KR101844096B1 - 회전 속도가 조절되는 저압 원심팬을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

회전 속도가 조절되는 저압 원심팬을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨방지를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 핵심은, 제어 자동화기기가 프로세스의 자동화 시스템에 의해 제어되고, 제어 자동화기기 스톨링이 원심팬의 모터로 가는 전류, 전압, 및 주파수의 함수로부터 검출된다는 점이다.

Description

회전 속도가 조절되는 저압 원심팬을 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING A REGULATED-ROTATION-SPEED LOW-PRESSURE CENTRIFUGAL FAN}
본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에서 정의된 바와 같이 회전속도가 조절되는 저압 원심팬의 자동 스톨방지(stall-prevention)를 제어하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제7항에 따른 제어 자동화기기(control automatics)에 관한 것이다.
다양한 애플리케이션에 따라 다양한 타입의 수많은 컴프레셔(compressor)들 및 원심팬들이 본 기술분야에서 알려져 있다. 특히, 산업계에서, 관(piping)에서의 압력차를 얻기 위해 원심팬들, 컴프레셔들, 및 레이디얼 팬(radial fan)들이 널리 사용된다. 모든 원심팬에 대한 문제는 스톨링(stalling)이라고 일반적으로 알려져 있다. 다시 말해, 스톨링이라 함은 임펠러(impeller)의 회전 속도에 비해 체적 흐름율(volume flow rate)이 너무 낮을 때 모든 원심팬들에 대해서 발생하는 특징적인 상태를 말한다. 이 경우에 블레이드(blade)와 흐름(flow) 간의 입사각이 매우 바람직하지 않게 변해서, 흐름이 블레이드의 표면에 맞물리지 않게 된다(disengage). 이후, 역류(backflow)가 블레이드 패시지(blade passage)에서 발생할 수 있고, 임펠러는 압력을 증가시키는(pressure-increasing) 능력을 잃는다.
이러한 식으로, 무엇보다도 관을 둘러싸는 구조물의 고유 진동수를 여기시키는 주기적인 압력 요동(pressure fluctuation)들이 생성된다. 압력 요동들은 관에서 그리고 구조물들에서 피로 하중(fatigue loading)을 생성한다. 게다가, 임펠러가 손실을 통해서 지속적으로 열에너지를 기체에 제공할 때, 흐름의 온도는 현저하게 상승할 수 있으나, 유효한 흐름이 매우 적을 수 있다.
특히, 흐름에 대한 저항이 많이 변하는 프로세스(process)들에서 문제가 발생한다. 이러한 타입의 프로세스들에서 저압을 생성하기 위해서 원심팬을 이용할 때, 스톨링 상태는, 제어되는 방식으로 누출 공기(leakage air)를 원심팬에 제공함으로서 방지되어야만 한다.
종래에는 일정한 회전 속도를 갖는 원심팬이 사용되었다. 이 경우에, 원심팬의 구동 모터의 전류로부터 제어를 수신하는 자동(automatic) 누출 공기 밸브를 가지고 스톨링이 방지된다. 구동 모터의 전류는 공칭 동작 범위에서보다 스톨링 상태에서 더 작다. 전류 또한 강하게 요동한다. 원심팬의 제어 로직은 스톨링 상태를 검출하고 누출 공기에 의해서 이를 제거하도록 용이하게 프로그램될 수 있다.
다른 문제점은, 스톨링 상태에서, 저압(low pressure) 또한 빠른 주기를 가지고 요동하는데, 이러한 상황은 프로세스의 관점에서 유해하다는 점이다. 조절되는 회전 속도를 가지는 장치가 새로운 기술로서 저압 원심팬 시장에 출시되었지만, 이것의 스톨 제어는 종래의 기술로 구현될 수 없다.
본 발명은 회전속도가 조절되는 저압 원심팬의 자동 스톨방지를 제어하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 핵심은, 조절되는 회전 속도를 가지는 선행기술에서의 장치가 이제, 더욱 정밀하게 이용될 수 있다는 점이다. 본 발명에 의한 기술에 의해서, 상술한 선행기술의 문제점들이 발생하지 않는 원심팬이 구현될 수 있는 해결책이 획득된다. 게다가, 원심팬의 상이한 가능성들의 효율이 이제, 현저하게 증가될 수 있는 동시에, 전체 장치의 작동이 최적화될 수 있다.
본 발명에 따른 해결책에 있어서, 조절되는 회전 속도를 가지는 원심팬의 이점들은 이제, 더욱 효과적으로 이용된다. 본 발명에서, 스톨 제어를 위한 새로운 해결책이 제시되는데, 이것은 또한 회전 속도가 제어되는 원심팬의 스톨 방지를 가능하게 한다. 게다가, 이 해결책은 원심팬이 스톨 상황에서 끝나게 되는 것을 방지한다.
이와 동시에, 본 발명에 따른 해결책에서는, 현저하게 더욱 다목적이면서 더욱 기술적으로 까다로운 애플리케이션들을 구현하는 것이 가능하다. 그래서, 선행기술에 의해 초래된 문제들이 방지된다. 본 발명에 핵심적인 특징들은 스톨방지에 현저하게 영향을 주며, 또한 청구항들에서 정의된 방법에 현저하게 영향을 준다. 본 발명에 따른 해결책은 많은 중요한 이점들을 가진다.
더욱 자세하게 정의하자면, 본 발명은 특허청구범위에서 특정된 바에 의해 특징지어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 설명될 것이며, 도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 실시 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 스톨링이 시작하는 때 및 특히 스톨링이 끝나는 때 상이한 흐름량들(flow quantities) 및 이에 대응하는 회전 속도들 사이에서의 포인트(point)들이 시험-운행(test-running)에 의해 측정하여 결정되는 것이 본 발명의 핵심이다. 스톨로 접어드는 것이 명백할 때, 이러한 데이터를 가지고 한계치(limit) 또는 범위가 수학적으로 보간될(interpolated) 수 있다. 이러한 한계치로의 이동 또는 이러한 범위 내로의 이동은, 누출 공기처럼 실제 흡입 오브젝트(intake object) 외부로부터 또는 이와 달리 제2 흡입 오브젝트로부터 원심팬에 더 많은 흐름을 제공함으로써 방지된다. 조정가능한(adjustable) 수학적 안전 한계치(safety limit)가 초과된 후에 추가적 흐름(additional flow)이 제공되고, 제2 수학적 한계치 아래로 떨어진 후에 추가적 흐름이 감소된다. 이 한계치들은 서로 거리를 두고 서로를 따라다니며, 이러한 거리는 조정가능한 히스테리시스 인자(hysteresis factor)에 의해서 설정된다.
원심팬의 회전 속도는 주파수 변환기(frequency converter) 또는 별도의 측정 장치를 가지고 지속적으로 측정된다. 공기/기체의 흐름은, 원심팬의 모터로 가는 전류 및 전압에 의해서뿐 아니라 흐름의 압력 및 온도에 의해서 계산되고, 또는 이를 위해 설계된 별도의 측정 장치를 가지고 계산된다. 제어 자동화기기는 상술한 측정된 데이터 및 계산된 스톨링 한계치를 기초로 하여 추가적 흐름을 조정하는 밸브를 제어한다.
계산된 스톨 곡선은 이를 의뢰하고 있는(commissioning) 각각의 원심팬에 대해서 그것의 실제 관(piping)과 함께 정의된다. 이러한 방식으로, 상이한 속도들에서 스톨링 포인트들이 구해지고, 스톨로부터 빠져나온 후에 전압 및 전류가 측정되는 동시에, 스톨링 상태 밖에 있는 것이 가능할지 여부를 검사(checking)한다. 관의 흐름 저항은 가능한 가장 마지막 포인트에서부터 조정되어(adjusted), 포인트들을 결정할 때 파이프(pipe)의 모든 공기량이 포함되도록 한다. 이하의 수식에서의 인자들은 이러한 포인트들로부터 결정된다. 곡선을 프로그래밍한 후에 최종 조정이 만들어지고, 이후 이차 방정식의 최종 변수가 변경되는데, 이 변수를 가지고 곡선이 높여지거나(raised) 낮추어질(lowered) 수 있다. 이러한 방식으로, 가능한 가장 정밀한 오퍼레이션(operation)이 밸브에 대해 이루어진다.
스톨링 포인트에 접근할 때 밸브가 개방되고, 상황이 정상화될 때 밸브가 폐쇄된다. 스톨링 상태는 전압, 전류, 및 주파수로부터 검출된다. 중간에 아무것도 수행되지 않는 작은 차동 갭(differential gap)이 존재한다. 이것은 밸브의 불필요한 전후진(to-and-fro) 제어를 방지한다.
프로세스의 자동화 시스템에 대한 프로그래밍은 가장 바람직하게는 다음과 같이 구현된다:
스톨방지 밸브의 제어(HV14)
원심팬의 스톨링 상태는 모터로 가는 전류, 전압, 및 주파수의 함수로부터 검출된다. 계산된 결과에 따라서, 스톨방지 밸브는 필요에 따라 개방되거나 폐쇄된다. 게다가, 흐름의 온도의 영향이 수식에서 고려된다.
예:
만일, U·I·N·(Tk/Tp)2/1000 < 0.0032·F2 + 0.1099·F + 10.15 이면, 밸브가 이미 완전히 개방(100%)되어 있지 않은 경우에, 밸브는 예컨대 5% 개방된다.
만일, U·I·N2·(Tk/Tp)2/1000 > 0.0032·F2 + 0.1099·F + 10.15 이면, 밸브가 이미 완전히 폐쇄(0%)되어 있지 않은 경우에, 밸브는 예컨대 5% 폐쇄된다.
밸브 제어는 예컨대 5초 또는 다른 적용가능한 시간의 간격으로 반복된다.
U = 주파수 변환기로부터 모터의 공급 전압 [V]
I = 주파수 변환기로부터 모터의 공급 전류 [A]
F = 모터 전류의 공급 주파수 [Hz]
N = 히스테리시스 조정 인자
Tk = 테스트 상태에서의 온도 [K]
Tp = 흡입 공기의 온도[K]
앞에서 제시된 스톨링 한계치를 모델링하는 수식들은 수학적 예들이다. 물론, 제시된 이차 방정식 대신, 본 기술분야에 알려진 다른 수학적 방정식들 또한 스톨링 한계치를 모델링하기 위해 이용될 수 있다. 여기서 이슈(issue)가 되고 있는 것은 측정된 포인트들의 쌍들에 맞는(fitted) 수학적 그래프인데, 이 그래프들의 형태는 개별적인 사안에 따라 다르다. 그러므로, 제시된 수식들은 단지 하나의 예이다.
본 발명이 상술한 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 이하에 제시된 청구항들의 범위 내에서 달라질 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 자명하다.

Claims (12)

  1. 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨방지(stall-prevention)를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    제어 자동화기기(control automatics)가 프로세스의 자동화 시스템에 의해서 제어되고,
    제어 자동화기기 스톨링(stalling)이 전류, 전압 및 원심 팬의 모터로 가는 전류 주파수의 함수로부터 검출되며, 상기 방법은:
    시험-운행(test-running)에 의해 측정하여, 상이한 유량과 스톨이 시작될 때 스톨 포인트 및 스톨이 종료될 때의 정규화 포인트에서 각각의 유량에 대응하는 회전 속도 사이의 포인트를 결정하는 단계;
    스톨 포인트와 보간에 기초하여 스톨 한계치 및 범위 중 적어도 하나를 계산하는 단계;
    상기 전류, 전압 및 전류 주파수를 측정하고, 측정된 데이터를 제공하기 위해 테스트 상태(circumstances)의 온도 및 흡입 공기의 온도를 추가로 측정하는 단계; 및
    유량에서 원심 팬의 회전 속도가 스톨링 한계치 및 범위 중 적어도 하나에서 조정 가능한 수학적 안전 한계치를 초과한 후 추가적 흐름으로 회전 속도가 조절되는 원심 팬을 제공하기 위하여, 및 유량에서 원심 팬의 회전 속도가 스톨링 한계치 및 범위 중 적어도 하나에서 제2 수학적 안전 한계치 아래로 떨어진 후 추가적 흐름을 감소시키기 위하여 추가적 흐름을 조절하기 위한 밸브가 제어되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심 팬의 자동 스톨 방지를 제어하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    조정 가능한 수학적 안전 한계치 및 제2 수학적 안전 한계치는 서로 거리를 두고 있으며, 상기 거리는 히스테리시스 조정 인자에 의해 설정됨을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심 팬의 자동 스톨 방지를 제어하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    U·I·N·(Tk/Tp)2/1000 < 0.0032·F2 + 0.1099·F + 10.15 를 충족할 때, 추가적 흐름을 조정하기 위한 밸브가 5% 개방되고, 및
    U·I·N2·(Tk/Tp)2/1000 > 0.0032·F2 + 0.1099·F + 10.15 를 충족할 때, 추가적 흐름을 제어하기 위하여 밸브가 5% 폐쇄되며, 상기 U는 주파수 컨버터(V)에서 모터로 공급되는 전압을 나타내며, 상기 I는 주파수 컨버터(A)에서 모터로 공급되는 전류를 나타내고, 상기 F는 전류의 주파수를 나타내며, 상기 N은 히스테리시스 조정 인자를 나타내고, 상기 Tk는 테스트 상태에서의 온도를 나타내며, 상기 Tp 는 흡입 공기(K)의 온도를 나타냄을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심 팬의 자동 스톨 방지를 제어하기 위한 방법.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적 흐름을 조정하기 위한 밸브는 주기적으로 제어되며, 제어 주기가 1-10초의 범위임을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨방지를 제어하기 위한 방법.
  6. 삭제
  7. 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨 방지를 위한 제어 자동화기기에 있어서,
    제어 자동화기기는 프로세스의 자동화 시스템 내에서 프로그램되고,
    제어 자동화기기 스톨링이, 원심팬의 모터로 가는 전류, 전압, 및 전류 주파수의 함수로부터 검출되며, 상기 제어 자동화기기는 :
    시험-운행(test-running)에 의해 측정하여, 상이한 유량과 스톨이 시작될 때 스톨 포인트 및 스톨이 종료될 때의 정규화 포인트에서 각각의 유량에 대응하는 회전 속도 사이의 포인트를 포함하며;
    스톨 포인트와 보간에 기초하여 스톨 한계치 및 범위 중 적어도 하나가 계산되고;
    상기 전류, 전압 및 전류 주파수, 및 측정된 데이터를 제공하기 위해 테스트 상태(circumstances)의 온도 및 흡입 공기의 온도를 추가로 측정하며; 및
    유량에서 원심 팬의 회전 속도가 스톨링 한계치 및 범위 중 적어도 하나에서 조정 가능한 수학적 안전 한계치를 초과한 후 추가적 흐름으로 회전 속도가 조절되는 원심 팬을 제공하기 위하여, 및 유량에서 회전 속도가 스톨링 한계치 및 범위 중 적어도 하나에서 제2 수학적 안전 한계치 아래로 떨어진 후 추가적 흐름을 감소시키기 위하여 추가적 흐름을 조절하기 위한 밸브가 제어됨을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨 방지를 위한 제어 자동화기기.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    조정 가능한 수학적 안전 한계치 및 제2 수학적 안전 한계치는 서로 거리를 두고 있으며, 상기 거리는 히스테리시스 조정 인자에 의해 설정됨을 특징으로 하는 회전 속도가 설정됨을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨 방지를 위한 제어 자동화기기.
  10. 제9항에 있어서,
    U·I·N·(Tk/Tp)2/1000 < 0.0032·F2 + 0.1099·F + 10.15 를 충족할 때, 추가적 흐름을 조정하기 위한 밸브가 5% 개방되고, 및
    U·I·N2·(Tk/Tp)2/1000 > 0.0032·F2 + 0.1099·F + 10.15 를 충족할 때, 추가적 흐름을 제어하기 위하여 밸브가 5% 폐쇄되며, 상기 U는 주파수 컨버터(V)에서 모터로 공급되는 전압을 나타내며, 상기 I는 주파수 컨버터(A)에서 모터로 공급되는 전류를 나타내고, 상기 F는 전류의 주파수를 나타내며, 상기 N은 히스테리시스 조정 인자를 나타내고, 상기 Tk는 테스트 상태에서의 온도를 나타내며, 상기 Tp는 흡입 공기(K)의 온도를 나타냄을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨 방지를 위한 제어 자동화기기.
  11. 제7항, 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적 흐름을 조정하기 위한 밸브는 주기적으로 제어되며, 제어 주기가 1-10초의 범위임을 특징으로 하는 회전 속도가 조절되는 원심팬의 자동 스톨방지를 위한 제어 자동화기기.
  12. 삭제
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