DE2132141C3

DE2132141C3 - Verfahren zum kondensatfreien Betrieb von mehrstufigen Turbokompressoren

Info

Publication number: DE2132141C3
Application number: DE19712132141
Authority: DE
Inventors: Peter 4250 Bottrop Berger
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Current assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1971-06-29
Publication date: 1979-08-16
Also published as: IT956143B; NL7207717A; FR2143729B1; DE2132141A1; FR2143729A1; DE2132141B2; CH541791A

Description

In

Px ' Vo

' ^fi soll —

Po " 1,

Außerdem werden Änderungen des Stufendruckverhältnisses, wie sie sich bei geänderten Enddrücken ergeben, nicht von der Regelung erfaßt, d. h., die Regelung gemäß genannter DE-OS ist nur bei gleichbleibender Feuchte und bei unverändertem Druckverhältnis voll wirksam und folgt dann ausschließlich der geänderten Eintrittstemperatur.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Luft- und Gaskühler, insbesondere Zwischenkühler von Turbokompressoren, so zu regeln sind, daß der Gasstrom einerseits durch die Kühlung auf möglichst tiefe Temperaturen gebracht werden kann, was einen wirtschaftlichen Betrieb der Kompressoren gewährleistet, andererseits aber ein Ausfallen des im Gas enthaltenen Wasserdampfes vermieden wird, um Korrosion und Erosion zu verhindern, wobei alle Änderungen der Zustandsgrößen am Verdichtereintritt: Druck. Temperatur und relative Feuchte sowie Änderungen des Verdichterenddruckes, von der Regelung voll erfaßt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für die regelungstechnische Darstellung von Atj_SOn gemäß der Gleichung

In

^ U soll =

Pi " 9o Po ' <l i

in der b eine Konstante für den in Betracht gezogenen Temperaturbereich und φ, die als Festwert vorgegebene relative Feuchte nach der Verdichtung bedeuten, als Meßwerte der Gesamtdruck po vor dem Verdichter und der Gesamtdruck ρ, nach der Verdichtung, sowie die relative Feuchte Φο vor dem Verdichter eingegeben werden.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kondensatfreien Betrieb von mehrstufigen Turbokompressoren mit mindestens einem Zwischenkühler, bei dem zur Betätigung eines für die Regelung vorgesehenen Stellgliedes eine Steuergröße

dient, wobei

ΔΔ t die Temperaturabweisung,
At= t,-todie Temperaturdifferenz, mit
fo als Anfangstemperatur vor dem Verdichter,
t, als Temperatur nach der Verdichtung in der jeweiligen Stufe,
Δ ti »„«die Vorgabe und

At₁Ki die tatsächlich gemessene Temperaturdifferenz
bedeuten.

Ein Verfahren zum kondensatfreien Betrieb von mehrstufigen zwischengekühlten Turboverdichtern wird in DE-OS 14 28 047 dargelegt. Die hier vorgeschlagene Regelung benutzt die Tatsache, daß bei gleichen Werten des Druckverhältnisses und der relativen Feuchte die Temperaturdifferenz zwischen Kühleraustritt und Verdichtereintritt nahezu konstant bleibt. Da mit vorgegebener Temperaturdifferenz nur noch eine Änderung der Lintrittstemperatur vom Regler korrigiert wird, muß eine relative Keuchte am Eintritt von 100¹¹A, d.h. der ungünstigste Wert, berücksichtigt wprrlpn

in der b eine Konstante für den in Betracht gezogenen Temperaturbereich und φ, die als Festwerte vorgegebene relative Feuchte nach der Verdichtung bedeuten, als Meßwerte der Gesamtdruck po vor dem Verdichter und der Gesamtdruck p, nach der Verdichtung, sowie die relative Feuchte φο vor dem Verdichter eingegeben werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Regelung am Beispiel eines zweistufigen Verdichters mit Zwischenkühlung und Regelung durch Dosierung der Kühlwassermenge und

F i g. 2 eine grafische Darstellung des Sättigungsdrukkes von Wasser als Funktion der Temperatur.

■4.S Die Erfindung geht von folgenden technischen und physikalischen Voraussetzungen aus:

a) Die Feuchte des vom Kompressor angesaugten Gases kann außerhalb des Kompressors auf bekannte und bewährte Weise leicht bestimmt

so werden, oder sie ist bekannt, weil es sich etwa um mit Wasserdampf gesättigtes Gas handelt, beispielsweise bei vorgeschalteter Waschanlage.

b) Die im Gas enthaltene Wassermenge bleibt während der Verdichtung und Zwischenkühlung konstant, da ja kein Wasser innerhalb der Maschine oder in den Zwischenkühlern ausfallen soll, was Zweck der Regelung ist.

c) Temperaturen und Drücke des durch den Verdichter strömenden Gases lassen sich vor dem

ho Verdichter 1 und nach dem Zwischenkühler 2 genau genug auf übliche Weise messen.

d) Der Dampfdruck (Sättigungsdruck des Wassers) ist eine eindeutige Funktion der Temperatur.

Die Erfindung verwendet diese Voraussetzungen

<>> derart, daß durch die sinnvolle Anwendung ein Regelungsvcrfahren (Bild 1) entsteht, das es ermöglicht, Kühler 2 so zu regeln, beispielsweise durch Dosierung der Kühlwassermenge, daß sich nach dem Kühler eine

Gastemperatur ί, einstellt, die einer beliebigen gewünschten relativen Feuchte <p,_s„// entspricht, wobei i^doch als Meßwert nach dem Kühler nur der Druck p, und die Temperatur i, benötigt werden.

ψ, soii bezeichnet die relative Feuchte nach dem Kühler. Theoretisch könnte dieser We--t genau 100% sein, da erst bei höheren Werten Wasser ausfällt. Praktisch wird man einen Wert einstellen, der leicht unterhalb von 100% liegt, weil nach dem Kühler e^:n Temperaturprofil in der Strömung herrscht und es nicht absolut sicher ist, daß man bei der Messung der Austrittstemperatur auch die tiefste herrschende Temperatur mißt, d.h. also, man hat die Wahl eines beliebigen Sicherheitsabstandes vom theoretisch richtigen Wert yisoii= 100^J/o.

Der tbrmelmäßige Zusammenhang zwischen den wenigen, einfach zu messenden physikalischen Zustandsgrößen des Gases po, ρ» ψο und der Vorgabegröße Atisoii läßt sich dadurch herstellen, daß sich die physikalisch eindeutige Zuordnung des Sättigungsdrukkespjdes Wassers zur jeweiligen Rückkühltemperatur t, im interessierenden Temperaturbereich durch eine einfache mathematische Formel genügend genau beschreiben läßt.

Die hierfür gewählte Formel lautet:

In Ps= a+6· f,

wobei t die Temperatur p_s den Sättigungsdruck des Wasserdampfes angibt. Die Konstanten a und b lassen sich leicht über eine Approximationsrechnung aus gegebenen Meßwertpaaren von /und p_sbestimmen. Fü^r den hier gewählten Temperaturbereich von 20° C bis 70°C wurden die folgenden Konstanten ermittelt: a = —4,7; b=0,0517. Mit diesen Konstanten ergibt sich im einfachlogarithmischen Maßstab eine Gerade, die in F i g. 2 dargestellt ist und mit den zugrunde gelegten Meßwerten (Kreise) verglichen wird. Die Meßwerte stammen aus den VDI-Wasserdampftafeln, 7. Auflage, 1968, von E. Schmidt, Springer-Verlag, Berlin.

Feuchte Luft oder feuchtes Gas wird als Gemisch zweier vollkommener Gase betrachtet. Hierfür gilt das Daltonsche Gesetz:

Mit der relativen Feuchte

P₁₁ _o Teildruck des Wasserdampfes,
¹ ρ .Gesamtdruck der Mischung,

Volumenanieil des Wasserdampfes,
Gesamtvolumen der Mischung.

Da während eines Verdichtungsvorganges mit Zwischenkühlung im betrachteten Fall kein Wasser ausfallen soll, bleibt das Volumenverhältnis des Gemisches konstant. Man kann also schreiben:

PlI₂O,,

~ P₀

_ Pn₂O₁

Pi

•I =

Pn₂O

läßt sich ein beliebiger Zustand während der Verdichtung in Abhängigkeit vom Anfangszustand schreiben:

oder

wobei der Index O für den Anfangszustand und ι für einen beliebigen Zustand während der Verdichtung steht.

Ρμι,,ι · Vo
Po

P> ' Vo
Po ' 'a

M ' Ui

p,

(3 a)

(3 b)

Mit dem für die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes von der Temperatur als Näherungsfunktion gewählten mathematischen Formalismus

In p_s=
ergibt sich aus der umgeformten Gleichung (3b):

In

/ Pi ■ Ίο \
VPo 'ν./

^(3cl

= t, - t₀ = It₁. (4)

Damit ist der Nachweis erbracht, daß sich die zu einer gewünschten relativen Feuchte φ, gehörenden Gasaustrittstemperatur i, auf einfachste Weise aus den Größen po, to, cpo vor dem Verdichter und p, nach dem Verdichter bestimmen läßt.

Diese Abhängigkeit gestattet es, den physikalischen Zusammenhang mathematisch einfach darzusteller, und nach der Rückkühltemperatur aufzulösen Die auf diese Weise unter (4) erhaltene Formel wird derart für die Regelung benutzt, daß man sie — zum Beispiel mittels elektronischer Glieder — regelungstechnisch dargestellt und durch entsprechende Verarbeitung der

4^ Meßwerte po, to, ψο und p, zur Vorgabegröße At_s-,n gelangt. Durch Vergleich mit der tatsächlichen gemessenen Temperaturdifferenz

A ti ist = ti isi — to

so läßt sich die Regelabweichung

AAt = At, soll-At, m

bilden, die dann als Steuergröße für die Betätigung des Stellgliedes für die Kühlerregelung dient.

Bei mehrstufigen Verdichtern mit mehr als einem Zwischenkühler kann das gleiche Verfahren angewandt werden, wobei die Größen mit dem Index O nur einmal vor dem Eintritt in den Verdichter, die Größen mit dem Index / nach dem jeweiligen Kühler gemessen bzw.

ho bestimmt werden. Daraus ergibt sich, daß jeder Zwischenkühler für sich und unabhängig von den folgenden Stufen geregelt werden kann.

Hierzu 2 Bkitt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum kondensatfreien Betrieb von mehrstufigen Turbokompressoren mit mindestens einem Zwischenkühler, bei dem zur Betätigung eines für die Regelung vorgesehenen Stellgliedes eine Steuergröße

AAt=At_{1 ia}n—At,,«

dient, wobei

Δ Δ t die Temperaturabweichung,
At=ti— fo die Temperaturdifferenz, mit
fo als Anfangstemperatur vor dem Verdichter, I als Temperatur nach der Verdichtung in der jeweiligen Stufe,
Δ ti _so//die Vorgabegröße und
Atiis. die tatsächlich gemessene Temperaturdifferenz

bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß für die regelungstechnische Darstellung von f,₅₀// gemäß der Gleichung