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KR20130107862A - 서지 방지를 위한 압축기 시스템 제어방법 및 압축기 시스템 - Google Patents

서지 방지를 위한 압축기 시스템 제어방법 및 압축기 시스템 Download PDF

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KR20130107862A
KR20130107862A KR1020120030001A KR20120030001A KR20130107862A KR 20130107862 A KR20130107862 A KR 20130107862A KR 1020120030001 A KR1020120030001 A KR 1020120030001A KR 20120030001 A KR20120030001 A KR 20120030001A KR 20130107862 A KR20130107862 A KR 20130107862A
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KR
South Korea
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variable
compressor
rate
change
parameter
Prior art date
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KR1020120030001A
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Inventor
박성순
Original Assignee
삼성테크윈 주식회사
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Publication date
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
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Abstract

본 발명은 압축기 시스템 제어방법 및 압축기 시스템을 개시한다. 본 발명은, 압축기의 성능곡선을 결정하는 변수의 시간에 따른 변화율을 산출하는 단계와, 상기 변수의 변화율이 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는지 판단하는 단계와, 상기 변수의 변화율이 상기 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는 경우, 상기 변수의 변화율에 따른 서지 제어라인을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

서지 방지를 위한 압축기 시스템 제어방법 및 압축기 시스템{Method of controlling compressor system and compressor system for protecting surge}
본 발명은 압축기 시스템 제어방법 및 압축기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서지 방지를 위한 압축기 시스템 제어방법 및 압축기 시스템에 관한 것이다.
터보 압축기의 경우 압축기가 시스템의 압력저항보다 큰 압력을 생산하지 못하는 경우 압축기 내부에 주기적인 유동의 역류가 발생하며 이를 서지(Surge) 현상이라 한다. 서지 현상이 발생하면 유동이 규칙적으로 역류함에 따라 압력과 유량의 미세한 변동이 발생하고, 이러한 변동은 기계적 진동을 야기시켜 베어링, 임펠러 등의 손상으로 이어진다. 상기와 같은 서지 현상은 압축기의 성능을 저하시키고 수명을 단축시키는 현상으로 서지 현상 방지는 터보 압축기 제어의 핵심이라 할 수 있다.
이때, 이러한 서지 현상을 방지하기 위하여 일반적인 압축기 시스템에서는 압축기의 성능 차트에 서지 제어라인을 설정하고, 서지 제어라인을 통하여 압축기 시스템을 제어한다. 특히 이러한 압축기 시스템에서의 압축기 시스템 제어방법은 일본공개특허공보 제2007-212040(발명의 명칭 : 터보 냉동기 및 그 제어방법, 출원인 : MITSUBISHI HEAVY IND LTD)에 개시되어 있다. 구체적으로 일본공개특허공보 제2007-212040에는 압축기의 서지 현상을 방지하기 위하여 성능 차트에서 설정되는 서지 라인(서지 현상이 발생하는 조건을 가진 라인)으로부터 약 10%정도의 마진을 갖는 서지 제어라인을 설정하여 입구 베인의 개도 및 핫 가스 바이패스를 이용하여 제어하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 상기와 같은 기술 이외에도 일본공개특허공보 제2005-226561호(발명의 명칭 : LNG 배에 있어 로 듀티 컴프레서 제어 방법, 출원인 : 株式會社川崎造船) 서지 현상을 방지하기 위하여 서지 컨트롤 라인 이외에도 서지 컨트롤 존을 설정하여 운전점이 서지 컨트롤 존에 들어가지 않도록 하는 기술이 개시되어 있다.
일본공개특허공보 제2007-212040호 일본공개특허공보 제2005-226561호
본 발명의 실시예들은 서지 제어라인을 변경함으로써 압축기에서 발생하는 서지 현상을 최소화하는 압축기 시스템 제어방법 및 압축기 시스템을 제공하자고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 압축기의 성능곡선을 결정하는 변수의 시간에 따른 변화율을 산출하는 단계와, 상기 변수의 변화율이 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는지 판단하는 단계와, 상기 변수의 변화율이 상기 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는 경우, 상기 변수의 변화율에 따른 서지 제어라인을 산출하는 단계;를 포함하는 압축기 시스템 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 변수는 제 1 변수와 상기 제 1 변수와 상이한 제 2 변수를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 변수의 변화율 및 상기 제 2 변수의 변화율을 무차원화하여 제 1 파라미터 및 제 2 파라미터를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 파라미터 및 상기 제 2 파라미터는 하기의 수학식에 의하여 산출될 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서 P1, P2 : 제 1 파라미터, 제 2 파라미터, X : 압축기 성능 곡선의 제 1 변수,
Figure pat00005
: 제 1 변수의 시간에 따른 변화율, Y : 압축기 성능 곡선의 제 2 변수, : 제 2 변수의 시간에 따른 변화율,
Figure pat00007
: 시간이 t일 때 제 1 변수값,
Figure pat00008
: 시간이 t로부터
Figure pat00009
만큼 시간이 도과된 후 제 1 변수값,
Figure pat00010
: 시간이 t일 때 제 2 변수값,
Figure pat00011
: 시간이 t로부터
Figure pat00012
만큼 시간이 도과된 후 제 2 변수값,
Figure pat00013
: 임의의 시간 또는 제어프로그램이 구동되는 한 주기의 시간일 수 있다.
또한, 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터 중 큰 값에 따라 제어 기준값을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 기준값에 해당하는 상기 서지 제어라인을 선택하여 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 미리 설정된 변화율은 블로오프 밸브(Blow off valve)를 통하여 조절 가능한 상기 제 1 변수의 시간에 따른 변화율 또는 상기 제 2 변수의 시간에 따른 변화율일 수 있다.
또한, 상기 서지 제어라인은 미리 설정된 서지 제어라인으로부터 상기 변수의 변화율과 상기 미리 설정된 변화율의 차이만큼 평행 이동하여 설정될 수 있다.
또한, 상기 제 1 변수는 상기 압축기의 입구 유량, 상기 압축기에 인가되는 전류 또는 상기 압축기에 인가되는 파워일 수 있다.
또한, 상기 제 2 변수는 상기 압축기의 토출 압력, 상기 압축기의 토출 압력과 유입 압력의 압력비 또는 상기 압축기의 토출 헤드(Head)일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 흡기 가이드 베인(Inlet guide vane)으로 유량이 제어되어 흡입되는 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 일측에 설치되어 상기 압축기의 성능을 결정하는 변수를 측정하는 변수측정센서부와, 상기 측정된 변수의 변화율을 산출한 후 미리 설정된 변화율과 비교하여 미리 설정된 서지 제어라인과 다른 서지 제어라인으로 상기 압축기를 제어하는 제어부를 포함하는 압축기 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기에서 압축된 유체가 토출되는 토출라인으로부터 분지되는 분지라인에 설치되어 상기 분지라인으로 유출되는 유체의 양을 제어하는 블로오프 밸브(Blow off valve)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 변경된 상기 서지 제어라인을 근거로 상기 블로오프 밸브의 개도를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 시스템이나 작동순서에 따라 유연하게 서지 제어라인을 변경함으로써 압축기에서 발생하는 서지현상을 최대한 억제함으로써 압축기를 포함하는 압축기 시스템의 안정성과 공정의 안정성을 최대한 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 기존의 압축기 시스템의 변형없이 제어방법을 가변함으로써 기존 설비를 대체하기 위한 경비 및 인력 감축을 통한 생산비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템을 보여주는 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압축기 시스템의 작동 흐름을 보여주는 블록도이다.
도 3는 도 2에 도시된 압축기 시스템의 성능 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 압축기 시스템의 서지 제어라인의 제 1 케이스를 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 압축기 시스템의 서지 제어라인의 제 2 케이스를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템(100)을 보여주는 회로도이다.
도 1을 참고하면, 압축기 시스템(100)은 외부로부터 유입되는 유체가 이동하는 유입라인(110)을 포함한다. 또한, 압축기 시스템(100)은 유입라인(110)에 설치되어 유입되는 유체의 이물질을 제거하는 이물질필터부(120)를 포함할 수 있다. 특히 이물질필터부(120)는 이물질이 후술할 압축기(140)로 유입되어 압축기(140)가 고장나거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
압축기 시스템(100)은 유입라인(110)에 설치되어 유입라인(110)을 이동하는 유체의 양을 제어하는 흡기 가이드 베인(130, Inlet guide vane)을 포함할 수 있다. 이때, 흡기 가이드 베인(130)은 이물질필터부(120)와 후술할 압축기(140) 사이에 배치되어 개도를 조절함으로써 유체의 양을 제어할 수 있다.
한편, 압축기 시스템(100)은 유입라인(110)과 연결되어 유체를 압축하는 압축기(140)를 포함한다. 특히 압축기(140)는 다이나믹형의 압축기로써 터빈 압축기(140)를 포함할 수 있다.
압축기 시스템(100)은 압축기(140)와 연결되어 압축기(140)를 구동시키는 구동부(미표기)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 구동부는 압축기(140)에 구동력을 전달하는 모터(150)를 포함할 수 있다. 특히 모터(150)는 외부로부터 인가되는 전류 또는 파워를 통하여 구동될 수 있다.
한편, 압축기 시스템(100)은 압축기(140)와 연결되는 토출라인(170)을 포함할 수 있다. 이때, 토출라인(170)은 압축기(140)에서 압축된 유체를 외부 장치나 사용자에게 공급할 수 있다.
압축기 시스템(100)은 토출라인(170)으로부터 분지되는 분지라인(180)을 포함할 수 있다. 이때, 분지라인(180)은 토출라인(170)의 유체 일부로 외부로 배출할 수 있다. 특히 분지라인(180)은 압축기(140)에 서지(Surge) 현상이 발생하는 경우 일부의 유체를 바이패스(Bypass)시켜 상기 서지현상을 저감시킬 수 있다.
이때, 분지라인(180)에는 블로오프 밸브(185, Blow off valve)가 설치될 수 있다. 블로오프 밸브(185)는 분지라인(180)을 유동하는 유체를 단속하여 조절할 수 있다. 특히 블로오프 밸브(185)는 개도를 조절함으로써 유체의 흐름을 조절할 수 있다.
한편, 압축기 시스템(100)은 압축기(140)의 일측에 설치되어 압축기(140)의 성능을 결정하는 변수를 측정하는 변수측정센서부(160)를 포함한다.
상기 변수는 압축기(140)의 성능 곡선을 결정하는 중요한 인자이다. 이때, 상기 변수는 제 1 변수와 상기 제 1 변수와 상이한 제 2 변수를 포함할 수 있다. 구체적으로 제 1 변수와 제 2 변수에 의하여 압축기(140)의 성능 차트가 형성되고 제 1 변수 또는 제 2 변수는 상기 성능 차트의 X축 또는 Y축을 형성할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제 1 변수가 X축, 제 2 변수가 Y축을 형성하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
이때, 상기 제 1 변수는 압축기(140)로 유입되는 유량, 압축기(140)에 인가되는 전류 또는 압축기(140)에 인가되는 파워일 수 있다. 또한, 상기 제 2 변수는 압축기(140)로부터 토출되는 압력, 압축기(140)의 압력비, 압축기(140)의 토출 헤드(Head)일 수 있다. 이때, 압축기(140)의 압력비는 압축기(140)로부터 토출되는 압력을 압축기(140)로 유입되는 압력으로 나눠 계산할 수 있다.
한편, 상기 제 1 변수와 상기 제 2 변수는 상기에서 나열한 종류에서 선택될 수 있다. 이때, 상기 제 1 변수와 상기 제 2 변수가 선택되는 경우 압축기(140)의 성능 차트가 형성되고, 상기 제 1 변수와 상기 제 2 변수의 종류에 상관없이 거의 유사한 차트가 형성될 수 있다.
상기와 같이 상기 제 1 변수와 상기 제 2 변수가 선택되는 경우, 상기 제 1 변수 및 상기 제 2 변수에 따라 변수측정센서부(160)가 선택될 수 있다. 이때, 변수측정센서부(160)는 변수의 종류에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
구체적으로 변수측정센서부(160)는 상기 제 1 변수를 측정하는 제 1 변수측정센서부(161)와, 상기 제 2 변수를 측정하는 제 2 변수측정센서부(162)를 포함할 수 있다.
이때, 제 1 변수측정센서부(161)는 상기 제 1 변수에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 변수가 압축기(140)로 유입되는 유량인 경우, 제 1 변수측정센서부(161)는 유입라인(110)에 설치되어 유입라인(110)을 유동하는 유량을 측정하는 유량측정센서(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 변수가 압축기(140)에 인가되는 전류인 경우 제 1 변수측정센서부(161)는 모터(150)에 인가되는 전류를 측정하는 모터전류센서(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 변수가 압축기(140)에 인가되는 파워인 경우 제 1 변수측정센서부(161)는 모터(150)에 인가되는 파워를 측정하는 모터파워센서(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 제 2 변수측정센서부(162)는 제 1 변수측정센서부(161)와 유사하게 상기 제 2 변수에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 변수가 압축기(140)의 토출 압력인 경우, 제 2 변수측정센서부(162)는 토출라인(170)의 압력을 측정하는 압력측정센서(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 변수가 상기 압력비인 경우, 제 2 변수측정센서부(162)는 유입라인(110)과 토출라인(170)의 압력을 측정하여 상기 압력비를 감지하는 압력비감지센서(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 변수가 압축기(140)의 토출 헤드인 경우, 제 2 변수측정센서부(162)는 유입라인(110)의 온도를 감지하여 토출 헤드를 산출하는 헤드감지센서(미도시)를 포함할 수 있다.
압축기 시스템(100)은 압축기(140), 모터(150), 흡기 가이드 베인(130) 및 블로오프 밸브(185)를 제어하는 제어부(190)를 포함할 수 있다. 이때, 제어부(190)는 변수측정센서부(160)로부터 자료를 입력 받아 압축기(140), 모터(150), 흡기 가이드 베인(130) 및 블로오프 밸브(185)를 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(190)가 압축기(140), 모터(150), 흡기 가이드 베인(130) 및 블로오프 밸브(185)를 제어하는 방법에 대해서 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 압축기 시스템(100)의 작동 흐름을 보여주는 블록도이다. 도 3은 도 2에 도시된 압축기 시스템(100)의 성능 곡선을 보여주는 그래프이다. 도 4는 도 2에 도시된 압축기 시스템(100)의 서지 제어라인의 제 1 케이스를 보여주는 그래프이다. 도 5는 도 2에 도시된 압축기 시스템(100)의 서지 제어라인의 제 2 케이스를 보여주는 그래프이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 압축기 시스템(100)이 작동하는 경우 하기의 작동순서에 의하여 작동할 수 있다. 이때, 상기 제 1 변수와 상기 제 2 변수는 상기에서 설명한 바와 같이 다양하게 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 제 1 변수는 모터(150)에 인가되는 전류, 상기 제 2 변수는 토출라인(170)의 압력인 경우를 중심으로 설명한다.
1. 압축기 시스템(100)의 구동하는 단계;
구체적으로 압축기 시스템(100)이 작동하는 경우 사용자로부터 외부 신호를 입력 받을 수 있다. 상기 외부 신호가 입력되면, 압축기 시스템(100)이 작동하게 된다. 이때, 제어부(190)에는 처음에 압축기 시스템(100)을 구동할 때 설정되는 서지라인(SL, Surge line)과 상기 서지라인(SL)으로부터 어느 정도의 마진을 갖는 제 1 서지 제어라인(SCL1)이 미리 설정될 수 있다. 특히 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)은 상기 서지라인(SL)으로부터 약 10%정도의 마진을 갖도록 형성될 수 있다.
구체적으로 도 2b를 보면, 압축기(140)의 성능 곡선(P)는 제어부(190)에 미리 설정될 수 있다. 또한, 압축기(140)의 성능 곡선(SL)에 따른 상기 서지라인(SL)도 제어부(190)에 미리 설정될 수 있다. 이때, 상기에서 설명한 바와 같이 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)도 상기 서지라인(SL)을 근거로 제어부(190)에 미리 설정될 수 있다.(S110단계)
상기와 같이 상기 서지라인(SL)과 상기 제 1 서지 제어라인(SLC1)이 설정되면, 압축기(140)는 상기 제 1 서지 제어라인(SLC1)의 우측 방향에 작동점(S)을 설정하고 운전하게 된다.
따라서 상기와 같이 형성된 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)은 압축기 시스템(100)이 구동될 때, 압축기(140)의 작동점(S)이 상기 서지라인(SL)과 일치하여 발생하는 상기 서지 현상을 방지할 수 있다.
2. 제 1 변수의 시간에 따른 변화율 및 제 2 변수의 시간에 따른 변화율 산출하는 단계;
한편, 상기와 같이 압축기 시스템(100)이 작동하면, 제어부(190)는 제 1 변수측정센서부(161)와 제 2 변수측정센서부(162)를 통하여 모터(150)에 인가되는 전류와 토출라인(170)의 토출 압력을 측정할 수 있다. 이때, 제 1 변수측정센서부(161)와 제 2 변수측정센서부(162)에서 측정된 전류와 압력은 제어부(190)로 전송될 수 있다.
제어부(190)는 전송된 전류를 실시간으로 전송 받아 전류와 압력의 시간에 따른 변화율을 계산할 수 있다. 구체적으로 제어부(190)는 하기의 수학식 1에 의하여 전류와 압력의 시간에 따른 변화율을 계산할 수 있다.(S120 단계)
Figure pat00014
Figure pat00015
(여기서 X : 압축기 성능 곡선의 제 1 변수,
Figure pat00016
: 제 1 변수의 시간에 따른 변화율, Y : 압축기 성능 곡선의 제 2 변수,
Figure pat00017
: 제 2 변수의 시간에 따른 변화율,
Figure pat00018
: 시간이 t일 때 제 1 변수값,
Figure pat00019
: 시간이 t로부터
Figure pat00020
만큼 시간이 도과된 후 제 1 변수값,
Figure pat00021
: 시간이 t일 때 제 2 변수값,
Figure pat00022
: 시간이 t로부터
Figure pat00023
만큼 시간이 도과된 후 제 2 변수값,
Figure pat00024
: 임의의 시간 또는 제어프로그램이 구동되는 한 주기의 시간)
상기 [수학식 1]에서 X는 상기 전류에 해당하고, Y는 상기 압력에 해당한다.
3. 변수의 변화율이 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는지 파단하는 단계;
제어부(190)는 상기 제 1 변수의 변화율 및 상기 제 2 변수의 변화율이 산출되면, 상기 제 1 변수의 변화율 및 상기 제 2 변수의 변화율과 미리 설정된 변화율을 비교할 수 있다. 특히 제어부(190)는 상기 제 1 변수의 변화율 및 상기 제 2 변수의 변화율이 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는지 판단할 수 있다.
이때, 제어부(190)는 상기 제 1 변수의 변화율과 상기 제 2 변수의 변화율을 각각 별개로 미리 설정된 변화율과 비교할 수 있다. 특히 미리 설정된 변화율은 상기 제 1 변수의 변화율과 상기 제 2 변수의 변화율을 비교하는 경우에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 이하에서는 각각의 경우에 따라 상세히 살펴보기로 하자.
1) 제 1 변수의 변화율과 미리 설정된 변화율을 비교하는 경우(S131단계)
제어부(190)는 상기 제 1 변수의 변화율과 미리 설정된 변화율을 비교할 수 있다. 이때, 상기 제 1 변수의 변화율은 상기에서 설명한 바와 같이 전류의 변화율이 되고, 미리 설정된 변화율은 블로오프 밸브(185)에 의하여 조정 가능한 모터(150)의 전류의 변화율이 될 수 있다.
구체적으로 블로오프 밸브(185)의 개도를 조절하는 경우 압축기(140)에서 토출되는 유체의 압력이 토출라인(170)과 분지라인(180)으로 분산되므로 압축기(140)에서 토출되는 유체의 흐름이 원활해진다. 이에 따라 압축기(140)의 압력이 가변하게 되고, 모터(150)에 인가되는 전류가 가변하게 된다.
상기와 같이 가변하는 전류는 블로오프 밸브(185)의 개도에 따라 전류의 변화율이 결정되게 된다. 따라서 블로오프 밸브(185)에 의한 전류의 변화율은 제어부(190)에 미리 설정될 수 있다.
한편, 제어부(190)는 전류의 변화율과 미리 설정된 전류의 변화율의 범위를 벗어나는지 판단할 수 있다. 구체적으로 제어부(190)는 전류의 변화율이 미리 설정된 전류의 변화율보다 큰지 판단할 수 있다.
2) 제 2 변수의 변화율과 미리 설정된 변화율을 비교하는 경우(S141단계)
제어부(190)는 상기 제 2 변수의 변화율과 미리 설정된 변화율을 비교할 수 있다. 이때, 상기 제 2 변수의 변화율은 상기에서 설명한 바와 같이 압력의 변화율이 되고, 미리 설정된 변화율은 블로오프 밸브(185)에 의하여 조정 가능한 토출 압력의 변화율이 될 수 있다.
구체적으로 블로오프 밸브(185)의 개도를 조절하는 경우 압축기(140)에서 토출되는 유체의 압력이 토출라인(170)과 분지라인(180)으로 분산되므로 압축기(140)에서 토출되는 유체의 흐름이 원활해진다. 이에 따라 압축기(140)의 토출 압력이 가변하게 된다.
상기와 같이 가변하는 압력은 블로오프 밸브(185)의 개도에 따라 압력의 변화율이 결정되게 된다. 따라서 블로오프 밸브(185)에 의한 압력의 변화율은 제어부(190)에 미리 설정될 수 있다.
한편, 제어부(190)는 압력의 변화율과 미리 설정된 압력의 변화율의 범위를 벗어나는지 판단할 수 있다. 구체적으로 제어부(190)는 압력의 변화율이 미리 설정된 압력의 변화율보다 큰지 판단할 수 있다.
4. 새로운 서지 제어라인을 산출하는 단계;
상기와 같이 변수의 변화율이 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는 것으로 판단되면, 제어부(190)는 새로운 서지 제어라인을 산출할 수 있다. 구체적으로 제어부(190)는 제 1 변수의 변화율 및 제 2 변수의 변화율에 따라 서로 다른 서지 제어라인을 산출할 수 있다. 하기에서는 각각의 경우에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
1) 제 1 변수에 따른 새로운 서지 제어라인의 산출
제어부(190)는 상기 전류의 변화율과 상기 미리 설정된 전류의 변화율을 비교하여 상기 전류의 변화율이 상기 미리 설정된 전류의 변화율의 범위를 벗어나는지 판단한다. 이때, 제어부(190)는 상기 전류의 변화율이 상기 미리 설정된 전류의 변화율을 초과하는지 판단할 수 있다.
상기 전류의 변화율이 상기 미리 설정된 전류의 변화율을 초과하는 것으로 판단되면, 제어부(190)는 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 제 2 서지 제어라인(SCL2)으로 변경할 수 있다.
구체적으로 상기와 같이 판단되는 경우 제어부(190)는 상기 전류의 변화율로부터 미리 설정된 전류의 변화율의 차를 구할 수 있다. 이때, 제어부(190)가 상기의 차를 구하는 방법은 하기의 [수학식 2]를 통하여 구할 수 있다.(S132 단계)
Figure pat00025
(여기서
Figure pat00026
: 전류의 변화율과 미리 설정된 전류의 변화율 차,
Figure pat00027
: 전류의 변화율,
Figure pat00028
: 미리 설정된 전류의 변화율)
한편, 제어부(190)에서 상기 전류의 변화율과 상기 미리 설정된 전류의 변화율의 차를 구한 후에 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2)으로 변경할 수 있다. 이때, 제어부(190)는 상기 성능 차트의 X축으로 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2)을 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)으로부터
Figure pat00029
만큼 평행이동 시킬 수 있다. 특히 제어부(190)는
Figure pat00030
와
Figure pat00031
를 곱하여 X축으로 평행이동할
Figure pat00032
값을 구할 수 있다.
구체적으로 제어부(190)는 하기의 [수학식 3]에 의하여 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2)으로 평행이동 시킬 수 있다.(S134단계, 도 2c 참고)
Figure pat00033
(여기서
Figure pat00034
: 제 2 서지 제어라인을 결정하는 함수,
Figure pat00035
: 제 1 서지 제어라인을 결정하는 함수)
2) 제 2 변수의 변화율과 미리 설정된 변화율을 비교하는 경우
한편, 제어부(190)는 상기의 작업을 진행하는 동안, 상기 압력의 변화율에 따른 상기 제 2 서지 제어라인(SCL3)을 산출할 수 있다.
구체적으로 제어부(190)는 상기 압력의 변화율과 상기 미리 설정된 압력의 변화율을 비교하여 상기 압력의 변화율이 상기 미리 설정된 압력의 변화율의 범위를 벗어나는지 판단한다. 이때, 제어부(190)는 상기 압력의 변화율이 상기 미리 설정된 압력의 변화율을 초과하는지 판단할 수 있다.
상기 압력의 변화율이 상기 미리 설정된 압력의 변화율을 초과하는 것으로 판단되면, 제어부(190)는 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 제 2 서지 제어라인(SCL3)으로 변경할 수 있다.
구체적으로 상기와 같이 판단되는 경우 제어부(190)는 상기 압력의 변화율로부터 미리 설정된 압력의 변화율의 차를 구할 수 있다. 이때, 제어부(190)가 상기의 차를 구하는 방법은 하기의 [수학식 4]를 통하여 구할 수 있다.(S142단계)
Figure pat00036
(여기서
Figure pat00037
: 압력의 변화율과 미리 설정된 압력의 변화율 차,
Figure pat00038
: 압력의 변화율,
Figure pat00039
: 미리 설정된 압력의 변화율)
한편, 제어부(190)에서 상기 압력의 변화율과 상기 미리 설정된 압력의 변화율의 차를 구한 후에 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 상기 제 2 서지 제어라인(SCL3)으로 변경할 수 있다. 이때, 제어부(190)는 상기 성능 차트의 Y축으로 상기 제 2 서지 제어라인(SCL3)을 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)으로부터
Figure pat00040
만큼 평행이동 시킬 수 있다. 특히 제어부(190)는
Figure pat00041
와
Figure pat00042
를 곱하여 Y축으로 평행이동할
Figure pat00043
값을 구할 수 있다.
구체적으로 제어부(190)는 하기의 [수학식 5]에 의하여 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 상기 제 2 서지 제어라인(SCL3)으로 평행이동 시킬 수 있다.(S143단계, 도 2d 참고)
Figure pat00044
(여기서
Figure pat00045
: 제 2 서지 제어라인을 결정하는 함수,
Figure pat00046
: 제 1 서지 제어라인을 결정하는 함수)
5. 제 1 변수의 변화율 및 제 2 변수의 변화율을 무차원하여 제 1 파라미터 및 제 2 파라미터를 산출하는 단계;
제어부(190)는 상기와 같이 제2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)을 산출한 후 제 1 파라미터 및 제 2 파라미터를 산출할 수 있다. 이때, 제어부(190)가 상기 제 1 파라미터 및 상기 제 2 파라미터를 산출하는 방법은 하기의 [수학식 6]과 같다. 이때,
Figure pat00047
및
Figure pat00048
은 상기의 [수학식 1]에 의하여 계산될 수 있다.(S160단계)
Figure pat00049
Figure pat00050
(여기서 P1, P2 : 제 1 파라미터, 제 2 파라미터, X : 현재의 압축기에 인가되는 전류,
Figure pat00051
: 전류의 변화율, Y : 현재의 압축기의 토출 압력,
Figure pat00052
: 압력의 변화율)
6. 제 1 파라미터와 제 2 파라미터 중 큰 값에 따라 제어 기준값을 선택하는 단계;
제어부(190)는 상기와 같이 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터를 산출한 후 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터를 비교할 수 있다. 이때, 제어부(190)는 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터 중 큰 값을 제어 기준값으로 선택할 수 있다.
구체적으로 제어부(190)는 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터를 비교하여 상기 제 1 파라미터가 상기 제 2 파라미터보다 큰 경우 상기 제 1 파라미터를 상기 제어 기준값으로 선택할 수 있다.(S170단계)
반면, 제어부(190)는 상기 제 1 파라미터가 상기 제 2 파라미터보다 작은 경우 상기 제 2 파라미터를 상기 제어 기준값으로 선택할 수 있다. 또한, 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터가 서로 동일한 경우 제어부(190)는 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터 중 임의로 선택하여 상기 제어 기준값으로 선택할 수 있다.
7. 제어 기준값에 해당하는 서지 제어라인을 선택하여 변경하는 단계;
제어부(190)는 상기와 같이 비교를 통하여 상기 제어 기준값을 선택한 후 상기 서지 제어라인을 선택하여 변경할 수 있다.
구체적으로 제어부(190)는 상기 제 1 파라미터에 해당하는 상기 제어 기준값을 선택하는 경우 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2)으로 평행이동시킬 수 있다. 특히 제어부(190)는 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2)을 상기의 [수학식 3]에 따라 결정할 수 있다.(S181단계)
반면, 제어부(190)는 상기 제 2 파라미터에 해당하는 상기 제어 기준값을 선택하는 경우 상기와 같이 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 상기 제 2 서지 제어라인(SCL3)으로 평행이 시킬 수 있다. 이때, 제어부(190)는 상기 제 2 서지 제어라인(SCL3)을 상기의 [수학식 5]에 따라 결정할 수 있다.(S182단계)
한편, 제어부(190)는 상기에서 설명한 바와 같이 상기 제 1 파라미터와 상기 제2 파라미터가 서로 동일한 경우 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)을 상기의 [수학식 3] 또는 상기의 [수학식 5]에 따라 결정할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터가 동일한 경우 상기 제 2 서지 제어라인(SCL3)을 [수학식 5]에 따라 결정하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
이때, 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)가 결정되면, 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)은 상기 제 1 서지 제어라인(SCL1)을 기준으로 성능 차트의 우측 방향으로 평행 이동하게 된다.(도 2c, 도 2d 참고) 또한, 상기와 같이 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)을 결정하는 경우 제어부(190)는 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)을 근거로 압축기 시스템(100)을 제어할 수 있다.
8. 블로오프 밸브 개도 제어 단계;
상기와 같이 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)이 결정되면, 제어부(190)는 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)을 기준으로 블로오프 밸브(185)의 개도를 제어할 수 있다. 구체적으로 상기 제 2 서지 제어라인(SCL2, SCL3)이 결정되는 경우, 제어부(190)는 블로오프 밸브(185)를 기존보다 개방하도록 제어할 수 있다. (S190단계)
따라서 압축기 시스템(100) 및 압축기 시스템 제어방법은 압축기 시스템(100)의 프로세서의 급작스러운 변화에 능동적으로 대처하여 압축기(140)에서 발생하는 서지 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로 서지가 발생할 경우 압축기(140)는 정상적으로 유체를 공급할 수 없으며, 이는 전체 공정의 중단을 야기할 수 있다. 압축기(140)가 주로 사용되는 석유화학단지 및 대형 제조공장 등에서 공정의 중단이 발생하는 경우 금전적 손실이 매우 크므로, 압축기(140)의 정상동작을 방해하는 서지현상의 발생을 최대한 억제하는 것이 압축기(140) 제어의 핵심이라 할 수 있다. 이때, 압축기 시스템(100) 및 압축기 시스템 제어방법은 상기와 같은 제어를 통하여 서지 제어라인을 능동적으로 가변 시킴으로써 서지 현상의 발생 빈도를 줄일 수 있으므로 압축기 시스템(100)의 안전성을 향상 시킬 수 있다.
또한, 서지 현상이 발생하면 압축기(140) 내부에 유동의 역류가 주기적으로 발생하며, 이로 인해 기계적인 진동이 발생한다. 압축기(140)는 고속 회전기계로서 진동이 발생하는 경우 회전축, 베어링 등에 손상이 발생할 수 있으며 이는 압축기(140)의 고장발생 및 수명감소로 이어질 수 있다. 그러나 압축기 시스템(100) 및 압축기 시스템 제어방법을 적용하는 경우 서지 현상을 최대한 방지함으로써 압축기(140)의 유지보수 및 수명연장을 도모할 수 있다.
특히 압축기 시스템(100) 및 압축기 시스템 제어방법은 기존의 압축기 시스템에 별도의 장치를 구비하지 않아도 되므로 생산설비를 간소화할 수 있으며 기존의 압축기 시스템에도 적용이 가능하므로 교체 비용 및 인력을 감축할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100 : 압축기 시스템 161 : 제 1 변수측정센서부
110 : 유입라인 162 : 제 2 변수측정센서부
120 : 이물질필터부 170 : 토출라인
130 : 흡기 가이드 베인 180 : 분지라인
140 : 압축기 185 : 블로오드 밸브
150 : 모터 190 : 제어부
160 : 변수측정센서부

Claims (13)

  1. 압축기의 성능곡선을 결정하는 변수의 시간에 따른 변화율을 산출하는 단계;
    상기 변수의 변화율이 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는지 판단하는 단계; 및
    상기 변수의 변화율이 상기 미리 설정된 변화율의 범위를 벗어나는 경우, 상기 변수의 변화율에 따른 서지 제어라인을 산출하는 단계;를 포함하는 압축기 시스템 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변수는 제 1 변수와 상기 제 1 변수와 상이한 제 2 변수를 포함하는 압축기 시스템 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 변수의 변화율 및 상기 제 2 변수의 변화율을 무차원화하여 제 1 파라미터 및 제 2 파라미터를 산출하는 단계;를 더 포함하는 압축기 시스템 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 파라미터 및 상기 제 2 파라미터는 하기의 수학식에 의하여 산출되는 압축기 시스템 제어방법.
    [수학식]
    Figure pat00053

    Figure pat00054

    Figure pat00055

    Figure pat00056

    여기서 P1, P2 : 제 1 파라미터, 제 2 파라미터
    X : 압축기 성능 곡선의 제 1 변수
    Figure pat00057
    : 제 1 변수의 시간에 따른 변화율
    Y : 압축기 성능 곡선의 제 2 변수
    Figure pat00058
    : 제 2 변수의 시간에 따른 변화율
    Figure pat00059
    : 시간이 t일 때 제 1 변수값
    Figure pat00060
    : 시간이 t로부터
    Figure pat00061
    만큼 시간이 도과된 후 제 1 변수값
    : 시간이 t일 때 제 2 변수값
    Figure pat00063
    : 시간이 t로부터
    Figure pat00064
    만큼 시간이 도과된 후 제 2 변수값
    Figure pat00065
    : 임의의 시간 또는 제어프로그램이 구동되는 한 주기의 시간
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 파라미터와 상기 제 2 파라미터 중 큰 값에 따라 제어 기준값을 선택하는 단계;를 더 포함하는 압축기 시스템 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 기준값에 해당하는 상기 서지 제어라인을 선택하여 변경하는 단계;를 더 포함하는 압축기 시스템 제어방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 변화율은 블로오프 밸브(Blow off valve)를 통하여 조절 가능한 상기 제 1 변수의 시간에 따른 변화율 또는 상기 제 2 변수의 시간에 따른 변화율인 압축기 시스템 제어방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 서지 제어라인은 미리 설정된 서지 제어라인으로부터 상기 변수의 변화율과 상기 미리 설정된 변화율의 차이만큼 평행 이동하여 설정되는 압축기 시스템 제어방법.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1 변수는 상기 압축기의 입구 유량, 상기 압축기에 인가되는 전류 또는 상기 압축기에 인가되는 파워인 압축기 시스템 제어방법.
  10. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 2 변수는 상기 압축기의 토출 압력, 상기 압축기의 토출 압력과 유입 압력의 압력비 또는 상기 압축기의 토출 헤드(Head)인 압축기 시스템 제어방법.
  11. 흡기 가이드 베인(Inlet guide vane)으로 유량이 제어되어 흡입되는 유체를 압축하는 압축기;
    상기 압축기의 일측에 설치되어 상기 압축기의 성능을 결정하는 변수를 측정하는 변수측정센서부; 및
    상기 측정된 변수의 변화율을 산출한 후 미리 설정된 변화율과 비교하여 미리 설정된 서지 제어라인과 다른 서지 제어라인으로 상기 압축기를 제어하는 제어부;를 포함하는 압축기 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기에 연결되어 상기 압축기에서 압축된 유체가 토출되는 토출라인으로부터 분지되는 분지라인에 설치되어 상기 분지라인으로 유출되는 유체의 양을 제어하는 블로오프 밸브(Blow off valve);를 더 포함하는 압축기 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 변경된 상기 서지 제어라인을 근거로 상기 블로오프 밸브의 개도를 제어하는 압축기 시스템.
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