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Preßlufterzeugungsanlage für stark schwankende Belastung. In Werken
mit sehr hohem Preßluftbedarf, z. B. in großen Steinkohlenbergwerken, wird die Preßluft
meist in Dampfturbokompressoren erzeugt, weil dies am wirtschaftlichsten ist. Um
trotz der stark wechselnden Luftentnahme Preßluft von gleichem Druck zu erzeugen,
besitzt der Turbokompressor eine Vorrichtung, die selbsttätig seine Drehzahl so
verstellt, daß der Preßluftdruck stets annähernd der gleiche bleibt. Die. Kompressoranlage
kann dabei für die mittlere Belastung angelegt sein; sie arbeitet dann für diese
Belastung im Bereich des günstigsten Wirkungsgrades, während sie bei starken Abweichungen
schon ziemlich ungünstige Wirkungsgrade aufweist. Es kommt aber hinzu, daß mit Rücksicht
auf die ständigen Schwankungen des Luftverbrauches und mit Rücksicht auf spätere
Erweiterungen neue Dampfturbokompressoren, besonders in Bergwerksanlagen, meist
für eine Preßluftmenge bemessen werden, die noch über der zu erwartenden, selten
vorkommenden Höchstmenge liegt, so daß sie notwendigerweise häufig in der Nähe der
Pumpgrenze und damit besonders unwirtschaftlich arbeiten. Man hat diesen Übelstand
durch Einrichtungen zu mildern gesucht, welche durch entsprechende Verlegung der
Pumpgrenze das Pumpen auf geringere Belastungen beschränken oder ganz vermeiden
sollen, doch bleibt der Wirkungsgrad auch dann noch stark unter den besten erreichbaren
Werten.
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Die Erfindung sucht die Wirtschaftlichkeit derartiger, für stark schwankenden
Bedarf bestimmter Preßlufterzeugungsanlagen durch eine neuartige Anordnung zu steigern.
Der Turbokompressor wird nicht für den Höchstbedarf, sondern so gewählt, daß seine
mittlere Leistung annähernd mit dem mittleren Bedarf übereinstimmt. Zur Deckung
der Spitzenleistung wird ein zweiter Kompressor herangezogen, der zweckmäßig etwa
30 Prozent der Ansaugeleistung des Hauptkompressors besitzen wird, weil er
dann in der Regel den schwächeren Sonntags- und Nachtbetrieb allein übernehmen kann.
Wird für den kleineren Zusatzkompressor ein Dampfkompressor gewählt, so wird er
eine Belastung haben, die dauernd zwischen Null- und Vollast wechselt, was natürlich
nicht wirtschaftlich ist. Mit dem Zusatzkompressor wird also zunächst nur erreicht,
daß zwar der Hauptkompressor dauernd gut, er selbst aber sehr unregelmäßig belastet
läuft. Das erstrebenswerte Ziel ist aber eine Anordnung, bei der auch der Zusatzkompressor
trotz der stark schwankenden Luftentnahme nur voll belastet läuft. Gemäß der Erfindung
wird dies folgendermaßen erreicht: Es ist bekannt, Kompressoren, insbesondere elektrisch
angetriebene Kompressoren, in der Weise zu betreiben, daß sie bei -einem bestimmten
Höchstdruck von selbst zum Stillstand kommen und bei einem bestimmten Mindestdruck
von selbst wieder anlaufen. Das Anlassen und S,tillsetzen wird eingeleitet durch
eine Membran, einen Kontaktdruckmesser oder ,ähnlichen Apparat, der- an die Preßluftleitung
angeschlossen
ist und beim Höchstdruck beispielsweise einen elektrischen Schalter effnet und beim
Mindestdruck wieder schließt, wodurch das Stillsetzen bzw. das Anlaufen des ganzen
Kompressors herbeigeführt mrd. Steht der Kompressor still, so erfolgt die Preßluftentnahme
aus dem Preßluftspieich@er, Rohinetz und Windkessel. Hierbei sinkt -der Luftdruck,
bis die auf einen bestimmten Mindestdruck ansprechende Schaltvorrichtung den Kompressor
wieder zum Anlaufen bringt.
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Es handelt sich nun darum, einen solchen wirtschaftlich arbeitenden
Kompressor, -dessen intermittierender Betrieb auf Unterschieden des Preßluftdruckes
beruht, mit dem Hauptkompressor, der dauernd mit annähernd -gleichem Druck läuft,
zum gemeinsamen Arbeiten zu bringen. Dies geschieht nun unter Ausnutzung der bei
Überlastung des Hauptkompressors eintretenden Druckverminderung.
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In Abb. i ist der Vorgang näher veranschaulicht. Das Schaubild zeigt
.drei verschiedene Dru.ckvolumenkurvenpi, p2, p3, die Wirkungsgradkurve n sowie
die PumpZreme f des Hauptkompressors, der ein Dampfturbokompressor sein möge. Die
Drehzahl der Maschine werde so geregelt, daß der Druck p der Förderluft in weitem
Bereich auf 6 at verbleibt. Die Linie konstanten Druckes schneidet die Druckkurv-ep2
an der Stelle, welche dem günstigsten Wirkungsgrad entspricht. Zu diesem Wert gehört
die Nor-Inalleistung des Turbokompressors, d. h. eine Fördermenge Q von ioo Prozent.
Dann liegt die Höchstleistung bei gleichem Druck und der größten Betriebsdrehzahl
etwa bei 125 Prozent (Schnittpunkta der @urc=epi), während die geringste Förderleistung
in der Nähe der Pumpgrenze f etwa 75 Prozent beträgt (Schnittpunkt b der Kurve p,3).
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Abb. 2 zeigt das Schema der Preßlufterzeugungsanlage. - Über Tage
ist der Dampfturbokompressor G angeordnet, der die Grundbelastung übernimmt; er
fördert in die Preßluftleitung L, die in den Schacht hinabgeht und sich am Verteilungspunkt
V weiter verzweigt. In der Preßluftleitung L entsteht durch Reibung ein Druckabfall,
der am VerteilungspunktV beispielsweise o,5 at betragen soll. Erzeugt der Hauptkompressor
über 6 atü, so wird bei voller Beanspruchung der Druck im Punkt V z. B. 5,5 atü,
an weiter entlegenen Stellen noch weniger betragen.
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Tritt nun eine 'vorübergehende, über 125 Prozent hinausgehende P-reßluftentnahme
und damit eine Überlastung des Dampfturbokompressors G ein, so wird sich dies in
einem Sinken des Druckes am Kompressor und im ganzen Preßluftnetz äußern; an den
entlegensten Betriebspunkten kann dies so weit gehen, daß der Luftdruck zum Betrieb
-der Preßluftwerkzeuge nicht mehr ausreicht. Es tritt darm der Zusatzkompressor
Z, zweckmäßig ein 6ektrsch betriebener Kompressor, in Tätigkeit, :der unter Tage
aufgestellt und in dessen -Nähe ein Membranschalter M oder ein ähnlicber Apparat
an die Preßluftleitung angeschlossen ist. Dieser Schalter kann auf elektrischem
Wege auf die Anlaßvorrichtung des Zusatzkompressors wirken.
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Solange der Luftbedarf entsprechend Abb. i gleich oder geringer als
125 Prozent ist, läuft der Dampfkompressior G allein. Steigt die Luftentnahme über
125 Prozent, so kann er, da seine Leistung nicht mehr steigerbar ist, den bis dahin
erzeugten Luftdruck von 6 atü nicht mehr halten; der Betriebspunkt bewegt sich nach
unten, beispielsweise zum Punkt c, d.h., es werden 135 Prozent Luft angesaugt, aber
nur auf 5 atü verdichtet.
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Gleichzeitig ist unter Tage im Verteilungspunkt V der Druck von seinem
Normalwert 5,5 atü auf beispielsweise 4,5 atü zurückgegangen. .Ist er Mernbranschalter
M auf 4,5 atü eingestellt, 3o wird der elektrisch angetriebene Zusatzkompressor
Z selbsttätig zum Anlaufen gebracht und übernimmt nach Beendigung der kurzen
Anlaufzeit sofort seine volle Förderung. Da diese aber 30 Prozent der Fördermenge
-von G beträgt, so würden nun beide Kompressoren 135 + 30 = 165 Prozent
fÖrdern können. Die Entnahme beträgt aber zunächst nur 135 Prozent oder wenig mehr;
zufolge der erzeugten Überschußmenge wird daher der Luftdruck wieder ansteigen,
bis er den ursprünglichen Normalwert von 6 atü erreicht hat. War der Membranschalter
unter Tage auf 5,5 atü Ausschaltdruck eingestellt, so wird .er in diesem
Augenblick im Punkt a den Zusatzkompressor selbsttätig zum Stillstand bringen.
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Geht die Luftentnalune von 125 Prozent weiter zurück, so wandert der
Betriebspunkt in ein günstigeres Gebiet der Wirkungsgradkurve. Steigt jedoch .die
Luftentnahme nach Erreichen des Punktes a wieder an, bewegt sich also der Betrieb
des Kompressors zwischena und c, so arbeitet der allein laufende Hauptkompressor
in einem ungünstigen Bereich. Die Erfindung bezweckt weiterhin, auch in -dieser
Beziehung eine Verbesserung zu schaffen. Wird der Hauptmotor so geregelt, daß der
Betriebsdruck nicht genau konstant bleibt, sondern mit wachsender Förderung schwach
abfällt, und würde der Membranschalter genügend empfindlich sein, so könnte er derart
eingestellt sein, daß die Ausschaltung des Zusatzkompressors nicht im Punkt a, sondern
in einem weiter zurückliegenden Punkt der Betriebsdrucklinie erfolgt. Im allgemeinen
wird es aber nicht - möglich sein, den innerhalb eines größeren Druckbereiches
arbeitenden
Membranschalter o. dgl. für den geringen Abfall des normalen Betriebsdrukkes genügend
empfindlich -auszubilden. Es wird dann Beben dem Mernbranschalter ein zweiter Schalter
vorgesehen, der mit dem ersteren derart zusammenwirkt, daß das Stillsetzer des Zusatzkompressors
erst erfolgt, wenn beide Schalter angesprochen haben. Dieser zweite Schalter kann
von einem empfindlichen Kontaktmanometer gesteuert w erden"er kann aber auch von
irgendeiner anderen Betriebsgröße des Hauptkompressors, z. B. von der geförderten
Luftmenge oder von der Fördergeschwindigkeit der Luft in Abhängigkeit gebracht sein.
Gegebenenfalls kann der zweite Schalter auch mit der Regeleinrichtung, also beispielsweise
dem Drehzahlregler, in Verbindung stehen. Die letzteren Einrichtungen kommen insbesondere
in Betracht, wenn die Betriebsdrucklinie des Hauptmotors überhaupt keinen merklichen
Abfall aufweist. Damit der zweite Schalter unabhängig vom Ausschalten des Membranschalters
den Zusatzkompressor später zum Abschalten bringt, ist in der elektrischen Leitung
zweckmäßig noch ein mit Haltekontakt versehenes Zwischenrelais anzuordnen, auf das
der Membranschalter und der zweite Hilfsschalter in an sich bekannter Weise einwirken.
Wird daher der Zusatzkompressor nicht in Punkt a, sondern mit Hilfe des zweiten
Schalters z. B. im Punkt cd stillgesetzt, so wird der alsdann allein arbeitende
Hauptkompressor immer längere Zeit im günstigen Arbeitsbereich fördern.
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Bleibt vor dem Abschalten des Zusatzkompressors die Gesamtluftentnahrne
z. B. in den Grenzen zwischen 8 5 und 125 Prozent, so ist es nachteilig, beide Kompressoren
längere Zeit für eine Luftentnahme arbeiten zu lassen, de der Hauptkompressor allein
bewältigen kann. Es kann dies dadurch vermieden werden, daß man den zweiten Schalter
als Zeitschalter ausbildet oder neben diesem einen Zeitschalter vorsieht, der dann
dieses nachteilige Zusammenarbeiten beider Kompressoren nur kurze Zeit zuläßt. Hierdurch
wird gleichzeitig auch erreicht, daß bei kurzzeitigen Überlastungen des Hauptkompressors
der Zusatzkompressor nach seinem Anlassen nicht sofort wieder zum Stillstand kommt;
es wird also selbst bei. geringer Speicherwirkung des Rohrnetzes eine zu große Häufigkeit
des An-und Abstellens vermieden.
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Die beschriebene Anordnung ergibt also den wesentlichen Vorteil, daß
bei einer Luftentnahme, die die Liefermenge des auf annähernd gleichen Druck geregelten
Hauptkompressors übersteigt, selbsttätig ein Zusatzkompressor zugeschaltet wird,
der den veränderlichen Zusatzluftbedarf in wirtschaftlicher Weise deckt und sich
-selbst wieder abschältet, wenn die ,gesamte Luftentnahme so weit zurückgegangen
ist, daß sie vom Hauptkompressor innerhalb seines wirtschaftlichen Arbeitsbereiches
allein bewältigt werden kann.
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Der Zusatzkompressor kann auch -über Tage aufgestellt werden; will
man dann seine Abhängigkeit von dem Druckunterschied -unter Tage beibehalten, so
ist eine elektrische Hilfsleitung vom Membranschalter M bis über Tage erforderlich.
Uni diese zu vermeiden, kann der Membranschalter auch über Tage an die Preßluftleitung
angeschlossen werden; dann ist er natürlich so einzustellen, daß er auf die Druckunterschiede
über Tage anspricht. In den beiden zuletztgenannten Fällen hat der Zusatzkompressor
natürlich einen höheren Druck zu erzeugen, als wenn er unter Tage steht.
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Schließlich können auch mehrere Zusatzkompressoreti aufgestellt und
in ähnlicher Weise betrieben werden.
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Bemerkt sei, daß es bei Kesselspeisepumpen bekannt ist, zwei Kreiselpumpen
zu verwenden, von denen die zweite sich selbsttätig zuschaltet, wenn die erste zufolge
überschreitung einer bestimmten Fördermenge den zur Kesselspeisung erforderlichen
Pumpendruck nicht mehr aufrechtzuerhalten vermag. Die Verhältnisse bei der bekannten
Pumpenanlage weichen aber von den beim Erfindungsgegenstand vorliegenden Verhältnissen
insofern wesentlich ab, als dort das Erfordernis besteht, daß die Fördereinrichtung
stets einen durch die Kesselspannung gegebenen und daher als konstant anzusehenden
Druck überwindet. Aus diesem Grunde müssen beide Pumpen mit einer selbsttätigen
Drehzahleinstellvorrichtung zur Aufrechterhaltung des Pumpendruckes versehen sein,
der für beide Pumpen nur wenig verschieden sein darf, und es ergibt sich der grundsätzliche
Unterschied, daß die zweite Pumpe bei Überschreitung einer gegebenen Fördermenge
sowohl dauernd als auch mit konstantem Druck, jedoch mit je nach den Betriebsverhältnissen
verschiedener Leistung mitarbeitet, während bei der Preßlufterzeugungsanlage nach
der Erfindung der zusätzliche Kompressor während der Dauer einer Belastungsspitze
unabhängig von der benötigten Fördermenge stets mit voller Leistung,, aber mit teilweise
aussetzendem Betrieb tätig ist, wobei die hierzu erforderlichen Ein- und Ausschaltungen
in Abhängigkeit von den bei dieser Betriebsweise auftretenden Förderdruckschwankungen
erfolgen.