专利名称：汽轮机推动的冷却器单元的集成自适应容量控制的制作方法
技术领域：
本申请一般涉及用于冷却器单元的控制系统，尤其是，涉及用于汽轮机推动的冷却器单元的控制系统，其集成了汽轮机系统和冷却器单元二者的控制操作。
背景技术：
虽然大多数供暖、通风和空气调节(HVAC)、制冷、或冷却器系统使用电动马达推动冷却器系统中的相应的压缩机(等)，但是有些冷却器系统可使用汽轮机推动压缩机。典型地，这些汽轮机推动的冷却器系统需要过多的实地调查以将冷却器系统安装和连接到汽轮机系统。一些早先的汽轮机驱动冷却器单元或系统在冷却器单元上包含了汽轮机的包装并且导致了独特的安装，其需要现场布置管道和设备以将汽轮机系统与冷却器单元相连从而完成安装。
在这些早先的汽轮机驱动的冷却器系统中，许多用于汽轮机和冷却器单元的控制，例如汽轮机调节控制、预旋叶片控制、热气控制、涡轮扭矩限制控制和防涌浪控制，都是独立于其他控制操作并且不与其他控制通信的“独立”控制。例如，涡轮速度控制可基本上独立于预旋叶片控制而操作，并且涡轮速度控制和预旋叶片控制二者可基本上独立于热气旁通阀控制而操作。这些控制的这种独立操作经常导致汽轮机驱动的冷却器系统的操作效率低下，因为系统一个部件上的一个控制操作将排除或限制系统另一部件上的另一控制操作得到的效率。除了效率损失之外，独立控制的使用也限制了冷却器系统压缩机中有效地防涌浪，因为分离的系统不能测量或监测系统的压力差(冷凝器压力减蒸发器压力)。
因此，需要一种用于汽轮机推动的冷却器单元的控制系统，该控制系统可将汽轮机控制和冷却器单元控制二者集成到单个控制面板中，同时最大化汽轮机和冷却器单元二者的操作效率。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种控制汽轮机驱动的冷却器系统产能的方法。所述方法包括以下步骤提供一种具有蒸汽源、汽轮机和连接在蒸汽回路中的蒸汽冷凝器的蒸汽系统和提供一种具有由汽轮机驱动的压缩机、制冷剂冷凝器和连接在制冷剂回路中的蒸发器的制冷剂系统。所述方法进一步包括以下步骤感知代表制冷剂系统负荷的值，确定制冷剂系统的系统压力差，和响应于感知的负荷值和确定的系统压力差控制汽轮机的速度以控制冷却器系统的产能。
本发明的另一实施例涉及一种冷却器系统，包括蒸汽系统，所述蒸汽系统包括蒸汽源、汽轮机和连接在蒸汽回路中的蒸汽冷凝器；以及制冷剂系统，所述制冷剂系统包括由汽轮机驱动的压缩机、制冷剂冷凝器和连接在制冷剂回路中的蒸发器。所述冷却器系统进一步包括控制蒸汽系统和制冷剂系统二者操作的中央控制面板。所述中央控制面板具有产能控制系统。所述产能控制系统用来响应于离开的冷却液体温度和系统压力差调节汽轮机速度从而控制制冷剂系统的产能。
本发明的又一实施例涉及一种冷却器系统，包括蒸汽系统，所述蒸汽系统包括蒸汽源、汽轮机和连接在蒸汽回路中的蒸汽冷凝器；以及制冷剂系统，所述制冷剂系统包括压缩机、制冷剂冷凝器和连接在制冷剂回路中的蒸发器。压缩机由汽轮机驱动。所述冷却器系统还包括被配置和安置成将汽轮机安装在冷却器系统中的涡轮基板。所述涡轮基板包括刚性连接涡轮基板和压缩机的连接装置。所述冷却器系统进一步包括控制蒸汽系统和制冷剂系统二者操作的中央控制面板。
本发明的一个优点是冷却器与汽轮机集成到预先包装的单元中。
本发明的另一优点是用于预先包装的汽轮机驱动的冷却器系统和“建设好的(as-built)”汽轮机驱动的冷却器系统二者的中央控制系统。
本发明的又一优点是为汽轮机驱动的冷却器系统使用全范围的控制来控制冷却器产能并且提供防涌浪和超控控制功能以防止系统不安全运行的中央控制系统。
通过下面的优选实施例的更详细的说明，并结合通过实例图示了本发明原理的附图，本发明的其他优点和特征将显而易见。
图1是本发明的汽轮机驱动的冷却器单元的侧视图。
图2是图1所示汽轮机驱动的冷却器单元的俯视图。
图3是用于本发明汽轮机驱动的冷却器单元的蒸汽、制冷剂和冷却水流的示意图。
图4是本发明的汽轮机驱动的冷却器单元的控制系统的示意图。
图5和6示出了本发明控制过程的一个实施例的流程图。
图7是逻辑框图，示出了图5的步骤502的一个实施例。
图8是本发明汽轮机和涡轮基板的放大侧视图。
图9是本发明汽轮机基板的俯视图。
图10是本发明汽轮机基板的压缩机侧示意图。
无论在何处，只要可能，将在所有的附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。
具体实施例方式
在图1-3中，通过实例示出了本发明可应用的一般系统。如图所示，HVAC、制冷、或冷却器系统10包括压缩机12、汽轮机14、制冷剂冷凝器16、水冷却器或蒸发器18、蒸汽冷凝器20、膨胀装置22和控制面板或控制器90。下文将更详细地讨论控制面板90的操作。冷却器系统10进一步包括压缩机润滑系统(未示出)和涡轮润滑系统(未示出)。传统的液体冷却器系统10包括许多在图1-3中未示出的其他特征。这些特性为了简化附图和易于图示专门被省略了。
在优选实施例中，“结构框架”堆叠或垂直布置冷却器系统10的主要部件以提供预先包装的单元，其以比现场制造的各部件水平布置的单元更小的占地面积占据了更少了地面空间。结构框架可包括涡轮基板26、蒸汽冷凝器基板27、多个框架部件28和管端板29。管端板29可为制冷剂冷凝器16和蒸发器18内的热交换管(未示出)的各端部同时提供内部支撑和制冷剂/水的分隔。框架部件28是预选的结构元件和材料，例如可支撑冷却器系统10的相应元件的钢板和管状支撑。
在图8-10中更详细地示出了涡轮基板26。优选地，涡轮基板26具有刚性的螺栓连接面100，该面基本上垂直于涡轮基板26的基部102。螺栓连接面100可直接用螺栓连接到压缩机壳的加工面。刚性的螺栓连接面或D型法兰连接装置100可在压缩机壳和涡轮基板26之间提供更刚性的安装或互连，并且因而在压缩机12和汽轮机14之间提供了更刚性的互连。另外，D型法兰连接装置100可为压缩机12和汽轮机14提供可预测程度的轴对齐。涡轮基板26可通过压缩机的安装布置而支撑在轴端并且可通过蒸发器管板29支撑在蒸汽入口端。通过如上安装涡轮基板26，涡轮基板26与蒸发器壳隔离，使得由蒸发器壳的热膨胀和收缩导致的涡轮基板26的任何运动得以最小化。优选地，汽轮机14和涡轮基板26制造为模块单元以整合到冷却器系统10中。
在本发明的一个实施例中，结构框架将汽轮机14和汽轮机基板26、结合制冷剂冷凝器16、蒸发器18和压缩机12整合成用于安装的预先包装的单元。优选地，蒸汽冷凝器20与所有相关的冷凝系统、真空系统和水平系统部件(和管道)以及蒸汽冷凝器基板27都制造成预先包装单元的单独模块单元，并且包括所有必要的用来连接预先包装单元的互连部件。在冷却器系统10的安装期间，蒸汽冷凝器20和蒸汽冷凝器基板27可在制冷剂冷凝器16上现场安装。蒸汽冷凝器模块单元优选地安装在制冷剂冷凝器管板29上并且跨过或在制冷剂冷凝器管板29之间延伸。通过如上安装蒸汽冷凝器模块单元，蒸汽冷凝器模块单元与制冷剂冷凝器壳隔离，并且使得由制冷剂冷凝器壳的热膨胀和收缩导致的蒸汽冷凝器模块单元的任何运动得以最小化。在备选实施例中，蒸汽冷凝器模块单元可安装在车间地面上以满足特定的车间布局需要。
在本发明另一实施例中，汽轮机14、制冷剂冷凝器16、蒸发器18和压缩机12与蒸汽冷凝器模块单元的预先包装单元的使用允许固定的回汽(steam exhaust)管道布置。通过为冷却器系统10提供回汽管道布置，回汽管道布置可被设计用来在可接受的范围内维持汽轮机14和蒸汽冷凝器20连接上的所有荷载，从而最小化了汽轮机14和压缩机12之间连接上的任何冲击。
在冷却器系统10中，压缩机12压缩制冷剂蒸汽并且将其输送到制冷剂冷凝器16。优选地，压缩机12是离心压缩机，然而可使用任何其他合适类型的压缩机。压缩机12通过汽轮机14驱动，该汽轮机14或者以单速或者以变速驱动压缩机14。优选地，汽轮机14是多级变速涡轮，其能够以更加接近使冷却器系统10的效率最优化的速度操作压缩机12。更优选地，汽轮机14能够以大约3200rpm到大约4500rpm的范围内的速度驱动压缩机12。优选地，供给到汽轮机14的蒸汽为大约90到大约200psi范围内的干饱和蒸汽。供给到汽轮机14的蒸汽流可通过调节器48调制以改变汽轮机14的速度，因此改变了压缩机12的速度以通过提供更多或更少量的穿过压缩机12的制冷剂体积流量来调节压缩机工作能力。在另一实施例中，汽轮机14可仅以单速驱动压缩机，需要其他技术来调节压缩机12的工作能力，例如，使用预旋叶片80和/或热气旁通阀84。
被压缩机12输送到制冷剂冷凝器16的制冷剂蒸汽与流体如空气或水产生热交换关系，并且作为与流体热交换的结果，经历相变变为制冷剂液体。在优选实施例中，输送到制冷剂冷凝器16的制冷剂蒸汽与流体，优选为流过连接到冷却塔的热交换器旋管的水，产生热交换关系。由于与热交换器旋管中的液体的热交换关系，制冷剂冷凝器16中的制冷剂蒸汽经过相变成为制冷剂液体。来自制冷剂冷凝器16的冷凝的液体制冷剂流过膨胀装置22到达蒸发器18。
蒸发器18可包括具有连接到冷却负荷的供给管线38和回流管线40的热交换器旋管。次级液体，例如水、乙烯基或丙稀基乙二醇混合物、氯化钙卤水或氯化钠卤水，经由回流管线40进入蒸发器18和经由供给管线38从蒸发器18排出。蒸发器18中的液体制冷剂与次级液体产生热交换关系以降低次级液体的温度。作为与次级液体热交换关系的结果，蒸发器18中的制冷剂液体经历相变变为制冷剂蒸汽。蒸发器18中的蒸汽制冷剂排出蒸发器18并且通过吸入管线回到压缩机12完成循环。应该理解，在冷却器系统10中可以使用任何合适的制冷剂冷凝器16和蒸发器18的配置，只要能在制冷剂冷凝器16和蒸发器18中得到合适的制冷剂相变就可以。
在从蒸发器18到压缩机12的输入或入口处，有一个或多个预旋叶片(PRV)或入口引导叶片80，其可控制制冷剂向压缩机12的流动且从而控制了压缩机12的工作能力。预旋叶片80可定位在基本上打开位置和基本上关闭位置之间的任何位置，在基本上打开的位置，制冷剂流基本上不受阻碍地进入压缩机12，而在基本上关闭的位置，进入压缩机12的制冷剂流受到限制。应该理解，在关闭位置，预旋叶片80不能完全阻止制冷剂流入压缩机12。使用致动器来打开预旋叶片80以增加到达压缩机12的制冷剂量并且从而增加了系统10的冷却能力。相似地，可使用致动器关闭预旋叶片80以减小到达压缩机12的制冷剂量并且从而降低了系统10的冷却能力。预旋叶片80的致动器可以或者连续的方式或者步进的或增量的方式打开和关闭预旋叶片80。
冷却器系统10还可以包括热气旁通连接和相应的阀84，其连接着冷却器系统10的高压侧和低压侧。在图3所示的实施例中，热气旁通连接和热气旁通阀(HGV)84连接制冷剂冷凝器16和蒸发器18以及旁通膨胀装置22。在另一实施例中，热气旁通连接和热气旁通阀84可连接压缩机吸入管线和压缩机排出管线。优选地，热气旁通阀84用作压缩机12的再循环管线，以从压缩机12的排出口经由制冷剂冷凝器16经由蒸发器18到达压缩机12的吸入口从而再循环制冷剂气体。热气旁通阀84可被调节到基本上打开的位置和基本上关闭的位置之间的任何位置，在基本上打开的位置，制冷剂流基本上不受阻碍，而在基本上关闭的位置，制冷剂流受到限制。热气旁通阀84可以或者连续的方式或者步进的或增量的方式打开和关闭。热气旁通阀84的打开可增加供给到压缩机吸入口的制冷剂气体量以防止在压缩机12内发生涌浪状况。
关于汽轮机系统，蒸汽源为汽轮机14提供蒸汽。优选地，来自蒸汽源的蒸汽进入水分分离器64。在水分分离器64中，来自蒸汽源的饱水蒸汽进入并在离心地向下运动中偏转。蒸汽中残留的水分通过蒸汽流速的降低而被分离出来。然后，分离出的水分通过水分排出口(未示出)流出，干饱和蒸汽向上流动并且从蒸汽排出口(未示出)排出，在蒸汽排出口处，蒸汽向着主蒸汽进气断流阀69和蒸汽进气慢滚旁通阀68流动。主蒸汽进气断流阀69和蒸汽进气慢滚旁通阀68可被定位来控制蒸汽量，其中蒸汽在慢滚坡道到达启动时的最小额定速度期间向着调节器48流动。调节器48定位在蒸汽供给管线中以调节蒸汽流，并且优选地邻近汽轮机14的蒸汽入口定位。调节器或调节阀48可以连续的方式或步进的或增量的方式打开和关闭。汽轮机14包括蒸汽入口，以接收来自蒸汽源的蒸汽。来自蒸汽源的蒸汽流过蒸汽入口并且转动汽轮机14的可旋转涡轮部分以从其中提取能量从而转动与压缩机12和汽轮机14的轴(未示出)互连的连接器66。在旋转了汽轮机14的涡轮部分之后，蒸汽随后通过回汽排出汽轮机14。
在优选实施例中，连接器66提供了汽轮机14和压缩机12之间的直接旋转连接。在备选实施例中，连接器66可包括一个或多个齿轮布置(或其他相似布置)以增加或降低汽轮机14和压缩机12之间的相对转速。另外，汽轮机14和压缩机12的其中一个或二者也可以包括连接到连接器66的内部齿轮布置以调节汽轮机14或压缩机12的相对转速。
另外，设置了涡轮蒸汽环排泄阀63以允许操作员在汽轮机14慢滚预热期间从汽轮机14除去任何冷凝物。可使用汽封蒸汽源阀67以允许蒸汽在慢滚期间进入汽封供给压力调节阀。蒸汽冷凝器真空泵65清空蒸汽冷凝器，并且将涡轮抽吸为汽轮机14所需的期望真空以产生压缩机12所需的动力。
来自汽轮机14的废汽流入蒸汽冷凝器20。在蒸汽冷凝器20内，来自汽轮机14的蒸汽/冷凝物流与流过蒸汽冷凝器20的冷却水产生热交换关系以冷却蒸汽。蒸汽冷凝器20包括连接到冷凝物再循环系统46的热水箱44。冷凝物再循环系统46包括位于热水箱44中的冷凝物排出口，其可从热水箱44向冷凝泵62提供或传输冷凝物。冷凝物从冷凝泵62选择性地提供到蒸汽冷凝器20的冷凝物再循环入口和/或提供到蒸汽源的冷凝物回流入口。以这种方式，冷凝物再循环系统46可使通过蒸汽冷凝器20的冷凝物维持预选流量并使冷凝物回流到蒸汽源以进一步产生蒸汽。
如上所述，来自冷却塔或其他源的冷却水优选地通过冷却水供给管线70引向制冷剂冷凝器16。冷却水在制冷剂冷凝器16中循环以从制冷剂气体吸收热量。然后，冷却水排出制冷剂冷凝器16并且引到或提供到蒸汽冷凝器20。冷凝水在蒸汽冷凝器20中循环以进一步从汽轮机14排出的废汽吸收热量。从蒸汽冷凝器20流出的冷却水通过冷却水回流管线76引到冷却塔以降低冷却水的温度，然后，冷却水可返回到制冷剂冷凝器16重复循环。
典型地，蒸汽冷凝器20以高于制冷剂冷凝器16的温度运行。通过以系列的或连续的布置将冷却水引导穿过制冷剂冷凝器16然后穿过蒸汽冷凝器20，低温的冷却水可在制冷剂冷凝器16中吸收热量然后被传输到蒸汽冷凝器20以吸收额外的热量。在优选实施例中，这种使用冷却水同时冷却制冷剂冷凝器16和蒸汽冷凝器20的能力可通过选择合适的制冷剂冷凝器16和蒸汽冷凝器20来实现。制冷剂冷凝器16如此选择以致来自制冷剂冷凝器16的出口冷却水温度低于蒸汽冷凝器20最大可接受的入口冷却水温度。冷却器系统10内的这种系列的或连续的冷凝器(制冷剂和蒸汽)冷却水的流路可减少冷却水多重供应的需要，并且可减小冷却器系统10所需的冷却水总量。
如图4所示，控制面板90包括模数(A/D)和数模(D/A)变换器、微处理器96、非易失性内存或其他内存装置92、和与冷却器系统10的各种传感器和控制装置通信的接口板98。另外，控制面板90可连接到或整合有用户接口94，该用户接口94允许操作员与控制面板90交互。操作员可通过用户接口94为控制面板90选择和输入命令。另外，用户接口94可为操作员显示来自控制面板90的关于冷却器系统10运行状态的消息和信息。用户接口94可本地定位到控制面板90上，例如安装在冷却器系统10或控制面板90上，或者备选地，用户接口94可远离控制面板90定位，例如定位在远离冷却器系统10的单独的控制间内。
微处理器96执行或使用单个或中央控制算法或控制系统来控制包括压缩机12、汽轮机14、蒸汽冷凝器20和冷却器系统10的其他部件的冷却器系统10。在一个实施例中，控制系统可以是具有一系列微处理器96可执行指令的计算机程序或软件。在另一实施例中，本领域技术人员可利用数字和/或模拟硬件来实施和执行控制系统。在又一实施例中，控制面板90可将每个都执行分散功能的多个控制器与确定控制面板90输出的中央控制器整合。如果使用硬件执行控制算法，则可改变控制面板90的相应设计以整合必需的元件和除去任何不再需要的元件。
冷却器系统10的控制面板90可接收来自冷却器系统10各部件的许多不同传感器输入。下面提供了输入到控制面板90的传感器输入的一些实例，但是应该理解，控制面板90可从冷却器系统10的部件接收任何想要的或合适的传感器输入。涉及到压缩机12的一些控制面板90输入可以来自压缩机排出温度传感器、压缩机油温传感器、压缩机供油压力传感器和预旋叶片位置传感器。涉及到汽轮机14的一些控制面板90输入可以来自涡轮轴端轴承温度传感器、涡轮调节器端轴承温度传感器、涡轮入口蒸汽温度传感器、涡轮入口蒸汽压力传感器、涡轮第一级蒸汽压力传感器、涡轮废汽压力传感器、涡轮速度传感器和涡轮切断阀状态传感器。
涉及到蒸汽冷凝器20的一些控制面板90输入可以来自热水箱冷凝物水位传感器、热水箱高水位状态传感器、和热水箱低水位状态传感器。涉及到制冷剂冷凝器16的一些控制面板90输入可以来自制冷剂冷凝器进水温度传感器、冷凝器出水温度传感器、制冷剂液体温度传感器、制冷剂冷凝器压力传感器、子冷却器制冷剂液体水平传感器，和制冷剂冷凝器水流量传感器。涉及到蒸发器18的一些控制面板90输入可以来自离开的冷却液体温度传感器、返回的冷却液体温度传感器、蒸发器制冷剂蒸汽压力传感器、制冷剂液体温度传感器、和冷却水流量传感器。另外，其他控制器90输入包括来自恒温器或其他相似温度控制系统的HVAC&R命令输入。
此外，冷却器系统10的控制面板90可为冷却器系统10的各部件提供或产生许多不同的控制信号。下面提供了来自控制面板90的控制信号的一些例子，但是应该理解，控制面板90可为冷却器系统10的各部件提供任何想要的或合适的控制信号。来自控制面板90的一些控制信号可包括涡轮停机控制信号、压缩机油加热器控制信号、变速油泵控制信号、涡轮调节阀控制信号、热水箱水位控制信号、热气旁通阀控制信号、再冷却器制冷剂液体水位控制信号、预旋叶片位置控制信号、和蒸汽进给阀控制信号。另外，或者当技术人员向用户界面94输入了停机命令时或者当从记录在内存装置92的预选参数中探测到反常时，控制面板90可发出涡轮停机信号。
优选地，由控制面板90上的微处理器96执行的中央控制算法包括产能控制程序或算法以控制汽轮机14的速度并从而控制压缩机12的速度以从压缩机12产生想要的产能来满足冷却负荷。产能控制程序可自动，优选地，直接响应于蒸发器18中的离开的冷却液体的温度，确定汽轮机14和压缩机12的期望速度，该温度为冷却器系统10所需冷却负荷的指示。在确定了期望速度之后，控制面板90将控制信号发送或传送到合适的汽轮机系统各部件以改变供给到汽轮机14的蒸汽流，从而调节了汽轮机14的速度。
产能控制程序可将冷却器系统10的选定参数维持在预选范围内。这些参数包括涡轮速度、冷却液体出口温度、涡轮动力输出、最小压缩机速度和压缩机预旋叶片位置的防涌浪极限。产能控制程序采用来自传感器的连续反馈监测此处描述的各种运行参数以响应于系统冷却负荷的变化来连续监测和改变涡轮14和压缩机12的速度。即，因为冷却器系统10需要额外的或者减小的冷却产能，所以冷却器10中的压缩机12的运行参数要响应于新的冷却能力需要而相应地更新或修订。为了维持最大的运行效率，压缩机12的运行速度可通过产能控制算法频繁改变或调节。此外，除了系统负荷需要外，产能控制程序还连续监测制冷剂系统的压力差以最优化冷却器系统10中的制冷剂的体积流量和最大化最终的汽轮机14的蒸汽效率。
中央控制算法还包括其他算法和/或软件，它们在冷却器系统10的启动和常规运行期间为控制面板90提供冷却器系统10的各种运行参数的监测功能。不期望的运行参数，例如低涡轮速度、低涡轮油压、或低压缩机油压，可利用逻辑功能编程到控制面板90中以在探测到不期望的、或超出系统设计的参数的情况下关闭冷却器系统10。另外，中央控制算法对冷却器系统10的许多运行参数具有预选的限制，并且可防止技术人员在这些限制之外手动操作冷却器系统10。
在优选实施例中，产能控制程序可响应于从蒸发器18离开的冷却液体温度(LCLT)来控制涡轮14(和压缩机12)的速度、预旋叶片80的位置和热气旁通阀84的位置。图5-7示出了本发明的用于产能控制程序的产能控制过程的实施例。图5总体上图示了系统10的负荷过程，图6总体上示出了系统10的卸荷过程。现在参考图5，程序在步骤502处开始，响应于系统压力差(PD)计算最小的涡轮速度(MS)和最小的预旋叶片位置(MV)，其中系统压力差通过从冷凝器压力中减去蒸发器压力来计算得到。
图7示出了用来计算图5的步骤502中的最小涡轮速度(MS)和最小预旋叶片位置(MV)的逻辑图。逻辑在方框310中开始，其中蒸发器压力通过蒸发器制冷剂蒸汽压力传感器测量并且代表信号发送到控制面板90。在方框320，制冷剂冷凝器压力通过制冷剂冷凝器压力传感器测量并且代表信号发送到控制面板90。在方框330，系统压力差或水头(PD)的代表值，其为制冷剂冷凝器压力和蒸发器压力之间的差值，通过从方框320中得到的冷凝器压力减去方框310中得到的蒸发器压力来确定。然后，在计算最小涡轮速度(MS)和最小预旋叶片位置(MV)二者中使用该系统压力差。
为了确定最小预旋叶片位置(MV)，过程开始于方框340，在此处，设定预旋叶片80在高水头下的最小预期叶片位置(MVP1)或者将其设定为预旋叶片80完全打开位置的百分比。在方框350，设定低水头下的最小预期叶片位置(MVP2)或者将其设为预旋叶片80完全打开位置的百分比。在方框360，设定或设立压缩机12在高水头下的最大预期压力差或压力增量(PD1)。在方框370，设定或设立压缩机12在低水头下的最小预期压力差或压力增量(PD2)。方框340、350、360和370中的设立值可输入到用户接口94中和储存在内存92中。优选地，方框340、350、360和370中的值在系统10运行期间保持恒定，然而，所述值通过用户接口94处的输入或通过中央控制算法的运行可被覆盖或调节。接下来，在方框380，来自方框340、350、360和370中的值和来自方框330的压力差(PD)在最小叶片位置计算中使用以确定最小预旋叶片位置(MV)。最小预旋叶片位置(MV)如方程1所示计算。
MV＝[((PD-PD2)(MVP1-MVP2))/(PD1-PD2)]+MVP2[1]该计算出的最小预旋叶片位置(MV)，其为完全打开位置的百分比，返回到图5中的步骤502。
为了确定最小涡轮速度(MS)，过程开始于方框440，在此处，设定或设立涡轮14和压缩机12在高水头下的预期速度(MSP1)。在方框450，设定或设立涡轮14和压缩机12在低水头下的预期速度(MSP2)。另外并且如上所述，在方框360，设定或设立压缩机12在高水头下的最大预期压力差或压力增量(PD1)。在方框370，设定或设立压缩机12在低水头下的最小预期压力差或压力增量(PD2)。在一个实施例中，方框440和450的值可基于系统10的启动测试利用选定的PD和负荷来设定或设立，尽管从其他相似设计的冷却器设立的值也可以用于方框440和450。
方框440、450、360和370中的设立值可输入到用户接口94中和储存在内存92中。优选地，方框440、450、360和370中的值在系统10运行期间保持恒定，然而，所述值通过用户接口94处的输入或通过中央控制算法的运行可被覆盖或调节。接下来，在方框480，来自方框440、450、360和370中的值和来自方框330的压力差(PD)在最小速度计算中使用以如方程2所示确定计算出的最小涡轮速度(CMS)。
CMS＝[((PD-PD2)(MSP1-MSP2))/(PD1-PD2)]+MSP2[2]在方框490，设立或设定涡轮14和压缩机12的最小额定速度(SSP2)。优选地，SSP2通过整合到系统10中的特定涡轮14和压缩机12来预先确定并编程到控制面板90中。在方框500，最小涡轮速度(MS)被确定为SSP2和CMS中的较大者。该确定的最小涡轮速度(MS)返回到图5中的步骤502。
回来参考图5，在步骤504，离开的冷却液体温度(LCLT)与LCLT的预期设定值温度(SPT)比较。如果LCLT大于SPT，则过程进行到步骤506。否则，过程进行到如图6所示的步骤602。在步骤506，检查热气旁通阀(HGV)84是否打开或关闭。如果HGV 84在步骤506中打开，则过程进行到步骤508以根据下文详述的HGV控制模式来控制系统部件，并且过程返回到步骤502。如果HGV 84在步骤506关闭，则过程进行到步骤510以判断预旋叶片(PRV)80是否处于完全打开位置。
在步骤508，HGV控制模式操作可加载独特的调谐参数以控制热气旁通阀84的操作，从而保证控制算法响应匹配对热气旁通阀位置变化的系统响应。在HGV控制模式操作中，在压缩机12负荷期间，热气旁通阀84被倾斜关闭，预旋叶片80维持在最小预旋叶片位置(MV)处，涡轮14的速度维持在最小涡轮速度(MS)处。当系统压力差(冷凝器压力减蒸发器压力)增加时，步骤502输出的最小涡轮速度(MS)和最小预旋叶片位置(MV)也可以增加。作为最小涡轮速度(MS)和最小预旋叶片位置(MV)变化的结果，控制调节阀48并且从而控制涡轮14和压缩机12速度的速度设定值以及控制预旋叶片84位置的叶片控制的相应控制命令或信号被立刻设定为合适的较高值以防止涌浪。如果压缩机12上的负荷轻并且LCLT降低到SPT的2以内，则HGV控制模式可开始调制HGV 84以防止在冷却水循环降低到SPT时超过SPT。
回来参考步骤510，如果PRV 80没有完全打开，则过程进行到步骤512以根据下文详述的PRV控制模式控制系统部件，并且过程返回到步骤502。如果PRV 80在步骤510中完全打开，则过程进行到步骤514以根据下文更详细讨论的速度控制模式来控制系统部件，并且过程返回到步骤502。
在步骤512，PRV控制模式操作可加载独特的调谐参数以控制预旋叶片80的操作从而保证控制算法响应匹配对PRV位置变化的系统响应。在PRV控制模式操作中，在压缩机12负荷期间，热气旁通阀84维持在关闭位置，预旋叶片80从最小启动值位置(PRVM)或最小预旋叶片位置(MV)中的较大者被倾斜到完全打开位置，涡轮14的速度维持在最小涡轮速度(MS)处。当系统压力差(冷凝器压力减蒸发器压力)增加时，步骤502输出的最小涡轮速度(MS)也可以增加。作为最小涡轮速度(MS)变化的结果，控制调节阀48并且从而控制涡轮14和压缩机12速度的速度设定值的相应控制命令或信号被立刻设定为合适的较高值以防止涌浪。如果压缩机12上的负荷轻并且LCLT降低到SPT的2以内，则PRV控制模式可开始调制PRV 80以防止在冷却水循环降低到SPT时超过SPT。
在步骤514，速度控制模式操作可加载独特的调谐参数以控制速度设定值从而保证控制算法响应匹配对涡轮14和压缩机12的速度变化的系统响应。在速度控制模式操作中，在压缩机12负荷期间，热气旁通阀84维持在关闭位置，预旋叶片80维持在打开位置(至少为完全打开位置的90％)，涡轮14的速度从最小涡轮速度(MS)增加到预期速度以将离开的冷却液体温度(LCLT)维持在设定值(SPT)。
现在参考图6，在步骤602，检查产能控制程序以确定其是否在速度控制模式中运行。如果产能控制程序不在速度控制模式中运行，则过程进行到步骤604。然而，如果产能控制程序在步骤602中在速度控制模式中运行，则过程随后进行到步骤608。在步骤608，检查涡轮速度(TS)以判断其是否等于最小涡轮速度(MS)。如果在步骤608中TS等于MS，则过程进行到步骤512以根据PRV控制模式控制系统部件并且过程返回到步骤502。然而，如果在步骤608中TS不等于MS，则根据步骤514的速度控制模式控制系统部件，并且过程返回到步骤502。
如上所述，在步骤514，速度控制模式操作可加载独特的调谐参数以控制涡轮14和压缩机12的速度。在速度控制模式操作中，在压缩机12卸荷期间，热气旁通阀84维持在关闭位置，预旋叶片80维持在打开位置(至少为完全打开位置的90％)，并且涡轮14的速度向着最小涡轮速度(MS)降低以将离开的冷却液体温度(LCLT)维持在设定值(SPT)。当系统压力差降低时，步骤502输出的最小涡轮速度(MS)也可以降低，因为压缩机12能够以较低的制冷剂气体流量稳定运行。作为最小涡轮速度(MS)变化的结果，控制调节阀48并且从而控制涡轮14和压缩机12速度的速度设定值的相应的控制命令或信号被设为合适的较低值以维持稳定运行。
在步骤604，检查产能控制程序以确定其是否在PRV控制模式中运行。如果产能控制程序在步骤604中在PRV控制模式中运行，则过程进行到步骤610。在步骤610，检查预旋叶片位置(PRVP)以判断其是否等于最小预旋叶片位置(MV)。如果在步骤610中PRVP等于MV，则过程进行到步骤508以根据HGV控制模式控制系统部件并且过程返回到步骤502。然而，如果在步骤610中PRVP不等于MV，则根据步骤512的PRV控制模式来控制系统部件，并且过程返回到步骤502。
如上所述，在步骤512，PRV控制模式操作可加载独特的调谐参数以控制预旋叶片80的操作。在PRV控制模式操作中，在压缩机12卸荷期间，热气旁通阀84维持在关闭位置，涡轮14的速度维持在最小涡轮速度(MS)，预旋叶片80被倾斜到最小预旋叶片位置(MV)以将离开的冷却液体温度(LCLT)维持在设定值(SPT)。当系统压力差降低时，步骤502输出的最小涡轮速度(MS)也可以降低。作为最小涡轮速度(MS)变化的结果，控制调节阀48并且从而控制涡轮14和压缩机12速度的速度设定值的相应的控制命令或信号在可编程的时间延迟之后被设为合适的较低值以维持最大的运行效率。
当预旋叶片80被关闭到低水头下的最小预期叶片位置(MVP2)以对应于压缩机12产能的减小时，预旋叶片80不会进一步关闭以减小产能。如上文关于MV计算所述的那样，当系统压力差(PD)接近低水头最小预期压力差(PD2)时，最小预旋叶片位置(MV)接近低水头下的最小预期叶片位置(MVP2)。相应地，当PD到达PD2时，MV等于MVP2，并且预旋叶片80被定位在完全打开叶片位置的最低预期百分比处，即，PRVP等于MV。当负荷连续降低时，低系统压力差(PD)期望响应于变化温度在HGV控制模式中调制热气旁通阀84，见步骤610，因为压缩机12在最小的预期压力差下运行并且因此接近涌浪条件。
在备选实施例中，为了避免在非常低的系统压力差例如比如20-40psi下运行，产能控制程序可被用来防止系统压力差(PD)降低到或低于低水头下的最小预期压力差(PD2)。为了实现利用降低的负荷操作的控制模式，预旋叶片80被关闭到预选的位置，并且在负荷进一步减小时，热气旁通阀84被打开并且当预旋叶片80到达预选位置时在HGV控制模式中运行。参考图7，方框400是被用户选择并输入到用户接口94中的可调节设定值(HGVRAT)。方框400的设定值被用来维持最小的选定系统压力差(PD)，该压力差优选地大于PD2。在方框410，最小预旋叶片位置(MV％)被确定为HGVRAT和(来自方框380的)MV中的较大者。然后，产能控制程序判断预旋叶片80是否已经到达来自方框410的相应的最小预旋叶片位置(MV％)。在该备选实施例中，图6的步骤610被改变以比较PRVP和MV％(代替MV)。如果PRVP没有到达MV％，则预旋叶片80被用来在步骤512的PRV控制模式中控制产能。如果PRVP已经到达MV％，则预旋叶片80维持在MV％，并且热气旁通阀84被打开以在步骤508的HGV控制模式中操作。
参考步骤604，如果产能控制程序没有在PRV控制模式中运行，则过程进行到步骤508以根据HGV控制模式控制系统部件并且过程返回到步骤502。如上所述，在步骤508，HGV控制操作模式可加载独特的调谐参数以控制热气旁通阀84的操作。在HGV控制模式操作中，在压缩机12卸荷期间，涡轮14的速度维持在最小涡轮速度(MS)，预旋叶片80维持在最小预旋叶片位置(MV)，或者在备选实施例中为MV％，并且热气旁通阀84被打开以将离开的冷却液体温度(LCLT)维持在设定值(SPT)。当系统压力差降低时，从步骤502输出的最小涡轮速度(MS)和最小预旋叶片位置(MV)也可以降低。作为最小涡轮速度(MS)和最小预旋叶片位置(MV)变化的结果，控制调节阀48并且从而控制涡轮14和压缩机12速度的速度设定值以及控制预旋叶片84位置的叶片控制的相应的控制命令或信号在可编程的时间延迟之后被设为合适的较低值以维持最大的运行效率。
产能控制程序可响应于特定事件超控正常的控制操作。超控事件的一个例子是在蒸发器18或制冷剂冷凝器16中探测到高的或低的制冷剂压力。如果可确定测量的蒸发器压力或冷凝器压力超出可接受的操作范围，即，压力或者太高或者太低，产能控制程序以超控控制模式操作以与图6所示相似的方式为系统10卸荷。产能控制程序在为超控事件确定合适的控制命令时使用来自刚好在超控事件之前的控制命令的信息，例如回接(tieback)信号。这种在正常操作和超控操作之间变换中使用的信息可在两种操作模式之间提供无冲撞变换。响应于超控控制算法和系统压力差控制系统的卸荷，从而防止了不安全的操作和无必要的停机。一旦监测的参数返回到可接受的范围内持续预定的时间，则产能控制可使用与上述相似的无碰撞变换返回到正常控制操作。
超控事件的另一例子可在高负荷或下跌状态期间当涡轮14能够产生大于压缩机轴承额定的可接受扭矩的扭矩时出现。监测所述调节阀致动器的输出以判断步骤514的速度控制模式操作是否是尝试将调节阀48打开到超过预设值(在启动时通过现场测试确定)。如果调节阀48被打开到大于预设值的位置，则产能控制程序以超控控制模式操作以与图6所示相似的方式为系统10卸荷。产能控制程序在为超控事件确定合适的控制命令时使用来自刚好在超控事件之前的控制命令的信息，例如回接信号。这种在正常操作和超控操作之间变换中使用的信息可在两种操作模式之间提供无冲撞变换。响应于超控控制算法和系统压力差控制系统的卸荷，从而防止了不安全的操作和无必要的停机。随着负荷减小，涡轮14开始加速并且速度控制模式操作开始关闭调节阀48，从而限制了涡轮14的扭矩输出。一旦调节阀致动器输出返回到可接受的范围内并持续预定的时间，则产能控制可使用与上述相似的无碰撞变换返回到正常控制操作。
超控事件的又一例子可在高负荷或下跌状态期间当涡轮14能够产生大于压缩机轴承额定的可接受扭矩的扭矩或动力时出现。然而，在该例子中，代替调节阀致动器输出，监测涡轮第一级压力。基于蒸汽入口温度和压力确定涡轮第一级压力的设定值，这样超控控制器可自动适应供给到涡轮入口的蒸汽量的波动。如果涡轮第一级压力增加到计算的设定值之上，则产能控制程序以超控控制模式操作以与图6所示相似的方式为系统10卸荷。产能控制程序在为超控事件确定合适的控制命令时使用来自刚好在超控事件之前的控制命令的信息，例如回接信号。这种在正常操作和超控操作之间变换中使用的信息可在两种操作模式之间提供无冲撞变换。响应于超控控制算法和系统压力差来控制系统的卸荷，从而防止了不安全的操作和无必要的停机。随着负荷减小，涡轮14开始加速并且步骤514的速度控制模式操作开始关闭调节阀48，从而减小了第一级压力并限制了涡轮14的扭矩输出。一旦涡轮第一级压力返回到小于计算的设定值的值并持续预定的时间，则产能控制可使用与上述相似的无碰撞变换返回到正常控制操作。
在本发明另一实施例中，产能控制程序可与定速压缩机一起使用。在定速运行期间，用于压缩机12产能控制的主要方法包括调节预旋叶片80和热气旁通阀84。优选地，产能控制程序在调节热气旁通阀84之前调节预旋叶片80以在定速运行期间提供更高的系统效率。
如上所述，通过离开的LCLT中的变化探测负荷变化。与上述PRV控制过程相似，产能控制程序发出信号以将预旋叶片80调节到计算的最小叶片位置从而满足负荷状况。优选地，计算的最小叶片位置是制冷剂冷凝器16和蒸发器18之间压力差的函数。虽然调节了预旋叶片80以减小产能，但是热气旁通阀84保持关闭。在非常低的压力差下，当计算的最小叶片位置接近零时，产能通过增量地打开热气旁通阀84来减小。
在一些操纵模式中，期望在预旋叶片80完全关闭的情况下运行。在预旋叶片80完全关闭时，产能控制基于离开的冷却液体温度调制热气旁通阀84。如果在预旋叶片80完全关闭的情况下负荷连续降低，则离开的冷却液体温度将连续降低。在离开的冷却液体温度降低到低于预定设定值预定量的情况下，调制热气旁通阀84以将离开的冷却液体温度维持在预期的设定值。
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下可做出各种改变并且可用等同物代替本发明中的元件。另外，可进行许多改进以使特定情况或材料适应本发明的教导而不脱离本发明的实质范围。因此，期望本发明不限于作为实施本发明最佳方式而公开的特定实施例，而是期望本发明包括所有落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种控制汽轮机驱动的冷却器系统产能的方法，所述方法包括以下步骤提供一种蒸汽系统，所述系统具有蒸汽源、汽轮机和连接在蒸汽回路中的蒸汽冷凝器；提供一种制冷剂系统，所述系统具有压缩机、制冷剂冷凝器和连接在制冷剂回路中的蒸发器，其中压缩机由汽轮机驱动；感知代表制冷剂系统负荷的值；确定制冷剂系统的系统压力差；和响应于感知的负荷值和确定的系统压力差控制汽轮机的速度以控制冷却器系统的产能。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤提供预旋叶片以调节流到压缩机的制冷剂流量；和响应于感知的负荷值和确定的系统压力差控制预旋叶片的位置以控制冷却器系统的产能。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤提供热气旁通阀以调节制冷剂系统高压侧和制冷剂系统低压侧之间的制冷剂流量；和响应于感知的负荷值和确定的系统压力差控制热气旁通阀以控制冷却器系统的产能。
4.如权利要求3所述的方法，其中控制汽轮机速度的步骤包括调节汽轮机速度以维持预期的系统负荷状况；控制预旋叶片位置的步骤包括将预旋叶片定位在预定的最小位置，其中预定的最小位置是基于系统压力差的；和控制热气旁通阀的步骤包括将热气旁通阀定位在关闭位置。
5.如权利要求4所述的方法，其中预旋叶片的预定最小位置防止了压缩机在涌浪状况下运行。
6.如权利要求3所述的方法，其中控制汽轮机速度的步骤包括在预定的最小速度下操作汽轮机，其中预定的最小速度是基于系统压力差的；控制预旋叶片位置的步骤包括调节预旋叶片的位置以维持预期的系统负荷状况；和控制热气旁通阀的步骤包括将热气旁通阀定位在关闭位置。
7.如权利要求6所述的方法，其中汽轮机的预定最小速度防止了压缩机在涌浪状况下运行。
8.如权利要求3所述的方法，其中控制汽轮机速度的步骤包括在预定的最小速度下操作汽轮机，其中预定的最小速度是基于系统压力差的；控制预旋叶片位置的步骤包括将预旋叶片定位在预定的最小位置，其中预定的最小位置是基于系统压力差的；和控制热气旁通阀的步骤包括调节热气旁通阀的位置以维持预期的系统负荷状况。
9.如权利要求8所述的方法，其中预旋叶片的预定最小位置防止了压缩机在涌浪状况下运行；和汽轮机的预定最小速度防止了压缩机在涌浪状况下运行。
10.如权利要求2所述的方法，其中控制预旋叶片位置的步骤包括响应于确定的系统压力差确定预旋叶片的最小位置，其中为预旋叶片确定的最小位置防止了压缩机在涌浪状况下运行；和发送控制信号到预旋叶片以将预旋叶片的位置设定为确定的最小位置。
11.如权利要求1所述的方法，其中控制汽轮机的速度的步骤包括响应于确定的系统压力差确定汽轮机的最小速度，其中为汽轮机确定的最小速度防止了压缩机在涌浪状况下运行；和发送控制信号到汽轮机以将汽轮机速度设定为确定的最小速度。
12.如权利要求1所述的方法，其中感知代表制冷剂系统负荷的值的步骤包括确定从蒸发器离开的冷却液体温度。
13.如权利要求1所述的方法，其中确定系统压力差的步骤包括测量冷凝器压力；测量蒸发器压力；和从测量的冷凝器压力减去测量的蒸发器压力以确定系统压力差。
14.如权利要求1所述的方法，进一步包括执行超控控制以响应于冷却器系统中探测到的故障状况来控制汽轮机速度的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其中冷却器系统中的故障状况包括以下状况的至少其中一种冷凝器压力或蒸发器压力超出范围、汽轮机第一级压力测量结果超过预定的压力设定值、或者调节阀位置测量结果超过预定的位置设定值。
16.一种冷却器系统，包括蒸汽系统，所述系统包括蒸汽源、汽轮机和连接在蒸汽回路中的蒸汽冷凝器；制冷剂系统，所述系统包括压缩机、制冷剂冷凝器和连接在制冷剂回路中的蒸发器，其中压缩机由汽轮机驱动；和控制蒸汽系统和制冷剂系统二者操作的中央控制面板，所述中央控制面板包括产能控制系统，所述产能控制系统用来响应于离开的冷却液体温度和系统压力差调节汽轮机速度从而控制制冷剂系统的产能。
17.如权利要求16所述的冷却器系统，其中制冷剂系统进一步包括预旋叶片以调节流到压缩机的制冷剂流量；和产能控制系统用来响应于离开的冷却液体温度和系统压力差调节预旋叶片的位置以控制制冷剂系统的产能。
18.如权利要求17所述的冷却器系统，其中制冷剂系统进一步包括热气旁通阀以调节制冷剂系统高压侧和制冷剂系统低压侧之间的制冷剂流量；和产能控制系统用来响应于离开的冷却液体温度和系统压力差调节热气旁通阀的位置以控制制冷剂系统的产能。
19.如权利要求18所述的冷却器系统，其中产能控制系统用来控制预旋叶片、热气旁通阀和压缩机速度以防止压缩机在涌浪状况下运行。
20.如权利要求18所述的冷却器系统，其中产能控制系统被配置在热气旁通控制模式、预旋叶片控制模式或者涡轮速度控制模式中的其中一种模式下运行以控制制冷剂系统的产能。
21.如权利要求20所述的冷却器系统，其中热气旁通控制模式包括在预定最小涡轮速度和预定最小预旋叶片位置下运行；预旋叶片控制模式包括利用关闭的热气旁通阀和在预定最小涡轮速度下运行；涡轮速度控制模式包括利用关闭的热气旁通阀和在预定最小预旋叶片位置下运行。
22.如权利要求16所述的冷却器系统，其中压缩机、制冷剂冷凝器、蒸发器和汽轮机集成安装在结构框架上。
23.如权利要求16所述的冷却器系统，其中从制冷剂冷凝器输出的冷却水操作连接到输入到蒸汽冷凝器的冷却水。
24.一种冷却器系统，包括蒸汽系统，所述系统包括蒸汽源、汽轮机和连接在蒸汽回路中的蒸汽冷凝器；制冷剂系统，所述系统包括压缩机、制冷剂冷凝器和连接在制冷剂回路中的蒸发器，其中压缩机由汽轮机驱动；被配置和安置成将汽轮机安装在冷却器系统中的涡轮基板，所述涡轮基板包括刚性连接涡轮基板和压缩机的连接装置；和控制蒸汽系统和制冷剂系统二者操作的中央控制面板。
25.如权利要求24所述的冷却器系统，其中涡轮基板包括基部，基部被配置和安置成支撑汽轮机的至少一部分；和连接装置基本上垂直于基部安置。
26.如权利要求25所述的冷却器系统，其中压缩机包括具有加工面的壳体，并且连接装置连接到壳体的加工面。
27.如权利要求24所述的冷却器系统，其中涡轮基板具有邻近压缩机设置的第一端和与第一端相对的第二端，涡轮基板的第一端安装在压缩机的安装布置上，涡轮基板的第二端安装在蒸发器的管板上。
全文摘要
提供了一种用于汽轮机驱动的冷却器单元(10)的控制系统。控制系统自动使用全范围的调节器(48)，压缩机预旋叶片(80)和热气旁通阀(84)的产能，以控制冷却器(10)的产能并且提供防涌浪和超控控制功能，以防止不期望的操作范围同时维持最大的运行效率。
文档编号F01K17/04GK1910347SQ200580003064
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月21日 优先权日2004年1月23日
发明者丹尼斯·L·谢弗, 拉塞尔·M·汤普森, 斯蒂芬·M·卡奇马, 埃里克·J·斯迈德, 布伦达·J·罗伯茨, 丹尼尔·J·彼特罗斯基, 瑞安·P·艾森史密斯 申请人:约克国际公司