KR20160063914A - 압축기 제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
압축기 제어 시스템은 유체를 압축하는 압축기와, 압축기의 입력측에 배치되어 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제1 제어밸브와, 압축기의 입력측에서 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 따라 제1 제어밸브에 대해 직렬적으로 배치되어 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제2 제어밸브와, 제1 제어밸브와 제2 제어밸브를 제어하기 위한 하나의 작동신호를 발생하는 하나의 제어기를 구비한다.
Description
실시예들은 압축기 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 복수 개의 제어밸브를 효과적으로 제어할 수 있는 압축기 제어 시스템에 관한 것이다.
압축기를 통과하는 유량을 조절하기 위해 압축기의 전단에 제어밸브를 설치하는 기술이 사용된다. 압축기의 설계사양에 따라서는 압축기의 전단에 복수 개의 제어밸브를 배치하기도 한다. 예를 들어 압축기가 제공하는 유량의 범위가 0 내지 200인데, 설치할 수 있는 하나의 제어밸브가 조절할 수 있는 유량의 범위가 0 내지 100이라면 적어도 두 개의 제어밸브를 설치하여야 압축기가 작동하는 전체 유량 범위에 대해 조절이 가능하다.
압축기의 전단에 유사한 목적을 갖는 복수 개의 제어밸브들을 배치하는 예로는, 압축기의 전단에 입구 쓰로틀 밸브(ITV; inlet throttle valve)와 입구 가이드 베인(IGV; inlet guide vane)을 설치하는 경우와, 하나의 입구 쓰로틀 밸브와 다른 하나의 입구 쓰로틀 밸브를 설치하는 경우 등이 있다.
압축기의 전단에 유사한 목적을 갖는 복수 개의 제어밸브들을 배치하는 경우 제어밸브들의 각각은 독립적인 제어기들에 의해 제어된다. 그러나 이러한 종래 방식에 의하면 독립적인 제어기들에 의해 제어밸브들이 각각 독립적으로 제어되는 과정에서 유사한 제어기의 사이에 제어 작동 범위가 서로 간섭하는 커플링 현상이 발생할 수 있다. 커플링 현상은 복수의 제어기들의 효과가 서로 중첩됨으로써 제어 성능이 감소하거나 시스템이 불안정해지는 현상을 말한다.
예를 들어, 입구 쓰로틀 밸브와 입구 가이드 베인을 동시에 사용하고, 이 두 개의 제어밸브들이 동시에 압축기의 토출 압력을 제어하도록 작동하는 경우 커플링 현상이 발생할 수 있다. 즉 두 개의 제어밸브들이 동시에 동작함으로 인해 토출 압력이 과도하게 상승하거나 헌팅 현상이 발생할 수 있다.
실시예들의 목적은 복수 개의 제어밸브를 사용하면서도 제어밸브들의 제어 동작의 간섭 현상 발생이 저감되는 압축기 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 압축기 제어 시스템은 유체를 압축하는 압축기와, 압축기의 입력측에 배치되어 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제1 제어밸브와, 압축기의 입력측에서 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 따라 제1 제어밸브에 대해 직렬적으로 배치되어 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제2 제어밸브와, 제1 제어밸브와 제2 제어밸브를 제어하기 위한 하나의 작동신호를 발생하는 하나의 제어기를 구비한다.
제어기에 의해 발생되는 작동신호는 제1 제어밸브와 제2 제어밸브에 동일하게 인가될 수 있으며, 작동신호는 미리 정해진 범위의 신호세기에 해당하는 제1 범위와 제1 범위를 초과하는 신호세기에 해당하는 제2 범위로 구분될 수 있고, 작동신호가 제1 범위에 해당할 때 제1 제어밸브가 개방되는 크기는 작동신호의 크기에 비례하고 제2 제어밸브는 최소 개방 상태를 유지할 수 있으며, 작동신호가 제2 범위에 해당할 때 제1 제어밸브는 최대 개방 상태를 유지하고 제2 제어밸브가 개방되는 크기는 작동신호의 크기에 비례할 수 있다.
제어기에 의해 발생된 작동신호는 제1 제어밸브에만 인가될 수 있으며, 제2 제어밸브는 제1 제어밸브가 작동하는 위치에 추종하여 작동함으로써 제2 제어밸브가 작동하는 속도가 제1 제어밸브가 작동하는 속도보다 느리게 설정될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 압축기 제어 시스템에 의하면, 하나의 제어기에 의해 발생한 하나의 작동신호에 의해 제1 제어밸브와 제2 제어밸브를 효과적으로 제어할 수 있으므로 복수 개의 제어밸브들의 각각을 상이한 제어기가 구동하던 종래의 시스템에서 발생하던 커플링 현상의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2는 도 1의 압축기 제어 시스템의 제어밸브들의 작동을 도시한 그래프이다.
도 3은 다른 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 4는 도 3의 압축기 제어 시스템의 제어밸브들의 작동을 도시한 그래프이다.
도 2는 도 1의 압축기 제어 시스템의 제어밸브들의 작동을 도시한 그래프이다.
도 3은 다른 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 4는 도 3의 압축기 제어 시스템의 제어밸브들의 작동을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 압축기 제어 시스템의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 2는 도 1의 압축기 제어 시스템의 제어밸브들의 작동을 도시한 그래프이다.
도 1 및 도 2에 나타난 실시예에 관한 압축기 제어 시스템은, 유체를 압축하는 압축기(10)와, 압축기(10)의 입력측에 배치되어 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제1 제어밸브(30)와, 압축기(10)의 입력측에서 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 따라 제1 제어밸브(30)에 대해 직렬적으로 배치되어 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제2 제어밸브(20)와, 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)를 제어하기 위한 작동신호(PIC)를 발생하는 하나의 제어기(40)를 구비한다.
종래의 시스템에서는 압축기의 유체 흐름을 조절하기 위한 제어밸브를 복수 개 설치하는 경우, 각각의 제어밸브를 제어하기 위한 별도의 제어기를 설치하며 각각의 제어밸브의 동작을 제어하기 위한 상이한 제어신호를 생성하였다. 이로 인해 각각의 제어기의 동작이 서로 간섭하는 커플링 현상이 발생한다.
예를 들어 일본 특허공개공보 제1993-026057호에 압축기의 입구측에 설치된 복수 개의 제어밸브들을 제어하기 위한 종래의 시스템이 설명되지만, 각각의 제어밸브에 상이한 제어신호를 인가하는 기술이 설명된다. 이러한 시스템에서 만일 동시에 제어밸브들을 제어하려 한다면 커플링 현상이 발생하기 때문에, 제어밸브들을 제어하기 위한 제어신호를 공기유량의 구간에 따라 별도로 생성하여 각각의 제어밸브들을 상이한 영역에서 제어하는 기술을 사용한다.
그러나 도 1 및 도 2에 나타난 실시예에 관한 압축기 제어 시스템에서는 하나의 제어기(40)만이 설치되며, 하나의 제어기(40)에서 발생하는 하나의 작동신호(PIC)를 이용하여 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)의 모두를 효과적으로 제어할 수 있다.
도시된 실시예에서는 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)의 두 개의 제어밸브들이 설치되었으나, 실시예는 이러한 제어밸브의 개수에 의해 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 제어밸브의 개수를 3개 이상으로 다양하게 변형할 수 있다.
제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)는 모두 압축기(10)의 입력측에 배치되며, 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)는 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 따라 직렬적으로 배치된다. '압축기(10)의 입력측에 배치되는 구조'는 압축기(10)의 입구(10a)에 직접 연결되는 구조와, 압축기(10)의 입구(10a)에 연결되는 입구라인(11)에 연결되는 구조를 모두 포함한다.
도 1에 도시된 실시예에서 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 따라 제1 제어밸브(30)가 하류측에 배치되고 제2 제어밸브(20)가 상류측에 배치되지만, 실시예는 이러한 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)의 배치 위치에 의해 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 제2 제어밸브(20)가 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 따라 하류측에 배치되고 제1 제어밸브(30)가 상류측에 배치될 수 있다.
제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)의 각각은 제어기(40)로부터 인가되는 작동신호(PIC)에 의해 작동함으로써 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 기능을 수행한다. 도 1 및 도 2에 나타난 실시예에서는 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)가 모두 입구 쓰로틀 밸브(ITC; inlet throttle valve)인 예를 도시한다. 입구 쓰로틀 밸브는 인가되는 제어신호에 의해 개방 면적을 변화시킴으로써 압축기(10)로 유입되는 유량을 조절하는 밸브이다.
제1 제어밸브(30) 및 제2 제어밸브(20)에 사용되는 입구 쓰로틀 밸브는 유압에 의해 작동하거나, 공기압력에 의해 작동하거나, 예를 들어 솔레노이드와 같은 전기신호에 의해 작동하여 압축기(10)로 보내는 유체를 통과시키기 위한 개방 면적을 조정하도록 구현될 수 있다.
이하의 제1 제어밸브(30) 및 제2 제어밸브(20)와 관련된 설명에서, '제어밸브가 최소 개방 상태로 유지된다.'는 표현은 제어밸브의 개방된 면적이 최소가 되도록 조정된 것을 의미한다.
제어기(40)는 압축기(10)의 출력측에 연결된 감지부(50)와 연결되며, 감지부(50)가 측정한 압축기(10)의 토출 압력에 관한 신호를 수신하여 이에 기초한 작동신호(PIC)를 발생한다.
도시된 실시예에서는 감지부(50)가 하나가 배치되어 압축기(10)의 토출 압력을 감지하는 것으로 설명되지만, 실시예는 이러한 감지부(50)의 개수나 동작에 의해 제한되는 것은 아니며 감지부(50)의 개수를 변형하거나 감지부(50)가 토출 압력 이외에 유량이나, 온도 등의 상이한 물리량을 감지하도록 변형될 수 있다.
제어기(40)가 발생한 작동신호(PIC)는 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)의 각각에 동일하게 인가된다. 즉 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)가 상이한 신호를 인가 받아 작동하는 것이 아니라, 하나의 제어기(40)로부터 인가되는 동일한 하나의 작동신호(PIC)에 의해 작동할 수 있도록 설계된다.
도 2를 참조하면, 수평축은 제어기(40)가 발생하는 하나의 작동신호(PIC)의 크기를 나타내고, 수직축은 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)의 각각의 개방의 정도(개도)를 나타낸다. 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)의 개도가 0%인 것은 개방의 정도가 최소로 유지된 상태를 의미한다.
제어기(40)의 작동신호(PIC)는 미리 정해진 범위의 신호세기에 해당하는 제1 범위(C1)와, 제1 범위(C1)를 초과하는 신호세기에 해당하는 제2 범위(C2)로 구분된다. 작동신호(PIC)의 제1 범위(C1)는 제1 제어밸브(30)를 동작시키기 위한 0% 내지 100%의 범위의 크기를 갖는 신호세기에 해당한다. 작동신호(PIC)의 제2 범위(C2)는 제2 제어밸브(20)를 동작시키기 위한 100% 내지 200%의 범위의 크기를 갖는 신호세기에 해당한다.
작동신호(PIC)의 신호세기가 제1 범위(C1)에 해당할 때에는 제1 제어밸브(30)의 개도가 0% 내지 100%의 범위에서 작동신호(PIC)의 크기에 비례하여 변화한다. 작동신호(PIC)의 신호세기가 제1 범위(C1)에서 변화하는 동안 제2 제어밸브(20)의 개도는 최소 개방 상태를 유지한다.
작동신호(PIC)의 신호세기가 제2 범위(C2)에 도달하였을 때부터는 제1 제어밸브(30)의 개도는 100%인 최대 개방 상태를 유지한다. 작동신호(PIC)의 신호세기가 제2 범위(C2)에 해당할 때에는 제2 제어밸브(20)의 개도가 0% 내지 100%의 범위에서 작동신호(PIC)의 크기에 비례하여 변화한다.
상술한 바와 같은 구성의 압축기 제어 시스템에 의하면 하나의 제어기(40)에 의해 발생한 하나의 작동신호(PIC)의 신호세기가 제1 범위(C1)와 제2 범위(C2)로 미리 구분되고, 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)가 작동신호(PIC)의 신호세기에 따라 제어된다. 따라서 상술한 바와 같은 구성의 압축기 제어 시스템에서는 복수 개의 제어밸브들의 각각을 상이한 제어기가 구동하던 종래의 시스템에서 발생하던 커플링 현상이 발생하지 않으므로, 제1 제어밸브(30)와 제2 제어밸브(20)를 효과적으로 제어할 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 관한 압축기 제어 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 4는 도 3의 압축기 제어 시스템의 제어밸브들의 작동을 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 4에 나타난 실시예에 관한 압축기 제어 시스템은, 유체를 압축하는 압축기(10)와, 압축기(10)의 입력측에 배치되어 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제1 제어밸브(30a)와, 압축기(10)의 입력측에서 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 따라 제1 제어밸브(30a)에 대해 직렬적으로 배치되어 압축기(10)로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제2 제어밸브(20)와, 제1 제어밸브(30a)와 제2 제어밸브(20)를 제어하기 위한 하나의 작동신호(PIC)를 발생하는 하나의 제어기(40)를 구비한다.
제1 제어밸브(30a)는 압축기의 운용 영역을 제어하기 위해 압축기(10)의 입구에 배치되는 입구 가이드 베인(inlet guide vane; IGV)이나, 입구 버터플라이 베인(inlet butterfly vane; IBV)일 수 있다. 제2 제어밸브(20)는 입구 쓰로틀 밸브(ITC; inlet throttle valve)이다.
제어기(40)에 의해 발생된 작동신호(PIC)는 제1 제어밸브(30a)에만 인가되며, 제2 제어밸브(20)는 제1 제어밸브(30a)가 작동하는 위치에 추종하여 작동하도록 설정된다. 따라서 제2 제어밸브(20)가 작동하는 속도는 제1 제어밸브(30a)가 작동하는 속도보다 느리게 설정된다.
제2 제어밸브(20)가 개방되는 정도가 제1 제어밸브(30a)의 개방되는 동작(위치)을 추종하도록 하기 위해, 제2 제어밸브(20)는 기계요소에 의해 제1 제어밸브(30a)에 기계적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 제어밸브(20)는 기어와 스프링의 조립체에 의해 연결되거나, 오일이나 가스가 충전된 유체 실린더에 의해 제1 제어밸브(30a)에 연결될 수 있다. 이러한 경우 제1 제어밸브(30a)의 개방되는 운동 또는 폐쇄되는 운동이 제1 제어밸브(30a)에 연결된 기계요소를 통해 기계적으로 지연되며 제2 제어밸브(20)에 전달되며, 이로 인해 제2 제어밸브(20)가 제1 제어밸브(30a)의 운동보다 지연된 상태의 개방되는 운동 또는 폐쇄되는 운동을 수행할 수 있다.
제2 제어밸브(20)가 개방되는 정도가 제1 제어밸브(30a)의 개방되는 동작을 추종하도록 하기 위해, 제2 제어밸브(20)는 제1 제어밸브(30a)에 전자적인 요소에 의해 연결될 수 있다. 예를 들어 전자적인 요소의 일단은 제1 제어밸브(30a)에 기계적으로 연결되고, 제1 제어밸브(30a)의 운동에 비례하여 제2 제어밸브(20)로 전달되는 지연된 신호를 발생할 수 있다. 전자적인 요소가 발생하는 지연된 신호는 제2 제어밸브(20)에 전달됨으로써 제2 제어밸브(20)가 제1 제어밸브(30a)의 개방되는 운동이나 폐쇄되는 운동보다 지연된 속도의 개방되는 운동 또는 폐쇄되는 운동을 수행할 수 있다.
도 4를 참조하면, 굵은 선으로 표시된 그래프는 시간에 따른 제1 제어밸브(30a)의 개방의 정도의 변화를 나타내고, 가는 선으로 표시된 그래프는 시간에 따른 제2 제어밸브(20)의 개방의 정도의 변화를 나타낸다.
예를 들어, 유량 소모가 증가하여 제1 제어밸브(30a)가 개방된 면적이 크게 증가하는 경우, 제2 제어밸브(20)도 제1 제어밸브(30a)의 개방되는 운동(위치)을 추종하며 천천히 개방되는 동작을 수행한다. 제2 제어밸브(20)가 천천히 운동하여 개방되면 제1 제어밸브(30a)와 제2 제어밸브(20)가 모두 개방된 상태가 압축기(10)에 더 많은 유량의 유체를 공급할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성의 압축기 제어 시스템에 의하면 하나의 제어기(40)에 의해 발생한 하나의 작동신호(PIC)에 의해 제1 제어밸브(30a)가 작동하고, 제1 제어밸브(30a)의 위치를 추종하면서 제2 제어밸브(20)가 제1 제어밸브(30a)의 작동 속도보다 느린 속도로 작동한다. 상술한 바와 같은 구성의 압축기 제어 시스템에서는 복수 개의 제어밸브들의 각각을 상이한 제어기가 구동하던 종래의 시스템에서 발생하던 커플링 현상이 발생하지 않으므로, 제1 제어밸브(30a)와 제2 제어밸브(20)를 효과적으로 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 30, 30a: 제1 제어밸브
10a: 입구 40: 제어기
11: 입구라인 50: 감지부
20: 제2 제어밸브
10a: 입구 40: 제어기
11: 입구라인 50: 감지부
20: 제2 제어밸브
Claims (3)
- 유체를 압축하는 압축기;
상기 압축기의 입력측에 배치되어 상기 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제1 제어밸브;
상기 압축기의 입력측에서 상기 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 따라 상기 제1 제어밸브에 대해 직렬적으로 배치되어 상기 압축기로 입력되는 유체의 흐름을 조절하는 제2 제어밸브; 및
상기 제1 제어밸브와 상기 제2 제어밸브를 제어하기 위한 하나의 작동신호를 발생하는 하나의 제어기;를 구비하는, 압축기 제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어기에 의해 발생되는 상기 작동신호는 상기 제1 제어밸브와 상기 제2 제어밸브에 동일하게 인가되며, 상기 작동신호는 미리 정해진 범위의 신호세기에 해당하는 제1 범위와 상기 제1 범위를 초과하는 신호세기에 해당하는 제2 범위로 구분되고, 상기 작동신호가 상기 제1 범위에 해당할 때 상기 제1 제어밸브가 개방되는 크기는 상기 작동신호의 크기에 비례하고 상기 제2 제어밸브는 최소 개방 상태를 유지하며, 상기 작동신호가 상기 제2 범위에 해당할 때 상기 제1 제어밸브는 최대 개방 상태를 유지하고 상기 제2 제어밸브가 개방되는 크기는 상기 작동신호의 크기에 비례하는, 압축기 제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어기에 의해 발생된 상기 작동신호는 상기 제1 제어밸브에만 인가되며, 상기 제2 제어밸브는 상기 제1 제어밸브가 작동하는 위치에 추종하여 작동함으로써 상기 제2 제어밸브가 작동하는 속도가 상기 제1 제어밸브가 작동하는 속도보다 느리게 설정되는, 압축기 제어 시스템.
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