EP3388677A1 - Verfahren zur steuerung eines schraubenverdichters - Google Patents

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EP3388677A1
EP3388677A1 EP18164785.0A EP18164785A EP3388677A1 EP 3388677 A1 EP3388677 A1 EP 3388677A1 EP 18164785 A EP18164785 A EP 18164785A EP 3388677 A1 EP3388677 A1 EP 3388677A1
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EP
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compressor
speed
compressor stage
stage
volume flow
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EP18164785.0A
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Ulrich Thomes
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Gardner Denver Deutschland GmbH
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Gardner Denver Deutschland GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a screw compressor, in particular a twin screw compressor in idle mode.
  • a screw compressor has at least a first and a second compressor stage, wherein the first compressor stage compresses a gaseous medium, usually air, and leads to the second compressor stage, which further compresses the medium and delivers it to a downstream system.
  • the inventive method is suitable for controlling directly driven screw compressors, in which both compressor stages are driven separately from one another and speed controlled.
  • the invention also relates to a compressor with a twin screw compressor controlled by this method in idle mode.
  • two or more variable speed drive means are provided, each drive means driving a respective one of the compressor stages.
  • a control unit controls the speeds of the drive means, monitoring the torque and speed of each drive means so that the screw compressor provides gas at a required flow delivery rate and pressure while minimizing power consumption of the screw compressor.
  • idling occurs as an operating condition.
  • no compressed air is removed from the downstream system, so that the delivery of additional medium must be set to avoid an increase in pressure.
  • the compressor should not be completely switched off in idle, if it must be reckoned with a short-term re-supply of compressed air.
  • a throttle valve is closed in the suction line and supplied via a bypass only a partial flow of the first compressor stage.
  • intake regulator which is arranged at the inlet of the first compressor stage.
  • the rotational speed of the upstream screw compressor unit is correlated with the rotational speed of the downstream screw compressor unit such that the final discharge pressure or the final delivery rate of the screw compressor system is kept constant, and / or the total power consumption the screw compressor system is minimized, or for a given total power consumption, a maximum end outlet pressure or a maximum end delivery volume is achieved.
  • this control method does not provide information for optimizing idle operation of the system and resulting energy savings.
  • the design complexity of the complete screw compressor should be reduced, resulting in a cost reduction in its manufacture should be derivable.
  • the invention provides a compressor in the nature of a twin screw compressor, which can be operated by this method.
  • the inventive method is used to control a screw compressor having at least a first and a second compressor stage, wherein the first compressor stage compresses a gaseous medium and leads to the second compressor stage, which further compresses the medium.
  • the first compressor stage is thus seen in the flow direction of the medium before the second compressor stage.
  • screw compressors have exactly two compressor stages, but also designs with more than two stages are possible.
  • both compressor stages are driven separately and speed controlled, d. H.
  • Each compressor stage is driven by a variable-speed drive, in particular by a direct drive, so that can be dispensed with a transfer case.
  • a volume flow of the compressed gaseous medium which is taken at the output of the second compressor stage or discharged to downstream units, detected with a suitable encoder.
  • a direct volume flow measurement can be used or the volume flow removed is indirectly z. B. determined from the prevailing at the output of the second compressor stage pressure conditions or from the occurring at the drive of the second compressor stage torque / drive current.
  • a volume flow is decreased, which can vary between a maximum value for which the screw compressor is designed, and a predetermined minimum value.
  • this load operation of the screw compressor is controlled in a conventional manner, which also includes that the speed of the drives of the two compressor stages can be varied within a predetermined range. If, during load operation, the volume flow decreases in a range between a maximum value and a predetermined minimum value, the controller reduces the speed of both compressor stages, and if the volume flow in this range increases again, the controller increases the speed of the compressor stages, so that in normal load operation predetermined output pressure is maintained.
  • a blow-off valve is opened in order to at least partially allow the volume flow initially supplied by the second compressor stage to be discharged via the blow-off valve. This prevents the pressure at the outlet of the screw compressor from exceeding a maximum permissible size.
  • the blow-off valve may be, for example, a controlled solenoid valve.
  • the speed of at least the first compressor stage is reduced to a predetermined idling speed V1 L in order to increase the volume flow delivered from the first to the second compressor stage to reduce.
  • a throttle valve or an intake regulator is currently not closed for this purpose. Rather, the inlet of the first compressor stage remains fully open. A throttle or an intake regulator and their control can be completely eliminated.
  • the reduction of the volumetric flow delivered by the first compressor stage preferably takes place exclusively via the reduction of the rotational speed of the first compressor stage to the idling rotational speed V1 L.
  • the speed of the second compressor stage is reduced to an idling speed V2 L in a next step.
  • the rotational speeds of both compressor stages are reduced substantially in parallel, each time down to the idling speed V1 L or V2 L.
  • the idling speed V1 L of the first compressor stage (Low Pressure - LP) is chosen in coordination with the idle speed V2 L of the second compressor stage (High Pressure - HP) so that the outlet temperature of the medium at the second stage is not less than the inlet temperature at this stage becomes.
  • Such an unwanted operating condition may occur when the pressure ratio at the second compressor stage becomes smaller than 0.6.
  • the idling speeds it must therefore be ensured that the second stage does not work as an "expander" and that the temperature of the medium drops as a result. Otherwise, undesirable condensation in the compressor may occur.
  • idle speeds to ensure that the second compressor stage is not driven by the transported medium from the first compressor stage, otherwise the drive of the second stage would switch to generator mode, which could lead to damage of this driving frequency converter.
  • the minimum idle speeds are also determined by which deceleration is acceptable on re-entry into the load condition. The shorter this return time, the higher the idle speed will have to be.
  • the idle speed ratio between the second and first stage is in the range of 2 to 3, more preferably about 2.5.
  • the pressure ratio of the first stage is about 1.5 and the pressure ratio of the second stage is approximately in the range of 0.6 to 0.75.
  • the idling speed V2 L of the second compressor stage is about 1/2 to 1/4 of the load speed of this stage.
  • the idle speed V1 L of the first compressor stage is about 1/5 to 1/8 of the load speed of this stage.
  • the compressor for compressing gaseous media comprises a screw compressor having at least a first and a second compressor stage, the first compressor stage compressing the gaseous medium and leading to the second compressor stage, which further compresses the medium, and both compressor stages are driven separately from each other and speed controlled.
  • the compressor further comprises a control unit configured to carry out the method described above.
  • the compressor is characterized in that the inlet of the fluidically front, first compressor stage is guided without a volume flow limiting, controllable throttle element or without an intake regulator to the ambient atmosphere.
  • the compressor has at the outlet of the fluidically rear, the second compressor stage a blow-off valve, which is caused by the control unit to open when the volume flow decreases below a predetermined minimum value.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a compressor, which is designed as a twin screw compressor 200.
  • typical parameters are also given, such as those that occur during load operation when compressed air with a volume flow above a predetermined minimum value and not greater than a system-specific maximum value is requested.
  • a first compressor stage 201 has a first direct drive 202 which is speed-controlled.
  • the inlet of the first compressor stage 201 via which ambient air is sucked in, is coupled without the interposition of an intake regulator directly to an intake manifold 203, at which ambient atmosphere at a pressure of 1.0 bar at a temperature of e.g. B. 20 ° C is applied.
  • At the inlet of the first compressor stage 201 is thus at a pressure of 1.0 bar.
  • the first compressor stage 201 is z. B. operated at a speed of 15,500 min -1 to compress the air.
  • a pressure of 3.2 bar prevails, so that the first compressor stage has a compression ratio of 3.2 during load operation. Compression increases the temperature of the medium (compressed air) to 170 ° C.
  • the compressed air is conducted from the outlet of the first compressor stage 201 via an intercooler 204 to the inlet of a second compressor stage 206, which has a second, speed-controlled direct drive 207. After the intercooler 204, at the inlet of the second compressor stage 206, the compressed air has a temperature of for example 30 ° C and further a pressure of 3.2 bar.
  • the second compressor stage 206 In load operation, the second compressor stage 206 with a speed of z. B. 22,000 min -1 operated, so it comes to a further compression.
  • the compressed air therefore has a pressure of 10.2 bar and a temperature of 180 ° C at the outlet of the second compressor stage 206.
  • the second compressor stage thus also has a compression ratio of about 3.2.
  • the compressed air is passed from the outlet of the second compressor stage 206 through an aftercooler 208 and cooled there to about 35 ° C.
  • a blow-off valve 209 is arranged, which is controlled by a control unit (not shown).
  • the twin screw compressor 200 described by way of example exhibits a power consumption of 150 kW at maximum rotational speed of the direct drives 202, 207 and supplies compressed air with a maximum pressure of 12 bar and a minimum pressure of 6 bar.
  • the speed ratio between the compressor stages is approximately 1.4 during load operation.
  • Fig. 2 shows the twin screw compressor 200 in idle mode, that is, when substantially no compressed air is removed.
  • typical parameters are given, as they occur in idle mode.
  • the blow-off valve is opened and the speed of both compressor stages is reduced.
  • the inlet of the first compressor stage 201 via which further ambient air is sucked in, even if in a reduced amount, is further coupled without the interposition of a suction directly to the intake manifold 203, at which ambient atmosphere with a pressure of 1.0 bar at a temperature of 20 ° C is present.
  • At the inlet of the first compressor stage 201 is thus unchanged at a pressure of 1.0 bar.
  • the compressed air is supplied from the outlet of the first compressor stage 201 via the intercooler 204 led to the inlet of the second compressor stage 206. After the intercooler 204, at the inlet of the second compressor stage 206, the compressed air at idle has a temperature of for example 30 ° C and further a pressure of 1.5 bar (intermediate pressure).
  • the necessary cooling capacity for the intermediate cooling is thus reduced during idling operation.
  • the second compressor stage is operated 206 with an idle speed V2 L of 7.500 min -1.
  • the compressed air has at the outlet of the second compressor stage 206, a reduced pressure of about 1.2 bar and a temperature of 70 ° C compared to the intermediate pressure.
  • the second compressor stage thus has a compression ratio of about 0.8 (expansion).
  • the compressed air is passed from the outlet of the second compressor stage 206 through the aftercooler 208 and cooled there to about 30 ° C.
  • the twin screw compressor 200 described by way of example exhibits a power consumption of 7 kW during idling operation and delivers a maximum pressure of 1.2 bar.
  • the speed ratio between the compressor stages is about 3.

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Abstract

Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schraubenverdichters mit mindestens einer ersten und einer zweiten Verdichterstufe, wobei beide Verdichterstufen getrennt voneinander und drehzahlregelbar angetrieben sind. Offenbarungsgemäß werden folgende Schritte ausgeführt: Erfassen eines am Ausgang der zweiten Verdichterstufe abgenommenen Volumenstroms; Anpassen der Drehzahl beider Verdichterstufen, wenn der abgenommene Volumenstrom in einem Bereich zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert schwankt; Öffnen eines Abblasventils, wenn der Volumenstrom den Minimalwert unterschreitet; Reduzieren der Drehzahl mindestens der ersten Verdichterstufe auf eine vorbestimmte Leerlaufdrehzahl (V1 L ), um den von der ersten an die zweite Verdichterstufe gelieferten Volumenstrom zu reduzieren. Die Offenbarung betrifft auch einen Kompressor mit einem Schraubenverdichter, der mindestens eine erste und eine zweite Verdichterstufe umfasst, wobei beide Verdichterstufen getrennt voneinander und drehzahlregelbar angetrieben sind, und wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens konfiguriert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schraubenverdichters, insbesondere eines Doppelschraubenverdichters im Leerlaufbetrieb. Ein solcher Schraubenverdichter besitzt mindestens eine erste und eine zweite Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe ein gasförmiges Medium, üblicherweise Luft, komprimiert und an die zweite Verdichterstufe führt, welche das Medium weiter komprimiert und an ein nachgeordnetes System abgibt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Steuerung von direkt angetriebenen Schraubenverdichtern, bei denen beide Verdichterstufen getrennt voneinander und drehzahlregelbar angetrieben sind. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kompressor mit einem Doppelschraubenverdichter, der durch dieses Verfahren im Leerlaufbetrieb gesteuert wird.
  • Zur Kompression von gasförmigen Medien, insbesondere zur Erzeugung von Druckluft sind unterschiedlichste Bauformen von Kompressoren bekannt. Beispielsweise zeigt die DE 601 17 821 T2 einen Mehrstufen-Schraubenverdichter mit zwei oder mehr Verdichterstufen, wobei jede Verdichterstufe ein Paar von Rotoren zum Verdichten eines Gases umfasst. Weiterhin sind zwei oder mehr Antriebsmittel mit veränderbarer Geschwindigkeit vorgesehen, wobei jedes Antriebsmittel eine jeweilige Verdichterstufe antreibt. Eine Steuereinheit steuert die Geschwindigkeiten der Antriebsmittel, wobei das Drehmoment und die Geschwindigkeit jedes Antriebsmittels überwacht wird, sodass der Schraubenverdichter Gas bei einer geforderten Strömungslieferrate und bei einem geforderten Druck bereitstellt und gleichzeitig der Energieverbrauch des Schraubenverdichters minimiert werden soll.
  • Im praktischen Einsatz solcher mehrstufigen Schraubenverdichter tritt der sogenannte Leerlauf als ein Betriebszustand auf. Dabei wird von dem nachgeordneten System keine Druckluft abgenommen, sodass zur Vermeidung einer Drucküberhöhung das Fördern weiteren Mediums eingestellt werden muss. Dennoch soll der Kompressor im Leerlauf nicht vollständig abgeschaltet werden, wenn mit einem kurzfristig wieder erforderlichen Nachliefern von Druckluft gerechnet werden muss. Um diesen Leerlaufbetrieb zu ermöglichen, wird gewöhnlich eine Drosselklappe in der Saugleitung geschlossen und über einen Bypass nur noch ein Teilstrom der ersten Verdichterstufe zugeführt. Diese Funktionen übernimmt zumeist ein sogenannter Ansaugregler, der am Einlass der ersten Verdichterstufe angeordnet ist. Gleichzeitig öffnet auf der Ausgangsseite, also am Ausgang der zweiten Verdichterstufe ein Abblasventil zur Atmosphäre, sodass die zweite Verdichterstufe gegen Atmosphärendruck fördert. Die Druckverhältnisse in beiden Verdichterstufen bleiben gleich, wodurch auch die Austrittstemperaturen beider Stufen nahezu gleich bleiben. Nachteilig ist an dieser Leerlaufregelung der relativ hohe Energieverbrauch des Verdichters. Außerdem besteht ein hoher konstruktiver Aufwand für den Ansaugregler und dessen Steuerung. (vgl. Konka, K.-H., Schraubenkompressoren: Technik und Praxis, VDI-Verlag 1988, ISBN 3-18-400819-3, Seite 332 ff.)
  • In der DE 100 03 869 C5 ist ein Verfahren zum Komprimieren von fluiden Fördermedien in einer Schraubenverdichteranlage mit zwei Schraubenverdichtereinheiten beschrieben. Dabei ist der Auslass der vorgeschalteten Schraubenverdichtereinheit mit dem Einlass der nachgeschalteten Schraubenverdichtereinheit verbunden und jede Schraubenverdichtereinheit wird von einem eigenen Antriebsaggregat angetrieben. Zumindest ein Teil der Arbeitsparameter der zwei Schraubenverdichtereinheiten werden erfasst und verarbeitet und die Antriebsaggregate werden über die erfassten Arbeitsparameter der Schraubenverdichtereinheiten gesteuert. Mittels der Änderung der Arbeitsparameter der Antriebsaggregate, insbesondere Stromaufnahme, Spannungsaufnahme oder Kraftstoffzufuhr wird die Drehzahl der vorgeschalteten Schraubenverdichtereinheit mit der Drehzahl der nachgeschalteten Schraubenverdichtereinheit derart korreliert, dass der End-Auslassdruck oder die End-Fördermenge der Schraubenverdichteranlage konstant gehalten wird, und/oder die Gesamtleistungsaufnahme der Schraubenverdichteranlage minimiert wird, oder bei vorgegebener Gesamtleistungsaufnahme ein maximaler End-Auslassdruck bzw. ein maximales End-Fördervolumen erreicht wird. Zur Optimierung des Betriebs im Leerlauf des Systems und zu einer daraus resultierenden Energieeinsparung gibt dieses Steuerverfahren jedoch keine Auskünfte.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Doppelschraubenverdichters bereitzustellen, welches einen sicheren Leerlaufbetrieb unter gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs des Verdichters gestattet. Außerdem soll der konstruktive Aufwand des kompletten Schraubenverdichters reduziert werden, woraus eine Kostenreduzierung bei dessen Herstellung ableitbar sein soll.
  • Diese und weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Steuerung eines Schraubenverdichters gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche nennen einige bevorzugte Ausführungsformen. Darüber hinaus stellt die Erfindung einen Kompressor in der Art eines Doppelschraubenverdichters bereit, der mit diesem Verfahren betrieben werden kann.
  • Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass durch eine veränderte Ansteuerung der direkt angetriebenen Verdichterstufen des Schraubenverdichters im Leerlaufbetrieb sowohl eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs als auch ein Vereinfachung des Aufbaus des Gesamtanlage erreichbar sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Steuerung eines Schraubenverdichters mit mindestens einer ersten und einer zweiten Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe ein gasförmiges Medium komprimiert und an die zweite Verdichterstufe führt, welche das Medium weiter komprimiert. Die erste Verdichterstufe liegt also in Strömungsrichtung des Mediums gesehen vor der zweiten Verdichterstufe. In den meisten Fällen besitzen solche Schraubenverdichter genau zwei Verdichterstufen, jedoch sind auch Bauformen mit mehr als zwei Stufen möglich. Weiterhin ist es für die Ausführung des Verfahrens erforderlich, dass beide Verdichterstufen getrennt voneinander und drehzahlregelbar angetrieben sind, d. h. jede Verdichterstufe wird von einem drehzahlregelbaren Antrieb angetrieben, insbesondere von einem Direktantrieb, sodass auf ein Verteilergetriebe verzichtet werden kann.
  • In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Volumenstrom des komprimierten gasförmigen Mediums, welches am Ausgang der zweiten Verdichterstufe abgenommenen bzw. an nachfolgende Einheiten abgegeben wird, mit einem geeigneten Geber erfasst. Dabei kann eine direkte Volumenstrommessung zum Einsatz kommen oder der abgenommene Volumenstrom wird indirekt z. B. aus den am Ausgang der zweiten Verdichterstufe herrschenden Druckverhältnissen oder aus dem am Antrieb der zweiten Verdichterstufe auftretenden Drehmoment / Antriebsstrom ermittelt.
  • Im normalen Lastbetrieb wird ein Volumenstrom abgenommen, der zwischen einem Maximalwert, für welchen der Schraubenverdichter ausgelegt ist, und einem vorbestimmten Minimalwert schwanken kann. In diesem Lastbetrieb wird der Schraubenverdichter in an sich bekannter Weise geregelt, wozu auch gehört, dass die Drehzahl der Antriebe der beiden Verdichterstufen in einem vorgegebenen Bereich variiert werden kann. Wenn im Lastbetrieb der abgenommene Volumenstrom in einem Bereich zwischen einem Maximalwert und einem vorbestimmten Minimalwert sinkt, reduziert die Steuerung die Drehzahl beider Verdichterstufen, und wenn der Volumenstrom in diesem Bereich wieder ansteigt, erhöht die Steuerung die Drehzahl der Verdichterstufen wieder, sodass im normalen Lastbetrieb ein vorbestimmter Ausgangsdruck beibehalten wird.
  • Wenn hingegen der Volumenstrom den vorbestimmten Minimalwert unterschreitet, d. h. es wird kein oder nur ein sehr geringer Volumenstrom abgenommen, wechselt der Betriebszustand des Schraubenverdichters vom Lastbetrieb in den Leerlaufbetrieb. Dazu wird im nächsten Schritt des Verfahrens ein Abblasventil geöffnet, um den von der zweiten Verdichterstufe zunächst weiterhin gelieferten Volumenstrom über das Abblasventil zumindest teilweise austreten zu lassen. Damit wird verhindert, dass der Druck am Ausgang des Schraubenverdichters eine maximal zulässige Größe überschreitet. Das Abblasventil kann beispielsweise ein gesteuertes Magnetventil sein.
  • In einem weiteren Schritt, der vorzugsweise mit nur geringer Verzögerung oder im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Öffnen des Abblasventils ausgeführt wird, wird die Drehzahl mindestens der ersten Verdichterstufe auf eine vorbestimmte Leerlaufdrehzahl V1L reduziert, um den von der ersten an die zweite Verdichterstufe gelieferten Volumenstrom zu reduzieren. Abweichend zum Stand der Technik wird dafür gerade nicht eine Drosselklappe bzw. ein Ansaugregler geschlossen. Vielmehr bleibt der Einlass der ersten Verdichterstufe vollständig geöffnet. Eine Drosselklappe bzw. ein Ansaugregler und deren Ansteuerung können vollständig entfallen. Die Reduzierung des von der ersten Verdichterstufe geförderten Volumenstroms erfolgt bevorzugt ausschließlich über die Reduktion der Drehzahl der ersten Verdichterstufe auf die Leerlaufdrehzahl V1L.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem nächsten Schritt auch die Drehzahl der zweiten Verdichterstufe auf eine Leerlaufdrehzahl V2L reduziert. Vorzugsweise werden die Drehzahlen beider Verdichterstufen im Wesentlichen parallel laufend jeweils bis auf die Leerlaufdrehzahl V1L bzw. V2L reduziert.
  • Die Leerlaufdrehzahl V1L der ersten Verdichterstufe (Low Pressure - LP) wird in Abstimmung mit der Leerlaufdrehzahl V2L der zweiten Verdichterstufe (High Pressure - HP) so gewählt, dass die Austrittstemperatur des Mediums an der zweiten Stufe nicht kleiner als die Eintrittstemperatur an dieser Stufe wird. Eine solche ungewollte Betriebsbedingung kann eintreten, wenn das Druckverhältnis an der zweiten Verdichterstufe kleine als 0,6 wird. Durch die Wahl der Leerlaufdrehzahlen ist daher sicherzustellen, dass die zweite Stufe nicht als "Expander" arbeitet und die Medientemperatur dadurch sinkt. Andernfalls kann es zu einer unerwünschten Kondensation im Verdichter kommen. Weiterhin ist bei der Wahl der Leerlaufdrehzahlen sicherzustellen, dass die zweite Verdichterstufe nicht über das transportierte Medium von der ersten Verdichterstufe angetrieben wird, da andernfalls der Antrieb der zweiten Stufe in den Generatorbetrieb wechseln würde, was zu einer Schädigung des diesen ansteuernden Frequenzumrichters führen könnte.
  • Die minimalen Leerlaufdrehzahlen werden auch dadurch bestimmt, welche Verzögerung beim Wiedereintritt in den Lastzustand hinnehmbar ist. Um so kürzer diese Rückkehrzeit sein muss, desto höher wird die Leerlaufdrehzahl zu wählen sein.
  • Vorzugsweise liegt das Drehzahlverhältnis im Leerlauf zwischen zweiter und erster Stufe im Bereich 2 bis 3, besonders bevorzugt etwa 2,5. Das Druckverhältnis der ersten Stufe liegt dabei bei etwa 1,5 und das Druckverhältnis der zweiten Stufe liegt etwa im Bereich von 0,6 bis 0,75. Bevorzugt beträgt die Leerlaufdrehzahl V2L der zweiten Verdichterstufe etwa 1/2 bis 1/4 der Lastdrehzahl dieser Stufe. Bevorzugt beträgt die Leerlaufdrehzahl V1L der ersten Verdichterstufe etwa 1/5 bis 1/8 der Lastdrehzahl dieser Stufe.
  • Ein Vorteil dieses Steuerverfahrens besteht somit darin, dass beide Verdichterstufen im Leerlaufbetrieb mit deutlich niedrigeren Drehzahlen betrieben werden können. Dies reduziert den Energieverbrauch und den Verschleiß. Außerdem sinken die Temperaturen des komprimierten Mediums am Auslass der jeweiligen Verdichterstufe, was sich ebenfalls vorteilhaft auswirkt. Dennoch kann der Schraubenverdichter bei erneuter Anforderung von Volumenstrom sehr schnell zurück in den Lastbetrieb gebracht werden, indem die Drehzahlen der Verdichterstufen wieder hochgefahren werden.
  • Der von der Erfindung bereitgestellte Kompressor zur Verdichtung von gasförmigen Medien umfasst einen Schraubenverdichter, welcher mindestens eine erste und eine zweite Verdichterstufe besitzt, wobei die erste Verdichterstufe das gasförmige Medium komprimiert und an die zweite Verdichterstufe führt, welche das Medium weiter komprimiert, und wobei beide Verdichterstufen getrennt voneinander und drehzahlregelbar angetrieben sind. Der Kompressor umfasst weiterhin eine Steuereinheit, welche zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens konfiguriert ist.
  • Insbesondere zeichnet sich der Kompressor dadurch aus, dass der Einlass der strömungstechnisch vorderen, ersten Verdichterstufe ohne ein den Volumenstrom begrenzendes, steuerbares Drosselelement bzw. ohne einen Ansaugregler an die Umgebungsatmosphäre geführt ist. Der Kompressor besitzt am Auslass der strömungstechnisch hinteren, zweiten Verdichterstufe ein Abblasventil, welches von der Steuereinheit zum Öffnen veranlasst wird, wenn der abgenommene Volumenstrom einen vorbestimmten Minimalwert unterschreitet.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine vereinfachte Darstellung der Betriebsparameter in einem Schraubenverdichter mit zwei Verdichterstufen während des Lastbetriebs;
    Fig. 2
    eine vereinfachte Darstellung der Betriebsparameter in dem Schraubenverdichter während des Leerlaufbetriebs.
  • Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Kompressors, der als ein Doppelschraubenverdichter 200 ausgebildet ist. Neben den einzelnen Elementen des Doppelschraubenverdichters sind außerdem typische Parameter angegeben, wie sie im Lastbetrieb auftreten, wenn Druckluft mit einem Volumenstrom oberhalb eines vorbestimmten Minimalwertes und nicht größer als ein anlagenspezifischer Maximalwert abgefordert wird.
  • Eine erste Verdichterstufe 201 besitzt einen ersten Direktantrieb 202, der drehzahlgeregelt ist. Der Einlass der ersten Verdichterstufe 201, über welchen Umgebungsluft angesaugt wird, ist ohne Zwischenschaltung eines Ansaugreglers direkt an einen Ansaugstutzen 203 gekoppelt, an welchem Umgebungsatmosphäre mit einem Druck von 1,0 bar bei einer Temperatur von z. B. 20°C anliegt. Am Einlass der ersten Verdichterstufe 201 liegt somit ein Druck von 1,0 bar an.
  • Die erste Verdichterstufe 201 wird z. B. mit einer Drehzahl von 15.500 min-1 betrieben, um die Luft zu komprimieren. Am Auslass der ersten Verdichterstufe 201 herrscht dann ein Druck von 3,2 bar, sodass die erste Verdichterstufe im Lastbetrieb ein Verdichtungsverhältnis von 3,2 aufweist. Durch die Kompression erhöht sich die Temperatur des Mediums (Druckluft) auf 170°C. Die Druckluft wird vom Auslass der ersten Verdichterstufe 201 über einen Zwischenkühler 204 zum Einlass einer zweiten Verdichterstufe 206 geführt, welche einen zweiten, drehzahlgeregelten Direktantrieb 207 besitzt. Nach dem Zwischenkühler 204, am Einlass der zweiten Verdichterstufe 206, besitzt die Druckluft eine Temperatur von beispielsweise 30°C und weiterhin einen Druck von 3,2 bar. Im Lastbetrieb wird die zweite Verdichterstufe 206 mit einer Drehzahl von z. B. 22.000 min-1 betrieben, sodass es zu einer weiteren Kompression kommt. Die Druckluft besitzt demzufolge am Auslass der zweiten Verdichterstufe 206 einen Druck von 10,2 bar und eine Temperatur von 180°C. Die zweite Verdichterstufe weist somit ein Kompressionsverhältnis ebenfalls von etwa 3,2 auf. Die Druckluft wird vom Auslass der zweiten Verdichterstufe 206 durch einen Nachkühler 208 geführt und dort auf etwa 35°C abgekühlt. Schließlich ist am Ausgang des Doppelschraubenverdichters 200 ein Abblasventil 209 angeordnet, welches von einer Steuereinheit (nicht dargestellt) angesteuert wird.
  • Der beispielhaft beschriebene Doppelschraubenverdichter 200 zeigt bei maximaler Drehzahl der Direktantriebe 202, 207 eine Leistungsaufnahme von 150 kW und liefert Druckluft mit einem maximalen Druck von 12 bar und minimalem Druck von 6 bar. Das Drehzahlverhältnis zwischen den Verdichterstufen beträgt im Lastbetrieb etwa 1,4.
  • Fig. 2 zeigt den Doppelschraubenverdichter 200 im Leerlaufbetrieb, d.h. wenn im Wesentlichen keine Druckluft abgenommen wird. Neben den Elementen des Doppelschraubenverdichters sind wiederum typische Parameter angegeben, wie sie im Leerlaufbetrieb auftreten. Um in den Leerlaufbetrieb einzutreten, wird das Abblasventil geöffnet und die Drehzahl beider Verdichterstufen wird reduziert. Der Einlass der ersten Verdichterstufe 201, über welchen weiterhin Umgebungsluft angesaugt wird, wenn auch in reduzierter Menge, ist weiterhin ohne Zwischenschaltung eines Ansaugreglers direkt an den Ansaugstutzen 203 gekoppelt, an welchem Umgebungsatmosphäre mit einem Druck von 1,0 bar bei einer Temperatur von 20°C anliegt. Am Einlass der ersten Verdichterstufe 201 liegt somit unverändert ein Druck von 1,0 bar an.
  • Die erste Verdichterstufe 201 wird nun mit einer Leerlaufdrehzahl V1L = 2.500 min-1 betrieben, um die Luft zu komprimieren. Am Auslass der ersten Verdichterstufe 201 herrscht dann ein Druck von 1,5 bar, sodass die erste Verdichterstufe im Leerlaufbetrieb ein Verdichtungsverhältnis von 1,5 aufweist. Durch die verringerte Kompression erhöht sich die Temperatur des Mediums (Druckluft) nur noch auf 90°C. Die Druckluft wird vom Auslass der ersten Verdichterstufe 201 über den Zwischenkühler 204 zum Einlass der zweiten Verdichterstufe 206 geführt. Nach dem Zwischenkühler 204, am Einlass der zweiten Verdichterstufe 206, besitzt die Druckluft im Leerlauf eine Temperatur von beispielsweise 30°C und weiterhin einen Druck von 1,5 bar (Zwischendruck). Die nötige Kühlleistung für die Zwischenkühlung ist somit im Leerlaufbetrieb verringert. Im Leerlaufbetrieb wird die zweite Verdichterstufe 206 mit einer Leerlaufdrehzahl V2L von 7.500 min-1 betrieben. Die Druckluft besitzt am Auslass der zweiten Verdichterstufe 206 einen gegenüber dem Zwischendruck verringerten Druck von etwa 1,2 bar und eine Temperatur von 70°C. Die zweite Verdichterstufe weist somit ein Kompressionsverhältnis von etwa 0,8 auf (Expansion). Die Druckluft wird vom Auslass der zweiten Verdichterstufe 206 durch den Nachkühler 208 geführt und dort auf etwa 30°C abgekühlt.
  • Der beispielhaft beschriebene Doppelschraubenverdichter 200 zeigt im Leerlaufbetrieb eine Leistungsaufnahme von 7 kW und liefert einen maximalen Druck von 1,2 bar. Das Drehzahlverhältnis zwischen den Verdichterstufen beträgt etwa 3.
    • Bezugszeichenliste
    • 200
    Doppelschraubenverdichter
    201
    erste Verdichterstufe
    202
    erster Direktantrieb
    203
    Ansaugstutzen
    204
    Zwischenkühler
    205
    -
    206
    zweite Verdichterstufe
    207
    zweiter Direktantrieb
    208
    Nachkühler
    209
    Abblasventil

Claims (10)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Schraubenverdichters mit mindestens einer ersten und einer zweiten Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe ein gasförmiges Medium komprimiert und an die zweite Verdichterstufe führt, welche das Medium weiter komprimiert, und wobei beide Verdichterstufen getrennt voneinander und drehzahlregelbar angetrieben sind, folgende Schritte umfassend:
    - Erfassen eines am Ausgang der zweiten Verdichterstufe abgenommenen Volumenstroms des komprimierten Mediums;
    - Anpassen der Drehzahl beider Verdichterstufen, wenn der abgenommene Volumenstrom in einem Bereich zwischen einem Maximalwert und einem vorbestimmten Minimalwert schwankt, unter Beibehaltung eines vorbestimmten Ausgangsdrucks;
    - Öffnen eines Abblasventils, wenn der Volumenstrom den vorbestimmten Minimalwert unterschreitet, um den von der zweiten Verdichterstufe gelieferten Volumenstrom über das Abblasventil zumindest teilweise austreten zu lassen;
    - weiteres Reduzieren der Drehzahl mindestens der ersten Verdichterstufe auf eine vorbestimmte Leerlaufdrehzahl (V1L), um den von der ersten an die zweite Verdichterstufe gelieferten Volumenstrom zu reduzieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduzieren der Drehzahl der ersten Verdichterstufe die Leerlaufdrehzahl (V1L) gleichzeitig mit dem Öffnen des Abblasventils erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die Drehzahl der zweiten Verdichterstufe auf eine vorbestimmte Leerlaufdrehzahl (V2L) reduziert wird, solange der abgenommene Volumenstrom den vorbestimmten Minimalwert unterschreitet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Drehzahl der Verdichterstufen durch Drehzahlregelung von zwei Direktantrieben erfolgt, welche die jeweilige Verdichterstufe antreiben.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der abgenommene Volumenstrom mittelbar aus der Leistungsaufnahme mindestens einer der beiden Verdichterstufen bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen der beiden Verdichterstufen erhöht werden, sobald der abgenommene Volumenstrom des komprimierten Mediums über dem vorbestimmten Minimalwert liegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Leerlaufdrehzahl (V2L) der zweiten Verdichterstufe : Leerlaufdrehzahl (V1L) der ersten Verdichterstufe im Bereich 2 bis 3 liegt.
  8. Kompressor mit einem Schraubenverdichter, der mindestens eine erste und eine zweite Verdichterstufe umfasst, wobei die erste Verdichterstufe ein gasförmiges Medium komprimiert und an die zweite Verdichterstufe führt, welche das Medium weiter komprimiert, und wobei beide Verdichterstufen getrennt voneinander und drehzahlregelbar angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor weiterhin eine Steuereinheit umfasst, welche zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 konfiguriert ist.
  9. Kompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der strömungstechnisch vorderen, ersten Verdichterstufe ohne ein den Volumenstrom begrenzendes, steuerbares Drosselelement an die Umgebungsatmosphäre geführt ist.
  10. Kompressor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass der strömungstechnisch hinteren, zweiten Verdichterstufe ein Abblasventil angeordnet ist, welches von der Steuereinheit zum Öffnen veranlasst wird, wenn der abgenommene Volumenstrom einen vorbestimmten Minimalwert unterschreitet.
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