CN106104003B - 两级压缩机的热气体旁通 - Google Patents

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Abstract

一种蒸汽压缩系统，其包括离心压缩机(22)，所述离心压缩机具有：入口(24)；出口(26)；第一叶轮级(28)；第二叶轮级(30)；和电动机(34)，所述电动机耦接到所述第一叶轮级和第二叶轮级。第一换热器(38)在沿着制冷剂流路的所述出口下游。膨胀装置(56)和第二换热器(64)在沿着所述制冷剂流路的所述入口上游。旁通流路(120；320)被定位成将制冷剂从所述压缩机绕过所述第一换热器来递送。阀(128)被定位成控制通过旁通流路的流动，其中：所述旁通流路从所述入口与出口中间的第一位置(140)延伸到沿着所述制冷剂流路的所述第一换热器下游的第二位置(142；342)。

Description

两级压缩机的热气体旁通
相关申请案的交叉引用
本发明要求2014年2月17日申请且标题为“HOT GAS BYPASS FOR TWO STAGECOMPRESSOR”的美国专利申请案第61/940,716号的权益，其公开内容全部以引用的方式并入本文中，就如详细地阐明。
发明背景
本公开涉及蒸汽压缩系统。更特定而言，本公开涉及蒸汽压缩系统中多级离心压缩机的喘振控制。
蒸汽压缩系统的一个实例涉及冷却器。示例性冷却器涉及由电动机驱动的两级离心压缩机。通过示例性系统的主要制冷剂流路从压缩机的出口依次通过冷凝器、经济器(例如，闪蒸罐经济器)、膨胀装置和冷却机，从冷却机返回到压缩机入口。经济器管线可从经济器延伸到压缩机的级间。
示例性现有技术的冷却器使用热气体旁通在低负荷下提供稳定操作。示例性的旁通是从排气条件(例如，压缩机出口与冷凝器入口之间)到冷却机入口条件(例如，膨胀装置的下游)。沿着旁通流路的流动受到热气体旁通阀支配，所述阀继而被系统控制器控制。当压缩机负荷下降至低于某一设置级别时，示例性控制器会打开旁通阀。这导致压缩机的负荷增大，实现稳定操作。
发明概要
本公开的一个方面涉及一种蒸汽压缩系统，其包括离心压缩机，所述压缩机具有：入口；出口；第一叶轮级；第二叶轮级；和耦接到所述第一叶轮级和第二叶轮级的电动机。第一换热器在沿着制冷剂流路的出口下游。膨胀装置和第二换热器在沿着制冷剂流路的入口上游。旁通流路被定位成将制冷剂从压缩机绕过第一换热器来递送。阀被定位成控制通过所述旁通流路的流动。旁通流路从入口与出口中间的第一位置延伸到沿着制冷剂流路的第一换热器下游的第二位置。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述第二位置在沿着所述制冷剂流路的膨胀装置的下游。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述第二位置在沿着所述制冷剂流路的第二换热器的上游。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述旁通流路是第一旁通流路，且第二旁通流路从所述第一位置与所述第一位置下游之间的第三位置延伸到所述膨胀装置上游的第四位置。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述第四位置在所述第一换热器的下游。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述第四位置在经济器罐上。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述系统进一步包括经济器，其具有返回到所述入口与出口中间的第五位置的经济器管线。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述系统进一步包括经济器，所述经济器具有返回到所述入口与出口中间的经济器端口的经济器管线。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述经济器端口和所述第一位置处于级间。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述系统进一步包括控制器，其被构造来：计算至少一个压力参数；和响应于所述计算的压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，一种使用所述系统的方法包括：驱动所述第一叶轮和所述第二叶轮的旋转；测量至少一个压力；计算至少一个压力参数；和响应于所述测量的压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述计算包括随时间的差值。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述计算包括随时间的平均值。
本公开的另一方面是一种蒸汽压缩系统，其包括离心压缩机，所述压缩机具有：入口；出口；第一叶轮级；第二叶轮级；和电动机，其耦接到所述第一叶轮级和第二叶轮级。第一换热器在沿着制冷剂流路的出口下游。经济器在沿着所述制冷剂流路的所述第一换热器下游。经济器管线从所述经济器返回到所述压缩机。膨胀装置和第二换热器在沿着制冷剂流路的所述出口上游。旁通流路被定位成将制冷剂从压缩机绕过第一换热器来递送。阀被定位成控制通过所述旁通流路的流动。所述旁通流路从第一位置延伸到所述第一换热器下游但处于沿着所述制冷剂流路的所述经济器或其上游的第二位置。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述第二位置在所述经济器处。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述经济器是闪蒸罐经济器。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述系统进一步包括控制器，其被构造来：计算至少一个压力参数；和响应于所述计算的压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述系统是冷却器系统。
本公开的另一方面涉及一种蒸汽压缩系统，其包括离心压缩机，所述离心压缩机具有：入口；出口；第一叶轮级；第二叶轮级；和电动机，所述电动机耦接到所述第一叶轮级和第二叶轮级。第一换热器在沿着制冷剂流路的出口下游。膨胀装置和第二换热器在沿着制冷剂流路的入口上游。旁通流路被定位成将制冷剂从压缩机绕过第一换热器来递送。阀被定位成控制通过所述旁通流路的流动。所述旁通流路是第一旁通流路。第二旁通流路至少部分不与所述第一旁通流路重叠地延伸。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，所述系统进一步包括控制器，其被构造来：计算至少一个压力参数；和响应于所述计算的压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
在任何前述实施例的一个或多个实施例中，一种用于操作所述系统的方法包括：引导所述第一叶轮和所述第二叶轮的旋转；打开所述阀，以允许流动通过所述第一旁通流路；和打开第二阀，以允许沿着所述第二旁通流路的流动，沿着所述第二旁通流路绕过所述第一叶轮级流动到所述第二叶轮级。
一个或多个实施例的细节在附图和下方具体实施方式中阐明。其它特征、目的和优点将从具体实施方式和附图以及从权利要求显而易见。
附图简述
图1是冷却器系统的示意图。
图2是图1的系统的压缩机的部分示意图。
图3是涉及热气体旁通控制的一部分操作算法的流程图。
图4是第二冷却器系统的示意图。
图5是涉及被控制的热气体旁通的一部分操作算法的流程图。
各个图中相同参考数字和标识指示相同元件。
具体实施方式
图1示出蒸汽压缩系统20，其具有改进的热气体旁通构造和操作。示例性蒸汽压缩系统20是冷却器，其用于冷却水或其它热传递液体流。所述冷却器包括压缩机22，其具有界定吸入条件的入口24和界定排气条件的出口26。示例性压缩机是两级离心压缩机，其具有示为28的第一级，示为30的第二级，和示为32的中间级。每一级包括离心叶轮。两个叶轮被电动机34共同驱动(例如，直接或通过变速箱)。系统20具有主要制冷剂流路35，其行进通过入口24与出口26之间的压缩级，且通过从出口26到换热器38入口36的排气管线向下游行进。在正常操作下，换热器38是排热换热器，更特定而言，是冷凝器，其将来自流过的制冷剂的热量排出到外部的热传递流体流。示例性热传递流体流是冷却水或空气。示例性热传递流体流40进入冷凝器38的入口42，且从出口44出去(例如，换热器的水流回路)。制冷剂流从冷凝器的制冷剂出口46出去，并进入经济器50的入口48。
示例性经济器是闪蒸罐经济器，其具有液体出口52和蒸汽出口54。液体出口52沿着主要制冷剂流路35，其进一步向下游行进到具有入口58和出口60的膨胀装置56。主要制冷剂流路35从膨胀装置出口60进一步向下游行进到第二换热器(吸热换热器(例如，冷却机))64的入口62。冷却机从进入入口72和从出口74(例如，换热器的水流回路)出去的热传递流体流70(例如，水)吸热。冷却机具有沿着主要制冷剂流路的制冷剂出口76，其中吸入管线78将出口76连接到压缩机入口24，从而完成主要制冷剂流路35。经济器管线80界定从蒸汽出口54延伸回到压缩机的经济器流路。在示例性实施方案中，经济器流路延伸到入口24与出口26中间的经济器端口82(更特定而言，在这个实例中为级间)。如到目前为止所描述，这代表可应用一个或多个进一步改进的几个示例性现有技术中的一个。
相对于已知的热气体旁通构造，一个实例具有几个差异。首先，代替单个热气体旁通流路，具有两个至少部分不重叠的热气体旁通流路120和122离开和返回主要制冷剂流路。每个热气体旁通流路120,122主要由相关的热气体旁通管线124,126界定/限制，其中热气体旁通阀128,130位于所述管线中，以控制沿着相关热气体旁通流路的流动。此外，每个旁通流路120,122的一端的位置相对于上文描述的基线偏移。
第一热气体旁通流路120从压缩机上的端口140处的上游端延伸到膨胀装置56与冷却机64之间的位置142处的下游端。所述位置142可与上文所提的现有技术的位置相同。然而，示例性位置140并非处于排气条件，而是处于诸如在级间的中间条件。更广泛而言，端口140的中间条件可表示压缩机的20％与80％压缩过程之间的位置。
第二热气体旁通流路122可从排气条件延伸，如同上文所提的现有技术热气体旁通流路。然而，示例性第二热气体旁通流路122延伸至膨胀装置56上游的位置150。在图示的实例中，位置150沿着经济器50。
图2示意示出经济器端口82，端口140和叶轮级的示例性位置。它还示出压缩机的壳体(外壳)装配160，其包含安装到电动机34轴166的第一级叶轮162和第二级叶轮164。在入口24与第一级叶轮的入口167之间，壳体含有可控入口导流叶片(IGV)阵列168。在第二级叶轮出口169的下游，壳体界定排气室170，排气端(未示出)位于沿着排气室处。在第一级叶轮的出口172与第二级叶轮的入口174之间，外壳装配的组件界定一个或多个通路，包括扩散通路176，其径向向外延伸至转角178再径向向内转回，并连接返回通路(回程)180，所述返回通路径向向内延伸并且再轴向转向与入口174汇合。端口140的示例性位置沿着转角178。更广泛而言，端口140的示例性位置沿着扩散器或在其下游。
示例性经济器端口82供给经济器气体腔190以继而将气体通过注入端口192引入到主制冷剂流路。示例性注入端口沿着所述回程180。
图1还示出控制器200。所述控制器可从输入装置(例如，交换机，键盘或类似物)和传感器(未图示，例如，在各种系统位置处的压力传感器和温度传感器)接收用户输入。所述控制器可通过控制线202(例如，硬连线或无线通信路径)耦接到传感器和可控系统组件(例如，阀，轴承，压缩机电动机，叶片致动器和类似物)。所述控制器可包括一个或多个：处理器；存储器(例如，用于存储程序信息，从而由处理器执行以完成操作方法，以及用于存储由程序使用或生成的数据)；和硬件接口装置(例如，端口)，用于连接输入/输出装置和可控系统组件。
图3示出控制例程，其可被编程或另外配置到控制器中。所述例程提供喘振限制，并且可叠加在控制器的正常编程/例程上(未示出，例如，提供基线系统的基本操作，将前述控制例程添加至所述基本操作)。示例性控制例程使用来自一系列压力传感器的输入，所述传感器包括第一级叶轮出口处的传感器210，第二级叶轮出口处的传感器212，冷凝器处的214，经济器处的216和冷却机处的220。电动机电流传感器230和入口导流叶片位置传感器232还提供到控制器的输入。
在图3的示例性例程600中，分别测量两级的压力特征602。在此实例中，第一级的压力P1由传感器210测量，第二级的压力P2由传感器212测量。计算每个这些压力的变化604。示例性变化或Δs(分别为ΔP1和ΔP2)是相对于某一周期过程中先前测量的对应值的两个测量压力值。新的压力数据可被存储606用于下一周期。再将两个压力Δs与参照值或阈值对比608,610。在此实例中，如果ΔP1小于第一相关阈值压力PT1-1，那么相关旁通阀被关闭或保持关闭612。在此实例中，相关旁通沿着旁通流路120，且所述关闭是关闭阀128。类似地，如果ΔP1大于相关阈值PT1-2，那么相关旁通流路120和阀128被打开或保持打开614。类似地，如果ΔP2小于相关阈值PT2-1，那么相关旁通流路122和阀130被关闭或保持关闭。如果ΔP2大于第二相关阈值PT2-2，那么旁通流路122和阀130被打开或保持打开618。返回步骤620在预设延迟滞后返回到开始，并重复。所述过程的示例性周期速度是一分钟。PT1-2和PT2-2的示例性值是5psi(34kPa)。示例性PT1-1和PT2-1是2.0psi(14kPa)。
图4示出一个替代系统300，它可在结构和操作上类似于系统20，但是在一个或两个旁通流路上具有变化。首先，第一旁通流路320和管线324相对于流路120和管线124具有重定向的回程。在这种情况下，并非返回到膨胀装置56与吸热换热器64之间的位置，所述返回是回到相对下游的位置342。示例性位置342是在吸热换热器64的下游。更特定而言，示例性位置342是入口导流叶片(图3中增加了图示)的返回下游。
系统300相对于系统20的第二个示例性变化是第二旁通流路322和管线326相对于流路120和管线126的重定向回程。在此情况中，代替返回到排热换热器38下游的位置，到主要流路的回程是返回到压缩机，更特定而言，是沿着压缩机的中间位置。在图示的实例中，所述回程是级间，也就是经济器端口82。这种回程可简单地通过连接经济器流路80，使得沿着两个这种流路的下游部分重叠来实现。通过绕过经济器，使用流路322，可促进经济器尺寸的缩减。
图5示出系统300的示例性控制例程640。在这个实例中，初始测量步骤642不仅测量P1和P2，还测量冷凝器压力PC(例如，通过传感器214)，蒸发器压力PE(例如，通过传感器220)，和入口导流叶片位置(例如，通过传感器232)。接着分别计算(644)P1A和P2A的平均值P1和P2。示例性平均值是在较短时间间隔内的平均值，诸如0.5分钟到5分钟(例如，1分钟)。接着计算代表喘振前的两个参数。示例性参数P1R定义为P1A/PE。示例性参数P2R定义为P2A/PC。接着评估这两个参数648,650。如果P1R大于阈值A，那么旁通阀128被打开或保持打开652。如果P2R大于第二阈值(可选择与第一阈值相同)B，那么旁通阀130被打开或保持打开654。其后，回程656可返回到测量642。
示例性原理可应用到其它两级压缩机构造。例如，系统构造可应用到所谓的背对背压缩机，其中两个叶轮级安装在电动机轴的相对侧。单独站立时，示例性背对背压缩机在相对的第一端和第二端具有相对的第一和第二入口，且入口导流叶片阵列处在这种入口与第一级和第二级叶轮的各自入口之间。当安装在蒸汽压缩系统中时，第一级叶轮在其扩散器下游的排气室用管道连接回到第二入口。第二级的排气室供给整个压缩机出口，其中第一端入口用作整个压缩机入口。经济器流可在级间引导，诸如引导到与将第一级扩散器连接到第二端入口导流叶片上游第二端入口的管线的节点处。
具体实施方案和下方权利要求中“第一”、“第二”和类似术语的使用仅是在权利要求范畴内进行区分，且不一定表示相对或绝对的重要性或临时顺序。类似地，一项权利要求中将一个元件指示为“第一”(或类似术语)不排除所述“第一”元件是在另一权利要求或实施方式中称为“第二”(或类似术语)的元件。
在以英制单位的测量后具有含SI或其它单位的括号时，括号的单位是转换，且不应暗示英制单位中不存在的精确度。
已描述一个或多个实施方案。尽管如此，应理解，可进行各种修正。例如，当应用于已有的基础系统时，这种构造或其相关用途的细节可影响特定实施方式的细节。相应地，其它实施方案在所附权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种蒸汽压缩系统（20；300），其包括：
离心压缩机（22），其具有：
入口（24）；
出口（26）；
第一叶轮级（28）；
第二叶轮级（30）；和
电动机（34），其耦接到所述第一叶轮级和第二叶轮级；
第一换热器（38），其在沿着制冷剂流路的所述出口下游；
膨胀装置（56）；
第二换热器（64），其在沿着所述制冷剂流路的所述入口上游；
旁通流路（120；320），其被定位成将制冷剂从所述离心压缩机绕过所述第一换热器来递送；和
阀（128），其被定位成控制通过所述旁通流路的流动，
其中：
所述旁通流路从所述入口与出口中间的第一位置（140）延伸到沿着所述制冷剂流路的所述第一换热器下游的第二位置（142；342），且
其中，所述蒸汽压缩系统（20；300）进一步包括控制器（200），其被构造来：
计算至少一个压力参数；和
响应于计算的所述压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
2.根据权利要求 1所述的系统，其中：
所述第二位置（142；342）在沿着所述制冷剂流路的所述膨胀装置下游。
3.根据权利要求 1所述的系统，其中：
所述第二位置（142）在沿着所述制冷剂流路的所述第二换热器上游。
4.根据权利要求 1所述的系统，其中：
所述旁通流路是第一旁通流路；和
所述蒸汽压缩系统（20；300）还包括第二旁通流路（122），所述第二旁通流路（122）从所述第一位置与所述第一位置下游之间的第三位置延伸至所述膨胀装置上游的第四位置（150）。
5.根据权利要求4所述的系统，其中：
所述第四位置（150）在所述第一换热器的下游。
6.根据权利要求4所述的系统，其中：
所述第四位置（150）是在经济器（50）上。
7.根据权利要求4所述的系统，其进一步包括：
经济器（50），其具有返回到所述入口与出口中间的第五位置的经济器管线（80）。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
经济器（50），其具有返回到所述入口与出口中间的经济器端口（82）的经济器管线（80）。
9.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述经济器端口和所述第一位置处于级间（32）。
10.一种用于使用根据权利要求1所述的系统的方法，所述方法包括：
驱动所述第一叶轮级和所述第二叶轮级的旋转；
测量至少一个压力；
计算至少一个压力参数；和
响应于计算的所述压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述计算包括随时间的差值。
12.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述计算包括随时间的平均值。
13.一种蒸汽压缩系统（20；300），其包括：
离心压缩机（22），其具有：
入口（24）；
出口（26）；
第一叶轮级（28）；
第二叶轮级（30）；和
电动机（34），其耦接到所述第一叶轮级和第二叶轮级；
第一换热器（38），其在沿着制冷剂流路的所述出口下游；
经济器（50），其在沿着所述制冷剂流路的所述第一换热器下游；
经济器管线（80），其从所述经济器返回到所述离心压缩机；
膨胀装置（56）；
第二换热器（64），其在沿着制冷剂流路的所述出口上游；
旁通流路（122；322），其被定位成将制冷剂从所述离心压缩机绕过所述第一换热器来递送；和
阀（130），其被定位成控制通过所述旁通流路的流动，
其中：
所述旁通流路从所述入口（24）与出口（26）中间的第一位置延伸到所述第一换热器下游但处于沿着所述制冷剂流路的所述经济器（50）处或其上游的第二位置，且
其中，所述蒸汽压缩系统（20；300）进一步包括控制器，所述控制器被构造来：
计算至少一个压力参数；和
响应于计算的所述压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
14.根据权利要求13所述的系统，其中：
所述第二位置在所述经济器处。
15.根据权利要求13所述的系统，其中：
所述经济器是闪蒸罐经济器。
16.根据权利要求13所述的系统，其中：
所述系统是冷却器系统。
17.一种蒸汽压缩系统（20；300），其包括：
离心压缩机（22），其具有：
入口（24）；
出口（26）；
第一叶轮级（28）；
第二叶轮级（30）；和
电动机（34），其耦接到所述第一叶轮级和第二叶轮级；
第一换热器（38），其在沿着制冷剂流路的所述出口下游；
膨胀装置（56）；
第二换热器（64），其在沿着所述制冷剂流路的所述入口上游；
旁通流路（120；320），其被定位成将制冷剂从所述离心压缩机绕过所述第一换热器来递送；和
阀（128），其被定位成控制通过所述旁通流路的流动，
其中：
所述旁通流路是第一旁通流路（120；320）；
第二旁通流路（122；322）至少部分不与所述第一旁通流路重叠地延伸，且
其中，所述蒸汽压缩系统（20；300）进一步包括控制器，所述控制器被构造来：
计算至少一个压力参数；和
响应于计算的所述压力参数，控制沿着所述旁通流路的流动。
18.一种用于操作根据权利要求 17所述的系统的方法，所述方法包括：
引导所述第一叶轮级和所述第二叶轮级的旋转；
打开所述阀，以允许流动通过所述第一旁通流路；和
打开第二阀（130），以允许沿着所述第二旁通流路流动，沿着所述第二旁通流路绕过所述第一叶轮级流动前进到所述第二叶轮级。
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