[发明专利]用于控制涡轮压缩机的方法和系统

说明书

技术领域

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。本公开内容的主题具体地关于用于控制压缩机布置来防止超出运转包封线的现象如喘振和其它非期望的运转条件的方法和系统。

背景技术

涡轮压缩机为用于升高工作的气流的压力的吸收功的涡轮机。工作流体的压力通过支承一个或更多个叶轮和/或成圆形布置的一组或更多组叶片的转子的旋转将动能加至连续工作流体流来升高。在油气应用、制冷系统、燃气轮机和其它应用中，涡轮压缩机通常用于天然气体的管线输送，例如，将气体从开采地点移动至消费者位置。

穿过涡轮压缩机的流体流可由各种状态影响，导致非稳定的运转，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可允许输出压力和/或如果流量下降超过最低限度，则发生压缩机喘振。

大体上，在压缩机不可将足够能量加至工作流体以便克服系统阻力(即，越过系统的压头下降，导致快速流动和排出压力减小的情形)时，喘振现象发生。喘振可由高振动、温度升高和压缩机轴的轴承上的轴向推力的快速变化实现。这些现象可严重地破坏压缩机，且还破坏连接到压缩机上的系统的构件，诸如阀和管线。其它非期望的运转条件可在涡轮压缩机的运转期间出现。更具体而言，阻塞(有时也称为滞止)是增大的流动导致压头快速下降的情况，即，流动的压缩比增大。在很高流量下运转具有对压缩机性能的不利影响，且可导致压缩机的破坏。

为了防止喘振和阻塞现象的出现，控制系统已经开发出，且目前用于涡轮压缩机设备。

图1示意性地示出了系统1的示例性实施例，其包括由原动件5(例如，电动机、燃气轮机或汽轮机等)驱动而旋转的涡轮压缩机3。参考标号7指出了吸入管线，从该处，工作流体给送至涡轮压缩机的吸入侧或入口侧。参考标号9表示输送管，压缩的流体经由该处从压缩机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。性能图显示了沿竖直轴线的压力比和在水平轴线上报告的入口体积流。入口流用字母Q表示。取决于压缩机的运转条件，例如，旋转速度(rpm)，多个预计的性能曲线可在性能图中报告。各个曲线可对应于不同的压缩机转速。因此，对于给定的压缩机装备，性能曲线族可在性能图上报告。类似的曲线族可针对涡轮压缩机的不同装备或运转条件绘制，例如，针对涡轮压缩机可设有的可变定子导叶(VSV)的不同位置。各个性能曲线由喘振点限制，即，穿过压缩机的压力比和气流达到某一值的点，超过该值将生成喘振现象。各个性能曲线进一步由阻塞点限制，超过该点将出现阻塞现象。线SLL为所谓的喘振极限线，其由在性能图上报告的各种性能曲线的喘振点形成。线CLL为由阻塞点形成的阻塞极限线。SLL和CLL线限定包络线，即性能图的一部分，压缩机的运转点必须保持在其内，以确保涡轮压缩机的稳定运转状态且防止喘振以及阻塞状态两者。

SLL和CLL因此呈现出涡轮压缩机的运转的极限，超过该极限，涡轮压缩机将不会运转来防止喘振和阻塞现象的风险。已知的压缩机系统由控制装置和布置构成，以控制涡轮压缩机，使得其将不断地在性能图的稳定区域内，即在喘振极限线SLL与阻塞极限线CLL之间运转。

在图1的图解表示中，控制单元11连接到包绕涡轮压缩机的各种工具上，以确定涡轮机的运转状态，且提供抗喘振控制和抗阻塞控制，以用于防止出现喘振和阻塞现象。

更具体而言，如在图1中所示，控制单元11连接到流动测量装置上，也称为流动元件13，其设计和构造成确定涡轮压缩机3的入口体积流量。入口侧或吸入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能够确定压缩机3的每个运转时刻的入口体积流量和压力比。这两个参数限定了图2的压缩机性能图上的运转点。由于压缩机的旋转速度N(rpm)可提供为附加参数，使得可选择校正的运转曲线来确定性能图中的压缩机运转点的实际位置。如果运转点移动接近喘振极限线SLL，则喘振控制系统作用于抗喘振旁通阀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防喘振阀15(如果需要)，以防止喘振现象。当输送压力增大使得运转点接近喘振极限线SLL时，抗喘振控制布置打开抗喘振旁通阀15，使得穿过压缩机的流量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。