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Verfahren zum Steuern eines Kompressorsystems und derart steuerbares
Kompressorsystem Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines
Kompressorsystems mit einem Zwischenkühler, bei welchem die Kompressoren mit konstanter
Geschwindigkeit betrieben werden, sowie auf ein derart steuerbares Kompressorsystem.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Steuerung der Druckverhältnisverteilung
und daher der Lastverteilung eines Kompressorsystems, welches neben dem Zwischenkühler
einen Niederdruckkompressor und einen ochdruckkompressor umfaßt. Die Druckverhältnisverteilung
soll auf einen optimalen Sollwert gebracht werden.
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Bei bekannten Kompressorsystemen mit Zwischenkühler erfolgte die
Steuerung des Abgabedrucks nicht durch Steuerung des genannten Druckverhältnisses,
sondern lediglich durch Steuerung eines Hochdruclckompressors, um einen beliebigen
Abgabedruck zu erhalten. In einlgen Fällen sind keine Steuervorrichtungen vorgesehen
und der Abgabedruck wird indirekt durch den Widerstand der Anlage gesteuert. Wenn
daher die Wirkungsweise des Hochdruckkompressors gestört ist, leistet der Hochdruckkompressor
nicht die gewünschte Arbeit. Auf der anderen Seite muß der Abgabedruck des Hochdruckkompressors
konstant gehalten werden Folglich ist es notwendig gewesen, daß ein Mangel an Druck
des Elochdruckkompressors von einem Niederdruckkompressor ausgeglichen bzw. getragen
werden muß.
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Vom Standpunkt der Aerodrnamik aus gesehen, bewegt sich der Hochdruckkompressor
in einer Richtung, in welcher der Angriffswinkel abnimmt, und umgekeilrt bewegt
sich der Niederdruckkompressor in einer Richtung, in welcher der Angriffswinkel
zunimmt.
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Hieraus ergibt sich, daß die Leistung abnimmt und schließlich der
Niederdruckkompressor in einen Bereich von Beiastungsschwankungen Ubergeht, in welchen
ein Bruch von Schaufeln erfolgt. Vom Standpunkt der Verhinderung eines Schwingens
des Niederdruckkompressors ist es zweckmäßig, eine Leitung zum Verhindern des Schwingen
oder der Belastungsschwankungen auf der Grundlage der Eigenschaften der Saugströmung
und des Abgabedrucks nur des Niederdruckkompressors vorzusehen. In diesem Falle
kann der Abgabedruck des Hochdruckkompressors jedoch unzureichend sein, um die gesamte
Anlage zu betreiben, woraus sich ein Unterbrechung des Betriebs der Anlage erglbt.
DLe Störung der Wirkungsweise des Hochdruckkompressors wird durch clen in dem Zwischenkühler
erzeugten Abfluß bewirkt, welcher auf den Oberflächen der Schaufeln haftet, und
an welchem sich Staub@ teilchen in dem Strömungsmittel und oder in dem Zwischenkühler
ausgebildete Teilchen anfUgen. Die Teilchen werden durch Korrosion des Materials
des Zwischenkühlers mit Schwefelsäure oder durch eine andere chemische Korrosion
gebildet, und die Bildun@
eines solchen Abflusses oder solcher Teilchen
ist infolge des Aufbaus und Materials des Zwischenkühlers unvermeidbar.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines Kompressorsystems
zu schaffen, bei welchem die Abweichung ir Druckverha.ltnisverteilung infolge einer
Störung der Wirkungsweise des Hochdruckkompressors durch Steuerung der DruckverhEltnisverteilung
so selbstkompensiert wirdn daß keine Leistungsverringerung auftritt und hierdurch
ein Buch der Schaufeln des Niederdruckkompressors verhindert werden kann welcher
sonst durch die Abweichung der Druckverhältnisverteilung hervorgerufen würde, und
daß weiter entsprechend den Erfordernissen der gesamten Anlage ein Betriebsbereich
bei Teillast so weit wie bei Nennlast aufrechterhalten werden kann. So ist es leicht
verständlich, daß die Erfindung auch mit Erfolg angewendet werden kann, wenn die
Kompressoren in einem Bereich außerhalb ihrer Nennleistung betrieben werden.
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Dieses Ziel wird mit einem Verfahren zum Steuern eines Kompressorsystems
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens
der Hochdruckkompressor einstellbare Schaufeln aufweist, und daß der Einstellwinkel
der feststehenden Schaufeln des Hochdruckkompressors entsprechend einer @nderung
des Abgabedrucks des Hocadruckkompressors so verändert wird, daß die Druckverhältnisverteilung
auf einen optimalen Sollwert eingestellt wird.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß
auch der Niederdruckkompressor vers tellbare Schau feln aufweist und der Abgabedruck
des Hochdruckkompressors durch Knderung der Einstellwinkel der feststehenden Schaufeln
beider Kompressoren um den gleichen Betrag gesteuert wird, und daß die Abweichung
der Druckverhältnisverteilung durch änderung des Einstellwinkels der feststehenden
Schaufeln nur des Hochdruckkompressors selbstkompensiert wird.
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Das Kompressorsystem für die Steuerung entsprechend dem erfindungsgemä'ßen
Verfahren ist erfindungsgem§ß so aufgebaut, daß wenigstens der Hochdruckkompressor
verstellbare feststehende Schaufeln aufweist, und daß der*Einstellwinkel der feststehenden
Schaufeln über Meßgeräte und Regelgeräte über einen Stellzylinder am Hochdruckkompressor
einstellbar ist.
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Zweckmäßig kann das Kompressorsystem weiter so aufgebaut sein, daß
auch der Niederdruckkompressor verstellbare feststehende Schaufeln aufwist, welche
über einen Stellzylinder einstellbar sind, und daß der Abgabedruck des Hochdruckkompressors
durch Verstellung der Einstellwinkel der Schaufeln des Niederdruckkompressors bzw.
des Hochdruckkompressors um den gleichen Betrag steuerbar ist, während eine Abweichung
der Druckverhältnisverteilung durch Xnderung des Einstellwinkels der feststehenden
Schaufeln nur des Hochdruckkompressors selbstkompensierbar ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen: Fig.1 ein
Blockschaltbild eines Kompressorsystems zur Darstellung eines AusfUhrungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens, und Fig.2 eine graphische Darstellung, welche
die charakteristischen Anderungen des Kompressors zeigt, welcher mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet wird.
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Entsprechend Fig. 1 wird Strömungsmittel durch ein Filter 8 gesaugt,
von einem Niederdruckkompressor 2 des von einem Antrieb 1 angetriebenen Kompressorsystems
komprimiert und von einem Zwischenkühler 9 gekühlt. Der Zpdschenkühler 9 erzeugt
gewöhnlich
einen Abfluß, und die relative Feuchtigkeit des Strömungsmittels wird 100%. Selbst
wenn das Strömungsmittel nur auf eine relative Feuchtigkeit unter 100% gekühlt wird,
wird der-Teil des Strömungsmittels, welcher in direkter Berührung mit der Wand eines
Kühlrohre steht, örtlich übermäßig gekühlt und erzeugt einen Abfluß. Der so erzeugte
Abfluß wird durch ein Abfluß ventil oder dgl. auf die Außenseite des Systems abgegeben.
Ein Teil des Abflusses wird jedoch in Form von Nebel in einen Hochdruckkompressor
3 gesaugt und haftet an den Oberflächen der Schaufeln oder bewirkt Erosion. Andererseits
dehnt sich das in den Hochdruckkompressor 3 gesaugte Strömungsmittel in qgn Einlaßleitschaufeln
aus und wird in der Temperatur ver @ingert. Daher ist das Strömungsmittel mit einer
Feuchtigkeit von 100% oder nahe 100 übersättigt und erzeugt einen Abfluß Der so
erzeugte Abfluß haftet an den Oberflächen der Schaufeln in der nächsten Reihe. Das
Vorhandensein eines Niederschlags oder Abflusses auf den Schaufeloberflächen führt
zu einer Verschlechterung der Wirkungsweise, da in dem Strömungsmittel vor handene
feine Staubteilchen hierdurch angezogen werden. An den Schaufeloberflächen bleiben
nicht nur in dem Strömungsmittel enthaltene Staubteilchen haften, sondern auch Teilchen
aus z.BO Kupfersulfat und Eisensulfat, welche sich aus der Korrosion der Materialien
des Zwischenkühlers mit Schwefelsäure ergeben, die durch die Reaktion des in der
Atmosphäre enthaltenen Schwefeldioxyds und des in dem Zwischenkühler 9 erzeugten
Wassers gebildet wird. Eine ähnliche Erscheinung tritt auf in einer Atmosphäre,
welche Salpetersäure oder ein anderes zerfressende Verbindungen bildendes Gas enthalt,
kann jedoch durch geeignete Auswahl der Materialien des Zwischenkühlers in gewissem
Umfang vermieden werden. Die Ausbildung einer geringen Menge von Teilchen ist jedoch
unvermeidbar. Durch die Verschmutzung der Schaufeln auf die oben beschriebene Weise
wird die WSrkungsweise des Hochdruckkompressors verschlechtert und die Leistung
verringert, es treten leicht Belastungsschwankungen auf und der Betriebsbereich
wird eingeengt.
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Um solche unerwünschten Erscheinungen zu verhindern, ist es lediglich
erforderlich, in der Kennlinie entsprechend Fig.2, in welcher längs der Ordinatenachse
das Lastverhältnis W (%) und längs der Abszissenachse das Durchflußverhältnis F
(%) aufgetragen ist, die Kennlinie B des Hochdruckkompressors nach der Verschmutzung
in die Lage einer selbstkompensierten Kennlinie Al dadurch zu versehieben, daß der
Einstellwinkel der feststehenden Schaufeln des Hochdruckkompressors geändert wird.
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Genaugenommen kann die Kennlinie AB nicht exakt der Kennlinie A der
Nieder- und Hochdruckkompressoren überlagert werden, aber es tritt kein praktisches
Problem auf, wenn diese Kurven nur durch den Arbeitspunkt vor der Verschmutzung
gehen Die Bezugsziffer S in Fig 2 bezeichnet eine Schwankungskurve.
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Im folgenden soll die Art der Steuerung des Kompressorsystems beschrieben
werden. Die Bezugsziffern 10 und 11 bezeichnen entsprechende Übertrager, welche
den Druck auf der Saug- bzw. Abgabeseite des @iederdruckkompressors 2 erfassen,
und ihre entsprechenden Signale werden einem Druckverhältnisgenerator 15 zugeführt
Der Druckverhältnisgenerator 15 e erzeugt seinerseits een Druckverhält@issignal
an seinemAusgang. Dieses Druckverhältnissignal wid einem Kompensator 14 zugeführt,
in weichem die Differenz eines Ausgangssignals von einem Steuergerät 13 mit konstantem
Abgabedruck und des Signals des Druckverhältnisgenerators gebildet wird. Der Kondensator
14 Uberträgt das resultierende Ausgangssignal auf einen Stellzylinder 7 des Hochdruckkompressors
zu dessen Betätigung, um den Einstellwinkel der feststehenden Schaufeln 5 des Hochdruckkompressors
3 einzustellen und die Druckverhältnisverteilung auf einen Sollwert zu bringen.
Wenn der Druck auf der Saugseite des Niederdruckkompressors 2 konstant ist, wie
es oft der Fall ist, kann der Druckverhältnisgenerator 15 weggelassen werden und
das Drucksignal von dem Übertrager 11 @@nn direkt
dem Kompensator
14 zugeführt werden. Es versteht sich, daß sich das gleiche Ergebnis erhalten läßt,
wenn das Druckverhältnis zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Hochdruckkompressors
erfaßt und dem Kompensator 14 zugeführt wird, obwohl dies in der Zeichnung nicht
dargestellt ist. Zur Steuerung des Abgabedrucks des gesamten Systems wird der Abgabedruck
des Hochdruckkompressors 5 durch einen Übertrager .12 erfaßt und nach dem Vergleich
des abgetasteten Drucks mit dem Sollwert des Steuergeräts 13 wird das der Druckdifferenz
proportionale Signal des Steuergeräts Stellzylindern 6 und 7 der beiden Kompressoren
zugeführt. Wenn das Ausgangssignal des Druckverhältnisgenerators 15 gleich dem Sollwert
ist, werden die Stellzylinder 6 und 7 um den gleichen Betrag betätigt, bis die Druckdifferenz
Null wird.
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Mit dem Stellzylinder 6 werden die feststehenden Schaufeln 4 des Niederdruckkompressors
2 verstellt. Das erfindungsgemäße Steuerverfahren läßt sich durchführen unter Verwendung
eines pneumatischen Drucksystemss eines elektrohydraulischen Systems oder eines
anderen Systemse Nach der Erfindung kann wie oben beschrieben, die Druckverhältnisverteilung
durch Steuerung des Einstellwinkels der feststehenden Schaufeln des Hochdruckkompressors
eingestellt werden,so daß die Leistung des Systems nicht verringert wird, und es
ist möglich, Belastungsschwankungen des Niederdruckkompressors und so ein Brechen
der Schaufeln zu verhindern und einen stabilen Betrieb über lange Zeiträume zu erhalten.
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Weiter ist es möglich, den Betriebsbereich für Teillast so breit wie
den ursprünglich ausgelegten Bereich zu halten.
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Kurz zusammengefaßt umfaßt die Erfindung ein Kompressorsystem mit
einem Niederdruckkompressor, einem Zwischenkühler und einem HochdruckkompressorS
bei welchem die Kompressoren bei konstanter Geschwindigkeit betrieben werden und
die Druck verhältnisverteilung auf einen optimalen Wert dadurch gesteuert
wird,
daß als Hochdruckkompressor ein Kompressor mit veränderbaren Schaufeln verwendet
wird und der Einstellwinkel der feststehenden Schaufeln des Hochdruckkompressors
entsprechend dessen Abgabedruck verändert wird. Hierdurch wird ein sicherer Betrieb
und ein weiter Betriebsbereich sichergestellt, wenn die Kompressoren außerhalb ihrer
Nennleistung betrieben werden.