KR100858424B1

KR100858424B1 - 원심 압축기의 안정화 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100858424B1
Application number: KR1020067006504A
Authority: KR
Inventors: 마크 로빈슨 2세 보델; 로버트 에드워드 스태블리; 완다 진 밀러
Original assignee: 요크 인터내셔널 코포레이션
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2008-09-17
Also published as: US7356999B2; WO2005035992A3; CN1867776B; KR20060085628A; US20050076656A1; JP5209007B2; JP2007509268A; EP1671037A2; CA2539240A1; CN1867776A; JP2010261464A; TWI297070B; EP1671037B1; WO2005035992A2; JP4680198B2; CA2638962A1; TW200525124A

Abstract

안정화 제어 알고리즘은 원심 압축기(108)를 제공하게 된다. 상기 안정화 제어 알고리즘은 압축기 불안정화를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저(119)와 발열가스 바이패스 밸브(134)에서 이용된다. 상기 안정화 제어 알고리즘은 서지 상태 또는 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저(119)에서 디퓨저 링(210)의 위치를 조절 가능하다. 게다가, 상기 가변식 디퓨저(119)에서 상기 디퓨저 링(210)은 그 디퓨저 링(210)이 최적 위치를 결정하도록 조절될 수 있다. 상기 안정화 제어 알고리즘은 또한 지속적인 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 발열가스 바이패스 밸브(134)를 개방 가능하다.

냉각 시스템, 원심 압축기, 디퓨저, 발열가스 바이패스 밸브, 안정화 제어 시스템, 안정화 제어 로직

Description

원심 압축기의 안정화 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR STABILITY CONTROL IN A CENTRIFUGAL COMPRESSOR}

본 발명은 일반적으로 원심 압축기의 안정화 제어용 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압축기의 불안정한 상태에 대응하여 원심 압축기의 가변식 디퓨저 메카니즘을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

원심 압축기에서는 그 작동중에 서지(surge) 또는 스톨(stall)과 같은 압축기 불안정(instability)이 발생할 수 있다. 서지 또는 서징(surging)은 원심 압축기가 낮은 부하 및 높은 압력비에서 작동될 때 발생할 수 있다. 상기 서지는 압력 및 유동에서의 고주파 진동, 어떤 경우에서는 압축기를 통과하는 동안의 완전한 역류 발생을 가지는 일시적인 현상이다. 서징이 제어되지 않는 경우 압축기에서 회전 및 정지상태로 있는 구성요소들에서 과도한 진동을 야기할 수 있고, 영구적인 압축기 손상을 초래할 수도 있다. 서지 상태를 수정 또는 개선하기 위한 한가지 기술은 압축기 흡입구로 유동을 증가시키기 위해 그 흡입구로 압축기의 배출가스가 복귀되도록 발열가스 바이패스 밸브를 개방시키는 것이다.

원심 압축기에서의 회전 스톨(stall)은 압축기의 회전 임펠러 또는 상기 임펠러의 하부에 위치한 압축기에서 정지상태에 있는 디퓨저(diffuser)에서 발생 가능성이 높다. 두가지 경우에서, 회전 스톨의 존재는 압축기 및/또는 시스템의 효율에 좋지 않은 영향을 미친다. 날개가 없는 방사상의 혼합 유동의 원심 압축기는 어떤 경우에서는 디퓨저의 회전 스톨을 경험할 수 있거나, 어떤 경우에서는 계획된 작동 범위의 전체에서 경험 가능하다. 통상적으로, 디퓨저의 회전 스톨은 그 디퓨저의 설계가 디퓨저의 통로에서의 유동 경험의 선별 없이 유동에 적응할 수 없기 때문에 발생한다. 상기 디퓨저의 회전 스톨은 저주파수 음원 에너지 또는 진동의 발생에 기인한다. 이러한 진동은 가스 유로에서 증가하게 되고, 압축기의 제어 또는 다른 관련 부분/시스템의 때 이른 고장을 가져온다. 원심 압축기에서의 스톨 상태를 수정하거나 개선하기 위한 한 가지 기술은 가변식 디퓨저에서 디퓨저 공간을 폐쇄하는 것을 포함한다. 상기 디퓨저 공간의 폐쇄는 서지 상태를 억제하기 위하여 압축기의 성능을 향상시킨다. 그러나, 디퓨저 갭의 과도한 폐쇄는 유량 또는 압축기의 성능을 저감시킬 수 있다.

그러므로, 필요한 것은 스톨 및/또는 서지를 억제하고 상기 압축기의 안정한 작동을 제공하는 압축기 성능을 향상시키기 위하여 상기 압축기에서의 가변식 디퓨저의 제어를 조절하기 위한 시스템과 방법이다.

본 발명에 따른 일 구현예는 냉동 증기를 압축하는 원심 압축기를 구비한 액체 냉각 시스템에 관한 것이다. 상기 원심 압축기는 압축되지 않은 냉동 증기를 전달받는 압축기 흡입구를 구비하고, 압축된 냉동 증기를 배출하는 압축기 배출구를 구비한다. 내부적으로, 상기 압축기는 상기 디퓨저를 통해 압축된 냉동 증기의 유로를 변환시키는 조절 가능한 디퓨저 링을 갖는 디퓨저를 구비한다. 상기 액체 냉각 시스템은 또한 압축기 배출구 및 흡입구 사이에 연결된 발열가스 바이패스 밸브를 포함한다. 상기 선택적인 발열가스 바이패스 밸브는 압축기 배출구로부터 압축기 흡입구로 흐르는 압축된 냉동 증기의 일부를 제어 가능하도록 형성되어 있다. 상기 바이패스 밸브는 압축기를 통해 최소의 냉동 증기 유량을 유지하게 된다. 상기 액체 냉각 시스템은 원심 압축기의 안정 작동을 유지하기 위하여 디퓨저와 선택적인 발열가스 바이패스 밸브를 제어하는 안정화 제어 시스템을 더 포함한다. 상기 안정화 제어 시스템은 상기 원심 압축기의 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 디퓨저 링을 제어하는 스톨 반응 상태에 있고, 상기 원심 압축기의 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 디퓨저 링을 제어하는 서지 반응 상태에 있으며, 상기 압축기의 제2서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 발열가스 바이패스 밸브를 제어하는 발열가스 보강상태에 있으며, 상기 디퓨저 링의 최적 위치를 얻기 위하여 디퓨저 링을 제어하는 프로빙(probing) 상태에 있다.

본 발명에 따른 또 다른 구현예는 폐쇄된 냉동회로에 연결된 압축기, 응축기, 증발기를 구비하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 상기 압축기는 상기 냉각 시스템으로부터 압축되지 않은 냉동 증기를 전달받는 압축기 흡입구를 포함하고, 냉각 시스템에 압축된 냉동 증기를 배출하는 압축기 배출구를 포함하며, 상기 압축기 배출구에 근접하게 배치된 디퓨저를 포함한다. 상기 디퓨저는 상기 압축기 배출구에 압축된 냉동 증기가 통과되도록 형성된 디쥬저 공간을 구비하고, 상기 디퓨저 공간을 통과하는 압축된 냉동 증기의 흐름을 제어하기 위하여 디퓨저 공간의 크기를 전환시키는 그 디퓨저 공간에 조절 가능하게 위치된 디퓨저 링을 구비한다. 상기 냉각 시스템은 또한 상기 압축기의 안정적인 작동을 유지하기 위하여 압축기의 스톨 상태와 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 디퓨저 공간에서 디퓨저 링의 위치를 제어하는 안정화 제어 시스템을 포함한다.

본 발명에 따른 또 다른 구현예는 조절 가능한 유로를 갖는 압축기 흡입구, 압축기 배출구와 가변식 디퓨저를 구비한 원심 압축기의 안정한 작동을 유지하기 위한 안정화 제어 시스템에 관한 것이다. 상기 안정화 제어 시스템은 원심 압축기의 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 조절하기 위한 스톨 반응 상태를 구비하고, 상기 원심 압축기의 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 조절하기 위한 서지 반응 상태를 구비한다.

본 발명에 따른 추가적인 또 다른 구현예는 조절 가능한 유로를 갖는 가변식 디퓨저를 구비한 원심 압축기에서의 안정화 제어를 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 원심 압축기의 작동시 원심 압축기의 서지 상태를 반복적으로 검출하고, 원심 압축기의 작동시 원심 압축기의 스톨 상태를 반복적으로 검출하고, 기 결정된 서지 반응 시간동안 원심 압축기의 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 지속적으로 폐쇄하고, 상기 검출된 스톨 상태가 수정되거나 서지 상태가 검출될때까지 원심 압축기의 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 지속적으로 폐쇄하는 단계를 포함한다.

본 발명의 한가지 장점은 원심 압축기가 서지 상태 및 스톨 상태의 존재에 효율적으로 반응하도록 제어될 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 발열가스 바이패스밸브의 사용이 큰 에너지 효율을 제공하기 위하여 소형화될 수 있다는 것이다.

본 발명의 다른 특징 및 장점들은 예를 들어, 본 발명의 원리를 예시하는 첨부 도면과 관련된 바람직한 구현예의 상세한 설명으로부터 더욱 분명해진다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 시스템을 개략적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에서 사용된 원심 압축기와 디퓨저의 부분 단면도를 설명한다.

도 3은 도 1에 나타낸 냉각 시스템에서 사용된 본 발명의 제어 시스템 및 방법에 대한 상태도를 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 냉각 시스템의 선택적인 구현예를 개략적으로 설명한다.

도 5는 도 4에 설명된 냉각 시스템에서 사용된 본 발명의 제어 시스템 및 방법에 대한 상태도를 설명한다.

가능할 경우, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 설명하는 첨부도면을 통해 이용될 수 있다.

본 발명이 적용될 수 있는 일반적인 시스템은 예를 들어 도 1에 의하여 설명된다. 도시된 바와 같이, HVAC, 냉동장치 또는 액체 냉각 시스템(100)은 압축기(108), 응축기(112), 냉수장치 또는 증발기(126), 그리고 제어 패널(140)을 포함한다. 상기 제어 패널(140)은 A/D 변환기(148), 마이크로프로세서(150), 비휘발성 메모리(144), 그리고 인터페이스 보드를 포함 가능하다. 상기 제어 패널(140)의 구동은 아래에 더욱 상세하게 설명될 것이다. 종래의 액체 냉각 시스템(100)은 도 1에 미도시된 많은 다른 형태를 포함한다. 이러한 형태는 용이하게 설명하는 도면을 간단히 하기 위해 고의로 생략된다.

압축기(108)는 냉동 증기를 압축하고, 배출 라인을 통해 응축기(112)에 증기 를 운반한다. 상기 압축기(108)는 바람직하게 원심 압축기이다. 상기 압축기(108)를 구동하기 위하여, 상기 시스템(100)은 압축기(108)에 대해 모터 또는 구동 메카니즘(152)을 포함한다. 상기 압축기의 구동 메카니즘과 관련하여 "모터"라는 용어가 이용되었으나, 상기 용어 "모터"는 단순한 하나의 모터에 한정되지 않고 변속 드라이브 및 모터 스타터와 같은 모터(152)의 구동에 관련되어 사용 가능한 임의의 구성요소들을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 모터 또는 구동 메카니즘(152)은 전기 모터와, 관련 구성요소이다. 그러나, 스팀 또는 가스 터빈, 또는 기타 엔진과 같은 다른 구동 메카니즘은 압축기(108)를 구동시키는데 이용 가능하다.

상기 응축기(112)로 상기 압축기(108)에 의해 운반된 냉동 증기는 유체, 예를 들어 공기 또는 물과 열교환 관계로 들어가고, 유체와 열 교환 관계의 결과로 냉동 액체로 상변화를 겪는다. 상기 응축된 액체는 팽창장치(미도시)를 통해 증발기(126)로 흐르는 응축기(112)에서 냉동된다. 바람직한 구현예에 따르면, 상기 응축기(112)의 상기 냉동 증기는 냉각 타워(122)에 연결된 열 교환 코일(116)을 통해 흐르는 물과 열교환 관계로 들어간다. 상기 응축기(112)의 냉동 증기는 열교환 코일(116)에서 물과 열교환 관계의 결과로 냉동 액체로 변하는 상변화를 겪는다.

상기 증발기(126)는 냉각 부하(130)에 연결된 공급라인(128S)과 리턴라 인(128R)을 갖는 열교환 코일(128)을 바람직하게 포함한다. 상기 열교환 코일(128)은 증발기(126)내에 다수의 튜브 다발을 포함한다. 바람직하게 물인 제2의 액체는 일부 다른 적당한 제2액체일 수 있다. 예를 들어, 리턴라인(128R)을 경유하여 증발기(126)로 흐르고, 공급라인(128S)을 경유하여 증발기(126)에서 배출되는 에틸렌, 염화칼슘 염천수 또는 염화나트륨 염천수일 수 있다. 증발기(125)의 액체 냉동제는 상기 열교환 코일(128)의 제2액체의 온도를 낮추기 위하여 그 열교환 코일(128)의 제2액체와 열교환 관계로 들어간다. 상기 증발기(126)의 냉동 액체는 열교환 코일(128)의 제2액체와 열교환 관계의 결과로서, 냉동 증기로 상변화를 겪는다. 상기 증발기(126)의 증기 냉동제는 증발기(126)에서 배출하고, 사이클을 완성하기 위하여 흡입라인을 통해 압축기(108)로 리턴한다. 상기 시스템(100)은 응축기(112)와 증발기(126)에 대해 바람직한 구현예의 용어로 설명하게 된다. 응축기(112)와 증발기(126)의 일부 적절한 구성은 상기 시스템(100)에서 이용될 수 있고, 상기 응축기(112)와 증발기(126)에서 냉각제의 적당한 상변화를 얻게 되는 것을 제공할 수 있다.

상기증발기(126)에서 압축기로 투입 또는 흡입시에, 상기 압축기(108)에 냉동제의 유동을 제어하는 하나 또는 그 이상의 프리-로테이션 베인(pre-rotation vane:PRV)또는 흡입 가이드 베인(120)이 있다. 액츄에이터는 압축기(108)에 다량의 냉동제를 늘리기 위해 상기 프리-로테이션 베인(120)을 개방시키고, 그로 인하여 상기 시스템(100)의 냉각 효율이 증대된다. 동시에, 상기 액츄에이터는 압축기(108)에 다량의 냉동제를 줄이기 위해 상기 프리-로테이션 베인을 폐쇄시키고, 그로 인하여 상기 시스템(100)의 냉각 효율이 감소한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 구현예의 압축기(108)의 부분 단면도를 설명한다. 상기 압축기(108)는 냉동 증기를 압축하기 위한 임펠러(202)를 포함한다. 상기 압축된 증기는 디퓨저(119)를 통과한다. 상기 디퓨저(119)는 가변식의 날개없는 방사상의 디퓨저이다. 상기 가변식 디퓨저(VGD)(119)는 냉동 증기 통로의 디퓨저 플레이트(206)와 노즐 베이스 플레이트(208) 사시에 형성된 디퓨저 공간(204)을 구비하고 있다. 상기 노즐 베이스 플레이트(208)는 디퓨저 링(210)을 사용하도록 형성되어 있다. 상기 디퓨저 링(210)은 디퓨저 공간 또는 통로(204)를 통과하는 냉동 증기의 속도를 제어하게 된다. 상기 디퓨저 링(210)은 통로를 통해 흐르는 증기의 속도를 증가시키기 위하여 디퓨저 통로(204)로 연장될 수 있고, 통로를 통해 흐르는 증기의 속도를 감소시키기 위하여 디퓨저 통로(204)에서 줄어들 수 있다. 상기 디퓨저 링(210)은 디퓨저의 가변식을 제공하는 전기 모터에 의해 구동된 조절 메카니즘(210)을 이용하여 연장되고 줄어들 수 있다. 가변식 디퓨저(119)의 작동 및 구성에 대한 상세한 설명은 2002년 12월에 출원된 미국 특허 제10/313,364호에 개시되어 있다. 그러나, 일부 적절한 VGD(119)가 본 발명에서 이용 가능하다는 것은 말할 것도 없다.

상기 제어 패널(140)은 상기 시스템(100)의 효율을 나타내는 시스템(100)에 서 입력 신호를 전송받는 A/D 변환기(148)를 구비한다. 예를 들어, 상기 제어 패널(140)에 의해 전송받는 입력 신호는 프리-로테이션 베인(120)의 위치와, 증발기(126)에서 배출된 냉각 액체의 온도와, 상기 증발기(126) 및 응축기(112)의 압력과, 압축기 배출 통로에서의 음파 및 음향의 측정을 포함할 수 있다. 상기 제어 패널(140)은 또한 상기 시스템(100)의 작동을 제어하기 위하여 시스템의 구성요소에 신호를 전송하는 인터페이스 보드(146)를 구비한다. 예를 들어, 상기 제어 패널(140)은 프리-로테이션 베인(120)의 위치를 제어하기 위하여 신호를 전송 가능하고, 발열가스 바이패스 밸브(134)(도 4참조)의 위치를 제어하기 위하여 신호를 전송 가능하며, 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)의 위치를 제어하기 위하여 신호를 전송 가능하다. 상기 제어패널(140)은 도 1에 미도시된 많은 다른 형태와 구성요소를 포함한다. 이러한 형태와 구성요소는 용이하게 설명하는 제어 패널(140)을 간단히 하기 위해 고의로 생략된다.

상기 제어 패널(140)은 상기 시스템(100)의 작동을 제어하기 위하여, 그리고 시스템과 압축기 안정화를 유지할 수 있도록 특별한 압축기 상태에 대응하여 가변식 디퓨저의 디퓨저 링(210)을 연장하고 줄어들게 하는 때를 결정하기 위하여 제어 알고리즘을 사용한다. 추가적으로, 상기 제어 패널(140)은 시스템과 압축기 안정화를 유지할 수 있도록 특별한 압축기 상태에 대응하여 발열가스 바이패스 밸브(134)(도 4 및 도 5참조)를 선택적으로 열고 닫는 제어 알고리즘을 사용할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 제어 알고리즘은 마이크로프로세서(150)에 의해 실행 가능한 여러 명령어를 갖는 비휘발성 메모리(144)에 저장된 컴퓨터 프로그램일 수 있다. 상기 제어 알고리즘이 컴퓨터 프로그램에 의해 구현되고, 마이크로프로세서(150)에 위해 실행되는 한, 상기 제어 알고리즘은 당업자에 의한 디지탈 및/또는 아날로그 하드웨어를 사용하여 이행되고 실행될 수 있다. 만일 하드웨어가 제어 알고리즘을 실행하기 위해 이용된다면, 상기 제어 패널(140)의 대응하는 구성은 필요한 구성요소를 구체화하도록 변화시킬 수 있고, 더 이상 필요하지 않는 일부 구성요소, 예를 들어 A/D 변환기(148)를 제거하도록 변화시킬 수 있다.

도 3 및 도 5는 압축기 및 시스템 안정화를 유지하기 위한 본 발명의 안정화 제어 알고리즘을 나타내는 상태도이다. 상기 안정화 제어 알고리즘은 시스템의 다른 제어 알고리즘에 대하여 관련없는 프로그램을 실행할 수 있다. 예를 들어, 작동 제어 알고리즘 또는 안정화 제어 알고리즘은 상기 시스템의 다른 제어 알고리즘으로 구체화될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 1의 시스템(100)에 안정화 제어를 제공하는 본 발명의 안정화 제어 알고리즘의 일 구현예로 이루어진 상태도(300)는 6개의 제1의 제어 상태를 구비한다. 상기 제1의 제어 상태는 시동/정지 상태(302)와, 스톨 대기 상태(304)와, 스톨 반응상태(306)와, 프로빙 상태(308)와, 서지 대기 상태(310)와, 서지 반응 상태(312)를 포함한다.

상기 시동/정지 상태(302)는 상기 시스템(100)의 작동시, 안정화 제어 알고리즘(300)의 처음 및 끝의 제어 상태이다. 정지상태에서 상기 시스템(100)을 시작 또는 초기화하는 동안, 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 시동/정지 상태(302)로 들어간다. 동시에, 상기 시스템(100)이 정지 또는 종료시, 상기 시동/정지 상태(302)는 상기 시스템(100) 또는 안정화 제어 알고리즘(300)을 제어하는 다른 제어 알고리즘에서 정지 명령에 대응하여 안정화 제어 알고리즘(300)의 다른 제어 상태의 전부로부터 들어가게 된다. 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 압축기(108)가 시동될때까지 시동/정지 상태(302)로 남는다. 시동/정지 상태(302)에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 상기 디퓨저 공간(204)이 완전히 개방되거나 축소된 위치로 이동되며, 그 결과로 디퓨저 공간(204)이 완전히 개방된다.

상기 스톨 대기 상태(304)는 압축기(108)이 사작된 후에 들어간다. 게다가, 상기 스톨 대기 상태(304)는 상기 스톨 반응 상태(306)의 스톨 상태의 수정을 따르도록 들어갈 수 있다. 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 다음의 상태가 발생할 때까지, 기 결정된 스톨 대기 기간이 마감할 때까지, 서지 상태가 검출될 때까지, 스톨 상태가 검출될 때까지 스톨 대기 상태(304)로 남거나, 상기 프리-로테이션 베인(120)은 기 결정된 PRV 오프셋 양 이상 이동된다. 상기 프리-로테이션 베인의 이동은 압축기 상태(예를 들어, 플로우 및/또는 헤드)가 변화되고 가변식 디퓨저(119)의 조절이 요구되는 지시기(indicator)일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 기 결정된 스톨 대기 기간은 약 0.5 ~ 15분의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 10분이다. 그리고, 상기 기 결정된 PRV 오프셋 양은 프리 -로테이션 베인 모션 범위의 0 ~ 5%의 범위일 수 있다. 상기 스톨 대기 상태(304)에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)이 그 이전 상태에 있고, 그 결과로 디퓨저 공간(204)의 개방을 지지 또는 유지하는 동일한 위치에서 지지하거나 유지하도록 한다.

상기 스톨 반응 상태(306)는 스톨 대기 상태(304) 또는 프로빙 상태(308) 둘 다에서 압축기(108)의 스톨을 검출하는 것에 대응하여 들어가게 된다. 상기 압축기(108)의 검출 스톨에 대한 기술의 공정 및 구성의 상세한 설명은 2003년 8월 14일에 출원된 미국특허 제10/641,277호에 개시되어 있다. 그러나, 일부 적절한 스톨 검출 기술은 본 발명에서 이용 가능하다. 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 상기 압축기(108)에서 검출된 스톨 상태가 수정 또는 개선될 때까지 스톨 반응 상태(306)로 남거나, 서지 상태가 압축기(108)에서 검출될 때까지 스톨 반응 상태(306)로 남는다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 스톨 상태는 기 결정된 스톨 최소 초기 전압 이하인 스톨 센서 전압에 대응하여 수정되거나 개선되도록 고려된다. 상기 기 결정된 스톨 최소 초기 전압은 약 0.4 ~ 0.8V일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.6V이다. 상기 스톨 반응 상태(306)에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 폐쇄된 위치로 지속적으로 연장되며, 그 결과로 상기 압축기(108)의 검출된 스톨 상태가 수정되거나 개선될 때까지 그 디퓨저 공간(204)을 닫는다. 상기 스톨 반응 상태(306)로 스톨 상태를 수정 또는 개선하는동안, 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 스톨 대기 상태(304)로 리턴한다.

상기 프로빙 상태(308)는 상기 기 결정된 스톨 대기 기간의 마감 또는 스톨 대기 상태(304)의 기 결정된 PRV 오프셋 양 이상에 의한 프리-로테이션 베인(120)의 이동에 대응하여 들어간다. 게다가, 상기 프로빙 상태(308)는 서지 대기 상태(310)의 기 결정된 서지 대기 기간의 마감을 따라 들어 갈 수 있다. 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 스톨 상태 또는 서지 상태가 압축기(108)에서 검출될 때까지 프로빙 상태(308)로 남는다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 스톨 상태는 기 결정된 스톨 최대 초기 전압보다 더 큰 스톨 센서 전압에 대응하여 검출된다. 상기 기 결정된 스톨 최대 초기 전압은 약 0.6 ~ 1.2V의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.8V이다. 프로빙 상태(308)에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 서지 상태 또는 스톨 상태가 압축기(108)에서 검출될 때까지 개방되거나 축소되어 그 결과 디퓨저 공간(204)의 개방이 증가한다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 증가량 또는 약 0.5 ~ 5초의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 1 또는 2초인 기 결정된 진동간격을 갖는 진동에 의해 유발되는 스텝으로 개방되거나 축소된다. 낮은 압축 부하, 예를 들어 압축기 효율의 70%이하에서, 스톨 상태는 통상, 서지 상태가 발생하기 전에 검출되고 제어된다. 그러나, 높은 압축기 부하, 예를 들어 압축기 효율의 70%이상과, 높은 헤드 또는 리프트에서, 상기 프로빙 상태(308)에서 그 프로빙상태가 본래 순간적이고 스톨 노이즈로 검출되지 않는 동안, 서지 상태는 발생할 수 있다.

상기 서지 반응 상태(312)는 스톨 대기 상태(304), 스톨 반응 상태(306) 또는 프로빙 상태(308) 전부로 압축기(108)의 서지 검출에 대응하여 들어가게 된다. 압축기(108)에서 검출 서지 기술에 대한 공정 및 구성요소의 상세한 설명은 미국 특허 제6,427,464호에 개시된다. 그러나, 적절한 서지 검출 기술이 본 발명에서 이용 가능하다는 것은 말할 것도 없다. 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 기 결정된 서지 반응 시간이 마감될 때까지 서지 반응 상태(312)로 남는다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 기 결정된 서지 반응 시간은 약 1 ~ 3초의 범위일 수 있고, 바람직하게는 약 5초이다. 상기 서지 반응 상태(312)에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 기 결정된 서지 반응 시간 동안 폐쇄된 위치로 지속적으로 연장되며, 그 결과로 상기 안정한 압축기(108) 작동 효율을 제공하기 위하여 디퓨저 공간 또는 갭(204)를 줄인다. 상기 서지 반응 시간은 가변식 디퓨저 링 메카니즘(212) 및 구동 액츄에이터 모터의 전체 속도에 좌우되게 변환 가능하며, 상기 바람직한 VGD 링(210)의 이동은 서지 안정화를 달성하는데 필수적이다.

상기 서지 대기 상태(310)는 상기 서지 반응 상태(312)의 압축기(108) 서지 상태를 수정하거나 개선하기 위하여 들어간다. 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 기 결정된 서지 대기 기간이 마감될 때까지 서지 대기 상태(310)로 남거나, 상기 압축기(108)는 또 다른 서지 상태로 들어간다. 본 발명의 일 구현예 따르면, 기 결정된 서지 대기 기간은 약 0.5 ~ 15분의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 10분이다. 상기 서지 대기 상태(310)에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 상기 가변식 디퓨저의 디퓨저 링이 이전 상태에 있으며, 그 결과 디퓨저 공간(204)의 개방을 지지하거나 유지하도록 동일한 위치를 지지하거나 유지하게 된다. 일 구현예에서, 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 상기 서지 대기 상태(310)의 또 다른 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 서지 반응 상태(312)로 다시 들어간다. 선택적으로, 또 다른 제어 알고리즘은 상기 서지 대기 상태(310)의 또 다른 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 이용된다. 이러한 추가적인 서지 결과는 독립적으로 카운트되거나, 상기 압축기(108)의 정지시점을 결정하기 위하여 제어 알고리즘의 일부로 카운트된다. 짧은 시간의 지속적인 서지 결과에 따르면, 상기 안정화 제어 알고리즘(300) 또는 또 다른 제어 알고리즘은 상기 압축기(108)의 손상을 피하기 위하여 압축기(108)의 알람 또는 정지 방지를 제공하게 된다. 그렇지 않으면, 상기 안정화 제어 알고리즘(300)은 상기 서지 대기 상태(310)의 기 결정된 서지 대기 기간의 마감에 대응하여 프로빙 상태(308)로 들어간다.

도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 냉각 시스템의 선택적인 구현예를 설명한다. 상기 도 4에 나타낸 냉각 시스템(200)은 도 1에 나타내고, 발열가스 바이패스 라인(132)와 발열가스 바이패스(HGBP) 밸브(134)가 상기 압축기(108)의 흡입구로 전환되거나 재순환시킬 수 있도록 압축기 출구에서 압축된 냉동제가 통과되 게 하는 압축기의 배출구 또는 출구 및 프리-로테이션 베인(120)의 흡입구 사이에 연결된 것을 제외하고 위에서 상세하게 설명된 냉각 시스템(100)과 실질적으로 동일하다. 상기 HGBP 밸브(134)의 위치는 상기 압축기(108)에 제공된 압축된 냉동제의 양을 조절하기 위하여 제어된다. 상기 HGBP 밸브(134)의 제어 공정에 대한 설명은 미국특허 제6,427,464호에 개시된다. 그러나, 일부 적절한 HGBP 밸브(134) 및 대응하는 제어 공정이 본 발명에서 이용 가능하다는 것은 말할 것도 없다.

도 5는 시스템 및 압축기 안정화를 유지하기 위한 안정화 제어 알고리즘의 선택적인 구현예를 나타내는 상태도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 도 4의 시스템(200)에 안정화 제어를 제공하기 위한 안정화 제어 알고리즘의 구현예에 대한 상태도(500)는 도 3에 나타내고, 일곱번째 제1 제어 상태, 발열가스 보강 상태(314), 그리고 상기 발열가스 보강 상태(314)에 대응하는 내부 연결은 아래에 기술되는 것을 제외하고 위에 상세하게 설명된 안정화 제어 알고리즘(300)의 상태도와 동일하다.

서지 반응 상태(312)로 리턴하지 않고 서지 대기 상태(310)로 리턴하거나, 안정화 제어 알고리즘(300)에 대하여 상술한 바와 같이, 또 다른 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 또 다른 제어 알고리즘을 사용하는 동안, 상기 발열가스 보강 상태(314)는 제2서지 상태를 경험하는 압축기(108)에 대응하여 들어가게 된다. 게다가, 상기 안정화 제어 알고리즘(500)은 상기 시스템을 제어하는 또 다른 제어 알고리즘에서 HGBP 밸브 개방 명령의 검출에 대응하여 스톨 대기 상태(304), 스톨 반응 상태(306), 또는 프로빙 상태(308)에서 발열가스 보강 상태(314)로 들어갈 수 있다. 상기 HGBP 밸브 개방 명령은 미국 특허 제6,427,464호에서 설명되거나 일부 적절한 HGBP 밸브 제어 공정을 사용하는 것으로 생기게 된다. 더구나, 상기 발열가스 보강 상태(314)의 HGBP 밸브(134)의 작동은 상술한 바와 같이 제어된다. 상기 안정화 제어 알고리즘(500)은 상기 HGBP 밸브(134)가 폐쇄된 위치로 리턴될 때까지 발열가스 보강 상태(314)로 남는다. 상기 발열가스 보강 상태(314)에서, 상기 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 링(210)은 HGBP 밸브가 개방 위치에 있을 때마다, 그 위치에서 지지되거나 고정되며, 그 결과 상기 시스템 헤드가 나중에 낮아지고 HGBP 밸브(134)가 닫아질 시에 동일한 서지 안정화 위치에서 가변식 디퓨저(119)의 디퓨저 공간(204)에 대한 개방을 유지하거나 고정한다. 상기 발열가스 보강 상태(314)의 HGBP 밸브(134)를 닫는 동안, 상기 안정화 제어 알고리즘(500)은 스톨 대기 상태(304)로 들어간다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 모터(152)는 상기 모터(152)의 속도를 변화시키는 가속 드라이브(미도시)에 연결되어 있다. 상기 가속 드라이브(VSD)에 의한 압축기의 속도 변화는 시스템을 통과하는 냉동 증기 유량에 영향을 미치고, 서지 상태에 비례하여 압축기의 안정화에 영향을 미칠 것이다. 위에서 언급한 상기 안정화 제어 알고리즘(300,500)은 가속 드라이브에 관련하여 이용된 다. 가속 드라이브가 존재시, 시스템 구동 파라미터를 사용하는 적응 능력 제어 로직 및 압축기 PRV 위치 정보는 상기 안정화 제어 알고리즘(300,500)이 서지 반응 상태(312)에 있는 동안 서지가 검출될 경우, 빠른 속도로 압축기를 작동하기 위해 이용될 수 있다. 게다가, 과거 성능 파라미터는 적응 능력 제어 로직에 의한 미래의 서지 상태를 피하기 위해 메모리에 매핑되고 저장된다. 적응 능력 제어 공정의 설명은 미국 특허 제4,608,833호에 개시된다. 그러나, 일부 적절한 적응 능력 제어 공정이 본 발명에서 이용될 수 있다는 것은 말할 것도 없다.

전술한 바와 같이, 본 발명이 바람직한 구현예를 참조로 하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형들이 만들어질 수 있고, 또한 상응하는 것들이 구성요소를 대신하여 대체될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 핵심적인 기술적 사상으로부터 벗어남 없이 특정 상황 또는 물질을 본 발명에 의거 적용하기 위해 다양한 수정들이 만들어질 수 있다. 따라서, 상기한 본 발명을 실시하기 위하여 고려된 최적 모드로서 개시되어 있는 특정의 구현예로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 첨부된 청구범위의 기술적 사상 내에서 파생되는 모든 구현예를 포함하는 것임을 밝혀둔다.

Claims

폐쇄된 냉각 회로에 연결된 압축기, 응축기, 그리고 증발기를 포함하는 냉각 시스템에 있어서,

상기 압축기는:

상기 냉각 시스템에서 압축되지 않은 냉동 증기를 전달 받는 압축기 흡입구와;

상기 냉각 시스템에 압축된 냉동 증기를 배출하는 압축기 배출구와;

상기 압축기 배출구에 근접하게 배치되어 있으며, 상기 압축기 배출구로 압축된 증기가 흐르도록 형성된 디퓨저 공간과, 상기 디퓨저 공간을 통해 압축된 냉동 증기의 유동을 제어하기 위하여 디퓨저 공간의 크기가 가변되도록 그 디퓨저 공간에 조절 가능하도록 위치된 디퓨저 링을 포함하는 디퓨저;를 포함하며,

상기 압축기의 안정한 작동을 유지하기 위하여 그 압축기의 스톨 상태와 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 디퓨저 공간에서 디퓨저 링의 위치를 제어하며, 스톨 상태 또는 서지 상태가 검출될 때까지 디퓨저 공간으로부터 디퓨저 링을 축소시키는 안정화 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 상기 디퓨 저 공간으로 디퓨저 링을 연장하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 기 결정된 서지 반응 시간 주기동안 상기 디퓨저 공간으로 디퓨저 링을 지속적으로 연장하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 3에 있어서,

상기 기 결정된 서지 반응 시간 주기는 약 1 ~ 30초 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 상기 디퓨저 공간으로 디퓨저 링을 연장하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 5에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 상기 검출된 스톨 상태가 수정되거나 서지 상태가 검출될 때까지 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 디퓨저 공간으로 디퓨저 링을 지속적으로 연장하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 기 결정된 상태에 대응하여 디퓨저 공간의 위치에서 디퓨저 링을 지지하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 기 결정된 상태에 대응하여 디퓨저 공간에서 디퓨저 링을 축소하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 8에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 기 결정된 진동간격을 갖는 진동에 대응하여 디퓨저 공간에서 디퓨저 링을 점진적으로 축소하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 9에 있어서,

상기 기 결정된 진동 간격은 약 0.5 ~ 5초 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 압축기 배출구 및 압축기 흡입구 사이에 연결되며, 상기 압축기 배출구에서 압축기 흡입구로 흐르는 압축된 냉동 증기의 일부를 제어하도록 형성된 발열가스 바이패스 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 11에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 개방되는 발열가스 바이패스 밸브에 대응하여 디퓨저 공간의 위치에서 디퓨저 링을 지지하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
압축기 흡입구, 압축기 배출구, 그리고 조절 가능한 유로를 갖는 가변식 디퓨저의 안정한 작동을 유지하기 위한 안정화 제어 시스템에 있어서,

상기 안정화 제어 시스템은 원심 압축기의 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 조절하는 스톨 반응 시스템과;

원심 압축기의 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 조절하는 서지 반응 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 13에 있어서,

상기 서지 반응 시스템은 기 결정된 서지 반응 시간 주기동안 가변식 디퓨저의 유로를 지속적으로 폐쇄하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 14에 있어서,

상기 기 결정된 서지 반응 시간 주기는 약 1 ~ 30초 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 13에 있어서,

상기 스톨 반응 시스템은 상기 검출된 스톨 상태가 수정되거나 서지 상태가 검출될 때까지 가변식 디퓨저의 유로를 지속적으로 폐쇄하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 13에 있어서,

디퓨저 링의 최적 위치를 얻기 위하여 가변식 디퓨저의 유로를 조절하는 프로빙 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 17에 있어서,

상기 프로빙 시스템은 스톨 상태가 검출되거나 서지 상태가 검출될 때까지 가변식 디퓨저의 유로를 점진적으로 개방하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 13에 있어서,

상기 서지 반응 시스템에서 수정된 서지 상태에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로의 위치를 지지하는 서지 대기 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 19에 있어서,

상기 서지 대기 장치는 기 결정된 서지 대기 주기가 마감되거나, 또 다른 서지 상태가 발생될 때까지 가변식 디퓨저의 유로의 위치를 지지하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 20에 있어서,

상기 기 결정된 서지 대기 주기는 약 30초 ~ 15분 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 20에 있어서,

서지 대기 장치에서의 또 다른 서지 상태의 발생에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로 위치를 지지하는 발열가스 보강 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 13에 있어서,

상기 스톨 반응 시스템에서 스톨 상태의 수정 및 압축기의 시동 상태 중, 하나에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로 위치를 지지하는 스톨 대기 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 23에 있어서,

상기 스톨 대기 장치는 기 결정된 스톨 대기 주기가 마감되고, 프리-로테이션 베인이 기 결정된 초기량 이상 이동하며, 스톨 상태가 발생하고 서지 상태가 발생할 때까지 가변식 디퓨저의 유로 위치를 지지하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 24에 있어서,

상기 기 결정된 스톨 대기 주기는 약 5 ~ 15분 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 24에 있어서,

상기 기 결정된 초기량은 프리-로테이션 베인 모션 범위의 0% 초과, 5% 이하인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 13에 있어서,

상기 서지 반응 시스템은 상기 스톨 반응 시스템보다 우선권이 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
청구항 13에 있어서,

압축기의 시동에 앞서 가변식 디퓨저의 유로를 완전히 개방하는 시동 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어 시스템.
조절 가능한 유로를 갖는 가변식 디퓨저를 구비한 원심 압축기의 안정화 제어방법에 있어서,

원심 압축기가 작동하는 동안, 원심 압축기의 서지 상태를 반복적으로 검출하는 단계와;

원심 압축기가 작동하는 동안, 원심 압축기의 스톨 상태를 반복적으로 검출 하는 단계와;

기 결정된 서지 반응 시간 주기동안, 원심 압축기의 서지 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 지속적으로 폐쇄하는 단계와;

상기 검출된 스톨 상태가 수정되거나 서지 상태가 검출될 때까지 원심 압축기의 스톨 상태를 검출하는 것에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 지속적으로 폐쇄하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.
청구항 29에 있어서,

상기 기 결정된 서지 반응 시간 주기는 약 1 ~ 30초 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.
청구항 29에 있어서,

스톨 상태가 검출되고 서지 상태가 검출될 때까지 기 결정된 상태에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로가 점진적으로 개방되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.
청구항 29에 있어서,

기 결정된 서지 대기 주기가 마감되거나 또 다른 서지 상태가 발생할 때까지 서지 반응 시스템에서 수정된 서지 상태에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로 위치를 지지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.
청구항 32에 있어서,

상기 기 결정된 서지 대기 주기는 약 30초 ~ 15분 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.
청구항 29에 있어서,

원심 압축기의 정지에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로를 완전히 개방하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.
청구항 29에 있어서,

기 결정된 스톨 대기 주기가 마감되고, 프리-로테이션 베인이 기 결정된 초기량 이상 이동하며, 스톨 상태가 발생하고 서지 상태가 발생할 때까지 원심 압축기에서 스톨 상태의 수정 및 압축기의 시동 중, 하나에 대응하여 가변식 디퓨저의 유로 위치를 지지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정 화 제어방법.
청구항 35에 있어서,

상기 기 결정된 스톨 대기 주기는 약 5 ~ 15분 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.
청구항 35에 있어서,

상기 기 결정된 초기량은 프리-로테이션 베인 모션 범위의 0% 초과, 5% 이하인 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 안정화 제어방법.