FI103363B - Menetelmä kineettisen kompressorin säätämiseksi - Google Patents

Description

1 103363

Menetelmä kineettisen kompressorin säätämiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä kineettisen kompressorin säätämiseksi.

5

Kineettisellä kompressorilla tarkoitetaan tässä selityksessä radiaali-kompressoria tai aksiaalikompressoria, jossa paineen nousu perustuu keskipakoisvoimaan ja virtauksen hidastumiseen kompressorin siipihi-loissa. Tyypillisesti pieni vastapaineen tai pyörimisnopeuden muutos voi 10 tällaisella kompressorilla muuttaa olennaisesti tilavuusvirtaa, kun taas perinteisellä syrjäytyskompressorilla (kuten mäntäkompressorilla) tila-vuusvirta on pyörimisnopeuden lähes lineaarinen funktio.

Useimmissa käyttösovellutuksissa kineettisen kompressorin haluttaisiin 15 tuottavan tietty, käyttäjän asettama tilavuus- tai massavirta. Lisäksi kompressorin särkymisen estämiseksi tilavuusvirta täytyy rajoittaa tietylle alueelle: Jos tilavuusvirta on tiettyä miniarvoa pienempi, joutuu kompressori ns. sakkaustilaan ja sen juoksupyörä voi vaurioitua. Jos tilavuusvirta taas on tiettyä maksimiarvoa suurempi, voi kompressorin 20 käyttömoottori ylikuormittua.

Siten kompressorin säätämiseksi tulisi sen tilavuusvirta tai massavirta voida mitata. Perinteisesti se on tehty asettamalla kompressorin imuka-navaan tai poistokanavaan esim. kuristuslaippatyyppinen mittauslaite.

. 25 Tästä aiheutuu kuitenkin tiettyjä ongelmia: Jos mittalaite on sijoitettu ··· imukanavaan ja imupaine on suhteellisen vakio, riittää yksi paine-erolä- hetin. Jos mittalaite on sijoitettu poistokanavaan, ja poistopaine vaihte-lee, tarvitaan paine-erolähettimen lisäksi myös staattisen paineen mitta-]·:·. lähetin. Kummassakin tapauksessa mittauslaite aiheuttaa hyötysuhdet- 30 ta huonontavan painehäviön. Lisäksi tarvittavat pienet paineenmittaus-... reiät voivat tukkeutua tai paineenmittausputkiin voi kertyä virhelukemaa • « t aiheuttavaa kondenssivettä. Muutenkin painelähettimet ovat, paitsi kal-; liitä myös herkkiä sähköisille häiriöille. Jos tilavuusvirtamittaus tehdään ·*· r kompressorin imukartiosta, ei synny lisäpainehäviötä, mutta kompres- 35 sorin ollessa sakkaustilassa antaa paine-erolähetin virheellisen lukeman. Kaiken kaikkiaan, luotettava tilavuusvirtamittaus perinteisellä tavalla tulee verraten kalliiksi, mikä heikentää varsinkin pienitehoisten kineettisten kompressorien kannattavuutta.

2 103363

Alalla vallitsevan tekniikan tason suhteen voidaan viitata julkaisuihin US-3846326 ja US-5524556. Näissä julkaisuissa on käsitelty kompressorien säätötapoja, jotka kuitenkin eroavat oleellisesti nyt esillä olevan 5 keksinnön mukaisesti menetelmästä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on määrittää säätöä varten tarvittava kokonaistieto tilavuusvirrasta käyttömoottorin sähköisten suureiden avulla tarvitsematta mitata varsinaista virtausta suoralla mittauksella.

10 Siten voidaan välttää tunnetun tekniikan epäkohdat ja kohottaa alalla vallitsevaa tekniikan tasoa. Näiden tarkoitusten saavuttamiseksi on keksinnön mukaiselle menetelmälle pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

15 Jos kompressorin käyttömoottoria syötetään taajuusmuuttajalla, mikä usein on laita pienissä kineettisissä kompressoreissa, saadaan taajuusmuuttajan säätöpiiri helposti laskemaan moottorin vääntömomentti. Lisäksi taajuusmuuttajasta saadaan moottorin (ja sitä kautta kompressorin) pyörimisnopeus.

20

Keksintöä havainnollistetaan lähemmin seuraavassa selityksessä, jossa viitataan oheisiin piirustuksiin. Piirustuksissa : kuva 1 esittää vakiona pysyvällä imupaineella (=ulkoilma) ja vakio- 25 na pysyvällä vastapaineella (esim. allassyvyys) toimivan kompressorin tuottamaa paine-eroa (Δρ) ja tilavuusvirtaa eri yj pyörimisnopeuksilla (kuvan yläosa) ja vastaavia momentti- käyriä (kuvan alaosa), • · · 30 kuva 2 esittää kaavallisesti virtauksen säätölogiikkaa, ja • · · • kuva 3 esittää kuvaa 1 vastaavaa kompressorin tunnuskenttää sillä /. ; erotuksella, että poistopaine on vakio (=ulkoilman paine) ja • · · imupaine vaihtelee, eli kompressori toimii alipainekompres-35 sorina.

3 103363

Seuraavassa selvitetään keksinnön mukaisen menetelmän teoreettisia perusteita. Määritellään aluksi kompressorin massa- tai tilavuusvirtaan liittyvät käsitteet.

5 Massavirta qm, laatu kg/s, on yksiselitteinen.

Normikuutiovirtaus, qvn, laatu Nm3/s on itse asiassa massavirta jaettuna vakiolla, koska Nm3 kuivaa ilmaa painaa 1.2921 kg lämpötilasta ja paineesta riippumatta. Normikuutiometri määritellään seuraavasti: m3 10 kaasua, kun lämpötila on 0°C ja paine 1.0132 bar abs.

Imutilavuusvirta, qv, laatu m3/s, on kompressorin imemä todellinen tila-vuusvirta.

15 Imukartion avulla mitattu tilavuusvirta (ilman lämpötila- tai painekor-jauksia) qvimuk, laatu m3/s, on todellinen tilavuusvirta vain design-olo-suhteissa.

Dimensioton massavirta, Qdim (laaduton), jota voidaan myös kutsua di-20 mensiottomaksi tilavuusvirraksi, on suure, jonka avulla tietyn kompressorin tunnuskenttä voidaan määrittää lämpötilasta ja paineesta riippumatta. Design-pisteessä Qdim = 1.0 ja esim. Qdim arvolla 0.7 ominais-käyrän kaltevuus on aina sama lämpötilasta riippumatta. Toisin sanoen, jos kompressori toimii hyvin design-olosuhteissa alueella 25 0.7 < Qdim < 1.2, se toimii yhtä hyvin ko. alueella, olipa tulolämpötila ja - paine mikä hyvänsä (poikkeus: riittävän matalalla lämpötilalla voi säh- .. kökoneen tehoraja tulla vastaan).

• · · • · · • · · ’·' ’ Kompressorin kannalta säädöstä saadaan ongelmattomin, jos kom- 30 pressoria ohjaavaksi suureeksi valitaan juuri dimensioton massavirta • t c ' Qdim. Eri suureiden välillä vallitsee seuraava riippuvuus: • l · • « · =:--: (1) *"~I.292?W· kuivallailmalla 4 103363 W a =lml£*lÄ pn = 1.0132 bar

Hv ♦

Pi 1" Tn = 273.15 K

,,, q =„ ,BI, G5T

5 <3) " ir,'T„ V p,! ’

... a =!Λ. |T

(4)

On huomattava, että edellä alaindeksi "o" viittaa design-pisteen tilaan 10 (esim. 15°C ja 1,0 bar), kun taas alaindeksi "n" viittaa normikuution määrittelyillään, joka on aina 0°C ja 1,103 bar. Alaindeksi "1" viittaa mitattuun suureeseen (p, T). Yhtälöissä tulolämpötila T-| tulee tietysti antaa Kelvin-asteina (°C +273,15).

15 Tarkastellaan muutamaa numeroesimerkkiä. Oletetaan, että design-piste on määritelty imutilassa 15°C, 1.0132 bar. Oletetaan edelleen, että ko. tilassa kompressorin qv = 6000 m3/h ja että kompressoria säädetään siten, että Qdim on vakio. Imukartiomittaus on kalibroitu siten, että design-pisteessä qv = qVjmuk· J°s tulopaine on vakio ja samoin 20 vastapaine, saadaan eri lämpötiloilla seuraavat arvot:

Ti -40°C -20°C 0°C +15°C +35°C

• · 1 : *·♦ Qdim - 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 :!i>: qvn Nm3/h 6323 6068 5842 5688 5500 qv m3/h 5397 5624 5842 6000 6205 :T· qvimuk m3/h 6000 6000 6000 6000 6000 j*:*: qm kg/s 8170 7841 7548 7349 7107 . P/P0 - 0.90 0.94 0.97 1.00 1.03 N/N0 - 0.90 0.94 0.97 1.00 1.03

Missä P on kompressorin käyttömoottorin akseliteho.

5 103363

Jos kompressorin tuloilla (pn, on vakio ja kompressorin sähkökoneen teho on mitattu tunnuskentän eri pisteissä, voidaan kompressorin imemä todellinen tilavuusvirta qv yksiselitteisesti laskea moottorin mitatusta vääntömomentista f ja pyörimisnopeudesta N (ks. kuvan 1 kat-5 koviiva). Vastapaine kompressorin imu- tai painepuolella ei vaikuta tähän laskutoimitukseen, t.s. se määrittää vain kulloinkin tarvittavan pyörimisnopeuden.

Kutakin qv:n arvoa vastaava vääntömomentti f voitaneen helpoimmin 10 määrittää mittaamalla ja tallentamalla mittapisteet mikroprosessorin muistiin eli muodostaa kuvan 1 mukainen käyrästö eli säätöalgoritmi, ja tekemällä niiden välillä interpolointi kahden muuttujan suhteen. Jos käytettävissä on sellainen tiedosto, missä on huomioitu sähkökoneen hyötysuhde ja mikä perustuu mittaustuloksiin, saadaan tarvittavat mo-15 menttipisteet suoraan siitä.

Kuvassa 2 on esitetty menetelmän mukainen periaatteellinen säätö-kaavio. Tavoitteena siis on, että toimitaan suhteessa kompressorin sakkausrajaan ja käyrän kaltevuuteen halutussa kohtaa. Tällöin ns. di-20 mensioton massavirta on vakio ja tulolämpötilan vaihtelun vaikutus kompensoituu:

Edellä esitetty voidaan teoreettisesti perustella seuraavasti: 25 Jotta kompressorin tunnuskentässä pysyttäisiin x-akselin suhteen sa massa kohtaa, tulee massavirtaa korjata seuraavasti: •« • · • · · (5) = —

Pio V Ά • · s I f · • c :T: 30 Vastaavasti, jotta pyörimisnopeuskäyrästössä pysyttäisiin samassa .* . kohtaa (esim. käyrällä A kuvassa 1), tulee pyörimisnopeutta (kulmanopeutta) korjata seuraavasti (6) 35 6 103363

Nyt kompressorin sähkökoneen teho P

(7) ρ = ω*τ= * qm * -1 )*cp=k2* qm * Tx 5 jossa k2 = vakio, jos sähkömekaaninen hyötysuhde ηβΓη, cp ja paine-suhde π ovat vakioita. Siten saadaan vääntömomentiksi (8) T-k2*qm*T\ ω 10 ja sijoittamalla yht. (5) ja (6) saadaan vääntömomentiksi edelleen (9) f ftP|

Pu)*V^*V^ Pio

Jos qm noudattaa yht. (5), pätee todelliselle imutilavuusvirralle 15

n IT n *T I T

/4r\\ a -Q —— *v *——-- a * — (10) Hnm n Vt " n *r y'" Vt ru> V 1 /1 1« V le

Edellisessä esityksessä kuten muuallakin selityksessä lämpötila T on annettu Kelvin-asteina ja vääntömomentin symboli on f (T-yläviiva).

20 Samoin esityksessä alaindeksi "o" viittaa mittaus- tai laskentatilan mukaiseen ko. suureen arvoon. Tähtimerkintä merkitsee edellä samoin kuin muuallakin selityksessä kertolaskua.

• ·

Jos tulopaineen Pi vaihtelu on merkittävä, tulee vääntömomentin ohje- • · · *·’ 1 25 arvoa korjata sillä yhtälön (9) mukaisesti :T (11) f _T*P] ‘tori ~ : : : P\ o « ♦ • · • · · ’· Huomattakoon, että yksi anturi riittää, jos kyseessä on useita rinnak- 30 kaisia kompressoreja. Jos tulolämpötila T^ vaihtelee paljon, säätö toimii, koska siinä T^n vaikutus kompensoituu yhtälön (9) mukaisesti, mutta qv:n asetusarvo ei enää edusta todellista imutilavuusvirtaa.

7 103363

Suhteellinen virhe on tällöin yhtälön (10) mukaisesti verrannollinen kaavaan: I 273 +ΊΓ (12) y273+Tco 5 jossa Tc ja Tco on annettu Celsius-asteina, joten käytännössä syntyvä virhe on pieni.

Tulopainekorjausta ei ole tarpeen eikä sallittua tehdä, jos kompressori 10 on mitattu ja tunnuskenttä annettu vakiona pysyvällä poistopaineella, kuten kuvan 3 mukaisessa tunnuskentässä, joka on muodostettu ali-painekompressorille. Kuvan 3 merkinnöissä sanat "vanha" ja "uusi" viittaavat paperikoneen viiran ikään. Tässä on huomattavaa se, että loppupaine on vakio ja imupaine vaihtelee kompressorin tuottaman 15 paine-eron Δρ (lue delta p) mukaisesti, joten laskettu/mitattu momentti sisältää jo tulopaineen vaihtelun vaikutuksen. Mitään korjausta ei siis tarvita, jos poistopaine on laskenta-/mittaustilanteen mukainen. Jos poistopaine poikkeaa tästä olennaisesti, tulee laskea Δρ:η avulla tulopaineen vastaava muutos ja tehdä tätä vastaava korjaus.

20 Esimerkiksi, jos mittaustilanteen poistopaine on 100 kPa ja vastaava Δρ on 50 kPa, mutta käyttötilanteessa poistopaine onkin 110 kPa, saadaan korjaustermiksi (110 - 50)/(100 - 50) = 60/50. Kuvasta 3 nähdään myös, että vakiona pysyvällä poistopaineella momenttikäyrät lähes yhtyvät, t.s. tietyllä pyörimisnopeudella ne voitaisiin jollain tarkkuudella kuvata 25 yhdellä käyrällä tai suoralla. Tästä huolimatta mikroprosessoriin (säätöalgoritmiin) on kuitenkin syytä ohjelmoida käyräparvi, koska muuten voi tulla ongelmia toiminta-alueen rajoilla (muutama vääntömomenttikäyrä poikkeaa selvästi "ryppäästä".

• ·» « · <* 30 Huomattakoon edelleen, että nyt mitatulla momentin ohjearvolla voi-*\ ’ daan yksinkertaisesti korvata perinteisesti käytetty qv:n ohjearvo ja säi- :/.j lyttää pyörimisnopeussäätö, jos se on yksinkertaisempaa kuin suora momenttisäätö. Mitattu vääntömomentti pitäisi kuitenkin "puhdistaa" kiihdytysten ja hidastusten vaikutuksesta. Toisin sanoen tässä lasken- 35 nassa käytettävä vertailuvääntömomentti f saadaan vähentämällä mi- 8 103363 tatusta vääntömomentista (=invertterin laskema) kiihdytyksen vaatima momentti kuvan 2 mukaisesti: t = t — / 1

1 1 mitattu J

ot 5 jossa J on akselin hitausmomentti ja doV3t on kulmanopeuden osittaisderivaatta ajan suhteen.

Tarpeettomien heilahteluiden välttämiseksi on signaalin käsittelyssä li-10 säksi syytä käyttää sekunnin parin integrointiaikaa.

Tarkastellaan esimerkinomaisesti säätötapahtumaa ylipainetta tuottavalla kompressorilla kuvaan 1 viitaten. Kukin käyrä A...D vastaa tiettyä, lämpötilakorjatun pyörimisnopeuden arvoa. Oletetaan, että vastapaine 15 on 120 kPa ja käyttäjä haluaa tilavuusvirraksi 5650 m3/h. Painesäätäjä asettaa nyt kompressorin pyörimisnopeuden siten, että asetettu vasta-paine toteutuu. Silloin ollaan käyrällä A. Muistiin talletetusta taulukosta eli säätöalgoritmista interpoloimalla säätöohjelma laskee haluttua tila-vuusvirtaa vastaavaksi vääntömomentiksi 55 Nm, minkä sähkömoottori 20 pyrkii nyt pitämään (katkoviiva kuvassa 1). Kuten kuvasta 1 nähdään, voidaan vääntömomentin avulla yksiselitteisesti määrittää tilavuusvirta, kun pyörimisnopeus tunnetaan. Jos kompressori painepiikin tms. häiriön vuoksi joutuu sakkausalueelle eli kuvissa 1 ja 3 esitetyn pistekat-koviivan vasemmalle puolelle, tunnistaa automatiikka tämän suhteessa 25 pyörimisnopeuteen liian pienestä momentista ja käynnistää asian vaatimat toimenpiteet (ulospuhallusventtiilin avaaminen jne.).

• · • t· «· · v «' Tarkastellaan edelleen säätöä kuvan 3 mukaisella säätöalgoritmilla ali- painekompressorissa (esim. paperikonekäyttö, kuivausviiran yhteydes-30 sä paperikoneen kuivatusosassa). Käyttäjä valitsee sellaisen imutila-vuusviiran qv arvon, että kompressori toimii hyvällä hyötysuhteella, mutta ollaan riittävän etäällä sakkaus- ja ylitehorajasta. Periaatteessa « · · ’· ’·1 käyttäjä voi säätää myös prosentteja; esim. 60 => 100 %. Kun viira on uusi, toimitaan pisteessä A. Viiran vanhetessa sen aiheuttama paine-35 häviö kasvaa, ja kuvan 2 mukaisen logiikan ohjaamana toimintapiste ·;·· siirtyy A=>B=>C=>D. Kun maksiminopeus on saavutettu, tulisi viira (tai huopa) uusia tai puhdistaa. Sakkaus- ja ylitehorajat voidaan halutessa 9 103363 ohjelmoida myös vinoiksi, jos toiminta-aluetta alemmilla nopeuksilla halutaan laajemmaksi.

Edellä olevat esimerkit kuvaavat vain eräitä mahdollisia menetelmän 5 käyttösovelluksia. Erityisen edullista on soveltaa menetelmää ns. suur-nopeussovelluksissa, joissa sähkökoneen akselin pyörimisnopeus on suurempi kuin 20000 rpm (kierrosta minuutissa).

On edullista, että kompressorin sakkaus- ja tukkeutumarajaa vastaava 10 dimensiottoman massavirran Qdim arvo tallennetaan säätöalgoritmiin pyörimisnopeuden funktiona, ja näin saatua arvoa käytetään sakkaus-ja tukkeutumissuojauksen ohjearvona.

Edelleen on edullista, että dimensioton massavirta Qdim pidetään aina-15 kin noin 10% suurempana kuin sakkausta vastaava dimensiottoman massavirran Qdim arvo, ja ainakin noin 10% pienempänä kuin tukkeutumista vastaava dimensiottoman massavirran Qdim arvo.

Ohjaukseen tarvittavan vääntömomentin f oloarvo mitataan sähköko-20 neen käyttömoottoria syöttävän taajuusmuuttajan ohjauslogiikalta.

• # • · • · · • 1« • · · • · · • · · • · • k

• 4 C

* · * · r, 1 ·

» I I

• · · • ·

Claims (8)

1. Menetelmä kompressorin toiminnan säätämiseksi, tunnettu siitä, 5 että valitaan säätötoiminnan lähtökohdaksi ns. dimensioton massavirta (Qdjm) = että ίο n.· muodostetaan säätöalgoritmi tai vastaava, jolla yhdistetään dimensioton massavirta, sähkökoneen akselin vääntömo-mentti ja pyörimisnopeus, ja että 15. pidetään dimensioton massavirta (Qdim) haluttuna tai halu tuissa rajoissa pitämällä kompressoria käyttävän sähkökoneen vääntömomentti (f) ja kompressorin akselin pyörimisnopeus oleellisesti tietyissä säätöalgoritmin määrittämissä arvoissa. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan säätöalgoritmi mittaamalla eri muuttujien arvoja ja tallennetaan säätöalgoritmi kompressorin ohjausjärjestelmän muistiin taulukkona tai käyräparvena, jolloin kutakin dimensiottoman massavirran 25 (Qdim) arvoa vastaa kompressorin akselin vääntömomentti (f) akselin :·. pyörimisnopeuden funktiona. • · · « ««· • · «

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vakioimupaineella mitatun kompressorin tapauksessa muistista haetun v : 30 vääntömomentin ohjearvoa (f) korjataan kaavan • ·« ♦ ♦ « • · ♦ .*! : f _ T*P\ *· *: horj - .···. P\o mukaisesti ennen sen käyttöä kompressorin ohjaukseen. 35 11 103363

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan ohjaukseen tarvittavan vääntömomentin (f) oloarvo sähkökoneen käyttömoottoria syöttävän taajuusmuuttajan ohjauslogiikalta.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1—4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että korjataan ennen käyttämistä sähkökoneen akselin vääntö-momentin (f) oloarvo nopean kiihtymisen tai hidastumisen vaikutuksen komprensoimiseksi käyttäen kaavaa:

10 T = T - j 1— ot jossa J on akselin hitausmomentti ja termi Θω/Jt on kulmanopeuden osittaisderivaatta ajan suhteen.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1—5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kompressorin sakkaus- ja tukkeutumarajaa vastaava dimen-siottoman massavirran (Qdim) arvo tallennetaan säätöalgoritmiin pyörimisnopeuden funktiona, ja näin saatua arvoa käytetään sakkaus- ja tukkeutumissuojauksen ohjearvona. 20

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dimensioton massavirta (Qdim) pidetään ainakin noin 10 % suurempana kuin sakkausta vastaava dimensiottoman massavirran (Qdim) arv0> ja ainakin noin 10 % pienempänä kuin tukkeutumista vastaava dimensiot- : 25 toman massavirran (Qdim) arvo. : 1··

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valitaan sähkökoneen akselin pyörimisnopeus suuremmaksi kuin 20000 kierrosta minuutissa. • · · • ♦ 1 • · ♦ • · o • · c • · • · « • · · • 1 12 103363