DE3811230C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen eines Turboverdichters vor Pumpen mittels Abblasens über ein Abblaseventil, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrich­ tung durch Durchführung des Verfahrens.

Aus der den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4 zugrundeliegenden DE-OS 26 23 899 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art bekannt. Bei diesem Verfahren werden bei Erreichen einer zwischen der Pumpgrenze und der Abblaselinie lie­ genden Abschaltlinie durch den Verdichter-Betriebspunkt die Abblaseventile unabhängig von der übrigen Regelung ganz geöffnet. Hinsichtlich der Vorrichtung schlägt die­ se Schrift vor, daß bei Überschreiten eines Grenzwertes, der der Abschaltlinie entspricht, mittels einer geeigne­ ten unabhängigen Steuerung die Abblaseventile voll ge­ öffnet werden. In der Vorrichtung ist dazu ein Rücksetz- Setz-Speicher vorgesehen, der von einer Grenzwertstufe in seinem Zustand umschaltbar ist und der seinerseits die von der übrigen Regelung unabhängige Öffnung des Ab­ blaseventils bewirkt. Der Grenzwertstufe ist als zusätz­ liche Funktion noch eine Zeitverzögerung oder Hysterese zugeordnet, die hier für eine stabile Regelung unerläß­ lich ist. Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung, daß es, nachdem die un­ abhängige Sicherheitssteuerung einmal ausgelöst ist, stets zu einem nicht mehr aufzuhaltenden schnellen Ver­ stellen des Abblaseventils bis zu seiner Öffnungs-End­ stellung kommt. Dies hat auf einen dem Verdichter nachge­ schalteten Prozeß einen ungünstigen Einfluß, der sich insbesondere als Druckeinbruch äußert. Außerdem macht jede vollständige Öffnung des Abblaseventils einen neuen Anfahrvorgang des Verdichters erforderlich, was eben­ falls betrieblich ungünstig ist.

Die DE 35 44 821 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anpassen der Lage der Abblaselinie an die aktuelle Pumpgrenze bei einem Auftreten eines Pumpstoßes. Dieses Verfahren soll dazu dienen, bei einer Änderung der Lage der Pumpgrenze im Verdichterkennfeld, z. B. auf­ grund von Änderungen in der Verdichtergeometrie oder auf­ grund von Verschmutzungen im Verdichter und/oder in zu­ gehörigen Rohrleitungen, den Verlauf der Abblaselinie je­ weils dem anhand des Auftretens von Pumpstößen erkannten geänderten Verlauf der Pumpgrenze anzupassen. Die Abbla­ selinie bleibt also statisch und wird nur von Zeit zu Zeit neu festgelegt. Hinweise auf ein Verfahren zur Ver­ besserung der Dynamik von Pumpschutzsystemen, mit denen bei einem gegebenen und bekannten Verlauf der Pumpgrenze ein verbesserter Schutz des Verdichters vor dem Errei­ chen dieser Pumpgrenze erzielbar ist, sind dieser Schrift nicht entnehmbar.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubil­ den, daß der Schutz vor Pumpen schneller wirkt und gleichzeitig der nachgeschaltete Prozeß vor zu starken Druckeinbrüchen geschützt wird.

Die Lösung des das Verfahren betreffenden Teils dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß das Abblaseventil bei einer Schnellöffnung mit seiner technisch maximal möglichen, vom Stellungsregler unabhän­ gigen Verstellgeschwindigkeit und dabei nur noch soweit wie erforderlich in Öffnungsrichtung verstellt wird, um eine auftretende Störung aufzufangen. Ein verspätetes oder übermäßig starkes oder langes Abblasen oder Umblasen von Prozeßluft wird so vermieden, und nachteilige Auswirkun­ gen, insbesondere ein Pumpen oder Druckeinbrüche im Pro­ zeß, treten nicht mehr bzw. nur noch stark gedämpft auf. Das langsamere Reagieren des Verfahrens auf Vorgänge im Verdichter oder Prozeß, die ein Schließen des Abblaseven­ tils erfordern, ist in der Praxis kein Nachteil, da diese Vorgänge stets mit einer ungefährlichen Bewegung des Ar­ beitspunktes von der Pumpgrenze weg verbunden sind. Viel­ mehr wird hierdurch die erforderliche Stabilität der Re­ gelung erreicht, d. h. es wird ein nachteiliges "Schwin­ gen" vermieden. Aufgrund der so erreichten schnellen und zugleich angemessenen Reaktion des Abblaseventils genügt dieses Verfahren auch hohen Ansprüchen an eine Regelung für den Schutz des Verdichters vor Pumpen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß der Ausgang des Pumpgrenzreglers während der ihn umgehenden, durch die Sicherheitssteuerung be­ wirkten Verstellung des Abblaseventils praktisch verzö­ gerungsfrei auf einen der aktuellen Stellung des Abblase­ ventils entsprechenden Wert nachgeführt wird. Hiermit wird erreicht, daß die Übernahme der Regelung durch den Regler nach der von der Sicherheitssteuerung bewirkten Schnellöffnung des Abblaseventils sprung- und stoßfrei erfolgt, wodurch ein störendes Einlaufen und/oder Ein­ schwingen des Reglers und des Abblaseventils auf ihre neue stationäre Stellung vermieden werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß als Regelparameter die Differenz zwischen dem Ge­ schwindigkeits-Orts-Istwert des Verdichterarbeitspunktes und dem zugehörigen Geschwindigkeits-Orts-Sollwert gemäß einer vorgebbaren Geschwindigkeits-Orts-Sollwertkurve, bei deren Erreichen ein Pumpen noch gerade verhindert werden kann, verwendet wird, wobei als Ort der Abstand des Arbeitspunktes von der Pumpgrenze und als Geschwin­ digkeit die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes relativ zur Pumpgrenze im Verdichterkennfeld verwendet wird. Hiermit wird erreicht, daß außer dem Ort des Ar­ beitspunktes im Verdichterkennfeld auch die Bewegungsge­ schwindigkeit des Arbeitspunktes im Verdichterkennfeld berücksichtigt wird. Somit ist es möglich, die Öffnung des Abblaseventils auch bei unterschiedlich schneller Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze stets zum spätestmöglichen Zeitpunkt vorzunehmen, an dem ein Pumpen des Verdichters gerade noch verhindert wird. Der Verdich­ ter kann deshalb ohne Pumprisiko sehr dicht an der Pump­ grenze betrieben werden, was insbesondere einen günstige­ ren Teillastbetrieb ermöglicht.

Die Lösung des zweiten, die Vorrichtung betreffenden Teils der Aufgabe gelingt erfin­ dungsgemäß durch eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schaltventil ein­ laßseitig mit einem Abzweig verbunden ist, der zwischen Stellungsregler und Kolben-Zylinder-Einheit in eine diese verbindende Druckmediumleitung mündet, und daß das Schaltven­ til auslaßseitig mit einer Druckmedium-Abführleitung ver­ bunden ist.

Die Vorrichtung ist einfach aufgebaut und damit kostengünstig herstellbar und betreibbar. Zudem ist sie leicht zu warten und damit besonders betriebssicher.

Für das Schaltventil ist bevorzugt vorgesehen, daß es ein Magnetventil ist. Hiermit werden eine zuverlässige Funk­ tion und ein sehr schnelles Schalten des Ventils gewähr­ leistet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Turboverdichter, der mit einer Vorrichtung gemäß Erfindung ausgestattet ist, in einer Schema-Darstellung, anhand derer auch der Verfahrensablauf beispielhaft erläutert werden soll.

Wie die Figur zeigt, ist der Turboverdichter 1 ansaugsei­ tig mit einer Ansaugleitung 10 verbunden. Abgabeseitig ist der Turboverdichter 1 mit einer Abgabeleitung 11 verbunden, die über eine Rückschlagklappe 12 das von dem Turboverdichter 1 verdichtete Medium zu einem nachge­ schalteten Prozeß leitet. Vor der Rückschlagklappe 12 zweigt von der Abgabeleitung 11 eine Abblaseleitung 20 ab, in welche ein Abblaseventil 2 mit einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung 21 eingeschal­ tet ist.

Ansaugseitig wird mittels eines mit der Ansaugleitung 10 verbundenen Durchflußmessers 61 der zum Verdichter 1 strömende Durchfluß des zu verdichtenden Mediums erfaßt. Mittels eines mit der Abgabeleitung 11 verbundenen Druck­ messers 62 ist der Verdichterenddruck erfaßbar. Dem Druckmesser 62 ist ein erster Funktionsgeber 63 nachgeschaltet, der anhand von gespeicherten Daten den jeweils einem bestimmten Druck zugeordneten, gerade noch zulässigen Minimaldurchflußwert für den Verdichter 1 ausgibt. Der vom Durchflußmesser 61 aktuell gemessene Durchfluß-Ist­ wert und der vom ersten Funktionsgeber 63 ausgegebene Durchfluß- Sollwert werden einem Subtrahierer 64 zugeführt, in wel­ chem die Differenz aus diesen durch Subtrahieren des Istwertes vom Sollwert gebildet wird.

Dem Subtrahierer 64 sind ein zweiter Funktionsgeber 51 und ein Geschwindigkeitsmesser 52 nachgeschaltet. Im zweiten Funktions­ geber 51 ist eine Geschwindigkeits-Orts-Sollwertkurve für den Arbeitspunkt des Verdichters 1 gespeichert. Die Funk­ tionswerte dieser Kurve sind diejenigen Werte, bei wel­ chen in Abhängigkeit von der jeweiligen aktuellen Ist- Lage und Ist-Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im Ver­ dichterkennfeld gerade noch ein Pumpen des Verdichters verhindert werden kann. Der Geschwindigkeitsmesser 52 dient dazu, die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitspunk­ tes des Verdichters im Verdichterkennfeld relativ zur Pumpgrenze zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch Differenzieren oder auch durch Differenzbildung mit an­ schließender Division erfolgen. Die im Geschwindigkeits­ messer 52 bestimmte Geschwindigkeit des Arbeitspunktes (Istwert) und der vom zweiten Funktionsgeber 51 ausgegebene Funktionswert (Sollwert) werden in einem nachfolgenden Subtrahierer 53 voneinander subtrahiert, wobei hier defi­ nitionsgemäß der Sollwert vom Istwert subtrahiert wird. Die Differenz, die in dem Subtrahierer 53 erzeugt wird, ist der Regelparameter für die Betätigung des Abblaseven­ tils 2.

Der so erzeugte Regelparameter wird zu diesem Zweck pa­ rallel auf eine Sicherheitssteuerung 31 und einen Pump­ grenzregler 41 gegeben, die dem Subtrahierer 53 nachge­ schaltet sind.

Die Sicherheitssteuerung 31 ist so ausgelegt, daß sie an ihrem Ausgang nur zwei Schaltzustände annehmen kann, die abhängig davon auftreten, ob der Regelparameter einen vorgegebenen Sicherheitsgrenzwert entsprechend einer Si­ cherheitslinie im Verdichterkennfeld überschreitet oder nicht. Der Pumpgrenzregler 41 sorgt im Unterschied dazu für eine kontinuierliche Regelung, d. h. eine stellungs­ geregelte Verstellung des Abblaseventils 2 in Abhängig­ keit von der Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld. Hierzu wirkt der Ausgang des Pumpgrenzreglers 41 über eine Steu­ erleitung 22 auf die Betätigungseinrichtung 21 des Abbla­ seventils 2. Von der Betätigungseinrichtung 21 mit einem Stellungsregler führt eine Druckmediumleitung 23 zu einer nicht eigens dargestellten Kolben-Zylinder-Einheit für die Erzeugung der Kraft für die Verstellbewegung des Abblaseventils 2 in Schließrichtung. Die Kraft für die Verstellbewegung des Abblaseventils 2 in Öffnungsrichtung wird aus Sicherheitsgründen allgemein mittels eines Kraftspeicherelementes, z. B. einer gespannten Feder erzeugt, um bei Ausfall der Regelung ein selbsttätiges Öffnen des Abblaseventils 2 sicherzustellen.

Der Ausgang der Sicherheitssteuerung 31 wirkt über eine Steuerleitung 32 auf ein Schaltventil 3, genauer dessen elektromagnetische Betätigungseinrichtung 30. Dieses Schaltventil 3 ist mit seinem Einlaß mit einem Abzweig 23′ verbunden, der von der Druckmediumleitung 23 abgeht. Bei Ansprechen der Sicherheitssteuerung 31 wird das Schaltventil 3 in seine Öffnungsstellung umgeschaltet, wodurch das Druckmedium aus der Druckmediumleitung 23 und der zugehörigen Kolben-Zylinder-Einheit über den Abzweig 23′ unter Umgehung der Betätigungseinrichtung 21 des Abblaseventils 2 unmittelbar abgeführt wird. Hierdurch wird das Abblaseventil 2 mit erhöhter Verstellgeschwin­ digkeit in Öffnungsrichtung verstellt, bis die Sicher­ heitssteuerung 31 nach Rückkehr des Verdichter-Arbeits­ punktes in den sicheren Kennfeldbereich wieder zurückge­ setzt wird und damit das Schaltventil 2 wieder in seine Schließstellung umgeschaltet wird. Im weiteren erfolgt dann die bedarfsweise Verstellung des Abblaseventils 2 aus der zuletzt erreichten Stellung wieder durch den Regler 41 mit der langsameren Verstellgeschwindigkeit.

Für die Sicherheitssteuerung 31 und den Pumpgrenzregler 41 können vorteilhaft an sich bekannte Komponenten ver­ wendet werden, so daß die Durchführung des Verfahrens und die Herstellung einer hierfür geeigneten Vorrichtung vergleichsweise einfach und kostengünstig sind.

Claims (5)

1. Verfahren zum Schützen eines Turboverdichters vor Pum­ pen mittels Abblasens über ein Abblaseventil, wobei in dem Verfahren aus Meßwerten zumindest für den Ver­ dichterdurchfluß und Verdichterenddruck sowie aus vor­ gegebenen oder vorgebbaren Sollwerten ein Regelparame­ ter bestimmt wird, anhand dessen durch einen Pump­ grenzregler eine stellungsgeregelte Verstellung des Abblaseventils mittels einer pneumatischen oder hy­ draulischen Betätigungseinrichtung mit Stellungsreg­ ler über ein Druckmedium erfolgt und wobei bei Über­ schreiten eines Sicherheits-Grenzwertes durch den Re­ gelparameter das Abblaseventil durch eine Sicherheits­ steuerung mit maximaler Verstellgeschwindigkeit in Öffnungsrichtung betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ansprechen der Sicherheitssteuerung das Druck­ medium für die Abblaseventilbetätigung unter Umgehung des Stellungsreglers unmittelbar abgeführt wird und daß bei Rücksetzen der Sicherheitssteuerung das Abfüh­ ren des Druckmediums beendet und die Regelung wieder allein vom Pumpgrenzregler mit dem nachgeschalteten Stellungsregler übernommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Pumpgrenzreglers während der ihn umgehenden, durch die Sicherheitssteuerung bewirkten Verstellung des Abblaseventils praktisch verzögerungs­ frei auf einen der aktuellen Stellung des Abblaseven­ tils entsprechenden Wert nachgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Regelparameter die Differenz zwischen dem Geschwindigkeits-Istwert des Verdichterar­ beitspunktes und dem zugehörigen Geschwindigkeits- Sollwert gemäß einer vorgebbaren Geschwindig­ keits-Orts-Sollwertkurve, bei deren Erreichen ein Pumpen noch gerade verhindert werden kann, verwendet wird, wobei als Ort der Abstand des Arbeitspunktes von der Pumpgrenze und als Geschwindigkeit die Bewe­ gungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes relativ zur Pumpgrenze im Verdichterkennfeld verwendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung einen Pumpgrenzregler für eine stellungsgeregelte Verstellung eines Abblaseventils über ein Druckmedium mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung mit einem Stellungsregler und einer Kolben-Zylinder-Einheit sowie eine Sicherheitssteuerung für eine bedarfsweise Betätigung des Abblaseventils in Öffnungsrichtung mit maximaler Verstellgeschwindigkeit sowie ein Schaltventil, das über seinen Schalteingang durch die Sicherheitssteuerung bei deren Ansprechen in Öffnungsstellung und bei deren Rücksetzen in Schließstellung umschaltbar ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (3) einlaßseitig mit einem Ab­ zweig (23′) verbunden ist, der zwischen Stellungsreg­ ler und Kolben-Zylinder-Einheit in eine diese verbin­ dende Druckmediumleitung (23) mündet, und daß das Schaltventil (3) auslaßseitig mit einer Druckmedium- Abführleitung verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (3) ein Magnetventil ist.