コンプレッサーのサージングを理解する
サージング — 一般に単に「コンプレッサーサージ」と呼ばれる — は、遠心式および軸流式圧縮機において発生する激しい空力不安定現象であり、機械を通る流れ全体が周期的に逆転する。その結果、圧力と流量が振動し、通常は周波数が 0.5–10 Hz各サージサイクルにおいて、流れは一時的に停滞または逆転し、吐出圧力が急激に低下した後、正方向の流れが再開して圧力が回復し、このサイクルが繰り返される。こうした流れの逆転は、ローターに巨大な変動荷重を加え、深刻な 振動 — 特に 軸方向 方向 — 轟音のような大きな音。これを直ちに止めなければ、数分以内にコンプレッサーを破壊してしまう恐れがある。
Surgeは基本的に システム これは、コンプレッサー単体の特性ではなく、コンプレッサーとそれに接続された配管および容積全体に関わる不安定現象である。これは、低流量時に機械が許容圧力上昇能力を超えて運転された場合に発生し、これを防ぐには、流量をサージラインより安全に上回るように維持するサージ防止制御が必要となる。
1. サージのメカニズム
サージサイクル
典型的なサージサイクルは、次のような繰り返しのシーケンスを経て進行する。
- 流量低下： システムの需要が低下するため、コンプレッサーを通る流量も減少する。
- Stall onset: 流速が非常に低いと、ブレードが失速し、流れがブレード表面から剥離する。
- 圧力崩壊： 失速したコンプレッサーは、もはや吐出圧力を維持できなくなっている。
- Flow reversal: 排出配管やプレナム内に閉じ込められた高圧ガスが、コンプレッサーを逆流する。
- 圧力均等化： ガスが後方へ漏れ出すにつれて、吐出圧力が低下する。
- 前方への流れが再開： 圧力が下がれば、コンプレッサーは再びガスを送り出すことができる。
- 圧力上昇： 前方への流れが回復すると、吐出圧力が回復する。
- Cycle repeats: 高圧によって機械が再び失速し、このサイクルが繰り返される。
サージ周波数
- システムの容積（配管、プレナム、容器）とコンプレッサーの特性によって決定される。
- 容量が大きくなると、サージ周波数は低くなる。
- 典型的な周波数範囲：0.5～10 Hz。
- 小規模なシステム：およそ5～10 Hz。
- 大規模なシステム：およそ0.5～2 Hz。
- 特定のシステムにおいては、その周波数は比較的一定に保たれる。
この低い、システム固定周波数は、ポータブルアナライザの測定範囲内に十分収まっています。注目すべき点は、 バランセット-1A 5 Hz以上の振動を測定するため、小規模システムのより高周波なサージ周期もその測定範囲に含まれる。しかし、診断上の鍵となるのは、正確な周波数そのものというよりは、突然現れる、大きく不安定で、主に軸方向の低周波脈動という紛れもないパターンである。
2. サージを引き起こす要因
サージラインを超えて動作する
すべてのコンプレッサーの性能マップには、その安定限界を示すサージラインが存在する：
- Surge line: マップ上の最も左端にある安定した運転境界。
- 安全運転： 線より右側で、流量が増加した際。
- Surge zone: 線の左側――不安定で立ち入り禁止の領域。
- マージン： 通常、機械はサージラインの右側に10～20％の流量余裕を持たせて運転される。
引き金となる出来事
- 需要削減： この工程では吸引力が弱まるため、流体はサージラインに向かって流れ落ちる。
- 排出制限： バルブの閉鎖、または下流での閉塞。
- 減速： コンプレッサーの回転数が低下しても、必要な流量がそれに比例して減少しない。
- 密度の変化： ガス分子量や温度の変化により、コンプレッサーの特性曲線がずれること。
- ファウリング: 時間の経過とともに機械の性能を低下させるブレードの堆積物。
3. 影響と結果
振動
- 振幅： 25～50 mm/s（1～2 in/s）以上に達することがある。
- 軸方向成分： 軸方向に沿って特に深刻である。
- 低周波数： 0.5～10 Hzの脈動。
- 機械全体の動き： コンプレッサーアセンブリ全体が揺れ動いている。
機械的損傷
- ベアリングの故障： 衝撃荷重がかかると、ベアリングは数時間で破損してしまう。
- Seal damage: 軸方向の動きや圧力の変化がシールを損傷させる。
- Shaft damage: 流れの逆転による曲げ応力およびねじり応力。
- ブレード損傷： 交互に作用する空力荷重が引き起こす 疲労 また、ブレードの脱落を引き起こす可能性があります。
- カップリングの損傷： ねじれ衝撃はカップリングを損傷させる。
- スラストベアリング： 急速に変化する軸方向の推力は、 スラストベアリング — サージの際、真っ先に犠牲になることが多い。
プロセスの結果
- 圧力および流量の変動が下流のプロセスへと伝播する。
- 温度変動は、繰り返される圧縮と膨張によって生じます。
- その後、プロセスの異常や安全システムの作動が生じる可能性があります。
- 不安定な環境下では、製品の品質が低下する恐れがあります。
4. 検出
振動特性
- 突然の大振幅低周波脈動の発生
- 0.5～10 Hzの範囲の周波数。
- 厳しい 軸方向振動.
- 不安定で、振幅が絶えず変化している。
その署名は、～において際立っている 振動スペクトル and on a 時間波形：定常値よりもはるかに低いレベルで突発的に発生するエネルギーの高まり 運転速度軸方向の流路で優勢な、一定の状態を維持するのではなく、増減を繰り返すもの。 振動監視 コンプレッサーのスラスト軸受に生じる軸方向の脈動は、そこで最も強く現れるため、サージの発生を早期に検知する最も手っ取り早い方法の一つである。
音響的特徴
- 大きな轟音やシューッという音。
- サージ周波数で聴こえるリズミカルな脈動。
- 独特で、一度聴けば誰にでもすぐにわかる。
プロセス指標
- 放電圧の変動。
- 揺らぎのある流れで、実際には逆流することもある。
- 温度の変動。
- モーター電流の変動。
5. 予防：サージ防止対策
システム構成要素
Recycle valve. 吐出ガスを吸込側へバイパスする即応型バルブである。動作点がサージラインに近づくと開いて流量を増やし、必要に応じてコンプレッサーの全流量に対応するサイズに設計されている。
流量および圧力の測定。 流量と圧力上昇を継続的に監視することで、コンプレッサー特性図上にリアルタイムの運転点をプロットし、サージラインに近づく兆候を検知します。
Controller. コントローラはサージラインまでの距離を算出し、サージに近づくにつれて安全マージンを確保してリサイクルバルブを開き、また、最新の設備では適応アルゴリズムを採用しています。応答時間は極めて重要であり、通常は1秒以内に動作する必要があります。
運用手順
- サージラインの左側では絶対に操作しないでください。
- サージに対して10～20％の流量余裕を確保すること。
- 負荷の変更は段階的に行い、需要の急激な低下を避けるようにしてください。
- 起動のたびに、サージ防止システムが正常に動作していることを確認してください。
- サージ防止システムを定期的に点検してください。
6. 緊急対応
サージが発生した場合
- 至急の対応： 自動システムが故障した場合は、リサイクルバルブを手動で開けてください。
- Increase flow: 排出弁を開く、抵抗を低減する、または並列ユニットを起動する。
- 圧力上昇を抑える： 可変速コンプレッサーの場合は、回転数を下げてください。
- 緊急停止： 10～30秒以内にサージを停止できない場合は、機械を停止させてください。
- リスタートしないでください： 原因が特定され、是正されるまで。
サージ後の点検
- ブレードに損傷がないか確認してください。
- ベアリングの状態を確認してください。
- シールの状態を確認してください。
- スラストベアリングを点検してください。
- 実行する 振動解析 機器を再稼働させる前に――ベースラインスペクトルにより、新たな異常が明らかになる アンバランス, ずれ あるいは、その事象によって残された軸受の損傷。
7. サージとその他の不安定現象
サージ対回転失速
- うねり： システム全体にわたる、極めて低い周波数（0.5～10 Hz）の流量振動。
- 回転失速： 環状領域の周囲を、通常はローター回転数の0.2～0.8倍というより高い周波数で回転する局所的なストールセルであり、これにより 同期していない 現象が起こる。
- 重大度： サージは、この2つのうちより破壊的な現象であり、回転失速はサージの前兆となる場合がある。
サージ対再循環
- うねり： コンプレッサー固有の、システム全体にわたる流れの逆転。
- 再循環: ポンプやコンプレッサーで発生することがあり、局所的な流れの逆転であり、一般的にその影響は軽微である。
- 関係： 再循環は、コンプレッサーにおいて完全なサージへと発展する可能性がある。
サージ現象は、遠心式および軸流式コンプレッサーにとって最も危険な運転状態であり、わずか数分で機器を破壊する恐れがあります。サージのメカニズムを理解し、サージラインの境界を把握し、効果的なサージ防止制御を実施し、適切な運転余裕を確保することは、産業用ガス圧縮設備におけるコンプレッサーの安全な運転にとって極めて重要です。
