EP3004650A1 - Verfahren zum betrieb eines verdichters und anordnung mit einem verdichter - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines verdichters und anordnung mit einem verdichter

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EP3004650A1
EP3004650A1 EP14728117.4A EP14728117A EP3004650A1 EP 3004650 A1 EP3004650 A1 EP 3004650A1 EP 14728117 A EP14728117 A EP 14728117A EP 3004650 A1 EP3004650 A1 EP 3004650A1
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EP
European Patent Office
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bypass
flow
bfl
compressor
line
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14728117.4A
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 EP3004650A1 publication Critical patent/EP3004650A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves
    • 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
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0223—Control schemes therefor
    • 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 compressor with the following steps:
  • the invention also relates to an arrangement with which the method is feasible.
  • Compressors in particular turbocompressors usually require a bypass line, so that when starting or in operating states with little promotion always a sufficient flow or mass flow or flow or volume flow can be promoted through the compressor in order not to fall below the surge limit.
  • the surge limit - a limit line in the map of the compressor - can only be approximated to a certain safety distance by operating the compressor.
  • a surge limit controller determines a critical proximity to the surge limit in the characteristic map of the compressor and causes it to react accordingly.
  • the opening of a bypass valve in order to relax the gas at an elevated pressure in an outlet line of the compressor, so that it can be fed back on the suction side of the compressor.
  • the compressor in this case usually means a compression unit, which promotes a process gas flow to an elevated pressure.
  • the compressor is also often referred to as a process stage.
  • cooled bypass lines Basically, a distinction is made between cooled bypass lines and uncooled bypass lines.
  • the gas is withdrawn either directly after the last stage of the compressor - before an eventually existing aftercooler - or downstream of a cooler located behind the last stage - so that it is either an uncooled or cooled bypass.
  • a cooler only for the bypass line, so that the outlet of the compressor is uncooled in normal operation with closed bypass line.
  • the uncooled bypass is mainly used on media with a pronounced Joule-Thomson effect. By throttling in the bypass valve, the temperature of the medium decreases, so that additional cooling of the blown amount of these gases is often not required. The amount is dependent on the final pressure.
  • the suction temperature of the compressor changes regularly when a bypass valve is opened.
  • the invention has set itself the task of eliminating the above-described problems with the surge limit control and the opening of the bypass valve and thus to give the compressor a higher availability.
  • the solution according to the invention provides a method of the aforementioned type with the additional characterizing features of claim 1.
  • an arrangement according to the independent device claim is proposed.
  • the first bypass flow, the second bypass flow and a mixture of the two bypass flows are controllable according to the invention, so that an advantageous condition for the intake condition of the compressor. te temperature can be set. In this way, in addition to the avoidance of pumping, an efficiency optimization of the overall system can take place with the aid of the surge limit controller. Since a bypass station according to the invention regularly by means of valves the size of the first bypass stream, the second
  • An advantageous development of the invention provides that the operating parameters of the compressor for controlling the supply of the first bypass current and / or the second
  • Bypass flow or the temperature of the second bypass flow or the temperature of a mixture of the first bypass flow and the second bypass flow or the mass flow of the first bypass flow or the mass flow of the second bypass flow or the chemical composition of the intake flow or the chemical composition of the first bypass flow or the chemical composition of the second Bypass current or a speed of the compressor or a pressure ratio or a pressure ratio of the compressor can be.
  • a combination of the aforementioned parameters is the basis for the control of the supply line of the first bypass flow or the second bypass flow.
  • Bypass flow and / or the second bypass flow configured such that the intake flow into the inlet of the compressor after supplying the first bypass flow and / or the second bypass flow approaches a first set temperature.
  • Bypass flow or a mixture thereof and a thermodynamic in the control of the resulting temperature in the inlet of the compressor Furthermore, it is conceivable for the first bypass flow and the second bypass flow or a mixture of the two bypass flows to be released before entry into the intake flow by means of a valve or another throttle and the resulting Joule-Thomson effect from the control algorithm of the control is taken into account as a temperature change, so that temperature measurements upstream of this expansion valve or of this expansion throttle are sufficient to determine the temperature of the supply line of the bypass flow into the intake flow with sufficient accuracy.
  • a regulation of the process fluid is stored in the control.
  • the mass flow of the first bypass flow and / or the second bypass flow and / or a mixture of the two bypass flows - for example by means of a differential pressure measurement via a throttle - and to forward this measured value to the control of the bypass station, so that the sum of bypass streams fed into the intake stream as a function of their temperature and composition leads to the desired thermodynamics, in particular to the desired temperature of the intake stream entering the compressor.
  • the control bypass valves it is the task of the control bypass valves to adjust the first bypass flow, the second bypass flow and / or a mixture of the two
  • FIG. 1 shows a basic schematic representation of a flowchart of an arrangement according to the invention or a method, in each case a more specific exemplary embodiment of the invention as a schematic flow diagram, a simplified schematic representation of the logic of the controller for controlling the
  • FIGS. 1 to 5 each show a schematic flow diagram of an arrangement according to the invention for illustration of the invention inventive method.
  • FIG. 1 is somewhat more general in the description of the invention.
  • FIG. 6 shows a logic diagram for the exemplary illustration of the method according to the invention for the example of an arrangement according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows an inventive arrangement with a compressor CO, which is shown here by way of example with a stage STI, which compresses a suction flow MF to an outlet flow VF, wherein the compressor CO is cooled by means of an intermediate cooling IC.
  • a cooler COL On the outlet side of the compressor CO is a cooler COL, which cools the compressed outlet flow VF or a partial flow thereof.
  • FIG. 1 shows two different alternatives ALT1, ALT2, how the compressed fluid of the outlet flow is to be supplied to any subsequent consumer. In the first alternative ALTl, any consumer CON receives exclusively cooled outlet flow VF, the second alternative ALT2 providing that the consumer CON receives uncooled outlet flow VF.
  • a flap valve CV is provided on the output side prior to the connection of a consumer CON, so that the arrangement can be disconnected by the consumer, for example when it is at a standstill.
  • Bypassstation a first bypass flow BFl supplied by means of a first bypass line BLl. Downstream of the radiator COL of the bypass station BS, a second bypass stream BF2 means a second bypass line BL2 supplied.
  • the bypass station BST controls the amount of the bypass flows BF2, BF2 depending on operating parameters of the compressor and passes the first bypass flow BFl and the second bypass flow BF2 - here as a mixture through a third bypass line BL3 as a mixed third bypass flow BF3 upstream of the inlet IN of the compressor CO the Intake flow MF too.
  • a controller CU controls the bypass station BST in such a way that, depending on operating parameters of the compressor CO, a specific bypass flow or supply line of the first bypass flow BF1 and of the second bypass flow BF2 takes place in each case.
  • the main objective of the control is to prevent the state of pumping the compressor CO.
  • the controller can also serve to improve the efficiency.
  • the compressor CO there has an inlet guide IGV in the region of the inlet IN.
  • the inlet guide IGV allows the adjustment of inlet guide vanes such that a certain inflow angle l of the intake flow MF takes place in the first stage STl of the compressor CO.
  • the compressor CO has two intermediate cooling circuits IC1, IC2, which are arranged between the first stage ST1 and a second stage ST2 or the second stage ST2 and a third stage ST3. Downstream of the third stage ST3 is the outlet EX of the compressor CO, where the compressed outlet stream VF is introduced into an outlet line EXL. Upstream of the following cooler COL is possibly.
  • a second bypass flow BF2 is fed by means of a second bypass line BL2 to a surge limit valve PGV or to the second bypass valve BV2 of the bypass valves BV, which controls the supply of this cold bypass flow to a mixer MX, in which the two bypass flows BF1, BF2 with each other be mixed.
  • a surge limit controller ASC of a control unit CU of the bypass station BST signals a ratio calculator PCU the specifications for controlling the supply line of the bypass currents BF1, BF2, which ratio computer PCU controls the bypass valves BV accordingly.
  • Control of the supply line takes place in dependence on operating parameters of the compressor CO in a broader sense.
  • the temperatures are measured by means of temperature measuring points, wherein the temperature of the intake flow by means of a first temperature measuring point TTl, the temperature of the outlet flow VF by means of a second temperature measuring point TT2, the temperature of the third bypass flow BF3 by means of a third temperature measuring point TT3 and optionally the temperature downstream of Cooler COL is measured by means of a fourth temperature measuring point TT4.
  • the pressure of the intake flow is determined by means of a first pressure measuring point PT1 and the pressure of the outlet flow VF is determined by means of a second pressure measuring point PT2.
  • FIG. 3 shows that the first bypass flow BF1 and the second bypass flow BV2 are fed directly to a first bypass valve BV2 designed as a 3-way proportional valve, which is directly controlled by the ratio calculator PCU.
  • the total amount of the resulting third bypass flow BV3 is set by the second bypass valve BV2, which is controlled by the surge limit regulator ASC.
  • the 3-way proportional valve or mixing valve builds in this arrangement no significant pressure and can therefore be designed inexpensively in flap construction.
  • a third non-return valve CV3 is downstream
  • the first bypass valve BV1 would be provided in the second bypass line BL2, so that the outlet flow VF does not flow to the pressure-side process while bypassing the cooler COL through the first bypass valve BV1.
  • FIG. 4 Another alternative is shown in Figure 4, in which instead of a mixing valve in the second bypass line BL2 designed as a control valve first bypass valve BVl is provided in the first bypass line BLl, which the first bypass flow BFl in one of the ratio calculator PCU controlled proportion of the second bypass current BF2 admixed before the mixture is supplied to the second bypass valve BV2, which relaxes the resulting third bypass flow in the third bypass line BL3 controlled by the surge limiter ASC.
  • first bypass valve BVl instead of a mixing valve in the second bypass line BL2 designed as a control valve first bypass valve BVl is provided in the first bypass line BLl, which the first bypass flow BFl in one of the ratio calculator PCU controlled proportion of the second bypass current BF2 admixed before the mixture is supplied to the second bypass valve BV2, which relaxes the resulting third bypass flow in the third bypass line BL3 controlled by the surge limiter ASC.
  • the outlet flow VF in front of the radiator COL is at a slightly higher pressure than downstream of the radiator, so that when the first bypass valve BV1 is partially open, still some of the warm first bypass flow enters the first bypass line BL1 .
  • this effect can be additionally supported by selecting a smaller cross-section for the part of the second bypass line BL2 between the tap behind the cooler COL and the junction of the warmer first bypass flow BV1, or by installing a screen.
  • FIG. 5 A further modification of the system is shown in FIG. 5, in which a first orifice TH1 causes a certain back pressure in the second bypass line BL2.
  • the measurement of a differential pressure PDT via the first orifice TH1 makes it possible for the ratio calculator PCU to set the first bypass valve BV1, which is also designed here as a mixing valve, such that at the third temperature measuring point TT3 in the third bypass line BL3 downstream of the second
  • FIG. 6 shows the mode of operation of the controller CU with the ratio calculator PCU and the surge limit regulator ASC.
  • the diagram shown there refers to the interconnection according to the FIG. 2.
  • a first module IZHGV calculates the resulting first temperature THl of the isenthalpic state change in the first bypass valve BV1.
  • a second module IZPGV of the ratio calculator calculates from the fourth temperature TT4, as a result of the second pressure measurement PT2 and the result of the first pressure measurement PT1, a second temperature TP as a result of the relaxation of the second bypass flow as a consequence of an isenthalpic state change in the second bypass valve BV2.
  • the proportion a is multiplied by the signal X of the surge limit controller ASC for the position of the second bypass valve BV2.
  • the difference of the proportion a to 1 is multiplied by the signal X of the surge limit regulator ASC and used as a setpoint for the opening of the first bypass valve BVl.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verdichters (CO) und eine entsprechende Anordnung. Um Probleme des Standes der Technik zu beseitigen, wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: - Zuleitung eines Ansaugstroms (MF) in einen Einlass (IN) des Verdichters (CO), - Verdichten des Ansaugstroms (MF) mittels des Verdichters (CO) zu einem Auslassstrom (VF),- Einleitung mindestens eines ersten Teilstroms des Auslassstroms (MF) in eine Bypassstation (BS) als ersten Bypassstrom (BF1), - Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BF1) aus der Bypassstation (BS) in den Einlass (IN) des Verdichters (CO) in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters (CO), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Kühlen von zumindest einem zweiten Teilstrom des Ansaugstroms (MF), - Steuerung der Zuleitung des gekühlten zweiten Teilstroms als zweiten Bypassstrom (BF2) in den Einlass (IN) des Verdichters (CO) in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters (CO).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Verdichters und Anordnung mit einem Verdichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verdichters mit den folgenden Schritten:
- Zuleitung eines Ansaugstroms in einen Ein-lass des Verdichters ,
- Verdichten des Ansaugstroms mittels des Verdichters zu einem Auslassstrom,
- Einleitung mindestens eines ersten Teilstroms des Auslassstroms in eine Bypassstation als ersten Bypassstrom,
- Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms aus der Bypassstation in den Einlass des Verdichters in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Kühlen von zumindest einem zweiten Teilstrom des Ansaugstroms ,
- Steuerung der Zuleitung des gekühlten zweiten Teilstroms als zweiten Bypassstrom in den Einlass des Verdichters in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters. Daneben betrifft die Erfindung auch eine Anordnung, mit der das Verfahren durchführbar ist.
Verdichter, insbesondere Turboverdichter benötigen in der Regel eine Bypassleitung, damit beim Anfahren oder in Betriebs- zuständen mit wenig Förderung stets eine ausreichender Strom bzw. Massenstrom oder Mengenstrom bzw. Volumenstrom durch den Verdichter gefördert werden kann, um die Pumpgrenze nicht zu unterschreiten. Im Zustand des Pumpens treten im Verdichter besonders hohe Schwingungen auf, die eine Zerstörung der Maschine zur Folge haben können. Deswegen ist die Pumpgrenze - eine Grenzlinie im Kennfeld des Verdichters - nur bis zu ei- nem bestimmten Sicherheitsabstand durch den Betrieb des Verdichters anzunähern. Ein Pumpgrenzregler stellt hierbei gegebenenfalls eine kritische Nähe zu der Pumpgrenze im Kennfeld des Verdichters fest und veranlasst bei entsprechender Annä- herung die Öffnung eines Bypassventils , um das auf einem erhöhtem Druck befindliche Gas in einer Auslassleitung des Verdichters zu entspannen, so dass es auf der Saugseite des Verdichters wieder eingespeist werden kann. Der Verdichter be- deutet hierbei in der Regel ein Verdichtungsaggregat, welches einen Prozessgasstrom auf einen erhöhten Druck fördert. Der Verdichter wird auch häufig als Prozessstufe bezeichnet.
Grundsätzlich wird zwischen gekühlten Bypassleitungen und un- gekühlten Bypassleitungen unterschieden. Das Gas wird entweder direkt hinter der letzten Stufe des Verdichters entnommen - also vor einem gegebenenfalls vorhandenen Nachkühler - oder stromabwärts eines hinter der letzten Stufe befindlichen Kühlers - so dass es sich entweder um einen ungekühlten oder ge- kühlten Bypass handelt. Daneben gibt es auch die Möglichkeit, nur für die Bypassleitung einen Kühler vorzusehen, so dass der Auslass des Verdichters im Regelbetrieb bei geschlossener Bypassleitung ungekühlt ist. Der ungekühlte Bypass wird hauptsächlich bei Medien mit ausgeprägtem Joule-Thomson-Effekt verwendet. Durch die Drosselung im Bypassventil sinkt die Temperatur des Mediums ab, so dass eine zusätzliche Kühlung der umgeblasenen Menge bei diesen Gasen häufig nicht erforderlich ist. Der Betrag ist ab- hängig von dem Enddruck. Regelmäßig verändert sich mit dem Öffnen eines Bypassventils die Saugtemperatur des Verdichters. Diese Veränderung hat einen Einfluss auf das Kennfeld des Verdichters, insbesondere auf die erste Stufe des Verdichters. Wenn der Ansaugstrom kälter und „schwerer" wird, vergrößert sich das erzielbare Druckverhältnis. Eine Erhöhung der Temperatur und eine Verringerung des Molekulargewichts haben einen entgegengesetzten Effekt. In Folge der geänderten Charakteristik der ersten Stufe verändert sich auch die Abstimmung der Stufen unter einander. Hierbei kommt es zu Prob- lernen mit der Regelung, so dass teilweise garantierte Betriebspunkte unter Umständen nicht mehr darstellbar sind. Ein besonders kritisches Problem ergibt sich dadurch, dass durch Öffnen des Bypassventils die Temperatur des Ansaugstroms steigen kann und in Folge dessen sich der Betriebspunkt des Verdichters weiter in Richtung der Pumpgrenze bewegt, was eine Vergrößerung der Bypassventilöffnung über den Pumpgrenz- regier zur Folge haben kann. Der sich somit selbst verstär- kende Vorgang führt dazu, dass die gesamte Förderung des Verdichters in den Bypass geleitet wird. Eine derartige
Mitkopplung ist unerwünscht.
Aus der JP 2003 287 299 A und der US 2011/0048046 A 1 sind bereits Turboverdichter mit Bypässen bekannt, die im Falle des Pumpens genutzt werden können, den kritischen Betriebszustand zu verlassen.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die oben be- schriebenen Probleme mit der Pumpgrenzregelung und der Öffnung des Bypassventils zu beseitigen und somit dem Verdichter eine höhere Verfügbarkeit zu verleihen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht ein Verfahren der eingangs genannten Art vor mit den zusätzlichen kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Daneben wird eine Anordnung gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch vorgeschlagen.
Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteil- hafte Weiterbildungen der Erfindung. Ein Verdichter gemäß der Erfindung wird auch häufig als Prozessstufe bezeichnet, welche Prozessstufe regelmäßig mehrere Stufen bzw. Laufräder aufweist. Während die Erfindung für die Anwendung bei Turboverdichtern bevorzugt ist, ist grundsätzlich ein Einsatz bei Kolbenmaschinen auch möglich. Die Erfindung ermöglich eine schnelle Regelung der thermodynamisehen Parameter des
Bypassstroms - insbesondere der Temperatur - so dass eine ungünstige Veränderung der entsprechenden thermodynamisehen Parameter des Ansaugstroms durch die Zuleitung des Bypassstroms - wie im Stand der Technik - ausgeschlossen ist. Der erste Bypassstrom, der zweite Bypassstrom und ein Gemisch aus den beiden Bypassströmen sind erfindungsgemäß regelbar, so dass sich eine für die Ansaugbedingung des Verdichters vorteilhaf- te Temperatur einstellen lässt. Auf diese Weise kann auch neben dem Vermeiden des Pumpens eine Wirkungsgradoptimierung der Gesamtanlage mit Hilfe des Pumpgrenzreglers erfolgen. Da eine erfindungsgemäße Bypassstation regelmäßig mittels Venti- len die Größe des ersten Bypassstroms, des zweiten
Bypassstroms und eines Gemischs der beiden Bypassströme einstellt, ist eine schnelle Reaktion auf thermische Anforderungen des Verdichtungsprozesses möglich. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Betriebsparameter des Verdichters zur Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms und/oder des zweiten
Bypassstroms die Temperatur des Ansaugstroms stromaufwärts oder stromabwärts der Zuleitung des ersten Bypassstroms und des zweiten Bypassstroms oder die Temperatur des ersten
Bypassstroms oder die Temperatur des zweiten Bypassstroms oder die Temperatur einer Mischung des ersten Bypassstroms und des zweiten Bypassstroms oder der Massenstrom des ersten Bypassstroms oder der Massenstrom des zweiten Bypassstroms oder die chemische Zusammensetzung des Ansaugstroms oder die chemische Zusammensetzung des ersten Bypassstroms oder die chemische Zusammensetzung des zweiten Bypassstroms oder eine Drehzahl des Verdichters oder eine Druckkennziffer oder ein Druckverhältnis des Verdichters sein kann. Daneben ist es auch möglich, dass eine Kombination der vorgenannten Parameter die Basis für die Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms oder des zweiten Bypassstroms ist. Die chemische Zusammensetzung der Bypassströme sind hierbei insbesondere zweckmäßig als Regelungsbasis, weil sich der Auslassstrom aus dem Verdichter nach Kühlung häufig thermodynamisch im Zweiphasengebiet befindet und bei einer entsprechenden Kühlung flüssige Bestandteile ausfallen können, so dass der Auslassstrom eine andere chemische Zusammensetzung haben kann als der Ansaugstrom des Verdichters. Diese Differenz kann einen signifikanten Einfluss auf das Kennfeld des Verdichters bei Zuleitung des Bypassstroms in den Ansaugstrom haben. Handelt es sich bei dem Prozessmedium bzw. Ansaugstrom beispielsweise um feuchte Luft oder feuchtes Kohlendioxid kann der
Bypassstrom signifikant trockener sein als der Ansaugstrom.
Zweckmäßig ist die Steuerung der Zuleitung des ersten
Bypassstroms und/oder des zweiten Bypassstroms derart konfiguriert, dass der Ansaugstrom in den Einlass des Verdichters nach Zuleitung des ersten Bypassstroms und/oder des zweiten Bypassstroms sich an eine erste Solltemperatur annähert.
Hierbei können entsprechende direkte Temperaturmessungen des Ansaugstroms des Verdichters im Einlass zu Grunde gelegt werden. Andere Möglichkeiten ergeben sich durch die Temperaturmessung des Ansaugstroms vor der Zuleitung des Bypassstroms und der Messung des ersten Bypassstroms oder zweiten
Bypassstroms oder eines Gemischs daraus und einer in der Steuerung erfolgenden thermodynamisehen Berechnung der resultierenden Temperatur im Einlass des Verdichters. Weiterhin ist es denkbar, dass der erste Bypassstrom und der zweite Bypassstrom oder ein Gemisch aus den beiden Bypassströmen mittels eines Ventils oder einer sonstigen Drossel vor Ein- tritt in den Ansaugstrom entspannt und der sich daraus ergebende Joule-Thomson-Effekt von dem Regelalgorithmus der Steuerung als Temperaturveränderung berücksichtigt wird, so dass Temperaturmessungen stromaufwärts dieses Entspannungsventils bzw. dieser Entspannungsdrossel ausreichend sind, die Tempe- ratur der Zuleitung des Bypassstroms in den Ansaugstrom ausreichend präzise zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist in der Regelung eine Zustandsgieichung des Prozessfluids hinterlegt.
Daneben mag es zweckmäßig sein, den Massenstrom von dem ers- ten Bypassstrom und/oder dem zweiten Bypassstrom und/oder eines Gemischs der beiden Bypassströme - beispielsweise mittels einer Differenzdruckmessung über eine Drossel - zu bestimmen und diesen Messwert der Steuerung der Bypassstation zuzuleiten, so dass die in den Ansaugstrom zugeleitete Summe an Bypassströmen in Abhängigkeit von deren Temperatur und Zusammensetzung zu der gewünschten Thermodynamik, insbesondere zu der gewünschten Temperatur des in den Verdichter eintretenden Ansaugstroms führt. Im Wesentlichen ist es die Aufgabe der Steuerung Bypassventile zur Einstellung des ersten Bypassstroms , des zweiten Bypassstroms und/oder einer Gemischs der beiden
Bypassströme zu steuern auf Basis der gemessenen thermodyna- mischen Parameter der verschiedenen Bypassströme bzw. des Ansaugstroms .
Besonders zweckmäßig ist eine Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms und/oder des zweiten Bypassstroms derart, dass der Ansaugstrom sich an einen Sollwert des Produkts aus der spezifischen Gaskonstante des Ansaugstroms, dem Realgasfaktor des Ansaugstroms und der Temperatur des Ansaugstroms nach der Zuleitung der Bypassströme annähert. Die spezifische Gaskonstante des Ansaugstroms ist hierbei abhängig von der
Zusammensetzung des Ansaugstroms, wobei der Realgasfaktor abhängig ist von der Zusammensetzung des Ansaugstroms, dem Druck des Ansaugstroms und der Temperatur des Ansaugstroms . Die entsprechenden Zustandsgleichungen zur Ermittlung dieser thermodynamisehen Parameter können bevorzugt in der erfindungsgemäßen Steuerung implementiert sein.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen: eine grundsätzliche schematische Darstellung eines Flussdiagramms einer Anordnung gemäß der Erfindung bzw. eines Verfahrens, jeweils ein spezielleres Ausführungsbeispiel der Erfindung als schematisches Flussdiagramm, eine vereinfachte schematische Darstellung der Logik des Reglers zur Steuerung der
Bypassstation nach Fig. 2.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen jeweils ein schematisches Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 1 ist hierbei etwas allgemeiner in der Wiedergabe der Erfindung. Die Figur 6 zeigt ein Logikschema zur beispielhaften Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens für das Beispiel einer Anordnung ge- mäß der Figur 2.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Verdichter CO, der hier beispielhaft mit einer Stufe STl dargestellt ist, der einen Ansaugstrom MF zu einem Auslassstrom VF verdichtet, wobei der Verdichter CO zwischengekühlt ist mittels einer Zwischenkühlung IC. Auslassseitig des Verdichters CO befindet sich ein Kühler COL, der den verdichteten Auslassstrom VF bzw. einen Teilstrom davon kühlt. Die Figur 1 zeigt zwei unterschiedliche Alternativen ALTl, ALT2 , wie das verdichtete Fluid des Auslassstroms einem etwaigen nachfolgenden Verbraucher zuzuführen ist. In der ersten Alternative ALTl empfängt ein etwaiger Verbraucher CON ausschließlich gekühlten Auslassstrom VF, wobei die zweite Alternative ALT2 vorsieht, dass der Verbraucher CON ungekühlten Auslassstrom VF empfängt. Bei beiden Alternativen ALTl, ALT2 ist jeweils ausgangsseitig vor dem Anschluss eines Verbrauchers CON ein Klappenventil CV vorgesehen, so dass die Anordnung von dem Verbraucher - beispielsweise bei einem Stillstand - getrennt werden kann. Die Patentanmeldung sieht vor, dass Bauteile mit gleicher Funktion teilweise mit identischen Bezugszeichen versehen sind. In den unterschiedlichen Figuren bedeuten identische Bezugszeichen, dass die Bauteile identisch sind bzw. die gleiche Funktion haben. Dies wird im Folgenden nicht für jede Figur im Einzelnen wiederholend erläutert.
Die Anordnungen gemäß Figur 1 und der Figuren 2 - 5 weisen jeweils eine Bypassstation BST auf, die Teilströme des verdichteten Auslasstroms VF aus dem Auslass EX des Verdichters CO abzapft. Eine Auslassleitung EXL des Verdichters CO weist den Kühler COL auf. Stromaufwärts des Kühlers COL wird der
Bypassstation ein erster Bypassstrom BFl mittels einer ersten Bypassleitung BLl zugeführt. Stromabwärts des Kühlers COL wird der Bypassstation BS ein zweiter Bypassstrom BF2 mittels einer zweiten Bypassleitung BL2 zugeführt. Die Bypassstation BST steuert die Menge der Bypassströme BF2 , BF2 in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters und leitet den ersten Bypassstrom BFl und den zweiten Bypassstrom BF2 - hier als Gemisch durch eine dritte Bypassleitung BL3 als vermischten dritten Bypassstrom BF3 stromaufwärts des Einlass IN des Verdichters CO dem Ansaugstrom MF zu. Eine Steuerung CU steuert die Bypassstation BST derart, dass in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters CO jeweils eine bestimmte Bypassströmung bzw. Zuleitung des ersten Bypassstroms BFl und des zweiten Bypassstroms BF2 erfolgt. Die Hauptzielsetzung der Steuerung ist hierbei den Zustand des Pumpens des Verdichters CO zu verhindern. Optional kann die Steuerung auch der Wirkungsgradverbesserung dienen.
In den Figuren 2 bis 5 ist die Anordnung und das Verfahren jeweils etwas detaillierter als in Figur 1 dargestellt. Der dortige Verdichter CO weist einen Eintrittsleitapparat IGV im Bereich des Einlasses IN auf. Der Eintrittsleitapparat IGV erlaubt die Verstellung von Eintrittsleitschaufeln derart, dass ein bestimmter Einströmwinkel l des Ansaugstroms MF in die erste Stufe STl des Verdichters CO stattfindet. Der Verdichter CO weist zwei Zwischenkühlungen IC1, IC2 auf, die zwischen der ersten Stufe STl und einer zweiten Stufe ST2 bzw. der zweiten Stufe ST2 und einer dritten Stufe ST3 angeordnet sind. Stromabwärts der dritten Stufe ST3 befindet sich der Auslass EX des Verdichters CO, wo der verdichtete Auslassstrom VF in eine Auslassleitung EXL eingeleitet wird. Stromaufwärts des nachfolgenden Kühlers COL wird ggf . ein erster Teilstrom als erster Bypassstrom BFl mittels der ersten Bypassleitung BLl zu einem Heißgasventil HGV, dem ersten Bypassventil DVl der Bypassventile BF zugeführt. Stromabwärts des Kühlers COL wird ein zweiter Bypassstrom BF2 mittels einer zweiten Bypassleitung BL2 einem Pumpgrenzventil PGV bzw. dem zweiten Bypassventil BV2 der Bypassventile BV zugeführt, welches die Zufuhr dieses kalten Bypassstroms zu einem Mixer MX steuert, in dem die beiden Bypassströme BFl, BF2 mit einander vermischt werden. In Folge der Entspannung der Bypassströme BFl, BF2 mittels der Bypassventile BV stellt sich in Abhängigkeit von dem Joule-Thomson-Effekt dieses Fluids in dem Mixer MX die Temperatur des Bypassstroms bzw. dritten Bypassstroms BF3 ein, der vor dem Einlass IN mit dem Ansaugstrom MF sich vermischt und in der dann resultierenden Temperatur in den Verdichter CO eintritt. Ein Pumpgrenzregler ASC einer Steuereinheit CU der Bypassstation BST signalisiert einen Verhältnisrechner PCU die Vorgaben zur Steuerung der Zuleitung der Bypassströme BFl, BF2 , welcher Verhältnisrech- ner PCU die Bypassventile BV entsprechend ansteuert. Die
Steuerung der Zuleitung erfolgt in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters CO im weiteren Sinne. Im Einzelnen werden die Temperaturen mittels Temperaturmessstellen gemessen, wobei die Temperatur des Ansaugstroms mittels einer ers- ten Temperaturmessstelle TTl, die Temperatur des Auslassstroms VF mittels einer zweiten Temperaturmessstelle TT2 , die Temperatur des dritten Bypassstroms BF3 mittels einer dritten Temperaturmessstelle TT3 und optional die Temperatur stromabwärts des Kühlers COL mittels einer vierten Temperaturmess- stelle TT4 gemessen wird. Daneben wird der Druck des Ansaugstroms mittels einer ersten Druckmessstelle PTl und der Druck des Auslassstroms VF mittels einer zweiten Druckmessstelle PT2 ermittelt. Diese Messungen werden von der Bypassstation BST bzw. der Steuerung CU ausgewertet und führen - wie erläu- tert - zu einer entsprechenden Ventilstellung der
Bypassventile BV.
In der Figur 3 ist dargestellt, dass der erste Bypassstrom BFl und der zweite Bypassstrom BV2 direkt an ein als 3-Wege- Proportionalventil ausgebildetes erstes Bypassventil BV2 zugeführt werden, das von dem Verhältnisrechner PCU direkt angesteuert wird. Die Gesamtmenge des sich daraus ergebenden dritten Bypassstroms BV3 wird durch das zweite Bypassventil BV2 eingestellt, welches von dem Pumpgrenzregler ASC ange- steuert wird. Das 3 -Wege-Proportionalventil oder auch Mischventil baut bei dieser Anordnung keinen nennenswerten Druck ab und kann deswegen preisgünstig in Klappenbauweise ausgebildet sein. Eine dritte Rückschlagklappe CV3 ist stromab- wärts das erste Bypassventil BVl in der zweiten Bypassleitung BL2 vorgesehen, so dass der Auslassstrom VF nicht unter Umgehung des Kühlers COL durch das erste Bypassventil BVl zum druckseitigen Prozess fließt.
Eine weitere Alternative ist in Figur 4 angegeben, bei der statt eines Mischventils in der zweiten Bypassleitung BL2 ein als Regelklappe ausgebildetes erstes Bypassventil BVl in der ersten Bypassleitung BLl vorgesehen ist, welches den ersten Bypassstrom BFl in einem von dem Verhältnisrechner PCU gesteuerten Anteil dem zweiten Bypassstrom BF2 zumischt, bevor die Mischung den zweiten Bypassventil BV2 zugeleitet wird, welches den resultierenden dritten Bypassstrom in die dritte Bypassleitung BL3 entspannt gesteuert von dem Pumpgrenzregler ASC . Weil es einen Druckabfall an dem Kühler COL gibt, steht der Auslassstrom VF vor dem Kühler COL unter einem etwas höheren Druck als stromabwärts des Kühlers, so dass bei teilweise geöffnetem ersten Bypassventil BVl noch etwas des warmen ersten Bypassstroms in die erste Bypassleitung BLl ein- tritt. Bevorzugt kann dieser Effekt zusätzlich unterstützt werden indem für den Teil der zweiten Bypassleitung BL2 zwischen dem Abgriff hinter dem Kühler COL und der Einmündung des wärmeren ersten Bypassstroms BVl ein kleinerer Querschnitt gewählt wird oder eine Blende eingebaut wird.
Eine weitere Modifikation des Systems zeigt die Figur 5, bei der eine erste Blende THl einen gewissen Staudruck in der zweiten Bypassleitung BL2 verursacht. Die Messung eines Differenzdrucks PDT über die erste Blende THl ermöglicht es dem Verhältnisrechner PCU das erste Bypassventil BVl, welches auch hier als Mischventil ausgebildet ist, derart einzustellen, dass an der dritten Temperaturmessstelle TT3 in der dritten Bypassleitung BL3 stromabwärts des zweiten
Bypassventils BV2 die gewünschte Temperatur sich einstellt.
Die Figur 6 zeigt die Arbeitsweise der Steuerung CU mit dem Verhältnisrechner PCU und dem Pumpgrenzregler ASC. Das dort gezeigte Schema bezieht sich auf die Verschaltung gemäß der Figur 2. Aus der zweiten Temperaturmessung TT2 , der zweiten Druckmessung PT2 und der ersten Druckmessung PTl berechnet ein erstes Modul IZHGV die resultierende erste Temperatur THl der isenthalpen Zustandänderung im ersten Bypassventil BVl. Ein zweites Modul IZPGV des Verhältnisrechners berechnet aus der vierten Temperatur TT4 , im Ergebnis der zweiten Druckmessung PT2 und dem Ergebnis der ersten Druckmessung PTl eine zweite Temperatur TP als Ergebnis der Entspannung des zweiten Bypassstroms in Folge einer isenthalpen Zustandänderung im zweiten Bypassventil BV2. Mit der ersten Temperatur, der zweiten Temperatur und der gemessen Saugtemperatur aus der ersten Temperaturmessung TTl bestimmt ein drittes Modul MA den Anteil A der Kaltumblasung gemäß der Formel a = (TH- Ts) (TH-TP) . Der Anteil a wird für die Stellung des zweiten Bypassventils BV2 mit dem Signal X des Pumpgrenzreglers ASC multipliziert. Die Differenz des Anteils a zu 1 wird mit dem Signal X des Pumpgrenzregler ASC multipliziert und als Sollwert für die Öffnung des ersten Bypassventils BVl verwendet.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb eines Verdichters (CO) mit den folgenden Schritten:
- Zuleitung eines Ansaugstroms (MF) in einen Ein- lass (IN) des Verdichters (CO) ,
- Verdichten des Ansaugstroms (MF) mittels des Verdichters (CO) zu einem Auslassstrom (VF) ,
- Einleitung mindestens eines ersten Teilstroms des Auslassstroms (MF) in eine Bypassstation (BS) als ersten Bypassstrom (BFl),
- Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) aus der Bypassstation (BS) in den Einlass (IN) des Verdichters (CO) in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters (CO) ,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Kühlen von zumindest einem zweiten Teilstrom des Ansaugstroms (MF) ,
- Steuerung der Zuleitung des gekühlten zweiten Teilstroms als zweiten Bypassstrom (BF2) in den Einlass (IN) des Verdichters (CO) in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters (CO) .
Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Betriebsparameter des Verdichters (CO) zur Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) und/oder des zweiten Bypassstroms (BF2) sind:
- die Temperatur des Ansaugstroms (MF) stromaufwärts dei Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) und des zweiten Bypassstroms (BF2) und/oder
- die Temperatur des Ansaugstroms (MF) stromabwärts der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) und des zweiten Bypassstroms (BF2) und/oder
- die Temperatur des ersten Bypassstroms (BFl) und/oder
- die Temperatur des zweiten Bypassstroms (BF2) und/odei
- die Temperatur einer Mischung des ersten
Bypassstroms (BFl) und zweiten Bypassstroms (BF2) und/oder
- der Massenstrom des ersten Bypassstroms (BFl) und/oder
- der Massenstrom des zweiten Bypassstroms (BF2) und/oder
- die Zusammensetzung des Ansaugstroms (MF) und/oder
- die Zusammensetzung des ersten Bypassstroms (BFl) und/oder
- die Zusammensetzung des zweiten Bypassstroms (BF2) und/oder
- eine Drehzahl (N) des Verdichters (CO) und/oder
- eine Druckkennziffer oder ein Druckverhältnis des Verdichters (CO) .
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
wobei die Steuerung der Zuleitung des ersten
Bypassstroms (BFl) und/oder des zweiten
Bypassstroms (BF2) derart konfiguriert ist, dass der Ansaugstrom (MF) in den Einlass (IN) des Verdichters (CO) nach Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) und/oder des zweiten Bypassstroms (BF2) sich an eine erste Solltemperatur (TS1) annähert.
Verfahren nach Anspruch 3 ,
wobei die Steuerung der Zuleitung des ersten
Bypassstroms (BFl) oder des zweiten Bypassstroms (BF2) in Abhängigkeit von:
- einer Messung der Temperatur des Ansaugstroms (MF) stromaufwärts oder stromabwärts der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) oder des zweiten Bypassstroms (BF2) erfolgt
und in Abhängigkeit von
- einer Messung der Temperatur von dem ersten
Bypassstroms (BFl) und
- einer Messung der Temperatur des zweiten
Bypassstroms (BF2) erfolgt,
wobei auf Basis der Messung mittels eines Steueralgorithmus der Steuerung die Position mindestens eines Ventils zur Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) oder des zweiten Bypassstroms (BF2) oder eines Gemischs aus dem ersten Bypassstrom (BFl) und dem zweiten Bypassstrom (BF2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 ,
wobei die Steuerung der Zuleitung des ersten
Bypassstroms (BFl) und/oder des zweiten
Bypassstroms (BF2) auf Basis einer Messung der Temperatur des Ansaugstroms (MF) stromaufwärts oder stromabwärts der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) oder des zweiten Bypassstroms (BF2) erfolgt und
- eine Messung der Temperatur des Ansaugstroms und
- eine Messung der Temperatur eines Gemischs aus dem ersten Bypassstrom (BFl) und dem zweiten
Bypassstrom (BFl) erfolgt, wobei auf Basis der Messung mittels eines Regelalgorithmus die Position mindestens eines Ventils zur Steuerung der Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) oder des zweiten Bypassstroms (BF2) oder eines Gemischs des ersten Bypassstroms (BFl) mit dem zweiten Bypassstroms (BF2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Steuerung der Zuleitung des ersten
Bypassstroms (BFl) und/oder des zweiten
Bypassstroms (BF2) derart geregelt ist, dass der Ansaugstrom (MF) in dem Einlass des Verdichters (CO) nach Zuleitung des ersten Bypassstroms (BFl) und/oder des zweiten Bypassstroms (BF2) sich an einen ersten Sollwert des Produkts R*Z*T annähert
mit
Rs = spezifische Gaskonstante des Ansaugstroms
Z = Realgasfaktor
T = Temperatur des Ansaugstroms (MF) .
Anordnung mit einem Verdichter (CO) ,
- einer Bypassstation (BS) ,
- einer ersten Bypassleitung (BLl),
- mindestens einem Bypassventil (BV) , - einer Steuerung (CU) ,
- wobei der Verdichter (CO) einen Einlass (IN) zur Zuleitung eines Ansaugstroms (MF) zu dem Verdichter (CO) und einen Auslass (EX) zur Ableitung verdichteten Ansaugstroms (MF) als einen Auslassstrom (VF) in eine Abströmleitung (EXL) aufweist,
- wobei die erste Bypassleitung (BLl) stromabwärts des Auslasses (EX) Ansaugstrom aus der Abströmleitung (EXL) zur Bypassstation (BS) abführt,
wobei die Bypassstation (BS) derart ausgebildet ist, dass sie Ansaugstrom (MF) dem Einlass (IN) zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung parallel zu der ersten Bypassleitung (BLl) zumindest eine zweite Bypassleitung (BL2) aufweist, die Auslassstrom (VF) aus der Abströmleitung (EXL) abführt, wobei stromabwärts der Anbindung der ersten
Bypassleitung (BLl) an die Abströmleitung (EXL) in der Abströmleitung (EXL) oder der zweiten
Bypassleitung (BL2) ein Kühler (COL) derart angeordnet ist, so dass gekühlter Ansaugstrom (CMF) durch zumindest einen Teil der zweiten Bypassleitung (BL2) zur
Bypassstation (BS) geführt wird,
- wobei die Bypassstation (BS) mindestens zwei
Bypassventile (BV) aufweist, die derart angeordnet sind, dass das Verhältnis des ersten Bypassstroms (BFl) zu dem zweiten Bypassstrom (BF2) und die Gesamtmenge aus dem ersten Bypassstrom und dem zweiten Bypassstrom regelbar sind .
Anordnung nach Anspruch 7 ,
wobei ein erstes Bypassventil (BVl) in der ersten
Bypassleitung (BLl) angeordnet ist und ein zweites
Bypassventil (BV2) in der zweiten Bypassleitung (BL2) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 7 ,
wobei die Bypassstation (BS) einen Mischer (MX) zum Vermischen des ersten Bypassstroms (BFl) und des zweiten Bypassstroms (BF2) und eine dritte Bypassleitung (BL3) zur Zuführung des Gemischs in den Einlass (IN) aufweist, wobei die erste Bypassleitung (BLl) ein erstes
Bypassventil (BVl) und die dritte Bypassleitung (BL3) ein drittes Bypassventil (BV3) aufweisen oder
die zweite Bypassleitung (BL2) ein zweites
Bypassventil (BV2) und die dritte Bypassleitung (BL3) ein drittes Bypassventil (BV3) aufweisen. 10. Anordnung nach Anspruch 8 ,
wobei ein Mischer (MX) zum Vermischen eines ersten
Bypassstroms (BFl) und eines zweiten Bypassstroms (BF2) und eine dritte Bypassleitung zur Zuführung des Gemischs in den Einlass (IN) aufweist, wobei die erste
Bypassleitung (BLl) ein erstes Bypassventil (BVl) oder die zweite Bypassleitung (BL2) ein zweites
Bypassventil (BV2) und die dritte Bypassleitung (BL3) ein drittes Bypassventil (BL3) aufweisen. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6 zum Betrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 7-10.
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