专利名称：压缩机的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种压缩机的控制方法，所述压缩机具有一个或更多个压缩机单元，各压缩机单元均配备有入口和出口，由此使得该压缩机能够连接到使用压缩气体的负载。更具体地，本发明的目的是在从满负荷或部分负荷到零负荷的过渡期间或者在相反的过程期间节约能量，由此压缩机包括控制单元，所述控制单元将一个上述压缩机单元或多个上述压缩机单元的速度控制在额定速度或控制在某额定速度范围内。
背景技术：
在很多情况下，例如在压缩机为压力网供给压缩气体的情况下，期望压缩机出口处的压缩气体的流量在一定程度上是能被控制的。在这种情况下，优选根据压力网中的消耗量对所供给的气体流量进行调节。·如果属于压缩机的压缩机单元中的至少一个是螺旋式的，则可以在基本上不损失效率的情况下，以已知的方式对所供给的气体流量进行控制。在这种情况下，压缩机单元的入口压力通常以恒定速度降低(但如果压缩机单元按照涡轮式进行构造，则入口压力并不是以恒定速度降低的)。如果压缩机是涡轮式的，则所述压缩机优选在大体上恒定的流量下运行，由此涡轮压缩机在额定速度下运转。在额定速度下，压缩机在满负荷下运行，从而压缩机在其最佳运行工况运行。通过改变压缩机的速度或借助入口导叶和/或扩散器导叶，出口流量能以高能效的方式在有限的程度内变化。当所需的流量进一步减少时，采用其它方法来控制出口流量。传统上，利用放气活门将压缩机出口处的压缩气体的剩余部分排放掉。另一已知方法包括有规律地排放压缩机出口处的全部流体，或者使压缩机出口处的所述全部流体再循环直至压力网中的压力降至低于一定值，而在所述压力降至低于一定值以后，压缩机再次供给所述全部流体。这样，涡轮压缩机总是可以将所供给的流量调节至所需的流量。已知的方法的重要的缺陷是这些方法是耗能的。另外，能效更高地减少所供给的流量的方式是安装可调的入口导叶或可选地安装可调的扩散器导叶，由此每当流动速率(分别在压缩机级的入口和出口处)变化时，流体入射的角度将被调整。这种方式的缺陷是随之带来的相对较高的复杂性和相对较高的制造成本。在所描述的全部方法中，当从负荷状态进入无负荷状态或从无负荷状态进入负荷状态时，压缩机的速度保持不变。对于速度受控的离心压缩机，进一步减少所供给的流量的另一种方式是降低其速度，由此出口压力借助放气活门首先或同时降低，从而可以获得较低的无负荷功率。压缩机继而不向压力网供给任何流体。
然而，这种方式的缺陷是由于离心压缩机的功率并不十分依赖于最终压力，因此在负荷状态到无负荷状态之间的过渡期间或者在相反的过程期间产生了巨大的损失。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种用于控制压缩机的方法而为一种或更多种前述缺陷和/或其它缺陷提供一种解决方案，所述压缩机具有一个或更多个压缩机单元，各压缩机单元均具有入口和出口，由此使得在从满负荷或部分负荷到零负荷的过渡期间，至少第一压缩机单元经历了过程A，所述过程A包括以下步骤一至少暂时地降低该第一压缩机单元的入口压力；以及一随后或同时或部分同时且部分随后地将该第一压缩机单元的速度和/或驱动转矩降低至较低值或降低为零，以及/或由此在从零负荷到部分负荷或满负荷的过渡期间，至少第一压缩机单元 经历了过程B，所述过程B包括以下步骤一将第一压缩机单元的速度和/或驱动转矩增加到额定值或额定值范围内；以及一随后或同时或部分同时且部分随后地使所涉及的第一压缩机单元的入口压力受控地增加。“入口压力受控地增加”的含义是通过借助例如控制单元对缩机的某些部件(例如阀、压缩机单元或类似部件)进行控制而主动增加该入口压力。优选地，在降低第一压缩机单元的入口压力之前，过程A还包括例如通过打开在该第一压缩机单元的压力侧的放气活门而降低出口压力的步骤。根据本发明优选的方面，在使第一压缩机单元的入口压力达到合适的水平后，过程B还包括例如通过关闭在该第一压缩机单元的压力侧的放气活门而增加出口压力的步骤。本发明的方法的优点是在满负荷到部分负荷或零负荷之间的过渡期间或在相反的过程期间内，与现有的压缩机单元速度的控制方法相比，本发明的方法的能量损失是有限的。例如，当经历过程A时，第一压缩机单元吸收较少的功率。可选地，在该过程A期间当以一定的转矩驱动压缩机单元时，在从满负荷到部分负荷或零负荷的过渡期间，第一压缩机单元的速度较慢地降低。一种具体的情况可以是驱动转矩等于零，从而使得第一压缩机单元仅由于其自身的空气阻力而减速。如果在一定时间之后，第一压缩机单元没有收到再次在满负荷下运行的指令，那么速度将稳定在所设定的最低速度。因为当经历这样的过程A时，入口压力降低而第一压缩机单元仍保持较长一段时间的速度，因此在该时间跨度期间转换到满负荷需要很少的能量。降低入口压力的另一个优点是所设定的最低速度比较接近额定速度，该最低速度受到最低转矩的影响并因而能在最低的能量需求下实现而为此不需要大量的能量。另外，如果压缩机单元在最低速度下运转，与现有的方法相比，本发明的方法转换到满负荷需要更少的能量。此外，当经历过程B时，在从部分负荷或零负荷转换到满负荷时，使压缩机单元达到额定速度所用的能量较少。
可选地，对于相同的可获得的马达转矩或利用一定的转矩控制，过渡到满负荷所需的总时间可以被减少，这意味着节能的优势。此外，压缩机继而能够更快地响应压缩空气需求的变化。这样，对于某一可获得的装置，用户可以更准确、更有效地实现压力控制。这样的具体情况可以是驱动转矩等于由马达提供的最大转矩，由此使压缩机单元尽可能快地达到额定速度。
为了更好地显示本发明的特征，在下文中参考附图以示例的方式不带任何限制性地描述了根据本发明的优选的方法，其中图I示意性地示出了一种根据本发明的方法进行控制的压缩机；图2示出了根据图I的变形。
具体实施方式
图I示出了一种压缩机1，在该非限制性的示例中，所述压缩机仅包括一个压缩机单元2 (在本方案中所述压缩机单元是涡轮式的)，该压缩机单元向压力网3供给压缩气体，所述压力网与一个或更多个压缩气体用户相连。压缩机单元2的入口侧上的入口管设有入口阀5，所述入口管连接到压缩机单元2的待压缩气体入口。在该方案中，入口阀5被构造为使得即使在全闭合状态下，所述入口阀也能使一定的最小流量的气体流过压缩机单元2，但这种构造不是必须的。根据附图中未示出的变形，这样的入口阀5例如可以(但不是必须的)通过将入口阀5构造为有旁通管经过的切断阀的形式而实现，并且在切断阀的全闭合状态下，所述旁通管允许流体流过该切断阀。可选地，这种入口阀5可以包括阀体，例如通过设置穿过该阀体和/或阀座的流体通孔，所述阀体在关闭状态下不完全关闭通过阀座的通道。压缩机单元2的压缩气体的出口通过具有止回阀7的出口管6连接到压力网3。上述止回阀7可以以常规的方式构造并且包括阀体，所述阀体通过弹性部件被压到阀座上，但本发明并不排除将上述止回阀7构造为另外类型的阀，例如气动阀或电驱动阀，或者甚
至是二通阀。本发明并未排除将压缩机单元2构造为非涡轮式的另外类型的压缩机单元的形式，例如速度受控的螺旋式压缩机单元的形式。在压缩机单元2的出口和止回阀7之间，存在其中设有放气活门9的支路8，在上述支路上优选(但不是必需的)安装有消音器10。在前面所述的方案中，其中止回阀7被三通阀取代，该三通阀同样也可以取代所述放气活门9。在这种方案中，压缩机单元2由具有控制单元13的马达12的轴11直接驱动，在该方案中压缩机单元也被称为直接驱动的压缩机单元。根据本发明的方法，压缩机I的驱动非常简单，所述驱动如下。压缩机单元2通过入口管4吸入气体(所述气体例如为空气但不必须是空气)。空气在压缩机单元2中以已知的方式被压缩并通过出口管6被供给到压力网3.在满负荷下，压缩机单元2向其出口供给一定流量的压缩空气。在此模式中，压缩机单元2在额定速度下或在确定的额定速度范围内运行，并且入口阀5打开而放气活门9关闭。压缩机单元2以额定速度进行设计和驱动，从而使得在满负荷下压缩机单元2的性能最佳，或者换句话说所供给的单位空气量下的能量消耗(也称作单位能量消耗)最低。当然，本发明的目标是使压缩机单元2始终在上述最佳运行区域中运行。如果没有压缩空气被从压力网3移走，由于压缩机单元2仍然在满负荷模式中运行并仍然在持续地供给压缩空气，因此上述压力网中的压力将增加。压力网3中的压力上升。根据本发明，在从满负荷到零负荷的该过渡期间，可以经历过程A，所述过程A优选包括打开放气活门9以降低压缩机单元2的出口压力的步骤。结果，压缩空气被排放到大气中。放气活门9也可以通向贮存部以用于使排放的气体再循环。放气活门9的打开导致压缩机单元2的出口处压力降低，从而使得止回阀7关闭并且压缩机单元2与压力网3隔离，就如所述的那样，止回阀7也可以由另外类型的阀例如受控阀构成,所述受控阀例如为三通阀。 然后，在经历过程A时，压缩机单元2的入口处的压力降低，这例如通过关闭入口阀5来实现。术语“关闭入口阀”在此并不必然意味着该入口阀有效地完全关闭。实践中，入口阀5可以并不处于100%切断的全关状态中，从而使得仍然可以有小流量流过该入口阀5。在该降低的入口压力下，例如通过马达12提供降低的转矩，压缩机单元2的速度降低。根据本发明，速度的降低也可以通过使用变速传动(VSD)马达(例如带频率控制的变速传动马达)并以适当的方式对其进行控制来实现。本发明的降低速度的步骤在前面所述的入口压力降低的步骤之后进行，或者与该入口压力降低一起进行，或者部分与该入口压力降低一起进行部分在该入口压力降低之后进行。由于入口压力降低，因此压缩所需的功率显著降低，从而即使在转矩减少的情况下，也能使得压缩机单元2在高速下保持较长一段时间。当压缩机单元2的速度降低时，所吸入的质量流量也会降低，这导致入口阀5两侧的压降减少。当速度降低时，通过进一步关闭入口阀5，可以增加上述入口阀5两侧的压降。在使用螺旋式压缩机的情况下，通过进一步关闭入口阀5来增加入口阀5两侧的压降是适当的。在这种情况下，可选地，也可以使入口阀5快速处于其最终的关闭状态。如果使用离心式压缩机，那么可以选择使入口阀保持在相同状态并允许入口压力再次升高。正如所知的那样，离心式压缩机在低速下不能实现巨大的压差。如果最终需要达到很低的速度下的无负荷状态，那么这意味着这样的压缩机单元的入口压力和出口压力必须彼此接近。如果压力网3中被移走的压缩空气没有增加，则速度将会最终稳定在取决于例如所设定的降低的转矩的某值。如果压力网3中被移走的压缩空气增加，这意味着存在从零负荷到部分负荷或满负荷的过渡，那么根据本发明，在该过渡状态期间，例如通过增加马达转矩而可以经历过程B，速度再次增加到额定速度或额定速度范围，在这之后且优选在入口压力达到额定值以前，压缩机单元2的入口压力例如通过打开入口阀5而以受控的方式增加，由此使得压缩机单元2的出口压力优选地增加。速度控制也可以通过对马达的频率进行控制来实现。在这种情况下，通过关闭放气活门9来增加出口压力。止回阀7打开，这样压缩机单元2可以再次将压缩空气供给到压力网3.这种情况的具体示例是其中入口阀5最初是(几乎)关闭的。如果初始速度低，那么这意味着入口阀5两侧的压降几乎为零(这是由于通过入口阀的质量流量很低)，因此第一压缩机单元的入口压力就几乎等于大气压力(假定入口阀5安装在大气压入口处)。通过在入口阀的状态不变的情况下增加速度，入口压力将由于入口阀5两侧的压降增加而首先降低。当达到额定速度时，入口阀5可以打开，从而使得入口压力回升到大气压力，放气活门继而关闭从而使得出口压力增加且止回阀打开。在该过渡期间，入口压力同样较低。在从满负荷到部分负荷的过渡期间或者在相反的过程期间，转矩并不用来压缩空气。在这些过渡阶段期间，入口阀5关闭从而使得压缩机单元2在降低的入口压力下运行。因此清楚的是，可以保持相对较高的最小稳定速度，并且利用一最小转矩，速度可以再次增加到额定速度；或者利用相同的转矩，可以实现更快地加速到额定速度。如果通过对马达12的转矩进行控制而使压缩机单元2的速度改变，那么优选的构造是在从满负荷到零负荷的过渡期间，使得转矩为零；而在从零负荷到满负荷的过渡期间，使得压缩机单元2以最大马达转矩被驱动。这样，在满负荷或部分负荷到零负荷之间的过渡期间或者在相反的过程期间，能量损失可以受到限制。这也是本发明的方法的最重要的优点。另外，与相对昂贵的例如入口导叶或扩散器导叶相比，所描述的本发明在成本上相对有利。在从满负荷到部分负荷或零负荷过渡中或者在相反的过渡中，上述步骤可以以上述顺序进行或同时进行或部分同时进行。在图I中，入口阀5和放气活门9以两个单独的部件示出。也可以将放气活门9和入口阀5整合为一个部件。在另一实施方式中，放气活门9和入口阀5可以机械连接和/或电连接在一起或者以其它方式连接在一起，从而使得也能对它们进行共同控制。在上文描述的各示例中，通过关闭压缩机单元2的入口管4中的入口阀5而调节入口压力，从而使得空气供给被阻断。然而，在不超出本发明的范围的情况下，也可以以其它方式使得入口处的上述压力变化得以实现。例如，如果入口压力比大气压高，则可以打开放气活门从而将气体排放到大气中。因此入口压力也将降低。因此在图2所示的情况中，上述压力降低是通过对所涉及的压缩机单元2B上游处的第二压缩机单元2A的运行模式进行调节而实现的，所述第二压缩机单元优选(但不是必需的)构造为其速度能被控制的螺旋式压缩机的形式。可选地，其可以是配备有放气活门或入口阀或类似部件的螺旋式压缩机单元。多级压缩机也可以通过对所涉及的压缩机单元下游处的压缩机单元的运行模式进行调节来改变所述所涉及的压缩机单元的出口压力。可选地，所涉及的压缩机单元的下游处的压缩机单元可以是速度能被控制的螺旋式压缩机单元。本发明的方法还可以应用于具有至少两个压缩机单元的压缩机，该压缩机由同一个马达直接驱动，或者以其他方式驱动。本发明绝不限于作为示例进行描述且在附图中示出的实施方式，相反，在不偏离本发明的范围的情况下，这种方法可以以各种 变形实现。
权利要求
1.一种用于控制压缩机的方法，所述压缩机具有一个或更多个压缩机单元(2，2A，2B),各压缩机单元均具有入口和出口，其特征在于，在从满负荷或部分负荷到零负荷的过渡期间，至少第一上述压缩机单元(2，2A，2B)经历了过程A，所述过程A包括以下步骤 一至少暂时地降低所述第一压缩机单元的入口压力；以及 一随后或同时或部分同时且部分随后地将所述第一压缩机单元的 速度和/或驱动转矩降低至较低值或降低为零，以及/或在从零负荷到部分负荷或满负荷的过渡期间，至少第一压缩机单元(2，2A，2B)经历了过程B，所述过程B包括以下步骤 一将所述第一压缩机单元的速度和/或驱动转矩增加到额定值或额定值范围内；以及 一随后或同时或部分同时且部分随后地使所述第一压缩机单元的入口压力受控地增加。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，过程A还包括以下步骤，即至少在降低第一压缩机单元的入口压力之前，降低第一压缩机单元的出口压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过打开放气活门(9)而降低第一压缩机单元的出口压力，所述放气活门设在所述第一压缩机单元的压力侧或设在所涉及的所述第一压缩机单元的下游的压缩机单元的出口处。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述过程B还包括以下步骤，即至少在增加第一压缩机单元的入口压力之后，增加第一压缩机单元的出口压力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过关闭放气活门(9)而提高第一压缩机单元(I)的出口压力，所述放气活门设在所述第一压缩机单元的压力侧或者设在所涉及的第一压缩机单元的下游的压缩机单元的出口处。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述过程B还包括以下步骤，即将第一压缩机单元的入口压力增加至额定值。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过打开或关闭入口阀(5)而改变第一压缩机单元(2，2A，2B)的入口压力，所述入口阀设在所涉及的所述第一压缩机单元的入口或设在所涉及的第一压缩机单元的上游的压缩机单元的入口。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过打开或关闭放气活门(9)而改变第一压缩机单元(2，2A，2B)的入口压力，所述放气活门设在所涉及的第一压缩机单元的上游。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过调节所涉及的第一压缩机单元的上游的压缩机单元的运行模式而改变第一压缩机单元(2，2A，2B)的入口压力。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过对所涉及的第一压缩机单元的上游的压缩机单元进行控制而改变第一压缩机单元(2，2A，2B)的入口压力，所述所涉及的第一压缩机单元的上游的压缩机单元被构造成其速度能够被控制的螺旋式压缩机单元的形式。
11.根据权利要求2和/或4所述的方法，其特征在于，通过调节所涉及的第一压缩机单元的下游的压缩机单元的运行模式而改变第一压缩机单元(2，2A，2B)的出口压力。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所涉及的第一压缩机单元下游的压缩机单元是速度能够被控制的螺旋式压缩机单元。
13.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法应用于直接驱动的压缩机单元或具有至少一个直接驱动的压缩机单元的压缩机。
14.根据权利要求7和/或8结合权利要求3和/或5所述的方法，其特征在于，所述入口阀和/或放气活门被整合为一个部件。
15.根据权利要求14和/或根据权利要求7和/或8结合权利要求3和/或5所述的方法，其特征在于，所述入口阀和/或放气活门机械连接到一起和/或电连接到一起，并且所述入口阀和/或放气活门一起被控制。
16.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法应用于以直接驱动的涡轮式压缩机单元的形式构造的压缩机单元(2，2A，2B)。
17.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法应用于以速度受控的螺旋式压缩机单元的形式构造的压缩机单元(2，2A，2B)。
18.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，全部上述压缩机单元被纳入到一个壳体中。
全文摘要
一种压缩机控制方法，所述压缩机包括压缩机单元，其特征在于在从满负荷或部分负荷到零负荷的过渡期间，进行包括如下步骤的过程A降低入口压力；降低速度和/或驱动转矩；和/或在从零负荷到部分负荷或满负荷的过渡期间，进行包括如下步骤的过程B增加速度和/或驱动转矩；以及增加入口压力。
文档编号F04D17/12GK102918277SQ201180019777
公开日2013年2月6日 申请日期2011年4月8日 优先权日2010年4月20日
发明者F·G·M·休伯兰德, S·J·R·J·扬森斯, U·帕纳, F·P·I·拜恩斯 申请人:阿特拉斯·科普柯空气动力股份有限公司