Verfahren zum Steuern des Druckverhältnisses einer Strahlpumpe

Abstract

 In einer Strahlpumpe kann der erzeugte Saugdruck (Po) durch Verändern des Druckverhältnisses f(p) inner­halb vorgegebener Grenzen und Zeiten konstant gehalten werden, wenn durch rechnergestützte iterative Änderung eines vorhandenen Wertes des Druckverhältnisses f(p) bei Anwendung eines Algorithmus und Einsatz eines gemess­senen Wertes des Fördermitteldrucks (Pe) ein Sollwert für das Druckverhältnis f(p) bestimmt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Druckverhältnisses einer Strahlpumpe zwecks Regelung eines vorgegebenen Betriebsvakuums.

[0002] In einer Strahlpumpe, z.B. Treibdampfpumpe, Gasstrahl­pumpe oder Wasserstrahlpumpe, wird die Strömungsenergie eines Treibmittels durch Düsen und Diffusoren zum Zwecke des Saugens bzw. Drückens eines zu fördernden Mittels ausgenutzt. Als Treib- und För­dermittel kommen Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten in Frage. Strahlpumpen sind einfach herzustellen und be­sitzen keine bewegten Teile, sie haben jedoch einen relativ geringen Wirkungsgrad, der zudem bei Änderung der Betriebsbedingungen, z.B. der Drücke und Förder­mengen, stark vermindert wird. Wegen der Schwierigkeit der in der Regel vermaschten bzw. mehrschweifigen Re­gelung einer Strahlpumpe werden solche Apparate in der Praxis mit konstantem Treibmitteldruck betrieben, die überschüssige Energie wird durch Drosselung, Fremdgas­zugabe oder Inkaufnahme eines niedrigeren als des be­nötigten Unterdrucks bzw. Saugdrucks vernichtet.

[0003] Strahlpumpen, vorzugsweise Dampfstrahlpumpen, werden beispielsweise als Saugdruckerzeuger in der Vakuumdes­tillation eingesetzt. Bei derartig komplizierten Anla­gen soll gleichzeitig für eine Reihe von Regelgrößen ein vorgeschriebenes Verhalten erreicht werden. Diese Größen sind jedoch wechselseitig abhängig; ferner be­einflußt jeder regulierende Eingriff die anderen Regel­ größen im allgemeinen sogar mehr oder weniger stark; es können daher nicht getrennte sondern nur vermaschte Regler eingesetzt werden. Die mit solchen Mehrfachrege­lungen verbundene Problematik der Autonomie, Invarianz, Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit macht den Einsatz her­kömmlicher P-, I-, PI-, PID-Regelungsverfahren und der­gleichen zumindest aus wirtschaftlichen Gründen illu­sorisch.

[0004] Das Mengenverhältnis G1/G2 von Treibmittelmenge G1 zu Fördermittelmenge G2 ist bei einer Strahlpumpe mit ge­gebenen Abmaßen eine Funktion von
Pe = Treibmitteldruck;
Pa = Druck am Austritt der Strahlpumpe;
und
Po = Saugdruck.

[0005] Bei vorgegebenem Saugdruck Po und vorgegebener Förder­mittelmenge G2 ist die erforderliche Treibmittelmenge G 1 daher nur noch abhängig von einer Funktion von Pe und Pa. Da diese Funktion die Form eines Druckverhält­nisses besitzt, wird im gattungsgemäßen Verfahren unter dem Begriff "Steuern des Druckverhältnisses" das Steu­ern von Pe und/oder Pa verstanden.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der im Fördermittel erzeugt Saug­druck durch Veränderung des Treibmitteldrucks und damit der Treibmittelmenge innerhalb vorgegebener Grenzen und Zeiten konstant zu halten und in dem der Energieverbrauch optimal niedrig zu halten ist. Die erfindungsgemäße Lö­sung besteht darin, daß aus dem kontinuierlich gemessenen Wert des Betriebsvakuums durch rechnergestütztes itera­tives schrittweises Ändern eines vorhandenen Wertes des Druckverhältnisses ein Sollwert für das Druckverhältnis ermittelt wird.

[0007] Dadurch, daß erfindungsgemäß der Istwert des Betriebsva­kuums gemessen, durch die rechnergestützte iterative Än­derung zu einer Ausgangsgröße verarbeitet und diese als Stellgröße für den Treibmitteldruck, d.h. für die pro Zeiteinheit der Strahlpumpe zugeführte Treibmittelmenge, verwendet wird, läßt sich der Treibmitteldruck den Er­fordernissen auf der Vakuumseite immer optimal anpassen. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise in einer Vakuum-­destillations- oder Vakuumeindampfanlage eine Energieeinspa­rung von bis zu 50% im Vergleich zu herkömmlicher Betriebs­weise erzielen.
Gemäß weiterer Erfindung kann der durch Berechnung er­mittelte Sollwert für das Druckverhältnis in Form eines Stellwertes für den Treibmitteldruck einem in der Leitung des Treibmittels liegenden Regelventil zugeführt oder als Führungsgröße für den Treibmitteldruck und/oder Aus­gangsdruck in zugeordneten Regelkreisen verwendet werden.

[0008] Vorzugsweise wird die iterative Änderung durch die An­wendung eines Algorithmus in Verbindung mit einem Rechner bewirkt. Gegebenenfalls wird der Sollwert dadurch ermit­telt, daß man den Algorithmus vom Rechner mit der ihm eigenen Geschwindigkeit endlos wiederholt. Das bedeu­tet, bei Änderungen seiner Eingangsgröße, nämlich des gemessenen Wertes des Saugdrucks, die Ausgangs­größe, nämlich die Stellgröße für den Treibmitteldruck, so lange zu verändern, bis sich der Wert der Eingangs­größe wieder innerhalb der vorgegebenen Grenzen befindet. Die Ausgangsgröße des Rechners ist daher kein Wert, der in einem festen funktionellen Zusammenhang zu der Eingangs­größe steht, sondern ergibt sich durch die iterative Erhöhung oder Erniedrigung der jeweils vorher vorhande­nen Ausgangsgröße.

[0009] Zusätzlich ist es günstig, wenn nach jeder schrittweisen Veränderung des Sollwertes eine der Totzeit des Systems entsprechende Wartezeit eingehalten wird. Schließlich soll die Änderungsgeschwindigkeit des Sollwertes an die Größe und Änderungsgeschwindigkeit der Soll-Istwertab­weichung des Betriebsvakuums in vorwählbaren Grenzen angepaßt werden. Vorzugsweise wird dazu ein Algorithmus mit verschiedenen Bearbeitungszweigen für verschiedene Bereiche der Soll-Istwertabweichung des Betriebsvakuums und deren Änderungsgeschwindigkeit verwendet. Auf diese Weise wird es möglich, die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsgröße an diejenige der Eingangsgröße in vorwähl­baren Grenzen anzupassen.

[0010] Anhand der schematischen Zeichnung werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm betreffend die Abhängigkeit des Mengenverhältnisses von Treibmittelmenge und Fördermittelmenge vom Treibmitteldruck, Aus­trittsdruck und Saugdruck einer Strahlpumpe;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Vakuumerzeugung bei ei­ner Vakuumdestillation; und

Fig. 3 ein Fließbild eines Algorithmus zum itera­tiven Bestimmen eines Stellwerts.

[0011] In Fig. 1 werden in der Ordinate das Mengerverhältnis G1/G2 von Treibmittelmenge G1 und Fördermittelmenge G2 sowie in der Abszisse das Druckverhältnis f(p) auf getra­gen. Letzteres ist eine Funktion des Treibmitteldrucks Pe, des Drucks Pa am Austritt der Strahlpumpe und des Saugdrucks Po. Bei einer mit Flüssigkeit betriebenen Strahl­pumpe ist das Druckverhältnis wie folgt definiert:

Demgegenüber ergibt sich bei Betrieb der Strahlpumpe mit einem Gas für das Druckverhältnis der Zusammenhang

Darin ist æ der Adiabatenexponent des Gases. Bei Dampf treten analog zur Funktion f_F (p) anstelle der Druckgefälle die entsprechen­den Enthalpiegefälle (h,s-Diagramm).

[0012] In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Vakuumbehälter 1 einer Destillationskolonne, die mit einem Kühler 2, einer Destillatvorlage 3, einem Flüssig­keitssumpf 4, einer Heizung 5 und einer Flüssigkeitszu­fuhrleitung 6 ausgestattet sein kann, über eine Förder­mittelzuleitung 7 mit einer Dampfstrahlpumpe 8 verbunden. In der Strahlpumpe 8 wird der Unterdruck dadurch erzeugt, daß man ein Treibmittel über eine Treibmitteleitung 9 mit großer Geschwindigkeit durch eine Treibdüse preßt mit dem Ergebnis, daß der Druck am Düsenausgang stark herabge­setzt und das dort anstehende Fördermittel angesaugt wird. Hierdurch wiederum wird in dem Behälter 1 befind­liches Gas abgesaugt und im Behälter ein Saugdruck Po eingestellt. Der Saugdruck darf wegen der Druckabhängig­keit der Siedetemperatur der im Behälter 1 befindlichen Flüssigkeit 4 einen bestimmten Maximalwert nicht über­schreiten. Es sollen oder können aber auch bestimmte Minimalwerte eingehalten werden. Der Istwert des im Be­hälter 1 erzeugten Saugdrucks Po wird daher mit Hilfe eines Vakuum-Meßgeräts 11 gemessen und einem mit 12 be­zeichneten Rechner mit Algorithmus als Eingangsgröße zugeführt. In dem Rechner 12 wird die Eingangsgröße des Saugdrucks Pn durch den Algorithmus zu einer Ausgangs­größe verarbeitet, die wiederum als Sollwert oder Stell­größe für den Treibmitteldruck Pe der Strahlpumpe 8 dient.

[0013] Im Ausführungsbeispiel wird die Stellgröße über eine di­rekte Leitung 13 auf ein in der Treibmittelleitung 9 lie­gendes Stell- bzw. Regelventil 14 geschaltet. Alternativ kann der im Rechner 12 ermittelte Sollwert des Treibmittel­drucks auch einem zwischengeschalteten Treibmitteldruck­regler 15 zugeführt werden. Die gegebenenfalls dafür erforderlichen Wirkleitungen des Druckreglers 15 werden in der Zeichnung gestrichelt dargestellt. Die Infor­mationsrichtung wird durch Pfeile angedeutet. Der Ausgang 16 der Strahlpumpe führt beim Betrieb mit Dampf in entsprechende Kondensatsysteme, die gegebenen­falls vorevakuiert sind.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Fließbilds des in dem Rechner 12 zu verwendenden Algorithmus. Hier­bei werden zur besseren Verständlichkeit für sämtliche Parameter konkrete Zahlenwerte angegeben. Diese Werte sind jedoch nur als Beispiel anzusehen. In der Zeich­nung bedeuten Po den durch das Meßgerät 11 erfaßten Saugdruck im Behälter 1, Pe den über die Treibmittel­leitung 9 der Strahlpumpe 8 zugeführten Treibmittel­druck und Δ Po die Differenz zum vorhergehenden Meßwert des Unterdrucks Po.

[0014] Am Start des Algorithmus wird der jeweilige Meßwert des erzeugten Saugdrucks Po, also die vom Vakuummeßgerät 11 bestimmte Eingangsgröße auf den Rechner 12 gegeben. Der als Beispiel dargestellte Algorithmus besitzt zwei Haupt­bearbeitungszweige A und B, die je nach Größe der Ände­rungsgeschwindigkeit und der Sollwert/Istwert-Abweichung der Rechner-Eingangsgröße auszuwählen sind. Durch Aus­wahl und Ausgestaltung der Zweige A, B ist es möglich, die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsgröße in vor­wählbaren Grenzen an diejenige der Eingangsgröße anzu­passen. In beiden Fällen ergibt sich die Ausgangsgröße Pe des Rechners 12 durch iterative Erhöhung oder Ernie­drigung der jeweils vorhandenen Ausgangsgröße Pe und berücksichtigt durch eine vorgegebene Wartezeit zusätz­lich die durch die Anlage bedingte Totzeit des Systems.

[0015] Nach Ermittlung der Ausgangsgröße des Rechners 12 wird der Algorithmus mit der ihm eigenen Geschwindigkeit endlos wiederholt. In Fig. 3 wird diese Endlosschleife durch das Start-Zeichen am Fuß des Fließbilds angedeu­tet.

Bezugszeichenliste

[0016] 

1 = Behälter

2 = Kühler

3 = Destillatvorlage

4 = Flüssigkeitssumpf

5 = Heizung

6 = Flüssigkeitszuführleitung

7 = Fördermittelleitung

8 = Strahlpumpe

9 = Treibmittelleitung

11 = Vakuummeßgerät

12 = Rechner

13 = Stellgrößenleitung

14 = Regelventil

15 = Druckregler

16 = Ausgang Strahlpumpe

17 = Kondensator Treibdampf

18 = barometrisches Tauchgefäß Strahlpumpe

19 = Wasserringpumpe

20 = Wasserabscheider

21 = atmosphärischer Ausgang

22 = Druckmeßgerät

Po = Saugdruck

Pe = Treibmitteldruck

Pa = Druck am Austritt der Strahlpumpe

Pu = Unterdruck Destillierapparat

G1 = Treibmittelmenge

G2 = Fördermittelmenge

f(p) = Druckverhältnis

A,B = Hauptbearbeitungszweige

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung des Druckverhältnisses f(p) einer Strahlpumpe zur Regelung eines vorgegebenen Be­triebsvakuums, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem kon­tinuierlich gemessenen Wert des Betriebsvakuums durch rechnergestützte iterative, schrittweise Änderung eines vorhandenen Wertes des Druckverhältnisses f(p) ein Soll­wert für das Druckverhältnis ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für das Druckverhältnis in Form eines Stellwertes für den Treibmitteldruck Pe einem in der Leitung (9) des Treibmittels liegendem Regelventil (14) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für das Druckverhältnis f(p) als Füh­rungsgröße für den Treibmitteldruck Pe und/oder Aus­gangsdruck Pa in zugeordneten Regelkreisen (15) ver­wendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die iterative schritt­weise Änderung des Sollwertes durch die Anwendung eines Algorithmus bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert da­durch ermittelt wird, daß der Algorithmus von einem ent­sprechenden Rechner (12) endlos wiederholt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungsge­ schwindigkeit des Sollwertes an die Größe und Änderungs­geschwindigkeit der Soll-Istwertabweichung des Betriebs­vakuums in vorwählbaren Grenzen angepaßt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Algorithmus mit verschiedenen Bearbeitungszwei­gen (A, B) für verschiedene Bereiche der Soll-Istwertab­weichung des Betriebsvakuums und deren Änderungsgeschwin­digkeit verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder schritt­weisen Veränderung des Sollwertes eine der Totzeit des Systems entsprechende Wartezeit eingehalten wird.

Zeichnung