KR102551338B1

KR102551338B1 - 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법

Info

Publication number: KR102551338B1
Application number: KR1020160086271A
Authority: KR
Inventors: 배인환; 엄주상
Original assignee: 한화에어로스페이스 주식회사; 한화파워시스템 주식회사
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2023-07-05
Also published as: US20180010611A1; CN107587998A; CN107587998B; US10487841B2; KR20180005934A

Abstract

압축기 제어 시스템은 압축기와, 압축기의 입구에 배치되며 성능제어신호나 보조서지제어신호에 의해 작동함으로써 입구의 개방 면적을 조절하는 입구가이드베인과, 압축기의 출구에 연결되며 서지제어신호에 의해 작동함으로써 압축기의 서지를 방지하는 안티서지밸브와, 압축기의 서지제어라인에 진입하면 안티서지밸브를 제어하기 위한 서지제어신호를 생성하고 압축기의 작동점이 서지라인과 서지제어라인의 사이의 보조서지제어라인에 진입하면 입구가이드베인을 안티서지모드로 미세하게 제어하기 위한 보조서지제어신호를 생성하며 압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하기 전까지 입구가이드베인을 성능모드로 제어하기 위하여 성능제어신호를 생성하는 제어기를 포함한다.

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 서지의 발생을 방지함으로써 압축기가 안정적으로 동작할 수 있는 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.

원심형 터보 압축기의 예를 들면, 압축기가 가스를 흡입하여 가스를 압축할 때 압축기의 후단의 압력이 전체 유체 제어 시스템이 견딜 수 있는 성능을 초과하는 경우 압축기는 더 이상 가스를 압축하지 못하며 압축기의 내부에서 주기적인 유동의 역류 현상이 발생하는데, 이를 '서지(surge)'라고도 한다.

압축기의 임펠러는 일정한 속도와 일정한 밀도에서는 고정된 압력비를 갖는데, 이러한 고정된 압력비를 압축기의 고유 압력비라고 부른다. 압축기가 고유 압력비를 초과하여 동작할 때 서지가 발생한다. 압축기의 단수(stages)를 증가시켜 높은 압력비를 얻음으로써 고출력의 압축기를 구현할 수 있으나, 많은 단수를 갖는 다단 압축기에서 서지 현상이 더욱 빈번하게 발생한다.

대부분의 서지 현상은 계기들의 반응속도보다 빠른 속도로 짧게 발생하는데, 유체 기계 시스템이 서지 현상을 회피하지 못하여 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(안티서지; anti-surge)이 터보 압축기를 제어하는 압축기 제어 시스템에서 중요하다. 안티서지 기능은 서지 현상에 의해 기인하는 유체 시스템의 여러 가지 특성을 측정하고 분석하여 서지의 발생을 예방하거나, 유체 시스템을 정상으로 회복하기 위한 기술이다.

안티 서지 기능을 구현하기 위해 안티서지밸브(anti-surge valve; ASV)를 이용하면, 유체 시스템의 저항을 감소시켜 서지 현상의 발생을 방지할 수 있다.

또한 압축기 제어 시스템은 안티서지밸브 이외에도, 압축기의 운용 영역을 제어하기 위해 압축기의 입구에 설치되는 입구가이드베인(inlet guide vane; IGV)을 포함한다.

도 1은 일반적인 압축기의 성능맵이다.

도 1에서 세로축은 압력 또는 압력비를 나타내고, 가로축은 유량이나 유량을 표시하는 모터전류와 같은 변수를 나타낸다.

서지 제어는 센서의 측정 오류나 인터쿨러의 온도 변화나 압축기 제어의 과도응답 등을 고려하여 서지라인으로부터 약 7% 내지 10%의 여유(마진; margin)를 갖도록 서지제어라인(surge control line)을 설정하고, 작동점이 서지제어라인에 도달하면 IGV나 ASV 등을 조절함으로써 작동점이 서지라인으로부터 멀어지도록 하기 위한 제어를 실시한다.

또한 IGV의 제어는 유체 시스템의 압력을 설정된 압력에 맞추기 위하여 다음과 같이 이루어진다. 즉 압축기의 현재의 출구 압력이 미리 정해진 설정 압력보다 낮으면, 압력의 오차만큼 IGV를 개방함으로써 유체 시스템의 압력을 설정된 압력에 맞추고, 압축기의 현재의 출구 압력이 설정 압력보다 높으면 압력의 오차만큼 IGV를 폐쇄한다. 이와 같은 IGV의 제어에 의해 압축기의 현재 출구 압력이 설정 압력을 추종할 수 있다.

원심형 터보 압축기는 성능 곡선의 설계점에서부터 서지 현상이 발생하기 전의 서지제어라인까지의 유량변화폭인 턴다운(turndown)의 범위 내에서 작동한다.

턴다운 내에서 작동하는 압축기에서 유량이 급격히 감소하면 출구 압력이 증가하여 작동점이 서지제어라인의 영역으로 진입하므로, IGV와 ASV가 모두 동작한다. IGV가 폐쇄될수록 압축기의 흡입 유량이 감소하므로 전체 압축기의 유량이 감소하여 작동점은 서지라인을 향하여 이동한다. 이때 압력이 설정 압력보다 높은 상태에서 서지제어라인 영역에 접근하면 IGV 압력 제어기가 IGV를 더욱 폐쇄하는 방향으로 IGV를 제어하므로 서지 현상의 발생 가능성이 증가한다.

도 2는 도 1의 종래의 압축기에서의 IGV와 ASV에 발생하는 커플링 현상을 설명하는 그래프이다.

예를 들어 도 2에서 A로 표시된 작동점에서 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 작동점이 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, 작동점이 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 서지의 발생을 방지함으로써 압축기가 안정적으로 동작할 수 있게 하는 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법을 제공하는 데 있다.

실시예들의 다른 목적은 IGV의 제어와 ASV의 제어가 서로에게 미치는 영향을 최소화하며 압축기의 동작을 제어할 수 있는 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법을 제공하는 데 있다.

일 실시예에 관한 압축기 제어 시스템은 유체를 압축하는 압축기와, 압축기의 입구에 배치되며 외부에서 인가되는 성능제어신호나 보조서지제어신호에 의해 작동함으로써 입구의 개방 면적을 조절하는 입구가이드베인과, 압축기의 출구에 연결되며 외부에서 인가된 서지제어신호에 의해 작동함으로써 압축기의 서지를 방지하는 안티서지밸브와, 압축기의 작동점이 미리 정해진 서지제어라인에 진입하면 안티서지밸브를 제어하기 위한 서지제어신호를 생성하고 압축기의 작동점이 압축기가 서지를 일으키는 서지라인과 서지제어라인의 사이에서 미리 정해진 보조서지제어라인에 진입하면 입구가이드베인을 안티서지모드로 미세하게 제어하기 위한 보조서지제어신호를 생성하며 압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하기 전까지는 입구가이드베인을 성능모드로 제어하기 위하여 성능제어신호를 생성하는 제어기를 포함한다.

압축기 제어 시스템은, 압축기를 구동하는 모터와, 압축기의 출구에서의 유체의 압력을 감지하는 압력센서와, 압축기의 출구에서의 유체의 유량을 감지하는 유량센서와, 모터의 전류변화를 감지하는 전류센서를 더 포함할 수 있고, 제어기는 압력센서와 유량센서의 신호를 수신하여 서지제어신호를 생성하는 안티서지밸브 제어기와, 전류센서와 압력센서와 유량센서의 신호를 수신하여 보조서지제어신호와 성능제어신호를 생성하는 IGV 제어기를 포함할 수 있다.

안티서지밸브 제어기는 압력센서의 신호를 수신하여 압력제어신호를 생성하는 압력제어신호발생기와, 압력센서와 유량센서의 신호를 수신하여 서지제어신호를 생성하는 서지신호발생기와, 압력제어신호와 서지제어신호의 어느 하나를 출력하는 제1 선택기를 포함할 수 있다.

IGV 제어기는 압력센서와 전류센서의 신호를 수신하여 성능제어신호를 생성하는 성능제어기와, 유량센서와 압력센서의 신호를 수신하여 보조서지제어신호를 생성하는 보조서지신호발생기와, 성능제어신호와 보조서지제어신호의 어느 하나를 선택하여 출력하는 제2 선택기를 포함할 수 있다.

성능제어기는 압력센서의 신호를 수신하여 입구가이드베인을 개방하기 위한 제1 개방신호를 생성하는 제1 개방제어기와, 전류센서의 신호를 수신하여 입구가이드베인을 개방하기 위한 제2 개방신호를 생성하는 제2 개방제어기와, 제1 개방신호와 제2 개방신호를 비교하여 성능제어신호를 출력하는 제3 선택기를 포함할 수 있다.

다른 실시예에 관한 압축기의 제어 방법은, 유체를 압축하는 압축기의 작동점이 미리 정해진 서지제어라인에 진입하기 전까지 압축기의 입구의 개방 면적을 조절하는 입구가이드베인을 성능모드로 제어하기 위하여 성능제어신호를 생성하는 입구가이드 성능제어단계와, 압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하면 압축기의 출구에 연결되어 압축기의 서지를 방지하는 안티서지밸브를 제어하기 위하여 서지제어신호를 생성하는 안티서지밸브 제어단계와, 안티서지밸브 제어단계의 실행 중 압축기의 작동점이 압축기가 서지를 일으키는 서지라인과 서지제어라인의 사이에서 미리 정해진 보조서지제어라인에 진입하면 입구가이드베인을 안티서지모드로 미세하게 제어하기 위하여 보조서지제어신호를 생성하는 입구가이드베인 안티서지 제어단계를 포함한다.

압축기의 제어 방법은 압축기의 출구에서의 유체의 압력을 감지하는 압력센서와, 압축기의 출구에서의 유체의 유량을 감지하는 유량센서와, 압축기를 구동하는 모터의 전류변화를 감지하는 전류센서의 신호로부터 압축기의 작동점을 감지하는 작동점 감지단계를 더 포함할 수 있다.

입구가이드 성능제어단계에서는 압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하기 전까지 압력센서의 신호로부터 안티서지밸브를 제어하기 위한 압력제어신호를 생성하는 압력제어신호생성단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 실시예들에 관한 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법에 의하면, 압축기의 서지가 발생하는 서지라인과 안티서지밸브를 제어하기 위한 서지제어라인과의 사이에 보조서지제어라인을 설정하고, 압축기의 작동점이 보조서지제어라인 입구가이드베인도 압축기의 서지 발생을 방지하기 위한 안티서지모드로 미세하게 작동하므로, 압축기가 안정적으로 제어될 수 있다.

도 1은 종래의 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법이다.
도 2는 일 실시예에 관한 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법이다.
도 3은 일 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 일부 구성을 구체화한 다른 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 블록도이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 압축기 제어 시스템의 작동을 설명하는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 관한 압축기의 제어 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 6의 압축기의 제어 방법의 작동예를 설명하는 그래프이다.
도 8은 도 6의 압축기의 제어 방법의 다른 작동예를 설명하는 그래프이다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 압축기 제어 시스템 및 압축기의 제어 방법의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.

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)에 배치되며 외부에서 인가되는 성능제어신호나 보조서지제어신호에 의해 작동함으로써 입구(11)의 개방 면적을 조절하는 입구가이드베인(40)과, 압축기(10)의 출구(12)에 연결되어 외부에서 인가된 서지제어신호에 의해 작동함으로써 압축기(10)의 서지를 방지하는 안티서지밸브(20)와, 입구가이드베인(40)과 안티서지밸브(20)를 제어하는 제어기(30)를 포함한다.

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.

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 흡입하고 유체를 압축한 후 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)의 출구에 연결되며, 바이패스 라인(15)에 안티서지밸브(20)가 배치된다. 바이패스 라인(15)은 유체를 외부로 배출시킬 수도 있고, 바이패스 라인(15)의 단부가 압축기(10)의 입구(11) 측으로 연결될 수도 있다.

예를 들어 바이패스 라인(15)의 단부가 압축기(10)의 입구(11) 측으로 연결된 경우, 바이패스 라인(15)은 유체가 압축기(10)를 경유하지 않고 압축기(10)의 입구(11)와 출구(12)의 사이에서 흐르게 하는 연결하는 통로를 형성한다. 즉 바이패스 라인(15)이 개방되면 압축기(10)에서 유출된 유체가 압축기(10)의 입구(11)로 흘러, 압축기(10)의 출구 측의 압력과 입구 측의 압력의 차이는 감소되고 압축기로 유입되는 유량은 증가한다.

따라서 안티서지밸브(20)는 바이패스 라인(15)의 개폐를 제어하여 압축기(10)에서의 서지의 발생을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 안티서지밸브(20)는 예를 들어 전자적 제어가 가능하도록 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 같은 전자 밸브에 의해 구현될 수 있다.

안티서지밸브(20)는 제어기(30)의 안티서지밸브 제어기(31; ASV 제어기)로부터 인가되는 제1 신호(C1)에 의해 작동되는 ASV 구동기(21)에 연결된다. 따라서 안티서지밸브(20)는 제1 신호(C1)에 의해 작동함으로써 압축기(10)의 서지 발생을 방지하는 기능을 수행한다. 제1 신호(C1)에 의해 안티서지밸브(20)가 압축기(10)의 서지 발생을 방지하도록 작동할 때에는, 제1 신호(C1)는 서지제어신호에 해당한다.

입구가이드베인(40; IGV, inlet guide vane)은 압축기(10)의 입구(11)에 배치되며 입구(11)의 개방 면적을 조절하는 기능을 수행한다. 입구가이드베인(40)도 예를 들어 전자적 제어가 가능하도록 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 같은 전자 밸브에 의해 구현될 수 있다.

입구가이드베인(40)은 제어기(30)의 IGV 제어기(32)로부터 인가되는 제2 신호(C2)에 의해 작동되는 IGV 구동기(41)에 연결된다. 따라서 입구가이드베인(40)은 제어기(30)로부터 인가되는 제2 신호(C2)에 의해 작동함으로써 압축기(10)의 입구(11)의 개방 면적을 조절할 수 있다.

제어기(30)는 안티서지밸브(20) 및 입구가이드베인(40)과 전기적으로 연결된다. 제어기(30)는 안티서지밸브(20)를 제어하기 위한 제1 신호(C1)를 생성하는 ASV 제어기(31; 안티서지밸브 제어기)와, 입구가이드베인(40)을 제어하기 위한 제2 신호(C2)를 생성하는 IGV 제어기(32)를 포함한다.

제어기(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)는 전기신호에 의해 작동하는 모터(70)에 의해 구동된다. 모터(70)에는 모터(70)의 전류변화를 감지하여 전류신호(I1)을 제어기(30)로 전달하는 전류센서(18)가 연결된다.

압축기(10)의 출구(12)에는 압축기(10)의 출구(12) 측의 유체의 압력을 측정하여 압력신호(P1)를 제어기(30)로 전달하는 압력센서(16)가 연결된다. 또한 압축기(10)의 출구(12)에는 압축기(10)의 출구(12) 측의 유체의 유량을 측정하여 유량신호(F1)를 제어기(30)로 전달하는 유량센서(19)가 연결된다.

도 4는 도 3에 도시된 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 일부 구성을 구체화한 다른 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 블록도이다. 도 4에서는 도 3에 도시된 압축기 제어 시스템의 IGV 제어기(32)와 ASV 제어기(31)의 구체적인 구현예가 도시된다.

제어기(30)의 ASV 제어기(31)는 압력센서(16)의 압력신호(P1)와 유량센서(19)의 유량신호(F1)를 수신하여 제1 신호(C1)를 생성한다. 제어기(30)의 IGV 제어기(32)는 전류센서(18)의 전류신호(I1)와 압력센서(16)의 압력신호(P1)와 유량센서(19)의 유량신호(F1)를 수신하여 입구가이드베인(40)을 제어하기 위한 제2 신호(C2)를 생성한다.

ASV 제어기(31)는 압력센서(16)의 압력신호(P1)을 수신하여 압력제어신호를 생성하는 압력제어신호발생기(31a)와, 압력센서(16)의 압력신호(P1)와 유량센서(19)의 유량신호(F1)를 수신하여 서지제어신호를 생성하는 서지신호발생기(31b)와, 압력제어신호발생기(31a)의 압력제어신호와 서지신호발생기(31b)의 서지제어신호의 어느 하나를 선택하여 제1 신호(C1)로 출력하는 제1 선택기(31c)를 포함한다. 예를 들어 제1 선택기(31c)는 입력되는 값들에서 최소값을 선택하는 최소값 선택기로 구현될 수 있다.

제1 선택기(31c)에 의해 압력제어신호발생기(31a)의 압력제어신호가 선택되어 압력제어신호가 제1 신호(C1)로서 출력되는 경우, 안티서지밸브(20)는 입구가이드베인(40)과 함께 연동하여 작동함으로써 전체 유체 시스템의 압력과 유량을 조절하는 기능을 수행한다.

제1 선택기(31c)에 의해 서지신호발생기(31b)의 서지제어신호가 선택되어 제1 신호(C1)로서 출력되는 경우, 안티서지밸브(20)는 압축기(10)의 서지 발생을 방지하기 위한 목적으로 작동한다.

IGV 제어기(32)는 압력센서(16)의 압력신호(P1)와 전류센서(18)의 전류신호(I1)를 수신하여 성능제어신호를 생성하는 성능제어기(32a)와, 유량센서(19)의 유량신호(F1)와 압력센서(16)의 압력신호(P1)를 수신하여 보조서지제어신호를 생성하는 보조서지신호발생기(32b)와, 성능제어기(32a)의 성능제어신호와 보조서지신호발생기(32b)의 보조서지제어신호의 어느 하나를 선택하여 제2 신호(C2)로서 출력하는 제2 선택기(32c)를 포함한다. 예를 들어 제2 선택기(32c)는 입력되는 값들에서 최대값을 선택하는 최대값 선택기로 구현될 수 있다.

제2 선택기(32c)에 의해 보조서지신호발생기(32b)의 보조서지제어신호가 선택되어 제2 신호(C2)로서 출력되는 경우, 입구가이드베인(40)은 압축기(10)의 서지 발생을 방지하기 위한 안티서지밸브(20)의 동작을 보조하기 위하여 안티서지모드로 작동함으로써 압축기(10)의 입구(11)의 개방 면적을 미세하게 조절한다.

제2 선택기(32c)에 의해 성능제어기(32a)의 성능제어신호가 선택되어 제2 신호(C2)로서 출력되는 경우, 입구가이드베인(40)은 압축기(10)의 압력을 제어하는 압력제어와 압축기(10)를 구동하는 모터(70)의 전류변화에 기초한 전류제어를 실시함으로써 압축기(10)의 작동 성능을 최대화하기 위한 성능모드로 작동한다.

IGV 제어기(32)의 성능제어기(32a)는 압력센서(16)의 압력신호(P1)를 수신하여 입구가이드베인(40)을 개방하기 위한 제1 개방신호를 생성하는 제1 개방제어기(91)와, 전류센서(18)의 전류신호(I1)를 수신하여 입구가이드베인(40)을 개방하기 위한 제2 개방신호를 생성하는 제2 개방제어기(92)와, 제1 개방신호와 제2 개방신호를 비교하여 성능제어신호를 출력하는 제3 선택기(93)를 포함한다. 예를 들어 제3 선택기(93)는 입력되는 값들에서 최소값을 선택하는 최소값 선택기로 구현될 수 있다.

제1 개방제어기(91)는 압력센서(16)의 압력신호(P1)에 기초하여 압축기(10)의 작동압력을 제어하도록 압축기(10)의 입구(11)의 개방면적을 조절하는 기능을 수행한다. 제2 개방제어기(92)는 전류센서(18)의 전류신호(I1)에 기초하여 압축기(10)의 입구(11)의 개방면적을 조절하는 기능을 수행한다.

도 5는 도 3 및 도 4의 압축기 제어 시스템의 작동을 설명하는 그래프이다.

도 3 및 도 4에 나타난 실시예에 관한 압축기 제어 시스템에서는 서지라인으로부터 여유(마진; margin)를 갖도록 서지제어라인(surge control line)을 설정하고, 서지라인과 서지제어라인의 사이에 보조서지제어라인(supplementary surge control line)을 설정하여, 압축기의 작동점이 서지제어라인에서 보조서지제어라인의 사이에서 이동하는 경우와 압축기의 작동점이 보조서지제어라인에 진입하여 서지라인에 더 가까워진 경우에 따라 IGV와 ASV를 제어하는 동작을 변경한다.

제어기(30)는 압축기(10)의 작동점이 미리 정해진 서지제어라인에 진입하면 안티서지밸브(20)를 제어하기 위한 서지제어신호를 생성한다. 압축기(10)의 작동점이 서지를 일으키는 서지라인과 서지제어라인의 사이에서 미리 정해진 보조서지제어라인에 진입하는 경우 제어기(30)는 입구가이드베인(40)을 안티서지모드로 미세하게 제어하기 위한 보조서지제어신호를 생성한다.

압축기(10)의 작동점이 서지제어라인에 진입하기 전까지, 제어기(30)는 입구가이드베인(40)을 성능모드로 제어하기 위하여 성능제어신호를 생성한다. 또한 압축기(10)의 작동점이 서지제어라인에 진입하기 전까지, 제어기(30)는 안티서지밸브(20)에 압력제어신호를 전달함으로써 안티서지밸브(20)가 입구가이드베인(40)과 함께 연동하여 작동함으로써 전체 유체 시스템의 압력과 유량을 조절하는 기능을 수행하게 한다.

종래의 일반적인 서지 제어는 서지라인으로부터 여유를 갖도록 서지제어 라인만을 설정하고, 압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하면 ASV가 작동하여 작동점이 서지라인으로부터 멀어지도록 하는 제어를 실시하였다. 이러한 종래의 일반적인 서지 제어에 의하면, 작동점(operating point)이 서지제어라인에 도달하기 전에는 ASV가 작동하지 않지만, 작동점이 서지제어라인에 진입하면 IGV와 ASV 모두가 동작한다. IGV와 ASV는 모두 압축기의 유량과 압력을 변화시키기 때문에, IGV와 ASV가 함께 동작함으로써 커플링 현상이 발생할 수 있다.

그러나 도 3 및 도 4에 나타난 실시예에 관한 압축기 제어 시스템에 의하면, 압축기(10)의 작동점이 서지제어라인에 진입하기 이전의 일반적인 작동상태에서 움직일 때에는 입구가이드베인(40)과 안티서지밸브(20)가 모두 압축기(10)의 성능을 최대화할 수 있도록 협동하여 작동한다. 또한 압축기(10)의 작동점이 서지제어라인을 진입하는 경우, 먼저 안티서지밸브(20)가 압축기(10)의 서지 발생을 방지하기 위한 작동을 개시한다. 이때 입구가이드베인(40)은 압축기(10)의 성능을 최적화하기 위한 성능모드로 작동한다.

압축기(10)의 작동점이 보조서지제어라인을 진입하는 경우, 입구가이드베인(40)도 압축기(10)의 서지 발생을 방지하기 위한 안티서지모드로 미세하게 작동한다. 즉 압축기(10)의 서지 발생을 방지하기 위하여 안티서지밸브(20)가 개방됨으로써 유량이 상승하고 압력이 감소되는 상태에서는, 입구가이드베인(40)이 압축기(10)의 입구(11)의 개방 면적을 닫는 방향으로 급격하게 작동하지 않고 압축기(10)의 서지를 회피할 수 있도록 압축기(10)의 입구(11)의 개방 면적을 닫는 동작을 미세하게 수행한다. 이와 같이 입구가이드베인(40)이 서지 발생을 회피하도록 작동하는 안티서지밸브(20)를 보조함으로써 압축기(10)의 작동점이 서지라인을 향하여 이동하는 현상을 회피하게 하므로, 결국에는 입구가이드베인(40)과 안티서지밸브(20)의 협동 동작에 의해 압축기(10)의 작동점이 서지제어라인의 밖으로(도 5에서 서지제어라인의 우측 방향을 향하여) 이동할 수 있다.

도 6은 다른 실시예에 관한 압축기의 제어 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 6에 나타난 실시예에 관한 압축기의 제어 방법은 유체를 압축하는 압축기의 작동점이 미리 정해진 서지제어라인에 진입하기 전까지 압축기의 입구의 개방 면적을 조절하는 입구가이드베인을 성능모드로 제어하기 위하여 성능제어신호를 생성하는 입구가이드 성능제어단계(S140)와, 압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하면 압축기의 출구에 연결되어 압축기의 서지를 방지하는 안티서지밸브를 제어하기 위하여 서지제어신호를 생성하는 안티서지밸브 제어단계(S120)와, 안티서지밸브 제어단계(S120)의 실행 중 압축기의 작동점이 압축기가 서지를 일으키는 서지라인과 서지제어라인의 사이에서 미리 정해진 보조서지제어라인에 진입하면 입구가이드베인을 안티서지모드로 미세하게 제어하기 위하여 보조서지제어신호를 생성하는 입구가이드베인 안티서지 제어단계(S150)를 포함한다.

압축기의 제어 방법은 압축기의 출구에서의 유체의 압력을 감지하는 압력센서와, 압축기의 출구에서의 유체의 유량을 감지하는 유량센서와, 압축기를 구동하는 모터의 전류변화를 감지하는 전류센서의 신호로부터 압축기의 작동점을 감지하는 작동점 감지단계(S100)를 더 포함하여, 압축기의 작동점이 서지 제어라인에 진입하였는지를 판단하고(S110), 압축기의 작동점이 서지 제어라인에 진입하기 전까지는 입구가이드베인을 성능모드로 제어하는 입구가이드베인 성능제어단계(S140)를 실행한다.

입구가이드베인 성능제어단계(S140)가 실행되는 동안 입구가이드베인의 작동을 보조하여 압축기의 성능을 유지하도록 안티서지밸브를 제어하기 위한 압력제어신호를 생성하는 압력제어신호생성단계가 실행될 수 있다.

도 7은 도 6의 압축기의 제어 방법의 작동예를 설명하는 그래프이다.

압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하면 압축기의 출구에 연결되어 압축기의 서지를 방지하는 안티서지밸브를 제어하기 위하여 서지제어신호를 생성하는 안티서지밸브 제어단계(S120)가 실행된다.

또한 압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입한 후, 압축기의 작동점이 보조서지제어라인에 진입하기 전까지 입구가이드베인은 성능모드로 제어된다.

압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하여 안티서지밸브 제어단계(120)가 실행되는 동안 압축기의 작동점이 보조서지제어라인에 진입하기 전까지는 입구가이드베인을 성능모드로 제어하는 입구가이드 성능제어단계(S140)가 실행된다. 도 7에 도시된 것과 같이 압축기의 작동점이 보조서지제어라인에 진입하기 전까지 입구가이드베인을 제어하는 신호의 크기가 유지되며, 입구가이드베인이 압축기의 성능을 유지하기 위한 성능모드로 제어된다.

도 8은 도 6의 압축기의 제어 방법의 다른 작동예를 설명하는 그래프이다.

압축기의 작동점이 서지제어라인에 진입하여 안티서지밸브 제어단계(120)가 실행되는 동안 압축기의 작동점이 보조서지제어라인에 진입하면 입구가이드베인을 안티서지모드로 미세하게 제어하도록 보조서지제어신호를 생성하는 입구가이드베인 안티서지 제어단계(S150)가 실행된다.

입구가이드베인 안티서지 제어단계에서는 입구가이드베인을 이용한 압력 제어 기능을 안티서지밸브를 이용한 안티서지제어기능을 보조하기 위하여 입구가이드베인을 미세하게 조정함으로써 입구가이드베인의 압력 제어 기능을 약화시킨다. 이와 같이 보조서지제어라인과 서지라인의 사이의 영역에서는 입구가이드베인과 안티서지밸브의 두 개의 요소의 제어 동작의 영향성 중 안티서지밸브의 제어 동작의 영향력을 지배적으로 설정함으로써 안티서지밸브와 입구가이드베인의 협동에 의해 압축기의 작동점이 서지를 발생할 수 있는 영역으로부터 신속히 벗어날 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 32: IGV 제어기
11: 입구 32b: 보조서지신호발생기
12: 출구 32a: 성능제어기
15: 바이패스 라인 32c: 제2 선택기
16: 압력센서 40: 입구가이드베인
18: 전류센서 41: IGV 구동기
19: 유량센서 70: 모터
20: 안티서지밸브 91: 제1 개방제어기
21: ASV 구동기 92: 제2 개방제어기
30: 제어기 93: 제3 선택기
31: ASV 제어기 100: 공급 배관
31b: 서지신호발생기 180: 전류센서
31a: 압력제어신호발생기 200: 배출 배관
31c: 제1 선택기

Claims

유체를 압축하는 압축기;
상기 압축기의 입구에 배치되며 외부에서 인가되는 성능제어신호나 보조서지제어신호에 의해 작동함으로써 상기 입구의 개방 면적을 조절하는 입구가이드베인;
상기 압축기의 출구에 연결되며 외부에서 인가된 서지제어신호에 의해 작동함으로써 상기 압축기의 서지를 방지하는 안티서지밸브; 및
상기 압축기의 작동점이 미리 정해진 서지제어라인에 진입하면 상기 안티서지밸브를 제어하기 위한 상기 서지제어신호를 생성하고, 상기 압축기의 상기 작동점이 상기 압축기가 서지를 일으키는 서지라인과 상기 서지제어라인의 사이에서 미리 정해진 보조서지제어라인에 진입하면 상기 입구가이드베인을 안티서지모드로 미세하게 제어하기 위한 보조서지제어신호를 생성하며, 상기 압축기의 상기 작동점이 상기 서지제어라인에 진입하기 전까지는 상기 입구가이드베인을 성능모드로 제어하기 위하여 상기 성능제어신호를 생성하는 제어기;를 포함하고,
상기 성능모드에서 상기 입구가이드베인은 상기 성능제어신호에 의해 제어되어 제1 속도로 상기 압축기의 상기 입구의 상기 개방 면적을 조절하고,
상기 안티서지모드에서 상기 입구가이드베인은 상기 보조서지제어신호에 의해 제어되어 제1 속도보다 작은 제2 속도로 상기 압축기의 상기 입구의 상기 개방 면적을 조절하는, 압축기 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 압축기를 구동하는 모터;
상기 압축기의 상기 출구에서의 유체의 압력을 감지하는 압력센서;
상기 압축기의 상기 출구에서의 유체의 유량을 감지하는 유량센서; 및
상기 모터의 전류변화를 감지하는 전류센서;를 더 포함하고,
상기 제어기는 상기 압력센서와 상기 유량센서의 신호를 수신하여 상기 서지제어신호를 생성하는 안티서지밸브 제어기와, 상기 전류센서와 상기 압력센서와 상기 유량센서의 신호를 수신하여 상기 보조서지제어신호와 상기 성능제어신호를 생성하는 IGV 제어기를 포함하는, 압축기 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 안티서지밸브 제어기는 상기 압력센서의 신호를 수신하여 압력제어신호를 생성하는 압력제어신호발생기와, 상기 압력센서와 상기 유량센서의 신호를 수신하여 상기 서지제어신호를 생성하는 서지신호발생기와, 상기 압력제어신호와 상기 서지제어신호의 어느 하나를 출력하는 제1 선택기를 포함하는, 압축기 제어 시스템.
제3항에 있어서,
상기 IGV 제어기는 상기 압력센서와 상기 전류센서의 신호를 수신하여 상기 성능제어신호를 생성하는 성능제어기와, 상기 유량센서와 상기 압력센서의 신호를 수신하여 상기 보조서지제어신호를 생성하는 보조서지신호발생기와, 상기 성능제어신호와 상기 보조서지제어신호의 어느 하나를 선택하여 출력하는 제2 선택기를 포함하는, 압축기 제어 시스템.
제4항에 있어서,
상기 성능제어기는 상기 압력센서의 신호를 수신하여 상기 입구가이드베인을 개방하기 위한 제1 개방신호를 생성하는 제1 개방제어기와, 상기 전류센서의 신호를 수신하여 상기 입구가이드베인을 개방하기 위한 제2 개방신호를 생성하는 제2 개방제어기와, 상기 제1 개방신호와 상기 제2 개방신호를 비교하여 상기 성능제어신호를 출력하는 제3 선택기를 포함하는, 압축기 제어 시스템.
유체를 압축하는 압축기의 작동점이 미리 정해진 서지제어라인에 진입하기 전까지 상기 압축기의 입구의 개방 면적을 조절하는 입구가이드베인을 성능모드로 제어하기 위하여 성능제어신호를 생성하는 입구가이드 성능제어단계;
상기 압축기의 작동점이 상기 서지제어라인에 진입하면 상기 압축기의 출구에 연결되어 상기 압축기의 서지를 방지하는 안티서지밸브를 제어하기 위하여 서지제어신호를 생성하는 안티서지밸브 제어단계; 및
상기 안티서지밸브 제어단계의 실행 중 상기 압축기의 작동점이 상기 압축기가 서지를 일으키는 서지라인과 상기 서지제어라인의 사이에서 미리 정해진 보조서지제어라인에 진입하면 상기 입구가이드베인을 안티서지모드로 미세하게 제어하기 위하여 보조서지제어신호를 생성하는 입구가이드베인 안티서지 제어단계;를 포함하고,
상기 성능제어단계에서 상기 입구가이드베인은 상기 성능제어신호에 의해 제어되어 제1 속도로 상기 압축기의 상기 입구의 상기 개방 면적을 조절하고,
상기 입구가이드베인 안티서지제어단계에서 상기 입구가이드베인은 상기 보조서지제어신호에 의해 제어되어 제1 속도보다 작은 제2 속도로 상기 압축기의 상기 입구의 상기 개방 면적을 조절하는, 압축기의 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 압축기의 상기 출구에서의 유체의 압력을 감지하는 압력센서와, 상기 압축기의 상기 출구에서의 유체의 유량을 감지하는 유량센서와, 상기 압축기를 구동하는 모터의 전류변화를 감지하는 전류센서의 신호로부터 상기 압축기의 작동점을 감지하는 작동점 감지단계를 더 포함하는, 압축기의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 입구가이드 성능제어단계에서는 상기 압축기의 작동점이 상기 서지제어라인에 진입하기 전까지 상기 압력센서의 신호로부터 상기 안티서지밸브를 제어하기 위한 압력제어신호를 생성하는 압력제어신호생성단계를 더 포함하는, 압축기의 제어 방법.