CN103867446A - 对多级压缩系统进行防喘振控制的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种对多级压缩系统进行防喘振控制的方法，其中，所述多级压缩系统包括第一级压缩机至第N级压缩机、安装在连接到第一级压缩机的入口管道的变量叶片装置、安装在连接到第N级压缩机的出口管道的主管道和支线管道以及安装在支线管道的喘振控制阀，所述方法包括：通过控制变量叶片装置和喘振控制阀中的至少一个来对第一级压缩机进行防喘振控制，通过控制喘振控制阀来对第二级压缩机至第N级压缩机进行防喘振控制，并且其中，N表示等于或大于“2”的整数。

Description

对多级压缩系统进行防喘振控制的方法

本申请要求于2012年12月7日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0142320号韩国专利申请的权益，所述申请的公开通过引用全部合并于此。

技术领域

示例性实施例涉及一种对多级压缩系统进行防喘振控制的方法。

背景技术

当涡轮压缩机不能产生大于系统的加压阻力的压力时，在涡轮压缩机中周期性地发生流体的回流。这种现象被称为喘振现象。当发生喘振现象时，流体定期回流造成流体的流速和压力的细微变化。流体的流速和压力的变化造成机械振动，从而对轴承、叶轮等造成损坏。喘振现象可能降低涡轮压缩机的性能并减少涡轮压缩机的寿命。因此，控制涡轮压缩机的关键点可能在于防止发生喘振现象。

为了防止喘振现象的发生，通过在一般压缩系统的性能图中设置喘振控制线并使用所述喘振控制线来控制一般压缩系统。

第2005-226561号日本专利申请公布公开了一种通过不仅设置喘振控制线还设置喘振控制区，并控制驱动点不出现在喘振控制区中来防止喘振现象的发生的技术。

发明内容

一个或更多个示例性实施例提供了一种对多级压缩系统进行防喘振控制的方法。

根据示例性实施例的一方面，提供了一种对多级压缩系统进行防喘振控制的方法，其中，所述多级压缩系统包括第一级压缩机至第N级压缩机、安装在连接到第一级压缩机的入口管道的变量叶片装置、安装在连接到第N级压缩机的出口管道的主管道和支线管道、以及安装在支线管道的喘振控制阀，所述方法包括：通过基于与第一级压缩机的压缩处理相关的绝热压头值控制变量叶片装置和喘振控制阀中的至少一个来对第一级压缩机进行防喘振控制；通过基于与第二级压缩机至第N级压缩机的压缩处理相关的等温压头值控制喘振控制阀来对第二级压缩机至第N级压缩机进行防喘振控制，其中，N表示等于或大于“2”的整数。

可通过

来确定绝热压头值，其中，H_adiabatic表示绝热压头值，γ表示将被压缩的流体的比热比，R表示气体常数，T表示第一级压缩机的入口处的温度，P_r表示通过而确定的压力比。

可通过以下步骤对第一级压缩机进行防喘振控制：预先确定第一级压缩机的第一喘振控制线并控制变量叶片装置和喘振控制阀中的至少一个，使得与第一级压缩机的压缩处理相关的绝热压头值不超出当第一级压缩机被驱动时的第一喘振控制线的值。

可通过H_isothermal=RT1n(P_r)来确定等温压头值，其中，H_isothermal表示等温压头值，R表示气体常数，T表示第二级压缩机的入口处的温度，P_r表示通过

而确定的压力比。

可通过以下步骤对第二级压缩机至第N级压缩机进行防喘振控制：预先确定第二级压缩机至第N级压缩机的第二喘振控制线并控制喘振控制阀，使得与第二级压缩机至第N级压缩机的压缩处理相关的等温压头值不超过当第二级压缩机至第N级压缩机被驱动时的第二喘振控制线的值。

多级压缩系统还可包括：第一压力传感器，用于测量第一级压缩机的入口处的压力；以及第一温度传感器，用于测量第一级压缩机的入口处的温度。

多级压缩系统还可包括：第二压力传感器，用于测量第二级压缩机的入口处的压力；以及第二温度传感器，用于测量第二级压缩机的入口处的温度。

多级压缩系统还可包括：第三压力传感器，用于测量第N级压缩机的出口处的压力。

至少一个中间冷却器可布置在第一级压缩机至第N级压缩机之间。

附图说明

从以下结合附图对实施例的描述中，这些和/或其他方面将变得清楚并更易于理解，其中：

图1是根据示例性实施例的多级压缩系统的示意性构思图；

图2是针对性能图的曲线图，示意性地示出了与对根据示例性实施例的多级压缩系统执行第一防喘振控制相关的第一喘振控制线；

图3是针对性能图的曲线图，示意性地示出了与对根据示例性实施例的多级压缩系统执行第二防喘振控制相关的第二喘振控制线。

具体实施方式

现在将详细参照实施例，其示例在附图中被示出，其中，相同的参考标号始终指示相同的元件。在这一点上，本实施例可具有不同的形式，并且不应该被解释为受限于在此阐述的描述。因此，通过参照附图，下面仅描述实施例以解释本描述的多个方面。如在此所使用的，当诸如“……中的至少一个”的表述在一列元件之前时，所述表述修饰整列元件而不是修饰所述列中的单个元件。

图1是根据示例性实施例的多级压缩系统100的示意性构思图。图2是针对性能图的曲线图，示意性地示出了与对根据示例性实施例的多级压缩系统执行第一防喘振控制相关的第一喘振控制线。图3是针对性能图的曲线图，示意性地示出了与对根据示例性实施例的多级压缩系统执行第二防喘振控制相关的第二喘振控制线。

参照图1，多级压缩系统100包括第一级压缩机110、第二级压缩机120、第三级压缩机130、第四级压缩机140、中间冷却器单元150、变量叶片装置（variable vane device）160、喘振控制阀170、第一压力传感器181、第二压力传感器182、第三压力传感器183、第一温度传感器184、第二温度传感器185、入口管道191、出口管道192、主管道193、支线管道194和控制装置195。

尽管在本公开中，为了便于解释，将被根据当前实施例的多级压缩系统100压缩的流体以空气为例，但多级压缩系统100能够压缩的流体的类型不限于空气。例如，将被多级压缩系统100压缩的流体可以是惰性气体、制冷剂气体、蒸汽等。

第一级压缩机110、第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140是均包括流体入口和流体出口的离心涡轮压缩机。压缩压力按照多级压缩系统100的第一级至第四级的顺序变大。也就是说，流体以最低的压力被第一级压缩机110压缩，并以最高的压力被第四级压缩机140压缩。

根据当前实施例的多级压缩系统100是包括第一级压缩机110、第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140的四级压缩系统，但本实施例不限于此。也就是说，根据本实施例的多级压缩系统的压缩机的数量不受限。例如，根据示例性实施例的多级压缩系统可被配置为包括十个压缩机的十级压缩系统。

中间冷却器单元150被布置在压缩机110至140之间以执行中间冷却。

中间冷却器单元150包括第一中间冷却器151、第二中间冷却器152和第三中间冷却器153。第一中间冷却器151布置在第一级压缩机110和第二级压缩机120之间。第二中间冷却器152布置在第二级压缩机120和第三级压缩机130之间。第三中间冷却器153布置在第三级压缩机130和第四级压缩机140之间。

尽管在当前实施例中，第一中间冷却器151至第三中间冷却器153中的一个布置在压缩机110至140之中的相邻压缩机之间，但本实施例不限于此。根据示例性实施例，多个中间冷却器可布置在压缩机110至140之中的相邻压缩机之间。

变量叶片装置160安装在连接到第一级压缩机110的流体入口的入口管道191。

在变量叶片装置160中，变量叶片（未示出）和变量叶片驱动装置（未示出）被安装以调整变量叶片装置160的开放程度，以便控制流入变量叶片装置160的流体的流速。已知的入口导流叶片（IGV）可被用作变量叶片装置160。因此，在当前实施例中，假设变量叶片装置160是已知的电子地控制的IGV。

出口管道192连接到第四级压缩机140的流体出口，并且出口管道192连接到主管道193和支线管道194。主管道193是被多级压缩系统100压缩的流体被排放到另一装置（诸如燃烧室（未示出））所经由的管道。喘振控制阀170被安装在支线管道194。

喘振控制阀170被安装在支线管道194。一般的伺服控制阀可被用作喘振控制阀170。

在控制装置195的控制下或通过用户的手动操纵，喘振控制阀170被打开或关闭以控制喘振。换句话说，当喘振控制阀170打开时，流过出口管道192的一部分流体经由支线管道194通过喘振控制阀170。然后，出口管道192处的压力降低并且多级压缩系统100中的流体的流速Q增加，由此减少喘振的发生。

通过喘振控制阀170的气体被排放到大气。根据当前实施例，通过喘振控制阀170的气体是空气并且因此可被排放到大气。然而，如果压缩的气体是不应该被排放到大气的有害气体，则压缩的气体可返回到入口管道191，或者使压缩的气体经由单独的旁通管（未示出）流入回收罐（retrieval tank）（未示出）。

第一压力传感器181被配置为测量第一级压缩机110的流入口（flowinlet）处的压力并将测量压力的结果发送到控制装置195，并且第一压力传感器181被安装在入口管道191处。

具体地讲，第一压力传感器181被布置在变量叶片装置160和第一级压缩机110之间的管道。已知的电子压力传感器可被用作第一压力传感器181。

根据当前实施例的第一压力传感器181被布置在变量叶片装置160和第一级压缩机110之间的管道处，但本实施例不限于此。也就是说，根据示例性实施例的第一压力传感器181可被安装在变量叶片装置160的前面的管道。

第二压力传感器182测量第二级压缩机120的入口处的压力（或第一级压缩机110的出口处的压力）并将测量压力的结果发送到控制装置195，第二压力传感器182被安装在第一中间冷却器151和第二级压缩机120之间的管道。

已知的电子压力传感器可被用作第二压力传感器182。

根据当前实施例的第二压力传感器182被布置在第一中间冷却器151和第二级压缩机120之间的管道处，但本实施例不限于此。例如，由于在进行分析期间第一中间冷却器151的压力的下降通常非常低以至于可被忽略，因此根据示例性实施例的第二压力传感器182可被安装在第一级压缩机110的流体出口和第一中间冷却器151之间的管道处。

第三压力传感器183测量第四级压缩机140的出口处的压力并被安装在连接到第四级压缩机140的流体出口的出口管道192处。

已知的电子压力传感器可被用作第三压力传感器183。

根据当前实施例，第一压力传感器181、第二压力传感器182和第三压力传感器183是已知的将测量结果自动发送到控制装置195的电子压力传感器，但本实施例不限于此。也就是说，根据示例性实施例的第一压力传感器181、第二压力传感器182和第三压力传感器183可以是机械压力传感器。在这种情况下，用户可从这些传感器获得测量结果，并基于所述测量结果由他/她自己手动执行防喘振控制。

第一温度传感器184测量第一级压缩机110的入口处的温度，并将测量温度的结果发送到控制装置195，并且第一温度传感器184被安装在入口管道191处。

详细地讲，第一温度传感器184布置在变量叶片装置160和第一级压缩机110之间的管道处。已知的电子温度传感器可被用作第一温度传感器184。

根据当前实施例的第一温度传感器184被布置在变量叶片装置160和第一级压缩机110之间的管道处，但本实施例不限于此。例如，根据示例性实施例的第一温度传感器184可被安装在变量叶片装置160的前面的管道。

第二温度传感器185测量第二级压缩机120的入口处的温度并将测量温度的结果发送到控制装置195，并且第二温度传感器185被安装在第一中间冷却器151和第二级压缩机120之间的管道处。

已知的电子温度传感器可被用作第二温度传感器185。

根据当前实施例，第一温度传感器184和第二温度传感器185是测量温度并将测量温度的结果自动发送到控制装置195的电子温度传感器，但本实施例不限于此。也就是说，根据示例性实施例的第一温度传感器184和第二温度传感器185可以是机械温度传感器。在这种情况下，用户可从这些传感器获得测量结果并基于测量结果由他/她自己手动执行防喘振控制。

控制装置195从第一压力传感器181至第三压力传感器183以及第一温度传感器184和第二温度传感器185接收测量结果，计算压头值（value ofhead）以执行防喘振控制，将所述压头值与预先输入的喘振控制线的值进行比较，并基于比较结果控制变量叶片装置160和喘振控制阀170。为此，控制装置195包括集成电路（IC）和电路装置以存储数据并执行算术运算。

现在将描述对根据示例性实施例的多级压缩系统100执行的防喘振控制方法。

根据当前实施例的防喘振控制方法包括与第一级压缩机110的压缩处理相关的第一防喘振控制，以及与第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140的压缩处理相关的第二防喘振控制。

首先，基于第一级压缩机110执行与绝热压缩处理相似的压缩的原理来执行第一防喘振控制。

具体地讲，基于第一级压缩机110的绝热压头值来执行第一防喘振控制。这里，第一级压缩机110的绝热压头值可通过等式1来计算：

[等式1]

$H_{\mathrm{adiabatic}}=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}\mathrm{RT}(P_{\mathrm{\γ}}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}-1)$

其中，“H_adiabatic”表示绝热压头值，“γ”表示将被压缩的气体（当前实施例中是空气）的比热比（specific heat ratio），“R”表示气体常数，并且“T”表示第一级压缩机110的入口处的温度，所述温度可以是由第一温度传感器184测量的值。

在等式1中，“P_r”表示压力比并可通过等式2来计算：

[等式2]

在等式2中，可使用由第一压力传感器181测量的值作为第一级压缩机110的入口处的压力并使用由第二压力传感器182测量的值作为第一级压缩机110的出口处的压力来计算所述压力比P_r。

由于中间冷却器单元150包括第一中间冷却器151至第三中间冷却器153，因此第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140的压缩处理与等温压缩处理总体相似。因此，基于等温压缩处理来执行第二防喘振控制。

也就是说，基于第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140的压缩处理被视为一个第二压缩处理（SC）并且与等温压缩处理类似地执行第二压缩处理（SC）的想法来执行第二防喘振控制。也就是说，当中间冷却器单元150被使用时，第二压缩处理（SC）变得与等温压缩处理（诸如埃里克森循环的压缩处理）相似，其中，第二压缩处理（SC）由第二级压缩机120的处理、第三级压缩机130的处理和第四级压缩机140的处理组成。即，第二压缩处理（SC）被视为单个处理，其中，在所述单个处理过程中，第二级压缩机120至第四级压缩机140进行操作。

因此，基于在第二压缩处理（SC）中使用的等温压头值来执行第二防喘振控制。这里，可通过等式3来计算等温压头值：

[等式3]

H_isothermal=RT1n(P_r)

其中，“H_isothermal”表示等温压头值，“R”表示气体常数并且“T”表示第二级压缩机120的入口处的温度，其中，所述温度可以是由第二温度传感器185测量的值。

在等式3中，“P_r”表示压力比并可通过等式4来计算：

[等式4]

在等式4中，可使用由第二压力传感器182测量的值作为第二级压缩机120的入口处的压力并使用由第三压力传感器183测量的值作为第四级压缩机140的出口处的压力来计算压力比P_r。这里，使用第四级压缩机140的出口处的压力的原因是因为根据当前实施例的多级压缩系统100的最后一级是第四级。如果最后一级是第N级，则使用第N级压缩机的出口处的压力来计算在上述等式3中表达的压力比P_r。这里，N表示等于或大于“2”的整数。

以下将更详细地描述执行第一防喘振控制和第二防喘振控制的处理。

多级压缩系统100的制造商或设计者通过针对所述多级压缩系统100进行理论分析和多次实验来设置发生喘振的喘振线，并通过预先在所述喘振线中设置约10%的安全余量来设置喘振控制线。这里，通过在喘振线中设置约10%的安全余量来设置喘振控制线，但允许的安全余量可根据来自设计者或用户的需求而改变。

具体地讲，在第一级压缩机110的压缩处理中，如图2中所示，基于绝热压头值来确定第一喘振线和第一喘振控制线，并且这些线的值被存储在控制装置195的数据存储空间（存储器）中。

类似地，在第二压缩处理（SC）中，如图3中所示，基于等温压头值来确定第二喘振线和第二喘振控制线，并且这些线的值被存储在控制装置195的数据存储空间（存储器）中。

现在将描述多级压缩系统100从制造商交付给用户，被安装并被用户通电以进行操作的情况。

当多级压缩系统100被操作时，对第一级压缩机110、第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140供电，并且这些压缩机随后被驱动以开始压缩。

控制装置195从第一压力传感器181、第二压力传感器182、第三压力传感器183、第一温度传感器184和第二温度传感器185实时接收测量结果，并计算压头值以执行防喘振控制。

也就是说，为了执行第一防喘振控制，控制装置195使用等式1和等式2来计算绝热压头值H_adiabatic，并监控绝热压头值H_adiabatic是否与图2的第一喘振控制线的值相同。作为监控方法的示例，从预先输入并存储的第一喘振控制线的值减去实时计算的绝热压头值H_adiabatic，并且减法的结果变为等于“0”的时间点被设置为第一防喘振控制将被启动的时间点。

具体地讲，例如，当如图2中所示实时计算的绝热压头值H_adiabatic从点A达到点B时，控制装置195可确定当前时间点是第一防喘振控制将被启动的时间点，并通过使用下述方法中的至少一个来执行第一防喘振控制：增加变量叶片装置160的开放程度的方法以及打开喘振控制阀170的方法，从而防止在第一级压缩机110中发生喘振。

这里，当变量叶片装置160进行操作以增加其开放程度时，流体的流速增加，并且性能曲线移向图2的性能图的右边，从而防止在第一级压缩机110中发生喘振。当喘振控制阀170被打开时，流体的流速也增加，并且压力降低，从而防止在第一级压缩机110中发生喘振。

此外，为了执行第二防喘振控制，控制装置195通过使用等式3和4来计算等温压头值H_isothermal，并且监控等温压头值H_isothermal是否等于图3的第二喘振控制线的值。作为监控方法的示例，从预先输入的第二喘振控制线的值减去实时计算的等温压头值H_isothermal，并且减法的结果变为等于“0”的时间点被设置为第二防喘振控制将被启动的时间点。

具体地讲，例如，当如图3中所示等温压头值H_isothermal从点C达到点D时，控制装置195可确定当前时间点是第二防喘振控制将被启动的时间点，并通过使用打开喘振控制阀170的方法来执行第二防喘振控制，从而防止在第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140中发生喘振。这里，当喘振控制阀170被打开时，这些压缩机中流体的流速增加并且压力减小，从而防止在第二级压缩机120、第三级压缩机130和第四级压缩机140中发生喘振。

上述第一防喘振控制和第二防喘振控制被一起执行。也就是说，即使在多级压缩系统100的压缩机110至140中的仅一个压缩机中发生喘振，多级压缩系统100的性能也被降低。因此，防喘振控制应被执行使得在压缩机110至140中的任意一个中不发生喘振现象。

根据当前实施例，控制装置195自动检测喘振现象的发生并根据预先输入的程序执行防喘振控制，但本实施例不限于此。也就是说，根据示例性实施例，用户他/她自己可基于从第一压力传感器181、第二压力传感器182、第三压力传感器183、第一温度传感器184和第二温度传感器185接收的测量结果来计算压头值，将计算结果与预定的喘振控制线的值进行比较，并通过基于比较的结果手动控制变量叶片装置160和喘振控制阀170来执行防喘振控制。

上面已经描述了根据当前实施例的作为包括第一级压缩机110至第四级压缩机140的四级压缩系统的多级压缩系统100。然而，多级压缩系统100的级数是为了便于解释而被描述为四并且因而不限于四。也就是说，多级压缩系统100的级数可被设置为N（这里，N≥2）并且多级压缩系统100可因此包括N个压缩机。在这种情况下，第四级压缩机140的以上描述可被直接应用于第N级压缩机。

如上所述，根据当前实施例，对多级压缩系统100的防喘振控制被划分为第一防喘振控制和第二防喘振控制。通过基于第一级压缩机110的绝热压头值控制变量叶片装置160和喘振控制阀170中的至少一个来执行第一防喘振控制。通过基于第二压缩处理（SC）的等温压头值控制喘振控制阀170来执行第二防喘振控制。因此，可根据包括用于执行中间冷却的中间冷却器单元150的多级压缩系统100的特性来执行防喘振控制。因此，防喘振控制可被稳定且强健地执行，从而提高多级压缩系统100的性能。

此外，根据当前实施例，即使多级压缩系统100的级数较大，也可通过将包括在多级压缩系统100中的压缩机划分为两组来执行防喘振控制。具体地讲，在N级多级压缩系统的情况下，第一级压缩机可被分类为第一组，第二级压缩机至第N级压缩机可被分类为第二组，可对第一组执行第一防喘振控制并可对第二组执行第二防喘振控制。这里，N≥2。在这种情况下，即使多级压缩系统的级数较大，也可使用最小数量的传感器简单地执行防喘振控制，从而节省安装和管理成本。

如上所述，根据示例性实施例，对多级压缩系统进行防喘振控制的方法能够对多级压缩系统进行稳定的防喘振控制。

应该理解，在此描述的示例性实施例应该仅以描述性的意义被考虑，而不是为了限制的目的。在每个实施例内的特征或方面的描述通常应该被视为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。

尽管已参照附图描述了本发明的一个或更多个实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此做出形式和细节上的各种改变。

Claims (9)

1.一种对多级压缩系统进行防喘振控制的方法，其中，所述多级压缩系统包括第一级压缩机至第N级压缩机、安装在连接到第一级压缩机的入口管道的变量叶片装置、安装在连接到第N级压缩机的出口管道的主管道和支线管道以及安装在支线管道的喘振控制阀，所述方法包括：

通过基于与第一级压缩机的压缩处理相关的绝热压头值控制变量叶片装置和喘振控制阀中的至少一个来对第一级压缩机进行防喘振控制，

通过基于与第二级压缩机至第N级压缩机的压缩处理相关的等温压头值控制喘振控制阀来对第二级压缩机至第N级压缩机进行防喘振控制，并且

其中，N表示等于或大于“2”的整数。

2.如权利要求1所述的方法，其中，通过

来确定绝热压头值，

其中，H_adiabatic表示绝热压头值，γ表示将被压缩的流体的比热比，R表示气体常数，T表示第一级压缩机的入口处的温度，P_r表示通过

而确定的压力比。

3.如权利要求1所述的方法，其中，通过以下步骤对第一级压缩机进行防喘振控制：预先确定第一级压缩机的第一喘振控制线并控制变量叶片装置和喘振控制阀中的至少一个，使得与第一级压缩机的压缩处理相关的绝热压头值不超出当第一级压缩机被驱动时的第一喘振控制线的值。

4.如权利要求1所述的方法，其中，通过H_isothermal=RT1n(P_r)来确定等温压头值，

其中，H_isothermal表示等温压头值，R表示气体常数，T表示第二级压缩机的入口处的温度，Pr表示通过

而确定的压力比。

5.如权利要求1所述的方法，其中，通过以下步骤对第二级压缩机至第N级压缩机进行防喘振控制：预先确定第二级压缩机至第N级压缩机的第二喘振控制线并控制喘振控制阀，使得与第二级压缩机至第N级压缩机的压缩处理相关的等温压头值不超过当第二级压缩机至第N级压缩机被驱动时的第二喘振控制线的值。

6.如权利要求1所述的方法，其中，多级压缩系统还包括：

第一压力传感器，用于测量第一级压缩机的入口处的压力；以及

第一温度传感器，用于测量第一级压缩机的入口处的温度。

7.如权利要求1所述的方法，其中，多级压缩系统还包括：

第二压力传感器，用于测量第二级压缩机的入口处的压力；以及

第二温度传感器，用于测量第二级压缩机的入口处的温度。

8.如权利要求1所述的方法，其中，多级压缩系统还包括：

第三压力传感器，用于测量第N级压缩机的出口处的压力。

9.如权利要求1所述的方法，其中，至少一个中间冷却器布置在第一级压缩机至第N级压缩机之间。

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