DE2947618C2

DE2947618C2 - Regelverfahren für einen mehrstufigen Zentrifugalverdichter

Info

Publication number: DE2947618C2
Application number: DE2947618A
Authority: DE
Inventors: Yozo Hibino; Yoshiyuki Nakano; Hideo Nishida; Hiroshi Ibaraki Ohmachi; Junichi Oizumi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-03-12
Filing date: 1979-11-26
Publication date: 1983-11-10
Also published as: JPS633158B2; JPS55123394A; US4288198A; DE2947618A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für einen mehrstufigen Zentrifugalverdichter mit jeweils verstellbaren Eisströmleitschaufeln und Diffusorleitschaufeln, bei dem ein Betriebsparameter, z. B. die Fördermenge, erfaßt und bei dessen Veränderung die Schaufeln entsprechend verstellt werden.

Aus der US-PS 37 44 925 ist eine Regeleinrichtung für einen Turbokompressor bekannt, bei dem ein erster Regler die Diffusorschaufem entsprechend den vom Verbraucher verlangten Fördennengen verstellt, um den Luftdurchsatz des Kompressors entsprechend zu verändern. Die Grundlage dieser Verstellung bilden die erfaßten Änderungen des Förderdrucks am Kompressorausgang, die ein erstes Signal zur Betätigung der Diffusorschaufeln liefern. Ein Anti-Pump-Regler wird gemeinsam durch-den Luftdurchsatz und den Förderdruck geregelt und e:~eugt ein entsprechendes Signal, welches mit dem Signal des ersten Reglers kombiniert wird. Das erhaltene dritte Signal dient zur Betätigung eines Abblaseventils, das im Druckstutzen des Kompressors angeordnet ist. Eine für jede Stufe optimale Verstellung der Einströmschaufeln und der Diffusorschaufeln ist bei diesem bekannten Kompressor nicht vorgesehen.

Aus der US-PS 37 37 246 ist ein Kompressorsystem bekannt, das einen Niederdruckkompressor, einen Zwischenkühler und einen Hochdruckkompressor enthält. Die Kompressoren laufen mit konstanter Drehzahl. Um die Druckverteilung auf einen optimalen Wert zu bringen, weist der Hochdruckkompressor verstellbare Leitschaufeln auf, deren Winkel auf der Grundlage des Förderdrucks eingestellt werden. Eine Verstellung der Einströmschaufeln und der Abströmschaufeln ist auch bei diesem bekannten Kompressor nicht vorgesehen.

Schließlich ist in der GB-PS 9 92 651 noch ein mehrstufiger Zentrifugalkompressor beschrieben, bei dem je ein Laufrad an jedem Ende von zwei parallel zueinander gelagerten Wellen befestigt ist, welche gemeinsam über eine zentrale Mittenwelle angetrieben werden. Zur Vereinfachung des Getriebes sind die beiden Verdichterstufen der einen Welle strömungstechnisch parallel geschaltet, wohingegen die anderen Verdichterstufen in Serie geschaltet sind. Dieser mehrstufige Kompressor zeichnet sich durch seinen besonders kompakten Aufbau bei vergleichsweise hoher Verdichterleistung aus. Das Verstellen von Einström- und/oder Diffusorschaufeln zur Leistungsoptimierung auch im Teillastbetrtieb ist in diesei Druck

schrift jedoch nicht erwähnt.

Aus »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, Verlag Chemie 1972 von W. Oppelt, S. 702, 703 ist es grundsätzlich bekannt, daß digitale Rechner als Regler benutzt werden können, wobei die Struktur und Kennwerte des Reglers durch ein im Speicher des Rechners eingegebenes Programm dargestellt werden. Besonders zweckmäßig ist der Einsatz von digitalen Rechnern wegen ihrer schrittweise arbeitenden Rechenvorgänge als Abtastregler. Darüber hinaus können Analog- oder auch Digital-Rechner als Bestandteile eines Regelkreises zur Ermittlung und Bestimmung von besonderen Regelgrößen verwendet werden.

In der Praxis laufen Verdichteranlagen normalerweise kontinuierlich über längere Zeiträume. Dabei ist es unvermeidlich, daß mit der Zeit die Verdichterleistung abnimmt, was einerseits auf Schmutzablagerungen und andererseits auf einen Verschleiß durch Abrieb in bestimmten Bereichen der Einström- und/ oder der Diffusorleitschaufeln zurückzuführen ist. Diese Leistungsabnahme ergab sich auch bei mehrstufigen Verdichtern, bei denen Einström- und/oder die Diffusorschaufeln entsprechend den sich ändernden Anforderungen der Verbraucher nach einem vorgegebenen Programm verstellt werden konnten. Es bestand nämlich keine Möglichkeit, die sich im Langzeitbetrieb ändernden Verschleißzustände der einzelnen Schaufeln bei der Erstellung des Programms zu berücksichtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrstufigen Zentrifugalkcmpressor derartige Leistungsverschlechterungen weitestgehend zu vermeiden.

Diese' Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Erfindungsgemäß läuft die Feinregelung schrittweise ab, wobei die Einströmleitschaufeln und die Diffusorleitschaufeln einzeln um geringe Winkelbeträge verstellt und nach jedem Verstellvorgang der Wirkungsgrad bestimmt und mit dem vorherigen Wert verglichen wird. Diese schrittweisen Regelvorgänge wiederholen sich so lange, bis der Wirkungsgrad seinen höchsten Wert erreicht hat. A.uf diese Weise wird unabhängig von dem jeweiligen Zustand der Schaufeln und sonstigen Verdichterfaktoren auch im beliebigen Teillastbetrieb jeweils der bestmögliche Wirkungsgrad automatisch eingestellt, was den Vorteil einer beträchtlichen Energieeinsparung sowie

so lange Wartungsintervalle mit sich bringt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines mehrstufigen Zentrifugalverdichters, bei dem das Regelverfahren gemäß der Erfindung angewendet wird;

Fig. 2 die Leistungskennlinien des Zentrifugalverdichters nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Darstellung der schrittweisen Feinregelung zur erneuten Wirkungsgradoptimierung;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Steuereinheit zur Durchführung des Regelverfahrens;

Fig. 5 den Ablauf einer Leistungsregelung bei sich änderndem Verbraucher-Durchsatz.

Der Zentrifugalverdichter nach Fig. I umfaßt vier Verdichterstufen 4 bis 7, deren Laufräder gemeinsam von einem Elektromotor 2 und einem Getriebe 3 angetrieben werden. Zwischen den einzelnen Verdichter-

stufen 4 bis 6 ist je ein Zwischenkühler 8 bis 10 eingeschaltet Durch eine Saugöffung der ersten Verdichterstufe 4 angesaugte Luft wird nacheinander in den vier Verdichterstufen 4 bis 7 verdichtet, in den drei Zwischenkühlem 8 bis 10 heruntergekühlt und durch s die Abströmöffhung der vierten Verdichterstufe einem Verbraucher zugeführt

Einströmleitschaufehi 11 bis 14 sind jeweils an der Ansaugseite der vier Verdichterstufen 4 bis 7 angeordnet Durch Verstellen der Winkel dieser Einströmkitschaufeln 11 bis 14 können die Strömungsbedingungen der angesaugten Luftströme verstellt werden. Diffusorschaafeln 15 bis 18 sind jeweils an der Abströmseite der vier Verdichterstufen 4 bis 7 winkelverstellbar angeordnet so daß auch die Abströmbedmgungen aus den Verdichterstufen verstellt werden können. Die Schaufeln 11 bis 18 sind mit einer Antriebseinheit 19 verbunden und werden von dieser auf einen jeweils gewünschten Winkel eingestellt. Die Einströmbedingungen der angesaugten Luft in die erste Verdichterstufe, d. h., der Durchsatz, der Luftdruck und die Lufttemperatur werden von einem Durchsatzmesser 20, einem Temperaturfühler 21 und einem Druckmesser 22 erfaßt. Die Temperatur der aus der ersten Verdichterstufe 4 abströmenden Luft wird von einem weiteren Temperaturfühler 23 gemessen. Die Temperaturen der in die bzw. aus der zweiten Verdichterstufe 5 strömenden Luft werden durch weitere Temperaturfühler 26, 27 gemessen. Ferner wird auch die Lufttemperatur an der Einström- und der Abströmseite der vierten Verdichterstufe 7 von Temperaturfühlern 28, 29 sowie der Druck der endverdichteten Luft durch einen Druckmesser 30 gemessen. Zwischen den Meßfühlern 20 bis 30 und der Antriebseinheit 19 ist ein Regler 32 eingeschaltet, welchem die Ausgangssignale der Meßfühler 20 bis 30 zugeführt werden.

In F i g. 2 sind auf der Abszisse als Betriebsparameter der Durchsatz Q, und auf der Ordinate der Förderdruck P₀ sowie der Wirkungsgrad aufgetragen. Es können auch r.ndere Betriebsparameter verwendet werden. Die Betriebszustände des Verdichters nach Fig. 1 bei verschiedenen Kombinationen C, bis C₄ der Stellungen der Leitschaufeln 11 bis 14 und der Diffusorschaufeln 15 bis 18 sind durch die nach rechts unten geneigten Kurven C_y bis C₄ gekennzeichnet. Eine Stellungskombination jeder Grippe von Einströmleitschaufeln 11 bis 14 mit jeder Gruppe von Diffusorschaufeln 15 bis 18 wird wie folgt ausgedrückt:

c = (v„ V₂, V₃, v₄, t/„ <r₂, d), d₄),

wobei v, bis J₄ die Stellungswinkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 und d, bis d₄ die Stellungswinkel der Diffusorschaufeln 15 bis 18 kennzeichnen. Die jeweiligen Wirkungsgrade für die Betriebszustände der Kurven C₁ bis C₄ sind durch die konvexen Kurven E₁ bis E₄ im oberen Teil der F i g. 2 gekennzeichnet. Als Wirkungsgrad können der isotherme, der polytrope usw. Wirkungsgrad verwendet werden. Der Widerstand eines an den Zentrifugalverdichter angeschlossenen Verbrauchers ist als Widerstandskurve R in F i g. 2 angegeben.

Bei sich änderndem Durchsatz eines mehrstufigen Zentrifugalverdichters aufgrund z. B. sich ändernder Verbraucher-Durchsätze bestimmt sich der Förderdruck des Zentrifugalverdichters nach dem jeweiligen Schnittpunkt D₁ bis D₄ der Durchsatzkurven C, bis C₄ mit der Widerstandskurve R. Es gibt eine Vielzahl von Kombinationen der Betriebsstellungen der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 und der Dififusorschaufela 15 bis 18 für die Widerstandskurve R, wobei jedoch der jeweilige Wirkungsgrad η_η von der gewählten Kombination abhängt In Fig. 2 sind zwei Stellungskombinationen der Schaufeln 11 bis 18 durch die Kurven C₂ und C₂ angegeben, die einen gleichen Förderdruck bei einem vorgegebenen Durchsatz q ergeben. Die diesen beiden Kombinationen entsprechenden Wirkungsgrade sind durch die Kurven E₂ und E₂ gekennzeichnet, wobei die Kurve E₂ einen besseren Wirkungsgrad als die Kurve E₂ erkennen läßt. Bei gleichem Durchsatz q und gleichem Förderdruck arbeitet somit der Verdichter in der Stellungskombination C₂ mit einem höheren Wirkungsgrad als bei der Stellungskombination C₂. Die Kurven c, bis c₄ kennzeichnen diejenigen Stellungskombinationen, bei denen der jeweils optimale Wirkungsgrad¹ für den durch die Widerstandskurve R bestimmten Durchsatz erreicht wird.

Die im oberen Teil der Fi g. 2 dargestellte Verbraucher-Lastkurve R' ergibt sich, wenn die Sc: juttpunkle D₁ bis D₄ der Widerstandskurve R mit den Wirkungsgradkurven Ζ), bis D₄ in Beziehung gesetzt werden. Die Linie S kennzeichnet den Pumpbeginn des Verdichters. Aufgrund der Kurve nach Fig. 2 kann ein Programm erstellt werden, nach welchem jeweils bestimmte Stellungskombinationen der Anströmleitschaufeln 11 bis 14 und der Diffusorschaufeln 15 bis 18 einem Ansaug-Durchsatz ß, bei jeweiis bestmöglichem Wirkungsgrad entsprechen. In der Praxis kann zonal der durch die Kurven E_x gekennzeichnete bestmögliche Wirkungsgrad erreicht werden, wenn die Einström- und die Diffusorschaufeln in die durch die Kurven c angegebenen Stellungs-Kombinationen eingestellt werden.

Zum Erstellen eines solchen Programms für einen mehrstufigen Verdichter werden die Betriebskenndaten der Einzelstufen bei den unterschiedlichsten Siellungskombinationen der Einströmleitschaufeln und der Diffusorschaufeln, z. B. bei einem Prototyp bestimmt. Die Einstellung der Schaufeln wird dann auf der Grundlage dieser erhaltenen Werte vorgenommen. Die funktioneile Beziehung ist beispielhaft in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Arbeits	Betriebsstellung	1 in jeder Stufe
bedingungen
Luftdurchsatz,		= fAä),
Druck, Tempe		= ζ» (α),
ratur etc.	Einströmleitschaufel- und Diffusor-	= Z₆ (0),
	schaufel-Winkel	=/.(*)
		=/2 (J),
a	Vio = Zi (a), V₂₀	*= /₆(),**
	V30 = Z) (a), V₄₀
	d_w™Ma),d_M
b	dy> = fi (α), <*4o
	v„=-Z. (b), V₂₁
dl=f_s{b),d₂\
d_Jt=fAb),d_A,

Dabei gilt:

/, = Funktion zum Erhalt des Winkels v, der Eintrittsleitschaufeln 11 der ersten Stufe;
/₂ = Funktion zum Erhalt des Winkels v₂ der Eintrittsleitschaufeln 12 der zweiten Stufe;
/3 = Funktion zum Erhalt des Winkels v_y der Eintrittsleitschaufeln 13 der dritten Stufe;
/₄ = Funktion zum Erhalt des Winkels v₄ der Eintrittsleitschaufeln 14 der vierten Stufe;
/₅ = Funktion zum Erhalt des Winkels </, der Diffu-

sorschaufeln 15 der ersten Stufe;
/₆ = Funktion zum Erhalt des Winkels tl₂ der Diffu-

sorschaufeln 16 der zweiten Stufe;
J₁ = Funktion zum Erhalt des Winkels d_} der Diffusorschaufel 17 der dritten Stufe; und
/₈ = Funktion zum Erhalt des Winkels </₄ der Diffusorschaufel 18 der vierten Stufe.
Durch vorheriges Festlegen dieser Funktionen und Speichern in einem Programm können die jeweils bestmöglichen Schaufelstellungen für sich verändernde Betriebsbedingungen, z. B. durch unterschiedlichen Druckluftverbrauch im Betrieb aus diesem Programm abgerufen werden. Wird der Zentrifugalverdichter beispielsweise unter den Bedingungen der Rubrik α in der Tabelle 1 betrieben, dann können die jeweiligen Betriebsstellungen der Schaufeln nach den Funktionen /, bis /₈ bestimmt werden. Die Einstellung der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 und der Diffusorschaufeln 15 bis 18 erfolgt dann auf der Grundlage der aus dem Programm abgerufenen Werte. Wenn die Betriebsbedingungen des Zentrifugalverdichters sich zur Rubrik b in Tabelle 1 ändern, dann werden die jeweiligen Schaufelstellungen auf der Grundlage der in dieser Rubrik angegebenen Funktionen erhalten.

Das in der Tabelle 1 niedergelegte Programm wird unter Bezugnahme auf die Tabelle 2 konkret erläutert.

Tabelle 2

Ansaug-Durchsatz

Einströmleitschaufel- und Diffusorschaufel-Winkel jeder Stufe

νιο = V₂₀ = V₃₀ = V₄₀ = A
d ^rf Λ

= ^V2I = ^V31 = V₄₁ =

= B

In dieser Tabelle 2 sind die Arbeitsbedingungen durch den Ansaug-Durchsatz repräsentiert. Für jeden Ansaug-Durchsatz werden für die Winkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 bzw. der Diffusorschaufeln 15 bis 18 die gleichen Werte gewählt, d. h., für den Durchsatz α werden die Winkel v,₀ bis V₄₀ der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 ein Wert Λ und für die Winkel </,„ bis ^₄₀ der Diffusorschaufeln 15 bis 18 ein Wert Ä gewählt.

Das vorstehend kurz erläuterte Programm gilt lediglich für neu installierte mehrstufige Zentrifugalverdichter mit noch unverschlissenen Schaufeln. Da sich jedoch im Langzeitbetrieb Schmutzablageningen und/oder Abriebverschleiß an bestimmten Stellen der Schaufeln einstellen, können die im Programm festgelegten Werte nicht erreicht werden, wenn sich die Verbraucher-Leistung von Zeit zu Zeit ändern sollte. Zur Optimierung des Wirkungsgrades wird in diesem Falle der Ansaug-Durchsatz erfaßt und mit de.π Soll-Durchsatz verglichen, der sich nach der Varbrauchers belastung bestimmt. Entsprechend den Unterschieden zwischen erfaßtem Ansaug-Durchsatz und lastabhängigem Soll-Durchsatz werden durch gesonderte Regelvorgänge verschiedene Kombinationen der Schaufelstellungen entsprechend dem festgelegten Ansaugdurchsatz eingestellt, wobei zur Festlegung des Unterschiedes zwischen Ist- und Soll-Durchsatz folgende Beziehung angewandt wird:

\Q,-Q_V\<<(Q_V) (D

Q, = Ist-Durchsatz
Q,. = Soll-Durchsatz und
ε (Q,_p) = vorgesehener Parameter zur Einstellung der Grenze zwischen Ist- und Soll-Durchsatz.

Wenn sich der Ansaug- oder Ist-Durchsatz vom

Soll-Durchsatz erheblich unterscheidet und somit die Ungleichung (1) nicht erfüllt ist, werden die Betriebsstellungen der Schaufeln nach dem Programm verstellt, so daß sich der Ist-Durchsatz dem Soll-Durchsatz annähert. Diese Verstellung der Schaufeln erfolgt

unter Berücksichtigung folgender Forderungen. Der Ansaug- oder Ist-Durchsatz soll so schnell wie möglich auf den Sollwert gebracht werden, der Wirkungsgrad de* Zentrifugalverdichters soll bei Erreichen dieses Soll-Durchsatzes auf einem möglichst hohen Wert

gehalten werden und ein gleiches Regelverhalten soll unabhängig vom Soll-Durchsatz aufrechterhalten werden können. Die dem Programm entnommenen Schaufelstellungen werden der Antriebseinheit 19 eingegeben, welche die Einströmleitschaufeln 11 bis 14

und die Diffusorschaufeln 15 bis 18 entsprechend verstellt.

Wenn der Ist-Durchsatz nahe am Soll-Durchsatz liegt und die Ungleichung (i) gilt, dann können die Arbeitsbedingungen so angesehen werden, daß der

Soll-Durchsatz erreicht ist. Dabei braucht der Wirkungsgrad bei Erreichen des Soll-Durchsatzes noch nicht auf dem optimalen Wert zu liegen. Das vorstehend angegebene Regelverfahren wird durch einen weiteren Regelvorgang vervollständigt, bei dem eine

Kombination der Schaufelstellung gewählt wird, welche nach Erreichen des Soll-Durchsatzes einen verbesserten Wirkungsgrad gewährleistet. Dieser Regelvorgang wird anhand der F i g. 3 erläutert, wobei diejenige Schaufelstellung, bei welcher der Soll-Durchsatz

erreicht ist, durch den Ausgangspunkt P gekennzeichnet ist. Die optimale Stellungskombination df Einströmleitschaufeln 11 bis 14 und der Diffusorschaufeln 15 bis 18 ist durch folgende Gleichung ausgedrückt:

c = (v,, d_p) = (v_l/F, V₂,,
α*)·

,, d

_ljn

₃,,

Die bei dieser Stellungskombination durchzuführende Korrektur bestimmt sich durch die Gleichungen

Av = (Jv_x, Jv₂, Jv₃, Jv₄)
Ad = (Jd₁₁ Jd₂, Jd₃, Ad₄).

In Fig. 3 ist auf der Abszisse Av und auf der Ordinate Ad aufgetragen. Wenn vom Ausgangspunkt P ausgegangen wird, kann es einen Punkt geben, in dem der Zentrifugalverdichter mit einem besseren Wirkungsgrad als demjenigen im Punkt P arbeitet, was

sich aus den jeweiligen Wirkungsgradlinien ergibt. Wenn daher der Ist-Durchsatz nahe dem Soll-Durchsatz liegt, werden ausgehend von der Stellungskombination (I₁, im Punkt P die Winkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 lur sämtliche Stufen erst um Jv vergrößert und danach wird der Wirkungsgrad ermittelt. Wenn dieser höher als im Punkt P ist, werden die Einströmlfiitschaufeln sämtlicher Stufen um diesen Korrektui betrag Jv verstellt. Ist der ermittelte Wirkungsgrad geringer als der im Punkt P, dann werden die Winkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 sämtlicher Stufen in Gegenrichtung ausgehend vom Punkt P um den Betrag Jv verringert, wonach der Wirkungsgrad erneut ermittelt wird. Wenn dieser höher als im Punkt P ist. werden die Einströmleitschaufein 11 bis 14 sämtlicher Stufen um diesen Korrekturbetrag Jv verstellt. Steigt der Wirkungsgrad durch Verstellen der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 aller Stufen um ± Jv nicht mehr an, dann ^rfolgt eine Winkelvergröüerung der Stellung der Diffusorschaufein 15 bis 18 sämtlicher Stufen um Ad und eine anschließende Bestimmung des Wirkungsgrades. Wenn dieser ansteigt, werden die Diffusorschaufeln 15 bis 18 um den Korrekturwert Ad verstellt. Sinkt jedoch der ermittelte Wirkungsgrad ab, dann werden die Winkel der Diffusorschaufeln 15 bis 18 um Ad verkleinert, woraufhin der Wirkungsgrad wiederum ermittelt wird. Wenn dieser höher ist, werden die Diffusorschaufeln 15 bis 18 um den Korrekturbetrag Ad verstellt. Wenn sich der Wirkungsgrad aufgrund der Winkelkorrekturen der Schaufelstellungen in vier Richtungen nicht verbessert, dann können die Beträge Jv und Ad verkleinert werden, wodurch eine verfeinerte Regelung in der angegebenen Weise abläuft. Wenn alle Regeloperationen zum Erhalt eines über dem im Punkt P liegenden Wirkungsgrades fehlschlagen, dann arbeitet der Verdichter im Punkt P mit dem höchstrfiügiichcn Wirkungsgrad. Durch dieses sequentielle Suchen nach einem Punkt höheren Wirkungsgrads und entsprechende Korrektur der Schaufelstellung in vier Richtungen ist es möglich, den hinsichtlich des Wirkungsgrades optimalen Betriebszustand des Verdichters aufzufinden.

Dieser Suchvorgang nach Punkten höheren Wirkungsgrads wird anhand der Fig. 3 im einzelnen erläutert. Wenn die Winkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 um Jv gegenüber denen im Punkt P vergrößert werden, arbeitet der Verdichter im Arbeitspunkt öi mit besserem η. Anschließend wird der Winkel der Diffusorschaufeln verstellt und der Wirkungsgrad be- so stimmt. Wenn durch Vergrößerung der Winkel der Diffusorschaufeln 15 bis 18 um ad ein erhöhter Wirkungsgrad relativ zum Wirkungsgrad im Punkt Q, erzielt wird, arbeitet der Verdichter im Arbeitspunkt Q₂- Gleichermaßen kann ein Arbeitspunkt Q₃ erhalten werden, indem die Winkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 um äv im Punkt Q₁ vergrößert werden, und ein Arbeitspunkt Q₄ kann erreicht werden, wenn die Winkel der Diffusorschaufeln 15 bis 18 um Ad im Punkt Q₃ vergrößert werden. Dann kann ein Arbeitspunkt Q der Verdichteranlage dadurch erreicht werden, daß die Winkel der Diffusorschaufeln 15 bis 18 um Ad im Punkt Q₄ vergrößert werden. Wenn sich im Punkt Q durch Vergrößerung oder Verminderung der Winkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 um Av und der Diffusorschaufel!! 15 bis 18 um Ad der Wirkungsgrad nicht weiter verbessern läßt, kennzeichnet der Punkt Q den Betriebszustand mit dem höchsten Wirkungsgrad. Hierfür gilt die Gleichung (1) als Voraussetzung zum Erhalt des Arbeitszustands mit höchstem Wirkungsgrad.

Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel erfolgt die Auffindung der besten Arbeitsbedingungen durch jeweils vier gleiche Korrekturbeträge ± Jv und ± Ad zur schrittweisen Änderung der Schaufelwinkel. Die Korrekturbeträge können auch in bestimmten Beziehungen zueinander stehen und die Regelung kann aufgrund dieser Beziehung ablaufen. Bei der Durchführung einer solchen Regelung müssen verschiedene Entscheidungen getroffen werden, welche die absoluten Korrekturbeträge von Jv und Ad für die Schaufelstellung das Verhältnis zwischen dem Korrekturbetrag für eine Stufe zum Korrekturbetrag einer anderen Stufe, das durch die absoluten Korrekturbeträge gegeben ist, die Reihenfolge der Auffindung der genannten Arbeitsbedingungen die Beurteilungskriterien für keine Änderung des Wirkungsgrads, die Feststellung über die Notwendigkeit eines weiteren Korrekturvorganges und die Beurteilung des jeweils höchsten Wirkungsgrads betreffen. Diese Entscheidungen werden unter Berücksichtigung der Leistung der Meßfühler und der Antriebseinheit, der Funktion und Leistung der Steuereinheit sowie der Kenndaten der jeweils eingesetzten Verdichteranlage getroffen. Das angegebene Regelverfahren wird in die Praxis umgesetzt durch Befehle, die von der Steuereinheit 32 bezüglich der Funktion eines Verarbeitungsvorgangs gegeben werden. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Steuereinheit 32 zur Durchführung eines vorstehend angegebenen Regelvorganges. Ausgangssignale der Meßfühler 20 bis 30 werden in die Steuereinheit 32 eingegeben, die auf der Grundlage dieser Signale den Ist-Durchsatz Q, und den entsprechenden Wirkungsgrad η berechnet. Dieser Ist-Durchsatz Ö.1 wird mit einem Soll-Durchsatz Q vergleichen, urn festzustellen, ob die Gleichung (1) gilt. Wenn die Gleichung (1) nicht gilt, wird ein dem Soll-Durchsatz entsprechender Wert aus dem Programm abgerufen und der Antriebseinheit 19 zugeführt, die die Einströmleitschaufeln 11 bis 14 und die Diffusorschaufeln 15 bis 18 entsprechend verstellt, um den Ist-Durchsatz ö, dem Soll-Durchsatz Q,_p anzunähern. Bei einer Änderung des Soll-Durchsatzes wird die Kombination der Schaufelstellung entsprechend dem Ist-Durchsatz gewählt, um die Schaufeln aufeinanderfolgend so zu verstellen, daß sich der Durchsatz in Richtung zum Soll-Durchsatz ändert. Bei diesem Regelvorgang verschiebt sich der Arbeitspunkt längs der Widerstandskurve R, so daß gefährliche Situationen, z. B. e^;n Pumpen oder Stöße, vermieden werden.

Wenn beim Vergleich des Ist-Durchsatzes mit dem Soll-Durchsatz Gleichung (1) gilt, werden die Schaufeln um die Korrekturbeträge Jv und Ad dahingehend verstellt, daß ein erhöhter Wirkungsgrad η erreicht wird (vgl. F i g. 3). Die optimale Schaufelstellung wird als Stellsignal von der Steuereinheit 32 zur Antriebseinheit 19 übertragen, welche die Winkel der Einströmleitschaufeln 11 bis 14 und der Diffusorscliaufeln 15 bis 18 jeder Stufe verstellt. Diese Serien von Regelvorgängen ermöglichen schnelle Verstellungen des Arbeitsbereiches entsprechend einem sich ändernden Soll-Durchsatz, wobei auch jeder Änderung der Betriebsbedingungen der Verdichteranlage durch sich ändernde Verbraucherbelastungen oder Umgebungsbedingungen, gefolgt wird. Diese Serien von Regelvorgängen werden zyklisch so oft wiederholt, bis der

Verdichter mit einem höchstmöglichen Wirkungsgrad arbeitet.

Fig. 5 verdeutlicht, wie der Durchsatz Q, und der Wirkungsgrad η durch die vorgenannte Serie von Stellvorgängen geregelt werden. Dabei ist auf der Abszisse der Ansaug-Durchsatz Q₁ und auf der Ordinate der Wirkungsgrad η wie in Fig. 2 aufgetragen. Die Betriebsbedingungen des Verdichters sind durch die Widerstandukurvc R' vorgegeben. Der vor Beginn der Regelung existierende Durchsatz ist mit Q₀ und sein Arbeitspunkt mit D₀ angegeben, wogegen der Soll-Durchsatz mit Q,_r und sein Arbeitspunkt mit SP bezeichnet sind. In diesem Zustand werden aus dem Programm Werte für Schaufelstellungen entnommen, bei denen sich der Durchsatz in Richtung auf den Soll-Durchsatz ändert. Auf der Grundlage dieser Stcllungswcrte werden dann die Schaufeln verstellt. Damit verschiebt sich der Arbeitspunkt längs der Widerstandskurve R', wobei seine Bewegungsbahn im wesentlichen der Kurve Lp entspricht.

Nach diesen Einstellmaßnahmen wird ein Punkt P erreicht, bei welchem der Durchsatz Q_f die Gleichung (1) erfüllt und innerhalb des vorgegebenen SoIl-Durchsatzbcrcichcs liegt. Normalerweise besteht kein großer Unterschied zwischen dem Wirkungsgrad >»„ im Punkt SP und dem Wirkungsgrad η_ρ im Punkt P. Um aber den optimalen Wirkungsgrad im Betrieb zu erreichen, werden jetzt die anhand der F i g. 3 erläuterten Optimierungs-Stcllvorgänge durchgeführt. Dabei werden die Winkel der Schaufeln im Betriebspunkt P nacheinander verstellt, wodurch sich der Arbeitspunkt vom Punkt P in Richtung eines Wirkungsgradanstiegs bis zu einem Punkt Q verschiebt, an dem der maximale Wirkungsgrad n_q erreicht ist. Bei dieser Regelung muß eine Vielzahl von Feineinstellungen der Schaufelstellungen zur Erhöhung des Wirkungs giads durchgeführt werden, bevor sich der Arbeitspunkt von P nach Q verschoben hat, was eine relativ lange Zeit beansprucht. Ein Soll-Durchsatz Q₁, ist jedoch bereits erreicht, sobald sich der Arbeitspunkt P s nach Q längs eiiicr Kurve L verschiebt, wobei der Ar-. beitspunkt innerhalb des Soll-Durchsatzbereiches ständig in Richtung eines Wirkungsgradanstieges wandert,,und zwar unabhängig von äußeren Störungen und Änderungen des Lastwiderstands. Auch wird

ίο durch die Aufrechterhultung des Betriebs mit hohem Wirkungsgrad sichergestellt, daß die Regelung gleichmäßig und in positiver Weise durchgeführt wird.

Die Regelung kann mit erhöhter Wirksamkeit unter Verwendung eines elektronischen Rechners als Steuereinheit 32 vier und anderen mehrstufigen Verdichtern durchgeführt werden.

Statt der beschriebenen Durchsatz-Regelung kann eine Druckregelung in gleicher Weise erfolgen. Es ist auch möglich, zur Durchsatzregelung nur diejenigen

2Q Schaufeln zu verstellen, die effektive Arbeit leisten. z. B. die Einströmlcitschaufcln.

Wie im einzelnen angegeben wurde, ermöglicht es das Regclvcrfahrcn, daß die Arbeitsbedingungen einer Verdichteranlage, z. B. der Durchsatz, den SoIl-

wert in Übereinstimmung mit einer Änderung der einwirkenden Last so schnell wie möglich erreichen, und ermöglicht ferner eine Erhöhung des Wirkungsgrades nach Herstellung der Soll-Arbeitsbedingungen. Somit ermöglicht die Anwendung des Regclverfahrcns beim Betrieb einer mehrstufigen Verdichteranlage mit Eintrittsleitschaufeln und Diffusorschaufel in jeder Stufe die Erzielung eines erhöhten Wirkungsgrads innerhalb eines weiten Bereichs von Arbeitsbedingungen, wodurch es möglich ist, die Verdichteranlage mit niedrigem Energieverbrauch zu betreiben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Regelverfahren für einen mehrstufigen Zentrifugalverdichter mit je Stufe verstellbaren Einströmschaufeln und verstellbaren DhTusorleitschaufeln, bei dem ein Betriebsparameter (Fördermenge) erfaßt und bei dessen Veränderung die Schaufeln anhand einer Tabelle entsprechend verstellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Wert des Betriebsparameters und seinem Soll-Wert in einer Feinregelung die Schaufehl einzeln unter gleichzeitiger Ermittlung des jeweiligen Wirkungsgrades weiter verstellt werden, bis der optimale Wirkungsgrad für diesen Parameter erreicht ist.