DE19517113A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer mehrstufigen Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Turbomaschine, die mindestens zwei Turbinenstufen aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Turbomaschinen werden in verfahrenstechnischen Anlagen zur Verdichtung und zur arbeitsleistenden Entspannung eingesetzt. Die Erfindung bezieht sich gleichermaßen auf Verdichter und Entspannungsmaschinen, die mit Turbinen arbeiten. Derartige Turboverdichter und Entspannungsturbinen sind in Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985 in den Abschnitten 9.1.6 (Seiten 449 bis 454) beziehungsweise 9.2.2 (Seiten 457 bis 461) beschrieben. Vielfach ist es notwendig, diese Maschinen - beispielsweise aufgrund von variierender Produktmenge oder schwankendem Kältebedarf des Prozesses - während ihres Betriebs an verschiedene Durchsätze und Drücke anzupassen. Dazu ist es notwendig, die Maschine zu regeln. Regelgrößen sind dabei im allgemeinen der Durchsatz durch und/oder das Druckverhältnis über die Turbomaschine (Verhältnis zwischen Aus- und Eintrittsdruck bei Verdichtern beziehungsweise Förderhöhe; Verhältnis zwischen Ein- und Austrittsdruck bei Entspannungsmaschinen).

Mehrstufige Turbomaschinen besitzen daher eine entsprechende Einstellmöglichkeit. Diese wirkt jedoch bei bekannten Turbomaschinen auf alle Stufen gleich; zumindest sind die Turbinenstufen durch eine feste Beziehung (in der Regel im wesentlichen proportional) untereinander gekoppelt (im wesentlichen lineares Verstellgesetz).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art weiter zu verbessern, insbesondere einen besonders hohen Wirkungsgrad der Turbomaschine bei Unter- und/oder Überlast zu erzielen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jede Turbinenstufe mindestens eine Stellgröße (α₂₁ bis α₂₄) auf. Die Stellgrößen der verschiedenen Turbinenstufen werden unabhängig voneinander angesteuert.

Die bisher übliche Gleichbehandlung der verschiedenen Stufen der Maschine bei der Einstellung des Durchsatzes und/oder des Druckverhältnisses (beispielsweise über eine feste lineare oder annähernd lineare Beziehung des Verstellverhaltens der verschiedenen Stufen) bewirkt, daß jede der Stufen etwa in gleichem Umfang zur Gesamtleistung beiträgt. Im Rahmen der Erfindung wurde entdeckt, daß diese Gleichbehandlung der Stufen nicht zum optimalen Wirkungsgrad eines Turboverdichters beziehungsweise einer Entspannungsturbine führt. Im gesamten Lastbereich der Maschine läßt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren lastabhängig Energie einsparen, indem die Leistung der einzelnen Stufen jeweils getrennt eingestellt und damit eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Verteilung der Gesamtleistung auf die einzelnen Turbinenstufen erreicht werden kann.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders zum Tragen, wenn ein Betriebsoptimierungssystem (Prozeßsimulator), beispielsweise OPTISIM® der Linde AG zur Optimierung des Wirkungsgrads der Turbomaschine eingesetzt wird. Hierfür gibt es zwei Varianten.

Gemäß der ersten dieser beiden Varianten wird im gesamten Lastbereich der Turbomaschine ein optimiertes Winkelverstellgesetz ermittelt, das den Vektor der Stellgrößen der verschiedenen Turbinenstufen, bei dessen Einstellung die Turbomaschine jeweils den optimalen Gesamtwirkungsgrad aufweist, in Abhängigkeit von der oder den Regelgröße(n) Durchsatz durch die Turbomaschine wiedergibt, und die Stellgrößen der einzelnen Turbinenstufen werden während des Betriebs der Turbomaschine entsprechend diesem optimierten Winkelverstellgesetz eingestellt.

Die Ermittlung des optimierten Winkelverstellgesetzes wird in der Regel vor Inbetriebnahme der Turbomaschine durchgeführt. Sie kann bei Bedarf nachträglich wiederholt werden, beispielsweise bei Betriebsunterbrechungen. Dadurch ist beispielsweise eine Korrektur früherer Werte möglich.

Der Begriff "optimal" bedeutet im Zusammenhang dieser Anmeldung heißt im Prinzip den höchsten Wirkungsgrad. Im Einzelfall kann die Eigenschaft "optimal" von der Optimierungsmethode abhängig sein, so daß in der Praxis daher Abweichungen vom physikalisch-mathematischen Maximum des Wirkungsgrades möglich sind.

Das optimierte Winkelverstellgesetz kann zum Beispiel in zwei Schritten ermittelt werden.

In einem ersten Schritt werden die verschiedenen Stufen einer Turbomaschine einzeln experimentell vermessen (z. B. Prüfstandsmessung), indem für den späteren Betriebsbereich die Werte des Durchsatzes und der Stellgröße durchgefahren werden und bei jedem Meßpunkt der Energieumsatz der Stufe (Energieverbrauch bei einem Verdichter, verrichtete Arbeit bei einer Expansionsturbine), und das Druckverhältnis über die Stufe und die thermodynamischen Daten des Mediums gemessen werden. Daraus läßt sich der Wirkungsgrad für jeden Meßpunkt bestimmen. Zwischen den diskreten Meßpunkten kann zusätzlich numerisch interpoliert werden.

In einem zweiten Schritt wird ein Betriebsoptimierungssystem eingesetzt, um aus den Daten der Einzelstufen für jeden Betriebspunkt der Gesamtmaschine die Kombination an Stellgrößen der einzelnen Stufen zu berechnen, die den optimalen Gesamtwirkungsgrad ergibt. Man erhält auf diese Weise ein optimiertes Winkelverstellgesetz, das für jeden Wert der Regelgröße(n) die optimale Kombination an Werten für die Stellgrößen der Einzelstufen darstellt. Während des Betriebs der Turbomaschine werden die Stellgrößen der einzelnen Stufen entsprechend diesem optimierten Winkelverstellgesetz durch die Regeleinrichtung eingestellt. Eine direkte datentechnische Verbindung zwischen Optimierungssystem und Regeleinrichtung ist hierbei nicht notwendig.

Falls beispielsweise das Druckverhältnis über die Turbomaschine im Betrieb konstant bleiben soll, wird das optimierte Winkelverstellgesetz einer n-stufigen Maschine durch ein Diagramm mit n Kurven repräsentiert. Jede Kurve zeigt den optimalen Wert der Stellgröße jeweils einer Stufe in Abhängigkeit vom Durchsatz durch die Turbomaschine dar. Ein optimiertes Winkelverstellgesetz ähnlicher Struktur ergibt sich bei der Regelung des Druckverhältnisses über die Gesamtmaschine. Bei gleichzeitiger Regelung mehrerer Größen ist das optimierte Winkelverstellgesetz entsprechend vieldimensional.

Alternativ oder ergänzend zu dem oben beschriebenen Einsatz des Betriebsoptimierungssystems vor Inbetriebnahme der Turbinomaschine (off-line) kann das erfindungsgemäße Verfahren in einer zweiten Variante auch mit einer während des Betriebs durchgeführten Optimierung betrieben werden (on-line, Closed-loop-Regelung), indem für jede Turbinenstufe ein Stufenkennfeld aufgenommen wird, das die physikalischen Eigenschaften der jeweiligen Turbinenstufe, insbesondere Wirkungsgrad, Durchsatz und Druckverhältnis, in Abhängigkeit von der Stellgröße der Turbinenstufe wiedergibt, und indem während des Betriebs der Turbomaschine aus den Stufenkennfeldern die Kombination der Werte der Stellgrößen der verschiedenen Turbinenstufen bestimmt wird, bei der die Turbomaschine den optimalen Gesamtwirkungsgrad aufweist.

Zur Ermittlung der Stufenkennfelder werden die einzelnen Turbinenstufen, beispielsweise wie oben anhand der ersten Variante beschrieben, durchgemessen (Prüfstandsmessung). Die Berechnung des für die aktuelle Regelanforderung optimalen Satzes an Stellgrößen der einzelnen Stufen wird jedoch erst während des Betriebs der Maschine durchgeführt. Hier ist das Betriebsoptimierungssystem also Teil der Regeleinrichtung, in der Praxis sind Prozeßleitsystem und Betriebsoptimierung datentechnisch direkt verbunden. Das Betriebsoptimierungssystem kann mit einem stationären oder mit einem dynamischen Modell arbeiten.

Während die erste Variante der Erfindung nur das stationäre Verhalten der Turbomaschine berücksichtigt, können bei der zweiten Variante auch instationäre Effekte einbezogen werden.

Bei beiden Varianten der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Turbinenstufen verstellbare Eintrittsleitvorrichtungen und/oder Nachleitvorrichtungen aufweisen und jeweils der Eintrittsleitwinkel und/oder der Nachleitwinkel als Stellgröße beziehungsweise als Stellgrößen einer Turbinenstufe verwendet werden.

Es ist bekannt, Turbinen mit Leitvorrichtungen auszustatten, deren Anstellwinkel (Eintrittsleitwinkel und/oder Nachleitwinkel) verändert werden können, beispielsweise mit schwenkbaren Düsenblättern (siehe Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Seite 459). Dadurch kann eine Turbomaschine ohne gravierende Verschlechterung der Wirkungsgradcharakteristik mit Unter- oder Überlast befahren werden. Bei bekannten mehrstufigen Maschinen sind die Eintrittsleitwinkel und/oder Nachleitwinkel der einzelnen Stufen (beispielsweise mechanisch) fest gekoppelt, so daß sie nur im wesentlichen proportional verändert werden können.

Erfindungsgemäß wird nun die getrennte Ansteuerung der einzelnen Stufen einer derartigen Maschine angewandt, indem die Eintrittsleitwinkel und/oder Nachleitwinkel der einzelnen Turbinenstufen unabhängig voneinander angesteuert werden. Dadurch wird die Laständerung der Maschine durch Veränderung der Anstellwinkel der Eintritts- und/oder Nachleitapparate einer zusätzlichen Optimierung zugänglich, nämlich der Verteilung der Gesamtleistungsaufnahme beziehungsweise -abgabe auf die einzelnen Stufen. Wie sich im Rahmen der Erfindung herausstellte, führt diese Optimierung auch tatsächlich zu spürbaren Verbesserungen des Wirkungsgrads einer Turbomaschine bei Unter- und Überlast gegenüber der konventionellen Regelung mit starr gekoppelten Eintritts- und Nachleitapparaten.

Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung Einstellung der Eintrittsleitwinkel und/oder Nachleitwinkel kann jeweils die Drehzahl der einzelnen Turbinenstufe als Stellgröße einer Turbine verwendet werden. Die Einstellung der Drehzahl kann mit allen bekannten Mitteln vorgenommen werden.

Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Leistung der Turbinenstufen durch Ein­ beziehungsweise Auskopplung der jeweiligen Stufe eingestellt wird. Dabei kann eine gemeinsame Welle zum Antrieb aller Turbinenstufen verwendet werden. Es ist möglich, die eingekoppelten Turbinenstufen mit optimaler Drehzahl und/oder mit optimalen Eintrittsleitwinkel und/oder Nachleitwinkel zu betreiben, während an den ausgekoppelten Stufen nur ein vernachlässigbarer Energieverlust entsteht. Damit ergibt sich insgesamt ein besonders hoher Wirkungsgrad der Turbomaschine bei sehr hoher Anpassungsfähigkeit hinsichtlich von Leistung und Durchsatz.

Auch hierbei kann ein Betriebsoptimierungssystem auf vorteilhafte Weise eingesetzt werden, indem die Lastabhängigkeit des Wirkungsgrads der Turbomaschine von der Anzahl der in Betrieb befindlichen Turbinenstufen ermittelt wird, indem aus diesen Daten ein Stufenzahlkennfeld ermittelt wird, das die Abhängigkeit der optimalen Anzahl der in Betrieb befindlichen Turbinenstufen, bei der die Turbomaschine jeweils den höchsten Wirkungsgrad aufweist, vom Durchsatz durch die Turbomaschine wiedergibt. Die Ein- und Auskopplung von Turbinenstufen wird während des Betriebs der Turbomaschine entsprechend dieses Stufenzahlfelds vorgenommen.

Die Anzahl der eingekoppelten Stufen sowie in der Regel zusätzlich Drehzahl und/oder Eintritts-/Nachleitwinkel stellen die Stellparameter dar. Dabei werden die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Stufen berücksichtigt. Diese Regelungsvariante kann mit einer Ansteuerung der Leistung der in Betrieb befindlichen Einzelstufen verbunden werden, etwa durch Einstellung der Eintrittsleitwinkel, der Nachleitwinkel und/oder der Drehzahl. Wiederum wird für den speziellen Einsatzbereich einer Maschine für den benötigten Wertebereich die Kombination an eingekoppelten Stufen (Stufenzahlvektor) ermittelt, mit der jeweils der optimale Wirkungsgrad der Maschine erreicht wird. Selbstverständlich muß dies anhand von realistischen Bedingungen geschehen, das heißt mit dem Arbeitsfluid und unter den Ein- und Austrittsdrücken, die durch den Prozeß, in dem die Maschine später eingesetzt werden soll, festgelegt sind.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 7 bis 11, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens dient.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines vierstufigen Verdichters als Turbomaschine, deren Betrieb Gegenstand der Erfindung ist,

Fig. 2, 3 optimierte Winkelverstellgesetze für den Verdichter von Fig. 1 bei zwei verschiedenen Austrittsdrücken und

Fig. 4 die Energieeinsparung durch die erfindungsgemäße Regelung bei dem Verdichter der Fig. 1 in Abhängigkeit vom Durchsatz durch die Maschine.

Als Beispiel einer mehrstufigen Turbomaschine ist in Fig. 1 der Aufbau eines vierstufigen Verdichters schematisch dargestellt. Die vier Turbinenstufen 101, 102, 103, 104 werden über eine gemeinsame Welle 203 und gegebenenfalls über ein Getriebe 202 von einem Motor 201 angetrieben. (Im Falle einer Entspannungsturbine wäre statt des Motors ein Generator oder eine andere leistungsaufnehmende Maschine angekoppelt.) Der Weg des zu verdichtenden Mediums ist in der Zeichnung durch eine halbgestrichelte Doppellinie angedeutet. Vom Eintritt 300 strömt das Medium nacheinander durch die erste Stufe 101 und durch die weiteren Turbinenstufen 102 bis 104. Zwischen jeweils zwei Stufen wird es in je einem Zwischenkühler 301, 302, 303 abgekühlt. Stromabwärts der vierten Stufe 104 verläßt das verdichtete Medium nach Durchlaufen des Nachkühlers 304 die Turbomaschine am Austritt 305.

Jede der Stufen 101 bis 104 weist eine Eintrittsleitvorrichtung auf, deren Winkel (Eintrittsleitwinkel) α₂₁ bis α₂₄ erfindungsgemäß unabhängig voneinander angesteuert werden. Die in dem Beispiel behandelte Maschine weist keine Nachtrittsleitvorrichtun­ gen auf.

In dem Ausführungsbeispiel wird das Druckverhältnis über die Gesamtmaschine konstant gehalten, alleinige Regelgröße ist der Durchsatz durch den Verdichter. Das Ergebnis der Optimierung der Eintrittsleitwinkel-Einstellungen in Abhängigkeit vom Durchsatz durch den Verdichter gemäß der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den optimierten Winkelverstellgesetzen der Fig. 2 und 3 dargestellt. Diese gelten für einen vierstufigen Verdichter nach Fig. 1, der auf eine bestimmte Grundlast (100% relativer Durchsatz) ausgelegt ist. Die Diagramme beziehen sich auf einen Eintrittsdruck von 5 bar und einen Austrittsdruck von 20 bar (Fig. 2, Unterlast) beziehungsweise 28 bar (Fig. 3, etwa Auslegungsdruck). Eintrittsleitwinkel größer als 0° bewirken Mitdrall, negative Eintrittsleitwinkel Gegendrall. Beide Diagramme zeigen bei Unterlast die Grundtendenz, die Eintrittsleitwinkel α₂₃ und α₂₄ der beiden letzten Stufen relativ nahe bei Null zu halten, also diese beiden Stufen nahe an ihrem Leistungsmaximum zu betreiben. Die beiden ersten Stufen werden dagegen insbesondere bei 20 bar Austrittsdruck sehr stark gedrosselt und tragen daher wenig zur Verdichterleistung bei. Überraschenderweise erreicht man also den optimalen Wirkungsgrad, wenn die Gesamtleistung der Turbomaschine durch eine sehr ungleichmäßige Auslastung der verschiedenen Stufen aufgebracht wird. Bei 20 bar Austrittsdruck kann sogar bei Überlast eine wesentliche Verbesserung erreicht werden, indem die drei ersten Stufen mit leichtem Gegendrall gefahren werden, während die vierte Stufe stark gedrosselt ist.

Durch die Regelung des vierstufigen Verdichters nach dem optimierten Winkelverstellgesetz der Fig. 2 beziehungsweise 4 kann in fast allen Lastfällen eine spürbare bis erhebliche Energieeinsparung erzielt werden. Diese ist in Fig. 4 gegen den Durchsatz durch die Maschine aufgetragen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung einer Turbomaschine, die mindestens zwei Turbinenstufen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Turbinenstufe mindestens eine Stellgröße aufweist und daß die Stellgrößen der verschiedenen Turbinenstufen unabhängig voneinander angesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein optimiertes Winkelverstellgesetz ermittelt wird, das den Vektor der Stellgrößen der verschiedenen Turbinenstufen, bei dessen Einstellung die Turbomaschine jeweils den optimalen Gesamtwirkungsgrad aufweist, in Abhängigkeit von der oder den Regelgröße(n) Durchsatz durch die Turbomaschine wiedergibt, und daß die Stellgrößen der einzelnen Turbinenstufen während des Betriebs der Turbomaschine entsprechend diesem optimierten Winkelverstellgesetz eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Turbinenstufe ein Stufenkennfeld aufgenommen wird, das die physikalischen Eigenschaften der jeweiligen Turbinenstufe, insbesondere Wirkungsgrad, Durchsatz und Druckverhältnis, in Abhängigkeit von der Stellgröße der Turbinenstufe wiedergibt, und daß während des Betriebs der Turbomaschine aus den Stufenkennfeldern die Kombination der Werte der Stellgrößen der verschiedenen Turbinenstufen bestimmt wird, bei der die Turbomaschine den optimalen Gesamtwirkungsgrad aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenstufen verstellbare Eintrittsleitvorrichtungen und/oder Nachleitvorrichtungen aufweisen und jeweils der Eintrittsleitwinkel und/oder der Nachleitwinkel als Stellgröße beziehungsweise als Stellgrößen einer Turbinenstufe verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Drehzahl der einzelnen Turbinenstufe als Stellgröße einer Turbine verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Turbinenstufen ein- beziehungsweise ausgekoppelt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer mehrstufigen Turbomaschine und mit einer Regeleinrichtung, die mindestens eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes an Fluid durch die Turbomaschine und/oder zur Bestimmung des Drucks an Ein- und/oder Austritt der Turbomaschine aufweist und mit mindestens einer Steuerleitung mit der Turbomaschine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Stufen der Turbomaschine durch eine eigene Steuerleitung mit der Regeleinrichtung verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung einen Datenspeicher aufweist, in dem das optimierte Winkelverstellgesetz gemäß Anspruch 2 gespeichert ist, sowie eine Recheneinrichtung, die mit dem Datenspeicher und den Steuerleitungen verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ein Betriebsoptimierungssystem aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zur Einstellung der Eintrittsleitwinkel und/oder Nachleitwinkel der einzelnen Stufen der Turbomaschine ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zum Ein- und Auskoppeln der einzelnen Stufen der Turbomaschine ausgebildet ist.