TW201414926A - 控制氣體壓縮系統之容量的方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於在一HVAC、冷凍或液體冷凍器系統中控制一離心式氣體壓縮機的系統，其中在該系統中，通過該壓縮機之氣體的流量被自動地控制，以將所期望的參數保持在預定範圍內以避免該系統中的失速及喘振狀態。該壓縮機中的一可變幾何形狀擴壓器在該壓縮機葉輪的排氣端控制該冷凍劑氣體流量。該配置減小了流量，減小/消除流減小失速以及提高了該壓縮機在部分負載狀態下的操作效率。該可變幾何形狀擴壓器控制組合一變速驅動裝置(VSD)提高了該壓縮機在部分系統負載的效率，以及消除了在該離心式壓縮機之入口對預旋葉片需求。

Description

控制氣體壓縮系統之容量的方法 交互參照相關申請案
本申請案主張標題為“VARIABLE GEOMETRY DIFFUSERS AS CAPACITY CONTROL”的美國臨時申請案60/984,073(於2007年10月31日提出申請)的優先權且享有其利益，該申請案於此併入參考。
發明領域
本發明係有關於控制系統。
發明背景
本申請案大致與用於具有一個或多個級的一離心式壓縮機的一容量控制系統有關。更加特別地，本申請案與用於具有一可變幾何形狀擴壓器(VGD)的一壓縮機的一容量控制系統有關。在一冷凍系統中，容量是指冷卻能力，而在其他氣體壓縮系統中，容量是指體積流量。
以前，在用於在諸如液體冷凍器的冷卻系統中使用的離心式壓縮機中，需要冷凍或加熱、通風、空氣調節以及冷凍(HVAC & R)、氣體壓縮、預旋葉片(PRV)或進口導葉來控制冷卻系統的冷卻容量。在始於蒸發器的壓縮機 入口，一個或多個PRV控制流向壓縮機的冷凍劑的流量。一致動器被用來打開PRV以增加流向壓縮機的冷凍劑的量，藉此增加系統的冷卻容量。同樣地，該致動器被用來關閉該PRV以減小流向該壓縮機的冷凍劑的量，藉此減小該系統的冷卻容量。
VGD已被用於控制離心式壓縮機的擴壓器區域中的旋轉失速。一個VGD實施例在Nenstiel的被受讓給本發明的受讓人並且於此併入參考的美國專利6,872,050中被描述。VGD被延伸到離心式壓縮機的擴壓器通道中，直到一位準的測量信號降低到一預定臨界值以下。結果是消除了失速以及在固有及空氣載聲位準中的相對應的降低。一段時間後或者情況改變後，擴壓器缺口(gap)被按步或遞增地重新打開，直到一位準的測量信號指示一失速狀態被檢測。
失速及喘振狀態是表示壓縮機的極端操作狀態的不同物理現象。失速是在一壓縮機的一個或多個元件中的一本地流量分離，以及其特徵在於在小於葉輪之旋轉頻率的基礎頻率下排出壓力干擾。一離心式壓縮機中的旋轉失速主要位於擴壓器中，以及可用VGD消除。相反，喘振是一壓縮氣體系統中的全系統範圍的不穩定性。壓縮機中的主要流量被暫時反轉方向，以及失速進一步的特徵在於甚至更低的頻率、更大的電壓波動。
VGD包括可移動以佔據一擴壓器缺口的環，其中該擴壓器缺口是壓縮氣體的出口流量路徑。該VGD可從一縮回位置移動到一伸出位置，其中在該縮回位置，該環完 全在該出口流量路徑外以容許最大的氣體流量，而在該伸出位置，該環佔據該出口流量路徑的一部分，藉此限制一部分氣體流量。該環可基於失速狀態在該離心式壓縮機中的檢測來操作。該可變幾何形狀擴壓器與測量排出壓力的交替分量的一探針或感測器一起使用以檢測臨界失速(impending stall)。測量參數遭傳送至一控制器，該控制器遭規劃以基於該測量參數檢測即將發生的失速。然後該控制器決定何時啟動該可變幾何形狀擴壓器是必要的，以消除失速從而避免喘振。因此，可變幾何形狀擴壓器提供了避免失速、避免喘振以及消減伴隨這些情況發生的雜訊之優點。
作為一離心式壓縮機中的一擴壓器系統的一部分，存在許多用以恢復旋轉葉輪下游靜態壓力的選擇。該擴壓器負責主要減小冷凍速度的切向分量，其次是冷凍劑速度的徑向分量。隨著冷凍速度的減小，靜態壓力在增加。一個主要目標是用最小的總壓力損失恢復靜態壓力，其中性能很關鍵。
離心式壓縮機中的傳統擴壓器的類型包括無葉、(螺旋槳、楔形、高固性或低固性)葉片、管道、隧道及通道或這些類型的一組合。每一類型的擴壓器具有其優點與缺點。例如，無葉擴壓器由兩面壁組成，在葉輪的較高壓力側上沒有葉片。無葉擴壓器中的靜態壓力恢復是所熟知的進入速度狀態與擴壓器的半徑比和寬度通量之間關係的結果。
各種方法已被單獨地施加及組合用於容量控制，包括在葉輪較低壓力側上也被稱為進口導葉、前置旋流葉片(pre-swirl vane)等的PRV、變速驅動裝置、熱氣體旁路、變數擴壓器葉片以及吸氣調節閥。這些容量控制方法中的每一方法既提供了優點也提供了局限性。最常使用的控制方法包括PRV、熱氣體旁路以及變速驅動裝置。
發明概要
在一實施例中，一種控制一氣體壓縮系統之容量的方法被揭露。該氣體壓縮系統包括連接在一冷凍劑環路中的一壓縮機、一冷凍劑冷凝器以及一蒸發器。該方法包括在一壓縮機排氣端提供一擴壓器；感測表示該氣體壓縮系統之負載的值；決定該氣體壓縮系統的一系統壓力差值；以及根據該所感測的負載值以及該所決定的系統壓力差值控制該擴壓器的位置以控制該氣體壓縮系統的容量。
在另一實施例中，一氣體壓縮系統包括一氣體壓縮系統，該氣體壓縮系統包括連接在一冷凍劑環路中的一壓縮機、一冷凍劑冷凝器以及一蒸發器。該氣體壓縮系統包括佈置在該壓縮機之一排氣端的一擴壓器。該擴壓器受配置以調節該壓縮機的冷凍劑的流量。一中央控制面板氣體壓縮系統包括一容量控制系統。該容量控制系統受配置以調節該擴壓器的位置以根據離開冷凍液體的溫度以及系統壓力差值控制該氣體壓縮系統的容量。
於此所述實施例的某些優點包括除去離心式壓 縮機中的PRV以減小HVAC & R系統組件及控制的複雜性；以及或單獨或與一變速驅動裝置(VSD)組合使用一可變幾何形狀擴壓器使一冷卻系統中的操作容量減小，以在部分負載提高系統效率。
22‧‧‧膨脹裝置
100‧‧‧系統
108‧‧‧壓縮機
112‧‧‧冷凝器
113‧‧‧排氣管線
114‧‧‧驅動機制/原動機
116‧‧‧冷凍劑冷凝器/熱交換器
119‧‧‧可變幾何形狀擴壓器(VGD)
120‧‧‧變速驅動裝置(VSD)
122‧‧‧冷卻塔
123‧‧‧吸氣管線
126‧‧‧蒸發器
128‧‧‧熱交換器
128R‧‧‧返回管線
128S‧‧‧供應管線
130‧‧‧冷卻負載
132‧‧‧閃蒸氣體節熱器
133‧‧‧熱氣體旁路連接
134‧‧‧熱氣體旁路閥
140‧‧‧控制系統/控制面板
144‧‧‧非易失性記憶體
146‧‧‧介面板
148‧‧‧數位至類比(D/A)轉換器
149‧‧‧數位至類比(D/A)轉換器
150‧‧‧微處理器
152‧‧‧馬達/驅動機制
174‧‧‧葉片擴壓器
194‧‧‧使用者介面
201‧‧‧葉輪
202‧‧‧擴壓器間隔/通道/缺口
204‧‧‧擴壓器間隔
206‧‧‧擴壓器板
208‧‧‧噴嘴基板
210‧‧‧擴壓器環
212‧‧‧調整機制
402~412‧‧‧方塊
416‧‧‧低選擇器繼電器(LSR)
418‧‧‧方塊
502、504、506‧‧‧低選擇繼電器(LSR)
508‧‧‧方塊
510‧‧‧方塊/PID控制器
511‧‧‧變數輸出
512‧‧‧方塊
513‧‧‧離開冷凝器溫度
514‧‧‧熱溫控制
515‧‧‧控制操作員
516‧‧‧設定點斜坡
517‧‧‧冷凝器水設定點輸入
530‧‧‧PID控制器
534‧‧‧負載限制設定點
536‧‧‧負載限值
540‧‧‧計算繼電器(CR)
542‧‧‧限制繼電器/限制開關
544‧‧‧限制開關
546‧‧‧限制開關
600‧‧‧控制部分
602‧‧‧邏輯框/演算法
603‧‧‧限制開關
610‧‧‧信號/路經
612‧‧‧計算繼電器(CR)
614‧‧‧低選擇器繼電器(LSR)
615‧‧‧VGD斜坡範圍
616‧‧‧低選擇器繼電器(LSR)
618‧‧‧高選擇繼電器(HSR)
620‧‧‧路徑
622‧‧‧計算繼電器(CR)
624‧‧‧高選擇繼電器(HSR)
626‧‧‧斜坡
632‧‧‧計算繼電器(CR)
634‧‧‧計算繼電器(CR)
635‧‧‧計算繼電器(CR)
637‧‧‧方塊
638‧‧‧邏輯框
640‧‧‧位置控制器
644‧‧‧方塊
650‧‧‧馬達/致動器
700‧‧‧控制電路
710‧‧‧控制器
712‧‧‧感測器
713‧‧‧設定點(值)
714‧‧‧失速檢測器板
715‧‧‧信號
第1圖說明可施加一可變幾何形狀擴壓器的一示範性HVAC & R系統。
第2圖說明與本發明一起使用的一離心式壓縮機及可變幾何形狀擴壓器的一部分斷面視圖。
第3圖是與系統落差壓力有關的一HVAC & R控制系統的一部分概要圖。
第4圖是與冷凍水溫有關的一HVAC & R控制系統的一部分概要圖。
第5圖是與冷凝器水溫有關的一HVAC & R控制系統的一部分概要圖。
第6A圖是與系統容量及一可變幾何形狀擴壓器的定位有關的一HVAC & R控制系統的一部分概要圖。
第6B圖是與壓縮機速度有關的一HVAC & R控制系統的一部分概要圖。
第7圖是與防止失速(anti-stall)檢測有關的一HVAC & R控制系統的一部分概要圖。
第8圖是冷凍器單元的控制系統的一概要表示。
第9圖說明一低固性葉片擴壓器。
較佳實施例之詳細說明
可施加本發明的一個一般HVAC & R冷凍器系統100在第1圖中作為例子被說明。用於控制在例如一HVAC & R或液體冷凍器系統100中的一離心式氣體壓縮機108的HVAC & R系統100在下文中被描述。壓縮機108可以是一單一級或多級離心式壓縮機。經過壓縮機108的冷凍劑氣體的流量遭自動控制，以將所期望的參數保持在預定範圍內，以及在系統100中避免失速及喘振狀態。在該壓縮機108之每一級中的VGD 119在壓縮機葉輪201(請參考第2圖)的排氣端控制冷凍劑氣體的流量。VGD 119的配置減少了流量(mass flow)，減小或消除了流量減小失速以及在部分負載條件下操作時提高了壓縮機108的操作效率。使用與一變速驅動裝置(VSD)120相組合的一可變幾何形狀擴壓器的容量控制在部分系統負載提高了壓縮機108的效率，以及消除了在壓縮機108的一入口對PRV的需求。在一備選實施例中，VGD 119可從一多級壓縮機108中的一個或多個級的排氣端除去。
如圖所示，HVAC & R冷凍器系統100包括壓縮機108、一冷凝器112、一水冷凍器或蒸發器126以及一控制面板140。控制面板140可包括一類比至數位(A/D)轉換器148、一微處理器150、一非易失性記憶體144以及一介面板146。關於控制面板140的操作將在下文中更加詳細地討論。
壓縮機108壓縮冷凍劑蒸氣以及將該蒸汽經由一排氣管線113遞送給冷凝器112。為了驅動壓縮機108，系統 100包括用於壓縮機108的一馬達或驅動機制152。儘管術語“馬達”相對於壓縮機108的驅動機制使用，但是可理解的是，該術語“馬達”不限於一馬達，而是意欲涵蓋可與馬達152的驅動，諸如一變速驅動裝置及一馬達啟動器一起使用的任何元件。在本發明的一較佳實施例中，該驅動機制或馬達152是一電動馬達、一VSD 120及相關組件。然而，諸如蒸汽渦輪機(stream turbine)或氣體渦輪機或引擎的其他驅動機制114以及諸如一變速控制器的相關聯組件可被用來驅動壓縮機108。
由壓縮機108遞送至冷凝器112的冷凍劑蒸汽進入與例如，空氣或水之一液體的一熱交換關係，並且由於與該液體的該熱交換關係而經歷到冷凍劑液體的一相位改變。冷凝器112的冷凝液體冷凍劑流經一膨脹裝置22到達一蒸發器126。膨脹裝置22可與一熱氣體旁路閥(HGV)134並聯連接。一閃蒸氣體節熱器(flash gas economizer)132可連接在冷凝器112與蒸發器126之間。節熱器132在位於該蒸發器126與該冷凝器112之間的一壓力下將冷凍劑閃蒸氣體引入到該壓縮機。該中間壓力冷凍劑氣體的引入提高了熱力循環的效率。在一較佳實施例中，在該冷凝器112中的冷凍劑蒸汽進入到與流經一熱交換器116的水的熱交換關係，其中該熱交換器116連接到一冷卻塔122。在冷凝器112中的該冷凍劑蒸汽由於與熱交換器116中水的該熱交換關係而經歷到冷凍劑液體的一相位改變。
蒸發器126可較佳地包括具有連接到一冷卻負載 130的一供應管線128S及一返回管線128R的一熱交換器128。在蒸發器126中，該熱交換器128可包括多個管組(圖未示)。二次液體藉由返回管線128R流入蒸發器126，以及藉由供應管線128S流出蒸發器126，該二次液體可能是水，或者是例如乙烯、氯化鈣或氯化鈉之任何其他合適的二次液體。蒸發器126中的液體冷凍劑進入與熱交換器128中的二次液體的一熱交換關係，以降低熱交換器128中的該二次液體的溫度。蒸發器126中的冷凍劑液體由於與熱交換器128中的該二次液體的該熱交換關係而經歷到冷凍劑蒸汽的一相位改變。蒸發器126中的蒸汽冷凍劑從蒸發器126逸出，以及透過一吸氣管線123返回到壓縮機108以完成該循環。儘管系統100已根據用於冷凝器112與蒸發器126的較佳實施例進行了描述，然而可理解的是，冷凝器112與蒸發器126的任何合適組態都可被用在系統100中，只要冷凝器112與蒸發器126中的冷凍劑的合適相位改變被獲得。
控制面板140可具有用以從系統100接收指示該系統100的性能的輸入信號的一A/D轉換器148。例如，透過控制面板140接收的輸入信號可包括蒸發器126的離開冷凍液體的溫度、蒸發器126及冷凝器112中的冷凍劑壓力，以及該壓縮機排氣管道中的聲壓或音壓量值。控制面板140經由介面板146連通以將信號傳送到系統100的元件以控制系統100的操作。例如，控制面板140可傳送信號以控制一可取捨熱氣體旁路閥134的操作(若其存在的話)的位置，以及控制擴壓器環210(請參考，例如第2圖)在VGD 119中的位 置。
控制面板140使用一個(多個)控制演算法來控制系統100的操作，以及根據特定的壓縮機狀態決定在VGD 119中何時伸出和縮回擴壓器環210，以保持系統及壓縮機的穩定性，為了達到本揭露的目的，則是要使失速及喘振狀態不存在。此外，控制面板140可使用該(等)控制演算法來根據特定的壓縮機狀態打開及關閉該可取捨的熱氣體旁路閥(HGV)134(若其存在的話)，以保持系統及壓縮機的穩定性。在一實施例中，該(等)控制演算法可以是儲存在非易失性記憶體144中的電腦程式，該非易失性記憶體144具有可由微處理器150執行的一些列指令。儘管該控制演算法在一(多)電腦程式中實現，以及由微處理器150執行，但是在本技術領域中的那些通常知識者將理解的是，該控制演算法可使用數位和/或類比硬體實施和執行。若使用硬體執行該控制演算法，則控制面板140之相對應的組態可被改變以併入必要的元件以及移除任何可能不再需要的元件(例如A/D轉換器148)。
控制面板140可包括類比至數位(A/D)及數位至類比(D/A)轉換器148、微處理器150、非易失性記憶體144或其他記憶體裝置，以及與冷凍器系統100的各種感測器及控制裝置通訊的介面板146。此外，控制面板140可連接到一使用者介面194或併入該使用者介面194，該使用者介面194允許操作者與控制面板140互動。操作者可透過使用者介面194對控制面板140選擇及輸入命令。此外，使用者介 面194可從控制面板140為該操作者顯示與冷凍器系統100的可操作狀態有關的訊息及資訊。該使用者介面194可被本地地設置到控制面板140，諸如被安裝在冷凍器系統100或控制面板140上，或選擇性地，使用者介面194可與控制面板140遠端設置，諸如被設置在遠離冷凍器系統100的一單獨控制室中。
微處理器150可執行或使用一單一或中央控制演算法或控制系統來控制冷凍器系統100，該冷凍器系統100包括壓縮機108、VSD 120、冷凝器112以及冷凍器系統100的其他元件。在一實施例中，該控制系統可以是具有可由微處理器150執行之一系列指令的一電腦程式或軟體。在另一實施例中，該控制系統可透過本技術領域的那些通常知識者使用數位和/或類比硬體來實施和執行。在又一另外實施例中，控制面板140可併入多個控制器，每一控制器執行一離散功能，其中一中央控制器決定控制面板140的輸出。若硬體被用來執行該控制演算法，則控制面板140之相對應的組態可被改變以併入必要的元件以及移除任何可能不再需要的元件。
冷凍器系統100的控制面板140可從冷凍器系統100的元件接收許多不同的感測器輸入。輸入到控制面板140的一些感測器輸入例子在下文中被提供，但是可理解的是，控制面板140可從冷凍器系統100的元件接收任何所期望或合適的感測器輸入。輸入到控制面板140的一些與壓縮機108有關的輸入可能來自一壓縮機排氣溫度感測器、一壓 縮機油溫感測器、一壓縮機油供應壓力感測器以及一VGD位置感測器。
可由該控制面板140上的微處理器150執行的中央控制演算法較佳地包括一容量控制程式或演算法，以藉由VSD 120控制馬達152的速度，以及藉此控制壓縮機108的速度，以從壓縮機108產生所期望的容量來滿足冷卻負載。該容量控制程式可較佳地直接根據蒸發器126中的離開冷凍液體的溫度自動決定馬達152及壓縮機108的所期望速度，該冷凍液體的溫度是指示對冷凍器系統100之冷卻負載需求的一指標。決定該所期望的速度後，控制面板140將控制信號發送或傳送到VSD 120，藉此調整馬達152的速度。在一備選實施例中，馬達152可在一固定電壓及頻率以一固定速度操作，以及不接收來自VSD 120的功率。
該容量控制程式可受組配以將冷凍器系統100的選定參數保持在預選範圍內。這些參數包括原動機(prime mover)速度，冷凍液體出口溫度，原動機功率輸出以及對最小壓縮機速度及可變幾何形狀擴壓器位置的防止喘振限制。該容量控制程式可使用來自監控於此所述之各種操作參數之感測器的連續回授，以根據系統冷卻負載中的變化連續地監控和改變馬達152及壓縮機108的速度。也就是說，因為冷凍器系統100需要額外的冷卻容量或減小的冷卻容量，冷凍器100中的壓縮機108的操作參數被根據新的冷卻容量需求相對應地更新或修改。為了保持最大的操作效率，壓縮機108的操作速度可以透過該容量控制演算法頻繁 地改變或調整。此外，除了系統負載需求以外，該容量控制程式也可以連續地監控冷凍系統壓力差值，以使冷凍器系統100中的冷凍劑的體積流量最佳化，以及使所產生的壓縮機108的效率最大化。
馬達152可以是能夠在各個速度驅動的一感應馬達152。感應馬達152可具有包括兩個電極、四個電極或六個電極之任何合適電極配置。感應馬達152被用來驅動一負載，例如在第1圖中所示的一壓縮機108。在另一實施例中，馬達152可以是具有一永磁轉子(rotor)的一同步馬達。在一實施例中，該系統100與容量控制方法可被用來驅動一冷凍系統的壓縮機。
第2圖說明屬於本揭露之一示範性實施例的壓縮機108的一部分剖面圖。壓縮機108包括用於壓縮冷凍劑蒸汽的一葉輪201。然後被壓縮的蒸汽透過一擴壓器119傳遞。擴壓器119較佳地是具有一可變幾何形狀的一無葉徑向擴壓器。可變幾何形狀擴壓器(VGD)119具有在一擴壓器板206和一噴嘴基板208之間形成的一擴壓器間隔204用於該冷凍劑蒸汽的通道。噴嘴基板208受組配用於與一擴壓器環210一起使用。擴壓器環210被用來控制冷凍劑蒸汽通過擴壓器間隔或通道202的速度。擴壓器環210可延伸到擴壓器通道202中，以提高蒸汽流經該通道的速度，以及可從擴壓器通道202縮回，以減小蒸汽流經該通道的速度。擴壓器環210可使用由一致動器650(請參考第6A圖)致動的一調整機制212伸出和縮回，以提供VGD 119之可變的幾何形狀。有 關對一種類型的VGD 119的操作和元件的更加詳細描述在美國專利申請案10/313,364(於2002年12月6日提出申請)，現在標題為“Variable Geometry Diffuser Mechanism”的美國專利6,872,050(於2005年3月29日發表)中被提供，其中該專利6,872,050於此併入參考。然而，可理解的是，任何合適的VGD 119可與本發明一起使用。同樣地，一個以上的VGD 119可被用來控制用於壓縮機葉輪或葉輪201的冷凍劑的流量，從而控制壓縮機108的容量。VGD 119可定位到位於一實質打開位置與一實質關閉位置之間的任何位置，其中在該實質打開位置，冷凍劑流量在壓縮機108外實質上暢通無阻，而在該實質關閉位置，在壓縮機108外的冷凍劑流量受到限制。可理解的是，當VGD 119在關閉位置時，其可能不完全阻止來自壓縮機108的冷凍劑的流量。調整機制212可連續地或以離散步驟遞增地打開和關閉擴壓器缺口。
容量控制裝置主要受控制以提供一種防止喘振的方法。在一實施例中，容量控制程式可根據來自蒸發器126的離開冷凍液體溫度(LCLT)中的改變控制馬達152(以及壓縮機108)的速度，以及熱氣體旁路閥134的位置。第4-7圖說明用於本發明之容量控制程式的一容量控制方法實施例。第4圖大致說明用於決定VGD 119的位置控制演算法602(請參見，例如第6A圖)的系統落差壓力輸入變數(C_系統落差(C_SYSTEM HEAD))的系統落差壓力感測控制。在方塊402中，系統感測蒸發器壓力，以及在方塊404中，系 統感測冷凝器壓力。在方塊406中，來自方塊402的蒸發器壓力值遭從方塊404的冷凝器壓力值減去。蒸發器壓力值與方塊404的冷凝器壓力值之間的差值產生系統落差壓力。系統落差壓力也可以透過，諸如飽和溫度狀態中的差值的其他方法定義。感興趣的參數是，例如氣體或冷凍劑的流量。系統的落差或差值壓力是指示流量的類比參數。氣體/冷凍劑的流量也可類似於溫度，或可直接使用合適的器具測量。
冷凝器壓力以例如180psi之一設定點值也遭輸入到方塊408用於比例/積分/微分控制(PID)排氣端超控。同樣地，蒸發器壓力以例如28psi之一設定點值也遭輸入到方塊412用於PID比例積分微分排氣端超控。方塊408的輸出信號以及方塊412的輸出信號遭輸入到一低選擇器繼電器(LSR)416，以及LSR 416將這兩個輸入變數中的較小值傳遞到第4圖中由符號(B)418所指示的下一控制流程圖部分。
接下來參考第4&5圖，LSR 416的輸出信號遭輸入到另一LSR 502。該系統的離開冷凍水的溫度在方塊508遭感測。所感測的冷凍水溫作為一過程變數遭輸入到方塊510的一PID冷凍水溫控制。該冷凍水溫與方塊512的一設定點控制輸出相比較，用於控制該溫度以一預定速率變化，例如每時間間隔按照華氏溫度(℉)變化。冷凍水溫設定點源於控制操作員515。
來自PID控制器510的冷凍水溫控制變數輸出511遭輸入到一低選擇繼電器(LSR)504，該繼電器504這兩個輸入中的較小值，以及將該較小值作為輸出值轉發。LSR 504的一第二輸入被從PID熱溫控制514接收。熱溫控制514由一離開冷凝器溫度513及一熱設定點速率或斜坡516決定。熱設定點斜坡516接收一冷凝器水設定點輸入517。冷凍水PID控制器510與熱溫控制514中的較小值遭輸入到LSR 502。LSR 502比較LSR 504的輸出值與來自方塊(B)418的表示系統落差壓力的一第二輸入。LSR 502選擇方塊418與LSR 504的這兩個輸入值中的較小值，以及將所選定的值輸出到LSR 506。LSR 506接收表示PID控制器530之負載限制輸出的一第二輸入。PID控制器530比較作為馬達全負載之一百分比的一馬達負載532與一負載限制設定點534，以決定遭輸入到LSR 506的一負載限值536。LSR 506將502、536之輸入值中的較小值輸出到一計算繼電器(CR)540。CR 540可被用來決定冷凍器系統100之容量的三個操作範圍。在第3-7圖的實施例中，該容量控制裝置可被認為是具有三個裝載範圍。在一較低容量裝載範圍，系統容量受HGV 134的控制；在一中間容量裝載範圍，系統容量受VGD 119的控制，以及在一較高容量裝載範圍，系統容量受壓縮機速度的控制。該示範性實施例被顯示作為一個三容量控制裝置，但是控制信號可被分成較多或較少的範圍。該容量控制方法基於相對於最接近不裝載容量值之範圍的子部分的效率進行分配。在該示範性實施例中，HGV與最小效率的容量控制方法相對應。最大效率的容量控制方法遭分配與裝載容量值相關的容量範圍的子部分，該方法在該示範性實施例中是速度控制，因為其一般被認為是最大效率的容 量控制方法。在該示範性實施例中，該中間範圍是容量裝載範圍中心子部分，位元於表示最大不裝載與最大裝載範圍之間。VGD遭分配中間容量裝載範圍中的控制容量。隨著壓縮機系統負載增加，從完全不裝載到完全裝載，容量裝置連續地在所劃分的總範圍中施加。當不裝載或裝載壓縮機速度設定點時，VGD位置和HGV位置被連續地決定及調變以獲取一有效操作，以提供施加在該壓縮機系統上的負載。被防止喘振或防止失速演算法(請參考，例如第6A圖、第6B圖及第7圖的演算法1及演算法2)定義為不穩定的任何區域都被認為是要避免或忽略的不穩定範圍，以及該壓縮機被阻止進入這些操作範圍，以及總範圍的下一子部分被用來按照LSR4上游之所有演算法的命令滿足載入或不載入系統的要求。
接下來參考第6A圖，第一限制繼電器542選擇路徑620以及將限制繼電器542的輸出值輸入到計算繼電器(CR)622。CR 622計算容量範圍值的百分比用於輸入到一高選擇繼電器(HSR)624。HSR 624從CR 622以及一熱氣體閥(HGV)斜坡626選擇容量範圍輸出中的較大值，這限制了每一時間間隔的百分比改變。從CR 622與HGV輸出之容量範圍的較大值的變化率限制演算法，或來自HSR 624的斜坡626遭輸入到HGV 625。
控制圖的可變幾何形狀擴壓器的容量控制部分600由虛線標明。CR 612接收位於100%-200%之間的一容量信號610。CR 612透過從表示位於100%-200%之間之一範圍 的路徑610的輸入值減去100(輸入-100)來正規化或重新劃分範圍，然後LSR 614在一第一輸入接收CR 612的輸出，以及在一第二輸入接收可變幾何形狀擴壓器斜坡範圍615，LSR 614選擇該第一輸入信號與第二輸入信號中的較小值，以及將所選定的值輸入到LSR 616。在LSR 616，LSR 614輸出的這兩個值中的較小值，以及防止失速控制器710的一輸出信號715(請參考，例如第7圖)遭選定，以及該選定值遭輸入到HSR 618。HSR 618接收LSR 616的輸出，以及計算最小防止喘振位置的邏輯框602及限制開關603的輸出。該最小防止喘振位置透過在邏輯框602中施加演算法1產生。在邏輯框602中施加的演算法如下：
演算法1決定所需的系統容量Y作為介於0與100%之間的一百分比值。
PD=實際系統落差壓力
PD1=最大系統落差壓力
PD2=最小系統落差壓力
MVP1=最小可變幾何形狀擴壓器較高落差壓力
MVP2=最小可變幾何形狀擴壓器較低落差壓力演算法1是一種計算防止喘振位置的方法，以及提供作為例子，然而，本揭露不限於一種計算防止喘振位置的特定方法。實際系統落差壓力如上所述相關第3圖被決定，以及遭輸入到演算法602。
返回到HSR 618，演算法602所需的系統容量與LSR 616的輸出相比較。LSR 616的輸出表示防止失速控制信號715或系統容量需求信號中的較小信號。限制開關603與LSR 616中的較大值遭施加，以透過一位置控制器640控制一可變幾何形狀擴壓器馬達650。在一實施例中，位置控制器640是一可變幾何形狀擴壓器脈寬調變(PWM)位置控制器。位置控制器640基於在方塊644所決定的目前可變幾何形狀擴壓器位置的一參考輸入決定輸出信號。
如上所述，在第3圖到第7圖中所闡述的控制方案提供對壓縮機系統的一整合容量控制，提供壓力超控限制及需求限制、防止喘振控制以及初期失速避免控制。該壓縮機系統的容量控制與VGD 119整合使用，而不需要PRV。參考第4圖，LSR4 506的結果提供如由一預定類比值範圍所表示的不裝載或裝載冷凍機之命令。在該範圍的一極端，該命令表示完全不裝載，在該範圍的另一極端則表示完全裝載。計算繼電器540、限制開關542、限制開關544以及限制開關546之組合的實施例被用來將該類比值範圍再分成預定的子部分，一子部分用於每一容量控制裝置，如以上相關第4圖所述。計算繼電器632將正規化信號發送至HSR 634。HSR 634從邏輯框632接收表示一最小速度設定點Y的一第二輸入信號。該最小速度設定點Y透過在邏輯框638中應用如下的演算法2來決定：
演算法2決定用於防止喘振計算的最小速度Y，其中：SPD1=最大系統落差壓力
SPD2=最小系統落差壓力
MSP1=最小速度較高落差壓力
MSP2=最小速度較低落差壓力
壓縮機108的最小旋轉速度由表示壓縮機108之落差壓力需求的差值壓力定義，與表示具有一完全打開擴壓器缺口之流量的壓縮機108的旋轉速度比較。對於壓縮機108之每一給定的落差壓力需求，存在一相對應的最小旋轉速度，需要該最小旋轉速度以避免在壓縮機108中發生一喘振情況。演算法2表示用於壓縮機108之防止喘振邏輯的一示範性實施例。以上所提到的參數可憑經驗決定，或者透過類似於演算法2的一喘振檢測演算法來決定。其他喘振檢測演算法為在本技術領域的其他通常知識者所熟知，以及這些演算法可代替演算法2。
在關閉排氣擴壓器缺口202時，最小氣體流量因素也被納入考慮。對於每一落差壓力需求存在被擴壓器所需要的一相對應最小打開或缺口寬度用以控制一預定流量通過壓縮機108的葉輪201。若該擴壓器缺口太大，則擴壓器將透過阻止流量經過壓縮機108而在壓縮機108中引起發生喘振。演算法2是防止喘振演算法602(第6A圖)的一示範性實施例。
然後作為介於零與100%全馬達速度之間之一百 分比的壓縮機馬達速度與計算繼電器CR 632的速度範圍百分比輸出相比較，以及這兩個百分比中的較高百分比值遭輸入到一變速驅動裝置(VSD)，該VSD相應地調整壓縮機驅動馬達的速度。如在第6圖的實施例中所示，表示從CR 632輸出的速度百分比與CR 638之防止喘振速度值輸出中的較大值的HSR 634的輸出遭施加到CR 635。CR 635將CR 634的輸入值轉譯成範圍介於零與100%馬達最大速度之間的一比例信號，以及在方塊637輸出一速度設定點。方塊637的速度設定點信號遭輸入到用於控制壓縮機馬達速度的VSD 120。一可取捨選擇器開關639可連接在HSR 634與CR 635之間以允許手動速度設定點選擇。
接下來參考第7圖，一防止失速控制電路700包括一排氣失速壓力感測器712。感測器712的信號遭施加到一可變幾何形狀擴壓器失速檢測器板714，其中表示排氣壓力的信號遭處理以及作為一過程變數遭輸入到防止失速直接作用(DIR)控制器710。失速檢測器板714可併入到控制面板140，或與控制面板140資料通訊的一單獨的、一獨立模組。實際的排氣壓力遭處理以產生一組失速相關參數，該組參數被與一組失速相關設定點值713相比較，包括但不限於：雜訊電壓死區、起始位置、最大和最小控制變數(CV)、探針速率、等待時間、反應斜坡以及信號設定點失速臨界值。
一防止失速演算法大致在第7圖中實施。一失速不裝載信號715從防止失速控制器710輸出。當一較高雜訊情況通過上述的失速參數被檢測時，該防止失速演算法被 整合到該壓縮機控制方案作為一不裝載演算法。失速不裝載信號715在HSR 618被上面的演算法1超控。一些設定點713遭插入到控制器710，該等設定點包括但不限於：可變幾何形狀擴壓器雜訊死區、可變幾何形狀擴壓器探針速率、等待時間、反應/斜坡速率最大CV及最小CV。
在另一實施例中，容量控制系統可使用用來驅動壓縮機108的一蒸汽渦輪機實施。該蒸汽渦輪機取代在第1圖中所示的VSD 120及馬達152，以提供用於為壓縮機108提供動力的一備選原動機114。於此整體併入參考的標題為“INTEGRATED ADAPTIVE CAPACITY CONTROL FOR A STEAM TURBINE POWERED CHILLER UNIT”之共同擁有的美國專利7,328,587揭露了一蒸汽渦輪機供電冷凍器單元，在該單元中有一個或多個PRV或進口導葉，其控制提供給壓縮機的冷凍劑的流量，以及藉此控制壓縮機的容量。一蒸汽渦輪機驅動冷凍器系統可被修改以除去PRV以及併入VGD 119以及如上相關第3圖至第7圖所述的相關控制。
在第1圖中所說明的實施例中，一熱氣體旁路連接133及HGV 134連接冷凍劑冷凝器116和蒸發器126以及旁路一膨脹裝置22。在另一實施例中，熱氣體旁路連接133及熱氣體旁路閥134可連接一壓縮機吸氣管線123以及一壓縮機排氣管線113。熱氣體旁路閥134較佳地被用作壓縮機108的一再循環管線，以使冷凍劑氣體從壓縮機108的排氣管線113藉由冷凍劑冷凝器116再藉由冷凍劑蒸發器126到 壓縮機108的吸氣管線123再循環。熱氣體旁路閥134可被調整到位於一實質打開位置與一實質關閉位置之間的任何位置，其中在該實質打開位置冷凍劑流實質上暢通無阻，而在該實質關閉位置冷凍劑流受到限制。熱氣體旁路閥134可以一連續方式或以一步進式或遞增方式被打開和關閉。打開熱氣體旁路閥134可增加提供給壓縮機吸氣管線的冷凍劑氣體的量，以避免在壓縮機108中發生喘振情況。
第8圖顯示用於一冷凍器系統100的一控制系統140的一實施例的一概要圖，其被修改以整合額外的輸入和控制用於操作原動機114。如在第8圖中所說明，控制面板140包括一類比至數位(A/D)轉換器148以及一數位至類比(D/A)轉換器149、一微處理器150、一非易失性記憶體或其他記憶體裝置144，以及與冷凍器系統100的各種感測器和控制裝置通訊的一介面板146。此外，控制面板140可連接到一使用者介面194或併入一使用者介面194，該使用者介面194允許操作者與控制面板140互動。操作者可透過使用者介面194選擇及輸入用於控制面板140的命令。此外，使用者介面194可從控制面板140為該操作者顯示與冷凍器系統100的操作狀態有關的訊息和資訊。使用者介面194可本地地設置到控制面板140，諸如被安裝在冷凍器系統100或控制面板140上，或者可選擇性地，該使用者介面194可與控制面板140遠端設置，諸如設置在遠離冷凍器系統100的一單獨控制室中。
微處理器150執行或使用一單一或中央控制演算 法或控制系統以控制包括壓縮機108、原動機114以及冷凍器系統100之其他元件的冷凍器系統100。在一實施例中，該控制系統可以是具有可由微處理器150執行之一系列指令的一電腦程式或軟體。在另一實施例中，該控制系統可由在本技術領域的那些通常知識者使用數位和/或類比硬體來實施和執行。在又一另外的實施例中，控制面板140可併入多個控制器，其中每一控制器執行一離散功能，以及一中央控制器決定控制面板140的輸出。若硬體被用來執行該控制演算法，則控制面板140之相對應的組態可被改變以併入必要的元件以及移除任何可能不再需要的元件。
冷凍器系統100的控制面板140可從冷凍器系統100的元件接收許多不同的感測器輸入。控制面板140之一些感測器輸入的例子在下文中被提供，但是可理解的是，控制面板140可從冷凍器系統100的元件接收任何所期望或合適的感測器輸入。控制面板140的一些與壓縮機108相關的輸入可能來自一壓縮機排氣溫度感測器、一壓縮機油溫感測器、一壓縮機油供應壓力感測器及一可變幾何形狀擴壓器位置感測器。
控制面板140的一些與冷凍劑冷凝器112有關的輸入可能來自一進入冷凍劑冷凝器水溫感測器、一離開冷凝器水溫感測器、一冷凍劑液體溫度感測器、一冷凍劑冷凝器壓力感測器、一次冷卻器(subcooler)冷凍劑液體位準感測器，以及一冷凍劑冷凝器水流感測器。控制面板140的一些與蒸發器128有關的輸入可能來自一離開冷凍液體溫度 感測器、一返回冷凍液體溫度感測器、一蒸發器冷凍劑蒸汽壓力感測器、一冷凍劑液體溫度感測器以及一冷凍水流感測器。此外，控制器140的其他輸入包括來自一恆溫器或其他類似溫度控制系統的一HVAC&R需求輸入。
此外，冷凍器系統100的控制面板140可提供或產生許多不同的用於冷凍器系統100之元件的控制信號。來自控制面板140的一些控制信號的例子在下文中被提供，但是可理解的是，控制面板140可提供用於冷凍器系統100之元件的任何所期望或合適的控制信號。來自控制面板140的一些控制信號可包括一壓縮機油加熱器控制信號、一變速油幫浦控制信號、一熱氣體旁路閥控制信號、一次冷卻器冷凍劑液體位準控制信號、一可變幾何形狀擴壓器位置控制信號。此外，當一技術人員已將一關閉命令輸入到使用者介面194時，或者當一偏差從記錄於一記憶體裝置中的一預選參數遭檢測時，控制面板140可發送一信號以關閉原動機114。
該中央控制演算法也包括為控制面板140提供在冷凍器系統100的啟動和例行程序操作期間監控冷凍器系統100之各種操作參數的一監控功能的其他演算法和/或軟體。任何所不期望的操作參數可用一邏輯功能規劃到控制面板140中，以關閉冷凍器系統100。此外，該中央控制演算法對於冷凍器系統100的許多操作參數具有預選限制，以及可阻止技術人員在這些限制外手動地操作冷凍器系統100。
在一較佳實施例中，該容量控制程式可根據來自蒸發器126的離開冷凍液體溫度(LCLT)中的變化控制壓縮機108的速度、VGD 119的位置以及熱氣其旁路閥134的位置。第3-7圖說明用於本發明的容量控制程式的容量控制流程的一實施例。
接下來參考第9圖，在另一實施例中，葉片擴壓器可與VGD 119以及變速控制組合使用，以提供甚至更高的壓縮機效率以及提供額外的容量控制。與設置在葉輪201之較低壓力側的PR9V不同，葉片擴壓器被設置在葉輪201的較高壓力側。在較高壓力側沒有葉片的離心式壓縮機被稱為無葉擴壓器壓縮機。一葉片擴壓器174在第9圖中被描述。
應理解的是，本申請案不限於在以上描述中所提出的或在該等圖示中所說明的細節或方法。應理解的是，於此所使用的片語或術語僅是為了達到描述的目的，而不應被視為限制。儘管所揭露的實施例特別與用於HVAC&R冷凍器系統的壓縮機容量控制，以及其中程序可能需要在一給定溫度或其他狀態之下的冷凍液體或氣體的程序機器有關，但是VGD 119可被用來控制壓縮機108的容量。
儘管僅本發明的某些特徵及實施例已被說明和描述，但是在本技術領域的那些通常知識者可能想起許多修改和改變(例如大小、尺寸、結構、各種元件的形狀和比例、參數值(例如溫度、壓力等)、安裝配置、材料使用、顏色、方向等方面的變化)，這些修改和改變實質上不脫離在 該等申請專利範圍中所述之標的的新穎教示和優點。因此，可理解的是，所附申請專利範圍意欲涵蓋所有這些落入本發明之真實精神範圍內的修改及改變。此外，為了提供示範性實施例的簡明描述，可能沒有描述一實際實施的所有特徵(即與目前所設想的實施本發明的最佳模式不相關的那些或者與致能所請發明不相關的那些)。應理解的是，在任何這種實際實施的發展中，如在任何工程或設計專案中，許多實施特定決定可被實現。這樣的發展努力可能複雜且消耗時間，但是對於具有本揭露之利益的那些具有通常知識者而言仍然是一例行執行的設計、加工以及製造，而無多度實驗。
22‧‧‧膨脹裝置
100‧‧‧系統
108‧‧‧壓縮機
112‧‧‧冷凝器
113‧‧‧排氣管線
114‧‧‧驅動機制/原動機
116‧‧‧冷凍劑冷凝器/熱交換器
119‧‧‧可變幾何形狀擴壓器(VGD)
120‧‧‧變速驅動裝置(VSD)
122‧‧‧冷卻塔
123‧‧‧吸氣管線
126‧‧‧蒸發器
128‧‧‧熱交換器
128R‧‧‧返回管線
128S‧‧‧供應管線
130‧‧‧冷卻負載
132‧‧‧閃蒸氣體節熱器
133‧‧‧熱氣體旁路連接
134‧‧‧熱氣體旁路閥
140‧‧‧控制系統/控制面板
144‧‧‧非易失性記憶體
146‧‧‧介面板
148‧‧‧數位至類比(D/A)轉換器
150‧‧‧微處理器
152‧‧‧馬達/驅動機制
194‧‧‧使用者介面

Claims (6)

  1. 一種控制一氣體壓縮系統之容量的方法，其中該氣體壓縮系統具有連接在一冷凍劑環路中的一離心式壓縮機、一冷凍劑冷凝器以及一蒸發器，該方法包含以下步驟：在一壓縮機排氣端提供一可變幾何形狀擴壓器；感測代表該氣體壓縮系統之一負載的一值；決定該氣體壓縮系統的一系統壓力差值；以及響應於該所感測的負載值以及該所決定的系統壓力差值，控制該可變幾何形狀擴壓器的一位置，以控制該氣體壓縮系統的一容量，該氣體壓縮系統在該離心式壓縮機之一入口處不具有預旋葉片，其較佳地進一步包含以下步驟：提供在一可變速度可控制操作用於驅動該離心式壓縮機的一原動機；響應於該所感測的負載值以及該所決定的系統壓力差值，控制該原動機的一速度，其更佳地進一步包含以下步驟：提供一熱氣體旁路閥，以調整該氣體壓縮系統的一高壓力側與該氣體壓縮系統的一低壓力側之間的冷凍劑的流量；以及響應於該所感測的負載值以及該所決定的系統壓力差值，控制該熱氣體旁路閥，以控制該氣體壓縮系統 的該容量。
  2. 如請求項第1項所述之方法，其中：該控制該原動機之一速度的步驟包括調整該壓縮機的一速度以保持一所期望的系統負載狀態；該控制該擴壓器之一位置的步驟包括將該擴壓器定位在一預定最小位置，其中該預定最小位置基於該系統壓力差值；以及該控制該熱氣體旁路閥的步驟包括將該熱氣體旁路閥定位在一關閉位置，或其進一步包含以下步驟：感測指示一喘振狀態或一初期失速狀態的多個氣體壓縮系統操作參數；檢測一喘振狀態或一初期失速狀態的開始；以及響應於該檢測一喘振狀態或一初期失速狀態的開始，超控對該所感測的負載值以及該所決定的系統壓力差值的回應。
  3. 如請求項第2項所述之方法，其中該擴壓器的該預定最小位置防止該壓縮機在一喘振狀態操作。
  4. 如請求項第1項所述之方法，其中：該控制該原動機之一速度的步驟包括在一預定最小速度操作該壓縮機，其中該預定最小速度係基於該系統壓力差值；該控制該擴壓器之一位置的步驟包括調整該擴壓器的一位置，以保持一所期望的系統負載狀態；以及 該控制該熱氣體旁路閥的步驟包括將該熱氣體旁路閥定位在一關閉位置，而該原動機之該所預定的最小速度較佳地防止該壓縮機在一喘振狀態操作。
  5. 如請求項第1項所述之方法，其中：該控制該原動機之該速度的步驟包括在一預定最小速度操作該壓縮機，其中該預定最小速度係基於該系統壓力差值；該控制該擴壓器之一位置的步驟包括將該擴壓器定位在一預定最小位置，其中該預定最小位置係基於該系統壓力差值；以及該控制該熱氣體旁路閥的步驟包括調整該熱氣體旁路閥的一位置，以保持一所期望的系統負載狀態，或其中該控制該擴壓器之一位置的步驟包括：響應於該所決定的系統壓力差值，決定該擴壓器的一最小位置，其中該擴壓器的該所決定的最小位置防止該壓縮機在一喘振狀態操作；以及將一控制信號發送至該擴壓器，以設定該可變幾何形狀擴壓器的一位置為該所決定的最小位置。
  6. 如請求項第1項所述之方法，其中該控制該壓縮機之一速度的步驟包括以下步驟：響應於該所決定的系統壓力差值，決定該壓縮機的一最小速度，其中該壓縮機的該所決定的最小速度防止該壓縮機在一喘振狀態操作；以及 將一控制信號發送至該壓縮機，以設定該壓縮機的一速度為該所決定的最小速度，或其中該感測代表該氣體壓縮系統之一負載的一值的步驟包括決定來自該蒸發器的一離開中之冷凍液體的溫度，或其中該決定一系統壓力差值之步驟包括以下步驟：測量一冷凝器壓力；測量一蒸發器壓力；以及從該所測量的冷凝器壓力減去該所測量的蒸發器壓力，以決定該系統壓力差值，或其中該原動機是一蒸汽渦輪機，或其中該原動機是由一變速驅動裝置供電的一馬達。
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