DE4316202A1

DE4316202A1 - Verfahren zur Überwachung der Pumpgrenze eines Turboverdichters mit Vorleitapparat und Nachleitapparat

Info

Publication number: DE4316202A1
Application number: DE19934316202
Authority: DE
Inventors: Hoof Yvan Van; Ioan Ispas
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2013-05-15
Also published as: DE4316202C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Pumpgrenze eines Turboverdichters mit Vorleitapparat und Nachleitapparat, wobei der eintrittsseitige Druck (p₁), der austrittsseitige Druck (p₂) und der durch den Verdichter ge führte Volumenstrom (F) gemessen werden, wobei die Meßwerte einer Kontrolleinrichtung mit Datenspeicher zugeführt und mit Werten eines Verdichterkennfeldes verglichen werden, wo bei im Falle einer Annäherung der Meßwerte an die Pumpgrenze des Verdichterkennfeldes der Betriebspunkt des Verdichters verändert wird. - Pumpgrenze bezeichnet eine aerodynamische Stabilitätsgrenze, welche das Kennfeld eines Turboverdich ters begrenzt. Bei Erreichen der Pumpgrenze treten Rück strömungen im Turboverdichter auf, die Druckschwankungen und Temperaturerhöhungen verursachen und als Pumpgeräusche deut lich wahrnehmbar sind. Eine Betriebsweise des Turboverdich ters an der Pumpgrenze führt nach kurzer Betriebs zeit zu Lagerschäden und Schäden an den Laufrädern. Zur Vermeidung eines Verdichterbetriebs im instabilen Bereich des Kennfel des werden Überwachungs- und Kontrolleinrichtungen einge setzt, die bei kritischer Annäherung an die Pumpgrenze eine Sicherheitseinrichtung des Turboverdichters in Form eines Abblaseventils zur Atmosphäre oder in Form eines Absperr ventils in einer Umwälzleitung zwischen Druck- und Sauglei tung des Verdichters öffnend betätigt.

Ein- und mehrstufige Turboverdichter mit Vorleitapparat und Nachleitapparat sind bekannt (DUBBEL 13. Auflage, 1970, Seite 423). Durch Einstellung des Vorleitapparates ist ein Betrieb der Turbomaschine mit gutem Wirkungsgrad möglich. Durch den ebenfalls einstellbaren Nachleitapparat ist gleichzeitig ein breiter Betriebsbereich sichergestellt. Eine betriebsmäßige Regelung beider Verstelleinrichtungen ist im Rahmen der bekannten Maßnahmen nicht vorgesehen. Regelmäßig werden die Leitschaufeln des Nachleitapparates fest eingestellt und wird lediglich der Stellwinkel des Vor leitapparates geregelt. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen ist es nicht möglich, den stabilen Betrieb eines Turbover dichters sicherzustellen, dessen Vorleitapparat und Nach leitapparat gleichzeitig geregelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Pumpgrenzüberwachung von Turboverdichtern mit Vorleit- und Nachleitapparat anzugeben, bei denen sowohl der Stellwinkel des Vorleitapparates als auch der Stellwinkel des Nachleit apparates betriebsmäßig und ständig verändert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß der Vor leitapparat und der Nachleitapparat an eine Steuerung ange schlossen ist, welche sowohl den Stellwinkel des Vorleit apparates als auch den Stellwinkel des Nachleitapparates ständig betriebsmäßig verändert, daß der Stellwinkel des Nachleitapparates gemessen und der Meßwert der Kontrollein richtung zugeführt wird, daß mit den Druckmeßwerten (P₁, p₂) oder dem Volumenstrommeßwert F sowie mit dem Meßwert für den Stellwinkel α des Nachleitapparates nach einer in der Kon trolleinrichtung abgespeicherten Pumpgrenzfunktion

Y = m× F + b

welche den Verlauf der Pumpgrenze im Verdichterkennfeld ab schnittsweise beschreibt, ein dem Betriebspunkt des Turbo verdichters zugeordneter Pumpgrenzwert ermittelt wird,
wobei y der Druckdifferenz p₂-p₁ oder dem Druckver hältnis p₂-p₁ zwischen dem verdichteraustrittssei tigen Druck p₂ und dem verdichtereintrittsseitigen Druck p₁ entspricht,
wobei ferner die Koeffizienten m, b nach Maßgabe linearer Funktionen des Stellwinkels α des Nach leitapparates gemäß

m = m₀ + m₁ × α
b = b₀ + b₁ × α

ermittelt werden,
daß die Volumenstrom- und Druckmeßwerte F, p₁, p₂ mit dem Pumpgrenzwert verglichen werden und daß bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes ein Steuersignal zur Veränderung des Turboverichterbetriebspunktes abgegeben wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Einfluß des Nachleitapparates auf die Pumpgrenze durch eine ver einfachte lineare Beziehung erfaßt. Die Koeffizienten m₁, b₁ ergeben sich aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen unter Anwendung an sich bekannter Regressionstechniken. Die Koeffizienten m₀, b₀ werden bei der Inbetriebnahme des Turboverdichters durch Testläufe ermittelt. Bei diesen Test läufen wird der Turboverdichter zum Zwecke einer Kalibrie rung der Pumpgrenzfunktion kurzzeitig an seiner Pumpgrenze betrieben, wobei die zugeordneten Druck- und Volumenstrom meßwerte p₁, p₂, F auf genommen sowie daraus die Koeffi zienten m₀, b₀ ermittelt werden. Vorzugsweise sind die aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen bestimmten Koeffi zienten m₁, b₁als Festwert in der Kontrolleinrichtung abgespeichert und werden die durch Testläufe des Turbo verdichters ermittelbaren Koeffizienten m₀, b₀ als Eingabe werte in die Kontrolleinrichtung eingegeben. Eine Korrektur der Einstellungsparameter m₀ , b₀ durch Bedienungspersonal ist dadurch ohne weiteres möglich.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß das Steuersignal unab hängig von der jeweiligen Stellung des Nachleitapparates stets auf eine Sicherheitseinrichtung in Form eines Abblase ventils in der Druckleitung oder eines Bypassventils in einer Umwälzleitung zwischen Druck- und Saugseite des Turbo verdichters arbeitet. Der Nachleitapparat kann jedoch auch genutzt werden, um den Betriebspunkt des Turboverdichters im Kennfeld zu verändern, wenn der Turboverdichter Gefahr läuft, in einen instabilen Betriebsbereich zu gelangen. Dazu lehrt die Erfindung, daß das Steuersignal auf eine Stellein richtung des Nachleitapparates arbeitet, wobei der Stell winkel α des Nachleitapparates nach Maßgabe des Steuersig nals zwischen einer Minimal- und Maximalstellung verändert wird. Zweckmäßigerweise ist der Nachleitapparat mit End schaltern ausgerüstet, die ein der Minimal- bzw. Maximal stellung zugeordnetes MIN/MAX-Signal an die Kontrollein richtung abgeben, wobei das Steuersignal der Pumpgrenzüber wachung eine dem Turboverdichter zugeordnete Sicherheitsein richtung betätigt, wenn die Kontrolleinrichtung auch das MIN/MAX-Signal des Nachleitapparates erhält.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen einstufigen Turboverdichter mit regelbarem Vor leitapparat und ebenfalls regelbarem Nachleitapparat und mit einer Kontrolleinrichtung zur Überwachung der Pumpgrenze,

Fig. 2 das Kennfeld des in Fig. 1 dargestellten Turbover dichters.

Der in Fig. 1 dargestellte Turboverdichter 1 ist insbeson dere für Luft oder Stickstoff (aber nicht ausschließlich) bestimmt. Er weist einen Vorleitapparat 2 sowie einen Nach leitapparat 3 auf, die an eine nicht dargestellte Steuerung angeschlossen sind, welche sowohl den Stellwinkel α des Nachleitapparates 3 als auch den Stellwinkel α des Vorleit apparates 2 betriebsmäßig und ständig verändert. Der Turbo verdichter weist eine Kontrolleinrichtung 4 mit Daten speicher auf, die zur Überwachung der Pumpgrenze vorgesehen ist und auf eine Sicherheitseinrichtung 5 arbeitet. Die Sicherheitseinrichtung umfaßt ein Abblaseventil in einer druckseitig angeordneten Abblaseleitung. Der Turboverdichter ist mit Meßeinrichtungen zur Messung des eintrittsseitigen Druckes p₁, des austrittsseitigen Druckes p₂ und des durch den Verdichter geführten Gas-Volumenstromes F ausgerüstet. Außerdem wird der Stellwinkel α des Nachleitapparates 3 als Meßwert abgegriffen. Alle Meßwerte, p₁, p₂, F, α werden der Kontrolleinrichtung 4 zugeführt.

In der Kontrolleinrichtung ist eine Pumpgrenzfunktion

Y=m×F+b

abgespeichert, welche den Verlauf der Pumpgrenze im Verdich terkennfeld abschnittsweise beschreibt. Der Funktionswert y entspricht der Druckdifferenz p₂ - p₁ oder dem Druckverhält nis p₂/p₁ zwischen dem verdichteraustrittsseitigen Druck p₂ und dem verdichterseitigen Druck p₁. Die Koeffizienten m, b sind lineare Funktionen des Stellwinkels des Nachleitappara tes und werden gemäß

m=m₀ +m₁×α
b = b₀ + b₁× α

ermittelt. Aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen können die Koeffizienten m₁ , b₁ nach bekannten Regressionstech niken ermittelt werden. Sie sind in der Kontrolleinrichtung 4 fest abgespeichert. Die Koeffizienten m₀ , b₀werden durch Feldversuche an dem installiertem Turboverdichter 1 ermittelt. Dazu wird der Turboverdichter 1 kurzzeitig an seiner Pumpgrenze betrieben, wobei die zugeordneten Druck- und Volumenstrommeßwerte p₁, p₂, F aufgenommen und daraus die Koeffizienten m₀ , b₀ für die Pumpgrenzfunktion ermit telt werden. Die Koeffizienten m₀, b₀ sind als Eingabewerte in die Kontrolleinrichtung 4 eingebbar werden und können durch das Bedienungspersonal verändert bzw. korrigiert wer den.

Die Fig. 2 zeigt das Kennfeld des Turboverdichters, wobei der Verlauf der Pumpgrenze abschnittsweise durch die lineare Pumpgrenzfunktion

Y=m×F+b

angenähert ist. Der Stellwinkel α des Vorleitapparates 2 ist als Parameter eingetragen. Der ebenfalls als Parameter ein getragene Stellwinkel α des Nachleitapparates 3 führt zu den angegebenen Verschiebungen der Pumpgrenze.

Nach der in der Kontrolleinrichtung 4 abgespeicherten Pump grenzfunktion wird mit den Druckmeßwerten p₁, p₂ oder dem Volumenmeßwert F sowie mit dem Stellwinkelmeßwert α ein Pumpgrenzwert ermittelt, der dem Betriebspunkt des Turbover dichters 1 zugeordnet ist. Die Volumenstrom- und Druckmeß werte F, p₁, p₂ werden mit diesem Pumpgrenzwert verglichen. Bei Unterschreiten einen vorgegebenen Mindestabstandes von dem Pumpgrenzwert wird ein Steuersignal abgegeben, durch welches der Turboverdichterbetriebspunkt verändert wird. Der Fig. 1 entnimmt man, daß das Steuersignal auf eine Stellein richtung 6 des Nachleitapparates 3 arbeitet, wobei der Stellwinkel α des Nachleitapparates 3 nach Maßgabe des Steuersignals zwischen einer Minimal- und Maximalstellung verändert wird. Der Nachleitapparat 3 ist mit Endschaltern ausgerüstet, die ein dem Minimal- bzw. Maximalstellung zugeordnetes MIN/MAX-Signal an die Kontrolleinrichtung 4 abgeben. Sobald die Kontrolleinrichtung 4 das MIN/MAX-Signal des Nachleitapparates 3 erhält, betätigt das Steuersignal der Pumpgrenzüberwachung die dem Turboverdichter zugeordnete Sicherheitseinrichtung 5.

Der Fig. 1 entnimmt man, daß zusätzlich die Temperatur T des Volumenstromes F gemessen und der Temperaturmeßwert T der Kontrolleinrichtung 4 zugeführt wird. Außerdem ist in die Kontrolleinrichtung 4 das Molekulargewicht M des Förder mediums eingebbar. Der Einfluß der Temperatur T und des Molekulargewichtes M können in der angegebenen Pumpgrenz funktion durch lineare Zusatzterme berücksichtigt werden. Das beschriebene Verfahren zur Pumpgrenzüberwachung ist nicht nur bei einstufigen Turboverdichtern anwendbar, son dern auch für mehrstufige Turboverdichter geeignet, wenn mindestens eine Stufe mit einem geregelten Vorleitapparat und Nachleitapparat ausgerüstet ist.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen der Pumpgrenze eines Turbover dichters mit Vorleitapparat und Nachleitapparat,
wobei der eintrittsseitige Druck (p₁), der aus trittsseitige Druck (p₂) und der durch den Ver dichter geführte Volumenstrom (F) gemessen werden,
wobei die Meßwerte (p₁, p₂, F) einer Kontrollein richtung mit Datenspeicher zugeführt und mit Werten eines Verdichterkennfeldes verglichen werden,
wobei im Falle einer Annäherung der Meßwerte an die Pumpgrenze des Verdichterkennfeldes der Betriebs punkt des Verdichters verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor leitapparat und der Nachleitapparat an eine Steuerung ange schlossen sind, welche sowohl den Stellwinkel (β) es Vor leitapparates als auch den Stellwinkel (α) des Nachleit apparates ständig betriebsmäßig verändert, daß der Stell winkel (Q ) des Nachleitapparates gemessen und der Meßwert der Kontrolleinrichtung zugeführt wird, daß mit den Druck meßwerten (p₁, p₂) oder dem Volumenstrommeßwert (F) sowie mit dem Meßwert (α) für den Stellwinkel des Nachleitappa rates nach einer in der Kontrolleinrichtung abgespeicherten Pumpgrenzfunktion Y=m×F+bwelche den Verlauf der Pumpgrenze im Verdichterkennfeld ab schnittsweise beschreibt, ein dem Betriebspunkt des Turbo verdichters zugeordneter Pumpgrenzwert ermittelt wird,
wobei Y der Druckdifferenz oder dem Druckverhältnis zwischen dem verdichteraustrittsseitigen Druck p₂ und dem verdichtereintrittsseitigen Druck p₁ ent spricht,
wobei ferner die Koeffizienten m, b nach Maßgabe linearer Funktionen des Stellwinkels α des Nach leitapparates gemäßm = m₀ + m₁ × α
b = b₀ + b₁ × αermittelt werden,
daß die Volumenstrom- und Druckmeßwerte (F, p₁, p₂) mit dem Pumpgrenzwert verglichen werden und daß bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes ein Steuersignal zur Veränderung des Turboverichterbetriebspunktes abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen bestimmten Koeffizienten m₁, b₁ als Festwerte in der Kontrollein richtung abgespeichert sind und daß die Koeffizienten m₀, b₀ für die Pumpgrenzfunktion durch Testläufe des Turboverdich ters ermittelt und diese als Eingabewerte in die Kontroll einrichtung eingegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal auf eine Stelleinrichtung des Nachleit apparates arbeitet, wobei der Stellwinkel des Nachleitappa rates nach Maßgabe des Steuersignals zwischen einer Minimal- und Maximalstellung verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachleitapparat mit Endschaltern ausgerüstet ist, die ein der Minimal- bzw. Maximalstellung zugeordnetes MIN/MAX- Signal an die Kontrolleinrichtung abgeben, und daß das Steuersignal der Pumpgrenzüberwachung eine dem Turboverdich ter zugeordnete Sicherheitseinrichtung betätigt, wenn die Kontrolleinrichtung auch das MIN/MAX-Signal des Nachleit apparates erhält.