DE2219382A1

DE2219382A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von mehrteiligen, drehzahlveränderlichen Kompressoren

Info

Publication number: DE2219382A1
Application number: DE19722219382
Authority: DE
Inventors: Takeshi; Ogishi Toshiyuki; Okayama Shirato (Japan). P
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1971-05-10
Filing date: 1972-04-20
Publication date: 1972-11-23
Also published as: NL7204762A; FR2139284A5; IT957758B; CH534813A; US3767318A

Description

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DIPL.-ING. A. GRÜNECKER DR.-ING. H. K-INKELDEY DR.-ING. W. STOCKMAIR, Ae. E. (cauf.inst.oftechn.j-PATENTANWÄLTE

8000 MÖNCHEN 22 Maximilianstraße 43 Telefon 2971 00/296744 Telegramme Monapat München Telex 05-28380

. 19.4.1972

FH 4657

Hitsui Shipbuilding and Engineering Co., Ltd, 6-4·, Tsukizi 5-chome, Clmo-ku, Tokyo, Japan

Verfahren und Vorrichtung

zum Steuern von
mehrteiligen, drehzahlveränderlichen Kompressoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern von mehrteiligen, drehzahlveränderlichen Kompressoren, von deren mehreren Teilen wenigstens einer ein Axialkompressor mit Leitschaufeln mit verstellbarem Einstellwinkel ist, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.■

Das erfindungsgemäße Verfahren findet Anwendung zum Steuern

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dag Verhältnisses dir Drück© an den einzelnen teilen, d.h. also der Druck- öder -LastVisrttiltMg zwischen. Niederdrück- Uiid

Bei herkömmlichen, mit einem Zwischenkühler Kompressoren findet; keine Steuerung der¹ statt* In der Praxis werden Köffipressörtii entweder ohne ^eg« liehe Steuerung öder ait KosststBt-"Druekiteu©ruHg_t "bei welcher der AüsgangMruek im w©sentlieh©n konstant g©htlt©n wird, oder mit Köngtmiit-Durehggttgsteueriing^ bgi wtlehtr der luftdurchsatz im wesentliehen konstant gehalten wird, betrieben. In keinem der Fälle findet jedoch eine Steu@'ruftg gum Erzielen einer vörbestimmten Druckverteilung 2wlgöh©n !Jisdtrdruek- und Hochdruek-Kofflpreieorgteilen statt* Sei ©inera Abfall dir Leistung bzw* des Wirkungsgrades des HOehdruökt©il§ nimmt daher der Druckanstieg^ d.h* also der Anteil des Hööhdruskteils an der Gesamtbelästung ab ^ v/ähretid der dag Nitderdruekteils ansteigt. Hinsichtlich der aerödynafflisöhen Wirkung bedeutet dies eine Verkleinerung des Anstellwinkelg der Schaufeln im Höchdrucktgil und eine Vergrößerung desselben im Niederdruckteil, woraus sich die Gefähr ergibt, daß d#r BfiederdruckkompressOr im Überlastbereiöh arböltet* Dies kann schließlich zu einer Zerstörung des Miederdruekteils führen* Eine Überlastung des Niederdrückteils läßt eich mittels einer Überlast-Schutzsteuerung vermeiden _i welch© auf den Duröhsatz und den Druck des Niederdruekteils anspricht. Im falle einer Eonstant-Durchsatzsteuerung kann dabei jedöeh ein derartiger Abfall des Aüsgangs-Luftdrucks eintreten _i daß der Betrieb von damit gespeisten Einrichtungen nicht mehr möglich ist.

Der Leistungsabfall des fioühdruckteils wird beispielsweise durch Staub verursacht, welcher in der Luft mitgeführt, von im Zwischenkühler kondensiertem Wasser aufgenommen wird und sich an den Eompressorschaufeln festsetzt, oder auch durch Schuppen od. dergl., wie sie bei durch Schwefel-

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säure oder andere Chemikalien verursachte Korrosion von · , Teilen des Zwischenkühlers entstehen. Bei.Verwendung eines Zwischenkühlers läßt sich ein solcher Leistungsabfall des Hochdruckkompressors überhaupt nicht vermeiden. Selbst wenn jedoch keine durch den Zwischenkühler hervorgerufenen nachteiligen Auswirkungen von Staub od. dergl. auftreten, -stellt sich zwangsläufig eine unausgewogene Druckverteilung zwischen den Kompressorteilen ein, wenn der Kompressor unter von seinen Nennwerten abweichenden Bedingungen betrieben wird. Er darf daher nur in einem sehr engen Bereich betrieben werden. ^:i

Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, die vorstehend angeführten Mangel bekannter Verfahren zu beseitigen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Steuern des Betriebs von mehrteiligen Kompressoren zu schaffen, bei welchem bzw. mittels welcher eine aufgrund des Leistungsabfalls eines Hochdruck-Kompressors eintretende unausgewogene Druckverteilung zwischen dem Hochdruck-Kompressor und einem Niederdruck-Kompressor ohne eine Verschlechterung der Gesamtleistung ausgeglichen wird.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß man zum Kompensieren einer unausgewogenen Druckverteilung zwischen den einzelnen Kompressorteilen den Einstellwinkel der Leitschaufeln verstellt und daß man den Gesamt-Druckanstieg und/oder den Luftdurchsatz durch entsprechende Steuerung der Kompressordrehzahl reguliert.

Vorteilhaft wird dabei vorgegangen, daß der Druckanstieg einem Kompressor und der Gesamt-Druckanstieg ·- sowohl im Hochdrucks ^a^-ß auch im Niederdruck-Kompressor gemessen v/erden, daß der Einstellwinkel der Leitschaufeln · in Abhängigkeit vom ,Verhältnis des Druckanstiegs in einem Kompressorteil zum Gesamt-Druckanstieg so eingestellt wird,

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daß auf den betreffenden Kompressorteil ein vorbestimmter Anteil des Gesamt-Druckanstiegs entfällt, und cb.ß die Kompressordrehzahl in Abhängigkeit vom Auslaßdruck oder vom Luftdurchsatz des Kompressors gesteuert wird.

Somit ermöglicht die Erfindung den Ausgleich einer unausgewogenen Druckverteilung zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruck-Kompressorteil und verringert die dabei vorhandene Gefahr von Beschädigungen der Kompressorschaufeln im Niederdruckteil. Bei Teillastbetrieb mit einem geringeren als dem Nenn-Druckanstieg erbringt das Verfahren einen ausreichenden Sicherheitsbereich im Hinblick auf Überlastung des Hochdruck oder des Niederdruckteils. Die Erfindung ermöglicht ferner einen sicheren Betrieb bei konstantem Luftdurchsatz und die Einhaltung des gewünschten Gesamt-Druckanstiegs und/oder Luftdurchsatzes durch Steuerung der Kompressordrehzahl.

Der Niederdruckteil des Kompressors kann ein Axialoder auch Radialkompressor mit feststehendem Leitsystem und ohne jede Steuerungseinrichtungen sein. Andererseits kann auch der Niederdruck-Kompressor anstelle des Hochdruck-Kompressors verstellbare Leitschaufeln haben, wobei dann die Kompensation der Druckverteilung im Niederdruck-Kompressor erfolgt und ein Abfall der Gesamtleistung durch Erhöhung der Drehzahl ausgeglichen wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Leistungsdiagramm mit den Kennlinien eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Kompressors. _Ä

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In der in Fig. Λ gezeigten Anordnung wird ein Strömungsmittel, beispielsweise Luft, über ein Einlaßfilter 6 von , einem Niederdruck-Kompressor 2 angesaugt. Dieser ist von einer drehzahlveränderlichen Antriebsquelle 1, etwa einer Dampfturmine, einer Gasturbine od. dergl. angetrieben. Die im Niederdruckteil 2 vorkomprimierte Luft wird.in einem Zwischenkühler 7 gekühlt. Dabei fällt gewöhnlich ein Kondensat aus der Luft aus, und die relative Feuchtigkeit derselben steigt auf 100$.· Selbst wenn die Luft jedoch nicht bis zu einer relativen Feuchtigkeit von 100$ abgekühlt wird, treten an den Berührungsstellen mit den Wandungen von Kühlrohren örtliche Unterkühlungen auf,'so daß ein Kondensat ausfällt. Wenngleich das Kondensat normalerweise über geeignete Einrichtungen wie einen Abscheider abgeführt wird, gelangt ein Teil desselben in Form eines feinen Nebels doch in einen Hochdruck-Kompressor 3 und kann sich dort an den Oberflächen der Schaufeln festsetzen und deren Korrosion bewirken. Dies kommt daher, daß die in das Hochdruckteil 3 einströmende Luft am ersten Schaufelkranz bzw. in der ersten Stufe zunächst unter Abkühlung expandiert wird. Da hier die Luftfeuchtigkeit im Bereich von 100$ liegt, bildet sich ein Kondensat, welches sich an den Schaufeln der nächsten Stufe niederschlägt. Der Niederschlag des Kondensats auf den Kompressorschaufeln begünstigt das Ansetzen von Staubteilchen, welches einen Leistungsabfall des Kompressors zur Folge hat. Ist in der Luft etwa Schwefeldioxid enthalten, so bildet sich durch Reaktion mit dem Wasser im Zwischenkühler eine Sulfatlösung, welche eine Korrosion von Teilen des Kühlers und die Bildung von Kupfersulfat- oder Eisensulfatschuppen bewirken kann, welche sich dann ebenfalls an den Kompressorschaufeln ansetzen. Ähnliche Erscheinungen treten bei einem Gehalt der Luft an Salpetersäure od. dergl. auf. Die Bildung solcher Schuppen ließe sich möglicherweise durch Auswahl von geeigneten Werkstoffen verringern, eine gewisse Menge .der Schuppen entsteht bei entsprechenden Bedingungen jedoch in jedem Falle.

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Die vorstehend erläuterte Verunreinigung der Kompressorschaufeln führt au einem Leistungsabfall des Hochdruckteils mit der sich daraus ergebenden Verengung des Bereichs, in dem der Kompressor ohne Überlastung betrieben v/erden kann. Die Kennlinie des Hochdruckteils mit verschmutzten Konipressorschaufeln ist in Fig. 2 durch die Kurve B dargestellt. In der "Figur ist auf der Ordinate die Belastung L angetragen und auf der Abszisse die Durchsatzrate 3?. Zum Ausgleich des Leistungsabfalls des Hochdruckteils werden dessen Leischaufeln so verstellt, daß sich die Kennlinie von der Kurve B zur kompensierten Kurve A¹ verlagert. Genau.genommen fällt die Kennlinie A¹ nicht mit der Kennlinie A für neue, nicht verschmutzte Kompressorschaufeln zusammen, sie ist jedoch für die Praxis annehmbar, da die beiden Kennlinien im wirksamen Betriebsbereich einander stark angenähert verlaufen. Die Linien S bezeichnen den Überlastbereich. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Konstantdrucksteuerung wird ein von einem Druckfühler 10 ausgehendes Signal einem Drucksignal-Umsetzer 15 zugeführt, v/elcher ein Aus gangs signal zum Steuern eines Drehzahlreglers 16 abgibt. Für die mittels einer Wähleinrichtung 18 einstellbare Konstant-Durchsatzsteuerung wird ein von einem an einem Venturirohr oder einem verengten Durchlaß angeordneten Strömungsfühler 11 ausgehendes Signal einem Durchsatzsignal-Umsetzer 17 zugeführt. In diesem wird das zugeführte Ist-Signal mit einem eingestellten Sollwerte verglichen. Das erhaltene Differenzsignal steuert den Drehzahlregler 16 bis zum Verschwinden der Differenz zwischen Ist- und Sollwert, wobei man.einen konstanten Durchsatz erhält. Das Druckverhältnis zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckkompressor wird in folgender V/eise gesteuert. Von einem Einlaßdruckfühler 8 und einem Ausgangsdruckfühler 9 am Niederdruckkompressor 2 ausgehende Signale v/erden einem Differentiator 12 zugeleitet, welcher ein dem Druckanstieg im Niederdruckteil 2 entsprechendes Signal erzeugt. Die vom Einlaßdruckfühler 8 und vom Auslaßdruckfühler 10 des Hochdruckteils ausgehenden Signale werden ferner einem weiteren Differentiator 13 zugeführt, welcher ein dem

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Gesamtdruckanstieg ztri.sch.en dem Einlaß des Niederdruckteils und dem Ausgang des Hochdruckteils entsprechendes Signal abgibt. Das dem Gesamtdruckanstieg entsprechende Signal wird einem Funktionsgenerator 19 zugeführt, v/elcher den Anteil des Druckanstiegs im Niederdruckteil am Gesamtdruckanstieg in über den gesamten Betriebsbereich des Kompressors vorbestimmten Beziehungen bestimmt. Das Ausgangssignal des Funkti ons generators 19 wird einem weiteren Differentiator 14 zugeführt und darin mit dem vom Differentiator 12 ausgehenden, den tatsächlichen Druckanstieg im Niederdruckteil angebenden Signal verglichen. Das vom Differentiator 14 ausgehende, der Differenz der Eingangssignale entsprechende Signal dient der Steuerung einer Betätigungseinrichtung 5 zum Verstellen der Leitschaufeln 4 im Hochdruck-Kompressorteil 3·

Die Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens kann pneumatisch, elektrohydraulisch oder in anderer geeigneter Weise betrieben sein. Ist der Einlaßdruck am Niederdruckteil im wesentlichen konstant, so können die Differentiatoren 12 und 13 wegfallen und die von den Druckfühlern 9 und 10 ausgehenden Signale direkt zur Steuerung herangezogen werden, um die angegebenen Wirkungen zu erzielen." Ein entsprechendes Ergebnis ist auch dadurch erzielbar, daß man die Leitschaufeln im Niederdruck-Kompressorteil verstellt. Die dafür erforderliche Anordnung ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung und ist hier nicht nochmals angeführt.

Die erfindungsgemäße Steuerung des Druckverhältnisses in einem mehrteiligen Kompressor durch Verstellen des Einstellwinkels der Leitschaufeln erbringt die Vorteile, daß ein Leistungsabfall des Kompressors vermieden, ist, daß sowohl das Niederdruck- als auch das Hochdruckteil etwa den gleichen Sicherheitsbereich hinsichtlich Überlastung haben und

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der Kompressor damit im wesentlichen ohne Überlastung betreibbar ist und daß die Steuerung des Druckverhältnisses selbst unter Teillastbedingungen, bei denen der Druck und der Durchsatz von den Nennwerten abweichen, erzielbar ist, so daß sich der Kompressor in einem weiten Leistungsbereich bei verschiedenen Drehzahlen betreiben läßt.

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Claims

Patentansprüche:

1.) Verfahren zum Steuern von mehrteiligen _y drehzahlveränderlichen Kompressoren, von deren mehreren Teilen wenigstens jeweils einer ein Axialkompressor mit Leitschaufeln, mit verstellbarem Einstellwinkel ist, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Kompensieren einer unäusgewogenen Druckverteilung zwischen den einzelnen Kompressorteilen den Einstellwinkel der Leitschaufeln verstellt und daß man den Gesamt-Druckanstieg und/oder den Luftdurchsatz durch entsprechende Steuerung der Kompressprdrehzahl reguliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil hat und daß man die Leitschau'feln im Hochdruckteil verstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor einen Hochdruckteil und einen niederdrückten hat und daß man die Leitschauf.eln im Niederdruckteil verstellt.

4. Verfahren nach wenigstens,einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man den Druckanstieg in einem Kompressorteil und den Gesamt-Druckanstieg beider Kompressorteile abtastet und den Einstellwinkel der Leitschaufeln in Abhängigkeit vom Verhältnis "_ / zwischen dem Druckanstieg in dem"einen Kompressorteil zum Gesamt-Druckanstieg verstellt.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4_t dadurch gekennzeichnet, daß man die Kompressordrehzahl in Abhängigkeit vom Auslaßdruck steuert.

6. · Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kompressordrehzahl in Abhängigkeit vom Luftdurchsatz steuert.

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7. Vorrichtung zum Steuern des Betriebs eines mehrteiligen, drehzahlveränderlichen Kompressors, von dessen mehreren Teilen wenigstens einer ein Axialkompressor ist, dessen Leitschaufeln veränderlichen Einstellvinkel haben, unter Anwendung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am- Ausgang eines Niederdruck-Kompressorteils (2) ein Druckfühler (9) zum Erzeugen eines dem Ausgangsdruck des Niederdruckteils entsprechenden Signals und zum Zuleiten des Signals zu einem Differentiator (14) angeordnet ist, daß am Ausgang eines Hochdruck-Kompressorteils (3) ein Druckfühler (10) zum Erzeugen eines dem Gesamt-Ausgangsdruck entsprechenden Signals angeordnet ist, daß ein mit dem Signal des zweiten Druckfühlers (10) gespeister und auf betriebsabhängig vorbestimmte Beziehungen zwischen dem Ausgangsdruck des Niederdruckteils und dem Gesamtdruck eingestellter Funktionsgenerator (19) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal ein zweites Eingangssignal für den Differentiator bildet, und daß am Hochdruckteil (3) eine über das Ausgangssignal des Differentiators (14) gesteuerte Verstelleinrichtung (5) zum Verstellen des Einstellwinkels der Leitschaufeln (4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß des Niederdruckteils (2) ein dritter Druckfühler (8) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Druckfühlers am Ausgang des Niederdruckteils zur Ermittlung des Druckanstiegs im Niederdruckteil einem zweiten Differentiator (12) und zusammen mit dem Ausgangssignal des zweiten Druckfühlers (10) am Ausgang des Hochdruckteils (3) zur Ermittlung des Gesamt-Druckanstiegs einem dritten Differentiator (13) zuführbar ist, und daß die Ausgangssignale des zweiten und, über den Punktionsgenerator (19), des dritten Differentiators die Eingangssignale für den ersten Differentiator (14) bilden.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem dem Gesamtdruck entsprechenden Ausgangssignal des zweiten Druckfühlers (10) gespeister Signal-Umsetzer (15) zum Erzeugen eines den Drehzahlregler (6) einer Antriebsquelle (1) der Kompressorteile (2, 3) steuernden Ausgangssignals vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Hochdruckteils (3) ein Strömungsfühler (11) und ein vom Aus gangs signal des Strömungsfühlers gespeister Signalumsetzer (17) zum Erzeugen eines den Drehzahlregler (6) steuernden Ausgangssignals vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichne t, daß zwischen dem vom Ausgangssignal des Druckfühlers (10) gespeisten Umsetzer (15) bzw. dem vom Aus gangs signal des Strömungsfühlers (11) gespeisten Umsetzer (17) eine gemeinsame Umschalteinrichtung (18) zum Umschalten zwischen druckabhängiger und strömungs- oder durchsatzabhängiger Steuerung des Drehzahlreglers (6) vorhanden ist.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie pneumatisch betätigbar ist.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie elektrohydraulisch betätigbar ist.

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