CN108431424A - 用于根据源的可用气体流量调节压缩机的旋转速度的方法及由此应用的调节 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于根据可用气体流量(Q)利用控制器(7)控制压缩机(4)的速度(n)的方法，其包括以下步骤：‑为入口压力(pin)设定期望值(pset)；‑确定入口压力(pin)；‑确定速度(n)；‑通过根据入口压力(pin)是否小于或大于设定的期望值(pset)来减小或增大速度从而控制压缩机(4)的速度(n)，直至入口压力(pin)等于设定的期望值(pset)；‑提供与作为速度(n)和入口压力(pin)的函数的效率和/或SER有关的压缩机(4)的特性数据；‑基于上述特性数据调节入口压力(pin)的期望值(pset)，并且调节为使得在入口压力(pin)的调节的期望值(pset)的情况下对速度(n)进行上述控制之后，压缩机的效率是最大的或者SER是最小的。本公开还涉及应用所述方法的控制器以及包括所述控制器的压缩机。

Description

用于根据源的可用气体流量调节压缩机的旋转速度的方法及 由此应用的调节
技术领域
本发明涉及一种根据来自源的可用气体流量来控制压缩机的速度的方法、控制器以及由此应用的压缩机。
更具体地，本发明用于螺杆式压缩机，但却不限于螺杆式压缩机。
背景技术
由于其高可靠性，螺杆式压缩机通常用于其中生产或提取气体的工业部门，所述工业部门例如为沼气生产、天然气提取、CNG应用、用于食品工业和化肥工业的CO2供给、氢气供给等的部门。
来自源的可用气体流量通常是高度可变的，并且必须被压缩以供给到下游的用户网络，被压缩的压力在沼气生产的情况下通常高达18巴。
当然，必然旨在希望能够将最大可用流量从源供给到下游网络，但压缩机在入口中允许的压力方面具有其限制，所述压力在设计上例如限制在1至4巴之间。
已知有各种方法以用于在这样的应用中控制压缩机，在所述应用中，待压缩的可用气体流量是变化的。
例如，对于具有固定速度的压缩机已知第一种方法，其中当可用流量降至预期标称值以下或升至预期值以上时压缩机被接通和断开。对于具有固定速度的压缩机，已知在可用流量过低时使旁路运行以便绕过压缩机。频繁接通和断开对压缩机的使用寿命具有负面影响。
不言而喻，通过此种有限的控制，不能够在所有情况下建立最节能的控制。
此外，当可用气体流量升至上述标称值以上时，通过对于具有固定速度的压缩机的控制，入口压力将上升，直到入口压力已经达到其最大允许值。如果在这种情况下可用流量进一步增加，则必须通过此种控制来采取措施以防止入口压力进一步上升，其中这些措施总是伴随着能量损失。此外，结果，气体源的生产能力受到压缩机的限制。
第二种已知的方法利用了具有可控变速的压缩机，也称为VSD(变速驱动)压缩机。
该第二种方法包括以下步骤：
-为压缩机的入口处的入口压力施加(imposition)期望值；
-确定压缩机的入口处的入口压力；
-确定压缩机的速度；
-通过当入口压力低于入口压力的设定的期望值时降低速度，或者当入口压力大于入口压力的设定的期望值时增加速度来控制压缩机的速度，并且该控制直至入口压力等于设定的期望值。
利用该方法，当可用气体流量在压缩机的特定速度下增加时，压缩机的入口处的入口压力也增加。根据入口压力对速度的上述控制将确保速度增加直至入口压力恢复到设定的期望值的水平。由于速度的增加，增加的可用气体流量将被压缩机完全压缩并供给到网络。在可用气体流量减少的情况下，反过来可以遵循相同的逻辑。
这种已知的方法的优点在于其确保在压缩机速度的所施加的最小和最大限制内，可以始终将整个可用流量供给/出售到网络，从而可以始终确保气体源的最大生产率。
通过控制速度的此第二种方法的附加优点在于在可用气体流量较低的情况下，供给到压缩机的功率对应于气体流量的压缩能力，使得供给到压缩机的全部能量有效地用于压缩，并且因此不会损失宝贵的能量。
另一个优点在于速度的连续控制防止了压缩机必须频繁地接通和断开，这有利于压缩机的使用寿命。
然而，缺点是控制器将始终努力根据设定的入口压力来控制速度并且将入口压力保持在设定值，但是控制器不考虑压缩机消耗的最大效率，压缩机消耗的最大效率可以用压缩机效率表示或用“SER”(比能需求)表示，SER是供给到压缩机的功率与供给的压缩气体流量的比值，并且以例如焦耳/标准升表示。
特别地，当在针对设定的入口压力的控制下达到压缩机的最大允许速度时，压缩机将非常低效地运行，因为在这种情况下，可用气体流量的增加将导致压缩机继续以该最大速度运行并且入口压力将升至其最大允许值。
发明内容
本发明的目的是提供对上述和其它缺点中的一个或多个的解决方案。
为此，本发明涉及一种对应于上述第二种方法的方法，但是其中根据本发明的方法包括以下附加步骤：
-根据速度和入口压力提供与效率和/或SER(比能需求)有关的压缩机的特性数据；
-基于上述特性数据调节入口压力的期望值，并且以此方式使得在入口压力的调节的期望值的情况下进行速度的上述控制之后，压缩机的效率是最大的或者SER是最小的。
因此，根据本发明的这种方法结合了已知方法在充分利用用于供给到网络的可用气体流量方面的优点，以及用于驱动用于压缩该整个可用气体流量的压缩机的最高效能量消耗的持续目标的优点。
为了应用根据本发明的方法，相关的压缩机的上述特性数据可以优选地例如在生产期间预先确定或者在设计期间已经确定，并且然后加载到控制器的存储器中。
在预先不知道特性数据的压缩机的情况下，能够特别地基于通过在压缩机的使用期间确定连续稳定操作点的作为速度和入口压力的函数的效率和/或SER并且将所述数据存储在存储器中来通过实验确定这些数据。
这可以在压缩机的正常使用期间通过确定SER(只要压缩机达到具有特定入口压力和速度的稳定状态)，并且随后针对每个新的稳定状态将SER加载到存储器中或更新现有数据而完成。
以这种方式，压缩机的特性数据的图表或表格逐点建立并且不断更新。
因此，控制器是自学习的，使得存储器中的数据自动考虑到任何磨损迹象和影响效率和SER的其它现象。
优选地，至少在压缩机的调试期间，相关的压缩机的特性数据在压缩机的整个操作区域上被确定并且被存储在存储器中。
根据优选的方面，为了在整个操作区域上确定相关的压缩机的特性数据，控制器设置有程序以通过例如以递增步骤为每个操作点设定入口压力的相应的期望值和速度来使得压缩机在上述操作区域内的不同的离散操作点处连续地运行。
产生气体的工业过程通常不得不面对恶劣和多变的条件。在这些应用中，通常优选可靠的压缩机(例如螺杆式压缩机)，而不是考虑高效的能量消耗。由于本发明，现在也能够选择这种类型的压缩机，不仅因为其可靠性，而且因为其高效的应用可能性。
本发明还涉及一种用于根据来自气体源的可用气体流量来控制压缩机的速度的控制器，所述控制器使得根据本发明的方法能够自主进行。
为此，本发明涉及一种控制器，所述控制器设置有：
-表示压缩机的入口处的入口压力pin的用于信号的输入；
-表示压缩机的速度n的用于信号的输入；
-为入口压力pin设定的期望值pset；以及，
-算法，所述算法通过当入口压力低于入口压力的设定的期望值时降低速度n，或者当入口压力大于入口压力的设定的期望值时增加速度来控制压缩机的速度(n)，并且该控制直至入口压力等于设定的期望值，
其特征在于，控制器还设置有：
-存储器，与压缩机的作为速度和入口压力的函数的效率和/或SER(比能需求)相关的压缩机的特性数据被存储或能够被存储在所述存储器中；以及，
-附加算法，所述附加算法基于存储器中的上述特性数据调节入口压力的前述期望值，以此方式使得在入口压力的调节的期望值的情况下进行速度的上述控制之后，压缩机的效率是最大的或者SER是最小的。
优选地，控制器还设置有算法以自动确定在压缩机的使用期间相关的压缩机的上述特性数据并将所述特性数据逐点存储在控制器的存储器中。
这提供了如下优点：即使在不知道相关的压缩机的特性数据或者没有必须首先通过实验确定这些特性的情况下，控制器也能够应用到任何压缩机。
为此，控制器设置有用于信号的附加输入，所述附加输入表示供给到压缩机的功率，由此通过速度和入口压力，算法可以使用该信号来确定效率和/或SER，并将效率和/或SER与特性数据一起存储在存储器中。
可选地，控制器可以设置有程序以通过例如以递增步骤为每个操作点设置入口压力的相应期望值和速度来允许压缩机在压缩机的操作区域内的不同的连续操作点处自主运行。
为了调试其特性未知的压缩机，这使得能够将这些特性映射出以应用于根据本发明的方法。
当然，本发明还涉及一种设置有根据本发明的此种控制器的压缩机，并且涉及用于供给来自具有可变的可用流量的源的气体的此种压缩机的使用，其目的是在特定限制内能够以尽可能高的效率和/或尽可能低的SER将来自源的整个可用气体流量供给到用户的下游网络。
附图说明
为了更好地示出本发明的特征，参考附图通过示例而没有任何限制地在下文中描述根据本发明的用于根据可用气体流量来控制压缩机速度的方法、控制器以及由此应用的压缩机的一些优选应用，其中：
图1示意性地示出了建立在工业环境中的根据本发明的压缩机的透视图，在所述工业环境中，沼气被生产以供给到消费者网络；
图2至图7示出了与图1的压缩机的特性数据相关的一些简化图；
图8示出了例如图1的布置但是具有根据本发明的压缩机的变体实施例的布置。
具体实施方式
作为示例，图1示出了用于生产沼气的工业设备1形式的气体源1。
对于此种设备而言典型的是，可用的生产的气体量随时间变化并且因此用于将沼气供给到消费者3的网络2的可用流量Q也随时间变化。
当然，沼气生产者希望能够以最大限度将全部可用流量Q出售给消费者3。
为了供给沼气，必须增加该沼气的第一压力，在这种情况下通过使用压缩机4来增加该沼气的该第一压力，所述压缩机4具有由电动机6以可变速度驱动的压缩机元件5并且设置有根据本发明的用于控制速度n的控制器7。
压缩机元件5是例如螺杆式压缩机，其特性在图2至图7的图中非常示意性地示出，图2-图7是例如针对用于压缩机元件5的操作区域内的不同施加的操作状态的相关的压缩机元件5预先实验性地绘制的。
该操作区域分别由最小允许速度nmin和最大允许速度nmax以及分别由压缩机元件5的入口8处的允许入口压力pin的最小值pinmin和最大值pinmax限定，为此已经设计了压缩机元件5。
图2在上述操作区域内示出了作为入口压力pin的函数的流量Q的操作线9，所述操作线9每根线针对压缩机元件5的特定速度n以及针对压缩机元件的出口10处的恒定出口压力。
由此得出，在特定速度n处，流量Q随着入口压力pin而增加，并且在特定的施加的入口压力pset处，流量Q随着速度n而增加。
对于相同的压缩机元件5，图3示出了作为入口压力pin和流量Q函数的比能需求(SER)的图表，其中同心环11表示相等的SER的曲线，并且其中SER从中心环11到最外环11增加。
SER表示为由电动机6提供以在入口压力pin的情况下压缩流量Q所需的功率P，并且例如以焦耳/标准升表示。
不言而喻，SER与压缩机元件5的效率成反比。
在图4中，图2和图3的两张图表被合并成一张图表。
利用已知的控制器，压缩机元件5的速度n根据来自源1的可用气体流量Q通过以下步骤来控制：
-设定入口压力的期望值，例如图4中的期望值pset1，以及
-通过当入口压力pin低于设定的期望值pset1时降低速度n或当入口压力pin大于该设定的期望值pset1时增加速度n来控制电动机6的速度n，并且该控制直至入口压力Pin等于设定的期望值pset1。
以这种方式，可以确保可用流量Q也被完全提供到网络2。
事实上，如果当从图4中的操作点I以流量Q1、速度n1和期望值pset1开始，由源1提供的可用流量Q增加到例如图4中的Q2，则对于恒定的出口压力而言，入口压力pin将会增加。
在这种情况下，根据上述已知的控制器，速度n将增加到n2，以使得在等于可用流量的更高流量Q2处达到新的稳定操作点II。
对于给定的可用流量Q1，通过设置pset，图4中限定的操作区域可以与由以上述值Pinmin和Pinmax界定以及由通过极限操作点Q1、Pinmin和Q1、Pinmax的速度的操作线界定的平行四边形重叠。
实际上，在已知的螺杆式压缩机中，例如为入口压力Pin设定两个期望值，例如图4中的pset1和pset2。
清楚的是，对于这些期望值，图4中相应的SER不是最优的，并且清楚的是，根据依据入口压力pin的一个或两个期望值对速度n的已知控制，其将仅偶然在最小SER的最佳状况下运行，因为这些最佳状况还取决于可用流量Q。
本发明提供了与如上所述的控制相当的控制，但是不同之处在于，基于上述特性数据调节入口压力pset的期望值，并且所述期望值被调节为使得在上述调节的入口压力的期望值pset的情况下控制速度之后，压缩机的效率是最大的，或者换句话说，SER是最小的。
在图4的情况下，针对该流量Q1的调节的期望值对应于最佳期望值popt，其实际上是可用流量Q的函数。
为了实现这种控制，控制器7设置有：
-用于信号的输入12，所述输入12表示例如来自压缩机4的入口8处的压力传感器13的入口压力pin；
-用于信号的输入14，所述输入14表示具有可控变速的压缩机元件5或电动机6的速度n，并且例如来自转速表15；
-入口压力pin的期望值pset，其设定为16；
-输出17，所述输出17用于针对压缩机元件5的期望速度的控制信号nset；
-算法18，所述算法18用于通过当入口压力pin低于入口压力的期望值pset时降低速度n或者当入口压力pin大于入口压力pin的期望值Pset时增加速度n来控制压缩机元件5的速度n，直至入口压力pin等于期望值pset；
-存储器19，在所述存储器19中例如以图4的图表的形式或以表格或公式形式存储压缩机元件5的特性数据，其中所述图表优选地预先存储在存储器19中；以及，
-附加算法20，所述附加算法20用于基于存储器19中的上述特性数据确定入口压力的期望值pset的值popt，并相应地调节该值，以使得在通过期望值popt使用算法18控制速度n之后压缩机4消耗最小功率P来压缩可用气体流量并将其供给到网络2。
以这种方式，气体的生产者确保了全部可用的气体流量总是能够被供给到网络2，并且以最低的比耗量被供给。
图5至图7示出了可以存储在存储器19中的压缩机元件5的特征数据的替代或附加形式。在图5的这种情况下，这些特性数据以具有入口压力pin和速度n的示出了操作曲线的图的形式存储，流量Q和SER沿所述操作曲线分别为恒定的，并且在图7中两个图都在一个单一的图中示出。
代替SER，效率也可以形成压缩机元件5的上述特性数据的一部分。
代替预先通过实验确定或计算特性数据，可以使用自学习智能控制器7，所述自学习智能控制器7在压缩机4的使用期间逐点确定例如图4的这些特性数据，并以图表或表格的形式将所述特性数据存储在存储器19中。
为此，如图8所示，控制器7还可以设置有第二附加算法21以自动确定上述特性数据(例如在压缩机4的使用期间的相关的压缩机4的SER)，并将所述特性数据逐点存储在控制器的存储器19中。
在这方面，智能控制器7可以设置有用于信号的附加输入22，所述附加输入22表示例如来自换能器23的供给到压缩机元件5的功率P，其中，根据速度n和入口压力pin，附加算法21使用该信号来确定SER并将SER与特性数据一起存储在存储器19中。
为此，在第二附加算法21中，程序可以被集成，以通过例如以递增步骤为每个操作点设定入口压力的相应的期望值和速度来允许压缩机4在压缩机的操作区域内的不同操作点处连续运行。
不言而喻，当调试压缩机4时，算法21可以使用一次，之后可以移除换能器23，但是该算法21也可以在压缩机4的使用寿命期间连续地或偶尔地使用，以连续更新存储器19中的特性数据以便例如考虑磨损对SER的影响。
尽管本发明主要适用于螺杆式压缩机，但所述的方法和由此应用的智能控制器7也可以与其它类型的压缩机一起使用。
本发明不限于作为示例描述和附图中所示的实施例，而是根据本发明的用于根据可用气体流量来控制压缩机的速度的此种方法、控制器以及由此应用的压缩机在不脱离本发明的范围的情况下，可以根据不同的变型实现。

Claims (15)

1.一种用于根据来自源(1)的可用气体流量(Q)来控制压缩机(4)的速度(n)的方法，其中所述压缩机(4)设置有用于控制所述速度(n)的控制器(7)，并且其中所述方法包括以下步骤：
-为所述压缩机(4)的入口(8)处的入口压力(pin)设定期望值(pset)；
-确定所述压缩机(4)的所述入口(8)处的所述入口压力(pin)；
-确定所述压缩机(4)的所述速度(n)；
-通过当所述入口压力(pin)小于所述入口压力(pin)的设定的所述期望值(pset)时降低所述速度(n)或者当所述入口压力(pin)大于所述入口压力(pin)的设定的所述期望值(pset)时增加所述速度(n)来控制所述压缩机(4)的所述速度(n)，并且该步骤直至所述入口压力(pin)等于设定的所述期望值(pset)；
其特征在于，所述方法包括所述以下附加步骤：
-提供与作为速度(n)和入口压力(pin)的函数的效率和/或SER(比能需求)有关的压缩机(4)的特性数据；
-基于上述特性数据调节所述入口压力(pin)的所述期望值(pset)，并且调节为使得在所述入口压力(pin)的调节的期望值(pset)的情况下控制所述速度(n)之后，所述压缩机的效率是最大的或者所述SER是最小的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，压缩机(4)的相关的上述特性数据被预先确定，并且被输入到所述控制器(7)的所述存储器(19)中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，压缩机(4)的相关的上述特性数据在所述压缩机(4)的使用期间自动确定，并且被存储到所述控制器(7)的所述存储器(19)中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为了在所述压缩机(4)的使用期间逐点确定压缩机(4)的所述特性数据，根据所述速度(n)和所述入口压力(pin)为连续稳定的操作点确定效率和/或SER，并将所述效率和/或SER存储到所述存储器(19)中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为了确定效率和/或SER，确定压缩气体的流量(Q)和供给到压缩机以驱动所述压缩机(4)的功率(P)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，至少在所述压缩机(4)的调试期间，压缩机(4)的相关的所述特性数据在压缩机(4)的整个操作区域上被确定并且被存储在所述存储器(19)中。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了在压缩机(4)的整个操作区域上确定压缩机(4)的相关的所述特性数据，所述控制器(7)设置有程序以通过例如根据递增步骤为每个操作点设定入口压力(pin)的相应的期望值(pset)和速度(n)来使得所述压缩机(4)在上述操作区域内的不同操作点处连续地运行。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法被应用到螺杆式压缩机。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法被应用到供给来自具有可变的可用流量(Q)的源(1)的气体，以便能够以尽可能高的效率和/或尽可能低的SER将整个可用气体流量(Q)从源(1)供给到用户(3)的下游网络(2)。
10.一种控制器，所述控制器用于根据来自源(1)的可用气体流量(Q)来控制压缩机(4)的速度，其中所述控制器(7)设置有：
-用于信号的输入(12)，所述输入表示压缩机(4)的入口(8)处的入口压力(pin)；
-用于信号的输入(14)，所述输入表示压缩机(4)的速度(n)；
-为所述入口压力(pin)设定的期望值(pset)；以及，
-算法(18)，所述算法用于当入口压力(pin)小于所述入口压力(pin)的设定的所述期望值(pset)时降低所述速度(n)或者当入口压力(pin)大于所述入口压力的设定的所述期望值(pset)时增加所述速度来控制所述压缩机(4)的速度(n)，并且该过程直至所述入口压力(pin)等于设定的所述期望值(pset)，
其特征在于，所述控制器还设置有：
-存储器(19)，在所述存储器中存储有或能够存储与压缩机(4)的作为速度(n)和入口压力(pin)的函数的效率和/或SER(比能需求)相关的所述压缩机(4)的特性数据；以及，
-附加算法(20)，所述附加算法基于所述存储器(19)中的上述特性数据调节所述入口压力的上述期望值(pset)，并且调节为使得在在所述入口压力(pin)的调节的期望值(pset)的情况下对速度(n)进行上述控制之后，所述压缩机(4)的效率是最大的或SER是最小的。
11.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述控制器附加地提供有算法(21)以在所述压缩机(4)的使用期间自动确定压缩机(4)的相关的上述特性数据，并且将所述特性数据逐点存储在所述控制器(7)的所述存储器(19)中。
12.根据权利要求11所述的控制器，其特征在于，所述控制器设置有用于信号的附加输入(22)，所述附加输入表示供给到所述压缩机(4)的功率(P)，其中根据速度(n)和入口压力(pin)，算法使用该信号(22)来确定效率和/或SER，并且将所述效率和/或SER与特性数据一起存储或覆写在所述存储器(19)中。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的控制器，其特征在于，所述控制器设置有程序以通过例如以递增步骤为每个操作点设定入口压力(pin)的相应的所述期望值(pset)和所述速度(n)来使得压缩机(4)在所述压缩机(4)的操作区域中的不同操作点处连续地运行。
14.一种压缩机，其特征在于，所述压缩机设置有根据权利要求10至13中任一项所述的控制器(7)。
15.使用压缩机以用于供给来自具有可变的可用流量(Q)的源(1)的气体中的使用方法，其特征在于，使用根据权利要求14或15所述的压缩机(4)，以便能够以尽可能高的效率和/或尽可能低的SER将整个可用气体流量(Q)从源(1)供给到消费者(3)的下游网络(2)。
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