DE2623899A1

DE2623899A1 - Verfahren zum betreiben von grossen turbo-verdichtern

Info

Publication number: DE2623899A1
Application number: DE19762623899
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Albers; Kurt Ing Grad Ewe; Hans-Peter Hillebrand; Wolfgang Hofmeister; Klaus Dieter Dipl Ing Kueper; Luigi Dr Tuis
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1977-12-15
Also published as: GB1578936A; AT350704B; IT1086338B; CH621855A5; JPS62359B2; JPS52145803A; DE2623899B2; FR2352970A1; DE2623899C3; FR2352970B1; ATA354277A

Description

Gutehoffnungshütte Sterkrada
Aktiengesellschaft

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT «

Berlin und München ^ ? R ? ? 8 Q Q

Verfahren zum Betreiben von großen Turbo-Verdichtern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von großen Turbo-Verdichtern, insbesondere von -e Hochofenwindverdichtern, bei denen der Durchfluß und der Förderdruck kontinuierlich gemessen und mit zulässigen Werten verglichen werden, wobei zur Verhinderung des Pumpens, d. h. vor dem Erreichen der Pumpgrenze beim Erreichen einer zur Pumpgrenze parallel verlaufenden Abblaselinie ein oder mehrere Abblaseventile geöffnet werden,' so daß der Verdichterdurchfluß einen vom Förderdruck abhängigen minimalen Wert nicht unterschreitet.

Derartige Pumpgrenzregelungen wurden bereits unter Verwendung von mechanisch-hydraulischen Reglern vorgenommen. Trotz hohen gerätetechnischen Aufwands ist es bei den bekannten Regelungen jedoch nicht möglich, die Abblaselinie exakt nachzubilden um ein Pumpen sicher zu verhindern. Fin v/eiterer Nachteil liegt in dem hohen Uartungsaufwand und der erheblichen Störanfälligkeit dieser mechanisch-hydraulischen Regeleinrichtungen.

Ee ist auch bereits bekannt, eine elektronische Pumpgrenzregelung einzusitzen, siehe Mitteilung 542 der Wärmestelle des Vereins dtutsoher Eisenhüttenleute. Die Pumpgrenzregelung an Verdichtern mit Leitschaufelverstellung ist dabei ähnlich der von Verdich-

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tern mit Drosselverstellung aufgebaut, wobei allerdings der Unterschied besteht-, dai3 wegen der nichtlinearen Pump grenzkurve ein Funktionsgeber zur Bildung der Führungsgröße des Pumpgrenzreglers vorgesehen ist.

Als nachteilig hat sich bei diesen bekannten Regelungen gezeigt, daß unter bestimmten Betriebsbedingungen, z. B. bei einem Cteuereingriff von Hand in die Regelung und bei starken Druckschwankungen das Pumpen des Verdichters nicht sicher genug verhindert werden kann. V/ährend bisher ein vereinzeltes Pumpen als tolerier-rbar galt, hat sich aber jetzt herausgestellt, daß auch einzelne Pumpstöße vermieden werden müssen.

Neuere Untersuchungen haben ergeben, daß bei großen VTindverdichtern mit Leistungen im Bereich von ca. 25 MW bei jedem Pumpstoß die Schaufeln so stark beansprucht werden, daß die Elastizitätsgrenze überschritten wird und Schaufelbrüche unvermeidbar werden. Da die heutigen Hochofenwindverdichter aus Gründen des Wlkungsgrades so ausgelegt sind, daß jeder Verdichter einen Hochofen speist, treten starke Druckschwankungen, besonders beim "Stauchen" auf und die Verhinderung auch einzelner Pumpstöße ist dementsprechend schwierig. Dies trifft insbesondere auf schwergehende Hochöfen zu, deren Widerstandskennlinie nahe der Pumpgrenze verläuft.

Es ist dementsprechend Aufgabe der Erfindung, bei großen Turbo-Verdichtern, insbesondere bei solchen mit Regelung durch Leitschaufelverstellung und stark nicht linearer Pumpgrenzlinie eine

etrc> einen

sichere Vermeidung des Pumpens zu e, wobei die Abblaselinie aus Gründen des Wirkungsgrades so nahe wie möglich an der

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Pumpgrenzlinie liegen soll. Der Aufwand für die Regelungseinrichtung soll möglichst gering sein, sie soll sich weitgehend aus handelsüblichen Schaltelementen aufbauen lassen. Mit ihr sollen auch Steuereingriffe von Hand und Anfahrvorgänge beherrschbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die von den Druck-Durchfluß-Istwerten abhängige Regeldifferenz des die Abblaseventile verstellenden Pumpgrenzreglers nichtlinear verstärkt wird, derart, daß die Verstärkung erhöht wird, wenn die Regeldifferenz negativ wird, d. h. wenn sich der Betriebspunkt des Verdichters in den unzulässigen Bereich jenseits der Abblaselinie bewegt.

Zum Anfahren des Verdichters wird vorteilhaft ein gesteuertes, zeitabhängiges Signal, dessen Polarität einer zulässigen Regeldifferenz entgegengesetzt ist, dem Regler zusätzlich aufgeschaltet.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur sicheren Vermeidung des Pumpens auch in extremen Störfällen eine von der übrigen Regelung unabhängige Einrichtung zum Öffnen der Abblasventile wirksam wird, wenn eine zwischen der Pumg^ und der Abblasegrenzö liegende Abschaltlinie von dem Verdichter-Betriebspunkt erreicht wird.

Auch bei Verstellungen der Abblaseventile von Hand ist es vorteilhaft, vor dem Pumpgrenzregler eine Extremwertauswahl der eintreffenden Signale vorzunehmen, derart, daß die Differenz aus' Handsteuerbefehl und Reglerausgangssignal gleichberechtig'zur

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Regeldifferenz einer Minimalwertauswahl unterworfen werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Hochofen-Windversorgungsanlage.

Figur 2 ein typisches Verdichterkennfeld mit eingezeichneter Hochofenkennlinie.

Figur 3 das Schaltbild einer bekannten elektronischen Regelung eines Hochofen-Windverdichters,

Figur 4 das Schaltbild einer Regelung mit nichtlinearer Verstärkung,

Figur 5 das Schaltbild gernäß Figur 4 mit einer Anfahrschaltung und

Figur 6 das Schaltbild gemäß Figur 5 mit einer Extremwertauswahl.

In einer schematischen Darstellung der Figur 1 erzeugt ein Hochofenwindverdichter 1 in dem angeschlossenen Windnetz ein bestimmten Winddurchfluß bei einem bestimmten Druck. Unmittelbar hinter dem Verdichter 1 ist ein Abblaseventil 2 angeordnet, das ggf. einen Teil des Durchflusses gegen Atmosphäre abströmen läßt. Danach folgen eine Rückschlagklappe 3 und ein Absperrschieber 4 und danach die Winderhitzer 5, von denen in der Figur zur Vereinfachung der Darstellung nur einer dargestellt ist. Der Wind strömt dann in die Hochofen-Ringleitung 6, um von da ausdurch die Düsenstäcke in den Hochofen 7 eingeblasen zu werden. Das dann beim Hochofenprozeß anfallende Gichtgas gelangt durch die Gicht in ein Wachsystem 9 und von dort in das Gichtgasnetz 10. Dabei wird heute meist der Hochofengegendruck über das Waechsystem geregelt. Der Gichtgasnetzdruck wird an anderer Stelle ebenfalls geregelt, das Gichtgasnetz stellt somit einen sehr großen Speicher mit konstantem Druck dar. 709850/0076

In Figur 2 sind in dem mit dem Durchfluß Q. als Abszisse und dem Förderdruck P^₁ als Ordinate aufgetragenen Kennlinienfeld eines Verdichters Widerstandskennlinien eines Hochofens eingetragen.

Bei normalem Betrieb wird der Verdichter bei voll geöffnetem

en
Abblaseventil angefahren, es stellt sich der Betriebspunkt BP1

Beim folgenden Schließen der Abblaseventile wandert der Betriebspunkt des Verdichters langsam entlang der Kennlinie mit dem Leitschaufelstellungsparameter bzw. dem Drehzahlparameter 0 % bis auf den Schnittpunkt BP2 mit der Hochofenwiderstandskennlinie H01. Werden nun die Leitschaufeln weiter geöffnet bzw. die Drehzahl erhöht, fährt der Verdichter auf der Viderstandskennlinie H01 hoch bis an seine Belastungsgrenze im Betriebspunkt BP3.

Verschiebt sich nun die Widerstandskennlinie H01 zu einem höheren Widerstand hin, geht also in die Widerstandskennlinie H02 über, so wandert der Verdichterbetriebspunkt auf der Leitschaufelkennlinie 100 % bis zur Abblaselinie im Betriebspunkt BPA. Hier beginnen nun die Abblaseventile zu Öffnen, .so daß der Verdichter zwar den Druck aufrecht hält, aber den Durchfluß, den der Hochofen nicht abnimmt, gegen Atmosphäre abbläst.

Um ein sicheres öffnen der Abblaseventile bei Erreichung der Abblaselinie zu erreichen, kann eine bekannte .elektrische Schaltung gemäß Figur ^ verwendet werden. Die gemessenen Werte des Verdichterdurchflusses Q. und des Förderdrucks P_E werden in elektrische Signale umgewandelt, wobei das Signal des Förderdrucks P_E durch einen Funktionsgeber FG der Abblaselinie entsprechend umge-

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wandelt wird. Die Differenz der Signale wird wie üblich in einer Vergleichsstelle gebildet und als Regeldifferenz einem PI-Reg-

ler R aufgeschaltet, der wiederum die Stellgröße # für die Abblaseventile bildet.

Wie bereits angegeben, läßt sich mit dieser Art Regelung nicht in allen Fällen das Pumpen vermeiden, insbesondere wenn nach starken Drucksclwankungen ein·Überschwingen auftritt.

Gemäß der Erfindung wird deshalb, wie aus Fip;ur A zu erkennen ist, dem Regler R ein nichtlineares Übertragungsglied NL vorgeschaltet. In der Vergleichsstelle zur Bildung der Regeldifferenz x_D wird durch entsprechende Vorzeichenwahl erreicht, daß zulässige Regeldifferenzen ein positives und unzulässige Regeldifferenzen ein negatives Vorzeichen aufweisen. Eine positive Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers bedeutet,.daß der Betriebspunkt des Verdichters sich im Kennfeld (Figur 2) rechts von der Abblaselinie, bei negativer Regeldifferenz entsprechend links von der Abblaselinie befindet.

Die Verstärkerkennlinie des nichtlinearen Übertragungsglieds NL setzt sich hier aus mindestens zwei Geraden mit zunehmender Steigung zusammen. Der Knickpunkt der Kennlinie ist so eingestellt, daß er im negativen Quadranten liegt, damit wird erreicht, daß kleine negative Regeldifferenzen, wie sie durch verrauschte Signale entstehen können, bis zu einem bestimmten Betrag unberücksichtigt bleiben. Bei größeren negativen und damit unzulässigen Regeldifferenzen tritt die höhere Verstärkung, beispielsweise im Verhältnis 1:5» der Regeldifferenz ein und bewirkt ein verstärktes Eingreifen des Pumpgrenzreglers und damit ein schnelles öffnen der Abblaseventile, so daß der Verdichter-Betriebspunkt in den zulässigen Bereich zurückgeführt wird.

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!>>« In der Vergleichsstelle gebildete Regeldifferenz x_ß wird außerdem in einer Gi-tuizwei'tkontrolleinrichtung GW mit einem Grenzwert verglichen, der entsprechend der Abschaltlinie in Figur 2 verläuft und wie dort zu ersehen ist, zwar noch vor der Pumpgrenze liegt, aber so weit von der Abblaselinie entfernt, daß er nur bei einem Defekt der Regelanlage oder einem Zusammentreffen von regeldynamisch schlechtesten Umständen erreichbar ist. Bei Überschreiten des Grenzv/erts v/erden mittels einer geeigneten unabhängigen Steuerung die Abblaseventile voll geöffnet.

Bei Anfahrvorgängen soll einerseits der normale Betriebszustand möglichst schnell erreicht v/erden, andererseits sind die dann bei der Verwendung von normalen PI-Reglern auftretenden starken Überschwingungen, die zum Pumpen führen können, möglichst zu unterdrücken. Verfahrensgemäß wird deshalb der "nfahrvorgang automatisch gesteuert.

Dazu wird, wie in Figur 5 dargestellt, eine einen steuerbaren Integrator I enthaltende Anfahrschaltung eingesetzt, die folgendermaßen funktioniert:

Beim Anfahren des Verdichters sind die Abblaseventile gesteuert offen. Während der Dauer dieses Steuerbefehls wird der Integrator I auf einen einstellbaren Betrag gesetzt, der so groß ist, daß die Summe dieses Betrags und der Regeldifferenz einen sicheren Öffnungsbefehl des Reglers gewährleistet. Die Ausgangsspannung des Integrators ist von ihrer Polarität her einer zulässigen Regeldifferenz entgegengesetzt. Hierdurch wird dem Regler eine unzulässige Regeldifferenz vorgetäuscht und er reagiert entsprechend. Wenn der Anfahrvorgang des Verdichters abgeschlossen ist, kann ein langsames Schließen der Abblaseventile zugelassen werden, bis der Verdichter-Betriebspunkt die Abblaselinie erreicht. Der

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Integrator I wird freigegeben, sein Inhalt entlädt sich mit einer einstellbaren Geschwindigkeit, sein Ausgangssignal geht entsprechend von seinem Anfangswert auf den Wert Null. Hierdurch wird in zunehmendem Maße die echte Regeldifferenz am Pumpgrenzregler wirksam, so daß dieser die Abblaseventile langsam so weit schließt, bis der Verdichter-Betriebspunkt die Abblaselinie erreicht. Durch geeignete Wahl der Entladegeschwindigkeit des Integrators I wird sichergestellt, daß beim Anfahrvorgang der Betriebspunkt des Verdichters die Abblaselinie nicht überschreitet.

Bei älteren Regeleinrichtungen ist es bekannt, Handsteuerbefehle in Form eines kontinuierlichen elektrischen Signals und das Ausgangssignal des Pumpgrenzreglers in einer Extremwertauswahlschaltung zu bearbeiten, deren Ausgangssignal zur Ansteuerung des die Abblaseventile verstellenden Stellantriebs dient. So wird sichergestellt, daß die Abblaseventile von Hand zwar weiter geöffnet, aber nicht weiter geschlossen werden können, als dies vom Pumpgrenzregler gefordert wird. Diese Anordnung hat jedoch den Nach-

es
teil, daß bei einer sehr schnellen Änderung des Handsteuersignals von "Öffnen" in Richtung "Schließen" zu ähnlichen Überschwingungserscheinungen kommen kann, wie bei Anfahrvorgängen ohne die oben beschriebene Anfahrschaltung.

Zur Vermeidung dieser Erscheinung wird das Handsteuersignal gemäß Figur 6 mit dem Ausgangssignal des Pumpgrenzreglers verglichen. Diese Differenz und die Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers werden einer Schaltung zur Minimalwertauswahl zugeführt. Das Ausgangssignal dieser Schaltung wird anstelle der Regeldifferenz dem Pumpgrenzregler aufgeschaltet. So wird sichergestellt, daß die Abblaseventile von Hand zwar stets weiter geöffnet, aber

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nicht weiter geschlossen werden können, wenn hierdurch der Verdchterbetriebspunkt die Abblaselinie überschreiten v/ürde. Da jedoch das Ausgangssignal des Pumpgrenzreglers stets mit der tatsächlichen Stellung der Abblaseventile übereinstimmt, können die oben beschriebenen Überschwingungen nicht auftreten.

Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

Patentansprüche

/i .J Verfahren zum Betreiben von Turbo-Verdichtern, insbesondere großen HochofenwindVerdichtern, bei denen der Durchfluß und der Förderdruck kontinuierlich gemessen werden, wobei zur Verhinderung des Pumpens, d. h. vor Erreichen der Pumpgrenze beim Erreichen einer zu dieser parallel verlaufenden Abblaselinie durch Öffnen von Abblaseventilen sichergestellt wird, daß der Verdichterdurchfluß einen vom Förderdruck abhängigen minimalen Wert nicht unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Druck- und Durchflußistwerten abhängige Regeldifferenz des die Abblaseventile verstellenden Pumpgrenzreglers nichtlinear verstärkt wird, derart, daß die Verstärkung erhöht wird, wenn die Regeldifferenz negativ wird, d. h. wenn ach der Betriebspunkt des Verdichters in den unzulässigen Bereich Jenseits der Abblaselinie bewegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung erhöht wird, wenn der Betriebspunkt des Verdichters die Abblaselinie um einen vorgegebenen kleinen Betrag überschritten hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des nichtlinearen Übertragungsglieds (NL) sich aus mindestens zwei Geraden mit zunehmender Steigung zusammensetzt.

k. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anfahren des Verdichters dem Pumpgrenzregler ein gesteuertes zeitabhängiges Signal zusätzlich eingegeben wird, dessen

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- yr -Z

Polarität einer zulässigen Regeldifferenz entgegengesetzt

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer zwischen der Pumpgrenze und der Abblaselinie liegenden Abschaltlinie (Fig. 2) durch den Verdichter-Betriebspunkt die Abblaseventile unabhängig von der übrigen Regelung ganz geöffnet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Handsteuerung der Abblaseventile über eine Extremwertauswahl erfolgt, der gleichberechtigt die Regeldifferenz und die Differenz aus Handsteuersignal und Reglerausgangssignal aufgeschaltet wird und die ein dem jeweils kleinsten Wert der Eingangssignale entsprechendes Ausgangssignal abgibt.

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