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用于具有側(cè)流的渦輪壓縮機(jī)的抗喘振控制的方法及系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:9422238閱讀:710來源:國知局
用于具有側(cè)流的渦輪壓縮機(jī)的抗喘振控制的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于具有側(cè)流的渦輪壓縮機(jī)的抗喘振控制的方法及系統(tǒng)
[0001] 說明書 本發(fā)明的領(lǐng)域 本公開內(nèi)容涉及壓縮機(jī)系統(tǒng),并且更具體地涉及包括用于處理氣流的軸流式和/或離 心式壓縮機(jī)的渦輪壓縮機(jī)系統(tǒng)。本公開內(nèi)容的主題特別地關(guān)于用于控制壓縮機(jī)布置以用于 防止或減少喘振現(xiàn)象和其它非期望操作狀態(tài)的方法及系統(tǒng)。
[0002] 相關(guān)摶術(shù)的描沐 渦輪壓縮機(jī)是用于提高工作氣流的壓力的吸收功的渦輪機(jī)。工作流體的壓力通過轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)將動能添加到連續(xù)的工作流體流來升高,該轉(zhuǎn)子支承一個或多個葉輪和/或成圓形 布置的一組或多組葉片。渦輪壓縮機(jī)經(jīng)常用于天然氣的管線輸送中,例如,在油氣應(yīng)用、制 冷系統(tǒng)、燃?xì)鉁u輪和其它應(yīng)用中,將氣體從生產(chǎn)地點(diǎn)移動至用戶位置。
[0003] 穿過渦輪壓縮機(jī)的流體流可由各種狀態(tài)影響,導(dǎo)致非穩(wěn)定的操作,這可導(dǎo)致渦輪 機(jī)的嚴(yán)重破壞。
[0004] 當(dāng)流過壓縮機(jī)的工作流體的壓力增大到超過最大允許的輸出壓力和/或如果流 率下降超過最低限度時,壓縮機(jī)喘振發(fā)生。
[0005] 大體上,當(dāng)壓縮機(jī)不可將足夠的能量增添至工作流體以便克服系統(tǒng)阻力(即,越 過系統(tǒng)的壓頭下降,導(dǎo)致快速流和排出壓力減小的情形)時,喘振現(xiàn)象發(fā)生。喘振可伴隨著 高振動、溫度升高和壓縮機(jī)軸的軸承上的軸向推力的快速變化。這些現(xiàn)象可嚴(yán)重地?fù)p壞壓 縮機(jī)并且還損壞連接至壓縮機(jī)的系統(tǒng)的構(gòu)件,例如閥和管路。為了防止喘振現(xiàn)象的出現(xiàn),已 經(jīng)開發(fā)出控制系統(tǒng)且目前用于渦輪壓縮機(jī)設(shè)備。
[0006] 圖1示出了示意性的系統(tǒng)1,其包括由原動機(jī)5(例如,電動機(jī)、燃?xì)鉁u輪或蒸汽渦 輪等)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的渦輪壓縮機(jī)3。參考標(biāo)號7表示吸入管線,工作流體從此處進(jìn)給至渦輪壓 縮機(jī)3的吸入側(cè)或入口側(cè)。參考標(biāo)號9表示輸送管路,壓縮的流體經(jīng)由其從壓縮機(jī)3的排 出側(cè)輸送。
[0007] 圖2示意性地示出了壓縮機(jī)性能圖,通常是軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)性能圖。性能 圖示出了沿豎軸的壓力比以及在橫軸上記錄的入口體積流。入口流由字母Q表示。取決于 壓縮機(jī)的操作狀態(tài),例如,旋轉(zhuǎn)速度(rpm),可在性能圖中記錄多個期望的性能曲線。各個 曲線可對應(yīng)于不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。因此,對于給定的壓縮機(jī)設(shè)置,可在性能圖上記錄性能曲 線族??蓪τ跍u輪壓縮機(jī)的不同設(shè)置或操作條件繪制類似的曲線族,例如,對于渦輪壓縮機(jī) 可設(shè)有的可動入口引導(dǎo)靜葉(IGV)的不同位置。各個性能曲線終止于喘振點(diǎn)處,即,壓力比 和穿過壓縮機(jī)的氣流達(dá)到某個值的點(diǎn),超過其將產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。線SLL為所謂的喘振極限 線,其由在性能圖上記錄的各個性能曲線的喘振點(diǎn)形成。SLL將性能圖分成兩個區(qū)域:穩(wěn)定 操作區(qū)域和喘振區(qū)域。穩(wěn)定操作區(qū)域位于SLL的下方和右手側(cè)。渦輪壓縮機(jī)的操作點(diǎn)應(yīng)當(dāng) 保持在性能圖的穩(wěn)定操作區(qū)域中以防止喘振現(xiàn)象發(fā)生。
[0008] 由于喘振現(xiàn)象可導(dǎo)致渦輪機(jī)和連接的機(jī)械構(gòu)件的嚴(yán)重?fù)p壞,為了安全地操作系 統(tǒng),標(biāo)為SCL的喘振控制線在圖上繪出。SCL在穩(wěn)定操作區(qū)域中大致平行于喘振極限線SLL 延伸。SCL表示渦輪壓縮機(jī)的操作的極限,超過該極限,壓縮機(jī)將不會操作以避免喘振現(xiàn)象 的風(fēng)險(xiǎn)。已知的壓縮機(jī)系統(tǒng)由喘振控制裝置和布置組成以控制渦輪壓縮機(jī),使得其在性能 圖的右側(cè)上持續(xù)地操作,即,在喘振控制線SCL下方。
[0009] 在圖1的圖示中,控制單元11連接到圍繞渦輪壓縮機(jī)的各種工具上以確定渦輪機(jī) 的操作狀態(tài)且提供抗喘振控制以用于防止喘振現(xiàn)象出現(xiàn)。
[0010] 更具體而言,在圖1的示例性實(shí)施例中,控制單元11連接到流測量裝置,其也稱為 流元件13,并設(shè)計(jì)和構(gòu)造成確定渦輪壓縮機(jī)3的入口體積流率。入口側(cè)的溫度傳感器提供 了溫度值Ts,且壓力傳感器提供了輸送壓力值Pd和吸入壓力值Ps,或直接提供壓縮比Pd/ Ps0
[0011] 基于輸入數(shù)據(jù),控制單元11能夠確定渦輪壓縮機(jī)3的每個操作時刻的入口體積流 率和壓力比。這兩個參數(shù)限定了圖2的壓縮機(jī)性能圖上的操作點(diǎn)??商峁嚎s機(jī)的旋轉(zhuǎn)速 度N(rpm)作為額外參數(shù),以便可選擇正確的操作曲線來確定性能圖中的壓縮機(jī)操作點(diǎn)的 實(shí)際位置。如果操作點(diǎn)接近喘振控制線SCL,則喘振控制系統(tǒng)作用在抗喘振旁通閥15上。 閥15布置在連接壓縮機(jī)3的輸送側(cè)和吸入側(cè)的旁通管線17上。由渦輪壓縮機(jī)3輸送的工 作流體的一部分可再循環(huán)穿過抗喘振閥15 (如果需要),以防止喘振現(xiàn)象。當(dāng)輸送壓力增大 使得操作點(diǎn)達(dá)到喘振控制線SCL時,抗喘振控制布置打開抗喘振旁通閥15,以便穿過壓縮 機(jī)的流率可增大且輸送壓力可減小。
[0012] 在再循環(huán)穿過喘振閥15之前,工作流體可在換熱器19中冷卻。
[0013] 圖3示出了包括側(cè)流的壓縮機(jī)布置。壓縮機(jī)3包括第一壓縮機(jī)級3A和第二壓縮 機(jī)級3B。側(cè)流20輸送氣流,該氣流添加到由第一壓縮機(jī)級3A輸送到第二壓縮機(jī)級3B的流 中。馬達(dá)5驅(qū)動這兩個壓縮機(jī)級旋轉(zhuǎn)。流元件13和轉(zhuǎn)換器FTl設(shè)在壓縮機(jī)3的吸入側(cè)處, 以確定體積流率。溫度轉(zhuǎn)換器Tls和壓力轉(zhuǎn)換器Pls測量壓縮機(jī)的吸入側(cè)處的氣體溫度和 壓力。類似的轉(zhuǎn)換器FTss、T SS和Pss確定側(cè)流的體積流率、溫度和壓力。壓力轉(zhuǎn)換器Pd2 確定壓縮機(jī)的輸送壓力。為了執(zhí)行第二壓縮機(jī)級3B的抗喘振控制,由于沒有轉(zhuǎn)換器可布置 在機(jī)器內(nèi)以直接地測量吸入側(cè)溫度,必須基于由上述轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的測量來估計(jì)其吸入側(cè)處 的溫度狀態(tài)。
[0014] 提供了具有抗喘振旁通閥15的抗喘振旁通管線17??勾耖y在壓縮機(jī)的操作點(diǎn) 接近喘振極限線時打開。
[0015] 用于估計(jì)具有側(cè)流的渦輪壓縮機(jī)中的第二壓縮機(jī)級或隨后的壓縮機(jī)級的吸入側(cè) 溫度的方法在US 6503048中公開,其通過引用并入本文中。
[0016] 用于估計(jì)下游壓縮機(jī)級的吸入側(cè)溫度的已知方法基于較大的簡化,這導(dǎo)致了壓縮 機(jī)的操作點(diǎn)的相當(dāng)不準(zhǔn)的估計(jì)。這繼而又導(dǎo)致渦輪壓縮機(jī)的低效率。
[0017] 本發(fā)明的概要 本文公開的主題關(guān)于一種用于提供壓縮機(jī)系統(tǒng)的抗喘振控制的改進(jìn)方法,該壓縮機(jī)系 統(tǒng)具有至少上游壓縮機(jī)級、下游壓縮機(jī)級和側(cè)流,側(cè)流將流帶入上游壓縮機(jī)級與下游壓縮 機(jī)級之間的流動通路中。該方法包括以下步驟:使用上游壓縮機(jī)級的無量綱性能圖來估計(jì) 由上游壓縮機(jī)級輸送的流的溫度?;诠烙?jì)的輸送溫度,進(jìn)一步的步驟為:基于由下游壓縮 機(jī)級輸送的流的質(zhì)量流和流溫度以及側(cè)流的質(zhì)量流和流溫度來執(zhí)行估計(jì)進(jìn)入下游壓縮機(jī) 級的流的溫度。然后可基于進(jìn)入下游壓縮機(jī)級的流的溫度來執(zhí)行下游壓縮機(jī)級的抗喘振控 制。
[0018] 特征和實(shí)施例在這里的下文中公開,且在所附權(quán)利要求中進(jìn)一步闡明,權(quán)利要求 形成了本描述的組成部分。以上簡要描述闡明了本發(fā)明的各種實(shí)施例的特征,以便可更好 地理解隨后的詳細(xì)描述,且以便可更好地認(rèn)識到對本領(lǐng)域帶來的貢獻(xiàn)。當(dāng)然,存在本發(fā)明的 其它特征,其將在下文描述且在所附權(quán)利要求中闡明。在這個方面中,在詳細(xì)地說明本發(fā)明 的若干實(shí)施例之前,可以理解的是,本發(fā)明的各種實(shí)施例在其應(yīng)用上不限于構(gòu)造的細(xì)節(jié)和 以下描述中闡明或附圖中示出的構(gòu)件的布置。本發(fā)明能夠有其它實(shí)施例且能夠以各種方式 實(shí)施和執(zhí)行。另外,應(yīng)當(dāng)理解的是,本文使用的術(shù)語和用語為了描述的目的,且不應(yīng)當(dāng)認(rèn)作 是限制。
[0019] 因此,本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到本公開內(nèi)容所基于的概念可容易地用作設(shè)計(jì)用 于執(zhí)行本發(fā)明的若干用途的其它結(jié)構(gòu)、方法和/或系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此,重要的是,權(quán)利要求 被認(rèn)作包括這樣的等同構(gòu)造,只要它們未脫離本發(fā)明的精神和范圍。
【附圖說明】
[0020] 本發(fā)明的公開實(shí)施例和其許多附帶優(yōu)點(diǎn)的更完整地認(rèn)識可容易獲得,因?yàn)樵摴_ 實(shí)施例在結(jié)合附圖考慮時通過參照以下詳細(xì)描述會變得更好理解,在附圖中: 圖1示出了根據(jù)當(dāng)前技術(shù)的具有抗喘振控制的壓縮機(jī)布置; 圖2示出了渦輪壓縮機(jī)的性能圖; 圖3示出了包括側(cè)流的壓縮機(jī)系統(tǒng)中的抗喘振控制布置; 圖4示出了根據(jù)本文公開的主題的具有側(cè)流和抗喘振控制的壓縮機(jī)布置; 圖5示出了無量綱的性能圖; 圖6示出了另一個性能圖; 圖7示出了本公開內(nèi)容的控制方法的控制算法的流程圖;以及 圖8示出了根據(jù)本文公開的主題的具有側(cè)流和抗喘振控制的壓縮機(jī)布置的另一個圖 解。
[0021] 本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描沐 示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述提到了附圖。不同圖中的相同參考標(biāo)號表示相同或相似 的元件。此外,圖不一定按比例繪制。另外,以下詳細(xì)描述并不限制本發(fā)明。實(shí)際上,本發(fā) 明的范圍由所附權(quán)利要求限定。
[0022] 說明書全文提到
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