串聯(lián)的徑向或渦輪壓縮機(以下稱為壓縮機)用于克服或產(chǎn)生大的壓力差(以1巴的級別)。

這樣的壓縮機(特別是渦輪壓縮機)在現(xiàn)有技術中是已知的，并且典型地具有軸，所述軸具有直接連接至軸的至少一個葉輪(壓縮機輪)或轉子葉片，在軸的旋轉期間通過所述葉輪或轉子葉片壓縮流體。在本發(fā)明的上下文中，壓縮機的轉速被理解為是指每單位時間該軸關于該軸的軸線的完整旋轉(360°)的數(shù)量。壓縮機(諸如渦輪壓縮機)具體地被細分為徑向壓縮機和軸向壓縮機。在徑向壓縮機的情況下，流體軸向地流動至軸并且在徑向向外的方向上偏轉。然而，在軸向壓縮機的情況下，待壓縮的流體在平行于軸的方向上流過壓縮機。

通過調(diào)節(jié)壓縮機的轉速，在第一壓縮機處控制流體的進口壓力，即，在串聯(lián)的最上游壓縮機的進口處的壓力。這也特別地決定了第一壓縮機下游的其他壓縮機的相應進口處的進口狀況。進口狀況由相應壓縮機的進口點處的壓力和溫度決定。自始至終，壓縮機處的相應進口狀況與前一壓縮機出口處的流體的相應狀況一致。這導致壓縮機的轉速變化也總是影響著串聯(lián)的其它壓縮機的流體入口的進口狀況。

對于低溫系統(tǒng)，即，對于設計成用于非常低的溫度(1.5K-100K)的冷卻系統(tǒng)，在這種情況下特別是對于1.5K至2.2K之間的溫度，對入口壓力進行控制允許達到對于吸入側上(即壓縮機從其中吸入氣相(蒸氣)的側)的冷液體的期望飽和溫度。在串聯(lián)壓縮機(但對于單個壓縮機也是如此)的壓縮過程期間，串聯(lián)的輸出處的壓力以及流過壓縮機的流體的溫度被增大(多變壓縮過程)。為了緩和運行點波動的影響，使用所謂的約減變量(reduced variable，折合變量)，諸如在控制期間通過壓縮機的約減質量流或壓縮機的約減轉速。為了計算這些約減變量，需要這樣的度量值：(即，例如壓縮機的質量流或轉速)、壓縮機的溫度、壓力以及設定值(或甚至規(guī)格)。設定值是壓縮機以最大效率(最經(jīng)濟的方式)運行的壓縮機運行狀況。壓縮機具有例如關于相應壓縮機的轉速、溫度以及壓力的設定值。目的是以接近其規(guī)格來操作串聯(lián)的壓縮機。

通常，在這種低溫制冷系統(tǒng)的啟動期間，壓縮機系列的吸入側上的流體最初被冷卻得非常多(例如，從300K到4K)。這可以在大氣壓(即1巴)下發(fā)生。然后經(jīng)由抑制實現(xiàn)較低的溫度。這個過程也稱為冷卻。通過啟動壓縮機系列而發(fā)生系統(tǒng)的吸入側上的壓力降低。其特別是用于進一步降低流體上方的溫度(抽空)。在流過例如三個或四個壓縮機的壓縮機系列期間，由于壓縮過程，流體的溫度升高落在大約4K到23K的范圍內(nèi)。

假若串聯(lián)的壓縮機沒有在運行中，即如果沒有發(fā)生壓縮，則壓縮機系列出口處的質量流的溫度為4K，如下文將解釋的，其可能是有問題的。位于壓縮機系列下游的用于冷卻并行的質量流的熱交換器可以例如被設計為用于23K。然而，如果來自壓縮機系列的4K的冷質量流已經(jīng)對這種熱交換器灌注了較長的時間段，則熱交換器內(nèi)部的并行質量流被冷卻得非常多。由于在下游，該并行的質量流僅通過渦輪機膨脹，因此可能在渦輪機內(nèi)部發(fā)生并行的質量流的冷凝。為了避免這種冷凝，關閉渦輪機，因而暫時中斷冷卻過程。這些運行狀況應被避免并且被稱為系統(tǒng)的跳閘。另一方面，如果壓縮機與系統(tǒng)同時啟動并因此壓縮流體，由于系統(tǒng)仍然是溫熱的，所以來自吸入側的溫熱流體流過壓縮機。在這些溫度下，流體的氣體密度非常低。由于預定期望壓力是例如20毫巴，壓縮機在吸入側會體現(xiàn)出非常高的轉速。然而，高的氣體溫度意味著壓縮機快速達到其最大轉速。高轉速的原因一方面是低的預定期望壓力，另一方面是在壓縮機處的相對高的溫度。在最壞的情況期間，會造成超速。超速是壓縮機沒有設計用于其中的轉速，因此應當避免。因此，在并行的冷卻和抽空期間，應當重復地中斷壓縮機系列中的流體壓縮，以使得壓縮機中的溫度不能升高太多。如上所述，溫度也一同并入約減控制變量(諸如約減轉速)。這意味著壓縮機處溫度的升高導致約減轉速的增大。因此，期望處理用于壓縮機系列的進口的溫度控制，特別是對于冷卻和/或抽空階段，這確保了在冷卻的同時不間斷地抽空。

通過根據(jù)本發(fā)明的方法解決這個問題。貫穿全文提供以下步驟：

-檢測每個壓縮機的實際轉速，其中實際轉速是壓縮機的當前轉速，

-檢測系列的最上游、第一壓縮機的入口處的實際入口壓力和實際入口溫度，其中，所述系列的流動方向(具體地從壓縮機吸入側開始)指向增大的壓力，且其中實際入口溫度和實際入口壓力特別地為第一壓縮機的入口處的當前溫度和/或當前壓力，

-設定系列的每個壓縮機的最大轉速和系列的第一壓縮機的期望入口壓力，其中最大轉速是相應壓縮機的最大允許轉速，在該最大允許轉速下確保相應壓縮機的穩(wěn)定運行，且其中期望入口壓力對應于第一壓縮機的入口處的所期望的壓力，

-根據(jù)每個壓縮機的最大轉速和實際轉速確定系列中的每個壓縮機的轉速指數(shù)(index)，

-根據(jù)實際入口壓力與期望入口壓力的偏差確定比例值，

-根據(jù)以下兩個值中較小的值確定優(yōu)先級值：

系列的所有壓縮機的比例值和最小轉速指數(shù)(優(yōu)選地，優(yōu)先級值等于這兩個指出的值中的較小值)

-根據(jù)優(yōu)先級值確定系列中的第一壓縮機的期望入口溫度以及每個壓縮機的期望轉速，

-相對于檢測到的期望入口溫度調(diào)節(jié)第一壓縮機的實際入口溫度，

-相對于檢測到的期望轉速調(diào)節(jié)每個壓縮機的實際轉速。

比例值特別地與期望入口壓力和實際入口壓力之間的差成比例：

prop＝-k(p_期望-p_實際)

其中，k為比例因子。

因此，優(yōu)先級值主要確定這兩個值(比例值或最小轉速指數(shù))中的哪一個值將用于控制壓縮機系列。如果優(yōu)先級值例如對應于比例值，那么控制優(yōu)先級為壓力控制(即，特別是抽空)，因為比例值作為控制值具體地反映壓力差。如果優(yōu)先級值對應于最小轉速指數(shù)，那么控制優(yōu)先級特別地為第一壓縮機處的入口溫度。在這種控制下，壓縮機轉速不應進一步提高。

為了確定每個壓縮機的期望轉速，特別地在系列中的每個壓縮機的進口處檢測相應的入口溫度。

根據(jù)本發(fā)明的方法允許與冷卻并行地執(zhí)行抽空過程。由于根據(jù)本發(fā)明的方法，一旦冷卻過程終止，溫度不會進一步下降。此外，因此在適合于已經(jīng)位于輸出點處的下游部件(例如，熱交換器)的范圍溫度內(nèi)調(diào)節(jié)流體的溫度。

另一個優(yōu)點是，對于所有壓縮機避免了超速，具體地因為入口溫度的降低導致更低的轉速。此外根據(jù)本發(fā)明的方法，還有利的是，可以不間斷地發(fā)生抽空過程，其例如對于過大的壓縮機轉速是必須的。

此外有利的是，可以使得來自環(huán)境(即來自外部)的不需要的供熱的影響最小化。此外，特別有利的是，在抽空操作期間，可以自動且瞬時地控制期望入口溫度。根據(jù)本發(fā)明的方法還特別地適用于超臨界氦泵中的溫度控制。

本發(fā)明的優(yōu)選的變型提出：每個壓縮機的轉速指數(shù)對應于來自相應壓縮機的最大轉速n_i最大和實際轉速n_i的差與最大轉速的比值(商)：

其中i表示相應的壓縮機的標號。

特別優(yōu)選地，優(yōu)先級值以這種方式影響控制：如果所有壓縮機的最小轉速指數(shù)小于比例值，則將降低實際入口溫度——特別是通過逐漸或連續(xù)地約減檢測到的期望入口溫度——直到比例值小于所述轉速指數(shù)，且特別地，只要最小轉速指數(shù)小于比例值，相應壓縮機的實際轉速就不會增大。比例值特別地用于控制實際輸入壓力。

在本發(fā)明的優(yōu)選變型中，根據(jù)約減的實際轉速確定每個壓縮機的實際轉速；根據(jù)約減期望轉速確定每個壓縮機的期望轉速，其中根據(jù)相應壓縮機的實際轉速和進口處的實際溫度確定約減實際轉速，且其中根據(jù)相應壓縮機的期望轉速和進口處的實際溫度確定約減期望轉速。在以下示例性的公式中示出了約減變量到實際/絕對的變量的詳細轉換。

在本發(fā)明的變型中，根據(jù)優(yōu)先級值確定積分值，其中積分值特別地用于確定約減期望轉速。自始至終，積分值特別地由比例值prop或者通常由對于積分值int_t＝n+1的優(yōu)先級值組成。然后將比例值prop和/或優(yōu)先級值PW乘以周期時間Δ_t，除以整數(shù)T_int，并加上前一周期的積分值int_t＝n：

和/或

在本發(fā)明的優(yōu)選變型中，確定實際總壓力比，其中實際總壓力比等于對應于最下游壓縮機輸出處的壓力的實際出口壓力與第一壓縮機的實際入口壓力的商。

在本發(fā)明的變型中，根據(jù)實際總壓力比與比例積分值來確定容量因子，其中比例積分值根據(jù)優(yōu)先級值和積分值確定，其中將每個壓縮機的約減期望轉速確定為屬于相應壓縮機的控制函數(shù)的函數(shù)值，所述控制函數(shù)將約減期望轉速分配給由容量因子與模型總壓力比(具體地根據(jù)實際總壓力比確定)組成的每個值對。

以下例示圖描述了根據(jù)本發(fā)明的方法的詳細的優(yōu)選的變型和實施例以及其他特征。

圖1：根據(jù)本發(fā)明的方法的示意性例示圖。

圖1是可以用于實施根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖的示意性例示圖。四個壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄串聯(lián)布置，且每個都在其吸入側處具有入口壓力p_實際、p₁、p₂、p₃，以及在其進口點處具有溫度T_實際、T₁、T₂、T₃。在系列的第一壓縮機V₁的上游，具有用于溫度T_冷箱(例如200K、100K、50K、20K和/或4K)下的冷流體的入口，該冷流體可以特別是通過閥添加至需要冷卻的流體。對于每個壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄，確定進口點處的溫度T_實際、T₁、T₂、T₃。對于第一壓縮機V₁，這是實際入口溫度T_實際。此外，還在相應的壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的輸入處確定實際壓力P_實際、p₁、p₂、p₃。根據(jù)實際入口壓力p_實際和實際出口壓力p₄計算實際總壓力比π_實際。這用于確定壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的約減轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}：

根據(jù)實際入口壓力p_實際和期望入口壓力p_期望以及實際總壓力比π_實際，可以確定等于所有壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的容量因子X。該容量因子X用于通過屬于每個相應壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的控制函數(shù)F(以例如表或多項式的形式為每個壓縮機預先計算)為每個壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄確定相應的約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}。使得串聯(lián)的壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄以最經(jīng)濟的方式工作。

特別地，容量因子X具有這樣的性質，即其可以接受在0(X_泵送＝0泵送狀態(tài))與1(X_閉塞＝1，阻塞狀態(tài))之間的值。泵送狀態(tài)和閉塞狀態(tài)都是壓縮機應當被避免的運行情況。泵送狀態(tài)對應于壓縮機滿足所謂的喘振(surge)情況的運行狀態(tài)，而另一方面，閉塞狀態(tài)對應于滿足所謂的阻塞(choke)情況的運行狀態(tài)。為了使壓縮機不進入這些狀態(tài)，容量因子X被限定在最小值X_最小＝X_泵送+0.05與最大值X_最大＝X_閉塞-0.1之間的值；

同樣地，對于積分值int_t＝n+1，通過X_最大和/或X_最小且根據(jù)實際總壓力比的自然對數(shù)ln(π_實際)得出積分值int的上限值int_最大和/或下限值int_最小：

int_最大＝X_最大+ln(π_實際)

int_最小＝X_最小+ln(π_實際)

由于測量的實際總壓力比π_實際在瞬態(tài)模式(抽空)期間繼續(xù)增加(實際入口壓力p_實際繼續(xù)降低)，因此積分值的極限也增加。在相反的情況下(吸入)，即，如果期望入口壓力p_期望小于實際入口壓力p_實際，則那些極限值繼續(xù)約減。

如果積分值int_t＝n+1大于和/或小于上限值int_最大和/或下限值int_最小，則積分值將被限制為相應的極限值。優(yōu)先級值PW和積分值int_t＝n+1相加在一起以生成比例整數(shù)PI值。

PI＝PW+int_n+1

如果所有壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄在其規(guī)格點處串聯(lián)地運行，壓縮機系列達到其設計或以設計總壓力比π_設計設計運行。

如果比例積分值PI小于容量因子的最大值X_最大與設計總壓力比值π_設計的自然對數(shù)之和，則容量因子X由比例積分值PI與實際總壓力比π_實際的自然對數(shù)的差確定。否則，特別地在確定容量因子X時，比例整數(shù)PI值被限定為設計總壓力比π_設計的自然對數(shù)與容量因子的最大值X_最大之和。因此以下適用：

X＝PI-ln(π_實際)如果PI<ln(π_設計)+X_閉塞

X＝ln(π_設計)+X_閉塞-ln(π_實際)

否則基于以這種方式確定的容量因子X，根據(jù)本發(fā)明的過程現(xiàn)在選擇如何確定模型總壓力比π_模型，然后將其傳遞給控制函數(shù)F以確定約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}。假若確定的容量因子X位于最小值X_最小和最大值X_最大之間，模型總壓力比π_模型等于實際總壓力比π_實際。假若容量因子X在該值范圍之外，則通過飽和函數(shù)SF改變模型總壓力比π_模型。

隨后，將容量因子X限制為其最小值X_最小和/或最大值X_最大。特別地，結合模型總壓力比π_模型，將其再定向至控制函數(shù)F，該控制函數(shù)F使用這些自變數(shù)作為基礎以確定相應壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}。

對于沒有位于最小值X_最小與最大值X_最大之間的容量因子X的值，可以例如通過以下公式給出飽和函數(shù)SF：

SF＝exp(0,5*(X-X_最大))對于X>X_最大

和/或SF＝exp(0,5*(X-X_最小))對于X<X_最小

這意味著：

模型總壓力比π_模型的這種修改確保了在容量因子X處于飽和的運行狀態(tài)下，控制還是繼續(xù)影響壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄，其后，改變模型總壓力比π_模型而不是容量因子X，允許控制函數(shù)F來請求這些運行狀態(tài)引發(fā)的約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}。

可以為每個壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄特別是以表(查找表)的形式存儲約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}。該表可以特別地通過使用歐拉渦輪機械方程的模型計算來創(chuàng)建。根據(jù)容量因子X和模型總壓力比π_模型，可以使用軟件從表中讀取約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}n_約減。然后，該表特別地符合控制函數(shù)F，并且至少對于多個容量因子X(例如，X＝0、0.25、0.5、0.75和1)和模型總壓力比π_模型，該表包括用于相應壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的相應的約減轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}n_約減。由插值確定未在表中列出的容量因子X的值。此外，將作為模型總壓力比π_模型和約減轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}n_約減函數(shù)的容量因子X選擇為使得實際入口壓力p_實際通過控制函數(shù)F與期望入口壓力p_期望匹配。

為了確保系統(tǒng)抽空與冷卻并行，即，在冷卻階段期間約減壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的吸入側的壓力，必須判定是否必須降低第一壓縮機V₁的入口處的實際入口溫度T_實際，以便避免壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄中的過高轉速；或在第一壓縮機V₁的進口處沒有額外冷卻的情況下，是否可以確保運行。為了這個目的，將兩個值彼此進行比較。首先，由實際入口壓力p_實際和期望入口壓力p_期望計算比例值prop。然后，由計算出的每個壓縮機的轉速配額計算轉速指數(shù)。其次，由轉速配額計算每個壓縮機的轉速指數(shù)，其中轉速配額由下式給出：

并且轉速指數(shù)D_i由下式給出：

其中等于相應壓縮機V_i的最大轉速。i是標號(i＝1-4)。

因此，如果壓縮機V_i的轉速指數(shù)D_i趨近于零，這意味著壓縮機V_i以接近其最大轉速n_{i，最大}運行，且不應當通過增大約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}來設定更大的轉速n_i。

根據(jù)每個壓縮機V_i的轉速指數(shù)D_i的數(shù)額，現(xiàn)在將最小轉速指數(shù)D_i與比例值prop比較。將兩個值中較小者分配給優(yōu)先級值PW，其然后用于確定另外的控制值(諸如，例如約減期望轉速n_{1期望,約減}、n_{2期望,約減}、n_{3期望,約減}、n_{4期望,約減}，特別是通過容量因子或期望入口溫度T_期望)。這意味著如果壓縮機V_i已經(jīng)以很高的轉速n_i運行，則其轉速指數(shù)D_i將接近或等于零。這以一定方式劃定系統(tǒng)控制的優(yōu)先級，即，通過冷卻容器在第一壓縮機V₁的入口的上游添加冷流體而使得實際入口溫度T_實際降低。結果，壓縮機V_i的轉速n_i降低，使得該壓縮機Vi的轉速指數(shù)D_i再次增大，即特別地，直到比例值prop更低。這確保了壓縮機系列的經(jīng)濟運行，特別是在冷卻和抽空階段期間。

根據(jù)優(yōu)先級值PW，溫度控制單元TE確定期望入口溫度T_期望。自始至終，計算為定性性質的，以確保在低優(yōu)先級值PW的情況下，期望入口溫度T逐漸降低。例如，期望入口溫度T_實際可以設定為最近測量的實際入口溫度T_實際的90％?？梢岳缤ㄟ^斜坡函數(shù)實現(xiàn)對該值降級。如果在期望入口溫度T_期望的降級期間，轉速指數(shù)仍然享有優(yōu)先狀態(tài)，期望入口溫度T_實際將被重新約減至最后測量的實際入口溫度T_實際的90％。對于期望入口溫度T_實際每次降級至測量的實際入口溫度T_實際的90％，將驗證所確定的期望入口溫度T_期望是否大于壓縮機系列的入口處的指定溫度。假若指定的溫度為4K，且期望溫度值為3.8K，那么該值將限定為4K。

經(jīng)由冷卻容器控制箱C，相應量的冷流體將沖擊到第一壓縮機V₁的進口的上游的暖流體上，使得通過混合兩種不同暖度的流體，流體具有低于之前測量的實際入口溫度T_實際的混合物溫度。在較高優(yōu)先級值PW的情況下，由于串聯(lián)的壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄已經(jīng)以非過高的轉速n₁運行，因此沒有冷流體或僅少量的冷流體沖擊在第一壓縮機V₁的入口處。

在本發(fā)明的變型中，整數(shù)器(其特別地是PI(比例整數(shù))控制器的一部分且執(zhí)行優(yōu)先級值PW的瞬時整合)也可以影響期望入口溫度T_期望的計算，例如以達到用于T_期望的溫度斜坡的某個陡度的方式。

貫穿整個控制，使用用于控制系統(tǒng)并且特別地控制壓縮機V₁、V₂、V₃、V₄的約減值是很重要的。因此，壓縮機V_i的約減轉速n_i,約減可以例如通過下面的公式計算：

其中n_i是壓縮機的轉速(期望或實際轉速)，n_i,約減是壓縮機V_i的約減轉速(期望或實際轉速)，n_i,設計是壓縮機V_i的指定的或設計的轉速，T_i-1是壓縮機V_i的入口處的溫度，以及T_i,設計是壓縮機V_i的指定或設計溫度。其中T₀(i＝1)等于第一壓縮機V₁的實際入口溫度T_實際。以并行的方式，以下適用于約減質量流

其中表示通過壓縮機的約減質量流，m_實際表示當前質量流，表示為相應的壓縮機指定的質量流，p_設計表示相應的壓縮機處的指定壓力，T_設計是指定溫度，以及p_實際是相應壓縮機處的實際入口壓力。

參考符號列表