遠心式空気圧縮機の基礎パートII-基本性能曲線の理解

寄稿編集者、ハンク・ファン・オーマー

パートIでは、遠心操作を理解するために必要な用語を説明しました。 パートIIでは、典型的な動作性能曲線とその解釈方法について説明します。

遠心式空気圧縮機は、さまざまな流量と吐出圧力にわたって動作します。 動作性能曲線は、選択された個々の内部コンポーネントによって形作られ、入口圧力、入口温度、冷却水温度などの動作条件の影響を受けます。

遠心圧縮機の運転段階で適用される動的圧縮のプロセスは、速度と運動エネルギーが流れが制限されるときに圧力と温度に変換されることです。 このプロセスの別の用語は質量流量です。定格圧力（psig）で定格cfmの流量を供給するために必要な電力は、空気の重量によって決まります（メーカーによっては「密度」という用語も使用します）。

このタイプの圧縮プロセスの所要電力は、内部設計部品が考慮されない場合、基本的に機械を通過する空気の重量に依存します。 部品の負荷を無視することで、ステージを通過して最終的な流れになる空気の重量を増減させる制御を行い、圧力が入力パワーに直接影響します。

図1a。 吐出圧力に対する吸気温度の影響

図1b。 吸気温度が電力に及ぼす影響

吸気口の温度を上げると、固定空気の総流量が軽くなり、使用できる空気が少なくなり（scfm）、必要な入力電力が減少します。 温度が低いと逆の効果が得られます。

吸気圧を下げると（高度、コンプレッサーの負圧、吸気フィルターが汚れている/サイズが小さすぎる）、ステージを通過する圧縮空気の流れ（cfm）が軽くなり、入力電力要件が低くても使用可能な空気（scfm）が少なくなります。 入口圧力が高いと逆の効果があります。

冷却水の温度を上げると、これまでの条件と同じように、ステージと電力要件を通る圧縮空気に同じ「軽減」効果があります。

これらの条件の実際の正味の影響は、設計の実際の性能曲線と空力特性に依存します。 これは、固定ホイール、またはインペラー/ディフューザー/速度、コンプレッサーステージの吐出圧力の場合でもあります。

通常、吐出圧力を上げると、ステージを通過する圧縮空気流の重量が増加する効果が残り、多くの場合、同じ入力パワーまたはその近くで使用可能な空気（scfm）の流れが少なくなります。 圧力を下げると、多くの場合、同じまたは同様の入力でより多くの流量が可能になります。 実際のマシン固有のパフォーマンスについては、このドキュメントの後半で説明します。

遠心分離機メーカーの動作曲線を理解する

データは次のように均等化する必要があります。

• 全負荷および部分負荷でSCFMまたはNm ³ / hr

• kWの入力電力

• psigまたはbarの圧力（icsia / icfmからscfmへの変換にpsiaのみを使用）

図2.典型的な遠心性能曲線

Turndown、Stonewall、Rise to Surgeとは何ですか？

インペラが設計され、速度が設定されると、1ポンドの空気がインペラを通過する際に吸収するエネルギーが確立されます。

遠心圧縮機は、1ポンドの空気を一定のエネルギー消費で送ります（冬でも夏でも）。 圧縮される吸入空気の実際の量は、圧力と温度の吸入条件によって一定期間変化します。

上昇するサージ ：必要以上に多くの圧縮空気が生成されると、遠心圧縮機は過負荷を回避するために、空気を排出するか、より少ない空気を送り出す必要があります。 各遠心圧縮機には、特定の吸気条件で到達できる最大圧力があります。これにより、空気の流れが逆になり、急増し、振動による損傷を防ぐために圧縮機が停止します。

これはサージ動作の単純化ですが、各ユニットにはサージ限界または最大圧力まで上昇します。 ターンダウンは、サージが発生することなくコンプレッサーが運転できる全負荷流量を下回る割合です。 たとえば、ターンダウンが15％の場合、サージを発生させることなく装備されているため、ユニットは85％以上の流量で稼働できます。 ターンダウンが大きくなると、それに近いか急増します。

ストーンウォール ：ある時点で、全負荷時に排出量が減少し、空気の流れが増加するため、物理的な制限によりステージを通過する空気が増えなくなります。この点はストーンウォールとして知られています。 このポイント以上で操作を続けると、インペラーがベーン領域を完全に満たすことができず、キャビテーションのような動作が発生し、損傷を与える可能性のある別のタイプのサージが発生するほど大きな差圧で高流量が発生する可能性があります。

図3は、一般的な製造業者のパフォーマンス曲線のサンプル表示であり、データは予測可能で実際に予測される実際の運用効率に展開できます。

図3. 125 psigでの全負荷圧縮機の性能曲線のサンプル

• 430 HPで125 psigで2,050 cfm（x .7457 = 321 kW）

• ターンダウン1,345 cfm、125 psig、345 HP（x .7457 = 257 kW）

システムの最適化のための遠心操作性能曲線の活用

OEMサプライヤおよびその動作パフォーマンス曲線と効果的に連携することは、アプリケーションの成功につながります。 ユーザーがOEMサプライヤに適切なデータを提供するには、提示された情報に精通し、次のような重要な追加データを完全に理解して要求する必要があります。

• サージポイント、ターンダウン、特定の電力全負荷などに関するインペラ/ディフューザの動作特性は何ですか？

• ターンダウン能力を高めるための標準インペラー/ディフューザーのセットは何ですか？

容量制御と入口ガイドベーン

図4の動作性能曲線は、インレットバタフライバルブ（IBV）とインレットガイドベーン（IGV）の2つの異なる部品負荷入力kW値があったことを示しています。 遠心分離機のすべてのものと同様に、実際のデータはマシン固有です。

なぜこれだけ意味があるのか？

設計および適用された遠心圧縮機のターンダウンがなくなると、システムが取り込めない圧縮空気を生成し続けることができないため、基本的に次の2つのことが起こります。

• ほとんどすべてのメーカーが提供する容量制御は、吸気バルブを閉じてブローオフバルブを開くことでコンプレッサーをアンロードし、空気の流れなしでユニットを低い入力電力でアイドル状態にします。

さらに改良することで、モーターを停止できます。 誘導電動機が大きいほど、1時間または1日あたりの始動回数が少なくなります。 このタイプの制御は非常に効果的であり、100 psigクラスのユニットのリロードまたは再起動には最大1分以上かかるため、ストレージにも依存します。 高圧（500から550 psig）のユニットは、全負荷に達するまでにさらに3分かかることがあります。

• 最も一般的に使用される容量制御はブローオフです。 ユニットが（調整されたように）完全なターンダウンに達すると、ブローオフバルブが開き、過剰な容量を大気に吹き出します。 どんな空気需要の減少が発生しても、入力kWはまったく減少しません。

図4.遠心圧縮機制御の比較

典型的な入口ガイドベーン

図4は、標準のIBV（入口バタフライバルブ）またはIGV（入口ガイドベーン）入口制御のDOE（エネルギー省）が生成した性能曲線で、公称30％のターンダウンを示しています。

IGVはそれ以上のターンダウンを許可しませんが、インペラに入る空気の乱流損失を減らすことにより、より良い効率でターンダウンを許可します。

図4に示す3番目の曲線は、磁気軸受モーターを使用した新しい遠心駆動技術を表しています。 この制御は、100％から75％までの非常に効果的なVSD（可変速ドライブ）で、入力電力は直接比例します。 完全にターンダウンすると、ユニットは7〜12秒で完全にアンロードされ、12〜15秒でロードできます。 効果的な運用には、適切なストレージが必要です。

冷却水排出圧力はどうですか？

表1は、異なる吐出圧力での85°F冷却水と60°F冷却水での単一ユニットの予測性能を示しています。

表1. クーラント 85 ° Fおよびクーラント60 ° F での自然サージポイントが135 psigのユニット

ME =公称0.95

表1注：排出圧力125 psig（冷却水85°F）から排出圧力100 psig（冷却水60°F）まで、流量は1,572 acfmから1,707 acfmになります。 シャフト出力は334 bhpから335 bhpになります（1 bhpでさらに175 acfm）。 ターンダウンは35.8％から51.2％になります。

学んだ教訓

このドキュメントは、遠心性能データの背後にある定義とその重要性を特定して説明するために作成されました。 この情報を使用して、ユーザーは現地のOEMサプライヤや技術エンジニアリンググループと協力して、特定のサイト条件に最適な方法でユニットを選択し、適切に適用できます。

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