ITFI20130064A1

ITFI20130064A1 - "methods and systems for controlling turbocompressors"

Info

Publication number: ITFI20130064A1
Application number: IT000064A
Authority: IT
Inventors: Marco Baggiani; Vestri Lorenzo Bazzanti; Andrea Bernocchi; Daniele Galeotti; Sergio Mannucci; Emiliano Toci
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-09-27
Also published as: AU2014243207A1; JP2016514789A; EP2978973A1; AU2014243207B2; CN105308329A; US20160047392A1; WO2014154629A1; KR20150134397A

Description

"METODI E SISTEMI PER IL CONTROLLO DEI TURBO COMPRESSORI"

Descrizione

Campo dell'invenzione

La presente descrizione concerne sistemi di compressori piÃ¹ specificamente sistemi di turbo compressori comprendenti compressori assiali e/o centrifughi per elaborare un flusso di gas. Lâ€™oggetto della presente descrizione riguarda specificamente metodi e sistemi per controllare la disposizione di compressori per evitare fenomeni di funzionamento fuori dal campo di funzionamento, quali il pompaggio ed altre condizioni indesiderate di funzionamento.

Descrizione dell'arte anteriore

Turbo compressori sono turbo macchine operatrici usate per aumentare la pressione di un flusso gassoso di lavoro. La pressione del fluido di lavoro viene incrementata iniettando energia cinetica in un flusso continuo di un fluido di lavoro attraverso la rotazione di un rotore che supporta una o piÃ¹ giranti e/o una o piÃ¹ serie di pale in disposizioni circolari. Turbo compressori sono piÃ¹ frequentemente usati per il trasporto in condotte di gas naturale, ad esempio per muovere gas da un sito di produzione ad un punto di consumo, in applicazioni nel settore del gas del petrolio, in sistemi di refrigerazione, in turbine a gas ed in altre applicazioni.

Il flusso di fluido attraverso il turbo compressore puÃ² essere affetto da varie condizioni che conducono a funzionamenti instabili che possono condurre a gravi danneggiamenti della turbo macchina.

Il pompaggio del compressore si ha quando la pressione di un fluido di lavoro che fluisce attraverso i compressori aumenta oltre una pressione di uscita massima ammissibile e/o se la portata del flusso scende al di sotto di un limite minimo.

In generale un fenomeno di pompaggio si verifica quando il compressore non Ã ̈ in grado di aggiungere sufficiente energia al fluido di lavoro allo scopo di superare la resistenza del sistema, cioÃ ̈ la perdita di carico attraverso il sistema, una situazione che da luogo ad una rapida diminuzione del flusso e della pressione di scarico. Il pompaggio puÃ² essere accompagnato da forti vibrazioni, aumento di temperatura e rapidi cambiamenti nella spinta assiale sui cuscinetti dell'albero del compressore.

Questi fenomeni possono danneggiare gravemente il compressore ed anche i componenti del sistema collegato al compressore, quali valvole e condotti.

Altre condizioni operative non desiderate possono presentarsi durante il funzionamento del turbocompressore. PiÃ¹ specificamente lo strozzamento Ã ̈ una condizione in cui un flusso aumentato dÃ luogo ad una rapida riduzione della prevalenza, cioÃ ̈ si ha un aumento del rapporto di compressione nel flusso. Il funzionamento ad una portata molto elevata di flusso ha effetti negativi sulla resa del compressore e puÃ² dar luogo a danneggiamenti del compressore.

Per evitare fenomeni di pompaggio e strozzamento, sono stati sviluppati sistemi di controllo che vengono attualmente usati in installazioni di turbocompressori.

La Fig.1 illustra schematicamente una forma di realizzazione esemplificativa di un sistema 1 comprendente un turbocompressore 3 portato in rotazione da un motore primo 5, ad esempio un motore elettrico, una turbina a gas o a vapore, o simili. Il numero di riferimento 7 indica una linea di aspirazione, da cui il fluido di lavoro Ã ̈ alimentato ad un lato di aspirazione o di ingresso del turbocompressore 3. Il numero di riferimento 9 indica il condotto di mandata, attraverso cui il fluido compresso viene alimentato dal lato di scarico del compressore 3.

La Fig. 2 illustra schematicamente un diagramma caratteristico di un compressore, tipicamente un diagramma caratteristico di un compressore assiale. Il diagramma caratteristico riporta il rapporto di compressione sull'asse verticale e il flusso volumetrico in ingresso Ã ̈ riportato sull'asse orizzontale. Il flusso in ingresso Ã ̈ indicato con la lettera Q. In funzione delle condizioni operative del compressore, ad esempio della velocitÃ di rotazione (giri/min), si possono riportare sul diagramma caratteristico una pluralitÃ di curve caratteristiche attese. Ciascuna curva puÃ² corrispondere ad una diversa velocitÃ di rotazione del compressore. Per un determinato assetto del compressore, pertanto, sul diagramma caratteristico puÃ² essere riportata una famiglia di curve caratteristiche. Famiglie di curve simili possono essere tracciate per differenti assetti o condizioni di funzionamento del turbocompressore, ad esempio per differenti posizioni di vani statorici variabili (VSVs), di cui il compressore puÃ² essere corredato. Ciascuna curva caratteristica Ã ̈ limitata da un punto di pompaggio, cioÃ ̈ un punto in cui il rapporto di pressione e il flusso di gas attraverso il compressore hanno raggiunto un valore al di lÃ del il quale si generano fenomeni di pompaggio. Ciascuna curva caratteristica Ã ̈ inoltre limitata da un punto di strozzamento, oltre il quale si instaurano fenomeni di strozzamento. La linea SLL Ã ̈ la cosiddetta linea limite di pompaggio, formata dai punti di pompaggio delle varie curve caratteristiche riportate sul diagramma caratteristico. La linea CLL Ã ̈ la linea limite di strozamento, formata dai punti di strozzamento. Le linee SLL CLL definiscono unâ€™aerea, cioÃ ̈ una porzione del diagramma caratteristico, entro la quale deve essere mantenuto il punto di funzionamento del compressore per garantire condizioni di funzionamento stabile del turbocompressore ed evitare sia condizioni di pompaggio sia condizioni di strozzamento.

Le linee SLL e CLL rappresentano quindi il limite di funzionamento del turbocompressore, oltre cui il compressore non deve essere fatto funzionare per evitare il rischio di fenomeni di pompaggio e strozzamento. Sistemi di compressori noti sono compresivi di dispositivi e disposizioni di controllo per controllare il turbocompressore cosicchÃ© esso funzioni costantemente all'interno dell'area di stabilitÃ del diagramma caratteristico, cioÃ ̈ fra la linea limite di pompaggio SLL e la linea limite di strozzamento CLL.

Nella rappresentazione schematica di Fig.1 una unitÃ di controllo 11 Ã ̈ collegata a vari strumenti posti attorno al turbocompressore per determinare le condizioni di funzionamento della turbomacchina e fornire un controllo antipompaggio e un controllo antistrozzamento per prevenire il manifestarsi di fenomeni di pompaggio e di strozzamento.

PiÃ¹ specificamente, nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.1, l'unitÃ di controllo 11 Ã ̈ collegata ad un dispositivo misuratore di flusso, anche denominato elemento di flusso 13 che Ã ̈ realizzato e configurato per determinare la portata volumetrica di ingresso del turbocompressore 3. Un sensore di temperatura al lato di ingresso o lato di aspirazione fornisce un valore di temperatura Ts e sensori di pressione forniscono il valore della pressione di mandata Pd e il valore della pressione di aspirazione Ps o direttamente il rapporto di compressione Pd/Ps.

In base ai dati di ingresso l'unitÃ di controllo 11 Ã ̈ capace di determinare la portata volumetrica in ingresso ed il rapporto di compressione in ogni e in qualsiasi istante di funzionamento del turbocompressore 3. Questi due parametri definiscono il punto di funzionamento sul diagramma caratteristico del compressore della Fig.2. Quale parametro addizionale puÃ² essere fornita la velocitÃ di rotazione N (g/min) del compressore, cosicchÃ© si puÃ² selezionare la curva di funzionamento corretta per determinare l'effettiva posizione del punto di funzionamento del compressore nel diagramma caratteristico. Se il punto di funzionamento si muove vicino alla linea limite di pompaggio SLL, il sistema di controllo del pompaggio agisce su una valvola di bypass antipompaggio 15. La valvola 15 Ã ̈ disposta su una linea di bypass 17 che collega il lato di mandata e il lato di aspirazione del compressore 3. Una frazione del fluido di lavoro erogata dal turbocompressore 3 puÃ² essere ricircolata attraverso la valvola antipompaggio 15, se richiesto, per prevenire fenomeni di pompaggio. Quando la pressione di mandata aumenta cosicchÃ© il punto di lavoro si avvicina alla linea limite di pompaggio SLL, la disposizione di controllo antipompaggio apre la valvola di bypass antipompaggio 15 cosicchÃ© la portata attraverso il compressore puÃ² aumentare e la pressione di mandata puÃ² diminuire.

Prima di essere ricircolato attraverso la valvola antipompaggio 15 il fluido di lavoro puÃ² essere raffreddato in uno scambiatore di calore 19.

In alcune forme di realizzazione, la disposizione di controllo del pompaggio puÃ² essere provvista di una linea di spillamento, lungo cui Ã ̈ disposta la valvola antipompaggio e che Ã ̈ realizzata per scaricare il gas di processo nell'ambiente, se la natura del gas lo consente. Ad esempio, nel caso di compressori d'aria, una frazione dell'aria elaborata alla mandata del compressore puÃ² essere scaricata nell'ambiente attraverso la valvola antipompaggio, piuttosto che ricircolata.

Lo strozzamento del compressore puÃ² essere evitato chiudendo una valvola di controllo antistrozzamento disposta lungo la linea di aspirazione 7, oppure lungo la linea di scarico a monte o a valle del turbocompressore 3.

La determinazione del punto di funzionamento del compressore allo scopo di prevenire fenomeni di pompaggio richiede l'utilizzo di un elemento di flusso 13, che Ã ̈ un componente critico del sistema. In alcune applicazioni lâ€™elemento di flusso 13 puÃ² essere ingombrante e richiedere un condotto relativamente lungo a monte e a valle di esso, allo scopo di fornire una misura corretta della portata in ingresso. Prevedere elementi o dispositivi di misura al lato di ingresso o lato di aspirazione del turbocompressore, in particolare di turbocompressore aria puÃ² essere difficoltoso.

Inoltre in alcune applicazioni, soprattutto in compressori di aria, dove le curve di funzionamento in funzione della portata volumetrica sono particolarmente ripide, la sensibilitÃ della misurazione di flusso riduce la accuratezza nel calcolo del punto di funzionamento.

Sommario dell'invenzione

L'oggetto qui descritto concerne un metodo ed un apparato perfezionati per fornire un controllo antipompaggio di un sistema di compressione comprendente almeno un compressore. In alcune forme di realizzazione, il metodo e l'apparato forniscono un controllo antipompaggio ed antistrozzamento del compressore.

In alcune forme di realizzazione, viene definita almeno una area operativa ed il compressore viene controllato cosicchÃ© il punto di funzionamento di esso cada all'interno dell'area operativa. Viene intrapresa un'azione se il punto di funzionamento cade al di fuori o sui bordi dell'area operativa o se tale punto di funzionamento si avvicina ai bordi dell'area operativa. L'area operativa Ã ̈ definita in un diagramma caratteristico in base a due parametri operativi del compressore: una velocitÃ corretta del compressore ed un rapporto di pressione. Il rapporto di pressione Ã ̈ il rapporto fra la pressione di mandata e la pressione di aspirazione del compressore. La velocitÃ corretta Ã ̈ definita come funzione della temperatura di aspirazione del gas che viene elaborato dal compressore e della velocitÃ di rotazione del compressore. La velocitÃ corretta Ã ̈ pertanto proporzionale al rapporto

in cui:

Ts Ã ̈ la temperatura del fluido elaborato all'ingresso del compressore e

N Ã ̈ la velocitÃ di rotazione del compressore.

La velocitÃ corretta Ã ̈ definita dal sopra menzionato rapporto se la composizione del gas Ã ̈ costante. Il metodo qui descritto, quindi, Ã ̈ atto ad effettuare un controllo antipompaggio/antistrozzamento di compressori che elaborano un gas avente una composizione nota e costante, ad esempio aria, biossido di carbonio e simili.

L'area di funzionamento puÃ² essere delimitata da una linea limite di pompaggio, da una linea limite di strozzamento ed anche da una velocitÃ corretta massima ammissibile e da una velocitÃ corretta minima ammissibile.

Se il compressore Ã ̈ provvisto di vani di guida mobili di ingresso, cioÃ ̈ di vani statorici variabili, un'area di funzionamento puÃ² essere definita per ciascuna posizione dei vani statorici variabili. Pertanto, secondo alcune forme di realizzazione, viene definita una pluralitÃ di aree di funzionamento in un diagramma o mappa caratteristi co di velocitÃ corretta in funzione del rapporto di pressione. In base all'effettiva posizione dei vani statorici variabili, viene selezionata la corrispondente area operativa per il controllo antipompaggio e/o antistrozzamento. PoichÃ© la posizione dei vani statorici variabili puÃ² variare tipicamente in maniera continua, secondo alcune forme di realizzazione viene determinato un numero limitato di aree operative, corrispondente ad un numero limitato di differenti posizioni dei vani statorici variabili. Se l'effettiva posizione dei vani statorici variabili Ã ̈ differente rispetto a quelle per le quali Ã ̈ stata determinata un'area ed i dati rilevanti di essa sono stati memorizzati per funzioni di controllo, viene calcolata una nuova aerea di funzionamento intermedia ad esempio per interpolazione di dati delle due aree operative piÃ¹ vicine, per le quali sono disponibili i dati.

Secondo alcune forme di realizzazione, quindi, viene previsto un metodo per regolare un turbocompressore per evitare il pompaggio, comprendente le seguenti fasi:

prevedere almeno una linea limite di pompaggio per almeno una condizione operativa del turbocompressore;

determinare in modo continuo un valore reale di una velocitÃ corretta del turbocompressore;

determinazione in modo continuo almeno un rapporto di pressione massimo ammissibile su detta linea limite di pompaggio, corrispondente al valore effettivo della velocitÃ corretta;

determinare in modo continuo un rapporto di pressione effettivo;

agire su una disposizione antipompaggio se il rapporto di pressione effettivo Ã ̈ uguale o superiore al rapporto di pressione massimo ammissibile.

Nel contesto della presente descrizione e delle accluse rivendicazioni, il termine "determinare in modo continuo" un parametro comprende anche la determinazione di detto parametro a intervalli temporali costanti o variabili durante un funzionamento continuativo del compressore.

In forme di realizzazioni preferite, la linea limite di pompaggio definisce, assieme ad una linea limite di strozzamento e a linee di velocitÃ corretta massima e minima ammissibile, l'area di funzionamento entro il quale il punto di funzionamento del compressore deve essere mantenuto.

Secondo un ulteriore aspetto, l'oggetto qui descritto riguarda un metodo per regolare un turbocompressore, comprendente le seguenti fasi:

determinare almeno un'area operativa del compressore su un diagramma o mappa caratteristico di velocitÃ corretta in funzione del rapporto di pressione, detta area di funzionamento essendo delimitata da una linea limite di pompaggio, una linea limite di strozzamento, una linea di massima velocitÃ corretta ammissibile ed una linea di minima velocitÃ corretta ammissibile;

determinare in modo continuo un punto di funzionamento del compressore su detto diagramma della velocitÃ corretta in funzione del rapporto di pressione;

determinare se il punto di funzionamento Ã ̈ contenuto nell'area di funzionamento;

agire su un sistema di attuazione per modificare almeno un parametro operativo di detto turbocompressore, se il punto di funzionamento del turbocompressore non Ã ̈ all'interno dell'area di funzionamento.

Se il punto di funzionamento del compressore si avvicina alla linea limite di pompaggio, si puÃ² agire su una disposizione antipompaggio. La disposizione antipompaggio puÃ² essere una disposizione nota nell'arte. In alcune forme di realizzazione il pompaggio puÃ² essere evitato aprendo una valvola di bypass antipompaggio. In altre forme di realizzazione, il pompaggio puÃ² essere evitato scaricando o spillando una frazione del flusso di mandata del compressore nell'ambiente. Questo puÃ² essere fatto, ad esempio se il gas di processo Ã ̈ aria. In entrambi i casi il flusso di mandata viene aumentato, cosÃ¬ allontanando il punto di funzionamento del compressore lontano dalla linea limite di pompaggio.

Se il punto di funzionamento del compressore si avvicina al limite superiore della velocitÃ corretta o al limite inferiore della velocitÃ corretta, si puÃ² intraprendere un'azione per ridurre o aumentare la velocitÃ di rotazione del compressore, rispettivamente.

Se il punto di funzionamento del compressore si avvicina alla linea limite di strozzamento, si puÃ² agire su una disposizione antistrozzamento. Detta disposizione puÃ² essere qualunque disposizione nota dallo stato dell'arte. Ad esempio si puÃ² chiudere una valvola antistrozzamento.

In alcune forme di realizzazione, si possono prevedere vani statorici mobili, cioÃ ̈ vani di guida di ingresso mobili sul lato di aspirazione del compressore. I vani statorici variabili possono essere usati come mezzi di controllo per evitare che il punto di funzionamento del compressore di avvicinarsi o si sposti oltre le linee che delimitano l'area di funzionamento. Lo strozzamento puÃ² ad esempio essere evitato riducendo la sezione trasversale di ingresso e quindi il flusso di ingresso del gas compresso.

I vani statorici variabili possono essere azionati anche per evitare che il punto di funzionamento del compressore si muova al di sopra del limite superiore di velocitÃ corretta o scenda al sotto del limite inferiore della velocitÃ corretta.

Secondo un ulteriore aspetto, l'oggetto qui descritto concerne un apparato per fornire un controllo antipompaggio e/o antistrozzamento per un sistema di compressione comprendente almeno un compressore, detto apparato eseguendo il metodo di controllo sopra definito. Secondo ancora un ulteriore aspetto, l'oggetto qui descritto concerne un sistema di compressione comprendente almeno un compressore e detto apparato per il controllo antipompaggio e/o antistrozzamento.

Caratteristiche e forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinchÃ© i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dellâ€™invenzione che verranno descritte piÃ¹ avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciÃ², prima di illustrare diverse forme di realizzazione dellâ€™invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dellâ€™invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. Lâ€™invenzione puÃ² essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.

Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione puÃ² essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. Eâ€™ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dallâ€™ambito della presente invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Una comprensione piÃ¹ completa delle forme di realizzazione illustrate dellâ€™invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrÃ ottenuta quando la suddetta invenzione verrÃ meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: la

Fig.1 illustra uno schema di un sistema di compressore secondo l'arte corrente; la

Fig.2 mostra un diagramma caratteristico correntemente usato in sistemi di controllo antipompaggio e antistrozzamento; la

Fig.3 illustra una rappresentazione schematica di un sistema di compressore secondo la presente descrizione; la

Fig.4 illustra una rappresentazione schematica simile a quella della Fig.3 in un sistema comprendente un turbo compressore con vani statorici variabili mobili; la Fig.5 illustra un diagramma caratteristico di un compressore secondo la presente descrizione che mostra un'area di funzionamento; la

Fig.6 illustra un diagramma caratteristico di un compressore che mostra due sovrapposte aree di funzionamento corrispondenti a due differenti posizioni dei vani di guida di ingresso mobili o vani statorici mobili del turbocompressore; la

Fig.7 illustra un diagramma di flusso che riassume l'algoritmo di controllo secondo la presente descrizione.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione dell'invenzione

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano elementi uguali o simili. Inoltre, i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita lâ€™invenzione. Piuttosto, lâ€™ambito dellâ€™invenzione Ã ̈ definito dalle rivendicazioni accluse.

Il riferimento in tutta la descrizione a â€œuna forma di realizzazioneâ€ o â€œla forma di realizzazioneâ€ o â€œalcune forme di realizzazioneâ€ significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione Ã ̈ compresa in almeno una forma di realizzazione dellâ€™oggetto descritto. Pertanto la frase â€œin una forma di realizzazioneâ€ o â€œnella forma di realizzazioneâ€ o â€œin alcune forme di realizzazioneâ€ in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o piÃ¹ forme di realizzazione.

La Fig.3 illustra schematicamente un sistema di compressore 20 che incorpora l'oggetto qui descritto. Il sistema di compressore 20 comprende un turbocompressore 21, ad esempio un turbocompressore centrifugo od assiale. Il turbocompressore 21 puÃ² essere portato in rotazione da un motore 23. In alcune forme di realizzazione il motore 23 puÃ² essere un motore elettrico. In altre forme di realizzazione il motore 23 puÃ² essere una turbina a gas, ad esempio una turbina a gas di derivazione aeronautica. In ancora ulteriori forme di realizzazione differenti motori primi possono essere usati, ad esempio una turbina a vapore. Un accoppiamento 25 al carico collega il motore primo 23 al turbocompressore 21. Un dispositivo di manipolazione della velocitÃ (non mostrato), ad esempio un riduttore, puÃ² essere disposto fra il motore primo 23 ed il turbo compressore 21.

Un fluido di lavoro Ã ̈ alimentato al lato di aspirazione o di ingresso del turbocompressore 21 attraverso una linea di aspirazione 25 ed il fluido compresso Ã ̈ alimentato da un lato di mandata del compressore attraverso una linea di mandata o linea di pressione 27. Valvole di non ritorno 29A e 29B possono essere disposte nella linea di aspirazione e/o nella linea di pressione 27.

Uno scambiatore di calore 31 puÃ² essere disposto lungo la linea di pressione 27 o, come mostrato a tratteggio in 31X lungo una linea di bypass 33 che connette la linea di pressione 27 alla linea di aspirazione 25. Una valvola di bypass antipompaggio 35 puÃ² essere disposta lungo la linea di bypass 33. La valvola antipompaggio 35 Ã ̈ controllata da un sistema di controllo antipompaggio 37 che verrÃ descritto in maggiore dettaglio di seguito.

In alcune forme di realizzazione, ad esempio quando il fluido di lavoro Ã ̈ aria o comunque un fluido che puÃ² essere scaricato nell'ambiente, la valvola antipompaggio 35 puÃ² essere disposta su una linea di spillamento che scarica il fluido di lavoro direttamente nell'atmosfera, anzichÃ© ricircolarlo attraverso la linea di aspirazione 25.

Una unitÃ di controllo 39 viene ulteriormente prevista nel sistema 20. L'unitÃ di controllo 39 Ã ̈ interfacciata ad un sensore di temperatura 41 all'ingresso o lato di aspirazione del turbocompressore 21, nonchÃ© a sensori di pressione. I sensori di pressione forniscono direttamente od indirettamente una misura del rapporto di pressione fra il lato di mandata ed il lato di aspirazione del compressore. Ad esempio, nello schema della Fig.3 un sensore di pressione 43 sul lato di mandata fornisce un valore Pd della pressione di mandata al lato di scarico del turbocompressore 21. Un sensore di pressione 45 al lato di ingresso del turbocompressore 21 fornisce una misura della pressione di aspirazione Ps all'ingresso del turbocompressore 21. Il rapporto di pressione puÃ² essere calcolato dall'unitÃ di controllo 39, in base ai due valori di pressione misurati Pd, Ps. In altre forme di realizzazione, il rapporto di pressione puÃ² essere determinato all'esterno dell'unitÃ di controllo 39 ed un valore di rapporto di pressione puÃ² essere fornito direttamente all'unitÃ di controllo 39.

Un sensore di velocitÃ di rotazione fornisce inoltre un valore di velocitÃ di rotazione N (espressa ad esempio in giri/min) all'unitÃ di controllo 39.

Sulla base dei parametri operativi sopra menzionati, l'unitÃ di controllo 39 Ã ̈ cosÃ¬ in grado di calcolare il rapporto di pressione del compressore ed anche la cosiddetta velocitÃ corretta del compressore, definita come segue:

in cui:

C1 Ã ̈ una funzione della temperatura, della pressione e della composizione del gas

N Ã ̈ la velocitÃ di rotazione del turbocompressore 21 e

Ts Ã ̈ la temperatura assoluta all'aspirazione del turbocompressore 21.

Il fattore C1 Ã ̈ una funzione della composizione del gas e si assume costante se il gas ha una composizione invariante e T e P sono entro un intervallo limitato.

In caso di un gas avente una composizione nota e costante la velocitÃ corretta puÃ² essere semplificata come segue:

La velocitÃ corretta puÃ² essere usata per definire un diagramma caratteristico del compressore, in cui la velocitÃ corretta Ã ̈ riportata su una delle coordinate ed il rapporto di pressione Ã ̈ riportato sull'altra coordinata.

La Fig.5 mostra schematicamente un diagramma caratteristico di questo tipo, in cui la velocitÃ corretta Ã ̈ riportata sull'asse verticale ed il rapporto di pressione Pd/Ps Ã ̈ riportato sull'asse orizzontale. Su questo diagramma caratteristico puÃ² essere riportata una linea limite di pompaggio SLL. Per evitare fenomeni di pompaggio, il compressore 21 deve funzionare cosicchÃ© il punto di funzionamento di esso sul diagramma caratteristico della Fig.5 rimanga sulla linea di controllo del pompaggio o sul lato sinistro di essa, cosicchÃ© il compressore non lavorerÃ mai sulla o oltre la linea limite di pompaggio SLL.

Sullo stesso diagramma caratteristico della Fig.5 puÃ² essere anche riportata una linea limite di strozzamento CLL, che indica il limite oltre il quale possono manifestarsi fenomeni di strozzamento. Per far funzionare il compressore 21 senza strozzamento, il punto di funzionamento del compressore non deve muoversi oltre la linea limite di strozzamento CLL, alla sinistra di essa.

Sul diagramma caratteristico della Fig.5 sono tracciate due ulteriori linee e cioÃ ̈ una linea di minima velocitÃ corretta ammissibile (Nc)min e una linea di massima velocitÃ corretta ammissibile (Nc)max. Queste ultime sono linee rette parallele alla coordinata orizzontale (ascissa) e rappresentano rispettivamente: la minima velocitÃ corretta ammissibile al di sotto della quale il compressore non deve operare; e la massima velocitÃ corretta, oltre la quale il turbo compressore non deve operare.

Le quattro linee sopra definite formano una area di funzionamento OE. Il sistema di controllo del compressore deve controllare il compressore cosicchÃ© il suo punto di funzionamento rimanga all'interno dell'area di funzionamento OE. In Fig.5 Ã ̈ indicato un punto di funzionamento esemplificativo contrassegnato con OP, corrispondente ad un valore di velocitÃ corretta Nc e ad un rapporto di pressione PR=Pd/Ps.

Il sistema di controllo Ã ̈ realizzato e disposto cosicchÃ© quando il punto OP si muove verso destra e raggiunge la linea limite di pompaggio SLL le condizioni operative del turbocompressore 21 vengono modificate per portare il punto di funzionamento OP nuovamente all'interno dell'aerea di funzionamento OE. Questo puÃ² essere ottenuto ad esempio aprendo la valvola di antipompaggio 35. Quando il punto di fun zionamento OP si muove verso sinistra fino a raggiungere la linea limite di strozzamento CLL, il sistema di controllo funzionerÃ cosÃ¬ da modificare le condizioni di flusso portando nuovamente il punto di funzionamento all'interno dell'area di funzionamento OE. Questo puÃ² essere effettuato ad esempio agendo su una valvola antistrozzamento 47.

Uno spostamento al di sotto del valore di velocitÃ corretta minima ammissibile (Nc)min viene evitato aumentando la velocitÃ di rotazione del compressore 21 se il punto di funzionamento OP si sposta verso il basso raggiungendo la linea (Nc)min. Uno spostamento del punto di funzionamento al di sopra del valore massimo ammissibile della velocitÃ corretta (Nc)max viene impedito riducendo la velocitÃ di rotazione del turbocompressore 21 in modo corrispondente.

Nella rappresentazione schematica semplificata della Fig.3 il turbocompressore 21 non Ã ̈ provvisto di vani di guida ad ingresso mobili o vani statorici variabili (VSVs). Questi ultimi sono normalmente previsti in turbocompressori comuni per modificare la geometria della sezione trasversale di ingresso in funzione delle condizioni di funzionamento del sistema. La Fig.4 rappresenta lo stesso sistema della Fig.3, con l'aggiunta di vani statorici variabili schematicamente rappresentati in 51. Gli stessi numeri di riferimento come in Fig.3 indicano componenti o parti uguali o corrispondenti, che non verranno nuovamente descritti. Nel sistema della Fig.4 l'unitÃ di controllo 35 riceve inoltre informazioni sulla posizione effettiva dei vani statorici variabili del turbocompressore 21. Il riferimento VSV indica l'informazione concernente l'effettiva posizione dei vani statorici variabili durante il funzionamento del turbocompressore 21. La posizione VSV puÃ² essere definita da idonei attuatori, non mostrati. Gli attuatori possono essere controllati dalla stessa unitÃ di controllo 37.

La valvola antistrozzamento 47 Ã ̈ stata omessa dallo schema di Fig.4, poichÃ© lo strozzamento puÃ² essere impedito alternativamente agendo sugli VSV. Questi ultimi vengono chiusi per ridurre la portata volumetrica in ingresso del turbocompressore per evitare lo strozzamento del compressore, senza necessariamente usare una valvola antistrozzamento.

In effetti, per ciascuna possibile posizione dei vani statori variabili mobili 51 puÃ² essere tracciato un diverso diagramma caratteristico e quindi una differente area di funzionamento. Questo Ã ̈ rappresentato schematicamente in Fig.6, in cui sono rappresentate due differenti aree di funzionamento contrassegnate con OE1 e OE2. Ciascuna area di funzionamento Ã ̈ delimitata da quattro curve che sono definite in entrambi casi nello stesso modo descritto in precedenza con riferimento alla Fig.5. Pertanto ciascuna area di funzionamento Ã ̈ delimitata da una linea limite di pompaggio SLL, da una linea limite di strozzamento CLL, da una linea di massima ammissibile velocitÃ corretta (Nc)max, e da una linea di minima ammissibile velocitÃ corretta (Nc)min.

In effetti puÃ² essere previsto un numero indefinito di aree di funzionamento, una per ciascuna posizione dei vani statorici variabili. Dati definenti ciascuna area di funzionamento possono essere memorizzati in una memoria accessibile dall'unitÃ di controllo 37 e schematicamente mostrata in 38 nelle Figg.3 e 4. In pratiche forme di realizzazione, verrÃ calcolato solo un numero finito di aree di funzionamento e memorizzate ad esempio in forma tabellare o simile. Durante il funzionamento del turbocompressore 21, l'unitÃ di controllo 37 utilizzerÃ l'area di funzionamento corrispondente alla posizione effettiva dei vani statorici variabili, se tale area esiste. Se l'effettiva posizione dei vani statorici variabili Ã ̈ differente da quelle per cui Ã ̈ stata memorizzata nel sistema di controllo un'area di funzionamento, l'unitÃ di controllo calcolerÃ un'area di funzionamento, ad esempio interpolando i dati esistenti utilizzando i dati corrispondenti alle due posizioni VSV piÃ¹ vicine, per le quali sono disponibili nella memoria le aree di funzionamento.

Il funzionamento del sistema descritto sin qui risulterÃ piÃ¹ chiaro dalla seguente descrizione con riferimento alle sopra menzionate figure ed anche con riferimento al diagramma di flusso della Fig.7. In quest'ultimo il processo di controllo Ã ̈ rappresentato come una sequenza di fasi. Si deve comprendere che allo scopo di ottenere un controllo continuo delle condizioni di funzionamento del compressore 21, la sequenza delle fasi del metodo rappresentata in Fig.7 verrÃ ripetuta continuamente ed iterativamente durante il funzionamento del sistema.

All'inizio del controllo del processo viene determinata la velocitÃ corretta Nc. CiÃ² viene effettuato rilevando la velocitÃ di rotazione N e la temperatura Ts al lato di aspirazione del turbocompressore 21. Se il turbocompressore 21 Ã ̈ provvisto di vani statorici variabili 51 come descritto in relazione alla Fig.4, viene determinata la posizione VSV. Sulla base dei dati concernenti l'effettiva posizione dei vani statorici variabili, viene calcolata l'area operativa, usando i dati memorizzati ad esempio nella memoria 48. Come sopra menzionato, per alcune posizioni dei vani statorici variabili i dati dell'area di funzionamento possono essere direttamente memorizzati nella memoria 38. Per altre posizioni intermedie l'area di funzionamento puÃ² essere calcolata ad esempio interpolando i dati esistenti.

Una volta che Ã ̈ stata determinata l'area di funzionamento, possono essere determinati il massimo ed il minimo rapporto di pressione per l'effettiva velocitÃ corretta Nc. Questi rapporti massimo e minimo sono indicati con PRmax e PRmin in Fig.5.

Il punto di funzionamento effettivo del compressore viene poi determinato sulla base della velocitÃ corretta Nc calcolata come sopra menzionato e sulla base dell'effettivo rapporto di pressione determinato dai sensori di pressione, che misurano la pressione di mandata Pd e la pressione di aspirazione Ps del turbocompressore 21. Il rapporto di pressione effettivo Ã ̈ indicato con PR in Fig.5.

A questo punto il sistema di controllo ha tutti i dati richiesti per agire sulla disposizione antipompaggio e/o antistrozzamento per evitare lo strozzamento od il pompaggio del sistema. In alcune forme di realizzazione possono essere calcolati un parametro di pompaggio ed un parametro di strozzamento come segue. Il parametro di pompaggio definito come

in cui:

PRmax Ã ̈ il massimo rapporto di pressione ammissibile;

PR Ã ̈ il rapporto di pressione effettivo.

Il parametro di strozzamento puÃ² essere definito come segue:

in cui:

PRmin Ã ̈ il rapporto di pressione minimo ammissibile.

Il parametro di pompaggio ed il parametro di strozzamento possono essere usati per generare segnali di controllo che agiscono su attuatori che controllano la valvola antipompaggio 35 e la valvola antistrozzamento 47 e/o gli VSV 51. Se il parametro di pompaggio diviene pari ad 1, cioÃ ̈ se il punto di funzionamento del compressore si muove sulla linea di controllo del pompaggio, l'attuatore della valvola antipompaggio 35 verrÃ attivato per aprire almeno parzialmente la valvola antipompaggio 35 sulla linea di bypass 33. Fluido di lavoro viene ricircolato dal lato di mandata al lato di aspirazione del compressore per muovere il punto di funzionamento OP nuovamente all'interno dell'area di funzionamento OE. Se il parametro di strozzamento diviene pari ad 1, la valvola antistrozzamento 47 sul lato di aspirazione 25 verrÃ parzialmente chiusa per ridurre la portata di aspirazione e muovere il punto di funzionamento del compressore nuovamente all'interno dell'area di funzionamento OE.

Essendo noto il valore effettivo Nc della velocitÃ corretta dal sistema di controllo, se richiesto si puÃ² effettuare anche la correzione della velocitÃ di rotazione N del turbocompressore 21, allo scopo di evitare che la velocitÃ corretta scenda al di sotto del valore minimo ammissibile (Nc)min o salga al di sopra del massimo valore ammissibile (Nc)max. In alcune forme di realizzazione, se il valore della velocitÃ corretta Nc scende al di sotto del minimo od aumenta al di sopra del massimo valore ammissibile, la posizione dei VSV puÃ² essere modificata per spostare il compressore in un differente punto di funzionamento di una differente area di funzionamento.

Mentre le forme di realizzazione descritte dellâ€™oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nellâ€™arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dellâ€™oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto lâ€™ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla piÃ¹ ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, cosÃ¬ da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, lâ€™ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo puÃ² essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims

"METODI E SISTEMI PER IL CONTROLLO DEI TURBO COMPRESSORI" Rivendicazioni 1. Un metodo per regolare un turbocompressore per prevenire il pompaggio, comprendente le seguenti fasi: prevedere almeno una linea limite di pompaggio di detto turbocompressore; determinare in modo continuo un valore effettivo di una velocitÃ corretta del turbocompressore; determinare in modo continuo almeno un rapporto di pressione massima ammissibile su detta linea limite di pompaggio, corrispondente al valore effettivo della velocitÃ corretta; determinare in modo continuo un rapporto di pressione effettivo; agire su una disposizione antipompaggio se il rapporto di pressione effettivo Ã ̈ uguale o superiore al massimo rapporto di pressione ammissibile.
2. Il metodo della rivendicazione 1, comprendente inoltre la fase di calcolare un parametro di pompaggio definito come: in cui: PRmax Ã ̈ il rapporto di pressione massima ammissibile; PR Ã ̈ il rapporto di pressione effettivo e usare detto parametro di pompaggio per controllare la disposizione di pompaggio.
3. Il metodo della rivendicazione 1 o 2, in cui il valore della velocitÃ corretta del turbocompressore Ã ̈ proporzionale al rapporto in cui: Ts Ã ̈ una temperatura del fluido di processo all'ingresso del compressore e N Ã ̈ la velocitÃ di rotazione del compressore.
4. Metodo della rivendicazione 1 o 2 o 3, comprendente inoltre le fasi di: prevedere almeno una linea di strozzamento del turbocompressore; determinare in modo continuo un rapporto di pressione minima ammissibile su detta linea di strozzamento, corrispondente a detto valore effettivo della velocitÃ corretta; agire su una disposizione antistrozzamento se il valore effettivo del rapporto di pressione Ã ̈ uguale o inferiore al rapporto di pressione minimo ammissibile.
5. Il metodo della rivendicazione 4, comprendente inoltre la fase di calcolare un parametro di strozzamento definito come: in cui: PRmin Ã ̈ il rapporto di pressione minimo ammissibile; PR Ã ̈ il rapporto di pressione effettivo, e usare detto parametro di strozzamento per controllare la disposizione antistrozzamento.
6. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre le fasi di: prevedere almeno una velocitÃ corretta massima ammissibile e almeno una velocitÃ corretta minima ammissibile del turbo compressore; se il valore effettivo della velocitÃ corretta Ã ̈ maggiore della velocitÃ corretta massima ammissibile, ridurre la velocitÃ di rotazione del compressore; se il valore effettivo della velocitÃ corretta Ã ̈ inferiore alla velocitÃ corretta minima ammissibile, aumentare la velocitÃ di rotazione del compressore.
7. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre le fasi di: prevedere vani statorici variabili all'ingresso di detto turbocompressore; determinare un parametro indicativo della posizione dei vani statorici variabili; selezionare detta linea limite di pompaggio in funzione di detto parametro, fra una pluralitÃ di linee limite di pompaggio, ciascuna corrispondente ad una rispettiva posizione dei vani statorici variabili.
8. Il metodo della rivendicazione 7, comprendente inoltre le fasi di: fissare una velocitÃ corretta massima ammissibile ed una velocitÃ corretta minima ammissibile corrispondenti a detta posizione dei vani statorici variabili; se il valore effettivo della velocitÃ corretta Ã ̈ maggiore della velocitÃ corretta massima ammissibile o se il valore attuale della velocitÃ corretta Ã ̈ inferiore alla velocitÃ corretta minima ammissibile, agire sui vani statorici variabili.
9. Un metodo per regolare un turbocompressore, comprendente le fasi seguenti: sulla base di almeno un parametro di funzionamento del turbocompressore, determinare una area operativa su un diagramma di velocitÃ corretta in funzione di un rapporto di pressione, detta area di funzionamento essendo delimitata da una linea limite di strozzamento, da una linea limite di pompaggio, da una linea di velocitÃ corretta massima ammissibile e da una linea di velocitÃ corretta minima ammissibile; determinare in modo continuo un punto di funzionamento del turbocompressore su detto diagramma si velocitÃ corretta in funzione del rapporto di pressione; determinare se il punto di funzionamento Ã ̈ contenuto all'interno dell'area di funzionamento; agire su un sistema di azionamento per modificare almeno una condizione di funzionamento di detto turbocompressore, se il punto di funzionamento del turbocompressore non Ã ̈ all'interno dell'area di funzionamento.
10. Il metodo della rivendicazione 9, in cui detta velocitÃ corretta Ã ̈ proporzionale al rapporto in cui: Ts Ã ̈ una temperatura del fluido di processo all'ingresso del compressore e N Ã ̈ la velocitÃ di rotazione del compressore.
11. Il metodo della rivendicazione 9 o 10 in cui detto sistema di attuazione comprende una disposizione di controllo antipompaggio, ed in cui detta disposizione di controllo antipompaggio viene azionata se il punto di funzionamento del turbocompressore si muove su detta linea limite di pompaggio o al di fuori dell'area di funzionamento oltre detta linea limite di pompaggio.
12. Il metodo della rivendicazione 9 o 10 o 11 in cui detto sistema di attuazione comprende una disposizione di controllo antistrozzamento ed in cui detta disposizione di controllo antistrozzamento viene azionata se il punto di funzionamen to del turbocompressore si muove su detta linea limite di strozzamento o al di fuori dell'area di funzionamento oltre detta linea limite di strozzamento.
13. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 8 a 12, in cui detto sistema di attuazione comprende una disposizione di controllo della velocitÃ di rotazione ed in cui la disposizione di controllo della velocitÃ di rotazione agisce sulla velocitÃ di rotazione del turbocompressore: riducendo la velocitÃ di rotazione del turbocompressore se il punto di funzionamento del turbocompressore si muove sulla linea della velocitÃ corretta massima ammissibile o al di fuori dell'area di funzionamento oltre detta linea della velocitÃ corretta massima ammissibile; o aumentando la velocitÃ di rotazione del turbo compressore se il punto di funzionamento del turbo compressore si muove sulla linea della velocitÃ corretta minima ammissibile o al di fuori dell'area di funzionamento oltre detta linea di velocitÃ corretta minima ammissibile.
14. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 9 a 13, in cui detto parametro operativo del turbo compressore Ã ̈ una funzione di una posizione di una serie di vani statorici variabili di detto turbocompressore.
15. Un apparato per fornire un controllo antipompaggio per un sistema di compressione comprendente almeno un compressore, detto apparato essendo disposto e configurato per eseguire un metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 14.
16. Un apparato per fornire un controllo antipompaggio per un sistema di compressione comprendente almeno un compressore, detto apparato comprendendo: un dispositivo di memorizzazione di dati contenente dati definenti almeno una linea limite di pompaggio del compressore; una disposizione per determinare in modo continuo il valore effettivo di una velocitÃ corretta del turbocompressore; una disposizione per determinare in modo continuo almeno un rapporto di pressione massima ammissibile su detta linea limite di pompaggio, corrispondente al valore effettivo della velocitÃ corretta; una disposizione per determinare in modo continuo un rapporto di pressione effettivo; una disposizione antipompaggio, su cui si agisce se il rapporto di pressione effettivo Ã ̈ uguale o superiore al rapporto di pressione massima ammissibile.
17. L'apparato della rivendicazione 16 comprendente inoltre dispositivi per calcolare un parametro di pompaggio definito come in cui PRmax Ã ̈ il rapporto di pressione massima ammissibile; PR Ã ̈ il rapporto di pressione effettivo.
18. L'apparato della rivendicazione 16 o 17, in cui il valore della velocitÃ corretta del turbocompressore Ã ̈ proporzionale al rapporto: in cui Ts Ã ̈ una temperatura del fluido di processo all'ingresso del compressore ed N Ã ̈ la velocitÃ di rotazione del compressore.
19. L'apparato della rivendicazione 16, 17 o 18, in cui detto dispositivo di memorizzazione di dati contiene inoltre dati definenti almeno una linea di strozzamento; in cui Ã ̈ prevista una disposizione per determinare in modo continuo un rapporto di pressione minimo ammissibile su detta linea di strozzamento corrispondente a detto valore attuale della velocitÃ corretta; ed in cui Ã ̈ prevista una disposizione antistrozzamento, sulla quale si agisce se il rapporto di pressione effettivo Ã ̈ uguale o inferiore al rapporto di pressione minimo ammissibile.
20. L'apparato della rivendicazione 19, comprendente inoltre dispositivi per calcolare un parametro di strozzamento definito come in cui: PRmin Ã ̈ il rapporto di pressione massimo ammissibile; PR Ã ̈ il rapporto di pressione effettivo.
21. L'apparato di una qualsiasi delle rivendicazioni 16 a 20, in cui detto dispositivo di memorizzazione contiene dati definenti almeno una velocitÃ corretta massima ammissibile ed almeno una velocitÃ corretta minima ammissibile di detto compressore; ed in cui Ã ̈ prevista una disposizione di controllo della velocitÃ , la quale controlla una velocitÃ di rotazione di detto compressore cosicchÃ©: se il valore effettivo della velocitÃ corretta Ã ̈ superiore alla velocitÃ corretta massima ammissibile, la velocitÃ di rotazione del compressore viene ridotta, e se il valore effettivo della velocitÃ corretta Ã ̈ inferiore alla velocitÃ corretta minima ammissibile, la velocitÃ di rotazione del compressore viene aumentata.
22. L'apparato di una qualsiasi delle rivendicazioni 16 a 21, comprendente inoltre un dispositivo attuatore per controllare la posizione di vani statorici variabili di detto compressore ed in cui detto dispositivo di memorizzazione contiene dati definenti una pluralitÃ di linee di pompaggio corrispondenti ad una pluralitÃ di rispettive posizioni dei vani statorici variabili.
23. Un sistema di compressione comprendente almeno un compressore ed un apparato secondo una o piÃ¹ delle rivendicazioni 15 a 22, per il controllo antipompaggio di detto compressore.