DE2916490C2 - Vorrichtung zum Überwachen des Betriebsverhaltens der Ventile eines Kolbenkompressors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen des Betriebsverhaltens der Ventile eines Kolbenkompressors, mit einer Meßanordnung zum Erfassen einer physikalischen Größe, die sich bei Ventilslörungen ändert, und zum Darstellen einer solchen ventilstörungsbedingten Änderung.

Für den wirtschaftlichen Betrieb von Kolbenkompressoren, insbesondere Höchstdruckkompressorcn, wie sie in verfahrenstechnischen Anlagen, z. B. zum Verdichten von Äthylengas verwendet werden, ist das gute Funktionieren der Ventile von entscheidender Bedeutung. Während eines Arbeitsspiels des Plungers des Kolbenkompressors unterliegen das Saugventil und das Druckventil, die beide im Zylinderkopf angeordnet sind, einem bestimmten Bewegungsablauf.

Aus der DE-OS 15 03 466 ist eine Überwachungsvorrichtung für einen Kolbenkompressor bekannt, bei der an mehreren kritischen Stellen des Kompressors Temperaturfühler vorgesehen sind. So ist ein Temperaturfühler in der Sammelkammer für das verdichtete Gas im Bereich der Auslaßventile zweier Zylinder angeordnet. Weitere Temperaturfühler befinden sich in der Ansaugleitung, in der Ansaugkammer und in der Druckleitung. Alle Temperaturfühler sind in einer Komparatorschaltung miteinander verbunden, in der die gemessenen Temperaturen verglichen werden und über die bei Auftreten bestimmter Temperaturen oder Temperaturabweichungen der Kompressor abgeschaltet wird. Bei dieser Überwachungsvorrichtung ist nachteilig, daß die Temperaturfühler durch das Gehäuse des Zylinderkopfes bzw. des Zylinderblockes bzw. durch die Leitungen hindurchgeführt werden müssen, was konstruktiv aufwendig ist und zusätzlich Dichtungsprobleme mit sich bringt, die ihrerseits zu Betriebsstörungen Anlaß geben können. Außerdem sind die Temperaturmessungen wenig empfindlich und es ist bei einem

ίο Abschalten des Kompressors nicht unbedingt sicher, daß als Abschaltgrund ein Ventildefekt vorliegt. Eine Temperaturmessung ist wenig repräsentativ für einen Ventildefekt, und zwar auch dann nicht, wenn die Messung unmittelbar am Ventil vorgenommen wird.

Aus der Zeitschrift »Konstruktion« 1974, Seite 143 bis 151, ist es bekannt, Leistungsmessungen und Messungen der Gassäulenschwingungen in der Druckleitung eines schnellaufenden Kolbenkompressors durchzuführen. Die Meßeinrichtung umfaßt einen Piezoquarz, der den zeitlichen Druckverlauf in einem Zylinder und im Druckstutzen feststellt, wobei der Druckverlauf in einem Oszillographen sichtbar gemacht wird. Außerdem ist in der Meßeinrichtung ein Phasengeber für die Kurbelstellung vorgesehen. Ein Zusammenhang zwisehen den Gassäulenschwingungen einerseits und Ventilschäden andererseits ist bei der bekannten Meßeinrichtung nicht gegeben.

Aus der Zeitschrn ·: »Konstruktion« 1959, Seite 396 bis 406, ist eine Meßeinrichtung bekannt, in der Huboszillogramme von Verdichterventilen in Korrelation zum Phasenwinkel aufgenommen wurden, um den Einfluß unterschiedlicher Formgebung der Ventile und unterschiedlicher Befederung der Ventile auf das Ventilverhalten zu bestimmen. Für das Saugventil und das Druckventil wurde je ein induktiver Hubgeber vorgesehen, wobei der Geber für einen Typ von Druckventilen mit einer Kühlung versehen werden mußte. Die Geber sind im Zylinderkopf nahe den Ventilen eingebaut und ihr beweglicher Geberteil ist mit der betreffenden

Ventilplatte verbunden. Ähnlich wi,- bei der bekannten Überwachungsvorrichtung mit Temperaturfühlern ist hier das Hindurchführen der Hübgeber durch das Gehäuse des Zylinderkopfes hinsichtlich ihrer Abdichtung problematisch. Außerdem sind die Huboszillogramme nicht unbedingt repräsentativ für das Auftreten eines Ventilschadens, weil das Oszillogramm unverändert bleiben kann, obwohl das betreffende Ventil einen Schaden aufweist.

Das gleiche gilt für eine aus der »VDI-Z« 1955, Seite 72 bis 76, bekannte Meßeinrichtung zum Aufnehmen von Huboszillogrammen von Ventilen raschlaufender Verdichter, in der die Hubgeber als kapazitive Geber ausgebildet sind. Auch hier sind die Geber durch das Gehäuse des Zylinderkopfes hindurchgeführt. In dem Aufsatz ist zwar erwähnt, daß die Überprüfung der Ventilbewegungen ein willkommenes Mittel ist, um im Vergleich mit Messungen der Drücke, der Liefermengen usw. etwaige Mangel festzustellen. Durch das Einbeziehen von Messungen der Drücke und der Liefermengen wird die Vorrichtung für das Ermitteln von Ventilschäden jedoch sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überwachungsvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie mit relativ geringem konstruktivem Aufwand einen etwaigen Schaden an den Ventilen schneller und empfindlicher erfaßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßanordnung einen Körperschallaufnehmer an jedem

Zylinderkopf, einen Phasengeber zum Erfassen der Kurbeltrieb-Position und eine Einrichtung zum Auswerten der Körperschallsignal-Ändeningen in Korrelation mit den Phasensignalen umfaßt.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß sich der bei normalem störungsfreiem Betrieb ergebende Bewegungsablauf der Ventile als Körperschallschwingungskurve auftragen läßt und daß bei Störungen an den Ventilen Abweichungen von dieser Kurve auftreten können. Störungen an den Ventilen machen ι« sich durch Schlagen und/oder sogenanntes Blasen, was Undichtheit des Ventiles bedeutet, bemerkbar. Solches Schlagen und Blasen sind einwandfrei und rasch erkennbare Abweichungen vom Norrnalverlauf der Schwingungskurve. Durch die Zuordnung des Kurbel- '5 trieb-Positionssignals kann festgestellt werden, ob das Saugventil und/oder das Druckventil von einer Störung betroffen ist. Durch die Verwendung von Körperschallaufnehmern werden mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung etwaige Ventilschäden sofort erfaßt. Da bei dieser Überwachungsvorrichtung für jeden Zylinder nur ein Körperschailaufnehmer vorgesehen ist, der also beiden Ventilen des Zylinders zugeordnet ist, bleibt der konstruktive Aufwand gering. Dieser Vorteil wird noch dadurch unterstützt, daß die Körperschallaufnehmer am Zylinder angebracht werden, also nicht das Gehäuse des Zylinderkopfes durchdringend im Gasstrom liegen. Dadurch treten mit dem Anbringen der Körperschallaufnehmer keine zusätzlichen Dichtungsprobleme und dadurch verur- J" sachte Störungsmöglichkeiten auf. Dies ist besonders wichtig bei Höchstdruckkompressoren, in denen Drükke von 2000 bar auftreten können. Vorteilhaft für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ferner, daß sie nicht von Messungen der Drücke und Liefermengen des S3 Kompressors abhängig ist.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils einer ίο HöchstdruckAolbenkompressoranlage mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fi g. 2 eine Draufsicht der Anlage nach Fig. I,

Fig. 3 einen schematischen Axialsehnitt durch einen Zylinderkopf des Kolbenkompressors.

F i g. 4a ein Diagramm über den zeitlichen Druckverlauf im Kompressionsraum eines Zylinders.

Fig. 4b—d je ein Diagramm über Schwingungsverläufe der Ventile im Zylinderkopf und

Fig. 5 ein Blockschaltschema einer elektronischen Auswerteeinrichtung für mehrere Körperschallaufnehmer.

Gemäß Fig. I und 2 weist die Höchstdnickkompressoranlage, die beispielsweise zur Verdichtung von Äthylen-Gas auf mehr als 2000 bar bestimmt ist, mehrere — in diesem Fall vier — Zylinder 1, 2, 3 und Λ ajf, die nebeneinander angeordnet und von einer gemeinsamen Kurbelwelle 5 angetrieben sind. Die Kurbelwelle 5 ist in bekannter Weise in einem für alle Zylinder gemeinsamen Kurbelgehäuse 6 gelagert, an bo das sich vier Schubstangengehäuse 7 anschließen, in denen je ein Kreuzkopf untergebracht ist, der die Verbindung zwischen der Schubstange und dem Plunger herstellt. An jedes Schubstangengehädse 7 schließt sich ein Zylinder 8 an, in dem das Gas mittels des Plungers verdichtet wird. Jedtr Zylinder 8 weist einen Zylinderkopf 9 auf, in dem je ein Saug- und Druckventil untergebracht ist, was in F ; g. 3 näher dargestellt ist. Am Kurbelgehäuse 6 ist ein Phasengeber 10 angeordnet, der die jeweilige Winkellage der Kurbelwelle, d. h, den Kurbelwinkel erfaßt. An jedem Zylinderkopf 9 ist ein Körperschallaufnehmer 35 vorgesehen. Das zu verdichtende Gas wird über einen Ansaugstutzen 15 in den jeweiligen Zylinder geleitet und verläßt diesen über einen Austrittstutzen 16.

Gemäß Fig.3 ist im Zylinder 8 der Plunger 21 geführt. Im Zylinderkopf 9 ist seitlich ein winkelförmiger Kanal 22 vorgesehen, durch den das vom Ansaugstutzen 15 kommende, zu verdichtende Gas dem Kompressionsraum 23 im Zylinder 8 zugeführt wird. Zwischen dem Kanal 22 und dem Kompressionsraum 23 ist das auf einer Feder 24 abgestützte Saugventil 26 vorgesehen. Außerdem weist der Zylinderkopf 9 einen Kanal 28 auf, der vom Kompressionsraum 23 zum Druckventil 29 führt, das auf einer Feder 27 abgestützt ist. Die Verlängerung des Kanals 28 führt das verdichtete Gas vom Druckventil 29 zum Austrittstutzen 16.

Am Flansch des Austrittstutzens -i ist ein Körpersehaiiaufnehmer 35 lösbar befestigt, dfr das Schwingungsverhalten der beiden Ventile 26 und 29 erfaßt.

Gemäß F i g. 5 ist der Körperschallaufnehmer 35 über einen Vorverstärker 36 mit einem Multiplexer 33 einer Auswerfeinrichtung verbunden. Auf diesen Multiplexer sind außerdem die Körperschallaufnehmer der übrigen Zylinder des Kompressors über je einen Vorverstärker geschaltet. Über den Multiplexer 33 können nacheinander alle Körperschallaufnehmer 35 an die dem Multiplexer folgende Schaltung der Auswerteeinrichtung angeschlossen werden. Diese Schaltung weist einen Verstärker 37 auf, der über eine einen Detektor 38 für die Pulsdauer enthaliende Signalleitung 39 auf ein Logikglied 40 geschaltet ist. Das Logikglied 40 weist einen zweiten Eingang auf, auf den der Phasengeber 10 über einen Markenschieber 41 geschaltet ist, der seinerseits mit dem Multiplexer 33 in Wirkungsverbindung steht. An den Ajsganj des Logikgliedes 40 ist ein Schreiber 42 angeschlossen. Die Schaltung weist ferner ein an den Ausgang des Ventärkers 37 angeschlossenes Glied 43 auf, in dem die Hüllkurve der vom jeweiligen Körperschallaufnehmer erfaßten Schwingung ermittelt wird. Der Ausgang des Gliedes 43 ist mit einem Integrator 44 verbunden, in dem die Integration der Hüllkurve stattfindet und dessen Ausgang auf ein Vergleichsorgan 45 geschaltet ist. Der zweite Eingang des Vergleichsorgans 45 ist unter Zwischenschaltung eines Verzögerungsgliedes 46 mit einem Grenzwertgeber 47 verbunden. Der Ausgang des Vergleichsorgans 45 führt zu einem Alarmgeber 48. Über eine Signalleitung 49 ist an den Ausgang des Verstärkers 37 ein Glied 50 angeschlossen, das jeweils den Spitzenwert der Schwingungen erfaßt und einem Vergleichsorgan 51 zuführt. Der zweite Eingang des Vergleichsorgans 5t ist über ein Verzögerungsglied 52 mit einem Grenzwertgeber 53 für den Spitzenwert verbunden. Der Ausgang des Vergleichsorgans 51 führt ebenfalls zum Alarmgeber 48. Schließlich kann die Auswerteeinrichtu.ig über eine Signalleitung 54 mit nicht dargestellten Registriergeräten verbunden sein,

Im Betrieb des Kolbenkompressors entstehen Schwingungen, die von den schlagartigen Bewegungen der Verschlußteile der Saug- und Druckventile sowie von der Strömung des Mediums in den Ventilspalten herrühren und sich als Körperschall durch den Zylinderkopf fortpflanzen. In Fig.4b bis 4d sind drei mögliche Schwingungsverläufe in Beziehung zum

Bewegungsablauf des Plungers (Fig.4a) dargestellt. Fig. 4b zeigt den Schwingungsvcrlauf in einem Zylinderkopf mit normal arbeitenden Ventilen. F i g. 4c den Schwingungsverlauf eines blasenden Vcntiles, d. h. ein Druckventil ist während der Saugperiode undicht, und F i g. 4d den Schwingungsverlauf eines schlagenden Ventiles. d. h. z. B. die Ventilfeder im Druckventil ist defekt.

Diese Schwingungen werden von den Körperschallaufnehmern 35 erfaßt, die entsprechende Signale über ■den zugehörigen Vorverstärker 36 und den Multiplexer 33 an den Verstärker 37 abgeben, wobei also jeweils das .Schwingungssignal desjenigen Körperschall.uifnohmers 35 zum Verstärker 37 gelangt, das vom Multiplexer 33 auf diesen Verstärker geschallet ist. Das vun Verstärker 37 verstärkte Signal gelangt /um Detektor 38 sow ie /u den Gliedern 43 und 50. Im Detektor 38 wird die Pulsdauer ermittelt und ein entsprechendes Signal /um Logikglied 40 geleitet. Im l.ogikglied 40 wird unter Berücksichtigung des vom Phasengeber iO /ugeiünneri Signals festgestellt, ob ein Ventil schlägt oder bläst. Über den vom Multiplexer 33 beeinflußten Markenschieber 41 findet die Zuordnung des Phasensignals /um jeweiligen Zylinder des Kompressors statt. Schläge machen sich durch eine kurze Pulsdauer, beispielsweise kleiner als 10 ins, bemerkbar, wogegen beim Blasen eine große Pulsdauer, beispielsweise mehr als 80 ms auftritt.

'< Aus den ermittelten Pulsdauern in Verbindung mit dem Phasensignal wird dann ermittelt, an welchem Zylinder ein Ventil schlägt oder bläst, was am Schreiber 42 abzulesen ist.

Für das vom Verstärker 37 abgegebene Schwingungs-

in signal wird im Glied 43 die Hüllkurve ermittelt und im Integrator 44 die Fläche unter der Hiillkurve integriert. Wenn dieses Intcprationssignal das vom Oren/wcrtgeber 47 abgegebene Gren/wertsignal übersteigt, so wird über das Vergleichsorgan 45 ein entsprechendes Signal

i'' /um Alarmgeber 48 weilergeleilel. Aufgrund eines solchen Alarms kann dann der Kompressor abgeschaltet werden. Das gleiche kann eintreten, wenn der Spitzenwert des vom Verstärker 37 kommenden Schwingungssignals. der vom Glied 50 erfaßt wird, den

-'" vom Gren?wengeber 53 abgegebenen Gieii/»eti übersteigt und das Vergleiuhsorgan 51 ein entsprechendes Signal /um Alarmgeber 48 weiterleitet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   U Vorrichtung zum Oberwachen des Betriebsverhaltens der Ventile eines Kolbenkompressors, mit einer Meßanordnung zum Erfassen einer physikalischen Größe, die sich bei Ventilstörungen ändert, und zum Darstellen einer solchen ventilstörungsbedingten Änderung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung einen Körperschallaufnehmer (35) an jedem Zylinderkopf, einen Phasengeber (10) zum Erfassen der Kurbeltrieb-Posiüon und eine Einrichtung zum Auswerten der Körperschallsignal-Änderungen in Korrelation mit den Phasensignalen umfaßt
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung einen Detektor (38) für die Pulsdauer sowie ein Logikglied (40) enthält und daß das vom Körperschallaufnehmer (35) abgegebene Signal über den Detektor (38) und das vom Phasengeber (10) abgegebene Signa! auf das Logikgted (40) geschaltet sind, dessen Ausgangssignale repräsentativ für die Art einer Ventilstörung und ihre Zuordnung zu bestimmten Ventilen (26,29) sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung ein Glied (43) zum Ermitteln der Hüllkurve des vom Körperschallaufnehmer (35) abgegebenen Signals, einen Integrator (44) für die Integration der ermittelten Hüllkurve sowie ein Vergleichsorgan (45) mit Grenzwertgeber (47) enthält.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung ein Glied (50) zum Erfassen des Spitzenwertes des vom Körperschallaui'nchmer (35) abgegebenen Signais sowie ein Vergleichsorgjn (51) mit Grenzwertgeber (53) für den Spitzenwert enthält.