DE212016000182U1

DE212016000182U1 - Steuereinheit zum Steuern der Geschwindigkeit eines Kompressors in Abhängigkeit von einem verfügbaren Gasfluss, der von einer Quelle stammt, und Kompressor mit dieser Steuereinheit

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Publication number: DE212016000182U1
Application number: DE212016000182.5U
Authority: DE
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2026-08-12
Also published as: US20180283379A1; WO2017035609A2; WO2017035609A3; CN108431424B; KR200492156Y1; BE1023392A1; BR112018003863A2; BE1023392B1; JP3217612U; BR112018003863B1; KR20180001474U; US10815997B2; CN108431424A

Abstract

Steuereinheit zum Steuern der Geschwindigkeit eines Kompressors (4) als eine Funktion des verfügbaren Flusses von Gas (Q), das von einer Quelle (1) stammt, wobei die Steuereinheit (7) versehen ist mit:- einem Eingang (12) für ein Signal, das einen Einlassdruck (p) an einem Einlass (8) des Kompressors (4) wiedergibt;- einem Eingang (14) für ein Signal, das die Geschwindigkeit (n) des Kompressors (4) wiedergibt;- einem gewünschten Wert (p), der für den Einlassdruck (p) gesetzt wird, und- einem Algorithmus (18) zum Steuern der Geschwindigkeit (n) des Kompressors (4) durch Reduzieren der Geschwindigkeit (n), wenn der Einlassdruck (p) kleiner als der gesetzte, gewünschte Wert (p) des Einlassdrucks (p) ist, oder durch Erhöhen der Geschwindigkeit (n), wenn der Einlassdruck (p) größer als der gesetzte, gewünschte Wert (p) des Einlassdrucks ist, und dies, bis der Einlassdruck (p) gleich dem gesetzten, gewünschten Wert (p) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit weiterhin versehen ist mit:- einem Speicher (19), in dem charakteristische Daten des Kompressors (4) gespeichert sind oder in den charakteristische Daten des Kompressors (4) gespeichert werden können, die sich auf den Wirkungsgrad und/oder das SER (Specific Energy Requirement) des Kompressors (4), das das Verhältnis aus der Leistung oder Energie, die dem Kompressor (4) zugeführt wird, zu dem komprimierten, zugeführten Gasfluss ist, als eine Funktion der Geschwindigkeit (n) und des Einlassdrucks (p) beziehen; und,- einen zusätzlichen Algorithmus (20) zum Einstellen des zuvor erwähnten, gewünschten Wertes (p) des Einlassdruckes auf der Basis der zuvor erwähnten, charakteristischen Daten in dem Speicher (19), wobei der zuvor erwähnte, gewünschte Wert (p)) entspricht.

Description

Steuereinheit zum Steuern der Geschwindigkeit eines Kompressors in Abhängigkeit von einem verfügbaren Gasfluss, der von einer Quelle stammt, und Kompressor mit dieser Steuereinheit.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Steuern der Geschwindigkeit eines Kompressors in Abhängigkeit von einem verfügbaren Gasfluss, der von einer Quelle stammt, und einen Kompressor, der diese Steuereinheit aufweist.
Die Erfindung ist genauer für Schraubenkompressoren vorgesehen, aber sie ist nicht auf diese beschränkt.
Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit werden Schraubenkompressoren oft auf Gebieten der Industrie verwendet, wo Gase erzeugt oder gewonnen werden wie zum Beispiel auf den Gebieten der Biogasproduktion, der Erdgasgewinnung, von CNG Anwendungen, CO2-Versorgungen für die Lebensmittelindustrie und die Düngemittelindustrie, Wasserstoffversorgungen und Ähnlichem.
Der verfügbare Gasfluss, der von der Quelle stammt, schwankt häufig stark und muss für die Zuführung zu einem nachgelagerten Netzwerk von Benutzern komprimiert werden, typischerweise mit bis zu 18 bara im Falle der Biogaserzeugung.
Natürlich muss es das Ziel sein, den maximal verfügbaren Fluss der Quelle dem nachgelagerten Netzwerk zuzuführen, aber Kompressoren haben ihre Grenzen mit Bezug auf den zulässigen Druck im Einlass, der je nach Auslegung zum Beispiel auf 1 bis 4 bara begrenzt ist.
Verschiedene Steuereinheiten zum Steuern der Kompressoren in diesen Anwendungen sind bereits bekannt, in denen der zu komprimierende Gasfluss schwankt.
Zum Beispiel ist eine erste Steuereinheit für Kompressoren mit einer festgelegten Geschwindigkeit bekannt, wobei der Kompressor ein- und ausgeschaltet wird, wenn der verfügbare Fluss unter einen erwarteten Nennwert fällt oder über einen erwarteten Wert ansteigt. Für Kompressoren mit einer festgelegten Geschwindigkeit ist es auch bekannt, einen Bypass in den Betrieb einzubauen, um den Kompressor zu umgehen, wenn der verfügbare Fluss zu niedrig ist. Das schnelle Ein- und Ausschalten hat jedoch einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Kompressors.
Es versteht sich von selbst, dass es mit einer derart begrenzten Steuerung nicht möglich ist, die energieeffizienteste Steuerung in jedem Fall einzustellen.
Zudem steigt bei dieser Steuerung mit einer festgelegten Geschwindigkeit, wenn der verfügbare Gasfluss über den zuvor erwähnten Nennwert ansteigt, der Einlassdruck an, bis der Einlassdruck seinen maximal zulässigen Wert erreicht hat. Wenn in diesem Fall der verfügbare Fluss weiter ansteigt, müssen Messungen bei dieser Steuerung ausgeführt werden, um ein weiteres Ansteigen des Einlassdruckes zu stoppen, wobei diese Messungen immer mit Energieverlusten einhergehen. Zudem ist die Produktionskapazität der Gasquelle durch den Kompressor im Ergebnis eingeschränkt.
Eine zweite, bekannte Steuereinheit verwendet einen Kompressor mit einer steuerbaren, variablen Geschwindigkeit, der auch als VSD-Kompressor (VSD = Variable Speed Drive = Antrieb mit variabler Geschwindigkeit) bekannt ist.
Diese zweite Steuereinheit ist versehen mit:

- einem Eingang für ein Signal, das den Einlassdruck des Einlasses des Kompressors wiedergibt;
- einem Eingang für ein Signal, das die Geschwindigkeit des Kompressors wiedergibt;
- einem gewünschten Wert bzw. Sollwert, der für den Einlassdruck gesetzt wird; und
- einen Algorithmus zum Steuern bzw. Regeln der Geschwindigkeit des Kompressors durch Reduzieren der Geschwindigkeit, wenn der Einlassdruck kleiner als der gesetzte Sollwert des Einlassdruckes ist, oder durch Erhöhen der Geschwindigkeit, wenn der Einlassdruck größer als der gesetzte Sollwert des Einlassdruckes ist, und dies, bis der Einlassdruck gleich dem gesetzten Sollwert ist.

Bei dieser Steuereinheit, wenn der verfügbare Gasfluss bei einer bestimmten Geschwindigkeit des Kompressors ansteigt, steigt auch der Einlassdruck an dem Einlass des Kompressors an. Die zuvor erwähnte Steuerung bzw. Regelung der Geschwindigkeit als eine Funktion des Einlassdruckes stellt sicher, dass die Geschwindigkeit ansteigt, bis der Einlassdruck den Wert bzw. Pegel des gesetzten Sollwerts wieder erreicht. Aufgrund des Anstiegs der Geschwindigkeit wird der erhöhte, verfügbare Gasfluss vollständig durch den Kompressor komprimiert und dem Netzwerk zugeführt. Der gleichen Logik wird umgekehrt im Fall einer Abnahme des verfügbaren Gasflusses gefolgt.
Diese bekannte Steuereinheit stellt den Vorteil bereit, dass sie sicherstellt, dass innerhalb auferlegter Minimum- und Maximumgrenzen der Kompressorgeschwindigkeit der gesamte, verfügbare Fluss immer dem Netzwerk derart zugeführt werden kann oder an dieses verkauft werden kann, dass immer eine maximale Produktivität bzw. Ergiebigkeit der Gasquelle sichergestellt werden kann.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser zweiten Steuereinheit zum Steuern der Geschwindigkeit besteht darin, dass ein verfügbarer Gasfluss, der niedrig ist, wobei die Leistung bzw. Energie, die dem Kompressor zugeführt wird, der Komprimierungskapazität des Gasflusses entspricht, derart niedrig ist, dass die gesamte Energie, die dem Kompressor zugeführt wird, für die Kompression genutzt werden kann und damit keine wertvolle Energie verloren geht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die kontinuierliche Steuerung der Geschwindigkeit verhindert, dass der Kompressor häufig ein- und ausgeschaltet wird, was von Vorteil für die Lebensdauer des Kompressors ist.
Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass die Steuereinheit bzw. der Controller immer versucht, die Geschwindigkeit als eine Funktion des gesetzten Einlassdruckes zu steuern und den Einlassdruck auf dem Sollwert beizubehalten, ohne dass die Steuereinheit eine maximale Effizienz des Kompressorverbrauchs berücksichtigt, die in der Form des Kompressorwirkungsgrads oder in der Form des ‚SER‘ (Specific Energy Requirement = Spezifisches Energieerfordernis) ausgedrückt werden kann, welche dem Verhältnis der dem Kompressor zugeführten Leistung bzw. Energie zu dem komprimierten, zugeführten Gasfluss entspricht und zum Beispiel durch Joule/Normliter ausgedrückt wird.
Wenn die maximale, zulässige Geschwindigkeit des Kompressors mit der Steuerung für einen gesetzten Einlass-Solldruck erreicht wird, arbeitet der Kompressor sehr ineffizient, da sich in diesem Fall ein Anstieg des verfügbaren Gasflusses in dem Kompressor ergibt, der bei dieser maximalen Geschwindigkeit weiterläuft, und der Einlassdruck auf seinen zulässigen Maximalwert ansteigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für einen Nachteil oder mehrere der zuvor erwähnten und weitere Nachteile bereitzustellen.
Für diesen Zweck betrifft die Erfindung eine Steuereinheit, die der zuvor beschrieben, zweiten Art von Steuereinheit entspricht, wobei die Steuereinheit gemäß der Erfindung jedoch zusätzlich versehen ist mit:

- einem Speicher, in dem die charakteristischen Daten des Kompressors gespeichert sind oder in den diese gespeichert werden können, die sich auf den Wirkungsgrad und/oder das SER (spezifisches Energieerfordernis = Specific Energy Requirement) des Kompressors als eine Funktion der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl und des Einlassdruckes beziehen; und
- einem zusätzlichen Algorithmus, um den zuvor erwähnten, gewünschten Wert bzw. Sollwert des Einlassdruckes auf der Basis der zuvor erwähnten charakteristischen Daten in dem Speicher einzustellen, wobei der zuvor erwähnte, gewünschte Wert einem Maximum des Wirkungsgrads des Kompressors oder einem Minimum des SER nach der zuvor erwähnten Steuerung der Geschwindigkeit bei dem eingestellten, gewünschten Wert des Einlassdruckes entspricht.

Diese Steuereinheit gemäß der Erfindung kombiniert somit die Vorteile der bekannten Steuereinheit mit Bezug auf die vollständige Verwendung des verfügbaren Gasflusses für die Zuführung zu dem Netzwerk mit dem fortgesetzten Ziel für den effizientesten Energieverbrauch für den Antrieb des Kompressors zum Komprimieren dieses gesamten, verfügbaren Gasflusses.
Zur Verwendung der Steuereinheit gemäß der Erfindung können die vorstehend erwähnten, charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors bevorzugt im Vorhinein bestimmt werden, zum Beispiel während der Herstellung oder bereits während der Konstruktion, und dann in den Speicher der Steuereinheit geladen werden.
Im Fall eines Kompressors, bei dem die charakteristischen Daten nicht im Vorhinein bekannt sind, ist es möglich, diese Daten experimentell auf einer Ad-Hoc-Basis durch Bestimmen des Wirkungsgrades und/oder des SER für nachfolgende stabile Arbeitspunkte während der Verwendung des Kompressors zu bestimmen und diese in dem Speicher als eine Funktion der Geschwindigkeit und des Einlassdruckes abzuspeichern.
Dies kann während der normalen Verwendung des Kompressors durch Bestimmen des SER immer dann, wenn er eine stabile Situation mit einem bestimmten Einlassdruck und einer bestimmten Geschwindigkeit erreicht, und dann durch dessen Laden in den Speicher für jeden neuen stabilen Zustand oder durch Aktualisieren der vorhandenen Daten durchgeführt werden.
Auf diese Art und Weise wird ein Kurvenverlauf oder eine Tabelle der charakteristischen Daten des Kompressors Punkt für Punkt aufgebaut und kontinuierlich aktualisiert.
Die Steuereinheit ist somit derart selbstlernend, dass die Daten in den Speicher automatisch irgendwelche Abnutzungserscheinungen und andere Phänomene berücksichtigen, die den Wirkungsgrad und das SER beeinträchtigen.
Bevorzugt werden die charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors über den gesamten Betriebsbereich des Kompressors zumindest während der Inbetriebnahme des Kompressors bestimmt und in den Speicher abgespeichert.
Um die charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors für den gesamten Betriebsbereich bestimmen zu können, ist die Steuereinheit bzw. der Regler bevorzugt mit einem Programm versehen, mit dem der Kompressor aufeinanderfolgend bei unterschiedlichen diskreten Betriebspunkten innerhalb des zuvor erwähnten Betriebsbereichs betrieben wird, indem der entsprechende Sollwert des Einlassdruckes und die Geschwindigkeit für jeden Betriebspunkt zum Beispiel in inkrementalen Schritten gesetzt werden.
Industrielle Prozesse, bei denen Gas erzeugt wird, müssen oft mit widrigen und wechselnden Bedingungen zurechtkommen. In diesen Anwendungen wird oft zuverlässigen Kompressoren wie zum Beispiel Schraubenkompressoren der Vorzug gegeben und weniger auf einen effizienten Energieverbrauch geachtet. Dank der Erfindung ist es nun auch möglich, diese Art von Kompressor bzw. Verdichter nicht nur aufgrund seiner Zuverlässigkeit, sondern auch wegen seiner effizienten Anwendungsmöglichkeiten auszuwählen.
Bevorzugt ist die Steuereinheit auch mit einem Algorithmus zum automatischen Bestimmen der zuvor stehend erwähnten charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors während der Verwendung des Kompressors und zum Speichern der Daten in den Speicher der Steuereinheit Punkt für Punkt versehen.
Dies hat den Vorteil, dass die Steuereinheit bei jedem Kompressor angewendet werden kann, auch wenn die charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors nicht bekannt sind oder wenn diese Eigenschaften zuerst experimentell bestimmt werden müssen.
Für diesen Zweck ist die Steuereinheit mit einem zusätzlichen Eingang für ein Signal versehen, dass die Energie bzw. Leistung wiedergibt, die dem Kompressor zugeführt wird, wobei dieses Signal von dem Algorithmus verwendet werden kann, um den Wirkungsgrad und/oder das SER zu bestimmen und den Wirkungsgrad und/oder das SER in dem Speicher mit den charakteristischen Daten als eine Funktion der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl und des Einlassdruckes zu speichern.
Optional kann die Steuereinheit mit einem Programm versehen sein, das dem Kompressor ermöglicht, autonom bei unterschiedlichen, hintereinander folgenden Betriebspunkten innerhalb des Betriebsbereichs des Kompressors durch Setzen des entsprechenden Sollwerts des Einlassdruckes und der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl für jeden Betriebspunkt zum Beispiel in inkrementalen Schritten zu arbeiten.
Bei der Inbetriebnahme eines Kompressors, dessen Eigenschaften oder Charakteristiken nicht bekannt sind, ermöglicht dies, dass die Charakteristiken in den Speicher abgebildet werden können.
Die Erfindung betrifft natürlich auch einen Kompressor, der mit einem Kompressorelement und mit einer Steuereinheit gemäß der Erfindung versehen ist, wobei das Kompressorelement einen Einlass hat, der mit einer Quelle für Gas mit einem variablen, verfügbaren Fluss mit dem Ziel verbunden ist, dass innerhalb bestimmter Grenzen der gesamte, verfügbare Gasfluss einem nachgeschalteten Netzwerk von Nutzern mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad und/oder dem geringstmöglichen SER zugeführt werden kann.
Mit der Absicht die Merkmale der Erfindung besser zu erläutern, werden einige bevorzugte Anwendungen der Steuereinheit gemäß der Erfindung zum Steuern der Geschwindigkeit eines Kompressors als eine Funktion des verfügbaren Gasflusses und ein Kompressor, der eine solche Steuereinheit aufweist, beispielhaft ohne Beschränkung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:

1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Kompressors gemäß der Erfindung zeigt, der in einer industriellen Umgebung verwendet wird, wo Biogase erzeugt werden, die einem Verbrauchernetzwerk zugeführt werden;
2 bis 7 einige vereinfachte Kurvenverläufe zeigen, die sich auf die charakteristischen Daten des Kompressors von 1 beziehen; und
8 eine Anordnung wie jene von 1 zeigt, aber mit einer abgewandelten Ausführungsform eines Kompressors gemäß der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt beispielhaft eine Quelle 1 von Gas in der Form einer industriellen Installation 1 für die Herstellung von Biogas.
Es ist typisch für eine solche Installation, dass die verfügbare, erzeugte Menge des Gases mit der Zeit schwankt und dass auch der verfügbare Fluss Q für die Zuführung von Biogas zu einem Netzwerk 2 von Verbrauchern 3 schwankt.
Es ist natürlich das Ziel des Erzeugers des Biogases in der Lage zu sein, den gesamten verfügbaren Fluss Q an die Verbraucher 3 mit einem Maximum zu verkaufen.
Für die Zuführung des Biogases muss dieser erste Druck des Biogases erhöht werden, wobei in diesem Fall ein Kompressor 4 mit einem Kompressorelement 5 verwendet wird, das von einem Motor 6 mit einer variablen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl angetrieben wird, und mit einer Steuereinheit 7 bzw. Controller gemäß der Erfindung zum Steuern der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl n versehen ist.
Das Kompressorelement 5 ist zum Beispiel ein Schraubenkompressor dessen Charakteristiken sehr schematisch in den Kurvenverläufen von 2 bis 7 gezeigt sind, welche experimentell im Vorhinein gezeichnet wurden, zum Beispiel für das betreffende Kompressorelement 5 für unterschiedliche implementierte Betriebsabläufe innerhalb des Betriebsbereichs des Kompressorelements 5.
Dieser Betriebsbereich ist durch eine minimal und maximal zulässige Geschwindigkeit bzw. Drehzahl, n_min bzw. n_max, und durch einen minimal und maximal zulässigen Einlassdruck p_in an dem Einlass 8 des Kompressorelements 5, p_inmin und p_inmax, begrenzt, für die das Kompressorelement 5 ausgelegt worden ist.
2 zeigt innerhalb des vorstehend erwähnten Betriebsbereichs die Betriebslinien 9 des Flusses Q als eine Funktion des Einlassdruckes p_in, jeweils für eine bestimmte Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl n des Kompressorelements 5 und dies für einen konstanten Auslassdruck an einem Auslass 10 des Kompressorelements.
Daraus folgt, dass bei einer bestimmten Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl der Fluss Q mit dem Einlassdruck p_in ansteigt und dass bei einem bestimmten, eingestellten Einlassdruck p_set der Fluss Q mit der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl n ansteigt.
Für das gleiche Kompressorelement 5 zeigt 3 den Kurvenverlauf des spezifischen Energieerfordernisses (SER) als eine Funktion des Einlassdruckes p_in und des Flusses Q, wobei die konzentrischen Ringe 11 die Kurven gleichen SER wiedergeben und wobei das SER von dem zentralen Ring 11 zu dem äußersten Ring 11 ansteigt.
Das SER wird als die erforderliche Leistung P bzw. Energie ausgedrückt, die von dem Motor 6 zugeführt wird, um einen Fluss Q auf einen Einlassdruck p_in zu komprimieren, und wird zum Beispiel in Joule/Normliter (Joules/normal litre) angegeben.
Es ist klar, dass das SER umgekehrt proportional zum Wirkungsgrad des Kompressorelements 5 ist.
In 4 sind die beiden Kurven von 2 und 3 zu einer einzigen Zeichnung kombiniert worden.
Bei bekannten Steuereinheiten wird die Geschwindigkeit n des Kompressorelements 5 als eine Funktion des verfügbaren Gasflusses, der von einer Quelle 1 ausgeht, gesteuert durch:

- Setzen eines gewünschten Wertes bzw. Sollwertes für den Einlassdruck, zum Beispiel des gewünschten Wertes p_set1 in 4, und
- Steuern bzw. Regeln der Geschwindigkeit n des Motors 6 durch Reduzieren der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl, wenn der Einlassdruck p_in niedriger als der gesetzte Sollwert p_set1 ist, oder durch Erhöhen der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl, wenn der Einlassdruck p_in höher als dieser gesetzte Sollwert p_set1 ist, und dies, bis der Einlassdruck p_in gleich dem gesetzten Sollwert p_set1 ist.

Auf diese Art und Weise kann sichergestellt werden, dass der verfügbare Fluss Q auch vollständig dem Netzwerk 2 zugeführt wird.
Wenn von dem Betriebspunkt I in 4 bei einem Fluss Q1, einer Geschwindigkeit n1 bzw. einer Drehzahl und einem gewünschten Wert p_set1 aus gestartet wird und wenn der verfügbare Fluss Q, der von der Quelle 1 aus zugeführt wird, zum Beispiel auf Q2 in 4 ansteigt, steigt der Einlassdruck p_in für einen konstanten Auslassdruck tatsächlich an.
In diesem Fall steigt gemäß der zuvor erwähnten bekannten Steuereinheit n auf n2 derart an, dass ein neuer stabiler Betriebspunkt II bei einem höheren Fluss Q2 erreicht wird, der gleich dem verfügbaren Fluss ist.
Für einen gegebenen, verfügbaren Fluss Q1 kann durch Setzen von p_set ein Betriebsbereich überlappt werden, der in 4 durch das Parallelogramm definiert ist, das durch die zuvor erwähnten Werte p_inmin und p_inmax und durch die Betriebslinien der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl, die durch die extremen Betriebspunkte Q1, p_inmin und Q1, p_inmax hindurchgehen, begrenzt ist.
In der Praxis werden bei den bekannten Schraubenkompressoren zwei gewünschte Werte für den Einlassdruck p_in gesetzt, zum Beispiel pset1 und pset2 in 4.
Es ist klar, dass bei diesen Sollwerten das entsprechende SER in 4 nicht optimal ist und dass die bekannte Steuerung der Geschwindigkeit n als eine Funktion von einem Sollwert oder zwei Sollwerten des Einlassdrucks p_in bei optimalen Bedingungen eines minimalen SER nur zufällig arbeitet, da diese optimalen Bedingungen auch von dem verfügbaren Fluss Q abhängen.
Die Erfindung stellt eine vergleichbare Steuerung, wie oben stehend beschrieben wurde, bereit, aber mit dem Unterschied, dass der Sollwert des Einlassdruckes p_set auf der Basis der zuvor erwähnten charakteristischen Daten derart eingestellt wird, dass nach der zuvor erwähnten Steuerung der Geschwindigkeit bei dem eingestellten gewünschten p_set des Einlassdruckes der Wirkungsgrad des Kompressors ein Maximum ist oder anders ausgedrückt, dass das SER ein Minimum ist.
Im Fall von 4 entspricht dieser eingestellte, gewünschte Wert für einen Fluss Q1 dem optimalen, gewünschten Wert p_opt, der in der Realität eine Funktion des verfügbaren Flusses Q ist.
Um diese Steuerung zu ermöglichen, ist die Steuereinheit 7 versehen mit:

- einem Eingang 12 für ein Signal, das den Einlassdruck p_in wiedergibt und das zum Beispiel von einem Drucksensor 13 an dem Einlass 8 des Kompressors 4 stammt;
- einem Eingang 14 für ein Signal, das die Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl n des Kompressorelements 5 oder des Motors 6 mit einer steuerbaren, variablen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl wiedergibt und das zum Beispiel von einem Tachometer 15 stammt;
- einem gewünschten Wert p_set bzw. Sollwert für den Einlassdruck p_in, der bei 16 gesetzt wird;
- einem Ausgang 17 für das Steuersignal n_set für die gewünschte Geschwindigkeit des Kompressorelements 5;
- einem Algorithmus 18 zum Steuern der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl n des Kompressorelements 5 durch Reduzieren der Geschwindigkeit n bzw. der Drehzahl, wenn der Einlassdruck p_in niedriger ist als der gewünschte Wert p_set des Einlassdruckes, oder durch Erhöhen der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl n, wenn der Einlassdruck p_in höher als der gewünschte Wert p_set des Einlassdruckes p_in ist, bis der Einlassdruck p_in gleich dem gewünschten Wert p_set bzw. Sollwert ist;
- einem Speicher 19, in dem die charakteristischen Daten des Kompressorelements 5 gespeichert sind, zum Beispiel in der Form des Kurvenverlaufs von 4 oder in Tabellen- oder Formelform, wobei dieser Kurvenverlauf bevorzugt in dem Speicher 19 im Vorhinein gespeichert wird; und
- einem zusätzlichen Algorithmus 20, um den Wert p_opt des gewünschten Wertes p_set des Einlassdruckes auf der Basis der vorstehend erwähnten, charakteristischen Daten in dem Speicher 19 zu bestimmen und diesen dementsprechend derart einzustellen, dass der Kompressor 4 nach dem Steuern der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl unter Verwendung des Algorithmus 18 mit dem gewünschten Wert p_opt die geringste Leistung P bzw. Energie verbraucht, den verfügbaren Gasfluss zu komprimieren und dem Netzwerk 2 zuzuführen.

Auf diese Art und Weise kann der Hersteller des Gases sicherstellen, dass der gesamte, verfügbare Fluss von Gas immer dem Netzwerk 2 zugeführt werden kann und dies mit dem niedrigsten, spezifischen Verbrauch.
5 bis 7 zeigen eine alternative oder zusätzliche Ausführungsform der charakteristischen Daten des Kompressorelements 5, die in dem Speicher 19 gespeichert werden können. In diesem Fall werden in 5 diese charakteristischen Daten in der Form von Diagrammen bei einem Einlassdruck p_in und einer Geschwindigkeit n gespeichert, die die Betriebskurven zeigen, entlang denen der Fluss Q bzw. das SER konstant sind. In 7 werden beide Diagramme in einem einzigen Diagramm gezeigt.
Anstelle des SER kann der Wirkungsgrad auch einen Teil der zuvor erwähnten charakteristischen Daten des Kompressorelements 5 darstellen.
Anstelle des experimentellen Bestimmens oder Berechnens der charakteristischen Daten im Vorhinein kann eine selbstlernende, intelligente Steuereinheit 7 verwendet werden, die diese charakteristischen Daten bestimmt, zum Beispiel von 4, Punkt für Punkt während der Verwendung des Kompressors 4 und diese in dem Speicher 19 in der Form eines Kurvenverlaufs oder einer Tabelle speichert.
Hierfür kann die Steuereinheit 7 auch mit einem zweiten, zusätzlichen Algorithmus 21, wie in 8 gezeigt ist, ausgestattet sein, um die zuvor erwähnten, charakteristischen Daten wie zum Beispiel das SER des betreffenden Kompressors 4 während der Verwendung 4 des Kompressors zu bestimmen und um diese Daten Punkt für Punkt in dem Speicher 19 der Steuereinheit abzuspeichern.
In dieser Hinsicht kann die intelligente Steuereinheit 7 mit einem zusätzlichen Eingang 22 für ein Signal versehen sein, das die Leistung P bzw. Energie wiedergibt, die dem Kompressorelement 5 zugeführt wird, welches zum Beispiel von einem Wandler 23 stammt, wobei dieses Signal von dem zusätzlichen Algorithmus 21 verwendet wird, um das SER zu bestimmen und um es in dem Speicher 19 mit den charakteristischen Daten als eine Funktion der Geschwindigkeit n bzw. Drehzahl und des Einlassdrucks p_in zu speichern.
Zu diesem Zweck kann in dem zweiten, zusätzlichen Algorithmus 21 ein Programm integriert sein, dass es dem Kompressor 4 ermöglicht, bei unterschiedlichen Betriebspunkten innerhalb des Betriebsbereichs des Kompressors durch Setzen des entsprechenden, gewünschten Wertes des Einlassdruckes und der Geschwindigkeit für jeden Betriebspunkt zum Beispiel in inkrementalen Schritten sukzessiv zu arbeiten.
Es ist verständlich, dass der Algorithmus 21 einmal verwendet werden kann, wenn ein Kompressor 4 in Betrieb genommen wird, wonach der Wandler 23 entfernt werden kann. Aber dieser Algorithmus kann auch kontinuierlich oder gelegentlich während der Lebensdauer des Kompressors 4 verwendet werden, um die charakteristischen Daten in dem Speicher 19 kontinuierlich zu aktualisieren, damit der Abnutzungseffekt zum Beispiel bezüglich des SER berücksichtigt werden kann.
Obwohl die Erfindung primär bei Schraubenkompressoren anwendbar ist, kann das beschriebene Verfahren der Erfindung und die intelligente Steuereinheit 7, die darin verwendet wird, auch bei anderen Typen von Kompressoren eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung ist unter keinen Umständen auf die beispielhaft beschrieben und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern eine Steuereinheit der Erfindung zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Kompressors als eine Funktion des verfügbaren Gasflusses und ein zugehöriger Kompressor können gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen realisiert werden, ohne dass vom Bereich der Erfindung abgewichen wird.

Claims

Steuereinheit zum Steuern der Geschwindigkeit eines Kompressors (4) als eine Funktion des verfügbaren Flusses von Gas (Q), das von einer Quelle (1) stammt, wobei die Steuereinheit (7) versehen ist mit: - einem Eingang (12) für ein Signal, das einen Einlassdruck (p_in) an einem Einlass (8) des Kompressors (4) wiedergibt; - einem Eingang (14) für ein Signal, das die Geschwindigkeit (n) des Kompressors (4) wiedergibt; - einem gewünschten Wert (p_set), der für den Einlassdruck (p_in) gesetzt wird, und - einem Algorithmus (18) zum Steuern der Geschwindigkeit (n) des Kompressors (4) durch Reduzieren der Geschwindigkeit (n), wenn der Einlassdruck (p_in) kleiner als der gesetzte, gewünschte Wert (p_set) des Einlassdrucks (p_in) ist, oder durch Erhöhen der Geschwindigkeit (n), wenn der Einlassdruck (p_in) größer als der gesetzte, gewünschte Wert (p_set) des Einlassdrucks ist, und dies, bis der Einlassdruck (p_in) gleich dem gesetzten, gewünschten Wert (p_set) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit weiterhin versehen ist mit: - einem Speicher (19), in dem charakteristische Daten des Kompressors (4) gespeichert sind oder in den charakteristische Daten des Kompressors (4) gespeichert werden können, die sich auf den Wirkungsgrad und/oder das SER (Specific Energy Requirement) des Kompressors (4), das das Verhältnis aus der Leistung oder Energie, die dem Kompressor (4) zugeführt wird, zu dem komprimierten, zugeführten Gasfluss ist, als eine Funktion der Geschwindigkeit (n) und des Einlassdrucks (p_in) beziehen; und, - einen zusätzlichen Algorithmus (20) zum Einstellen des zuvor erwähnten, gewünschten Wertes (p_set) des Einlassdruckes auf der Basis der zuvor erwähnten, charakteristischen Daten in dem Speicher (19), wobei der zuvor erwähnte, gewünschte Wert (p_set) einem Maximum des Wirkungsgrads des Kompressors (4) oder einem Minimum des SER nach der zuvor erwähnten Steuerung der Geschwindigkeit (n) bei dem eingestellten, gewünschten Wert (p_set) des Einlassdruckes (p_in) entspricht.
Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor erwähnten, charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors (4), die in dem Speicher (19) der Steuereinheit (7) gespeichert sind, im Vorhinein bestimmt worden sind.
Steuereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Inbetriebnahme des Kompressors (4) die charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors (4) über den gesamten Betriebsbereich des Kompressors (4) in dem Speicher (19) gespeichert werden.
Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zusätzlich mit einem Algorithmus (21) zum automatischen Bestimmen der zuvor erwähnten, charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors (4) während der Verwendung des Kompressors (4) und zum Speichern dieser Daten Punkt für Punkt in dem Speicher (19) der Steuereinheit (7) versehen ist.
Steuereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus (21) zum Bestimmen der charakteristischen Daten des betreffenden Kompressors (4) Punkt für Punkt während der Verwendung des Kompressors (4) derart ist, dass der Wirkungsgrad und/oder das SER für hintereinander folgende stabile Betriebspunkte bestimmt werden und in dem Speicher (19) als eine Funktion der Geschwindigkeit (n) und des Einlassdrucks (p_in) gespeichert werden.
Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem zusätzlichen Eingang (22) für ein Signal versehen ist, das den Fluss (C) des komprimierten Gases und die Leistung (P) oder Energie wiedergibt, die dem Kompressor (4) zugeführt wird, wobei diese Signale von dem Algorithmus (21) verwendet werden, um den Wirkungsgrad und/oder das SER zu bestimmen und um sie in dem Speicher (19) mit den charakteristischen Daten als eine Funktion der Geschwindigkeit (n) und des Einlassdrucks (p_in) abzuspeichern oder zu überschreiben.
Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Programm versehen ist, um den Kompressor (4) zu veranlassen, bei verschiedenen Betriebspunkten in dem Betriebsbereich des Kompressors (4) durch Setzen des entsprechenden, gewünschten Wertes (p_set) des Einlassdruckes (p_in) und der Geschwindigkeit (n) für jeden Betriebspunkt zum Beispiel in inkrementalen Schritten sukzessiv zu arbeiten.
Kompressor, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Kompressorelement (5) und mit einer Steuereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.
Kompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressorelement (5) ein Schraubenkompressorelement ist.
Kompressor nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressorelement (5) einen Einlass (8) hat, der mit einer Quelle (1) von Gas mit einem variablen, verfügbaren Fluss (Q) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (7) programmiert ist, den gesamten, verfügbaren Fluss des Gases (Q) von der Quelle (1) einem nachgeschalteten Netzwerk (2) von Nutzern (3) mit dem höchst möglichen Wirkungsgrad und/oder mit dem niedrigst möglichen SER zuzuführen.