[发明专利]用于具有侧流的涡轮压缩机的抗喘振控制的方法及系统

说明书

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本发明的领域

本公开内容涉及压缩机系统，并且更具体地涉及包括用于处理气流的轴流式和/或离心式压缩机的涡轮压缩机系统。本公开内容的主题特别地关于用于控制压缩机布置以用于防止或减少喘振现象和其它非期望操作状态的方法及系统。

相关技术的描述

涡轮压缩机是用于提高工作气流的压力的吸收功的涡轮机。工作流体的压力通过转子的旋转将动能添加到连续的工作流体流来升高，该转子支承一个或多个叶轮和/或成圆形布置的一组或多组叶片。涡轮压缩机经常用于天然气的管线输送中，例如，在油气应用、制冷系统、燃气涡轮和其它应用中，将气体从生产地点移动至用户位置。

穿过涡轮压缩机的流体流可由各种状态影响，导致非稳定的操作，这可导致涡轮机的严重破坏。

当流过压缩机的工作流体的压力增大到超过最大允许的输出压力和/或如果流率下降超过最低限度时，压缩机喘振发生。

大体上，当压缩机不可将足够的能量增添至工作流体以便克服系统阻力(即，越过系统的压头下降，导致快速流和排出压力减小的情形)时，喘振现象发生。喘振可伴随着高振动、温度升高和压缩机轴的轴承上的轴向推力的快速变化。这些现象可严重地损坏压缩机并且还损坏连接至压缩机的系统的构件，例如阀和管路。为了防止喘振现象的出现，已经开发出控制系统且目前用于涡轮压缩机设备。

图1示出了示意性的系统1，其包括由原动机5(例如，电动机、燃气涡轮或蒸汽涡轮等)驱动旋转的涡轮压缩机3。参考标号7表示吸入管线，工作流体从此处进给至涡轮压缩机3的吸入侧或入口侧。参考标号9表示输送管路，压缩的流体经由其从压缩机3的排出侧输送。

图2示意性地示出了压缩机性能图，通常是轴流式压缩机的压缩机性能图。性能图示出了沿竖轴的压力比以及在横轴上记录的入口体积流。入口流由字母Q表示。取决于压缩机的操作状态，例如，旋转速度(rpm)，可在性能图中记录多个期望的性能曲线。各个曲线可对应于不同的压缩机转速。因此，对于给定的压缩机设置，可在性能图上记录性能曲线族。可对于涡轮压缩机的不同设置或操作条件绘制类似的曲线族，例如，对于涡轮压缩机可设有的可动入口引导静叶(IGV)的不同位置。各个性能曲线终止于喘振点处，即，压力比和穿过压缩机的气流达到某个值的点，超过其将产生喘振现象。线SLL为所谓的喘振极限线，其由在性能图上记录的各个性能曲线的喘振点形成。SLL将性能图分成两个区域：稳定操作区域和喘振区域。稳定操作区域位于SLL的下方和右手侧。涡轮压缩机的操作点应当保持在性能图的稳定操作区域中以防止喘振现象发生。

由于喘振现象可导致涡轮机和连接的机械构件的严重损坏，为了安全地操作系统，标为SCL的喘振控制线在图上绘出。SCL在稳定操作区域中大致平行于喘振极限线SLL延伸。SCL表示涡轮压缩机的操作的极限，超过该极限，压缩机将不会操作以避免喘振现象的风险。已知的压缩机系统由喘振控制装置和布置组成以控制涡轮压缩机，使得其在性能图的右侧上持续地操作，即，在喘振控制线SCL下方。

在图1的图示中，控制单元11连接到围绕涡轮压缩机的各种工具上以确定涡轮机的操作状态且提供抗喘振控制以用于防止喘振现象出现。

更具体而言，在图1的示例性实施例中，控制单元11连接到流测量装置，其也称为流元件13，并设计和构造成确定涡轮压缩机3的入口体积流率。入口侧的温度传感器提供了温度值Ts，且压力传感器提供了输送压力值Pd和吸入压力值Ps，或直接提供压缩比Pd/Ps。

基于输入数据，控制单元11能够确定涡轮压缩机3的每个操作时刻的入口体积流率和压力比。这两个参数限定了图2的压缩机性能图上的操作点。可提供压缩机的旋转速度N(rpm)作为额外参数，以便可选择正确的操作曲线来确定性能图中的压缩机操作点的实际位置。如果操作点接近喘振控制线SCL，则喘振控制系统作用在抗喘振旁通阀15上。阀15布置在连接压缩机3的输送侧和吸入侧的旁通管线17上。由涡轮压缩机3输送的工作流体的一部分可再循环穿过抗喘振阀15(如果需要)，以防止喘振现象。当输送压力增大使得操作点达到喘振控制线SCL时，抗喘振控制布置打开抗喘振旁通阀15，以便穿过压缩机的流率可增大且输送压力可减小。

在再循环穿过喘振阀15之前，工作流体可在换热器19中冷却。