WO2025218952A1 - Anlage und verfahren zur energetischen optimierung von verdichtern - Google Patents

Anlage und verfahren zur energetischen optimierung von verdichtern

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WO2025218952A1
WO2025218952A1 PCT/EP2025/055295 EP2025055295W WO2025218952A1 WO 2025218952 A1 WO2025218952 A1 WO 2025218952A1 EP 2025055295 W EP2025055295 W EP 2025055295W WO 2025218952 A1 WO2025218952 A1 WO 2025218952A1
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expander
shaft
outlet
control valve
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Joachim NISSLER
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
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    • F02C9/18—Control of working fluid flow by bleeding, bypassing or acting on variable working fluid interconnections between turbines or compressors or their stages
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    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities
    • F05D2270/101—Compressor surge or stall

Definitions

  • the invention relates to a system comprising a compressor and an expander.
  • the surge limit of a compressor describes a transition from an aerodynamically stable to an aerodynamically unstable operating mode.
  • the term "stability" refers to the flow of a process fluid or flow medium in the intended flow direction.
  • a turbo compressor therefore requires measures to avoid reaching the surge limit and to limit the surge condition to the shortest possible time periods. Accordingly, the control of a compressor always maintains a defined safety margin from a surge limit of the operating map.
  • a surge limit control valve is usually provided, which allows a reduction in pressure at the compressor outlet when a certain distance to the surge limit is undershot or surge has already occurred.
  • the surge condition, or a close proximity to the surge limit is characterized by a reduced mass, Quantity or volume flow of the process gas to be conveyed and with a corresponding pressure ratio via the compressor.
  • Figure 1 shows a characteristic curve 1 representing the operating mode of a compressor.
  • the X-axis represents the mass flow through the compressor.
  • the Y-axis represents the compressor outlet pressure.
  • Line 2, marked 100%, represents the speed during nominal operation.
  • the lines marked with other percentages indicate correspondingly different speeds, for example, 90%, 80%, etc. of the nominal speed.
  • Compressors especially turbo compressors, have a permissible operating range, which is represented by the characteristic curve field 1 in Figure 1. It is sometimes desirable to operate a compressor permanently outside the limits of the characteristic curve field 1 over the course of its service life. Therefore, it is very often desired to operate the compressor with less than the minimum mass flow permitted by the characteristic curve field 1. This range is located to the left of the characteristic curve field 1 and is limited by the surge limit line 3 and the associated control curve 4. Such an operating requirement exists, for example, in the oil and gas industry when, as the service life of a gas source progresses, the production rate decreases or, for example, also in air separation, when the mass flow is lower due to lower plant capacity.
  • characteristic curve field 1 If it is desired to operate the compressor with less than the minimum mass flow permitted according to characteristic curve field 1, this is certainly possible. If the operating point (for example, operating point 6) in characteristic curve field 1 is moved to the left, into the area of decreasing mass flows, and reaches the control characteristic curve 4 located upstream of the surge limit line 3, a blow-off valve or a relief valve opens. This ensures that the dangerous and therefore undesirable operating condition of surge is avoided.
  • operation with the blow-off valve or relief valve open is very disadvantageous in terms of energy.
  • the gas compressed at the expense of power is expanded at a blow-off valve on the suction side of the compressor. At a relief valve, the gas compressed at the expense of power is released into the atmosphere. In both variants, the compression power used is wasted, thus drastically reducing the efficiency of the compressor.
  • the object is achieved by a system comprising a compressor and an expander, wherein the outlet of the compressor is fluidically connected to the inlet of the expander, wherein the outlet of the expander is fluidically connected to the inlet of the compressor.
  • the object is also achieved by a method for operating a system, wherein the system comprises a compressor and an expander, wherein the outlet of the compressor is fluidically connected to the inlet of the expander, wherein the outlet of the expander is fluidically connected to the inlet of the compressor
  • the invention thus proposes to recover the power lost during operation of a compressor in a bypass or blow-off mode. This is achieved according to the invention by feeding the energy inherent in the bypass or blow-off flow, which is normally simply destroyed, directly back into the machine train via a mechanically coupled path.
  • an expander is arranged in this pipeline.
  • Various turbine types can be used. Examples include a radial expander stage, a single-stage or multi-stage backpressure turbine, or a screw expander.
  • the turbine is housed in a separate housing outside the compressor housing.
  • the expander enables the recovery of the energy present in the recirculation or blow-off flow. Its housing in a separate enclosure allows for flexible integration within the machine train, which is particularly advantageous for retrofitting.
  • a control valve is installed in front of the expander.
  • the installed control valve allows the expander to be controlled in the bypass or blow-off flow. It should open first before the bypass or blow-off valve still present in the parallel line. This means that continuously running bypass or blow-off flows should pass through the expander. Bypass or blow-off flows for machine protection, for example, when pump surges are detected, flow through the bypass or blow-off valve in the main line.
  • the expander is positioned at a free location in the machine train or at a free location on the compressor.
  • the expander must be positioned so that as few modifications as possible are required for the compressor or the compressor train. It is therefore advisable to utilize available installation spaces. This makes retrofitting possible for existing machines. Free installation spaces on the compressor, the shaft ends, or an intermediate gear are particularly preferred.
  • the turbine can be flange-mounted to an existing compressor housing or positioned on individual components of the machine train.
  • the expander is mechanically connected to the machine train by means of a freewheel clutch.
  • the expander can be permanently mechanically coupled to the line and only delivers its power to the line when it is subjected to the bypass or blow-off flow. This is achieved by a freewheel clutch.
  • a gearbox can optionally be installed between the expander and the machine train.
  • An optional gearbox installed between the machine train and the expander ensures that the expander can run at its optimum speed if the machine train's speed is too slow. Due to its small footprint, a planetary gearbox, for example, is a suitable option.
  • the pipeline including the expander can be subjected to a vacuum.
  • a gas jet pump which is pressurized with process gas, can be used to create the vacuum.
  • a valve or flap To create a sealed space that can be evacuated, a valve or flap must be installed behind the expander.
  • a control logic is installed between the bypass or blow-off valve and the control valve for turbine control.
  • the control logic must simultaneously control the bypass or blow-off valve and the control valve. If operating points to the left of the characteristic field are to be operated in the bypass or blow-off system, the control valve must be controlled so that the turbine can recover energy from the gas flow. If machine protection is required, for example, if surges have been detected, the bypass or blow-off valve is controlled.
  • a control valve is arranged between the outlet of the compressor and the inlet of the expander.
  • control valve is designed such that during operation the control valve opens when the flow conditions in the compressor are such that an operating point encounters a control characteristic curve 4, wherein the control characteristic curve 4 is arranged upstream of a surge limit line 3.
  • the expander is designed as a radial expander, as a backpressure turbine or as a screw expander.
  • the compressor and the expander are coupled to each other in a torque-transmitting manner.
  • the compressor has a compressor shaft and the expander has an expander shaft, wherein a freewheel clutch is arranged between the compressor shaft and the expander shaft.
  • FIG 1 shows a schematic representation of a characteristic field
  • FIG 2 shows a schematic representation of a system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a system 7 according to the invention.
  • the system comprises a compressor 8.
  • the compressor 8 can It can be a turbocompressor and has a compressor shaft 9.
  • a motor 10 transmits torque to the compressor shaft 9.
  • the motor 10 can be an electrically driven motor or a steam turbine or similar. In any case, the drive power of the motor 10 must be sufficient to drive the compressor 8.
  • the compressor 8 has an inflow 11.
  • a flow medium or process gas to be compressed flows into the inflow 11 via a supply line 12.
  • the flow medium passes through an inflow valve 13 to a separator 14, from where it then enters the supply line 12.
  • the flow medium Before entering the compressor 8, the flow medium has a temperature and a pressure.
  • the flow medium has a mass flow with which it flows through the compressor 8.
  • the flow medium flows out of the compressor 8 via an outlet line 15.
  • the temperature and pressure of the flow medium flowing out of the compressor 8 are higher than the temperature and pressure of the flow medium flowing into the compressor 8.
  • the flow medium flows out of system 7 via an outlet valve 16 for further processing.
  • the operating point i.e. the mass flow of the flow medium, the outlet pressure of the flow medium, and the speed of compressor 8, is determined by the characteristic curve field 1 in Figure 1.
  • system 7 is designed in a conventional manner with the lines described below. Firstly, the energy-rich and compressed flow medium is blown off via a blow-off line 17, which opens into the outlet line 15, via a blow-off valve 18 located in the blow-off line 17.
  • blow-by-pass line 19 is formed, which establishes a fluidic connection between the outlet of the compressor 8 and the inlet of the compressor 8.
  • a blow-by-pass valve 20 is arranged in this blow-by-pass line 19.
  • the blow-by-pass valve 20 opens as soon as the Operating point is located in the left area of the characteristic curve field 1.
  • the above two lines (blow-off line 17 and blow-bypass line 19) are known in the prior art.
  • both the blow-bypass line 19 and the blow-off line 17 are shown in Figure 2. It will be clear to those skilled in the art that such systems are generally designed with either a blow-bypass line 19 or a blow-off line 17.
  • the system 7 is now further developed in such a way that it is also possible to operate the system 7 with a reduced mass flow.
  • a line 21 is arranged at the outlet 22 of the compressor 8.
  • the outlet 22 of the compressor 8 is fluidically connected to an inlet 23 of an expander 24.
  • An outlet 25 of the expander 24 is fluidically connected to the inlet 11 of the compressor 8.
  • a control valve 26 is arranged in the line 21. The energy of the flow medium is converted into mechanical energy in the expander 24.
  • the control valve 26 is arranged between the outlet 22 of the compressor 8 and the inlet 23 of the expander 24.
  • the control valve 26 is designed such that, during operation, the control valve 26 opens when the flow conditions in the compressor 8 are such that an operating point encounters a control characteristic curve 4, wherein the control characteristic curve 4 is located upstream of a surge limit line 3. In other words, the control valve 26 opens when the flow conditions in the compressor 8 are such that the compressor 8 is just before a surge condition.
  • the system 7 can even be operated to the left of the characteristic curve field 1, for example at operating point 5 (to the left of the surge limit line 3).
  • the expander 24 can be designed as a radial expander, a counterpressure turbine or a screw expander. In any case, the expander 24 is designed designed to convert the energy of the flow medium into mechanical energy.
  • the mechanical energy of the expander 24 can be used to assist the engine 10.
  • the drive power of the engine 10 can thereby be reduced. This is achieved by coupling the compressor 8 and the expander 24 to transmit torque.
  • the expander 24 has an expander shaft (not shown), with a one-way clutch (not shown) arranged between the compressor shaft 9 and the expander shaft.
  • the system 7 can be designed such that the compressor shaft 9 and the expander shaft are rigidly coupled to one another.
  • a shut-off valve or butterfly valve 28 is arranged in the line after the turbine.
  • the expander 24 is then subjected to a vacuum before the control valve 26 and the shut-off valve or butterfly valve 28 are opened.
  • the vacuum is generated using a vacuum pump or a gas jet pump 29.
  • this alternative embodiment is framed by the dashed line 27.
  • the vacuum pump or gas jet pump 29 is arranged within the dashed line 27.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage (7), wobei die Anlage (7) einen Verdichter (8) und einen Expander (24) umfasst, wobei der Ausgang des Verdichters (8) mit dem Eingang des Expanders (24) strömungstechnisch verbunden wird, wobei der Ausgang des Expanders (24) strömungstechnisch mit dem Eingang des Verdichters (8) verbunden wird, wobei zwischen dem Eingang des Expanders (24) und dem Ausgang des Verdichters (8) ein Regelventil (26) angeordnet ist, das in einem Betriebsfall, bei dem der Verdichter (8) sich kurz vor einem pumpenden Zustand sich befindet, öffnet und dadurch die Energie des Strömungsmediums im Expander (24) genutzt wird.

Description

Beschreibung
TITEL
Anlage und Verfahren zur energetischen Optimierung von Verdichtern
TECH NISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung betrifft eine Anlage umfassend einen Verdichter und einen Expander.
HINTERGRUN D
[0002] Die Pumpgrenze eines Verdichters bezeichnet einen Übergang von einer aerodynamisch stabilen zu einer aerodynamisch instabilen Betriebsweise. Mit dem Begriff Stabilität wird das Strömen eines Prozessfluids oder Strömungsmediums in die vorgesehene Strömungsrichtung verstanden. Wenn bei einem Verdichter das Pumpen eintritt, treten beträchtliche Rückströmungen auf, die Druckschwankungen und Temperaturerhöhungen verursachen. Diese Druckschwankungen und Temperaturerhöhungen können nach verhältnismäßig kurzer Betriebsdauer in diesem Zustand zu einem Schäden führen. Das Erreichen der Pumpgrenze ist häufig deutlich wahrnehmbar, da die Druckschwankungen erhebliche Schwingungen verursachen, deren Geräusche den Pegel des üblichen Betriebes übersteigen.
[0003] Der Betrieb eines Turboverdichters erfordert daher Maßnahmen, welche das Erreichen der Pumpgrenze vermeiden und den Zustand des Pumpens auf möglichst kurze Zeitabschnitte begrenzen. Dementsprechend hält die Regelung eines Verdichters stets einen definierten Sicherheitsabstand zu einer Pumpgrenze des Betriebskennfeldes. Zusätzlich ist in der Regel ein Pumpgrenzregelventil vorgesehen, das am Austritt des Verdichters ein Absenken des Druckes ermöglicht, wenn ein bestimmter Abstand zu der Pumpgrenze unterschritten wird oder das Pumpen bereits eingetreten ist. Der Zustand des Pumpens beziehungsweise eine enge Nähe zu der Pumpgrenze ist charakterisiert durch einen reduzierten Massen-, Mengen- beziehungsweise Volumenstrom des zu fördernden Prozessgases und mit einem korrespondierenden Druckverhältnis über den Verdichter.
[0004] Die Figur 1 zeigt ein Kennlinienfeld 1 das die Betriebsweise eines Verdichters darstellt. Auf der X-Achse ist der Massenstrom aufgeführt, der durch einen Verdichter strömt. Auf der Y-Achse ist der Ausgangsdruck des Verdichters aufgeführt. Die mit 100% gekennzeichnete Linie 2 stellt die Drehzahl im Nominalbetrieb dar. Die mit anderen Prozentzahlen angegebenen Linien geben entsprechend andere Drehzahlen an, beispielsweise 90%, 80% usw. der Nominaldrehzahl.
[0005] Je höher der Massenstrom umso empfehlenswerter ist es, die Drehzahl zu erhöhen. Bleibt die Drehzahl konstant und wird der Massenstrom verringert, bewegt sich der Betriebspunkt 6 auf eine so genannte Pumpgrenzlinie 3 hin. Wenn der Betriebspunkt (Massenstrom, Drehzahl, Ausgangsdruck) auf der Pumpgrenzlinie 3 oder sogar links davon liegt, kann der oben geschilderte Zustand des Pumpens auftreten. Daher wird in der Regel eine Regelkennlinie 4 berücksichtigt, die zu bestimmten Maßnahmen führt, wenn der Betriebspunkt diese Regelkennlinie 4 erreicht. Das Ziel dieser Maßnahmen ist es, den Betriebspunkt quasi nicht weiter nach links verschieben zu lassen.
Mit anderen Worten: Verdichter, insbesondere Turboverdichter besitzen einen zulässigen Betriebsbereich, der von dem Kennlinienfeld 1 gemäß Figur 1 dargestellt wird. Es ist manchmal wünschenswert, im Laufe der Lebensdauer eines Verdichters diesen dauerhaft außerhalb der Grenzen des Kennlinienfeldes 1 zu betreiben. So ist sehr häufig der Wunsch vorhanden, den Verdichter mit weniger als dem nach Kennlinienfeld 1 zulässigen minimalen Massenstrom zu betreiben. Dieser Bereich befindet sich links vom Kennlinienfeld 1 und wird durch die Pumpgrenzlinie 3 und die dazugehörige Regelkennlinie 4 begrenzt. Solch ein Betriebswunsch liegt beispielsweise in der Öl- und Gasindustrie vor, wenn bei vorgeschrittener Lebensdauer einer Gasquelle, die Fördermenge geringer wird oder beispielsweise auch in der Luftzerlegung, wenn bei einer geringeren Auslastung der Anlage der Massenstrom geringer ist.
[0007] Wenn der Wunsch vorliegt, den Verdichter mit weniger als nach dem Kennlinienfeld 1 zulässigen minimalen Massenstrom zu betreiben, so ist dies durchaus möglich. Wird der Betriebspunkt (zum Beispiel der Betriebspunkt 6) im Kennlinienfeld 1 nach links, in den Bereich kleiner werdender Massenströme bewegt und stößt auf die der Pumpgrenzlinie 3 vorgelagerte Regelkennlinie 4, so öffnet ein Umblase- bzw. ein Abblaseventil. Es sorgt dafür, dass der gefährliche und daher unerwünschte Betriebszustand des Pumpens vermieden wird. Allerdings ist der Betrieb mit geöffnetem Umblase- bzw. Abblaseventil energetisch sehr nachteilig. Das unter Leistungsaufwand verdichtete Gas wird bei einem Umblaseventil auf der Saugseite des Verdichters entspannt. Bei einem Abblaseventil wird das unter Leistungsaufwand verdichtete Gas in die Atmosphäre entspannt. Bei beiden Varianten wird die aufgewendete Verdichtungsleistung ungenützt vernichtet und verschlechtert so den Wirkungsgrad des Verdichters drastisch.
[GC08] Es existieren Anlagenkonfigurationen, bei denen das Kennfeld des Verdichters sich nicht durch Variation der Drehzahl, sondern durch aerodynamische Veränderung von Schaufelgitter oder Veränderung des Saugdrucks vor dem Verdichter ergibt.
(0009] Zusätzlich existieren Anlagenkonfigurationen, die keinen Kennfeldbereich, sondern nur eine Kennlinie aufweisen. Bei diesen wird die Umblasung oft dauerhaft zur Verdichterregelung verwendet wird. Das ist die energetisch schlechteste denkbare Regelung eines Verdichters.
[0010] Es ist wünschenswert eine Anlage mit einem Verdichter bereitzustellen, die energetisch optimaler ausgeführt ist. ZUSAMM ENFASSU NG DER ERFINDUNG Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Anlage mit einem Verdichter anzugeben, das eine bessere Energieeffizienz aufweist.
[0012] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage umfassend einen Verdichter und einen Expander, wobei der Ausgang des Verdichters mit dem Eingang des Expanders strömungstechnisch verbunden ist, wobei der Ausgang des Expanders strömungstechnisch mit dem Eingang des Verdichters verbunden ist.
[0013] Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage, wobei die Anlage einen Verdichter und einen Expander umfasst, wobei der Ausgang des Verdichters mit dem Eingang des Expanders strömungstechnisch verbunden wird, wobei der Ausgang des Expanders strömungstechnisch mit dem Eingang des Verdichters verbunden wird
[0014] Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung schlägt somit vor, die Leistung die im Betrieb eines Verdichters in einem Um- oder Abblasungsbetrieb verloren geht, wieder zurückzugewinnen. Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass die dem Um- oder Abblasestrom innewohnende Energie, die normalerweise einfach vernichtet wird, auf direktem Weg mechanisch gekoppelt wieder zurück in den Maschinenstrang eingespeist wird.
Damit wird die notwendige Antriebsleistung des Verdichters durch die zurückgewonnene Leistung verringert. Dadurch wird der Wirkungsgrad von Betriebspunkten im Hinblick auf Energieeffiziens während der Um- oder Abblasung wesentlich verbessert.
[0016] Diese energetische Verbesserung von Betriebspunkten könnte bevorzugt bei Bestandsmaschinen eingesetzt werden. Die Bestandsmaschinen müssten dazu mit einem Service-Umbaupaket ertüchtigt werden. [0017] Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen parallel zur Um- oder Abblaseleitung eine neue Rohrleitung anzuordnen. Sie muss vor dem Pumpgrenzventil starten und hinter dem Pumpgrenzventil enden.
[0018] Durch eine parallel zur vorhandenen Um- oder Abblaseleitung neuen Rohrleitung wird die Möglichkeit geschaffen, an den Um- oder Abblasestrom zu gelangen, ohne die zum Maschinenschutz notwendigen Einrichtungen negativ zu beeinflussen. Es ist unter Umständen sinnvoll, die neue Rohrleitung nicht auf 100% des Massenstroms zu dimensionieren, sondern nur für einen Teilmassenstrom.
Damit wird ermöglicht, die Energierückgewinnung bis zu diesem Teilmassenstrom zu betreiben, ohne Rohrleitungen bis zur Turbinenposition für den gesamten Massenstrom bauen zu müssen.
[0019] Erfindungsgemäß wird in dieser Rohrleitung ein Expander angeordnet. Es können verschiedene Turbinenarten verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise eine Radialexpanderstufe, eine einstufige -oder mehrstufige Gegendruckturbine oder auch Schraubenexpander. Die Turbine ist in einem separaten Gehäuse außerhalb der Verdichtergehäuse untergebracht.
[0020] Der Expander ermöglicht eine Rückgewinnung der im Um- oder Abblasestrom vorhandenen Energie. Die Unterbringung in einem separaten Gehäuse ermöglicht die flexible Unterbringung im Maschinenstrang, was für die Nachrüstung besonders von Vorteil ist.
[0021] Erfindungsgemäß wird vor dem Expander ein Regelventil installiert.
Das installierte Regelventil ermöglicht die Regelung des Expanders im Umoder Abblasestrom. Es soll dabei zuerst vor dem noch in der Parallelleitung vorhandenen Um- oder Abblaseventils öffnen. Das bedeutet das dauerhaft gefahrene Um- oder Abblaseströme durch den Expander gehen sollen. Um- oder Abblaseströme zum Maschinenschutz, wenn z.B. Pumpstöße detektiert wurden, strömen durch das Um- oder Abblaseventil in der Hauptleitung. [0023] Erfindungsgemäß wird der Expander an einer freien Stelle im Maschinenstrang oder an einer freien Stelle am Verdichter positioniert.
[0024] Dabei muss der Expander so positioniert werden, dass für den Verdichter oder den Verdichterstrang möglichst wenig Veränderungen notwendig werden. Es bietet sich daher an, freie Bauräume zu nutzen. Dadurch wird eine Nachrüstbarkeit bei Bestandsmaschinen möglich. Besonders bevorzugt sind freie Bauräume am Verdichter, den Wellenenden oder einem Zwischengetriebe. Dabei kann die Turbine an ein bestehendes Verdichtergehäuse angeflanscht werden, oder auch an einzelnen Komponenten des Maschinenstrangs positioniert werden.
[0025] Erfindungsgemäß wird der Expander mit einer Freilaufkupplung mechanisch mit dem Maschinenstrang verbunden.
[0026] Der Expander kann mechanisch an den Strang dauerhaft eingekoppelt sein und erst wenn er mit dem Um- oder Abblasestrom durchströmt wird, seine Leistung an den Strang abgibt. Das wird durch eine Freilaufkupplung erzielt.
[0027] Es kann optional ein Getriebe zwischen Expander und Maschinenstrang geschaltet werden. Ein zwischen Maschinenstrang und Expander optional zwischengeschaltetes Getriebe sorgt dafür, dass der Expander, bei zu langsamer Drehzahl des Maschinenstrangs, in ihrem Drehzahloptimum laufen kann. Aufgrund des kleinen Platzbedarfs bietet sich z.B. ein Planetengetriebe an.
[0028] Optional kann die Rohrleitung samt Expander mit einem Vakuum beaufschlagt werden. Zur Herstellung des Vakuums bieten sich neben klassischen Vakuumpumpen auch eine Gasstrahlpumpe, die mit Prozessgas beaufschlagt wird an. Um einen abgeschlossenen Raum der evakuiert werden kann herzustellen, muss hinter dem Expander noch ein Ventil oder eine Klappe installiert werden.
Wird die Rohrleitung samt Expander evakuiert, kann der Expander mitdrehen ohne nennenswerte Verlustleistung zu generieren. Damit kann beispielsweise auf eine Freilaufkupplung verzichtet werden. [0030] Erfindungsgemäß wird eine Regelungslogik zwischen Um- oder Abblaseventil und Regelventil zur Turbinensteuerung installiert.
[0031] Die Regelungslogik muss das Um- oder Abblaseventil und das Regelventil gleichzeitig ansteuern. Sollen Betriebspunkte links vom Kennlinienfeld in der Umoder Abblasung gefahren werden, muss das Regelventil angesteuert werden damit die Turbine Energie aus dem Gasstrom zurückgewinnen kann. Geht es um den Maschinenschutz, wenn z.B. Pumpstöße detektiert wurden, wird das Um- oder Abblaseventil angesteuert.
BESCH REIBUNG DER ERFINDU NG
[0032] In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist ein Regelventil zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Expanders angeordnet.
[0033] Dadurch lässt sich die Anlage besser betreiben.
[0034] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Regelventil derart ausgebildet ist, dass im Betrieb das Regelventil öffnet, wenn die Strömungsverhältnisse im Verdichter derart sind, dass ein Betriebspunkt auf eine Regelkennlinie 4 stößt, wobei die Regelkennlinie 4 einer Pumpgrenzlinie 3 vorgelagert ist.
[0035] Dadurch lässt sich die Energie des Strömungsmediums wieder zurückgewinnen.
[0036] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Expander als Radialexpander, als Gegendruckturbine oder als Schraubenexpander ausgebildet.
[0037] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind der Verdichter und der Expander drehmomentübertragend miteinander gekoppelt.
[0038] Dadurch lässt sich die im Expander umgewandelte Energie wieder effizient in die Anlage einspeisen. Damit wird die notwendige Antriebsleistung des Verdichters durch die zurückgewonnene Leistung verringert. [0039] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Verdichter eine Verdichterwelle und der Expander eine Expanderwelle auf, wobei zwischen der Verdichterwelle und der Expanderwelle eine Freilaufkupplung angeordnet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNU NGEN
[0040] Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
[0041] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
[0042] Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
[0043] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
[0044] Es zeigen:
[0045] FIG 1 eine schematische Darstellung eines Kennlinienfeldes
[0046] FIG 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage
BESCH REIBUNG DER AUSFÜH RUNGSFORM EN
[0047] In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage 7 zu sehen. Die Anlage umfasst einen Verdichter 8. Der Verdichter 8 kann ein Turboverdichter sein und weist eine Verdichterwelle 9 auf. Mit einem Motor 10 wird ein Drehmoment auf die Verdichterwelle 9 übertragen. Der Motor 10 kann ein elektrisch angetriebener Motor oder eine Dampfturbine oder ähnliches sein. Jedenfalls muss die Antriebsleistung des Motors 10 genügen, um den Verdichter 8 anzutreiben.
Der Verdichter 8 weist eine Zuströmung 11 auf. In die Zuströmung 11 strömt ein zu verdichtendes Strömungsmedium oder Prozessgas über eine Zuleitung 12. Das Strömungsmedium gelangt über ein Zuströmventil 13 zu einem Abscheider 14, von wo es dann in die Zuleitung 12 gelangt. Das Strömungsmedium weist vor dem Eintritt in den Verdichter 8 eine Temperatur und einen Druck auf. Außerdem weist das Strömungsmedium einen Massenstrom auf, mit dem es durch den Verdichter 8 strömt. Nach dem Verdichter 8 strömt das Strömungsmedium über eine Ausgangsleitung 15 aus dem Verdichter 8 heraus. Die Temperatur und der Druck des aus dem Verdichter 8 strömenden Strömungsmediums ist höher als die Temperatur und der Druck des in den Verdichter 8 strömenden Strömungsmediums.
Über ein Auslassventil 16 strömt das Strömungsmedium zur weiteren Verarbeitung aus der Anlage 7. Der Betriebspunkt, das bedeutet der Massenstrom des Strömungsmediums, der Ausgangsdruck des Strömungsmediums und die Drehzahl des Verdichters 8 wird durch das Kennlinienfeld 1 in der Figur 1 bestimmt. Für den Fall, dass der Betriebspunkt auf dem Kennlinienfeld 1 sich der Pumpgrenzlinie 3 und der Regelkennlinie 4 nähert oder überschreitet, wird die Anlage 7 in herkömmlicher Weise mit folgend beschriebenen Leitungen ausgebildet. Zum einen wird über eine Abblaseleitung 17, die in die Ausgangsleitung 15 mündet, das energiereiche und verdichtete Strömungsmedium über ein in der Abblaseleitung 17 befindliches Abblaseventil 18 abgeblasen.
[0050] Zum anderen wird eine Umblaseleitung 19 ausgebildet, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Ausgang des Verdichters 8 und dem Eingang des Verdichters 8 herstellt. In dieser Umblaseleitung 19 ist ein Umblaseleitventil 20 angeordnet. Das Umblaseleitventil 20 öffnet, sobald der Betriebspunkt sich im linken Bereich des Kennlinienfeldes 1 befindet. Die obigen zwei Leitungen (Abblaseleitung 17 und Umblaseleitung 19) sind im Stand der Technik bekannt. Aus Gründen der besseren Darstellung sind in der Figur 2 sowohl die Umblaseleitung 19 als auch die Abblaseleitung 17 eingezeichnet. Dem Fachmann ist klar, dass in der Regel solche Anlagen entweder mit einer Umblaseleitung 19 oder einer Abblaseleitung 17 ausgebildet werden.
Erfindungsgemäß wird nun die Anlage 7 derart weitergebildet, dass ein Betreiben der Anlage 7 auch mit reduziertem Massenstrom möglich ist.
[0051] Dazu wird eine Leitung 21 am Ausgang 22 des Verdichters 8 angeordnet. Der Ausgang 22 des Verdichters 8 ist mit einem Eingang 23 eines Expanders 24 strömungstechnisch verbunden. Ein Ausgang 25 des Expanders 24 ist strömungstechnisch mit dem Eingang 11 des Verdichters 8 verbunden. Sobald der Betriebspunkt der Anlage derart ist, dass dieser sich links vom Kennlinienfeld 1 bewegt, wird das energiereiche Strömungsmedium über die Leitung 21 durch den Expander 24 geführt. Dazu wird ein Regelventil 26 in der Leitung 21 angeordnet. Die Energie des Strömungsmediums wird im Expander 24 in mechanische Energie umgewandelt. Das Regelventil 26 ist zwischen dem Ausgang 22 des Verdichters 8 und dem Eingang 23 des Expanders 24 angeordnet.
[0052] Das Regelventil 26 ist derart ausgebildet, dass im Betrieb das Regelventil 26 öffnet, wenn die Strömungsverhältnisse im Verdichter 8 derart sind, dass ein Betriebspunkt auf eine Regelkennlinie 4 stößt, wobei die Regelkennlinie 4 einer Pumpgrenzlinie 3 vorgelagert ist. Mit anderen Worten: Das Regelventil 26 öffnet dann, wenn die Strömungsverhältnisse im Verdichter 8 derart sind, dass der Verdichter 8 sich kurz vor einem pumpenden Zustand befindet.
Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme kann die Anlage 7 sogar links vom Kennlinienfeld 1 beispielsweise im Betriebspunkt 5 (links der Pumpgrenzlinie 3) betrieben werden.
[0054] Der Expander 24 kann hierbei als Radialexpander, als Gegendruckturbine oder Schraubenexpander ausgebildet sein. Jedenfalls ist der Expander 24 dazu ausgebildet, die Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie umzuwandeln.
[0055] Die mechanische Energie des Expanders 24 kann dazu verwendet werden, den Motor 10 zu unterstützen. Die Antriebsleistung des Motors 10 kann dadurch gesenkt werden. Dies erfolgt dadurch, dass der Verdichter 8 und der Expander 24 drehmomentübertragend miteinander gekoppelt werden. Der Expander 24 weist eine Expanderwelle auf (nicht dargestellt), wobei zwischen der Verdichterwelle 9 und der Expanderwelle eine Freilaufkupplung (nicht dargestellt) angeordnet ist.
[0056] In einer alternativen Ausführungsform kann die Anlage 7 derart ausgebildet sein, dass die Verdichterwelle 9 und die Expanderwelle starr miteinander gekoppelt werden. Dazu wird ein Absperrventil oder Absperrklappe 28 in der Leitung nach der Turbine angeordnet. Der Expander 24 wird dann vor dem Öffnen des Regelventils 26 und des Absperrventils oder Absperrklappe 28 mit einem Vakuum beaufschlagt. Das Vakuum wird mit einer Vakuumpumpe oder einer Gasstrahlpumpe 29 erzeugt wird. In der Figur 2 ist diese alternative Ausführungsform mit der gestrichelten Linie 27 eingerahmt. Innerhalb der gestrichelten Linie 27 ist die Vakuumpumpe oder die Gasstrahlpumpe 29 angeordnet.

Claims

Ansprüche
1 . Anlage (7) umfassend einen Verdichter (8) und einen Expander (24), wobei der Ausgang des Verdichters (8) mit dem Eingang des Expanders (24) strömungstechnisch verbunden ist, wobei der Ausgang des Expanders (24) strömungstechnisch mit dem Eingang des Verdichters (8) verbunden ist.
2. Anlage (7) nach Anspruch 1 , mit einem Regelventil (26), das zwischen dem Ausgang des Verdichters (8) und dem Eingang des Expanders (24) angeordnet ist.
3. Anlage (7) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Regelventil (26) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb das Regelventil (26) öffnet, wenn die Strömungsverhältnisse im Verdichter (8) derart sind, dass ein Betriebspunkt auf eine Regelkennlinie (4) stößt, wobei die Regelkennlinie (4) einer Pumpgrenzlinie (3) vorgelagert ist.
4. Anlage (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Expander (24) als Radialexpander, als Gegendruckturbine oder Schraubenexpander ausgebildet ist.
5. Anlage (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (8) und der Expander (24) drehmomentübertragend miteinander gekoppelt sind.
6. Anlage (7) nach Anspruch 5, wobei der Verdichter (8) eine Verdichterwelle (9) und der Expander (24) eine Expanderwelle aufweisen, wobei zwischen der Verdichterwelle (9) und der Expanderwelle eine Freilaufkupplung angeordnet ist.
7. Verfahren zum Betreiben einer Anlage (7), wobei die Anlage (7) einen Verdichter (8) und einen Expander (24) umfasst, wobei der Ausgang des Verdichters (8) mit dem Eingang des Expanders (24) strömungstechnisch verbunden wird, wobei der Ausgang des Expanders (24) strömungstechnisch mit dem Eingang des Verdichters (8) verbunden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwischen dem Ausgang des Verdichters (8) und dem Eingang des Expanders (24) ein Regelventil (24) angeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Regelventil (24) dann öffnet, wenn die Strömungsverhältnisse im Verdichter (8) derart sind, dass der Verdichter (8) sich kurz vor einem pumpenden Zustand befindet.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Regelventil (26) erst dann öffnet, wenn im Betrieb die Strömungsverhältnisse im Verdichter (8) derart sind, dass ein Betriebspunkt auf eine Regelkennlinie (4) stößt, wobei die Regelkennlinie (4) einer Pumpgrenzlinie (3) in einem Kennfeld vorgelagert ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Verdichter (8) mit einer Verdichterwelle (9) und der Expander (24) mit einer Expanderwelle ausgebildet werden, wobei die Verdichterwelle (9) mit der Expanderwelle drehmomentübertragend gekoppelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Verdichterwelle (9) und die Expanderwelle mittels einer Freilaufkupplung miteinander gekoppelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Verdichterwelle (9) und die Expanderwelle starr miteinander gekoppelt werden, wobei der Expander (24) vor dem Öffnen des Regelventils (26) mit einem Vakuum beaufschlagt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Vakuum mit einer Vakuumpumpe oder einer Gasstrahlpumpe erzeugt wird.
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