DE102007034736A1

DE102007034736A1 - System und Verfahren zur Überwachung eines Kolbenkompressors

Info

Publication number: DE102007034736A1
Application number: DE102007034736A
Authority: DE
Inventors: Roger A. Gardnerville Hala
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-08-15
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2008-02-21
Also published as: CN101126386B; CH699820B1; JP5107632B2; US20080046196A1; US8348628B2; KR101300433B1; JP2008045547A; CN101126386A; KR20080015741A

Abstract

Ein System und ein Verfahren ermöglichen die Überwachung des mechanischen Zustands eines Kolbenkompressors. Der Kolbenkompressor umfasst ein Kompressorgestell (12), eine Druckkammer (14) und einen Druckkammerkopf (16). Eine Mehrzahl Verbindungsstangen (18) ist zwischen dem Kompressorgestell und dem Druckkammerkopf befestigt. An einer der Mehrzahl Verbindungsstangen ist eine Sensoranordnung befestigt. Die Sensoranordnung umfasst ein Verlängerungselement (24), das positioniert ist, um sich in Verbindung mit der Ausdehnung einer der Verbindungsstangen zu verlängern. Ein Sensor (26) misst die Verländerung des Verlängerungselements, um dadurch den Zylinderdruck zu überwachen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Überwachung des mechanischen Zustandes eines Kolbenkompressors und im Besonderen auf ein nicht invasives System und ein nicht invasives Verfahren, welche die dynamische Leistung eines Zylinders eines Hyperkompressors messen, indem die Betriebseigenbelastung der Kompressoranordnung gemessen wird.
Die Herstellung von Polyethylen niedriger Dichte erfordert die Anwendung von sehr hohen Drücken. Polymerisationsdrücke können bis zu 50.000 Psi erreichen. Um diese Drücke zu erreichen, werden Hochdruckkolbenkompressoren oder Hyperkompressoren verwendet. Die Überwachung des mechanischen Zustandes der Zylinderkomponenten des Hyperkompressors während des Betriebs ist wichtig für die Bestimmung der Anforderungen an die Instandhaltung. Das heißt, Hyperkompressoren sind anfällig für ähnliche Probleme, wie die Niedrigdruckkolbenkompressoren, die zum Beispiel Ventilversagen, Ventilundichtigkeit, Dichtungslecks und Ähnliches umfassen. Die zum Komprimieren des flüchtigen Gases verwendeten Kolben werden aus Materialien hergestellt, die eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, aber brüchig sind und beim Brechen typischerweise zerspringen. Ventilversagen kann aufgrund des Druckungleichgewichts eine übermäßige Beanspruchung bewegter Teile des Kompressors zur Folge haben oder dazu führen, dass lose Teile des Ventils in die Kom pressorkammer fallen und einen Metall-Metall-Kontakt mit der Kolbenfläche auslösen, der ein Verbiegen und einen endgültigen Ausfall des Kolbens bewirken kann. Solche Ausfälle führen zur mechanischen Zerstörung des Kompressors und zum Freisetzen der flüchtigen Gase, welche leicht entflammbar sind, was ein Sicherheitsproblem für Personen darstellt, die in Kompressornähe arbeiten. Eine direkte Messung der hohen Drücke zur Bestimmung der Zylinderleistung durch die Kammer durchdringende Elemente ist sehr gefährlich. Die Kenntnis des Zylinderdrucks gibt aber Einblick in die Ventil- und die Dichtungsleistung und die Fähigkeit, viele potentiell katastrophale Zustände zu verhindern.
Die Messung der Belastung der Kompressoranordnung erfolgt, wie in US-Patent Nr. 7056,097 beschrieben, mit Hilfe von Belastungsmessgeräten, die an den Kopfschrauben oder an den Verbindungsstangen montiert sind, oder Druckbelastungsmessungen zwischen dem Kopf und der Kopfschraubenmutter.
Das in der erwähnten Veröffentlichung verwendete Belastungsmesssystem führt ein Gerät als Teil der Last tragenden Struktur ein und neigt zu Verformung oder Bruch, was allein schon ein Sicherheitsproblem darstellt. Extern angebrachte Belastungsmessgeräte erfordern ein Reinigen der Oberfläche, um eine gute Bindung mit dem beanspruchten Element zu unterstützen. Zudem sind solche Belastungsmessgeräte temperaturabhängig. Darüber hinaus sind Belastungsmessgeräte klein und erfordern Schutz, um in einer Industrieumgebung zu bestehen und werden bei Montage an einen im Betrieb befindlichen Kompressor zyklisch belastet. Es werden Belastungsanordnungen zum Festklemmen verwendet, aber auch sie erfordern ein Reinigen der Oberfläche, und da die Kontaktfläche beansprucht wird, werden die Kontaktflächen sich im Laufe der Zeit und unter zyklischer Beanspruchung verschieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung überwacht ein System den mechanischen Zustand eines Kolbenkompressors. Der Kolbenkompressor umfasst ein Kompressorgehäuse oder -Gestell, eine Druckkammer und einen Druckkammerkopf, in dem eine Mehrzahl Verbindungsstangen zwischen dem Kompressorgehäuse und dem Druckkammerkopf befestigt ist. Das Überwachungssystem weist eine Sensoranordnung auf, die an einer der Verbindungsstangen befestigt ist, wobei die Sensoranordnung ein Verlängerungselement umfasst, das positioniert ist, um sich in Übereinstimmung mit der Ausdehnung der einen Verbindungsstange auszudehnen und einen Sensor, der die Ausdehnung des Verlängerungselements misst.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein System zur Überwachung des mechanischen Zustandes eines Kolbenkompressors eine an einer der Verbindungsstangen befestigte Stangenklemme; eine an einer Verbindungsstange befestigte und von der Stangenklemme beabstandete Sensorklemme, einen in der Sensorklemme montierten Sensor; und eine Zielstange, die an einem Ende der Stangenklemme befestigt und an einem gegenüberliegenden Ende nahe am Sensor beweglich mit der Sensorklemme verbunden ist. Die Verlängerung der einen Verbindungsstange wird gemessen, indem die Bewegung des gegenüberliegenden Endes der Zielstange relativ zur Sensorklemme mit dem Sensor abgetastet wird.
In einer wieder anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Überwachung des mechanischen Zustandes eines Kolbenkompressors die folgenden Schritte: (a) Befestigen einer Zielstange an mindestens einer der Verbindungsstangen; (b) Messen der Größe der Bewegung einer Zielstange; und (c) Korrelieren der Größe der Bewegung der Zielstange mit dem mechanischen Zustand des Kolbenkompressors.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine perspektivische Sicht eines beispielhaften Kolbenkompressors mit einem angebrachten System zur Überwachung seines mechanischen Zustandes;
2 ist eine Querschnittsdarstellung, welche die Funktionsweise des Überwachungssystems zeigt;
3 ist eine ausführliche Querschnittsansicht des Überwachungssystemsensors.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das hierin beschriebene System und das Verfahren verwenden die Eigenbelastung auf einige Abschnitte der Kompressoranordnung zur Bestimmung des Zylinderdrucks. Die durch den Druck verursachte Eigenbelastung führt zu einer Dehnung der Kompressorstruktur und das hierin beschriebene System misst diese Veränderung in den Abmessungen, welche zum Druck linear proportional ist. Das System verwendet ähnliche Materialien wie der Kompressor, so dass jegliche Wärmeausdehnungseffekte erhöhter Temperaturen ausgeglichen werden. Das Messen der Belastung über eine wesentliche Län ge der Struktur erlaubt einen wesentlichen Anstieg in der Sensorempfindlichkeit über ein Belastungsmessgerät, das eine relativ geringe Empfindlichkeit aufweisen kann. Multiple auf einem Zylinder platzierte Abtastsysteme können summiert oder zusammenwirken, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und jegliches Wackeln im Zylinder, welches eine unausgeglichene Belastung verursacht, zu mitteln. „Wackeln" ist eine von einer Seite zur anderen Seite gerichtete Bewegung der Zylinderanordnung, die eine ungleiche Belastung der gegenüberliegenden Seiten der Kammer bewirken würde. In vertikaler Richtung sind reichlich Unterstützung und Steifheit vorhanden, weniger dagegen in horizontaler Richtung.
Mit Bezug auf 1 wird ein beispielhafter Hochdruckkolbenkompressor 10 dargestellt. Der Kolbenkompressor 10 umfasst ein Kompressorgestell 12, eine Druckkammer 14 und einen Druckkammerkopf 16. Zwischen dem Kompressorgehäuse 12 und dem Druckkammerkopf 16 sind mehrere Verbindungsstangen 18 befestigt. Die Verwendung und die Funktionsweise des Kompressors 10 sind bekannt und die Details dazu werden nicht weiter beschrieben.
Mit weiterem Bezug auf 1 umfasst das System eine Stangenklemme 20, eine Sensorklemme 22, eine Zielstange 24 und einen Sensor 26. Die Stangenklemme 20 ist an mindestens einer der Mehrzahl Verbindungsstangen 18 befestigt. Die Sensorklemme 22 ist an derselben (denselben) Verbindungstange(n) 18 befestigt und von der Stangenklemme 20 beabstandet. Ein Sensor 26, wie z.B. ein Näherungssensor oder Ähnliches, ist in der Sensorklemme 22 montiert. Ein geeigneter Sensor ist der Bently Nevade NSV Sensor, erhältlich bei Bently Nevada Corporation, Minden, NV. Alternativ kann ein optischer oder anderer geeigneter Sensor verwendet wer den. Die Zielstange 24 ist an einem Ende der Stangenklemme 20 befestigt und an dem gegenüberliegenden Ende nahe am Sensor 26 beweglich mit der Sensorklemme 22 verbunden. Die Verlängerung der Verbindungsstangen 18 verursacht eine relative Bewegung des gegenüberliegenden Endes der Zielstange 24 und der Sensorklemme 22.
Vorzugsweise ist die Stangenklemme 20 eine zweiteilige Klemme mit einem Innendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als die Verbindungsstange 18, an der die Stangenklemme 20 befestigt ist. Ein Vorsprung der Klemme ist mit einem Gewinde versehen, um die Zielstange 24 aufzunehmen. Die Zielstange ist vorzugsweise gedehnt und an einem Ende mit einem Gewinde versehen, um an der Stangenklemme 20 befestigt zu werden und um senkrecht zur Klemme 20 mit der gedehnten Schulter zu verlaufen, die senkrecht zur Zielstangenachse verläuft.
Das gegenüberliegende Ende der Zielstange 24 verläuft senkrecht zur Achse der Stange und wird als ein Messziel verwendet. Eine Umfangsnut an der Stange 24 wird verwendet, um die richtige Einführtiefe in die Sensorklemme 22 zu kennzeichnen. Mit Bezug auf 3 ähnelt die Sensorklemme 22 der Stangenklemme 20, mit der Ausnahme, dass der Vorsprung einen Hohlraum 28 enthält, gesäumt von einer Kunststoffmuffe zum Aufnehmen der Zielstange 24, und ist an ihrer Länge mit einem Gewinde versehen, um den Sensor 26 zu stützen. Die Messung erfolgt an der Sensorkiemmenposition bezüglich der Axialfläche der Zielstange 24.
Zur Installation des Systems wird zunächst die Stangenklemme 20 in die Nähe eines Endes der Verbindungsstange 18 platziert und an der Verbindungsstange 18 befestigt, in dem die Spannschrauben festgezogen werden. Die Zielstange 24 wird dann fest in der Stangenklemme 20 befestigt (parallel zur Verbindungsstange 18). Anschließend wird die Sensorklemme 22 an der Verbindungsstange 18 befestigt und zur Zielstange 24 geschoben, bis sich die Zielstange bis zu der Tiefe in die Sensorklemme 22 erstreckt, die von der Nut der Zielstange 24 gekennzeichnet ist. Dann wird ein Sensor 26 in die Sensorklemme 22 montiert und wenn er bis zur Ausgangstiefe eingeführt ist, wird der Sensor fest mit einer Gegenmutter gegen die Sensorklemme 22 positioniert. Der Vorgang wird für jede mit einem Gerät ausgerüstete Verbindungsstange 18 wiederholt. Das beschriebene Verfahren ist lediglich beispielhaft, da Fachleute alternative Verfahren oder anders angeordnete Schritte erkennen werden, und die Erfindung ist nicht zwangsläufig auf das beschriebene Verfahren begrenzt.
Mit Bezug auf 2 erzeugt während des Kompressorbetriebs eine Kraft auf den Kolben 30 (Kraft 1) in dem Zylinder ein Gas unter Druck in gleicher aber entgegengesetzter Richtung. Die entstandenen Beanspruchungskräfte (Kraft 2) werden vom Zylinderkopf 16 in Abschnitten an die stützenden Verbindungsstangen 18 (Kraft 3) geleitet. Diese Beanspruchung führt zu einer Belastung der Verbindungsstangen 18, welche bewirkt, dass diese sich gemäß dem Elastizitätsmodul für Stangenmaterial verlängern. Das Gesamtwachstum zwischen der Stangenklemme 20 und der Sensorklemme 22 steht in direkter Beziehung zu dem Wachstum der Verbindungsstange 18 zwischen den beiden Klemmen 20, 22. Da die Zielstange 24 bezüglich der Stangenklemme 20 stationär ist, aber in der Sensorklemme 22 frei gleiten kann, wird sich der Abstand von der Sensorfläche zur Axialfläche der Zielstange genauso ändern wie das belastungsinduzierte Wachstum der Verbindungsstange 18.
Der Sensor 26 misst diesen Anstieg im Zwischenraum zwischen dem Sensor 26 und der Zielfläche der Zielstange 24, der in direkter Beziehung zur Belastung der Verbindungsstange 18 steht. Der Sensor 26 gibt seine Messung an einen Prozessor wie eine Zentraleinheit (CPU) oder Ähnliches aus und der Prozessor erzeugt Leistungskurven, die klassischen Druck-Volumen(DV)-Diagrammen ähneln, welche zur Bewertung des Zustandes des Kompressors verwendet werden.
Der Kompressionszyklus erzeugt Wärme, von der ein Teil über den Kompressorzylinder und den Kopf abstrahlt. Wenn die Verbindungsstangen 18 erwärmt werden, dehnen sie sich im Ergebnis ihres linearen Ausdehnungskoeffizienten aus. Dieses Wärmewachstum wird ebenfalls den Abstand zwischen der Stangenklemme 20 und der Sensorklemme 22 vergrößern. Wenn die Temperatur von dem Zylinder abgestrahlt wird, wächst auch die Zielstange 24 als Antwort auf die Temperaturveränderung und das Wachstum verringert den Abstand zwischen dem Sensor 26 und der Zielstangenfläche, wodurch die Umgebungstemperatur des Gerätes und der Verbindungsstangen 18 kompensiert wird. Das ist ein wichtiges Merkmal, da lediglich das Messen den Abstand zwischen den Klemmen (zum Beispiel mit einem Laser) das Wärmewachstum nicht kompensieren würde. Die Installation der Zielstange 24 stellt diese Funktion bereit.
Die Herstellung des Gleichgewichts der Kräfte in den Verbindungsstangen 18 führt dazu, dass die Summe der Stangenbeanspruchung der Antriebskraft gleicht, wenngleich das nicht garantiert, dass sie gleich unter allen Verbindungs stangen 18 aufgeteilt ist. Die Sensorausgaben aus einer Reihe von Sensoren 26 können summiert werden, um die auf den Zylinder wirkende Kraft zusammenzurechnen.
Das hierin beschriebene Überwachungssystem verwendet die Eigenbelastung auf einige Abschnitte einer Kompressoranordnung zur Bestimmung des Zylinderdrucks. Durch Überwachung des Zylinderdrucks können wertvolle Informationen über die Ventil- und Dichtungsleistung erhalten werden, wodurch das Risiko eines katastrophalen Zustands verringert wird.
Während die Erfindung in Verbindung mit den derzeit als praktischsten und bevorzugtesten angesehenen Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern im Gegenteil beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen im Sinne und Anwendungsbereich der angefügten Patentansprüche zu behandeln.

10: Kolbenkompressor
12: Kompressorgestell
14: Druckkammer
16: Druckkammerkopf
18: Verbindungsstangen
20: Stangenklemme
22: Sensorklemme
24: Zielstange
26: Sensor
28: Hohlraum
30: Kolben

Claims

System zur Überwachung des mechanischen Zustands eines Kolbenkompressors, wobei der Kolbenkompressor ein Kompressorgehäuse (12), eine Druckkammer (14) und einen Druckkammerkopf (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl Verbindungsstangen (18) zwischen dem Kompressorgehäuse und dem Druckkammerkopf befestigt ist, das Überwachungssystem eine an einer der Verbindungsstangen befestigte Sensoranordnung umfasst, wobei die Sensoranordnung ein Verlängerungselement (24) umfasst, das positioniert ist, um sich in Verbindung mit der Ausdehnung der einen Verbindungsstange zu verlängern, und einen Sensor (26), der die Verlängerung des Verlängerungselements misst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine Stangenklemme (20) und eine Sensorklemme (22) umfasst, die an der einen Verbindungsstange (18) befestigt und von einander beabstandet sind, und wobei das Verlängerungselement eine Zielstange (24) umfasst, die zwischen der Stangenklemme und der Sensorklemme eingehängt ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) in der Sensorklemme (22) montiert ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielstange (24) an einem Ende der Stangenklemme (20) befestigt und an dem gegenüberliegenden Ende beweglich mit der Sensorklemme (22) verbunden ist, so dass die Ausdehnung der einen Verbindungsstange (18) bewirkt, dass sich die Zielstange relativ zur Sensorklemme bewegt.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) in der Sensorklemme (22) nahe des gegenüberliegenden Endes der Zielstange (24) montiert ist, und der Sensor die Bewegung der Zielstange relativ zur Sensorklemme erfasst.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielstange (24) aus einem Material mit ähnlichen Wärmeausdehnungseigenschaften wie das Material der Verbindungsstangen (18) gebildet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlängerungselement (24) aus einem Material mit ähnlichen Wärmeausdehnungseigenschaften wie das Material der Verbindungsstangen (18) gebildet ist.
System nach Anspruch 1, das mehrere Sensoranordnungen umfasst, die an den jeweiligen Verbindungsstangen (18) befestigt sind.
Verfahren zur Überwachung des mechanischen Zustands eines Kolbenkompressors, wobei der Kolbenkompressor ein Kompressorgehäuse oder -gestell (12), eine Druckkammer (14) und einen Druckkammerkopf (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl Verbindungsstangen (18) zwischen dem Kompressorgestell und dem Druckkammerkopf befestigt ist und wobei das Verfahren umfasst: (a) Befestigen einer Zielstange (24) an mindestens einer der Mehrzahl Verbindungsstangen; (b) Messen einer Bewegungsmenge der Zielstange; und (c) Korrelieren der Bewegungsmenge der Zielstange mit einem mechanischen Zustand des Kolbenkompressors.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) ausgeführt wird, indem eine Stangenklemme (20) und eine Sensorklemme (22), die von der Stangenklemme beabstandet ist, an einer der Verbindungsstangen (18) befestigt werden und die Zielstange (24) an der Stangenklemme und der Sensorklemme befestigt wird, wobei die Zielstange an einem Ende der Stangenklemme befestigt und an einem gegenüberliegenden Ende beweglich mit der Sensorklemme verbunden wird.