DE19924548A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Gaswechselvorgänge an Gasexpansions-Kolbenmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Gaswechselvorgänge an Gasexpansions-Kolbenmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit dem die Steuerung der Gaswechselvorgänge derart vereinfacht und verbessert wird, daß bei wesentlich niedrigeren Herstell- und Unterhaltskosten im Durchschnitt ein höherer energetischer Wirkungsgrad, reduzierter Verschleiß und flexiblere Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Einsatzbedingungen erreicht werden. DOLLAR A Das wird verfahrenstechnisch dadurch erreicht, daß die Betätigung der Absperrorgane durch mindestens einen von der Kurbelwelle unabhängigen Positionierantrieb erfolgt und meß- und regeltechnisch mit der Kolbenstellung und dem Drehwinkel der Kurbelwelle synchronisiert wird. DOLLAR A Zur Durchführung des Verfahrens ist in Verbindung mit einer doppeltwirkenden Gasexpansions-Kolbenmaschine, deren Gaswechsel pro Zylinder durch einen auf seine beiden Arbeitsräume wirkenden, durch eine Regler-Kurbelwelle in seine Schaltpositionen geführten Schieber gesteuert wird, eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Regler-Kurbelwelle durch einen Elektromotor angetrieben wird, der durch einen Frequenzumrichter drehzahlgeregelt und auf die durch einen Drehwinkelgeber überwachte Position der Kurbelwelle mit den Arbeitskolben synchronisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Gaswechselvorgänge an Gasexpan­ sions-Kolbenmaschinen, insbesondere Dampfexpansions-Kolbenmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, den Gaswechsel von Gasexpansions- Kolbenmaschinen mittels Verschlußorganen zu steuern, die durch mechanisch mit der Kur­ belwelle gekoppelte und synchronisierte Verstellmechanismen geöffnet und geschlossen werden (Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, Band 11, 12. Auflage, S. 114 bis 118). Durch variable Steuerzeiten des Einlaßorganes werden über das Verhältnis der Füll- zur Expansionsstrecke des Arbeitshubes Mitteldruck, Drehzahl, Leistung und Gasdurchsatz der Maschine geregelt (Dubbel II, S. 108 bis 110). Die mechanischen Vorrichtungen zur varia­ blen Füllungsregelung sind kompliziert und kostspielig, in Verbindung mit auf konstante Drehzahl angewiesenen, weil auf die Netzfrequenz synchronisierten Generatoren jedoch zur Leistungsanpassung bislang gebräuchlicher Dampf- und Gasexpansions-Stromerzeu­ gungsanlagen unumgänglich. Die Leistungsregelung über variable Füllung bei konstanter Drehzahl hat den grundsätzlichen Nachteil, daß der bei gegebenem Druck- und Tempera­ turverhältnis des Arbeitsgases nur bei einem bestimmten Füllgrad optimale Wirkungsgrad einer Gasexpansions-Kolbenmaschine bei häufigem Dauerbetrieb mit Teil- oder Überlast nur zeitweise zum Tragen kommt. Schließlich führt Teillastbetrieb mit dafür eigentlich nicht in dieser Höhe erforderlicher Nenndrehzahl zu vermeidbarem Verschleiß und mechanischem Energieverlust.

Ausgehend vom aufgezeigten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, die Steuerung der Gaswechselvorgänge in Gasexpansions-Kolbenmaschi­ nen so zu vereinfachen und zu verbessern, daß bei wesentlich niedrigeren Herstell- und Unterhaltskosten im Durchschnitt ein höherer energetischer Wirkungsgrad, reduzierter Ver­ schleiß und flexiblere Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Einsatzbedingungen erreicht werden.

Die entscheidenden Schritte zur Realisierung diese Aufgabenstellung sind:

• - Die Positionierung der Verschlußorgane zwischen den Arbeitsräumen und den Frischgas- und Abgasleitungen nicht durch starre mechanische Ankopplung ihres Antriebes an die Kurbelweile zu realisieren, sondern durch deren meß- und regeltechnisch beeinflußbare Synchronisation mit dem Kurbelwellen-Drehwinkel, die ohne sonstige mechanische Vor­ richtungen die Funktionen der Anfahr-, Leerlauf- und Schnellstop-Steuerung, der Dreh­ zahlregelung sowie der Drehzahlbegrenzung wahrnimmt (gemäß den Ansprüchen 1 und 3 bis 7 bzw. 8);
• - die Abkopplung der Drehzahl der Gasexpansions-Kolbenmaschinen von der Netzfre­ quenz durch drehzahlvariable Erzeugung nicht netzkompatiblen Stromes und dessen Netzeinspeisung über Frequenzumrichter und Spannungswandler (gemäß Anspruch 3);
• - die funktionsoptimierte und aufwandsreduzierte Füllungsregelung durch gesteuerte se­ lektive Vor- bzw. Nacheilung des Füllverschlußorgan-Schließvorganges gegenüber sei­ nem antriebsgeometrisch festgelegten Normalwert (gemäß den Ansprüchen 2 bzw. 9).

Es ergeben sich folgende wesentlichen Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik:

• - Durch den von der Kurbelwette unabhängigen Positionierantrieb der Gaswechselsteue­ rung kann die Gasexpansions-Kolbenmaschine bei beliebigen Anwendungen mit und ohne Lastabnahme exakt drehzahlgeregelt betrieben werden (Anspruch 4).
• - Das Anfahren der Gasexpansions-Kolbenmaschine aus dem Stand kann durch bloßes Ingangsetzen der Gaswechselsteuerung aus jeder beliebigen Arbeitskolbenposition erfol­ gen, wobei die Drehlichtung elektronisch überwacht und bei Bedarf durch erneute Start­ versuche auch umgekehrt werden kann (Anspruch 4).
• - Das gefürchtete, bei der klassischen Dampfmaschine durch mechanische Fliehkraftregler unterbundene "Durchgehen" bei Lastabfall ist ausgeschlossen, weil die Frequenz der Gaswechselsteuerung nicht überschritten werden kann (Anspruch 5).
• - Durch Anhalten der Gaswechselsteuerung kann ohne zusätzliche ferngesteuerte Ventile ein Schnellstop der Maschine erfolgen (Anspruch 7).
• - Wenn die Versorgung des Posionierantriebes der Gaswechselsteuerung mit netzunab­ hängigem Strom erfolgt, kann die Gasexpansions-Kolbenmaschine bei Netzausfall unter der Voraussetzung einer entsprechenden Elektroinstallation einen Inselbetrieb aufrecht­ erhalten, oder auch ohne mechanische oder elektrische Leistungsabnahme den Gas­ durchsatz aufrechterhalten, was z. B. bei Erdgasexpansionsanlagen zur unterbrechungs­ freien Versorgung des Niederdruck Gasnetzes und bei Festbrennstoffkesseln mit nach­ geschalteter Dampfkraftanlage zum geordneten "Abfahren" des in der Feuerung gespei­ cherten großen Wärmevorrates des in Glut befindlichen Brennstoffes sehr vorteilhaft sein kann (Anspruch 6).
• - Durch die drehzahlvariable Stromerzeugung erübrigt sich die dauernde Regelung einer konstanten, netzsynchronen Generatordrehzahl über den Füllgrad. Den betriebsbeding­ ten Schwankungen des Gasdurchsatzes oder des Leistungsbedarfes kann durch Dreh­ zahlregelung entsprochen werden, die gegenüber der Füllgradregelung den Vorteil eines optimalen inneren Gütegrades und minimierter mechanischer Verluste und Verschleißer­ scheinungen der Gasexpansions-Kolbenmaschine hat (Anspruch 3).
• - Der Verzicht auf die mögliche Höchstleistung einer Gasexpansions-Kolbenmaschine im Dauerbetrieb bei maximaler - aber nicht wirkungsgradoptimaler - Füllung wird kompensiert durch die von der Netzfrequenz unabhängige Wahl einer im Regelfall höheren, die me­ chanische Belastbarkeit der Kolbenmaschine voll nutzenden Maximaldrehzahl. Die Geo­ metrie der Gaswechselsteuerung bei stetiger Frequenz des Positionierantriebes wird auf die wirkungsgradoptimale Füllung und Leistung ausgelegt, für temporäre Lastspitzen kann auf die erfindungsgemäße Füllgradregelung nach den Ansprüchen 2 bzw. 9 zurück­ gegriffen werden, die aber im Interesse eines hohen durchschnittlichen Wirkungsgrades in der Hauptsache zum Hochfahren der Maschine nach dem Start und zur Drehzahlerhö­ hung unter Last eingesetzt werden sollte.
• - Gegenüber tradierten mechanischen Füllgradregelungen weisen das Verfahren nach An­ spruch 2 und die elektronische Vorrichtung nach Anspruch 9 nicht nur den Vorteil niedri­ gerer Kosten und minimierter mechanischer Komplexität, sondern auch einer verbesser­ ten, weil auf die übrigen Steuerzeiten nicht rückwirkenden Funktion auf.

Die Zeichnung, Fig. 1, stellt die durch die Geometrie eines Schiebers, seines Gehäuses und der zu seiner Positionierung dienenden Regler-Kurbelwelle definierten Normal- Steuer­ zeiten der 4 Verschlußorgane für die beiden Arbeitsräume eines doppeltwirkenden Zylinders einer Gasexpansions-Kolbenmaschine für einen vollständigen Arbeitszyklus von 360° Kur­ belwellendrehung dar und gibt den zur Füllgradregelung vorgesehenen Verstellbereich des Schließzeitpunktes der Gaseintritte an, der durch das im Zeitraum zwischen dem Öffnen des Gaseintrittes des betroffenen und dem Schließen des Gasauslasses des anderen Arbeits­ raumes erfolgende Verzögern und Beschleunigen der Regler-Kurbelwelle gegenüber der zur Kurbelweile synchronen Drehzahl realisiert wird. Über den Steuerzeiten ist beispielhaft ein daraus resultierendes idealisiertes Diagramm des Druckverlaufes in den beiden Arbeits­ räumen der Gasexpansions-Kolbenmaschine bei dem Normal- sowie dem einstellbaren Maximal- und Minimal-Füllgrad dargestellt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung der Gaswechselvorgänge an Gasexpansions-Kolbenmaschi­ nen, insbesondere Dampfexpansions-Kolbenmaschinen, durch Absperrorgane, die die Arbeitsräume der Hubzylinder in Abhängigkeit der Stellung der Arbeitskolben und des Drehwinkels der Kurbelwelle gegen die Eintritts- und Austrittsleitung des Gases öffnen und verschließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der Absperrorgane durch mindestens einen von der Kurbelweile unabhängigen Positionierantrieb erfolgt und meß- und regeltechnisch mit der Kolbenstellung und dem Kurbelwellendrehwinkel syn­ chronisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Füllungsregelung dienende Verschiebung des Schließpunktes des Gaseintrittes durch bereichsweises, temporäres Verzögern und Beschleunigen des Positionierantriebes gegenüber seinem normalerweise stetigen, mit dem Kolbenhub oder der Kurbelwellendrehung synchronen Bewegungsablauf erfolgt, ohne die übrigen Steuerzeiten zu beeinflussen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromerzeugung durch Gasexpansions-Kolbenmaschinen mit konstant wirkungsgradoptimalem Füllgrad bei lastabhängig wechselnder Drehzahl der mit schwankender, nicht netzkompatibler Spannung und Frequenz generierte Strom über Frequenzumrichter und Spannungs­ wandler ins Netz eingespeist wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Posi­ tionierantriebes der Gaswechselsteuerung im Zusammenwirken mit der Füllgradregelung als Stellgröße der Drehzahlregelung der Gasexpansions-Kolbenmaschine dient.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz auf einen Maximalwert begrenzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Posi­ tionierantrieb der Gaswechselsteuerung mit netzunabhängigem Strom versorgt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schnellstop der Gasexpansions-Kolbenmaschine durch Abschalten der Positioniersteue­ rung erfolgt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei ei­ ner doppeltwirkenden Gasexpansions-Kolbenmaschine, deren Gaswechsel pro Zylinder durch einen auf seine beiden Arbeitsräume wirkenden, durch eine Regler-Kurbelwelle in seine Schaltpositionen geführten Schieber gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler-Kurbelwelle durch einen Elektromotor angetrieben wird, der durch einen Frequenzumrichter drehzahlgeregelt und auf die durch einen Drehwinkelgeber über­ wachte Position der Kurbelwelle mit den Arbeitskolben synchronisiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor der Regler-Kurbelwelle zusätzlich zur Regelung der kurbelwellensynchronen Drehzahl mit ei­ ner überlagerten, in ansteuerbaren Teilbereichen jeder Umdrehung wirkenden Steue­ rungsfunktion ausgerüstet wird, die die Regler-Kurbelwelle nach dem Öffnen des Gas­ eintrittes gegenüber ihrer normalen stetigen Rotation so verzögern oder beschleunigen kann, daß selektiv zu den übrigen Schaltpunkten des Gaswechsels ein früheres oder späteres Schließen des Gaseintrittes bewirkt, die Leistung der Maschine durch kontrol­ lierte Veränderung des Füllgrades verstellt und die Abweichung der Regler-Kurbelwelle von ihrer Synchronposition zur Kurbelwelle vor Erreichen des nächsten Schaltpunktes des Schiebers durch entsprechendes Beschleunigen oder Verzögern wieder ausgegli­ chen wird.