CN109386492B - 入口导流叶片控制装置、压缩机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种入口导流叶片控制装置、压缩机控制系统及方法，根据本发明的一实施例的压缩机控制系统包括：压缩机，用于压缩流体；流量测量部，用于测量所述流体的流量；压力测量部，用于测量所述流体的压力；防喘振阀部，防止所述压缩机的逆流；入口导流叶片部，用于调节使流体流向所述压缩机的入口的开放面积；以及控制部，控制所述防喘振阀及所述入口导流叶片部的动作，所述控制部根据基于所述流量及压力的所述压缩机的运行点与预设的喘振控制线之间的距离而调节所述入口导流叶片部的控制增益。

Description

入口导流叶片控制装置、压缩机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种入口导流叶片控制装置、压缩机控制系统及压缩机控制方法，尤其涉及一种能够最大化利用入口导流叶片的压缩机容量控制性能，并减少防喘振阀与入口导流叶片的干涉效果的入口导流叶片控制装置、压缩机控制系统及压缩机控制方法。

背景技术

在用于控制液态或气态的流体的流体控制系统中，使用到用于压缩流体的压缩机。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的逆流现象，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(防喘振；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。为了实现防喘振功能，如果利用防喘振阀(anti-surge valve；ASV)，则可以减小流体系统的阻抗，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防喘振阀，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导流叶片(inlet guide vane；IGV)。

图1用于说明普通压缩机的性能的图。

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却为了防止喘振现象而需要朝开放ASV的开度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(hunting)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(比例积分微分)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10-2003-0054629号

发明内容

本发明用于解决上述现有技术的问题，其提供如下的入口导流叶片控制装置、压缩机控制系统及压缩机控制方法：通过根据运行点与喘振控制线之间的距离而调节入口导流叶片的控制增益，从而抵消入口导流叶片与防喘振阀之间的干涉效果，且能够提高压缩机容量控制性能。

根据本发明的一实施例的压缩机控制系统包括：压缩机，用于压缩流体；流量测量部，用于测量所述流体的流量；压力测量部，用于测量所述流体的压力；防喘振阀部，防止所述压缩机的逆流；入口导流叶片部，用于调节使流体流向所述压缩机的入口的开放面积；以及控制部，控制所述防喘振阀及所述入口导流叶片部的动作，所述控制部根据基于所述流量及压力的所述压缩机的运行点与预设喘振控制线之间的距离而调节所述入口导流叶片部的控制增益。

在一实施例中，在所述运行点与所述喘振控制线之间的距离为预设距离以下的情况下，所述控制部可以使所述控制增益与相对于所述运行点与所述喘振控制线之间的距离成比例地减小。

根据本发明的一实施例的压缩机控制方法包括如下步骤：测量流入压缩机的流体的流量及压力；基于所述流量及压力而计算所述压缩机的运行点；以及根据所述运行点与预设的喘振控制线之间的距离而调节入口导流叶片的控制增益。

一实施例中，调节所述入口导流叶片的控制增益的步骤可以包括如下步骤：计算所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离；计算基于所述距离的比例因子；以及应用所述比例因子而调节所述入口导流叶片的控制增益。

根据本发明的一实施例的入口导流叶片控制装置包括：流量测量部，测量流入压缩机的流体的流量；压力测量部，测量所述流体的压力；以及入口导流叶片控制部，根据基于所述流量及压力的所述压缩机的运行点与预设的喘振控制线之间的距离而调节入口导流叶片部的控制增益。

根据本发明的一实施形态，具有如下效果：通过根据运行点与喘振控制线之间的距离而调节入口导流叶片的控制增益，从而抵消入口导流叶片与防喘振阀之间的干涉效果，且能够最大化压缩机容量控制性能。

附图说明

图1是用于说明普通压缩机的性能的图。

图2是示出在图1的现有的压缩机中的IGV和ASV产生的耦合(coupling)现象的图形。

图3是用于说明根据本发明的一实施例的压缩机控制系统的构成图。

图4是用于说明图3的防喘振阀部及入口导流叶片部的一实施例的构成图。

图5是用于说明图3的控制部的一实施例的构成图。

图6是用于说明比例因子(scale factor)的一实施例的图形。

图7是用于说明图3的控制部的另一实施例的构成图。

图8是用于说明根据本发明的一实施例的压缩机控制方法的流程图。

图9是用于说明调整图8的控制增益(gain)的步骤的一实施例的流程图。

符号说明

10：压缩机 20：流量测量部

30：压力测量部 40：防喘振阀部

41：防喘振阀 42：防喘振阀驱动部

50：入口导流叶片部 51：入口导流叶片驱动部

60：控制部 61：运行点位置计算部

62：比例因子计算部 63：容量控制器

69：防喘振阀控制部 65：入口导流叶片控制部

具体实施方式

以下，参考结合附图而详细后述的实施例即可明确地理解本发明的优点、特征及用于达到目的之方法。然而，本发明并不限定于以下公开的实施例，其可以由互不相同的多样的形态实现，提供本实施例仅仅旨在使本发明的公开完整并用于将本发明的范围完整地告知本发明所属的技术领域中具备基本知识的人员，本发明仅由权利要求的范围定义。在整个说明书中，相同的附图符号指代相同的构成要素。

除非另有定义，本说明书中使用的所有术语(包括技术及科学方面的术语)可以以本发明所属的技术领域中具备基本知识的人员所能够共同理解的含义而被使用。并且，对于一般使用的定义于词典的术语而言，除非另有明确而特别的定义，否则不应被理想化或者过度化地解释。

并且，在本说明书中记载的实施例将参考作为本发明的理想示例图的剖面图和/或概略图而进行说明。因此，示例图的形态可能根据制造技术和/或允许误差等而变形。并且，在本发明中示出的各个附图中，各个构成要素可能考虑到说明的便利而在一定程度上被放大示出或者缩小示出。在整个说明书中相同的附图符号指代相同的构成要素，“和/或”包括所提及的物品的个别及一个以上的所有组合。

以下，参照附图对本发明的优先实施例的构成进行详细说明。

图3是用于说明根据本发明的一实施例的压缩机控制系统的构成图，图4是用于说明图3的防喘振阀部及入口导流叶片部的一实施例的构成图。

参照图3及图4，根据本发明的一实施例的压缩机控制系统包括压缩机10、流量测量部20、压力测量部30、防喘振阀部40、入口导流叶片部50及控制部60。

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。

在一实施例中，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。

流量测量部20(Fi)可以测量压缩机10的入口11侧的流体的流量，并生成对应于所述流量的流量信号而向控制部60输出。

压力测量部30可以测量流体的压力，并生成对应于所述压力的压力信号而向控制部60输出。在此，压力测量部30可以包括用于测量压缩机10的入口11侧的流体的压力的第一压力测量部30a以及用于测量压缩机10出口12侧的流体压力的第二压力测量部30b。

防喘振阀部40用于防止压缩机10的逆流，在一实施例中，可以包括旁通线13、防喘振阀41及防喘振阀驱动部42。

旁通线130可以不经过压缩机10而连接压缩机10的出口12和入口11。即，当旁通线13被开放时，从压缩机10流出的流体流入压缩机10的入口而减小压缩机10的出口侧的压力和入口侧的压力之差，并且流入压缩机的流量可增加。

防喘振阀41可以控制旁通线13的开闭而起到防止压缩机10的逆流的功能。在一实施例中，防喘振阀41可以由电磁阀(solenoid valve)等电子阀实现而能够进行电子控制。

防喘振阀驱动部42可以根据从控制部60输入的控制信号而驱动防喘振阀41。

入口导流阀部50可以调节压缩机10的入口11的开放面积。在一实施例中，入口导流阀部50可以包括入口导流叶片51及入口导流叶片驱动部52。

入口导流叶片51可以布置于压缩机10的入口11，并且可以调节入口11的开放面积。在一实施例中，入口导流叶片51可以由电磁阀等电子阀实现而能够进行电子控制。

入口导流阀驱动部52可以根据从控制部60施加的控制信号而驱动入口导流叶片51。

控制部60可以与防喘振阀部40及入口导流叶片部50电连接，并且可以控制防喘振阀部40及入口导流叶片部50的动作。

在一实施例中，控制部60可以包括至少一个处理单元及存储器。在此，处理单元例如可以包括CPU、GPU、微处理器、特定用途集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays，FPGA)等，并且可以具有多个芯。存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器或者它们的组合。

控制部60可以计算基于从流量测量部20及压力测量部30输入的流量及压力的运行点的位置，并且可以根据运行点的位置而控制防喘振阀部40或入口导流叶片部50的动作。在此，用于计算运行点的位置的压力值可以是入口侧压力与出口侧压力的压力比。

在一实施例中，在运行点与喘振控制线之间的距离为预设距离以下的情况下，控制部60可以与运行点与喘振控制线之间的距离成比例地减小入口导流叶片部50的控制增益。即，控制部60在运行点与喘振控制线之间的距离大于预设距离的情况下，使入口导流叶片部50以预设的控制增益运行，并从运行点与喘振控制线的距离为预设距离以下的时间点开始，根据运行点与喘振控制线之间的距离而调节控制增益，并且可以随着运行点靠近喘振控制线而减小所述控制增益。

将参照图5至图7对这种控制部60进行更为具体的说明。

图5是用于说明图3的控制部的一实施例的构成图，图6是用于说明比例因子的一实施例的图形，图7是用于说明图3的控制部的另一实施例的构成图。

参照图5，根据本发明的一实施例的控制部60可以包括运行点位置计算部61、比例因子计算部62及容量控制器63。

运行点位置计算部61可以基于从流量测量部20及压力测量部30输入的流量及压力而计算运行点的位置。并且，运行点位置计算部61可以利用计算的所述运行点的位置而计算所述运行点与预设的喘振控制线之间的距离。

比例因子计算部62可以计算基于在运行点位置计算部计算的运行点与预设喘振控制线之间的距离的比例因子。在此，如图6所示，比例因子可以与运行点与预设喘振控制线之间的距离成比例。

容量控制器63可以应用由比例因子计算部62计算的比例因子而调节入口导流叶片部50的控制增益。在一实施例中，容量控制器63可以对入口导流叶片部50的预设控制增益乘以计算的所述比例因子，并对入口导流叶片部50的时间常数除以所述比例因子。所述容量控制器63可以根据相乘后的控制增益和相除后的时间常数计算PID控制增益。例如，在容量控制器63建模为普通的一阶传递函数G(s)＝K/(t*s+1)的情况下，可以对t代入相除后的时间常数并对K代入相乘后的控制增益，从而计算用于控制入口导流叶片部50的传递函数。此时，时间常数表示根据设备的压力变化而在输出中产生响应所耗费的时间。

据此，可以调节成随着运行点接近所述喘振控制线而使控制增益减小预定程度。

参照图7，根据本发明的另一实施例的控制部60可以包括用于控制防喘振阀部40的防喘振阀控制部69以及用于控制入口导流叶片部50的入口导流叶片控制部65。

防喘振阀控制部69可以在压缩机10的运行点到达喘振控制线时生成用于驱动防喘振阀41的控制信号而向防喘振阀驱动部42输出。

在压缩机10的运行点与喘振控制线之间的距离为预设距离以下的情况下，入口导流叶片控制部65可以应用基于运行点与喘振控制线之间的距离的比例因子而调节控制增益，并且可以生成调节所述增益后的控制信号而向入口导流叶片驱动部52输出。

根据本发明的一实施例，可以单独提供用于控制压缩机10的入口导流叶片51的入口导流叶片控制装置。

在此，入口导流叶片控制装置可以包括流量测量部20、压力测量部30及入口导流叶片控制部65。

入口导流叶片控制部65可以根据基于由流量测量部20及压力测量部30测量的流量及压力的运行点与喘振控制线之间的距离而调节控制增益。

在一实施例中，在所述运行点与所述喘振控制线之间的距离为预设距离以下的情况下，入口导流叶片控制部65可以与所述运行点与所述喘振控制线之间的距离成比例地减小所述控制增益。

并且，入口导流叶片控制部65可以包括运行点位置计算部61、比例因子计算部62及容量控制器63。在此，比例因子可以与所述运行点与所述预设喘振控制线之间的距离成比例。

在一实施例中，容量控制器63可以对入口导流叶片部50的控制增益乘以所述比例因子，并对入口导流叶片部50的时间常数除以所述比例因子。容量控制器63可以根据相乘后的控制增益和相除后的时间常数计算PID控制增益。例如，在容量控制器63建模为普通的一阶传递函数G(s)＝K/(t*s+1)的情况下，可以对t代入相除后的时间常数并对K代入相乘后的控制增益，从而计算用于控制入口导流叶片部50的传递函数。

图8是用于说明根据本发明的一实施例的压缩机控制方法的流程图，图9是用于说明调整图8的控制增益的步骤的一实施例的流程图。

图8至图9中示出的压缩机控制方法的一实施例在参照图3至图7而上述的压缩机控制系统中执行，因此对于与上述内容相同或相应的内容不进行重复说明。

参照图8，根据本发明的一实施例的压缩机控制方法中，首先，流量测量部20及压力测量部30可以测量流入压缩机10的流体的流量及压力(S100)。然后，控制部60可以基于由流量测量部20及压力测量部测量的流量及压力而计算运行点(S200)。

然后，控制部60可以基于运行点与预设喘振控制线之间的距离而调节入口导流叶片51的控制增益(S300)。在此，在所述运行点与预设的喘振控制线之间的距离为预设距离以下的情况下，控制部60可以将所述控制增益调节成随着运行点接近所述喘振控制线而减小所述控制增益。

一实施例中，如图9所示，调节控制增益的步骤(S300)可以包括如下步骤：控制部60计算运行点与喘振控制线之间的距离(S310)；计算基于计算的所述距离的比例因子(S320)；应用所述比例因子而调节入口导流叶片的控制增益的步骤(S330)。在此，如图6所示，比例因子可以与运行点与喘振控制线之间的距离成比例。控制部60可以将计算的所述比例因子相乘到入口导流叶片部50的控制增益，并对入口导流叶片部50的时间常数除以所述比例因子。控制部60可以根据相乘后的控制增益和相除后的时间常数计算PID控制增益。例如，在容量控制器63建模为普通的一阶传递函数G(s)＝K/(t*s+1)的情况下，可以对t代入相除后的时间常数并对K代入相乘后的控制增益，从而计算用于控制入口导流叶片部50的传递函数。

以上说明的本发明不限于的上述实施例及附图，而是由权利要求书限定，在不脱离本发明的技术思想的范围内，本发明的构成可以进行多样地变更及改造，这对于本领域的技术人员是显然的。

Claims (11)

1.一种压缩机控制系统，包括：

压缩机，用于压缩流体；

流量测量部，用于测量所述流体的流量；

压力测量部，用于测量所述流体的压力；

防喘振阀部，防止所述压缩机的逆流；

入口导流叶片部，用于调节流体流向所述压缩机的入口的开放面积；以及

控制部，控制所述防喘振阀部及所述入口导流叶片部的动作，

所述控制部根据基于所述流量及压力的所述压缩机的运行点与预设的喘振控制线之间的距离而调节所述入口导流叶片部的控制增益，

所述控制部包括：

运行点位置计算部，基于所述流体的流量及压力而计算运行点的位置，并计算距所述预设的喘振控制线的距离；

比例因子计算部，计算基于计算出的所述距离的比例因子；以及

容量控制器，应用所述比例因子而调节所述入口导流叶片部的控制增益，

所述容量控制器对所述入口导流叶片部的控制增益乘以所述比例因子，并对所述入口导流叶片部的时间常数除以所述比例因子，从而根据相乘后的控制增益和相除后的时间常数计算用于控制所述入口导流叶片部的PID控制增益。

2.如权利要求1所述的压缩机控制系统，其中，

在所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离为预设距离以下的情况下，所述控制部使所述控制增益和所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离成比例地减小。

3.如权利要求1所述的压缩机控制系统，其中，

所述比例因子和所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离成比例。

4.如权利要求1所述的压缩机控制系统，其中，

所述防喘振阀部包括：

旁通线，连接所述压缩机的入口与出口；

防喘振阀，调节所述旁通线的开闭；

防喘振阀驱动部，驱动所述防喘振阀。

5.如权利要求4所述的压缩机控制系统，其中，

所述控制部还包括：防喘振阀控制部，生成用于驱动所述防喘振阀的第一控制信号而向所述防喘振阀驱动部输出。

6.如权利要求1所述的压缩机控制系统，其中，

所述入口导流叶片部包括：

入口导流叶片，布置在所述入口，并调节所述入口的开放面积；以及

入口导流叶片驱动部，驱动所述入口导流叶片。

7.如权利要求6所述的压缩机控制系统，其中，

所述控制部生成用于驱动所述入口导流叶片的第二控制信号而向所述入口导流叶片驱动部输出。

8.一种压缩机控制方法，包括如下步骤，

测量流入压缩机的流体的流量及压力；

基于所述流量及压力而计算所述压缩机的运行点；以及

根据所述运行点与预设的喘振控制线之间的距离而调节入口导流叶片的控制增益，

调节所述入口导流叶片的控制增益的步骤包括如下步骤：

计算所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离；

计算基于所述距离的比例因子；以及

应用所述比例因子而调节所述入口导流叶片的控制增益，

其中，对所述入口导流叶片的控制增益乘以所述比例因子，并对所述入口导流叶片的时间常数除以所述比例因子，从而根据相乘后的控制增益和相除后的时间常数计算用于控制所述入口导流叶片的PID控制增益。

9.一种入口导流叶片控制装置，包括：

流量测量部，测量流入压缩机的流体的流量；

压力测量部，测量所述流体的压力；以及

入口导流叶片控制部，根据基于所述流量及压力的所述压缩机的运行点与预设的喘振控制线之间的距离而调节入口导流叶片的控制增益，

所述入口导流叶片控制部包括：

运行点位置计算部，基于所述流体的流量及压力而计算运行点的位置，并计算距所述预设的喘振控制线的距离；

比例因子计算部，计算基于计算出的所述距离的比例因子；以及

容量控制器，应用所述比例因子而调节所述入口导流叶片的控制增益，

所述容量控制器对所述入口导流叶片的控制增益乘以所述比例因子，并对所述入口导流叶片的时间常数除以所述比例因子，从而根据相乘后的控制增益和相除后的时间常数计算用于控制所述入口导流叶片的PID控制增益。

10.如权利要求9所述的入口导流叶片控制装置，其中，

在所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离为预设距离以下的情况下，所述入口导流叶片控制部使所述控制增益和所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离成比例地减小。

11.如权利要求9所述的入口导流叶片控制装置，其中，

所述比例因子和所述运行点与所述预设的喘振控制线之间的距离成比例。

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