Mehrstufige Regelung und Betrieb von miniaturisierten gasgelagerten Turbo Kompressoren in Anlagen zur Gastrennung

07. November 2018

Zur effizienten Produktion und um lange Transportwege zu vermeiden, betreibt ein Kunde von Celeroton Anlagen zur Gastrennung direkt bei den Fabriken seiner Kunden. Diese Anlagen werden typischerweise mit Turbo Kompressoren mit mehreren 100 kW Anschlussleistung betrieben. Zur Anlagenoptimierung und zur Weiterentwicklung von Verfahren zur Gastrennung werden Laborversuchsanlagen betrieben. In diesen Versuchsanlagen werden Turbo Kompressoren mit Luftlagern eingesetzt, um vergleichbare Ergebnisse zu den industriellen Anlagen zu erhalten. Das benötigte Druckverhältnis wird mit zwei luftgelagerten Turbo Kompressoren von Celeroton, die in Serie geschaltet sind, erreicht.

Die industrielle Gastrennung basiert auf mechanischen oder chemischen Grundprinzipien. Im vorliegenden Fall wird die mechanische Druckwechsel-Adsorption (PSA – Pressure Swing Adsorption) mit einem speziellen Granulat eingesetzt. Luft wird durch das Granulat gepumpt, wobei Stickstoff stärker gebunden wird als Sauerstoff (Überdruckbetrieb). Folglich wird stickstoffarme bzw. sauerstoffreiche Luft mit Sauerstoffkonzentration um 90 % erzeugt, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. Sobald das Granulat mit Stickstoff gesättigt ist, wird dieser durch eine Prozessumkehr mittels Druckreduktion im Granulat wieder desorbiert (Unterdruckbetrieb). Je höher bzw. niedriger der Druck, desto mehr Stickstoff kann vom Granulat absorbiert bzw. umgekehrt aus dem Granulat desorbiert werden. Dafür wird nicht einer, sondern zwei Turbo Kompressoren mit Luftlagerung in Serie eingesetzt.

In der ersten Projektphase wurden zwei kugelgelagerte Celeroton Turbo Kompressoren CT-17-700 in Serie zur Druckerhöhung im Überdruck bzw. zur Vakuumerzeugung im Unterdruckbetrieb eingesetzt. Während dieser ersten Phase konnte grundsätzlich gezeigt werden, dass miniaturisierte Turbo Kompressoren in Laboranwendungen technisch eingesetzt werden können. Allerdings war das Serviceintervall von kugelgelagerten Turbo Kompressoren, die bei mehr als 200'000 U/Min. betrieben werden, zu gering, um Langzeitversuche durchzuführen. Ungeachtet der eingeschränkten Lebensdauer der Kugellager konnten zahlreiche Verbesserungen am Prozess getestet und bestätigt werden.

In einem Folgeprojekt wurde die Anwendbarkeit von gasgelagerten Turbo Kompressoren von Celeroton zur Erhöhung der Lebensdauer evaluiert. Berechnungen haben gezeigt, dass die vorliegenden luftgelagerten Turbo Kompressoren, die für Eintrittsdruckbereich von 620 mbar bis 1.1 bar absolut ausgelegt wurden, nicht ohne Modifikationen in Serie eingesetzt werden können. Der hohe Eintrittsdruck der zweiten, druckseitigen Stufe erfährt bei einem absoluten Eintrittsdruck von 1.7 bar zu unzulässig hohem Schub auf dem Axiallager. Celeroton hat den luftgelagerten Turbo Kompressor mit einer Schubkompensation modifiziert, die höhere Eintrittsdrücke zulässt. Abbildung 1 zeigt ein Schematisches Blockdiagramm für den mehrstufigen Überdruckbetrieb.

Turbo Kompressor System 1
Abbildung 1: Zweistufiges Turbo Kompressor System (Überdruckbetrieb) – Systemübersicht.

Beim Ablasen der Luft in die Umgebung wird am Einlass des Kompressors ein Unterdruck erzeugt. Für den Unterdruckbetrieb bleibt das Druckverhältnis und der tatsächliche Volumenstrom gleich zu denen im Überdruckbetrieb. Resultierend aus dem Druckverhältnis ergibt sich der geringere Druck am Eintritt. Um einen möglichst geringen Druck erzeugen zu können, wurden wiederum zwei Stufen (Kompressoren) in Serie geschaltet. Dadurch wäre der Druck vor allem für die erste Stufe zu gering und damit der Axialschub unzulässig hoch. Dies kann mit dem Schubausgleich, der oben für den Überdruckbetrieb beschrieben wurde, ebenfalls ausgeglichen werden. Abbildung 2 zeigt das schematische Blockdiagramm für den mehrstufigen Unterdruckbetrieb.

Turbo Kompressor System 2
Abbildung 2: Zweistufiges Turbo Kompressor System (Unterdruckbetrieb) – Systemübersicht.

Obwohl die luftgelagerten Turbo Kompressoren einsatzbereit waren, musste ein weiteres Problem gelöst werden, da sich die beiden in Serie geschalteten Kompressoren gegenseitig beeinflussen. Der äusserste Betriebsfall tritt auf, wenn ein Kompressor bei Nenndrehzahl betrieben wird und der andere ausgeschaltet wird. Dieses „worst-case“ Szenario würde zum Betrieb im verbotenen, dem sogenannten Pump- oder Stallbereich (siehe Abbildung 3) führen, was in einem irreparablen Systemschaden resultieren würde. Die Umrichter von Celeroton, in diesem Fall der CC-230-3500, können im „Master-Slave“ Betrieb eingesetzt werden. Der Kunde steuert hierbei lediglich den Master- und dieser wiederum den Slave-Umrichter. Damit kann sichergestellt werden, dass beide Kompressoren, z.B. bei der gleichen Drehzahl, betrieben werden können. Tritt ein unerwarteter Betriebsfall an einem der beiden Umrichter auf, z.B. ein Not-Aus, werden beide Kompressoren sicher heruntergefahren.

Kennfeld
Abbildung 3: Kennfeld mit gekennzeichnetem Pump-/Stallbereich.

«Der Einsatz von luftgelagerten Turbo Kompressoren von Celeroton bietet unserem Kunden eine grossartige Möglichkeit, um verschiedene Granulate, ideale Granulat-Mengen für Kosten- und Effizienzoptimierungen sowie unterschiedliche Betriebsstrategien zu testen.» sagt der leitende Ingenieur bei Celeroton. «Die kompakte Laboranlage erlaubt vergleichsweise kostengünstige und schnelle Modifikationen und kann gleichzeitig für Langzeitversuche eingesetzt werden.»

Ein ähnliches wie hier beschriebenes Vorgehen kann auch für andere Nicht-Luft-Anwendungen mit Edelgasen wie Helium, Xenon, Neon aber auch für toxische Gase in Anreicherungsprozessen eingesetzt werden (Link).

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