用于压缩机系统的加载/卸载控制方法及设备与流程

本发明涉及对旋转式压缩机的加载/卸载控制，具体地涉及估计压缩机的操作状态。

背景技术：

加载/卸载控制方案可以用于控制各种各样的应用。例如，加载/卸载控制非常适合于压缩机被连接至大的压力容器的布置。在加载/卸载控制方案下，以恒定速度操作的压缩机被依次控制成加载模式或卸载模式。

在加载模式下，压缩机产生质流，从而增大压力容器中的压力。当压力容器中的压力达到设定的最大限度时，压缩机被设定成卸载模式。

在卸载模式下，压缩机仍然运行，但不产生质流。可以使用各种策略来使压缩机卸载。例如，可以通过控制压缩机的入口阀将压缩机控制成加载模式或卸载模式。由于不产生质流，所以压力容器中的压力开始减小。在卸载模式下，压缩机可能仅使用加载模式期间的功率消耗的一部分。减小的速率可以取决于输出需求。当压力下降到设定的最小水平时，加载模式被重新激活。

为了确定何时切换到加载模式或者切换到卸载模式，压缩机系统可以包括压力传感器或者用于检测何时达到了限度的传感器。这样的传感器可能会增加压缩机系统的成本。此外，传感器可能易于出现故障并且可能需要定期维护。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种方法和用于实现该方法的设备以减轻上述缺点。本发明的目的通过根据本发明的用于压缩机系统的加载/卸载控制方法及设备来实现。本发明还公开了优选实施方式。

本公开内容描述了一种用于压缩机系统的加载/卸载控制方法，该压缩机系统具有连接至压力容器的旋转式压缩机。在该方法中，可以基于压缩机系统的所监测/所估计的电气量来监测当前的操作状态(例如，压力容器中的压力)。该方法包括识别阶段和操作阶段。

在识别阶段中，压缩机以恒定的转速操作，以产生对压力容器的两种已知压力(即最小限度和最大限度)。监测至少一个电气量(例如，为压缩机提供动力的电机的机械功率或扭矩)，并且存储电气量的与压力限度对应的值。

在操作阶段中，然后可以通过将所监测的电气量的当前值与所存储的值进行比较来检测是否达到压力限度。

以这种方式，压缩机系统可以在没有压力传感器的情况下操作。

附图说明

下面将参照附图，通过优选实施方式来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了示例性压缩机系统的操作的简化示例；

图2示出了插值函数的简化示例；以及

图3示出了以恒定转速运行的示例性识别。

具体实施方式

本公开内容呈现了一种用于压缩机系统的加载/卸载控制方法，该压缩机系统包括连接至压力容器的压缩机、对压缩机的电机进行控制的变频器以及用于将压缩机设定成加载模式或卸载模式的装置。压缩机可以是正排量压缩机(例如螺杆式压缩机)或者动力压缩机(例如离心式压缩机)。在根据本公开内容的加载/卸载控制方法的正常操作期间，控制目标可以是将压力容器内的平均压力维持在期望水平。为了实现这一点，压缩机可以以恒定速度操作并且被控制成加载模式或卸载模式，使得压力容器内的压力保持在设定边界内。这些边界可以是最小压力限度(下限)和最大压力限度(上限)的形式。恒定转速可以是例如压缩机的额定速度。

图1示出了示例性压缩机系统的操作的简化示例。在图1中，在压缩机的操作阶段期间，压缩机系统的压力容器中的压力被示出为时间的函数。该函数示出了处于加载模式和卸载模式下的压缩机。在加载模式下，压缩机产生质流，从而增大压力容器中的压力。当压力容器中的压力达到了设定的最大限度(上限)pmax时，压缩机被设定成卸载模式。在卸载模式下，压缩机仍然运行，但不产生质流。结果是，压力容器中的压力开始减小。减小的速率可以取决于输出需求。当压力下降到设定的最小水平pmin时，加载模式再次被激活。以这种方式，可以将压力容器内的平均压力保持在期望的水平pref。

在根据本公开内容的方法中，可以基于压缩机系统的至少一个所监测/所估计的电气量来监测当前操作状态(例如，压力容器中的压力)。所监测的电气量可以是与恒定转速下的压力容器中的压力成比例的电气量。以这种方式，该量的每个值可以用于表示某个压力。所监测的电气量可以是例如为压缩机提供动力的电机的机械功率或扭矩。

为了确定压缩机系统中的所监测的电气量与压力之间的准确关系，根据本公开内容的方法包括操作阶段前的识别阶段。识别阶段包括识别运行，在识别操作期间对压力容器加压。压缩机可以在电机的已知转速下操作以增大压力容器内的压力，同时监测压缩机系统的压力和至少一个电气量。

基于所监测的压力和至少一个电气量，可以确定该至少一个电气量的第一水平。第一水平可以表示压力容器内的压力的第一压力限度。第一水平可以表示例如在加载/卸载控制方法的卸载模式下的最小压力限度。此外，可以基于所监测的压力和至少一个电气量来确定该至少一个电气量的第二水平。第二水平可以表示压力容器内的压力的第二压力限度。第二水平可以表示例如在加载/卸载控制方法的加载模式下的最大压力限度。在识别阶段期间操作压缩机可以包括：在加载模式下操作压缩机以对压力容器加压，以及在卸载模式下操作压缩机以对压力容器减压。在加压和减压期间可以监测压缩机系统的压力和至少一个电气量。

变频器可以用于监测电气量。例如，可以从变频器得到电机的电压和电流的测量值。基于该电压和电流，可以计算对压缩机的机械功率的估计。在恒定的转速下，机械功率与压力容器内的压力成比例。因此，机械功率可以用于表示压力。在用直接扭矩控制(dtc)方案控制的变频器中，对产生的扭矩的估计可以从变频器控制系统直接得到。在恒定的转速下，对电机的扭矩的估计可以用于表示压力容器内的压力。变频器可以将例如具有时间戳的一个或更多个电气量的样本存储在其存储器中。

可以通过使用各种方法监测压力。在一些实施方式中，可以在识别阶段期间使用临时的压力传感器或永久的压力传感器。例如，在根据本公开内容的方法的一个实施方式中，可以在识别阶段期间通过使用向变频器提供连续压力信息的压力传感器来监测压力容器中的压力。可以基于可用信息来直接确定第一水平和第二水平。换言之，可以将第一水平和第二水平直接设定成所监测的电气量的与第一压力限度和第二压力限度对应的值。在另一实施方式中，可以仅向变频器提供时刻信息，该时刻信息指示何时达到了预定压力限度。以这种方式，可以将在达到预定压力限度的时刻所监测的电气量的值与预定压力限度相关联。如果预定压力限度与加载/卸载控制的第一压力限度或第二压力限度一致，则可以将所监测的电气量的值直接用作第一水平或第二水平。

可替代地，在预定压力限度与加载/卸载控制的第一压力限度和第二压力限度不一致的情况下，可以根据插值函数来计算第一水平和第二水平，该插值函数基于预定压力限度以及所监测的电气量的与所检测的压力限度对应的值。可以针对加载模式和卸载模式二者来计算插值函数。

例如，当压缩机在加载模式下操作时，可以通过检测压力容器内的第一已知压力以及至少一个电气量的与第一已知压力对应的第一值并且通过检测压力容器内的第二已知压力以及至少一个电气量的与第二已知压力对应的第二值来确定第二水平(该第二水平可以用于激活加载模式)。基于第一已知压力和第二已知压力以及第一值和第二值，可以形成插值函数。插值函数可以表示压力容器内的压力与所监测的至少一个电气量之间的关系。例如，如果压缩机的机械功率是所监测的电气量，则插值函数可以将压力表示为机械功率的函数。例如，在正排量压缩机的情况下，插值函数可以是通过由两个所检测的压力限度及其对应的所监测的机械功率的值限定的两个压力功率点的线性函数。然后可以基于插值函数和第二压力限度来确定第二水平。

图2示出了插值函数的简化示例。在图2中，插值函数将处于加载模式下的压力表示为机械功率的函数。该函数是通过由两个所检测的压力限度p1和p2及其对应的机械功率值p1和p2限定的两个点的线性曲线。基于该函数，可以针对加载/卸载控制的期望的第二压力水平pmax容易地确定预定的所监测的机械功率的第二水平pmax。

以类似的方式，在卸载模式下，可以通过检测压力容器内的第一已知压力以及至少一个电气量的与第一已知压力对应的第一值并且通过检测压力容器内的第二已知压力以及至少一个电气量的与第二已知压力对应的第二值来确定第一水平(该第一水平用于激活卸载模式)。与第二水平类似，可以基于第一已知压力和第二已知压力以及第一值和第二值来形成插值函数。然后可以例如以图2所示的方式，基于插值函数和第一压力限度来确定第一水平。

在另一实施方式中，压缩机系统包括具有已知压力限度的最小压力阀和/或具有已知压力限度的最大压力阀，压力阀可以用于确定压力容器中的当前压力。在识别运行的加载模式和卸载模式期间，可以存储所监测的电气量的时间戳样本。基于所存储的样本可以将所监测的电气量表示为时间的函数。然后可以通过观察函数的斜率的明显变化(即变化率)来确定激活/停用压力阀的时刻。然后，可以将函数的电气量在所确定的时刻处的值与阀的压力限度配对。

图3示出了以恒定转速运行的示例性识别。在图3中，处于加载模式下的压缩机的机械功率被示出为时间的函数。在4巴的情况下最小压力阀关闭，在8巴的情况下最大压力阀打开。当最小压力阀被停用以及最大压力阀被激活这两个时间处，函数曲线的斜率显示出明显变化。第一个60秒的测量结果被保留以用于启动压缩机并且确保压缩机单元以恒定的转速工作并且向周围系统提供恒定的压力。然而，取决于压缩机单元，启动时间也可以更短或更长。

此外，如果压力阀的压力限度与第一压力限度和/或第二压力限度一致，则可以将所监测的电气量的值直接用作第一水平和/或第二水平。可替代地，如上所述，第一水平和/或第二水平可以根据插值函数来计算，该插值函数基于压力阀的限度以及所监测的电气量的与压力限度对应的值。

在另一实施方式中，在确定第一水平和第二水平时可以使用在压缩机的额定压力下的已知机械功率。例如，关于额定压力下的已知机械功率的信息可以在由制造商提供的压缩机/泵特性中得到。利用该信息，可以形成压力功率点。此外，在一些实施方式中，可以基于大气压力下的机械功率(例如，当压力容器为空时)来确定另一压力功率点。

当识别阶段已结束并且已经确定了至少一个所监测的电气量的第一水平和第二水平时，可以启动操作模式。在操作阶段中，启动加载/卸载控制方案。压缩机可以以已知的转速操作，并且可以监测至少一个电气量的当前值。如果当前值下降到第一水平，则可以将压缩机设定成加载模式。如果当前值上升到第二水平，则可以将压缩机设定成卸载模式。如果即使当压缩机处于卸载模式时压力仍持续上升，则可以关断压缩机。

本公开内容还描述了一种用于实现根据本公开内容的方法的设备。该方法可以在包括计算装置例如处理器、fpga(现场可编程门阵列)或者asic(专用集成电路)和存储器的设备上实现。例如，该方法可以在用于对压缩机的电机进行控制的变频器上实现。当能够从变频器容易地得到对所监测的电气量的估计/测量时，这可能是期望的。

对于本领域技术人员明显的是，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求书的范围内变化。