技术领域
[0001] 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。
[0002] 背景技术
[0003] 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。
[0004] 发明内容
[0005] 文献EP0186332A1、WO2006/017365A2以及EP0761981A2涉及前述类型的方法。
[0006] 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。
[0007] 上述目的通过根据
权利要求1的方法和根据权利要求11的系统实现。
[0008] 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（ψ）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（ψ）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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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；
[0014] -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；
[0015] -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；
[0016] -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；
[0017] -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；
[0018] -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[0019] -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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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：
[0023] -围绕所述操作速度设定点确定正负死区窗口；
[0025] -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。
[0026] 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。
附图说明
[0027] 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：
[0028] 图1示出根据本发明的一个实施方式的压缩机系统；
[0029] 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；
[0030] 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。
具体实施方式
[0031] 参照图1，示出根据本发明的实施例的压缩机系统1。系统1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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 下面，定义在本论述中所使用的特定术语。
[0037] 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（1）来表示：
[0038]
[0039] 其中，
[0040] Cp是压缩机流体在恒定压力下的
比热，
[0041] Ti是压缩机进口温度，
[0042] P1是进口压力或抽吸压力，
[0043] P2是排出压力，并且
[0044] k是压缩机流体的比热的比值。
[0045] 用在所示实施方式的上下文中的术语“压力数”（ψ）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：
[0046]
[0047] 其中，
[0048] H是压缩机压头，并且
[0049] U是叶轮外缘速度。
[0050] 而叶轮外缘速度（U）是压缩机速度N和叶轮外缘直径（D2）的函数，如下通过关系式（3）表示：
[0051] U＝f(N，D2) （3）
[0052] 在本论述的上下文中，压缩机速度（N）指的是压缩机的旋转轴速。
[0053] 根据本发明的一个方面，对于压缩机的每个操作点而言，考虑在该操作点的气动流量定量，确定压缩机压头（H）和压力数（ψ）。在所示示例中，气动流量定量由称为可变扩压器的可变几何形状的扩压器来提供。然而，可以理解，气动流量定量可以通过如可变几何形状的进口引导叶片等其他装置提供。压力数（ψ）作为在该操作点处的可变扩压器位置的函数确定为在该操作点处的最大流量的控制压力数。最后，基于以上关系式（2）和（3）由所确定的压头（H）和控制压力数（ψ）计算出用于压缩机速度（N）的操作设定点。
[0054] 如从以上等式（2）注意到的，压力数（ψ）是等熵压头（H）除以外缘速度（U）的平方的函数。根据本发明的实施例，在喘振时的压力数（ψS）作为可变扩压器位置的函数得到确定。最大流量所需的控制压力数（ψ）可能不等于喘振压力数（ψS），而等于由操作者的最大性能数据表流量要求所确定的较低的值。因为外缘速度（U）是轴速和叶轮外缘直径（D2）的函数，操作轴速设定点可以通过等熵压头（H）与控制压力数（ψ）的比值的平方根来得到。所提出的算法有利地通过以最高效率操作压缩机来最小化能量消耗。
[0055] 图2是示出根据本发明的一种实施方式的示例控制算法20的流程图。在本示例中，控制算法通过PLC来执行。然而，在替选实施方式中，控制算法可通过任意其他计算机控制装置如微控制器、台式电脑、或者甚至是通用微处理器来执行。在任意操作点，对算法20的输入包括过程输入31、指示在该操作点的气动流量定量的输入32（在本实施例中即可变扩压器位置）和指示感测到的压缩机速度反馈的输入32。在 流程块21处，根据这些输入进行错误检查，其中，如果这些输入中的任一个处于
指定的最大限值和/或最小限值之外，那么它们会被默认值取代。
[0056] 如上所述，过程输入31包括过程值，过程值例如包括：压缩机进口温度、排出压力、排出温度、一级
过滤器压力损失、二级过滤器压力损失、大气压力和相对湿度。这些输入可动态地获得，例如从设置在压缩机预装件中的相应的传感器获得。在替选的（低成本）实施方式中，上面的动态输入可以被限制为仅有进口温度。其他过程值可以作为来自压缩机性能数据表（PDS）的固定数值输入。
[0057] 在流程块22处，基于从过程输入31获得的过程值计算不同的常数，这些常数形成用于确定压缩机压头的基础。这些常数例如包括
水的饱和压力、水在液流中的分压、压缩机流体的比气体常数和压缩机流体的比热比。在流程块23处，基于上面提到的关系式（1），利用过程输入31中的过程值和在流程块22处计算出的常数来确定压缩机压头（H）。在流程块23处确定的压头此外可考虑到表示喘振裕度的输入20a，该输入20a通常是基于设计数据的固定值。在本示例中，在输入20a中的喘振裕度是以压力单位表示的压力喘振裕度。在压头的计算中，压力喘振裕度被加到压缩机排出压力上。替选地，在输入20a中的喘振裕度可以以温度或压头的单位表示。在流程块23处的压头的确定通常基于若干固定的和通用的常数，这些常数可进一步作为输入20b被接收。在所示实施方式中，在流程块23处确定的压缩机压头是如上所定义的等熵压头。在替选实施方式中，取代等熵压头，可在流程块
23处将多变压头作为压缩机压头来确定。
[0058] 流程块24包括：确定用于给定操作点的控制压力数（ψ）。控制压力数（ψ）设置为用于得到在所述操作点的最大流量。利用表示在所述操作点的气动流量定量的输入32来确定控制压力数。在该示例中，气动流浪定量通过可变扩压器位置（VD）来限定。可变扩压器位置输入可以用从0（关闭）到10（100%打开）的数值范围来表示。可变扩压器位置（VD）输入32是动态值，并且可以例如通过操作者来控制。在本发明的一个实施方式中，在流程块24处的控制压力数（ψ）的确定是基于通过控制曲线限定的可变扩压器位置和压力数之间的关系。控制 曲线可以设置成用于操作所述压缩机在所述操作点以最小裕度喘振。控制曲线可以如下所述地获得。
[0059] 为了获得控制曲线，从压缩机测试数据中获得第一曲线图，所述第一曲线图标示用于不同可变扩压器位置（VD）的压头与流量的关系曲线。当选择在曲线上的点时，标示位置应该可以提供压力数ψ和流量系数 基于该曲线图，最大和最小VD限值（VDmax，VDmin）被确定用于可实现的流量。VD限值被选取为范围从0.5至最大值10。在确定VD限值（VDmax，VDmin）时，检验最大流量在每种条件下都可以实现。最小VD限值（VDmin）通过找到最小值条件并检验此流量能够实现来确定。下一步，基于压缩机测试数据和PDS，如果PDS上的速度、压头和流量匹配测试数据，那么选择在前述曲线图上落在最大VD限值线上的最大压力数（Ψmax），将产生满足PDS的流量和压头。
[0060] 随后，从PDS确定基于所选择的压力数值的最大速度（Nmax）。附加的地确定在最小值操作条件下的最小速度。
[0061] 此外，如在图3中所示，从压缩机测试数据获得第二曲线图50，从而标示在不同压缩机速度下的喘振时的压力数（ψS）与可变扩压器位置（VD）的关系曲线。在此，得到分别用于压缩机速度为14000RPM、16000RPM、18000RPM、20000RPM和21000RPM的曲线51、52、53、54和55。在曲线图50上标出第一点61。该点由从第一曲线图获得的最大气动流量定量限值（VDmax）和从PDS获得的最大压力数限定。作为示例，假设：在上面获得的最大VD限值（VDmax）和最小VD限值（VDmin）分别是2和9。此外，假设：由PDS获得的最大压力数（Ψmax）和最大速度（Nmax）分别是1.4和18000RPM。基于这些值，第一点61可以由最大VD限值（VDmax=9）和最大压力数（Ψmax=1.4）限定。
[0062] 下一步，在曲线图50上标出第二点62。第二点62由对应于从PDS确定的最大速度（Nmax=1800RPM）的曲线53上的喘振时的压力数的最小值（Ψint）和相应的VD中间值（VDint）来限定。下一步，在曲线图50上标出第三点63。第三点63由在最大速度的曲线53上的最小VD限值（VDmin=2）和相应的压力数的值（Ψmin）来限定。最后，利用点61、62和63获得控制曲线56。如图所示，控制曲线56包括由 第一点61和第二点62限定的第一部分56A和由第二点62和第三点63限定的第二部分56B。
[0063] 基于控制曲线56，可在压力数和VD之间建立数学关系，其允许将控制压力数推导为可变扩压器位置的函数。在本示例中，压力数和VD之间的关系是线性地，即由直线限定。相应地，可推导出使压力数与VD相关联的等式，其中，斜率和y轴截距由点61、62和63的坐标限定，也就是说由（VDmax，Ψmax）、（VDint，Ψint）和（VDmin，Ψmin）限定。
[0064] 往回参考图2，在流程块24处，使用VDmax、Ψmax、VDint、Ψint、VDmin和Ψmin作为输入来确定控制压力数的值。这些值可预先确定并且作为设计输入20c供应到算法中。流程块24相应地包括首先基于输入20c计算用于使压力数与VD位置相关联的等式的斜率和y轴截距，然后利用所述等式来确定作为从输入32接收到的VD值的函数的控制压力数（ψ）。
[0065] 随后，在流程块25处，基于上面讨论的关系式（2）和（3），利用在流程块23处确定的压缩机压头（H）、在流程块24处确定的控制压力数（ψ）、以及指示叶轮外缘直径（D2）的对压缩机几何形状的输入20d来确定压缩机速度（N）的操作设定点。
[0066] 压缩机速度可基于在流程块25处确定的速度设定点并通过将该速度设定点提供给变频驱动器（VFD）来控制。优选地，在流程块25处获得的速度设定点首先被过滤，以便从速度信号中除去仪器使用和计算抖动。在所示实施方式中，在流程块26处，确定围绕在流程块25处获得的速度设定点的正的和负的死区窗口。确定死区窗口以控制发送到VFD的速度值，以便让VFD对正常条件下的真实改变而不是噪声做出反应。在流程块27，确定从输入33获得的测量速度反馈是处于正的和负的死区窗口之内还是之外。最后，在流程块28，仅当测量速度反馈处于正的和负的死区窗口之外时，将操作速度设定点提供给VFD。
[0067] 上述方法的各方面也能够以包含指令的
计算机程序代码的形式实施，计算机程序代码收录在如
软盘、CD-ROM、
硬盘驱动器、DVD等实体媒介中或收录在任何其他计算机可读存储媒介中，其中，当计算机 程序代码加载到计算机或者控制器中并由其执行时，实施前面提到的步骤。
[0068] 替代上述实施方式，也可以在多个操作点利用压缩机速度作为用于控制气动流量定量的基础来控制气动流量定量。相应地，压缩机系统的控制器可适于基于在操作点的测量过程值来确定压缩机压头，并且适于确定作为在所述操作点的压缩机速度的函数的控制压力数。控制器此外可适于基于所确定的压头和控制压力数来确定用于通过压缩机的流体流量的气动定量的设定点。然后可以基于所计算的气动流量定量的设定点来控制气动流量定量，例如，控制可变扩压器位置。
[0069] 尽管参考具体实施方式描述了本发明，但此描述不想以限制意义进行解释，在参考对本发明的描述之后，本发明的所公开的实施方式的不同改型以及替选实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此认为，可以在不背离所附权利要求限定的本发明的精神或范围的情况下，实现这样的改型。
