CN101065582A - 通过优化扩压器喘振控制和流量控制以改进离心压缩机性能 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制压缩机运转的方法，该压缩机具有一进口和出口，一与出口相连接的几何形状可变的扩压器，以及与进口相连接的进口导向叶片，其中，该方法包括以下步骤：确定表征喘振开始发生的负载参数；并且根据该负载参数，独立地控制进口导向叶片和几何形状可变的扩压器，以使压缩机的效率提高并且稳定运行。

Description

通过优化扩压器喘振控制和流量控制以改进离心压缩机性能
背景技术
只要离心压缩机存在，就伴随着喘振控制问题。根据压缩机系统中存在的喘振机构的类型，针对喘振(包括压头和流动)，采用了许多不同的方法改善工作范围。由扩压器失速(stall)触发的压缩机喘振可以通过可变扩压器几何形状来抑制，而由叶轮失速触发的喘振则可以借助使用可变几何形状的进口导向叶片来消除。
通过进口导向叶片/可变扩压器几何形状设定的组合的无穷大数，能够实现以流动和压力比形式的给定的压缩机工作状态。同一工作状态点的这些各种实现情况具有不同的压缩机效率。
当保持压缩机无喘振运行的同时存在需要选择具体的组合以改进效率的改进的方法，并且本发明的主要目的是响应于该需要。
发明内容
根据本发明，可以容易地实现和获得前述的目的和优点。
本发明提供了这样一种方法，即，通过采用多个优选为二或三个沿流动路径的压力测定，例如，叶轮进口压力，叶轮出口/扩压器进口压力及扩压器出口压力，从而进行最佳进口导向叶片/可变几何形状的扩压器定位。最大可获得的扩压器压力恢复可用于确定喘振的开始发生。这些最大压力恢复值为只关于可变几何扩压器设定的一个函数，且在运行范围的大部分区域独立于流动、压头和进口导向叶片。此外，它们可以在实验上通过压力测定很快地被确定。在运行期间，已知的最大压力恢复值可以用来与一个通过实时压力测定而确定的最大压力恢复值相比较，并且可以根据扩压器最佳设定作出一个判断。根据本发明，看起来为了压缩机的最大效率运行，扩压器的位置应当被确定为使得它的压力恢复值接近于它的最大值。这实际上使得喘振接近于运行点，然而通过仔细的控制和安全系数，稳定的运行是可以实现的。
在本发明的一方面中，提供了一种用于控制压缩机运行的方法，该压缩机具有进口和出口，与该出口连通的可变几何形状的扩压器，与该进口连通的进口导向叶片，所述方法包括以下步骤：确定指示喘振开始发生的负载参数；以及基于该负载参数，独立地控制该可变几何形状的扩压器以及压缩机速度和进口导向叶片中的至少一者，以便使得压缩机效率提升和稳定运行。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于控制压缩机运行的方法，该压缩机具有至少两个影响运行稳定性的可控运行参数，该方法包括以下步骤：确定指示喘振开始发生的负载参数，通过所述至少两个可控运行参数中的任一个，可控制一负载参数的运行值；以及基于所述负载参数，独立地控制所述至少两个可控运行参数中的至少一个，以在压缩机的稳定运行区域内以理想的效率值运行。
附图说明
参照附图，下面将详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1为示出本发明相应结构的离心压缩机的截面图；
图2和图2a分别为根据本发明适于使用的可变几何扩压器的透视图和截面图；
图3示出了离心压缩机的工作特性和喘振区域；
图4示出了在不同区域点的压缩机系统的效率，并且示出了全开可变扩压器的喘振线，以及使用可变扩压器时的最大喘振线；
图5示出了扩压器压力恢复参数与效率之间的相关关系；
图6示出了扩压器压力恢复参数与流速及可变扩压器定向之间的相关关系；
图7示出了扩压器压力恢复参数与可变扩压器定向之间的相关关系；
图8示出了扩压器压力恢复参数与可变扩压器定向的相关关系；
图9示出了IGV与扩压器定向对扩压器压力恢复参数的影响；以及
图10和图11示出了在相同的全负载时两种不同IGV(进口导向叶片)/扩压器设定的压缩机组件的压力上升。
具体实施方式
本发明涉及离心压缩机的控制，并且尤其涉及运行这样的压缩机的系统和方法，其中通过独立控制和平衡可变几何形状的扩压器和至少一个进口导向叶片以及压缩机速度来改善性能。下面的描述是根据对扩压器和进口导向叶片的控制作出的，并且这是优选实施例，然而这并不是对本发明概括范围的限制。
提高效率数值很久以来一直是离心压缩机设计者们所追求的目标。当然也还有对稳定的宽范围的压缩机运行的需求。在许多实例中，这些所期望的特征并不会互相包含。根据本发明，这些特征通过运用使负载与喘振条件发作相互关联的测定标准得到谨慎的平衡。
对于离心压缩机，一个特别有效的负载参数是通过扩压器的压力比率。在压缩机运行期间可以很容易地获得查表压力测定值或者是近似值，并且这样的测定都很接近于喘振的开始发生。根据本发明，基于该参数的当前值和引起喘振的值的已知相关关系控制压缩机的运行，并且这为改进的控制提供了前提。
根据本发明，不同的流动控制机构根据稳定性和效率提供不同的结果。对于本发明中的离心压缩机，已经发现在一个特定的工作状态点时其效率最高，并且这时扩压器尽可能地打开而不会导致喘振。当保持控制至少在远离喘振的安全系数上的同时，在这种情况下，基于负载参数控制通过扩压器的压力上升，则从效率的立场出发通过利用扩压器的最大可能设定，允许在合理的安全系数之内使得效率最大化。
例如，假如一个给定的压缩机在扩压器部分打开时运行，并且压缩机控制器的更大压力提升的请求被接收，就要估算这种所需要的提升量以决定是否可以通过更进一步地打开扩压器来满足。如果可以，则该扩压器通常需要满足新的运行条件。如果该负载参数指示若通过控制扩压器来执行则该请求的提升可能会导致喘振，那么控制就通过备选机构来进行替代的执行，在这个特定的实施例中是通过对进口导向叶片进行控制的。通过将该机构列为优先控制，并且通过独立于其他对其进行控制，可以达到最大化的稳定效率。
如上所述，通过可变扩压器几何形状的运用获得一种稳定性控制的方法。在许多情况下可变几何形状的结构控制的不仅仅是压缩机系统，另外还有流速。在使用另外一种流动控制设备(例如，进口导向叶片)情况下，对于不同设定的结合就存在有性能相对于效率的折衷权衡。
本发明最优选的描述为管扩压器型的可变扩压器几何形状装置。这种类型的扩压器的性能、效益和一些几何灵敏性已经进行了描述。以前，通过采用除扩压器/IGV(进口导向叶片)的实际定向之外的流场或运行参数的非测定信息，并详细描述一个简单的优化策略，以确定扩压器/IGV设定的最有效组合。基于某种标准，该结果是IGV位置相对于扩压器定向的一一对应的依赖关系。这样能使得压缩机的喘振线适合于一期望的特性，但也使得低IGV设定和压力工作状态时的高效运行作出了让步。
对可变几何形状的管扩压器内部的压力恢复也已经进行了描述。数据显示在打开扩压器喉管的情况下获得了总压力恢复系数中的提升。根据本发明，并根据这些启示，最佳的运行条件是在能避免喘振的情况下将扩压器尽可能地打开。
对于该系统的这一最优化的关键在于对基本流动现象的理解，以及对能够精确，一致且可靠地确定IGV和可变扩压器的最佳位置的流动测定标准的运用。根据本发明，提供了一种流动测定标准，该标准示出了在高负载点时一种能够确定压缩机高效运行的最佳位置的可能性。具体地，在采用进口导向叶片和具有可变喉管几何形状的管扩压器的压缩机的情况下，描述通过扩压器的压力比率的负载参数可被表示出来，从而给出关于喘振发生处的有价值的判断。而这又为将获得的运行的最大效率提供了前提。事实上，本发明描述了一种扩压器的高效运行状态，其避免了为所有运行条件(所有IGV/扩压器定向结合的流动，压力提升)作出很大耗费的推导测绘。这通过采用设置于现场应用的高精度测定以及通过测定或估计场内的压缩机流速来完成。
在图1中示出了本发明中的压缩机10。从进口到出口的重要的组件为进口导向叶片(IGV’s)12，典型地由多个，优选地由一组七个，非弧形的平叶片所组成，向后倾斜的具有二十二个(22)叶片的压缩机(11个主要叶片，11个分流片)，无叶片的小空间14到一管扩压器16，以及一恒定横截面积的采集器18。例如，叶轮20可以为15.852英寸的直径，且叶片出口高为0.642英寸。出口角可以约为50.0度并且在旋转马赫数(Utip/a0)为1.3左右时运转速度可以为9200转每分。当然，对于一种合适的压缩机可以有无限种例子。
该压缩机典型地在冷却系统上运行。工作气体(r134a)被从蒸发器导管中抽出，压缩，然后流出到冷凝器导管中。
压力测定可以在蒸发器，冷凝器以及相邻的增压室中进行，并在扩压器之前连接到无叶片空间14(见图1)。在增压室内部的压力测定可以用以获得一在波动最小时扩压器进口无叶片空间上游内部的平均压力的近似值，并且因此可以减少更大代价的信号状态或是昂贵的测定装置。
管扩压器几何形状包括三(3)个基本零件或是部分(见图2a)，其包括短的恒定面积的喉管22(例如，其可以为0.642英寸的直径)，可以具有分岔，例如为4度的第一长度或流动路径部分24，并且还可以具有有一分岔，例如为8度的第二长度或流动路径部分26，当然，应该认识到这些直径和分岔仅仅是作为无限种可能中的实例而给出，而其他的配置仍然也可能恰好落入本发明的宽泛的范围内。
图2和图2a分别表示出一个管扩压器几何形状优选实施例的透视图和截面图。如上所述，该管扩压器也作为流动稳定性装置。如图2和2a所示，根据相对于外环部分28的角位移，提供了一可旋转的内环27用以调节扩压器的喉管面积。这一旋转作为扩压器定向在贯穿该应用的始终都用作为参考基准。
应该认识到图2和2a中表示出的可变几何形状的扩压器是这种结构中的一个实施例，其表示一并不受限制的实例，并且其他类型的可控制的扩压器都包含在本发明的宽泛范围之内。
下面是对负载参数进行分析的例子。
本发明围绕着在其他压缩机组件或是运行设定导致喘振发生时的负载参数的运用。在这个范畴中，另一实施例的一个例子中考虑了叶轮的不稳定性。如上所述，可以确定出与由叶轮不稳定性导致的喘振开始发生相关的负载参数并用以控制运行状况的变化以在保持稳定运行的同时使效率最大化。
为了表示可变扩压器定向对流动效率和稳定性的影响，首先确定通过仅使用IGV’s作为流动控制的全开扩压器的喘振线(见线3，图3)。在该图中，Pevaporator为蒸发器静压而Pcondenser为冷凝器静压。同样，还示出了利用IGV全开和仅使用可变扩压器几何形状定向作为流动控制时的喘振线(见线2，图3)。在这两条线之间为压缩机可能发生不稳定或喘振的运行区域。由于该压缩机系统喘振最初发生在扩压器中的事实，在总压力工作状态下对不同扩压器/IGV定向的喘振区域敏感度进行了研究。
为了确定出描述对可变扩压器/IGV设定进行最佳控制的关键物理现象和测定标准，选定十种(10)测定条件并在图中将其表示为数字3-13。在高，中和低运行压力时的高，中和低流动的组合指定出这些测定条件(点5-13)中的九种(9)。这些条件(点5-6和8-13)中的八种(8)在潜在不稳定区域之内。为了与一无喘振流动点作比较，选定了九种(9)组合(高流动，低压，点7)中的一种使其在喘振区域之外，并在中间工作状态中一很高的流动点上选定点4，因此其一定在压缩机的稳定工作状态之内。在这些工作状态的每一个中，测定可变几何形状的定向/IGV位置的不同组合并且取得压缩机的性能点。将这表示于为了这十种压力提升/流动结合(图3)中的每一种而取得的点簇中。
图4表示相应的效率点。作为提示，这些点中的每一个都具有恒定的总压比，然而现在够估计出扩压器几何定向的影响。如该图的主要部分所示，将这些组合方框中的每一个都画上阴影以对应于扩压器几何定位。从图4中可以清楚地看到当扩压器开启时，效率增大，一直到喘振点(或者在稳定外廓线之内时全开)。
主要的目的是确定出能够给出在避免喘振的同时达到最大效率的时机的正确信息的测定标准。
测定标准研究显示了通过扩压器的压力比。要进行该测定，如前所述需要在扩压器之前和之后测得压力。如上所述，为了更容易地进行测定并能在一更稳定的平均值下获得更低波动的压力测定，需要在无叶片空间相邻的增压室测得扩压器之前的压力。尽管这项增压室压力测定确实描述了无叶片空间内的压力，但它只是对实际无叶片扩压器空间压力的一个估计值并且并不十分精确。在图5和6中示出了这项比值(Pcondenser/Pplenum)相对于流动的曲线图。
Pcondenser/Pplenum的测定标准值得注意的一方面是现在在定义喘振处能够确定出一个狭窄定义区域(最大效率)。例如，在设计流速(或者一个0.4的流量系数)的40％的情况下，扩压器全开(1.34在Pt A)时的Pcondenser/Pplenum与扩压器关闭位置(1.2在Pt B)的Pcondenser/Pplenum之间仅有7％的差异。正如所预想的那样，越多地打开扩压器喉管，就能有更多的扩压以及更高的效率(图6)。
在这个点上，一条曲线拟合说明了可以在运行时确定出该底端喘振线(线3，图6)且可以将其用作为扩压器参数的一个上限值。这可以有效地作为保守控制。为了更进一步提升系统效率，还需要一些更多的信息。
因为在喘振(图6)的Pcondenser/Pplenum测定标准中还没有总塌陷量，则确定并不是该问题所有的物理现象都已经被说明。还需要将扩压器几何形状的正确定向合并入该分析之中。为了这样做，将Pcondenser/Pplenum相对于扩压器定向绘制为曲线(图7)。
可以看出喘振落在一条单独的线(图7中的线2)上。对于任一给定的扩压器定向，有一条表示最大可能获得的扩压器压力升高的被定义的曲线。为了更进一步的表明该塌陷，从图7喘振区域内仅将八个测试点上的最大效率点沿着两条喘振线(图3)进行了绘制。实质上这就是图7中表示的数据的一个子集，并且它定义了扩压器压力恢复的上限(线21，图8)。
现在可以清楚地定义出什么时候最大化效率(或者喘振)将会发生，并且可以基于当前扩压器定向轻易地作出一套控制方案以针对最大化效率并运用这条曲线来控制。因为对于一给定的扩压器定向，Pcondenser/Pplenum的当前值逼近于Pcondenser/Pplenum(与一加入的安全系数)的最大值，因此为了最大化效率可以停止该系统并避免喘振。通过沿着任何一条喘振线上最小数量的测试点(4-8)可以确定出该控制曲线。同样地，最小数量的测定对于优化系统来说是必要的(也即是护罩侧增压室压力，蒸发器压力及扩压器定向)。
同样很重要的是需要注意到无论如何都不特别地使用IGV定向来定义这条曲线，并且喘振标准主要是通过扩压器定向来确定的。图9中示出了IGV定位上Pcondenser/Pplenum的弱函数。图9是图8中所示的数据与IGV位置作为第三维所作出的等值线图。图9中的竖直轮廓线表示出对于不同的位置在喘振处Pcondenser/Pplenum的值是相对恒定的，它无关于并独立于IGV定位。
之前的数据分析说明了为了达到最高效率而利用Pcondenser/Pplenum测定标准与扩压器定向来在可能的喘振区域(图3所示)确定扩压器和IGV设定的最佳运行组合的应用。为了显示物理过程以及该测定标准工作的原因，将使用通过压缩机/扩压器系统的压力提升的以下图示描述(图10)。
描述了两种处于相同压力工作状态下的情况，一种具有全开扩压器，另一种具有在任意关闭位置的扩压器。该全开扩压器具有最大静止恢复系数。通过在全开扩压器情况下(图10和11)的扩压器压力恢复中进行更大的提升，对此进行了描述。因此，为了产生相同压力的工作状态，全开扩压器情况下的压缩机必须要以一较低的压力提升运行(图11)，例如更加接近IGV定位。这就意味着对于全开扩压器的情况现在有比任何一种关闭情况更多的进气预旋，并且这将会对运行效率产生不利影响。
因为当扩压器较大程度地关闭时系统损失是在扩压器区域内可控的，且压力恢复系数对于关闭扩压器的情况会比全开情况下的一半还要小，因此前面所描述的在压缩机区域内由于更多进气预旋所引起的效率的较小损失要比由扩压器内增大的损失带来的偏差量要多。
这样结论就是扩压器打开得越多，系统就能具有越高的效率。同样地，因为系统的稳定性(喘振)特性通过扩压器内的流动是可控的，最大效率与喘振两者几乎都发生于同一点。因此，描述扩压器性能(Pcondenser/Pplenum)的测定标准便很自然地成为稳定性和系统效率两者的一个很好的衡量标尺了。
前面详细描述了方法论和测定标准，其可以用来对一利用可变扩压器几何形状进行进口流动控制且由扩压器控制系统稳定性的离心压缩机系统进行优化。该测定标准是通过扩压器以及扩压器定向的压力比。对于任一给定的扩压器定向，可以有最大可获得的压力恢复值以使得运行稳定。这与在传统的平行壁扩压器内分离之前的最大压力恢复系数是完全类似的。在离心压缩机系统中，该分流注入系统流场并产生易变动且不稳定的流动。
假设当扩压器打开时扩压器效率提升，并且扩压器最大程度的打开可以由扩压稳定性(失速和喘振)来确定，则压力恢复值便很自然地可以用来作为喘振和最大效率两者的一个预测器了。
以上数据显示一种控制方案是可能的，即运用被测定的通过扩压器的压力比来对运行条件进行限定。扩压器之前和之后的该被测压力是在高压条件下测得的，即，对于上游的值在相邻的腔室内部到无叶片扩压器中测得而对于下游值则在冷凝器内部测得。这样做是为了减少瞬变状态对被测压力的影响。
对于任一给定的扩压器定向，不论进口导向叶片如何设定，都存在有最大可获得的压力恢复值。可以将控制方案设计成确保扩压器运行尽可能地打开(最大效率)但是决不超过最大压力恢复值(失速和喘振)。
在不背离本发明的精神和其实质性特征的情况下可以将本发明以其他形式体现或以其他方法实施。因此本发明的实施例应当从所有方面进行考虑并且不应受到限制，由附上的权利要求所表示的发明范围，以及从同等手段和范围中得出的所有变化均应包含于其中。

Claims (9)

1、一种用于控制压缩机运行的方法，该压缩机具有进口和出口，与该出口连通的可变几何形状的扩压器，与该进口连通的进口导向叶片，所述方法包括以下步骤：
确定指示喘振开始发生的负载参数；以及
基于该负载参数，独立地控制该可变几何形状的扩压器以及压缩机速度和进口导向叶片中的至少一者，以便使得压缩机效率提升和稳定运行。
2、如权利要求1中所述的方法，其中，该控制步骤包括：
由所述参数来确定如果可变几何形状的扩压器运行，压缩机运行中的所期望的改变是否会导致喘振；
当负载参数指示不会引起喘振时，通过控制可变几何形状的扩压器来实施该期望的改变；以及
当该负载参数指示可能会引起喘振时，通过控制压缩机速度和所述导向叶片中的至少一者来实施该期望的改变。
3、如权利要求1中所述的方法，其中，该负载参数包括经可变几何形状的扩压器的压力比。
4、如权利要求1中所述的方法，其中，该控制步骤包括独立地控制可变几何形状的扩压器和进口导向叶片。
5、一种压缩机系统，其包括：
压缩机，该压缩机具有进口和出口，与该出口连通的可变几何形状的扩压器，与该进口连通的进口导向叶片；和
控制器，该控制器编程有与指示喘振开始发生的负载参数相对应的信息，并适用于基于该负载参数从而独立地控制该可变几何形状的扩压器以及压缩机速度和进口导向叶片中的至少一者，以便使得压缩机效率提升和稳定运行。
6、如权利要求5中所述的系统，其中，该控制器被编程为：
由所述参数来确定如果可变几何形状的扩压器运行，压缩机运行中的所期望的改变是否会导致喘振；
当负载参数指示不会引起喘振时，通过控制可变几何形状的扩压器来实施该期望的改变；以及
当该负载参数指示可能会引起喘振时，通过控制压缩机速度和所述导向叶片中的至少一者来实施该期望的改变。
7、如权利要求5中所述的系统，其中，控制器被编程为具有与经可变几何形状的扩压器的压力比相对应的信息，该压力比作为负载参数。
8、如权利要求5中所述的系统，其中，该控制步骤包括独立地控制可变几何形状的扩压器及进口导向叶片。
9、一种用于控制压缩机运行的方法，该压缩机具有至少两个影响运行稳定性的可控运行参数，该方法包括以下步骤：
确定指示喘振开始发生的负载参数，通过所述至少两个可控运行参数中的任一个，可控制一负载参数的运行值；以及
基于所述负载参数，独立地控制所述至少两个可控运行参数中的至少一个，以在压缩机的稳定运行区域内以理想的效率值运行。
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