CH684965A5

CH684965A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Kompressionsvorrichtungen.

Info

Publication number: CH684965A5
Application number: CH3059/91A
Authority: CH
Inventors: Bruno Dr Ziegler; Hermann Herzog; Udo Wagner
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 1991-10-18
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1995-02-15
Also published as: DE4233063A1; US5316448A

Description

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CH 684 965 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Kompressionsvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Es ist bekannt, den geförderten Volumenstrom von Schraubenkompressoren der mittleren und oberen Leistungsklasse mit Hilfe eines axialen Leistungsschiebers zu verändern. Der Leistungsschieber dient dazu, den Anlauf des Schraubenkompressors während der Startphase zu erleichtern bzw. zu ermöglichen. Während der Startphase ist der Leistungsschieber geöffnet und der Kompressor fördert nur einen reduzierten Volumenstrom. Nach erfolgtem Anlauf wird der Leistungsschieber geschlossen und der Volumenstrom beträgt während der nun folgenden Betriebsphase 100%. Schraubenkompressoren werden im Arbeitsgebiet der Kryotechnik zum Beispiel für die Kompression von Helium eingesetzt. Wie im Artikel «The Linde-Turborefrigerator for MR-Tomographs, J. Clausen et al., Advances in Cryogénie Engineering, Vol. 35, pp. 949-955, Ed. R. W. Fast, Plenum Press, New York, 1990» publiziert, ist es bekannt, den Saugdruck zu regeln, indem der Saugdruck mit einer Druckmessvorrichtung bestimmt und der Massestrom durch ein dem Schraubenkompressor parallel geschaltetes Bypassventil derart beeinflusst wird, dass der Saugdruck auf konstanten Werten gehalten wird.

Wird dieses Regelkonzept in kryotechnischen Anlagen für kaum vorherbestimmbare Lastfälle eingesetzt, wie sie z.B. an Forschungsstätten bei der Kühlung von supraleitenden Magneten auftreten, so resultiert im Teillast-Betrieb, der üblicherweise zwischen 50% und 100% der maximalen Förderleistung liegt, ein erheblich reduzierter Wirkungsgrad der Kompressionsvorrichtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Wirkungsgrad der Kompressionsvorrichtung für Teillastfälle zu verbessern.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Regelvorrichtung die Leistungsschieberstellung des Kompressors und die Stellung des parallel geschalteten Bypassventils derart beeinflusst, dass unter möglichster Konstanthaltung des Saugdruckes der Massestrom bzw. der Volumenstrom zwischen Saug- und Druckseite kontinuierlich den Erfordernissen des zu kühlenden Prozesses angepasst wird.

In kryotechnischen Anwendungen wälzt eine Kompressionsvorrichtung 2 in einem geschlossenen Kühlkreislauf ein Fluid wie z.B. Helium um. Die Kompressionsvorrichtung 2 besteht aus mindestens einem Kompressor 21, vorzugsweise einem Schraubenkompressor, sowie über ein dazu parallel geschaltetes Bypassventil 25, das zur Entspannung des verdichteten Fluids dient. Der Saugdruck wird mit einer Druckmessvorrichtung 27 gemessen und einer Regelvorrichtung 28 zugeführt, welche die Leistungsschieberstellung 24b des Kompressors 21 sowie die Stellung des Bypassventils 25 regelt. Um für kaum vorherbestimmbare Lastfälle eine hohe Regelgüte bei kleinen Bypass-Verlusten zu erreichen werden die Stellung von Bypassventil 25 und Leistungsschieber 24b derart geregelt, dass ein Fluidstrom als Regelreserve durch das Bypassventil 25 fliesst, der in der Grössenordnung von Bruchteilen des Gesamtfluidstromes liegt.

Der axial verstellbare Leistungsschieber des Schraubenkompressors ermöglicht den geförderten Volumenstrom im Bereich von üblicherweise etwa 15% bis 100% zu variieren. Ein Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten Lösungen ist darin zu sehen, dass im Teillast-Betrieb durch die Regelung der Leistungsschieberstellung der über das Bypassventil fliessende Massestrom reduziert oder sogar völlig unterbrochen wird, woraus für die Kompressionsvorrichtung im Teillast-Betrieb ein wesentlich erhöhter Wirkungsgrad resultiert. Kein Leistungsverlust tritt dann auf, wenn das Bypassventil geschlossen ist und der durch die Leistungsschieberstellung bestimmte Volumenstrom auf der Saugseite den vorgegebenen Druck bewirkt. Ein wesentliches Kriterium der Kompressionsvorrichtung ist die Regelgüte, insbesondere die Ansprechgeschwindigkeit und die Regelgenauigkeit, mit der der Saugdruck mit dem vorgegebenen Sollwert in Übereinstimmung gebracht werden kann. Die beiden Stellglieder Leistungsschieber und Bypassventil weisen unterschiedliche Regelcharakteristiken auf. Der Leistungsschieber verhält sich träge. Für eine Verschiebung von 0 bis 100% Volumenstrom wird eine Laufzeit von ca. 1 Minute benötigt. Zudem ist seine Regelcharakteristik nicht linear und nicht gleichprozentig sowie konstruktiv den Erfordernissen des Anwenders anpassbar. Das Bypassventil hingegen weist eine geringe Totzeit auf sowie eine optimierbare so z.B. auch gleichprozentige Durchflusscharakteristik. Ein Teillastbetrieb ohne Bypass-verluste eignet sich für stationäre Prozesse. Sind schnelle Druckänderungen und kleine Druckschwankungen auszuregeln, so wirkt sich die nicht lineare Regelcharakteristik sowie die Trägheit des Leistungsschiebers sehr negativ aus.

Für den Fall des kaum vorherbestimmbaren Lastfalls mit schnellen Druckänderungen und kleinen Druckschwankungen bleibt das Bypassventil vorteilhafterweise immer zu einem gewissen Teil offen. Somit erlaubt das Bypassventil eine schnelle Regelung und eine gute Regelgenauigkeit des Saugdruk-kes. Der Leistungsschieber wird langsamer verstellt bis der Massestrom durch das Bypassventil einen vorbestimmten Sollwertbereich erreicht. Dieser Bypasstrom entspricht einer Regelreserve, die schnell geregelt werden kann. Die Anforderungen an die Regelgüte bestimmen dabei hauptsächlich die Grösse der Verluste in Teillastfällen. Die Stellung des Leistungsschiebers 24b wird aus mechanischen Gründen vorteilhafterweise nicht dauernd geändert. Die Regelung des Leistungsschiebers 24b kann hysteresebehaftet erfolgen. Änderungen im Bereich der Regelreserve sind auch ohne Verstellung des Leistungsschiebers 24b ausregelbar, sodass die Grösse der Verluste in Teillastfällen auch derart gewählt werden kann, dass Bewegungen des Leistungsschiebers 24b möglichst vermieden werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von

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Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Anlage, in der das neue Verfahren zum Einsatz gelangt;

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau einer geregelten Kompressionsvorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens;

Fig. 3 zeigt einen weiteren schematischen Aufbau einer geregelten Kompressionsvorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens;

Fig. 4 zeigt ein weiteres schematisches Regelkonzept einer Kompressionsvorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens;

Fig. 5 zeigt schematisch ein weiteres Regelkonzept einer Kompressionsvorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine kryotechnische Kühlvorrichtung 1 zur Erzeugung von flüssigem Helium, bestehend aus einer geregelten Kompressionsvorrichtung 2 mit einem Kompressor 21, dessen Kühlkreislauf über Verbindungsleitungen 22, 23 mit einem Kühler 3 verbunden ist. Der Kühler 3, bestehend aus zwei Wärmetauschern 31, 32, einer Expansionsmaschine 33 sowie einem Ventil 34 ist über die Verbindungsleitungen 35, 36 mit dem Wärmetauscher 4 verbunden. Der Wärmetauscher 4 enthält gasförmiges Helium 41, flüssiges Helium 42 und darin z.B. eine Kühlschlange 43 mit Verbindungsleitungen 44, 45.

Fig. 2 zeigt die geregelte Kompressionsvorrichtung 2 mit einer externen Regelvorrichtung 28a. Der Schraubenkompressor 21 ist mit einem axial verschiebbaren Leistungsschieber 24b und einer entsprechenden Antriebsvorrichtung 24a versehen, die mit dem Stellsignal Yls angesteuert wird. Parallel zum Schraubenkompressor 21 ist das Bypassventil 25 angeordnet, das über einen Ventilantrieb 26 durch das Stelisignal YßP eingestellt wird. Eine Druckmessvorrichtung 27 registriert den Saugdruck und leitet den Ist-Wert X1 ist an die Regelvorrichtung 28a weiter, die unter Berücksichtigung des Soll-Wertes Xlsoii die Stellsignale Yls sowie Yßp erzeugt.

Für die Ansteuerung der Stellungen von Leistungsschieber 24b sowie Bypassventil 25 sind je nach Anforderung an die Kompressionsvorrichtung sowie des Verbrauchers unterschiedliche Strategien vorteilhaft. Beispielsweise wird der Saugdruck durch das Bypassventil 25 geregelt, solange der Fluid-strom des angeschlossenen Verbrauchers kleiner als der durch die Kompressionsvorrichtung 2 minimal förderbare Fluidstrom ist. Bei grösserem Fluid-bedarf des Verbrauchers wird das Bypassventil 25 geschlossen und der Saugdruck nur noch über die Stellung des Leistungsschiebers 24b geregelt.

Die in Fig. 3 gezeigte geregelte Kompressionsvorrichtung 2 weist im Vergleich zu Fig. 2 ein unterschiedliches Regelungskonzept auf. Die Stellung des Bypassventils 25 wird durch die Regelvorrichtung 28a aufgrund des vorgegebenen Soll-Wertes X1 soll und des gemessenen Saugdruckes X1 ist bestimmt. Eine Fluidstrom-Messvorrichtung 29 bestimmt kontinuierlich den Fluss durch das Bypassventil 25 und liefert diese Werte X2ist einer Regelvorrichtung 28b, die nach dem Vergleich mit einem Soll-Wert X2soii das Stellsignal Yls der Antriebsvorrichtung 24a des Leistungsschiebers 24b übermittelt. Schnelle Saugdruckänderungen werden durch das mit einer kurzen Totzeit behaftete Bypassventil 25 ausgeregelt, was eine hohe Regelgüte, kurze Ansprechgeschwindigkeit und hohe Regelgenauigkeit bewirkt. Die über den Soll-Wert X2soii der Regelvorrichtung 28b vorgebbare Regelreserve des Fluidstromes durch das Bypassventil 25 wird durch den trägen Leistungsschieber 24b eingestellt. Die Regelreserve von einem Bruchteil des Gesamtfluid-stroms, die über das Bypassventil 25 fliesst, ermöglicht bei hoher Regelgüte eine Reduktion der Bypassverluste auf einen tolerierbaren Bereich. Eine hysteresebehaftete, schritt- oder stufenweise Ansteuerung des Leistungsschiebers 24b kann dazu dienen, die Anzahl der Bewegungen des Leistungsschiebers 24b zu reduzieren.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Regelkonzept einer geregelten Kompressionsvorrichtung 2. Die Stellung des Bypassventils 25 wird wieder aufgrund des Saugdruckes der Druckmessvorrichtung 27 bestimmt. Der Massestrom durch das Bypassventil 25 wird mit einer Ventilhubmessvorrichtung 20 bestimmt und dieser Wert X2|St einer Regelvorrichtung 28b zugeführt, die nach einem Vergleich mit dem Vorgabewert X2soii für den Massenstrom durch das Bypassventil 25 ein Stellsignal Yls für die Antriebsvorrichtung 24a des Leistungsschiebers 24b liefert. Nebst einer kontinuierlichen Ansteuerung des Bypassventils 25 sowie des Leistungsschiebers 24b sind natürlich auch andere Ansteuerungsformen denkbar, wie z.B. schritt- oder stufenweise Ansteue-rungen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Regelkonzept einer geregelten Kompressionsvorrichtung 2. Der durch die Druckmessvorrichtung 27 bestimmte Saugdruck wird mit der Ist-Grösse X1|St dem Regler 28a zugeführt, der nach dem Vergleich mit der Soll-Grösse X1 soll das Stellsignal Yßp an den Ventilantrieb 26 anlegt. Das Stellsignal Yßp wird einem unterlagerten Regler 28b als Ist-Wert X2|St zugeführt, der nach dem Vergleich mit dem Soll-Wert X2soii eine Stell-grösse Yi_s ausgibt und damit die Antriebsvorrichtung 24a des Leistungsschiebers 24b regelt. Die mit der Fig. 5 dargestellten Lösung einer geregelten Kompressionsvorrichtung 2 weist den Vorteil auf, dass bestehende Kompressionsvorrichtungen ohne Hardware-Änderungen mit dem erfindungsgemäs-sen Regelungskonzept betrieben werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Kompressionsvorrichtung, in der mindestens ein Kompressor (21), vorzugsweise ein Schraubenkompressor, ein Fluid verdichtet, das über ein parallel geschaltetes Bypassventil (25) wieder entspannbar ist, wobei der Saugdruck mit einer Druckmessvorrichtung (27) gemessen und einer Regelvorrichtung (28) als Istwert zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (28) sowohl die Leistungsschieberstellung (24b) des Kom-

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pressors (21) als auch die Stellung des Bypassventils (25) derart beeinflusst, dass unter möglichster Konstanthaltung des Saugdruckes der Fluidstrom zwischen Saug- und Druckseite kontinuierlich den Erfordernissen des zu kühlenden Prozesses ange-passt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Bypassventils (25) geregelt wird solange der Fluidstrom durch den angeschlossenen Verbraucher kleiner als der durch die Kompressionsvorrichtung (2) minimal förderbare Fluidstrom ist, und dass bei grösserem Fluidbedarf des Verbrauchers das Bypassventil (25) geschlossen wird und der Saugdruck über die Stellung des Leistungsschiebers (24b) geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillast-Betrieb ein Massestrom durch das Bypassventil (25) fliesst, der als Regelreserve in der Grössenordnung von wenigen Prozenten des Gesamtmassestroms liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass Regelabweichungen in Abhängigkeit der gegenüber der des Leistungsschiebers kurzen Zeitkonstanten des Bypassventils (25) ausgeregelt werden, wobei das Bypassventil (25) sowie der Leistungsschieber (24b) sich entsprechend der gegenüber derjenigen des Bypassventils langen Zeitkonstanten des Leistungsschiebers (24b) derart verstellen, dass die vorgebbare Regelreserve eingehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Bypassventils (25) in Abhängigkeit des Druckes der Saugseite geregelt wird, wogegen die Stellung des Leistungsschiebers (24b) durch eine Messvorrichtung (29), die den Fluidstrom durch das Bypassventil (25) feststellt, geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Leistungsschiebers (24b) in Abhängigkeit der Bypassventilstellung (25) geregelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Anzahl Bewegungen des Leistungsschiebers (24b) dessen Regelung mit einer einstellbaren Hysterese behaftet ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen, einen geschlossenen Fluidkreislauf umwälzenden, Schraubenkompressor (21) mit parallel geschaltetem Bypassventil (25) einer Druckmessvorrichtung (27) zur Bestimmung des Saugdruckes sowie einer Regelvorrichtung (28), die über einen einstellbaren Leistungsschieber (24b) des Kompressors (21) sowie über ein einstellbares Bypassventil (25) den Fluidstrom zwischen Saugseite und Druckseite beeinflusst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidstrom-Messvorrichtung (29) den Fluss durch das Bypassventil (25) misst und dieses Signal die Stellung des Leistungsschiebers (24b) regelt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilhubmessvorrichtung (20) die Stellung des Bypassventils (25) misst und dieses Signal die Stellung des Leistungsschiebers (24b) regelt.

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