Einrichtung zur Verbesserung des Teillastbetriebes einer Turboverdichteranlage Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ver besserung des Teillastbetriebes einer Turboverdich- teranlage.
Eine wirtschaftliche Regelung von Turboverdich tern bei veränderlicher Ansaugmenge und konstantem Enddruck sowie auch bei beliebiger Zuordnung von Menge und Druck kann bekanntlich durch Verstel lung der Drehzahl erreicht werden. Diese lässt sich verhältnismässig einfach verwirklichen, wenn der Ver dichter von einer Dampfturbine angetrieben wird. Es sind aber auch Einrichtungen an Elektromotoren be kannt, welche deren Drehzahlverstellung ermöglichen. Diese bedingen aber entweder bedeutende zusätzliche Verluste, welche die durch die Drehzahlverstellung erreichte Leistungsersparnis am Verdichter wieder aufheben, oder sie verursachen sehr hohe Anschaf fungskosten.
Bei Antrieb durch Elektromotoren betreibt man die Turboverdichter daher heute noch meist mit kon stanter Drehzahl und regelt die Fördermenge bei spielsweise durch Verstellen einer in der Saugleitung angeordneten Drosselklappe. Es sind aber auch an dere Massnahmen bekannt, wie z. B. das Vorschalten einer mit dem Verdichter gekuppelten Turbine, wel che gestattet, die sonst durch Drosselung vernichtete Energie in mechanische Arbeit umzusetzen. Auf diese Weise erzielt man eine gewisse Ersparnis an Antriebs leistung für den Verdichter. Es gelingt aber dabei nicht, den stabilen Betriebsbereich des Verdichters über den bei Saugdrosselung erreichbaren zu erwei tern.
Jeder Turboverdichter gelangt bekanntlich bei Rückgang des Saugvolumens unterhalb einem gewis sen Betrag in einen instabilen Betriebsbereich. Wird nun durch ein Drosselorgan in der Saugleitung der Eintrittsdruck des Verdichters vermindert, so erhöht sich das Fördervolumen am Eintritt des Verdichters im selben Verhältnis wie der Absolutdruck abnimmt. Hat nun das Eintrittsvolumen die unterste Grenze des stabilen Betriebsbereiches des Verdichters erreicht, so hat das Ansaugvolumen vor dem Drosselorgan einen im Verhältnis der Absolutdrücke nach und vor dem Drosselorgan kleineren Wert.
Die Saugdrosse lung erlaubt also, den Verdichter mit einem kleineren Ansaugvolumen zu betreiben, als wenn das Förder- mittel im Zustande vor der Drosselklappe unmittel bar in den Verdichter eingeführt würde. Wie weit ge drosselt werden kann, hängt dabei davon ab, wieviel das vom Verdichter erzeugte Druckverhältnis an der Grenze des Stabilitätsbereiches das geforderte Ver dichtungsverhältnis übersteigt.
Wird das Drosselorgan durch eine Turbine er setzt, so ändert sich das an der Stabilitätsgrenze er zeugte Verdichtungsverhältnis vom Eintritt bis zum Austritt des Verdichters praktisch nicht. Es kann da her der Eintrittsdruck am Verdichter auch nicht wei ter abgesenkt werden als bei der Saugdrosselung.
Die Massnahme gemäss Erfindung besteht nun darin, dass bei einer Turboverdichteranlage mit einem ein gasförmiges Fördermittel in eine Druckleitung för dernden Hauptverdichter im Nebenschluss zur Druck leitung ein Zusatzverdichter geschaltet wird, der von einer mit von der Drehzahl des Hauptverdichters un abhängiger Drehzahl laufenden Turbine angetrieben wird und dass eine Verbindungsleitung zwischen dem Strömungsweg des Fördermittels und dieser Turbine vorgesehen ist, welche mindestens einem Teil des Fördermittels ermöglicht, von einem zwischen dem Eintrittsdruck und dem Austrittsdruck des Hauptver dichters liegenden Druck durch die Turbine unter Arbeitsleistung auf einen tieferen Druck zu entspan nen.
Durch diese Massnahme wird nun erreicht, dass bei Inbetriebnahme der erwähnten Turbine das aus dem Verdichter austretende Fördermittel noch zu- sätzlich verdichtet wird. Bei einem festgelegten Ver- dichtungsenddruck gelangt so zumindest die letzte Stufe des Hauptverdichters auf ein tieferes Druck niveau. Es wird daher auch möglich, die Förder menge entsprechend zu erniedrigen, ohne dass der Hauptverdichter in den instabilen Betriebsbereich kommt.
In den Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung ist je ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ver einfacht dargestellt, wobei sich die einzelnen gezeig ten Ausführungsformen im wesentlichen durch die Anordnung der den Zusatzverdichter antreibenden Turbine mit Bezug auf den Strömungsweg des För- dermittels voneinander unterscheiden.
Gemäss Fig. 1 wird ein zweigehäusiger Hauptver dichter mit den Stufen 1 und 2 von einem Elektro motor 3 angetrieben. Das Fördergas wird der Stufe 1 durch eine aus den Teilen 4, 5 und 6 bestehende Saugleitung zugeführt. Eine Verbindungsleitung 7 mit eingebautem Zwischenkühler 8 leitet das aus der Stufe 1 austretende Fördermittel zum Eintritt der Stufe 2. Vom Austritt dieser Stufe gelangt das För- dermittel in eine aus den Teilen 9, 10 und 11 be stehende Druckleitung. Zwischen den Teilen 9 und 10 ist ein Nachkühler 12 eingebaut.
Im Nebenschluss zum Teil 10 der Druckleitung ist nun ein Zusatzverdichter 13 geschaltet, dessen Ein tritt über eine Leitung 14 mit einer Stelle 15 und dessen Austritt über eine Leitung 16 mit einer Stelle 17 der Druckleitung verbunden ist. In dem parallel zum Zusatzverdichter 13 geschalteten Teil 10 der Druckleitung ist ein Rückschlagventil 18 eingebaut.
Der Zusatzverdichter 13 wird von einer mit von der Drehzahl des Hauptverdichters 1, 2 unabhängiger Drehzahl laufenden Turbine 19 angetrieben. Die Tur bine 19 steht eintrittseitig über eine Leitung 20 mit einer Stelle 21 und austrittseitig über eine Leitung 22 mit einer Stelle 23 der einen Teil des Strömungs weges des Fördermittels bildenden Saugleitung 4, 5, 6 in Verbindung und ist somit im Nebenschluss zum Teil 5 der Saugleitung des Hauptverdichters 1, 2. ge schaltet. In diesem Teil der Saugleitung ist ferner ein Abschlussorgan 24 eingebaut.
Die Arbeitsweise der Anlage ist folgende: Bei Betrieb mit grossen Fördermengen ist das Ab schlussorgan 24 voll geöffnet. Beim Durchströmen des Teiles 5 der Saugleitung ergibt sich dann praktisch kein Druckabfall, so dass die im Nebenschluss zwi schen die Stellen 21 und 23 der Saugleitung geschal tete Turbine 19 kein Druckgefälle erhält. Sie steht daher still und mit ihr auch der Zusatzverdichter 13. Das vom Hauptverdichter 1, 2 geförderte Mittel strömt daher nach dem Kühler 12 durch den Teil 10 der Druckleitung und das in diesem Teil eingebaute Rückschlagventil 18.
Bei Teillastbetrieb mit kleinen Fördermengen wird dagegen das Abschlussorgan 24 geschlossen. Durch die Saugwirkung des Hauptverdichters 1, 2 wird dann dessen Eintrittsdruck und damit auch der Druck an der Stelle 23 unter den Druck an der Stelle 21 der Saugleitung abgesenkt.
Der Druck an der Stelle 21 liegt daher zwischen dem Eintrittsdruck und dem Austrittsdruck des Hauptverdichters 1, 2, und die Verbindungsleitung 20, 22 ermöglicht nun dem För- dermittel, vor dem Eintritt in die Verdichterstufe 1 von dem Druck an der Stelle 21 der Saugleitung durch die Turbine 19 unter Arbeitsleistung auf den an der Stelle 23 der Saugleitung herrschenden tie feren Druck zu entspannen.
Die Turbine 19 treibt dabei den Zusatzverdichter 13 an, welcher nun ein Druckgefälle zwischen den Stellen 17 und 15 der Druckleitung erzeugt. Das Rückschlagventil 18 verhindert dabei ein Rückströ men des Fördermittels durch den Leitungsteil 10. Das aus der Stufe 2 des Hauptverdichters austretende Fördermittel strömt somit nach Kühlung im Kühler 12 von der Stelle 15 der Druckleitung durch die Lei tung 14, wird im Zusatzverdichter 13 weiterverdich tet und schliesslich durch die Leitung 16 an der Stelle 17 wieder in die Druckleitung zurückgeführt.
Durch den Zusatzverdichter 13 wird nun das von der Verdichteranlage erzeugbare Verdichtungsverhält nis über jenes des Hauptverdichters 1, 2 allein erhöht. Die Turbine 19 kann daher so ausgelegt werden, dass bei Forderung eines bestimmten Enddruckes in der Druckleitung der Druck in der Zuleitung 6 zur Ein trittseite des Hauptverdichters 1, 2 geringer ist, als wenn der Zusatzverdichter 13 nicht vorhanden wäre. Die Verdichteranlage ist daher in der Lage, bis zu einem kleineren Volumen des Fördermittels, bezogen auf den Zustand im Teil 4 der Saugleitung, stabil zu arbeiten.
Da die Turbine 19 im Vergleich zum Verdichter 13 ein verhältnismässig grosses Durchsatzvolumen zu verarbeiten hat, ist sie gemäss dem in Fig. 1 dar gestellten Ausführungsbeispiel zweiflutig ausgebildet. Es ist aber auch möglich, erforderlichenfalls den Zu satzverdichter 13 durch mehr als zwei von Förder- mittel parallel durchströmte Turbinenteile anzutrei ben. Um eine günstige Auslegung von Turbine und Zusatzverdichter zu erhalten, kann aber auch zwi schen beide ein Übersetzungsgetriebe eingeschaltet werden, wobei dann der Zusatzverdichter rascher um laufen würde als die ihn antreibende Turbine.
Das im Teil 5 der Saugleitung eingebaute Ab schlussorgan 24 wird zweckmässig als Drosselorgan ausgeführt, welches in eine beliebige Zwischenlage eingestellt werden kann, bei der nur ein Teil der ge samten Fördermenge durch den Leitungsteil 5 strömt, während der restliche Teil durch die Turbine 19 fliesst. Durch entsprechende Veränderung der Stellung des Drosselorgans kann dabei das Verhältnis der durch die Turbine 19 strömenden Fördermittelmenge zur gesamten Fördermittelmenge innerhalb bestimmter Grenzen beliebig eingestellt werden. Ist das Drossel organ zwischen voller Öffnung und vollkommenem Abschluss verstellbar, so lässt sich dieses Verhältnis zwischen den Werten null und eins beliebig verän dern.
Gemäss Fig. 2 weist der Hauptverdichter drei in Reihe geschaltete Stufen 25, 26, 27 auf, welche durch einen Elektromotor 28 angetrieben werden. Beim Be trieb mit grossen Fördermengen gelangt das durch eine Saugleitung 29 in die Stufe 25 eintretende För- dermittel nach Durchströmen dieser Verdichterstufe in eine überströmleitung 30, durch welche es der nächsten Stufe 26 zugeführt wird. Der Austritt der Stufe 26 ist weiter mit dem Eintritt der Stufe 27 durch eine überströmleitung 31 verbunden.
Nach dem Austritt aus der Stufe 27 gelangt das Förder- mittel in eine aus den Teilen 32, 33 und 34 be stehende Druckleitung. In den überströmleitungen 30 und 31 ist je ein Zwischenkühler 35 bzw. 36 ein gebaut.
Ein Zusatzverdichter 37 ist im Nebenschluss zum Teil 33 der Druckleitung geschaltet. Die Eintritt seite des Zusatzverdichters 37 steht über eine Lei tung 38 mit einer Stelle 39 und die Austrittseite über eine Leitung 40 mit einer Stelle 41 der Druckleitung in Verbindung. In dem parallel zum Zusatzverdichter 37 geschalteten Teil 33 der Druckleitung ist ein Rückschlagventil 42 angeordnet. In der Zuleitung 38 zum Zusatzverdichter 37 ist ferner ein Zwischen kühler 43 eingebaut.
Der Zusatzverdichter 37 wird hier wieder von einer mit von der Drehzahl des Hauptverdichters 25, 26, 27 unabhängiger Drehzahl laufenden Turbine 44 angetrieben. Diese Turbine ist über eine Leitung 45 mit dem Strömungsweg des Fördermittels verbunden, wobei in diesem besondern Falle die Verbindungs leitung 45 an einer Stelle 46 der Oberströmleitung 30 zwischen den beiden Stufen 25 und 26 des Hauptver dichters anschliesst. Die Leitung 45 dient als Ent nahmeleitung für der Turbine 44 als Treibmittel zuzu führendes, von der Stufe 25 des Hauptverdichters ver dichtetes Fördermittel.
Die Leitung 45 ist mit einem Abschlussorgan 47 versehen, und in der überströmleitung 30 ist zwi schen der Entnahmestelle 46 und dem Eintritt der nachfolgenden Verdichterstufe 26 ein Drosselorgan 48 eingebaut.
Bei Betrieb mit grossen Fördermengen ist das Ab schlussorgan 47 vollkommen geschlossen. Das vom Verdichter 25 aus der Atmosphäre angesaugte För- dermittel durchströmt dann nacheinander die Stufen 25, 26 und 27 des Hauptverdichters und gelangt her nach vom Teil 32 über den Teil 33 und das Rück schlagventil 42 in den Teil 34 der Druckleitung. Die Turbine 44 erhält keine Leistung, und eine Förderung durch den Zusatzverdichter 37 findet nicht statt.
Soll dagegen die Anlage mit kleiner Fördermenge betrieben werden, so wird das Abschlussorgan 47 ge öffnet und das Drosselorgan 48 so weit geschlossen, dass ein Druckunterschied zwischen der Entnahme stelle 46 und dem Eintritt der nachfolgenden Ver- dichterstufe aufrechterhalten wird.
Es kann nun der durch die Leitung 45 strömende Teil des Fördermit- tels von dem zwischen dem Eintrittsdruck und dem Austrittsdruck des Hauptverdichters 25, 26, 27 lie- genden Druck an der Stelle 46 der überströmleitung 30 durch die Turbine 44 unter Arbeitsleistung auf den Saugdruck des Hauptverdichters 25, 26, 27, das heisst, in diesem Fall auf den Atmosphärendruck ent spannen.
Die Turbine 44 treibt dabei den Zusatzver dichter 37 an, welcher in gleicher Weise, wie an Hand der Fig. 1 beschrieben wurde, das Fördermittel nach dem Austritt aus der letzten Stufe des Hauptverdich ters weiterverdichtet und unter Umgehung des Rück schlagventils 42 in den Teil 34 der Druckleitung för dert.
Bei einem vorgegebenen Enddruck wird nun auch hier durch die Wirkung des Zusatzverdichters 37 der Austrittsdruck der letzten Stufe 27 des Hauptver dichters erniedrigt. Die beiden Stufen 26 und 27 arbeiten somit unter vermindertem Druckniveau und können daher mit geringerer Fördermenge immer noch im stabilen Betriebsbereich arbeiten.
Durch entsprechende Einstellung des als Drossel organ ausgebildeten Abschlussorgans 48 ist es mög lich, den Eintrittsdruck der Stufe 26 des Hauptver dichters bis auf den Saugdruck der Stufe 25, in diesem Fall auf den Atmosphärendruck, abzusenken. Bei der Anlage gemäss Fig.2 ist nun noch eine die über strbmleitung 30 an einer Stelle 49 unmittelbar mit der Atmosphäre verbindende Leitung 50 mit eingebautem Rückschlagventil 51 vorgesehen. In diesem Fall kann bei Teillastbetrieb das Drosselorgan 48 vollständig geschlossen werden, so dass die ganze Fördermenge der Stufe 25 des Hauptverdichters gezwungen wird, in der Turbine 44 zu entspannen.
Die nachfolgende Verdichterstufe 26 saugt dann unmittelbar von der Atmosphäre an. Der Zusatzverdichter 37 muss dann so bemessen werden, dass er das nun für die Verdich tung ausfallende Verdichtungsverhältnis der Stufe 25 wieder ersetzt.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung wird der stabile Betriebsbereich im Vergleich. zu der Schaltung nach Fig. 1 noch mehr gegen die kleinen Förder mengen erweitert. Es ist nämlich zu beachten, dass die erste Stufe 25 des Hauptverdichters gewichts mässig eine grössere Strömungsmittelmenge fördert als die nachfolgenden Stufen 26 und 27 des Hauptver dichters. Damit steht der Turbine 44 eine grössere Leistung zur Verfügung, als wenn in ihr nur eine gleich grosse Strömungsmittelmenge entspannen würde, wie sie im Zusatzverdichter 37 zu verdichten ist.
Dem Zusatzverdichter 37 kann daher ein entspre chend höheres Verdichtungsverhältnis zugewiesen werden.
Es kann hierbei sogar erreicht werden, dass bei spielsweise bei halber in die Druckleitung 34 gelan gender Fördermenge der Hauptverdichter trotzdem noch im gleichen Betriebszustand läuft wie bei der vollen Menge. Als Beispiel sei angenommen, dass die Verdichterstufen 25, 26 und 27 je für ein Verdich tungsverhältnis 1 : 2 ausgelegt seien, so dass das ge samte Verdichtungsverhältnis 1 : 8 beträgt. Wird nun auch bei halber Fördermenge das gleiche gesamte Ver dichtungsverhältnis gefordert, so wird das Drossel- Organ 48 vollständig geschlossen. Die Verdichtungs stufe 26 saugt dann durch die Leitung 50 von der Atmosphäre an. Sie hat dabei den halben Eintritts druck und fördert bei gleichem Betriebszustand, das heisst bei gleichem Eintrittsvolumen gewichtsmässig die halbe Menge.
Die Stufen 26 und 27 behalten dabei ihr Verdichtungsverhältnis 1 : 2, so dass sie das Fördermittel im gesamten wieder im Verhältnis 1 : 4 verdichten. Wird der Zusatzverdichter 37 nun für die Weiterverdichtung des Fördermittels im Verhältnis 1 : 2 ausgelegt, so ergeben die Stufen 26 und 27 des Hauptverdichters mit dem Zusatzverdichter 37 zu sammen wieder das Verdichtungsverhältnis 1 : B. Da aber die Verdichterstufe 25 unverändert vom gleichen Anfangsdrucke ansaugt, verdichtet sie auch immer noch die gleiche Menge wie bei Vollast im Verhält nis 1 : z.
Bei offenem Abschlussorgan 47 entspannt diese Menge durch die Turbine 44, und zwar mit dem gleichen Druckverhältnis wie das vom Zusatzverdich ter 37 zu erzeugende Verdichtungsverhältnis. Da der Turbine 44 aber nun die doppelte Menge zur Ver fügung steht, ist sie noch in der Lage, den Zusatzver dichter 37 anzutreiben, wenn die ganze Gruppe 44, 37 mit einem Wirkungsgrad von nur 50% arbeiten würde.
Durch entsprechende Einstellung der Abschluss- organe 47 und 48 können nicht nur die beschriebenen Grenzfälle für den Betrieb der Verdichteranlage, son dern auch beliebige Zwischenzustände hergestellt werden. Es ist auch möglich, zur Regelung der durch die Verdichterstufe 25 strömenden Menge zusätzlich ein Drosselorgan in der Saugleitung 29 vorzusehen. Auch kann das Abschluss- oder Drosselorgan 47 statt in der Entnahmeleitung 45 am Austritt der Turbine 44 angeordnet werden.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anlage sind die gemäss Fig. 2 mit den Ziffern 25 bis 43 bezeichneten Teile wie auch das Drosselorgan 48 und die Leitung 50 mit Rückschlagventil 51 wieder in gleicher Weise vorgesehen. An einer vor dem Drosselorgan 48 lie genden Stelle 52 der überströmleitung 30 schliesst aber nun eine Entnahmeleitung 53, welche sich in zwei Äste 54 und 55 verzweigt, an. Die den Zusatz verdichter 37 antreibende Turbine besteht nun aus zwei Teilen 56 und 57. Der Ast 54 der Entnahme leitung, in welchem ein Abschlussorgan 58 eingebaut ist, führt zum Eintritt des Turbinenteiles 56.
Dessen Austritt ist durch eine Leitung 59 mit dem Saug raum des Hauptverdichters, das heisst in diesem Falle mit der Atmosphäre, verbunden. Der Austritt des Turbinenteiles 57 ist dagegen über eine Leitung 60 mit einer dem Drosselorgan 48 in Strömungsrichtung nachgeschalteten Stelle 61 der überströmleitung 3<B>0</B> verbunden. Die beiden Turbinenteile 56 und 57 wer den hierbei parallel von dem durch die Entnahmelei tung 53 zugeführten Fördermittel durchflossen.
Der Turbinenteil 57 erhält Leistung, sobald das vorher ganz offene Abschlussorgan 48 in eine Drosselstellung übergeführt wird, der Turbinenteil 56, sobald das Abschlussorgan 58 geöffnet wird. Die hier beschrie- bene Schaltung ergibt nun noch vermehrte Möglich keiten, die Verdichteranlage veränderten Betriebs bedingungen anzupassen.
Mit Bezug auf die Verdich tung vom Austrittsdruck der Stufe 25 aus entspricht die Anlage mit den Verdichterstufen 26 und 27 und dem Zusatzverdichter 37 bei dessen Antrieb durch den Turbinenteil 57 der in Fig.1 dargestellten Anlage.