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.
Method for regulating a compressor system and compressor system for executing the
Procedure
The invention relates to a method for regulating a compressor system with a low-pressure compressor and a high-pressure compressor, which are driven at constant speed, and with an intercooler connected between them, and a compressor system for carrying out the method.
In order to obtain a certain output pressure in compressor systems of this type, the delivery pressure of the high-pressure compressor has hitherto been changed. In many cases, however, no regulating devices are used at all, so that the output pressure is determined indirectly by the resistance of the system fed by the compression system.
If the efficiency of the high pressure compressor deteriorates due to wear and tear, it delivers a smaller part of this pressure at the intended outlet pressure of the system (if this pressure can still be reached). The reduced delivery pressure of the high pressure compressor must be compensated for by correspondingly increasing the delivery pressure of the low pressure compressor. From an aerodynamic point of view, this means that the operating point of the high-pressure compressor moves in a direction in which the angle of attack of the blades decreases. Conversely, the working point of the low-pressure compressor moves in a direction in which the angle of attack of its blades increases.
The consequence of this is that the delivery rate drops, and that the low-pressure compressor finally reaches an area in which there is a risk of pressure surges and thus of broken blades. In order to prevent pressure surges in the low-pressure compressor, a return line can be used which works on its own depending on the delivery rate and the delivery pressure of the low-pressure compressor. In such a case, however, the delivery pressure of the high-pressure compressor can become insufficient to operate the connected system, so that its activity is interrupted. The deterioration in the efficiency of the high-pressure compressor is caused by moisture excreted in the cooler, which adheres to the surfaces of the blades and causes the dust contained in the conveyed medium and / or corrosion products to be deposited.
The corrosion products can result from corrosion of the material of the intercooler by sulfuric acid or other chemicals. The formation of such deposits is unavoidable because of the lower temperature prevailing in the intercooler.
The invention aims to create a control method and a compressor system by means of which the described disadvantages of a deterioration in the high pressure compressor, in particular the risk of blade breakage in the low pressure compressor, are reduced.
The method according to the invention, by means of which this goal is achieved, is characterized in that a compressor with adjustable guide vanes is used as the high-pressure compressor, and that the setting angle of these guide vanes depends on the output pressure of the compressor system while maintaining an optimal value of the pressure ratio distribution between the two compressors will change.
It turns out that in this way not only the risk of blade breakage in the low-pressure compressor is significantly reduced, but at the same time the ability of the system to work in a wide working range outside the normal operating point for which the system is designed is guaranteed.
The compressor system according to the invention for carrying out the method, with a low-pressure compressor and a high-pressure compressor, both of which have a drive with constant speed, and with an intercooler connected between them, is characterized in that the high-pressure compressor has adjustable guide vanes, and that means are provided which are used for Adjustment of the setting angle of the guide vanes of the high pressure compressor depending on the output pressure of the system while maintaining an optimal pressure ratio distribution between the two compressors.
The invention is explained using an exemplary embodiment shown schematically in the drawing.
It shows:
1 shows a block diagram of a compressor system operating according to the method and
2 shows a working diagram of the compressor system.
According to FIG. 1, a gas is sucked in through a filter 8, compressed by a low-pressure compressor 2, which is driven by a motor 1 at constant speed, and is cooled in an intercooler 9. In the intercooler 9, water is normally separated from the gas so that the relative humidity of the gas becomes 100%. Even if the gas is only cooled to a relative humidity below 100%, the gas that comes into contact with the walls of the cooling tubes is cooled down more locally and releases its moisture. The water separated out in this way is discharged to the outside through a water separator (not shown).
However, a part of the separated water gets into the high pressure compressor 3 in the form of mist and adheres to the surfaces of the blades, on which it may have a corrosive effect. The gas sucked into the high-pressure compressor 3 is expanded in the guide vanes at the inlet, with its temperature dropping. A gas with a humidity level of 100% or close to 100% becomes supersaturated in this way. The excreted water adheres to the surfaces of the blades in the next row. The presence of moisture on the surfaces of the blades leads to a reduction in the efficiency of the compressor, since fine dust particles that are in the conveyed gas adhere to the surfaces. In addition, corrosion products are also deposited on the surfaces of the blades, such as B.
Copper sulphate and iron sulphate, which result from corrosion of the materials in the intercooler by sulfuric acid. The sulfuric acid is produced by a reaction of in the gas, e.g. B. in the atmospheric air, sulfur dioxide is formed with the excreted in the cooler 9 water. A similar phenomenon occurs when the atmosphere contains nitric acid or other aggressive substances. Although it can be suppressed to a certain extent by a suitable choice of the materials for the cooler, a certain degree of corrosion is inevitable. Contamination of the blades in the manner described degrades the properties of the high pressure compressor and reduces its efficiency. Its working area is narrowed and the risk of pressure surges in the low-pressure compressor increases.
2 shows a diagram in which the percentage output pressure W of the compressor system is plotted as a function of the percentage delivery rate F, with 100% corresponding to the design operating point of the system. A shows the original load characteristic, B the one after the above-mentioned deterioration of the high pressure compressor, if the system were not regulated according to the method according to the invention. The corresponding pressure surge limits are denoted by S. A- is the actual load characteristics of the system after the blades of the high pressure compressor are contaminated. Strictly speaking, curve A does not exactly coincide with the original curve A. However, the deviation is slight, with both curves leading through the design operating point.
As shown in FIG. 1, the low-pressure compressor 2 is provided with pressure sensors 10 and 11, the first of which is arranged in the suction line and the second in the pressure line. The signals from the pressure sensors 10 and 11 are fed to a dividing element 15 which forms an output signal which is dependent on the ratio of the two pressures. The pressure ratio signal of the dividing element 15 is fed to a compensation element 14, which forms an output signal which is dependent on the difference between the pressure ratio signal and a setpoint signal generated by a controller 13.
With its output signal, the compensation element 14 actuates a working cylinder 7 which changes the setting angle of the guide vanes 5 of the high-pressure compressor 3 in such a way that the pressure ratio distribution, d. H. the quotient between the pressure ratio of the low-pressure compressor and the pressure ratio of the
High pressure compressor has an optimal value. If, if it is often the case, the pressure on the suction side of the low pressure compressor 2 is constant, the dividing element 15 can be omitted. The pressure signal of the pressure sensor 11 can then be fed directly to the compensation element 14. The same result can also be obtained if the pressure ratio between the input and the
The output of the high pressure compressor is detected and fed to the compensation element 14, which is not shown in the drawing.
To regulate the outlet pressure of the whole
System is the output line of the high pressure compressor 3 is provided with a pressure sensor 12, which its signal to the
Controller 13 sends. In the controller 13 is dependent on
Output pressure generates a control signal which is fed to the compensation element 14 on the one hand and to the working cylinder 6 on the other hand, which adjusts the guide vanes of the low-pressure compressor 2. The signals can be pneumatic, elec tric or other types.
In the manner described, the pressure ratio distribution of both compressors can be influenced with the help of the setting angle of the guide vanes of the high pressure compressor in such a way that the delivery rate of the system as a result of
Signs of wear and tear of the high pressure compressor does not decrease. At the same time, it prevents the low-pressure compressor from reaching the pressure surge area, where there is a risk of blades breaking. Thus, stable operation can be achieved for long periods of time.
Furthermore, safe operation in a wide operating area is ensured if the system is not operated at its design point.