EP0222383B1 - Verfahren zur Erfassung von Pumpstössen an Turbokompressoren - Google Patents

Verfahren zur Erfassung von Pumpstössen an Turbokompressoren Download PDF

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EP0222383B1
EP0222383B1 EP86115703A EP86115703A EP0222383B1 EP 0222383 B1 EP0222383 B1 EP 0222383B1 EP 86115703 A EP86115703 A EP 86115703A EP 86115703 A EP86115703 A EP 86115703A EP 0222383 B1 EP0222383 B1 EP 0222383B1
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EP
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signal
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temperature
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compressor
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Wilfried Dipl.-Ing. Blotenberg
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Everllence 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 the pumping medium heats up due to the compression in the compressor, the pumping medium flowing back in the event of a pump surge is hotter than the aspirated pumping 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 surge, in order to take measures to eliminate the pump, e.g. 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.
  • 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 hotter conveying medium flowing back through the impellers mainly affects 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.
  • a difference forming member 5 the temperature difference A T from the detected from the temperature sensors 3 and 4 temperature is formed.
  • 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 to form / dt by the time derivative d A T.
  • a comparator 8 the values of the temperature difference and their time derivative are compared with predetermined limit values ATmax and dmax, 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 an input (+) of a subtraction stage 10b without delay, the other input (-) fed 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 rises with a time delay to the input value in the form of an exponential function.
  • the time constant Ti of this increase is adjustable and determined in the we considerably 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 Ti or the transit 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 of low amplitude have only a slight effect on the output signal, unlike in the case of 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 arrangement 10 for detecting pump surges is adjusted by setting the time constant Ti and the limit value of the limit value stage.
  • the method can also be carried out when other measured variables are recorded, e.g. Throughput, compressor end pressure, compressor suction pressure, power, speed etc. which show a rapid change with a surge.
  • other measured variables e.g. Throughput, compressor end pressure, compressor suction pressure, power, speed etc. which show a rapid change with a surge.
  • the drop in the outlet pressure, the throughput, the power, the axial position of the compressor shaft which is also characteristic of a pump surge, can be detected and fed to the signal processing, the inventive consideration both of the amount of change and the rate of change being used.

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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 Anderung 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 AT 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 dAT/dt zu bilden. In einem Vergleicher 8 werden die Werte der Temperaturdifferenz und ihrer zeitlichen Ableitung mit vorgegebenen Grenzwerten ATmax 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 Anderung des Eingangssignals, das Ausgangssignal in Form einer Exponentialfunktion zeitverzögert auf den Eingangswert ansteigt. Die Zeitkonstante Ti 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 Anderung des Eingangssignals x abhängig. Schnelle Singaländerungen, verglichen mit der Zeitkonstante Ti 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 Ti 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 Anderungsgeschwindigkeit 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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EP0222383A2 EP0222383A2 (de) 1987-05-20
EP0222383A3 EP0222383A3 (en) 1988-01-13
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