KR102217823B1 - 2개 이상의 압축기를 위한 서지-방지 속도 제어 - Google Patents
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Abstract
차례로 가변 주파수 드라이브(12, 13)에 의해 제어되는 전기 모터(4, 5)에 의해 직접 구동되고 서지가 일어날 수 있는 작동을 피하도록 진공 압력 스윙 흡착 공정 내에서 작동하면서, 후속적으로 최고 흡착 압력 및 최저 탈착 압력의 설정 한계들 사이에서 진공 압력 스윙 공정을 작동시키는, 원심 압축기(4, 5)의 속도를 제어하는 방법 및 제어 시스템. 압축기가 그의 압축기 맵의 피크 효율 작동선을 따라 작동할, 압축기의 작동을 위한 최적 속도가 결정된다. 이러한 속도는 유동 또는 압축기를 통한 유동과 관련될 수 있는 다른 파라미터가 최소치 미만일 때 피드백 속도 승수에 의해 조절되고, 배출 단계 및 배출과 퍼지 단계 동안에, 압축기의 속도를 증가시킴으로써 서지를 피하도록 피드백 승수에 곱해지는 피드포워드 승수에 의해 조절된다. 이어서, 속도는 공정이 고압 한계 및 저압 한계 내에서 작동하도록 반복 사이클의 모든 단계에 걸쳐 모터의 평균 속도를 조절하도록 역할하는 전역 속도 계수에 의해 조절된다.
Description
본 발명은 진공 압력 스윙 흡착 장치(vacuum pressure swing adsorption apparatus) 내에서 작동하고 전기 모터들에 의해 직접 구동되는 2개 이상의 원심 압축기의 속도를 제어하여 장치의 작동 내에서 압축기들의 효율을 최적화하고 압축기들이 서지(surge)로 진입하는 것을 피하기 위한 방법 및 제어 시스템을 제공한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 진공 압력 스윙 흡착 장치에 의해 수행되는 반복 사이클의 적어도 그들 단계들 동안에(여기서, 압축기는 단계들이 수행됨에 따라 변화하는 증가량들로 서지에 직면할 수 있음) 속도가 증가되는 그러한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 게다가, 본 발명은, 진공 압력 스윙 흡착 장치 내부의 압력이 주어진 한계를 초과하지 않게 하기 위하여 그리고 장치 내의 각각의 용기(vessel)에 대한 압력이 동일한 반복 패턴을 따라 장치의 안정된 작동을 보장하도록, 장치에 의해 수행되는 반복 사이클의 모든 단계 동안에 압축기의 상대 속도가 증가 또는 감소되는 그러한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
진공 압력 스윙 흡착 공정에서, 공급 스트림(feed stream)의 하나 이상의 성분을 흡착하고 이에 의해 정제된 생성물 스트림을 생성하기 위해 하나 이상의 흡착제(adsorbent)가 사용된다. 전형적인 공정은 반복 사이클에 따라 일련의 연속적으로 실행되는 단계들을 갖는다. 반복 사이클에서, 흡착제를 함유하는 흡착제 베드(bed)가 대안적으로 사용되어 정제된 생성물을 생성하고, 이어서 재생된다. 재생 동안, 흡착된 성분이 흡착제로부터 탈착되고(desorbed), 이어서 흡착제 베드는 생성물을 생성할 수 있는 상태로 되돌아간다.
공급 공기로부터 생성물 산소를 제조하도록 설계된 전형적인 진공 압력 스윙 흡착 공정에서, 흡착제 베드는 반복 사이클에서 수행되는 10단계 공정을 거치게 된다. 최고의 산소 회수를 얻기 위하여, 2-베드 공정이 통상적으로 수행된다. 제1 단계에서, 제1 베드는 동시에 저부로부터 배출되면서, 제2 베드로부터 전달된 동등화 가스(equalization gas)에 의해 상부로부터 가압된다. 그 후, 공급 공기가 공급 압축기, 전형적으로 루츠(Roots) 유형의 송풍기에 의해 공급되는 동안, 고순도 생성물이 산소 서지 탱크로부터 베드의 상부에 추가된다. 제3 단계에서, 베드는 송풍기를 통해 저부로부터 계속 가압된다. 베드는 이제 생성물을 제조할 준비가 되고, 공급 공기가 용기의 저부 내로 공급되고, 생성물이 단계 4 동안에 상부로부터 제거된다. 단계 5에서, 생성물 가스가 산소 서지 탱크로 전달되고, 일부 생성물이 퍼지(purge)로서 제2 베드로 환류된다. 생성이 완료된 후에, 송풍기는 단계 6 동안에 부하 해제되고, 가압된 베드의 상부에 남아 있는 저순도 가스가 균등화 가스로서 제2 베드로 전달된다. 후속적인 배출 단계 7, 8, 및 9에서, 폐기 질소가 용기의 저부로부터 진공 압축기를 통해 제거되는 반면, 용기의 상부에서 빠져나가거나 이로 진입하는 유동이 없다. 마지막 단계에서, 진공 압축기는 용기의 저부로부터 질소를 계속 제거하면서, 퍼지 가스가 제2 베드로부터 용기의 상부에 추가된다. 산소 퍼지 유동이 배출 유동과 동일하게 제어된다는 사실로 인해 이 단계 동안에 압력이 비교적 일정하게 유지된다.
미국 특허 제7,785,405호에 개시된 바와 같이, 직접 구동 고속 영구 자석 모터에 의해 직접 구동되는 원심 압축기가 진공 압력 스윙 흡착 공정에서 유리하게 이용되어 왔다. 그러한 모터의 사용은, 압축기 및 고속 영구 자석 모터 조합(들)이 공정에 의해 요구되는 대로 신속하게 저속으로부터 고속으로 가속되고 고속으로부터 저속으로 감속될 수 있도록 가변-속도 작동을 허용한다. 이는 유도 모터의 높은 관성으로 인해 신속하게 가속 및 감속될 수 없는 종래의 유도 모터/기어박스 시스템에 의해 구동되는 원심 압축기의 사용에 비해 주요한 개선을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 가압 및 배출되는 흡착제 베드들로 인해 변화하고 있는, 압축기를 위한 압력비 요건과 부합하도록 압축기 속도를 연속적으로 변화시킴으로써, 그러한 사이클에 사용되는 원심 압축기는 그의 피크 효율 부근에서 그리고 바람직하게는 그의 피크 효율에서 100% 설계 속도 이상으로부터 종종 설계 속도의 30%만큼 낮은, 실질적으로 보다 낮은 속도까지 작동될 수 있다.
압축기는 압축기를 통한 유량에 대한 출구 압력과 입구 압력 사이의 압력비의 압축기 맵(map)으로서 지칭되는 것으로 플로팅(plotting)될 수 있는 작동 포락선(envelope) 내에서 작동하도록 설계된다. 그러한 플롯 상에서, 주어진 유량 및 압력비에 대해 압축기의 에너지 소비가 최소인 피크 또는 최상의 효율 작동선이 플로팅된다. 이러한 압축기 맵은 모터의 속도 및 따라서 압축기를 제어함에 있어서 사용되는 제어기 내에 프로그래밍될 수 있다. 원심 압축기에 걸쳐 특정 압력비를 요구할 진공 압력 스윙 흡착 공정에서의 특정 단계에 따라, 제어기는 압축기 맵으로부터 결정된 바와 같은 최적 속도와 관련될 수 있는 신호를 고속 영구 자석 모터의 속도를 제어하는 가변 속도 드라이브로 전송한다.
그러나, 압축기가 피크 효율 작동 선을 서지 상태로 이동하게 할 수 있는 상황이 있다. 예를 들어, 제어 시스템에서의 지연(lag), 진공 압력 스윙 흡착 장치에 의해 수행되는 공정에서의 전이 단계, 주변 조건에서의 변화, 및 최소 속도선으로부터 벗어난 전이가 있을 수 있다. 그러한 상황들 모두에서, 압축되는 질량 유동은 압축기를 서지로 구동시키기 위해 주어진 속도 및 압력비에 대해 떨어질 수 있다. 따라서, 안정적인 작동을 유지하기 위해 필요한 압축기의 임펠러의 주어진 속도에서 요구되는 최소 유동 미만으로 떨어지는 압축기를 통한 유량에 의해 서지 이벤트가 발생된다. 서지 이벤트에서, 압축기에 의해 발생되는 헤드 압력은 감소하여, 압축기 토출에서의 역 압력 구배 및 결과적인 가스의 역류를 야기한다. 일단 압축기의 토출 라인 내의 압력이 임펠러에 의해 발생되는 압력 미만으로 떨어지면, 유동은 다시 한번 역전된다. 이러한 교번하는 유동 패턴은 압축기 임펠러, 구동 메커니즘 및 구성요소에 심각한 손상을 초래할 수 있는 불안정한 상태인 것으로 밝혀졌다. 이러한 상태는 회피되어야 한다.
진공 압력 스윙 흡착 장치에 사용되는 반복 사이클에서, 서지가 발생할 수 있는 압축의 작동 조건이 고속에서 가장 중요할 것이다. 부가적으로, 배출 단계 및 퍼지 단계 동안에 그리고 특히 퍼지 단계와 배출 단계 사이의 전이 동안에, 서지가 발생할 가능성이 있다. 논의되는 바와 같이, 본 발명은 저속 작동 동안에 그리고 배출 및 퍼지 단계들 및 그러한 단계들 사이의 전이 동안에 서지를 피하도록 특별히 설계된 속도 제어를 제공한다.
2개 이상의 베드로 구성된 진공 압력 스윙 장치의 작동의 경우에, 반복 사이클에서의 각각의 단계에 따른 경시적(time-dependent) 압력 트레이스가 장치 내의 각각의 용기에 대해 동일한 것이 중요하다. 장치 내의 각각의 용기에 대해, 각각의 단계를 위한 출발 압력 및 종료 압력은 동일하여야 한다. 전형적으로 당업자들간에 "평형"으로 불리는 이러한 조건은, 장치의 생성이 안정하게 유지되는 것, 및 사이클에서의 최대 및 최소 압력들이 초과되지 않는 것을 보장하는 데 필요한데, 그 이유는 그러한 초과가 연관된 압축 터보기계를 손상시킬 수 있기 때문이다. 게다가, 각각의 단계의 지속기간은 동일해야 한다. 전형적으로 당업자들간에 "대칭"으로 불리는 이러한 조건은, 각각의 용기의 압력 사이클들이 이상(out-of-phase)으로 동일한 정도로 유지되는 것을 보장하는 데 필요하다. 이러한 조건이 만족되지 않으면, 공정은 설계된 바와 같이 공급물을 취하지 않거나 생성물을 생성하지 않는 상태로 진입할 수 있으며, 이는 장치로부터의 연속 생성을 방해한다.
공기로부터의 산소 생성에 전형적으로 사용되는 진공 압력 스윙 흡착 공정의 경우, 사이클에서의 경시적 압력 트레이스의 제어는 대부분의 압력-스윙 흡착 공정들에 전형적인 공정의 상부 헤더 밸브들 둘 모두에 의해 부분적으로 제어된다. 부가적으로, 가변-속도 압축기들을 이용한 공기로부터의 산소의 생성을 위한 진공 압력 스윙 장치의 작동을 위해, 사이클 단계들에서의 압력 트레이스는 연관된 가변-속도 압축 장비의 작동에 의해 매우 강하게 영향을 받는다. 이는 기계를 통한 유량이 기계에 걸친 압력비뿐만 아니라 기계 회전 속도에 좌우되는, 터보기계용 특성 작동 포락선의 결과이다.
따라서, 직접-구동 영구 자석 모터에 의해 구동되는 가변-속도 압축기의 작동에서, 압축기 속도가 하나의 사이클로부터 다음 사이클로 작은 증분으로 조절되게 하여, 공정에서의 소정 압력 한계들이 초과되지 않도록 그리고 압축기들이 하나의 작동 사이클로부터 다음 작동 사이클로 각각의 용기 내의 사이클-평균 압력을 점진적으로 증가 또는 감소시키지 않도록 하는 것이 필수적이다. 각각의 용기 내의 연속적인 동일한 압력 변동 사이클의 안정된 작동 조건으로부터의 편차의 결과는 서지 이벤트로부터를 비롯한 압축기에 대한 손상일 수 있다. 또한, 각각의 용기 내의 안정하고 동일한 압력 변동 사이클을 보장하는 것은 진공 압력 스윙 장치로부터의 생성이 최대화되는 것을 보장한다.
본 발명은 진공 압력 스윙 흡착 장치 내에서 작동하는 2개 이상의 원심 압축기의 속도를 제어하는 방법을 제공한다. 원심 압축기들은 가변 주파수 드라이브(variable frequency drive)에 의해 제어되는 전기 모터에 의해 직접 구동된다. 이와 관련하여, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 바와 같은 용어 "전기 모터"는 고속 영구 자석 모터 또는 고속 유도 모터를 의미한다. 그러한 방법과 관련하여, 원심 압축기에 진입하는 가스의 유량과 관련될 수 있는 파라미터가 측정 및 계산된다. 압축기의 입구 압력에 대한 출구 압력의 압력비가 또한 측정 및 계산된다. 압력비에 기초하고 원심 압축기의 피크 효율 작동선(peak efficiency operating line)을 따라 놓이는, 원심 압축기의 최적 속도가 결정된다. 부가적으로, 원심 압축기가 최적 속도에서 서지 조건에 진입할 가능성이 있는 파라미터의 최소 허용 값이 또한 결정된다. 최적 속도가 곱해진 때, 파라미터가 최소 허용 값 미만인 경우 속도를 증가시키거나 파라미터가 최소 허용 값 이상인 경우 속도를 감소시킬 피드백 승수(feedback multiplier)가 결정된다. 이어서, 전체 전역 속도 계수(global speed factor, "GSF")가 모터 속도에 적용되며, 이는 반복 사이클 동안 모든 단계에 대해 최적 속도선으로부터 약간 멀리 압축기의 작동을 이동시켜, 각각의 가압 및 감압의 종료시의 용기 내의 압력이 각각 공정을 위한 목표 최고 흡착 설정점 및 최저 탈착 압력 설정점과 동일하도록 한다. GSF는 최적 속도선으로부터 대략 +/- 5%이며, 다른 실시예에서 최적 속도선으로부터 +/- 3%, 그리고 또 다른 실시예에서 최적 속도선으로부터 +/- 2%이다. 이러한 "목표 최고 흡착 압력 설정점"은 베드가 가스 생성물을 생성하고 있는 단계 동안에 흡착제 베드에서 도달되는 최대 압력을 위한 요구되는 값이다. "최저 탈착 압력 설정점"은 베드가 진공 압력 스윙 공정에서 재생되고 있는 단계 동안에 흡착제 베드에서 도달되는 최소 압력을 위한 요구되는 값이다. 이러한 방식으로, 사이클 흡착 공정의 경시적 압력 트레이스는 모든 사이클 단계에 대해 요구되는 최고 및 최저 작동 압력들 내에서 유지됨으로써, 압축기들에 걸쳐 요구되는 압력비보다 더 높은 압력비로 인한 서지 이벤트를 방지한다.
진공 스윙 흡착 장치에 의해 수행되는 반복 사이클의 순수 배출 단계(pure evacuation step) 및 배출과 생성물 퍼지 단계(evacuation with product purge step) 이외의, 원심 압축기가 적어도 서지 조건에 직면할 가능성이 있는 그의 단계들 동안에, 총 속도 승수(total speed multiplier)는 피드백 승수에 전역 속도 계수를 곱한 것과 동일하게 설정된다. 순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에, 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 없도록, 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에 속도를 증가시킬 수 있는 피드포워드 승수(feed forward multiplier)를 피드백 승수 및 전역 속도 계수에 곱함으로써 총 속도 승수가 계산된다. 그러한 시점에 최적 속도에 총 속도 승수를 곱함으로써 조절된 속도가 계산된다. 조절된 속도와 적어도 관련될 수 있는 제어 신호가 생성되고 가변 주파수 드라이브 내로 입력되어, 전기 모터 및 따라서 원심 압축기가 조절된 속도로 작동하도록 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 바와 같이, 용어 "순수 배출 단계"가 가스가 흡착제 베드 내로 도입되지 않거나 흡착제 베드의 상부로부터 방출되지 않도록 밸브들이 설정되고 흡착제 베드가 흡착제 베드의 저부로부터 배출되고 있는 진공 압력 스윙 흡착 공정의 단계를 의미한다는 것에 주목한다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 바와 같이, 용어 "배출과 생성물 퍼지 단계"는 흡착제 베드가 흡착제 베드의 저부에서의 배출 및 베드의 상부 내로의 생성물 가스, 예를 들어 산소의 도입을 받게 되는 진공 압력 스윙 흡착 공정의 단계를 의미한다.
상기에 논의되고 청구범위에 기재된 바와 같은 서지-방지(anti-surge) 속도 제어 방법 및 시스템은, 단일 압축기가 압축 가스(compressed gas)를 흡착제 베드에 공급하고 흡착제 베드의 재생 동안에 흡착제 베드를 배출시키는 역할을 하는 장치, 또는 공급 압축기가 압축 가스를 장치의 흡착제 베드에 공급하는 데 사용되고 배출 압축기가 흡착제 베드로부터 가스를 배출하는 데 사용되는 장치에 동등하게 적용가능하다. 이와 관련하여, 배출 압축기가 사용되는 경우, 이는 서지-방지 제어의 상기 전략을 이용하는 원심 압축기일 것이다. 그러한 장치에서 공급 압축기는 원심 압축기가 아닐 수 있고, 이와 같이 그러한 서지-방지 제어를 받지 않을 것이다. 논의되는 바와 같이, 공급 압축기가 원심 압축기인 경우, 서지-방지 속도 제어의 요소가 그의 제어를 위해 사용될 수 있다.
일반적으로 말하면, 본 발명은 그의 순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 이외의 원심 압축기가 적어도 서지 조건들에 직면할 가능성이 있는 경우에 피드백 승수에 전역 속도 계수를 곱한 것과 동일하게 총 속도 승수가 설정됨을 고려한다. 본 발명은 구체적으로, 서지 조건들이 직면하게 될 가능성이 없는 반복 사이클 내의 시점들에서, 가변 주파수 드라이브 내로 입력되는 제어 신호가 전기 모터로부터 전력을 제거하는 효과를 가질 것임을 고려한다. 이와 관련하여, 진공 압력 스윙 흡착 공정은 흡착제 베드에 압축 가스를 공급하는 단일 압축기 및 흡착제 베드로부터 가스들을 배출시키는 다른 단일 압축기를 사용할 수 있다. 그러한 경우에, 반복 사이클은 배출과 생성물 퍼지 단계에 후속적인 공급과 균등화 단계(feed with equalization step), 공급과 균등화 단계를 뒤따르는 공급과 생성물 재가압 단계(feed with product repressurization step), 및 순수 배출 단계 이전의 균등화 단계를 포함할 수 있다. 공급과 균등화 단계, 균등화 단계, 및 공급과 생성물 재가압 단계의 개시 동안에, 제어 신호는 비-작동 신호(non-operational speed)와 관련될 수 있어, 제어 신호가 가변 주파수 드라이브 내로 입력될 때 전기 전력이 전기 모터에 인가되지 않도록 한다. 그러나, 압축기를 가로지른 압력 상승의 미리 결정된 값이 공급과 생성물 재가압 단계 동안에 얻어질 때, 제어 신호가 조절된 속도와 다시 관련될 수 있어 전기 모터 및 따라서 압축기가 조절된 속도로 작동하도록 한다. 그러나, 본 발명이 또한, 순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 이외의 반복 사이클의 단계들에서 총 속도 승수가 피드백 승수에 전역 속도 계수를 곱한 것과 동일하게 항상 설정되고 제어 신호가 조절된 속도와 항상 관련될 수 있는 실시예를 고려하고 이 실시예를 첨부된 청구범위 내에서 포함하고자 한다는 것에 주목한다. 또한, 전용 공급 및 배출 압축기를 사용하는 다중-흡착제 베드 장치에서, 반복 사이클은 배출과 생성물 퍼지 단계에 후속적인 감압 균등화 단계(falling pressure equalization step) 및 승압 균등화 단계(rising pressure equalization step)를 포함할 수 있다. 감압 균등화 단계 및 승압 균등화 단계 동안에, 제어 신호는 배출 압축기를 구동하는 전기 모터에 전기 전력이 인가되지 않도록 비-작동 속도와 관련될 수 있다. 미리 결정된 압력비가 감압 균등화 단계 동안에 얻어질 때, 제어 신호는 조절된 속도와 다시 관련되어 설정되어 배출 압축기가 조절된 속도로 작동하도록 한다.
피드백 승수가 결정될 때마다, 피드백 승수가 저장될 수 있다. 파라미터가 최소 허용 값 미만인 때, 피드백 승수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값에 속도 보정 계수(speed correction factor)를 더함으로써 결정된다. 파라미터가 최소 허용 값 이상일 때, 피드백 속도 승수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값을 비례 상수로 나눔으로써 계산된다. 비례 상수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 이상일 때 1.0 초과의 값과 동일하게 설정되거나, 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 미만일 때 1.0과 동일하게 설정된다.
피드포워드 승수는 압력비의 함수일 수 있다. 이 함수는 미리 결정된 압력비 - 이 압력비에서 또는 그 직전에서 배출 단계와 퍼지 단계 사이의 전이 동안에 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 있을 것임 - 에서 피드포워드 승수의 최대 값을 가질 수 있다. 이 함수는 최대 값 초과 또는 미만의 압력비에서 피드포워드 승수의 감소하는 값을 가질 것이다. 최대 값은 최대 값에 미리 결정된 압력비에서 최적 속도가 곱해진 때, 결과적인 속도가 원심 압축기가 서지 조건들에 진입하는 것을 방지하도록 미리 선택된 크기를 갖는다. 이 함수는 가우스 함수(Gaussian function)일 수 있다.
각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 파라미터 또는 유량은 원심 압축기의 임펠러에 연속적으로 더 근접한, 원심 압축기의 시라우드(shroud) 내의 2개의 지점들에서 측정된 압력차를 측정함으로써 계산될 수 있다. 원심 압축기의 임펠러를 위한 시라우드 또는 고정형 하우징은 최소 직경을 갖는다. 이러한 최소 직경은 압축기를 통한 유동을 계산하기 위해 오리피스 플레이트와 유사하게 사용될 수 있다. 최소 직경의 상류 및 하류에서 태핑을 가로지른 유체 압력의 차이를 측정함으로써, 유량은 공지된 오리피스 플레이트 방정식으로부터 얻어질 수 있다. 시간 간격들 각각 동안에, 압력차 오차가 압력차의 현재 값으로부터 최소 허용 값을 감산함으로써 계산 및 저장된다. 피드백 승수의 속도 보정 계수는 비례 항을 적분 항에 더하는 것을 포함하는 비례 적분 제어를 통해 시간 간격들 각각 동안에 계산되며, 비례 항은 압력차 오차와 이전의 시간 간격에서 계산된 이전의 압력차 오차 사이의 차이를 이득 계수에 곱하고 상기 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산된다. 적분 항은 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 압력차 오차를 곱함으로써 계산된다. 각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 파라미터 또는 유량은 임펠러의 회전에 기초한 유량계 또는 가변 면적 효과에 기초한 회전계와 같은 다른 직접적인 유동 측정 수단을 사용하여 측정될 수 있다. 대안적으로, 다른 간접적인 유동 측정 수단, 예를 들어 각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림 내에 또는 상기 유체 스트림의 슬립스트림(slipstream) 상에 위치된 벤투리 관(venturi tube)을 가로지른 압력 측정, 또는 그의 유체 스트림 내의 압력을 측정하기 위한 피토 관(pitot tube)의 사용이 또한 파라미터를 계산하는 데 사용될 수 있다.
서지 한계로부터 멀리 압축기의 안전한 작동을 보장하기 위해 피드백 및 피드포워드 승수들이 부가된 후에, 요구되는 압력 한계들 사이에서 사이클 진공 압력 스윙 장치의 작동을 보장하기 위해 전역 속도 계수(GSF) 조절이 기계에 적용된다. GSF의 목적은 이중적이다: 첫째, 더 이상 속도를 증가시킬 수 없는 압축기에서 서지 이벤트를 야기할 너무 높거나 너무 낮은 압력이 장치의 용기에서 달성되지 않는 것을 보장하기 위함; 둘째, 하나의 작동 사이클로부터 다음 작동 사이클까지, 각각의 용기를 위한 사이클의 각각의 단계에서 동일한 사이클 압력 트레이스가 달성되는 것을 보장하기 위함. 공정의 용기들이 안정된 압력 트레이스를 달성하는 것을 보장하기 위해, 그리고 그들이 연관된 압축기들을 위한 안전하지 않은 작동 조건으로 평균 압력이 상승 또는 하강하지 않는 것을 보장하기 위해, 용기들로의 전체 유동은 장치의 다른 장비에서의 공정 변동 및 다양한 주위 조건에 응답하도록 연속적으로 조절될 필요가 있다. 사이클 동안에 압축기들을 위한 목표 속도를 약간 상향 또는 하향으로 조절함으로써, 사이클 흡착 공정에서의 안정성, 균형, 및 대칭성이 달성되는 것을 보장하기 위해 각각의 압축기를 통한 유량이 공정 사이클의 각각의 반복에 따라 약간 변경될 수 있다.
GSF는 장치의 공정 용기로부터의 압력 측정과 상호작용하는 피드백 제어 루프에 기초하여 계산된다. 용기의 압력을 증가시키기 위해 서비스 중인 압축기에 대해, 압력 상승의 종료시의 용기의 압력이 기록되고, 목표 최고 흡착 압력 설정점인 목표 값과 비교된다. 측정치가 목표를 초과하면, 현재 사이클을 위해 너무 많은 유동이 용기에 공급되었고, 다음 사이클을 위해 GSF가 감소된다. 마찬가지로, 사이클에서 용기의 압력을 감소시키고 있는 압축기에 대해, 감압의 종료시의 용기의 압력이 기록되고 목표 값과 비교된다. 측정치가 목표를 초과하면, 현재 사이클 동안 충분하지 않은 유동이 제거되었고, 다음 사이클을 위해 GSF가 증가된다.
GSF는 사이클에서의 모든 단계를 위해 압축기의 속도를 조절하도록 적용되기 때문에, 이는 공정 동안에 일정하게 변하는 압축기의 평균 속도를 효과적으로 감소 또는 증가시킨다. GSF의 값을 제어하기 위한 피드백으로서 장치의 용기 내의 압력 측정치를 사용함으로써, 진공 압력 스윙 공정에서 달성되는 사이클 압력 트레이스가 한계 내에 있고 많은 사이클에 걸쳐 안정함을 보장하기 위해, 각각의 용기에 진입하고 이를 떠나가는 가스의 평균 양은 하나의 사이클로부터 다음 사이클로 연속적으로 변화된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 주어진 압축기의 속도와 연관된 동일한 GSF를 공정에서의 각각의 용기에 할당하는 것이 유리할 수 있다. 이 경우에, 장치의 각각의 압축기를 위한 하나의 GSF가 있을 것이다. 다른 실시예에서, 각각의 압축기 및 용기 쌍과 연관된 상이한 GSF를 사용하는 것이 더욱 유리할 수 있다. 2개의 상이한 압축기에 의해 구동되는 2-용기 압력 스윙 공정의 예에 대해, 이 경우에 4개의 상이한 GSF가 있을 것이다. 후자의 경우는 본 발명의 실시예가 VPSA 공정을 사용하여 공기로부터의 산소의 생성에 적용될 때 유리한데, 이는 하나의 용기로부터 다른 용기로의 흡착제의 질소 용량 사이에 종종 변동이 있기 때문이다. 따라서, 각각의 기계-용기 쌍의 속도를, 그들이 유동가능하게 연결된 모든 작동 단계들에 걸쳐 변화시키는 것은 공정에 대해 균형 기준이 유지되는 것을 보장할 수 있다.
본 발명은 또한 가변 주파수 드라이브에 의해 제어되는 전기 모터에 의해 직접 구동되고 진공 압력 스윙 흡착 장치 내에서 작동하는 원심 압축기의 속도를 제어하기 위한 제어 시스템을 제공한다. 제어 시스템에는 원심 압축기에 진입하는 가스의 유량과 관련될 수 있는 파라미터를 감지하기 위한 수단이 제공된다. 원심 압축기의 입구 및 출구에서 압력을 감지하도록 압력 변환기들이 위치된다. 게다가, 제어 시스템에는 진공 압력 스윙 장치의 연관된 용기의 압력을 감지하기 위한 수단이 제공된다.
파라미터 감지 수단, 압력 변환기들, 및 진공 압력 스윙 흡착 장치에 의해 수행되는 반복 사이클의 단계들에 응답하는 제어기가 제공된다. 제어기는 원심 압축기의 입구에 대한 출구의 압력들의 압력비를 계산하도록 프로그래밍된 제어 프로그램을 갖는다. 제어 프로그램은 또한 압력비에 기초하고 원심 압축기의 피크 효율 작동선을 따라 놓이는, 원심 압축기의 최적 속도를 결정한다. 원심 압축기가 최적 속도에서 서지 조건들에 진입할 가능성이 있는 파라미터의 최소 허용 값은, 최적 속도가 곱해진 때, 파라미터가 최소 허용 값 미만인 경우 속도를 증가시키거나 파라미터가 최소 허용 값 이상일 때 속도를 감소시킬 피드백 승수와 함께 제어기에 의해 결정된다. 반복 사이클의 순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 이외의, 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 최소인, 반복 사이클의 단계들 동안에 피드백 승수와 전역 속도 계수의 수학적 곱과 동일하게 총 속도 승수가 설정된다. 순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 없도록 속도를 증가시킬, 피드백 승수, 피드포워드 승수 및 전역 속도 계수의 수학적 곱과 동일하게 총 속도 승수가 설정된다. 전역 속도 계수는 장치 내의 각각의 용기를 위한 공급 단계의 종료시의 이전의 최고 흡착 압력 및 퍼지 단계의 종료시의 최저 탈착 압력으로부터 결정되며, 전역 속도 계수는 얻어진 최고 흡착 압력이 너무 낮고 얻어진 최저 탈착 압력이 너무 높을 경우 각각의 압축기를 위한 모든 단계에 걸쳐 속도를 증가시킬 것이다. 최적 속도에 총 속도 승수를 곱함으로써 조절된 속도가 계산되는데, 이는 전역 속도 계수의 효과를 포함한다.
제어기는 제어 프로그램에 응답하고 가변 주파수 드라이브 내로의 입력으로서 역할할 수 있는 제어 신호를 발생시키도록 구성되어, 전기 모터 및 따라서 원심 압축기의 속도가 제어 신호에 응답하여 제어되도록 한다. 제어 신호는 조절된 속도와 적어도 관련될 수 있어, 전기 모터 및 따라서 원심 압축기가 조절된 속도로 작동하도록 한다.
위에 나타낸 바와 같이, 시스템은 진공 압력 스윙 흡착 장치에 적용가능하고, 진공 압력 스윙 흡착 장치는 진공 압력 스윙 흡착 장치의 흡착제 베드들에 압축 가스를 공급하기 위한 공급 압축기, 및 흡착제 베드들로부터 가스들을 배출시키기 위해 사용되는 배출 압축기를 이용한다. 그러한 경우에, 배출 압축기는 원심 압축기에 의해 형성된다. 다른 원심 압축기가 공급 압축기를 형성함에 있어서 사용될 수 있거나 사용되지 않을 수 있다.
진공 압력 스윙 흡착 장치에의 공급은 별개의 압축기로부터 또는 단일 압축기로부터 공급될 수 있다. 더욱 구체적으로, 2개의 베드는 공급 전용의 압축기 및 배출 전용의 다른 압축기를 가질 수 있거나, 각각의 베드는 공급 및 배출 둘 모두 전용의 압축기를 가질 수 있다. 장치를 구동하기 위해 하나 초과의 압축기가 사용되는 그러한 경우에, 반복 사이클은 배출과 생성물 퍼지 단계에 후속적인 공급과 균등화 단계, 공급과 균등화 단계를 뒤따르는 공급과 생성물 재가압 단계, 및 순수 배출 단계 이전의 균등화 단계를 포함할 수 있다. 제어 프로그램은 가변 주파수 드라이브가 전기 모터로부터 전기 전력을 제거할 비-작동 속도를 생성하도록 프로그래밍될 수 있고, 제어 신호는 제어 프로그램에 의해 생성될 때 비-작동 속도와 관련될 수 있다. 공급과 균등화 단계, 균등화 단계, 및 공급과 생성물 재가압 단계의 개시 동안에, 제어 프로그램은 제어 신호가 가변 주파수 드라이브 내로 입력될 때 전기 전력이 전기 모터에 인가되지 않도록 비-작동 속도를 생성한다. 제어 프로그램은 또한, 공급과 생성물 재가압 단계 동안에 압력비의 미리 결정된 값이 얻어질 때, 제어 신호가 조절된 속도와 다시 관련될 수 있어 전기 모터 및 따라서 압축기가 조절된 속도로 작동하게 하도록 프로그래밍된다. 전용 배출 압축기를 사용하는 진공 압력 스윙 흡착 장치의 경우에, 반복 사이클은 배출과 생성물 퍼지 단계에 후속적인 감압 균등화 단계 및 승압 균등화 단계를 포함할 수 있다. 그러한 경우의 제어 프로그램은 가변 주파수 드라이브가 전기 모터로부터 전기 전력을 제거할 비-작동 속도를 생성하도록 프로그래밍되고, 제어 신호는 제어 프로그램에 의해 생성될 때 비-작동 속도와 관련될 수 있다. 감압 균등화 단계 및 승압 균등화 단계 동안에, 제어 프로그램은 제어 신호가 가변 주파수 드라이브 내로 입력될 때 전기 전력이 배출 압축기를 구동하는 전기 모터에 인가되지 않도록 비-작동 속도를 생성한다. 제어 프로그램은 또한, 감압 균등화 단계 동안에 압력비의 미리 결정된 값이 얻어질 때, 제어 신호가 조절된 속도와 다시 관련될 수 있어 전기 모터 및 따라서 배출 압축기가 조절된 속도로 작동하게 하도록 프로그래밍된다.
제어 프로그램은 피드백 승수가 결정될 때마다 피드백 승수가 저장되도록 프로그래밍될 수 있다. 그러한 프로그래밍에 따르면, 파라미터가 최소 허용 값 미만인 때, 피드백 승수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값에 속도 보정 계수를 더함으로써 결정된다. 파라미터가 최소 허용 값 이상일 때, 피드백 속도 승수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값을 비례 상수로 나눔으로써 결정된다. 비례 상수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 이상일 때 1.0 초과의 값과 동일하게 설정되거나, 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 미만일 때 1.0과 동일하게 설정된다.
제어 프로그램은 또한 피드포워드 승수가 압력비의 함수이도록 프로그래밍될 수 있다. 그러한 함수는 미리 결정된 압력비 - 이 압력비에서 또는 그 직전에서 배출 단계와 퍼지 단계 사이의 전이 동안에 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 있을 것임 - 에서 피드포워드 승수의 최대 값을 갖는다. 피드포워드 승수는 최대 값 초과 또는 미만의 압력비에서 피드포워드 승수의 감소하는 값을 갖는다. 최대 값은 최대 값에 미리 결정된 압력비에서 최적 속도가 곱해진 때, 결과적인 속도가 원심 압축기가 서지 조건들에 진입하는 것을 방지하도록 미리 선택된 크기를 갖는다. 이 함수는 가우스 함수일 수 있다.
제어 프로그램은 부가적으로 전역 속도 계수(GSF)가 계산될 때마다 GSF가 저장되도록 프로그래밍될 수 있다. 공정으로부터의 용기 압력 측정치가 목표 값과 상이할 때마다, GSF는 GSF의 마지막 저장된 값에 GSF 보정 계수를 더함으로써 결정된다. GSF 보정 계수는 2개의 항의 합에 의해 결정되는데, 첫번째 항은 현재 사이클과 이전 사이클에 대한 현재 값과 목표 값 사이의 차이에 비례 상수를 곱함으로써 얻어지며, 이러한 첫번째 항에 더해지는 두번째 항은 현재 사이클에 대한 현재 값과 목표 값 사이의 차이를 제2 비례 상수로 나눔으로써 얻어진다.
GSF,신규 = GSF,현재 + K1(오차,현재 - 오차,이전) + K2(오차,현재)
사이클 흡착 공정의 조건들이 전체 공정 동안에 최적 효율선을 따라 압축기 휠을 운전하는 것을 허용하면서, 그에 따라 공정을 위한 목표 최고 흡착 압력 및 최저 탈착 압력을 달성한다면, GSF는 공칭적으로 1이다.
파라미터 감지 수단은 원심 압축기의 임펠러에 연속적으로 더 근접한, 원심 압축기의 시라우드 내의 2개의 지점들에 위치된 2개의 추가의 압력 변환기를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 제어 프로그램은 2개의 추가의 압력 변환기들에 의해 측정된 압력으로부터 압력차를 계산하도록 프로그래밍된다. 파라미터는 압력차이다. 그러한 경우에, 제어 프로그램은 시간 간격들 각각 동안에, 압력차 오차가 압력차의 현재 값으로부터 최소 허용 값을 감산함으로써 계산 및 저장되도록 프로그래밍될 수 있다. 피드백 승수의 속도 보정 계수는 적분 항에 비례 항을 더하는 것을 포함하는 비례 적분 제어를 통해 시간 간격들 각각 동안에 계산된다. 비례 항은 이러한 압력차 오차와 이전의 시간 간격에서 계산된 이전의 압력차 오차 사이의 차이에 의해 이득 계수를 곱하고 그 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산된다. 적분 항은 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 압력차 오차를 곱함으로써 계산될 수 있다.
본 명세서는 본 발명자들이 그들의 발명으로 간주하는 발명의 요지를 명확하게 특별히 언급하는 청구범위로 결론을 맺지만, 본 발명이 첨부 도면과 관련하여 취해질 때 더 양호하게 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 흡착제 베드들과 관련하여 전용 공급 및 배출 압축기들을 이용하는 진공 압력 스윙 흡착 장치의 개략도.
도 2는 도 1에 사용된 공급 압축기를 구동시키는 데 사용되는 모터에 인가되는 속도 및 전력의 예시적인 다이어그램.
도 3은 도 1에 사용된 진공 압축기를 구동시키는 데 사용되는 모터에 인가되는 속도 및 전력의 예시적인 다이어그램.
도 4는 도 1에 채용된 제어기에 이용되는 속도 제어 프로그래밍의 로직 다이어그램.
도 5는 압축기를 통한 압력비 대 질량 유동에 대해 그래프로 나타낸 피크 효율 작동선을 예시하는 압축기 맵의 예시적인 곡선.
도 6은 도 1에 채용된 제어기의 제어 프로그래밍에 사용되는 피드포워드 속도 승수의 가우스 곡선.
도 1은 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 흡착제 베드들과 관련하여 전용 공급 및 배출 압축기들을 이용하는 진공 압력 스윙 흡착 장치의 개략도.
도 2는 도 1에 사용된 공급 압축기를 구동시키는 데 사용되는 모터에 인가되는 속도 및 전력의 예시적인 다이어그램.
도 3은 도 1에 사용된 진공 압축기를 구동시키는 데 사용되는 모터에 인가되는 속도 및 전력의 예시적인 다이어그램.
도 4는 도 1에 채용된 제어기에 이용되는 속도 제어 프로그래밍의 로직 다이어그램.
도 5는 압축기를 통한 압력비 대 질량 유동에 대해 그래프로 나타낸 피크 효율 작동선을 예시하는 압축기 맵의 예시적인 곡선.
도 6은 도 1에 채용된 제어기의 제어 프로그래밍에 사용되는 피드포워드 속도 승수의 가우스 곡선.
도 1을 참조하면, 산소 생성물을 생성하도록 설계된 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)가 예시되어 있다. 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)가 2-베드 설계이지만, 이것이 예시의 목적을 위한 것이고, 본 발명이 흡착제 베드 또는 베드들을 가압하고 배출시키도록 설계된 단일 또는 다수의 압축기를 사용하는 단일 또는 다수의 베드 설계에 동일한 적용가능성을 갖는 것이 이해된다. 또한, 본 발명은 이산화탄소, 질소, 수소 또는 헬륨과 같은 다른 생성물을 생산하도록 설계된 진공 압력 스윙 흡착 장치에 동일하게 적용가능하다. 이와 같이, 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)는 단지 예시적인 목적을 위해 본 명세서에 도시되고 기술된다.
도 1을 참조하면, 2개의 흡착제 베드(2, 3)가 12단계 진공 압력 스윙 흡착 사이클을 받게 되는 진공 압력 스윙 흡착 사이클을 수행하기 위한 장치(1)가 도시되어 있는데, 여기서 공급 압축기(4)는 교대로 2개의 흡착제 베드(2, 3)에 압축 공기를 공급하고, 배출 압축기(5)는 그러한 사이클 동안에 교대로 흡착제 베드(2, 3)로부터 가스를 배출시킨다. 공급 공기는 미립자를 여과하기 위한 필터를 수용하는 입구(6)를 통해 흡인된다. 생성된 공기 스트림은 압축 열을 제거하기 위한 후치 냉각기(after cooler)(7)를 갖는 압축기(4)에 의해 흡인된다. 생성되어진 압축된 공급 스트림은 잘 알려진 LiX 흡착제를 함유하는 흡착제 베드 내로 도입되어 산소 생성물을 생성하고, 산소 생성물은 산소 서지 탱크(8) 내로 도입되며, 산소 서지 탱크로부터 생성물 산소 스트림(9)이 흡인될 수 있다. 배출 압축기(5)는 흡착제 베드로부터 폐기물 스트림을 흡인하고 주위로 토출한다. 공급 및 배출 압축기(4, 5)들은 가변 속도 드라이브(12, 13)들에 의해 제어되는 가변 속도 모터(10, 11)들에 의해 각각 구동된다. 가변 속도 모터(10, 11)는 영구 자석 또는 유도 모터일 수 있다. 가변 속도 드라이브(12, 13)는 모터의 속도를 제어하고, 제어기(14)에 의해 발생되어진 조절된 속도 신호에 응답한다. 제어기(14)는 조절된 속도 신호를 발생시키고, 이어서 공급 압축기(4)와 관련된, 도면 부호 15, 16 및 17로 표기된 압력 변환기(P1, P2, PS) 및 배출 압축기(5)와 관련된, 도면 부호 18, 19 및 20으로 표기된 압력 변환기(P'1, P'2, 및 P'S)에 의해 발생된 신호에 응답한다. 전술한 압력 변환기와 제어기(14) 사이의 전기 접속은 장치(1)와 관련하여 채용되는 진공 압력 스윙 흡착 사이클의 설명을 단순화하기 위해 도시되지 않았다. 이와 관련하여, 제어기(14)는 또한 진공 압력 스윙 흡착 사이클의 단계를 제어기(14)에 보여주는 신호(21)에 응답한다.
제어기(14)의 프로그래밍은, 논의되는 바와 같이, 공급 및 배출 압축기(4, 5)들의 공급 및 배출 듀티(duty)들이 각각 전용되는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 관한 것이다. 장치(1)에 채용되는 진공 압력 스윙 흡착 사이클은 미국 특허 제6,010,555호에 개시된 것이며, 흡착제 베드(2)가 온라인이고 생성물을 생성하고 있으며 흡착제 베드(3)가 오프라인이고 재생되고 있는 작업들을 포함한다. 사이클 내에서 그 후에, 흡착제 베드(2)는 오프라인으로 되고 재생되는 반면, 흡착제 베드(3)는 온라인이고 생성물을 생성하고 있다. 달리 지시되지 않는 한, 도 1에 도시된 밸브들이 통상 상태에서 폐쇄되는 위치들에서 설정된다는 것에 추가로 주목해야 한다.
하기는 사이클 내의 단계들 각각의 동안의 밸브 위치들을 나타내는 표인데, 여기서 "O"는 개방된 밸브, "C"는 폐쇄된 밸브, 그리고 "P"는 부분적으로 개방된 밸브를 나타낸다.
[표 XX]
흡착제 베드(2)의 재가압을 수반하는 공급 단계들을 포함하는 도 2를 먼저 참조하면, 제1 단계에서 흡착제 베드(3)는 공급과 균등화 단계("FD,EU")를 받게 되는데, 공급과 균등화 단계에서는 여과된 공기가 입구(6)를 통해 흡인되고 공급 압축기(4)에 의해 압축되어 흡착제 베드(2)를 공급 공기에 의해 저부로부터 가압하도록 한다. 동시에, 감압되는 흡착제 베드(3)로부터 균등화 가스가 전달된다. 그러한 목적을 위해, 밸브(23, 27)들은 개방 위치로 설정되고, 밸브(28)는 부분 개방 위치로 설정된다. 공급과 생성물 가압 단계("FD,PP")인 단계 2에서, 밸브(28)는 폐쇄되고, 밸브(29)는 부분 개방 위치로 설정되어 고순도 생성물이 산소 서지 탱크(8)로부터 공급되게 한다. 후속적인 단계 3에서, 흡착제 베드(2)는 승압 공급 단계("FD")로 압축 공급 공기에 의해 저부로부터 계속 재가압된다. 이 시점에서, 밸브(23)는 개방 상태로 유지된다. 도 2로 가면, 단계 1에서, 공급 압축기(4)의 속도가 최종 단계로부터의 감속으로 인해 떨어지고 있음을 볼 수 있다. 단계 2에서, 속도는 먼저 감소하고, 이어서 흡착제 베드(2)의 압력이 작동 압력으로 됨에 따라 증가하며, 단계 3에서, 속도는 흡착제 베드(2)가 더욱 가압됨에 따라 증가하고 있다. 단계 4 및 단계 5 동안에, 생성물이 제조되고 있고 산소 서지 탱크(8)로 전달되고 있다. 정압 공급과 생성물 제조 단계("FD,AD")인 단계 4에서, 밸브(23, 27, 29)들은 모두 개방 위치로 설정된다. 조합된 생성물 제조 및 퍼지 단계("FD,AD,PPG")인 단계 5에서, 밸브(28)가 추가적으로 개방 위치로 설정되어 흡착제 용기(3)가 생성물에 의해 상부로부터 퍼징되게 한다. 균등화 단계("ED")인 단계 6에서, 공급 압축기(4)로의 전력이 제거되고, 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 압축기(4)는 감속된다. 이 시점에서, 밸브(23, 29)들은 폐쇄 위치로 설정되고 밸브(28)는 개방 위치로 설정되어 축적된 생성물 가스가 흡착제 베드(3)로 유동하게 한다.
도 3을 참조하면, 흡착제 베드(2)는 이어서 단계 7에서 감압 배출 및 균등화 단계("ED,EV")에 의해 재생된다. 이러한 단계 동안에, 밸브(22)가 개방 위치로 설정되어 폐기물 질소가 배출 압축기(5)의 작용에 의해 흡착제 베드(2)로부터 제거되게 한다. 부가적으로, 그러한 목적을 위해, 밸브(27)는 부분 개방 위치로 설정되고 밸브(28)는 완전 개방 위치로 설정된다. 밸브(25)가 개방 위치로 설정되어 흡착제 베드(3)가 공급 압축기(4)로부터 압축 공기를 공급받게 된다. 순수 배출 단계 8, 9 및 10 동안에, 밸브(27)는 폐쇄 위치로 재설정되고, 폐기물 질소는 배출 압축기(5)에 의해 흡착제 베드(2)의 저부로부터 계속 인출된다. 이들은 흡착제 베드 내의 압력이 떨어지는 모든 순수 배출 단계("EV")이다. 정압 배출과 생성물 퍼지 단계("EV,PG")인 후속적인 단계 11에서, 흡착제 베드(2)는 밸브(27)를 부분적으로 개방된 위치로 설정함으로써 산소 퍼지 가스에 의해 상부로부터 공급되면서 배출 압축기(5)에 의해 계속 배출된다. 그 후에, 승압 균등화 단계("EV, EU")인 단계 12가 수행된다. 이러한 최종 단계 동안에, 흡착제 베드(2)는 밸브(27)가 이제 완전 개방 위치로 설정된 동안에 배출 압축기(5)에 의해 계속 배출된다. 밸브(26)는 개방 위치로 설정되어 공급 압축기(4)에 의해 생성되는 상류측 압력이 통기되게 한다. 균등화 가스의 유동이 배출 압축기(5)에 의해 흡인되는 가스보다 더 크고 더 고압이기 때문에 압력이 상승한다. 도 3을 추가로 참조하면, 단계 7 내지 단계 10 동안에, 배출 압축기(5)의 속도가 증가함을 볼 수 있다. 단계 11 동안에 속도는 일정하고, 단계 12 동안에 배출 압축기(5)에 급전되지 않음에 따라 속도가 떨어진다. 그 후, 흡착제 베드(2)는 단계 1을 받게 되고 사이클이 반복된다. 앞서 언급된 바와 같이, 흡착제 베드(3)는 공급 압축기(4) 및 배출 압축기(5)의 사용에 의해 동일한 공급 및 배출 단계를 받게 된다. 배출 단계 7 내지 12 동안에, 흡착제 베드(3)는 흡착제 베드(2)에 대해 전술된 공급 압축 단계들을 받게 된다. 그러한 단계들 동안에, 밸브 위치들은 위의 표에 나타낸 바와 같다.
예시되지 않았지만, 밸브들은 압력 및 시간에 기초하여 단계적으로 진행하도록 프로그래밍될 프로그래밍가능 로직 제어기에 의해 제어될 것이다. 흡착 공정에서의 주기적 대칭의 종래의 설계 제약으로 인해, 흡착제 베드의 배출 및 가압에 사용되는 시간 단계들은 전형적으로 공정 내의 각각의 1/2 사이클에 대해 동등하고 지속기간이 고정된다. 따라서, 단계 1 및 단계 7뿐만 아니라 단계 2 및 단계 8 등등은 동등한 길이를 갖는다. 사이클에서 압력이 변하는 단계들의 지속기간은 보통 하나의 사이클로부터 다음 사이클까지 일정하며, 이는 안정하고 반복되는 압력 트레이스의 형성 및 따라서 최적의 작동을 용이하게 한다. 그러나, 압력이 상당히 변하지 않는 단계들의 지속기간, 예를 들어 흡착 동안의 단계 4 및 단계 5와, 배출 동안의 단계 10 및 단계 11은 지속기간이 하나의 사이클로부터 다음 사이클까지 변할 수 있다. 주로, 이들 단계의 지속기간을 조정함으로써 각각의 베드에 대해 생성 정도가 조작될 수 있으며, 따라서 순도는 이러한 방식으로 제어될 수 있다. 그러한 단계가 그의 설계된 지속기간보다 조기에 종료되면, 주기적 흡착 공정은 사이클에서 다음 단계로 단순히 이동한다. 부가적으로 그리고 본 발명의 개념에 대해 가장 중요하게, 이들 단계는 흡착 공정이 원하는 작동 범위 밖에 있는 베드 내의 압력을 달성한다면 종료될 수 있다. 이러한 작동 범위는 최고 흡착 압력과 최저 탈착 압력 사이이다. 다시 도 1을 참조하면, 이들 최고 흡착 압력 및 최저 탈착 압력은 도면 부호 30 및 31로 각각 표기된 압력 변환기(P3, P4)를 사용하여 측정된다. 사이클 내의 단계 1 내지 단계 6 동안에, 흡착제 베드(2)는 압력 변환기(30)에 의해 측정되는 바와 같이 그의 최고 흡착 압력에 도달할 때까지 압력이 상승한다. 동시에, 사이클 내의 단계 7 내지 단계 12 동안에, 흡착제 베드(3)는 압력 변환기(31)에 의해 측정되는 바와 같이 그의 최저 탈착 압력에 도달할 때까지 압력이 하강한다. 이어서, 흡착제 베드(2, 3)들은 사이클 내의 작동 모드들을 교환하고, 최고 흡착 압력을 측정하는 작업은 변환기(31)에 의해 달성되는데, 이때 최저 탈착 압력을 측정하는 작업이 변환기(30)에 의해 동시에 달성된다. 그들의 설계된 지속기간 전에 단계 4, 단계 5, 단계 10, 또는 단계 11을 종료시키는 것은 서지 이벤트 없이 달성될 수 없는 연관된 원심 압축기로부터의 압력비에 공정이 도달하는 것을 방지하는 데 사용될 수 있다.
제어기(14)는 미국 위스콘신주 밀워키에 위치된 로크웰 오토메이션(Rockwell Automation)으로부터 입수될 수 있는 RSLogix 500 소프트웨어 또는 등가물로 프로그래밍된 알렌 브래들리(Allen Bradley) SLC 5/05 프로세서일 수 있다. 제어기(14) 내의 프로그램은 미리 결정된 반복 시간 간격 동안에 연속적으로 실행된다. 제어기(14)는, 압력 변환기(15, 16,17, 18, 19, 20)들 및 바람직하게는 온도 변환기(32)에 의해 발생되고, 진공 압력 스윙 공정과 관련하여 사용되는 장치(1)의 설명을 단순화하려는 의도로 다이어그램으로부터 생략된 적합한 전기 접속부들에 의해 전송되는 신호들에 응답한다. 부가적으로, 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)에 의해 수행되는 반복 사이클에서의 실제의 현재 단계를 포함하는 제어기(14)로의 입력으로서 역할하는 데이터 입력(21)이 제공된다. 현재 단계에 관한 이러한 데이터는 논의된 방식으로 그러한 데이터에 응답하는 제어 프로그램으로의 입력으로서 역할한다. 데이터 입력(21)은 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)에 의해 수행되는 반복 사이클에서 밸브들을 제어하도록 작용하는 제어기로부터 얻어질 수 있다.
본 발명이 2-베드 진공 압력 스윙 흡착 공정을 참조하여 지금까지 기술되었지만, 이는 단일 베드 공정에 동일하게 적용가능하다. 단일 베드 공정이 수행되었던 당업계의 숙련자에게 공지되었을 바와 같이, 균등화 가스가 하나의 흡착제 베드로부터 통기되고 다른 흡착제 베드 내로 도입되는 장소에서, 회수 탱크가 이용될 수 있다. 생성이 불연속적일 것이기 때문에, 산소 서지 탱크(18)는 예시된 2-베드 장치 및 공정에 사용되는 것보다 더 큰 체적을 가질 것이다.
도 4를 참조하면, 제어 로직은 제어 프로그램에 의해 제어기(14) 내에 프로그래밍된다. 논리 블록(33)에 의해 예시된 바와 같은 프로그래밍의 제1 스테이지로서, 모터(10, 11)들은 밸브들의 위치설정에 관하여 전술된 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)에 의해 수행되는 반복 사이클과 함께 시작된다. 모터(10, 11)들을 시작함에 있어서, 이들은 설계 최대 속도의 40%를 구성하는 최소 속도로 운전되도록 설정된다. 이러한 속도 초과시, 추가의 전력이 모터에 인가되기 시작한다. 가변 주파수 드라이브(12, 13)들은 제어기(14)에 의해 발생되는 제어 신호들에 응답하여, 영구자석 모터(10, 11)들을 제어하여 서지를 피할 조절된 속도에서 운전되도록 하거나 고속 영구 자석 모터(10, 11)들로의 전력을 차단하고 이에 의해 영구 자석 모터(10, 11)들 및 따라서 압축기(4, 5)들이 반복 사이클에서 요구될 때 감속되게 한다.
제1 단계(33) 후에, 제어기는 이어서, 각각 바람직하게는 1 밀리초 미만인 미리 결정된 반복 시간 간격에 걸쳐 계속적 실행을 시작한다. 단계 34에서, 압력차 "dP"는 각각 압력 변환기(16, 17)들과 각각 압력 변환기(19, 20)들에 의해 측정되는 지점들에서 또는 임펠러에 연속적으로 더 인접 위치된 2개의 지점 또는 위치에서 압축기(4, 5)들의 시라우드에서 계산된다. 각각 압력 변환기(16, 17)들과 각각 압력 변환기(19, 20)들에 의해 측정되는 압력 사이의 이러한 압력차는 각각 압축기(4 또는 5)를 통과하는 유동과 관련될 수 있는 파라미터를 제공한다. 이와 관련하여, 유동은 유동 변환기에 의해 직접 측정될 수 있다. 도면 부호 35로 표기된 다음의 논리 실행 스테이지에서, 압축기를 가로지르는 압력비는 각각 압력 변환기(16, 15)들 또는 각각 압력 변환기(19, 18)들에 의해 측정되는 압력들, 또는 다시 말하면 압축기(4, 5)들 둘 모두에 대한 출구 압력과 입구 압력 사이의 비에 기초하여 계산되고 저장된다. 압력비 계산 및 저장 후에, 현재 압력비가 단계 36에서 이전 값과 비교된다.
압축기(4, 5)의 최적 속도는 피크 효율 작동선을 따라 놓이는, 논리 블록(34)에서 계산된 압력비로부터 논리 블록(37)에서 결정된다. 이는 사용된 특정 압축기에 대한 압축기 성능 데이터로부터 결정된다. 도 5를 참조하면, 그러한 데이터의 예가 제시되어 있다. 이러한 속도의 정확한 결정은, 도면에서 "최상 효율선"으로 지칭되는 피크 효율 작동선의 점들이 잘 알려진 곡선 맞춤 기술에 따라 맞춤되는, 순람표(look up table) 또는 다항식 방정식에서 올 수 있다. 이러한 곡선이 온도 변환기(32)에 의해 측정된 온도에 기초하여 약간 변할 것임이 이해된다. 이와 같이, 일군의 그러한 곡선들을 구성하는 제어 프로그램 내에 프로그래밍된 데이터가 있을 것이다. 온도가 중간 점에 놓이는 경우, 정확한 속도는 곡선들 사이에서 보간될 수 있거나, 작동 곡선이 도출된 설계 온도에 대한 측정된 온도의 비와 동일한 보정 계수가 곱해질 수 있다. 대안적으로, 장치(1)가 작동하는 예상 온도에 기초하는 단일 곡선이 있을 수 있다. 그러한 경우에, 온도 변환기(32)로부터의 온도의 입력에 대한 요건은 없을 것이다. 피크 효율 작동선을 가로지르는 선들은 압축기를 통한 유량에 따라 압력비가 변할 특정 속도들이다. 그래프로부터 명백한 바와 같이, 임의의 특정 속도에서, 서지가 발생할 압축기(4, 5)들을 통한 유량이 존재한다.
최적 속도가 실행 단계 37에서 계산된 후에, 진공 압력 스윙 흡착 사이클이 단계 1 또는 단계 5의 시작에 있는지, 즉 공급과 균등화 단계 또는 균등화 단계의 시작에 있는지 여부가 결정되는 논리 단계 38이 수행된다. 이러한 결정은 데이터 입력(21)으로부터 이루어진다. 그러한 단계들의 시작시에 있다면, 단계 39에 나타낸 바와 같이, 비-작동 속도가 프로그래밍에 의해 설정되고, 제어기(14)로부터 VFD(12, 13)로 전송되는 제어 신호는 그러한 비-작동 속도와 관련될 수 있을 것이다. 예를 들어, 이러한 속도는 모터(10, 11)의 설계 최대 속도의 40%일 수 있다. 가변 주파수 드라이브(12, 13)는 이어서, 제어 신호가 비-작동 속도와 관련될 수 있을 때 모터(10, 11)에 입력되는 에너지가 불능화되어 구동 트레인(모터 로터(rotor) 및 압축기 임펠러)이 어떠한 전력도 소비하지 않고서 그의 최소 속도로 프리-휠(free-wheel) 감속되거나 관성 서행(coast down)되게 하도록, 프로그래밍되거나 설정된다. 이와 관련하여, 가변 주파수 드라이브(12, 13)는 전형적으로 어떠한 수정도 없이 그렇게 기능하도록 설정된다. 이를 설명했으므로, 반복 사이클에서 적절할 때 전력을 차단하기 위해 영구 자석 모터(10, 11)들에 대한 전력 공급을 제어하는 신호를 생성하기 위해 제어기(14) 내에서 실행되는 제어 프로그램을 프로그래밍하는 것이 동등하게 가능하다. 도 5를 다시 참조하면, "전형적인 감속 선"은 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)에 의해 수행되는 반복 사이클이 하강 헤드 요건으로 인해 압축기 속도가 감속될 것을 요구할 때 압축기가 따르는 경로이다. 도 2를 다시 참조하면, 이는 공급 압축 서비스에서의 압축기에 대한 단계 5, 단계 6, 단계 11, 및 단계 12에서의 경우이며, 이는 또한 배출 서비스에서의 압축기에 대한 단계 5 및 단계 11에서의 경우이다.
결국, 구동 트레인은 각각 단계 2 및 단계 8, 또는 다시 말하면 각각의 베드를 위한 공급과 생성물 가압 단계 동안에, 공급 압축 서비스에서 압축기(4)에 급전해야 할 것이다. 또한 결국, 구동 트레인은 단계 1 및 단계 7 동안에 배출 서비스에서 압축기(5)에 급전해야 할 것이다. 공급 서비스에서의 압축기(4)에 관하여, 이는 단계 1과 단계 2의 시작 동안에 하강 압력으로 시작한다. 결과적으로, 단계 2의 개시시에, 제어기(14)로부터 VFD(12)로 전송된 제어 신호는 비-작동 속도와 관련될 수 있는 상태로 유지된다. 그러나, 도 2를 다시 참조하면, 그러한 단계의 일부분에 걸친 압력은 반복 사이클의 요건 및 영구 자석 모터(10)에의 전력의 인가로 인해 상승하기 시작한다. 전술한 동작을 달성하기 위해 적절한 제어를 실행하기 위하여, 단계 38에서의 로직이 부정적으로 응답된다면, 프로그램은 반복 사이클 중 단계인 "VPSA 단계"가 위에서 논의된 공급과 생성물 가압, 즉 단계 2에 있는지 여부가 결정되는 논리 블록(40)에 나타낸 시험의 실행으로 진행한다. 역시, 이러한 시험은 데이터 입력(21)에 기초하여 수행된다. 이러한 시험이 긍정적으로 응답된다면, 제어 프로그램의 실행은 논리 블록(41)에 나타낸 추가 시험의 실행으로 진행하고, 압력 변환기(16, 15)에 의해 측정되는 바와 같은 현재 압력비 "P2/P1"는 제어 프로그램 내에 앞서 프로그래밍되어 있는 "미리 결정된 P2/P1"의 미리결정된 압력비와 비교된다. 현재 압력비가 미리 결정된 압력비보다 작다면, 프로그램은 블록 39에 나타낸 프로그래밍의 실행 스테이지로 다시 진행하고 영구 자석 모터(10)는 계속 감속하게 된다. 예시된 바와 같이, 모터(10)로의 전력이 차단되는 경우, 제어 프로그램은 실행 스테이지 34로 되돌아간다. 그러나, 논리 블록(38, 40)들에 제시된 바와 같은 프로그래밍에서 수행되는 시험들이 부정적이거나 논리 블록(41)에서 수행되는 시험이 긍정적이라면, 반복 사이클은 가능하게는 영구자석 모터(10)에 전력이 인가되어야 하는 단계 2 또는 단계 7에 있다. 진공 압력 스윙 흡착 사이클에 의해 수행되는 반복 사이클 내의 그러한 지점에서, 압축기는 급전되고 있고, 따라서, 압축기(10)의 작동에서 서지 조건에 직면할 수 있는 가능성 또는 가망성이 있다. 서지 조건에 직면할 수 있는 압축기(10)의 작동을 피하기 위해, 프로그래밍 로직은 논리 블록(42)으로 시작하는 그의 실행의 나머지로 진행한다. 배출 서비스에서의 압축기(5)에 관하여, 압축기(5)를 모터(11)를 위한 최소 허용 작동 속도로 유지하는 블록(39)에서의 실행을 중단시킬 때를 결정하기 위해, 논리 블록(38, 40, 41)들을 통한 결정들의 동일한 진행이 또한 시작된다. 따라서, 배출 압축기(5)는 또한, 전력이 모터(11)에 인가되고 있고 변환기 신호(19 내지 18)들의 비에 의해 측정되는 바와 같이 압축기(5)를 가로지른 압력이 상승하기 시작할 때 논리 블록(42)으로 진행한다.
논리 블록(42)에 의해 도시된 바와 같은 프로그래밍의 실행에서, 각각의 압축기에 대한 논리 블록(34)에서의 계산된 압력차 "시라우드 dP"가 최소 dP와 비교된다. 최소 dP는 압축기(4 또는 5)가 안전율을 가지고 서지될 전체 사이클에 걸친 최소 값인 것으로 실험적으로 결정되는 값이다. 예를 들어, 압축기(4 또는 5)가 2 인치의 물과 동일한 dP에서 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)에 의해 수행되는 반복 사이클 동안 임의의 시간에 서지될 경우, 2 인치의 물에 15%를 곱하여 최소치를 얻는다. 이에 대한 대안은 논의될 도 5에서 예로서 도시된 바와 같이 압축기의 압축기 맵으로부터의 최적 속도의 계산과 함께, 단계 37에서 dP에서 결정하는 것이다.
논리 블록(68)의 실행은 중요한 단계인데, 그 이유는 어느 하나의 압축기를 통한 유량이 최소치보다 작다면, 압축기(4 또는 5)가 서지로 진입할 위험이 존재하기 때문이다. 그러나, 논리 블록(34)에서 얻어진 계산된 현재 압력차 dP가 최소치 이상이면, 압축기가 서지로 진입할 보다 낮은 확률이 존재한다. 그러나, 논리 블록(34)으로부터의 계산된 압력차가 그러한 최소치 이상인 경우에, 실행 단계(43)에 나타낸 바와 같이, 피드백 속도 승수가, 제어 프로그램의 이전 실행에서 결정된, 피드백 승수의 마지막 저장된 값("SMFB")을 비례 상수로 나눔으로써 계산된다. 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 이상일 때, 비례 상수는 1.0 초과의 값, 예를 들어 1.04와 동일하게 설정된다. 그러한 비례 상수의 정확한 값은 실험을 통해 결정되며, 조정 계수로서 간주될 수 있다. 그러나, 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 미만인 경우, 비례 상수는 단순히 1.0으로 설정된다. 그러한 피드백 승수에 블록(37)에 의해 예시된 실행 스테이지에서 계산된 최적 속도가 곱해진 때, 이의 효과는 비례 상수의 사용에 의해 속도를 약간 감소시키는 것이거나, 그러한 마지막 저장된 피드백 승수가 1.0 미만일 때 속도를 마지막 저장된 피드백 승수의 인자만큼 추가로 감소시키는 것일 것이다. 그러나, 단계 34에서 측정된 압력차가 최소 압력차 미만이라면, 실행 블록(44)에 나타낸 바와 같이, 속도를 증가시키는 효과를 가질 새로운 피드백 승수가 계산될 것이다. 블록(44)에서 고려되는 계산은 피드백 승수의 마지막 저장된 값에 속도 보정 계수를 더하는 것이다. 그러한 속도 보정 계수는 일정할 수 있지만, 바람직하게는 속도 보정 계수는 비례 항 및 적분 항을 포함한다. 프로그램의 각각의 실행 동안에, 압력차 오차는 블록(34)에서 계산된 압력차의 현재 값으로부터 최소 허용 값을 감산함으로써 계산되고 저장된다. 비례 항은 이러한 압력차 오차와 이전의 시간 간격 또는 제어 프로그램의 이전의 실행에서 계산된 이전의 압력차 오차 사이의 차이에 의해 이득 계수를 곱하고 그 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산된다. 이러한 이전의 압력차 오차는 현재 압력차 오차의 계산 및 저장 전에 블록(34)으로부터 판독되는 저장된 값으로부터 획득된다. 적분 항은 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 현재 압력차 오차를 곱함으로써 계산된다.
전술한 것은 하기 수학식에 의해 예시될 수 있다:
여기서, SMFBi = 피드백 속도 승수; SMFBi-1 = 피드백 속도 승수의 이전의 저장된 값, Kc는 이득이고; εi는 압력차 오차이고; εi-1은 압력차 오차의 마지막 저장된 값이고; τI는 적분 리셋 시간이고, t는 제어 프로그램의 실행 시간 간격이다. 따라서, 비례-적분 속도 제어가 여기서 수행되고 있으며, "이득" 및 "적분 리셋 시간"은 당업계에 공지된 방식으로 실험적으로 결정될 단순히 알려진 조정 계수들이다.
다음으로, 프로그램 실행은, 압축기가 배출 압축기로서 서비스 중인지 여부를 프로그램이 시험하는 논리 블록(45)으로 진행한다. 각각 공급 압축 및 배출 서비스에서의 압축기(4, 5)의 상이한 작동 속도 요건으로 인해, 프로그램은 논리 블록(45) 이후의 각각의 유형의 압축기를 위한 2개의 별개의 일련의 논리 및 실행 단계를 실행한다. 그러나, 각각의 압축기(4 또는 5)를 위한 블록(45) 이후의 제어 프로그램은 유사한 요소들을 포함하고, 따라서 병렬적인 각자의 프로그램들의 단계들의 설명은 예시적이다.
블록 45에 대한 응답이 부정적이라면, 압축기는 공급 공기 압축기로서 서비스 중이다. 프로그램은 실행 블록(46)으로 진행하고, 공급 공기 압축 서비스에서의 압축기의 작동을 위해 피드포워드 속도 승수가 필요하지 않다는 것이 본 발명자들의 경험이기 때문에, 1.0과 동일한 피드포워드 속도 승수의 값을 설정한다. 그러나, 그러한 피드포워드 속도 승수가 원하는 경우 공급 공기 압축 서비스를 위해 의도되는 진공 압력 스윙 장치(1)의 압축기의 속도를 조절하는 데 사용될 수 있다는 것이 본 발명자들에 의해 인식된다. 논리 블록(45)에 대한 응답이 긍정적이라면, 프로그램은 이어서 후속적인 논리 블록(47)으로 진행하는데, 여기서 전술된 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)에 의해 수행되는 반복 사이클의 현재 단계는 배출 단계, 또는 배출과 퍼지 단계에 있거나, 다시 말하면, 여기서 이는 배출, 또는 배출과 생성물 퍼지를 수반하는 단계 1, 단계 2, 단계 7 또는 단계 8에 있다. 진공 압력 스윙 흡착 공정이 이들 단계들 중 어느 하나에도 존재하지 않는 경우, 피드포워드 속도 승수는 도면 부호 48로 표기된 프로그램의 실행 블록에 나타낸 바와 같이 1.0에서 설정된다.
논리 블록(47)에서 수행되는 시험이 긍정적인 경우, 이어서, 배출 단계, 또는 배출과 퍼지 단계 동안에 그리고 특히 이들 2개의 단계들 사이의 전이에 또는 그 부근에 놓이는 진공 압력 스윙 흡착 사이클 동안의 일정 시점에서 서지를 방지할 단계(49)에서 피드포워드 속도 승수가 계산된다. 본 발명의 발명자들에 의해 잘 이해되지는 않았지만, 실제로, 그 작동 시점에서 서지에 진입하는 배출 서비스에서의 압축기(5)의 특정 위험이 존재한다는 것이 밝혀졌다. 어쨌든, 도 6을 참조하면, 단계 35에서 계산된 현재 압력비 값에 따라, 서지를 방지할 그러한 압력비에 의존하는 피드포워드 승수가 결정될 것이다. 이러한 피드포워드 승수에 피드백 속도 승수를 곱할 때, 효과는 피드백 속도 승수 단독으로부터 얻어질 것에 비해 총 속도 승수를 증가시키는 것일 것이다.
공급 공기 압축기로서 서비스 중인 압축기에 대해, 프로그램 실행은 다음으로 논리 블록(50)으로 진행하는데, 여기서 전술된 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)에 의해 수행되는 반복 사이클의 현재 단계가 공급과 퍼지 제공 단계의 종료에 도달하였는지 여부를 프로그램이 시험한다. 공급과 퍼지 제공 단계 5의 종료가 막 일어났다면, 생성물 퍼지 가스를 제공하는 베드 내의 압력의 측정이 진공 압력 스윙 흡착 장치(1)의 흡착제 베드(2) 상의 압력 변환기(30)를 통해 실행 블록(51)에서 이루어진다. 유사하게, 단계 11의 종료가 막 일어났다면, 흡착제 베드(3) 상의 변환기(31)로부터 측정이 이루어진다. 이어서, 이러한 압력 측정은 논리 블록(52)에서 진공 압력 스윙 공정을 위한 목표 최고 흡착 압력 설정점과 비교된다. 단계 52에서 계산된 압력차의 절대값이 전형적으로 2 인치의 물인 규정된 공차(tolerance)보다 크면, 프로그램은 실행 블록(53)으로 진행하는데, 여기서 새로운 공급 전역 속도 계수(GSFF)가 계산될 것이다. 규정된 공차는 GSF가 변화되어야 하는지 여부를 결정하는 제어 기법에 채용되는 불감대(deadband)이다. 규정된 공차는 약 +/- 14 인치의 물 내지 약 +/- 1 인치의 물의 범위 내의 어디에서도 변화할 수 있으며; 다른 실시예에서 약 +/- 10 인치 내지 약 +/- 2인치의 물이다. 전형적으로, 규정된 공차는 +/- 2 인치의 물이다. 공급 전역 속도 계수는, 블록(52)의 측정된 압력과 진공 압력 스윙 공정을 위한 목표 최고 흡착 압력 설정점 사이의 절대 차이를 감소시키는 목적을 가지고, 사이클 공정의 모든 단계에 걸쳐 압축기의 속도를 전반적으로 증가 또는 감소시키는 효과를 가질 것이다. 측정된 압력과 설정점 사이의 차이가 일부 공차보다 작다면, 공급 공기 압축 서비스에서의 압축기를 위한 전역 속도 계수(GSF)는 이전 사이클로부터 수정되지 않은 채로 있다. 이러한 재계산은 공급과 퍼지 제공 단계의 종료에서만 일어날 수 있기 때문에, 진공 압력 스윙 공정이 상기 단계의 종료에 막 도달하지 않는다면, 프로그램은 본 명세서에서 추가로 논의될 공급 총 속도 승수가 계산되는 실행 블록(54)으로 진행한다.
공급 공기 압축기로서 서비스 중인 압축기와 유사하게, 배출 압축기로서 서비스 중인 압축기(5)의 제어는 또한 프로그램 내의 일련의 논리 및 실행 단계들을 통해 진행하여, 진공 압력 스윙 공정 장치의 변환기(30, 31)들로부터의 압력 측정들에 기초하여 영구 자석 모터(11)의 속도를 전반적으로 증가 또는 감소시킨다. 배출과 생성물 퍼지 단계의 종료가 막 일어났다면, 논리 블록(55)은 긍정적이다. 막 종료된 배출과 생성물 퍼지 단계가 진공 압력 흡착 공정 단계 5였다면, 블록(56)이 이어서 실행되고 압력 변환기(31)를 통한 베드(3)의 압력 측정이 이루어진다. 유사하게, 단계 11이 막 종료되었다면, 압력 변환기(30)를 사용하는 베드(2)의 압력 측정이 실행된다. 이어서, 압력 측정이 논리 블록(57)에서의 목표 최저 탈착 압력 설정점과 비교된다. 블록(56)으로부터의 측정된 압력과 설정점 사이의 차이의 절대값이 규정된 공차(역시 전형적으로 2 인치의 물)보다 크다면, 블록(57)을 통한 진행이 긍정적이고, 진공 전역 속도 계수(GSFv)에 대한 값이 실행 블록(58)에서 재계산된다. 공급 전역 속도 계수와 유사하게, 진공 전역 속도 계수는 진공 압력 스윙 공정의 모든 단계에 걸쳐 배출 서비스에서의 압축기의 속도를 전반적으로 증가 또는 감소시키는 효과를 가질 것이다. 블록(56)으로부터의 측정된 압력과 설정점 사이의 절대 차이가 규정된 공차보다 작다면, 진공 전역 속도 계수는 이전 사이클로부터 수정되지 않은 채로 있다. 진공 전역 속도 계수의 재계산은 배출과 생성물 퍼지 단계의 종료에서만 일어나기 때문에, 진공 압력 스윙 공정이 상기 단계의 종료에 막 도달하지 않는다면, 프로그램은 진공 총 속도 승수가 계산되는 실행 블록(59)으로 진행한다.
블록(53) 및 블록(58)에서 고려되는 각자의 전역 속도 계수들의 재계산은 전역 속도 계수의 마지막 저장된 값에 전역 속도 계수 보정을 더하는 것이다. 그러한 GSF 보정은 일정할 수 있지만, 바람직하게는 GSF 보정 파라미터는 비례 항 및 적분 항을 포함한다. 각각의 공급 공기 및 배출 압축기를 위한 블록(52, 57)들에서 분석된 압력차의 절대값은 각각의 압축기를 위한 현재 압력차 오차로서 표시된다. 비례 항은 현재 압력차 오차와 이전의 시간 간격 또는 제어 프로그램의 이전의 실행에서 계산된 이전의 압력차 오차 사이의 차이에 의해 이득 계수를 곱하고 그 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산된다. 이러한 이전의 압력차 오차는 현재 압력차 오차의 계산 및 저장 전에 논리 블록(52 또는 57)으로부터 판독되는 저장된 값으로부터 획득된다. 적분 항은 또한 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 현재 압력차 오차를 곱함으로써 계산된다. 전술한 것은 하기 수학식에 의해 예시될 수 있다:
여기서, GSFi = 전역 속도 계수(여기서, i는 공급 공기 압축기 또는 배출 압축기를 나타냄); GSFi-1 = 각자의 전역 속도 계수의 이전의 저장된 값, Kc는 이득이고; εi는 각자의 압력차 오차이고; εi-1은 압력차 오차의 각자의 마지막 저장된 값이고; τI는 적분 리셋 시간이고, t는 제어 프로그램의 실행 시간 간격이다. 각각의 비례 이득 및 적분 리셋 시간을 위해 선택된 값은 각각의 공급 공기 압축기 및 배출 압축기에 대해 동일할 수 있지만 반드시 동일할 필요는 없다. 따라서, 비례-적분 속도 제어가 여기서 수행되고 있으며, "이득" 및 "적분 리셋 시간"은 당업계에 공지된 방식으로 실험적으로 결정될 단순히 알려진 조정 계수들이다.
공급 공기 압축기 및 배출 압축기 둘 모두에 대한 총 속도 승수는, 진공 압력 스윙 공정의 단계 5 또는 단계 11이 막 종료되었다면 단계 53 또는 단계 58에서 재계산될 수 있는 전역 속도 계수 및 단계 48 또는 단계 49에서 결정된 피드포워드 승수를 단계 43 또는 단계 44에서 결정된 피드백 속도 승수에 곱함으로써 각각 단계 54 및 단계 59에서 계산된다. 이어서, 단계 37에서 계산된 각자의 최적 속도에 각자의 총 속도 승수("SMγ")를 곱함으로써 각각의 압축기를 위한 조절된 최적 속도가 논리 블록(60 또는 61)에서 계산되어 조절된 속도를 얻는다. 이러한 조절된 속도는 이어서 각각 단계 62 및 단계 63에 나타낸 바와 같이 가변 주파수 드라이브(12, 13)의 속도를 설정하는 데 사용된다. 이와 관련하여, 제어기(14)는, 제어 프로그램에 의해 결정되는 조정된 속도의 값에 응답하여, 제어기(14)로부터 그러한 조절된 속도와 관련될 수 있는 VFD(12, 13)로 전달되는 제어 신호를 발생시킨다. 이어서, 이러한 제어 신호는 가변 주파수 드라이브(12 또는 13)에서 설정된 속도를 수정할 입력으로서 역할할 것이다. 다른 가능성은, 가변 주파수 드라이브가 제어기(14)에 의해 발생되는 조절된 속도의 출력을 판독하도록 프로그래밍되는 것일 것이다. 임의의 경우에, 프로그래밍은 실행 단계 34로 되돌아감으로써 재발생 실행 시간의 경과 후에 그의 다음 실행으로 진행한다.
도 2를 다시 참조하면, 본 발명의 속도 제어 배후의 전략은 기본적으로, 대부분의 경우에 압축기(4, 5)들을 도 3에 도시된 피크 효율 작동선 상에서 작동시킬 압력비에 기초한 속도를 얻는 것과 동시에 사이클 진공 압력 스윙 공정이 목표 최고 흡착 압력과 목표 최저 탈착 압력을 위한 설정점들 사이에서 일어나는 것을 보장하는 것이다. 구체적으로, 진공 압력 스윙 흡착 공정에서 단계 5 및 단계 11의 종결시, 배출 압축기(5)를 가로질러 발생된 압력비는 본 명세서에 기술된 실시예에서 약 2일 것이다. 그러나, 흡착제 베드는 주변과 관련하여 음의 게이지 압력일 것이다. 균등화 가스가 흡착제 베드(2 또는 3) 내로 다른 베드로부터 유동함에 따라, 균등화 가스를 받아들이는 베드의 베드 압력은, 질소를 제거하고 흡착제의 재생을 완료하도록 베드가 배출된, 배출과 생성물 퍼지 단계로부터 신속하게 상승한다. 그러나, 압축기(5)를 가로지르는 압력비가 관련되는 한, 압력 상승의 적어도 일부 동안에, 영구자석 모터(11)로부터 전력이 제거될 것이고, 도 2에 도시된 바와 같이, 이제 전력이 단계의 일부를 위해 인가되고 있고 압축기(4, 5)의 속도가 감속되고 있다. 균등화와 공급 가압 단계 동안에, 생성물 가스에 의해 가압이 계속되고, 압력 변환기(16, 15)들에 의해 감지되는 압력비가 베드 압력의 증가로 인해 증가하는 점에 도달되어, 압축기(4)의 속도가 도 3에 도시된 바와 같은 피크 효율 작동선을 따른 작동을 유지하도록 증가되어야 한다. 이들 단계 중 어느 하나 동안에, 압축기(4)가 충분히 신속하게 가속되지 않으면, 압력 변환기(16, 17)들에 의해 감지되는 바와 같은 압축기를 통한 유량은 서지를 피하기에 충분하지 않을 수 있다. 그러한 경우에, 이는 프로그램 실행 블록(42)에서의 시험에 대한 긍정적인 응답이 긍정적일 것이고, 서지를 피하기 위해 압축기의 속도를 필연적으로 증가시키는 피드백 승수가 계산될 상황일 것이다. 베드(2)를 위한 단계 3, 단계 4 및 단계 54, 또는 마찬가지로 베드(3)를 위한 단계 9, 단계 10 및 단계 11이 일어남에 따라, 압축기(4)를 가로지르는 압력비는 베드 압력의 증가로 인해 증가한다. 따라서, 압축기는 피크 효율 작동선을 따른 증가를 얻기 위해 가속된다. 그러한 시점에서, 압축기가 서지가 발생할 조건 부근의 어디에서의 질량 유동에 있을 가능성이 없으며; 블록(42)에서의 질의는 부정적으로 응답될 것이다. 이는 마지막 값이 1.0 이상인 경우 비례 상수에 의해 피드백 속도 승수를 추가로 감소시키거나, 피드백 속도 승수의 마지막 값에 의해 속도를 추가로 감소시킴으로써, 압축기 속도가 다시 피크 효율 작동선을 향해 감소되게 할 것이다.
공급과 퍼지 제공 단계의 종결 후에, 흡착제 베드는 재생될 필요가 있다. 이 시점에서, 공정이 단계 6에 있다면 균등화 가스가 흡착제 베드(2)로부터 흡착제 베드(3) 내로, 또는 공정이 단계 12에 있다면 흡착제 베드(3)로부터 베드(2) 내로 빠져나가게 된다. 압력비는 신속하게 떨어지고, 바람직하게는 전술된 바와 같이, 가변 주파수 드라이브(13)는 제어기(14)로부터 제공되고 논리 블록(39)에서 생성되는 비-작동 속도와 관련될 수 있는 제어 신호에 반응하고 영구 자석 모터(11)에 전력을 인가하는 것을 중단한다. 모터가 부하 해제되면, 서지 이벤트가 발생할 가능성이 없다. 그러나, 단계 1 또는 단계 7의 시작시, 압축기(5)는 진공 펌프로서 작용하고, 압력이 각각 흡착제 베드(3 또는 2) 내에서 감소함에 따라, 압력비는 상승하기 시작한다. 압축기를 통한 질량 유동이 충분하지 않은 경우, 서지가 발생할 수 있다. 그러나, 이제 적극적인 피드포워드 속도 승수가 도 6의 도움으로 계산된다. 압력비가 압력 변환기(19, 18)에 의해 측정되는 바와 같이 압축기를 가로질러 증가함에 따라, 피드포워드 속도 승수는 약 1.7의 압력비에서 피크 값으로 증가한다. 이러한 압력비는 서지가 발생할 가능성이 있는 압력비인 것으로 실험적으로 결정되며, 피드포워드 속도 승수는 서지를 피하기 위해 압축기의 속도를 충분히 증가시킬 그러한 값이도록 선택된다. 흡착제 베드의 배출로 인해 베드 압력이 추가로 감소함에 따라, 압력비가 추가로 증가한다. 그러나, 피드포워드 속도 승수는 감소한다. 이에 대한 이유는 모터 및 압축기 조합이 공기역학적 항력 및 관성 효과로 인해 즉시 반응하지 않을 것이라는 것이다. 결과적으로, 압력비가 증가함에 따라, 압축기의 속도는 점진적으로 증가되고, 피크 후에, 속도는 점진적으로 감소되어, 압축기가 감속하고 피크 효율로 되돌아가게 하여, 영구자석 모터로의 전력이 제거되는 다음 단계 6 또는 단계 12가 일어날 수 있도록 한다.
도 6을 구체적으로 참조하면, 바람직하게는 피드포워드 속도 승수의 응답은 피드포워드 속도 승수가 하기의 수학식에 의해 주어지는 가우스 함수를 이용하여 얻어진다:
개시 + 진폭[F/분산];
여기서, F = (P2/P1-중심)2이다. "개시"는 도 4에 도시된 곡선을 상하로 이동시킬 것이고, "진폭"은 피크를 상하로 이동시킬 것이다. "중심"은 피크가 일어나는 압력비를 이동시킬 것이고, "분산(spread)"은 곡선이 중심으로부터 퍼지는 비율을 제어한다. 따라서, 곡선 자체가 제어 프로그램 내에 프로그래밍될 수 있거나, 순람표 내의 데이터 점들이 마찬가지로 프로그래밍될 수 있다. 이를 설명했으므로, 예시된 가우스 곡선이라기보다는, 곡선이 삼각형일 수 있다. 덜 바람직하지만 가능하게, 피드포워드 속도 승수를 위한 곡선의 피크를 단지 사용할 것이다. 마찬가지로, 압축기를 통한 유량이 허용 점 미만으로 떨어지면 압축기 속도가 증가되고 유량이 허용 점 위에서 유지되면 고정 계수만큼 감소되도록 피드백 속도 승수를 위한 고정된 증가 계수를 사용하는 것이 가능할 것이다. 이들 중 어느 것도 바람직하지 않은 이유는, 압축기의 작동의 보다 큰 부분이 피크 효율 작동선으로부터 벗어날 것이고, 따라서 장치(1)는 더 많은 전력을 소비할 것이다.
전술된 바와 같이, 매우 낮은 속도로 전력을 제거하기 위한 가변 주파수 드라이브(12 또는 13)의 프로그래밍이 또한 선택적이지만, 인식될 수 있는 바와 같이, 그러한 작동은 또한 전력을 절감한다. 전술한 모든 것을 설명했으므로, 전력이 모터(10 또는 11)로부터 결코 제거되지 않는 본 발명의 실시예를 수행하는 것이 가능하다. 다시 말하면, 프로그래밍가능 스테이지(38 내지 41)들을 갖지 않는 실시예. 그러나, 모터로의 전력이 불능화되지 않으면, 가변 주파수 드라이브(12, 13)는 각각 모터(10, 11)들에 전력을 입력하여서 더 많은 전력을 소비함으로써 속도를 미리 프로그래밍된 경로를 따라 줄이고자 할 것이다. 그러나, 적어도, 본 발명은 후속적인 논리 블록(45 내지 63)들에 나타낸 유형의 프로그래밍 로직을 고려하는데, 이 논리 블록들에서 압축기(4, 5)들이 서지 작동 조건들, 즉, 본 사이클에서, 압축기(4)를 가로지르는 압력비가 상승하고 따라서 전력이 영구 자석 모터(10)에 인가될 필요가 있는 단계 2, 공급 공기 압축기를 위한 단계 3 내지 단계 5, 및 배출 압축기를 위한 단계 8 내지 단계 11의 일부에 직면할 가능성이 적어도 있다.
도 1을 다시 구체적으로 참조하면, 공급 공기 압축기(4) 및 배출 압축기(5) 둘 모두가 서지되기 쉬운 원심 압축기인 것으로 고려되지만, 공급 압축기(4)가 용적형(positive displacement) 송풍기 또는 공기 펌프, 바람직하게는 루츠 유형의 것에 의해 형성되는 것이 가능하다. 일정한 회전 속도로 운전되지 않는다면 그러한 압축기의 가속 및 감속 특성은 원심 압축기의 것들과 상당히 상이할 것이며, 그러한 압축기는 도 1에 도시된 진공 압력 스윙 장치(1)의 원심 압축기(4, 5)들과 동일한 방식으로 서지되기 쉽지 않을 것이다. 그러한 경우에, 공급 압축기(4)는 원심 압축기에 필요할 서지 회피 제어를 필요로 하지 않을 것이다. 그러나, 배출 압축기(5)는 어느 경우에도 원심 압축기일 것이며, 따라서 서지되기 쉬울 것이다. 이와 관련하여, 배출 압축기(5)의 제어를 위해 도시된 제어 전략은 많은 점에서 도 4에 도시된 것과 동일할 것이다.
본 발명은 단일 압축기가 둘 모두의 베드를 위한 공급 압축기로서 작용하고 제2 압축기가 둘 모두의 베드를 위한 배출 압축기로서 작용하는 2-베드 진공 압력 스윙 흡착 사이클을 참조하여 논의되었지만, 당업자는 각각의 베드를 위한 공급 압축 및 배출 역할 둘 모두를 위해 단일 원심 압축기를 사용할 수 있고/있거나 2개 초과의 베드를 사용할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 기술의 그러한 실시예에서, 배출을 위해 사용되고 있는 임의의 압축기가, 본 명세서에 기술된 사이클 압력 스윙 공정의 단계 1 및 단계 7 동안에 장치(1)의 배출 압축기(5)에 대해 일어나는 바와 같은, 영구 자석 모터로의 전력 전달의 시작과 연관된 서지를 위한 그러한 추가의 위험을 겪을 수 있다는 것이 바람직한 실시예의 대부분의 설명으로부터 명백하다. 이러한 배출 서비스에서의 임의의 그러한 압축기에 대해, 도 4의 프로그래밍가능 제어 다이어그램의 프로그램 블록(47 내지 49)들에 기술된 바와 같은 피드포워드 계수의 계산 및 사용은 서지 조건의 회피를 위해 필요하다.
본 발명이 바람직한 실시예에 관하여 기재되었지만, 당업자가 생각할 수 있을 바와 같이, 다수의 변경, 부가 및 생략이 첨부된 청구범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.
Claims (26)
- 유체 스트림(stream)을 수용하도록 구성된 입구 및 가압된 유체 스트림을 토출하도록 구성된 출구를 각각 갖는 2개 이상의 원심 압축기들을 포함하는 진공 압력 스윙 흡착 장치(vacuum pressure swing adsorption apparatus) 내에서 원심 압축기 속도를 제어하는 방법으로서,
각각의 원심 압축기의 입구로 진입하는 유체 스트림의 유량을 측정 및 계산하는 단계 - 원심 압축기들은 가변 주파수 드라이브(variable frequency drive)에 의해 제어되는 속도를 갖는 전기 모터들에 의해 직접 구동됨 -;
각각의 압축기의 출구에서의 가압된 유체 스트림의 압력 및 각각의 압축기의 입구에서의 유체 스트림의 압력을 측정 및 계산하고, 각각의 원심 압축기의 입구 압력에 대한 출구 압력의 압력비를 계산하는 단계;
압력비에 기초하고 원심 압축기의 피크 효율 작동선(peak efficiency operating line)을 따라 놓이는 각각의 원심 압축기의 최적 속도를 결정하는 단계 - 원심 압축기들은 가변 주파수 드라이브에 의해 제어되는 속도를 갖는 전기 모터들에 의해 직접 구동됨 -;
각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 최소 허용 유량 - 여기서 서지(surge) 조건들이 최적 속도에서 일어날 수 있음 - 을 결정하는 단계;
최적 속도가 곱해진 때, 원심 압축기를 통과하는 유량이 최소 허용 유량 미만인 경우 속도를 증가시키거나 원심 압축기를 통과하는 유량이 최소 허용 유량 이상인 경우 속도를 감소시킬 피드백 승수(feedback multiplier)를 결정하는 단계;
각각의 흡착 용기(vessel)에 대한 목표 최고 흡착 압력 설정점을 설정하는 단계;
진공 압력 스윙 흡착 장치에 의해 수행되는 반복 사이클의 순수 배출 단계(pure evacuation step) 및 배출과 생성물 퍼지 단계(evacuation with product purge step) 이외의, 원심 압축기가 서지 조건들에 직면할 가능성이 최소인 그의 단계들 동안에, 피드백 승수와 전역 속도 계수(global speed factor)의 곱과 동일한 총 속도 승수(total speed multiplier)를 설정하는 단계 - 최적 속도가 곱해진 때, 얻어진 최고 압력이 목표 최고 흡착 압력 설정점 미만인 경우 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계의 속도를 증가시키고, 얻어진 최고 압력이 목표 최고 흡착 압력 설정점 초과인 경우 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계의 속도를 감소시킬 전역 속도 계수는 생성과 퍼지 제공 단계(production with provide purge step)의 종료시에 결정됨 -;
순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에, 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 없도록, 순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에 속도를 증가시킬 피드포워드 승수(feed forward multiplier)를 계산하는 단계;
각각의 흡착 용기를 위한 최저 목표 탈착(desorption) 설정점을 설정하는 단계;
최적 속도가 곱해진 때, 얻어진 최저 압력이 목표 최저 탈착 압력 설정점 미만인 경우 진공 압력 스윙 장치를 배출시키는 기계의 속도를 감소시키고, 얻어진 최저 압력이 목표 최저 탈착 압력 설정점 초과인 경우 진공 압력 스윙 장치를 배출시키는 기계의 속도를 증가시킬 진공 전역 속도 계수(vacuum global speed factor)를 배출과 생성물 퍼지 단계의 종료시에 결정하는 단계;
최적 속도가 곱해진 때, 얻어진 최고 압력이 목표 최고 흡착 압력 설정점 미만인 경우 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계의 속도를 증가시키고, 얻어진 최고 압력이 목표 최고 흡착 압력 설정점 초과인 경우 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계의 속도를 증가시킬 공급 전역 속도 계수(feed global speed factor)를 생성과 퍼지 제공 단계의 종료시에 결정하는 단계;
피드백 승수, 피드포워드 승수, 및 공급 전역 속도 계수를 함께 곱함으로써, 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계를 위한 공급 총 속도 승수를 계산하는 단계;
피드백 승수, 피드포워드 승수, 및 진공 전역 속도 계수를 함께 곱함으로써, 진공 압력 스윙 장치를 배출시키는 기계를 위한 진공 총 속도 승수를 계산하는 단계;
최적 속도에 각각 공급 총 속도 승수 또는 진공 총 속도 승수를 곱함으로써, 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계 및 진공 압력 스윙 장치를 배출시키는 기계 둘 모두를 위한 조절된 속도를 계산하는 단계; 및
각각의 기계를 위한 조절된 속도와 적어도 관련될 수 있는 제어 신호를 발생시키고, 전기 모터 및 원심 압축기가 조절된 속도로 작동하도록 제어 신호를 각각의 각자의 기계를 위한 가변 주파수 드라이브 내로 입력하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
진공 압력 스윙 흡착 공정은 진공 압력 스윙 흡착 장치의 흡착제 베드(adsorption bed)들에 압축 가스(compressed gas)를 공급하기 위한 공급 압축기, 및 흡착제 베드들로부터 가스들을 배출시키기 위한 배출 압축기를 이용하고, 상기 공급 및 배출 압축기들은 둘 모두 원심 압축기들인, 방법. - 제1항에 있어서,
진공 압력 스윙 흡착 공정은 각각의 흡착제 베드에 압축 가스를 공급하고 각각의 흡착제 베드로부터 가스들을 배출시키기 위해 단일 압축기를 사용하는, 방법. - 제2항에 있어서,
반복 사이클은 배출과 생성물 퍼지 단계에 후속적인 감압 균등화 단계(falling pressure equalization step) 및 승압 균등화 단계(rising pressure equalization step)를 포함하고;
감압 균등화 단계 및 승압 균등화 단계 동안에, 제어 신호는 배출 압축기를 구동하는 전기 모터에 전기 전력이 인가되지 않도록 비-작동 속도(non-operational speed)와 관련될 수 있고;
미리 결정된 압력비가 감압 균등화 단계 동안에 얻어질 때, 제어 신호는 조절된 속도와 다시 관련될 수 있어 배출 압축기가 조절된 속도로 작동하도록 하는, 방법. - 제1항에 있어서,
피드백 승수가 결정될 때마다, 피드백 승수는 저장되고;
유량이 각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 최소 허용 유량 - 여기서 서지 조건들이 최적 속도에서 일어날 수 있음 - 미만인 때, 피드백 승수는 백 승수의 마지막 저장된 값에 속도 보정 계수(speed correction factor)를 더함으로써 결정되고;
각각의 원심 압축기를 통한 유량이 상기 유량 - 여기서 서지 조건들이 최적 속도에서 일어날 수 있음 - 이상일 때, 피드백 속도 승수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값을 비례 상수로 나눔으로써 계산되며, 비례 상수는 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 이상인 경우 1.0 초과인 값과 동일하게 설정되고, 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 미만인 경우 1.0과 동일하게 설정되는, 방법. - 제1항에 있어서,
피드포워드 승수는 압력비의 함수이고;
함수는 미리 결정된 압력비 - 이 압력비에서 또는 그 직전에서 배출 단계와 퍼지 단계 사이의 전이 동안에 서지 조건들이 일어날 가능성이 있을 것임 - 에서 피드포워드 승수의 최대 값을 갖고, 최대 값보다 크거나 작은 압력비들에서 피드포워드 승수의 값을 감소시키며;
최대 밸브는 최대 밸브에 미리 결정된 압력비에서 최적 속도가 곱해진 때, 결과적인 속도가 서지 조건들이 일어나는 것을 방지하도록 미리 선택된 크기를 갖는, 방법. - 제6항에 있어서, 함수는 가우스 함수(Gaussian function)인, 방법.
- 제1항에 있어서, 각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 최소 허용 유량은 원심 압축기의 시라우드(shroud) 내에 있고 원심 압축기의 임펠러에 연속적으로 더 근접한 2개의 지점들에서의 압력차를 측정함으로써 계산되는, 방법.
- 제5항에 있어서,
각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 최소 허용 유량은 원심 압축기의 임펠러에 연속적으로 더 근접한, 원심 압축기의 시라우드 내의 2개의 지점들에서의 압력차를 상이한 시간 간격들에서 측정함으로써 계산되고;
시간 간격들 각각 동안에, 압력차 오차는 각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 최소 허용 유량 - 여기서 서지 조건들이 최적 속도에서 일어날 수 있음 - 을 압력차의 현재 값으로부터 감산함으로써 계산 및 저장되며;
피드백 승수의 속도 보정 계수는 비례 항을 적분 항에 더하는 것을 포함하는 비례 적분 제어를 통해 시간 간격들 각각 동안에 계산되며, 비례 항은 압력차 오차와 이전의 시간 간격에서 계산된 이전의 압력차 오차 사이의 차이를 이득 계수에 곱하고 상기 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산되며, 적분 항은 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 압력차 오차를 곱함으로써 계산되는, 방법. - 제8항에 있어서,
피드포워드 승수는 압력비의 가우스 함수이고;
가우스 함수는 미리 결정된 압력비 - 이 압력비에서 또는 그 직전에서 배출 단계와 퍼지 단계 사이의 전이 동안에 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 있을 것임 - 에서 피드포워드 승수의 최대 값을 갖고, 최대 값보다 크거나 작은 압력비들에서 피드포워드 승수의 값을 감소시키며;
최대 밸브는 최대 밸브에 미리 결정된 압력비에서 최적 속도가 곱해진 때, 결과적인 속도가 원심 압축기가 서지 조건들에 진입하는 것을 방지하도록 미리 선택된 크기를 갖는, 방법. - 제1항에 있어서,
공급 전역 속도 계수 승수가 결정될 때마다, 전역 속도 계수 승수가 저장되고;
공급과 퍼지 제공 단계의 종료시의 진공 압력 스윙 장치 내의 측정된 압력과 목표 최고 흡착 압력 사이의 절대 차이가 +/- 2 인치의 물로 설정된 최소 허용 공차(tolerance)보다 클 때, 공급 전역 속도 계수 승수는 공급 전역 속도 계수 승수의 마지막 저장된 값에 공급 전역 속도 계수 보정 계수를 더함으로써 결정되며;
공급과 퍼지 제공 단계의 종료시의 진공 압력 스윙 장치 내의 측정된 압력과 목표 최고 흡착 압력 사이의 절대 차이가 +/- 2 인치의 물의 최소 허용 공차보다 작을 때, 공급 전역 속도 계수 승수는 공급 전역 속도 계수 승수의 마지막 저장된 값과 동일하게 설정되는, 방법. - 제1항에 있어서,
진공 전역 속도 계수 승수가 결정될 때마다, 전역 속도 계수 승수가 저장되고;
배출과 생성물 퍼지 단계의 종료시의 진공 압력 스윙 장치 내의 측정된 압력과 목표 최저 탈착 압력 사이의 절대 차이가 +/- 2 인치의 물로 설정된 최소 허용 공차보다 클 때, 진공 전역 속도 계수 승수는 진공 전역 속도 계수 승수의 마지막 저장된 값에 진공 전역 속도 계수 보정 계수를 더함으로써 결정되며;
배출과 생성물 퍼지 단계의 종료시의 진공 압력 스윙 장치 내의 측정된 압력과 목표 최저 탈착 압력 사이의 절대 차이가 +/- 2 인치의 물의 최소 허용 공차보다 작을 때, 진공 전역 속도 계수 승수는 진공 전역 속도 계수 승수의 마지막 저장된 값과 동일하게 설정되는, 방법. - 진공 압력 스윙 흡착 장치 내에서 원심 압축기 속도를 제어하기 위한 제어 시스템으로서,
가변 주파수 드라이브에 의해 제어되는 속도를 갖는 전기 모터에 의해 직접 구동되는 원심 압축기로 진입하는 가스의 유량을 감지하기 위한 수단;
원심 압축기의 입구 및 출구에서 압력을 감지하도록 위치되는 압력 변환기들;
진공 압력 스윙 흡착 장치의 흡착제 베드에서 압력을 감지하도록 위치되는 압력 변환기들;
파라미터 감지 수단, 압력 변환기들, 및 진공 압력 스윙 흡착 장치에 의해 수행되는 반복 사이클의 단계들에 응답하는 제어기
를 포함하고,
제어기는,
원심 압축기의 입구에 대한 출구의 압력들의 압력비를 계산하고,
압력비에 기초하고 원심 압축기의 피크 효율 작동선을 따라 놓이는, 원심 압축기의 최적 속도를 결정하고,
각각의 원심 압축기를 통과하는 유체 스트림의 최소 허용 유량 - 여기서 서지 조건들이 최적 속도에서 일어날 가능성 있음 - 을 결정하고,
최적 속도가 곱해진 때, 유량이 최소 허용 유량 미만인 경우 속도를 증가시키거나 유량이 최소 허용 유량 이상인 경우 속도를 감소시킬 피드백 승수를 결정하고,
최적 속도가 곱해진 때, 공급과 퍼지 제공 단계 동안에 가압되는 진공 압력 스윙 장치의 흡착제 베드에서 측정된 최고 압력이 목표 최고 흡착 압력 미만인 경우 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계의 속도를 증가시키고, 공급과 퍼지 제공 단계 동안에 가압되는 진공 압력 스윙 장치의 흡착제 베드에서 측정된 최고 압력이 목표 최고 흡착 압력 초과인 경우 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계의 속도를 감소시킬 공급 전역 속도 값을 공급과 퍼지 제공 단계의 종료시에 결정하고,
최적 속도가 곱해진 때, 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에 배출되는 진공 압력 스윙 장치의 흡착제 베드에서 측정된 최저 압력이 목표 최저 탈착 압력 초과인 경우 진공 압력 스윙 장치를 배출시키는 기계의 속도를 감소시키고, 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에 진공 압력 스윙 장치의 흡착제 베드에서 측정된 최저 압력이 목표 최저 탈착 압력 초과인 경우 배출되는 진공 압력 스윙 장치를 배출시키는 기계의 속도를 증가시킬 진공 전역 속도 계수를 배출과 생성물 퍼지 단계의 종료시에 결정하고,
반복 사이클의 순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 이외의, 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 최소인, 반복 사이클의 단계들 동안에 피드백 승수와 공급 전역 속도 계수의 수학적 곱과 동일한 진공 총 속도 승수를 설정하고,
순수 배출 단계 및 배출과 생성물 퍼지 단계 동안에 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 없도록 속도를 증가시킬, 피드백 승수, 피드포워드 승수 및 진공 전역 속도 계수 승수의 수학적 곱과 동일한 진공 총 속도 승수를 설정하고,
피드백 승수 및 공급 전역 속도 계수의 수학적 곱과 동일한 공급 총 속도 승수를 설정하고,
최적 속도에 각각 공급 총 속도 승수 및 진공 총 속도 승수를 곱함으로써, 진공 압력 스윙 장치를 가압하는 기계 및 진공 압력 스윙 장치를 배출시키는 기계 둘 모두를 위한 조절된 속도를 계산하도록
프로그래밍된 제어 프로그램을 가지며,
제어기는 제어 프로그램에 응답하고 가변 주파수 드라이브 내로의 입력으로서 역할할 수 있는 제어 신호를 발생시키도록 구성되어, 각각의 원심 압축기를 위한 전기 모터의 속도가 제어 신호에 응답하여 제어되도록 하며, 제어 신호는 각각의 전기 모터 및 따라서 각각의 원심 압축기가 조절된 속도로 작동하도록 적어도 조절된 속도와 관련될 수 있는, 제어 시스템. - 제13항에 있어서,
진공 압력 스윙 흡착 장치는 진공 압력 스윙 흡착 장치의 흡착제 베드들 각각에 압축 가스를 공급하기 위한 공급 압축기, 및 흡착제 베드들 각각으로부터 가스들을 배출시키는 데 사용되는 배출 압축기를 이용하고,
공급 압축기 및 배출 압축기는 둘 모두 원심 압축기들인, 제어 시스템. - 제14항에 있어서,
반복 사이클은 배출과 생성물 퍼지 단계에 후속적인 공급과 균등화 단계(feed with equalization step), 공급과 균등화 단계를 뒤따르는 공급과 생성물 재가압 단계(feed with product repressurization step), 및 순수 배출 단계 이전의 균등화 단계를 포함하고;
제어 프로그램은 가변 주파수 드라이브가 전기 모터로부터 전기 전력을 제거할 비-작동 속도를 생성하도록 프로그래밍되고, 제어 신호는 제어 프로그램에 의해 생성될 때 비-작동 속도와 관련될 수 있고;
공급과 균등화 단계, 균등화 단계, 및 공급과 생성물 재가압 단계의 개시 동안에, 제어 프로그램은 제어 신호가 가변 주파수 드라이브 내로 입력될 때 전기 전력이 전기 모터에 인가되지 않도록 비-작동 속도를 생성하고;
제어 프로그램은 또한, 공급과 생성물 재가압 단계 동안에 압력비의 미리 결정된 압력비가 얻어질 때, 제어 신호가 조절된 속도와 다시 관련될 수 있어 전기 모터 및 따라서 압축기가 조절된 속도로 작동하게 하도록 프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제14항에 있어서,
반복 사이클은 배출과 퍼지 단계에 후속적인 감압 균등화 단계 및 승압 균등화 단계를 포함하고;
제어 프로그램은 가변 주파수 드라이브가 전기 모터로부터 전기 전력을 제거할 비-작동 속도를 생성하도록 프로그래밍되고, 제어 신호는 제어 프로그램에 의해 생성될 때 비-작동 속도와 관련될 수 있고;
감압 균등화 단계 및 승압 균등화 단계 동안에, 제어 프로그램은 제어 신호가 가변 주파수 드라이브 내로 입력될 때 배출 압축기를 구동하는 전기 모터에 전기 전력이 인가되지 않도록 비-작동 속도를 생성하며; 제어 프로그램은 또한 압력비의 미리 결정된 압력비가 감압 균등화 단계 동안에 얻어질 때, 제어 신호가 조절된 속도와 다시 관련될 수 있어 전기 모터 및 따라서 배출 압축기가 조절된 속도로 작동하게 하도록 프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제13항에 있어서, 제어 프로그램은,
피드백 승수가 결정될 때마다, 피드백 승수가 저장되고;
각각의 원심 압축기를 통한 유량이 최소 허용 유량 - 여기서 서지 조건들이 최적 속도에서 일어날 수 있음 - 이상이고 파라미터가 최소 허용 값보다 작은 경우, 피드백 승수가 피드백 승수의 마지막 저장된 값에 속도 보정 계수를 더함으로써 결정되고;
각각의 원심 압축기를 통한 유량이 최소 허용 유량 - 여기서 서지 조건들이 최적 속도에서 일어날 수 있음 - 이상일 때, 피드백 속도 승수가 피드백 승수의 마지막 저장된 값을 비례 상수로 나눔으로써 결정되며, 비례 상수가 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 이상인 경우 1.0 초과인 값과 동일하게 설정되고, 피드백 승수의 마지막 저장된 값이 1.0 미만인 경우 1.0과 동일하게 설정되도록
프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제13항에 있어서, 제어 프로그램은,
피드포워드 승수가 압력비의 함수이고;
함수가 미리 결정된 압력비 - 이 압력비에서 또는 그 직전에서 배출 단계와 퍼지 단계 사이의 전이 동안에 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 있을 것임 - 에서 피드포워드 승수의 최대 값을 갖고, 최대 값보다 크거나 작은 압력비들에서 피드포워드 승수의 값을 감소시키며;
최대 밸브가 최대 밸브에 미리 결정된 압력비에서 최적 속도가 곱해진 때, 결과적인 속도가 원심 압축기가 서지 조건들에 진입하는 것을 방지하도록 미리 선택된 크기를 갖도록
프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제18항에 있어서, 함수는 가우스 함수인, 제어 시스템.
- 제13항에 있어서,
유량 감지 수단은 원심 압축기의 임펠러에 연속적으로 더 근접한, 원심 압축기의 시라우드 내의 2개의 지점들에 위치된 2개의 추가의 압력 변환기들이고;
제어 프로그램은 2개의 추가의 압력 변환기들에 의해 측정된 압력으로부터 압력차를 계산하도록 프로그래밍되고;
유량은 압력차로부터 계산되는, 제어 시스템. - 제17항에 있어서,
유량 감지 수단은 원심 압축기의 임펠러에 연속적으로 더 근접한, 원심 압축기의 시라우드 내의 2개의 지점들에 위치된 2개의 추가의 압력 변환기들이고;
제어 프로그램은 2개의 추가의 압력 변환기들에 의해 측정된 압력으로부터 압력차를 계산하도록 프로그래밍되고;
유량은 압력차로부터 계산되고;
제어 프로그램은,
시간 간격들 각각 동안에, 압력차 오차가 압력차의 현재 값으로부터 최소 허용 값을 감산함으로써 계산 및 저장되고,
피드백 승수의 속도 보정 계수가 비례 항을 적분 항에 더하는 것을 포함하는 비례 적분 제어를 통해 시간 간격들 각각 동안에 계산되며, 비례 항이 압력차 오차와 이전의 시간 간격에서 계산된 이전의 압력차 오차 사이의 차이를 이득 계수에 곱하고 상기 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산되며, 적분 항이 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 압력차 오차를 곱함으로써 계산되도록
프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제21항에 있어서, 제어 프로그램은,
피드포워드 승수가 압력비의 가우스 함수이고;
가우스 함수가 미리 결정된 압력비 - 이 압력비에서 또는 그 직전에서 배출 단계와 퍼지 단계 사이의 전이 동안에 원심 압축기가 서지 조건들에 진입할 가능성이 있을 것임 - 에서 피드포워드 승수의 최대 값을 갖고, 최대 값보다 크거나 작은 압력비들에서 피드포워드 승수의 값을 감소시키며;
최대 값이 최대 값에 미리 결정된 압력비에서 최적 속도가 곱해진 때, 결과적인 속도가 원심 압축기가 서지 조건들에 진입하는 것을 방지하도록 미리 선택된 크기를 갖도록
프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제13항에 있어서, 제어 프로그램은,
진공 전역 속도 계수가 결정될 때마다, 진공 전역 속도 계수가 저장되고;
측정된 압력과 목표 최저 탈착 압력 설정점 사이의 차이가 허용 공차 초과일 때, 진공 전역 속도 계수가 진공 전역 속도 계수의 마지막 저장된 값에 진공 전역 속도 보정 계수를 더함으로써 결정되고;
측정된 압력과 목표 최저 탈착 압력 설정점 사이의 차이가 +/- 2 인치의 물의 압력 공차 이하일 때, 진공 전역 속도 계수가 진공 전역 속도 계수의 마지막 저장된 값인 것으로 결정되도록
프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제23항에 있어서, 진공 전역 속도 계수는 비례 항을 적분 항에 더하는 것을 포함하는 비례 적분 제어를 통해 계산되고, 비례 항은 측정된 압력과 목표 최저 탈착 압력 설정점 사이의 차이 및 측정된 압력과 이전의 시간 간격에서 계산된 목표 최저 탈착 압력 설정점 사이의 이전의 차이를 이득 계수에 곱하고 상기 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산되며, 적분 항은 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 측정된 압력과 목표 최저 탈착 압력 설정점 사이의 차이를 곱함으로써 계산되는, 제어 시스템.
- 제13항에 있어서, 제어 프로그램은,
공급 전역 속도 계수가 결정될 때마다, 공급 전역 속도 계수가 저장되고;
측정된 압력과 목표 최고 흡착 압력 설정점 사이의 차이가 +/- 2 인치의 물의 허용 공차 초과일 때, 공급 전역 속도 계수가 공급 전역 속도 계수의 마지막 저장된 값에 공급 전역 속도 보정 계수를 더함으로써 결정되고;
측정된 압력과 목표 최고 흡착 압력 설정점 사이의 차이가 =/- 2 인치의 물의 공차 이하일 때, 공급 전역 속도 계수가 공급 전역 속도 계수의 마지막 저장된 값인 것으로 결정되도록
프로그래밍되는, 제어 시스템. - 제25항에 있어서, 공급 전역 속도 계수는 비례 항을 적분 항에 더하는 것을 포함하는 비례 적분 제어를 통해 계산되고, 비례 항은 측정된 압력과 목표 최고 흡착 압력 설정점 사이의 차이 및 측정된 압력과 이전의 시간 간격에서 계산된 목표 최고 흡착 압력 설정점 사이의 이전의 차이를 이득 계수에 곱하고 상기 차이를 시간 간격으로 나눔으로써 계산되며, 적분 항은 이득 계수를 적분 리셋 시간으로 나누고 그의 결과적인 몫에 측정된 압력과 목표 최고 흡착 압력 설정점 사이의 차이를 곱함으로써 계산되는, 제어 시스템.
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