Verfahren zur Regelung einer Kompressoranlage sowie Kompressoranlage zur Ausführung des
Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Kompressoranlage mit einem Niederdruckkompressor und einem Hochdruckkompressor, die mit konstanter Drehzahl angetrieben werden, und mit einem zwischen ihnen geschalteten Zwischenkühler, sowie eine Kompressoranlage zur Ausführung des Verfahrens.
Um bei Kompressoranlagen dieser Art einen bestimmten Ausgangsdruck zu erhalten, wird bisher der Förderdruck des Hochdruckkompressors verändert. In vielen Fällen werden allerdings überhaupt keine Regelvorrichtungen verwendet, so dass der Ausgangs druck indirekt durch den Widerstand der von der Kompressionsanlage gespeisten Anlage bedingt wird.
Wenn sich durch Abnützungserscheinungen der Wirkungsgrad des Hochdruckkompressors verschlechtert, so liefert er beim vorgesehenen Ausgangsdruck der Anlage (sofern dieser Druck noch erreicht werden kann) einen kleineren Teil dieses Drukkes. Der verminderte Förderdruck des Hochdruckkompressors muss durch entsprechende Vergrösserung des Förderdruckes des Niederdruckkompressors kompensiert werden. Vom aerodynamischen Standpunkt betrachtet bedeutet dies, dass sich der Arbeitspunkt des Hochdruckkompressors in einer Richtung bewegt, in welcher sich der Anströmwinkel der Schaufeln vermindert. Umgekehrt bewegt sich der Arbeitspunkt des Niederdruckkompressors in einer Richtung, in welcher sich de Anströmwinkel seiner Schaufeln vergrössert.
Das hat zur Folge, dass die Fördermenge sinkt, und dass schliesslich der Niederdruckkompressor in einen Bereich gelangt, in welchem die Gefahr von Druckstössen und somit von Schaufelbruch besteht. Um Druckstösse im Niederdruckkompressor zu verhindern, kann eine Rückführleitung verwendet werden, welche in Abhängigkeit von der Fördermenge und vom Förderdruck des Niederdruckkompressors allein arbeitet. In einem solchen Falle kann jedoch der Förderdruck des Hochdruckkompressors unzureichend zum Betrieb der angeschlossenen Anlage werden, so dass ihre Tätigkeit unterbrochen wird. Die Verschlechterung des Wirkungsgrades des Hochdruckkompressors wird durch im Kühler ausgeschiedene Feuchtigkeit verursacht, welche an den Oberflächen der Schaufeln haftet und eine Ablagerung von im geförderten Medium enthaltenem Staub und/oder von Korrosionsprodukten verursacht.
Die Korrosionsprodukte können durch eine Korrosion des Materials des Zwischenkühlers durch Schwefelsäure oder andere Chemikalien entstehen. Die Bildung von solchen Ablagerungen ist wegen der im Zwischenkühler herrschenden niedrigeren Temperatur unvermeidlich.
Die Erfindung hat die Schaffung eines Regelverfahrens und einer Kompressoranlage zum Ziel, durch welche die geschilderten Nachteile einer Verschlechterung des Hochdruckkompressors, insbesondere die Gefahr von Schaufelbruch im Niederdruckkompressor vermindert werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren, durch welches dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass als Hochdruckkompressor ein Kompressor mit verstellbaren Leitschaufeln verwendet wird, und dass der Einstellwinkel dieser Leitschaufeln in Abhängigkeit vom Ausgangsdruck der Kompressoranlage unter Aufrechterhaltung eines optimalen Wertes der Druckverhältnisverteilung auf die beiden Kompressoren ver ändert wird.
Es zeigt sich, dass auf diese Weise nicht nur die Schaufelbruchgefahr im Niederdruckkompressor wesentlich vermindert wird, sondern zugleich auch die Arbeitsfähigkeit der Anlage in einem weiten Arbeitsbereich ausserhalb des normalen Arbeitspunktes, für den die Anlage ausgelegt ist, gewährleistet wird.
Die erfindungsgemässe Kompressoranlage zur Ausführung des Verfahrens, mit einem Niederdruckkompressor und einem Hochdruckkompressor, die beide einen Antrieb mit konstanter Drehzahl aufweisen, und mit einem zwischen ihnen geschalteten Zwischenkühler ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor verstellbare Leitschaufeln aufweist, und dass Mittel vorgesehen sind, welche zur Einstellung des Einstellwinkels der Leitschaufeln des Hochdruckkompressors in Abhängigkeit vom Ausgangsdruck der Anlage unter Aufrechterhaltung einer optimalen Druckverhältnisverteilung auf die beiden Kompressoren dienen.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschema einer nach dem Verfahren arbeitenden Kompressoranlage und
Fig. 2 ein Arbeitsdiagramm der Kompressoranlage.
Entsprechend der Fig. 1 wird ein Gas durch einen Filter 8 eingesaugt, durch einen Niederdruckkompressor 2 komprimiert, welcher durch einen Motor 1 mit konstanter Drehzahl angetrieben wird, und wird in einem Zwischenkühler 9 gekühlt. Im Zwischenkühler 9 wird normalerweise Wasser aus dem Gas ausgeschieden, so dass die relative Feuchtigkeit des Gases 100% wird. Auch wenn das Gas nur auf eine relative Feuchtigkeit unterhalb 100% abgekühlt wird, so wird trotzdem das mit den Wänden der Kühlrohre in Berührung gelangende Gas örtlich tiefer abgekühlt und scheidet seine Feuchtigkeit aus. Das auf diese Weise ausgeschiedene Wasser wird durch einen nicht dargestellten Wasserabscheider nach aussen abgeleitet.
Ein Teil des ausgeschiedenen Wassers gelangt jedoch in den Hochdruckkompressor 3 in der Form von Nebel und haftet an den Oberflächen der Schaufeln, auf die es eventuell korrodierend wirkt. Das in den Hochdruckkompressor 3 eingesaugte Gas wird in den Leitschaufeln am Eingang expandiert, wobei seine Temperatur sinkt. Ein Gas mit einem Feuchtigkeitsgrad von 100% oder nahe an 100% wird auf diese Weise übersättigt. Das ausgeschiedene Wasser haftet an den Oberflächen der Schaufeln der nächsten Reihe. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit auf den Oberflächen der Schaufeln hat eine Senkung des Wirkungsgrades des Kompressors zur Folge, da an den Oberflächen feine Staubteilchen haften, die sich im geförderten Gas befinden. Ausserdem lagern sich auf den Oberflächen der Schaufeln auch Korrosionsprodukte ab, wie z. B.
Kupfersulfat und Eisensulfat, die durch eine Korrosion der Materialien des Zwischenkühlers durch Schwefelsäure entstehen. Die Schwefelsäure wird durch eine Reaktion von im Gas, z. B. in der Atmosphärenluft, befindlichen Schwefeldioxyd mit dem im Kühler 9 ausgeschiedenen Wasser gebildet. Eine ähnliche Erscheinung entsteht, wenn die Atmosphäre Salpetersäure oder andere aggressive Stoffe enthält. Sie kann zwar in gewissem Masse durch eine geeignete Wahl der Materialien des Kühlers unterdrückt werden, eine gewisse Korrosion ist jedoch unvermeidlich. Die Verunreinigung der Schaufeln in der beschriebenen Weise verschlechtert die Eigenschaften des Hochdruckkompressors und vermindert seinen Wirkungsgrad. Sein Arbeitsbereich wird verengt, und die Gefahr von Druckstössen im Niederdruckkompressor vergrössert.
Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der prozentuale Ausgangsdruck W der Kompressoranlage in Abhängigkeit von der prozentualen Fördermenge F aufgetragen ist, wobei 100% dem Auslege-Arbeitspunkt der Anlage entsprechen. A zeigt dabei die ursprüngliche Belastungscharakteristik, B diejenige nach den obgenannten Verschlechterungen des Hochdruckkompressors, falls die Anlage nicht nach dem erfindungsgemässen Verfahren reguliert würde. Mit S sind die entsprechenden Druckstossgrenzen bezeichnet. A- ist die tatsächliche Belastungscharakteristik der Anlage nach der Verunreinigung der Schaufeln des Hochdruckkompressors. Streng genommen deckt sich die Kurve A nicht genau mit der ursprünglichen Kurve A. Die Abweichung ist jedoch geringfügig, wobei beide Kurven durch den Auslege-Arbeitspunkt führen.
Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 ist der Niederdruckkompressor 2 mit Druckfühlern 10 und 11 versehen, von denen der erste in der Saugleitung und der zweite in der Druckleitung angeordnet ist. Die Signale der Druckfühler 10 und 11 werden einem Dividierorgan 15 zugeführt, welches ein Ausgangssignal bildet, das vom Verhältnis der beiden Drücke abhängig ist. Das Druckverhältnissignal des Dividierorgans 15 wird einem Kompensationsorgan 14 zugeführt, welches ein Ausgangssignal bildet, das von der Differenz des Druckverhältnissignales und eines von einem Regler 13 gebildeten Sollwertsignales abhängig ist.
Das Kompensationsorgan 14 betätigt durch sein Ausgangssignal einen Arbeitszylinder 7, welcher den Einstellwinkel der Leitschaufeln 5 des Hoch druckkompressors 3 derart verändert, dass die Druckverhält nisverteilung, d. h. der Quotient zwischen dem Druckverhält nis des Niederdruckkompressors und dem Druckverhältnis des
Hochdruckkompressors einen optimalen Wert hat. Wenn, wil es oft der Fall ist, der Druck auf der Saugseite des Nieder druckkompressors 2 konstant ist, kann das Dividierorgan 15 weggelassen werden. Das Drucksignal des Druckfühlers 11 kann dann direkt dem Kompensationsorgan 14 zugeführt werden. Das gleiche Resultat kann auch erhalten werden, wenn das Druckverhältnis zwischen dem Eingang und dem
Ausgang des Hochdruckkompressors erfasst und dem Kompensationsorgan 14 zugeführt wird, was in der Zeichnung nich dargestellt ist.
Zur Regelung des Ausgangsdruckes der ganzen
Anlage ist die Ausgangsleitung des Hochdruckkompressors 3 mit einem Druckfühler 12 versehen, welcher sein Signal dem
Regler 13 sendet. Im Regler 13 wird in Abhängigkeit vom
Ausgangsdruck ein Regelsignal erzeugt, das einerseits dem Kompensationsorgan 14 und anderseits dem Arbeitszylinder 6 zugeführt wird, der die Leitschaufeln des Niederdruckkompressors 2 verstellt. Die Signale können pneumatischer, elek trischer oder anderer Art sein.
Auf die beschriebene Weise kann die Druckverhältnisvertei lung beider Kompressoren mit der Hilfe des Einstellwinkels der Leitschaufeln des Hochdruckkompressors derart beeinflusst werden, dass die Fördermenge der Anlage infolge von
Abnützungserscheinungen des Hochdruckkompressors nicht sinkt. GLeichzeitig wird verhindert, dass der Niederdruckkompressor ins Druckstossgebiet gelangt, wo die Gefahr von Schaufelbrüchen besteht. Somit kann eine stabile Arbeitsweise während langer Zeiträume erreicht werden.
Ferner wird ein sicherer Betrieb in einem weiten Betriebsbereich sichergestellt, wenn die Anlage nicht in ihrem Auslegepunkt betrieben wird.