Präzise und effektive Steuerung von Gaskompressorsets mit mechanischen Antrieben

Druckschwankungen, die durch die Vielzahl von über einer Gas-Pipeline verteilten Einspeise- und Entnahmepunkten, beim Transport des Gases entstehende Druckabfälle, Temperaturgradienten sowie unterschiedliche Gasqualität entstehen, müssen von den Verdichterstationen überwacht und ausgeglichen werden. Dabei kommt es darauf an für diese Aufgabe möglichst wenig Energie aufzuwenden.

Die Verdichtung des zu transportierenden Gases erfolgt mit Hilfe von Kompressoren unterschiedlicher Bauart, die entweder durch Elektromotoren oder mit Hilfe von direkt aus der Pipeline mit Brennstoff versorgten Gasturbinen oder Gasmotoren angetrieben werden.

Einer der wichtigsten Prozessparameter ist die dem Gaskompressor zugeführte Antriebsleistung. Ihre Erzeugung muss so gesteuert werden, dass die für die jeweilige Betriebssituation des Kompressors mindestens notwendige Antriebsleistung auch bei schnellen Lastwechseln stets zur Verfügung steht. Gleichzeitig führt die Erzeugung darüber hinaus gehender nicht benötigter Antriebsleistung zur Verschlechterung des Wirkungsgrads, bei mechanischen Antrieben außerdem zu erhöhter Schadstoffemission und speziell bei mechanischen Antrieben mit Gasmotor zusätzlich zu kritischen Betriebszuständen. Die permanente Überwachung und Steuerung der Antriebsleistung solcher Systeme erfordert daher neben der obligatorischen Drehzahlmessung auch die Messung des zum Kompressor übertragenen Drehmoments.

Im Gegensatz zur Drehzahlmessung, die direkt und in relativ einfacher Weise realisiert werden kann ist die Realisierung der Drehmomentmessung relativ schwierig. Aus diesem Grund werden oft Messgrößen wie zum Beispiel Zylinderdrücke und Temperaturen als Hilfsgrößen benutzt um, aus ihnen dann das Drehmoment und damit die Leistung zu errechnen. Diese Methode wird seit vielen Jahren angewendet und ständig verfeinert, sie hat jedoch den Nachteil, dass dadurch die auf das Drehmoment bezogene Messunsicherheit durch eine Anzahl von hierfür verwendeten Parametern mit größeren Toleranzen erheblich wird und außerdem meist nicht überzeugend nachgewiesen werden kann. Größere Toleranzen bei Messgrößen, die zu Steuerungszwecken benötigt werden führen jedoch zwangsläufig zu größeren Abweichungen von den optimalen Betriebsparametern. Das kann insbesondere beim Gasmotor zu unerwünschten Effekten führen. Die folgende Grafik soll das veranschaulichen:

Arbeitsbereich eines Gasmotors
Quelle: Wärtsilä Corporation

Sie zeigt den Zusammenhang zwischen Brake Mean Effective Pressure (BMEP) und air/fuel ratio wodurch die Bereiche Klopfen und Fehlzündung dargestellt werden können. In diesen Bereichen darf der Arbeitspunkt des Motors keinesfalls liegen, insbesondere muss dafür gesorgt werden, dass er unter allen Betriebsbedingungen nicht in den Klopfbereich gerät, da dadurch der Motor beschädigt werden kann.

Das optimale Arbeitsfenster liegt zwischen den Bereichen Klopfen und Fehlzündung und wird nach oben hin immer schmaler. Das bedeutet, dass der Gasmotor nur dann mit maximaler Leistung bei gleichzeitig geringer Schadstoffemission betrieben werden kann, wenn eine feinfühlige Regelung mit kleinen Toleranzen vorhanden ist. Größere Toleranzen bedeuten zwangsläufig die Reduzierung der Maximalleistung, um damit den Abstand des Arbeitspunktes zu den Bereichen Klopfen und Fehlzündung zu vergrößern.

Gleichzeitig muss die Regelung sehr schnell sein, da innerhalb kleiner Zeitfenster am Kompressor große Druckschwankungen auftreten können, die sich als Lastschwankungen am Motor bemerkbar machen. Sie müssen von diesem schnell und genau kompensiert werden, damit der Arbeitspunkt im sicheren Arbeitsfenster bleibt. Der folgenden Grafik ist zu entnehmen, dass diese Lastschwankungen innerhalb weniger Sekunden bis etwa 50% der Systemkapazität betragen können:

Lastschwankungen eines Gaskompressorsets
Quelle: Wärtsilä Corporation

Neben der oben genannten Methode gibt es weitere zur Ermittlung des zum Kompressor übertragenen Drehmoments. Dabei wird die durch die Einleitung des Drehmoments entstehende elastische Torsion der Antriebswelle ausgewertet. Hierfür gibt es verschiedene Verfahren (z.B. Dehnungs-, Weg-, Winkel-, Frequenzmessung), die alle auf der Messung einer Hilfsgröße mit anschließender Berechnung des Drehmoments beruhen und daher – sofern sie lediglich an den Antriebsstrang angebaut werden – ebenfalls als indirekte Methoden anzusehen sind. Auch hier führen die Toleranzen der zu berücksichtigenden Parameter (z.B. des Materials sowie der Stranggeometrie) zu einer relativ großen Messunsicherheit der Messgröße Drehmoment.

Die auf der elastischen Torsion der Antriebswelle beruhenden indirekten Methoden zur Ermittlung des Drehmoments können in die Methode der direkten Messung des Drehmoments überführt werden, indem das Messsystem auf die Messgröße Drehmoment kalibriert wird; die Kalibrierung auf die jeweilige Hilfsgröße genügt – wie oben erklärt – nicht. Hierzu ist es notwendig ein mit dem Messsystem ausgerüstetes Segment der Antriebswelle mit Hilfe einer Drehmoment-Belastungseinrichtung zu kalibrieren, um den genauen Zusammenhang zwischen eingeleitetem Drehmoment und Ausgangssignal des Messsystems zu ermitteln. Bei dieser Vorgehensweise gibt es einige Schwierigkeiten:

• die Adaptierung des Wellensegments beim Einbau in die Kalibriereinrichtung,
• die durch die Auslegung der Antriebswelle bedingte geringe Elastizität des Wellensegments und die damit entstehende geringe Empfindlichkeit des Messsystems,
• der Umstand dass nach erfolgter Kalibrierung keine Demontage des Messsystems vom Wellensegment erfolgen darf, da sonst das Kalibrierzertifikat seine Gültigkeit verliert.

1. Transient response behaviour of gas engines
Position paper by the CIMAC working group Gas Engines, April 2011

2. Wärtsilä 20 Dual Fuel (DF) Engine Presentation
Wärtsilä Corporation, 2010

3. LNG based concept development
 Tomas Aminoff, Wärtsilä Corporation

Klaus Weissbrodt

HBM Key Account and Project Manager
High-capacity Torque Applications