CN101600887B - 控制涡轮压缩机的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制涡轮压缩机的方法，因此，用单向阀(6)将压缩空气管路(5)连接到涡轮压缩机(1)上，单向阀(6)设置在压缩空气管路(5)中，其特征在于，当一个或几个过程参数超过预定范围时，涡轮压缩机(1)的旋转速度将非常突然地降低到预定最小旋转速度，且上述单向阀(6)将被关闭；而且在上述旋转速度降低之后，当满足一个或几个转回条件时，涡轮压缩机(1)的旋转速度将再次增加，而且单向阀(6)将被打开。

Description

控制涡轮压缩机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制涡轮压缩机的方法。

背景技术

众所周知，涡轮压缩机包括转子，该转子具有叶片，所述叶片以旋转方式设置在外壳中，该外壳具有轴向入口和依据涡轮压缩机的类型而定的轴向或径向出口。

当转子被驱动时，空气或另外气体在轴向上被压缩机通过入口吸入和通过出口压出。

由于离心力的平衡和动能转变成压力，因此气体被压缩。

为了在正常运行区中运行，已知有不同的调节技术，比如使用可调节的入口叶片，该入口叶片的位置可以随所需气体的流量而改变，以便能使在涡轮压缩机入口的气体流率恢复原状。

另外早已人所共知，提供设有可调节扩散叶片的涡轮压缩机，该扩散叶片的位置可以用如上所述关于入口叶片的类似方式，随所需气体的流率进行调节。

另一些已知的调节方法例如包括调节压缩机的旋转速度、使压缩机的空气入口节流或者上述调节技术的一种或多种组合。

在所有这些已知方法的情况下，对某一出口压力必须由涡轮压缩机供应某一最小流率，因而这个最小流率对于每种方法都不同。

对于比所述最小流率低的连续流率值，不再可能有稳定的操作，而且压缩具有所谓“喘振”现象，由此整个压缩机系统随着入口和出口条件的急剧变化而变得不稳定，这样对压力比和输出也有影响。这种不稳定的异常流量产生较大的机械力，当机器连续运转时，该机械力将损坏机器。

如果压力或压力比足够低，则最终的机械力将更小，因此当连续运转时，它们可能被机器永久地吸收。

如果这用曲线图表示不同压力值，则得到一连串的最小流量，该最小流量位于共同曲线，即喘振曲线上。

如果最小流率作为压力的函数作图表示，由此压力用竖直朝上的轴线表示，而最小流率用朝右的水平轴线表示，不稳定的调节区将位于喘振曲线的左面。

实际上，通常使用“喘振控制曲线”，该“喘振控制曲线”通过将上述曲线向右移动得到，因此获得安全限度。如果上述安全限度设定为等于零，则喘振控制曲线和喘振曲线将一致。

如果过程所需的流率在某一压力值下比喘振控制曲线所示的最小流率小，则必需采用一种方法，该方法首先保护涡轮压缩机免受喘振的影响，并其次使有可能向过程供应这种低的流率。

为了在不稳定的调节区或者喘振区中供应这种低流率，已知有几种方法，其中包括以下方法。

第一种已知的方法是使用开/关排气阀，该排气阀使有可能在压缩机中的流率刚一降到由喘振控制曲线确定的最小值，便在压缩机的出口吹出一定量压缩气体到大气中。调节部件，比如入口叶片等因此不再改变。

同时，设置在压缩机的压缩空气管路中的单向阀将被关闭，这样使压缩机与过程隔离，结果没有流率被供应到过程。

因此，流经压缩机的流率将比上述最小值大，因此避免了喘振。

通过随后再次关闭排气阀，单向阀将再次打开，这时压缩机将再次向过程供应流率。

由于排气阀交替打开和关闭的结果，所需的流率可以作为平均数供应到过程。

这种方法的主要缺点是，整个空气或气体流率都是通过排气阀排放，从而造成巨大能量损失。

另一种已知的方法是使用调节排气阀，从而当到达喘振控制曲线时，排气阀仅部分地被打开，并由此连续地调节排气阀的位置，这样可以供应合适的流率。

因此，在这种方法中，同样一定量的流体被排气阀吹出并因此损耗，从而产生一定量的能量损失。

第三种已知的方法是第一种方法的发展，由此在这种情况下，除了打开排气阀和关闭单向阀之外，还将调节几何形状的部件，比如入口叶片、扩散叶片等放进这种位置，以使压缩机流率小，且通过关闭单向阀而将无流率供应到过程中。

然而，在这种方法中，压缩机保持在设计旋转速度下运转，其结果是损失巨大，该损失主要在驱动系统中产生，且容易地使损失达到额定功率的百分之十五到百分之二十。

为了能再次将流率供应到过程，将调节几何形状的部件朝它们原始位置的方向放回，并关闭排气阀，随后再次打开单向阀。

通过交替这些循环，所需的流率可以作为平均数供应到过程中。

用这种方法比用第一种方法的吹出流率显著地变小，其结果是损失不大。然而，总损失仍然显著，因为压缩机保持在设计旋转速度下运转。

发明内容

本发明旨在纠正上述和其它缺点中的一个或几个。

为此，本发明涉及一种用于调节涡轮压缩机的方法，因此，用其中的单向阀将压缩空气管路连接到该涡轮压缩机上，并因此，当一个或几个过程参数超过预定范围时，涡轮压缩机的旋转速度将以非常突然的方式降低到预定的最小旋转速度，且上述单向阀将被关闭，并因此，在上述旋转速度降低之后，如果满足一个或几个转回条件，则压缩机的旋转速度将再次增加，而且单向阀将被打开。

这种方法的优点是，因为压缩机仅以最小旋转速度转动，所以它只消耗非常有限的压缩机功率。由于这种低的旋转速度，所以驱动装置中的损失显著低于正常运行的情况，因此在这种状况下所需的功率只是标称功率的一小部分。

本发明的这种方法的另一个优点是，压缩机总是做好准备，在突然提高流出流率的情况下，通过再次强行升高旋转速度快速地转回到第一运行条件。

这种方法还考虑到进行调节，而不一定由此必须吹出一定量气体或压缩空气流率到大气中。

在本发明的上述方法情况下，当涡轮压缩机的旋转速度非常突然地降低和单向阀被密封时，在瞬时现象发生期间，压缩机有可能以喘振转动。

众所周知，这种“喘振事件”的发生导致额外的机械负荷。

因此，机器必须这样设计，以使它能在不受到任何损坏的情况下承受住这种暂时额外的负荷。

当压缩机以降低的旋转速度转动且单向阀关闭时，压缩机将连续地喘振。

然而，在这种情况下，机械负荷将是低的，因此这不会引起任何重大问题。必要时，总是能采取措施，以避免温度上升。

然而，按照本发明的优选特点，与旋转速度的突然降低相结合，一定量的压缩气体同样将转到和/或吹入大气中，以便防止任何回流。

这是有利的，因为压缩机上的压力比很低，其结果是，所消耗的压缩机功率甚至进一步降低，因而节约额外的能量。

这种方法的另一优点是，将要转向和/或排出的气体在比过程压力低得多的压力下产生较低的能量损失。

此外，倘若吹出的流率小和压缩比低，则转向和/或吹出的空气或气体的量比用已知的方法更加受到限制，致使伴随的损失也受限制。

通过发展，本发明的这种方法也可用于由几个压缩机级形成的多级压缩机。

这里我们区分下列几种情况：

1)几个压缩机级用单一马达驱动；或

2)几个压缩机级由几个马达驱动(马达数量小于或等于压缩机级数)。在这种情况下，这些马达的标称及降低的旋转速度不一定相同，而上述不同马达的旋转速度的突然降低可以同时发生或不同时发生。

在上述两者中的任何一种情况下，可以将一个或几个排气阀设置在压缩机的不同级之间和/或压缩机末级之后。

附图说明

为了更好阐明本发明的特点，下面参照附图说明本发明的优选方法，这种方法仅作为示例，不具有任何限制性，其中：

图1概略示出按照本发明的方法所驱动的压缩机；

图2示出本发明的方法的工作原理的曲线图。

具体实施方式

图1示出涡轮压缩机1，该涡轮压缩机1具有吸力面2和出口侧4，吸入管路3连接到吸力面2上，而压缩空气管路5则连接到出口侧4上，并因此将单向阀6设置在这个压缩空气管路5中，该单向阀6防止流向涡轮压缩机1。

上述单向阀6在这种情况下按传统方式装有弹簧，该弹簧将密封件紧压住底座，但对这种单向阀6本发明不排除用其它方法，如用控制阀的形式或其它类似形式实现。

在上述压缩空气管路5上，涡轮压缩机1与上述单向阀6之间，还连接带排气阀8的排气管路7。

排气阀8在这种情况下制成可控制阀的形式，该可控制阀具有可调位置，然而，这种可调位置根据本发明不是必需的。

涡轮压缩机1用马达9驱动，在这种情况下，该马达9是调速电动机9，该电动机9具有控制模块10，但该电动机9也可以制成任何其它类型马达的形式，例如热力马达。

另外，涡轮压缩机1在这种情况下设有控制器11，该控制器11例如采取PLC的形式或其它类似形式，控制器11至少连接到上述控制模块10上，但在这种情况下控制器11也连接到排气阀8上。

涡轮压缩机还设有第一压力读出器12和第二压力读出器13，所述第一压力读出器12设置在涡轮压缩机1与单向阀6之间压缩空气管路5中，而所述第二压力读出器13也经过上述单向阀6设置在压缩空气管路5中，因此该第二压力读出器13测量压缩空气网络中通行的压力或者经由该压缩空气管路5正在传送的过程中通行的压力。

最后，在这个示例中，涡轮压缩机1还包括流率读出器14，该流率读出器14在这种情况下设置在吸入管路3中。

读出器12至14中的每一个都连接到上述控制器11上。

本发明的方法很简单且步骤如下。

在稳定运行条件下，换句话说，在喘振区的外部，即在正常运行区中，如在图2的曲线图中用阴影区A所表示的，涡轮压缩机1地通过控制马达9的速度，并因此控制压缩机的旋转速度而被优选地调节。

图2的曲线图中竖直轴线表示整个涡轮压缩机1的压缩比C，而水平轴线表示压缩机的流率q。

按照本发明，一个或几个过程参数一超过预定的范围，涡轮压缩机1的旋转速度就将非常突然地降低到预定最小旋转速度，并且上述单向阀6将被关闭。

在这个示例中，当通过流率读出器14测出的流率降到或低于与喘振控制曲线相对应的预定的最小流率值时，涡轮压缩机1的旋转速度将非常突然地降低到本发明的预定的最小旋转速度，如图2的曲线图中在正常运行区A的外部由操作点B所表示的。

因此，上述最小流率值和最小旋转速度能被例如存储在上述控制器11中，并能例如用实验方法确定，以得到最佳结果。

按照本发明的方法的优选特点，与旋转速度的突然降低及单向阀6的密封相结合，排气阀8被打开，这样使涡轮压缩机1与过程隔离。

随着涡轮压缩机1以非常低的旋转速度转动同时排气阀8被打开，整个涡轮压缩机1的压力比是低的，因而涡轮压缩机1仅消耗有限的压缩机功率。

由于低的旋转速度，所以例如在马达9和涡轮压缩机1的轴承中及马达9与涡轮压缩机1之间的可能传动装置中所产生的损失要比正常运行小得多。

同样将一些条件在控制器11中编程序，在所述条件下再采取正常的运行条件，换句话说，在这些条件下涡轮压缩机的旋转速度再次提高，且排气阀8被密封，而单向阀由于在所述单向阀6的涡轮压缩机侧上的压力升高而再次打开。

这种转回条件的示例可以例如是由第二压力读出器13测出的过程或压缩空气网络的压力值降到一定值以下。

按照本发明的特殊特征，排气阀8可以在许多不同的位置之间可调，或者所述排气阀8可以甚至用连续可变方式可调，因此，当测出的流率降到上述最小流率值时，首先通过调节控制以受控方式将所述排气阀8打开。

倘若在这种情况下发生止动状况，例如当排气阀8达到预定开启时，本发明的上述方法步骤可以开始，即突然降低旋转速度，打开排气阀8和关闭单向阀6。

按照本发明，上述方法不排除与使用可调入口叶片、可调扩散叶片、使吸入管路节流或其它调节机构相结合，使有可能调节供应的压缩机流率。

在上述示例中，利用排气阀8，但不是严格地必需存在这种排气阀，而是它可以省略或组合和/或被返回管路代替，以转换一定量的压缩气体。

本发明能适用于所有类型的涡轮压缩机，即适用于轴向涡轮压缩机及径向涡轮压缩机上。

按照本发明的特殊特点，上述涡轮压缩机1包括几个压缩机级，由此这些压缩机级或是：

a)被单一马达驱动；或

b)被几个马达驱动，这几个马达或是有或是没有相同的标称和降低的旋转速度值。

在后一种情况下，当有几个马达时，上述不同马达的旋转速度能同时降低或不同时降低。

需要时，在上述a)和b)中的每一种情况下，可以将一个或几个排气阀设置在压缩机的不同级之间和/或压缩机末级之后。

本发明决不限于图中作为示例说明和表示的方法；相反，本发明的这种方法可以用许多方式构成，同时仍属于本发明的范围。

Claims (12)

1.一种用于控制涡轮压缩机的方法，其中，用单向阀(6)将压缩空气管路(5)连接到涡轮压缩机(1)上，单向阀(6)设置在该压缩空气管路(5)中，其特征在于，当一个或几个过程参数超过预定范围时，涡轮压缩机(1)的旋转速度将非常突然地降低到预定的最小旋转速度，且上述单向阀(6)将被关闭；而且在旋转速度降低之后，当满足一个或几个转回条件时，涡轮压缩机(1)的旋转速度将被再次增加且单向阀(6)将被打开。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在稳定运行条件下，涡轮压缩机(1)通过调节旋转速度被驱动。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在稳定运行条件下，将应用下列控制技术中的一种或几种：

-控制设置在涡轮压缩机(1)中的可调入口叶片；

-控制设置在涡轮压缩机(1)中的可调扩散叶片；

-使涡轮压缩机(1)的吸入管路(3)节流。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，与旋转速度的突然降低相结合，还将一定量的压缩气体转到和/或排出到大气中，以便防止任何回流。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，上述转回条件是在涡轮压缩机(1)的出口处达到预定的最小压力值。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，利用可变排气阀(8)，当由涡轮压缩机(1)供给的流率降到低于一最小流率值时，该排气阀(8)将首先通过调节控制以受控方式被打开，直到达到某一止动条件，而随后突然地降低涡轮压缩机的旋转速度。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，上述止动条件是达到排气阀(8)的预定开启。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，涡轮压缩机(1)包括几个由单一马达驱动的压缩机级。

9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，涡轮压缩机(1)包括几个压缩机级，这几个压缩机级被几个马达驱动，这几个马达或是有或是没有相同的标称和降低的旋转速度值。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，不同的所述几个马达的旋转速度的降低同时发生。

11.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，不同的所述几个马达的旋转速度的降低不同时发生。

12.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，将一个或几个排气阀设置在不同的压缩机级之间和/或在最后的压缩机级之后。

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