Verfahren und Vorrichtung zum Regeln hintereinandergeschalteter Kreiselverdichter
Bei der Gestaltung von Kreiselverdichtern ist man vielfach aus baulichen Gründen
gezwungen, die Stufen in mehreren Gehäusen anzuordnen, und aus Regelungsgründen
erhält dann oft jede dieser Stufen ihren eigenen Antrieb. Namentlich bei hohen Druckverhältnissen
erhalten Verdichter axialer Bauart so steile Kennlinien, daß bei größeren Schwankungen
im Luftdurchsatz die Möglichkeit des Betriebes der Verdichterteile mit verschiedener
Drehzahl sehr erwünscht ist.Method and device for controlling centrifugal compressors connected in series
When designing centrifugal compressors, one is often for structural reasons
forced to arrange the stages in several housings, and for regulatory reasons
then often each of these stages receives its own drive. Especially at high pressure conditions
Axial compressors have characteristics that are so steep that larger fluctuations occur
in the air flow the possibility of operating the compressor parts with different
Speed is very desirable.
Die 1-,Irfitidutig befaßt sich mit der Regelung solcher hintereinandergeschalteter
Einzelverdichter mit getrenntem Antrieb durch je eine Kraftmaschine, die entweder
ein Elektromotor oder eine Dampfturbine oder eine Gasturbine sein kann. Das Ziel
der Regelung ist die Zuweisung einer solchen Drehzahl der Teilverdichter, daß der
geringste Leistungsaufwand für den Antrieb nötig wird und damit ein Betriebszustand
erreicht wird, bei dem auch die vorhandenen Kennfelder der Einzelverdichter so ausgenutzt
werden können, daß der mittlere Gütegrad der Verdichtung ein Optimum wird. Erfindungsgemäß
erfolgt .demnach die Regelung so, daß das Verhältnis der wirklichen Temperaturerhöhung
des zu verdichtenden Mediums zu derjenigen hei adiabatischer (verlustloser) Verdichtung
möglichst gegen i geht. Die Erfindung betrifft fernerhin eine Regelvorrichtung,
durch die eine genaue Festlegung
der günstigsten Drehzahl der hintereinandergeschalteten
Einzelverdichter unabhängig von dem jeweils geforderten Enddruck erreicht wird.
Dabei wird der Betriebspunkt des im oberen Druckbereich arbeitenden Teilverdichters
durch einen normalen Druckregler mit Drehzahlbegrenzung durch einen Fliehkraftregler
bestimmt. Dieser Druckregler spricht auf einen vorgegebenen Sollwert an, wie er
z. B. bei Drucklufterzeugungsanlagen verlangt wird oder bei Gleichdruckgasturbinenanlagen
als Anfangsdruck für eine geforderte Nutzleistung notwendig ist. Im letzten Falle
können dann die Antriebsmaschinen der Einzelverdichter parallel oder hintereinandergeschaltete
Teilturbinen mit und ohne Zwischenüberhitzung des Arbeitsgases sein.The 1-, Irfitidehmen deals with the regulation of such cascading
Single compressor with separate drive by a prime mover, either
can be an electric motor or a steam turbine or a gas turbine. The goal
the regulation is the assignment of such a speed of the partial compressor that the
lowest power expenditure is required for the drive and thus an operating state
is achieved in which the existing maps of the individual compressors are also used in this way
can be that the average quality of the compression is an optimum. According to the invention
Then the control takes place in such a way that the ratio of the actual temperature increase
of the medium to be compressed to that called adiabatic (lossless) compression
if possible against i. The invention also relates to a control device,
through which a precise definition
the most favorable speed of the series-connected
Single compressor is achieved regardless of the required final pressure.
This is the operating point of the partial compressor working in the upper pressure range
by a normal pressure regulator with speed limitation by a centrifugal regulator
certainly. This pressure regulator responds to a predetermined setpoint, like him
z. B. is required in compressed air generation systems or in constant pressure gas turbine systems
is necessary as the initial pressure for a required useful performance. In the latter case
the drive machines of the individual compressors can then be connected in parallel or in series
Be part of turbines with and without reheating of the working gas.
Uni den optimalen Wert z. B. elektrisch festzustellen, wird die bekannte
Wheatstonesche Brückenschaltung als Meßprinzip für das Verhältnis von elektrischen
Widerständen verwendet. Die wirkliche Temperaturerhöhung der verdichteten Luft gegenüber
dem Ansaugezustand der Umgebung läßt sich leicht mit Hilfe der Temperaturveränderlichkeit
des elektrischen Widerstandes bei Beheizung eines Teilwiderstandes der Brückenschaltung
durch die verdichtete Luft feststellen. Die Umsetzung der dem vorliegenden Druckverhältnis
entsprechenden adiabatischen Temperaturerhöhung der Verdichtungsluft in eine Widerstandsänderung
(als Impuls für einen Regelvorgang innerhalb der Wheatstoneschen Brücke) wird auf
mechanischem Wege über eine Kurvenscheibe einfach verwirklicht. Es geschieht .dies
durch einen Wiegehebel mit Einleitung der wirksamen Drücke vor und 'hinter dem Teilverdichter
als Kräfte senkrecht zur Hebelachse, so daß das Druckverhältnis
als wirksame Hebellänge eines dieser Druckimpulse auftritt. Dies ergibt über eine
Kurvenscheibe mit dem Bildungsgesetz
-i in Abhängigkeit von diesem Weg kinematisch übersetzt eine Auslenkung des Gleitstückes
für den Angriff des Druckimpulses hinter dem Teilverdichter, die auch auf dem entsprechenden
Teilwiderstand der Brücke den elektrischen Widerstand im Verhältnis der adiabatischen
Temperaturerhöhung verändert. Damit ist das für den Gütegrad der Verdichtung maßgebende
Temperaturverhältnis, elektrisch meßtechnlisch erfaßt, an der Wheatstoneschen Brücke
zum Einsatz gebracht. Die Abstimmung der übrigen Widerstände erfolgt im Einklang
mit dem Auslegepunkt der Verdichter, die wohl meistens in nächster Nähe des Wirkungsgradmaximums
liegen werden. Namentlich bei Teillast werden sich für die Einzelverdichter zunächst
Betriebspunkte einstellen, die nicht immer dem bestmöglichen Gesamtwirkungsgrad
entsprechen, und das Relais an der Strombrücke hat dann die Aufgabe über einen Stellmotor
die Drehzahlverstellung der Einzelverdichter, z. B. durch Veränderung der Federvorspannung
der F liehkraftneglermuffe oder durch Verschiebung der Büchse mit den Steuerschlitzen
an druckölgestetierten Servomotoren, so lange zu hetätigen, bis eine möglichst große
Annäherung an die bei Vollast und bestem Gesanttwirkungsgrad in der Brücke abgestimmte
Widerstandsverteilung vorhanden ist, wodurch dann auch die Einzelverdichter mit
den günstigsten Drehzahlen laufen werden. Im Interesse eines guten Gütegrades der
Einzelverdichter kann man zusätzlich Ouerschnittsveränderungen an Leitapparaten,
7_tiströmrolirleitungen der Strömungsmaschine mit 1 11 die Regelung einbeziehen.
Zu erwähnen ist noch, daß bei mehrteiligen Verdichtern ohne Zwischenkühlung die
Anordnung einer Übertragungseinrichtung für die wirkliche Gesamttemperaturerhöhung
sowie für die der Gesamtdrucksteigerung entsprecdliende verlustlose Temperaturerhöhung
genügt, claß aber bei Zwischenkühlung diese Einrichtungen für jeden Verdichterteil
dazwischen notwendig wird. Die Summierung der sich ergebenden Widerstandsänderungen
ist allerdings ohne weiteres möglich. Die Bedeutung dieser Regeleinrichtung nach
der Erfindung tritt besonders bei den großen Verdichtern von Gleichdruckgasturlyinenanlagen
in Erscheinung, bei denen je nach der Frischgastemperatur der Anteil der Verdichtungsarbeit
an der für eine gewisse Nutzleistung aufzubringenden Gesamtarbeit recht groß ist.Uni the optimal value z. B. to determine electrically, is the known Wheatstone bridge circuit used as a measuring principle for the ratio of electrical resistances. The actual temperature increase of the compressed air compared to the state of intake of the environment can easily be determined with the help of the temperature variability of the electrical resistance when a partial resistance of the bridge circuit is heated by the compressed air. The conversion of the adiabatic temperature increase of the compressed air corresponding to the prevailing pressure ratio into a change in resistance (as an impulse for a control process within the Wheatstone bridge) is easily achieved mechanically using a cam. This is done by a rocker lever with the introduction of the effective pressures in front of and behind the partial compressor as forces perpendicular to the lever axis, so that the pressure ratio occurs as the effective lever length of one of these pressure pulses. This results from a cam with the formation law -i kinematically translates as a function of this path a deflection of the sliding piece for the attack of the pressure pulse behind the partial compressor, which also changes the electrical resistance in the ratio of the adiabatic temperature increase on the corresponding partial resistance of the bridge. The temperature ratio, which is decisive for the degree of compaction, is measured electrically and is used at the Wheatstone Bridge. The other resistances are coordinated in accordance with the design point of the compressor, which is likely to be in the immediate vicinity of the maximum efficiency. Particularly at part load, operating points will initially set for the individual compressors that do not always correspond to the best possible overall efficiency. B. by changing the spring preload of the F loan force regulator sleeve or by shifting the bushing with the control slots on pressure-oil controlled servomotors, to hetakt until as close as possible to the resistance distribution coordinated with full load and the best overall efficiency in the bridge is available, which then also the Single compressors will run at the cheapest speeds. In the interest of a good quality level of single compressor can also Ouerschnittsveränderungen of nozzles of the flow machine 7_tiströmrolirleitungen involving control with 1. 11 It should also be mentioned that in multi-part compressors without intermediate cooling, the arrangement of a transmission device for the actual total temperature increase and for the lossless temperature increase corresponding to the total pressure increase is sufficient, but with intermediate cooling these devices are necessary for each compressor part in between. The summation of the resulting changes in resistance is, however, easily possible. The importance of this control device according to the invention is particularly evident in the large compressors of constant pressure gas turbine systems, in which, depending on the fresh gas temperature, the proportion of the compression work in the total work required for a certain useful output is quite large.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von Regelvorrichtungen
nach der Erfindung in schematischer Weise dargestellt, und zwar zeigt Abb. i eine
Regelvorrichtung für zwei hintereinandergeschaltete Verdichter mit elektrischen
Antrieb ohne Zwischenkühlung und Abb.2 eine Regelvorrichtung für zwei hintereinandergeschaltete
'\'erdichter mit Antrieb durch je eine Strömungskraftmaschine mit Zwischenkühlung.In the drawing are two exemplary embodiments of control devices
according to the invention shown in a schematic manner, namely Fig. i shows a
Control device for two compressors connected in series with electrical
Drive without intermediate cooling and Fig. 2 a control device for two series-connected
'\' sealer driven by a fluid flow machine with intermediate cooling.
In Abb. i werden die zwei Verdichter Vi und G'., ohne Zwischenkühlung
des Fördermittels durch zwei Elektromotoren :1l, und jl, angetrieben. Der Förderdruck
p, wird durch den Druckregler i geregelt, der sowohl den Ouerschnitt, wie z. B.
die Klappe 2 am Verdichtereintritt, als auch die Drehzahl des Verdichters VZ über
den Feldregler 3 des Elektromotors M, beeinflußt. Die wirkliche Temperaturerhöhungil-t,
(to=Umgel>ungstemperatur) kann ohne weiteres am Widerstand 1171 der W'heatstonesc'hen
Brücke wirksam werden, wenn derselbe von der verdichteten Luft beheizt wird. Die
der Druckerhöhung
entsprechende verlustlose Temperatursteigerung wird zwecks Übertragung auf den Teilwiderstand
W2 dNer Brücke mittels der Druckdosen für Dpz und Dp, auf den Hebel 4 eingeleitet,
wo das Druckverhältnis im Gleichgewichtsfall als Hebellänge a in Erscheinung tritt.
Am Gleitstück 5 für ,den Angriff von 4., ist eine Abwälzkurve 6 mit dem Bildungsgesetz
-i vorgesehen, durch welche die Auslenkung a am Wiegehehel in eine andere (= b)
verwandelt wird. Jeder Änderung
ist damit eine Änderung von a und b zugeordnet, wobei letztere unmittelbar
als Änderung des Widerstandes W., ausgewertet werden kann. Der Abgleich
sich
ändernder Widerstände W1, W2 im Rahmen der Brückenschaltung erfolgt über das Relais
R in der Strombrücke, welche das Schütz SCH beeinflußt, von wo aus über den
Feldregler 6 in diesem Fall nur die Drehzahl des Elektromotors Ihh eingeregelt wird.
Statt der elektrischen Relais R kann auch ein elektrischer Leistungsregler, ein
Frequenzregler oder ein sogenannter Falirplanregler Verwendung finden.In Fig. I the two compressors Vi and G '., Without intermediate cooling of the conveying means, are driven by two electric motors: 1l, and jl. The delivery pressure p is regulated by the pressure regulator i, which controls both the cross section, such as B. the flap 2 at the compressor inlet, as well as the speed of the compressor VZ via the field controller 3 of the electric motor M influenced. The real temperature increase (to = Umgel> ung Temperatur) can easily become effective at the resistor 1171 of the W'heatstone-like bridge, if it is heated by the compressed air. The pressure increase corresponding lossless temperature increase is initiated for the purpose of transfer to the partial resistance W2 dNer bridge by means of the pressure cells for Dpz and Dp on the lever 4, where the pressure ratio in the case of equilibrium appears as lever length a. On the slider 5 for, the attack of 4., there is a rolling curve 6 with the law of formation -i provided, through which the deflection a at the Wiegehehel is converted into another (= b). Every change is thus associated with a change in a and b , with the latter being able to be evaluated directly as a change in resistance W. The adjustment of changing resistances W1, W2 in the context of the bridge circuit takes place via the relay R in the current bridge, which influences the contactor SCH , from where only the speed of the electric motor Ihh is regulated via the field controller 6 in this case. Instead of the electrical relay R, an electrical power regulator, a frequency regulator or a so-called Falirplan regulator can also be used.
Nach 2 werden die beiden Verdichter Vi und V2 durch die Turbinen TI
und T2 angetrieben, wobei eine Rückkühlung des Fördermittels durch den Kühler K
vorgesehen ist. Die Turbine T2 wird über den Druckregler i i, vorgewählt durch den
Solldruck-,vähler 12 mit einer derartigen Drehzahl gefahren, daß bei gleichzeitiger
Verstellung der Querschnittsregelurig 13 die als Drosselklappe an der Ansaugleitung
angedeutet ist, der geforderte Gegendruck p.2 eingehalten wird. Die Turbine TI hat
eine Drehzahlverstelleinrichtung i.1 durch Veränderung der Nlufenfederspannung am
Fliehkraftregler, die ein Stellmotor 15 betätigt, welcher durch das Schütz 16gesteiiert
wird. Das Schütz 16 erhält seine Steuerimpulse vom Relais 17, an der Wheatstoneschen
Brücke, in welcher sowohl die Teileinflüsse der wirklichen Temperaturerhöhung in
den von der Luft der einzelnen Verdichterteile aufgeheizten Widerständen (li-'i)i
und (lT-'@)., als auch diejenigen der adiabatischen Temperaturerhöhungen in den
übersetzten Widerstandsänderungen an den Teilwiderständen (W2)1 und (W2)2 durch
ßintereinanderschalten addiert werden können. Da bei Gasturbinen sehr einfach mit
der Drehzahlverstellung auch die Brennstoffzufuhr für die vorgeschaltete Brennkammer
oder die Zwischenüberhitzung des Arbeitsmittels in der Turbine entweder unmittelbar
oder mittelbar durch hydraulischen oder elektrischen Servomotor gekoppelt werden
können, lassen sich Leistung und Gasdurchsatz derTurbine damit sehr wesentlich beeinflussen.
lil der Abh.2 ist das für die Antriebsturbine T2 strichpunktiert angedeutet. Die
Brennkammer 8 erhält den Kraftstoff dosiert durch das Ventil 4, das über den Servomotor
io mit Drehzahlverstelleinrichtung i-. verbunden ist.According to FIG. 2, the two compressors Vi and V2 are driven by the turbines TI
and T2 driven, with a recooling of the conveying medium by the cooler K
is provided. The turbine T2 is preselected by the pressure regulator i i
Setpoint pressure, counter 12 driven at such a speed that at the same time
Adjustment of the cross-section regulurig 13 as a throttle valve on the intake line
it is indicated that the required back pressure p.2 is maintained. The turbine TI has
a speed adjustment device i.1 by changing the spring tension on the
Centrifugal governor which actuates a servomotor 15 which is controlled by the contactor 16
will. The contactor 16 receives its control pulses from the relay 17, on the Wheatstone
Bridge in which both the partial influences of the actual temperature increase in
the resistors (li-'i) heated by the air in the individual compressor parts i
and (IT - '@)., as well as those of the adiabatic temperature increases in the
translated changes in resistance at the partial resistances (W2) 1 and (W2) 2
can be added together. As with gas turbines, it is very easy to use
the speed adjustment also the fuel supply for the upstream combustion chamber
or the reheating of the working fluid in the turbine either immediately
or be coupled indirectly by hydraulic or electric servomotor
power and gas throughput of the turbine can be influenced very significantly.
lil the Abh.2 that for the drive turbine T2 is indicated by dash-dotted lines. the
Combustion chamber 8 receives the fuel metered through the valve 4, which is operated by the servomotor
io with speed adjustment device i-. connected is.