СХЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ НА КИСЛОРОДНЫХ СТАНЦИЯХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к компрессорам необъемного вытеснения, применяемым для повышения давления при разделении газов, в частности к устройствам для регулирования компрессорных агрегатов в установках для разделения компонентов воздуха методом сжижения с последующей ректификацией, конкретно к воздушным центробежным компрессорам с электрическим приводом при их параллельной работе на общий коллектор кислородной станции низкого давления.
Известна схема регулирования производительности компрессорной станции, содержащая несколько параллельно включенных компрессоров с электроприводами, на всасывающих магистралях которых установлены входные дроссельные клапаны с исполнительными механизмами, а нагнетающие магистрали компрессоров подсоединены к общему коллектору с подключенными к нему воздухоразделительными установками, на общем коллекторе установлен датчик давления, соединенный с входом микропроцессорной системы управления, выходы из которой соединены с исполнительными механизмами входных дроссельных клапанов (заявка Японии №59-68581, F 04 D 27/00, F 25 J 3/04. опубл. 18.04.1984).
Известная схема регулирования позволяет управлять производительностью компрессоров в зависимости от уровня давления в общем коллекторе воздухоразделительных установок (ВРУ) путем дросселирования воздуха на всасывающих магистралях и включением оптимального числа параллельных компрессоров. Получение кислорода является высокоэнергозатратным производством, причем около 75% стоимости кислорода составляет стоимость электроэнергии. При промышленном получении кислорода способом разделения воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации
3
3
3
3
теоретически необходимо израсходовать 0,056 кВт.ч/м кислорода. Однако, на современных мощных ВРУ низкого давления расходуется до 0,45-0,5 кВт.ч/м т.е. термодинамический коэффициент полезного действия кислородной станции не превышает 11-13%, а остальная энергия расходуется на компенсацию потерь в машинах и аппаратах, например на сжатие воздуха в компрессорах теряется до 40-42% подведенной на ВРУ энергии. Используемые на кислородных станциях известные схемы регулирования производительности центробежных компрессоров в совокупности с ВРУ реализуют (см. Михайлов Е.И., Тонин В.Н. Автоматизация кислородных станций. - М.: Металлургия, 1965. - с.62) относительно высокие удельные расходы электроэнергии, например для ВРУ типа КАр-30 с компрессорами К-1500-61 удельный расход при 100% производительности составляет 0,466 кВт.ч/м кислорода, а при снижении производительности до 60% регулированием, дросселированием на всасывающих магистралях компрессоров, удельный расход увеличивается до 0,51 кВт.ч/м кислорода. Более глубокое регулирование одного компрессора из группы параллельно работающих при снабжении воздухом двух и более ВРУ, приводит к перерасходу электроэнергии в большей степени, причем неравномерное распределение расходов по компрессорам способствует снижению к.п.д. наименее нагруженных. Максимальный перерасход электроэнергии имеет место при работе ВРУ на неполную производительность. В известных схемах дросселированием на всасывающих магистралях снижается мощность, необходимая для привода компрессоров, однако одновременно снижается их экономичность. Например, если в номинальном режиме потребление электроэнергии составляет 110%, из которых 34% - потребление собственно компрессора; 2,5-5% - передача; 3-5% - охлаждение воздуха в промежуточных и концевых воздухоохладителях; 10% - потери в электроприводах, то в режиме неполной нагрузки, соответствующему 45%-ному потреблению энергии, примерно половина из этих 45% идет на сжатие в компрессоре, расходы на привод и охлаждение остаются теми же, а потери в электроприводах растут до 13-17%. Причем, по мере увеличения мощности
(производительности) компрессоров, работающих с неполной нагрузкой, пропорционально снижается их экономичность. Производительность компрессоров, измеряемая на нагнетающих магистралях, зависит от расхода воздуха на ВРУ, причем, при переменном расходе производительность регулируется, поддерживая постоянное давление в общем коллекторе. Однако компрессоры имеют максимальную эффективность, когда потребление сжатого воздуха на ВРУ равно производительности компрессоров. Только при номинальном расходе и давлении воздуха к.п.д. компрессоров имеет максимальное значение и соответствует потребляемой мощности близкой к оптимальной. Недостатком известных схем регулирования компрессоров на кислородных станциях является отсутствие возможности поддержания работы компрессоров в оптимальном режиме. При этом, при расходах меньше номинальных, к.п.д. компрессоров уменьшаются, а удельный расход электроэнергии увеличивается. Массовая производительность компрессоров существенно различается в зависимости от температуры всасываемого воздуха. Поэтому на кислородных станциях устанавливают такое количество компрессоров, чтобы в самое жаркое время года ВРУ были полностью обеспечены воздухом с расчетом на максимальную их производительность по кислороду. Температура и влажность воздуха на всасе компрессоров зависит от погодно-климатических условий и в течение 50% времени эксплуатации не соответствует номинальным значениям. Сжатие влажного воздуха в летний период при температурах выше номинальной приводит к перерасходу электроэнергии и увеличению затрат на осушку воздуха перед ВРУ, что снижает экономичность кислородной станции. Характеристики компрессоров зависят от наружной температуры воздуха, причем летом масса засасываемого воздуха уменьшается и производительность ВРУ снижается. Поэтому подача компрессоров в электроприводами имеющими постоянное число оборотов выбирается (см. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. - М.: Химия, 1972. - с.328) такой, чтобы обеспечить требуемую производительность всех ВРУ по кислороду в летних условиях. В связи с этим зимой компрессора подают
больше воздуха, чем могут переработать ВРУ и их производительность приходится уменьшать дросселированием на всасывании. При этом снижается к.п.д. компрессоров и увеличивается удельный расход электроэнергии на получение кислорода. Снижение температуры воздуха на всасывающих магистралях компрессоров приводит в росту массовой подачи и мощности на валах компрессоров. Уменьшение давления на всасе не изменяет степени сжатия, но снижает давление на нагнетающих магистралях, массовую подачу и потребляемую мощность. Аналогичным образом влияет снижение температуры охлаждающей воды на промежуточных воздухоохладителях. Однако, известные схемы регулирования не учитывают при эксплуатации компрессоров в различное время года совместное действие данных трех факторов, что снижает экономичность кислородной станции. Известные схемы регулирования при многоступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением воздуха обеспечивают относительно низкий изотермический к.п.д. воздушных компрессоров на уровне 0,7-0,75%, из-за несоответствия производительности и условий охлаждения. Кроме того, при регулировании компрессоров с высокой степенью рециркуляции, к.п.д. всей компрессорной установки понижается вследствие повышения температуры воздуха, подаваемого из нагнетающей магистрали. В процессе эксплуатации центробежных компрессоров также происходит искажение паспортных напорных и мощностных характеристик, поэтому приходится регулировать компрессоры с неизвестными помпажными характеристиками. При наличии протяженного по длине и сложного по конфигурации общего коллектора необходимо регулирование на нагнетающей магистрали компрессоров в определенной зависимости от производительности ВРУ. Так как сопротивление в трубопроводах общего коллектора растет пропорционально квадрату производительности, то разница в давлениях после компрессоров и у отдельных ВРУ будет расти с увеличением производительности. Поэтому, для поддержания у отдельных ВРУ постоянного давления, необходимо регулировать давление воздуха за компрессорами. В связи с этим, известная схема регулирования на кислородных станциях
3
3
не обеспечивает регулирование на нагнетающих магистралях и постоянство давления сжатого воздуха в общем коллекторе перед ВРУ. При переменном потреблении кислорода производительность ВРУ изменяется, что влечет за собой колебания давления в общем коллекторе и снижение экономичности кислородной станции. Вследствие постоянных изменений параметров воздуха (температуры, давления и влажности) на всасывающих магистралях компрессоров происходит перерасход электроэнергии, например на сжатие 1 мвоздуха до 0,8 МПа расход электроэнергии составляет в среднем 0,15 кВт.ч/м. В известной схеме регулирование применяют (см. Грязнов Н.В., Михайлушкин А.И., Рохмистров А.Н. Основы автоматизации производственных процессов криогенной техники. - Л.: Машиностроение, 1980. - 180 с.) инерционные регуляторы давления и расхода, что создает опасные колебания тих величин с высокой вероятностью выхода на критический помпажный режим. Эффективность использования воздушных компрессоров на кислородных станциях существенно зависит от точности регулирования давления сжатого воздуха относительно рабочего давления на входе в ВРУ. Известная схема регулирования не обеспечивает равномерную подачу воздуха в отдельные ВРУ от параллельно работающих на общий коллектор компрессоров, что приводит к ухудшению чистоты кислорода и к перерасходу электроэнергии. При этом отсутствие надежной стабилизации подачи воздуха способствует нарушению теплового и материального балансов ВРУ. Например, превышение давления на общем коллекторе на 0,1 МПа для трехсекционного центробежного компрессора приводит к увеличению потребляемой мощности электродвигателя на 7,4% и соответствующему перерасходу электроэнергии. Таким образом, известная схема регулирования компрессоров на кислородной станции не обеспечивает в совокупности наиболее экономичного расходования электроэнергии, так как не позволяет рационально использовать энергию при сжатии воздуха в компрессорах. Особенно при изменении производительности ВРУ.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является схема регулирования воздушных центробежных компрессоров с электрическими приводами на кислородных станциях низкого давления, содержащая несколько параллельно подключенных нагнетающими магистралями к общему коллектору трехсекционных компрессоров, соединенных валами с электроприводами на основе нерегулируемых синхронных двигателей с источниками тока на обмотках возбуждения и регулируемых синхронных или асинхронных двигателей с преобразователями и задатчиками частоты тока, подключенных к электрической сети через электромагнитные контакторы, с тремя секциями сжатия последовательно соединенными между собой при помощи перепускных линий с расположенными на них промежуточными воздухоохладителями, имеющими подводящие и отводящие магистрали охлаждающей воды, с установленными на всасывающих магистралях входными дроссельными клапанами с первыми исполнительными механизмами, датчиками температуры, давления и расхода воздуха, а на нагнетающих магистралях с последовательно установленными концевыми воздухоохладителями, имеющими подводящие и отводящие магистрали охлаждающей воды, вторыми датчиками температуры, давления и расхода воздуха, выходными дроссельными клапанами со вторыми исполнительными механизмами и обратными клапанами, соединенными с общим коллектором, на котором расположен третий датчик давления, и с подключенными к нему, через регуляторы расхода с третьими исполнительными механизмами, несколькими воздухоразделительными установками с третьими датчиками расхода воздуха на входах и четвертыми датчиками расхода кислорода на выходах, компрессоры снабжены байпасными линиями, соединяющими нагнетающие и всасывающие магистрали и с установленными в них антипомпажными клапанами, имеющими четвертые исполнительные механизмы, при этом первые и вторые датчики давления и расхода и вторые датчики температуры, соответственно на всасывающих и нагнетающих магистралях, а также третий датчик давления на общем коллекторе и третьи датчики расхода воздуха на входах в
воздухоразделительные установки соединены с входами первых микропроцессорных систем управления, выходы из которых подключены к первым исполнительным механизмам входных дроссельных клапанов, а также к третьим и четвертым исполнительным механизмам, соответственно, регуляторов расхода на входе в воздухоразделительные установки и антипомпажных клапанов на байпасных линиях (патент ГДР №277740, F 04 D 27/00, F 25 J 3/4, опубл. 11.04.1990).
В известной схеме компрессоры регулируются с помощью микропроцессорной системы управления дросселированием на всасывающих и нагнетающих магистралях, рециркуляцией воздуха по байпасной линии, изменением числа оборотов на валу электропривода, а распределение воздуха по ВРУ осуществляется регуляторами на их входе. Практика работы воздушных компрессоров на кислородных станциях показывает (см. Давыдов Н.И. Станции технологического кислорода. - М.: Металлургия, 1964. - c.l46), что регуляторы, установленные на компрессорах по характеристике своей работы не соответствуют работе ВРУ. В нижних колоннах ВРУ при определенном количестве подаваемого в них воздуха самопроизвольно устанавливается соответствующее давление. Поэтому компрессорами должна поддерживаться заданная производительность в условиях самоустанавливающегося определенного давления. Эта задача осложняется тем, что благодаря переключающимся регенераторам в общем коллекторе давление периодически кратковременно повышается и соответственно в те же периоды снижается количество подаваемого воздуха. Переключение потоков воздуха в регенераторах происходит настолько быстро, что регуляторы не успевают реагировать на изменение режима. Если на общий коллектор одновременно работают несколько компрессоров, то осуществление автоматического регулирования работы всех компрессоров в известных схемах практически невозможно, так как чувствительности регуляторов отдельных компрессоров различны. Поэтому целесообразным считается автоматическое регулирование работы одного из компрессоров, который воспринимает все колебания давления в
общем коллекторе. Однако, работа остальных компрессоров осуществляется в неэкономичном режиме с регулированием вручную, при условии подачи от них в общий коллектор постоянного количества воздуха. Потребление кислорода на металлургических предприятиях носит ярко выраженный переменный характер, что требует периодического уменьшения подачи воздуха на ВРУ со снижением к.п.д. компрессоров и увеличения расхода электроэнергии на получение кислорода. В известных схемах регулирования заданное давление в общем коллекторе поддерживают постоянным при установке общестанционного регулятора давления. Такой регулятор в соответствии с расходом сжатого воздуха на ВРУ осуществляет в заданной последовательности включение и отключение регуляторов давлений у каждого компрессора. Недостатком такой системы автоматического регулирования является то, что она не может быть изодромной, так как общестанционный регулятор должен работать совместно с изодромными регуляторами компрессоров, и поэтому она должна быть статической или релейной. В связи с этим, нельзя использовать заложенную в системах регулирования компрессоров возможность поддержания постоянного давления в общем коллекторе станции независимо от ее производительности. Кроме того, применение общестанционного регулятора давления связано с тем, что импульс, подводимый к регулятору из общего коллектора, будет изменять свое значение не только вследствие изменения потребления сжатого воздуха на ВРУ, но и в зависимости от того, как распределится воздух по отдельным воздухопроводам сложного коллектора (с учетом местных потерь давления в обратных клапанах и запорных органах отдельных компрессоров и в общем коллекторе). При параллельной работе нескольких центробежных компрессоров на общий коллектор и колебаниях потребления сжатого воздуха на ВРУ в широких пределах, при изодромном регулировании одному и тому же давлению в линии нагнетания соответствует различная производительность компрессоров. Если задатчики регуляторов у двух и более компрессоров установлены на одну величину давления, то происходят непрерывные колебания производительности
отдельных компрессоров даже при постоянном суммарном потреблении сжатого воздуха из общего коллектора. При значительном изменении потребления сжатого воздуха на ВРУ возникает (см. Штерн Л.Я., Бейзеров С.М., Плавник В.Г. Регулирование и автоматизация воздуходувных и компрессорных станций. - М.: Металлургия, 1963. - c.226) помпаж на одном или нескольких компрессорах, с непроизводительным перерасходом электроэнергии. Причем невозможно поддержание постоянного регулируемого параметра (давления) при работе во всех режимах, соответствующих устойчивой зоне газодинамических характеристик. Если задатчики регуляторов устанавливают на разные давления и образуют ступенчатую систему регулирования с зоной нечувствительности между каждым выключенным и включенным регулятором, то это приводит к значительному отклонению регулируемого параметра (давления) от заданной величины и к перерасходу электроэнергии, так как давление в общем коллекторе будет возрастать по мере снижения производительности станции. Следствием этого будет сужение зоны устойчивой работы компрессоров, ухудшение условий работы их электродвигателей при пуске и эксплуатации. В известных схемах для регулирования параллельно работающих компрессоров используют микропроцессорные системы управления, регулирующие основной параметр воздуха станции, в частности давление на общем коллекторе, и устройства для защиты от помпажа, не связанные между собой и не зависящие друг от друга. При этом устройство, регулирующее работу станции, изменяет производительность каждого компрессора путем установки заранее обусловленных коэффициентов передачи (например сопротивлений в трубопроводах общего коллектора) и величин смещения (изменение параметров воздуха и напорных характеристик компрессоров), которые принимаются постоянными при работе станции. Причем для некоторых компрессоров коэффициенты передачи принимаются равными нулю, а величины смещения задаются так, чтобы обеспечить работу при базовой нагрузке с постоянной скоростью вращения вала компрессора. Поэтому известные схемы регулирования не обеспечивают экономичного режима, так как не
учитывают колебаний сопротивлений в сложных общих коллекторах, изменений характеристик компрессоров и распределений нагрузок между ВРУ при переменных режимах работы кислородной станции, в частности условий на всасе и нагнетании компрессоров и износ отдельных элементов компрессоров. Также наблюдаются отрицательные взаимовлияния между устройствами, регулирующими работу кислородной станции и устройствами антипомпажного регулирования отдельных компрессоров в условиях непрерывного изменения потребления кислорода. В таких системах регулирования один компрессор работает вдали от границ помпажа, в то время как работа других компрессоров осуществляется в опасной близости к помпажу или с включением антипомпажного перепуска воздуха для его предупреждения. В известной схеме регулирования применяется каскадная система управления, представляющая каскадное соединение устройства, осуществляющего регулирование станции, и устройств для распределения нагрузки между отдельными компрессорами. При этом устройство, регулирующее работу станции, меняет установки на расстояния от рабочих точек отдельных компрессоров до соответствующих границ помпажа. Однако, данная схема не обеспечивает необходимую динамическую точность между отдельными контурами регулирования, не исключает взаимовлияние между ними при работе в предпомпажных режимах, что требует осуществления неэкономичного перепуска или выпуска воздуха в атмосферу с непроизводительным перерасходом электроэнергии. При этом регулирование выпуском воздуха в атмосферу из нагнетающей магистрали непосредственно перед достижением границы помпажа, является неэкономичным. При глубоком регулировании перепуском воздуха с нагнетающей магистрали на всасывающую через антипомпажные клапаны, происходит повышение температуры воздуха со снижением к.п.д. компрессора. При использовании известной схемы регулирования на кислородной станции с несколькими независимо работающими ВРУ, в случае временного снижения потребности в кислороде неэффективно выключать одну из них. Обычно в таких ситуациях большинство ВРУ работают на полную мощность,
а производительность одной ВРУ снижается за счет сброса лишнего воздуха, который не подлежит снижению, что увеличивает затраты электроэнергии на выработку кислорода и снижает экономичность станции. В известной схеме регулирования при уменьшении производительности компрессоров до 90% от номинальной величины используется регулирование дросселированием на всасывающей магистрали, при производительности в диапазоне 90-60% - изменением частоты вращения, а в зоне близкой к помпажу - применяется уменьшение частоты вращения в комплексе с перепуском или выпуском воздуха. Однако, глубокое регулирование непосредственно перед достижением границы помпажа выпуском не используемого в ВРУ воздуха в атмосферу или перепуском с повышением температуры в проточной части компрессоров является неэкономичным. Известная схема регулирования не учитывает взаимного влияния компрессоров друг на друга при параллельной работе с переменными параметрами (температуры, давления и влажности) воздуха на всасывающих магистралях и давлением в общем коллекторе, связанном со спецификой работы ВРУ изменением потребления кислорода. Поскольку даже номинально одинаковые компрессоры практически всегда имеют не совсем одинаковые напорные характеристики, то это приводит к резкому рассогласованию их работы: малой производительности у одних и чрезмерно большой - у других компрессоров, что снижает экономичность станции. Реализация регулирования компрессорами кислородной станции с помощью известной схемы при относительно кратковременных снижениях потребления кислорода и повышениях давления в общем коллекторе, путем отключения и последующего включения компрессоров для высокопроизводительных ВРУ является неэкономичной, в связи со значительными затратами времени и средств на операции останова и пуска. При использовании известной схемы регулирования в многоступенчатых компрессорах с промежуточными воздухоохладителями между секциями, для предупреждения помпажа при глубоком уменьшении расхода относительно расчетного, применяют перепуск части сжатого воздуха на всасывающую магистраль. При этом границу
помпажа устанавливают по той секции, запас устойчивости которой наименьший, но в результате остальные секции ухудшают свой к.п.д. и общий к.п.д. и экономичность станции падают. Если в качестве электроприводов используются только синхронные электродвигатели, которые обеспечивают постоянную скорость вращения валов компрессоров, независящую от напряжения электросети и нагрузки (при двукратной перегрузке относительно номинальной нагрузки происходит выпадение из синхронизма) и определяемую частотой тока и числом пар полюсов, то на электродвигателях наблюдается невысокий коэффициент мощности (cosφ=0,7-0,8). При этом регулирование постоянного тока в роторной обмотке возбуждения с помощью источника тока, не изменяя обороты на валу электродвигателя, позволяет регулировать реактивную мощность, отдаваемую в электросеть. Если кислородная станция содержит только синхронные электродвигатели и удалена на значительное расстояние от потребителей реактивной мощности, то при работе с cosφ=0,75 наблюдаются значительные потери мощности в электросети, перерасход электроэнергии и  снижение экономичности кислородной станции. В связи с этим, известная схема регулирования компрессоров на кислородной станции не обеспечивает оптимальные режимы компрессоров и ВРУ при переменном расходе кислорода и нагрузках по воздуху в зависимости от изменения потребления кислорода и внешних условий. Это имеет тем большее значение, чем выше производительность станции, так как отклонения от номинального режима в крупных ВРУ приводят к ощутимым потерям, вследствие увеличения расхода электроэнергии, повышения себестоимости кислорода и снижения экономичности станции. Таким образом, для кислородной станции с ВРУ имеющим ограниченное потребление кислорода, известная схема регулирования не обеспечивает высокой экономичности и оптимального режима работы, при котором заданная производительность достигается при минимальном расходе электроэнергии.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая схема регулирования воздушных центробежных компрессоров с электрическим
приводом на кислородных станциях низкого давления, является повышение экономичности кислородной станции, путем обеспечения оптимального сжатия воздуха в компрессорах, комплексного и стабильного регулирования заданного давления в общем коллекторе и давления отбираемого на воздухоразделительные установки воздуха, при его переменном расходе, в сочетании с эффективной защитой от помпажа и оптимальным распределением нагрузки между одновременно работающими параллельно включенными компрессорами.
Поставленная задача решается тем, что в схеме регулирования воздушных центробежных компрессоров с электрическим приводом на кислородных станциях низкого давления, содержащей несколько параллельно подключенных нагнетающими магистралями к общему коллектору трехсекционных компрессоров, соединенных валами с электроприводами на основе нерегулируемых синхронных двигателей с источниками тока на обмотках возбуждения и регулируемых синхронных или асинхронных двигателей с преобразователями и задатчиками частоты тока, подключенных к электрической сети через электромагнитные контакторы, с тремя секциями сжатия последовательно соединенными между собой при помощи перепускных линий с расположенными на них промежуточными воздухоохладителями, имеющими подводящие и отводящие магистрали охлаждающей воды, с установленными на всасывающих магистралях входными дроссельными клапанами с первыми исполнительными механизмами, датчиками температуры, давления и расхода воздуха, а на нагнетающих магистралях с последовательно установленными концевыми воздухоохладителями, имеющими подводящие и отводящие магистрали охлаждающей воды, вторыми датчиками температуры, давления и расхода воздуха, выходными дроссельными клапанами со вторыми исполнительными механизмами и обратными клапанами, соединенными с общим коллектором, на котором расположен третий датчик давления, и с подключенными к нему, через регуляторы расхода с третьими исполнительными механизмами, несколькими воздухоразделительными установками (ВРУ) с
третьими датчиками расхода воздуха на входах и четвертыми датчиками расхода кислорода на выходах, компрессоры снабжены байпасными линиями, соединяющими нагнетающие и всасывающие магистрали и с установленными в них антипомпажными клапанами, имеющими четвертые исполнительные механизмы, при этом первые и вторые датчики давления и расхода, и вторые датчики температуры, соответственно на всасывающих и нагнетающих магистралях, а также третий датчик давления на общем коллекторе и третьи датчики расхода воздуха на входах в ВРУ соединены с входами первых микропроцессорных систем управления (МПСУ), выходы из которых подключены к первым исполнительным механизмам входных дроссельных клапанов, а также к третьим и четвертым исполнительным механизмам, соответственно, регуляторов расхода на входе в ВРУ и антипомпажных клапанов на байпасных линиях, согласно полезной модели входы первых МПСУ дополнительно соединены с датчиками мощности на электроприводах и датчиками частоты вращения валов компрессоров, а первые датчики температуры на всасывающих магистралях соединены с первыми входами в пропорциональные датчики, вторые входы которых подключены к выходам из первых МПСУ, связанных с первыми исполнительными механизмами входных дроссельных клапанов, а выходы из пропорциональных датчиков соединены со вторыми исполнительными механизмами выходных дроссельных клапанов, схема дополнительно снабжена семью подсистемами регулирования, в частности, подсистемой регулирования распределения нагрузок изменением частоты вращения включающей вторые МПСУ, к первым, вторым и третьим входам которых присоединены, соответственно, первые и вторые датчики давления и первые датчики расхода, первые выходы из вторых МПСУ подключены к четвертым исполнительным механизмам антипомпажных клапанов, третий датчик давления на общем коллекторе соединен с первым входом первого блока сравнения, второй вход последнего подключен к задатчику давления, а выход из первого блока сравнения соединен с первым входом третьей МПСУ, вторые входы которой подключены ко вторым выходам из
вторых МПСУ, выходы из третьей МПСУ соединены со вторыми входами вторых блоков сравнения, первые входы последних подсоединены к датчикам частоты вращения, установленных на валах регулируемых электроприводов, а выходы из вторых блоков сравнения подключены к задатчикам частоты преобразователей частоты тока, подсистемами частотно-дроссельного регулирования на основе четвертых МПСУ, к входам которых подсоединены датчики тока, мощности и частоты вращения, первые и вторые датчики расхода, давления и температуры, датчик давления на общем коллекторе и задатчики эталонной нагрузки, а выходы из четвертых МПСУ подключены к входам задатчиков частоты, соединенных первыми выходами с преобразователями частоты, и к первым исполнительным механизмам входных дроссельных клапанов, которые также подсоединены через первые каскадные блоки с первыми входами суммирующих блоков, причем вторые входы последних соединены через вторые каскадные блоки со вторыми выходами из задатчиков частоты, а выходы из суммирующих блоков подключены к четвертым исполнительным механизмам антипомпажных клапанов, подсистемами согласования производительности компрессоров с потребностями по кислороду, включающими пятые МПСУ, входы которых подключены к первым, вторым и третьим датчикам расхода воздуха и четвертым датчикам расхода кислорода на выходах из ВРУ, а выходы из пятых МПСУ соединены с первыми, вторыми и третьими исполнительными механизмами, соответственно входных и выходных дроссельных клапанов и регуляторов расхода воздуха на входах в ВРУ, и с задатчиками частоты вращения, подсистемами регулирования с учетом температуры охлаждающей воды на основе шестых МПСУ, к входам которых подключены датчики положения, установленные на входных дроссельных клапанах, датчики  температуры охлаждающей воды, установленные в подводящих и отводящих магистралях охлаждающей воды на входе и выходе из промежуточных и концевых воздухоохладителей, датчики частоты вращения валов компрессоров и силы тока на электроприводах, вторые датчики давления и температуры, и блоки задания требуемых
рабочих параметров, а к выходам из шестых МПСУ подключены задатчики частоты преобразователей частоты и первые и четвертые исполнительные механизмы, соответственно, входных дроссельных и антипомпажных клапанов, подсистемами регулирования расхода охлаждающей воды на основе седьмых МПСУ, к входам которых подсоединены пятые датчики расхода на байпасных линиях, первые датчики температуры воздуха на всасывающих магистралях, вторые датчики давления, расхода и температуры на нагнетающих магистралях, датчики температур воздуха, установленные на перепускных линиях между секциями сжатия на входе и выходе из промежуточных воздухоохладителей и датчики температуры воздуха на нагнетающих магистралях на входе в концевые воздухоохладители, а выходы седьмых МПСУ соединены с пятыми исполнительными механизмами вентилей, установленных на подводящих магистралях охлаждающей воды промежуточных и концевых воздухоохладителей, подсистемами регулирования температуры рециркулируемого воздуха на основе восьмых МПСУ, к входам которых подключены первые датчики температуры на всасывающих магистралях, вторые и пятые датчики расхода воздуха, соответственно, на нагнетающих магистралях и на байпасных линиях, а выходы из восьмых МПСУ соединены с шестыми исполнительными механизмами первых регулирующих вентилей, установленных на рециркуляционных линиях, подключенных параллельно байпасным линиям, на входе в вихревые трубы, а также с седьмыми и восьмыми исполнительными механизмами, соответственно, вторых и третьих регулирующих вентилей, расположенных на выходных патрубках нагретого и охлажденного потоков воздуха из вихревых труб и соединенных, с помощью рециркуляционных линий, со смесительными камерами, установленными на всасывающих магистралях перед входными дроссельными клапанами, подсистемами регулирования отключением и включением компрессоров и поддержанием максимального коэффициента мощности синхронных электроприводов на основе девятых МПСУ, к входам которых подсоединены первые, вторые и третьи датчики давления, вторые датчики расхода и датчики
мощности и тока в электроприводах, а выходы девятых МПСУ соединены с электромагнитными контакторами, с источниками тока обмоток возбуждения синхронных нерегулируемых электроприводов и с первыми, вторыми и четвертыми исполнительными механизмами входных и выходных дроссельных и антипомпажных клапанов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображена схема регулирования воздушных центробежных компрессоров с электрическим приводом на кислородных станциях низкого давления (на примере одного компрессора и одной воздухоразделительной установки).
Схема регулирования воздушных центробежных компрессоров с электрическим приводом на кислородных станциях низкого давления включает в себя несколько компрессоров 1, параллельно подключенных нагнетающими магистралями 2 к общему коллектору 3. Компрессоры 1 соединены валами 4 с электроприводами 5, которые могут быть выполнены на основе нерегулируемых синхронных двигателей с источниками тока 6 на обмотках возбуждения 7 и регулируемых синхронных или асинхронных двигателей с преобразователями 8 (например, инверторы) и задатчиками 9 частоты тока, и подключены к электрической сети через электромагнитные контакторы 10. Каждый компрессор 1 включает три секции сжатия 11, 12 и 13, последовательно соединенные между собой при помощи перепускных линий 14 и 15, с расположенными на них промежуточными воздухоохладителями 16 и 17, причем последние имеют подводящие 18 и отводящие 19 магистрали охлаждающей воды. На всасывающих магистралях 20 компрессоров 1 установлены входные дроссельные клапаны 21 с первыми исполнительными механизмами 22, а также первые датчики температуры 23 (например, термопары), давления 24 (например, тензодатчики) и расхода 25 (например, дифманометры) воздуха. На нагнетающих магистралях 2 последовательно установлены концевые воздухоохладители 26, имеющие подводящие 27 и отводящие 28 магистрали охлаждающей воды, вторые датчики температуры 29, давления 30 и расхода 31, выходные дроссельные клапаны 32 со вторыми исполнительными
механизмами 33 и обратные клапаны 34, соединенные с общим коллектором 3, на котором расположен третий датчик давления 35. К общему коллектору 3, через регуляторы расхода 36 с третьими исполнительными механизмами 37, подключено несколько воздухоразделительных установок (ВРУ) 38, имеющими на входе и выходе, соответственно третьи 39 и четверные 40 датчики расхода воздуха и кислорода. Каждый компрессор 1 снабжен байпасными линиями 41, соединяющими нагнетающие 2 и всасывающие 20 магистрали и с установленными в них антипомпажными кланами 42, имеющими четвертые исполнительные механизмы 43. При этом, первые 24, 25 и вторые 30, 31 датчики, соответственно, давления и расхода, вторые датчики температуры 29 на всасывающих 20 и нагнетающих 2 магистралях, а также третий датчик давления 35 на общем коллекторе 3 и третьи датчики расхода 39 на входах в ВРУ 38, соединены с входами 44 первых микропроцессорных систем управления (МПСУ) 45, выходы 46 из которых подключены к первым исполнительным механизмам 22 входных дроссельных клапанов 21, а также к третьим 37 и четвертым 43 исполнительным механизмам, соответственно, регуляторов расхода 36 на входе в ВРУ 38 и антипомпажных клапанов 42 на байпасных линиях 41. На обмотках статоров электроприводов 5 установлены датчики мощности 47, а на валах 4 компрессоров 1 - датчики частоты вращения 48 (например, тахометры), и оба подключены к входам 46 первых МПСУ 45. Первые датчики температуры 23 на всасывающих магистралях 20 соединены с первыми входами 49 в пропорциональные датчики 50, вторые входы 51 которых подключены к выходам 46 из первых МПСУ 45, связанных с первыми исполнительными механизмами 22 входных дроссельных клапанов 21. Выходы 52 из пропорциональных датчиков 50 соединены со вторыми исполнительными механизмами 33 выходных дроссельных клапанов 32. Подсистема регулирования распределения нагрузок изменением частоты вращения включает вторые МПСУ 53, к первым 54, вторым 55 и третьим 56 входам которых подключены соответственно, первые 24 и вторые 30 датчики давления, а также первые датчики расхода 25. Первые выходы 57 из вторых
МПСУ 53 подключены к четвертым исполнительным механизмам 43 антипомпажных клапанов 42. Общий для всех компрессоров 1, третий датчик давления 35, установленный на общем коллекторе 3, соединен с первым входом 58 первого блока сравнения 59, и второй вход 60 последнего подключен к датчику давления 61. Выход из первого блока сравнения 59 соединен с первым входом 62 третьей МПСУ 63,и вторые входы 64 последней подключены ко вторым выходам 65 из вторых МПСУ 53. Выходы из третьей МПСУ 63 соединены со вторыми входами 66 вторых блоков сравнения 67, первые входы 68 последних подсоединены к датчикам частоты вращения 48, установленных на валах 4 регулируемых электроприводом 5. Выходы из вторых блоков сравнения 67 подключены к задатчикам частоты 9 преобразователей частоты тока 8. Подсистемы частотно-дроссельного регулирования содержат четвертые МПСУ 69 к входам 70 которых подсоединены датчики тока 71, установленные в обмотках электроприводов 5, датчики мощности 47 и частоты вращения 48, первые и вторые датчики расхода 25 и 31, давления 24 и 30, и температуры 23 и 29, датчик давления 35 на общем коллекторе 3 и задатчики эталонной нагрузки 72. Выходы 73 из четвертых МПСУ 69 подключены к входам задатчиков частоты 9, соединенных первыми выходами 74 с преобразователями частоты 8, и к первым исполнительным механизмам 22 входных дроссельных клапанов 21. Первые исполнительные механизмы 22 также подсоединены через первые каскадные блоки 75 с первыми входами 76 суммирующих блоков 77, причем вторые входы 78 последних, соединены через вторые каскадные блоки 79 со вторыми выходами 80 из задатчиков частоты 9. Выходы из суммирующих блоков 77 подключены к четвертым исполнительным механизмам 43 антипомпажных клапанов 42. Подсистемы согласования производительности компрессоров 1 с потребностями по кислороду включают пятые МПСУ 81 входы 82 которых подключены к первым 25, вторым 31 и третьим 39 датчикам расхода воздуха и четвертым датчикам расхода кислорода 40 на выходах из ВРУ 38. Выходы 83 из пятых МПСУ 81 соединены с первыми 22, вторыми 33 и третьими 37 исполнительными
механизмами, соответственно, входных 21 и выходных 32 дроссельных клапанов и регуляторов расхода воздуха 36 на входах в ВРУ 38 и с задатчиками частоты вращения 9 преобразователей частоты 8. Подсистемы регулирования с учетом температуры охлаждающей воды выполнены на основе шестых МПСУ 84, к входам 85 которых подключены датчики положения 86, установленные на входных дроссельных клапанах 21, датчики температуры охлаждающей воды 87, 88 и 89, установленные, соответственно, на подводящих 18 и отводящих 19 магистралях охлаждающей воды на входе и выходе из промежуточных 16 и 17 и концевых 26 воздухоохладителей, датчики частоты вращения 48 валов 4 компрессоров 1 и датчики силы тока 71 на электроприводах 5, вторые датчики давления 30 и температуры 29 на нагнетающих магистралях 2 и блоки задания требуемых рабочих параметров 90. К выходам 91 из шестых МПСУ 84 подключены задатчики частоты 9 преобразователей частоты 8 и первые 22 и четвертые 43 исполнительные механизмы, соответственно, входных дроссельных 21 и антипомпажных 42 клапанов. Подсистемы регулирования расхода охлаждающей воды выполнены на основе седьмых МПСУ 92, к входам 93 которых подсоединены пятые датчики расхода 94 на байпасных линиях 41, первые датчики температуры воздуха 23 на всасывающих магистралях 20, вторые датчики давления 30, расхода 31 и температуры 29 на нагнетающих магистралях 2, датчики температуры воздуха 95, 96 и 97, установленные, соответственно на перепускных линиях 14 и 15 между секциями сжатия 11, 12 и 13 на входе и выходе из промежуточных 16 и 17, и на входе в концевые воздухоохладители 26. Выходы 98 седьмых МПСУ 92 соединены с пятыми исполнительными механизмами 99 вентилей 100, установленных на подводящих магистралях охлаждающей воды 18 и 27, соответственно, промежуточных 16 и 17 и концевых 26 воздухоохладителей. Подсистемы регулирования температуры рециркулируемого воздуха выполнены на основе восьмых МПСУ 101, к входам 102 которых подключены первые датчики температуры 23 на всасывающих магистралях 20, вторые 31 и пятые 94 датчики расхода воздуха, соответственно, на нагнетающих магистралях 2
и байпасных линиях 41. Выходы 103 восьмых МПСУ 101 соединены с шестыми исполнительными механизмами 104 первых регулирующих вентилей 105, установленных на рециркуляционных линиях 106, подключенных параллельно байпасным линиям 41, на входе 107 в вихревые трубы 108, а также, с седьмыми 109 и восьмыми 110 исполнительными механизмами, соответственно, вторых 111 и третьих 112 регулирующих вентилей, расположенных на выходных патрубках нагретого 113 и охлажденного 114 потоков воздуха из вихревых труб 108 и соединенных с помощью рециркуляционных линий 106 со смесительными камерами 115, установленными на всасывающих магистралях 20 перед входными дроссельными клапанами 21. Подсистемы регулирования отключением и включением компрессоров 1 и поддержанием максимальных коэффициентов мощности синхронных электроприводов 5, выполнены на основе МПСУ 116, к входам 117 которых подсоединены первые 24, вторые 30 и третьи 35 датчики давления, вторые датчики расхода 31 и датчики мощности 47 и тока 71 в электроприводах 5. Выходы 118 девятых МПСУ 116 соединены с электромагнитными контакторами 10, с источниками тока 6 обмоток возбуждения 7 синхронных нерегулируемых электроприводов 5 и с первыми 22, вторыми 33 и четвертыми 43 исполнительными механизмами, соответственно, входных 21 и выходных 32 и антипомпажных 42 клапанов.
Схема регулирования воздушных центробежных компрессоров с электрическим приводом на кислородных станциях низкого давления работает следующим образом.
Компрессоры 1 по нагнетающим магистралям 2 подают воздух в общий коллектор 3. Валы 4 компрессоров 1 приводятся во вращение электроприводами 5. Если последние выполняются на основе нерегулируемых синхронных двигателей, то их синхронизация осуществляется подачей постоянного тока от источников тока 6 на обмотки возбуждения 7. Если электропривода 5 выполняются на основе регулируемых синхронных или асинхронных двигателей, то их регулирование осуществляется преобразователями частоты
тока 8 с установкой задатчиков частоты 9. Питание электроприводов 5 производится от электрической сети через электромагнитные контакторы 10. В каждой секции 11, 12 и 13 компрессора 1 происходит сжатие воздуха до определенного давления, с транспортированием по перепускным линиям 14 и 15. В промежуточных воздухоохладителях 16 и 17 происходит охлаждение воздуха водой, циркулирующей по подводящим 18 и отводящим 19 магистралям. Регулирование производительности компрессоров 1 на всасывающих магистралях 20 осуществляют входными дроссельными клапанами 21 с помощью первых исполнительных механизмов 22, а контроль параметров воздуха на всасе - первыми датчиками температуры 23, давления 24 и расхода 25. На нагнетающих магистралях 2 проводят охлаждение сжатого воздуха в концевых воздухоохладителях 26, с помощью циркуляции воды по подводящим 27 и отводящим 28 магистралям, контроль параметров сжатого воздуха вторыми датчиками температуры 29, давления 30 и расхода 31, и регулирование подачи выходными дроссельными клапанами 32 с помощью вторых исполнительных механизмов 33. Сжатый воздух от компрессоров 1 поступает через обратные клапаны 34 в общий коллектор 3, давление воздуха в котором контролируется третьим датчиком давления 35. Воздух из общего коллектора 3, через регуляторы расхода 36 с третьими исполнительными механизмами 37, поступает в несколько воздухоразделительных установок (ВРУ) 38. Потребление воздуха на входах в ВРУ 38 контролируют третьими датчиками расхода воздуха 39, а производство кислорода на выходах из ВРУ 38 - четвертыми датчиками расхода кислорода 40. При достижении компрессорами 1 в процессе регулирования границ помпажа, воздух по байпасным линиям 41 рециркулируется с нагнетающих 2 во всасывающие магистрали с помощью антипомпажных клапанов 42, управляемых четвертыми исполнительными механизмами 43. На входы 44 первых микропроцессорных систем управления (МПСУ) 45 поступают сигналы с первых 24, 25 и вторых 30, 31 датчиков, соответственно, давления и расхода, вторых датчиков температуры 29, а также третьего датчика давления 35 на общем коллекторе 3 и третьих
датчиков расхода 39 на входах в ВРУ 38. При регулировании первые МПСУ 45 осуществляют поочередное воздействие по заданной программе на исполнительные механизмы 22, 33 и 43, соответственно входных 21 и выходных 33 дроссельных клапанов и антипомпажных клапанов 42, по сигналам разности заданного и измеренного датчиком давления 35 в общем коллекторе 3 величин давлений воздуха, причем заданное давление стабилизируют пропорционально сигналу коррекции от третьих датчиков расхода 39 на входе в ВРУ 38. При этом, для повышения экономичности путем снижения потерь воздуха при изменении общей производительности кислородной станции, с помощью первых МПСУ 45 всех компрессоров 1 осуществляют измерение и суммирование расходов воздуха на все ВРУ 38 в начале и в конце заданного интервала времени и сигнал коррекции формируют пропорциональным разности суммарного расхода воздуха в конце и начале заданного интервала времени. Установленные на всасывающих магистралях 20 входные дроссельные клапаны 21 имеют ступенчатое регулирование по заранее заданной программе устанавливаемой на первых МПСУ 45, в соответствии с требуемым изменением производительности компрессоров 1. При этом диапазоны регулирования разделяются на поддиапазоны, соответствующие определенной производительности. Для регулирования рабочего давления в каждом диапазоне используются выходные дроссельные клапаны 32 на нагнетающих магистралях 2 и антипомпажные клапаны 42 на байпасных линиях 41, открывающиеся и закрывающиеся по сигналу первых МПСУ 45 при заранее определенных показаниях вторых датчиков давления 30 на нагнетающих магистралях 2. По сигналам вторых датчиков расхода 31 и давления 30 на нагнетающих магистралях 2 компрессоров 1, с помощью первых 22 и четвертых 43 исполнительных механизмов производится регулирование положений входных дроссельных клапанов 21 и антипомпажных клапанов 42. При изменении режимов работы компрессоров 1 вычислительные блоки первых МПСУ 45 осуществляют формирование сигналов адаптации, корректирующих передаточные функции. Например, при изменении расхода воздуха на отдельных
ВРУ 38, вследствие небольших различий в давлении воздуха, подаваемого отдельными компрессорами 1, наблюдаются неодинаковые нагрузки на компрессоры 1. Причем, если один из компрессоров 1 работает в холостую, то первые МПСУ 45, по сигналам первых 24 и вторых 30 датчиков давления, полностью открывают входные дроссельные клапаны 21 остальных компрессоров 1, а если все компрессоры 1 нагружены, то переводят входные дроссельные клапаны 21 всех компрессоров 1 в положение минимальных допустимых расходов вне зоны помпажа. Для этого подсистемы на основе первых МПСУ 45 регулируют производительность компрессоров 1 за границами помпажа, при изменении подачи каждого компрессора 1, а также давления, температуры и влажности воздуха на всасывающих магистралях 20, с уменьшением потребляемой мощности, контролируемой датчиками мощности 47. При этом сигналы с первых 23 и вторых 29 датчиков температуры, расхода 25 и 31 и давления 24 и 30, а также сигналы с датчиков мощности 47 на электроприводах 5 и частоты вращения 48 на валах 4 компрессоров 1, поступают на входы 44 первых МПСУ 45, где по измеренным сигналам определяются объемные расходы воздуха на всасывающих магистралях 20, массовые расходы на нагнетающих магистралях 2 и отклонения расходов от минимальных значений для каждого компрессора 1. Логические блоки (на чертеже не выделены) первых МПСУ 45 анализируют данные и формируют входные сигналы для четвертых исполнительных механизмов 43, которые с помощью антипомпажных клапанов 42 уменьшают или увеличивают расходы воздуха в байпасных линиях 41, поддерживая подачу каждого компрессора 1 вблизи заданной минимальной. Для повышения к.п.д. каждого компрессора 1 и в целом экономичности кислородной станции при работе с переменной производительностью ВРУ 38 и переменной температурой воздуха на всасывающих магистралях 20, сигналы со вторых датчиков температуры 29, давления 30 и расхода 31 на нагнетающих магистралях 2 подают на входы 44 первых МПСУ 45, где происходит преобразование измеренных параметров и формирование управляющих сигналов, поступающих на первые
исполнительные механизмы 22 входных дроссельных клапанов 21. Первые датчики температуры 23 на всасывающих магистралях 20 выдают сигналы на первые входы 49 пропорциональных датчиков 50, на вторые входы 51 которых одновременно поступают сигналы с выходов 46 из первых МПСУ 45, связанных с первыми исполнительными механизмами 22 входных дроссельных клапанов 21. Пропорциональные датчики 50 формируют сигналы, пропорциональные расходу на всасывающих магистралях 20, с учетом коррекции по температуре воздуха, и подают их с выходов 52 на вторые исполнительные механизмы 33 выходных дроссельных клапанов 32. Такое регулирование компрессоров 1 обеспечивает экономичное сжатие воздуха при необходимой подаче, соответствующей массовому расходу с общего коллектора 3 на ВРУ 38, с учетом температуры и плотности воздуха на всасывающих магистралях 20. Подсистема регулирования на основе первых МПСУ 45 позволяет контролировать потребляемую мощность электроприводами 5 при увеличении плотности воздуха и давления на нагнетающих магистралях 2, а также изменять подачу с обеспечением работы компрессоров 1 в заданных пределах их напорных характеристик. При неглубоком регулировании, когда потери мощности, регистрируемые датчиками мощности 47, не превышают 5-9%, реализуется дроссельное регулирование на нагнетающих магистралях 20, а при более высоких потерях мощности рационально использовать регулирование плавным или ступенчатым изменением частоты вращения валов 4 компрессоров 1. Регулирование с помощью подсистемы распределения нагрузок изменением частоты вращения осуществляется следующим образом: при работе компрессоров 1 в номинальном режиме первыми датчиками давления 24 и расхода 25 производится измерение, соответственно, давления и расхода воздуха на всасывающих магистралях 20, а вторым датчиком давления 30 - давления воздуха на нагнетающих магистралях 2. Сигналы с датчиков 24, 25 и 30 поступают на вторые МПСУ 53, соответственно через их входы 54, 55 и 56, в которых производится вычисление величин удаленности рабочих точек каждого компрессора 1 от заданной границы помпажа. При
достижении помпажа четвертые исполнительные механизмы 43 открывают на требуемую величину антипомпажные клапаны 42 на байпасных линиях 41, в зависимости от величины сигнала с первых выходов 57 вторых МПСУ 53 и осуществляется перепуск воздуха с нагнетающих магистралей 2 - на всасывающие 20, что повышает устойчивость и экономичность всех компрессоров 1. Сигналы с третьего датчика давления 35 поступают на первый вход 58 первого блока сравнения 59, в котором измеренные текущие значения давления воздуха в общем коллекторе 3 сравниваются с задаваемым значением, поступающим на второй вход 60 от задатчика давления 61. По полученным в результате величинам рассогласования давлений и значению номинального давления в общем коллекторе 3, поступающим в виде сигналов с выхода из первого блока сравнения 59 на первый вход 62 третьей МПСУ 63, а также по вычисленным вторыми МПСУ 53 для каждого компрессора 1 величинам удаленности рабочей точки от заданной границы помпажа, поступающих в виде сигналов со вторых выходов 63. В последней формируются оптимальные задающие воздействия на изменение режима работы компрессоров 1 с регулируемыми электроприводами 5, с учетом предельного значения давления воздуха в общем коллекторе 3 и частоты вращения валов 4 компрессоров 1. При этом сигналы с выходов третьей МПСУ 63 поступают на вторые входы 66 вторых блоков сравнения 67 в виде задающего воздействия. Сигналы с датчиков частоты вращения 48 поступают на первые входы 68 вторых блоков сравнения 67, в которых измеренное значение частоты вращения валов 4 сравнивается с задающим воздействием на изменение режима работы, сформированным в третьих МПСУ 63 для данного компрессора 1. По полученному сигналу рассогласования, поступающему с выхода вторых блоков сравнения 67 на задатчик частоты 9, производится соответствующее управление регулируемыми электроприводами 5, с помощью преобразователей частоты тока 8. Подсистема на основе вторых 53 и третьих 63 МПСУ реализует регулирование, согласно которому нагрузка между менее мощными компрессорами 1 распределяется таким образом, чтобы в провале нагрузок на ВРУ 38,
режим их минимальной допустимой производительности наступил одновременно, а нужное давление в общем коллекторе 3 поддерживалось путем изменения характеристики ведущего, более крупного компрессора 1, имеющего наибольшее расстояние до соответствующей линии настройки антипомпажного регулирования. Предлагаемая подсистема позволяет третьему МПСУ 63 (выполняющему роль регулятора станции) поддерживать постоянное давление на входе в ВРУ 38 при увеличении или уменьшении производительности по кислороду, путем одновременного изменения работы и распределения нагрузки отдельных компрессоров 1, за счет регулирования скорости вращения валов 4 и антипомпажного регулирования с помощью антипомпажных клапанов 42. Данная подсистема схемы регулирования компрессоров 1 допускает в известных пределах изменение частоты вращения валов 4, в соответствии с требуемой производительностью по воздуху и обеспечивает повышение экономичности за счет снижения расхода электроэнергии в условиях переменных температур засасываемого воздуха. Поэтому подсистема реализует экономное регулирование компрессоров 1 с обеспечением потребности в воздухе нескольких ВРУ 38 во все периоды года, со снижением расхода электроэнергии на получение кислорода в среднем на 10-15%, по сравнению с компрессорами 1, регулирование производительности которых производится только дросселированием воздуха на всасывающих магистралях 20. Таким образом, подсистема регулирования на основе вторых 53 и третьих 63 МПСУ осуществляет индивидуальную коррекцию частоты вращения каждого компрессора 1, с учетом общего режима работы станции, обеспечивая расширение зоны устойчивой работы компрессоров 1 и повышение экономичности кислородной станции. Регулирование производительности компрессоров 1 осуществляется в начальный период дросселированием на всасывающих магистралях 20 с последующим переходом на регулирование изменением частоты вращения одного или нескольких компрессоров 1 с регулируемыми электроприводами 5. При сложном по конфигурации и протяженном по длине общем коллекторе 3, т.е. при наличии гидравлической развертки в нем, и
переменных давлениях и расходах перед каждой ВРУ 38, применяют подсистему частотно-дроссельного регулирования на основе четвертых МПСУ 69, управляющих индивидуальными регуляторами скорости вращения валов 4 компрессоров 1, включающих преобразователи частоты 8 тока, поступающего на электроприводы 5. При этом, с целью повышения экономичности, за счет устранения перепуска воздуха при глубоком регулировании и при повышении давления воздуха в общем коллекторе 3, сигналы с первых датчиков давления 24, расхода 25 и температуры 23 на всасывающих магистралях 20, с третьих датчиков давления 35 на общем коллекторе 3 и с датчиков частоты вращения 48 на валах 4 компрессоров 1 поступают на входы 70 четвертых МПСУ 69, где происходит сравнение с заданным значением скорости вращения  валов 4, определение необходимой степени сжатия, сравнение с измеренным значением давления воздуха в общем коллекторе 3 и, в зависимости от полученной разности давлений, формируются на выходах 73 из четвертых МПСУ 69 сигналы, поступающие на задатчики частоты 9, и с первых выходов 74 последних - на преобразователи частоты 8. При этом организуется измерение давлений на нагревающих магистралях 2 каждого компрессора 1, с последующим выделением на четвертых МПСУ 69 максимального из измеренных давлений нагнетания и с соответствующим воздействием на электроприводы 5 компрессоров 1. Для повышения экономичности работы компрессоров, по выделенному максимальному значению давления нагнетания, одновременно воздействуют на электроприводы 5 всех компрессоров 1. При сравнении сигналов со вторых датчиков давления 30 с нагнетающих магистралей 2, поступающих на входы 70 четвертых МПСУ 69, с заданной предельной величиной давления нагнетания, вырабатывается сигнал рассогласования, поступающей в задатчики частоты 9 преобразователей частоты тока 8 в обмотках электроприводов 5. Если давление нагнетания достигнет предельной величины, то скорость вращения валов 4 компрессоров 1 уменьшается, что приводит к уменьшению давления и температуры нагнетания и
производительности компрессоров 1. Для дополнительной стабилизации подачи воздуха на ВРУ 38 четвертые МПСУ 69 получают аналоговые электрические сигналы на входы 70 с датчиков мощности 47 и тока 71 в обмотках электроприводов 5, а также со вторых датчиков давления 30 на нагнетающих магистралях 2, величины которых определяют степень нагрузки на электроприводы 5 и преобразуют их в цифровой форме в соответствии с заложенным алгоритмом. Через фиксированный интервал времени четвертые МПСУ 69 сравнивают показания датчиков 30, 47, и 71 с заданными настройками от задатчиков эталонной нагрузки 72, подключенных к входам 70 четвертых МПСУ 69, и вырабатывают аналоговые управляющие сигналы на задатчики частот 9 преобразователей частоты тока 8, подаваемого на электроприводы 5, корректируя их нагрузки в соответствии с оптимальным заданным режимом, не допуская перерасхода электроэнергии при изменении параметров воздуха на всасывающих 20 и нагнетающих 2 магистралях. Такой стабилизатор на базе четвертых МПСУ 69 позволяет поддерживать необходимый расход воздуха, диктуемый производительностью ВРУ 38, при поддержании постоянного давления в общем коллекторе 3. При комбинировании регулирования путем изменения частоты вращения валов 4 электроприводов 5 воздействием на преобразователи частоты 8 и путем изменения положения входных клапанов 21, с датчиков активной мощности 47, потребляемой электроприводами 5, подают сигналы на входы 70 четвертых МПСУ 69, в которых с учетом задатчиков эталонной нагрузки 72, формируются пропорциональные управляющие сигналы на первые исполнительные механизмы 22 входных дроссельных клапанов 21 и на задатчики частоты 9 преобразователей частоты 8. По измеренным датчиками мощности 47 и заданным значениям мощности электроприводов 5 компрессоров 1, производится изменение положения входных дроссельных клапанов 21. При этом регулирование производится изменением скоростей вращения валов 4 электроприводов 5 с соответствующими изменениями площадей проходного сечения на всасывающих магистралях 20. Причем, при увеличении (уменьшении) частоты
вращения валов 4, входные дроссельные клапаны 21 приоткрываются (закрываются), производительности (и, соответственно, потребляемые мощности) компрессоров 1 увеличиваются (уменьшаются). Для дополнительного повышения экономичности, путем снижения расхода электроэнергии, измеряют расход и давление воздуха на нагнетающих магистралях 2 с помощью вторых датчиков расхода 31 и давления 30, сигналы с которых поступают на вход четырех МПСУ 69, где по измеренным значениям определяют мощности, потребляемые электроприводами 5 при регулировании изменением частоты от преобразователей частоты 8, и мощности, потребляемые электроприводами 5 при регулировании изменением положения входного дроссельного клапана 21, сравнивают полученные значения мощностей и, по результатам сравнения, выбирают режим регулирования с меньшей мощностью потребления. В этом случае, при переходе на регулирование компрессоров 1 изменением частоты вращения валов 4, производят измерение давления и расхода воздуха датчиками 30 и 31 на нагнетающих магистралях 2 компрессоров 1 с регулируемыми электроприводами 5. Сигналы с датчиков 30 и 31, а также с датчиков мощности 47 электроприводов 5 поступают на входы 70 четвертых МПСУ 69, в которых происходит определение по измеренным параметрам мощности, потребляемой регулируемыми электроприводами 5 при дросселировании во входных дроссельных клапанах 21, и мощности, потребляемой при регулировании изменением частоты вращения, и производится сравнение полученных значений мощностей. При этом, если мощность, потребляемая регулируемыми электроприводами 5, при регулировании изменением частоты вращения меньше мощности, потребляемой регулируемыми электроприводами 5, при регулировании дросселированием на всасывающих магистралях 20, то переходят на режим регулирования изменением частоты вращения регулируемых электроприводов 5 с помощью преобразователей частоты 8. Дополнительно измеряют полную мощность, потребляемую нерегулируемым синхронным электроприводом 5, сравнивают ее в четвертых МПСУ 69 с граничным значением полной мощности, задаваемой с
1
задатчиков эталонной нагрузки72 и соответствующей номинальной работе нерегулируемого синхронного электропривода 5 в режиме компенсации реактивной мощности. При превышении данной мощности граничного значения, переводят компрессор 1 с регулируемым электроприводом 5 на режим работы с постоянной относительной частотой вращения f, с которой вращался компрессор 1 с регулируемым электроприводом 5 при достижении полной потребляемой мощности нерегулируемого синхронного электропривода 5 граничного значения. Дальнейшее снижение производительности компрессоров 1 осуществляется дросселированием на всасывающих магистралях 20 компрессоров 1 с нерегулируемым синхронным электроприводом 5, до тех пор, пока производительность всех компрессоров 1 не будет снижена до значения, соответствующего относительной частоте компрессора 1 с регулируемым электроприводом 5, определяемой из выражения:
MAX
где f - относительная частота вращения компрессора 1 с регулируемым электроприводом 5, соответствующая максимуму потребляемой им реактивной мощности.
Последующее снижение производительности всех компрессоров 1 осуществляется регулированием частоты вращения компрессора 1 с регулируемым электроприводом 5 с прекращением дросселирования на входных дроссельных клапанах 21 компрессоров 1 с нерегулируемыми синхронными  электроприводами 5. При регулировании дросселированием на всасе и изменением частоты вращения допускается уменьшение подачи до заранее установленной минимальной величины, при которой гарантирована устойчивая работа компрессоров 1. Для предупреждения помпажа в этом случае, сигналы с первых датчиков расхода 25 на всасывающих магистралях 20, соответствующие истинному расходу, поступают непосредственно к четвертым исполнительным механизмам 43 антипомпажных клапанов 42. Подача компрессоров 1 определяется первыми исполнительными механизмами 22 входных дроссельных клапанов 21, которые управляются от сигналов первых
датчиков давления 24 через четвертые МПСУ 69. Сигналы, пропорциональные положению задвижек входных дроссельных клапанов 21, одновременно поступают через первые каскадные блоки 75 на первые входы 76 суммирующих блоков 77, с выходов которых, после преобразования, подаются в качестве установочных величин в четвертые исполнительные механизмы 43 антипомпажных клапанов 42. После уменьшения подачи ниже установочной величины антипомпажные клапаны 42 перепускают воздух из нагнетающих магистралей 2 на всасывающие магистрали 20. При регулировании компрессоров 1 изменением частоты вращения валов 4 используются вторые каскадные блоки 79, преобразующие поступающие в них сигналы от вторых выходов 80 задатчиков частоты 9 преобразователей частоты 9. При этом выходные сигналы из первых 75 и вторых 79 каскадных блоков поступают на первые 76 и вторые 78 входы суммирующих блоков 77, с выходов которых направляются на четвертые исполнительные механизмы 43, в качестве установочных величин для антипомпажных клапанов 42. Если все компрессоры 1 работают при номинальном давлении в общем коллекторе 3, то антипомпажные клапаны 42 на байпасных линиях 41 полностью закрыты. При снижении потребности в воздухе на ВРУ 38 через общий коллектор 3, давление в нем начнет увеличиваться. При этом, четвертые МПСУ 69 автоматически выбирают один из компрессоров с наиболее устойчивым антипомпажным режимом в качестве ведущего и выдают сигналы на его преобразователь частоты 8, уменьшая тем самым производительность и восстанавливая давление в общем коллекторе 3 до номинального значения. Если расход воздуха на ВРУ 38 снижается еще больше и скорость вращения уменьшается до минимального допустимого значения, то четвертые МПСУ 69 открывают антипомпажные клапаны 42. На кислородных станциях регулирование производительности станции осуществляется изменением производительности воздушных компрессоров 1. При наличии на станции нескольких ВРУ 38, их производительность регулируют либо изменением производительности одной из ВРУ 38, сохраняя на остальных работающих установках максимальную
производительность либо изменяя производительность всех работающих ВРУ 38 одновременно. Одновременное регулирование производительности всех работающих ВРУ 38, при питании от общего коллектора 3, позволяет упростить эксплуатацию и систему регулирования, за счет самопроизвольного установления минимального давления в общем коллекторе 3, соответствующего заданной производительности отдельных ВРУ 38, а также снизить расход электроэнергии. При этом каждая из ВРУ 38 будет принимать на переработку такое количество воздуха, которое соответствует ее индивидуальным особенностям, т.е. ВРУ 38, обладающие лучшими показателями будут принимать большое количество воздуха и наоборот, причем воздух будет распределяться между ВРУ 38 наиболее эффективно. Поэтому производительность нескольких работающих ВРУ 38 регулируется изменением количества воздуха, поступающего в каждую ВРУ 38, при помощи изменения давления в общем коллекторе 3. Причем распределение воздуха между отдельными ВРУ 38 будет происходить самопроизвольно, в зависимости от их характеристик. Так как, суммарная производительность кислородной станции по кислороду зависит от количества воздуха, подаваемого компрессорами 1 в ВРУ 38, то для повышения экономичности путем снижения удельного расхода электроэнергии необходимо два условия: наличие автоматической стабилизации заданной весовой производительности компрессоров 1 и поддержание способности ВРУ 38 автоматически перестраиваться на переработку изменяющегося количества воздуха. Поэтому в заявляемой схеме регулирование производительности по кислороду сводится к согласованию положений входных 21 и выходных 32 дроссельных клапанов и частоты вращения валов 4, изменяющих производительности компрессоров 1, с потребностями по кислороду. Для этого используется подсистема согласования производительности компрессоров с потребностями по кислороду, выполненная на основе пятых МПСУ 81. При этом сигналы с первых 25 и вторых 31 датчиков расхода, соответственно, на всасывающих 20 нагнетающих 2 магистралях, третьих датчиков расхода воздуха 39 и четвертых датчиков расхода кислорода 40,
соответственно, на входе и выходе из ВРУ 38 подают на входы 82 пятых МПСУ 81. В последних в соответствии с заложенной программой осуществляется: интегрирование расхода кислорода всеми потребителями за заданное время; вычисление потребленного среднечасового расхода кислорода на расчетный период; вычисление среднечасового суммарного количества, произведенного на кислородной станции за расчетный период; сравнение значений среднечасового потребления и среднечасового производства кислорода и формирование по этим данным выходного сигнала, управляющего положением задатчиков в системе регулирования компрессоров. Управляющие сигналы с выходов 83 пятых МПСУ 81 поступают на первые 22, вторые 33 и третьи 37 исполнительные механизмы входных 21 и выходных 32 дроссельных клапанов и регуляторов расхода воздуха 36 на входе в ВРУ 38 и на задатчики частоты вращения 9, приводя в соответствие производительности компрессоров 1 и потребность по кислороду. Подсистемы на основе пятых МПСУ 81 обеспечивают комплексное автоматическое регулирование нескольких компрессоров 1, подающих воздух в общий коллектор 3 из которого питается несколько ВРУ 38, поддержание необходимого давления в общем коллекторе 3 и подачу воздуха в количествах, потребляемых различными ВРУ 38, а также рациональное его распределение между ВРУ 38. Поддержание с помощью данной подсистемы постоянного давления в общем коллекторе 3 осуществляется путем непрерывного приведения подачи компрессоров 1 в соответствие с потреблением воздуха в технологическом процессе получения кислорода, протекающем при изменяющихся условиях. Автоматическое регулирование производительности компрессоров 1 осуществляется с корректировкой по атмосферным условиям на всасе (температуре и давлению воздуха) и по динамике расходования кислорода. Подсистема регулирования с учетом температуры охлаждающей воды работает следующим образом: на шестые МПСУ 84, через входы 85, поступают сигналы с датчиков положения 86 входных дроссельных клапанов 21, пропорциональные сопротивлению на всасе или производительности компрессоров 1, сигналы с датчиков температуры
охлаждающей воды 87, 88 и 89, замеряющих температуру воды в подводящих 18 и отводящих 19 магистралях на входе и выходе из промежуточных 16 и 17 и концевых 26 воздухоохладителей, определяющих условия охлаждения воздуха по разности температур воды на входе и выходе из воздухоохладителей 16, 17 и 26, сигналы с датчиков частоты вращения 48 валов 4 компрессоров 1 и датчиков силы тока 71 на электроприводах 5, определяющих, соответственно, частоту вращения приводных валов 4 и возникновение пульсаций при приближении к помпажному режиму, сигналы со вторых датчиков давления 30 и температуры 29 на нагнетающих магистралях 2. В шестых МПСУ 84 происходит преобразование данных сигналов и сравнение с требуемыми рабочими параметрами, устанавливаемыми блоками задания 90. При этом шестые МПСУ 84 с выходов 91 выдают управляющие сигналы в задатчики частоты 9 преобразователей частоты 8, для изменения частоты вращения электроприводов 5, и на первые 22 и четвертые исполнительные механизмы входных дроссельных 21 и антипомпажных 42 клапанов. Причем определенному положению входных дроссельных клапанов 21, т.е. производительности компрессоров 1, соответствует оптимальная частота вращения валов 4 электроприводов 5, с учетом коррекции по изменению температуры воды в воздухоохладителях 16, 17 и 26, т.е. по условиям охлаждения воздуха и величин токов и их пульсаций на электроприводах 5. Вследствие чего, подсистема регулирования на основе шестых МПСУ 84 обеспечивает экономичный режим работы компрессоров 1 с минимальным потреблением электроэнергии при удовлетворении требуемой производительности и гарантии работы вне зоны помпажа. При уменьшении расходов на ВРУ 38, относительно расчетной производительности одного из компрессоров 1, для предупреждения помпажа применяют перепуск части сжатого воздуха с нагнетающих магистралей 2 на всасывающие 20, по байпасным линиям 41 через антипомпажные клапаны 42. Для устранения потерь энергии при приближении секций сжатия 12 и 13 (кроме первой 11 на всасе) к помпажу, применяют подсистему регулирования расхода охлаждающей воды на основе седьмых МПСУ 92. Для
повышения экономичности процесса сжатия воздуха, путем приведения в соответствие производительности каждого компрессора 1 и расхода воды на охлаждение, и увеличения глубины изотермичности сжатия, на входе 93 седьмых МПСУ 92 подают сигналы со вторых датчиков температуры 29, давления 30 и расхода 31, определяющих параметры воздуха на нагнетающих магистралях 2 компрессоров 1, а также сигналы с пятых датчиков расхода 94, определяющих расход рециркулируемого воздуха в байпасных линиях 41, с первых датчиков температуры 23 на всасывающих магистралях 20 и с датчиков температуры воздуха 95, 96 и 97, соответственно, установленных на перепускных линиях 14 и 15 между секциями сжатия 11, 12 и 13 на входе и выходе из промежуточных 16 и 17, и на входе в концевые 26 воздухоохладители, и определяющих изменение температуры воздуха в процессе сжатия и охлаждения. По измеренным сигналам в седьмых МПСУ 92 формируют импульсы управления и с выходов 98 подают на пятые исполнительные механизмы 99 вентилей 100, установленных на подводящих магистралях охлаждающей воды 18 и 27, соответственно, промежуточных 16 и 17 и концевых 26 воздухоохладителей. При этом изменяют степень охлаждения воздуха в воздухоохладителях 16, 17 и 26, путем регулирования расхода воды с помощью вентилей 100. Например, увеличение расхода воздуха в бойпасных линиях 41 фиксируется пятыми датчиками расхода 94, сигналы с которых поступают на входы 93 седьмых МПСУ 92, причем последние вырабатывают управляющие импульсы на пятые исполнительные механизмы 99, прикрывающие вентили 100 на подводящих магистралях охлаждающей воды 18 с уменьшением расхода воды на промежуточные воздухоохладители 16 и 17. При этом увеличивается температура и объемный расход воздуха в секциях сжатия 12 и 13, с предотвращением в них помпажа и с повышением к.п.д. процесса сжатия. Причем одновременно с выходов 98 седьмых МПСУ 92 выдаются сигналы на исполнительные механизмы 99 вентилей 100, установленных на подводящих магистралях охлаждающей воды 27 концевых воздухоохладителей 26, и увеличивается расход воды через них, с понижением
температуры воздуха в общем коллекторе 3 до номинальной величины. При этом реализуется экономичное сжатие воздуха, близкое к изотермическому, во всем диапазоне производительностей компрессоров 1, за счет регулирования расхода охлаждающей воды при изменении режимных параметров. Причем для повышения экономичности в качестве основных режимных параметров используются расходы на нагнетающих магистралях 24 и байпасных линиях 41, а в качестве корректирующих параметров - температуры воздуха на нагнетающих магистралях 2 и после концевых воздухоохладителей 26, а также разности температур воздуха на входе и выходе из промежуточных воздухоохладителей 16 и 17. Замеренные с помощью датчиков 87, 88 и 89 температуры охлаждающей воды и датчиков 23, 29, 95, 96 и 97 температуры всасываемого и сжатого воздуха поступают в виде задающих сигналов на входы 85 и 93, соответственно, шестых МПСУ 84 и седьмых МПСУ 92, в которых происходит сравнение измеренных во времени параметров с заранее запрограммированными, и с выходов 91 и 98 выдаются управляющие сигналы на первые исполнительные механизмы 22 входных дроссельных клапанов 21, на задатчики частоты 9 преобразователей частоты 8 и пятые исполнительные механизмы 99 вентилей 100, приводя в соответствие производительность и степень сжатия с условиями охлаждения, что повышает к.п.д. и экономичность компрессоров 1. При отклонении температуры воздуха на всасывающих магистралях 20 в зимний и летний периоды относительно номинального значения и необходимости глубокого регулирования производительности компрессоров 1 перепуском воздуха на всасывающие магистрали 20 в зоне близкой к помпажу, используется подсистема регулирования температуры рециркулируемого воздуха, выполненная на основе восьмых МПСУ 101. При этом на входы 102 восьмых МПСУ 101 поступают сигналы с первых датчиков температуры 23 на всасывающих магистралях 20, со вторых 31 и пятых 94 датчиков расхода воздуха, соответственно, на нагнетающих магистралях 2 и на байпасных линиях 41. С выходов 103 восьмых МПСУ 101 выдаются управляющие сигналы на шестые исполнительные механизмы 104
первых регулирующих вентилей 105, при открытии которых воздух по рециркуляционным линиям 106 (антипомпажные клапаны 42 на байпасных линиях 41 при этом закрыты) поступает на входы 107 вихревых труб 108, а также сигналы на седьмые 109 и восьмые 110 исполнительные механизмы, соответственно, вторых 111 и третьих 112 регулирующих вентилей, расположенных на выходных патрубках нагретого 113 и охлажденного 114 потоков, выходящих из вихревой трубы 108. В зависимости от температуры всасываемого воздуха и глубины регулирования перепуском, первые регулирующие вентили 105 подают воздух из нагнетающих магистралей 2 по рециркуляционным линиям 106 на входы 107 вихревых труб 108, в которых происходит срабатывание его избыточного давления на трансформацию температуры потоков воздуха выходящих из выходных патрубков нагретого 113 и охлажденного 114 потоков. Например, в летний период, наиболее опасный по помпажу и неэкономичный по затратам энергии на сжатие, вторые регулирующие вентили 111 закрыты, а третьи регулирующие вентили 112 на патрубках охлажденного потока 114 - открыты. При этом рециркулируемый воздух охлаждается до температуры - 60°С (при давлении на нагнетающих магистралях равном 0,6 МПа) и поступает по рециркуляционным линиям 106 в смесительные камеры 115, где подмешивается к всасываемому атмосферному воздуху и снижает температуру на всасывающих магистралях 20. Это предотвращает переход в зону помпажа при глубоком регулировании перепуском, способствует вымораживанию влаги из воздуха и повышает экономичность сжатия воздуха и в целом кислородной станции. Регулирование температуры и расхода всасываемого воздуха осуществляется с помощью восьмых МПСУ 101 изменением степеней открытия первых 105, вторых 111 и третьих 112 регулирующих вентилей. Снижение температуры всасываемого компрессорами 1 воздуха на 3°С, при использовании вихревых труб 108, за счет энергии рециркулируемого воздуха, позволяет снизить расход электроэнергии при глубоком регулировании перепуском на 1-2%. Кроме того, охлаждение рециркулируемого воздуха способствует частичной
конденсации влаги, с уменьшением работы на сжатие водяных паров в компрессорах 1 и затрат на осушку воздуха перед ВРУ 38, что в целом повышает экономичность кислородной станции. При снижении расхода воздуха на ВРУ 38 или отключении одной из них и повышении давления на общем коллекторе 3 до критического значения, соответствующего входу в помпаж всех компрессоров 1, используется подсистема регулирования отключением и включением компрессоров 1 и поддержанием максимального коэффициента мощности электроприводов 5, на основе девятых МПСУ 116. Причем, при кратковременном снижении критического расхода на ВРУ 38 производится регулирование отключением отдельных компрессоров 1 от общего коллектора 3, а при длительном снижении - отключением электроприводов 5 от электрической сети. В первом случае, если расход снижается до значений близких к границе помпажа, то четвертые исполнительные механизмы 43, получив сигналы от вторых датчиков расхода 31 на нагнетающих магистралях 2, поступающих через соответствующие входы 117 и выходы 118 девятых МПСУ 116, открывают антипомпажные клапаны 42. При этом давление на нагнетающих магистралях 2 понижается и под давлением в общем коллекторе 3 закрываются обратные клапаны 34. Одновременно, по суммарным сигналам со вторых датчиков расхода 31 и давления 30 на нагнетающих магистралях 2, поступающих через девятые МПСУ 116, первые исполнительные механизмы 22 закрывают входные дроссельные клапаны 21 на всасывающих магистралях 20, так, что будет всасываться только ограниченное количество воздуха, перепускаемое или выпускаемое через антипомпажные клапаны 42 на всасывающую магистраль 20 или в атмосферу (на чертеже не показано), и при этом превышение допустимой температуры внутри компрессоров 1 не произойдет. Причем противодавления компрессоров 1 будут соответствовать атмосферному давлению. В данном случае регулирования требуемая мощность, например при отношении давлений на общем коллекторе 3 и на всасывающих магистралях 20 равном семи, составляет только 15% от мощности электроприводов 5 на границе помпажа, т.е. такой вариант более экономичен, чем
регулирование выпуском или перепуском всего количества компремируемого воздуха. Как только давление в общем коллекторе 3 понизится до допустимого значения, антипомпажные клапаны 42, по сигналу с третьих датчиков давления 35 через девятые МПСУ 116 на четвертые исполнительные механизмы 43, закрываются, а входные дроссельные клапаны 21 на всасывающих магистралях 20 - открываются. При этом давление на нагнетающих магистралях 2 начинает возрастать и становится больше давления в общем коллекторе 3, после чего открываются обратные клапаны 34 и компрессоры 1 начинают работать в номинальном режиме. Если требуемый расход воздуха на ВРУ 38 снижается в течение длительного времени ниже критического расхода, соответствующего переходу в помпажную зону во всех компрессорах 1, то давление в общем коллекторе 3 возрастает и третий датчик давления 35 выдает сигнал на входы 117 девятых МПСУ 116, в которых формируются управляющие сигналы и выдаются с их выходов 118 на электромагнитные контакторы 10, производя отключение одного базового или нескольких компрессоров 1 и приводя в соответствие потребление воздуха на ВРУ 38 и давление в общем коллекторе 3. Для повышения экономичности кислородной станции на входы 117 девятых МПСУ 116 подаются сигналы от первых 24 и вторых 30 датчиков давления на всасывающих 20 и нагнетающих 2 магистралях. При этом на выходах 118 девятых МПСУ 116 вырабатываются управляющие сигналы, подаваемые на вторые исполнительные механизмы 33 и электромагнитные контакторы 10, обеспечивающие открывание или закрывание выходных дроссельных клапанов 32 и остановку или пуск электроприводов 5. Подсистема регулирования несколькими компрессорами 1 на основе девятых МПСУ 116 позволяет производить включение и отключение отдельных компрессоров 1 в соответствии с заранее заложенной информацией о давлении в общем коллекторе 3, во всасывающих 20 и нагнетающих 2 магистралях. В девятых МПСУ 116 происходит сравнение сигналов от датчиков давления 24, 30 и 35 с заложенной информацией и вырабатываются сигналы, управляющие подачей и включением компрессоров 1. Такая подсистема
регулирования определяет изменение давления в общем коллекторе 3, позволяет разгружать компрессоры 1 в соответствии с изменением потребности в воздухе, сократить время непроизводительной работы компрессоров и выводить их на номинальную нагрузку, путем включения или отключения. При этом для получения требуемого давления в общем коллекторе 3 затрачивается минимальная мощность и снижается расход электроэнергии. При использовании в качестве электроприводов 5 только синхронных нерегулируемых электродвигателей с обмотками возбуждения 7, запитываемых от источников тока 6, и работающих в режиме компенсации реактивной мощности и при отсутствии близко распложенных от кислородной станции потребителей реактивной мощности, для снижения потерь в электросетях, сигналы с датчиков тока 71 и мощности 47 в статорах электроприводов 5 подают на входы 117 девятых МПСУ 116, в которых происходит преобразование измеренных параметров и формирование управляющих сигналов на источники тока 6 обмоток возбуждения 7. При этом осуществляется поддержание коэффициента мощности близким к единице (cosφ=1) при различной производительности компрессоров 1, что позволяет уменьшить потери мощности в электросети от реактивных токов, снизить расход электроэнергии на электроприводы 5 и повысить экономичность кислородной станции. Таким образом, в заявляемой схеме регулирования задействовано восемь управляющих подсистем на базе девяти МПСУ (45, 53, 63, 69, 81, 84, 92, 101 и 116), использующих значения температуры воздуха на всасе, степени повышения давления в компрессорах 1, частоты вращения валов 4, мощности на электроприводах 5 и управляющих входными дроссельными клапанами 21, частотой вращения регулируемых электроприводов 5 и антипомпажными клапанами 42. При этом каждый компрессор 1 управляется несколькими взаимно связанными контурами управления, первичными из которых являются контуры регулирования производительностей компрессоров 1 в зависимости от производства кислорода, контуры стабилизации давления в общем коллекторе 3 и антипомпажные контуры, а вторичными - контуры деления нагрузок между компрессорами 1,
контуры регулирования условий охлаждения воздуха. Это позволяет распределить нагрузку между параллельно работающими компрессорами 1 так, чтобы каждый компрессор работал с оптимальной долей общей нагрузки в экономичном режиме и не попадал в режим помпажа или запирания. Схема реализует оптимальное регулирование воздушными компрессорами 1 многоуровневой структурой управления: первый уровень - система управления отдельными компрессорами 1, с контролем и регулированием расхода сжатого воздуха, с учетом давления и температуры воздуха на всасе и нагнетании компрессоров 1 и на входе в промежуточные воздухоохладители 16 и 17, температуры воды перед и за промежуточными 16 и 17 и концевыми 26 воздухоохладителями, а также с контролем и регулированием потребляемой электроприводами 5 мощности; второй уровень - система управления распределением нагрузки между компрессорами 1 (причем, одна подсистема осуществляет включение и выключение компрессоров 1, а другая - оптимальное, с точки зрения обеспечения минимального расхода потребляемой электроэнергии, распределение нагрузки между работающими компрессорами 1); и третий уровень - текущий контроль характеристик всех компрессоров 1 и их узлов (электроприводов 5, промежуточных 16, 17 и концевых 26 воздухоохладителей), а также анализ тенденций изменения этих характеристик, диагностика и защита (противопомпажная). Заявляемая схема регулирования может работать в непрерывном, периодическом или смешанном режимах отдельных подсистем и обеспечивает регулирование при значительных колебаниях расхода кислорода с ВРУ 38. В схеме регулирования применяются стандартные сенсорные датчики, шестнадцатиразрядные микропроцессоры и семь логических блоков.
Таким образом, заявляемая схема регулирования компрессоров позволяет повысить экономичность кислородной станции за счет:
- комбинированного регулирования компрессоров с оптимальным и экономичным режимом работы в широком диапазоне производительностей в комплексе с ВРУ, что снижает непроизводительные потери, повышает к.п.д.
кислородной станции и снижает расход электроэнергии, например, при снижении на 1% годовая экономия составляет 2 млн. кВт.ч;
- обеспечения оптимального распределения нагрузок между параллельными компрессорами, работающими на общий коллектор, с достижением максимально возможных к.п.д. компрессоров;
3
3
- использования регулирования производительности ВРУ до 60% от номинальной величины изменением числа оборотов на валах компрессоров, со снижением удельного расхода электроэнергии на сжатие 1 м воздуха до 0,11 кВт.ч/м;
- использования подсистем, позволяющих регулировать компрессоры избегая помпажа и работать с наибольшей эффективностью во всех рабочих точках диапазона производительности и напора при минимальных затратах мощности;
- увеличения к.п.д. компрессоров при глубоком регулировании байпасированием, за счет понижения температуры всасываемого воздуха при охлаждении рециркулируемого воздуха в вихревых трубах;
- стабилизации подачи воздуха в ВРУ при поддержании более узкого диапазона изменения давления в общем коллекторе и улучшения удельных показателей разделения воздуха;
- обеспечения такого сочетания производительностей всех ВРУ, когда при снижении потребности в кислороде все установки работают с уменьшенной производительностью, но потери воздуха при этом минимальны и экономичность кислородной станции повышается.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая схема регулирования воздушных центробежных компрессоров с электрическим приводом на кислородных станциях низкого давления, работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.