CN101421519B - 多级压缩系统和操作该多级压缩系统的方法 - Google Patents

Abstract

多级压缩系统包括多个离心压缩级。每个离心压缩级包括叶轮和联接到该叶轮的变速电动机。每个变速电动机可以以在第一速度与第二速度之间的速度进行操作。多级压缩系统还包括控制系统，控制系统连接到变速电动机中的每个变速电动机并且可进行操作来改变每个电动机的速度。同时改变每个电动机的速度，使得任何两个变速电动机的速度比保持恒定。

Description

多级压缩系统和操作该多级压缩系统的方法

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.第119(e)部分，本申请主张在2006年2月13日提交的共同待决的美国临时申请No.60/772,715的优先权，该申请以全文引用的方式结合到本文中。

技术领域

本发明涉及用于控制离心压缩系统的系统和方法。特别地，本发明涉及改变多个压缩级的速度并且同时仍维持恒定的速度比的控制系统和方法。

背景技术

压缩机，尤其是离心压缩机，在较广泛的操作参数范围内操作。这些参数中的某些参数的变化可能会产生不良的效率和容量变化。

在也被称作动压力压缩机的离心压缩机中的气体的压缩是基于能量从一组旋转叶片到诸如空气的气体的传递。旋转叶片通过改变气体的动量和压力而赋予能量。然后通过减小固定扩散器和下游收集系统中的气体的速度而将与动能有关的气体动量转变成压力能。

多级离心压缩系统的性能受到入口处的诸如压力、温度和相对湿度的气体状态和压缩级的操作速度的影响。具体而言，对于压缩级的给定旋转速度，在该压缩级的入口处的气体的压力、温度和相对湿度的变化将改变压缩机的排出压头和容量。此外，压缩级的操作旋转速度的变化也导致整个压缩机在排出压头、容量和热力学效率方面的性能参数的变化。相关地，应注意的是，在动压力压缩机中，在容量与压缩比之间存在依赖关系，该压缩比被定义为排出压力除以入口压力(以一致的单位)。因此，气体容量的变化总是伴随着压缩比的变化。随着压缩机的操作点发生变化，压缩热力学过程的效率也将发生变化。

发明内容

在一种构造中，本发明提供一种多级压缩系统，其包括多个离心压缩级。每一级包括叶轮和联接到叶轮的变速电动机。每个变速电动机可以以在第一速度与第二速度之间的速度进行操作。多级压缩系统还包括控制系统，该控制系统连接至变速电动机中的每个变速电动机且可进行操作来改变每个电动机的速度。每个电动机的速度同时改变使得任何两个变速电动机的速度比保持恒定。

在另一构造中，本发明提供一种多级压缩系统，其包括第一离心压缩级，第一离心压缩级具有第一叶轮和第一变速电动机。第一变速电动机可以以在低速与高速之间的第一速度操作。多级压缩系统还包括第二离心压缩级，第二离心压缩级具有第二叶轮和第二变速电动机。第二变速电动机可以以在低速与高速之间的第二速度操作。第一速度与第二速度限定第一比例。多级压缩系统还包括第三压缩级，第三压缩级具有第三叶轮和第三变速电动机。第三变速电动机可以以在低速与高速之间的第三速度操作。第一速度与第三速度限定第二比例且第二速度与第三速度限定第三比例。多级压缩系统还包括控制系统，该控制系统可进行操作来同步地改变第一速度、第二速度和第三速度，使得第一比例、第二比例和第三比例保持恒定。

在又一构造中，本发明提供一种控制多级压缩系统将气体输送至以可变速率使用气体的气体利用系统的方法。该方法包括以第一速度操作第一离心压缩级以产生流体流，将流体流引导至第二离心压缩级，以及以第二速度操作第二离心压缩级。该方法还包括协调地改变第一速度和第二速度，使得第一速度与第二速度之间的比例保持恒定。

附图说明

图1是离心压缩级的截面图；

图2是包括三个图1的离心压缩级的多级压缩系统的示意图；以及

图3是图1的离心变速压缩级的性能图。

具体实施方式

在详细地解释本发明的任何实施例之前，应理解本发明在其应用方面并不限于在下文的描述中所陈述或在附图中所示的构造细节和构件布置。本发明能够具有其它实施例且能够以各种方式进行实践或执行。而且，应了解本文所用的词语和用语是出于描述目的且不应被认为具有限制意义。在本文中，“包括”、“包含”和“具有”以及其变型的使用意味涵盖在下文中所列出的项目和其等效物以及额外的项目。除非规定或另外地进行限制，用语“安装”、“连接”、“支承”和“联接”及其变型广泛地使用且涵盖直接和间接安装、连接、支承和联接。而且，“连接”和“联接”并不限于物理或机械连接或联接。

图1表示流体压缩模块10(有时被称作压缩级或压缩单元)，其包括联接到压缩级20的原动机并且可进行操作来产生压缩流体。在所示的构造中，电动机15用作原动机。然而，其它的构造可采用其它的原动机，诸如但不限于内燃机、柴油机、燃气涡轮等。

电动机15包括转子25和定子30，定子30限定定子孔35。转子25被支承成在轴40上旋转且基本上定位于定子孔35内。所示的转子25包括永久磁体45，永久磁体45与定子30所产生的磁场相互作用以造成转子25和轴40的旋转。在一种构造中，转子25可以以大约0RPM与50,000RPM之间的速度操作，也可以以更快的速度操作。在进行下文的描述之前，应注意的是，在本文中结合电动机或压缩级的操作速度的讨论所使用的词语“之间”表示电动机或压缩级可以以在限定的端点(例如，0RPM，50,000RPM)之间的任何速度操作且包括端点。因此，双速电动机(即，可以以0RPM和50,000RPM操作的电动机)不可在0RPM与50,000RPM之间操作。相反，该电动机可在0RPM操作且该电动机可在50,000RPM操作。可在两个速度之间操作的电动机可以以这两个速度操作以及以在这两个端点之间的任何中间速度操作。可改变定子30的磁场以改变轴40的旋转速度。当然，若需要，其它的构造可采用其它类型的电动机(例如，同步电动机、感应电动机、换向器直流电动机等)。

电动机15定位于壳体50内，壳体50向电动机15提供支承和防护。轴承55定位于壳体50的任一端上并且由壳体50直接地或间接地支承。轴承55又支承轴40以进行旋转。在所示的构造中，采用磁轴承55，但其它轴承(例如，滚子轴承、球轴承、滚针轴承等)也适于使用。在图1所示的构造中，辅助轴承60用于在一个磁轴承55失效或两个磁轴承55都失效的情况下提供轴支承。

在某些构造中，外护套65包围壳体50的一部分且在外护套65与壳体50之间限定冷却路径70。液态冷却剂(例如，乙二醇、制冷剂等)或气态冷却剂(例如，空气、二氧化碳等)流过冷却路径70以在操作期间冷却电动机15。

电气柜75可定位于壳体50的一端以封闭各种物品，诸如电动机控制器、断路器、开关等。电动机轴40延伸超过壳体50的相对端以允许轴联接到压缩机20。

压缩机20包括进口壳体80或进口环、叶轮85、扩散器90和蜗壳95。蜗壳95包括第一部分100和第二部分105。第一部分100附连到壳体50上以将压缩机20的固定部分联接到电动机15的固定部分。第二部分105附连到第一部分100以限定入口通道110和收集通道115。第二部分105还限定包括排出通道125的排出部分120，排出通道125与收集通道115相流体连通以从压缩机20排出压缩流体。

在所示的构造中，蜗壳95的第一部分100包括支柱130，支柱130为压缩机20和电动机15提供支承。在其它的构造中，使用其它的构件来将压缩机20和电动机15支承为处于水平位置。在另外的构造中，采用一个或多个支柱或者其它装置来将电动机15和压缩机20支承为处于垂直定向或其它所需的定向。

扩散器90定位于收集通道115的径向内部，使得流自叶轮85的流体在进入蜗壳95之前穿过扩散器90。扩散器90包括空气动力表面(例如，叶片，轮叶、鳍状件等)，空气动力表面布置成在流体穿过扩散器90时减小流动速度并增加流体压力。

叶轮85联接到转子轴40使得叶轮85与电动机转子25一起旋转。在所示的构造中，杆140螺纹式地接合轴40且螺母145螺纹式地接合杆140，以将叶轮85固定地附连到轴40上。叶轮85延伸超过支承电动机轴40的轴承55，并且因此以悬臂的方式被支承。其它的构造可采用其它的附连机制来将叶轮85附连到轴40上并且采用其它的支承机制来支承叶轮85。因此，本发明不应限于图1所示的构造。而且，虽然所示的构造包括直接联接到叶轮85的电动机15，但其它的构造可采用诸如变速箱的增速器来允许电动机15以比叶轮85更低的速度进行操作。

叶轮85包括多个空气动力表面或叶片，空气动力表面或叶片被布置成限定入口导流器部分155和出口导流器部分160。入口导流器部分155定位于叶轮85的第一端且可进行操作来将流体基本上轴向地吸入到叶轮85内。叶片使流体加速且将其引导至位于叶轮85的相对端附近的出口导流器部分160。流体在绕叶轮85延伸360度的至少部分径向的方向上从出口导流器部分160排出。

有时被称作进口环的进口壳体80连接至蜗壳95且包括引导至叶轮85的流动通路165。待压缩的流体被叶轮85向下吸入到流动通路165中并进入到叶轮85的入口导流器部分155内。流动通路165包括叶轮接口部分170，叶轮接口部分170定位于叶轮85的叶片附近以减少在叶片顶部上的流体泄漏。因此，叶轮85和进口壳体80相协作以限定多个基本上关闭的流动通路。

在所示的构造中，进口壳体80还包括凸缘180，其便于管或其它流体传导或保持构件的附连。举例而言，过滤器组件可连接到凸缘180上，并且用于在待压缩的流体被引导至叶轮85之前过滤待压缩的流体。管可从过滤器组件引导到凸缘180以在过滤器后面基本上密封该系统且抑制不需要的流体或污染物的进入。在其它实施例中，管从一个压缩级的出口引导到第二压缩级的入口。管在凸缘180处连接。

图2表示串联地布置以限定多级压缩系统205的三个压缩级10a，10b，10c。在所示的构造中，每个压缩级10a，10b，10c类似于图1的压缩模块10。然而，其它构造可一起使用不同的压缩模块，或者可包括不同压缩模块类型的组合。

出于描述目的，将使用空气作为被压缩的流体来描述图2。当然，本领域技术人员将认识到可使用本系统来压缩许多其它的流体。第一级10a吸入处于未压缩状态的空气流210并且排出经部分压缩的空气流215。

经部分压缩的空气流215传递到级间热交换器或冷却器220，其冷却经部分压缩的空气流215以改进总压缩系统效率。在所示的构造中，冷却流体225(例如，冷却空气、水、乙二醇、制冷剂等)流过热交换器220以冷却空气215。

冷却的经部分压缩的空气流230传递到多级压缩系统205的第二级10b的入口内。第二级10b进一步压缩空气并且排出第二经部分压缩的空气流235。

第二经部分压缩的空气流流过第二级间热交换器240，其中空气再次被流过热交换器240的冷却剂冷却。在经过第二级间热交换器240之后，冷却的经部分压缩的空气流250前进到第三压缩级10c。

第三级10c在入口处接收经部分压缩的空气流250，并且可进行操作以进一步压缩空气到最终的所希望的输出压力。压缩空气流255以所希望的输出压力从第三级10c排出。

最终级间冷却器260可用在最终压缩级10c的后面，以在空气被引导至额外的系统(例如，阀、过滤器、干燥器等)或压缩气体利用系统265之前冷却空气。如同其它的热交换器220，240的情况一样，冷却剂流270用于在空气作为最终压缩空气流275排出之前冷却空气。

热交换器220，240，260可例如为逆流热交换器、错流热交换器或顺流热交换器。在某些构造中，热交换器220，240，260可为散热片式热交换器、管壳式热交换器或者可进行操作以分别在压缩空气流210，235，255与冷却流体225，245，270之间进行热交换的任何其它类型的热交换器。此外，热交换器220，240，260中的一个或多个可被构造成使用压缩空气流作为冷却流体的再生式热交换器。

多级压缩系统205还包括止回阀280和排出阀285，它们均位于最后一个压缩级10c的下游。止回阀280在压缩系统205并不运行或第三级10c处的出口压力小于利用系统265的操作压力的时段期间隔离压缩系统205与压缩气体利用系统265。当所产生的压缩气体超过利用系统265的需求时排出阀285允许压缩气体的一部分从压缩系统205排出。

虽然图2表示在每一级10a，10b，10c采用单个压缩机20的三级压缩系统205，但其它的系统可采用少于或多于三级来满足气体利用系统265的要求。此外，某些布置可在压缩级中的一个或多个压缩级中包括多个压缩机(即，并行操作)以增加系统205的容量。因此，本发明不应限于在每一级仅采用单个压缩机并且各级串联布置的三级压缩系统。

如图2所示，多级压缩系统205包括三个压缩级10a，10b，10c，这三个级可彼此机械地脱离联接，且每一级由高速变速电动机15a，15b，15c来驱动。如上文所提到的，压缩级10a，10b，10c串联布置，使得空气在离开最后的压缩级10c且流动到压缩气体利用系统265之前依次经过每一级10a，10b，10c。

控制系统290响应于多个输入来同时改变级10a，10b，10c的旋转速度。举例而言，在一种构造中，控制系统290监控离开最终级10c的体积流率以及离开最终级10c的流动压力，并且使用这个数据来控制各个电动机15a，15b，15c的速度。在其它的构造中，控制系统290监控在气体利用系统265处的压力和/或在气体利用系统265处的使用率。

控制系统290可包括传感器来检测在系统205内的各个点处的压力、温度和流率。此外，控制系统290可包括控制逻辑算法和相关的硬件来运行算法并监控系统参数。而且，控制系统290可包括辅助硬件来向电动机15a，15b，15c供电并响应于所测量的系统参数来调节它们的速度。控制系统290被设计成调节离心压缩级10a，10b，10c的性能，而无需使用入口节流阀。然而，在某些构造中，仍可在第一压缩级10a的入口处提供节流阀。在一个控制系统290中，采用传感器来测量电动机中的一个或多个电动机所消耗的功率(kW)。然后使用这个功率消耗来控制电动机的速度。

虽然每一级10a，10b，10c可与其它级机械地脱离联接，但优选的构造采用同步地改变电动机15a，15b，15c的速度的控制系统290。举例而言，在一种构造中，第一电动机15a以低速与高速之间的第一速度进行操作，第二电动机15b以低速与高速之间的第二速度进行操作，第三电动机15c以低速与高速之间的第三速度进行操作。在这个示例中，每个电动机15a，15b，15c的速度由控制系统290同时改变，使得任何两个电动机15a，15b，15c的速度比保持恒定。因此，如果第一电动机15a的速度加倍，那么第二电动机15b和第三电动机15c的速度也加倍。在一种构造中，第一速度、第二速度以及第三速度基本上相等。然而，若需要，可采用不同的速度。

在压缩过程期间，每一级10a，10b，10c以压力和运动的形式赋予空气能量。虽然除了通过各种密封逃逸的某些空气量之外经过压缩系统205的质量流实际上保持恒定，但空气的体积随着压力增加而一级一级地减小。通常，气体泄漏流限制在压缩机20的体积入口容量的1％与2％之间。

在图3中示出典型离心压缩机性能图300。图3可被解释为多级离心压缩系统的特征性能图或单个压缩级的特征性能图，但是根据具体为哪个图谱，这些曲线中的每个曲线的特定值将有所不同。从图3可以容易地推导出如果工艺需求偏离操作点Oo，那么多级压缩系统205的操作速度的变化可满足新的工艺需求，同时维持高水平的操作效率。

对于离心压缩级的给定固定旋转速度(在图3中示为恒定速度线305)，在容量与级压力比之间存在着一定的关系。图3表明容量的增加伴随着压力比的减小。相反，容量的减小对应于压缩级的压力比的增加。当多个级串联时，气体压力递增。如果中间级的入口与紧邻上游级的排出口重合，且任一级的排出口与下一级的入口重合，那么每一级的压力比造成了级间损失。完整的多级压缩机的压力比可被表示为单个级的压力比R_i的乘积。然后，来自最后压缩级的排出压力P_排出将等于压缩机压力比R_压缩乘以到达压缩机的入口压力P_入口的乘积，如下面的方程式所示：

P_排出＝(R₁×R₂×，...，R_N)×P_入口＝R_压缩×P_入口　　　　(1)

下游压缩气体利用系统265的需求决定压缩系统205操作的流动状态和压力状态。系统压力的增加表示超过接收系统需求的压缩气体的供应(即，压缩气体的输送速度比压缩气体的使用速度更快)。同样，接收系统压力的减小触发对来自压缩系统205的更大容量的请求，以在恒定压力过程的情况下维持目标操作压力(即，气体的使用速度比气体的输送速度更快)。当方程式(1)应用于恒定速度压缩机并且性能对应于在图3的图表中的一条速度线305以及施加恒定排出压力的条件，即P_排出＝常数时，那么适应工艺需求所需的容量变化将影响压缩系统205的压力比，这是因为每一级10a，10b，10c的压力比与给定容量唯一地相关。由此可见，因为方程式(1)左侧的项是恒定的，且压缩系统205的压力比在物理上变化，所以到达第一压缩级10a的入口压力为使得方程式(1)中的乘积事实上保持恒定的值。

作为一个示例，如果压缩系统205所处理的容量减小以便抵消系统压力的暂时的增加，压缩系统205的压力比增加，这是因为基于离心压缩机的性能特征，容量的减小对应于压缩机压力比的增加。因此，为了维持压缩系统205的排出口处的恒定压力，到达压缩系统205的入口压力

将为等于下式的新值：

其中：

对应于所需流量的压缩机压力比

用以维持所需的恒定排出压力的在第一压缩级的更新的新入口压力

在向大气打开的压缩系统的情况下，在现有技术系统中典型地通过在大气环境与第一压缩级的入口之间插入节流阀来获得第一压缩级的入口压力的变化。在这个示例之后，入口节流阀的校准封闭件引入压降，从而减小在第一压缩级的入口处的压力。满足方程式(2)的新的减小的入口压力当乘以实现更小压缩机容量所需的增加的压力比时，在压缩系统的排出口处得到所需的恒定压力。对于固定速度压缩机，这是最常见的调节系统，并且虽然该调节系统适当地控制离心压缩机的容量，但由于入口节流阀的存在，调节系统也引入能量损失。

然而，在变化的容量要求下，还可通过改变压缩级10a，10b，10c的操作速度来满足压缩级10a，10b，10c的不变的压力比。因此，在将容量调整到利用系统265的需求时，可维持压缩系统205的总压力比。由于维持压缩系统205的排出压力，故在变化的容量要求下，基于与压缩级10a，10b，10c的压力比、容量和旋转速度唯一地相关的关系，不存在利用调节入口节流阀来改变到达第一级10a的入口压力的要求。事实上，参考方程式(2)，如果压缩机压力比维持恒定，那么无需改变到达第一级10a的入口压力以维持排出压力的值。因为容量的变化，故由于与暂时容量相关的压力损失的变化，压缩系统205的入口压力实际上可发生变化。但是在此情形下，应强调的是，控制系统290无需利用节流阀来改变第一级入口压力，并且因此不存在节流阀。应注意的是，与包括节流阀的固定速度系统相比，移除入口节流阀直接改进了第一级10a的效率，减小了控制软件的复杂性，排除了硬件并且改善了成本。

在多级压缩系统205中的每一级10a，10b，10c被设计成用于处理具有特定入口压力范围但尤其为限定的进口体积速率范围的流体。因为压缩级10a，10b，10c是串联的，所以每一级10a，10b，10c与其它级相流体匹配，以便允许流体自一个压缩级至下一个压缩级的适当传递。因此，如果由于某些原因一个压缩级不处于接收上游压缩级所输送的流体的状态或者并不以所预期的压力和体积将流体输送至下一压缩级的状态，可发生多级压缩系统205的操作的中断，从而导致压缩系统205的所有压缩级10a，10b，10c的性能的失衡。由于伴随着离心压缩机的特性的气体动力学，故可能快速地形成流动不稳定的状态，其需要卸载压缩系统205来适当地处理并遏制不稳定状态。

压缩系统205的性能对压缩级10a，10b，10c的旋转速度变化特别敏感。压缩级容量随着速度呈线性变化，压头变化与速度的平方成比例地改变，且功率随着压缩级速度的立方而改变。由于串联的压缩级10a，10b，10c之间的空气动力联接，故当压缩级10a，10b，10c机械地脱开联接时，单独地改变每一级10a，10b，10c的速度的方案需要高水平的技巧和控制逻辑复杂性。在气体压力、温度和流量方面监控每个压缩级10a，10b，10c的操作状态，以便结合其它级的速度来预测一个压缩级的速度变化，而并不使每个压缩级10a，10b，10c的内部操作出现失衡且同时满足利用系统265的需求。

利用系统265的流体流需求的变化率增加了单独地调节压缩级10a，10b，10c的速度的方案的复杂性，这是因为在试图使压缩系统205适应利用系统265的操作状态变化之前执行背景计算。在确认工艺状态改变与采取动作来满足工艺需求之间可引入显著的时间延迟。此外，必须提供预定数据库用于计算控制算法，以便合理地预测在压缩系统205中存在的独立驱动的离心压缩级10a，10b，10c的适当的速度调节。

可采用一种探索型方案，在该方案中，改变半静态压缩机操作状态以便防止压缩机系统内的瞬态驱动失衡同时继续满足利用系统在排出压力和流率方面的需求。该方案可能不满足用于响应于压缩气体利用系统265的需求的压缩系统205的操作状态所需的快速变化。

本文所讨论的构造通过同步地调整每一级10a，10b，10c的暂时操作速度并且同时维持每一级10a，10b，10c的速度之间的预定恒定比例而实现压缩系统205的速度调节。这意味着同时改变每一级10a，10b，10c的速度，并且旋转速度之间的比例在任何时候都保持恒定。在一种构造中，速度比的预定值等于1。在此情况下，等于1的速度比对应于两个相关压缩级以相同的旋转速度操作的状态。在其它实施例中，比例等于不为1的其它值，这意味着两个相关压缩级以不同的旋转速度操作。

在调节动作期间，由于压缩级速度同步地变化，故速度之间的比例将保持为由压缩级的各个特征所预定的常数。但是，在控制算法中，速度比可定义为变量，其在一个压缩机构造与另一个压缩机构造之间发生变化。举例而言，对该控制方法进行特征化的一组同时约束方程可象征性地总结为如下：方程式(3a)施加以下条件，即一个压缩级相对于所有其它压缩级的速度比以及因此旋转速度变化在压缩机控制动作期间是恒定的。

·                  ΔN₁＝ΔN₁δ

·                  ΔN₂＝ΔN₂δ

          ·           (3b)     δ＝0，1      (3c)

                       ·

·                  ΔN_n＝ΔN_nδ

Abs(P_排出-P_需求)≤ε_P(恒定压力控制)   (3d)

Abs(Q_排出-Q_需求)≤ε_Q(恒定传输容量控制)    (3e)

其中：

ΔN_i＝第i级的速度变化

K_i-j＝第i级相对于第j级的速度比。速度比是数学概念上的实数。

δ＝克罗内克尔德耳塔(Kronecker delta)函数，其可被解释为表明压缩级速度变化必须同步发生的控制决策变量。

ε_P＝压力相关的误差

ε_Q＝容量相关的误差

P＝压力

Q＝容量

方程式(3b)识别旋转速度变化的同步发生，并且参考压缩级速度变化，需要在不进行速度调节时为0并且在压缩机控制时为1的变量δ。方程式(3d)和(3e)施加以下条件：速度变化在特定公差内满足压缩气体利用系统265的需求。

通过压缩级10a，10b，10c的空气动力设计来增强压缩机控制机制，压缩级10a，10b，10c的空气动力设计适应压缩级10a，10b，10c的旋转速度的同步变化并且同时确保压缩机压头、压力比和容量的稳定变化。这样的空气动力设计要素包括均匀分布的叶轮叶片负载、先进的3-D叶轮叶片形状以及3-D扩散器设计。因此，所示的构造以如下方式进行操作，即避免在压缩级的入口或排出口处的边界状态发挥约束作用，这种边界状态可能造成图3所示的喘振极限310或阻塞极限315。

图3还示出路径320，压缩过程的效率沿着该路径是恒定的。压缩级10a，10b，10c的最高效率计划出现在标称操作状态下且在附图中可由在恒定效率路径320的中央的区域表示。由于操作点Oo偏离设计点，故可保持效率的劣化最小，使得对于动态性类似的压缩级，在维持每一级的速度之间的恒定比例的同时，同步级速度变化并不使多级压缩系统205的效率显著地劣化。

而且，在空气动力方面，动态性类似的压缩级的设计允许在速度变化期间稳定地操作，而不引发瞬态的不稳定问题。压缩级10a，10b，10c的空气动力设计通过造成较大速度范围内设计最佳效率的适度劣化而增强控制系统290的性能。

而且，在多级压缩系统205中无需控制入口节流阀，从而降低了系统205的成本和复杂性。

最后，可通过同步地减小压缩级10a，10b，10c的速度并且同时维持恒定的相对速度比而实现压缩机卸载。由于止回阀280隔离压缩系统205与利用系统265，故打开排出阀285来适应压缩系统205的瞬态卸载事件。控制系统290也可允许压缩系统205在利用系统265不需要压缩系统205的操作时完全关闭。

在权利要求书中陈述了本发明的各种特征和优点。

Claims (27)

1.一种多级压缩系统，其包括：

多个离心压缩级，每个离心压缩级包括叶轮和联接到所述叶轮上的变速电动机，每个变速电动机可以以在第一速度与第二速度之间的速度进行操作；以及

控制系统，其连接到每个变速电动机上并且可进行操作来改变每个电动机的速度，每个电动机的速度同时变化使得任何两个变速电动机的速度比保持恒定。

2.根据权利要求1所述的多级压缩系统，其特征在于，流体流依次经过所述多个离心压缩级。

3.根据权利要求1所述的多级压缩系统，其特征在于，所述多个离心压缩级可彼此机械地脱开联接。

4.根据权利要求1所述的多级压缩系统，其特征在于，所述多级压缩系统还包括至少一个热交换器，所述至少一个热交换器定位成用于从所述多个离心压缩级中的至少一个离心压缩级接收流体流。

5.根据权利要求1所述的多级压缩系统，其特征在于，所述控制系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器定位成用于测量经过所述多个离心压缩级的流体流的参数。

6.根据权利要求5所述的多级压缩系统，其特征在于，所述多级压缩系统还包括布置于所述多个离心压缩级与气体利用系统之间的阀，所述阀可进行操作以从所述多级压缩系统排出所述流体流的一部分。

7.根据权利要求6所述的多级压缩系统，其特征在于，所述控制系统至少部分地响应于所述测量的参数来改变所述变速电动机的速度并且操作所述阀。

8.根据权利要求5所述的多级压缩系统，其特征在于，所述参数是压力、温度和质量流率中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的多级压缩系统，其特征在于，所述多个离心压缩级的质量流率基本上恒定。

10.根据权利要求1所述的多级压缩系统，其特征在于，所述多个离心压缩级的质量流率可响应于流体流在气体利用系统处的使用而变化。

11.根据权利要求1所述的多级压缩系统，其特征在于，所述变速电动机中的第一变速电动机以与所述变速电动机中的第二变速电动机不同的速度进行操作。

12.一种多级压缩系统，其包括：

第一离心压缩级，其包括第一叶轮和第一变速电动机，所述第一变速电动机可以以在低速与高速之间的第一速度进行操作；

第二离心压缩级，其包括第二叶轮和第二变速电动机，所述第二变速电动机可以以在低速与高速之间的第二速度进行操作，所述第一速度与所述第二速度限定第一比例；

第三离心压缩级，其包括第三叶轮和第三变速电动机，所述第三变速电动机可以以在低速与高速之间的第三速度进行操作，所述第一速度与所述第三速度限定第二比例，所述第二速度与所述第三速度限定第三比例；以及

控制系统，其可进行操作以同步地改变所述第一速度、所述第二速度和所述第三速度，使得所述第一比例、所述第二比例和所述第三比例保持恒定。

13.根据权利要求12所述的多级压缩系统，其特征在于，所述第一离心压缩级、所述第二离心压缩级和所述第三离心压缩级串联地布置。

14.根据权利要求12所述的多级压缩系统，其特征在于，所述离心压缩级可彼此机械地脱开联接。

15.根据权利要求12所述的多级压缩系统，其特征在于，所述多级压缩系统还包括定位于所述第一离心压缩级与所述第二离心压缩级之间的第一热交换器，定位于所述第二离心压缩级与所述第三离心压缩级之间的第二热交换器，以及定位于所述第三离心压缩级与气体利用系统之间的第三热交换器。

16.根据权利要求12所述的多级压缩系统，其特征在于，所述控制系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器定位成用于测量经过所述离心压缩级的流体流的参数。

17.根据权利要求16所述的多级压缩系统，其特征在于，所述多级压缩系统还包括布置于所述第三离心压缩级与气体利用系统之间的阀，所述阀可进行操作以从所述多级压缩系统排出所述流体流的一部分。

18.根据权利要求17所述的多级压缩系统，其特征在于，所述控制系统响应于所述测量的参数来改变所述第一变速电动机、所述第二变速电动机和所述第三变速电动机的速度并且操作所述阀。

19.根据权利要求16所述的多级压缩系统，其特征在于，所述参数是温度、压力和质量流率中的至少一个。

20.根据权利要求12所述的多级压缩系统，其特征在于，所述离心压缩级的质量流率基本上恒定。

21.根据权利要求12所述的多级压缩系统，其特征在于，所述离心压缩级的质量流率可响应于流体流在气体利用系统处的使用而变化。

22.根据权利要求12所述的多级压缩系统，其特征在于，所述第一速度不等于所述第二速度和所述第三速度。

23.一种控制多级压缩系统将气体输送至以可变速率使用气体的气体利用系统的方法，所述方法包括：

以第一速度操作第一离心压缩级以产生流体流；

将所述流体流引导至第二离心压缩级；

以第二速度操作所述第二离心压缩级；以及

响应于所述可变速率并且协调地改变所述第一速度和所述第二速度，使得所述第一速度与所述第二速度之间的比例保持恒定。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述流体流从所述第二离心压缩级引导至第三离心压缩级，并且以第三速度操作所述第三离心压缩级。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第一速度和所述第二速度协调地改变所述第三速度，使得所述第一速度与所述第三速度之间的第二比例和所述第二速度与所述第三速度之间的第三比例保持恒定。

26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括监控所述流体流的特性，并且响应于所述监控的特性协调地改变所述第一速度和所述第二速度。

27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一速度不等于所述第二速度。

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