WO2014118087A1 - Mehrstufiger verdichter - Google Patents

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WO2014118087A1
WO2014118087A1 PCT/EP2014/051389 EP2014051389W WO2014118087A1 WO 2014118087 A1 WO2014118087 A1 WO 2014118087A1 EP 2014051389 W EP2014051389 W EP 2014051389W WO 2014118087 A1 WO2014118087 A1 WO 2014118087A1
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WO
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compressor
stage
bypass line
turbine
suction side
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PCT/EP2014/051389
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English (en)
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Inventor
Georg Winkes
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/14—Multi-stage pumps with means for changing the flow-path through the stages, e.g. series-parallel, e.g. side-loads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0246—Surge control by varying geometry within the pumps, e.g. by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger

Definitions

  • the invention relates to a multi-stage compressor comprising at least one adjustable inlet guide, a plurality of compressor stages and a means for controlling or regulating the compressor with regard to the surge limit or a control line upstream of the surge limit, as well as a
  • Bypass line to return, if necessary, a portion of a compressed medium to the suction side of a compressor stage.
  • the pumping limit of a compressor is the transition from an aerodynamically stable to an aerodynamically unstable mode of operation. After exceeding the surge limit of a compressor, considerable backflows occur, causing pressure fluctuations and temperature increases. For these reasons and in order to avoid damage to the compressor, turbo compressors are operated in such a way that reaching the surge limit is avoided, at least the state of pumping should be limited to the shortest possible time periods. Conventional compressors therefore have a control that maintains a defined safety margin to a surge limit of the map of the compressor.
  • a pump limit control valve is usually provided which allows the pressure at the outlet of the compressor to drop below a certain distance from the pumping limit or when pumping has already begun. During operation, however, the surge limit can also be achieved if the flow rate is reduced.
  • the CH 365 174 A discloses a compressor of the type mentioned.
  • DE 22 30781 C3 discloses a two-stage compressor, wherein a drive shaft of a first
  • Compressor stage is firmly connected to the shaft of a turbine runner. By actuating a valve, a portion of the compressed gas from the first compressor stage can be returned to the turbine runner, whereby the energy contained therein for the drive of the compressor can be used as the turbine runner rotatably with the
  • the CH 321 648 A is concerned with a compressor of the aforementioned type, wherein a compressor coupled to a recuperation turbine is disclosed.
  • multi-stage compressors are designed so that a lossy bypass or Abblase réelle in the normal, specified operating range is largely prevented. However, this can not be guaranteed for all operating states.
  • the invention has for its object to provide a multi-stage compressor in which the energy loss caused by the return of compressed medium by a
  • the invention is based on the idea of preventing lossy relaxation of the compressed medium and instead of utilizing its ability to work for energy recovery.
  • a working machine is arranged in the bypass line, which is driven by energy contained in the compressed medium, so that this energy is subsequently can be used. In this way, the total energy consumption of the multi-stage compressor can be reduced.
  • a first, alternative embodiment of the invention can provide that the at least one working machine is designed as a jet compressor to the suction side of the
  • Compressor stage to supply additional medium.
  • ambient air can be compressed by the jet compressor and then the suction side of a particular
  • a jet compressor has the advantage that it comprises no moving parts. In this variant, therefore, the operability of the compressed medium in the bypass flow is used to compress additional medium such as ambient air and to supply it in the compressed state to a compressor stage.
  • a second embodiment of the invention can provide that the turbine is coupled to a further compressor, which is connected on the output side to the suction side of a compressor stage.
  • the further compressor is arranged in the bypass line and is used for recuperation of energy contained in the compressed medium.
  • the energy released by the expansion of the compressed medium in the turbine is used directly to drive a compressor. Due to the direct coupling of the turbine with the other compressor only small losses occur.
  • the turbine is coupled to a generator so that the energy contained in the compressed medium can be converted to electrical energy, accordingly, the energy of the bypass flow is not completely lost.
  • the expanded medium is returned to the suction side of a compressor stage.
  • the turbine may also be coupled to a main drive shaft of the compressor or a compressor stage, such that the energy contained in the compressed medium is converted into mechanical energy is converted, with which the compressor can be driven.
  • the turbine is coupled to the main drive shaft via a one-way clutch.
  • the additional compressor may be connected on the output side with an intermediate cooler, which is connected upstream of the suction side of a compressor stage, so that temperature increases occurring during compression of the medium can be compensated again.
  • Bypass line of the compressor according to the invention can open on the suction side of a second or another compressor stage, at this point, the fluid flowing through the bypass line is added back to the main stream.
  • the bypass line has a control valve and / or a throttle valve and / or an adjustable nozzle ring for controlling or regulating the flow cross section of the bypass line up. In this way, the amount of the bypass line flowing through the medium can be adjusted so that only as much medium is returned through the bypass line, as required for compliance with the surge limit.
  • the compressor has a plurality of bypass lines, each with at least one especially designed as a turbine or jet compressor work machine, preferably each
  • Bypass is associated with a means for controlling or regulating the flow cross section of the bypass line as a control valve, a throttle valve or an adjustable nozzle ring.
  • the turbine may be coupled to an energy converter, such as a generator or a compressor.
  • Fig. 1 is an illustration of relevant prior art
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the invention.
  • the compressor 1 schematically shown in Fig. 1 comprises a first compressor stage 2 with an adjustable strictlysleitapparat (ELA) 3.
  • EVA adjustable permitsleitapparat
  • an intermediate cooling 4 is provided, this is followed by a second compressor stage 5 and an intermediate cooling 6 at.
  • a conveyed medium is fed to a further intermediate cooling 8.
  • the compressed medium for.
  • ambient air supplied to a particular application, for example, gaseous and liquid oxygen, nitrogen and noble gases can be prepared in an air separation plant.
  • a bypass line 9 is provided, through which the compressed medium is returned to the suction side of the second compressor stage 5.
  • a control valve 10 is arranged, through which the flow cross-section can be adjusted.
  • a control valve and a throttle valve or an adjustable nozzle ring may be provided.
  • a turbine 11 is arranged as a working machine, which is coupled to a generator 12.
  • the Turbine 11 serves as an expansion turbine by a part of the compressed medium, which flows through the bypass line 9, is expanded in the turbine 11.
  • the energy contained in the compressed medium can be at least partially converted into electrical energy by means of the generator 12 coupled to the turbine 11.
  • the compressed medium cools during the relaxation in the turbine 11, whereby the suction temperature of the second compressor stage 5 decreases. This effect is much more pronounced because of the energy extraction by the turbine 11 than the pure Joule-Thomson effect of a surge limit control valve.
  • the flow work that has to be performed on the second compressor stage 5 is reduced in order to overcome the pending pressure ratio. Furthermore, the second compressor stage 5 is very effectively "moved away" from its pumping limit.
  • the inlet guide apparatus 3 assigned to the first compressor stage 2 can be closed further because the second compressor stage 5 is able to overcome a higher pressure ratio Power consumption of a drive motor of the multi-stage compressor 1.
  • the bypass line 9 is designed to receive part of the total delivery volume of the medium in order to expand the economic operating range of the multi-stage compressor 1 in a defined, limited range.
  • a surge limit control valve 13 connected to the outlet of the intermediate cooling 8 is required.
  • the surge limit control valve serves to lower the pressure at the outlet of the compressor 1 in order to maintain a certain distance from the pumping limit or to stop pumping taking place.
  • Fig. 1 The prior art shown in Fig. 1 can be modified by providing a plurality of turbines which can be switched in staggered manner. Likewise, another could Turbine can be provided, which the medium after the relaxation in the turbine the suction range of the third
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a multi-stage compressor, wherein matching components with the same reference numerals as in Fig. 1 are designated. Matching components will not be described again in detail here.
  • the multi-stage compressor 14 comprises a first compressor stage 2 with an associated adjustable inlet guide 3. After passing through an intermediate cooling 4, compressed medium passes into a second compressor stage 5 and after passing an intermediate cooling 6 into a third compressor stage 7 and a further intercooling 8. By means of the surge limit control valve 13, if necessary, the pressure of the compressed medium can be lowered.
  • a bypass line 16 branches at the outlet side of the
  • a jet compressor 15 is arranged behind the intermediate cooling 8 from, in the bypass line 16.
  • the jet compressor 15 operates on the principle of
  • Venturi nozzle and exploits the reduced static pressure of a flowing medium at a cross-sectional constriction, there to promote and compress additional medium, which is at ambient pressure level.
  • an arrow 17 indicates that ambient air is sucked into the jet compressor 15 and conveyed between the first compressor stage 2 and the second compressor stage 5.
  • the jet compressor 15 has the advantage that it manages without moving parts. The workability of the compressed medium, which the
  • Bypass line 16 happens to be exploited in the jet compressor 15 to promote ambient air and compressed to the compressor stage 5 supply.
  • the medium in the bypass line 9 is cooled after passing through the turbine by the expansion process, the pumped medium, which is the
  • Bypass line 16 flows through, not substantially cooled. It gives the advantage that the promotion of the first
  • Compressor 2 can be further reduced if necessary, without an approximation or exceeding the surge limit is expected.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a multi-stage compressor.
  • the compressor 18 includes a
  • Compressor stage 2 with associated practicesleitapparat 3, an intermediate cooling 4, a second compressor stage 5 with intermediate cooling 6, and a third compressor stage 7 with intermediate cooling 8.
  • intermediate cooling 4 a second compressor stage 5 with intermediate cooling 6
  • third compressor stage 7 a third compressor stage 7 with intermediate cooling 8.
  • Compressor stage a surge limit control valve 13 is provided.
  • the turbine 11 is arranged next to the control valve 10, which is coupled directly to another compressor 20.
  • the energy of the compressed medium that flows through the bypass line 19 is used to drive the turbine 11, which in turn drives the compressor 20 mechanically.
  • the turbine 11 and the compressor 20 are coupled together via a common shaft 21.
  • the compressed and subsequently expanded medium enters the second compressor stage 5.
  • the cooling of the expanded medium causes the suction temperature of the second compressor stage 5 to drop.
  • the compressor 20 draws in ambient air and supplies it via a line 22 to the intermediate cooling 4. By this additional intake quantity, the first compressor stage 2 can continue if necessary
  • the compressor 18 shown in FIG. 3 thus has an active partial bypass line, the further compressor 20 and the turbine 11 form a turbocharger.

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Abstract

Mehrstufiger Verdichter (1, 14, 18), umfassend: - wenigstens einen verstellbaren Eintrittsleitapparat (3), - mehrere Verdichterstufen (2, 5, 7), - ein Mittel zum Steuern oder Regeln des Verdichters (1, 14, 18) im Hinblick auf die Pumpgrenze oder eine der Pumpgrenze vorgelagerte Regellinie, - eine Bypassleitung (9, 16, 19), um bei Bedarf einen Teil eines verdichteten Mediums zur Saugseite einer Verdichterstufe (5) zurückzuführen, wobei in der Bypassleitung (9, 16, 19) wenigstens eine Arbeitsmaschine angeordnet ist, um in dem verdichteten Medium enthaltene Energie zumindest teilweise zu rekuperieren.

Description

Beschreibung
Mehrstufiger Verdichter Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter, umfassend wenigstens einen verstellbaren Eintrittsleitapparat, mehrere Verdichterstufen und ein Mittel zum Steuern oder Regeln des Verdichters im Hinblick auf die Pumpgrenze oder eine der Pumpgrenze vorgelagerte Regellinie, sowie eine
Bypassleitung, um bei Bedarf einen Teil eines verdichteten Mediums zur Saugseite einer Verdichterstufe zurückzuführen.
Als Pumpgrenze eines Verdichters wird der Übergang von einer aerodynamisch stabilen zu einer aerodynamisch instabilen Be- triebsweise bezeichnet. Nach dem Überschreiten der Pumpgrenze eines Verdichters treten beträchtliche RückStrömungen auf, die Druckschwankungen und Temperaturerhöhungen verursachen. Aus diesen Gründen und um Schäden an dem Verdichter zu vermeiden, werden Turboverdichter so betrieben, dass das Errei- chen der Pumpgrenze vermieden wird, zumindest soll der Zustand des Pumpens auf möglichst kurze Zeitabschnitte begrenzt werden. Herkömmliche Verdichter weisen daher eine Regelung auf, die einen definierten Sicherheitsabstand zu einer Pumpgrenze des Kennfeldes des Verdichters einhält. Zusätzlich ist üblicherweise ein Pumpengrenzregelventil vorgesehen, das am Austritt des Verdichters ein Absenken des Drucks ermöglicht, wenn ein bestimmter Abstand zur Pumpgrenze unterschritten wird oder das Pumpen bereits begonnen hat. Während des Betriebs kann die Pumpgrenze allerdings auch erreicht werden, wenn die Fördermenge reduziert wird. Bei wechselnden Abnahmemengen oder bei einem permanenten Betrieb mit niedriger Fördermenge ist es daher in der Praxis erforderlich, einen Teil des verdichteten Medium wieder abzublasen bzw. in einem geschlossenen Kreislauf zur Saugseite zurückzuleiten. Bei dieser Betriebsweise wird allerdings ein Fluid verdichtet und anschließend ungenutzt wieder entspannt, was mit Energieverlusten verbunden ist. Typischerweise kann der Anteil des Bypassbetriebs im einstelligen Prozentbereich liegen, bezogen auf die Gesamtbetriebsdauer.
In einem mehrstufigen Verdichter, wie er z. B. aus der DE 10 2008 058 799 AI bekannt ist, sind mehrere Verdichterstufen hintereinander angeordnet. Das Zurückleiten eines bereits verdichteten Mediums in einem geschlossenen Kreislauf zur Saugseite erfolgt über eine Bypassleitung . Bei einem mehrstufigen Verdichter erreichen allerdings nicht alle
Verdichterstufen gleichzeitig die Pumpgrenze bzw. die vorgelagerte Regellinie, ab der ein Teil des verdichteten Mediums in den Bypass geleitet wird. Bei einem mehrstufigen Verdichter, der eine Bypassleitung besitzt, wird daher auch die Förderleistung derjenigen Verdichterstufen, die sich noch nicht an ihrer Pumpgrenze befinden, teilweise ungenutzt verschwendet .
Die CH 365 174 A offenbart einen Verdichter der eingangs genannten Art. Die DE 22 30781 C3 offenbart einen zweistufigen Verdichter, bei dem eine Antriebswelle einer ersten
Verdichterstufe fest mit der Welle eines Turbinenlaufrads verbunden ist. Durch eine Betätigung eines Ventils kann ein Teil des von der ersten Verdichterstufe verdichteten Gases zum Turbinenlaufrad zurück geleitet werden, wodurch die darin enthaltene Energie für den Antrieb des Verdichters genutzt werden kann, da das Turbinenlaufrad drehfest mit dem
Verdichterlaufrad verbunden ist. Die CH 321 648 A beschäftigt sich mit einem Verdichter der eingangs genannten Art, wobei ein mit einer Rekuperationsturbine gekoppelter Verdichter of- fenbart ist.
Bei mehrstufigen Verdichtern, die zur Luftzerlegung eingesetzt werden, steht ein guter Wirkungsgrad im Vordergrund, da die Energiekosten maßgeblich die gesamten Produktionskosten bestimmen. Zur Luftzerlegung werden daher häufig Getriebeverdichter mit verstellbaren Eintrittsleitapparaten (ELA) verwendet. Ein ELA wird häufig nur für die erste Verdichterstufe verwendet. Um eine Überschreitung der Pumpgrenze zu verhin- dern, wird der ELA geschlossen, um die Förderleistung zu reduzieren, wodurch der Durchsatz vermindert wird. Allerdings verringert sich dadurch auch die zum pumpfreien Betrieb der ersten Verdichterstufe erforderliche Menge des Mediums. Wenn die hinteren Verdichterstufen keine verstellbare Geometrie besitzen, bleibt deren Mindestmenge für einen stabilen Betrieb, bei dem die Pumpgrenze nicht erreicht wird, unverändert, daher bestimmt im Teillastbetrieb eine der folgenden Verdichterstufen die Lage der Pumpgrenze des gesamten mehr- stufigen Verdichters. Der Durchfluss durch diese „kritischen" Verdichterstufen kann durch Öffnen des Pumpgrenzregelventils erhöht werden, allerdings wird dadurch auch der Durchfluss durch die erste Verdichterstufe erhöht, so dass der ELA ab dem Erreichen der Regellinie nicht weiter geschlossen werden kann, wodurch der Energieverbrauch unnötig erhöht wird.
In der Praxis werden mehrstufige Verdichter so ausgelegt, dass ein verlustbehafteter Um- oder Abblasebetrieb im normalen, spezifizierten Betriebsbereich weitgehend verhindert wird. Dies kann allerdings nicht für alle Betriebszustände gewährleistet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mehrstufigen Verdichter anzugeben, bei dem der Energieverlust, der durch die Zurückleitung von verdichtetem Medium durch eine
Bypassleitung entsteht, verringert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verdichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, der die zusätz- liehen Merkmale des Kennzeichens der Ansprüche 1 oder 2 aufweist .
Die Erfindung beruht auf der Idee, eine verlustbehaftete Entspannung des verdichteten Mediums zu verhindern und stattdes- sen dessen Arbeitsfähigkeit zur Energierückgewinnung zu nutzen. Dazu ist in der Bypassleitung eine Arbeitsmaschine angeordnet, die durch in dem verdichteten Medium enthaltene Energie angetrieben wird, so dass diese Energie anschließend ge- nutzt werden kann. Auf diese Weise kann der Gesamtenergie erbrauch des mehrstufigen Verdichters gesenkt werden.
Eine erste, alternative Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die wenigstens eine Arbeitsmaschine als Strahlverdichter ausgebildet ist, um der Saugseite der
Verdichterstufe zusätzliches Medium zuzuführen. Beispielsweise kann Umgebungsluft durch den Strahlverdichter verdichtet werden und anschließend der Saugseite einer bestimmten
Verdichterstufe zugeführt werden. Ein Strahlverdichter weist den Vorteil auf, dass er keine bewegten Teile umfasst. Bei dieser Variante wird somit die Arbeitsfähigkeit des verdichteten Mediums in dem Bypassstrom genutzt, um zusätzliches Me- dium wie Umgebungsluft zu verdichten und in dem verdichteten Zustand einer Verdichterstufe zuzuführen.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Turbine mit einem weiteren Verdichter gekoppelt ist, der ausgangsseitig mit der Saugseite einer Verdichterstufe verbunden ist. Der weitere Verdichter ist in der Bypassleitung angeordnet und wird zur Rekuperation von in dem verdichteten Medium enthaltener Energie benutzt. Die beim Entspannen des verdichteten Mediums in der Turbine freiwerdende Energie wird direkt zum Antrieb eines Verdichters genutzt. Durch die direkte Kopplung der Turbine mit dem weiteren Verdichter treten dabei lediglich geringe Verluste auf.
Vorzugsweise ist die Turbine mit einem Generator gekoppelt, so dass die in dem verdichteten Medium enthaltende Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, dementsprechend geht die Energie des Bypassstroms nicht vollständig verloren. Nach dem Passieren der Turbine wird das entspannte Medium zur Saugseite einer Verdichterstufe zurückgeführt. Als Alternati- ve zu der Kopplung der Turbine mit einem Generator kann die Turbine auch mit einer Hauptantriebswelle des Verdichters oder einer Verdichterstufe gekoppelt sein, so dass die in dem verdichteten Medium enthaltene Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, mit der der Verdichter angetrieben werden kann. Vorzugsweise ist die Turbine mit der Hauptantriebswelle über eine Freilaufkupplung gekoppelt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der weitere Verdichter ausgangsseitig mit einem Zwischenkühler verbunden sein, der der Saugseite einer Verdichterstufe vorgeschaltet ist, so dass beim Verdichten auftretende Temperaturerhöhungen des Mediums wieder kompensiert werden können. Die
Bypassleitung des erfindungsgemäßen Verdichters kann an der Saugseite einer zweiten oder einer weiteren Verdichterstufe münden, an dieser Stelle wird das durch die Bypassleitung strömende Fluid wieder dem Hauptstrom zugefügt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter kann es vorgesehen sein, dass die Bypassleitung ein Regelventil und/oder eine Drosselklappe und/oder einen verstellbaren Düsenring zum Steuern oder Regeln des Strömungsquerschnitts der Bypassleitung auf- weist. Auf diese Weise kann die Menge des die Bypassleitung durchströmenden Mediums eingestellt werden, so dass nur so viel Medium durch die Bypassleitung zurückgeleitet wird, wie für die Einhaltung der Pumpgrenze erforderlich ist.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Verdichter mehrere Bypassleitungen mit jeweils wenigstens einer insbesondere als Turbine oder Strahlverdichter ausgebildeten Arbeitsmaschine aufweist, wobei vorzugsweise jeder
Bypassleitung ein Mittel zum Steuern oder Regeln des Strömungsquerschnitts der Bypassleitung wie ein Regelventil, eine Drosselklappe oder ein verstellbarer Düsenring zugeordnet ist. Vorzugsweise kann die Turbine mit einem Energiewandler gekoppelt sein, beispielsweise mit einem Generator oder einem Verdichter.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung einschlägigen Standes der Technik;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der in Fig. 1 schematisch gezeigte Verdichter 1 umfasst eine erste Verdichterstufe 2 mit einem verstellbaren Eintrittsleitapparat (ELA) 3. Am Austritt der Verdichterstufe 2 ist eine Zwischenkühlung 4 vorgesehen, daran schließt sich eine zweite Verdichterstufe 5 sowie eine Zwischenkühlung 6 an. Nach dem Passieren einer dritten Verdichterstufe 7 wird ein gefördertes Medium einer weiteren Zwischenkühlung 8 zugeführt. Anschließend wird das verdichtete Medium, z. B. Umgebungsluft, einer bestimmten Anwendung zugeführt, beispielsweise können in einer Luftzerlegungsanlage gasförmiger und flüssiger Sauerstoff, Stickstoff und Edelgase hergestellt werden .
Während des Betriebs des mehrstufigen Verdichters wird durch eine Regelung gewährleistet, dass die Pumpgrenze bzw. eine der Pumpgrenze vorgelagerte Regellinie nicht überschritten wird. Die Pumpgrenze kennzeichnet die Grenze zwischen einer aerodynamischen stabilen und einer aerodynamischen instabilen Strömung. Am Austritt der letzten Zwischenkühlung 8 ist eine Bypassleitung 9 vorgesehen, durch die das verdichtete Medium zur Saugseite der zweiten Verdichterstufe 5 zurückgeführt wird. In der Bypassleitung 9 ist ein Regelventil 10 angeordnet, durch das der Strömungsquerschnitt eingestellt werden kann. Bei anderen Ausführungen kann anstelle eines Regelventils auch eine Drosselklappe oder ein verstellbarer Düsenring vorgesehen sein.
In der Bypassleitung 9 ist als Arbeitsmaschine eine Turbine 11 angeordnet, die mit einem Generator 12 gekoppelt ist. Die Turbine 11 dient als Entspannungsturbine, indem ein Teil des verdichteten Mediums, das die Bypassleitung 9 durchströmt, in der Turbine 11 entspannt wird. Dadurch kann die in dem verdichteten Medium enthaltene Energie zumindest teilweise mit- tels des mit der Turbine 11 gekoppelten Generators 12 in elektrische Energie umgewandelt werden. Das verdichtete Medium kühlt sich bei der Entspannung in der Turbine 11 ab, wodurch die Saugtemperatur der zweiten Verdichterstufe 5 sinkt. Dieser Effekt ist wegen der Energieentnahme durch die Turbine 11 wesentlich ausgeprägter als der reine Joule-Thomson-Effekt eines Pumpgrenzregelventils. Durch die kühlere Saugtemperatur der zweiten Verdichterstufe 5 verringert sich die Strömungsarbeit, die an der zweiten Verdichterstufe 5 geleistet werden muss, um das anstehende Druckverhältnis zu überwinden. Wei- terhin wird die zweite Verdichterstufe 5 sehr effektiv von ihrer Pumpgrenze „wegbewegt". Der der ersten Verdichterstufe 2 zugeordnete Eintrittsleitapparat 3 kann weiter geschlossen werden, da die zweite Verdichterstufe 5 in der Lage ist, ein höheres Druckverhältnis zu überwinden. Dadurch verringert sich die Leistungsaufnahme eines Antriebsmotors des mehrstufigen Verdichters 1.
Die Bypassleitung 9 ist dafür ausgelegt, einen Teil der Gesamtfördermenge des Mediums aufzunehmen, um den wirtschaftli - chen Betriebsbereich des mehrstufigen Verdichters 1 in einem definierten, begrenzten Bereich zu erweitern. Zusätzlich ist daher ein Pumpgrenzregelventil 13 erforderlich, das mit dem Auslass der Zwischenkühlung 8 verbunden ist. Das Pumpgrenzregelventil dient dazu, am Austritt des Verdichters 1 ein Ab- senken des Drucks zu ermöglichen, um einen bestimmten Abstand zur Pumpgrenze einzuhalten bzw. ein stattfindendes Pumpen zu beenden. Mittels des Pumpgrenzregelventils 13 können An- und Abfahrvorgänge sicher erfolgen, zudem kann auf ungeplante Prozessstörungen reagiert werden.
Der in Fig. 1 gezeigte Stand der Technik kann modifiziert werden, indem mehrere Turbinen vorgesehen werden, die gestaffelt zugeschaltet werden können. Ebenso könnte eine weitere Turbine vorgesehen werden, die das Medium nach der Entspannung in der Turbine dem Saugbereich der dritten
Verdichterstufe 7 zuführt . Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Verdichters, wobei übereinstimmende Komponenten mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet werden. Übereinstimmende Komponenten werden an dieser Stelle nicht nochmals ausführlich beschrieben.
In Übereinstimmung mit dem Stand der Technik umfasst der mehrstufige Verdichter 14 eine erste Verdichterstufe 2 mit einem zugeordneten verstellbaren Eintrittsleitapparat 3. Nach dem Passieren einer Zwischenkühung 4 gelangt verdichtetes Me- dium in eine zweite Verdichterstufe 5 und nach dem Passieren einer Zwischenkühlung 6 in eine dritte Verdichterstufe 7 und eine weitere Zwischenkühlung 8. Mittels des Pumpgrenzregel - ventils 13 kann bei Bedarf der Druck des verdichteten Mediums abgesenkt werden.
Eine Bypassleitung 16 zweigt an der Austrittsseite der
Verdichterstufe 7 bzw. hinter der Zwischenkühlung 8 ab, in der Bypassleitung 16 ist ein Strahlverdichter 15 angeordnet. Der Strahlverdichter 15 arbeitet nach dem Prinzip einer
Venturidüse und nutzt den gesunkenen statischen Druck eines strömenden Mediums an einer Querschnittsverengung aus, um dort zusätzliches Medium, das sich auf Umgebungsdruckniveau befindet, zu fördern und zu verdichten. In Fig. 2 zeigt ein Pfeil 17 an, dass Umgebungsluft in den Strahlverdichter 15 gesaugt und zwischen die erste Verdichterstufe 2 und die zweite Verdichterstufe 5 gefördert wird. Mittels des Regelventils 10 kann der Strömungsquerschnitt in der Bypassleitung 16 beeinflusst werden. Der Strahlverdichter 15 weist den Vorteil auf, dass er ohne bewegliche Teile auskommt. Die Ar- beitsfähigkeit des verdichteten Mediums, das die
Bypassleitung 16 passiert, wird in dem Strahlverdichter 15 ausgenutzt, um Umgebungsluft zu fördern und verdichtet der Verdichterstufe 5 zuzuführen. Im Gegensatz zu dem ersten Aus- führungsbeispiel , bei dem das Medium in der Bypassleitung 9 nach dem Passieren der Turbine durch den Entspannungsprozess abgekühlt wird, wird das geförderte Medium, das die
Bypassleitung 16 durchströmt, nicht wesentlich abgekühlt. Es ergibt sich der Vorteil, dass die Förderung der ersten
Verdichterstufe 2 bei Bedarf weiter zurückgefahren werden kann, ohne dass eine Annäherung oder ein Überschreiten der Pumpgrenze zu erwarten ist. Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Verdichters. Der Verdichter 18 umfasst eine
Verdichterstufe 2 mit zugeordnetem Eintrittsleitapparat 3, eine Zwischenkühlung 4, eine zweite Verdichterstufe 5 mit Zwischenkühlung 6, und eine dritte Verdichterstufe 7 mit Zwi- schenkühlung 8. In Übereinstimmung mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist nach dem Austritt der letzten
Verdichterstufe ein Pumpgrenzregelventil 13 vorgesehen.
In einer Bypassleitung 19 ist neben dem Regelventil 10 die Turbine 11 angeordnet, die direkt mit einem weiteren Verdichter 20 gekoppelt ist. Die Energie des verdichteten Mediums, das die Bypassleitung 19 durchströmt, wird zum Antreiben der Turbine 11 genutzt, die wiederum den Verdichter 20 mechanisch antreibt. Die Turbine 11 und der Verdichter 20 sind über eine gemeinsame Welle 21 miteinander gekoppelt. Nach dem Passieren der Turbine 11 gelangt das verdichtete und anschließend entspannte Medium in die zweite Verdichterstufe 5. Durch die Abkühlung des entspannten Mediums fällt die Saugtemperatur der zweiten Verdichterstufe 5 ab. Der Verdichter 20 saugt Umge- bungsluft an und führt diese über eine Leitung 22 der Zwischenkühlung 4 zu. Durch diese zusätzlich angesaugte Menge kann die erste Verdichterstufe 2 bei Bedarf weiter
heruntergeregelt werden, indem der Eintrittsleitapparat 3 geschlossen wird.
Der in Fig. 3 gezeigte Verdichter 18 weist somit eine aktive Teilbypassleitung auf, der weitere Verdichter 20 und die Turbine 11 bilden einen Turbolader.

Claims

Mehrstufiger Verdichter (14), umfassend:
- wenigstens einen verstellbaren Eintrittsleitapparat (3) ,
- mehrere Verdichterstufen (2, 5, 7),
- ein Mittel zum Steuern oder Regeln des Verdichters (14) im Hinblick auf die Pumpgrenze oder eine der Pumpgrenze vorgelagerte Regellinie,
- eine Bypassleitung (16), um bei Bedarf einen Teil eines verdichteten Mediums zur Saugseite einer
Verdichterstufe (5) zurückzuführen, wobei in der
Bypassleitung (16) wenigstens eine Arbeitsmaschine ange ordnet ist, um in dem verdichteten Medium enthaltene Energie zumindest teilweise zu rekuperieren,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Arbeitsmaschine als Strahlverdichter (15) ausgebildet ist, um der Saugseite der
Verdichterstufe (5) zusätzliches Medium zuzuführen.
Mehrstufiger Verdichter (18) umfassend:
wenigstens einen verstellbaren Eintrittsleitapparat (3)
- mehrere Verdichterstufen (2, 5, 7),
- ein Mittel zum Steuern oder Regeln des Verdichters (18) im Hinblick auf die Pumpgrenze oder eine der Pumpgrenze vorgelagerte Regellinie,
- eine Bypassleitung (19) , um bei Bedarf einen Teil eines verdichteten Mediums zur Saugseite einer
Verdichterstufe (5) zurückzuführen, wobei in der
Bypassleitung (19) wenigstens eine Arbeitsmaschine ange ordnet ist, um in dem verdichteten Medium enthaltene Energie zumindest teilweise zu rekuperieren, wobei die wenigstens eine Arbeitsmaschine als Turbine (11) zum Entspannen des verdichteten Mediums ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (11) mit einem weiteren Verdichter (20) gekoppelt ist, der ausgangsseitig mit der Saugseite einer Verdichterstufe (5) verbunden ist.
Verdichter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbine (11) mit einer Hauptantriebswelle des Verdichters (1) gekoppelt ist.
Verdichter nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (11) mit einer Hauptantriebswelle des Verdichters (1) über eine Freilaufkupplung gekoppelt ist.
Verdichter nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere Verdichter (20) ausgangsseitig mit einem Zwischenkühler verbunden ist, der der Saugseite einer Verdichterstufe (5) vorgeschaltet ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bypassleitung (16, 19) ein Regelventil (10) und/ode eine Drosselklappe und/oder einen verstellbaren Düsenring zum Steuern oder Regeln des Strömungsquerschnitts der Bypassleitung (9, 16, 19) aufweist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bypassleitung (16, 19) an der Saugseite einer zweiten Verdichterstufe (5) mündet.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere
Bypassleitungen (16, 19) aufweist.
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