СПОСБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРА
METHOD OF COMPRESSOR CONTROL

Предметом данного изобретения является способ регулирования компрессора, включающего в себя один или несколько компрессорных элементов, причем каждый компрессорный элемент оборудован входом и выходом, а компрессор может быть подключен к нагрузке, в которой используется сжатый газ.
В частности, цель данного изобретения заключается в экономии энергии при переходе от полной или частичной нагрузки к нулевой нагрузке и наоборот, в соответствии с чем компрессор включает в себя блок регулирования, который поддерживает номинальную частоту вращения (или удерживает ее в определенном диапазоне номинальной частоты вращения) ротора вышеупомянутого компрессорного элемента (или компрессорных элементов).
Во многих случаях поток сжатого газа на выходе компрессора желательно в определенной степени контролировать, например, если данный компрессор снабжает сжатым газом систему сжатого газа. В такой ситуации подаваемый расход газа, предпочтительно, следует регулировать соответственно его потреблению в системе сжатого газа.
Если по меньшей мере один из компрессорных элементов представляет собой компрессор винтового типа, подаваемый расход газа можно регулировать известным способом, по существу, без потери эффективности.
В данном случае входное давление компрессорного элемента, как правило, снижают с постоянной скоростью (однако это не так, если компрессорный элемент представляет собой турбокомпрессор).
Если компрессор является компрессором турбокомпрессорного типа, он, предпочтительно, должен работать при более или менее постоянном расходе, в результате чего его частота вращения является номинальной. При номинальной частоте вращения компрессор работает с полной нагрузкой, в результате чего его режим работы является оптимальным. Расход на выходе можно в определенной степени регулировать в экономичном режиме путем изменения частоты вращения компрессора с помощью входных направляющих аппаратов и/или направляющих аппаратов нагнетателя.
При дальнейшем снижении требуемого расхода для регулирования расхода на выходе применяются другие способы. Обычно избыточная часть сжатого газа на выходе компрессора стравливается с помощью перепускного клапана.
Другой известный способ заключается в регулярном стравливании полного расхода на выходе компрессора или его рециркуляции до тех пор, пока давление в системе сжатого газа не упадет ниже определенного значения, после чего компрессор снова начинает подавать полный расход.
Таким образом, турбокомпрессор всегда может привести подаваемый расход газа в соответствие с требуемым расходом.
Важным недостатком известных способов является их высокая энергоемкость.
Еще один, более энергоэкономичный способ уменьшения подаваемого расхода заключается в установке регулируемых входных направляющих аппаратов или, возможно, направляющих аппаратов нагнетателя, с помощью которых угол направления потока таким образом меняется всякий раз при изменении расхода (на входе и выходе ступени компрессора соответственно). Недостатком данного способа является его относительно высокая сложность и связанные с ней производственные затраты.
Во всех вышеописанных способах при переходе от нагруженного состояния к разгруженному и наоборот частота вращения компрессора поддерживается постоянной. Еще один способ дальнейшего уменьшения подаваемого расхода центробежного компрессора с регулируемой частотой вращения заключается в снижении оборотов, при котором давление на выходе сначала или одновременно уменьшается с помощью перепускного клапана, в результате чего достигается низкая мощность компрессора при низкой нагрузке. Компрессор тогда не поставляет никакого расхода в систему сжатого газа.
Однако недостатком этого способа является возникновение значительных потерь при переходе от нагруженного состояния к ненагруженному и наоборот, поскольку мощность центробежного компрессора не сильно зависит от окончательного давления.
Цель настоящего изобретения заключается в устранении одного или нескольких вышеупомянутых недостатков и/или других недостатков путем создания способа регулирования компрессора, включающего в себя один или несколько компрессорных элементов, каждый из которых имеет вход и выход, в котором при переходе от полной или частичной нагрузки к нулевой нагрузке, как минимум, первый компрессорный элемент подвергается воздействию процесса А, включающего в себя следующие этапы:
как минимум, временное уменьшение давления на входе первого компрессорного элемента; и
последующее, или одновременное, или частично одновременное и частично последующее снижение частоты вращения и/или крутящего момента на валу данного первого компрессорного элемента до более низкого значения или до нуля,
и при котором при переходе от нулевой нагрузки к частичной или полной нагрузке, как минимум, первый компрессорный элемент подвергается воздействию процесса В, включающего в себя следующие этапы:
повышение частоты вращения и/или крутящего момента на валу данного первого компрессорного элемента до номинального значения или в пределах диапазона номинального значения; и
последующее, или одновременное, или частично одновременное и частично последующее регулируемое повышение давления на входе данного первого компрессорного элемента.
Выражение "регулируемое повышение давления на входе" означает активное повышение данного входного давления посредством регулирования определенных компонентов компрессора, таких как клапаны, элементы компрессора или аналогичные элементы, например, с помощью блока регулирования.
Предпочтительно, перед снижением давления на входе первого компрессорного элемента процесс А также должен включать в себя этап снижения давления на выходе, например, посредством открытия перепускного клапана на стороне нагнетания данного первого компрессорного элемента.
Снижение давления на выходе из первого компрессорного элемента осуществляют посредством открытия перепускного клапана на стороне нагнетания данного первого компрессорного элемента или на выходе компрессорного элемента, расположенного ниже по течению за указанным первым компрессорным элементом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения после доведения входного давления первого компрессорного элемента до требуемого уровня процесс В также должен включать в себя этап повышения выходного давления, например, посредством закрытия перепускного клапана на стороне нагнетания данного первого компрессорного элемента.
Повышение давления на выходе из первого компрессорного элемента осуществляют посредством закрытия перепускного клапана на стороне нагнетания данного первого компрессорного элемента или на выходе компрессорного элемента, расположенного ниже по течению за указанным первым компрессорным элементом,
Процесс В включает в себя этап повышения входного давления первого компрессорного элемента до номинального значения.
Изменение давления на входе в первый компрессорный элемент (2, 2А, 2В) осуществляют путем открытия или закрытия впускного клапана (5) на входе в данный первый компрессорный элемент или на входе в компрессорный элемент, расположенный вверху по течению перед указанным первым компрессорным элементом.
Изменение давления на входе в первый компрессорный элемент (2, 2А, 2В) осуществляют путем открытия или закрытия перепускного клапана (9), расположенного вверху по течению перед указанным первым компрессорным элементом.
Изменение давления на входе в первый компрессорный элемент (2, 2А, 2В) осуществляют путем регулирования режима работы компрессорного элемента, расположенного вверху по течению перед указанным первым компрессорным элементом.
Изменение давления на входе в первый компрессорный элемент (2, 2А, 2В) осуществляют путем регулирования компрессорного элемента, расположенного вверху по течению перед указанным первым компрессорным элементом и выполненного в форме винтового компрессорного элемента с регулированием частоты вращения.
Изменение давления на выходе из первого компрессорного элемента (4, 2А, 2В) осуществляют путем регулирования режима работы компрессорного элемента, расположенного внизу по течению за указанным первым компрессорным элементом.
Компрессорный элемент, расположенный внизу по течению за указанным первым компрессорным элементом, является винтовым компрессорным элементом с регулированием частоты вращения.
Используют компрессорный элемент с безредукторным приводом или компрессор с, по меньшей мере, одним компрессорным элементом с безредукторным приводом.
Указанные впускной и/или перепускной клапаны объединены в одном элементе.
Указанные впускной и/или перепускной клапаны механически и/или электрически соединены друг с другом и регулируются совместно.
Используют компрессорный элемент (2, 2А, 2В) в виде турбокомпрессорного элемента с безредукторным приводом.
Используют компрессорный элемент (2, 2А, 2В) в виде винтового компрессорного элемента с регулированием частоты вращения.
Используют все указанные выше компрессорные элементы, объединенные в одном корпусе.
Преимущество способа, предлагаемого настоящим изобретением, заключается в том, что потери энергии на этапе перехода от полной нагрузки и частичной нагрузки к нулевой нагрузке и наоборот, ограничены по сравнению с существующими способами регулирования частоты вращения компрессорного элемента.
Например, во время процесса А первый компрессорный элемент потребляет меньше мощности. Альтернативным вариантом является привод компрессорного элемента определенным крутящим моментом во время упомянутого процесса А; при этом частота вращения первого компрессорного элемента снижается менее быстро при переходе от полной нагрузки к частичной или нулевой нагрузке. В качестве особого случая может рассматриваться ситуация, при которой данный крутящий момент равен нулю, так что происходит лишь снижение оборотов первого компрессорного элемента под действием его собственного воздушного сопротивления.
Если по прошествии определенного периода времени первый компрессорный элемент не получает снова команды работать при полной нагрузке, частота вращения стабилизируется на установленном минимальном значении.
Поскольку при воздействии данного процесса А входное давление снижается и первый компрессорный элемент сохраняет свою частоту вращения в течение более длительного периода времени, переход к полной нагрузке в течение данного периода времени требует мало энергии. Дополнительное преимущество уменьшенного входного давления заключается в том, что установленное минимальное значение частоты вращения относительно близко к номинальному значению, при условии минимального крутящего момента, и, таким образом, может быть осуществлено при минимальной потребной энергии, без затрат большого количества энергии для этого. Кроме того, если компрессорный элемент работает на минимальной частоте вращения, переход к полной нагрузке требует меньше энергии по сравнению с известными способами.
Кроме того, при реализации процесса В используется меньшее количество энергии для повышения частоты вращения компрессорного элемента до номинального значения при переключении с частичной или нулевой нагрузки на полную нагрузку.
В качестве альтернативного варианта (при том же самом имеющемся крутящем моменте мотора или при определенном крутящем моменте), общее врем, необходимое для перехода к полной нагрузке, может быть уменьшено, что означает преимущество по потреблению энергии. Кроме того, компрессор теперь может быстрее реагировать на изменение требуемого количества сжатого воздуха. Таким образом, пользователь может осуществлять более точное и эффективное регулирование давления для определенной имеющейся установки. Частным случаем этого может быть ситуация, когда крутящий момент на валу равен максимальному крутящему моменту, обеспечиваемому мотором, в результате чего компрессорный элемент выходит на номинальную частоту вращения за минимально возможное время.
В целях лучшей демонстрации характеристик настоящего изобретения ниже приводится описание предпочтительного метода его осуществления с помощью примера, не носящего ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схема компрессора, регулирование которого производится в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 - возможный вариант осуществления изобретения согласно Фиг.1.
На Фиг.1 представлен компрессор 1, который включает в себя только один компрессорный элемент 2 (в рассматриваемом случае - турбокомпрессорного типа), подающий сжатый газ в систему 3 сжатого газа, к которой подключены один или несколько потребителей.
На входном трубопроводе на входе в компрессорный элемент 2 установлен впускной клапан 5; данный входной трубопровод соединен с входом компрессорного элемента для подачи газа в компрессорный элемент 2 с целью сжатия.
Впускной клапан 5 в данном случае, но не обязательно, имеет конструкцию, которая даже в полностью закрытом положении обеспечивает возможность прохождения определенного минимального расхода газа через компрессорный элемент 2. Такой впускной клапан 5, согласно варианту, не отраженному на чертежах, может быть выполнен в виде отсечного клапана с перепускной трубкой, которая при полностью закрытом отсечном клапане обеспечивает минимальный расход через данный отсечной клапан. Еще одним возможным вариантом является конструкция впускного клапана 5, при которой корпус клапана не полностью закрывает проход на седле клапана в закрытом состоянии, например, посредством выполнения сквозного отверстия сквозь корпус клапана и/или его седло.
Выход компрессорного элемента 2 для подачи сжатого газа соединен с системой 3 сжатого газа посредством выходного трубопровода 6 с обратным клапаном 7. Конструкция обратного клапана 7 может быть стандартной, включающей в себя корпус клапана, прижимаемый к седлу пружиной, но, согласно настоящему изобретению, не исключено, что конструкция обратного клапана может быть иной, например, данный клапан может быть электрическим, пневматическим или трехходовым.
Согласно настоящему изобретению компрессорный элемент 2 может быть компрессорным элементом другого типа, не только турбокомпрессорным, например, может быть выполнен в форме винтового компрессорного элемента с регулированием частоты вращения.
Между выходом компрессорного элемента 2 и обратным клапаном 7 имеется ответвление 8 с перепускным клапаном 9; в данном ответвлении, предпочтительно (но не обязательно), также установлен шумоглушитель 10. В вышеупомянутом случае, когда обратный клапан 7 заменен трехходовым клапаном, данный трехходовой клапан также может быть использован взамен перепускного клапана 9.
В данном случае компрессорный элемент 2 приводится непосредственно валом 11 мотора 12, имеющего блок регулирования 13; такая схема называется компрессорным элементом с безредукторным приводом.
Управление работой компрессора 1 в соответствии со способом, предлагаемым настоящим изобретением, является очень простым и заключается в следующем.
Компрессорный элемент 2 засасывает внутрь газ, например воздух, через входной трубопровод 4. Компрессорный элемент 2 производит сжатие воздуха известным способом и подает его в систему 3 сжатого газа по выходному трубопроводу 6.
При полной нагрузке компрессорный элемент 2 подает на выход определенный расход сжатого воздуха. В данном режиме компрессорный элемент 2 работает на номинальной частоте вращения или в определенном диапазоне значений номинальной частоты вращения, при этом впускной клапан 5 открыт, а перепускной клапан 9 закрыт.
Конструкция компрессорного элемента 2 такова, что при работе на номинальной частоте вращения при полной нагрузке его характеристики оптимальны, или, иными словами, потребление энергии на количество подаваемого воздуха, также называемое удельным расходом энергии, является минимальным. Разумеется, задача заключается в том, чтобы заставить компрессорный элемент 2 работать в указанном выше режиме постоянно.
Если отбор сжатого воздуха из системы 3 сжатого газа не производится, при работе компрессорного элемента 2 в режиме полной нагрузки и непрерывной подаче сжатого воздуха давление в данной системе будет повышаться. Давление в системе 3 сжатого газа возрастает. Согласно настоящему изобретению при переходе от полной нагрузки к нулевой нагрузке можно запустить процесс А, предпочтительно, включающий в себя этап открытия перепускного клапана 9 с целью уменьшения давления на выходе компрессорного элемента 2. В результате сжатый воздух стравливается в атмосферу. Перепускной клапан 9 также может сообщаться с емкостью для рециркуляции выпущенного газа.
Открытие перепускного клапана 9 приводит к снижению давления на выходе компрессорного элемента 2, так что обратный клапан 7 (который, как указывалось выше, может представлять собой регулируемый клапан другого типа, например трехходовой клапан) закрывается, и компрессорный элемент 2 изолируется от системы 3 сжатого газа. Затем в процессе А уменьшают давление на входе компрессорного элемента 2, что делается, например, посредством закрытия впускного клапана 5. Выражение "закрытие впускного клапана" не обязательно означает, что данный впускной клапан фактически полностью закрывается. На практике впускной клапан 5 может закрываться не полностью на все 100%, а лишь в определенной степени прикрываться, пропуская при этом небольшой расход. При таком пониженном давлении на входе частоту вращения компрессорного элемента 2 снижают, например, изменяя соответствующим образом крутящий момент, создаваемый мотором 12.
Согласно настоящему изобретению снижение частоты вращения также может быть осуществлено посредством использования регулируемого электропривода, например электромотора с регулируемой частотой вращения, и управления им соответствующим образом.
Согласно настоящему изобретению этап снижения частоты вращения выполняется либо после вышеупомянутого этапа снижения входного давления, либо одновременно со снижением входного давления, или частично одновременно и частично после снижения входного давления.
В результате снижения входного давления мощность, требуемая для сжатия, значительно уменьшается, так что компрессорный элемент 2, даже при снижении крутящего момента, сохраняет свою частоту вращения в течение более длительного периода времени.
При падении оборотов компрессорного элемента 2 входящий в него массовый расход также падает, что приводит к снижению перепада давлений на впускном клапане 5.
Перепад давлений на вышеупомянутом впускном клапане 5 можно увеличить путем дальнейшего закрывания клапана 5 по мере снижения частоты вращения. Увеличение перепада давлений на впускном клапане 5 посредством его дальнейшего закрытия подходит при использовании компрессорного элемента винтового типа. В этом случае в качестве альтернативы, впускной клапан 5 можно сразу установить в его окончательное закрытое положение.
При использовании центробежного компрессора можно сохранять установку клапана и дать входному давлению возрасти снова. Как известно, центробежный компрессор не может создавать значительный напор при низкой частоте вращения.
Если, наконец, требуется получить разгруженное состояние с очень низкой частотой вращения, это означает, что значения входного и выходного давления такого компрессора должны быть близкими друг к другу.
Если отбор сжатого воздуха в системе 3 не увеличится, частота вращения, в конечном итоге, стабилизируется на значении, которое, например, может зависеть от установленного уменьшенного значения крутящего момента.
Если отбор воздуха в системе 3 сжатого газа возрастет, что означает, что имеет место переход от нулевой к частичной или полной нагрузке, то согласно настоящему изобретению во время данного переходного режима может быть использован процесс В, в котором, например, посредством повышения крутящего момента мотора, частоту вращения снова увеличивают до номинального значения или в установленном диапазоне номинальных значений, после чего производится регулируемое повышение давления на входе компрессорного элемента 2, например, посредством открывания впускного клапана 5 и, предпочтительно, до тех пор, пока давление на входе не достигнет своего номинального значения; давление на выходе компрессорного элемента 2 при этом, предпочтительно, увеличивается.
Регулирование частоты вращения здесь также может производиться с помощью электропривода с регулируемой частотой.
В рассматриваемом случае увеличение выходного давления осуществляется путем закрытия перепускного клапана 9. Обратный клапан 7 открывается, и, таким образом, компрессорный элемент 2 снова может подавать сжатый воздух в систему 3 сжатого газа. Особым случаем является ситуация, при которой впускной клапан 5 изначально (почти) закрыт. Если начальная частота вращения низкая, это означает, что перепад давлений на впускном клапане 5 практически нулевой (поскольку массовый расход через данный клапан очень низок), и, таким образом, входное давление первого компрессорного элемента практически равно атмосферному давлению (в предположении, что насос производит всасывание при атмосферном давлении). Путем увеличения частоты вращения (при сохранении положения клапанов) давление на входе снизится первым в результате увеличения перепада давлений на впускном клапане 5. Когда номинальная частота вращения будет достигнута, впускной клапан 5 можно будет открыть, так что давление на входе снова возрастет до атмосферного, после чего производится закрытие перепускного клапана, в результате чего давление на выходе возрастает и обратный клапан открывается. В течение этого переходного процесса давление на входе является одинаково низким.
При переходе от полной нагрузки к частичной или наоборот крутящий момент не используется для сжатия воздуха. Во время этих переходных этапов впускной клапан 5 закрыт, так что компрессорный элемент 2 работает при пониженном входном давлении.
Очевидно, что в результате удается сохранять относительно высокую минимальную установившуюся частоту вращения и можно при минимальном крутящем моменте частоту вращения снова повысить до номинальной или при таком же крутящем моменте произвести повышение частоты вращения до номинального значения с более высоким ускорением.
Если частота вращения компрессорного элемента 2 изменяется за счет регулирования крутящего момента мотора 12, он, предпочтительно, устроен таким образом, что при переходе от полной нагрузки к нулевой нагрузке крутящий момент равен нулю, а при переходе от нулевой нагрузки к полной нагрузке привод компрессорного элемента 2 осуществляется максимальным крутящим моментом.
Таким образом, обеспечивается ограничение потерь энергии во время переходных режимов работы при переходе от полной нагрузки или частичной нагрузки к нулевой нагрузке или наоборот. Это также является наиболее важным преимуществом способа, предлагаемого настоящим изобретением.
Кроме того, представленное здесь изобретение является относительно дешевым, например, по сравнению с использованием входных направляющих аппаратов или направляющих аппаратов нагнетателя.
Вышеупомянутые этапы при переходе от полной нагрузки к частичной или нулевой нагрузке или наоборот могут выполняться в описанном выше порядке, а также одновременно или частично одновременно.
На Фиг.1 впускной клапан 5 и перепускной клапан 9 представлены в виде двух отдельных элементов. Можно также объединить перепускной клапан 9 и впускной клапан 5 в одном элементе.
Еще в одном возможном варианте осуществления настоящего изобретения перепускной клапан 9 и впускной клапан 5 могут быть соединены механически и/или электрически или каким-либо другим известным способом, чтобы их регулирование можно было осуществлять совместно.
В описанных выше примерах регулирование входного давления производится путем закрытия впускного клапана 5, расположенного на входном трубопроводе 4 компрессорного элемента 5, так что подача воздуха ограничивается. Однако вышеупомянутое изменение входного давления может производиться и другими способами, не выходя за пределы объема изобретения. Например, если входное давление выше атмосферного, можно открывать перепускной клапан, в результате чего будет происходить стравливание газа в атмосферу. Вследствие этого давление на входе компрессорного элемента также понизится.
Такая ситуация представлена на Фиг.2, где вышеупомянутое снижение давления осуществляется путем регулирования режима работы второго компрессорного элемента 2А, расположенного перед первым компрессорным элементом, который, предпочтительно, но не обязательно, выполнен в форме винтового компрессорного элемента с регулируемой частотой вращения. В качестве альтернативы, он может быть винтовым компрессорным элементом, оборудованным перепускным клапаном или впускным клапаном и т.п.
Многоступенчатый компрессор также обеспечивает возможность изменения выходного давления компрессорного элемента путем регулирования режима работы следующего компрессорного элемента, расположенного за упомянутым. Как вариант, компрессорный элемент, расположенный ниже по течению за рассматриваемым компрессорным элементом, может быть винтовым компрессорным элементом с регулируемой частотой вращения.
Предлагаемый настоящим изобретением способ может быть применен к компрессору, включающему в себя по меньшей мере два компрессорных элемента, которые непосредственно или иным образом приводятся одним и тем же мотором.
Настоящее изобретение не ограничивается описанным выше в качестве примера и представленным на чертежах вариантом осуществления; данный способ может быть реализован во всех возможных формах и вариантах, не выходя за границы объема изобретения.