| 【発明の名称】 |
圧縮機の運転制御方法および装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】沖田 純二
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| 【要約】 |
【課題】複数台並列接続の圧縮機の運転状態を負荷側の消費流量変動に応じて制御するについて、流量計を不要とすることができるようにする。
【解決手段】容量調整が全負荷運転と無負荷運転の繰り返しでなされるようになっている複数台の圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃを並列に接続し、これら複数台の圧縮機により圧縮気体が供給される負荷側での消費流量に応じて所定範囲の圧力を保つ条件下で、各圧縮機に停止または全負荷連続運転または容量調整運転の何れかの状態をとらせるように制御する運転制御方法において、任意の時点で任意の時間Ｔをとり、その時間Ｔ内に運転されている一台または複数台の圧縮機それぞれの全負荷容量とそれぞれの運転状態とから前記任意の時点での消費流量Ｑを求めるようにしている |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 容量調整が全負荷運転と無負荷運転の繰り返しでなされるようになっている複数台の圧縮機を並列に接続し、これら複数台の圧縮機により圧縮気体が供給される負荷側での消費流量に応じて所定範囲の圧力を保つ条件下で、各圧縮機に停止または全負荷連続運転または容量調整運転の何れかの状態をとらせるように制御する運転制御方法において、任意の時点で任意の時間Ｔをとり、その時間Ｔ内に運転されている一台または複数台の圧縮機それぞれの全負荷容量とそれぞれの運転状態とから下記の式により前記任意の時点での消費流量Ｑを求め、この消費流量Ｑに基づいて前記の制御をなすようにしたことを特徴とする運転制御方法。
【数１】
ただし、Ｑ1 〜Ｑn は任意の時間Ｔ内で全負荷連続運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、Ｑn+1 〜Ｑn+m は任意の時間Ｔ内で容量調整運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、ｔn+1 〜ｔn+m は容量調整運転されている各圧縮機における時間Ｔ内での全負荷運転の延べ時間である。
【請求項２】 全体の消費電力が最小となる各圧縮機の運転状態の組み合わせを消費流量に応じて求め、これに基づいて、実際の消費流量に応じた最小電力消費となるように、各圧縮機に停止または全負荷運転または容量調整運転の何れかの状態をとらせるように制御する請求項１に記載の運転制御方法。
【請求項３】 容量調整が全負荷運転と無負荷運転の繰り返しでなされるようになっている複数台の圧縮機を並列に接続し、これら複数台の圧縮機により圧縮気体が供給される負荷側での消費流量に応じて所定範囲の圧力を保つ条件下で、各圧縮機に停止または全負荷連続運転または容量調整運転の何れかの状態をとらせるように制御するための運転制御装置において、前記複数台の圧縮機それぞれの全負荷容量を記憶するための全負荷容量記憶手段と、任意の時点で任意の時間Ｔをとり、その時間Ｔ内で容量調整運転されている一台または複数台の圧縮機それぞれの容量調整運転状態における全負荷運転の延べ時間を求める延べ時間積算手段と、前記任意の時間Ｔ内に運転されている一台または複数台の圧縮機それぞれの全負荷容量とそれぞれの運転状態とから下記の式により前記任意の時点での消費流量Ｑを求める消費流量算出手段とを備えたことを特徴とする運転制御装置。
【数２】
ただし、Ｑ1 〜Ｑn は任意の時間Ｔ内で全負荷連続運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、Ｑn+1 〜Ｑn+m は任意の時間Ｔ内で容量調整運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、ｔn+1 〜ｔn+m は容量調整運転されている各圧縮機における時間Ｔ内での全負荷運転の延べ時間である。
【請求項４】 消費流量に応じて予め求められた、全体の消費電力が最小となる各圧縮機の運転状態の組み合わせに関するデータをデータベース化して保存する運転状態組合せデータベースをさらに備えている請求項３に記載の運転制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容量調整が全負荷運転と無負荷運転の交互の繰り返しでなされるようになっている圧縮機を複数台並列に接続して用いる圧縮機設備について、負荷側での消費流量に応じて各圧縮機の運転状態を制御するための運転制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】複数台の圧縮機を並列に接続した圧縮機設備においては、例えば圧縮機設備全体での消費電力を最小に抑えるようにするために、負荷側での消費流量に応じて各圧縮機の運転状態を制御する運転制御が行われている。例えば特開昭５６−７７５８３号、特開昭６２−２４３９９５号、特開平１−１００３９２号、それに特開平９−７２２８１号などの各公報に開示されるのがそのような例である。これらの運転制御に関する従来技術は、何れも負荷側での圧縮気体の消費流量の変動つまり負荷変動に応じて各圧縮機の運転状態を制御するようにしており、そのために流量計を設け、この流量計で検出した消費流量に基づいて制御を行うようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、複数台並列接続の圧縮機に対する運転制御についての従来技術は、何れも流量計で消費流量を検出し、これに基づいて必要な制御を行うようにしている。このような技術によると、圧縮機設備全体での消費電力を最小に抑えて省エネを図ることなどができる。しかしその一方で、流量計を設ける必要のあることから、圧縮機設備のコストを増大させることにもなっている。すなわち流量計を設置する場合には、配管系の途中に流量計を組み込むとともに、流量計を作動させるための電力を供給する電源線や流量計からの信号を取り出す信号線などの配線をなす必要があり、そのコストは無視できないものである。
【０００４】したがって本発明の目的は、複数台並列接続の圧縮機の運転状態を負荷側の消費流量変動に応じて制御するについて、流量計を不要とすることができるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために本発明では、容量調整が全負荷運転と無負荷運転の繰り返しでなされるようになっている複数台の圧縮機を並列に接続し、これら複数台の圧縮機により圧縮気体が供給される負荷側での消費流量に応じて所定範囲の圧力を保つ条件下で、各圧縮機に停止または全負荷連続運転または容量調整運転の何れかの状態をとらせるように制御する運転制御方法において、任意の時点で任意の時間Ｔをとり、その時間Ｔ内に運転されている一台または複数台の圧縮機それぞれの全負荷容量とそれぞれの運転状態とから下記の式により前記任意の時点での消費流量Ｑを求め、この消費流量Ｑに基づいて前記の制御をなすようにしたことを特徴としている。
【数３】
ただし、Ｑ1 〜Ｑn は任意の時間Ｔ内で全負荷連続運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、Ｑn+1 〜Ｑn+m は任意の時間Ｔ内で容量調整運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、ｔn+1 〜ｔn+m は容量調整運転されている各圧縮機における時間Ｔ内での全負荷運転の延べ時間である。
【０００６】また上記目的を達成するために本発明では、容量調整が全負荷運転と無負荷運転の繰り返しでなされるようになっている複数台の圧縮機を並列に接続し、これら複数台の圧縮機により圧縮気体が供給される負荷側での消費流量に応じて所定範囲の圧力を保つ条件下で、各圧縮機に停止または全負荷連続運転または容量調整運転の何れかの状態をとらせるように制御するための運転制御装置において、前記複数台の圧縮機それぞれの全負荷容量を記憶するための全負荷容量記憶手段と、任意の時点で任意の時間Ｔをとり、その時間Ｔ内で容量調整運転されている一台または複数台の圧縮機それぞれの容量調整運転状態における全負荷運転の延べ時間を求める延べ時間積算手段と、前記任意の時間Ｔ内に運転されている一台または複数台の圧縮機それぞれの全負荷容量とそれぞれの運転状態とから下記の式により前記任意の時点での消費流量Ｑを求める消費流量計算手段とを備えたことを特徴としている。
【数４】
ただし、Ｑ1 〜Ｑn は任意の時間Ｔ内で全負荷連続運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、Ｑn+1 〜Ｑn+m は任意の時間Ｔ内で容量調整運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、ｔn+1 〜ｔn+m は容量調整運転されている各圧縮機における時間Ｔ内での全負荷運転の延べ時間である。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態について説明する。図１に、本発明による圧縮機の運転制御方法が適用される圧縮機設備の一例を示す。図の例では何れも容量調整が全負荷運転と無負荷運転の繰り返しでなされるタイプの圧縮機Ａ、圧縮機Ｂおよび圧縮機Ｃの３台が並列に接続されている。これらはそれぞれ全負荷容量が異なっており、圧縮機Ａは全負荷容量がＱA で小容量、圧縮機Ｂは全負荷容量がＱB で中容量、そして圧縮機Ｃは全負荷容量がＱC で大容量である。各圧縮機の吐出流路はレシーバタンク１に接続する１本の流路に合流させられており、レシーバタンク１からは図示せぬ負荷に至る流路が延びている。各圧縮機から送り込まれる高圧の空気を貯めるレシーバタンク１はその内部圧力を圧力検出器２で常時検出できるようにされており、この圧力検出器２の信号は制御装置３に入力される。そして制御装置３は、圧力検出器２からの信号に基き、後述のようにして各圧縮機の容量調整運転時における全負荷運転と無負荷運転の繰り返しなどを制御する。また制御装置３は、後述のようにして消費流量Ｑを求め、これに基づいて各圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃごとに停止あるいは全負荷連続運転または容量調整運転を行わせる制御をなす。
【０００８】ここで、全負荷運転と無負荷運転を交互に繰返す方式で容量調整がなされるタイプの圧縮機の一般的な構成について説明する。図２はそのような圧縮機における空気系統と容量制御系のフローを示したものである。全負荷運転状態では、吸入口４から吸入された空気が吸入フィルター５を経て全開状態の吸入弁（オンオフ式制御弁）６から圧縮機本体９へ入る。圧縮機本体９で圧縮された高温高圧の空気は、逆止弁１０とアフタークーラ１１を通ってレシーバタンク１２へ送り込まれる。レシーバタンク１２内に貯められた空気は、空気消費ラインを経て負荷側へ送られ、そこで消費される。このような全負荷運転がなされている状態では放風弁７は閉じている。すなわちこの放風弁７は、油圧ピストン８により吸入弁６と連動的に作動され、吸入弁６が開となる際には閉となる。油圧ピストン８は、貯油槽１３から油圧ポンプ１４と四方電磁弁１５により供給される圧油により作動させられ、全負荷運転状態では吸入弁６を開、放風弁７を閉とする位置に押されている。
【０００９】一般に全負荷運転時は、消費流量よりも圧縮機吐出量の方が多く、レシーバタンク１２を含む吐出側配管系の圧力つまり吐出側圧力は上昇していく。この吐出側圧力は圧力検出器１６で検出されて制御装置１７へ送られる。制御装置１７では、検出された吐出側圧力Ｐが予め設定されている上限設定圧力（圧力設定値）Ｐmaxに達すると、四方電磁弁１５に指令を発して四方電磁弁１５の油通路を切り替え、油圧ピストン８を作動させる。これにより吸入弁６が微開となると同時に放風弁７が開となり、圧縮機９は無負荷運転状態となる。この無負荷運転中に微開状態の吸入弁６から圧縮機９へ洩れ込んだ空気は、圧縮機９から出た後、放風弁７を通り放風サイレンサ１８を通って大気に放風される。
【００１０】無負荷運転状態では圧縮機本体９からレシーバタンク１２への空気の供給がなされない。したがってレシーバタンク１２内の空気が消費されていくのに伴い、吐出側圧力Ｐが低下していく。そして予め設定してある下限設定圧力Ｐminまで低下すると、制御装置１７が四方電磁弁１５を切り替えて再び全負荷運転状態に入る。容量調整運転は、以上のような全負荷運転と無負荷運転を吐出側圧力Ｐに応じて繰り返すことでなされる。一方、容量調整運転でない全負荷連続運転の場合には、吐出側圧力Ｐに関係なく全負荷運転が連続的に継続される。
【００１１】次に、図１の圧縮機設備における運転制御について説明する。３台の圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃは、負荷による消費流量に応じて設備全体での消費電力が最小になるように、制御装置３により制御される。そのためには負荷による消費流量についての情報を必要とする。本発明ではこの情報を、各圧縮機について予め知ることのできるそれぞれの全負荷容量（全負荷運転時の単位時間当たりの吐出量）と、ある任意の時点における任意の時間Ｔ内で運転されている各圧縮機の運転状態から計算により求めるものとしている。以下、このことについて説明する。
【００１２】後述するように、設備全体での消費電力が最小になるように制御される３台の圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃの運転状態としては以下の３通りがあり得る。すなわち■３台とも運転され、その内の２台は全負荷連続運転で残りの１台が容量調整運転である。■２台だけ運転され、その内の１台は全負荷連続運転で残りの１台が容量調整運転である。■１台だけ運転され、それが容量調整運転とされる。これらは何れも容量調整運転の圧縮機を含んでいる。図３は、このような運転状態に制御されている図１の圧縮機設備における圧力検出器２で得られるガス圧力の変化の例を示したものである。レシーバタンク１内の圧力が下限設定値Ｐminに達すると、点Ｐoで容量調整運転機が全負荷運転となり、上限設定値Ｐmaxに達すると、点Ｐuで容量調整運転機が無負荷運転となり、このような圧力の上下が上限設定値Ｐmaxと下限設定値Ｐminの間で繰り返される。すなわち所定の圧力を保つ条件下では、容量調整運転されている圧縮機における容量調整のための全負荷運転と無負荷運転の繰り返しは負荷による消費流量により直接的に左右されている。したがって全負荷連続運転している圧縮機による吐出量と容量調整運転している圧縮機による吐出量が分かれば、これらから消費流量を求めることができる。
【００１３】全負荷連続運転している圧縮機による任意の時点での吐出量は、予め知ることのできるその圧縮機の全負荷容量として得られる。一方、容量調整運転している圧縮機による吐出量は、そ圧縮機における前記時間Ｔ内での全負荷運転の延べ時間ｔを例えば制御装置３に設けた積算手段などにより求め、この延べ時間ｔの時間Ｔに対する比率、つまり時間Ｔ内での平均容量調整率にその圧縮機の全負荷容量を掛けることで得られる。例えば圧縮機Ｂが停止され、圧縮機Ａが全負荷運転で圧縮機Ｃが容量調整運転されている状態での消費流量Ｑは、Ｑ＝ＱA ＋ＱC ×ｔ／Ｔで示される。このことをさらに一般化すると以下のようになる。すなわち全負荷運転と無負荷運転を交互に繰返す方式で容量調整がなされるタイプの圧縮機がＮ（Ｎ＞ｎ＋ｍ）台並列に接続されて一つの圧縮機設備を構成しており、ある任意の時間Ｔ内において、その内のｎ台が全負荷連続運転であり、ｍ台が容量調整運転されているとすると、その時点での消費流量Ｑは以下の式により求めることができる。
【数５】
ただし、Ｑ1 〜Ｑn は任意の時間Ｔ内で全負荷連続運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、Ｑn+1 〜Ｑn+m は任意の時間Ｔ内で容量調整運転されている各圧縮機の全負荷容量であり、ｔn+1 〜ｔn+m は容量調整運転されている各圧縮機における時間Ｔ内での全負荷運転の延べ時間である。
【００１４】次に、以上のようにして流量計などを用いることなく求めた消費流量に基づいて、設備全体での消費電力が最小になるように圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃを制御する制御内容について説明する。図４は、圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃについて、それぞれの負荷流量（消費流量）と消費電力の関係を示したものである。折曲線I は圧縮機Ａの特性、折曲線IIは圧縮機Ｂの特性、折曲線III は圧縮機Ｃの特性を示している。この例は同容量の圧縮機を複数台組み合わせることを前提にしているが、圧縮機Ａの場合、消費流量が圧縮機Ａの全負荷容量のＱA 迄は１台運転、それ以上では２台、３台運転となる。また、圧縮機Ｂの場合、圧縮機Ｂの全負荷容量のＱB 迄は１台運転、それ以上は２台運転となる。さらに、圧縮機Ｃの場合も同様、圧縮機Ｃの全負荷容量のＱC 迄は１台運転となる。この例では、消費流量がＱA に至る迄では圧縮機Ａを１台運転した場合が最も消費電力が少なく、消費流量がＱA を超えＱB に至る迄では圧縮機Ｂを１台運転した場合が最も消費電力が少なく、また、消費流量がＱB を超えＱC に至る迄では圧縮機Ｃを１台運転した場合が最も消費電力が少なくなる。
【００１５】図５は、それぞれ全負荷容量が異なる圧縮機Ａ，Ｂ，Ｃを組み合わせて運転した場合の消費流量と消費電力の関係を示した図である。例えば消費流量がＱC ＋ＱA とＱC ＋ＱB の間であるとすると、圧縮機の組合わせ運転パターンとしては、圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃを３台とも運転し圧縮機Ｃを容量調整運転する場合（図中のI ＋II＋III で示す）、圧縮機Ｂ、Ｃの２台を運転し圧縮機Ｃを容量調整運転する場合（図中のII＋III で示す）あるいは圧縮機Ｃ、Ｂの２台を運転し圧縮機Ｂを容量調整運転する場合（図中のIII ＋IIで示す）の３パターンがあり得る。そして大容量の圧縮機Ｃを全負荷連続運転し圧縮機Ｂを容量調整運転する場合が、最も消費電力が少なくて済む。その理由は、無負荷運転には電力ロスが伴い、したがって容量の異なる圧縮機の何れか一方を容量調整運転とする場合には、容量が小さくてその容量調整運転時における無負荷運転時間が相対的に短い圧縮機を容量調整運転とする方が電力ロスを小さくできるからである。このことから複数台を同時運転し、その内の何台かを容量調整運転とする場合には、その容量調整運転における無負荷運転時間が相対的に短い、つまり負荷率が相対的に高い圧縮機を優先的に容量調整運転に充てるのが一般的に有利であるといえる。
【００１６】図６は、図５と同様、圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃを組合わせ運転した場合の消費流量と消費電力の関係を示した図であるが、消費流量が減少し、ＱC とＱC ＋ＱA の間である場合を示す。この場合の圧縮機の組合わせ運転パターンとしては、圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃの３台を運転し圧縮機Ｃを容量調整運転する場合（図中のI ＋II＋III で示す）、圧縮機Ｃ、Ｂの２台を運転し圧縮機Ｂを容量調整運転する場合（図中のIII ＋IIで示す）、圧縮機Ａ、Ｃの２台を運転し圧縮機Ｃを容量調整運転する場合（図中のIII ＋I で示す）あるいは圧縮機Ｃ、Ａの２台を運転し圧縮機Ａを容量調整運転する場合（図中のI ＋III で示す）の４パターンがあり得る。そして上記と同様の理由から、大容量の圧縮機Ｃを全負荷連続運転し小容量の圧縮機Ａを容量調整運転した場合が、最も消費電力が少なくて済む。
【００１７】本発明では以上のようにして、複数台の圧縮機を並列に接続して構成される圧縮機設備について、消費流量に応じて消費電力を最小とする各圧縮機の運転状態の組み合わせを求め、これに基づいて各圧縮機を制御する。そしてそこで必要になる実際の消費流量は上記のようにして求める。消費流量に応じた各圧縮機の運転状態の最善の組み合は、その都度求めるようにしてもよいが、予め求めてデータベース化して用いるようにするのが、より好ましい。
【００１８】図７は、本発明を適用した、全負荷容量が異なる圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃを並列接続してなる圧縮機設備における運転制御方法をフローチャートで示した図である。消費流量は０から各圧縮機の全負荷容量の合計であるＱA ＋ＱB ＋ＱC の最大流量迄変化するものとする。第一例として、消費流量Ｑが（ＱC ＋ＱA ）＜Ｑ＜（ＱC ＋ＱB ）である場合、つまり上記した圧縮機Ｃと圧縮機Ｂを運転し、圧縮機Ｂを容量調整運転とすることで最も消費電力を少なくすることのできる場合について説明する。制御装置部３では、常に全負荷運転機と容量調整機から上記のようにして消費流量を算出している。まず、ステップ１では、Ｑ＞ＱC を判別するがＱ＞ＱC であるので、次に圧縮機Ｃが運転中であるかどうかを判別する。運転中でなければ運転しステップ２に進む。ステップ２では、（Ｑ−ＱC ）＞ＱB を判別するが、（Ｑ−ＱC ）＜ＱB であり、ステップ３に進む。ステップ３では（Ｑ−ＱC ）＞ＱA を判別するが、（Ｑ−ＱC ）＞ＱA であるので、次に圧縮機Ｂが運転中であるかどうかを判別する。運転中でなければ運転し、圧縮機Ｂを容量調整運転機とし、且つ、圧縮機Ａを停止する。次に第二例として、消費流量が減少し、消費流量ＱがＱC ＜Ｑ＜（ＱC ＋ＱA ）である場合、つまり上記した圧縮機Ｃと圧縮機Ａを運転し、圧縮機Ａを容量調整運転とすることで最も消費電力を少なくすることのできる場合について説明する。消費流量ＱがＱC ＜Ｑ＜（ＱC＋ＱA ）となった場合には、ステップ３で（Ｑ−ＱC ）＞ＱA を判別するが、（Ｑ−ＱC ）＞ＱA でないので、圧縮機Ｂを停止し、且つ、圧縮機Ａを容量調整運転機とする。
【００１９】以上のような制御を行う制御装置３は、圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの全負荷容量を記憶するための全負荷容量記憶手段と、予め設定されている時間Ｔについて、任意の時点ごとにその時間Ｔ内で容量調整運転されている圧縮機の容量調整運転状態における全負荷運転の延べ時間を求める延べ時間積算手段と、上記のようにして実際の消費流量を求める消費流量算出手段とを少なくとも備え、さらに好ましくは、消費流量に応じて予め求めた、全体の消費電力が最小となる圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃの運転状態の組み合わせに関するデータをデータベース化して保存する運転状態組合せデータベースも備え、このデータベースから、任意の時点で求めた消費流量Ｑに対応する、最小電力消費のための運転状態の組み合わせを検索して用いるようにすることになる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、複数台の圧縮機が並列に接続された圧縮機設備において、設備全体として消費電力が最小になるようにするなどのために各圧縮機の運転状態を制御するのに必要な消費流量に関する情報を各圧縮機の全負荷容量と容量調整運転時における当該圧縮機の延べ全負荷運転時間とから求めるようにしている。したがって本発明によれば、圧縮機設備のコストアップ要因となる流量計などを不要とすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月１０日（１９９９．１１．１０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９３８７２
【弁理士】
【氏名又は名称】高崎 芳紘
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３２６５４（Ｐ２００１−１３２６５４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１８日（２００１．５．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３１９８９５ |
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