DE19816987A1

DE19816987A1 - Adaptierte Pumpgrenze eines Kreiselverdichters

Info

Publication number: DE19816987A1
Application number: DE19816987A
Authority: DE
Inventors: Leopold Breyer; Michael Massone
Original assignee: RAG AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2000-02-03
Also published as: WO1999054628A1; AU4255999A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines oder mehrerer zu einer Verdichterstation zusammengefaßten, saugseitig drosselbaren Kreiselverdichter im gemeinsamen Zusammenwirken mit einer Anlage mit stark schwankenden Entnahmestrom, insbesondere einer Drucklufterzeugungsanlage mit sich ständig ändernden Zustandsgrößen des Ansaugezustandes. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Unsicherheit bei der Festlegung der Pumpgrenze im Betrieb möglichst vollständig beseitigen, den meßtechnischen Aufwand für die Lösung der gestellten Aufgabe betriebswirtschaftlich vertretbar belassen und unnötig lange Betriebsphasen im Bypass- bzw. Abblasbetrieb verhindern. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wirkleistung des Antriebsmotors meßtechnisch erfaßt, DOLLAR A daß das den Meßwert abbildende Meßsignal in eine speicherprogrammierbare Steuerung eingegeben, daß das eingegebene Meßsignal zu momentanen Pumpgrenzenkoordinaten verarbeitet und das Ergebnis dieser Verarbeitung des Regelkreises für die Ansaugdrossel bzw. als Kriterium für das Umschalten mittels Stellglied in den Bypassbetrieb abgespeichert wird. DOLLAR A Das Meßsignal kann in analoger Weise in einer Kaskadenschaltung mit diskreten Reglerbausteinen genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer zu einer Verdichterstation zusammengefaßten, saugseitig drosselbaren Kreiselverdichter im gemeinsamen Zusammenwirken mit einer Anlage mit stark schwankendem Entnahmestrom, insbesondere einer Drucklufterzeugungsanlage mit sich ständig ändernden Zustandsgrößen des Ansaugezustandes.

Kreiselverdichter werden sowohl als Radial- als auch als Axialverdichter im Dauerbetrieb bei stark schwankendem Förderstrombedarf durch Drosselung, exakter durch Ansaugdrosselung, wirtschaftlich an die Betriebserfordernisse angepaßt. Dabei wird auch der Leistungsbedarf des Antriebes günstig beeinflußt.

Betriebsbedingt wird dabei ein angemessener Sicherheitsabstand gegenüber der bekannten Verdichterinstabilität, dem Abreissen oder sogenannten Pumpen, eingehalten. Diese Pumpgrenze wird in der Regel überwacht, um einen möglich Pumpbetriebszustand - also periodisch niederfrequente Strömungsabrisse begleitet von knallartigen akustischen Vorgängen - anzuzeigen, um in einer Warte sofortigen Handlungsbedarf zu signalisieren bzw. durch gezielte Steuereingriffe oder letztendlich ein Abschalten des Antriebes einen Pumpbetriebszustand zu beenden.

Zum Schutz der Anlage muß ein Andauern eines Pumpbetriebszustandes bei Kreiselverdichtern verhindert werden.

Anlagenarbeitspunkte unterhalb der Pumpgrenze werden ggf. durch einen Bypassbetrieb verwirklicht, bei welchem der Verdichter einen größeren Volumenstrom fördert als an Anlagenbedarf vorliegt. Dabei wird der nicht benötigte verdichtete Volumenstromanteil entspannt wieder dem Ansaugstutzen des Verdichters zugeführt.

Ein solcher Bypassbetrieb ist jedoch mit zusätzlichen Energiekosten verbunden, da die Antriebsleistung sich an der tatsächlichen Förderleistung des Verdichters orientiert, auch wenn diese nur zum Teil in die Anlage eingebracht wird.

Der Ansaugezustand des Fördergases unterliegt primär den Einflüssen: Temperatur, Feuchte und Umgebungsdruck. Weitere anlagenbedingte Parameter, die sich auf die Pumpgrenze auswirken, sind unterschiedliche Höhe des Gegendruckes auf der Druckseite des Verdichters, Zustand und Wirkungsgrad der Röhren-Wasser/Luftkühler der einzelnen Verdichterstufen bei mehrstufigen Verdichtern, die Kühlwassertemperatur eintrittseitig an den o.g. Kühlern, Zustand der Luftansaugfilter, was bei Verschmutzung einer Vordrosselung entspricht.

Demgemäß ist eine Pumpgrenzenlage in einem Druck-Volumenstrom- Diagramm eine diesen Einflüssen unterliegende, sich verschiebende Grenzlinie. Da Pumpbetrieb auf jeden Fall vermieden werden muß, um eine daraus resultierende Unsicherheit für stabile Betriebsverhältnisse sowie eine mechanische Gefährdung des Verdichters zu vermeiden, fällt der genauen Lage der Pumpgrenze eine Schlüsselstellung zu.

Durch die Erfassung der Ansaugtemperatur kann durch Umrechnung die Pumpgrenze hinsichtlich ihrer aktuellen Druck-Volumenstrom-Wertepaare berichtigt werden, wenn nicht weitere, nicht gemessene und nur sehr schwer oder überhaupt nicht erfassbare Einflüsse zusätzliche Veränderungen bewirken.

An Drucklufterzeugungsanlagen für einen Netzdruck von beispielsweise 5 bar bei einem Lieferstrom von maximal 20 000 m³ im Ansaugezustand und einer Pumpgrenze von 15 000 m³ bei Ansaugezustand konnte eine Verschiebung der Pumpgrenze bei günstigen Einflüssen bis unter 12 000 m³ verwirklicht werden.

Eine derartige Pumpgrenzenverschiebung ist erheblich und wird durch die gleichsinnige Wirkung mehrerer Einflußgrößen hervorgerufen.

Letztlich fühlt sich der Betriebsmann bzw. der Servicetechniker dazu verpflichtet, den Sicherheitsabstand von der tatsächlichen Pumpgrenze relativ groß zu bemessen, um auszuschließen, daß ein Verdichter Betriebspunkte an oder sogar unterhalb der Pumpgrenze anfährt.

Dabei kann der Sicherheitsabstand nur grob eingeschätzt werden, da die o.g. Einflüsse nicht berücksichtigt werden können.

Beim Anfahren der Pumpgrenze sind folgende Folgestörungen z. B. bei einem Bergwerksbetrieb denkbar: Ausfall der Gasabsauganlage, der Heizung (Druckluftstellglieder), der Druckluftbremsen an Fördermaschinen, Bewetterung an Sonderbewetterungsbetriebspunkten, Wettertüren, Druckluftsaugpumpen, pneumatische Baustofförderung, druckluftbetriebene Maschinen und Werkzeuge.

Beginnt man nun durch vorgezogenes Umschalten in den Bypassbetrieb, bringt man zwar die unter Inkaufnahme eines erhöhten Energiebedarfes notwendige Betriebssicherheit zustande; aber dies gelingt nur durch Inkaufnahme eines Strömungskreislaufes über die Bypassleitung.

Das Erfassen der Ansaugtemperatur der Ansaugluft, eine zusätzlich verbesserte Ansteuerung und Regelung des Ansaugdrosselluftleitapparates mittels Softwarereglers in der SPS-Steuerung haben das Gesamtkonzept verbessert und dazu geführt, daß durch die Erfassung der Ansaugtemperatur die Begrenzung des Drosselregelbereiches in Richtung Pumpgrenze stufig angepaßt wurde.

Dies offenbarte jedoch erhebliche Einstellschwierigkeiten und die übrigen Einflußgrößen blieben weiterhin unberücksichtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben, welches die Unsicherheit bei der Festlegung der Pumpgrenze während des Betriebes möglichst vollständig beseitigt, den dazu notwendigen meßtechnischen Aufwand für die Lösung der gestellten Aufgabe betriebswirtschaftlich vertretbar belässt und unnötig lange Betriebsphasen im Bypass- bzw. Abblasbetrieb verhindert.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wirkleistung des Antriebsmotors meßtechnisch erfaßt,
daß das den Meßwert abbildende Meßsignal in eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) eingegeben oder einer Kaskadenschaltung mit diskreten Reglern zugeführt wird,
daß das eingegebene Meßsignal zu momentanen Pumpgrenzenkoordinaten (Q, Δp) verarbeitet und das Ergebnis dieser Verarbeitung im programmierten, parametrierbaren Regler als untere Begrenzung des Regelkreises für die Ansaugdrossel bzw. als Kriterium für das Umschalten mittels Stellglied in den Bypassbetrieb abgespeichert wird.

Ein Betrieb nach diesem Verfahren wird dadurch ermöglicht, daß an jedem betriebenen Antriebsmotor der Verdichterstation ein Wirkleistungsmeßgerät angeschlossen ist, dessen Meßleitungen an den elektrischen Zuleitungen des Motors angebracht sind und deren Signalausgangsleitungen die Signaleingangsleitungen einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) bilden, daß die ausgehenden Steuerleitungen des Reglers der SPS-Einheit einerseits zu einem Stellantrieb an der Drosselklappe 3 der Saugleitung und wahlweise andererseits an den Stellantrieb einer Stellklappe 4 führen, an der der Leitungsquerschnitt der Druckleitung in Anlageleitung und Bypassleitung verzweigt wird oder verzweigt werden kann.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und zugehöriger Vorrichtung können sowohl Verdichter im Inselbetrieb als auch Verdichter und Verdichterstationen ohne Bypass vorteilhaft betrieben werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfachste Art und Weise berücksichtigt, daß die Pumpgrenzenlage in Druck-Masssenstrom- Koordinaten weitgehend konstant bleibt. Der Großteil der betrieblichen Schwierigkeiten beruht letztlich darauf, daß entsprechend der Durchflußgleichung (Stetigkeitsgleichung) Verdichter primär Volumen ansaugen und nicht Masse und daher alle wichtigen Verdichterinformationen zum Betriebsverhalten in Volumenstrom-Druck- oder Volumenstrom-Leistungs- Kennlinien oder Kennfeldern formuliert sind.

Beim Volumenstrom bezieht man sich dabei gemäß den Regeln der Technik auf den auf den Ansaugezustand umgerechneten Fördervolumenstrom. Die angesaugte und damit geförderte Masse ist dann vom Fördergaszustand des Ansaugevolumens im betrieblichen Sinne (Temperatur, Druck und Feuchte) bzw. der davon bedingten Dichte abhängig.

Da sich letztlich alle Temperatur- und Druckänderungen sowie Änderungen der Fördergasfeuchte in der zu verrichtenden Verdichtungsarbeit niederschlagen, diese technische Arbeit wiederum an thermodynamische Zustandsänderungen gekoppelt ist (polytrop, adiabat oder isotherm), kann die summarische Wirkung aller bestimmenden Einflüsse vorteilhafterweise am einfachsten über die aufgenommene elektrische Antriebsleistung erfaßt werden. Voraussetzung ist, daß sich die elektrischen Bedingungen (z. B. Wirkungsgrad, Leistungsfaktor) des Antriebsmotors bei Betriebspunktänderungen nicht wesentlich ändern.

Über die zueinander korrespondierende Zuordnung Antriebsleistung, Förderleistung und Massenstrom ist damit das Pumpgrenzenkoordinatenpaar (Q, Δp) gekennzeichnet, das durch die genannten Einflußgrößen dynamischen Veränderungen unterliegt.

Der verfügbare Drosselregelbereich paßt sich nach dem angegebenen Verfahren stets den gegebenen Ansaugzustandsbedingungen optimal an. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß

- die Einstellung praktisch nur einmal vorgenommen werden braucht, z. B. bei Inbetriebnahme oder nach einer Revision, da alle Feinanpassungen automatisch fortlaufend an den Istzustand des Fördermediums erfolgen;
- Ausfälle durch Anfahren oder Überfahren der Pumpgrenze praktisch bis auf Fehlfunktionen von Stellgliedern oder einer Ansaugdrossel selbst gänzlich entfallen;
- Betriebsphasen an der Pumpgrenze nur noch die Ausnahme sind und
- der Drosselregelbereich optimal genutzt werden kann und so eine erhebliche Energieeinsparung erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig zu verwirklichen, bringt in der Betriebsphase erhebliche Vorteile im Hinblick auf Wirtschaftlich keit und Verfügbarkeit, insbesondere z. B. bei einer Drucklufterzeugungs anlage, da ein Nachregulieren der auch jahreszeitveränderlichen Pumpgrenzenlage entfällt.

Der spezifische Energiebedarf in kWh/m³ (m³ = Normkubikmeter = m³ Gas im technischen Normzustand von t_n = 0°C und p_n = 1,013 × 10⁵ Pa) der erzeugten Druckluft läßt sich durch die Erweiterung des Drosselregelbereiches, insbesondere im Teillastbereich erheblich senken.

Das hat zur Folge, daß erst bei geringerem Lieferstrom der Verdichter in den ungünstigeren Bypassbetrieb umgeschaltet werden muß.

Bei Betriebsweisen der Regulierung der erzeugten Druckluft durch Entlasten/Belasten der Verdichter, z. B. durch vollständiges Öffnen des Bypasses oder auch Aus- und Einschalten des Verdichters wird durch die mit der Erfindung einhergehende Erweiterung des Drosselregelbereiches eine Verringerung der, die Mechanik, den elektrischen Antrieb und das elektrische Netz belastenden Vorgänge minimiert.

Da das Meßsignal der Antriebsleistung auch über die gesamte Betriebsdauer gespeichert und andersweitig ausgewertet werden kann, werden Informationen über den Tagesaufwand an elektrischer Energie zur Normalität, was dann auch eine Hilfe für die Optimierung der Fahrweise sein kann, z. B. veränderte Parameter für Folgebetriebskriterien.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild die grundlegenden Wirkzusammen hänge in denen Einfluß auf die Reglerparameter genommen wird und aus der der Fachmann das Wirkungsgefüge ersehen kann. In der Figur bedeuten:
1 Antriebsmotor
2 Verdichter
3 Ansaugluftleitapparat (Drosselklappe)
4 Bypassklappe
5 Wirkleistungsmessung
6 Druckmessung Entnahmeseite
7 I/P-Wandler für Stellglied Dralldrossel
8 SPS oder Aufbau mit diskreten Reglerbausteinen
9 Schalter/Schütz Verdichterantrieb

Das Verfahren zeichnet sich auch dadurch aus, daß einzelne Kreiselverdichter der Verdichterstation bei erhöhtem/verringertem Lieferstrom zugeschaltet/abgeschaltet werden können, um allen aktuell betriebenen Kreiselverdichtern einen sicheren Betrieb oberhalb der Pumpgrenze zu ermöglichen und so eine Gesamtsicherheit der Verdichterstation zu erreichen. Führungsgröße W1 ist dabei entsprechend der Pumpgrenze parametriert während Führungsgröße W2 den Drucksollwert darstellt. Die Einheit 8 kann dabei als SPS oder alternativ mit diskreten Reglerbausteinen verwirklicht sein. Das aus der Einheit 8 abgeleitete Signal S zur Bypassklappe 4 ist dabei gemäß der Ausführung der Steuerung verarbeitet, entsprechend deren Auslegung.

Alle Signalübertragungen erfolgen für den Fachmann als Standardsignal in analoger Form mit 0-20 mA bzw. 4-20 mA oder 0-10 V und im Falle einer digitalen Form nach einer A/D-Umsetzung entsprechend den Möglichkeiten der verwendeten Schnittstelle.

Bezugszeichenliste

1

Antriebsmotor

2

Verdichter

3

Ansaugluftleitapparat (Drosselklappe)

4

Bypassklappe

5

Wirkleistungsmessung

6

Druckmessung Entnahmeseite

7

I/P-Wandler für Stellglied Dralldrossel

8

SPS oder Aufbau mit diskreten Reglerbausteinen

9

Schalter/Schütz Verdichterantrieb
S aus

8

abgeleitetes Stellsignal
W1, W2 Führungsgrößen

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer zu einer Verdichterstation zusammengefaßten, saugseitig drosselbaren Kreiselverdichter im gemeinsamen Zusammenwirken mit einer Anlage mit stark schwankendem Entnahmestrom, insbesondere einer Drucklufterzeugungsanlage mit sich ständig ändernden Zustandsgrößen des Ansaugezustandes, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wirkleistung des Antriebsmotores jeweils meßtechnisch erfaßt,
daß das den Meßwert abbildende Meßsignal in eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) eingegeben oder einer Kaskadenschaltung von diskreten Reglern zugeführt wird,
daß das eingegebene Meßsignal zu momentanen Pumpgrenzenkoordinaten (Q, Δp) verarbeitet und das Ergebnis dieser Verarbeitung im programmierten, parametrierbaren Regler als untere Begrenzung des Regelkreises für die Ansaugdrossel bzw. als Kriterium für das Umschalten mittels Stellglied in den Bypassbetrieb abgespeichert wird.

2. Vorrichtung zum Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem betriebenen Antriebsmotor der Verdichterstation ein Wirkleistungsmeßgerät angeschlossen ist deren Meßleitungen an den elektrischen Zuleitungen des Motors angebracht sind und deren Signalausgangsleitungen die Signaleingangsleitungen einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) bilden,
daß die ausgehenden Steuerleitungen des Reglers der SPS-Einheit einerseits zu einem Stellantrieb an der Drosselklappe 3 der Saugleitung und wahlweise andererseits an den Stellantrieb einer Stellklappe 4 führen, an der der Leitungsquerschnitt der Druckleitung in Anlageleitung und Bypassleitung verzweigt werden kann.