DE3114522A1 - Turboverdichteranlage - Google Patents

Description

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P. 5601/Wg/IS Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz

TurboVerdichteranlage

Die Erfindung betrifft eine Turboverdichteranlage mit einer mindestens einen Verdichter enthaltenden Verdichtergruppe, aus dessen druckseitiger Betriebsleitung eine Umführungsleitung mit einem absperrbaren Drosselorgan abzweigt, die über einen Kühler an die Saugseite des Verdichters angeschlossen ist, wobei weiterhin in der Ansaugleitung der gesamten Verdichtergruppe stromaufwärts des Verdichters niedrigsten Druckes ein Absperrorgan vorgesehen ist.

Es gibt in der Industrie viele Prozesse, die einen wechselnden oder zeitweise aussetzenden Gasmengenbedarf erfordern, der mit mehreren parallel geschalteten Verdichtern oder Verdichtergruppen oder mit in Serie angeordneten Radial- und/oder Axialverdichtern unterschiedlichen Druckniveaus, die zu mindestens einer Gruppe zusammengefasst sind, gedeckt wird.

Zum Beispiel kann der Luftstrom zu einer Anlage mit mehreren Hochöfen in weiten Grenzen schwanken; auch die Luftförderung für ein Spitzenlast-Luftspeicherkraftwerk wird intermittierend sein, da dort der Energieaufnahme durch Förderung von verdichteter Luft in eine Kaverne eine Phase der Energie-Erzeugung folgt, während welcher die Kompressoren nicht verdichten.

Um den Schwankunen des Gasbedarfs schnell folgen zu können, ist es bekannt, die Verdichter, die nicht gebrauch werden, im Leerlaufbetrieb mitlaufen zu lassen. Dadurch ist es möglich, einer plötzlichen Zunahme des Gasbedarfs schnell zu entsprechen oder z.B. im Falle des Spitzenlast-Luftspeicher-Kraftwerks schnell von der Energie-Aufnahme auf Energie-Erzeugung oder umgekehrt umzuschalten.

Dieser Leerlaufbetrieb einer oder mehrerer Verdichter, die in Serie arbeiten, wird bisher beispielsweise für jeden Verdichter mit Hilfe einer Gasumwälzung über ein absperrbares Drosselorgan und einen Kühler zur Abführung der Leerlaufleistung durchgeführt. In diesem Fall beträgt die Leerlaufleistung jedoch immer noch einen beträchtlichen Teil der Normalleistung und kann beispielsweise einen Wert von etwa 60 % dieser Leistung erreichen.

Zur weiteren Senkung der Leerlaufleistung von in Serie arbeitenden Verdichtern ist es daher weiterhin bekannt (DE-AS 25 36 447), den Austrittsdruck jedes Verdichters mit Hilfe eines Drosselventils in der Betriebsleitung unmittelbar nach dem Verdichter zu reduzieren. In diesem Fall ist das · Druckniveau am Eintritt des nächsten Verdichters beträchtlich tiefer als im Normalbetrieb, womit die aufgenommene Leistung im gleichen Masse sinkt. Um zudem die Leistung des Verdichters niedrigsten Druckes zu vermindern, ist in dessen Saugleitung ein Absperrorgan vorgesehen.

.Die minimale Leerlaufleistung stellt sich in dieser Anlage jedoch erst nach längerer Zeit ein, weil dazu eine gewisse Gasmenge, die sich zwischen dem geschlossenen Absperrorgan und dem ebenfalls geschlossenen Rückschlagventil in der Betriebsleitung befindet, aus dem Volumen der Verdichteranlage austreten muss, um die erwartete Senkung der Druckpegel zu ermöglichen. Die Schnelligkeit, mit welcher das Druckniveau und damit die Leerlaufleistung der Verdichteranlage sinkt, hängt von den Undichtheiten der Labyrinth-Stopfbüchsen der einzelnen Verdichter ab.

Bei einer weiteren bekannten Verdichteranlage (DE-OS 24 50 710) sind zur Reduzierung ihrer Leerlaufleistung die Teilverdichter, abgesehen vom letzten, mit absperr- und drosselbaren, einen Kühler enthaltenden Umführungsleitungen versehen, die zwischen einem Ansaug-Drosselorgan und dem Teilverdichter

niedrigsten Druckes in die Ansaugleitung der Anlage einmündet; weiterhin ist in der Druckleitung des letzten Teilverdichters, bei welchem keine Umführungsleitung mit einem Kühler und einem absperrbaren Drosselventil vorhanden ist, ein Abblaseventil vorgesehen. Eine Verminderung der Leerlaufleistung auf einen minimalen Wert ist bei dieser Anlage nicht möglich, da sie auch während des Leerlaufbetriebs dauernd von einer Mindestgasmenge, welche durch den Teilverdichter niedrigsten Druckes geliefert werden muss, durchströmt worden muss, un> die hokannte Abreiss-Strömung, das sogenannte Pumpen, im letzten Teilverdichter zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der ersten erwähnten Anlage (DE-AS 26 36 447) , bei der die einzelnen Verdichter mit Umführungsleitungen ausgerüstet sind, die Zeit, die beim Anfahren und/oder im Leerlaufbetrieb für die Erreichung des tiefsten Druckniveaus in den einzelnen Verdichtern bzw. in den ganzen Verdichter-Gruppen notwendig ist, erheblich zu verkürzen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass aus der druckseitigen Betriebsleitung mindestens eines Verdichters der Verdichtergruppe, der mit einer kühlerbostückten Umführungsleitung versehen ist, eine mit einem Entspannungsventil ausgerüstete Entlastungsleitung zu einer Stelle der Verdichteranlage mit während des Betriebs niedrigstem Druckniveau führt.

Die erfindungsgemäss ausgerüsteten Verdichter bzw. die Verdichtergruppe bilden während des Leerlaufbetriebs geschlossene Systeme, in denen eine minimale Gasmenge umgewälzt wird. Ueber die Entlastungsleitung wird dabei die in den betreffenden Verdichtern bzw. in der Verdichteranlage entspannte Gasmenge in das Ansaugsystem der Anlage zurückgeführt. Gleichzeitig bewirkt das offene Entspannungsventil in der Entlastungsleitung eine Fixierung des Austril. ί:;drucky de;; Vordirht.vrr, bzw. ck-r ganzen Verdichtergruppe auf den niedrigsten Anlagedruck.

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Entsprechend dem oder den Druckverhältnissen dieses Verdichters bzw. dem ganzen diesem vorgeschalteten Teil der Verdichtergruppe, der aus den einzelnen in Serie miteinander verbundenen Verdichtern niedrigeren Druckes besteht, sinkt der Ansaugdruck auf den diesen Druckverhältnissen entsprechenden Teil des normalen Ansaugdruckes. Nach der geschilderten Entspannung der überschüssigen Gasmenge, die in dem das geschlossene System bildenden Volumen enthalten ist - also bereits kurze Zeit nach Beginn des Leerlaufbetriebs -, strömen durch die Entlastungsleitung keine ins Gewicht fallenden Gasmengen mehr; aus diesem Grunde ist die Lärmentwicklung bei der neuen Anlage, verglichen mit Luftverdichteranlagen mit einer ins Freie führenden Abblaseleitung, praktisch auf Null reduziert. Im allgemeinen ist es zw.eckmässig, wenn die Entlastungsleitung in die Ansaugleitung der Verdichteranlage stromaufwärts des Absperrorgans einmündet; bei Anlagen für die Ansaugung und Verdichtung von Luft aus der Atmosphäre kann die Entlastungsleitung besonders vorteilhaft jedoch einfach in die Atmosphäre führen, die bei derartigen Anlagen die Stelle mit dem während des Normalbetriebs niedrigsten .Druckniveaus ist. Soll bei mehreren Verdichtern einer Gruppe nur einer im Leerlaufbetrieb betrieben werden können, während die anderen in Betrieb bleiben, so ist es zweckmässig, wenn in der Ansaugleitung des mit der Entlastungsleitung ausgerüsteten Verdichters ein Absperrorgan stromaufwärts der Einmündung der Umführungsleitung angeordnet ist. Ein solches System gemäss der Erfindung kann bei der zweiten der diskutierten, bekannten Anlagen (DE-OS 24 50 710) nicht angewendet werden, da die letzte Maschine dort keine Umführungsleitung mit Kühler besitzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung einer

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aus drei, in Serie angeordneten Verdichtern bestehenden Verdichtergruppe, die gesamthaft auf den Leerlaufbetrieb umgestellt werden kann;

Fig. 2 ist in gleicher Darstellung eine zweite Anlage, bei der der Hochdruckverdichter der Verdichter

gruppe nach Fig. 1 unter Umständen abgetrennt und allein im Leerlauf betrieben werden kann;

Fig. 3 ist eine weitere Anlage, bei der gegebenenfalls der Niederdruckverdichter allein im Leerlauf betrieben werden kann.

Ein Antriebsmotor 1 (Fig. 1) ist mittels einer Kupplung 2 mit einer Verdichtergruppe A verbunden, die - hintereinander liegend und strömungsmässig in Reihe untereinander verbunden einen Niederdruck-(ND)-Verdichter 3, einen Mitteldruck-(MD) Verdichter 4 und einen Hochdruck-(HD)-Verdichter 5 umfasst. In der Saugleitung 6 der Anlage A ist als Absperrorgan ein Ventil 7 angeordnet. Vom Ende des ND-Verdichters 3 führt eine Austrittsleitung 8 in einen Zwischenkühler 9, aus dem das verdichtete Gas zur Saugleitung 10 des MD-Verdichters 4 gelangt. Dessen Austrittsleitung 11 mündet in einen Zwischenkühler 12, der über eine Saugleitung 13 an den HD-Verdichter angeschlossen ist. Von diesem führt eine Betriebsleitung 14 zum Rückschlagventil 15 und weiter zu einem nicht dargestellten Verbraucher.

Eine Umführungsleitung 18 verbindet, wie für eine erfindungsgemässe Anlage vorausgesetzt, den Kühler 9 über ein absperrbares Drosselventil 19 mit der Ansaugleitung 6 des ND-Verdichters 3; sie mündet stromabwärts des Ventils 7 in diese Ansaugleitung 6 ein. Ebenso verbindet eine Umführungsleitung den Kühler 12 und somit den Austritt des MD-Verdichters 4 über ein absperrbares Drosselventil 21 mit dem Kühler 9, während die Betriebsleitung 14 mittels der Umführungsleitung 22 über ein gleichartiges Ventil 23 mit dem Kühler 12 verbunden ist.

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Erfindungsgemäss zweigt aus der Betriebsleitung 14 vor dem Rückschlagorgan 15 eine Entlastungsleitung 24 ah, die mit einem Auf/Zu-Entspannungsventil 25 versehen ist und - unter Annahme einer luftverdichteten Anlage - direkt in die Atmosphäre führen kann.

Bei der vorbeschriebenen Anlage erfolgen das Anfahren aus dem Stillstand und der Einsatz der Anlage im Leerlauf, beispielsweise in einem der erwähnten Luftspeicher-Kraftwerke, auf folgende Weise:

Während des Anfahrens aus dem Stillstand ist das Ventil 7 in der Ansaugleitung 6 geschlossen, das Entspannungsventil 25 voll geöffnet; die absperrbaren Drosselventile 19, 21 und 23 in den ümführungsleitungen 18, 20 und 22 sind dagegen bereits zuvor - soweit dies für pumpfreien Betrieb erforderlich ist geöffnet worden, um die durch die Verdichter strömende Menge durch die Kühler 12 und 9 zirkulieren und die Kompressionswärme abführen zu lassen. Während des Anfahrens sinkt der Druck nach dem geschlossenen Ventil 7 bis sich beim Erreichen der normalen Drehzahl auch das normale totale Druckverhältnis über die ganze Verdichtergruppe A automatisch einstellt. Als Folge der Drucksenkung in der Anlage wird eire entsprechende Gasmenge durch die Entlastungsleitung 24 evakuiert, bis sich das endgültige Druckverhältnis eingestellt hat. Ist dieses Druckverhältnis z.B. 20, so wird dadurch der Druck am Eintritt des ND-Verdichters 3 auf etwa 1/20 atm sinken und damit auch die Leistung auf 1/20 reduziert.

Soll die Verdichteranlage vom normalen Einsatz im Verdichterbetrieb in den Leerlauf mit minimaler Leerlaufleistung übergeführt werden, so werden zunächst wiederum die Ventile 19, 21 und 23 zwecks Ausbildung einer Zirkulationsströmung geöffnet, wobei das Rückschlagventil 15 automatisch schliesst; anschliessend werden das Ventil 7 geschlossen und das Entspannungsventil 25 geöffnet, um einen Teil der umgewälzten

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Gasmenge entsprechend der Drucksenkung in der Anlage schnell zu evakuieren. Der sich dadurch einstellende Zustand entspricht demjenigen am Ende des Anfahrvorganges.

Wird ein kostbares oder giftiges Gas verdichtet, das nicht in die Atmosphäre gelangen darf, so ist die Entlastungsleitung 24 vorteilhaft mit der Ansaugleitung 6 stromaufwärts des Ventils 7 (Fig. 3) oder mit irgendeiner anderen Stelle des Systems vor dem Ventil 7 mit noch niedrigerem Druck verbunden. In letzterem Fall wird die aufgenommene Leistung noch weiter verringert, da zusätzliche Gasmasse entsprechend der weiteren Drucksenkung evakuiert wird.

Die in Fig. 1 gezeigten Pfeile, mit der die Gasströmungen skizziert sind, geben die Wege des Gases im Leerlaufbetrieb der Verdichteranlage wieder.

Bei der Anlage nach Fig. 2 ist es möglich - ausser der ganzen Gruppe A - wahlweise nur den HD-Verdichter 5' im Leerlauf laufen zu lassen, während die restlichen Verdichter 3 und 4 im Normalbetrieb arbeiten; eine solche Betriebsweise ist angezeigt, wenn die Anlage auf zwei verschiedenen Druckniveaus P, und P₂ Gas liefern muss. Wenn der Verbraucher des Gases hohen Druckes P„ keinen Gasbedarf hat, während einem anderen Verbraucher Gas niedrigeren Druckes P₁ geliefert werden muss, ist es wichtig, den mitlaufenden HD-Verdichter möglichst rasch auf Leerlaufbetrieb umzustellen.

Bis zur Austrittsleitung 11 des MD-Verdichters 4 entspricht die Anlage nach Fig. 2 derjenigen nach Fig. 1. Zur Deckung des geschilderten Bedarfs an Gas mit einem mittleren Druck P, zweigt aus dem Kühler 12 eine zusätzliche Förderleitung 32 ab, die über ein Rückschlagorgan 33 zu einem nicht dargestellten Verbraucher führt.

In der Ansaugleitung für den HD-Verdichter 5', der bei der vorliegenden Anlage nur für eine Teildurchflussmenge des

in den Verdichtern 3 und 4 verdichteten Gases ausgelegt ist, ist ein weiteres Absperrorgan 31 vorgesehen. Weiterhin ist der HD-Verdichter 5" mit einem separaten Kühler 29 versehen, der in einer mit einem absperrbaren Drosselventil versehenen Umführungsleitung 27 angeordnet ist.

Die Betriebsweise dieser Anlage ist folgende: Im Normalbetrieb sind das Ventil 7 in der Ansaugleitung 6 und das Absperrventil 31 offen. Die Ventile 19, 21, 25 und 28 sind geschlossen. Gas wird einerseits über die Leitung 32 und das Rückschlagventil 33 zum "Mitteldruck"-Verbraucher und andererseits über die Leitung 14 und das Rückschlagventil 15 zum "Hochdruck"-Verbraucher gefördert, wobei sich die Gesamtmenge entsprechend den Widerständen in den beiden Verbraucherzweigon einstellt.

Wenn der "Hochdruck"-Verbraucher kein Gas benötigt, wird das Ventil 28 in der Umführungsleitung 27 geöffnet, worauf das Rückschlagventil 15 automatisch schliesst. Dann werden das Absperrventil 31 geschlossen und das erfindungsgemässe Entspannungsventil 25 in der Entlastungsleitung 24 geöffnet, so dass durch den Verdichter 5"eine minimale Gasmenge im geschlossenen Kreislauf zirkuliert, die die Leerlaufenergie des Verdichters 5'durch den Kühler 29 abführt. Die Leitung ist wiederum mit dem tiefsten Druck der Anlage verbunden, d.h. bei einem Luftverdichter vorteilhaft mit der Atmosphäre; sie kann jedoch auch an die Saugleitung 6 vor dem Ventil 7 angeschlossen sein. Falls die vom Verdichter 5' jetzt nicht mehr angesaugte Menge vom Verbraucher P, nicht abgenommen wird, müssten die Drosselventile 19, 21 zwecks Pumpverhütung teilweise geöffnet werden. Ebenso müsste ein Teil der von den Verdichtern 3 und 4 angesaugten Gasmenge umgewälzt werden, wenn nur Hochdruck P₂ erzeugt wird.

Mit den eingetragenen Pfeilen sind die Wege des Gases bei im Leerlauf betriebenem HD-Verdichter 5' und gleichzeitig im Normalbetrieb arbeitenden Verdichtern 3 und 4 schematisch

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dargestellt.

Die Anlage nach Fig. 3 unterscheidet sich von den vorhergehenden - abgesehen von der Rückführung des im Leerlauf aus der Verdichtergruppe A bzw. einem Verdichter 5 entnommenen Gasvolumens in die Ansaugleitung 6 - dadurch, dass bei dieser Anlage eine Ansaugung sowohl von einem Druckniveau P über die Ansaugleitung 6 und den ND-Verdichter 3 als auch von einem anderen Niveau mit dem Druck P₃ über eine in die Ansaugleitung 10 des MD-Verdichters 4 einmündende Ansaugleitung 36 erfolgen kann, in der ein dem Ventil 7 entsprechendes Ventil 37 vorgesehen ist; für die Abtrennung des ND-Verdichters 3 bei der Ansaugung vom Druckniveau P- her ist in der vom

zu ^ό Kühler 9 zum MD-Verdichter 4 bzw./seiner Ansaugleitung 10 führenden Verbindungsleitung 39 ein Absperrorgan 38 vorgesehen.

Für eine getrennte Gasentspannung im ND-Verdichter 3 ist dieser mit einer aus seiner zum Kühler 9 führenden Betriebsleitung 8 abzweigenden eigenen Entlastungsleitung 44 versehen, die durch ein Auf/Zu-Entspannungsventil 45 absperrbar ist.

Wie die Leitung 24 führt die Entlastungsleitung 44 bei diesem Beispiel zurück in den stromaufwärts des Ventils 7 gelegenen Teil der Ansaugleitung 6 der Anlage.

Im Normalbetrieb sind die Ventile 7 und 38 offen, während die Ventile 19, 21, 23, 25, 37 und 45 geschlossen sind.

Für eine Umstellung auf Leerlaufbetrieb des ND-Verdichters 3 öffnet man zunächst die Drosselventile 19, 21 und 23 in den Umführungsleitungen 18, 20 und 22, sowie das Ventil 37 der Ansaugleitung 36. Gleichzeitig oder anschliessend wird der Strömungsweg zwischen den Verdichtern 3 und 4 durch Schliessen des Ventils 38 unterbunden. Jetzt laufen alle Verdichter im ümführungsbetrieb. Das Rückschlagventil 15 ist geschlossen. Nach dem Schliessen der regulierbaren Drosselventile 21 und 23

fördert die aus den Verdichtern 4 und 5 bestehende Anlage über die Leitung 14.

Durch das Oeffnen des Entspannungsventils 45 sinkt bei geschlossenem Ventil 7 der Druck am Austritt des Verdichters ' 5 auf P und eine entsprechende Gasmenge strömt durch die Entlastungsleitung 44 zur Leitung 6. Am Verdichtereintritt stellt sich wieder automatisch ein dem Druckverhältnis des Verdichters 3 entsprechend abgesenkter Druck ein und die Umwälzleistung sinkt dementsprechend.

Soll bei der Anlage nach Fig. 2 und 3 die gesamte Verdichtergruppe A auf Leerlauf umgestellt werden, so geht man in der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Weise vor.

Für die Umstellung einzelner Verdichter aus einer Verdichtergruppe auf den Leerlaufbetrieb lässt sich generell sagen, dass man zunächst die Umführungsleitungen für den betreffenden Verdichter öffnet, ehe seine Ansaugung unterbunden und eine gewisse Gasmenge über eine entsprechende Entlastungsleitung evakuiert werden.

Claims (5)

1. - ve -

   Patentansprüche

   l.j Turboverdichteranlage mit einer mindestens einen Verdichter enthaltenden Verdichtergruppe, aus dessen druckseitiger Betriebsleitung eine Umführungsleitung mit einem absperrbaren Drosselorgan abzweigt, die über einen Kühler an die Saugseite des Verdichters angeschlossen ist, wobei weiterhin in der Ansaugleitung der gesainten Verdichtergi uppe stromaufwärts des Verdichters niedrigsten Druckes ein Absperrorgan vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus der druckseitigen Betriebsleitung (14, 8) mindestens eines Verdichters (5; 3) der Verdichtergruppe (A), der mit einer kühlerbestückten Umführungsleitung (22; 27; 18) versehen ist, eine mit einem Entspannungsventil (25; 45) ausgerüstete Entlastungsleitung (24; 44) zu einer Stelle der Verdichteranlage (A) mit während des Betriebs niedrigstem Druckniveau führt.
2. 2. Turboverdichteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungsleitung (44) in die Ansaugleitung (6) der Verdichteranlage stromaufwärts des Absperrorgans (7) einmündet (Fig. 3).
3. 3. Turboverdichteranlage nach Anspruch 1 für die Verdichtung von Luft aus der Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungsleitung (24) in die Atmosphäre führt.
4. 4. Turboverdichteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung des mit der Entlastungsleitung (24) ausgerüsteten Verdichters (5) ein Absperrorgan (31) stromaufwärts der Einmündung der Umführungsleitung (27 angeordnet ist (Fig. 2).
5. 5. Turboverdichteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (39) des mit der Entlastungsleitung (44) ausgerüsteten Verdichters (3) ein

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   Absperrorgan (38) angeordnet ist (Fig. 3).