KR101858648B1 - 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1단부터 제N단(N≥2, N은 정수)의 압축기들을 구비하고, 상기 제1단의 압축기의 인입 관로에 가변 베인 장치가 설치되고, 상기 제N단의 압축기의 출구 관로에 주 관로 및 분기 관로가 연결되어 설치되며, 상기 분기 관로에는 서지 제어 밸브가 설치되는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법에 있어서, 상기 제1단의 압축기의 서지 제어는, 상기 제1단의 압축기의 압축 과정에 대한 단열 헤드의 값을 기초로 하여 상기 가변 베인 장치 및 상기 서지 제어 밸브 중 적어도 하나를 조절하여 수행하고, 상기 제2단부터 제N단까지의 압축기의 서지 제어는, 상기 제2단부터 N단까지의 압축기의 압축 과정에 대한 등온 헤드의 값을 기초로 하여 상기 서지 제어 밸브를 조절하여 수행하는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법을 제공한다.

Description

다단 압축 시스템의 서지 제어 방법{Method for anti-surge controlling of multi-stage compressing system}
본 발명은 다단 압축 시스템의 서지 방지를 위한 제어 방법에 관한 것이다.
터보 압축기의 경우 압축기가 시스템의 압력저항보다 큰 압력을 생산하지 못하는 경우 압축기 내부에 주기적인 유동의 역류가 발생하며 이를 서지(Surge) 현상이라 한다. 서지 현상이 발생하면 유동이 규칙적으로 역류함에 따라 압력과 유량의 미세한 변동이 발생하고, 이러한 변동은 기계적 진동을 야기시켜 베어링, 임펠러 등의 손상으로 이어진다. 상기와 같은 서지 현상은 압축기의 성능을 저하시키고 수명을 단축시키는 현상으로 서지 현상 방지는 터보 압축기 제어의 핵심이라 할 수 있다.
이러한 서지 현상을 방지하기 위하여 일반적인 압축기 시스템에서는 압축기의 성능 차트에 서지 제어 라인을 설정하고, 서지 제어 라인을 통하여 압축기 시스템을 제어한다.
일본공개특허공보 제2005-226561호(발명의 명칭 : LNG 배에 있어 로 듀티 컴프레서 제어 방법, 출원인 : 株式會社川崎造船)에는 서지 현상을 방지하기 위하여 서지 제어 라인 이외에도 서지 제어 존을 설정하여 운전점이 서지 제어 존에 들어가지 않도록 하는 기술이 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다단 압축 시스템의 서지를 방지할 수 있는 제어 방법을 구현하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1단부터 제N단(N≥2, N은 정수)의 압축기들을 구비하고, 상기 제1단의 압축기의 인입 관로에 가변 베인 장치가 설치되고, 상기 제N단의 압축기의 출구 관로에 주 관로 및 분기 관로가 연결되어 설치되며, 상기 분기 관로에는 서지 제어 밸브가 설치되는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법에 있어서, 상기 제1단의 압축기의 서지 제어는, 상기 제1단의 압축기의 압축 과정에 대한 단열 헤드의 값을 기초로 하여 상기 가변 베인 장치 및 상기 서지 제어 밸브 중 적어도 하나를 조절하여 수행하고, 상기 제2단부터 제N단까지의 압축기의 서지 제어는, 상기 제2단부터 N단까지의 압축기의 압축 과정에 대한 등온 헤드의 값을 기초로 하여 상기 서지 제어 밸브를 조절하여 수행하는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 단열 헤드는 하기의 수학식에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112012102039990-pat00001
, 여기서, H단열는 단열 헤드이고, γ는 압축되는 유체의 비열비이고, R은 기체 상수이고, T는 상기 제1단의 압축기의 입구 온도이고, Pr은 압력비로서 상기 제1단의 압축기의 출구 압력/입구 압력에 해당된다.
여기서, 상기 제1단의 압축기의 서지 제어는, 상기 제1단의 압축기의 제1 서지 제어 라인을 미리 결정하고, 구동 중의 상기 제1단의 압축기의 압축 과정에 대한 단열 헤드의 값이 상기 제1 서지 제어 라인을 넘어가지 않도록 상기 가변 베인 장치 및 상기 서지 제어 밸브 중 적어도 하나를 조절하여 수행될 수 있다.
여기서, 상기 등온 헤드는 하기의 수학식에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112012102039990-pat00002
, 여기서, H등온은 등온 헤드이고, R은 기체 상수이고, T는 상기 제2단의 압축기의 입구 온도이고, Pr은 압력비로서 상기 제N단의 압축기의 출구 압력/상기 제2단의 압축기의 입구 압력에 해당된다.
여기서, 상기 제2단부터 제N단까지의 압축기의 서지 제어는, 상기 제2단부터 제N단까지의 압축기의 제2 서지 제어 라인을 미리 결정하고, 구동 중의 상기 제2단부터 N단까지의 압축기의 압축 과정에 대한 등온 헤드의 값이 상기 제2 서지 제어 라인을 넘어가지 않도록 상기 서지 제어 밸브를 조절하여 수행될 수 있다.
여기서, 상기 제1단의 압축기의 입구 압력을 측정하는 제1 압력센서와, 상기 제1단의 압축기의 입구 온도를 측정하는 제1 온도센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2단의 압축기의 입구 압력을 측정하는 제2 압력센서와, 상기 제2단의 압축기의 입구 온도를 측정하는 제2 온도센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제N단의 압축기의 출구 압력을 측정하는 제3 압력센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압축기들 사이에는 적어도 하나의 인터쿨러가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 다단 압축 시스템의 서지 방지 제어 방법은, 다단 압축 시스템의 서지를 안정적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 다단 압축 시스템의 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 다단 압축 시스템의 제1 서지 제어와 관련된 제1 서지 제어 라인이 도시된 개략적인 성능 맵 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 다단 압축 시스템의 제2 서지 제어와 관련된 제2 서지 제어 라인이 도시된 개략적인 성능 맵 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 다단 압축 시스템의 개략적인 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 다단 압축 시스템의 제1 서지 제어와 관련된 제1 서지 제어 라인이 도시된 개략적인 성능 맵 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 다단 압축 시스템의 제2 서지 제어와 관련된 제2 서지 제어 라인이 도시된 개략적인 성능 맵 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다단 압축 시스템(100)은, 제1단 압축기(110), 제2단 압축기(120), 제3단 압축기(130), 제4단 압축기(140), 인터 쿨러(150), 가변 베인 장치(160), 서지 제어 밸브(170), 제1 압력센서(181), 제2 압력센서(182), 제3 압력센서(183), 제1 온도센서(184), 제2 온도센서(185), 인입 관로(191), 출구 관로(192), 주 관로(193), 분기 관로(194), 제어 장치(195)를 포함한다.
본 실시예에 따른 다단 압축 시스템(100)이 압축하는 유체로는, 설명의 편의를 위해 공기로 한정하여 설명하지만, 다단 압축 시스템(100)이 압축하는 유체의 종류에는 특별한 제한이 없음은 물론이다. 예를 들면, 다단 압축 시스템(100)이 압축하는 유체로는 불활성 가스, 냉매 가스, 스팀 등도 될 수 있다.
제1단 압축기(110), 제2단 압축기(120), 제3단 압축기(130), 제4단 압축기(140)는 원심형 터보 압축기로서, 각각 유체 유입부과 유체 출구부를 구비하고 있으며, 제1단에서 제4단쪽으로 갈수록 압축 압력이 증가한다. 즉, 제1단 압축기(110)는 제일 저압으로 압축시키고, 제4단 압축기(140)는 제일 고압으로 압축시킨다.
본 실시예에 따른 다단 압축 시스템(100)은, 제1단 압축기(110), 제2단 압축기(120), 제3단 압축기(130), 제4단 압축기(140)를 구비하고 있어, 4단의 다단 압축 시스템을 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 다단 압축 시스템이 구비하는 압축기들의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 본 발명에 따른 다단 압축 시스템은 10개의 압축기들을 구비함으로써, 10단의 압축 시스템을 구성할 수도 있다.
한편, 각각의 압축기들(110)(120)(130)(140) 사이에는 인터쿨러(150)가 배치되어, 중간 냉각 작용을 수행한다.
인터쿨러(150)는, 제1 인터쿨러(151), 제2 인터쿨러(152), 제3 인터쿨러(153)를 포함하는데, 제1 인터쿨러(151)는 제1단 압축기(110)와 제2단 압축기(120) 사이에 배치되고, 제2 인터쿨러(152)는 제2단 압축기(120)와 제3단 압축기(130) 사이에 배치되고, 제3 인터쿨러(153)는 제3단 압축기(130)와 제4단 압축기(140) 사이에 배치된다.
본 실시예에 따르면, 각각의 압축기들(110)(120)(130)(140) 사이에는 1개씩의 인터쿨러(151)(152)(153)가 배치되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 각각의 압축기들(110)(120)(130)(140) 사이에는 복수개의 인터쿨러가 배치될 수도 있다.
가변 베인 장치(160)는, 제1단 압축기(110)의 유체 유입부에 연결된 인입 관로(191)에 설치된다.
가변 베인 장치(160)는 인입되는 유체의 유량을 조절할 수 있도록, 내부에 가변 베인(미도시)과 그 구동 장치가 설치되어 개도를 제어할 수 있는 장치인데, 공지의 IGV(inlet guide vane)이 사용될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 경우 가변 베인 장치(160)로 공지의 전자 제어식 IGV(inlet guide vane)이 사용된 것으로 설명한다.
한편, 제4단 압축기(140)의 유체 출구부에는 출구 관로(192)가 연결되고, 출구 관로(192)에는 주 관로(193)와 분기 관로(194)가 연결되어 설치되어 있다. 주 관로(193)는 다단 압축 시스템(100)에서 압축된 유체가 배출되어 연소기(미도시) 등의 다른 장치로 진입하는 관로이고, 분기 관로(194)는 서지 제어 밸브(170)가 설치되는 관로이다.
서지 제어 밸브(170)는 분기 관로(194)에 설치되며, 일반적인 서보 제어 밸브가 사용될 수 있다.
서지 제어 밸브(170)는 제어 장치(195)의 제어를 받거나 사용자의 수동 작동으로 개폐 작용을 수행하여 서지를 제어할 수 있다. 즉, 서지 제어 밸브(170)가 열리게 되면 출구 관로(192)의 유체의 일부가 분기 관로(194)를 경유하여 서지 제어 밸브(170)를 통과하게 된다. 그렇게 되면, 출구 관로(192)의 압력이 내려가고, 다단 압축 시스템(100)의 유량(Q)이 증대되어, 서지 위험이 줄어들게 된다.
한편, 서지 제어 밸브(170)를 통과한 기체는 대기로 배출된다. 본 실시예에 따르면 서지 제어 밸브(170)를 통과한 압축 기체가 공기이므로 대기로 배출될 수 있지만, 만약 압축 기체가 대기로 배출되면 안되는 유해 가스인 경우에는 별개의 바이 패스 도관(미도시)를 거쳐 인입 관로(191)에 재유입되거나 회수 탱크(미도시)로 유입될 수 있다.
제1 압력센서(181)는, 제1단 압축기(110)의 유체 유입구 쪽의 압력을 측정하여 제어 장치(195)로 그 측정 결과를 송신하는데, 인입 관로(191)에 설치된다.
구체적으로 제1 압력센서(181)는 가변 베인 장치(160)와 제1단 압축기(110) 사이의 관로에 배치되는데, 공지의 전자식 압력센서가 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 압력센서(181)는 가변 베인 장치(160)와 제1단 압축기(110) 사이의 관로에 배치되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1 압력센서(181)는 가변 베인 장치(160)의 앞쪽 관로에 설치될 수도 있다.
제2 압력센서(182)는, 제2단 압축기(120)의 입구 압력(제1단 압축기(110)의 출구 압력)을 측정하여 제어 장치(195)로 그 측정 결과를 송신하는데, 제1 인터쿨러(151)와 제2단 압축기(120) 사이의 관로에 설치된다.
제2 압력센서(182)도 공지의 전자식 압력센서가 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 제2 압력센서(182)는 제1 인터쿨러(151)와 제2단 압축기(120) 사이의 관로에 배치되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제2 압력센서(182)는 제1단 압축기(110)의 유체 출구부와 제1 인터쿨러(151) 사이의 관로에 설치될 수도 있는데, 이는 제1 인터쿨러(151)에 의한 압력 강하는 일반적으로 분석 시 무시해도 좋을 정도로 작기 때문이다.
제3 압력센서(183)는 제4단 압축기(140)의 출구 압력를 측정하며, 제4단 압축기(140)의 유체 출구부와 연결된 출구 관로(192)에 설치된다.
제3 압력센서(183)도 공지의 전자식 압력센서가 사용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 압력센서(181), 제2 압력센서(182), 제3 압력센서(183)는 공지의 전자식 압력센서를 사용하여 측정된 결과를 자동으로 제어 장치(195)로 송신하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1 압력센서(181), 제2 압력센서(182), 제3 압력센서(183)는 기계식 압력센서를 사용할 수 있고, 그 경우 사용자는 센서의 측정 결과값을 직접 얻은 후, 그 측정 결과에 기초하여 수동으로 서지 제어를 수행할 수 있다.
한편, 제1 온도센서(184)는 제1단 압축기(110)의 입구 온도를 측정하여 제어 장치(195)로 그 측정 결과를 송신하는데, 인입 관로(191)에 설치된다.
구체적으로 제1 온도센서(184)는 가변 베인 장치(160)와 제1단 압축기(110) 사이의 관로에 배치되는데, 공지의 전자식 온도센서가 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 온도센서(184)는 가변 베인 장치(160)와 제1단 압축기(110) 사이의 관로에 배치되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1 압력센서(181)는 가변 베인 장치(160)의 앞쪽 관로에 설치될 수도 있다.
제2 온도센서(185)는 제2단 압축기(110)의 입구 온도를 측정하여 제어 장치(195)로 그 측정 결과를 송신하는데, 제1 인터쿨러(151)와 제2단 압축기(120) 사이의 관로에 설치된다.
제2 온도센서(185)도 공지의 전자식 온도센서가 사용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 온도센서(184), 제2 온도센서(185)는 전자식 온도센서를 사용하여 온도를 측정하여 자동으로 그 결과를 제어 장치(195)로 송신하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1 온도센서(184), 제2 온도센서(185)는 기계식 온도센서를 사용할 수 있고, 그 경우 사용자는 센서의 측정 결과값을 직접 얻은 후, 그 측정 결과에 기초하여 수동으로 서지 제어를 수행할 수 있다.
한편, 제어 장치(195)는, 제1 압력센서(181), 제2 압력센서(182), 제3 압력센서(183), 제1 온도센서(184), 제2 온도센서(185)로부터 측정 결과를 수신하여 서지 제어를 위한 헤드의 계산을 수행하고, 미리 입력된 서지 제어 라인값과 비교하여 가변 베인 장치(160)와 서지 제어 밸브(170)를 조절하는 기능을 수행한다. 이를 위해 제어 장치(195)는 데이터 저장 기능과 연산 기능을 위한 각각의 IC 칩 및 회로 장치를 구비한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 관한 다단 압축 시스템(100)의 서지 제어 방법에 관해 설명한다.
본 실시예에 따른 서지 제어 방법은, 제1단 압축기(110)의 압축 과정에 대한 「제1 서지 제어」와, 제2단 압축기(120)부터 제4단 압축기(140)까지의 압축 과정에 대한 「제2 서지 제어」의 2가지 제어를 수행한다.
먼저, 「제1 서지 제어」는, 제1단 압축기(110)가 단열 압축 과정과 유사한 과정으로 압축을 수행한다는 이론에 기초를 두고 수행된다.
즉, 「제1 서지 제어」는, 제1단 압축기(110)의 단열 헤드의 값을 기초로 하여 수행되는데, 여기서 제1단 압축기(110)의 단열 헤드 H단열의 값은 다음의 [수학식 1]로 표시할 수 있다.
Figure 112012102039990-pat00003
여기서, H단열는 단열 헤드이고, γ는 압축되는 기체(본 실시예에서는 공기)의 비열비이고, R은 기체 상수이고, T는 제1단 압축기(110)의 입구 온도로서 제1 온도센서(184)에서 측정된 값을 이용할 수 있다. 또한, 상기 [수학식 1]에서 Pr은 압력비로서 다음의 [수학식 2]로 표시된다.
Figure 112012102039990-pat00004
상기 [수학식 2]에서 제1단 압축기(110)의 입구 압력은 제1 압력센서(181)에서 측정된 값을 이용할 수 있고, 제1단 압축기(110)의 출구 압력은 제2 압력센서(182)에서 측정된 값을 이용하여, 압력비 Pr의 값을 구할 수 있다.
한편, 「제2 서지 제어」는, 「제2단 압축기(120)부터 제4단 압축기(140)까지의 압축 과정」이 복수개의 인터쿨러(150)의 존재 때문에 전체적으로 보아 등온 과정과 유사하게 되므로, 그에 기초하여 수행된다.
즉, 「제2 서지 제어」는, 「제2단 압축기(120)부터 제4단 압축기(140)까지의 압축 과정」을 하나의 압축 과정으로 보고, 그 하나의 압축 과정은 등온 압축 과정과 유사한 과정으로 압축을 수행한다는 이론에 기초를 두고 수행된다. 즉, 인터쿨러(150)를 사용하게 되면 「제2단 압축기(120)부터 제4단 압축기(140)까지의 압축 과정」은 에릭슨 사이클(Ericsson cycle)의 압축 과정의 경우와 유사한 등온 압축 과정이 되기 때문이다.
따라서, 「제2 서지 제어」는, 「제2단 압축기(120)부터 제4단 압축기(140)까지의 압축 과정」의 등온 헤드의 값을 기초로 하여 수행되는데, 여기서 해당 등온 헤드 H등온의 값은 다음의 [수학식 3]으로 표시할 수 있다.
Figure 112012102039990-pat00005
여기서, H등온은 등온 헤드이고, R은 기체 상수이고, T는 제2단 압축기(120)의 입구 온도로서 제2 온도센서(185)에서 측정된 값을 이용할 수 있다. 또한, 상기 [수학식 3]에서 Pr은 압력비로서 다음의 [수학식 4]로 표시될 수 있다.
Figure 112012102039990-pat00006
상기 [수학식 4]에서 제2단 압축기(120)의 입구 압력은 제2 압력센서(182)에서 측정된 값을 이용할 수 있고, 제4단 압축기(140)의 출구 압력은 제3 압력센서(183)에서 측정된 값을 이용하여, 압력비 Pr의 값을 구할 수 있다. 여기서, 「제4단 압축기(140)의 출구 압력」을 이용하는 이유는, 본 실시예의 다단 압축 시스템(100)의 최종단이 제4단이기 때문인 것이고, 만약, 전술한 바와 같이, 최종단이 N(N≥2, N은 정수)단일 경우에는, [수학식 3]의 Pr을 구하기 위해서 「N단의 압축기의 출구 압력」을 이용하게 된다.
이하, 좀 더 구체적으로 상기 「제1 서지 제어」와「제2 서지 제어」를 수행하는 과정을 설명한다.
제조자 또는 설계자는 미리 다단 압축 시스템(100)의 이론적 해석 및 다수의 실험을 통해 서지가 일어나는 「서지 라인」과 서지 라인에 약 10%의 안전 마진(safe margin)을 둔「서지 제어 라인」을 구한다. 여기서, 「서지 제어 라인」은 「서지 라인」에 대해 약 10%의 안전 마진을 둔 것으로 하였으나, 허용 안전 마진의 정도는 설계자 또는 사용자의 요구에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
구체적으로, 「제1단 압축기(110)의 압축 과정」의 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 단열 헤드를 기준으로 한 「제1 서지 라인」과 「제1 서지 제어 라인」을 결정하여 그 각 라인의 값들을 제어 장치(195)의 데이터 저장 장소(메모리)에 저장한다.
마찬가지로, 「제2단 압축기(120)부터 제4단 압축기(140)까지의 압축 과정」의 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 등온 헤드를 기준으로 한 「제2 서지 라인」과 「제2 서지 제어 라인」을 결정하여 그 각 라인의 값들을 제어 장치(195)의 데이터 저장 장소(메모리)에 저장한다.
이어, 제조자로부터 사용자로 다단 압축 시스템(100)이 인도되어 설치가 완료된 후, 사용자가 다단 압축 시스템(100)을 사용하기 위해 전원을 공급하여 다단 압축 시스템(100)을 작동시키는 경우를 설명한다.
다단 압축 시스템(100)이 작동되면, 제1단 압축기(110), 제2단 압축기(120), 제3단 압축기(130), 제4단 압축기(140)가 동력을 전달받아 구동을 시작하여 압축 작용이 시작된다.
제어 장치(195)는, 실시간으로 제1 압력센서(181), 제2 압력센서(182), 제3 압력센서(183), 제1 온도센서(184), 제2 온도센서(185)로부터 측정 결과를 입력받아, 서지 제어를 위한 헤드의 계산을 수행한다.
즉, 제어 장치(195)는 상기 「제1 서지 제어」를 위해, 수학식 1 및 2에 의한 단열 헤드 H단열를 연산하여 구하고, 그 단열 헤드 H단열의 값이 도 2의 「제1 서지 제어 라인」값에 도달하는지 모니터링 한다. 모니터링 방법의 일 예로는, 미리 입력되어 저장된 「제1 서지 제어 라인」값을, 실시간으로 연산하여 구한 단열 헤드 H단열 값으로 빼주고, 그 차가 0에 도달하는 순간을 「제1 서지 제어 동작 시작점」으로 한다.
즉, 예를 들어, 도 2에 표시된 바와 같이, 실시간으로 연산하여 구한 단열 헤드 H단열 값이 A점으로부터 B점에 도달하게 되면, 「제1 서지 제어 동작 시작점」에 도달한 것으로 보고, 제어 장치(195)는 「가변 베인 장치(160)의 개도를 증가시키는 방법」과 「서지 제어 밸브(170)를 개방시키는 방법」 중 적어도 하나의 방법을 사용함으로써, 「제1 서지 제어」를 수행하여 제1단 압축기(110)를 서지 위험으로부터 벗어나게 한다.
여기서 가변 베인 장치(160)를 작동시켜 개도를 증가시키면 유량이 증가하여 성능 곡선은 도 2의 성능 맵의 우측 방향으로 이동하여 서지 위험으로부터 벗어나게 되고, 서지 제어 밸브(170)를 개방하게 되면, 역시 유량이 증가하고 압력이 내려가 서지 위험으로부터 벗어나게 된다.
또한, 제어 장치(195)는 상기 「제2 서지 제어」를 위해, 수학식 3 및 4에 의한 등온 헤드 H등온을 구하고, 그 등온 헤드 H등온의 값이 도 3의 「제2 서지 제어 라인」값에 도달하는지 모니터링 한다. 모니터링 방법의 일 예로는, 미리 입력된 「제2 서지 제어 라인」값을, 실시간으로 연산하여 구한 등온 헤드 H등온 값으로 빼주고, 그 차가 0에 도달하는 순간을 「제2 서지 제어 동작 시작점」으로 한다.
즉, 예를 들어, 도 3에 표시된 바와 같이, 실시간으로 연산하여 구한 등온 헤드 H등온 값이 C점으로부터 D점에 도달하게 되면, 「제2 서지 제어 동작 시작점」에 도달한 것으로 보고, 제어 장치(195)는 「서지 제어 밸브(170)를 개방시키는 방법」을 사용함으로써, 「제2 서지 제어」를 수행하여 제2단 압축기(120), 제3단 압축기(130), 제4단 압축기(140)를 서지 위험으로부터 벗어나게 한다. 여기서 서지 제어 밸브(170)를 개방하게 되면, 유량이 증가하고 압력이 내려가 서지 위험으로부터 벗어나게 된다.
이상과 같이 설명한 「제1 서지 제어」와 「제2 서지 제어」는 함께 작동한다. 즉, 다단 압축 시스템(100)의 압축기들(110)(120)(130)(140) 중 어느 압축기라도 서지가 발생되면 다단 압축 시스템(100)의 성능에 악영향을 주기 때문에, 어떠한 압축기에도 서지 현상이 일어나지 않도록 서지 제어가 이루어져야 한다.
본 실시예에 따르면 제어 장치(195)가 미리 입력된 프로그램에 따라 자동으로 서지 위험을 판단하고, 제어하지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 사용자가 직접 제1 압력센서(181), 제2 압력센서(182), 제3 압력센서(183), 제1 온도센서(184), 제2 온도센서(185)로부터 측정 결과를 이용하여 서지 제어를 위한 헤드의 계산을 수행하고, 미리 결정된 서지 제어 라인값과 비교하여 수동으로 가변 베인 장치(160)와 서지 제어 밸브(170)를 조절하여 서지를 제어할 수도 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따르면, 제1단 압축기(110)부터 제4단 압축기(140)까지의 4단의 다단 압축 시스템(100)에 대해 설명하였으나, 전술한 바와 같이, 최대 단을 4단으로 한 것은 설명의 편의를 위하고자 함이고, 최대 단의 개수에는 특별한 제한이 없다. 즉, 최대 단을 N단(N≥2)으로 하여, N개의 압축기들을 구비하여도 되고, 그 경우 제N단의 압축기는 전술한 제4단 압축기(140)의 설명이 그대로 적용된다.
이상과 같이 본 실시예에 따르면, 다단 압축 시스템(100)의 서지 제어를 「제1 서지 제어」와 「제2 서지 제어」로 나누어 수행하되, 「제1 서지 제어」는 제1단 압축기(110)의 단열 헤드의 값을 기초로 하여 가변 베인 장치(160) 및 서지 제어 밸브(170) 중 적어도 하나를 조절하여 수행하고, 「제2 서지 제어」는 제2단 압축기(120)부터 제4단 압축기(140)까지의 등온 헤드의 값을 기초로 하여 서지 제어 밸브(170)를 조절하여 수행한다. 그렇게 되면, 인터쿨러(150)를 구비하여 중간 냉각을 수행하는 다단 압축 시스템(100)의 특성에 맞춘 서지 제어를 수행할 수 있으므로, 안정적이고도 강건한 서지 제어를 구현할 수 있어 다단 압축 시스템(100)의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 따르면, 다단 압축 시스템(100)의 단수가 아무리 많더라도 2개의 그룹으로 나누어 서지 제어를 수행할 수 있다. 즉, N단(N≥2)의 다단 압축 시스템인 경우, 제1단 압축기를 「1그룹」으로 하고, 제2단 압축기부터 제N단 압축기까지를 「2그룹」으로 하여, 「1그룹」은 「제1 서지 제어」로 서지 제어를 수행하고, 「2그룹」은 「제2 서지 제어」로 서지 제어를 수행하게 된다. 그렇게 되면, 다단 압축 시스템이 많은 단수를 가지더라도 최소한의 센서를 구비하고도 간단하게 서지 제어를 수행할 수 있으므로, 설치 비용 및 운용 비용을 절감할 수 있게 된다.
본 발명의 일 측면들은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 다단 압축 시스템을 제조하거나 사용하는 산업에 적용될 수 있다.
100: 압축 시스템 110: 제1단 압축기
120: 제2단 압축기 130: 제3단 압축기
140: 제4단 압축기 150: 인터 쿨러
160: 가변 베인 170: 서지 제어 밸브

Claims (9)

  1. 제1단부터 제N단(N≥2, N은 정수)의 압축기들을 구비하고, 상기 제1단의 압축기의 인입 관로에 가변 베인 장치가 설치되고, 상기 제N단의 압축기의 출구 관로에 주 관로 및 분기 관로가 연결되어 설치되며, 상기 분기 관로에는 서지 제어 밸브가 설치되는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법에 있어서,
    상기 제1단의 압축기에 대한 제1 서지 제어는, 상기 제1단의 압축기의 압축 과정에 대한 단열 헤드의 값을 기초로 하여 상기 가변 베인 장치 및 상기 서지 제어 밸브 중 적어도 하나를 조절하여 수행하고,
    상기 제2단부터 제N단까지의 압축기에 대한 제2 서지 제어는, 상기 제2단부터 N단까지의 압축기의 압축 과정에 대한 등온 헤드의 값을 기초로 하여 상기 서지 제어 밸브를 조절하여 수행하며,
    상기 제1 서지 제어와 상기 제2 서지 제어는 함께 수행되며,
    상기 제1 서지 제어와 상기 제2 서지 제어를 위해 상기 다단 압축 시스템은, 상기 제1단의 압축기의 입구 압력을 측정하는 제1 압력센서와, 상기 제1단의 압축기의 입구 온도를 측정하는 제1 온도센서와, 상기 제2단의 압축기의 입구 압력을 측정하는 제2 압력센서와, 상기 제2단의 압축기의 입구 온도를 측정하는 제2 온도센서와, 상기 제N단의 압축기의 출구 압력을 측정하는 제3 압력센서를 포함하는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열 헤드는 하기의 수학식에 의해 결정되는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법.
    [수학식]
    Figure 112012102039990-pat00007
    , 여기서, H단열는 단열 헤드이고, γ는 압축되는 유체의 비열비이고, R은 기체 상수이고, T는 상기 제1단의 압축기의 입구 온도이고, Pr은 압력비로서 상기 제1단의 압축기의 출구 압력/입구 압력에 해당됨.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1단의 압축기의 서지 제어는, 상기 제1단의 압축기의 제1 서지 제어 라인을 미리 결정하고, 구동 중의 상기 제1단의 압축기의 압축 과정에 대한 단열 헤드의 값이 상기 제1 서지 제어 라인을 넘어가지 않도록 상기 가변 베인 장치 및 상기 서지 제어 밸브 중 적어도 하나를 조절하여 수행되는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 등온 헤드는 하기의 수학식에 의해 결정되는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법.
    [수학식]
    Figure 112012102039990-pat00008
    , 여기서, H등온은 등온 헤드이고, R은 기체 상수이고, T는 상기 제2단의 압축기의 입구 온도이고, Pr은 압력비로서 상기 제N단의 압축기의 출구 압력/상기 제2단의 압축기의 입구 압력에 해당됨.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2단부터 제N단까지의 압축기의 서지 제어는, 상기 제2단부터 제N단까지의 압축기의 제2 서지 제어 라인을 미리 결정하고, 구동 중의 상기 제2단부터 N단까지의 압축기의 압축 과정에 대한 등온 헤드의 값이 상기 제2 서지 제어 라인을 넘어가지 않도록 상기 서지 제어 밸브를 조절하여 수행되는 다단 압축 시스템의 서지 제어 방법.
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