DE3424024A1

DE3424024A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der foerdermenge eines mehrstufigen kompressors

Info

Publication number: DE3424024A1
Application number: DE19843424024
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Abe; Toshio Kaneko; Haruo Miura; Hiroshi Ibaraki Ohmachi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1985-01-10
Also published as: JPS608497A; JPH0442557B2; DE3424024C2; US4770602A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Fördermenge eines mehrstufigen Kompressors

Die Erfindung betrifft eine Fördermengensteuerung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes, die für einen Kompressor geeignet sind, beispielsweise einen mehrstufigen Radialverdichter, der Kühler zwischen den Stufen aufweist, oder einen Axial-Radial-Verdichter, der.Kühler zwischen einer axialen Verdichtungsstufe und einer radialen Verdichtungsstufe aufweist.

Bei einem mehrstufigen Radialkompressor wird beispielsweise die Fördermengensteuerung dadurch erreicht, daß an den Einlassen der einzelnen Stufen Schaufeln vorgesehen und diese Schaufeln betätigt werden. Ein solches Verfahren zur Steuerung eines mehrstufigen Radialkompressors ist aus der US-PS 4 288 198 bekannt. Bei diesem

Steuerverfahren werden die Schaufeln einer jeden Stufe bei einer Vielzahl von Stufen im Versuch bewegt, um Wirkungsgradänderungen zu bestimmen, damit jeweils die Wirkungsgradspitze gefunden werden kann.

Bei diesem Verfahren werden jedoch die Beziehungen der Schaufelöffnungen einer jeden Stufe mechanisch im voraus als lineare Beziehungen festgelegt. Das heißt mit anderen Worten, daß die Schaufelöffnungen bzw. die öffnungsguerschnitte zwischen den Schaufeln der einzelnen Stufe unabhängig vom Mengenstrom des Kompressors festgelegt werden, so daß die Schaufelöffnung einer stromabgelegenen Stufe linear festgelegt wird, wenn einmal die Schaufelöffnung der ersten Stufe bestimmt worden ist.

Die einzelnen Stufen eines mehrstufigen Kompressors haben ihnen innewohnende unterschiedliche Fluidleistungen, so daß ihre Gesamtleistung von einer Kombination von unterschiedlichen Leistungen bestimmt wird. Bei einer

herkömmlichen linearen Kombination der einzelnen Schaufelöffnungen, beispielsweise bei einer Luftzerlegungsanlage, wird aus technischen Überlegungen angenommen, daß der Mindestdurchsatz etwa 70% des Nenndurchsatzes beträgt und daß in diesem Bereich höhere Wirkungsgrade erwartet werden. Die neuerdings auf Energieeinsparung gerichteten Bestrebungen verlangen eine weitere Vergrößerung des Steuerbereichs und höhere Wirkungsgrade bei Teilbelastung. Der Stand der Technik kann diesen Anforderungen jedoch nicht genügen, da die Beziehungen der Schaufelöffnungen an den einzelnen Stufen, wie erwähnt, festgelegt sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, das Verfahren und die Vorrichtung zur Steuerung der Fördermenge bei einem mehrstufigen Kompressor so auszubilden, daß der Einstell- bzw. Steuerbereich erweitert und ein erhöhter Wirkungsgrad bei teilweiser Belastung erreicht werden kann, wobei der höchste Wirkungsgrad bei dem mehrstufigen Kompressor dann vorliegt, wenn der Mengenstrom im mehrstufigen Kompressor weit von seiner Pumpgrenze bzw. Anti—Pump-Fördermenge wegliegt, d.h. innerhalb des Betriebsfähigkeitsbereichs des mehrstufigen Kompressors, wobei der Arbeitsbereich des mehrstufigen Kompressors erweitert werden soll, ehe er in den betriebsunfähigen Bereich eintritt, wenn sich die Fördermenge des mehrstufigen Kompressors in der Nähe der Pumpgrenze bzw. der Anti-Pump-Fördermenge befindet oder in den nicht betriebsfähigen Bereich infolge einer Verringerung seines Mengenstroms bzw. Durchsatzes gebracht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Beziehungen der Schaufelöffnungen der einzelnen Stufen variiert werden können, wenn die Fördermenge dadurch gesteuert wird, daß die Schaufelöffnungen entsprechend einem Durchsatzsignal aus dem mehrstufigen Kompressor verändert werden.

Mit einem solchen Aufbau können die Schaufelöffnungsbeziehungen für den höchsten Wirkungsgrad des mehrstufigen Kompressors gewählt werden, wenn der Durchsatz des mehrstufigen Kompressors weit weg von der
Pumpgrenze innerhalb des betriebsfähigen Bereichs liegt. Wenn der Durchsatz des mehrstufigen Kompressors entweder auf einen Wert in der Nähe der Pumpgrenze oder in den betriebsunfähigen Bereich verringert wird, ist es andererseits möglich, Schaufelöffnungsbeziehungen zu wählen, die eine Erweiterung des Betriebsbereichs des mehrstufigen Kompressors bewirken, ehe der Durchsatz in den betriebsunfähigen Bereich eintritt.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausfuhrungsform
der Vorrichtung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 3 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 5 in einem Diagramm die Ventilöffnungsbeziehungen nach dem Stand der Technik,

Fig. 6 in einem Diagramm die Beziehung zwischen den Leistungenskurven und der Arbeitslinie e des Kompressors nach dem Stand der Technik,

Fig. 7 in einem Diagramm wie Fig. 5 die Schaufelöffnungsbeziehungen gemäß der Erfindung und

τ* ·

Fig. 8 in einem Diagramm wie Fig. 6 die Beziehungen zwischen den Leistungskurven und der Arbeitslinie des Kompressors gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte mehrstufige Kompressor, dessen Fördermenge durch Einstellung der öffnungen der Schaufeln einer Vielzahl von Stufen gesteuert werden soll, hat Stufen 1 bis 4 und Kühler 5 bis 7, die zwischen benachbarten Paaren von Stufen angeordnet sind. Der Einlaß jeder Stufe ist jeweils mit Einlaßleitschaufeln 8 bis 11 versehen. Die Einlaßschaufeln 8 der ersten Stufe werden von einem Schaufelantrieb 12 für die erste Stufe angetrieben. Die Einlaßschaufeln 9 bis 11 der zweiten bis vierten Stufe werden von einem Schaufelantrieb 25 für die folgende Stufengruppe angetrieben. Die Schaufelantriebe sind Einrichtungen, welche ein Öffnungsbefehlssignal 22 von einer Steuereinrichtung bzw. einem Regler 24 in eine mechanische Kraft für den Antrieb der Schaufeln umwandeln .

Der Durchsatz durch den so gebauten mehrstufigen Kompressor wird in Ausdrücken der Druckdifferenz, der Einlaßtemperatur und des Einlaßdrucks an einer Abgabeblende 16 gemessen. Diese Werte werden durch die jeweiligen Wandler 19, 17 und 18 in elektrische Signale umgewandelt, die durch einen Rechner 20 in den Kompressordurchsatz, d.h. den Istdurchsatz umgewandelt werden. Das so erhaltene Durchsatzsignal 23 wird zu dem Regler 24 rückgemeldet bzw. rückgekoppelt. Im Regler 24 wird ein Solldurchsatzsignal 21 für den Kompressor eingegeben, wovon ausgehend das Befehlssignal 22 für die Schaufelbetätigung sowohl dem Schaufelantrieb 12 als auch dem Schaufelantrieb 25 einen Befehl übermittelt, daß sie die Differenz von dem rückgemeldeten Durchsatzsignal 23 zur Steuerung der Fördermenge des Kompressors elimieren.

Zwischen dem Regler 24 und dem Antrieb 25 für die folgende Stufengruppe ist eine Proportionseinstelleinheit 26 geschaltet, der das Durchsatzsignal 23 eingegeben wird. Diese Proportionseinstelleinheit 26 kann entweder in analoger oder digitaler Bauweise ausgeführt sein und hat die folgenden Funktionen:

1) Wenn die öffnung der Schaufeln der ersten Stufe mit

B und die öffnung der Schaufeln der folgenden Stufengruppe mit A bezeichnet werden, wird das der Schaufelöffnung B der ersten Gruppe entsprechende Signal von dem Befehlssignal 22 für die Schaufelbetätigung so eingegeben, daß ein Wert, der dadurch ermittelt wird, daß der Öffnungsgrad mit einer Konstanten os. multipliziert und eine Konstante ρ zu dem erhaltenen Wert addiert wird, an den Schaufelantrieb 25 für die folgende Stufengruppe abgegeben wird.

2) In diesem Fall vergleicht die Proportionseinstelleinheit 26 das Durchsatzsignal 23, d.h. den Mengenstrom, mit der Pumpgrenze bzw. der Anti-Pump-Fördermenge des Kompressors und übt die Funktion 1) aus, wenn der Mengenstrom innerhalb der Anti-Pump-Fördermenge bzw. der Pumpgrenze liegt.

3) Wenn der Durchsatz außerhalb der Anti-Pump-Fördermenge bzw. der Pumpgrenze liegt, ändert die Proportionsein-.Stelleinheit 26 die Wertee( und ρ proportional zum Durchsatz und führt die Funktion 1) aus.

Die erfindungsgemäßen Operationen werden nun im Vergleich mit einem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren erläutert. Wenn bei dem bekannten Verfahren der Istdurchsatz 23 des Kompressors weit vom Solldurchsatz 21 entfernt ist, wird ein Befehlssignal 22 für die Schaufelbetätigung ausgegeben, um die Schaufeln zu betätigen, bis der Kompressordurchsatz den Sollwert er-

reicht. Während dieser Zeit ist die Beziehung zwischen den Öffnungen der Schaufeln der ersten Stufe und der Schaufeln der folgenden Stufengruppe fixiert, was durch die Kurven a und b in Fig. 5 veranschaulicht ist. Wenn die Öffnungsbeziehung auf a oder b bei der Herstellung des Kompressors eingestellt wird, ist die Betriebsleistung der Kompressors festgelegt, da diese Beziehung nicht geändert werden kann. Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Leistungskurve und der Arbeitslinie des Kompressors bei einer Fördermengensteuerung nach dem Stand der Technik. In Fig. 6 ist die Kurve c die Leistungskurve der Kompressors, die Kurve d die Pumplinie und die Kurve e die Anlagenarbeitslinie. Der Bereich, innerhalb dessen der Kompressor arbeiten kann, ist durch die berechnete Fördermenge Q am Auslegepunkt f und durch die Fördermenge Q bestimmt, an welcher sich die Arbeitslinie e der Anlage und die Pumplinie d kreuzen. Der so definierte Bereich wird vom technischen Gesichtspunkt als etwa 0,7 des Verhältnisses Q_o/Q_ für eine Luftzerlegungsanlage ausge-

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drückt. Dieser Wert von 0,7 ist ein experimentell gefundener Wert, der sich ergibt, wenn die Fördermengensteuerung nach dem bekannten Verfahren für die beiden Anforderungen durchgeführt wird, nämlich daß der Wirkungsgrad bei Mindestdurchsatz bzw. bei der Fördermenge im Betriebsstellbereich so hoch wie möglich und der Steuerbereich so weit wie möglich ist.

Erfindungsgemäß wird nun eine Fördermengensteuerung eingesetzt, die sowohl einen sehr hohen Wirkungsgrad bei teilweiser Belastung als auch einen breiten Steuerbereich ermöglicht, wie sie beim Stand der Technik nicht verwirklicht werden können. Erfindungsgemäß können die Beziehungen zwischen den Einlaßleitschaufeln der ersten Stufe und denen der folgenden Stufengruppe auf verschiedene Weise entsprechend dem Durchsatz des mehrstufigen Kompressors kombiniert werden. Mit anderen Worten können der Gradient d^ und das Interzept bzw.

der Abschnitt ρ der Linie, die die Schaufeln der folgenden Stufe reguliert,bezüglich der Schaufeln der ersten Stufe variiert werden, die mit dem Durchsatzsignal 23, d.h. dem Kompressordurchsatz verknüpft sind, was durch folgende Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt wird:

oL = f (Q) (1)

fi = f (Q) (2)

wobei

cn der Gradient grd/grd der Linie der Schaufelöffnung der folgenden Stufe bezogen auf die Schaufelöffnung der ersten Stufe,

P der Abschnitt der Linie der Schaufelöffnung der folgenden Stufe bezogen auf die Schaufelöffnung der ersten Stufe und

Q der Kompressordurchsatz in nm³/h sind.

Anhand von Fig. 7 werden nun die Verhaltensweisen der öffnungen der Schaufeln der ersten Stufe und der Schaufeln der folgenden Stufengruppe erläutert. Fig. 7 zeigt die Schaufelöffnungen, wobei die Schaufelöffnungen A der folgenden Stufengruppe über der Schaufelöffnung B der ersten Stufe aufgetragen sind. Die Kurve d in Fig. 7 ist die Pumplinie des mehrstufigen Kompressors, welche den betriebsfähigen Bereich auf der rechten Seite vom nicht betriebsfähigen Bereich auf der linken Seite trennt. Die Kurven Y] bis Ιη . sind Kurven gleichen Wirkungsgrades, die nach Bestimmen der Wirkungsgrade des mehrstufigen Kompressors mit unterschiedlichen Kombinationen von Schaufelöffnungen der ersten Stufe und Schaufelöffnungen der Endstufe gezeichnet wurden. Die Kurven Q₁ bis Q- sind Linien gleichen Durchsatzes, die in gleicher Weise gezeichnet wurden. Die Öffnungsbeziehung für den Durchsatz Q₁ ist durch die gerade Linie g angezeigt, die einen Gradienten o^ und ein

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Intorzept bzw. einen Abschnitt ρ₁ hat. Wenn der Durchsatz auf Q und Q geändert wird, ändern sich der Gradient und das Interzept auf oL , d\ _ bzw. ρ , K , was die geraden Linien h und i ergibt. Für einen Durchsatz, der ausreichend weit von der Pumplinie bzw. Pumpgrenze weg liegt, ist es deshalb möglich, eine Schaufelöffnungsbeziehung zu wählen, die den höchsten Wirkungsgrad aufweist. In der Nähe der Pumplinie kann andererseits die Pumplinie zu der Seite mit geringerem Durchsatz hin verschoben werden, und zwar durch Ändern der Leitschaufelöffnungsbeziehung ansprechend auf das Durchsatzsignal. Wenn die Ausführungsform von Fig. 1 beispielsweise bei einer Luftzerlegungsanlage eingesetzt wird, kann der Steuerbereich nach dem Stand der Technik aufgeweitet werden, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Der Betrieb kann mit dem höchsten Wirkungsgrad an einem Arbeitspunkt durchgeführt werden, der weit von dem Pumpgrenzendurchsatz liegt, und zwar durch Einstellen des Interzepts bzw. des Abschnitts f~> auf einen hohen Wert und des Gradienten ck auf einen niedrigen Wert für einen Durchsatz, der weit von der Pumplinie entfernt liegt, und durch Einstellen des Interzepts bzw. Abschnitts k> auf einen niedrigen Wert und des Gradienten cA auf einen hohen Wert für einen Durchsatz,der sich nahe an der Pumplinie bzw. Pumpgrenze befindet, beispielsweise nahe oder unter der Fördermenge Q nach dem Stand der Technik. Die erfindungsgemäß erzielbare Leistung ist in Fig. 8 gestrichelt eingezeichnet, wobei die Kurve d der Kombination eines niedrigen cn. -Wertes und eines hohen β -Wertes entspricht, während die Kurve d¹ der Kombination eines hohen ck. -Wertes und eines niedrigen P -Wertes entspricht. Die Wirkungsgradlinie ist mit j bezeichnet.

Die bisherige Beschreibung richtet sich auf einen Aufbau, bei welchem die Proportionseinstelleinheit 26 zwischen dem Regler 24 und dem Schaufelantrieb 25 für die folgende Stufengruppe geschaltet ist. Die Erfindung

ist jedoch auf diesen Aufbau nicht begrenzt und kann derart modifiziert werden, daß die Proportionseinstelleinheit zwischen den Schaufelantrieb 12 der ersten Stufe und den Regler 24 geschaltet ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Darüberhinaus kann gemäß Fig. eine solche Modifizierung getroffen werden, daß die Stufen der folgenden Stufengruppe mit unabhängigen Schaufelantrieben 27 bis 29 versehen werden. Dabei sind Proportionseinstelleinheiten 30 bis 32 zwischen jeden dieser Antriebe und den Regler 24 geschaltet. Das bisher beschriebene Verfahren bezog sich auf die Steuerung der Fördermenge in Ausdrücken des Istdurchsatzes. Es ist jedoch auch möglich, eine Steuerung durch Eingeben des Solldurchsatzes 21 in die Proportionseinstelleinhext 26 zu ermöglichen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Erfindungsgemäß werden also die Beziehungen zwischen den Öffnungen der Schaufeln der einzelnen Stufen des Kompressors entsprechend dem Durchsatz des mehrstufigen Kompressors veränderlich gemacht. Als Folge erhält man den Effekt, daß der Arbeitsbereich des mehrstufigen Kompressors erweitert ist und daß die Fluidleistung, wenn teilweise belastet wird, verbessert werden kann.

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Claims

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PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O Q Λ / L Π 2 U

POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8000 MÖNCHEN 95

Hitachi, Ltd. DEAC-3196 2.0

29. Juni 1984 Fi/ba

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Fördermenge eines mehrstufigen Kompressors

Patentansprüche

Verfahren zur Steuerung der Fördermenge eines mehrstufigen Kompressors, bei welchem an den Einlassen von wenigstens zwei Kompressionsstufen Schaufeln mit einstellbaren öffnungen vorgesehen werden, ein Istmengenstrom und ein Sollmengenstrom des Kompressors verglichen werden und zur Steuerung der öffnungen an jede Schaufel Öffnungsbefehle gegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehungen zwischen den öffnungen der Schaufeln so bestimmt werden, daß sie entsprechend jedem der genannten Mengenströme variieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln in eine Vielzahl von Gruppen unterteilt werden, so daß die Öffnungssteuerung an Schaufelgruppen ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung der Schaufeln in Gruppen dadurch erfolgt, daß die Schaufeln in vor-

hergehende und darauffolgende Stufen des mehrstufigen Kompressors unterteilt werden.
4. Vorrichtung zur Steuerung der Fördermenge eines mehrstufigen Kompressors, der mit einer Vielzahl von Stufen versehen ist, bei welcher Schaufeln mit einstellbaren öffnungen an den Einlassen von wenigstens zwei Kompressionsstufen vorgesehen und an jede der Schaufeln nach einem Vergleich zwischen einem Istmengenstrom und einem Sollmengenstrom des Kompressors Öffnungsbefehle gegeben werden, um deren öffnungen einzustellen, gekennzeichnet durch Antrxebseinrichtungen (12, 25) zum Antrieb der Schaufeln (8 bis 11) ansprechend auf die Öffnungsbefehle (22) und durch Proportionseinstelleinrichtungen (26), die mit jeder der Antrxebseinrichtungen (12, 25) verbunden sind und die auf die Öffnungsbefehle

(22) und jeden der genannten Mengenströme (21, 23) anspricht, um die Beziehungen zwischen den öffnungen der Schaufeln (8 bis 11) entsprechend dem empfangenen Mengenstrom (23) variierbar zu machen.
5. Vorrichtung zur Steuerung der Fördermenge eines mehrstufigen Kompressors, der mit einer Vielzahl von Stufen versehen ist, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ProportionseinStelleinrichtungen (26) die Funktion haben, einen der Mengenströme (21, 23) zu empfangen und an die andere Antriebseinrichtung (25, 12) einen Wert abzugeben, der durch Multiplizieren des Öffnungsbefehlssignals (22) einer der Schaufeln (8 bis 11) mit einer Konstanten und durch Addieren eines vorgegebenen Wertes zu dem multiplizierten Wert ermittelt wird, wenn der empfangene Mengenstrom höher als die Pumpgrenze des Kompressors ist, oder diese Ausgangsoperation dadurch auszuführen, daß die Konstante und der vorgegebene Wert proportional zu dem Mengenstrom

variiert werden, wenn der Mengenstrom niedriger als die Pumpgrenze ist.
6. Vorrichtung zur Steuerung des Mengenstroms eines mehrstufigen Kompressors, der mit einer Vielzahl von Stufen versehen ist, nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Zwischenkühler (5 bis 7), die zwischen benachbarten Paaren von Stufen (1 bis 4) angeordnet sind.
7. Vorrichtung zur Steuerung des Mengenstroms eines mehrstufigen Kompressors, der mit einer Vielzahl von Stufen versehen ist, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrstufige Kompressor aus vier Stufen (1 bis 4) aufgebaut ist und daß eine gemeinsame Antriebseinrichtung (25) zum Antrieb der Schaufeln (9 bis 11) der zweiten bis vierten Stufe (2 bis 4) vorgesehen ist.