KR101586906B1

KR101586906B1 - 터보냉동기의 압축기 운전제어방법

Info

Publication number: KR101586906B1
Application number: KR1020140052367A
Authority: KR
Inventors: 김근배
Original assignee: 하이에어코리아 주식회사
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-01-20
Also published as: KR20150125782A

Abstract

본 발명은 냉매가 증발기를 통해 압축기와 응축기 그리고 증발기로 순환하는 과정을 통해 냉수를 생산하는 터보냉동기의 압축기 운전제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 압축기는 다수개가 구성되는 것으로, 냉동시스템에 운전명령이 부가되면 최초 압축기 1이 단독가동이 되며, 압축기 1의 가동상태에서도 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 여전히 높게 감지되면 압축기 2가 추가 가동되고, 압축기 1과 압축기 2의 동시가동에 의해 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 압축기 2의 가동은 중단되고 압축기 1만 단독으로 가동되는 것이 특징인 터보냉동기의 압축기 운전제어방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 냉수 생산 시스템에서 3개의 압축기들을 냉수출구온도에 따른 연동제어를 하여 부하에 따른 적절한 대수 운전으로 생산효율이 크며 에너지 절감이 되는 현저한 효과가 있다.

Description

터보냉동기의 압축기 운전제어방법{Method for controlling operation of centrifugal water chiller}

본 발명은 터보냉동기의 압축기 운전제어방법에 관한 것으로, 응축기, 증발기, 압축기를 포함하는 관용의 터보냉동기에서, 특히 압축기를 다수개 설치하고, 상기 압축기들을 냉수출구온도에 따른 연동제어를 하여 부하에 따른 적절한 대수 운전으로 에너지 절감을 유도하는 터보냉동기의 압축기 운전제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉수를 생산하는 시스템 또는 사이클의 종래기술인 등록특허공보 등록번호 10-1142914호에는 1차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기, 상기 제1압축기에 의해 압축된 냉매의 방향을 전환하는 제1사방밸브, 상기 제1사방밸브를 통해 압송되는 1차 냉매를 응축 또는 증발시키는 제1,2열교환기, 상기 제1 또는 제2열교환기를 통해 응축된 1차 냉매를 감압하여 상기 제2 또는 제1열교환기에 공급하는 제1팽창밸브로 이루어진 1차 히트펌프 사이클과; 2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기, 상기 압축기를 통해 압축된 2차 냉매를 응축하는 제3열교환기, 상기 제3열교환기를 통해 응축된 2차 냉매를 감압하는 제2팽창밸브, 상기 팽창밸브에 의해 팽창된 2차 냉매를 증발시키는 제4열교환기로 이루어진 2차 히트펌프 사이클과; 상기 2차 히트펌프 사이클의 제3열교환기를 흐르는 2차 냉매의 열을 회수하여 온수를 저장하는 온수 탱크와; 상기 1차 히트펌프 사이클의 제1열교환기와 상기 2차 히트펌프 사이클의 제4열교환기에 연속 순환하도록 연결되며 물을 통해 상기 1차 냉매의 열을 회수하여 상기 2차 냉매에 공급하는 물 순환관과; 상기 2차 히트펌프 사이클의 제3열교환기와 상기 제2팽창밸브의 사이에 설치되면서 상기 물 순환관과 연결되어 상기 제3열교환기에서 토출된 2차 냉매와 상기 제4열교환기에서 토출된 물의 열교환을 유도함으로써 상기 물과 열교환된 2차 냉매를 상기 제2팽창밸브에 공급하는 제5열교환기를 특징으로 하는 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템이 공개되어 있다.

또한, 등록특허공보 등록번호 10-1071409호에는 1차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기, 상기 제1압축기에 의해 압축된 냉매의 방향을 전환하는 제1사방밸브, 상기 제1사방밸브를 통해 압송되는 1차 냉매를 응축 또는 증발시키는 제1,2열교환기, 상기 제1 또는 제2열교환기를 통해 응축된 1차 냉매를 감압하여 상기 제2 또는 제1열교환기에 공급하는 제1팽창밸브로 이루어진 1차 히트펌프 사이클과; 2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기, 상기 제2압축기에 의해 압축된 냉매의 방향을 전환하는 제2사방밸브, 상기 제2사방밸브를 통해 압송되는 2차 냉매를 응축 또는 증발시키는 제3,4열교환기, 상기 제3 또는 제4열교환기를 통해 응축된 2차 냉매를 감압하여 상기 제4 또는 제3열교환기에 공급하는 제2팽창밸브로 이루어진 2차 히트펌프 사이클과; 상기 1차 히트펌프 사이클의 제1열교환기에서 토출된 1차 냉매 중 일부 냉매를 감압하는 제3팽창밸브와; 상기 제3팽창밸브에 의해 감압된 1차 냉매를 상기 제1압축기에 복귀시키는 동시에 상기 2차 히트펌프 사이클의 제3열교환기에서 토출되는 2차 냉매를 상기 1차 냉매와 열교환시켜 상기 제3열교환기에 공급되도록 하는 제5열교환기와; 상기 1차 히트펌프 사이클의 제1열교환기와 상기 2차 히트펌프 사이클의 제4열교환기에 연속 순환하도록 연결되며 물을 통해 상기 1차 냉매의 열을 회수하여 상기 2차 냉매에 공급하는 물 순환관을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래기술들은 냉수 생산 시스템에서 각각 개별 압축기만을 사용하거나 다수 개의 압축기들을 사용하더라도 연동제어가 잘 되지 않아, 부하에 따른 적절한 대수 운전이 되지 않으므로 생산효율이 낮고 에너지 소비가 많은 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 냉수 생산 시스템에서 3개의 압축기들을 냉수출구온도에 따른 연동제어를 하여 부하에 따른 적절한 대수 운전으로 생산효율이 크며 에너지 절감이 되는 냉수 생산 시스템의 압축기 운전 제어방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명 터보냉동기의 압축기 운전제어방법은 압축기는 다수개가 구성되는 것으로, 냉동시스템에 운전명령이 부가되면 최초 압축기 1이 단독가동이 되며, 압축기 1의 가동상태에서도 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 여전히 높게 감지되면 압축기 2가 추가 가동되고, 압축기 1과 압축기 2의 가동에 의해 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 압축기 2의 가동은 중단되고 압축기 1만 단독으로 가동되는 것이 특징이다.

따라서, 본 발명은 냉수 생산 시스템에서 3개의 압축기들을 냉수출구온도에 따른 연동제어를 하여 부하에 따른 적절한 대수 운전으로 생산효율이 크며 에너지 절감이 되는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 터보냉동기 회로도.
도 2는 본 발명 터보냉동기 압축기 동작도.
도 3은 본 발명 터보냉동기 압축기 에코노마이저밸브 제어도
도 4는 본 발명 터보냉동기 압축기 에코노마이저밸브 종래 제어도

본 발명 냉매가 증발기(100)를 통해 압축기(200)와 응축기(300) 그리고 증발기(100)로 순환하는 과정을 통해 냉수를 생산하는 터보냉동기의 압축기 운전제어방법에 있어서, 상기 압축기(200)는 다수개가 구성되는 것으로, 냉동시스템에 운전명령이 부가되면 최초 압축기 1(210)이 단독가동이 되며, 압축기 1(210)의 가동상태에서도 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 여전히 높게 감지되면 압축기 2(220)가 추가 가동되고, 압축기 1(210)과 압축기 2(220)의 동시가동에 의해 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 압축기 2(220)의 가동은 중단되고 압축기 1(210)만 단독으로 가동되는 것이다.

상기 압축기 1(210)과 압축기 2(220)의 동시 가동상태에서도 냉수의 출구온도가 설정온도보다 여전히 높게 감지되면 압축기 3(230)이 함께 가동되고, 압축기 1, 2, 3(210, 220, 230)이 함께 가동되는 상태에서 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 압축기 3(230)의 가동이 중단되고 압축기 1, 2(210, 220)만 가동되는 것이다.

또한, 상기 응축기(300)와 증발기(100) 사이에는 에코노마이저(400)가 설치되어 상기 에코노마이저(400)에서 과냉된 1차측 냉매는 증발기(100)로 유입되고, 상기 에코노마이저(400)에서 증발된 2차측 냉매는 압축기(200)로 유입되는 것이다.

그리고 상기 증발기(100)와 압축기(200) 사이에는 스테이징 밸브(500)가 설치되는 것으로, 선행의 압축기(210)가 가동 후, 후행의 압축기(220)가 원활한 운전을 할 수 있도록 상기 스테이징 밸브(500)를 열어 선행의 압축기(210)의 토출측 압력을 낮추어 후행의 압축기(220)가 충분한 회전력을 통해 압축을 할 수 있도록 하는 것이다.

이하, 본 발명 터보냉동기의 압축기 운전제어방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 터보냉동기 회로도이며,

도 1에 도시된 바와 같이 터보냉동기의 순환과정은 기본적으로 압축기(200)의 냉매가 응축기(200), 증발기(100), 그리고 다시 압축기(200)로 순으로 이루어진다.

본 발명에서는 압축기(200)를 다수개 설치하고, 상기 압축기(200)들을 냉수출구온도에 따른 연동제어를 하여 부하에 따른 적절한 대수 운전으로 에너지 절감을 유도하는 것이다.

응축기(300)와 증발기(100) 사이에는 에코노마이저(400)를 설치하였다.

상기 에코노마이저(400)는 응축기(300)에서 보내온 1차측 냉매를 과냉시켜 증발기(100)로 보내고, 상기 에코노마이저(400)에서 증발된 2차측 냉매는 압축기(200)로 유입되는 것인데, 이때 압축기 정지 중에 에노코마이저(400)의 압력이 고압이므로 압축기(200)의 고압과 저압의 사이클이 확보되지 않은 상태에서 에코노마이저(400)가 동작하면 임펠러가 역회전하여 압축기의 손상을 초래할 수 있다.

따라서, 에코너마이저(400)의 동작시점은 장비 운전 후 흡입가이드 베인이 100%로 열려 저압과 고압의 사이클이 확보된 상태에서 동작한다.

즉, 압축기(200)를 운전 시에는 흡입 가이드 베인이 100%로 열린 상태로 고압과 저압의 사이클이 확보된 상태에서 에코노마이저(400)를 열어주어야 하는데, 이때까지의 대략적인 시간은 압축기(200) 가동 후 약 5분 정도 소요된다.

그리고 증발기(100)와 압축기(200) 사이에는 스테이징 밸브(500)를 설치하였다.

상기 스테이징 밸브(500)는 개폐동작에 의해 선행의 압축기(210)의 토출측 압력을 낮추어 후행의 압축기(220)가 원활한 운전을 할 수 있도록 상기 스테이징 밸브(500)를 열어 선행의 압축기(210)의 토출측 압력을 낮추고 후행의 압축기(220)가 충분한 회전력을 얻은 후, 압축을 할 수 있도록 하는 것이다.

그리고 압축기 1 또는 압축기 2가 가동된 상태에서 압축기 3을 가동하기 위해서는 선행 압축기의 토출측 압력을 낮추어 원활한 가동을 도와야 하는데, 이때 스테이징 밸브를 통해 토출측 압력을 증발기 쪽으로 바이패스하여 시스템의 압력을 낮추어 줌으로써 후행의 압축기 가동이 원활히 이루어지도록 하는 것이다.

이때의 스테이징 밸브(500)의 개폐동작 시간은 240초 정도로 한다.

상기 스테이징 밸브의 동작과 역할을 보다 상세히 설명하면, 스테이징 밸브의 동작은 압축기 출구측 고압의(8bar) 가스를 응축기로 모두 보내지 않고, 일부를 바이패스시켜서 증발기측(3bar)으로 보내어 시스템의 전체적인 압력을 낮추어 준다.

이와 같이 시스템의 압력을 낮추어 주는 이유는 멀티 원심식 압축기 시스템에서 각각 압축기들은 동일한 응축기를 사용하기 때문에 선행의 압축기가 가동하면서 형성한 고압을 일부 저압쪽으로 바이패스하여 전체 시스템의 압력을 낮추어 주어야 한다.

즉, 압축기 1이 가동하면서 만들어 놓은 고압의 가스를 스테이징 밸브르 열어 저압의 수준으로 낮추어서 압축기 2가 가동하기 쉽게 하기 위하여 사용된다.

원심식 압축기의 경우는 회전력에 의해 압축을 하는데 고압이 너무 높게 형성되어 있으며, 고압을 이기지 못하고 회전력을 얻지 못해 압축기가 가동이 되지 않는 문제가 생긴다.

본 발명에서는 원심식 압축기를 사용하는 것이 바람직하다.

도 1에는 압축기 3대를 가동하는 것을 예시하였다.

도 2는 본 발명 터보냉동기 압축기 동작도이다.

도 2를 참고로 설명하면, 냉동시스템에 운전명령이 부가되면 최초 압축기 1(210)이 홀로 가동하게 된다.

이때, 압축기 1(210)이 가동되는 상태에서도 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 여전히 높게 감지되면 압축기 2(220)가 추가 가동되어 냉각효율을 높이도록 유도하게 된다.

압축기 1(210)과 압축기 2(220)의 가동에 의해 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 압축기 2(220)의 가동은 중단되어 압축기 1(210)만 가동되게 된다.

한편, 압축기 1(210)과 압축기 2(220)가 같이 가동되는 상태에서도 냉수의 출구온도가 설정온도보다 여전히 높게 감지되면 압축기 3(230)이 함께 가동하게 되고, 압축기 1, 2, 3(210, 220, 230)이 함께 가동중에 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 압축기 3(230)의 가동이 먼저 중단된다.

그리고 압축기 1과 압축기 2(의 가동상태에서 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 상술한 바와 같이 압축기 2의 가동은 중단되게 되고 압축기 1만 가동하게 된다.

이에, 상술한 압축기 1, 2, 3의 동작과정을 도 2의 도 2는 본 발명 터보냉동기 압축기 동작도를 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

기본적으로 냉동시스템의 운전명령이 부여되면 압축기 1이 가동되게 되며, 운전조건에 부합하지 않으면 신호⑪을 따라 압축기가 가동되지 않는다.

이때, 압축기 1이 가동되더라도 압축기 1의 운전부하가 고부하로 판단되고 SR값이 HIL값보다 여전히 큰 조건이 되면 신호①의 과정에 의해 압축기 2가 가동하게 된다.

압축기 1과 압축기 2의 가동상태에서 제어신호는 신호②의 과정을 따라 지속적으로 압축기 1, 2의 고부하 여부를 판단하게 된다.

그리고 압축기 1과 압축기 2가 가동되더라도 여전히 고부하로 판단되고 SR값이 HIL보다 큰 조건이면 신호③을 따라 압축기 3이 가동되게 된다.

상술한 압축기 1, 2, 3의 가동조건은 AND조건에 의해 제어된다.

한편, 압축기 1, 2, 3의 가동상태에서 운전부하가 저부하로 판단되면 신호⑤⑥⑦을 따라 압축기 3의 가동이 중단되게 된다.

또한, 저부하로 판단되거나 SR값이 LOL값보다 작아도 신호⑧⑦을 따라 압축기 3의 가동은 중단되게 된다.

그리고 압축기 1, 2의 가동상태에서 여전히 저부하로 판단되거나 SR값이 LOL값보다 작으면 압축기 2는 가동이 중단되게 된다.

결국, 압축기의 가동의 중단조건은 OR조건에 의해 제어되는 것이다.

압축기의 저부하 조건에서는 신호⑩을 따라 고부하 판단여부를 확인한다.

압축기의 용량제어는 PI제어기를 설계하여 알고리즘을 반영하는 것으로, 냉수 출구온도를 기준으로 하여 설정값과 현재값을 비교하여 PI연산을 통해 0∼100%까지 조절한다.

초기 운전 시 CAPACITY는 50%까지로 제한하여 상승시키고, 흡입 가이드 베인이 100%로 열린 후에 CAPACITY를 조절하도록 제어한다.

연동제어의 경우 속도비(SPEED RATIO)에 따라 후행 압축기의 동작시점을 제어한다.

후행 압축기 운전시작 조건은 지연시간 100초 동안 SR>40%이며, 후행 압축기 운전정지 조건은 지연시간 60초 동안 SR <10%이다.

상술한 설명에서 용어 등을 정리하면, 냉수출구온도가 Cut-in(=SPT+Diff) 보다 높을 경우 고부하(HIL: High Load(Digital))라고 하며, 냉수출구온도가 Cut-out(=SPT-Diff) 보다 낮을 경우를 저부하(LOL: Low Load(Digital))라 한다.

현재속도(S actual)는 현재 운전 속도 [RPM]이며, 써지속도(S surge)는 압축기에서 측정되는 비정상에 도달하는 하한 속도 [RPM]이며, 초크속도(Schoke)는 압축기에서 측정되는 비정상에 도달하는 상한 속도 [RPM]이다.

그리고 속도비(Speed Ratio=SR)는 압축기 운전부하를 판단하는 것으로, SR( Speed Ratio)=(S actual-S surge)/(S choke-S surge)x100 [%]이다.

상향설정(High Limit=HIL)은 속도비에 대한 고부하 판단 설정값이며, 하향설정(Low Limit=LOL)은 속도비에 대한 저부하 판단 설정값이다.

도 3은 본 발명 터보냉동기 압축기 에코노마이저 밸브 제어도이며, 도 4는 본 발명 터보냉동기 압축기 에코노마이저 밸브 종래 제어도이다.

도 3의 모니터링에 나타난 것처럼 에코노마이저 밸브제어를 개선하면 압축기가 운전하여 안정화 단계에 도달한 후(흡입밸브 IGV 개도율=110% 도달) 에코노마이저 밸브가 열리고 압축기 샤프트가 베어링 중앙에 수렴하여 안정적으로 운전되는 것을 알 수 있다.

에코노마이저 밸브제어의 개선 전은 도 4의 모니터링을 보면 압축기 운전 전에 에코노마이저 밸브가 열리면 압축기 샤프트가 역회전하여 압축기에 손상을 줄 수 있으며, 압축기 역회전은 단독 운전보다는 연동 운전 시 두드러진다는 것을 알 수 있다.

에코노마이저의 역할을 보다 자세히 설명하면, 에코노마이저는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성된 냉동사이클에서 응축기로부터 나온 냉매를 과냉각하여 팽창밸브로 보내줌으로써 증발효율을 증가시키며, 동시에 과냉각용으로 사용된 냉매를 압축기로 보내주어 압축기 토출측의 과열을 방지시키는 역할을 한다.

그리고 에코노마이저 밸브는 에코노마이저 흡입측 전단에 위치하여 압축기의 운전상태에 따라 밸브를 개폐하여 에코노마이저의 동작유무를 결정한다.

압축기 흡입측은 3bar, 토출측은 8bar, 그리고 에코노마이저 밸브 측은 5bar 가량으로 압력이 형성되므로 압축기의 용량이 적은 상태에서 에코노마이저 밸브가 열릴 때, 상대적으로 흡입 측에 비해 고압인 에코노마이저 측의 압력에 의해 압축기 내부 샤프트가 역회전하여 압축기의 손상을 초래하는 현상이 발생한다.

따라서, 적합하게 에코노마이저 밸브를 동작시켜 압축기를 보호하고 장비의 효율을 상승시킬 수 있게 된다.

COP∼5% 상승 및 냉동능력∼5% 상승시킴.

본 발명은 터보냉동기에서 3개의 압축기들을 냉수출구온도에 따른 연동제어를 하여 부하에 따른 적절한 대수 운전으로 생산효율이 크며 에너지 절감이 되는 현저한 효과가 있다.

100. 증발기 200. 압축기
300. 응축기 400. 에코노마이저
500. 스테이징 밸브
210. 압축기 1 220. 압축기 2 230. 압축기 3

Claims

냉매가 증발기(100)를 통해 압축기(200)와 응축기(300) 그리고 증발기(100)로 순환하는 과정을 통해 냉수를 생산하는 터보냉동기의 압축기 운전제어방법에 있어서,
상기 압축기(200)는 다수개가 구성되는 것으로, 냉동시스템에 운전명령이 부가되면 최초 압축기 1(210)이 단독 가동이 되며, 압축기 1(210)의 가동상태에서도 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 여전히 높게 감지되면 압축기 2(220)가 추가 가동되고, 압축기 1(210)과 압축기 2(220)의 동시가동에 의해 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면, 압축기 2(220)의 가동은 중단되고 압축기 1(210)만 단독으로 가동되되,
상기 응축기(300)와 증발기(100) 사이에는 에코노마이저(400)가 설치되어 상기 에코노마이저(400)에서 과냉된 1차측 냉매는 증발기(100)로 유입되고, 상기 에코노마이저(400)에서 증발된 2차측 냉매는 압축기(200)로 유입되는 것으로,
상기 증발기(100)와 압축기(200) 사이에는 스테이징 밸브(500)가 설치되는 것으로, 선행의 압축기(210) 가동 후, 후행의 압축기(220)가 원활한 운전을 할 수 있도록 상기 스테이징 밸브(500)를 열어 선행의 압축기(210)의 토출측 압력을 낮추어 후행의 압축기(220)가 충분한 회전력을 통해 압축을 할 수 있도록 하는 것이 특징인 터보냉동기의 압축기 운전제어방법.
제1항에 있어서,
상기 압축기 1(210)과 압축기 2(220)의 동시 가동상태에서도 냉수의 출구온도가 설정온도보다 여전히 높게 감지되면, 압축기 3(230)이 함께 가동되고, 압축기 1, 2, 3(210, 220, 230)이 함께 가동되는 상태에서 냉수의 출구온도가 설정된 온도보다 낮게 감지되면 압축기 3(230)의 가동이 중단되고 압축기 1, 2(210, 220)만 가동되는 것이 특징인 터보냉동기의 압축기 운전제어방법.
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