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Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Begrenzung, Verteilung
und Speicherung von Gasmengen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betreiben einer automatisch arbeitenden Gasversorgungsanlage, welche die Verbraucher
aus einer- Zulieferleitung, beispielsweise einer Ferngasleitung, versorgt.
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Eine derartige Gasversorgungsanlage hat zwei miteinander in Widerspruch
stehende Aufgaben zu lösen. Die Gaserzeugungsanlagen arbeiten- mit -annähernd gleichbleibender
Produktion und können sich den Schwankungen im Gasverbrauch nicht genügend anpassen,
'so daß in Zeiten geringen Gasverbrauchs das überschüssige Gas sogar abgefackelt
werden muß. Es ist also wünschenswert, da.ß die dem Ferngasnetz entnommene stündliche
Gasmenge (Sollwert) stets gleich groß ist.
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Auf der anderen Seite ist der Gasverbrauch starken tageszeitlichen
Schwankungen unterworfen. Um nun einen schwankenden Gasverbrauch aus .einer gleichbleibenden
Sollwertmenge :decken zu können, müssen die in Zeiten scliwachen Gasverbrauches
anfallenden
Gasmengen gespeichert und dem Verbrauchernetz dann zugeführt werden, wenn der Bedarf
den Sollwert übersteigt.
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Die Gesamtaufgabe ist bisher in befriedigender Weise nicht gelöst
worden.
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Bekannt ist z. B. die Verteilung von Gasmengen auf die Verbraucher
durch die üblichen Gasdruckregler, welche in Abhängigkeit vom Gasdruck hinter dem
Regler arbeiten. Es sind ferner Regelanlagen bekannt, bei denen die Verbraucher
nur aus Speichern versorgt werden, welche in Zeiten geringen Gasverbrauchs aufgeladen
werden. Die günstigste Zeit zur Aufladung der Speicher wird durch Schaltuhren eingestellt.
Bei diesen Regelungen, die vorwiegend bei Perngasversorgungs: anlagen zur Anwendung
kommen, erfolgt keine mengenmäßige Beschränkung der Ferngasentnahme.
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Des weiteren sind Gasversorgungsanlageri bekannt, die gleichzeitig
in das Verbrauchernetz und in. Nederdrackspeicher speisen. ',So@exn dabei die nahm@e
konstant gehalten werden 7nuß, Ferngasengeschieht dies vermittels. ,eines von Hand
hed.ienten Absperrventils. Es hängt also völlig von der Aufmerksamkeit der Bedienung
ab, in welchem Maße der Sollwert eingehalten werden kann.
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Schließlich sind auch noch Vorrichtungen bekannt, die es gestatten,
den. Durchfluß eines bestimmten Gasvolumens in einer Zeiteinheit selbsttätig zu
regeln, wobei zur Ausschaltung des veränderlichen Druckes des Gases ein Differenzdruckmesser
über einen Mengenregler mit Membran und mit einstellbarer Feder und über andere
Zwischenglieder auf ein Regelorgan in der Hauptleitung einwirkt. Diese Vorrichtungen
ermöglichen jedoch nicht die Einhaltung einer bestimmten Durchflußmenge von Nm3
Gas, sie sind also nicht völlig unabhängig vom Gasdruck.
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Mit den erwähnten Vorrichtungen ist die automatische Einhaltung einer
Sollwertmenge in Nm3 nicht möglich, wenn der Verbraucher direkt aus dem Ferngasnetz
versorgt und gleichzeitig eine Restgasmenge gespeichert werden soll.
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Die übliche Speicherung in Niederdruckbehältern ist aber wegen der
Größe der erforderlichen Gasbehälter äußerst kostspielig, und schließlich lassen
sich bei einer Regelung von Hand wegen ihrer Abhängigkeit von der Aufmerksamkeit
des Bedienungspersonals Schwankungen und Abweichungen vom Sollwert nicht vermeiden.
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Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile wird erfindungsgemäß ein
Verfahren zum Betreiben von Gasversorgungsanlagen vorgeschlagen, bei welchem automatisch
der- Zulieferleitung eine beliebig einstellbare, aber unabhängig von den mit den
Druckänderungen einhergehenden Wichteänderungen gleichbleibende Gasmenge entnommen
und derart verteilt wird, daß zunächst der Verbrauch gedeckt und nur das nicht verbrauchte
Gas gespeichert wird, und zwar in der Regel mittels Hochdruckspeicher und automatisch
gesteuerten Kompressoren.
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Abb. i zeigt in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur Entnahme
einer beliebig einstellbaren, aber unabhängig von den mit den Druckänderungen einhergehenden
Wichteänderungen gleichbleibenden Gasmenge aus einer Zulieferleitung; in Abb. a
ist eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt;
Abb.3 zeigt eine Darstellung des beispielsweisew Verlaufes einer 24stündigen Gasversorgungsperiode;
in Abb. g ist die Arbeitsweisse von zwei großen und einem kleinen Kompressor bei
wechselndem Vordruck dargestellt.
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Bei der in Abb. i dargestellten Einrichtung bezeichnet i einen in
der Ferngasleitung 37 angeordneten Differenzdruckgeber, der auf eine in dem Mengenregler
2 befindliche, nicht dargestellte Membran einwirkt. Im Beharrungszustand hält eine
Feder g von einstellbarer Spannung dem auf die Membran wirkenden Differenzdruck
das Gleichgewicht und verhindert eine Verstellung des mit dem Mengenregler a in
geeigneter Weise verbundenen, in der Verbraucherleitung 38 angeordneten Regelorgans
3. Solange der Ferngasdruck und damit auch der Differenzdruck-bei i konstant ist,
ist einer bestimmten Federspannung bei g ein bestimmter Sollwert zugeordnet. ' Erhöht
sich nun z. B. der Ferngasdruck, so würde bei gleichbleibendem Differenzdruck auch
eine Erhöhung der gelieferten Nm-' Gas erfolgen. Um dies zu verhindern, ist der
Druckkorrektorregler 5 vorgesehen, der unter dem Einfluß des in der Ferngasleitung
37 an der Impulsabnahmestelle fs li@errschenden Druckes steht und mittels der hyperbolischen
Kurve des Verstellgliedes 6 auf den Mengenregler a einwirkt. Bei steigendem Ferngasdruck
z. B. wird dann durch die Einwirkung des Verstellgliedes 6 das zwischen der Spannung
der Feder 4. und dem auf der Membran lastenden Differenzdruck bestehende Gleichgewicht
gestört und das. Regelorgan 3 so lange gedrosselt, bis der gewünschte Sollwert wieder
erreicht ist.
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Bei fallendem Vordruck wird das Regelorgan 3 in dem zur Einhaltung
der Soll-,vertmenge erforderlichen Umfange geöffnet.
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Wie Abb. a zeigt, gelangt die aus der Ferngasleitung 37 entnommene
Gasmenge zunächst direkt in die Verbraucherleitung 38. In diesem Falle durchströmt
das Gas einen Differenzdruckgeber i i, der :den den Gasverbrauch deckenden Verhältnisregler
9 b.eeinflußt, dann weiter das Regelorgan 17, welches vom Druckregler 18 gesteuert
wird und die Aufgabe hat, den Druck in der Verbraucherleitung konstant zu halten,
- sowie schließlich das Regelorgan 7, welches unter dem Einfluß des Verhältnisreglers
9 die Verbrauchergasmenge begrenzt. Der Niederdruckspeicher 31 steht mit der Verbraucherleitung
38 in offener Verbindung. Nach Auffüllung des Niederdruckspeichers.31 gelangt der
die Verbrauchsmenge übersteigende Teil der Sollwertmenge über den Differenzdruckgeber
12, welcher den die Speicherung der überschüssigen Gasmenge regelnden Verhältnisregler
i o beeinflußt, und durch
das vom Regler 1o gesteuerte Regelorgan
8 über die Speicherleitung 39 zu den Kompressoren 27, z8 oder unter Umgehung der
Kompressoren über die Umlaufventile 2o, 21 und üher ,die Rückschlagventile
35, 36 zum Hochdruckspeicher 32. Hinter dem Speicher 32 ist in der zur Verbraucherleitung
38 führenden Leitung 40 das Regelorgan 33 angeordnet, das von dem Druckregler 34
;gesteuert wird. Zum Druckregler34 ,gehört der Impulsgeberl3s.
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Der in der oben bereits geschilderten Weise den Sollwert einhaltende
Mengenregler 2 wirkt nach Abb.2 nicht mehr unmittelbar auf ein Regelorgan in der
Verbraucherleitung, sondern beeinflußt mittels zweier Verstellglieder 15, 16 über
zwei bewegliche und unter einstellbarer Federwirkung stehende Widerlager 13 und
14 die die Verbrauchsgasmenge und die Speichergasmenge begrenzenden Regelorgane
9 und 1o.
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In den Verhältnisreglern 9 und i o sind nicht dargestellte Membranen
angeordnet, die einerseits unter der Wirkung der von den Diierenzdrttck gebern i
i Lmd 12 gegebenen Druckimpulse und auf der anderen Seite unter der Wirkung -der
einstellbaren Federspannung der zugehörigen Widerlager 13, 1 4. stehen.
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Im Beharrungszustand befinden sich diese Kräfte im Gleichgewicht,
und die von den Verhältnisreglern 9 und io durch geeignete übertragungsmittel gesteuerten
Regelorgane 7 und 8 verändern ihre Stellung nicht. Eine Störung des Gleichgewichtes
kann erfolgen durch Änderung des Ferngasdruckes, durch eine Änderung im Gasverbrauch
oder durch eine willkürliche Änderung der. Federspannung in den Reglern 2, 9 oder
io.
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Die dabei eintretenden Regelvorgänge verlaufen wie folgt: Es sei zunächst
der Grenzfall angenommen, daß die gesamte Sollwertmenge in die direkte Verbraucherleitung
eingespeist wird. Das Wide rlager 13 des die Verbr_ auchsgasmenge begrenzenden Regelorgans
9 ruht dabei auf dem steigenden Kurventeil des Verstellgliedes 15, während das Widerlager
14 des die Speichergasmenge begrenzenden Regelorgans i o auf dem steigungslosen
Kurventeil des zugehörigen Verstellgliedes 16 ruht. Die Feder des Widerlagers 14
ist dabei entspannt. Da in der Speicherleitung 39 keine 'Strömung herrscht. ist
der Differenzdruck bei 12 gleich Null, die Membran des Reglers ist unbelastet, und
es herrscht Gleichgewicht, da ja auch die Feder 14 entspannt ist; das Regelorgan
8 in der Speicherleitung ist daher geschlossen.
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Sinkt nun der direkte Verbrauch -unter den 'Sollwert, so verringert
sich der Differenzdruck in den Differenzdruckgebern i und i i. Dadurch wird der
Gleichgewichtszustand im Regler 2 sowohl wie im Regler 9 gestört; bei der Anpassung
an die veränderte Gleichgewichtslage wirkt der Regler 9 im öffnenden Sinne. auf
das Regelorgan 7, während der Regler 2 die Verstellglieder 15 und 16 nach rechts
verschiebt, so daß sich die Federspannung am Widerlager 13 erhöht und der Regler
9 weiter im öffnenden Sinne auf das Regelorgan 7 wirkt. Da sich jedoch der Gasverbrauch
nicht ändert, setzt sich dieses Spiel der Gleichgewichtsverlagerungen in den Reglern
2 und 9 so lange fort, bis das Widerlager 13 des den Gasverbrauch deckenden Verhältnisreglers
9 durch das Verstellglied 15 in seine Endlage gebracht worden ist und durch
den steigungslosen Kurventeil dieses Verstellgliedes in dieser Lage gehalten wird.
In dieser Endlage des Widerlagers 13 ist die Federspannung so groß, daß das Regelorgan
7 ständig ganz offengehalten wird. .
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In dem Augenblick, in dem das Widerlager 13 den Knickpunkt der Kurve
des Verstellgliedes 15 überschicitet, rollt das Widerlager 14 des die Speicherung
der überschüssigen Gasmenge regelnden Verhältnisreglers 1o auf den ansteigenden
Kurventeil des Verstellgliedes 16 auf. Infolge der dadurch erhöhten Federspannung
bei 14 wirkt "der Regler ro im öffnenden Sinne auf das Regelorgan 8 in der Speicherleitung
39, so daß die überschüssige Gasmenge über die Umlaufventil£ 20 und 21 und über
die Rückschlagventiie 35 und 36 in den zunächst noch leeren Speicher 32 strömen
kann. Das Regpiorgan 33 wird hierbei durch den Regler 34 in Abhängigkeit von dem
an der Impulsabr?ahmest:elle l34 herrschenden Druck geschlossen gehalten.
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Der Regler 2 sowie der regeltechnisch an die Stelle des Reglers 9
getretene Regler io befinden sich nun wieder .entsprechend dem eingestellten Sollwert
im Gleichgel,4chtszustand.
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Der Druckregler 18, der das Regelargan 17 sieüer t und die Aufgabe
hat, den Druck in der Verbrauche:rleitung 38. konsümt zu halten, wirI.-t bei einem
Rückgang des Gasverbrauches in schließendem Sinne auf das Regelorgan 17.
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Bei einer beliebig einstellbaren Stellung des Regelorgans 17 iie einem
unterhalb des Sollwertes liegenden Gasverbrauch entspricht, -werden die Kontakte
r9 und damit der Std'lrerstromkreis füz die Kompressormotoren geschlossen. Das Anlassen
der Kompressoren erfolgt durch handelsübliche elektrische Schaltgeräte. Bei der
in Abb. 2 gezeigten Anordnung werden die Kompressoren im Leerlauf angefahren; die
Umlaufventile 2o, 21 sind zunächst offen und werden erst nach Erreichen der vollen
Drehzahl mittels Zeitrelais und Hubgerät geschlossen. Die Rückschlagventile 35,
36 verhindern ,ein Zurückströmen das Gases aus dem Speicher. Wenn der für den Hochdruckspeicher
zulässige Höchstdruck erreicht ist, wird der Stromk-eis der Steuerrelais für die
Kompressoren uhterbrochen.
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Ein Abschalten der Kompressoren erfolgt auch, wenn der Gasverbrauch
wieder zunimmt und der Druckregler 18 unter dem Einfluß -des Druckabfalles in der
Verbraucherleitung am Impulsgeber lia das Regelorgan 17 tu öffnen beginnt. Prei
einem weiteren Ansteigen des Verbrauches über .die Sollwert= menge hinaus, strömt
zunächst das im Niederdruckspeicher 31 gespeicherte Gas dem Verbrauchernetz zu.
Wenn, der Gasbedarf danach immer noch über der Sollwertmenge liegt, öffnet infolge
des Druckabfalles in der Verbraucherleitung 38 der Regler 34 das Regelorgan 33,
so daß -der Inhalt des Hochdruckspeichers 3? in die Verbraucherleitung 33 strömen
kann.
In Abb.3 ist der beispielsweise Verlauf einer 24stündigen
Gasversorgungsperiode dargeettellt. Auf der Abszisse sind die Tagesstunden; auf
der Ordinate.der stündliche Gasverbrauch eingetragen. Die waagerechte Linie 23 zeigt
den Sollwert, die Kurve 22 den gesamten Gasverbrauch im Verbrauchernetz und der
Kurvenabschnitt 24 die Gas-.entnahme aus der Ferngasleitung 37. Die links gestrichelte
Fläche 25 über der Sollwertlinie stellt den. Spitzenverbrauch dar. Die entsprechende
Gasmenge wird über die Gasleitung 4o. mit Hilfe des Druckreglers 34 und des Regelorgans
33 aus dem Speicher 32- der Verbraucherleitung 38 zugeführt ('s. Abb. 2). Die rechts-
gestrichelte Fläche 26 unter der Sollwertlinie kennzeichnet die dem Hochdruckspe
icher 32 ohne Benutzung der Kompressoren zugeführte Ferngasmenge. Die daran anschließende
kreuzweise gestrichelte Fläche 27, 28, 29 zeigt die Aufladung des Speichers 32 z.
B. mittels dreier Kompressoren. Am Punkt 41 schließt der Schalter i 9 den Steuerstromkreis
der Antriebsmotoren und setzt somit die Kompressoren in Gang. Am-Punkt 42 erfolgt
das Stillsetzer durch: dergleichen Schalter.
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Da die Sollwertrnenge nach Möglichkeit eingehalten werden soll, wird
die Fördermenge der Kompressoren durch die zur Verfügung stehende Restgasmenge bestimmt.
Die gleiche Restgasmenge nimmt aber bei niedrigem Vordruck ein größeres Volumen.
ein als bei hohem Vordruck. Es werden daher, um eine unnötige, energieverbrauchende
Entapannung der Restgasmenge zu vermeiden, stets nur so viele Kompressoren in Betrieb
genommen, daß ihr vereintes ARsaugvolunmen der jeweiligen Restgasmenge entspricht,
d. h. bei niedrigem Vordruck alle Kompressoren, bei höherem Vordruck der verringerten
Restgasmenge entsprechend weniger.
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Bei Vorhandensein - verschieden großer Kompressoren werden zwecks
Anpassung des Ansaugvolumens an die Restgasmenge zweckmäßigerweise die kleineren
Kompressoren -bei mittleren Vordrücken abgeschaltet - und bei hohen Vordrücken wieder
in Betrieb genommen und dafür die grö= Bereu Kompressoren stillgesetzt, wie in Abb.
4 dargestellt. Die beiden großen Kompressoren 27 und 28 sowie der kleine Kompressor
29 sind bei niedrigem Vordruck zusammen in Betrieb. Mit steigendem Vordruck schaltet
erst der kleine Kompressor 29 und Bannt der große Kompressor 28 ab. Bei hohem Vordruck
geht wieder der kleine Kompressor 29 in. Betrieb, gleichzeitig schaltet der große
Kompressor 27 ab.
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Schließlich kann auch die Fördermenge der Kompressoren. an die zur
Verfügung stehende Restgasmenge mit Hilfe bekannter Leerlauf- oder Teillastregelverfahren
angepaßt werden, so daß der Ansaugdruck der Kompressoren stets nur wenig unter dem
Druck in der Zulieferleitung liegt.
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Die Anpassung der Fördermenge an die zur Verfügung stehende Restgasmenge
in der oben geschilderten Weise kann durch den einzelnen Kompressoren zugeordnete,
auf verschiedene Drücke eingestellte Kontaktmanometer erfolgen, die vor der Abzweigung
der Speicherleitung an die Ferngasleitung angeschlossen sind, oder, insbesondere
bei dem Teillast- oder Leerlaufregelverfahren, durch die Stellung des Regelorgans
B.
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Wie bereits geschildert, drosselt das Regelorgan 8 mit Hilf A. des
Differenzdruckgebers 12 und des Reglers io den Gasstrom auf die zur Verfügung stehende
Restgasmenge und verändert daher seine Stellung entsprechend den Restgasmengen.
Diese Bewegungen des Regelorgans 8 können durch geeignete Übertragungsmittel zur
Beeinflussung der Förderleistung der Kompressoren ausgenutzt werden.
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Um ein Abblasen des gefüllten Niederdruckspeichers 31 zu verhindern,
ist am Niederdruckspei:chler ein Schaltorgan 3o angebracht, das bei gefülltem Speicher
den Gasdruck in der Verbraucherleitung auf den Gasdruckregler 18 zusätzlich zur
Wirkung kommen läßt. Unter der Einwirkung dieses Impulses wirkt der Regler 18 in
schließendem Sinne auf das Regelorgan 17,« so daß die hindurchtretende Gasmenge
auf den Bedarf im Verbrauchsnetz und der Druck in der Verbraucherleitung 38 etwa
auf den für den Niederdruckspeicher zulässigen Druck gedrosselt wird.
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Mit Hilfe des geschilderten, völlig automatisch arbeitenden Verfahrens
ist es möglich, einer Zulsefierletung, z. B. einem Ferngaamtz, eirue beliebig einstellbare,
gleichbleibenwde Gasmenge (NM3Jh) zu entnehmen, auch dann, wenn der Druck iun Ferngast
netz starken Schwankungen unterworfen ist, und dem Verbrauchernetz mit gleichbleibendem
Druck zuzuführen und den den Verbrauch übersteigenden Teil der Sollwertmenge zu
speichern und dem Verbrauchernetz in Zeiten des die Sollwertmenge übersteigenden
Verbrauchs zuzuführen. Die Verbindung von Niederdruck- und Hochdruckspeicherung
gestattet sowohl die Ausnutzung der Vorteile der Niederdruckspeicherung ohne Verwendung
von Kompressoren wie der Vorteile der Hochdruckspeicherungsunterbringung großer
Gasmengen in verhältnismäßig kleinen Behältern. Durch Anpassung des Ansaugvolumens
der Kompressoren an die jeweils zu speichernde Restgasmenge und durch die damit
einhergehende Angleichung des Ansaugdruckes an den Ferngasdruck werden DTosselungsverluste
vermieden und erhebliche Betriebskosten eingespart.
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Auch bei bereits vorhandenen Niederdruckspeicheranlagen kann durch
Ausbau mit Kompressoren und Hochdruckspeicherung unter Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Vergleichmäßigung der Entnahme aus -dem Ferngasnetz erreicht werden,
die die Gaserzeugung günstig beeinflußt und damit letzten Endes auch dem Verbraucher
zugute kommt.