壓縮機的控制方法
2023-08-03 07:13:01 1
專利名稱：壓縮機的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種壓縮機的控制方法，所述壓縮機具有一個或更多個壓縮機單元，各壓縮機單元均配備有入口和出口，由此使得該壓縮機能夠連接到使用壓縮氣體的負載。更具體地，本發明的目的是在從滿負荷或部分負荷到零負荷的過渡期間或者在相反的過程期間節約能量，由此壓縮機包括控制單元，所述控制單元將一個上述壓縮機單元或多個上述壓縮機單元的速度控制在額定速度或控制在某額定速度範圍內。
背景技術：
在很多情況下，例如在壓縮機為壓力網供給壓縮氣體的情況下，期望壓縮機出口處的壓縮氣體的流量在一定程度上是能被控制的。在這種情況下，優選根據壓力網中的消耗量對所供給的氣體流量進行調節。·如果屬於壓縮機的壓縮機單元中的至少一個是螺旋式的，則可以在基本上不損失效率的情況下，以已知的方式對所供給的氣體流量進行控制。在這種情況下，壓縮機單元的入口壓力通常以恆定速度降低(但如果壓縮機單元按照渦輪式進行構造，則入口壓力並不是以恆定速度降低的)。如果壓縮機是渦輪式的，則所述壓縮機優選在大體上恆定的流量下運行，由此渦輪壓縮機在額定速度下運轉。在額定速度下，壓縮機在滿負荷下運行，從而壓縮機在其最佳運行工況運行。通過改變壓縮機的速度或藉助入口導葉和/或擴散器導葉，出口流量能以高能效的方式在有限的程度內變化。當所需的流量進一步減少時，採用其它方法來控制出口流量。傳統上，利用放氣活門將壓縮機出口處的壓縮氣體的剩餘部分排放掉。另一已知方法包括有規律地排放壓縮機出口處的全部流體，或者使壓縮機出口處的所述全部流體再循環直至壓力網中的壓力降至低於一定值，而在所述壓力降至低於一定值以後，壓縮機再次供給所述全部流體。這樣，渦輪壓縮機總是可以將所供給的流量調節至所需的流量。已知的方法的重要的缺陷是這些方法是耗能的。另外，能效更高地減少所供給的流量的方式是安裝可調的入口導葉或可選地安裝可調的擴散器導葉，由此每當流動速率(分別在壓縮機級的入口和出口處)變化時，流體入射的角度將被調整。這種方式的缺陷是隨之帶來的相對較高的複雜性和相對較高的製造成本。在所描述的全部方法中，當從負荷狀態進入無負荷狀態或從無負荷狀態進入負荷狀態時，壓縮機的速度保持不變。對於速度受控的離心壓縮機，進一步減少所供給的流量的另一種方式是降低其速度，由此出口壓力藉助放氣活門首先或同時降低，從而可以獲得較低的無負荷功率。壓縮機繼而不向壓力網供給任何流體。
然而，這種方式的缺陷是由於離心壓縮機的功率並不十分依賴於最終壓力，因此在負荷狀態到無負荷狀態之間的過渡期間或者在相反的過程期間產生了巨大的損失。
發明內容
本發明的目的是通過提供一種用於控制壓縮機的方法而為一種或更多種前述缺陷和/或其它缺陷提供一種解決方案，所述壓縮機具有一個或更多個壓縮機單元，各壓縮機單元均具有入口和出口，由此使得在從滿負荷或部分負荷到零負荷的過渡期間，至少第一壓縮機單元經歷了過程A，所述過程A包括以下步驟一至少暫時地降低該第一壓縮機單元的入口壓力；以及一隨後或同時或部分同時且部分隨後地將該第一壓縮機單元的速度和/或驅動轉矩降低至較低值或降低為零，以及/或由此在從零負荷到部分負荷或滿負荷的過渡期間，至少第一壓縮機單元 經歷了過程B，所述過程B包括以下步驟一將第一壓縮機單元的速度和/或驅動轉矩增加到額定值或額定值範圍內；以及一隨後或同時或部分同時且部分隨後地使所涉及的第一壓縮機單元的入口壓力受控地增加。「入口壓力受控地增加」的含義是通過藉助例如控制單元對縮機的某些部件(例如閥、壓縮機單元或類似部件)進行控制而主動增加該入口壓力。優選地，在降低第一壓縮機單元的入口壓力之前，過程A還包括例如通過打開在該第一壓縮機單元的壓力側的放氣活門而降低出口壓力的步驟。根據本發明優選的方面，在使第一壓縮機單元的入口壓力達到合適的水平後，過程B還包括例如通過關閉在該第一壓縮機單元的壓力側的放氣活門而增加出口壓力的步驟。本發明的方法的優點是在滿負荷到部分負荷或零負荷之間的過渡期間或在相反的過程期間內，與現有的壓縮機單元速度的控制方法相比，本發明的方法的能量損失是有限的。例如，當經歷過程A時，第一壓縮機單元吸收較少的功率。可選地，在該過程A期間當以一定的轉矩驅動壓縮機單元時，在從滿負荷到部分負荷或零負荷的過渡期間，第一壓縮機單元的速度較慢地降低。一種具體的情況可以是驅動轉矩等於零，從而使得第一壓縮機單元僅由於其自身的空氣阻力而減速。如果在一定時間之後，第一壓縮機單元沒有收到再次在滿負荷下運行的指令，那麼速度將穩定在所設定的最低速度。因為當經歷這樣的過程A時，入口壓力降低而第一壓縮機單元仍保持較長一段時間的速度，因此在該時間跨度期間轉換到滿負荷需要很少的能量。降低入口壓力的另一個優點是所設定的最低速度比較接近額定速度，該最低速度受到最低轉矩的影響並因而能在最低的能量需求下實現而為此不需要大量的能量。另外，如果壓縮機單元在最低速度下運轉，與現有的方法相比，本發明的方法轉換到滿負荷需要更少的能量。此外，當經歷過程B時，在從部分負荷或零負荷轉換到滿負荷時，使壓縮機單元達到額定速度所用的能量較少。
可選地，對於相同的可獲得的馬達轉矩或利用一定的轉矩控制，過渡到滿負荷所需的總時間可以被減少，這意味著節能的優勢。此外，壓縮機繼而能夠更快地響應壓縮空氣需求的變化。這樣，對於某一可獲得的裝置，用戶可以更準確、更有效地實現壓力控制。這樣的具體情況可以是驅動轉矩等於由馬達提供的最大轉矩，由此使壓縮機單元儘可能快地達到額定速度。
為了更好地顯示本發明的特徵，在下文中參考附圖以示例的方式不帶任何限制性地描述了根據本發明的優選的方法，其中圖I示意性地示出了一種根據本發明的方法進行控制的壓縮機；圖2示出了根據圖I的變形。
具體實施方式
圖I示出了一種壓縮機1，在該非限制性的示例中，所述壓縮機僅包括一個壓縮機單元2 (在本方案中所述壓縮機單元是渦輪式的)，該壓縮機單元向壓力網3供給壓縮氣體，所述壓力網與一個或更多個壓縮氣體用戶相連。壓縮機單元2的入口側上的入口管設有入口閥5，所述入口管連接到壓縮機單元2的待壓縮氣體入口。在該方案中，入口閥5被構造為使得即使在全閉合狀態下，所述入口閥也能使一定的最小流量的氣體流過壓縮機單元2，但這種構造不是必須的。根據附圖中未示出的變形，這樣的入口閥5例如可以(但不是必須的)通過將入口閥5構造為有旁通管經過的切斷閥的形式而實現，並且在切斷閥的全閉合狀態下，所述旁通管允許流體流過該切斷閥。可選地，這種入口閥5可以包括閥體，例如通過設置穿過該閥體和/或閥座的流體通孔，所述閥體在關閉狀態下不完全關閉通過閥座的通道。壓縮機單元2的壓縮氣體的出口通過具有止回閥7的出口管6連接到壓力網3。上述止回閥7可以以常規的方式構造並且包括閥體，所述閥體通過彈性部件被壓到閥座上，但本發明並不排除將上述止回閥7構造為另外類型的閥，例如氣動閥或電驅動閥，或者甚
至是二通閥。本發明並未排除將壓縮機單元2構造為非渦輪式的另外類型的壓縮機單元的形式，例如速度受控的螺旋式壓縮機單元的形式。在壓縮機單元2的出口和止回閥7之間，存在其中設有放氣活門9的支路8，在上述支路上優選(但不是必需的)安裝有消音器10。在前面所述的方案中，其中止回閥7被三通閥取代，該三通閥同樣也可以取代所述放氣活門9。在這種方案中，壓縮機單元2由具有控制單元13的馬達12的軸11直接驅動，在該方案中壓縮機單元也被稱為直接驅動的壓縮機單元。根據本發明的方法，壓縮機I的驅動非常簡單，所述驅動如下。壓縮機單元2通過入口管4吸入氣體(所述氣體例如為空氣但不必須是空氣)。空氣在壓縮機單元2中以已知的方式被壓縮並通過出口管6被供給到壓力網3.在滿負荷下，壓縮機單元2向其出口供給一定流量的壓縮空氣。在此模式中，壓縮機單元2在額定速度下或在確定的額定速度範圍內運行，並且入口閥5打開而放氣活門9關閉。壓縮機單元2以額定速度進行設計和驅動，從而使得在滿負荷下壓縮機單元2的性能最佳，或者換句話說所供給的單位空氣量下的能量消耗(也稱作單位能量消耗)最低。當然，本發明的目標是使壓縮機單元2始終在上述最佳運行區域中運行。如果沒有壓縮空氣被從壓力網3移走，由於壓縮機單元2仍然在滿負荷模式中運行並仍然在持續地供給壓縮空氣，因此上述壓力網中的壓力將增加。壓力網3中的壓力上升。根據本發明，在從滿負荷到零負荷的該過渡期間，可以經歷過程A，所述過程A優選包括打開放氣活門9以降低壓縮機單元2的出口壓力的步驟。結果，壓縮空氣被排放到大氣中。放氣活門9也可以通向貯存部以用於使排放的氣體再循環。放氣活門9的打開導致壓縮機單元2的出口處壓力降低，從而使得止回閥7關閉並且壓縮機單元2與壓力網3隔離，就如所述的那樣，止回閥7也可以由另外類型的閥例如受控閥構成,所述受控閥例如為三通閥。 然後，在經歷過程A時，壓縮機單元2的入口處的壓力降低，這例如通過關閉入口閥5來實現。術語「關閉入口閥」在此並不必然意味著該入口閥有效地完全關閉。實踐中，入口閥5可以並不處於100%切斷的全關狀態中，從而使得仍然可以有小流量流過該入口閥5。在該降低的入口壓力下，例如通過馬達12提供降低的轉矩，壓縮機單元2的速度降低。根據本發明，速度的降低也可以通過使用變速傳動(VSD)馬達(例如帶頻率控制的變速傳動馬達)並以適當的方式對其進行控制來實現。本發明的降低速度的步驟在前面所述的入口壓力降低的步驟之後進行，或者與該入口壓力降低一起進行，或者部分與該入口壓力降低一起進行部分在該入口壓力降低之後進行。由於入口壓力降低，因此壓縮所需的功率顯著降低，從而即使在轉矩減少的情況下，也能使得壓縮機單元2在高速下保持較長一段時間。當壓縮機單元2的速度降低時，所吸入的質量流量也會降低，這導致入口閥5兩側的壓降減少。當速度降低時，通過進一步關閉入口閥5，可以增加上述入口閥5兩側的壓降。在使用螺旋式壓縮機的情況下，通過進一步關閉入口閥5來增加入口閥5兩側的壓降是適當的。在這種情況下，可選地，也可以使入口閥5快速處於其最終的關閉狀態。如果使用離心式壓縮機，那麼可以選擇使入口閥保持在相同狀態並允許入口壓力再次升高。正如所知的那樣，離心式壓縮機在低速下不能實現巨大的壓差。如果最終需要達到很低的速度下的無負荷狀態，那麼這意味著這樣的壓縮機單元的入口壓力和出口壓力必須彼此接近。如果壓力網3中被移走的壓縮空氣沒有增加，則速度將會最終穩定在取決於例如所設定的降低的轉矩的某值。如果壓力網3中被移走的壓縮空氣增加，這意味著存在從零負荷到部分負荷或滿負荷的過渡，那麼根據本發明，在該過渡狀態期間，例如通過增加馬達轉矩而可以經歷過程B，速度再次增加到額定速度或額定速度範圍，在這之後且優選在入口壓力達到額定值以前，壓縮機單元2的入口壓力例如通過打開入口閥5而以受控的方式增加，由此使得壓縮機單元2的出口壓力優選地增加。速度控制也可以通過對馬達的頻率進行控制來實現。在這種情況下，通過關閉放氣活門9來增加出口壓力。止回閥7打開，這樣壓縮機單元2可以再次將壓縮空氣供給到壓力網3.這種情況的具體示例是其中入口閥5最初是(幾乎)關閉的。如果初始速度低，那麼這意味著入口閥5兩側的壓降幾乎為零(這是由於通過入口閥的質量流量很低)，因此第一壓縮機單元的入口壓力就幾乎等於大氣壓力(假定入口閥5安裝在大氣壓入口處)。通過在入口閥的狀態不變的情況下增加速度，入口壓力將由於入口閥5兩側的壓降增加而首先降低。當達到額定速度時，入口閥5可以打開，從而使得入口壓力回升到大氣壓力，放氣活門繼而關閉從而使得出口壓力增加且止回閥打開。在該過渡期間，入口壓力同樣較低。在從滿負荷到部分負荷的過渡期間或者在相反的過程期間，轉矩並不用來壓縮空氣。在這些過渡階段期間，入口閥5關閉從而使得壓縮機單元2在降低的入口壓力下運行。因此清楚的是，可以保持相對較高的最小穩定速度，並且利用一最小轉矩，速度可以再次增加到額定速度；或者利用相同的轉矩，可以實現更快地加速到額定速度。如果通過對馬達12的轉矩進行控制而使壓縮機單元2的速度改變，那麼優選的構造是在從滿負荷到零負荷的過渡期間，使得轉矩為零；而在從零負荷到滿負荷的過渡期間，使得壓縮機單元2以最大馬達轉矩被驅動。這樣，在滿負荷或部分負荷到零負荷之間的過渡期間或者在相反的過程期間，能量損失可以受到限制。這也是本發明的方法的最重要的優點。另外，與相對昂貴的例如入口導葉或擴散器導葉相比，所描述的本發明在成本上相對有利。在從滿負荷到部分負荷或零負荷過渡中或者在相反的過渡中，上述步驟可以以上述順序進行或同時進行或部分同時進行。在圖I中，入口閥5和放氣活門9以兩個單獨的部件示出。也可以將放氣活門9和入口閥5整合為一個部件。在另一實施方式中，放氣活門9和入口閥5可以機械連接和/或電連接在一起或者以其它方式連接在一起，從而使得也能對它們進行共同控制。在上文描述的各示例中，通過關閉壓縮機單元2的入口管4中的入口閥5而調節入口壓力，從而使得空氣供給被阻斷。然而，在不超出本發明的範圍的情況下，也可以以其它方式使得入口處的上述壓力變化得以實現。例如，如果入口壓力比大氣壓高，則可以打開放氣活門從而將氣體排放到大氣中。因此入口壓力也將降低。因此在圖2所示的情況中，上述壓力降低是通過對所涉及的壓縮機單元2B上遊處的第二壓縮機單元2A的運行模式進行調節而實現的，所述第二壓縮機單元優選(但不是必需的)構造為其速度能被控制的螺旋式壓縮機的形式。可選地，其可以是配備有放氣活門或入口閥或類似部件的螺旋式壓縮機單元。多級壓縮機也可以通過對所涉及的壓縮機單元下遊處的壓縮機單元的運行模式進行調節來改變所述所涉及的壓縮機單元的出口壓力。可選地，所涉及的壓縮機單元的下遊處的壓縮機單元可以是速度能被控制的螺旋式壓縮機單元。本發明的方法還可以應用於具有至少兩個壓縮機單元的壓縮機，該壓縮機由同一個馬達直接驅動，或者以其他方式驅動。本發明絕不限於作為示例進行描述且在附圖中示出的實施方式，相反，在不偏離本發明的範圍的情況下，這種方法可以以各種 變形實現。
權利要求
1.一種用於控制壓縮機的方法，所述壓縮機具有一個或更多個壓縮機單元(2，2A，2B),各壓縮機單元均具有入口和出口，其特徵在於，在從滿負荷或部分負荷到零負荷的過渡期間，至少第一上述壓縮機單元(2，2A，2B)經歷了過程A，所述過程A包括以下步驟 一至少暫時地降低所述第一壓縮機單元的入口壓力；以及 一隨後或同時或部分同時且部分隨後地將所述第一壓縮機單元的 速度和/或驅動轉矩降低至較低值或降低為零，以及/或在從零負荷到部分負荷或滿負荷的過渡期間，至少第一壓縮機單元(2，2A，2B)經歷了過程B，所述過程B包括以下步驟 一將所述第一壓縮機單元的速度和/或驅動轉矩增加到額定值或額定值範圍內；以及 一隨後或同時或部分同時且部分隨後地使所述第一壓縮機單元的入口壓力受控地增加。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，過程A還包括以下步驟，即至少在降低第一壓縮機單元的入口壓力之前，降低第一壓縮機單元的出口壓力。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，通過打開放氣活門(9)而降低第一壓縮機單元的出口壓力，所述放氣活門設在所述第一壓縮機單元的壓力側或設在所涉及的所述第一壓縮機單元的下遊的壓縮機單元的出口處。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述過程B還包括以下步驟，即至少在增加第一壓縮機單元的入口壓力之後，增加第一壓縮機單元的出口壓力。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，通過關閉放氣活門(9)而提高第一壓縮機單元(I)的出口壓力，所述放氣活門設在所述第一壓縮機單元的壓力側或者設在所涉及的第一壓縮機單元的下遊的壓縮機單元的出口處。
6.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述過程B還包括以下步驟，即將第一壓縮機單元的入口壓力增加至額定值。
7.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，通過打開或關閉入口閥(5)而改變第一壓縮機單元(2，2A，2B)的入口壓力，所述入口閥設在所涉及的所述第一壓縮機單元的入口或設在所涉及的第一壓縮機單元的上遊的壓縮機單元的入口。
8.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，通過打開或關閉放氣活門(9)而改變第一壓縮機單元(2，2A，2B)的入口壓力，所述放氣活門設在所涉及的第一壓縮機單元的上遊。
9.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，通過調節所涉及的第一壓縮機單元的上遊的壓縮機單元的運行模式而改變第一壓縮機單元(2，2A，2B)的入口壓力。
10.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，通過對所涉及的第一壓縮機單元的上遊的壓縮機單元進行控制而改變第一壓縮機單元(2，2A，2B)的入口壓力，所述所涉及的第一壓縮機單元的上遊的壓縮機單元被構造成其速度能夠被控制的螺旋式壓縮機單元的形式。
11.根據權利要求2和/或4所述的方法，其特徵在於，通過調節所涉及的第一壓縮機單元的下遊的壓縮機單元的運行模式而改變第一壓縮機單元(2，2A，2B)的出口壓力。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所涉及的第一壓縮機單元下遊的壓縮機單元是速度能夠被控制的螺旋式壓縮機單元。
13.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於，該方法應用於直接驅動的壓縮機單元或具有至少一個直接驅動的壓縮機單元的壓縮機。
14.根據權利要求7和/或8結合權利要求3和/或5所述的方法，其特徵在於，所述入口閥和/或放氣活門被整合為一個部件。
15.根據權利要求14和/或根據權利要求7和/或8結合權利要求3和/或5所述的方法，其特徵在於，所述入口閥和/或放氣活門機械連接到一起和/或電連接到一起，並且所述入口閥和/或放氣活門一起被控制。
16.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述方法應用於以直接驅動的渦輪式壓縮機單元的形式構造的壓縮機單元(2，2A，2B)。
17.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述方法應用於以速度受控的螺旋式壓縮機單元的形式構造的壓縮機單元(2，2A，2B)。
18.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於，全部上述壓縮機單元被納入到一個殼體中。
全文摘要
一種壓縮機控制方法，所述壓縮機包括壓縮機單元，其特徵在於在從滿負荷或部分負荷到零負荷的過渡期間，進行包括如下步驟的過程A降低入口壓力；降低速度和/或驅動轉矩；和/或在從零負荷到部分負荷或滿負荷的過渡期間，進行包括如下步驟的過程B增加速度和/或驅動轉矩；以及增加入口壓力。
文檔編號F04D17/12GK102918277SQ201180019777
公開日2013年2月6日 申請日期2011年4月8日 優先權日2010年4月20日
發明者F·G·M·休伯蘭德, S·J·R·J·揚森斯, U·帕納, F·P·I·拜恩斯 申請人:阿特拉斯·科普柯空氣動力股份有限公司