DE4316202C2

DE4316202C2 - Verfahren zur Überwachung der Pumpgrenze eines Turboverdichters mit Vorleitapparat und Nachleitapparat

Info

Publication number: DE4316202C2
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: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2013-05-15
Also published as: DE4316202A1

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 geführte Volumenstrom (F) gemessen werden, wobei die Meß werte einer Kontrolleinrichtung mit Datenspeicher zugeführt und mit Werten eines Verdichterkennfeldes verglichen werden, wobei im Falle einer Annäherung der Meßwerte an die Pumpgrenze des Verdichterkennfeldes der Betriebspunkt des Verdichters verändert wird, wobei der Vorleitapparat und der Nachleitapparat an eine Steuerung angeschlossen sind, welche sowohl den Stellwinkel (β) des Vorleitapparates als auch den Stellwinkel (α) des Nachleitapparates ständig be triebsmäßig verändert, wobei der Stellwinkel (α) des Nach leitapparates gemessen und der Meßwert der Kontrollein richtung zugeführt wird. - Pumpgrenze bezeichnet eine aero dynamische Stabilitätsgrenze, welche das Kennfeld eines Turboverdichters begrenzt. Bei Erreichen der Pumpgrenze treten Rückströmungen im Turboverdichter auf, die Druck schwankungen und Temperaturerhöhungen verursachen und als Pumpgeräusche deutlich wahrnehmbar sind. Eine Betriebsweise des Turboverdichters an der Pumpgrenze führt nach kurzer Betriebszeit zu Lagerschäden und Schäden an den Laufrädern. Zur Vermeidung eines Verdichterbetriebs im instabilen Be reich des Kennfeldes werden Überwachungs- und Kontrollein richtungen eingesetzt, die bei kritischer Annäherung an die Pumpgrenze eine Sicherheitseinrichtung des Turboverdichters in Form eines Abblaseventils zur Atmosphäre oder in Form eines Absperrventils in einer Umwälzleitung zwischen Druck- und Saugleitung des Verdichters öffnend betätigt.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art, von dem die Er findung ausgeht, ist aus US 4 586 870 bekannt. Auch nach diesem Verfahren wird die Pumpgrenze des Turboverdichters überwacht. Außerdem sind der Vorleitapparat und der Nach leitapparat an eine Steuerung angeschlossen, die die Stell winkel der Leitapparate ständig betriebsmäßig verändern. Die Überwachung der Pumpgrenze wird bei diesem bekannten Verfahren mit verhältnismäßig aufwendigen Maßnahmen ver wirklicht, in dem einer Kontrolleinrichtung eine Vielzahl von Parametern zugeführt wird, die entsprechend verarbeitet werden muß. Im Ergebnis ist es mit diesem bekannten Ver fahren nicht unter allen Betriebsbedingungen möglich, den stabilen Betrieb des Turboverdichters stets funktionssicher zu gewährleisten.

Ein- und mehrstufige Turboverdichter mit Vorleitapparat und Nachleitapparat sind grundsätzlich bekannt (DUBBEL 13. Auf lage, 1970, Seite 423). Durch Einstellung des Vorleitappa rates ist ein Betrieb der Turbomaschine mit gutem Wir kungsgrad möglich. Durch den ebenfalls einstellbaren Nach leitapparat ist gleichzeitig ein breiter Betriebsbereich sichergestellt. Eine betriebsmäßige Regelung beider Ver stelleinrichtungen ist im Rahmen dieser bekannten Maßnahmen nicht vorgesehen. Regelmäßig werden die Leitschaufeln des Nachleitapparates fest eingestellt und wird lediglich der Stellwinkel des Vorleitapparates geregelt. Im Rahmen dieser bekannten Maßnahmen ist es nicht möglich, den stabilen Be trieb eines Turboverdichters sicherzustellen, dessen Vor leitapparat und Nachleitapparat gleichzeitig geregelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auf relativ ein fache Weise funktionssicher eine Pumpgrenzüberwachung von Turboverdichtern verwirklicht werden kann und stets ein stabiler Betrieb der Turboverdichter gewährleistet wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß aus den Druckmeßwerten (p₁, p₂) oder dem Volumenstrommeßwert F so wie dem Meßwert für den Stellwinkel α des Nachleitapparates nach einer in der Kontrolleinrichtung 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 Druck verhältnis p₂/p₁ zwischen dem verdichteraustritts seitigen Druck p₂ und dem verdichtereintritts seitigen Druck p₁ entspricht,
wobei ferner die Koeffizienten m, b nach Maßgabe linearer Funktionen des Stellwinkels des Nach leitapparates gemäß

m = m₀ + m₁ x
b = b + b₁ x

ermittelt werden,
daß die aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen be stimmten Koeffizienten m₁, b₁ als Festwerte in der Kon trolleinrichtung abgespeichert sind und die Koeffizienten m₀, b₀ für die Pumpgrenzfunktion durch Testläufe an der Pumpgrenze des Turboverdichters ermittelt und diese als Eingabewerte in die Kontrolleinrichtung eingegeben werden,
daß die Volumenstrom- und Druckmeßwerte F, p₁, p₂ mit dem Pumpgrenzwert verglichen werden und beim Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes ein Steuersignal zur Veränderung des Turboverdichterbetriebspunktes abgegeben wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Einfluß des Nachleitapparates auf die Pumpgrenze durch eine verein fachte 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 Tur boverdichters durch Testläufe ermittelt. Bei diesen Test läufen wird der Turboverdichter zum Zwecke einer Kali brierung der Pumpgrenzfunktion kurzzeitig an seiner Pumpgrenze betrieben, wobei die zugeordneten Druck- und Volumenstrommeßwerte p₁, p₂, F aufgenommen sowie daraus die Koeffizienten m₀, b₀ ermittelt werden. Erfindungsgemäß sind die aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen bestimmten Koeffizienten m₁, b₁ als Festwert in der Kontrollein richtung abgespeichert und werden die durch Testläufe an der Pumpgrenze des Turboverdichters ermittelbaren Koeffi zienten m₀, b₀ als Eingabewerte in die Kontrolleinrichtung eingegeben. Eine Korrektur der Einstellungsparameter m₀, b₀ durch Bedienungspersonal ist dadurch ohne weiteres möglich.

Aus DE 42 02 226 A1 ist es bekannt, zur abschnittsweisen Definition der Pumpgrenze eine ähnliche Funktion wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verwenden. Eine Be stimmung der Pumpgrenze in Abhängigkeit von der Stellung der Vor- und Nachleitapparate und die Ermittlung von Koeffizienten m und b in Abhängigkeit vom Nachleitapparat wird hier jedoch nicht beschrieben. - Aus DE-Z: BBC-Nach richten, November 1963, Seiten 519-527 ist es fernerhin be kannt, Pumpgrenzlinien in Abhängigkeit von der Stellung von Verdichterstellgliedern zu ermitteln. Die im Kennzeich nungsteil des Patentanspruches 1 beanspruchte erfindungs gemäße Verfahrensweise ist in dieser Literaturstelle jedoch nicht offenbart.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß das Steuersignal un abhängig von der jeweiligen Stellung des Nachleitapparates stets auf eine Sicherheitseinrichtung in Form eines Ab blaseventils in der Druckleitung oder eines Bypassventils in einer Umwälzleitung zwischen Druck- und Saugseite des Turboverdichters arbeitet. Der Nachleitapparat kann jedoch auch genutzt werden, um den Betriebspunkt des Turbover dichters im Kennfeld zu verändern, wenn der Turboverdichter Gefahr läuft, in einen instabilen Betriebsbereich zu ge langen. Dazu lehrt die Erfindung, daß das Steuersignal in eine Stelleinrichtung des Nachleitapparates eingegeben wird, wobei der Stellwinkel α des Nachleitapparates nach Maßgabe des Steuersignals zwischen einer Minimal- und Maxi malstellung verändert wird. Zweckmäßigerweise ist der Nach leitapparat mit Endschaltern ausgerüstet, die ein der Mini mal- bzw. Maximalstellung zugeordnetes MIN/MAX-Signal an die Kontrolleinrichtung 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 β 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, b₀ werden 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 β 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 einem 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 der 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 Turbo verdichters 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 (4) mit Datenspeicher zugeführt und mit Werten eines Verdichterkennfeldes verglichen werden,
wobei im Falle einer Annäherung der Meßwerte an die Pumpgrenze des Verdichterkennfeldes der Be triebspunkt des Verdichters (1) verändert wird,
daß der Vorleitapparat und der Nachleitapparat (3) an eine Steuerung angeschlossen sind, welche sowohl den Stellwinkel (β) des Vorleitapparates (2) als auch den Stellwinkel (α) des Nachleitapparates (3) ständig betriebsmäßig verändert,
daß der Stellwinkel (α) des Nachleitapparates (3) gemessen und der Meßwert der Kontrolleinrichtung (4) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß aus den Druckmeßwerten (p₁, p₂) oder dem Volumenstrom meßwert (F) sowie mit dem Meßwert (α) für den Stellwinkel des Nachleitapparates (3) nach einer in der Kontrollein richtung 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 Druckver hältnis zwischen dem verdichteraustrittsseitigen Druck p₂ und dem verdichtereintrittsseitigen Druck p₁ entspricht,
wobei ferner die Koeffizienten m, b nach Maßgabe linearer Funktionen des Stellwinkels α des Nach leitapparates gemäßm = m₀ + m₁ x
b = b + b₁ xermittelt werden,
wobei die aus thermodynamischen Kennfeldberechnungen be stimmten Koeffizienten m₁, b₁ als Festwerte in der Kon trolleinrichtung abgespeichert sind und die Koeffizienten m₀, b₀ für die Pumpgrenzfunktion durch Testläufe an der Pumpgrenze des Turboverdichters (1) ermittelt und dieser als Eingabewerte in die Kontrolleinrichtung (4) eingegeben werden,
daß die Volumenstrom- und Druckmeßwertes (F, p₁, p₂) mit dem Pumpgrenzwert verglichen werden und beim Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes ein Steuersignal zur Veränderung des Turboverdichterbetriebspunktes abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal in eine Stelleinrichtung (6) des Nach leitapparates eingegeben wird, wobei der Stellwinkel des Nachleitapparates nach Maßgabe des Steuersignals zwischen einer Minimal- und Maximalstellung verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachleitapparat (3) mit Endschaltern ausgerüstet ist, die ein der Minimal- bzw. Maximalstellung zugeordnetes MIN/MAX-Signal an die Kontrolleinrichtung (4) abgeben, und daß das Steuersignal der Pumpgrenzüberwachung eine dem Tur boverdichter (1) zugeordnete Sicherheitseinrichtung be tätigt, wenn die Kontrolleinrichtung (4) auch das MIN/MAX-Signal des Nachleitapparates (3) erhält.