专利名称：压缩机控制方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压缩机，并且特别是涉及对可变速压缩机的操作的控制，所述压缩机具有用于定量气动流体流量的装置，尤其是例如可变扩压器、进口引导叶片。
背景技术：
压缩机通常包括用于降低流体速度的扩压器，其设置在叶轮出口侧的下游，用以将动态能量转化成静态压力。一些压缩机例如以可调扩压器叶片角度的形式包括具有可变几何形状的扩压器。可变扩压器用于以气动的方式定量通过压缩机的流量，目的在于使流动损失最小化。然而，目前压缩机的速度控制基于单点扩压器设定。不利的是，这导致当扩压器设定改变时，能量消耗提高和/或压缩机效率降低。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于在具有定量气动流量的可变设定的多个操作点控制压缩机速度的方法和系统。上述目的通过根据权利要求I的方法和根据权利要求11的系统实现。本发明的基本思想是，在多个操作点实现压缩机速度控制，其中，气动流量定量用作速度控制的基础。相应地，对于一操作点，考虑在该操作点处的气动流量定量来确定最大流量的所需压头(H)和被称为压力数(HO的量纲量。在压头和压力数之间的关系的基础上，获得作为所确定的压头和压力数(V)之比的平方根的函数的操作速度设定点。所提出的技术有利地通过以最高效率操作压缩机而最小化能源消耗。在一个实施例中，所述气动流量定量通过可变扩压器的位置限定。因此，该实施方式允许操作者通过控制可变扩压器的位置来控制压缩机。在一个实施方式中，所述控制压力数的所述确定是基于压力数与气动流量定量之间的关系，所述关系由控制曲线限定，所述控制曲线设计为用于操作所述压缩机在所述操作点以最小裕度喘振。有利地，控制曲线在所述操作点提供最大的流量和效率。在一个实施方式中，所述过程输入包括测量的压缩机进口温度。这是低成本的解决方案，其中，用于确定压头的其余过程输入可包括例如从压缩机的性能数据表中获得的固定值。在另一个实施方式中，所述过程输入还包括压缩机的排出压力，其中基于加到所述压缩机的排出压力上的压力喘振裕度来确定所述压头。因此，当计算压头时将喘振裕度考虑在内，使得控制压力数可设计成，尽可能接近于在喘振点的压力数。在一个实施方式中，所述控制曲线通过以下步骤获得-确定流量能够实现的最大气动流量定量限值和最小气动流量定量限值；-基于所述压缩机的性能数据，确定可产生用于所述最大气动流量定量限值的流量的最大压力数和对于所述最大压力数可能的最大速度；-获得用于不同压缩机速度的喘振时的压力数对气动流量定量的测试数据的曲线图；-在所述曲线图上标出第一点，所述第一点由所述最大气动流量定量限值和从性能数据获得的所述最大压力数来限定；-在所述曲线图上标出第二点，所述第二点由在所述最大速度下的喘振时的最小压力数和相应的气动流量定量值来限定，所述相应的气动流量定量值介于所述最大气动流量定量限值与所述最小气动流量定量限值之间；-在所述曲线图上标出第三点，所述第三点由在 所述最大速度下的所述最小气动流量定量限值和所述最小气动流量定量限值的相应的喘振时的压力数来限定；并且-获得由所述第一点和所述第二点限定的第一线和由所述第二点和所述第三点限定的第二线，其中所述控制曲线由所述第一线和所述第二线形成。上述实施方式给出了压力数和气动流量定量之间的线性关系，因此计算压力数简单。由此获得的控制曲线允许以最大效率操作压缩机，并且因此优化能量消耗。在一种实施方式中，为了进一步定制所述方法以使作业特定的性能数据表(PDS)和测试数据相匹配，所提出的方法还包括获得针对不同气动流量定量值的等熵压头对流量的测试数据曲线图，并且由此确定流量可实现的最大和最小气动流量定量限值。在另一实施方式中，所述方法还包括利用所确定的所述操作速度设定点、基于闭环反馈控制机制控制所述压缩机的旋转轴速。在上述实施方式的进一步的实施方式中，所提出的方法还包括-围绕所述操作速度设定点确定正负死区窗口；-获得测量的旋转轴速；并且-如果所述测量速度位于所述正负死区窗口之外，则向变频驱动器提供所述操作速度设定点。确定死区窗口有利地从速度信号消除仪器使用和计算抖动。这样使变频驱动器能够对正常情况下的真实变化而不是对噪音做出反应。
下面，参考在附图中所图示的实施方式进一步描述本发明，附图中图I示出根据本发明的一个实施方式的压缩机系统；图2为示出根据本发明的一个实施方式的示例压缩机控制方法的流程图；图3为基于压缩机测试数据的针对不同压缩机速度以波对对可变扩压器位置的压力数的示例曲线图，该曲线图也示出了控制曲线。
具体实施例方式参照图1，示出根据本发明的实施例的压缩机系统I。系统I包括能够经由轴3通过电动马达14驱动的压缩机2。计算机控制装置8基于在压缩机的每一个操作点的过程输入来控制压缩机2的操作。过程输入包括过程值，尤其是例如抽吸的压缩机流体的温度(进口温度)、排出的压缩机流体的压力(排出压力)、排出的压缩机流体的温度(排出温度)、大气压力、相对湿度。相应地，可设置传感器模块来测量这些过程值中的一个或多个。在该示例中，传感器模块包括适当地设置成分别用于测量压缩机进口温度和排出压力的温度传感器4和压力传感器5。控制装置8经由数据线10和11接收由传感器4和5感测到的过程值。其余过程值可作为固定值获得，例如从压缩机的性能数据表(PDS)中获得。替选地，可设置附加的传感器来测量这些其余过程值中的一个或多个。另一方面，在低成本的实施方式中，可仅设置压缩机进口温度传感器，而其余过程值可作为固定值从压缩机的PDS中获得。计算机控制装置8例如可包括可编程逻辑控制器(PLC)、微控制器、台式电脑、或者甚至是通用微处理器。为了优化流动损失，通过压缩机2的流体流量可在压缩机2的不同操作点处气动地进行定量。这可通过例如经由可变几何形状扩压器、或可变几何形状进口引导叶片、或任何其他允许调节通过压缩机2的体流量的装置控制通过压缩机2的体积流量来实现。在本示例中，体积流量控制经由可变几何形状扩压器来实现，其例如可以响应操作者输入进行控制。因此在任何操作点的可变扩压器的位置限定在该操作点的气动流量定量。传感器6测量可变扩压器的位置，并且将所感测到的数据经由数据线12传送到控 制装置8。对于压缩机2的任意操作点，基于从传感器6获得的气动流量定量值(在这个示例中即可变扩压器位置)和从传感器4和5获得的测量过程值，控制装置8使用根据本发明的在下面详细说明的控制算法来确定压缩机轴3的操作速度设定点。旋转速度传感器7测量实际轴速，并且经由反馈数据线13将该实际轴速传送到控制装置8。基于所确定的速度设定点和所测量的反馈速度，控制装置8将控制信号15传送给可变频率驱动器9以便基于闭环反馈控制机制控制马达14的旋转速度，进而控制压缩机2的旋转轴速。下面说明的本发明的实施方式提供用于基于在压缩机处的气动流量定量确定压缩机的操作速度设定点和用于基于所确定的速度设定点控制压缩机轴速的控制算法。下面，定义在本论述中所使用的特定术语。用在所示实施方式的上下文中的术语“压头”或“压缩机压头”表示压缩机的等熵压头(H)，其定义为在进口(或抽吸)压力和温度下的压缩机流体的焓与在排出压力和抽吸熵下的压缩机流体的焓之间的差。在数学上，等熵压头(H)可以通过如下关系式(I)来表示
(PjJ \
JLT I' 广” rTth
O = / Lp^JI,-，A
k J(i)其中，Cp是压缩机流体在恒定压力下的比热，Ti是压缩机进口温度，PI是进口压力或抽吸压力，P2是排出压力，并且k是压缩机流体的比热的比值。用在所示实施方式的上下文中的术语“压力数”(V)表示无量纲量，其是压缩机压头(H)和叶轮外缘速度(U)的平方的函数，其可以由下面的关系式(2)来表达
权利要求
1.用于压缩机(2)的控制方法，包括 -在所述压缩机(2)的多个操作点处提供通过所述压缩机(2)的流体流量的可变气动流量定量； -对于一操作点，基于在所述操作点处的过程输入(31)来确定(23)所述压缩机(2)的压头; -对于所述操作点，确定(24)作为在所述操作点处的气动流量定量的函数的控制压力数； -基于所确定的压头和控制压力数来确定(25)所述压缩机(2)的操作速度设定点。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述气动流量定量由可变扩压器位置限定。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述控制压力数的所述确定(24)是基于压力数与气动流量定量之间的关系，所述关系由控制曲线(56)限定，所述控制曲线构造为用于操作所述压缩机(2)在所述操作点以最小裕度喘振。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述过程输入(31)包括测量的压缩机进口温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述过程输入(31)包括排出压力，进一步地，基于加到所述压缩机的排出压力上的压力喘振裕度(20b)来确定所述压头。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制曲线(56)通过以下步骤获得 -确定流量能够实现的最大气动流量定量限值和最小气动流量定量限值； -基于所述压缩机的性能数据，确定可产生用于所述最大气动流量定量限值的流量的最大压力数和对于所述最大压力数可能的最大速度； -获得用于不同压缩机速度的喘振时的压力数对气动流量定量的测试数据的曲线图(50)； -在所述曲线图(50)上标出第一点(61)，所述第一点(61)由所述最大气动流量定量限值和从性能数据获得的所述最大压力数来限定； -在所述曲线图(50)上标出第二点(62)，所述第二点(62)由在所述最大速度下的喘振时的最小压力数和相应的气动流量定量值来限定，所述相应的气动流量定量值介于所述最大气动流量定量限值与所述最小气动流量定量限值之间； -在所述曲线图(50)上标出第三点(63)，所述第三点(63)由在所述最大速度下的所述最小气动流量定量限值和所述最小气动流量定量限值的相应的喘振时的压力数来限定；并且 -获得由所述第一点(61)和所述第二点(62)限定的第一线(56A)和由所述第二点(62)和所述第三点(63)限定的第二线(56B)，其中所述控制曲线(56)由所述第一线(56A)和所述第二线(56B)形成。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括获得用于不同气动流量定量值的压头对流量的测试数据曲线图，并且由此确定流量能够实现的最大气动流量定量限值和最小气动流量定量限值。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括利用所确定的所述操作速度设定点、基于闭环反馈控制机制控制所述压缩机的旋转轴速。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括-围绕所述操作速度设定点确定(226)正负死区窗口 ； -获得测量速度的反馈(33);并且 -如果所述测量速度位于所述正负死区窗口之外，则向变频驱动器提供(28)所述操作速度设定点。
10.一种计算机程序产品，包括计算机可读媒介，所述计算机可读媒介中收录有计算机可读的程序代码，所述程序代码能够通过压缩机(2)的一个或多个控制器(8)来执行，以便实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
11.一种压缩机系统(I),包括 -在所述压缩机的多个操作点处提供通过所述压缩机(2)的流体流量的可变气动流量定量的装置；和 -计算机控制装置(8 )，所述计算机控制装置(8 )包括 -用于基于在操作点处的过程输入(31)确定所述压缩机(2)的压头的装置； -用于确定作为在所述操作点处的气动流量定量的函数的控制压力数的装置；和 -用于基于所确定的压头和控制压力数确定所述压缩机(2)的操作速度设定点的装置。
12.根据权利要求11所述的系统(1)，其中，提供通过所述压缩机(2)的流体流量的可变气动流量定量的所述装置包括可变扩压器。
13.根据权利要求11和12中的任一项所述的系统(I)，其中，所述计算控制装置(8)包括可编程逻辑控制器。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的系统(1)，还包括用于测量所述过程输入(31)的传感器模块，所述传感器模块至少包括用于测量压缩机进口温度的温度传感器(4)。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的系统(1)，还包括用于基于所述操作速度设定点控制压缩机速度的变频驱动器(9)。
全文摘要
本发明提供压缩机控制方法和系统。所提出的方法包括在压缩机(2)的多个操作点处提供通过所述压缩机(2)的流体流量的可变气动流量定量。基于在一操作点处的过程输入(31)确定(23)该操作点的压头。此外，对于所述操作点，确定(24)作为在所述操作点处的气动流量定量的函数的控制压力数。基于所确定的压头和控制压力数确定(25)操作速度设定点。
文档编号F04D27/02GK102741554SQ201180007565
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月25日 优先权日2010年1月27日
发明者弗兰斯·普勒格, 理查德·H·文顿, 瑟伦·伯格·安德森 申请人:西门子公司