CN103946555A - 冷却装置压缩机的启动期间的喘振阻止 - Google Patents

Abstract

一种用于控制离心压缩机（22）的方法，该压缩机具有入口（24）、出口（26）、安装成绕叶轮轴线（502）旋转的叶轮（54）、连接到该叶轮以驱动该叶轮绕叶轮轴线（502）旋转的马达（52）、和可变入口引导叶片（56）阵列（55），该入口引导叶片阵列可被控制以在相对关闭的第一状态和相对打开的第二状态之间移动。确定（304）升程值。确定（306）基于该升程值的可允许的引导叶片状态。该引导叶片阵列被关闭（308）到所确定的可允许的引导叶片状态。叶轮被加速（312）到运行速度。

Description

冷却装置压缩机的启动期间的喘振阻止

 相关申请的交叉引用

要求于2011年12月1日提交的、名称为“Centrifugal Compressor Startup Control”的美国专利申请61/565,702的权益，该文献的公开内容整体通过引用并入本文，就如同被详细记载一样。

背景技术

本公开涉及离心压缩机。更具体地，本公开涉及电动马达驱动的离心压缩机，该离心压缩机具有可控的入口引导叶片阵列。

电动马达驱动的离心压缩机的一个特定用途是液体冷却装置。示例性的液体冷却的冷却装置使用气密的离心压缩机。示例性的单元包括压缩机、冷凝器单元、冷却器单元、膨胀设备、和各种额外的部件的单独组合。

一些压缩机包括在马达转子和叶轮之间的传动装置从而以比该马达更快的速度驱动叶轮。在其它的压缩机中，叶轮直接由该转子驱动（例如，它们在同一轴上）。

离心压缩机因被称作“喘振”的流动不稳定性而在高水头运行方面受限制。喘振效应是高振动并对叶轮和轴承有害。因此，优选的是避免压缩机中的喘振。在给定的速度，压缩机具有由喘振规定的相关的最大水头限制。对于具有实现能力控制的入口引导叶片的压缩机来说，在恒定的抽吸压力下，发生喘振的排出压力随着载荷而减小。喘振可由升高冷凝器处的饱和温度或降低蒸发器处的饱和温度的因素所触发。例如，如果冷凝器水温增加，那么就可能发生喘振。

在运行中，控制器控制叶片的状况（取向）以对入口流进行节流从而维持所要求的冷却剂流动速率的大小。

在压缩机启动时喘振可能会是问题。可通过在启动时关闭入口引导叶片来限制喘振。在一种基准系统中，当系统突然关停时压缩机正以给定的状态运行（例如，在电力缺失时，因此，将引导叶片保持在它们的关停前的状态）。在启动时，为了防止喘振，引导叶片在启动马达之前先被完全关闭。

发明内容

本公开的一个方面包括用于控制离心压缩机的方法，该压缩机具有入口、出口、安装成绕叶轮轴线旋转的叶轮、连接到该叶轮以驱动该叶轮绕叶轮轴线旋转的马达、和可变入口引导叶片阵列，该入口引导叶片阵列可被控制以在相对关闭的第一状态和相对打开的第二状态之间移动。确定升程值。确定基于该升程值的可允许的引导叶片状态。该引导叶片阵列被关闭到所确定的可允许的引导叶片状态。叶轮被加速到运行速度。

本公开的另一方面包括构造成实施该方法的控制器。

本公开的另一方面包括冷却装置系统，该系统包括控制器、压缩机、沿着冷却剂流动路径在压缩机下游的排热换热器、和沿着冷却剂流动路径在排热换热器下游的吸热换热器。

在各种不同的实施例中，加速可从完全停止开始。

一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中公开。其它的特征、目的和优点可通过该描述和附图、以及通过权利要求而易于理解。

附图说明

图1是冷却装置系统的示意图。

图2是图1的冷却装置系统中的离心压缩机的部分示意截面图。

图2A是图2的压缩机的引导叶片的放大视图。

图3是示出了交错的关闭的引导叶片的压缩机的部分截去视图。

图4是引导叶片完全打开的压缩机的放大轴向截面视图。

图5是示出了打开的引导叶片的压缩机的部分截去视图。

图6是示出了处于第一中间状态的引导叶片的压缩机的部分截去视图。

图7是示出了处于比第一中间状态打开更多的第二中间状态的引导叶片的压缩机的部分截去视图。

图8是冷却装置的视图。

图9是图2的压缩机的喘振线的绘图，其中将升程因素相对于引导叶片位置/状态绘制。

图10是图2的压缩机的启动子例程的操作流程图。

在各个附图中相同的附图标记和指示表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了蒸气压缩系统20。除了下面讨论的控制方面以外，该系统和它的部件可代表大量现有的或可能开发的硬件构造中的任一个。示例性的蒸气压缩系统20是冷却装置系统。系统20包括离心压缩机22，其具有抽吸端口（入口）24和排出端口（出口）26。该系统还包括第一换热器28，其在正常操作模式下是排热换热器（例如，气体冷却器或冷凝器）。在基于现有的冷却装置的示例性系统中，换热器28是由在冷凝器单元31中的管束29、30形成的冷却剂-水换热器，其中冷却剂由外部水流冷却。浮阀32控制着从子冷却器束30周围的子冷却器腔通过冷凝器出口的流量。

该系统还包括第二换热器34（在正常模式中是吸热换热器或蒸发器）。在示例性系统中，换热器34是由管束35形成的冷却剂-水换热器，以冷却在冷却装置单元36内的冷却水流。单元36包括冷却剂分布器37。膨胀设备38沿着正常模式冷却剂流动路径40（该流动路径部分地由相关的管道等围绕）在压缩机的下游且在蒸发器的上游。

热气旁通阀42被沿着旁通流动路径支路44定位，该支路在压缩机出口26下游且在隔离阀34上游的第一位置和在冷却器的入口上游且在膨胀设备38下游的第二位置之间延伸。

压缩机（图2）具有壳体组件（壳体）50。示例性的壳体组件包含电动马达52和一个或多个叶轮54，该叶轮可由第一模式下的电动马达驱动以压缩流体（冷却剂）从而将流体（冷却剂）通过抽吸端口24吸入，压缩该流体，并将该流体从排出端口26排出。示例性的叶轮由马达直接驱动（即，没有之间的传动装置）。就在压缩机入口24的下游是入口引导叶片56的周向阵列55。叶片中的每一个都大体上是平面形式的三角形，并且被安装成用于绕着相关的叶片轴线510旋转（图3）。如下面进一步讨论的，该叶片可在图2A和3的最大关闭状态和图4和5的最大打开状态之间绕它们的轴线510同步地旋转。图6和7中分别示出了两个示例性的中间状态。引导叶片致动可通过电力控制的致动器58（例如，在图8中通过其壳体示意性地示出的步进马达）。示例性的同步机构59包括将叶片彼此连接的滑轮区域。

该壳体限定了马达舱60，该马达舱在该舱内包含马达的定子62。马达的转子64部分地位于该定子内并且被安装成绕转子轴线500旋转。示例性的安装是通过一个或多个机械的和/或电磁的轴承系统，这些系统将转子的轴70安装到壳体组件。示例性叶轮54被安装到叶轮轴72（例如，安装到其端部）以作为一个整体随着该轴绕叶轮轴线502旋转。传动装置74可将马达轴连接到叶轮轴以允许马达驱动叶轮并且可将轴线502与轴线500错开。在另一实施方式中，叶轮被直接安装到马达轴以作为一个整体随着该轴绕轴线500旋转。再一次，一个或多个轴承系统可安装叶轮轴以绕其轴线502旋转。

图 1和2还示出了用于感测各种不同的系统状态的传感器80和传感器82。示例性的传感器80是冷凝器压力换能器，而示例性的传感器82是冷却器压力换能器。这些可分别被用于测量冷凝器饱和压力和冷却器饱和压力。图8还示出了引导叶片位置传感器83（示意性地由其壳体示出）。这些传感器可被联接到控制器84，该控制器还控制马达、轴承的供能、和其它的压缩机和系统部件的功能。控制器可使用传感器80和82的输入来分别计算冷凝器饱和温度和冷却器饱和温度。控制器可从一个或多个输入设备（例如，开关、键盘等）以及额外的传感器（未示出）接收用户输入。控制器可通过控制线（例如硬接线路径或无线通信路径）被联接到可控系统部件（例如，阀、轴承、压缩机马达、叶片致动器等）。控制器可包括一个或多个： 处理器；内存和/或存储器（例如，用于存储用来由处理器执行以实现操作方法的程序信息和用于存储由程序使用或产生的数据）；以及硬件接口设备（例如，端口）以与输入/输出设备和可控系统部件实现连接。

如目前所描述的，系统和压缩机可代表数个系统和压缩机构造中的任一个。传感器80和82可以是用于系统操作控制的现存传感器。在对这种基准系统和压缩机的示例性改进中，控制器84的控制例程可被增加额外的例程（子例程）或模块，这些额外的例程或模块使用传感器80和82中的一者或两者的输出来控制压缩机和/或系统部件从而避免启动喘振。硬件在其它方面可保持与基准一样。在大多数基本实施方式中，在现有的压缩机和/或冷却装置系统的现有控制器的再编程或刷新中做出程序改变（例如，添加额外的子例程）以对这些压缩机和/或冷却装置系统进行改制。这可以是所做出的改变的全部或者可以是更全面的改制过程的一部分。替换地，这可被实施在新装备中（例如，从对压缩机和/或冷却装置的制造过程中的运行改变到压缩机和/或冷却装置的重新设计的一部分中的任何位置）。

如上面间接提到的，基准系统的特征可以是若干启动方法中之一。一个基准启动方法包括仅仅在最后叶片状态下启动并且响应性地补偿实际遇到的任何喘振。另一可能的基准包括在马达启动之前完全关闭叶片。然而第一基准的缺点是遇到了喘振，第二基准的缺点是延长了启动时间。这些问题中的大多数可通过响应于感测到的升程状态来仅部分地关闭叶片（例如，仍足以避免喘振）的启动程序来减少或消除。

每一个压缩机都具有独特的喘振线，这决定了该压缩机可在无喘振下运行的运行区域。该喘振线从低引导叶片位置GV_Low延伸到高引导叶片位置GV_High。图9还示出了在GV_High处的升程DTs_High和在GV_Low处的升程DTs_Low。

图9示出了喘振线400的绘图。引导叶片位置被示出在X轴上。在理想化的系统中，0代表垂直于入口轴线和阵列轴线的叶片弦，而100代表平行于上述轴线的叶片弦。由于交错的物理约束，0可代表的取向，而100可代表与其成小于的取向。可使用其它的等级，其中GV_Low和/或GV_High是从0和100开始。Y轴代表被定义为DT-sat或DT_sat或DT_s的升程，这是冷凝器的饱和温度减去冷却器或蒸发器的饱和温度。

每个喘振线的特点都是五个参数： GV_Low＝在引导叶片被关闭时的引导叶片角度位置（例如，0％）；DTs_Low＝在不引起喘振的情况下在GV_Low上的在100％速度下的最大可允许升程；GV_High＝引导叶片完全打开时的引导叶片角度位置（即，100％）；DTs_High＝在不引起喘振的情况下在GV--_max上的在100％速度下的最大可允许升程；以及Shapefac＝常数，取决于压缩机空气动力学；-1<x<0。示例性的Shapefac是-1到0，更窄地，-0.2到-0.04。或者-0.08到-0.04。示例性的DTs_Low是5-15C。示例性的DTs_High是20-30C。

喘振线400的特征在于下面的方程系统：

在GV-_Pos处的DT_sat=

A＝

图10示出了示例性的启动控制算法，如上所指出的，其可被叠加在基准控制算法上。在框300，接收到冷却装置起动命令（例如，在关停之后，该关停可能是非命令关停，从而将叶片保持在前一运行状态中）。此后，通过传感器83测量引导叶片位置（302）并且测量跨过冷却器和蒸发器的升程304。基于测量的升程，计算最大可允许引导叶片位置（最大的打开程度）306。在框/步骤304，可使用如下公式来测量升程或DT_sat： DT_sat＝冷凝器的饱和温度-蒸发器的饱和温度。冷凝器的饱和温度是在由传感器80测量的冷凝器压力下冷却剂的饱和温度；冷却器的饱和温度是在由传感器82测量的冷却器压力下的冷却剂的饱和温度。在框/步骤306，该DT_sat可被代入到上述方程系统并且GF_Pos可使用迭代方法计算。从上面的方程计算的GV_Pos是最大可允许的引导叶片位置（GV_Allowable）。

此后确定308测量的引导叶片位置（状态）的打开程度是否小于最大可允许的引导叶片状态。如果不是，那么关小引导叶片310。在该示例中，这可以是连续的关小，同时该系统重复地重新测量在步骤302的引导叶片位置并在步骤308将其比较直到其在可允许的范围内。替换的变型可建立增量变化或者系统将叶片直接关小到目标状态的变化。一旦引导叶片位置在可允许的范围内（在步骤308的结果是“yes”），就起动马达312并将其加速到其百分之百的运行速度，该速度是按照压缩机的设计的期望马达速度的百分之百。

在一个关停的示例中，压缩机初始是运行的并且具有下列特点： Shapefac = -0.08; GV_Low = 0%; DTs_Low= 11.1; GV_High = 100%; and DTs_High = 22.2C。在表I中示出了喘振线的各值：

表I：

 冷却装置正以100％速度和100％引导叶片打开运行。冷却器和冷凝器的示例性饱和温度分别是6.7C和28.9C。因此，升程（Dtsat）是22.2C。因此，冷却装置正以喘振线运行。电力切断并且冷却装置停止旋转。不过，引导叶片被卡在100％，因为到引导叶片（GV）致动器的电力也被切断。另一方面，当压缩机未运行时，冷却器的饱和温度开始升高，因为冷却装置不再能够从蒸发器液体吸热。另一方面，因为冷却装置不再向冷凝器排热，冷凝器的饱和温度开始降低。当电力再接通时，示例性的冷却器和冷凝器的饱和温度变为8.9C和27.8C。因此，当电力再接通时，跨过压缩机的升程是27.8C-8.9C =18.9C。从上面的表可知，最大可允许引导叶片位置是15％。此时基准系统将等待直到引导叶片关小到0％。因此，新算法通过节约了从15％到零所需的时间来给基准提供了改善。

在第二示例中，冷却装置正以100％速度和30％引导叶片打开运行。冷却器和冷凝器的示例性饱和温度分别是8.9C和30C。因此，升程（Dtsat）是21.1C。因此，冷却装置正以喘振线运行。电力切断并且冷却装置停止旋转。不过，引导叶片被卡在30％，因为到引导叶片（GV）致动器的电力也被切断。当电力再接通时，示例性的冷却器和冷凝器的饱和温度变为11.1C和23.9C。因此，当电力再接通时，跨过压缩机的升程是12.8C。从上面的图表可知，最大可允许引导叶片位置是9％。

在第三示例中，冷却装置正以100％速度和10％引导叶片打开运行。冷却器和冷凝器的示例性饱和温度分别是10C和25.6C。因此，升程（Dtsat）是15.6C。因此，冷却装置在喘振线以下运行良好，因为最大可允许升程是17.2C。电力切断并且冷却装置停止旋转。不过，引导叶片被卡在30％，因为到引导叶片（GV）致动器的电力也被切断。当电力再接通时，示例性的冷却器和冷凝器的饱和温度变为12.2C和23.3C。因此，当电力再接通时，跨过压缩机的升程是11.1C。从上面的图表可知，最大可允许引导叶片位置是0％。因此，新算法没有给基准提供改善。

虽然上面详细描述了实施例，但并非意在用这些描述限制本公开的范围。应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可进行各种改进。例如，当被应用到现有系统的重建时，现有系统或其使用的细节可影响任何特定的实施方式的细节。如上面指出的，在最小改变的情况下，这可通过仅对控制器重新编程以执行该方法来实现（例如，将步骤306和308添加到基础启动算法）。因此，其它实施例也在后面的权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种用于控制离心压缩机（22）的方法，该压缩机具有入口（24）、出口（26）、安装成绕叶轮轴线（502）旋转的叶轮（54）、连接到该叶轮以驱动该叶轮绕叶轮轴线（502）旋转的马达（52）、和可变入口引导叶片（56）阵列（55），该入口引导叶片阵列可被控制以在相对关闭的第一状态和相对打开的第二状态之间移动，该方法包括：

确定（304）升程值；

基于所述升程值确定（306）可允许的引导叶片状态；

关闭（308）所述引导叶片阵列到所述确定的可允许的引导叶片状态；以及

加速（312）叶轮到运行速度。

2.如权利要求1所述的方法，其中加速是从完全停止开始。

3.如权利要求1所述的方法，其被执行为在非命令关停后的重启。

4.如权利要求1所述的方法，其中对可允许的引导叶片状态的确定包括迭代计算。

5.如权利要求4所述的方法，其中迭代计算使用如下方程：

在GV-_Pos处的DT_sat=

A＝

，

其中：

GV_Low＝当引导叶片被关闭时的引导叶片角度位置；

DTs_Low＝在不引起喘振的情况下在GV_Low处的100％速度下的最大可允许升程；

GV_High＝当引导叶片完全打开时的引导叶片角度位置；

DTs_High＝在不引起喘振的情况下在GV_Max处的100％速度下的最大可允许升程；

Shapefac＝常数，取决于压缩机空气动力学。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述关闭引导叶片阵列到所述确定的可允许状态是迭代过程的一部分，该迭代过程包括：

测量引导叶片状态；

比较测量的引导叶片状态和所确定的可允许引导叶片状态；以及

如果所述测量的引导叶片状态的打开程度大于所述所确定的可允许状态，就关闭引导叶片阵列。

7.如权利要求6所述的方法，其中：

所述关闭包括：

基本上连续的关闭。

8.如权利要求6所述的方法，其中：

所述关闭包括：

增量关闭。

9.一种控制器，其构造成实施如权利要求1所述的方法。

10.如权利要求9所述的控制器，其构造成通过迭代计算来确定可允许的引导叶片状态，其中：

在GV-_Pos处的DT_sat=

A＝

，

其中：

GV_Low＝当引导叶片被关闭时的引导叶片角度位置；

DTs_Low＝在不引起喘振的情况下在GV_Low处的100％速度下的最大可允许升程；

GV_High＝当引导叶片完全打开时的引导叶片角度位置；

DTs_High＝在不引起喘振的情况下在GV_Max处的100％速度下的最大可允许升程；以及

Shapefac＝常数，取决于压缩机空气动力学。

11.如权利要求10所述的控制器，其中：

GV_Low＝0％；

DTs_Low＝5到15；

GV_High＝100％；

DTs_High＝20到30；以及

Shapefac＝-1到0。

12.一种冷却装置系统，其包括：

如权利要求9所述的控制器；

所述离心压缩机；

沿着冷却剂流动路径在离心压缩机下游的排热换热器；以及

沿着所述冷却剂流动路径在排热换热器下游的吸热换热器。

13.一种用于对如权利要求9所述的控制器再编程的方法，所述方法包括：

添加用于所述确定（306）所述可允许的引导叶片状态和所述关闭（308）引导叶片阵列到所述确定的可允许的引导叶片状态的指令。