Kiểm Soát Surge Trong Máy Nén Ly Tâm Bằng Vòng Bi Từ Tính Chủ Động: Lý Thuyết và Thực Hiện

• Tác giả: Se Young Yoon
• Trường học: University of Virginia
• Chuyên ngành: Mechanical & Aerospace Engineering
• Đề tài: Kiểm Soát Surge Trong Máy Nén Ly Tâm Bằng Vòng Bi Từ Tính Chủ Động: Lý Thuyết và Thực Hiện
• Loại tài liệu: monograph
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Charlottesville

• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Compressors and Compressor Systems
• 1.2. Active Magnetic Bearings in Compressors
• 1.3. Compressor Surge Modeling
• 1.4. Surge Avoidance and Suppression
• 1.5. Surge Suppression and Control
• 1.6. Objectives of This Book
• 2. CHƯƠNG 2: INTRODUCTION TO ROTOR DYNAMICS
• 2.1. Föppl/Jeffcott Single Mass Rotor
• 2.1.1. Undamped Free Vibration
• 2.1.2. Damped Free Vibration
• 2.1.3. Forced Steady State Response
• 2.2. Rotor Gyroscopic Effects
• 2.2.1. Rigid Circular Rotor on Flexible Undamped Bearings
• 2.2.2. Model of Rigid Circular Rotor with Gyroscopic Moments
• 2.2.3. Undamped Natural Frequencies of the Cylindrical Mode
• 2.2.4. Undamped Natural Frequencies of the Conical Mode
• 2.3. Instability due to Aerodynamic Cross Coupling
• 2.3.1. Aerodynamic Cross Coupling in Turbines
• 2.3.2. Aerodynamic Cross Coupling in Compressors
• 2.4. Rotor-Dynamic Specifications for Compressors
• 2.4.1. Lateral Vibration Analysis
• 2.4.2. Rotor Stability Analysis
• 2.5. Rotor Finite Element Modeling
• 2.5.1. Discretizing Rotor into Finite Elements
• 2.5.2. Approximating Element Displacement Functions and Nodal Displacement
• 2.5.3. Formulating Equations of Motion for Each Element
• 2.5.4. Element Mass and Gyroscopic Matrices
• 2.5.5. Element Stiffness Matrix
• 2.5.6. Element Damping Matrix
• 2.5.7. Adding Lumped Mass, Stiffness and Damping Components
• 2.5.8. Assembling the Global Mass, Gyroscopic, Stiffness, Damping Matrices, and Force Terms
• 3. CHƯƠNG 3: FUNDAMENTALS OF MAGNETIC BEARINGS
• 3.1. Electromagnetic Field and Flux
• 3.1.1. Field Generated by Current in Straight Wires
• 3.1.2. Field Generated by Current in a Solenoid
• 3.1.3. Single Sided Magnetic Bearing Actuator
• 3.1.4. Double-Sided Magnetic Bearing Actuators
• 3.1.5. Linearized Force Equation
• 3.1.6. Coil Inductance and Slew Rate
• 3.1.7. AMB Load Capacity
• 3.1.8. Magnetic Bearing Design for Applications
• 3.1.9. Amplifiers and Displacement Sensors
• 3.1.10. Losses in Magnetic Bearings
• 3.1.10.1. Flux Leakage and Fringing
• 3.1.10.2. Eddy Current Losses
• 3.2. PID Control of AMB
• 3.2.1. Decentralized PID Control
• 3.2.2. Tilt and Translate Control
• 3.2.3. Unbalance and Synchronous Vibration Compensation
• 3.2.4. Shortcomings of the PID Controller
• 3.3. Modern Control of AMB Systems
• 3.3.1. LQR and LQG Control
• 3.3.4. Combined H∞ /μ-Synthesis Control
• 3.3.5. Self-Tuning, Neural Network and Adaptive Controls
• 4. CHƯƠNG 4: DESIGN OF AMB SUPPORTED CENTRIFUGAL COMPRESSOR
• 4.2. High Speed Motor
• 4.5. Active Magnetic Bearings
• 4.7. Experimental Surge Characterization
• 5. CHƯƠNG 5: DERIVATION OF THE SURGE DYNAMIC EQUATIONS
• 5.1. Greitzer Compression System Model
• 5.2. Variation of the Impeller Tip Clearance
• 5.3. Simulation and Experimental Results
• 5.4. Compression System with Piping Dynamics
• 5.4.1. Fluid Transmission Line Model
• 5.4.2. Piping Acoustics at Compressor Exhaust
• 5.4.3. Piping Acoustics at Plenum Output
• 5.4.4. Modal Approximation of Pipeline Acoustics
• 6. CHƯƠNG 6: INTRODUCTION TO CONTROL THEORY
• 6.1. Objectives of a Control System
• 6.2. Power of Feedback Control
• 6.3. Input–Output Stability
• 6.4. PID Control of a Rigid Rotor on AMBs
• 6.6. Steady-State Response

I. Tổng quan về Kiểm Soát Surge Trong Máy Nén Ly Tâm

Máy nén ly tâm là thiết bị quan trọng trong nhiều quy trình công nghiệp hiện đại. Việc kiểm soát surge trong máy nén ly tâm là một thách thức lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị. Surge là hiện tượng không ổn định, gây ra dao động áp suất và lưu lượng lớn, có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng. Việc áp dụng công nghệ vòng bi từ tính chủ động (AMB) đã mở ra hướng đi mới trong việc kiểm soát surge, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của máy nén.

1.1. Khái niệm về Surge và Tác động của nó

Surge là hiện tượng không ổn định trong máy nén, gây ra dao động lớn trong áp suất và lưu lượng. Hiện tượng này có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho máy nén, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị.

1.2. Vai trò của Vòng Bi Từ Tính Trong Máy Nén

Vòng bi từ tính chủ động (AMB) giúp cải thiện độ ổn định của máy nén bằng cách điều chỉnh các thông số động học của rotor. Công nghệ này cho phép kiểm soát chính xác hơn, giảm thiểu nguy cơ xảy ra surge.

II. Thách thức trong Kiểm Soát Surge của Máy Nén Ly Tâm

Việc kiểm soát surge trong máy nén ly tâm gặp nhiều thách thức, bao gồm sự phức tạp trong thiết kế và vận hành. Surge thường xảy ra khi lưu lượng khí vào máy nén giảm đột ngột, dẫn đến sự mất ổn định. Các phương pháp truyền thống thường chỉ tập trung vào việc tránh surge, không giải quyết triệt để vấn đề này.

2.1. Nguyên nhân Gây Ra Surge Trong Máy Nén

Surge có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm sự thay đổi đột ngột trong lưu lượng khí, áp suất đầu vào không ổn định và thiết kế không tối ưu của máy nén.

2.2. Hạn chế của Các Phương Pháp Kiểm Soát Truyền Thống

Các phương pháp kiểm soát truyền thống thường chỉ tập trung vào việc tránh surge bằng cách duy trì khoảng cách an toàn giữa lưu lượng hoạt động và điểm surge, dẫn đến hiệu suất không tối ưu.

III. Phương Pháp Kiểm Soát Surge Bằng Vòng Bi Từ Tính Chủ Động

Công nghệ vòng bi từ tính chủ động (AMB) đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả trong việc kiểm soát surge. AMB cho phép điều chỉnh động học của rotor trong thời gian thực, giúp duy trì sự ổn định của máy nén ngay cả trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Vòng Bi Từ Tính

Vòng bi từ tính hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển điện từ, cho phép điều chỉnh vị trí của rotor một cách chính xác. Điều này giúp giảm thiểu rung động và tăng cường độ ổn định của máy nén.

3.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng AMB Trong Kiểm Soát Surge

Việc sử dụng AMB giúp mở rộng vùng hoạt động ổn định của máy nén, tăng cường hiệu suất và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng do surge. AMB cũng giảm thiểu yêu cầu bảo trì và tăng tuổi thọ của thiết bị.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kiểm Soát Surge Trong Công Nghiệp

Việc áp dụng công nghệ kiểm soát surge bằng vòng bi từ tính đã mang lại nhiều lợi ích cho các ngành công nghiệp như hóa dầu và khai thác mỏ. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kiểm soát surge hiệu quả không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng cường độ tin cậy của máy nén.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Về Kiểm Soát Surge

Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng AMB trong máy nén ly tâm đã giúp giảm thiểu đáng kể hiện tượng surge, cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Công nghệ kiểm soát surge đã được áp dụng thành công trong nhiều nhà máy công nghiệp, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Kiểm Soát Surge

Kiểm soát surge trong máy nén ly tâm bằng vòng bi từ tính chủ động là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong công nghiệp. Tương lai của kiểm soát surge hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ hơn nữa với sự phát triển của công nghệ và nghiên cứu.

5.1. Tương Lai Của Công Nghệ Vòng Bi Từ Tính

Công nghệ vòng bi từ tính sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều cải tiến về hiệu suất và độ tin cậy, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và cải thiện khả năng ứng dụng của AMB trong các hệ thống máy nén phức tạp hơn.