DE19812157A1

DE19812157A1 - Verfahren zum Regeln des Gasflusses in einer Verdichterstation

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Publication number: DE19812157A1
Application number: DE1998112157
Authority: DE
Inventors: Bernhard Adomeit; Martin Berghoff; Johannes Staufenbiel; Bernd Wachenberg; Ulf Schwane; Johannes-Joerg Rueger; Harro Kiendl; Stefan Poetzsch; Joerg Praczyk
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EOn Ruhrgas AG
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Gasflusses einer Verdichterstation, die in ein Leitungsnetz, insbesondere ein Erdgas-Leitungsnetz, eingebunden ist. DOLLAR A Die Verdichterstation weist eine Stationsregelung auf, die einen summarischen Leistungssollwert zur Regelung der Drehzahl mindestens eines Verdichters mittels einer Gruppenregelung erzeugt. Es werden der Stationsregelung als Eingangsgrößen die Abweichungen des Volumenstroms, des Eintrittsdrucks, des Austrittsdrucks und der Austrittstemperatur von ihren Soll- und/oder Grenzwerten zugeführt. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden der Stationsregelung zusätzlich die Änderungsgeschwindigkeiten der Eingangsgrößen zugeführt. Alle Eingangsgrößen werden in Abhängigkeit von ihrer Wertigkeit zeitgleich nach einer nichtlinearen Regelstrategie verarbeitet. DOLLAR A Die Stationsregelung weist zur zeitgleichen nichtlinearen Verarbeitung aller Eingangsgrößen in Abhängigkeit von ihrer Wertigkeit einen Fuzzy-Regler auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches und eine Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Erdgas-Leitungsnetz beinhaltet in der Praxis mehrere Verdichterstationen, die dazu dienen, den Gasfluß zu regeln, wobei in die Regelung die Abweichungen des Volu menstroms, des Eintrittsdrucks bzw. Saugdrucks, des Austrittsdrucks bzw. Enddrucks und der Austriftstemperatur von ihren Soll- und/oder Grenzwerten als Regelgrößen ein gehen. In der Regel werden in einer Verdichterstation mehrere Verdichter, in der Regel Turboverdichter, parallel oder seriell betrieben.

Beispielsweise muß in Erdgas-Übergabestationen ein geforderter Volumenstrom be reitgestellt werden. Verdichterstationen werden auch zur Druckerhöhung während des Transportes eingesetzt. Der Eintriftsdruck darf dabei einen Minimaldruck nicht unter schreiten, der Austrittsdruck und die Austrittstemperatur dürfen vorgegebene Maxi malwerte nicht überschreiten.

Die Stationsregelung erzeugt für alle installierten Verdichter einen summarischen Lei stungssollwert. Dieser Wert dient als Eingangsgröße für eine sogenannte Gruppen regelung, die für die einzelnen Verdichter Drehzahl-Sollwertverläufe erzeugt.

Die Stationsregelung soll für eine möglichst schnelle asymptotische Ausregelung der Regelabweichungen, d. h. der Abweichungen des aktuellen Volumenstromes, des Austrittsdrucks, des Eintrittsdrucks oder der aktuellen Austrittstemperatur von den ge forderten Sollwerten sorgen. Dabei unterliegt die Regelung der folgenden Restriktion:
Die zeitliche Veränderung (der Gradient) des von der Stationsregelung erzeugten summarischen Leistungssollwertes ist nach unten und oben begrenzt. Diese Gradien ten-Grenzen dürfen nicht verletzt werden.

Aus der Praxis ist ein Verfahren zur Regelung des Volumenstroms bekannt, das sich in zwei Funktionsblöcke unterteilen läßt (siehe Fig. 2):
In einer Eingangsverarbeitung 1 werden zunächst die gemessenen Istwerte der Ein gangsgrößen mit dem jeweiligen Sollwert bzw. den Grenzwerten verglichen und die Abweichungen ermittelt. Jede Abweichung e_i wird mit einem Faktor K_i gewichtet. Diese gewichteten Abweichungen K_i.e_i = x_i, werden einem Baustein 2 zugeführt, der dieje nige gewichtete Abweichung Y_j auswählt, die den kleinsten Zahlenwert aufweist (Minimalwert-Auswahl). Die ausgewählte gewichtete Abweichung Y_j wird dann an einen PI-Regler 3 weitergeleitet. Nach Maßgabe des aktuellen Wertes von j wird im Block 4 die Nachstellzeit des PI-Reglers auf den Wert T_Nj eingestellt. Der Ausgangswert des PI-Reglers entspricht dem summarischen Leistung-Sollwert u.

Das bekannte Verfahren hat strukturbedingt folgende Nachteile:
Die Abweichungen e_i sind durch die Faktoren K_i so gewichtet, daß nur jeweils eine der Eingangsgrößen (Volumenstrom, der Eintrittsdruck, Austrittsdruck oder die Austritts temperatur) ausgeregelt werden kann.

Ist eine der Ausgangsgrößen nahezu ausgeregelt, greift die Abweichung einer anderen Eingangsgröße erst dann, wenn ihr zugehöriger Istwert nahe bei ihrem Soll wert/Grenzwert liegt. Dies kann zu einem Überschreiten des entsprechenden Sollwer tes/Grenzwertes führen. Daher wird die Nachstellzeit für die Ausregelung so groß ge wählt, daß ein Überschwingen in allen denkbaren Betriebssituationen so gering wie möglich gehalten wird.

Die Umschaltschwelle zwischen den unterschiedlichen Abweichungen wird durch das Verhältnis zwischen den einzelnen Gewichtungsfaktoren nur qualitativ bestimmt, so daß nicht in jeder Betriebssituation optimal reagiert werden kann. Zudem wird die An näherungsgeschwindigkeit der Eingangsgrößen an ihre Sollwerte/Grenzwerte nicht be rücksichtigt.

Die Gradienten-Grenzen für den summarischen Leistungssollwert werden in dem be kannten Verfahren nicht realisiert, so daß jedem Verdichter ein zusätzlicher Baustein vorgeschaltet wird, der den von der Stationsregelung geforderten Leistungssollwert so nachführt, daß die Gradienten-Grenzen nicht verletzt werden.

Bei Verdichtern, die als Turboverdichter ausgebildet sind, muß in allen Betriebssituatio nen verhindert werden, daß sich der Volumenstrom durch die einzelnen Verdichter so sehr reduziert, daß durch Strömungsabriß eine Beschädigung der Verdichter auftreten kann. Dieses unerwünschte Pumpen von Verdichtern tritt auf, wenn der Volumenstrom durch den Verdichter in Abhängigkeit zum Verhältnis des Austrittsdrucks zum Eintritts druck, d. h. wenn der hierdurch bestimmte Arbeitspunkt unter einen Grenzwert - im fol genden Pumpgrenze genannt - absinkt. Insbesondere schnelle Reduzierungen der Verdichter-Drehzahl führen zu einer schnellen Annäherung des Arbeitspunktes im Ver dichterkennfeld an die Pumpgrenze, da dann das Druckverhältnis von Austrittsdruck und Eintrittsdruck zunächst näherungsweise konstant bleibt und bereits kleine Dreh zahlverringerungen den Volumenstrom stark reduzieren.

Zur Pumpverhütung werden die Verdichter zur Gasrückführung von einer Bypass-Lei tung umgangen. Diese enthält ein Regelventil, dessen Stellsignal von einer Pumpver hütungsregelung erzeugt wird. Die Pumpverhütungsregelung arbeitet in Abhängigkeit von der Position des Arbeitspunktes bezogen auf eine Regellinie, die im Kennfeld des Turboverdichters in Abhängigkeit zur Pumpgrenze verläuft.

Die Pumpverhütungsregelung bewirkt, daß der Arbeitspunkt an der Regellinie ausgere gelt wird. Bei einem großen Abstand der Regellinie von der Pumpgrenze ist für den Betreiber nur ein eingeschränkter Bereich des Kennfeldes nutzbar.

Die Stationsregelung muß langsamer ausgelegt werden als im Mittel notwendig wäre, damit die Drehzahl-Sollwerte auch bei großen Regelabweichungen nicht zu schnell ab gesenkt werden und die Pumpverhütungsregelung das Erreichen der Pumpgrenze si cher vermeiden kann. Die Stationsregelung reagiert daher auch in Betriebssituationen, in denen der Arbeitspunkt einen großen Abstand von der Pumpgrenze aufweist, erheb lich langsamer auf Sollwert-Änderungen als dies möglich und wünschenswert wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Regeln des Gasflusses in einer Verdichterstation zu schaffen, bei dem in allen Betriebssituatio nen ein zeitoptimales Ausregeln der Abweichungen des Volumenstroms, des Austritts drucks, des Eintrittsdrucks und der Austrittstemperatur von ihren Soll- und/oder Grenz werten gewährleistet ist, ohne daß Überschwingen auftritt, Grenzwerte verletzt werden oder ohne daß ein Pumpen auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch aufgeführten kenn zeichnenden Merkmale gelöst.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Regelabweichungen aller Eingangsgrößen schnellstmöglich ausgeregelt werden, und zwar unabhängig von der aktuellen Be triebssituation. Außerdem wird das Verletzen der Grenzwerte sicher verhindert, wobei die Beschränkung für die Änderung des erzeugten summarischen Leistungssollwertes berücksichtigt wird.

Die Verarbeitung aller Eingangsgrößen in Abhängigkeit von ihrer Wertigkeit nach einer nichtlinearen Regelstrategie ermöglicht es, das "harte" Umschalten der Minimalwert- Auswahl nach dem Stand der Technik durch ein "weiches" Umschalten zu ersetzen. Dieses Umschalten kann jederzeit und damit auch schon vor Überschreiten eines Grenzwerts erfolgen.

Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, daß nicht erst Ge genmaßnahmen ergriffen werden, wenn einer der Grenzwerte überschritten worden ist, sondern schon, wenn eine Annäherung an einen der Grenzwerte vorliegt.

Bei diesen Gegenmaßnahmen handelt es sich in allen Fällen (Volumenstrom, Austritts druck, Eintrittsdruck oder Austrittstemperatur nähert sich dem Sollwert/Grenzwert), um das Zurücknehmen der Stellgröße, also des summarischen Leistungssollwertes.

Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt in der Möglichkeit der Realisierung von nichtli nearen Kennfeldern. Beim Stand der Technik sind die Parameter des PI-Reglers fest eingestellt und können nur sehr konservativ gewählt werden (Worst-case-Abschät zung). Mit der hier eingesetzten nichtlinearen Regelstrategie wird ein Funktional reali siert, das in der Wirkungsweise einem PI-Regler mit variablen Parametern entspricht. Damit erreicht man mit dem Regelungskonzept eine Art global optimale Parametrisie rung, so daß unabhängig von Sollwertänderungen und Störeinflüssen die Ausregelung unter Berücksichtigung der Begrenzung der Stellgrößengradienten nahezu zeitoptimal erfolgt.

Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Verdichterstation, die mindestens einen Verdichter aufweist, der als Turboverdichter ausgebildet ist. Dieser wird zur Gasrück führung von einer Bypass-Leitung umgangen, die ein Regelventil enthält. Eine Pump verhütungsregelung erzeugt ein Stellsignal für das Regelventil, wobei die Pumpver hütungsregelung in Abhängigkeit von der Position des Arbeitspunktes bezogen auf eine Regellinie arbeitet, die im Kennfeld des Verdichters in Abhängigkeit zur Pumpgrenze verläuft. Erfindungsgemäß wird der Pumpverhütungsregelung als Eingangsgrößen die Abweichung des Arbeitspunktes von der Regellinie, die Änderungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes bei Annäherung an die Regellinie und die Drehzahl zugeführt. Alle Ein gangsgrößen werden in Abhängigkeit von ihrer Wertigkeit zeitgleich nach einer nicht linearen Regelstrategie verarbeitet. Eine Abstimmungsregelung erzeugt bei Annähe rung des Arbeitspunktes an die Regellinie eine maximal zulässige Drehzahlabsen kungsgeschwindigkeit, die als Eingangsgröße in die Stationsregelung oder Gruppen regelung eingeht. Der Abstimmungregelung wird als Eingangsgröße die Abweichung des aktuellen Arbeitspunktes von der Regellinie zugeführt.

Das Erreichen der Pumpgrenze wird auch bei schnellen Arbeitspunktbewegungen, wie sie bei großen Regelabweichungen in der Stationsregelung auftreten können, insbe sondere wenn diese schnell ausgelegt ist, sicher vermieden. Ferner wird das Über schwingen über die Regellinie vermieden, so daß deren Abstand von der Pumpgrenze möglichst klein gehalten werden kann.

Die Abstimmungsregelung läßt bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Regellinie eine Verringerung der Drehzahl und eine damit verbundene Verringerung des Volu menstroms durch den Verdichter nur maximal in einem Maße zu, wie diese Verringe rung durch eine Erhöhung des Volumenstroms durch den Verdichter durch eine Öff nung des Pumpverhütungsventils kompensiert werden kann. Das dynamische Verhal ten der Verdichterstation in Betriebssituationen, in denen der Volumenstrom durch die einzelnen Verdichter ausreichend groß ist, wird kaum beeinflußt.

Die Dynamik der Stations- und Gruppenregelung kann unabhängig von den Belangen der Pumpverhütung frei gewählt und daher gegenüber konventionellen Regelungen deutlich erhöht werden, da die Abstimmungsregelung zu einer Entkopplung der beiden Regelungsaufgaben führt.

Die Erfindung schafft ferner eine Regeleinrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens. Die Regeleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stati onsregelung zur zeitgleichen nichtlinearen Verarbeitung aller Eingangsgrößen in Ab hängigkeit von ihrer Wertigkeit einen Fuzzy-Regler aufweist.

Der Fuzzy-Regler kann auch als zweisträngiger Fuzzy-Regler zur Verarbeitung von so wohl positiven als auch negativen Regeln unter optionaler Verwendung eines Infe renzfilters ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht im Prinzip aus zwei Teilaufgaben; der zeitglei chen Regelung aller Eingangsgrößen und der Vermeidung von Überschwingungen bei Erreichen der Grenzwerte der Eingangsgrößen.

Diese Aufgabe wird zwar durch eine einzelne Regeleinrichtung erledigt, wobei der ver wendete Fuzzy-Regler eine getrennte Lösung der beiden Teilaufgaben erlaubt. Hierzu werden für die Lösung jeder Teilaufgabe von einander unabhängige Regelgruppen in das Regelwerk des Fuzzy-Moduls eingebracht, die dann zur Feinoptimierung auch von einander unabhängig verändert werden können.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Fuzzy-Regler als Fuzzy-PI-Regler ausgebildet ist, der ein Fuzzy-Modul, ein nachgeschaltetes Propor tionalglied und einen nachgeschalteten Integrierer aufweist. Durch diese Aufteilung kann eine Gradientenbegrenzung für die Stellgröße leicht erfüllt werden. Der Ausgang des Fuzzy-Moduls ist prinzipbedingt auf einen Maximal- und Minimalwert begrenzt. Mit dem Proportionalglied, das dem Fuzzy-Modul nachgeschaltet ist, läßt sich daher direkt ein maximaler Stellgrößengradient für den Fuzzy-PI-Regler einstellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stationsregelung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Stationsregelung nach dem Stand der Technik, die eingangsseitig erläutert worden ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Stationsregelung mit Abstimmungs regelung;

Fig. 4 ein Verdichterkennfeld.

Die Stationsregelung nach Fig. 1 erzeugt einen summarischen Leistungssollwert u zur Regelung der Drehzahl mindestens eines Verdichters. Im vorliegenden Fall soll ein bestimmter Volumenstrom bereitgestellt werden. Der Ist-Volumenstrom V_N,ist wird ge messen, mit dem Sollwert V_N,soll verglichen und die Regelabweichung Δ V_N bestimmt. Auf die gleiche Weise werden die Abweichungen des Eintrittsdrucks Δ P_S, Aus trittsdrucks Δ P_D und der Austrittstemperatur Δ T_D von ihren Grenzwerten ermittelt. Weiterhin werden die Ableitungen aller Regelabweichungen nach der Zeit, d. h. die Änderungsgeschwindigkeiten der Abweichungen, ermittelt und alle Größen einem Fuzzy-Modul 5 zugeführt. Alle Eingangsgrößen werden zeitgleich nach einer nichtlinea ren Regelstrategie bearbeitet. Dem Fuzzy-Modul nachgeschaltet ist ein Proportional- Glied 6 sowie ein Integrierer 7. Durch diese Aufteilung kann eine Gradientenbegren zung für den Leistungs-Sollwert leicht erfüllt werden. Der Ausgang des Fuzzy-Moduls 5 ist prinzipbedingt auf einen Maximal- und Minimalwert begrenzt. Mit dem Proportional- Glied 6 läßt sich daher direkt ein maximaler Stellgrößengradient für den Fuzzy-PI-Reg ler einstellen.

In Fig. 3 ist eine Stationsregelung mit einer Abstimmungsregelung dargestellt. Das Ein gangsmodul 8 dient zur Aufbereitung und Verarbeitung der diversen Eingangsgrößen und liefert einen Wert d, der vom Regler 9, und zwar einem PI-Regler, weiterverarbeitet wird. In einer Abstimmungsregelung 10 wird bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Regellinie eine maximal zulässige Absenkungsgeschwindigkeit z der jeweiligen Dreh zahl erzeugt, wobei der Abstimmungsregelung als Eingangsgröße die Abwei chung x_w des aktuellen Arbeitspunktes von der Regellinie zugeführt wird.

Die Abweichung x_w des Arbeitspunktes von der Regellinie wird in einem Rechenmo dul 11 nach einer nichtlinearen Strategie berechnet. Dem Rechenmodul 11 werden als Eingangsgrößen der Volumenstrom, das Verhältnis von Austrittsdruck und Eintritts druck sowie die Lage der Regellinie zugeführt.

Fig. 4 zeigt ein typisches Verdichterkennfeld. Dargestellt sind die Kennlinien minimaler bzw. maximaler Drehzahlen n_min bzw. n_max. Ferner ist die Begrenzung des zulässigen Arbeitsbereiches nach links durch die Pumpgrenze PG und die etwa parallel dazu angeordnete Regellinie RL dargestellt. Auf der Abzisse ist der Volumenstrom V durch den Turboverdichter, auf der Ordinate das Verhältnis π von Austrittsdruck und Ein trittsdruck aufgetragen.

Claims

1. Verfahren zum Regeln des Gasflusses in einer Verdichterstation, die in ein Lei tungsnetz, insbesondere ein Erdgas-Leitungsnetz, eingebunden ist und eine Stationsregelung aufweist, die einen summarischen Leistungssollwert zur Re gelung der Drehzahl mindestens eines Verdichters mittels einer Gruppenrege lung erzeugt, wobei der Stationsregelung als Eingangsgrößen die Abweichungen des Volumenstroms, des Eintrittsdrucks, des Austrittsdrucks und der Aus trittstemperatur von ihren Soll- und/oder Grenzwerten zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der Stationsregelung als zusätzliche Eingangsgrößen die Änderungs geschwindigkeiten der Abweichungen zugeführt werden und
b) daß alle Eingangsgrößen in Abhängigkeit von ihrer Wertigkeit zeitgleich nach einer nichtlinearen Regelstrategie verarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verdichterstation mindestens einen Verdichter aufweist, der als Turbo verdichter ausgebildet ist, der zur Gasrückführung von einer Bypass-Leitung umgangen wird, die ein Regelventil enthält, mit einer Pumpverhütungsregelung, die ein Stellsignal für das Regelventil erzeugt, wobei die Pumpverhütungsrege lung in Abhängigkeit von der Position des Arbeitspunktes bezogen auf eine Re gellinie arbeitet, die im Kennfeld des Turboverdichters in Abhängigkeit zur Pumpgrenze verläuft, dadurch gekennzeichnet

a) daß der Pumpverhütungsregelung als Eingangsgrößen die Abweichung des Arbeitspunktes von der Regellinie, die Änderungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes bei Annäherung an die Regellinie und die Drehzahl zuge führt werden und
b) daß alle Eingangsgrößen in Abhängigkeit von ihrer Wertigkeit zeitgleich nach einer nichtlinearen Regelstrategie verarbeitet werden,
c) daß eine Abstimmungsregelung bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Regellinie eine maximal zulässige Drehzahlabsenkungsgeschwindig keit erzeugt, die als Eingangsgröße in die Stationsregelung oder Gruppen regelung eingeht und daß der Abstimmungsregelung als Eingangsgröße die Abweichung des aktuellen Arbeitspunktes von der Regellinie zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des Arbeitspunktes von der Re gellinie in einem Rechenmodul nach einer nichtlinearen Strategie berechnet wird und daß dem Rechenmodul als Eingangsgrößen der Volumenstrom, das Ver hältnis von Austrittsdruck und Eintrittsdruck und die Lage der Regellinie zuge führt werden.

4. Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stationsregelung und/oder die Pumpverhütungsregelung zur zeitglei chen, nichtlinearen Verarbeitung aller Eingangsgrößen in Abhängigkeit von ihrer Wertigkeit einen Fuzzy-Regler aufweist bzw. aufweisen.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuzzy-Regler als zweisträngiger Fuzzy-Regler zur Verarbeitung von sowohl positiven als auch negativen Regeln unter optiona ler Verwendung eines Inferenzfilter ausgebildet ist.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuzzy-Regler als Fuzzy-PI-Regler ausgebildet ist, der ein Fuzzy-Modul, ein nachgeschaltetes Proportional-Glied und einen nachgeschalteten Integrierer aufweist.