DE19933202B4

DE19933202B4 - Verfahren zum Betreiben mehrstufiger Verdichter

Info

Publication number: DE19933202B4
Application number: DE19933202A
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr.-Ing. Burandt; Dietrich Dr.-Ing. Vollmer; Günter Dipl.-Ing. Ulbrich
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: DE19933202A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mehrstufiger Verdichter, vorzugsweise von zweistufigen Turboverdichtern für die Verdichtung von Wasserdampf beim Einsatz von Wasser als Kältemittel, mit dem ein energieoptimierter Betrieb bei gleichzeitiger Überwachung der Pump- und Stopfgrenzen erfolgen soll. DOLLAR A Nach der Erfindung werden die Drehzahlkombinationen mit dem größten inneren Wirkungsgrad mittels eines Rechenprogramms ermittelt und in einer zweidimensionalen Tabelle abgelegt. Die Leistungsanpassung und die Anpassung an veränderte Kühlwasserbedingungen erfolgt in kleinen Schritten entsprechend der in der Tabelle vorgegebenen Drehzahlkombinationen. Eine SPS kennt den aktuellen Platz in der Tabelle vor der letzten Verstellung. Regelgröße kann z.B. die Kaltwasservorlaufemperatur sein. Neben dem steten Vergleich der Kaltwasservorlauftemperatur mit dem vorgegebenen Sollwert wird auch das aktuelle Druckverhältnis mit dem letzten Tabellenwert verglichen. In Abhängigkeit von der Regelabweichung erfolgt die Auswahl einer neuen Drehzahlkombination.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben mehrstufiger Verdichter, vorzugsweise von zweistufigen Turboverdichtern für die Verdichtung von Wasserdampf beim Einsatz von Wasser als Kältemittel, mit dem ein energieoptimierter Betrieb bei gleichzeitiger Überwachung der Pump- und Stopfgrenzen erfolgen soll.

Der Betrieb mehrstufiger Verdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der gesamten Kälteanlage die Drehzahlen der einzelnen Stufen in den einzelnen Arbeitspunkten in einem bestimmten Verhältnis stehen müssen. Dies ist notwendig, um einerseits die Sicherheit der Anlage zu gewährleisten, indem Pump- oder Stopfbetrieb vermieden werden. Andererseits soll ein möglichst günstiger Wirkungsgrad erreicht werden. Die Ermittlung der jeweiligen Drehzahlen erfolgt aus komplexen, nichtlinearen, mathematischen Beziehungen und erfordert hohe Rechnerzeiten bzw. wird bei Steuerung der Anlage mittels PC im erweiterten Sinne beim „Absturz" des Rechners zum Sicherheitsrisiko.

Aus der DE 42 02 226 C2 ist ein Verfahren zur Überwachung eines mehrstufigen, zwischengekühlten Turboverdichters bekannt, bei dem die Ansaugtemperatur am Eintritt in eine erste Verdichterstufe des Turboverdichters sowie die Rückkühltemperaturen jeweils nach der Zwischenkühlung gemessen, die Temperaturmeßwerte einer Kontrolleinrichtung mit Datenspeicher zugeführt und die Temperaturdifferenzen von einer vorgegebenen Referenztemperatur ermittelt werden. Außerdem werden der eintrittsseitige Druck und der austrittsseitige Druck sowie der Volumenstrom gemessen und die Meßwerte der Kontrolleinrichtung zugeführt. In der Kontrolleinrichtung werden die Meßwerte mit einer abgespeicherten Pumpgrenzfunktion und den sich daraus ergebenden Pumpgrenzen verglichen. Bei Annäherung an die Pumpgrenze wird ein Warnsignal bzw. ein Steuersignal zum Öffnen eines Absperrventils in einer druckseitig angeordneten Abblasleitung oder in einer Druck- und Saugseite des Verdichters verbindenden Umwälzleitung abgegeben. Dieses Verfahren bezieht sich nur auf eine Überprüfung einer Annäherung an die Pumpgrenze durch Messung einer Vielzahl von Verdichtergrößen und deren anschließende Auswertung.

In DE 197 18 092 A1 ist ein Verfahren zur Verdichtung eines Gases bei anfänglich niedriger Temperatur und niedrigem Druck beschrieben, bei welchem mehrere Turboverdichter in Reihe montiert und so ausgelegt sind, dass sie jeweils entsprechend und aufeinanderfolgend Verdichtungsverhältnisse für einen gleichen Nennmassenstrom des Gases liefern. Dazu wird die Arbeitsweise der Turboverdichter reguliert, um ein gesamtes Nennverdichtungsverhältnis für einen Gas-Massenstrom, der etwa gleich dem Nennmassenstrom ist, zu gewährleisten. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig und nicht für Turboverdichter, die mit Wasserdampf arbeiten, geeignet, da hier eine Änderung des Nennvolumenstromes z. B. über Drehzahländerung zur Leistungsregulierung erwünscht ist.

Aus EP 431 287 B1 ist ein Verfahren zum optimierten Betreiben zweier oder mehrerer Kompressoren im Parallel- oder Reihenbetrieb bekannt, wobei für jeden der Kompressoren die den aktuellen Arbeitspunkt definierenden Betriebsparameter, Ansaugvolumenstrom und Druckverhältnis, die Stellgröße, wie die Kompressordrehzahl oder -leitschaufelstellung oder -drosselstellung, und die Eingangsparameter wie Leistungsaufnahme oder die Betriebskosten der Kompressoren, erfasst oder ermittelt werden und eine übergeordnete Steuerung vorgesehen ist. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, den Betrieb mehrerer in Reihe oder parallel geschaltete Verdichter auf Grundlage der bekannten Einzelkennfelder der Verdichter jeweils den Betriebsbedingungen einzeln durch Verstellung von Stellgrößen anzupassen. Hierfür ist jedoch die aufwendige Messung vieler Einzelgrößen (Druck, Drehzahl, Temperatur) notwendig.

In DE 195 17 113 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer mehrstufigen Turbomaschine beschrieben, wobei jede Turbinenstufe mindestens eine Stellgröße aufweist und die Stellgrößen der verschiedenen Turbinenstufen unabhängig voneinander angesteuert werden. Hierbei ist es jedoch notwendig, dass für jede einzelne Turbinenstufe das Kennfeld mit Wirkungsgrad, Durchsatz, Druckverhältnis, Drehzahl und Winkelstellungen in geeigneter Form in der Steuerung hinterlegt ist, so dass große Datenmengen verarbeitet werden müssen. Der dafür notwendige Programmieraufwand ist beträchtlich.

Der Einsatz von Wasser als Kältemittel in Kälteanlagen wird in DE-Fachbuch: Grundlagen der Kältetechnik; H. Jungnickel, R. Agsten, W.-E. Kraus, Verlag Technik, Berlin 1990, 3. Auflage, Seite 59 genannt. Es wird darauf verwiesen, dass Wasser als Kältemittel in Dampfstrahl- und Absorptionskälteanlagen zur Anwendung kommt, jedoch für Kompressionsanlagen ungeeignet sei, da infolge des geringen spezifischen Volumens des Wasserdampfes bei den erforderlichen Verdampfungstemperaturen riesige Volumenströme verdichtet werden müssen. Die Entwicklung neuartiger Turboverdichter unter Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung zur Leistungsregelung ermöglicht jedoch gerade auch den Einsatz von Wasser als Kältemittel in Kompressionskälteanlagen, also entgegen der bisherigen Meinung der Fachwelt.

Schließlich ist aus DE 44 39 780 A1 eine Kompressionskälteanlage bekannt, die mit einer Einrichtung zur bedarfsgerechten Regelung von Kältemaschinen über eine hinlänglich in der Praxis eingeführte Drehzahlregelung ausgestattet ist (vgl. Drehzahlregulierung von Kälteverdichtern mit intelligenten Frequenzumrichtern, KI Luft- und Kältetechnik 9/2003, S. 400 – 404).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst einfaches Verfahren zum Betreiben mehrstufiger Turboverdichter zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Nach der Erfindung werden die Drehzahlkombinationen mit dem größten inneren Wirkungsgrad mittels eines Rechenprogramms ermittelt und in einer zweidimensionalen Tabelle abgelegt. Die Leistungsanpassung und die Anpassung an veränderte Kühlwasserbedingungen erfolgt in kleinen Schritten entsprechend den in der Tabelle vorgegebenen Drehzahlkombinationen. Die SPS (Speicher-Programmierbare-Steuerung) kennt den aktuellen Platz in der Tabelle vor der letzten Verstellung. Regelgröße kann z. B. die Kaltwasservorlauftemperatur sein. Neben dem steten Vergleich der Kaltwasservorlauftemperatur mit dem vorgegebenen Sollwert wird auch das aktuelle Druckverhältnis mit dem letzten Tabellenwert verglichen. In Abhängigkeit von der Regelabweichung erfolgt die Auswahl einer neuen Drehzahlkombination.
An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.
In 1 ist eine erfindungsgemäß gestaltete Tabelle dargestellt. Die energetisch optimalen Drehzahlpaarungen werden zuvor auf der Grundlage empirisch ermittelter Verdichterkennlinien mittels eines Simulationsprogrammes in Abhängigkeit vom Druckverhältnis und der Leistung der Anlage errechnet.
2 zeigt ein Verdichterkennlinienfeld.
In 3 ist ein Verdichterkennlinienfeld mit „verbotenen Bereichen" dargestellt.
Aus den Parametern der 1-3 läßt sich eine Tabelle gemäß 4 ableiten, in der die Werte für Druck und Leistung in „Steuerworte mit meßtechnischem Inhalt" gewandelt werden.
Durch Kombination der Tabellen aus 3 und 4 ergibt sich die Tabelle gemäß 5, in der den Steuerwörtern jeweils eine Drehzahlpaarung zugewiesen ist. Außerdem sind Steuerwörter enthalten, die einen verbotenen Bereich kennzeichnen. Diese „verbotenen Worte" können entweder das Regelverhalten im nächsten Schritt bestimmen (z. B. 9996 läßt bei Verkleinerung des Druckverhältnisses nur eine Reaktion zu höheren Volumenströmen zu) oder führen zum Abschalten der Anlage. Die beschriebenen Steuerworte werden aus den in einer SPS erfaßten und verarbeiteten Meßwerten gebildet. Ebenso bildet die SPS aus den Steuerworten und diesen zugeordneten und im Speicher der SPS abgelegten Drehzahlwerten ein Stellsignal für die Frequenzumrichter, mit denen die Drehzahlveränderung der Verdichterstufen realisiert wird.
6 zeigt die schematische Darstellung einer zweistufigen Verdichteranlage zur Verdichtung von Wasserdampf. Mit V1 und V2 sind die beiden Verdichterstufen bezeichnet, deren Drehzahlen über Frequenzumrichter FU1 und FU2 eingestellt werden. Die SPS ermittelt erfindungsgemäß die jeweilige optimale Drehzahlkombination in Abhängigkeit von der Kaltwasservorlauftemperatur und dem Druckverhältnis p_K/p_O. = π.
Der Regelalgorithmus basiert auf folgenden Grundoperationen:
1. Die Regelabweichung Druckverhältnis Δπ_ges. wird in folgende 6 Kategorien eingeordnet:

(1) 0,2 > Δπ_ges. ≥ 0,1 – Auswahl neuer Drehzahlpaarung aus gleicher Spalte, eine Zeile weiter unten
(2) 0,3 > Δπ_ges. ≥ 0,2 – Auswahl neuer Drehzahlpaarung aus gleicher Spalte, zwei Zeilen weiter unten
(3) Δπ_ges. ≥ 0,3 – Auswahl neuer Drehzahlpaarung aus gleicher Spalte, drei Zeilen weiter unten
(4) –0,1 ≥ Δπ_ges. > –0,2 – Auswahl neuer Drehzahlpaarung aus gleicher Spalte, eine Zeile weiter oben
(5) –0,2 ≥ Δπ_ges. > –0,3 – Auswahl neuer Drehzahlpaarung aus gleicher Spalte, zwei Zeilen weiter oben
(6) Δπ_ges. ≤ –0,3 – Auswahl neuer Drehzahlpaarung aus gleicher Spalte, drei Zeilen weiter oben

2. Regelabweichung Kaltwasservorlauftemperatur Δt wird in folgende 4 Kategorien eingeordnet:

(1) 0,5 ≥ Δt ≥ 0,2 – neue Drehzahlpaarung aus gleicher Zeile, eine Spalte weiter rechts
(2) Δt ≥ 0,5 – neue Drehzahlpaarung aus gleicher Zeile, zwei Spalten weiter rechts
(3) –0,2 ≥ Δt > –0,5 – neue Drehzahlpaarung aus gleicher Zeile, eine Spalte weiter links
(4) Δt ≤ –0,5 – neue Drehzahlpaarung aus gleicher Zeile, zwei Spalten weiter links

Claims

Verfahren zum Betreiben mehrstufiger Verdichter zur Verdichtung von Wasserdampf in Kälteanlagen mit Wasser als Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass rechnerisch ermittelte Drehzahlkombinationen, die dem jeweils größten Wirkungsgrad entsprechen, mittels einer Speicher-Programmierbaren-Steuerung (SPS) in einer Tabelle abgelegt werden, wobei in dieser Tabelle Druckverhältnis und Volumenstrom des Verdichters Drehzahlkombinationen zugeordnet sind; in vorgegebenen Zeitintervallen Istwert und Sollwert der Kaltwasservorlauftemperatur verglichen werden, wobei bei einer Abweichung des Istwertes der Kaltwasservorlauftemperatur vom Sollwert der Kaltwasservorlauftemperatur das Druckverhältnis des mehrstufigen Verdichters (pk/po) mit dem letzten Tabellenwert verglichen wird und eine neue Drehzahlkombination aus der Tabelle ermittelt wird.