CN102124230A - 压缩机控制的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压缩机的改进，并且尤其涉及控制离心压缩机以最大化其功效的方法的改进。压缩机具有安装在轴上的叶轮，该轴由主动磁轴承单元支撑，并且所述压缩机在对于所需输送压力计算出的临喘振速度下、以正常加载状况下的旋转速度由可变速电机驱动。压缩机的实际旋转速度和输送压力以高频率反复地被测量并且记录。允许压缩机在预设重新校准时间之后周期性地喘振，并且在检测到喘振时压缩机进入喘振恢复循环，在此期间压缩机卸载并且旋转速度降低。压缩机临喘振速度线在喘振恢复循环期间对于当前操作状况重新校准，并且在轴速度达到重新校准的临喘振速度线或加载速度的较大者时重新加载压缩机。

Description

压缩机控制的改进
技术领域
本发明涉及压缩机的改进，并且尤其涉及控制离心压缩机以最大化其功效的方法的改进。
背景技术
压缩机的操作特性通常由压力比与体积或质量流速之间的关系来限定。其有用操作范围由理想地应当避免的喘振和阻塞以及最大许可压缩机速度限制。
压缩机喘振在排出压力大于压缩机内的压力以使得气流不再能粘着至压缩机叶片的吸引侧并且排出过程中断时出现。在喘振期间，穿过压缩机的气流反向直到达到具有正体积流速的稳定压力比为止。正常流动恢复直到再次建立压力并且循环重复为止。
喘振是离心和其它动力压缩机的固有特点。该不稳定操作状况能引起高度振动以及损坏压缩机和干扰操作系统。压缩机制造商因此已经试图开发控制和控制算法以防止喘振，并且允许压缩机尽可能接近喘振线地操作，因为压缩机最佳效率点会更靠近喘振线，并且给出最大操作范围。喘振线是压缩机轴旋转速度相对于压缩机系统输送压力的计算曲线，提供将维持运行压缩机而不会进入喘振循环的加载与卸载边界状况。
一旦检测到喘振，一般的措施将是卸载压缩机以防止损坏压缩机。检测喘振的现有方法包括振动检测、测量叶轮上游的温度以检测热气体的回流、以及基于入口和操作状况来计算喘振线。
这些方法的主要缺点在于：一旦已经检测到喘振，压缩机停止运转并且需要操作者干涉以使得压缩机返回在线运行。
避免喘振的另一种方法包括基于会遇到的可能操作状况布置关于压缩机操作的禁止范围。这个方法的缺点在于压缩机的可允许流动范围过度地受到限制并且其操作不是最佳的。
在避免喘振的其它现有方法中，已经试图将压缩机的容许量与过程要求相匹配，同时保持总流量足够高，以便在无需关闭系统的情况下防止喘振。在控制侧上，已经设计防喘振系统使用气压最小流量控制器以及具有特殊算法的电子控制器。在US-2005/0076656A中描述了一种稳定性控制算法，其用来响应于压缩机不稳定性的检测来控制可变几何扩散体以及热气体旁通阀。该算法响应于喘振状况的检测调节扩散体内的环的位置。
US-4464720描述了一种替代的喘振控制系统，其使用算法来计算期望的差压并且将计算的结果与实际差压相比较。设置控制器用于操作排泄阀，以便将实际差压带回至计算的差压。
发明内容
然而，本发明的目标是提供一种控制动力压缩机的操作以避免由喘振引起的问题并且在喘振出现时无需停止压缩机来优化其效率的改进方法。
因此本发明提供一种控制离心压缩机以便在所需输送压力下提供压缩气体的方法；
所述压缩机具有安装在轴上的叶轮，所述轴支撑于主动磁轴承单元中；
所述压缩机在对于所需输送压力计算出的临喘振速度下、以正常加载状况下的旋转速度下由可变速电机驱动；
其中压缩机的实际旋转速度和输送压力以高频率反复地被测量并且记录，允许压缩机在预设重新校准时间之后周期性地喘振；在检测到喘振时压缩机进入喘振恢复循环，在此期间压缩机卸载并且旋转速度降低；
压缩机临喘振速度线在喘振恢复循环期间对于当前操作状况重新校准；并且
在轴速度达到重新校准的临喘振速度线或加载速度中的较大者时重新加载压缩机，所述加载速度是由压缩机特性确定的预设值，该预设值被确定为低于压缩机的最大速度但是高于可能引起上升喘振的速度范围。
本发明还提供了一种压缩机系统，其包括具有叶轮的离心压缩机，该叶轮安装在支撑于主动磁轴承单元中的轴上；驱动压缩机的可变速电机；和控制系统，所述控制系统包括：
用来反复地测量并且记录压缩机出口处压缩空气的输送压力以及压缩机的旋转速度的装置；
用来预设重新校准时间的装置，在重新校准时间之后允许压缩机进入喘振循环；
用来将信号传输至电机从而降低或增大压缩机速度的装置；
用来在检测到喘振时让压缩机进入喘振恢复循环的装置；以及
用来根据前述方法重新校准压缩机临喘振线的装置。
附图说明
现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明，其中：
图1是示出离心压缩机的输送压力相对于流速的图表以及具有现有技术类型安全余量的喘振线。
图2是示出本发明的方法的操作步骤的流程图；并且
图3是示出离心压缩机的旋转速度相对于输送压力以及其内部的临喘振线的图表。
具体实施方式
压缩机的喘振线由输送压力Pd和流速Q预先限定，如图1所示。输送压力Pd是在压缩机的出口处测量的压缩空气的压力。对于任何给定的输送压力Pd，现有技术系统中使用的用于流速Q的操作范围低于安全余量，设计为覆盖所有预期的操作状况。如前所述，这导致理想操作范围的损失，尤其是因为压缩机效率在靠近喘振线时会是最佳的。
在本发明的方法中，控制系统被用于控制压缩机操作，其不同于现有技术系统，其周期性地允许压缩机的喘振循环开始。因此，代替依赖于对于固定组的操作状况的喘振点的预测，对于当前实际操作状况来说实际喘振点是已知的，并且这用作重新校准临喘振线的基础，以使得压缩机对于当前操作状况能在其最佳效率下操作。
为此，本发明使用驱动离心压缩机的可变速电机，该离心压缩机的叶轮安装在被支撑于主动磁轴承(AMB)中的轴上。可变速电机的使用意味着能迅速控制压缩机速度并且AMB允许压缩机在不会损坏压缩机的轴承或任何其它部件的情况下开始喘振。即使在喘振的情况下轴位置也保持由轴承控制，并且这使得对于处于与喘振时间有关的环境状况下的任何给定压力，本发明能够使用实际喘振点来限定较低的操作范围。
在本系统中，初始临喘振线基于主要的启动状况计算。该临喘振线在给定的输送压力从临喘振速度校准，临喘振速度是正好比当前动力操作状况下的压缩机喘振处的速度大的计算速度。
当操作状况改变时，临喘振线很可能移动，所以本发明方法允许压缩机喘振。这使得临喘振线能对于当前操作状况重新校准，从而优化其操作。在检测到喘振时，压缩机进入喘振恢复循环，这消除了停止压缩机的必要，并且控制系统重新校准临喘振线。
临喘振线速度计算基于下面的等式：
Vs＝mPd+x
这里
Vs＝临喘振速度(rpm)
Pd＝输送压力(巴)
m＝由压缩机的特性来确定的斜率
x＝通过临喘振线校准加上速度余量确定的变量
为了易于操作，压缩机设置有人机界面(HMI)，其显示所有工作参数并且允许操作者设置某些限制和压缩机控制的操作模式。
参照图2，压缩机从空转被带入加载，压缩机的旋转速度Vm上升。在旋转速度Vm超过动态计算的临喘振速度Vs(参见图3)或加载速度中的较大者时，压缩机被加载并且速度Vm受到控制，以便在没有交叉临喘振线的情况下提供目标输送压力Pd。
在正常操作状况下，输送压力Pd将保持与随着空气请求指令而变化的旋转速度Vm非常一致。如果速度/压力操作点接近和交叉临喘振线，并且压缩机喘振，则喘振行程由来自开始喘振恢复循环的AMB单元的警报信号所开启。这个喘振行程开启旁通阀，这引起压缩机卸载并且告知驱动电机将旋转速度Vm放慢至空转状况，直到输送压力Pd开始小于预设加载压力P1时为止。在这个点处，压缩机旋转速度Vm再次回升直到其速度超过临喘振线或加载速度中的较大者为止，压缩机重新加载并且恢复正常操作。临喘振线在喘振恢复循环期间被重新校准，这通常持续几秒钟以适应可能已经出现的任何气候上的或操作状况的变化，并且从而维持压缩机操作处于其最佳性能区间。设置一种机构来使得能通过允许喘振循环在预设重新校准时间T之后启动来进行临喘振线的周期性重新校准。重新校准时间T能由操作者通过HMI来预设。重新校准时间T结束时，控制器通过x项的调节来将临喘振线重设为显著低于其当前位置。这允许压缩机在速度/压力操作点根据主要操作状况进入喘振区域时喘振。
压缩机控制系统反复地记录和存储实际输送压力Pd和轴速Va，轴速Va是由驱动单元测量的压缩机轴和转子的旋转速度。在喘振出现并且该喘振恢复循环开始时，滚动记录暂时冻结。通过从冻结记录中选择喘振出现之前部分地记录的输送压力Pd来获得喘振线重新校准。使用上述公式中的变量x的现有值，计算出理论临喘振速度Vs。这个值减去实际喘振速度Va作为测量输送压力Pd，对于相同时限从冻结记录获得上述实际喘振速度Va。这个速度差(Vs-Va)用来调节变量x的值，从而提供新的x值，其适合于当前操作状况并且用于随后的临喘振速度Vs的计算。
加载压力P1是操作者设置的值。如果输送压力Pd降到加载压力P1之下，那么临喘振速度Vs的计算使用加载压力P1，而不是输送压力Pd。
这种控制压缩机的方法的优点在于其使得对于任何给定组的气候和系统状况，压缩机都能在其完全操作范围上使用。由于临喘振线随着环境状况移动，所以压缩机操作的许可包络线(allowable envelope)也如此，因而最大化了压缩机的总能量效率。
将会出现以下情况，在压缩机速度最初上升时出现喘振(这些已知为升高喘振)并且实际喘振速度将小于理论临喘振速度Vs。这通常在已经执行任何校准以便符合喘振的气候状况之前，或在即将校准并且压缩机停止并且然后重新启动时由于冷启动而出现。在这些情况下，变量x的较低值将被计算并且因此降低临喘振速度Vs。这将具有允许压缩机在速度上升时更快加载的效果并且可能引起更加上升的喘振。
为了克服这个问题，在压缩机启动时，抑制压缩机加载直到旋转速度大于或等于加载速度或临喘振速度中的较大者为止。加载速度是确定为低于压缩机最大速度的预设值，但是超过可能引起上升喘振的速度范围，这由压缩机特性确定。一旦压缩机达到加载速度，移除加载抑制并且压缩机能增加负载。如果遇到上升喘振，临喘振线升高至低于最大轴旋转速度的点，并且迫使重新校准时间T达到通常小于一分钟的相对低的值。这将具有在压缩机加载之前允许压缩机旋转速度到达较高值的效果，随后防止上升喘振并且然后，一旦重新校准时间T结束，允许临喘振速度线在下一个喘振处的校准。在这个喘振以及重新校准之后，压缩机被带回加载并且重新校准时间也在适合的时间之后设置返回其原始设置。

Claims (9)

1.一种控制离心压缩机以便在所需输送压力下提供压缩气体的方法，所述压缩机具有安装在轴上的叶轮，所述轴由主动磁轴承单元支撑，所述压缩机在对于所需输送压力计算出的临喘振速度下、以正常加载状况下的旋转速度由可变速电机驱动，其中
压缩机的实际旋转速度和输送压力以高频率反复地被测量并且记录；
允许压缩机在预设重新校准时间之后周期性地喘振；
在检测到喘振时压缩机进入喘振恢复循环，在此期间压缩机卸载并且旋转速度降低；
压缩机临喘振速度线在喘振恢复循环期间对于当前操作状况重新校准；以及
在轴速度达到重新校准的临喘振速度线或加载速度中的较大者时重新加载压缩机。
2.如权利要求1所述的方法，其中临喘振线通过使用速度余量计算临喘振速度来重新校准，该速度余量包括紧接在压缩机喘振之前测量的压缩机临喘振旋转速度与对于测量的临喘振输送压力计算的临喘振速度之间的差值。
3.如权利要求2所述的方法，其中对于任何给定输送压力的临喘振速度使用如下公式计算：
Vs＝mPd+x
其中m是由压缩机的操作特性确定的斜率；x是通过临喘振线加上速度余量确定的变量，并且在每个喘振循环之后通过在其上加上速度余量来重新校准。
4.如前述权利要求的任何一个所述的方法，其中压缩机的旋转速度由主动磁轴承驱动单元测量。
5.如前述权利要求的任何一个所述的方法，其中如果测量的输送压力低于预设加载压力，那么随后的喘振线速度的计算使用加载压力作为输送压力。
6.如前述权利要求的任何一个所述的方法，其中在喘振出现，同时压缩机速度在初始加载之后增大时，重新校准时间设置为新值。
7.一种压缩机系统，其包括具有叶轮的离心压缩机，叶轮安装在轴上，该轴支撑于主动磁轴承单元中；驱动压缩机的可变速电机；和控制系统，所述控制系统包括：
用来反复地测量并且记录在压缩机出口处压缩空气的输送压力以及压缩机的旋转速度的装置；
用来预设重新校准时间的装置，在重新校准时间之后允许压缩机进入喘振循环；
用来将信号传输至电机从而降低或增大压缩机速度的装置；
用来在检测到喘振时让压缩机进入喘振恢复循环的装置；以及
用来根据前述权利要求的任何一个所述的方法重新校准压缩机临喘振线的装置。
8.一种基本上如此前所述并且如附图的图2和3所示的控制离心压缩机的方法。
9.一种基本上如此前所述并且如附图的图2和3所示的压缩机系统。
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