CN110307138A - 一种关于能量效率的多压缩机系统的设计、测量和优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为“一种关于能量效率的多压缩机系统的设计、测量和优化方法”。本发明描述了一种用于测量与多压缩机系统中的共同输出流量相关的用于产生单位质量或体积的压缩气体的能量(比能耗)的方法，所述方法包括：‑从第一压缩机来构建作为所述第一压缩机的所述输出流量的函数的所述第一压缩机中的理想比能耗曲线；以及‑从第一压缩机和第二压缩机来构建作为所述第一压缩机和所述第二压缩机的组合的输出流量的函数的所述第一压缩机和所述第二压缩机中的组合的理想比能耗曲线，并且其中所述方法包括为所述多压缩机系统创建理论操作模型。

Description

一种关于能量效率的多压缩机系统的设计、测量和优化方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量与多压缩机系统中的共同输出流量相关的用于产生单位质量或体积的压缩气体的能量(比能耗)的方法。

背景技术

多压缩机系统用于多种工业应用中。在若干文献中公开了使用这种压缩机的方法和用于控制它们的方法。举一个示例，在US5108263中公开了一种优化两台或多台并联或串联压缩机的操作的方法。该方法的目的在于每对压缩机的操作点相互增量地移位而不影响总的操作参数。监测位移对总约束的影响，并且当沿着优化方向上出现变化时，继续沿相同方向移动。否则，操作点被移位的压力会反向。程序逐渐将压缩机转换到操作点的最佳组合。

其次，US7676283公开了一种用于控制具有至少两个压缩机单元的压缩机设备的方法，该方法包括使用优化计算从压缩机单元的当前切换配置来计算新的切换配置。

此外，在EP0769624中公开了一种用于多个压缩机之间进行负载平衡的方法和装置。该方法意味着喘振参数S在平衡过程中随旋转速度而在相同的方向上变化。负载平衡控制涉及当压缩机远离喘振操作时，均衡压力比、转速或功率。然后，当接近喘振时，控制所有压缩机，使得它们同时到达喘振控制线。

此外，在其他专利文献中例如在US6394120中，还存在控制多压缩机系统的其他若干种方法。

本发明旨在创建用于多压缩机系统的操作模型。操作模型可以用于测量用于产生与多压缩机系统中的共同输出流量有关的单位质量或体积压缩气体的能量(比能耗)，并且因此也可以在设计新系统、测量现有系统时使用，并且/或者作为与用于操作多压缩机系统的控制系统连接的软件模块。

分析现有压缩空气系统的优化或未来修改以及从零开始设计系统会带来很多困难。压缩空气系统由众多不同部件组成，这些部件由许多不同供应商安装，即使是相同类型、相同压缩机的部件，其品牌也各不相同。压缩机制造商很少提供设计或性能曲线等类似参数的详细信息，因此使得这些任务更加困难。

压缩机设计用于不同的最佳压力，并且单个多压缩机系统包括不同类型、调节方法、制造商和设计压力的压缩机的情况并不少见。

发明内容

上述目的通过一种用于测量与多压缩机系统中的共同输出流量相关的用于产生单位质量或体积的压缩气体的能量(比能耗)的方法实现，所述方法包括：

-从第一压缩机来构建作为第一压缩机的输出流量的函数的第一压缩机中的理想比能耗曲线；以及

-从第一压缩机和第二压缩机来构建作为第一压缩机和第二压缩机的组合的输出流量的函数的第一压缩机和第二压缩机中的组合的理想比能耗曲线，并且其中该方法包括为多压缩机系统创建理论操作模型。

此外，该方法可以包括针对一个或多个固定系统参考压力构建/计算理想的比能耗曲线，从而大幅简化计算和可视化，因为模型变得与系统压力变化无关。此外，还可以考虑其他影响较小的变量，诸如进气温度或压力。

从以上可以理解，根据本发明的多压缩机系统包括至少两个压缩机，但是当然可以包括若干个压缩机。在这种情况下，还应当指出，如果使用了表述“第一”和“第二”以及当然“第三”等时，其不应该被看作是多压缩机系统中的特定顺序，而是用于区分多压缩机系统中的不同压缩机的假设的数字。这样，例如特定的多压缩机系统中的第三压缩机可以是系统中最小的压缩机。因此，编号只是一个假设的数字，并不表示系统中关于位置、大小或其他因素的特定顺序。事实是，本发明可以用于理解某个特定多压缩机系统的最佳操作顺序，这意味着其给出了有关哪个压缩机应该第一个投入生产，哪个压缩机应该与第一个结合使用，或者在包括乃至更多压缩机的系统中，使用任何类型的组合的建议，例如第二个加第四个，或者第二个加第三个再加第四个，等等。此外，所涉及的压缩机类型可以是任何类型，实际上也可以是特定的泵，诸如具有溢出阀或过压阀并且为按需控制的泵或系统，然而，根据本发明的方法特别针对气体压缩机，例如空气压缩机。

所提出的方法/发明使得可以基于几个参数以极高的准确度模拟和优化多压缩机系统，并且不受系统中存在的压力变化的影响。制造商通常将其压缩机的单效率性能数表示为压缩机在特定固定压力下的最佳设计点(理想流量)处的比能耗。连同电机功率的电机铭牌标称值(通常以kW或hp为单位)以及用于特定压缩机的调节方法类型的相关知识，利用这些参数，通过非常简单的计算足以为压缩机创建比能特性曲线，因为根据可用的基准数据可以推导出最佳设计点、调节流量范围、理想比能耗和特定压力下的最大可能流量。

在下文中，表述“用于产生单位质量或体积压缩气体的能量”或“比能耗”有时在压缩机行业也称为SEC，仅作为举例，其可以采用单位kWh/Nm³或kWh/kg表示，或者可以表示为每单位能量的体积，例如Nm³/kWh(其中Nm³表示“标准立方米”，即在常压和标准温度通常为0或15℃下产生的气体体积)。用作比能耗的替代的另一个常用标准表述是单位功率消耗(SPC或SP)，其通常以单位kW/(Nm³/min)测量，并且根据本发明也可以使用这个和其他同等表述。在这种情况下，可以说，比能耗的表述可以指：能量/产生单位质量或体积，以及产生的质量或体积/单位使用能量。

比能耗随着压力而变化，但在热力学领域的整个文献中，众所周知的是，可以估计压力变化对压缩机效率的影响。一种常见的方法是使用不可逆的多变压缩过程来估计压力变化对压缩机工作负载的影响，并由此估计比能耗。根据本发明的提出的方法从操作模型中分离出了压力影响，这与其他方法相比具有优势，因为可以自由选择、改变或调整模型的参考压力，同时仍然可以考虑压力变化的影响。

表述“理想比能耗”应被视为根据本发明使用的模型并根据本发明获得的比能耗。参照理想的比能耗曲线，可以作出以下解释：每个压缩机或压缩机组合及其操作模式都具有理想的比能耗曲线，在一定压力水平下，即对于每个总流量，理想SEC曲线示出了在该压力水平下可达到的最低比能耗。通过考虑压缩机安装或控制中的内部缺陷，或者压力或进口或出口温度的外部变化，理想的比能耗曲线可以适于实际的压缩机系统。单个压缩机或压缩机组合因此可以具有不同的理想比能耗曲线，具体取决于内部和外部因素。这样的理想比能耗曲线因此也可以包括模拟错误或故障。例如，产生理想比能耗曲线的操作模式可在一个压缩机上包括故障排出阀，相当于始终以10％打开的状态进行泄漏。

输出流量由需求和泄漏驱动。然而，可以根据该特定输出流量控制比能耗，这意味着即使输出流量是固定的，也可以通过改变压缩机和系统操作参数、配置或组合来改变比能耗。理想的比能耗曲线也可以看作是在特定压力下给定输出流量范围的最佳性能曲线。在根据本发明的方法中，针对多压缩机系统中的压缩机和/或操作模式的不同组合来计算理想的比能耗曲线。首先根据本发明针对特定压力计算单个压缩机的理想比能耗曲线。然后，针对相同的特定压力计算与具有相同的第一压缩机和多压缩机系统中的另一压缩机的另一组合的组合理想比能耗曲线。应当注意的是，第一压缩机和第二压缩机可以是包括若干个压缩机的系统中的任何一个。此外，组合的理想比能耗曲线还可以包括一个或多个压缩机，所述一个或多个压缩机以另一模式操作，例如在卸载模式下操作，即通过运行电机但无流量输送(再循环、封闭进气口等，具体取决于压缩机设计)进行加压备用。此外，该方法当然还可以包括构建或计算不同组合的多个组合的理想比能耗曲线，诸如第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机组合，或者仅第二压缩机和第三压缩机组合，或者甚至更多组合的压缩机，例如，其中的一个或多个压缩机处于另一操作模式诸如卸载(备用)位置。

此外，该方法当然也可以包括构建不同参考压力下的理想比能耗曲线。

根据本发明的方法提供了不同理想比能耗曲线如何取决于压缩机的输出流量，即描述系统如何操作的操作模型。因此，通过构建作为第一压缩机的输出流量的函数的第一压缩机中的理想比能耗曲线，该方法描述了设定第一压缩机中的理想比能耗曲线如何取决于第一压缩机的输出流量。同样，通过构建压缩机和/或操作模式的任何其他组合来提供该组合和模式的理想比能耗曲线。根据本发明的方法提供了设定该压缩机组合和模式中的理想比能耗曲线如何取决于所述压缩机组合的输出流量。

具体实施方式

下文给出了本发明的具体实施例。

根据一个具体实施例，该方法包括使用一个或多个固定系统参考压力构建理想的比能耗曲线。根据又一个具体实施例，该方法包括针对采用任意组合的多个组合的压缩机构建一个或若干个理想比能耗曲线。此外，根据本发明的方法可以用于任意压缩机组合，诸如第一压缩机加第三压缩机，第二压缩机加第三压缩机或者第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机的组合等。

根据又一个实施例，该方法包括针对采用任意组合的多个组合的压缩机构建一个或多个理想比能耗曲线，并且其中至少一个组合基于组合各个压缩机的可调流量范围。此外，根据本发明的又一个具体实施例，理论操作模型基于分别针对各个压缩机组合不可调流量范围和可调流量范围以形成一个单一虚拟压缩机。要将非调节(不可调)流量范围和调节(可调)流量范围分别组合起来以将非调节流量范围首先叠加在彼此的顶部，然后将调节流量范围叠加在彼此的顶部，如图7进一步示出的。还应当指出，本发明可以用于具有一个或多个无法调节的压缩机的多压缩机系统，并且其中不同压缩机尺寸(流量)和比能耗曲线是用于改进多压缩机系统的操作模式的参数。此外，还应当指出，调节流量范围内的理想比能耗曲线和调节流量范围的大小是根据一般压缩机类型的模型、实际压缩机的测量值或制造商数据而设定的。

根据本发明的模型不仅可以在不同的压缩机的不可调和可调的流量范围上受到影响，而且还可以将压力调整到不同的参考压力。此外，根据一个具体实施例，比能耗曲线是通过在压缩机调节流量范围内将比能耗设定为常量来计算的，并且其中理想的比能耗曲线是由压缩机非调节流量范围的恒定功率来计算的。该替代形式在附图的图2中进一步描述和解释。此外，根据又一个实施例，理想比能耗曲线针对调节流量范围内的效率变化而调整。基于调节流量范围内的位置，并且基于特定压缩机类型和调节范围，利用标准化曲线可完成效率调整。

压缩机的调节流量范围以及调节范围内的效率曲线因压缩机类型而异。非调节流量范围通常由压缩机或压缩气体系统启动一个或多个阀门以释放系统中所产生的过量流量来定义。这些阀通常被称为溢流阀、排出阀、排气阀、BOV阀、废气阀或类似阀。这些阀可将产生的过量气体排出到大气，或者将其再循环到压缩机的低压侧或内部地任何中间阶段。使用溢流阀会导致压缩机和/或系统效率的巨大损失，因为已经压缩的气体被浪费，并且由于减压而储存的所有能量都被损失。

用于压缩机调节的常用调节方法是不同类型的入口节流(用于所有类型的压缩机，但在动态压缩机诸如轴流式或径向式涡轮压缩机/离心式压缩机中最有效)。这些不同类型的入口节流使用不同的名称，诸如蝶阀、IGV或DVG。

另一种广泛用于所有类型压缩机的具有非常好的效率特性的常见方法是通过压缩机马达的速度控制进行调节。这些通常被称为VSD、变频驱动或逆变器驱动。

压缩机类型(螺杆、活塞、涡轮等)和控制方法的每种组合都创建了其自己的特性比能耗曲线，该曲线与调节流量范围内的调节效率以及可用调节范围的大小有关。调节流量范围还根据压力和压缩机设计而不同。

效率也受到大多数压缩机(也使用内燃机或蒸汽轮机)中使用的电马达的特性的影响。大多数用于压缩机的电马达在标称输出功率的75-80％时具有其最佳效率，部分马达也可在标称输出功率以上运行。

此外，对于大多数压缩机类型，根据本发明使用最简单模型的总误差低于约10％，这意味着这个水平已经提供了实现优化的信息，尤其在压缩机没有进行调节的情况下。随着线性调整进一步改进模型，误差约低于2-3％。此外，不匹配的压缩机可能提供超过100％的比能耗增加。以高于最佳比能耗约30-40％操作的系统较为常见。

此外，根据本发明的又一个具体实施例，每个压缩机的理想比能耗曲线朝着多压缩机系统中的一个或多个恒定压力调节。所有比能耗计算都朝着某个恒定的参考压力调整。该参考压力当然可以调整。此外，根据本发明的又一个具体实施例，使用相同参考压力构建并绘制理想比能耗的数据与共同输出流量之间的关系，或者利用一个附加维度进行绘制，其中该维度具有可变的参考压力。

可以基于采用多压缩机系统中的各个压缩机的测量的或理论性能曲线的设计曲线来计算理想的比能耗曲线。因此，根据本发明的一个具体实施例，采用各个压缩机的设计或性能曲线来计算理想的比能耗曲线。各个压缩机的设计曲线基于各压缩机的最佳操作模式(“有效点”)，以及/或者基于来自制造商的信息，或者使用压缩机领域众所周知的一般信息。基于上文，根据本发明的一个实施例的方法可以具有以下步骤。首先，计算每个压缩机和组合在选定参考压力下的理想比能耗曲线。同时确定调节流量范围的大小，其以流量的分配(百分比)给出，并且基于压缩机的类型。然后可以采用根据本发明的模型，使得理想比能耗在可调的流量范围内是恒定的，并且能耗在不可调流量范围内是恒定的。由于不存在降低流量的进一步调节能力，并且维持固定压力的要求将迫使系统排放产生的任何过量流量，因此可以在非调节流量范围内将能耗设定为常量。最后，根据可调流量范围内的效率变化，在可调流量范围内调整模型。可以以不同方式诸如线性、非线性、作为基于某些点的曲线等进行最终调整(参见图3)。

此外，根据本发明的操作模型也可以基于时间依赖性进行调整，从而使用时间动态数据。根据本发明的一个具体实施例，该方法以及由此操作模型包括基于从关闭模式转入打开模式，从卸载(备用)转入加载(活动或递送模式)时压缩机中的每个压缩机的时间依赖性，并且/或者基于在多压缩机系统中测量或估计的流量变化率，补偿每个压缩机组合和操作模式的可用流量范围，所述模式为不同操作模式。

本发明基于对压缩机的组合进行建模和分析，并且基于对该组合和/或操作模式下的可用流量范围内压缩机组合的效率进行建模和分析。随着流量需求变化，所需流量可能会增加，超出某个组合能够递送的能力。然后必须将压缩机组合改变为另一种可能提供所需流量的组合。从一种组合到另一种具有较高容量的组合的过渡需要启动额外的压缩机。这也可能涉及启动若干新的压缩机以及关闭当前正在运行的压缩机。

当启动压缩机时，压缩机获得足够的速度和压力从而可以连接到系统的其余部分之前有一段时间延迟。为了使压缩机有足够的时间到达生产状态，无法充分利用某些压缩机组合的流量范围至其最大值。限制的大小，例如组合的不可用流量范围通过系统流量需求的变化速度以及使压缩机联机所需的时间的组合因素所决定。

从一个组合到另一个组合的所需切换点的过度补偿是多压缩机系统中能量效率下降的常见原因，并且本发明提供了一种新的精确的工具，以从能量效率的角度对此进行优化。

测量的曲线与期望的曲线之间不一致的最常见原因是不同压缩机或压缩机组之间的调节同步不足，其导致无调节能力的压缩机进入排出或待机模式，而具有调节能力的系统压缩机仍有未使用的调节能力。现有设备中的另一个相关故障是根本未操作调节压缩机，或者在某些使用的组合中，未在调节范围内使用调节压缩机，这使得系统在该流量范围内没有调节能力。通过使用单个压缩机能量使用量与总流量关系曲线的绘图可以方便地识别出这种情况，其中基于将已与单个模拟操作模式相关联的选定测量数据可视化，可以方便地查看到这种空闲调节能力。

此外，根据本发明的模型也适合与实际测量数据进行比较(参见图6)。根据本发明的一个具体实施例，将测量的比能耗(即来自多压缩机系统的实际数据)与所计算的相同多压缩机系统的理想比能耗曲线的数据进行比较。如果测量的比能耗与正确的理想比能耗曲线不对应，则这该表明操作模式在该特定操作点不是最佳操作模式。接下来就是找到并分析其原因。在这种情况下，还应当指出，测量的比能耗可能会或可能不会向计算的使用的参考压力来调整。

还应当指出，当绘制实际测量数据时，可以在不考虑包括在多压缩机系统中的压缩机的实际数量的情况下绘制该数据。然而，当绘制来自单个压缩机的能量测量数据时，则与理论上对应的理想比能耗曲线的对比可以提供有价值的附加系统信息。无论如何，应当理解，根据本发明的方法可仅包括绘制总能量消耗和总输出流量以接收相关测量。在测量压缩机时能够分解压缩机可能是有利的，即单独测量压缩机而不单独测量所有参数。测量来自压缩机的单个流量是相当困难的，但是测量功率却相当容易。通过本发明，通过仅测量总功率和输出流量以及活动(各个压缩机的模式)，可能对多个压缩机系统的操作模式进行测量和评估。除了活动之外，根据本发明，其他测量方法也是可能的，诸如电压/电流、开/关信号、可变控制信号等。

应当指出的是，通常通过测量电流和了解或测量电压，间接地在传感器中测量压缩机的功率。功率是电压和电流的乘积，并且可以作为模拟信号从传感器输出。然而，通常情况下，功率被整合到能量中，并且当消耗了一定量的能量时传感器输出脉冲。以这种方式，可以估计功率。

还可以指出的是，根据本发明的标准模型是压力相关的。在许多压缩机系统中，希望避免变化的压力，然后将参考压力(“工作压力”)用于整个系统来分析比能耗和流量。然而，如上所述，当进行模拟测试时，这个参考压力可能会不同。变化的压力可能是因为需要或系统因任何原因无法保持稳定的压力而造成的。可以具有不同的压力，从而使压力依赖性也反映在每个测量点上，使得比能耗、压力和流量一起被分析。这三个量可以绘制在三维图中，或者这些量中的一个或多个可以用色标、不同符号或类似物进行标记。

根据又一个具体实施例，测量的比能耗的点与实际压缩机状态例如活动、能量使用和/或流量的数据相关，以将每个测量的比能耗测量点与多压缩机系统的操作模型的压缩机组合的模拟曲线中的一个模拟曲线相关联。该实施例表示通过使用例如单独测量的压缩机功率和/或各个活动以及总能量使用量，将每个测量点与正确的(相关的)比能耗模拟曲线相关联。

根据一个具体实施例，任意压缩机组合的理想比能耗曲线是基于具有至少一个卸载的压缩机的操作模式的理想比能耗曲线。在具有一台卸载的压缩机的模式下操作与操作关闭状态下的相同压缩机相比，具有更高的比能使用，但是由于压缩机从卸载到完全生产流量所需的时间要比从关闭到完全流量的时间更短，可能必需能够处理快速系统流量变化的步骤。在尽管额外容量不需要处于备用状态时，操作具有卸载模式下的压缩机的系统大大降低了系统效率。最简单的例子是对于两个压缩机而言，其中两个压缩机中的任一者处于卸载模式。

根据又一个具体实施例，针对采用任意组合的多个组合的压缩机的一个或若干个共同输出流量的理想比能耗的数据被单独地构建并以理想比能耗曲线绘制，并且其中至少两个理想比能耗曲线被聚合成一个公共参考曲线。该实施例意味着将若干理想的比能耗曲线添加到一个“最佳”参考曲线中。此外，该实施例也可用于当理想比能曲线不具有重叠的调节流量范围，或者基于在不同理想比能曲线之间调节流量范围的重叠的缺乏，结合理想的比能曲线以建立和/或测量控制间隙。控制间隙表示系统和可能的压缩机组合不具有调节(调整)能力的流量范围。根据系统控制策略和/或压缩机控制方法，控制间隙可迫使系统在打开排气阀的情况下运行，并且/或者导致不规律的压缩机停止/启动和/或加载/卸载转换。这可能意味着高比能耗以及表现为压力波动形式的系统干扰风险，因此避免这种情况是有利的。根据本发明，可以通过分析不同压缩机组合中的可调流量范围是否彼此重叠来识别这些区域(参见图9)。如上所述，这可以在进行或不进行时间动态分析的情况下执行。此外，在与实际测量数据进行比较时，还可以使用这种方法来识别是否存在控制间隙可能出现的现有流量，以及所带来的压力波动。

根据本发明的方法可以用于压缩机和某些泵，诸如上述的泵。根据本发明的一个实施例，多压缩机系统是压缩气体压缩机系统，并且压缩机是压缩气体压缩机。给出一些可能感兴趣的应用作为示例，例如天然气储配或工业压缩空气(用于N₂和/或O₂生成等的气缸、气动装置、净化、压缩空气等)。同样，根据本发明，任何类型的压缩机都是可能的。压缩空气压缩机系统是与本发明相关的一种特别有利的类型。此外，根据本发明，开环和闭环系统都是可能的。开环系统是在使用后将气体减压喷射到大气中的系统。典型的例子是压缩空气系统。闭环系统是在使用后将使用过的气体再循环到压缩机入口的系统。典型的示例是制冷系统和热泵。

此外，本发明还涉及一种布置用于执行根据本发明的方法的计算机单元，其中所述计算机单元连接至控制单元，该控制单元监视和/或控制多压缩机系统。计算机单元可以监视系统性能并且因此也起到警报功能的作用。此外，其也可以是主动的，以便与控制单元直接连接以优化操作性能。

附图详细描述

以下描述附图。

图1示出了具有共同输出流量的多压缩机系统的示意图。在该情况下，系统中有三个不同的压缩机。压缩机单独进行调节，总输入功率在不同压缩机上相应分配。多压缩机系统提供一个共同的输出流量，而不管这是直接在压缩机之后的一个混合点中，还是例如在共同的膨胀箱之后。

压缩机可以连接到环形管线或分配管线，并且流量可以以不存在(来自所有压缩机的所有组合的流量流经的)单个测量点的方式分成不同的最终使用区域。然后，组合的最终使用是共同的输出流量。然后必须将共同输出流量作为来自整个系统和/或分配网络中各个测量的聚合流量进行测量。

任何在系统中具有在压缩机之间互连实现错流的某个点的压缩机系统可被视为具有共同输出流量的多压缩机系统。

通常情况下，来自压缩机的空气流也可被导向，使得来自某些压缩机的空气从例如仅连接到压缩机的一部分的空气干燥机中损失。这一过程中发生的损失将成为总输出流量的一部分(并且/或者在性能调整中得到补偿)。这种损失可以通过模型和/或其他参数(诸如压力)来测量或计算。一个此种示例是带有集成干燥器单元售卖的压缩机单元，该压缩机单元可以连接到具有带有外部空气干燥器的压缩机的系统中，并且来自两种类型压缩机的空气在干燥器之后进行混合。

图2示出了根据本发明的基于某个选定压缩机设置的最佳可实现比能耗的简化模型。在y轴上，比能耗(在图中为SEC)的单位为kWh/Nm³，并且在x轴上，系统中的总共同输出流量的单位为Nm³/min。在第一简化模型中，假定功率在所选择的压缩机设置的非调节流量范围内是恒定的，并且假定比能耗在相同压缩机设置的调节流量范围内是恒定的。在非调节范围内，由压缩机产生的不满足系统需求的过量空气通过排出阀或类似装置排出到大气中，以防止系统压力升高，从而使得无论产生的输出流量如何，能量使用量均恒定。在调节范围内，压缩机控制系统通过将输出流量调节到期望水平来补偿系统需求。在这种情况下，可以指出的是，压缩机设置可以是独立运行时的单台压缩机，或者任意压缩机组合。举例来说，当与图1比较时，这意味着例如压缩机1加2加3，压缩机1加3或压缩机2加3的组合，因此根据本发明，任何类型的组合或全部压缩机是可能的。

图3示出了根据本发明的另外的实施例。在不同情况下，根据图3所示调整某个压缩机设置的调节流量范围中的曲线。可以利用一个或多个线性补偿、数学上调整的曲线或基于某些决定点的曲线(参见最后一个替代形式)执行调整。

参照图3，存在若干个值得计算或了解的参数。首先，100％输出流量时的比能耗(SEC)。其次，最佳输出流量时的比能耗，即最小比能耗，以及百分比表示的最佳输出流量。最后，调节开始时的比能耗，以及调节开始时的百分比表示的输出流量。如果有更多的数据可用，这当然是有益的。左侧上部曲线呈二次曲线形状，并且例如可以是任何类型的n次多项式曲线。其他类型也是可能的，例如高斯曲线、贝塞尔曲线或其他形式的参数曲线、余弦曲线或正弦曲线。左侧下部曲线是两条一阶曲线。在这种情况下，该曲线为任意类型的分段函数，其中函数被划分为不同的流量范围。最后，右侧下部曲线也是分段函数的变型，其中已假设流量范围大致相同。这是一个可能的假设，但许多其他假设也是可能的。

在图4中，示出了根据本发明的一个实施例的组合的理想比能耗(SEC)曲线。可以注意到，左边的第一条曲线是一个压缩机的理想比能耗曲线。当作为唯一处于运行状态的压缩机时，“第一”压缩机可以是多压缩机系统中的任意压缩机。如上所述，作为第一压缩机的输出流量的函数计算第一压缩机的理想比能耗曲线，然后绘制为如图4所示的曲线。下一条曲线是作为第一压缩机和第二压缩机的组合的输出流量的函数的第一压缩机和第二压缩机(即系统的任意两个压缩机)的组合的理想比能消耗曲线。因此，最后一条曲线示出了三台压缩机在顺序操作(即1，1加2，1加2加3)时的组合的理想比能耗。该示例是两个非调节螺杆压缩机和一个频率调节螺杆压缩机的示例。频率调节压缩机是第一压缩机，并且具有通过2段线性调整模拟的调节流量范围。这些不同的理想比能耗曲线是根据本发明的多压缩机系统的理论操作模型的部分。曲线中重叠的缺乏清楚地表明在该配置中存在调节间隙。

在图5中，示出了与图4所示类似的模型，但在这种情况下，不仅示出了一个压缩机和两个压缩机的理想比能耗(图中为SEC)曲线，还示出了当这些压缩机中的一个压缩机处于运行状态，而另一个压缩机处于卸载模式(即如上所述的备用模式)时的理想比能耗曲线。包括卸载压缩机的曲线具有与仅运行一台压缩机相同的输出性能，但比能使用高30-40％。

在图6中，示出了如图4和图5所示的类似模型，然而在这种情况下，特定系统的实际测量数据也被绘制到图中。因此，图6示出了与根据本发明的理想比能耗(SEC)曲线相比的实际测量数据重叠。这四个理想比能耗曲线可以描绘1个压缩机、2个压缩机、3个压缩机和4个压缩机。应该指出的是，也可以将未卸载的组合结合到该模型中。值得注意的是，大多数实际测量数据点不在为特定流量提供尽可能低的特定能耗的(SEC)曲线上。此外，许多测量点并不直接位于(SEC)曲线上或靠近该曲线，其所处位置的比能耗要高于位于理想(SEC)上时的比能耗，这进一步显示了以比现今执行方式更加高效的方式操作该特定多压缩机系统还有改进空间。该图示出所测量的系统仅在最高流量范围内以及在运行四台压缩机时以最佳效率操作。

图7示出了根据本发明的一个具体实施例的模型。首先显示了与各个压缩机的流量相关的非调节流量范围和调节流量范围。根据本发明的一个具体实施例，理论操作模型基于分别针对各个压缩机，组合不可调流量范围和可调流量范围以形成单个虚拟压缩机。下面示出了这种单个虚拟压缩机，其中可以看出单个压缩机的不同部分如何被添加以形成虚拟压缩机。因此，该实施例提供了一个具有与总流量相关的一个非调节流量范围和一个调节流量范围的单一虚拟压缩机，作为评估多压缩机系统时使用的模型。图7示出了按顺序次序建模的两个压缩机的调节流量范围，使得一次只调节一个压缩机，并且当前一个压缩机达到其调节流量范围极限时，下一个压缩机即开始调节。组合的压缩机的调节流量范围也可以模拟为在共同调节流量范围上并列进行调节，或者以顺序和并列的组合形式进行调节。并列调节的压缩机将在其整个共同调节流量范围内同时进行调节。

图8示出了根据本发明的一个具体实施例，其中至少两个理想的比能耗(SEC)曲线被聚合成一个共同的参考曲线(在图8中称为复合曲线)。此外，实际测量数据已被绘制在图中，并且基于此可以计算特定系统流量下的损耗(通过增量比能耗衡量)。基于减小的调节流量范围并考虑系统动态时间限制，还可以在聚合之前调整各个效率曲线。

图9示出了三压缩机系统的理想比能曲线的三个曲线图，该三压缩机系统包括一个VSD螺杆压缩机，以及两个加载/卸载式螺杆压缩机，三个压缩机都具有类似尺寸。上面两张曲线图示出了SEC(kWh/Nm³)与共同输出流量(Nm³/min)之间的关系，底部的曲线图则显示了不同共同输出流量的系统调节能力。

最上面的曲线图显示了不同压缩机组合(1、1加2、1加2加3)的可用调节范围以及不可用部分(如果调节范围被单独标出)。调节范围的不可用部分是通过考虑系统在处理快速流量变化时所需的能力以及单个压缩机所需的启动时间而设定的。

中间的曲线显示了通过三种不同压缩机组合的三个单独理想比能曲线构建的聚合的理想比效率曲线。在执行聚合时，每个曲线调整范围的不可用部分已被排除。底部曲线图基于中间曲线图中所显示的聚合曲线图，显示了系统的调节间隙的位置的视图。y轴上的100％表示系统具有完全调节能力，因此可以高效稳定地运行。y轴上的0％表示系统对这些流量范围调节能力不足，从而指示系统调节间隙的位置。

图10示出了根据本发明的一个实施例的方法和其中的步骤的示意图。

图11示出了根据本发明的一个实施例的四压缩机系统的两个单独的关联曲线图，其中每个检测到的压缩机组合的各个测量点用唯一的符号来标识。上面的曲线图显示了测量的SEC与共同输出流量的关系，左下曲线图显示了系统压力与共同输出流量的关系，右下三个曲线图显示了单个压缩机的能量使用量与三个系统压缩机的共同输出流量之间的关系。

结论

本发明提供了一种用于模拟现有多压缩机系统以找到最佳操作模式的模型，该模型用于在设计新系统时进行模拟，或者用于模拟现有系统以与实际测量数据相比较进行评估现有系统。

本方法旨在构建或计算多压缩机系统中不同压缩机组合的理想比能耗曲线。与现今其他现有系统相比有所不同。此外，另一个明显的区别在于本发明在模型中考虑了不可调和可调的流量范围。其他已知方法涉及设定新系统的合适尺寸，并且因此涉及仅测量完全可调的流量范围。这也意味着这样的方法不适合与本发明实现的实际数据测量进行比较。此外，这样的方法不涉及比能耗的计算或测量，而这是根据本发明的在测量能量效率时的关键特征。

此外，目前已知的用于设定新系统的合适尺寸的定尺寸方法是二元的，即只有“正确”或“错误”尺寸两种，并且即使该定尺寸方法本身给出了似乎是正确的系统尺寸，已证明其在许多情况下的操作模式明显在理想设计区域以外。同样在此背景下，根据本发明的方法是对现有方法的重大改进。

根据本发明的方法还具有独特的优点，因为在构建多个压缩机的比能曲线之前会对模型进行一个或多个参考压力的调整，使分析不考虑系统压力变化以及设计压力，从而简化了分析、模拟、计算和可视化。由于根据本发明的方法包括用于针对一旦计算的比能耗(SEC)曲线而调整参考压力的方法，或者针对实际测量数据朝向参考压力调整的方法，其能够分析和模拟系统压力变化的影响。

总而言之，相比于这些定尺寸方法和其他已知的方法，根据本发明的方法具有若干优点。首先，由于该方法涉及每个压缩机的能耗模型，考虑了可调和不可调的流量范围，与之前方法相比，该方法能够以更高的精度并在更宽的流量范围估计能耗。其次，可以将实际数据直接与根据本发明提供的模拟模型进行比较。此外，本发明提供了用于简化现有多压缩机系统的若干种类型的分析以及设计(定尺寸)新系统的出发点。本方法能够能够提供若干压缩机组合的压力无关的操作模型，这与大多数系统的实际情况相当。此外，通过使用根据本发明的方法还可以检测和评估控制间隙和系统干扰。因此，也可以检测到错误设置的参数。当使用上述已知的定尺寸方法时，这是一个典型的问题，即假设参数本质上被正确设定，但情况往往并非如此。

至于上文所讨论的其他优点，如在本模型中可进行压力调整，以及在整个系统中使用参考压力也是有益的。这是一个优点，因为在与实际测量的数据比较时，根据本发明的方法考虑了系统压力的变化，并且还考虑了针对不同压力以及不同系统操作压力所设计的压缩机。此外，该方法还可用于多压缩机系统中不同压力或压力变化影响的简单测试。

为了给出在使用本发明时的可能改进的指导，可以使用大尺寸螺杆或涡轮压缩机，在广泛使用的6至8巴的压力带获得约0.09或0.1的单位为kWh/Nm³的比能耗，其可以与0.15和更高的水平相比较，这是参考多压缩机系统在无适当优化和/或调节能力条件下运行时的常见水平。降低这种量级的比能耗当然是非常有利的。

Claims (18)

1.一种用于测量与多压缩机系统中的共同输出流量相关的用于产生单位质量或体积的压缩气体的能量(比能耗)的方法，所述方法包括：

-从第一压缩机来构建作为所述第一压缩机的所述输出流量的函数的所述第一压缩机中的理想比能耗曲线；以及

-从第一压缩机和第二压缩机来构建作为所述第一压缩机和所述第二压缩机的组合的输出流量的函数的所述第一压缩机和所述第二压缩机中的组合的理想比能耗曲线，

并且其中所述方法包括为所述多压缩机系统创建操作模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括针对一个或多个固定系统参考压力构建所述理想比能耗曲线。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法包括针对采用任意组合的多个组合的压缩机构建一个或若干个理想比能耗曲线。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述方法包括针对采用任意组合的多个组合的压缩机构建一个或若干个理想比能耗曲线，并且其中至少一个组合基于组合各个压缩机的可调流量范围。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述操作模型基于分别针对各个压缩机来组合不可调流量范围和可调流量范围以形成一个单一虚拟压缩机。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述理想比能耗曲线是通过在所述压缩机调节流量范围内将比能耗设定为常量来计算的，并且其中理想比能耗是由所述压缩机非调节流量范围的恒定功率用量来计算的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述理想比能耗曲线针对所述调节流量范围内的效率变化而调整。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中采用所述各个压缩机的设计或性能曲线来计算所述理想比能耗曲线。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用所述相同参考压力构建并绘制所述理想比能耗的数据与共同输出流量之间的关系，或者利用一个附加维度进行绘制，其中所述维度具有可变的参考压力。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法以及由此操作模型包括基于从关闭模式转入打开模式，从卸载(备用)转入加载(打开模式)时所述压缩机中的每一个压缩机的时间依赖性，并且/或者基于在所述多压缩机系统中测量的所述流量变化率，补偿每个压缩机组合和操作模式的所述可用流量范围。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将来自所述多压缩机系统的测量的比能耗与所述相同多压缩机系统的所述计算的理想比能耗曲线的数据进行比较。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中测量的比能耗的点与实际压缩机能量使用和/或流量的数据相关，以将每个测量的比能耗测量点与所述多压缩机系统的所述操作模型的压缩机组合的模拟曲线中的一个模拟曲线相关联。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述任意压缩机组合的所述理想比能耗曲线是基于具有至少一个卸载的压缩机的操作模式的理想比能耗曲线。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中针对采用任意组合的多个组合的压缩机的一个或若干个共同输出流量的理想比能耗曲线的所述数据被单独地构建并以理想比能耗曲线绘制，并且其中至少两个理想比能耗曲线被聚合成一个公共参考曲线。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中采用任意组合的多个组合的压缩机的一个或若干个共同输出流量的理想比能耗的所述数据被单独地组合、构建并以理想比能耗曲线绘制，并且其中所述方法包括组合理想比能耗曲线以基于在不同理想比能耗曲线之间所述调节流量范围的重叠的缺乏来建立和/或测量控制间隙。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多压缩机系统是压缩气体压缩机系统，并且所述压缩机是压缩气体压缩机。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多压缩机系统是压缩空气压缩机系统，并且所述压缩机是压缩空气压缩机。

18.布置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的计算机单元，其中所述计算机单元连接至控制单元，所述控制单元监视和/或控制所述多压缩机系统。