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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterdrücken und zur Modulation von Druckpulsationen in gasführenden Rohrleitungen von Gasen aller Art mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Solche Druckpulsationen können zum Beispiel durch Kolbenkompressoren hervorgerufen werden. Aber auch andere Anregungsarten sind möglich und treten in der Praxis auch auf.
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Unter dem Begriff „Druckpulsationen“ sind alle unerwünschten Druckschwankungen in Rohrleitungen und anderen gasführenden Teilen der Anlage, wie z.B. Behälter und Filter, zu verstehen, die sich schädlich auf den Betrieb der Gesamtanlage oder die Haltbarkeit einzelner Bauteile auswirken können.
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Der Begriff „Betriebspunkt“ bezeichnet einen bestimmten Betriebszustand der Kompressionsanlage, bei dem das Gas von einem bestimmten Eintrittszustand, gekennzeichnet durch Gasart, Gasmenge, Druck und Temperatur auf einen bestimmten Endzustand ebenfalls gekennzeichnet durch Gasart, Gasmenge, Druck und Temperatur durch die Zufuhr von physikalischer Arbeit, zum Beispiel die Kolbenbewegung im Zylinder eines Kolbenkompressors, gehoben wird.
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Unter dem Begriff „Kolbenkompressor“ sind ein oder mehrere getrennt oder zusammen wirkenden Kompressoren zu verstehen, die in der gleichen Anlage gemeinsam oder einzeln betrieben werden. Kolbenkompressoren zeichnen sich dadurch aus, dass ein oder mehrere Kolben sich in einem Zylinder vorwärts und rückwärts bewegen du dabei entweder Gas aus einer Einlassleitung einsaugen oder in der Gegenbewegung das eingesaugte Gas auf einen höheren Druck komprimieren und in die Auslassleitung aus dem Zylinder herausdrücken. Dadurch entstehen gemäß der Kolbenbewegung Druckschwankungen in den Einlass- und Auslassleitungen. Diese sogenannten Druckpulsationen interagieren miteinander und mit den Resonanzeigenschaften der gesamten Kompressoranlage und sind, bei entsprechender Stärke und Frequenz, in der Lage signifikante Vibrationen zu erzeugen, die Teile der Anlage oder sogar die gesamte Anlage beschädigen oder zerstören können. Die Grundfrequenz der Druckpulsationen, die durch Kolbenkompressoren hervorgerufen werden, lässt sich abschätzen, indem die Anzahl der Kolbenhübe pro Sekunde zugrunde gelegt wird. Diese Frequenz erhöht sich entsprechend der Anzahl der Verdichterstufen und ob ein oder mehrere Stufen mit des Kolbenkompressors mit einfach- oder doppelt wirkenden Zylindern ausgestattet sind. Bei doppelt wirkenden Verdichterstufen findet Einsaugen und Komprimieren sowohl bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens im Zylinder wie auch bei der Abwärtsbewegung statt, wohingegen bei einfach wirkenden Zylindern Einsaugen nur bei einer Bewegungsrichtung, zum Beispiel beim Abwärtsbewegen, stattfindet. Bei einfach wirkenden Zylindern findet dann die Kompression nur bei der Gegenbewegung des Kolbens im Zylinder statt.
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Aus der bekannten Bewegung der Kolben können so die Frequenzen der Druckpulsationen bestimmt werden. Das Ausströmen und Einströmen des Gases in die Zylinder erfolgt an unterschiedlichen Positionen des Kolbenkompressors und zu entsprechend unterschiedlichen Drücken. Dadurch entstehen wiederum Phasenversätze der Druckpulsationen sowie unterschiedliche Stärken der Schwankungsamplituden. Diese Druckpulsationen breiten sich stromauf und stromab in den gasführenden Leitungen der Kompressoranlage und der angrenzenden Anlagen aus und interagieren mit der Struktur. In vielen Fällen sind allein die Amplituden der Druckpulsationen, das heißt die Stärke der Druckschwankungen, so groß, dass sie inakzeptable hohe Vibrationen hervorrufen, die Teile der Anlage oder sogar die Gesamtanlage schädigen können. Verschlimmert wird die Situation noch dadurch, dass die Frequenzen der Druckpulsationen mit Teilen der Anlage in Resonanz treten und die Schwingungen in diesen Frequenzbereichen weiter verstärkt werden.
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Unvorteilhafterweise bestehen diese Gefahren in jedem Betriebspunkt der Kompressoranlage. Eine Änderung des Betriebspunktes geht einher mit der Änderung der Kolbenbewegungen und deshalb ändern sich auch Frequenz, Phase und Stärke der eingeleiteten Druckpulsationen.
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Je nach Betriebspunkt wirken sich die Druckpulsationen unterschiedlich schädlich auf die Kompressoranlage aus.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirksame Pulsationsunterdrückung oder -vermeidung zu erzeugen, die einen weiten Betriebsbereich der Kompressoranlage abdeckt, über ein weites Frequenzspektrum wirksam ist, einen genügend großen Amplitudenbereich behandelt und den Phasenversatz in den Druckschwankungen kompensiert.
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Heute angewandte Technologien verwenden passiv wirkende Mechanismen. Die Druckpulsationen werden im einfachsten Fall in großen Behältern beruhigt. Durch verschiedene Gestaltungsoptionen der Behälter und deren Eintritts- und Austrittsleitungen wird angestrebt, dass die Druckpulsationen im Behälter soweit dissipieren, dass die keine Gefahr für die Anlage mehr darstellen. Unterstützt werden diese Maßnahmen durch siebartige Rohreinbauten oder passive Resonanzdämpfer, sog. Helmholtz-Resonatoren, die so ausgelegt sind, dass sie vorher bestimmte einzelne Pulsationsfrequenzen herausfiltern sollen.
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Nachteile dieser passiven Maßnahmen sind zum einen ihre Größe zum anderen die Tatsache, dass sie nur in bestimmten Frequenz- und Amplitudenbändern wirksam sind, also für jede Anlage neu bestimmt und ausgelegt werden müssen. Schon kleine Änderungen von einer Kompressoranlage zur anderen, wie sie zum Beispiel durch Fertigungstoleranzen oder Unterschiede in der Aufstellung in der Endanlage entstehen, können sich nachteilig auswirken.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen aktiven Pulsationsdämpfer (25), der in seinem Frequenz- und Amplitudenverhalten auf die jeweilige Betriebs- und Anlagensituation angepasst werden kann und somit ohne signifikante mechanische Anpassungen für verschiedene Kompressoranlagen und dort über weite Betriebsbereiche anwendbar ist.
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Der Aktuator besteht aus einer, der Rohrleitung angepassten Platte die mit Hilfe eines geeigneten Antriebs vorzugsweise aber nicht ausschließlich linear bewegt wird. Diese Bewegung sendet Pulsationen in die Hauptströmung, die mit den Hauptpulsationen interagieren und diese vorteilhaft beeinflussen. Frequenz und Hub der Aktuatorplatte werden über eine Steuereinheit situationsbedingt eingestellt. Dazu benötigt die Steuereinheit Informationen der Kolbenbewegung bzw. der Kompressordrehzahl sowie Werte der Strömung stromab und stromauf der Aktuatorplatte. Mit Hilfe geeigneter Sensoren werden eingehende und ausgehende Druck- und Temperaturschwankungen des Gases zeitecht ermittelt und zur Weiterverarbeitung an die Steuereinheit geleitet. Hier werden damit Beschleunigung und Bewegung der Platte ermittelt und der Plattenantrieb entsprechend angegesteuert.
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Die Pulsationsdämpfung erfolgt aktiv gesteuert, ähnlich wie bei bekannten aktive Schallunterdrückungssystemen. Im Unterschied zu diesen kann der aktive Aktuator der vorliegenden Erfindung nicht nur so angesteuert werden, dass er eine um 180 Grad phasenversetzte Gegenschwingung erzeugt, sondern er kann auch so angesteuert werden, dass die in den Pulsationen enthaltene Druckenergie derart moduliert wird, dass die dadurch entstehenden neuen Druckschwankungen in Frequenz und Amplitude die Struktur nicht mehr schädigen.
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Dadurch wird der Aktuator vielseitig einsetzbar. In Anwendungen oder Betriebspunkten, in denen es nur schwer möglich ist, Pulsationen ausreichend gut zu dämpfen erfolgt die Schutzwirkung durch die Veränderung der Pulsationen in Frequenz und/oder Amplitude, so dass die Struktur der Anlage nicht mehr mit den Druckpulsationen interagiert. Die Steuerung des Aktuators ermöglicht betriebspunktabhängig beide Optionen. Beide Mechanismen der Pulsationsmodulation wirken effektiv Schäden entgegen. Insbesondere können damit sehr leicht Resonanzschwingungen vermieden werden.
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Das Funktionsprinzip des Aktuators ist ähnlich einem konventionellen Lautsprecher mit Membrane. Ein elektromechanisch geeignet angesteuerter Anker bewegt eine geeignet geformte und ausreichend stabil ausgeführte Platte, die im Ruhezustand an der Wandung der Einlass- oder Auslassleitung anliegt. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, dass die Platte formschlüssig oder gasdicht ausgeführt wird.
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Akuatorplatte, Aktuatorantrieb und alle weiteren notwendigen Bauteile befinden sich in einem gas- und druckdichten Gehäuse, dass ebenfalls gas- und druckdicht mit der Hauptleitung verbunden ist. Stromauf und stromab des Aktuators befinden sich Drucksensoren, deren Messwerte wiederum als Eingabe- bzw. Kontrollgrößen für die Ansteuerung des Aktuators dienen.
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Durch die Bewegung der Aktuatorplatte werden von dieser Druckschwankungen erzeugt, die in die Hauptströmung wirken und mit dieser wechselwirken. Ziel ist es, die Bewegung der Platte so zu steuern, dass die Druckpulsationen in der Hauptleitung in Frequenz und Amplitude so verändert werden, dass sie keine schädlichen Auswirkungen auf das Kompressoraggregat haben.
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Vorteilhafterweise kann die gesamte mechatronische Funktionsgruppe als Einheit so ausgeführt werden, dass sie z.B. mit Hilfe von Flanschverbindungen einfach in Kompressoranlagen integriert werden kann.
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Als eigenständige Einheit kann der aktive Pulsationsdämpfer zudem flexibel in der Anlage integriert werden. Vorteilhafterweise an Stellen, an denen sich unerwünschte Drucküberhöhungen einstellen.
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Zur Steuerung der Aktuatorbewegung in Frequenz und Amplitude werden Informationen aus der Einlass- und Auslassströmung verwendet sowie Informationen aus den Bewegungen der Kolben des Kompressors.
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Eine geeignete Steuereinrichtung ermöglicht, dass in vorteilhafter Weise die für den jeweiligen Betriebszustand beste Bewegung der Aktuatorplatte in Frequenz und Amplitude erfolgt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind, ggf. jedoch lediglich gleich einmal. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung eines typischen Kompressoraggregates wie in 1 mit zwei aktiven Pulsationsdämpfern. Der Kolbenkompressor des Aggregates wird mit Hilfe eines Elektromotors über ein Riemengetriebe angetrieben, die Strömungsrichtung ist von rechts nach links. Das Gas wird gefiltert, wird in den Kolbenkompressor eingesaugt, dort verdichtet anschließend gekühlt und strömt weiter in die Endanwendung.
- 2 eine Darstellung eines aktiven Pulsationsdämpfers mit einem generischen Linearantrieb, der über einen mechanischen Stempel die Aktuatorplatte antreibt.
- 3 eine Darstellung des aktiven Pulsationsdämpfers in Flanschausführung mit elektromechanischem Antrieb und zugehörigem Steueralgorithmus
- 4 eine Darstellung das aktiven Pulsationsdämpfers in Flanschausführung mit elektrohydraulischem Antrieb und zugehörigem Steueralgorithmus
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1 zeigt vereinfacht einen doppelt wirkenden Kolbenkompressor, der ein Gas einsaugt (A). Das eingesaugte Gas strömt durch die Einlassleitung (4) und durch den Behälter (5) in den Kompressor (1). Der Kolben (12) des Kompressors wird über den Kurbeltrieb (18, 17, 20, 16) auf und ab bewegt. In jeder dieser Bewegung saugt der Kompressor das Gas über die Einlassventile (10) ein während er gleichzeitig an der gegenüberliegenden Seite das Gas komprimiert und über die Auslassventile (11) in die weitere Anlage fördert.
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Durch die oszillierende Kolbenbewegung von (12) entstehen Druckpulsationen, die sich sowohl stromauf als auch stromab in den gasführenden Teilen der Anlage ausbreiten und mit der Struktur wechselwirken.
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Das komprimierte Gas wird im Wärmetauscher (6) z.B. mit Hilfe von Wasser (13) auf die gewünschte Temperatur abgekühlt.
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Sollte bei der Abkühlung Flüssigkeit aus dem Gas kondensieren, so wird diese in einem Abscheider (8) vom Gasstrom getrennt und mit einer geeigneten Vorrichtung (9) dem System entzogen.
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Das komprimierte Gas strömt dann weiter durch die Leitung (7) zum Auslass (B) und zur weiteren Verwendung.
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Alle gasgefüllten Volumina, sei es die der Behälter (5), (8), die der Rohrleitungen (4), (7), der Kühler (6) oder anderer Anlagenkomponenten können vereinfacht als ein schwingfähiges Feder-Masse-Dämpfer-System betrachtet werden, in dem das darin befindliche Gas durch die Bewegung der Kolben(12) angeregt wird und in Schwingungen versetzt wird.
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Wie bei jedem schwingfähigen System gibt es auch hierbei Resonanzfrequenzen, die schwere Schäden an der Kompressoranlage (1) bzw. an den angrenzenden Komponenten hervorrufen können.
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Es sind viele Maßnahmen bekannt, diese Pulsationen soweit zu unterdrücken, dass sie keine schädlichen Auswirkungen haben.
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Eine ausgeführte Maßnahme ist, die Behälter (5) und (8) ausreichend groß und geeignet zu gestalten, dass sie die Druckpulsationen abdämpfen.
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Bei unvorteilhafter Gestaltung der Behälter (5), (6) können jedoch die Pulsationen diese Strukturen auch zu schädlichen Schwingungen anregen.
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Andere passive Maßnahmen sind das Einbringen von Schwingungsabsorbern, die die Pulsationsenergie aufnehmen und in Wärme dissipieren.
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Alle diese Maßnahmen sind passiv, das heißt sie funktionieren gut in einem eng begrenzten Betriebsbereich der Kompressoranlage und müssen zudem noch genau auf diese spezielle Anlage angepasst werden.
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Soll der pulsationsarme Betriebsbereich erweitert werden, müssen mehrere verschiedene Dämpfer ausgelegt und eingebaut werden. Alternativ darf die Kompressoranlage in diesem Bereich nicht betrieben werden, der Betriebsbereich wird ausgeblendet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen aktiven Pulsationsdämpfer gemäß 2 bis 4, der als eigenständiges Bauteil in die Kompressoranlage integriert wird gemäß 1 und mit Hilfe einer geeigneten Steuerung unter Berücksichtigung geeigneter thermodynamischer und mechanischer Werte betriebspunktabhängig so angesteuert wird, dass die Pulsationsenergie der Strömung ausreichend gut minimiert wird bzw. die Pulsationen so moduliert werden, dass sie sich nicht schädlich auf die Kompressoranlage auswirken.
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Die Pulsationen der Hauptströmung werden im Wesentlichen verursacht durch die Kolbenbewegung. Der in 1 beispielhaft dargestellte Kolbenkompressor sei ein einzylindrischer Kompressor, dessen Kolben (12) das Gas sowohl in der Aufwärts- als auch in der Abwärtsbewegung komprimiert, während er im jeweils gegenüberliegenden Zylinderraum das Gas entsprechend wieder ansaugt.
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Bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle (21) entstehen so jeweils zwei Kompressions- und Expansionswellen, die sich im Fall der Expansionen in den Ansaugtrakt (4) bzw. im Fall der Kompression in den Fördertrakt (7) der Kompressoranlage in Form der Druckpulsationen fortpflanzen.
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In erster Näherung lässt sich die Frequenz der Pulsationen direkt aus der Drehzahl berechnen. Der in Figur (1) dargestellte Kompressor soll beispielhaft mit einer Drehzahl von 720 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, das entspricht einer Drehfrequenz von 12 Hertz. Es können also Pulsationen mit einer Grundfrequenz von 24 Hertz bzw. Vielfachen davon, erwartet werden.
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Ein wirksamer Aktuator muss also Frequenzen dieser Größenordnung und ausreichend großer Amplitude erzeugen und diese mit geeignetem Phasenversatz in die Hauptströmung leiten.
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2 zeigt einen aktiven Pulsationsdämpfer (25) mit einem geeigneten Linearantrieb (25.2) und zugehörigem Steueralgorithmus (25.1).
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Die bewegliche Aktuatorplatte (25.6) schließt bündig mit der Innenseite der Wandung der gasführenden Rohrleitung (25.9) ab. Zur Sicherstellung der Funktion ist es nicht notwendig, dass die Platte gasdicht zum Rohrinnenraum abschließt.
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Die Aktuatorplatte (25.6) wird durch einen geeigneten Antrieb vorzugsweise linear bewegt. Dadurch erzeugt sie im Gasstrom ihrerseits Druckpulsationen, die mit den Druckpulsationen des ankommenden Hauptstroms interagieren.
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Mit Hilfe der Steuereinheit (25.1) können Frequenz und Amplitude der Bewegung der Aktuatorplatte (25.6) verändert werden.
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Bei geeigneter Frequenz und Amplitude der durch die Aktuatorplatte (25.6) erzeugten Druckpulsationen entstehen Überlagerungen mit den Pulsationen der Hauptströmung, die diese so beeinflussen, dass die resultierenden Gesamtpulsationen in vorteilhafter Weise verändert werden.
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Die Bewegung der Aktuatorplatte (25.6) wird gesteuert durch die Steuereinheit (25.1). Dazu werden Werte aus der Strömung stromauf (25 C) und stromab (25 B) der Aktuatorplatte sowie Informationen aus der Kolbenbewegung selbst (25 A) mit hilfe geeigneter Sensoren ermittelt und an die Steuereinheit weitergeleitet.
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Je nach Betriebspunkt der Kompressoranlage verändern sich die Pulsationen in der Hauptströmung. Entsprechend passt die Steuereinheit (25.1) Phase, Amplitude und Frequenz des Aktuators an.
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Der vorwiegend lineare Antrieb des Aktuators (25.2) erzeugt die benötigte Auslenkung der Aktuatorplatte (25.6). Dabei können verschiedene Aktuationsmechanismen angewendet werden, sofern sie die oben genannten Anforderungen an Geschwindigkeit und Verfahrweg erfüllen. Beispielhaft erwähnt seien hier zwei Aktuationsmechanismen.
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3 zeigt einen Aktuator in Flanschausführung als eigenständiges Bauteil, das mit Hilfe von Flanschverbindungen (25.8) in die Kompressoranlage (2) integriert werden kann. Der Antrieb der Aktuatorplatte (25.6) erfolgt durch einen elektromechanischen Linearantrieb, bestehend aus einem beweglicher Stempel(25.3) und einem feststehenden Stator (25.2) .
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Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird im Stator (25.2) ein elektromagnetiches Feld erzeugt, das den Stempel (25.3) bewegt. Je nach Polung kann der Stempel auf- bzw. abbewegt werden. Dabei kann die Bewegung unterstützt werden durch den Einsatz einer Rückstellfeder (25.4), die auch dafür sorgt, dass die Aktuatorplatte in ihre Ruheposition gebracht wird, im Fall des Zusammenbruchs der Versorgungsspannung.
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Durch diese Funktion entsteht in diesen Fehlerfällen keine negative Strömungsbeeinflussung. Das System geht selbstständig zurück in einen bekannten Zustand ohne aktive Pulsationsdämpfung.
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4 zeigt als weitere Alternative einen aktiven Pulsationsdämpfer mit elektrohydraulischen Antrieb. Der Schieber (26.7) des Steuerventils (26.11) wird durch einen geeigneten elektromechanischen Antrieb (26.10) linear bewegt.
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Durch die Leitungen (26.3), (26.5) und (26.4) gelangt Hydraulikflüssigkeit durch das Steuerventil in den Zylinder des eigentlichen Hydraulikaktuators und auch wieder hinaus und bewegt so dessen Kolben (26.1).
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Durch die Hydraulikleitungen (26.3) und (26.5) kann Hydraulikflüssigkeit in den Aktuator einströmen und, je nach Schieberposition (26.7) in den Zylinder des Aktuators gelangen. Je nachdem, in welchen Teil des Zylinders der hohe Flüssigkeitsdruck geleitet wird, bewegen sich Aktuatorstempel (25.5) und Aktuatorplatte (25.6) nach oben oder nach unten. Die Flüssigkeit auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des Aktuatorkolbens (26.1) gelangt durch den Rückführkanal (26.4) wieder zurück in ein geeignetes Hydraulikreservoir.
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Eine geeignete Steuerungseinheit (25.1) steuert die Bewegung des Steuerventils so, dass durch Ein- und Ausströmen von Hydraulikflüssigkeit der Kolben (25.5) und damit die Aktuatorplatte (25.6) so bewegt wird, dass Druckpulsationen in der Hauptströmung hinreichend moduliert werden, um die Gesamtanlage, oder Teile davon, vor Schäden zu schützen.
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Die in 2 bis 4 dargestellten Aktuatoren zeigen zwei mögliche Alternativen zum Antrieb der Aktuatorplatte. Andere geeignete Antriebsarten sind denkbar. Allen gemeinsam ist, dass der Antrieb der Aktuatorplatte aktiv gesteuert und moduliert werden kann und an den jeweiligen Betriebspunkt der Kompressoranlage angepasst wird.
