EP3983681A1 - Verfahren zur erkennung von schäden an einem verdichter - Google Patents

Verfahren zur erkennung von schäden an einem verdichter

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EP3983681A1
EP3983681A1 EP20729760.7A EP20729760A EP3983681A1 EP 3983681 A1 EP3983681 A1 EP 3983681A1 EP 20729760 A EP20729760 A EP 20729760A EP 3983681 A1 EP3983681 A1 EP 3983681A1
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EP
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pressure
suction
temperature
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calculated
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EP20729760.7A
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Lorenz KUNZ
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BASF SE
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BASF SE
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    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
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    • F04B2207/70—Warnings
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting damage to a compressor which has a suction side and a pressure side, in which, based on measurement data for suction pressure, suction temperature, end pressure and end temperature, a comparison variable is calculated as a measure of damage.
  • Compressors are fluid energy machines that convert energy supplied as work machines into other energy states. Compressors are used in a variety of ways, for example in the form of piston compressors for compressing gases.
  • Compressors are usually operated continuously for several months to years and only switched off for maintenance purposes. During this continuous operation, the functionality of components of the compressor can be impaired, for example by wear, deposits from or component failure. This can lead to a reduction in the efficiency of the compressor and even to its complete inoperability. In order to identify such processes at an early stage and, if necessary, to be able to take measures to counteract damage such as wear, erosion or deposits, various monitoring and diagnostic methods are known in the prior art. With reciprocating compressors, monitoring the valves on the suction side as well as on the pressure side is of great relevance in this regard.
  • the document EP 1 184 570 A2 describes a system for monitoring the valves of a reciprocating compressor, in which piezoelectric vibration sensors are attached to each cylinder of the compressor.
  • the sensors use vibrations to record the noises that the valves make when they open and close. Subsequent signal processing allows conclusions to be drawn about the current status of the compressor.
  • the US patent application US 2013/0115109 A1 describes a method for monitoring compressors in which process data are recorded by means of pressure and temperature sensors at the inlet and outlet of the compressor. Evaluation logic is used to determine the pressure loss across the valves of the compressor in order to determine setpoint values for the outlet temperature of the compressor. By comparing the calculated setpoint with the actual value of the outlet temperature, the evaluation logic determines the current operating status of the compressor and issues a warning if necessary.
  • the document JP 2002 147905 A discloses a method for monitoring a compressor in a cooling device, in which a criterion for the state is provided by pressure and temperature sensors at the inlet and outlet of the compressor from measured values of the suction temperature, the suction pressure, the outlet temperature and the outlet pressure of the compressor it is determined, for example by calculating a polytropic exponent.
  • a disadvantage of the methods and systems known from the prior art is that they require complex instrumentation, e.g. in the form of vibration sensors on all components to be detected, and / or complex evaluation logic to provide the desired information from the measured signals.
  • the object was to provide a method for monitoring compressors that can reliably supply information about possible damage inside the compressor, while being simple and inexpensive to install and maintain.
  • the invention relates to a method for detecting damage to a compressor which has a suction side and a pressure side, the method comprising the following steps:
  • step (iii) Determination of a comparative variable from at least one of the measured variables not used in step (ii) (p1, T1, p2, T2);
  • the target value determined in step (ii) is determined according to a model of isentropic compression taking into account the isentropic exponent (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h), and the correction factor (h) is adjusted using measurement data.
  • the isentropic exponent (K) of the gas to be compressed required for the calculation is known to the person skilled in the art and can be found, for example, in publicly accessible or commercially available databases or tables.
  • the isentropic compression model is sufficient to describe the real processes well enough.
  • the correction factor (h) can be omitted or set to a neutral value.
  • the correction factor (h) In the case of gases to be compressed, on the other hand, which deviate from the behavior of an ideal gas due to their thermodynamic properties, the correction factor (h) must be included in the calculation of the target values, which takes into account the effects of the real compression, for example due to the heating of the gas during the suction stroke due to heat conduction on the inner walls of the compressor, in the suction valve or by mixing the sucked in gas with hot residual gas in the compression chamber.
  • This correction factor (h) is adjusted based on measurement data.
  • Process steps (i) to (iv) can be carried out in the order given. However, different sequences of the method steps are also covered by the invention. In particular, steps (ii) and (iii) can also be carried out in reverse order or else simultaneously.
  • a calculated final temperature (T2b) as a function of the measurement data of the final pressure (p2), the suction pressure (p1) and the suction temperature (T1) is determined as the setpoint variable, and in step (iii ) the measured final temperature (T2) is determined as a comparison variable.
  • the procedure thus comprises the steps:
  • the final temperature (T2b) calculated in step (ii) is determined according to a model of the isentropic compression taking into account the isentropic exponent (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h), and the correction factor (h) is adjusted based on measurement data becomes.
  • a calculated suction temperature (T1b) is determined as a setpoint as a function of the measurement data of the suction pressure (p1), the end pressure (p2) and the end temperature (T2), and in step ( iii) the measured suction temperature (T1) is determined as a comparison variable.
  • the procedure thus comprises the steps:
  • step (iv) comparison of the comparison variable (T1) and the target variable (T1 b) as a measure of damage to the compressor;
  • the suction temperature (T1 b) calculated in step (ii) is determined according to a model of the isentropic compression taking into account the isentropic exponent (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h), and the correction factor (h) based on measurement data is fitted.
  • a calculated final pressure (p2b) is determined as a setpoint as a function of the measurement data of the final temperature (T2), the suction pressure (p1) and the suction temperature (T1), and in step ( iii) the measured final pressure (p2) is determined as a comparison variable.
  • the procedure thus comprises the steps:
  • the final pressure (p2b) calculated in step (ii) is determined according to a model of isentropic compression taking into account the isentropic exponent (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h), and the correction factor (h) is adjusted based on measurement data becomes.
  • a calculated suction pressure (p1 b) as a function of the measurement data of the suction temperature (T1), the end pressure (p2) and the end temperature (T2) is determined as the setpoint variable in step (ii), and in step (iii) the measured suction pressure (p1) is determined as a comparison variable.
  • step (iv) comparison of the comparison variable (p1) and the target variable (p1 b) as a measure of damage to the compressor;
  • the suction pressure (p1b) calculated in step (ii) is determined according to a model of the isentropic compression taking into account the isentropic exponent (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h), and the correction factor (h) is determined on the basis of measurement data is adjusted.
  • T2b T1 / h (r2 / r1) L (1-1 / k)
  • the correction factor h can be constant or adjusted as a function of the measured variables. In a variant, the correction factor h is determined as a function of the suction temperature (T1), the suction pressure (p1) and the final pressure (p2).
  • the calculated suction temperature (T1 b) is based on the equation
  • T1 b T2 h (r1 / r2) L (1-1 / k)
  • the correction factor h can be constant or adjusted as a function of the measured variables. In a variant, the correction factor h is determined as a function of the final temperature (T2), the suction pressure (p1) and the final pressure (p2).
  • p2b p1 (h T2 / T1) L (k / (k-1))
  • the correction factor h can be constant or adjusted as a function of the measured variables. In a As a variant, the correction factor h is determined as a function of the suction temperature (T1), the suction pressure (p1) and the end temperature (T2).
  • the calculated suction pressure (p1 b) is based on the equation
  • p1 b p2 (T1 / T2 / h) L (k / (k-1))
  • the correction factor h can be constant or adjusted as a function of the measured variables. In a variant, the correction factor h is determined as a function of the suction temperature (T1), the final temperature (T2) and the final pressure (p2).
  • the adjustment of the correction factor h can be done in different ways.
  • the correction factor h is determined by regression from historical measurement data.
  • the adjustment of the correction factor (h) takes place on the basis of measurement data in that, after a compressor revision, the measurement values recorded after restarting are defined as good and are used to adjust the correction factor.
  • the compressor can also be run through specified operating states in a targeted manner in order to define the good state.
  • the correction factor h is based on the equation
  • the correction factor h a p1 + b T2 / T1 + c is calculated, and the factors a, b and c are determined by regression from measurement data of suction temperature (T1), suction pressure (p1) and end temperature (T2).
  • measurable variables can also be used, for example a speed of the compressor (N), control signals for the suction valve lift (s), a dead space volume (k) or the gas composition (wi, W2, W3, etc.).
  • the correction factor h can, for example, according to the equation
  • h a T1 + b p2 / p1 + c + d N + e - s + f - k + gi wi + g2 W2 + ... is calculated, and the factors (a, b, c, d, e, f , gi, g2, ...) can be determined by regression from the corresponding measurement data.
  • the correction factor h can, for example, according to the equation
  • h a T2 + b p1 / p2 + c + d N + es + f - k + gi wi + g2 W2 + ... is calculated, and the factors (a, b, c, d, e, f, gi , g2, ...) can be determined by regression from the corresponding measurement data.
  • the correction factor h can, for example, according to the equation
  • h a p1 + b T2 / T 1 + c + d - N + es + fk + gi Wi + g2 W2 + ... is calculated, and the factors (a, b, c, d, e, f, gi , g2, ...) can be determined by regression from the corresponding measurement data.
  • the correction factor h can, for example, according to the equation
  • the inventive method can be applied both to compressors with only one compressor stage and to compressors with several compressor stages.
  • process steps (i) to (iv) are preferably carried out for at least two compressor stages, particularly preferably for all compressor stages. This makes it possible to localize damage in the sense that it can be assigned to the respective compressor stage.
  • Another object of the invention is a device for detecting damage to a compressor which has a suction side and a pressure side, the device comprising the following:
  • a calculation unit which is set up to (a) receive a predefined setpoint as an input variable and / or to determine a setpoint as a function of the measurement data, (b) to determine a comparison variable as a function of the measurement data, and (c) one To carry out a comparison between the target value and the reference value, as well as
  • an output unit for outputting a signal that represents a measure of damage to the compressor.
  • the device according to the invention can be used both in compressors with only one compressor stage and in compressors with several compressor stages.
  • the device according to the invention preferably comprises sensors for recording measurement data on at least two compressor stages, particularly preferably on all compressor stages, and the calculation unit is preferably directed to the calculation steps (a), (b) and (c) to be carried out for at least two compressor stages, particularly preferably for all compressor stages.
  • the computer program according to the invention contains program code which, when the computer program is executed on a suitable computer system, is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the computer program product according to the invention comprises a computer-readable medium and a computer program with program code stored on the computer-readable medium, which are suitable for performing the method according to the invention when the computer program is running on a suitable computer system.
  • the objects according to the invention are suitable for detecting a large number of damage to different union machine elements of compressors. Examples are damage to valves, piston rings, stuffing box packings, defective control devices, e.g. at suction valve liftings. The only requirement is that the damage is noticeable in the thermodynamic behavior of the compressor stage under consideration.
  • the method according to the invention and the device according to the invention manage with the acquisition and processing of pressure and temperature data.
  • the sensors required according to the invention are inexpensive and usually already provided as standard equipment for the compressors. Costly retrofitting with e.g. Vibration sensors are not required.
  • the determination of the target variable and the comparative variable and their comparison in steps (ii) to (iv) of the method according to the invention only requires the evaluation of a few mathematical equations and can be implemented with little effort.
  • the method according to the invention and the device according to the invention make it possible to identify possible damage such as wear, erosion or deposits at an early stage during the operation of the compressor, so that measures can be taken in good time to prevent component failure and unplanned machine downtime.
  • the method according to the invention was applied to the third stage of a compressor in order to detect any damage that might have occurred.
  • the compressor was a six-stage, two-crank piston compressor that compresses carbon monoxide from 100 mbarg at approx. 5 ° C to 35 ° C to approx. 325 barg.
  • the first stage of the compressor is equipped with a reverse flow control, with which the flow rate of the compressor is between approx. 70% and regulates 100% of the maximum delivery rate.
  • the third compressor stage comprises a double-acting piston within a cylinder.
  • the cylinder of the third stage is constructed in such a way that the two compression chambers on the cover side and on the crank side suck in their gas from a common suction chamber and convey it into a common pressure chamber.
  • the machine is equipped with two plate valves in each compression chamber on the suction and pressure side.
  • Each stage of the machine is equipped with temperature sensors and pressure sensors on the suction and pressure side piping.
  • Fig. 1 shows an extract from the operating data information system of the compressor for the third compressor stage in the period from September 2015 to October 2016. The following values are shown in the graphics, with the left-hand scale indicating temperatures in degrees Celsius and the right-hand scale indicating pressures in barg: top curve (solid line) final temperature (T2)
  • a calculated final temperature (T2b) of the third stage as a function of the measurement data of the final pressure (p2), the suction pressure (p1) and the suction temperature (T1) was determined as a setpoint that represents a good condition of the compressor.
  • the calculated end temperature (T2b) was determined using a model of isentropic compression, including the isentropic exponential (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h).
  • the isentropic exponent for carbon monoxide was set at 1.4 in the relevant pressure and temperature range.
  • T2b T1 / h (r2 / r1) L (1-1 / k).
  • the correction factor (h) was determined from historical data to be 0.972.
  • the measured final temperature (T2) was used as a comparative value for the comparison with the nominal value.
  • T2 The measured final temperature
  • the compressor was not in operation.
  • the calculated final temperature (target value) and the measured final temperature (comparative value) were almost identical. This suggested that the thermodynamic machine elements were completely intact. From the end of November 2015, the first deviations between the measured and calculated final temperature became apparent. Based on experience with previous damage, a deviation of approx. 5 ° C at a pressure ratio (p2 / p1) of approx. 2.5 suggested that the working valves would be slightly damaged, which did not yet require an immediate reaction.
  • the method according to the invention on the basis of the device according to the invention has thus reliably and at an early stage detected damage during the operation of the compressor.
  • the comparison of the reference value and the target value provided not only a statement as to whether there was damage, but also a measure of the severity of the damage. Based on this, decisions could be made about measures to prevent potential component failure and unplanned machine downtime.
  • the method according to the invention was applied to the first stage of a compressor in order to detect any damage that might have occurred.
  • the compressor was a seven-stage, two-crank piston compressor that compresses carbon monoxide from 100 mbarg at approx. 5 ° C to 35 ° C to approx. 325 barg.
  • the first stage of the compressor is equipped with a reverse flow control with which the flow rate of the compressor can be regulated between approx. 70% and 100% of the maximum flow rate.
  • the first compressor stage comprises a double-acting piston within a cylinder.
  • the cylinder is designed so that the two the compression chambers on the cover side and on the crank side suck their gas from a common suction chamber and convey it into a common pressure chamber.
  • the machine is equipped with three plate valves in each compression chamber on the suction and pressure side.
  • Each stage of the machine is equipped with temperature sensors and pressure sensors on the suction and pressure side pipes.
  • Fig. 2 shows an extract from the operating data information system of the compressor for the first compressor stage in the period from December 2017 to May 2018. The following values are shown in the graphics, with the left scale indicating temperatures in degrees Celsius and the right scale indicating pressures in barg: top curve (solid line) final temperature (T2)
  • a calculated final temperature (T2b) of the first stage as a function of the measurement data of the final pressure (p2), the suction pressure (p1) and the suction temperature (T1) was determined as a setpoint that represents a good condition of the compressor.
  • the calculated end temperature (T2b) was determined using a model of isentropic compression, including the isentropic exponential (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h).
  • the isentropic exponent for carbon monoxide was set at 1.4 in the relevant pressure and temperature range.
  • the measured final temperature (T2) was used as a comparative value for the comparison with the nominal value.
  • T2 The measured final temperature
  • the compressor was not in operation.
  • the calculated end temperature (target value) and the measured end temperature (reference value) were almost identical. This suggested that the thermodynamic machine elements were completely intact. In fact, no damage to the compressor was found in the period under consideration.
  • the method according to the invention based on the device according to the invention is able to detect damage reliably and at an early stage during the operation of the compressor.
  • the method according to the invention was applied to a single-stage, double-acting, two-crank piston compressor which compresses hydrogen from 25 barg at approx. 5 ° C to 35 ° C to approx. 40 barg.
  • Both cylinders are each equipped with a suction line and a pressure line.
  • the compression chambers on the cover side and on the crank side draw their gas from a common suction chamber and deliver into a common pressure chamber.
  • the machine is equipped with a ring valve in each compression chamber on the suction side and pressure side.
  • the suction-side valves are equipped with a hydraulic return flow control for flow rate control.
  • the machine is equipped with temperature sensors and pressure sensors on the suction and pressure side pipes.
  • the machine was also equipped with a monitoring device as is known from the prior art.
  • This monitoring device comprises temperature sensors on the valve covers on the suction side and the pressure side, which detect the outside temperature of the valve covers. As soon as the measured temperature is above a limit value of 50 ° C, an alarm is triggered which indicates defective valves.
  • Fig. 3 shows an excerpt from the operating data information system of the compressor for the period September 2017 to March 2018. The following variables are shown in the graphics, with the left scale temperatures in degrees Celsius and the right scale the pressure ratio (p2 / p1) as a dimensionless number indicates: top curve (solid) final temperature (T2)
  • a calculated final temperature (T2b) as a function of the measurement data of the final pressure (p2), the suction pressure (p1) and the suction temperature (T1) was determined as the setpoint that represents a good condition of the compressor.
  • the calculated end temperature (T2b) was determined using a model of isentropic compression taking into account the isentropic exponent (K) of the gas to be compressed and a correction factor (h).
  • the isentropic exponent for hydrogen was set to 1.4 in the relevant pressure and temperature range.
  • T2b T1 / h (r2 / r1) L (1-1 / k).
  • the measured final temperature (T2) was used as a comparative value for the comparison with the nominal value.
  • the method according to the invention on the basis of the device according to the invention has thus also detected damage reliably and at an early stage during the operation of the compressor, whereas conventional monitoring by means of temperature measurement on valve covers did not provide any indication of possible damage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Schäden an einem Verdichter, der eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, umfassend die Schritte (i) Erfassung von Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite; (ii) Bestimmung einer berechneten Endtemperatur (T2b), einer berechneten Saugtemperatur (T1b), eines berechneten Enddrucks (p2b) oder eines berechneten Saugdrucks (p1b) als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, als Funktion der Messdaten von höchstens drei der Messgrößen (p1, T1, p2, T2); (iii) Bestimmung einer Vergleichsgröße aus mindestens einer der in Schritt (ii) nicht verwendeten Messgrößen (p1, T1, p2, T2); (iv) Vergleich der Vergleichsgröße und der Sollgröße als Maß für einen Schaden an dem Verdichter; wobei die in Schritt (ii) bestimmte Sollgröße nach einem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponenten (κ) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (η) bestimmt wird, und der Korrekturfaktor (η) anhand von Messdaten angepasst wird.

Description

VERFAHREN ZUR ERKENNUNG VON SCHÄDEN AN EINEM VERDICHTER Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Schäden an einem Verdichter, der eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, bei dem ausgehend von Messdaten von Saugdruck, Saugtemperatur, Enddruck und Endtemperatur eine Vergleichsgröße als Maß für einen Scha den berechnet wird.
Verdichter gehören zu den Fluidenergiemaschinen, die als Arbeitsmaschinen zugeführte Ener gie in andere Energiezustände umsetzen. Verdichter werden vielfältig eingesetzt, beispiels weise in Form von Kolbenverdichtern zur Komprimierung von Gasen.
Üblicherweise werden Verdichter über mehrere Monate bis Jahre durchgehend betrieben und nur zu Wartungszwecken abgestellt. Während dieses Dauerbetriebs kann die Funktionsweise von Komponenten des Verdichters beeinträchtigt werden, beispielsweise durch Verschleiß, Ab lagerungen oder Bauteilversagen. Dies kann zur Senkung der Effizienz des Verdichters bis hin zu dessen kompletten Funktionsuntüchtigkeit führen. Um derartige Vorgänge frühzeitig zu er kennen und gegebenenfalls Maßnahmen treffen zu können, die Schäden wie Verschleiß, Ero sion oder Ablagerungen entgegenwirken, sind im Stand der Technik unterschiedliche Überwa- chungs- und Diagnoseverfahren bekannt. Bei Kolbenverdichtern ist die Überwachung der Ven tile auf der Saugseite wie auf der Druckseite diesbezüglich von hoher Relevanz.
So beschreibt das Dokument EP 1 184 570 A2 ein System zur Überwachung der Ventile eines Kolbenverdichters, bei welchem piezoelektrische Schwingungssensoren auf jedem Zylinder des Verdichters angebracht sind. Die Sensoren erfassen über Vibrationen die Geräusche, die die Ventile beim Öffnen und Schließen verursachen. Durch eine nachgelagerte Signalverarbeitung lassen sich Rückschlüsse auf den aktuellen Zustand des Verdichters ziehen.
In der US-Patentanmeldung US 2010/0106458 A1 wird zur Überwachung eines Kolbenverdich ters ein anderer Weg beschritten. Ausgehend von Druckmessungen werden über Wavelet-Ana- lysen der erhaltenen Signalfolgen mit Hilfe von neuronalen Netzen Zustandsinformationen ge wonnen.
Auch Kombinationen der oben genannten Messverfahren sind bekannt. So wird in dem Doku ment US 2012/0134850 A1 ein Verfahren und ein System zur Überwachung von Kolbenverdich- tern beschrieben, bei dem mindestens ein Drucksensor und mindestens ein Schwingungs sensor jeweils Daten erfassen und aus der Kombination der beiden Daten eine Aussage über den Zustand des Kompressors gewonnen wird.
Speziell zur Überwachung der Ventile eines Kolbenkompressors sind Verfahren bekannt, bei denen Sensoren auf allen zu überwachenden Ventilen angebracht sind. Dabei handelt es sich zumeist um Temperatursensoren oder Schwingungssensoren, aus denen alleine oder aus der Kombination mit weiteren Sensoren an dem Verdichter Informationen über den Zustand der Ma schine erhalten werden. Die US-Patentanmeldung US 2017/0030349 A1 beschreibt ein derarti ges Verfahren.
In der US-Patentanmeldung US 2013/0115109 A1 wird ein Verfahren zur Überwachung von Verdichtern beschrieben, bei dem mittels Druck- und Temperatursensoren am Einlass und am Auslass des Verdichters Prozessdaten aufgenommen werden. Mittels einer Auswertelogik wird der Druckverlust über die Ventile des Verdichters ermittelt, um daraus Sollwerte für die Auslass temperatur des Verdichters zu bestimmen. Aus einem Vergleich des berechneten Sollwertes mit dem Istwert der Auslasstemperatur schließt die Auswertelogik auf den aktuellen Betriebszu stand des Verdichters und gibt gegebenenfalls eine Warnung aus.
Das Dokument JP 2002 147905 A offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines Kompres sors in einer Kühlvorrichtung, bei dem über Druck- und Temperatursensoren am Einlass und am Auslass des Kompressors aus Messwerten der Ansaugtemperatur, des Ansaugdruckes, der Auslasstemperatur und des Auslassdruckes ein Kriterium für den Zustand des Kompressors er mittelt wird, beispielsweise über die Berechnung eines Polytropenexponenten.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Systemen ist, dass sie eine aufwändige Instrumentierung erfordern, z.B. in Form von Schwingungssensoren auf allen zu erfassenden Bauteilen, und/oder eine aufwändige Auswertelogik, um die gewünschten Infor mationen aus den gemessenen Signalen bereitzustellen.
Es stellte sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Überwachung von Verdichtern bereitzustellen, das zuverlässig Informationen über mögliche Schäden im Inneren des Verdichters liefern kann, und dabei einfach und kostengünstig in der Installation und Wartung ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Bevor zugte Ausprägungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 angegeben. An spruch 7 und Anspruch 8 beschreiben ein Computerprogramm sowie ein Computerprogramm produkt, die geeignet sind, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erkennung von Schäden an einem Verdich ter, der eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
(i) Erfassung von Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite;
(ii) Bestimmung einer berechneten Endtemperatur (T2b), einer berechneten Saugtemperatur (T1 b), eines berechneten Enddrucks (p2b) oder eines berechneten Saugdrucks (p1 b) als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, als Funktion der Messda ten von höchstens drei der Messgrößen (p1 , T1 , p2, T2);
(iii) Bestimmung einer Vergleichsgröße aus mindestens einer der in Schritt (ii) nicht verwen deten Messgrößen (p1 , T1 , p2, T2);
(iv) Vergleich der Vergleichsgröße und der Sollgröße als Maß für einen Schaden an dem Ver dichter.
Erfindungsgemäß wird die in Schritt (ii) bestimmte Sollgröße nach einem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponenten (K) des zu verdichtenden Gases und ei nes Korrekturfaktors (h) bestimmt, und der Korrekturfaktor (h) wird anhand von Messdaten an gepasst.
Der für die Berechnung erforderliche Isentropenexponent (K) des zu verdichtenden Gases ist dem Fachmann bekannt und lässt sich beispielsweise öffentlich zugänglichen oder kommerziell erhältlichen Datenbanken oder Tabellenwerken entnehmen.
Bei zu verdichtenden Gasen, die sich aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften ähnlich einem idealen Gas verhalten, reicht das Modell der isentropen Verdichtung aus, um die realen Vorgänge gut genug zu beschreiben. Der Korrekturfaktor (h) kann in diesem Fall entfallen bzw. auf einen neutralen Wert gesetzt werden.
Bei zu verdichtenden Gasen hingegen, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften vom Verhalten eines idealen Gases abweichen, ist bei der Berechnung der Sollgrößen der Kor rekturfaktor (h) einzubeziehen, der Effekte der realen Verdichtung berücksichtigt, beispielsweise aufgrund der Aufheizung des Gases während des Saughubs durch Wärmeleitung an Innenwän den des Verdichters, im Säugventil oder durch Vermischung des eingesaugten Gases mit hei ßem Restgas im Verdichtungsraum. Dieser Korrekturfaktor (h) wird anhand von Messdaten an gepasst. Die Verfahrensschritte (i) bis (iv) können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Von der Erfindung sind allerdings auch abweichende Abfolgen der Verfahrensschritte erfasst. Insbesondere können die Schritte (ii) und (iii) auch in umgekehrter Reihenfolge oder auch si multan durchgeführt werden.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (ii) als Sollgröße eine berechnete Endtemperatur (T2b) als Funktion der Messdaten des Enddrucks (p2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) bestimmt, und in Schritt (iii) wird als Vergleichsgröße die gemessene Endtemperatur (T2) bestimmt. Das Verfahren umfasst also die Schritte:
(i) Erfassung von Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite;
(ii) Bestimmung einer berechneten Endtemperatur (T2b) als Sollgröße, die einen Gut-Zu- stand des Verdichters repräsentiert, als Funktion der Messdaten des Enddrucks (p2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1);
(iii) Bestimmung der Messdaten der Endtemperatur (T2) als Vergleichsgröße;
(iv) Vergleich der Vergleichsgröße (T2) und der Sollgröße (T2b) als Maß für einen Schaden an dem Verdichter;
wobei die in Schritt (ii) berechnete Endtemperatur (T2b) nach einem Modell der isentropen Ver dichtung unter Einbezug des Isentropenexponenten (K) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (h) bestimmt wird, und der Korrekturfaktor (h) anhand von Messdaten ange passt wird.
In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (ii) als Sollgröße eine berechnete Saugtemperatur (T1 b) als Funktion der Messdaten des Saugdrucks (p1), des Enddrucks (p2) und der Endtemperatur (T2) bestimmt, und in Schritt (iii) wird als Vergleichsgröße die gemessene Saugtemperatur (T1) bestimmt. Das Verfahren um fasst also die Schritte:
(i) Erfassung von Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite;
(ii) Bestimmung einer berechneten Saugtemperatur (T1b) als Sollgröße, die einen Gut-Zu- stand des Verdichters repräsentiert, als Funktion der Messdaten des Saugdrucks (p1), des Enddrucks (p2) und der Endtemperatur (T2);
(iii) Bestimmung der Messdaten der Saugtemperatur (T1) als Vergleichsgröße;
(iv) Vergleich der Vergleichsgröße (T1) und der Sollgröße (T1 b) als Maß für einen Schaden an dem Verdichter; wobei die in Schritt (ii) berechnete Saugtemperatur (T1 b) nach einem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponenten (K) des zu verdichtenden Gases und ei nes Korrekturfaktors (h) bestimmt wird, und der Korrekturfaktor (h) anhand von Messdaten an gepasst wird.
In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (ii) als Sollgröße ein berechneter Enddruck (p2b) als Funktion der Messdaten der End temperatur (T2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) bestimmt, und in Schritt (iii) wird als Vergleichsgröße der gemessene Enddruck (p2) bestimmt. Das Verfahren umfasst also die Schritte:
(i) Erfassung von Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite;
(ii) Bestimmung eines berechneten Enddrucks (p2b) als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, als Funktion der Messdaten der Endtemperatur (T2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1);
(iii) Bestimmung der Messdaten des Enddrucks (p2) als Vergleichsgröße;
(iv) Vergleich der Vergleichsgröße (p2) und der Sollgröße (p2b) als Maß für einen Schaden an dem Verdichter;
wobei der in Schritt (ii) berechnete Enddruck (p2b) nach einem Modell der isentropen Verdich tung unter Einbezug des Isentropenexponenten (K) des zu verdichtenden Gases und eines Kor rekturfaktors (h) bestimmt wird, und der Korrekturfaktor (h) anhand von Messdaten angepasst wird.
In einer vierten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (ii) als Sollgröße ein berechneter Saugdruck (p1 b) als Funktion der Messdaten der Saug temperatur (T1), des Enddrucks (p2) und der Endtemperatur (T2) bestimmt, und in Schritt (iii) wird als Vergleichsgröße der gemessene Saugdruck (p1) bestimmt. Das Verfahren umfasst also die Schritte:
(i) Erfassung von Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite;
(ii) Bestimmung eines berechneten Saugdrucks (p1 b) als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, als Funktion der Messdaten der Saugtemperatur (T1), des Enddrucks (p2) und der Endtemperatur (T2);
(iii) Bestimmung der Messdaten des Saugdrucks (p1) als Vergleichsgröße;
(iv) Vergleich der Vergleichsgröße (p1) und der Sollgröße (p1 b) als Maß für einen Schaden an dem Verdichter; wobei der in Schritt (ii) berechnete Saugdruck (p1 b) nach einem Modell der isentropen Verdich tung unter Einbezug des Isentropenexponenten (K) des zu verdichtenden Gases und eines Kor rekturfaktors (h) bestimmt wird, und der Korrekturfaktor (h) anhand von Messdaten angepasst wird.
Bei der Erfassung der Messdaten ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Messgrößen Saugdruck, Saugtemperatur, Enddruck und Endtemperatur als separate Messgrößen erfasst werden. Es können erfindungsgemäß in Abhängigkeit der konkreten Ausführungsform auch kombinierte oder abgeleitete Messgrößen erfasst werden. Beispielsweise können bei einer Aus führungsform, bei der im Schritt (ii) die Bestimmung der Sollgröße von einem Verhältnis des Enddrucks (p2) zum Saugdruck (p1) abhängt, anstelle der Messgrößen Saugdruck (p1) und Enddruck (p2) auch direkt deren Verhältnis (p2/p1 oder p1/p2) als Messgröße erfasst werden.
Bei der ersten Ausführungsform, bei der Messdaten der Endtemperatur (T2) als Vergleichs größe bestimmt werden, ist es weiterhin bevorzugt, dass die berechnete Endtemperatur (T2b) nach der Gleichung
T2b = T1 / h (r2/r1)L(1-1/k)
bestimmt wird, wobei k der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrek turfaktor h kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor h als Funktion der Saugtemperatur (T1), des Saugdrucks (p1) und des Enddrucks (p2) bestimmt.
Bei der zweiten Ausführungsform, bei der Messdaten der Saugtemperatur (T1) als Vergleichs größe bestimmt werden, ist es weiterhin bevorzugt, dass die berechnete Saugtemperatur (T1 b) nach der Gleichung
T1 b = T2 h (r1/r2)L(1-1/k)
bestimmt wird, wobei k der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrek turfaktor h kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor h als Funktion der Endtemperatur (T2), des Saugdrucks (p1) und des Enddrucks (p2) bestimmt.
Bei der dritten Ausführungsform, bei der Messdaten des Enddrucks (p2) als Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es weiterhin bevorzugt, dass der berechnete Enddruck (p2b) nach der Gleichung
p2b = p1 (h T2 / T1)L(k / (k-1))
bestimmt wird, wobei k der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrek turfaktor h kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor h als Funktion der Saugtemperatur (T1), des Saugdrucks (p1) und der Endtemperatur (T2) bestimmt.
Bei der vierten Ausführungsform, bei der Messdaten des Saugdrucks (p1) als Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es weiterhin bevorzugt, dass der berechnete Saugdruck (p1 b) nach der Gleichung
p1 b = p2 (T1 / T2 / h)L(k / (k-1))
bestimmt wird, wobei k der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrek turfaktor h kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor h als Funktion der Saugtemperatur (T1), der Endtemperatur (T2) und des Enddrucks (p2) bestimmt.
Die Anpassung des Korrekturfaktors h kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. In einer vorteil haften Ausgestaltung wird der Korrekturfaktor h durch Regression aus historischen Messdaten ermittelt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Anpassung des Korrekturfak tors (h) anhand von Messdaten dadurch, dass nach einer Revision eines Verdichters die nach Wiederinbetriebnahme erfassten Messwerte als gut definiert und zur Anpassung des Korrek turfaktors verwendet werden. Dabei kann der Verdichter auch gezielt durch vorgegebene Be triebszustände gefahren werden, um den Gut-Zustand zu definieren.
Bei der ersten Ausführungsform, bei der Messdaten der Endtemperatur (T2) als Vergleichs größe bestimmt werden, ist es demgemäß bevorzugt, dass der Korrekturfaktor h nach der Glei chung
h = a T1 + b p2/p1 + c
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtempe ratur (T1), Saugdruck(pl) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform, bei der Messdaten der Saugtemperatur (T1) als Vergleichs größe bestimmt werden, ist es demgemäß bevorzugt, dass der Korrekturfaktor h nach der Glei chung
h = a T2 + b p1/p2 + c
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Endtempera tur (T2), Saugdruck(pl) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
Bei der dritten Ausführungsform, bei der Messdaten des Enddrucks (p2) als Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es demgemäß bevorzugt, dass der Korrekturfaktor h nach der Gleichung h = a p1 + b T2/T1 + c berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtempe ratur (T1), Saugdruck (p1) und Endtemperatur (T2) ermittelt werden.
Bei der vierten Ausführungsform, bei der Messdaten des Saugdrucks (p1) als Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es demgemäß bevorzugt, dass der Korrekturfaktor h nach der Gleichung h = a p2 + b T1/T2 + c
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtempe ratur (T1), Endtemperatur (T2) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
Bei der Anpassung des Korrekturfaktors h können auch weitere messbare Größen verwendet werden, beispielsweise eine Drehzahl des Verdichters (N), Stellsignale der Saugventilanhebung (s), ein Schadraumvolumen (k) oder die Gaszusammensetzung (wi, W2, W3, etc.).
Bei der ersten Ausführungsform, bei der Messdaten der Endtemperatur (T2) als Vergleichs größe bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor h beispielsweise nach der Gleichung
h = a T1 + b p2/p1 + c + d N + e - s + f - k + gi wi + g2 W2 + ... berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, gi , g2, ...) durch Regression aus den entspre chenden Messdaten ermittelt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform, bei der Messdaten der Saugtemperatur (T1) als Vergleichs größe bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor h beispielsweise nach der Gleichung
h = a T2 + b p1/p2 + c + d N + e s + f - k + gi wi + g2 W2 + ... berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, gi, g2, ...) durch Regression aus den entspre chenden Messdaten ermittelt werden.
Bei der dritten Ausführungsform, bei der Messdaten des Enddrucks (p2) als Vergleichsgröße bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor h beispielsweise nach der Gleichung
h = a p1 + b T2/T 1 + c + d - N + e s + f k + gi Wi + g2 W2 + ... berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, gi, g2, ...) durch Regression aus den entspre chenden Messdaten ermittelt werden.
Bei der vierten Ausführungsform, bei der Messdaten des Saugdrucks (p1) als Vergleichsgröße bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor h beispielsweise nach der Gleichung
h = a p2 + b T 1/T2 + c + d - N + e s + f - k + gi wi + g2 W2 + ... berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, gi, g2, ...) durch Regression aus den entspre chenden Messdaten ermittelt werden. Die angeführten Gleichungen und Berechnungsvorschriften sind insofern allgemein aufzufas sen, dass Ergänzungen der jeweiligen Terme möglich und von der Erfindung mit umfasst sind, beispielsweise im Hinblick auf Normierungen oder Skalierungen. So ist beispielsweise der Term (p2/p1) hinsichtlich des Erfindungsgehaltes gleichbedeutend mit dem Term (p2 + 1) / (p1 + 1).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei Verdichtern mit lediglich einer Verdichter stufe als auch bei Verdichtern mit mehreren Verdichterstufen angewandt werden. Bei Verdich tern, die mehrere Verdichterstufen aufweisen, werden die Verfahrensschritte (i) bis (iv) vorzugs weise für mindestens zwei Verdichterstufen, besonders bevorzugt für alle Verdichterstufen durchgeführt. Dadurch ist es möglich, Schäden in dem Sinne zu lokalisieren, dass sie der jewei ligen Verdichterstufe zugeordnet werden können.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Schäden an ei nem Verdichter, der eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, wobei die Vorrichtung folgen des umfasst:
- Sensoren zur Erfassung von Messdaten von Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite,
- eine Berechnungseinheit, die eingerichtet ist, (a) eine vorgegebene Sollgröße als Ein gangsgröße zu empfangen und/oder eine Sollgröße als Funktion der Messdaten zu be stimmen, (b) eine Vergleichsgröße als Funktion der Messdaten zu bestimmen, und (c) ei nen Vergleich zwischen Sollgröße und Vergleichsgröße durchzuführen, sowie
- eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe eines Signals, das ein Maß für einen Schaden an dem Verdichter repräsentiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl bei Verdichtern mit lediglich einer Verdichter stufe als auch bei Verdichtern mit mehreren Verdichterstufen eingesetzt werden. Bei Verdich tern, die mehrere Verdichterstufen aufweisen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vor zugsweise Sensoren zur Erfassung von Messdaten an mindestens zwei Verdichterstufen, be sonders bevorzugt an allen Verdichterstufen, und die Berechnungseinheit ist vorzugsweise ein gerichtet, die Berechnungsschritte (a), (b) und (c) für mindestens zwei Verdichterstufen, beson ders bevorzugt für alle Verdichterstufen durchzuführen.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Computerprogramm sowie ein Computerpro grammprodukt, die geeignet sind, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm enthält Programmcode, der bei Ausführung des Computerprogramms auf einer geeigneten Computeranlage zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens geeignet ist. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst ein computerlesbares Medium und ein auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Computerprogramm mit Programmcode mitteln, die dazu geeignet sind, bei Ablauf des Computerprogramms auf einer geeigneten Com puteranlage das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Die erfindungsgemäßen Gegenstände sind geeignet, eine Vielzahl an Schäden an unterschied lichen Maschinenelementen von Verdichtern zu detektieren. Beispiele sind Schäden an Venti len, Kolbenringen, Stopfbuchspackungen, defekte Regeleinrichtungen, z.B. an Saugventilabhe bungen. Einzige Voraussetzung ist, dass sich die Schäden im thermodynamischen Verhalten der betrachteten Verdichterstufe bemerkbar machen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik kommen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin dungsgemäße Vorrichtung mit der Erfassung und Verarbeitung von Druck- und Temperaturda ten aus. Verglichen mit z.B. Schwingungssensoren sind die erfindungsgemäß erforderlichen Sensoren kostengünstig und meist als Standard-Ausrüstung der Verdichter bereits vorgesehen. Kostenintensive Nachrüstungen mit z.B. Schwingungssensoren sind nicht erforderlich. Zudem erfordert die Bestimmung von Sollgröße und Vergleichsgröße sowie deren Vergleich in den Schritten (ii) bis (iv) des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich die Auswertung einiger weni ger mathematischer Gleichungen und ist mit geringem Aufwand umsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es, früh zeitig während des Betriebs der Verdichter mögliche Schäden wie Verschleiß, Erosion oder Ab lagerungen zu erkennen, sodass rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden können, die einem Bauteilversagen und einem ungeplanten Maschinenstillstand Vorbeugen.
Die nachfolgenden Beispiele illustrieren die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens an hand von realen Messdaten aus dem Betrieb von unterschiedlichen Verdichtern, ohne jedoch die Erfindung auf diese Beispiele zu beschränken.
Beispiel 1
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auf die dritte Stufe eines Verdichters angewandt, um gegebenenfalls auftretende Schäden zu erkennen. Bei dem Verdichter handelte es sich um ei nen sechsstufigen, zweikurbeligen Kolbenverdichter, der Kohlenmonoxid von 100 mbarg bei ca. 5°C bis 35°C auf ca. 325 barg verdichtet. Die erste Stufe des Verdichters ist mit einer Rück stromregelung ausgestattet, mit der sich die Fördermenge des Verdichters zwischen ca. 70% und 100% der maximalen Fördermenge regeln lässt. Die dritte Verdichterstufe umfasst einen doppeltwirkenden Kolben innerhalb eines Zylinders. Der Zylinder der dritten Stufe ist so kon struiert, dass die beiden Verdichtungsräume auf der Deckelseite und auf der Kurbelseite ihr Gas aus einer gemeinsamen Saugkammer ansaugen und in eine gemeinsame Druckkammer fördern. Die Maschine ist in jedem Verdichtungsraum saug- und druckseitig mit je zwei Platten ventilen ausgestattet. Jede Stufe der Maschine ist an der saugseitigen und an der druckseitigen Rohrleitung mit Temperatursensoren und Drucksensoren ausgestattet.
Fig. 1 zeigt einen Auszug aus dem Betriebsdateninformationssystem des Verdichters für die dritte Verdichterstufe im Zeitraum September 2015 bis Oktober 2016. Folgende Größen sind in den Grafiken dargestellt, wobei die linke Skala Temperaturen in Grad Celsius und die rechte Skala Drücke in barg angibt: oberste Kurve (durchgezogen) Endtemperatur (T2)
zweitoberste Kurve (strichpunktiert) berechnete Endtemperatur (T2b)
mittlere Kurve (gestrichelt) Enddruck (p2)
zweitunterste Kurve (gestrichelt) Saugdruck (p1)
unterste Kurve (gepunktet) Saugtemperatur (T1)
Es wurden kontinuierlich Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite der dritten Stufe, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druck seite der dritten Stufe erfasst und aufgezeichnet. Zur Erstellung des Diagramms wurde ein Messpunkt pro sechs Stunden herangezogen. Die Messpunkte wurden zur besseren Übersicht lichkeit ausgeblendet und durch Interpolation miteinander verbunden.
Als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, wurde eine berechnete Endtemperatur (T2b) der dritten Stufe als Funktion der Messdaten des Enddrucks (p2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) bestimmt. Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach einem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponen- ten (K) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (h) bestimmt. Der Isentropenex- ponent für Kohlenmonoxid wurde in dem relevanten Druck- und Temperaturbereich auf 1 ,4 fest gelegt.
Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach der Gleichung T2b = T1 / h (r2/r1)L(1-1/k) bestimmt. Der Korrekturfaktor (h) wurde aus historischen Daten auf den Wert 0,972 bestimmt.
Für den Vergleich mit der Sollgröße wurde als Vergleichsgröße die gemessene Endtemperatur (T2) verwendet. In den Zeiträumen von Mitte April bis Mitte August 2016, Ende August 2016, sowie ab Anfang Oktober 2016 war der Verdichter nicht in Betrieb. Im Zeitraum Anfang September bis Mitte No vember 2015 waren die berechnete Endtemperatur (Sollgröße) und die gemessene Endtempe ratur (Vergleichsgröße) nahezu deckungsgleich. Dies ließ darauf schließen, dass die thermody namischen Maschinenelemente vollständig intakt waren. Ab Ende November 2015 zeigten sich erste Abweichungen zwischen gemessener und berechneter Endtemperatur. Ausgehend von Erfahrungen früherer Schäden ließ eine Abweichung von ca. 5°C bei einem Druckverhältnis (p2/p1) von ca. 2,5 eine geringfügige Schädigung der Arbeitsventile erwarten, die noch keine unmittelbare Reaktion erforderte.
Ab Januar 2016 wurde die Abweichung größer und erreichte Ende Januar ein Niveau von 10°C. Diese Abweichung wies erfahrungsgemäß auf eine Ventilschädigung mit Ausbrüchen an den Ventilplatten hin. Nachdem sich die Abweichungen ab Anfang Februar 2016 nochmals deutlich verschlechterten, wurde entschieden, bei nächster Gelegenheit die Ventile zu wechseln. Eine geplante Abstellung für eine Motorwartung Ende März wurde genutzt, um die Ventile zu über prüfen. Dabei zeigten sich erhebliche Ausbrüche an mehreren Saugventilplatten. Nachdem die Ventile gewechselt waren, zeigte sich nach dem Anfahren Mitte August 2016 keinerlei Abwei chung mehr zwischen berechneter und gemessener Endtemperatur.
Das erfindungsgemäße Verfahren auf Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat somit zu verlässig und frühzeitig während des Betriebs des Verdichters Schäden erkannt. Der Vergleich von Vergleichsgröße und Sollgröße lieferte dabei nicht nur eine Aussage, ob ein Schaden vor liegt, sondern auch ein Maß für die Schwere des Schadens. Darauf basierend konnten Ent scheidungen über Maßnahmen getroffen werden, um einem potenziellen Bauteilversagen und einem ungeplanten Maschinenstillstand vorzubeugen.
Beispiel 2
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auf die erste Stufe eines Verdichters angewandt, um gegebenenfalls auftretende Schäden zu erkennen. Bei dem Verdichter handelte es sich um ei nen siebenstufigen, zweikurbeligen Kolbenverdichter, der Kohlenmonoxid von 100 mbarg bei ca. 5°C bis 35°C auf ca. 325 barg verdichtet. Die erste Stufe des Verdichters ist mit einer Rück stromregelung ausgestattet, mit der sich die Fördermenge des Verdichters zwischen ca. 70% und 100% der maximalen Fördermenge regeln lässt. Die erste Verdichterstufe umfasst einen doppeltwirkenden Kolben innerhalb eines Zylinders. Der Zylinder ist so konstruiert, dass die bei- den Verdichtungsräume auf der Deckelseite und auf der Kurbelseite ihr Gas aus einer gemein samen Saugkammer ansaugen und in eine gemeinsame Druckkammer fördern. Die Maschine ist in jedem Verdichtungsraum saug- und druckseitig mit je drei Plattenventilen ausgestattet. Jede Stufe der Maschine ist an der saugseitigen und an der druckseitigen Rohrleitung mit Tem peratursensoren und Drucksensoren ausgestattet.
Fig. 2 zeigt einen Auszug aus dem Betriebsdateninformationssystem des Verdichters für die erste Verdichterstufe im Zeitraum Dezember 2017 bis Mai 2018. Folgende Größen sind in den Grafiken dargestellt, wobei die linke Skala Temperaturen in Grad Celsius und die rechte Skala Drücke in barg angibt: oberste Kurve (durchgezogen) Endtemperatur (T2)
zweitoberste Kurve (strichpunktiert) berechnete Endtemperatur (T2b)
drittoberste Kurve (gestrichelt) Enddruck (p2)
zweitunterste Kurve (gepunktet) Saugtemperatur (T1)
unterste Kurve (gestrichelt) Saugdruck (p1)
Es wurden kontinuierlich Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite der ersten Stufe, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druck seite der ersten Stufe erfasst und aufgezeichnet. Zur Erstellung des Diagramms wurde ein Messpunkt pro sechs Stunden herangezogen. Die Messpunkte wurden zur besseren Übersicht lichkeit ausgeblendet und durch Interpolation miteinander verbunden.
Als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, wurde eine berechnete Endtemperatur (T2b) der ersten Stufe als Funktion der Messdaten des Enddrucks (p2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) bestimmt. Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach einem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponen- ten (K) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (h) bestimmt. Der Isentropenex- ponent für Kohlenmonoxid wurde in dem relevanten Druck- und Temperaturbereich auf 1 ,4 fest gelegt.
Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach der Gleichung T2b = T1 / h (r2/r1)L(1-1/k) bestimmt. Der Korrekturfaktor (h) wurde nach der Gleichung h = a T1 + b p2/p1 + c bestimmt, wobei die Faktoren des Korrekturfaktors durch Regression aus historischen Messdaten von p2, p1 und T1 angepasst wurden zu a= 0,0004702, b= 0,06183 und c= 0,644289.
Für den Vergleich mit der Sollgröße wurde als Vergleichsgröße die gemessene Endtemperatur (T2) verwendet. In den Zeiträumen von Anfang bis Mitte Januar 2018, Ende Januar 2018, Anfang Februar 2018, Anfang März 2018, Ende März bis Anfang April 2018 sowie Anfang bis Mitte Mai 2018 war der Verdichter nicht in Betrieb. In den Zeiträumen, in denen der Verdichter in Betrieb war, waren die berechnete Endtemperatur (Sollgröße) und die gemessene Endtemperatur (Vergleichsgröße) nahezu deckungsgleich. Dies ließ darauf schließen, dass die thermodynamischen Maschinene lemente vollständig intakt waren. In dem betrachteten Zeitraum wurden tatsächlich auch keine Schäden an dem Verdichter festgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren auf Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch in die sem Fall in der Lage, zuverlässig und frühzeitig während des Betriebs des Verdichters Schäden zu erkennen.
Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auf einen einstufigen, doppeltwirkenden, zweikurbeli- gen Kolbenverdichter angewandt, der Wasserstoff von 25 barg bei ca. 5°C bis 35°C auf ca. 40 barg verdichtet. Beide Zylinder sind jeweils mit einer Saugleitung und einer Druckleitung ausge stattet. Die Verdichtungsräume auf der Deckelseite und auf der Kurbelseite beziehen ihr Gas aus einer gemeinsamen Saugkammer und fördern in eine gemeinsame Druckkammer. Die Ma schine ist in jedem Verdichtungsraum saugseitig und druckseitig mit je einem Ringventil ausge stattet. Die saugseitigen Ventile sind mit einer hydraulischen Rückstromregelung zur Förder mengenregelung ausgestattet. Die Maschine ist an der saugseitigen und an der druckseitigen Rohrleitung mit Temperatursensoren und Drucksensoren ausgestattet.
Weiterhin war die Maschine mit einer Überwachungseinrichtung ausgestattet, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Diese Überwachungseinrichtung umfasst Temperatursensoren an den Ventildeckeln der Saugseite und der Druckseite, die die Außentemperatur der Ventilde ckel erfassen. Sobald die gemessene Temperatur über einem Grenzwert von 50°C liegt, wird ein Alarm ausgelöst, der auf defekte Ventile hinweist.
Fig. 3 zeigt einen Auszug aus dem Betriebsdateninformationssystem des Verdichters im Zeit raum September 2017 bis März 2018. Folgende Größen sind in den Grafiken dargestellt, wobei die linke Skala Temperaturen in Grad Celsius und die rechte Skala das Druckverhältnis (p2/p1) als dimensionslose Zahl angibt: oberste Kurve (durchgezogen) Endtemperatur (T2)
zweitoberste Kurve (durchgezogen) berechnete Endtemperatur (T2b)
drittoberste Kurve (gepunktet) Druckverhältnis (p2/p1)
zweitunterste Kurven (gestrichelt) Ventildeckeltemperaturen 1 und 2
unterste Kurve (strichpunktiert) Saugtemperatur (T1)
Es wurden kontinuierlich Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druckseite erfasst und aufgezeichnet. Zur Erstellung des Diagramms wurde ein Messpunkt pro sechs Stunden heran gezogen. Die Messpunkte wurden zur besseren Übersichtlichkeit ausgeblendet und durch Inter polation miteinander verbunden.
Als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, wurde eine berechnete Endtemperatur (T2b) als Funktion der Messdaten des Enddrucks (p2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) bestimmt. Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach ei nem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponenten (K) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (h) bestimmt. Der Isentropenexponent für Wasserstoff wurde in dem relevanten Druck- und Temperaturbereich auf 1 ,4 festgelegt.
Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach der Gleichung T2b = T1 / h (r2/r1)L(1-1/k) bestimmt. Der Korrekturfaktor (h) wurde anhand von historischen Messdaten auf den Wert h = 0,975 angepasst.
Für den Vergleich mit der Sollgröße wurde als Vergleichsgröße die gemessene Endtemperatur (T2) verwendet.
In den Zeiträumen von Mitte September bis Anfang Oktober 2017, Ende Oktober 2017 und Ende November 2017 bis Ende Januar 2018 war der Verdichter nicht in Betrieb. Im Oktober 2017 waren die berechnete Endtemperatur (Sollgröße) und die gemessene Endtemperatur (Vergleichsgröße) nahezu deckungsgleich. Dies ließ darauf schließen, dass die thermodynami schen Maschinenelemente vollständig intakt waren. Nach der Wiederinbetriebnahme Ende Ok tober 2017 zeigten sich erste Abweichungen zwischen gemessener und berechneter Endtem peratur. Ausgehend von Erfahrungen früherer Schäden ließ eine Abweichung von ca. 5°C bei einem Druckverhältnis (p2/p1) von ca. 1 ,55 eine Schädigung der Arbeitsventile mit kleineren Ausbrüchen an den Ventilringen erwarten. Die zur konventionellen Überwachung eingesetzten Temperatursensoren auf den Ventildeckeln wiesen zu diesem Zeitpunkt noch Werte auf, die weit unterhalb der Alarmschwelle von 50°C lagen. Nach der Wiederinbetriebnahme Ende Januar 2018 wurde die Abweichung größer und er reichte in den darauffolgenden zwei Monaten ein Niveau von 10°C. Diese Abweichung wies bei dem geringen Druckverhältnis erfahrungsgemäß auf eine signifikante Ventilschädigung mit grö- ßeren Ausbrüchen an den Ventilringen hin. Auch in diesem Zeitraum signalisierte die konventio nelle Überwachung keine Schädigung. Die Messwerte aus den Temperatursensoren auf den Ventildeckeln lagen sogar noch unterhalb derer im November 2017. Im Mai 2018 wurde die Ma schine erneut außer Betrieb genommen und die Ventile untersucht. Es wurden ausgebrochene Ventilringe an beiden Ventilplatten vorgefunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren auf Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat somit auch in diesem Fall zuverlässig und frühzeitig während des Betriebs des Verdichters Schäden erkannt, wohingegen die konventionelle Überwachung mittels Temperaturmessung auf Ventil deckeln keinerlei Hinweis auf mögliche Schäden lieferte.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erkennung von Schäden an einem Verdichter, der eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, umfassend die Schritte
(i) Erfassung von Messdaten der Messgrößen Saugdruck (p1) und Saugtemperatur (T1) auf der Saugseite, sowie Enddruck (p2) und Endtemperatur (T2) auf der Druck seite;
(ii) Bestimmung einer berechneten Endtemperatur (T2b), einer berechneten Saugtem peratur (T1 b), eines berechneten Enddrucks (p2b) oder eines berechneten Saug drucks (p1 b) als Sollgröße, die einen Gut-Zustand des Verdichters repräsentiert, als Funktion der Messdaten von höchstens drei der Messgrößen (p1 , T1 , p2, T2);
(iii) Bestimmung einer Vergleichsgröße aus mindestens einer der in Schritt (ii) nicht ver wendeten Messgrößen (p1 , T1 , p2, T2);
(iv) Vergleich der Vergleichsgröße und der Sollgröße als Maß für einen Schaden an dem Verdichter;
dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (ii) bestimmte Sollgröße nach einem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponenten (K) des zu verdich tenden Gases und eines Korrekturfaktors (h) bestimmt wird, und der Korrekturfaktor (h) anhand von Messdaten angepasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt (ii) als Sollgröße eine berechnete Endtempe ratur (T2b) als Funktion der Messdaten des Enddrucks (p2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) nach der Gleichung
T2b = T1 / h (r2/r1)L(1-1/k)
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße die gemessene Endtemperatur (T2) bestimmt wird, wobei der Korrekturfaktor h nach der Gleichung
h = a T1 + b p2/p1 + c
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von p2, p1 und T 1 ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt (ii) als Sollgröße eine berechnete Saugtem peratur (T1 b) als Funktion der Messdaten des Saugdrucks (p1), des Enddrucks (p2) und der Endtemperatur (T2) nach der Gleichung
T1 b = T2 h (r1/r2)L(1-1/k)
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße die gemessene Saugtemperatur (T1) bestimmt wird, wobei der Korrekturfaktor h nach der Gleichung
h = a T2 + b p1/p2 + c berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von End temperatur (T2), Saugdruck(pl) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt (ii) als Sollgröße ein berechneter Enddruck (p2b) als Funktion der Messdaten der Endtemperatur (T2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) nach der Gleichung
p2b = p1 (h T2 / T1)L(k / (k-1))
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße der gemessene Enddruck (p2) be stimmt wird, wobei der Korrekturfaktor h nach der Gleichung
h = a p1 + b T2/T1 + c
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saug temperatur (T1), Saugdruck (p1) und Endtemperatur (T2) ermittelt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt (ii) als Sollgröße ein berechneter Saugdruck (p1b) als Funktion der Messdaten der Saugtemperatur (T1), des Enddrucks (p2) und der Endtemperatur (T2) nach der Gleichung
p1b = p2 (T1 / T2 / h)L(k / (k-1))
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße der gemessene Saugdruck (p1) be stimmt wird, wobei der Korrekturfaktor h nach der Gleichung
h = a p2 + b T1/T2 + c
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saug temperatur (T1), Endtemperatur (T2) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Verdichter mehrere Verdichter stufen aufweist, und die Verfahrensschritte (i) bis (iv) für mindestens zwei Verdichterstu fen, bevorzugt für alle Verdichterstufen durchgeführt werden.
7. Computerprogramm mit Programmcode, der bei Ausführung des Computerprogramms auf einer geeigneten Computeranlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 geeignet ist.
8. Computerprogrammprodukt mit einem computerlesbaren Medium und einem auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die dazu geeignet sind, bei Ablauf des Computerprogramms auf einer geeigneten Com puteranlage ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
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