Anordnung von Stellgliedern zur feinfühligen Regelung von beliebig großen Volumenströmen

Schutzrechtsanmeldung PCT/EP2021/061983 (2020050617491500DE)
(K. Morgenbesser, T. Neukamm):

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für Systeme mit strömendem Fluid, insbesondere für Fluidfördersysteme. Ebenso betrifft die Erfindung ein System mit einer solchen Stelleinrichtung.

Eine klassische Applikation für Stelleinrichtungen findet sich bei Fluidfördersystemen. Turbokompressoren beispielsweise werden dazu eingesetzt, beliebige Gase, beispielsweise Luft, zu komprimieren. In der Praxis können Turbokompressoren bei Applikationen eingesetzt werden, bei denen große Volumenströme verdichtet werden sollen. Hierzu zählen Hochofengebläse, Luftzerlegungsanlagen, chemische sowie petrochemische Anlagen, Anwendungen zur Druckerhöhung in Gaspipelines, Vakuumgebläse in der Papierindustrie, Brüdenverdichtung bei Verdampfungsprozessen oder auch Druckluftkompressoren.

Turbokompressoren, speziell mit Elektroantrieb, müssen wegen des beim Hochlaufen reduzierten Drehmoments des Elektromotors gegen minimalen Gegendruck angefahren werden können. Für einen stabilen Betrieb mit reduzierter Fördermenge, mit geringem Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze (Stabilitätsgrenze eines Turbokompressors), ist eine adäquate Pumpverhütungsregelung erforderlich. Bei Störungen am Kompressor oder im Prozess soll der unter Druck stehende Kompressor möglichst schnell entlastet werden können. Ein Turbokompressor soll selbst nach einer Last-Abschaltung während des Auslaufens nicht pumpen. Eine Schnellentlastung sollte zudem hohen Sicherheitsanforderungen genügen.

Um die voranstehenden Anforderungen zu erfüllen sind im Betrieb Regelstellglieder erforderlich. Aufgrund der Vielzahl der zu erfüllenden Funktionen werden diese herkömmlich überdimensioniert ausgeführt. So werden derartige Stellglieder angesichts der sich widersprechenden Anforderungen – große Durchflussmengen einerseits und präzises Regeln andererseits – mit umfangreichem Sonderzubehör ausgestattet. Hierzu zählen beispielsweise Stellungsregler mit hoher Kapazität, Volumen-Booster, Ablass-Verstärker, Magnetventile, Drosseln, asymmetrische Verzögerungsrelais und/oder Zuluft-Stationen. Zwar können die Spezifikationen der Kompressoren-Hersteller sowie der Anlagenbauer mit derart ausgestatteten Regelstellgliedern weitestgehend erfüllt werden, allerdings zu Lasten der Regelgüte.

Insgesamt führt ein Aufbau mit solchen Regelstellgliedern zu einer hohen Komplexität und Störanfälligkeit. Eine Fehlerortung oder Betriebsoptimierung ist mit den an den Betriebsstätten vorhandenen Instrumenten nicht oder nur schwer durchführbar.

Komponenten derartigen Sonderzubehörs werden über Leitungen verbunden, wobei jede Verbindungsstelle eine potentielle Leckstelle erzeugt. Beispielsweise werden für pneumatische Antriebe Stellungsregler installiert, die das jeweilige Stellglied durch Schalten von kleinen Magnetventilen oder piezogetriebenen Ventilen verfahren. Leckagen bewirken ein häufiges Schalten dieser Aktoren, sodass die maximal erreichbare Anzahl an Schaltvorgängen schon nach wenigen Monaten oder Wochen erreicht wird. In der Folge schalten die Ventile nicht mehr zuverlässig. Sie hängen entweder in der AUF- oder in der ZU-Position fest. Beides kann signifikante Auswirkungen haben, bis zum Totalausfall; dies gilt sowohl für den Kompressor als für einen nachgeschalteten Prozess.

Vor dem oben dargelegten Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Stelleinrichtung anzugeben, welche eine genaue Regelung bei gleichzeitig großen Durchflussmengen ermöglicht und zusätzlich eine verbesserte Betriebssicherheit gewährleistet. Ebenso bestand die Aufgabe darin, ein System mit einer solchen Stelleinrichtung anzugeben. Die voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf die Stelleinrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst worden. Hinsichtlich des Systems ist diese Aufgabe durch den Gegenstand von Anspruch 38 gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 37 bzw. 39 bis 44 angegeben.

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