KR20180040106A

KR20180040106A - 왕복동 압축기 유동 감지

Info

Publication number: KR20180040106A
Application number: KR1020170130176A
Authority: KR
Inventors: 제임스 리차드 주를로; 세바스챤 프레운트
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-04-19
Also published as: JP7007146B2; CN107917069B; US20180100497A1; EP3315776A2; EP3315776A3; EP3315776B1; CN107917069A; CA2981535A1; KR102423369B1; JP2018087568A

Abstract

왕복동 압축기를 모니터링하는 시스템, 방법, 및 비일시적 매체는 왕복동 압축기 내에 배치된 밸브의 밸브 개방을 센서를 이용하여 결정하는 것과 밸브 개방 시에 왕복동 압축기의 피스톤의 제1 위치를 결정하는 것을 포함한다. 모니터링은 또한 센서를 이용하여 밸브의 밸브 폐쇄를 결정하는 것과 밸브 폐쇄 시에 피스톤의 제2 위치를 결정하는 것을 포함한다. 더욱이, 모니터링은 제1 및 제2 위치를 적어도 부분적으로 기초로 하여 용적 효율을 추산하는 것을 포함한다.

Description

왕복동 압축기 유동 감지{RECIPROCATING COMPRESSOR FLOW SENSING}

본 명세서에 개시된 주제는 왕복동 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 왕복동 압축기의 작동 이벤트(예컨대, 밸브 폐쇄)를 검출하는 것에 기초하여 유동을 추산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

왕복동 압축기는 유체(예컨대, 가스)가 챔버 내로 흡인되고 챔버 내에서 압축되도록 챔버 내에서 앞뒤로 이동하도록 구동되는 피스톤을 포함할 수 있다. 예컨대, 챔버의 일부는 피스톤 위에 배치될 수 있다. 피스톤이 제1 방향으로(예컨대, 챔버의 부분으로부터 멀어지게) 이동함에 따라, 상기 부분의 용적이 증가함으로써, 예컨대 흡입 밸브를 통해 피스톤 위의 챔버 부분으로 가스를 흡인한다. 피스톤이 제1 방향과 반대인 제2 방향으로(예컨대, 챔버의 부분을 향해) 이동함에 따라, 상기 부분의 용적이 감소함으로써, 챔버의 부분 내의 가스를 압축시킨다. 압축된 가스의 압력이 임계값을 초과한 후에, 압축된 가스가 다른 곳의 챔버 부분으로부터 배출되도록 그리고 다른 목적을 위해 배출 밸브가 개방될 수 있다.

몇몇 구성에서, 압축기는 조절 가능한 용적을 가질 수 있다. 가변 용적 압축기와 일정 용적 압축기의 작동은 감지 시스템을 이용하여 감지될 수 있다. 그러나, 개별적인 압축기를 통해 유동 센서를 사용하는 직접 측정은 비용이 많이 드는 특성 또는 일정 시구간 동안 개별적인 유동 센서의 비신뢰성으로 인해 비실용적일 수 있다.

원청구된 발명과 범위면에서 상응하는 특정한 실시예가 아래에 요약되어 있다. 이들 실시예는 청구된 발명 범위를 제한하려는 의도는 없고, 오히려 이들 실시예는 오직 본 개시의 가능한 형태의 간략한 요약을 제공하고자 하는 것이다. 사실상, 본 개시는 아래에 기술된 실시예와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.

제1 실시예에서, 왕복동 압축기의 작동을 모니터링하는 방법은 왕복동 압축기 내에 배치된 밸브의 밸브 개방을 센서를 이용하여 결정하는 것과 밸브 개방 시에 왕복동 압축기의 피스톤의 제1 위치를 결정하는 것을 포함한다. 방법은 또한 센서를 이용하여 밸브의 밸브 폐쇄를 결정하는 것과 밸브 폐쇄 시에 피스톤의 제2 위치를 결정하는 것을 포함한다. 더욱이, 방법은 제1 및 제2 위치를 적어도 부분적으로 기초로 하여 용적 효율을 추산하는 것을 포함한다.

제2 실시예에서, 시스템은 피스톤과 밸브를 갖는 왕복동 압축기를 포함한다. 시스템은 또한 밸브의 밸브 폐쇄를 모니터링하도록 구성된 제어기를 포함한다. 제어기는 왕복동 압축기에 커플링된 센서로부터 밸브 개방을 나타내는 표시를 수신하고 밸브 개방 시에 피스톤의 제1 위치를 결정하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 프로세서는 또한 센서로부터 밸브 폐쇄의 표시를 수신하고 밸브 폐쇄 시에 피스톤의 제2 위치를 결정하도록 구성된다. 이어서, 프로세서는 제1 및 제2 위치를 적어도 부분적으로 기초로 하여 용적 효율을 추산하도록 구성된다.

제3 실시예에서, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체는 실행 가능한 명령을 포함하고, 실행 가능한 명령은, 실행될 때에, 프로세서로 하여금, 왕복동 압축기에 커플링된 센서로부터 왕복동 압축기의 밸브의 밸브 개방을 나타내는 표시를 수신하고 밸브 개방 시에 왕복동 압축기의 피스톤의 제1 위치를 결정하게 한다. 명령은 또한 프로세서가 센서로부터 밸브 폐쇄의 표시를 수신하고 밸브 폐쇄 시에 피스톤의 제2 위치를 결정하게 한다. 명령은 또한 프로세서가 제1 및 제2 위치를 적어도 부분적으로 기초로 하여 왕복동 압축기의 용적 효율을 추산하게 한다.

본 발명의 이러한 특징, 양태 및 장점 그리고 다른 특징, 양태 및 장점은, 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호가 동일한 부분을 나타내는 것인 첨부 도면을 참조하여 후술하는 상세한 설명을 읽을 때 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 양태에 따른, 진동 센서를 갖는 왕복동 압축기의 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 개시의 양태에 따른, 도 1의 왕복동 압축기 및 진동 센서의 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 개시의 양태에 따른, 왕복동 압축기의 제조 곡선의 실시예이다.
도 4는 본 개시의 양태에 따른, 감지된 밸브 이벤트를 보여주는 센서 데이터 그래프의 실시예이다.
도 5는 본 개시의 양태에 따른, 도 1의 왕복동 압축기의 작동 중에 피스톤이 이동하는 보어의 실시예의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 양태에 따른, 왕복동 압축기의 작동을 모니터링하는 프로세스의 흐름도이다.

본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시예가 아래에서 설명될 것이다. 이들 실시예에 대해 축약된 설명을 제시하려는 노력의 일환으로, 실제 실시의 모든 특징이 본 명세서에서는 설명되지 않을 수도 있다. 임의의 공학 프로젝트 또는 설계 프로젝트와 같은, 이러한 임의의 실제적인 실시의 개발에 있어서, 시스템 관련 제약 및 사업 관련 제약에 순응하는 것과 같이 개발자의 특정한 목표를 달성하기 위해 실시에 맞춘 다수의 결정이 이루어져야만 한다는 것을 이해할 것이며, 상기 제약은 각각의 실시에 따라 서로 상이할 수 있다. 더욱이, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이익을 갖는 당업자에게는 설계, 제작 및 제조에서 이루어지는 통상적인 업무일 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 도입할 때, 단수 표현 및 "상기"는 이러한 요소가 하나 이상 존재한다는 것을 의미하려는 의도이다. 용어 "구비하는", "포함하는", 및 "갖는"은 일체를 포함함을 나타내려는 의도이며, 나열된 요소들 이외에도 추가적인 요소가 존재할 수 있음을 의미하려는 의도이다.

개시된 실시예는 압축기의 가변 용적의 기하학적 형태를 아는 일 없이 압축기의 유동 및/또는 용적 효율을 간접적으로 결정하는 데에 사용될 수 있는 센서(예컨대, 진동 센서, 음향 센서, 또는 진동 센서)를 채용한다. 센서는 왕복동 압축기, 보다 상세하게는 왕복동 압축기의 흡입 밸브 및 배출 밸브를 모니터링, 진단, 및/또는 제어하도록 기준 설정 데이터(예컨대, 소리 또는 진동의 핑거프린트)를 측정할 수 있다. 왕복동 압축기를 모니터링하는 데에 진동 센서를 사용하는 경우, 경우에 따라 진동 센서 시스템은 해당 시간에 식별되지 않을 수 있는 비정상적이거나 원치 않는 노이즈와 같은 노이즈를 기록한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 진동 센서는 정상적이거나 원하는 노이즈인 노이즈를 기록할 수 있는데, 이 경우 노이즈는 미리 식별되고 특성화된 것이다. 예컨대, 왕복동 압축기에 의한 다양한 작용 중에 왕복동 압축기에 의해 방출되는 노이즈는 공장 기준 설정 프로세스 중에 초기에 특성화될 수 있다. 기준 설정 프로세스 중에 특정 작동 이벤트 및 조건(예컨대, 배출 및/또는 흡입 밸브 폐쇄)에 대한 노이즈 신호는 처리되어 하나 이상의 작동 이벤트와 관련하여 데이터베이스에 저장될 수 있다. 왕복동 압축기의 정상 작동 중에, 기준 설정 프로세스 중에 특성화된 작동 이벤트와 관련하여 데이터베이스에 저장된 데이터는 작동 노이즈가 기준 설정 프로세스 중에 특성화된 작동 이벤트에 대응하는 지를 결정하도록 액세스될 수 있다.

유리하게는, 본 명세서에 설명된 기술은 특정 왕복동 압축기 소리 또는 노이즈의 "핑거프린트(fingerprint)"를 생성할 수 있다. 핑거프린트(예컨대, 프로파일, 비교기, 및/또는 기준 신호)는 전술한 바와 같이 기준 설정 프로세스 동안 생성될 수 있고, 핑거프린트는 기준 설정 프로세스 동안 테스트된 특정 작동 이벤트(예컨대, 밸브 개방 또는 폐쇄)에 대응할 수 있다. 기준 설정 프로세스는 왕복동 압축기의 전체 작동 동안 또는 왕복동 압축기의 특정 구성요소(예컨대, 기준 설정된 작동 이벤트(들)에 관한 구성요소)만을 작동시키는 동안 수행될 수 있다는 것을 유념해야 한다. 예컨대, 일부 실시예에서, 왕복동 압축기의 다양한 작동 이벤트는 부분 또는 전체 작동 중에 공장에서 기준 설정될 수 있다.

왕복동 압축기의 전체 작동 동안(예컨대, 기준 설정 후), 노이즈는 진동 센서 또는 진동 센서들에 의해 검출될 수 있으며, 결과적인 노이즈 신호는 처리되어 왕복동 압축기와 관련된 다양한 핑거프린트(예컨대, 프로파일, 서명, 비교기, 기준 신호, 고유 표시, 고유 표현 등)와 비교될 수 있다. 핑거프린트와 처리된 노이즈 신호가 대응하거나 상관(예컨대, "일치")하면, 신호는 핑거프린트와 관련된 작동 이벤트(예컨대, 밸브 폐쇄)에 대응하는 것으로 확인될 수 있다. 노이즈 신호는 또한 일치된 핑거프린트와 노이즈 신호에 대응하는 작동 이벤트와 관련된 시간-민감 정보를 결정하도록 처리될 수 있다. 예컨대, 노이즈 신호가 흡입 밸브 또는 배출 밸브의 폐쇄에 대응하는 핑거프린트와 일치하면, 노이즈 신호는, 예컨대 배출 밸브 또는 흡입 밸브가 폐쇄된 시기를 결정하기 위해 시간에 대해 플로팅될 수 있다.

또한, 본 개시의 실시예에 따르면, 센서(들)(예컨대, 노크 또는 근접 센서들)에 의해 기록 또는 검출된 노이즈는 다수의 작동 이벤트, 즉 왕복동 압축기의 다수의 흡입 밸브 및/또는 배출 밸브의 개방 또는 폐쇄를 포착할 수 있다. 흡입 밸브 및/또는 배출 밸브의 개방 또는 폐쇄에 대응하는 노이즈 신호의 진폭은 피스톤의 시간/운동에 대해 플롯팅되어 왕복동 압축기의 유량 및/또는 용적 효율을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 예컨대, 상이한 흡입 밸브 및/또는 배출 밸브의 폐쇄들 사이에서 일정 시구간이 모니터링될 수 있고, 개방 이벤트와 폐쇄 이벤트 사이에서 피스톤에 의해 이동된 거리는 피스톤의 전체 행정과 비교되어 용적 효율을 결정할 수 있다. 용적 효율은 유동을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 이들 파라미터는 건강을 결정하고 및/또는 작동 파라미터(예컨대, 체적 및/또는 RPM)를 조정하는 데에 사용될 수 있다.

도면을 참조하면, 도 1 및 도 2는 실린더(16)의 챔버(14) 내에 배치된 피스톤(12)을 갖는 가변 용량 왕복동 압축기(10)의 일부의 실시예의 단면도를 예시하며, 챔버(14)는 피스톤(12)의 양측에 하나씩 2개의 섹션(18, 20)을 포함한다. 예컨대, 도 1에서, 피스톤(12)은 제1 섹션(18)을 향해 그리고 제2 섹션(20)으로부터 멀어지는 제1 방향(화살표 22로 나타냄)으로 이동하고, 도 2에서, 피스톤(12)은 제2 섹션(20)을 향해 그리고 제1 섹션(18)으로부터 멀어지는 제2 방향(화살표 24로 나타냄)으로 이동한다.

피스톤(12)을 구동시키기 위해, 샤프트(26)가 구동 소스(도시 생략)로부터 실린더(16) 내로 그리고 피스톤(12)을 통해 연장될 수 있다. 샤프트(26)는 피스톤(12)과 견고하게 커플링되거나 피스톤과 일체화될 수 있다. 또한, 구동 소스(도시 생략)는 모터에 의해 구동되는 크랭크샤프트를 비롯한 임의의 적절한 구동 소스일 수 있다. 일반적으로, 구동 소스는 샤프트(26) 및 대응하는 피스톤(12)을 제1 방향(22) 및 제2 방향(24)으로 왕복 운동시킨다.

예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 피스톤(12)은 챔버(14)를 2개의 개별 섹션(18, 20)으로 분리시킨다. 바꿔 말해서, 섹션(18, 20)은 서로 유동적으로 격리될 수 있다. 피스톤(12)은 챔버(14)의 제1 섹션(18)을 챔버(14)의 제2 섹션(20)으로부터 밀봉하도록 실린더(16)의 벽과 맞물리거나 접촉하는 링(28)을 포함할 수 있다.

왕복동 압축기(10)는 또한 챔버(14)의 섹션(18, 20)과 커플링되는 일련의 밸브를 포함할 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예의 왕복동 압축기(10)는 2개의 배출 밸브(30)과 2개의 흡입 밸브(32)를 포함한다. 다른 실시예에서, 왕복동 압축기는, 얼마나 많은 섹션(18, 20)이 왕복동 압축기(10)의 챔버(14) 내에 포함되는 지에 따라 및/또는 얼마나 많은 실린더(16)[및 이에 따라 얼마나 많은 대응하는 챔버(14) 및 피스톤(12)]가 왕복동 압축기(10) 내에 포함되는 지에 따라 2개보다 많은 배출 밸브(30) 및 2개보다 많은 흡입 밸브(32)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 챔버(14)의 각 섹션(18, 20)은 배출 밸브(30) 중 하나와 흡입 밸브(32) 중 하나를 포함한다.

도 1에 예시된 실시예를 계속 참조하면, 피스톤(12)이 챔버(14)의 제2 섹션(20)으로부터 멀어지게 이동함에 따라, 제2 섹션(20)의 크기(예컨대, 용적)가 증가된다. 챔버(14)의 제2 섹션(20)의 용적 증가는 챔버(14)의 제2 섹션(20) 내의 유체와 흡입 밸브(32)에서 실린더(16)의 제2 섹션(20)과 커플링된 흡입 매니폴드(34) 간에 압력차(예컨대, 진공)를 유발시킨다. 압력차가 흡입 밸브(32)와 관련된 임계 압력을 초과할 때에, 흡입 밸브(32)가 개방되어 흡입 매니폴드(34)와 챔버(14)의 제2 섹션(20) 사이의 유체 연통을 가능하게 한다. 흡입 밸브(32)가 개방한 후에, 압력차는 또한 유체(예컨대, 공기)가 제2 섹션(20)의 흡입 밸브(32)를 통해 챔버(14)의 제2 섹션(20) 내로 흡인(예컨대, 흡입)되게 한다. 이에 따라, 제2 섹션(20)은 유체(예컨대, 공기)로 충전된다.

또한, 피스톤(12)이 도 1에서 챔버(14)의 제1 섹션(18)을 향해 이동함에 따라, 제1 섹션(18)의 용적이 감소된다. 따라서, 제1 섹션(18) 내의 유체(예컨대, 공기)는 피스톤(12)이 제1 섹션(18)을 향해 이동함에 따라 압축된다. 챔버(14)의 제1 섹션(18) 내의 유체의 유체 압력(예컨대, 공기 압력)이 제1 섹션(18)과 관련된 배출 밸브(30)의 임계 압력을 초과한 후에, 배출 밸브(30)는 개방된다. 배출 밸브(30)가 개방된 후에, 배출 밸브(30)는 챔버(14)의 제1 섹션(18)과 배출 밸브(30)에서 실린더(16)와 커플링된 배출 매니폴드(36) 사이의 유체 연통을 가능하게 한다. 챔버(14)의 제1 섹션(18) 내의 유체와 배출 매니폴드(36) 내의 유체 사이의 압력차로 인해, 제1 섹션(18) 내의 압축 유체(예컨대, 압축 공기)는 배출 매니폴드(36)를 향해 그 내부로 유동한다. 이어서, 압축 유체는 다른 목적을 위해 다른 곳으로 보내진다. 예컨대, 압축 유체는 정유 공장, 가스 파이프 라인, 화학 설비, 천연 가스 처리, 냉동 설비, 공기 분리 설비, 바이오 가스, 비료 생산, 가스 리프트, 수소 처리, 폴리머 생산, 지하 가스 저장, 또는 임의의 다른 적절한 시스템 또는 방법에 의해 사용될 수 있다.

도 2에 예시된 실시예를 계속 참조하면, 피스톤(12)이 챔버(14)의 제1 섹션(18)으로부터 멀어지게 이동함에 따라, 제1 섹션(18)의 크기(예컨대, 용적)가 증가된다. 챔버(14)의 제1 섹션(18)의 용적 증가는 챔버(14)의 제1 섹션(18) 내의 유체(예컨대, 공기)와 흡입 밸브(32)에서 실린더(16)의 제2 섹션(18)과 커플링된 흡입 매니폴드(34) 간에 압력차(예컨대, 진공)를 유발시킨다. 압력차가 흡입 밸브(32)와 관련된 임계 압력을 초과할 때에, 흡입 밸브(32)가 개방되어 흡입 매니폴드(34)와 챔버(14)의 제1 섹션(18) 사이의 유체 연통을 가능하게 한다. 흡입 밸브(32)가 개방한 후에, 압력차는 또한 유체(예컨대, 공기)가 제1 섹션(18)의 흡입 밸브(32)를 통해 챔버(14)의 제1 섹션(18) 내로 흡인(예컨대, 흡입)되게 한다. 이에 따라, 제1 섹션(18)은 유체(예컨대, 공기)로 충전된다.

또한, 피스톤(12)이 도 2에서 챔버(14)의 제2 섹션(20)을 향해 이동함에 따라, 제2 섹션(20)의 용적이 감소된다. 따라서, 제2 섹션(20) 내의 유체(예컨대, 공기)는 피스톤(12)이 제2 섹션(20)을 향해 이동함에 따라 압축된다. 챔버(14)의 제2 섹션(20) 내의 유체의 유체 압력(예컨대, 공기 압력)이 제2 섹션(20)과 관련된 배출 밸브(30)의 임계 압력을 초과한 후에, 배출 밸브(30)는 개방된다. 배출 밸브(30)가 개방된 후에, 배출 밸브(30)는 챔버(14)의 제2 섹션(20)과 배출 밸브(30)에서 실린더(16)와 커플링된 배출 매니폴드(36) 사이의 유체 연통을 가능하게 한다. 챔버(14)의 제2 섹션(20) 내의 유체(예컨대, 공기)와 배출 매니폴드(36) 내의 유체 사이의 압력차로 인해, 제2 섹션(20) 내의 압축 유체(예컨대, 압축 공기)는 배출 매니폴드(36)를 향해 그 내부로 유동한다. 이어서, 압축 유체는 전술한 바와 같이 다른 목적을 위해 다른 곳으로 보내진다.

더욱이, 도 1 및 도 2의 압축기(10)는 가변 변위 압축기일 수 있다. 따라서, 섹션(18, 20)의 최대 클리어런스 또는 용적이 가변적일 수 있다. 가변적인 변위를 달성하기 위해, 헤드(38)는 챔버에 추가 용적을 부가함으로써 챔버(14)를 연장시킬 수 있다. 바꿔 말해서, 헤드(38)는 챔버(14)의 벽으로서 작용할 수 있다. 누설을 확실히 방지하기 위해, 헤드(38)는 하나 이상의 가스켓(39) 또는 헤드(38) 둘레의 가스 유동을 감소시키거나 차단하는 다른 억제 수단을 포함할 수 있다. 헤드(38)는 압축기(10) 내의 헤드(38)의 위치를 조절하는 나사(40)를 사용하여 챔버(14)의 용적을 조절하도록 슬라이딩 이동할 수 있다. 나사(40)는 챔버(14)의 최대 용적을 조절하기 위해 압축기 내의 클리어런스의 양을 제어하는 제어 장치(42)(예컨대, 핸들)를 사용하여 대응하는 용적을 갖는 다수의 위치들 중 하나에 대해 헤드(38)를 어느 방향으로나 압박할 수 있다.

챔버(14)의 최대 용적을 확장시킴으로써, 압축기(10)는 실린더 내에 포획된 유체의 더 큰 용적이 흡입 압력으로 재팽창하도록 피스톤(26) 행정 동안 더 이동할 필요가 있기 때문에 재팽창 기간을 효과적으로 증가시킨다. 압축 사이클에서, 피스톤(26)은 또한 더 많은 용적이 가압됨에 따라 배출 압력에 도달하도록 행정을 따라 더 이동한다. 총 행정 거리에 걸쳐서 밸브 개방에 따른 배출 행정 거리(또는 밸브 개방에 따른 흡입 행정 거리)의 비율은 배출(또는 흡입) 용적 효율이다. 실린더의 용적 효율(VE)이 작을수록, 유효 변위가 작아진다. VE를 감소시키면 마력 소비량(곡선 내측 영역) 및 용량 이동이 줄어든다.

가스 수집 용례의 경우, 변위가 증가될 때에, 유체의 유량(Q)이 감소하고 흡입 압력이 증가한다(웰헤드 또는 패키지에 대한 압력 제한/제어가 없다고 가정). 도 3은 이론적인 생산 곡선의 실시예(55)를 예시한다. 예시된 바와 같이, 클리어런스가 증가함에 따라, 피스톤(26)의 변위와 압력 사이의 직접적인 관계로 인해 피스톤(26)의 변위도 증가한다.

일부 실시예에서, 체적이 가변적이기 때문에 압축기(10) 내의 용적을 결정하기 어려울 수 있다. 일부 실시예는 챔버(14)의 용적이 포함되거나 포함되지 않은 상태에서 추가 부분(44)의 용적을 추산하도록 시도하는 게이지(43; 예컨대, 룰러(ruler))를 제어 장치(42), 나사(40), 또는 압축기의 다른 부분에 포함할 수 있지만, 이들 시도는 정확하지 않을 수 있다. 용적은 결정하기 어려울 수 있으므로, 유동 또한 결정하기 어려울 수 있다. 몇몇의 경우에, 각 가스 압축기를 위한 개별적인 유동 센서는 비실용적이고 고가일 수 있다. 대신에, 가상 유동 센서 시스템이 유동 및/또는 용적 효율을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이들 가상 유동 센서 시스템은 진동 센서를 사용하여 구현되고 진동 센서 데이터에 대한 분석을 수행할 수 있다.

도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 왕복동 압축기(10)(또는 그 제어 시스템)는 4개의 진동 센서(60)를 포함할 수 있으며, 각각의 진동 센서(60)는 4개의 배출 밸브(30) 또는 흡입 밸브(32) 중 하나와 관련된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 하나의 진동 센서(60)가 압축기(10)의 양쪽에 사용될 수 있다. 예컨대, 압축기(10)의 공통 측면 상의 흡입 밸브(30) 및 배출 밸브(32)가 개방 및/또는 폐쇄된 시기를 결정하는 데에 단일 진동 센서(60)가 사용될 수 있고, 압축기(10)의 다른 측면 상의 흡입 밸브(30) 및 배출 밸브(32)가 개방 및/또는 폐쇄된 시기를 결정하는 데에 다른 진동 센서(60)가 사용될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 단일 노크 센서(60)가 임의의 흡입 밸브(30)가 개방 및/또는 폐쇄된 시기를 결정하는 데에 사용될 수 있는 반면, 제2 진동 센서(60)가 임의의 배출 밸브(32)가 개방 및/또는 폐쇄된 시기를 결정하는 데에 사용될 수 있다. 대안적으로, 하나의 진동 센서(60)가 4개의 흡입 밸브(30) 및 배출 밸브(32) 모두를 모니터링할 수 있다. 예시된 실시예의 진동 센서(60)는 압전 가속도계, MEMS(microelectromechanical system) 센서, 홀 효과 센서, 자기 변형 센서, 및/또는 [예컨대, 밸브(30, 320)의] 진동, 가속도, 소리 및/또는 움직임을 감지하도록 설계된 임의의 다른 센서일 수 있다. 다른 실시예에서, 센서(60)는 전통적인 의미의 진동 센서가 아니라, 진동, 압력, 가속도, 편향, 근접도 및/또는 움직임을 감지할 수 있는 임의의 센서(예컨대, 레이저 센서)일 수 있다. 왕복동 압축기(10)의 충격 특성 때문에, 진동 센서(들)(60)는 실린더(16)의 내부 또는 외부에 장착될 때에 노이즈 징후를 검출 가능할 수 있다.

왕복동 압축기(10)는 또한 프로세서(52)와 메모리(54)를 포함하는 압축기 제어 유닛(CCU; 50)을 포함할 수 있다. 메모리(54)는 프로세서(52)가 본 명세서에서 논의된 프로세스와 같은 특정 동작을 수행하게 하도록 구성된 명령을 저장하는 비일시적인 유형(有形)의 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다.

CCU(50)는 진동 센서(60) 각각과 통신 연결된다. CCU(50)의 메모리(54)는 CCU(50)의 프로세서(52)에 의해 수행될 수 있는 명령을 저장할 수 있다. 일반적으로, CCU(50)는, 예컨대 배출 밸브(30) 및/또는 흡입 밸브(32)의 개방 및/또는 폐쇄를 모니터링함으로써, 왕복동 압축기(10)의 작동을 모니터링 및 제어한다.

유리하게는, 본 명세서에 설명된 기술은 CCU(50)를 이용하여 진동 센서(60)로부터 데이터를 수신한 다음, 진동 센서(60)의 데이터를 시간에 대해 플로팅함으로써 "노이즈" 징후를 생성할 수 있다. CCU(50)는 데이터를 분석하여 정상 징후(예컨대, 공지된 노이즈 및 예상된 노이즈), 및 일부 실시예에서는 비정상 징후(예컨대, 공지되지 않은 노이즈 또는 예상되지 않은 노이즈)를 유도하는 프로세스를 통과할 수 있다. 이어서, CCU(50)는 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 징후를 특성화할 수 있다. 징후 분석을 제공함으로써, 본 명세서에 설명된 기술들은 왕복동 압축기(10)의 보다 최적의 그리고 효율적인 작동 및 유지 보수를 가능하게 할 수 있다. 예컨대, 단일의 배출 밸브(30) 또는 흡입 밸브(32)의 폐쇄 사이클들 사이의 시간 지연 또는 시구간을 분석함으로써, CCU(50)는 밸브(30, 32)가 적절한 시간에 폐쇄되는지를 결정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 2개의 상이한 배출 밸브(30) 또는 흡입 밸브(32)의 폐쇄 사이클들 사이의 시간 지연 또는 시구간을 분석함으로써, CCU(50)는 밸브(30, 32)가 서로에 대해 적절한 시간에 폐쇄되는지를 결정할 수 있다. 특정 실시예에서, CCU(50)는 외부 컴퓨팅 시스템과 같은 압축기(10) 외부의 시스템일 수 있다.

도 4는 흡입 밸브(30)의 크랭크 각도 변위에 대해 그리고 배출 밸브(32)의 크랭크 각도 변위에 대해 진동 밸브(들)(60)에서 측정된 데이터 사이의 대응을 보여주는 그래프(100)의 실시예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 각 "노크"(102)는 각각의 밸브의 개방 또는 폐쇄에 대응할 수 있다. 예컨대, 노크(102)는 순차적으로 흡입 밸브(30)의 개방(104), 흡입 밸브(30)의 폐쇄(106), 및 배출 밸브(32)의 개방(108)에 대응할 수 있다. 이들 시구간을 이용하여, 압축기에 대한 정보가 결정될 수 있다. 예컨대, 단일 흡입 밸브(30)의 개방 및 폐쇄를 사용하여 용적 효율(VE)을 추산할 수 있다. VE는 (흡입 행정 중에) 실린더 내로 흡인된 유체의 용적 대 실린더의 용적의 비율이다. 바꿔 말해서, VE는 피스톤(26)에 의해 실제로 변위된 유체 용적 대 스윕 용적(swept volume)의 비율이다. 스윕 용적은 수학식 1을 이용하여 결정될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, r_b는 보어(26)의 반경이고 S는 피스톤(26)의 행정이다. 바꿔 말해서, 스윕 용적은 피스톤(26)이 흡입 또는 배출 행정 중에 이동하는 실린더의 용적이다. VE는 변위된 실제 용적 대 보어 내의 용적의 비율이기 때문에, 보어 내의 용적도 계산될 수 있다. 보어의 용적은 수학식 2를 이용하여 계산될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, l_b는 피스톤의 물리적 변위 길이이다. VE는 수학식 3을 이용하여 추산될 수 있다.

[수학식 3]

더욱이, πr_b ²는 수학식 3의 분자와 분모에서 상쇄되어 수학식 4를 형성할 수 있다.

[수학식 4]

더욱이, 행정 길이는 하나 이상의 흡입 밸브(30)가 흡입 행정에서 개방되어 있는 동안에 피스톤(26)의 이동으로서 추산될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 길이는 각각의 밸브의 검출된 개방(또는 폐쇄)이 발생되었을 때에 크랭크샤프트의 각 위치를 결정함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 검출된 밸브 이벤트 중에 피스톤(26)의 위치는 용적 효율을 추산하는 데에 사용될 수 있다.

전술한 그리고 이후의 수학식이 유동 제한(예컨대, 부분적으로 개방된 밸브), 압력 손실, 또는 다른 유동 인자를 설명하도록 추가의 보정 인자를 이용하여 추가로 수정될 수 있다는 점이 주목된다.

도 5는 압축기(10) 내에 배치되는 보어(110)의 부분의 다이어그램을 예시한다. 보어(110)의 용적은 피스톤의 물리적 변위 길이(예컨대, 크랭크 반경의 2배) 및 보어의 반경(114)에 대응하는 길이(112)를 이용하여 계산될 수 있다. 피스톤(26)의 행정 중에, 밸브[예컨대, 흡입 밸브(30)]는 제1 피스톤 위치(116)에서 개방되고 제2 피스톤 위치(118)에서 폐쇄되도록 결정될 수 있다. 밸브 개방 상태에서 제1 피스톤 위치(116)와 제2 피스톤 위치(118) 사이에서 이동된 거리(120)는 위의 수학식 4에서 행정 길이(120)로서 추산될 수 있다. 피스톤(112)의 물리적 변위 길이에 대응하는 보어의 길이를 따른 부분(122 및/또는 124) 등의 일부는 피스톤(26)이 이들 영역을 이동하여 압축기(10)의 용적 효율을 감소시키는 동안 유체를 흡입하지 않을 수 있다. 이들 영역은 흡입 행정 동안 보어 내로 흡인되지 않는 및/또는 배출 행정 동안 보어로부터 방출되지 않는 유체의 용적에 대응한다. 변위될 행정 길이(120)를 따라 보어(110) 내로 흡인된 유체의 나머지 용적은 행정 길이가 피스톤의 물리적 변위 길이에 비례하기 때문에 보어의 전체 용적에 대략 비례한다. 따라서, 용적 효율은 유체의 유동이 발생 및/또는 중지된 시기를 결정하는 가상 유동 센서 시스템을 이용하여 추산될 수 있다.

직접 측정될 수 있는 다른 정보와 함께, 유동은 실제의 물리적 유동 센서없이 그리고 왕복동 압축기(10)의 정확한 용적을 알지 못하는 상태에서 추산된 VE로부터 결정될 수 있다. 용적 유량(Q)은 아래의 수학식 5를 사용하여 계산될 수 있다.

여기서, P_s는 흡입 압력이고, T_s는 흡입 온도이며, Z_std는 표준 조건에서 유체의 압축 계수이고, Z_s는 흡입시 실제 조건에서 유체의 압축 계수이며, DISP는 실린더의 변위이고, CL은 변위된 용적의 소수로서 클리어런스양이며, R은 실린더를 가로지르는 압력비이고, N은 작동 조건에서의 등엔트로피 용적 지수이다.

용적 효율은 용적 유량에 비례하고 아래의 수학식 6을 이용하여 결정될 수 있다.

바꿔 말해서, VE는 수학식 7에 예시된 유량 방정식에 대입될 수 있다.

[수학식 7]

따라서, 유량 센서 및 피스톤(26)의 위치를 이용하여 VE를 추산함으로써, 압축기(10)를 통한 유량이 압축기(10)에 적용된 변위 특성과 함께 압력, 온도, 및 압축 계수 등의 유체에 관한 특성을 이용하여 추산될 수 있다. 더욱이, 이들 측정은 재정적으로 비실용적이며, 신뢰할 수 없고, 및/또는 실행하기 어려운 직접 유동 센서가 아닌 가상의 유동 센서 시스템을 사용하여 이루어질 수 있다.

전술한 설명은 용적 효율 및 흡입 밸브를 통한 유동을 다루었지만, 용적 효율 대신에 "배출 효율"을 결정하기 위해 배출 밸브 및 상태에 대해 유사한 원리가 적용될 수 있음이 주목된다. 바꿔 말해서, 용적 효율 방정식은 흡입시의 측정치를 배출시의 측정치로 대체하도록 수정될 수 있다. 예컨대, 흡입시의 온도는 배출시의 온도로 대체될 수 있다. 용적 효율은 유동 방향에서 흡입측으로부터 효율을 측정하려고 시도하고, 배출 효율은 반대 방향에서 배출측으로부터 효율을 측정하려고 시도한다. 바꿔 말해서, 압축기의 효율 및/또는 유동은 용적 효율을 이용하는 흡입 밸브를 이용하여 결정될 수 있거나 배출 효율을 이용하는 배출 밸브를 이용하여 결정될 수 있다.

도 6은 압축기(10)의 유동 특성 또는 출력을 결정하는 데에 사용될 수 있는 프로세스(200)를 예시한다. 압축기(10)의 작동 중에, CCU(50)는 밸브[예컨대, 밸브(30)]가 제1 시간에 개방된 시기를 결정한다(블록 202). 예컨대, 센서(60)는 밸브가 개방된 것을 나타내는 데이터를 전송한다. CCU(50)는 이어서 제1 시간에 피스톤(26)의 제1 위치를 결정한다(블록 204). 피스톤(26)이 이동함에 따라, 밸브가 폐쇄하게 된다. CCU(50)는 이 밸브가 제2 시간에 폐쇄하는 시기를 추적한다(블록 206). 예컨대, 센서(60)는 밸브가 폐쇄된 것을 나타내는 데이터를 전송한다. CCU(50)는 제2 시간에 피스톤(26)의 제2 위치를 결정한다(블록 208). CCU(50)는 밸브의 결정된 개방 및 폐쇄를 기초로 하여 압축기(10)에 대한 용적 효율을 추산한다(블록 210). 예컨대, CCU(50)는 수학식 8을 이용하여 용적 효율을 결정할 수 있다.

[수학식 8]

여기서 D_o는 개방시에 제1 위치까지의 거리이고 D_c는 제2 위치까지의 거리이다.

CCU(50)는 압축기(10)를 작동시키는 데에 용적 효율을 이용할 수 있다. 예컨대, 용적 효율이 임계값 미만이면, CCU(50)는 용적을 감소시키고 및/또는 압축기(10)의 RPM을 증가시킬 수 있다. CCU(50)는 또한 압축기(10)를 작동시키는 다른 인디케이터를 포함할 수 있다. 예컨대, CCU(50)는 추산된 용적 효율을 적어도 부분적으로 기초로 하여 압축기를 통과하는 유량을 계산할 수 있다(블록 212). 이들 추가 작동 인디케이터(예컨대, 유량)는 용적 효율에 추가하여 온도, 압력, 또는 다른 감지된 값과 같은 추가 측정치를 이용하여 결정될 수 있다. 이들 추가 작동 인디케이터는 용적 효율에 추가하여 또는 용적 효율을 대신하여 압축기(10)를 작동시키는 데에 사용될 수 있다.

더욱이, 압축기의 실린더를 통과하는 유동은 다단 압축기의 각 단에서 결정될 수 있기 때문에, 다단 압축기를 통한 누출이 그러한 측정치로부터 유도될 수 있다. 예컨대, 유동이 제1 단에서 제2 단으로 임계 비율 이상으로 떨어지면, 유동 손실은 제1 단에서의 누출, 제2 단에서의 누출, 및/또는 제1 단과 제2 단 사이의 누출에 기인할 수 있다.

Claims

왕복동 압축기의 작동을 모니터링하는 방법으로서,
센서를 이용하여 왕복동 압축기 내에 배치된 밸브의 밸브 개방을 결정하는 단계;
밸브 개방 시에 왕복동 압축기의 피스톤의 제1 위치를 결정하는 단계;
센서를 이용하여 밸브의 밸브 폐쇄를 결정하는 단계;
밸브 폐쇄 시에 피스톤의 제2 위치를 결정하는 단계; 및
제1 위치 및 제2 위치를 적어도 부분적으로 기초로 하여 용적 효율을 추산하는 단계
를 포함하는 모니터링 방법.
제1항에 있어서, 상기 센서는 진동 센서를 포함하는 것인 모니터링 방법.
제1항에 있어서, 상기 센서는 근접 센서를 포함하는 것인 모니터링 방법.
제1항에 있어서, 상기 용적 효율을 추산하는 단계는,
상기 제1 위치와 제2 위치 사이의 거리를 결정하는 단계; 및
상기 거리를 피스톤이 이동하는 보어의 길이로 나누는 단계를 포함하는 것인 모니터링 방법.
제1항에 있어서, 상기 용적 효율을 추산하는 단계는 아래의 수학식을 포함하고,

여기서 D_o는 피스톤이 이동하는 보어의 단부에서 제1 위치까지의 거리이고, D_c는 보어의 단부에서 제2 위치까지의 거리이며, l_b는 피스톤의 물리적 변위 길이인 것인 모니터링 방법.
제1항에 있어서,
추산된 용적 효율을 적어도 부분적으로 기초로 하여 왕복동 압축기를 통과하는 유량을 계산하는 단계
를 더 포함하는 모니터링 방법.
제5항에 있어서, 상기 유량을 계산하는 단계는 아래의 수학식을 이용하는 것을 포함하고,

여기서, P_s는 흡입 압력이며, T_s는 흡입시의 온도이고, Z_std는 표준 조건에서 압축되는 유체의 압축 계수이며, Z_s는 왕복동 압축기 둘레의 실제 조건에서 유체의 압축 계수이고, DISP는 왕복동 압축기의 변위인 것인 모니터링 방법.
제6항에 있어서,
계산된 유량을 적어도 부분적으로 기초로 하여 왕복동 압축기를 작동시키는 단계
를 더 포함하는 모니터링 방법.
제1항에 있어서,
계산된 유량을 적어도 부분적으로 기초로 하여 왕복동 압축기를 작동시키는 단계
를 더 포함하는 모니터링 방법.
시스템으로서,
피스톤과 밸브를 갖는 왕복동 압축기; 및
밸브의 밸브 폐쇄를 모니터링하도록 구성된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는,
왕복동 압축기에 커플링된 센서로부터 밸브 개방을 나타내는 표시를 수신하고;
밸브 개방 시에 피스톤의 제1 위치를 결정하며;
센서로부터 밸브 폐쇄의 표시를 수신하고;
밸브 폐쇄 시에 피스톤의 제2 위치를 결정하며; 그리고
제1 및 제2 위치를 적어도 부분적으로 기초로 하여 용적 효율을 추산하도록 구성되는 프로세서를 포함하는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상기 센서는 진동 센서를 포함하는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상기 센서는 근접 센서를 포함하는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상기 제어기는 추산된 용적 효율을 적어도 부분적으로 기초로 하여 왕복동 압축기를 통과하는 유량을 계산하도록 구성되는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상기 밸브는 왕복동 압축기의 챔버의 흡입 밸브를 포함하는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상기 밸브는 왕복동 압축기의 챔버의 배출 밸브를 포함하는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상기 시스템은 복수 개의 단들 중 하나에서 왕복동 압축기를 포함하는 다단 압축 방식을 포함하고, 상기 프로세서는,
상기 복수 개의 단들 각각을 통과하는 유동을 결정하고;
상기 복수 개의 단들 중 인접한 단들 사이에서의 유동 손실을 결정하며; 그리고
유동 변화가 임계값을 초과하는 경우, 상기 유동 손실을 대응하는 단들에서 또는 그들 단 사이에서의 누출의 결과로서 보도록 구성되는 것인 시스템.
실행 가능한 명령을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체로서, 상기 실행 가능한 명령은, 실행될 때에, 프로세서로 하여금,
왕복동 압축기에 커플링된 센서로부터 왕복동 압축기의 밸브의 밸브 개방을 나타내는 표시를 수신하고;
밸브 개방 시에 왕복동 압축기의 피스톤의 제1 위치를 결정하며;
센서로부터 밸브 폐쇄의 표시를 수신하고;
밸브 폐쇄 시에 피스톤의 제2 위치를 결정하며; 그리고
제1 및 제2 위치를 적어도 부분적으로 기초로 하여 왕복동 압축기의 용적 효율을 추산하게 하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
제17항에 있어서, 상기 센서는 진동 센서를 포함하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
제17항에 있어서, 상기 용적 효율을 추산하는 것은 상기 제1 위치와 제2 위치 사이의 거리를 기초로 하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
제17항에 있어서, 상기 명령은 프로세서가 추산된 용적 효율을 적어도 부분적으로 기초로 하여 유량을 계산하게 하도록 구성되는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.