CN100351527C - 涡轮式压缩机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种发动机驱动的涡轮式压缩机，包括入口导流叶片(2)及排气阀(10)，由于具有对应被压缩机所吸入的工作气体的温度和压力的、有关入口导流叶片最小角度的数据库，因此能够确保不发生喘振和较宽的工作范围。

Description

涡轮式压缩机及其运行方法

技术区域

本发明涉及涡轮式压缩机及其运行方法，特别涉及一种防止喘振并改善涡轮式压缩机运行的涡轮式压缩机及其运行方法。

背景技术

在化学工厂等地使用的涡轮式压缩机中，在多数情况下，大约一定的排出压力为额定压力。在涡轮式压缩机中，如果吸入气体的温度和压力等发生了变化，则即使旋转速度一定，排出压力也发生变化。其结果是，存在无法达到所规定的排出压力的危险。这里，如特开昭56-121898号公报所记载的，尽早检测出工作气体的吸入温度和压力，对应所检测的吸入温度和压力改变驱动机的旋转速度，从而控制涡轮式压缩机，使涡轮式压缩机的排出压力达到规定排出压力。

特开平1-200095号公报中记载有以往涡轮式压缩机的其它的例子。在该公报中记载的多级离心式压缩机中，通过对应吸入温度的变化而改变驱动机的最小旋转速度，从而避开被称为喘振的不稳定现象，使得压缩机在较广的工作范围内稳定工作。另外，在特开平10-89287号公报中，检测涡轮式压缩机工作气体的吸入温度，且以检测到的吸入温度与预先求出的基准吸入温度之比的约1/3乘方成比例，改变压缩机的旋转速度，从而在使涡轮式压缩机的排出压力维持一定的定风压控制中降低轴动力。

与这些改变压缩机的旋转速度、进行定风压控制的各以往例子不同，特开昭62-96798号公报中记载的是对应涡轮式压缩机吸入气体的吸入温度而改变设在压缩机吸气侧的入口导流叶片的叶片角度，可精确地调整流量。

而在上述特开昭56-121898号公报、特开平1-200095号公报和特开平10-89287号公报中记载的涡轮式压缩机中，虽然对应吸入温度而控制压缩机的旋转速度，但是，在电动机驱动的涡轮式压缩机中，为了改变旋转速度，需要变频驱动电动机，有价格高的缺点。而且，特开昭62-96798号公报中所记载的压缩机中，没有考虑在控制容量时要避免喘振，同时扩大压缩机稳定工作区域的问题。

发明内容

本发明鉴于上述以往技术的缺点，其目的是在电动机驱动的涡轮式压缩机中，控制排出压力大致保持一定，同时，确保较宽工作区域不发生喘振。本发明的另一个目的是，用简单的机构确保涡轮式压缩机的较宽工作范围。而且，本发明以至少达到以上任何一个目标为目的。

为达到上述目的本发明的涡轮式压缩机的特征是，具有叶片角度可变的入口导流叶片及排气阀，还具有吸入状态检测装置和控制装置；所述吸入状态检测装置，检测被该涡轮式压缩机吸入的工作气体的吸入温度与吸入压力中的至少一个；所述控制装置，具有与吸入状态和目标压力对应的、有关上述入口导流叶片最小角度的数据库。

为达到上述目的本发明的涡轮式压缩机的其它特征是，具有叶片角度可变的入口导流叶片、涡轮式压缩机本体、检测涡轮式压缩机排出压力的排出压力检测装置、位于比该排出压力检测装置靠近涡轮式压缩机本体侧的止回阀、排出被涡轮式压缩机压缩的气体的排气阀、位于入口导流叶片上游侧并检测被涡轮式压缩机吸入的工作气体的吸入温度和吸入压力中的至少一个的吸入状态检测装置、控制入口导流叶片角度及排气阀开闭的调节装置；在止回阀与涡轮式压缩机本体之间设置有喘振检测装置，在调节装置中设置有记述对应吸入条件和目标压力的最小入口导流叶片角度关系的数据库。

而且，在该特征中，希望调节装置能在喘振检测装置检测到喘振时更新数据库的最小入口导流叶片角度数据，也可以拥有控制调节装置的上位控制装置。

为达到上述目的本发明的涡轮式压缩机的运行方法的其它特征是，使用入口导流叶片和排气阀控制涡轮式压缩机的排出压力；基于在入口导流叶片上游侧设置的温度检测装置或压力检测装置所检测到的检测值，参照在该压缩机上所具有的调节装置中预先储存的最小入口导流叶片角度数据，求出该检测值处的最小入口导流叶片角度，叶片驱动装置驱动入口导流叶片达到该最小角度以上。

而且，在该特征中，在涡轮式压缩机中出现了喘振时，仅以规定的量打开入口导流叶片，并更新上述入口导流叶片角度数据库；预先将对应吸入流量的压缩机的排出压力特性储存在调节装置中，吸入流量变化后根据该特性求出的入口导流叶片角度，如果小于最小入口导流叶片角度，则将入口导流叶片设定为最小入口导流叶片角度，并且打开排气阀；在排出压力高于目标排出压力时，求出叶片角度偏差量，若加上该偏差量后的叶片角度在最小入口导流叶片角度以下，则将入口导流叶片设定为最小入口导流叶片角度，并且仅以规定量打开排气阀；在排出压力高于目标排出压力、使排气阀全开时，将入口导流叶片全闭并移至无负荷运行，若该状态持续规定时间，则停止压缩机的运行。

附图说明

图1至图3是说明涡轮式压缩机特性的图。

图1是说明吸入流量与排出压力关系的图；

图2是说明由于吸入温度不同特性曲线变化的图；

图3是说明由于吸入压力不同特性曲线变化的图。

图4是本发明的涡轮式压缩机的一个实施例的***图。

图5及图6是图4所示的涡轮式压缩机的运行控制流程图，图6详细说明步骤86的内容。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明涉及的涡轮式压缩机的一个实施实例。图1至图3是说明压缩机特性的图。是在涡轮式压缩机的吸入侧设置入口导流叶片、并使用了定风压控制将涡轮式压缩机的旋转速度控制为大致保持一定的情况。在以往的这种涡轮式压缩机中，将入口导流叶片的最小开度βmin设定在一定值以避免喘振。

作为该涡轮式压缩机的流量与排出压力的关系曲线的Qs-Pd特性曲线，如图1所示。是将排出压力Pd定风压控制至目标压力Pt的例子。虚线SL表示喘振线。若改变入口导流叶片开度β来改变吸入流量Qs的话，则吸入流量在使排出压力Pd等于目标压力Pt的图中的点划线上变化。而且，一旦入口导流叶片开度β在最小开度βmin以下，在该定风压控制中发生喘振。与此对应，在将入口导流叶片开度β保持一定来运行压缩机时，排出压力Pd与变化的吸入流量Qs对应，按如图中实线所示变化。入口导流叶片开度从最大的βmax变至最小的βmin，在进行控制以达到目标排出压力Pd时的流量范围是稳定工作区域Qst。

然而，如果涡轮式压缩机中被压缩机吸入的工作气体的吸入温度发生变化，则该特性也将变化。例如，如果工作气体的吸入温度Ts是夏季吸入温度Ts＝Ts1，则排出压力Pd相对吸入流量Qs显示出图中虚线B1所示的特性。如果吸入温度Ts低至冬季吸入温度Ts＝Ts2，则排出压力Pd变成图中实线A1所示的特性。

在该图2中，当工作气体的吸入温度Ts较低时(Ts＝Ts2)的压缩机稳定工作区域QTs2，比吸入温度Ts较高时(Ts＝Ts1)的稳定工作区域QTs1宽。即，在可变入口导流叶片开度β保持在最小开度βmin的以往的避免喘振的方法中，即使在吸入温度Ts较低的冬季，在基于多于有可能发生喘振的边界流量的夏季喘振边界流量来设定入口导流叶片开度也是必要的。其结果是，即使吸入温度较低使用上述导流叶片开度并不发生喘振时，也必须进行打开避免喘振作用的排气阀排气这样无用的工作。

而且，涡轮式压缩机的特性，根据工作气体吸入压力的改变而变化。图3表示了吸入流量Qs与排出压力Pd的关系随吸入压力而变化的情况。吸入压力低时(Ps＝Ps1)、保持入口导流叶片开度β一定而改变吸入流量时的排出压力的变化，由虚线B2所示，吸入压力高时(Ps＝Ps2)进行同样变化时的排出压力的变化由实线A2所示。而且，作为各条件下发生喘振的边界的喘振线，由虚线SL1和SL2所示。如图3所示，吸入压力Ps1的稳定工作区域QPs1，比吸入压力Ps2的稳定工作区域QPs2狭小。即，吸入压力Ps越高，稳定工作区域越宽。而且，涡轮式压缩机的稳定工作区域不仅随着吸入温度和吸入压力变化，而且也会由于内部灰尘堆积或随时间老化等而变化。

这样，在因吸入条件等导致特性变化的涡轮式压缩机中，不浪费动力且有效控制流量直至喘振边界的情况用图4说明。图4是本发明的电动机驱动的涡轮式压缩机的一个实施例的***图。实线表示工作气体的实际流动状态，虚线表示各种电信号的流动。本实施例的涡轮式压缩机有3级压缩室3、5、7。在各级压缩机室之间设置有中间冷却器4、6，在最末级压缩室7的下游设置有后置冷却器8。在初级压缩室3的入口侧设置有可变入口导流叶片2，在该可变入口导流叶片2的上游侧设置有过滤器1。

在这样构成的涡轮式压缩机中，工作气体在通过吸入过滤器1后，流入可变入口导流叶片2。涡轮式压缩机周围的温度或气压的变化、以及过滤器的压损等常常造成吸入温度Ts与吸入压力Ps的变化。这里，用于检测吸入温度Ts的温度传感器11，被安装在吸入过滤器1与入口导流叶片2之间的流路中。同样，为了检测吸入压力Ps，压力传感器14被安装在吸入流路中。由温度传感器11检测到的吸入温度信号，经信号线12被送入调节装置27中。由压力传感器13检测到的吸入压力信号，经信号线13也送入调节装置27中。

为了检测入口导流叶片2的叶片开度β，在入口导流叶片2的附近设置有叶片开度检测装置15。该叶片开度检测装置15检测到的叶片开度信号，经信号线16被送入调节装置27中。

由入口导流叶片2调整了流量的工作气体，经各级压缩室3、5、7压缩成为高温气体。该高温工作气体与配置在压缩室3、5、7下游的中间冷却器4、6以及后置冷却器8中的冷却水或冷却空气进行热交换，被冷却至约40℃。在后置冷却器8的下游配置有止回阀9，通过止回阀9将压缩气体送回所需要的原来位置。在止回阀9的下游，安装有检测排出压力Pd的压力传感器19。由该压力传感器19检测到的排出压力信号，经信号线20送入调节装置27中。

在后置冷却器8与止回阀9之间形成有分支管部30，在分支的配管上安装有排气阀10。排气阀10是为防止排出压力Pd过大而设置的。一旦自调节装置27来的指令信号经信号线22输入到排气阀驱动装置21中，排气阀10打开，防止排出压力上升。排气阀10能够调节开度。这里，检测排气阀10开度的排气阀开度检测装置25被安装在排气阀10或排气阀驱动装置21上。由排气阀开度检测装置25检测到的排气阀10的开度，经信号线26送入调节装置27中。在分支管部30与后置冷却器8之间安装有喘振检测装置23，由该喘振检测装置23检测到的信号，经信号线24送入调节装置27中。而且，目标压力经信号线28从上位控制装置40送入调节装置27中。

用图5及图6中的流程图详细说明输入各种信号的调节装置27的动作。向调节装置27中输入来自上位控制装置40的目标压力Pt信号。一旦开始由调节装置27进行的控制(步骤50)，则调节装置27使用喘振检测装置23，检测在涡轮式压缩机中是否发生了喘振(步骤52)。喘振检测装置23被安装在止回阀9的上游侧，将压缩机的排出压力Pd信号线24上的信号送入调节装置27中。在该Pd的时间变化率ΔPd/Δt超过预先设定值的情况下，因为发生了急剧的压力变化，因此认为发生了喘振。

当在步骤52中判断压缩机未发生喘振时，使用温度传感器11和压力传感器13检测到的吸入温度Ts及压力Ps，计算设定在入口导流叶片2的最小叶片开度βmin(步骤54)、更新入口导流叶片2中的最小叶片开度βmin的设定。接着，基于由排气阀10的开度检测装置25检测到的信号，判断排气阀开度α是全闭状态αmin还是开放状态(步骤56)。

当排气阀10处于全闭状态αmin时是负荷运行，所以比较排出压力Pd与目标压力Pt(步骤58)。当排出压力Pd比目标压力Pt高(Pd＞Pt)时，由于消耗气体量比压缩机产生的压缩气体量少，因此，减少流量。当检测完排气阀开度α后，将叶片开度检测装置15检测到的入口导流叶片2的叶片开度β与设定的最小导流叶片开度βmin进行比较(步骤60)。当所设定的最小导流叶片开度βmin在叶片开度检测装置15检测到的叶片开度β以上时，即，当β≤βmin时，利用叶片驱动装置17将叶片开度β打开至最小叶片开度βmin(步骤70、72)。在该状态下，使用入口导流叶片进行流量控制是不可能，因此，移至所谓排气运行。

在步骤60的入口导流叶片开度判定中，如果判断叶片开度检测装置15检测到的叶片开度β比设定的最小叶片开度βmin大(β＞βmin)，且在步骤58的排出压力判定中，如果判断排出压力Pd比目标压力低(Pd＜Pt)，则调整流量，以达到最佳负荷运行。这里，从目标压力Pt与排出压力Pd的偏差，将流量偏差换算成叶片开度的偏差量Δβ，计算下次设定的叶片开度βn(＝β+Δβ)(步骤62)。将所计算的叶片开度βn与最大叶片开度βmax进行比较(步骤64)。

当所设定的叶片开度βn小于最大叶片开度βmax时，即当βn＜βmax时，比较设定叶片开度βn与最小叶片开度βmin(步骤66)。当设定叶片开度βn大于最小叶片开度时，将驱动入口导流叶片仅移动偏差开度Δβ而至设定叶片开度βn的指令，送入叶片驱动装置17中(步骤68)。

在步骤64中，如果判断设定叶片开度βn在最大叶片开度βmax以上(βn≥βmax)，则因为无法将叶片打开至最大叶片开度以上，所以将设定叶片开度βn重新设定为最大叶片开度βmax(βn＝βmax)(步骤74)。同样，如果在步骤66中判断为设定叶片开度βn在最小叶片开度βmin以下，则为了防止喘振，将设定叶片开度βn重新设定为最小叶片开度βmin(βn＝βmin)(步骤76)。通过以上工作，不仅设定了设定叶片开度βn，而且用叶片驱动装置17驱动入口导流叶片2打开至设定叶片开度βn(步骤68)。之后，回到步骤52为下面的测定做准备。

在步骤56中，如果判断排气阀10未全闭，则因为已经进入排气运行状态(步骤86)，所以调整排气量来进行流量调节。该排气运行中的控制顺序如图6所示。从排出压力Pd与目标压力Pt来计算排气阀的偏差开度Δα与下次设定排气阀开度αn(步骤100)。将计算出的设定排气阀开度αn与最大排气阀开度αmax进行比较(步骤102)。当设定排气阀开度αn小于最大排气阀开度αmax(αn＜αmax)时，将设定排气阀开度αn与作为最小排气阀开度的全闭角度αmin进行比较(步骤104)。若设定排气阀开度αn在全闭角度αmin以下(αn≤αmin)，则意味着排气运行结束，因此，将设定排气阀开度αn重新设定为全闭角度αmin(步骤106)。

一旦决定设定排气阀开度αn后，则将排气阀驱动指令信号线26上的信号送入排气阀驱动装置21中，驱动排气阀10打开至设定排气阀开度αn(步骤108)。回到步骤52进行下面的测定。这里，若在步骤102中设定排气阀开度αn在最大排气阀开度αmax以上(αn≥αmax)，则为了防止喘振，将设定排气阀开度αn设定为最大排气阀开度αmax。与此同时，将入口导流叶片全闭(步骤110)，并移至无负荷运行(步骤112)。在无负荷运行中，时常检测排出压力Pd。如果确认排出压力Pd仅比目标压力Pt小既定值ΔP(步骤114)，则将入口导流叶片开度β打开至最小叶片开度βmin(步骤114)。之后，返回步骤100，再开始排气运行。在步骤114中，当经过规定时间后排出压力Pd仍无法降至目标压力Pt仅减去既定值ΔP后的值以下(Pd≥Pt-ΔP)时，停止压缩机运行(步骤118)。

但是，如果在步骤52中检测到喘振的发生，则为了脱离喘振而打开入口导流叶片。在这个时候的入口导流叶片2的开度变更量，在步骤78计算。在步骤78中，使用对应吸入温度或吸入压力而预先设定的公式或数据表来计算叶片开度的最小修正量Δβmin。而且，该变更量也可以设定为如1度那样的规定值(一定值)。由于求出了叶片开度修正量Δβmin，所以在步骤80中更新最小叶片开度βmin(＝β+Δβmin)。为了避免喘振，打开入口导流叶片2至更新后的最小叶片开度βmin，由于该部分的压缩机吸入流量增大，所以，仅仅进行增大的流量部分的排气运行(步骤82)。该量通过排气阀10的开度仅打开规定值来实现。当检测到喘振时，情况紧急，从步骤52、78至82几乎同时执行。而且，与步骤82同时或在步骤82结束后，进行有关最小叶片开度βmin的更新(步骤84)。

在步骤86中，当判断排气阀开度αn等于最大排气阀开度αmax、即全开状态时(步骤102)，因负荷量小，所以在规定时间内保持该状态，在这期间，继续比较排出压力Pd与目标压力Pt(步骤114)。在经过规定时间后，如果判定排出压力Pd仍在目标压力Pt以上，则停止压缩机运行(步骤118)。而且，如果判定排出压力Pd小于目标压力Pt，则为了再开始排气运行而移至步骤116。

下面，说明最小叶片开度βmin的设定。

作为目标压力Pt，选择有设定可能性的值。当这样的值有k个时，从值低的开始顺次定为Pt(1)～Pt(k)。在使用压缩机的环境中，决定吸入温度Ts所取最小值Ts(min)与最大值Ts(max)。将吸入温度的最小值Ts(min)与最大值Ts(max)之间，分割为m个离散值Ts(1)、Ts(2)、…、Ts(m)。将按k个被决定的目标压力Pt(i)(i＝1、2、…、k)的每一个值的吸入温度Ts(j)(j＝1、2、…、m)与最小叶片开度βmin(i，j)的关系、预先储存在上位控制装置40或调节装置27中配置的数据库中。而且，对于在该数据库中所储存数据，将标准吸入压力Ps0作为吸入压力使用。因此，所储存的数据是具有k×m个数据的矩阵数据。

最小叶片开度βmin如下所示算出。吸入温度Ts与

$\mathrm{Pt}1=\mathrm{Pt}\frac{(\mathrm{Pt}+\mathrm{Pa})/(\mathrm{Ps}0+\mathrm{Pa})}{(\mathrm{Pt}+\mathrm{Pa}1)/(\mathrm{Ps}+\mathrm{Pa}1)}$

吸入压力Ps的值作为信号接受后，利用吸入压力Ps由下式来修正目标压力Pt。如果流量与排出压力的特性(Qs-Pd特性)相同，则利用相似的性质，修正目标压力Pt。

这里，Pt1是修正后的目标压力，仅在计算最小入口导流叶片开度βmin时使用。而且，Pa是标准状态下的大气压，Pa1是检测吸入状态时的大气压。由于已经求出修正后的目标压力Pt1与吸入温度Ts，所以利用上述数据库，采用内插法计算最小叶片开度βmin。但是，当修正后的目标压力Pt1在设定目标压力Pt(1)～Pt(k)的范围以外时，通过外插计算最小叶片开度βmin。

以下说明发生喘振时变更最小叶片开度的方法。从喘振发生时的吸入压力Ps及目标压力Pt求目标压力修正值Pt1。如果将吸入温度Ts与修正目标压力Pt1时的最小叶片开度设为βmin，则变更数据库，使得βmin1＝βmin+Δβmin。如上所述，Δβmin可从吸入温度Ts与吸入压力Ps等测定值、用式或数据表求出。而且也可作为规定值(一定值)给出。βmin可通过内插法用周边的βmin(i，j)值导出，所以如果插补方法是线性的话，则可将插补时用到的最小叶片开度数据βmin(i，j)设为βmin(i，j)+Δβmin来进行最小叶片开度的更新。在进行这样的修正后，假设即使吸入温度Ts和修正目标压力Pt1与以前喘振发生时的值相同，也保证了最小叶片开度βmin不会变至喘振线规定的叶片开度以下。

根据以上所述的本发明，仅检测被涡轮式压缩机吸入的工作气体的吸入温度与吸入压力就能在较宽的范围内避免压缩机的喘振。另外，能使涡轮式压缩机稳定工作。不仅如此，本实施实例中虽然是基于吸入温度的变化来进行最小叶片角度设定，但基于吸入压力的变化也可按照如上所述的方法进行同样设定。

Claims (9)

1.一种涡轮式压缩机，其特征在于：

具有叶片角度可变的入口导流叶片及排气阀，

还具有吸入状态检测装置和控制装置；所述吸入状态检测装置，检测被该涡轮式压缩机吸入的工作气体的吸入温度与吸入压力中的至少一个；所述控制装置，具有与吸入状态对应的、有关上述入口导流叶片最小角度的数据库；

该控制装置，参照上述数据库决定最小角度，并且，根据检测涡轮式压缩机的喘振，更新数据库。

2.一种涡轮式压缩机，其特征在于：

具有叶片角度可变的入口导流叶片、涡轮式压缩机本体、检测涡轮式压缩机排出压力的排出压力检测装置、位于比该排出压力检测装置靠近涡轮式压缩机本体侧的止回阀、排出被涡轮式压缩机压缩的气体的排气阀、位于上述入口导流叶片上游侧并检测被该涡轮式压缩机吸入的工作气体的吸入温度和吸入压力中的至少一个的吸入状态检测装置、控制上述入口导流叶片角度及上述排气阀开闭的调节装置；

在上述止回阀与上述涡轮式压缩机本体之间设置有喘振检测装置，在上述调节装置中设置有记述对应上述吸入条件和目标压力的最小入口导流叶片角度关系的数据库；

上述调节装置，参照上述数据库，决定最小角度，并且，在喘振检测装置检测到喘振时更新数据库。

3.根据权利要求2所述的涡轮式压缩机，其特征在于：上述调节装置，在喘振检测装置检测到喘振时，更新上述数据库的最小入口导流叶片角度数据。

4.根据权利要求2或3所述的涡轮式压缩机，其特征在于：还具有控制上述调节装置的上位控制装置。

5.一种涡轮式压缩机的运行方法，其特征在于：

使用入口导流叶片和排气阀来控制涡轮式压缩机的排出压力；基于在入口导流叶片上游侧设置的温度检测装置或压力检测装置所检测到的检测值，参照在该压缩机上所具有的调节装置中预先储存的最小入口导流叶片角度数据，求出该检测值的最小入口导流叶片角度，叶片驱动装置，驱动上述入口导流叶片达到该最小角度以上；

在发生喘振时，更新入口导流叶片角度数据。

6.根据权利要求5所述的涡轮式压缩机运行方法，其特征在于：在涡轮式压缩机中出现喘振时，仅以规定的量打开入口导流叶片，并更新上述入口导流叶片角度数据库。

7.根据权利要求5所述的涡轮式压缩机运行方法，其特征在于：预先将对应吸入流量的压缩机的排出压力特性储存在调节装置中，吸入流量变化后根据该特性求出的入口导流叶片角度，如果小于最小入口导流叶片角度，则将入口导流叶片设定为最小入口导流叶片角度，并且打开排气阀。

8.根据权利要求5所述的涡轮式压缩机运行方法，其特征在于：在排出压力高于目标排出压力时，求出叶片角度偏差量，若加上该偏差量后的叶片角度在最小入口导流叶片角度以下，则将入口导流叶片设定为最小入口导流叶片角度，并且仅以规定量打开排气阀。

9.根据权利要求5所述的涡轮式压缩机运行方法，其特征在于：在排出压力高于目标排出压力、使排气阀全开时，将入口导流叶片全闭并移至无负荷运行，若该状态持续规定时间，则停止压缩机的运行。

Images