EP3983681B1

EP3983681B1 - Verfahren zur erkennung von schäden an einem verdichter

Info

Publication number: EP3983681B1
Application number: EP20729760.7A
Authority: EP
Inventors: Lorenz KUNZ
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2023-08-09
Anticipated expiration: 2040-06-04
Also published as: WO2020249461A1; CN113906216A; CN113906216B; US20220356873A1; EP3983681A1

Description

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 Schaden berechnet wird.
Verdichter gehören zu den Fluidenergiemaschinen, die als Arbeitsmaschinen zugeführte Energie in andere Energiezustände umsetzen. Verdichter werden vielfältig eingesetzt, beispielsweise 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, Ablagerungen oder Bauteilversagen. Dies kann zur Senkung der Effizienz des Verdichters bis hin zu dessen kompletten Funktionsuntüchtigkeit führen. Um derartige Vorgänge frühzeitig zu erkennen und gegebenenfalls Maßnahmen treffen zu können, die Schäden wie Verschleiß, Erosion oder Ablagerungen entgegenwirken, sind im Stand der Technik unterschiedliche Überwachungs- und Diagnoseverfahren bekannt. Bei Kolbenverdichtern ist die Überwachung der Ventile 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 Kolbenverdichters ein anderer Weg beschritten. Ausgehend von Druckmessungen werden über Wavelet-Analysen der erhaltenen Signalfolgen mit Hilfe von neuronalen Netzen Zustandsinformationen gewonnen.
Auch Kombinationen der oben genannten Messverfahren sind bekannt. So wird in dem Dokument US 2012/0134850 A1 ein Verfahren und ein System zur Überwachung von Kolbenverdichtern beschrieben, bei dem mindestens ein Drucksensor und mindestens ein Schwingungssensor 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 Maschine erhalten werden. Die US-Patentanmeldung US 2017/0030349 A1 beschreibt ein derartiges 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 Auslasstemperatur des Verdichters zu bestimmen. Aus einem Vergleich des berechneten Sollwertes mit dem Istwert der Auslasstemperatur schließt die Auswertelogik auf den aktuellen Betriebszustand des Verdichters und gibt gegebenenfalls eine Warnung aus.
Das Dokument JP 2002 147905 A offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines Kompressors 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 ermittelt 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 Informationen 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. Bevorzugte Ausprägungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 angegeben. Anspruch 7 und Anspruch 8 beschreiben ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt, die geeignet sind, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erkennung von Schäden an einem Verdichter, 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 (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.

Erfindungsgemäß wird 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, und der Korrekturfaktor (η) wird anhand von Messdaten angepasst.
Der für die Berechnung erforderliche Isentropenexponent (κ) 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 (η) 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 Korrekturfaktor (η) einzubeziehen, der Effekte der realen Verdichtung berücksichtigt, beispielsweise aufgrund der Aufheizung des Gases während des Saughubs durch Wärmeleitung an Innenwänden des Verdichters, im Saugventil oder durch Vermischung des eingesaugten Gases mit hei-ßem Restgas im Verdichtungsraum. Dieser Korrekturfaktor (η) wird anhand von Messdaten angepasst.
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 simultan 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-Zustand 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;

In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (ii) als Sollgröße eine berechnete Saugtemperatur (T1b) 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 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 Saugtemperatur (T1b) als Sollgröße, die einen Gut-Zustand 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 (T1b) als Maß für einen Schaden an dem Verdichter;

In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (ii) als Sollgröße ein berechneter Enddruck (p2b) als Funktion der Messdaten der Endtemperatur (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;

In einer vierten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (ii) als Sollgröße ein berechneter Saugdruck (p1b) als Funktion der Messdaten der Saugtemperatur (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 (p1b) 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 (p1b) als Maß für einen Schaden an dem Verdichter;

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 Ausführungsform, 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 Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es weiterhin bevorzugt, dass die berechnete Endtemperatur (T2b) nach der Gleichung $T 2 b = T 1 / η \cdot {(p 2 / p 1)}^{\land} (1 - 1 / k)$
bestimmt wird, wobei κ der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrekturfaktor η kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor η als Funktion der Saugtemperatur (T1), des Saugdrucks (p1) und des Enddrucks (p2) bestimmt.
Bei der zweiten Ausführungsform, bei der Messdaten der Saugtemperatur (T1) als Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es weiterhin bevorzugt, dass die berechnete Saugtemperatur (T1b) nach der Gleichung $T 1 b = T 2 \cdot η \cdot {(p 1 / p 2)}^{\land} (1 - 1 / k)$
bestimmt wird, wobei κ der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrekturfaktor η kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor η 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 $p 2 b = p 1 \cdot {(η \cdot T 2 / T 1)}^{\land} (k / (k - 1))$
bestimmt wird, wobei κ der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrekturfaktor η kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor η 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 (p1b) nach der Gleichung $p 1 b = p 2 \cdot {(T 1 / T 2 / η)}^{\land} (k / (k - 1))$
bestimmt wird, wobei κ der Isentropenexponent des zu verdichtenden Gases ist. Der Korrekturfaktor η kann konstant sein oder in Abhängigkeit der Messgrößen angepasst werden. In einer Variante wird der Korrekturfaktor η als Funktion der Saugtemperatur (T1), der Endtemperatur (T2) und des Enddrucks (p2) bestimmt.
Die Anpassung des Korrekturfaktors η kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Korrekturfaktor η durch Regression aus historischen Messdaten ermittelt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Anpassung des Korrekturfaktors (η) anhand von Messdaten dadurch, dass nach einer Revision eines Verdichters die nach Wiederinbetriebnahme erfassten Messwerte als gut definiert und zur Anpassung des Korrekturfaktors verwendet werden. Dabei kann der Verdichter auch gezielt durch vorgegebene Betriebszustände gefahren werden, um den Gut-Zustand zu definieren.
Bei der ersten Ausführungsform, bei der Messdaten der Endtemperatur (T2) als Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es demgemäß bevorzugt, dass der Korrekturfaktor η nach der Gleichung $η = a \cdot T 1 + b \cdot p 2 / p 1 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtemperatur (T1), Saugdruck(p1) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform, bei der Messdaten der Saugtemperatur (T1) als Vergleichsgröße bestimmt werden, ist es demgemäß bevorzugt, dass der Korrekturfaktor η nach der Gleichung $η = a \cdot T 2 + b \cdot p 1 / p 2 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Endtemperatur (T2), Saugdruck(p1) 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 η nach der Gleichung $η = a \cdot p 1 + b \cdot T 2 / T 1 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtemperatur (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 η nach der Gleichung $η = a \cdot p 2 + b \cdot T 1 / T 2 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtemperatur (T1), Endtemperatur (T2) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
Bei der Anpassung des Korrekturfaktors η können auch weitere messbare Größen verwendet werden, beispielsweise eine Drehzahl des Verdichters (N), Stellsignale der Saugventilanhebung (s), ein Schadraumvolumen (k) oder die Gaszusammensetzung (w₁, w₂, w₃, etc.).
Bei der ersten Ausführungsform, bei der Messdaten der Endtemperatur (T2) als Vergleichsgröße bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor η beispielsweise nach der Gleichung $η = a \cdot T 1 + b \cdot p 2 / p 1 + c + d \cdot N + e \cdot s + f \cdot k + g_{1} \cdot w_{1} + g_{2} \cdot w_{2} + \dots$
berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, g₁, g₂, ...) durch Regression aus den entsprechenden Messdaten ermittelt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform, bei der Messdaten der Saugtemperatur (T1) als Vergleichsgröße bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor η beispielsweise nach der Gleichung $η = a \cdot T 2 + b \cdot p 1 / p 2 + c + d \cdot N + e \cdot s + f \cdot k + g_{1} \cdot w_{1} + g_{2} \cdot w_{2} + \dots$
berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, g₁, g₂, ...) durch Regression aus den entsprechenden Messdaten ermittelt werden.
Bei der dritten Ausführungsform, bei der Messdaten des Enddrucks (p2) als Vergleichsgröße bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor η beispielsweise nach der Gleichung $η = a \cdot p 1 + b \cdot T 2 / T 1 + c + d \cdot N + e \cdot s + f \cdot k + g_{1} \cdot w_{1} + g_{2} \cdot w_{2} + \dots$
berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, g₁, g₂, ...) durch Regression aus den entsprechenden Messdaten ermittelt werden.
Bei der vierten Ausführungsform, bei der Messdaten des Saugdrucks (p1) als Vergleichsgröße bestimmt werden, kann der Korrekturfaktor η beispielsweise nach der Gleichung $η = a \cdot p 2 + b \cdot T 1 / T 2 + c + d \cdot N + e \cdot s + f \cdot k + g_{1} \cdot w_{1} + g_{2} \cdot w_{2} + \dots$
berechnet wird, und die Faktoren (a, b, c, d, e, f, g₁, g₂, ...) durch Regression aus den entsprechenden Messdaten ermittelt werden.
Die angeführten Gleichungen und Berechnungsvorschriften sind insofern allgemein aufzufassen, 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 Verdichterstufe als auch bei Verdichtern mit mehreren Verdichterstufen angewandt werden. Bei Verdichtern, die mehrere Verdichterstufen aufweisen, werden die Verfahrensschritte (i) bis (iv) vorzugsweise für mindestens zwei Verdichterstufen, besonders bevorzugt für alle Verdichterstufen durchgeführt. Dadurch ist es möglich, Schäden in dem Sinne zu lokalisieren, dass sie der jeweiligen Verdichterstufe zugeordnet werden können.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Schäden an einem Verdichter, der eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, wobei die Vorrichtung folgendes 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 Eingangsgröße zu empfangen und/oder eine Sollgröße als Funktion der Messdaten zu bestimmen, (b) eine Vergleichsgröße als Funktion der Messdaten zu bestimmen, und (c) einen 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 Verdichterstufe als auch bei Verdichtern mit mehreren Verdichterstufen eingesetzt werden. Bei Verdichtern, die mehrere Verdichterstufen aufweisen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise Sensoren zur Erfassung von Messdaten an mindestens zwei Verdichterstufen, besonders bevorzugt an allen Verdichterstufen, und die Berechnungseinheit ist vorzugsweise eingerichtet, die Berechnungsschritte (a), (b) und (c) für mindestens zwei Verdichterstufen, besonders bevorzugt für alle Verdichterstufen durchzuführen.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt, die geeignet sind, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm enthält Programmcode, der bei Ausführung des Computerprogramms auf einer geeigneten Computeranlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst ein computerlesbares Medium und ein auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die dazu geeignet sind, bei Ablauf des Computerprogramms auf einer geeigneten Computeranlage das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Die erfindungsgemäßen Gegenstände sind geeignet, eine Vielzahl an Schäden an unterschiedlichen Maschinenelementen von Verdichtern zu detektieren. Beispiele sind Schäden an Ventilen, Kolbenringen, Stopfbuchspackungen, defekte Regeleinrichtungen, z.B. an Saugventilabhebungen. 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 erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Erfassung und Verarbeitung von Druck- und Temperaturdaten 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 weniger mathematischer Gleichungen und ist mit geringem Aufwand umsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es, frühzeitig während des Betriebs der Verdichter mögliche Schäden wie Verschleiß, Erosion oder Ablagerungen 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 anhand 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 einen 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 Rückstromregelung 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 konstruiert, 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 Plattenventilen 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 Druckseite der dritten Stufe erfasst und aufgezeichnet. Zur Erstellung des Diagramms wurde ein Messpunkt pro sechs Stunden herangezogen. Die Messpunkte wurden zur besseren Übersichtlichkeit 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 Isentropenexponenten (κ) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (η) bestimmt. Der Isentropenexponent für Kohlenmonoxid wurde in dem relevanten Druck- und Temperaturbereich auf 1,4 festgelegt.
Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach der Gleichung T2b = T1 / η · (p2/p1)^(1-1/κ) bestimmt. Der Korrekturfaktor (η) 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 November 2015 waren die berechnete Endtemperatur (Sollgröße) und die gemessene Endtemperatur (Vergleichsgröße) nahezu deckungsgleich. Dies ließ darauf schließen, dass die thermodynamischen 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 überprüfen. Dabei zeigten sich erhebliche Ausbrüche an mehreren Saugventilplatten. Nachdem die Ventile gewechselt waren, zeigte sich nach dem Anfahren Mitte August 2016 keinerlei Abweichung mehr zwischen berechneter und gemessener Endtemperatur.
Das erfindungsgemäße Verfahren auf Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat somit zuverlässig und frühzeitig während des Betriebs des Verdichters Schäden erkannt. Der Vergleich von Vergleichsgröße und Sollgröße lieferte dabei nicht nur eine Aussage, ob ein Schaden vorliegt, sondern auch ein Maß für die Schwere des Schadens. Darauf basierend konnten Entscheidungen 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 einen 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 Rückstromregelung 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 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 drei Plattenventilen ausgestattet. Jede Stufe der Maschine ist an der saugseitigen und an der druckseitigen Rohrleitung mit Temperatursensoren 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 Druckseite der ersten Stufe erfasst und aufgezeichnet. Zur Erstellung des Diagramms wurde ein Messpunkt pro sechs Stunden herangezogen. Die Messpunkte wurden zur besseren Übersichtlichkeit 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 Isentropenexponenten (κ) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (η) bestimmt. Der Isentropenexponent für Kohlenmonoxid wurde in dem relevanten Druck- und Temperaturbereich auf 1,4 festgelegt.
Die berechnete Endtemperatur (T2b) wurde nach der Gleichung T2b = T1 / η · (p2/p1)^(1-1/κ) bestimmt. Der Korrekturfaktor (η) wurde nach der Gleichung η = 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 Maschinenelemente 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 diesem 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, zweikurbeligen 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 ausgestattet. Die Verdichtungsräume auf der Deckelseite und auf der Kurbelseite beziehen ihr Gas aus einer gemeinsamen Saugkammer und fördern in eine gemeinsame Druckkammer. Die Maschine ist in jedem Verdichtungsraum saugseitig und druckseitig mit je einem Ringventil ausgestattet. Die saugseitigen Ventile sind mit einer hydraulischen Rückstromregelung zur Fördermengenregelung 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 Ventildeckel 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 Zeitraum 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 herangezogen. Die Messpunkte wurden zur besseren Übersichtlichkeit ausgeblendet und durch Interpolation 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 einem Modell der isentropen Verdichtung unter Einbezug des Isentropenexponenten (κ) des zu verdichtenden Gases und eines Korrekturfaktors (η) 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 / η · (p2/p1)^(1-1/κ) bestimmt. Der Korrekturfaktor (η) wurde anhand von historischen Messdaten auf den Wert η = 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 thermodynamischen Maschinenelemente vollständig intakt waren. Nach der Wiederinbetriebnahme Ende Oktober 2017 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. 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 erreichte 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 konventionelle Überwachung keine Schädigung. Die Messwerte aus den Temperatursensoren auf den Ventildeckeln lagen sogar noch unterhalb derer im November 2017. Im Mai 2018 wurde die Maschine 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 Ventildeckeln keinerlei Hinweis auf mögliche Schäden lieferte.

Claims

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;
dadurch gekennzeichnet, dass 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.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (ii) als Sollgröße eine berechnete Endtemperatur (T2b) als Funktion der Messdaten des Enddrucks (p2), des Saugdrucks (p1) und der Saugtemperatur (T1) nach der Gleichung $T 2 b = T 1 / η \cdot {(p 2 / p 1)}^{\land} (1 - 1 / κ)$
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße die gemessene Endtemperatur (T2) bestimmt wird, wobei der Korrekturfaktor η nach der Gleichung $η = a \cdot T 1 + b \cdot p 2 / p 1 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von p2, p1 und T1 ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (ii) als Sollgröße eine berechnete Saugtemperatur (T1b) als Funktion der Messdaten des Saugdrucks (p1), des Enddrucks (p2) und der Endtemperatur (T2) nach der Gleichung $T 1 b = T 1 \cdot η \cdot {(p 1 / p 2)}^{\land} (1 - 1 / κ)$
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße die gemessene Saugtemperatur (T1) bestimmt wird, wobei der Korrekturfaktor η nach der Gleichung $η = a \cdot T 2 + b \cdot p 1 / p 2 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Endtemperatur (T2), Saugdruck(p1) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
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 $p 2 b = p 1 \cdot {(η \cdot T 2 / T 1)}^{\land} (κ / (κ - 1))$
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße der gemessene Enddruck (p2) bestimmt wird, wobei der Korrekturfaktor η nach der Gleichung $η = a \cdot p 1 + b \cdot T 2 / T 1 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtemperatur (T1), Saugdruck (p1) und Endtemperatur (T2) ermittelt werden.
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 $p 1 b = p 2 \cdot {(T 1 / T2 / η)}^{\land} (κ / (κ - 1))$
bestimmt wird, und in Schritt (iii) als Vergleichsgröße der gemessene Saugdruck (p1) bestimmt wird, wobei der Korrekturfaktor η nach der Gleichung $η = a \cdot p 2 + b \cdot T1 / T 2 + c$
berechnet wird, und die Faktoren a, b und c durch Regression aus Messdaten von Saugtemperatur (T1), Endtemperatur (T2) und Enddruck (p2) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Verdichter mehrere Verdichterstufen aufweist, und die Verfahrensschritte (i) bis (iv) für mindestens zwei Verdichterstufen, bevorzugt für alle Verdichterstufen durchgeführt werden.
Computerprogramm mit Programmcode, der bei Ausführung des Computerprogramms auf einer geeigneten Computeranlage ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführt.
Computerprogrammprodukt mit einem computerlesbaren Medium und einem auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die bei Ablauf des Computerprogramms auf einer geeigneten Computeranlage ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführen.