CN102224346A

CN102224346A - 用于运行多级的压缩机的方法

Info

Publication number: CN102224346A
Application number: CN2009801468529A
Authority: CN
Inventors: G.温克斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2029-11-23
Also published as: US20140334911A1; CN102224346B; US20110229303A1; DE102008058799B4; EP2350458A1; WO2010058002A1; US8939704B2; DE102008058799A1

Abstract

本发明涉及一种用于运行对喘振裕度（SL）进行监控的多级的压缩机（CO）的方法，其中将至少一个在运行过程中测量的第一测量参量与基准参量进行比较，该基准参量表征达到所述喘振裕度（SL）或者工作点（OP1、OP2）的相对于点极限（SL）的确定的间距。此外，本发明涉及一种多级的压缩机。为了在没有危及安全性的情况下扩大运行范围，在此建议，对喘振现象的出现单个地对每级（ST1到ST4）进行监控。

Description

用于运行多级的压缩机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行对喘振裕度（Pumpgrenze）进行监控的多级的压缩机的方法，其中将至少一个在运行过程中测量的第一测量参量与基准参量进行比较，该基准参量表征达到所述喘振裕度或者工作点的确定的相对于点极限的间距。此外，本发明涉及一种多级的压缩机，该压缩机具有用于在运行过程中用用于检测第一测量参量的测量装置来对达到喘振裕度或者确定的相对于喘振裕度的间距进行监控的分析模块，所述分析模块如此构造，使得其将所述第一测量参量与基准参量进行比较，所述基准参量表征达到所述喘振裕度或者确定的相对于喘振裕度的间距。

背景技术

压缩机的喘振裕度表示从空气动力学稳定的运行方式到在空气动力学方面不稳定的运行方式的转变，其中“稳定”是指过程流体沿规定的流动方向流动。随着压缩机喘振的开始，出现显著的回流，所述回流引起压力波动和温度升高，所述压力波动和温度升高在相对较短的运行持续时间之后就已经在这种状态下导致损坏。达到所述喘振裕度－甚至对于无经验的操作者来说－也是明显可感觉的，因为压力波动引起巨大的振动，所述振动的噪声超过正常运行的水平。

因此，涡轮压缩机的运行要求采取措施，该措施避免达到所述喘振裕度并且将喘振的状态限制到尽可能短的时间区段上。

相应地，压缩机的调节始终相对于运行组合特性曲线的喘振裕度保持所定义的安全间距。此外，通常设置了喘振裕度调节阀，该喘振裕度调节阀能够在（所述压缩机）低于确定的相对于喘振裕度的间距（工作时）或者已经出现喘振时在所述涡轮压缩机的出口上降低压力。所述喘振的状态或者说极为靠近喘振裕度的状态的特征在于有待输送的过程气体的质量流量、流量或者说体积流量的降低以及通过所述压缩机的相应的压力比。

在DE 27 30 789 C2、DE 42 02 226 C2或者DE 43 16 202 C2中描述了用于对喘振裕度进行监控或者说用于避免喘振的传统的策略。这些专利文件中所描述的方法比如规定，使多级压缩机的进口压力与其出口压力成比例并且必要时还优选在中间冷却之后沿压缩路径记录过程气体的体积流量和温度，并且将这些测量参量用作在当前的工作点上检测机器的喘振裕度的基础。

但是经验表明，这样的检测是不精确的并且这些传统的监控方法相对于喘振裕度要求较大的安全间距，所述安全间距不利地限制了所述涡轮压缩机的可供使用的运行范围。如果减小这个安全范围，那就会在特定的运行状态中由于喘振而出现涡轮压缩机的高的负荷，从而危害机械的完整。

发明内容

因此，本发明的任务是，如此改进开头处所提到的方法，从而扩大涡轮压缩机的运行范围，而没有损害防止喘振的安全性。

所述任务的按本发明的解决方案提出一种用于运行开头所提到的类型的涡轮压缩机的方法，其中附加地采用了独立权利要求的特征性的特征。此外，提出一种开头所提到的类型的具有权利要求15所述特征的多级的压缩机。回引的从属权利要求分别包含有利的改进方案。

在本专利申请的概念范围内，“级”这个词意味着一个或者多个压缩机级，其中在所述级的内部未设置中间冷却。中间冷却可以设置在级别的进口处或者出口处。按本发明的级别涉及到压缩区段－也就是说压力升高或者说密度升高－所述压力升高或者密度升高不会被中间冷却中断。

经过中间冷却的压缩机的喘振裕度的位置明确地比如通过吸气压力、吸气温度、再冷却温度和能够调节的进口导向装置的位置来确定。其它的参数组（Parameterkonstellationen）同样适合于明确地确定所述喘振裕度的情况。

通常，所述类型的压缩机具有唯一的喘振裕度调节阀，该喘振裕度调节阀由喘振裕度调节器来触发，所述喘振裕度调节器在以往的实践中放弃再冷却温度的检测和导向装置的位置。在多数情况下，喘振裕度的最终压力与输送量之间的关联以用于所述喘振裕度调节阀的调节曲线的形式得到保存。有时在关于在吸气温度不同时整体机器喘振裕度的变化的理论上的预测的基础上设置了温度校正。

如果认真研究涡轮压缩机的具体的运行的实例，就可以很快地领会到本发明的优点。

为此在图1中借助在第一级1与第三级2之前具有能够调节的进口导向装置IGV1、IGV3的四级的压缩机来相应地示意性地分别示出了工作点OP1、OP2。多级的压缩机5的四个级别ST1、ST2、ST3、ST4被过程流体PF依次在增压Δp1、Δp2、Δp3、Δp4下流过，在所述四个级别中所述第一级1和第三级3分别具有进口导向装置IGV1、IGV3。在四张图表D1、D2、D3、D4中草绘了所述级别的组合特性曲线，其中在横坐标上绘出了与体积流量

Figure 2009801468529100002DEST_PATH_IMAGE001

相关联的第一参量

，并且在纵坐标上绘出了与增压相关联的第二参量f(Δpi)。所述级别ST1、ST3分别设有进口导向装置IGV1、IGV3并且具有由至少一条运行特性曲线OPL1-OPL4与和所述进口导向装置IGV1、IGV3的迎角α之间的依赖关系构成的组合特性曲线，相反那些没有进口导向装置IGV1、IGV3的级别则仅仅具有单条运行曲线OPL1-OPL5的形式的组合特性曲线。在所述级别ST1-ST4之间并且在最后一级ST4后面，分别设置了中间冷却装置IC1、IC2、IC3、IC4，借助于所述中间冷却装置IC1、IC2、IC3、IC4在与冷却介质CF之间的热交换中对过程气体进行冷却。在具有相应的运行曲线OPL1-OPL4的最低的体积流量

Figure 2009801468529100002DEST_PATH_IMAGE003

和最高的压力的末端，通过喘振裕度SL或者说喘振裕度曲线来结束这些运行曲线OPL1-OPL4。这里在所述图表D1、D2、D3、D4中的每张图表中示范性地绘出了特定的第一工作点OP1，该工作点OP1在以冷却介质CF的特定的温度TCO对处于各个级别1到4之间的中间冷却装置IC1、IC2、IC3、IC4进行冷却时产生。在示出的工作点OP1中，在所述第一级ST1中达到了所述喘振裕度SL。在其余的级别中在这些运行条件下相对于喘振裕度还有足够的间距。

在第二工作点OP2中示出了具有所述进口导向装置IGV1、IGV3的相同的位置但是具有更低的冷却水温度TCO的相同的布置，从而跟随在所述第一级后面的级别的吸气温度比在前面的实施例中低。在这些条件下，现在所述第三级3确定喘振裕度SL的位置。

出现类似的效应，如果比如在所述中间冷却装置IC1-IC4中在所述第三与第四级之间冷却器受到污染并且最后一级之前的再冷却温度更高或者比如第二导向装置IGV1、IGV3的位置偏离额定位置。

本发明通过在达到喘振裕度的方面个别地对每个单个的级别进行认真研究这种方式避免这样的效应并且相应地优化了实际可能的运行范围的利用情况，而没有提高喘振的风险。这甚至表明，所述按本发明的级别所独有的监控提供了防止喘振的更高的安全性。

合适的是，作为第一测量参量测量相应的级别之前的压力。作为第二测量参量则可以得出所述级之前的温度，这提高了喘振裕度的定位的精度。本发明的一种特别有利的实施方式规定，所述过程流体的体积流量、质量流量或者流量仅仅一次性地沿流动路径，优选在涡轮压缩机的出口处来测量。在此可以实现运行范围的更高的精度和更好的利用，如果在每个级别的进口或者出口处进行这种测量，该测量定期地作为压差测量通过节流阀进行。

本发明的一种有利的改进方案规定，为每个级别分配了特有的调节曲线，该调节曲线在这一侧在相对于喘振裕度隔开的情况下限定运行范围，在该运行范围内压缩机在未进行喘振的情况下运行。与所述调节曲线相类似，将用于控制旁通阀的开口的控制曲线或者说用于控制喘振裕度调节阀的调节曲线分配给每个级别。

合适的是，所述控制曲线和/或调节曲线可以作为体积流量或无量纲的等量与压力系数或者和压力相关的当量之间的关联的描绘图来示出，并且所述调节曲线和/或压力曲线通过相对于喘振裕度的间距通过所测量的体积流量或者无量纳的当量与喘振裕度的相应的数值之间的大于1的比例或者所测量的在没有与压力相关的当量的情况下的压力系数与所述喘振裕度的相应的数值之间的小于1的比例来确定。所述调节曲线的作为无量纲的当量的函数的优点在于可以运用到不同的运行状态上。在不同的无量纳的特征参量中存在着用于所述喘振裕度调节阀的调节曲线，在这些不同的无量纲的特征参量之间进行选择时符合目的的是，所述按本发明的方法利用相应的特征参量，这些特征参量对于确定的相对于喘振裕度的安全间距来说产生最大的运行范围。如果比如所述组合特性曲线具有一些运行曲线，这些运行曲线与压力或者说无量纲的压力系数之间具有特别大的依赖关系，那么符合目的的是，也将这些运行曲线用作用于调节喘振裕度调节阀的标准来取代与体积流量相关的特征参量，因为通过这种方式产生机器的更大的运行范围。

在此获得额外的安全收益，如果除了具有对所述组合特性曲线的运行曲线的变化有最大影响的标准之外，但是在以更小的相对于喘振裕度的间距为基础的情况下，对所述运行曲线具有更小的影响的第二标准额外地用作用于调节所述喘振裕度调节阀的开口位置的基础。如果在所述第一标准的运用中存在误差，尽管如此还可以借助于所述第二标准来抑制喘振。

进一步改进可用的运行范围的调节精度或者说利用情况，如果所述方法的调整过程（Justierlauf）包括以下步骤：1）逼近（Anfahren）喘振裕度以及2）在所述喘振裕度上测量状态参量，所述状态参量明确地确定了所述喘振裕度，以及第三，使所述测量的状态参量标准化，从而获得所述喘振裕度的标准化的或者说无量纲的基本上不依赖于运行条件的图示的参数。

随着相对于一级的喘振裕度的更小的邻近距离的确定，所述喘振裕度调节器调节至少一个来自下面三个的控制选项

a）打开所述喘振裕度调节阀并且/或者

b）提高转速并且/或者

c）打开进口导向装置的导向格栅。

合适的是，可以设置第四分析模块，该第四分析模块对测量值的波动宽度（尤其进口压力和/或温度和/或冷却介质的温度的波动宽度）进行分析并且作为分析结果求得安全系数，该安全系数在所述测量的波动宽度增加时扩大用于所述喘振裕度调节阀（SLCV）的调节曲线（CL）的相对于喘振裕度（SL）的间距。

附图说明

下面，借助于特殊的实施例参照附图对本发明进行描述以更好地理解本发明。除了示范性的示意图之外，对于技术人员来说可以获得本发明的其它－有别于该例的－实施方案。附图示出：

图1是已经在开头处描述过的背景技术，

图2是按本发明的用于运行多级的涡轮压缩机的方法的实施例的示意性的图示。

具体实施方式

图2示出了按本发明的方法的示意图，该方法运用到具有四个级别ST1、ST2、ST3、ST4的压缩机CO上。图1中的附图标记可以运用到图2上以标出相同的元件（基本上是具体的压缩机支路）。所述压缩机CO在第一级ST1和第三级ST3上分别具有一个能够调节的进口导向装置IGV1、IGV3。在所述级ST1到ST4之间并且在最后一级ST4后面分别设置了中间冷却装置IC1到IC4（最后一级ST4的中间冷却装置IC4本来就是再冷却装置，但是下面为简化起见未作这种区分）。

所述压缩机CO输送过程气体PG，该过程气体PG的体积流量

借助压差测量装置FT来检测。在每级ST1到ST4的进口处的进口压力PI1-PI4借助测压计PT来检测。此外，也借助测温计TT来确定进口温度TI。进口导向装置IGV1、IGV3的位置借助位置测量仪作为角度α来测量。在所述压缩机CO的出口布置了喘振裕度调节阀SLCV，该喘振裕度调节阀SLCV在出现喘振的情况下在受到PI调节器PI的调节下打开，用于减小来自所述压缩机CO的出口压力PO。将所有的可以分配给级ST1到ST4的测量值都传输给喘振裕度调节器SLC1到SLC4，其中为每级ST1到ST4分别分配了一个喘振裕度调节器SLC1到SLC4。来自所述喘振裕度调节器SLC1到SLC4的输出分别是相对于喘振裕度的间距，并且分析模块MIN确定这个间距的最小值，该最小值输入到所述用于喘振裕度调节阀SLCV的调节器PIC中（该调节器PIC在这里构造为PI调节器）。

图2示范性地详细示出了所述第一级ST1的喘振裕度调节器SLC1。

位置传感器ZT在所述进口导向装置IGV1上测量角度α，该角度α在所述第一分析模块EV1中换算为两个特征值CP1、CP2。所述两个特征值CP1、CP2不依赖于那些依赖于运行的影响量，比如进口压力PI、进口温度TI、转速N以及过程气体PG的体积流量、流量、质量流量。在具体的例子中，这涉及到所谓的压力系数ψ或者说关系到纵坐标上圆周速度的平方的等熵线的流动功（Strömungsarbeit），并且涉及到所谓的流量系数φ或者说关系到圆周速度的吸入侧的体积流量

（剩余的单位m²与流入的作为恒量采用的横截面相符）。所述压力系数ψ在分析模块EV1中在图表中称为ψ并且流量系数称为φ－标准。用将角度α输入到所述第一分析模块EV1中这种方式来求得所述喘振裕度SL的压力系数以及所属的标准化的流量系数φSL－标准。因为所述喘振裕度上的流量系数φSL－标准还具有与圆周马赫数之间的某种依赖关系，所以如在实施例中示出的一样可以设置了精细校正模块EV2，在该精细校正模块EV2中求得用于最小可能的圆周马赫数Mu_Min和圆周马赫数的最大值Mu_Max的相对于φ-标准的比例φ。

从所述第一级ST1的进口处的用于温度和压力PI的测量值以及所述第一级ST1出口处的在所述第一中间冷却装置IC1之后的测量值以及出口压力PO中求得所述等熵线的输送高度YS，所述与转速N的测量值组合的输送高度产生实际存在的等熵线的压力系数ψ。

以类似的方式从所述转速和体积流量

中求得实际存在的流量系数。利用来自所述分析模块EV1和精细校正模块EV2的数值最后提供所述喘振裕度流量系数φSL和喘振裕度压力系数ψSL，所述喘振裕度流量系数φSL和喘振裕度压力系数ψS与实际的流量系数φ和压力系数ψ相关，其中第三分析模块EV3从这两个系数（Quotient）中选择表明与喘振裕度靠得更近的系数，并且将其交给所述分析模块Min用于说明最为紧要的级别ST1、ST2、ST3、ST4。该分析模块以所描述的方式将最为关键的级别（ST1到ST4）的数值交给所述喘振裕度调节阀SLCV的喘振位置调节器PIC。

如在图1中示出的一样，可以为每级ST1到ST4分配特有的调节曲线CL，所述调节曲线CL在这一侧在相对于所述喘振裕度SL相隔开的情况下限定着一个运行范围OA，在该运行范围OA内所述压缩机CO在未进行喘振的情况下运行。在图1中也示出，可以为每级ST1到ST4分配一条用于控制所述喘振裕度调节阀SLCV的开口的控制曲线CLI，该控制曲线CLI在这一侧在相对于所述喘振裕度SL隔开的情况下限定扩展的运行范围EOA，在该运行范围中所述压缩机CO在未进行喘振的情况下运行。

在图2的示意图中设置了第四分析模块（EV4），该第四分析模块（EV4）分析测量值的波动宽度（vario）并且作为分析结果求得安全系数，该安全系数在所述测量值的波动宽度增加时扩大所述用于喘振裕度调节阀（SLCV）的调节曲线（CL）的相对于喘振裕度（SL）的间距。

Claims

1.方法，用于运行对达到喘振裕度或者确定的相对于喘振裕度（SL）的间距进行监控的多级的压缩机（CO），其中将至少一个在运行过程中测量的第一测量参量与基准参量进行比较，该基准参量表征达到所述喘振裕度（SL）或者相对于喘振裕度（SL）的确定的间距，

其特征在于，

a. 测量所述压缩机（CO）的每级（ST1到ST4）的进口处的所述至少第一测量参量，

b. 设置了至少一个分析模块（EV1-EV3），所述分析模块在达到所述喘振裕度（SL）或者相对于所述喘振裕度（SL）的确定的间距方面单独地对每级（ST1、ST2、ST3、ST4）进行监控，方法是将对于所述级别（ST1、ST2、ST3、ST4）来说所特有的基准参量与所述级别所特有的测量参量进行比较，

c. 在达到相对于所述喘振裕度（SL）的确定的间距时确定喘振的状态。

2.按权利要求1所述的方法，

其中所述第一测量参量是相应的级别（ST1到ST4）前面的进口压力（PI）。

3.按权利要求2所述的方法，

其中在每级的进口处测量第二测量参量，所述第二测量参量是相应的级别（ST1到ST4）前面的温度（TI），将该温度（TI）输送给所述分析模块（EV1-EV3）以进行分析。

4.按权利要求1到3中至少一项所述的方法，

其中第三测量参量是过程气体（PG）的体积流量（）、流量或者质量流量。

5.按前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中仅仅在所述压缩机（CO）的一个部位上测量所述过程气体（PG）的体积流量（

）、流量或者质量流量。

6.按前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中为每级（ST1到ST4）分配特有的调节曲线（CL），该调节曲线（CL）在这一侧在与所述喘振裕度（SL）相隔的情况下限定了运行范围（OA），在该运行范围（OA）内所述压缩机（CO）在未出现喘振的情况下运行。

7.按前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中为每级（ST1到ST4）分配了用于控制喘振裕度调节阀（SLCV）的开口的控制曲线（CLI），该控制曲线（CLI）在这一侧在与所述喘振裕度（SL）相隔的情况下限定了扩展的运行范围（EOA），在该扩展的运行范围（EOA）内所述压缩机（CO）在未出现喘振的情况下运行。

8.按至少权利要求6或7所述的方法，

其中所述控制曲线（CLI）和/或所述调节曲线（CL）可以作为体积流量（）或无量纲的当量与压力系数（ψ）或者和压力相关的当量之间的关联的应用来示出，并且所述调节曲线（CL）和/或控制曲线（CLI）可以通过相对于所述喘振裕度（SL）的间距，通过所述体积流量（

）或者无量纲的当量与所述喘振裕度（SL）的相应的数值之间的大于1的比例来分配，或者确定了所测量的压力系数（ψ）或者和压力相关的当量与所述喘振裕度（SL）的相应的数值之间的小于1的比例。

9.按权利要求8所述的方法，

其中所述调节曲线（RL）或者控制曲线（CLI）通过所述比例来确定，该比例得出较大的运行范围。

10.按前述权利要求6、7、8中任一项所述的方法，

其中所述压缩机（CO）的校正过程包括以下步骤：

1）逼近（Anfahren）喘振裕度（SL），

2）测量运行参数，借助于所述运行参数可以明确地确定所述喘振裕度（SL），

3）求得标准化的特性因数，所述特性因数与每个单个的运行参数之间不再有依赖关系并且被分配给所述喘振裕度，

4）将求得的特征值保存在第一分析模块（EV1）中。

11.按前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中在所述第一分析模块（EV1）中保存了标准化的喘振裕度（SL），该喘振裕度（SL）如此得到标准化，从而与运行变化的影响量之间不存在依赖关系。

12.按前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中用于每个单个的级别（ST1到ST4）的喘振裕度（SL）作为压力系数（ψ）和/或流量系数（φ）或者标准化的流量系数（φ标准）保存在内部的存储器中。

13.按前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中至少一个或者多个级别（ST1到ST4）具有能够调节的进口导向装置（IGV1、IGV3），测量所述进口导向装置（IGV1、IGV2）的迎角（α）并且在所述内部的存储器中依赖于所述迎角（α）保存所述喘振裕度（SL）。

14.按前述权利要求中至少一项所述的方法，其中

-在第一步骤中测量转速（N）和/或进口导向装置（IGV1、IGV3）的迎角（α），

-在第二步骤中作为至少一个标准化的特征参量求得用于每级（ST1到ST4）的喘振裕度（SL），所述喘振裕度在不依赖于进口压力（PI）和/或进口温度（TI）和/或体积流量（V.）和/或质量流量（M.）和/或纵向流量（N.）的情况下从内部的存储器中调出，

-在第三步骤中测量进口压力（PI）和/或进口温度（TI）和/或体积流量（V.）和/或质量流量（M.）和/或流量（N.），

-在第四步骤中根据第二步骤的对于工作点的测量来求得用于每级（ST1到ST4）的喘振裕度（SL）以及每个标准化的特征参量并且，

-在第五步骤中所述喘振裕度（SL）从所述用于每级（ST1到ST4）的特征参量中求得，该喘振裕度提供最大的运行范围并且，

-在第六步骤中喘振裕度调节器（SLC）将所述级别（ST1到ST4）的喘振裕度（SL）确定为标准，该喘振裕度距离当前的工作点最近。

15.按前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中设置了第四分析模块（EV4），该第四分析模块（EV4）分析测量值的波动宽度（vario）并且作为分析结果求得安全系数，当所述测量的波动宽度增加时，该安全系数扩大了用于所述喘振裕度调节阀（SLCV）的调节曲线（CL）的相对于喘振裕度（SL）的间距。

16.多级的压缩机，其具有用于在运行过程中用检测第一测量参量的测量装置来对达到喘振裕度或者确定的相对于喘振裕度（SL）的间距进行监控的分析模块，该分析模块如此构造，使得其将所述第一测量参量与基准参量进行比较，所述基准参量表征达到所述喘振裕度或者确定的相对于所述喘振裕度（SL）的间距，其特征在于，所述分析模块如此构造，从而

a）在所述压缩机（CO）的每级（ST1到ST4）的进口处测量所述第一测量参量，

b）设置了至少一个分析模块，该分析模块在达到所述喘振裕度或者确定的相对于喘振裕度的间距方面单独地对每个级进行监控，方法是将对于所述级来说所独有的基准参量与所述级所独有的测量参量进行比较，

c）设置了变量，该变量具有至少一个用于所述喘振的状态的第一分配值并且在达到所述喘振裕度（SL）或者确定的相对于所述喘振裕度（SL）的间距时给该变量分配所述第一分配值。

17.按权利要求15所述的多级的压缩机，其中构造所述压缩机用于按权利要求1-14中任一项所述的方法的实施。