KR102488575B1 - 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축기 제어 시스템 및 압축기 제어 방법을 개시한다. 본 발명은 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되며 제1 신호에 의해 작동함으로써 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브와, 상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 제2 신호에 의해 작동함으로써 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 입구 가이드 베인 및 상기 안티 서지 밸브 및 상기 입구 가이드 베인과 연결되며, 상기 안티 서지 밸브를 제어하기 위한 상기 제1 신호를 생성하고, 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하며, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 상기 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호를 생성하고, 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 제2 신호를 생성하는 제어부를 구비한다.

Description

압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법{Control system for compressor and method of controlling the compressor}
실시예들은 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입구 가이드 베인의 제어와 안티 서지 밸브의 제어가 서로에게 미치는 영향을 최소화하며 압축기가 안정적으로 동작할 수 있게 하는 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법에 관한 것이다.
액체나 기체 상의 유체를 제어하는 유체 제어 시스템에는 유체를 압축시키는 압축기가 사용된다. 압축기는 가능한 한 넓은 범위의 토출 압력과 유량에 대해 고효율로 작동할 수 있도록 설계되는데, 압축기의 효율뿐만 아니라 작동 영역도 유체 제어 시스템의 중요한 성능 변수로 작용한다.
터보 압축기의 예를 들면, 압축기가 전체 유체 제어 시스템의 압력 저항보다 큰 압력을 생산하지 못하는 경우 압축기의 내부에서 주기적인 유동의 역류 현상이 발생하는데, 이를 '서지(surge)'라고도 한다.
서지 현상이 발생하면 유동이 주기적으로 역류함으로 인하여 압력과 유량이 섭동한다. 이러한 섭동 작용은 기계적인 진동을 발생시키며, 베어링, 임펠러 등의 부속 요소들을 손상시킨다. 이와 같이 서지 현상은 압축기의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 압축기의 수명을 단축시킬 수 있으므로 압축기의 운용에 있어서 서지 현상을 방지하는 기능(안티 서지; anti-surge)이 터보 압축기를 제어하는 압축기 제어 시스템에서 중요하다. 안티 서지 기능을 구현하기 위해 안티 서지 밸브(anti-surge valve; ASV)를 이용하면, 유체 시스템의 저항을 감소시켜 서지 현상의 발생을 방지할 수 있다.
또한 압축기 제어 시스템에는 안티 서지 밸브 이외에도, 압축기의 운용 영역을 제어하기 위해 압축기의 입구에 입구 가이드 베인(inlet guide vane; IGV)이 설치된다.
도 1은 일반적인 압축기의 성능맵이다.
도 1에서 세로축은 압력을 나타내고, 가로축은 유량을 나타낸다. 서지 제어는 서지 라인으로부터 약 10%의 여유(마진; margin)를 갖도록 서지 제어 라인(surge control line)을 설정하고, 운전점이 서지 제어 라인에 도달하면 IGV나 ASV 등을 조절함으로써 운전점이 서지 라인으로부터 멀어지도록 하기 위한 제어를 실시한다.
운전점(operating point)이 서지 라인에 도달하기 전에는 ASV가 작동하지 않으므로 커플링 현상이 발생하지 않지만, 운전점이 서지 현상을 발생시킬 수 있는 서지 영역으로 진입하면 IGV와 ASV 모두가 동작한다. IGV와 ASV는 모두 압축기의 유량과 압력을 변화시키기 때문에, IGV와 ASV가 함께 동작함으로써 커플링 현상이 발생할 수 있다.
도 2는 도 1의 종래의 압축기에서의 IGV와 ASV에 발생하는 커플링 현상을 설명하는 그래프이다.
예를 들어 도 2에서 A로 표시된 운전점에서 압축기를 제어한다고 가정하면, IGV를 제어하기 위한 방향과 ASV를 제어하기 위한 방향이 서로 충돌할 수 있다. 즉 IGV는 압력을 낮추기 위하여 IGV의 개방 정도(IGV의 개도)를 축소(폐쇄)시키는 방향으로 제어되어야 한다. IGV의 개도가 축소되도록 제어되면 유량과 압력이 감소하므로 도 2에서 IGV의 제어 지점이 좌측의 아래쪽을 향하는 방향으로 이동한다.
하지만, ASV는 서지 현상을 방지하기 위해 유량을 늘리도록 ASV의 개도를 개방시키는 방향으로 제어해야 한다. ASV의 개도를 개방시키는 방향으로 제어하면 유량이 상승하고 압력이 감소하므로 도 2에서 ASV의 제어 지점이 우측의 아래쪽을 향하는 방향으로 이동한다. 이와 같이 IGV와 ASV의 제어 동작의 사이에 충돌이 발생하므로 압력의 헌팅 현상이 발생하여 불안정한 유동이 반복되므로 압축기의 동작이 불안정하게 된다.
이러한 커플링 현상이 발생하는 이유는 IGV의 작동에 의해 압축기의 토출 압력이 제어되지만 IGV의 동작에 따라 유량이 영향을 받게 되고, ASV의 작동에 의해 압축기의 유량을 이용한 제어가 가능하지만 ASV의 동작에 따라 압력이 영향을 받기 때문이다. 따라서 서지 영역에서는 IGV와 ASV의 두 개의 밸브가 서로의 동작을 방해함으로써 압축기의 전체 시스템의 제어가 어려워진다.
상술한 바와 같은 ASV와 IGV의 제어 동작의 사이의 충돌 문제를 피하기 위하여 IGV와 ASV의 제어를 위한 PID 조절기의 제어 이득을 서로 다르게 설정하되, IGV와 ASV의 어느 하나의 제어 이득을 지배적으로 설정함으로써 서지 영역에서의 충돌을 완화하는 방법이 사용되기도 한다. 그러나 이러한 이득 조정 방법은 제어기의 튜닝이 복잡하고 어려운 문제가 있으며, 커플링 현상을 완벽하게 대처하지 못하는 한계가 존재한다.
예를 들어, IGV 이득을 ASV 이득보다 상대적으로 크게 설정하는 경우, 압력이 안정화되지만 운전점이 서지 영역으로 진입하므로 서지 현상을 유발할 가능성이 높아지거나, 압축기의 후단의 소모 유량의 급격한 변화에 대처하기가 어렵다.
또한 ASV 이득을 IGV 이득보다 상대적으로 크게 설정하는 경우, 운전점이 서지 영역으로 진입할 때 ASV 가 신속하게 개방되므로 압력 강하의 폭이 커진다. 이와 같은 경우 급격한 소모 유량의 변동에는 대응할 수 있으나, 압력 강하의 폭이 커지므로 압축기의 작동이 불안정해질 수 있다.
한국 공개특허공보 제2012-0096748호 (2012.08.31)
실시예들의 목적은 압축기가 안정적으로 동작할 수 있게 하는 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 입구 가이드 베인의 제어와 안티 서지 밸브의 제어가 서로에게 미치는 영향을 최소화하며 압축기의 동작을 제어할 수 있는 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예들은 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되며 제1 신호에 의해 작동함으로써 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브와, 상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 제2 신호에 의해 작동함으로써 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 입구 가이드 베인 및 상기 안티 서지 밸브 및 상기 입구 가이드 베인과 연결되며, 상기 안티 서지 밸브를 제어하기 위한 상기 제1 신호를 생성하고, 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하며, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 상기 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호를 생성하고, 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 제2 신호를 생성하는 제어부를 구비하는 압축기 제어 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 신호의 절대값의 크기는 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 유체를 압축하는 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되어 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브를 작동시키기 위한 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성 단계와, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 상기 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호 생성 단계와, 상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하는 베인 조절 신호 생성 단계 및 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 입구 가이드 베인을 작동시키기 위한 제2 신호를 생성하는 제2 신호 생성 단계를 포함하는 압축기의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 제2 신호 생성 단계는 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합하여, 상기 제2 신호의 절대값의 크기가 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예들은 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되며 제1 신호에 의해 작동함으로써 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브와, 상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 제2 신호에 의해 작동함으로써 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 입구 가이드 베인 및 상기 안티 서지 밸브 및 상기 입구 가이드 베인과 연결되며, 상기 안티 서지 밸브를 제어하기 위한 상기 제1 신호를 생성하고, 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하며, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 상기 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호를 생성하고, 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 제2 신호를 생성하는 제어부를 구비하는 압축기 제어 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 신호의 절대값의 크기는 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 유체를 압축하는 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되어 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브를 작동시키기 위한 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성 단계와, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 상기 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호 생성 단계와, 상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하는 베인 조절 신호 생성 단계 및 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 입구 가이드 베인을 작동시키기 위한 제2 신호를 생성하는 제2 신호 생성 단계를 포함하는 압축기의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 제2 신호 생성 단계는 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합하여, 상기 제2 신호의 절대값의 크기가 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예들은 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되며 제1 신호에 의해 작동함으로써 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브와, 상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 제2 신호에 의해 작동함으로써 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 입구 가이드 베인 및 상기 안티 서지 밸브 및 상기 입구 가이드 베인과 연결되며, 상기 안티 서지 밸브를 제어하기 위한 상기 제1 신호를 생성하고, 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하며, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 상기 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호를 생성하고, 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 제2 신호를 생성하는 제어부를 구비하는 압축기 제어 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 신호의 절대값의 크기는 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 유체를 압축하는 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되어 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브를 작동시키기 위한 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성 단계와, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 상기 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호 생성 단계와, 상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하는 베인 조절 신호 생성 단계 및 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 입구 가이드 베인을 작동시키기 위한 제2 신호를 생성하는 제2 신호 생성 단계를 포함하는 압축기의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 제2 신호 생성 단계는 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합하여, 상기 제2 신호의 절대값의 크기가 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3에 나타난 실시예에 관한 압축기 제어 시스템은, 압축기(10)와, 압축기(10)의 입구(11)와 출구(12)를 연결하는 바이패스 라인(15)에 배치되는 안티 서지 밸브(Anti surge valve; ASV, 20)와, 압축기(10)의 입구(11)에 배치되는 입구 가이드 베인(Inlet guide vane; IGV, 40)과, 안티 서지 밸브(20) 및 입구 가이드 베인(40)을 제어하는 제어부(30)를 구비한다.
압축기(10)는 일정한 입구조건을 갖는 유체를 흡입하여 압력을 상승시켜 운용 중인 유체 시스템이나 설비에 압축된 유체를 공급하는 기능을 한다. 압축기(10)에는 원심형 또는 축류형 등 다양한 형식의 압축기가 사용될 수 있다.
일반적으로 압축기(10)의 입구(11)에 공급 배관(100)이 연결되고 압축기(10)의 출구(12)에 배출 배관(200)이 연결되므로, 압축기(10)가 공급 배관(100)으로 공급되는 유체를 흡입하여 압축된 유체를 배출 배관(200)으로 배출한다.
실시예에서 압축기(10)를 비롯한 각종 유체 기계 요소를 통과하는 유체는 기체가 사용되었지만, 실시예는 이러한 유체의 형태에 의해 제한되는 것은 아니므로 예를 들어 액체가 사용될 수 있다.
바이패스 라인(15)은 압축기(10)를 경유하지 않고 압축기(10)의 출구와 압축기(10)의 입구를 연결한다. 즉 바이패스 라인(15)이 개방되면 압축기(10)에서 유출된 유체가 압축기(10)의 입구로 흘러, 압축기(10)의 출구 측의 압력과 입구 측의 압력의 차이는 감소되고 압축기로 유입되는 유량은 증가한다.
따라서 안티 서지 밸브(20)는 바이패스 라인(15)의 개폐를 제어하여 압축기(10)의 역류를 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 안티 서지 밸브(20)는 예를 들어 전자적 제어가 가능하도록 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 같은 전자 밸브에 의해 구현될 수 있다.
안티 서지 밸브(20)는 제어부(30)의 ASV 제어부(31)로부터 인가되는 제1 신호(Ca)에 의해 작동되는 ASV 구동부(21)에 연결된다. 따라서 안티 서지 밸브(20)는 제1 신호(Ca)에 의해 작동함으로써 압축기(10)의 역류를 방지하는 기능을 수행한다.
입구 가이드 베인(40)은 압축기(10)의 입구(11)에 배치되며 입구(11)의 개방 면적을 조절하는 기능을 수행한다. 입구 가이드 베인(40)은 복수개의 베인을 구비하고, 상기 복수개의 베인의 각도를 조절하여 입구(11)의 개방면적을 조절할 수 있다. 또한, 입구 가이드 베인(40)도 예를 들어 전자적 제어가 가능하도록 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 같은 전자 밸브에 의해 구현될 수 있다.
입구 가이드 베인(40)은 제어부(30)로부터 인가되는 제2 신호(Ci)에 의해 작동되는 IGV 구동부(41)에 연결된다. 따라서 입구 가이드 베인(40)은 제어부(30)로부터 인가되는 제2 신호(Ci)에 의해 작동함으로써 압축기(10)의 입구(11)의 개방 면적을 조절할 수 있다.
제어부(30)는 안티 서지 밸브(20) 및 입구 가이드 베인(40)과 전기적으로 연결된다. 제어부(30)는 안티 서지 밸브(20)를 제어하기 위한 제1 신호(Ca)를 생성하는 ASV 제어부(31)와, 입구 가이드 베인(40)을 제어하기 위한 베인 조절 신호(Cv)를 생성하는 IGV 제어부(32)와, 제1 신호(Ca)에 따른 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력변화를 보상하기 위해 압력 보상 신호(Cc)를 생성하는 보상 신호 생성부(33)와, 보상 신호 생성부(33)와 베인 조절 신호(Cv)를 병합하여 제2 신호(Ci)를 생성하는 연산부(34)를 구비한다.
제어부(30)는 예를 들어 압축기 제어 시스템의 제어용 컴퓨터에 장착되는 회로기판이나, 회로기판에 장착되는 컴퓨터 칩이나, 컴퓨터 칩에 내장되거나 제어용 컴퓨터에 내장되는 소프트웨어 등의 형태로 구현될 수 있다.
압축기(10)의 입구(11)에는 압축기(10)의 입구(11) 측의 유체의 유량을 측정하여 유량 신호(F1)를 제어부(30)로 전달하는 유량계(17)와, 압축기(10)의 입구(11) 측의 유체의 압력을 측정하여 압력 신호(P1)를 제어부(30)로 전달하는 제1 압력계(45; Pi)가 연결될 수 있다.
또한 압축기(10)의 출구(12)에는 압축기(10)의 출구(12) 측의 유체의 압력을 측정하여 압력 신호(P0)를 제어부(30)로 전달하는 제2 압력계(16; Po)가 연결된다.
도 4는 도 3의 압축기 제어 시스템의 제어 신호의 흐름을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, ASV 제어부(31)는 제1 신호(Ca)를 생성하고, 제1 신호(Ca)를 ASV 구동부(21)로 전달한다. 또한, ASV 제어부(31)는 제1 신호(Ca)를 보상 신호 생성부(33)로 전달한다.
보상 신호 생성부(33)는 수신한 제1 신호(Ca)와 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화를 이용하여, 압력 보상 신호(Cc)를 생성한다. 제1 신호(Ca)에 의해 안티 서지 밸브(20)의 개도량이 변화하면, 유체의 유량이 변화하고, 이로 인해 압축기(10)의 출구(12)에서도 압력이 변화한다. 보상 신호 생성부(33)는 제1 신호(Ca)에 의해 변화하는 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화를 보상하여 입구 가이드 베인(40)의 개도량을 조절하는 압력 보상 신호(Cc)를 생성한다. 즉, 압력 보상 신호(Cc)는 제1 신호(Ca)에 의해 변화하는 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화를 최소화 하기 위해서 입구 가이드 베인(40)의 개도량을 조절하는 신호이다.
보상 신호 생성부(33)는 안티 서지 밸브(20)의 개도량의 변화와 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력과의 관계식과, 입구 가이드 베인(40)의 개도량 변화와 압축기 출구(12)에서의 압력과의 관계식을 이용하여 산출될 수 있다. 상기 관계식들은 안티 서지 밸브(20)와 입구 가이드 베인(40)의 고유 방정식일 수 있다.
또한, 보상 신호 생성부(33)는 저장된 데이터로부터 압력 보상 신호(Cc)를 산출 할 수 있다. 데이터 저장부(미도시)가 안티 서지 밸브(20)의 개도량 변화에 따른 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화에 대한 데이터와, 입구 가이드 베인(40)의 개도량 변화에 따른 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화에 대한 데이터를 저장하고 있으며, 보상 신호 생성부(33)는 상기 데이터 저장부에서 저장된 데이터를 이용하여, 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화를 최소화 하는 압력 보상 신호(Cc)를 산출할 수 있다.
IGV 제어부(32)는 베인 조절 신호(Cv)를 생성하고, 베인 조절 신호(Cv)를 연산부(34)로 전달한다. 연산부(34)는 베인 조절 신호(Cv)와 압력 보상 신호(Cc)를 병합하여 제2 신호(Ci)를 생성할 수 있다.
제2 신호(Ci)는 압력 보상 신호(Cc)가 더해지므로, 안티 서지 밸브(20)의 개도량 변화로 인한 압력 변화가 미리 보상될 수 있다. 압축기(10)의 출구에서의 압력은 안티 서지 밸브(20)의 개도량에는 영향을 받지 않고, 입구 가이드 베인(40)의 개도량으로 제어될 수 있다. 즉, ASV 제어부(31)와 IGV 제어부(32)는 서로 디커플링(decoupling)된 것으로 작동할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 외란으로 변화하는 종래의 압축기 제어 시스템의 작동예를 나타낸 그래프이고, 도 6a 및 도 6b는 외란으로 변화하는 도 3의 압축기 제어 시스템의 작동예를 나타낸 그래프이다.
IGV와 ASV를 모두 사용하는 종래의 압축기 제어 시스템에서는 IGV 에 의해 압축기의 토출 압력이 제어될 수 있지만 IGV의 동작에 따라 유량(또는 유량 제어용 전류신호)이 영향을 받는다. 또한 ASV가 유량(또는 유량 제어용 전류신호)을 이용하여 압축기를 제어할 수 있지만, ASV의 동작에 따라 압력이 영향을 받는다. 이로 인하여 압축기의 서지 영역에서는 IGV와 ASV의 두 밸브의 동작이 서로의 작동을 방해 함으로써 압축기의 제어를 어렵게 한다.
도 5a 및 도 5b를 보면, 정상 상태에 있는 압축기 제어 시스템에 외란(disturbance)이 발생하여 압축기의 출구에서의 압력이 증가하면, 입구 가이드 밸브의 개도는 줄어든다. 또한, 서지 발생을 막기 위해서 안티 서지 밸브의 개도를 증가하여 압축기를 통과하는 유량을 줄인다.
압축기 제어 시스템이 다시 정상 상태가 되기 까지 시간 지연이 발생한다. 도 5a를 보면 약 30초의 시간 지연이 발생한다. 이러한 시간 지연은 외란 뿐만 아니라, 외란에 의해 인렛 가이드 베인과 안티 서지 밸브의 개도가 변화되고, 이러한 변화가 새로운 외란으로 작용하여 시간 지연이 연장된다.
외란 발생으로 유량과 압력이 급격하게 변동한다. 도 5b와 같이 외란(a)이 발생하면, 다시 정상 상태로 수렴(b)하기 위해서 압력 변화가 발생하고, 유량의 변화도 크게 발생한다.
도 6a 및 도 6b를 보면, 정상 상태에 있는 압축기 제어 시스템에 외란(disturbance)이 발생하여 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력이 증가하면 서지 현상이 발생할 수 있다. 서지를 방지하기 위해서 ASV 제어부(31)는 제1 신호(Ca)를 송출하여 안티 서지 밸브(20)의 개도는 증가하고 압축기(10) 출구(12)에서의 유량이 감소한다. 또한, IGV 제어부(32)는 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력을 낮추기 위해서 개도를 줄인다.
안티 서지 밸브(20)의 급격한 개도 변화는 압축기(10)의 출구(12)의 압력을 변동시키므로 압축기 제어 시스템에 외란으로 적용될 수 있다. 그러나, 압력 보상 신호(Cc)는 입구 가이드 베인(40)의 개도를 미리 조절하여 안티 서지 밸브(20)의 개도 변화로 인해 발생하는 압축기(10)의 출구(12) 에서의 압력변화를 보상할 수 있다.
즉, 보상 신호 생성부(33)는 베인 조절 신호(Cv)에 압력 보상 신호(Cc)를 더하여 제2 신호(Ci)를 생성하여, 안티 서지 밸브(20)의 개도 변화로 발생하는 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화를 최소화 할 수 있다. 제2 신호(Ci)는 안티 서지 밸브(20)의 의한 압력 변화가 보상되어 있으므로, 제어부(30)는 제2 신호(Ci) 만으로 압력을 조절할 수 있다.
제2 신호(Ci)의 절대값의 크기는 베인 조절 신호(Cv)의 절대값의 크기보다 작을 수 있다. 압력 보상 신호(Cc)는 베인 조절 신호(Cv)와 부호가 다를 수 있다. 압력 보상 신호(Cc)는 제2 신호(Ci)로 인해 급격한 개도 변화를 막는바, 압력 보상 신호(Cc)와 베인 조절 신호(Cv)의 부호는 다르다.
따라서, 제2 신호(Ci)의 절대값의 크기는 베인 조절 신호(Cv)의 절대값의 크기 보다 작을 수 있다. 제2 신호(Ci)의 절대값의 크기가 작아지므로, 입구 가이드 베인(40)의 개도가 변화하더라도 시스템에 영향을 적게 미칠 수 있다. 압력 보상 신호(Cc)는 급격한 압력 변화로 시스템 내부에서 발생하는 외란을 줄일 수 있다.
도 5b의 IGV % OPEN 그래프를 보면, 외란이 발생하여, IGV % OPEN의 개도량은 베인 조절 신호(Cv)에 의해서 약 (-2)가 되나, 압력 보상 신호(Cc)에 의해서 제2 신호는 약 (-1)으로 변화한다. 입구 가이드 베인(40)과 안티 서지 밸브(20)의 개도가 급격하게 변동되지 않으므로, 정상 상태로 돌아올 때까지 시간 지연이 단축된다. 도 5b를 보면 외란이 발생하면 약 15초의 시간 지연이 발생한다.
도 5b와 같이 외란(A)이 발생하더라도, 다시 정상상태로 수렴(B)하기까지 압력이 크게 변화하지 않고 유량도 크게 변화하지 않아 신속하게 정상 상태로 도달할 수 있다.
압력 보상 신호(Cc)에 의해서 압축기(10)의 유량은 ASV 제어부(31)에 의한 제1 신호(Ca)에 의해서 조절되고, 압축기(10)의 압력은 IGV 제어부(32)에 의한 제2 신호에 의해 조절된다.
상술한 구성의 실시예에 의하면 안티 서지 밸브(20)와 입구 가이드 베인(40)의 상호 영향성을 최소화함으로써 압축기의 안정적인 동작을 구현할 수 있다. 즉, 안티 서지 밸브(20)의 제어를 위한 제1 신호(Ca)를 이용하여 입구 가이드 베인(40)의 닫힘량을 보상할 수 있으므로, 안티 서지 밸브(20)가 동작할 때에는 입구 가이드 베인(40)의 닫힘량을 줄임으로써 안티 서지 제어 기능의 안정성을 향상시킬 수 있다.
안티 서지 밸브(20)의 개도(개방 정도를 나타내는 제1 신호)에 의한 압축기(10)의 출구(12)에서의 압력 변화를 고려한 압력 보상 신호(Cc)를 입구 가이드 베인(40)의 베인 조절 신호(Cv)에 더 하면 입구 가이드 베인(40)의 급격한 개도 변경을 약화시킬 수 있으므로, 입구 가이드 베인(40)은 안티 서지 밸브(20)의 안티 서지(Anti-Surge) 동작을 도와주는 형태로 동작할 수 있다.
즉, 압력 보상 신호(Cc)는 입구 가이드 베인(40)의 움직임이 빠를 경우에 베인 조절 신호(Cv)의 절대값의 크기를 낮추어 급격한 입구 가이드 베인(40)의 개도 변화를 막아 압력 헌팅이 발생하지 않고 신속히 서지 영역을 탈출할 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 관한 압축기의 제어 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 7에 나타난 실시예에 관한 압축기의 제어 방법은 유체를 압축하는 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되어 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브를 작동시키기 위한 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성 단계(S110)와, 제1 신호에 따른 압축기의 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호 생성 단계 (S120)와, 압축기의 입구에 배치되며 입구의 개방 면적을 조절하는 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하는 베인 조절 신호 생성 단계(S130)와, 압력 보상 신호를 베인 조절 신호와 병합함으로써 입구 가이드 베인을 작동시키기 위한 제2 신호를 생성하는 제2 신호 생성 단계(SD140)를 포함한다.
상술한 압축기의 제어 방법에 의하면 입구 가이드 베인의 조절은 안티 서지 밸브의 개도 변화로 발생하는 압축기 출구의 압력 변화를 보상하도록 조절되는바 입구 가이드 베인과 안티 서지 밸브의 두 개의 요소의 제어 동작의 사이에 발생할 수 있는 커플링 현상을 해소하여 압축기를 안정적으로 제어할 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 압축기 21: ASV 구동부
11: 입구 30: 제어부
12: 출구 31: ASV 제어부
15: 바이패스 라인 32: IGV 제어부
45; 제1 압력계 33: 보상 신호 생성부
16; 전달하는 제2 압력계 34: 연산부
17: 전달하는 유량계 40: 입구 가이드 베인
20: 안티 서지 밸브 41: IGV 구동부
100: 공급 배관 200: 배출 배관

Claims (4)

  1. 유체를 압축하는 압축기;
    상기 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되며 제1 신호에 의해 작동함으로써 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브;
    상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 제2 신호에 의해 작동함으로써 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 입구 가이드 베인; 및
    상기 안티 서지 밸브 및 상기 입구 가이드 베인과 연결되며, 상기 안티 서지 밸브를 제어하기 위한 상기 제1 신호를 생성하고, 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하며, 상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 상기 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호를 생성하고, 상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 제2 신호를 생성하는 제어부;를 구비하는, 압축기 제어 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 신호의 절대값의 크기는 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작은, 압축기 제어 시스템.
  3. 유체를 압축하는 압축기의 입구와 출구를 연결하는 라인에 배치되어 상기 압축기의 역류를 방지하는 안티 서지 밸브를 작동시키기 위한 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성 단계;
    상기 제1 신호에 따른 상기 압축기의 상기 출구에서의 압력 변화를 보상하기 위해 입구 가이드 베인을 제어하는 압력 보상 신호 생성 단계;
    상기 압축기의 상기 입구에 배치되며 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 상기 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 베인 조절 신호를 생성하는 베인 조절 신호 생성 단계; 및
    상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합함으로써 상기 입구 가이드 베인을 작동시키기 위한 제2 신호를 생성하는 제2 신호 생성 단계;를 포함하는, 압축기의 제어 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 신호 생성 단계는
    상기 압력 보상 신호를 상기 베인 조절 신호와 병합하여, 상기 제2 신호의 절대값의 크기가 상기 베인 조절 신호의 절대값의 크기보다 작은, 압축기의 제어 방법.
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