用于在一系列低温压缩机中控制流体的压力和温度的方法

摘要

用于在一系列低温压缩机中控制流体且特别是氦的压力和温度的方法，包括步骤：检测每个压缩机(V

说明书

本发明涉及具体地在低温冷却系统的启动期间或在根据权利要求1所述的一系列低温压缩机的冷却期间用于流体且特别是氦的压力和温度控制的方法。

串联的径向或涡轮压缩机(以下称为压缩机)用于克服或产生大的压力差(以1巴的级别)。

这样的压缩机(特别是涡轮压缩机)在现有技术中是已知的，并且典型地具有轴，所述轴具有直接连接至轴的至少一个叶轮(压缩机轮)或转子叶片，在轴的旋转期间通过所述叶轮或转子叶片压缩流体。在本发明的上下文中，压缩机的转速被理解为是指每单位时间该轴关于该轴的轴线的完整旋转(360°)的数量。压缩机(诸如涡轮压缩机)具体地被细分为径向压缩机和轴向压缩机。在径向压缩机的情况下，流体轴向地流动至轴并且在径向向外的方向上偏转。然而，在轴向压缩机的情况下，待压缩的流体在平行于轴的方向上流过压缩机。

通过调节压缩机的转速，在第一压缩机处控制流体的进口压力，即，在串联的最上游压缩机的进口处的压力。这也特别地决定了第一压缩机下游的其他压缩机的相应进口处的进口状况。进口状况由相应压缩机的进口点处的压力和温度决定。自始至终，压缩机处的相应进口状况与前一压缩机出口处的流体的相应状况一致。这导致压缩机的转速变化也总是影响着串联的其它压缩机的流体入口的进口状况。

对于低温系统，即，对于设计成用于非常低的温度(1.5K-100K)的冷却系统，在这种情况下特别是对于1.5K至2.2K之间的温度，对入口压力进行控制允许达到对于吸入侧上(即压缩机从其中吸入气相(蒸气)的侧)的冷液体的期望饱和温度。在串联压缩机(但对于单个压缩机也是如此)的压缩过程期间，串联的输出处的压力以及流过压缩机的流体的温度被增大(多变压缩过程)。为了缓和运行点波动的影响，使用所谓的约减变量(reduced variable，折合变量)，诸如在控制期间通过压缩机的约减质量流或压缩机的约减转速。为了计算这些约减变量，需要这样的度量值：(即，例如压缩机的质量流或转速)、压缩机的温度、压力以及设定值(或甚至规格)。设定值是压缩机以最大效率(最经济的方式)运行的压缩机运行状况。压缩机具有例如关于相应压缩机的转速、温度以及压力的设定值。目的是以接近其规格来操作串联的压缩机。

通常，在这种低温制冷系统的启动期间，压缩机系列的吸入侧上的流体最初被冷却得非常多(例如，从300K到4K)。这可以在大气压(即1巴)下发生。然后经由抑制实现较低的温度。这个过程也称为冷却。通过启动压缩机系列而发生系统的吸入侧上的压力降低。其特别是用于进一步降低流体上方的温度(抽空)。在流过例如三个或四个压缩机的压缩机系列期间，由于压缩过程，流体的温度升高落在大约4K到23K的范围内。

假若串联的压缩机没有在运行中，即如果没有发生压缩，则压缩机系列出口处的质量流的温度为4K，如下文将解释的，其可能是有问题的。位于压缩机系列下游的用于冷却并行的质量流的热交换器可以例如被设计为用于23K。然而，如果来自压缩机系列的4K的冷质量流已经对这种热交换器灌注了较长的时间段，则热交换器内部的并行质量流被冷却得非常多。由于在下游，该并行的质量流仅通过涡轮机膨胀，因此可能在涡轮机内部发生并行的质量流的冷凝。为了避免这种冷凝，关闭涡轮机，因而暂时中断冷却过程。这些运行状况应被避免并且被称为系统的跳闸。另一方面，如果压缩机与系统同时启动并因此压缩流体，由于系统仍然是温热的，所以来自吸入侧的温热流体流过压缩机。在这些温度下，流体的气体密度非常低。由于预定期望压力是例如20毫巴，压缩机在吸入侧会体现出非常高的转速。然而，高的气体温度意味着压缩机快速达到其最大转速。高转速的原因一方面是低的预定期望压力，另一方面是在压缩机处的相对高的温度。在最坏的情况期间，会造成超速。超速是压缩机没有设计用于其中的转速，因此应当避免。因此，在并行的冷却和抽空期间，应当重复地中断压缩机系列中的流体压缩，以使得压缩机中的温度不能升高太多。如上所述，温度也一同并入约减控制变量(诸如约减转速)。这意味着压缩机处温度的升高导致约减转速的增大。因此，期望处理用于压缩机系列的进口的温度控制，特别是对于冷却和/或抽空阶段，这确保了在冷却的同时不间断地抽空。

通过根据本发明的方法解决这个问题。贯穿全文提供以下步骤：

-检测每个压缩机的实际转速，其中实际转速是压缩机的当前转速，

-检测系列的最上游、第一压缩机的入口处的实际入口压力和实际入口温度，其中，所述系列的流动方向(具体地从压缩机吸入侧开始)指向增大的压力，且其中实际入口温度和实际入口压力特别地为第一压缩机的入口处的当前温度和/或当前压力，

-设定系列的每个压缩机的最大转速和系列的第一压缩机的期望入口压力，其中最大转速是相应压缩机的最大允许转速，在该最大允许转速下确保相应压缩机的稳定运行，且其中期望入口压力对应于第一压缩机的入口处的所期望的压力，

-根据每个压缩机的最大转速和实际转速确定系列中的每个压缩机的转速指数(index)，

-根据实际入口压力与期望入口压力的偏差确定比例值，

-根据以下两个值中较小的值确定优先级值：

系列的所有压缩机的比例值和最小转速指数(优选地，优先级值等于这两个指出的值中的较小值)

-根据优先级值确定系列中的第一压缩机的期望入口温度以及每个压缩机的期望转速，

-相对于检测到的期望入口温度调节第一压缩机的实际入口温度，

-相对于检测到的期望转速调节每个压缩机的实际转速。

比例值特别地与期望入口压力和实际入口压力之间的差成比例：

prop＝-k(p_期望-p_实际)

其中，k为比例因子。

因此，优先级值主要确定这两个值(比例值或最小转速指数)中的哪一个值将用于控制压缩机系列。如果优先级值例如对应于比例值，那么控制优先级为压力控制(即，特别是抽空)，因为比例值作为控制值具体地反映压力差。如果优先级值对应于最小转速指数，那么控制优先级特别地为第一压缩机处的入口温度。在这种控制下，压缩机转速不应进一步提高。

为了确定每个压缩机的期望转速，特别地在系列中的每个压缩机的进口处检测相应的入口温度。

根据本发明的方法允许与冷却并行地执行抽空过程。由于根据本发明的方法，一旦冷却过程终止，温度不会进一步下降。此外，因此在适合于已经位于输出点处的下游部件(例如，热交换器)的范围温度内调节流体的温度。

另一个优点是，对于所有压缩机避免了超速，具体地因为入口温度的降低导致更低的转速。此外根据本发明的方法，还有利的是，可以不间断地发生抽空过程，其例如对于过大的压缩机转速是必须的。

此外有利的是，可以使得来自环境(即来自外部)的不需要的供热的影响最小化。此外，特别有利的是，在抽空操作期间，可以自动且瞬时地控制期望入口温度。根据本发明的方法还特别地适用于超临界氦泵中的温度控制。

本发明的优选的变型提出：每个压缩机的转速指数对应于来自相应压缩机的最大转速n_i最大和实际转速n_i的差与最大转速的比值(商)：

其中i表示相应的压缩机的标号。

特别优选地，优先级值以这种方式影响控制：如果所有压缩机的最小转速指数小于比例值，则将降低实际入口温度——特别是通过逐渐或连续地约减检测到的期望入口温度——直到比例值小于所述转速指数，且特别地，只要最小转速指数小于比例值，相应压缩机的实际转速就不会增大。比例值特别地用于控制实际输入压力。

在本发明的优选变型中，根据约减的实际转速确定每个压缩机的实际转速；根据约减期望转速确定每个压缩机的期望转速，其中根据相应压缩机的实际转速和进口处的实际温度确定约减实际转速，且其中根据相应压缩机的期望转速和进口处的实际温度确定约减期望转速。在以下示例性的公式中示出了约减变量到实际/绝对的变量的详细转换。

在本发明的变型中，根据优先级值确定积分值，其中积分值特别地用于确定约减期望转速。自始至终，积分值特别地由比例值prop或者通常由对于积分值int_t＝n+1的优先级值组成。然后将比例值prop和/或优先级值PW乘以周期时间Δ_t，除以整数T_int，并加上前一周期的积分值int_t＝n：

和/或

在本发明的优选变型中，确定实际总压力比，其中实际总压力比等于对应于最下游压缩机输出处的压力的实际出口压力与第一压缩机的实际入口压力的商。

在本发明的变型中，根据实际总压力比与比例积分值来确定容量因子，其中比例积分值根据优先级值和积分值确定，其中将每个压缩机的约减期望转速确定为属于相应压缩机的控制函数的函数值，所述控制函数将约减期望转速分配给由容量因子与模型总压力比(具体地根据实际总压力比确定)组成的每个值对。

以下例示图描述了根据本发明的方法的详细的优选的变型和实施例以及其他特征。

图1：根据本发明的方法的示意性例示图。

图1是可以用于实施根据本发明的方法的流程图的示意性例示图。四个压缩机V₁、V₂、V₃、V₄串联布置，且每个都在其吸入侧处具有入口压力p_实际、p₁、p₂、p₃，以及在其进口点处具有温度T_实际、T₁、T₂、T₃。在系列的第一压缩机V₁的上游，具有用于温度T_冷箱(例如200K、100K、50K、20K和/或4K)下的冷流体的入口，该冷流体可以特别是通过阀添加至需要冷却的流体。对于每个压缩机V₁、V₂、V₃、V₄，确定进口点处的温度T_实际、T₁、T₂、T₃。对于第一压缩机V₁，这是实际入口温度T_实际。此外，还在相应的压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的输入处确定实际压力P_实际、p₁、p₂、p₃。根据实际入口压力p_实际和实际出口压力p₄计算实际总压力比π_实际。这用于确定压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的约减转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}：

根据实际入口压力p_实际和期望入口压力p_期望以及实际总压力比π_实际，可以确定等于所有压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的容量因子X。该容量因子X用于通过属于每个相应压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的控制函数F(以例如表或多项式的形式为每个压缩机预先计算)为每个压缩机V₁、V₂、V₃、V₄确定相应的约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}。使得串联的压缩机V₁、V₂、V₃、V₄以最经济的方式工作。

特别地，容量因子X具有这样的性质，即其可以接受在0(X_泵送＝0泵送状态)与1(X_闭塞＝1，阻塞状态)之间的值。泵送状态和闭塞状态都是压缩机应当被避免的运行情况。泵送状态对应于压缩机满足所谓的喘振(surge)情况的运行状态，而另一方面，闭塞状态对应于满足所谓的阻塞(choke)情况的运行状态。为了使压缩机不进入这些状态，容量因子X被限定在最小值X_最小＝X_泵送+0.05与最大值X_最大＝X_闭塞-0.1之间的值；

同样地，对于积分值int_t＝n+1，通过X_最大和/或X_最小且根据实际总压力比的自然对数ln(π_实际)得出积分值int的上限值int_最大和/或下限值int_最小：

int_最大＝X_最大+ln(π_实际)

int_最小＝X_最小+ln(π_实际)

由于测量的实际总压力比π_实际在瞬态模式(抽空)期间继续增加(实际入口压力p_实际继续降低)，因此积分值的极限也增加。在相反的情况下(吸入)，即，如果期望入口压力p_期望小于实际入口压力p_实际，则那些极限值继续约减。

如果积分值int_t＝n+1大于和/或小于上限值int_最大和/或下限值int_最小，则积分值将被限制为相应的极限值。优先级值PW和积分值int_t＝n+1相加在一起以生成比例整数PI值。

PI＝PW+int_n+1

如果所有压缩机V₁、V₂、V₃、V₄在其规格点处串联地运行，压缩机系列达到其设计或以设计总压力比π_设计设计运行。

如果比例积分值PI小于容量因子的最大值X_最大与设计总压力比值π_设计的自然对数之和，则容量因子X由比例积分值PI与实际总压力比π_实际的自然对数的差确定。否则，特别地在确定容量因子X时，比例整数PI值被限定为设计总压力比π_设计的自然对数与容量因子的最大值X_最大之和。因此以下适用：

X＝PI-ln(π_实际)如果PI<ln(π_设计)+X_闭塞

X＝ln(π_设计)+X_闭塞-ln(π_实际)

否则基于以这种方式确定的容量因子X，根据本发明的过程现在选择如何确定模型总压力比π_模型，然后将其传递给控制函数F以确定约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}。假若确定的容量因子X位于最小值X_最小和最大值X_最大之间，模型总压力比π_模型等于实际总压力比π_实际。假若容量因子X在该值范围之外，则通过饱和函数SF改变模型总压力比π_模型。

随后，将容量因子X限制为其最小值X_最小和/或最大值X_最大。特别地，结合模型总压力比π_模型，将其再定向至控制函数F，该控制函数F使用这些自变数作为基础以确定相应压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}。

对于没有位于最小值X_最小与最大值X_最大之间的容量因子X的值，可以例如通过以下公式给出饱和函数SF：

SF＝exp(0,5*(X-X_最大))对于X>X_最大

和/或SF＝exp(0,5*(X-X_最小))对于X<X_最小

这意味着：

模型总压力比π_模型的这种修改确保了在容量因子X处于饱和的运行状态下，控制还是继续影响压缩机V₁、V₂、V₃、V₄，其后，改变模型总压力比π_模型而不是容量因子X，允许控制函数F来请求这些运行状态引发的约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}。

可以为每个压缩机V₁、V₂、V₃、V₄特别是以表(查找表)的形式存储约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}。该表可以特别地通过使用欧拉涡轮机械方程的模型计算来创建。根据容量因子X和模型总压力比π_模型，可以使用软件从表中读取约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}n_约减。然后，该表特别地符合控制函数F，并且至少对于多个容量因子X(例如，X＝0、0.25、0.5、0.75和1)和模型总压力比π_模型，该表包括用于相应压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的相应的约减转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}n_约减。由插值确定未在表中列出的容量因子X的值。此外，将作为模型总压力比π_模型和约减转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}n_约减函数的容量因子X选择为使得实际入口压力p_实际通过控制函数F与期望入口压力p_期望匹配。

为了确保系统抽空与冷却并行，即，在冷却阶段期间约减压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的吸入侧的压力，必须判定是否必须降低第一压缩机V₁的入口处的实际入口温度T_实际，以便避免压缩机V₁、V₂、V₃、V₄中的过高转速；或在第一压缩机V₁的进口处没有额外冷却的情况下，是否可以确保运行。为了这个目的，将两个值彼此进行比较。首先，由实际入口压力p_实际和期望入口压力p_期望计算比例值prop。然后，由计算出的每个压缩机的转速配额计算转速指数。其次，由转速配额计算每个压缩机的转速指数，其中转速配额由下式给出：

并且转速指数D_i由下式给出：

其中等于相应压缩机V_i的最大转速。i是标号(i＝1-4)。

因此，如果压缩机V_i的转速指数D_i趋近于零，这意味着压缩机V_i以接近其最大转速n_i，最大运行，且不应当通过增大约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}来设定更大的转速n_i。

根据每个压缩机V_i的转速指数D_i的数额，现在将最小转速指数D_i与比例值prop比较。将两个值中较小者分配给优先级值PW，其然后用于确定另外的控制值(诸如，例如约减期望转速n_{1期望,约减}、n_{2期望,约减}、n_{3期望,约减}、n_{4期望,约减}，特别是通过容量因子或期望入口温度T_期望)。这意味着如果压缩机V_i已经以很高的转速n_i运行，则其转速指数D_i将接近或等于零。这以一定方式划定系统控制的优先级，即，通过冷却容器在第一压缩机V₁的入口的上游添加冷流体而使得实际入口温度T_实际降低。结果，压缩机V_i的转速n_i降低，使得该压缩机Vi的转速指数D_i再次增大，即特别地，直到比例值prop更低。这确保了压缩机系列的经济运行，特别是在冷却和抽空阶段期间。

根据优先级值PW，温度控制单元TE确定期望入口温度T_期望。自始至终，计算为定性性质的，以确保在低优先级值PW的情况下，期望入口温度T逐渐降低。例如，期望入口温度T_实际可以设定为最近测量的实际入口温度T_实际的90％。可以例如通过斜坡函数实现对该值降级。如果在期望入口温度T_期望的降级期间，转速指数仍然享有优先状态，期望入口温度T_实际将被重新约减至最后测量的实际入口温度T_实际的90％。对于期望入口温度T_实际每次降级至测量的实际入口温度T_实际的90％，将验证所确定的期望入口温度T_期望是否大于压缩机系列的入口处的指定温度。假若指定的温度为4K，且期望温度值为3.8K，那么该值将限定为4K。

经由冷却容器控制箱C，相应量的冷流体将冲击到第一压缩机V₁的进口的上游的暖流体上，使得通过混合两种不同暖度的流体，流体具有低于之前测量的实际入口温度T_实际的混合物温度。在较高优先级值PW的情况下，由于串联的压缩机V₁、V₂、V₃、V₄已经以非过高的转速n₁运行，因此没有冷流体或仅少量的冷流体冲击在第一压缩机V₁的入口处。

在本发明的变型中，整数器(其特别地是PI(比例整数)控制器的一部分且执行优先级值PW的瞬时整合)也可以影响期望入口温度T_期望的计算，例如以达到用于T_期望的温度斜坡的某个陡度的方式。

贯穿整个控制，使用用于控制系统并且特别地控制压缩机V₁、V₂、V₃、V₄的约减值是很重要的。因此，压缩机V_i的约减转速n_i,约减可以例如通过下面的公式计算：

其中n_i是压缩机的转速(期望或实际转速)，n_i,约减是压缩机V_i的约减转速(期望或实际转速)，n_i,设计是压缩机V_i的指定的或设计的转速，T_i-1是压缩机V_i的入口处的温度，以及T_i,设计是压缩机V_i的指定或设计温度。其中T₀(i＝1)等于第一压缩机V₁的实际入口温度T_实际。以并行的方式，以下适用于约减质量流

其中表示通过压缩机的约减质量流，m_实际表示当前质量流，表示为相应的压缩机指定的质量流，p_设计表示相应的压缩机处的指定压力，T_设计是指定温度，以及p_实际是相应压缩机处的实际入口压力。

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