Verfahren zum Schützen eines Turboverdichters vor Pumpen mittels Abblasens über ein Abblaseventil sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Bei bekannten Verfahren der genannten Art werden eine kontinuierliche Pumpgrenzregelung und eine im Notfall eingreifende Sicherheitssteuerung parallel betrieben. Beim Ansprechen der Sicherheitssteuerung kommt es entweder zu einer vollständigen, in ihrem Verlauf nicht aufzuhaltenden Öffnung des Abblaseven­tils (2) mit der Folge eines Druckeinbruchs im nachge­schalteten Prozeß oder die Öffnungsgeschwindigkeit des Abblaseventils (2) wird durch die Betätigungsein­richtung (21) des Abblaseventils (2) begrenzt, was zu einer langsameren Reaktion im Störungsfall führt. Das neue Verfahren soll diese Nachteile beheben.
Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Ansprechen der Sicherheitssteuerung das Druck­medium für Abblaseventilbetätigung unter Umgehung des Stellungsreglers unmittelbar abgeführt wird und daß bei Rücksetzen der Sicherheitssteuerung das Abführen des Druckmediums beendet und die Regelung wieder allein vom Pumpgrenzregler (41) sowie dem nachge­schalteten Stellungsregler übernommen wird. Mit dem neuen Verfahren wird erreicht, daß das Abblaseventil (2) bei einer Schnellöffnung mit seiner technisch maxi­mal möglichen, vom Stellungsregler unabhängigen Ver­stellgeschwindigkeit und nur noch soweit wie erfor­derlich in Öffnungsrichtung verstellt wird, um eine auftretende Störung aufzufangen. Ein verspätetes oder übermäßig starkes oder langes Abblasen mit seinen nachteiligen Folgen wird so vermieden.
Das neue Verfahren eignet sich für Turboverdichter unterschiedlicher Anwendungsbereiche, insbesondere für Großverdichter.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen eines Turboverdichters vor Pumpen mittels Abblasens über ein Abblaseventil, wobei in dem Verfahren aus Meßwerten zu­mindest für den Verdichterdurchfluß und Verdichterend­druck sowie aus vorgegebenen bzw. vorgebbaren Sollwerten ein Regelparameter bestimmt wird, anhand dessen durch einen Pumpgrenzregler eine stellungsgeregelte Verstellung des Abblaseventils mittels einer pneumatischen oder hy­draulischen Betätigungseinrichtung mit Stellungsregler über ein Druckmedium erfolgt und wobei bei Überschreiten eines Sicherheits-Grenzwertes durch den Regelparameter das Abblaseventil durch eine Sicherheitssteuerung mit maximaler Verstellgeschwindigkeit in Öffnungsrichtung betätigt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Ein bekanntes Verfahren der genannten Art besteht aus einer Parallelschaltung einer vergleichsweise langsamen Regelung mit einer schnellen Sicherheitssteuerung. Durch die langsamere Regelung, die im Normalfall allein arbei­tet, wird bei Bedarf durch stellungsgeregeltes Öffnen oder Schließen des Abblaseventils - oder auch Umblaseven­tils - der Arbeitspunkt des Verdichters in dessen zuläs­sigem Kennfeldbereich gehalten. Bei einem Auftreten von plötzlichen und/oder großen Störungen greift die Sicher­heitssteuerung ein, die eine Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Stellgeschwindigkeit bewirkt. Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, daß entweder die maxi­male Verstellgeschwindigkeit dieser Schnellöffnung des Abblaseventils durch den Stellungsregler begrenzt ist oder daß es, nachdem die Sicherheitssteuerung einmal aus­gelöst ist, stets zu einem nicht mehr aufzuhaltenden Ver­stellen des Abblaseventils bis zu seiner Öffnungsend­stellung kommt. Ersteres erfordert einen großen Sicher­heitsabstand von der Pumpgrenze; letzteres hat auf einen dem Verdichter nachgeschalteten Prozeß einen ungünstigen Einfluß, der sich insbesondere als Druckeinbruch äußert.

[0003] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der ein­gangs genannten Art zu schaffen, das die aufgeführten Nachteile vermeidet und das insbesondere einfach arbeitet und zugleich nachteilige Einflüsse auf den nachgeschalte­ten Prozeß vermeidet oder wenigstens vermindert. Außerdem soll ein Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

[0004] Die Lösung des ersten Teils der Aufgabe gelingt erfin­dungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß bei Anspre­chen der Sicherheitssteuerung das Druckmedium für die Abbla­seventilbetätigung unter Umgehung des Stellungsreglers unmittelbar abgeführt wird und daß bei Rücksetzen der Sicherheitssteuerung das Abführen des Druckmediums be­endet und die Regelung wieder allein vom Pumpgrenzregler mit dem nachgeschalteten Stellungsregler übernommen wird.

[0005] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß das Abblaseventil bei einer Schnellöffnung mit seiner technisch maximal möglichen, vom Stellungsregler unabhän­gigen Verstellgeschwindigkeit und nur noch so weit wie erforderlich in Öffnungsrichtung verstellt wird, um eine auftretende Störung aufzufangen. Ein verspätetes oder übermäßig starkes oder langes Abblasen oder Umblasen von Prozeßluft wird so vermieden und nachteilige Auswirkun­gen, insbesondere ein Pumpen oder Druckeinbrüche im Pro­zeß, treten nicht mehr bzw. nur noch stark gedämpft auf. Das langsamere Reagieren des Verfahrens auf Vorgänge im Verdichter oder Prozeß, die ein Schließen des Abblaseven­tils erfordern, ist in der Praxis kein Nachteil, da diese Vorgänge stets mit einer ungefährlichen Bewegung des Ar­beitspunktes von der Pumpgrenze weg verbunden sind. Viel­mehr wird hierdurch die erforderliche Stabilität der Re­gelung erreicht, d. h. es wird ein nachteiliges "Schwin­gen" vermieden. Aufgrund der so erreichten schnellen und zugleich angemessenen Reaktion des Abblaseventils genügt dieses Verfahren auch hohen Ansprüchen an eine Regelung für den Schutz des Verdichters vor Pumpen.

[0006] In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß der Ausgang des Pumpgrenzreglers während der ihn umgehenden, durch die Sicherheitssteuerung be­wirkten Verstellung des Abblaseventils praktisch verzö­gerungsfrei auf einen der aktuellen Stellung des Abblase­ventils entsprechenden Wert nachgeführt wird. Hiermit wird erreicht, daß die Übernahme der Regelung durch den Regler nach der von der Sicherheitssteuerung bewirkten Schnellöffnung des Abblaseventils sprung- und stoßfrei erfolgt, wodurch ein störendes Einlaufen und/oder Ein­schwingen des Reglers und des Abblaseventils auf ihre neue stationäre Stellung vermieden werden.

[0007] Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß als Regelparameter die Differenz zwischen dem Ge­schwindigkeits-Orts-Istwert des Verdichterarbeitspunktes und dem zugehörigen Geschwindigkeits-Orts-Sollwert gemäß einer vorgebbaren Geschwindigkeits-Orts-Sollwertkurve, bei deren Erreichen ein Pumpen noch gerade verhindert werden kann, verwendet wird, wobei als Ort der Abstand des Arbeitspunktes von der Pumpgrenze und als Geschwin­digkeit die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes relativ zur Pumpgrenze im Verdichterkennfeld verwendet wird. Hiermit wird erreicht, daß außer dem Ort des Ar­beitspunktes im Verdichterkennfeld auch die Bewegungsge­schwindigkeit des Arbeitspunktes im Verdichterkennfeld berücksichtigt wird. Somit ist es möglich, die Öffnung des Abblaseventils auch bei unterschiedlich schneller Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze stets zum spätestmöglichen Zeitpunkt vorzunehmen, an dem ein Pumpen des Verdichters gerade noch verhindert wird. Der Verdich­ter kann deshalb ohne Pumprisiko sehr dicht an der Pump­grenze betrieben werden, was insbesondere einen günstige­ren Teillastbetrieb ermöglicht.

[0008] Je nach Ausgestaltung des Abblaseventils und seiner Be­tätigungseinrichtung kann es zu einem mehr oder weniger langen Weiterlaufen des Ventils nach dem Rücksetzen der Sicherheitssteuerung kommen, was z. B. auf Energiespei­chereffekten des Druckmediums beruht. Um dem Abblaseven­til ausreichend Zeit zu geben, seine stationäre Position sicher zu erreichen, ist vorgesehen, daß die Übernahme der Regelung durch den Pumpgrenzregler nach dem Rückset­zen der Sicherheitssteuerung erst nach einer vorgebbaren Zeitspanne erfolgt.

[0009] Die Lösung des zweiten Teils der Aufgabe gelingt erfin­dungsgemäß durch eine Vorrichtung, welche einen Pump­grenzregler für eine stellungsgeregelte Verstellung eines Abblaseventils über ein Druckmedium mittels einer pneuma­tischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung mit einem Stellungsregler und einer Kolben-Zylinder-Einheit sowie eine Sicherheitssteuerung für eine bedarfsweise Betätigung des Abblaseventils in Öffnungsrichtung mit maximaler Verstellgeschwindigkeit aufweist, und welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Schaltventil ein­ laßseitig mit einem Abzweig verbunden ist, der zwischen Stellungsregler und Kolben-Zylinder-Einheit in eine diese verbindende Druckmediumleitung mündet, daß das Schaltven­til auslaßseitig mit einer Druckmedium-Abführleitung ver­bunden ist und daß das Schaltventil über seinen Schalt­eingang durch die Sicherheitssteuerung bei deren Anspre­chen in Öffnungsstellung und bei deren Rücksetzen in Schließstellung umschaltbar ist. Die Vorrichtung ist einfach aufgebaut und damit kostengünstig herstellbar und betreibbar. Zudem ist sie leicht zu warten und damit besonders betriebssicher.

[0010] Für das Schaltventil ist bevorzugt vorgesehen, daß es ein Magnetventil ist. Hiermit werden eine zuverlässige Funk­tion und ein sehr schnelles Schalten des Ventils gewähr­leistet.

[0011] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Turboverdichter, der mit einer Vorrichtung gemäß Erfindung ausgestattet ist, in einer Schema-Darstellung, anhand derer auch der Verfahrensablauf beispielhaft erläutert werden soll.

[0012] Wie die Figur zeigt, ist der Turboverdichter 1 ansaugsei­tig mit einer Ansaugleitung 10 verbunden. Abgabeseitig ist der Turboverdichter 1 mit einer Abgabeleitung 11 verbunden, die über eine Rückschlagklappe 12 das von dem Turboverdichter 1 verdichtete Medium zu einem nachge­schalteten Prozeß leitet. Vor der Rückschlagklappe 12 zweigt von der Abgabeleitung 11 eine Abblaseleitung 20 ab, in welche ein Abblaseventil 2 mit einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung 21 eingeschal­tet ist.

[0013] Ansaugseitig wird mittels eines mit der Ansaugleitung 10 verbundenen Durchflußmessers 61 der zum Verdichter 1 strömende Durchfluß des zu verdichtenden Mediums erfaßt. Mittels eines mit der Abgabeleitung 11 verbundenen Druck­messers 62 ist der Verdichterenddruck erfaßbar. Dem Druckmesser 62 ist ein Funktionsgeber 63 nachgeschaltet, der anhand von gespeicherten Daten den jeweils einem bestimmten Druck zugeordneten, gerade noch zulässigen Minimaldurchflußwert für den Verdichter 1 ausgibt. Der vom Durchflußmesser 61 aktuell gemessene Durchfluß-Ist­wert und der vom Funktionsgeber 62 ausgegebene Durchfluß-­Sollwert werden einem Subtrahierer 64 zugeführt, in wel­chem die Differenz aus diesen durch Subtrahieren des Istwertes vom Sollwert gebildet wird.

[0014] Dem Subtrahierer 64 sind ein Funktionsgeber 51 und ein Geschwindigkeitsmesser 52 nachgeschaltet. Im Funktions­geber 51 ist eine Geschwindigkeits-Orts-Sollwertkurve für den Arbeitspunkt des Verdichters 1 gespeichert. Die Funk­tionswerte dieser Kurve sind diejenigen Werte, bei wel­chen in Abhängigkeit von der jeweiligen akutellen Ist-­Lage und Ist-Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im Ver­dichterkennfeld gerade noch ein Pumpen des Verdichters verhindert werden kann. Der Geschwindigkeitsmesser 52 dient dazu, die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitspunk­tes des Verdichters im Verdichterkennfeld relativ zur Pumpgrenze zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch Differenzieren oder auch durch Differenzbildung mit an­schließender Division erfolgen. Die im Geschwindigkeits­messer 52 bestimmte Geschwindigkeit des Arbeitspunktes (Istwert) und der vom Funktionsgeber 51 ausgegebene Funktionswert (Sollwert) werden in einem nachfolgenden Subtrahierer 53 voneinander subtrahiert, wobei hier defi­nitionsgemäß der Sollwert vom Istwert subtrahiert wird. Die Differenz, die in dem Subtrahierer 53 erzeugt wird, ist der Regelparameter für die Betätigung des Abblaseven­tils 2.

[0015] Der so erzeugte Regelparameter wird zu diesem Zweck pa­rallel auf eine Sicherheitssteuerung 31 und einen Pump­grenzregler 41 gegeben, die dem Subtrahierer 53 nachge­schaltet sind.

[0016] Die Sicherheitssteuerung 31 ist so ausgelegt, daß sie an ihrem Ausgang nur zwei Schaltzustände annehmen kann, die abhängig davon auftreten, ob der Regelparameter einen vorgegebenen Sicherheitsgrenzwert entsprechend einer Si­cherheitslinie im Verdichterkennfeld überschreitet oder nicht. Der Pumpgrenzregler 41 sorgt im Unterschied dazu für eine kontinuierliche Regelung, d. h. eine stellungs­geregelte Verstellung des Abblaseventils 2 in Abhängig­keit von der Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld. Hierzu wirkt der Ausgang des Pumpgrenzreglers 41 über eine Steu­erleitung 22 auf die Betätigungseinrichtung 21 des Abbla­seventils 2. Von der Betätigungseinrichtung 21 mit einem Stellungsregler führt eine Druckmediumleitung 23 zu einer nicht eigens dargestellten Kolben-Zylinder-Einheit für die Erzeugung der Kraft für die Verstellbewegung des Abblaseventils 2 in Schließrichtung. Die Kraft für die Verstellbewegung des Abblaseventils 2 in Öffnungsrichtung wird aus Sicherheitsgründen allgemein mittels eines Kraftspeicherelementes, z. B. einer gespannten Feder erzeugt, um bei Ausfall der Regelung ein selbsttätiges Öffnen des Abblaseventils 2 sicherzustellen.

[0017] Der Ausgang der Sicherheitssteuerung 31 wirkt über eine Steuerleitung 32 auf ein Schaltventil 3, genauer dessen elektromagnetische Betätigungseinrichtung 30. Dieses Schaltventil 3 ist mit seinem Einlaß mit einem Abzweig 23′ verbunden, der von der Druckmediumleitung 23 abgeht. Bei Ansprechen der Sicherheitssteuerung 31 wird das Schaltventil 3 in seine Öffnungsstellung umgeschaltet, wodurch das Druckmedium aus der Druckmediumleitung 23 und der zugehörigen Kolben-Zylinder-Einheit über den Abzweig 23′ unter Umgehung der Betätigungseinrichtung 21 des

[0018] Abblaseventils 2 unmittelbar abgeführt wird. Hierdurch wird das Abblaseventil 2 mit erhöhter Verstellgeschwin­digkeit in Öffnungsrichtung verstellt, bis die Sicher­heitssteuerung 31 nach Rückkehr des Verdichter-Arbeits­punktes in den sicheren Kennfeldbereich wieder zurückge­setzt wird und damit das Schaltventil 2 wieder in seine Schließstellung umgeschaltet wird. Im weiteren erfolgt dann die bedarfsweise Verstellung des Abblaseventils 2 aus der zuletzt erreichten Stellung wieder durch den Regler 41 mit der langsameren Verstellgeschwindigkeit.

[0019] Für die Sicherheitssteuerung 31 und den Pumpgrenzregler 41 können vorteilhaft an sich bekannte Komponenten ver­wendet werden, so daß die Durchführung des Verfahrens und die Herstellung einer hierfür geeigneten Vorrichtung vergleichsweise einfach und kostengünstig sind.

Ansprüche

1. Verfahren zum Schützen eines Turboverdichters vor Pum­pen mittels Abblasens über ein Abblaseventil, wobei in dem Verfahren aus Meßwerten zumindest für den Verdich­terdurchfluß und Verdichterenddruck sowie aus vorgege­benen bzw. vorgebbaren Sollwerten ein Regelparameter bestimmt wird, anhand dessen durch einen Pumpgrenzreg­ler eine stellungsgeregelte Verstellung des Abblase­ventils mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung mit Stellungsregler über ein Druckmedium erfolgt und wobei bei Überschreiten eines Sicherheits-Grenzwertes durch den Regelparameter das Abblaseventil durch eine Sicherheitssteuerung mit maximaler Verstellgeschwindigkeit in Öffnungsrichtung betätigt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Ansprechen der Sicher­heitssteuerung das Druckmedium für die Abblaseventilbetä­tigung unter Umgehung des Stellungsreglers unmittelbar abgeführt wird und daß bei Rücksetzen der Sicherheits­steuerung das Abführen des Druckmediums beendet und die Regelung wieder allein vom Pumpgrenzregler mit dem nachgeschalteten Stellungsregler übernommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Pumpgrenzreglers während der ihn um­gehenden, durch die Sicherheitssteuerung bewirkten Verstellung des Abblaseventils praktisch verzögerungs­frei auf einen der aktuellen Stellung des Abblaseven­tils entsprechenden Wert nachgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­net, daß als Regelparameter die Differenz zwischen dem Geschwindigkeits-Orts-Istwert des Verdichterarbeits­punktes und dem zugehörigen Geschwindigkeits-Orts-­Sollwert gemäß einer vorgebbaren Geschwindigkeits- Orts-Sollwertkurve, bei deren Erreichen ein Pumpen noch gerade verhindert werden kann, verwendet wird, wobei als Ort der Abstand des Arbeitspunktes von der Pumpgrenze und als Geschwindigkeit die Bewegungs­geschwindigkeit des Arbeitspunktes relativ zur Pump­grenze im Verdichterkennfeld verwendet sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Übernahme der Regelung durch den Pumpgrenzregler nach dem Rücksetzen der Sicherheits­steuerung erst nach einer vorgebbaren Zeitspanne er­folgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei die Vorrichtung einen Pump­grenzregler für eine stellungsgeregelte Verstellung eines Abblaseventils über ein Druckmedium mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungsein­richtung mit einem Stellungsregler und einer Kolben-­Zylinder-Einheit sowie ein Sicherheitssteuerung für eine bedarfsweise Betätigung des Abblaseventils in Öffnungsrichtung mit maximaler Verstellgeschwindigkeit aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltventil (3) ein­laßseitig mit einem Abzweig (23′) verbunden ist, der zwischen Stellungsregler und Kolben-Zylinder-Einheit in eine diese verbindende Druckmediumleitung (23) mündet, daß das Schaltventil (3) auslaßseitig mit einer Druckmedium-Abführleitung verbunden ist und daß das Schaltventil (3) über seinen Schalteingang durch die Sicherheitssteuerung (31) bei deren Ansprechen in Öffnungsstellung und bei deren Rücksetzen in Schließ­stellung umschaltbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (3) ein Magnetventil ist.

Zeichnung