KR20190028294A - 속도 기반 서브시스템을 갖는 컴프레서용 제어 시스템, 합성 플랜트, 및 제어 방법 - Google Patents

속도 기반 서브시스템을 갖는 컴프레서용 제어 시스템, 합성 플랜트, 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

제어 시스템(200)은 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서를 위해 배열되며, 제1 제어 서브시스템(210), 제2 제어 서브시스템(220), 및 셀렉터(240)를 포함하고; 제1 제어 서브시스템(210)은 컴프레서의 성능(21)의 함수로서 제1 제어 신호(26)를 제공하도록 배열되고; 제2 제어 서브시스템(220)은 컴프레서의 속도(22)의 함수로서 제2 제어 신호(27)를 제공하도록 배열되고; 셀렉터(240)는 엔진의 전력 제어 입력에 제공될 제3 제어 신호(24)로서, 제1 제어 신호(26) 또는 제2 제어 신호(27)를 선택하도록 배열된다.

Description

속도 기반 서브시스템을 갖는 컴프레서용 제어 시스템, 합성 플랜트, 및 제어 방법{CONTROL SYSTEM FOR A COMPRESSOR WITH SPEED-BASED SUBSYSTEM, SYNTHESIS PLANT AND CONTROL METHOD}
본 명세서에 개시된 주제의 실시예들은 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서용 제어 시스템, 합성 플랜트 및 제어 방법에 대응한다.
엔진에 의해 구동되는 컴프레서를 포함하는 열차들은 특히 "오일 및 가스" 분야에서 상당히 보편적이다.
첨부된 도 1에 도시된 시스템(100)과 같은 이러한 열차들에 대한 전형적인 제어 시스템은 컴프레서의 (검출된) 흡입 압력(101)에 기반하여 부하 요구(103)를 결정하고(블록(102)), 그 후 이전에 결정된 부하 요구(103)에 기반하여 속도 설정점(105)을 결정하고(블록(104)); 최종적으로 컴프레서의 (검출된) 회전 속도(107) 및 이전에 결정된 속도 설정점(105)에 기반하여 제어 신호(108)를 결정하며(블록(106)); 이렇게 결정된 제어 신호(108)는 엔진의 제어 입력에 공급된다. 이러한 타입의 제어 시스템은 예를 들어, 미국 특허 제3,979,655호에 개시되어 있다.
이러한 전형적인 제어 시스템은 컴프레서의 상류 또는 하류의 유닛으로부터 오는 교란(disturbance)의 영향 또는 컴프레서 속도 및/또는 제어된 성능 변수에 대한 컴프레서와 상기 유닛들 간의 상호작용의 효과가 일치하면 잘 작동한다; 예를 들어 컴프레서의 입구에서 가스 혼합물의 조성이 절대적으로 일정하거나 또는 적어도 상당히 일정하게 유지되는 경우에 적용된다.
위에서 언급한 열차들은 예를 들어 암모니아 생산을 위한 합성 플랜트에서 사용된다. 암모니아를 생산하는 알려진 프로세스의 예는 다음의 "KBR 프로세스"에서 호출될 KBR로부터 허가를 받을 수 있는 것이다.
예를 들어, 합성 플랜트에서, 컴프레서에 의해 프로세싱될 가스 혼합물(종종 수소 및/또는 질소 및/또는 일산화탄소를 함유함)을 준비하도록 배열되는 컴프레서 상류의 유닛들이 있다. 플랜트가 가스 혼합물의 조성을 일정하게 유지하도록 설계되었으나, 이들 유닛들 중 하나 이상이 특정 운전 조건들에서 조성에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, "KBR 프로세스"를 시행하는 암모니아 플랜트에서, 컴프레서 시스템(2 개의 컴프레서 포함)의 상류에 가스 혼합물의 조성에 변화를 야기할 수 있는 소위 "정화 장치"(응축 개질기(condensation reformer) 포함)가 존재한다.
이러한 합성 플랜트들에서, 가스 혼합물의 조성의 (실질적인) 변화 및 컴프레서의 회전 속도의 결과적인 (실질적인) 변화로 인해, 전형적인 제어 시스템은 교란을 제거하기 위해 반대 방향으로 제어 동작을 구현한다. 이러한 이유로, 제어 시스템은 업셋을 증폭시키고 불안정한 상태에 도달하는 것을 방지하기 위해 "자동 모드" 또는 "자동 제어"에서 "수동 모드" 또는 "수동 제어"로 전환되어야 한다; 얼마 후, 제어 시스템은 다시 "자동 모드" 또는 "자동 제어"로 전환된다. 이것은 제어 시스템이 반자동임을 의미한다.
컴프레서의 입구에서 가스 혼합물의 조성의 변화를 보상하기 위해 컴프레서의 회전 속도를 조정하는 완전 자동 제어 시스템을 갖는 것이 바람직할 것이다.
본 명세서에 개시된 주제의 제1 실시예들은 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서용 제어 시스템에 관한 것이다.
그러한 제1 실시예들에 따르면, 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서용 제어 시스템은, 제1 제어 서브시스템, 제2 제어 서브시스템, 및 셀렉터를 포함하고; 제1 제어 서브시스템은:
로터리 컴프레서의 성능을 나타내는 제1 측정 신호를 수신하도록 배열되는 성능 입력, 및 제1 측정 신호의 함수로서 제1 제어 신호를 제공하도록 배열되는 제1 제어 출력을 포함하고; 제2 제어 서브시스템은: 로터리 엔진 또는 로터리 컴프레서의 회전 속도를 나타내는 제2 측정 신호를 수신하도록 배열되는 속도 입력, 및 제2 측정 신호의 함수로서 제2 제어 신호를 제공하도록 배열되는 제2 제어 출력을 포함하고; 셀렉터는: 제1 제어 출력에 전기적으로 연결되는 제1 입력, 제2 제어 출력에 전기적으로 연결되는 제2 입력, 및 로터리 엔진의 전력 제어 입력에 제3 제어 신호를 제공하도록 배열되는 제3 제어 출력을 포함하며; 셀렉터는 제3 제어 출력에서 제공될 제3 제어 신호로서 제1 제어 신호 또는 제2 제어 신호를 선택하도록 배열된다.
본 명세서에 개시된 주제의 제2 실시예들은 합성 플랜트에 관한 것이다.
그러한 제2 실시예들에 따르면, 합성 플랜트는: 입구 및 출구를 포함하는 로터리 컴프레서 ― 입구는 가스 혼합물을 수신하도록 배열됨 ― ; 로터리 컴프레서를 구동시키는 로터리 엔진; 및 상기 설명된 것과 같은 제어 시스템을 포함한다.
본 명세서에 개시된 주제의 제3 실시예들은 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서를 제어하는 방법에 관한 것이다.
그러한 제3 실시예들에 따르면, 방법은: 로터리 컴프레서의 파라미터를 측정하는 단계 ― 파라미터는 로터리 컴프레서의 성능을 나타냄 ― ; 파라미터의 함수로서 제1 제어 신호를 발생시키는 단계; 로터리 컴프레서 또는 로터리 엔진의 회전 속도를 측정하는 단계; 회전 속도의 함수로서 제2 제어 신호를 발생시키는 단계; 제1 제어 신호와 제2 제어 신호 간에 선택함으로써, 제3 제어 신호를 발생시키는 단계; 및 로터리 엔진의 입력 단자들을 제어하기 위해 제3 제어 신호를 제공하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 핵심 부분을 구성하는 첨부된 도면들은, 본 발명의 예시적인 실시예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께 이들 실시예들을 설명한다. 도면들에서,
도 1은 종래 기술에 따른 제어 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 제어 시스템의 다수의 실시예들에 적용가능한 일반적인 블록도를 도시한다.
도 3은 합성 플랜트의 몇몇 실시예들에 적용가능한 일반적인 블록도를 도시한다.
도 4는 제어 시스템들의 실시예들에 적합한 셀렉터의 블록도를 도시한다.
도 5는 제어 시스템의 실시예의 상세한 블록도를 도시한다.
도 6은 제어 시스템의 실시예의 흐름도를 도시한다.
다음의 예시적인 실시예들에 대한 설명은 첨부 도면들을 참조한다.
다음의 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.
명세서에 걸쳐서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 해당 실시예와 관련하여 설명된 특정 피처, 구조, 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 일 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전반에 걸친 다양한 위치들에서 어구들 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 더 나아가, 특정 피처들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다.
다음에서, 본 명세서에 개시된 주제의 실시예들은 "제어 이론"의 분야에서 통상적인 관행인 바에 따라, 블록들로 들어가고 블록들에서 나오는 라인들에 의해 연결되는 블록들로 이루어진 블록도들을 통해 설명될 것이다.
그러한 블록도들은 하드웨어 조각(piece)들 및 소프트웨어 조각들의 다양한 가능한 조합들을 통해 많은 상이한 방식들로 구현될 수 있다는 것에 유념해야 한다.
따라서, 명세서(즉, 상세한 설명, 청구범위, 및 요약서)와 도면 전반에 걸쳐, "블록"은 하드웨어 조각 또는 소프트웨어 조각(하드웨어 조각 상에서 실행되는)을 지칭할 수 있으며, "입력" 또는 "출력"은 전기 단자들 또는 컴퓨터 메모리(예를 들어, PLC 내부에 있을 수 있음)에 저장된 데이터의 조각을 지칭할 수 있고, "신호 수신"이라는 표현은 "전기 신호가 전기 단자들로 흐르게 하는 것" 또는 "메모리로부터 데이터 조각을 판독하는 것"을 의미할 수 있고, "출력 제공"이라는 표현은 "전기 신호가 전기 단자들에서 유출되게 하는 것" 또는 "메모리에 데이터 조각을 기록하는 것"을 의미할 수 있고, "전기적으로 연결된"(예를 들어, 블록들을 언급할 때)이라는 표현은 블록의 전기 단자들과 다른 블록의 전기 단자들 사이에 전기 와이어들을 갖는 것, 또는 데이터 조각을 메모리에 기록하는 블록 및 동일한 메모리로부터 동일한 데이터 조각을 기록하는 다른 블록을 갖는 것에 대응할 수 있다.
전형적인 구현에 따르면, 신규한 본 발명의 완전 자동 제어 시스템은 예를 들어, 단일 PLC(Programmable Logic Controller) 및 하나 이상의 소프트웨어 조각을 통해 구현될 수 있다; 이 경우, 특히, 블록은 소프트웨어 조각, 즉 소프트웨어 프로그램 또는 소프트웨어 서브루틴에 대응할 수 있다.
도 2, 도 3, 도 4, 및 도 5는 컴프레서의 입구에서 가스 혼합물의 조성의 변화들과 같은(그러나 이에 제한되는 것은 아님) 교란에 응답하여 컴프레서의 회전 속도를 조정하는 신규한 본 발명의 완전 자동 제어 시스템의 실시예들을 예시한다. 가스 혼합물은 종종 수소 및/또는 질소 및/또는 일산화탄소를 함유하는 소위 "합성 가스"를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 로터리 컴프레서 및 엔진을 포함하는 제어 열차와 함께 가스 혼합물로부터 암모니아를 합성하기 위해 플랜트 내에서 사용될 수 있다. 로터리 컴프레서는 엔진에 의해 구동될 수 있다.
신규한 완전 자동 제어 시스템은 하나가 아닌 적어도 2 개의 제어 서브시스템을 포함한다는 점에서 종래의 제어 시스템과 상이하다. 제1 제어 서브시스템은 바람직하게는 컴프레서의 성능 파라미터, 특히 컴프레서의 흡입 압력에만 기반하여 제어를 수행한다. 제2 제어 서브시스템은 바람직하게는 엔진 또는 컴프레서의 회전 속도에만 기반하여 제어를 수행한다. 제1 제어 서브시스템은 회전 속도가 설계에 대응하는 값을 가질 때(또는 너무 동떨어져 있지 않을 때) 사용된다; 이는 예를 들어, 컴프레서의 입구에서의 가스 혼합물의 조성이 예상한 바와 같을 때(또는 너무 동떨어져 있지 않은 경우)를 의미한다. 제2 제어 서브시스템은 회전 속도가 너무 높거나 낮은 경우 사용된다; 이것은 예를 들어, 컴프레서의 입구에서의 가스 혼합물의 조성이 예상한 것과 차이가 있음을 의미한다. 따라서, 인간 개입은 필요치 않다.
도 2를 참조하면, 신규한 제어 시스템(200)은 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서를 제어하도록 배열된다.
제어 시스템(200)은 제1 제어 서브시스템(210), 제2 제어 서브시스템(220), 및 셀렉터(240)를 포함할 수 있다.
제어 서브시스템은 하드웨어 조각들 및 소프트웨어 조각들의 다양한 가능한 조합들을 통해 많은 상이한 방식들로 구현될 수 있다는 것에 유념해야 한다. 제어 시스템이 예를 들어 단일 PLC를 통해 구현되는 경우, 각각의 또는 임의의 제어 서브시스템은 소위 "소프트웨어 모듈", 즉 PLC 상에서 실행되는, 특정 목적을 위해 협력하는 소프트웨어 프로그램들 또는 소프트웨어 서브루틴들의 세트를 통해 구현될 수 있다.
제어 시스템(200)은 제1 입력(201), 제2 입력(202), 및 출력(204)을 갖는다.
제1 제어 서브시스템(210)은 로터리 컴프레서의 성능을 나타내는 제1 측정 신호(21)를 수신하도록 구성되는 성능 입력(211), 및 신호(21)의 함수로서 제1 제어 신호(26)를 제공하도록 배열되는 제1 제어 출력(212)을 포함한다. 전형적으로, 제1 측정 신호(21)는 로터리 컴프레서의 흡입 압력을 나타내고; 대안적으로, 예를 들어 컴프레서의 토출 압력 또는 컴프레서에 의해 프로세싱된 순(net) 가스(질량 또는 부피) 유량과 같은 컴프레서의 또 다른 성능 변수를 나타낸다. 전형적으로, 제어 신호(26)는 전력 제어 신호, 특히 속도 제어 신호(엔진에 의해 발생되는 속도와 전력 사이에 직접적인 관계가 있는 경우)이다. 전형적으로, 제1 제어 신호(26)는 신호(21)(뿐만 아니라 또한 다른 파라미터들 및 상수들)의 함수이다.
제2 제어 서브시스템(220)은: 로터리 엔진 또는 로터리 컴프레서의 회전 속도(대개 2 개의 회전 속도는 동일하거나 일정 비율임)를 나타내는 제2 측정 신호(22)를 수신하도록 배열되는 속도 입력(221), 및 신호(22)의 함수로서 제2 제어 신호(27)를 제공하도록 배열되는 제2 제어 출력(222)을 포함한다. 전형적으로, 제어 신호(27)는 전력 제어 신호, 특히 속도 제어 신호(엔진에 의해 발생되는 속도와 전력 사이에 직접적인 관계가 있는 경우)이다. 전형적으로, 제2 제어 신호(27)는 신호(22)(뿐만 아니라 또한 다른 파라미터들 및 상수들)의 함수이다.
다음에서, 컴프레서의 흡입 압력은 전술한 것의 일반성을 제한하지 않으면서 컴프레서의 성능 변수로 고려될 것이다.
셀렉터(240)는: 제1 제어 출력(212)에 전기적으로 연결되는 제1 입력(241), 제2 제어 출력(222)에 전기적으로 연결되는 제2 입력(242), 및 로터리 엔진의 전력 제어 입력에 제3 제어 신호(24)를 제공하도록 배열되는 제3 제어 출력(244)을 포함한다.
전형적으로, 제어 신호(24)는 전력 제어 신호, 특히 속도 제어 신호(엔진에 의해 발생되는 속도와 전력 사이에 직접적인 관계가 있는 경우)이다. 예를 들어, 엔진이 증기 터빈인 경우, 제어 신호(24)는 증기 밸브의 개방도를 나타내는 신호일 수 있다; 특히, 이것은 이 밸브의 개방 비율이다.
셀렉터(240)는 제어 신호(24)로서 제어 신호(26) 또는 제어 신호(27)를 선택하여 제어 출력(244)에 제공되도록 배열된다.
입력(211)은 제어 시스템(200)의 입력(201)에 전기적으로 연결된다; 입력(221)은 제어 시스템(200)의 입력(202)에 전기적으로 연결된다; 출력(244)은 제어 시스템(200)의 출력(204)에 전기적으로 연결된다.
셀렉터(240)는 하나 이상의 미리 결정된 선택 기준에 따라 입력 신호들에 대한 선택을 실행할 수 있다. 예를 들어, 컴프레서가 너무 빠르게 또는 너무 느리게 회전하는 경향이 있는 경우, 셀렉터(240)는 신호(26) 대신에 신호(27)를 선택할 수 있다.
셀렉터(240)는 바람직하게는 다음 2 개의 조건들 중 하나 이상에서 신호(26) 대신에 신호(27)를 선택하도록 배열된다:
A) 제어 신호(27)는 제어 신호(26)보다 높다
B) 제어 신호(27)는 제어 신호(26)보다 낮다
상기 2 개의 조건은 제어 서브시스템들(210 및 220)에 의해 각각 반복적으로(특히 주기적으로) 결정되는 바와 같이 제어 신호들(26 및 27)의 전류 값에 의존하고; 조건 A는 컴프레서가 너무 느리게 회전하는 경향이 는 경우 적용되고, 조건 B는 컴프레서가 너무 빨리 회전하는 경향이 있는 경우 적용된다; 어쨌든 위의 2 개의 조건들 중 어느 것도 컴프레서의 현재 회전 속도에 대한 테스트와 동등하지 않다.
제2 제어 서브시스템(220)은 단순히 PID 제어기에 대응할 수 있으며, 바람직하게는 P 항 및 I 항만이 사용된다; 이 경우, 제어기는 PI 제어기로 정의될 수 있다.
제어 서브시스템(220)은 2 개의 부분으로 분할될 수 있으며, 이들 부분들 각각은 제어 신호를 제공한다; 특정 시간에, 이들 2 개의 제어 신호들 중 하나만이 유효하다; 예를 들어 하나의 신호는 컴프레서가 너무 빨리 회전하는 경향이 있는 경우 유효하고, 하나의 신호는 컴프레서가 너무 느리게 회전하는 경향이 있는 경우 유효하다.
이 경우, 셀렉터는 예를 들어, 도 4에 도시된 셀렉터(440)일 수 있다. 셀렉터(440)는 제1 제어 서브시스템(예를 들어, 서브시스템(210))으로부터 제어 신호(46)를 수신하기 위한 제1 입력(441), 제2 제어 서브시스템(예를 들어, 서브시스템(220))의 제1 부분으로부터 제어 신호(47A)를 수신하기 위한 제2 입력(442A), 제2 제어 서브시스템(예를 들어, 서브시스템(220))의 제2 부분으로부터 제어 신호(47B)를 수신하기 위한 제3 입력(442B), 및신호들(46, 47A, 및 47B) 간에 선택된 제어 신호(44)를 제공하기 위한 출력(444)을 갖는다.
도 5의 실시예, 즉 제어 시스템(500)이 이제 고려될 것이다.
제어 시스템(500)은 제1 제어 서브시스템, 제2 제어 서브시스템, 및 셀렉터를 포함한다. 제1 제어 서브시스템은 블록들(512, 514, 및 516)에 대응한다. 제2 제어 서브시스템은 블록들(522, 524, 526, 및 528)에 대응한다. 셀렉터는 셀렉터들(540A 및 540B)에 대응한다.
도 5의 실시예의 제1 제어 서브시스템은 흡입 압력 설정점(51)과 흡입 압력 측정 신호(52) 간의 차로서, 흡입 압력 에러 신호(53)를 계산하도록 배열된다.
도 5의 실시예의 제1 제어 서브시스템은 흡입 압력 에러 신호(53)에 기반하여 부하 요구(54)를 결정하도록 배열된 부하 제어기(514)를 포함한다; 제어기(514)는 유리하게는 PID 제어기이다.
도 5의 실시예의 제1 제어 서브시스템은 부하 요구(54)에 기반하여 제1 전력 제어 신호(55-1)를 결정하도록 배열된 컨버터(516)를 포함한다.
컨버터(516)는 특히 분할 컨버터이고, 제1 전력 제어 신호(55-1) 및 서지 방지 제어 신호(93)를 교대로 제공하도록 배열된다.
도 5의 실시예의 제2 제어 서브시스템은 PID 타입의 제1 속도 제어기(522)(바람직하게는 P 항 및 I 항만 사용된다; 이 경우, 제어기(522)는 PI 제어기로 정의될 수 있다)를 포함한다; 제1 속도 제어기(522)는 속도 하한(57)과 제2 회전 속도 측정 신호(56)(예를 들어, 감산기(524)를 통해 획득됨) 간의 차에 기반하여 제2 전력 제어 신호(55-2A)를 결정하고 이를 출력에 제공하도록 배열된다.
도 5의 실시예의 제2 제어 서브시스템은 PID 타입의 제2 속도 제어기(526)(바람직하게는 P 항 및 I 항만 사용된다; 이 경우, 제어기(526)는 PI 제어기로 정의될 수 있다)를 포함한다; 제2 속도 제어기(526)는 속도 상한(58)과 제2 회전 속도 측정 신호(56)(예를 들어, 감산기(528)를 통해 획득됨) 간의 차에 기반하여 제3 전력 제어 신호(55-2B)를 결정하고 이를 출력에 제공하도록 배열된다.
도 5의 실시예의 제2 제어 서브시스템은 제어 신호(55-2A)를 관리하기 위한 제1 셀렉터(540A) 및 제어 신호(55-2B)를 관리하기 위한 제2 셀렉터(540B)를 포함한다.
특히, 셀렉터(540A)는 회전 속도 측정 신호(56)가 낮은 값을 가질 때, 즉 컴프레서의 회전 속도가 매우 낮을 때, 제어 신호(55-2A)를 선택하여 이를 출력(59A)에 제공하도록 배열된다; 대안적으로, 신호(55-1)가 출력(59A)에 제공된다.
특히, 셀렉터(540B)는 회전 속도 측정 신호(56)가 높은 값을 가질 때, 즉 컴프레서의 회전 속도가 매우 높을 때, 제어 신호(55-2B)를 선택하여 이를 출력(59B)에 제공하도록 배열된다; 대안적으로, 출력(59A)의 신호가 출력(59B)에 제공된다.
바람직하게는 셀렉터들(540A 및 540B)은 그들의 입력에서 신호 들간의 비교에 기반하여 선택을 한다; 다시 말해, 바람직하게는 셀렉터(540A) 또는 셀렉터(540B) 중 어느 것도 컴프레서의 현재 회전 속도에 대한 직접적인 테스트에 기반하여 선택을 하지 않는다.
도 5의 실시예(500)는 서지 방지 제어 서브시스템을 포함한다.
서지 방지 제어 서브시스템은 제어기(902) 및 셀렉터(904)를 포함한다.
제어기(902)는 파라미터들의 세트(91)에 기반하여 서지 방지 제어 신호(92)를 결정한다; 이 세트는 특히 컴프레서의 입구에서의 압력 및 온도, 컴프레서의 출구에서의 압력 및 온도, 및 컴프레서에 의해 프로세싱된 체적 유량을 포함한다. 그러한 제어기는 공지된 방식으로 서지 방지 제어 신호를 결정할 수 있다.
셀렉터(904)는 서지 방지 제어 신호(92) 및 또 다른 서지 방지 제어 신호(93)를 수신하고, 서지 방지 제어 신호(94)로서 이들 중 하나를 선택하여 컴프레서의 서지 방지 밸브에 제공하도록 배열된다; 제어 신호(94)는 서지 방지 밸브의 개방도, 특히 그 개방 퍼센트를 나타내는 신호일 수 있다. 셀렉터(904)는 예를 들어 더 큰 값을 갖는 서지 방지 제어 신호를 선택할 수 있다.
서지 방지 제어 신호(93)는 분리 컨버터(516)에 의해 제공된다.
도 3은 개선된 합성 플랜트, 특히 암모니아 개선된 합성 플랜트의 몇몇 실시예들에 적용가능한 일반적인 블록도를 도시한다.
플랜트(1000)는 로터리 컴프레서(350), 로터리 컴프레서(350)를 구동시키는 로터리 엔진(360), 및 제어 시스템(300)을 포함한다.
제어 시스템(300)은 예를 들어 도 2에 도시된 것과 같은 제1 제어 서브시스템 및 제2 제어 서브시스템을 포함하는 타입이다.
도 3의 실시예에서, 로터리 엔진(360)의 샤프트(361)는 로터리 컴프레서(350)의 샤프트(351)에 기계적으로 직접 연결된다.
컴프레서(350)는 압축되지 않은 가스 혼합물 흐름(38)을 수용하기 위한 입구(352) 및 압축된 가스 혼합물 흐름(39)을 제공하기 위한 출구(353)를 갖는다.
제어 시스템(300)은 흡입 압력 측정 신호(31)를 수신하기 위한 제1 입력(301), 회전 속도 측정 신호(32)를 수신하기 위한 제2 입력(302), 및 전력 제어 신호(34)를 제공하기 위한 출력(304)을 갖는다.
출력(304)은 엔진(360)의 전력 제어 입력인 입력(362)에 전기적으로 연결된다; 전형적으로, 전력을 변화시킴으로써, 또한 회전 속도가 변한다; 따라서, 엔진(360)은 가변 속도 로터리 엔진이다.
압축되지 않은 가스 혼합물 흐름(38)을 모니터링하고 입력(301)에 전기적으로 연결되도록 위치되고 구성되는 압력 센서(381)가 있다.
샤프트(351)를 모니터링하고 입력(302)에 전기적으로 연결되도록 위치되고 구성되는 회전 속도 센서(382)가 있다.
엔진(360)은 유리하게는 증기 터빈이다; 대안적으로, 이것은 예를 들어 가스 터빈 또는 전기 모터와 같은 (가변 속도) 모터일 수 있다. 증기 터빈의 사용은, 합성 플랜트의 열이 발생되고 증기 터빈이 유용한 목적, 즉 컴프레서의 회전을 위해 이러한 생성된 열의 일부를 재순환시키는 것을 허용하기 때문에 유리하다.
합성 플랜트(1000)는 하나 이상의 추가 컴프레서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 2 개의 컴프레서들은 직렬로 유체 연결될 수 있고, 동일한 제어 신호를 통해 또는 동일한 측정 신호들을 통해 동일한 제어 시스템(300)에 의해 제어될 수 있다.
상류 컴프레서(350)에는, 개질기(특히, 응축 개질기)와 같은 유닛(370)이 있다. 도 3의 실시예에서, 유닛(370)의 출구(371)는 컴프레서(350)의 입구(352)에 유체 연결된다.
유닛(370)의 존재로 인해, 가스 혼합물(38)은 종종 그 조성이 달라질 수 있음을 주목해야 한다. 이는 유닛(370)이 응축 개질기인 경우에 특히 그러하다.
합성 플랜트(1000)는 유리하게는 암모니아를 생산하기 위한 플랜트이다. 합성 플랜트(1000)가 KBR 암모니아 프로세스를 수행하도록 허가된 경우, 응축 개질기를 포함하는 정화 장치가 전형적으로 합성 가스 컴프레서 장치의 상류에 배치된다. 정화 장치가 출력 가스 혼합물의 조성을 일정하게 유지하도록 구성될지라도, 합성 플랜트(1000)가 제조되거나 업그레이드되어 본 명세서에 설멸되고 도시되고 청구되는 새로운 2-서브시스템 제어 시스템의 실시예를 포함하지 않는 한, 일정 수준으로만 이루어질 수 있으며, 플랜트의 임의의 작동 상태에 대해 항상 그렇게 할 수는 없다.
소위 "합성 가스(syngas)"의 압축은 예를 들어 암모니아, 메탄올 등을 합성하기 위해 여러 합성 프로세스들에서 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
도 6은 예를 들어 도 3의 증기 터빈(360)과 같은 로터리 엔진에 의해 구동되는, 예를 들어 도 3의 컴프레서(350)와 같은 로터리 컴프레서를 제어하는 방법의 실시예의 흐름도(600)를 도시한다.
블록(601)은 제어 프로세스의 시작에 대응한다.
블록(608)은 제어 프로세스의 종료에 대응한다.
602 내지 607의 블록들에 대응하는 동작들은 주기적으로 반복된다.
블록(602)은 로터리 컴프레서의 성능을 나타내는, 로터리 컴프레서의 파라미터를 측정하는 단계에 대응한다: 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 센서(381)는 컴프레서(350)의 흡입 압력을 측정한다.
블록(603)은 이 파라미터의 함수로서 제1 제어 신호를 발생시키는 단계에 대응한다; 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 이 동작은 내부적으로 제어 시스템(300)에 의해 실행된다(예를 들어, 도 2 참조).
블록(604)은 로터리 컴프레서 또는 로터리 엔진의 회전 속도를 측정하는 단계에 대응한다; 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 센서(382)는 증기 터빈(360)의 샤프트(361) 및 컴프레서(350)의 샤프트(351) 모두인 단일 샤프트의 회전 속도를 측정한다.
블록(605)은 회전 속도의 함수로서 제2 제어 신호를 발생시키는 단계에 대응한다; 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 이 동작은 내부적으로 제어 시스템(300)에 의해 실행된다(예를 들어, 도 2 참조).
블록(606)은 제1 제어 신호와 제2 제어 신호 간에 선택함으로써, 제3 제어 신호를 발생시키는 단계에 대응한다; 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 이 동작은 내부적으로 제어 시스템(300)에 의해 실행된다(예를 들어, 도 2 참조).
블록(607)은 로터리 엔진의 입력 단자들을 제어하기 위해 제3 제어 신호를 제공하는 단계에 대응한다; 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 이 동작 제어 시스템(300)의 출력 단자들(304)을 증기 터빈(360)의 제어 단자들(362)에 전기적으로 연결하는 것에 대응한다.
이전에 설명된 바와 같이, 제2 제어 신호는 적어도 다음의 조건들 중 하나 이상에서, 제1 제어 신호 대신 선택될 수 있다:
- 제2 제어 신호가 제1 제어 신호보다 높은 것
- 제2 제어 신호가 제1 제어 신호보다 낮은 것
신규한 본 발명의 제어 방법의 다른 유리한 기능들은 신규한 본 발명의 제어 시스템의 유리한 구성요소들에 대응한다.

Claims (16)

  1. 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200)에 있어서,
    A) 제1 제어 서브시스템(210);
    B) 제2 제어 서브시스템(220); 및
    C) 셀렉터(240)
    를 포함하며,
    상기 제1 제어 서브시스템(210)은:
    - 상기 로터리 컴프레서의 성능을 나타내는 제1 측정 신호(21)를 수신하도록 배열되는 성능 입력(211), 및
    - 상기 제1 측정 신호(21)의 함수로서 제1 제어 신호(26)를 제공하도록 배열되는 제1 제어 출력(212)
    을 포함하고,
    상기 제2 제어 서브시스템(220)은:
    - 상기 로터리 엔진 또는 상기 로터리 컴프레서의 회전 속도를 나타내는 제2 측정 신호(22)를 수신하도록 배열되는 속도 입력(221), 및
    - 상기 제2 측정 신호(22)의 함수로서 제2 제어 신호(27)를 제공하도록 배열되는 제2 제어 출력(222)
    을 포함하고,
    상기 셀렉터(240)는:
    - 상기 제1 제어 출력(212)에 전기적으로 연결되는 제1 입력(241),
    - 상기 제2 제어 출력(222)에 전기적으로 연결되는 제2 입력(242), 및
    - 상기 로터리 엔진의 전력 제어 입력에 제3 제어 신호(24)를 제공하도록 배열되는 제3 제어 출력(244)
    을 포함하며,
    상기 셀렉터(240)는 상기 제3 제어 출력(244)에서 제공될 상기 제3 제어 신호(24)로서, 상기 제1 제어 신호(26) 또는 상기 제2 제어 신호(27)를 선택하도록 배열되는 것인, 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀렉터(240)는 적어도 다음의 조건들:
    - 상기 제2 제어 신호(27)가 상기 제1 제어 신호(26)보다 높은 것,
    - 상기 제2 제어 신호(27)가 제1 제어 신호(26)보다 낮은 것
    중 하나 이상에서, 상기 제1 제어 신호(26) 대신 상기 제2 제어 신호(27)를 선택하도록 배열되는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제어 서브시스템은 PID 타입의 제1 속도 제어기(522)를 포함하며, P 항 및 I 항만이 바람직하게 사용되고, 상기 제1 속도 제어기(522)는 상기 제2 측정 신호(56) 및 속도 하한(lower speed limit)(57)에 기반하여 제어 신호(55-2A)를 결정하여 이를 출력에 제공하도록 배열되는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 측정 신호(56)가 낮은 값을 가질 때, 상기 제1 속도 제어기(522)의 출력에서 상기 제어 신호(55-2A)를 선택하도록 배열되는 제1 셀렉터(540A)를 포함하는, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상기 제2 제어 서브시스템은 PID 타입의 제2 속도 제어기(526)를 포함하며, P 항 및 I 항만이 바람직하게 사용되고, 상기 제2 속도 제어기(526)는 상기 제2 측정 신호(56) 및 속도 상한(upper speed limit)(58)에 기반하여 제어 신호(55-2B)를 결정하여 이를 출력에 제공하도록 배열되는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 측정 신호(56)가 높은 값을 가질 때, 상기 제2 속도 제어기(526)의 출력에서 상기 제어 신호(55-2B)를 선택하도록 배열되는 제2 셀렉터(540B)를 포함하는, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 제어 서브시스템은 성능 설정점(51)과 상기 제1 측정 신호(52) 간의 차로서 성능 에러 신호(53)를 계산하도록 배열되는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 제어 서브시스템은 상기 성능 에러 신호(53)에 기반하여 부하 요구(54)를 결정하도록 배열되는 부하 제어기(514)를 포함하는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 제어 서브시스템은 상기 부하 요구(54)에 기반하여 제어 신호(55-1)를 결정하도록 배열되는 컨버터(516)를 포함하는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컨버터(516)는 분리 컨버터(split converter)이고, 제어 신호(55-1) 및 서지 방지 제어 신호(93)를 교대로 제공하도록 배열되는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 서브 시스템(210)의 상기 성능 입력(211)은 상기 로터리 컴프레서의 흡입 압력을 나타내는 측정 신호(21)를 수신하도록 배열되는 것인, 로터리 컴프레서용 제어 시스템(200).
  12. 합성 플랜트(1000)에 있어서,
    입구(352) 및 출구(353)를 포함하는 로터리 컴프레서(350) ― 상기 입구(352)는 가스 혼합물(38)을 수신하도록 배열됨 ― ;
    상기 로터리 컴프레서(350)를 구동시키는 로터리 엔진(360); 및
    제1항 내지 제11항 중 어느 한항에 따른 제어 시스템(300)
    을 포함하는, 합성 플랜트(1000).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 로터리 엔진(360)은 증기 터빈인 것인, 합성 플랜트(1000).
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 로터리 컴프레서(350) 상류의 개질기(reformer)(370)를 포함하고, 상기 개질기(370)는 상기 로터리 컴프레서(350)의 상기 입구(352)에 유체 연결되는 출구(371)를 포함하는 것인, 합성 플랜트(1000).
  15. 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서를 제어하는 방법(600)에 있어서,
    A) 상기 로터리 컴프레서의 파라미터를 측정하는 단계(602) ― 상기 파라미터는 상기 로터리 컴프레서의 성능을 나타냄 ― ;
    B) 상기 파라미터의 함수로서 제1 제어 신호를 발생시키는 단계(603);
    C) 상기 로터리 컴프레서 또는 상기 로터리 엔진의 회전 속도를 측정하는 단계(604);
    D) 상기 회전 속도의 함수로서 제2 제어 신호를 발생시키는 단계(605);
    E) 상기 제1 제어 신호와 상기 제2 제어 신호 간에 선택함으로써, 제3 제어 신호를 발생시키는 단계(606); 및
    F) 상기 로터리 엔진의 입력 단자들을 제어하기 위해 상기 제3 제어 신호를 제공하는 단계(607)
    를 포함하는, 로터리 엔진에 의해 구동되는 로터리 컴프레서를 제어하는 방법(600).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 제어 신호는 적어도 다음의 조건들:
    - 상기 제2 제어 신호가 상기 제1 제어 신호보다 높은 것,
    - 상기 제2 제어 신호가 상기 제1 제어 신호보다 낮은 것
    중 하나 이상에서, 상기 제1 제어 신호 대신 선택되는 것인, 로터리 컴프레서를 제어하는 방법(600).
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