阅读说明：本技术 用于控制多级压缩机的方法 (method for controlling a multistage compressor ) 是由 M·达里 C·埃利奥 于 2018-04-05 设计创作，主要内容包括：一种用于控制多级压缩机的方法,所述多级压缩机至少包括第一级(10)、第二级(20)以及第一级(10)和第二级(20)之间的第一级间管路(12),所述方法包括步骤：a-测量压缩机的入口处的温度,b-测量压缩机的第一级(10)的出口压力(Pout)与入口压力(Pin)之间的压力比,c-至少基于入口温度的值(Tin)和测得的压力比(Pout/Pin)来计算系数(Ψ),d-如果计算出的系数(Ψ)在预定范围内,则控制安装在为压缩机的第一级(10)的入口供气的管路(4；8)中的或通向第一级间管路(12)的气体再循环管路(74)中的控制阀(70；76；92)。(a method for controlling a multi-stage compressor comprising at least a first stage (10), a second stage (20) and a first inter-stage line (12) between the first stage (10) and the second stage (20), the method comprising the steps of: a-measuring the temperature at the inlet of the compressor, b-measuring the pressure ratio between the outlet pressure (Pout) and the inlet pressure (Pin) of the first stage (10) of the compressor, c-calculating a coefficient (Ψ) at least on the basis of the value (Tin) of the inlet temperature and the measured pressure ratio (Pout/Pin), d-controlling a control valve (70; 76; 92) installed in a line (4; 8) feeding the inlet of the first stage (10) of the compressor or in a gas recirculation line (74) leading to the first inter-stage line (12) if the calculated coefficient (Ψ) is within a predetermined range.)

用于控制多级压缩机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制多级压缩机的方法和一种用于实施该方法的控制系统。

特别地，本发明涉及向发动机或其他机器供送天然气以进行工作。该发动机或机器(和压缩机)可以是车(船舶，火车……)载式或在陆上。压缩机入口处的气体例如来自存储的LNG(液化天然气)。因此，该气体可能处于低温(低于-100℃)。该气体可以是蒸发气体或汽化液体。

背景技术

对压缩机领域的本领域技术人员已知的是，压缩机以及多级压缩机仅在取决于压缩机特征的给定状况下工作。离心压缩机的使用受到滞止(stonewall)状况以及受到喘振状况的限制。

当流量相对于扬程过高时，就会发生滞止。例如，在具有恒定速度的压缩机中，扬程必须大于给定值。

当压缩机中气体流量减少时会发生喘振，从而使压缩机无法维持足够的排气压力。于是，压缩机出口处的压力会变得低于入口处的压力。这可能会损坏压缩机(叶轮和/或轴)。

在现有技术中，已知的是通过“抗喘振”管路来保护压缩机免受喘振状况的影响，该管路将压缩机的出口与压缩机的入口连接并装有旁通阀。

美国专利No.4,526,513公开了一种用于控制管道压缩机的方法和设备。该文件尤其涉及压缩机的喘振状况。但是，这表明如果存在滞止，则必须接上附加的压缩机单元。此解决方案无法应用，且如果应用时也是一种昂贵的解决方案。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种用于多级压缩机的控制系统，以避免滞止状况。

本发明的第二目的是提供一种控制系统，以用于在设定一些出口状况时，增加压缩机的入口状况的范围。

本发明的第三目的是提供一种与适于避免喘振状况的控制系统相比具有有限附加费用的控制系统。

为了满足这些目的或其他方面中的至少一个，本发明的第一方面提出了一种用于控制多级压缩机的方法，所述多级压缩机至少包括第一级、第二级以及第一级和第二级之间的第一级间管路，

根据本申请，所述方法包括以下步骤：

a-测量压缩机的入口处的温度，

b-测量压缩机的第一级的出口压力与入口压力之间的压力比，

c-至少基于入口温度的值和测得的压力比来计算系数，

d-如果计算出的系数在预定范围内，则控制安装在为压缩机的第一级的入口供气的管路中的或通向第一级间管路的气体再循环管路中的控制阀。

该方法建议控制压缩机第一级的工作状况。测量入口温度和压力以及出口压力。如果计算出的系数不在预定范围内，则入口温度必须增加和/或出口压力与入口压力的比必须增加。

在该方法的第一实施例中，在步骤c中计算出的系数是通过将压缩机的入口温度乘以出口压力与入口压力的压力比的对数而计算出的系数。

该方法的一个优选实施例提出，在步骤c中计算出的系数是扬程系数：

Ψ＝2*Δh/U²

其中：

Δh是第一级的等熵焓升，

U是叶轮叶片末端速度，

且

Δh＝R*Tin*ln(Pout/Pin)/MW

其中：

R是常数，

Tin是第一级入口处气体的温度，

Pout是第一级出口处的压力，

Pin是第一级入口处的压力，

MW是通过压缩机的气体的分子量。

在该实施例中，假定气体是理想气体，且该转化是等熵的且绝热的。这种近似为工业实施提供了良好的结果。

在上述方法的步骤d中，控制系统可控制：

-适配压缩机的第一级的再循环管路的旁通阀，和/或

-适配通向第一级间管路的再循环管路的旁通阀，和/或

-安装在压缩机的主供送管路上的控制阀。

在这些作用中，可相应地增加压缩机的第一级的入口温度和/或增加压缩机的第一级的出口压力和/或降低入口压力。

本发明还涉及一种多级压缩机，其包括：

-压缩机的第一级，

-压缩机的至少另一级，

-第一级和第二级之间的第一级间管路，

-温度传感器，其用于测量第一级的入口处的温度，

-第一压力传感器，其用于测量压缩机的第一级的入口处的压力，

-第二压力传感器，其用于测量压缩机的第一级的出口处的压力，

其特征在于，所述多级压缩机还包括：

-从压缩机第一级的出口到压缩机第一级的入口的第一再循环管路，其包括旁通阀，和

-用于实施如上所述的方法的装置。

这种多级压缩机可进一步包括：

-从压缩机的第n级的出口到第一级间管路的再循环管路，且所述再循环管路包括旁通阀，和/或

-安装在压缩机的主供送管路上的控制阀。

多级压缩机可以是四级或六级压缩机。

在根据本发明的压缩机中，每个级均可包括叶轮，且所有所述叶轮都可被机械地连接。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的这些和其他特征，这些附图涉及本发明的优选但非限制性的实施例。

图1-图4示出了本发明的四种可能的实施方式。

具体实施方式

在这些附图中的不同附图中指示的相同附图标记表示相同的元件或具有相同功能的元件。

图1示出了多级压缩机，在该示例中，该多级压缩机是四级压缩机。图1示意性示出的压缩机的每个级10、20、30、40均包括具有固定速度的离心叶轮。这些级通过轴和/或齿轮箱机械地联接。叶轮可相似，但也可不同，例如直径不同。

供送管路4将气体供送到压缩机，更具体地，将气体供送到压缩机的第一级10的入口。气体可以是例如来自船载或陆上的储罐的蒸发气体。

在经过第一级10之后，气体通过第一级间管路12被输送到第二级20的入口。在经过第二级20之后，气体通过第二级间管路22被输送到第三级30的入口。在经过第三级30之后，气体通过第三级间管路32被输送到第四级40的入口。

在第四级40之后，压缩气体可在后冷却器5中冷却，然后通过供送管路6引导至发动机(未示出)或另一装置。

该压缩机包括第一再循环管路8，该第一再循环管路8可在第一级10的出口处接收压缩气体，并可将其供送到第一级10的入口。第一旁通阀70控制气体通过第一再循环管路8。如图所示，气体可在被输送到第一级的入口之前全部地或部分地被中间冷却器72冷却或不被中间冷却器72冷却。在第一旁通阀的下游，第一再循环管路8可具有两个分支，一个分支装有中间冷却器72和控制阀，而另一个分支仅装有控制阀。

在图1所示的示例中，可见到第二再循环管路74。第二再循环管路74可在第四级40的出口处、优选在后冷却器5的下游接下压缩气体，且可在第二级20的入口处将其供送到第一级间管路12中。第二旁通阀76控制气体通过第二再循环管路74。

压缩机还包括温度传感器78、第一压力传感器80和第二压力传感器82。温度传感器78测量第一级10的入口处的气体温度。该传感器设置在第一再循环管路8与供送管路4的会合部的下游。第一压力传感器80测量第一级10的入口处的压力，例如在与温度传感器78相同的部位处测量，第二压力传感器82测量第一级10的出口处的压力。第二压力传感器82例如在分路出第一再循环管路8的上游集成在第一级间管路12中。

图3所示的压缩机也是四级压缩机，且具有与以上参考图1描述的压缩机相同的结构。

图2(以及图4)所示的压缩机是六级压缩机。该压缩机的每个级10、20、30、40、50和60也包括离心叶轮，且这些叶轮通过轴和/或齿轮箱机械地连接。叶轮可相似，但也可不同，例如直径不同。

也可在图2上找到将气体供入压缩机的供送管路4，第一级间管路12，第二级间管路22和第三级间管路32。由于该压缩机有六级，其还具有：第四级间管路42，第四级间管路42将第四级的出口连接至第五级的入口；最后还具有第五级间管路52，第五级间管路52位于压缩机的第五级50的出口与压缩机的第六级60的入口之间。

在该六级实施例中，压缩气体可例如在第三级30之后和第六级之后相应地在后冷却器5、5'中冷却。后冷却器5安装在第三级间管路中，且后冷却器5'在压缩气体通过供送管路6被引导至发动机(未示出)或另一装置之前冷却压缩气体。

图2(和4)所示的压缩机也包括带有第一旁通阀70的第一再循环管路8。气体也可在被输送到第一级的入口之前，通过中间冷却器72部分地或全部地冷却。

在图2所示的示例中，可见到第二再循环管路74和第三再循环管路84。第二再循环管路74可在第三级30的出口处、优选在后冷却器5的下游接下压缩气体，且可在第二级20的入口处将其供送到第一级间管路12中。第二旁通阀76控制气体通过第二再循环管路74。

第三再循环管路84可在第六级60的出口处、优选在后冷却器5'的下游接下压缩气体，且可在第四级40的入口处将其供送到第三级间管路32中。第三再循环管路84在第三级间管路32分路出第二再循环管路74的下游通向第三级间管路32。第三旁通阀86控制气体通过第三再循环管路84。

该六级压缩机也包括温度传感器78，第一压力传感器80和第二压力传感器82，它们以与四级压缩机中相似的方式安装。

在如上所述的(四级或六级)压缩机中，或者在其他多级压缩机中，滞止可能与随通过压缩机级的高流量的低扬程压力相关。在滞止区域内运行通常会导致振动，有时会损坏压缩机。

现在提出一种方法，用于避免这些振动和/或损坏，且避免压缩机(更具体地是级10)以低扬程压力和高流量工作。

根据该方法，在一个优选实施例中，计算等熵扬程系数。这可持续地或以预定频率周期性地进行。如果温度和压力状况缓慢地或快速地变化，则可调整频率。

等熵扬程系数由下式给出：

Ψ＝2*Δh/U²

其中：

Δh是压缩机的第一级10中的等熵焓升，

U是压缩机的第一级10中的叶轮叶片末端速度。

等熵焓升为：

Δh＝R*Tin*ln(Pout/Pin)/MW

其中，

R是通用气体常数，

Tin是第一级10的入口处的气体温度，

Pout是第一级10的出口处的压力，

Pin是第一级10入口处的压力，且

MW是通过压缩机的气体的分子量。

R值为大约8.314kJ/(kmol K)，

Tin以K表示，

Pout和Pin以巴(bara)表示，

MW以kg/kmol表示，

然后Δh以kJ/kg表示。

第一级的叶轮的叶片末端速度以m/s表示。

在气体成分不变或仅以很小的程度变化，且轴2的转速恒定的情况下：

Ψ＝α*[Tin*ln(Pout/Pin)]

现在建议通过集成在压缩机中的适配的计算装置88来计算Ψ。这些计算装置从温度传感器78、第一压力传感器80和第二压力传感器82接收信息。如果气体的分子量可改变，则关于气体的信息(例如来自密度计和/或气体分析仪)也可被提供给计算装置。同样，如果叶轮的速度可改变，则可在轴2上预见到转速表。

然后将Ψ的值提供送电子控制装置90，电子控制装置90可命令在压缩机中预见的相应的致动器。

在所提出的方法中，作为一个说明性但非限制性的示例，如果Ψ小于0.2(以以上给出的单位)，则认为压缩机在滞止状况附近工作。

图1-4提出了不同的方式作用于压缩机，以改变系数Ψ。

在图1中，电子控制装置90与适于作用于第二旁通阀76上的致动器连接。在Ψ等于0.2的情况下，控制装置90起作用，使得第二旁通阀76打开。该作用将导致气体进入第一级间管路12。由于第二级20的压缩机的转速不变，因此通过第二级的气体体积流量也不变。因此，第二级的入口处的压力将由于叶轮的恒定速度随第一级10的Pout而增加，且由此而增加Δh和Ψ。

在图2中，控制装置90的作用与在图1的相似。所述装置作用于第二旁通阀76上，并增加第一级10的出口压力。图1和图2之间的区别在于，图1涉及四级压缩机，而图2涉及六级压缩机。

在图3中，控制装置90与适于作用于第一旁通阀70上的致动器连接。控制原理是通过将热气体再循环到第一级10的入口来调节第一级10的等熵扬程。

在此，在Ψ等于0.2的情况下，控制装置90起作用，使得第一旁通阀70打开。该作用将在第一级的入口处引入热气体。因此，Tin将由于轴2的恒定速度而增加，从而Δh和Ψ也会增加。

对于本领域技术人员来说清楚的是，该调节也适用于如图2或4所示的六级压缩机。

图4提出了第三种对Ψ值起作用的第三种方式。在该实施例中，控制阀92安装在压缩机的主供送管路4上。它优选地安装在分出第一再循环管路8处的上游。

在该实施例中，控制装置90与适于作用于控制阀92上的致动器连接。控制原理是通过调整第一级10的入口处的压力来调节第一级10的等熵扬程。

在此，在Ψ等于0.2的情况下，控制装置90起作用，以使控制阀92关闭。因此，Pin将由于轴2的恒定速度而降低，且Δh和Ψ也将增加。

这三种不同的调节方法是基于以下事实：多级压缩机中与滞止有关的限制来自第一级。它们允许以重要的方式拓宽压缩机的工作状况。

例如，如果压缩机使用蒸发气体、比如LNG蒸发气体工作，则压缩机的第一级处的入口压力可在1.03巴至1.7巴之间变化。入口温度也可在-140℃至+45℃的较大范围内变化。由于气体的成分也可变化，因此LNG的密度可从0.62kg/m³(100％CH₄)变化到2.83kg/m³(85％CH₄和15％N₂)。

对于汽化气体处理应用的压缩机滞止(取决于气体的成分)随高的罐压力以及低温而产生。与现有技术的压缩机相比，所提出的方法允许压缩机在更高的压力和/或更低的温度下工作。经测试，如果压缩机在滞止区域中压力为1.7巴，温度为-100℃而没有所提出的调节，则压缩机可能通过所提出的调节而在滞止区域之外工作，直到使温度达到-140℃。

尽管在所提出的方法的一个优选实施例中，计算了等熵扬程系数，但是基于计算依赖于入口温度和出口压力与入口压力的比的另一系数的方法也可适用。优选地，系数取决于

Tin*ln(Pout/Pin)。

所提出的方法的优点在于它可在不改变现有技术的压缩机的情况下适用。所描述的旁通阀通常用作防喘振阀，且存在于大多数现有技术的压缩机中。所提出的方法将这些阀用于另外的功能。

上述的压缩机可在船上或在浮式存储再气化单元上使用。它也可在陆上、例如终点站中适用，也可在车辆、例如火车上使用。压缩机可供应发动机或发电机(或另外的工作装置)。

显然，应该理解，以上详细描述仅作为本发明的实施例提供。然而，副实施例方面可根据应用场合而调整，同时保持所列优点中的至少一些。