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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer
Strömungsmaschine,
insbesondere eines Turbokompressors, zur Vermeidung eines Pumpens
der Strömungsmaschine.
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Bei
der Förderung
von Fluiden, insbesondere Gasen, mittels Turbokompressoren kann
unter ungünstigen
Betriebsbedingungen sogenanntes Pumpen auftreten, worunter ein zyklisches
Fördern
und Rückströmen des
geförderten
Fluids zu verstehen ist. Ein solcher Pumpzustand geht regelmäßig mit starken
Druckstößen, Vibrationen
und Temperaturanstiegen im Turbokompressor einher, die die Strömungsmaschine
schädigen
können.
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Eine
Pumpgrenze der Strömungsmaschine gibt
dabei an, bis zu welchem Strömungsfluss
des geförderten
Fluids bei einer gegebenen Förderhöhe oder
Enthalpiedifferenz zwischen Ausgangsseite und Eingangsseite der
Strömungsmaschine
ein pumpfreier Betrieb möglich
ist.
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Der
Betrieb eines Kompressors in einem Arbeitsbereich, in dem Pumpstöße auftreten
können, wird
durch Einsatz einer sogenannten Pumpgrenzregelung vermieden. Aufgabe
der Pumpgrenzregelung ist es, den geförderten Massenstrom des Fluids durch
Abblasen von Gas auf der Kompressordruckseite und/oder durch Umleiten
von Fluid von der Druckseite zur Saugseite so weit zu erhöhen, dass die
Fördermenge
des Fluids stets größer ist
als eine minimal zulässige
Fördermenge,
die durch die Pumpgrenze bestimmt ist.
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Zu
diesem Zweck ist in der Pumpgrenzregelung eine Pumpgrenzregellinie
hinterlegt bzw. von der Steuerung bestimmt, die zum Ausgleich von
Messtoleranzen und Ansprechverzögerungen
des Regelsystems in einem geeigneten Sicherheitsabstand zur theoretisch
oder empirisch bestimmten tatsächlichen Pumpgrenze
definiert sein kann.
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Im
Regelfall hängt
die Pumpgrenze (bzw. damit auch die Pumpgrenzregellinie) nicht nur
von der Enthalpiedifferenz oder Förderhöhe des geförderten Fluids ab, sondern
auch von weiteren Betriebsparametern wie dem eingangsseitigen oder
Ansaugdruck des Fluids, der eingangsseitigen oder Ansaugtemperatur
des Fluids, oder einer materiellen Beschaffenheit des Fluids wie
beispielsweise seinem Molekulargewicht bzw. seiner molaren Masse.
Die Enthalpiedifferenz ist in der Regel nicht direkt messbar, sondern
wird bevorzugt aus anderen Zustandsgrößen (Druck, Temperatur, Fluideigenschaften)
errechnet.
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Hinsichtlich
dieser weiteren Einflussgrößen wird
bisher ein Pumpgrenzverlauf zur Überwachung und
entsprechenden Steuerung bzw. Regelung der Strömungsmaschine gewählt, der
für alle
vorkommenden Wertebereiche der Einflussgrößen noch im sicheren Bereich
liegt. Teilweise weicht die tatsächliche
Pumpgrenze von dieser aus Sicherheitsgründen in der Steuerung abgelegten
Pumpgrenze erheblich ab, so dass der erlaubte Bereich von Betriebsbedingungen
der Strömungsmaschine
unnötig
eingeschränkt
ist und die Strömungsmaschine
nicht optimal ausgenutzt wird.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Ausnutzung
einer Strömungsmaschine
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Regelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Anspruch 14 stellt eine Strömungsmaschine,
Anspruch 15 einen Steuerrechner zur Durchführung eines solchen Verfahrens
unter Schutz. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Wie
vorstehend ausgeführt,
hängt eine Pumpgrenze
allgemein von drei oder mehr Zustandsgrößen ab, beispielsweise der
Enthalpiedifferenz, dem Ansaugvolumenstrom und der Ansaugtemperatur
sowie Materialeigenschaften des Gases. Die vorliegende Erfindung
basiert auf dem Prinzip, für
die Bestimmung der Pumpgrenze zunächst für alle bis auf eine erste und
eine zweite Zustandsgröße, beispielsweise
die Enthalpiedifferenz und den Ansaugvolumenstrom, Nennwerte, beispielsweise
eine Nennansaugtemperatur zugrunde zu legen. Dann ergibt sich eine
eineindeutige Beziehung, die jeder ersten Zustandsgröße denjenigen
Grenzwert der zweiten Zustandsgröße zuordnet,
ab der Pumpen auftritt bzw. nicht auftritt. Anschließend wird
erfindungsgemäß dieser
Grenzwert korrigiert, indem nun die Abweichung der dritten oder
weiterer Zustandsgrößen von
dem bei der Bestimmung dieses Nenngrenzwertes zugrundegelegten Nennwert
berücksichtigt
werden.
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Erfindungsgemäß wird hierzu
eine erste Zustandsgröße eines
durch die Strömungsmaschine geförderten
Fluids, insbesondere eine Enthalpiedifferenz, ein Enddruck nach
der Strömungsmaschine, ein
Druckverhältnis
zwischen Ansaug- und Enddruck, oder eine andere Zustandsgröße ermittelt.
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Dann
wird ein Nenngrenzwert einer zweiten Zustandgröße des Fluids, insbesondere
eines Ansaugvolumenstromes oder eines Differenzdruckes über einer
Drosselstelle im Ein- oder Austritt der Strömungsmaschine, aus einem abgespeicherten
Nennpumpgrenzverlauf unter Verwendung der ersten Zustandsgröße als Eingangswert
ermittelt. Der abgespeicherte Nennpumpgrenzverlauf gibt somit für einen
Wert der ersten Zustandsgröße denjenigen
Wert der zweiten Zustandsgröße an, bei
der gerade noch kein Pumpen auftritt, wenn die übrigen Zustandsgrößen, die
die Pumpgrenze ebenfalls beeinflussen, alle ihren Nennwert aufweisen.
Ein solcher Nennpumpgrenzverlauf kann beispielsweise empirisch durch Abfahren
eines Kennfeldes für
die erste und die zweite Zustandsgröße unter Konstanthalten der übrigen Zustandsgrößen, aber
gleichermaßen
auch theoretisch, insbesondere durch strömungstechnische Auslegung oder
Simulationen, ermittelt und vorab oder während einer Testphase abgespeichert
werden.
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Im
Betrieb weichen die übrigen
Zustandsgrößen in der
Regel von ihren zur Bestimmung des Nennpumpgrenzverlaufs zugrundegelegten
Werten ab. Um dies zu berücksichtigen,
wird für
wenigstens eine dritte Zustandsgröße, beispielsweise ein Molekulargewicht,
einen Ansaugdruck und/oder eine Ansaugtemperatur ein parameterabhängiger Grenzwert der
zweiten Zustandgröße aus einer
bezüglich
der jeweiligen dritten Zustandsgröße parametrisierten Schar von
Pumpgrenzverläufen
unter Verwendung der ersten Zustandsgröße als Eingangswert ermittelt. Die
einzelnen Pumpgrenzverläufe
der Schar können dabei
in analoger Weise zu dem vorstehend beschriebenen Nennpumpgrenzverlauf
ermittelt werden, wobei die jeweilige dritte Zustandsgröße anstelle
des Nennwertes den entsprechenden Parameter aufweist. Die Schar
von Pumpgrenzverläufen
kann beispielsweise empirisch durch Abfahren eines Kennfeldes für die erste
und die zweite Zustandsgröße, aber
gleichermaßen
auch theoretisch, insbesondere durch strömungstechnische Auslegung oder
Simulationen, ermittelt und abgespeichert werden, wobei die dritten
Zustandsgrößen, die
die Pumpgrenze beeinflussen, alle bis auf eine ihren Nennwert aufweisen
und diese eine dritte Zustandsgröße variiert
wird, um die einzelnen Pumpgrenzverläufe der Schar zu erzeugen.
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Nun
wird auf Basis des Nenngrenzwerts und des jeweiligen parameterabhängigen Grenzwertes ein
Korrekturfaktor ermittelt, der die Änderung der Pumpgrenze bzw.
der Pumpgrenzregellinie aufgrund der Abweichung des Wertes des jeweiligen
dritten Zustandsgröße von ihrem
zur Ermittlung des Nenngrenzwertes zugrundegelegten Nennwert wenigstens
näherungsweise
kompensiert.
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Mit
diese Korrekturfaktor wird der Nenngrenzwert zu einem korrigierten
Grenzwert korrigiert und die Strömungsmaschine
derart gesteuert, dass die zweite Zustandgröße den korrigierten Grenzwert nicht überschreitet,
falls der Grenzwert einen zulässigen
Maximalwert zur Vermeidung von Pumpen darstellt, bzw. nicht unterschreitet,
sofern der Grenzwert einen zulässigen
Minimalwert zur Vermeidung von Pumpen darstellt.
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Somit
kann vorteilhaft ein Pumpgrenzwert für die zweite Zustandsgröße rasch,
einfach, in leicht zu implementierender Weise und/oder bei geringem Speicherbedarf
bestimmt werden, der aufgrund der Korrektur gleichwohl eine ausreichende
Genauigkeit aufweist und insbesondere eine bessere Ausnutzung der
Strömungsmaschine
ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausführung
werden die Korrekturen für
wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei dritte Zustandsgrößen durchgeführt, i. e.
für jede
dieser zu berücksichtigenden
dritten Zustandsgrößen jeweils
ein parameterabhängiger Grenzwert
bestimmt, auf Basis dieses Grenzwertes und des Nenngrenzwerts ein
Korrekturfaktor ermittelt, und der Nenngrenzwert mit diesen Korrekturfaktoren
zu einem korrigierten Grenzwert korrigiert, anhand dessen die Strömungsmaschine
gesteuert wird.
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Es
kann insbesondere der Fall auftreten, dass die Abweichungen des
tatsächlichen
Pumpgrenzwertes von dem Nenngrenzwert, dies sich aufgrund der Abweichungen
der verschiedenen zu berücksichtigenden
dritten Zustandsgrößen ergeben, einander – wenigstens
teilweise – gegenseitig
kompensieren. In der bevorzugten Ausführung wird dem durch die Korrektur
mit den jeweiligen, dann gegensinnigen Korrekturfaktoren automatisch
Rechnung getragen. So kann beispielsweise ein gegenüber dem
Nennwert geringeres Molekulargewicht eine gegenüber dem Nennwert geringere
Ansaugtemperatur kompensieren, so dass sich im Wesentlichen der Nenngrenzwert
einstellt.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird der Korrekturfaktor für wenigstens
eine, bevorzugt für
alle dritten Zustandsgrößen durch
Division des parameterabhängigen
Grenzwerts durch den Nenngrenzwert ermittelt und der korrigierte
Grenzwert durch Multiplikation des Nenngrenzwerts mit den solcherart
ermittelten Korrekturfaktoren ermittelt. Weist also beispielsweise
eine dritte Zustandsgröße den bei
der Bestimmung des Nennpumpgrenzverlaufs zugrunde gelegten Nennwert
auf, sind parameterabhängiger
Grenzwert und Nenngrenzwert identisch, der Korrekturfaktor, mit dem
der Nenngrenzwert multipliziert wird, entsprechend gleich 1. Ist
der Grenzwert, der sich bei dem tatsächlich im Betrieb herrschenden
Wert der dritten Zustandsgröße aus der
Schar der Pumpgrenzverläufe
ergibt, hingegen größer (kleiner)
als der Nenngrenzwert, so wird dieser entsprechend mit einem Korrekturfaktor
größer (kleiner)
1 multipliziert.
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Der
Nenngrenzwert kann mit Korrekturfaktoren mehrerer, bevorzugt aller
zu berücksichtigenden dritten
Zustandsgrößen jeweils
einzeln korrigiert werden. Gleichermaßen können zwei oder mehr, bevorzugt
alle Korrekturfaktoren, beispielsweise durch Multiplikation, zu
einem gemeinsamen Korrekturfaktor zusammengefasst werden, mit dem
der Nenngrenzwert dann korrigiert wird.
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In
besonders einfacher, für
eine Pumpgrenzbestimmung gleichwohl ausreichend präzisen Näherung können der
Nennpumpgrenzverlauf als Polygonzug und/oder wenigstens eine, bevorzugt
mehrere, insbesondere alle parametrisierte Scharen von Pumpgrenzverläufen jeweils
als Schar von Polygonzügen
abgespeichert werden. Dabei kann jeder Polygonzug mittels zweier
oder mehr Wertepaaren von einander zugeordneten ersten und zweiten
Zustandsgrößen abgespeichert
sein. Dies spart Speicherplatz.
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Ist
die erste Zustandsgröße nicht
in diesen Wertepaaren enthalten, kann die zweite Zustandsgröße durch,
insbesondere lineare, Interpolation ermittelt werden. Gleichermaßen kann,
falls kein der dritten Zustandsgröße zugeordneter Pumpgrenzverlauf
abgespeichert ist, der zugehörige
parameterabhängige
Grenzwert aus der Schar von Pumpgrenzverläufen durch, insbesondere lineare,
Interpolation ermittelt werden. Liegt beispielsweise ein Wert einer dritten
Zustandsgröße zwischen
zwei Scharparametern, kann der parameterabhängige Grenzwert unter Wahrung
des Verhältnisses
aus den Grenzwerten für diese
beiden Scharparameter interpoliert werden. Dabei schließt der Begriff
der Interpolation vorliegend auch eine Extrapolation über den
letzten gegebenen Wert hinaus mit ein. In einer zweckmäßig einfachen und
für die
meisten Fälle
ausreichenden Ausführungsform
erfolgt die Interpolation zumindest über einen Wertebereich linear.
Alternativ kann die Interpolation aber auch zumindest in einem Wertebereich eine
nichtlineare sein. Unter einer nichtlinearen Interpolation kann
z. B. eine Interpolation durch ein Polynom höherer Ordnung verstanden werden.
In vielen Fällen
ist eine lineare Interpolation zwischen den Pumpgrenzverläufen der
Schar jedoch ausreichend, insbesondere, wenn eine ausreichend dichte
Menge von gespeicherten Pumpgrenzverläufen vorhanden ist.
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Grundsätzlich können in
einem erfindungsgemäßen Verfahren
beliebig viele dritte Zustandsgrößen auf
analoge Weise in die Berechnung der Pumpgrenze einbezogen werden.
Alternativ kann auch aus mehreren dritten Zustandsgrößen insgesamt,
beispielsweise auf Basis eines mehrdimensionalen Kennfeldes, ein
Gesamtkorrekturfaktor ermittelt und mit dem Nenngrenzwert multipliziert
werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine der dritten Zustandsgrößen ein
Molekulargewicht des geförderten
Fluids. Bei vielen Strömungsmaschinen ist
das Molekulargewicht eines geförderten
Gases ein oder der wesentliche Einflussparameter, so dass sich eine
Beeinflussung der Pumpgrenze durch das geförderte Gas weitgehend durch
Mitteilung des Molekulargewichts an die Steuerung berücksichtigen lässt.
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Alternativ
oder ergänzend
kann die dritte Zustandsgröße eine
Temperatur, insbesondere saugseitige Temperatur, des geförderten
Fluids sein. Weiterhin alternativ oder ergänzend kann die dritte Zustandsgröße auch
ein, insbesondere eingangsseitiger, Druck des geförderten
Fluids sein. Solche thermodynamischen ersten, zweiten bzw. dritten
Zustandsgrößen können direkt
(wie beispielsweise die Temperatur) oder indirekt (wie beispielsweise
eine Enthalpiedifferenz) gemessen werden.
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Bei
der Strömungsmaschine
kann es sich insbesondere um einen mehrstufigen Turbokompressor
handeln, bei dem die Lage von Pumpgrenzen in unterschiedlichen Kennfeldbereichen
durch unterschiedliche Kompressorstufen bestimmt sind, wobei im
Regelfall eine geschlossene universelle Kennfelddarstellung unmöglich ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispiel
sowie aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Hierzu zeigt,
teilweise schematisiert, die einzige
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1 eine
Darstellung einer erfindungsgemäßen Ermittlung
einer Pumpgrenzregellinie in Abhängigkeit
von mehreren Zustandsgrößen.
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In
einem Funktionsblock FNL in 1 ist ein abgespeicherter
Nennpumpgrenzverlauf in Form eines Polygonzuges dargestellt, der
Wertepaare von je einer ersten Zustandsgröße, als die im Ausführungsbeispiel
die Enthalpiedifferenz ΔH
eines durch einen Turbokompressor geförderten Fluids gewählt ist,
und einer minimalen zweiten Zustandgröße, als die im Ausführungsbeispiel
der minimale Ansaugvolumenstrom dV/dt des Turbokompressors gewählt ist,
miteinander verbindet. Dadurch kann zu jedem Wert der ersten Zustandsgröße ΔH ein Nenngrenzwert
dV/dtN der zweiten Zustandgröße dV/dt
ermittelt werden, ab der Pumpen gerade noch nicht auftritt. Sinkt
der Ansaugvolumenstrom dV/dt des Turbokompressors bei dieser Enthalpiedifferenz ΔH unter den
Nenngrenzwert dV/dtN, so besteht die Gefahr
von Pumpen, und die Regelung leitet entsprechende Gegenmaßnahmen
ein, i. e. öffnet
beispielsweise ein Ventil.
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Dieser
Nennpumpgrenzverlauf wurde vorab empirisch ermittelt, wobei verschiedene
dritte Zustandsgrößen, die
ebenfalls die Pumpgrenze beeinflussen, bei dem konkreten Ausführungsbeispiel etwa
eine ansaugseitige Temperatur T, ein ansaugseitiger Druck p und
ein Molekulargewicht MW des durch den Turbokompressor geförderten
Gases, vorgegebene Nennwerte aufweisen. Diese sind rein exemplarisch
ein Molekulargewicht MW von 40 („MW40"), einen ansaugseitigen Druck p von
8,5 bar („p8,5") und eine ansaugseitige
Temperatur T von 45°C
(„T45°C).
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Jede
dieser genannten dritten Zustandsgrößen ist jedoch zumindest in
einem gewissen Bereich variabel. Weist eine oder mehrere dritte
Zustandsgrößen in realen
Betrieb andere als die bei der Ermittlung des Nennpumpgrenzverlaufs
zugrundegelegte Werte auf, so verschiebt sich der reale Pumpgrenzverlauf,
i. e. der Ansaugvolumenstrom dV/dt, bei dem gerade noch kein Pumpen
auftritt, gegenüber
dem Nennpumpgrenzverlauf.
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Daher
sind in einer Speichereinheit eines Steuerrechners für den Turbokompressor
charakteristische Scharen von Pumpgrenzverläufen abgelegt, wobei innerhalb
einer Schar von Pumpgrenzverläufen
eine Parametrisierung durch je eine der dritten Zustandsgrößen vorliegt.
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Hierzu
zeigt ein erster Kennfeldblock KPL1 in 1 eine Schar
von Pumpgrenzverläufen über dem Parameter
des Molekulargewichts MW des geförderten
Gases. Neben dem Nennpumpgrenzverlauf, der sich für den Nennwert
MW40 einstellt, sind Pumpgrenzverläufe in Form von Polygonzügen für ein Molekulargewicht
MW von 30 („MW30") und 35 („MW35") eingezeichnet,
die jeder Enthalpiedifferenz ΔH
einen Grenzwert des Ansaugvolumenstroms dV/dt zuordnen, ab der Pumpen
gerade noch nicht auftritt. Die weiteren dritten Zustandsgrößen p, T
liegen jeweils als Nenngrößen vor.
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Entsprechend
zeigt ein zweiter Kennfeldblock KPL2 in 1 eine Schar
von Pumpgrenzverläufen
mit der ansaugseitigen Temperatur T als parametrisierende dritte
Zustandsgröße. Die
Pumpgrenzverläufe
gemäß des zweiten
Kennfeldblocks KPL2 haben hinsichtlich der weiteren dritten Zustandsgrößen MW,
p wiederum die Nennwerte, also p8,5 und MW40. Die drei Kurven gelten
für 20°C („T20°C"), 45°C („T45°C") und 80°C („T80°C").
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In
analoger Weise ist in einem dritten Kennfeldblock KPL3 in 1 eine
Schar von Pumpgrenzverläufen
dargestellt, die über
den ansaugseitigen Druck p als dritte Zustandsgröße parametrisiert sind, wobei
neben dem Nennpumpgrenzverlauf bei dem Nenndruck p8,5 Drücke von
10,5 bar („p10,5"), 6,5 bar („p6,5") und 4,5 bar („p4,5") dargestellt sind.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Pumpgrenzverläufe für die Nennwerte
in jeder der Darstellungen in den drei Kennfeldblöcken KPL1 bis
KPL3 identisch sind, wobei die betreffenden Kurven sich nur aufgrund
der unterschiedlichen Skalierung in ihrem Verlauf unterscheiden.
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Insbesondere,
da es sich um empirisch ermittelte Pumpgrenzverläufe handelt, sind die einzelnen
Pumpgrenzverläufe
in den Scharen als Mengen von diskreten Wertepaaren von Volumenstrom
dV/dt und Enthalpiedifferenz ΔH
gespeichert. Zwischenwerte können
auf einfache Weise durch Interpolation ermittelt werden.
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Die
konkrete Ermittlung einer aktuellen Pumpgrenze in Abhängigkeit
von sämtlichen
Einflussgrößen wird
anhand der schematischen Darstellung eines Berechnungsablaufs eines
erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens
gemäß 1 erläutert:
Als
Eingangswerte der Berechnung werden, wie in 1 durch
den linken Eingangspfeil mit dem Bezugszeichen „ΔH" angedeutet, die durch Messung eingangsseitig
und ausgangsseitig des Turbokompressors ermittelte Enthalpiedifferenz ΔH sowie die aktuellen
Werte der drei Einflussgrößen p (gemessener
ansaugseitiger Druck), T (gemessene ansaugseitige Temperatur) und
MW (Molekulargewicht des aktuell geförderten Gases) verwendet.
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Dann
wird, wie in 1 durch die Pfeilfolge angedeutet,
im Funktionsblock FNL aus dem gespeicherten Nennpumpgrenzverlauf
zunächst
mit ΔH als Eingangsgröße ein Nennvolumenstrom
als Nennpumpgrenzwert ermittelt.
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Dieser
wird nachfolgend mit drei Korrekturfaktoren zum korrigierten Grenzwert
multipliziert (Blöcke
MUL1 bis MUL3), wobei jeder der Korrekturfaktoren zuvor separat
berechnet wurde.
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Diese
separate Berechnung erfolgt mittels der drei Kennfeldblöcke KPL1
bis KPL3, in denen jeweils die Scharen von über die dritten Zustandsgrößen parametrisierten
Pumpgrenzverläufen
in Form von Polygonzügen
abgelegt sind. Da es sich nur um eine begrenzte diskrete Menge von
Polygonzügen oder
Pumpgrenzverläufen
handelt, wird für
den Fall der konkreten dritten Zustandsgröße im Regelfall eine Interpolation
durchgeführt.
Bei ausreichender Dichte der Kurvenschar kann die Interpolation zweckmäßig eine
einfache lineare sein, es kann sich aber auch je nach Anwendung
und bekannten Rahmendaten des Turbokompressors um eine Interpolation
höherer
Ordnung handeln.
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Wie
bei der vorstehende erläuterten
Ermittlung des Nenngrenzwertes im Funktionsblock FNL wird, wie in 1 wiederum
durch die Pfeilfolge angedeutet, im jeweiligen Kennfeldblock KPL1,
KPL2 bzw. KPL3 aus der gespeicherten Pumpgrenzverlaufschar zunächst mit ΔH und der
jeweiligen dritten Zustandsgröße MW, T
bzw. p als Eingangsgrößen ein
parameterabhängiger
Pumpgrenzwert ermittelt.
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In
den Blöcken
DIV1, DIV2 bzw. DIV3 wird der jeweilige Korrekturfaktor durch Division
dieses Pumpgrenzwertes durch den aus dem Nennverlauf FNL ermittelten
Wert errechnet. Ist z. B. das Molekulargewicht 40, also das Nenn-Molekulargewicht,
so gibt der Block KPL1 genau den gleichen Ansaugdurchfluss dV/dt
aus wie der Nennverlauf FNL. Der Divisionsblock DIV1 errechnet entsprechend
den Korrekturfaktor zu 1. Weicht das Molekulargewicht vom Nennwert
40 ab, so wird über
den Kennfeldblock KPL1 unter Berücksichtigung
der gespeicherten konkreten Verläufe
für konkret
abweichende Molekulargewichte ein entsprechend anderer Grenzwert
des Volumenstroms ermittelt, was zu einem von 1 abweichendem Korrekturfaktor
führt.
Beträgt
beispielsweise das Molekulargewicht 35, so wird der parameterabhängige Pumpgrenzwert
mit ΔH als
Eingangsgrößen aus
dem diesem Molekulargewicht zugeordneten Pumpgrenzverlauf aus der
gespeicherten Schar ermittelt. Beträgt das Molekulargewicht hingegen
beispielsweise 37,5, liegt also gerade in der Mitte zwischen MW35
und MW40, so werden die Pumpgrenzwerte mit ΔH als Eingangsgrößen aus
den Pumpgrenzverläufen
für die
Molekulargewichte MW35 und MW40 ermittelt und der an den Block DIV1
ausgegebene parameterabhängigen
Grenzwert als Mittel (MW35 + MW40)/2 ermittelt.
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Die
Berechnung der anderen Korrekturfaktoren für Temperatur T und Druck p
erfolgt analog.
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In
den Blöcken
MUL1 bis MUL3 werden alle drei Korrekturfaktoren mit dem Nennpumpgrenzwert aus
dem Block FNL multipliziert. Das Ausgangssignal dieses Multiplikationsblocks
ist der korrigierte Grenzwert bzw. effektive Pumpgrenzwert unter
Berücksichtigung
aller Einflussfaktoren. Bei Betrieb mit Nennbedingungen sind alle
Korrekturfaktoren 1 und der Pumpgrenzwert entspricht dem Pumpgrenznennwert.
Je mehr die einzelnen Parameter von den Nennwerten abweichen, um
so größer ist
der Unterschied zwischen dem Pumpgrenznennwert und dem effektiven
Pumpgrenzwert. Das Verfahren gestattet es, auf einfache Weise verschiedene
nichtlineare Einflussgrößen auf
eine Prozessgröße derart
zu kompensieren, dass eine sehr gute Übereinstimmung mit dem wirklichen
Wert vorliegt.
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Bei
der gewählten
Darstellung in dem Funktionsblock FNL bzw. den Kennfeldblöcken KPL1
bis KPL3 in 1 liegt der instabile Betriebsbereich
des Turbokompressors jeweils oberhalb der Kurven und der stabile
bzw. erlaubte Bereich, in dem kein Pumpen auftritt, unterhalb der
Kurven. Dabei ist zwischen dem Verlauf der Pumpgrenze und der Pumpgrenzregellinie
zu unterscheiden. Die Pumpgrenze ist die maschinenspezifische Stabilitätsgrenze,
die Pumpgrenzregellinie ist die betriebsbedingte linke Kennfeldgrenze.
Damit stets ein ausreichender Abstand zur Pumpgrenze vorliegt, wird
die Regellinie bevorzugt in einem sicheren Abstand von beispielsweise 10%
Durchfluss rechts von der Pumpgrenze definiert. Die erfindungsgemäße Bestimmung
des Grenzwertes kann gleichermaßen
für die
Pumpgrenze und die Pumpgrenzregellinie angewendet werden. In einer
Ausführung
wird das Verfahren beispielsweise auf die Pumpgrenzregellinie angewendet,
da diese innerhalb der Maschinensteuerung bekannt sein muss, um
den Kompressor immer ausreichend zu schützen. Hierzu können als
Grenzwerte bzw. Nenngrenzwerte bereits die um den Sicherheitsfaktor
verschobenen Werte für
die zweite Zustandsgröße in den
Blöcken
FNL bzw. KPL1 bis KPL3 hinterlegt sein. Gleichermaßen kann
auch zunächst
die tatsächliche Pumpgrenze
bestimmt und anschließend
um einen geeigneten Sicherheitsfaktor verschoben, beispielsweise
mit 1,1 multipliziert werden.