СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА
METHOD FOR REGULATING MULTISTAGE COMPRESSOR

Настоящее изобретение относится к способу регулирования многоступенчатого компрессора и к системе регулирования, предназначенной для осуществления этого способа.
В частности, настоящее изобретение относится к подаче природного газа в двигатель или другую машину для совершения ею работы. Такой двигатель или машина (и компрессор) могут находиться на борту транспортного средства (корабля, поезда …) или на суше. Газ поступает на вход компрессора, например, из хранилища СПГ (сжиженного природного газа, далее - СПГ). Таким образом, газ может иметь низкую температуру (ниже - 100°С). Газ может представлять собой отпарной газ или испаренную жидкость.
Специалистам в области компрессоров хорошо известно, что компрессор, в том числе многоступенчатый компрессор, работает только при заданных условиях, которые зависят от конструктивных особенностей компрессора. Применение центробежных компрессоров ограничено, с одной стороны, условиями, при которых происходит запирание потока, а с другой стороны, условиями, при которых возникает помпаж.
Запирание потока происходит, когда поток становится слишком большим относительно напора. Например, в компрессоре с постоянной скоростью напор должен быть больше заданного значения.
Помпаж происходит, когда поток газа в компрессоре уменьшается так, что компрессор не может поддерживать достаточное давление на выходе. В этом случае давление на выходе компрессора может стать ниже, чем давление на входе, что может привести к повреждению компрессора (рабочего колеса и/или вала).
Как известно из уровня техники, для защиты компрессора от помпажа используют "противопомпажный" трубопровод, который соединяет выход компрессора с его входами и снабжен перепускным клапаном.
В патенте США №4526513 описан способ и устройство для регулирования магистральных компрессоров. В частности, данный документ посвящен условиям возникновения помпажа в компрессорах. Однако, как указано в данном документе, при запирании потока необходимо установить на линии дополнительные компрессорные узлы. Это решение не всегда применимо, а в случае возможности его применения оно является дорогостоящим.
Первой задачей настоящего изобретения является создание системы регулирования многоступенчатого компрессора, выполненной с возможностью предотвращения запирания потока.
Второй задачей настоящего изобретения является создание системы регулирования, выполненной с возможностью увеличения диапазона условий на входе компрессора, когда заданы некоторые условия на выходе.
Третьей задачей данного изобретения является создание системы регулирования с ограниченной перегрузкой по сравнению с системой регулирования, выполненной с возможностью предотвращения помпажа.
Для решения по меньшей мере одной из указанных или других задач согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ регулирования многоступенчатого компрессора, содержащего по меньшей мере первую ступень, вторую ступень и первый межступенчатый трубопровод, проходящий между первой и второй ступенями.
Согласно настоящему изобретению данный способ включает следующие этапы:
а - измерение температуры на входе компрессора,
б - измерение отношения между давлением на выходе и давлением на входе первой ступени компрессора,
с - вычисление коэффициента на основании по меньшей мере значения температуры на входе и измеренного отношения давлений,
д - если вычисленный коэффициент находится в заданном диапазоне, воздействие на регулирующий клапан, установленный в трубопроводе, по которому подается газ на вход первой ступени компрессора, или в трубопроводе для рециркуляции газа, который ведет в первый межступенчатый трубопровод.
Согласно данному способу предложено воздействие на условия работы в первой ступени компрессора. Измеряют температуру и давление на входе, а также давление на выходе. Если рассчитанный коэффициент не находится в заданном диапазоне, необходимо увеличить температуру на входе и/или увеличить отношение давления на выходе к давлению на входе.
В первом варианте выполнения данного способа коэффициент, который рассчитывают на этапе с, может быть рассчитан путем умножения температуры на входе компрессора на логарифм отношения давления на выходе к давлению на входе.
Согласно предпочтительному варианту выполнения данного способа предполагается, что коэффициент, рассчитываемый на этапе с, представляет собой коэффициент напора:
2
ψ=2*Δh/U,
где:
Δh - изоэнтропическое повышение энтальпии в первой ступени, U - окружная скорость концов лопаток рабочего колеса,
при этом
in
out
in
Δh=R*T* ln(P/P)/MW,
где:
R - постоянная величина,
in
T - температура газа на входе первой ступени,
out
P - давление на выходе первой ступени,
in
P - давление на входе первой ступени и
MW - молекулярная масса газа, проходящего через компрессор.
В данном варианте выполнения предполагается, что газ является идеальным газом, а переход является изоэнтропическим и адиабатическим. Такая аппроксимация дает хорошие результаты для промышленных установок.
На этапе д) вышеописанного способа с помощью системы регулирования может быть оказано воздействие:
- на перепускной клапан, установленный в рециркуляционном трубопроводе первой ступени компрессора, и/или
- на перепускной клапан, установленный в рециркуляционном трубопроводе, который ведет в первый межступенчатый трубопровод, и/или
- на регулирующий клапан, установленный в главном питающем трубопроводе компрессора.
При указанных воздействиях обеспечена возможность соответствующим образом увеличить температуру на входе и/или увеличить давление на выходе и/или уменьшить давление на входе первой ступени компрессора.
Данное изобретение также относится к многоступенчатому компрессору, содержащему:
- первую ступень,
- по меньшей мере дополнительную ступень,
- первый межступенчатый трубопровод, проходящий между первой и второй ступенями,
- температурный датчик для измерения температуры на входе первой ступени,
- первый датчик давления для измерения давления на входе первой ступени компрессора,
- второй датчик давления для измерения давления на выходе первой ступени компрессора,
причем указанный компрессор отличается тем, что он содержит:
- первый рециркуляционный трубопровод, проходящий от выхода первой ступени компрессора ко входу первой ступени и содержащий перепускной клапан, и
- средства для осуществления описанного выше способа.
Данный многоступенчатый компрессор может также содержать:
- рециркуляционный трубопровод, проходящий от выхода n-ой ступени компрессора к первому межступенчатому трубопроводу и содержащий перепускной клапан, и/или
- регулирующий клапан, установленный в главном питающем трубопроводе компрессора.
Многоступенчатый компрессор может быть четырехступенчатым или шестиступенчатым.
В компрессоре согласно данному изобретению каждая ступень может содержать рабочее колесо, при этом все рабочие колеса могут быть механически соединены.
Эти и другие признаки данного изобретения описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи и относятся к предпочтительным, но не ограничительным вариантам выполнения изобретения.
На Фиг. 1-4 проиллюстрировано четыре возможных варианта осуществления данного изобретения.
На разных чертежах одинаковыми номерами обозначены одинаковые элементы или элементы с одинаковой функцией.
На Фиг. 1 показан многоступенчатый компрессор, который в данном примере представляет собой четырехступенчатый компрессор. Каждая ступень 10, 20, 30, 40 компрессора, который схематически показан на Фиг. 1, содержит центробежное рабочее колесо, вращающееся с постоянной скоростью. Ступени механически соединены с помощью вала и/или редуктора. Рабочие колеса могут быть одинаковыми, но также могут и отличаться, например, иметь разные диаметры.
По питающему трубопроводу 4 обеспечивается подача газа в компрессор, а именно, на вход первой ступени 10 компрессора. Газ может представлять собой, например, отпарной газ из резервуара для хранения, находящегося на борту судна или на суше.
После прохождения через первую ступень 10 газ по первому межступенчатому трубопроводу 12 поступает ко входу второй ступени 20. После прохождения через вторую ступень 20 газ поступает по второму межступенчатому трубопроводу 22 ко входу третьей ступени 30. После прохождения через третью ступень 30 газ поступает по третьему межступенчатому трубопроводу 32 ко входу четвертой ступени 40.
После прохождения четвертой ступени 40 и перед поступлением по питающему трубопроводу 6 в двигатель (не показан) или другое устройство сжатый газ может охлаждаться в последующем охладителе 5.
Компрессор содержит первый рециркуляционный трубопровод 8, в который сжатый газ поступает на выходе первой ступени 10 и по которому указанный газ поступает ко входу первой ступени 10. Посредством первого перепускного клапана 70 обеспечивается регулирование прохождения газа по первому рециркуляционному трубопроводу 8. Как изображено на чертежах, газ перед подачей ко входу первой ступени может полностью или частично охлаждаться в промежуточном охладителе 72 или не подвергается охлаждению. Ниже по потоку от первого перепускного клапана первый рециркуляционный трубопровод 8 может иметь две линии, одна из которых оборудована промежуточным охладителем 72 и регулирующим клапаном, а другая - только регулирующим клапаном.
В примере, показанном на Фиг. 1, обеспечен второй рециркуляционный трубопровод 74. По данному трубопроводу сжатый газ может отбираться с выхода четвертой ступени 40, предпочтительно ниже по потоку от последующего охладителя 5, и подаваться в первый межступенчатый трубопровод 12, ко входу второй ступени 20. Регулирование прохождения газа по второму рециркуляционному трубопроводу 74 обеспечено посредством второго перепускного клапана 76.
Компрессор также содержит датчик 78 температуры, первый датчик 80 давления и второй датчик 82 давления. С помощью датчика 78 температуры обеспечивается измерение температуры газа на входе первой ступени 10. Этот датчик расположен ниже по потоку от места соединения первого рециркуляционного трубопровода 8 с питающим трубопроводом 4. С помощью первого датчика 80 давления обеспечивается измерение давления на входе первой ступени 10, например, в том же местоположении, что и с помощью датчика 78 температуры, а с помощью второго датчика 82 давления обеспечивается измерение давления на выходе первой ступени 10. Второй датчик 82 давления, например, встроен в первый межступенчатый трубопровод 12 выше по потоку от места отведения первого рециркуляционного трубопровода 8.
Компрессор, показанный на Фиг. 3, также является четырехступенчатым и имеет такую же конструкцию, что и компрессор, описанный выше со ссылкой на Фиг. 1.
Компрессор, показанный на Фиг. 2 (а также на Фиг. 4), является шестиступенчатым. Каждая ступень 10, 20, 30, 40, 50 и 60 этого компрессора содержит центробежное рабочее колесо, и эти колеса механически соединены с помощью вала и/или редуктора. Рабочие колеса могут быть одинаковыми, но могут и отличаться, например, иметь разные диаметры.
На Фиг. 2 также показан питающий трубопровод 4, по которому газ поступает в компрессор, первый межступенчатый трубопровод 12, второй межступенчатый трубопровод 22 и третий межступенчатый трубопровод 32. Поскольку данный компрессор имеет шесть ступеней, в нем выполнен четвертый межступенчатый трубопровод 42, который соединяет выход четвертой ступени со входом пятой ступени, и пятый межступенчатый трубопровод 52, проходящий между выходом пятой ступени 50 компрессора и входом его шестой ступени 60.
В данном шестиступенчатом варианте выполнения сжатый газ может охлаждаться, например, за третьей ступенью 30 и за шестой ступенью в последующем охладителе 5, 5'. Последующий охладитель 5 установлен в третьем межступенчатом трубопроводе, а последующий охладитель 5' обеспечивает охлаждение сжатого газа перед его поступлением по питающему трубопроводу 6 в двигатель (не показан) или другое устройство.
Компрессор, показанный на Фиг. 2 (и Фиг. 4), также содержит первый рециркуляционный трубопровод 8 с первым перепускным клапаном 70. Перед подачей на вход первой ступени газ может частично или полностью охлаждаться с помощью промежуточного охладителя 72.
В примере, показанном на Фиг. 2, обеспечены второй рециркуляционный трубопровод 74 и третий рециркуляционный трубопровод 84. По второму рециркуляционному трубопроводу 74 сжатый газ может отбираться на выходе третьей ступени 30, предпочтительно ниже по потоку от последующего охладителя 5, и подаваться в первый межступенчатый трубопровод 12, на вход второй ступени 20. Регулирование прохождения газа по второму рециркуляционному трубопроводу 74 осуществляется с помощью второго перепускного клапана 76.
По третьему рециркуляционному трубопроводу 84 могут производиться отбор сжатого газа на выходе шестой ступени 60, предпочтительно ниже по потоку от последующего охладителя 5', и подача указанного газа в третий межступенчатый трубопровод 32, на вход четвертой ступени 40. Третий рециркуляционный трубопровод 84 сообщается с третьим межступенчатым трубопроводом 32 ниже по потоку от места отведения второго рециркуляционного трубопровода 74. Регулирование прохождения газа по третьему рециркуляционному трубопроводу 84 осуществляется с помощью третьего перепускного клапана 86.
Шестиступенчатый компрессор также содержит датчик 78 температуры, первый датчик 80 давления и второй датчик 82 давления, которые установлены подобно датчикам в рассмотренном четырехступенчатом компрессоре.
В (четырехступенчатом или шестиступенчатом) компрессоре, который описан выше, или в другом многоступенчатом компрессоре запирание потока может быть связано с низким напором при наличии большого потока через ступени компрессора. Осуществление работы в зоне запирания потока обычно приводит к вибрациям, а иногда к повреждениям компрессора.
Предложен способ предотвращения таких вибраций и/или повреждений, который исключает работу компрессора (и, в частности, ступени 10) при низком напоре и большом потоке.
Согласно данному способу в предпочтительном варианте выполнения рассчитывают коэффициент изоэнтропического напора, что может выполняться постоянно или периодически с заданной частотой. Частоту можно выбирать в зависимости от медленного или быстрого изменения температурных режимов и режимов давления.
Коэффициент изоэнтропического напора определяется по формуле:
2
ψ=2*Δh/U,
где:
Δh - изоэнтропическое повышение энтальпии в первой ступени 10 компрессора,
U - окружная скорость концов лопаток рабочего колеса в первой ступени 10 компрессора.
Изоэнтропическое повышение энтальпии определяется по формуле:
in
out
in
Δh=R*T*ln(P/P)/MW,
где:
R - универсальная газовая постоянная,
in
T - температура газа на входе первой ступени 10,
out
P - давление на выходе первой ступени 10,
in
P - давление на входе первой ступени 10, и
MW - молекулярная масса газа, проходящего через компрессор.
Значение R составляет приблизительно 8,314 кДж/(кмоль*К).
in
Значение T дано в градусах Кельвина.
out
in
Значения P и P даны в Бар (а).
Значение MW дано в кг/кмоль.
Тогда значение Δh получают в кДж/кг.
Окружная скорость концов лопаток рабочего колеса первой ступени дана в м/с.
В случае, когда состав газа не изменяется или изменяется лишь в небольшой степени, а скорость вращения вала 2 является постоянной:
in
out
in
ψ=α*[T*ln(P/P)].
В данном случае предлагается рассчитать ψ с помощью адаптированных средств 88 вычисления, которые встроены в компрессор. Эти средства выполнены с возможностью приема информации от датчика 78 температуры, от первого датчика 80 давления и от второго датчика 82 давления. Если молекулярная масса газа меняется, информация, касающаяся газа (которая поступает, например, от денситометра и/или газоанализатора) также может поступать в средства вычисления. Таким же образом, если меняется скорость рабочего колеса, на валу 2 может быть выполнен тахометр.
Далее значение ψ передается в электронные средства 90 регулирования, которые выполнены с возможностью передачи команд соединенным с ними исполнительным механизмам, выполненным в компрессоре.
В предложенном способе согласно иллюстративному, но неограничительному примеру, предполагается, что компрессор работает в условиях, приближенных к условиям запирания потока, если ψ меньше 0,2 (при указанных выше единицах измерения).
На Фиг. 1-4 проиллюстрированы разные варианты воздействия на компрессор для изменения коэффициента ψ.
out
Как показано на Фиг. 1, электронные средства 90 регулирования соединены с исполнительным механизмом, который выполнен с возможностью оказания воздействия на второй перепускной клапан 76. В том случае, если ψ становится равным 0,2, под действием средств 90 регулирования обеспечивается открывание второго перепускного клапана 76. В результате этого действия обеспечивается прохождение газа в первый межступенчатый трубопровод 12. Поскольку скорость вращения компрессора на второй ступени 20 не изменяется, объемный расход газа через вторую ступень не меняется. Как следствие, давление на входе второй ступени будет расти вместе с P первой ступени 10 и, соответственно, Δh, а также ψ при постоянной скорости рабочих колес.
Как показано на Фиг. 2, действие, оказываемое средствами 90 регулирования, подобно показанному на Фиг. 1. С помощью указанных средств обеспечивается воздействие на второй перепускной клапан 76 и увеличение давления на выходе первой ступени 10. Различие между Фиг. 1 и Фиг. 2 заключается в том, что на Фиг. 1 показан четырехступенчатый компрессор, а на Фиг. 2 - шестиступенчатый компрессор.
Как показано на Фиг. 3, средства 90 регулирования соединены с исполнительным механизмом, который выполнен с возможностью оказания воздействия на первый перепускной клапан 70. Принцип регулирования заключается в регулировании изоэнтропического напора в первой ступени 10 путем рециркуляции теплого газа ко входу первой ступени 10.
in
В случае, если значение ψ становится равным 0,2, под действием средств 90 регулирования открывается первый перепускной клапан 70. В результате такого воздействия теплый газ поступает на вход первой ступени. Как следствие, T будет расти и, соответственно, Δh, а также ψ при постоянной скорости вала 2.
Специалисту должно быть понятно, что такое регулирование также осуществимо в шестиступенчатом компрессоре, подобном компрессору на Фиг. 2 или 4.
На Фиг. 4 показан третий вариант воздействия на значение ψ. В данном варианте выполнения регулирующий клапан 92 установлен на главном питающем трубопроводе 4 компрессора, предпочтительно выше по потоку от первого рециркуляционного трубопровода 8.
В данном варианте выполнения средства 90 регулирования соединены с исполнительным механизмом, выполненным с возможностью воздействия на регулирующий клапан 92. Принцип регулирования заключается в регулировании изоэнтропического напора в первой ступени 10 путем изменения давления на входе первой ступени 10.
in
В случае, если значение ψ становится равным 0,2, под действием средства 90 регулирования обеспечивается закрывание регулирующего клапана 92. В результате P будет уменьшаться, при этом Δh, а также ψ будут расти при постоянной скорости вала 2.
Описанные выше три разных способа регулирования основаны на том факте, что ограничение, касающееся запирания потока в многоступенчатом компрессоре, возникает в первой ступени. Указанные способы позволяют значительно расширить условия работы компрессора.
3
3
4
4
2
Например, если компрессор работает с отпарным газом, таким как отпарной СПГ, давление на входе первой ступени компрессора может изменяться от 1,03 до 1,7 Бар. Температура на входе также может изменяться в широком диапазоне, от -140°С до +45°С. Поскольку состав газа также может меняться, плотность СПГ может изменяться от 0,62 кг/м (100% СН) до 2,83 кг/м (85% СН и 15% N).
Для областей применения отпарного газа запирание потока в компрессоре происходит (в зависимости от состава газа) при высоком давлении в резервуаре в сочетании с низкой температурой. Благодаря предложенному способу обеспечена возможность работы компрессора при более высоких значениях давления и/или при более низких значениях температуры по сравнению с известным компрессором. В результате испытаний было установлено, что без осуществления предложенного регулирования работа компрессора попадает в зону запирания потока при давлении 1,7 бар и температуре -100°С, а при осуществлении предложенного регулирования компрессор может работать за пределами зоны запирания потока вплоть до температуры -140°.
Несмотря на то, что в предпочтительном варианте выполнения предложенного способа вычисляют коэффициент изоэнтропического напора, также будет эффективным способ, основанный на вычислении другого коэффициента, определяемого температурой на входе и отношением выходного давления ко входному давлению. Предпочтительно, такой коэффициент определяется по формуле:
in
out
in
T*ln (P/P).
Преимущество предложенного способа заключается в том, что он может быть осуществлен без изменения конструкции компрессора, известного из уровня техники. Описанные перепускные клапаны обычно используют в качестве противопомпажных клапанов и применяют в большинстве известных компрессоров. В предложенном способе эти клапаны используются для осуществления другой функции.
Компрессор, описанный в данном документе, может использоваться на судне или плавучей установке для регазификации. Он также может использоваться на суше, например, в терминале, а также в транспортном средстве, например, в поезде. Данный компрессор может использоваться для обеспечения подачи в двигатель или генератор (или другого рабочего устройства).
Следует понимать, что приведенное выше подробное описание относится только к примерным вариантам выполнения данного изобретения. Однако, второстепенные аспекты вариантов выполнения могут быть изменены в зависимости от области применения, при этом сохраняя по меньшей мере некоторые из указанных преимуществ.