DE19801041C1 - Verfahren zum Betrieb eines Radialverdichters mit verstellbaren Vorleit- und Nachleitapparaten bei Änderungen des Arbeitspunktes im Verdichterkennfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Radialverdichters mit verstellbaren Vorleit- und Nachleit­ apparaten bei Änderungen des Arbeitspunktes im Verdichter­ kennfeld.

Radialverdichter für den industriellen Einsatz sollen einen breiten Durchsatzregelbereich bei gutem Wirkungsgrad unter verschiedenen Ansaugbedingungen aufweisen. Mit veränder­ lichem Durchsatz werden beispielsweise Radialverdichter be­ trieben, die Belüftungseinrichtungen in Kläranlagen mit Luft versorgen. Die Luft wird im Klärbecken bodenseitig eingeblasen. Der Druck, auf den der Luftstrom verdichtet werden muß, ist abhängig vom Wasserstand der Klärbecken. Ferner unterliegt die Ansaugtemperatur im Laufe eines Tages erheblichen Schwankungen. Hinzu kommen saisonale Einflüsse. Infolgedessen ist der Arbeitspunkt eines Radialverdichters laufenden Änderungen ausgesetzt. Ferner sind industrielle Anwendungen für Radialverdichter bekannt, bei denen der Saugdruck erheblichen Schwankungen unterliegt.

Als Regelorgane werden Vorleitapparate mit einstellbaren Vorleitschaufeln, Nachleitapparate mit einstellbaren Nach­ leitschaufeln und Antriebe mit variabler Drehzahl einge­ setzt. Einstellungen am Nachleitapparat werden vorgenommen, wenn der Verdichter bei im wesentlichen konstanter isen­ troper Verdichterarbeit einen breiten Durchsatzregelbereich abdecken muß. Eine Steuerung des Vorleitapparates empfiehlt sich, wenn sich die Druckverhältnisse und/oder Eintrittstemperaturen erheblich ändern. Weder die Steuerung des Vorleitapparates noch die Steuerung des Nachleitappa­ rates alleine ermöglicht einen leistungsoptimierten Betrieb des Verdichters.

Wird die Steuerung des Nachleitapparates mit der Steuerung des Vorleitapparates kombiniert, so ergibt sich eine nahezu unbegrenzte Zahl von Kombinationsmöglichkeiten für die Winkelstellungen der Vorleitschaufeln und die Winkel­ stellungen der Nachleitschaufeln, um einen vorgegebenen Volumenstrom zu verdichten sowie eine vorgegebene Verdich­ terarbeit zu leisten. Das technische Problem besteht darin, diejenige Kombination der Schaufelstellungen einzustellen, die einem möglichst kleinen Leistungsbedarf bzw. einem mög­ lichst großen Wirkungsgrad des Verdichters entspricht.

Bei einem aus DE-A 195 06 790 bekannten Verfahren zum wirkungsgradoptimierten Betreiben eines Radialverdichters werden Eintrittstemperatur, Eintrittsdruck, Austritts­ temperatur, Austrittsdruck sowie der Durchsatz durch den Radialverdichter gemessen und werden dem Arbeitspunkt durch Rechenverfahren Stellwerte sowohl für den Vorleitapparat als auch den Nachleitapparat zugeordnet. Die Zuordnung er­ folgt mittels eines in einem Rechner abgespeicherten Ver­ dichterkennfeldes, welches ein Netz aus wirkungsgradopti­ mierten Kennlinienpunkten enthält. Die Kennlinienpunkte sind in Versuchsreihen am Originalverdichter oder an Modellen ermittelt worden. Zu jedem Kennlinienpunkt müssen mehrere Versuche durchgeführt werden, wobei die Stellungen des Vorleit- und Nachleitapparates systematisch variiert werden und der jeweilige Wirkungsgrad der Maschine ermit­ telt wird. Diejenige Kombination, bei der der Wirkungsgrad des Radialverdichters maximal ist, wird als optimierter Kennlinienpunkt in das Kennfeld eingetragen. Die Erstellung des Kennlinienfeldes, das für jeden Radialverdichter neu bestimmt werden muß, ist aufwendig. Auch die Auswertung des Kennfeldes erfordert aufwendige rechnerische Interpola­ tionsverfahren, um dem jeweiligen, durch den Volumenstrom und die Verdichterarbeit vorgegebenen Arbeitspunkt des Radialverdichters die gesuchte Stellgrößenkombination zuzu­ ordnen. Für die Praxis ist das bekannte Verfahren zu auf­ wendig.

Bei einem aus EP 0 761 981 A2 bekanntes Verfahren zum Betrieb eines Radialverdichters mit verstellbaren Vorleit- und Nachleitapparaten hat die Verstellung des Vorleitappa­ rates Vorrang. Wenn die Verstellung des Vorleitapparates nicht ausreicht, um einen stabilen Betrieb des Radialver­ dichters zu gewährleisten, wird zusätzlich der Nach­ leitapparat verstellt. Der Betrieb in einem optimalen Wirkungsgrad über einen großen Regelbereich ist bei dem be­ kannten Verfahren nicht immer gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben, welches sich einfach realisieren läßt und den Betrieb eines Radialverdichters mit hohem Wirkungsgrad über einen großen Regelbereich ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zum Betrieb eines Radialverdichters mit verstell­ baren Vorleit- und Nachleitapparaten bei Änderungen des Arbeitspunktes im Verdichterkennfeld, bei dem
der Austrittsdruck und der Durchsatz durch den Radial­ verdichter gemessen und der Arbeitspunkt im Ver­ dichterkennfeld bestimmt wird,
für vorgegebene Stellungen des Nachleitapparates die Pumpgrenze des Vorleitapparatekennfeldes im Ver­ dichterkennfeld berechnet wird,
der Nachleitapparat so eingestellt wird, daß der Arbeitspunkt in einen der Pumpgrenze zugeordneten Arbeitsbereich fällt, dessen Grenzen im Verdichter­ kennfeld durch einen vorgegebenen Mindestabstand sowie einen vorgegebenen Maximalabstand zur Pumpgrenze defi­ niert sind,
lediglich der Vorleitapparat verstellt wird, wenn der Arbeitspunkt sich innerhalb des Arbeitsbereiches ver­ ändert und
zusätzlich der Nachleitapparat nachgestellt wird, wenn der Arbeitspunkt den zu der Nachleitapparatestellung gehörenden Arbeitsbereich verläßt,
wobei die Verstellung des Nachleitapparates in vorgegebenen Schritten vorgenommen wird, bis der zu der Pumpgrenze der neuen Nachleitapparatestellung gehörende Arbeitsbereich den Arbeitspunkt erfaßt. Vorzugsweise wird der Vorleitapparat in einen Regelkreis eingebunden, wobei gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung der Austrittsdruck als Regelgröße mit einem Sollwert verglichen wird und bei einer Abweichung des Austrittsdruckes von dem Sollwert die Stellung des Vor­ leitapparates als Stellglied des Regelkreises verändert wird. Diese Ausführung der Erfindung bietet sich an, wenn der Radialverdichter bei variablem Durchsatz so betrieben wird, daß der Enddruck stets konstant ist. Eine andere Aus­ führung der Erfindung sieht vor, daß der Durchsatz als Regelgröße mit einem Sollwert verglichen wird und bei einer Abweichung des Durchsatzes von dem Sollwert die Stellung des Vorleitapparates als Stellglied des Regelkreises verän­ dert wird. Bei dieser Ausführung des Verfahrens wird der Durchsatz durch den Radialverdichter abhängig vom Sollwert konstant geregelt und die isentrope Verdichterarbeit ist eine variable Größe. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Nachleitapparat stets so nachgestellt, daß der Arbeitspunkt über den gesamten Regelbereich des Radial­ verdichters einen definierten minimalen bzw. maximalen Ab­ stand zu der jeweiligen Pumpgrenze nicht verletzt. Das ge­ währleistet bei kleinem Regelaufwand die Kombination von Vor- und Nachleitapparatestellungen, die der thermodyna­ misch optimalen Kombination sehr nahe kommt. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren ist mit geringem regeltechnischen Aufwand realisierbar und unterliegt nicht mehr Beschrän­ kungen der im Stand der Technik bekannten Kombi-Regelung von Vor- und Nachleitapparaten.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß die Ein­ trittstemperatur und der Eintrittsdruck auf der Saugseite des Radialverdichters gemessen werden und die den Nachleit­ apparatestellungen zugeordneten Pumpgrenzen im Verdichter­ kennfeld unter Berücksichtigung der Meßwerte für die Ein­ trittstemperatur und den Eintrittsdruck rechnerisch ange­ paßt werden. Die Anpassung erfolgt mit den bekannten ther­ modynamischen Gleichungen für isentrope oder polytrope Zustandsänderungen.

Die Festlegung der den Stellungen des Nachleitapparates zu­ geordneten Pumpgrenzen im Verdichterkennfeld ist nach dem folgenden Verfahren auf besonders einfache Weise möglich. Zunächst werden die Pumpgrenzen der Vorleitapparatkenn­ felder für die beiden Extremstellungen des Nachleitappara­ tes ermittelt. Extremstellungen meint die kleinste Winkel­ stellung (MINNLA) und die größte Winkelstellung (MAXNLA).

Die Pumpgrenzen für die Extremstellungen des Nachleitappa­ rates werden zweckmäßig unter normierten Bedingungen des Ansaugzustandes durch einen Versuchsbetrieb des Radial­ verdichters ermittelt, wobei in den Versuchsreihen das Vorleitapparatekennfeld von der größten Winkelstellung des Vorleitapparates bis zur kleinsten Winkelstellung des Vor­ leitapparates durchfahren wird. Die Koordinaten der Anfangspunkte P1_MAXNLA, P1_MINNLA für die größte Winkelstellung des Vorleitapparates sowie die Koordinaten der Endpunkte P2_MAXNLA, P2_MINNLA für die kleinste Winkelstellung des Vor­ leitapparates werden bestimmt. Ausgehend von den aufgenom­ menen Werten werden die Pumpgrenzen für die Zwischen­ stellungen des Nachleitapparates rechnerisch dadurch fest­ gelegt,
daß die Strecken zwischen den Anfangspunkten P1_MAXNLA, P1_MINNLA und den Endpunkten P2_MAXNLA, P2_MINNLA in Strecken­ abschnitte unterteilt werden, die den Zwischen­ stellungen des Nachleitapparates zugeordnet sind sowie die Anfangs- und Endpunkte P1, P2 der den Nachleit­ apparatestellungen zugeordneten Pumpgrenzen definieren und
daß die Pumpgrenzen jeweils durch eine den Anfangs- und Endpunkt verbindende mathematische Funktion im Verdichterkennfeld festgelegt wird.

Zweckmäßig werden die Pumpgrenzen durch Geradengleichungen im Verdichterkennfeld beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Anlagenschema zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Verdichterkennfeld,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Verdichterkennfeld in der Nähe des Arbeitspunktes,

Fig. 4 eine vergleichende Darstellung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik im Verdichterkennfeld.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Radialverdichters bei Änderungen des Arbeitspunktes im Ver­ dichterkennfeld. Dem Anlagenschema in Fig. 1 entnimmt man, daß der Radialverdichter 1 einen Vorleitapparat 2 mit elek­ tromotorisch oder pneumatisch verstellbaren Vorleit­ schaufeln sowie einen Nachleitapparat 3 mit elektromoto­ risch oder pneumatisch verstellbaren Nachleitschaufeln aufweist. Eintrittstemperatur T1, Austrittstemperatur T2, Eintrittsdruck P1, Austrittsdruck P2 sowie der Durchsatz durch den Radialverdichter, im Ausführungsbeispiel in Form eines Massenstroms , werden gemessen. An Stelle des Massenstroms kann selbstverständlich auch der Ansaugvolu­ menstrom gemessen werden. Die Meßwerte T1, T2, P1, P2 und werden einem Rechner 4 zugeführt, der Kennfeldberechnun­ gen durchführt. Der Rechner 4 erhält eine Rückmeldung der Nachleitapparatestellung NLA und steuert den Stellantrieb des Nachleitapparates 3. Der Vorleitapparat ist mit dem Druckmeßgeber P2 in einen Regelkreis 5 eingebunden. Der Austrittsdruck P2 wird als Regelgröße mit einem Sollwert P2_soll verglichen. Bei einer Abweichung des Austrittsdruckes von dem Sollwert wird die Stellung VLA des Vorleitapparates 2 als Stellglied des Regelkreises verändert.

Das Verfahren zum Betrieb des Radialverdichters wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 3 erläutert. Der Austritts­ druck P2 und der Durchsatz durch den Radialverdichter 1 werden gemessen und der Arbeitspunkt A im Verdichterkenn­ feld bestimmt. Für vorgegebene Stellungen NLA des Nach­ leitapparates 3 wird die Pumpgrenze 6 des Vorleitapparate­ kennfeldes 7 im Verdichterkennfeld berechnet. Dann wird der Nachleitapparat 3 so eingestellt, daß der Arbeitspunkt A in einen der Pumpgrenze zugeordneten Arbeitsbereich a fällt, dessen Grenzen 8, 9 im Verdichterkennfeld durch einen vor­ gegebenen Mindestabstand MIN sowie einen vorgegebenen Maxi­ malabstand MAX zur Pumpgrenze 6 definiert sind. Solange der Arbeitspunkt A sich innerhalb des Arbeitsbereiches a verän­ dert, wird lediglich der Vorleitapparat 2 verstellt. Durch den beschriebenen Regelkreis 5 wird der Vorleitapparat so eingestellt, daß der Austrittsdruck P2 bei einer Änderung des Durchsatzes einem vorgegebenen, konstanten Sollwert P2_soll entspricht. Wenn der Arbeitspunkt A den zu der Nachleitapparatestellung NLA gehörenden Arbeitsbereich 6 verläßt, wird der Nachleitapparat 3 nachgestellt. Die Verstellung des Nachleitapparates 3 wird in vorgegebenen Schritten - im Ausführungsbeispiel in Schritten von 10% bezogen auf den maximalen Stellweg - vorgenommen, bis der zu der Pumpgrenze 6', 6" der neuen Nachleitapparatestellung gehörende Arbeitsbereich den Arbeitspunkt A erfaßt. Ver­ ringert sich beispielsweise der Durchsatz durch den Radialverdichter 1 und wird der notwendige Sicherheits­ abstand zur aktuellen Pumpgrenze 6 am Unterschreitungspunkt 8 unterschritten, wird der Nachleitapparat 3 um eine Stel­ lung geschlossen. Mit der Verstellung des Nachleitapparates 3 verschiebt sich die Pumpgrenze nach links, wobei der Ab­ stand des Arbeitspunktes A zur jetzt geltenden Pumpgrenze 6' wieder größer wird. Nimmt der Durchsatz durch den Radialverdichter 1 zu und überschreitet der Arbeitspunkt A dabei den Überschreitungspunkt 9, wird der Nachleitapparat 3 um eine Stellung geöffnet, wobei sich die Pumpgrenze nach rechts verschiebt und der Abstand des Arbeitspunktes A zur aktuellen Pumpgrenze 6" wieder kleiner wird.

Die Festlegung der Pumpgrenzen 6, 6', 6" im Verdichter­ kennfeld wird anhand der Fig. 2 verständlich. Die Pump­ grenzen der Vorleitapparatkennfelder 7 werden bei den extremem Nachleitapparatestellungen MAXNLA, MINNLA durch einen Versuchsbetrieb des Radialverdichters 1 ermittelt. Die Ermittlung der Pumpgrenzen MAXNLA, MINNLA erfolgt bei standardisierten Ansaugbedingungen. Unter Berücksichtigung der Meßwerte für die Eintrittstemperatur T1 und den Ein­ trittsdruck P1 werden die für die beiden Extremstellungen MAXNLA, MINNLA des Nachleitapparates 3 geltenden Pump­ grenzen im Verdichterkennfeld rechnerisch angepaßt. Die rechnerische Anpassung erfolgt unter Berücksichtigung der für polytrope oder isentrope Zustandsänderungen geltenden thermodynamischen Gleichungen. Die den Extremeinstellungen MAXNLA, MINNLA zugeordneten Pumpgrenzen werden durch Funk­ tionen, vorzugsweise durch Geradengleichungen, im Ver­ dichterkennfeld beschrieben. Die Koordinaten der Anfangs­ punkte P1_MAXNLA, P1_MINNLA für die größte Winkelstellung des Vor­ leitapparates sowie die Koordinaten der Endpunkte P2_MAXNLA, P2_MINNLA für die kleinste Winkelstellung des Vorleitappara­ tes werden bestimmt. Die Pumpgrenzen 6, 6', 6" für die Zwischenstellungen des Nachleitapparates werden an­ schließend rechnerisch im Verdichterkennfeld dadurch fest­ gelegt, daß die Strecke zwischen den Anfangspunkten P1_MAXNLA, P1_MINNLA und den Endpunkten P2_MAXNLA, P2_MINNLA in Strecken­ abschnitte unterteilt werden, die den Zwischenstellungen NLA des Nachleitapparates 3 zugeordnet sind. Die Pump­ grenzen 6, 6', 6" werden dann jeweils durch eine den An­ fangs- und Endpunkt P1, P2 verbindende mathematische Funk­ tion, im Ausführungsbeispiel einer Geradengleichung, im Verdichterkennfeld festgelegt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem Verfahren nach dem Stand der Technik, bei dem lediglich die Stellung des Nachleitapparates 3 verändert wird und eine Steuerung des Vorleitapparates 2 unterbleibt, wird anhand der Fig. 4 verständlich. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 erfolgt eine Änderung des Arbeitspunktes von A1 nach A2 infolge einer Änderung des Durchsatzes . Im Arbeitspunkt A1 sind die Vorleitschaufeln des Vorleit­ apparates 2 mit größtmöglicher Winkelstellung eingestellt. Wird die Stellung des Vorleitapparates 2 beibehalten, ent­ fernt sich der Arbeitspunkt bei einer Änderung des Durch­ satzes deutlich von der Pumpgrenze. Der Wirkungsgrad des Radialverdichters verschlechtert sich. Arbeitet man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, so ergeben sich sowohl für den Nachleitapparat 3 als auch für den Vorleitapparat 2 neue Einstellungen, denen die strichpunktiert dargestellte Pumpgrenze 6 bzw. die strichpunktiert dargestellte Vorleit­ apparatekennlinie 10 zugeordnet sind. Man erkennt, daß der Arbeitspunkt im gesamten Regelbereich einen kleinen, gün­ stigen Wirkungsgrad gewährleistenden Abstand zur Pumpgrenze einhält.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines Radialverdichters mit verstellbaren Vorleit- und Nachleitapparaten bei Änderungen des Arbeitspunktes im Verdichterkennfeld, bei dem
der Austrittsdruck und der Durchsatz durch den Radial­ verdichter gemessen und der Arbeitspunkt im Ver­ dichterkennfeld bestimmt wird,
für vorgegebene Stellungen des Nachleitapparates die Pumpgrenze des Vorleitapparatekennfeldes im Ver­ dichterkennfeld berechnet wird,
der Nachleitapparat so eingestellt wird, daß der Arbeitspunkt in einen der Pumpgrenze zugeordneten Arbeitsbereich fällt, dessen Grenzen im Verdichter­ kennfeld durch einen vorgegebenen Mindestabstand sowie einen vorgegebenen Maximalabstand zur Pumpgrenze defi­ niert sind,
lediglich der Vorleitapparat verstellt wird, wenn der Arbeitspunkt sich innerhalb des Arbeitsbereiches ver­ ändert und
zusätzlich der Nachleitapparat nachgestellt wird, wenn der Arbeitspunkt den zu der Nachleitapparatestellung gehörenden Arbeitsbereich verläßt,
wobei die Verstellung des Nachleitapparates in vorgegebenen Schritten vorgenommen wird, bis der zu der Pumpgrenze der neuen Nachleitapparatestellung gehörende Arbeitsbereich den Arbeitspunkt erfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Regelkreis der Austrittsdruck als Regelgröße mit einem Sollwert verglichen wird und bei einer Abweichung des Austrittsdrucks von dem Sollwert die Stellung des Vorleitapparates als Stellglied des Regelkreises verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Regelkreis der Durchsatz als Regelgröße mit einem Sollwert verglichen wird und bei einer Abweichung des Austrittsdruckes von dem Soll­ wert die Stellung des Vorleitapparates als Stellglied des Regelkreises verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Eintrittstemperatur und der Eintrittsdruck auf der Saug­ seite des Radialverdichters gemessen werden und die den Nachleitapparatestellungen zugeordneten Pumpgrenzen im Ver­ dichterkennfeld unter Berücksichtigung der Meßwerte für die Eintrittstemperatur und den Eintrittsdruck rechnerisch an­ gepaßt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pumpgrenzen der Vorleitapparatkennfelder für die beiden Extremstellungen (MAXNLA, MINNLA) des Nachleitapparates ermittelt werden, wobei die den Extremstellungen zugeord­ neten Pumpgrenzen durch Funktionen im Verdichterkennfeld beschrieben werden und die Koordinaten der Anfangspunkte (P1_MAXNLA, P1_MINNLA) für die größte Winkelstellung des Vorleit­ apparates sowie die Koordinaten der Endpunkte (P2_MAXNLA, P2_MINNLA) für die kleinste Winkelstellung des Vorleit­ apparates bestimmt werden und wobei die Pumpgrenzen für die Zwischenstellungen des Nachleitapparates rechnerisch im Verdichterkennfeld dadurch festgelegt werden, daß
die Strecken zwischen den Anfangspunkten (P1_MAXNLA, P1_MINLLA) und den Endpunkte (P2_MAXNLA, P2_MINNLA) in Strecken­ abschnitte unterteilt werden, die den Zwischen­ stellungen des Nachleitapparates zugeordnet sind sowie die Anfangs- und Endpunkte der den Nachleitapparate­ stellungen zugeordneten Pumpgrenzen (P1, P2) definieren und
die Pumpgrenzen jeweils durch eine den Anfangs- und Endpunkt (P1, P2) verbindende mathematische Funktion im Verdichterkennfeld festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pumpgrenzen durch Geradengleichungen im Verdichterkennfeld beschrieben werden.