DE2623899B2

DE2623899B2 - Verfahren zum Betreiben von Turboverdichtern in der Nähe der Pumpgrenze

Info

Publication number: DE2623899B2
Application number: DE19762623899
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. 4250 Bottrop Albers; Kurt Ing.(Grad.) Ewe; Hans Peter 4300 Essen Hillebrand; Wolfgang Hofmeister; Klaus Dieter Dipl.- Ing. 4236 Hamminkeln Kueper; Luigi Dr. 4630 Bochum Tuis
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1979-11-29
Also published as: CH621855A5; GB1578936A; JPS52145803A; ATA354277A; JPS62359B2; IT1086338B; FR2352970A1; FR2352970B1; AT350704B; DE2623899C3; DE2623899A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreihen von Turbo-Verdichtern, insbesondere von 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.

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. Ein weiterer Nachteil liegt in dem hohen Wartungsaufwand und der erheblichen Störanfälligkeit dieser mechanisch-hydraulischen Regeleinrichtungen.

Es ist auch bereits bekannt, eine elektronische Pumpgrenzregelung einzusetzen, siehe Mitteilung 542 der Wärmestelle des Vereins deutscher Eisenhüttenleute. Die Pumpgrenzregelung an Verdichtern mit Leitschaufelverstellung ist dabei ähnlich der von Verdichtern mit Drosselverstellung aufgebaut, wobei allerdings der Unterschied besteht, daß wegen der nichtlinearen Punipgrenzkurve ein Funktionsgeber 2:ur Bildung der Fiihrungsgröße des Pumpgrenzreglers vorgesehen ist.

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

Neuere Untersuchungen haben ergeben, daß bei großen Windverdichtern 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 Wirkungsgrades so ausgelegt sind, daß jeder Verdichter einen Hochofen speist, treten starke Druckschwankungen, besonders beim »Stauchen« auf und die Verhinderung auch einzelner Pumpstöße ist ίο dementsprechend schwierig. Dies trifft insbesondere auf schwergehende Hochöfen zu, deren Widerstandskennlinie nahe der Pumpgrenze verläuft

Aus der DE-OS 22 55 760 ist es z>var bekannt, nichtlineare Verstärkungsglieder anzuwenden, um

Überschwingungen in einem Regelkreis zu vermeiden. Das dort beschriebene Steuersystem ist jedoch für die Anwendung bei Gasiurbinenstrahltriebwerken bzw. bei Hubschraubern mit einer Rotordrehzahl-Regeleinrichtung konzipiert. Ein Pumpen tritt bei diesen Einrichtungen nicht auf, und das beschriebene System kann daher beim Beireiben von Turbo-Verdichtern nicht eingesetzt werden. Außerdem weist es den Nachteil auf, daß es recht aufwendig ist, weil nichtlineares Verhalten durch Umschalten zwischen mindestens zwei Regelkreisen durch eine komplizierte Auswahlsteuerung erreicht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Verdichter der eingangs genannten Art im Betrieb die Abblaselinie so nahe wie möglich an die Pumpgrenzlinie heranzu-

jo schieben und dennoch ein Pumpen sicher /u verhindern.

Dabei soll der Aufwand für die Regeleinrichtung möglichst gering sein, sie soll sich weitgehend aus handelsüblichen Schaltelementen aufbauen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von den Druck- und Durchflußistwerten abhängige Regeldifferen/. des die Abblaseventile verstellenden Pumpgrenzreglers nichtlinear verstärkt wird, wenn die Regeldifferenz negativ wird, d. h., wenn sich der Betriebspunkt des Verdichters in den unzulässigen Bereich jenseits der Abblaselinie bewegt, wobei darüber hinaus eine Erhöhung der Verstärkung eintritt, wenn der Betriebspunkt des Verdichters die Abblaselinie um einen vorgegebenen kleinen Betrag überschritten hat, und daß bei Erreichen einer zwischen der Pumpgrenze und der Abblaselinie liegenden Abschaltlinie durch den Betriebspunkt die Abblaseventile ganz geöffnet werden.

Das Wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nicht so sehr in der nichtlinearen Verstärkung der Regeldifferenz im negativen Bereich, sondern darin, daß die Verstärkung bei Überschreiten eines kleinen vorgegebenen Betrages erhöht wird. Dadurch wird erreicht, daß die Regelung im Bereich der Abblaselinie stabil bleibt. Die Regelung greift bei Überschreiten des vorgegebenen kleinen Betrages schnell ein und fühlt den Betriebspunkt in den stabilen Arbeitsbereich zurück. Durch das volle öffnen der Abblaseventile bei Erreichen eines Betriebspunktes zwischen Pumpgrenze und Abschaltlinie wird auch beim Zusammentreffen ungünstiger Betriebsbedingungen ein Pumpen sicher vermieden.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Hochofen-Windversorgungsanlage.

Fig. 2 ein typisches Verdichterkennfeld mit eingezeichneter Hochofenkennlinie.

F i g. 3 das Schaltbild einer bekannten elektronischen Regelung eines Hochofenwindverdichters.

F ■ g. 4 das Schaltbild einer Regelung mit nichtlinearer Verstärkung und

Fig.5 das Schaltbild gemäß Fig.4 init einer Anfahrschaltung.

In einer schematischen Darstellung der Fig. 1 erzeugt ein Hochofenwindverdichter 1 in dem angeschlossenen Windnetz einen 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 aus durch die Düsenstöcke in den Hochofen 7 eingeblasen zu werden. Das dann beim Hochofenprozek anfallende Gichtgas gelangt durch die Gicht 8 in ein Wachsystem 9 und von dort in das Gichigasnetz 10. Dabei wird heute meist der Hochofengegendruck über das Wachsystem geregelt. Der Gichtgasnetzdruck wird an anderer Stelle ebenfalls geregelt, das Gichtgasnetz stellt somit einen sehr großen Speicher mit konstantem Druck dar.

In Fig. 2 sind in dem mit dem Durchfluß Qa als Abszisse und dem Förderdruck Pi: als Odinate aufgetragenen Kennlinienfeld eines Verdichters Widerstandskennlinien eines Hochofens eingetragen. Bei normalem Betrieb wird der Verdichter bei voll geöffneten Abblaseventilen angefahren, es stellt sich der Betriebspunkt BPi ein.

Beim folgenden Schließen der Abblaseventile wandert der Betriebspunkt des Verdichters langsam entlang der Kennlinie mit dem Leitschaufelstellungsparameter js bzw. dem Drehzahlparamctcr 0% bis auf den Schnittpunkt BP2 mit der Hochofenwiderstandskennlinie HO 1. Werden nun die Leitschaufeln weiter geöffnet bzw. die Drehzahl erhöht, fährt der Verdichter auf der Widerstandskennlinie HO I hoch bis an seine BeIastungsgrenze im Betriebspunkt BP3.

Verschiebt sich nun die Widerslandskennlinie HO I zu einem höheren Widerstand hin, geht also in die Widerstandskennlinie HO 2 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 Erreichen der Abblaselinie zu erreichen, kann eine bekannte elektrische Schaltung gemäß Fig. 3 verwendet werden. Die gemessenen Werte des Verdichterdurchflusses Qa und des Förderdrucks P_h: werden in elektrische Signale umgewandelt, wobei das Signal des Förderdrucks Pe durch einen Funktionsgeber FG der Abblaselinie entsprechend umgewandelt wird. Die Differenz der Signale wird wie üblich in einer Vergleichsstelle gebildet und als Regeldifferenz einem PI-Regler R aufgeschaltet, der wiederum die Stellgröße y für die Abblaseventile bildet.

Wie bereits angegeben, läßt sich mit dieser Art Regelung nicht in allen Fällen das Pumpen vermeiden, insbesondere wenn nach starken Druckschwankungen ein Überschwingen auftritt. Gemäß der Erfindung wird deshalb, wie aus Fig. 4 zu ei kennen ist, dem Regler R ein nichtlineares Übertragungsglied NL vorgeschaltet.

In der Vergleichsstelle zur Bildung der Regeldifferenz Xd 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 (Fig.2) rechts von der Abblaselinie, bei negativer Regeldifferenz entsprechend links von der Abblaselinie befindet.

Die Verstärkerkennlinie des nichtlinearen Übertragungsglieds WL 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 Abblaseventil, so daß der Verdichter-Betriebspunkt in den zulässigen Bereich zurückgeführt wird.

Die in der Vergleichsstelle gebildete Regeldifferenz Xo wird außerdem in einer Grenzwertkontrolleinrichtung GW mit einem Grenzwert verglichen, der entsprechend der Abschaltlinie in Fig. 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 Grenzwertes werden mittels einer geeigneten unabhängigen Steuerung die Abblaseventile voll geöffnet.

Bei Anfahrvorgängen soll einerseits der normale Betriebszustand möglichst schnell erreicht werden, 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 Anfahrvorgang automatisch gesteuert.

Dazu wird, wie in F i g. 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 Betrages 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 Abblaseventil zugelassen werden, bis der Verdichter-Betriebspunkt die Abblaselinie erreicht. Der 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 unehmendem Maße die echte Regeldifferenz am Pun pgrenzregler wirksam, so daß dieser die Abblasevcnt Ie langsam so weit schließt, bis der Verdichter-Betriebspunkt die Abblaselinie erreicht. Durch geeignete Wahl der Entladegeschwindigkeit des Integrators 1 wird sichergestellt, daß beim Anfahrvor-

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gang der Betriebspunkt des Verdichters die Abblaselinie heranzuschieben und dennoch ein Pumpen sicher zu

nicht überschreitet. verhindern. Dabei ist der Aufwand für die Regcleinrich-

Durch das erfindungsgemäUc Verfahren ist es mng sehr gering, da sie sich weitgehend aus

möglich, bei einem Turbo-Verdichter im Betrieb die handelsüblichen Schaltelementen aufbauen lal.il.

Abblaselinic so nahe wie möglich an die l'umpgrenzlinie 5

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Betreiben von Turbo-Verdichtern, insbesondere von 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 vcriaufenden 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, wenn die Regeldifferenz negativ wird, d. h., wenn sich der Betriebspunkt des Verdichters in den unzulässigen Bereich jenseits der Abblaselinie bewegt, wobei darüber hinaus eine Erhöhung der Verstärkung eintritt, wenn der Betriebspunkt des Verdichters die Abblaselinie um einen vorgegebenen kleinen Betrag überschritten hat, und daß bei Erreichen einer zwischen der Pumpgrenze und der Abblaselinie liegenden Abschaltlinie durch den Betriebspunkt die Abblaseventile ganz geöffnet werden.