JP5091787B2

JP5091787B2 - 圧縮空気製造設備

Info

Publication number: JP5091787B2
Application number: JP2008183642A
Authority: JP
Inventors: 征和長谷; 洋幸松田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: JP2010024845A

Description

本発明は、インバータ等の可変速装置で制御される圧縮機を備えた圧縮空気製造設備に関する。

スクリュー圧縮機等の圧縮機を使用した圧縮空気製造設備において、圧縮機の運転方法にはロード運転、アンロード運転、及び発停制御があり、ロード運転では一定速圧縮機の全速ロードと可変速圧縮機の回転数制御があり、アンロード運転では吸込絞り弁を微調整する吸込絞り制御と圧縮機内圧力を大気開放するパージ制御がある。そして、前記圧縮機の運転は圧縮機ユニットに内蔵の圧力検出手段で制御を行うことが一般的で、これらの制御は、基本的に圧縮機ユニットと吐出空気系統の上流で検出された吐出圧力を元に行われ、省エネが図られている。

圧縮機の吐出空気吐出口からの空気配管系統では、末端に近くなるほど圧力損失が大きくなるが、圧縮機の吐出空気量と末端での使用空気量の変化で圧力損失も変化する。更に、吐出空気系統には通常エアフィルター等の経年的に圧力損失が大きくなるものもあり、また空気配管系統の末端と呼ばれる箇所は１箇所に限らず、空気配管系統が分岐した吐出空気の複数の使用先全てが末端であり、この各々の吐出空気の使用変動によっても圧力損失は大きく変化する。

そのため、空気配管系統の末端では圧力を一定以上に保つため、最大圧力損失を見込んで圧縮機の吐出圧力の設定値を高く固定的に設定することが一般的であり、図４に示すように使用空気量が少ない場合でも、吐出圧力は余分に高く設定されてしまう。また、平日と土日等日によって使用する吐出空気の量や圧力も異なる場合が多いため、日によって使用する圧縮機や吐出空気系統、圧縮機の圧力設定を変更することが多い。使用空気量が少ないと前記圧力損失は小さくなるが、圧力設定値は上記のように普通固定されたままのため、圧縮機は必要以上に吐出圧力を上昇させ、余分な電力を消費していることになる。

省エネ効果を得つつ供給圧力の安定を図るために、特許文献１には、圧縮機の吐出側に接続された吐出空気系統の上流側位置での圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサと、吐出空気系統の圧力損失を電動機の回転数に応じて演算し、これに基づき吐出空気系統の下流側位置での末端圧力が所定範囲となるように吐出空気系統の上流側位置での圧縮機の吐出圧力の制御範囲を変更し、圧力センサで検出した圧縮機の吐出圧力がその変更した制御範囲となるように、電動機の回転数をインバータを介し可変制御する制御装置とを備える圧縮空気製造装置が示されている。

特開２００８−１９７４６号公報

しかしながら、特許文献１では吐出空気系統の圧力損失を電動機の回転数に応じて演算で求めているため、吐出空気系統の下流側位置での末端圧力が、負荷（流量）変動による途中の圧力損失の変化により急激に変化したとき、圧力損失の変化を即座に求めることが困難で電動機の回転数への反映に応答遅れがあり、省エネに反する恐れがある。また、この応答遅れにより末端圧力の急激な変化に対し、回転数の増減がハンチングする恐れがある。

本発明は、各吐出空気系統の圧力を検出し、圧縮機の出口から各末端までの圧力差の変動分を即座に演算で求め、最小限の圧力設定や吐出空気量で運転を可能にすることで、大幅な省エネルギー化、および供給圧力の安定を図る圧縮空気製造設備を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は、電動機の回転速度を可変で駆動して容量制御を行う可変速圧縮機と、圧縮機の吐出空気を導く空気の吐出空気系統と、前記電動機の回転数を可変制御する可変速装置を備えた圧縮空気製造設備において、前記吐出空気系統の圧縮機側に近い上流の第１の吐出圧力を検知する第１圧力検知手段と、前記吐出空気系統の末端側に近い第２の吐出圧力を検知する第２圧力検知手段と、前記第１の吐出圧力と設定した目標圧力設定値の偏差に基いてＰＩまたはＰＩＤ演算を行い前記可変速装置へ回転数の指令値を与える制御装置を備え、前記制御装置は、前記ＰＩまたはＰＩＤ演算した値、または圧縮機の回転数を基に運転中に前記目標圧力設定値を変更すると共に、この変更された目標圧力設定値を前記第１の吐出圧力と第２の吐出圧力との圧力差の瞬時的変化時の変化分に基いて補正するように構成されたことを特徴とする。

また、前記制御装置は、前記第１の吐出圧力と第２の吐出圧力との圧力差を求める圧力差演算手段と、前記第２の吐出圧力を一定以内にするための、前記ＰＩまたはＰＩＤ演算した値または圧縮機の回転数に応じた目標圧力設定値の関係を設定・記憶する手段と、前記ＰＩまたはＰＩＤ演算した値、または圧縮機の回転数を基に運転中に前記目標圧力設定値を変更すると共に、この変更された目標圧力設定値を前記圧力差の瞬時的変化時および経年変化の変化分に基いて補正する変更・補正手段を、備えたことを特徴とする。

また、前記第２圧力検知手段を複数備え、前記制御装置は複数の第２の圧力検知手段で検出した全ての吐出圧力で最も低い値を第２の吐出圧力とすることを特徴とする。また、前記第２の圧力検知手段を複数備え、前記制御装置は第２の複数の圧力検知手段で検出した全ての吐出圧力値の平均値を第２の吐出圧力とすることを特徴とする。また、前記第２の圧力検知手段を複数備え、前記制御装置は第１の吐出圧力に対して第２の複数の圧力検知手段で検出した各々の吐出圧力が、設定した一定範囲より全て低くない場合は前記全ての吐出圧力値の平均値を第２の吐出圧力とし、設定した一定範囲より最も低くなった箇所がある場合はその箇所を第２の吐出圧力とすることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機の出口から末端までの圧力損失の変動分を即座に圧縮機の制御に反映できるので、最小限の圧力設定や吐出空気量で運転を可能にするができる。また、末端圧力の急激な変動に対して制御の応答遅れが小さいので、ハンチングが起こり難くより安定した末端の供給圧力を得ることができる。

本発明の一実施例を、図１、図２、図３、図４を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施例の圧縮空気製造設備のフロー図である。図２は、本発明の第２、３、４実施例の圧縮空気製造設備のフロー図である。図３は、本発明の実施例の使用空気量と吐出圧力の関係図である。図４は、従来例の使用空気量と吐出圧力の関係図である。

以下、図１、図３、図４を用いて本発明の第１実施例を説明する。なお、本実施例の説明に関係のない構造については省略してある。

本実施例の圧縮空気製造設備の可変速スクリュー圧縮機ユニット１では、大気から吸込んだ空気２が吸込みフィルター３で濾過され、吸込み絞り弁４で吸込み量を調整され、スクリュー圧縮機本体５にて圧縮されて逆止弁８を通過して吐出配管系統（吐出空気系統）１５の上流側１５ａに吐き出される。吐出された圧縮空気は空気槽１２に充填され、エアフィルター１３で濾過されて配管系統１５の末端側１５ｂに流れていく。

前記吐出配管系統１５の上流側１５ａの第１の吐出圧力と、末端側１５ｂの第２の吐出圧力は、それぞれ圧力センサー１１（第１圧力検知手段）と１４（第２圧力検知手段）で検出され、制御装置１０に入力される。また、制御装置１０には、後述の可変速装置（インバータ）７からの運転アンサー、故障状態及び運転周波数の信号が入力される。

制御装置１０からは、吸込み絞り弁４の弁を開閉させるための電磁弁９へのＯＮ／ＯＦＦ信号と、スクリュー圧縮機本体５を駆動させるための電動機６に駆動信号を出力をする可変速装置７へ、運転、停止と運転の際の周波数指令信号を出力する機能を有する。

制御装置１０は、圧力差演算手段１０ａ、設定・記憶手段１０ｂ、及び変更・補正手段１０ｃを内蔵している。圧力差演算手段１０ａは、圧力センサー１１と１４で検出された第１の吐出圧力と第２の吐出圧力の圧力差を求める。制御装置１０は前記第１の吐出圧力と目標圧力設定値の偏差に基いてＰＩまたはＰＩＤ演算を行い前記可変速装置へ回転数の指令値を与えるが、前記設定・記憶手段１０ｂは、前記ＰＩまたはＰＩＤ演算を行う際の、第２の吐出圧力を一定以内にするためのＰＩＤ演算値、または回転数に応じた前記目標圧力設定値の関係を設定記憶している。例えば、第２の吐出圧力に対する演算値、または回転数に応じた目標圧力設定値の関係が、式またはテーブルの形で記憶されている。

変更・補正手段１０ｃは、前記ＰＩまたはＰＩＤ演算した値、または圧縮機の回転数を基に運転中に前記目標圧力設定値を変更すると共に、この変更された目標圧力設定値を、前記圧力差の瞬時的変化時にＰＩＤ演算によりその変化分を求め、この変化分に基いて補正する。

圧力センサー１１から空気槽１２までの圧力損失２０をΔＰ１ａ、空気槽１２からエアフィルター１３の１次側までの圧力損失２１をΔＰ２ａ、エアフィルター１３の圧力損失２２をΔＰ３ａ、エアフィルター１３の２次側から圧力センサー１４つまり末端までの圧力損失２３をΔＰ４ａとする。

制御装置１０は圧力センサー１１で検出した圧力と予め設定した目標圧力値の偏差に基づきＰＩＤ制御を行い、可変速装置７へ周波数指令を出力し、可変速装置７は入力された周波数指令を元に電動機６に周波数を可変した電力を出力し、電動機６は入力された周波数に同期した回転数で回転し圧縮機５を駆動させる。

圧縮機５で圧縮された圧縮空気は逆止弁８、圧力センサー１１等を通過して末端側１５ｂに流れていくが、圧縮空気の圧力は圧力センサー１１でまた検出され、制御装置１０に入力されるフィードバック制御を常時行うことで圧力センサー１１の吐出圧力を目標圧力値の一定以内に制御することができる。以上がＰＩＤ演算による圧縮機の可変速制御である。

圧力センサー１１の第１の吐出圧力と共に、圧力センサー１４の第２の吐出圧力も検出しており、この第１の吐出圧力と第２吐出圧力の圧力差は圧力損失である。この圧力損失は、負荷が重い（使用空気量が多い）と大きくなり、負荷が軽いと小さくなる。上記圧縮機の可変速制御では、図４に示すように圧力センサー１１の吐出圧力は３０で、圧力センサー１４の吐出圧力は３１で、圧力損失は３２で示される。

本発明実施例では、配管系統の末端側１５ｂは、最低約０．４９ＭＰａを維持できれば良いので、負荷が急激に減少して圧力センサー１１と圧力センサー１４の差圧で示される圧力損失ΔＰ１ａ＋ΔＰ２ａ＋ΔＰ３ａ＋ΔＰ４ａ＝ΔＰが少ない方向に変化した場合に、変更・補正手段１０ｃによりＰＩＤ制御によりその変化分を求め、それまでの目標圧力設定値からこの変化分を減算して、新たな目標圧力設定値に補正している。

即ち、図３で最初に目標圧力設定値を０．６９Ｍｐａに、また末端の吐出圧力を０．４９Ｍｐａに設定して運転した場合、圧力センサ１１と１４の差圧はΔＰ１で示される。運転中に負荷の一部が停止された場合（負荷が軽くなった）、流量が急激に下がるので圧力センサ１４での末端側の吐出圧力は急激に上昇する。一方、このタイミングでは応答遅れのために圧力センサ１１での上流側の吐出圧力は変化がないので、両センサの差圧（圧力損失）が末端側の吐出圧力の上記急激な上昇分（変化分）だけ小さくなる。この上昇分は末端側の吐出圧力の変化を前記変更・補正手段１０ｃのＰＩＤ制御により求められ、さらにそれまでの目標圧力設定値０．６９Ｍｐａからこの変化分を減算して、直ちに新たな目標圧力設定値に補正する。

図３で示すと、最初に目標圧力設定値を０．６９Ｍｐａに、また末端側の吐出圧力を０．４９Ｍｐａに設定した場合の圧力センサ１１と１４の差圧はΔＰ１で示され、末端側の吐出圧力の変化分はΔＰ３で示され、最初の目標圧力設定値０．６９Ｍｐａからこの変化分ΔＰ３を減算して、新たな目標圧力設定値に補正される。このときの圧力損失はΔＰ１からΔＰ２に変化することになる。

圧力損失の変化は負荷変動以外に経年的変化によっても起り、ゆっくりと増加する。この場合は、前記設定・記憶手段１０ｂに記憶されている、第２の吐出圧力に対する演算値または回転数と目標圧力設定値の関係に基いて、目標圧力設定値が変更される。

このように、負荷変動による圧力変化が最初に現れる末端側１５ｂで吐出圧の変化を即座に検知し、上流側１５ａの目標圧力設定値に補正を加えるので、応答遅れなく新たな目標圧力設定値で制御を続けることができ、ハンチングを起こすことが少ない。

なお、負荷の急減による前記末端側の吐出圧力の上昇分（変化分）は、圧力損失の変化分（ΔＰ１−ΔＰ２＝ΔＰ３）から求める方法と、末端側の吐出圧力の変化から直接求める方法がある。また、上記と逆に負荷が急増した場合は、末端側の吐出圧力が急減するので、前記と逆に変化分をそれまでの目標圧力設定値に加算して新たな目標圧力設定値に補正されることになる。そして、常に新たな目標圧力設定値に基いてＰＩＤ演算による圧縮機の可変速制御が継続して行われる。

本実施例によれば、図３に示すように配管系統１５の末端側１５ｂを０．４９ＭＰａを維持して、配管系統１５の上流側１５ａの圧力（センサー１１の圧力）を２７として最小限に制御することができるため、省エネルギー効果を向上させることができる。

次に、図２、３、４を用いて本発明の第２の実施例を説明する。なお、本実施例の説明に関係のない構造については省略してあり、第１の実施例で説明した内容については省略してある。

圧縮空気はエアフィルター１３の２次側からそれぞれ配管系統の末端側１５ｂと配管系統の末端側１７ｂと配管系統の末端側１９ｂに吐き出されるが、各々圧力センサー１４と圧力センサー１６と圧力センサー１８により圧力を検出し制御装置１０に入力されるようになっている。また、エアフィルター１３から各圧力センサーまでの圧力損失２３と圧力損失２４と圧力損失２５は、各々ΔＰ４ａ、ΔＰ４ｂ、ΔＰ４ｃとなる。

配管系統の末端側１５ｂ、１７ｂ、１９ｂは、全て最低０．４９ＭＰａを維持できれば良いので、圧力センサー１１と圧力センサー１４、１６、１８との間の各々の圧力損失の内、最大の圧力損失ΔＰにおいて、目標圧力設定値から圧力損失ΔＰの変化分を減算した値を常に目標圧力設定値に補正する。言い換えれば、制御手段１０は、第２圧力検出手段（圧力センサー１４、１６、１８）で検出された圧力の中で、最も低い圧力を第２吐出圧力として目標圧力設定値を補正する。図３において、圧力センサー１１の圧力が２７で、圧力損失が最大となった圧力センサーの圧力が２８で、圧力損失が２９の関係とすることができる。

次に、図２、３、４を用いて本発明の第３の実施例を説明する。なお、本実施例の説明に関係のない構造については省略してあり、第１の実施例で説明した内容については省略してある。圧縮空気はエアフィルター１３の２次側からそれぞれ配管系統の末端側１５ｂと配管系統の末端側１７ｂと配管系統の末端側１９ｂに吐き出されるが、各々圧力センサー１４と圧力センサー１６と圧力センサー１８により圧力を検出し、制御装置１０に入力されるようになっている。またエアフィルター１３から各圧力センサーまでの圧力損失２３と圧力損失２４と圧力損失２５は各々ΔＰ４ａ、ΔＰ４ｂ、ΔＰ４ｃとなる。

配管系統の末端側１５ｂ、１７ｂ、１９ｂの平均値を最低０．４９ＭＰａに維持できれば良いので、圧力センサー１１と圧力センサー１４、１６、１８の間の各々の圧力損失の平均値となる圧力損失ΔＰにおいて、目標圧力設定値から圧力損失ΔＰの変化分を減算した値を常に目標圧力設定値に補正する。言い換えれば、前記制御装置１０は第２の圧力検出手段（圧力センサー１４、１６、１８）で検出した圧力の全ての平均値を第２の吐出圧力とする。図３において、圧力センサー１１の圧力が２７で、圧力センサー１４，１６，１８間の圧力損失の平均の圧力が２８で、圧力損失が２９の関係とすることができる。

次に、図２、３、４を用いて本発明の第４の実施例を説明する。なお、本実施例の説明に関係のない構造については省略してあり、第１の実施例で説明した内容については省略してある。圧縮空気はエアフィルター１３の２次側からそれぞれ配管系統の末端１５ｂと配管系統の末端側１７ｂと配管系統の末端側１９ｂに吐き出されるが、各々圧力センサー１４と圧力センサー１６と圧力センサー１８により圧力を検出し、制御装置１０に入力されるようになっている。またエアフィルター１３から各圧力センサーまでの圧力損失２３と圧力損失２４と圧力損失２５は各々ΔＰ４ａ、ΔＰ４ｂ、ΔＰ４ｃとなる。

配管系統の末端側１５ｂ、１７ｂ、１９ｂは全て最低０．４９ＭＰａを維持できれば良いので、圧力センサー１１と圧力センサー１４、１６、１８の間の各々の圧力損失の平均値となる圧力損失ΔＰにおいて、目標圧力設定値から圧力損失ΔＰの変化分を減算した値を常に新たな目標圧力設定値に補正する。また、圧力センサー１４，１６，１８の間の圧力の内どれか０．４９ＭＰａを下回る場合のみ圧力センサー１１とその０．４９ＭＰａを下回る圧力センサー間の圧力損失ΔＰにおいて、目標圧力設定値から圧力損失ΔＰの変化分を減算した値を常に新たな目標圧力設定値に補正する。言い換えれば、前記制御装置１０は第１の吐出圧力に対して第２の複数の圧力検知手段で検出した各々の吐出圧力が、設定した一定範囲より全て低くない場合は、前記全ての吐出圧力値の平均値を第２の吐出圧力とし、設定した一定範囲より最も低くなった箇所がある場合はその低くなった箇所を第２の吐出圧力とする。

図３において、圧力センサー１１の圧力が２７で、圧力センサー１４，１６，１８の平均、またはどれかの圧力が２８で、圧力損失が２９の関係とすることができる。

本発明の第１の実施例の圧縮空気製造設備のフロー図である。本発明の第２、３、４の実施例の圧縮空気製造設備のフロー図である。本発明の実施例の使用空気量と吐出圧力の関係図である。従来例の使用空気量と吐出圧力の関係図である。

符号の説明

１…可変速スクリュー圧縮機ユニット、２…大気からの空気の吸込み、３…吸込みフィルター、４…吸込み絞り弁、５…スクリュー圧縮機本体、６…電動機、７…可変速装置、８…逆止弁、９…電磁弁、１０…制御装置、１０ａ…圧力差演算装置、１０ｂ…設定・記憶装置、１０ｃ…変更・補正手段、１１…圧力センサー（第１の圧力検知手段）、１２…空気槽、１３…エアフィルター、１４…圧力センサー（第２の圧力検知手段）、１５…配管系統、１５ｂ…配管系統の末端側、１６…圧力センサー（第２の圧力検知手段）、１７ｂ…配管系統の末端側、１８…圧力センサー（第２の圧力検知手段）、１９ｂ…配管系統の末端側、２０…圧力損失ΔＰ１ａ、２１…圧力損失ΔＰ２ａ、２２…圧力損失ΔＰ３ａ、２３…圧力損失ΔＰ４ａ、２４…圧力損失ΔＰ４ｂ、２５…圧力損失ΔＰ４ｃ、２６…外部入力信号、２７…圧力センサー１１の圧力、２８…圧力センサー１４の圧力、２９…圧力損失、３０…圧力センサー１１の圧力、３１…圧力センサー１４の圧力、３２…圧力損失。

Claims

電動機の回転速度を可変で駆動して容量制御を行う可変速圧縮機と、圧縮機の吐出空気を導く空気の吐出空気系統と、前記電動機の回転数を可変制御する可変速装置を備えた圧縮空気製造設備において、
前記吐出空気系統の圧縮機側に近い上流の第１の吐出圧力を検知する第１圧力検知手段と、
前記吐出空気系統の末端側に近い第２の吐出圧力を検知する第２圧力検知手段と、
前記第１の吐出圧力と設定した目標圧力設定値の偏差に基いてＰＩまたはＰＩＤ演算を行い前記可変速装置へ回転数の指令値を与える制御装置を備え、
前記制御装置は、前記ＰＩまたはＰＩＤ演算した値、または圧縮機の回転数を基に運転中に前記目標圧力設定値を変更すると共に、この変更された目標圧力設定値を前記第１の吐出圧力と第２の吐出圧力との圧力差の瞬時的変化時の変化分に基いて補正するように構成されたことを特徴とする圧縮空気製造設備。
前記制御装置は、
前記第１の吐出圧力と第２の吐出圧力との圧力差を求める圧力差演算手段と、
前記第２の吐出圧力を一定以内にするための、前記ＰＩまたはＰＩＤ演算した値または圧縮機の回転数に応じた目標圧力設定値の関係を設定・記憶する手段と、
前記ＰＩまたはＰＩＤ演算した値、または圧縮機の回転数を基に運転中に前記目標圧力設定値を変更すると共に、この変更された目標圧力設定値を前記圧力差の瞬時的変化時の変化分に基いて補正する変更・補正手段を、
備えたことを特徴とする請求項１記載の圧縮空気製造設備。
前記第２圧力検知手段を複数備え、前記制御装置は複数の第２の圧力検知手段で検出した全ての吐出圧力で最も低い値を第２の吐出圧力とすることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮空気製造設備。
前記第２の圧力検知手段を複数備え、前記制御装置は第２の複数の圧力検知手段で検出した全ての吐出圧力値の平均値を第２の吐出圧力とすることを特徴とする請求項１記載の圧縮空気製造設備。
前記第２の圧力検知手段を複数備え、前記制御装置は第１の吐出圧力に対して第２の複数の圧力検知手段で検出した各々の吐出圧力が、設定した一定範囲より全て低くない場合は前記全ての吐出圧力値の平均値を第２の吐出圧力とし、設定した一定範囲より最も低くなった箇所がある場合はその箇所を第２の吐出圧力とすることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮空気製造設備。