EP0222383A2 - Verfahren zur Erfassung von Pumpstössen an Turbokompressoren - Google Patents

Verfahren zur Erfassung von Pumpstössen an Turbokompressoren Download PDF

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EP0222383A2
EP0222383A2 EP86115703A EP86115703A EP0222383A2 EP 0222383 A2 EP0222383 A2 EP 0222383A2 EP 86115703 A EP86115703 A EP 86115703A EP 86115703 A EP86115703 A EP 86115703A EP 0222383 A2 EP0222383 A2 EP 0222383A2
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Wilfried Dipl.-Ing. Blotenberg
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MAN Energy Solutions SE
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MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting pump surges on turbo compressors of the type specified in the preamble of claim 1.
  • a method for detecting pump surges on turbo compressors of the type specified in the preamble of claim 1.
  • the monitored operating variable being the inlet temperature, is known from GB-PS 1 588 945.
  • Pumping is a process in a turbocompressor in which the pumped medium flows back intermittently or periodically from the pressure side to the suction side. This process occurs in operating states with too high a pressure ratio between outlet and inlet pressure or with a too low throughput volume. Since that Pumped medium heated by the compression in the compressor, the pumping medium flowing back in the event of a pump surge is hotter than the pumped pumped medium, so that a pump surge results in a change in the temperature conditions at the compressor inlet; at the same time, the flow, the pressure ratio, the final pressure and the output show a sudden drop.
  • the temperature or other change can be used as an indicator of the presence of a pump surge in order to trigger measures for eliminating the pumping, for example opening a relief valve.
  • the pump cycle of a compressor is relatively short at 0.5 to 2 seconds. With conventional temperature sensors, it is difficult to detect these brief temperature changes. In addition, the daily and seasonal fluctuations in the temperature of the intake air in air compressors or the process-related intake temperature fluctuations in gas compressors interfere. Cooling water temperature and quantity have an influence on intercooled compressors. All of these disturbances can lead to pump impulses not being detected quickly enough or not reliably enough when the operating conditions change, and therefore the countermeasures are not triggered or are triggered too late.
  • GB-PS 1 588 945 it is therefore proposed not to detect the temperature change itself, but rather its rate of change and to generate a trigger signal if it exceeds a predetermined value.
  • another compressor operating size e.g. the paddlewheel position are monitored in order to generate the trigger signal only if a trigger condition is fulfilled for both measured variables. For this it is necessary to make structural changes to the compressor and / or housing in order to position additional sensors in the compressor and to lead the measuring lines to the outside.
  • the object of the invention is to provide a reliable and free of interference method for detecting pump surges, for the application of which no additional structural changes need to be made to the compressor and / or housing.
  • a temperature sensor 3 is arranged in the intake duct 1 of a turbo compressor immediately before the first impeller 2 and another temperature sensor 4 at a somewhat greater distance from the first impeller 2.
  • the backflow through the impellers acts hotter pumped medium mainly on the temperature sensor 3, while the temperature sensor 4, which is further away from the impeller 2, is essentially only exposed to the intake flow and does not experience any change in temperature.
  • the temperature sensor 3 can respond quickly and the temperature sensor 4 can be thermally inert.
  • the temperature difference ⁇ T is formed in a difference-forming element 5 from the temperatures detected by the temperature sensors 3 and 4.
  • the differential element 5 is unnecessary if the temperature sensors 3, 4 are thermocouples which are connected to one another, so that the measurement signal corresponds to the temperature difference.
  • This temperature difference is differentiated in a differentiation stage 7 in order to form the time derivative d ⁇ T / dt.
  • a comparator 8 the values of the temperature difference and their time derivative are compared with predetermined limit values ⁇ T max and d max , and a signal indicating a surge is generated in the output line 9 when the two limit values are exceeded.
  • the measured variable x is delayed one input (+) of a subtraction stage 10b, the other Ren input (-) supplied via a delay element 10a.
  • a delay element of the first order is provided as the delay element 10a, in which, in the event of a sudden change in the input signal, the output signal increases in the form of an exponential function with a time delay to the input value.
  • the time constant T 1 of this increase is adjustable and essentially determines the behavior of the arrangement 10.
  • the signal generated by the subtraction stage 10b is dependent both on the rate of change and on the absolute amount of the change in the input signal x. Rapid signal changes compared to the time constant T 1 or the running time T L have a relatively strong effect on the output signal, slow changes only little. In the steady state, ie with a constant input signal, the output signal is zero. In addition, the output signal is also dependent on the magnitude of the input signal x, since, in the event of rapid changes, it can at most assume the value of the input signal x. Because of this, noise signals have an effect low amplitude also only slightly on the output signal, in contrast to a pure differentiation, in which only the increase in the signal edges is taken into account.
  • a limit value stage 10c is provided after the subtraction stage 10b in order to determine whether the output signal exceeds a predetermined value and, if appropriate, to generate a trigger signal. Small changes have no influence on the output of the limit value stage as long as the amount of the changes lies below the switching threshold of the limit value stage. This makes the change 10 insensitive to measurement noise.
  • the adaptation of the arrangement 10 for detecting pump surges is done by setting the time constant T 1 and the limit value of the limit value step.
  • the method can also be carried out when other measured variables are recorded, for example throughput, compressor end pressure, compressor suction pressure, output, speed, etc., which show a rapid change in the event of a pump surge.
  • other measured variables for example throughput, compressor end pressure, compressor suction pressure, output, speed, etc.
  • the rise in temperature the drop in outlet pressure, throughput, power and the axial position of the compressor shaft, which is also characteristic of a surge, can be detected and the signal processing are supplied, the consideration according to the invention of both the amount of change and the rate of change also being used in these cases.

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Abstract

Zum Erfassen eines Pumpstoßes an einem Turbokompres­sor (1) wird ein Meßsignal, insbesondere die Temperatur am Kompressoreintritt (3) oder die Differenz (3, 4) zwischen in unterschiedlichem Abstand vom Kompressoreintritt ge­messenen Temperaturen, einer Differentiation oder einer gleichwertigen Operation unterworfen und dadurch die Signaländerungsgeschwindigkeit bestimmt. Ein Pump­stoß wird angezeigt, wenn die Änderungsgeschwindigkeit und der Absolutbetrag des Signals über vorgegebenen Wer­ten liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Pumpstößen an Turbokompressoren von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Ein solches Verfahren, wobei die überwachte Betriebsgröße die Eintrittstempe­ratur ist, ist aus GB-PS 1 588 945 bekannt.
  • Als Pumpen bezeichnet man einen Vorgang bei einem Turbo­kompressor, bei welchem stoßweise bzw. periodisch das Fördermedium von der Druckseite zur Saugseite zurück­strömt. Dieser Vorgang tritt bei Betriebszuständen mit zu hohem Druckverhältnis zwischen Aus- und Einlaßdruck bzw. mit zu niedrigem Durchsatzvolumen auf. Da sich das Fördermedium durch die Kompression im Kompressor er­wärmt, ist auch das bei einem Pumpstoß zurückströmende Fördermedium heißer als das angesaugte Fördermedium, so daß ein Pumpstoß eine Änderung der Temperaturverhält­nisse am Kompressoreinlaß zur Folge hat; gleichzeitig zeigt der Durchfluß, das Druckverhältnis, der Enddruck, die Leistung ein schlagartiges Absinken. Die Temperatur- oder sonstige Änderung kann als Indikator für das Vor­liegen eines Pumpstoßes herangezogen werden, um Maß­nahmen zur Beseitigung des Pumpens, z.B. das Öffnen eines Abblaseventils, auszulösen.
  • Der Pumpzyklus eines Kompressors ist mit 0,5 bis 2 Sekun­den relativ kurz. Mit üblichen Temperaturfühlern ist es schwierig, diese kurzzeitigen Temperaturänderungen zu erfassen. Außerdem stören die tages- und jahreszeit­lichen Schwankungen der Temperatur der angesaugten Luft bei Luftkompressoren oder die prozeßbedingten Ansaug­temperaturschwankungen bei Gaskompressoren. Bei zwischen­gekühlten Kompressoren haben Kühlwassertemperatur und -menge einen Einfluß. Alle diese Störeinflüsse können da­zu führen, daß Pumpstöße nicht rasch genug bzw. bei Ände­rung der Betriebsbedingungen nicht zuverlässig genug erfaßt werden und daher auch die Gegenmaßnahmen nicht oder zu spät ausgelöst werden.
  • Gemäß der GB-PS 1 588 945 wird deshalb vorgeschlagen, nicht die Temperaturänderung selbst, sondern deren Änderungsgeschwindigkeit zu erfassen und ein Aus­lösesignal zu erzeugen, wenn sie einen vorgegebenen Wert übersteigt. Zur Vermeidung von Fehlauslösungen kann zusätzlich noch eine andere Kompressorbetriebs­größe, z.B. die Schaufelradstellung, überwacht werden, um das Auslösesignal nur dann zu erzeugen, wenn für beide Meßgrößen eine Auslösebedingung er­füllt ist. Dazu ist es erforderlich, bauliche Ver­änderungen am Kompressor und/oder Gehäuse vorzu­nehmen, um zusätzliche Sensoren im Kompressor zu positionieren und die Meßleitungen nach außen zu führen.
  • Aus der DE-PS 28 28 124 ist es im Rahmen einer innerhalb der Pumpgrenze arbeitenden Kompressorregelung bekannt, zur Ermittlung der Geschwindigkeit einer Signaländerung das Signal einmal unverzögert und einmal verzögert einer Subtraktionsstelle zuzuführen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges und von Störeinflüssen freies Verfahren zur Erfassung von Pumpstößen anzugeben, für dessen Anwendung keine zu­sätzlichen baulichen Veränderungen am Kompressor und/­oder -gehäuse vorgenommen werden müssen.
  • Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen.
  • Durch die Überwachung nicht nur der Temperaturänderungs­geschwindigkeit, sondern zusätzlich auch der absoluten Temperaturänderung werden Fehlauslösungen, die sich ins­besondere durch Rauschen ergeben können, zuverlässig vermieden. Es ergeben sich die Vorteile eines Koinzidenz­verfahrens, ohne daß zusätzliche Meßgrößen ermittelt werden müssen.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeich­nung näher erläutert.
    • Fig. 1 zeigt stark vereinfacht das Schema einer Einrich­tung zur Erfassung von Pumpstößen und zur Er­zeugung eines entsprechenden Signals.
    • Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
  • In Fig. 1 ist im Ansaugkanal 1 eines Turbokompressors ein Temperaturfühler 3 unmittelbar vor dem ersten Laufrad 2 und ein anderer Temperaturfühler 4 in etwas größerer Ent­fernung von dem ersten Laufrad 2 angeordnet. Bei einem Pumpstoß wirkt sich das durch die Laufräder rückströmende heißere Fördermedium hauptsächlich auf den Temperatur­fühler 3 aus, während der vom Laufrad 2 entferntere Temperaturfühler 4 im wesentlichen nur der Ansaugströmung ausgesetzt ist und keine Temperaturänderung erfährt. Zu­sätzlich kann der Temperaturfühler 3 schnell ansprechend und der Temperaturfühler 4 thermisch träge ausgebildet werden.
  • In einem Differenzbildungsglied 5 wird die Temperatur­differenz ΔT aus den von den Temperaturfühlern 3 und 4 erfaßten Temperaturen gebildet. Das Differenzglied 5 ist entbehrlich, wenn die Temperaturfühler 3, 4 Thermoelemen­te sind, die gegeneinandergeschaltet sind, so daß das Meßsignal der Temperaturdifferenz entspricht. In einer Differenzierstufe 7 wird diese Temperaturdifferenz differenziert, um die zeitliche Ableitung dΔT/dt zu bil­den. In einem Vergleicher 8 werden die Werte der Tempe­raturdifferenz und ihrer zeitlichen Ableitung mit vor­gegebenen Grenzwerten ΔTmax und dmax verglichen, und es wird ein einen Pumpstoß anzeigendes Signal in der Aus­gangsleitung 9 erzeugt, wenn die beiden Grenzwerte über­schritten sind.
  • In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform der Er­findung dargestellt. Die Meßgröße x wird einem Eingang (+) einer Subtraktionsstufe 10b unverzögert, dem ande­ ren Eingang (-) über ein Verzögerungsglied 10a zuge­führt. Als Verzögerungsglied 10a ist ein Verzögerungs­glied erster Ordnung vorgesehen, in dem, bei einer sprungförmigen Änderung des Eingangssignals, das Aus­gangssignal in Form einer Exponentialfunktion zeit­verzögert auf den Eingangswert ansteigt. Die Zeit­konstante T₁ dieses Anstieges ist einstellbar und be­stimmt im wesentlichen das Verhalten der Anordnung 10.
  • Natürlich können auch Verzögerungsglieder höherer Ord­nung oder Laufzeitglieder angewendet werden, bei denen das Ausgangssignal dem Eingangssignal um eine Laufzeit TL verzögert folgt.
  • Das von der Subtraktionsstufe 10b erzeugte Signal ist so­wohl von der Änderungsgeschwindigkeit, als auch vom Absolutbetrag der Änderung des Eingangssignals x ab­hängig. Schnelle Singaländerungen, verglichen mit der Zeitkonstante T₁ bzw. der Laufzeit TL wirken sich relativ stark auf das Ausgangssignal aus, langsame Änderungen nur wenig. Im stationären Zustand, d.h. bei konstantem Eingangssignal, ist das Ausgangssignal Null. Zusätzlich ist das Ausgangssignal auch vom Be­trag des Eingangssignals x abhängig, da es, bei schnel­len Änderungen, maximal den Wert des Eingangssignals x annehmen kann. Aufgrund dessen wirken sich Rauschsignale geringer Amplitude auch nur gering auf das Ausgangssig­nal aus, anders als bei einer reinen Differentiation, bei der nur die Steigerung der Signalflanken berück­sichtigt wird.
  • Hinter der Subtraktionsstufe 10b ist eine Grenzwert­stufe 10c vorgesehen, um festzustellen, ob das Aus­gangssignal einen vorgesehenen Wert überschreitet und gegebenenfalls ein Auslösesignal zu erzeugen. Kleine Änderungen haben keinen Einfluß auf den Ausgang der Grenzwertstufe, solange der Betrag der Änderungen unterhalb der Schaltschwelle der Grenzwertstufe liegt. Dadurch wird die Änderung 10 unempfindlich gegen Meß­rauschen.
  • Die Anpassung der Anordnung 10 zur Erfassung von Pump­stößen erfolgt duch Einstellung der Zeitkonstanten T₁ und des Grenzwertes der Grenzwertstufe.
  • Das Verfahren ist auch durchführbar bei Erfassung an­derer Meßgrößen, z.B. Durchsatz, Kompressorenddruck, Kom­pressorsaugdruck, Leistung, Drehzahl etc. die bei einem Pumpstoß eine rasche Änderung zeigen. So kann statt des Temperatur­anstiegs das ebenfalls für einen Pumpstoß charakteristi­sche Absinken des Auslaßdruckes, des Durchsatzes, der Leistung, der Axialposition der Kompressorwelle erfaßt und der Signalverarbeitung zugeführt werden, wobei auch in diesen Fällen die erfindungsgemäße Berücksich­tigung sowohl des Änderungsbetrages als auch der Ände­rungsgeschwindigkeit Anwendung findet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erfassung von Pumpstößen an Tur­bokompressoren, bei dem eine Betriebsgröße überwacht, ein dem Ist-Wert der Betriebsgröße entsprechendes Meß­signal erzeugt, und durch eine die Änderungsgeschwin­digkeit des Meßsignals erfassende Signalverarbeitung ein einen Pumpstoß anzeigendes Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine sowohl die Änderungsgeschwindigkeit als auch den Absolutwert des Meßsignals erfassende und miteinander verknüpfende Signalverarbeitung durchgeführt wird, und daß das Sig­nal nur dann ausgelöst wird, wenn sowohl die Änderungs­geschwindigkeit als auch der Absolutwert der Änderung der Betriebsgröße über je einem vorgegebenen Wert liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß als Betriebsgröße die Temperatur am Kompressoreingang überwacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Meßsignal differenziert und einerseits die gemessene Signaländerung und andererseits das differenzierte Signal jeweils mit vorgegebenen Wer­ten verglichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Meßsignal einmal unverzögert und einmal verzögert einem Subtraktionsglied zugeführt und die Differenz der beiden Signale mit einem vorgege­benen Wert verglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Differenz der Temperaturen an zwei unterschiedlich weit vom ersten Laufrad des Kompressors entfernt liegenden Meßpunkten erfaßt und diese Temperaturdifferenz der Signalverarbeitung unter­worfen wird.
EP86115703A 1985-11-12 1986-11-12 Verfahren zur Erfassung von Pumpstössen an Turbokompressoren Expired - Lifetime EP0222383B1 (de)

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EP0222383A3 EP0222383A3 (en) 1988-01-13
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