CN110529422A - 一种压缩机的防喘振控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提供了一种压缩机的防喘振控制系统，包括离心式压缩机、冷却器、压缩机分析处理器和通气管道，压缩机分析处理器根据折合流量和级压比PR的数值与压缩机运行特性线进行对比，分析是否到达喘振临界点或者堵塞工况点，对冷却液调节阀进行开口度调节，对压缩机安稳运行提供保护，利用冷却液调节阀对冷却液流量进行调节来维护压缩机，使用成本降低；通过对系统的各项参数进行分析对比，保证压缩机各级之间稳定安全运行，保证压缩机运行在高效区域；中间冷却器和后冷却器处于同一冷却器壳体内，有利于降低换热器的成本、减少装置的重量和尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，尤其涉及一种压缩机的防喘振控制系统。
背景技术
流体机械及其管道中介质的周期性振荡，是介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动，压缩机喘振是指气流沿压缩机轴线方向发生的低频率(通常只有几赫兹或十几赫兹)、高振幅(强烈的压强和流量波动)的气流振荡现象，这种低频率高振幅的气流振荡是一种很大的激振力来源，它会导致压气机部件的强烈机械振动和热端超温，并在很短的时间内造成部件的严重损坏，所以在任何状态下都不允许压气机进入喘振区工作。
燃料电池技术是一种高效清洁的能量转换技术，其反应物为水，对环境没有污染。其理论能量转化效率不受卡诺循环的限制，可以在接近100％的热效率下运行，由于技术原因的限制以及系统其他能耗，总的转换效率在45％～60％之间。其中最主要的系统能耗是由供气系统产生的，燃料电池在工作时，需要供气系统将空气压缩后送入到电池阴极参与反应。通常供气系统的能耗占燃料电池功率的5％～20％左右。
目前，燃料电池技术逐渐应用在汽车上面，因此对燃料电池动力系统的体积和重量要求十分严格。对燃料电池供气系统也有体积和重量的严格要求。传统的供气系统主要包括进气过滤器、空压机或氧化剂压缩机、冷却器组成。环境空气进过空气过滤器后被吸入空气压缩机，空压机将气体压缩后，进入到冷却器。在冷却器中将气体冷却到合适温度后，进入燃料电池堆。其中空压机是耗能设备。目前供气系统的空压机包括容积式压缩机和速度式压缩机。容积式压缩机技术成熟，但是由于体积大、质量重、噪音大、气体中不能完全无油等缺点，会逐渐被速度式压缩机主要是离心式压缩机取代。
美国霍尼韦尔公司开发了高速电机直驱的两级离心式空气压缩机。成功地用在本田的燃料电池动力汽车上。相比容积式空压机，具有尺寸小、重量轻、相应快、噪音低等优点。由于没有采用级间冷却，所以空压机的功耗偏大。空压机的最大功耗达到20kW，占燃料电池动力输出功率的20％左右。如果采用传统的级间冷却器，又会增大机器重量和体积。此外，离心式空压机存在的喘振的问题。而在燃料电池车上使用时，环境温度变化能从-45℃变化到45℃。这样更加剧了空压机喘振问题。本发明的目的在于提出一种压缩机的防喘振控制系统，防止压缩机发生喘振或者堵塞、降低换热器的成本、减少装置的重量和尺寸、能够稳定的输送洁净气体。
发明内容
本发发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种防止压缩机发生喘振或者堵塞、降低换热器的成本、减少装置的重量和尺寸、能够稳定的输送洁净气体的压缩机的防喘振控制系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种压缩机的防喘振控制系统，包括
离心式压缩机、冷却器、压缩机分析处理器和通气管道，所述离心式压缩机包括第一级离心压缩机和第二级离心压缩机，所述冷却器包括中间冷却器和后冷却器，所述第二级离心压缩机进气端设有级间温度传感器和级间管道气压传感器，所述第二级离心压缩机排气端设有流量监测器和输出管道压力传感器，所述中间冷却器上设有冷却液调节阀；
在工作状态下:所述压缩机分析处理器将级间管道气压传感器检测的气压Pa和输出管道压力传感器检测的气压Pb进行计算求得第二级压缩机压比PR＝Pb/Pa，压缩机分析处理器再根据级压比PR、流量监测器检测的瞬时流量Q以及空压机第二级进气温度Ta分析是否达到喘振临界点，并对冷却液调节阀的开口度进行调整。调整第二级的进口温度，环境空气或氧化剂经过第一级离心压缩机压缩形成高温高压的气体，随后进入冷却器的中冷器部分被冷却为低温高压的气体，低温高压气体通过气体管道进入到第二级离心压缩机，经过第二级离心压缩机压缩后形成高温高压的气体，进入冷却器的后冷器部分，最后将气体冷却为合适的温度后进入燃料电池堆。
进一步的，所述压缩机分析处理器根据第二级离心压缩机级压比PR的数值、瞬时流量Q以及第二级进口温度Ta，分析是否到达喘振临界点或者堵塞状态，对冷却液调节阀进行开口度调节，改变第二级的进气温度Ta，使得压缩机远离喘振或者堵塞状态。对压缩机安稳运行提供保护，利用冷却液调节阀对冷却液流量进行调节来维护压缩机，使用成本降低。
进一步的所述中间冷却器出口工质温度T在0-80摄氏度之间，级压比在1.0-4.0之间，瞬时流量Q流量介于0.01-1.00kg/s之间。
进一步的，所述压缩机分析处理器根据级压比PR的数值与折合流量与压缩机运行特性曲线进行对比，分析是否达到喘振临界点或者堵塞工况，对冷却液调节阀进行开口度调节：对比性能曲线，当级压比稳定时，折合流量低于喘振临界点时，空压机工况可随时进入喘振状态，压缩机分析处理器降低冷却液调节阀开口度，同时增加第二级进气温度Ta，直到折合流量高于于喘振临界点；对比性能曲线，当折合流量高于堵塞临界点时，系统运行在低效的堵塞状态，压缩机分析处理器增大冷却液调节阀开口度，降低第二级压缩机进口温度，直到折合流量低于堵塞临界点。
进一步的，所述的离心压缩机由高速电机直接驱动，高速电机处于第一级离心压缩机和二级离心压缩机之间。
进一步的，所述冷却器还包括冷却器壳体，所述中间冷却器和后冷却器处于同一冷却器壳体内。中间冷却器和后冷却器处于同一冷却器壳体内，有利于降低换热器的成本、减少装置的重量和尺寸。
本发明的有益效果是：压缩机分析处理器根据折合流量和压比PR的数值，分析是否到达喘振临界点或者堵塞工况点，对冷却液调节阀进行开口度调节，对压缩机安稳运行提供保护，利用冷却液调节阀对冷却液流量进行调节来维护压缩机，使用成本降低；通过对系统的各项参数进行分析对比，保证压缩机各级之间稳定安全运行，让压缩机运行在高效区间；中间冷却器和后冷却器处于同一冷却器壳体内，有利于降低换热器的成本、减少装置的重量和尺寸。
附图说明
图1是本发明的供气系统示意图；
图2是本发明压缩机分析处理器处理流程图；
图3是本发明的压缩机运行特性曲线；
图中：第一级离心压缩机11、第二级离心压缩机12，冷却器2、中间冷却器21、后冷却器22、压缩机分析处理器3、级间温度传感器4、级间管道气压传感器5、流量监测器6、输出管道压力传感器7、冷却液调节阀8。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1至图3中所示，一种压缩机的防喘振控制系统，包括
离心式压缩机、冷却器2、压缩机分析处理器3和通气管道，所述离心式压缩机包括第一级离心压缩机11和第二级离心压缩机12，所述冷却器包括中间冷却器21和后冷却器22，所述第二级离心压缩机进气端设有级间温度传感器4和级间管道气压传感器5，所述第二级离心压缩机的排气端设有流量监测器6和输出管道压力传感器7，所述中间冷却器上设有冷却液调节阀8；
在工作状态下:所述压缩机分析处理器将级间管道气压传感器检测的气压Pa和输出管道压力传感器检测的气压Pb进行计算求得级压比PR＝Pb/Pa，压缩机分析处理器根据级间管道气压传感器检测的气压Pa、级间温度传感器检测的温度Ta和流量监测器检测的流量Q计算出折合流量， 压缩机分析处理器再根据级压比PR和折合流量与压缩机运行特性线进行对比，分析是否达到喘振临界点或者堵塞工况，并对冷却液调节阀的开口度进行调整，所述中间冷却器出口工质温度T在0-80摄氏度之间，级压比在1.0-4.0之间，瞬时流量Q流量介于0.01-1.00kg/s之间，所述压缩机分析处理器根据级压比PR的数值与折合流量与压缩机运行特性曲线进行对比，分析是否达到喘振临界点或者堵塞工况，对冷却液调节阀进行开口度调节：对比性能曲线，当级压比稳定时，折合流量低于喘振临界点时，空压机工况可随时进入喘振状态，压缩机分析处理器降低冷却液调节阀开口度，同时增加第二级进气温度Ta，直到折合流量高于于喘振临界点；对比性能曲线，当折合流量高于堵塞临界点时，系统运行在低效的堵塞状态，压缩机分析处理器增大冷却液调节阀开口度，降低第二级压缩机进口温度，直到折合流量低于堵塞临界点，所述的离心压缩机由高速电机直接驱动，高速电机处于第一级离心压缩机和二级离心压缩机之间，所述冷却器还包括冷却器壳体，所述中间冷却器和后冷却器处于同一冷却器壳体内。
本实施例中，压缩机分析处理器根据PR和折合流量与压缩机运行特性线的对比，分析是否到达喘振临界点或者堵塞运行状态，对冷却液调节阀进行开口度调节，对压缩机安稳运行提供保护，利用冷却液调节阀对冷却液流量进行调节来维护压缩机，使用成本降低；通过对系统的各项参数进行分析对比，保证压缩机各级之间稳定安全运行，保证压缩机运行在高效区域；中间冷却器和后冷却器处于同一冷却器壳体内，有利于降低换热器的成本、减少装置的重量和尺寸。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。
Claims (5)
1.一种压缩机的防喘振控制系统，其特征在于，包括离心式压缩机、冷却器(2)、压缩机分析处理器(3)和通气管道，所述离心式压缩机包括第一级离心压缩机(11)和第二级离心压缩机(12)，所述冷却器包括中间冷却器(21)和后冷却器(22)，所述第二级离心压缩机进气端设有级间温度传感器(4)和级间管道气压传感器(5)，所述第二级离心压缩机的排气端设有流量监测器(6)和输出管道压力传感器(7)，所述中间冷却器上设有冷却液调节阀(8)；
在工作状态下:所述压缩机分析处理器将级间管道气压传感器检测的气压Pa和输出管道压力传感器检测的气压Pb进行计算求得级压比PR＝Pb/Pa，压缩机分析处理器根据级间管道气压传感器检测的气压Pa、级间温度传感器检测的温度Ta和流量监测器检测的流量Q计算出折合流量， 压缩机分析处理器再根据级压比PR和折合流量与压缩机运行特性线进行对比，分析是否达到喘振临界点或者堵塞工况，并对冷却液调节阀的开口度进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种压缩机的防喘振控制系统，其特征在于，所述中间冷却器出口工质温度T在0-80摄氏度之间，级压比在1.0-4.0之间，瞬时流量Q流量介于0.01-1.00kg/s之间。
3.根据权利要求2所述的一种压缩机的防喘振控制系统，其特征在于，所述压缩机分析处理器根据级压比PR的数值与折合流量与压缩机运行特性曲线进行对比，分析是否达到喘振临界点或者堵塞工况，对冷却液调节阀进行开口度调节：对比性能曲线，当级压比稳定时，折合流量低于喘振临界点时，空压机工况可随时进入喘振状态，压缩机分析处理器降低冷却液调节阀开口度，同时增加第二级进气温度Ta，直到折合流量高于于喘振临界点；对比性能曲线，当折合流量高于堵塞临界点时，系统运行在低效的堵塞状态，压缩机分析处理器增大冷却液调节阀开口度，降低第二级压缩机进口温度，直到折合流量低于堵塞临界点。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种压缩机的防喘振控制系统，其特征在于，所述的离心压缩机由高速电机直接驱动，高速电机处于第一级离心压缩机和二级离心压缩机之间。
5.根据权利要求1所述的一种压缩机的防喘振控制系统，其特征在于，所述冷却器还包括冷却器壳体，所述中间冷却器和后冷却器处于同一冷却器壳体内。
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