[发明专利]VPSA设备中的压缩机的抗喘振速度控制

说明书

技术领域

本发明提供了一种用于控制在真空压力摆动吸附设备内操作且直接地由电动马达驱动的离心压缩机的速度以避免压缩机进入喘振的方法及控制系统。更具体而言，本发明涉及此类方法及系统，其中速度在由真空压力摆动吸附设备进行的重复循环的至少那些步骤期间增大，其中，压缩机可遇到喘振，且总计的增加根据正进行的步骤变化。

背景技术

在真空压力摆动吸附过程中，一种或多种吸附剂用于吸附进料流的一个或多个组分，且从而产生净化的产物流。典型的过程具有根据重复循环的一系列连续执行的步骤。在重复循环中，含有吸附剂的吸附床交替地用于产生净化产物且然后再生。在再生期间，吸附组分从吸附剂解吸，且然后，吸附床回到其中其可回到联线且产生产物的状态中。

在设计成由进料空气产生产物氧的典型真空压力摆动吸附过程中，吸附床经历在重复循环中进行的七个步骤过程。仅出于图示的目的，此类吸附过程可利用一个床来进行。在第一步骤中，床从底部利用进料空气和从顶部利用从回收罐输送的平衡气体来同时地加压。此后，高纯度产物从氧缓冲罐加至床的顶部，且进料空气由压缩机或其它送风机（如罗茨型送风机（Roots type of blower））供应。在第三步骤中，床继续从底部经由送风机加压。床现在准备产生产物，且进料空气供给到容器的顶部，且产物从顶部除去。产物气体输送至氧缓冲罐。在生产完成之后，送风机卸载，且仍保持在加压床的顶部中的较低纯度的气体传递至回收罐。在随后的抽空步骤中，废氮从容器的底部经由离心压缩机除去，同时没有流离开或进入容器的顶部。在最后的步骤中，离心压缩机继续从容器的底部除去氮，同时氧吹扫气体加至容器的顶部。由于氧吹扫流控制成等于抽空流的事实，故压力在该步骤期间仍保持相对恒定。如本领域中将知道的那样，此过程可在多个床中执行，其中各个床均经历上文提到的步骤。

如US 7,785,405中公开那样，由直接驱动高速永磁马达直接驱动的离心压缩机已经有利地用于真空压力摆动吸附过程中。此类马达的使用允许了变速操作，使得压缩机和高速永磁马达组合可按过程的要求快速地从低速加速至高速，且从高速减速至低速。已经发现，这提供了由常规感应马达/齿轮箱系统驱动的离心压缩机的使用上的主要改善，该系统由于感应马达的高惯性而不可快速地加速和减速。通过连续地改变压缩机速度来匹配对于压缩机的压力比要求，其由于吸附床的加压和抽空而变化，用于此循环中的离心压缩机可在其峰值效率附近且优选在其峰值效率处从100%设计速度操作至基本较低的速度。

压缩机设计成在操作包络线（envelope）内操作，该操作包络线可在称为出口压力与入口压力间的压力比对穿过压缩机的流速的压缩机图的图中绘出。在此图上，绘出了峰值或最佳效率操作线，其中对于给定的流速和压力比，压缩机的能量消耗处于最低。该压缩机图可在用于控制马达且因此压缩机的速度的控制器内编程。取决于将需要穿过离心压缩机的特定压力比的真空压力摆动吸附过程中的特定步骤，控制器将使关于如由压缩机图确定的最佳速度的信号发送至变速驱动件，其控制高速永磁马达的速度。

然而，存在可引起压缩机移离峰值效率操作线且移入喘振状态的情形。例如，可存在控制系统中的滞后、正由真空压力摆动吸附设备进行的过程中的过渡步骤、环境条件中的变化，以及过渡离最低速度线。在所有此类情形中，对于给定速度和压力比，正压缩的质量流可下降以将压缩机驱动进入喘振。因此，喘振事件由穿过压缩机的下降到保持稳定操作所需的压缩机叶轮的给定速度下所需的最小流以下的流速产生。在喘振事件中，由压缩机产生的压头减小，引起压缩机排放口处的反向压力梯度和由此得到的气体回流。一旦压缩机的排放管线中的压力降低到由叶轮产生的压力以下，则流再次反向。这种交替的流型已被认为是不稳定状态，其可导致对压缩机叶轮、驱动机构和部件的严重破坏。这种情况必须避免。

在真空压力摆动吸附设备中使用的重复循环中，喘振可发生所处的压缩的操作条件将在高速下最关键。此外，在抽空和吹扫步骤期间且特别是在吹扫和抽空步骤之间的过渡期间，喘振可相当非预期地发生。如将论述的那样，本发明提供了速度控制，其特别设计成在低速操作期间和在抽空和吹扫步骤及此类步骤之间的过渡期间避免喘振。

发明内容