Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und entsprechende Vorrichtungen sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337 und 449 bis 454) bekannt.

Das Destilliersäulen-System der Erfindung kann als Ein-Säulen-System zur Stickstoff- Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zwei-Säulen-System (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen- System. Zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung können weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen vorgesehen sein, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf industrielle Großanlagen mit einer Verdichtungsluftmenge von 100.000 NrrvVh oder mehr, vorzugsweise 300.000 Nm ³ /h oder mehr. . Vorzugsweise kommt ein mehrstufiger Hauptluftverdichter zum Einsatz, insbesondere mit drei oder mehr Stufen.

Bisher ist es üblich, den Istwert der Verdichtungsluftmenge stromabwärts des Hauptluftverdichters direkt zu messen und die Verdichterleistung entsprechend nachzufahren. Die Mengenmessung wird über den Druckabfall an einer Blende vorgenommen. Hierfür sind lange Einlaufstrecken durch Normung vorgegeben, die ansonsten keinen verfahrenstechnischen Nutzen haben, aber großen apparativen Aufwand verursachen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der

Menge eines verdichteten Gasstroms anzugeben, das wirtschaftlich besonders günstig ist und insbesondere einen relativ geringen apparativen Aufwand erfordert. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Auf eine direkte Messung des Mengenstroms der Luft kann dadurch verzichtet werden. Der entsprechende Aufwand entfällt. Überraschenderweise ergibt sich außerdem eine verbesserte Genauigkeit der Mengenmessung gegenüber der konventionellen Methode. Während eine direkte Mengenmessung eine Genauigkeit von +/- 3 % aufweist, ist die Messung der Antriebsleistung insbesondere bei elektrischem Antrieb wesentlich genauer (+/- 0,5 %). Selbst wenn man zusätzliche Ungenauigkeiten durch Messung von anderen Parametern berücksichtigt, ergibt sich insgesamt eine sehr präzise und verlässliche Mengenmessung und damit eine besonders günstig Betriebsweise des Hauptluftverdichters und des Verfahrens insgesamt.

Zwar sind Verfahren zur indirekten Bestimmung des Istwerts der Menge eines in einem Verdichter verdichteten Gases schon beschrieben worden, beispielsweise in DE 19804330 A1 ; allerdings bezieht sich diese Lehre ausschließlich auf einstufige, rein drehzahlgeregelte Verdichter ohne verstellbare Leitschaufeln. Ein solcher Verdichtertyp ist für den Einsatz als Hauptluftverdichter in einer Luftzerlegungsanlage nicht geeignet.

Grundsätzlich kann bei der Erfindung zusätzlich zur Leitschaufeleinstellung jede Möglichkeit zur Einstellung der Leistung des Hauptluftverdichters eingesetzt werden, beispielsweise eine Drehzahlregelung. Der Antrieb des Hauptluftverdichters kann mittels jeder bekannten Methode erfolgen, beispielsweise mittels eines Elektromotors oder einer Dampfturbine.

Das erfindungsgemäße Prinzip der Verdichterregelung kann auch auf andere Verdichter übertragen werden, die in Luftzerlegungsanlagen betrieben werden, beispielsweise auf Produktverdichter und Kreislaufverdichter.

In die numerische Berechnung des Istwerts der Verdichtungsluftmenge gehen zum Beispiel ein oder mehrere der folgenden Eingangsgrößen ein:

- Druck des zu verdichtenden Luftstroms

- Temperatur des zu verdichtenden Luftstroms

- Dichte des zu verdichtenden Luftstroms

- Relative Feuchte des zu verdichtenden Luftstroms - Wirkungsgrad des Verdichters - Kennfeld des Verdichters

Vorzugsweise werden alle bekannten Parameter des zu verdichtenden Luftstroms in der Berechnung ausgewertet. Hierzu sind nur relativ einfach durchzuführende Messungen notwendig, etwa von Druck, Temperatur und relativer Feuchte.

Günstig ist es insbesondere, wenn das Kennfeld des Hauptluftverdichters empirisch bestimmt wird und dieses empirisch ermittelte Kennfeld in die Berechnung Berechnung des Istwerts der Verdichtungsluftmenge eingeht. Das Kennfeld des Verdichters beschreibt die Abhängigkeit des Wirkungsgrads des Verdichters von einer Mehrzahl von Parametern, insbesondere zwei oder mehr der oben genannten physikalischen Parameter des zu verdichtenden Gases. Die Ermittlung des Kennfeldes kann beispielsweise auf einem Teststand durchgeführt werden, bevor der Verdichter seinen endgültigen Standort erhält. Sie wird vorzugsweise mit einem Gas durchgeführt, das dieselbe Zusammensetzung aufweist wie das zu verdichtete Gas im späteren Betrieb des Verdichters, zum Beispiel Luft im Falle eines Luftverdichters oder Stickstoff im

Falle eines Stickstoffverdichters. Alternativ kann das Kennfeld auch mit einem anderen Gas bestimmt werden, beispielsweise mit Stickstoff im Falle eines Luftverdichters oder Sauerstoffverdichters.

Mit der genauen Kenntnis des Verhaltens des Verdichters ist es im Rahmen der

Erfindung möglich, die Verdichtungsluftmenge besonders genau einzustellen, ohne sie direkt zu messen. Es kann sinnvoll sein, die Kennfeldbestimmung im Laufe der Betriebszeit der Anlage zu wiederholen, ebenso wie auch Mengenmessungen von Zeit zu Zeit neu kalibriert werden müssen. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch mit einem vom Hersteller zur Verfügung gestellten Kennfeld des Hauptluftverdichters ausführbar.

Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, wenn bei der numerischen Berechnung des Sollwerts der Verdichtungsluftmenge ein oder mehrere der folgenden Eingangsgrößen verwendet werden:

Aktueller Produktbedarf des Verbrauchers

Zukünftiger Produktbedarf des Verbrauchers

Aktueller Bedarf der Luftzerlegungsanlage an verdichteter Luft Der aktuelle Bedarf der Luftzerlegungsanlage kann beispielsweise im Rahmen einer automatischen Lastregelung (ALC - automatic load control) ermittelt werden. Hier steht der aktuelle Bedarf bereits als numerischer Wert zur Verfügung, der laufend aktualisiert und in die numerische Berechnung des Sollwerts eingebracht werden kann. Alternativ kann der aktuelle Produktbedarf oder eine Vorgabe für die Verdichtungsluftmenge auch durch eine manuelle Eingabe eines Operators festgelegt werden.

In diesem Rahmen oder zusätzlich können neben dem quasi-stationären Bedarf an verdichteter Luft weitere, zum Beispiel periodische oder sonstige zeitlich begrenze Anforderungen an die Verdichtungsluftmenge berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine zyklisch geschaltete Reinigungseinrichtuήg für die verdichtete Luft von Zeit zu Zeit einen Teil der verdichteten Luft für den Druckaufbau im Anschluss an die - periodische Regenerierung eines Reinigungsbetts. Soll in dieser Zeit die für die Luftzerlegung zur Verfügung stehende Gasmenge nicht oder nicht in gleichem Maße vermindert sein, muss diese Anforderung ebenfalls in die Verdichterregelung eingehen, sodass während des Druckaufbautakts eine entsprechend höhere Verdichtungsluftmenge zur Verfügung steht. Hier können bei der erfindungsgemäßen Betriebsweise die Daten eines entsprechenden elektronischen Reglers (zum Beispiel Molsieb-Sequencer) genutzt werden.

Bei schwankendem Produktbedarfs des Verbrauchers beziehungsweise der Verbraucher kann außerdem diese Größe in die Berechnung Berechnung des Sollwerts der Verdichtungsluftmenge einfließen, entweder direkt oder indirekt über die ALC der Luftzerlegungsanlage. Hierbei kann eine prädiktive Produktmengenregelung auch für die Verdichtungsregelung wie eine Pipeline-Folge-Regelung genutzt werden, wie sie beispielsweise in EP 1542102 A1 beschrieben ist.

Vorzugsweise wird bei dem Vergleich zwischen Istwert und Sollwert der Verdichtungsluftmenge ein Grenzwert für den Energieverbrauch berücksichtigt. Bei manchen Luftzerlegungsanlagen mit Gasverdichtung wird ein Grenzwert für den Gesamtenergieverbrauch vorgegeben, der nicht überschritten werden darf, weil entweder nicht mehr Energie zur Verfügung steht oder diese ab dem Limit unverhältnismäßig teuer wird (power constraint). Da häufig der Verdichter am meisten Energie verbraucht, ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, die entsprechende Regelung (PCC - power constraint control) in die Verdichtungsregelung einzubinden. In diesem Fall wird also die Verdichtungsleistung und damit der Istwert der Verdichtungsluftmenge bei einem Maximalwert abgeregelt, auch wenn der aktuell bestimmte Sollwert der Verdichtungsluftmenge höher ist. Resultiert daraus ein Defizit an Produkt beispielsweise einer nachfolgenden Gaszerlegungsanlage, so kann dieses aus einem Produktpuffer ergänzt werden. Solche Produktpuffer, die in der Regel als Flüssigkeits- oder Gasdruckspeicher ausgebildet sind, werden bei Luftzerlegungsanlagen häufig vorgehalten.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 7 bis 12.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch als Ablaufdiagramm dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Der Aufbau der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Sie weist in dem Beispiel ein Destilliersäulen-System zur Stickstoff- Sauerstoff-Trennung auf, das durch ein Zwei-Säulen-System zur rektifikatorischen Trennung von Sauerstoff und Stickstoff gebildet wird, das aus einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule besteht (Linde-Verfahren). Über eine

Argonübergangsleitung ist ein System zur Argongewinnung an die Niederdrucksäule angeschlossen, das mindestens eine Rohargonsäule aufweist. Über ein Filter strömt atmosphärische Luft in einen dreistufigen Hauptluftverdichter, wird dort mindestens auf den Betriebsdruck der HDS verdichtet, anschließend in einer Reinigungseinrichtung, die vorzugsweise durch eine Molekularsiebstation bebildet wird, gereinigt, in einem Hauptwärmetauschersystem abgekühlt und mindestens teilweise in die Hochdrucksäule eingeleitet. Aus der Hochdrucksäule und/oder der Niederdrucksäule wird mindestens ein Produktstrom abgezogen und einem Verbraucher zugeleitet. Diese Zuleitung kann entweder direkt erfolgen oder indirekt über ein Pipeline-System oder über einen Flüssigpuffer, gegebenenfalls mit anschließender Verdampfung.

In einem ersten Schritt 10 des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der Leitwert für die Menge Verdichtungsluftmenge bestimmt ("Flow Demand Calculation"), beispielsweise aus dem Produktbedarf an einem oder mehreren Endprodukten (Produktströmen) der Luftzerlegungsanlage. Dieser Leitwert entspricht im Wesentlichen dem Bedarf an Zerlegungsluft, die zum Beispiel für die Rektifikation, die Kälteerzeugung und/oder die Verdampfung von Druckprodukten benötigt wird. Auf welchen Daten diese Berechnung durchgeführt wird, ist nicht entscheidend für die Erfindung. Es können diesem Schritt zum Beispiel die Daten 11 einer Pipeline-Folge-Regelung für mindestens ein Produkt der Luftzerlegungsanlage und/oder einer automatischen Lastanpassung (ALC) der Luftzerlegungsanlage als äußere Vorgaben ("Remote Setpoint") einfließen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vorgabe 12 des Bedienungspersonals ("Operator Input") ausgewertet werden, die über eine Eingabevorrichtung wie eine Tastatur oder Ähnliches eingegeben wird.

Im Schritt 30 ("Total Flow Calculation") wird daraus der Sollwert für die Verdichtungsluftmenge bestimmt. Dabei fließen weitere Randbedingungen aus dem Betrieb der Luftzerlegungsanlage ein, insbesondere der aktuelle Bedarf an Druckaufbauluft 21 für das Molekularsieb der Luftreinigung (MS Pressurization Air). Wenn die Anlage wie hier eine Argongewinnung auf weist, kann alternativ oder zusätzlich ein Messwert 22 aus der Argonübergangsleitung ("Offset from Argon Transition Control") einfließen. Sollte die rechnerisch ermittelte Luftmenge nicht exakt der tatsächlich benötigten entsprechen, werden die Analysen in der Argonübergangsleitung (Messwert 22) ihren Idealwert verlassen und die Luftmenge muss korrigiert werden.

In den Schritten 40 bis 70 wird der Istwert der Verdichtungsluftmenge bestimmt.

Im Schritt 40 geht zunächst der Messwert 42 für die Leistungsaufnahme des Hauptluftverdichters ein ("Electrical Power Consumption").

Außerdem werden verschiedene weitere Messwerte 51 an dem mehrstufigen Verdichter berücksichtigt, insbesondere Ein- und/oder Austrittsdruck, Temperatur, Dichte und/oder relative Feuchte des zu verdichtenden Gasstroms, und zwar vorzugsweise an jeder Verdichtungsstufe ("In/outlet Pressure, Temperature, Humidity for each compressor stage"). In die Berechnung gehen weiterhin die Stoffdaten von Luft 61 ("Property Data of Air") ein.

In Schritt 70 werden Daten 71 über den Verdichter ("Machine Characteristic") verarbeitet, insbesondere dessen Wirkungsgrad und Kennfeld. Schließlich wird In Schritt 80 der in 50 bis 70 berechnete Istwert der Verdichtungsluftmenge mit dem Sollwert aus Schritt 30 verglichen, und die benötigte Einstellung der Leitschaufeln jeder Stufe des Hauptluftverdichters und gegebenenfalls weiterer Betriebsparameter des Hauptluftverdichters werden bestimmt ("Machine Setpoint Calculation"). Hierbei können fakultativ verschiedene Parameter der Energieversorgung eingehen, nämlich zum Beispiel eine Vorgabe 41 über den maximalen Energieverbrauch der Gesamtanlage oder auch ein maximaler Energieverbrauch des Verdichters ("Limit from Power Constraint Control") und/oder der erwartete künftige Verlauf der Gesamtenergieverbrauch, beispielsweise durch das bevorstehende Einschalten eines Elektroerhitzers für das Regeneriergas einer adsorptiven Luftreinigung, sowie nochmals der aktuelle Messwert 42 für die Leistungsaufnahme 42 (in der Zeichnung nicht separat dargestellt).

Am Ende wird in Schritt 90 die in Schritt 80 ermittelten Einstellwerte an das Regelgerät des Verdichters ausgegeben, das schließlich die entsprechende Einstellung am Verdichter vornimmt, insbesondere durch entsprechende Einstellung der Leitschaufeln und gegebenenfalls zusätzlich der Drehzahl des Verdichters ("Inlet Guide Vane Position or Speed Setpoint").

In dem Ausführungsbeispiel weist die Luftzerlegungsanlage ein Molekularsieb für die Reinigung der verdichteten Luft auf, die innerhalb ihres zyklischen Betriebs zeitweise einen Teil der verdichteten Luft zum Druckaufbau benötigt. Da diese Luftmenge hier in der Vorgabe des ALC noch nicht berücksichtigt ist, finden die entsprechenden Daten 21 , die von einem Molsieb-Sequencer zugeliefert werden im Schritt 30 eine entsprechende Berücksichtigung bei der Bestimmung Sollwerts der Verdichtungsluftmenge.

Dieser numerische Berechnungszyklus wird im Betrieb der entsprechenden Anlage laufend wiederholt, sodass die Verdichterleistung laufend entsprechend dem Bedarf an Luft angepasst wird.

Selbstverständlich kommt es bei der Erfindung nicht auf die genaue Reihenfolge der

Berechnungsschritte an. In einem zweiten Ausführungsbeispiel können zum Beispiel die Sollwertbestimmung (entsprechend den Schritten 10 und 30 der Zeichnung) und die Istwertbestimmung (entsprechend den Schritten 50 bis 70 der Zeichnung) parallel durchgeführt werden. Die Ergebnisse beider parallelen Berechnungsstränge (der aktuelle Sollwert der Verdichtungsluftmenge und der aktuelle Istwert der Verdichtungsluftmenge) fließen dann in den Vergleichsprozess ein (entsprechend Schritt 80 der Zeichnung).