用于改进性能的离心压缩机部分负载控制算法

摘要

公开了一种具有离心压缩机（10）、控制器（16）和接口（18）的压缩机系统（5）。压缩机（10）包括可调导向叶片（12）和可变几何扩压器（14）。控制器（16）与导向叶片（12）和扩压器（14）的每一个电通信，从而根据预定控制算法监视并调整其位置。该控制算法根据一种控制所述压缩机（10）的方法而实现。该方法基于实际升程、导向叶片位置、以及扩压器位置和参考升程之间的预定关系来调整扩压器（14）的位置。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是PCT专利申请，根据35USC§119(e)要求2009年10月21日提交的美国临时专利申请序号61/253,612的优先权。

技术领域

本公开涉及压缩机控制，并且更具体地涉及用于改进离心压缩机在部分负载下的性能的控制算法。

背景技术

相关技术的描述

离心压缩机在制冷系统的技术中是公知的，并且通常设计为以固定或预定操作速度旋转。通常通过改变位于机器入口处的一系列可调导向叶片的位置来实现机器的容量控制。因此，分配到叶轮的制冷剂的质量流率被改变以满足机器上的变化负载需求。在最大的流时，离开叶轮的制冷剂会比扩压器能处理的更多，流会在扩压器处变得拥塞。在较低流率时，移动通过扩压器的制冷剂流会变得不稳定，并且会发生部分逆流，导致噪声和机器效率的显著下降。最后遭遇完全逆流，接着压缩机可能失速或喘振（surge）。拥塞状态和开始出现喘振状态之间的范围通常限定了压缩机的操作范围。在仅依赖入口导向叶片进行容量控制的压缩机中，该范围是狭窄的，尤其是当叶片用在扩压器内时。

因此，与离心压缩机的使用有关的主要问题之一是当压缩机负载在广阔的范围上变化时保持流稳定。压缩机入口、叶轮和扩压器通路的尺寸必须设置成提供最大体积流率。当相对低的体积流率通过这种压缩机时，该流变得不稳定。更具体地，随着体积流率从稳定范围减少，进入了轻微不稳定流的范围。在该范围，在扩压器通路内发生部分逆流，产生噪声并降低压缩机效率。在该范围之下，压缩机遭遇喘振，其中在扩压器通路内发生完全逆流，破坏机器效率并危及机器元件的完整性。

由于在许多压缩机应用中期望宽的体积流率范围，已提出许多变型以改进低体积流率下的流稳定性。现有技术试图通过提供可变导向叶片来控制离心压缩机内的喘振，所述可变导向叶片控制经过压缩机的制冷剂流。尽管这种技术是有帮助的，但却不是完全有效的，因为通过扩压器的流体流说明了导致喘振的大多数情况。类似地，已公开了用于离心压缩机的可变几何的管道或叶片的扩压器以提供在变化负载下压缩机性能的改进控制，并进一步地避免喘振的情况。例如，可变扩压器可包括内环和外环，在其内形成互补的入口流通道部分。内环和外环可相对于彼此旋转，从而允许调整通过流通道的流体流量。

在可比较的压缩机中，具有带叶片或管道的扩压器的离心压缩机在全负载下具有最高的效率。然而，在部分负载下喘振裕量相对低。可变扩压器可用于克服与部分负载下的低喘振裕量有关的缺陷。另外，通常根据入口导向叶片和扩压器之间的固定关系来调整可变扩压器，以实现最高的喘振裕量。然而，所得到的为部分负载下的喘振而优化的压缩机在沿着用于具体地理区域的期望负载线操作时效率低下。可通过采用特别专用于给定负载线的方案来改善性能。然而，只有在低喘振裕量的代价下才实现部分负载下的改善的性能。

因此，需要一种用于控制离心压缩机的改进方法，其保持全负载性能和效率并显著改善部分负载性能和效率，而不会不利地影响喘振裕量。

发明内容

为了满足上述需求，公开了一种具有离心压缩机和改进的控制器的压缩机系统。所述压缩机包括可调导向叶片和可变几何扩压器。控制器与导向叶片和扩压器的每一个电通信，从而根据预定的控制算法监视并调整其位置。该控制算法根据一种控制所述离心压缩机的方法而实现。

根据本公开的一个方面，公开了一种用于控制具有可调导向叶片和可变扩压器的离心压缩机的方法。所述方法包括以下步骤：确定实际升程；确定导向叶片位置；基于导向叶片位置确定扩压器位置和参考升程之间的关系；基于实际升程、导向叶片位置、以及扩压器位置和参考升程之间的所述关系来确定新的扩压器位置；基于实际导向叶片位置确定全负载参考升程；如果实际升程小于或等于全负载参考升程，则将扩压器调整到全打开位置；以及如果实际升程大于全负载参考升程，则将扩压器调整到新的扩压器位置。

根据本发明的另一个方面，公开了一种用于在压缩机启动后控制具有可调导向叶片和可变扩压器的离心压缩机的方法。所述方法包括以下步骤：确定导向叶片位置和全负载参考升程之间的第一关系；确定实际升程；如果实际升程小于全负载参考升程，则将扩压器调整到全打开位置；确定部分负载下的导向叶片位置和扩压器位置之间的第二关系；确定导向叶片位置和部分负载参考升程之间的第三关系；基于第二和第三关系确定扩压器位置和参考升程之间的第四关系；基于第四关系确定新的扩压器位置；以及将扩压器调整到新的扩压器位置。

根据本发明的又一个方面，公开了一种用于控制具有可调导向叶片和可变扩压器的离心压缩机的方法。所述方法包括以下步骤：确定实际导向叶片位置；确定导向叶片位置和扩压器位置之间的第一关系；基于第一关系确定第一扩压器位置；如果压缩机处于启动状态，则将扩压器调整到第一扩压器位置；确定导向叶片位置和全负载参考升程之间的第二关系；基于第二关系和实际导向叶片位置确定全负载参考升程；确定实际升程；如果实际升程小于全负载参考升程，则将扩压器调整到全打开位置；确定部分负载下的导向叶片位置和扩压器位置之间的第三关系；确定导向叶片位置和部分负载参考升程之间的第四关系；基于第三和第四关系确定扩压器位置和参考升程之间的第五关系；基于第五关系确定第二扩压器位置；以及如果压缩机处于正常操作状态，则将扩压器调整到第二建议扩压器位置。

当参照附图进行阅读时，其它优点和特征将从以下详细说明中变得明显。

附图说明

为了更完整地理解所公开的方法，应参照在附图中更详细示出的实施例，附图中：

图1A示意性地示出具有与控制器通信的可调导向叶片和可变扩压器的离心压缩机；

图1B示出具有可调入口导向叶片和可变开口环扩压器的离心压缩机的剖视图；

图2图形化地示出所公开离心压缩机的操作图；

图3图形化地示出所公开离心压缩机的扩压器和导向叶片位置之间的固定关系；

图4图形化地示出扩压器和导向叶片位置之间的全负载和部分负载关系；

图5A图形化地示出根据控制所公开离心压缩机的第一方案的参考升程和导向叶片位置之间的全负载和部分负载关系；

图5B图形化地示出根据控制所公开离心压缩机的第二方案的参考升程和导向叶片位置之间的全负载和部分负载关系；

图6A图形化地示出根据控制所公开离心压缩机的所公开第一方案的参考升程和导向叶片位置之间的安全受控全负载和部分负载关系；

图6B图形化地示出根据控制所公开离心压缩机的所公开第二方案的参考升程和导向叶片位置之间的安全受控全负载和部分负载关系；

图7示意性地示出用于所公开离心压缩机的所公开控制器的流程图；

图8示意性地示出用于所公开离心压缩机的所公开控制器的另一流程图；并且

图9图形化地示出所公开离心压缩机的另一操作图。

应理解，附图未必是按比例的，所公开的实施例有时是示意性地且以局部视图示出。在某些情况中，对于理解本申请不必要的或者使其它细节难以察觉的细节可能已被省略。当然，应理解，本公开不限于本文所示的具体实施例。

具体实施方式

转到图1A，提供一种示例压缩机系统5。系统5可包括具有入口导向叶片12和可变几何扩压器14的压缩机10。例如如图1B所示，压缩机10可为离心压缩机10a，其具有可调入口导向叶片12a和开口环扩压器14a，等等。除了别的之外，压缩机10可设置有控制器16，控制器16与导向叶片12和扩压器14通信从而监视并自动调整导向叶片12和扩压器14的位置。控制器16可任选地提供接口18，最终用户或维护技工可通过该接口18观察压缩机10的状态并按需要进行任何调整以控制参数。

压缩机10的性能可用操作图或负载/升程（lift）曲线来图形化地示出，例如如图2所示。期望的负载/升程条件可根据压缩机10的地理位置而改变。例如，图2的较低负载线可对应于湿度水平相对低的美国，而图2的较高负载线可对应于湿度水平相对高的亚洲。如图2的操作图的向上指的箭头所示，如果压缩机10在高于各自负载线的点操作，则压缩机10可能进入喘振状态。相反，如果压缩机10在低于所示指定的负载线的点操作，则压缩机10的效率可能低于最优。因此在压缩机领域，普遍兴趣是将压缩机保持在沿各自负载线操作，并从而在所有负载时保持峰值性能和效率。

压缩机10的性能和效率可通过控制从中通过的流量而调整。可用耦接到各自导向叶片12和扩压器14的致动器、马达等调整该流。更具体地，致动器可用于机械地调整导向叶片12和扩压器14的各自几何形状和/或位置，以调整压缩机10的流通面积。导向叶片12和扩压器的致动器受到控制的方式可由控制器16管理，或更具体地由控制器16的预定控制算法管理。

控制器16的控制算法可用作仅基于其入口导向叶片12的实际位置来调整扩压器14的位置。更具体地，可根据最优的扩压器和导向叶片位置之间的预定关系来控制压缩机10的扩压器14，如图3所示。图3的扩压器位置廓线（profile）C1可使用对应于在测试压缩机10期间确定的理想或最优压缩机10性能的多个控制点CP1、CP2、CP3来形成。控制点CP1、CP2、CP3可包括导向叶片负载点GV1、GV2、GV3以及扩压器负载点DF1、DF2、DF3，其中每个负载点分别对应于导向叶片12和扩压器14的全打开位置的百分比。控制点CP1、CP2、CP3的线性插值可提供图3的该廓线或曲线C1，并进一步地提供一参考，控制器16的控制算法可通过该参考来确定下一个最佳的扩压器位置。

然而，由这种算法控制的压缩机10的性能和效率可能无法在所有的负载水平下得到优化。这种不一致性可能由压缩机10的冷凝器和冷却器的饱和温度之间的差或升程引起。为适应这种性能上的不一致性，压缩机10的改进的控制器16或控制算法可构造成至少部分地基于升程以及入口导向叶片12位置来控制扩压器14的位置。更具体地，控制算法可设置有预定廓线，用于在部分和全负载下关于导向叶片位置来优化扩压器位置和升程。

如图4所示，扩压器位置的部分和全负载廓线C2、C3被设置成导向叶片位置的函数。具体地，这两个扩压器位置廓线或曲线C2、C3分别对应于部分和全负载下的最优扩压器位置。与图3的曲线图相同，图4的部分负载曲线C2可通过对多个控制点CP4、CP5、CP6进行内插而形成，控制点CP4、CP5、CP6对应于理想或最优的压缩机10性能并且可通过测试确定。控制点CP4、CP5、CP6可包括导向叶片负载点GV4、GV5、GV6以及扩压器负载点DF4、DF5、DF6，其中每个负载点分别对应于导向叶片12和扩压器14的全打开位置的百分比。曲线C3可对应于全负载下的扩压器位置或全打开的扩压器位置，因此可对于所有导向叶片位置是恒定的或为零。

转到图5A，根据第一方案提供作为导向叶片位置的函数的参考升程的部分和全负载廓线C4、C5。在第一方案中确定参考升程廓线C4、C5的方式可分别类似于图3和4的扩压器位置廓线C1、C2的确定方式。例如，图5A的上曲线C4可以是部分负载下的参考升程或控制点CP7、CP8、CP9的线性插值，例如0.5度低调负载线（turndown load line）－对应于负载上每10%变化在进入冷凝器水温上的0.5度降低，或者0.0度低调负载线－对应于进入冷凝器水温从100%到10%负载保持恒定。下曲线C5可以是全负载下的参考升程或控制点CP10、CP11、CP12的线性插值，例如对应于具有可变入口导向叶片的全打开的扩压器位置。参考升程廓线或曲线C4、C5可来源于测试并被预编程到控制器16的控制算法中。当测得实际升程时，控制器16可将实际升程与参考升程廓线C4、C5比较，以确定为了最优性能而应将扩压器14调整到的下一个最佳位置。

替代地，根据第二方案，控制器16的控制算法可提供有参考升程廓线C6、C7。特别地，图5B的上曲线C6可对应于部分负载下的参考升程廓线，例如0.5度低调负载线或者替代地0.0度低调负载线，而下曲线C7可对应于参考升程廓线，其对应于具有可变入口导向叶片的全打开的扩压器位置。与图5A的第一方案对比，第二方案可使用两点拟合曲线来获得参考升程廓线或曲线C6、C7。另外，仅需要四个参考升程或控制点来近似这两个曲线C6、C7，其中控制点基于入口导向叶片位置、扩压器位置、升程和形状因数。例如，可使用控制点CP13、CP14形成曲线C6，同时可使用控制点CP15、CP16形成曲线C7。如果图5B的曲线C6、C7的最大升程或控制点CP14、CP16是相等的，则仅需要三个参考点。每个参考升程曲线C6、C7可根据以下表达式获得：

 （1）。

其中，GV_actual是实际导向叶片位置，GV_min是最小导向叶片位置，GV_max是最大导向叶片位置，Lift_min是在最小导向叶片位置处的参考升程值，Lift_max是在最大导向叶片位置处的参考升程值，并且k_sf是曲线形状因数。形状因数可用于减小任何增加的喘振风险或与采用两点拟合曲线而不是如第一方案那样采用原始参考数据相关的其它缺陷。图5B的两个曲线C6、C7的曲线形状因数是-0.01。如图5A的廓线C4、C5的情况那样，参考升程廓线或曲线C6、C7可被预编程到控制器16的控制算法中。当测得实际升程时，控制器16可将实际升程与参考升程廓线C6、C7比较，以确定为了最优性能而将扩压器14调整到的下一个最佳位置。

通过用这种扩压器位置和升程廓线来对控制器16进行预编程，控制器16的控制算法可在任何负载下为压缩机10自动地确定最佳的新扩压器位置并相应地做出调整。另外，控制算法可根据本文公开的两个方案中的一个或多个而建立参考升程廓线。另外，确定参考升程的方案可以是最终用户或维护技工能够经由控制器16的接口18等进行选择的选项。

分别用第一和第二方案获得的图5A和5B的参考升程廓线也可出于安全原因而被调整，分别如图6A和6B所示。例如，控制算法可被输入安全因数，其将图5A和5B的各自参考升程廓线C4、C5、C6、C7调整成图6A和6B的参考参考升程廓线C4'、C5'、C6'、C7'。更具体地，除了在导向叶片和扩压器位置是全打开的或处于最大值以外，将安全因数简单地加到原始曲线C4、C5、C6、C7。最终用户或维护技工能够从控制器16内调整该安全因数以适应与冷凝器或冷却器等有关的任何不足。

现参考图7，提供了部分地基于升程来调整扩压器位置的示例控制算法的流程图。作为初始步骤S1，压缩机10可进入启动模式，其中，压缩机10的冷冻器被开启并保持操作达预定时间段，或直到压缩机10已稳定。在步骤S1期间，可根据导向叶片和扩压器位置之间的固定关系（例如图4的扩压器位置廓线C2）来调整扩压器14的位置。一旦压缩机10已稳定，在步骤S2中控制器16可开始监视升程。更具体地，控制器16可构造成检测实际升程，并且将实际升程与全负载下对于给定导向叶片位置的参考升程相比较。例如，实际升程可与根据图5A的曲线C5或图5B的曲线C7的参考升程相比较。如果确定了实际升程小于或等于参考升程，则控制器16可在步骤S3将扩压器14调整到全打开。如果确定了实际升程大于参考升程，则控制器16可在步骤S4确定部分负载下的最优扩压器位置以及部分负载下对于给定导向叶片位置的参考升程。具体地，控制算法可参照图4的曲线C2以确定部分负载下的最优扩压器位置，并可参照图5A和5B的曲线C4、C6中的任何一个以确定部分负载下对于给定导向叶片位置的参考升程。在步骤S5，控制器16可构造成基于步骤S4中确定的最优扩压器位置和参考升程之间的关系来计算新的扩压器位置。在步骤S6中，控制器16可将扩压器14调整到在步骤S5中确定的新的扩压器位置。

转到图8，更详细地提供了类似于图7的另一控制算法的流程图。压缩机10可初始地进入启动模式，其中压缩机10的冷冻器可被开启并保持操作达预定时间段，或启动时间。在启动模式期间，控制器16可在步骤S11中计算导向叶片12的当前位置。控制器16还可在步骤S12中确定启动运行时间是否已消耗。如果启动时间还未期满，则控制器16可在步骤S13中基于预定的扩压器位置廓线（例如图4的曲线C2）来计算新的扩压器14位置。因此，控制器16可在步骤S14中将压缩机10的扩压器14调整到新的位置。步骤S11-S14可重复直到在步骤S12中启动运行时间已消耗。

一旦启动运行时间已经超过了步骤S12中的预定限制，控制器16可终止启动模式并在步骤S21中计算全负载下的参考升程。具体地，控制器16可参照预定的参考升程廓线，例如分别是图5A和5B的曲线C5、C7，以确定在给定导向叶片位置的参考升程值。控制器16可在步骤S22计算实际升程并在步骤S23将实际升程与全负载参考升程比较。具体地，如果实际升程小于或等于全负载参考升程，则控制器16可在步骤S31中将扩压器14调整到全打开位置。

如果确定了实际升程大于全负载参考升程，则控制器16可前进到步骤S41。在步骤S41中，控制器16可确定部分负载下的优化的扩压器位置。具体地，控制器16可参照预定的扩压器位置廓线，例如图4的曲线C2，以对于给定的导向叶片位置确定优化的扩压器位置。在步骤S42中，控制器16可再次参照参考升程曲线，或图5A和5B的廓线C4、C6中的任一个，以确定在给定导向叶片位置的部分负载参考升程。采用分别在步骤S41和S42中确定的优化的扩压器位置和部分负载下的参考升程两者，控制器16可在步骤S51中确定新的扩压器位置。例如，控制器16可在部分负载下的优化扩压器位置和全负载下的优化扩压器位置之间进行线性插值，以构建作为参考升程的函数的新的扩压器位置廓线。更具体地，控制算法可根据以下表达式计算新的扩压器位置：

 （2）。

其中，DF_new是新的扩压器位置，DF_full是全负载下的优化扩压器位置，DF_part是部分负载下的优化扩压器位置，Lift_actual是检测到的实际升程，Lift_full是全负载参考升程，并且Lift_part是部分负载参考升程。采用这种廓线，控制器16可确定扩压器14的新的最优位置，其不仅仅依赖于入口导向叶片位置，而且还依赖于参考升程。因此，在步骤S61中，为了最优的压缩机10性能和效率，控制器16可将扩压器14调整到在步骤S51中所确定的新位置。

控制器16的控制算法还可输入可由最终用户指定的与地理区域等有关的附加负载线。例如，可提供对应于美国和亚洲的地理区域的两条新的负载线。这两条新的负载线的每一个可提供基于导向叶片位置的参考升程廓线以及基于导向叶片位置的最优扩压器位置廓线。因此，所得到的四条新的曲线或廓线可包括用于美国的升程廓线、用于亚洲的升程廓线、用于美国的扩压器位置廓线以及用于亚洲的扩压器位置廓线。

新的负载线和所得到的新的廓线可与图7和8的控制算法联合使用。例如，当与图8的算法联合使用时，可基于给定导向叶片位置获得总共四条参考升程廓线。该参考升程廓线可包括部分负载参考升程、全负载参考升程、用于美国的参考升程和用于亚洲的参考升程。类似地，新的负载线可以为部分负载、全负载、美国和亚洲提供优化的扩压器位置廓线。在确定实际升程后，控制器16可开始一系列比较以确定采用哪个廓线作为参考。例如，如果实际升程大于用于亚洲的对应参考升程，则可采用部分负载参考升程、用于亚洲的参考升程、部分负载下的扩压器位置廓线和用于亚洲的扩压器位置廓线作为参考。然后，控制算法可根据以下等式计算新的扩压器位置：

 （3）。

该等式由以上等式（2）修改而来。如果实际升程小于或等于用于亚洲的对应参考升程但大于用于美国的对应参考升程，则可采用用于亚洲和美国的参考升程以及用于亚洲和美国的扩压器位置廓线作为参考。然后，可根据以下等式确定新的扩压器位置：

（4）。

如果实际升程小于或等于部分负载参考升程并且小于或等于用于亚洲和美国的对应参考升程中的每一个，则扩压器可被调整到全打开位置。如果实际升程小于或等于用于亚洲和美国的对应参考升程中的每一个但大于部分负载参考升程，则可采用用于美国的参考升程廓线和全负载参考升程廓线作为参考。另外，可基于最优扩压器位置和给定导向叶片位置之间的预定的固定关系（例如图3和4的曲线C1和C2）来确定新的扩压器位置。

如图7和8的流程图所公开的，基于入口导向叶片位置和升程来控制扩压器位置可给压缩机10提供最优的性能和效率。然而，为了保护压缩机10及其使用者避免喘振，可对控制算法要求额外的步骤。例如，当根据图7和8的控制算法中的任一个操作时，控制器16可同时监视流过压缩机10的流量以发现喘振信号。在第一个喘振信号时，控制算法可暂停或终止瞬时控制逻辑达预定时间段，并进一步地关闭扩压器14直到喘振平息。更具体地，控制器16可至少部分地关闭扩压器14，使喘振计数器增加，并在检测到第一个喘振情况时使喘振计时器开始。控制器16可构造成在回到正常操作之前等待至少一个喘振时段。一个喘振时段可为预定的时间段，例如五秒，在此期间压缩机10应当待机等待喘振消失。如果在一个喘振时段结束时喘振还没有消失，则可以使喘振计数器再增加一次并且可以使喘振计时器重新开始。控制器16可重复这些步骤直到喘振计时器指示一个喘振时段结束，并且没有发现喘振信号，在该点可开始正常操作。

根据另一喘振保护算法而操作的压缩机10的操作图在图9中提供。图9的线AB可对应于与基于导向叶片和扩压器位置之间的预定固定关系控制扩压器位置的算法有关的喘振线，如图3和4所示。线CD可对应于基于导向叶片位置和升程控制扩压器位置的算法，如图5A和5B所示。线EF可对应于用户指定的负载线的喘振线。线EF和CD都可由测试来确定。可基于导向叶片位置、在压缩机10的各自入口和出口处进行的水流测量和压力测量来确定压头（head）和流量测量值。对应于线AB和CD的两个算法都可加载到控制器16的控制算法内。当压缩机10在用户指定负载线EF内或沿该线操作时，控制器16可基于与线CD有关的算法控制扩压器位置。然而，当压缩机10在超过用户指定负载线EF的点操作时，控制器16可基于与喘振线AB有关的算法控制扩压器位置，以确保无喘振的操作。然后，如果压缩机10在沿着用户指定负载线EF的点或低于该线的点操作，则控制器16可回到沿着用户指定负载线CD的控制。

工业实用性

为了满足上述需求，公开了用于离心压缩机10的控制器16的改进的控制算法，离心压缩机10包括可调导向叶片12和可变扩压器14。用优化的扩压器位置以及不同导向叶片位置的参考升程值对控制器16进行预编程。控制器16基于实际升程和给定的导向位置来确定下一个最佳扩压器位置，以改善部分负载下的性能和效率。控制器16同时监视喘振并通过关闭扩压器或通过将控制转移到不同的算法来进行响应。所公开的控制离心压缩机10的方法在没有不利地影响喘振裕量的情况下保持全负载的性能和效率，并显著提高部分负载的性能和效率。

尽管只是阐释了特定实施例，但本领域技术人员将会从上述说明中明白替代方案和变型。这些和其它替代方案被认为是等同物，并且均在本公开和所附权利要求的精神和范围内。