DE19648589A1

DE19648589A1 - Verfahren zum Steuern des Betriebes einer aus mehreren Verdichtern bestehenden Druckluft-Verdichterstation

Info

Publication number: DE19648589A1
Application number: DE1996148589
Authority: DE
Inventors: Wolf Zolldann
Original assignee: Compair Mahle GmbH
Current assignee: Compair Mahle GmbH
Priority date: 1996-11-23
Filing date: 1996-11-23
Publication date: 1998-05-28
Also published as: EP0844396A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betrie bes einer aus insbesondere elektromotorisch angetriebenen, mehreren Verdichtern bestehenden Druckluftstation nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus mehreren einzelnen, gleiche oder unterschied liche Leistungsdaten, aufweisenden Verdichtern bestehenden Verdichterstation sollen je nach momentan vorliegendem Druckluftverbrauch nur so viele Verdichter und in einer sol chen Kombination in Betrieb sein, wie es zu einer sicheren Deckung des Druckluftbedarfs unter gleichzeitiger Minimie rung des Energieaufwandes notwendig ist.

Eine grundsätzliche Lösung hierfür zeigt eine Steuerung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 auf.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteranspru che.

Die Erfindung beruht auf folgenden Gedanken.

Die Verdichterstation soll, wenn sie in Betrieb ist, in dem von ihr zu speisenden Druckluftnetz jeweils Druckluft für den Verbraucher innerhalb eines durch einen oberen und einen unteren Druckgrenzwert möglichst eng begrenzten Druckberei ches zur Verfügung stellen. Dabei soll die Druckluftförde rung derart gesteuert werden, daß zunächst mit Überschuß bis zur Erreichung der oberen Druckgrenze gefördert wird. Nach Erreichen der oberen Druckgrenze soll eine Korrektur dahin gehend erfolgen, daß mit einem möglichst geringen Druckab fall bis zur Erreichung der unteren Druckgrenze gefördert wird. Ist die untere Druckgrenze erreicht, so soll wieder mit geringem Druckluftüberschuß bis zum Erreichen der oberen Druckgrenze gefördert werden. In dieser Weise, das heißt durch jeweils einen geringen Förderüberschuß bzw. einen För dermangel an erzeugter Druckluft wird die Druckluftförderung alternierend zwischen den beiden Druckgrenzen betrieben. Durch einen flachen Verlauf eines Druckanstieges bzw. Abfal les zwischen den Druckgrenzen soll eine geringe Schalthäu figkeit der Verdichterantriebe erreicht werden.

Nach einem Erreichen der vorgegebenen Druckgrenzwerte soll die dort erfolgende Korrektur jeweils möglichst vernünftig und realitätsnah mit Bezug auf die zu jenen Zeitpunkten je weils herrschenden Druckluftverbräuche sein. Dies bedeutet, daß die Druckluftverbräuche kontinuierlich erfaßt werden müssen, um bei der Korrektur an den Druckgrenzwerten jeweils vernünftig berücksichtigt werden zu können.

Es werden daher in vorgegebenen kurzen Zeitintervallen von beispielsweise 2 bis 5 Sekunden die jeweils vorliegenden Über- oder Unterschußdruckluftvolumenförderströme ermittelt.

Diese Ermittlung geschieht nach gemessenen Betriebswerten unter Auswertung nach folgender Gleichung:

V_L - V_V = V_N= (dp/p₀)/dt

V_V = Verbrauchsvolumenstrom bezogen auf den Normzu stand von 1 bar, 20°C,
V_L = momentaner Fördervolumenstrom der Verdichter station bezogen auf den Normzustand,
(dp/p₀)/dt = Druckluftänderung je Zeiteinheit, geteilt durch den Normdruck
p₀ = Normdruck, auf den die Volumenströme bezogen sind
t = Zeiteinheit
V_N = Volumen des Druckluftnetzes einschließlich Speicherbehälter und Rohrleitungen im Zusam menhang mit der Druckluft-Verdichterstation.

Der momentane Volumenstrom V_L wird von der erfindungsgemäßen Steuerung anhand der bekannten Volumenförderströme der ein zelnen Verdichter der Verdichterstation ermittelt. Gegebe nenfalls wird bei einem oder mehreren Verdichtern möglicher Teillastbetrieb bei der Rechnung berücksichtigt durch:
Gesamt-Fördervolumenstrom einer Verdichterstation = Summe aus Volumenförderstrom eines Verdichters × Lastanteil des betreffenden Verdichters.

Bei bekannten Größen V_L und V_N läßt sich der Druckluftver brauch durch die Erfassung der Druckänderung pro Zeit rela tiv einfach ermitteln. Hierzu ist lediglich ein Drucksensor innerhalb des Druckluftnetzes erforderlich, wobei zur Ver meidung von Sondereinflüssen auch mehrere Druckluftsensoren vorgesehen sein können. Eine praktisch kontinuierliche Er mittlung läßt sich dadurch erreichen, daß die Druckluftände rungen jeweils in beispielsweise 2 bis 5 Sekunden intervallen ermittelt werden. Dabei ist es auch möglich, die Druckänderungswerte über mehrere Zeitintervalle zu mitteln.

Dies bedeutet in anderen Worten ausgedrückt folgendes. Die Druckmessung wird in regelmäßigen kurzen Zeitabständen vor genommen, während für die Berechnung der Druckentwicklung jeweils nur am Anfang und Ende einer aus mehreren Meßinter vallen zusammengesetzten Periode Werte herangezogen werden. Hierdurch kann einerseits eine Glättung der Messung erreicht und andererseits eine Messung möglichst dicht an einer Re gelgrenze durchgeführt werden.

Da die Druckluftverbräuche über eine Gleichung ermittelt werden, in der eine Größe von dem Volumen V_N des Druck luftnetzes gebildet ist und dieses Volumen bei Netzverände rungen (z. B. nur ein Teilbereich des Druckluftnetzes befin det sich in Betriebsbereitschaft) unterschiedlich ist, kann es vorteilhaft sein, das Druckluftnetzvolumen als variable Größe bei dem Steuerverfahren mit zu erfassen und auszuwer ten. Dies läßt sich dadurch realisieren, daß Druckluftför dermengenveränderungen bei jeweils gleichbleibendem Ver brauch mehrfach hintereinander unter Anwendung der vorste hend angegebenen Gleichung ausgewertet werden. Durch ein einfaches Rechenprogramm kann auf diese Weise das jeweils tatsächliche Druckluftnetzvolumen berücksichtigt werden.

Durch die vorbeschriebenen Druckänderungsmessungen kann über die zuvor angeführte Gleichung in vorgebbaren kurzen Zeitin tervallen das Maß an gefördertem Druckluftüberschuß oder Fehlbedarf ermittelt werden. Dabei können die Meßwerte - wie bereits erwähnt - auch über mehrere Meßintervalle gemittelt werden.

Erreicht der absolute Druck in dem Druckluftnetz einen vor gegebenen Grenzwert, so wird hierdurch stets ein Druckände rungssignal erzeugt. Die Größe des Druckänderungssignals richtet sich nach dem bei der Signalentstehung gerade beste henden Maß an Druckluft-Überschuß oder Fehlbetrag.

Über einen Rechner wird aus dem Wert für den ermittelten Druckluft-Überschuß oder Fehlbedarf in dem Betriebssystem der Verdichterstation eine Betriebsschaltung der einzelnen Verdichter gewählt, das heißt es werden einzelne Verdichter zu- oder abgeschaltet (wobei auch Teillastschaltungen mög lich sind), bei der bei Erreichen der oberen Druckgrenze ei ne möglichst geringe Fehlbedarfsförderung und bei Erreichen des unteren Druckgrenzwertes eine möglichst geringen Über schuß-Druckluftförderung von der Verdichterstation geliefert wird. Die Auswahl der zu- und abzuschaltenden Verdichter kann über ein vorgegebenes Programm erfolgen. In jedem Fall können die einzelnen Verdichter nach vorgegebenen Prioritä ten in Betrieb genommen, stillgesetzt, auf Leerlauf- oder Teillastbetrieb geschaltet werden.

Voraussetzung dafür, daß Betriebszustandsänderungen bei den einzelnen Verdichtern der Verdichterstation möglich sind, ist, daß solche Veränderungen nicht aus anderen Gesichts punkten verboten sind und daher bei dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren nicht durchgeführt werden. Beispielswei se werden elektromotorisch angetriebene Verdichter, bei de nen eine bauartbedingte Nachlaufzeit nach einem letzten Ein schalten noch nicht abgelaufen ist, in der Regel nicht abge schaltet, sofern nicht betriebsbereite Ersatzverdichter gleicher Leistungsdaten in der Verdichterstation zur Verfü gung stehen. Es kann beispielsweise ein Schaltungsprogramm für die Betriebsschaltung der Verdichterstation vorgesehen sein, bei dem bei Erreichen der unteren Druckgrenze, bei der ein Veränderungssignal erzeugt wird, bei leistungsgleich zur Verfügung stehenden Verdichtern jeweils ein solcher zuge schaltet wird. Dadurch wird die Schalthäufigkeit für jeden einzelnen Kompressor geringer und es besteht die Möglich keit, bauartbedingte Nachlaufzeiten der Verdichter zu ver meiden.

Bei einer Korrektur des Betriebszustandes der einzelnen Ver dichter aufgrund eines "Veränderungssignales" kann es vor kommen, daß zum Zeitpunkt der ersten nach Grenzüberschrei tung erfolgenden Messung des Druckluft-Überschusses oder Fehlbetrages die erste Korrektur noch nicht ausreichend ist, um den absoluten Druck innerhalb des Druckluftnetzes in den Bereich zwischen den Druckgrenzwerten wandern zu lassen. In einem solchen Fall wird ein neues Veränderungssignal zur Herbeiführung von weiteren Korrekturen unter den genannten Bedingungen erzeugt. Dieser Vorgang kann in Ausnahmefällen sich mehrmals wiederholen.

Wenn innerhalb des Druckluftnetzes - aus welchen Gründen auch immer - erhebliche Druckschwankungen vorliegen, liegen praktisch keine stationären Verhältnisse vor und es wäre sinnlos, während solcher Zustände ermittelte Druckänderungs werte zur Steuerung heranzuziehen. Bei der erfindungsgemäßen Steuerung werden daher derartige Werte von einer Berücksich tigung bei der Steuerung ausgenommen. Dies kann dadurch ge schehen, daß über ein bestimmtes Maß hinausgehende Druckän derungswerte unberücksichtigt bleiben. Entsprechende unbe rücksichtigt bleibende Schwankungen können beispielsweise bei Zu- oder Abschalten einzelner an der Druckluftförderung beteiligter Verdichter entstehen.

Zur Vermeidung sinnloser Veränderungen an den Betriebszu ständen der einzelnen Verdichter kann es auch zweckmäßig sein, die Druckveränderungswerte über mehrere Ermittlungspe rioden jeweils zu mitteln und lediglich den Mittelwert zu berücksichtigen.

Bei einer Verdichterstation mit mehreren einzelnen Verdich tern können jeweils mehrere Verdichter mit gleicher Leistung vorhanden sein. Gleiche Leistungen einzelner Verdichter kön nen sich auch dadurch ergeben, daß einzelne oder alle Ver dichter mit unterschiedlichen Lastzuständen betrieben werden können. In diesen Fällen kann der Betriebseinsatz leistungs gleicher oder leistungsgleich geschalteter Verdichter in dem vorgegebenen Betriebssystem der Verdichter nach vorgegebenen Prioritäten ausgewählt werden. So kann beispielsweise grund sätzlich von leistungsmäßig gleichartig arbeitenden Verdich tern derjenige zuerst in Betrieb genommen werden, der eine längste Stillstandszeit aufzuweisen hat. Die Prioritätenvor gabe kann auch vorsehen, daß zunächst immer erst beispiels weise im Leerlauf betriebene Verdichter auf Förderbetrieb geschaltet werden, bevor Verdichter aus dem Stillstand ge startet werden.

Durch die erfindungsgemäße Steuerung ist es auch möglich, innerhalb des vorgegebenen Betriebsschaltungssystems in Ab hängigkeit von der jeweiligen Laufzeit eines Verdichters die Zuordnung einzelner leistungsgleicher beziehungsweise lei stungsgleich geschalteter Verdichter zu vertauschen. Dadurch wird eine gleichmäßige Auslastung aller Verdichter über die Gesamtbetriebsdauer erreicht.

Die erfindungsgemäße Steuerung ermöglicht es darüber hinaus, durch eine Auswertung der zwischen den oberen und unteren Druckgrenzwerten gemessenen Druckveränderungen eine soge nannten Trendrechnung für den wahrscheinlichen Druckverlauf vorzunehmen, wodurch unnötige Nachlaufzeiten vermieden wer den können. Die Trendberechnungen können dabei in einer Wei se erfolgen, wie sie in DE 32 37 251 C für die Steuerung ei nes Einzelverdichters angegeben sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf schematisch gezeichnete Darstellungen und Diagram me beschrieben.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verdichtersta tion aus insgesamt 6 einzelnen Verdichtern,

Fig. 2 Betriebsdiagramme für verschiedene Betriebszustän de der Verdichter in der Verdichterstation, in der folgende Einzeldiagramme wiedergegeben sind:

Fig. 2.1 Druckluftverbrauch mit dem Druckluftverbrauchsvo lumenstrom V_V in Prozent als Ordinate über einer Zeit-Abszisse,

Fig. 2.2 Druckverlauf innerhalb des Druckluftnetzes in ei nem Diagramm mit dem Druck innerhalb des Druck luftnetzes als Ordinaten-Wert und der Zeit als Ab szissenwert,

Fig. 2.3 Fördervolumendiagramme der einzelnen Verdichter einer Druckluftstation mit einem jeweiligen För dervolumen in Prozent auf der Ordinate aufgetragen und einer Zeit-Abszisse mit Werten t.

Eine Druckluftverdichterstation besteht nach Fig. 1 aus ins gesamt 6 Verdichtern K1 bis K6. Diese Verdichter können in ein Druckluftnetz fördern, das aus Rohrleitungen R sowie ei nem Druckluftbehälter B besteht. An dem Druckluftbehälter ist eine Druck-Veränderungs-Meßeinrichtung PJ installiert, die ihre Meßwerte an eine Steuerung S weiterleitet. Die Steuerung S schaltet die einzelnen Verdichter K1 bis K6 nach einem vorgegebenen Programm in der Weise, daß im erfindungs gemäßen Sinne Druckluft in das Druckluftnetz R, B gefördert wird.

Ein konkretes Steuerungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Fig. 2 erläutert.

In dem Druckluftverbrauchsdiagramm nach Fig. 2.1 ist über einen bestimmten Zeitraum der jeweilige momentane Druckluft verbrauchsvolumenstrom in Prozent des maximal möglichen Ver brauchs eingetragen.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerung wird der Druck innerhalb des Druckluftnetzes R, B jeweils zwischen den Druckwerten P_min. und P_max. durch entsprechende Betriebsschaltungen der Verdichter K1 bis K6 in der Verdichterstation gesteuert. Die Druckkurve wird zwischen den einzelnen Druckgrenzwerten, die mit A, B, C, E, G und I bezeichnet sind, bezüglich Stei gungsänderungen allein von Druckluftverbrauchsänderungen be einflußt. Derartige Steigungsänderungen des Druckluftver laufs sind an den Punkten D, F und H zu sehen.

Durch eine Vorprogrammierung in der Steuerung S für die Druckluftverdichterstation arbeiten zwischen den Druckver laufspunkten A und B nach Fig. 2.3 die Verdichter K1 bis K4 jeweils in Vollastbetrieb.

Bei Erreichen des oberen Druckgrenzwertes P_max. in dem Punkt B wird anhand des Druckverlaufes vor Erreichen des Punktes B durch die Steuerung S der Kompressor K1 auf Teillast ge schaltet. Hierdurch wird nunmehr weniger Druckluft erzeugt als verbraucht wird, weshalb der Druck in dem Punkt C den unteren Druckgrenzwert P_min. erreicht. Aufgrund des Druckver laufes, der durch in kurzen Zeitabständen zwischen 2 und 3 Sekunden erfolgende Druckänderungsmessungen erfaßt wird, wird in Punkt C aufgrund des direkt vor diesem Punkt liegen den Druckverlaufes, der aus einzelnen Druckveränderungsmes sungen als Mittelwert angegeben werden kann, durch die Steuerung S ein erneutes Schalten des Kompressors K1 auf Vollastbetrieb ausgelöst.

Wegen unveränderten Druckluftverbrauches bis zu dem Punkt D steigt der Druck innerhalb des Druckluftnetzes zwischen den Punkten C und D in gleicher Weise an wie zwischen A und B. Bei dem Punkt D erfolgt eine Druckluftverbrauchsverminde rung, wodurch der Druckverlauf zwischen den Punkten D und E eine vergrößerte Steigung erhält. Bei Erreichen des oberen Grenzdruckes P_max. in dem Punkt E kann aufgrund der zwischen den Punkten D und E vorhandenen steilen Druckverlaufskurve, die ein Maß für eine erhöhte Überschußförderung ist, die Druckluftförderung vermindert werden. Deshalb wird einer seits der Kompressor K2 vollständig ausgeschaltet und der Kompressor K1 auf Teillast geschaltet. Durch diese Verminde rung der Druckluftfördermenge fällt die Druckkurve wieder ab in Richtung auf den unteren Druckgrenzwert P_min.. In dem Punkt F liegt eine weitere Verringerung des Druckluftver brauches vor, so daß sich die Mangelförderung in eine Über schußförderung wandelt. Dadurch wird erneut in dem Punkt G der maximale Druckgrenzwert erreicht. Die Steuerung reagiert hierauf durch ein vollständiges Abschalten des Kompressors K1, so daß nunmehr lediglich noch die Verdichter K3 und K4 auf Förderbetrieb geschaltet sind.

In dem Punkt H der Druckverlaufskurve erhöht sich der Druck luftverbrauch, wodurch sich die Druckkurve mit verstärkter Neigung dem Punkt I auf den unteren Druckgrenzwert P_min. nä hert. Aufgrund des vor dem Punkt I gemessenen erhöhten Druckluftverbrauches wird durch die Steuerung S eine Be triebsumschaltung in der Verdichterstation vorgenommen und die Verdichter K2, K3, K4 und K5 gleichzeitig auf Förderbe trieb geschaltet.

In der Steuereinrichtung S können verschiedene vorgegebene Schaltungsprogramme eingegeben sein, wie sie bei der Erläu terung der Erfindung sowie in den Ansprüchen im einzelnen angegeben sind.

Claims

1. Verfahren zum Steuern des Betriebes einer aus insbeson dere elektromotorisch angetriebenen, mehreren Verdichtern bestehenden Druckluft-Verdichterstation, bei der die Anzahl der arbeitenden Verdichter dem Druckluftverbrauch anpaßbar ist und bei der der Druck der von einem Verbraucher entnehm baren Druckluft durch die Art des Betriebes und die Anzahl der arbeitenden Verdichter zwischen einem oberen und unteren Grenzwert gehalten wird, gekennzeichnet durch die Merkmale,

a) die Förder- und Verbrauchsvolumenströme der Druckluftan lage werden während der Betriebszustände zwischen dem oberen und unteren Druckgrenzwert in vorgegebenen kurzen Zeitintervallen ermittelt,
b) bei Erreichen des oberen oder unteren Druckgrenzwertes wird ein Signal für eine Veränderung (Veränderungssignal) des Betriebszustandes der Verdichter in der Verdichter station erzeugt (ausgenommen beim Aufladen des Druck luftnetzes),
c) das Veränderungssignal enthält eine quantitative Angabe über das augenblicklich vorliegende Über- bzw. Unter schuß-Druckluftfördervolumenstrommaß (Abweichungsvolumen strom),
d) anhand des Abweichungsvolumens wird der tatsächlich er forderliche Gesamt-Fördervolumenstrom ermittelt,
e) anhand des festgestellten tatsächlich erforderlichen Ge samt-Fördervolumenstromes wird für die Verdichterstation ein diesem Wert möglichst nahekommender Betriebszustand der Verdichter ausgewählt und eingestellt, wobei bei ei nem durch einen Förderüberschuß (positives Abweichungsvo lumen) bedingten Abweichungsvolumen ein von der Zusammen setzung der Verdichter in der Verdichterstation abhängi ger möglichst geringer Fördermangel (negatives Abwei chungsvolumen) eingestellt und bei einem durch einen För dermangel (negatives Abweichungsvolumen) bedingtes Abwei chungsvolumen ein von der Zusammensetzung der Verdichter in der Verdichterstation abhängiger möglichst geringer Förderüberschuß eingestellt wird,
f) solange der Betriebsdruck der erzeugten Druckluft inner halb des Druckluftnetzes außerhalb des von den Druck grenzwerten begrenzten Bereichs liegt, werden in den Zei tintervallen, in denen die Förder- und Verbrauchsvolumen ströme gemessen werden, neue Veränderungssignale erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abweichungsvolumen ermittelt wird nach der Gleichung
V_L - V_V = V_N = (dp/p₀)/dt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen V_N des Druckluftnetzes in der Gleichung nach Anspruch 2 eine variable Größe darstellt, die durch Druck luftfördermengenveränderungen bei jeweils gleichbleibendem Verbrauch automatisch in vorgebbaren Zeitabständen durch mehrfache wiederholte Auswertung dieser Gleichung bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß bei kurzfristigen starken Schwankungen des Betriebsdruc kes der Druckluft über ein vorgebbares Maß hinaus während des damit verbundenen instabilen Druckzustandes keine Verän derungssignale erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer durch eine Veränderung des Betriebszustandes der einzelnen Verdichter wegen der damit verbundenen Druck schwankung innerhalb der Verdichteranlage kein Veränderungs signal erstellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Prioritäten für den Betriebszustand bei der Schaltung der einzelnen Verdichter vorgegeben sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der - oder diejenigen Verdichter zum Fördern her angezogen werden, die sich gerade nicht im Stillstand befin den.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zeitpunkt, in dem ein Verdichter in Betrieb ge setzt werden muß, bei Vorhandensein mehrerer Verdichter gleicher oder gleich schaltbarer Leistung zunächst derjenige Verdichter in Betrieb geschaltet wird, der die längste Stillstandszeit aufzuweisen hat.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für gleiche Fördervolumenstrom-Betriebszustände in vor gebbaren Kalenderzeitabständen jeweils unterschiedliche Ver dichter in Arbeitsbetrieb genommen werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fördervolumenstrom möglichst von leistungsgleichen Verdichtern der Verdichterstation erzeugt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch zwischen den Druckgrenzwerten Änderungssignale bei über einer vorgebbaren Druckänderungsgeschwindigkeit liegen den Druckverlaufswerten erzeugt werden.