DE19828368A1 - Verfahren zum Betreiben von Turboverdichtern mit mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Reglern - Google Patents
Verfahren zum Betreiben von Turboverdichtern mit mehreren sich gegenseitig beeinflussenden ReglernInfo
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von mehrstufigen Turboverdichtern (2, 22, 42) mit mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Reglern (15, 35, 55), bei dem jede Verdichterstufe eigene Pumpgrenzregelventile (5, 25, 45) aufweist, die jeweils in die Ansaugleitungen (1, 21, 41) der eigenen Verdichterstufe (2, 22, 42) abblasen. DOLLAR A Die Regelung erfolgt über Durchflußrechner (6, 26, 46) zur Berechnung des Ansaugdurchflusses sowie über Rechner (7, 27, 47) für die Ermittlung der Förderhöhe. Ein Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) ermittelt die Differenz aus Sollwert (Förderhöhe) minus Istwert (Durchfluß) und bewirkt, wenn der Istwert im Verhältnis zum Sollwert zu klein ist, eine graduelle Öffnung der entsprechenden Pumpgrenzregelventile (5, 25 bzw. 45), bis der Istdurchfluß genau dem von der jeweiligen Förderhöhe abhängigen Solldurchfluß entspricht. Die Regelung erfolgt über eine Maximalauswahl (14, 34, 54), die den Pumpgrenzreglern (15, 35, 55) mit den Signalleitungen (16, 36, 56) zum Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) vorgeschaltet ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Betreiben von Turboverdichtern mit
mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Reglern.
Turboverdichter werden häufig mit mehreren Reglern
ausgerüstet. Der Pumpgrenzregler eines Turboverdichters
überwacht z. B. die Lage des Kompressorarbeitspunktes
im Kennfeld und öffnet bei unzulässig kleinem
Kompressordurchsatz ein Pumpgrenzregelventil zur
Saugseite oder zur Atmosphäre. Zur Anpassung der
Turboverdichter an die prozeßseitigen Erfordernisse
werden häufig Druck- oder Durchflußregler eingesetzt,
deren Stellorgan verstellbare Leitschaufeln oder
Drosselklappen sind. Bei Verdichtern mit drehzahl
variablem Antrieb kann auch die Drehzahl zur Kapazi
tätsanpassung verstellt werden.
Eine Verstellung des Pumpgrenzregelventils beeinflußt
auch den Verdichterenddruck bzw. den Durchfluß zum
Prozeß. Eine Verstellung des Stellorgans des Prozeß
größenreglers hat einen Einfluß auf die Lage des
Arbeitspunktes im Kennfeld und kann dadurch den Pump
grenzregler eingreifen lassen.
Üblicherweise wird der Pumpgrenzregler als kritischer
Turbomaschinen-Schutzregler auf das schnellstmögliche
Ansprechverhalten eingestellt. Für Pumpgrenzregelungen
werden die schnellsten verfügbaren Regler verwendet,
die die schnellsten verfügbaren Ventile ansteuern.
Die Prozeßgrößenregelung muß an das Zeitverhalten des
Prozesses angepaßt sein. Insbesondere Druckregelungen
zeichnen sich durch deutlich längere Zeitkonstanten als
die für Pumpgrenzregelungen erforderlichen aus.
Hierdurch ist im Normalfall sichergestellt, daß sich
die verschiedenen Regelkreise nicht gegenseitig unzu
lässig beeinflussen. Der Pumpgrenzregler regelt eine
Störung wesentlich schneller aus als der Prozeßgrößen
regler. Er hat das Pumpgrenzregelventil in die neue
erforderliche Position gebracht, noch bevor der Prozeß
größenregler merklich reagiert hat. Eine zusätzliche
Entkopplung der Pumpgrenzregler untereinander ist in
diesen Fällen nicht erforderlich.
Es gibt aber Anwendungen, in denen entweder die Pump
grenzregler langsam reagieren oder der Prozeßgrößen
regler schnell reagieren muß. In diesen Anwendungs
fällen kann-eine gegenseitige Beeinflussung der Regler
untereinander nicht ausgeschlossen werden. Eine Störung
auf der Verdichtersaugseite kann z. B. zur Folge haben,
daß sich der Arbeitspunkt der Pumpgrenze ein Stück
weiter nähert.
Der Pumpgrenzregler reagiert hierauf und öffnet das
Pumpgrenzregelventil zum Schutz des Verdichters ein
Stück. Dadurch wird weniger Fördermedium in den Prozeß
gefördert und der Durchfluß (bzw. der Druck) auf der
Verdichterdruckseite sinkt. Dies bemerkt der Prozeß
größenregler und erhöht die Förderleistung des
Verdichters. Die Folge ist, daß sich der Arbeitspunkt
von der Pumpgrenze entfernt. Hierauf reagiert nun der
Pumpgrenzregler und schließt das Pumpgrenzregelventil
entsprechend. Dieses läßt aber nun den Druck sowie den
Durchfluß auf der Verdichterdruckseite ansteigen. Der
Prozeßgrößenregler reagiert hierauf, indem er die
Förderleistung des Kompressors entsprechend reduziert.
Dieses bringt aber in Folge den Arbeitspunkt wieder in
die Nähe der Pumpgrenze, so daß der Pumpgrenzregler das
Pumpgrenzregelventil wieder öffnet. Der Vorgang beginnt
von vorn und kann sich bei ungünstiger Wahl der Zeit
parameter und ungünstiger Phasenlage zu einer Dauer
schwingung von Prozeßgröße und Pumpgrenzregelventil
führen.
Turboverdichter mit mehreren Stufengruppen werden,
insbesondere wenn Fördermedium zwischen den
verschiedenen Stufen eingespeist oder entnommen wird,
mit individuellen Pumpgrenzregelungen pro Stufengruppe
geschützt. Auch hier kann eine wechselseitige Beein
flussung der Pumpgrenzregler untereinander erfolgen.
Falls durch eine Störung auf der Saugseite der Nieder
druckstufe das Druckverhältnis über dieser Stufe erhöht
wird, bewegt sich der Arbeitspunkt dieser Stufe in
Richtung Pumpgrenze, wodurch ein Eingriff des Pump
grenzreglers der Niederdruckstufe erforderlich werden
kann, der das Pumpgrenzregelventil der Niederdruck
stufe ein Stück öffnet. Dieses bewirkt eine Absenkung
des Enddrucks der Niederdruckstufe bzw. des Eintritts
drucks der Hochdruckstufe. Dies geht einher mit einer
Erhöhung des Druckverhältnisses der Hochdruckstufe, was
nun ein Öffnen des Pumpgrenzregelventils dieser Stufe
zur Folge hat. Da bei Gaskompressoren die Pumpgrenz
regelventile das druckseitige Gas jeweils zur Saugseite
entspannen, bewirkt ein Öffnen des hochdruckseitigen
Pumpgrenzregelventils einen Anstieg des Saugdrucks
dieser Stufe und damit einen Anstieg des Enddruck der
Niederdruckstufe. Die Pumpgrenzregelung der Nieder
druckstufe wird hierdurch zum weiteren Eingreifen
gezwungen, das Niederdruck-Pumpgrenzregelventil öffnet
weiter.
Bei schnellen transienten Vorgängen ist es durchaus
möglich, daß der Pumpgrenzregler heftiger greift als
unbedingt erforderlich und das Pumpgrenzregelventil
weiter geöffnet wird als für den Schutz des Kompressors
erforderlich. Dies bewirkt, daß nach dem Abklingen der
ersten Störung die Pumpgrenzregelventile wieder
geschlossen werden. Da die Störung im Niederdruckteil
begonnen hat, schließt der Pumpgrenzregler der Nieder
druckstufe dieses Ventil wieder. Damit steigt der End
druck dieser Stufe und somit auch der Ansaugdruck der
Hochdruckstufe. Das Druckverhältnis der Hochdruckstufe
sinkt und der entsprechende Pumpgrenzregler schließt
das hochdruckseitige Pumpgrenzregelventil. Dies hat
nunmehr wieder einen Einfluß auf den Niederdruckteil
usw. Sind die Regler derart eingestellt, daß sie auf
eine transiente Störung mit einer gewissen
Übersteuerung reagieren, kann eine phasenverschobene
gegenseitige Beeinflussung der beiden Pumpgrenzregler
nicht ausgeschlossen werden.
Die Gefahr von Wechselwirkungen steigt, wenn nicht nur
zwei Verdichterstufengruppen hintereinander, sondern
drei oder mehr Verdichterstufen angeordnet sind.
Das Verfahren ist nicht nur auf Pumpgrenzregler
anwendbar, sondern allgemein einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Entkopplung der Regelkreise in der Art zu schaffen, das
auch bei gleichem Zeitverhalten aller Größen eine
schwingungsanregende Wechselwirkung der Regelkreise
untereinander vermieden wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt in der Weise, wie es in
Anspruch 1 und 10 angegeben wird. Die Unteransprüche
stellen jeweils eine vorteilhafte Ausgestaltung des
Verfahrens und der Vorrichtung dar.
Erfindungsgemäß wird für eine solche Regelkreis
architektur ein Verfahren zur Entkopplung der Regler
entwickelt. Ziel dieses Entkopplungsverfahrens ist es,
die Wechselwirkung der einzelnen Regler aufzuheben und
in der Wahl der Reglerparamater völlig frei zu sein.
Es handelt sich daher hier nicht um ein Verfahren zum
Schutz von Kompressoren vor Pumpen, sondern um ein
Verfahren, mit dem Wechselwirkungen zwischen verschie
denen Reglern, z. B. Pumpgrenz- und Prozeßgrößen
reglern, vermieden werden.
Ein typischer Maschinenstrang zur Kompression von Gas
besteht aus drei in Strömungsrichtung hintereinander
angeordneten Stufengruppen.
Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich, das
Verfahren darauf ebenso anwendbar. Eine dieser Stufen
besteht jeweils aus der Ansaugleitung der Niederdruck
stufe, dem Verdichter, der Druckleitung und einer
Umblaseleitung mit dem Pumpgrenzregelventil, ferner
einem Durchflußrechner zur Berechnung des Ansaug
durchflusses sowie einem Rechner zur Ermittlung der
Förderhöhe. Die Rechner sind über Signalleitungen und
mit den Rohrleitungen und über weitere Signalleitungen
mit dem Vergleicher verbunden. Ein Vergleicher
ermittelt die Differenz aus Sollwert (Förderhöhe) minus
Istwert (Durchfluß) und bewirkt immer dann, wenn der
Istwert im Verhältnis zum Sollwert zu klein ist, eine
graduelle Öffnung des Pumpgrenzregelventils, bis der
Istdurchfluß genau dem von der jeweiligen Förderhöhe
abhängigen Solldurchfluß entspricht. Die Verstellung
erfolgt erfindungsgemäß über die Maximalauswahl, den
PI-Regler sowie die Signalleitung zum Pumpgrenzregel
ventil. Eine Rückschlagklappe entkoppelt den ersten
Verdichter von der nachgeschalteten Mitteldruckstufe.
Die Ergebnisse eines Soll-/Ist-Wert-Vergleiches werden
über eine Steuerleitung direkt auf den Pumpgrenzregler,
der das Pumpgrenzregelventil über eine Steuerleitung
verstellt, übertragen.
Ist der Istdurchfluß kleiner als der von der Förderhöhe
abhängige Solldurchfluß, wird die im Vergleicher
ermittelte Regeldifferenz positiv und verstellt über
die Steuerleitung den Ausgang des Pumpgrenzreglers in
Richtung eines weiteren öffnenden Pumpgrenzregler
ventils.
Erfindungsgemäß wird nun den Reglern eine Maximalaus
wahl vorgeschaltet, deren einer Eingang die bekannte
Differenz aus Sollwert und Istwert des zugehörigen
Verdichters ist. Dieser Maximalauswahl wird die Regel
differenz der anderen Verdichterstufen ebenfalls auf
geprägt. Die Wirkung der Regeldifferenz ist derart, daß
ein positives Signal den Reglerausgang sinken läßt und
damit das Pumpgrenzregelventil öffnet und ein negatives
Signal das Pumpgrenzregelventil schließt. Die Maximal
auswahl bewirkt nun, daß immer dann, wenn eine der drei
Maschinen in einen Betriebsbereich gelangt, der ein
Öffnen des Pumpgrenzregelventils verlangt, diese Größe
allen drei Pumpgrenzreglern aufgeprägt wird und jeder
Regler sein zugehöriges Pumpgrenzregelventil über die
Steuerleitungen entsprechend öffnet. Eine wechselsei
tige Beeinflussung ist dadurch verhindert, weil alle
Pumpgrenzregelventile gleichzeitig und bei gleicher
Reglereinstellung auch um den gleichen Betrag öffnen.
Haben alle drei Verdichterstufen den gefährlichen
Arbeitsbereich, in dem der Durchfluß geringer als
zulässig ist, durch Öffnen der Pumpgrenzregelventile
wieder verlassen, schalten die Maximalauswahlglieder
jeweils die Regeldifferenz auf den Regler, die das
Pumpgrenzregelventil mit dem kleinsten Gradienten
schließt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann
zwischen den Vergleichen sowie der Maximalauswahl eine
Anordnung zur Beeinflussung der Regeldifferenzen
zwischengeschaltet werden.
Die Regeldifferenz wird über die Signalleitung einem
Verzögerungsglied erster Ordnung und einem addierenden
Begrenzer aufgeschaltet. Dieser Begrenzer addiert die
Eingänge vorzeichengerecht, d. h., er subtrahiert von
der Regeldifferenz die über das Verzögerungsglied ver
zögerte Regeldifferenz. Im stationären Zustand ist
diese Differenz null, so daß der Addierer lediglich das
Signal der Maximalauswahl weitergibt. Der Begrenzer ist
auf einen Bereich von 0 bis 1 eingestellt, er begrenzt
negative Werte auf den Wert null.
Sollte sich nun der Arbeitspunkt auf die Regellinie
zubewegen, folgt das Ausgangssignal des Verzögerungs
gliedes zeitlich verzögert. Bei einer größeren Änderung
der Regeldifferenz kann das Ausgangssignal des Limi
tierers bereits positiv werden, wenn die Regeldifferenz
selbst noch negativ ist. Andererseits verschwindet die
Wirkung der Korrekturgröße, d. h. der Ausgang des
Limitierers wird null, wenn die Regeldifferenz
stationär einen von null verschiedenen Wert annimmt.
Dem Limitierer kann bei Bedarf noch eine Konstante auf
addiert werden. Diese Konstante bewirkt einen Versatz.
Der Ausgang des Begrenzers wird erst dann größer null,
wenn die Differenz der beiden anderen Eingangsgrößen
den als Konstante eingestellten Schwellwert über
schritten hat.
Selbstverständlich kann dieser Offset bzw. diese
Konstante auch ohne die verzögernde Wirkung des
Verzögerungsgliedes erster Ordnung angewendet werden.
Es versteht sich von selbst, daß der Betrag des
konstanten Offsets abhängig gemacht werden kann von
bestimmten Betriebszuständen oder Prozeßgrößen.
Diese Maßnahmen können selbstverständlich auch ange
wendet werden, wenn ein Pumpgrenzregler und ein Prozeß
größenregler zu entkoppeln sind.
Die Korrekturgröße auf den Prozeßgrößenregler wirkt
dann derart, daß bei Annäherung an die Pumpgrenze oder
,beim Überschreiten der Regellinie der Eingang des
Prozeßgrößenreglers derart verändert wird, daß der die
Wirkung des Pumpgrenzreglers unterstützt und den
Kompressor aus dem Gefährdungsbereich herausfährt.
Dadurch wird verhindert, daß der Prozeßgrößenregler der
Wirkung des Pumpgrenzreglers entgegenwirkt und dadurch
eine wechselseitige Reglerbeeinflussung entsteht.
Durch die Parameterwahl des Limitierers kann z. B. auch
erreicht werden, daß bei Annäherung des Arbeitspunktes
an die Pumpgrenze das Eingangssignal des Prozeßgrößen
reglers derart beeinflußt werden kann, daß nur geringe
Gradienten für eine Reduzierung der Kompressorleistung
zugelassen werden. Hierdurch ist der Prozeßgrößenregler
noch wirksam, kann jedoch nur mit begrenzter Wirkung
eingreifen.
Eine ähnliche Wirkung läßt sich dadurch realisieren,
daß einer Minimalauswahl vor dem Regler eine über einen
Begrenzer beeinflußte Korrekturgröße aufgeschaltet
wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung von
gegenseitiger Beeinflussung verschiedener Regelkreise
besteht darin, den Gradienten für Stellgrößenverän
derungen zu begrenzen. Dazu werden den Pumpgrenz
reglern bzw. den Prozeßgrößenreglern ein Gradienten
begrenzer mit integriertem Eingangsverstärker,
Begrenzer und Integrator nachgeschaltet.
Im Soll-Ist-Wert-Vergleich wird die Differenz aus
aktuellem Kompressordurchfluß und minimal zulässigen
Durchfluß gebildet und über eine Signalleitung dem
Pumpgrenzregler zugeleitet, der das Pumpgrenzregel
ventil derart verstellt, daß der Kompressor nicht im
instabilen Arbeitsbereich betrieben wird.
Über die Signalleitungen werden einem zusätzlichen
Vergleicher der Prozeßgrößensollwert und der Prozeß
größenistwert aufgeschaltet. Die Differenz dieser
beiden Werte wirkt über eine eigene Signalleitung und
einen Begrenzer und einen Prozeßgrößenregler. Dieser
Prozeßgrößenregler verstellt das zugehörige Stellorgan
(Leitschaufeln, Drosselorgan, Drehzahl) derart, daß der
Prozeßgrößenistwert genau dem Sollwert entspricht.
Der Limitierer begrenzt die Regeldifferenz des Prozeß
größenreglers. Da der Prozeßgrößenregler üblicherweise
als Proportional-Intergralregler (PI-Regler) geschaltet
ist, begrenzt der Limitierer den Gradienten für die
integrale Verstellung der Stellgröße. Wird der
Begrenzer auf den Grenzwert null gestellt, verändert
sich die Stellgröße des Prozeßgrößenreglers überhaupt
nicht mehr.
Über eine weitere Signalleitung können die obere und
untere Grenze des Begrenzers in Abhängigkeit von einer
Prozeßgröße variiert werden. Hierbei wird die Regel
differenz des Pumpgrenzreglers als Stellgröße
verwendet. Ein Funktionsgeber gestattet die Definition
eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Regel
differenz des Pumpgrenzreglers und den wirksamen
Grenzen des Begrenzers. Der Funktionsgeber kann z. B.
derart eingestellt sein, daß bei einer Regeldifferenz
größer 20% keinerlei Begrenzung wirksam ist, bis zu
einer Regeldifferenz von 3% kann die Begrenzung qua
dratisch mit der Regeldifferenz abnehmen und bei einer
Regeldifferenz unter 3% die untere Grenze auf null
stellen. Jeder andere, auch nichtlineare Funktions
verlauf ist bei Bedarf einstellbar. Die obere und
untere Grenze sind auch getrennt variabel gestaltbar.
In diesem Fall werden zwei Funktionsgeber getrennt für
die obere und die untere Grenze verwendet.
Statt einer Begrenzung der Regeldifferenz kann der
Funktionsgeber auch direkt auf die Regelparameter des
Prozeßgrößenreglers einwirken und diese entsprechend
anpassen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem
Regler (Prozeßgrößenregler oder Pumpgrenzregler) ein
Gradientenbegrenzer nachgeschaltet. Eine Signalleitung
überträgt die Ausgangsgröße des Reglers (Prozeßgrößen
regler oder Pumpgrenzregler) zum Eingangsverstärker
eines Gradientenbegrenzers. Dieser Verstärker ist auf
eine hohe Verstärkung eingestellt, so daß auch bei
einer geringen Abweichung zwischen dem Ausgang des
Reglers und dem Ausgang des Gradientenbegrenzers,
rückgekoppelt über eine zusätzliche Signalleitung, der
Begrenzer ein großes Eingangssignal erhält. Die Grenz
werte des Begrenzers bestimmen den Gradienten für die
Verstellung des Integrators. Ist der Begrenzer auf
kleine Werte eingestellt, erhält der Integrator nur
kleine Eingangswerte und verstellt seinen Ausgang auch
bei einer Abweichung am Eingang des Verstärkers nur
langsam.
Über eine weitere Steuerleitung können die Grenzwerte
des Begrenzers in gleicher Weise angepaßt werden wie
dies zuvor für die Begrenzung der Regeldifferenz des
Pumpgrenzreglers beschrieben wurde.
Bei einer Begrenzung des Gradienten im Ausgang des
Reglers ist durch sekundäre Maßnahmen sicherzustellen,
daß der Ausgang des Gradientenbegrenzers nicht unzu
lässig vom Ausgang des Reglers abweicht. Im Regelfall
ist der Reglerausgang beim Eingreifen der ausgangs
seitigen Gradientenbegrenzung auf den Ausgang des
Begrenzers nachzuführen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann an
der Ausgangsleitung der Hochdruckstufe der jeweilige
Enddruck von einem Druckmeßumformer aufgenommen werden
und an einen zusätzlichen Soll-Ist-Wert-Vergleicher
übertragen werden, wobei über einen weiteren Prozeß
größenregler die Stellantriebe der Leitschaufeln jeder
der drei Verdichterstufen angesprochen werden können.
Darüber hinaus kann hinter jeder Verdichterstufe der
aktuelle Druck von einem Meßumformer aufgenommen werden
und einem Soll-Ist-Wert-Vergleicher zugeführt werden.
Parallel dazu werden Regelparameter zwischen der Maxi
malauswahl und dem Pumpgrenzregler abgezweigt und einem
Funktionsgeber zugeführt. Dieser überträgt seine Daten
auf den obengenannten zusätzlichen Prozeßgrößenregler.
Schließlich kann zwischen dem Funktionsgeber und dem
Prozeßgrößenregler ein zusätzlicher Begrenzer angeord
net werden, der nur speziell ausgewählte Regelgrößen
weiterleitet.
Die Erfindung wird anhand von schematischen
Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Reglerentkopplung eines
dreistufigen Turboverdichters von Prozeßgasen,
Fig. 2 ein Schaltbild mit einer zwischengeschalteten
Konstante zwischen einem Soll-/Ist-Wert-Ver
gleicher und einem Pumpgrenzregler,
Fig. 3 ein Schaltbild zur Begrenzung des Gradienten
für die Stellgrößenveränderung,
Fig. 4 ein Schaltbild eines Gradientenbegrenzers nach
einem Prozeßgrößen- oder Pumpgrenzreglers,
Fig. 5 ein Schaltbild entsprechend Fig. 1 mit einem
an der Druckleitung angeordneten
Druckmeßumformer,
Fig. 6 ein Schaltbild einer Turboverdichterstufe, bei
dem Daten aus der Maximalauswahl zusätzlich
einem Prozeßgrößenregler übertragen werden,
Fig. 7 ein Schaltbild einer Turboverdichterstufe, bei
dem Daten aus der Maximalauswahl einem Begrenzer
und danach einem Prozeßgrößenregler übertragen
werden.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Reglerentkopplung eines
dreistufigen Turboverdichters, bei dem jede Verdichter
stufe (2, 22, 42) eigene Pumpgrenzregelventile (5, 25,
45) aufweist, die jeweils in die Ansaugleitungen (1,
21, 41) der eigenen Verdichterstufe (2, 22, 42)
abblasen.
Ein Maschinenstrang zur Kompression von Gas besteht aus
drei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten
Stufengruppen (2, 22, 42). Der dreistufige Verdichter
besteht jeweils aus den Ansaugleitungen (1, 21, 41),
dem Niederdruckverdichter (2), dem Mitteldruckverdich
ter (22) und dem Hochdruckverdichter (42), den Druck
leitungen (3, 23, 43), den Umblaseleitungen (4, 24, 44)
mit den Pumpgrenzregelventilen (5, 25, 45), den Durch
flußrechnern (6, 26, 46) zur Berechnung des Ansaug
durchflusses sowie dem Rechner (7, 27, 47) für den
minimal zulässigen Solldurchfluß, der aus dem Enddruck
bzw. der Förderhöhe ermittelt wird. Zur Berechnung der
Förderhöhe wird auch der jeweilige Ansaugdruck und die
Ansaugtemperatur benötigt. Die zugehörigen Wirklei
tungen sind nicht dargestellt.
Die Rechner (6, 7), (26, 27) und (46, 47) sind über
Signalleitungen (8 und 9), (28 und 29) sowie (48 und
49) mit den Förderrohrleitungen und jeweils über zwei
weitere Signalleitungen (10 und 11), (30 und 31) sowie
(50 und 51) mit den Vergleichern (12, 32 und 52)
verbunden. Jeder Vergleicher (12, 32, 52) ermittelt die
Differenz aus Sollwert (Förderhöhe) minus Istwert
(Durchfluß) und bewirkt immer dann, wenn der Istwert im
Verhältnis zum Sollwert zu klein ist, eine graduelle
Öffnung der entsprechenden Pumpgrenzregelventile
(5, 25 bzw. 45), bis der Istdurchfluß genau dem von der
jeweiligen Förderhöhe abhängigen Solldurchfluß
entspricht. Die Verstellung erfolgt über eine Maximal
auswahl (14, 34, 54), den Pumpgrenzregler (15, 35, 55)
sowie die Signalleitungen (16, 36, 56) zum Pumpgrenz
regelventil (5, 25, 45). Die Rückschlagklappe (17, 37)
entkoppelt den Niederdruckkompressor (2) vom Mittel
druckkompressor (22).
Die Meßwerte/Signale des Soll-/Ist-Wertvergleiches
(12, 32, 52) wirken über die Steuerleitung (13, 33, 53)
direkt auf den Pumpgrenzregler (15, 35, 55), der das
Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) über die Steuerleitung
(16, 36, 56) verstellt.
Ist der Istdurchfluß kleiner als der von der Förderhöhe
abhängige Solldurchfluß, wird die Regeldifferenz
positiv und verstellt den Ausgang des Pumpgrenzreglers
(15, 35, 55) in Richtung eines weiterer öffnenden
Ventils (5, 25, 45).
Den Pumpgrenzreglern (15, 35, 55) wird dabei eine
Maximalauswahl (14, 34 und 54) vorgeschaltet, deren
einer Eingang die bekannte Differenz aus Sollwert und
Istwert der zugehörigen Pumpgrenzregelung der
Kompressorstufe ist. Dieser Maximalauswahl wird die
Regeldifferenz der anderen Soll-/Ist-Wertvergleicher
(32 und 52) ebenfalls aufgeprägt. Die Wirkung der
Regeldifferenz ist derart, daß ein positives Signal den
Reglerausgang (15, 35, 55) sinken läßt und damit das
Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) öffnet und ein
negatives Signal das Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45)
schließt. Die Maximalauswahl (14, 34, 54) bewirkt nun,
daß immer dann, wenn eine der drei Verdichterstufen (2,
22 oder 42) in einen Betriebsbereich gelangt, der ein
Öffnen des Pumpgrenzregelventils (5, 22 oder 42)
verlangt, diese Größe allen drei Pumpgrenzreglern (15,
35 und 55) aufgeprägt werden und jeder Pumpgrenzregler
(15, 35 oder 55) sein zugehöriges Pumpgrenzregelventil
(5, 25, 45) über die Steuerleitung (16, 36, 56)
entsprechend öffnet. Eine wechselseitige Beeinflussung
ist dadurch verhindert, da alle Pumpgrenzregelventile
(5, 25, 45) gleichzeitig und bei gleicher
Reglereinstellung auch um den gleichen Betrag öffnen.
Haben alle drei Verdichterstufen (2, 22, 42) den
gefährlichen Arbeitsbereich, in dem der Durchfluß
geringer als zulässig ist, durch Öffnen der Pumpgrenz
regelventile (5, 25, 45) wieder verlassen, schalten die
Maximalauswahlglieder (14, 34 und 54) jeweils die
Regeldifferenz auf den Pumpgrenzregler (15, 35, 55),
die das Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) mit dem
kleinsten Gradienten schließt.
Entsprechend Fig. 2 kann zwischen den Soll-/Ist-Wert-Ver
gleichern (12, 32 und 52) sowie der Maximalauswahl
(14, 34 und 54) ein Ergänzungsbaustein zwischenge
schaltet werden.
Die im Soll-/Ist-Wert-Vergleicher (12) ermittelte
Regeldifferenz wird über die Signalleitung (60) einem
Verzögerungsglied erster Ordnung (61) und einem addie
renden Begrenzer (63) aufgeschaltet. Dieser Begrenzer
(63) addiert die Eingänge vorzeichengerecht, d. h. er
subtrahiert von der Regeldifferenz die über Verzöge
rungsglied (61) verzögerte Regeldifferenz. Im statio
nären Zustand ist diese Differenz null, so daß der
Addierer (64) lediglich das Signal der Maximalauswahl
(14) weitergibt. Der Begrenzer (63) ist auf einen
Bereich von 0 bis 1 eingestellt, er begrenzt negative
Werte auf den Wert null.
Sollte sich nun der Arbeitspunkt auf die Regellinie
zubewegen, folgt das Ausgangssignal (60.2) des
Verzögerungsgliedes (61) zeitlich verzögert. Bei einer
größeren Änderung der Regeldifferenz kann das
Ausgangssignal des Limitierers (63) bereits positiv
werden, wenn die Regeldifferenz selbst noch negativ
ist. Andererseits verschwindet die Wirkung der
Korrekturgröße, d. h. der Ausgang des Limitierers (63)
wird zu null, wenn die Regeldifferenz stationär einen
von null verschiedenen Wert annimmt.
Zusätzlich kann dem Limitierer (63) noch eine Konstante
(62) aufaddiert werden. Diese Konstante (62) bewirkt
einen Versatz. Der Ausgang des Begrenzers (63) wird
erst dann größer null, wenn die Differenz der beiden
anderen Eingangsgrößen (60.1 und 60.2) den als
Konstante eingestellten Schwellwert überschritten hat.
Selbstverständlich kann diese Konstante (62) auch ohne
die verzögernde Wirkung des PT1-Gliedes (61) verwendet
werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung von gegen
seitiger Beeinflussung verschiedener Regelkreise
besteht darin, den Gradienten für Stellgrößenverän
derungen zu begrenzen.
Entsprechend Fig. 3 wird im Soll-/Ist-Wertvergleicher
(12) die Differenz aus aktuellem Kompressordurchfluß
und minimal zulässigen Durchfluß gebildet und über eine
Signalleitung (60) dem Pumpgrenzregler (15) zugeleitet,
der das Pumpgrenzregelventil (5) über die Steuerleitung
(16) derart verstellt, daß der Turboverdichter nicht im
instabilen Arbeitsbereich betrieben wird.
Über die Signalleitungen (70 und 71) werden dem Soll-/Ist-Wert
vergleicher (72) der Prozeßgrößensollwert und
der Prozeßgrößenistwert aufgeschaltet. Die Differenz
dieser beiden Werte wirkt über die Signalleitung (73)
und den Begrenzer (74) auf den Prozeßgrößenregler (78).
Dieser Regler verstellt das zugehörige Stellorgan des
Turboverdichters (Leitschaufeln, Drosselorgan,
Drehzahl) derart, daß der Prozeßgrößen-Istwert genau
dem Sollwert entspricht.
Über die Signalleitung (76) können die obere und untere
Grenze des Begrenzers (74) in Abhängigkeit von einer
Prozeßgröße variiert werden. Im gezeichneten Fall wird
die Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers (15) als Stell
größe verwendet. Der Funktionsgeber (75) gestattet die
Definition eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen
Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers und den wirksamen
Grenzen des Begrenzers.
Der Prozeßgrößenregler (78) reagiert mit seinem einge
stellten (als Parametersatz einstellbar) Zeitverhalten
auf die Eingangsgröße. Eine große Regeldifferenz am
Eingang bewirkt, daß der Regler (78) seine Ausgangs
größe schnell verändert, bei einer kleinen Regel
differenz am Eingang verändert sich der Ausgang nur
langsam. Durch eine gesteuerte Beeinflussung der
Regeldifferenz am Eingang des Prozeßgrößenreglers (78)
kann das Zeitverhalten der Ausgangsgröße beliebig
beeinflusst werden. Durch eine Begrenzung auf null
durch den Begrenzer (74) kann eine Veränderung des
Reglerausgangs in die eine oder andere Richtung völlig
verhindert werden, durch gesteuerte Begrenzung auf
positive Werte kann der Reglerausgang (78) sogar in
Richtung größerer Ausgangswerte gesteuert werden,
selbst wenn die Regeldifferenz am Eingang den Regler
ausgang senken will.
Statt einer gesteuerten Beeinflussung der
Regeldifferenz des Prozeßgrößenreglers (78) kann auch
vom Funktionsgeber (75) aus über die Steuerleitung (76)
direkt auf die Regelparameter, insbesondere die Propor
tionalverstärkung und die Nachstellzeit, zugegriffen
werden. Durch diesen Steuereingriff wird das gleiche
bewirkt wie durch den Begrenzer (74) im Eingang des
Prozeßgrößenreglers (78).
Entsprechend Fig. 4 ist dem Regler (15/78) (Pumpgrenz
regler (15) oder Prozeßgrößenregler (78)) ein Gradien
tenbegrenzer (80) nachgeschaltet. Die Signalleitung (79)
überträgt die Ausgangsgröße des Reglers (15/78)
zum Eingangsverstärker (81). Dieser Verstärker (81) ist
auf eine hohe Verstärkung eingestellt, so daß auch bei
einer geringen Abweichung zwischen dem Ausgang des
Reglers (79) und dem Ausgang des Gradientenbegrenzers
(84) rückgekoppelt über die Signalleitung (85) der
Begrenzer (82) ein großes Eingangssignal erhält. Die
Grenzwerte des Begrenzers (82) bestimmen den Gradienten
für die Verstellung des Intergrators (83). Ist der
Begrenzer (82) auf kleine Werte eingestellt, erhält der
Integrator (83) nur kleine Eingangswerte und verstellt
seinen Ausgang (84) auch bei einer Abweichung am Ein
gang des Verstärkers (81) nur langsam.
Über die Steuerleitung (86) können die Grenzwerte des
Begrenzers (82) in gleicher Weise angepaßt werden wie
dies zuvor für die Begrenzung der Regeldifferenz des
Reglers (15/78) beschrieben wurde.
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild entsprechend Fig. 1 mit
einem an der Druckleitung (43) nach der Rückschlag
klappe (57) der dritten Verdichterstufe (42) angeord
netem Druckmeßumformer (20), der Regeldaten über eine
Signalleitung (88) auf einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher
(12) sowie Prozeßgrößen-Sollwerte (89) vom Leitsystem
empfängt.
Ein Prozeßgrößenregler (78) überträgt die Soll-Ist-
Wertvergleiche (Regelgrößen) über eine Steuerleitung
(87) an die Stellantriebe (18) zur Verstellung der
Leitschaufeln (19) in den Nieder-, Mittel- und Hoch
druck-Turboverdichterstufen (2, 22, 42).
Gemäß Fig. 6 kann in der Druckleitung (3) des Nieder
druckkompressors (2) nach der Rückschlagklappe (17) ein
Druckmeßumformer (20) angeordnet werden, der über eine
Steuerleitung (71) Regeldaten an einen Soll-Ist-Wert-
Vergleicher (72) überträgt und diese über eine Signal
leitung (73) auf einen Prozeßgrößenregler (78) weiter
leitet.
Von einer Maximalauswahl (14) werden Regeldaten aus dem
Soll-Ist-Vergleicher (12) auf einen Funktionsgeber (75)
bzw. einen Pumpgrenzregler (15) übertragen, wobei die
Maximalauswahl (14) weitere Daten über die Steuerlei
tung (33) und (35) aus den Mittel- und Hochdruckstufen
empfängt.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer Niederdruck-Turbo
verdichterstufe (2), bei der die Regeldifferenzen des
Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12) bzw. aus (33) und (53)
zunächst der Maximalauswahl (14) zugeleitet werden.
Diese Regeldaten werden, wie bereits in Fig. 6
dargestellt, auf einen Pumpgrenzregler (15) und von
dort auf das Pumpgrenzregelventil (5) übertragen.
Dem Funktionsgeber (75) können darüber hinaus
Regeldaten aus der Maximalauswahl (14) über eine
Steuerleitung (76) auf einen Begrenzer (74) übertragen
werden, der dem Prozeßgrößenregler (78) vorgeschaltet
ist. Dieser (78) ist über eine Steuerleitung (87) mit
dem Stellantrieb (18) der Leitschaufeln (19) der
Niederdruckstufe (2) verbunden.
1
Ansaugleitung
2
Niederdruckkompressor
3
Druckleitung
4
Umblaseleitung
5
Abblaseventil/Pumpgrenzregelventil
6
Durchflußrechner
7
Förderhöhenrechner und Sollwertbildner
8
Signalleitungen
9
Signalleitungen
10
Signalleitungen
11
Signalleitungen
12
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
13
Steuerleitung
14
Maximalauswahl
15
Pumpgrenzregler
16
Steuerleitung zu
5
17
Rückschlagklappe
18
Stellantrieb
19
Leitschaufeln
20
Druckmeßumformer
21
Ansaugleitung
22
Mitteldruckkompressor
23
Druckleitung
24
Umblaseleitung
25
Pumpgrenzregelventil
26
Durchflußrechner
27
Förderhöhenrechner und Sollwertbildner
28
Signalleitung
29
Signalleitung
30
Signalleitung
31
Signalleitung
32
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
33
Steuerleitung
34
Maximalauswahl
35
Pumpgrenzregler
36
Steuerleitung zu
25
37
Rückschlagklappe
38
41
Ansaugleitung
42
Hochdruckkompressor
43
Druckleitung
44
Umblaseleitung
45
Pumpgrenzregelventil
46
Durchflußmesser
47
Förderhöhenrechner und Sollwertbildner
48
Signalleitung
49
Signalleitung
50
Signalleitung
51
Signalleitung
52
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
53
Steuerleitung
54
Maximalauswahl
55
Pumpgrenzregler
56
Steuerleitung zu
56
57
Rückschlagklappe
58
60
Signalleitung
60.1
positiver Strang
60.2
negativer Strang
61
Verzögerungsglied, 1. Ordnung
62
Konstante
63
addierender Begrenzer/Limitierer
64
Summierer/Addierer
70
Signalleitung
71
Signalleitung
72
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
73
Signalleitung
74
Begrenzer
75
Funktionsgeber
76
Signalleitung
77
Signalleitung
78
PI-Regler/Prozeßgrößenregler
79
Signalleitung (Reglerausgang)
80
Gradientenbegrenzer
81
Eingangsverstärker
82
Begrenzer
83
Integrator
84
Ausgangsleitung Gradientenbegrenzer
85
Signalleitung für Rückkoppelung
86
Steuerleitung
87
Signalleitung
88
Signalleitung
89
Prozeßgrößen-Sollwerte vom Leitsystem
Claims (17)
1. Verfahren zum Betreiben von Turbomaschinen mit
mindestens zwei sich gegenseitig beeinflussenden
Reglern,
dadurch gekennzeichnet,
daß wechselseitig ausgetauschte Korrekturgrößen
eines ersten und eines zweites Reglers, wobei der
erste Regler ein Pumpgrenzregler ist, in den
Soll/Istvergleich der beiden Regler eingreifen und
die Stellgrößenausgänge der beiden Regler derart
entkoppeln, daß eine gegenseitige Beeinflussung
ausgeschlossen ist oder zumindest deutlich
reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeldifferenz des ersten Reglers auf eine
Extremwertauswahl vor dem zweiten Regler wirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuergröße, die das Pumpgrenzregelventil
mit maximaler Stellgrößengeschwindigkeit verstellt,
von jedem Regler aus auf jedes Stellorgan wirkt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die wirksame Korrekturgröße aus der Differenz
aus einer über ein Verzögerungsglied erster Ordnung
zeitlich verzögerten ursprünglichen Korrekturgröße
und der unverzögerten Größe ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Korrekturgröße ein Offset aufgeprägt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet
daß die Korrekturgröße den Gradienten für die
Verstellung einer Stellgröße eines anderen Reglers
begrenzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gradient für die Begrenzung der Stellgröße
eine lineare oder nichtlineare Funktion der
Korrekturgröße ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Begrenzung für die Stellgröße, abhängig von
einer Prozeßgröße, zu- oder abgeschaltet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Korrekturgröße auf die Reglerparameter
wirkt und diese variiert.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum
Betreiben von mehrstufigen Turboverdichtern mit
mindestens zwei sich gegenseitig beeinflussenden
Reglern,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß jedem Pumpgrenzregler (15, 35, 55) einer Turboverdichterstufe (2, 22, 42) eine Maximal auswahl (14, 34, 54) vorgeschaltet ist, in die aus dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) wechselseitig ausgetauschte Korrekturgrößen über Steuerleitungen (13, 33, 53) übertragen werden und
- - daß der Pumpgrenzregler (15, 35, 55) über Steuerleitungen (16, 36, 56) auf die Pumpgrenz regelventile (5, 25, 45) wirkt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß jedem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) des Pumpgrenzreglers (15, 35, 55) jeweils ein Verzögerungsglied erster Ordnung (61) und ein addierender Begrenzer (63) nachgeschaltet wird,
- - daß der Begrenzer (63) die Reglerdifferenz eingänge vorzeichengerecht addiert und auf einstellbare Grenzwerte begrenzt und
- - daß der Addierer (64) die ermittelte Regler differenz (Extremwertauswahl) an den Pumpgrenz regler (15, 35, 55) weitergibt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Korrekturgröße vor dem Begrenzer (63) eine
Konstante (62) aufgeprägt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß zwischen dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) und dem Begrenzer (74) jeweils ein Funktionsgeber (75) zwischengeschaltet ist bzw.
- - daß der Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) über die Steuerleitung (60) direkt mit dem Pump grenzregler (15, 35, 55) verbunden ist,
- - daß ein weiterer Soll-Ist-Wert-Vergleicher (72) mit dem Begrenzer (74) gekoppelt ist, der seine Daten an einen Prozeßgrößenregler (78) weiter leitet und
- - daß der Pumpgrenzregler (15) über eine Signal leitung (60) zusätzlich mit dem Funktionsgeber (75) gekoppelt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß dem Regler (15 oder 78) ein Gradienten begrenzer (80) nachgeschaltet ist, wobei die Daten des Reglers (15 oder 78) auf einen Eingangsverstärker (81) übertragen werden,
- - daß der Eingangsverstärker (81) mit einem Begrenzer (82) und dieser mit einem Integrator (83) verbunden ist und
- - daß dem Eingangsverstärker (81) die Ausgangs daten (84) über eine Steuerleitung (85) rück übertragen werden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß an der Druckleitung (43) ein Druckmeßumformer (20) angeordnet ist, der Daten über eine Signal leitung (88) auf einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12) überträgt,
- - daß ein Prozeßgrößenregler (78) die Soll-Ist- Wertvergleiche (Regelgrößen) über eine Steuer leitung (87) an den Stellantrieb (18) zur Verstellung der Leitschaufeln (19) in den Turboverdichterstufen (2, 22, 42) überträgt und
- - daß dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (20) Prozeß größen Soll-Werte (89) vom Leitsystem übertragen werden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß an der Druckleitung (3) nach der Rückschlag klappe (17) ein Druckmeßumformer (20) angeordnet ist, der über eine Steuerleitung (71) Daten an einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher (72) überträgt und diese über eine Signalleitung (73) auf einen Prozeßgrößenregler (78) weiterleitet,
- - daß eine Maximalauswahl (14) Daten aus dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12) auf einen Funktionsgeber (75) bzw. einen Pumpgrenzregler (15) überträgt,
- - daß die Maximalauswahl (14) weitere Daten über die Steuerleitung (33) und (35) empfängt,
- - daß der Pumpgrenzregler (15) über eine Steuer leitung (16) mit dem Pumpgrenzregelventil (5) verbunden ist,
- - daß die Daten über eine Steuerleitung (76) dem Prozeßgrößenregler (78) übertragen werden und
- - daß der Prozeßgrößenregler (78) seine Daten über eine Signalleitung (87) auf den Stellantrieb (18) der Leitschaufeln (19) in den Turboverdichter stufen (2, 12, 42) überträgt.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsgeber (75) Daten aus der Maximal
auswahl (14) über eine Steuerleitung (76) auf einen
Begrenzer (74) überträgt, der dem Prozeßgrößen
regler (78) vorgeschaltet ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MAN TURBOMASCHINEN AG GHH BORSIG, 46145 OBERHAUSEN |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |