下、圧縮機２と称す）を制御対象圧縮機として選定し、当該圧縮機２のみで流量制御を行い、圧縮機１を除く他の圧縮機については各圧縮機の最大流量値で運転する。
（４）以下同様にして、電力原単位上昇率の低い順番に制御対象圧縮機を選定し、当該制御対象圧縮機の流量制御可能領域では、当該圧縮機のみで流量制御を行う。