CN102027348B - 压缩机的效率监控 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控压缩机(1)的效率(ηpol n)的方法，其中确定过程介质的流量、进入压力(Pen)、排出压力(Pan)、进入温度(Te n)、排出温度(Ta n)并且求出功率系数。为了改善精度提出：a)在每个级(4、5、6、7)的入口处直接或间接地作为测量参数测量级进入温度(Ten)和级进入压力(Pen)；b)在每个级的出口处直接或间接地作为测量参数测量级排出温度(Tan)和级排出压力(Pan)；每个级配属有模块(C421至C424)，所述模块借助于所述计算装置作为功率系数由所述测量参数计算出级效率(ηpol n)，其中级效率由在入口和出口处的测量参数之间的实际气体状态方程的数值积分来确定。

Description

压缩机的效率监控

技术领域

本发明涉及一种用于监控至少两级的压缩机在压缩过程介质时的效率的方法，其中在所述级之间设有中间冷却装置，其中作为参数确定

-通过压缩机的流量，

-吸入的过程介质的进入压力，

-压缩的过程介质的排出压力，

-吸入的过程介质的进入温度，

-压缩的过程介质的排出温度

并且借助于计算装置由所述参数计算出功率系数。

背景技术

在运转工作中的涡轮压缩机的监控目前基本上包括这些参量：轴振动和位置，轴承温度和其它的参量，其中由单个的测量可以推断出部件或者设备零件的状态。关于压缩机的经济运行，对压缩过程以什么效率进行特别有意义。为了求出这个效率，需要多个测量，它们的信号互相计算。计算的结果是压缩机的效率的尺度(例如多变的(polytrop)或者等熵的效率)。此外足够精确的效率确定还允许推断压缩机的技术状态以及它是否必须校正。

在EP 1 488 259 B1中已经描述了一种跟踪工业装置的功率的实验，其中利用通过压缩机的气体流量、进入的气体的压力和排出的气体的压力以及从中间冷却装置中出来的冷却剂的温度来确定功率系数。接着该功率系数被用于计算估算的效率。此外由US 2006/0155514A1已知确定压缩机的功率，其措施是测量工作参数并且进行基于能量消耗的估算，其中该估算与由理论的模型得出的结果比较并且由此推断设备状态。上述两个方法仅分别允许效率损失的粗略估算，因为估算的精度特别是由于工作参数的多维性而强烈受限。

文献EP 0 366 219 A2和US7,094,019 B1分别研究了借助于调节技术措施接近涡轮压缩机的泵极限。建议的方法没有提供合适的可能性，以在中间冷却的涡轮压缩机的情况下利用工作范围最优地利用泵极限。

总体而言效率损失的确定特别因此比较有问题，因为效率始终是工作点的函数，它通过多维的参数族的多个影响参量确定并且变化必须始终涉及相同的工作条件，以能够在需要的精度下做结论。

发明内容

因此本发明的任务是，压缩机、特别是涡轮压缩机的效率要这样精确地确定，即在运行时可以获得关于绝对的设备效率损失的结论。

为了解决根据本发明的任务建议了一种用于监控至少两级的压缩机在压缩过程介质时的效率的方法，其中在所述级之间设有中间冷却装置，其中作为参数确定

-通过压缩机的流量，

-吸入的过程介质的进入压力，

-压缩的过程介质的排出压力，

-吸入的过程介质的进入温度，

-压缩的过程介质的排出温度，

并且借助于计算装置由所述参数计算出功率系数，其中，

-在每个级的入口处直接或间接地作为测量参数测量级进入温度和级进入压力，

-在每个级的出口处直接或间接地作为测量参数测量级排出温度和级排出压力，

-每个级配属有模块，所述模块借助于所述计算装置作为功率系数由所述测量参数计算出级效率，

其中级效率由在入口和出口处的测量参数之间的实际气体状态方程的数值积分来确定。

在每个单个的级的入口和出口处测量压力和温度可以实现求出级效率，即使在级之间设有中间冷却装置时也一样。相对现有技术，借助于本发明可以获得效率描述的级准确的表示，并且考虑了在每个单个的级中的吸入温度或者进入温度的影响。

如果在后面也经常借助于附图标记指示效率，但该效率不局限于多变的效率，而是它可以是各种效率形式，只要没有明确规定的限制。

压缩机可以在根据本发明的方法中具有几乎每个任意的级数。实际上的布置大多具有直到8级的级数。

特别是中间冷却装置的冷却剂的温度，如在现有技术中一样，不能在接下来的级中的进入温度上带来足够精确的认识，更不用说推断效率变化。

如果根据本发明的方法在两个级之间没有给出中间冷却装置，从从上游的级中出来的排出温度等于进入下游的级的进入温度。

必要时可以在第一级中取消进入压力的测量，如果它等于环境压力的话。相应地在第一级中的进入压力测量的位置处进行环境压力的测量。

优选模块作为程序部分存在于计算机中，该计算机或者直接从机器控制器或者压缩机调节器调用必要的数据，或者具有自身的用于测量参量的输入通道，或者调用储存的测量数据。

有利地可以确定气体成分作为用于模块计算的输入参量，特别是如果它是变化的。为此可以设置手动的输入，不过优选通过连续的气体分析进行自动的检测。识别出吸入的空气的空气湿度(相对的或者绝对的)特别是对空气压缩机可能是有利的，以改善计算的精度。

如果将回冷温度视为恒定的，例如因为设有回冷温度调节器，例如以冷却水量调节器或者可调的空气冷却器的方式，尽管变化的进入温度，它始终保证从中间冷却装置中出来的相同的排出温度，于是就可以例外地在中间冷却装置后面取消进入级中的进入温度的直接测量。这种情况对应进入温度的间接测量，因为对于这种准确的回冷温度调节需要在中间冷却装置中的温度测量。

在假设理想气体的情况下可以通过公式

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pol}}=\frac{1}{v}=\frac{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{C_p}}}{R}\·\frac{\ln \frac{T_a}{T_e}}{\ln \frac{p_a}{P_e}}$

确定级的多变的效率。在此η_pol是级n的多变的效率，v是多变比值，是在相应的压力和温度范围上平均的比热容，R是理想的气体常数，Ta是排出温度，Te是进入温度，Pa是排出压力并且Pe是进入压力，所有的参数都涉及相应的级n。

为了更高的精度，级效率可以由用于确定多变比值v的在入口和出口状态之间的过程气体的实际气体状态方程的数值积分实现。此外等熵的或者等温的效率的求出也是可以的。

优选求出的级效率形成与参考级效率的数值的比值并且将结果显示在显示单元上。这个比值例如可以是除法结果或者作为效率损失的百分比计算出或者简单地作为差。在超出这个比值的确定的极限值的情况下，可以对操纵人员发出单独的自动的指示，例如作为可视的或者声音的警报。

本发明的一种有利的改进方案规定，在存储器中为每个级储存参考级特性曲线族，由该特性曲线族，计算单元分别由所述测量参数求出参考级效率，并且为了构成比值，将其与所述效率数值地比较，如前面说明的那样。因为参考级特性曲线族的完全理论的求出对根据本发明的任务提出按照应用可能太不精确了，本发明此外建议，参考级特性曲线族在校准运行(Abgleichslauf)期间确定，此时在压缩机的不同的导向叶片位置和/或转速下，压力侧的节流阀从完全打开出发逐步地或者连续地关闭，直到达到泵极限。这个连续的或者点式测量的结果作为参考级特性曲线族点储存到存储器中。为了从点式测量达到连续的特性曲线族，可以在单个的测量点之间进行内插法以求出中间值，并且进行外推法以求出其它的值。替代地可以将提供的理论模型的参数匹配于测量值，这样相应匹配的理论模型提供足够精确的参考数据，用于根据本发明地分析由所述测量参数求出的效率。

附图说明

接下来本发明参考用于借助实施例阐明的附图详细说明。对于专业人员可以由本发明得出除了这个特殊的实施例之外的其它的转换可能性。图中示出：

图1是按照根据本发明的测量的示意图，

图2是参考级特性曲线族的求出的示意图，

图3是参考级特性曲线族的示意图。

具体实施方式

图1示意示出了压缩机1，在该压缩机上要应用根据本发明的用于监控效率的方法。在压缩机1中质量流(测量作为)作为进入质量流2进入并且作为排出质量流3排出。压缩机1具有四个级4、5、6、7(从左向右相应地第一级4至第四级7)，进入质量流2流过它们，其中在级之间分别设有中间冷却装置8、9、10(编号方式做必要的修正)。

在进入每个级4、5、6、7之前以及在从每个级4、5、6、7排出之后分别借助于压力测量点PT测量压力，并且借助于温度测量点TT测量温度。因为除了小的和可理解的在中间冷却装置8、9、10中的压力损失之外，在中间冷却装置8、9、10之前的压力和在中间冷却装置8、9、10之后的压力是相同的，在相应的级4、5、6、7之后的压力测量与在接下来的级5、6、7之前的压力测量在压力测量点PT处合并。

第一级4和第三级6设有可调整的进入导流栅11、12，它们的位置借助于各一个位置传感器ZT求出。在压缩机1的入口处，与排出质量流3相同的进入质量流2借助于质量流测量装置FT测量并且作为测量值配属有参数每个级配属有一个模块C421、C422、C423、C424，它进行级单独的计算。单个的模块C421至C424构造成软件程序并且在计算机13上执行。

连续的气体分析单元CGA持续地分析进入质量流2并且将测量的气体成分C20传递到第一模块C421。当进入质量流的成分是变化的时候，这个气体分析单元特别是有意义的可选装备。在这种情况下也可以循环地进行测量。第一模块由质量流测量装置FT和气体成分C20确定物质流量或者质量流并且将这个参数传递到其它的模块C422至C424。其中每个单个的模块C421至C424由级进入温度Ten(级n的进入温度)、级排出温度Tan、级进入压力Pen、级排出压力Pan以及气体成分C20求出多变的效率η_pol n。这个多变的效率η_{pol n}对每个级4、5、6、7显示在显示单元15上。在接近理想的状态下该计算按照下面的公式进行：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pol}}=\frac{1}{v}=\frac{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{C_p}}}{R}\·\frac{\ln \frac{T_a}{T_e}}{\ln \frac{p_a}{P_e}}$

单个的模块C421至C424与中央模块CM处于信息交换连接。中央模块CM使用存储器MEM，此外在它里面为单个的级4、5、6、7存储参考级特性曲线族Ref n。中央模块CM由转速n的测量以及进入导流栅11、12的位置和质量流从相应的参考级特性曲线族Ref n求出附属的级效率η_pol n。在实际的级效率η_pol n ref和参考级效率η_{pol n ref}之间的比值17作为差Δη_pol n为每个级显示在显示单元15上。在这个显示单元15上此外图示地为每个级4、5、6、7可切换地在第一方框21中示出参考级特性曲线族Ref n以及处于它之中的当前的工作点20。在第二方框22中图示地作为参考级特性曲线族Ref n连同当前的工作点20示出了功率消耗(Y：功率；x：质量流)。

图2和图3简化地图解说明在确定参考级特性曲线族Refn时的方式，其中压缩机1和中间冷却装置8、9、10不显示单个的级4、5、6、7地示出。压缩机1被驱动器M驱动。优选在压缩机1准备起动期间关闭输出侧的闭锁装置30并且首先完全打开转换阀FV01或者节流阀。布置在旁通管路BYP中的转换阀FV01在参考级特性曲线族Ref n的求出期间连续地关闭，直到压缩机1在达到泵极限SL。如果压缩机1达到了泵极限SL，在压缩机中的流动断开并且至少冲击式地产生回流，它可作为强烈的波动测量。直到这个点记录的进入温度Ten、排出温度Tan、进入压力Pe n和排出压力Pan以及质量流值的值和进入导流栅11、12的位置连同气体成分C20一起被利用，以对每个级4、5、6、7产生或者至少校正参考特性曲线族。由于整个压缩机1的泵造成的实际的对每个单个的级求出参考特性曲线族的工作限制，单方面限制了参考数据的确定，其中在正常工作期间必要时可以考虑其它的数据作为在产生参考特性曲线族时的参考数据。参考级特性曲线族Ref n的产生可以单方面从理论的先验模型出发，它借助于测量的数据数值地校正或者借助测量的数据可以例如借助于回归将任意的多维的函数匹配参考特性曲线族。在为每个单个的级自动检测参考特性曲线族时，可以应用数值的方法，它产生最优的匹配。优选使用优化算法，它通过理论的特性曲线族的控制产生到测量的值的残值的最小化。

图3示出了参考级特性曲线族Ref n连同描绘在Y轴上的压力比(P_En/P_An)(或者无量纲的压力系数)和描绘在X轴上的体积流量。替代地也可以在X轴上描绘借助于音速标准化的体积流量，这样该示意图变成不变的。此外可以设置附加的以转速或者环境马赫数形式的组参数(Scharparameter)，它们由于清楚原因而在这里略去。包括五个曲线51-55的曲线组表示不同的转速或者入口导向装置11、12的位置，以左下的最小转速开始。朝更高的压力比，参考级特性曲线族Ref n的曲线51-55通过泵极限线SL限制。朝更小的压力比，该测量通过借助于线60象征性表现的节流阀完全的阀打开的状态限制。当前的工作点20处于曲线组的中间的曲线53上。

测量参数的求出不仅可以在单独接近特定的工作点时、在起动过程中进行，而且可以在调节中进行。

Claims (13)

1.用于监控至少两级的压缩机(1)在压缩过程介质时的效率的方法，其中在所述级之间设有中间冷却装置，其中作为参数确定

-通过压缩机(1)的流量，

-吸入的过程介质的进入压力(Pe n)，

-压缩的过程介质的排出压力(Pa n)，

-吸入的过程介质的进入温度(Te n)，

-压缩的过程介质的排出温度(Ta n)，

并且借助于计算装置由所述参数计算出功率系数，其特征在于，

-作为测量参数在每个级(4、5、6、7)的入口处直接或间接地测量级进入温度(Ten)和级进入压力(Pen)，

-作为测量参数在每个级的出口处直接或间接地测量级排出温度(Tan)和级排出压力(Pan)，

-每个级(4、5、6、7)配属有模块，作为功率系数所述模块借助于所述计算装置由所述测量参数计算出级效率η_pol n，

其中级效率η_pol n由在入口和出口处的测量参数之间的实际气体状态方程的数值积分来确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中只有一个模块由至少一个测量进行流量计算，并且将确定的流量传送到其它的模块。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述模块构造成软件程序，其在借助于计算机(13)执行时由所述测量参数确定相应的级(4、5、6、7)的级效率η_pol n。

4.根据权利要求1所述的方法，其中模块具有自身的用于测量参数的输入通道。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量参数首先储存在存储器(MEM)中，并且所述模块从所述存储器调用所述测量参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述模块直接从机器控制器或者压缩机调节器中调用所述测量参数。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中级效率η_pol n作为多变的级效率确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其中级效率η_pol n作为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pol}}=\frac{1}{v}=\frac{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{C_p}}}{R}\·\frac{\ln \frac{T_a}{T_e}}{\ln \frac{p_a}{P_e}}$

计算，在此η_pol是级n的多变的效率，v是多变比值，是在相应的压力和温度范围上平均的比热容，R是理想的气体常数，Ta是排出温度，Te是进入温度，Pa是排出压力并且Pe是进入压力，所有的参数都涉及相应的级n。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中在存储器(MEM)中为每个级(4、5、6、7)储存参考级特性曲线族(Ref n)，计算单元由所述参考级特性曲线族从所述测量参数求出参考级效率η_pol n ref并且将该参考级效率与所述级效率η_pol n形成数值的比值(17)，其中该比值(17)显示在显示单元(15)上。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中压缩机(1)构造成涡轮压缩机。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中在压缩机(1)的单个的级(4、5、6、7)之间设有中间冷却装置(8、9、10)。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中过程介质的成分(C20)自动借助于连续的气体分析CGA检测，并且是用于计算级效率η_pol n的输入参量。

13.根据权利要求9所述的方法，其中参考级特性曲线族(Ref n)在校准运行期间确定，在此在至少一个进入导流栅(11、12)的不同的导向叶片位置和/或压缩机(1)的转子的不同的转速(n)的情况下，将压力侧的节流阀从完全打开位置逐步地或者连续地关闭，直到达到了泵极限(SL)。