DE19549659B4

DE19549659B4 - Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters

Info

Publication number: DE19549659B4
Application number: DE19549659A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr.-Ing. Keiper; Theo Heintz
Original assignee: Siemens Turbomachinery Equipment GmbH; Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2015-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum wirkungsgradoptimierten Betreiben eines Radialverdichters mit steuer- oder regelbaren Einstellparametern wie z. B. den Einstellwinkeln von Vorleitapparat (beta) und/oder Nachleitapparat (alpha) und/oder der Drehzahl (n) eines regelbaren Antriebs unter Verwendung von in Vorversuchen ermittelten und in einem Speichermedium abgespeicherten, wirkungsgradoptimierten, mehrdimensionalen Kombi-Kennlinienfeldern oder alternativ dazu einem wirkungsgradoptimierten Regeln des Radialverdichters durch Abtasten eines kennlinienähnlichen Feldes von Betriebspunkten, wodurch eine Folge von zu einem gewünschten Arbeitspunkt (V¶Soll¶, Y¶Soll¶) hin konvergierender Betriebspunkte (V¶Ist¶, Y¶Ist¶) durchlaufen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters, und insbesondere ein Verfahren zum wirkungsgradoptimierten Betreiben eines Radialverdichters mittels des Vergleichs von in einem Vorversuch ermittelten Kennlinienpunkten mit tatsächlichen Arbeitspunkten, und der Ermittlung wirkungsgradoptimierender Einstellgrößen aus diesen abgespeicherten Kennlinienpunkten.
Um den Wirkungsgrad von Radialverdichtern beim Verdichten eines strömenden gasförmigen Mediums zu optimieren, muß eine möglichst effiziente Umsetzung von kinetischer Energie des von einem umlaufenden beschaufelten Laufrad in den Einlaßkanal angesaugten Gases in Druckenergie des an der Verdichterauslaßseite ausströmenden Gases erfolgen. Hierzu werden in bekannten Radialverdichtern an der Eintrittsöffnung in das Verdichtergehäuse vor dem ansaugenden Laufrad Vorleitapparate (VLA) in Form einstellbarer Vorleitschaufeln sowie hinter dem ansaugenden Laufrad Nachleitapparate (NLA) in Form von einstellbaren Nachleitschaufeln angebracht. Die Stellungen der Vor- und Nachleitschaufeln und die Drehzahl der ansaugenden Laufradschaufeln beeinflussen die lokalen Gasströmungen an der Eintritts- und an der Austrittsseite des Verdichters, und damit den Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses in Abhängigkeit von dem zu fördernden Volumenstrom und der zu leistenden Verdichtungsarbeit.
Geht man von einem gegebenen Volumenstrom und einer gegebenen Verdichtungsarbeit aus, so gibt es hierfür zugehörige Einstellungen des Vorleitapparats, des Nachleitapparats und der Antriebsdrehzahl des Radialverdichters mit denen ein optimaler Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses zu erzielen ist. Beim Auftreten veränderlicher Volumenströme des zu verdich tenden Gases kann zur Optimierung des Wirkungsgrads beim Verdichtungsprozeß also eine Steuerung der Einstellungen des Vorleitapparats und/oder des Nachleitapparats und/oder der Antriebsdrehzahl durchgeführt werden. Hierbei ist zu beachten, daß man stets im stabilen Betriebsbereich des Radialverdichters arbeiten sollte, damit Energieverluste in der Strömung vermieden werden.
Veränderliche Volumenströme in Radialverdichtern treten z. B. bei biologischen Reinigungsstufen moderner Kläranlagen auf. Im aeroben Prozeß wird die Verschmutzung des Abwassers durch Mikroorganismen unter der dosierten Zufuhr von Luft abgebaut. Bei feinblasigen Belüftungssystemen wird die erforderliche Druckluft mit Verdichtern erzeugt. Das Einblasen der Luft in die Klärbecken erfolgt vom Boden aus, und somit ist der einzublasende Luftstrom vom Wasserdruck, d. h. von der Wasserhöhe abhängig. Dies führt dazu, daß am Verdichter eine dem durch die Höhe der äußeren Wassersäule vorgegebenen Außendruck entsprechende Verdichtungsarbeit zu leisten ist.
Dabei wirken meist mehrere Verdichter zusammen, die in eine Sammelleitung fördern. Die Luftzuführung eines jeden Verdichters wird bei dieser Anwendung in Kläranlagen bevorzugterweise nur über einen Vor- und Nachleitapparat (VLA und NLA) stufenlos dem Bedarf der Anlage und den aktuellen Betriebsbedingungen angepaßt.
Zur Steuerung der Strömung in einem Radialverdichter führt man sinnvollerweise die Regelung folgender Parameter durch:

1. Stellung der Vorleitschaufeln (Vorleitapparat – VLA)
2. Stellung des Verstelldiffusors bzw. der Nachleitschaufeln (Nachleitapparat – NLA)
3. Drehzahl des ansaugenden Laufrads (Antriebsdrehzahl)
4. Regelung eines oder mehrerer an der Austrittseite des Verdichters liegenden Abblasventile zur Begrenzung des Enddrucks

Es sind Verfahren zur Regelung einzelner oder mehrerer dieser vier Parameter zusammen bekannt.

Die EP 331902 A2 offenbart zum Beispiel ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Regelung eines Radialverdichters mittels mechanisch verstellbarer Einstellvorrichtungen, wobei die Stellung der Vorleitschaufeln und der Querschnitt des Diffusorkanals zusammen mit zusätzlichen im Diffusorkanal angebrachten feststehenden Schaufeln und mit zusätzlichen im Diffusorkanal angebrachten ein- und ausfahrbaren Schaufeln aufeinander abgestimmt geregelt werden können. Dieses Verfahren dient vor allem zur Vermeidung von "Flattern" bei niedrigen Volumenströmen (d. h. es soll ein unregelmäßiger Aufbau des Enddrucks vermieden werden), und zur Vermeidung von Druckverlusten bei hohen Volumenströmen. Dieses Verfahren liefert aber keine Optimierung des Wirkungsgrads über den gesamten Betriebsbereich des Verdichters hinweg.

Aus DE 34 02 120 A1 ist ein Verfahren zum wirkungsgradoptimierten Betreiben von Pumpen und Verdichtern bekannt, bei dem aus thermodynamischen Überlegungen vorab bekannte analytische Funktionszusammenhänge zwischen verschiedenen thermodynamsichen Kenngrößen (wie z.B. Förderhöhe H, Förderstrom Q, Leistungsbedarf P und Drehzahl n) ausgenutzt werden, um bei Kenntnis eines Teils der Gesamtheit solcher thermodynamischer Kenngrößen die für eine wirkungsgradoptimierte Steuerung der Pumpe oder des Verdichters benötigten wirkungsgradoptimierenden Stellgrößen für die übrigen Kenngrößen zu berechnen.

Im Gegensatz zu den obengenannten bekannten Verfahren ist es das Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, das ein automatisches wirkungsgradoptimiertes Betreiben eines Radialverdichters mit änderbarem Stellwinkel der Vorleitschaufeln und/oder änderbarem Stellwinkel der Nachleitschaufeln und/oder änderbarer Drehzahl des ansaugenden Laufrades ermöglicht, um bei jedem beliebigen Arbeitspunkt der Verdichteranordnung den Wirkungsgrad der Verdichtungsarbeit zu maximieren, wobei auf ein softwaremäßig implementiertes Steuerungsverfahren zurückgegriffen wird, ohne daß analytische Funktionszusammenhänge zwischen den vorgenannten Stellwinkeln und der Drehzahl bekannt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialver dichters sieht vor, daß beim Betrieb des Radialverdichters der aktuelle Arbeitspunkt, d. h. der momentan erforderliche Ansaugvolumenstrom sowie die momentan erforderliche isentrope Verdichtungsarbeit, mittels in der Zuleitung zum und in der Ableitung vom Radialverdichter angebrachter Meßsensoren bestimmt wird, und daß dann dieser aktuelle Arbeitspunkt mit den in einem Speicher während Vorversuchen abgespeicherten wirkungsgradoptimierten Arbeitspunkten (Kennlinienpunkte in einem mehrdimensionalen Kombi-Kennlinienfeld, welches bevorzugterweise wirkungsgradoptimierte Werte für die Einstellungen des Vorleitapparats und/oder des Nachleitapparats und/oder der Antriebsdrehzahl enthält) verglichen wird.

Für diese abgespeicherten Kennlinienpunkte sind in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Radialverdichters mit einstellbarem Vor- und Nachleitapparat die wirkungsgradoptimierten Einstellwinkel des Vor- und Nachleitapparats in einem Speicher abgelegt, von wo sie aufgerufen und auf Stellmotoren gegeben werden, die den Vor- und Nachleitapparat auf die aus Vorversuchen bekannten wirkungsgradoptimierten Einstellwinkel einstellen.

Bei Radialverdichtern mit einstellbarem Vor- und Nachleitapparat und regelbarem Antrieb kann in einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung gegenüber der ersten Ausführungsform zusätzlich zu den optimalen Einstellwinkeln des Vor- und Nachleitapparats die optimale Antriebsdrehzahl berücksichtigt werden.

In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung kann man weiterhin beliebige Kombinationen der drei Einstellparameter (Stellung des Vorleitapparats, Stellung des Nachleitapparats, Antriebsdrehzahl) berücksichtigen.

Bei allen zuvor genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung kann man zusätzlich die Betätigung von Abblasventilen in der Ableitung hinter dem Nachleitapparat des Radialverdichters bei Überschreiten eines Grenzwerts für den Austrittsdruck vorsehen.

Bei allen zuvor genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung werden in Vorversuchen, die am Originalverdichter oder aber auch an Modellen durchgeführt werden, in der Zuleitung zum Radialverdichter bzw. zu dem Modell Meßsensoren für den Volumenstrom, die Ansaugtemperatur und den Ansaugdruck angebracht, sowie in der Ableitung vom Radialverdichter Meßsensoren für den Austrittsdruck und die Austrittstemperatur. Die Meßwerte dieser Meßsensoren erlauben die Bestimmung des sogenannten Arbeitspunkts des Verdichters, d. h. der Kombination von erforderlichem Ansaugvolumenstrom und der beim Verdichtungsprozeß benötigten Verdichtungsarbeit.

Weiterhin läßt sich aus diesen Daten der Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses bestimmen, wenn die Leistungsaufnahme über Drehmoment- oder DT-Messung bestimmt wird. Durch die stufenweise Variation der Parameter Ansaugvolumenstrom und Verdichtungsarbeit erhält man verschiedene diskrete Arbeitspunkte des Verdichters. Geeignete Einstellvorrichtungen variieren bei der Durchführung dieser Vorversuche systematisch die Einstellwinkel von Vorleitapparat und/oder Nachleitapparat und/oder Antriebsdrehzahl des Verdichters für jeden diskreten Arbeitspunkt, wodurch sich für jeden diskreten Arbeitspunkt eine Reihe verschiedener Wirkungsgrade ergibt. Somit ist es möglich, für jeden Arbeitspunkt die wirkungsgradoptimierten Einstellungen für die Einstellwinkel am Vor- und/oder Nachleitapparat und/oder für die Antriebsdrehzahl zu bestimmen. Diese wirkungsgradoptimierten Arbeitspunkte mit zugehörigen Einstellparametern werden in Form von Kennlinienpunkten in einem mehrdimensionalen Kombi-Kennlinienfeld in einem Speicher abgelegt.

Beim Betrieb des Radialverdichters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in der Zuleitung zum Verdichter Meßsensoren für den Ansaugdruck und für die Ansaugtemperatur, sowie in der Ableitung vom Verdichter ein Meßsensor für den Austrittsdruck angebracht. Diese Meßwerte werden von einem Rechner ausgelesen, und ermöglichen zusammen mit einem vom Benutzer vorgegebenen Sollwert für den Volumenstrom, sowie Korrekturfaktoren für den Feuchtigkeitsgehalt des zu fördernden gasförmigen Mediums und dessen Kompressibilität die Bestimmung des tatsächlichen Arbeitspunkts, d. h. die Bestimmung des zur Realisierung des Normalvolumenstroms (Sollwert) erforderlichen Ansaugvolumenstroms und der isentropen Verdichtungsarbeit. Diesem tatsächlichen Arbeitspunkt lassen sich nun durch Vergleich mit den beim Vorversuch abgespeicherten Arbeitspunkten (Kennlinienpunkten) und den darauf basierenden mehrdimensionalen Kombi-Kennlinienfeldern wirkungsgradoptimierende Einstellparameter für den Vorleitapparat und/oder den Nachleitapparat und/oder die Antriebsdrehzahl zuordnen.

Diese wirkungsgradoptimierenden Einstellparameter werden dann am Vorleitapparat und/oder Nachleitapparat mittels Stellmotoren eingestellt und/oder es wird am Antrieb die Drehzahl eingestellt.

Da es aufgrund der begrenzten Kapazität des die im Vorversuch aufgenommenen, wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkte enthaltenden Speichers in der Regel nicht möglich ist, ein ideal feinmaschiges Netz von wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkten abzuspeichern, welches dafür sorgt, daß jeder im Betrieb tatsächlich auftretende Arbeitspunkt mit hinreichender Genauigkeit mit einem abgespeicherten, wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkt zusammenfällt, sieht das erfindungsgemäße Verfahren Interpolationsschritte für den Fall vor, daß ein weitermaschiges Netz von abgespeicherten, wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkten mit einem dazwischen liegenden tatsächlichen Arbeitspunkt vorliegt. Für den Fall eines gegenüber dem ideal feinmaschigen Netz etwas weitermaschigen Netzes von abgespeicherten, wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkten werden bei der Ermittlung der wirkungsgradoptimierenden Einstellparameter für den tatsächlichen Arbeitspunkt Interpolationsschritte verwendet.

Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Verfahren Schritte zur Ersetzung tatsächlicher, nichtzulässiger Arbeitspunkte durch abgespeicherte, zulässige Grenzwerte vor. Dabei werden tatsächliche Arbeitspunkte, die nicht in den zulässigen Betriebsbereich fallen, sondern im unzulässigen, instabilen Betriebsbereich des Verdichters liegen, durch zulässige Arbeitspunkte ersetzt, die sich auf den mehrdimensionalen Kombi-Kennlinienfeldern überlagerten Grenzlinien befinden. Dadurch werden auch Pumpvorgänge verhindert.

Man erhält somit in jedem Fall für einen tatsächlichen Arbeitspunkt zugeordnete wirkungsgradoptimierende Werte für die Einstellungen des Vorleitapparats und/oder des Nachleitapparats und/oder der Antriebsdrehzahl. Insgesamt erfolgt somit also eine Wirkungsgradoptimierung durch die Kombination der Einstellungen von Vorleitapparat und/oder Nachleitapparat und/oder der Antriebsdrehzahl des Verdichters aufgrund von vorgegebenen mehrdimensionalen Kombi-Kennlinienfeldern.

Neben der oben beschriebenen Anwendung in Kläranlagen ist diese Steuerung auch bei beliebigen anderen Verdichteranwendungen einsetzbar.

Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren so modifiziert werden, daß für typgleiche Verdichteranordnungen einer identischen Baureihe das Kombi-Kennlinienfeld nicht für jede einzelne Verdichteranordnung aufgenommen wird, sondern daß für eine die Baureihe repräsentierende Verdichteranordnung ein dimensionloses Kombi-Kennlinienfeld aufgenommen wird, aus dem sich die Kombi-Kennlinienfelder der verschiedenen typgleichen Verdichteranordnungen durch Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze ergeben.

Weiterhin können Abblasventile im Austrittsbereich des Radialverdichters hinter dem Nachleitapparat angebracht sein, die betätigt werden, falls der von Meßsensoren für den Austrittsdruck hinter dem Radialverdichter ermittelte Meßwert über einem vorgegebenen Grenzwert liegt.

Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für alle Arten von Radialverdichtern geeignet, die eine Änderung der Einstellungen von Vorleitapparat und/oder Nachleitapparat und/oder der Antriebsdrehzahl gestatten, und es können somit auch beliebige Kombinationen dieser drei Parameter berücksichtigt werden.

Der unabhängige Anspruch 1 betrifft eine allgemeine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Radialverdichters unter Zuhilfenahme von in Vorversuchen abgespeicherten Kennlinienfeldern von Betriebspunkten mit wirkungsgrad optimierten Einstellparametern.

Die von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche 2 bis 5 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des in Anspruch 1 beanspruchten Verfahrens.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen ergibt sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 einen Radialverdichter im Längsschnitt;
2 ein Flußdiagramm, welches veranschaulicht, wie die zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung benötigten Meßpunkte der Kombi-Kennlinienfelder der optimierten Einstellwinkel für Vor- und Nachleitapparat im Vorversuch aufgenommen werden,
3 ein Blockdiagramm, welches die zur Anwendung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung benötigte Anordnung eines Radialverdichters im Betrieb und die hierfür benötigte Verdichtersteuerung zeigt, wobei die in den einzelnen Stufen der Verdichtungssteuerung durchgeführten Verfahrensschritte durch Funktionsblöcke symbolisiert sind;
4 ein Blockdiagramm, welches die zur Anwendung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung benötigte Anordnung eines Radialverdichters im Betrieb und die hierfür benötigte Verdichtersteuerung zeigt, wobei die in den einzelnen Stufen der Verdichtungssteuerung durchgeführten Verfahrensschritte durch Funktionsblöcke symbolisiert sind, wobei diese Anordnung im Vergleich zu der in 3 gezeigten Anordnung zusätzlich eine Schaltung zur Einwirkung auf die Antriebsdrehzahl umfaßt;
5a eine Vergrößerung des in 3 gezeigten Funktionsblocks "Rechenstufe 3/Interpolation", welche das Interpolationsverfahren für einen tatsächlichen Arbeitspunkt zwischen vier im zugehörigen Funktionsblock "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld" abgespeicherten Kennlinienpunkten darstellt;
5b eine Wertetabelle mit Beispielwerten für die in 5a und 6 gezeigten und im zugehörigen Funktionsblock "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld" abgespeicherten Kennlinienpunkte;
6 eine Vergrößerung des in 3 gezeigten Funktionsblocks "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld", welche einen tatsächlichen Arbeitspunkt dargestellt;
7a eine Vergrößerung des in 3 gezeigten Funktionsblocks "Begrenzung", welche die Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Fall illustriert, daß der berechnete erforderliche Ansaugvolumenstrom größer als ein vorgegebener, zulässiger Grenzwert ist;
7b eine Vergrößerung des in 3 gezeigten Funktionsblocks "Begrenzung", welche die Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Fall illustriert, daß die berechnete Verdichtungsarbeit kleiner als ein vorgegebener, zulässiger Grenzwert ist;
8 ein Flußdiagramm, welches veranschaulicht, wie die zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Meßpunkte der Kombi-Kennlinienfelder mit wirkungsgradoptimierten Einstellungen für Vor- und Nachleitapparat sowie für die wirkungsgradoptimierte Antriebsdrehzahl im Vorversuch aufgenommen werden;
1 zeigt einen Radialverdichter im Längsschnitt. Hierbei strömt von der Ansaugseite A her ein gasförmiges Medium (im folgenden wird der Einfachheit halber von Luft gesprochen) auf die Vorleitschaufeln 1 des Vorleitwerks und in das Verdichtergehäuse 2. Durch den mit dem Nachleitapparat 3 zusammenwirkenden Diffusorkanal 5 strömt die Luft in das Spiralgehäuse 6. Durch Ändern des Anströmswinkels der Vorleitschaufeln 1 (d. h. des Einstellwinkels β des Vorleitapparats) und/oder der Nachleitschaufeln 3 (d. h. des Einstellwinkels α des Nachleitapparats) und/oder der Antriebsdrehzahl n der Laufradschaufeln 4 läßt sich die Luftströmung im Verdichtergehäuse 2, und damit der Ansaugvolumenstrom V . und die für die Verdichtung der strömenden Luft erforderliche Verdichtungsarbeit Y variieren.
Auf der rechten Seite der 1 befindet sich im Bereich C der Antrieb (wird im weiteren nicht näher erläutert), welcher das Laufrad 4 dreht, um die Luft anzusaugen.
Geht man bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung von einem Radialverdichter mit verstellbarem Vor- und Nachleitapparat aus, so ergibt sich für jedes Wertepaar ("Arbeitspunkt") von erforderlichem Ansaugvolumenstrom und Verdichtungsarbeitarbeit (V ., Y) ein optimales Wertepaar (β, α) der Einstellwinkel von Vor- und Nachleitapparat, bei dem der Wirkungsgrad η des Verdichters, d. h. das Verhältnis von im Verdichter aufzubringender Energie zu der in der aus dem Verdichter abströmenden Luft gespeicherten Verdichtungsarbeit, maximal wird.
Zur Bestimmung der strömungstechnischen Grundlagen für das Kombi-Kennlinienfeld der Arbeitspunkte des Verdichters müssen bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für Radialverdichter mit verstellbarem Vor- und Nachleitapparat die zugehörigen optimierten Einstellwinkel für Vor- und Nachleitapparat, im Vorversuch auf einem Prüfstand an einem Modell oder an dem Originalverdichter gemessen werden. In Einzelfällen kann die Messung auch in der Anlage vor Ort erfolgen.
Dabei geht man bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens folgendermaßen vor:
Der Vorleitapparat VLA (Winkel β) wird schrittweise auf eine vorbestimmte Anzahl von Winkeln zwischen der maximalen und minimalen Begrenzung des Verstellbereichs eingestellt (k Kennlinien).
Zu den einzelnen Winkeleinstellungen des VLA wird der Nachleitapparat NLA (Winkel α) ebenfalls schrittweise auf eine Reihe von Winkeleinstellungen zwischen maximaler und minimaler Begrenzung gebracht (je i Kennlinienpunkte pro Kennlinie).
Natürlich können die Messungen nach VDI 2045 auch in umgekehrter Reihen folge, mit dem NLA und der maximalen Stellung beginnend, vorgenommen werden.
Die eingestellten Meßpunkte der Kennlinien erbringen Meßergebnisse, aus denen der Ansaugvolumenstrom V ., die isentrope Verdichtungsarbeit Y und die innere Verdichterleistung P oder die Kupplungsleistung ermittelt werden, d. h. V ., Y, P = f (β, α) (1)
Aus diesen Einzelkennlinienfeldern wird mit Hilfe eines Rechenprogramms, in umgekehrter Vorgehensweise, für jeden Arbeitspunkt diejenige Kombination von VLA- und NLA-Winkelstellung (β und α) ermittelt, welche den besten Wirkungsgrad η für den Verdichter ergibt.
Für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung (für Radialverdichter mit einstellbarem Vor- und Nachleitapparat) erläutert 2 anhand eines Flußdiagramms, wie diese Wertepaare (β, α) der Einstellwinkel von Vor- und Nachleitapparat in Abhängigkeit vom momentanen Ansaugvolumenstrom V . und der Verdichtungsarbeit Y erfaßt und gespeichert werden, d. h. wie das Kombi-Kennlinienfeld für den Verdichter im Vorversuch am Originalverdichter bzw. an einem Modell aufgenommen wird.
Hierzu sind, in analoger Weise zu der in 3 gezeigten Anordnung, in der Zuleitung 10 zum Vorleitapparat VLA eines von einem Antrieb 13 angetriebenen Radialverdichters 14 (bzw. eines Modells dieses Radialverdichters) Meßsensoren 11, 12 für den Ansaugdruck p_1abs und die Ansaugtemperatur T₁ angebracht, und in der Ableitung 15 hinter dem Nachleitapparat NLA ein Meßsensor 16 für den Austrittsdruck p_2abs angebracht. Weiterhin befinden sich in der Zuleitung 10 oder Ableitung 15 (nicht gezeigt) ein Meßsensor (z. B. eine Blendenmeßvorrichtung, in 3 nicht gezeigt) zur Bestimmung des Volumenstroms V ., sowie in der Ableitung 15 ein Meßsensor (nicht gezeigt) zur Bestimmung der Austrittstemperatur T₂.
Das Verfahren zur Aufnahme der Kombi-Kennlinienfelder mit k Einstellungen für den Einstellwinkel β des Vorleitapparats und i Einstellwinkeln α für den Nachleitapparat beginnt im Funktionsblock 1 in 2. Hier wird der Einstellwinkel β_k=1 des Vorleitapparats VLA mittels eines in 3 mit 20 bezeichneten Stellmotors auf seinen Maximalwert β_max+ gestellt.
Dann geht es weiter zum Funktionsblock 2, wo der Einstellwinkel α_ki des Nachleitapparats NLA mittels eines in 3 mit 21 bezeichneten Stellmotors auf seinen Maximalwert α_max+ gestellt wird.
Dann werden in 2 im Funktionsblock 3 mittels der Meßsensoren, die sich in der in 3 gezeigten Zuleitung 10 und Ableitung 15 befinden, der Ansaugdruck p_1abs, die Ansaugtemperatur T₁, der Ansaugvolumenstrom V_ki, der Austrittsdruck p_2abs und die Austrittstemperatur T₂ bestimmt, und der Ansaugvolumenstrom V_ki, die isentrope Verdichtungsarbeit Y_ki sowie der zu diesem Arbeitspunkt (V ._ki, Y_ki) bei den aktuellen Einstellwinkeln (β_k, α_ki) für Vor- und Nachleitapparat gehörige Wirkungsgrad η_ki bestimmt, welcher sich aufgrund der Temperaturerhöhung ΔT = T₂ – T₁ im Verdichter aus dem Verhältnis
oder aus der Drehmomentmessung ergibt.
Die Zwischenwerte (V ._ki, Y_ki, η_ki) werden mit einem Unterprogramm im Funktionsblock 8 zwischengespeichert.
Es geht dann mit Funktionsblock 4 weiter, in dem der Einstellwinkel α_ki des Nachleitapparats um einen vorgegebenen Stufenwert erniedrigt wird.
Dann wird im Funktionsblock 5 überprüft, ob bereits der minimale Einstellwinkel a_min für den Nachleitapparat erreicht ist. Falls nein, kehrt das Programm zu Funktionsblock 3 zurück.
Im Funktionsblock 3 werden abermals die Meßgrößen p_1abs, T₁, p_2abs, T₂ und ΔT registriert, sowie die zugehörigen Werte für V_ki, Y_ki und η_ki berechnet und dann wiederum im Funktionsblock 8 zwischengespeichert.
Wird im Funktionsblock 5' festgestellt, daß der minimale Einstellwinkel α_min für den Nachleitapparat erreicht ist, so geht es mit Funktionsblock 6 weiter.
Im Funktionsblock 6 wird der Einstellwinkel β_k für den Nachleitapparat um einen vorgegebenen Stufenwert erniedrigt.
Dann wird im Funktionsblock 7 überprüft, ob bereits der minimale Einstellwinkel β_min für den Vorleitapparat erreicht ist. Falls nein, kehrt das Programm zum Funktionsblock 2 zurück.
Im Funktionsblock 2 wird der Einstellwinkel α_ki für den Nachleitapparat auf seinen Maximalwert α_max+ zurückgesetzt, und es beginnt ein neuer Schleifendurchlauf der Funktionsblöcke 3, 4, 5 mit dem zugehörigen Unterprogramm im Funktionsblock 8, wobei der Einstellwinkel für den Nachleitapparat und der Einstellwinkel für den Vorleitapparat sukzessive erniedrigt werden, bis alle möglichen Wertepaare (β_k, α_ki) und die zugehörigen Tripel (V ._ki, Y_ki, η_ki) bestimmt und im Funktionsblock 8 abgelegt worden sind.
Falls im Funktionsblock 7 festgestellt wird, daß der minimale Einstellwinkel β_min für den Vorleitapparat erreicht ist, geht es mit Funktionsblock 9 weiter, wo die Tripelreihen (V ._ki, Y_ki, η_ki) für jeden Arbeitspunkt (V ._ki, Y_ki) aus dem Zwischenspeicher aufgerufen werden, und dann im Funktionsblock 10 das zugehörige optimale Wertepaar der Einstellwinkel (β_opt, α_opt) = f (V ., Y, η) bestimmt wird.
Dieses optimale Wertepaar der Einstellwinkel (β_opt, α_opt) = f (V ., Y, η) wird im Funktionsblock 11 in einem Speicher, wie z. B. einem EPROM, in der Verdichtersteuerung abgelegt. Damit ist die Kennlinienpunktaufnahme für das mehrdimensionale Kombi-Kennlinienfeld im Falle der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters abgeschlossen. Neben der Speicherung in EPROMs ist auch jede andere Art der Abspeicherung der Werte möglich.
5b zeigt für das in Verbindung mit der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters anhand 2 erläuterte Verfahren zur Aufnahme von Kennlinienpunkten im Vorversuch ein Beispiel für die Aufnahme eines Kombi- Kennlinienfelds mit k Kennlinien (VLA-Einstellwinkel β) mit jeweils i Meßpunkten (NLA-Einstellwinkel α). 5a und 6 zeigen den Verlauf entsprechender Kennlinien im Kombi-Kennlinienfeld und die Lage entsprechender gespeicherter Arbeitspunkte (V ., Y) mit zugehörigen Einstellwinkeln (β, α).
In dem in Verbindung mit der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters anhand 2 erläuterten Verfahren zur Aufnahme von Kennlinienpunkten im Vorversuch sind die Kennlinienpunkte durch sukzessive Erniedrigung der Einstellwinkel β und α für Vor- und Nachleitapparat um konstante Beträge Δβ und Δα aufgenommen worden. Es ist jedoch naheliegend, daß die Kennlinienpunkte nicht äquidistant zueinander liegen müssen, d. h. daß man grundsätzlich variable Veränderungen Δβ und Δα für die Einstellwinkel β und α für Vor- und Nachleitapparat zulassen kann, um z. B. strömungstechnisch kritische Einstellbereiche mit einem dichteren Netz von Kennlinienpunkten aufzunehmen, und strömungstechnisch unkritischere Bereiche, wo sich Veränderungen von β und α kaum auf den Wirkungsgrad auswirken, mit einem weniger dichten Netz von Kennlinienpunkten zu belegen.
Die Anzahl von k Kennlinien (VLA) mit jeweils i Meßpunkten (NLA) muß eine ausreichende Auswertegenauigkeit bei gut realisierbarem Speicherbedarf ergeben.
Hat man es mit einer Reihe typgleicher Verdichter einer identischen Baureihe zu tun, so ist es nicht notwendig, das Kombi-Kennlinienfeld für jeden einzelnen Verdichter gemäß dem in 2 (für erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters) erläuterten Verfahren im Vorversuch einzeln aufzunehmen, sondern es reicht, für eine die Baureihe repräsentierende Verdichteranordnung ein dimensionloses Kombi-Kennlinienfeld aufzunehmen, aus dem sich die Kombi-Kennlinienfelder der verschiedenen typgleichen Verdichter durch Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze ergeben.
3 illustriert die Anordnung eines Radialverdichters mit einstellbarem Vor- und Nachleitapparat samt zugehöriger Verdichtersteuerung (erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters) zum Betreiben eines Verdichters mit den gemäß dem in 2 erläuterten Verfahren erfaßten Kombi-Kennlinienfeldern, wobei kein ideal feinmaschiges sondern ein etwas weitermaschiges Netz von Kennlinienpunkten vorliegt.
Ziel ist es dabei wie gesagt, einen oder mehrere Verdichter gemeinsam in jedem aktuellen Arbeitspunkt mit dem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. Werden mehrere Verdichter zusammen eingesetzt, so wie dies z. B. für den weiter oben schon erwähnten Anwendungsfall in einer Kläranlage erläutert worden ist, ist jeder einzelne Verdichter mit einer Vorort-Kontroll-Automatik (VOKA) zur dezentralen Überwachung und Steuerung versehen. Der einzelne Verdichter 14 wird von einem beim ersten erfindungsgemäßen Verfahren nicht regelbaren Antrieb 13 (z. B. Elektromotor oder Turbine) angetrieben und fördert z. B. wie oben erwähnt Luft in eine Sammelleitung zum Klärbecken. An der Förderung sind in der Regel mehrere Verdichter beteiligt, die jeweils mit einer VOKA ausgerüstet sind.
Bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters kann die Luftförderung eines Verdichters über Vor- und Nachleitapparat stufenlos dem Bedarf der Anlage angepaßt werden. Dabei geschieht die Leistungsoptimierung durch die Kombination von VLA- und NLA-Stellung an Hand eines vorgegebenen Kombi-Kennlinienfeldes.
Die VOKA besteht aus einem freiprogrammierbaren Steuerungsteil (SPS oder PC) und einem Leistungsteil zur Betätigung der Hilfs- und Stellantriebe. Alle diese Komponenten können z. B. in einem Schaltschrank untergebracht sein. Das Bedienen und Anzeigen aller Verdichter erfolgt mittels einer übergeordneten Kontroll-Automatik (ÜKA). Dort wird auch das Zusammenwirken von mehreren parallel angeordneten Verdichtern gesteuert.
Hierzu wird von der übergeordneten Kontrollautomatik der "Soll"-Wert für jeden einzelnen Verdichter vorgegeben. Der "Soll-"Wert bezieht sich auf den Normalvolumenstrom, V ._N. Um diesen Normalvolumenstrom V ._N in einer Anlage auch tatsächlich zu erreichen, müssen die Umgebungsbedingungen der Anlage berücksichtigt werden. Die Umgebungsbedingungen sind z. B. die Außentemperatur T₁, der atmosphärische Luftdruck p₁, der Gegendruck p₂ usw. So ist durch Zuführen weiterer Meßdaten aus dem Sollwert für den gewünschten Normalvolumenstrom V ._N der Wert V .₁ des dazugehörigen erforderlichen Ansaugvolumenstroms zu ermitteln. Dies geschieht in 3 in einer vorgeschalteten Rechenstufe 1. Hierzu werden die Ansaugtemperatur T₁ und der absolute Ansaugdruck p_1abs berücksichtigt, die in der in 3 gezeigten Zuleitung 10 vor dem Vorleitapparat VLA durch Meßsensoren 12 und 11 erfaßt werden. Weiterhin wird der jeweilige Auslegungskoeffizient K₁ berücksichtigt, welcher hauptsächlich den Feuchtigkeitsgehalt der angesaugten Luft berücksichtigt.
Am Ausgang der vorgeschalteten Rechenstufe 1 steht V .₁, der erforderliche Ansaugvolumenstrom als Wert an, wobei gilt:
Über die vorgeschaltete Rechenstufe 2 wird die real erforderliche Verdichtungsarbeit Y ermittelt. Hierzu wird der Austrittsdruck p_2abs berücksichtigt, der in der in 3 gezeigten Ableitung 15 hinter dem Nachleitapparat NLA durch den Meßsensor 16 erfaßt wird. Weiterhin werden zur Berechnung der Verdichtungsarbeit Y die Druckerhöhung p₂–p₁ sowie der jeweilige Auslegungskoeffizient K₂, welcher im wesentlichen die Kompressibilität der geförderten Luft kennzeichnet, berücksichtigt.
Am Ausgang der vorgeschalteten Rechenstufe 2 steht Y, die notwendige isentrope Verdichtungsarbeit als Wert an, wobei näherungsweise gilt:
Die so ermittelten Werte für V .₁ und Y legen den momentanen Arbeitspunkt des Verdichters fest, der im Speicher "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld" mit den im Vorversuch abgespeicherten Werten für die Arbeitspunkte (V ., Y) und die zugehörigen optimalen Winkel β_opt und α_opt (für VLA und NLA) verglichen wird.
Um den Speicherbedarf, der z. B. bei EPROMs nur in begrenzter Größe vorliegt, in einer vertretbaren Größenordnung zu halten, sind die Werte der Kombi-Kennlinien nach dem in 2 erläuterten Verfahren nur in diskreten Stufen abgelegt. Daraus erfolgt eine schnelle Lesbarkeit und somit ein schnelles Nachstellen von Vor- und Nachleitapparat. Durch diese punktweise Abspeicherung der Winkel β_opt und α_opt als Funktion von V .₁ und Y ergeben sich endlich viele diskrete Einstellmöglichkeiten für Vor- und Nachleitapparat, die von dem aktuellen Arbeitspunkt und dessen für ein Wirkungsgradoptimum benötigten Einstellungen β_X und α_X differieren können, wodurch der optimale Wirkungsgrad nicht zu erreichen wäre.
In der Regel hat man es also nicht mit einem ideal feinmaschigen Netz von im Vorversuch abgespeicherten wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkten zu tun, denen jeder im Betrieb tatsächlich auftretende Arbeitspunkt (hier mit (β_Xα_X) bezeichnet) mit hinreichender Genauigkeit direkt zuordenbar ist. Dies ist in den Funktionsblöcken "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld" in 3 und 6 (einer Vergrößerung des in 3 gezeigten Funktionsblocks "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld") illustriert.
Wie in 3 und 6 gezeigt, werden daher, wenn der tatsächliche Arbeitspunkt nicht mit hinreichender Genauigkeit mit einem gespeicherten Kennlinienpunkt zusammenfällt, in einer nachgeschalteten "Rechenstufe 3/Interpolation" aus dem Kombi-Kennlinienfeld z. B. die vier den tatsächlichen Arbeitspunkt einrahmenden Kennlinienpunkte entnommen und mittels Interpolation dieser Werte die Signale für die zum tatsächlichen Arbeitspunkt gehörigen optimalen Einstellwinkel β_opt und α_opt ermittelt (die unterstrichenen Größen β_opt und α_opt beziehen sich auf die einem tatsächlichen Arbeitspunkt beim Betrieb zugeordneten wirkungsgradoptimalen Stellgrößen, die nichtunterstrichenen Größen β_opt und α_opt beziehen sich auf die einem Kennlinienpunkt im Kombi-Kennlinienfeld zugeordneten, aus dem Vorversuch ermittelten wirkungsgradoptimalen Größen).
5a zeigt dies nochmals in einer Vergrößerung. Die bei der Aufnahme des Kombi-Kennlinienfelds im Vorversuch gemäß dem Flußdiagramm in 2 erhaltene Tabelle mit k Meßlinien mit jeweils i Meßpunkten (in 5b dargestellt) weist für diskrete Arbeitspunkte (V ., Y) zugeordnete optimale Einstellwinkel (β_opt, α_opt) für den Vor- und Nachleitapparat aus. In 5a sind vier solche im Vorversuch gewonnenen; diskreten Kennlinienpunkte (hier mit, β₂α₇, β₂α₈, β₃α₇, β₃α₈ bezeichnet), sowie der zwischen ihnen liegende tatsächliche Arbeitspunkt (β_Xα_X) gezeigt.
In der "Rechenstufe 3/Interpolation" werden mittels eines Interpolationsalgorithmus aus diesen abgespeicherten Werten für die optimierten Einstellwinkel neue, wirkungsgradoptimierte Werte für β_X und α_X für den tatsächlichen Arbeitspunkt berechnet. Hierbei wird ein Interpolationsalgorithmus verwendet, den man bei Abspeicherung der im Vorversuch bestimmten Wertetabelle in Rechenstufe 3 festlegt. In dem in 5a illustrierten Fall, bei dem beispielhaft die vier nächst benachbarten Kennlinienpunkte gezeigt sind, könnte man z. B. bei der Berechnung des wirkungsgradoptimierten Einstellwinkels α_opt = α_X aus der zugehörigen Tabelle (5b) einfach den Mittelwert (hier: 18,5°) der abgespeicherten Einstellwinkel α₇ = 19° und α₈ = 18° entnehmen, und entsprechend bei der Berechnung des wirkungsgradoptimierten Einstellwinkels β_opt = β_X einfach den Mittelwert (hier: 50°) der abgespeicherten Einstellwinkel β₂ = 60° und β₃ = 40°.
Grundsätzlich kann man jedoch je nach Zweckmäßigkeit jeden anderen geeignet erscheinenden Interpolationsalgorithmus verwenden. So kann man z.B. eine andere Anzahl als vier Nachbarpunkte berücksichtigen, oder man kann bei der Interpolation noch zusätzliche Gewichtungsfaktoren für den Abstand des tatsächlichen Arbeitspunkt (β_Xα_X) von den jeweiligen Nachbarpunkten (hier: β₂α₇, β₂α₈, β₃α₇, β₃α₈) berücksichtigen, usw.
Falls man ein sehr engmaschiges Netz von abgespeicherten Arbeitspunkten vorliegen hat, so daß sich zu jedem tatsächlich auftretenden Arbeitspunkt ein abgespeicherter Arbeitspunkt in nächster Nähe befindet, so kann man gegebe nenfalls auch auf die "Rechenstufe 3/Interpolation" vollständig verzichten, da man jedem tatsächlichen Arbeitspunkt (β_Xα_X) mit für die Wirkungsgradoptimierung hinreichender Genauigkeit direkt den ihm nächstgelegenen abgespeicherten Arbeitspunkt samt zugehörigen wirkungsgradoptimierten Einstellwinkeln für Vor- und Nachleitapparat zuordnen kann (es gilt dann also: α_X = α_opt = α_opt und β_X = β_opt = β_opt).
Der gleiche Verdichtertyp kann in verschiedenen Anlagen betrieben werden. Es kann daher vorkommen, daß der von der übergeordneten Kontrollautomatik angeforderte "Soll"-Wert für einen einzelnen Verdichter zu einem Arbeitspunkt führen würde, der in dessen instabilen Betriebsbereich liegen würde. Somit ist eine Anpassung des "Soll"-Betriebswerts an den für diesen einzelnen Verdichter erlaubten Betriebsbereich notwendig. Diese Anpassung erfolgt in einem in 3 mit "Begrenzung" bezeichneten Funktionsblock.
Hierbei wird die Lage des angeforderten "Soll"-Arbeitspunkts bezüglich vorgegebener, frei wählbarer Grenzlinien überprüft, die erreicht aber nicht überschritten werden dürfen. Diese softwaremäßige Begrenzung der Arbeitsbereiche kann viel variabler gestaltet werden, als dies mit mechanischer Begrenzung möglich wäre. Es werden hierbei für jeden Anwendungsfall Grenzlinien im Kombi-Kennlinienfeld vorgegeben und durch die Eckpunkte A bis F definiert. Es liegt im Wesen dieses Verfahrens, daß im begrenzten Arbeitsbereich nur stabile Arbeitspunkte erfaßt sind. Dies verhindert ein Betreiben im labilen, pumpgefährdenden Betrieb. Dies erspart aufwendige Pumpverhütungseinrichtungen. Die in 3, 7a und 7b gezeigten Funktionsblöcke "Begrenzung" veranschaulichen, wie diese Grenzlinienwertzuordnung durchgeführt wird:
Einem ermittelten "Soll"-Arbeitspunkt (V .₁, Y) der außerhalb des stabilen Arbeitsbereichs A, B, C, D, E, F liegt, wird der Wert auf der nächstgelegenen Grenzlinie zugewiesen. Die Grenzlinien für die gerechneten Werte V .₁ und Y sind abhängig vom jeweiligen Verdichter und müssen überwacht werden. Im vorliegenden Fall sind die Grenzlinien als Geraden angenommen, die durch die Endpunkte A bis F definiert sind. Grundsätzlich sind jedoch statt der Geraden auch andere Funktionsverläufe für die Grenzlinien möglich.
Beispiele für die Zuordnung von Grenzwerten bei Verlassen des zulässigen Arbeitsbereichs finden sich in 7a und 7b.
Beispiel: V .₁ > Grenzwert (7a)
Für diesen Fall wird der Wert V .₁ der nächstgelegenen Grenzlinie (hier: EF) angenommen, der dem errechneten Y entspricht.
Beispiel: Y < Grenzwert (7b)
Für diesen Fall wird der Wert Y der nächstgelegenen Grenzlinie (hier: AF) angenommen, der dem errechneten V .₁ entspricht.
Durch die in 3 gezeigten Funktionsblöcke "Rechenstufe 3/Interpolation" bzw. "Begrenzung" wird also auf alle Fälle gewährleistet, daß einem durch die "Vorgeschaltete Rechenstufe 1'' bzw. "Vorgeschaltete Rechenstufe 2" berechneten tatsächlichen Arbeitspunkt (V .₁, Y) immer ein Punkt innerhalb des zulässigen Arbeitsbereichs des Radialverdichters samt zugehörigen wirkungsgradoptimierten Einstellwinkeln (β_opt, α_opt) für den Vor- und Nachleitapparat zugeordnet wird.
Die nun festliegenden Steuersignale für β_opt und α_opt sind die Sollwerte für die Stellungsregler der Leitapparate. Sie werden je einem Vergleicher (für β und α) zugeführt, der feststellt, ob und wie die jeweiligen Schaufeln (VLA, NLA) des Verdichters über den Stellmotor nachgeregelt werden müssen. Dies wird dann z. B. über 3-Punkte-Regler realisiert.
Kann oder will man aufgrund von Beschränkungen der Speicherkapazität oder sonstigen Gründen im Vorversuch nur ein sehr grobmaschiges Netz von wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkten aufnehmen, so reichen die oben in Verbindung mit 3 und 5a beschriebenen Interpolationsverfahren bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit alleiniger Berücksichtigung der abgespeicherten wirkungsgradoptimierten Einstellwinkel für den Vor- und Nachleitapparat in der Regel nicht mehr für eine wirkungsgradoptimierte Steuerung des Radialverdichters im tatsächlichen Arbeitspunkt aus.
Man kann dann bei Radialverdichtern mit regelbarem Antrieb auf eine weitere, im folgenden beschriebene zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung zurückgreifen, die anhand 4 erläutert wird. In den Funktionsblöcken "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld", "Rechenstufe 3/Interpolation" und "Begrenzung" werden nun im Gegensatz zur 3 in einem Vorversuch abgespeicherte, wirkungsgradoptimierte Kennlinienpunkte berücksichtigt, die neben den optimalen Einstellwinkeln (β_opt, α_opt) für Vor- und Nachleitapparat zusätzlich noch optimale Antriebsdrehzahlen (n_opt) für den Antrieb 13 des Radialverdichters 14 umfassen.
Zusätzlich zu der für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters mit einstellbaren Vor- und Nachleitapparat in 3 gezeigten Anordnung des Verdichters und der Verdichtersteuerung, ist hierbei ein Vergleicher 22 vorgesehen, der den von den drei Rechenstufen "Arbeitspunkt/Kombi-Kennfeld", "Rechenstufe 3/Interpolation" und "Begrenzung" ermittelten wirkungsgradoptimierten Stellwert n_opt für die Antriebsdrehzahl auf den regelbaren Antrieb 13 gibt.
Bei den in 4 in den Funktionsblöcken der drei Rechenstufen durch zweidimensionale Linien angedeuteten Kurvenscharen bzw. Grenzlinien handelt es sich (im Gegensatz zu den 3 auftretenden zweiparametrigen Kombi-Kennlinien für β_opt und α_opt) um dreiparametrige Kombi-Kennlinien, die die im gemäß dem in 8 erläuterten Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters im Vorversuch abgespeicherten wirkungsgradoptimierten Werte β_opt, α_opt, n_opt für die Einstellwinkel für den Vor- und Nachleitapparat sowie die Antriebsdrehzahl umfassen.
8 zeigt den Ablauf des Verfahrens zur Aufnahme von wirkungsgradoptimierten Kennlinienpunkten für die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Radialverdichter mit einstellbarem Vor- und Nachleitapparat und einstellbarer Antriebsdrehzahl. Gegenüber dem in 2 gezeigten Verfahren zur Aufnahme von Kennlinienpunkten für optimierte Einstellwinkel für Vor- und Nachleitapparat bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters, sind in 8 zusätzlich ein Funktionsblock 20 zur Einstellung der maximalen Antriebsdrehzahl n_max, ein Funktionsblock 21 zur Erniedrigung des Werts der Antriebsdrehzahl um einen (hier fest vorgegebenen) Stufenwert und ein Funktionsblock 22 zur Abfrage, ob der Minimalwert der Antriebsdrehzahl, n_min, vorliegt, aufgenommen, die zusammen den Durchlauf einer zusätzliche Schleife für die sukzessive Erniedrigung der Drehzahl n des Antriebs des Motors vom Maximal- zum Minimalwert hin bewirken. Das in 8 gezeigte Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters ist im weiteren nicht ausführlicher beschrieben, da es sich in naheliegender Weise aus dem in Verbindung mit 2 beschriebenen Verfahren ergibt.
Die oben in Verbindung mit 3, 5a, 5b, 6 und 7 für zwei Koordinaten (dort: β_opt und α_opt) beschriebenen Interpolations-, Zuordnungs- und Begrenzungsverfahren können auch für Radialverdichter mit regelbarem Antrieb analog verwendet werden, wenn man berücksichtigt, daß man es nun mit drei Koordinaten (β_opt, α_opt und n_opt) zu tun hat.
Insgesamt ergeben sich also eine ganze Reihe von Kombinationen bezüglich der bei der Wirkungsgradoptimierung berücksichtigten Parameter (Einstellung von Vorleitapparat und/oder Nachleitapparat und/oder Antriebsdrehzahl sowie gegebenenfalls Verwendung von Abblasventilen) für mögliche Ausführungsformen für das erfindungsgemäßen Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters.
Bei all diesen Ausführungsformen können die oben in Verbindung mit der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur wirkungsgradoptimierten Steuerung eines Radialverdichters ausführlich besprochenen Aspekte der Verwendung von nicht äquidistant zueinanderliegenden, abgespeicherten Kennlinienpunkten, der direkten Zuordnung von Arbeitspunkten zu abgespeicherten Kennlinienpunkten, der Interpolationsverfahren zwischen mehreren abgespeicherten Kennlinienpunkten, der Verwendung von Korrekturfaktoren und der Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen bei der Ermittlung des tatsächlichen Arbeitspunkts, der Begrenzung auf einen stabilen Arbeitsbereich mittels dem Kombi-Kennlinienfeld überlagerten Grenzlinien, der Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze bei typgleichen Verdichtern und der Steuerung mehrerer Verdichter gleichzeitig mittels einer übergeordneten Kontroll-Automatik entsprechend angewendet werden.
Die folgende Übersicht soll einige dieser Kombinationen in nicht abschließender Weise nochmals verdeutlichen.

a) Vor- und Nachleitapparat seien einstellbar und das gespeicherte Kombi-Kennlinienfeld sei sehr feinmaschig. Eine Regelung der Antriebsdrehzahl sei nicht vorgesehen. Abblasventile seien nicht vorgesehen. Somit fällt jeder tatsächliche Arbeitspunkt mit einem abgespeicherten Kennlinienpunkt (V ., Y, β_opt, α_opt) mit ausreichender Genauigkeit zusammen, und die dazugehörigen optimalen Einstellwinkel β_opt und α_opt sind direkt zuordenbar. Der in 3 gezeigte "Rechenschritt 3/Interpolation" entfällt.
b) Vor- und Nachleitapparat seien einstellbar und das gespeicherte Kombi-Kennlinienfeld sei weitermaschig. Eine Regelung der Antriebsdrehzahl sei nicht vorgesehen. Abblasventile seien nicht vorgesehen. Um die optimalen Einstellwinkel β_opt und α_opt für den optimalen Wirkungsgrad des jeweiligen Arbeitspunkts (V .₁, Y) zu erhalten, wird zwischen nach einem Interpolationsalgorithmus zu bestimmenden Kennlinienpunkten (V ., Y, β_opt, α_opt) interpoliert (Rechenstufe 3). Dieser Fall ist weiter oben in Zusammenhang mit den 5a und 5b als Interpolationsverfahren beschrieben.
c) Vor- und Nachleitapparat und Antriebsdrehzahl seien einstellbar. Abblasventile seien nicht vorgesehen. Das gespeicherte Kombi-Kennlinienfeld enthält somit als weiteren Parameter die optimale Antriebsdrehzahl. Um die optimalen Einstellungen β_opt und α_opt und n_opt für den optimalen Wirkungsgrad des Verdichters zu erhalten, wird den Rechenstufen eine Einrichtung zur Drehzahlregelung des Antriebs nachgeschaltet (4).
d) Die Vorrichtungen zur Durchführung der unter a) bis c) genannten erfindungsgemäßen Verfahren werden durch Vorrichtungen zur Steuerung von in der Ableitung angebrachten Abblasventilen (nicht gezeigt)ergänzt.

Soweit sich an Radialverdichtern bauartbedingt weitere Einstellparameter ergeben, die sich auf den Wirkungsgrad auswirken, lassen sich diese in analoger Weise zu den oben beschriebenen Verfahren bei der Aufnahme und Abspeicherung von wirkungsgradoptimierten Meßpunkten in einem mehrdimensionalen Kennlinienfeld und bei der anschließenden Steuerung des Radialverdichters berücksichtigen.

(V ., Y, β_opt, α_opt, n_opt) bzw. (V ., Y, β_opt, α_opt): mehrdimensionaler, abgespeicherter Kombi-
: Kennlinienpunkt (im Vorversuch ermittelt)
(V ., Y, β_opt, α_opt, n_opt) bzw. (V ., Y, β_opt, α_opt): mehrdimensionaler, wirkungsgradoptimierter Arbeits
: punkt (im tatsächlichen Betrieb)
(V .₁, Y, β, α, n): mehrdimensionaler Arbeitspunkt (im tatsächlichen
: Betrieb)
(V ._ki, Y_ki): Arbeitspunkt im Vorversuch bei der Einstellung β_k, α_ki
1: VLA
2: Verdichtergehäuse
3: Nachleitapparat
4: Laufradschaufeln
5: Diffusorkanal
6: Spiralgehäuse
10: Zuleitung zum VLA
11: Meßsensor für p_1abs
12: Meßsensor für T₁
13: Antrieb
14: Radialverdichter
15: Ableitung vom NLA
16: Meßsensor für p_2abs
20: Stellmotor für VLA
21: Stellmotor für NLA
22: Vergleicher für Antrieb 13
α: Einstellwinkel am Nachleitapparat
A: Ansaugseite des Radialverdichters
α_ki: im Vorversuch beim k-ten Durchlauf der Unterschleife
: für β (k-te Kennlinie) und der i-ten Unterschleife für α
: eingestellter Wert für den Einstellwinkel α (i-ter Kennli
: nienpunkt auf der k-ten Kennlinie)
α_max+: Maximalwert des Einstellwinkels am Nachleitapparat
αmin: Minimalwert des Einstellwinkels am Nachleitapparat
α_opt: im Vorversuch im Kombi-Kennlinienfeld
: abgespeicherter wirkungsgradoptimierter Wert für α
α_opt: für den tatsächlichen Arbeitspunkt ermittelte wirkungs
: gradoptimierte Stellgröße für α
β: Einstellwinkel am Vorleitapparat
β_k: im Vorversuch beim k-ten Durchlauf der Unterschleife
: für β eingestellter Wert für den Einstellwinkel β
β_max+: Maximalwert des Einstellwinkels am Vorleitapparat
β_min: Minimalwert des Einstellwinkels am Vorleitapparat
β_opt: im Vorversuch im Kombi-Kennlinienfeld
: abgespeicherter wirkungsgradoptimierter Wert für β
β_opt: für den tatsächlichen Arbeitspunkt ermittelte wirkungs
: gradoptimierte Stellgröße für β
β_Xα_X: tatsächlicher Arbeitspunkt
C: Antriebsbereich
Δα: Inkrement für Erniedrigung von α im Vorversuch
Δβ: Inkrement für Erniedrigung von β im Vorversuch
ΔT: Temperaturdifferenz T₂-T₁
η: Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses
η_ki: im Vorversuch bestimmter Wirkungsgrad für β_k und α_ki
i: Anzahl der Kennlinienpunkte für α pro Kennlinie
k: Anzahl der Kennlinien für β
K₁: Korrekturfaktor für die Luftfeuchte
K₂: Korrekturfaktor für die Kompressibilität der Luft
n: Antriebsdrehzahl
NLA: Nachleitapparat
n_max: Maximalwert der Einstellung der Antriebsdrehzahl
n_min: Minimalwert der Einstellung der Antriebsdrehzahl
n_opt: im Vorversuch im Kombi-Kennlinienfeld
: abgespeicherter wirkungsgradoptimierter Wert für n
n_opt: für den tatsächlichen Arbeitspunkt ermittelte wirkungs
: gradoptimierte Stellgröße für n
P: Verdichterleistung
p₁: atmosphärischer Luftdruck
p_1abs: Ansaugdruck
p₂: Gegendruck
p_2abs: Austrittsdruck
T₁: Ansaugtemperatur, Außentemperatur
T₂: Austrittstemperatur
UKA: übergeordnete Kontroll-Automatik
VLA: Vorleitapparat
VOKA: Vorort-Kontrollautomatik
Y: (isentrope) Verdichtungsarbeit
Y_ki: (isentrope) Verdichtungsarbeit bei der Einstellung β_k,
: α_ki
V .: Volumenstrom
V .₁: erforderlicher Ansaugvolumenstrom im tatsächlichen
: Betrieb
V ._ki: Ansaugvolumenstrom bei der Einstellung β_k, α_ki
V ._N: Normalvolumenstrom

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters, welcher zumindest zwei Einstellvorrichtungen umfaßt, die jeweils unabhängig voneinander einstellbar sind zur Regelung je eines die Strömung eines gasförmigen Mediums im Radialverdichter beeinflussenden regelbaren Einstellparameters, wie der Stellung von Vorleitschaufeln und/oder der Stellung von Nachleitschaufeln und/oder einer Antriebsdrehzahl eines Laufrads, dadurch gekennzeichnet, daß für diesen Radialverdichter am Verdichter selbst oder an einem Modellverdichter in einem Vorversuch ein mehrdimensionales Kennlinienfeld aus Kennlinienpunkten aufgenommen wird, die als Koordinaten den momentanen Volumenstrom, die zu leistende Verdichtungsarbeit sowie zugehörige wirkungsgradoptimierte Werte der regelbaren Einstellparameter umfassen; daß das derart ermittelte mehrdimensionale Kennlinienfeld in einem Speichermedium abgespeichert wird; daß beim Betrieb dieses Radialverdichters wirkungsgradoptimierende Stellwerte für die zumindest zwei Einstellvorrichtungen dadurch ermittelt werden, daß ein Vergleich des durch aktuelle Meßwerte für den erforderlichen Ansaugvolumenstrom und die zu leistende Verdichtungsarbeit bestimmten tatsächlichen Arbeitspunkts des Radialverdichters mit den im Vorversuch abgespeicherten Werten für Ansaugvolumenstrom und Verdichtungsarbeit der Kennlinienpunkte erfolgt; wobei in ausreichender Nähe des tatsächlichen Arbeitspunkts liegende Kennlinienpunkte identifiziert werden und sodann die wirkungsgradoptimierenden Stellwerte dadurch ermittelt werden, daß man ein rechnergestütztes Interpolationsverfahren auf die abgespeicherten wirkungsgradoptimierten Werte für die Einstellparameter der in ausreichender Nähe des tatsächlichen Arbeitspunkts liegenden Kennlinienpunkte anwendet; und daß die so ermittelten wirkungsgradoptimierenden Stellwerte auf die zumindest zwei Einstellvorrichtungen gegeben werden.
Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder tatsächliche Arbeitspunkt innerhalb einer vorgegebenen Genauigkeit direkt einem zugehörigen, aus dem Speichermedium ausgelesenen und im mehrdimensionalen Kennlinienfeld liegenden Kennlinienpunkt mit wirkungsgradoptimierten Werten für die Einstellparameter zugeordnet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abblasventil im Austrittsbereich des Radialverdichters hinter einem Nachleitapparat angebracht ist, das betätigt wird, falls der von Meßsensoren (16) für den Austrittsdruck (p_2abs) in einer Ableitung (15) ermittelte Meßwert über einem vorgegebenen Grenzwert liegt.
Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem mehrdimensionalen Kennlinienfeld Grenzlinien des zulässigen Arbeitsbereichs des Radialverdichters überlagert sind.
Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dimensionslose, mehrdimensionale Kennlinienfelder vorliegen, die typbezogen sind, und nach Ähnlichkeitsgesetzen einzelnen Maschinengrößen zugeordnet werden.