DE4202226C2

DE4202226C2 - Verfahren zur Überwachung eines mehrstufigen, zwischengekühlten Turboverdichters

Info

Publication number: DE4202226C2
Application number: DE4202226A
Authority: DE
Inventors: Ioan Dr Ispas; Ulrich Dipl Ing Grundmann; Yvan Von Dipl Ing Hoof
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 1991-10-01
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: DE4202226A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Pumpgrenze eines mehrstufigen, zwischengekühlten Turbover dichters.

Pumpgrenze bezeichnet eine aerodynamische Stabilitätsgrenze, welche das Kennfeld eines Turboverdichters begrenzt. Bei Unterschreitung der Pumpgrenze treten Rückströmungen im Turboverdichter auf, die Druckschwankungen und Temperatur erhöhungen verursachen und als Pumpgeräusche deutlich wahr nehmbar sind. Eine Betriebsweise des Turboverdichters an der Pumpgrenze führt nach kurzer Betriebszeit zu Lagerschäden und Schäden an den Laufrädern. Zur Vermeidung eines Ver dichterbetriebes im instabilen Bereich des Kennfeldes werden Überwachungs- und Kontrolleinrichtungen eingesetzt, die bei kritischer Annäherung an die Pumpgrenze ein Abblasventil zur Atmosphäre oder ein Absperrventil in einer Umwälz leitung, die Druck- und Saugleitung des Verdichters verbin det, öffnet. Auf diese Weise wird ein Mindestdurchfluß durch den Turboverdichter aufrechterhalten und verhindert, daß die Pumpgrenze unterschritten wird.

Eine aus US-A-3 441 200 bekannte Kontrolleinrichtung ist für mehrstufige, zwischengekühlte Turboverdichter bestimmt, die bei konstantem Enddruck und vorgegebenem Volumenstrom be trieben werden. Der eintrittsseitige Druck, die Ansaugtempe ratur und die Zwischenkühltemperaturen werden gemessen und alle Meßwerte summiert. Das so gebildete Summensignal wird mit einem Referenzsignal verglichen und ein Differenzsignal gebildet. Nach Maßgabe des Differenzsignals wird über eine Drosseleinrichtung der eintrittsseitige Druck nachgestellt und einer temperaturbedingten Änderung der Turboverdichter kennlinie so angepaßt, daß der Betriebspunkt der Turbo maschine nicht in den Pumpgrenzbereich wandert. Ändert sich der Enddruck oder der Volumenstrom, so muß an der Kontroll einrichtung ein empirisch zu bestimmender Referenzwert neu eingestellt werden. Für Turboverdichter, deren Betriebs punkte betriebsmäßig verändert werden müssen, ist die Kon trolleinrichtung ungeeignet.

Zwischengekühlte Turboverdichter sollen einen breiten Volumenregelbereich aufweisen. Als Regelorgane werden Ein tritts- oder Austrittsleitapparate sowie Antriebe mit variabler Drehzahl eingesetzt. Auch Kombinationen sind mög lich. Die Ausnutzung der Kennfeldbreite hängt entscheidend von der Genauigkeit ab, mit der die Pumpgrenze vorausgesagt werden kann. Aus Chemical Engineering (Mai 1979), Seiten 175 bis 184, und Chemical Engineering (April 1982), Seiten 139 bis 147, bekannte Verfahren zum Überwachen der Pumpgrenze vernach lässigen den Temperatureinfluß auf die Pumpgrenze. Die Stufeneintrittstemperaturen haben jedoch wesentlichen Ein fluß auf die Lage der Pumpgrenze. Beim Betreiben des Turbo verdichters sind Schwankungen in bezug auf die Stufenein trittstemperaturen nicht zu vermeiden. Diese Schwankungen können betriebsbedingt sein, beispielsweise durch ver schmutzte oder schlecht arbeitende Kühler, Schwankungen des Kühlmengenstromes und dergleichen. Es kommen saisonbedingte Änderungen der Ansaugtemperatur des zu verdichtenden Gases hinzu. Die Vernachlässigung der Temperatureinflüsse auf die Lage der Pumpgrenze führt dazu, daß der Turboverdichter mit großem Sicherheitsabstand von der tatsächlichen Pumpgrenze betrieben werden muß und der Volumenregelbereich nicht ausgenutzt werden kann.

Aus "BBC-Nachrichten" (November 1963), Seiten 519 bis 527, ist ein Pumpgrenzregelverfahren bekannt, bei dem Volumenstrom- und Druckmeßwerte aufgenommen werden und der daraus resultie rende Betriebspunkt mit einem Ausblasgrenzwert verglichen wird, der einen vorgegebenen Sicherheitsabstand von dem Pumpgrenzwert aufweist. Wird der Sicherheitsabstand unter schritten, so wird ein Steuersignal abgegeben, welches ein Absperrventil in einer druckseitig angeordneten Abblas leitung öffnet. Die Ansaugtemperatur wird ebenfalls gemessen und ihr Einfluß auf den Pumpgrenzwert über ein dem Pumpgrenzregler zugeordnetes Temperaturkorrekturglied be rücksichtigt. Der bekannte Pumpgrenzregler arbeitet mecha nisch mit einer Kurvenscheibe, deren Kontur dem Verlauf der Pumpgrenze nachgebildet ist. Im Rahmen der bekannten Maß nahmen liegt es, die Ausblasegrenze durch eine oder mehrere Geraden anzunähern. Grundsätzlich ist es auch bekannt, daß bei Verdichtern mit Zwischenkühlung die Kühlwassertempe raturen den Verlauf der Pumpgrenze beeinflussen. Bei dem bekannten Pumpgrenzregelverfahren bleibt der Einfluß der Rückkühltemperaturen jedoch unberücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen der Pumpgrenze eines mehrstufigen, zwischengekühl ten Turboverdichters anzugeben, bei dem der Einfluß der Stufeneintrittstemperaturen auf die Lage der Pumpgrenze be rücksichtigt ist.

Gegenstand der Erfindung und Lösung der genannten Aufgabe ist ein Verfahren zum Überwachen der Pumpgrenze eines mehr stufigen, zwischengekühlten Turboverdichters, wobei

- die Ansaugtemperatur (T_s) am Eintritt in eine erste Verdichterstufe des Turboverdichters sowie die Rückkühltemperaturen (T_ri) in den nachgeschalteten Verdichterstufen (i = 1 bis Anzahl der Zwischenküh lungen) jeweils nach der Zwischenkühlung gemessen, die Temperaturmeßwerte einer Kontrolleinrichtung mit Datenspeicher zugeführt und Temperaturdiffe renzen (dT_s, dT_ri) von einer vorgegebenen Referenz temperatur (T_ref) ermittelt werden,
- der eintrittsseitige Druck (p₁) und der austritts seitige Druck (p₂) des Turboverdichters sowie der durch den Turboverdichter geführte Volumenstrom (F) gemessen werden und die Meßwerte (p₁, p₂, F) eben falls der Kontrolleinrichtung mit Datenspeicher zu geführt werden,
- entweder mit den Druckmeßwerten (p₁, p₂) oder dem Meßwert des Volumenstroms (F) sowie den Temperatur differenzen (dT_s, dT_ri) nach einer in der Kontroll einrichtung abgespeicherten Pumpgrenzfunktion Y = m · F + b,welche den Verlauf der Pumpgrenze im Verdichter kennfeld zumindest abschnittsweise beschreibt, ein dem Betriebspunkt des Turboverdichters zugeordneter Pumpgrenzwert ermittelt wird,
wobei Y der Druckdifferenz oder dem Druckverhältnis zwischen dem austrittsseitigen Druck (p₂) und dem eintrittsseitigen Druck (p₁) entspricht,
wobei ferner die Koeffizienzen m, b lineare Funk tionen der Ansaugtemperatur (T_s) und der Rückkühl temperaturen (T_ri) sind und unter Verwendung der gemessenen Temperaturdifferenzen (dT_s, dT_ri) gemäßm = m₀ + m₁ · dT_s + Σ m_2i · dT_ri
b = b₀ + b₁ · dT_s + Σ b_2i · dT_riermittelt werden,

und wobei die Volumenstrom- und Druckmeßwerte (F, p₁, p₂) mit dem Pumpgrenzwert verglichen sowie bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes ein Warn- oder Steuer signal zum Öffnen eines Absperrventils in einer druckseitig angeordneten Abblasleitung oder in einer Druck- und Saug seite des Verdichters verbindenden Umwälzleitung abgegeben wird. Zur Messung des Volumenstromes in Rohrleitungen werden in der Praxis zumeist Druckdifferenzmessungen an genormten Düsen, Blenden oder Venturi-Düsen durchgeführt. Es versteht sich, daß als Volumenstrommeßwert auch die gemessene Druck differenz an der Düse, Blende bzw. Venturi-Düse eingesetzt werden kann. Es versteht sich ferner, daß unterschiedliche Referenztemperaturen für die Ansaugtemperatur und die Rück kühltemperaturen verwendet werden können, wobei als Refe renztemperaturen zweckmäßigerweise die Auslegungstempera turen für die thermodynamische Auslegung des Turbover dichters gewählt werden.

Die Kennfelder des Verdichters für verschiedene Ansaug- und Rückkühltemperaturen einschließlich der Pumpgrenze werden durch Überlagerung von Kennlinien der Einzelstufen theore tisch bestimmt. Die thermodynamischen Kennfeldberechnungen sind dem Fachmann bekannt. Anschließend wird die Pumpgrenze durch Geraden für alle berechneten Fälle approximiert. Die Parameter m₀, m₁, m_2i, b₀, b₁, b_2i werden durch Lösen von linearen Gleichungssystemen bestimmt.

Änderungen der Stufeneintrittstemperaturen (dT_s, dT_ri) wirken sich vornehmlich auf den Koeffizienten b aus. Sie be wirken eine Verschiebung der Pumpgrenze im Kennlinienfeld. Der Temperatureinfluß auf die Steigung der Pumpgrenzfunktion ist wesentlich kleiner, so daß man in vielen Fällen

m₁ = m₂ = 0

festlegen und den Temperatureinfluß auf die Steigung der Pumpgrenzfunktion vernachlässigen kann. Unterscheiden sich Rückkühltemperaturen nur geringfügig voneinander, so ist es in der Praxis ferner ausreichend, aus den Rückkühl temperaturmeßwerten (T_ri) durch arithmetische Mittelung über die Verdichterstufen (i = 1, 2 . . . n) eine mittlere Rückkühl temperatur (T_r) zu bestimmen und die mittlere Rückkühltem peratur (T_r) zur Berechnung der Koeffizienten m, b zu ver wenden. In diesem Falle vereinfachen sich die Funktionen zur Berechnung der Koeffizienten m, b wie folgt:

m = m₀ + m₁ · dT_s + m₂ · dT_r
b = b₀ + b₁ · dT_s + b₂ · dT_r

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen durch Variation der Ansaug- und Rückkühltemperaturen errechneten Temperatur koeffizienten m₁, b₁, m_2i, b_2i bzw. m₂, b₂ als Festwerte in der Kontrolleinrichtung abgespeichert, während die Koeffizienten m₀ und b₀ durch Feldversuche am installierten Turboverdichter ermittelt und als Eingabewerte in die Kon trolleinrichtung eingegeben werden. Dadurch kann die Pump grenzfunktion sehr genau festgelegt, gleichsam kalibriert werden. Zum Zwecke der Kalibrierung der Pumpgrenzfunktion wird der Turboverdichter kurzzeitig an seiner Pumpgrenze betrieben. Die zugeordneten Druck-, Temperatur- und Volumen strommeßwerte werden aufgenommen und die angegebenen Glei chungen zur Ermittlung der Koeffizienten m₀, b₀ ausgewertet.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu sehen, daß Verschiebungen der Pumpgrenze infolge von Änderungen der Ansaug- und Rückkühltemperaturen berück sichtigt werden und die Lage der Pumpgrenze bei Änderungen des Betriebspunktes des Turboverdichters sehr genau vor aus gesagt wird. Es kann mit kleinen Sicherheitsabständen zur Pumpgrenze gearbeitet und der Volumenregelbereich von mehr stufigen, zwischengekühlten Turboverdichtern vollständig ausgenutzt werden. Der zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens erforderliche meßtechnische Aufwand ist klein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungs beispielen ausführlich erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen mehrstufigen, zwischengekühlten Turboverdichter mit einer Einrichtung zur Überwachung der Pumpgrenze,

Fig. 2 und 3 Kennfelder eines mehrstufigen Turboverdichters,

Fig. 4 und 5 Kennfelder von zwei dreistufigen, zwischenge kühlten Turboverdichtern mit berechneter Pumpgrenze und mit in Feldversuchen ermittelten Pumpgrenzwerten im Vergleich dazu.

Der in der Fig. 1 dargestellte Turboverdichter ist insbe sondere für Luft oder Stickstoff (aber nicht ausschließlich) bestimmt. Es handelt sich um einen mehrstufigen Turbover dichter mit Rückkühlung des Gasstromes in jeder Stufe. Der Turboverdichter weist eine Kontrolleinrichtung 1 mit Daten speicher auf, die zur Überwachung der Pumpgrenze vorgesehen ist und auf ein Absperrventil 2 in einer druckseitig ange ordneten Abblasleitung 3 arbeitet. Nähert sich der Be triebspunkt des Turboverdichters der Pumpgrenze, so wird durch die Kontrolleinrichtung 1 das Absperrventil 2 geöff net. Das Absperrventil könnte auch in einer Umwälzleitung installiert sein, welche Druck- und Saugseite des Verdich ters miteinander verbindet. Der Turboverdichter ist mit Meß einrichtungen zur Messung des eintrittsseitigen Druckes p₁, des austrittsseitigen Druckes p₂ und des durch den Verdich ter geführten Gas-Volumenstromes F ausgerüstet. Ferner sind Temperaturmeßstellen vorgesehen zur Messung der Ansaugtempe ratur T_s am Eintritt in die erste Verdichterstufe sowie zur Messung der Rückkühltemperaturen T_ri. Rückkühltemperatur bezeichnet die Temperatur im Gasstrom in Strömungsrichtung hinter den zur Rückkühlung vorgesehenen Wärmetauschern 4. Sämtliche Meßwerte werden der Kontrolleinrichtung 1 zuge führt.

In der Kontrolleinrichtung 1 ist eine Pumpgrenzfunktion

Y = m · F + b

abgespeichert, welche den Verlauf der Pumpgrenze im Kenn feld ganz oder abschnittsweise beschreibt. Der Funktions wert Y entspricht der Druckdifferenz oder dem Druckverhält nis zwischen dem verdichteraustrittsseitigen Druck p₂ und dem verdichterseitigen Druck p₁. Die Koeffizienten m, b sind lineare Funktionen der Ansaugtemperatur T_s und der Rückkühltemperaturen T_ri und werden gemäß

m = m₀ + m₁ · (T_s - T_ref) + Σm_2i · (T_ri - T_refi)
b = b₀ + b₁ · (T_s - T_ref) + Σb_2i · (T_ri - T_refi)

bestimmt. T_ref, T_refi sind frei wählbare Referenztemperatu ren. Zweckmäßigerweise werden als Referenztemperaturen die Auslegungstemperaturen eingesetzt, die der thermodynamischen Auslegung des Turboverdichters zugrundeliegen.

Die Kennfelder des Verdichters für verschiedene Ansaug- und Rückkühltemperaturen einschließlich Pumpgrenze werden durch Überlagerung der Einzelstufenkennlinien theoretisch be stimmt. Dann wird die Pumpgrenze durch Geraden für alle be rechneten Fälle approximiert. Die Parameter m₀, m₁, m_2i, b₀, b₁, b_2i werden durch Lösen von linearen Gleichungssys temen bestimmt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Kennfelder eines mehrstufigen Turbo verdichters, wobei der Verlauf der Pumpgrenze abschnitts weise durch die lineare Pumpgrenzfunktion

Y = m · F + b

angenähert ist. Änderungen der Ansaug- und Rückkühltempera turen führen zu in den Fig. 2 und 3 schematisch dargestell ten Verschiebungen der Pumpgrenze.

Die Fig. 4 und 5 zeigen die Kennfelder von zwei dreistufigen Turboverdichtern mit Eintrittsleitapparat als Regelorgan für Betriebseinstellungen im Volumenregelbereich. Der Ver lauf der Pumpgrenze ist durch die Pumpgrenzfunktion ganz (Fig. 4) oder abschnittsweise (Fig. 5) angenähert. Aus einer vergleichenden Betrachtung der durchgezogenen und ge strichelten Linien ist der Temperatureinfluß für die Pump grenze ersichtlich. Zusätzlich eingetragen sind Pumpgrenz werte, die am Turboverdichter in Feldversuchen ermittelt wurden.

Der Vergleich macht deutlich, daß die in der Kontrollein richtung 1 abgespeicherte Pumpgrenzfunktion den Verlauf der Pumpgrenze mit großer Genauigkeit voraussagt, und zwar auch bei Temperaturänderungen des Gasstromes.

Nach der in der Kontrolleinrichtung abgespeicherten Pump grenzfunktion wird mit den Druckmeßwerten p₁, p₂ oder dem Volumenmeßwert F sowie den Temperaturmeßwerten T_s, T_ri ein dem Betriebspunkt des Turboverdichters zugeordneter Pump grenzwert ermittelt. Die Volumenstrom- und Druckmeßwerte F, p₁, p₂ werden mit diesem Pumpgrenzwert verglichen und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes von dem Pumpgrenzwert wird ein Warnsignal oder ein Steuersignal zum Öffnen des Absperrventils 2 abgegeben.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen der Pumpgrenze eines mehrstufi gen, zwischengekühlten Turboverdichters, wobei

- die Ansaugtemperatur (T_s) am Eintritt in eine erste Verdichterstufe des Turboverdichters sowie die Rückkühltemperaturen (T_ri) in den nachgeschalteten Verdichterstufen (i = 1 bis Anzahl der Zwischenküh lungen) jeweils nach der Zwischenkühlung gemessen, die Temperaturmeßwerte (T_s, T_ri) einer Kontrolleinrichtung mit Datenspeicher zugeführt und Temperaturdifferenzen (dT_s, dT_ri) von einer vorgegebenen Referenztemperatur (T_ref) ermittelt werden,
- der eintrittsseitige Druck (p₁) und der austritts seitige Druck (p₂) des Turboverdichters sowie der durch den Turboverdichter geführte Volumenstrom (F) gemessen werden und die Meßwerte (p₁, p₂, F) eben falls der Kontrolleinrichtung mit Datenspeicher zu geführt werden,
- entweder mit den Druckmeßwerten (p₁, p₂) oder dem Meßwert des Volumenstroms (F) sowie den Temperatur differenzen (dT_s, dT_ri) nach einer in der Kontroll einrichtung abgespeicherten Pumpgrenzfunktion Y = m · F + b,welche den Verlauf der Pumpgrenze im Verdichter kennfeld zumindest abschnittsweise beschreibt, ein dem Betriebspunkt des Turboverdichters zugeordneter Pumpgrenzwert ermittelt wird, wobei Y der Druck differenz oder dem Druckverhältnis zwischen dem austrittsseitigen Druck (p₂) und dem eintritts seitigen Druck (p₁) entspricht,
wobei ferner die Koeffizienten m, b lineare Funk tionen der Ansaugtemperatur (T_s) und der Rückkühl temperaturen (T_ri) sind und unter Verwendung der gemessenen Temperaturdifferenzen (dT_s, dT_ri) gemäßm = m₀ + m₁ · dT_s + Σm_2i · dT_ri
b = b₀ + b₁ · dT_s + Σb_2i · dT_riermittelt werden,

und wobei die Volumenstrom- und Druckmeßwerte (F, p₁, p₂) mit dem Pumpgrenzwert verglichen sowie bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes ein Warnsignal oder ein Steuersignal zum Öffnen eines Absperrventils in einer druck seitig angeordneten Abblasleitung oder in einer Druck- und Saugseite des Verdichters verbindenden Umwälzleitung abgege ben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus den Rückkühltempe raturmeßwerten (T_ri) durch arithmetische Mittelung über die Verdichterstufen (i = 1 bis Anzahl der Zwischenkühlungen) eine mittlere Rückkühltemperatur (T_r) bestimmt und diese mittlere Rückkühltemperatur (T_r) zur Berechnung der Koeffi zienten m, b verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aus thermo dynamischen Kennfeldberechnungen durch Variation der Ansaug- und Rückkühltemperaturen bestimmten Temperaturkoeffizienten m₁, b₁, m_2i, b_2i als Festwerte in der Kontrolleinrichtung abgespeichert sind und wobei der Turboverdichter zum Zwecke einer Kalibrierung der Pumpgrenzfunktion kurzzeitig an seiner Pumpgrenze betrieben, die zugeordneten Druck-, Tempe ratur- und Volumenstrommeßwerte (p₁, p₂, T_s, T_ri, F) aufge nommen sowie daraus die Koeffizienten m₀, b₀ für die Pump grenzfunktion ermittelt und diese als Eingabewerte in die Kontrolleinrichtung eingegeben werden.