УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В РЕГУЛИРОВАНИИ КОМПРЕССОРОВ Российский патент 2012 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к усовершенствованиям компрессоров, в частности к усовершенствованиям способа регулирования центробежных компрессоров, чтобы сделать максимальной их эффективность.

Эксплуатационные характеристики компрессора, в целом, определяются соотношением между коэффициентом давления и объемной или массовой скоростью потока. Его используемый эксплуатационный интервал ограничен помпажом и захлебыванием, которых в идеале необходимо избегать, и максимально допустимой частотой вращения компрессора.

Помпаж компрессора происходит, когда давление на выходе становится большим, чем давление внутри компрессора так, что поток воздуха не может больше удерживаться на засасывающей поверхности лопаток компрессора и процесс нагнетания прерывается. Во время помпажа поток воздуха через компрессор направляется в обратную сторону до тех пор, пока не будет достигнут стабильный коэффициент давления с положительной объемной скоростью потока. Нормальный поток возобновляется, пока давление снова не подскочит и цикл не повторится.

Помпаж является свойством, присущим центробежным и другим динамическим компрессорам. Такое нестабильное рабочее состояние может являться причиной сильной вибрации и повреждения компрессора и разрушения рабочей системы. Производители компрессоров, вследствие этого, пытаются совершенствовать средства регулирования и алгоритмы регулирования, чтобы предотвратить помпаж и обеспечить возможность компрессорам работать насколько возможно близко к границе (линии) помпажа, так как точка наибольшей эффективности компрессора может быть ближе к границе помпажа, и чтобы задать максимальный рабочий диапазон. Граница помпажа является расчетной характеристикой частоты вращения вала компрессора по отношению к давлению нагнетания компрессорной системы, предоставляющей граничное условие состояния под нагрузкой от состояния без нагрузки, которое будет поддерживать работающий компрессор без входа в помпажный цикл.

Как только помпаж зарегистрирован (обнаружен), нормальной практикой должно являться снятие нагрузки с компрессора, чтобы предотвратить повреждение компрессора. Способы предшествующего уровня техники регистрации помпажа включают регистрацию вибрации, измерение температуры перед рабочим колесом для определения наличия обратного потока горячего газа и вычисление границы помпажа на основании входных и рабочих параметров.

Основной недостаток данных способов состоит в том, что как только помпаж зарегистрирован, компрессор выключается, и требуется вмешательство оператора, чтобы вернуть компрессор снова в работу.

Еще один способ избежать помпажа включает наложение на работу компрессора запретного диапазона на основании возможных условий работы, которые могут встретиться. Недостаток данного подхода состоит в том, что допустимый диапазон потока из компрессора излишне ограничен, и работа компрессора не является оптимальной.

В других способах избегания помпажа согласно предшествующему уровню техники были сделаны попытки согласовать производительность компрессора с потребностями процесса, сохраняя в то же время общий поток достаточно сильным, чтобы предотвратить помпаж без необходимости выключать систему. С точки зрения регулирования, были разработаны противопомпажные системы с использованием пневматических регуляторов минимального потока и электронных регуляторов со специальными алгоритмами. Один алгоритм регулирования стабильности описан в US 2005/0076656A, который используется для регулирования диффузора с изменяемой геометрией и перепускного клапана горячего газа в ответ на определение нестабильности компрессора. Алгоритм регулирует положение кольца внутри диффузора в ответ на определение состояния помпажа.

В US 4464720 описана альтернативная система регулирования помпажа, в которой используется алгоритм для вычисления требуемого перепада давления и сравнивания расчетного результата с фактическим перепадом давления. Чтобы восстанавливать фактический перепад давления до расчетного дифференциального давления, для работы предохранительного клапана предусмотрен регулятор.

Однако цель настоящего изобретения состоит в создании улучшенного способа регулирования работы динамического компрессора, чтобы избегать проблем, вызываемых помпажом, и оптимизирования его эффективности без необходимости остановки компрессора при помпаже.

Изобретением, вследствие этого, предоставлен способ регулирования центробежного компрессора для снабжения сжатым газом с требуемым давлением нагнетания;

при этом указанный компрессор имеет рабочее колесо, установленное на валу, поддерживаемом активным магнитным подшипниковым узлом;

при этом указанный компрессор приводится в действие двигателем с переменной частотой вращения на частоту вращения при нормальных условиях под нагрузкой, равную расчетной предпомпажной частоте вращения для требуемого давления нагнетания;

в котором постоянно измеряют фактическую частоту вращения и давление нагнетания компрессора и записывают на высоких частотах, компрессору позволяют через определенные промежутки времени попадать в помпаж после заранее установленного времени повторной калибровки; при регистрации помпажа компрессор вводят в помпажный цикл восстановления, во время которого компрессор оставляют без нагрузки, а частоту вращения уменьшают;

во время помпажного цикла восстановления предпомпажную границу частоты вращения компрессора повторно калибруют для текущих рабочих условий; и

снова нагружают компрессор, когда частота вращения вала достигает большей из повторно откалиброванной предпомпажной границы частоты вращения или частоты вращения под нагрузкой, причем указанная частота вращения под нагрузкой представляет собой заданное значение, устанавливаемое ниже максимальной частоты вращения компрессора, но выше диапазона частот вращения, которые могут вызвать запуск помпажа, как определено из характеристик компрессора.

Предпомпажную границу повторно калибруют путем вычисления предпомпажной частоты вращения с использованием запаса по частоте вращения, который содержит разницу между измеренной предпомпажной частотой вращения компрессора непосредственно перед помпажом компрессора и расчетной предпомпажной частотой вращения для измеренного предпомпажного давления нагнетания.

Предпомпажную частоту вращения для любого заданного давления нагнетания вычисляют с использованием формулы

V_s=mP_d+x,

где m представляет собой градиент, определяемый рабочими характеристиками компрессора; а х представляет собой переменную величину, определяемую предпомпажной границей плюс запас по частоте вращения, которую повторно вычисляют после каждого помпажного цикла путем добавления к ней запаса по частоте вращения.

Частоту вращения компрессора измеряют посредством активного магнитного подшипникового узла привода.

В случае, если измеренное давление нагнетания меньше заранее установленного давления нагрузки, то при последующем вычислении частоты вращения границы помпажа в качестве давления нагнетания используют давление нагрузки.

Если помпаж происходит при повышении частоты вращения компрессора после начальной подачи нагрузки, время повторной калибровки устанавливают на новое значение.

Изобретением дополнительно создана компрессорная система, содержащая центробежный компрессор, имеющий рабочее колесо, установленное на валу, закрепленном в активном магнитном подшипниковом узле, двигатель с переменной частотой вращения для приведения компрессора в действие, и систему регулирования, содержащую:

средство постоянного измерения и записи давления нагнетания сжатого воздуха на выходе компрессора и частоты вращения компрессора;

средство предварительной установки времени повторной калибровки, после которой компрессору позволяют войти в помпажный цикл;

средство передачи сигналов двигателю для уменьшения или увеличения частоты вращения компрессора;

средство ввода компрессора в помпажный цикл восстановления при регистрации (обнаружении) помпажа и

средство повторной калибровки предпомпажной границы компрессора в соответствии с упомянутым выше способом.

Изобретение далее будет описано исключительно в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой график, показывающий отношение давления нагнетания к скорости потока для центробежного компрессора и границу (линию) помпажа с запасом надежности согласно предшествующему уровню техники;

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, показывающую рабочие этапы способа настоящего изобретения; а

Фиг.3 представляет собой график, показывающий отношение частоты вращения к давлению нагнетания для центробежного компрессора и предпомпажную границу у него.

Граница или линия помпажа компрессора предварительно задается давлением P_d нагнетания и скоростью Q потока, как показано на фиг.1. Давление P_d нагнетания представляет собой давление сжатого воздуха, измеряемое на выходе компрессора. Для любого заданного давления P_d нагнетания рабочий диапазон, используемый в системах предшествующего уровня техники для скорости Q потока, ниже запаса надежности, заложенного, чтобы охватить все предполагаемые рабочие условия. Как упоминалось ранее, это ведет к потере в идеальном рабочем диапазоне, в частности, когда эффективность компрессора может быть оптимизирована ближе к границе помпажа.

В способе настоящего изобретения для регулирования работы компрессора использована система регулирования, которая, в отличие от систем предшествующего уровня техники, через определенные промежутки времени обеспечивает возможность запустить помпажный цикл компрессора. Вследствие этого, вместо того, чтобы полагаться на прогнозирование точки помпажа для фиксированного набора рабочих условий, узнают фактическую точку помпажа для текущих реальных рабочих условий и используют ее как основу для повторной калибровки предпомпажной границы, чтобы обеспечить работу компрессора с оптимальной эффективностью для текущих рабочих условий.

Чтобы обеспечить это, в настоящем изобретении используется двигатель с переменной частотой вращения, приводящий в действие центробежный компрессор, рабочее колесо которого установлено на валу, закрепленном в активных магнитных подшипниках. Использование двигателя с переменной частотой вращения означает, что частота вращения компрессора может быть быстро отрегулирована, а активные магнитные подшипники обеспечивают компрессору возможность начать помпаж без повреждения подшипников или любой другой части компрессора. Положение вала остается регулируемым подшипниками даже в случае помпажа, и это обеспечивает возможность использовать в изобретении фактическую точку помпажа, чтобы ограничивать пониженный рабочий диапазон для любого заданного давления при внешних условиях, относящихся к периоду помпажа.

В настоящей системе начальную предпомпажную границу рассчитывают на основании преобладающих условий запуска. Предпомпажную границу калибруют исходя из предпомпажной частоты вращения при заданном давлении нагнетания, причем предпомпажная частота вращения представляет собой расчетную частоту вращения, которая несколько больше частоты вращения, при которой наступает помпаж компрессора в настоящих динамических рабочих условиях.

Так как рабочие условия меняются, а предпомпажная граница может сместиться, то в способе согласно настоящему изобретению компрессору позволяют попадать в помпаж. За счет этого обеспечивается возможность повторной калибровки предпомпажной границы для текущего эксплуатационного режима, оптимизируя, тем самым, его работу. При регистрации помпажа компрессор вводят в помпажный цикл восстановления, что устраняет необходимость останавливать компрессор, а система регулирования повторно калибрует предпомпажную границу.

Вычисление частоты вращения предпомпажной границы основано на следующем уравнении:

V_s=mP_d+x,

где

V_s = предпомпажная частота вращения (об/мин),

P_d = давление нагнетания (бар),

m = градиент, который определяется характеристиками компрессора,

x = переменная величина, определяемая калиброванием предпомпажной границы плюс запас по частоте вращения.

Для облегчения работы компрессор снабжен человекомашинным интерфейсом (HMI), который отображает все рабочие параметры и обеспечивает возможность оператору устанавливать определенные ограничения и варианты действия при регулировании компрессора.

Со ссылкой на фиг.2, компрессор переводят из холостого состояния в нагруженное, частота вращения V_m компрессора возрастает. Когда частота вращения V_m превышает динамически рассчитываемую предпомпажную частоту вращения V_s (см. фиг.3) или частоту вращения под нагрузкой, которая из них больше, компрессор нагружают и регулируют частоту вращения V_m,  чтобы обеспечить заданное давление P_d нагнетания без пересечения предпомпажной границы.

В нормальных рабочих условиях давление P_d нагнетания будет оставаться относительно постоянным с частотой вращения V_m, изменяющейся в соответствии с потребностью в воздухе. Если рабочая точка частоты вращения/давления подходит и пересекает предпомпажную границу, и компрессор попадает в помпаж, сигналом тревоги из активного магнитного подшипникового узла активируется механизм выключения помпажа, который запускает помпажный цикл восстановления. Данный механизм выключения помпажа активирует перепускной клапан, который вызывает разгрузку компрессора и сигнализирует приводному двигателю о замедлении частоты вращения V_m до холостого состояния до тех пор, пока давление P_d нагнетания не станет меньше, чем предварительно установленное давление P_l под нагрузкой. В этой точке частота вращения V_m компрессора опять увеличивается до тех пор, пока частота его вращения не превысит предпомпажную границу или частоту вращения под нагрузкой, которая из них больше, компрессор снова нагружают и нормальная работа возобновляется. Предпомпажную границу повторно калибруют во время помпажного цикла восстановления, который обычно продолжается в течение нескольких секунд, чтобы приспособить к любому изменению климатическому или рабочего состояния, которое может произойти и, тем самым, поддержать работу компрессора в зоне оптимальных характеристик. Предусмотрен механизм для обеспечения возможности периодического калибрования предпомпажной границы посредством обеспечения возможности инициировать помпажный цикл после предварительно установленного времени T повторной калибровки. Время T повторной калибровки может быть предварительно установлено оператором через человекомашинный интерфейс. По окончании времени T повторной калибровки регулятор вновь устанавливает предпомпажную границу частоты вращения значительно ниже ее текущего положения посредством регулирования значения x. Это обеспечивает компрессору возможность попасть в помпаж, когда рабочая точка частоты вращения/давления входит в область помпажа в соответствии с преобладающими рабочими условиями.

Система регулирования компрессора постоянно (неоднократно) записывает и сохраняет фактическое давление P_d нагнетания и частоту вращения V_a вала, которая является частотой вращения вала компрессора и ротора, измеряемой узлом привода. Когда происходит помпаж и начинается помпажный цикл восстановления, постоянную запись событий временно останавливают. Повторную калибровку границы помпажа выполняют, выбирая из приостановленного журнала регистраций давление P_d нагнетания, записанное частично перед возникновением помпажа. Используя существующее значение переменной величины x в упомянутой выше формуле, вычисляют теоретическую предпомпажную частоту вращения V_s. Данное значение приостановленного журнала регистраций для того же временного интервала, что и измеренное давление P_d нагнетания. Данную разницу частоты вращения (V_s-V_a) используют для регулирования значения переменной величины x, чтобы предоставить новое значение x, которое подходит для текущих рабочих условий и которое используют в последующем вычислении предпомпажной частоты вращения V_s.

Давление P_l под нагрузкой является устанавливаемым оператором значением. Если давление P_d нагнетания падает ниже давления P₁ под нагрузкой, то при вычислении предпомпажной частоты V_s вращения вместо давления P_d нагнетания используют давление P_l под нагрузкой.

Преимущество данного способа регулирования компрессора состоит в том, что он обеспечивает возможность использовать компрессор в полном рабочем диапазоне для любой заданной установки условий климата и системы. Поскольку предпомпажная граница смещается вместе с окружающими условиями, то реализуется допустимый диапазон работы компрессора, минимизируя, таким образом, общую эффективность использования энергии компрессора.

Вероятность возникновения помпажа будет повышаться тогда, как частота вращения компрессора изначально увеличивается (это известно, как помпаж при увеличении частоты вращения), а фактическая помпажная частота вращения будет меньше, чем теоретическая предпомпажная частота вращения V_s. Это обычно происходит из-за холодного запуска перед тем, как была выполнена калибровка, чтобы учесть климатические условия помпажа, или когда калибровка неизбежна и компрессор останавливают, а затем повторно запускают. В данных обстоятельствах должно быть рассчитано пониженное значение переменной величины x и, следовательно, уменьшена предпомпажная частота вращения V_s. Это должно иметь следствием предоставление возможности более быстро нагрузить компрессор при наращивании частоты вращения и возможно являться причиной большего количества возникновений помпажа при увеличении частоты вращения.

Чтобы преодолеть данную проблему, при запуске компрессора компрессор не нагружают до тех пор, пока частота вращения не станет больше или равной частоте вращения под нагрузкой или предпомпажной частоте вращения, большей из них. Частота вращения под нагрузкой представляет собой заданное значение, устанавливаемое ниже максимальной частоты вращения компрессора, но выше диапазона частот вращения, которые могут вызвать запуск помпажа, как определяется из характеристик компрессора. Как только компрессор достигает частоты вращения под нагрузкой, сдерживание нагрузки прекращают, и на компрессор может быть подана нагрузка. Если при увеличении частоты вращения происходит помпаж, предпомпажную границу повышают до точки ниже максимальной частоты вращения вала, а время T повторной калибровки изменяют до относительно низкого значения, обычно меньше минуты. Это будет иметь следствием предоставление возможности достижения более высокого значения частоты вращения компрессора перед тем, как на компрессор будет подана нагрузка, предотвращения последующих помпажей при увеличении частоты вращения, и затем, как только истекает время T повторной калибровки, обеспечивается возможность калибровки предпомпажной границы частоты вращения при следующем помпаже. После данного помпажа и повторной калибровки компрессор возвращают под нагрузку, а спустя подходящее время также возвращают установку времени повторной калибровки к ее изначальному параметру.

Изобретение относится к усовершенствованиям компрессоров, в частности к усовершенствованиям способа регулирования центробежных компрессоров, чтобы сделать максимальной их эффективность. Компрессор имеет рабочее колесо, установленное на вал, поддерживаемый активным магнитным подшипниковым узлом, и приводится в действие двигателем с переменной частотой вращения на частоту вращения в нормальных условиях под нагрузкой, равную расчетной предпомпажной частоте вращения для требуемого давления нагнетания. Фактическую частоту вращения и давление нагнетания компрессора постоянно измеряют и записывают на высоких частотах. Компрессору дают возможность через определенные промежутки времени попадать в помпаж после заранее установленного времени повторной калибровки и при регистрации помпажа компрессор вводят в помпажный цикл восстановления, во время которого компрессор оставляют без нагрузки, а частоту вращения уменьшают. Предпомпажную границу частоты вращения компрессора во время помпажного цикла восстановления повторно калибруют для текущих рабочих условий и компрессор снова нагружают, когда частота вращения вала достигает большего из повторно откалиброванной предпомпажной границы частоты вращения или частоты вращения под нагрузкой. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулирования центробежного компрессора для снабжения сжатым газом с требуемым давлением нагнетания, при этом указанный компрессор имеет рабочее колесо, установленное на валу, поддерживаемом активным магнитным подшипниковым узлом, причем указанный компрессор приводится в действие двигателем с переменной частотой вращения на частоту вращения при нормальных условиях под нагрузкой, равную расчетной предпомпажной частоте вращения для требуемого давления нагнетания, в котором:
постоянно измеряют фактическую частоту вращения и давление нагнетания компрессора и записывают на высоких частотах; позволяют компрессору через определенные промежутки времени попадать в помпаж после заранее установленного времени повторной калибровки;
при регистрации помпажа вводят компрессор в помпажный цикл восстановления, во время которого компрессор оставляют без нагрузки, а частоту вращения уменьшают;
повторно калибруют предпомпажную границу частоты вращения компрессора во время помпажного цикла восстановления для текущих рабочих условий; и
снова нагружают компрессор при достижении частотой вращения вала большего из повторно откалиброванной предпомпажной границы частоты вращения или частоты вращения под нагрузкой.

2. Способ по п.1, в котором предпомпажную границу повторно калибруют путем вычисления предпомпажной частоты вращения с использованием запаса по частоте вращения, который содержит разницу между измеренной предпомпажной частотой вращения компрессора непосредственно перед помпажом компрессора и расчетной предпомпажной частотой вращения для измеренного предпомпажного давления нагнетания.

3. Способ по п.2, в котором предпомпажную частоту вращения для любого заданного давления нагнетания вычисляют с использованием формулы
V_s=mP_d+x,
где m представляет собой градиент, определяемый рабочими характеристиками компрессора; а х представляет собой переменную величину, определяемую предпомпажной границей плюс запас по частоте вращения, которую повторно вычисляют после каждого помпажного цикла путем добавления к ней запаса по частоте вращения.

4. Способ по п.1, в котором частоту вращения компрессора измеряют посредством активного магнитного подшипникового узла привода.

5. Способ по п.1, в котором в случае, если измеренное давление нагнетания меньше заранее установленного давления нагрузки, то при последующем вычислении частоты вращения границы помпажа в качестве давления нагнетания используют давление нагрузки.

6. Способ по п.1, в котором в случае, если помпаж происходит при повышении частоты вращения компрессора после начальной подачи нагрузки, время повторной калибровки устанавливают на новое значение.

7. Компрессорная система, содержащая центробежный компрессор, имеющий рабочее колесо, установленное на валу, поддерживаемом в активном магнитном подшипниковом узле, двигатель с переменной частотой вращения для приведения компрессора в действие, и систему регулирования, содержащую:
средство постоянного измерения и записи давления нагнетания сжатого воздуха на выходе компрессора и частоты вращения компрессора;
средство предварительной установки времени повторной калибровки, после которого компрессору позволяют войти в помпажный цикл; средство передачи сигналов двигателю для уменьшения или увеличения частоты вращения компрессора;
средство ввода компрессора в помпажный цикл восстановления при регистрации помпажа; и
средство повторной калибровки предпомпажной границы компрессора согласно способу по любому из предшествующих пунктов.