TWI397634B - 多級壓縮機之線上監控方法 - Google Patents

Description

多級壓縮機之線上監控方法

本發明是有關於一種壓縮機之監控方法，且特別是有關於一種多級壓縮機(multi-stage compressor)之線上監控方法。

壓縮機係一種將外加能量轉換為壓力能的裝置，其操作原理係利用外加能量來壓縮氣體的體積，以提升氣體之壓力。然，隨著氣體壓力的增加，其溫度也會隨之上升。而氣體的溫度愈高，除了需要更多的外加能量外，也需提高壓縮機之硬體的耐熱應力需求。如此，將導致壓縮機之製作與操作成本的大幅增加。

因此，為了達到所需之目標壓力，而使單級壓縮機之出口溫度過高時，通常必須採用分級壓縮的方式。亦即，氣體先透過級間冷卻器(Intercooler)降低溫度，再進入下一級之壓縮機內進行壓縮。當氣體進入壓縮機之溫度高及/或壓力低時，壓縮機之效率會降低。根據熱力學原理，可利用壓縮機之氣體入口和出口壓力與溫度，來計算等熵(isentropic)或多變(polytropic)效率，藉此可得知壓縮機之運轉效率。

目前，監控多級壓縮機之運轉狀態的方法，通常僅考慮等熵效率，或者藉由分析壓縮機之振動頻率的方式。其中，當壓縮機有異常時，壓縮機之振動頻率會變高，且振動位移會變大。

然而，無論是利用等熵效率，或者是分析壓縮機之振動頻率的方式，均無法有效地監控多級壓縮機中各級壓縮機之真實運作狀態。因此，亟需一種可有效監控多級壓縮機之運作的方法。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種多級壓縮機之線上監控方法，其藉由同時監控各級壓縮機之壓縮效率與其級間冷卻器之換熱效率的方式，來線上監控多級壓縮機之運轉狀態。故，可及早發現多級壓縮機的操作異常、降低操作變異、穩定操作，進而可達到節省電能的目的。

根據本發明之上述目的，提出一種多級壓縮機之線上監控方法。其中，此多級壓縮機包含複數個壓縮機以及至少一冷卻器，此至少一冷卻器分別設置在相鄰之壓縮機之間。此多級壓縮機之線上監控方法包含下列步驟。利用一中央處理器進行一資料擷取步驟，以擷取前述壓縮機之氣體入口與出口的壓力和溫度、與氣體流量，以及冷卻器之氣體與冷卻水之入口與出口的溫度、和冷卻水流量及/或氣體流量。利用壓縮機之氣體入口與出口的壓力和溫度，計算每一壓縮機之壓縮效率，其中每一壓縮機具有對應之基準壓縮效率。利用冷卻器之氣體與冷卻水之入口與出口的溫度、和冷卻水流量及/或氣體流量，計算每一冷卻器之換熱效率，其中每一冷卻器具有對應之基準換熱效率。進行第一判斷步驟，以判斷每一冷卻器之換熱效率與對應之基準換熱效率之間的第一比例是否落在第一預設比例範圍中。進行第二判斷步驟，以判斷每一壓縮機之壓縮效率與對應之基準壓縮效率之間的第二比例是否落在第二預設比例範圍中。當第一判斷步驟及/或第二判斷步驟之結果為否時，對多級壓縮機進行一檢查步驟或一控制步驟，以檢查多級壓縮機之異常或控制多級壓縮機之運轉。

依據本發明之一實施例，在上述之方法中，當上述第一比例之一者並未落在第一預設比例範圍中時，對這些第一比例之該者所對應之冷卻器進行檢查步驟。

依據本發明之另一實施例，在上述之方法中，當上述第一比例之一者並未落在第一預設比例範圍中時，對這些第一比例之該者所對應之冷卻器進行控制步驟。

依據本發明之又一實施例，在上述之方法中，當上述壓縮機之一者之第二判斷步驟之結果為否，且與此壓縮機相鄰之冷卻器之第一判斷步驟的結果也為否時，對此壓縮機與相鄰之冷卻器進行檢查步驟。

依據本發明之再一實施例，在上述之方法中，當上述壓縮機之一者之第二判斷步驟之結果為否，但與此壓縮機相鄰之冷卻器之第一判斷步驟的結果為是時，對此壓縮機進行控制步驟。

運用本發明之實施方式，可有效監控多級壓縮機之運轉狀態，因此可及早發現多級壓縮機的操作異常、降低操作變異、穩定操作，進而可達到節省電能的目的。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種多級壓縮機之裝置示意圖。此多級壓縮機100包含數個壓縮機102、104、106與108，以及數個冷卻器110、112與114。其中，壓縮機102為第一級壓縮機，壓縮機104為第二級壓縮機，壓縮機106為第三級壓縮機，壓縮機108為第四級壓縮機。此外，冷卻器110為第一級間冷卻器，冷卻器112為第二級間冷卻器，冷卻器114為第三級間冷卻器。冷卻器110、112及114分別設置在壓縮機102與104之間、壓縮機104與106之間、以及壓縮機106與108之間。

在第1圖所示之實施例中，多級壓縮機100包含四個壓縮機102、104、106與108，以及三個級間冷卻器110、112與114。然，在其他實施例中，多級壓縮機可包含不同於上述實施例之壓縮機與冷卻器數量的壓縮機與冷卻器。其中，當多級壓縮機為二級壓縮機時，其包含二壓縮機、以及位於此二壓縮機之間的一冷卻器。

如第1圖所示，空氣先進入第一級壓縮機102，經壓縮後氣體之壓力與溫度分別從入口之壓力P1_In 與溫度T1_In 升高至出口之壓力P1_Out 與溫度T1_Out 。接著，壓縮後之空氣進入第一級間冷卻器110中，利用冷卻水來降低空氣之溫度，其中冷卻水之溫度由進入冷卻器110之溫度TW_In 升高到溫度TW1_Out 。

第一次壓縮之空氣經冷卻後，進入第二級壓縮機104，經壓縮後氣體之壓力與溫度分別從入口之壓力P2_In 與溫度T2_In 升高至出口之壓力P2_Out 與溫度T2_Out 。接著，經第二次壓縮後之空氣進入第二級間冷卻器112中，利用冷卻水來降低空氣之溫度，其中冷卻水之溫度由進入冷卻器112之溫度TW_In 升高到溫度TW2_Out 。

第二次壓縮之空氣經冷卻後，進入第三級壓縮機106，經壓縮後氣體之壓力與溫度分別從入口之壓力P3_In 與溫度T3_In 升高至出口之壓力P3_Out 與溫度T3_Out 。接著，經第三次壓縮後之空氣進入第三級間冷卻器114中，利用冷卻水來降低空氣之溫度，其中冷卻水之溫度由進入冷卻器114之溫度TW_In 升高到溫度TW3_Out 。

第三次壓縮之空氣經冷卻後，進入第四級壓縮機108，經壓縮後氣體之壓力與溫度分別從入口之壓力P4_In 與溫度T4_In 升高至出口之壓力P4_Out 與溫度T4_Out 。經第四次壓縮後之空氣的壓力P4_Out 與溫度T4_Out 即為多級壓縮機100所輸出之壓縮空氣的壓力與溫度。

由於，每一級壓縮機之入口溫度與壓力，對其壓縮效率具有相當大的影響，因此冷卻器之換熱效率與所造成的壓降，對下一級之壓縮機的壓縮效率影響甚大。此外，當級間冷卻器因阻塞或內部鰭片(Fin)變形，而使得冷卻器之傳熱效率變差、壓降變大時，壓縮機之振動頻率並不會有明顯差異，且壓縮機之等熵效率反而會變大。如此一來，將會使線上操作人員誤以為壓縮機之狀態變好，而不會對設備進行檢修，進而造成能源的浪費。再者，對於一般多級壓縮機，為了降低能耗，大都盡可能設計成使各級壓縮機的壓縮效率相當。因此，當出現因冷卻器異常時所造成之壓縮效率提高時，只透過監測壓縮效率並無法診斷出壓縮效率提升的原因。

因此，發明人認為監控多級壓縮機之整體運轉狀態時，除了需監控各級壓縮機之壓縮效率外，也必須同時監控各級間冷卻器之換熱效率。如此一來，可避免因級間冷卻器之換熱效率不佳時，造成下一級壓縮機入口的溫度上升、壓力下降，而導致整體壓縮效率降低、負載受限與能耗上升，進而導致壓縮機的操作穩定度與硬體安全性下降。

有鑑於此，本申請案提出一種多級壓縮機之線上監控方法，其無需額外購置量測儀器，只需利用既有多級壓縮機之操作資訊，即可有效監控多級壓縮機之整體運轉效率，以及早避免異常擴大，進而達到提升操作穩定性與硬體安全性的目標。

請同時參照第1圖、第2圖與第3圖，其中第2圖係繪示依照本發明一實施方式的一種多級壓縮機之線上監控的裝置示意圖，第3圖則係繪示依照本發明一實施方式的一種多級壓縮機之線上監控的流程圖。在本實施方式中，線上監控多級壓縮機100時，可如第3圖之步驟200所述，先進行多級壓縮機100之資料的擷取。在一實施例中，如第2圖所示，監控多級壓縮機100時，可先建立與多級壓縮機100連結之資料庫118，並將此資料庫118與中央處理器(CPU)116連結。資料庫118可儲存有壓縮機102、104、106與108之氣體入口與出口的壓力和溫度、與氣體流量，以及冷卻器110、112與114之氣體與冷卻水之入口與出口的溫度、和冷卻水流量及/或氣體流量等資料。在一實施例中，資料庫118與中央處理器116可為可設置在同一控制媒介中。

在另一實施例中，多級壓縮機100可具有分散式控制系統(DCS)，其中分散式控制系統與多級壓縮機100連接。此分散式控制系統同樣可儲存有壓縮機102、104、106與108之氣體入口與出口的壓力和溫度、與氣體流量，以及冷卻器110、112與114之氣體與冷卻水之入口與出口的溫度、和冷卻水流量及/或氣體流量等資料。

因此，可利用中央處理器116透過資料庫118或多級壓縮機100所具有之分散式控制系統，來進行多級壓縮機100之各壓縮機102、104、106與108，以及各冷卻器110、112與114之入口和出口之溫度與壓力、以及氣體流量與冷卻水流量等資料的擷取。

在一些實施例中，當已經有多級壓縮機100之各壓縮機102、104、106與108，以及各冷卻器110、112與114之入口和出口之溫度與壓力、以及氣體流量與冷卻水流量等資料的情況下，可省略資料擷取步驟200，而直接進行計算步驟202。

在計算步驟202中，可利用所取得之資訊，即各壓縮機102、104、106與108之入口和出口之溫度與壓力，來計算每一個壓縮機102、104、106與108之壓縮效率，以及各冷卻器110、112與114之入口和出口之溫度與壓力、以及氣體流量及/或冷卻水流量等，來計算每一個冷卻器110、112與114之換熱效率。在一實施例中，可利用例如等熵或多變方程式，計算每個壓縮機102、104、106與108之壓縮效率。此外，可利用計算傳熱單位數效率(Effectiveness Number of Transfer Unit；ε-NTU)的方式，來計算每個冷卻器110、112與114之換熱效率。

在一例子中，每個壓縮機102、104、106與108均具有其對應之基準壓縮效率，且每個冷卻器110、112與114亦具有對應之基準換熱效率。舉例而言，壓縮機102、104、106與108對應之基準壓縮效率可為壓縮機102、104、106與108剛出廠時之壓縮效率，此時的壓縮效率通常最高。此外，冷卻器110、112與114之基準換熱效率可例如為剛出廠時之換熱效率。

接下來，如步驟204所述，進行壓縮機102、104、106與108之壓縮效率、與冷卻器110、112與114之換熱效率的判斷步驟。此判斷步驟204包含兩個判斷步驟。一個判斷步驟是判斷每個冷卻器110、112與114之換熱效率與其所對應之基準換熱效率之間的比例是否落在第一預設比例範圍中。第一預設比例範圍可為一般可接受之冷卻器之實際換熱效率相對於其剛出廠時之較高的基準換熱效率的比例範圍。

另一個判斷步驟是判斷每個壓縮機102、104、106與108之壓縮效率與其所對應之基準壓縮效率之間的比例是否落在第二預設比例範圍中。第二預設比例範圍可為一般可接受之壓縮機之實際壓縮效率相對於其剛出廠時之較高的基準壓縮效率的比例範圍。

當判斷步驟204中的兩個判斷步驟的結果均為是時，則如步驟208所示，代表完成了此次多級壓縮機100的監控。然而，判斷步驟204中的兩個判斷步驟的結果中有一個為否時，則如步驟206所述，對多級壓縮機100進行檢查或控制。完成檢查與控制步驟206後，則如步驟208所示，代表完成了此次多級壓縮機100的監控。

在一例子中，在判斷步驟204中，當冷卻器110、112與114中之任一者之換熱效率與其所對應之基準換熱效率之間的比例並非落在第一預設比例範圍中時，表示此一冷卻器異常。因此，需對此一冷卻器進行檢查，以維修、甚至換掉多級壓縮機100中之此一冷卻器。當檢查結果為此冷卻器的硬體並無問題時，可對此冷卻器進行控制步驟，來調整冷卻器之冷媒，例如冷卻水，之量與溫度。

在另一例子中，在判斷步驟204中，當判斷結果為，壓縮機102、104、106與108之任一者之壓縮效率與其所對應之基準壓縮效率之間的比例並未落在第二預設比例範圍中，且此壓縮機之相鄰冷卻器之換熱效率與其所對應之基準換熱效率之間的比例也並非落在第一預設比例範圍中時，則代表此壓縮機及/或其相鄰冷卻器有異常。因此，需對此壓縮機及/或其相鄰冷卻器進行檢查，以維修、甚至換掉多級壓縮機100中之此壓縮機及/或其相鄰冷卻器。

在又一例子中，在判斷步驟204中，當判斷結果為，壓縮機102、104、106與108之任一者之壓縮效率與其所對應之基準壓縮效率之間的比例並未落在第二預設比例範圍中，但此壓縮機之相鄰冷卻器之換熱效率與其所對應之基準換熱效率之間的比例係落在第一預設比例範圍中時，則代表此壓縮機有異常。因此，需對此壓縮機進行控制，來調整多級壓縮機100中之此壓縮機的負載。

由上述本發明之實施方式可知，本發明之一優點為本發明之多級壓縮機之線上監控方法係藉由同時監控各級壓縮機之壓縮效率與其級間冷卻器之換熱效率的方式，來線上監控多級壓縮機之運轉狀態。因此，可有效監控多級壓縮機之運轉狀態，進而可及早發現多級壓縮機的操作異常、降低操作變異、穩定操作，進而可達到節省電能的目的。

另外，上述之實施例可利用電腦程式產品來實現，其可包含儲存有多個指令之機器可讀取媒體，這些指令可程式化(programming)電腦來進行上述實施例中的步驟。機器可讀取媒體可為但不限定於軟碟、光碟、唯讀光碟、磁光碟、唯讀記憶體、隨機存取記憶體、可抹除可程式唯讀記憶體(EPROM)、電子可抹除可程式唯讀記憶體(EEPROM)、光卡(optical card)或磁卡、快閃記憶體、或任何適於儲存電子指令的機器可讀取媒體。再者，本發明之實施例也可做為電腦程式產品來下載，其可藉由使用通訊連接(例如網路連線之類的連接)之資料訊號來從遠端電腦轉移至請求電腦。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．多級壓縮機

102．．．壓縮機

104．．．壓縮機

106．．．壓縮機

108．．．壓縮機

110．．．冷卻器

112．．．冷卻器

114．．．冷卻器

116．．．中央處理器

118．．．資料庫

200．．．步驟

202．．．步驟

204．．．步驟

206．．．步驟

208．．．步驟

P1_In ．．．壓力

P1_Out ．．．壓力

P2_In ．．．壓力

P2_Out ．．．壓力

P3_In ．．．壓力

P3_Out ．．．壓力

P4_In ．．．壓力

P4_Out ．．．壓力

T1_In ．．．溫度

T1_Out ．．．溫度

T2_In ．．．溫度

T2_Out ．．．溫度

T3_In ．．．溫度

T3_Out ．．．溫度

T4_In ．．．溫度

T4_Out ．．．溫度

TW_In ．．．溫度

TW1_Out ．．．溫度

TW2_Out ．．．溫度

TW3_Out ．．．溫度

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種多級壓縮機之裝置示意圖。

第2圖係繪示依照本發明一實施方式的一種多級壓縮機之線上監控的裝置示意圖。

第3圖係繪示依照本發明一實施方式的一種多級壓縮機之線上監控的流程圖。

200．．．步驟

202．．．步驟

204．．．步驟

206．．．步驟

208．．．步驟

Claims (9)

1. 一種多級壓縮機之線上監控方法，其中該多級壓縮機包含複數個壓縮機以及至少一冷卻器，該至少一冷卻器分別設置在相鄰之該些壓縮機之間，該方法包含：利用一中央處理器進行一資料擷取步驟，以擷取該些壓縮機之氣體入口與出口的壓力和溫度、與氣體流量，以及該至少一冷卻器之氣體與冷卻水之入口與出口的溫度、和冷卻水流量及/或氣體流量；利用該些壓縮機之氣體入口與出口的壓力和溫度，計算每一該些壓縮機之一壓縮效率，其中每一該些壓縮機具有對應之一基準壓縮效率；利用該至少一冷卻器之氣體與冷卻水之入口與出口的溫度、和冷卻水流量及/或氣體流量，計算每一該至少一冷卻器之一換熱效率，其中每一該至少一冷卻器具有對應之一基準換熱效率；進行一第一判斷步驟，以判斷每一該至少一冷卻器之該換熱效率與對應之該基準換熱效率之間的一第一比例是否落在一第一預設比例範圍中；進行一第二判斷步驟，以判斷每一該些壓縮機之該壓縮效率與對應之該基準壓縮效率之間的一第二比例是否落在一第二預設比例範圍中；以及當該第一判斷步驟及/或該第二判斷步驟之結果為否時，對該多級壓縮機進行一檢查步驟或一控制步驟，以檢查該多級壓縮機之異常或控制該多級壓縮機之運轉。
2. 如請求項1所述之方法，其中當該些第一比例之一者並未落在該第一預設比例範圍中時，對該些第一比例之該者所對應之該冷卻器進行該檢查步驟。
3. 如請求項1所述之方法，其中當該些第一比例之一者並未落在該第一預設比例範圍中時，對該些第一比例之該者所對應之該冷卻器進行該控制步驟。
4. 如請求項1所述之方法，其中當該些壓縮機之一者之該第二判斷步驟之結果為否，且與該些壓縮機之該者相鄰之該至少一冷卻器之該第一判斷步驟的結果也為否時，對該些壓縮機之該者與相鄰之該至少一冷卻器進行該檢查步驟。
5. 如請求項1所述之方法，其中當該些壓縮機之一者之該第二判斷步驟之結果為否，但與該些壓縮機之該者相鄰之該至少一冷卻器之該第一判斷步驟的結果為是時，對該壓縮機之該者進行該控制步驟。
6. 如請求項1所述之方法，其中進行該資料擷取步驟包含對與該多級壓縮機連接之一分散式控制系統進行資料擷取。
7. 如請求項1所述之方法，其中進行該資料擷取步驟包含對與該多級壓縮機連接之一資料庫進行資料擷取。
8. 如請求項1所述之方法，其中計算每一該些壓縮機之該壓縮效率的步驟係利用一等熵或多變方程式。
9. 如請求項1所述之方法，其中計算每一該至少一冷卻器之該換熱效率的步驟係利用計算一傳熱單位數效率的方式。