EP2350458A1 - Verfahren zum betrieb eines mehrstufigen verdichters - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines mehrstufigen verdichters

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Publication number
EP2350458A1
EP2350458A1 EP09799295A EP09799295A EP2350458A1 EP 2350458 A1 EP2350458 A1 EP 2350458A1 EP 09799295 A EP09799295 A EP 09799295A EP 09799295 A EP09799295 A EP 09799295A EP 2350458 A1 EP2350458 A1 EP 2350458A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
surge limit
stage
measured
variable
limit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09799295A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Winkes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2350458A1 publication Critical patent/EP2350458A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a multi-stage compressor with monitoring of the surge limit in which at least one first measured variable measured during operation is compared with a reference variable, which reference variable is characteristic for reaching the surge limit or a certain distance to the operating point Point limit is.
  • the invention relates to a multi-stage compressor with an evaluation module for monitoring the achievement of the surge limit or a certain distance to the surge line with a measuring device for detecting a first measured variable during operation, which evaluation module is designed such that it compares the first measured variable with a reference variable, which reference variable is characteristic for reaching the surge limit or a certain distance to the surge limit.
  • the surge limit of a compressor designates a transition from an aerodynamically stable to an aerodynamically unstable mode of operation, wherein a stability is understood to mean the flow of a process fluid in the intended flow direction.
  • a turbocompressor therefore requires measures which avoid reaching the surge limit and limit the state of pumping to the shortest possible time periods. Accordingly, the control of a compressor always maintains a defined safety distance to a surge limit of the operating map.
  • a surge limit control valve is provided, which allows a lowering of the pressure at the outlet of the turbocompressor when a certain distance from the surge limit is reached or when the pumping has already taken place.
  • the state of pumping or a close proximity to the pumping limit is characterized by a reduced mass, quantity or volume flow of the process gas to be delivered and with a corresponding pressure ratio across the compressor.
  • Compression path preferably taken after an intermediate cooling and these measures of the determination of a surge limit of the machine are based on the current operating point.
  • the invention has therefore taken on the task of improving a method of the type mentioned in that the operating range of the turbocompressor is increased without compromising safety against pumping.
  • stage means one or more compressor stages, wherein no intermediate cooling is provided within the stage. Intercooling may be provided at the entrance or exit of the stage.
  • stage according to the invention is a compression section - ie a pressure or density increase - which is not interrupted by an intermediate cooling.
  • the position of the surge line between cooled compressors is clearly determined by, for example, suction pressure, suction temperature, recooling temperatures and the positions of adjustable inlet diffusers.
  • Other parameter constellations are also suitable for unambiguously determining the position of the pumping limit.
  • an operating point OP1, OP2 is schematically illustrated by way of the example of a four-stage compressor with adjustable inlet guide devices IGV1, IGV3 in front of a first stage 1 and a third stage 2.
  • Four stages ST1, ST2, ST3, ST4 of a multi-stage compressor 5, of which the first stage 1 and the third stage 3 each have an inlet guide apparatus IGV1, IGV3, are flowed through by a process fluid PF in succession under pressure increase ⁇ pl, ⁇ p2, ⁇ p3, ⁇ p4.
  • the maps of the steps are outlined in four diagrams D1, D2, D3, D4, wherein the abscissa represents a first quantity ⁇ (V), which correlates with a volume flow F, and a second quantity f ( ⁇ pi) is plotted on the ordinate is, which correlates with the pressure increase.
  • the stages ST1, ST3 are each equipped with an inlet guide IGV1, IGV3 and have a map of at least one operating line OPL1 - OPL4 with a function of the angle of attack ⁇ of the inlet guide IGV1, IGV3, whereas those without inlet guide IGV1, IGV3 only one map in Form a single operating line OPL1-OPL5.
  • an intermediate cooling IC1, IC2, IC3, IC4 is respectively provided, by means of which the process gas is cooled in heat exchange with a cooling medium CF.
  • a first specific operating point OP1 is shown here in each of the diagrams D1, D2, D3, D4, which at a specific temperature TCO of the cooling medium CF for cooling the intermediate cooling IC1, IC2, IC3 located between the individual stages 1 to 4 , IC4 yields.
  • TCO specific temperature of the cooling medium CF for cooling the intermediate cooling IC1, IC2, IC3 located between the individual stages 1 to 4 , IC4 yields.
  • the pump limit is ze SL reached. In the other stages, there is still a sufficient distance to the surge line under this operating conditions.
  • the invention avoids such effects by individually considering each individual stage upon reaching the surge limit and accordingly optimizes the utilization of the actually possible operating range without increasing the risk of pumping. It even turns out that the stage-specific monitoring according to the invention offers greater safety against pumping.
  • the pressure measured before the respective stage as the first measured variable.
  • the temperature before the stage can be determined, which increases the accuracy of the location of the surge limit.
  • a particularly favorable embodiment of the invention provides that the volume, mass or mass flow of the process fluid is measured only once along the flow path, preferably at the beginning of the turbocompressor. A higher accuracy and better utilization of the operating range can be achieved if this measurement, which regularly as pressure difference measurement over a throttle is provided, the input or output of each stage is provided.
  • each stage is assigned its own control line, which limits an operating range in which the compressor is operated without pumping, this side spaced to the surge limit.
  • a control line for controlling the opening of a bypass valve or a control line for controlling the surge limit control valve can be assigned to each stage.
  • control line and / or the rule line may be represented as a plot of a relationship between a volume flow or a dimensionless equivalent and the pressure digit or a pressure related equivalent and the control line and / or pressure line increased by a distance to the surge limit by a ratio 1 of the measured volumetric flow or the dimensionless equivalent to that of the surge limit or a ratio smaller than 1 of the measured pressure digit without the pressure-related equivalent to the corresponding value of the surge limit.
  • the advantage of the rule line as a function of dimensionless equivalents lies in the applicability to different operating states.
  • the inventive method uses the one which results in the largest driving range at a certain safety distance to the surge limit. If, for example, the map operating lines has a particularly strong dependence on the pressure or a dimensionless pressure digit, it is expedient to use this as a criterion for the regulation of the surge limit control valve instead of a characteristic flow related characteristic, since in this way the greater driving range of the Machine results.
  • the operating lines of the map additionally a second criterion with a smaller influence on the operating lines, however, based on a small distance to the pumping limit basis for the regulation of the opening position of the surge limit control valve. If there is an error in the application of the first criterion, the pumping is still prevented by means of the second criterion.
  • an adjustment run of the method comprises the following steps: 1. starting the surge limit and 2. measuring state variables at the surge limit, which unambiguously define the surge limit, and thirdly standardizing the measured state variables, then that parameters of a normalized or dimensionless, essentially independent of the operating conditions representation of the surge limit arise.
  • the puncture limit control regulates at least one of the following three control options: a) opening the surge limit control valve and / or b) increasing the speed and / or c) opening the inlet guide vane.
  • a fourth evaluation module which evaluates the fluctuation range of the measured values (in particular the fluctuation range of the inlet pressure and / or the temperature and / or the temperature of the cooling medium) and determines a safety digit as the evaluation result, which determines the distance of the control line (CL) for the surge limit control valve (SLCV) to the surge limit (SL) increases as the range of variation of the measurement increases.
  • FIG. 1 shows the prior art already described at the outset
  • Figure 2 is a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention for operating a multi-stage turbocompressor.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the method according to the invention, applied to a compressor CO with four stages ST1, ST2, ST3, ST4.
  • the reference symbols of FIG. 1 are to be applied to FIG. 2 to designate the same elements (essentially the subject compressor line).
  • the compressor CO has at the first stage ST1 and the third stage ST3 each an adjustable devissleitapparat IGVl, IGV3.
  • an intermediate cooling IC1 to IC4 (the intermediate cooling IC4 of the last stage ST4 is actually an aftercooling, but this distinction is not simplified in the following) is provided.
  • the compressor CO conveys a process gas PG whose volume flow V is determined by means of a differential pressure measurement FT.
  • the input pressure PI1-PI4 is determined by means of a pressure measurement PT.
  • the input temperature TI is determined by means of a temperature measurement TT.
  • the position of the inlet guide device IGV1, IGV3 is measured by means of a position indicator as an angle ⁇ .
  • a surge limit control valve SLCV is arranged which, in the case of pumping, opens controlled by a PI regulator PI to reduce the discharge pressure PO from the compressor CO. All measured values which are to be assigned to a stage ST1 to ST4 are sent to a
  • each stage STl to ST4 is associated with a surge limit control SLCl to SLC4.
  • FIG. 2 shows the surge limit control SLC1 for the first stage ST1 in detail.
  • a position transmitter ZT measures at the inlet guide IGVl the angle ⁇ , which is converted into two characteristic values CP1, CP2 in a first evaluation EVI.
  • the two characteristic values CP1, CP2 are independent of the operating variables, such.
  • Pressure digit ⁇ or the isentropic flow work based on the square of the peripheral speed on the ordinate and the so-called delivery number ⁇ , or the suction-side volume flow V relative to the circumferential speed (the remaining unit m 2 corresponds to the cross-sectional area of the inflow assumed to be constant).
  • the pressure digit ⁇ is referred to in the graph EVI in the diagram as ⁇ and the delivery number as ⁇ -standard.
  • ⁇ SL standard determined. Since the delivery number ⁇ SL standard at the pumping limit still has some dependence on the mansmachiere, as shown in the embodiment, a fine correction EV2 can be provided, in which the ratio ⁇ to ⁇ -standard for a minimum possible medicalsmachiere Mu M m and determines the maximum of the maximum number Mu Max .
  • the output pressure PO determines the isentropic delivery head YS, which, combined with the measured value for the rotational speed N, yields the actual isentropic pressure digit ⁇ , Similarly, the actual number of delivery is determined from the speed and the volume flow V.
  • the surge limit delivery count ⁇ SL and the surge limit pressure value ⁇ SL are provided, which are set in relation to the actual delivery number ⁇ and pressure digit ⁇ , a third evaluation selecting EV3 from these two quotients to the one that has a indicating closer proximity to the surge line and passing it to the evaluation module Min for determining the most critical level ST1, ST2, ST3, ST4. This transfers in the manner described the value of the most critical stage (ST1 to ST4) to the pump position control PIC of the surge limit control valve SLCV.
  • each stage ST1 to ST4 may be assigned its own control line CL, which limits an operating range OA in which the compressor CO is operated without pumping, which is laterally spaced apart from the surge limit SL. It is also shown in FIG. 1 that each stage ST1 to ST4 can be assigned a control line CLI for controlling the opening of the surge limit control valve SLCV, which has an extended operating range EOA in which the compressor CO is operated without pumping, laterally spaced apart from the surge limit SL limited.
  • a fourth evaluation module (EV4) which evaluates the fluctuation range (vario) of the measured values and determines as the evaluation result a safety factor which determines the distance between the control line (CL) for the surge limit control valve (SLCV) and the surge limit (FIG. SL) increases as the fluctuation range of the measurement increases.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mehrstufigen Verdichters (CO) mit einer Überwachung der Pumpgrenze (SL) bei dem mindestens eine während des Betriebs gemessene erste Messgröße mit einer Referenzgröße verglichen wird, welche Referenzgröße charakteristisch für das Erreichen der Pumpgrenze (SL) oder einen bestimmten Abstand des Betriebspunktes (OP1, OP2) zu der Punktgrenze (SL) ist. Daneben betrifft die Erfindung einen mehrstufiger Verdichter. Um den Betriebsbereich zu vergrößern ohne die Sicherheit zu gefährden, wird vorgeschlagen, jede Stufe (ST1 bis ST4) einzeln auf das Auftreten des Pumpens zu überwachen.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines mehrstufigen Verdichters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mehrstufigen Verdichters mit einer Überwachung der Pumpgrenze bei dem mindestens eine während des Betriebs gemessene erste Messgröße mit einer Referenzgröße verglichen wird, welche Re- ferenzgröße charakteristisch für das Erreichen der Pumpgrenze oder einen bestimmten Abstand zu des Betriebspunktes zu der Punktgrenze ist. Daneben betrifft die Erfindung einen mehrstufiger Verdichter mit einem Auswertemodul zur Überwachung des Erreichens der Pumpgrenze oder eines bestimmten Abstands zur Pumpgrenze mit einer Messvorrichtung zum Erfassen einer ersten Messgröße während des Betriebes, welches Auswertemodul derart ausgebildet ist, dass es die erste Messgröße mit einer Referenzgröße vergleicht, welche Referenzgröße charakteristisch für das Erreichen der Pumpgrenze oder einen bestimmten Abstand zur Pumpgrenze ist.
Die Pumpgrenze eines Verdichters bezeichnet einen Übergang von einer aerodynamisch stabilen zu einer aerodynamisch instabilen Betriebsweise, wobei unter einer Stabilität das Strömen eines Prozessfluids in die vorgesehene Strömungsrichtung verstanden wird. Mit dem Eintritt des Pumpens bei einem Verdichter treten beträchtliche Rückströmungen auf, die Druckschwankungen und Temperaturerhöhungen verursachen, welche bereits nach verhältnismäßig kurzer Betriebsdauer in die- sem Zustand zu Schäden führen. Das Erreichen der Pumpgrenze ist - selbst für einen unerfahrenen Betreiber - deutlich wahrnehmbar, da die Druckschwankungen erhebliche Schwingungen verursachen, deren Geräusche den Pegel des üblichen Betriebes übersteigen .
Der Betrieb eines Turboverdichters erfordert daher Maßnahmen, welche das Erreichen der Pumpgrenze vermeiden und den Zustand des Pumpens auf möglichst kurze Zeitabschnitte begrenzen. Dementsprechend hält die Regelung eines Verdichters stets einen definierten Sicherheitsabstand zu einer Pumpgrenze des Betriebskennfeldes. Zusätzlich ist in der Regel ein Pumpgrenzregelventil vorgesehen, das am Austritt des Turbover- dichters ein Absenken des Druckes ermöglicht, wenn ein bestimmter Abstand zu der Pumpgrenze unterschritten wird oder das Pumpen bereits eingetreten ist. Der Zustand des Pumpens beziehungsweise eine enge Nähe zu der Pumpgrenze ist charakterisiert durch einen reduzierten Massen-, Mengen- bezie- hungsweise Volumenstrom des zu fördernden Prozessgases und mit einem korrespondierenden Druckverhältnis über den Verdichter .
Herkömmliche Strategien zur Überwachung der Pumpgrenze bezie- hungsweise zum Vermeiden des Pumpens sind bereits in der DE 27 30 789 C2, der DE 42 02 226 C2 oder der DE 43 16 202 C2 beschrieben. Die dortigen Verfahren sehen z.B. vor, dass ein Eingangsdruck in ein Verhältnis zu einem Ausgangsdruck eines mehrstufigen Verdichters gesetzt wird und ggf. noch ein VoIu- menstrom und eine Temperatur des Prozessgases entlang des
Verdichtungspfades, vorzugsweise nach einer Zwischenkühlung aufgenommen werden und diese Messgrößen der Ermittlung einer Pumpgrenze der Maschine zu dem aktuellen Betriebspunkt zugrunde gelegt werden.
Die Erfahrung zeigt jedoch, dass derartige Ermittlungen ungenau sind und diese herkömmlichen Überwachungsverfahren einen verhältnismäßig großen Sicherheitsabstand zu der Pumpgrenze erfordern, der den zur Verfügung stehenden Betriebsbereich des Turboverdichters ungünstig einschränkt. Wird dieser Sicherheitsbereich verringert, kommt es in bestimmten Betriebs- zuständen zu hohen Belastungen des Turboverdichters in Folge des Pumpens, so dass die mechanische Integrität gefährdet ist .
Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren der eingangs genannten in der Art zu verbessern, dass der Betriebsbereich des Turboverdichters vergrößert wird ohne die Sicherheit gegen das Pumpen zu beeinträchtigen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe schlägt ein Verfahren zum Betrieb eines Turboverdichters der eingangs genannten Art vor, bei dem zusätzlich die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs vorgesehen sind. Daneben wird ein mehrstufiger Verdichter der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Anspruchs 15 vorgeschlagen. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen .
In der Begriffswelt dieser Patentanmeldung bedeutet das Wort Stufe eine oder mehrere Verdichterstufen, wobei innerhalb der Stufe keine Zwischenkühlung vorgesehen ist. Eine Zwischenkühlung kann eingangs oder ausgangs der Stufe vorgesehen sein. Bei der Stufe gemäß der Erfindung handelt es sich um einen Verdichtungsabschnitt - also eine Druck- beziehungsweise Dichteerhöhung - welche nicht von einer Zwischenkühlung un- terbrochen wird.
Die Lage der Pumpgrenze zwischengekühlter Verdichter wird eindeutig durch beispielsweise Saugdruck, Saugtemperatur, Rückkühltemperaturen und die Positionen verstellbarerer Ein- trittsleitapparate bestimmt. Andere Parameterkonstellationen sind ebenfalls geeignet, die Lage der Pumpgrenze eindeutig zu bestimmen .
In der Regel weisen gattungsgemäße Verdichter ein einziges Pumpgrenzregelventil auf, das von einem Pumpgrenzregler angesteuert wird, der in der bisherigen Praxis auf die Erfassung der Rückkühltemperaturen und die Positionen der Leitapparate verzichtet. Meist ist ein Zusammenhang zwischen Enddruck einer Pumpgrenze und Fördermenge in Form der Regellinie für das Pumpgrenzregelventil hinterlegt. Manchmal ist eine Temperaturkorrektur basierend auf theoretischen Vorhersagen über die Veränderung der Gesamtmaschinenpumpgrenze bei verschiedenen Saugtemperaturen vorgesehen. Die Vorteile der Erfindung lassen sich schnell erfassen, wenn Beispiele konkreten Betriebes eines Turboverdichters betrachtet werden.
In der Figur 1 sind hierzu anhand des Beispiels eines vierstufigen Verdichters mit verstellbaren Eintrittsleitapparaten IGVl, IGV3 vor einer ersten Stufe 1 und einer dritten Stufe 2 jeweils ein Betriebspunkt OPl, OP2 schematisch illustriert. Vier Stufen STl, ST2, ST3, ST4 eines mehrstufigen Verdichters 5, von denen die erste Stufe 1 und die dritte Stufe 3 jeweils einen Eintrittsleitapparat IGVl, IGV3 aufweisen, werden von einem Prozessfluid PF nacheinander unter Druckerhöhung Δpl, Δp2, Δp3, Δp4 durchströmt. In vier Diagrammen Dl, D2, D3, D4 sind die Kennfelder der Stufen skizziert, wobei auf der Abszisse eine erste Größe £ (V ) aufgetragen ist, welche mit einem Volumenstrom F korreliert, und auf der Ordinate eine zweite Größe f (Δpi) aufgetragen ist, welche mit der Druckerhöhung korreliert. Die Stufen STl, ST3 sind jeweils mit einem Eintrittleitapparat IGVl, IGV3 ausgestattet und weisen ein Kennfeld aus mindestens einer Betriebslinie OPLl - OPL4 mit einer Abhängigkeit von dem Anstellwinkel α des Eintrittsleitapparats IGVl, IGV3 auf, wohingegen diejenigen ohne Eintrittleitapparat IGVl, IGV3 nur ein Kennfeld in Form einer einzel- nen Betriebslinie OPL1-OPL5 aufweisen. Zwischen den Stufen ST1-ST4 und hinter der letzten Stufe ST4 ist jeweils eine Zwischenkühlung ICl, IC2, IC3, IC4 vorgesehen, mittels welcher das Prozessgas im Wärmetausch mit einem Kühlmedium CF abgekühlt wird. Am Ende mit dem niedrigsten Volumenstrom V und dem höchsten Druck der jeweiligen Betriebslinien OPLl -
OPL4 werden diese durch die Pumpgrenze SL beziehungsweise Pumpgrenzlinie beendet. Beispielhaft ist hier ein erster bestimmter Betriebspunkt OPl, in jedem der Diagramme Dl, D2, D3, D4 eingezeichnet, der sich bei einer bestimmten Temperatur TCO des Kühlmediums CF zur Kühlung von den zwischen den einzelnen Stufen 1 bis 4 befindlichen Zwischenkühlungen ICl, IC2, IC3, IC4 ergibt. In dem dargestellten Betriebspunkt OPl wird in der ersten Stufe STl die Pumpgren- ze SL erreicht. In den übrigen Stufen ist unter diesem Betriebsbedingungen noch ein hinreichender Abstand zu der Pumpgrenze gegeben.
Die gleiche Anordnung mit dergleichen Position der Eintrittsleitapparate IGVl, IGV3 jedoch mit niedrigerer Kühlwassertemperatur TCO wird in einem zweiten Betriebspunkt OP2 gezeigt, so dass die Saugtemperaturen der nach den ersten Stufen nachfolgenden Stufen niedriger als im vorhergehenden Beispiel sind. Unter diesen Bedingungen bestimmt nun die dritte Stufe 3 die Lage der Pumpgrenze SL.
Ähnliche Effekte stellen sich ein, wenn beispielsweise in der Zwischenkühlung ICl- IC4 zwischen der dritten und der vierten Stufe der Kühler verschmutzt ist und die Rückkühltemperatur vor der letzten Stufe höher wird oder die Stellung des beispielsweise zweiten Leitapparats IGVl, IGV3 von der Sollposition abweicht.
Die Erfindung vermeidet durch die individuelle Betrachtung jeder einzelnen Stufe auf das Erreichen der Pumpgrenze hin derartige Effekte und optimiert dementsprechend die Ausnutzung des tatsächlich möglichen Betriebsbereichs ohne das Risiko des Pumpens zu erhöhen. Es zeigt sich sogar, dass die erfindungsgemäß stufenspezifische Überwachung eine höhere Sicherheit gegen das Pumpen bietet.
Zweckmäßig wird als erste Messgröße der Druck vor der jeweiligen Stufe gemessen. Als zweite Messgröße kann die Tempera- tur vor der Stufe ermittelt werden, was die Genauigkeit der Lokalisierung der Pumpgrenze erhöht. Eine besonders günstige Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Volumen-, Massen- oder Mengenstrom des Prozessfluids nur einmal entlang des Strömungspfades, bevorzugt eingangs des Turboverdichters, gemessen wird. Eine höhere Genauigkeit und eine bessere Ausnutzung des Betriebsbereiches lässt sich erreichen, wenn diese Messung, welche regelmäßig als Druckdifferenzmessung über eine Drossel erfolgt, eingangs oder ausgangs jeder Stufe vorgesehen ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jeder Stufe eine eigene Regellinie zugeordnet ist, welche einen Betriebsbereich, in dem der Verdichter ohne zu pumpen betrieben wird, diesseitig beabstandet zu der Pumpgrenze begrenzt. Analog der Regellinie kann eine Steuerlinie zur Steuerung der Öffnung eines Bypassventils beziehungsweise eine Regellinie zur Steuerung des Pumpgrenzregelventils zu jeder Stufe zugeordnet werden.
Zweckmäßig kann die Steuerlinie und/oder die Regellinie sich als eine Auftragung eines Zusammenhangs zwischen einem VoIu- menstrom oder einem dimensionslosen Äquivalent und der Druckziffer oder einem druckbezogenen Äquivalent darstellen lassen und die Regellinie und/oder Drucklinie durch einen Abstand zu der Pumpgrenze durch ein Verhältnis größer 1 des gemessenen Volumenstroms oder des Dimensionslosen Äquivalents zu demje- nigen der Pumpgrenze oder einem Verhältnis kleiner 1 der gemessenen Druckziffer ohne des druckbezogenen Äquivalents zu dem entsprechenden Wert der Pumpgrenze festlegen. Der Vorteil der Regellinie als Funktion dimensionsloser Äquivalente liegt in der Anwendbarkeit auf verschiedene Betriebszustände . Bei einer Auswahl zwischen verschiedenen dimensionslosen Kenngrößen, in denen die Regellinie für das Pumpgrenzregelventil vorliegt, ist es zweckmäßig, wenn das erfindungsgemäße Verfahren diejenige benutzt, welche bei einem bestimmten Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze den größten Fahrbereich ergibt. Weist beispielsweise das Kennfeld Betriebslinien auf mit einer besonders starken Abhängigkeit von dem Druck beziehungsweise einer dimensionslosen Druckziffer ist es zweckmäßig, diese auch als Kriterium für die Regelung des Pumpgrenzregelventils zu benutzen statt einer Volumenstrom bezogenen Kenn- große, da sich auf diese Weise der größere Fahrbereich der Maschine ergibt.
Ein zusätzlicher Sicherheitsgewinn ergibt sich, wenn neben dem Kriterium mit dem stärksten Einfluss auf die Veränderung der Betriebslinien des Kennfeldes zusätzlich ein zweites Kriterium mit einem geringeren Einfluss auf die Betriebslinien jedoch unter Zugrundelegung eines geringen Abstandes zur Pumpgrenze Basis für die Regelung der Öffnungsstellung des Pumpgrenzregelventils ist. Sollte in der Anwendung des ersten Kriteriums ein Fehler vorliegen, wird das Pumpen trotzdem noch mittels des zweiten Kriteriums unterbunden.
Weitere Verbesserungen der Regelgenauigkeit beziehungsweise Ausnutzung des verfügbaren Fahrbereichs ergeben sich, wenn ein Justierlauf des Verfahrens folgende Schritte umfasst: 1. Anfahren der Pumpgrenze und 2. Messung von Zustandsgrößen an der Pumpgrenze, welche die Pumpgrenze eindeutig festlegen, und drittens Normierung der gemessenen Zustandsgrößen, so dass sich Parameter einer normierten beziehungsweise dimensionslosen, im Wesentlichen von den Betriebsbedingungen unabhängigen Darstellung der Pumpgrenze ergeben.
Mit der Feststellung einer engeren Nähe zu der Pumpgrenze ei- ner Stufe regelt die Punpgrenzregelung mindestens eine aus den folgenden drei Steueroptionen: a) Öffnen des Pumpgrenzregelventils und/oder b) Erhöhen der Drehzahl und/oder c) Öffnen des Leitgitters des Eintrittsleitapparates.
Zweckmäßig kann ein viertes Auswertemodul vorgesehen, welches die Schwankungsbreite der Messwerte (insbesondere die Schwankungsbreite des Eintrittsdrucks und/oder der Temperatur und/oder der Temperatur des Kühlmediums) auswertet und als Auswerteergebnis eine Sicherheitsziffer ermittelt, welche den Abstand der Regellinie (CL) für das Pumpgrenzregelventil (SLCV) zur Pumpgrenze (SL) vergrößert, wenn die Schwankungsbreite der Messung zunimmt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung zum besseren Verständnis beschrieben. Neben der beispielhaften Darstellung ergeben sich für den Fachmann weitere - von dem Beispiel abweichende - Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung. Es zeigt:
Figur 1 : den bereits eingangs beschriebenen Stand der Tech- nik,
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines mehrstufigen Turboverdichters.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, angewendet auf einen Verdichter CO mit vier Stufen STl, ST2, ST3, ST4. Die Bezugszeichen der Figur 1 sind auf die Figur 2 zur Bezeichnung der gleichen Elemente (im We- sentlichen der gegenständliche Verdichterstrang) anzuwenden. Der Verdichter CO weist an der ersten Stufe STl und der dritten Stufe ST3 jeweils einen verstellbaren Eintrittsleitapparat IGVl, IGV3 auf. Zwischen den Stufen STl bis ST4 und nach der letzten Stufe ST4 ist jeweils eine Zwischenkühlung ICl bis IC4 ( die Zwischenkühlung IC4 der letzten Stufe ST4 ist eigentlich eine Nachkühlung, diese Unterscheidung wird in der Folge jedoch vereinfachend nicht gemacht) vorgesehen.
Der Verdichter CO fördert ein Prozessgas PG, dessen Volumen- ström V mittels einer Differenzdruckmessung FT ermittelt wird. Eingangs jeder Stufe STl bis ST4 wird der Eingangsdruck PIl - PI4 mittels einer Druckmessung PT ermittelt. Zusätzlich wird auch die Eingangstemperatur TI mittels einer Temperaturmessung TT festgestellt. Die Stellung des Eintrittsleitappa- rates IGVl, IGV3 wird mittels eines Stellungsmessers als Winkel α gemessen. Ausgangs des Verdichters CO ist ein Pumpgrenzregelventil SLCV angeordnet, welches im Fall des Pumpens geregelt von einem PI-Regler PI öffnet, um den Austrittsdruck PO aus dem Verdichter CO zu verringern. Sämtliche Messwerte, die einer Stufe STl bis ST4 zuzuordnen sind, werden an eine
Pumpgrenzregelung SLCl bis SLC4 übermittelt, wobei jeder Stufe STl bis ST4 jeweils eine Pumpgrenzregelung SLCl bis SLC4 zugeordnet ist. Der Ausgang aus der Pumpgrenzregelung SLCl bis SLC4 ist jeweils der Abstand zur Pumpgrenze und ein Auswertmodul MIN bestimmt, das Minimum dieses Abstandes, welches in den Regler PIC (welcher hier als PI-Regler ausgebildet ist) für das Pumpgrenzregelventil SLCV eingegeben wird.
Beispielhaft zeigt die Figur 2 die Pumpgrenzregelung SLCl für die erste Stufe STl im Detail.
Ein Stellungsgeber ZT misst an dem Eintrittsleitapparat IGVl den Winkel α, der in einer ersten Auswertung EVI in zwei Kennwerte CPl, CP2 umgerechnet wird. Die beiden Kennwerte CPl, CP2 sind unabhängig von den betriebsabhängigen Einflussgrößen, wie z. B. Eintrittsdruck PI, Eintrittstemperatur TI, Drehzahl N und Volumen-, Mengen-, Massen-Strom an Prozessgas PG. Im konkreten Beispiel handelt es sich um die sogenannte
Druckziffer ψ beziehungsweise die isentrope Strömungsarbeit, bezogen auf das Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit auf der Ordinate und um die sog. Lieferzahl Φ, beziehungsweise den saugseitigen Volumenstrom V bezogen auf die Umfangsgeschwin- digkeit (die verbleibende Einheit m2 entspricht der als konstant anzunehmenden Querschnittsfläche der Einströmung) . Die Druckziffer ψ ist in der Auswertung EVI in dem Diagramm als ψ und die Lieferzahl als Φ-Norm bezeichnet. Mit der Eingabe des Winkels α in die erste Auswertung EVI wird die Druckziffer der Pumpgrenze SL und der zugehörige normierte Lieferzahl
ΦSL-Norm ermittelt. Da die Lieferzahl ΦSL-Norm an der Pumpgrenze noch eine gewisse Abhängigkeit von der Umfangsmachzahl aufweist, kann, wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, eine Feinkorrektur EV2 vorgesehen werden, in der das Verhältnis Φ zu Φ-Norm für eine minimal mögliche Umfangsmachzahl MuMm und das Maximum der Umfangsmachzahl MuMax ermittelt.
Aus den Messwerten eingangs der ersten Stufe STl für Temperatur und Druck PI und ausgangs der ersten Stufe STl nach der ersten Zwischenkühlung ICl, dem Ausgangsdruck PO die isentrope Förderhöhe YS ermittelt, welche kombiniert mit dem Messwert für die Drehzahl N die tatsächlich vorliegende isentrope Druckziffer ψ ergibt. In ähnlicher Weise wird die tatsächlich vorliegende Lieferzahl aus der Drehzahl und dem Volumenstrom V ermittelt. Mit den Werten aus der Auswertung EVI und der Feinkorrektur EV2 wird schließlich die Pumpgrenzlieferzähl ΦSL und die Pumpgrenzdruckziffer ψSL bereitgestellt, die ins Verhältnis gesetzt werden zu der tatsächlichen Lieferzahl Φ und Druckziffer ψ, wobei eine dritte Auswertung EV3 aus diesen beiden Quotienten denjenigen auswählt, der eine engere Nähe zu der Pumpgrenze angibt und diesen an das Auswertemodul Min zur Ermittlung der kritischsten Stufe STl, ST2, ST3, ST4 übergibt. Dieses übergibt in beschriebener Weise den Wert der kritischsten Stufe (STl bis ST4) an die Pumpstellungsregelung PIC des Pumpgrenzregelventils SLCV.
Wie dies in Figur 1 dargestellt ist, kann jeder Stufe STl bis ST4 eine eigene Regellinie CL zugeordnet sein, welche einen Betriebsbereich OA, in dem der Verdichter CO ohne zu pumpen betrieben wird, diesseitig beabstandet zu der Pumpgrenze SL begrenzt. Auch in Figur 1 gezeigt ist, dass jeder Stufe STl bis ST4 eine Steuerlinie CLI zur Steuerung der Öffnung des Pumpgrenzregelventils SLCV zugeordnet sein kann, welche einen erweiterten Betriebsbereich EOA, in dem der Verdichter CO ohne zu pumpen betrieben wird, diesseitig beabstandet zu der Pumpgrenze SL begrenzt.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein viertes Auswertemodul (EV4) vorgesehen, welches die Schwankungsbreite (vario) der Messwerte auswertet und als Auswerteergebnis eine Sicher- heitsziffer ermittelt, welche den Abstand der Regellinie (CL) für das Pumpgrenzregelventil (SLCV) zur Pumpgrenze (SL) vergrößert, wenn die Schwankungsbreite der Messung zunimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines mehrstufigen Verdichters (CO) mit einer Überwachung des Erreichens der Pumpgrenze oder ei- nes bestimmten Abstands zur Pumpgrenze (SL) bei dem mindestens eine während des Betriebes gemessene erste Messgröße mit einer Referenzgröße verglichen wird, welche Referenzgröße charakteristisch für das Erreichen der Pumpgrenze (SL) oder einen bestimmten Abstand zur Pumpgrenze (SL) ist, dadurch gekennzeichnet, dass a. die mindestens erste Messgröße eingangs jeder Stufe
(STl bis ST4) des Verdichters (CO) gemessen wird, b. mindestens ein Auswertemodul (EV1-EV3) vorgesehen ist, welches jede Stufe (STl, ST2, ST3, ST4) separat auf das Erreichen der Pumpgrenze (SL) oder einen bestimmten Abstand zur Pumpgrenze (SL) überwacht, indem eine für die Stufe (STl, ST2, ST3, ST4) spezifische Referenzgröße mit der stufenspezifischen Messgröße vergleicht, c. bei Erreichen eines bestimmten Abstands zur Pumpgren- ze (SL) der Zustand des Pumpens festgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Messgröße der Eingangsdruck (PI) vor der entsprechenden Stufe (STl bis ST4) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine zweite Messgröße eingangs jeder Stufe gemessen wird, welche Messgröße die Temperatur (TI) vor der entsprechenden Stufe (STl bis ST4) ist, die der Auswertung des Aus- wertemoduls (EV1-EV3) zugeleitet wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine dritte Messgröße der Volumen (V)-, Mengen- oder Massenstrom an Prozessgas (PG) ist.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Volumen (V)-, Mengen- oder Massenstrom des Prozessgases (PG) nur an einer Stelle des Verdichters (CO) ge- messen wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Stufe (STl bis ST4) eine eigene Regellinie (CL) zugeordnet ist, welche einen Betriebsbereich (OA) , in dem der Verdichter (CO) ohne zu pumpen betrieben wird, diesseitig beabstandet zu der Pumpgrenze (SL) begrenzt.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei jeder Stufe (STl bis ST4) eine Steuerlinie (CLI) zur Steuerung der Öffnung eines Pumpgrenzregelventils (SLCV) zugeordnet ist, welche einen erweiterten Betriebsbereich (EOA) , in dem der Verdichter (CO) ohne zu pumpen betrieben wird, diesseitig beabstandet zu der Pumpgrenze (SL) begrenzt.
8. Verfahren nach mindestens Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuerlinie (CLI) und/oder die Regellinie (CL) sich als eine Auftragung eines Zusammenhangs zwischen einem VoIu- menstrom (V) oder einem dimensionslosen Äquivalent und der
Druckziffer (ψ) oder einem druckbezogenen Äquivalent darstellen lässt [lassen] und die Regellinie (CL) und/oder Steuerlinie (CLI) durch einen Abstand zu der Pumpgrenze (SL) durch ein Verhältnis > 1 des Volumenstroms (V) oder des dimensi- onslosen Äquivalents zu demjenigen der Pumpgrenze (SL) zuzuordnen ist [sind] oder ein Verhältnis < 1 der gemessenen Druckziffer (ψ) oder des druckbezogenen Äquivalents zu dem entsprechenden Wert der Pumpgrenze (SL) festgelegt [sind].
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Regellinie (RL) oder die Steuerlinie (CLI) durch das Verhältnis festgelegt ist [sind], welches den größeren Betriebsbereich ergibt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 7, 8, wobei ein Justierlauf des Verdichters (CO) folgende Schritte umfasst:
1. Anfahren der Pumpgrenze (SL),
2. Messen von Betriebsparametern, mittels derer sich die Pumpgrenze (SL) eindeutig festlegen lässt,
3. Ermitteln normierter Kennzahlen, die keine Abhängigkeiten mehr von jeden einzelnen Betriebsparameter haben und der
Pumpgrenze zugeordnet sind,
4. Ablage der ermittelten Kennwerte in der ersten Auswertung
(EVI) .
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der ersten Auswertung (EVI) eine normierte Pumpgrenze (SL) abgelegt ist, die derart normiert ist, dass keine Abhängigkeit von Betriebsvariablen Einflussgrößen besteht.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpgrenze (SL) zu jeder einzelnen Stufe (STl bis ST4) in einem internen Speicher als Druckziffer (ψ) und/oder Lieferzahl (Φ) oder normierte Lieferzahl (ΦNorm) abgelegt ist .
13. Verfahren nach mindesten einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine oder mehrere Stufen (STl bis ST4) einen verstellbaren Eintrittsleitapparat (IGVl, IGV3) aufweisen, dessen Anstellwinkel (α) gemessen wird und in dem internen Speicher die Pumpgrenze (SL) in Abhängigkeit des Anstellwinkels (α) abgelegt ist.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Schritt die Drehzahl (N) und/oder der Anstellwinkel (α) eines Eintrittsleitapparats (IGVl, IGV3) gemessen wird, in einem zweiten Schritt die Pumpgrenze (SL) für jede Stufe (STl bis ST4) als mindestens eine normierte Kenngröße ermittelt wird, die unabhängig vom Eintrittsdruck (PI) und/oder der Eintrittstemperatur (TI) und/oder dem Volumenstrom (V.) und/oder dem Massenstrom (M.) und/oder dem Längenstrom (N.) aus einem internen Speicher abgerufen wird, in einem dritten Schritt der Eintrittsdruck (PI) und /oder die Eintrittstemperatur (TI) und/oder der Volumen- ström (V.) und/oder der Massenstrom (M.) und/oder der Mengenstrom (N.) gemessen wird, in einem vierten Schritt die Pumpgrenze (SL) für jede Stufe (STl bis ST4) und jede normierte Kenngröße anhand der Messung des zweiten Schritts für den Betriebspunkt ermittelt wird und in einem fünften Schritt diejenige Pumpgrenze (SL) aus denjenigen Kenngröße für jede Stufe (STl bis ST4) ermittelt wird, welche den größten Fahrbereich bietet und in einem sechsten Schritt eine Pumpgrenzregelung (SLC) die Pumpgrenze (SL) derjenigen Stufe (STl bis ST4) als
Kriterium festlegt, welche die engste Nähe zum aktuellen Betriebspunkt aufweist.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An- Sprüche, wobei ein viertes Auswertemodul (EV4) vorgesehen ist, welches die Schwankungsbreite (vario) der Messwerte auswertet und als Auswerteergebnis eine Sicherheitsziffer ermittelt, welche den Abstand der Regellinie (CL) für das Pumpgrenzregelventil (SLCV) zur Pumpgrenze (SL) vergrößert, wenn die Schwankungsbreite der Messung zunimmt.
16. Mehrstufiger Verdichter mit einem Auswertemodul zur Überwachung des Erreichens der Pumpgrenze oder eines bestimmten Abstands zur Pumpgrenze (SL) mit einer Messvorrichtung zum Erfassen einer ersten Messgröße während des Betriebes, wel- ches Auswertemodul derart ausgebildet ist, dass es die erste Messgröße mit einer Referenzgröße vergleicht, welche Referenzgröße charakteristisch für das Erreichen der Pumpgrenze oder einen bestimmten Abstand zur Pumpgrenze (SL) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemodul derart ausge- bildet ist, dass a. die erste Messgröße eingangs jeder Stufe (STl bis ST4) des Verdichters (CO) gemessen wird, b. mindestens ein Auswertemodul vorgesehen ist, welches jede Stufe separat auf das Erreichen der Pumpgrenze oder einen bestimmten Abstand zur Pumpgrenze
(SL) überwacht, indem eine für die Stufe spezifische Referenzgröße mit der stufenspezifischen Messgröße vergleicht, c. Eine Variable vorgesehen ist, welche mindestens eine erste Belegung für den Zustand des Pumpens aufweist und bei Erreichen der Pumpgrenze (SL) oder einen bestimmten Abstand zur Pumpgrenze (SL) die Variable mit der ersten Belegung belegt wird.
17. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 15, wobei der Verdichter zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-14 ausgebildet ist.
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