EP1116885A2 - Verfahren und Einrichtung zum Regeln eines Turbokompressors zur Verhinderung des Pumpens - Google Patents

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EP1116885A2
EP1116885A2 EP01100755A EP01100755A EP1116885A2 EP 1116885 A2 EP1116885 A2 EP 1116885A2 EP 01100755 A EP01100755 A EP 01100755A EP 01100755 A EP01100755 A EP 01100755A EP 1116885 A2 EP1116885 A2 EP 1116885A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
signal
controller
control line
working point
Prior art date
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EP01100755A
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English (en)
French (fr)
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EP1116885B1 (de
EP1116885A3 (de
Inventor
Wilfried Blotenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Everllence SE
Original Assignee
MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig
MAN Turbomaschinen AG
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Publication date
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Publication of EP1116885A2 publication Critical patent/EP1116885A2/de
Publication of EP1116885A3 publication Critical patent/EP1116885A3/de
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Publication of EP1116885B1 publication Critical patent/EP1116885B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a turbo compressor to prevent pumping, of which in the preamble of claim 1 specified type, and a device to carry out the procedure.
  • a surge limit line can therefore be defined, which a stable map area from an unstable area separates to the left of the surge line. Operation in an unstable area to the left of the surge line is inadmissible because it is inside serious machine damage occurs in the shortest possible time can.
  • a surge limit control is used, which controls a valve on the compressor outlet which as a relief valve with the atmosphere or as a blow-off valve is connected to the suction side of the compressor.
  • such a scheme works in such a way that the setpoint for the flow control from the compressor pressure or from the pressure ratio between outlet pressure (Final pressure) and inlet pressure, or from one of these Pressure ratio derived size is determined.
  • the setpoint corresponds to the control line.
  • the measured compressor intake flow is compared with the setpoint, and in the event of a deviation, the relief valve is adjusted.
  • the operating point lies in normal operation of the compressor of the compressor clearly to the right of the control line (the design point is typically 20 to 30% right of it) and the relief valve is completely closed.
  • the operating point is shifted from this operating state out towards the surge line begins conventional controller can only be opened when the actual value falls below the setpoint, i.e. when the operating point exceeded the control line in the direction of the surge limit Has.
  • a method according to the preamble of claim 1 is known DE-2828124 C2 known.
  • the effect of Systems is that the setpoint of the controller is an additional one Signal is added, the transient working point shifts a shift in the control line like this causes when the working point approaches the control line the safety distance between surge limit and control line is enlarged and the controller earlier appeals.
  • the control line is shifted almost dynamically and a new "dynamic control line" is effective. This has the consequence that the safety distance between control line and stability limit under transient conditions is significantly larger than under stationary conditions and the compressor clearly in such critical conditions is better protected.
  • the known method has the disadvantage that the safety distance for transient working point shifts, who come in from a steady state In the direction of the surge limit, but that is increased Controller only delayed the changes with that on the delay element set time constant.
  • Full the known method is only effective if the Working point starting from a stationary operating point moves towards the surge limit.
  • the known works against this Procedure in the event of disruption, initially a shift the working point away from the surge line and then again towards the surge line, only unsatisfactory.
  • moving the working point away from the The surge line is initially transient after the control line left shifted, with a tendency to adjust according to the set Time constant, usually over several Minutes to reset to the stationary value.
  • the invention is based on the object of a method and to improve a device of the known type so that the advantage of increasing the safety distance is always fully usable, regardless of whether the working point is in one before the fault begins stationary operating state or whether previously transient working point shifts have occurred.
  • the delay element acts in the direction of the surge limit as described in the prior art. With a shift the working point works in the direction away from the boundary line the delay element, however, with a clear smaller time constant. This ensures that the control line for working point shifts away from the Boundary line follows almost instantaneously when shifting in Towards the surge line, however, with the known, clearly slower time constant.
  • the known surge limit control according to the invention for turbo compressors with stationary Control line that is at a fixed distance to the right of the surge line is effective around a dynamic control line expanded.
  • This dynamic control line is implemented in such a way that with transient shifts in the compressor operating point the effective position towards the surge limit the control line changed, in such a way that depending on the speed of the approach of the working point the effective control line to the surge limit to the right in the map in the direction of the working point with the consequence that the safety distance between surge limit and control line is enlarged and therefore the Pump limit controller intervenes earlier.
  • the control line is e.g.
  • the control method according to the invention is particularly suitable for those applications in which a controlled variable, in particular the flow signal, by flow eddies at the Measuring point is very noisy.
  • Classic PID controller with differentiating algorithms fail in these applications, because the differential portion on the rate of change the controlled variable reacts. With high-frequency (some Hz) Signal interference with signal swings of a few percent Differentiating control algorithms are not permitted because they Significant signal changes even with stationary machine operation the manipulated variable. You would also at stationary operation in the vicinity of the design point and a complete closing of the valve when stationary Prevent operations to the right of the control line. For reasons of economy, however, the valve is stationary Keep operation completely closed.
  • the invention Process offers clear advantages here as it even with extremely noisy control variable this disadvantage Effect does not show.
  • Fig. 1-7 each show a simplified Scheme of an inventive device for controlling a Turbo compressor to prevent pumping.
  • the computer 13 has a memory provided, in which the course of a stationary control line (Blow-off line) in which, for example, by P and V shown compressor map, e.g. saved as a polyline is.
  • a stationary control line Blow-off line
  • the compressor outlet pressure P 2 can be used to calculate the target value or can itself be the target value if all other parameters are constant.
  • the computer 13 determines from the actual values of V and P defined position of the working point in the map relative to the control line a setpoint for the throughput V.
  • the setpoint and actual value are fed to a subtracting point 17, which forms a difference signal x d (control deviation).
  • the difference signal x d is supplied to another subtraction point 19 once without delay via a signal path 21 and once with a delay via a delay element 23.
  • the difference between the undelayed and the delayed signal formed at the subtracting point 19 is fed as an input signal to a controller R, which generates a control signal for controlling a blow-off valve or blow-by valve 27 provided on the output line of the compressor K in order to control the surge limit control in accordance with a control algorithm implemented therein to carry out in a manner known per se.
  • the arrangement described corresponds to the method known from DE-2828124 C2.
  • the delay element 23 is a first-order delay element which is asymmetrical in terms of its time constant.
  • the delay element 23 operates with a normal delay. If, on the other hand, the operating point shifts to the right, ie away from the surge line G, and thus the change in time of the difference signal x d formed at the subtraction point 17 has a negative sign, the delay element 23 operates with a significantly smaller time constant, typically approx. 1 sec. This ensures that the controller R can also follow rapid changes in the working point, which are directed away from the surge line G and are therefore “harmless”, almost without delay.
  • Controller used in the method according to the invention.
  • controller R implemented control algorithm not differentiating.
  • a differentiating controller can only then be used when the input signals are largely free of signal noise. Without a differentiating controller then working method according to the invention can be used when the input signals are strong Have signal noise, e.g. through vortex formation in the area of the flow sensors 35 is caused.
  • the asymmetrical delay element 23 containing circuit branch as "gradient sensor” be considered with the direction and speed from working point shifts to the surge limit or from your way will be captured.
  • the mode of action can then be like are described as follows:
  • the memory 13 is the stationary one Control line entered as a polyline.
  • This (current) control difference is the Controller R switched on, its output according to the implemented Control algorithm changes.
  • the current control difference by means of the gradient sensor 23 and the summer 19 a virtual control difference as Sum of the difference between the stationary control line and the current one Flow and the output signal of the gradient Sensor 23 formed.
  • This virtual control difference will the controller R as an additional input variable.
  • the 2 contains the dashed frame as a gradient sensor effective circuit part 40 an integrator 32, whose output signal is fed back to the input and by means of a summing element 30 the input signal of the integrator 32 is added with a negative sign.
  • the time constant of the integrator 32 changes depending on the dependency from the movement of the working point.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which an additional Function generator 41 (e.g. polygon generator) one additional dynamic control line is specified, in addition to that specified by the function generator or computer 13 stationary control line.
  • the dynamic control line 41 is formed from the same input variables as that stationary control line 13, however a "gradient sensor" shifts 40 with downstream summer 19 the dynamic Control line by a portion by which the difference from stationary control line and current compressor flow, formed in summer 17, changes dynamically.
  • the Gradient sensor remembers the stationary distance between stationary control line and current compressor intake flow and add this size of the dynamic control line 41 on.
  • the difference becomes more dynamic Control line and current intake flow formed and applied as a control difference to controller R, which in turn, the blow-off / blow-off valve adjusted accordingly.
  • the gradient sensor is designed such that the dynamic control line only in the direction of the larger one Flow shifts, that means to the safe side for the compressor.
  • a transient shift follows the working point away from the surge limit of the gradient sensor the new distance between the working point and the control line without delay.
  • the output of the gradient sensor is delayed, the means slow, and thereby causes a continuous Settling into steady state.
  • a feedback integrator 32 is an asymmetrical one Limiter 31 connected upstream.
  • the output signal of the Integrator 32 is on the adder 30 at the input with a negative Sign switched on.
  • the asymmetrical limiter 31 is set to input signals that by moving the compressor operating point in the direction Pumping limit are generated to very small values, e.g. 0.02, limited. Input signals that shift the Correspond to the compressor operating point away from the surge limit, are hardly limited, e.g. by a limit of 1.
  • control difference xd setpoint minus actual value "this means a Change in the control difference xd from -0.2 to -0.1.
  • the output of the integrator 32 is before the start of the fault -0.2, the input of summer 30 jumps from -0.2 to - 0.1.
  • the output of summer 30 is +0.1. Since the Limiter 31 positive values limited to a maximum of 0.02 the integrator has an input signal of 0.02 and integrated thereby with a time constant of 50 seconds.
  • the output is only correct after this settling time has subsided of the integrator 32 matches its input.
  • the Summer 19 becomes the difference from the input of the summer 30 and output of the integrator formed and the dynamic Control line activated. Is in steady state the output of the summer 19 zero, with transient shifts of the working point in the direction of the surge limit the output of the summer 19 transiently a positive Value whose amplitude is proportional to the size of the working point shift as well as proportional to the speed is the working point shift.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the gradient sensor 40.
  • two amplifiers 33 and 34 the outputs of which are used via a changeover switch 35 are connected to the integrator 31.
  • the amplifiers are set to different gain factors, the Amplifier 33 e.g. to 0.02 and amplifier 34 to 1.
  • the switch 35 is by a differentiator or Sign generator 36 controls and switches, depending on the sign of the input to one or the other amplifier around. This ensures that in the event of an operating point shift a small gain towards the surge limit and therefore a large time constant is effective and with a shift in the direction away from the surge limit a large gain, that is, a small target constant.
  • FIG. 6 A further embodiment is shown in FIG. 6.
  • the limiter 31 instead of the limiter 31 is an integrator 32 with parameter adaptable Time constant used. Depending on the direction of change of the input signal becomes the time constant of the integrator via the adaptation block 37 between a large and a small value switched.
  • Fig. 7 shows a further embodiment, the gradient sensor 40 a special structure-switchable integrator NFI 32 used.
  • the integrator Via a control input that is connected to the output of the differentiator 36, the integrator switches between the two operating modes Integrate and track around. The working point shifts of the compressor towards the surge limit, the Differentiator DIF 36 integrator 32 in the mode Integrate.
  • the integrator follows with his set Time constants (typically e.g. 50 seconds) of the change of the input signal to summer 30. Shifts the operating point, on the other hand, switches away from the surge limit the differentiator 36 the integrator 32 in the mode Tracking.
  • the integrator's output follows without any Time delay the second input, that is, the output of the totalizer 17.
  • the differentiator switches 36 the integrator 32 again in the integrating mode.
  • the output of the integrator follows from this state with its set time constant the new value.
  • the differentiator 36 detects the change in direction and switches the integrator into the integrating mode.
  • the output of the integrator 32 follows the input variable with the set time constant (e.g. 50 seconds). This makes the adder 18 transient positive Add up size that has the same effect as that described dynamic control line.
  • the embodiment variants of the Gradient sensor 40 can also be used in the embodiment 2 are used. It only needs in the 2 of the integrator 32 and totalizer 30 existing gradient sensor 40 by one of the Gradient sensors 40 according to Fig. 4-7 to be replaced. Of a separate graphic representation and description no such arrangements are given here.
  • the advantage 2 compared to that of FIGS. 3 and their variants according to Fig. 4-7 is that only one Function generator 13 (polygon generator) for mapping the stationary control line is required while a function generator 41 omitted for the dynamic control line and the dynamic control line only exists virtually, since they are each the distance between the stationary Control line and the current working point is calculated.

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Abstract

Zum Verhindern des Pumpens eines Turbokompressors (K) wird ein am Kompressorauslass vorgesehenes Ablase- oder Umblaseventil (27) von einem Regler (R) gesteuert. Erfindungsgemäß wird das Eingangssignal für den Regler (R) in Abhängigkeit vom momentanen Durchfluss und Enddruck des Kompressors (K) so erzeugt, dass der Regler auf Arbeitspunktverschiebungen in Richtung zur Pumpgrenzlinie langsamer und auf Abeitspunktverschiebungen in entgegengesetzter Richtung schneller reagiert. Dies wird durch Anordnung eines asymmetrischen Verzögerungsgliedes oder eines Gradientensensors in der das Eingangssignal für den Regler (R) erzeugenden Schaltung erreicht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Turbokompressors zum Verhindern des Pumpens, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Als Pumpen bezeichnet man bei Kompressoren das stoßweise oder periodische Rückströmen von Fördermedium von der Druck- zur Saugseite. Dieser Zustand tritt z.B. bei zu hohem Enddruck und/oder zu niedrigem Durchsatz ein. Im Kennfeld kann deshalb eine Pumpgrenzlinie definiert werden, die einen stabilen Kennfeldbereich von einem instabilen Bereich links der Pumpgrenzlinie trennt. Betrieb im instabilen Bereich links von der Pumpgrenzlinie ist unzulässig, da innerhalb kürzester Zeit gravierende Maschinenschäden eintreten können. Zur Vermeidung des Pumpens, d.h. des Betriebs im instabilen Bereich wird eine Pumpgrenzregelung eingesetzt, die ein Ventil am Kompressorauslass steuert, welches als Abblaseventil mit der Atmosphäre oder als Umblaseventil mit der Saugseite des Kompressors verbunden ist. Durch Öffnen des Ventils wird der Durchfluss durch den Kompressor so weit erhöht, dass der Arbeitspunkt stets innerhalb des stabilen Kennfeldbereichs verbleibt. Für eine solche Regelung wird im Kennfeld in einem Sicherheitsabstand von der Pumpgrenzlinie eine Regellinie (Abblase- oder Umblaselinie) definiert. Bei Annäherung des momentanen Arbeitspunktes an die Regellinie wird das Abblase- oder Umblaseventil (im Folgenden nur Abblaseventil genannt) mehr oder weniger geöffnet.
Genauer gesagt, arbeitet eine solche Regelung derart, dass der Sollwert für die Durchflussregelung aus dem Kompressordruck oder aus dem Druckverhältnis zwischen Austrittsdruck (Enddruck) und Eintrittsdruck, oder aus einer aus diesem Druckverhältnis hergeleiteten Größe ermittelt wird. Dieser Sollwert entspricht der Regellinie. Der gemessene Kompressoransaugdurchfluss wird mit dem Sollwert verglichen, und bei einer Abweichung erfolgt eine Verstellung des Abblaseventils. Sofern sich der Arbeitspunkt des Kompressors auf der Regellinie befindet, ist die Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers null und das Abblaseventil verharrt in seiner Stellung. Überschreitet der Arbeitspunkt die Regellinie in Richtung Pumpgrenze, öffnet der Regler das Ventil weiter, befindet sich der Arbeitspunkt rechts von Regellinie, schließt der Regler das Ventil.
Bei normaler Betriebsweise des Kompressors liegt der Arbeitspunkt des Kompressors deutlich rechts von der Regellinie (der Auslegungspunkt liegt typischerweise 20 bis 30% rechts davon) und das Abblaseventil ist völlig geschlossen. Bei einer Verschiebung des Arbeitspunktes aus diesem Betriebszustand heraus in Richtung Pumpgrenze beginnt ein herkömmlicher Regler erst dann zu öffnen, wenn der Istwert den Sollwert unterschreitet, das heißt wenn der Arbeitspunkt die Regellinie in Richtung Pumpgrenze überschritten hat.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE-2828124 C2 bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren wird das Differenzsignal aus Sollwert und Istwert einmal unverzögert und parallel dazu verzögert einer Subtrahierstelle zugeführt, von der das Eingangssignal für den Regler abgegriffen wird. Dies hat den Vorteil, dass der Regelkreis auch schnelle, transiente Änderungen des Arbeitspunktes mit ausreichender Sicherheit verarbeiten kann. Die Wirkung des Systems ist die, dass dem Sollwert des Reglers ein zusätzliches Signal aufaddiert wird, das bei transienten Arbeitspunktverschiebungen eine Verschiebung der Regellinie derart bewirkt, dass bei einer Annäherung des Arbeitspunktes an die Regellinie der Sicherheitsabstand zwischen Pumpgrenze und Regellinie vergrößert wird und der Regler dadurch früher anspricht. Die Regellinie wird quasi dynamisch verschoben und wirksam ist eine neue "dynamische Regellinie". Dies hat zur Folge, dass der Sicherheitsabstand zwischen Regellinie und Stabilitätsgrenze unter transienten Bedingungen deutlich größer ist als unter stationären Bedingungen und der Kompressor in solchen kritischen Bedingungen deutlich besser geschützt ist.
Das bekannte Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass zwar der Sicherheitsabstand bei transienten Arbeitspunktverschiebungen, die aus einem stationären Zustand heraus in Richtung Pumpgrenze erfolgen, vergrößert ist, dass aber der Regler den Änderungen nur verzögert, mit der am Verzögerungsglied eingestellten Zeitkonstante, folgen kann. Voll wirksam ist das bekannte Verfahren nur dann, wenn sich der Arbeitspunkt von einem stationären Betriebspunkt ausgehend in Richtung Pumpgrenze verschiebt. Dagegen wirkt das bekannte Verfahren bei Störungen, die zunächst eine Verschiebung des Arbeitspunktes weg von der Pumpgrenze und dann wieder in Richtung Pumpgrenze zur Folge haben, nur unbefriedigend. Bei der Bewegung des Arbeitspunktes weg von der Pumpgrenze wird die Regellinie zunächst transient nach links verschoben, mit der Tendenz, sich gemäß der eingestellten Zeitkonstante, das heißt normalerweise über mehrere Minuten hin, wieder auf den stationären Wert einzustellen. Erst wenn dieser Zustand abgeklungen ist, kann von einem neuen stationären Zustand ausgegangen werden, und das bekannte Verfahren kann seine volle Wirksamkeit zeigen. Bis zum Abklingen dieses transienten Zustands befindet sich die dynamische (dieses ist die wirksame) Regellinie links von der stationären Regellinie. Die Pumpgrenzregelung greift daher nur mit Verzögerung ein, da der Arbeitspunkt transient einen weiteren Weg Richtung Pumpgrenze zurücklegen muss, bis der Regler eingreift.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der bekannten Art so zu verbessern, dass der Vorteil der Vergrößerung des Sicherheitsabstands stets in vollem Umfang nutzbar ist, und zwar unabhängig davon, ob sich der Arbeitspunkt vor Beginn der Störung in einem stationären Betriebszustand befindet oder ob zuvor bereits transiente Arbeitspunktverschiebungen erfolgt sind.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Einrichtung zur seiner Durchführung.
Erfindungsgemäß ist die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes asymmetrisch gestaltet. Bei Arbeitspunktverschiebungen in Richtung Pumpgrenze wirkt das Verzögerungsglied so, wie im Stand der Technik beschrieben. Bei einer Verschiebung des Arbeitspunktes in Richtung weg von der Grenzlinie arbeitet das Verzögerungsglied dagegen mit einer deutlich kleineren Zeitkonstante. Dadurch ist gewährleistet, dass die Regellinie bei Arbeitspunktverschiebungen weg von der Grenzlinie nahezu unverzögert folgt, bei Verschiebung in Richtung Pumpgrenze dagegen mit der bekannten, deutlich langsameren Zeitkonstante.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die bekannte Pumpgrenzregelung für Turbokompressoren mit stationär eingestellter Regellinie, die in einem festen Abstand rechts von der Pumpgrenze wirksam ist, um eine dynamische Regellinie erweitert. Diese dynamische Regellinie ist derart implementiert, dass sie bei transienten Verschiebungen des Kompressorarbeitspunktes in Richtung Pumpgrenze die wirksame Lage der Regellinie verändert,und zwar derart, dass in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze die wirksame Regellinie nach rechts im Kennfeld in Richtung Arbeitspunkt verschoben wird mit der Folge, dass der Sicherheitsabstand zwischen Pumpgrenze und Regellinie vergrößert wird und demzufolge der Pumpgrenzregler frühzeitiger eingreift. Bei sehr schnellen Verschiebungen des Arbeitspunktes in Richtung Pumpgrenze wird die Regellinie z.B. um den halben Abstand zwischen Arbeitspunkt und der stationären Regellinie nach rechts verschoben, bei langsameren Arbeitspunktverschiebungen ist die Verschiebung der Regellinie geringer. Wird der Arbeitspunkt nur sehr langsam, das heißt über z.B. 1 Stunde in Richtung stationäre Regellinie verschoben, stimmt die dynamische Regellinie nahezu vollständig mit der stationären Regellinie überein.
Das erfindungsgemäße Regelverfahren eignet sich insbesondere für solche Anwendungen, in denen eine Regelgröße, insbesondere das Durchflusssignal, durch Strömungswirbel an der Messstelle stark verrauscht ist. Klassische PID-Regler mit differenzierenden Algorithmen versagen bei diesen Anwendungen, da der Differenzialanteil auf die Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße reagiert. Bei hochfrequenten (einige Hz) Signalstörungen mit Signalhüben von einigen Prozent sind differenzierende Regelalgorithmen unzulässig, da sie auch bei stationärem Maschinenbetrieb zu erheblichen Signaländerungen der Stellgröße führen. Sie würden auch bei stationärem Betrieb in der Nähe des Auslegungspunktes reagieren und ein völliges Schließen des Ventils bei stationärem Betrieb rechts von der Regellinie häufig verhindern. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen ist das Ventil aber im stationären Betrieb völlig geschlossen zu halten. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet hier deutliche Vorteile, da es auch bei extrem stark verrauschter Regelgröße diesen nachteiligen Effekt nicht zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1-7 zeigen jeweils ein verein-fachtes Schema einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Regelung eines Turbokompressors zum Verhindern des Pumpens.
Gemäß Fig. 1 wird in der Saugleitung 1 eines Turbokompressors K durch Messfühler 3, 5, der Druck vor und hinter einer Drosselblende (nicht dargestellt) gemessen, woraus ein Messumformer 7 den Istwert für den saugseitigen Kompressordurchsatz V bildet. Am Kompressorausgang umfasst ein Messfühler 9 mit nachgeschaltetem Messumformer 11 den Istwert des Enddruckes P. Beide Istwerte V und P werden in einen Rechner 13 eingegeben. Der Rechner 13 ist mit einem Speicher versehen, in welchem der Verlauf einer stationären Regellinie (Abblaselinie) in dem beispielsweise durch P und V dargestellten Kompressorkennfeld, z.B. als Polygonzug, abgespeichert ist.
Der Sollwert wird vorzugsweise errechnet auf der Grundlage der Enthalpiedifferenz (Förderhöhe) Δh des Kompressors nach der Formel
Figure 00060001
wobei
κ =
isentropischer Exponent
R =
Gaskonstante
T1 =
Temperatur am Kompressoreinlaß
P1 =
Druck am Kompressoreinlaß
P2 =
Druck am Kompressorauslaß
Der Kompressorauslaßdruck P2 kann zur Berechnung des Sollwertes dienen oder selbst der Sollwert sein, wenn alle anderen Parameter konstant sind.
Der Rechner 13 ermittelt aus der durch die Istwerte von V und P definierten Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld relativ zur Regellinie einen Sollwert für den Durchsatz V.
Sollwert und Istwert werden einer Subtrahierstelle 17 zugeführt, die ein Differenzsignal xd (Regelabweichung) bildet. Das Differenzsignal xd wird einer weiteren Subtrahierstelle 19 einmal über einen Signalweg 21 unverzögert und einmal über ein Verzögerungsglied 23 verzögert zugeführt. Die an der Subtrahierstelle 19 gebildete Differenz aus dem unverzögerten und dem verzögerten Signal wird als Eingangssignal einem Regler R zugeführt, der gemäß einem in ihm implementierten Regelalgorithmus ein Stellsignal zum Steuern eines an der Ausgangsleitung des Kompressors K vorgesehenen Abblaseventils oder Umblaseventils 27 erzeugt, um die Pumpgrenzregelung in an sich bekannter Weise durchzuführen. Insoweit entspricht die beschriebene Anordnung dem aus DE-2828124 C2 bekannten Verfahren.
Das Verzögerungsglied 23 ist gemäß der Erfindung ein Verzögerungsglied erster Ordnung, das hinsichtlich seiner Zeitkonstanten asymmetrisch ausgebildet ist. Bei Verschiebungen des Arbeitspunktes nach links in Richtung auf die Pumpgrenzlinie G, d.h. wenn die zeitliche Änderung des an der Subtrahierstelle 17 gebildeten Differenzsignals xd eine positive Steigung hat, arbeitet das Verzögerungsglied 23 mit normaler Verzögerung. Wenn sich dagegen der Arbeitspunkt nach rechts, d.h. von der Pumpgrenzlinie G weg verschiebt, und somit die zeitliche Änderung des an der Subtrahierstelle 17 gebildeten Differenzsignals xd negatives Vorzeichen hat, arbeitet das Verzögerungsglied 23 mit einer deutlich kleineren Zeitkonstanten, typischerweise ca. 1 sec. Damit wird erreicht, dass der Regler R auch schnellen Änderungen des Arbeitspunktes, die von der Pumpgrenzlinie G weg gerichtet und daher "ungefährlich" sind, nahezu unverzögert folgen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird kein differenzierender Regler verwendet. Insbesondere ist der im Regler R implementierte Regelalgorithmus nicht differenzierend. Wie bereits erwähnt, kann ein differenzierender Regler nur dann verwendet werden, wenn die Eingangssignale weitgehend frei von Signalrauschen sind. Das ohne differenzierenden Regler arbeitende Verfahren gemäß der Erfindung kann auch dann verwendet werden, wenn die Eingangssignale einen starken Anteil von Signalrauschen aufweisen, wie er z.B. durch Wirbelbildung im Bereich der den Durchfluss erfassenden Messfühler 35 verursacht wird.
In allgemeinerer Betrachtung kann der zwischen den Summierern 17 und 19 liegende, das asymmetrische Verzögerungsglied 23 enthaltende Schaltungszweig als "Gradientensensor" betrachtet werden, mit dem die Richtung und Geschwindigkeit von Arbeitspunktverschiebungen zur Pumpgrenze hin oder von ihr weg erfasst werden. Die Wirkungsweise kann dann wie folgt beschrieben werden: Im Speicher 13 ist die stationäre Regellinie als Polygonzug eingegeben. Im Summierer 17 wird die Differenz aus stationärer Regellinie (Sollwert für die Pumpgrenzregelung) und dem aktuellen Durchfluss des Kompressors gebildet. Diese (aktuelle) Regeldifferenz wird dem Regler R aufgeschaltet, der seinen Ausgang gemäss dem implementierten Regelalgorithmus ändert. Ferner wird aus der aktuellen Regeldifferenz mittels des Gradientensensors 23 und des Summierers 19 eine virtuelle Regeldifferenz als Summe aus der Differenz aus stationärer Regellinie und aktuellen Durchfluss und dem Ausgangssignal des gradienten Sensors 23 gebildet. Diese virtuelle Regeldifferenz wird dem Regler R als zusätzliche Eingangsgröße aufgeschaltet. Hierdurch ergibt sich eine virtuelle Regellinie die eine transiente Arbeitspunktverschiebung mit einer eingestellten Zeitkonstante (typischerweise 20 bis 60 Sekunden) folgt. Nach abdingen dieser Zeitkonstante stimmt die virtuelle Regellinie mit der stationären Regellinie überein.
Für den Gradientensensor, der in Fig. 1 durch das Glied 23 repräsentiert wird, sind verschiedene Ausgestaltungen möglich, die nachstehend erläutert werden.
Gemäß Fig. 2 enthält der gestrichelt umrahmte, als Gradientensensor wirksame Schaltungsteil 40 einen Integrierer 32, dessen Ausgangssignal auf den Eingang rückgekoppelt ist und mittels eines Summiergliedes 30 dem Eingangssignal des Integrierers 32 mit negativen Vorzeichen hinzu addiert wird. Die Zeitkonstante des Integrierers 32 ändert sich an Abhängigkeit von der Bewegung des Arbeitspunktes.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der durch einen zusätzlichen Funktionsgeber 41 (z.B. Polygongenerator) eine zusätzliche dynamische Regellinie vorgegeben wird, zusätzlich zu der durch den Funktionsgeber oder Rechner 13 vorgegebenen stationären Regellinie. Die dynamische Regellinie 41 wird gebildet aus den gleichen Eingangsgrößen wie die stationäre Regellinie 13, allerdings verschiebt ein "Gradientensensor" 40 mit nachgeschaltetem Summierer 19 die dynamische Regellinie um einen Anteil, um den sich die Differenz aus stationärer Regellinie und aktuellem Kompressordurchfluss, gebildet im Summierer 17, dynamisch ändert. Der Gradientensensor merkt sich den stationären Abstand zwischen stationärer Regellinie und aktuellem Kompressoransaugdurchfluss und addiert diese Größe der dynamischen Regellinie 41 auf. Im Summierer 18 wird die Differenz aus dynamischer Regellinie und aktuellem Ansaugdurchfluss gebildet und als Regeldifferenz dem Regler R aufgeschaltet, der seinerseits das Abblase-/Um-blaseventil entsprechend verstellt. Der Gradientensensor ist derart ausgebildet, dass er die dynamische Regellinie nur in Richtung größerer Durchflüsse verschiebt, das heißt zur sicheren Seite für den Kompressor.
Erfindungsgemäß folgt bei einer transienten Verschiebung des Arbeitspunktes weg von der Pumpgrenze der Gradientensensor dem neuen Abstand zwischen Arbeitspunkt und Regellinie unverzögert. In Richtung auf die Regellinie zu folgt der Ausgang des Gradientensensors zeitlich verzögert, das heißt langsam, und bewirkt dadurch ein kontinuierliches Einschwingen in den stationären Zustand.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des "Gradientensensors", so wie er in den Block 40 von Fig. 3 eingefügt ist. Einem rückgekoppelten Integrierer 32 ist ein asymmetrischer Begrenzer 31 vorgeschaltet. Das Ausgangssignal des Integrierers 32 ist auf den Summierer 30 am Eingang mit negativem Vorzeichen aufgeschaltet. Der asymmetrische Begrenzer 31 ist derart eingestellt, dass er Eingangssignale, die durch eine Bewegung des Kompressorarbeitspunktes in Richtung Pumpgrenze erzeugt werden, auf sehr kleine Werte, z.B. 0,02, begrenzt. Eingangssignale, die einer Verschiebung des Kompressorarbeitpunktes weg von der Pumpgrenze entsprechen, werden kaum begrenzt, z.B. durch eine Grenze von 1.
Die Wirkung soll an einem Beispiel erläutert werden. Angenommen sei eine Verschiebung des Kompressorarbeitspunktes in Richtung Pumpgrenze, z.B. derart, dass der Arbeitspunkt nahezu sprungförmig aus einem Arbeitspunkt im Abstand von 20% von der Regellinie in einen Punkt im Abstand von 10% von der Regellinie springt. Auf Grund der Vereinbarung "Regeldifferenz xd = Sollwert minus Istwert" bedeutet dies eine Änderung der Regeldifferenz xd von -0,2 auf -0,1. Der Ausgang des Integrierers 32 beträgt vor Beginn der Störung -0,2, der Eingang des Summierers 30 springt von -0,2 auf - 0,1. Der Ausgang des Summierers 30 beträgt +0,1. Da der Begrenzer 31 positive Werte auf maximal 0,02 begrenzt, erhält der Integrier ein Eingangssignal von 0,02 und integriert dadurch mit einer Zeitkonstanten von 50 Sekunden. Erst nach Abklingen dieser Einschwingzeit stimmt der Ausgang des Integrierers 32 mit seinem Eingang überein. Im Summierer 19 wird die Differenz aus Eingang des Summierers 30 und Ausgang des Integrierers gebildet und der dynamischen Regellinie aufgeschaltet. Im stationären Zustand ist der Ausgang des Summierers 19 null, bei transienten Verschiebungen des Arbeitspunkts in Richtung Pumpgrenze nimmt der Ausgang des Summierers 19 transient einen positiven Wert an, dessen Amplitude proportional zur Größe der Arbeitspunktverschiebung sowie proportional zur Geschwindigkeit der Arbeitspunktverschiebung ist.
Verschiebt sich der Arbeitspunkt weg von der Regellinie, greift die untere Grenze des Begrenzers 31 und der Integrierer folgt mit kleiner Zeitkonstante, z.B. 1 Sekunde. Der Gradientensensor ist somit in dieser Richtung nahezu wirkungslos. Allerdings hat dies den Vorteil, dass der Integrierer sehr schnell den neuen stationären Wert annimmt. Verändert sich der Arbeitspunkt transient, z.B. zunächst von -0,2 auf -0,3, um dann auf -0,1 zu gehen, folgt erfindungsgemäß der Ausgang des Integrierers sehr schnell auf - 0,3. Die volle Dynamik des Systems steht damit zur Verfügung. Bei einer Methode nach dem Stand der Technik würde der Integrierer der Änderung von -0,2 auf -0,3 mit der gleichen Zeitkonstanten folgen, wie in die andere Richtung. Bei kurzer Aufeinanderfolge beider Störungen würde die Bewegung weg von der Regellinie quasi ignoriert.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Gradientensensors 40. Statt des Begrenzers 32 werden zwei Verstärker 33 und 34 verwendet, deren Ausgänge über einen Umschalter 35 auf den Integrierer 31 geschaltet sind. Die Verstärker sind auf unterschiedliche Verstärkungsfaktoren eingestellt, der Verstärker 33 z.B. auf 0,02 und der Verstärker 34 auf 1. Der Umschalter 35 ist durch einen Differenzierer oder einen Vorzeichenbildner 36 gesteuert und schaltet, je nach Vorzeichen des Eingangs auf den einen oder anderen Verstärker um. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einer Arbeitspunktverschiebung in Richtung Pumpgrenze eine kleine Verstärkung und damit eine große Zeitkonstante wirksam ist und bei einer Verschiebung in Richtung weg von der Pumpgrenze eine große Verstärkung, das heißt kleine Zielkonstante.
Eine weitere Ausgestaltung zeigt Fig. 6. Hier wird statt des Begrenzers 31 ein Integrierer 32 mit parameteradaptierbarer Zeitkonstante verwendet. Je nach Änderungsrichtung des Eingangssignals wird die Zeitkonstante des Integrierers über den Adaptionsblock 37 zwischen einem großen und einem kleinen Wert umgeschaltet.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform, deren Gradientensensor 40 einen speziellen strukturumschaltbaren Integrierer NFI 32 verwendet. Über einen Steuereingang, der mit dem Ausgang des Differenzierers 36 beschaltet ist, schaltet der Integrierer zwischen den beiden Betriebsarten Integrieren und Nachführen um. Verschiebt sich der Arbeitspunkt des Kompressors in Richtung Pumpgrenze, schaltet der Differenzierer DIF 36 den Integrierer 32 in die Betriebsart Integrieren. Der Integrierer folgt mit seiner eingestellten Zeitkonstanten (typischerweise z.B. 50 Sekunden) der Änderung des Eingangssignals zum Summierer 30. Verschiebt sich der Arbeitspunkt dagegen weg von der Pumpgrenze, schaltet der Differenzierer 36 den Integrierer 32 in die Betriebsart Nachführen. Der Ausgang des Integrierers folgt ohne jegliche Zeitverzögerung dem zweiten Eingang, das heißt dem Ausgang des Summierers 17. Sobald sich der Arbeitspunkt wieder in Richtung Pumpgrenze bewegt, schaltet der Differenzierer 36 den Integrierer 32 wieder in die Betriebsart Integrieren. Der Ausgang des Integrierers folgt aus diesem Zustand mit seiner eingestellten Zeitkonstanten dem neuen Wert.
Auch diese Wirkung sei an dem nachstehenden Beispiel erläutert. Verändert sich der Arbeitspunkt transient, z.B. zunächst von -0,2 auf -0,3, um dann auf -0,1 zu gehen, folgt erfindungsgemäß der Ausgang des Integrierers sehr schnell auf -0,3. Da der Differenzierer 36 die Verschiebung weg von der Pumpgrenze, das heißt Änderung der Regeldifferenz xd von -0,2 auf -0,3, feststellt, wird der Integrierer während dieses Vorgangs in Betriebsart Nachführen stets den gleichen Wert annehmen wie die Regeldifferenz, sprich das Ausgangssignal des Summierers 17. Der Ausgang des Summierers 19 ist stets null und der Gradientensensor damit bei einer Arbeitsverschiebung weg von der Pumpgrenze wirkungslos.
Bewegt sich dagegen der Arbeitspunkt in Richtung Pumpgrenze, das heißt ändert sich die Regeldifferenz xd von -0,3 auf -0,1, erkennt der Differenzierer 36 die Richtungsänderung und schaltet den Integrierer in die Betriebsart Integrieren. Der Ausgang des Integrierers 32 folgt der Eingangsgröße mit der eingestellten Zeitkonstanten (z.B. 50 Sekunden). Hierdurch wird dem Addierer 18 transient eine positive Größe aufaddiert, die die gleiche Wirkung hat wie die beschriebene dynamische Regellinie.
Die volle Dynamik des Systems steht damit zur Verfügung, da der Gradientensensor bereits mit Beginn der Arbeitspunktverschiebung aus der xd = -0,3 Position heraus wirksam ist. Bei einem System nach dem Stand der Technik würde der Gradientensensor bei schnell aufeinander folgenden Vorgängen erst bei einer Regeldifferenz von -0,2 die Regellinie in Richtung weg von der Pumpgrenze verschieben. Bei kurzer Aufeinanderfolge beider Störungen würde die Bewegung weg von der Regellinie quasi ignoriert.
Die in den Fig. 4-7 darstellten Ausführungsvarianten des Gradientensensors 40 können auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 verwendet werden. Es braucht lediglich in der Anordnung gemäß Fig. 2 der aus dem Integrierer 32 und Summierer 30 bestehende Gradientensensor 40 durch einen der Gradientensensoren 40 gemäß Fig. 4-7 ersetzt zu werden. Von einer gesonderten zeichnerischen Darstellung und Beschreibung solcher Anordnungen wird hier abgesehen. Der Vorteil der Anordnung gemäß Fig. 2 gegenüber der gemäß Fig. 3 und ihren Varianten gemäß Fig. 4-7 liegt darin, dass nur ein Funktionsgeber 13 (Polygongenerator) für die Abbildung der stationären Regellinie erforderlich ist, während ein Funktionsgeber 41 für die dynamische Regellinie weggelassen wird und die dynamische Regellinie nur noch virtuell existiert, da sie jeweils als Abstand zwischen der stationären Regellinie und dem aktuellen Arbeitspunkt berechnet wird.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Regeln eines Turbokompressors zur Verhinderung des Pumpens,
    bei dem ein Differenzsignal (xd) aus einem laufend erfassten Istwert einer Betriebsgröße des Kompressors (K) und einem von der Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld abhängigen Sollwert erzeugt wird und aus dem Differenzsignal (xd) unter Verwendung eines Verzögerungsgliedes ein Eingangssignal für einen Regler (R) erhalten wird, der ein vom Kompressorauslass abzweigendes Ventil (24) steuert,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal (xd) in Abhängigkeit von seiner Änderungsrichtung (Zunahme oder Abnahme) mit unterschiedlichen Zeitkonstanten verzögert wird derart, dass der Regler (R) auf Arbeitspunktverschiebungen in Richtung zur Pumpgrenzlinie langsamer und auf Arbeitspunktverschiebungen in entgegengesetzter Richtung schneller reagiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal einmal über das Verzögerungsglied und einmal unverzögert einer Subtrahierstelle (19) zugeführt wird, von der das Eingangssignal für den Regler (R) abgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung des Verzögerungsgliedes bei von der Pumpgrenzlinie weg gerichteten Arbeitspunktverschiebungen im Wesentlichen oder nahezu Null ist.
  4. Einrichtung zum Regeln eines Turbokompressors zur Verhinderung des Pumpens, mit Messgebern (3,5) zur Erfassung des Istwertes einer oder mehrerer für den Arbeitspunkt des Kompressors (K) charakteristischer Betriebsgrößen, einem Sollwertgeber (13) mit vorgegebenem Verlauf und einer Regellinie (A) im Kompressorkennfeld, einem Differenzglied (17) zum Erzeugen eines Differenzsignals (xd) aus Sollwert und Istwert, einem Regler (R), der ein Stellsignal für ein Ventil (27) am Kompressorauslass erzeugt, und einer mit dem Differenzsignal (xd) beaufschlagten, ein Verzögerungsglied (23) enthaltenden Schaltung zur Erzeugung des Eingangssignals für den Regler (R),
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsglied (23) ein asymmetrisches Verzögerungsglied ist, dessen Verzögerung bei einer Änderung des Differenzsignals (xd), die einer Verschiebung des Arbeitspunktes in Richtung zur Pumpgrenzlinie (G) entspricht, größer ist als bei einer Änderung des Differenzsignals (xd) in entgegengesetzter Richtung.
  5. Einrichtung zum Regeln eines Turbokompressors zur Verhinderung des Pumpens, mit Messgebern (3,5) zur Erfassung des Istwertes einer oder mehrerer für den Arbeitspunkt des Kompressors (K) charakteristischer Betriebsgrößen, einem Sollwertgeber (13) mit vorgegebenem Verlauf und einer Regellinie (A) im Kompressorkennfeld, einem Differenzglied (17) zum Erzeugen eines Differenzsignals (xd) aus Sollwert und Istwert, einem Regler (R), der ein Stellsignal für ein Ventil (27) am Kompressorauslass erzeugt,
    dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Gradientensensor (40) enthält, der die Größe und Richtung der Änderung des Differenzsignals (xd) erfasst, und dass das Ausgangssignal des Gradientensensors (40) einen Funktionsgeber (41) steuert, in welchem eine dynamische Regellinie gespeichert ist, wobei die Summe aus dem Ausgangssignal des Funktionsgebers (41) und dem Istwert des Kompressordurchsatzes (V) dem Regler (R) als Eingangssignal zugeführt ist.
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