Verfahren zur Erfassung von Pumpstössen an Turbokompressoren

Abstract

 Zum Erfassen eines Pumpstoßes an einem Turbokompres­sor (1) wird ein Meßsignal, insbesondere die Temperatur am Kompressoreintritt (3) oder die Differenz (3, 4) zwischen in unterschiedlichem Abstand vom Kompressoreintritt ge­messenen Temperaturen, einer Differentiation oder einer gleichwertigen Operation unterworfen und dadurch die Signaländerungsgeschwindigkeit bestimmt. Ein Pump­stoß wird angezeigt, wenn die Änderungsgeschwindigkeit und der Absolutbetrag des Signals über vorgegebenen Wer­ten liegen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Pumpstößen an Turbokompressoren von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Ein solches Verfahren, wobei die überwachte Betriebsgröße die Eintrittstempe­ratur ist, ist aus GB-PS 1 588 945 bekannt.

[0002] Als Pumpen bezeichnet man einen Vorgang bei einem Turbo­kompressor, bei welchem stoßweise bzw. periodisch das Fördermedium von der Druckseite zur Saugseite zurück­strömt. Dieser Vorgang tritt bei Betriebszuständen mit zu hohem Druckverhältnis zwischen Aus- und Einlaßdruck bzw. mit zu niedrigem Durchsatzvolumen auf. Da sich das Fördermedium durch die Kompression im Kompressor er­wärmt, ist auch das bei einem Pumpstoß zurückströmende Fördermedium heißer als das angesaugte Fördermedium, so daß ein Pumpstoß eine Änderung der Temperaturverhält­nisse am Kompressoreinlaß zur Folge hat; gleichzeitig zeigt der Durchfluß, das Druckverhältnis, der Enddruck, die Leistung ein schlagartiges Absinken. Die Temperatur- oder sonstige Änderung kann als Indikator für das Vor­liegen eines Pumpstoßes herangezogen werden, um Maß­nahmen zur Beseitigung des Pumpens, z.B. das Öffnen eines Abblaseventils, auszulösen.

[0003] Der Pumpzyklus eines Kompressors ist mit 0,5 bis 2 Sekun­den relativ kurz. Mit üblichen Temperaturfühlern ist es schwierig, diese kurzzeitigen Temperaturänderungen zu erfassen. Außerdem stören die tages- und jahreszeit­lichen Schwankungen der Temperatur der angesaugten Luft bei Luftkompressoren oder die prozeßbedingten Ansaug­temperaturschwankungen bei Gaskompressoren. Bei zwischen­gekühlten Kompressoren haben Kühlwassertemperatur und -menge einen Einfluß. Alle diese Störeinflüsse können da­zu führen, daß Pumpstöße nicht rasch genug bzw. bei Ände­rung der Betriebsbedingungen nicht zuverlässig genug erfaßt werden und daher auch die Gegenmaßnahmen nicht oder zu spät ausgelöst werden.

[0004] Gemäß der GB-PS 1 588 945 wird deshalb vorgeschlagen, nicht die Temperaturänderung selbst, sondern deren Änderungsgeschwindigkeit zu erfassen und ein Aus­lösesignal zu erzeugen, wenn sie einen vorgegebenen Wert übersteigt. Zur Vermeidung von Fehlauslösungen kann zusätzlich noch eine andere Kompressorbetriebs­größe, z.B. die Schaufelradstellung, überwacht werden, um das Auslösesignal nur dann zu erzeugen, wenn für beide Meßgrößen eine Auslösebedingung er­füllt ist. Dazu ist es erforderlich, bauliche Ver­änderungen am Kompressor und/oder Gehäuse vorzu­nehmen, um zusätzliche Sensoren im Kompressor zu positionieren und die Meßleitungen nach außen zu führen.

[0005] Aus der DE-PS 28 28 124 ist es im Rahmen einer innerhalb der Pumpgrenze arbeitenden Kompressorregelung bekannt, zur Ermittlung der Geschwindigkeit einer Signaländerung das Signal einmal unverzögert und einmal verzögert einer Subtraktionsstelle zuzuführen.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges und von Störeinflüssen freies Verfahren zur Erfassung von Pumpstößen anzugeben, für dessen Anwendung keine zu­sätzlichen baulichen Veränderungen am Kompressor und/­oder -gehäuse vorgenommen werden müssen.

[0007] Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen.

[0008] Durch die Überwachung nicht nur der Temperaturänderungs­geschwindigkeit, sondern zusätzlich auch der absoluten Temperaturänderung werden Fehlauslösungen, die sich ins­besondere durch Rauschen ergeben können, zuverlässig vermieden. Es ergeben sich die Vorteile eines Koinzidenz­verfahrens, ohne daß zusätzliche Meßgrößen ermittelt werden müssen.

[0009] Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeich­nung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt stark vereinfacht das Schema einer Einrich­tung zur Erfassung von Pumpstößen und zur Er­zeugung eines entsprechenden Signals.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

[0010] In Fig. 1 ist im Ansaugkanal 1 eines Turbokompressors ein Temperaturfühler 3 unmittelbar vor dem ersten Laufrad 2 und ein anderer Temperaturfühler 4 in etwas größerer Ent­fernung von dem ersten Laufrad 2 angeordnet. Bei einem Pumpstoß wirkt sich das durch die Laufräder rückströmende heißere Fördermedium hauptsächlich auf den Temperatur­fühler 3 aus, während der vom Laufrad 2 entferntere Temperaturfühler 4 im wesentlichen nur der Ansaugströmung ausgesetzt ist und keine Temperaturänderung erfährt. Zu­sätzlich kann der Temperaturfühler 3 schnell ansprechend und der Temperaturfühler 4 thermisch träge ausgebildet werden.

[0011] In einem Differenzbildungsglied 5 wird die Temperatur­differenz ΔT aus den von den Temperaturfühlern 3 und 4 erfaßten Temperaturen gebildet. Das Differenzglied 5 ist entbehrlich, wenn die Temperaturfühler 3, 4 Thermoelemen­te sind, die gegeneinandergeschaltet sind, so daß das Meßsignal der Temperaturdifferenz entspricht. In einer Differenzierstufe 7 wird diese Temperaturdifferenz differenziert, um die zeitliche Ableitung dΔT/dt zu bil­den. In einem Vergleicher 8 werden die Werte der Tempe­raturdifferenz und ihrer zeitlichen Ableitung mit vor­gegebenen Grenzwerten ΔT_max und d_max verglichen, und es wird ein einen Pumpstoß anzeigendes Signal in der Aus­gangsleitung 9 erzeugt, wenn die beiden Grenzwerte über­schritten sind.

[0012] In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform der Er­findung dargestellt. Die Meßgröße x wird einem Eingang (+) einer Subtraktionsstufe 10b unverzögert, dem ande­ ren Eingang (-) über ein Verzögerungsglied 10a zuge­führt. Als Verzögerungsglied 10a ist ein Verzögerungs­glied erster Ordnung vorgesehen, in dem, bei einer sprungförmigen Änderung des Eingangssignals, das Aus­gangssignal in Form einer Exponentialfunktion zeit­verzögert auf den Eingangswert ansteigt. Die Zeit­konstante T₁ dieses Anstieges ist einstellbar und be­stimmt im wesentlichen das Verhalten der Anordnung 10.

[0013] Natürlich können auch Verzögerungsglieder höherer Ord­nung oder Laufzeitglieder angewendet werden, bei denen das Ausgangssignal dem Eingangssignal um eine Laufzeit T_L verzögert folgt.

[0014] Das von der Subtraktionsstufe 10b erzeugte Signal ist so­wohl von der Änderungsgeschwindigkeit, als auch vom Absolutbetrag der Änderung des Eingangssignals x ab­hängig. Schnelle Singaländerungen, verglichen mit der Zeitkonstante T₁ bzw. der Laufzeit T_L wirken sich relativ stark auf das Ausgangssignal aus, langsame Änderungen nur wenig. Im stationären Zustand, d.h. bei konstantem Eingangssignal, ist das Ausgangssignal Null. Zusätzlich ist das Ausgangssignal auch vom Be­trag des Eingangssignals x abhängig, da es, bei schnel­len Änderungen, maximal den Wert des Eingangssignals x annehmen kann. Aufgrund dessen wirken sich Rauschsignale geringer Amplitude auch nur gering auf das Ausgangssig­nal aus, anders als bei einer reinen Differentiation, bei der nur die Steigerung der Signalflanken berück­sichtigt wird.

[0015] Hinter der Subtraktionsstufe 10b ist eine Grenzwert­stufe 10c vorgesehen, um festzustellen, ob das Aus­gangssignal einen vorgesehenen Wert überschreitet und gegebenenfalls ein Auslösesignal zu erzeugen. Kleine Änderungen haben keinen Einfluß auf den Ausgang der Grenzwertstufe, solange der Betrag der Änderungen unterhalb der Schaltschwelle der Grenzwertstufe liegt. Dadurch wird die Änderung 10 unempfindlich gegen Meß­rauschen.

[0016] Die Anpassung der Anordnung 10 zur Erfassung von Pump­stößen erfolgt duch Einstellung der Zeitkonstanten T₁ und des Grenzwertes der Grenzwertstufe.

[0017] Das Verfahren ist auch durchführbar bei Erfassung an­derer Meßgrößen, z.B. Durchsatz, Kompressorenddruck, Kom­pressorsaugdruck, Leistung, Drehzahl etc. die bei einem Pumpstoß eine rasche Änderung zeigen. So kann statt des Temperatur­anstiegs das ebenfalls für einen Pumpstoß charakteristi­sche Absinken des Auslaßdruckes, des Durchsatzes, der Leistung, der Axialposition der Kompressorwelle erfaßt und der Signalverarbeitung zugeführt werden, wobei auch in diesen Fällen die erfindungsgemäße Berücksich­tigung sowohl des Änderungsbetrages als auch der Ände­rungsgeschwindigkeit Anwendung findet.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erfassung von Pumpstößen an Tur­bokompressoren, bei dem eine Betriebsgröße überwacht, ein dem Ist-Wert der Betriebsgröße entsprechendes Meß­signal erzeugt, und durch eine die Änderungsgeschwin­digkeit des Meßsignals erfassende Signalverarbeitung ein einen Pumpstoß anzeigendes Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine sowohl die Änderungsgeschwindigkeit als auch den Absolutwert des Meßsignals erfassende und miteinander verknüpfende Signalverarbeitung durchgeführt wird, und daß das Sig­nal nur dann ausgelöst wird, wenn sowohl die Änderungs­geschwindigkeit als auch der Absolutwert der Änderung der Betriebsgröße über je einem vorgegebenen Wert liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß als Betriebsgröße die Temperatur am Kompressoreingang überwacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Meßsignal differenziert und einerseits die gemessene Signaländerung und andererseits das differenzierte Signal jeweils mit vorgegebenen Wer­ten verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Meßsignal einmal unverzögert und einmal verzögert einem Subtraktionsglied zugeführt und die Differenz der beiden Signale mit einem vorgege­benen Wert verglichen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Differenz der Temperaturen an zwei unterschiedlich weit vom ersten Laufrad des Kompressors entfernt liegenden Meßpunkten erfaßt und diese Temperaturdifferenz der Signalverarbeitung unter­worfen wird.

Zeichnung