Усовершенствования способа управления компрессором

Авторы патента:


Усовершенствования способа управления компрессором
Усовершенствования способа управления компрессором
Усовершенствования способа управления компрессором

 


Владельцы патента RU 2433311:

ГАРДНЕР ДЕНВЕР ДОЙЧЛАНД ГМБХ (DE)

Изобретение относится к усовершенствованию компрессоров, и более конкретно к усовершенствованию способа управления динамическими компрессорами с регулируемой частотой вращения, для исключения перегрузки двигателя вследствие дросселирования. Изобретение предлагает способ управления компрессором для получения сжатого воздуха с заданным давлением нагнетания (Pt) и предотвращения чрезмерного потребления мощности двигателя, причем компрессор приводится в действие от двигателя с регулируемой частотой вращения, имеющего обмотки двигателя, при котором температуру газа на входе (Tin), давление нагнетания газа на выходе (Pd), частоту вращения двигателя (Vm) и температуру обмоток двигателя (Tmw) непрерывно измеряют во время работы компрессора. Температуру газа на входе (Tin) используют для определения предварительно заданного предельного значения максимальной температуры обмотки двигателя (Tmwmax). Максимальную температуру обмотки двигателя (Tmwmax) используют для задания предельного значения частоты вращения двигателя (Vmmax). Максимальную частоту вращения двигателя (Vmmax), заданное давление нагнетания (Pt) и давление нагнетания газа на выходе (Pd) используют для управления текущей частотой вращения двигателя (Vm), поддерживая ее ниже предельного значения максимальной частоты вращения двигателя (Vmmax). Технический результат изобретения - исключение перегрузки двигателя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к усовершенствованиям компрессоров, и более конкретно к усовершенствованию способа управления динамическими компрессорами с регулируемой частотой вращения двигателя, для исключения перегрузки двигателя вследствие дросселирования.

Динамические компрессоры с регулируемой частотой вращения двигателя, такие как центробежные компрессоры, используются для сжатия воздуха или других газов с 1960-х годов. Центробежные компрессоры, которые содержат цилиндрический узел лопаток компрессора, установленный на валу, широко используются во многих областях по ряду причин. Для них, как правило, характерно низкое электропотребление, низкие эксплуатационные расходы, так как они имеют мало подвижных частей, и они обычно дают более высокий расход воздуха, чем поршневой компрессор того же размера.

Рабочие характеристики компрессора в целом определяются соотношением между степенью сжатия и объемным или массовым расходом. Однако его полезный рабочий диапазон ограничивается такими явлениями, как помпаж, дросселирование, а также максимально допустимой частотой вращения компрессора.

В динамических компрессорах с регулируемой частотой вращения двигателя, работающих с заданным давлением нагнетания, расход воздуха через компрессор может быть увеличен путем увеличения частоты вращения компрессора. Состояние дросселирования встречается при больших потоках, когда увеличение частоты вращения компрессора дает убывающую зависимость увеличения расхода. Когда поток в любой точке компрессора достигает состояния дросселирования, дальнейшее увеличение расхода становится невозможным. Это состояние соответствует максимальному объемному расходу компрессора как функции степени сжатия. Конструкторы компрессоров пытались найти способы для предотвращения дросселирования во время работы компрессора, чтобы получить максимальную эффективность компрессора.

Температура воздуха (или другого сжимаемого газа) на входе определяет, сколько мощности потребуется для сжатия воздуха до заданной степени сжатия, т.е. для сжатия заданного объема холодного, более плотного воздуха может потребоваться больше мощности, чем для теплого, менее плотного воздуха. Таким образом, выходная мощность привода компрессора является функцией его частоты вращения и крутящего момента, причем крутящий момент является функцией давления на выходе компрессора и температуры воздуха на входе.

Увеличение частоты вращения приводного двигателя компрессора неизбежно влечет за собой увеличение мощности двигателя, что ведет к соответствующему увеличению температуры обмотки двигателя. Одна из проблем, встречающихся при попытке защитить компрессоры от дросселирования и избежать чрезмерно высоких температур обмотки двигателя, состоит в том, что мощность трудно измерить напрямую. Поэтому одним из предложенных решений по предшествующему уровню техники была работа компрессора с фиксированными предельными значениями частоты вращения и мощности. В случае выхода за границы этих предельных значений требуется вмешательство, причем идеальная защита обеспечивается путем останова машины при достижении предельных значений. Однако понятно, что это решение не применимо для нормальной коммерческой эксплуатации компрессора.

Поэтому технической задачей настоящего изобретения является создание способа управления мощностью, использующего измерения других параметров, как средства предотвращения дросселирования путем исключения перегрузки двигателя.

Соответственно изобретение предлагает способ управления компрессором для получения заданного давления нагнетания сжатого воздуха и предотвращения чрезмерного потребления мощности двигателя, причем компрессор приводится в действие от двигателя с регулируемой частотой вращения, имеющего обмотки двигателя, при котором температуру газа на входе, давление нагнетания газа на выходе, частоту вращения двигателя и температуру обмоток двигателя непрерывно измеряют во время работы компрессора; температуру газа на входе используют для определения предварительно заданного предельного значения максимальной температуры обмотки двигателя; максимальную температуру обмотки двигателя используют для задания предельного значения частоты вращения двигателя; и максимальную частоту вращения двигателя, заданное давление нагнетания и давление нагнетания газа на выходе используют для управления текущей частотой вращения двигателя, поддерживая ее ниже предельного значения максимальной частоты вращения двигателя.

Далее будет описан предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения, исключительно в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схема двойного контура обратной связи с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД-регулятором), используемого блоком управления по настоящему изобретению для управления работой компрессора.

Фиг.2 - график, показывающий зависимость температуры обмотки двигателя от мощности для различных значений температуры воздуха на входе.

Фиг.3 - график, показывающий зависимость температуры обмотки двигателя от температуры воздуха на входе.

В настоящем изобретении динамический компрессор, такой как центробежный компрессор, приводится в действие от двигателя с регулируемой частотой вращения, и его работой управляет блок управления. Имеется человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) для обеспечения возможности задания определенных параметров.

Назначением компрессора является подача воздуха (или другого газа) с заданным давлением Pd нагнетания в количестве, соответствующем потребности в воздухе. Для обеспечения этого изменяют частоту вращения компрессора, и тем самым расход на выходе. Для защиты компрессора устанавливаются определенные предельные значения максимальных температуры обмотки, мощности и частоты вращения приводного двигателя. Максимальная частота Vmmax вращения задается такой, что она обеспечивает работу компрессора в границах его заданных предельных значений. Минимальная частота Vmmin вращения используется для обозначения точки, в которой в компрессоре возникает помпаж, и компрессор разгружается для уменьшения давления Pd нагнетания. Необходимо отметить, что эти значения приведены в качестве примера работы для одной конкретной комбинации компрессора и двигателя. Они, конечно, могут варьироваться для разных компрессоров и разных двигателей.

В настоящем изобретении блок управления программируется для использования двойного контура обратной связи с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД-регулятором), как показано на фиг.1, отдельные контуры которого описаны ниже.

Управление давлением

Первый контур обратной связи с ПИД-регулятором использует измеренное давление Pd нагнетания в качестве его входного сигнала управления и частоту Vm вращения двигателя в качестве его выходного сигнала управления. Данный контур обратной связи с ПИД-регулятором находится в нижней части схемы на фиг.1. П-компонент и И-компонент (пропорциональная составляющая и интегральная составляющая) устанавливаются на ЧМИ (Д-компонент - дифференциальная составляющая - в данном случае не требуется), и измеренное давление Pd нагнетания является переменной процесса, которая сравнивается с заданным (требуемым) давлением Pt (также устанавливаемым на ЧМИ). Если давление Pd нагнетания превышает заданное давление Pt, частота Vm вращения двигателя уменьшается согласно уравнению ПИД-регулятора. Если давление Pd нагнетания падает ниже заданного давления Pt, частота Vm вращения двигателя увеличивается до максимальной частоты Vmmax вращения двигателя.

Управление максимальной частотой вращения

Измеренная температура Tmw обмотки двигателя используется в качестве входного сигнала управления (переменной процесса) во втором контуре обратной связи с ПИД-регулятором для регулировки предельного значения максимальной частоты Vmmax вращения двигателя (выходной сигнал управления), и тем самым удержания температуры Tmw обмотки двигателя в заданных пределах. Данный второй контур обратной связи располагается в верхней части на чертеже фиг.1. П-, И- и Д- компоненты также устанавливаются на ЧМИ, и измеренная температура Tmw обмотки двигателя является переменной процесса, которая сравнивается с максимальной температурой Tmwmax обмотки двигателя. Это позволяет при максимально возможной частоте Vmmax вращения двигателя поддерживать требуемое давление Pd нагнетания.

Управление максимальной мощностью

Как было указано выше, мощность Wm двигателя необходима, чтобы реагировать на требования конкретной ситуации в зависимости от температуры Tin воздуха на входе. Так как максимальная температура Tmwmax обмотки двигателя является также функцией температуры Tin воздуха на входе, мощностью Wm двигателя можно управлять, используя температуру Tmw обмотки двигателя.

В настоящем изобретении значения максимальной температуры Tmwmax обмотки двигателя получены на опытно-испытательной установке (ОИУ) и используются для построения графика на фиг.2, применяя измерения в стационарном режиме при различных условиях по давлению и температуре. График показывает, что для конкретного фиксированного значения температуры Tin воздуха на входе существует линейная зависимость между мощностью Wm двигателя и температурой Tmw обмотки двигателя. Кроме того, требуемая мощность Wm двигателя уменьшается линейно с температурой Tin воздуха на входе.

Имеются также два фиксированных предельных значения, показанные на фиг.2. Они определяются реальной конструкцией машины и представляют собой конструктивно максимальную температуру Tmwdes обмотки двигателя и конструктивно максимальную мощность Wmdes двигателя.

График на фиг.2 используется для построения кривой на фиг.3 путем нанесения зависимости mT от Tin при конструктивно максимальной мощности двигателя Wmdes. При температурах на входе выше места пересечения конструктивно максимальной температуры и конструктивно максимальной мощности максимальная температура mT ограничивается конструктивно максимальной температурой Tmwdes, а температура на входе Tin не влияет на нее. Таким образом, значение максимальной температуры Tmwmax обмотки двигателя может быть вычислено для Tin ниже Kt по следующей формуле:

T mwmax =m*T in +c,

где «m» - тангенс угла наклона кривой, зависящий от температуры воздуха на входе Tin, «с» - константа, зависящая от места пересечения конструктивно максимальной температуры и температуры на входе Kt на фиг.2:

m=(T mwdes -T mw0°C )/K t =(150-130)/13=1,548 (для данного примера)

c= T mw0°C (для данного примера)

Как можно увидеть на фиг.3, чтобы обеспечить нахождение характеристики в заданных пределах, выше Kt (13°C) предельным лимитирующим параметром является температура Tmw обмотки, тогда как ниже Kt (13°C) предельным лимитирующим параметром является мощность Wm. Однако, принимая во внимание почти линейный характер кривых и температуру Kt (13°C) в месте пересечения Tmw и Wm, можно увидеть, что максимальная температура обмотки двигателя Tmwmax при низких температурах может быть уменьшена пропорционально температуре Tin воздуха на входе, оставаясь при этом все еще равной абсолютному максимальному значению Tsetmax при других температурах. Таким образом:

если T in < K t , T mwmax = m*T in +T mw0°C ,

иначе T mwmax =T setmax

Изобретение, таким образом, основано на том принципе, что уменьшение максимальной температуры Tmwmax обмотки будет вызывать уменьшение максимальной частоты Vmmax вращения, в результате чего будет уменьшаться текущая частота Vm вращения, и тем самым управлять текущей температурой Tmw обмотки, которая управляет мощностью Wm. Здесь контуры обратной связи с ПИД-регулятором объединены, как показано на фиг.1, чтобы обеспечить централизованное управление мощностью Wm двигателя, что дает возможность оператору предотвратить дросселирование. Первый контур обратной связи управляет частотой вращения двигателя и тем самым частотой Vm вращения компрессора в границах до максимального предельного значения частоты Vmax вращения, вычисленного вторым контуром обратной связи. Измеренная температура Tmw обмотки двигателя передается на второй контур обратной связи, который сравнивает ее с вычисленной максимальной температурой обмотки двигателя Tmwmax, основанной на измеренной температуре Tin на входе, для обеспечения максимальной рабочей частоты Vmax вращения, которая передается обратно на первый контур обратной связи.

Способ по настоящему изобретению основан на измерениях в стационарном режиме и не может использоваться для условий пускового периода машины. Однако, если ограничение мощности является главным для управления температурой обмотки двигателя или состоянием дросселирования, это не будет являться проблемой. Если имеются другие ограничения из-за ускорения, не перекрываемого ограничителем тока частотно-регулируемого привода, то время пускового периода должно было бы регулироваться в частотно-регулируемом приводе.

1. Способ управления компрессором для получения сжатого воздуха с заданным давлением нагнетания и предотвращения чрезмерного потребления мощности двигателя, причем компрессор приводится в действие от двигателя с регулируемой частотой вращения, имеющего обмотки двигателя, при котором температуру газа на входе, давление нагнетания газа на выходе, частоту вращения двигателя и температуру обмоток двигателя непрерывно измеряют во время работы компрессора; температуру газа на входе используют для определения предварительно заданного предельного значения максимальной температуры обмотки двигателя; максимальную температуру обмотки двигателя используют для задания предельного значения максимальной частоты вращения двигателя; и максимальную частоту вращения двигателя, заданное давление нагнетания и давление нагнетания газа на выходе используют для управления текущей частотой вращения двигателя, поддерживая ее ниже предельного значения максимальной частоты вращения двигателя.

2. Способ по п.1, при котором для определения предельного значения максимальной частоты вращения двигателя используют двойной контур обратной связи с ПИД-регулятором.

3. Способ по п.2, при котором давление нагнетания газа на выходе передают в качестве входного сигнала управления на первый контур обратной связи, выходным сигналом управления которого является частота вращения двигателя.

4. Способ по любому из пп.2 и 3, в котором измеренную температуру обмотки двигателя передают в качестве входного сигнала управления на второй контур обратной связи, выходным сигналом управления которого является максимальная частота вращения двигателя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для управления авиационными газотурбинными двигателями (ГТД).

Изобретение относится к способу управления турбокомпрессором, в соответствии с которым в трубопроводе сжатого воздуха расположен обратный клапан. .

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для управления авиационными газотурбинными двигателями (ГТД).

Изобретение относится к авиадвигателестроению. .

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления ГТУ.

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для управления авиационными газотурбинными двухконтурными двигателями.

Изобретение относится к способам защиты компрессоров от помпажа и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности

Изобретение относится к области защиты осевых и центробежных компрессоров от помпажа и может быть использовано в системах защиты и управления газоперекачивающих агрегатов как для нагнетателя, так и для осевых компрессоров газоприводных двигателей

Изобретение относится к области управления газоперекачивающими агрегатами (ГПА) при транспортировке газа

Изобретение относится к усовершенствованиям компрессоров, в частности к усовершенствованиям способа регулирования центробежных компрессоров, чтобы сделать максимальной их эффективность

Изобретение относится к компрессорной установке с компрессором, с линией всасывания и с отводящей линией, с блоком управления, который управляет работой компрессора и/или работой соседних модулей

Изобретение относится к вентиляторным установкам переменной производительности и может быть использовано в системах транспортировки газа и энергетических установках

Изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к системам защиты от помпажа турбокомпрессоров, и может быть использовано в различных отраслях промышленности
Наверх