CN107178516A - 压缩机控制系统及压缩机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压缩机控制系统及压缩机的控制方法。所述压缩机控制系统具有：压缩机，用于将流体压缩；抗喘振阀，布置于将所述压缩机的入口与出口进行连接的线路，并基于第一信号而运行，从而防止所述压缩机的逆流；入口引导叶片，布置于所述压缩机的所述入口，并基于第二信号而运行，从而调节所述入口的开放面积；控制部，与所述抗喘振阀及所述入口引导叶片连接，并生成用于控制所述抗喘振阀的所述第一信号，且生成用于控制所述入口引导叶片的叶片调节信号，并生成用于控制所述入口引导叶片的压力补偿信号以对基于所述第一信号的所述压缩机的出口处的压力变化进行补偿，且合并所述压力补偿信号与所述叶片调节信号，从而生成所述第二信号。

Description

压缩机控制系统及压缩机的控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种压缩机控制系统及压缩机的控制方法，尤其涉及一种可以使在入口引导叶片的控制与抗喘振阀的控制之间互相产生的影响最小化并能够使压缩机稳定地操作的压缩机控制系统及压缩机的控制方法。
背景技术
在用于控制液体或气态的流体的流体控制系统中，使用到用于将流体进行压缩的压缩机。压缩机尽可能地被设计成能够对宽范围的排出压力及流量高效运行，压缩机的效率固然是流体控制系统的重要性能参数，运行区域也作为流体控制系统的重要性能参数而发挥作用。
以涡轮压缩机为例，如果压缩机无法产生出比整个流体控制系统的压力阻抗更大的压力，则压缩机的内部将会发生周期性的流动逆流现象，这被称为“喘振(surge)”。
如果发生喘振现象，则因周期性逆流而使压力与流量扰动。这种扰动作用引发机械振动，并损坏轴承、叶轮等附属要素。这样的喘振现象不仅降低压缩机的性能，而且还可能缩短压缩机的寿命，因此在运用压缩机的过程中，用于防止喘振现象的功能(抗喘振；anti-surge)对用于控制涡轮压缩机的压缩机控制系统中至关重要。为了实现抗喘振功能，如果利用抗喘振阀(anti-surge valve；ASV)，则可以减小流体系统的阻力，从而防止喘振现象的发生。
并且，压缩机控制系统中不仅设置有抗喘振阀，而且还为了控制压缩机的运用区域而在压缩机的入口设置有入口引导叶片(inlet guide vane；IGV)。
图1为一般压缩机的性能图。
图1中纵轴表示压力，横轴表示流量。在喘振控制中，以如下方式设定喘振控制线(surge control line)：从喘振线起留下约为10％的盈余(margin)。当运行点到达喘振控制线时，通过调节IGV或ASV等，而实施用于使运行点远离喘振线的控制。
在运行点(operating point)到达喘振线之前，ASV并不运行，因此不会发生耦合现象，但如果运行点进入到可引发喘振现象的喘振区域中，则IGV和ASV均运行。由于IGV和ASV都使压缩机的流量及压力改变，因此IGV和ASV的一同运行可能引发耦合现象。
图2为用于说明图1的现有压缩机中的IGV和ASV中发生的耦合现象的曲线图。
例如，假设在图2中以A表示的运行点处对压缩机进行控制，则用于控制IGV的方向与用于控制ASV的方向可能相互冲突。即，IGV为了降低压力而需要朝缩小(封闭)IGV的开放程度(IGV的开度)的方向被控制。如果通过控制而使IGV的开度缩小，则流量和压力减小，因此图2中IGV的控制点朝左下方移动。
然而，ASV却需要为了防止喘振现象而朝开放ASV的开度变大的方向得到控制以增加流量。如果朝向开放ASV的开度的方向控制，则流量上升且压力减小，因此图2中ASV的控制地点朝右下方移动。如此，IGV与ASV的控制操作之间会发生冲突，因此发生压力的振荡现象，从而使不稳定的流动反复，因此压缩机的操作变得不稳定。
发生如上所述的耦合现象的原因在于，基于IGV的运行而使压缩机的排出压力得到控制，然而流量因IGV的操作而使受到影响，并且基于ASV的运行而可实现利用到压缩机的流量的控制，然而因ASV的操作而使压力受到影响。因此，在喘振区域中，因为IGV和ASV这两个阀门相互之间阻碍操作，导致压缩机的整个系统的控制变得困难。
为了避免如上所述的ASV与IGV的控制操作相互冲突的问题，也会使用如下的方法：将用于控制IGV和ASV的PID调节器的控制增益设定成互不相同，而且将IGV与ASV中的某一个的控制增益设定成占据支配地位，从而缓解喘振区域的冲突。但是，对于这种增益调节方法而言，控制器的协调操作复杂并困难，其存在无法理想地应对耦合现象的局限性。
例如，如果将IGV增益设定为相对大于ASV增益，则虽然可以使压力得到稳定化，然而运行点进入到喘振区域，因此导致引发喘振现象的可能性变大，或者难以应对压缩机后端的消耗流量的急剧变化。
而且，如果将ASV增益设定为相对大于IGV增益，则当运行点进入到喘振区域时，ASV被迅速开放，因此压力降幅度变大。在这种情况下，虽然可以应对急剧的消耗流量的变动，但却可能因压力降幅度增大而使压缩机的运行变得不稳定。
[现有技术文献]
[专利文献]
韩国公开专利公报第2012-0096748号(2012.08.31)
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供一种能够使压缩机稳定操作的压缩机控制系统及压缩机的控制方法。
本发明的实施例的另一目的在于提供一种可以使入口引导叶片的控制与抗喘振阀的控制之间互相产生的影响最小化并控制压缩机的操作的压缩机控制系统及压缩机的控制方法。
根据本发明之一实施例，提供一种压缩机控制系统，具有：压缩机，用于将流体压缩；抗喘振阀，布置于将所述压缩机的入口与出口进行连接的线路，并基于第一信号而运行，从而防止所述压缩机的逆流；入口引导叶片，布置于所述压缩机的所述入口，并基于第二信号而运行，从而调节所述入口的开放面积；以及控制部，与所述抗喘振阀及所述入口引导叶片连接，并生成用于控制所述抗喘振阀的所述第一信号，且生成用于控制所述入口引导叶片的叶片调节信号，并生成用于控制所述入口引导叶片的压力补偿信号以对基于所述第一信号的所述压缩机的出口处的压力变化进行补偿，并将所述压力补偿信号与所述叶片调节信号进行合并，从而生成所述第二信号。
并且，所述第二信号的绝对值的大小可以比所述叶片调节信号的绝对值的大小更小。
根据本发明的另一实施例，提供一种压缩机的控制方法，包括如下步骤：第一信号生成步骤，用于生成第一信号，该第一信号用于使抗喘振阀运行，该抗喘振阀布置在用于连接压缩机的入口与出口的线路而防止所述压缩机的逆流，所述压缩机用于将流体进行压缩；压力补偿信号生成步骤，生成用于控制入口引导叶片的压力补偿信号以补偿基于所述第一信号的所述压缩机的所述出口处的压力变化；叶片调节信号生成步骤，用于生成叶片调节信号，该叶片调节信号用于控制所述入口引导叶片，该入口引导叶片布置于所述压缩机的所述入口，并用于调节所述入口的开放面积；以及第二信号生成步骤，将所述压力补偿信号与所述叶片调节信号进行合并，从而生成用于运行所述入口引导叶片的第二信号。
而且，所述第二信号生成步骤中，将所述压力补偿信号与所述叶片调节信号进行合并，并可以使所述第二信号的绝对值的大小比所述叶片调节信号的绝对值的大小更小。
根据关于如上所述的实施例的压缩机控制系统及压缩机的控制方法，可以使入口引导叶片与抗喘振阀这两个要素的控制操作的影响性中的抗喘振阀的控制的影响力占据支配地位，从而消除入口引导叶片与抗喘振阀这两个要素的控制操作的耦合现象，从而能够稳定地控制压缩机。
附图说明
图1为一般压缩机的性能图。
图2是用于说明图1的现有压缩机中的IGV和ASV中发生的耦合现象的曲线图。
图3是表示关于一实施例的压缩机控制系统的概略构成的模块图。
图4是概略地表示图3的压缩机控制系统的控制信号流的模块图。
图5a和图5b是表示因外界扰动而改变的现有的压缩机控制系统的运行例的曲线图。
图6a和图6b是表示因外界扰动而改变的图3的压缩机控制系统的运行例的曲线图。
图7是概略地表示关于另一实施例的压缩机的控制方法的诸步骤的顺序图。
符号说明
10：压缩机 21：ASV驱动部
11：入口 30：控制部
12：出口 31：ASV控制部
15：旁通线 32：IGV控制部
45：第一压力计 33：补偿信号生成部
16：第二压力计 34：运算部
17：流量计 40：入口引导叶片
20：抗喘振阀 41：IGV驱动部
100：供应配管 200：排出配管
具体实施方式
本发明可被加以多样的变换，并可具有多种实施例，特定实施例被示例性地图示于附图中，并在说明书中得到详细说明。本发明的效果、特征及用于实现它们的方法可参考与附图结合而详细阐述的实施例而明确了解。然而，本发明并不局限于以下公开的实施例，其可以由多样的形态实现。
以下，参考附图而详细说明本发明的实施例，在参考附图进行说明时，对相同或对应的构成要素赋予相同的附图标记，并省略与之相关的重复说明。
在以下的实施例中，第一、第二等术语并非旨在限定，而是旨在将一个构成要素与其他构成要素加以区分。
在以下的实施例中，除非在文章中明确表示不同含义，单数形态的表述包括复数形态的含义。
在以下的实施例中，“包括”或“具有”等术语用于表示说明书中记载的特征或构成要素的存在，其并不预先排除一个以上的其他特征或构成要素的可附加性。
在以下的实施例中，当提到膜、区域、构成要素等部分位于其他部分上方或上部时，其不仅包括位于其他部分的紧邻的上侧的情形，而且还包括其中间夹设有其他膜、区域、构成要素等的情形。
在附图中为了便于说明而可能夸大或缩小示出构成要素的大小。例如，附图中示出的各个构成要素的大小及厚度被任意示出以便于说明，因此本发明并不局限于图示情形。
在以下的实施例中，x轴、y轴及z轴并不局限于正交坐标系中的三个轴，而可以被解释为包含此情形的广义的概念。例如，x轴、y轴与z轴固然可以相互正交，然而也可以指代互不正交的不同方向。
在某些实施例能够以其他方式实现的情况下，特定的工艺顺序也可以以不同于被说明的顺序得到执行。例如，连续说明的两个工序可以实质上同时执行，也可以与说明顺序相反地执行。
图3为表示关于一实施例的压缩机控制系统的概略构成的模块图。
与图3所示的实施例相关的压缩机控制系统具有：压缩机10；抗喘振阀(Antisurge valve；ASV)20，布置在用于连接压缩机10的入口11与出口12的旁通线15；入口引导叶片(Inlet guide vane；IGV)40，布置于压缩机10的入口11；控制部30，用于控制抗喘振阀20和入口引导叶片40。
压缩机10执行如下功能：将具有预定入口条件的流体吸入，并使压力上升，然后将压缩的流体供应到运用中的流体系统或设备。压缩机10可采用具有离心式或轴流式等多样的形态的压缩机。
通常，在压缩机10的入口11连接有供应配管100，并在压缩机10的出口12连接有排出配管200，因此压缩机10可将通过供应配管100得到供应的流体吸入并将压缩的流体通过排出配管200排出。
在实施例中，作为经过包括压缩机10在内的各种流体机械要素的流体使用了气体，然而实施例并不局限于这种流体形态，例如也可以使用液体。
旁通线15不经过压缩机10而将压缩机10的出口与压缩机10的入口连接。即，当旁通线15被开放时，从压缩机10流出的流体流向压缩机10的入口，于是压缩机10的出口侧的压力与入口侧的压力之差减小，而且流入到压缩机的流量增加。
因此，抗喘振阀20通过控制旁通线15的开闭而起到防止压缩机10的逆流的功能。抗喘振阀20例如可由螺线管阀门(solenoid valve)之类的电磁阀实现，以实现电磁控制。
抗喘振阀20连接于ASV驱动部21，该ASV驱动部21借助于由控制部30的ASV控制部31施加的第一信号Ca而被运行。于是，抗喘振阀20基于第一信号Ca而运行，从而执行防止压缩机10的逆流的功能。
入口引导叶片40布置于压缩机10的入口11而执行调节入口11的开放面积的功能。入口引导叶片40具有多个叶片，可以通过调节所述多个叶片的角度而调节入口11的开放面积。而且，入口引导叶片40也例如可以由螺线管阀门(solenoid valve)之类的电磁阀实现，以实现电磁控制。
入口引导叶片40连接于IGV驱动部41，该IGV驱动部41借助于由控制部30施加的第二信号Ci而运行。于是，入口引导叶片40基于由控制部30施加的第二信号Ci而运行，从而可以调节压缩机10的入口11的开放面积。
控制部30与抗喘振阀20及入口引导叶片40电连接。控制部30具有：ASV控制部31，生成用于控制抗喘振阀20的第一信号Ca；IGV控制部32，生成用于控制入口引导叶片40的叶片调节信号Cv；补偿信号生成部33，用于生成压力补偿信号Cc，该压力补偿信号Cc用于补偿基于第一信号Ca的压缩机10的出口12处的压力变化；运算部34，用于将补偿信号生成部33与叶片调节信号Cv进行合并，从而生成第二信号Ci。
控制部30例如可以内置在安装于压缩机控制系统的控制用计算机的电路板、或安装于电路板的计算机芯片、或安装于计算机芯片，或者可以由内置于控制用计算机的软件等形态实现。
压缩机10的入口11处可连接有：流量计17，用于对压缩机10的入口11侧的流体的流量进行测量，并将流量信号F1传递给控制部30；第一压力计45(Pi)，用于对压缩机10的入口11侧的流体的压力进行测量，并将压力信号P1传递给控制部30。
并且，在压缩机10的出口12处连接有：第二压力计16(Po)，用于对压缩机10的出口12侧的流体的压力进行测量，并将压力信号Po传递给控制部30。
图4为概略地表示图3的压缩机控制系统的控制信号流的模块图。
参考图3和图4，ASV控制部31生成第一信号Ca，并将第一信号Ca传递给ASV驱动部21。而且，ASV控制部31将第一信号Ca传递给补偿信号生成部33。
补偿信号生成部33利用接收到的第一信号Ca以及压缩机10的出口12处的压力变化而生成压力补偿信号Cc。如果基于第一信号Ca而使抗喘振阀20的开度量发生变化，则使流体的流量变化，因此压缩机10的出口12处的压力也变化。补偿信号生成部33将基于第一信号Ca而变化的压缩机10的出口12处的压力变化进行补偿，从而生成用于调节入口引导叶片40的开度量的压力补偿信号Cc。即，压力补偿信号Cc是如下的信号：为了实现基于第一信号Ca而变化的压缩机10的出口12处的压力变化的最小化，而对入口引导叶片40的开度量进行调节。
补偿信号生成部33可利用抗喘振阀20的开度量的变化与压缩机10的出口12处的压力之间的关系式、以及入口引导叶片40的开度量变化与压缩机出口12处的压力之间的关系式而执行计算。所述关系式可以是抗喘振阀20和入口引导叶片40的特征方程。
而且，补偿信号生成部33可由存储的数据计算出压力补偿信号Cc。数据存储部(未图示)存储有如下数据：关于基于抗喘振阀20的开度量变化的压缩机10的出口12处的压力变化的数据；以及关于基于入口引导叶片40的开度量变化的压缩机10的出口12处的压力变化的数据。补偿信号生成部33可利用所述数据存储部中存储的数据而计算出压力补偿信号Cc，该压力补偿信号Cc用于实现压缩机10的出口12处的压力变化的最小化。
IGV控制部32生成叶片调节信号Cv，并将叶片调节信号Cv传递到运算部34。运算部34可以将叶片调节信号Cv与压力补偿信号Cc进行合并，从而生成第二信号Ci。
第二信号Ci被叠加压力补偿信号Cc，因此可以使由抗喘振阀20的开度量变化引起的压力变化预先被补偿。压缩机10的出口处的压力并不受到抗喘振阀20的开度量的影响，并可通过入口引导叶片40的开度量进行控制。即，ASV控制部31与IGV控制部32能够以相互去耦合(decoupling)的方式运行。
图5a和图5b为表示因外界扰动而变化的现有的压缩机控制系统的运行例的曲线图，图6a和图6b为表示因外界扰动而变化的图3的压缩机控制系统的运行例的曲线图。
在IGV和ASV都得到使用的现有的压缩机控制系统中，可基于IGV而控制压缩机的排出压力，然而IGV的操作使流量(或者流量控制用电流信号)受到影响。并且，ASV可利用流量(或者流量控制用电流信号)而控制压缩机，然而压力受到ASV的操作的影响。因此，在压缩机的喘振区域中，因为IGV与ASV这两个阀门同时妨碍彼此的运行，所以使压缩机的控制变得困难。
如图5a和图5b所示，当处于正常状态的压缩机控制系统中发生外界扰动(disturbance)而使压缩机的出口处的压力增大时，入口引导阀门的开度减小。而且，为了防止发生喘振，通过增加抗喘振阀的开度而减小经过压缩机的流量。
直到压缩机控制系统重新回到正常状态为止，发生时间延迟。如图5a所示，发生了约为30秒的时间延迟。这样的时间延迟不仅涉及到外界扰动，而且因为外界扰动使入口引导叶片和抗喘振阀的开度变化，这种变化作为新的外界扰动而作用，从而延长时间延迟。
由于发生外界扰动，使流量和压力急剧变动。如图5b所示，如果发生外界扰动a，则为了重新收敛b到正常状态，而发生压力变化，而且发生显著的流量变化。
如图6a和图6b所示，当处于正常状态的压缩机控制系统中发生外界扰动(disturbance)而使压缩机10的出口12处的压力增大时，可能发生喘振现象。为了防止喘振，ASV控制部31通过发送出第一信号Ca而增加抗喘振阀20的开度，并使压缩机10的出口12处的流量减小。并且，IGV控制部32为了降低压缩机10的出口12处的压力而减小开度。
抗喘振阀20的急剧的开度变化会使压缩机10的出口12的压力变动，因此可作为外界扰动而作用于压缩机控制系统。然而，压力补偿信号Cc预先调节了入口引导叶片40的开度，据此可以补偿因抗喘振阀20的开度变化而发生的压缩机10的出口12处的压力变化。
即，补偿信号生成部33通过将压力补偿信号Cc加到叶片调节信号Cv而生成第二信号Ci，由此可以实现因抗喘振阀20的开度变化而发生的压缩机10的出口12处的压力变化的最小化。对于第二信号Ci而言，由抗喘振阀20引起的压力变化已得到补偿，因此控制部30可以仅通过第二信号Ci调节压力。
第二信号Ci的绝对值的大小可以小于叶片调节信号Cv的绝对值的大小。压力补偿信号Cc的符号可不同于叶片调节信号Cv。压力补偿信号Cc因第二信号Ci而防止急剧的开度变化，因此压力补偿信号Cc与叶片调节信号Cv的符号不同。
因此，第二信号Ci的绝对值大小可以小于叶片调节信号Cv的绝对值大小。由于第二信号Ci的绝对值大小变小，因此即使入口引导叶片40的开度发生变化，也可以减少对系统的影响。压力补偿信号Cc可以减少因急剧的压力变化而在系统内部产生的外界扰动。
如图5b的IGV％开启(OPEN)曲线图，由于发生外界扰动，IGV％开启(OPEN)的开度量因叶片调节信号Cv而成为大约(-2)，但却因压力补偿信号Cc而使第二信号变化成(-1)左右。由于入口引导叶片40和抗喘振阀20的开度不会急剧变动，因此可以缩短返回到正常状态为止所需的时间延迟。如图5b所示，当发生外界扰动时，发生15秒左右的时间延迟。
如图5b所示，即使发生外界扰动A，重新收敛B到正常状态为止并不发生显著的压力变化，而且流量也并不显著地变化，因此可迅速达到正常状态。
借助于压力补偿信号Cc，压缩机10的流量基于ASV控制部31的第一信号Ca而得到调节，压缩机10的压力基于IGV控制部32的第二信号而得到调节。
根据如上所述地构成的实施例，可实现抗喘振阀20与入口引导叶片40之间的相互影响的最小化，从而可以实现压缩机的稳定的操作。即，可利用用于控制抗喘振阀20的第一信号Ca而补偿入口引导叶片40的关闭量，因此在抗喘振阀20执行操作时，可以减小入口引导叶片40的关闭量，从而提高抗喘振控制功能的稳定性。
如果将考虑到基于抗喘振阀20的开度(表示开放程度的第一信号)的压缩机10的出口12处的压力变化的压力补偿信号Cc相加到入口引导叶片40的叶片调节信号Cv，则入口引导叶片40的急剧的开度变更可以被减弱，因此入口引导叶片40能够以协助抗喘振阀20的抗喘振(Anti-Surge)操作的形态执行操作。
即，在入口引导叶片40的运动迅捷的情况下，压力补偿信号Cc通过降低叶片调节信号Cv的绝对值大小，从而防止入口引导叶片40的开度变化，于是不会发生压力振荡，并迅速脱离喘振区域。
图7为概略地表示关于另一实施例的压缩机的控制方法的步骤的顺序图。
关于图7所示实施例的压缩机的控制方法包括如下步骤：第一信号生成步骤S110，用于生成第一信号，该第一信号用于使抗喘振阀运行，该抗喘振阀布置在用于连接压缩机的入口与出口的线路(line)而防止所述压缩机的逆流，所述压缩机用于将流体进行压缩；压力补偿信号生成步骤S120，生成用于控制入口引导叶片的压力补偿信号，以补偿基于第一信号的压缩机的出口处的压力变化；叶片调节信号生成步骤S130，用于生成叶片调节信号，该叶片调节信号用于控制入口引导叶片，该入口引导叶片布置于压缩机的入口，并用于调节入口的开放面积；第二信号生成步骤S140，对所述压力补偿信号与所述叶片调节信号进行合并，从而生成用于运行所述入口引导叶片的第二信号。
根据上述压缩机的控制方法，入口引导叶片的调节以如下方式实现：补偿因抗喘振阀的开度变化而发生的压缩机出口的压力变化。通过消除在入口引导叶片与抗喘振阀这两个要素的控制操作之间可能发生的耦合现象，可以稳定地控制压缩机。
关于如上所述的实施例的构成及效果的说明仅止于示例性层次，如果是本发明所属的技术领域中具有基本知识的人员，则能够由此实现多样的变形及等价的其他实施例，这对于本领域技术人员而言是容易理解的。因此，本发明的真正的技术保护范围应当根据权利要求书而予确定。

Claims (4)

1.一种压缩机控制系统，具有：
压缩机，用于压缩流体；
抗喘振阀，布置于连接所述压缩机的入口与出口的线路，并基于第一信号而运行，从而防止所述压缩机的逆流；
入口引导叶片，布置于所述压缩机的所述入口，并基于第二信号而运行，从而调节所述入口的开放面积；以及
控制部，与所述抗喘振阀及所述入口引导叶片连接，生成用于控制所述抗喘振阀的所述第一信号，且生成用于控制所述入口引导叶片的叶片调节信号，并生成用于控制所述入口引导叶片的压力补偿信号以对基于所述第一信号的所述压缩机的出口处的压力变化进行补偿，通过将所述压力补偿信号与所述叶片调节信号进行合并，从而生成所述第二信号。
2.如权利要求1所述的压缩机控制系统，其中，所述第二信号的绝对值的大小比所述叶片调节信号的绝对值的大小更小。
3.一种压缩机的控制方法，包括如下步骤：
第一信号生成步骤，用于生成第一信号，该第一信号用于使抗喘振阀运行，该抗喘振阀布置在连接压缩机的入口与出口的线路而防止所述压缩机的逆流，所述压缩机用于对流体进行压缩；
压力补偿信号生成步骤，生成用于控制入口引导叶片的压力补偿信号以补偿基于所述第一信号的所述压缩机在所述出口处的压力变化；
叶片调节信号生成步骤，用于生成叶片调节信号，该叶片调节信号用于控制所述入口引导叶片，该入口引导叶片布置于所述压缩机的所述入口，并用于调节所述入口的开放面积；以及
第二信号生成步骤，将所述压力补偿信号与所述叶片调节信号进行合并，从而生成用于使所述入口引导叶片运行的第二信号。
4.如权利要求3所述的压缩机的控制方法，其中，所述第二信号生成步骤中，将所述压力补偿信号与所述叶片调节信号进行合并，且所述第二信号的绝对值的大小比所述叶片调节信号的绝对值的大小更小。
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