CN103759482B - 控制气体压缩系统容量的方法以及气体压缩系统 - Google Patents

Abstract

一种用于控制HVAC、制冷或液体冷却器系统（100）中的离心式压缩机（108）的系统，在所述冷却器系统中，通过压缩机的气流被自动控制以将需要的参数维持在预定范围内，从而防止系统内的失速和喘振状态。压缩机中的可变几何形状扩散器（119）控制在压缩机叶轮（201）的排放处的制冷剂气流。这种装置减少质量流量、减少/消除流量减少失速，并在部分负载状况下增加压缩机的运行效率。可变几何形状扩散器控制结合变速驱动装置（VSD）120增加在部分系统负载下的压缩机的效率，消除在离心式压缩机的入口处对预旋叶片的需要。

Description

控制气体压缩系统容量的方法以及气体压缩系统

本申请是于2008年10月30日提交的名称为“控制系统”的发明专利申请200880114387.6的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2007年10月31日提交的、题为“VARIABLEGEOMETRYDIFFUSERSASCAPACITYCONTROL”的美国临时申请No.60/984,073的优先权和权益，特此通过引用方式纳入该申请。

背景技术

本申请总体涉及用于具有一级或多级的离心式压缩机的容量控制系统。本申请更具体地涉及用于具有可变几何形状扩散器（VGD）的压缩机的容量控制系统。在制冷系统中，容量指的是冷却能力，而在其他气体压缩系统中，容量指的是体积流量。

之前，在用于冷却系统（诸如液体冷却器、制冷或暖通空调与制冷（HVAC&R））以及气体压缩的离心式压缩机中，需要预旋叶片（PRV）或入口导向叶片来控制冷却系统的冷却容量。在从蒸发器到压缩机的入口处，一个或多个PRV控制到达压缩机的制冷剂的流动。致动器用来打开PRV以增加到达压缩机的制冷剂的数量，从而增加系统的冷却容量。类似地，该致动器用来关闭PRV以减少到达压缩机的制冷剂的数量，从而减少系统的冷却容量。

VGD已用于控制在离心式压缩机的扩散器区域中的旋转失速。VGD的一个实施方案被描述在授予Nenstiel的美国专利No.6,872,050中，该专利已被转让给本发明的受让人并通过引用方式纳入本文。VGD延伸进离心式压缩机的扩散器通道中，直到测量信号的电平降低到预定阈值之下。结果是消除了失速并且相应降低内部声级和空气声级。在一段时间之后或者状态改变之后，扩散器间隙逐步或增量式地再次打开，直到测量信号的电平指示检测到失速状态。

失速状态和喘振状态是代表了压缩机的极端运行状态的不同物理现象。失速是在压缩机的一个或多个部件中的局部流动分离，其特征在于排放压力（dischargepressure）以小于叶轮的旋转频率的基频发生扰动。离心式压缩机中的旋转失速主要位于扩散器中，并且可使用VGD消除。相反，喘振在压缩气体系统中是系统广泛不稳定性。压缩机中的主流的方向被瞬间反向，喘振的进一步特征是更低的频率、大的压力波动。

VGD包括可移动以占据扩散器间隙的环，该扩散器间隙是用于压缩气体的出口流动通路。VGD可从收缩位置移动至延伸位置：在收缩位置中，所述环完全移出所述出口流动通路以允许最大气流；在延伸位置中，所述环占据出口流动通路的一部分，从而限制一部分气流。所述环是基于对离心式压缩机中失速状态的检测而运行的。可变几何形状扩散器与探测器或传感器结合使用，该探测器或传感器测量排放压力的交变分量以检测即将发生的失速。所测量的参数被传送至控制器，该控制器被编程以基于该测量参数检测逼近的失速。然后，该控制器确定何时有必要启动可变几何形状扩散器来消除失速并从而避免喘振。因此，可变几何形状扩散器已具有如避免失速、避免喘振，以及消减伴随这些状态的噪声等优点。

作为在离心式压缩机内的扩散器系统的一部分，存在许多种选择来恢复在旋转叶轮下游的静压。扩散器负责主要减少制冷剂速度的切向分量，其次，减少制冷剂速度的径向分量。随着制冷剂速度的减少，静压增加。主要目的——其中性能是关键的——在于以最小的总压力损失恢复静压。

离心式压缩机中的传统扩散器包括无叶片型、叶片型（螺旋桨形、楔形、高密度或低密度）、管道型、隧道型以及通道型，或者这些类型的组合。每种类型的扩散器都各有优点和缺点。例如，无叶片型扩散器包括两个壁，其在叶轮的高压侧没有叶片。无叶片型扩散器内的静压恢复是作为进入速度状态和在整个扩散器内的半径比及宽度之间的已知关系的结果。

各种各样的方法已被单独或组合地应用于容量控制，包括在叶轮的低压侧的PRV（也称为入口导向叶片、预旋流叶片等）、变速驱动装置、热气旁路、可变扩散器叶片以及吸入节流阀（suctionthrottlevalve）。这些容量控制方法中的每种都存在优点和局限。最通常使用的容量控制方法包括PRV、热气旁路和变速驱动装置。

发明内容

在一个实施方案中，公开了一种控制气体压缩系统的容量的方法。气体压缩系统包括连接在制冷剂循环中的压缩机、制冷剂冷凝器以及蒸发器。该方法包括：在压缩机排放处提供一扩散器；感测代表该气体压缩系统的负荷的值；确定该气体压缩系统的系统压力差（systempressuredifferential）；以及根据所感测的负载值以及所确定的系统压力差来控制扩散器的位置，从而控制该气体压缩系统的容量。

在另一实施方案中，气体压缩系统包括气体压缩，包括连接在制冷剂回路中的压缩机、制冷剂冷凝器以及蒸发器。该气体压缩系统包括布置在压缩机的排放处的扩散器。该扩散器被布置用于调节来自于压缩机的制冷剂的流量。中央控制面板气体压缩系统包括一容量控制系统。该容量控制系统被布置为根据离开的冷却液体温度和系统压力差来调节扩散器的位置，从而控制气体压缩系统的容量。

在此所述的实施方案的某些优点包括：在离心式压缩机中去除PRV，以降低HVAC&R系统部件和控制的复杂度；以及降低在使用一可变几何形状扩散器的冷却系统中的运行容量，单独地或者结合一变速驱动（VSD）以提高在部分负载时的系统效率。

附图说明

图1示出一示例性HVAC&R系统，一可变几何形状扩散器可被应用于该系统。

图2示出与本发明一同使用的一离心式压缩机和可变几何形状扩散器的部分截面图。

图3是与系统压头（headpressure）相关的HVAC&R控制系统的部分示意图。

图4是与冷却水温度相关的HVAC&R控制系统的部分示意图。

图5是与冷凝器水温度相关的HVAC&R控制系统的部分示意图。

图6A是与系统容量和可变几何形状扩散器的位置相关的HVAC&R控制系统的部分示意图。

图6B是与压缩机速度相关的HVAC&R控制系统的部分示意图。

图7是与反失速检测相关的HVAC&R控制系统的部分示意图。

图8示意说明了冷却器部件的控制系统。

图9示出一低密度叶片式扩散器。

具体实施方式

在图1中，通过示例方式示出了普通的HVAC&R冷却器系统100，本发明可应用于该系统。下文描述了用于控制例如HVAC&R或液体冷却器系统100中的离心式气体压缩机108的HVAC&R系统100。压缩机108可以是单级或多级的离心式压缩机。通过压缩机108的制冷剂气体的流动被自动控制，以将希望的参数保持在预定范围内，并且防止系统100内的失速和喘振状态。压缩机108的每级中的VGD119控制在压缩机的叶轮201（参见图2）的出口处的制冷剂气流。VGD119布置降低了质量流量，减少或消除了流量减少失速，提高了当以部分负载状态运行时的压缩机108的运行效率。通过将可变几何形状扩散器与变速驱动装置（VSD）120结合使用的容量控制增加了压缩机108在部分系统负载下的效率，并消除了在压缩机108的入口处对PRV的需要。在替代实施方案中，VGD119可从多级压缩机108中的一个或多个级的出口处被去除。

如图所示的，HVAC&R冷却器系统100包括压缩机108、冷凝器112、水冷却器或蒸发器126，以及控制面板140。控制面板140可包括模数（A/D）转换器148、微处理器150、非易失性存储器144，以及接口板146。控制面板140的操作将在下面被更加详细讨论。

压缩机108压缩制冷剂蒸汽，并将蒸汽通过排放管路113输送至冷凝器112。为了驱动压缩机108，系统100包括用于压缩机108的电机或驱动机构152。虽然术语“电机”是相对于用于压缩机108的驱动机构而使用的，但是应理解，术语“电机”不限于电机，而是意在包含可与电机152的驱动结合使用的任意部件，诸如变速驱动装置和电机启动器。在本发明的一优选实施方案中，驱动机构或电机152是电动机、VSD120和相关的部件。然而，其他驱动机构114（诸如蒸汽或气体涡轮机或发动机）以及相关的部件（诸如变速控制器）可用于驱动压缩机108。

由压缩机108输送至冷凝器112的制冷剂蒸汽与流体（例如空气或水）形成热交换关系，并且作为与流体的热交换关系的结果，相变至制冷剂液体。来自于冷凝器112的经冷凝的液体制冷剂流动通过膨胀装置22到达蒸发器126。膨胀装置22可与热气旁路阀（HGV）134并联连接。闪蒸气体节约器或中间冷却器132可被连接在冷凝器116和蒸发器126之间。节约器132以位于在蒸发器126的压力和冷凝器116的压力之间的一压力，将制冷剂闪蒸气体引至压缩机。中间压力制冷剂气体的引入提高了热力循环的效率。在一优选实施方案中，冷凝器112中的制冷剂蒸汽与流经连接至冷却塔122的热交换器116的水形成热交换关系。作为与热交换器116中的水的热交换关系的结果，冷凝器112中的制冷剂蒸汽相变至制冷剂液体。

蒸发器126优选可包括一热交换器128，该热交换器具有连接至冷却负载130的供给管路128S和返回管路128R。热交换器128可包括在蒸发器126内的多个管束（未示出）。二次液体（secondaryliquid）——其可以是水、或者任何其他合适的二次液体例如乙烯、氯化钙卤水或者氯化钠卤水——经由返回管路128R进入蒸发器126并且经由供给管路128S离开蒸发器126。在蒸发器126中的液体制冷剂与热交换器128中的二次液体形成热交换关系，以冷却热交换器128中的二次液体的温度。作为与热交换器128中的二次液体的热交换关系的结果，蒸发器126中的制冷剂液体相变为制冷剂蒸汽。蒸发器126中的蒸汽制冷剂离开蒸发器126，并经由吸入管路123返回压缩机108以完成该循环。尽管以冷凝器112和蒸发器126的优选实施方案描述了系统100，应理解，只要在冷凝器112和蒸发器126中获得制冷剂的合适相变，任意合适配置的冷凝器112和蒸发器126都可用在系统100中。

控制面板140可具有A/D转换器148，以从系统100中接收表明了系统100的性能的输入信号。例如，由控制面板140接收的输入信号可包括从蒸发器126离开的冷却液体的温度、在蒸发器126和冷凝器112中的制冷剂压力，以及在压缩机排放通道中的声压或音压测量值。控制面板140通过接口板146通信，以将信号传送至系统100的部件从而控制系统100的运行。例如，控制面板140可传送信号以控制可选的热气旁路阀134（如果存在）的位置，并且控制VGD119中的扩散器环210（例如，参见图2）的位置。

控制面板140利用控制算法来控制系统100的运行，并且决定何时将VGD119中的扩散器环210延伸或收缩以响应具体压缩机状态，从而维持系统和压缩机稳定性，对于本公开内容的目的而言，所述稳定性为不存在失速状态和喘振状态。另外，控制面板140可利用控制算法来打开或关闭可选的热气旁路阀（HGV）134（如果存在）以响应具体压缩机状态，从而维持系统和压缩机的稳定性。在一个实施方案中，控制算法可以是存储在非易失性存储器144中的计算机程序，其具有可由微处理器150执行的一系列指令。尽管控制算法可被实施为计算程序并且可被微处理器150执行，本领域技术人员应理解，可利用数字的和/或模拟的硬件来实施和执行控制算法。如果硬件用于执行控制算法，控制面板140的相应配置可被改变以包括必要部件并去除可能不再需要的任意部件，例如，A/D转换器148。

控制面板140可包括模数（A/D）和数模（D/A）转换器148、微处理器150、非易失性存储器或其他存储装置144，以及接口板146，以与冷却器系统100的各种传感器和控制装置通信。另外，控制面板140可连接至或者包括用户接口194，该用户接口允许操作者与控制面板140进行交互。操作者可通过用户接口194为控制面板140选择或输入指令。另外，用户接口194可将来自于控制面板140的、与冷却器系统100的运行状况有关的消息和信息显示给操作者。用户接口194可被布置在控制面板140本地，例如被安装在冷却器系统100或控制面板140上，或者，用户接口194可被布置为远离控制面板140，例如位于远离冷却器系统100的独立控制室内。

微处理器150可执行或者使用单个或者中央控制算法或控制系统来控制冷却器系统100，该系统包括压缩机108、VSD120、冷凝器112和冷却器系统100的其他部件。在一个实施方案中，控制系统可以是具有可由微处理器150执行的一系列指令的计算机程序或软件。在另一实施方案中，控制系统可由本领域技术人员使用数字和/或模拟硬件实施并执行。在又一实施方案中，控制面板140可包括多个控制器，每个控制器执行一分离的功能，其中具有确定控制面板140的输出的一中央控制器。如果硬件用于执行控制算法，则控制面板140的相应配置可被改变，以纳入必要的部件并去除可能不再需要的任意部件。

冷却器系统100的控制面板140可从冷却器系统100的各部件接收许多不同的传感器输入。以下提供到控制面板140的传感器输入的一些示例，但是应理解，控制面板140可从冷却器系统100的部件接收任意需要的或合适的传感器输入。到控制面板140的与压缩机108相关的一些输入可以来自于压缩机排放温度传感器、压缩机油温传感器、压缩机供油压力传感器和VGD位置传感器。

由控制面板140上的微处理器150所执行的中央控制算法优选包括容量控制程序或算法以经由VSD120控制电机152的速度，并由此控制压缩机108的速度，以由压缩机108产生需要的容量从而满足冷却负载。容量控制程序可为电机152和压缩机108自动确定理想速度，优选是直接根据蒸发器126中离开的冷却液体温度，该温度表明了冷却器系统100的冷却负载要求。在确定了理想速度之后，控制面板140将控制信号发送或输送至VSD120，从而调节电机152的速度。在一替换实施方案中，电机152可在一固定电压和频率下以一固定速度运行，而不从VSD120接收动力。

容量控制程序可被配置为将冷却器系统100的选定参数保持在预定范围内。这些参数包括原动机（primemover）速度、冷却液体出口温度、原动机功率输出，以及用于最小压缩机速度和可变几何形状扩散器位置的反喘振限制。容量控制程序可利用来自监控在此所述的各种运行参数的传感器的持续反馈，以连续监控并根据在系统冷却负荷的变化来改变电机152和压缩机108的速度。即，当冷却器系统100要求增加的制冷容量、或者减少的制冷容量时，在冷却器100中的压缩机108的运行参数根据该新的冷却容量需求被相应更新或修订。为了保持最大运行效率，可通过容量控制算法频繁改变或调整压缩机108的运行速度。而且，除系统负载要求之外，容量控制程序还可持续监控制冷系统压力差，以对冷却器系统100中的制冷剂的体积流率进行优化，并将压缩机108的总效率最大化。

电机152可以是能够以可变速度被驱动的感应电机152。感应电机152可具有任意合适的极布置，包括两极、四极或六极。感应电机152用于驱动负载，例如，如图1中所示的压缩机108。在另一实施方案中，电机152可以是具有永磁转子的同步电机。在一个实施方案中，系统100和容量控制方法可用于驱动制冷系统的压缩机。

图2示出了本公开内容的一示例实施方案的压缩机108的部分截面图。压缩机108包括用于压缩制冷剂蒸汽的叶轮201。压缩的蒸汽接下来通过扩散器119。扩散器119优选是具有可变几何形状的无叶片径向扩散器。可变几何形状扩散器（VGD）119具有一扩散器空间204，其形成在扩散器板206和喷嘴基板208之间，用于制冷剂蒸汽的通过。喷嘴基板208被配置为与一个扩散器环210一起使用。扩散器环210用于控制流经扩散器空间或通道202的制冷剂蒸汽的速度。扩散器环210可延伸进扩散器通道202中，以增加流经该通道的蒸汽的速度；并且扩散器环210可从扩散器通道202中收缩，以减小流经该通道的蒸汽的速度。扩散器环210可使用一调整机构212而被延伸或收缩，以提供VGD119的可变几何形状，该调整机构被一致动器650（参见图6A）驱动。关于一种VGD119的运行和部件的更加详细描述被提供在于2002年12月6日提交的美国专利申请No.10/313,364、如今于2005年3月29日授权的题为“VariableGeometryDiffuserMechanism”美国专利No.6,872,050中，特此通过引用纳入该专利。然而，应理解，任意合适的VGD119都可供本发明使用。此外，不止一个VGD119可用于压缩机叶轮或叶轮201来控制制冷剂流动并从而控制压缩机108的容量。VGD119可定位至在一基本打开位置和一基本闭合位置之间的任意位置：在基本打开位置中，制冷剂流基本无阻碍地流出压缩机108；而在基本闭合位置中，制冷剂流流出压缩机108受到限制。应理解，当在闭合位置时，VGD119可不完全中断来自压缩机108的制冷剂流动。调整机构212可或者连续地、或者以离散步骤增量式地将扩散器间隙打开或关闭。

容量控制设备被支配主要用来提供一反喘振装置。在一个实施方案中，容量控制程序可根据从蒸发器126离开的冷却液体温度（LCLT）控制电机152（以及压缩机108）的速度、热气旁路阀134的位置。图4－7示出了用于本发明的容量控制程序的容量控制过程的一个实施方案。图4总体示出了系统压头（headpressure）传感控制，用于为VGD119位置控制算法602（例如，参见图6A）确定系统压头输入变量（C_系统压头）。在方框402中，系统感测蒸发器压力，且在方框404中，系统感测冷凝器压力。在方框406中，将方框404的冷凝器压力值减去方框402的蒸发器压力值。蒸发器压力值和方框404的冷凝器压力值之间的差值产生系统压头。系统压头也可由其他方法定义，例如在饱和温度条件下的差值。要关注的参数是例如气体或制冷剂的质量流量。系统的压头或压力差是表征了质量流量的模拟参数。气体/制冷剂的质量流量也可和温度相类比，或者可使用合适的仪器被直接测量。

冷凝器压力也被输入至方框408用于比例/积分/微分（PID）排放超权控制（override），具有例如为180psi的设定值。类似地，蒸发器压力被输入至方框412用于PID比例积分微分排放超权控制，具有例如为28psi的设定值。方框408中的输出信号和方框412中的输出信号被输入至低选择器继电器（LSR）416，LSR416将两个输入变量中的较低值送至接下来图4中的控制过程示意图部分，如符号（B）418标示的。

接下来参照图4和5，LSR416的输出信号被输入至另一LSR502。在方框508处检测所述系统的离开的冷却水温度。在方框510处，将所检测的冷却水温度输入作为PID冷却水温度控制的过程变量（PV）。在方框512处，将冷却水温度与设定值控制输出进行比较，用于例如以每时间间隔预定的华氏温度（℉）变动率来控制温度。冷却水温度设定值源自控制操作者515。

来自于PID控制器510的冷却水温度控制可变输出511被输入至低选择继电器（LSR）504，该低选择继电器选择两个输入中的较低值，并将该较低值作为输出值发送。到LSR504的第二输入是从PID热温度控制514接收的。热温度控制514是由离开冷凝器温度513和热设定值变化率或斜率（ramp）516确定的。热设定值斜率516接收冷凝器水设定值输入517。冷却水PID控制器510和热温度控制513中的较低值被输入至LSR502。LSR502将来自于LSR504的输出值与代表了方框（B）418中的系统压头的第二输入进行比较。LSR502从来自方框418和LSR504的两个输入值中选择较低值，并将所选择的值输入至LSR506。LSR506从PID控制器530接收代表负载极限输出的第二输入。PID控制器530将电机负载532（电机满载的百分数）与负载极限设定点作比较，以确定被输入至LSR506的负载极限值536。LSR506将输入值502、536中的较小值输入到计算继电器（CR）540。CR540可用于确定冷却器系统100容量的三个运行范围。在图3－7的实施方案中，容量控制设备可被认为具有三个负载范围。在低容量负载范围中，系统容量被HGV134控制；在中间容量负载范围中，系统容量被VGD119控制；在高容量负载范围中，系统容量被压缩机速度控制。示例性实施方案被示为三个容量控制设备，但是控制信号可被分为更多的范围或更少的范围。容量控制的方法基于相对效率被分配到该范围的与空载容量值最接近的子部分（sub-section）。在示例实施方案中，HGV对应于容量控制的最低效方法。容量控制的最高效方法被分配给容量范围的与负载容量值相应的子部分，其在示例实施方案中是速度控制，因为其被普遍认为是容量控制的最有效方法。在该示例实施方案中，中间范围是容量负载范围的中心子部分，在代表最空载和最负载的范围之间。VGD被分配给在中间容量负载范围中控制容量。随着压缩机系统的负载从完全空载增加至满载，容量设备依次应用到分割的总范围之上。当卸载或加载时，压缩机速度设定值、VGD位置和HGV位置被连续确定并调制以获得一高效运行，从而供给被施加到压缩机系统上的负载。任何被反喘振或反失速算法（参见例如图6A、6B和7的算法1和算法2）限定为不稳定的区域都被认为是要被避免或忽略的不可用范围，防止所述压缩机进入这些运行范围，并且利用总范围的接下来的子部分以满足在LSR4上游的所有算法所指令的系统的加载或卸载。

接下来参照图6A，第一极限继电器542选择路径620，并将极限继电器542输出值输入到计算继电器（CR）622。CR622计算容量范围值的百分数用于输入至高选择继电器（HSR）624。HSR624选择CR622的容量范围输出和热气阀（HGV）斜率626中的较高值，该热气阀（HGV）斜率限制每时间间隔的百分比变化。CR622的容量范围输出和变化限制算法的HGV速率或斜率626中的较大值从HSR6624被输入至HGV625。

控制示意图的可变几何形状扩散器的容量控制部分600用虚线标出。CR612接收范围在100％至200％的容量信号610。CR612通过将来自路径610的代表了100％至200％的范围的输入值减去100（输入－100），将该范围归一化或重新换算（re-scale）。LSR614接下来在第一输入处接收CR612的输出，在第二输入处接收可变几何形状扩散器斜率范围615。LSR614选择第一输入信号和第二输入信号中的较低值，并将所选择的值输入至LSR616。在LSR616处，选择LSR614输出和来自反失速控制器710（参见，例如图7）的输出信号715的两个值中的较低值，并将所选择的值输入至HSR618。HSR618接收LSR616的输出、以及框602和极限开关603的输出，该极限开关计算最小反喘振位置。最小反喘振位置是通过应用框602中的算法1产生的。在框602中应用的算法如下：

$Y=\frac{(\mathrm{PD}-\mathrm{PD}2)*(\mathrm{MVP}1-\mathrm{MVP}2)}{(\mathrm{PD}1-\mathrm{PD}2)}+\mathrm{MVP}2$ [算法1]

算法1将所需系统容量Y确定为0到100％之间的一个百分数值，其中：

PD=实际系统压头

PD1=最大系统压头

PD2=最小系统压头

MVP1=最小可变几何形状扩散器高压头

MVP2=最小可变几何形状扩散器低压头

算法1是一种计算反喘振位置的方法并被通过示例的方式给出，然而本公开内容不限于计算反喘振位置的具体方法。该实际系统压头如上文相关于图3所述被确定，并将其输入至算法602。

返回至HSR618，将算法602的所需系统容量与LSR616的输出相比较。LSR616的输出代表反喘振控制信号715或者系统容量需求信号中的较低值。极限开关603和LSR616中的较高值被应用以通过位置控制器640控制可变几何形状扩散器电机650。在一个实施方案中，位置控制器640是可变几何形状扩散器脉冲宽度调制（PWM）位置控制器。位置控制器640基于在方框644确定的当前可变几何形状扩散器位置的参考输入来确定输出信号。

如上所述，在图3至7列出的控制方案提供了压缩机系统的集成容量控制，提供对压力和需求限制的超权控制限制、反喘振控制，以及初始失速避免控制。压缩机系统的容量控制与VGD119的使用相集成，而无需PRV。参照图4，LSR4506的结果提供指令以根据预定模拟值范围所表示地将冷却器卸载或装载。在该范围的一个端值，该指令代表完全空载，在该范围的另一端值，其代表满载。计算继电器540、极限开关542、极限开关544以及极限开关546的组合的实施方案用于将模拟值范围细分为预定的子部分，每个容量控制设备对应一个子部分，如上文相关于图4所描述的。计算继电器632将归一化信号发送至HSR634。HSR634从框632接收第二输入信号，该第二输入信号代表最小速度设定值Y。最小速度设定值Y是通过应用框638中的算法2被确定的，该算法如下：

$Y=\frac{(\mathrm{PD}-\mathrm{SPD}2)*(\mathrm{MSP}1-\mathrm{MSP}2)}{(\mathrm{SPD}1-\mathrm{SPD}2)}+\mathrm{MSP}2$ [算法2]

算法2为反喘振计算确定最小速度Y，其中：

SPD1＝最大系统压头

SPD2＝最小系统压头

MSP1=最小速度高压头

MSP2=最小速度低压头

压缩机108的最小旋转速度是由代表压缩机108的压头需求的压力差限定的，相比于压缩机108的旋转速度，其代表具有完全打开的扩散器间隙的质量流量。对于压缩机108的每个给定压头，存在一相应的最小旋转速度，该最小旋转速度对于用于防止在压缩机108中出现喘振状态是必须的。算法2代表用于压缩机108的反喘振逻辑的一示例实施方案。上述所列的参数可根据经验确定，或者通过类似于算法2的喘振检测算法被确定。其他的喘振检测算法对于本领域技术人员是公知的，它们可代替算法2。

在关闭排放扩散器间隙202时，也考虑到最小气体流量因素。对于每个压头需求，存在相应的最小开口或间隙宽度，其是扩散器用于控制流经压缩机108的叶轮201的预定质量流量所需的。如果扩散器间隙太大，扩散器将通过阻碍通过压缩机108的质量流量来导致在压缩机108中形成喘振。算法2是反喘振算法602（图6A）的一示例实施方案。

接下来，将作为满电机速度的零到100％之间的一个百分数的压缩机电机速度与计算继电器CR632中输出的速度范围百分数输出相比较，两个百分数中的较高百分数值被输入至变速驱动装置（VSD），该变速驱动装置相应地调制压缩机驱动电机的速度。如图6中的实施方案中所示，HSR634的输出——代表从CR632中输出的速度百分数和CR636的反喘振速度值输出中的较大值——被应用至CR635。CR635将CR634中的输入值转化为从电机最大速度的零到100％之间变化的一比例信号，并在方框637处输出一速度设定值。来自于方框637的速度设定值信号被输入至VSD120以控制压缩机电机速度。可选的选择器开关639可连接在HSR634和CR635之间以允许手动选择速度设定值。

接下来参照图7，反失速控制电路700包括排放失速压力传感器712。传感器712中的信号被应用至一可变几何形状扩散器失速检测器板714，其中代表了排放压力的信号被处理并被作为一过程变量输入至反失速直接作用（DIR）控制器710。失速检测器板714可被纳入到控制面板140之内、或者是与控制面板140数据通信的一分立的、独立的模块。对实际排放压力进行处理以产生一组失速相关的参数，该组参数与一组失速相关的设定值713相比较，其包括但不限于：噪声压力静区、开始位置、最大和最小控制变量（CV）、探测速率、等待时间、反应斜率，以及信号设定值失速阈值。

反失速算法基本被执行在图7中。失速卸载信号（stallunloadsignal）715从反失速控制器710中输出。当作为上述失速参数的结果，检测到高噪声状态时，所述反失速算法作为一卸载算法被集成到压缩机控制方案中。失速卸载信号715在HSR618处被上述的算法1超权控制。多个设定值713被插入到控制器710中，包括但不限于：可变几何形状扩散器噪声静区、可变几何形状扩散器探测速率、等待时间、反应/斜率速率最大CV和最小CV。

在另一实施方案中，可使用一蒸汽轮机来驱动压缩机108从而实施容量控制系统。蒸汽轮机代替图1中所示的VSD120和电机152，来提供一可替代的原动机用于给压缩机108提供动力。共同拥有的、题为“INTEGRATEDADAPTIVECAPACITYCONTROLFORASTEAMTURBINEPOWEREDCHILLERUNIT”的美国专利No.7,328,587公开了一种如下的蒸汽轮机发动的冷却器装置，其中，存在一个或多个PRV或入口导向叶片，其用于控制被提供至压缩机的冷却剂流体，从而控制压缩机的容量，该专利通过引用方式被整体纳入本文。蒸汽轮机驱动的冷却器系统可被修改为去除PRV、并纳入VGD119以及如上相关于图3通过7所述的关联控制。

在图1所示的实施方案中，热气旁路连接133和HGV134将制冷剂冷凝器116和蒸发器126相连接，并将膨胀设备22旁路。在另一实施方案中，热气旁路连接133和热气旁路阀134可将压缩机吸入管路123和压缩机排放管路113相连接。热气旁路阀134优选用作压缩机108的回流管路，以使制冷剂气体从压缩机108的排放管路113、经由制冷剂冷凝器116、经由蒸发器126、到达压缩机108的吸入管路123。热气旁路阀134可被调整至在一基本打开位置和一基本闭合位置之间的任意位置：在基本打开位置，制冷剂流是基本上没有受到阻止的；在基本闭合位置，制冷剂流是受限制的。热气旁路阀134可以任意连续方式或者以分级或增量式方式被打开或关闭。热气旁路阀134的打开可增加被供给到压缩机吸气的制冷剂气体数量，以防止在压缩机108中出现喘振状态。

图8示出用于冷却器系统100的控制系统140的一实施方案的示意图，该控制系统被修改以集成用于原动机114的运行的额外输入和控制。如图8中所示，控制面板140包括一模数（A/D）转换器148和数模（D/A）转换器149、微处理器150、非易失性存储器或其他存储设备144，以及用于与冷却器系统100的各种传感器和控制设备相通信的一接口板146。另外，控制面板140可被连接至或者纳入一用户接口194，其允许操作者与控制面板140互动。操作者可通过用户接口194为控制面板140选择并输入指令。另外，用户接口194可向操作者显示关于冷却器系统100的运行状态的、来自于控制面板140的消息和信息。用户接口194可位于控制面板140的本地，诸如被安装在冷却器系统100或者控制面板140上，或者可替代性地，用户接口194可位于远离控制面板140处，诸如位于远离冷却器系统100的一个单独的控制室内。

微处理器150执行或者使用单个或中央控制算法或控制系统来控制冷却器系统100，该系统包括压缩机108、原动机114以及冷却器系统100的其他部件。在一个实施方案中，控制系统可以是具有由微处理器150可执行的一系列指令的计算机程序或软件。在另一实施方案中，控制系统可由本领域技术人员使用数字和/或模拟硬件来实施和执行。在又一实施方案中，控制面板140可纳入多个控制器，每个控制器执行一分离的功能，同时具有一中央控制器，其确定控制面板140的输出。如果使用硬件来执行控制算法，则控制面板140的相应配置可被改变以纳入必要部件，并去除可能不再需要的任何部件。

冷却器系统100的控制面板140可从冷却器系统100的部件接收许多不同的传感器输入。到控制面板140的传感器输入的一些实施例被提供如下，但是应理解，控制面板140可从冷却器系统100接收任意希望的或合适的传感器输入。到达控制面板140的、相关于压缩机108的一些输入可来自于压缩机排放温度传感器、压缩机油温传感器、压缩机油供给压力传感器和可变几何形状扩散器位置传感器。

到达控制面板140的、相关于制冷剂冷凝器112的一些输入可以来自于进入制冷剂冷凝器水温传感器、离开冷凝器水温传感器、制冷剂液体温度传感器、制冷剂冷凝器压力传感器、再冷却器制冷剂液体高度传感器，以及制冷剂冷凝器水流量传感器。达到控制面板140的、相关于蒸发器128的一些输入可以来自于离开冷却液体温度传感器、返回冷却液体温度传感器、蒸发器制冷剂蒸汽压力传感器、制冷剂液体温度传感器，以及冷却水流量传感器。另外，到达控制器140的其他输入包括来自于恒温器或其他类似温度控制系统的HVAC&R需求输入。

此外，冷却器系统100的控制面板140可为冷却器系统100的部件提供或产生许多不同的控制信号。来自于控制面板140的控制信号的一些实施例被提供如下，但是应理解，控制面板140可为冷却器系统100的部件提供任意需要的或合适的控制信号。来自于控制面板140的一些控制信号可包括压缩机油加热器控制信号、可变速的油泵控制信号、热气旁路阀控制信号、再冷却器制冷剂液体高度控制信号、可变几何形状扩散器位置控制信号。另外，或者当技术人员已向用户接口194输入一关闭指令时，或者当检测到与记录在存储器设备144中的预定参数的偏差时，控制面板140可发送一信号以关闭原动机114。

中央控制算法也包括其他算法和/或软件，其在冷却器系统100的启动和常规运行中，为控制面板140提供以用于冷却器系统100的各种运行参数的监控函数。任何不理想的运行参数都可被编程进控制面板140，利用一逻辑函数来关闭冷却器系统100。另外，中央控制算法对于冷却器系统100的许多运行参数都具有预定限制，并且可防止技术人员手动将冷却器系统100运行到这些限制之外。

在一优选实施方案中，容量控制程序可根据在从蒸发器126离开的冷却液体温度（LCLT）中的变化，来控制压缩机108的速度、VGD119的位置以及热气旁路阀134的位置。图3－图7示出了根据本发明的容量控制程序的容量控制过程的一实施方案。

接下来参照图9，在另一实施方案中，有叶片的扩散器可结合VGD119和变速控制被用于提供更高的压缩机效率，并提供附加的容量控制。与PRV不同，PRV位于叶轮201的低压侧面，有叶片的扩散器位于叶轮201的高压侧面。在高压侧面不具有叶片的离心式压缩机被称为无叶式扩散器压缩机。在图9中描述了有叶片的扩散器174。

应理解，本申请不限于在下列说明书中所列出或在附图中所示的细节或方法。还应理解，此处所使用的措辞和术语仅用于说明并且不应认为是限制性的。虽然所公开的实施方案具体指用于HVAC&R冷却器系统、过程和机器的压缩机容量控制，其中一个过程可能需要在一给定温度或其他条件下的冷却液体或气体，但VGD119也可被用于控制压缩机108的容量。

尽管仅示出和描述了本发明的特定特征和实施方案，本领域技术人员可进行许多修改和改变（例如，改变各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例、参数值（例如，温度、压力等）、安装布置、使用的材料、颜色、方向等），而本质上不偏离权利要求中所述主题的新颖性教导和优点。因此，应理解所附权利要求意在覆盖落在本发明的真正主旨内的所有这种修改和变化。而且，为了努力提供对示例性实施方案的简明描述，未描述实际实施方案的所有特征（即，与实践本发明的目前预期的最佳方式无关的那些特征，或者与能够实现所要求的发明无关的特征）。应理解，在开发任何这种实际实施方案的过程中，正如在任何工程或设计项目中，可做出许多的具体实施决定。这种开发努力可能会是复杂且耗时的，但对于得益于本公开内容的普通技术人员而言，这些仍然将是设计、装配和制造的例行进行，无须过度的实验。

Claims (26)

1.一种控制气体压缩系统的容量的方法，该气体压缩系统包括连接在制冷剂回路中的压缩机、制冷剂冷凝器以及蒸发器，该方法包括以下步骤：

在压缩机排放处提供一可变几何形状扩散器；

感测代表了气体压缩系统的负载的值；

确定一个中间容量负载范围和一个高容量负载范围；

确定气体压缩系统的系统压力差；

当所述负载在所述中间容量负载范围内时，气体压缩系统的容量被可变几何形状扩散器控制；以及

当所述负载在所述高容量负载范围内时，气体压缩系统的容量被压缩机速度控制；

其中所述气体压缩系统在所述压缩机的入口处没有布置可控的叶片。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

提供一个可控地运行在可变速度下的原动机，用于驱动该压缩机，

根据所感测的负载值和所确定的系统压力差，控制该原动机的速度。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括如下步骤：

提供一热气旁路阀，以调节在该气体压缩系统的高压侧和该气体压缩系统的低压侧之间的制冷剂的流动；以及

根据所感测的负载值和所确定的系统压力差来控制该热气旁路阀，以控制该气体压缩系统的容量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中：

控制原动机的速度的步骤包括，调整该压缩机的速度以保持需要的系统负载状态；

控制可变几何形状扩散器的位置的步骤包括，将该可变几何形状扩散器布置在预定最小位置，其中所述预定最小位置基于该系统压力差；以及

控制该热气旁路阀的步骤包括，将该热气旁路阀布置在闭合位置中。

5.根据权利要求3所述的方法，还包括：

感测表明喘振状态或起初的失速状态的多个气体压缩系统运行参数；

检测喘振状态或起初的失速状态的开始；以及

根据检测到喘振状态或起初的失速状态的开始，超权控制对所感测的负载值和所确定的系统压力差的响应。

6.根据权利要求4所述的方法，其中可变几何形状扩散器的预定最小位置防止压缩机在喘振状态下运行。

7.根据权利要求3所述的方法，其中：

控制原动机的速度的步骤包括以预定最小速度运行压缩机，其中所述预定最小速度基于系统压力差；

控制可变几何形状扩散器的位置的步骤包括，调整该可变几何形状扩散器的位置以保持需要的系统负载状态；以及

控制热气旁路阀的步骤包括，将热气旁路阀布置在闭合位置中。

8.根据权利要求4所述的方法，其中原动机的预定最小速度防止压缩机在喘振状态下运行。

9.根据权利要求3所述的方法，其中：

控制原动机的速度的步骤包括以预定最小速度运行压缩机，其中所述预定最小速度基于系统压力差；

控制可变几何形状扩散器的位置的步骤包括，将可变几何形状扩散器布置在预定最小位置，其中所述预定最小位置基于系统压力差；以及

控制热气旁路阀的步骤包括，调整该热气旁路阀的位置以保持需要的系统负载状态。

10.根据权利要求2所述的方法，其中控制可变几何形状扩散器的位置的步骤包括：

根据所确定的系统压力差确定可变几何形状扩散器的最小位置，其中所确定的可变几何形状扩散器的最小位置防止压缩机在喘振状态下运行；以及

将一控制信号发送至可变几何形状扩散器，以将可变几何形状扩散器的位置设置到预定最小位置。

11.根据权利要求1所述的方法，其中控制压缩机的速度的步骤包括：

根据所确定的系统压力差确定压缩机的最小速度，其中所确定的压缩机的最小速度防止压缩机在喘振状态下运行；以及

将一控制信号发送至压缩机，以将压缩机的速度设置到预定最小速度。

12.根据权利要求1所述的方法，其中感测代表气体压缩系统的负载的值的步骤包括，确定从蒸发器离开的冷却液体温度。

13.根据权利要求1所述的方法，其中确定系统压力差的步骤包括：

测量冷凝器压力；

测量蒸发器压力；以及

将所测量的冷凝器压力减去所测量的蒸发器压力，以确定系统压力差。

14.根据权利要求2所述的方法，其中所述原动机是蒸汽涡轮机。

15.根据权利要求2所述的方法，其中所述原动机是由变速驱动装置提供动力的电机。

16.一种气体压缩系统，具有连接在制冷剂回路中的压缩机、制冷剂冷凝器以及蒸发器，所述气体压缩系统包括：

一可变几何形状扩散器，其被布置在压缩机的排放处，所述可变几何形状扩散器被配置用于调节来自压缩机的制冷剂的流动；所述气体压缩系统在所述压缩机的入口处没有预旋叶片；以及

中央控制面板气体压缩系统，其包括一容量控制系统，该容量控制系统被配置为根据离开的冷却液体温度和系统压力差来控制气体压缩系统的容量；以及

当负载在中间容量负载范围内时，气体压缩系统的容量被可变几何形状扩散器控制；

当负载在高容量负载范围内时，气体压缩系统的容量被压缩机速度控制。

17.根据权利要求16所述的气体压缩系统，其中：

所述气体压缩系统还包括热气旁路阀，其中热气旁路阀调节在气体压缩系统的高压侧和气体压缩系统的低压侧之间的制冷剂的流动；以及

所述容量控制系统根据离开的冷却液体温度和系统压力差来调整热气旁路阀的位置，以控制气体压缩系统的容量。

18.根据权利要求17所述的气体压缩系统，其中所述控制系统还被配置为：

检测喘振状态或起初的失速状态的开始；以及

根据检测的喘振状态或起初的失速状态的开始，超权控制对冷却液体温度和所确定的系统压力差的响应。

19.根据权利要求17所述的气体压缩系统，其中所述容量控制系统被配置为控制所述可变几何形状扩散器、以及压缩机的速度，以防止压缩机在喘振状态下运行。

20.根据权利要求17所述的气体压缩系统，其中所述容量控制系统被配置为热气旁路控制模式、可变几何形状扩散器控制模式或涡轮速度控制模式三者之一，以控制气体压缩系统的容量。

21.根据权利要求20所述的气体压缩系统，其中：

所述热气旁路控制模式包括以预定最小涡轮速度和在预定最小可变几何形状扩散器位置运行；

所述可变几何形状扩散器控制模式包括以一闭合的热气旁路阀和以一预定的最小涡轮速度运行；以及

所述涡轮速度控制模式包括以一闭合的热气旁路阀和以一预定的最小可变几何形状扩散器位置运行。

22.根据权利要求16所述的气体压缩系统，其中所述可变几何形状扩散器还包括叶片。

23.根据权利要求22所述的气体压缩系统，其中所述叶片选自低密度叶片和高密度叶片之一。

24.根据权利要求16所述的气体压缩系统，还包括连接在蒸汽回路中的蒸汽涡轮机和蒸汽冷凝器，其中所述压缩机被蒸汽涡轮机驱动。

25.根据权利要求16所述的气体压缩系统，还包括一变速驱动装置，其能够控制用于改变压缩机的速度。

26.根据权利要求16所述的气体压缩系统，其中所述压缩机包括多级，多级压缩机的每一级具有布置在其中的一个排放可变几何形状扩散器。