DE102010040503A1

DE102010040503A1 - Verfahren zur Steuerung eines Verdichters

Info

Publication number: DE102010040503A1
Application number: DE102010040503A
Authority: DE
Inventors: Georg Winkes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: DE102010040503B4; EP2598754A1; CN103097737B; US20130173063A1; CN103097737A; WO2012032164A1; RU2570301C2; RU2013115761A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Verdichters (10). Um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a Übermittlung zumindest eines Sollwerts (12) eines Parameters (14) des Verdichters (10), b Ermittlung von zumindest zwei Stellwerten (16, 18, 20, 90) zumindest zweier Stellelemente (22, 24, 26, 94) des Verdichters (10) anhand des Sollwerts (12), c Ermittlung eines modelbasierten theoretischen Zustands des Verdichters (10) anhand der Stellwerte (16, 18, 20, 90), d iterative Korrektur zumindest eines der Stellwerte (16, 18, 20, 90) in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand, e Steuerung zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) anhand eines Stellwerts (16, 18, 20, 90).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum zur Steuerung eines Verdichters.
Verdichter zur Bereitstellung von verdichtetem Gas für industrielle Zwecke werden üblicherweise mittels eines oder mehrerer Kennfelder gesteuert. Aus der DE 195 06 790 A ist solch ein Verfahren zum Steuern eines Verdichters bekannt, bei dem mittels Sensoren des Verdichters Istwerte des Verdichters gemessen werden und aus diesen Messwerten sowie einem Vorgabewert für den Durchsatz die isentrope Verdichterarbeit sowie der Eintrittsvolumenstrom ermittelt wird. Unter Verwendung eines in einem Rechner gespeicherten Kennfeldes werden wirkungsgradoptimierte Stellwerte für die Winkelstellungen der Leitapparate im Betrieb des Verdichters schrittweise angepasst.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerung eines Verdichters bereitzustellen, mit der ein guter Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Verdichters. Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf:

a Bereitstellen zumindest eines Sollwerts eines Parameters des Verdichters,
b Ermittlung von zumindest zwei Stellwerten zumindest zweier Stellelemente des Verdichters anhand des Sollwerts,
c Ermittlung eines modelbasierten theoretischen Zustands des Verdichters anhand der Stellwerte,
d iterative Korrektur zumindest eines der Stellwerte in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand,
e Steuerung zumindest eines der Stellelemente anhand eines Stellwerts.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können ein guter Wirkungsgrad und ein großer Fahrbereich des Verdichters vorteilhaft erzielt werden. Ferner kann ein Energieverbrauch Kosten sparend gering gehalten werden.
In diesem Zusammenhang soll unter einem „Verdichter” jeder dem Fachmann für sinnvoll erscheinende Verdichter, wie beispielsweise ein motorbetriebener, insbesondere mehrstufiger Verdichter mit Zwischenkühlung und konstanter Drehzahl und/oder ein turbinengetriebener Getriebeverdichter oder Einwellenverdichter verstanden werden.
Ein „Sollwert” stellt hier insbesondere eine Leistungsanforderung an den Verdichter dar, die bei der Ermittlung der Stellwerte berücksichtigt und insbesondere angestrebt werden soll. Möglich ist auch, dass der Sollwert eine weitere oder andere Anforderung enthält, wie beispielsweise ein Abstand zu einer Pumpgrenze, eine Mindestbelastung einzelner Getriebebauteile wie bspw. Ritzelwellen des Verdichters, ein Einhalten der Schluckgrenze einzelner Stufen des Verdichters, ein Halten einer Gesamtleistung des Verdichters unterhalb eines Leistungsmaximums des Verdichters und/oder eine andere, dem Fachmann für zweckdienlich erscheinende Anforderung. Diese Anforderungen können in der Steuerung des Verdichters fest hinterlegt sein und/oder von Außen zugeführt werden. Der Sollwert kann von einem Steuermittel oder einem Bediener vorgegeben und somit bereitgestellt werden, wobei das Steuermittel ein Teil des Verdichters oder ein externes Mittel sein kann.
Unter einem „Parameter” soll hier insbesondere eine Endtemperatur, ein Enddruck, ein Wirkungsgrad, ein Energieverbrauch, ein Volumenstrom, ein Massenstrom und insbesondere ein effektiver Massenstrom verstanden werden und/oder ein anderer, dem Fachmann sinnvoll erscheinender Parameter und/oder ein Quotient aus einem absoluten Wert eines Parameters und einem Grenzwert desjenigen Parameters, wobei der „Grenzwert” ein maximaler oder minimaler Wert ist, bei dem der Verdichter noch zuverlässig betreibbar ist.
Die Stellwerte der Stellelemente werden zweckmäßigerweise aus einem Datenspeicher übernommen, z. B. aus einem Kennfeld, oder berechnet. Sie können jeweils einen Zustand eines Stellelements angeben, z. B. eine Stellung eines Ventils oder dergleichen, wobei der Zustand in der Regel nicht der aktuelle Zustand des betreffenden Stellelements ist, sondern ein Sollzustand, der sich aus dem vorgegebenen Sollwert ergeben kann.
Die Ermittlung der Stellwerte anhand des Sollwerts erfolgt bevorzugt mittels einer Steuereinheit, die hierfür jedes, dem Fachmann für sinnvoll erachtetes Ermittlungs- bzw. Berechnungsverfahren und/oder Optimierungsalgorithmus anwenden kann, wie beispielsweise das Downhill-Simplex-Verfahren, das Gradientenverfahren, das Quasi-Newton-Verfahren und/oder, besonders bevorzugt, das numerische Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung. Hierbei wird der einzuhaltende Sollwert als Nebenbedingung an das Verfahren übergeben. Die ermittelten Stellwerte werden von der Steuereinheit an eine Modelleinheit übermittelt. Generell wäre hier auch eine Ermittlung von mehr als zwei Stellwerten von mehr als zwei Stellelementen denkbar. Die Stellwerte und die Stellelemente können unterschiedliche oder gleiche Parameter bzw. unterschiedlich oder gleich ausgeführte Bauteile sein. Der Einfachheit halber wird im Folgenden nur von den Stellwerten und den Stellelementen gesprochen. Ein „modelbasierter theoretischer Zustand” stellt hier insbesondere ein Zustand dar, der anhand eines Rechenmodells der Modelleinheit und insbesondere anhand eines thermodynamischen Modells bestimmt wird.
Vorteilhafterweise wird zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters simuliert. Hierbei berechnet die Modelleinheit mit den übermittelten Stellwerten anhand des thermodynamischen Modells zweckmäßigerweise, wie ein Zustand des Verdichters wäre, wenn diese Stellwerte an den Stellelementen eingestellt wären und der Verdichter mit diesen Parametern betrieben werden würde. Dadurch kann unabhängig von direkten Änderungen an dem Verdichter geräteschonend und prozesssicher ein Verhalten des Verdichters ermittelt werden. Zudem können Schwankungen bei einer Fördermenge im Betrieb vorteilhaft verhindert werden.
Ferner wird bei der Ermittlung des theoretischen Zustands das Verhalten des Verdichters in einem Regelkreis schrittweise an den Sollwert angepasst. In diesem Zusammenhang soll unter einem „Regelkreis” neben einer streng zielgerichteten Ermittlung des Zustands auch eine Ermittlung verstanden werden, die ungerichtet und/oder diffus und/oder auch „falsch herum” und/oder insbesondere nach einem numerischen Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung erfolgt. Der Regelkreis befindet sich bevorzugt zwischen der Steuereinheit und der Modelleinheit. Liefert nun beispielsweise die Modelleinheit die Information des ermittelten theoretischen Zustands bzw. einen zugeordneten Parameter an die Steuereinheit, ermittelt diese hieraus, bei einer vorbestimmten Abweichung des Parameters von dem Sollwert, erneut Stellwerte. Diese werden wieder an die Modelleinheit zur erneuten Berechnung des theoretischen Zustands das Verhalten des Verdichters unter den neuen Bedingungen gegeben. Bei einer Ermittlung und Modifikation der Stellwerte anhand eines numerischen Verfahrens der sequentiellen quadratischen Programmierung erfolgt diese nach einer dem Fachmann bekannten Art und Weise. Durch die Realisierung des Regelkreises kann eine Feinabstimmung der Stellwerte besonders effektiv und einfach erfolgen.
Bevorzugt wird zumindest eines der Stellelemente erst dann mit einem Stellwert angesteuert, wenn ein dem Sollwert entsprechender Parameter des theoretischen Zustands eine vorgegebene Nähe zum Sollwert erreicht. Hierbei soll unter der Wendung „eine vorgegebene Nähe zum Sollwert” insbesondere verstanden werden, dass in der Steuereinheit ein Wert hinterlegt ist und/oder von dieser bestimmbar ist, der ein zulässiges Maß der Abweichung des Parameters von dem Sollwert festlegt und/oder eine Abbruchbedingung darstellt, die sich auf eine Geschwindigkeit einer Verringerung einer Optimierungsfunktion des Verfahrens bezieht. Der Fachmann wählt den Wert der vorgegebenen Nähe angepasst an das Verfahren und/oder die Parameter des verwendeten Verdichters zweckmäßig aus. Hierdurch kann ein unvorteilhafter oder sogar schädigender Betrieb des Verdichters Ressourcen schonend verhindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass in die Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands zumindest ein Istwert des Zustands des Verdichters eingeht. In diesem Zusammenhang soll unter einem „Istwert des Zustands des Verdichters” insbesondere ein gemessener und/oder momentaner bzw. aktueller Zustandswert des Verdichters, wie beispielsweise ein Druck, ein Volumenstrom, eine Temperatur und/oder ein anderer, dem Fachmann für sachdienlich erscheinender Zustandswert, verstanden werden, der in einem Zeitfenster von weniger als 60 Sekunden, bevorzugt weniger als 30 Sekunden und besonders vorteilhaft weniger als 10 Sekunden von dem Zeitpunkt der Ermittlung entfernt liegt. Bevorzugt geht eine und besonders bevorzugt gehen zumindest zwei Temperaturen in die Berechnung bzw. in das thermodynamische Modell ein und insbesondere eine Eingangstemperatur bzw. eine gemessene Saugtemperatur des Verdichters bzw. einer ersten Stufe des Verdichters und eine gemessene Rückkühltemperatur des Verdichters bzw. der ersten Stufe, die einer Saugtemperatur zumindest einer zweiten Stufe des Verdichters entspricht. Durch die Ermittlung des Zustands anhand eines Istwerts und insbesondere anhand einer Temperatur kann der Zustand besonders einfach und unaufwendig bestimmt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der ermittelte modelbasierte theoretische Zustand anhand zumindest eines weiteren Istwerts des Zustands des Verdichters korrigiert wird. Dieser weitere Istwert stellt bevorzugt zumindest ein Druck und/oder ein Volumenstrom dar und insbesondere ein gemessenen Saugdruck der ersten Stufe und/oder der zweiten Stufe und/oder ein gemessenen Zwischendruck und/oder ein gemessener Volumenstrom. Generell wäre jedoch auch jeder andere, dem Fachmann für anwendbar erscheinende Istwert denkbar. Bevorzugt gleicht das thermodynamische Modell die Ermittlung des theoretischen Zustands permanent durch diese weiteren gemessenen Istwerte ab, wodurch der reale Istzustand des Verdichters möglichst aktuell und präzise in die Zustandsvorhersage einbezogen wird. Hierdurch kann eine besonders exakt auf den Istzustand des Verdichters abgestimmte Steuerung des Verdichters erreicht werden.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn bei Vorliegen zumindest eines vorbestimmten Zustands zumindest eines der Stellelemente unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels zumindest eines unkorrigierten Stellwerts angesteuert wird. In diesem Zusammenhang soll unter einem „vorbestimmten Zustand” insbesondere ein Zustand des Verdichters verstanden werden, bei dem eine Ermittlung des theoretischen Zustands mittels der Modelleinheit bzw. des thermodynamischen Modells zu lange dauern würde, wie beispielsweise eine dynamische Änderung eines Enddrucks des Verdichters und/oder eine schnelle Erhöhung des Sollwerts. Unter einem „unkorrigierten Stellwert” soll hier insbesondere ein Stellwert verstanden werden, der unabhängig von dem thermodynamischen Modell bestimmt wurde. Der unkorrigierte Stellwert kann unabhängig vom Sollwert sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine besonders zuverlässige und sichere Steuerung des Verdichters bereitgestellt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass der vorbestimmte Zustand ein kritischer Zustand des Verdichters ist, der durch die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente in einen unkritischen Zustand überführt wird. In diesem Zusammenhang soll unter einem „kritischen Zustand” insbesondere ein Zustand verstanden werden, bei dem der Verdichter oberhalb einer vorbestimmten Belastungsgrenze betrieben wird und/oder in dessen Betrieb eine Gefahr einer Beschädigung des Verdichters und/oder einzelner Stufen des Verdichters besteht. Folglich ist ein „unkritischen Zustand” ein Zustand, bei dem der Verdichter unterhalb der Belastungsgrenze arbeitet. Insbesondere sind bei dem kritischen Zustand die aus dem Sollwert ermittelten Stellwerte bzw. der ermittelte Stellwert für den Istzustand des Verdichters unangepasst bzw. werden dem Istzustand nicht mehr gerecht. Unter einer „direkten Ansteuerung” soll hier insbesondere eine unmittelbare Ansteuerung ohne zwischengeschaltete Ermittlung des theoretischen Zustands verstanden werden. Durch die direkte Ansteuerung kann eine prozesssichere Steuerung realisiert und damit eine verlässliche Verdichtersteuerung vorteilhaft gestaltet werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass zumindest ein in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierter Stellwert und zumindest ein unkorrigierte Stellwert über zumindest einen Vergleicher zusammengeschaltet sind. Der Vergleicher erhält den zumindest einen korrigierten Stellwert von der Steuereinheit und den zumindest einen unkorrigierten Stellwert von einer Sicherheitsvorrichtung, wie beispielsweise einem Pumpgrenzregler. Mittels des Vergleichers kann eine Entscheidung über die direkte Ansteuerung eines beaufschlagten Stellelements konstruktiv einfach realisiert werden.
Es wird zudem vorgeschlagen, dass mit zumindest einem der unkorrigierten Stellwerte zumindest ein Ventil angesteuert wird. Das Ventil ist bevorzugt ein Stetigventil und besonders bevorzugt ein Regelventil. Durch das Ventil kann eine Überführung vom kritischen Zustand in den unkritischen Zustand schnell und konstruktiv einfach erfolgen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der vorbestimmte Zustand eine Änderung des Sollwerts oberhalb eines festgelegten Sollwertgradienten umfasst. Hierbei soll unter der Wendung „Änderung des Sollwerts oberhalb eines festgelegten Sollwertgradienten” insbesondere verstanden werden, dass sich die zeitliche Änderung des Sollwerts und/oder des Istwerts so schnell abspielt, dass die Ermittlung der Stellwerte anhand des Sollwerts mittels des Optimierungsalgorithmus unfähig bzw. nicht in der Lage ist, schnell genug auf diese Änderung zu reagieren. Dieser Wert hängt von einer Verarbeitungsgeschwindigkeit der Steuereinheit ab und beträgt beispielsweise 0,5%/s. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass nur bei gravierenden Sollwertänderungen eine Umgehung der modelbasierten Korrektur ausgelöst wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente eine schnellere Anpassung eines Istwerts des Verdichters an den Sollwert bewirkt als mittels der modelbasierten Korrektur. Der Istwert ist bevorzugt ein Enddruck des Verdichters, kann aber prinzipiell jeder andere, dem Fachmann für verwendbar erachtete Istwert sein. Diese direkte Ansteuerung erfolgt mittels der Steuereinheit und anhand zumindest eines dort ermittelten unkorrigierten Stellwerts. Hierdurch kann ein Modus der Steuerung bereitgestellt werden, der unabhängig von der Modellrechnung arbeitet und so vorausschauend einen vorläufigen noch unkorrigierten Stellwert weitergibt, um schnell einen Zustand des Verdichters an einen neuen Sollwert anzupassen und so ein Arbeitsergebnis des Verdichters zu verbessern.
Zweckmäßigerweise wird der Verdichter geregelt und der Sollwert als Regelgröße verwendet. Hierbei erfolgt die Regelung bevorzugt mittels eines Prozessreglers, wie beispielsweise einem Enddruckregler und/oder jedem anderen, dem Fachmann für zweckdienlich erscheinenden Regler. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Steuerung des Verdichters besonders einfach erfolgen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass ein Stellwert zumindest ein Anstellwinkel zumindest einer Leitvorrichtung des Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist. Hierbei werden bevorzugt mehr als eine bzw. mehrere Leitvorrichtungen mit einem Stellwert oder mit mehreren Stellwerten beaufschlagt, wobei jede Leitvorrichtung mit demselben oder mit unterschiedlichen Stellwerten gesteuert werden kann. Generell kann auch eine Gruppe an Leitvorrichtungen mit demselben Stellwert beaufschlagt werden und eine zweite Gruppe mit einem anderen Stellwert. Besonders vorteilhaft wird bei einem Verdichter mit mehr als zwei Stufen jede Leitvorrichtung einer jeden Stufe mit einem Stellwert beaufschlagt, der sich von einem anderen Stellwert einer anderen Leitvorrichtung unterscheidet. Hierbei ist bevorzugt eine Anzahl an Leitvorrichtungen kleiner oder gleich der Anzahl der Stufen des Verdichters. Mittels der Verstellung der Leitvorrichtungen können konstruktiv einfach ein freier Querschnitt des Verdichters verändert werden und/oder einer Strömung eines Fluids des Verdichters ein Drall verpasst werden, wodurch eine geförderte Fluidmenge des Verdichters vorteilhaft moduliert werden kann. Ferner können ein Druck und/oder eine Fluidmenge im Verdichter durch das Ventil schnell und konstruktiv einfach verändert werden.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die Drehzahl des Verdichters zu variieren. Hierfür müssen angepasste Wertetabellen von Kennfeldern in der Modelleinheit hinterlegt werden. Hierdurch könnten beispielsweise bei einem zweistufigen Verdichter drei Freiheitsgrade erreicht werden, was die Variationsmöglichkeiten vorteilhaft erhöht.
Somit ist es vorteilhaft, wenn ein Stellwert eine Stellung eines Ventils und/oder eine Drehzahl des Verdichters ist. Folglich kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn ein Stellwert zumindest ein Anstellwinkel zumindest einer Leitvorrichtung des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist. Ist nun eine Vielzahl von Leitvorrichtungen, bevorzugt in entsprechend der Anzahl der Stufen des Verdichters, vorgesehen, kann es zudem vorteilhaft sein, wenn die Stellwerte eine Vielzahl von Anstellwinkeln (α_n) einer Vielzahl an Leitvorrichtungen des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Gaszusammensetzung gemessen wird und bei der Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands berücksichtigt wird, wodurch die Ermittlung bzw. das thermodynamische Modell durch beispielsweise Einbeziehung von einer Realgasgleichung an einen Betrieb mit einem nicht idealen Gas bzw. an ein verwendetes Gas angeglichen werden kann. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine Eingabe der Gaszusammensetzung anhand von Zahlenwerten in die Steuereinheit möglich, die von der Modelleinheit in die Ermittlung einbezogen werden und/oder bei Vorliegen zumindest eines konstanten Verdichterfelds wäre eine Ermittlung der Gaszusammensetzung anhand zumindest eines Istwerts bzw. anhand von gemessenen Messgrößen und der Druckverhältnisse, die die Stufen schaffen, denkbar.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Verdichter mit einer Steuereinheit und einer Modelleinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Stellwerte zumindest zweier Stellelemente des Verdichters anhand eines übermittelten Sollwerts eines Parameters des Verdichters zu ermitteln und dass die Modelleinheit dazu vorgesehen ist, einen modelbasierten theoretischen Zustand des Verdichters anhand der Stellwerte zu ermitteln und dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einen der Stellwerte in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand zu korrigieren und zumindest eines der Stellelemente anhand eines Stellwerts zu steuern. Durch diese Ausgestaltung kann ein optimaler Wirkungsgrad des Verdichters gleichbedeutend mit einem minimalen Energieverbrauch realisiert werden.
Zudem wäre es möglich, die Ermittlung des modellbasierten theoretischen Zustands bzw. das thermodynamische Modell an eine polytrope Strömungsarbeit und/oder einen polytropen Wirkungsgrad in einer dem Fachmann bekannten Weise anzupassen.
Die Erfindung wird anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Verdichters 10 in der Form eines zweistufigen motorbetriebenen Getriebeverdichters mit einer erfindungsgemäßen Steuerung. Der Verdichter 10 weist eine Vielzahl Z bzw. eine erste Stufe 64 und eine zweiten Stufe 66 auf, denen jeweils ein Wärmetauscher 68 z B. zur Zwischenkühlung nachgeschaltet ist. Ferner ist an jeder Stufe 64, 66 ein Stellelement 22, 24 in der Form einer Leitvorrichtung 56, 58 angeordnet, mittels denen ein Anstellwinkel α₁, α₂ von Schaufeln der Leitvorrichtungen 56, 58 verändert bzw. eingestellt werden kann. Somit entspricht die Vielzahl Z der Stufen einer Vielzahl Z der Leitvorrichtungen 56, 58. Dem Wärmetauscher 68 der zweiten Stufe 66 im Prozess in Fließrichtung 70 eines hier nicht näher dargestellten Arbeitsfluids, wie beispielsweise ein Gas, nachgeschaltet ist ein Ventil 52 in der Form eines Regelventils 72 angeordnet, über dessen Stellung β ein Ablassen des Fluids eingestellt werden kann.
Zudem ist am Ende der Verdichterkette 74 eine Rückschlagklappe 76 angeordnet, die den Verdichter 10 von einem weiteren hier nicht gezeigten System trennt. Vor und bei einem Anfahren des Verdichters 10 ist das Ventil 52 offen und das Fluid kann entweichen, wodurch im Verdichter 10 ein geringer Druck herrscht. Herrscht nun in dem weiteren System ein Druck der über dem Druck des Verdichters 10 liegt, wird die Rückschlagklappe 76 geschlossen gehalten. Steigt nun der Druck im Verdichter 10 durch ein Hochfahren des Verdichters 10 und das Schließen des Ventils 52 und übersteigt der Druck eine Kennlinie der Rückschlagklappe 76 wird diese geöffnet und das Fluid kann entweichen.
Des Weiteren sind mehrere Messelemente 78, beispielsweise in der Form von Temperaturmessfühlern, Drucktransmittern und Durchflusstransmittern, zur Messung von Istwerten 32, 34, 36, 38, 40, 42, 54 an der Verdichterkette 74 angeordnet. Hierbei werden in Fließrichtung 70 vor der ersten Stufe 64 ein Istwert 32 einer Saugtemperatur T₁, ein Istwert 36 eines Saugdrucks p₁ und ein Istwert 38 eines saugseitigen Volumenstroms V . ermittelt. Vor der zweiten Stufe 66 werden ein Istwert 34 der Saugtemperatur T₂ und ein Istwert 40 eines Saugdruck p₂ gemessen. Ferner wird nach der zweiten Stufe 66 und vor der Rückschlagklappe 76 ein Istwert 42 eines Zwischendrucks p_zw und nach der Rückschlagklappe 76 ein Istwert 54 eines Enddrucks p_End ermittelt.
Zudem weist der Verdichter 10 eine Steuereinheit 60 und eine Modelleinheit 62 auf, die ein Verfahren zur Steuerung des Verdichters 10 betreiben. Hierbei wird ein Sollwert 12 eines Parameters 14 des Verdichters 10, wie beispielsweise eines Massenstroms ṁ, und somit ṁ_soll an die Steuereinheit 60 übermittelt. Dies erfolgt von einem Prozessregler 80 in der Form eines Enddruckreglers, der den Sollwert 12 aus dem ihm zugeführten Istwert 54 des Enddrucks p_End berechnet hat, wodurch der Verdichter 10 geregelt wird und der Sollwert 12 als Regelgröße verwendet wird. Zudem erhält der Prozessregler 80 von der Steuereinheit 60 einen Maximalwert 82 des Parameters 14, hier ṁ_max. Liegt der Sollwert 12 über dem Maximalwert 82 wird dieser als Sollwert 12 an die Steuereinheit 60 gegeben.
Die Steuereinheit 60 ermittelt nun drei Stellwerte 16, 18, 20 der Stellelemente 22, 24, 26 bzw. der Leitvorrichtungen 56, 58 und des Ventils 52 des Verdichters 10 anhand des Sollwerts 12. Diese Ermittlung erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Weise anhand eines in der Steuereinheit 60 hinterlegten numerischen Algorithmus in der Form einer sequentiellen quadratischen Programmierung. Diese drei ermittelten Stellwerte 16, 18, 20 werden nun an die Modelleinheit 62 übermittelt, die anhand der Stellwerte 16, 18, 20 einen modelbasierten theoretischen Zustand des Verdichters 10 ermittelt, wobei zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters 10 simuliert wird (Rechnungsmodell siehe unten).
Dieser modelbasierte theoretische Zustand bzw. diesem zugeordnete vorausgesagte Parameter 30, beispielsweise eines Wirkungsgrads η, eines Energieverbrauchs P, eines Abstands von einer Pumpgrenze S_PG oder eines Massenstroms ṁ, wird an die Steuereinheit 60 gegeben. Hierbei kann nur ein Parameter 30 oder bevorzugt können mehrere verschiedene Parameter 30 an die Steuereinheit 60 gegeben werden, der Einfachheit halber ist hier nur ein Parameter 30 behandelt. Die Steuereinheit 60 vergleicht den Parameter 30 bzw. den ermittelten Massenstrom ⌋ mit dem Sollwert 12 und korrigiert bei einer Abweichung der Werte voneinander anhand des numerischen Verfahrens die Stellwerte 16, 18, 20 in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand. Ferner vergleicht er den Parameter 30 mit weiteren Anforderungen, wie einem Abstand zu der Pumpgrenze S_PG, eine Mindestbelastung einzelnen Ritzelwellen des Verdichters 10, ein Einhalten der Schluckgrenze der Stufen 64, 66, eine Halten einer Gesamtleistung des Verdichters 10 unterhalb eines Leistungsmaximums des Verdichters 10 und passt gegebenenfalls die Stellwerte 16, 18, 20 darauf an. Diese Anforderungen können in der Steuereinheit 60 hinterlegt sein und/oder von Außen zugeführt werden. Die korrigierten Stellwerte 16, 18, 20 werden erneut zur Ermittlung des modellbasierten theoretischen Zustands an die Modelleinheit 62 gegeben. Somit wird das Verhalten des Verdichters 10 wie in einem Regelkreis 28 zwischen der Steuereinheit 60 und der Modelleinheit 62 schrittweise an den Sollwert 12 angepasst.
Eine Steuerung der Stellelemente 22, 24, 26 anhand der in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierten Stellwerte 16, 18, 20 erfolgt erst dann, wenn der dem Sollwert 12 entsprechende Parameter 30 des theoretischen Zustands eine vorgegebene Nähe zum Sollwert 12 erreicht hat. Hierbei sind die Stellwerte 16, 18 Anstellwinkel α₁, α₂ der Leitvorrichtungen 56, 58 des Verdichters 10 und der Stellwert 20 die Stellung β des Ventils 52.
Sie Steuerung erfolg somit über ein Zusammenwirken des thermodynamischen Modells und dem numerischen Algorithmus. Es wird also während des Betriebes des Verdichters 10 ständig durch Variationen der drei Stellwerte 16, 18, 20 bzw. α₁, α₂ und β durch die Steuereinheit 60 Szenarien dem thermodynamischen Modell bzw. der Modelleinheit 62 geschickt. Das thermodynamische Modell ermittelt und liefert dann zurück, welcher theoretische Zustand, beispielsweise bezogen auf dem Massenstrom ⌋, den Wirkungsgrads η oder den Energieverbrauch P, sich dann bei Verwendung dieser Stellwerte 16, 18, 20 einstellen würde. Somit kann ermittelt werden, wie unter Wahrung einer Gesamtliefermenge diese drei Stellwerte 16, 18, 20 verändern werden müssen, damit z. B. der Energieverbrauch P möglichst klein wird.
Das thermodynamische Modell ermittelt den effektiv geförderten Massenstrom ṁ_eff. Hierfür sind die folgenden Vorbetrachtungen nötig:
Eine Molmasse des geförderten Fluids sowie eine Drehzahl des Verdichters 10 werden als konstant angenommen. Eine gesamte Druckerhöhung π_ges des Verdichters 10 setzt sich zusammen aus den Druckverhältnissen π₁, π₂ der einzelnen Stufen 64, 66 und ist gemäß
zu bestimmen. Hierbei ist die Aufteilung auf die einzelnen Stufen 64, 66 so zu bestimmen, dass eine Antriebsleitung ein Minimum annimmt. Ein gesamter Energieverbrauch P des Verdichters 10 bestimmt sich aus:
wobei e_s die spezifische isentrope Strömungsarbeit ist. Im Wirkungsgrad η_k,s sind sowohl Verluste der isentropen Zustandsänderung, weitere Strömungsverluste und mechanische Verluste bspw. eines Getriebes enthalten. Die spezifische isentrope Strömungsarbeit kann als e_si = f(α_i, φ_i) und der Wirkungsgrad als η_s,ki = f(α_i, φ_i) beschreiben werden. Die Durchflusskennzahl φ ist bei konstanter Drehzahl proportional zum saugseitigen Volumenstrom V ., wodurch sich e_s1 = f(α₁, V .₁) und η_s,ki = f(α₁, V .₁) ergibt. Diese funktionalen Zusammenhänge der einzelnen Stufen 64, 66 sind als vorausberechnete und über eine Erprobung korrigierte Werte in 2-dimensionalen Wertetabellen abgelegt. Grundsätzlich könnten diese Tabellen auch im Verfahren verändert bzw. verbessert werden.
Zur Ermittlung des Energieverbrauchs P muss nun der effektive Massenstrom ⌋_eff berechnet werden. Dieser bestimmt sich aus ⌋_eff = f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, p_zw, β). Dies kann wie folgt hergeleitet werden:
Ein Saugdruck p₂ der zweiten Stufe 66 ist abhängig von dem Saugdruck p₁ und dem Druckverhältnis π₁ der ersten Stufe 64:
p₂ = p₁π₁, wobei
und e_s1 = f(α₁, φ₁) ist.
Sinngemäß ergibt sich für den Zwischendruck p_zw, dass dieser abhängig von dem Saugdruck p₂ und dem Druckverhältnis π₂ der zweiten Stufe 66 ist: p_zw = p₂π₂, wobei
ist.
Hieraus kann verallgemeinert werden, dass p_zw = f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, V .₁).
Fördert der Verdichter 10 nun ein druckseitiges Volumen, so ändert sich der Druck in diesem Volumen, wenn eine Bilanz einer zu- und/oder abgeführten Menge unausgeglichen bleibt. Der Zwischendruck p_zw des Verdichters 10 wird durch Integration der Massenstrombilanz erhalten, wodurch sich ṁ = f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, p_zw) ergibt. Betrachtet man nun einen Massenstrom ṁ nach der Rückschlagklappe 76 kann die Stellung β und damit die um- und/oder abgeblasene Menge an Fluid berücksichtigt werden und es ergibt sich: ṁ_eff = f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, p_zw, β)
Die Stellwerte 16, 18, 20 der Anstellwinkel α₁ und α₂ bzw. die Stellung β sind von den Stellelementen 22, 24, 26 beeinflussbar. T₁, T₂, p₁ und p_zw stellen Störgrößen dar, die von äußeren Randbedingungen abhängen. Der Saugdruck p₁ kann im Regelfall als konstant angenommen werden. Der Zwischendruck p_zw kann durch die oben beschriebene errechenbare Abhängigkeit von den anderen Werten bestimmt werden. Somit gehen in die Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands mittels des thermodynamischen Modells zwei Istwerte 32, 34 des Zustands des Verdichters 10 bzw. die gemessenen Saugtemperaturen T₁ und T₂ der beiden Stufen 64, 66 ein. Das Modell kann mit alleiniger Kenntnis dieser beiden Istwerte 32, 34 den modelbasierten theoretischen Zustand ermitteln. Ferner wird jedoch der ermittelte modelbasierte theoretische Zustand anhand weiterer Istwerte 36, 38, 40, 42, des Zustands des Verdichters 10 bzw. anhand der gemessenen Saugdrücke p₁, p₂, des gemessenen Zwischendrucks p_zw, und des gemessenen Volumenstroms V . korrigiert.
Ferner weist der Verdichter 10 eine Sicherheitsvorrichtung 84 in der Form eines Pumpgrenzreglers 86 auf. Der Pumpgrenzregler 86 ermittelt ständig, ob ein Abstand zu der Pumpgrenze S_PG eingehalten wird. Hierfür erhält er von der Modelleinheit 60 den dort theoretisch ermittelten Parameter 30 des Abstands der Pumpgrenze S_PG und vergleicht diesen mit einem im Pumpgrenzregler 86 hinterlegten Sollwert 88. Nähert sich der Parameter 30 einem Bereich mit beispielsweise 7%–10% Abweichung von dem Sollwert 88 oder unterschreitet diesen, was beides beispielsweise bei einer dynamischen Änderung des Drucks im Verdichter 10 auftreten kann, wird der Pumpgrenzregler 86 aktiviert. Er ermittelt nun anhand eines PI-Algorithmus einen unkorrigierten Stellwert 48 bzw. eine Stellung β des Ventils 52 bei dem bzw. bei der der Abstand zur Pumpgrenze S_PG eingehalten wird. Dieser unkorrigierte Stellwert 48 wird an einen Vergleicher 50 geschickt, der zudem den in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierten Stellwert 20 von der Steuereinheit 60 erhält. Der Vergleicher 50 ermittelt nun durch Vergleich der Stellwerte 20, 48 welcher Stellwert eine größer Offenstellung des Ventils 52 vermittelt und leitet diesen so ermittelten Stellwert 20, 48 an das Ventil 52 zu dessen Steuerung weiter. Bei einem Eingreifen des Pumpgrenzreglers 86 ist dies beispielsweise der unkorrigierte Stellwert 48.
Somit wird bei Vorliegen eines vorbestimmten Zustands, wie eines kritischen Zustands einer schnellen Druckänderung im Verdichter 10, das Stellelement 26 bzw. das Ventil 52 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels des unkorrigierten Stellwerts 48 angesteuert, wodurch der Verdichter 10 in einen unkritischen Zustand überführt wird und er nicht an seiner Belastungsgrenze betrieben wird. Der Pumpgrenzregler 86 wird wieder aus dem Eingriff gebracht, wenn das thermodynamische Modell durch eine Anpassung seiner Voraussagen auf die Druckänderung reagiert hat.
Während des Betriebs des Verdichters 10 anhand der theoretischen Ermittlung der Stellwerte 16, 18, 20 wird von dem Vergleicher 50 der Stellwert 20 an das Ventil 52 gegeben. Hierbei wird ein resultierender Ansteuerwert β_ist für die Stellung β des Ventils 52 an den Pumpgrenzregler 86 übermittelt, so dass dieser gemäß dieses tatsächlichen Ansteuerwert β_ist nachgeführt werden kann.
Das thermodynamische Modell hat somit zwei Funktionen; zum einen die der theoretischen Voraussage des Zustands anhand der Rechnung mit angenommenen Stellwerten 16, 18, 20 und zum anderen die einer Regelung des Verdichters 10 über den Pumpgrenzregler 86.
Ebenso bei einem Auftreten eines vorbestimmten Zustands in der Form einer Änderung des Sollwerts 12 oberhalb eines festgelegten Sollwertgradienten, werden die Stellelemente 22, 24, 26 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels unkorrigierten Stellwerten 44, 46, 48 angesteuert. Hierbei bewirkt diese direkte Ansteuerung der Stellelemente 22, 24, 26 eine schnellere Anpassung der Istwerte 34, 40, 42, 54 des Verdichters 10 an den Sollwert 12 als mittels der modelbasierten Korrektur. Die Steuereinheit 60 ermittelt also bei einem großen Sprung des Sollwerts 12 während der Modellberechnung der Modelleinheit 62 anhand einer Linearisierung wie die Stellelemente 22, 24, 26 verändert werden müssten, um dem veränderten Sollwert 12 gerecht zu werden.
Eine Anzeige relevanter Stellwerte, Istwerte, Sollwerte, Angaben über Unterschiede dieser Werte zu Werten, die ohne die modelbasierte Korrektur erreicht worden wären, und/oder einer Aufsummierung z. B. der Energieersparnis kann über eine hier nicht dargestellte Anzeigeneinheit für ein Bedienpersonal indirekt über die Verdichtersteuerung bereitgestellt werden, wodurch Vorteile des Systems vorteilhaft zu sehen sind.
Zudem kann zusätzlich zu den Stellwerten 16, 18, 20 auch ein Stellwert 90 in der Form einer Drehzahl n eines hier nur gestrichelt angedeuteten Stellelements 94 in der Form eines Motors 96 ermittelt, korrigiert und eingestellt werden. Auch kann hier bei Vorliegen eines vorbestimmten Zustands das Stellelement 94 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels einem unkorrigierten Stellwert 92 angesteuert werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch eine Drehzahl einer Turbine eingestellt werden.
Ferner kann bei einer Arbeit des Verdichters 10 mit einer veränderlichen Gaszusammensetzung G diese mit einem in der Figur nur gestrichelt gezeigten Messelement 78 gemessen und bei der Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands berücksichtigt werden.
Alternativ kann auf den Prozessregler 80 verzichtet werden, wobei hier der Sollwert 12 anderweitig von extern dem System zugeführt wird. Ferner ist in einer alternativen Ausführung auch der Pumpgrenzregler 86 und der Vergleicher 50 verzichtbar, wenn die Berechnung der optimierten Stellwerte 16, 18, 20 schnell genug erfolgt, um selbst bei plötzlichen Prozessänderungen adäquat zu reagieren.
Das Ausführungsbeispiel beschreibt das Verfahren exemplarisch für einen zweistufigen Verdichter mit einer Innendruckzustandsänderung. Prinzipiell ist das Modell auf jeden mehrstufigen Verdichter anwendbar. In dem thermodynamischen Modell kann anstatt mit isentropen Strömungsarbeiten bzw. Wirkungsgraden auch mit polytropen Größen gerechnet werden. Des Weiteren können auch andere Repräsentationen des Verdichterkennfelds verwendet werden, die eine Berechnung von Leistung und Liefermenge anhand der gegebenen Eingangsgrößen ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19506790 A [0002]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Verdichters (10) mit folgenden Schritten: a Bereitstellen zumindest eines Sollwerts (12) eines Parameters (14) des Verdichters (10), b Ermittlung von zumindest zwei Stellwerten (16, 18, 20, 90) zumindest zweier Stellelemente (22, 24, 26, 94) des Verdichters (10) anhand des Sollwerts (12), c Ermittlung eines modelbasierten theoretischen Zustands des Verdichters (10) anhand der Stellwerte (16, 18, 20, 90), d iterative Korrektur zumindest eines der Stellwerte (16, 18, 20, 90) in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand, e Steuerung zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) anhand eines Stellwerts (16, 18, 20, 90).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters (10) simuliert wird, wobei das Verhalten in einem Regelkreis (28) schrittweise an den Sollwert (12) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) erst dann mit einem Stellwerten (16, 18, 20, 90) angesteuert wird, wenn ein dem Sollwert (12) entsprechender Parameter (30) des theoretischen Zustands eine vorgegebene Nähe zum Sollwert (12) erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands zumindest ein Istwert (32, 34) des Zustands des Verdichters (10) eingeht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte modelbasierte theoretische Zustand anhand zumindest eines weiteren Istwerts (36, 38, 40, 42) des Zustands des Verdichters (10) korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen zumindest eines vorbestimmten Zustands zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels zumindest einem unkorrigierten Stellwert (44, 46, 48, 92) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Zustand ein kritischer Zustand des Verdichters (10) ist, der durch die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente (26) in einen unkritischen Zustand überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierte Stellwert (20) und zumindest ein unkorrigierte Stellwert (48) über zumindest einen Vergleicher (50) zusammengeschaltet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit zumindest einem der unkorrigierten Stellwerte (48) zumindest ein Ventil (52) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Zustand eine Änderung des Sollwerts (12) oberhalb eines festgelegten Sollwertgradienten umfasst und die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) eine schnellere Anpassung eines Istwerts (34, 40, 54) des Verdichters (10) an den Sollwert (12) bewirkt als mittels der modelbasierten Korrektur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) geregelt wird und der Sollwert (12) als Regelgröße verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellwert (16, 18, 20) zumindest ein Anstellwinkel (α₁, α₂) zumindest einer Leitvorrichtung (56, 58) des Verdichters (10) und/oder eine Stellung (β) eines Ventils (52) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellwerte (16, 18, 20, 90) eine Vielzahl (Z) von Anstellwinkeln (α₁, α₂) einer Vielzahl (Z) an Leitvorrichtungen (56, 58) des Verdichters (10) und/oder eine Drehzahl (n) des Verdichters (10) und/oder eine Stellung (β) eines Ventils (52) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszusammensetzung (G) gemessen wird und bei der Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands berücksichtigt wird.
Verdichter mit einer Steuereinheit (60) und einer Modelleinheit (62), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Stellwerte (16, 18, 20, 90) zumindest zweier Stellelemente (22, 24, 26, 94) des Verdichters (10) anhand eines übermittelten Sollwerts (12) eines Parameters (14) des Verdichters (10) zu ermitteln und dass die Modelleinheit (62) dazu vorgesehen ist, einen modelbasierten theoretischen Zustand des Verdichters anhand der Stellwerte (16, 18, 20, 90) zu ermitteln und dass die Steuereinheit (60) dazu vorgesehen ist, zumindest einen der Stellwerte (16, 18, 20, 90) in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand zu korrigieren und zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) anhand eines Stellwerts (16, 18, 20, 90) zu steuern.