CN108691768A - 用于控制旋转式螺杆压缩机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制旋转式螺杆压缩机的方法，该压缩机至少具有第一空气端和第二空气端，其中，两个空气端被彼此独立地驱动并被控制速度。根据本发明，执行以下步骤：检测在第二空气端的出口处获得的容积流量；当移动的容积流量在介于最大值与最小值之间的范围内波动时，调节两个空气端的旋转速度；如果容积流量低于最小值，则打开减压阀；将至少第一空气端的旋转速度减小至预定空转速度(V1L)，以减小从第一空气端输送至第二空气端的容积流量。本发明还涉及具有旋转式螺杆压缩机的压缩装置，其中，该压缩机至少包括第一空气端和第二空气端，其中，两个空气端被彼此独立地驱动并被控制速度，以及，提供配置成执行前述方法的控制单元。

Description

用于控制旋转式螺杆压缩机的方法
本发明涉及用于控制旋转式螺杆压缩机的方法，具体地，涉及处于空转模式的旋转式双螺杆压缩机。这样的旋转式螺杆压缩机至少具有第一空气端和第二空气端，其中，第一空气端压缩气态介质(通常为空气)并通向第二空气端，该第二空气端进一步压缩介质并将介质传送到下游系统。本发明的方法适用于控制直接驱动的旋转式螺杆压缩机，其中，两个空气端被彼此独立地驱动并被控制速度。本发明还涉及具有在空转模式下通过该方法进行控制的旋转式双螺杆压缩机的压缩装置。
为了压缩气体介质，尤其是为了生成压缩空气，已知各种压缩机设计。例如，DE60117821T2示出了具有两个或多个空气端的多级旋转式螺杆压缩机，每个空气端均包括用于压缩气体的一对转子。另外，设置两个或多个变速驱动装置，其中，每个驱动装置均为相应的空气端提供动力。控制单元控制驱动装置的速度，从而监测每个驱动装置的扭矩和速度，使得旋转式螺杆压缩机以所需的流量输送速率和压力来提供气体，同时使旋转式螺杆压缩机的功率消耗最小化。
在这样的多级旋转式螺杆压缩机的实际使用中，所谓的空转作为运行状态出现。在这种情况下，下游系统不会获取压缩空气，使得必须调整附加介质的输送量以避免压力升高。然而，如果需要在短时间内重新供应压缩空气，在空转时压缩机不应完全关闭。为了启用这种空转模式，通常在吸入管路中关闭节流阀，并且仅经由旁路供应第一空气端的部分流量。这些功能通常通过设置在第一空气端的入口处的所谓的进气调节器来实现。同时，在输出侧，即在第二空气端的出口处，排气阀通向空气使得第二空气端辅助抵消大气压力。两个空气端的压力条件保持不变，因此两个级的出口温度保持基本相同。这种空转控制(idle control)的缺点是，压缩机的能量消耗相对较高。另外，对于进气调节器及其控制而言，设计很复杂。(参见Konka,K.-H.,rotary screw compressors(旋转式螺杆压缩机)：Technik und Praxis[Technology and Practice]，VDI-Publications 1988，ISBN 3-18-400819-3，第332页及之后)。
在DE10003869C5中，描述了用于压缩待泵送至旋转式螺杆压缩机系统中的流体介质的方法，该旋转式螺杆压缩机系统具有两个旋转式螺杆压缩机单元。在这种情况下，上游螺杆压缩机单元的出口连通至下游螺杆压缩机单元的入口，以及每个旋转式螺杆压缩机单元均由其自身的驱动单元驱动。检测和处理两个旋转式螺杆压缩机单元的至少部分操作参数，以及经由检测到的旋转式螺杆压缩机单元的操作参数来控制驱动单元。
通过改变驱动单元的操作参数，具体地改变电流消耗、电压吸收或燃料供应，上游旋转式螺杆压缩机单元的旋转速度与下游旋转式螺杆压缩机单元的旋转速度相关联，使得旋转式螺杆压缩机单元的最终出口压力或最终输送流量保持恒定，和/或使得旋转式螺杆压缩机单元的总功率消耗最小化，或使得对于给定的总功率消耗获得最大的最终出口压力或最大的最终输送流量。然而，对于优化系统的空转模式以及由此所得的节约能量而言，这种控制方法不提供任何信息。
因此，本发明的一个目的是提供控制旋转式双螺杆压缩机的改进方法，其允许安全的空转模式同时减少压缩机的能量消耗。另外，整个旋转式螺杆压缩机的设计复杂性将降低，使得旋转式螺杆压缩机的制造成本降低。
这些目的和其他目的通过根据所附权利要求1的控制旋转式螺杆压缩机的方法来实现。从属权利要求说明了一些优选实施方式。另外，本发明提供了一种压缩装置，该压缩装置具有可通过该方法操作的旋转式双螺杆压缩机。
出人意料地，已发现，通过在空转模式下改变对旋转式螺杆压缩机的被直接驱动的空气端的控制，可实现显著减少能量消耗以及简化整个系统的结构。
本发明的方法用于控制至少具有第一空气端和第二空气端的旋转式螺杆压缩机，其中，第一空气端压缩气体介质并且通向第二空气端，该第二空气端进一步地压缩该气体介质。因而，可见，第一空气端在介质的流动方向上处于第二空气端之前。通常，这样的螺杆压缩机恰好具有两个空气端，但还可采用两级以上的设计。另外，该方法的实施要求两个空气端被彼此独立地驱动并被控制速度，即，由变速驱动器(具体地，由直接驱动器)驱动每个空气端，使得可省去分动箱。
在该方法的第一步，利用合适的传感器检测在第二空气端的出口处减少的或输送到下游单元的压缩气体介质的容积流量。在这种情况下，可使用直接容积流量测量或间接确定移动的容积流量，例如，由第二空气端的输出端处的主要压力状况确定，或者由在第二空气端的驱动器处出现的扭矩/驱动电流确定。
在常规负载运行中，容积流量减小，该容积流量可在旋转式螺杆压缩机所设计的最大值与预定的最小值之间变化。在该负载运行中，以常规方式控制旋转式螺杆压缩机，其中该常规方式还包括：(可能发生)在预定范围内改变两个空气端的驱动速度。如果容积流量在负载运行期间在最大值和预定最小值之间的范围内减小，则控制器降低两个空气端的速度；以及当该范围内的容积流量再次增加时，控制器再次增大空气端的速度，使得在正常负载运行期间保持预定的出口压力。
然而，如果容积流量低于预定最小值，即，没有或只有非常小的容积流量被移动，则旋转式螺杆压缩机的操作状态从负载运行变为空转模式。为此，在该方法的下一个步骤中，打开减压阀，使得至少部分地允许通过第二空气端初始供应的容积流量经由减压阀卸压。这防止了旋转式螺杆压缩机出口处的压力超过最大允许值。减压阀例如可为受控的电磁阀。
在又一步骤(优选地，该步骤仅在减压阀打开时略微延迟地或大致同时进行)中，将至少第一空气端的速度减小至预定空转速度V1L，以减少由第一空气端输送至第二空气端的容积流量。
与现有技术不同，为此目的，节流阀或进气调节器一般不关闭。更确切地，第一空气端的入口保持完全打开。可完全消除节流阀或进气调节器及其控制。减少通过第一空气端输送的容积流量，优选地，仅通过将第一空气端的旋转速度降低至空转速度V1L来减少通过第一空气端输送的容积流量。
根据优选实施方式，在下一步骤中，将第二空气端的速度减小至空转速度V2L。优选地，两个空气端的旋转速度大致相同，从而相应地运作以减小至空转速度V1L或V2L。
根据第二空气端(高压-HP)的空转速度V2L选择第一空气端(低压-LP)的空转速度V1L，因为在第二级处介质的出口温度不会低于该级的入口温度。当在第二空气端处的压力比小于0.6时，可能发生这样的不期望的运行状态。因此，通过选择空转速度，必须确保第二级不会充当“膨胀器”以及作为结果确保介质的温度下降。否则，压缩机中可能发生不期望的压缩。另外，在选择空转速度时，必须确保第二空气端不被从第一空气端输送而来的介质驱动。否则，第二级的驱动器会切换至发电机模式，这可能会损坏为第二级提供动力的驱动器。
通过当重新进入负载情况时可接受的减速度，来确定最小空转速度。这个返回时间越短，空转速度则必须越高。
在第二级与第一级之间，空转速度比优选地在2至3的范围内，更优选地为约2.5。第一级的压力比约为1.5，第二级的压力比约为0.6至0.75。第二空气端的空转速度V2L优选为该级的负载转速的约1/2至1/4。第一空气端的空转速度V1L优选为该级的负载转速的约1/5至1/8。
因此，这种控制方法的益处在于，在空转模式中，两个空气端都可在显著较低的旋转速度下运行。这减少了能量消耗和磨损。另外，在相应空气端的出口处的压缩介质的温度降低，这也具有有益效果。然而，当再次需要容积流量时，旋转式螺杆压缩机可通过再次升高空气端的旋转速度非常迅速地返回至负载模式。
本发明提供的用于压缩气体介质的压缩装置包括至少具有第一空气端和第二空气端的旋转式螺杆压缩机，其中，第一空气端压缩气体介质并且通向第二空气端，该第二空气端进一步压缩介质，其中，两个空气端被彼此独立地驱动并被控制速度。
压缩装置还包括配置成实施上述方法的控制单元。
具体地，压缩装置的特征在于，在没有限制容积流量的可控节流元件的情况下或者在没有进气调节器的情况下，将在流动中处于前方的第一空气端的入口引导到环境空气。压缩装置具有处于在流动中处于后方的第二空气端的出口处的减压阀，其中，当容积流量减少至预定最小值以下时，控制单元确定该减压阀打开。
通过参考附图对优选实施方式的以下描述，可看出具体的有益效果和细节。示出的是：
图1是在负载运行期间在具有两个空气端的旋转式螺杆压缩机中的操作参数的简化图。
图2是在空转模式期间在旋转式螺杆压缩机中的操作参数的简化图。
图1示出了压缩机的基本结构，该压缩机设计成旋转式双螺杆压缩机200。除了旋转式双螺杆压缩机的各个元件之外，还给出了标准参数以及如果需要压缩空气则如何在负载运行期间中生成该标准参数，其中，该压缩空气所具有的容积流量高于预定最小值且不大于依赖于系统而定的最大值。
第一空气端201具有速度受控的第一直接驱动器202。第一空气端201的入口(通过其吸入环境空气)在没有插置进气调节器的情况下直接联接至进气歧管203，其中，在进气歧管203处在例如20℃的温度下施加具有1.0巴压力的环境空气。因此，在第一空气端201的入口处，施加1.0巴的压力。
第一空气端201例如以15500min-1的速度运行以压缩空气。在第一空气端201的出口处，3.2巴的压力占优势，使得在负载运行期间第一空气端的压缩比为3.2。通过压缩，介质(压缩空气)的温度升高至170℃。压缩空气从第一空气端201的出口经由级间冷却器204传递至第二空气端206的入口，该第二空气端206具有速度受控的第二直接驱动器207。在级间冷却器204之后，在第二空气端206的入口处，压缩空气具有例如30℃的温度以及还具有3.2巴的压力。在负载运行中，第二空气端206以例如22000min-1的速度操作，使得进行进一步的压缩。因此，压缩空气在第二空气端206的出口处具有10.2巴的压力和180℃的温度。因此，第二空气端也具有大约3.2的压缩比。压缩空气从第二空气端206的出口通过后方冷却器208并在那里冷却至约35℃。最后，在旋转式双螺杆压缩机200的输出端处设置有减压阀209，其中，该减压阀209通过控制单元(未示出)致动。
如以示例方式描述的那样，在最大转速下，旋转式双螺杆压缩机200表现出对直接驱动器202、207具有150kW的功率消耗，以及提供12巴最大压力和6巴最小压力的压缩空气。在负载运行期间，空气端之间的速率比约为1.4。
图2示出了处于空转模式(即，基本上没有移动压缩空气的情况)的旋转式双螺杆压缩机200。除了旋转式双螺杆压缩机的元件外，还依次给出在空转模式下生成的标准参数。为了进入空转模式，打开减压阀并且降低两个空气端的速度。第一空气端201的入口(通过其继续吸入环境空气，尽管量减少)仍然在没有插置进气调节器的情况下直接联接至进气歧管203，其中，在该进气歧管203处，以20℃的温度和1.0巴的压力施加环境空气。因此，在第一空气端201的入口处施加1.0巴的不变压力。
目前，第一空气端201以空转速度V1L＝2500min-1运作以压缩空气。在第一空气端201的出口处，压力为1.5巴占优势，使得在空转模式下第一空气端具有1.5的压缩比。由于压缩减轻，介质(压缩空气)的温度仅增加至90℃。压缩空气从第一空气端201的出口经由级间冷却器204通向第二空气端206的入口进行供应。在级间冷却器204之后，在第二空气端206的入口处，压缩空气处于空转状态，例如具有30℃的温度以及具体具有1.5巴的压力。在级间冷却器204之后，在压缩机的第二级206的入口处，压缩空气处于空转模式，例如具有30℃的温度以及具体具有1.5巴的压力(中间压力)。因而，在空转模式期间，对于中间冷却所需的冷却量降低。在空转状态下，第二空气端206以7500min-1rpm的空转速度V2L运行。在第二空气端206的出口处，与中间压力相比，压缩空气具有约1.2巴的减小的压力以及70℃的温度。因此，第二空气端具有约0.8的压缩比(膨胀)。压缩空气从第二空气端206的出口通过后方冷却器208并在那里冷却至约30℃。
如以示例的方式描述的那样，在空转模式期间，旋转式双螺杆压缩机200表现出7kW的功率消耗以及传送1.2巴的最大压力。空气端之间的速率比约为3。
附图标记列表
200 旋转式双螺杆压缩机
201 第一旋转式螺杆压缩机
202 第一直接驱动器
203 进气歧管
204 级间冷却器
205
206 第二旋转式螺杆压缩机
207 第二直接驱动器
208 后方冷却器
209 减压阀

Claims (10)

1.用于控制旋转式螺杆压缩机的方法，所述旋转式螺杆压缩机至少具有一个第一空气端和一个第二空气端，其中，所述第一空气端压缩气体介质并且通向所述第二空气端，所述第二空气端进一步压缩所述介质，其中，两个所述空气端被独立地驱动并被控制速度，所述方法包括以下步骤：
检测在所述第二空气端的出口处获得的被压缩的所述介质的容积流量；
当移动的所述容积流量在介于最大值与预定最小值之间的范围内波动时，在使所述出口处保持预定压力的情况下调节两个所述空气端的旋转速度；
当所述容积流量低于所述预定最小值时打开减压阀，以至少部分地经由所述减压阀对通过所述第二空气端输送的容积流量卸压；
进一步将至少所述第一空气端的速度降低至预定的空转速度(V1L)，以减少通过所述第一空气端输送到所述第二空气端的容积流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述减压阀打开的同时，降低所述第一空气端的速度以获得所述空转速度(V1L)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在又一步骤中，如果所述容积流量减小至所述预定最小值，则将所述第二空气端的速度减小至预定的空转速度(V2L)。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，通过控制驱动相应的所述空气端的两个直接驱动器的速度，来控制所述空气端的速度。
5.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于，由两个所述空气端中的至少一个的功率消耗间接地确定移动的所述容积流量。
6.根据权利要求1至5所述的方法，其特征在于，如果被压缩的所述介质的移动的容积流量高于所述预定最小值，则增加两个所述空气端的旋转速度。
7.根据权利要求1至6所述的方法，其特征在于，所述第二空气端的空转速度(V2L)与所述第一空气端的空转速度(V1L)的比值处于2至3的范围内。
8.具有旋转式螺杆压缩机的压缩装置，所述旋转式螺杆压缩机至少包括第一空气端和第二空气端，其中，所述第一空气端压缩气体介质并且通向所述第二空气端，所述第二空气端进一步压缩所述介质，两个所述空气端被单独驱动并且能够被控制速度，
其特征在于，所述压缩装置还包括控制单元，所述控制单元配置为执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
9.根据权利要求8所述的压缩装置，其特征在于，在流动中处于前方的所述第一空气端的入口在没有限制容积流量的可控节流元件的情况下通向环境空气。
10.根据权利要求8或9所述的压缩装置，其特征在于，在流动中处于后方的所述第二空气端的出口处设置有减压阀，其中，当所述容积流量降低至预定最小值以下时，所述控制单元使所述减压阀开启。
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