KR20040096502A - 제어시스템을 가진 압축기유니트 - Google Patents

제어시스템을 가진 압축기유니트 Download PDF

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KR20040096502A
KR20040096502A KR10-2004-7009182A KR20047009182A KR20040096502A KR 20040096502 A KR20040096502 A KR 20040096502A KR 20047009182 A KR20047009182 A KR 20047009182A KR 20040096502 A KR20040096502 A KR 20040096502A
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롤프알렉시스 제이콥슨
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아틀라스 콥코 툴스 에이비
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Abstract

본 발명은 한 개이상의 압축기단을 구성하고 고속에서 연속적으로 작동하도록 배열되어 일정한 유출유동체적을 전달하는 한 개이상의 압축기로터(K,10,11)를 가지고, 구동모터(19,M)를 가지며, 상기 구동모터(M,19)에 대해 상기 압축기로터(M,10,11)들을 기계적으로 연결시키는 구동라인(N,17,18) 조립체를 가지고, 가변부하요구를 가진 소비장치에 대해 가변출력유동체적으로 압축상태의 가스상 매체를 전달하기 위한 압축기유니트에 관련된다. 본 발명에 의하면, 폐기유동회로가 상기 한 개이상의 압축기단들의 출력단부(14)에 연결되고 실제부하요구에 의해 포함되지 못한 적어도 일부분의 출구유동출력을 수용하도록 배열되며, 상기 폐기유동회로가 상기 구동라인(N, 17,18)조립체와 기계적으로 연결된 한 개이상의 동력회수터빈(TR,22,23)을 가지고, 실제 부하요구에 응답하여 상기 폐기유동회로를 통해 폐기유동을 제어하기 위해 한 개이상의 밸브(V,25,34,35)가 배열되고, 상기 한 개이상의 동력회수터빈(TR,22,23)이 상기 폐기유동에 의해 동력을 공급받고 상기 출력유동체적보다 작은 부하요구상태에서 상기 구동라인(N,17,18)에 동력을 되돌려 전달하도록 배열된다.

Description

제어시스템을 가진 압축기유니트{COMPRESSOR UNIT WITH CONTROL SYSTEM}
예를 들어, 터보압축기를 위한 특성에 의하면, 간헐적으로 감소된 속도로 작동하면 압축기가 상대적으로 느린 가속특성 및 압력증가를 가진다. 즉 상기 형태의 압축기가 가지는 속도제어에 있어서 출력유출체적을 제어하고 빠른 부하요구의 증가를 위한 적합한 준비특성을 유지하는 것은 매우 양호한 방법이 아니다. 상기 문제에 대한 한 가지 해결방법에 의하면, 압축기로터 또는 로터들이 계속해서 가속되는 동안 압력매체전달체적을 유지하기 위해 일정체적의 가압매체공급원을 이용하는 것이다. 준비특성과 관련한 문제를 해결하기 위한 또 다른 방법에 의하면,충분히 큰 공급원을 위한 공간이 없을 때, 높은 출력유동체적 및 고속으로 압축기로터 또는 로터들을 연속적으로 작동하는 것이다. 상기 기술이 종래기술에 공지되어 있고 한편으로 상기 압축기로터 또는 로터들의 설계가 특정속도에 대해 최적화되고 매우 양호한 효율을 제공할 수 있다. 다른 한편으로 과잉의 압력매체가 부분부하요구상태에서 대기에 대해 교축되거나 버려져야 하고, 즉 동력손실이 크고 따라서 압축기유니트의 전체 효율은 불량해진다.
상기 형태를 가지고 가스터빈구동형 터보압축기유니트가 미국특허 제 4,809,497 호에 공개된다. 충분한 출력체적을 신속하게 전달하기 위한 양호한 준비특성을 가지도록 압축기가 연속적으로 충분한 속도로 작동되고, 소비장치로부터 부하요구의 감소가 과도한 유동체적을 대기로 버리기 위해 바이패스(by-pass)라인을 개방하여 충족된다. 상기 유동 처리를 위한 배열이 압축기를 위해 일정한 손상위험 및 서징(surging)을 방지하기 위해 제공된다. 그러나 가스터빈을 충분한 속도로 작동하는 동안, 과도한 공기가 바이패스 라인에 의해 대기로 방출되는 되면, 압축기유니트의 효율은 불량해지고 에너지가 불필요하게 발생한다.
미국특허 제 5,117,625호에 공개된 가스터빈구동식 터보 압축기에 의하면, 블리드-오프(bleed-off) 라인을 통해 압축공기를 목적에 따라 전달한다. 그러나 가스터빈은 제너레이터(generator), 유압펌프 등과 같은 또 다른 부하장치에 기계적으로 연결되고, 상기 부하장치로부터 적은 동력이 요구되고 동시에 적은 압축공기체적이 요구되는 상태에서 압축기로부터 상당부분의 출력체적이 블리드오프라인을 통해 폐기유동으로서 대기에 방출된다. 즉 상당한 에너지 손실과 불량한 압축기효율이 발생한다.
문헌 WO 01/27452 에 공개된 가스터빈엔진에 의하면, 상기 엔진이 부하장치에 연결되고, 터빈으로부터 재순환배출가스를 부분적으로 공급받는 터보압축기를 가진다. 동력요구가 증가할 때, 압축기에 증가된 양의 신선한 공기가 공급되고, 부하장치로부터 변화하는 동력요구상태에서 대기 폐기가스를 단계적으로 방출하기 위한 다수의 유출 탭(tap)들이 압축기에 구성된다. 동력손실을 감소시키기 위하여, 압축기의 고압영역에서 탭으로부터 폐기가스에 의해 구동되고 높은 동력요구상태에서 압축기에 신선한 공기를 공급하기 위한 압축기를 구동하기 위한 보조터빈이 구성된다. 부하요구상태가 작을 때 터빈연소를 위해 매우 적은 양의 신선한 공기가 필요하기 때문에, 상기 폐기가스회수장치가 단지 높은 부하요구상태에서만 이용된다. 즉 동력요구가 작을 때, 대부분의 폐기가스가 에너지회수작용없이 압축기로부터 대기로 방출된다.
본 발명은 가변유동체적의 가압가스매체를 가변부하의 소비장치에 전달하기 위한 압축기유니트에 관한 것이다.
특히 본 발명은 압축기로터 또는 로터들의 일정 출력유동체적 및 연속적인 고속상태를 제공하기 위한 제어시스템과 한 개이상의 압축기로터를 포함한 상기 형태의 압축기유니트의 출력을 제어하기 위한 기술에 관한 것이다. 상기 기술의 목적은 대기에 대해 과도한 압력매체를 단지 쏟아 내거나 교축시키지 않고 소비장치로부터 신속한 부하요구의 변화를 위한 준비특성을 유지하는 것이다. 부하요구가 몇 분의 일초내에 광범위하게 변화한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 도시한 압축기유니트의 개략도.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 2단식 압축기유니트를 도시한 개략도.
*부호설명*
10,11 : 압축기 17,18 : 구동라인
15 : 냉각장치 20,21 : 로터
본 발명의 주요 목적은 부하요구가 빠르게 변화하는 동안 높은 정도의 준비특성을 가지고 압축된 가스상의 매체를 전달하기 위한 압축기유니트를 제공하고, 압축기로터 또는 로터들이 고속 및 높은 유출유동체적으로 연속적으로 작동하며, 에너지회수작용을 위해 감소된 부하요구상태에서 압축기로터 또는 로터들로부터 폐기유동유출이 이용된다.
본 발명의 또 다른 목적은 고속으로 압축기로터 또는 로터들을 연속적으로 작동하는 동안 압축가스상 매체를 전달하기 위한 압축기유니트에 가변 유출유동체적을 제공하고, 압축기구동라인에 대해 기계적 동력을 귀환시키기 위한 압축기로터 또는 로터들의 구동라인에 기계적으로 연결된 한 개이상의 동력회수터빈들을 구동하기 위해 부분부하요구상태에서 압축기로터 또는 로터들로부터 폐기유출유동체적이 이용되는 것이다.
본 발명의 또 다른 특성들이 하기 상세한 설명 및 청구범위에서 이해된다.
본 발명의 선호되는 실시예들이 첨부된 도면들을 참고하여 상세히 설명된다.
도 1에 도시한 압축기유니트는 구동모터(M), 구동라인(N)을 통해 모터에 연결된 압축기로터(K)를 가진다. 구동라인(N)은 한 개 또는 두 개이상의 동심부분내에서 회전축을 가진다. 압축기로터(K)가 대기압(P1)의 공기를 공급받고 P2의 압력공기를 전달한다. 압축기로터(K)가 일정속도에서 모터(M)에 의해 구동되고 일정한 유동체적의 압축공기를 전달한다. 최적상태에서 압축기로터(K)를 작동시키기위해 상기 일정속도크기가 압축기로터(K)의 특성에 대해 선택된다.
압축기로터(K)의 출력체적이 영 및 최대사이에서 신속하게 변화될 수 있는 부하요구에 의해 (도면에 도시되지 않은) 압축공기소비장치에 압축기유니트가 연결된다. 압축기로터(K)의 최대능력 출력유동체적이 소비장치에 의해 요구되지 않을 때, 유동의 과잉부분이 밸브(V)를 통해 폐기유동회로로 전달된다. 상기 폐기유동에 의해 구동되고 구동라인(N)과 기계적으로 연결된 동력회수터빈(TR)이 상기 폐기유동회로에 구성된다. 실제 폐기유동체적에 의해 동력회수터빈(TR)은 구동라인(N) 및 구동모터(M)에 동력을 전달하고, 실제부하요구량을 유지하기 위해 소비장치로부터 임시로 요구되지 않는 에너지를 회수한다. 따라서 구동모터(M)에 대한 동력공급은 압축기로터(K)가 정해진 최적속도에 유지되는 크기로 감소될 수 있다.
유동체적을 소비장치에 의해 요구되지 않는 동력회수터빈으로 정확하게 연속적으로 변환하기 위해 폐기유동밸브(V)가 압축기로터(K)의 출력단부 압력으로 적합하게 제어된다. 동력제어유니트(PCU)가 제어밸브(V) 및 구동모터(M)에 연결되고 정해진 최적속도로 압축기로터(K)를 유지하기 위해 연속적으로 동력공급을 구동모터(M)에 적합하게 만든다.
상기 구동모터(M)는 모든 종류의 전기동기모터, 가스터빈 등으로 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 압축기유니트는 2단 압축기를 구성하기 위해 중간의 냉각장치(12)를 통해 직렬로 배열된 두 개의 압축기로터(10,11)들을 가진다. 상기 압축기유니트가 대기공기를 위한 공기유입구(13) 및 공기 냉각장치(15)를 통해 (도면에 도시되지 않은 ) 소비장치에 압축공기를 전달하기 위한 압축공기 유출구(14)를 가진다. 소비장치는 고부하 및 저부하사이에서 신속하게 변화하는 가변부하요구량을 가진 형태의 장치이다.
압축기로터(10,11)가 가스터빈(19)에 의해 구동되는 회전축들에 의해 형성된 별도의 두 개의 구동라인(17,18)들과 연결되고, 구동라인(17,18)들중 한 개에 연결된 두 개의 로터(20,21)들을 가진다. 일부 적용예에 있어서, 터빈로터(20,21) 및 두 개의 구동라인(17,18)들이 선호되는 효율을 가진 터빈(19)을 구성하기 위해 반대방향으로 회전될 수 있다. 압력공기 소비장치로부터 요구되는 부분부하로 압축기로부터 여분의 폐기공기에 의해 에너지를 공급받는 두 개의 동력회수터빈(22,23)들이 구동라인(17,18)들에 기계적으로 연결된다.
두 개의 연속적인 압축기로터(10,11)를 위한 서로 다른 최적속도를 제공하기 위해 분리된 두 개의 구동라인들을 이용한다.
폐기공기유동회로가 밸브(25)에 의해 압축기로터(10,11)의 압축공기 출력단부(14)에 연결되고 양쪽 동력회수터빈(22,23)에 대한 지선부분을 포함한다. 가스터빈(19)에 연결된 연소기(27)의 공기공급을 제어하기 위한 밸브(25)가 배열된다. 연소기(27)로 공급된 공기유동은 실제 부하요구량에 의존한다. 동력회수터빈(22,23)에 공급된 공기유동체적이 소비장치 또는 연소기(27)에 의해 일시적으로 요구되지 않는 여분의 폐기공기체적이다. 낮은 부하요구에서 동력회수터빈(22,23)에 공급된 대량의 폐기유동 및 구동라인(17,18)으로 동력피드백이 존재할 수 있다.터빈(19)에 에너지를 공급하고 정해진 크기로 로터속도를 유지하기 위한 연소기(27)로 공기유동이 존재할 수 있다.
밸브(25)에 의해 압축기(10,11)의 압축공기유출단부(14)로부터 공기 및 연료공급유니트(28)로부터 연료가 연소기(27)에 공급된다. 터빈(19)으로부터 배출가스에 의해 가열되는 재생장치(29)를 통해 공기가 연소기(27)에 공급된다. 연료공급유니트(28)가 또는 연소기(27)의 작동을 개시하기 위한 점화장치를 가진다.
또한 최초 단의 압축기로터(20)에 연결된 구동라인(17)이 전기모터(30)에 연결되고, 전기모터가 터빈의 작동을 개시하기 위해 이용된다. 상기 전기모터(30)가 축압기(31) 또는 주요연결부에 의해 에너지를 공급받는다.
서로 다른 유동체적에서 동력회수터빈(22,23)의 선호되는 작동을 위해 상기 터빈들이 조정가능한 안내 베인(vane)(32,33)들을 가진다. 또한 동력회수터빈(22,23)에 대한 개별 폐기유동체적은 폐기유동회로에서 별도로 제공된 두 개의 밸브(34,35)들에 의해 제어된다. 서로 다른 부하요구량에 대해 터빈작동을 최적화하기 위하여 (도면에 도시되지 않고) 조정가능한 안내 베인들이 가스터빈(19)의 제 1 단(20)에 제공되는 것이 적합하다. 로터속도, 실제압력(P1, P2,P3,P4,P5) 및 온도(T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9)과 같은 다수의 변수들에 응답하여 안내 베인(32,33) 및 밸브(25,34,35)들이 조정된다. 도 2를 참고한다. 상기 변수들을 위한 센서들은 도면에 도시되지 않는다.
압축기유니트의 적합한 작동제어를 위하여, 제어시스템(36)이 제공된다. 명확한 이해를 위하여, 제어시스템(36)은 시스템의 서로 다른 부분들에 대한 리드(lead)들을 가지지 않은 것으로 기호로 도시된다. 상기 제어시스템(36)은 본 발명의 일부를 형성하지 못하고 자세히 설명하지 않는다.
상기 압축기유니트가 압축공기의 소비장치가 가지는 특성에 의존하는 서로 다른 방법으로 작동될 수 있다. 충분한 유동체적을 위해 매우 짧은 통지준비를 요구하는 형태의 소비장치가 구성되면, 동력회수터빈(22,23)을 통해 폐기유동에 의해 과잉에너지를 회수하며 항상 충분한 속도로 상기 압축기가 작동되어야 한다. 부하요구량이 작을 때, 폐기공기유동이 크고 구동라인(15,16) 및 모터 즉 가스터빈에 대한 에너지 피드백은 크며, 정미소비 에너지는 상당히 작다. 부하요구량이 압축기의 충분한 유동능력으로 신속하게 증가되면, 충분한 속도로 회전하는 가스터빈이 동시에 충분한 출력유동체적을 전달할 수 있다.
압축공기 소비장치가 어느 정도의 지연을 가지고 충분한 유동체적을 요구하면 압축기유니트의 낮은 준비특성이 적용될 수 있다. 즉 가스터빈(19) 및 압축기로터(10,11)가 어느 정도 감소된 속도에서 예를 들어, 최대속도의 80내지 90%에서 부분부하 또는 무부하로 작동될 수 있다. 압축기로부터 충분한 출력유동체적을 구하기 위한 지연이 매우 짧지만 가스터빈에 대한 요구동력이 추가로 감소된다. 부분부하상태의 폐기유동이 동력회수터빈(22,23)에 의해 기계적 에너지로 회수되고 변환된다.

Claims (5)

  1. 한 개이상의 압축기단을 구성하고 고속에서 연속적으로 작동하도록 배열되어 일정한 유출유동체적을 전달하는 한 개이상의 압축기로터(K,10,11)를 가지고, 구동모터(19,M)를 가지며, 상기 구동모터(M,19)에 대해 상기 압축기로터(M,10,11)들을 기계적으로 연결시키는 구동라인(N,17,18) 조립체를 가지고, 가변부하요구를 가진 소비장치에 대해 가변출력유동체적으로 압축상태의 가스상 매체를 전달하기 위한 압축기유니트에 있어서,
    폐기유동회로가 상기 한 개이상의 압축기단들의 출력단부(14)에 연결되고 실제부하요구에 의해 포함되지 못한 적어도 일부분의 출구유동출력을 수용하도록 배열되며, 상기 폐기유동회로가 상기 구동라인(N, 17,18)조립체와 기계적으로 연결된 한 개이상의 동력회수터빈(TR,22,23)을 가지고, 실제 부하요구에 응답하여 상기 폐기유동회로를 통해 폐기유동을 제어하기 위해 한 개이상의 밸브(V,25,34,35)가 배열되고, 상기 한 개이상의 동력회수터빈(TR,22,23)이 상기 폐기유동에 의해 동력을 공급받고 상기 출력유동체적보다 작은 부하요구상태에서 상기 구동라인(N,17,18)에 동력을 되돌려 전달하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 압축기유니트.
  2. 제 1항에 있어서, 실제 부하요구량 및 상기 구동모터(M,19)에 대한 동력공급에 응답하여 상기 한 개이상의 밸브(V,25,34,35)들의 작동을 제어하기 위한 동력제어유니트(PCU,36)가 제공되어, 가변부하요구상태에서 한 개이상의 압축기로터(10,11,K)의 회전속도를 고속으로 유지하는 것을 특징으로 하는 압축기유니트.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 한 개이상의 압축기로터(10,11,K)가 분리된 두 개의 압축기로터(10,11)들을 가지고, 상기 구동라인(N,17,18)이 분리된 두 개의 구동라인부분(17,18)을 가지며 상기 두 개의 압축기로터(10,11)들이 상기 구동라인부분(17,18)들 중 한 개에 기계적으로 연결되고, 상기 구동모터(19)가 상기 구동라인(17,18)부분들 중 한 개에 기계적으로 연결된 두 개의 터빈로터(20,21)를 가진 가스터빈(19)을 가지고, 상기 한 개이상의 동력회수터빈(22,23)이 두 개의 동력회수터빈(22,23)을 가지고, 동력회수터빈들이 상기 구동라인(17,18)부분들과 기계적으로 연결되며, 상기 폐기유동회로가 상기 두 개의 동력회수터빈(22,23)과 지선부분으로 연결되고, 상기 두 개이상의 동력회수터빈(22,23)을 통해 상기 폐기유동을 제어하기 위한 한 개이상의 밸브(25,34,35)들이 배열되는 것을 특징으로 하는 압축기유니트.
  4. 제 3항에 있어서, 제 1 압축기 단 및 제 2 압축기 단을 형성하기 위하여 두 개의 압축기로터(10,11)들이 직렬로 연결되고, 제 2 압축기 단의 출력단부(14)에 상기 폐기유동회로가 연결되는 것을 특징으로 하는 압축기유니트.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 두 개의 구동라인(17,18)부분이 반대방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 압축기유니트.
KR10-2004-7009182A 2001-12-14 2002-12-06 제어시스템을 가진 압축기유니트 KR20040096502A (ko)

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