DE3545612A1

DE3545612A1 - Verfahren zum steuern des druckverhaeltnisses einer strahlpumpe

Info

Publication number: DE3545612A1
Application number: DE19853545612
Authority: DE
Inventors: Hans Ackermann; Ralf Koecher; Udo Dr Steinberner; Otto Michel
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1985-12-21
Filing date: 1985-12-21
Publication date: 1987-06-25
Also published as: GB8628677D0; JPS62157299A; GB2184868B; EP0226976B1; DE3663841D1; GB2184868A; MY100827A; EP0226976A1; PH23382A; BR8606320A; US4762467A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Druckverhältnisses einer Strahlpumpe zwecks Regelung eines vorgegebenen Betriebsvakuums.

In einer Strahlpumpe, z. B. Treibdampfpumpe, Gasstrahlpumpe oder Wasserstrahlpumpe wird die Strömungsenergie eines Treibmittels durch Düsen und Diffusoren zum Zwecke des Saugens bzw. Drückens eines zu fördernden Mittels ausgenutzt. Als Treib- und Fördermittel kommen Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten in Frage. Strahlpumpen sind einfach herzustellen und besitzen keine bewegten Teile, sie haben jedoch einen relativ geringen Wirkungsgrad, der zudem bei Änderung der Betriebsbedingungen, z. B. der Drücke und Fördermengen, stark vermindert wird. Wegen der Schwierigkeit der in der Regel vermaschten bzw. mehrschweifigen Regelung einer Strahlpumpe werden solche Apparate in der Praxis mit konstantem Treibmitteldruck betrieben, die überschüssige Energie wird durch Drosselung, Fremdgaszugabe oder Inkaufnahme eines niedrigeren als des benötigten Unterdrucks bzw. Saugdrucks vernichtet.

Strahlpumpen, vorzugsweise Dampfstrahlpumpen, werden beispielsweise als Saugdruckerzeuger in der Vakuumsdestillation eingesetzt. Bei derartig komplizierten Anlagen soll gleichzeitig für eine Reihe von Regelgrößen ein vorgeschriebenes Verhalten erreicht werden. Diese Größen sind jedoch wechselseitig abhängig; ferner beeinflußt jeder regulierende Eingriff die anderen Regelgrößen im allgemeinen sogar mehr oder weniger stark; es können daher nicht getrennte sondern nur vermaschte Regler eingesetzt werden. Die mit solchen Mehrfachregelungen verbundene Problematik der Autonomie, Invarianz, Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit macht den Einsatz herkömmlicher P-, I-, PI-, PID-Regelungsverfahren und dergleichen zumindest aus wirtschaftlichen Gründen illusorisch.

Das Mengenverhältnis G 1/G 2 von Treibmittelmenge G 1zu Fördermittelmenge G 2 ist bei einer Strahlpumpe mit gegebenen Abmaßen eine Funktion von

Pe = Treibmitteldruck;
Pa = Druck am Austritt der Strahlpumpe;
und
Po = Saugdruck.

Bei vorgegebenem Saugdruck Po und vorgegebener Fördermittelmenge G 2 ist die erforderliche Treibmittelmenge G 1 daher nur noch abhängig von einer Funktion Pe und Pa. Da diese Funktion die Form eines Druckverhältnisses besitzt, wird im gattungsgemäßen Verfahren unter dem Begriff "Steuern des Druckverhältnisses" das Steuern von Pe und/oder Pa verstanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der im Fördermittel erzeugte Saugdruck durch Veränderung des Treibmitteldrucks und damit der Treibmittelmenge innerhalb vorgegebener Grenzen und Zeiten konstant zu halten und in dem der Energieverbrauch optimal niedrig zu halten ist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß aus dem kontinuierlich gemessenen Wert des Betriebsvakuums durch rechnergestütztes iteratives schrittweises Ändern eines vorhandenen Wertes des Druckverhältnisses ein Sollwert für das Druckverhältnis ermittelt wird.

Dadurch, daß erfindungsgemäß der Istwert des Betriebsvakuums gemessen, durch die rechnergestützte iterative Änderung zu einer Ausgangsgröße verarbeitet und diese als Stellgröße für den Treibmitteldruck, d. h. für die pro Zeiteinheit der Strahlpumpe zugeführte Treibmittelmenge, verwendet wird, läßt sich der Treibmitteldruck den Erfordernissen auf der Vakuumseite immer optimal anpassen. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise in einer Vakuumdestillations- oder Vakuumeindampfanlage eine Energieeinsparung von bis zu 50% im Vergleich zu herkömmlicher Betriebsweise erzielen.

Gemäß weiterer Erfindung kann der durch Berechnung ermittelte Sollwert für das Druckverhältnis in Form eines Stellwertes für den Treibmitteldruck einem in der Leitung des Treibmittels liegenden Regelventil zugeführt oder als Führungsgröße für den Treibmitteldruck und/oder Ausgangsdruck in zugeordneten Regelkreisen verwendet werden.

Vorzugsweise wird die iterative Änderung durch die Anwendung eines Algorithmus in Verbindung mit einem Rechner bewirkt. Gegebenenfalls wird der Sollwert dadurch ermittelt, daß man den Algorithmus vom Rechner mit der ihm eigenen Geschwindigkeit endlos wiederholt. Das bedeutet, bei Änderungen seiner Eingangsgröße, nämlich des gemessenen Wertes des Saugdrucks, die Ausgangsgröße, nämlich die Stellgröße für den Treibmitteldruck, so lange zu verändern, bis sich der Wert der Eingangsgröße wieder innerhalb der vorgegebenen Grenzen befindet. Die Ausgangsgröße des Rechners ist daher kein Wert, der in einem festen funktionellen Zusammenhang zu der Eingangsgröße steht, sondern ergibt sich durch die iterative Erhöhung oder Erniedrigung der jeweils vorher vorhandenen Ausgangsgröße.

Zusätzlich ist es günstig, wenn nach jeder schrittweisen Veränderung des Sollwertes eine der Totzeit des Systems entsprechende Wartezeit eingehalten wird. Schließlich soll die Änderungsgeschwindigkeit des Sollwertes an die Größe und Änderungsgeschwindigkeit der Soll-Istwertabweichung des Betriebsvakuums in vorwählbaren Grenzen angepaßt werden. Vorzugsweise wird dazu ein Algorithmus mit verschiedenen Bearbeitungszweigen für verschiedene Bereiche der Soll-Istwertabweichung des Betriebsvakuums und deren Änderungsgeschwindigkeit verwendet. Auf diese Weise wird es möglich, die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsgröße an diejenige der Eingangsgröße in vorwählbaren Grenzen anzupassen.

Anhand der schematischen Zeichnung werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm betreffend die Abhängigkeit des Mengenverhältnisses von Treibmittelmenge und Fördermittelmenge vom Treibmitteldruck, Austrittsdruck und Saugdruck einer Strahlpumpe;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Vakuumerzeugung bei einer Vakuumdestillation; und

Fig. 3 ein Fließbild eines Algorithmus zum iterativen Bestimmen eines Stellwerts.

In Fig. 1 werden in der Ordinate das Mengenverhältnis G 1/G 2 von Treibmittelmenge G 1 und Fördermittelmenge G 2 sowie in der Abszisse das Druckverhältnis f(p) aufgetragen. Letzteres ist eine Funktion des Treibmitteldruckes Pe, des Drucks Pa am Austritt der Strahlpumpe und des Saugdrucks Po. Bei einer mit Flüssigkeit betriebenen Strahlpumpe ist das Druckverhältnis wie folgt definiert:

Demgegenüber ergibt sich bei Betrieb der Strahlpumpe mit einem Gas für das Druckverhältnis der Zusammenhang

Darin ist der Adiabatenexponent des Gases. Bei Dampf treten analog zur Funktion F _F (p) anstelle der Druckgefälle die entsprechenden Enthalpiegefälle (h,s-Diagramm).

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Vakuumbehälter 1 einer Destillationskolonne, die mit einem Kühler 2, einer Destillationsvorlage 3, einem Flüssigkeitssumpf 4, einer Heizung 5 und einer Flüssigkeitszufuhrleitung 6 ausgestattet sein kann, über eine Fördermittelzuleitung 7 mit einer Dampfstrahlpumpe 8 verbunden. In der Strahlpumpe 8 wird der Unterdruck dadurch erzeugt, daß man ein Treibmittel über eine Treibmittelleitung 9 mit großer Geschwindigkeit durch eine Treibdüse preßt mit dem Ergebnis, daß der Druck am Düsenausgang stark herabgesetzt und das dort anstehende Fördermittel angesaugt wird. Hierdurch wiederum wird in dem Behälter 1 befindliches Gas abgesaugt und im Behälter ein Saugdruck Po eingestellt. Der Saugdruck darf wegen der Druckabhängigkeit der Siedetemperatur der im Behälter 1 befindlichen Flüssigkeit 4 einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten. Es sollen oder können aber auch bestimmte Minimalwerte eingehalten werden. Der Istwert des im Behälter 1 erzeugten Saugdrucks Po wird daher mit Hilfe eines Vakuum-Meßgeräts 11 gemessen und einem mit 12 bezeichneten Rechner im Algorithmus als Eingangsgröße zugeführt. In dem Rechner 12 wird die Eingangsgröße des Saugdrucks Pn durch den Algorithmus zu einer Ausgangsgröße verarbeitet, die wiederum als Sollwert oder Stellgröße für den Treibmitteldruck Pe der Strahlpumpe 8 dient.

Im Ausführungsbeispiel wird die Stellgröße über eine direkte Leitung 13 auf ein in der Treibmittelleitung 9 liegendes Stell- bzw. Regelventil 14 geschaltet. Alternativ kann der Rechner 12 ermittelte Sollwerte des Treibmitteldrucks auch einem zwischengeschalteten Treibmitteldruckregler 15 zugeführt werden. Die gegebenenfalls dafür erforderlichen Wirkleitungen des Druckreglers 15 werden in der Zeichnung gestrichelt dargestellt. Die Informationsrichtung wird durch Pfeile angedeutet. Der Ausgang 16 der Strahlpumpe führt beim Betrieb mit Dampf in entsprechende Kondensatsysteme, die gegebenenfalls vorevakuiert sind.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Fließbilds des in dem Rechner 12 zu verwendenden Algorithmus. Hierbei werden zur besseren Verständlichkeit für sämtliche Parameter konkrete Zahlenwerte angegeben. Diese Werte sind jedoch nur als Beispiel anzusehen. In der Zeichnung bedeuten Po den durch das Meßgerät 11 erfaßten Saugdruck im Behälter 1, Pe den über die Treibmittelleitung 9 der Strahlpumpe 8 zugeführten Treibmitteldruck und Δ Po die Differenz zum vorhergehenden Meßwert des Unterdrucks Po.

Am Start des Algorithmus wird der jeweilige Meßwert des erzeugten Saugdrucks Po, also die vom Vakuummeßgerät 11 bestimmte Eingangsgröße auf den Rechner 12 gegeben. Der als Beispiel dargestellte Algorithmus besitzt zwei Hauptbearbeitungszweige A und B, die je nach Größe der Änderungsgeschwindigkeit und der Sollwert/Istwert-Abweichung der Rechner-Eingangsgröße auszuwählen sind. Durch Auswahl und Ausgestaltung der Zweige A, B ist es möglich, die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsgröße in vorwählbaren Grenzen an diejenige der Eingangsgröße anzupassen. In beiden Fällen ergibt sich die Ausgangsgröße Pe des Rechners 12 durch iterative Erhöhung oder Erniedrigung der jeweils vorhandenen Ausgangsgröße Pe und berücksichtigt durch eine vorgegebene Wartezeit zusätzlich die durch die Anlage bedingte Totzeit des Systems.

Nach Ermittlung der Ausgangsgröße des Rechners 12 wird der Algorithmus mit der ihm eigenen Geschwindigkeit endlos wiederholt. In Fig. 3 wird diese Endlosschleife durch das Start-Zeichen am Fuß des Fließbildes angedeutet.

Bezugszeichenliste 1 = Behälter
2 = Kühler
3 = Destillatvorlage
4 = Flüssigkeitssumpf
5 = Heizung
6 = Flüssigkeitszuführleitung
7 = Fördermittelleitung
8 = Strahlpumpe
9 = Treibmittelleitung
11 = Vakuummeßgerät
12 = Rechner
13 = Stellgrößenventil
14 = Regelventil
15 = Druckregler
16 = Ausgang Strahlpumpe
17 = Kondensator Treibdampf
18 = barometrisches Tauchgefäß Strahlpumpe
19 = Wasserringpumpe
20 = Wasserabscheider
21 = atmosphärischer Ausgang
22 = Druckmeßgerät
Po = Saugdruck
Pe = Treibmitteldruck
Pa = Druck am Austritt der Strahlpumpe
Pu = Unterdruck Destillierapparat
G 1 = Treibmittelmenge
G 2 = Fördermittelmenge
f(p) = Druckverhältnis
A,B = Hauptbearbeitungszweige

Claims

1. Verfahren zur Steuerung des Druckverhältnisses f(p) einer Strahlpumpe zur Regelung eines vorgegebenen Betriebsvakuums, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem kontinuierlich gemessenen Wert des Betriebsvakuums durch rechnergestützte iterative, schrittweise Änderung eines vorhandenen Wertes des Druckverhältnisses f(p) ein Sollwert für das Druckverhältnis ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für das Druckverhältnis in Form eines Stellwertes für den Treibmitteldruck Pe einem in der Leitung (9) des Treibmittels liegendem Regelventil (14) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für das Druckverhältnis f(p) als Führungsgröße für den Treibmitteldruck Pe und/oder Ausgangsdruck Pa in zugeordneten Regelkreisen (15) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die iterative schrittweise Änderung des Sollwertes durch die Anwendung eines Algorithmus bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert dadurch ermittelt wird, daß der Algorithmus von einem entsprechenden Rechner (12) endlos wiederholt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungsgeschwindigkeit des Sollwertes an die Größe und Änderungsgeschwindigkeit der Soll-Istwertabweichung des Betriebsvakuums in vorwählbaren Grenzen angepaßt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Algorithmus mit verschiedenen Bearbeitungszweigen (A, B) für verschiedene Bereiche der Soll-Istwertabweichung des Betriebsvakuums und deren Änderungsgeschwindigkeit verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder schrittweisen Veränderung des Sollwertes eine der Totzeit des Systems entsprechende Wartezeit eingehalten wird.