CH699820B1 - System und Verfahren zur Überwachung eines Hubkolbenkompressors. - Google Patents

Abstract

Ein System und ein Verfahren erlauben die Überwachung eines mechanischen Zustands eines Hubkolbenkompressors. Der Kompressor umfasst ein Kompressorgerüst (12), eine Druckkammer (14) und einen Druckkopf (16). Eine Vielzahl von Zugschrauben (18) ist zwischen dem Kompressorgerüst und dem Druckkammerkopf befestigt. Eine Sensoranordnung ist an einer aus der Vielzahl von Zugschrauben befestigt. Die Sensoranordnung umfasst ein Ausdehnungselement (24), das so angeordnet ist, dass es sich in Übereinstimmung mit der Ausdehnung einer der Zugschrauben ausdehnt. Ein Sensor (26) misst die Ausdehnung des Ausdehnungselements, um dadurch den Zylinderdruck zu überwachen.

Description

  Hintergrund der Erfindung

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Überwachung eines mechanischen Zustands eines Hubkolbenkompressors und insbesondere ein nicht invasives System und ebensolches Verfahren, welches das dynamische Leistungsvermögen eines Hyper-Kompressorzylinders misst, indem die inhärente betriebliche Belastung der Kompressorbaugruppe gemessen wird.

  

[0002]    Die Produktion von Polyethylen niedriger Dichte erfordert den Einsatz sehr hoher Drücke. Die Polymerisationsdrücke können bis zu 3447,37 bar (50 000 psi) erreichen. Um diese Drücke zu erreichen, werden Hochdruck-Hubkolbenkompressoren, oder Hyper-Kompressoren, verwendet. Die Überwachung des mechanischen Zustands der Zylinderkomponenten des Hyper-Kompressors während des Betriebs ist wichtig für die Bestimmung der Wartungsanforderungen. Hyper-Kompressoren sind für ähnliche Probleme anfällig wie Hubkolbenkompressoren mit niedrigeren Drücken, einschliesslich solcher wie zum Beispiel Ventilversagen, Ventillecks, Dichtungslecks und dgl. Die zur Verdichtung des flüchtigen Gases verwendeten Kolben werden aus Materialien gefertigt, die eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, jedoch spröde sind und bei einem Bruch typischerweise zersplittern.

   Ventilversagen kann durch unausgeglichenen Druck zu übermässigen Belastungen an der Kompressorlaufverzahnung führen oder dazu, dass gelöste Teile des Ventils in die Kompressorkammer fallen könnten, was zu Metall-auf-Metall Kontakt an der Kolbenseitenfläche führen kann, was wiederum zu einem Verbiegen und schliesslich zum Versagen des Kolbens führen kann. Ein solches Versagen führt zur mechanischen Zerstörung des Kompressors und zur Freisetzung der flüchtigen Gase, die sich entzünden könnten, wodurch Sicherheitsbedenken für jene, die in der Umgebung des Kompressors arbeiten, entstehen. Eine direkte Messung der hohen Drücke durch Eindringen in die Kammer, um die Zylinderleistung zu bestimmen, ist ausgesprochen gefährlich. Die Kenntnis des Zylinderdrucks gibt Einsicht in die Ventil- und Dichtungsleistung und erlaubt es, viele potentielle Ausfallzustände abzuwenden.

  

[0003]    Die Belastungsmessung der Kompressoranordnung wurde bereits, wie im US-Patent Nr. 7 056 097 beschrieben, unter Verwendung von Dehnungsmessfühlern durchgeführt, die an den Kopfschrauben oder an den Zugschrauben montiert sind, oder Drucklastmessungen zwischen dem Kopf und der Mutter der Kopfschraube. Das Belastungsmesssystem, das in der erwähnten Veröffentlichung verwendet wird, setzt eine Vorrichtung als Teil der Last tragenden Struktur ein und ist der Verformung oder Zerstörung unterworfen, was allein schon zu Sicherheitsbedenken führen könnte. Extern montierte Dehnungsmessfühler erfordern eine Reinigung der Oberfläche, um eine gute Verbindung mit dem unter Belastung stehenden Element zu unterstützen. Ausserdem sind solche Dehnungsmessfühler temperaturabhängig.

   Darüber hinaus sind die Messfühler klein und müssen geschützt werden, um in einer industriellen Umgebung bestehen zu können, und sie werden in zyklischen Abständen belastet, wenn sie in einem in Betrieb befindlichen Kompressor eingebaut sind. Auch aufgeklemmte Dehnungsgruppen wurden verwendet, doch erfordern diese ebenfalls eine Reinigung der Oberfläche, und da der Kontaktbereich unter Belastung steht, "kriechen" die Kontaktflächen mit der Zeit unter zyklischer Belastung.

Kurze Beschreibung der Erfindung

  

[0004]    In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung überwacht ein System einen mechanischen Zustand eines Hubkolbenkompressors. Der Hubkolbenkompressor umfasst ein Kompressorgerüst, eine Druckkammer und einen Druckkammerkopf, wobei eine Vielzahl von Zugschrauben zwischen dem Kompressorgerüst und dem Druckkammerkopf befestigt ist. Das Überwachungssystem weist eine Sensoranordnung auf, die an einer aus der Vielzahl von Zugschrauben befestigt ist, wobei die Sensoranordnung ein Ausdehnungselement umfasst, das so angeordnet ist, dass es sich in Übereinstimmung mit der Ausdehnung der einen der Zugschrauben ausdehnt, sowie einen Sensor, der die Ausdehnung des Ausdehnungselements misst.

  

[0005]    In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein System zur Überwachung eines mechanischen Zustands eines Hubkolbenkompressors eine Stangenklemme, die an einer aus der Vielzahl von Zugschrauben befestigt ist; eine Sensorklemme, die an der einen der Zugschrauben und in einem Abstand von der Stangenklemme angeordnet ist; einen in der Sensorklemme montierten Sensor; und eine Zielstange, die an einem Ende der Stangenklemme befestigt und beweglich mit der Sensorklemme an einem entgegengesetzten Ende proximal zu dem Sensor gekoppelt ist. Die Ausdehnung der einen der Zugschrauben wird durch Erfassung der Bewegung des entgegengesetzten Endes der Zielstange relativ zu der Sensorklemme mit dem Sensor gemessen.

  

[0006]    In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Überwachung eines mechanischen Zustands eines Hubkolbenkompressors die Schritte, dass (a) eine Zielstange an zumindest einer aus der Vielzahl von Zugschrauben befestigt wird; (b) das Bewegungsausmass einer Zielstange gemessen wird; und (c) das Bewegungsausmass der Zielstange mit einem mechanischen Zustand des Hubkolbenkompressors in Beziehung gesetzt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

  

[0007]    
<tb>Fig. 1<sep>ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Hubkolbenkompressors mit einem angebrachten System zur Überwachung seines mechanischen Zustands;


  <tb>Fig. 2<sep>ist eine Veranschaulichung im Querschnitt, welche die Funktionsweise des Überwachungssystems zeigt;


  <tb>Fig. 3<sep>ist eine detaillierte Querschnittansicht des Sensors des Überwachungssystems.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

  

[0008]    Das hierin beschriebene System und Verfahren verwendet die inhärente Dehnung an einigen Abschnitten der Kompressoranordnung, um den Zylinderdruck zu bestimmen. Die inhärente Dehnung, die durch den Druck hervorgerufen wird, führt zu einer Verlängerung der Kompressorstruktur, und das hierin beschriebene System misst diese Veränderung der Dimension, welche linear proportional zu dem Druck ist. Das System verwendet ähnliche Materialien wie der Kompressor, so dass jegliche thermische Ausdehnungseffekte erhöhter Temperaturen kompensiert sind. Ein Messen der Dehnung über eine beträchtliche Länge der Struktur erlaubt eine substantielle Erhöhung der Sensorempfindlichkeit über einen Dehnungsmessstreifen, der eine relativ niedrige Empfindlichkeit haben kann.

   Mehrere Erfassungssysteme, die an einem Zylinder platziert sind, können summiert werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und jegliche "Schwankung" in dem Zylinder auszumitteln, welche unausgeglichene Belastungen verursachen kann. Mit "Schwankung" bezeichnet man die seitliche Bewegung der Zylinderanordnung, die eine ungleichmässige Belastung an entgegengesetzten Seiten der Kammer verursachen kann. In der vertikalen Richtung liegt eine wesentliche Tragfähigkeit und Steifigkeit vor, weniger jedoch in der horizontalen Richtung.

  

[0009]    Unter Bezugnahme auf Fig. 1wird ein beispielhafter Hochdruck-Hubkolbenkompressor 10 dargestellt. Der Kompressor 10 umfasst ein Kompressorgerüst 12, eine Druckkammer 14 und einen Druckkammerkopf 16. Eine Vielzahl von Zugschrauben 18 ist zwischen dem Kompressorgerüst 12 und dem Druckkammerkopf 16 befestigt. Die Verwendung und der Betrieb des Kompressors 10 sind bekannt, und Details dazu werden nicht weiter ausgeführt.

  

[0010]    Weiter Bezug nehmend auf Fig. 1umfasst das System eine Stangenklemme 20, eine Sensorklemme 22, eine Zielstange 24 und einen Sensor 26. Die Stangenklemme 20 ist zumindest an einer aus der Vielzahl von Zugschrauben 18 fixiert. Die Sensorklemme 22 ist an derselben/denselben Zugschraube(n) 18 und in einem Abstand von der Stangenklemme 20 fixiert. Ein Sensor 26, wie etwa eine Näherungssonde oder dergleichen, ist innerhalb der Sensorklemme 22 montiert. Ein geeigneter Sensor ist die Bently Nevada NSV-Sonde, die von der Bently Nevada Corporation in Minden, NV, erhältlich ist. Alternativ kann ein optischer oder anderer geeigneter Sensor verwendet werden. Die Zielstange 24 ist an der Stangenklemme 20 an einem Ende fixiert und ist beweglich mit der Sensorklemme 22 an einem entgegengesetzten Ende proximal zu dem Sensor 26 gekoppelt.

   Die Ausdehnung der Zugschrauben 18 verursacht eine relative Bewegung des entgegengesetzten Endes der Zielstange 24 und der Sensorklemme 22.

  

[0011]    Die Stangenklemme 20 ist vorzugsweise eine zweiteilige Klemme mit einem geringfügig kleineren Innendurchmesser als die Zugschraube 18, an welcher die Stangenklemme 20 fixiert ist. Ein Fortsatz von der Klemme ist mit einem Gewinde versehen, um die Zielstange 24 aufzunehmen. Die Zielstange ist vorzugsweise mit einem abgesetzten Schaft und an einem Ende mit einem Gewinde versehen, um an der Stangenklemme 20 fixiert zu werden und senkrecht zu der Klemme 20 zu stehen, wobei die Schulter mit dem abgesetzten Schaft senkrecht auf der Achse der Zielstange steht.

  

[0012]    Das entgegengesetzte Ende der Zielstange 24 steht senkrecht auf der Achse der Stange und wird als Messziel verwendet. Eine umlaufende Nut an der Stange 24 wird verwendet, um die korrekte Einsetztiefe in die Sensorklemme 22 anzuzeigen. Unter Bezugnahme auf Fig. 3ist die Sensorklemme 22 ähnlich der Stangenklemme 20, mit der Ausnahme, dass der Fortsatz einen Hohlraum 28 enthält, der mit einer Kunststoffhülse ausgekleidet ist, um die Zielstange 24 aufzunehmen, und eine mit einem Gewinde versehene Länge, um den Sensor 26 zu tragen. Es erfolgt eine Messung der Position der Sensorklemme relativ zur axialen Seitenfläche der Zielstange 24.

  

[0013]    Um das System zu installieren, wird zuerst die Stangenklemme 20 nahe einem Ende der Zugschraube 18 platziert und an der Zugschraube 18 durch Festziehen der Klemmschrauben gesichert. Die Zielstange 24 wird dann fest in die Stangenklemme 20 (parallel zu der Zugschraube 18) eingesetzt. Die Sensorklemme 22 wird dann an der Zugschraube 18 installiert und zu der Zielstange 24 hin geschoben, bis sich die Zielstange bis zu der durch die Nut an der Zielstange 24 angezeigten Tiefe in die Sensorklemme 22 hinein erstreckt. Ein Sensor 26 wird dann in die Sensorklemme 22 eingebaut, und wenn er bis zur Anfangstiefe eingesetzt ist, wird der Sensor durch eine Kontermutter fest gegen die Sensorklemme 22 gesichert. Das Verfahren wird für jede mit einer Einrichtung versehene Zugschraube 18 wiederholt.

   Das beschriebene Verfahren ist beispielhaft, da dem Fachmann alternative Verfahren oder anders geordnete Schritte einsichtig sind, und die Erfindung ist nicht notwendigerweise auf das beschriebene Verfahren eingeschränkt intendiert.

  

[0014]    Unter Bezugnahme auf Fig. 2erzeugt während des Betriebs des Kompressors eine Kraft an dem Kolben 30 (Kraft 1) unter Druck stehendes Gas in dem Zylinder in einer gleichen, aber entgegengesetzten Richtung. Die entstehenden Spannungskräfte (Kraft 2) werden von dem Zylinderkopf 16 proportional auf die tragenden Zugschrauben 18 (Kraft 3) übertragen. Diese Spannung führt zu einer Dehnung an den Zugschrauben 18, welche diese veranlasst, in Übereinstimmung mit dem Elastizitätsmodul für das Schraubenmaterial länger zu werden. Die Gesamtvergrösserung zwischen der Stangenklemme 20 und der Sensorklemme 22 steht in direkter Relation mit der Vergrösserung der Zugschraube 18 zwischen den zwei Klemmen 20, 22.

   Da die Zielstange 24 in Bezug auf die Stangenklemme 20 fest steht, aber frei in der Sensorklemme 22 gleiten kann, ändert sich der Abstand von der Sensorseitenfläche zu der axialen Seitenfläche der Zielstange im selben Ausmass wie die belastungsinduzierte Vergrösserung der Zugschraube 18.

  

[0015]    Der Sensor 26 misst diese Zunahme im Raum zwischen dem Sensor 26 und der Zielfläche der Zielstange 24, welche in direkter Relation mit der Belastung an der Zugschraube 18 steht. Der Sensor 26 gibt seine Messung an einen Prozessor, wie etwa eine CPU oder dergleichen, aus, und der Prozessor erzeugt Ausgabekurven, die im Aussehen ähnlich den klassischen Druck-Volumen-Diagrammen (PV diagrams) sind, die verwendet werden, um einen Zustand des Kompressors zu bewerten.

  

[0016]    Der Verdichtungszyklus erzeugt Wärme, von welcher ein Teil durch den Kompressorzylinder und den Kopf abgestrahlt wird. Während die Zugschrauben 18 erwärmt werden, dehnen sie sich als ein Ergebnis ihres linearen Ausdehnungskoeffizienten aus. Diese thermische Vergrösserung verlängert auch den Abstand zwischen der Stangenklemme 20 und der Sensorklemme 22. Während die Wärme von dem Zylinder abgestrahlt wird, dehnt sich auch die Zielstange 24 in Ansprechen auf die Temperaturänderung aus, und diese Vergrösserung verringert den Abstand zwischen dem Sensor 26 und der Zielstangen-Seitenfläche, und kompensiert dadurch die Umgebungstemperatur der Einrichtung und der Zugschrauben 18. Dies ist ein wichtiges Merkmal, da nur die Messung des Abstandes zwischen den Klemmen allein (zum Beispiel mit einem Laser) die thermische Vergrösserung nicht kompensieren würde.

   Die Installation der Zielstange 24 sorgt für diese Funktionalität.

  

[0017]    Der Ausgleich der Kräfte in den Zugschrauben 18 führt dazu, dass die Summe der gesamten Schraubenbelastung gleich der Antriebskraft ist, obwohl dies nicht garantiert, dass sie gleichmässig auf alle Zugschrauben 18 verteilt wird. Die Sensorausgaben von einer Anzahl von Sensoren 26 kann summiert werden, um die gesamte auf den Zylinder wirkende Kraft zu erhalten.

  

[0018]    Das hierin beschriebene Überwachungssystem verwendet die inhärente Dehnung an Abschnitten einer Kompressoranordnung, um den Zylinderdruck zu bestimmen. Durch Überwachung des Zylinderdrucks können wertvolle Informationen über die Ventil- und Dichtungsleistung erhalten werden, wodurch das Risiko eines Ausfallzustands reduziert wird.

  

[0019]    Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den zurzeit als am praktikabelsten und als bevorzugt angesehenen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dennoch klar, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen einzuschränken ist, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen, die in den Geist und Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallen, abdecken soll.

Claims (10)

1. System zur Überwachung eines mechanischen Zustands eines Hubkolbenkompressors, wobei der Hubkolbenkompressor ein Kompressorgerüst (12), eine Druckkammer (14) und einen Druckkammerkopf (16) umfasst, wobei eine Vielzahl von Zugschrauben (18) zwischen dem Kompressorgerüst und dem Druckkammerkopf befestigt ist, wobei das Überwachungssystem eine an einer aus der Vielzahl von Zugschrauben befestigte Sensoranordnung umfasst, wobei die Sensoranordnung ein Ausdehnungselement (24), das so angeordnet ist, dass es sich in Übereinstimmung mit der Ausdehnung der einen der Zugschrauben ausdehnt, sowie einen Sensor (26) umfasst, der die Ausdehnung des Ausdehnungselements misst.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Sensoranordnung eine Stangenklemme (20) und eine Sensorklemme (22), die an einer der Zugschrauben (18) und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, umfasst, und wobei das Ausdehnungselement eine zwischen der Stangenklemme und der Sensorklemme angeschlossene Zielstange (24) umfasst.

3. System nach Anspruch 2, wobei der Sensor (26) in der Sensorklemme (22) montiert ist.

4. System nach Anspruch 2, wobei die Zielstange (24) an der Stangenklemme (20) an einem Ende fixiert und beweglich mit der Sensorklemme (22) an einem entgegengesetzten Ende gekoppelt ist, so dass die Ausdehnung der einen der Zugschrauben (18) die Zielstange veranlasst, sich relativ zu der Sensorklemme zu bewegen.

5. System nach Anspruch 4, wobei der Sensor (26) in der Sensorklemme (22) proximal zu dem entgegengesetzten Ende der Zielstange (24) montiert ist, wobei der Sensor die Bewegung der Zielstange relativ zu der Sensorklemme erfasst.

6. System nach Anspruch 4, wobei die Zielstange (24) aus einem Material gebildet ist, das ähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften wie ein Material der Zugschrauben (18) aufweist.

7. System nach Anspruch 1, wobei das Ausdehnungselement (24) aus einem Material gebildet ist, das ähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften wie ein Material der Zugschrauben (18) aufweist.

8. System nach Anspruch 1, umfassend mehrere Sensoranordnungen, die jeweils an einer aus der Vielzahl von Zugschrauben (18) gesichert sind.

9. Verfahren zur Überwachung eines mechanischen Zustands eines Hubkolbenkompressors, wobei der Hubkolbenkompressor ein Kompressorgerüst (12), eine Druckkammer (14) und einen Druckkammerkopf (16) umfasst, wobei eine Vielzahl von Zugschrauben (18) zwischen dem Kompressorgerüst und dem Druckkammerkopf befestigt ist, wobei das Verfahren umfasst, dass:

(a) eine Zielstange (24) an zumindest einer aus der Vielzahl von Zugschrauben befestigt wird;

(b) das Bewegungsausmass einer Zielstange gemessen wird; und

(c) das Bewegungsausmass der Zielstange mit einem mechanischen Zustand des Hubkolbenkompressors in Beziehung gesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Schritt (a) ausgeführt wird, indem eine Stangenklemme (20) und eine in einem Abstand von der Stangenklemme angeordnete Sensorklemme (22) an der einen der Zugschrauben (18) fixiert werden, und die Zielstange (24) an der Stangenklemme und der Sensorklemme gesichert wird, wobei die Zielstange an der Stangenklemme an einem Ende fixiert und beweglich mit der Sensorklemme an einem entgegengesetzten Ende gekoppelt wird.