一种汽电双驱的压缩机系统及控制方法与流程
本发明涉及压缩机控制领域，尤其涉及一种汽电双驱的压缩机系统及控制方法。
背景技术
近年来，随着能源的日益枯竭、全球气候日益变暖，节能减排已经成为了各个国家一项刻不容缓的工作。
现阶段使用的压缩机的驱动方式主要依靠电力驱动。关于压缩机电量消耗大，成本居高不下的问题，一直都是压缩机用户最大的生产负担之一。虽然，随着科学技术的不断发展革新，业内已尝试通过变频技术节约用电量，但受到不同工况的限制，变频技术对用户实际节电量的作用很难达到预想效果。因此如何实现真正有效的节约压缩机用电量，已成为业内的热点问题。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供一种汽电双驱的压缩机系统及控制方法，可大幅降低压缩机的用电量，节能减排。
本发明的第一个方面，提供一种汽电双驱的压缩机系统，压缩机本体；
变频电动机，所述变频电动机通过第一联轴器与所述压缩机本体连接，所述变频电动机用于带动所述压缩机本体进行空负荷启动；
汽轮机及超越离合器，所述汽轮机通过所述超越离合器与所述压缩机本体相连，所述汽轮机利用富余蒸汽工作，所述超越离合器在所述汽轮机的工作转速大于或等于所述压缩机本体的工作转速时啮合，并在所述汽轮机的工作转速小于所述压缩机本体的工作转速时脱开，以使所述汽轮机与所述变频电动机协同驱动所述压缩机本体；
透平压缩机综合控制系统ccs控制器，所述ccs控制器分别与所述压缩机本体、所述汽轮机及所述变频电动机相连，所述ccs控制器用于控制所述压缩机本体、所述汽轮机及所述变频电动机的调节工作。
本发明的第二个方面，提供一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法，用于上述的汽电双驱的压缩机系统，所述控制方法包括：
接收启动指令；
控制所述压缩机系统的变频电动机以预设启动转速运行，以使压缩机本体启动，以及控制汽轮机以预设启动频率升速运行；
当所述汽轮机的工作转速大于或等于所述压缩机本体的工作转速时，触发超越离合器啮合，接收所述超越离合器的啮合信号，控制所述汽轮机带动所述压缩机本体负载运行；
当所述汽轮机的工作转速小于所述压缩机本体的工作转速时，触发所述超越离合器脱离，接收所述超越离合器的脱离信号，控制所述汽轮机升速运行，以使所述汽轮机的工作转速大于或等于所述压缩机本体的工作转速，使所述汽轮机带动所述压缩机本体工作。
本发明提供的汽电双驱的压缩机系统，采用ccs控制器控制变频电动机和汽轮机协同驱动压缩机系统工作，并且汽轮机利用富余蒸汽工作，减少了电能的消耗，节约了使用成本。
附图说明
图1示出了本发明实施例的一种汽电双驱的压缩机系统的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的一种汽轮机调速装置的结构示意图；
图3示出了本发明实施例的一种汽轮机转速调节逻辑示意图；
图4示出了本发明实施例的一种汽轮机调速装置的反馈调节示意图；
图5示出了本发明实施例的一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法的流程示意图；
图6示出了本发明实施例的另一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法的流程示意图；
图7示出了本发明实施例的再一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例的第一个方面，提出了一种汽电双驱的压缩机系统，图1示出了本发明实施例的一种汽电双驱的压缩机系统的结构示意图。如图1所示的压缩机系统包括：压缩机本体10；变频电动机20，变频电动机20通过第一联轴器30与压缩机本体10连接，变频电动机20用于带动压缩机本体10进行空负荷启动；汽轮机40及超越离合器50，汽轮机40通过超越离合器50实现与压缩机本体10相连，汽轮机40利用富余蒸汽工作，超越离合器50在汽轮机40的工作转速大于或等于压缩机本体10的工作转速时啮合，并在汽轮机40的转速小于压缩机本体10的工作转速时脱开，以使汽轮机40与变频电动机20协同驱动压缩机本体10；透平压缩机综合控制系统ccs控制器，ccs控制器分别与压缩机本体10、汽轮机40及变频电动机20相连，ccs控制器用于控制压缩机本体10、汽轮机40及变频电动机20的调节工作。
在上述实施例中，压缩机系统采用汽电双驱的驱动方式，即通过变频电动机20和汽轮机40两个驱动机驱动压缩机本体10工作，具体为：变频电动机20通过第一联轴器30与压缩机本体10连接，变频电动机20在压缩机系统的启动过程中，带动压缩机本体空载启动；汽轮机40通过超越离合器50与压缩机本体10相连，超越离合器采用性能可靠的sssgearslimited提供encasedpressurelubricatedclutch(箱体式压力润滑油离合器)，汽轮机40利用富余蒸汽工作，富余蒸汽通过阀门组80进入汽轮机40，超越离合器50在汽轮机40的工作转速大于或等于压缩机本体的工作转速时啮合，此时汽轮机40作为主驱动机带动压缩机本体10工作，以及超越离合器50在汽轮机40的工作转速小于压缩机本体的工作转速时脱离开，此时变频电动机20作为主驱动机带动压缩机本体10工作，这样通过超越离合器的啮合或脱离使汽轮机40和变频电动机20协同驱动压缩机本体工作；压缩机系统还包括ccs控制器(图中未示出)，ccs控制器用于控制压缩机本体10、汽轮机40及变频电动机20的调节工作，使汽轮机40和变频电动机20协同驱动压缩机本体10工作。
本发明的汽电双驱的压缩机系统，采用ccs控制器控制变频电动机20和汽轮机40协同驱动压缩机系统工作，并且汽轮机40利用富余蒸汽工作，减少了电能的消耗，节约了使用成本。
在本发明的一个实施例中，优选地，压缩机系统还包括：变速箱70，变速箱70的一端通过第一联轴器30与变频电动机20连接，变速箱70的另一端通过第二联轴器60与压缩机本体10连接，变速箱70用于调节变频电动机20向压缩机本体10传递的转速。
在上述实施例中，压缩机系统还包括变速箱70，变速箱70的两端分别连接第一联轴器30以及第二联轴器60，变速箱70用于使变频电动机20的转速以一定倍数传递到压缩机本体10上，使超越离合器50迅速达到啮合条件，能够快速的啮合，从而利用汽轮机40带动压缩机本体10工作，节约电能。
在本发明的一个实施例中，优选地，压缩机系统还包括：分别与汽轮机、ccs控制器连接的汽轮机调速装置；图2示出了本发明实施例的一种汽轮机调速装置的结构示意图。图3示出了本发明实施例的一种汽轮机转速调节逻辑示意图。图4示出了本发明实施例的一种汽轮机调速装置的反馈调节示意图。如图2所示的汽轮机调速装置包括：依次连接的电液转换器41、错油门滑阀42、调节阀43、油动机44；汽轮机调速装置用于调节汽轮机40的进汽量，其中，当汽轮机40蒸汽的主力矩小于压缩机本体10转子的反力矩时，ccs控制器触发汽轮机40调速装置开大调节阀43提高汽轮机40的进汽量。
在上述实施例中，如图2至图4所示，当汽轮机40蒸汽的主力矩小于压缩机本体10转子的反力矩时，ccs控制器控制汽轮机操作台发送升速信号，电液转换器41的二次油压带动错油门滑阀42随之上移，这时错油门上的油口与压力油管连通，而下部的油口则与排油口相通。压力油经过油口进入油动机44的上腔室，下腔室的压力油排出，油动机44活塞在上下两侧油压差的作用下，油动机活塞与调节阀43一起向下移动，开大调节阀43，使进汽量增加，使汽轮机40转速上升。油动机活塞下移的同时，反馈机构使杠杆又下移，使错油门滑阀42下移到原来的中间位置，重新切断了通往油动机的油路，油动机44活塞和调节阀43就停止了下移，转速控制模块将根据转速传感器所测的汽轮机的工作转速以及转速给定值，控制汽轮机调速装置的电液转换器调节进汽量，从而实现汽轮机的转速调节，调节系统处于稳定状态。
在本发明的一个实施例中，优选地，压缩机系统还包括：分别与变频电动机20、ccs控制器连接的变频器；变频器用于调节变频电动机20的转速，其中，在压缩机系统升速运行过程中，若变频电动机20的运行频率低于基频以下，则ccs控制器触发变频器提高变频电动机20的转速。
在上述实施例中，压缩机系统还包括变频器(图中未示出)，变频器与变频电动机20和ccs控制器连接，用于通过改变变频电动机20的运行频率调节电动机的工作转速，在压缩机系统升速过程中，若变频电动机20的运行频率低于基频以下时，双驱动机组的转速调节能够实现升速调节。ccs控制器输出升速信号给变频器，变频器调节变频电动机20转速，使变频电动机20的转速升高。此时，由于汽轮机40进汽量没有变化也未收到汽轮机升速信号，所以汽轮机40的转速低于压缩机的转速，超越离合器50起作用，汽轮机40与压缩机本体10脱开。由于汽轮机40之前是带载状态，突然空载，汽轮机40就会以超速状态迅速升转速，待汽轮机40转速与机组同转速时，超越离合器50啮合。这时，通过汽轮机调速装置调节汽轮机40的转速，使压缩机系统逐渐趋于稳定运行状态。
在本发明的一个实施例中，优选地，压缩机系统还包括：与ccs控制器连接的数据记录装置和数据分析装置，数据记录装置用于记录压缩机系统的调节数据；数据分析装置用于根据调节数据、压缩机本体的运行数据、汽轮机的运行数据及变频电动机的运行数据，分析压缩机系统的电量消耗信息。
在上述实施例中，数据记录装置和数据分析装置与ccs控制器相连，数据记录装置用于记录压缩机系统的调节数据，数据分析装置根据数据记录装置所记录的数据和压缩机本体10、变频电动机20及汽轮机40的运行数据，分析本发明的汽电双驱的压缩机系统的耗电信息，以及与只用电动机驱动的压缩机系统相比，能够节约的电量。
本发明实施例的第二个方面，提出了一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法，用于上述的汽电双驱的压缩机系统，图5示出了本发明实施例的一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法的流程示意图。如图5所示的控制方法包括：
s101，接收启动指令；
s102，控制压缩机系统的变频电动机以预设启动转速运行，以使压缩机本体启动，以及控制汽轮机以预设启动频率升速运行；
其中，启动压缩机组时用电动机做为原动机，电动机带动压缩机进行空负荷启动。通过变频器调节使机组稳定运行在设定转速，此时电动机的转速近似于同步转速，电动机的电流近似于励磁电流。同时汽轮机空载启动，缓慢升速快速经过临界区。
s103，当汽轮机的工作转速大于或等于压缩机本体的工作转速时，触发超越离合器啮合，接收超越离合器的啮合信号，控制汽轮机带动压缩机本体负载运行；
其中，当汽轮机转速等于或高于压缩机工作转速时，超越离合器啮合，此时超越离合器给ccs控制器发出一个啮合信号，ccs控制器控制汽轮机加速转动，带动压缩机本体负载运行。
s104，当汽轮机的工作转速小于压缩机本体的工作转速时，触发超越离合器脱离，接收超越离合器的脱离信号，控制汽轮机升速运行，以使汽轮机的工作转速大于或等于压缩机本体的工作转速，使汽轮机带动压缩机本体工作。
其中，根据汽轮机转子运动方程式：
当mt(汽轮机蒸汽的主力矩)小于mc(压缩机转子的反力矩)时，汽轮机转速开始下降，汽轮机的调速装置开始开大汽轮机进汽调节阀提高汽轮机的转速，当mt＝mc时机组处于稳定工况。
在此过程中由于加负荷，电动机加负载的那一瞬间，转子所产生的电磁转矩小于负载转矩，转子也减速旋转，随着转子转速的下降，转速差增大，转子导体中的感应电动势和转子电流也将增大，于是电动机的电磁转矩随之增大。电动机也开始对机组做功。此时若压缩机的转速大于汽轮机的转速，由于超越离合器的作用，汽轮机将脱离开，汽轮机脱离的瞬间，汽轮机的由带载状态突然变成空载状态，汽轮机将处于超速状态转速突增，待汽轮机转速等于或高于压缩机转速时超越离合器啮合，汽轮机开始做功，电机转子电流下降，机组由此慢慢进行加负荷运行并入管网向系统送气。
本发明的控制方法，在压缩机系统工作过程中，根据超越离合器的工作状态控制汽轮机和变频电动机工作，实现汽、电两种动力的自动切换，减少用户用电负荷并达到蒸汽平衡的同时满足用户生产工艺需要。
在本发明的一个实施例中，优选地，控制压缩机本体负载运行，具体包括：控制压缩机以第一预设速度关闭防喘振阀门，以第二预设速度打开出口调节阀，以及以第三预设速度打开入口调节阀。
在上述实施例中，ccs控制器收到啮合信号后，控制压缩机缓慢关闭防喘振阀门，微开入口调节阀和全开出口调节阀，使压缩机逐渐增加负载，避免压缩机负载突然增大导致压缩机系统不稳定。
图6示出了本发明实施例的另一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法的流程示意图。如图6所示的控制方法包括：
s201，接收升速指令；
s202，根据升速指令，控制电动机升速运行，并在汽轮机的工作转速小于压缩机本体的工作转速，触发超越离合器脱离时，接收超越离合器的脱离信号，控制汽轮机升速运行，以使汽轮机的工作转速大于或等于压缩机本体的工作转速，使汽轮机带动压缩机本体工作。
在上述实施例中，若汽轮机的转速高于电动机的转速，根据三相异步电动机特性可知转子转速n2低于旋转磁场的转速，同步转速的公式为
转差率s，
电动机的工作范围0＜s＜1也就是转子转速略小于同步转速。如果汽轮机带动电动机，使其转速n2高于旋转磁场转速，转差率为“-”值，此时旋转磁场也切割转子导体，只是相对关系与电动机工作状态相反，此时的电磁力矩是制动性质的，汽轮机必须克服这个制动力矩才能使转子旋转，而在这个过程中汽轮机做了功，它提供电机轴上的机械能变为定子绕组输向电力系统的电能，这时的电动机就变成了发电机工作状态，其有功功率从汽轮机来，这种发电对电网有反作用的危险，容易引起电网的波动甚至跳闸。因为周期性的不可控的发电能量向电网反馈，会造成电网的谐波增加，电动机向电网馈电的质量无保证，电网的功率因数受到破坏。另外如果需要异步电动机做为发电机，在设计异步电动机的时候其额定功率和额定电压就会高于只用于异步电动机的额定功率和额定电压。并且为了向电网输送电能，也需要另外考虑比如电子装置回馈电网等装置，而不是电机直接馈电。因此，电动机不可发电，根据电动机性能原理只要保证转子的转速小于同步转速也就是转差率s大于零而小于1。所以为了保证机组的稳定性，转速的调节应通过变频调节电动机为主，汽轮机转速调节为辅的调节方式进行。
若电动机的运行频率低于基频以下时，双驱动机组的转速调节能够实现升速调节。ccs控制器调节电动机转速，使电动机的转速升高。由于汽轮机进汽量没有变化也未收到汽轮机升速信号，所以汽轮机的转速低于压缩机的转速，超越离合器起作用，汽轮机与电动机和压缩机机组脱开。由于汽轮机之前是带载状态，突然空载，汽轮机就会以超速状态迅速升转速，待汽轮机转速与机组同转速时，超越离合器啮合。
ccs控制器给汽轮机调速信号，转速的给定值可比压缩机转速高几转，汽轮机调节系统收到升速信号，控制汽轮机加大进汽量运行，此时，由汽轮机驱动压缩机本体工作，调节压缩机系统处于新的稳定状态。
在ccs控制器给汽轮机调速信号之前，电动机作为驱动机，ccs控制器给汽轮机调速信号后，mt主力矩增加，直到与负载的反力矩mc相等，汽轮机作为主动方做功，电动机转子侧电流为零，根据磁通势平衡方程式
f1+f2＝f0
负载时主磁通在转子中产生的感应电流所建立的转子磁通势总是力图削弱主磁通。为此，增加负载后的定子电流i1，其建立的磁通势f1有两个分量：一个是励磁分量f0，用来产生主磁通；另一个是负载分量-f2，用来抵消转子磁通势f2的去磁作用，以保证主磁通基本不变。异步电动机就是通过磁通势平衡关系，使点路上无直接联系的定、转子电流有了关联。这个f2相对于转子来说是一个旋转的磁通势。
由转子频率
f2＝sf1
相对于转子的转速为
又因转子本身以转速n2旋转，所以f2的空间转速，即相对于定子的转速为
所以，不论转子本身转速如何，由转子电流建立的转子旋转磁通势f2与定子电流建立的旋转磁通势f1在空间以同样大小的转速向同一方向旋转。
虽然汽轮机做为主驱动机时，电动机的转子一样做相同高速旋转，但是由于电动机的转子电流几乎为零，电动机相当于空载运行，所以电动机的定子电流就只有励磁电流，因此，节约了大量电能。
在本发明的一个实施例中，优选地，控制变频电动机升速运行，具体包括：控制变频电动机的变频器调节电动机的运行频率，以调节变频电动机的工作转速；或控制压缩机本体的工作转速，以使变频电动机实现串级调节。
在上述实施例中，由于变频电动机与压缩机本体通过变速箱连接，因此，为了实现调节变频电动机转速的效果，可以通过调节电动机变频器的工作频率，也可以调节压缩机的转速，即调节压缩机入口压力或流量的设定值实现变频电动机的串级调节。
图7示出了本发明实施例的再一种汽电双驱的压缩机系统的控制方法的流程示意图。如图7所示的控制方法包括：
s301，接收降速指令；
s302，控制汽轮机降速运行；
其中，若管网压力降低或入口流量降低时需要降低机组的转速，降低机组的转速首先需要快速降低汽轮机的转速，ccs控制器发出降低汽轮机转速的调节信号，汽轮机调节机构收到信号关小汽轮机入口调汽阀。
s303，当汽轮机的工作转速小于压缩机本体的工作转速，触发超越离合器脱离时，接收超越离合器的脱离信号，并根据降速指令，控制电动机工作；
其中，当汽轮机的工作转速小于压缩机本体的工作转速，汽轮机脱离开超越离合器，由于汽轮机的脱开，电动机转子电流增大，根据转子电流公式
式中e2为转子不动(s＝1)时的转子绕组感应电动势有效值，x2为转子不动时的每相漏电抗。
由于转子感应电动势e2s和转子电抗x2s都与转差率s成正比，不难得出转子电流将随s增大而增大。
根据公式电磁转矩tem＝
式中u1为电动机定子相电压有效值，f1为电动机定子电源频率，r1为电动机定子每项绕组电阻值，r′2电动机转子每项绕组电阻值，x1σ为电动机定子每相漏电抗，x′2σ为电动机转子每相漏电抗，s为电动机转差率。
当电动机带负载的瞬间，转子所产生的电磁转矩小于负载转矩，转子减速旋转而旋转磁场的同步转速n1是恒定的，随着转子转速n2的下降，转子与旋转磁场间的转速差增大，转子导体中的感应电动势和转子电流也将增大，于是电动机的电磁转矩随之增大，直至电磁转矩等于负载转矩时，转子就不再减速，电动机运行在新的平衡状态。
s304，当汽轮机的工作转速大于或等于压缩机本体的工作转速，触发超越离合器啮合时，接收超越离合器的啮合信号，并根据降速指令，控制汽轮机升速运行，以使汽轮机的工作转速大于或等于所述压缩机本体的工作转速，使汽轮机带动所述压缩机本体工作。
其中，电动机运行平衡后，变频器接收ccs控制器的调速信号，降低电动机的转速从而满足工艺管网的压力要求或远离喘振区。由于汽轮机脱离开机组空载运行，通过ccs控制器调节汽轮机转速并高于或等于压缩机转速时超越离合器啮合，汽轮机作为主要原动机带动整个机组运行，此时电动机转子电流下降，根据磁通势平衡,电动机空载时定子磁通主要就是励磁分量，所以定子电流就相当于励磁电流。
电机空载时的励磁电流一般是额定电流的20-40％，为了减小电动机空载时的励磁电流，通过电机定子主磁通公式：
通过变频器适当调整
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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