DE102009017613A1

DE102009017613A1 - Method for operating several machines

Info

Publication number: DE102009017613A1
Application number: DE102009017613A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Schwarz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-10-28
Also published as: WO2010118976A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mehrerer Maschinen (M1, M2, M3), bei dem eine übergeordnete erste Prozessgröße additiv in Anteile zu einer ersten Individualprozessgröße für jede einzelne Maschine (M1, M2, M3) zerlegt wird, wobei eine zweite Individualprozessgröße von der ersten Induvidualprozessgröße abhängig ist, wobei eine übergeordnete zweite Prozessgröße von der übergeordneten ersten Prozessgröße abhängig ist, wobei die übergeordneten Prozessgrößen und die Individualprozessgrößen gleichartig sind. Ausgehend von der Aufgabe, eine Steuer- und Regelungsstrategie zu schaffen, welche die dynamische Optimierung von Gesamtprozessgrößen ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass zunächst eine Auswertung erfolgt, wie die zweite Individualprozessgröße additiv zu zerlegen ist, damit die Differenz zwischen der ersten übergeordneten Prozessgröße und einem Sollwert ein Minimum erreicht, deren Ergebnis eine erste Zerlegung ist, wobei die erste Zerlegung der ersten Individualprozessgröße der Regelung den einzelnen Maschinen (M1, M2, M3) zu Grunde gelegt wird, deart, dass die erste Individualprozessgröße als Sollwert einer Regelung (C1, C2, C3) der jeweiligen einzelnen Maschinen vorgegeben wird.The invention relates to a method for operating a plurality of machines (M1, M2, M3), in which an overall first process variable is decomposed additively into fractions to a first individual process variable for each individual machine (M1, M2, M3), wherein a second individual process variable is derived from the is dependent on the first Induvidualprozessgröße, wherein a parent second process variable is dependent on the parent first process variable, the parent process variables and the individual process variables are similar. Based on the task of creating a control strategy that allows the dynamic optimization of overall process variables, it is proposed that an evaluation is first carried out as to how the second individual process variable is to be decomposed additively, hence the difference between the first higher-order process variable and a setpoint reaches a minimum, the result of which is a first decomposition, the first decomposition of the first individual process variable of the control being based on the individual machines (M1, M2, M3), such that the first individual process variable is used as setpoint of a control (C1, C2, C3) of the respective individual machines.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mehrerer Maschinen, bei dem eine übergeordnete erste und zweite Prozessgröße additiv in Anteile zu einer ersten und zweiten Individualprozessgröße für jede einzelne Maschine zerlegt wird, wobei die übergeordnete Prozessgröße und die Individualprozessgrößen gleichartig sind und wobei eine zweite Individualprozessgröße von der ersten Individualprozessgröße abhängig ist.The The invention relates to a method for operating a plurality of machines, in which a parent first and second process size additively in terms of a first and a second individual process variable for every single machine is disassembled, with the parent Process size and the individual process variables are the same and where a second individual process size depends on the first individual process variable is.

Im Betrieb mehrerer Maschinen, beispielsweise einem Feld von Verdichtern, ist es üblich, diese im Wesentlichen identisch zu betreiben. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Volumenstrom in identische Anteile aufgeteilt wird und mittels der Verdichter auf das gewünschte Druckniveau verdichtet wird. Dieses Vorgehen ist beispielsweise in der DE 102 08 676 beschrieben. Gleichfalls dort ist auch die Möglichkeit offenbart, einen Volumenstrom für die Verdichter auf die einzelnen parallel betriebenen Maschinen ungleich zu verteilen.When operating several machines, for example a field of compressors, it is customary to operate them essentially identically. This means that, for example, a volume flow is divided into identical proportions and is compressed by means of the compressor to the desired pressure level. This procedure is for example in the DE 102 08 676 described. Likewise, there is also the possibility of unevenly distributing a volume flow for the compressors to the individual machines operated in parallel.

Insbesondere bei dynamischem Belastungsverlauf der Gesamtanlage, beispielsweise bei stark schwankendem Volumenstrom, ist diese Betriebsweise häufig ungünstig für beispielsweise den Energieverbrauch, den Verschleiß, den Anfall von Emissionen oder beispielsweise auch für die Verfügbarkeit von Reserven.Especially at dynamic load history of the entire system, for example with strongly fluctuating volume flow, this mode of operation is frequent unfavorable for example the energy consumption, the wear, the accumulation of emissions or for example also for the availability of reserves.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Steuer- und Regelungsstrategie zu schaffen, welche den vorstehend ausgeführten Anforderungen gerecht wird.Of these, The object of the invention is based on the object of and to provide a control strategy which is as stated above Meets requirements.

Zur Lösung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Gleichfalls wird ein Regelungsmodul gemäß dem zweiten unabhängigen Anspruch vorgeschlagen.to Solution is a method according to claim 1 proposed. Likewise, a control module according to the second independent claim.

Individualprozessgrößen sind Prozessgrößen, welche sich im Sprachgebrauch der Erfindung auf die jeweils einzelne Maschine beziehen. Gleichartige Prozessgrößen bzw. Individualprozessgrößen beschreiben gleiche Prozessgrößen einmal bezogen auf die Gesamtanordnung bestehend aus mehreren Maschinen und zum anderen individualisiert auf die Einzelmaschine. Die Gleichartigkeit bedingt eine identische physikalische Dimension und bezeichnet, insbesondere, wenn es sich um eine thermodynamische Größe handelt, einen identischen Sachverhalt, beispielsweise den in das System einströmenden oder abströmenden Volumenstrom. Unter einer additiven Zerlegung ist eine Zerlegung zu verstehen in Anteile, welche bei vollständiger Addition dieser Anteile als Summe die Ausgangsgröße der Zerlegung ergibt.Individual process variables are process variables, which are in the language usage relate the invention to each individual machine. similar Describe process variables or individual process variables same process variables once based on the overall arrangement consisting of several machines and on the other individualized on the single machine. The similarity requires an identical one physical dimension and referred to, especially if it is is a thermodynamic quantity, a identical fact, for example, the inflowing into the system or outflowing volume flow. Under an additive decomposition is a decomposition into shares, which at complete Adding these proportions as the sum of the output the decomposition yields.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass reale Systeme, die es zu steuern und zu regeln gilt – also die einzelnen Maschinen – sich selten auch nur annähernd linear verhalten, so dass der übliche Ansatz des Aufteilens einer Gesamtprozessgröße additiv in meist gleiche Anteile so gut wie nie zu einem Optimum hinsichtlich der übergeordneten zweiten Prozessgröße führt. Am Beispiel der Verdichter kann dies einfach verdeutlicht werden, wenn berücksichtigt wird, dass derartige Maschinen im Teillastbereich einen stark reduzierten Wirkungsgrad aufweisen, so dass es bei einer Teillastanforderung an die Gesamtanordnung zweckmäßiger ist, beispielsweise ein Teil der Maschinen im Leerlauf zu fahren und wiederum andere unter Volllast, wodurch sich für die Gesamtanordnung beispielsweise ein Wirkungsgrad entsprechend dem Volllastwirkungsgrad der einzelnen Maschinen ergibt.The Invention is based on the realization that real systems that use it To control and regulate is - so the individual machines - themselves rarely even behave nearly linearly, so the usual approach of adding a total process variable additively in almost equal proportions almost never to an optimum in terms the parent second process variable leads. The example of the compressor, this can be easily clarified when taking into account that such machines have a greatly reduced efficiency in the partial load range, so that there is a partial load request to the overall arrangement is more appropriate, for example, a part of Idling machines and others under full load, whereby, for example, a Efficiency according to the full load efficiency of the individual Machines results.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste übergeordnete Prozessgröße ein Maß für einen Gesamtstrom eines Prozessmediums ist, der in Anteile aufgeteilt wird, die ein Maß für die erste Individualprozessgröße sind und die Maschinen parallel von dem jeweils für sie bestimmten Anteil durchströmt werden.A advantageous development of the invention provides that the first parent Process size is a measure of one Total flow of a process medium is divided into units which is a measure of the first individual process size and the machines are parallel to each one for them be passed through certain proportion.

Ein bevorzugtes Anmeldungsgebiet der Erfindung ergibt sich auch dadurch, dass die zweite übergeordnete Prozessgröße der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung ist und die zweite Individualprozessgröße der Einzelwirkungsgrad der entsprechenden Maschine ist. Auf diese Weise lassen sich Energieverbräuche minimieren.One preferred field of application of the invention also results from that the second parent process size the overall efficiency of the arrangement is and the second individual process size the individual efficiency of the corresponding machine is. To this This way, energy consumption can be minimized.

Die Verfügbarkeit einer Gesamtanlage und der Wartungsaufwand lassen sich optimieren, wenn die zweite übergeordnete Prozessgröße ein Maß für den stattfindenden aufsummierten Verschleiß ist an mindestens einem Bauteil, welches gleichartig oder sogar identisch an den Maschinen vorgesehen ist und die zweite Individualprozessgröße der Verschleiß dieses Bauteils an der jeweiligen Maschine ist.The Availability of a complete system and the maintenance effort can be optimized if the second parent process size a measure of the cumulative wear that takes place on at least one component which is identical or even identical is provided on the machines and the second individual process size the wear of this component on the respective machine is.

Statt oder zusätzlich zu der Optimierung des Gesamtwirkungsgrades kann mittels der Erfindung auch eine Anpassung der Verschmutzung der Maschinen, eine Verminderung der Erosion bzw. des Verschleißes oder eine Optimierung der zur Verfügung stehenden Reserve der Gesamtanlage verwirklicht werden. Das bevorzugte Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Steuerung und Regelung von Turbomaschinen, wobei hierbei der Betrieb von Verdichtern aufgrund der sprunghaften Lastwechsel, beispielsweise im Bereich der Gasverflüssigung, besonders interessant ist.Instead of or in addition to optimizing overall efficiency can also adapt the pollution by means of the invention of the machines, a reduction of erosion or wear or an optimization of the available reserve the entire facility will be realized. The preferred application the process of the invention is the control and Control of turbomachinery, in which case the operation of compressors due to the sudden load changes, for example in the area gas liquefaction, is particularly interesting.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders dann zur Geltung, wenn die additive Zerlegung permanent während des Betriebes erfolgt, so dass bei einer sich ändernden übergeordneten ersten Prozessgröße die erste Individualprozessgröße dynamisch angepasst wird.The advantages of the invention are particularly effective when the additive decomposition permanently during operation, so that the first individual process variable is dynamically adjusted when the parent process variable changes.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher verdeutlicht.in the Below is the invention with reference to a specific embodiment clarified with reference to a drawing.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Übersicht über einen Verfahrensablauf gemäß der Erfindung. 1 a schematic overview of a procedure according to the invention.

1 zeigt eine schematische Übersicht über den Verfahrensablauf gemäß der Erfindung. Gemäß dem Verfahren werden drei Maschinen M1, M2, M3 – hier Verdichter CO1, CO2, CO3 – als Bestandteile eines Maschinenfeldes MF gesteuert und geregelt. Ein Gesamtvolumenstrom V .Σ, in der Begriffswelt der Anspruchsformulierung die erste Prozessgröße, wird aufgeteilt in drei einströmende Volumenströme V .11, V .12, V .13 – in der Begriffswelt der Anspruchsformulierung die ersten Individualprozessgrößen – für die drei Maschinen M1, M2, M3. Die Maschinen M1, M2, M3 verdichten parallel zueinander die einzelnen Volumenströme V .11, V .12, V .13 zu Volumenströmen V .21, V .22, V .23. Die anschließend wieder zu einem Gesamtvolumenstrom V .Σ2 zusammengeführt werden. 1 shows a schematic overview of the process flow according to the invention. According to the method, three machines M1, M2, M3 - here compressors CO1, CO2, CO3 - are controlled and regulated as components of a machine field MF. A total volume flow V.sub.Σ, in the conceptual world of the claim formulation the first process variable, is subdivided into three inflow volume flows V.sub.11, V.sub.12, V.sub.13 -the first individual process variables in the terminology of the claim formulation-for the three machines M1, M2, M3. The machines M1, M2, M3 compress the individual volume flows V .11, V .12, V .13 into volume flows V .21, V .22, V .23 parallel to one another. These are then combined again to form a total volume flow V .Σ2.

Die einzelnen Verdichter CO1, CO2, CO3 werden jeweils von einem Motor D1, D2, D3 angetrieben, wobei jede dieser Einheiten jeweils einen Regler C1, C2, C3 aufweist. Die Verdichter CO1, CO2, CO3 erzeugen jeweils wegen der anschließenden Zusammenführung des Gesamtvolumenstroms V .22 die gleiche Druckdifferenz Δp. Die einzelnen Verdichter CO1, CO2, CO3 drehen mit den Drehzahlen n1, n2 bzw. n3. Eine übergeordnete Steuerung CΣ empfängt von einem Messsensor S1 ein Maß für den Gesamtvolumenstrom V .Σ. Die Gesamtsteuerung CΣ weist für jeden Verdichter CO1, CO2, CO3 ein Datenfeld auf, welches zu jedem Betriebszustand bzw. Volumenstrom den Wirkungsgrad ηi der einzelnen Maschine M1, M2, M3 wiedergibt – in der Begriffswelt der Anspruchsformulierung die zweite Individualprozessgröße – wiedergibt. Dieses Datenfeld wird während des laufenden Betriebes anhand von Messungen stetig aktualisiert, um etwaigen Verschleiß, beispielsweise durch Erosion, oder Wirkungsgradveränderungen durch Verschmutzungen und Ablagerungen zu berücksichtigen. Die Gesamtsteuerung CΣ zerlegt den Gesamtvolumenstrom V .Σ in die drei Volumenströme V .11, V .12, V .13 in der Weise, dass ein Gesamtwirkungsgrad ηΣ – in der Begriffswelt der Anspruchsformulierung die zweite Prozessgröße – des Maschinenfeldes MF ein Maximum erreicht. Diese Extremwertaufgabe löst ein interner Optimierer der Steuerung Cσ, in dem zunächst ein Volumenstrom, z. B. V.11, festgelegt wird und die anderen beiden Volumenströme mittels Differenzialrechnung zu einem Maximum des Gesamtwirkungsgrades ηΣ – in der Begriffswelt der Anspruchsformulierung die zweite Prozessgröße – ermittelt werden. Dieser Rechenschritt wird entsprechend engmaschig über alle möglichen Werte des festgesetzten Volumenstroms V .11 wiederholt, wobei im Bereich des maximalen Gesamtwirkungsgrades ηΣ zu genaueren Bestimmung der einzelnen Volumenströme V .11, V .12, V .13 entsprechend engmaschiger analysiert werden kann. Diese Iteration wird gemäß einem Genauigkeitskriterium abgebrochen und die ermittelten Volumenströme V .11, V .12, V .13 am Gesamtwirkungsgradmaximum ηΣ werden in entsprechende Drehzahlen N1, N2, N3 für die individuellen Maschinen M1, M2, M3 den einzelnen Regler C1, C2, C3 vorgegeben. Auf diese Weise kann es vorkommen, dass je nach Wirkungsgradverlauf der einzelnen Maschinen M1, M2, M3 bei einer Gesamtlastanforderung mit einem Gesamtvolumenstrom V .Σ von 40% des maximalen möglichen Volumenstroms die Maschine M1 mit einer Drehzahl N1 gleich 0 und die Maschinen M2, M3 mit einer Auslastung von 20% bzw. 80% betrieben werden. Um eine Rückströmung zu vermeiden, befinden sich stromabwärts eines jeden Verdichters ein Rückschlagventil VC.The each compressor CO1, CO2, CO3 are each from a motor D1, D2, D3 driven, each of these units one each Regulator C1, C2, C3 has. The compressors generate CO1, CO2, CO3 in each case because of the subsequent merger of the total volume flow V .22 the same pressure difference .DELTA.p. The individual compressors CO1, CO2, CO3 rotate at the speeds n1, n2 or n3. A higher-level controller CΣ receives from a measurement sensor S1 is a measure of the total volume flow V .Σ. The total control CΣ points for each compressor CO1, CO2, CO3 a data field, which for each operating state or volume flow the efficiency ηi of each machine M1, M2, M3 - in the terminology of the claim formulation the second individual process variable - reflects. This data field is based on during operation from measurements constantly updated to any wear, for example, by erosion, or efficiency changes due to contamination and deposits. The total control CΣ decomposes the total volume flow V .Σ in the three volume flows V .11, V .12, V .13 in such a way that a total efficiency ηΣ - in the conceptual world of the claim formulation the second process variable - the machine field MF reaches a maximum. This extreme value task triggers internal optimizer of the controller Cσ, in the first a volume flow, z. B. V.11, and the other two Volume flows using differential calculus to a maximum of the overall efficiency ηΣ - in the world of concepts the claim formulation the second process variable - determined become. This computation step will be completed accordingly all possible values of the set volume flow V .11 are repeated, wherein ηΣ in the range of the maximum overall efficiency more precise determination of the individual volume flows V .11, V .12, V .13 Accordingly, it can be analyzed more closely. This iteration is aborted according to an accuracy criterion and the determined volume flows V .11, V .12, V .13 become the total efficiency maximum ηΣ in corresponding speeds N1, N2, N3 for the individual Machines M1, M2, M3 the individual controller C1, C2, C3 specified. In this way, it may happen that depending on the degree of efficiency the individual machines M1, M2, M3 in a total load request with a total volume flow V .Σ of 40% of the maximum possible Volume flow, the machine M1 with a speed N1 equal to 0 and the machines M2, M3 are operated with a capacity of 20% or 80%. To avoid backflow, there are downstream of each compressor, a check valve VC.

Hier wurde beispielhaft die Optimierung des Gesamtwirkungsgrades ησ beschrieben, wobei auch andere Optimierungsziele mittels der Erfindung verwirklicht werden können, beispielsweise maximale Reserve, minimale Anzahl von Maschinen im Betrieb, minimaler Verschleiß.Here the optimization of the overall efficiency ησ was described as an example wherein other optimization goals realized by means of the invention can be, for example, maximum reserve, minimum Number of machines in operation, minimal wear.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10208676 [0002]

Claims

Method for operating a plurality of machines (M1, M2, M3), in which an overall first process variable is decomposed additively into fractions to a first individual process variable for each individual machine (M1, M2, M3), wherein a second individual process variable depends on the first individual process variable , wherein a parent second process variable is dependent on the parent first process variable, the parent process variables and the individual process variables are similar, characterized in that first an evaluation is made as the second individual process variables are to be decomposed additively, so that the difference between the first parent process size and a setpoint reaches a minimum, the result of which is a first decomposition, the first decomposition of the first individual process variable of the control being based on the individual machines (M1, M2, M3), such that the first individual process variable is used as setpoint a regulation (C1, C2, C3) of the respective individual machine is specified.

The method of claim 1, wherein a total stream (V.Σ) of a process medium is divided into shares and the machines (M1, M2, M3) parallel to each for they are flowed through certain portion.

The method of claim 1 or 2, wherein the first parent Process variable is a measure of the total current and the first individual process variable is a measure of is the stream of the share.

The method of claim 1, 2 or 3, wherein the second parent Process variable of overall efficiency (ηΣ) is and the second individual process variable the Efficiency (η) of the corresponding machine (M1, M2, M3) is.

The method of claim 1, 2 or 3, wherein the second parent Process size is a measure of the accumulated wear on at least one Component which is similar to the machines (M1, M2, M3) provided is, is and the second individual process size the wear of this component on the respective machine is.

Method according to at least one of the claims 1, 2 or 3, wherein the second parent process size is a measure of the present total reserve and the second individual process variable is a measure of the individual reserve of a machine (M1, M2, M3) is.

Method according to at least one of the claims 1 to 6, wherein the additive decomposition of the parent Process variable in individual process variables permanent takes place during operation, allowing for a changing parent first process variable the first individual process variable is dynamically adjusted.