KR101448864B1 - 향상된 콤프레서 제어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콤프레서의 향상에 관한 것이며, 특히 초킹(choking)의 결과로서 모터의 과부하를 회피하는 가변 속도의 다이나믹 콤프레서를 제어하는 방법에서의 향상에 관한 것이다. 따라서 본 발명은 목표 전달 압력(Pt)에서 압축된 기체를 제공하고 과도한 모터의 전력 소비를 방지하는 콤프레서 제어 방법을 포함하는데, 콤프레서는 모터 권선을 가지는 가변 속도 모터에 의해 구동되고, 여기에서 개스 유입 온도(Tin), 개스 유출 전달 압력(Pd), 모터 속도(Vm) 및 모터 권선 온도(Tmw)는 콤프레서의 작동중에 연속적으로 측정된다. 개스 유입 온도(Tin)는 미리 결정된 최대 모터 권선 온도(Tmwmax) 한계를 결정하는데 이용된다. 최대 모터 권선 온도(Tmwmax)는 최대 모터 속도(Vmmax) 한계를 설정하는데 이용된다. 최대 모터 속도(Vmmax), 목표 전달 압력(Pt) 및 개스 유출 전달 압력(Pd)은 최대 모터 속도 한계(Vmmax) 아래의 실제 모터 속도(Vm)를 제어하는데 이용된다.

Description

향상된 콤프레서 제어{Improvements in Compressor Control}

본 발명은 콤프레서의 향상에 관한 것으로서, 특히 초킹(chocking)의 결과로서의 모터 과부하를 회피하도록 가변 속도의 다이나믹 콤프레서를 제어하는 방법의 향상에 관한 것이다.

원심 콤프레서들과 같은, 가변 속도의 다이나믹 콤프레서(variable speed dynamic compressor)들은 1960 년대 이래로 공기 또는 다른 기체를 압축시키는데 이용되었다. 축에 장착된 콤프레서 블레이드들의 실린더형 조립체를 포함하는 원심 콤프레서들은 여러가지 이유로 광범위한 분야에서 이용된다. 이들은 일반적으로 에너지 효율적이고, 움직이는 부품들이 적으므로 유지 관리비가 적으며, 유사한 크기의 왕복 콤프레서 보다 항상 높은 공기 유동을 제공한다.

콤프레서의 작동 특성은 일반적으로 압력비와 체적 유량 또는 질량 유량 사이의 관계에 의해 정의된다. 그러나, 콤프레서의 유용한 작동 범위는 서지(surge), 초크(choke) 및 최대 허용 가능 콤프레서 속도에 의해 제한된다.

주어진 전달 압력(delivery pressure)에서 작동하는 가변 속도의 다이나믹 콤프레서에서, 콤프레서를 통한 공기 유량은 콤프레서의 속도를 빠르게 함으로써 증가될 수 있다. 콤프레서 속도를 빠르게 하는 것이 유량 증가를 감소시킬 때, 빠른 유동에서 초크(choke) 조건과 만나게 된다. 콤프레서의 그 어떤 지점에서의 유동이 초크 조건에 도달할 때, 더 이상의 유량 증가는 불가능하다. 이러한 조건은 압력 비율의 함수로서 최대 콤프레서 체적 유량을 나타낸다. 콤프레서 설계자들은 콤프레서의 효율을 최대화시키도록 콤프레서 작동 동안에 초크 작용 방지 방법을 찾기를 시도하였다.

공기의 유입 온도(또는 압축되고 있는 다른 기체)는 그 공기를 주어진 압력비로 압축하는데 얼마나 많은 전력이 필요한지를 결정하는데, 이는 따뜻하고 밀도 적은 공기를 압축하는 것보다, 주어진 체적의 차갑고, 밀도 높은 공기를 압축하는데 더 많은 전력이 소요될 수 있기 때문이다. 따라서 콤프레서 구동의 전력 출력이 그 속도 및 토크의 함수이며, 토크는 콤프레서 전달 압력 및 공기 유입 온도의 함수이다.

콤프레서를 구동시키는 모터의 속도 증가는 모터 전력의 증가를 필요로 하며, 이는 모터 권선 온도의 관련된 증가에 이르게 된다. 콤프레서들이 초킹되는 것을 방지하고 과도하게 높은 모터 권선 온도를 회피하기 위한 시도중에 만나게 되는 문제들중의 하나는 전력을 직접적으로 측정하는 것이 곤란하다는 점이다. 따라서 선행 기술의 한가지 접근 방식은 콤프레서를 고정된 속도 및 전력 한계내에서 가동시키는 것이다. 이러한 한계들이 깨지는 경우에 개입이 필요하며, 한계들에 도달되었을 때 기계를 정지시킴으로써 궁극적인 보호가 제공된다. 그러나 이것은 보통의 상업적인 콤프레서에서는 명백히 수용될 수 없는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 모터 과부하를 회피하는 것에 의한 초킹(choking)의 방지 수단으로서 다른 파라미터들의 측정을 이용하여 전력을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

따라서 본 발명은 압축 개스를 목표 전달 압력에서 제공하고 과도한 모터 전력 소비를 방지하는 콤프레서의 제어 방법을 제공하는데, 상기 콤프레서는 모터 권선을 가지는 가변 속도 모터에 의해 구동되는 것이고,

개스 유입 온도, 개스 유출 전달 압력, 모터 속도 및 모터 권선 온도는 콤프레서의 작동중에 연속적으로 측정되고;

개스 유입 온도는 미리 정해진 최대 모터 권선 온도 한계를 결정하는데 이용되고;

최대 모터 권선 온도는 최대 모터 속도 한계를 설정하는데 이용되고;

최대 모터 속도, 목표 전달 압력 및 개스 유출 전달 압력은 최대 모터 속도 한계 아래의 실제 모터 속도를 제어하는데 이용된다.

본 발명에서는 모터 과부하를 회피하는 것에 의한 초킹(choking)의 방지 수단으로서 다른 파라미터들의 측정을 이용하여 전력을 제어할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 하나의 예로서만 설명될 것이다.
도 1 은 콤프레서의 작동을 제어하는 본 발명의 제어 유닛에 의해 이용되는 2 중 PID 루프의 개략적인 도면이다.
도 2 는 상이한 유입 공기 온도들에 대한 모터 권선 온도/전력을 나타내는 그래프이다.
도 3 은 모터 권선 온도/공기 유입 온도를 도시하는 그래프이다.

본 발명에서, 원심 콤프레서와 같은 다이나믹 콤프레서(dynamic compressor)는 변속 모터에 의해서 구동되며, 그 작동은 제어 유닛에 의해 제어된다. 인간 대 기계 인터페이스(human machine interface; HMI)는 특정의 파라미터들이 미리 설정될 수 있도록 제공된다.

콤프레서의 목적은 공기 수요에 맞는 비율(rate)에서 주어진 전달 압력(P_d)으로 공기(또는 다른 개스)를 공급하는 것이다. 이를 달성하도록 콤프레서의 속도 및, 따라서 유출 유동이 변화된다. 콤프레서를 보호하도록, 구동 모터의 권선 온도(winding temperature), 전력 및 속도에 대하여 특정의 최대 한계들이 설정된다. 최대 속도(V_max)는 콤프레서의 작동을 미리 설정된 한계내에 유지하는 것이고, 최저 속도(V_min)는 콤프레서가 서지 지점(surge point)에 도달하고 콤프레서가 부하를 이탈하여 전달 압력(P_d)을 감소시킬 때 이용된다. 이러한 값들은 하나의 특정한 콤프레서 및 모터의 조합에 대한 작업예로서 주어진다는 점이 주목되어야 한다. 이들은 물론 콤프레서에 따라서 그리고 모터에 따라서 변화될 것이다.

본 발명에서, 제어 유닛은 도 1 에 도시된 바와 같은 2 중 비례-적분-미분(double proportional-integral-derivative;PID) 루프를 이용하여 프로그램되며, 그 개별 루프들은 아래에 설명될 것이다.

압력 제어

제 1 PID 루프는 제어 입력으로서의 측정된 전달 압력(P_d) 및 제어 출력으로서의 모터 속도(V_m)를 이용한다. 이러한 PID 루프는 도 1 에서 하부 부분에 도시되어 있다. P 항 및 I 항( D 항은 실제로 필요하지 않다)은 HMI 에서 설정되고, 측정된 전달 압력(P_d)은 목표(소망) 압력(P_t)(또한 HMI 에서 설정된)과 비교된 과정 변수이다. 만약 전달 압력(P_d)이 목표 압력(P_t)을 초과하면, 모터 속도(V_m)는 PID 방정식에 따라서 감소된다. 전달 압력(P_d)이 목표 압력(P_t) 아래로 강하하면, 모터 속도(V_m)는 최대 모터 속도(V_mmax)로 증가된다.

최대 속도 제어

측정된 모터 권선 온도(T_mw)는 모터의 최대 속도 한계(V_max)(제어 출력)를 조절하도록 제 2 PID 루프에서 제어 입력(과정 변수)으로서 이용되며, 그에 의해서 모터 권선 온도(T_mw)를 미리 설정된 한계내에 유지한다. 이러한 제 2 루프는 도 1 에서 상부 부분에 도시되어 있다. P, I 및 D 항들도 HMI 에서 설정되며 측정된 모터 권선 온도(T_mw)는 최대 모터 권선 온도(T_mwmax)와 비교되는 과정 변수(process variable)이다. 이것은 최대 가능 모터 속도(V_mmax)가 필요한 전달 압력(P_d)을 유지할 수 있게 한다.

최대 전력 제어

이전에 설명된 바와 같이, 특정한 수요 상황을 충족시키는데 필요한 모터 전력(W_m)은 유입 공기 온도(T_in)에 달려있다. 최대 모터 권선 온도(T_mwmax)는 공기 유입 온도(T_in)의 함수이므로, 모터 전력(W_m)은 모터 권선 온도(T_mw)를 이용하여 제어될 수 있다.

본 발명에서 임의의 유입 온도(T_in)에 대한 최대 모터 권선 온도(T_mwmax)는 개념 증명(proof of concept; POC) 유닛으로부터 도출되고 다양한 압력 및 온도 조건들에서의 정상 상태(steady state) 측정을 이용하여 도 2 의 그래프를 그리는데 이용된다. 주어진 공기 유입 온도(T_in)에 대하여 이러한 그래프는 모터 전력(W_m)과 모터 권선 온도(T_mw) 사이에 선형의 관계가 있다는 것을 나타낸다. 더욱이, 필요한 전력(W_m)은 공기 유입 온도(T_in)와 선형으로 감소된다.

또한 도 2 에 도시된 바와 같이 2 개의 고정된 한계들이 존재한다. 이들은 기계의 물리적인 설계에 의해 한정되며, 설계 최대 모터 권선 온도(T_mwdes) 및 설계 최대 모터 전력(W_mdes)이다.

도 2 의 그래프는 최대 설계 전력(W_mdes)에서 mT 대(對) T_in 를 그림으로써 도 3 의 곡선을 그리는데 이용된다. 최대 설계 온도와 전력의 교차점 위의 유입 온도에서, 최대 온도(mT)는 최대 설계 온도(T_mwdes)에 의해 제한되고 유입 온도(T)는 영향을 가지지 않는다. 따라서 최대 권선 온도(T_mwmax)의 값은 다음의 공식으로부터 K_t 아래의 T_in 에 대하여 계산될 수 있다:

T_mwmax = m.T_in + c

여기에서 m 은 곡선의 경사도이고 공기 유입 온도(T_in)에 달여 있으며, C 는 도 2 에서 최대 설계 온도와 유입 온도(K_t)의 교차에 달려 있는 상수이다.

도 3 으로부터 주목될 수 있는 바로서, 미리 설계된 한계값내에서 유지되도록, K_t (13°C)를 초과한 경우에 한계 파라미터인 것은 권선 온도이고, K_t (13°C) 미만인 경우에, 한계 파리미터인 것은 전력(W_m) 이다. 그러나, 곡선들의 근사한 선형 특성이 주어지고 T_mw/W_m 가 온도 K_t (13°C)를 가로지른다면, 여전히 다른 온도들에서 절대 최대값을 유지하면서, 낮은 온도에서의 최대 모터 권선 온도(T_mwmax)는 공기 유입 온도(T)에 비례하여 감소될 수 있다. 따라서,

따라서 본 발명은, 최대 권선 온도(T_mwmax)에서의 감소가 최대 속도(V_mmax)에서의 감소를 야기할 것이고 그것이 모터의 실제 속도(V_m)의 감소를 초래하고, 따라서 전력(W_m)을 제어하는 효과를 가진 실제 권선 온도(T_mw)를 제어하게 되는 원리에 기초한다. 따라서 PID 제어 루프들은 도 1 에 도시된 바와 같이 조합되어, 작업자가 초킹(choking)을 방지할 수 있는 모터 전력(W_m)의 전체적인 제어를 제공한다. 제 1 루프는 모터의 속도를 제어하고 따라서 콤프레서 속도(V_m)를, 제 2 루프에 의해 계산되는 최대 속도 한계(V_max)까지 제어한다. 측정된 모터 권선 온도(T_MW)는 제 2 루프로 공급되고, 제 2 루프는 그것을 측정된 유입 온도(T_in)에 기초하여 계산된 최대 모터 권선 온도(T_mwmax)와 비교하여, 제 1 루프로 다시 공급되는 최대 작동 속도(V_max)를 제공한다.

본 발명의 방법은 정상 상태 측정들에 기초하고 있으며 점검 조건(run up condition)에서는 적용될 수 없다. 그러나, 전력 제한이 주로 모터 권선 온도 또는 초크 조건(choke condition)을 제어하는 것이라면, 이것은 문제가 아닐 수 있다. 만약 VFD 가변 주파수 구동 전류 한계에 의해 해결되지 않는, 가속에 기인한 다른 제한이 있다면, 램프 업 시간(ramp up time)은 가변 주파수 구동에서 조절될 필요가 있을 것이다.

W_m. 모터 전력 T_in, 유입 공기 온도
T_mw. 모터 권선 온도 T_mwmax. 최대 모터 권선 온도

Claims (5)

1. 목표 전달 압력(target delivery pressure)에서 압축 개스를 제공하고 과도한 모터 전력 소비를 방지하는 콤프레서의 제어 방법으로서, 콤프레서는 모터 권선(motor windings)을 가진 가변 속도 모터에 의해서 구동되고,
   개스 유입 온도, 개스 전달 압력(gas delivery pressure), 모터 속도 및 모터 권선 온도는 콤프레서의 작동중에 연속적으로 측정되고;
   개스 유입 온도는 미리 정해진 최대 모터 권선 온도를 결정하는데 이용되고;
   최대 모터 권선 온도는 최대 모터 속도를 설정하는데 이용되고;
   최대 모터 속도, 목표 전달 압력 및 개스 전달 압력은 최대 모터 속도 아래의 실제 모터 속도를 제어하는데 이용되는, 콤프레서의 제어 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   개스 유출 전달 압력은 제어 입력으로서 2 중 PID 루프의 제 1 루프로 공급되고, 제 1 루프의 제어 출력은 모터 속도인, 콤프레서의 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   측정된 모터 권선 온도는 제어 입력으로서 2 중 PID 루프의 제 2 루프로 공급되고, 제 2 루프의 제어 출력은 최대 모터 속도인, 콤프레서의 제어 방법.
5. 삭제

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