ES2950591T3

ES2950591T3 - Control de velocidad antisobrecarga para dos o más compresores

Info

Publication number: ES2950591T3
Application number: ES18743139T
Authority: ES
Inventors: Garrett Swindlehurst; Andrew Rosinski; Michael Manning
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2038-06-25
Also published as: CL2020000047A1; CN110998100A; EP3652441B1; BR112020000412B1; AU2018301275A1; KR20200023458A; KR102217823B1; CN110998100B; WO2019013959A1; US20190010949A1; PL3652441T3; BR112020000412A2; AU2018301275B2; EP3652441C0; EP3652441A1; US10989210B2; RU2730780C1; HUE062479T2

Abstract

Método y sistema de control para controlar la velocidad de compresores centrífugos (4, 5) que operan dentro de un proceso de adsorción por oscilación de presión al vacío para evitar una operación en la que pueda ocurrir sobretensión y son impulsados directamente por motores eléctricos (4, 5) que a su vez están controlados por un accionamiento de frecuencia variable (12, 13), mientras opera posteriormente el proceso de oscilación de presión de vacío entre los límites establecidos de presión de adsorción más alta y presión de desorción más baja. Se determina una velocidad óptima para el funcionamiento de los compresores a la que los compresores funcionarán a lo largo de una línea operativa de eficiencia máxima de un mapa de compresores de los mismos. Esta velocidad se ajusta mediante un multiplicador de velocidad de retroalimentación cuando el flujo u otro parámetro referido al flujo a través de los compresores está por debajo de un mínimo y un multiplicador de retroalimentación durante la evacuación y la evacuación con pasos de purga que multiplica el multiplicador de retroalimentación para aumentar la velocidad de los compresores. y así evitar sobretensiones. Luego, la velocidad se ajusta mediante un factor de velocidad global que sirve para ajustar la velocidad promedio de los motores en todos los pasos del ciclo repetitivo de manera que el proceso opere dentro de límites de presión alta y baja. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Control de velocidad antisobrecarga para dos o más compresores

Campo de la invención

La presente invención proporciona un sistema de control y procedimiento para controlar la velocidad de dos o más compresores centrífugos que funcionan dentro de un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío y directamente accionados por motores eléctricos para optimizar la eficiencia de los compresores en el funcionamiento del aparato y evitar que los compresores entren en sobrecarga. Más particularmente, la presente invención se refiere a un método y sistema del tipo en el que se aumenta la velocidad durante al menos aquellas etapas de un ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío donde el compresor puede encontrar sobrecarga y en cantidades de aumento que varían según las etapas que se estén llevando a cabo. Además, la presente invención se refiere a un método y sistema del tipo en el que la velocidad relativa del compresor aumenta o disminuye durante todas las etapas de un ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío para que las presiones dentro del aparato no excedan un límite dado, y de manera que las presiones para cada depósito del aparato sigan el mismo patrón repetitivo para asegurar un funcionamiento estable del aparato.

Antecedentes de la invención

En un proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío se utilizan uno o más adsorbentes para adsorber uno o más componentes de una corriente de alimentación y, de este modo, producir una corriente de producto purificado. Un proceso típico tiene una serie de etapas ejecutadas continuamente según un ciclo repetitivo. En el ciclo repetitivo, un lecho adsorbente que contiene el adsorbente se usa de forma alternativa para producir el producto purificado y a continuación se regenera. Durante la regeneración, los componentes adsorbidos se desorben del adsorbente y, a continuación, el lecho adsorbente es llevado de vuelta a una condición en la que puede producir producto.

US-A-2013/0323082 A1 describe un método para controlar la velocidad del compresor centrífugo dentro de un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío, en donde dicho aparato comprende un compresor centrífugo y un lecho de absorción, en donde el compresor centrífugo tiene una entrada configurada para recibir una corriente de fluido y una salida configurada para descargar una corriente de fluido presurizado, comprendiendo dicho método:

- medir y calcular la velocidad de flujo de una corriente de fluido que entra en la entrada del compresor centrífugo, siendo accionado el compresor centrífugo directamente por un motor eléctrico que tiene una velocidad controlada por un variador de frecuencia;

- medir y calcular la presión de la corriente de fluido presurizado en la salida del compresor y la presión de la corriente de fluido en la entrada del compresor y calcular la relación de presión de salida a la presión de entrada del compresor centrífugo;

- determinar una velocidad óptima del compresor centrífugo sobre la base de la relación de presión y que se encuentra a lo largo de la línea operativa con un pico de eficiencia del compresor centrífugo;

- determinar una velocidad de flujo mínima permisible de la corriente de fluido que pasa a través del compresor centrífugo a la que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima;

- determinar un multiplicador de retroalimentación que cuando se multiplica por la velocidad óptima aumentará la velocidad cuando la velocidad de flujo que pasa a través del compresor centrífugo sea menor que la velocidad de flujo mínima permisible, o reducirá la velocidad cuando la velocidad de flujo que pasa a través del compresor centrífugo sea mayor o igual que la velocidad de flujo mínima permisible;

- establecer un multiplicador de velocidad total durante las etapas de un ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío donde es menos probable que el compresor centrífugo encuentre condiciones de sobrecarga, aparte de una etapa de evacuación pura y una etapa de evacuación con la purga del producto de la misma;

- calcular una velocidad ajustada para tanto el compresor que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío como el compresor que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío multiplicando la velocidad óptima por el multiplicador de velocidad total de alimentación o el multiplicador de velocidad total de vacío, respectivamente; y

- generar una señal de control atribuible al menos a la velocidad ajustada para el compresor e introducir la señal de control en el variador de frecuencia para el compresor de manera que el motor eléctrico y el compresor centrífugo funcionen a la velocidad ajustada.

En un proceso típico de adsorción por oscilación de presión por vacío diseñado para hacer oxígeno producto del aire de alimentación, un lecho adsorbente se somete a un proceso de diez etapas llevado a cabo en un ciclo repetitivo. Para obtener la mayor recuperación de oxígeno, usualmente se lleva a cabo un procedimiento de dos lechos. En una primera etapa, el primer lecho se evacúa simultáneamente desde el fondo y se presuriza desde la parte superior con gas de ecualización suministrado desde el segundo lecho. Después de eso, se añade un producto de alta pureza a la parte superior del lecho desde el tanque de compensación de oxígeno mientras un compresor de alimentación suministra aire de alimentación, típicamente un soplador del tipo Roots. En una tercera etapa, el lecho continúa siendo presurizado desde el fondo a través del soplador. El lecho ahora está listo para hacer producto y se introduce aire de alimentación en el fondo del depósito y se retira producto de la parte superior durante la etapa 4. En la etapa 5, el gas producto se suministra al tanque de compensación de oxígeno y algún producto se somete a reflujo sobre el segundo lecho como purga. Después de completar la producción, el soplador se descarga durante la etapa 6 y el gas de pureza inferior restante en la parte superior del lecho presurizado se transfiere al segundo lecho como gas de ecualización. En las posteriores etapas 7, 8 y 9 de evacuación, el nitrógeno residual se elimina del fondo del depósito a través del compresor de vacío mientras ningún flujo sale o entra en la parte superior del depósito. En la última etapa, el compresor de vacío continúa eliminando nitrógeno del fondo del depósito mientras se añade gas de purga a la parte superior del depósito desde el segundo lecho. La presión permanece relativamente constante durante esta etapa debido al hecho de que el flujo de purga de oxígeno se controla igual que el flujo de evacuación.

Según se describe en U.S. 7,785,405, los compresores centrífugos accionados directamente por motores de imanes permanentes de alta velocidad de accionamiento directo se han utilizado ventajosamente en procesos de adsorción por oscilación de presión por vacío. El uso de estos motores permite un funcionamiento con velocidad variable de manera que el compresor y la(s) combinación(es) de motor de imanes permanentes de alta velocidad pueden acelerarse de baja velocidad a alta velocidad y desacelerarse de alta velocidad a baja velocidad rápidamente, según lo requiera el proceso. Se ha descubierto que esto ofrece una mejora importante sobre el uso de compresores centrífugos accionados por sistemas convencionales de motores de inducción/caja de engranajes que, debido a la alta inercia del motor de inducción, no puede acelerar ni desacelerar rápidamente. Al variar continuamente las velocidades del compresor para que coincidan con el requisito de relación de presión del compresor, que varía debido a la presurización y la evacuación de lechos adsorbentes, el compresor centrífugo utilizado en un ciclo de este tipo puede funcionar casi en su máxima eficiencia, y preferiblemente en ella, desde el 100 % de la velocidad de diseño o superior hasta una velocidad sustancialmente inferior, a menudo de tan solo el 30 % de la velocidad de diseño.

Los compresores están diseñados para funcionar dentro de una envolvente operativa que puede representarse en lo que se denomina un mapa de compresor de la relación de presión entre la presión de salida y la presión de entrada frente a la velocidad de flujo a través del compresor. En un gráfico de este tipo se representa una línea operativa del pico de la eficiencia o mejor eficiencia, en la que, para una velocidad de flujo y una relación de presión dadas, el consumo de energía del compresor es mínimo. Este mapa de compresor se puede programar en un controlador usado para controlar la velocidad del motor y, por lo tanto, el compresor. Dependiendo de la etapa específica en el proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío, que requeriría una relación de presión específica a través del compresor centrífugo, el controlador envía una señal atribuible a la velocidad óptima, determinada a partir del mapa del compresor, a un variador de velocidad que controla la velocidad del motor de imanes permanentes de alta velocidad.

Sin embargo, hay situaciones que pueden hacer que el compresor se mueva fuera de la línea operativa con el pico de eficiencia y pase a una condición de sobrecarga. Por ejemplo, puede haber un retardo en el sistema de control, etapas de transición en el proceso llevadas a cabo por el aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío, cambios en las condiciones ambientales y una transición fuera de la línea de velocidad mínima. En todas estas situaciones, el flujo de masa que se comprime puede caer para una velocidad y una relación de presión dadas para accionar el compresor en sobrecarga. Por lo tanto, un evento de sobrecarga es producido por una velocidad de flujo a través del compresor que cae por debajo de un flujo mínimo requerido a una velocidad dada del impulsor del compresor que es necesaria para mantener un funcionamiento estable. En un evento de sobrecarga, la presión de descarga desarrollada por el compresor disminuye, lo que provoca un gradiente de presión inversa en la descarga del compresor y un reflujo resultante de gas. Una vez que la presión en la línea de descarga del compresor cae por debajo de la presión desarrollada por el impulsor, el flujo se invierte una vez más. Se ha descubierto que este patrón de flujo alternante es una condición inestable que puede dar como resultado daños graves al impulsor del compresor, al mecanismo de accionamiento y a los componentes. Esta condición debe evitarse.

En ciclos repetitivos empleados en el aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío, las condiciones operativas de la compresión en las que puede producirse la sobrecarga serán más críticas a altas velocidades. De forma adicional, durante las etapas de evacuación y purga y particularmente durante la transición entre las etapas de purga y evacuación, es probable que se produzca una sobrecarga. Como se explicará, la presente invención proporciona un control de velocidad que está particularmente diseñado para evitar la sobrecarga durante el funcionamiento a baja velocidad y durante las etapas de evacuación y purga y la transición entre estas etapas.

En el caso del funcionamiento de un aparato de oscilación de presión por vacío que comprenda dos o más lechos, es fundamental que la traza de presión dependiente del tiempo con cada etapa en el ciclo repetitivo sea idéntica para cada depósito del aparato. Para cada depósito del aparato, la presión inicial y la presión final para cada etapa deben ser idénticas. Esta condición, que se denomina típicamente “equilibrio” entre los expertos en la técnica, es necesaria para asegurar que la producción del aparato permanezca estable y que no se excedan presiones máximas y mínimas en el ciclo, ya que tal exceso puede dañar la turbomaquinaria asociada. Además, la duración de cada etapa debe ser la misma. Esta condición, que se denomina típicamente “ simetría” entre los expertos en la técnica, es necesaria para asegurar que los ciclos de presión de cada depósito permanezcan en el mismo grado fuera de fase con respecto al otro. Si no se cumple esta condición, el proceso puede entrar en un estado en el que no hay alimentación ni se producen productos según lo diseñado, lo que interrumpe la producción continua del aparato.

Para los procesos de adsorción por oscilación de presión por vacío usados típicamente para la producción de oxígeno a partir de aire, el control de la traza de presión dependiente del tiempo en el ciclo está controlado parcialmente por ambas válvulas de cabecera superiores del proceso, lo que es típico para la mayoría de los procesos de adsorción por oscilación de presión. De forma adicional, para el funcionamiento de un aparato de oscilación de presión por vacío para la producción de oxígeno a partir de aire con compresores de velocidad variable, la traza de presión en las etapas del ciclo se ve muy afectada por el funcionamiento del equipo de compresión de velocidad variable asociado. Esto es consecuencia de la envolvente operativa característica para la turbomaquinaria, en la que la velocidad de flujo a través de la máquina no solo depende de la relación de presión a través de la máquina, sino de la velocidad de rotación de la máquina.

Por lo tanto, en el funcionamiento de compresores de velocidad variable accionados por motores de imanes permanentes de accionamiento directo, es imperativo que la velocidad del compresor se ajuste en pequeños incrementos de un ciclo al siguiente de modo que no se excedan determinados límites de presión en el proceso, y de modo que los compresores no aumenten o disminuyan gradualmente la presión media cíclica en cada depósito de un ciclo operativo al siguiente. La consecuencia de la desviación de la condición de funcionamiento estable de un ciclo de variación de presión idéntico continuo en cada depósito puede ser un daño a los compresores, incluidos por eventos de sobrecarga. Además, asegurar un ciclo de variación de presión estable e idéntico en cada depósito asegura que se maximice la producción desde el aparato de oscilación de presión por vacío.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona un método para controlar la velocidad de dos o más compresores centrífugos que funcionan dentro de un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío. Los compresores centrífugos son accionados directamente por un motor eléctrico controlado por un variador de frecuencia. A este respecto, el término “ motor eléctrico” como se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones significa un motor de imanes permanentes de alta velocidad o un motor de inducción de alta velocidad. En relación con este método, se mide y calcula un parámetro atribuible a una velocidad del flujo de gas que entra en el compresor centrífugo. También se mide y calcula la relación de presión de presión de salida a presión de entrada del compresor. Una velocidad óptima del compresor centrífugo se determina sobre la base de la relación de presión y que se encuentra a lo largo de la línea operativa con el pico de eficiencia del compresor centrífugo. De forma adicional, también se determina un valor mínimo permisible del parámetro en el que es probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima. Se determina un multiplicador de retroalimentación que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, aumentará la velocidad cuando el parámetro sea menor que el valor mínimo permisible, o reducirá la velocidad cuando el parámetro sea mayor o igual que el valor mínimo permisible. Un factor general de velocidad global (“ GSF” , por sus siglas en inglés) se aplica a la velocidad del motor, lo que desplaza ligeramente el funcionamiento del compresor de la línea de velocidad óptima en todas las etapas durante el ciclo repetitivo, de manera que la presión en los depósitos al final de cada presurización y despresurización son iguales a los puntos de ajuste para el proceso de la mayor presión de adsorción objetivo y de la menor presión de desorción objetivo, respectivamente. El GSF es generalmente /- 5 % de la línea de velocidad óptima; en otra realización /- 3 % de la línea de velocidad óptima, y en otra realización más /- 2 % de la línea de velocidad óptima. Este “punto de ajuste de la mayor presión de adsorción objetivo” es el valor deseado para la presión máxima alcanzada en el lecho de adsorción durante las etapas en las que el lecho produce producto gaseoso. El “ punto de ajuste de la menor presión de desorción” es el valor deseado para la presión mínima alcanzada en el lecho de adsorción durante las etapas en las que el lecho se regenera en el proceso de oscilación de presión por vacío. De esta manera, la traza de presión dependiente del tiempo del proceso de adsorción cíclico permanece dentro de la mayor y la menor presión de funcionamiento deseada para todas las etapas del ciclo, evitando de este modo un evento de sobrecarga provocado por la relación de presión mayor de la deseada a través de los compresores.

Durante las etapas de un ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato de adsorción por oscilación por vacío donde es al menos probable que el compresor centrífugo encuentre condiciones de sobrecarga, aparte de una etapa de evacuación pura y una etapa de evacuación con la purga del producto de la misma, se establece un multiplicador de velocidad total igual al multiplicador de retroalimentación multiplicado por el factor de velocidad global. Durante la etapa de evacuación pura y la etapa de evacuación con la purga del producto, el multiplicador de velocidad total se calcula multiplicando el multiplicador de retroalimentación y el factor de velocidad global mediante un multiplicador de prealimentación que aumentará la velocidad durante la etapa de evacuación y la etapa de evacuación con la purga de manera que no sea probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga. Se calcula una velocidad ajustada a este tiempo multiplicando la velocidad óptima por el multiplicador de velocidad total. Se genera una señal de control atribuible al menos a la velocidad ajustada y se introduce en el variador de frecuencia de manera que el motor eléctrico y, por lo tanto, los compresores centrífugos funcionan a la velocidad ajustada. Cabe señalar que, como se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones, el término “etapa de evacuación pura” significa una etapa del proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío en la que un lecho adsorbente es evacuado desde el fondo del lecho de adsorción y las válvulas se colocan de modo que no se introduzca gas en el lecho adsorbente ni se libere de la parte superior del lecho de adsorción. Además, como se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones, el término “etapa de evacuación con la purga del producto” significa una etapa del proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío en la que un lecho adsorbente se somete a evacuación en el fondo del lecho de adsorción y la introducción de gas producto, por ejemplo oxígeno, en la parte superior del lecho.

El método y sistema de control de velocidad contra la sobrecarga, como se ha explicado anteriormente y se expone en las reivindicaciones, son igualmente aplicables al aparato en el que un único compresor sirve para alimentar gas comprimido a un lecho de adsorción y evacuar un lecho de adsorción durante su regeneración o donde se usa un compresor de alimentación para alimentar gas comprimido a lechos de adsorción del aparato y se usa un compresor de evacuación para evacuar gases de los lechos de adsorción. A este respecto, cuando se usa un compresor de evacuación, será un compresor centrífugo que utiliza la estrategia anterior del control contra la sobrecarga. El compresor de alimentación en este aparato puede no ser un compresor centrífugo y, como tal, no se sometería a este control contra la sobrecarga. Como se explicará, cuando el compresor de alimentación es un compresor centrífugo, se pueden usar elementos del control de velocidad contra la sobrecarga para su control.

Se entiende que, en términos generales, la presente invención contempla que todo el multiplicador de velocidad esté establecido igual que el multiplicador de retroalimentación multiplicado por el factor de velocidad global donde es al menos probable que el compresor centrífugo encuentre condiciones de sobrecarga aparte de la etapa de evacuación pura y la etapa de evacuación con la purga del producto de la misma. La presente invención contempla específicamente, en puntos dentro del ciclo repetitivo, donde es poco probable que se encuentren condiciones de sobrecarga, introducir la señal de control en el variador de frecuencia, lo que tendrá el efecto de eliminar la energía del motor eléctrico. A este respecto, el proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío puede usar un único compresor para alimentar gas comprimido a un lecho adsorbente y otro único compresor para evacuar gases del lecho adsorbente. En tal caso, el ciclo repetitivo puede incluir una alimentación con una etapa de ecualización posterior a la etapa de evacuación con la purga del producto, una alimentación con una etapa de nueva presurización del producto después de la alimentación con la etapa de ecualización y una etapa de ecualización antes de la etapa de evacuación pura. Durante la alimentación con la etapa de ecualización, la etapa de ecualización y el inicio de la alimentación con la etapa de nueva presurización del producto, la señal de control es atribuible a una velocidad no operativa de manera que, cuando la señal de control se introduce en el variador de frecuencia, la energía eléctrica no se aplica al motor eléctrico. Sin embargo, cuando se obtiene un valor predeterminado del aumento de presión a través del compresor durante la alimentación con la etapa de nueva presurización del producto, la señal de control es atribuible nuevamente a la velocidad ajustada de manera que el motor eléctrico y, por lo tanto, el compresor funcionen a la velocidad ajustada. Sin embargo, cabe señalar que la presente invención también contempla y pretende cubrir con las reivindicaciones adjuntas una realización en la que en las etapas del ciclo repetitivo, aparte de la etapa de evacuación pura y la etapa de evacuación con la purga del producto, el multiplicador de velocidad total siempre se establezca igual que el multiplicador de retroalimentación multiplicado por el factor de velocidad global y la señal de control siempre sea atribuible a la velocidad ajustada. Además, en un aparato de lecho multiadsorbente que utiliza compresores dedicados de alimentación y evacuación, el ciclo repetitivo puede incluir una etapa de ecualización de presión decreciente y una etapa de ecualización de presión creciente posterior a la etapa de evacuación con la purga del producto. Durante la etapa de ecualización de presión decreciente y la etapa de ecualización de presión creciente, la señal de control es atribuible a una velocidad no operativa de manera que la energía eléctrica no se aplica al motor eléctrico que se acciona con el compresor de evacuación. Cuando se obtiene una relación de presión predeterminada durante la etapa de ecualización de presión decreciente, la señal de control se establece nuevamente como atribuible a la velocidad ajustada de manera que el compresor de evacuación funcione a la velocidad ajustada.

Cada vez que se determina el multiplicador de retroalimentación, se puede almacenar el multiplicador de retroalimentación. Cuando el parámetro es menor que el valor mínimo permisible, el multiplicador de retroalimentación se determina añadiendo a un último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación un factor de corrección de velocidad. Cuando el parámetro es mayor o igual que el valor mínimo permisible, el multiplicador de velocidad de realimentación se calcula dividiendo el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación por una constante de proporcionalidad. La constante de proporcionalidad se establece igual a un valor superior a 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es mayor o igual a 1,0 o 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es menor que 1,0.

El multiplicador de prealimentación puede ser una función de la relación de presión. La función puede tener un valor máximo del multiplicador de prealimentación en una relación de presión predeterminada en la que será probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga durante una transición entre la etapa de evacuación y la etapa de purga, o directamente antes de que esto suceda. La función tendrá valores decrecientes del multiplicador de prealimentación en relaciones de presión mayores o menores que el valor máximo. El valor máximo tiene una magnitud preseleccionada de manera que, cuando el valor máximo se multiplica por la velocidad óptima en la relación de presión predeterminada, la velocidad resultante impedirá que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga. La función puede ser una función gaussiana.

El parámetro o la velocidad de flujo de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo puede calcularse midiendo la diferencia de presión medida en dos puntos de la cubierta del compresor centrífugo que están sucesivamente más cerca de un rodete del mismo. La cubierta o carcasa fija para el rodete de un compresor centrífugo tiene un diámetro mínimo. Este diámetro mínimo se puede usar como una placa perforada para calcular el flujo a través del compresor. Al medir la diferencia en la presión del fluido a través de bifurcaciones corriente arriba y corriente abajo del diámetro mínimo, la velocidad de flujo se puede obtener de las ecuaciones conocidas de placas perforadas. Durante cada uno de los intervalos de tiempo, se calcula un error de diferencia de presión y se almacena restando el valor mínimo permisible del valor actual de la diferencia de presión. El factor de corrección de velocidad del multiplicador de retroalimentación se calcula durante cada uno de los intervalos de tiempo a través del control integral proporcional que comprende añadir un término proporcional a un término integral, calculado el término proporcional multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre el error de diferencia de presión y un error de diferencia de presión anterior calculado en un intervalo de tiempo anterior y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo. El término integral se calcula dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando su cociente resultante por el error de diferencia de presión. El parámetro o la velocidad de flujo de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo puede medirse utilizando otros medios de medición directa de flujo, tales como rotámetros basados en el efecto del área variable o medidores de flujo basados en la rotación de un impulsor. De forma alternativa, también se pueden usar otros medios indirectos de medición de flujo para calcular el parámetro, tal como mediciones de presión a través de un tubo venturi situado dentro de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo o en una estela de dicha corriente de fluido, o usando tubos de Pitot para medir la presión dentro de la corriente de fluido de los mismos.

Después de que se hayan añadido los multiplicadores de retroalimentación y prealimentación para garantizar un funcionamiento seguro del compresor lejos del límite de sobrecarga, se aplica un ajuste del factor de velocidad global (GSF) a la máquina para garantizar el funcionamiento del aparato por oscilación de presión por vacío cíclico entre los límites de presión deseados. El propósito del GSF es doble: en primer lugar, para garantizar que no se alcancen presiones demasiado altas o demasiado bajas en los depósitos del aparato, lo que provocaría un evento de sobrecarga en un compresor que ya no puede aumentar su velocidad; en segundo lugar, para garantizar que desde un ciclo operativo hasta el siguiente, se logre la misma traza de presión cíclica en cada etapa del ciclo para cada depósito. Para garantizar que los depósitos del proceso logren una traza de presión estable, y que no se eleven ni caigan a una presión media hasta una condición de funcionamiento no seguro para los compresores asociados, el flujo general hacia los depósitos debe ajustarse continuamente para responder a las fluctuaciones del proceso en otro equipo del aparato y para variar las condiciones ambientales. Al ajustar la velocidad objetivo para los compresores ligeramente hacia arriba o hacia abajo durante el ciclo, la velocidad de flujo a través de cada compresor puede modificarse ligeramente con cada repetición del ciclo del proceso para garantizar que se logre la estabilidad, el equilibrio y la simetría en el proceso de adsorción cíclico.

El GSF se calcula sobre la base de un circuito de control de retroalimentación que interacciona con mediciones de presión de los depósitos del proceso del aparato. Para un compresor que está en funcionamiento para aumentar la presión de un depósito, se registra la presión del depósito al final del aumento de la presión y se compara con un valor objetivo, que es el punto de ajuste de la mayor presión de adsorción objetivo. Si la medición excede el objetivo es porque se suministró demasiado flujo al depósito para el ciclo actual, y el GSF se reduce para el siguiente ciclo. De la misma manera, para un compresor que disminuye la presión de un depósito en el ciclo, se registra la presión del depósito al final de la presión decreciente y se compara con un valor objetivo. Si la medición excede el objetivo es porque no se eliminó suficiente flujo durante el ciclo actual, y el GSF se aumenta para el siguiente ciclo.

Dado que el GSF se aplica para ajustar la velocidad de los compresores para cada etapa del ciclo, este reduce o aumenta efectivamente la velocidad media de los compresores que varían de velocidad constantemente durante el proceso. Mediante el uso de mediciones de presión en los depósitos del aparato como retroalimentación para controlar el valor del GSF, la cantidad media del gas que entra y sale de cada depósito varía continuamente de un ciclo al siguiente para garantizar que la traza de presión cíclica lograda en el proceso de oscilación de presión por vacío esté dentro de los límites y sea estable en muchos ciclos.

En algunas realizaciones de la presente invención, puede ser ventajoso asignar el mismo GSF asociado a la velocidad de un compresor dado respecto a cada depósito en el proceso. En este caso, habrá un GSF para cada compresor del aparato. En otras realizaciones, puede ser más ventajoso usar un GSF diferente asociado a cada par de compresor y depósito. Para un ejemplo de un proceso de oscilación de presión de dos depósitos accionado por dos compresores diferentes, habrá cuatro GSF diferentes en este caso. Este último caso es ventajoso cuando las realizaciones de la presente invención se aplican a la producción de oxígeno a partir de aire usando un proceso VPSA (siglas en inglés que corresponden a “vacuum pressure swing adsorption” ), ya que frecuentemente hay variaciones entre la capacidad de nitrógeno del adsorbente de un depósito a otro. Por lo tanto, la variación de la velocidad de cada par de máquinadepósito en todas las etapas del funcionamiento donde están conectadas en comunicación de fluidos puede garantizar que el criterio de equilibrio se mantenga para el proceso.

La presente invención también proporciona un sistema de control para controlar la velocidad de un compresor centrífugo que funciona dentro de un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío y accionado directamente por un motor eléctrico controlado por un variador de frecuencia. El sistema de control está provisto de medios para detectar un parámetro atribuible a una velocidad de flujo de gas entrante en el compresor centrífugo. Se colocan unos transductores de presión para detectar presión en una entrada y una salida del compresor centrífugo. Además, el sistema de control está provisto de medios para detectar la presión de los depósitos asociados del aparato por oscilación de presión por vacío.

Se proporciona un controlador que responde a los medios de detección de parámetros, los transductores de presión y las etapas de un ciclo repetitivo llevadas a cabo por el aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío. El controlador tiene un programa de control que está programado para calcular una relación de presión de las presiones de la salida a la entrada del compresor centrífugo. El programa de control también determina una velocidad óptima del compresor centrífugo sobre la base de la relación de presión y que se encuentra a lo largo de la línea operativa con el pico de la eficiencia del compresor centrífugo. Un valor mínimo permisible del parámetro en el que es probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima es determinado por el controlador junto con un multiplicador de retroalimentación que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, aumentará la velocidad cuando el parámetro sea menor que el valor mínimo permisible o reducirá la velocidad cuando el parámetro sea mayor o igual que el valor mínimo permisible. Un multiplicador de velocidad total se establece igual al producto del multiplicador de retroalimentación y el factor de velocidad global durante las etapas del ciclo repetitivo donde es al menos probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga, aparte de una etapa de evacuación pura y una etapa de evacuación con la purga del producto de la misma. El multiplicador de velocidad total se establece igual a un producto matemático del multiplicador de retroalimentación, el multiplicador de prealimentación y el factor de velocidad global durante la etapa de evacuación pura y la etapa de evacuación con la purga del producto, lo que aumentará la velocidad de manera que no sea probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga. Los factores de velocidad global se determinan a partir de la mayor presión de adsorción previa al final de la alimentación y el final de la menor presión de desorción de las etapas de purga para cada depósito del aparato, en donde el factor de velocidad global aumentará la velocidad en todas las etapas para cada compresor cuando la mayor presión de adsorción obtenida sea demasiado baja y la menor presión de desorción obtenida sea demasiado alta. Una velocidad ajustada se calcula multiplicando la velocidad óptima por el multiplicador de velocidad total, que incluye el efecto del factor de velocidad global.

El controlador está configurado para generar una señal de control en respuesta al programa de control y es capaz de servir como entrada en el variador de frecuencia de manera que la velocidad del motor eléctrico y, por lo tanto, el compresor centrífugo, se controlen en respuesta a la señal de control. La señal de control es atribuible al menos a la velocidad ajustada de manera que el motor eléctrico y, por lo tanto, el compresor centrífugo funcionen a la velocidad ajustada.

Como se indicó anteriormente, el sistema es aplicable a un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío que utilice un compresor de alimentación para alimentar gas comprimido a lechos de adsorción del aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío y un compresor de evacuación utilizado para evacuar gases de los lechos de adsorción. En tal caso, el compresor de evacuación está formado por el compresor centrífugo. Otro compresor centrífugo puede utilizarse o no para formar el compresor de alimentación.

La alimentación al aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío puede suministrarse desde compresores separados o desde un único compresor. Más específicamente, los dos lechos pueden tener un compresor dedicado para la alimentación y otro compresor dedicado para la evacuación, o cada lecho puede tener un compresor dedicado tanto para la alimentación como para la evacuación. En tales casos en los que se usa más de un compresor para accionar el aparato, el ciclo repetitivo puede incluir una alimentación con una etapa de ecualización posterior a la etapa de evacuación con la purga del producto, una alimentación con una etapa de nueva presurización del producto seguida de la alimentación con una etapa de ecualización y una etapa de ecualización anterior a la etapa de evacuación pura. El programa de control puede programarse para producir una velocidad no operativa a la que el variador de frecuencia eliminará la energía eléctrica del motor eléctrico y la señal de control es atribuible a la velocidad no operativa cuando sea producida por el programa de control. Durante la alimentación con la etapa de ecualización, la etapa de ecualización y el inicio de la alimentación con la etapa de nueva presurización del producto, el programa de control produce la velocidad no operativa de manera que, cuando la señal de control se introduce en el variador de frecuencia, la energía eléctrica no se aplica al motor eléctrico. El programa de control también se programa de manera que, cuando se obtiene un valor predeterminado de la relación de presión durante la alimentación con la etapa de nueva presurización del producto, la señal de control sea atribuible nuevamente a la velocidad ajustada de manera que el motor eléctrico y, por lo tanto, el compresor funcionen a la velocidad ajustada. En el caso de un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío que utilice un compresor de evacuación dedicado, el ciclo repetitivo puede incluir una etapa de ecualización de presión decreciente y una etapa de ecualización de presión creciente posterior a la etapa de evacuación con la purga del producto. El programa de control en tal caso se programa para producir una velocidad no operativa a la que el variador de frecuencia eliminará la energía eléctrica del motor eléctrico y la señal de control sea atribuible a la velocidad no operativa cuando sea producida por el programa de control. Durante la etapa de ecualización de presión decreciente y la etapa de ecualización de presión creciente, el programa de control produce la velocidad no operativa de manera que, cuando la señal de control se introduce en el variador de frecuencia, la energía eléctrica no se aplica al motor eléctrico que acciona el compresor de evacuación. El programa de control también se programa de manera que, cuando se obtiene un valor predeterminado de la relación de presión durante la etapa de ecualización de presión decreciente, la señal de control es atribuible nuevamente a la velocidad ajustada de manera que el motor eléctrico y, por lo tanto, el compresor de evacuación funcionen a la velocidad ajustada.

El programa de control se puede programar de manera que cada vez que se determine el multiplicador de retroalimentación, se almacene el multiplicador de retroalimentación. Según esta programación, cuando el parámetro es menor que el valor mínimo permisible, el multiplicador de retroalimentación se determina añadiendo a un último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación un factor de corrección de velocidad. Cuando el parámetro es mayor o igual que el valor mínimo permisible, el multiplicador de velocidad de retroalimentación se determina dividiendo el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación por una constante de proporcionalidad. La constante de proporcionalidad se establece igual a un valor superior a 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es mayor o igual a 1,0 o 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es menor que 1,0.

El programa de control también se puede programar de manera que el multiplicador de prealimentación sea una función de la relación de presión. Esta función tiene un valor máximo del multiplicador de prealimentación en una relación de presión predeterminada en la que será probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga durante una transición entre la etapa de evacuación y la etapa de purga, o directamente antes de que esto suceda. El multiplicador de prealimentación tiene valores decrecientes del multiplicador de prealimentación en relaciones de presión mayores o menores que el valor máximo. El valor máximo tiene una magnitud preseleccionada de manera que, cuando el valor máximo se multiplica por la velocidad óptima en la relación de presión predeterminada, la velocidad resultante impedirá que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga. La función puede ser una función gaussiana.

De forma adicional, el programa de control se puede programar de manera que cada vez que se calcule el factor de velocidad global (GSF), se almacene el GSF. Cada vez que la medición de la presión del depósito del proceso difiere del valor objetivo, el GSF se determina añadiendo un factor de corrección de GSF al último valor del GSF almacenado. El factor de corrección GSF está determinado por la suma de dos términos, el primero obtenido multiplicando la diferencia entre el valor objetivo y el valor actual para el ciclo actual y un ciclo previo por una constante de proporcionalidad, y añadiendo a este primer término un segundo término obtenido dividiendo la diferencia entre el valor objetivo y el valor actual para el ciclo actual por una segunda constante de proporcionalidad.

GSF, nuevo = GSF, actual K1 (Error, actual - Error, previo) K₂(Error, actual)

El GSF es nominalmente 1 si las condiciones del proceso de adsorción cíclico permiten ejecutar la rueda del compresor a lo largo de la línea de eficiencia óptima durante todo el proceso, mientras, en consecuencia, se logran la mayor presión de adsorción objetivo y la menor presión de desorción objetivo para el proceso.

Los medios de detección de parámetros pueden incluir dos transductores de presión adicionales situados en dos puntos de la cubierta del compresor centrífugo que están sucesivamente más cerca de un rodete del mismo. En tal caso, el programa de control se programa para calcular una diferencia de presión a partir de la presión medida por los dos transductores de presión adicionales. El parámetro es la diferencia de presión. En tal caso, el programa de control puede programarse de manera que, durante cada uno de los intervalos de tiempo, se calcule y almacene un error de diferencia de presión restando el valor mínimo permisible del valor actual de la diferencia de presión. El factor de corrección de velocidad del multiplicador de retroalimentación se calcula durante cada uno de los intervalos de tiempo a través del control integral proporcional que comprende añadir un término proporcional a un término integral. El término proporcional es calculado multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre el error de diferencia de presión y un error de diferencia de presión anterior calculado en un intervalo de tiempo anterior y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo. El término integral puede calcularse dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando su cociente resultante por el error de diferencia de presión.

Breve descripción de los dibujos

Aunque la memoria descriptiva concluye con reivindicaciones que puntualizan distintiva y particularmente el objeto que los solicitantes consideran como su invención, se considera que la invención se entenderá mejor en relación con los dibujos adjuntos en los que:

la Figura 1 es un diagrama esquemático de un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío que utiliza compresores de alimentación y evacuación especializados en relación con lechos adsorbentes para llevar a cabo un proceso según la presente invención;

la Figura 2 es un diagrama ilustrativo de la velocidad y la energía aplicadas a un motor utilizado para accionar el compresor de alimentación usado en la Figura 1;

la Figura 3 es un diagrama ilustrativo de la velocidad y la energía aplicadas a un motor utilizado para accionar el compresor por vacío usado en la Figura 1.

la Figura 4 es un diagrama lógico de programación de control de velocidad utilizado en un controlador empleado en la Figura 1;

la Figura 5 es una curva ilustrativa de un mapa de compresor que ilustra la línea operativa con el pico de eficiencia representada contra la relación de presión frente al flujo de masa a través del compresor;

la Figura 6 es una curva gaussiana de un multiplicador de velocidad de prealimentación usado en la programación de control del controlador empleado en la Figura 1.

Descripción detallada

Con referencia a la Figura 1, se ilustra un aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío que está diseñado para producir un producto de oxígeno. Aunque el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío es un diseño de dos lechos, se entiende que esto es a título ilustrativo y la presente invención tendría una aplicabilidad igual a un diseño de lecho único o múltiple usando un único o múltiples compresores diseñados para presurizar y evacuar un lecho o lechos adsorbentes. Además, la presente invención es igualmente aplicable a un aparato de adsorción por oscilación de presión por vacío diseñado para producir otros productos tales como dióxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno o helio. Como tal, el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío se muestra y describe en la presente memoria solo con fines ilustrativos.

Con referencia a la Figura 1, se ilustra un aparato 1 para llevar a cabo un ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío en el que dos lechos adsorbentes 2 y 3 se someten a un ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío de doce etapas en el que un compresor 4 de alimentación alimenta de forma alternante aire comprimido a los dos lechos adsorbentes 2 y 3 y un compresor 5 de evacuación evacúa gases de forma alternante de los lechos adsorbentes 2 y 3 durante este ciclo. El aire de alimentación se introduce a través de una entrada 6 que contiene un filtro para filtrar partículas. La corriente de aire resultante se extrae mediante el compresor 4 que tiene un posenfriador 7 para eliminar el calor de compresión. La corriente de alimentación comprimida resultante se introduce en un lecho adsorbente que contiene adsorbentes LIX muy conocidos para producir un producto de oxígeno que se introduce en un tanque 8 de compensación de oxígeno desde el cual se puede extraer una corriente 9 de oxígeno producto. El compresor 5 de evacuación extrae una corriente de residuos del lecho de adsorción y lo descarga al ambiente. Los compresores 4 y 5 de alimentación y evacuación son accionados por motores 10 y 11 de velocidad variable, respectivamente, que están controlados por variadores 12 y 13 de velocidad. Los motores 10 y 11 de velocidad variable podrían ser motores de imanes permanentes o motores de inducción. Los variadores 12 y 13 de velocidad controlan la velocidad de los motores y responden a las señales de velocidad ajustadas generadas por un controlador 14. El controlador 14 genera las señales de velocidad ajustada y, a su vez, responde a las señales generadas por los transductores P1, P2 y PS de presión, designados por los números de referencia 15, 16 y 17, en relación con el compresor 4 de alimentación y los transductores P'1, P'2 y P'S de presión, designados por los números de referencia 18, 19 y 20, en relación con el compresor 5 de evacuación. Las conexiones eléctricas entre los transductores de presión anteriores y el controlador 14 no se han mostrado con el fin de simplificar la explicación del ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío empleado en relación con el aparato 1. A este respecto, el controlador 14 también responde a una señal 21 que indica al controlador 14 la etapa del ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío.

Con respecto a la realización de la invención, la programación del controlador 14, como se explicará, es como se muestra en la Figura 1, en la que las funciones de alimentación y evacuación de los compresores 4 y 5 de alimentación y evacuación, respectivamente, están dedicadas. El ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío empleado en el aparato 1 es aquel que se describe en la patente US-6010555 y abarca operaciones en las que el lecho 2 de adsorción está en línea y está produciendo el producto y el lecho 3 de adsorción está fuera de línea y se está regenerando. Posteriormente en el ciclo, el lecho 2 de adsorción es llevado fuera de línea y se regenera mientras el lecho 3 de adsorción está en línea y produce el producto. Cabe señalar además que, salvo que se indique lo contrario, las válvulas mostradas en la Figura 1 se ponen en posiciones normalmente cerradas.

Lo siguiente es una tabla que indica las posiciones de las válvulas durante cada una de las etapas en el ciclo donde “ O” indica una válvula abierta, “ C” una válvula cerrada y “ P” una válvula parcialmente abierta.

Tabla XX

Con referencia primero a la Figura 2 que contiene las etapas de alimentación que implican una nueva presurización del lecho adsorbente 2, el lecho adsorbente 3, en una primera etapa, se somete a una alimentación con una etapa de ecualización (“ FD,EU” ) en la que el aire filtrado se introduce a través de la entrada 6 y es comprimido por el compresor 4 de alimentación para presurizar el lecho 2 de adsorción desde el fondo con aire de alimentación. Simultáneamente, se suministra gas de ecualización despresurizando desde el lecho 3 de adsorción. Para tales fines, las válvulas 23 y 27 se ponen en las posiciones abiertas y la válvula 28 se pone en una posición parcialmente abierta. En la etapa 2, una alimentación con una etapa de presurización del producto (“ FD,p P” ), la válvula 28 se cierra y la válvula 29 se pone en una posición parcialmente abierta para permitir que se suministre el producto de alta pureza desde el tanque 8 de compensación de oxígeno. En una etapa 3 posterior, una etapa de alimentación de presión ascendente (“ FD” ), el lecho adsorbente 2 continúa presurizándose de nuevo desde el fondo con aire de alimentación comprimido. En este punto, la válvula 23 permanece abierta. Volviendo a la Figura 2, puede observarse que, en la etapa 1, la velocidad del compresor 4 de alimentación cae debido a la deceleración de una etapa final. En la etapa 2 la velocidad disminuye primero y a continuación aumenta a medida que la presión del lecho adsorbente 2 se lleva a una presión operativa, y en la etapa 3 la velocidad aumenta a medida que el lecho adsorbente 2 se presuriza más. Durante las etapas 4 y 5 se está fabricando el producto y se está suministrando al tanque 8 de compensación de oxígeno. En la etapa 4, una etapa de alimentación a presión constante con fabricación de productos (“ FD,AD” ), todas las válvulas 23, 27 y 29 se ponen en posiciones abiertas. En la etapa 5, una etapa combinada de fabricación de producto y purga (“ FD,AD,PPG” ), la válvula 28 se pone de forma adicional en una posición abierta para permitir que se purgue el depósito adsorbente 3 desde el fondo con producto. En la etapa 6, una etapa de ecualización (“ ED” ), se elimina la energía hacia el compresor 4 de alimentación y, por lo tanto, como se muestra en la Figura 2, el compresor 4 desacelera. En este punto, las válvulas 23 y 29 se ponen en posición cerrada y la válvula 28 se pone en una posición abierta para permitir que el gas producto acumulado fluya hacia el lecho adsorbente 3.

Con referencia a la Figura 3, el lecho adsorbente 2 se regenera a continuación con una etapa de evacuación y ecualización de presión decreciente (“ ED,EV” ) en la etapa 7. Durante esta etapa, una válvula 22 se pone en una posición abierta para permitir que el nitrógeno residual se elimine del lecho adsorbente 2 mediante la acción del compresor 5 de evacuación. De forma adicional, se fija la válvula 27 en una posición parcialmente abierta y se pone la válvula 28 en la posición totalmente abierta para tales fines. Una válvula 25 se pone en una posición abierta para permitir que el lecho adsorbente 3 se alimente con aire comprimido del compresor 4 de alimentación. Durante las etapas 8, 9 y 10 de evacuación pura, se vuelve a poner la válvula 27 en la posición cerrada y el nitrógeno residual continúa siendo extraído del fondo del lecho adsorbente 2 por medio del compresor 5 de evacuación. Todas estas son las etapas de evacuación pura (“ EV” ) donde la presión dentro del lecho adsorbente desciende. En la etapa 11 posterior, una etapa de evacuación con presión constante con purga de producto (“ EV,PG” ), el lecho adsorbente 2 continúa siendo evacuado por el compresor 5 de evacuación mientras se está alimentando desde la parte superior con un gas de purga de oxígeno poniendo la válvula 27 en una posición parcialmente abierta. Después de eso, se lleva a cabo la etapa 12, que es una etapa de ecualización de presión ascendente (“ EV,EU” ). Durante esta etapa final, el lecho adsorbente 2 continúa siendo evacuado por el compresor 5 de evacuación mientras se pone ahora la válvula 27 en una posición totalmente abierta. La válvula 26 se pone en una posición abierta para permitir que se ventile la presión corriente arriba producida por el compresor 4 de alimentación. La presión aumenta porque el flujo de gas de ecualización es mayor y está a una mayor presión que el gas que el compresor 5 de evacuación está extrayendo. Con referencia adicional a la Figura 3, se puede ver durante las etapas 7 a 10 que la velocidad del compresor 5 de evacuación aumenta. Durante la etapa 11 la velocidad es constante, y durante la etapa 12 la velocidad cae a medida que el compresor 5 de evacuación se queda sin alimentación. Después de eso, el lecho adsorbente 2 se somete a la etapa 1 y se repite el ciclo. Como se ha mencionado anteriormente, el lecho adsorbente 3 se somete a las mismas etapas de alimentación y evacuación con el uso del compresor 4 de alimentación y el compresor 5 de evacuación. Durante las etapas 7-12 de evacuación, el lecho adsorbente 3 se somete a las etapas de alimentación y compresión mencionadas anteriormente para el lecho adsorbente 2. Durante estas etapas, las posiciones de la válvula son las indicadas en la tabla anterior.

Aunque no está ilustrado, las válvulas se controlarían mediante un controlador lógico programable que se programaría para pasar de etapa a etapa sobre la base de la presión y el tiempo. Debido a la restricción de diseño convencional de simetría cíclica en procesos de adsorción, los tiempos de las etapas utilizados para la evacuación y presurización de los lechos de adsorción son típicamente fijos en duración y equivalentes para cada semiciclo en el proceso. Por lo tanto, las etapas 1 y 7 son de longitud equivalente, así como la etapa 2 y 8, y así sucesivamente. La duración de las etapas durante las cuales la presión varía en el ciclo es usualmente constante de un ciclo al siguiente, lo que facilita la formación de una traza de presión estable y repetitiva y, por lo tanto, un funcionamiento óptimo. Sin embargo, la duración de las etapas en las que la presión no varía significativamente, tales como las etapas 4 y 5 durante la adsorción y 10 y 11 durante la evacuación, puede variar en duración desde un ciclo al siguiente. Principalmente, el grado de producción puede manipularse para cada lecho ajustando la duración de estas etapas y, por lo tanto, la pureza puede controlarse de esta manera. Si esta etapa finaliza antes de la duración prevista, el proceso de adsorción cíclico simplemente pasa a la siguiente etapa del ciclo. De forma adicional, y lo más importante para el concepto de la presente invención, estas etapas pueden finalizar si el proceso de adsorción logra una presión en un lecho que está fuera del intervalo de funcionamiento deseado. Este intervalo de funcionamiento está entre la mayor presión de adsorción y la menor presión de desorción. Con referencia nuevamente a la Figura 1, esta mayor presión de adsorción y esta menor presión de desorción se miden usando transductores P3 y P4 de presión, designados por los números de referencia 30 y 31 respectivamente. Durante las etapas 1 a 6 del ciclo, el lecho 2 de adsorción aumenta en presión hasta que alcanza su mayor presión de adsorción, medida por el transductor 30 de presión. Simultáneamente, durante las etapas 7 a 12 del ciclo, el lecho 3 de adsorción cae en presión hasta que alcance su menor presión de desorción, medida por el transductor 31 de presión. Los lechos 2 y 3 de adsorción intercambian entonces modos operativos del ciclo y la tarea de medir la mayor presión de adsorción se logra mediante el transductor 31, con la tarea de medir la menor presión de desorción simultáneamente realizada por el transductor 30. La finalización de las etapas 4, 5, 10 u 11 antes de su duración prevista puede usarse para evitar que el proceso alcance una relación de presión de los compresores centrífugos asociados que no se puede lograr sin un evento de sobrecarga.

El controlador 14 puede ser un procesador Allen Bradley SLC 5/05 programado con el software RSLogix 500 o equivalente que puede obtenerse de Rockwell Automation ubicada en Wisconsin, EE. UU. El programa dentro del controlador 14 se ejecuta continuamente durante intervalos de tiempo repetidos predeterminados. El controlador 14 responde a las señales generadas por los transductores 15, 16,17, 18, 19 y 20 de presión y, preferiblemente, un transductor 32 de temperatura, y transmitidas mediante conexiones eléctricas adecuadas omitidas en el diagrama para simplificar la explicación del aparato 1 usado junto con el proceso de oscilación de presión por vacío. De forma adicional, se proporciona una entrada 21 de datos que sirve como entrada al controlador 14 que contiene la etapa actual real que el ciclo repetitivo que se lleva a cabo mediante el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío. Estos datos relativos a la etapa actual sirven como entrada al programa de control que, de una manera que se explicará, responde a tales datos. La entrada 21 de datos puede obtenerse del controlador que actúa para controlar las válvulas en el ciclo repetitivo que es llevado a cabo mediante el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío.

Aunque la presente invención se ha descrito hasta ahora con referencia a un proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío en dos lechos, es igualmente aplicable a un proceso de lecho único. Como sabrán los expertos en la técnica, si se llevara a cabo un proceso de lecho único, en lugar de ventilar el gas de ecualización desde un lecho adsorbente e introducirlo en otro lecho adsorbente, se puede utilizar un tanque de recuperación. Dado que la producción sería discontinua, el tanque 18 de compensación de oxígeno sería de mayor volumen que el usado con el aparato y el proceso de dos lechos ilustrado.

Con referencia a la Figura 4, la lógica de control se programa en el controlador 14 por medio de un programa de control. Como una primera etapa de la programación, como se ilustra mediante el bloque lógico 33, los motores 10 y 11 se arrancan junto con un ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío que se ha descrito anteriormente con respecto al posicionamiento de las válvulas. Al arrancar los motores 10 y 11, se ajustan para funcionar a una velocidad mínima que constituye el 40 por ciento de una velocidad máxima prevista. Por encima de esta velocidad, comienza a aplicarse al motor potencia adicional. Los variadores 12 y 13 de frecuencia responden a las señales de control generadas por el controlador 14 para controlar los motores 10 y 11 de imanes permanentes para que funcionen a una velocidad ajustada que evitará la sobrecarga o para cortar la energía a los motores 10 y 11 de imanes permanentes de alta velocidad y, de este modo, permitir que los motores 10 y 11 de imanes permanentes y, por lo tanto, los compresores 4 y 5 desaceleren cuando se requiera en el ciclo repetitivo.

Después de la primera etapa 33, el controlador comienza la ejecución continua sobre los intervalos de tiempo repetitivos predeterminados, siendo cada uno de ellos preferiblemente de menos de 1 milisegundo. En la etapa 34, se calcula una diferencia de presión “dP” en la cubierta de los compresores 4 y 5 en dos puntos o ubicaciones que están situados sucesivamente más cerca del rodete o en los puntos medidos por los transductores 16 y 17 de presión, respectivamente, y 19 y 20, respectivamente. Esta diferencia de presión, entre la presión medida por los transductores 16 y 17 de presión, respectivamente, y 19 y 20, respectivamente, proporciona un parámetro que es atribuible al flujo que pasa a través del compresor 4 o 5, respectivamente. A este respecto, el flujo podría ser medido directamente por un transductor de flujo. En la siguiente etapa lógica de ejecución, designada por el número de referencia 35, se calcula una relación de presión a través del compresor sobre la base de las presiones medidas por los transductores 16 y 15 de presión, respectivamente, o 19 y 18, respectivamente, o, en otras palabras, una relación entre la presión de salida y la de entrada para ambos compresores 4 y 5 y se almacena. Después del cálculo y almacenamiento de la relación de presión, la relación de presión actual se compara con un valor previo en la etapa 36.

Las velocidades óptimas de los compresores 4 y 5 se determinan en el bloque lógico 37 desde la relación de presión calculada en el bloque lógico 34 que se encuentra a lo largo de la línea operativa con el pico de eficiencia. Esto se determina a partir de los datos de rendimiento del compresor para el compresor particular utilizado. Con referencia a la Figura 5, se expone un ejemplo de tales datos. Esta velocidad podría determinarse exactamente a partir de una tabla de consulta o una ecuación polinómica en la que los puntos de la línea de operación con el pico de eficiencia, denominada en la figura como la “ línea de mejor eficiencia” , se ajustan según técnicas de ajuste de curvas bien conocidas. Se entiende que esta curva variará ligeramente basándose en la temperatura medida por el transductor 32 de temperatura. Como tal, habría datos programados dentro del programa de control que constituye una familia de tales curvas. Cuando la temperatura se encuentra en un punto intermedio, la velocidad exacta podría interpolarse entre curvas o multiplicarse por un factor de corrección igual a una relación de la temperatura medida a la temperatura prevista a partir de la cual se deriva una curva operativa. De forma alternativa, podría haber una única curva que se base en la temperatura esperada a la que funciona el aparato 1. En tal caso, no sería necesaria una entrada de temperatura desde el transductor 32 de temperatura. Las líneas que cruzan la línea operativa con el pico de eficiencia son velocidades específicas a las que la relación de presión variará con la velocidad de flujo a través del compresor. Como se deduce del gráfico, a cualquier velocidad particular existe una velocidad de flujo a través de los compresores 4 y 5 en los que se producirá una sobrecarga.

Después de que se haya calculado la velocidad óptima en la etapa 37 de ejecución, se realiza la etapa lógica 38 en la que se determina si el ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío está al inicio de la etapa 1 o etapa 5, especialmente, al inicio de las etapas de alimentación con ecualización o de ecualización. Esta determinación se realiza a partir de la entrada 21 de datos. Si al inicio de estas etapas una velocidad no operativa es establecida por la programación, como se indica en la etapa 39, y la señal de control es enviada desde el controlador 14 a VFD (variador de frecuencia, por sus siglas en inglés) 12 y 13, esta será atribuible a esta velocidad no operativa. Por ejemplo, esta velocidad podría ser el 40 por ciento de la velocidad máxima prevista del motor 10 y 11. Los variadores 12 y 13 de frecuencia se programan o configuran a su vez de modo que cuando la señal de control es atribuible a la velocidad no operativa, la entrada de energía a los motores 10 y 11 se deshabilitará, lo que permite que el tren de transmisión (rotor motor y rodete del compresor) se desacelere mediante rueda libre o descienda en punto muerto hasta su velocidad mínima sin consumir ninguna energía. A este respecto, los variadores 12 y 13 de frecuencia se configuran típicamente para funcionar sin ninguna modificación. Dicho esto, es igualmente posible programar el programa de control que se ejecuta en el controlador 14 para generar una señal para controlar la fuente de alimentación a los motores 10 y 11 de imanes permanentes para cortar la energía cuando sea apropiado en el ciclo repetitivo. Con referencia nuevamente a la Figura 5, la “ línea de desaceleración típica” es el trayecto que el compresor sigue cuando el ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío requiere que la velocidad del compresor se desacelere debido al descenso de los requisitos de carga hidrostática. Con referencia nuevamente a la Figura 2, este es el caso en las etapas 5, 6, 11 y 12 de un compresor en régimen de compresión de alimentación, y este también es el caso en las etapas 5 y 11 de un compresor en régimen de evacuación.

A menudo, el tren de transmisión tendrá que alimentar el compresor 4 en régimen de compresión de alimentación durante las etapas 2 y 8 o, en otras palabras, la alimentación con la etapa de presurización del producto para cada lecho, respectivamente. También a menudo, el tren de transmisión tendrá que alimentar el compresor 5 en régimen de evacuación durante las etapas 1 y 7. Con respecto al compresor 4 en régimen de alimentación, este comienza con la caída de presión durante la etapa 1 y el comienzo de la etapa 2. Por consiguiente, al inicio de la etapa 2, la señal de control enviada desde el controlador 14 a VFD 12 permanece atribuible a la velocidad no operativa. Sin embargo, con referencia nuevamente a la Figura 2, la presión sobre una parte de esta etapa comienza a aumentar debido a los requisitos del ciclo repetitivo y la aplicación de energía al motor 10 de imanes permanentes. Para ejecutar el control apropiado para efectuar la operación anterior, si la respuesta a la lógica en la etapa 38 es negativa, entonces el programa continúa con la ejecución de la prueba indicada en el bloque lógico 40 en el que se determina si la etapa del ciclo repetitivo, la “etapa VPSA” está en la alimentación con presurización del producto, es decir, la etapa 2, explicada anteriormente. Nuevamente, esta prueba se realiza sobre la base de la entrada 21 de datos. Si la respuesta a esta prueba es positiva, la ejecución del programa de control pasa a la ejecución de una prueba adicional mostrada en el bloque lógico 41 y la relación de presión actual “ P2/P1” , medida por los transductores 16 y 15 de presión, se compara con una relación de presión predeterminada de “ P2/P1 predeterminada” que se ha programado previamente en el programa de control. Si la relación de presión actual es menor que la relación de presión predeterminada, entonces nuevamente el programa pasa a la etapa de ejecución de la programación mostrada en el bloque 39 y se permite que el motor 10 de imanes permanentes continúe desacelerando. Como se ilustra, cuando se corta la energía al motor 10, el programa de control vuelve a la etapa 34 de ejecución. Sin embargo, si las pruebas realizadas en la programación como se exponen en los bloques lógicos 38 y 40 son negativas o la prueba realizada en el bloque lógico 41 es afirmativa, entonces el ciclo repetitivo está posiblemente en la etapa 2 o la etapa 7 donde se debe aplicar energía al motor 10 de imanes permanentes. En este punto del ciclo repetitivo que se lleva a cabo mediante un ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío, el compresor está siendo alimentado y, por lo tanto, existe una posibilidad o probabilidad de que se puedan encontrar condiciones de sobrecarga en el funcionamiento del compresor 10. Para evitar el funcionamiento del compresor 10 en las que podrían encontrarse condiciones de sobrecarga, la lógica de programación pasa al resto de su ejecución comenzando con el bloque lógico 42. Con respecto al compresor 5 en régimen de evacuación, también se emprende la misma progresión de decisiones a través de bloques lógicos 38, 40 y 41 para determinar cuándo detener la ejecución en el bloque 39 que mantiene el compresor 5 a la velocidad operativa mínima aceptable para el motor 11. Por lo tanto, el compresor 5 de evacuación también pasa al bloque lógico 42 cuando se aplica energía al motor 11 y la presión a través del compresor 5 comienza a aumentar, según se mide por la relación de las señales 19 a 18 del transductor.

En la ejecución de la programación como se muestra mediante el bloque lógico 42, la diferencia de presión calculada en el bloque lógico 34 “dP de la cubierta” para cada compresor se compara con una dP mínima. Esta dP mínima es un valor que experimentalmente se determina que es el valor mínimo durante todo el ciclo en el que el compresor 4 o 5 se sobrecargará con un factor de seguridad. Por ejemplo, si el compresor 4 o 5 se sobrecarga en cualquier momento durante el ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío en una dP igual a 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), se multiplican 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua) por 15 por ciento para obtener el mínimo. Una alternativa a esto es determinar la dP en la etapa 37 junto con el cálculo de la velocidad óptima del mapa de compresor del compresor como se muestra a modo de ejemplo en la Figura 5 que se va a explicar.

La ejecución del bloque lógico 68 es una etapa fundamental porque si la velocidad de flujo a través de cualquier compresor es menor que un mínimo, entonces existe el peligro de que los compresores 4 o 5 entren en sobrecarga. Sin embargo, si la diferencia de presión dP actual calculada obtenida en el bloque lógico 34 es mayor o igual que el mínimo, existe una menor probabilidad de que el compresor entre en sobrecarga. Sin embargo, en los casos en que la diferencia de presión calculada a partir del bloque lógico 34 no es menor que este mínimo, como se indica en la etapa 43 de ejecución, se calcula un multiplicador de velocidad de retroalimentación dividiendo el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación (“SM^fb” ) que se ha determinado en una ejecución previa del programa de control mediante una constante de proporcionalidad. La constante de proporcionalidad se establece igual a un valor superior a 1,0, por ejemplo 1,04, cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es superior o igual a 1,0. El valor exacto de esta constante de proporcionalidad se determina a través de la experimentación y puede considerarse como un factor de sintonización. Sin embargo, cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es menor que 1,0, la constante de proporcionalidad se establece simplemente a 1,0. Cuando un multiplicador de retroalimentación de este tipo se multiplica por la velocidad óptima calculada en la etapa de ejecución ilustrada por el bloque 37, su efecto será una ligera disminución de la velocidad por el uso de la constante de proporcionalidad o una disminución adicional de la velocidad por el factor del último multiplicador de retroalimentación almacenado cuando este último multiplicador de retroalimentación almacenado es menor que 1,0. Sin embargo, si la diferencia de presión medida en la etapa 34 es menor que la diferencia de presión mínima, entonces, como se indica en el bloque 44 de ejecución, se calculará un nuevo multiplicador de retroalimentación que tendrá el efecto de aumentar la velocidad. El cálculo contemplado en el bloque 44 es añadir a un último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación un factor de corrección de velocidad. Aunque este factor de corrección de velocidad podría ser una constante, preferiblemente, el factor de corrección de velocidad contiene términos proporcionales e integrales. Durante cada ejecución del programa, se calcula un error de diferencia de presión y se almacena restando el valor mínimo permisible del valor actual de la diferencia de presión calculada en el bloque 34. El término proporcional se calcula multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre el error de diferencia de presión y un error de diferencia de presión anterior calculado en un intervalo de tiempo anterior o una ejecución anterior del programa de control y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo. Este error de diferencia de presión anterior se obtiene a partir del valor almacenado leído en el bloque 34 antes del cálculo y almacenamiento del error de diferencia de presión actual. El término integral se calcula dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando su cociente resultante por el error de diferencia de presión actual.

Lo anterior puede ilustrarse mediante la siguiente ecuación:

donde: SMFBi= multiplicador de velocidad de retroalimentación; SMFBi-¹= el valor almacenado previo del multiplicador de velocidad de retroalimentación, Kc es la ganancia; £i es el error de diferencia de presión; £m es el último valor almacenado del error de diferencia de presión; ti es el tiempo de restablecimiento integral y t es el intervalo de tiempo de ejecución del programa de control. Por lo tanto, el control de velocidad proporcional-integral se está ejerciendo aquí y la “ganancia” y el “ tiempo de restablecimiento integral” son simplemente factores de sintonización conocidos que se determinarán experimentalmente de una manera conocida en la técnica.

La ejecución del programa pasa a continuación a un bloque lógico 45 en el que el programa comprueba si el compresor está o no en funcionamiento como compresor de evacuación. Debido a los diferentes requisitos de velocidad operativa de los compresores 4 y 5 en régimen de compresión de alimentación y evacuación, respectivamente, el programa ejecuta dos series separadas de etapas lógicas y de ejecución para cada tipo de compresor siguiendo el bloque lógico 45. Sin embargo, el programa de control que sigue al bloque 45 para cada compresor 4 o 5 contiene elementos similares y, por lo tanto, la explicación de las etapas de los programas respectivos en paralelo es ilustrativa.

Si la respuesta al bloque 45 es negativa, el compresor está en funcionamiento como compresor de aire de alimentación. El programa continúa para ejecutar el bloque 46 y establece el valor de un multiplicador de velocidad de prealimentación igual a 1,0, según la experiencia de los inventores, el multiplicador de velocidad de prealimentación no es necesario para el funcionamiento del compresor en régimen de compresión de aire de alimentación. Sin embargo, los inventores reconocen que este multiplicador de velocidad de prealimentación podría usarse para ajustar la velocidad del compresor del aparato 1 por oscilación de presión por vacío destinado a un régimen de compresión de aire de alimentación si se desea. Si la respuesta al bloque lógico 45 es afirmativa, entonces el programa pasa a un bloque lógico 47 posterior donde la etapa actual del ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío mencionado anteriormente está en una etapa de evacuación o evacuación con purga, o en otras palabras, si está en las etapas 1, 2, 7 u 8 que implican la evacuación o la evacuación con una purga del producto. Si el proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío no está en ninguna de estas etapas, el multiplicador de velocidad de prealimentación se establece en 1,0 como se indica en el bloque de ejecución del programa designado por el número de referencia 48.

En caso de que la realización de pruebas en el bloque lógico 47 sea afirmativa, entonces se calcula un multiplicador de velocidad de prealimentación en la etapa 49 que evitará la sobrecarga durante las etapas de evacuación o evacuación con purga y, en particular, en un punto durante el ciclo de adsorción por oscilación de presión por vacío que se encuentra cerca o en una transición entre estas dos etapas. Aunque los inventores no comprendan bien este concepto, se ha descubierto en la práctica que existe un peligro particular de que el compresor 5 en el régimen de evacuación entre en sobrecarga en ese punto de funcionamiento. En cualquier caso, con referencia a la Figura 6, dependiendo del valor de la relación de presión actual calculado en la etapa 35, se determinará un multiplicador de prealimentación que dependa de esta relación de presión que evitará la sobrecarga. Cuando este multiplicador de prealimentación se multiplica por el multiplicador de velocidad de retroalimentación, el efecto será aumentar el multiplicador de velocidad total sobre aquel que se obtendría del multiplicador de velocidad de retroalimentación solo.

Para un compresor en funcionamiento como compresor de aire de alimentación, la ejecución del programa pasa a continuación a un bloque lógico 50, en el que el programa comprueba si la etapa actual del ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío mencionado anteriormente ha alcanzado el final de la alimentación con una etapa de purga. Si se acaba de producir el final de la alimentación con la etapa 5 de purga, entonces en el bloque 51 de ejecución se hace una medición de la presión en el lecho que proporciona el gas de purga del producto a través del transductor 30 de presión en el lecho 2 de adsorción del aparato 1 de adsorción por oscilación de presión por vacío. De manera similar, si se acaba de producir el final de la etapa 11, la medición es hecha por el transductor 31 en el lecho 3 de adsorción. Esta medición de presión se compara entonces en el bloque lógico 52 con el punto de ajuste de la mayor presión de adsorción objetivo para el proceso de oscilación de presión por vacío. Si el valor absoluto de la diferencia de presión calculada en la etapa 52 es mayor que la tolerancia especificada, que es típicamente de 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), entonces el programa pasa al bloque 53 de ejecución donde se calculará un nuevo factor de velocidad global de alimentación (GSFf). La tolerancia especificada es la banda inactiva empleada en el esquema de control que determina si debe cambiarse o no el GSF. La tolerancia especificada puede variar en cualquier lugar en un intervalo de aproximadamente /- 3,5 kPa (35,56 cm [14 pulgadas] de agua) a aproximadamente /- 0,25 kPa (2,54 cm [1 pulgada] de agua); en otra realización de aproximadamente /- 2,5 kPa (25,4 cm [10 pulgadas] de agua) a aproximadamente /- 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua). Típicamente, la tolerancia especificada es /- 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua). El factor de velocidad global de alimentación tendrá el efecto generalmente de aumentar o disminuir la velocidad del compresor en todas las etapas del proceso cíclico con el objetivo de reducir la diferencia absoluta entre la presión medida del bloque 52 y el punto de ajuste de la mayor presión de adsorción objetivo para el proceso de oscilación de presión por vacío. Si la diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste es menor que alguna tolerancia, entonces el factor de velocidad global (GSF) para el compresor en régimen de compresión de aire de alimentación se deja sin modificar respecto al ciclo anterior. Dado que este cálculo de verificación solo se puede producir al final de la alimentación con etapas de purga, si el proceso de oscilación de presión por vacío no acaba de alcanzar el final de dichas etapas, el programa pasa al bloque 54 de ejecución donde se calcula el multiplicador de velocidad total de alimentación, que se explicará con más detalle en la presente memoria.

De manera similar al compresor en funcionamiento como compresor de aire de alimentación, el control del compresor 5 en funcionamiento como compresor de evacuación también pasa a través de una serie de etapas lógicas y de ejecución en el programa generalmente para aumentar o disminuir la velocidad del motor 11 de imanes permanentes basándose en las mediciones de presión de los transductores 30 y 31 del aparato del proceso de oscilación de presión por vacío. Si el final de la etapa de evacuación con la purga del producto acaba de producirse, el bloque lógico 55 es afirmativo. Si la etapa de evacuación con la purga del producto que acaba de terminar fuera la etapa 5 del proceso de adsorción de presión por vacío, el bloque 56 se ejecuta entonces y se hace una medición de presión del lecho 3 mediante un transductor 31 de presión. De manera similar, si la etapa 11 acaba de terminar, se ejecuta una medición de presión del lecho 2 usando un transductor 30 de presión. La medición de presión se compara entonces con un punto de ajuste de la menor presión de desorción objetivo en el bloque lógico 57. Si el valor absoluto de la diferencia entre la presión medida del bloque 56 y el punto de ajuste es mayor que la tolerancia especificada, de nuevo típicamente 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), el progreso a través del bloque 57 es afirmativo y el valor para un factor de velocidad global de vacío (GSFv) se recalcula en el bloque 58 de ejecución. De manera similar al factor de velocidad global de alimentación, el factor de velocidad global de vacío tendrá el efecto generalmente de aumentar o reducir la velocidad del compresor en el régimen de evacuación en todas las etapas del proceso de oscilación de presión por vacío. Si la diferencia absoluta entre la presión medida del bloque 56 y el punto de ajuste es menor que la tolerancia especificada, el factor de velocidad global de vacío se deja sin modificar respecto al ciclo anterior. Dado que el cálculo de verificación del factor de velocidad global de vacío solo se produce al final de las etapas de evacuación con la purga del producto, si el proceso de oscilación de presión por vacío no acaba de alcanzar el final de dichas etapas, el programa pasa al bloque 59 de ejecución donde se calcula el multiplicador de velocidad total de vacío.

El cálculo de verificación de los respectivos factores de velocidad global contemplados en el bloque 53 y 58 es añadir a un último valor almacenado del factor de velocidad global una corrección de factor de velocidad global. Mientras que esta corrección del GSF podría ser una constante, preferiblemente, el parámetro de corrección de GSF contiene términos proporcionales e integrales. El valor absoluto de la diferencia de presión analizada en los bloques 52 y 57 para cada compresor de aire de alimentación y de evacuación se indica como el error de diferencia de presión actual para cada compresor. Un término proporcional se calcula multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre el error de diferencia de presión actual y un error de diferencia de presión anterior calculado en un intervalo de tiempo anterior o una ejecución anterior del programa de control y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo. Este error de diferencia de presión anterior se obtiene a partir del valor almacenado leído del bloque lógico 52 o 57 antes del cálculo y almacenamiento del error de diferencia de presión actual. Un término integral también se calcula dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando su cociente resultante por el error de diferencia de presión actual. Lo anterior puede ilustrarse mediante la siguiente ecuación:

donde: GSFi = factor de velocidad global donde i indica un compresor de aire de alimentación o de evacuación; GSFi-¹= el valor almacenado previo del respectivo factor de velocidad global, Kc es la ganancia; & es el error de diferencia de presión respectivo; em es el último valor almacenado respectivo del error de diferencia de presión; ti es el tiempo de restablecimiento integral y t es el intervalo de tiempo de ejecución del programa de control. Los valores seleccionados para cada ganancia proporcional y el tiempo de restablecimiento integral pueden ser iguales, pero no necesariamente iguales, para cada compresor de aire de alimentación y de evacuación. Por lo tanto, el control de velocidad proporcional-integral se está ejerciendo aquí y la “ganancia” y el “ tiempo de restablecimiento integral” son simplemente factores de sintonización conocidos que se determinarán experimentalmente de una manera conocida en la técnica.

El multiplicador de velocidad total para los compresores de aire de alimentación y de evacuación se calcula en la etapa 54 y 59, respectivamente, multiplicando el multiplicador de velocidad de retroalimentación determinado en cualquiera de las etapas 43 o 44 mediante el multiplicador de prealimentación determinado en cualquiera de las etapas 48 o 49 y el factor de velocidad global, que puede haberse recalculado en la etapa 53 o 58 si la etapa 5 o la etapa 11 del proceso de oscilación de presión por vacío acaba de terminar. Entonces se calcula una velocidad óptima ajustada para cada compresor en el bloque lógico 60 o 61 multiplicando las velocidades óptimas respectivas calculadas en la etapa 37 por los respectivos multiplicadores de velocidad total (“SMY”) para obtener una velocidad ajustada. Esta velocidad ajustada se usa a continuación para establecer la velocidad en los variadores 12 y 13 de frecuencia como se muestra en la etapa 62 y 63, respectivamente. A este respecto, el controlador 14, en respuesta al valor de la velocidad ajustada determinada por el programa de control, genera la señal de control que pasa desde el controlador 14 a VFD 12 y 13 que es atribuible a esta velocidad ajustada. Esta señal de control servirá entonces como una entrada que revisaría la velocidad establecida en el variador 12 o 13 de frecuencia. Otra posibilidad sería que el variador de frecuencia estuviera programado para leer la salida de la velocidad ajustada que es generada por el controlador 14. En cualquier caso, la programación pasa a su siguiente ejecución después de que transcurra el tiempo de ejecución de repetición en bucle de vuelta a la etapa 34 de ejecución.

Con referencia nuevamente a la Figura 2, la estrategia detrás del control de velocidad de la presente invención es básicamente obtener una velocidad sobre la base de la relación de presión en la que, en la mayoría de los casos, funcionan los compresores 4 y 5 en su línea operativa con el pico de eficiencia mostrada en la Figura 3, mientras se garantiza simultáneamente que el proceso cíclico por oscilación de presión por vacío se produzca entre los puntos de ajuste para la mayor presión de adsorción objetivo y la menor presión de desorción objetivo. Específicamente, al concluir la etapa 5 y la etapa 11 en el proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío, la relación de presión desarrollada a través del compresor 5 de evacuación será aproximadamente 2, en la realización descrita en la presente memoria. Sin embargo, el lecho adsorbente estará a una presión manométrica negativa con respecto al ambiente.

Como el gas de ecualización fluye hacia los lechos 2 o 3 de adsorción o desde el otro lecho, la presión de lecho del lecho que recibe el gas de ecualización aumenta rápidamente a partir de la etapa de evacuación con la purga del producto en la que se ha evacuado el lecho para eliminar el nitrógeno y concluir la regeneración del adsorbente. Sin embargo, por lo que respecta a la relación de presión a través del compresor 5, durante al menos una parte del aumento de la presión, la energía se eliminará del motor 11 de imanes permanentes y, como se muestra en la Figura 2, ahora se aplica energía para parte de la etapa y se desacelera la velocidad de los compresores 4 y 5. Durante la ecualización con la etapa de presurización de alimentación, la presurización continúa con el gas producto y se alcanza un punto en el que la relación de presión detectada por los transductores 16 y 15 de presión aumenta debido al aumento de la presión del lecho de manera que la velocidad del compresor 4 debe aumentar para mantener el funcionamiento a lo largo de la línea operativa con el pico de eficiencia según muestra la Figura 3. Durante cualquiera de estas etapas, si el compresor 4 no acelera lo suficientemente rápido, la velocidad de flujo a través del compresor detectada por los transductores 16 y 17 de presión puede no ser suficiente para evitar la sobrecarga. En tal caso, esta sería una situación en la que una respuesta afirmativa de la prueba en el bloque 42 de ejecución de programas sería afirmativa y se computaría un multiplicador de retroalimentación que aumentara necesariamente la velocidad del compresor para evitar la sobrecarga. Cuando las etapas 3, 4 y 54 para el lecho 2, o de la misma manera las etapas 9, 10 y 11 para el lecho 3 tienen lugar, la relación de presión a través del compresor 4 aumenta debido al aumento de la presión del lecho. Por lo tanto, el compresor acelera para obtener el aumento a lo largo de la línea operativa con el pico de eficiencia. En tal momento, es poco probable que el compresor esté en un flujo de masa en cualquier lugar cerca de una condición en la que se produciría la sobrecarga; y la respuesta a la consulta en el bloque 42 sería negativa. Esto daría como resultado una reducción de la velocidad del compresor de vuelta hacia la línea operativa con el pico de eficiencia reduciendo más el multiplicador de velocidad de retroalimentación con la constante de proporcionalidad si el último valor fuera 1,0 o mayor o reduciendo más la velocidad con el último valor del multiplicador de velocidad de retroalimentación.

Tras concluir la alimentación con una etapa de purga, el lecho adsorbente debe ser regenerado. En este punto, se permite que el gas de ecualización se escape del lecho adsorbente 2 hacia el lecho adsorbente 3 si el proceso está en la etapa 6, o del lecho adsorbente 3 hacia el lecho 2 si el proceso está en la etapa 12. La relación de presión cae rápidamente y preferiblemente, como se ha descrito anteriormente, el variador 13 de frecuencia reacciona a la señal de control proporcionada desde el controlador 14 y es atribuible a la velocidad no operativa producida en el bloque lógico 39 y deja de aplicar energía al motor 11 de imanes permanentes. Dado que el motor es descargado, es poco probable que se produzca un evento de sobrecarga. Sin embargo, al principio de la etapa 1 o 7, el compresor 5 actúa como una bomba de vacío y a medida que la presión disminuye dentro del lecho adsorbente 3 o 2, respectivamente, la relación de presión comienza a aumentar. Si el flujo de masa a través del compresor no es suficiente, podría producirse sobrecarga. Sin embargo, ahora se calcula un multiplicador de velocidad de prealimentación agresivo con la ayuda de la Figura 6. Cuando la relación de presión aumenta a través del compresor medida por los transductores 19 y 18 de presión, el multiplicador de velocidad de prealimentación aumenta hasta un valor máximo a una relación de presión de aproximadamente 1,7. Experimentalmente se determina que esta relación de presión sea esa relación de presión a la que es probable que se produzca la sobrecarga y se selecciona el multiplicador de velocidad de prealimentación para que sea ese valor el que aumentará suficientemente la velocidad del compresor para evitar la sobrecarga. Cuanto más disminuye la presión del lecho debido a la evacuación del lecho adsorbente, más aumenta la relación de presión. Sin embargo, disminuye el multiplicador de velocidad de prealimentación. La razón de esto es que la combinación de motor y compresor no reaccionará inmediatamente debido a la resistencia aerodinámica y los efectos inerciales. En consecuencia, a medida que aumenta la relación de presión, la velocidad del compresor se aumenta gradualmente y, después del pico, la velocidad se reduce gradualmente para permitir que el compresor desacelere y vuelva al pico de eficiencia para que pueda tener lugar la siguiente etapa 6 o 12 en la que se retira energía al motor de imanes permanentes.

Con referencia específica a la Figura 6, preferiblemente la respuesta del multiplicador de velocidad de prealimentación se obtiene con una función gaussiana en la que el multiplicador de velocidad de prealimentación viene dado por la ecuación:

ARRANQUE Amplitud[Hpropagación];

donde F=(P²/P¹-C₆ntro)₂. “Arranque” desplazará la curva mostrada en la Figura 4 hacia arriba o hacia abajo, “ amplitud” moverá el pico hacia arriba o hacia abajo. “Centro” desplazará la relación de presión en la que se produce el pico y “propagación” controla la velocidad a la que la curva se abre en abanico desde el centro. Por lo tanto, la propia curva podría programarse en el programa de control o los puntos de datos en una tabla de consulta podrían programarse de la misma manera. Dicho esto, en lugar de la curva gaussiana ilustrada, la curva podría ser triangular. Menos preferido, pero posible, sería solo usar el pico de la curva para el multiplicador de velocidad de prealimentación. De la misma manera, sería posible usar un factor fijo de aumento para el multiplicador de velocidad de retroalimentación, de modo que la velocidad del compresor aumentara si la velocidad de flujo a través del compresor cayera por debajo de un punto permisible y se redujera por un factor fijo si la velocidad de flujo permaneciera por encima del punto permisible. El por qué no se prefiere a ninguno de estos es porque un porcentaje mayor de funcionamiento del compresor estaría fuera de la línea operativa con el pico de eficiencia y, por lo tanto, el aparato 1 consumiría más energía.

Como se mencionó anteriormente, la programación del variador 12 o 13 de frecuencia para eliminar la potencia a velocidades muy bajas también es opcional, pero, como podría apreciarse, esta operación también ahorraría energía. Dicho todo lo anterior, es posible lleva a cabo una realización de la presente invención en la que nunca se eliminara energía de los motores 10 u 11. En otras palabras, una realización sin etapas 38 a 41 programables. Sin embargo, si la energía para el motor no se deshabilitara, entonces los variadores 12 y 13 de frecuencia intentarían bajar la velocidad a lo largo de un trayecto previamente programado asignándole energía a los motores 10 y 11, respectivamente, consumiendo por lo tanto más energía. Sin embargo, por lo menos, la presente invención contempla programar lógica del tipo mostrado en los bloques lógicos 45-63 posteriores, donde es al menos probable que los compresores 4 y 5 encuentren condiciones operativas de sobrecarga, es decir, en el presente ciclo, parte de la etapa 2 donde la relación de presión a través del compresor 4 está aumentando y, por lo tanto, debe aplicarse energía al motor 10 de imanes permanentes, las etapas 3-5 para el compresor de aire de alimentación y las etapas 8-11 para el compresor de evacuación.

Con referencia específica nuevamente a la Figura 1, aunque se contempla que tanto el compresor 4 de aire de alimentación como el compresor 5 de evacuación sean compresores centrífugos que están sometidos a sobrecarga, es posible que el compresor 4 de alimentación esté formado por un soplador de desplazamiento positivo o bomba de aire, preferiblemente del tipo Roots. Las características de aceleración y desaceleración de un compresor de este tipo, si no se ejecutan a velocidad de rotación constante, serían bastante diferentes de las de un compresor centrífugo, y un compresor de este tipo no estaría sometido a la sobrecarga de la misma manera que los compresores centrífugos 4 y 5 del aparato 1 de oscilación de presión por vacío mostrado en la Figura 1. En tal caso, un compresor 4 de alimentación no requeriría el control para evitar una sobrecarga que requeriría un compresor centrífugo. Sin embargo, el compresor 5 de evacuación será en cualquier caso un compresor centrífugo y, por lo tanto, estará sujeto a sobrecarga. A este respecto, la estrategia de control mostrada para el control del compresor 5 de evacuación sería idéntica en muchos aspectos a la mostrada en la Figura 4.

Aunque se ha explicado la presente invención con referencia a un ciclo de dos lechos de adsorción por oscilación de presión por vacío, en donde un único compresor actúa como un compresor de alimentación para ambos lechos y un segundo compresor actúa como un compresor de evacuación para ambos lechos, un experto en la técnica reconocería que se podría usar un único compresor centrífugo para las funciones de compresión de alimentación y evacuación para cada lecho, y/o que se podría usar más de dos lechos. En tal realización de la presente técnica, de la mayor parte de la descripción de la realización preferida se desprende que cualquier compresor que se esté usando para la evacuación puede experimentar este riesgo adicional de sobrecarga asociada al inicio del suministro de energía al motor de imanes permanentes, como ocurre con el compresor 5 de evacuación del aparato 1 durante las etapas 1 y 7 del proceso cíclico por oscilación de presión descrito en la presente memoria. Para cualquier compresor de este tipo en este régimen de evacuación, el cálculo y el uso del factor de prealimentación, como se describe en los bloques 47 49 del programa del diagrama de control programable de la Figura 4, es necesario para evitar condiciones de sobrecarga.

Aunque la presente invención se ha descrito con referencia a una realización preferida, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica, se pueden hacer numerosos cambios, adiciones y omisiones, sin abandonar el ámbito de la invención, como se expone en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar la velocidad de un compresor centrífugo en un aparato (1) de adsorción por oscilación de presión por vacío, en donde dicho aparato comprende dos o más compresores centrífugos, un compresor (4) que presuriza y un compresor (5) que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío y dos o más lechos (2, 3) de absorción, en donde cada compresor centrífugo tiene una entrada configurada para recibir una corriente de fluido y una salida configurada para descargar una corriente de fluido presurizado, comprendiendo dicho método:

medir y calcular la velocidad de flujo de una corriente de fluido que entra en la entrada de cada compresor centrífugo (4, 5), teniendo los compresores centrífugos accionados directamente por motores eléctricos (10, 11) una velocidad controlada por un variador (12, 13) de frecuencia; medir y calcular la presión de la corriente de fluido presurizado en la salida de cada compresor (4, 5) y la presión de la corriente de fluido en la entrada de cada compresor y calcular la relación de presión de salida a la presión de entrada de cada compresor centrífugo;

determinar una velocidad óptima de cada compresor centrífugo (4, 5) sobre la base de la relación de presión que se encuentra a lo largo de la línea operativa con el pico de eficiencia del compresor centrífugo;

determinar una velocidad de flujo mínima permisible de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo (4, 5) en el que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima;

determinar un multiplicador de retroalimentación que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, aumentará la velocidad cuando la velocidad de flujo que pasa a través del compresor centrífugo (4, 5) sea menor que la velocidad de flujo mínima permisible, o reducirá la velocidad cuando la velocidad de flujo que pasa a través del compresor centrífugo sea mayor o igual que la velocidad de flujo mínima permisible;

establecer un punto de ajuste de la mayor presión de adsorción objetivo para cada lecho (2, 3) de adsorción, durante las etapas de un ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato (1) de adsorción por oscilación de presión por vacío donde es menos probable que el compresor centrífugo (4, 5) encuentre condiciones de sobrecarga, aparte de una etapa de evacuación pura y una etapa de evacuación con la purga del producto de la misma, estableciendo un multiplicador de velocidad total igual al producto matemático del multiplicador de retroalimentación y un factor de velocidad global, en donde el factor de velocidad global se determina al finalizar la producción con una etapa de purga que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, aumentará la velocidad del compresor que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío cuando la mayor presión obtenida es menor que el punto de ajuste de la mayor presión de adsorción objetivo y disminuirá la velocidad del compresor que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío cuando la mayor presión obtenida es mayor que el punto de ajuste de la mayor presión de adsorción objetivo; durante la etapa de evacuación pura y la etapa de evacuación con la purga del producto, calcular un multiplicador de prealimentación que aumentará la velocidad durante la etapa de evacuación pura y la etapa de evacuación con la purga del producto de manera que no sea probable que el compresor centrífugo entre en las condiciones de sobrecarga;

establecer un punto de ajuste de menor desorción objetivo más bajo para cada lecho (2, 3) de adsorción;

determinar un factor de velocidad global de vacío al terminar la etapa de evacuación con la purga del producto que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, disminuirá la velocidad del compresor que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío cuando la menor presión obtenida sea menor que el punto de ajuste de la menor presión de desorción objetivo y aumentará la velocidad del compresor que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío cuando la menor presión obtenida sea mayor que el punto de ajuste de la menor presión de desorción objetivo; determinar el factor de velocidad global de alimentación al terminar la etapa de producción con purga;

calcular un multiplicador de velocidad total de alimentación para el compresor (4) que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío multiplicando el multiplicador de retroalimentación, el multiplicador de prealimentación y el factor de velocidad global de alimentación juntos; calcular un multiplicador de velocidad total de vacío para el compresor (5) que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío multiplicando el multiplicador de retroalimentación, el multiplicador de prealimentación y el factor de velocidad global de vacío juntos;

calcular una velocidad ajustada para tanto el compresor (4) que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío como para el compresor (5) que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío multiplicando la velocidad óptima por el multiplicador de velocidad total de alimentación o el multiplicador de velocidad total de vacío, respectivamente; y

generar una señal de control atribuible al menos a la velocidad ajustada para cada compresor (4, 5) e introducir la señal de control en el variador (12, 13) de frecuencia para cada compresor respectivo de manera que el motor eléctrico (10, 11) y el compresor centrífugo funcionen a la velocidad ajustada.

2. El método de la reivindicación 1, en donde:

el proceso de adsorción por oscilación de presión por vacío utiliza un único compresor (4) para alimentar gas comprimido a cada lecho adsorbente (2, 3) y para evacuar gases de cada lecho adsorbente.

3. El método de la reivindicación 1, en donde:

el ciclo repetitivo incluye una etapa de ecualización de presión decreciente y una etapa de ecualización de presión creciente posterior a la etapa de evacuación con la purga del producto; durante la etapa de ecualización de presión decreciente y la etapa de ecualización de presión creciente, la señal de control es atribuible a una velocidad no operativa de manera que no se aplique energía eléctrica al motor eléctrico (11) que se acciona con el compresor (5) de evacuación; y cuando se obtiene una relación de presión predeterminada durante la etapa de ecualización de presión decreciente, la señal de control nuevamente es atribuible a la velocidad ajustada de manera que el compresor (5) de evacuación funcione a la velocidad ajustada.

4. El método de la reivindicación 1, en donde:

cada vez que se determina el multiplicador de retroalimentación, se almacena el multiplicador de retroalimentación;

cuando la velocidad de flujo es menor que la velocidad de flujo mínima permisible de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo (4, 5) en el que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima, el multiplicador de retroalimentación se determina añadiendo a un último valor almacenado del multiplicador posterior un factor de corrección de velocidad; y

cuando la velocidad de flujo a través de cada compresor centrífugo es mayor o igual que la velocidad de flujo a la que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima, el multiplicador de velocidad de retroalimentación se calcula dividiendo el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación por una constante de proporcionalidad, estableciéndose la constante de proporcionalidad igual a un valor superior a 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es mayor o igual que 1,0 o 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es menor de 1,0.

5. El método de la reivindicación 1, en donde:

el multiplicador de prealimentación es una función de la relación de presión;

teniendo la función un valor máximo del multiplicador de prealimentación en una relación de presión predeterminada en la que será probable que se produzcan condiciones de sobrecarga durante una transición entre la etapa de evacuación y la etapa de purga y valores decrecientes del multiplicador de prealimentación en relaciones de presión mayores o menores que el valor máximo, o directamente antes de que esto suceda; y

el valor máximo tiene una magnitud preseleccionada de manera que, cuando el valor máximo se multiplica por la velocidad óptima en la relación de presión predeterminada, la velocidad resultante impedirá que se produzcan condiciones de sobrecarga.

6. El método de la reivindicación 1, en donde la velocidad de flujo mínima permisible de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo (4, 5) se calcula midiendo la diferencia de presión en dos puntos en una cubierta del compresor centrífugo y que están sucesivamente más cerca de un rodete del mismo.

7. El método de la reivindicación 4, en donde:

la velocidad de flujo mínima permisible de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo (4, 5) se calcula midiendo la diferencia de presión en dos puntos de la cubierta del compresor centrífugo que están sucesivamente más cerca de un rodete del mismo a diferentes intervalos de tiempo;

en donde durante cada uno de los intervalos de tiempo, se calcula y almacena un error de diferencia de presión restando la velocidad de flujo mínima permisible de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo en el que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima del valor actual de la diferencia de presión; y

el factor de corrección de velocidad del multiplicador de retroalimentación se calcula durante cada uno de los intervalos de tiempo a través del control integral proporcional que comprende añadir un término proporcional a un término integral, en donde el término proporcional se calcula multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre el error de diferencia de presión y un error de diferencia de presión anterior calculado en un intervalo de tiempo anterior y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo y en donde el término integral se calcula dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando un cociente resultante del mismo por el error de diferencia de presión.

El método de la reivindicación 6, en donde:

el multiplicador de prealimentación es una función gaussiana de la relación de presión; teniendo la función gaussiana un valor máximo del multiplicador de prealimentación en una relación de presión predeterminada en la que será probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga durante una transición entre la etapa de evacuación y la etapa de purga y valores decrecientes del multiplicador de prealimentación en relaciones de presión mayores o menores que el valor máximo, o directamente antes de que esto suceda; y

el valor máximo tiene una magnitud preseleccionada de manera que, cuando el valor máximo se multiplica por la velocidad óptima en la relación de presión predeterminada, la velocidad resultante impedirá que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga.

El método de la reivindicación 1, en donde:

cada vez que se determina el multiplicador de factor de velocidad global de alimentación, se almacena el multiplicador de factor de velocidad global;

cuando la diferencia absoluta entre la presión medida en el aparato de oscilación de presión por vacío al final de la alimentación con la etapa de purga y la mayor presión de adsorción objetivo es mayor, la tolerancia mínima permisible que se establece en /- 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), el multiplicador del factor de velocidad global de alimentación se determina añadiendo, a un último valor almacenado del multiplicador del factor de velocidad global de alimentación, un factor de corrección del factor de velocidad global de alimentación; y

cuando la diferencia absoluta entre la presión medida en el aparato de oscilación de presión por vacío al final de la alimentación con una etapa de purga y la mayor presión de adsorción objetivo es menor que la tolerancia mínima permisible de /-0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), el multiplicador del factor de velocidad global de alimentación se establece igual al último valor almacenado del multiplicador del factor de velocidad global de alimentación.

El método de la reivindicación 1, en donde:

cada vez que se determina el multiplicador del factor de velocidad global de vacío, se almacena el multiplicador del factor de velocidad global;

cuando la diferencia absoluta entre la presión medida en el aparato de oscilación de presión por vacío al final de la etapa de evacuación con la purga del producto y la menor presión de desorción objetivo es mayor que la tolerancia mínima permisible, que se establece en /- 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), el multiplicador del factor de velocidad global de vacío se determina añadiendo a un último valor almacenado del multiplicador del factor de velocidad global de vacío un factor de corrección del factor de velocidad global de vacío; y

cuando la diferencia absoluta entre la presión medida en el aparato de oscilación de presión por vacío al final de la etapa de evacuación con la purga del producto y la menor presión de desorción objetivo es menor que la tolerancia mínima permisible de /- 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), el multiplicador del factor de velocidad global de vacío se establece igual al último valor almacenado del multiplicador del factor de velocidad global de vacío.

Un sistema de control para controlar la velocidad del compresor centrífugo en un aparato (1) de adsorción por oscilación de presión por vacío, comprendiendo dicho sistema de control:

medios (16, 17, 19, 20) para detectar la velocidad de flujo del gas que entra en dos o más compresores centrífugos (4, 5) accionados directamente por motores eléctricos (10, 11) que tienen una velocidad controlada por variadores (12, 13) de frecuencia, un compresor (4) que presuriza y un compresor (5) que evacúa el aparato (1) de oscilación de presión por vacío;

transductores (15, 16, 18, 19) de presión colocados para detectar presión en una entrada y una salida de los compresores centrífugos (4, 5);

transductores (30, 31) de presión colocados para detectar presión en el lecho (2, 3) de adsorción del aparato (1) de adsorción por oscilación de presión por vacío;

un controlador (14) que responde a medios (17, 20) de detección de parámetros, los transductores (15, 16, 18, 19) de presión y las etapas de un ciclo repetitivo llevado a cabo por el aparato (1) de adsorción por oscilación de presión por vacío y que tiene un programa de control programado para:

calcular una relación de presión de las presiones de la salida a la entrada de los compresores centrífugos (4, 5);

determinar una velocidad óptima de los compresores centrífugos (4, 5) sobre la base de la relación de presión que se encuentra a lo largo de la línea operativa con el pico de eficiencia de los compresores centrífugos (4, 5);

determinar una velocidad de flujo mínima permisible de la corriente de fluido que pasa a través de cada compresor centrífugo (4, 5) a la que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima;

determinar un multiplicador de retroalimentación que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, aumentará la velocidad cuando la velocidad de flujo sea menor que la velocidad de flujo mínima permisible o reducirá la velocidad cuando la velocidad de flujo sea mayor o igual que la velocidad de flujo mínima permisible;

determinar el valor de velocidad global de alimentación al terminar la etapa de alimentación con purga que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, aumentará la velocidad de un compresor (4)_que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío cuando la mayor presión medida en el lecho (2, 3) de adsorción del aparato de oscilación de presión por vacío que se está presurizando durante la alimentación con una etapa de purga sea menor que la mayor presión de adsorción objetivo, y disminuirá la velocidad del compresor (4) que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío cuando la mayor presión medida en el lecho de adsorción del aparato de oscilación de presión por vacío que se está presurizando durante la alimentación con una etapa de purga sea mayor que la mayor presión de adsorción objetivo;

determinar el factor de velocidad global de vacío al terminar la etapa de evacuación con la purga del producto que, cuando se multiplica por la velocidad óptima, disminuirá la velocidad de un compresor que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío cuando la menor presión medida en el lecho (2, 3) de adsorción del aparato (1) de oscilación de presión por vacío que se está evacuando durante la etapa de evacuación con la purga del producto sea mayor que la menor presión de desorción objetivo, y aumentará la velocidad del compresor que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío que se está evacuando cuando la menor presión medida en el lecho de adsorción del aparato de oscilación de presión por vacío durante la etapa de evacuación con la purga del producto sea mayor que la menor presión de desorción objetivo;

establecer un multiplicador de velocidad total de vacío igual al producto matemático del multiplicador de retroalimentación y al factor de velocidad global de alimentación durante las etapas del ciclo repetitivo donde es menos probable que los compresores centrífugos entren en condiciones de sobrecarga, aparte de una etapa de evacuación pura y una etapa de evacuación con la purga del producto de la misma;

establecer el multiplicador de velocidad total de vacío igual a un producto matemático del multiplicador de retroalimentación, el multiplicador de prealimentación y el multiplicador de factor de velocidad global de vacío durante la etapa de evacuación pura y la etapa de evacuación con la purga del producto, que aumentará la velocidad de manera que no sea probable que los compresores centrífugos entren en las condiciones de sobrecarga; establecer un multiplicador de velocidad total de alimentación igual al producto matemático del multiplicador de retroalimentación y del factor de velocidad global de alimentación; y calcular una velocidad ajustada para un compresor que presuriza el aparato de oscilación de presión por vacío y un compresor que evacúa el aparato de oscilación de presión por vacío multiplicando la velocidad óptima por el multiplicador de velocidad total de alimentación y el multiplicador de velocidad total de vacío, respectivamente; y

el controlador (14) configurado para generar una señal de control en respuesta al programa de control y capaz de servir como entrada en el variador (12, 13) de frecuencia de manera que la velocidad del motor eléctrico (10, 11) para cada compresor centrífugo (4, 5) se controle en respuesta a la señal de control, siendo la señal de control atribuible al menos a la velocidad ajustada de manera que cada motor eléctrico y, por lo tanto, cada compresor centrífugo, funcione a la velocidad ajustada.

El sistema de control de la reivindicación 11, en donde:

el aparato (1) de adsorción por oscilación de presión por vacío utiliza un compresor (4) de alimentación para alimentar gas comprimido a cada uno de los lechos (2, 3) de adsorción del aparato (1) de adsorción por oscilación de presión por vacío y un compresor (5) de evacuación utilizado para evacuar gases de cada uno de los lechos de adsorción; en donde

el compresor (4) de alimentación y el compresor (5) de evacuación son ambos compresores centrífugos.

El sistema de control de la reivindicación 12, en donde:

el ciclo repetitivo incluye una alimentación con una etapa de ecualización posterior a la etapa de evacuación con la purga del producto, una alimentación con una etapa de nueva presurización del producto después de la alimentación con la etapa de ecualización y una etapa de ecualización antes de la etapa de evacuación pura;

el programa de control se programa para producir una velocidad no operativa a la que el variador (12, 13) de frecuencia eliminará la energía eléctrica del motor eléctrico (10, 11) y la señal de control es atribuible a la velocidad no operativa cuando sea producida por el programa de control; durante la alimentación con la etapa de ecualización, la etapa de ecualización y el inicio de la alimentación con la etapa de nueva presurización del producto, el programa de control produce la velocidad no operativa de manera que, cuando la señal de control se introduce en el variador (12, 13) de frecuencia, la energía eléctrica no se aplica al motor eléctrico (10, 11); y el programa de control también se programa de manera que, cuando se obtiene una relación de presión predeterminada de la relación de presión durante la alimentación con la etapa de nueva presurización del producto, la señal de control es atribuible nuevamente a la velocidad ajustada de manera que el motor eléctrico (10, 11) y, por lo tanto, el compresor (4, 5), funcionen a la velocidad ajustada.

14. El sistema de control de la reivindicación 12, en donde:

el ciclo repetitivo incluye una etapa de ecualización de presión decreciente y una etapa de ecualización de presión creciente posterior a la etapa de evacuación con purga;

el programa de control se programa para producir una velocidad no operativa a la que el variador (12, 13) de frecuencia eliminará la energía eléctrica del motor eléctrico (10, 11) y la señal de control es atribuible a la velocidad no operativa cuando sea producida por el programa de control; durante la etapa de ecualización de la presión decreciente y la etapa de ecualización de la presión creciente, el programa de control produce la velocidad no operativa de manera que, cuando la señal de control se introduce en el variador (12, 13) de frecuencia, la energía eléctrica no se aplica al motor eléctrico (11) que acciona el compresor (5) de evacuación; y el programa de control también se programa de manera que, cuando se obtiene una relación de presión predeterminada de la relación de presión durante la etapa de ecualización de presión decreciente, la señal de control es atribuible nuevamente a la velocidad ajustada de manera que el motor eléctrico y, por lo tanto, el compresor de evacuación, funcionen a la velocidad ajustada.

15. El sistema de control de la reivindicación 11, en donde el programa de control se programa de manera que:

cada vez que se determina el multiplicador de retroalimentación, se almacena el multiplicador de retroalimentación;

cuando la velocidad de flujo a través de cada compresor centrífugo (4, 5) es mayor o igual que la velocidad de flujo mínima permisible a la que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima, el parámetro es menor que el valor mínimo permisible, el multiplicador de retroalimentación se determina añadiendo a un último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación un factor de corrección de velocidad; y

cuando la velocidad de flujo a través de cada compresor centrífugo (4, 5) es mayor o igual que la velocidad de flujo mínima permisible a la que pueden producirse condiciones de sobrecarga a la velocidad óptima, el multiplicador de velocidad de retroalimentación se determina dividiendo el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación por una constante de proporcionalidad, estableciéndose la constante de proporcionalidad igual a un valor superior a 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es mayor o igual que 1,0 o 1,0 cuando el último valor almacenado del multiplicador de retroalimentación es menor de 1,0.

16. El sistema de control de la reivindicación 11, en donde el programa de control se programa de manera que:

el multiplicador de prealimentación es una función de la relación de presión;

teniendo la función un valor máximo del multiplicador de prealimentación en una relación de presión predeterminada en la que será probable que el compresor centrífugo (4, 5) entre en condiciones de sobrecarga durante una transición entre la etapa de evacuación y la etapa de purga y valores decrecientes del multiplicador de prealimentación en relaciones de presión mayores o menores que un valor máximo; y

el valor máximo tiene una magnitud preseleccionada de manera que, cuando el valor máximo se multiplica por la velocidad óptima en la relación de presión predeterminada, la velocidad resultante impedirá que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga.

17. El método de la reivindicación 5 o el sistema de control de la reivindicación 16, en donde la función es una función gaussiana.

18. El sistema de control de la reivindicación 11, en donde:

los medios de detección de la velocidad de flujo son dos transductores (16, 17, 19, 20) de presión adicionales situados en dos puntos de la cubierta del compresor centrífugo (4, 5) que están sucesivamente más cerca de un rodete del mismo;

el programa de control está programado para calcular una diferencia de presión a partir de la presión medida por los dos transductores de presión adicionales; y

la velocidad de flujo se calcula a partir de la diferencia de presión.

El sistema de control de la reivindicación 15, en donde:

los medios de detección de la velocidad de flujo son dos transductores (16, 17, 19, 20) de presión adicionales situados en dos puntos de la cubierta del compresor centrífugo (4, 5) que están sucesivamente más cerca de un rodete del mismo;

el programa de control está programado para calcular una diferencia de presión a partir de las presiones medidas por los dos transductores de presión adicionales;

la velocidad de flujo se calcula a partir de la diferencia de presión; y

el programa de control se programa de manera que;

durante cada uno de los intervalos de tiempo, se calcula un error de diferencia de presión y se almacena restando el valor mínimo permisible de un valor actual de la diferencia de presión; y el factor de corrección de velocidad del multiplicador de retroalimentación se calcula durante cada uno de los intervalos de tiempo a través del control integral proporcional que comprende añadir un término proporcional a un término integral, calculado el término proporcional multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre el error de diferencia de presión y un error de diferencia de presión anterior calculado en un intervalo de tiempo anterior y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo y el término integral calculado dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando un cociente resultante del mismo por el error de diferencia de presión.

El sistema de control de la reivindicación 19, en donde el programa de control se programa de manera que:

el multiplicador de prealimentación es una función gaussiana de la relación de presión; teniendo la función gaussiana un valor máximo del multiplicador de prealimentación en una relación de presión predeterminada en la que será probable que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga durante una transición entre la etapa de evacuación y la etapa de purga y valores decrecientes del multiplicador de prealimentación en relaciones de presión mayores o menores que un valor máximo; y

el valor máximo tiene una magnitud preseleccionada de manera que, cuando el valor máximo se multiplica por la velocidad óptima en la relación de presión predeterminada, la velocidad resultante impedirá que el compresor centrífugo entre en condiciones de sobrecarga.

El sistema de control de la reivindicación 11, en donde el programa de control se programa de manera que:

cada vez que se determina el factor de velocidad global de vacío, se almacena el factor de velocidad global de vacío;

cuando la diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de desorción más baja objetivo es mayor que la tolerancia permisible, el factor de velocidad global de vacío se determina añadiendo a un último valor almacenado del factor de velocidad global de vacío un factor de corrección de velocidad global de vacío; y

cuando la diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de desorción más baja objetivo es menor o igual que una tolerancia a la presión de /- 0,5 kPa (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), se determina que el factor de velocidad global de vacío es el último valor almacenado del factor de velocidad global de vacío.

El sistema de control de la reivindicación 21, en donde el factor de velocidad global de vacío se calcula a través de un control integral proporcional que comprende añadir un término proporcional a un término integral, siendo el término proporcional calculado multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de desorción más baja objetivo y una diferencia previa entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de desorción más baja objetivo calculada en un intervalo de tiempo previo y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo y siendo el término integral calculado dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando un cociente resultante del mismo por la diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de desorción más baja objetivo.

El sistema de control de la reivindicación 11, en donde el programa de control se programa de manera que:

cada vez que se determina el factor de velocidad global de alimentación, se almacena el factor de velocidad global de alimentación;

cuando la diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de adsorción más alta objetivo es mayor que la tolerancia permisible de /- 0,5 kPA (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), el factor de velocidad global de alimentación se determina añadiendo a un último valor almacenado del factor de velocidad global de alimentación un factor de corrección de velocidad global de alimentación; y

cuando la diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de adsorción más alta objetivo es menor o igual que la tolerancia de /- 0,5 kPA (5,08 cm [2 pulgadas] de agua), se determina que el factor de velocidad global de alimentación es el último valor almacenado del factor de velocidad global de alimentación.

24. El sistema de control de la reivindicación 23, en donde el factor de velocidad global de alimentación se calcula a través de un control integral proporcional que comprende añadir un término proporcional a un término integral, siendo el término proporcional calculado multiplicando un factor de ganancia por una diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de adsorción más alta objetivo y una diferencia previa entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de adsorción más alta objetivo calculada en un intervalo de tiempo previo y dividiendo la diferencia por el intervalo de tiempo y siendo el término integral calculado dividiendo el factor de ganancia por un tiempo de restablecimiento integral y multiplicando un cociente resultante del mismo por la diferencia entre la presión medida y el punto de ajuste de la presión de adsorción más alta objetivo.