KR101350695B1

KR101350695B1 - 원심 압축기 및 그 운전 방법

Info

Publication number: KR101350695B1
Application number: KR1020127000400A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 티. 솜머; 커티스 크리스티안 크레인; 플로린 이안쿠; 제이알. 존 트레비노; 로버트 이. 스테이블리; 그레고리 케이. 비버슨; 에릭 제이. 스미더; 패트릭 씨. 마크스; 루디 셔빌
Original assignee: 존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2014-01-10
Also published as: EP3141758A1; JP5650204B2; US20120100011A1; CN102803736A; EP2438304A2; US11378088B2; KR20120014080A; WO2010141815A3; EP3144539A1; WO2010141815A2; JP2012528989A; EP2438304B1; EP3141758B1; CN102803736B; EP3144539B1

Abstract

본 발명은 다양한 방법 및 장치를 사용하여 원심 압축기의 단일 써지 사이클이 발생을 확인할 수 있는 제어 시스템을 제공한다. 일단 단일 써지 사이클의 발생이 확인되면, 가변 지오메트리 디퓨저의 위치를 조정함에 의해, 상기 제어 시스템은 써지 사이클에 응하여 재조정을 실행할 수 있고, 원심 압축기를 안정적인 운전상태로 복귀시킬 수 있다.

Description

원심 압축기 및 그 운전 방법 {Control system}

본 발명은 압축기용 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기의 불안정성을 감지하고 그 불안정성을 개선하여 안정적인 작동상태로 압축기를 복귀시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

원심 압축기는 작동시 써지(surge)나 스톨(stall)과 같은 불안정성을 겪게 된다. 써지 또는 써징(surging)은 압력과 유동에 있어서 진동을 갖는 일시적인 현상이며, 압축기를 통한 완벽한 유동 역전을 초래할 수 있다. 써징은, 만일 제어되지 않으면, 압축기의 회전 및 정적 구성요소들에 있어서 과도한 진동을 야기할 수 있으며, 영구적인 압축기 손상을 초래하게 된다. 써지 상태를 교정하기 위한 한가지 기술은 압축기 유입구에 유동을 증가시키기 위하여 압축기의 배출가스 중 일부를 압축기 유입구로 복귀시키도록 고온 가스 바이패스 밸브를 개방시키는 것이다. 그에 반해, 스톨 또는 회전 스톨은 압축기의 하나 혹은 그 이상의 구성요소에 발생하는 국부적인 유동 분리이고, 압축기의 임펠러의 회전 주파수보다 적은 기본 주파수에서 배출압력을 방해할 수 있다. 정속(fixed speed) 원심 압축기에서 회전 스톨은 대부분 압축기의 디퓨저(diffuser)에서 발생되고, 가변 지오메트리 디퓨저(variable geometry diffuser, VGD)와 함께 개선될 수 있다. 압축기에서 회전 스톨의 발생은 임박한 써지 상태의 선행동작(precursor)일 수 있다.

원심 압축기용 VGD는 압축기의 배출로의 일환인 디퓨저 갭으로 인입될 수 있는 링을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 VGD는 링이 최대 가스 흐름을 허용하기 위해 디퓨저 갭에서 완전히 빠지는 축소된 위치에서, 링이 가스 흐름을 일부 제한함에 의해 디퓨저 갭의 일부를 점유하는 확장된 위치로 링을 이동시킬 수 있다. 상기 링은 원심 압축기에서 스톨 상태를 개선하기 위해 스톨 상태의 검출에 응하여 이동될 수 있다.

원심 압축기의 디퓨저 영역에서 회전 스톨을 검출하고 제어하는 일 방법은 일반적인 음압을 측정하기 위해 압축기 배출로에 설치되는 압력 변환기 또는 디퓨저를 사용하는 단계를 포함한다. 상기 압력 변환기의 신호는 회전 스톨의 발생 또는 가능성을 결정하기 위해 아날로그 또는 디지털 기술을 통해 여과 및 처리된다. 회전 스톨은 배출압력 펄스에서 측정한 에너지 양을 회전 스톨의 발생에 해당하는 초기 설정 양과 비교함에 의해 검출된다. 상기 VGD의 링은 압력 펄스 레벨을 줄이고 스톨 상태를 재조정하기 위해 디퓨저 갭으로 삽입된다.

그러나, 원심 압축기의 일부 운전 범위로 인해, 압축기가 유난히 저속으로 운전될 때, 상기 압축기는 이전 스톨 상태의 발생 없이 써지가 발생할 수 있다. 상기 압축기가 바로 써지 상태에 진입할 때, 상기 압축기용 제어 시스템은 스톨 상태의 선행동작을 감지하기 위한 기회를 갖지 못한다. 그 결과, 상기 압축기용 제어 시스템은 써지 상태의 시작을 가능한 회피하기 위한 스톨 상태를 위한 교정 작동을 개시하지 못한다. 다른 측면에서, 상기 압축기의 써지 상태를 처리하기 위한 제어 시스템은 써지 상태를 설정된 순서로 확인하고 반응할 필요가 있다. 써지 상태를 확인하기 위한 상기 제어 시스템을 위해, 하나 또는 그 이상의 써지 사이클(cycle)은 제어 시스템이 교정 작동을 실행시킬 수 있기 전에 설정한 시간 동안 발생해야 한다. 또한, 교정 단계는 필요한 전 시스템에 걸쳐 운전 조건을 유지하기 위해 다른 시스템과 함께 제어하는 상호 작용을 필요로 한다.

따라서, 스톨 상태의 발생을 예정하거나 하나 이상의 써지 사이클을 통해 대기하는 것 없이 써지 상태를 검출하는 시스템 및 방법이 필요하다.

본 발명은 압축기의 불안정성을 감지하고 그 불안정성을 개선하여 안정적인 작동상태로 압축기를 복귀시키기 위한 원심 압축기 및 그 운전 방법을 제공한다.

본 발명은 원심 압축기의 일 실시예에 따른 운전 방법을 제공한다. 상기 방법은 설정 위치에서 원심 압축기의 샤프트의 진폭 변위를 측정하는 단계와, 측정 진폭을 설정된 초기진폭과 비교하는 단계를 포함한다. 상기 설정된 초기진폭은 원심 압축기의 안정적인 운전 동안 설정 위치에서 발생하는 상기 샤프트의 진폭 변위에 해당한다. 또한, 상기 방법은 상기 설정된 초기진폭보다 커진 측정 진폭에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 단계와, 상기 선행동작이 확인됨에 응하여 써지 상태의 재조정을 위해 상기 원심 압축기의 운전 파라미터를 조정하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명은 원심 압축기의 다른 실시예에 따른 운전 방법을 제공한다. 상기 방법은 전류를 측정하는 단계와, 측정 전류를 설정된 초기전류와 비교하는 단계를 포함한다. 상기 설정된 초기전류는 원심 압축기의 안정적인 운전 동안 발생하는 전류에 해당한다. 또한, 상기 방법은 상기 설정된 초기전류보다 감소한 측정 전류에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 단계와, 상기 선행동작이 확인됨에 응하여 써지 상태의 재조정을 위해 상기 원심 압축기의 운전 파라미터를 조정하는 단계를 포함한다.

아울러, 본 발명은 원심 압축기를 제공한다. 상기 원심 압축기는 임펠러, 상기 임펠러의 출력과 유체로 소통하는 가변 지오메트리 디퓨저, 및 상기 임펠러와 샤프트에 의해 연결되는 모터를 포함하여 구성된다. 또한 상기 원심 압축기는 센서와, 상기 모터 및 가변 지오메트리 디퓨저의 작동을 제어하기 위한 제어패널을 포함한다. 상기 센서는 전류 또는 샤프트 위치와 관계된 운전 파라미터를 측정할 수 있게 구성 및 배치된다. 상기 제어패널은 상기 센서에서 측정된 운전 파라미터에 해당하는 신호를 수신할 수 있게 구성되고, 써지 상태에 대한 선행동작이 상기 센서에서 수신한 신호에 근거하여 발생하는(present) 것으로 확정하고 또한 써지 상태에 대한 선행동작이 발생함에 응하여 재조정 동작을 실행시킬 수 있게 구성된다.

본 발명은 원심 압축기의 또 다른 실시예에 따른 운전 방법을 제공한다. 상기 방법은 원심 압축기용 운전 파라미터를 측정하는 단계와, 관련 없는 정보를 제거하기 위해 측정한 운전 파라미터를 처리하는 단계를 포함한다. 상기 운전 파라미터는 배출압력, 압축기 진동 및 음향 에너지로 이루어진 군에서 선택된다. 또한 상기 방법은 측정한 운전 파라미터를 설정값과 비교하는 단계와, 상기 설정값보다 커진 측정한 운전 파라미터에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 단계를 포함한다. 상기 설정값은 원심 압축기의 안정적인 운전 동안 발생하는 운전 파라미터 값에 해당한다. 또한 상기 방법은 상기 선행동작이 확인됨에 응하여 써지 상태를 재조정하기 위해 상기 원심 압축기의 가변 지오메트리 디퓨저의 위치 또는 원심 압축기의 속도 중 적어도 어느 하나를 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면 압축기의 불안정성을 감지하고 그 불안정성을 개선하여 안정적인 작동상태로 압축기를 복귀시킬 수 있다.

도 1은 난방, 환기 및 공기 조절 시스템을 예시적으로 나타낸 도면
도 2는 증기압축장치의 일 예를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 난방, 환기 및 공기 조절 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변속 드라이브를 개략적으로 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 가변 지오메트리 디퓨저를 나타낸 부분 횡단면도
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 써지 상태를 확정하기 위한 처리공정을 나타낸 순서도
도 7은 시간에 따른 배출압력신호의 감쇠를 나타낸 예시도
도 8은 본 발명에 따른 모터 및 압축기 임펠러의 실시예를 나타낸 횡단면도
도 9는 써지 상태 전, 써지 상태 동안 및 써지 상태 후 축방향 샤프트 변위를 나타낸 예시도
도 10은 써지 상태 전, 써지 상태 동안 및 써지 상태 후 모터 전류를 나타낸 예시도
도 11은 마이크로폰 또는 압축기 샤프트에 이웃한 음향 센서를 개략적으로 나타낸 예시도

도 1은 빌딩(12)에서 통상적인 상업 셋팅을 위해 난방, 환기 및 공기 조절(HVAC) 시스템(10)을 위한 예시적인 환경을 보여준다. 상기 시스템(10)은 빌딩(12)을 냉각하는데 사용되는 냉각된 액체를 공급할 수 있는 증기압축장치(14)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 시스템(10)은 빌딩(12)을 가열하는데 사용되는 가열된 액체를 공급하기 위한 보일러(16) 및 빌딩(12)을 통해서 공기를 순환시키는 공기분배장치를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 공기분배장치는 공기리턴덕트(18), 공기공급덕트(20) 및 에어 핸들러(22)를 포함하여 구성될 수 있다. 에어 핸들러(22)는 도관(24)에 의해 보일러(16)와 증기압축장치(14)에 연결되는 열교환기를 포함하여 구성될 수 있다. 에어 핸들러(22)에서 상기 열교환기는 시스템(10)의 작동모드에 따라 보일러(16)로부터 가열된 액체를 공급받거나 또는 증기압축장치(14)로부터 냉각된 액체를 공급받는다. 상기 시스템(10)은 빌딩(12)의 각 층에 별도의 에어 핸들러를 구비하고 있으나, 그 구성요소들이 층들 사이에 공유될 수 있음은 인정된다.

도 2 및 3은 HVAC 시스템(10)에 사용될 수 있는 예시적인 증기압축장치(14)를 보여준다. 증기압축장치(14)는 압축기(32)에서 시작하여 응축기(34), 팽창밸브 또는 장치(36) 및 증발기나 액체 냉각기(38)를 포함하는 회로를 통해 냉매를 순환시킬 수 있다. 또한, 증기압축장치(14)는 아날로그 대 디지털(A/D) 변환기(42), 마이크로프로세서(44), 비휘발성 메모리(46), 및 인터페이스 보드(48)를 포함할 수 있는 제어패널(40)을 포함하여 구성될 수 있다.

증기압축장치(14)의 냉매로서 사용되는 유체로는 하이드로플루오로카본(HFC) 기지 냉매, 예를 들면 R-410A, R-407, R-134a, 하이드로플루오로 올레핀(HFO), 암모니아(NH₃)와 같은 "천연" 냉매, R-717, 이산화탄소(CO₂), R-744, 또는 하이드로카본 기지 냉매, 수증기 또는 다른 적절한 타입의 냉매가 있다.

압축기(32)와 함께 사용되는 모터(50)는 가변속 드라이브(VSD)(52)에 의해서 동력을 공급받거나 혹은 교류(AC)나 직류(DC) 전원으로부터 직접적으로 동력을 공급받을 수 있다. 모터(50)는 VSD 또는 AC 전원이나 DC 전원으로부터 직접적으로 동력을 공급받는 소정 타입의 전기 모터를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들면, 모터(50)는 스위치드 리럭턴스 모터, 유도전동기, 또는 전자적으로 정류된 영구자석 모터와 같은 어떤 적당한 타입의 모터일 수 있다. 다른 실시예로, 증기나 가스 터빈 또는 엔진과 같은 다른 구동 기구들 및 연관된 구성요소들이 압축기(32)를 구동시키는데 사용될 수 있다.

도 4는 VSD의 일 예를 보여준다. VSD(52)는 AC 전원으로부터 특정한 고정 전압(fixed line voltage)과 고정 주파수(fixed line frequency)를 갖는 AC 전원을 공급받고, 요구된 전압 및 요구된 주파수로 모터(50)에 AC 전원을 공급하며, 특정 조건을 만족시키기 위해 전압 및 주파수가 변경될 수 있다. VSD(52)는 정류기/컨버터(222), DC 링크(224) 및 인버터(226) 등 세가지 구성요소들을 가질 수 있다. 상기 정류기/컨버터(222)는 AC 전원으로부터 고정주파수(fixed frequency), 고정 매그니튜드(fixed magnitude) AC 전압을 DC 전압으로 변환시킨다. 상기 DC 링크(224)는 컨버터(222)로부터 DC 전원을 여과하고, 커패시터 및/또는 인덕터와 같은 에너지저장소자에 제공한다. 마지막으로, 인버터(226)는 DC 링크(224)로부터 DC 전원을 모터(50)를 위한 가변 주파수, 가변 매그니튜드(variable magnitude)의 AC 전원으로 변환시킨다.

일 예로, 상기 정류기/컨버터(222)는 증폭된 DC 전압을 DC 링크(224)에 제공하여 VSD(52)의 입력전압보다 큰 VSD(52)의 최대 RMS 출력전압을 얻기 위하여, 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 갖는 3상 펄스 폭 변조 부스트 정류기로 구성될 수 있다. 교대로, 상기 컨버터(222)는 전압-증폭 능력 없이 수동적인 다이오드 또는 사이리스터 정류기로 구성될 수 있다.

VSD(52)는 각각의 부하 조건에 따라 모터(50)의 효과적인 작동을 위하여 모터(50)에 가변 매그니튜드 출력전압과 가변 주파수를 공급할 수 있다. 제어패널(40)은 VSD(52)로 제어신호를 송신하여 제어패널(40)에 의해 수신되는 특정 센서 리딩(reading)을 위한 적절한 작동 세팅에서 VSD(52) 및 모터(50)를 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어패널(40)은 VSD(52)로 제어신호를 송신하여 증기압축장치(14)에서 변경조건에 따라 VSD(52)에 의해 제공되는 출력전압 및 출력주파수를 조정할 수 있다. 즉, 제어패널(40)은 압축기(32)의 증감하는 부하조건에 따라 VSD(52)에 의해 제공되는 출력전압 및 출력주파수의 증감을 명령할 수 있다.

압축기(32)는 냉각 증기(refrigerant vapor)를 압축하여 배출로를 통해 응축기(34)로 전달한다. 일 예로, 압축기(32)는 하나 또는 그 이상의 압축단계를 갖는 원심 압축기로 구성될 수 있다. 압축기(32)에 의해 응축기(34)로 전달되는 냉각 증기는 유체 예를 들어, 물이나 공기로 열을 전달한다. 상기 냉각 증기는 유체와의 열 교환에 따라 응축기(34)에서 냉각 액체로 액화된다. 응축기(34)에서 냉각한 액체(응축기의 액상 냉매)는 팽창장치(36)를 통해 증발기(38)로 흐르게 된다. 고온 가스 바이패스 밸브(HGBV)(134)는 압축기 배출구에서 압축기 흡입구까지 연장되는 별도의 라인에 연결된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 응축기(34)는 수냉식이며, 쿨링타워(56)로 연결되는 튜브번들(54)을 포함하여 구성된다.

증발기(38)로 전달되는 액상 냉매는 다른 유체로부터 열을 흡수하여 냉각 증기로 상 변화하게 되며, 상기 유체는 응축기(34)에서 사용되는 유체와 동일한 타입의 유체이거나 혹은 아닐 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 증발기(38)는 냉각 부하(62)에 연결되는 공급라인(60S)과 회수라인(60R)을 갖는 튜브번들(60)을 포함하여 구성된다. 작용 유체 예를 들어, 물, 에틸렌 글리콜, 염화칼슘 브라인, 염화나트륨 브라인, 혹은 어떤 다른 적절한 액체는 회수라인(60R)을 거쳐 증발기(38)로 유입되고 공급라인(60S)을 거쳐 증발기(38)에서 배출된다. 증발기(38)는 튜브 안에 작용 유체의 온도를 낮추게 된다. 상기 증발기(38)의 튜브번들(60)은 다수의 튜브 및 다수의 튜브번들을 포함하여 구성될 수 있다. 기상 냉매(혹은 증발기의 냉각 증기)는 증발기(38)를 빠져나가 흡입라인에 의해 완전한 순환 또는 한 바퀴로 압축기(32)로 복귀하게 된다. 일 예로, 증기압축장치(14)는 하나 혹은 둘 이상의 냉각 회로에 가변속 드라이브(VSD)(52), 모터(50), 압축기(32), 응축기(34), 팽창밸브(36) 및/또는 증발기(38) 중 하나 혹은 둘 이상을 사용한다.

도 5는 일실시예에 따른 압축기(32)를 나타낸 횡단면도이다. 압축기(32)는 냉각 증기를 압축하기 위한 임펠러(201)를 포함한다. 상기 임펠러(201)로 압축된 증기는 디퓨저 또는 VGD(119)를 통과한다. VGD(119)는 디퓨저 플레이트(206)와 노즐 베이스 플레이트(208) 사이에 냉각 증기의 통로로 형성된 디퓨저 스페이스 혹은 갭(202)을 갖는다. 노즐 베이스 플레이트(208)는 디퓨저 링(210)과 함께 사용할 수 있게 형성된다. 디퓨저 링(210)은 디퓨저 스페이스 혹은 갭(202)을 통과하는 냉각 증기의 속도를 제어한다. 디퓨저 링(210)은 디퓨저 갭(202)을 통해 흐르는 증기의 속도를 증가시키기 위해 디퓨저 갭(202)으로 확장되게 전진될 수 있고, 디퓨저 갭(202)을 통해 흐르는 증기의 속도를 감소시키기 위해 디퓨저 갭(202)으로부터 제거되게 후퇴될 수 있다. 디퓨저 링(210)은 액추에이터에 의해 구동되는 조절기구(212)를 사용하여 디퓨저 갭(202)으로 전진되고 디퓨저 갭(202)으로부터 후퇴될 수 있다.

VGD(119)는 주로 냉매 유동이 디퓨저 갭(202)에서 대체로 방해받지 않는 열림 또는 후퇴 위치와 냉매 유동이 디퓨저 갭(202)에서 제지되는 닫힘 또는 전진 위치 사이의 어떤 위치에 위치될 수 있다. 일 예로, VGD(119)는, 닫힘 위치에 있을 때, 디퓨저 갭(202)에 냉매 유동을 완전히 중지시키지 않는다. 조절기구(212)는 분리 단계에서 디퓨저 갭(202)을 연속적으로 또는 점차적으로 개폐하기 위하여 디퓨저 링(210)을 이동시킬 수 있다. VGD의 작용 및 구성요소에 대한 구체적인 설명은 2005년 3월 29일에 명칭 "Variable Geometry Diffuser Mechanism"로 공개된 미국특허 제6,872,050호에 개시되어 있으며, 이는 여기서 참조로 포함될 수 있다.

일 예로, 압축기(32)가 하나 이상의 압축단계를 갖는 경우, VGD(119)는 하나 또는 둘 이상의 압축단계의 배출로에 포함된다. 다른 예로, 하나 이상의 VGD(119)는 임펠러(201)로부터 냉매의 유동을 제어하기 위해 디퓨저 갭(202)에 위치되며, 그에 의해 압축기(32)의 용량을 관리하게 된다.

또 다른 예로, 디퓨저 링(210)의 포지셔닝(positioning)은 압축기(32)에 써지(surge) 상태나 스톨(stall) 상태를 감소시키거나 제거할 수 있고, 부분 부하 상태로 작동할 때 압축기(32)의 작동 효율을 개선할 수 있다. 일 예로, 용량 조절을 위해 VSD(52)와 합동하여 사용되는 VGD(119)는 부분 부하로서 압축기(32)의 효율을 개선할 수 있다.

제어패널(40)은 A/D 컨버터(42) 뿐만 아니라 디지털 대 아날로그(D/A) 컨버터를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 제어패널(40)은 조작자가 제어패널(40)과 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스(194)를 포함하거나 또는 사용자 인터페이스(194)에 연결되게 구성될 수 있다. 조작자는 사용자 인터페이스(194)를 통해 제어패널(40)에 관련한 명령을 선택 및 입력할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스(194)는 증기압축장치(14)의 작동상태에 관하여 제어패널(40)로부터 메시지 및 정보를 디스플레이할 수 있다. 상기 사용자 인터페이스(194)는 증기압축장치(14)나 제어패널(40) 상에 설치되는 식으로 제어패널(40)에 근접하게 위치될 수 있고, 또는 그 반대로 증기압축장치(14)를 제외하고 별개의 제어룸에 위치되는 식으로 제어패널(40)로부터 멀리 위치될 수 있다.

제어패널(40)에서, A/D 컨버터(42) 및/또는 인터페이스 보드(48)는 증기압축장치(14)에 관련한 운전 파라미터를 제공하는 시스템 센서 및 구성요소로부터 입력신호를 수신한다. 예를 들어, 제어패널(40)에 의해 수신되는 상기 입력신호는 튜브번들(60)에서 배출되는 냉각 액체의 온도 정보, 증발기(38) 및 응축기(34)의 냉각 압력 정보, 압축기 배출온도 센서 정보, 압축기 오일 온도 센서 정보, 압축기 오일 공급압력 센서 정보, VGD 위치 센서 정보 및 압축기 배출로의 아쿠스틱 또는 사운드 압력 측정 정보를 포함할 수 있다. 제어패널(40)은 증기압축장치(14)의 작동을 제어하기 위한 증기압축장치(14)의 구성요소로 신호를 전달하고 증기압축장치(14)의 여러 센서 및 제어장치와 소통하기 위해 인터페이스 보드(48)를 사용할 수 있다.

제어패널(40)은 압축기(32), VSD(52), 응축기(34) 및 증기압축장치(14)의 다른 구성요소들을 포함한 증기압축장치(14)의 작동을 제어하기 위해 단일 또는 중앙 제어 알고리즘이나 제어 시스템을 실행하거나 사용한다. 일 예로, 상기 제어 알고리즘은 비휘발성 메모리(46)에 저장된 컴퓨터 프로그램이나 소프트웨어로 구성될 수 있고, 상기 비휘발성 메모리(46)는 마이크로프로세서(44)에 의해 실행될 수 있는 일련의 작동명령을 갖는다. 상기 제어 알고리즘은 컴퓨터 프로그램으로 구현되고 마이크로프로세서(44)에 의해 실행될 수 있으며, 이는 디지털 및/또는 아날로그 하드웨어를 사용하여 시행 및 실행되는 것으로 해당기술분야의 숙련자에 의해 이해되어진다. 하드웨어가 상기 제어 알고리즘을 실행하는 경우, 상응하는 제어패널(40)의 구성은 필수 구성요소를 포함하고 더이상 필요치 않은 구성요소를 제거하기 위해 변경될 수 있다. 다른 예로, 제어패널(40)은 제어패널(40)의 출력을 결정하는 중앙 컨트롤러와 더불어 별개 기능을 실행하는 다중 컨트롤러를 포함한다.

일 예로, 상기 제어 알고리즘은 스톨 및 써지 상태가 부재중인 시스템 및 압축기 상태(압축기의 안정된 작동)를 유지하기 위해 특정 압축기 조건에 따라 VGD(119)에 디퓨저 링(210)을 전진 및 후퇴시킬 때를 결정할 수 있다. 또한, 제어패널(40)은 시스템 및 압축기 상태를 유지하기 위해 특정 압축기 조건에 따라 가변속 드라이브와 더불어 모터의 속도를 제어 또는 조정함에 의해 상기 제어 알고리즘을 압축기의 속도를 조정 또는 제어하는데 사용할 수 있다. 또한, 제어패널(40)은 시스템 및 압축기 상태를 유지하기 위해 특정 압축기 조건에 따라 HGBV(134)를 개폐하는데 상기 제어 알고리즘을 사용할 수 있다.

상기 제어패널(40)의 마이크로프로세서(44)에 의해 실행되는 중앙 제어 알고리즘은 냉각 부하를 만족시키기 위해 압축기(32)에서 필요한 용량을 발생시켜, VSD(52)를 거쳐 모터의 속도를 제어하고 그에 따라 압축기(32)의 속도를 제어하기 위한 용량 제어 프로그램 또는 알고리즘을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 용량 제어 프로그램은 증발기(38)에서 배출되는 냉각 액체 온도에 따라 모터(50) 및 압축기(32)의 요구 속도를 자동으로 결정할 수 있고, 상기 액체 온도는 증기압축장치(14)로 요구하는 냉각 부하의 인디케이터이다. 상기 요구 속도를 결정한 후, 제어패널(40)은 VSD(52)로 제어신호를 보내거나 전달하고, 그에 따라 모터(50)의 속도를 조절한다.

상기 용량 제어 프로그램은 설정된 범위 내로 증기압축장치(14)의 선택된 파라미터를 유지할 수 있게 구성된다. 상기 선택된 파라미터는 모터 속도, 배출되는 냉각 액체 온도, 모터 동력 출력, 및 압축기 최소 속도 및 가변 지오메트리 디퓨저 위치를 위한 안티-써지 한도를 포함한다. 상기 용량 제어 프로그램은 시스템 냉각 부하의 변화에 따라 압축기(32) 및 모터(50)의 속도를 연속적으로 모니터하고 변경하기 위해 다양한 운전 파라미터를 모니터하는 센서에서 지속적인 피드백을 받는다. 다시 말해, 증기압축장치(14)는 추가 냉각 용량 또는 감소 냉각 용량을 요구하며, 증기압축장치(14)에서 상기 압축기(32)의 운전 파라미터는 새로운 냉각 용량 요구에 따라 부응하여 갱신되거나 개정된다. 최대 운전 효율을 유지하기 위해, 상기 압축기(32)의 운전 속도는 용량 제어 알고리즘에 의해 변경되거나 조정될 수 있다. 또한, 시스템 부하 요구와 별도로, 상기 용량 제어 프로그램은 냉각 시스템 압력차를 지속적으로 모니터하여 증기압축장치(14)의 냉매 체적 유량(volumetric flow rate)을 활용하고 압축기(32)의 합성 효율(resultant efficiency)을 최대화한다.

상기 제어패널(40)의 마이크로프로세서(44)에 의해 실행되는 중앙 제어 알고리즘은 써지 상태 또는 사이클에 대한 선행동작(precursor)의 발생을 확인하기 위한 방법 또는 기술을 포함한다. 써지 상태 또는 사이클에 대한 선행동작(precursor)의 발생을 확인하기 위한 다양한 방법 또는 기술은 증기압축장치(14)의 기존 센서 또는 구성요소를 사용하며, 별도의 센서 또는 구성요소의 설치를 요구하지 않는다.

일 예로, 압력 변환기 또는 센서(160)(도 3 참조)는 압축기(32)용 배출로에 위치된다. 압력 변환기 또는 센서(160)는 배출압력을 직접 감지하고, 배출압력신호(P_D)를 발생시킨다. 상기 배출압력신호(P_D)는 스톨 상태의 검출, 용량 제어, 및 효과적인 압축기 운전과 같은 여러 목적을 위해 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다. 또한, 상기 P_D값의 변경은 써지 상태가 시작되거나 또는 진행중임을 나타내게 된다. 다른 예로, 도 6에 나타낸 프로세스와 같이, 상기 배출압력신호(P_D)는 여과된 다음 써지 상태의 전조로 해석된다.

도 6에 프로세스는 써지 상태의 시작 또는 발생을 결정하기 위해 신호 P_D를 분석하는 과정을 보여준다. 상기 프로세스는 센서(160)에서 아날로그 신호를 받고(단계 64), 수신한 신호를 A/D 컨버터(42)를 이용하여 디지털 신호로 변환하는(단계 66) 제어패널(40)에서 시작된다. 다른 예로, 제어패널(40)은 센서(160)에서 디지털 신호를 수신할 수 있으며, 그에 따라 프로세스를 지속하기 전에 상기 신호를 변환하지 않는다. 다음, P_D에 해당하는 디지털 신호는 제어패널(40)의 디지털 신호 처리(DSP) 칩(143)(도 3 참조)에 프로그램된 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해 처리된다(단계 68). 일 예로, DSP(143)는 실시간으로 FFT를 실행하기 위해 곱셈 및 덧셈과 같은 필수적인 연산(operation) 또는 계산을 수행할 수 있게 구성된다.

센서(160)에서 디지털 입력신호에 대한 FFT의 응용은 다수의 주파수 및 해당하는 진폭을 발생시키고, 상기 진폭은 에너지값과 관련될 수 있다. 특정 범위 또는 설정된 범위의 기본 주파수는 써지 상태의 검출을 위해 요구되므로, 설정된 범위의 기본 주파수 내 주파수만 분석되어야 한다. 써지 상태와 관련된 건 아니지만 설정된 범위 이외의 주파수 또는 설정된 범위 내 주파수는 버려지거나 무시될 수 있다. 예를 들어, 압축기(32)의 작동속도와 관련한 주파수는, 관련 고주파와 더불어, 제거되거나 영(zero)으로 세팅될 수 있다. 마찬가지로, 전력과 관련한 주파수(예컨대 60Hz)는, 관련 고주파와 더불어, 제거되거나 영으로 세팅될 수 있다. 일 예로, 대역 필터는 관심영역의 주파수를 분리시키기 위해 FFT의 출력에 적용된다. 다른 예로, 대역 필터는 관심영역의 어떤 주파수만이 분석되는 것을 허용하기 위해, FFT의 수행 전 신호 P_D에 적용된다.

관심없는 주파수의 제거 후, FFT에서 남은 성분 또는 주파수는 분석된다.(단계 70). 이러한 분석의 결과는 써지 상태 또는 써지 상태에 대한 선행동작이 발생한(present) 것으로 결정하는데 사용될 수 있다(단계 72). 써지 상태 또는 선행동작이 발생한 것으로 결정되면, 제어 시스템은 재조정 프로세스 또는 동작(action)을 개시할 수 있고(단계 74) 처리공정(process)을 종료한다. 그러나, 만약 써지 상태가 발생한 것으로 결정되지 않으면, 상기 프로세스는 센서(160)로 압력값을 측정하기 위해 프로세스의 시작점으로 복귀한다.

일 예로, 써지 상태 또는 써지 상태에 대한 선행동작의 검출은 관심영역의 주파수 진폭을 결합하거나 총계한 다음, 써지 상태 또는 선행동작을 한정하는 초기값과 더불어 총계값 또는 결과값을 비교함을 기초로 한다. 상기 결과값이 초기값보다 크면, 써지 상태 또는 선행동작은 발생한 것으로 결정된다. 상기 초기값은 FFT 성분에서 총계값 또는 결과값을 위해 다수의 정상(normal) 작동값, 즉 써지 상태가 아닐 때 FFT 성분에서 총계값 또는 결과값과 동일값으로 세팅될 수 있다. 상기 정상 작동값과 초기값은 분석되는 신호의 강도 및 신호대 잡음비를 높이기 위해 신호에 적용되는 증폭량에 따라 좌우된다. 다른 예로, 써지 상태 또는 선행동작은 남은 주파수 스펙트럼의 최고점이 설정된 초기값을 초과할 때를 결정함에 의해 검출될 수 있다.

써지(혹은 써지 상태임)를 결정하기 위한 다른 예로, 센서(160)에서 얻은 신호 P_D는 DC 성분의 레벨 감소를 조사하기 위해 분석된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 센서(160)에서 얻은 신호 P_D는 AC 성분(158)과 더불어 DC 성분(156)을 갖는다. DC 성분(156)을 얻기 위해, 상기 AC 성분 또는 리플(158)은 신호 P_D에서 여과될 수 있다. 다음, 제어 시스템은 신호 P_D의 DC 성분의 RMS값을 계산한다. 써지 상태를 확정하기 위해, 상기 신호의 DC 성분의 RMS값은 평균레벨이 감소하고 있어도 이전 RMS값과 순차적으로 비교된다. 써지 상태가 나타나게 되면, VGD(119) 및/또는 압축기 속도는 시스템이 안정될 때까지 전술된 바와 같이 조정된다.

써지 상태에 대한 선행동작 또는 써지 상태의 존재는 축방향의 진폭과 압축기 및 모터 축의 방사상의 이동이나 작은 변화를 측정함에 의해 확정될 수 있다. 도 8은 일 예에 따른 압축기(32)의 모터(50) 및 임펠러(201)의 횡단면도이다. 모터(50)는 둘 또는 그 이상의 전자기 베어링(200)을 포함하여 구성될 수 있다. 전자기 베어링(200)은 모터(50)의 각 단부에 위치되고, 롤러 베어링(rolling element bearing)이나 유체 베어링(fluid film bearing)과 같은 통상적인 기술요소 대신 모터(50)의 로터 또는 샤프트(164)를 부양시킬 수 있다. 전자기 베어링(200)은 샤프트(164)의 위치를 모니터하여 제어패널(40)에 위치 정보를 제공할 수 있다. 제어패널(40)은 샤프트(164)의 센터를 원하는 위치 또는 공차 범위 내 유지하기 위해 전자기 베어링(200)에 공급되는 전류를 조정할 수 있다. 샤프트(164)의 센터는 주로 전자기 베어링 축과 동축으로 위치되거나 또는 허용가능한 공차 내에서 동축으로 위치될 수 있다. 여기서, 샤프트(164)의 정상적인 작동은 중심위치로 언급되고, 상기 샤프트 축이 베어링 축과 동축을 이루는 것(또는 허용가능한 공차 범위 내에 있는 것)을 의미한다.

전자기 베어링(200)의 축방향 또는 방사상으로 일어나는 압축기 샤프트 위치의 불안정한 주기적 궤도, 일탈 또는 동요는 써지 상태의 시작 또는 발생을 확정한다. 도 9는 써지 사이클, 즉 써지 상태를 벗어나 안정적인 운전상태로 돌아가는 안정적인 압축기 운전을 위한 중심위치에서 샤프트(164)의 축방향 진폭 변위(㎛)를 보여준다. 도 9에서, 안정적인 압축기 작동은 제1영역(90)에서 일어나고, 써지 상태는 제2영역(92)에서 일어나며, 써지 상태로부터의 회복은 제3영역(94)에서 일어나고, 써지 상태의 선행동작은 제4영역(96)에서 일어난다. 일 예로, 써지 상태의 선행동작은 압축기의 유동 역전에 해당하고, 상기 써지 상태는 압축 없는 임펠러의 프리 스핀과 역방향 유동에 해당하며, 상기 써지 상태로부터의 회복은 압력을 상승시켜 개선하고 정방향으로 유동을 형성하기 위해 다시 부하를 거는 임펠러 시동에 해당한다.

본 발명의 제어 시스템은 써지 상태에 대한 선행동작을 확인하기 위해 전자기 베어링(200)에 의해 제공되는 압축기 축 위치를 분석할 수 있고, 써지 상태를 재조정하기 위한 동작(action) 예를 들어, VGD(119)를 조정하거나 압축기(32)의 속도를 증가시킴에 의해 재조정하는 동작을 실행시킬 수 있다. 상기 제어 시스템은 측정한 샤프트의 축방향 진폭 변위가 안정적인 압축기 작동시의 샤프트의 축방향 진폭 변위보다 커질 때를 결정함에 의해 써지 상태의 선행동작을 인지(또는 확인)할 수 있다.

일 예로, 측정한 샤프트의 축방향 진폭 변위는 써지 상태에 대한 선행동작을 인지하기 위한 정상 작동 하의 샤프트의 축방향 진폭 변위보다 큰 설정량(predetermined amount)일 수 있다. 예를 들어, 써지 상태에 대한 선행동작은 측정한 샤프트의 축방향 진폭 변위가 정상 작동 하의 샤프트의 축방향 진폭 변위보다 큰 20㎛ 이상일 때를 가리킬 수 있다. 다른 예로, 측정한 샤프트의 축방향 진폭 변위는 수번(several times)의 진폭 또는 써지 상태에 대한 선행동작을 표시하기 위한 정상 작동 하에 샤프트의 축방향 진폭 변위보다 큰 규모의 진폭일 수 있다. 예를 들어, 써지 상태에 대한 선행동작은 측정한 샤프트의 축방향 진폭 변위가 정상 작동 하의 샤프트의 축방향 진폭 변위보다 큰 약 4 내지 25회 사이일 때를 가리킬 수 있다. 다른 예로, 샤프트의 방사상 진폭 변위의 분석은 샤프트의 축방향 진폭 변위의 분석과 유사하게 써지 상태에 대한 선행동작을 예정하기 위해 실행될 수 있다.

상기 샤프트의 축방향 및 방사상 진폭 변위의 측정치는 위치 감지 프로브(162)(도 8 참조)로부터 얻어질 수 있고, 상기 위치 감지 프로브(162)는 자기 베어링(200) 대신 압축기 샤프트(164)에 근접하게 위치된다. 상기 위치 감지 프로브(162)는 제어패널(40)에 상기 진폭 변위의 측정치를 제공할 수 있고, 그 다음 상기 제어패널(40)은 전자기 베어링 진폭 변위 측정치로서 마찬가지로 그 측정치를 분석할 수 있다.

또 다른 예로, 전자기 베어링(200)의 측정 전류는 스톨 또는 임박한 써지 상태를 검출하는데 사용된다. 상기 전자기 베어링(200)을 통과하는 전류의 증가는 전류 레벨이 설정된 초기 레벨을 초과하면 스톨 또는 써지 상태의 존재를 나타낼 수 있다.

다른 예로, 써지 상태는 써지 상태의 표시를 위해 VSD(52)의 모터 전류 또는 DC 링크 전류를 모니터함에 의해 검출된다. 상기 모터 전류 또는 DC 링크 전류는 어떤 적절한 장치에 의해 측정 및/또는 모니터될 수 있고, 제어패널(40)로 제공될 수 있다. 도 10은 써지 사이클 즉, 써지 상태를 벗어나 안정적인 작동으로 돌아가는 안정적인 압축기 작동에 관련한 모터 전류(A)를 보여준다. 도 10에서, 안정적인 압축기 작동은 제1영역(102)에서 일어나고, 써지 상태 및 회복은 제2영역(104)에서 일어나며, 써지 상태의 선행동작은 제3영역(106)에서 일어난다.

본 발명의 제어 시스템은 서지 상태의 선행동작을 확인하기 위해 모터 전류를 분석하고, 서지 상태를 재조정하기 위한 동작 예컨대, VGD(119)를 조정하는 동작을 실행시킬 수 있다. 상기 제어 시스템은 측정한 모터 전류가 안정적인 압축기 작동 하의 모터 전류보다 작을 때를 결정함에 의해 서지 상태의 선행동작을 인지할 수 있다. 일 예로, 상기 측정한 모터 전류는 써지 상태에 대한 선행동작을 확인하기 위한 정상 작동 하의 모터 전류보다 작은 설정량(predetermined amount)일 수 있다. 예를 들어, 써지 상태에 대한 선행동작은 측정한 모터 전류가 정상 작동 하의 모터 전류보다 작은 약 150A 내지 350A 사이일 때를 가리킬 수 있다. 써지 상태에 대한 선행동작을 확인하기 위한 모터 전류의 소정 감소량은 모터 마력 및 모터 전압과 같은 여러 인자에 근거하여 변화할 수 있다. 다른 예로, 상기 측정한 모터 전류는 써지 상태에 대한 선행동작을 확인하기 위한 정상 작동 하의 모터 전류의 백분율을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 써지 상태에 대한 선행동작은 측정한 모터 전류가 정상 작동 하의 모터 전류의 약 25% 내지 60% 사이일 때를 인지시킬 수 있다.

도 11에 보이듯이, 음향 탐지(acoustic sensing)는 마이크로폰 또는 어쿠스틱 센서(166)를 사용함으로 조건이 충족된다. 마이크로폰(166)은 관심영역의 주파수(압축기의 써지 상태를 수반하는 주파수) 외에 음향 주파수를 약화시키기 위한 조음 필터를 임의로 포함하여 구성될 수 있다. 다른 예로, 가속도계(가속도를 측정하는 장치)는 진동이나 단일축 및 멀티축 진동 변환기 또는 센서에 관련된 스톨 또는 써지를 측정하도록 형성되고, 압축기의 진동 및 충격을 감지하는데 사용될 수 있다. 상기 샤프트를 포함하는 압축기의 진동은 공기전파음을 발생시키며, 상기 공기전파음은 마이크로폰(166)에 의해 검출될 수 있고 회전 스톨 또는 임박한 써지 상태를 예정하는데 사용될 수 있다.

마이크로폰(166) 및/또는 가속도계 및/또는 진동 센서의 출력은 써지 관련 음향 에너지와 소리 또는 진동의 근원에 기인한 에너지를 구분하기 위하여 조절된다(condition). 일 예로, 그 조절은 기본 써지 주파수와 그 주요 고주파를 포함하는 주파수 대역 내 에너지 양을 간단하게 측정함에 의해 일어날 수 있다. 다른 조절 개요로, 써지 관련 영역 내에 써지와 관련없는 어떤 주파수는 오직 써지 상태 에너지의 존재를 검출하기 위한 능력을 증대하기 위하여 분석에서 감지 및 제거될 수 있다. 마이크로폰(166) 및/또는 가속도계 및/또는 진동 센서에서 조절된 출력 신호는 1차(linear) 합산으로 설정 주파수 예컨대, 약 1㎑가 될 수 있고, 초기값과 비교될 수 있다. 상기 조절된 출력 신호가 설정값 예컨대, 10dB에 의해 초기값보다 크면, 써지 상태에 대한 선행동작은 검출되고, 스톨 또는 임박한 써지 상태를 피하기 위해 교정한 동작이 실행될 수 있다.

다른 예로, 임펠러에 근접한 압축기의 유입구에 유체 온도의 증가는 뜨거운 응축기 증기의 역류로 인해 임펠러를 통해 써지 상태가 압축기의 유입구에서 유체 온도를 증가시키는 동안 써지 상태에 대한 선행동작을 결정할 수 있다. 동적 온도센서(미도시)는 압축기로 유입되는 유체 온도를 측정하기 위해 동적 반응 시간과 더불어 사용된다.

전술한 써지 및 선행동작 검출 기술은 일단 원심 압축기 또는 다단 원심 압축기에 적용될 수 있다. 전술한 써지 및 선행동작 검출 기술은 다단 원심 압축기의 첫번째 단계, 마지막 단계 또는 중간 단계 중 선택된 하나 이상의 단계에 적용될 수 있다.

검출된 써지 상태 또는 선행동작을 재조정하기 위해, 상기 제어패널 및 제어 시스템은 디퓨저 링을 원심 압축기의 디퓨저 갭으로 삽입할 수 있다. 또한, 상기 제어패널 및 제어 시스템은 검출된 써지 상태 또는 선행동작을 재조정하기 위해 가변속 드라이브와 더불어 원심 압축기의 속도를 예컨대, 3㎐, 5㎐, 7㎐에 의해 증가시킬 수 있다.

일 예는 스톨 검출을 위해 압축기 배출에 있어 압력 변환기의 사용 및 써지 상태와 관련하여 시간에 따른 압력 변동의 감지에 관한 것이다. 압력 변환기 신호를 적절히 처리함에 의해, 단일 써지 발생 또는 단일 써지 사이클은 인지될 수 있고, 제어 시스템은 압축기의 주어진 작동 조건 내 써지 사이클에 대하여 재조정하기 위해 VGD를 디퓨저 갭으로 확장시킴에 응하여 반응(REACT)한다.

다른 예는 압축기 유입구, 조절가능한 유로와 더불어 압축기 유출구 및 가변 지오메트리 디퓨저를 갖는 원심 압축기의 안정적인 작동을 유지하는 안정성 있는 제어 시스템에 관한 것이다. 상기 안정성 있는 제어 시스템은 원심 압축기의 써지 상태 또는 선행동작을 검출함에 응하여 가변 지오메트리 디퓨저의 유로를 조정하기 위해 써지 반응 상태를 갖는다. 써지 상태를 감지 및 검출하는 일 방법은 제어패널에 배출압력(P_D) 신호를 전달하기 위해 압축기 배출라인에 위치되는 압력 변환기를 사용할 수 있다. 써지 상태를 감지 및 검출하는 다른 방법은 압축기 샤프트의 전자기 베어링에 의해 사용되는 전류; 압축기 구동모터를 통과하는 전류 또는 VSD의 DC 링크에 흐르는 전류; 압축기 또는 모터의 발생 소리(음향 압력 또는 파동); 또는 압축기 진동을 사용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예가 구체적으로 설명되었으나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 여기서 적용되는 어법 및 용어는 단지 설명을 위해 사용된 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 운전 완수를 위해 어떤 기계 판독형(machine-readable) 미디어의 방법, 시스템 및 프로그램 제품을 고려한다. 본 발명에 따른 실시예들은 실존 컴퓨터 프로세서 또는 적절한 시스템을 위한 특수 목적 컴퓨터 프로세서 또는 하드웨어 시스템에 의해 시행될 것이다.

본 발명에 따른 실시예들은 기계 실행형 명령이나 저장된 데이터 구조를 갖추고 있는 기계 판독형 미디어를 포함하는 프로그램 제품을 포함하여 구성된다. 기계 판독형 미디어는 일반 목적 컴퓨터나 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계장치에 의해 접근될 수 있는 영구 사용가능한 미디어일 수 있다. 일 예로, 기계 판독형 미디어는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 저장장치, 자기 디스크 저장장치 또는 다른 자기 저장장치, 또는 기계 실행형 명령이나 데이터 구조의 형태로 요구 프로그램 코드를 전달 또는 저장하기 위해 사용될 수 있는 어떤 다른 매체를 포함할 수 있고, 일반 목적 컴퓨터나 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계장치에 의해 접근될 수 있다. 정보가 네트워크나 다른 통신수단(유선, 무선, 또는 유선 또는 무선의 조합 중 하나)을 거쳐 기계장치로 전송되거나 공급될 때, 상기 기계장치는 기계 판독형 미디어로서 적절히 통신수단을 고찰한다. 또한, 상기의 조합은 기계 판독형 미디어의 범주 내에 포함될 수 있다. 기계 실행형 명령은 예를 들어, 일반 목적 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 특수 목적 프로세스 기계장치가 어떤 기능이나 기능들을 실행하도록 하는 명령 및 데이터를 포함한다.

본 명세서에서 숫자가 방법 단계의 특정 명령을 나타내기는 하지만, 상기 단계의 명령은 설명된 것과 다를 수 있다. 또한, 둘 또는 그 이상의 단계가 동시에 실행되거나 부분적인 동시 실행이 일어날 수 있다. 단계 성과는 설계자가 선택한 소프트웨어 및 하드웨어 시스템에 따라 달라질 수 있다. 그러한 모든 변동사항(variation)은 본 발명의 범위 내에서 이루어진다. 또한, 소프트웨어 실행은 로직을 기반으로 한 규칙 및 다양한 접속 단계, 처리 단계, 비교 단계 및 결정 단계를 완수하기 위한 다른 로직을 갖는 기본 프로그램 기술과 더불어 완수될 수 있다.

본 발명에 따른 다양한 실시예로 나타낸 구성 및 배열은 단지 본 발명을 설명하기 위한 예일 뿐이다. 몇몇 실시예가 구체적으로 설명되었으나, 이는 본 발명이 해당하는 기술분야를 벗어남 없이 실질적으로 다양하게 변경(예를 들어, 다양한 소자들의 사이즈, 크기, 구조, 형상 및 비율, 파라미터값(예를 들어, 온도, 압력 등), 설치 위치, 사용소재, 색상, 방위의 변경 등) 실시될 수 있다. 예를 들어, 없어서는 안되게 형성되는 소자들은 다수의 부품이나 소자로 구성되며, 소자의 위치는 전환되거나 또는 달리 변경되고, 각각의 소자의 특징이나 수 또는 위치는 변경될 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변경은 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 본다. 어떤 프로세스나 방법 단계의 순서는 대체가능한 실시예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다. 청구항에서, 어떤 의미-플러스(plus)-기능 항목은 시행하는 일련의 기능과 구조적 등가물뿐만 아니라 등가의 구조물로 설명된 구성을 포함한다. 다른 대체, 수정, 변경 및 생략은 본 발명의 범주 내 실시예의 운전 조건 및 순서, 설계로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 특정 실시예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명에서 청구하는 청구범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예를 간결하게 설명하므로, 실제 구현의 모든 특징은 설명되지 않는다(예를 들어, 본 발명의 실행을 위해 고려된 최적 모드에 관련되지 않는 것, 또는 본 발명을 가능케 함과 관련되지 않는 것). 이러한 실제 구현의 개선은 엔지니어링이나 디자인 프로젝트에서와 같이 많은 실행과 결정으로 만들어지는 것으로 인정된다. 그러한 개선은 복합적이고 시간 소모가 크지만, 그럼에도 지나친 실험 없이 본 명세서의 이점을 갖는 통상의 기술의 구현을 위한 설계 및 제조가 통상적으로 인정된다.

10 : 시스템
12 : 빌딩
14 : 증기압축장치
16 : 보일러
18 : 공기리턴덕트
20 : 공기공급덕트
22 : 에어 핸들러
32 : 압축기
34 : 응축기
36 : 팽창밸브 또는 장치
38 : 증발기
40 : 제어패널
42 : A/D 변환기
44 : 마이크로프로세서
46 : 비휘발성 메모리
48 : 인터페이스 보드
50 : 모터
52 : 가변속 드라이브(VSD)
119 : VGD
134 : HGBV
143 : 디지털 신호 처리(DSP) 칩
160 : 센서
164 : 샤프트
200 : 전자기 베어링
201 : 임펠러
202 : 디퓨저 갭
206 : 디퓨저 플레이트
208 : 노즐 베이스 플레이트
210 : 디퓨저 링
222 : 정류기/컨버터
224 : DC 링크
226 : 인버터

Claims

설정 위치에서 원심 압축기의 샤프트의 진폭 변위를 측정하는 단계;
상기 원심 압축기의 안정적인 운전 동안 설정 위치에서 발생하는 상기 샤프트의 진폭 변위에 해당하는 설정된 초기진폭과 측정 진폭을 비교하는 단계;
상기 설정된 초기진폭보다 커진 측정 진폭에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 단계; 및
상기 선행동작이 확인됨에 응하여 써지 상태의 재조정을 위해 상기 원심 압축기의 운전 파라미터를 조정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 1에 있어서,
샤프트의 진폭 변위의 측정은 상기 샤프트의 축방향 진폭 변위의 측정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 2에 있어서,
써지 상태의 선행동작의 확인은 설정되는 양에 의해 설정된 초기진폭보다 커진 측정 진폭에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 설정되는 양은 20㎛인 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 2에 있어서,
써지 상태의 선행동작의 확인은 설정되는 승수(multiplier)에 의해 설정된 초기진폭보다 커진 측정 진폭에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 설정되는 승수는 4 내지 25 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 샤프트의 축방향 진폭 변위의 측정은 자기 베어링과 위치 감지 프로브 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 샤프트의 축방향 진폭 변위를 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 원심 압축기의 운전 파라미터의 조정은 원심 압축기의 가변 지오메트리 디퓨저의 위치 조정 및 원심 압축기의 속도 조정 중 적어도 어느 하나의 조정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
전류를 측정하는 단계;
원심 압축기의 안정적인 운전 동안 발생하는 전류에 해당하는 설정된 초기전류와 측정 전류를 비교하는 단계;
상기 설정된 초기전류보다 감소한 측정 전류에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 단계; 및
상기 선행동작이 확인됨에 응하여 써지 상태의 재조정을 위해 상기 원심 압축기의 운전 파라미터를 조정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 9에 있어서,
전류 측정은 모터 전류의 측정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 10에 있어서,
써지 상태의 선행동작의 확인은 설정되는 백분율에 의해 설정된 초기전류보다 감소한 측정 전류에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 설정되는 백분율은 25% 내지 60% 사이인 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 10에 있어서,
써지 상태의 선행동작의 확인은 설정되는 양에 의해 설정된 초기전류보다 감소한 측정 전류에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 원심 압축기의 운전 파라미터의 조정은 원심 압축기의 가변 지오메트리 디퓨저의 위치 조정 및 원심 압축기의 속도 조정 중 적어도 어느 하나의 조정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 9에 있어서,
전류 측정은 가변속 드라이브에서 DC 링크 전류를 측정하는 것이나, 또는 상기 원심 압축기의 자기 베어링에 공급되는 전류를 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
임펠러;
상기 임펠러의 출력과 유체로 소통하는 가변 지오메트리 디퓨저(VGD);
상기 임펠러와 샤프트에 의해 연결되는 모터;
전류 또는 샤프트 위치와 관계된 운전 파라미터를 측정하기 위한 센서;
상기 모터 및 가변 지오메트리 디퓨저의 작동을 제어하기 위한 것으로, 상기 센서에서 측정된 운전 파라미터에 해당하는 신호를 수신할 수 있게 형성되는 제어패널;을 포함하여 구성되고,
상기 제어패널은 써지 상태에 대한 선행동작이 상기 센서에서 수신한 신호에 근거하여 발생하는(present) 것으로 확정하고, 써지 상태에 대한 선행동작이 발생함에 응하여 재조정 동작을 실행시킬 수 있게 구성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
청구항 16에 있어서,
동력을 제공하기 위해 상기 모터에 연결되는 가변속 드라이브와; 상기 샤프트를 부양시키기 위한 적어도 하나의 자기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
청구항 17에 있어서, 상기 센서는,
상기 샤프트의 축방향 이동을 측정하기 위한 센서;
상기 샤프트의 방사상 이동을 측정하기 위한 센서;
상기 모터의 전류를 측정하기 위한 센서;
적어도 하나의 전자기 베어링의 전류를 측정하기 위한 센서; 또는
가변속 드라이브의 DC 링크의 전류를 측정하기 위한 센서; 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
배출압력, 압축기 진동 및 음향 에너지로 이루어진 군에서 선택된 원심 압축기용 운전 파라미터를 측정하는 단계;
관련 없는 정보를 제거하기 위해 측정한 운전 파라미터를 처리하는 단계;
상기 원심 압축기의 안정적인 운전 동안 발생하는 운전 파라미터 값에 해당하는 설정값과 상기 측정한 운전 파라미터를 비교하는 단계;
상기 설정값보다 커진 측정한 운전 파라미터에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 단계; 및
상기 선행동작이 확인됨에 응하여 써지 상태를 재조정하기 위해 상기 원심 압축기의 가변 지오메트리 디퓨저의 위치 또는 원심 압축기의 속도 중 적어도 어느 하나를 조정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.
청구항 19에 있어서,
상기 측정한 운전 파라미터는 음향 에너지이고; 써지 상태의 선행동작의 확인은 상기 음향 에너지가 설정값보다 큰 10dB이 됨에 응하여 써지 상태의 선행동작을 확인하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 운전 방법.