CN111164312A - 用于控制压缩机的出口压力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制压缩机的方法，所述压缩机包括末级(40)和压缩机负载控制器(90)，在所述负载控制器(90)中给定对应于消耗装置所需压力的设定点出口压力，所述方法包括以下步骤：a‑测量所述末级(40)的进口处的温度；b‑测量所述末级(40)的出口压力与进口压力之间的比率；c‑基于进口温度(Tin)的值并基于所述压力比率(Pout/Pin)计算系数(Ψ)；d‑如果所述系数(Ψ)在预先确定的范围内，则将所述设定点出口压力改变为新的更大的设定点出口压力，直到利用所述新的设定点出口压力计算的所述系数(Ψ)超出所述预先确定的范围；以及e‑在压力调节器(100)中将从所述压缩机流出的流体的压力调整到所述消耗装置所需压力。

Description

用于控制压缩机的出口压力的方法
本发明涉及一种用于控制压缩机的出口压力的方法和一种用于实现此类方法的控制系统。更具体地，本发明涉及控制多级离心式压缩机以便避免该压缩机进入石墙效应区。
特别地，本发明涉及向发动机或其他做功机器供应天然气。该发动机或机器(以及该压缩机)可以在运载工具(轮船、火车等)上或在陆上。压缩机的进口处的气体例如来自LNG(液化天然气)的储存装置。因此，其可能处于低温状态(低于-100℃)。其可以是蒸发气体或汽化液体。
如压缩机领域的普通技术人员所公知的，压缩机以及多级压缩机仅在取决于该压缩机的特征的给定状态下工作。离心式压缩机的使用一方面受到石墙效应状态的限制，并且另一方面受到喘振状态的限制。
当流量相对于扬程过高时即发生石墙效应。例如，在具有恒定速度的压缩机中，扬程必须大于给定值。
当压缩机中的气体流量减小使得压缩机不能保持足够的排放压力时，发生喘振。压缩机的出口处的压力然后可变得低于进口处的压力。这可以损坏压缩机(叶轮和/或轴)。
在现有技术中众所周知的是通过“防喘振”管线保护压缩机免受喘振状态的影响，该“防喘振”管线将压缩机的出口与其进口连接并且装配有旁通阀。
美国专利4,526,513号公开了一种用于控制管道压缩机的方法和设备。更具体地，该文件涉及压缩机的喘振状态。然而，这表明如果存在石墙效应，则必须将附加的压缩机单元置于运行。这种解决方案从未被应用过，如果可以，那它将是一种昂贵的解决方案。
存在多种依靠天然气(LNG)运行的发动机。一种发动机称为XDF发动机。XDF发动机需要具有可变排放压力的压缩机。这种压缩机例如是多级离心式压缩机。在过低的排放设定点的情况下，压缩机或压缩机的末级可进入石墙效应区。
本发明的目的是提供一种用于压缩机即多级压缩机的控制系统，以避免石墙效应状态。
为了满足这个目的或其他目的，本发明的第一方面提出了一种用于控制压缩机的方法，该压缩机至少包括末级和压缩机负载控制器，在该负载控制器中给定对应于消耗装置所需压力的第一设定点出口压力。
根据本发明，该方法包括以下步骤：
a-测量末级的进口处的温度；
b-测量压缩机的末级的出口压力与进口压力之间的比率；
c-至少基于进口温度的值并基于所测量的压力比率计算系数；
d-如果计算的系数在预先确定的范围内，则将第一设定点出口压力改变为大于第一设定点出口压力的第二设定点出口压力，直到利用第二设定点出口压力计算的系数超出预先确定的范围；以及
e-在压力调节器中将从压缩机流出的流体的压力调整到对应于消耗装置所需压力的第一设定点出口压力。
在原始方式中，该方法基于计算取决于温度和压力的系数，并且还最初提出在压缩机的末级的出口处将压力增大到所需压力之上。
在该方法的第一实施方案中，在步骤c中所计算的系数可以是通过将压缩机的进口温度乘以出口压力与进口压力的比率的对数而计算的系数。
该方法的一个优选实施方案预见在步骤c中计算的系数是扬程系数：
Ψ＝2*Δh/U2
其中：
Δh是末级的等熵焓升，
U是叶轮叶片尖端速度，
并且其特征在于
Δh＝R*Tin*ln(Pout/Pin)/MW
其中：
R是常数，
Tin是末级的进口处的气体的温度，
Pout是末级的出口处的压力，
Pin是末级的进口处的压力，
MW是通过压缩机的气体的分子量。
在该实施方案中，假定该气体是理想气体，并且该转化是等熵和绝热的。这种近似给出了工业现实的良好结果。
在以上定义的方法中，步骤d可以如下：如果所计算的系数小于预先确定的值，则第二设定点出口压力使得利用该第二设定点出口压力计算的系数等于预先确定的值。
在上述方法中，该压缩机可以例如是多级压缩机。在这种情况下，该压缩机的至少一个级有利地包括可变扩散阀，并且该压缩机负载控制器例如可以通过作用于至少一个可变扩散阀来调节压缩机的排放压力。
本发明还涉及一种具有压缩机的气体供应系统，包括：
-至少一个压缩机级，即所谓的末级，
-压缩机负载控制器，
-用于测量末级的进口处的温度的温度传感器，
-用于测量末级的进口处的压力的第一压力传感器，
其特征在于，该系统还包括：
-位于末级下游的压力调节器，以及
-用于实现如上所述的方法的装置。
该系统可以为消耗装置供应气体，该消耗装置可以是发动机或气体燃烧单元。在该气体供应系统中，至少一个压缩机级包括例如可变扩散阀。
该气体供应系统的压缩机可以是多级离心式压缩机。该多级压缩机可以是四级或六级压缩机。
在根据本发明的气体供应系统中，每个级可以包括叶轮，并且所有所述叶轮可以机械地连接。
现在将参考附图描述本发明的这些和其他特征，这些附图涉及本发明的优选但非限制性实施方案。
图1和图2示出了本发明的可能具体实施的两个示例。
在这些附图中的不同图示中指示的相同参考标号表示相同的元件或具有相同功能的元件。
图1示出了多级压缩机，在该示例中，该多级压缩机是四级压缩机。图1示意性地示出的压缩机的每个级10、20、30、40包括具有固定速度的离心式叶轮。这些级通过轴2和/或通过齿轮箱机械地联接。叶轮可以相似，但也可以不同，例如具有不同的直径。
供应管线4将气体供给到压缩机，更具体地供给到压缩机的第一级10的进口。沿着通过压缩机的气体流动对压缩机的级进行计数。第一级10对应于置于上游的叶轮，并且第四级或末级对应于置于下游的叶轮。该气体可以是例如来自船上或陆上的储罐的蒸发气体。
在通过第一级10之后，气体通过第一级间管线12被供给到第二级20的进口。在通过第二级20之后，气体通过第二级间管线22被供给到第三级30的进口。在通过第三级30之后，气体通过第三级间管线32被供给到第四级40(末级)的进口。
在第四级40之后，压缩气体可以在后冷却器5中冷却，之后由供应管线6引导至压力调节器100，并且之后引导至发动机200或另一装置。
该压缩机包括第一再循环管线8，该第一再循环管线可以在第一级10的出口处引离压缩气体并且可以将其供应到第一级10的进口。第一旁通阀70控制气体通过第一再循环管线8。如图所示，气体在被送入第一级10的进口之前可以被全部或部分地或不被中间冷却器72冷却。在第一旁通阀70的下游，第一再循环管线8可具有两个分支，一个分支装配有中间冷却器72和控制阀，并且另一个分支仅装配有控制阀。
在图1所示的示例中，预见了第二再循环管线74。其可在第四级40的出口处、优选地在后冷却器5的下游引离压缩气体，并且可在第二级20的进口处将该压缩气体供应到第一级间管线12中。第二旁通阀76控制气体通过第二再循环管线74。
压缩机还包括温度传感器78、第一压力传感器81、第二压力传感器82和第三压力传感器83。温度传感器78测量第四级40或末级的进口处的气体的温度。该传感器例如设置在第三级间管线32上，优选地靠近末级的入口。也可以将其集成到末级的入口中。第一压力传感器81例如在与温度传感器78相同的点处在第四级40的进口处测量压力。第二压力传感器82在第四级40的出口处、优选地后冷却器5的上游处测量压力。第二压力传感器82例如集成在末级的出口中。第三压力传感器83在第二再循环管线74的汇接点下游在后冷却器5之后测量压力。
图2所示的压缩机是六级压缩机。该压缩机的每个级10、20、30、40、50和60还包括离心式叶轮，并且这些叶轮通过轴2和/或齿轮箱机械地连接。叶轮可以相似，但也可以不同，例如具有不同的直径。
在图2中还可以看到向压缩机供给气体的供应管线4、第一级间管线12、第二级间管线22和第三级间管线32。由于在该压缩机中存在六个级，该末级还具有将第四级40的出口连接到第五级50的进口的第四级间管线42，并且最后还具有位于压缩机的第五级50的出口与其第六级60(在此是末级)的进口之间的第五级间管线52。
在该六级实施方案中，压缩气体可以例如在第三级30之后和第六级60之后在后冷却器5、5’中被冷却。后冷却器5安装在第三级间管线32中，并且后冷却器5'在压缩气体通过压力调节器100由供应管线6引导至发动机200或另一装置之前冷却压缩气体。
图2所示的压缩机还包括具有第一旁通阀70的第一再循环管线8。该气体也可以在被送入第一级10的进口之前被中间冷却器72部分地或全部冷却。
在图2所示的示例中，预见了第二再循环管线74和第三再循环管线84。第二再循环管线74可在第三级30的出口处、优选地后冷却器5的下游引离压缩气体，并且可在第二级20的进口处将该压缩气体供应到第一级间管线12中。第二旁通阀76控制气体通过第二再循环管线74。
第三再循环管线84可在第六级60的出口处、优选地后冷却器5’的下游引离压缩气体，并且可在第四级40的进口处将该压缩气体供应到第三级间管线32中。第三再循环管线84在第二再循环管线74引出的下游在第三级间管线32中接入。第三旁通阀86控制气体通过第三再循环管线84。
该六级压缩机还包括温度传感器78、第一压力传感器81、第二压力传感器82和第三压力传感器83，它们以与四级压缩机中关于末级类似的方式安装。
在如上所述的(四级或六级)压缩机中，或者在其他多级压缩机中，石墙效应可与具有通过压缩机级的高流量的低扬程压力相关联。在石墙效应区中操作通常会导致振动，并且有时甚至会损坏压缩机。
现在提出一种避免这些振动和/或损坏并避免压缩机(并且更具体地，末级，即图1的第四级40和图2的第六级60)以低扬程压力和高流量工作的方法。
根据该方法，在优选实施方案中，计算等熵扬程系数。其可以以预先确定的频率连续或周期性地完成。如果温度和压力状态可以缓慢或快速变化，则可以调整频率。
等熵扬程系数由下式给出：
Ψ＝2*Δh/U2
其中：
Δh是压缩机末级中的等熵焓升，
U是压缩机末级中的叶轮叶片尖端速度。
等熵焓升由下式给出：
Δh＝R*Tin*ln(Pout/Pin)/MW
其中：
R是普适气体常数，
Tin是末级的进口处的气体的温度，
Pout是末级的出口处的压力，
Pin是末级的进口处的压力，
MW是通过压缩机的气体的分子量。
R值约为8.314kJ/(kmol K)
Tin的单位是K
Pout和Pin的单位是bar(a)
MW的单位是kg/kmol
然后Δh的单位是kJ/kg
末级的叶轮的叶片的尖端速度的单位是m/s。
在气体成分不变或仅以很小的比例变化并且轴2的转速恒定的情况下：
Ψ＝α*[Tin*ln(Pout/Pin)]
现在提出通过集成在压缩机中的适配的计算装置88计算Ψ。这些计算装置从温度传感器78、从第一压力传感器81并从第二压力传感器82接收信息。如果气体的分子量可以改变，则关于气体的信息(例如，来自密度计和/或气体分析仪)也可以被提供给计算装置。以相同的方式，如果叶轮的速度可以改变，则可以预见在轴2上存在转速计。
然后将Ψ的值提供给电子控制装置例如压缩机负载控制器90，该电子控制装置可以命令在压缩机中预见的相关联的致动器。
在所提出的方法中，作为说明性而非限制性的示例，将考虑到如果Ψ小于0.2(具有上文给出的单位)，则压缩机(即压缩机的末级)在石墙效应状态下工作。
发动机200例如是双燃料发动机，并且更具体地是XDF发动机。该发动机200在其进口处需要可变压力。发动机200的所需压力被传递到压缩机负载控制器90，并且构成压缩机和压缩机负载控制器90的设定点出口压力。
在一些情况下，该设定点出口压力较低。在这些情况下，可能会发生的情况是Ψ的值减小并变得小于0.2。
例如，我们假设发动机200的进口所需的压力为P0。压缩机负载控制器90调节系统，使得由第三压力传感器83测量的压力对应于P0。对于该出口压力，Ψ的值例如为0.25。
此后，发动机200的工作状态发生变化，并且发动机200的进口所需的压力下降到P1(其中P1<P0)。压缩机负载控制器90然后调节系统中的压力。对于这种调节，压缩机负载控制器90例如作用在与压缩机的级相关联的可变扩散阀92上。在图1和图2上，第一级10装配有可变扩散阀92。这是非限制性示例。一个其他或多个其他级也可以具有可变扩散阀。本领域的普通技术人员还知道用于改变多级压缩机的出口压力的其他方式。
我们在此假设，在系统调节期间，压缩机系统的参数发生变化，使得Ψ的值变得等于或小于0.2。
为了避免进入石墙效应区，建议将压缩机负载控制器90中的设定点出口压力P1改变为新的设定点出口压力P2，其中(P2>P1)。
通过这样做，后冷却器(图1中的5，图2中的5’)下游的压缩机出口处的压力将增加到P2，该压力将对应于由第三压力传感器83测量的压力。为了在发动机200的进口处具有良好的压力，压力调节器100将压力向下设定到P1，该压力是发动机200所需的压力。该所需压力可以通过压缩机负载控制器90(图1)或直接通过发动机200(图2)传递到压力调节器100。存在许多压力调节系统，并且这些系统用于进行所要求的压力调节。
由压缩机负载控制器90进行的调节例如被编程为使得Ψ的值保持等于0.2。之后，如果发动机200所需的压力增加，则压缩机负载控制器90将改变其设定点出口压力，并且Ψ的值可再次大于0.2。
这种调节方法基于这样的事实，即在给定情况下，多级压缩机中关于石墙效应的限制来自末级。
尽管在所提出的方法的优选实施方案中，计算了等熵扬程系数，但是基于计算取决于进口温度和出口压力与进口压力比率的另一系数的方法也可有效。优选地，该系数取决于
Tin*ln(Pout/Pin)。
所提出的方法的优点在于其可以在不改变现有技术压缩机的情况下有效。该压力调节器可以是例如气体阀单元(GVU)，该气体阀单元通常安装在发动机的上游以调节发动机的进口压力。
上面的描述涉及多级压缩机。然而，上述方法也可以与一级压缩机一起使用。
如上所述的压缩机可以在船上或在浮式储存及再气化单元上使用。其也可以在陆上例如在码头上使用，或者还可在运载工具例如火车上使用。压缩机可以对发动机或发电机(或另一工作装置)进行供给。
显然，应该理解，以上详细描述仅作为本发明的实施方案示例提供。然而，第二实施方案方面可以根据应用进行调整，同时保持所引用的优点的至少一些。

Claims (12)

1.用于控制压缩机的方法，所述压缩机至少包括末级(40；60)和压缩机负载控制器(90)，在所述压缩机负载控制器(90)中给定对应于消耗装置所需压力的第一设定点出口压力，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a-测量所述末级(40；60)的进口处的温度；
b-测量所述压缩机的所述末级(40；60)的出口压力(Pout)与进口压力(Pin)之间的比率；
c-至少基于所述进口温度(Tin)的值以及所测量的压力比率(Pout/Pin)来计算系数(Ψ)；
d-如果所计算的系数(Ψ)在预先确定的范围内，则将所述第一设定点出口压力改变为大于所述第一设定点出口压力的第二设定点出口压力，直到利用所述第二设定点出口压力计算的所述系数(Ψ)超出所述预先确定的范围；以及
e-在压力调节器(100)中将从所述压缩机流出的流体的压力调整到对应于所述消耗装置所需压力的所述第一设定点出口压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c中计算的所述系数(Ψ)是通过将所述压缩机的所述进口温度(Tin)乘以所述出口压力与所述进口压力的所述比率(Pout/Pin)的对数而计算的系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤c中计算的所述系数是扬程系数：
Ψ＝2*Δh/U2
其中：
Δh是所述末级的等熵焓升，
U是叶轮叶片尖端速度，
并且其特征在于
Δh＝R*Tin*ln(Pout/Pin)/MW
其中：
R是常数，
Tin是所述末级(40；60)的所述进口处的气体的温度，
Pout是所述末级(40；60)的所述出口处的压力，
Pin是所述末级(40；60)的所述进口处的压力，并且
MW是通过所述压缩机的所述气体的分子量。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，在步骤d中，如果所计算的系数(Ψ)小于预先确定的值，则所述第二设定点出口压力使得利用所述第二设定点出口压力计算的所述系数(Ψ)等于所述预先确定的值。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其特征在于：所述压缩机是多级压缩机，所述压缩机的至少一个级(10)包括可变扩散阀(92)，并且所述压缩机负载控制器(90)通过作用于至少一个可变扩散阀(92)来调节所述压缩机的排放压力。
6.具有压缩机的气体供应系统，包括：
-至少一个压缩机级，即所谓的末级(40；60)，
-压缩机负载控制器(90)，
-用于测量所述末级(10)的所述进口处的温度(Tin)的温度传感器(78)，
-用于测量所述末级(40；60)的所述进口处的压力(Pin)的第一压力传感器(81)，
其特征在于，所述系统还包括：
-位于所述末级下游的压力调节器(100)，以及
-用于实现根据权利要求1至5中的一项所述的方法的装置(88,90)。
7.根据权利要求6所述的气体供应系统，其特征在于，至少一个压缩机级(10)包括可变扩散阀(92)。
8.根据权利要求6或7所述的气体供应系统，其特征在于，所述压缩机是多级离心式压缩机。
9.根据权利要求8所述的气体供应系统，其特征在于，所述压缩机是四级压缩机。
10.根据权利要求8所述的气体供应系统，其特征在于，所述压缩机是六级压缩机。
11.根据权利要求8至10中的一项所述的气体供应系统，其特征在于，每个级包括叶轮。
12.根据权利要求11所述的气体供应系统，其特征在于，所有所述叶轮机械地连接。
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