СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРОМ
METHOD OF CONTROLLING TURBO COMPRESSOR

Настоящее изобретение относится к способу управления турбокомпрессором.
Как известно, турбокомпрессор состоит из ротора с лопатками, установленными с возможностью вращения в корпусе с аксиальным впускным отверстием и, в зависимости от типа турбокомпрессора, аксиальным или радиальным выпускным отверстием.
Во время вращения ротора воздух или другой газ аксиально засасывается внутрь компрессором через впускное отверстие и выходит через выпускное отверстие.
Таким образом, газ сжимается благодаря балансу центробежных сил и преобразования кинетической энергии в давление.
Для эксплуатации в нормальной рабочей области уже известны различные способы регулирования, например, применение регулируемых впускных лопаток, положение которых может изменяться в функции желаемого расхода для обеспечения возможности изменения скорости газового потока во впускном отверстии компрессора.
Также уже известно оснащение турбокомпрессора регулируемыми диффузионными лопатками, положение которых может регулироваться в функции желаемой скорости газового потока, аналогично описанному выше в отношении впускных лопаток.
Другие известные способы регулирования состоят, например, в регулировании скорости вращения компрессора, дросселировании впускного отверстия для воздуха компрессора или в комбинации двух или более из вышеупомянутых способов регулирования.
Во всех этих известных способах компрессором должен обеспечиваться некоторый минимальный расход при определенном давлении на выходе, в соответствии с чем этот минимальный расход различен для каждого способа.
Для величин расхода, которые ниже этого минимального расхода, стабильная эксплуатация становится невозможной, и возникает явление, именуемое «помпаж», в связи с чем вся компрессорная система становится нестабильной с резкими изменениями впускных и выпускных параметров, что также оказывает влияние на давление на выходе. Этот нестабильный, ненормальный поток вызывает значительные механические нагрузки, которые могут повредить машину, если ее не остановить.
Если давление или перепад давлений достаточно низкий, механические нагрузки будут меньше, так что они могут постоянно восприниматься машиной во время непрерывной работы.
Если отобразить это на графике, то для различных величин давления имеется серия минимальных расходов, расположенных на общей кривой, именуемой кривой помпажа.
Если минимальная расход строится как функция давления, при этом давление представлено вертикальной, направленной вверх осью, а минимальный расход - горизонтальной осью, направленной вправо, область нестабильного регулирования расположена слева от кривой помпажа.
На практике используется «кривая контроля помпажа», которая получается смещением вышеупомянутого графика вправо, так что обеспечивается запас надежности. Если вышеупомянутый предел устанавливается равным нулю, кривая контроля помпажа и кривая помпажа совпадают.
Если расход, требуемый для процесса, меньше при некоторой величине давления, чем минимальный расход, который представлен кривой контроля помпажа, приходится применять способ, который прежде всего защищает компрессор от влияний помпажа и который обеспечивает возможность подачи такого низкого расхода.
Для подачи таких низких расходов в области нестабильного регулирования или области помпажа уже известны несколько способов, включая следующие.
Первый известный способ состоит в применении открытого/закрытого выпускного клапана, который обеспечивает возможность, как только расход в компрессоре падает до минимальной величины, определяемой кривой контроля помпажа, выпускать некоторое количество сжатого газа из выпускного отверстия компрессора в атмосферу. Таким образом, регулировка, например, впускных лопаток и тому подобное, не используются.
В то же время обратный клапан, установленный в трубопроводе сжатого воздуха компрессора, закрывается, так что компрессор изолирован от нагрузки и вследствие этого расход не подается потребителю.
В результате через компрессор протекает поток, скорость которого больше, чем вышеупомянутая минимальная величина, так что помпаж предотвращается.
При последующем повторном закрытии выпускного клапана обратный клапан снова открывается, вследствие чего компрессор снова подает расход.
В результате попеременного открытия и закрытия выпускного клапана потребителю может подаваться усредненный требуемый поток.
Основной недостаток этого способа состоит в том, что весь поток воздуха или газа сбрасывается через выпускной клапан, что приводит к большим потерям энергии.
Другой известный способ состоит в применении плавно регулируемого выпускного клапана, в соответствии с чем, когда достигается кривая контроля помпажа, выпускной клапан только частично открывается, в связи с чем положение выпускного клапана непрерывно регулируется, так что может подаваться соответствующий расход.
Затем, также и в этом способе, некоторое количество газа выпускается выпускным клапаном, т.е. теряется, создавая некоторые потери энергии.
Третий известный способ является развитием первого способа, причем в этом случае, помимо открытия выпускного клапана и закрытия обратного клапана, части с изменяемой геометрией, такие как впускные лопатки, диффузионные лопатки и тому подобное, устанавливаются в такое положение, что расход компрессора невелик, и не подается потребителю путем закрытия обратного клапана.
В этом способе, однако, компрессор продолжает работать с расчетной скоростью вращения, в результате чего потери, которые преимущественно имеются в приводной системе, велики и доходят до 15-20% от номинальной мощности.
Для обеспечения возможности снова подавать расход части с изменяемой геометрией устанавливаются обратно в их исходное положение, и выпускной клапан закрывается, а обратный клапан снова открывается.
Перемежая эти циклы, можно подавать усредненный желаемый расход потребителю.
Выпускаемый расход значительно меньше в этом способе, чем в первом, в результате чего присутствуют меньшие потери. Общие потери остаются незначительными, хотя компрессор продолжает работать с расчетной скоростью вращения.
Настоящее изобретение нацелено на устранение одного или нескольких из вышеупомянутых и других недостатков.
С этой целью настоящее изобретение относится к способу регулирования турбокомпрессора, в котором трубопровод сжатого воздуха соединен с этим турбокомпрессором и с расположенным в трубопроводе обратным клапаном, когда один или несколько параметров процесса превышают заданный предел, скорость вращения турбокомпрессора снижается очень резко до заданной минимальной скорости вращения и вышеупомянутый обратный клапан закрывается, после чего, если одно или несколько условий, обусловивших замедление, восстанавливают свои значения, скорость вращения компрессора снова повышается и обратный клапан открывается.
Преимущество этого способа состоит в том, что поскольку компрессор вращается только с минимальной скоростью вращения, он потребляет только очень ограниченную мощность. Благодаря этой низкой скорости вращения, потери в приводе значительно меньше, чем в случае номинальной эксплуатации, так что мощность, требуемая в этом состоянии, представляет собой только часть номинальной мощности.
Другое преимущество такого способа согласно изобретению состоит в том, что компрессор всегда готов в случае внезапного увеличения расхода быстро переключиться обратно в первое рабочее состояние, снова увеличив скорость вращения.
Этот способ также позволяет осуществлять регулирование без обязательного выпуска, некоторого количества газа или сжатого воздуха с низким расходом в атмосферу.
В вышеупомянутом способе согласно изобретению компрессор имеет возможность вращаться в помпаже во время переходного процесса, возникающего, когда скорость вращения турбокомпрессора снижается очень быстро и обратный клапан закрыт.
Как известно, возникновение такого «эффекта помпажа» приводит к дополнительной механической нагрузке.
Следовательно, машина должна быть рассчитана так, чтобы она могла выдерживать эту временную дополнительную нагрузку без каких-либо повреждений.
Когда компрессор вращается с пониженной скоростью и с закрытым обратным клапаном, он постоянно находится в ситуации помпажа.
В этом случае, однако, механическая нагрузка низкая, так что это не вызывает каких-либо значительных проблем. Если необходимо, всегда возможно принять меры для предотвращения увеличения температуры.
Согласно изобретению, однако, в комбинации с быстрым снижением скорости вращения некоторое количество сжатого газа отводится и/или выпускается в атмосферу для предотвращения любого обратного потока.
Это создает то преимущество, что перепад давлений на компрессоре очень низкий, в результате чего потребляемая компрессором мощность падает еще более и экономится дополнительная энергия.
Другое преимущество такого способа состоит в том, что газ для отвода и/или выпуска находится при гораздо меньшем давлении, чем давление, подаваемое потребителю, что приводит к меньшим потерям энергии.
Более того, количество отводимого и/или выпускаемого воздуха или газа может быть более ограниченным, чем в известных способах, так что сопутствующие потери уменьшены, при условии небольшого выпускаемого расхода и низкой степени сжатия.
В широком смысле способ согласно изобретению может быть также применен к многоступенчатому компрессору, образованному из нескольких компрессорных ступеней. Здесь мы разграничиваем следующие случаи:
1) несколько компрессорных ступеней приводятся в движение одним двигателем
или
2) несколько компрессорных ступеней приводятся в движение несколькими двигателями (причем количество двигателей меньше или равно количеству компрессорных ступеней). Номинальная, а также пониженная скорость вращения этих двигателей в этом случае не обязательно одинакова, и резкие снижения скоростей вращения различных вышеупомянутых двигателей могут происходить или не происходить одновременно.
В любом из двух случаев, упомянутых выше, между различными компрессорными ступенями и/или после последней компрессорной ступени может быть установлен один или несколько выпускных клапанов.
Для лучшего объяснения изобретения способ описан на не ограничивающем примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематическое изображение компрессора, приводимого в действие согласно изобретению;
Фиг.2 - принцип работы способа согласно изобретению.
Фиг.1 представляет турбокомпрессор 1 с всасывающей частью 2, соединенной с трубопроводом 3 всасывания, и частью 4 нагнетания, с которой соединен трубопровод 5 сжатого воздуха, с обратным клапаном 6, который предотвращает обратный поток в турбокомпрессоре 1.
Вышеупомянутый обратный клапан 6 в этом случае выполнен традиционным образом с пружиной, поджимающей уплотнительный элемент к гнезду, но согласно изобретению не исключено выполнение этого клапана 6 другой конструкции, например, в виде управляемого клапана или подобного устройства.
К вышеупомянутому трубопроводу 5 сжатого воздуха между турбокомпрессором 1 и вышеупомянутым обратным клапаном 6 подсоединен выпускной трубопровод 7 с выпускным клапаном 8.
Выпускной клапан 8 в этом случае выполнен в виде управляемого клапана с регулируемым положением, но это, однако, не является необходимым согласно изобретению.
Компрессор 1 приводится в действие двигателем 9, который в этом случае выполнен в виде электрического двигателя 9 с регулируемой скоростью с модулем 10 управления, но который может быть также выполнен в форме любого другого типа двигателя, например, теплового двигателя.
Компрессор 1 в этом случае дополнительно оснащен контроллером 11, например, в виде программируемого или подобного контроллера, который соединен с вышеупомянутым модулем 10 управления, и также соединен с выпускным клапаном 8.
Компрессор также оснащен первым датчиком 12 давления, установленным в трубопроводе 5 сжатого воздуха между компрессором 1 и обратным клапаном 6, и вторым датчиком 13 давления, который также установлен в трубопроводе 5 сжатого воздуха после вышеупомянутого обратного клапана 6, так что этот второй датчик 13 давления измеряет давление, имеющееся в системе сжатого воздуха или давление на входе в трубопровод 5.
И, наконец, компрессор 1 в этом примере также включает датчик 14 расхода, который установлен в трубопроводе 3 всасывания.
Каждый из датчиков 12-14 соединен с вышеупомянутым контроллером 11.
Способ согласно изобретению очень прост и заключается в следующем.
При стабильных рабочих условиях, иными словами, вне области помпажа, т.е., в нормальной рабочей зоне, как показано в заштрихованной зоне А на схеме по фиг.2, турбокомпрессор 1 регулируется изменением скорости двигателя 9.
Вертикальная ось на графике по фиг.2 отображает степень сжатия «С» в турбокомпрессоре 1, в то время как горизонтальная ось отображает расход компрессора «Q».
Согласно изобретению, как только один или несколько параметров процесса превышают заданный предел, скорость вращения турбокомпрессора 1 очень быстро снижается до заданной минимальной скорости вращения, и вышеупомянутый обратный клапан 6 закрывается.
В этом примере, когда расход, измеренный датчиком 14 падает до или ниже заданной минимальной величины, соответствующей кривой помпажа, скорость вращения турбокомпрессора 1 очень быстро снижается до заданной минимальной скорости вращения согласно изобретению, как изображено на схеме по фиг.2 эксплуатационной точкой В вне нормальной рабочей зоны А.
Вышеупомянутая минимальная величина расхода и минимальная скорость вращения могут, таким образом, храниться, например, в вышеупомянутом контроллере 11 и могут определяться экспериментально, например, для получения наилучших результатов.
Согласно предпочтительной характеристике способа согласно изобретению, в комбинации с быстрым снижением скорости вращения и закрытием клапана 6 одностороннего действия открывается выпускной клапан 8, так что компрессор 1 изолируется от процесса.
Когда компрессор 1 вращается с очень низкой скоростью, когда выпускной клапан 8 открыт, перепад давлений на компрессоре 1 низкий, и компрессор 1 потребляет только ограниченную мощность.
Благодаря низкой скорости вращения, потери, возникающие, например, в подшипниках двигателя 9 и компрессора 1 и в возможной трансмиссии между двигателем 9 и компрессором 1, намного меньше, чем при номинальной эксплуатации.
Условия, при которых возобновляются нормальные условия эксплуатации, иными словами, при которых скорость вращения компрессора снова увеличивается и выпускной клапан 8 запирается, в то время как обратный клапан снова открывается благодаря повышающемуся давлению с компрессорной стороны упомянутого клапана 6, также запрограммированы в контроллере 11.
Примером такого состояния обратного переключения может служить, например, то, что величина давления в сети сжатого воздуха, измеренная вторым датчиком 13 давления, падает ниже некоторой величины.
Согласно изобретению выпускной клапан 8 может иметь несколько различных положений или даже регулироваться непрерывно, так что когда измеренный расход падает до вышеупомянутой минимальной величины, упомянутый выпускной клапан 8 открывается первым посредством плавной регулировки.
Если в этом случае возникает остановка, например, когда достигается заданное открытие выпускного клапана 8, могут начаться вышеупомянутые этапы способа согласно изобретению, а именно быстрое снижение скорости вращения, открытие выпускного клапана 8 и закрытие обратного клапана 6.
Согласно изобретению, не исключено комбинирование вышеупомянутого способа с применением регулируемых впускных лопаток, регулируемых диффузионных лопаток, дросселирования трубопровода всасывания или других средств регулирования, обеспечивающих возможность регулировать создаваемый компрессором расход.
В описанном выше примере используется выпускной клапан 8, но присутствие такого выпускного клапана не является строго необходимым и он может быть опущен и/или объединен и/или заменен обратной линией для отвода некоторого количества сжатого газа.
Настоящее изобретение может быть применено ко всем типам турбокомпрессоров, т.е., к аксиальным, а также к радиальным турбокомпрессорам.
Согласно изобретению вышеупомянутый компрессор 1 состоит из некоторых компрессорных ступеней, в соответствии с чем эти компрессорные ступени или:
a) управляются одним двигателем; или
b) управляются несколькими двигателями, имеющими или не имеющими каждый одинаковые номинальные и пониженные скорости вращения.
В последнем случае, когда имеются несколько двигателей, скорость их вращения может снижаться или не снижаться одновременно.
Если требуется, в каждом из вышеупомянутых случаев а) и b) может быть установлен один или несколько выпускных клапанов между различными компрессорными ступенями и/или после последней компрессорной ступени.
Настоящее изобретение не ограничивается способом, описанным в качестве примера и отображенным на чертежах; напротив, такой способ согласно изобретению может осуществляться различными путями, в то же время по-прежнему оставаясь в пределах объема изобретения.