KR101761931B1

KR101761931B1 - 컴프레서 서지 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101761931B1
Application number: KR1020117025525A
Authority: KR
Inventors: 폴 머스그래이브 블레이클룩; 배리 얼 디크
Original assignee: 티마익 코포레이션
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2017-08-04
Also published as: EP2414748B1; US9328949B2; EP2414748A1; JP5805068B2; EP2414748A4; KR20120003912A; US20120014812A1; JP2012522182A; WO2010114786A1

Abstract

전기 모터들에 의해 동력을 제공받는 컴프레서들 내에서의 가스 서지를 제어하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 3상 전기 소스에 의해 동력을 제공받는 마이크로프로세서를 포함하는 가감속 드라이브(ASD)는 컴프레서를 구동하는 전기 모터를 제어한다. 바이패스 밸브는 컴프레서의 가스 입력과 가스 방출 사이에 삽입된다. 바이패스 밸브는 모터의 동력과 속력에 기초하여 서지 라인 및 관련된 임의의 제어 라인을 플롯하는 저장된 서지 맵을 분석함으로써 가스 서지를 검출하는 ASD로부터의 신호들에 응답하여 개방된다. 모터의 동작 포인트가 제어 라인과 교차할 때, ASD는 바이패스 밸브가 개방되게 한다.

Description

컴프레서 서지 제어 시스템 및 방법{COMPRESSOR SURGE CONTROL SYSTEM AND METHOD}

본 출원은 그 전체가 참조에 의해 여기에 포함되는, 2009년 3월 30일에 출원된 미국 가출원 61/164,641의 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 수송관(pipelines), 액화 천연 가스 시설 및 기타 공업 설비에서의 응용들에서, 전기 모터에 의해 구동되는 컴프레서들을 가스 흐름 서지(gas flow surge)에 의해 유발되는 손상으로부터 보호하기 위한 프로세스 제어 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 시스템 및 방법은 가감속 드라이브(adjustable speed drive)를 서지 제어기로서 이용한다.

컴프레서들에서의 서지는 심한 진동, 그리고 때로는 회전 장비에의 손상을 유발하는 심각한 문제이다. 종래 기술에 알려진 것과 같은 전형적인 서지 제어 시스템이 도 1에 도시되어 있는데, 여기에서 모터(5)가 컴프레서(10)를 구동한다. 가스는 저압 입력 흡입 파이프(20)로의 파이프(15)를 따라 컴프레서(10) 내로 흐르고, 가스 출력 파이프(30)로의 파이프(25)를 따라 방출된다. 흡입 압력이 변하는 것으로 알려진 경우에는 그 흡입 압력이 라인(45)을 따라 측정 및 모니터링되고, 방출 압력이 라인(50)을 따라 측정 및 모니터링되는 동안, 가스 흐름이 서지 제어기(35)에 의해 라인(40)을 따라 측정 및 모니터링된다. 단순화하여 말하면, 서지는 파이프(25)를 따른 컴프레서 방출에서의 과도한 압력이 가스 흐름을 컴프레서(10)로 되돌아가게 하는 것에 기인한다. 서지는 방출 시의 고압 가스가 저압 흡입 파이프(20)로 되돌아가도록 흐르는 것을 허용하여 압력을 완화하는 대형의 바이패스 밸브(55)로 제어된다. 바이패스 밸브(55)는 신호 라인(60)을 따라 서지 제어기(35)에 의해 제어된다. 단순한 바이패스 밸브 이외의 다른 장치들도 이용될 수 있다. 예를 들어, 높은 방출 압력의 가스를 플레어(flare)(버너(burner))로 덤핑(dump)하는 스프링식 블로우 오프 밸브(spring-loaded blow-off valve)도 가능한 방안이다. 그러나, 그러한 밸브는 낮게 설정되어야 하고, 매우 많이 사용되는 경우에는 낭비이며 고가이다. 세번째의 유사한 메커니즘은, 압력이 미리 설정된 높은 값에 도달할 때 개방되고 가스를 다시 흡입부로 덤핑하는, 방출에서의 스프링식 릴리프 밸브(spring-loaded relief valve)이다. 이러한 유형의 밸브도 안전을 위해 낮게 설정되어야 하고, 앞에서 설명된 것과 같은 동일한 단점을 갖는다.

컴프레서(10)의 공장 테스트 동안, 압력 및 흐름은 회전 속력들의 범위에서 측정되고, 서지의 징후가 신중하게 측정되어, 입력 가스 흐름과 방출 압력 간의 관계를 나타내는 그래프 형태로 된 2차원 서지 맵(Surge Map) 상에 그려진다. 각각의 압력 및 흐름 포인트에 대하여, 대응하는 마력(horsepower) 및 모터 속력이 측정되어, 도 2에 도시된 것과 같이 맵 상에 그려진다. 이 맵은 흐름 조건들이 도 2에 도시된 것과 같은 서지 한계에 접근하는 경우에 바이패스 밸브(55)를 개방하도록 서지 제어기(35)를 프로그래밍하기 위해 이용된다. 또한, 흡입 압력이 특정한 구성으로 변화할 수 있는 경우, 도 2의 수직축은 압력 비율(방출 압력/흡입 압력)을 나타내도록 수정되고, 따라서 서지 제어를 위해 이용되는 유사한 형상의 곡선 집합을 만든다.

수평축 상의 컴프레서 흡입 흐름과 수직축 상의 다양한 동작 포인트들에서의 컴프레서 방출 간의 관계의 그래프 형태로 된 서지 맵을 나타내는 도 3에 도시된 바와 같이, 정상적인 컴프레서 동작 동안, 동작 포인트 X는 제어 라인 A의 오른쪽에 있는 영역인 안전 동작 영역에 있다. 제어 라인 A 자체는 시스템 동작에서의 잉여 안전(margin of safety)을 제공하기 위해, 서지 라인 B의 오른쪽으로 임의의 양(discretionary amount)을 가지고서 제어기 내에 프로그래밍된다. 변화하는 프로세스 조건들 또는 컴프레서 속력 변화로 인해, 동작 포인트가 제어 라인 A를 건너서 이동하는 경우, 제어기(35)는 바이패스 밸브(55)를 개방하기 시작하여, 방출 압력을 완화하고 컴프레서(10)를 안전 동작 영역으로 되돌려 놓는다. 도 3은 또한 모터(5)의 RPM으로의 다양한 예시적인 일정한 속력 C, D, E, F 및 G에서, 컴프레서 방출 압력에 대한 컴프레서 흡입 흐름의 관계를 보여주고 있다. 이러한 일정한 속력들이 증가함에 따라, 상대적인 흡입 흐름 및 압력도 증가한다.

서지 제어기(35)는, 참조번호 115에서의 서지 제어기 맵으로부터의 동작 포인트, 및 참조번호 120에서의 서지 제어기 맵의 제어 라인으로부터의 세트포인트를 입력들로서 갖는 비례 더하기 적분(Proportional plus Integral)(PI) 제어기(100)를 갖는다. PI(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전류 출력(105)을 전개한다. 전류 출력은 참조번호 110에서 변환기에 의해 공기 압력(air pressure) 또는 유압(hydraulic pressure)으로 변환되어, 정상적으로는 폐쇄되어 있는 바이패스 밸브(55)를 작동시킨다. 제어 에러가 검출될 때, PI(100)는 바이패스 흐름을 허용하기 위해 밸브(55)를 개방하기 시작하는 출력을 생성한다. 에러가 감소함에 따라, 출력이 감소하고, 밸브가 폐쇄된다. 특수한 조건들에 대한 제어를 위해, 적응적 제어가 PI에 추가될 수 있다.

위에 설명된 전통적인 서지 제어 시스템은 가스 흐름, 흡입 압력 및 방출 압력을 측정하기 위한 적어도 3개의 센서와, 마이크로프로세서 기반 서지 제어기를 필요로 한다. 더 간단하고 더 신뢰가능하고 비용이 덜 드는 서지 제어 시스템이 사용자들에게 이로울 것이다.

<발명의 개요>

본 발명은 전기 모터들에 의해 동력을 제공받는 공업용 컴프레서들에서의 가스 서지를 방지하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 시스템은 가스 입력 라인 및 가스 출력 라인을 갖는다. 저압 입력 흡입 라인은 가스 입력 라인과 컴프레서로의 입력 사이에 접속된다. 가스 방출 라인은 가스 출력 라인과 컴프레서로부터의 출력 사이에 접속된다. 바이패스 밸브에 접속된 공기/유압 변환기(air/hydraulic converter)를 포함할 수 있는 바이패스 수단은 가스 방출 라인과 저압 입력 라인 사이에 접속된다. 마이크로프로세서를 포함하는 가감속 드라이브(ASD)는 3상 전력 공급장치(three-phase electric power supply)에 의해 동력을 제공받고, 전기 모터와 바이패스 수단 사이에 접속된다. ASD는 2차원 컴프레서 서지 맵을 생성 및 저장하여, 그로부터 가스 방출 라인에서의 가스 서지의 발생을 결정한다. 그러한 발생이 검출되는 경우, 바이패스 밸브에 접속된 공기/유압 변환기에 신호를 보냄으로써 바이패스 밸브가 폐쇄되게 되고, 전기 모터의 속력 및 동력이 수정될 수 있다. 대안적인 실시예는 복수의 센서에 의해 제공되는 압력 및 흐름 정보에 기초하여 동작하는 서지 제어기들에 의존하는 기존 시스템들에 ASD를추가함으로써, 바이패스 수단의 중복 제어를 제공한다.

또한, ASD 내의 마이크로프로세서가 시스템에 의해 이용되는 컴프레서의 속력 및 동력에 기초하여, 임의의 주어진 속력 또는 동력에 대하여 바람직하지 않은 서지가 발생할 포인트들을 나타내는 서지 라인의 그래프 표현을 포함하는 2차원 서지 맵을 생성하는 서지 제어의 방법이 개시된다. 추가의 그래프 제어 라인은 모든 포인트들에서 서지 라인으로부터 임의의 거리만큼 이격되도록 생성되어, 임의의 주어진 속력에서 제어 라인이 더 높은 컴프레서 마력을 나타내게 하고, 임의의 주어진 컴프레서 마력에서 제어 라인이 더 낮은 속력을 나타내게 한다. 서지 라인 및 제어 라인을 포함하는 그래프는 마이크로프로세서 내에 저장되어, 컴프레서의 입력에서의 가스 온도 및 흡입 압력과 같은 선택적인 추가의 입력들에 기초한 수정에 속하게 된다. 적어도 매 5 밀리초마다, 마이크로프로세서는 속력 및 동력의 항으로 컴프레서의 동작 포인트를 검사하여, 그 포인트가 제어 라인 상의 임의의 포인트와 동일하거나 그보다 큰지를 결정한다. 동일하거나 더 큰 경우, 아날로그 신호가 공기/유압 변환기를 통해 바이패스 밸브에 발행되어, 밸브에게 개방을 지시한다. 동일하거나 더 크지 않고, 밸브가 이미 개방되도록 지시를 받은 경우, 폐쇄 명령어가 보내진다. 중복 서지 제어를 제공하는 대안적인 실시예에서, 방법은 ASD로부터 보내진 신호와 서지 제어기로부터 보내진 신호가 상이한 경우에, 그들 중 더 큰 것에 응답하여 바이패스 밸브를 제공하는 것을 가능하게 한다.

상기의 것과 그 외의 본 발명의 다른 목적, 양태 및 이점은 이하의 상세한 설명을 다음과 같은 도면들을 참조하여 보면 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 기술분야에 알려져 있는 것과 같은 전형적인 서지 제어 시스템을 블록도 형태로 표시한 것이다.
도 2는 다양한 모터 마력 및 속력들에서의 가스 흐름과 방출 압력 간의 관계의 그래프 형태로 된 전형적인 2차원 서지 맵이다.
도 3은 제어 라인을 보여주는, 컴프레서 방출 압력과 컴프레서 흡입 흐름 간의 관계의 그래프 형태로 된 서지 맵이다.
도 4는 서지 제어기의 PI 부분과 바이패스 밸브를 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 원리들을 구현하는 장치의 블록도이다.
도 6은 컴프레서 서지 맵의 그래프 표현이다.
도 7은 본 발명의 원리들을 구현하는 대안적인 장치의 블록도이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 위한 장치가 도 5에 도시되어 있는데, 여기에서, 전기 모터(5)는 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 입력 흐름 파이프(15)에 접속된 저압 입력 흡입 파이프(20) 및 가스 출력 파이프(30)에 접속된 컴프레서 가스 방출 파이프(25)를 갖는 컴프레서(10)에 동력을 제공한다. 그러나, GE 오일&가스(GE Oil & Gas), 드레서 랜드(Dresser Rand), 미쯔비시(Mitsubishi) 및 지멘스(Siemens)에 의해 그러한 용도로 제조된 것들과 같은 컴프레서가 이용될 때, 전기 모터(5)는 도 5에 도시된 바와 같이, 모터(5)를 부드럽게 기동시키고 컴프레서(10)의 속력을 제어하기 위해 이용되는 가감속 드라이브(ASD)(200)에 의해 제어된다. ASD(200)는 3상 전력 공급장치(205)에 의해 동력을 공급받고, 모터(5)에 피드하는 라인들(210)을 통해 가변 주파수 3상 전력을 생성하여, 모터 속력 및 동력을 제어한다. 적절하게 모터(5)에 매치되고 그것을 제어하며 마이크로프로세서 기반 제어를 포함한다면, 어떠한 ASD라도 이러한 목적으로 이용될 수 있다. 여기에 개시된 유형의 장치들에서 이용가능한 ASD의 예들은 Dura-Bilt5i MV 및 TMdrive-XL85인데, 이들은 둘 다 도시바 미쯔비시 전기 산업 시스템 회사(Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation)에 의해 제조된다. 그러한 컴프레서들과 호환가능한 전기 모터들은 도시바 미쯔비시 전기 산업 시스템 회사, GE 및 지멘스와 같은 회사들에 의해 제조된다.

ASD 및 전기 모터가 컴프레서에 동력을 제공하기 위해 이용될 때, 컴프레서 압력과 컴프레서 흐름 포인트들, 및 ASD 동력과 모터 속력 포인트들 사이 둘 다에서 대응관계가 존재한다. ASD 주파수는 전기 모터 속력에 대응하므로, ASD가 데이터 저장 능력을 가지고 있기만 하다면, 동력/속력 2차원 서지 맵의 형태로 컴프레서 서지 맵이 생성되어 ASD 내에 저장될 수 있다. ASD 내에서, 동력 및 속력은 ㎾ 및 주파수로 표현되고, 쉽게 이용가능하다. 도 6은 안전 영역(본 사례에서의 안전 영역은 제어 라인 A의 왼쪽임) 내의 포인트 X에서 동작하는 컴프레서를 보여주는 서지 맵의 그래프 표현인데, 수직축은 컴프레서 마력을 나타내고, 수평축은 RPM으로서 표현되는 컴프레서 속력을 나타낸다. 안전하지 않은 영역은 도면에서 제어 라인 A에서 시작하여 그것의 오른쪽까지 이어지며 서지 라인 B를 포함하는 부분이다. 제어 라인 A는 서지 라인 B로부터 임의의 거리만큼 떨어져서 위치된다. 이러한 서지 맵과 도 2에 도시된 것 간의 일대일 대응관계를 나타내기 위해 일정한 압력 라인들 H, I 및 J가 나타나 있지만, 이러한 라인들은 동작 포인트, 제어 라인 또는 서지 라인의 확립에 관련하여 서지 제어를 실행하는 데에 있어서 아무런 역할도 하지 않는다.

ASD는 그것의 출력 전압 및 전류를 계속하여 모니터링하고, 모터에의 부하가 증가하는 경우에, ASD 동력 출력이 즉시 증가한다. 그러므로, ASD는 모든 시간들에서 모터의 부하(HP)에 민감하다. 마찬가지로, ASD는 사용자에 의해 요구되는 주파수를 생성하므로, 모든 시간들에서 모터 속력에도 민감하다.

대안적으로, 2차원 모터 토크-속력 맵으로부터 도출된 다른 ASD 서지 맵이 이용될 수 있다. ASD는 동기 모터 주파수를 알고 있고, 모터 토크의 표시인 모터 전류를 계속하여 측정하므로, 이러한 유형의 맵이 또한 생성되어 ASD 내에 저장되고, 서지 맵으로서 기능할 수 있다.

컴프레서(10)로의 라인(15)을 따른 가스 입력 온도가 동작 동안 눈에 띄게 변하는 경우, 컴프레서 서지 맵이 변경될 수 있다. 그러한 온도 데이터는 모니터링되어, ASD(200)로의 라인(215) 상에서 선택적인 아날로그 입력으로서 마이크로프로세서에 제공되어, 필요한 경우에서의 적절한 보상을 위해, 서지 맵에의 수정을 야기한다. 마찬가지로, 서지 맵을 더 수정하기 위해, 컴프레서 흡입 압력이 선택적으로 모니터링되어 라인(220)을 따라 ASD(200)에 제공될 수 있다.

ASD(200)는 그 자체의 마이크로프로세서를 가지므로, 그것의 마이크로프로세서 내에서 비례 더하기 적분(PI) 제어 알고리즘을 실행하거나, 또는 별도의 외부 PI 제어기에 접속될 수 있다. 서지 라인으로부터 임의의 거리만큼 떨어져서 위치된 미리 프로그래밍된 제어 라인을 갖는 저장된 2차원 ASD 서지 맵을 이용하여, ASD(200)는 참조번호 115에서의 ASD 서지 맵으로부터의 동작 포인트 및 참조번호 120에서의 ASD 서지 맵의 제어 라인으로부터의 세트포인트의 PI로의 입력에 기초하여, 제어 에러가 발생할 때를 결정할 수 있다. 에러의 경우에서, 위에서 논의된 유형들 중 하나일 수 있는 컴프레서 바이패스 밸브(55)를 직접 작동시키기 위해 라인(225)을 따라 서지 제어 신호가 발행된다. 다른 옵션들도 존재하는데, 예를 들면, ASD(200)는 그것의 로컬 영역 네트워크 포트를 통해 프로세스 제어 시스템에 서지 경고를 발행할 수 있거나, 요구되는 경우 컴프레서 속력 또는 토크를 변경하거나, 이들의 임의의 조합을 행할 수 있다. 서지 에러가 더 이상 검출되지 않는 경우, 서지 제어 신호가 감소하고, 바이패스 밸브가 폐쇄된다.

본 발명의 장치의 대안적인 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 구성은 바이패스 밸브(55)의 중복(redundant) 제어를 제공하기 위해, 전통적인 서지 제어 시스템을 이미 이용하고 있는 컴프레서에 본 발명의 서지 제어 시스템을 추가하기 위해 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 서지 제어기로부터의 제1 아날로그 신호(60) 및 ASD로부터의 제2 아날로그 신호(225)는 신호 값의 0 내지 100％를 나타내는, 4로부터 20 ma까지 변하는 연속적인 전류이다. 참조번호 230에서, 제한적인 것은 아니지만 높은값 선택기(Upper Selector)와 같은 장치는 2개의 아날로그 신호를 비교하고, 2개의 입력 신호 중 더 큰 것을 바이패스 밸브(55)에 전달한다. 이러한 구성은 서지를 방지하기 위해 바이패스 밸브(55)를 개방하는 것, 및 서지 또는 잠재적인 서지가 방지되고 난 후에 바이패스 밸브(55)를 폐쇄하는 것 둘 다를 위해 이용된다. 신호가 약하거나 제로로 떨어지는 경우, 다른 신호가 바이패스 밸브(55)를 요구되는 대로 조작하고, 이는 중복성(redundancy)을 제공한다. 이러한 구성에 따르면, 시스템은 바이패스 밸브(55)가 무엇을 하고 있는지를 알 필요가 없고, 이는 신뢰도를 더 높인다.

본 발명은 전통적인 독립형 서지 제어기에 개선된 서지 제어를 제공한다. 이러한 대안은 3개의 센서를 이용하지 않으므로, 더 높은 신뢰도와 더 낮은 비용을 제공한다. 전통적인 서지 제어를 이미 갖고 있는 컴프레서들에 대하여, 본 발명은 추가될 수 있는 저비용의 중복 서지 제어를 제공한다. 그러한 이중적인 구성에서, 시스템들 중 하나가 바이패스 밸브를 제어할 수 있고, 따라서 시스템의 전체적인 신뢰도를 한자릿수만큼 증가시킨다. 이러한 컴프레서 트레인들은 매우 고가이고, 큰 수익을 발생시키므로, 본 발명에 의해 제공되는 서지에 의한 장비 손상의 가능성의 저하 및 안전 시스템의 신뢰도의 증가는 상당한 이점이다. 또한, ASD의 이용은 예를 들면 속력을 일시적으로 변경하여 조건들을 서지 라인으로부터 멀어지게 이동시키기 위해, 원하는 경우 제어의 목적으로 고객이 이용할 수 있는 모터 속력 및 토크의 직접적인 제어를 제공한다. 마지막으로, 구동 전류가 모터 토크 변화들에 대해 거의 순간적으로 반응하고, 드라이브가 그것의 제어 알고리즘을 거의 매 5 밀리초마다 실행하기 때문에, 본 발명의 시스템은 독립형 외부 서지 제어기보다 더 빠르게 작용하는 서지 신호를 제공한다.

상기의 발명은 바람직한 실시예에 관련하여 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 숙련된 자들은 본 발명의 범위 또는 취지를 벗어나지 않고서도, 개시된 장치 및 방법에 대해 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있으며, 법적인 균등물들이 구체적으로 개시된 본 발명의 구성요소들을 대체할 수 있음을 분명히 알 것이다. 명세서 및 사례들은 오직 예시를 위한 것이며, 본 발명의 진정한 범위는 이하의 청구항들에 의해 정의된다.

Claims

가스 입력 및 가스 출력을 갖는 공업용 컴프레서(industrial compressor)에서 가스 서지(gas surge)를 방지하기 위한 프로세스 제어 장치(process control arrangement) 내의 시스템으로서,
상기 컴프레서는 3상 전력 공급장치(three-phase electric power supply)에 의해 동력(power)을 제공받는 전기 모터에 의해 구동되고,
상기 시스템은,
시스템 가스 입력 공급 라인;
시스템 가스 출력 라인;
상기 가스 입력 공급 라인과 상기 컴프레서의 입력 사이에 접속된 저압 입력 흡입 라인(low pressure input suction line);
상기 컴프레서의 출력과 상기 가스 출력 라인 사이에 접속된 가스 방출 라인;
상기 가스 방출 라인 내의 과도한 압력을 완화하기 위해, 상기 가스 방출 라인과 상기 저압 입력 흡입 라인 사이에 접속된 바이패스 수단; 및
3상 전력 공급장치에 의해 동력을 제공받고 상기 전기 모터에 접속되는 가감속 드라이브(adjustable speed drive)(ASD) 수단을 포함하는 시스템으로서,
2차원 컴프레서 서지 맵에 기초하여 상기 가스 방출 라인 내에서의 가스 서지의 발생을 결정하고, 상기 ASD 수단에 의해 작동되는 상기 바이패스 수단으로 그러한 서지의 검출에 반응하고, 필요시 상기 전기 모터의 속력 및 동력을 제어하도록 상기 2차원 컴프레서 서지 맵이 상기 ASD 수단 내에 저장되고,
상기 2차원 컴프레서 서지 맵은 상기 전기 모터의 속력 및 동력에 기초하고, 상기 2차원 컴프레서 서지 맵의 그래프 표현은 동력을 표현하는 제1 축 및 속력을 표현하는 제2 축을 포함하는, 시스템.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 가감속 드라이브 수단은,
저장된 서지 맵 상에 플롯된 상기 컴프레서의 동작 포인트, 및 상기 저장된 서지 맵 상에 플롯된 서지 제어가 필요한 포인트들을 나타내는 제어 라인을 입력들로서 갖고, 하나의 출력을 갖는 비례 더하기 적분(Proportional plus Integral)(PI) 제어기;
상기 PI 제어기를 제어하고 PI 알고리즘을 실행할 수 있는 마이크로프로세서; 및
상기 ASD 수단으로부터 상기 바이패스 수단으로 이어지는 제어 라인
을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컴프레서로의 가스 입력의 온도를 나타내는 데이터를 측정 및 수집하고, 그 데이터를 상기 ASD 수단에 공급하기 위한 온도 센서 수단; 또는
상기 저압 입력 흡입 라인에서의 압력을 나타내는 데이터를 측정 및 수집하고, 그 데이터를 상기 ASD 수단에 공급하기 위한 압력 센서 수단; 또는
필요시 새로운 압력 데이터, 새로운 온도 데이터, 또는 상기 새로운 압력 데이터 및 온도 데이터 모두로 상기 2차원 컴프레서 서지 맵을 수정하기 위한 상기 두 수단 모두
를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
가스 서지의 검출 시에, 상기 ASD 수단은 상기 바이패스 수단의 작동, 프로세스 제어기로의 서지 경고(surge alarm)의 송신, 또는 상기 컴프레서의 속력 또는 토크의 수정 중 하나 이상을 유발하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 바이패스 수단은 변환기(converter) 및 바이패스 밸브를 더 포함하는 시스템.
가스 입력 및 가스 출력을 갖는 공업용 컴프레서에서 가스 서지를 방지하기 위한 프로세스 제어 장치 내의 시스템으로서,
상기 컴프레서는 3상 전력 공급장치에 의해 동력을 제공받는 전기 모터에 의해 구동되고,
상기 시스템은,
시스템 가스 입력 공급 라인;
시스템 가스 출력 라인;
상기 가스 입력 공급 라인과 상기 컴프레서의 입력 사이에 접속된 저압 입력 흡입 라인;
상기 컴프레서의 출력과 상기 가스 출력 라인 사이에 접속된 가스 방출 라인;
상기 가스 방출 라인 내의 과도한 압력을 완화하기 위해, 상기 가스 방출 라인과 상기 저압 입력 흡입 라인 사이에 접속된 바이패스 수단;
입력 가스 흐름과 방출 압력 간의 관계를 나타내는 미리 프로그래밍된 2차원 서지 맵을 저장하고, 상기 서지 맵에 기초하여 상기 가스 방출 라인 내에서의 가스 서지의 발생을 결정하고, 서지가 검출될 경우에는 상기 바이패스 수단을 개방하기 위한 신호를 발행하기 위한 서지 제어기 수단 - 상기 서지 제어기 수단은 하나의 출력 및 3개의 입력을 가짐 -;
상기 저압 입력 흡입 라인과 상기 서지 제어기 수단의 제1 입력 사이에 접속된 흐름 센서;
상기 저압 입력 흡입 라인과 상기 서지 제어기 수단의 제2 입력 사이에 접속된 제1 압력 센서;
상기 가스 방출 라인과 상기 서지 제어기 수단의 제3 입력 사이에 접속된 제2 압력 센서;
3상 전력 공급장치에 의해 동력을 제공받고 상기 전기 모터에 접속되는 가감속 드라이브(ASD) 수단 - 2차원 컴프레서 서지 맵에 기초하여 상기 가스 방출 라인 내에서의 가스 서지의 발생을 결정하고, 상기 ASD 수단에 의해 작동되는 상기 바이패스 수단으로 그러한 서지의 검출에 반응하고, 필요시 상기 모터의 속력 및 동력을 제어하도록 상기 2차원 컴프레서 서지 맵이 상기 ASD 내에 저장됨 -; 및
상기 ASD 수단으로부터의 신호를 상기 서지 제어기 수단으로부터의 신호와 비교하고, 상기 두 신호 중 더 큰 신호를 상기 바이패스 수단에 전달하도록, 상기 ASD 수단의 출력과 상기 서지 제어기 수단의 출력에 접속되는 높은값 선택기(upper selector)
를 포함하는 시스템으로서,
상기 2차원 컴프레서 서지 맵은 상기 전기 모터의 동력 및 속력에 기초하고, 상기 2차원 컴프레서 서지 맵의 그래프 표현은 동력을 표현하는 제1 축 및 속력을 표현하는 제2 축을 포함하는, 시스템.
제8항에 있어서,
상기 가감속 드라이브 수단은,
저장된 서지 맵 상에 플롯된 상기 컴프레서의 동작 포인트, 및 상기 저장된 서지 맵 상에 플롯된 서지 제어가 필요한 포인트들을 나타내는 제어 라인을 입력들로서 갖고, 하나의 출력을 갖는 비례 더하기 적분(PI) 제어기;
상기 PI 제어기를 제어하고 PI 알고리즘을 실행할 수 있는 마이크로프로세서; 및
상기 ASD 수단의 출력으로부터 상기 높은값 선택기로 이어지는 제어 라인
을 더 포함하는 시스템.
제8항에 있어서,
상기 서지 제어기 수단은,
저장된 서지 맵 상에 플롯된 상기 컴프레서의 동작 포인트, 및 상기 저장된 서지 맵 상에 플롯된 서지 제어가 필요한 포인트들을 나타내는 제어 라인을 입력들로서 갖고, 하나의 출력을 갖는 비례 더하기 적분(PI) 제어기;
상기 PI 제어기를 제어하고 PI 알고리즘을 실행할 수 있는 마이크로프로세서; 및
상기 PI 제어기의 출력으로부터 상기 서지 제어기 수단의 출력으로 이어지는 제어 라인
을 더 포함하는 시스템.
제8항에 있어서,
상기 바이패스 수단은 변환기 및 바이패스 밸브를 더 포함하는 시스템.
제8항에 있어서,
상기 컴프레서로의 가스 입력의 온도를 나타내는 데이터를 측정 및 수집하고, 그 데이터를 상기 ASD 수단에 공급하기 위한 온도 센서 수단; 및
상기 저압 입력 흡입 라인에서의 압력을 나타내는 데이터를 측정 및 수집하고, 그 데이터를 상기 ASD 수단에 공급하기 위한 압력 센서 수단
을 더 포함하는 시스템.
가스 컴프레서를 구동하는 전기 모터를 갖는 프로세스 제어 시스템 내에서 가스 서지를 방지하기 위한 방법으로서,
상기 가스 컴프레서는 저압 입력 흡입 라인에 의해 가스 입력 흐름 라인에 접속된 입력 및 컴프레서 가스 방출 라인에 의해 가스 출력 라인에 접속되는 출력을 갖고, 바이패스 밸브는 상기 저압 입력 흡입 라인과 상기 컴프레서 가스 방출 라인 사이에 접속되고, 상기 바이패스 밸브의 동작은 마이크로프로세서를 포함하는 3상 동력을 제공받는 가감속 드라이브(ASD)에 의해 보내진 변환기로의 신호들에 의해 제어되고, 상기 ASD는 상기 전기 모터에 공급되는 가변 주파수 3상 동력을 생성하며,
상기 방법은,
상기 전기 모터의 동력 및 속력에 기초하여, 임의의 주어진 속력 또는 동력에 대하여 바람직하지 않은 서지가 발생할 포인트들을 나타내는 서지 라인의 그래프 표현을 포함하는 2차원 서지 맵을 상기 ASD 내의 상기 마이크로프로세서 내에서 생성하는 단계 - 상기 그래프 표현은 동력을 표현하는 제1 축 및 속력을 표현하는 제2 축을 포함함 -;
모든 포인트들에서 상기 서지 라인으로부터 임의의 거리(discretionary distance)로 이격된 그래프 제어 라인을 구성하여, 임의의 주어진 속력에서 상기 제어 라인이 더 높은 컴프레서 마력(horsepower)을 나타내고, 임의의 주어진 컴프레서 마력에서 상기 제어 라인이 더 낮은 속력을 나타내게 하는 단계;
상기 제어 라인을 상기 ASD 내의 상기 서지 맵에 삽입하는 단계;
상기 서지 맵을 상기 ASD 내의 상기 마이크로프로세서 내에 저장하는 단계;
적어도 매 5밀리초마다, 상기 전기 모터의 동작 마력 및 속력의 항으로 표현된 상기 컴프레서의 동작 포인트를 결정하는 단계;
상기 동작 포인트가 상기 제어 라인과 만나거나 교차하는지를 계산하는 단계;
만나거나 교차하는 경우, 상기 변환기를 통해 상기 ASD로부터 상기 바이패스 밸브에 아날로그 신호를 발행하여, 지정된 양만큼 개방할 것을 지시하는 단계;
만나거나 교차하지 않고, 상기 바이패스 밸브가 이미 개방을 지시받은 경우, 상기 ASD로부터 상기 변환기를 통해 상기 바이패스 밸브에 폐쇄를 더 지시하는 단계;
그 외에는, 상기 결정하는 단계로 복귀하는 단계
를 포함하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 생성하는 단계 이후에,
상기 컴프레서로의 가스 입력의 온도, 및 상기 컴프레서로의 가스 입력의 흡입 압력을 상기 마이크로프로세서에 송신하는 단계; 및
상기 온도 및 상기 흡입 압력에 응답하여 요구되는 대로 상기 서지 라인을 수정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
가스 컴프레서를 구동하는 전기 모터를 갖는 프로세스 제어 시스템 내에서 가스 서지를 방지하기 위한 방법으로서,
상기 가스 컴프레서는 그에 접속된 제1 압력 센서 및 흐름 센서를 갖는 저압 입력 흡입 라인을 통해 가스 입력 흐름 라인에 접속된 입력 및 그에 접속된 제2 압력 센서를 갖는 컴프레서 가스 방출 라인에 접속되는 출력을 갖고, 상기 컴프레서 가스 방출 라인은 가스 출력 라인에 더 접속되고, 바이패스 밸브가 상기 저압 입력 흡입 라인과 상기 컴프레서 가스 방출 라인 사이에 접속되고, 상기 바이패스 밸브의 동작은 그에 접속된 마이크로프로세서를 포함하는 3상 동력을 제공받는 가감속 드라이브(ASD)에 의해 또는 그에 접속된 서지 제어기에 의해 제어될 수 있고, 상기 ASD는 상기 전기 모터에 공급되는 가변 주파수 3상 동력을 생성하며, 상기 ASD 및 상기 서지 제어기 둘 다의 출력들은 상기 바이패스 밸브의 동작을 조정하는 비교기를 포함하는 변환기에 접속되고,
상기 방법은,
상기 전기 모터의 동력 및 속력에 기초하여, 임의의 주어진 속력 또는 동력에 대하여 바람직하지 않은 서지가 발생할 포인트들을 나타내는 서지 라인의 그래프 표현을 포함하는 2차원 서지 맵을 상기 ASD 내의 상기 마이크로프로세서 내에서 생성하는 단계 - 상기 그래프 표현은 동력을 표현하는 제1 축 및 속력을 표현하는 제2 축을 포함함 -;
모든 포인트들에서 상기 서지 라인으로부터 임의의 거리로 이격된 그래프 제어 라인을 구성하여, 임의의 주어진 속력에서 상기 제어 라인이 더 높은 컴프레서 마력을 나타내고, 임의의 주어진 컴프레서 마력에서 상기 제어 라인이 더 낮은 속력을 나타내게 하는 단계;
상기 제어 라인을 상기 ASD 내의 상기 서지 맵에 삽입하는 단계;
상기 서지 맵을 상기 ASD 내의 상기 마이크로프로세서 내에 저장하는 단계;
적어도 매 5밀리초마다, 상기 전기 모터의 동작 마력 및 속력의 항으로 표현된 상기 컴프레서의 동작 포인트를 결정하는 단계;
상기 동작 포인트가 상기 제어 라인과 만나거나 교차하는지를 계산하는 단계;
만나거나 교차하는 경우,
상기 서지 제어기로부터의 제1 아날로그 신호 및 상기 ASD로부터의 제2 아날로그 신호를 상기 변환기에 발행하여, 지정된 양만큼 개방할 것을 지시하는 단계;
상기 제1 아날로그 신호를 상기 제2 아날로그 신호와 비교하는 단계;
2개의 신호 중 더 큰 신호를 상기 변환기에 전달하는 단계;
만나거나 교차하지 않고, 상기 바이패스 밸브가 이미 개방을 지시받은 경우,
상기 서지 제어기로부터의 제1 아날로그 신호 및 상기 ASD로부터의 제2 아날로그 신호를 상기 변환기에 발행하여 폐쇄를 지시하는 단계;
상기 제1 아날로그 신호를 상기 제2 아날로그 신호와 비교하는 단계;
2개의 신호 중 더 큰 신호를 상기 변환기에 전달하는 단계;
그 외에는, 상기 결정하는 단계로 복귀하는 단계
를 포함하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 생성하는 단계 이후에,
상기 저압 입력 흡입 라인에 부착된 온도 센서로부터의 상기 컴프레서로의 가스 입력의 온도, 및 상기 제1 압력 센서로부터의 상기 컴프레서로의 가스 입력의 흡입 압력을 상기 마이크로프로세서에 송신하는 단계; 및
상기 온도 및 상기 흡입 압력에 응답하여 요구되는 대로 상기 서지 맵 내의 상기 서지 라인을 수정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
가스 입력 및 가스 출력을 갖는 공업용 컴프레서에서 가스 서지를 방지하기 위한 프로세스 제어 장치 내의 시스템으로서,
상기 컴프레서는 3상 전력 공급장치에 의해 동력을 제공받는 전기 모터에 의해 구동되고,
상기 시스템은,
시스템 가스 입력 공급 라인;
시스템 가스 출력 라인;
상기 가스 입력 공급 라인과 상기 컴프레서의 입력 사이에 접속된 저압 입력 흡입 라인;
상기 컴프레서의 출력과 상기 가스 출력 라인 사이에 접속된 가스 방출 라인;
상기 가스 방출 라인 내의 과도한 압력을 완화하기 위해, 상기 가스 방출 라인과 상기 저압 입력 흡입 라인 사이에 접속된 바이패스 수단; 및
3상 전력 공급장치에 의해 동력을 제공받고 상기 전기 모터에 접속되는 가감속 드라이브(adjustable speed drive)(ASD) 수단을 포함하는 시스템으로서,
2차원 컴프레서 서지 맵에 기초하여 상기 가스 방출 라인 내에서의 가스 서지의 발생을 결정하고, 상기 ASD 수단에 의해 작동되는 상기 바이패스 수단으로 그러한 서지의 검출에 반응하고, 필요시 상기 전기 모터의 속력 및 동력을 제어하도록 상기 2차원 컴프레서 서지 맵이 상기 ASD 수단 내에 저장되고,
상기 2차원 컴프레서 서지 맵은 상기 전기 모터의 토크 및 속력에 기초하고, 상기 2차원 컴프레서 서지 맵의 그래프 표현은 토크를 표현하는 제1 축 및 속력을 표현하는 제2 축을 포함하는, 시스템.