DE2605025A1

DE2605025A1 - Verfahren und apparatur zur steuerung eines dynamischen kompressors

Info

Publication number: DE2605025A1
Application number: DE19762605025
Authority: DE
Inventors: Alexander Rutshtein
Original assignee: RUTSHTEIN
Current assignee: RUTSHTEIN
Priority date: 1975-02-11
Filing date: 1976-02-10
Publication date: 1976-08-19
Also published as: JPS51104608A; US3994623A

Description

9. Februar 1976 GzJg/Wa.

Alexander Rutshtein und Naum Staroselsky

Verfahren und Apparatur zur Steuerung eines dynamischen

Kompressors

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung von Einrichtungen mit einem einen Turbinenantrieb aufweisenden dynamischen Kompressor. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Schutzkontrolle für einen Kompressor und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Schutz gegen Überspannung und gefährliche Förderdrücke oder gefährliche Drehgeschwindigkeiten .

Steuersysteme für dynamische Kompressoren zur Aufrechterhaltung eines konstanten Massendurchsatzes haben zwei Funktionen:

A. Funktionssteuerung zur Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors auf die Bedürfnisse des Verbraucherprozeßes.

B. Steuerung zum Schutz der Einrichtung gegen gefährliche und instabile Betriebsbedingungen, wodurch sowohl die Einrichtung, wie das Arbeitsgerät vor Schaden bewahrt werden soll.

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Bezüglich der Funktionssteuerung sei erwähnt, daß alle dynamischen Kompressoren eine sog. Pumpgrenze aufweisen, oberhalb welcher die Funktion des Kompressors instabil ist. Eine derartige Instabilität führt zu Druck- und Durchsatzschwankungen, welche einen Schaden am Kompressor verursachen können.

Die Pumpgrenze ist eine Funktion des Förderdrucks (P₂) und des Gasdurchsatzes durch den Kompressor (G). Die Position der Pumpgrenze eines bestimmten Kompressors unter Verwendung der Koordinaten Pp und G ist ebenfalls eine Funktion des Molekulargewichts des Gases sowie der Temperatur und des Gasdrucks in der Saugleitung.

Es sei angenommen, daß das in den Kompressor eintretende Gas eine stabile Zusammensetzung hat. In dem Falle läßt sich die Pumpgrenze durch die bekannte Gleichung

H = a (P₂ - P₁) (1)

darstellen, wobei

H = das Strömungsdifferential in der Saugleitung, P₂ = der Druck nach dem Kompressor, P^ '= der Druck vor dem Kompressor a = der konstante Koeffizient ist.

Entsprechend der Gleichung (1) ist zum Schutz des Kompressors gegen Überspannung die Erfüllung der folgenden Bedingung notwendig und ausreichend:

H^a(P_p - P₁) (2)

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In den Koordinaten P₂, G kann jeder Punkt der Pumpgrenze auch als Schnittpunkt der Horizontalen entsprechend einem Wert von Pp mit der Kurve entsprechend einer bestimmten Rotationsgeschwin digkeit "n" definiert werden.

In dem Falle lautet die Gleichung der Pumpgrenze:

η = f (P₂ f») (3)

wobei T""⁷ das spezifische Gewicht des Gases in der Saugleitung ist.

Dieses Verfahren zur Definierung der Pumpgrenze kann dann eingesetzt werden, wenn die Kennlinien eines Kompressors eine Neigung haben, die in einer nahe der Pumpgrenze liegenden Zone nicht zu gering ist. Die Bedingung für den sicheren Betrieb des Kompressors ließe sich in diesem Fall durch folgendes Verhältnis beschreiben:

n> f (P₂, 7-). (4)

Alle bekannten Saugwellen-Schutzsysteme schützen die Kompressoren gegen Überspannung, indem sie einen Teil des Druckgases an die Atmosphäre abgeben oder es in die Saugleitung zurückführen.

Die Bedingungen (2) und (4) können jedoch nicht nur durch Abblasen oder Rückführen eines Teils des Gases, sondern auch durch angemessene Änderung der Rotationsgeschwindigkeit geschaffen werden.

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Außer der Überspannung besteht eine erhebliche Gefahr für den Kompressor und das Verfahren, welche das Druckgas aus einer Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit oder einer Steigerung des Förderdrucks oberhalb bestimmter Grenzen verwenden.

Es ist bekannt, daß die dynamischen Parameter der Sprungcharakteristik der Kompressoreinheit wesentlich von der Trägheit der Rotoren, sowohl der Turbinen, wie der Kompressoren und von dem Volumen des Fördernetzes abhängen. Ein Schutz des Kompressors vor gefährlichen Betriebsbedingungen sollte daher unter Berücksichtigung dieser beiden Parameter erfolgen.

Alle vorstehend erwähnten Schutzkontrollen sind im allgemeinen passive Kontrollen, bis die vorbestimmten Grenzen erreicht sind.

Zusätzlich zu den Schutzkontrollen ist eine weitere Kontrolle zur Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors an die unterschiedlichen Belastungsbedingungen eines Verfahrens, für welches der Kompressor eingesetzt wird, erforderlich. Zur Erfüllung dieser Aufgabe sollte das Kontrollsystem des Kompressors den erfordeflichen konstanten Massendurchsatz an Gas aufrechterhalten.

Beide oben erwähnten Funktionen des Kontrollsystems von Kompressoren, d.h. Begrenzung seiner Parameter und Änderung seiner Rotationsgeschwindigkeit entsprechend den Bedürfnissen des technologischen Verfahrens, können vermittels zweier verschiedener Verfahren erfüllt werden.

Entsprechend dem ersten herkömmlichen Verfahren wird der Kompressor von einer Vielzahl voneinander unabhängiger Untersysteme ge-

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steuert, von denen jedes einen bestimmten Parameter aufrechterhalten oder begrenzen soll. Jedes Untersystem kann eine oder mehrere in Reihe liegende Schleifen aufweisen.

Entsprechend dem zweiten und verbesserten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein gekoppeltes Steuersystem eines Kompressors eine Mehrzahl von durch logische Elemente verbundenen Kontrollschleifen auf. Dieses System ist derart ausgebildet, daß je nach den sich ändernden Außenbedingungen (z.B. den Verfahrensbedingungen, dem spezifischen Gewicht des Gases in der Saugleitung) die Schleifen zur Bildung von Steuerkreisen zur Steuerung entsprechender Steuerelemente unterschiedlich miteinander verbunden sind.

Wenn bei Verwendung des ersten herkömmlichen Verfahrens der Widerstand des Fördernetzes des Kompressors sich ändert, kann einer der Parameter (der Förderdruck oder die Rotationsgeschwindigkeit oder die Leistung) die zulässige Grenze erreichen. Zu diesem Zeitpunkt beginnt diejenige Steuerschleife, welche den wichtigsten gesteuerten Parameter, d.h. in diesem Fall den Durchsatz, aufrechterhält (und daher nachfolgend die "Hauptkontrollschleife" genannt wird) und die einen der oben erwähnten Parameter begrenzende Steuer-Schleife gleichzeitig zu arbeiten, und zwar bis zu dem Augenblick, da das Ausgangssignal der Hauptkontrollschleife den Sättigungspunkt erreicht.

Während der gesamten Dauer des gemeinsamen Betriebs dieser beiden Schleifen bis zur Sättigung hindert die Hauptkontrollschleife unter Aufrechterhaltung des Hauptparameters die zweite Kontrollschleife daran, den Kompressor gegen eine Annäherung

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an die Gefahrenzone zu schützen. Es ist zwar richtig, daß während des gemeinsamen Betriebes der Hauptkontrollschleife und der Schutzkontrollen für Geschwindigkeit und Druck (üblicherweise kurzfristig) die statische Position des Betriebspunktes im Kennlinienfeld des Kompressors sich nur unwesentlich ändert (was positiv zu v/erten ist), doch bewegt im Gegensatz hierzu die Sprungcharakteristik des Kontrollsystems den Betriebspunkt in Richtung auf die gefährliche Betriebszone oder in diese hinein.

Nach Sättigung oder Schaltung des Ausgangssignals der Hauptkontrollschleife verbleibt der Kompressor lediglich unter der Schutzkontrolle für Geschwindigkeit oder Förderdruck, und bei einer weiteren Steigerung des Widerstands der Netzförderung kann den Kompressor nichts daran hindern, sich auf die Pumpgrenze zuzubewegen. Daher kann eine rasche Widerstandserhöhung des Netzes gefährliche Konsequenzen haben.

Die oben erwähnten Nachteile lassen sich durch Verwendung eines zweiten besseren Verfahrens vermeiden, welches z.B. mit Hilfe einer Kaskadenschaltung durchgeführt werden kann. Das Kaskadenschaltsystem ist ein Mehrschleifen-System. Jede Schleife dieses Systems hat eine getrennte Steuervorrichtung, welche ensprechend der Übertragungsfunktion des gesteuerten Gegenstandes eingestellt ist, wobei das Eingangssignal des Gegenstandes gleichzeitig das Ausgangssignal der oben erwähnten Steuervorrichtung und das Ausgangsignal des gesteuerten Gegenstandes der von dieser Steuervorrichtung aufrechterhaltene oder begrenzte gesteuerte Parameter ist.

Die Anzahl aufeinanderfolgend verbundener Schleifen wird entsprechend der Zahl der kontrollierten Parameter gewählt.

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Entsprechend der Hauptkaskadenschaltung werden die Schleifen derart in Reihe geschaltet, daß das Ausgangssignal der ersten Schleife ein bestimmtes Kontrollelement kontrolliert und das Ausgangssignal jeder äußeren Schleife gleichzeitig das Eingangssignal für die nachfolgende Schleife ist.

Das Verfahren der Kaskadenschaltung gestattet die einfache Begrenzung gesonderter gesteuerter Parameter sowie den Ausgleich des Einflußes großer Zeitkonstanten. Dies ermöglicht den Schutz der Kompressor einheit vor gefährlichen Betriebsbedingungen mit wesentlich höherer Verläßlichkeit.

Zur Erläuterung dieses Punkts erfolgt eine Prüfung der Kompensierung einer großen Zeitkonstante durch Erörterung folgender einfacher Beispiele:

1. Es sei angenommen, daß der kontrollierte Gegenstand nur einen Energie-Akkumulator, eine aperiodische Komponente mit der Übertragungsfunktion aufweist:

G^a-^C- (s) = ^kp (5)

T_ps + 1

Zur vollen Kompensierung der Zeitkonstante T sollte die direkt mit einem kontrollierten Gegenstand verbundene Kontrollvorrichtung folgende Übertragungsfunktionen der Proportional-Plus-Integral-Plus-Derivat-Komponente auf weis en:

P.I.D.
G_e (s) = T_p s + 1 (6)

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Physikalisch bedeutet dies, daß es bei momentanen Änderungen des Ausgangssignals des kontrollierten Gegenstands erforderlich ist, seinem Eingang ein Signal mit unendlich großer Amplitude zuzuführen. Aus Vorstehendem ergibt sich, daß eine vollständige Kompensierung bei Real-Systemen mit begrenzten Hilfsmitteln nicht erreichbar ist.

Es ist noch zusätzlich darauf hinzuweisen, daß der Grad der Kompensierung nicht nur durch die Energiequellen, sondern auch durch die Bedingungen der Rauschstabilität begrenzt ist, weil eine wesentliche Steigerung des Kompensationsgrades üblicherweise mit einer entsprechenden Steigerung der Störanfälligkeit gekoppelt ist.

Die reelle und ausreichende Kompensierung kann durch die bekannte proportionale Plus-Nachstellvorrichtung mit folgender Übertragungsfunktion erreicht werden:

P.I· T_ s + 1
G_e (s) = —2 (₇)

Vo^s

Die Zeitkonstante T₀ und der Koeffizient k sollten derart

e e

ausgewählt werden, daß

^Te = ^Tp ^{und k}e = ^kp ^ist-

Sodann kann die Übertragungsfunktion der geöffneten und geschlossenen Kontrollschleifen einfach auf folgende Form reduziert werden:

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^Gop = ^Ga#C% <^s> * G_e ^P'^{Ie(s) =} H

1 + G_op 1 +

2. Hat der kontrollierte Gegenstand nicht eine sondern zwei in Reihe liegende aperiodische Komponenten,läßt sich die Kompensierung vermittels der bekannten proportionalen Plus-Eins teil- Plus -Derivat-Kontroll vor richtung mit folgender Übertragungsfunktion erreichen:

G^P#I#De(s) = (TjS * 1) (T_?s + 1) (10)

kp T₀S

Realgegenstände bestehen zumeist aus Sätzen aperiodischer Komponenten. Ihre Zeitkonstanten können um mehrere Größenordnungen differieren. Aus praktischen Gründen ist es je doch üblicherweise ausreichend, lediglich den Einfluß der größten Zeitkonstanten zu kompensieren. Die Übertragungsfunktionen von Realgegenständen läßt sich durch folgende Gleichung darstellen:

. ^p (Tps + 1 )r?Ctj s + 1)

in der
Π «j s + 1) = (-C₁ s + 1) (^₂ s + 1) ... CTt s + 1)_;

in der

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- ίο■-

{j = die Ordnungszahl der Komponente, i = die Anzahl der Komponenten,

Ta= die Zeitkonstanten, deren Größen von den Größen T im Durchschnitt um mehr als eine Größenordnung weniger differieren, ist.

Wie vorstehend erwähnt, reicht es aus, lediglich die Zeitkonstante T zu kompensieren.

In diesem Falle kann die Übertragungsfunktion der geschlossenen Schleife (mit der Kontroll-Rückkopplung) einfach wie folgt ausgedrückt werden:

(12)

cc/s + D

Die Größe von T_Q (Gleichung 12) wird entsprechend den Stabilitätsbedingungen gewählt

Ohne wesentliche Fehler können wir folgende näherungsweise Gleichung aufstellen*

ί.

s + 1) = YVj s + 1 = 6*s + 1 (14)

€03834/0335

Entsprechend wird die Übertragungsfunktion der offenen und geschlossenen Schleife durch folgende Formeln ausgedrückt:

G_0TD(s) = 1 (15)

^op T₀S (6"s + 1)

₀ + T₀S + 1

Mit anderen Worten, die Kompensierung in den obigen Beispielen erfolgt durch Austausch der offenen Schleife mit einer großen Zeitkonstante durch eine geschlossene Schleife mit kleiner Zeitkonstante.

Wie sich aus Formel (13) ergibt, wird die Größe der oben erwähnten Zeitkonstante unter Berücksichtigung der Summe der Zeitkonstanten ausgewählt, welche einer Kompensierung nicht unterliegen.

Das Problem der Kontrolle dynamischer Kompressoren läßt sich daher vermittels der vorliegenden Erfindung lösen, gemäß welcher eine Kaskadenschaltung der Parameter des Kompressors, eine Begrenzung des mindest-zulässigen Durchsatzes durch diesen, sowie eine Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit sowie des Förderdrucks vorgesehen werden.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist, die Steuerung des Massendurchsatzes eines komprimierten Gases präzise zu kontrollieren, sowohl bezüglich des Übergangs- als auch des Gleichgewichtszustandes; ein wateres Ziel ist die Begrenzung des Förder-

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drucks der Rotationsgeschwindigkeit und des mindest-zulässigen Durchsatzes mit hoher Verläßlichkeit und praktisch ohne Abweichungen während des Übergangsprozeßes.

Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der wesentlich zuverlässigeren Steuerung der Kompressoreinheit bei einem sicheren Betrieb nahe der zulässigen Grenzen. Dieser Vorteil gestattet die Ausweitung der sicheren Betriebszone der dynamischen Kennlinie des Kompressors und steigert zugleich die Betriebssicherheit des Verfahrens unter Verwendung von Druckgas.

Erfindungsgemäß wird der dynamische Kompressor mit Turbinenantrieb durch eine automatische Kaskadenschaltung gesteuert. Dieses System weist folgende Schleifen auf: eine Schleife für den Massendurchsatz, eine Schleife für den Förderdruck, eine Schleife für die Rotationsgeschwhdigkeit, eine Schleife für den mindest-zulässigen Durchsatz durch den Kompressor und eine Schleife für Kontrollelemente. Diese vorstehend aufgezählten Schleifen sind untereinander verbunden, derart, daß der Sollwert für das Kontroll-Element der Turbine durch die Schleife der

Rotationsgeschnwindigkeit gebildet wird. Der Sollwert für die Schleife der Rotationsgeschwindigkeit, entwickelt sich entweder aus der Schleife des Förderdrucks oder aus der Schleife des mindest-zulässigen Durchsatzes durch den Kompressor; der SoIL-wert für die Schleife des Förderdrucks entsteht aus der Schleife des Massendurchsatzes; die Sollwerte für die die Ablaßventile kontrollierenden Schleifen werden von der Förderdruck- oder Massendurchsatzschleife gebildet. Je nach den Außenbedingungen werden die Schleifen nacheinander in der erforderlichen Reihenfolge untereinander verbunden. Die Schleifen bilden die Kontrollkreise zur Steuerung getrennter Kontrollelemente, wobei diese Kontrollkreise parallel geschaltet werden.

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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Kompressor-Kontroll-System so zu betätigen, daß die störenden Einflüsse von Trägheit auf den Rotor einer Kompressoreinheit und das Volumen der Netzförderung kompensiert werden.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer extrem zuverlässigen Vorrichting zur Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit und zur Begrenzung des Förderdrucks.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Begrenzung des Mindestdurchsatzes durch einen Kompressor durch entsprechende Änderung der Rotationsgeschwindigkeit unter Aufrechterhaltung des gewünschten Massendurchsatzes von Gas an den Verbraucher durch Ablassen oder Rückführen des Gases aus der Förder- in die Ansaugleitung.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch.es Diagramm des Kontrollsystems des Kompressors;

Fig. 2 ein Block-Diagramm des in Fig. 1 dargestellten Kompressor-Kontroll-Systems ;

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Fig. 3 ein schematisches Diagramm der Kontrollschleife zur Begrenzung des mindest-zulässigen Durchsatzes durch den Kompressor;

Fig. 4 die gas-dynamische Kennlinie eines Kompressors, wobei die dargestellten Kurven die Betriebsbedingungen,den mindest-zulässigen Durchsatz, den höchst-zulässigen Druck sowie die höchst-zulässige Rotationsgeschwindig-. keit darstellen.

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine Kompressoeranordnung mit dem erfindungsgemäßen Kontrollsystem. Die Anordnung enthält beispielsweise einen dynamischen Kompressor 101 zum Verdichten des Gases, einen Turbinenantrieb 102 mit einem Dampf verteilungssystem 103, sowie eine den Kompressor 101 mit einem Verbraucher 160 von Druckgas verbindende Rohrleitung 104. Die Rohrleitung 104 wird von zwei Ablaßventilen 105 und 106 versorgt.

Das in Fig. 1 dargestellte Kontrollsystem ist ein eine Vielzahl von Schleifen aufweisendes System unter Verwendung einer Kaskadensteuerung. Die erste Schleife 107 dieses Systems dient der Steuerung des Dampf verteiler-Systems 103. Die Schleife 107 weist eine Positions-Steuervorrichtung 108, eine Betätigungsvorrichtung 109» eine Vergleichseinrichtung 110 sowie einen Positionsübertrager 111 auf.

Der Positionsübertrager 111 mißt die Position der Beätigungsvorrichtung 109 und gibt sein Ausgangssignal an die Vergleichseinrichtung 110 ab. Die Vergleichseinrichtung 110 vergleicht die derzeitige Position der Betätigungseinrichtung mit einem SoIl-

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wert und sendet das Differenzsignal an die Steuervorrichtung 108 als Eingangssignal.

Entsprechend Fig. 2, wobei die in Fig. 2 dargestellten in Klam mern angegebenen Zahlen den in Fig. 1 veranschaulichten Elemen ten entsprechen, wird die Übertragungsfunktion der Betätigungs vorrichtung 109 durch folgende Formel ausgedrückt:

^Gac <^s> =

^ac Ts + 1

= die Zeitkonstante der -Betätigungsvorrichtung 109 ist.

Die Betätigungsvorrichtung 109 ist eine bekannte aperiodische Komponente. Zur Kompensierung der Zeitkonstante T,, wird die

ι , a

Übertragungsfunktion der Kontrollvorrichtung 108 entsprechend Formel (7) ausgewählt:

T^ s + 1
(s) = 1*5 (18)

In Formel (18) und den nachfolgenden Darstellungen werden die kleinen Zeitkonstanten, welche keiner Kompensierung unterliegen, mit dem tiefstehenden Index „_o„ versehen. Demgemäß kann die Übertragungsfunktion der gesamten Kontrollschleife 107 des DampfVerteilungssystems 103 in folgende Formel übersetzt werden:

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Die übrigen Kontrollelemente des Kontroll-Systems (die Ablaßventile 105 und 106) weisen analoge Kontrollschleifen auf. Die Übertragungsfunktion jedes der Kontrollelemente 105und 106 hat demgemäß folgende Formel:

G^ _r1 (s) = 3 (20)

^l>cl T .s + 1
o1

Die nachfolgende Kontrollschleife des in Fig. 1 dargestellten Kontrollsystems ist die Schleife 115 zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit. Diese Schleife 115 entwickelt den Sollwert für die Schleife 107 und weist einen Geschwindigkeitsübertrager 112, eine Geschwindigkeits-Kontrollvorrichtung 113 und eine Vergleichseinrichtung 114 auf.

Entsprechend Fig. 2 wird die Übertragungsfunktion des kontrollierten Gegenstands mit der Turbine 102, dem Kompressor 101, der Rohrleitung 104 und der Kontrollschleife 107 des Dampfverteilungssystems 103 durch folgende Gleichung ausgedrückt:

(Rs+1) k-

Q_{0 cA} (s) = ! , (21)

^'^sa /"(Rs+1) (Ts+1) +k₂k₅7 (T₀ ^+1)

R = die Zeitkonstante des Fördernetzes, T = die Zeitkonstante der Rotoren der Turbine und des Kompressors,

Τ_Λ λ = die Zeitkonstante der Schleife 107, und ο, ι

k = der konstante Koeffizient ist.

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Entsprechend wird die Übertragungfunktion der Geschwindigkeitskontrollvorrichtung 113 derart gewählt, daß die Zeitkonstanten R und T wie folgt kompensiert werden:

(Rs+1) (Ts+1) + k₂k^

Q. — "" (22)

2, sp.c . - ^v ^J

Sodann läßt sich die Übertragungsfunktion der gesamten geschlossenen Schleife 115 der Rotationsgeschwindigkeit in folgende Formel übersetzen:

Die Kontrollschleife 115 der Rotationsgeschwindigkeit erhält ihren Sollwert entweder von Kontrollschleife 118 oder 119, welche sich mit Bezug auf die Geschv/indigkeitsschleife 115 unmittelbar außerhalb befindet, vermittels der Verteilungsvorrichtungen 116 und 117. Die Kontrollschleife 118 soll den Förderdruck und die Kontrollschleife 119 den mindest-zulässigen Durchsatz durch den Kompressor 101 kontrollieren.

Die Verteilervorrichtung 116 weist zwei Kanäle 120 und 121 auf. Der Kanal 120 ist ein Sättigungselement. Der Kanal 121 ist ein Relais-Element. Der Kanal 120 begrenzt den Sollwert für die Geschwindigkeits-Kontrollschleife 115 und schützt auf diese Weise die Einrichtung gegen eine gefährliche Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors 101. Der Relais-Kanal 121 ist derart eingestellt, daß sein Ausgangssignal bei Beginn der Sättigung des Ausgangssignals des Kanals 120 erscheint. Dieser

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Kanal 121 der Verteilervorrichtung 116 kontrolliert den Schalter 122. Die Verteilervorrichtung 116 verbindet vermittels des Schalters 121 das Ausgangssignal der Druckschleife 118 nur solange mit der Geschwindigkeitsschleife 115, bis das Ausgangssignal des Kanals 120 den Sättigungswert erreicht. Danach verbindet die Verteilervorrichtung 116 vermittels des Kanals 121 und des Schalters 122 das Ausgangssignal der Druckschleife 118 auch mit der Kontrollschleife 150 des Ablaßventils 106. Folglich wird die Leistung des Kompressors 101 während einer Steigerung des Netzwiderstandes der Kompressorförderung auf einem konstanten Niveau gehalten.

Die Konstruktion der Verteilervorrichtung 117 und der Schleife 119 für den mindest-zulässigen Durchsatz kann unterschiedlich sein. Betrachten wir daher die beiden verschiedenen Konstruktionsarten:

Entsprechend der ersten Bauart nach Fig. 1 weist die Verteilereinrichtung 117 ein Relais-Element 123 und einen Schalter 124 auf. Das Relais-Element 123 kontrolliert den Schalter 124 aufgrund eines Signals entsprechend der Differenz zwischen der derzeitigen und mindest-zulässigen Größe des Strömungsdifferentials in der Saugleitung. Dieses Signal ist proportional der genannten Differenz und stammt von der Vergleichseinrichtung 128.

Der Schalter 124 verbindet den Eingang der Verteilervorrichtung 116 mit der Druckschleife 118, bis das Strömungsdifferential in der Saugleitung unter den mindest-zulässigen Wert unter dem herr-

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sehenden Druck abfällt. Danach verbindet sich der Eingang der Vorrichtung 116 mit einer Schleife für mindest-zulässigen Durchsatz 119t während sich der Ausgang der Druckschleife 118 mit einer Schleife 149 zur Steuerung des Ablaßventils 105 verbindet.

In diesem Fall wird der Kompressor 101 gegen Überspannung durch erhöhte Rotationsgeschwindigkeit geschützt und wird der Massendurchsatz von an den Verbraucher gehendem Gas durch Ablassen des Druckgases an die Atmosphäre oder durch Rückführen eines Teils des Druckgases in die Saugleitung auf dem erforderlichen Pegel gehalten.

Die Kontrollschleife für mindest-zulässigen Durchsatz 119 weist entsprechend der ersten Bauart einen Messwertwandler 125 zum Abtasten der Druckdifferenz hinter und vor dem Kompressor auf; ferner enthält sie eine Vorrichtung 126 zur Einstellung des Sollwertes von Hand, einen Multiplikator 127» eine Vergleichseinrichtung 128, eine Kontrollvorrichtung für mindest-zulässigen Durchsatz durch den Kompressor 129 sowie einen Messwertwandler 130 zur Messung des Strömungsdifferentials in der Saugleitung.

Entsprechend der Gleichung (1) läßt sich der Wert des mindestzulässigen Durchsatzes durch den Kompressor vermittels des Multiplikators 127 errechnen, welcher Signale vom Wandler 125 empfängt, wobei derartige Signale den Änderungen in der Differenz der Drücke hinter und vor dem Kompressor entsprechen.

Der Multiplikator 127 und der Wandler 130 senden ihre Ausgangssignale an die Vergleichs einrichtung 128. Die Vergleichs ein-

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^Λ Γ <} ■ ■' 9 H

richtung 128 entwickelt ein Ausgangssignal für die den Mindestdurchsatz kontrollierende Vorrichtung 129 und für das Relais-Element 123. Entsprechend Fig. 2 hat die Übertragungsfunktion des kontrollierten Gegenstands in Bezug auf die in Frage stehende Schleife folgende Formel:

f r =

(Rs+1) Zt₀ _os (Τ .s+1) + 17

(24)

Demgemäß wild, die Übertragungsfunktion der Kontrollvorrichtung 129 zur Steuerung des Mindestdurchsatzes zur Kompensierung der Zeitkonstante R wie folgt gewählt:

SSiU (25)

V^k3^b2

o, 2

In diesem Fall läßt sich die Übertragungsfunktion der gesamten geschlossenen Schleife für den Mindestdurchsatz einfach in folgende Gleichung übersetzen:

(26)

^T3,o^s ^o,2 ^{s (T}o,1 s + 1) + 17

Die Kontrollschleife 119 begrenzt die Herabsetzung des Durchsatzes durch den Kompressor, je nach den Bedingungen eines Schutzes gegen Wanderwellen. Normalerweise sollte diese Schleife

ORIQfNAL INSPECTED 60983 W0335

parallel zur Druckschleife 118 arbeiten. Die beiden Schleifen

118 und 119 ergänzen einander gegenseitig, wodurch die Verläßlichkeit des Schutzes des Kompressors gegen Überspannung "erhöht wird.

Während einer Erhöhung des Widerstands des Fördernetzes schützt die Schleife 119 für den Mindestdurchsatz den Kompressor durch Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit, während die Druckschleife 118 ihn durch Ablassen eines Teils des Druckgases an die Atmosphäre schützt.

Das wesentliche und kennzeichnende Merkmal des oben beschriebenen Verfahrens der Schutzkontrolle besteht darin, daß dieses Verfahren den Kompressor gegen Überspannung selbst dann schützt, wenn ein Ablassen oder Rückführen des Druckgases nicht erfolgt.

Die zweite Bauart der Verteilervorrichtung 117 und der Schleife

119 läßt sich vorteilhaft in dem Fall verwenden, wenn die Gas-Dynamik-Kennlinie des dynamischen Kompressors eine zu geringe Steigung aufweist.

Entsprechend dieser in Fig. 3 dargestellten Version mißt ein Wandler 131 den Druck in der Förderleitung des Kompressors, während ein Wandler 132 das spezifische Gewicht des Gases in der Saugleitung des Kompressors mißt; ein Kalkulator 133 entwikkelt aufgrund des mindest-zulässigen Wertes der Rotationsgeschwindigkeit den Sollwert für die Geschwindigkeitsschleife 115. In diesem besonderen Fall wird die mindest-zulässige Rotationsgeschwindigkeit entsprechend den Bedingungen zum Schutz gegen Überspannung als Funktion des Förderdrucks und des spezi-

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fischen Gewichts des Gases in der Saugleitung des Kompressors errechnet (vgl. Formel 3).

Die in Fig. 3 dargestellte Verteilervorrichtung 117 weisijeine Vergleichseinrichtung 134 und einen Schalter 135 auf. Die Vergleichs einrichtung 134 empfängt Signale von dem Wandler 112 sowie von dem Kalkulator 133, wobei diese Signale den derzeitigen und den mindest-zulässigen Werten der Rotationsgeschwindigkeit entsprechen, vergleicht diese Werte und, je nach dem Ergebnis des Vergleichs, steuert den Schalter 134 durch ein Relais 151.

Der Schalter 134 verbindet unter normalen Bedingungen (d.h., wenn die Rotationsgeschwindigkeit das von den Voraussetzungen für einen Schutz gegen Überspannung definierte Mindest-Niveau überschreitet) das Ausgangssignal der Druckschleife 118 lediglich mit dem Eingang der Geschwindigkeitsschleife 115. Sobald die Rotationsgeschwindigkeit jedoch ihr mindest-zulässiges Niveau erreicht, verbindet sich der Eingang der Schleife 115 sofort mit dem Ausgangssignal der Schleife 119 und verbindet sich gleichzeitig das Ausgangssignal der Druckschleife 118 mit dem Ablaßventil 105 (Fig. 1). Der Hauptvorteil der zuletzt beschriebenen Version ist ihre Einfachheit.

Wie in Fig. 1 dargestellt» enthält die Druckschleife 118 einen Druckwandler 136_? eine Vergleichseinrichtung 137 sowie eine Druck-Kontrollvorrichtung 138, die aus zwei Kanälen 139 und besteht, von denen *eaer entsprechend einer vorbestimmten Über-

='■"-."' -iiT·--^ rsf- f iV.-ssr»·»—*--*"" π"" "" -- •:-^r?r---.-"-'--''^ fv7 Λ-ν,-ιΐϊβ + βΠ+· ί"7πΊ Τ?·ϊ ο· 9^

17

(27)

Entsprechend hat die Übertragungsfunktion der Druck-Kontrollvorrichtung. 138 folgende Formel:

G4 ρ ο (s) = -^-^ (28)

4 ρ ο

o,4

Sodann läßt sich die Übertragungsfunktion der gesamten geschlossenen Druckschleife 118 in folgende Formel übersetzen:

g1_c1(s) = J - — (29)

^To,4^s ^ ( ) ΐ7 1

Ein Kanal 140 der Schleife 118 ist mit beiden Ablaßventilen 105 und 106 verbunden und wird entsprechend folgender Übertragungsfunktion eingestellt:

ΛΛ . .. (TS+1) k_Z

_B) = \ (30)

Zfas+1) (Ts+1) +k₂k^7 (T_0>1s + 1)

Entsprechend läßt sich die Übertragungsfunktion der Druck-Kontrollvorrichtung 138 und der gesamten geschlossenen Druckschleife 118 in einfacher Weise in folgende Formeln übersetzen:

_ΛΛ (Rs + 1) (Ts + 1) + k₂k.

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g1¹--,(s) = J (32)

^T4,p.cl'

^To,4^s

Eine Schleife 141 für den Massendurchsatz (Fig. 1) enthält einen Messwertwandler 142 für das Ströraungsdifferential in der Förderleitung, einen Wandler 143 zur Messung des spezifischen Gewichts des Gases in der Förderleitung, einen Kalkulator 144 zur Begrenzung des Massendurchsatzes, einen Sollwert-Mechanismus 145, eine Kontrollvorrichtung 146 zur Kontrolle des Massendurchsatzes sowie einen Verteiler 152 mit zwei Kanälen 147 und 148.

Der Messwertwandler 142 mißt die Strömungsdifferenz in dem Te±l der Rohrleitung 104, der zwischen den beiden Ablaßventilen 105 und 106 liegt, Die Kontrollvorrichtung 146, welche die Signale entsprechend der Differenz zwischen dem Sollwert und dem tatsächlichen Massendurchsatz empfängt, hält den Durchsatz an den Verbraucher auf einem konstanten Niveau, selbst wenn das Ablaßventil geöffnet ist.

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Der Kanal 147 des Verteilers/ist ein Sättigungselement,welches den Sollwert für die Druckschleife 118 entwickelt. Der zweite Kanal 148 des Verteilers 152 ist ein nicht-lineares Element mit einer Totzone. Dieses Element 148 ist derart eingestellt, daß sein Ausgangssignal gleichzeitig mit der Sättigung des Ausgangssignals des Kanals 147 erscheint. Der Kanal 148 verbindet die Kontrollvorrichtung 146 des Massendurchsatzes mit der Schleife 150 zur Steuerung"des Ablaßventils 106.

Entsprechend vorstehend beschriebenem Schema kann ein erhöhter Widerstand der Netzförderung nicht zur Herabsetzung des Gasdurchsatzes durch den Kompressor führen. Wenn der Förderdruck

seinen maximal zulässigen, durch die Einstellung des Kanals begrenzten Pegel erreicht, schaltet das Signal der Kontrollvorrichtung 146 auf Steuerung des Ablaßventils 106. Bei einer weiteren Erhöhung des Widerstands der Netzförderung wird der Durchsatz durch den Kompressor 101 immer noch auf dem Niveau gehalten, welches bei der Schaltung des Ausgangssignals der Kontrollvorrichtung 146 vom Kanal 147 auf den Kanal 148 vorhanden war.

Der Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Systems läßt sich durch folgende Beispiele veranschaulichen (vgl. Fig. 4):

Es sei angenommen, daß die Kennlinie des Fördernetzes anfangs durch die Kurve OM begrenzt wird und der dynamische Kompressor bei Punkt A arbeitet. Aufgrund der Erhöhung des Widerstands der Netzförderung ändert die Kennlinie der Netzförderung sodann ihre Position und nimmt die Form ON an.

Unter diesen Umständen ist der Kompressor sofort bestrebt, den Durchsatz herabzusetzen. Die Kontrollschleife 141, welche über die den Massendurchsatz kontrollierende Vorrichtung und den Kanal 147 des Verteilers 152 wirkt, steigert jedoch den Sollwert auf die Druckschleife 118. Demgemäß beginnt die Druckschleife 118 über ihren Kanal 139 und die Verteiler 116 und den Sollwert für die Geschwindigkeitsschleife 115 zu erhöhen.

Mit diesem neuen Sollwert erhöht die Geschwindigkeits-Kontrollvorrichtung 113, welche auf das DampfVerteilersystem 103 wirkt, die Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors 101, bis der erforderliche Wert des Massendurchsatzes zum Verbraucher unter dem neuen Widerstand der Netzförderung auf Kurve ON in Fig. 4 wieder hergestellt ist»

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Wenn sich der Netzwiderstand weiterhin erhöht und die Kennlinie des Netzes die Form der Kurve OL annimmt, ändert sich die Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors 101 vermittels der Kontrollschleifen 115, 118 und 141, bis die Kontroll-Linie AD der den Massendurchsatz steuernden Kontrollvorrichtung 146 die Kontrolllinie AD¹des mindest-zulässigen Durchsatzes schneidet. Zu diesem Zeitpunkt verbindet die Verteilervorrichtung 117 über den Schalter 124 gleichzeitig das Ausgangssignal der Kontrollschleife 119 mit der Geschwindigkeitsschleife 115 und schaltet das Ausgangssignal der Druckschleife 118 vom Eingang der Geschwindigkeitsschleife auf den Eingang der kontrollierten Schleife 149 des Ablaßventils 105.

Wenn der Widerstand des Fördernetzes danach immer noch ansteigt, (und die Kennlinie des Fördernetzes die Position OK, Fig. 4 annimmt), dann beginnt die Kontrollschleife 119 des mindestzulässigen Durchsatzes entsprechend der Gleichung (1) den Durchsatz durch den Kompressor 101 durch Steigerung seiner Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Gleichzeitig beginnt die Schleife 141 des Massendurchsatzes unter Aufrechterhaltung degffconstanten Massendurchsatzes an den Verbraucher 160 vermittels der Kontrollschleifen 118 und 149 das Ablaßventil 105 zu öffnen. Eine Sprungcharakteristik bleibt solange bestehen, bis der Durchsatz zum Verbaucher 160 das erforderliche Niveau (Punkt C) erreicht und die Betriebsbedingungen des Kompressors sich, demgemäß zu Punkt C'bewegt.

Sollte das Ablaßventil 105 jedoch aus bestimmten Gründen nicht öffnen, bewegt sich der Betriebspunkt des Kompressors nicht auf Punkt C¹, sondern auf Punkt C¹¹ zu. Wie sich aus Fig. 4 ergibt,

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wird in diesem Falle der Kompressor ebenfalls gegen Überspannung aufgrund erhöhter Rotationsgeschwindigkeit geschützt.

Es sei angenommen, daß sich der Widerstand der Netzförderung weiter erhöht. In dem Fall erhöht das Kontroll-System, welches gleichzeitig den Massendurchsatz zum Verbraucher und den Mindestdurchsatz durch den Kompressor steuert, den Förderdruck solange, bis das Ausgangssignal des Kanals 147 der Druckschleife 118 die Sättigungszone erreicht. Von diesem Augenblick an erscheint das Ausgangssignal des Kanals 148 auf dem Ausgang der Schleife

141. Dies auf die Schleife 150 einwirkende Signal vom Kanal 148 beginnt, das Ablaßventil 106 .zu öffnen, um einen konstanten Durchsatz durch den Kompressor aufrechtzuerhalten. In diesem Fall entspricht die Betriebsbedingung des Kompressors 101 dem Punkt D¹ (Fig. 4), da nur dieser Punkt gleichzeitig die Gleichungen der Kontroll-Linien beider Kontrollschleifen 141 und 119 erfüllt.

Unter Bezugnahme auf ein weiteres Beispiel sei angenommen, daß der dynamische Kompressor 101 anfangs in einem Punkt Z arbeitet und der Widerstand der Netzförderung sich erhöht. In diesem Fall wirkt die Kontrollschleife 141 des Massendurchsatzes auf die Schleife 118. Die Schleife 118 wirkt ihrerseits vermittels der Verteiler-Mechanismen 116 und 117 auf die Schleife 115. Die Schleife 115 wirkt ihrerseits auf die Schleife 107, welche durch Öffnen der Dampf ventile der Turbine 103 die Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors 101 erhöht.

Die Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors 101 erhöht sich, bis das Ausgangssignal des Kanals 120 der Verteilereinrichtung 116 die Sättigungszone erreicht, In diesem Augenblick erscheint

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das Ausgangssignal des Relais 121 auf dem Ausgang der Verteilervorrichtung 116 und der von dem Relais 121 gesteuerte Schalter 122 verbindet das Ausgangssignal der Druckschleife 118 auch mit der Schleife 150, um das Ablaßventil 106 zu steuern. Von diesem Augenblick an verbleibt der Betriebspunkt des Kompressors 101 auf dem Punkt ¥, da nur dieser Punkt gleichzeitig den Kontroilinien beider Kontrollschleifen 141 und 115 entspricht.

V/eitere Änderungen und Modifizierungen der vorliegenden Erfindung sind im Lichte vorstehender Lehren möglich, ohne vom Sinn und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich daher, daß die Erfindung im Rahmen der beiliegenden Ansprüche auch in anderer als der speziell beschriebenen Form ausgeführt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Steuerung eines Systems mit einem dynamischen Kompressor, der eine Saug- und Förderleitung, einen Turbinenantrieb für den Kompressor, ein Kontrollelement zur Änderung des Drehmoments der Turbine, eine die Förderleitung des Kompressors mit einem Gasverbraucher verbindenden Rohrleitung, eine Vorrichtung zur Messung des in die Rohrleitung installierten Förder-Strömungsdifferentials, eine Vorrichtung zur Messung des stromaufwärts der Saugleitung des Kompressors installierten Saugströmungsdifferentials und eine erste und zweite mit der Rohrleitung verbundene Vorrichtung zum Ablassen des Strömungsmittels aufweist, wobei die erste Vorrichtung zur Ablassung des Strömungsmittels vor und die zweite hinter der Messvorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das System von einer Kaskadenschaltung mit folgenden Parametern gesteuert wird: einem Massendurchsatz zum Verbraucher, einem Förderdruck, einem Mindestausstoß des Kompressors, einer Rotationsgeschwindigkeit und den Positionen des Hauptsteuerelements der Turbine und der beiden Vorrichtungen zum Ablassen des Strömungsmittels; daß jeder der Parameter von einer gesonderten Kontrollschleife mit eigener Kontrollvorrichtung gesteuert wird; daß die Kontrollschleifen in die erforderlichen Kontrollkreise geschaltet werden, je nach dem Druck und der Temperatur in der Saugleitung und dem Druck in der Zuleitung des Kompressors, wobei jeder Kontrollkreis ein spezielles Kontrollelement steuert; daß zwei oder mehr Kontrollschleifen in den Kontrollkreisen gekoppelt werden, je nach den Außenbedingungen derart, daß die die Massendurchsatzrate steuernde Schleife die Sollwerte nur für die Druckkontrollschleife

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und für die Schleife entwickelt, welche die Position der zweiten Vorrichtung zum Ablassen des Strömungsmittels steuert; daß die Druckkontrollschleife den Sollwert nur für die Geschwindigkeitsschleife und für diejenigen beiden Schleifen entwickelt, welche die Positionen der ersten und zweiten Vorrichtungen zum Ablassen des Strömungsmittels kontrollieren; daß die Schleife, die den Mindestauslaß kontrolliert, den Sollwert nur für die Geschwindigkeitskontrollschleife und die Geschwindigkeitskontrollschleife den Sollwert nur für die Schleife entwickelt, welche die Position des Hauptsteuerelements der Turbine steuert; daß der Einfluss der Trägheit der Rotoren von Turbine und Kompressor und der Trägheit des Volumens des Fördernetzes innerhalb des offenen Kontrollgeschwindigkeitskreises kompensiert wird, einschließlich der Kontrollschleife zur Steuerung der Position des Haupt-Turbinenkontroll-Elements, wobei das Kontroll-Element beide Rotoren und das Volumen kontrolliert und wobei der Geschwindigkeitskreis entsprechend eine Komponente mit zwei großen Zeitkonstanten darstellt; daß die Übertragungsfunktion der die Geschwindigkeit kontrollierenden Vorrichtung derart ausgewählt wird, daß der offene Geschwindigkeitskreis gegen die geschlossene Geschwindigkeitskontrollschleife mit einer kleinen Zeitkonstante ausgetauscht wird; daß die geschlossene Geschwindigkeitskontrollschleife den offenen Geschwindigkeitskreis, eine Geschwindigkeitskontrollvorrichtung und eine negative Geschwindigkeitsrückkopplung enthält; daß der Einfluss des Fördernetzvolumens innerhalb des offenen Kontrollkreises der Mindestleistung des Kompressors kompensiert wird, wobei der pffene Kontrollkreis die Rotoren

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der Turbine und des Kompressors, das Volumen des Fördernetzes und die geschlossene Geschwindigkeitskontrollschiß ife enthält; daß der offene Kontrollkreis der Ausgangsleistung des Kompressors eine Komponente mit einer großen Zeitkonstante ist; daß die Übertragungsfunktion einer-Vorrichtung zur Kontrolle des Strömungsdifferentialsteuerelementes in der Saugleitung derart gewählt wird, daß der offene Kreis des Mindestausstoßes des Kompressors gegen eine geschlossene Kontrollschleife für die Mindestabgabe mit einer kleinen Zeitkonstante ausgetauscht wird, wobei die geschlossene Schleife für die Mindestabgabe die offenen Kreise der Mindestabgabe des Kompressors, die Vorrichtung zur Kontrolle des Strömungsdifferentialsteuerelements in der Saugleitung, sowie eine negative Rückkopplung der Vorrichtung zur Kontrolle des Strömungsdifferentialsteuerelements in der Saugleitung enthält;

daß der Einfluß des Fördernetzvolumens innerhalb des offenen Kontrollkreises für den Förderdruck kompensiert wird, wobei der offene Kontrollkreis für den Förderdruck die Rotoren der Turbine und des Kompressors, das Fördernetzvolumen und die geschlossene Geschwindigkeitskontrollschleife enthält und wobei der offene Kontrollkreis für den Förderdruck eine Komponente mit einer großen Zeitkonstante ist; daß die Übertragungsfunktion einer den Förderdruck kontrollierenden Vorrichtung derart gewählt wird, daß der offene Kreis für den Förderdruck gegen eine geschlossene den Druck kontrollierende Schleife mit einer kleinen Zeitkonstante ausgetauscht wird, wobei die Druckkontrollschleife den offenen Kreis für den Förderdruck, die den Förderdruck kontrollierende Vorrichtung und die negative Rückkopplung des Förderdrucks enthält;

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daß der Einfluss der Trägheit der Rotoren der Turbine und des Kompressors und das Volumen des Fördernetzes innerhalb des offenen Kontrollkreise.s für den Förderdruck kompensiert werden, wobei der offene Kontrollkreis für den Förderdruck die Rotoren der Turbine und des Kompressors, das Fördernetzvolumen und die erste Vorrichtung zum Ablassen des Strömungsmittels enthält und wobei der offene Kontrollkreis für den Förderdruck eine Komponente mit zwei großen Zeitkonstanten ist; daß die Übertragungsfunktion der den Förderdruck kontrollierenden Vorrichtung derart ausgewählt wird, daß der offene Kontrollkreis für den Förderdruck gegen eine geschlossene Kontrollschleife für den Förderdruck ausgetauscht wird, wobei die geschlossene Kontrollschleife für den Förderdruck den offenen Kontrollkreis für den Förderdruck, die Druck-Kontrollvorrichtung sowie eine negative Rückkopplung des Förderdrucks enthält;

daß die Rotationsgeschwindigkeit durch Saturierung des Sollwertes für die Geschwindigkeitskontrollschleife begrenzt wird, wobei nach Saturierung des Sollwertes für die Geschwindigkeitskontrollschleife die Kompressorleistung unter weiterer Steigerung des Widerstands der Netzförderung durch Ablassen von Druckgas aus der Rohrleitung stromabwärts der Austragsmessvorrichtung unter Verwendung der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von,Strömungsmittel auf einem konstanten Pegel gehalten wird;

daß der Förderdruck durch Saturierung des Sollwertes für die Förderdruck-Kontrollschleife begrenzt wird, wobei nach Saturierung des Sollwertes für die Förderdruck-Kontrollschleife unter weiterer Steigerung des Widerstands des Fördernetzes die Kompressorleistung durch Ablassen von Druckgas

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aus der Rohrleitung stromabwärts der Messvorrichtung unter Verwendung der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel auf einem konstanten Wert gehalten wird; daß die Mindestabgabe des Kompressors begrenzt wird, um den Kompressor gegen eine Annäherung an die Pumpgrenze durch Änderung-der Rotationsgeschwindigkeit zu schützen, so daß ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen dem Druckdifferential entlang des Kompressors und dem Strömungsdifferential in der Saugleitung aufrecht erhalten wird; daß ein konstanter Massendurchsatz an den Verbraucher unter Änderung der Rotationsgeschwindigkeit und Begrenzung der Mindestausgangsleistung des Kompressors durch Ablassen von überschüssigem Druckgas aus der Förderleitung des Kompressors unter Verwendung der ersten Ablassvorrichtung aufrecht erhalten wird.
2. Kontrollvorrichtung zur Steuerung des Betriebs eines kontrollierten Gegenstandes mit einem dynamischen Kompressor, einem Turbinenantrieb des Kompressors, der ein Kontrollelement zur Änderung des Drehmoments der Turbine, eine den Kompressor mit einem Verbraucher von Gas verbindende Rohrleitung, eine in die Rohrleitung installierte Vorrichtung zur Messung des Strömungsdifferentials in der Förderleitung, eine stromaufwärts von der Saugleitung des Kompressors installierte Vorrichtung zur Messung des Strömungsdifferentials in der Saugleitung und erste und zweite Vorrichtungen zum Ablassen von Strömungsmittel zur Abgabe von Druckgas aus dieser Rohrleitung stromabwärts der Vorrichtung zur Messung des Strömungsdifferentials in der Förderleitung aufweist, wobei die erste Vorrichtung zum

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Ablassen von Strömungsmittel mit der Rohrleitung varund die zweite Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel hinter der Vorrichtung zum Messen des Strömungsdifferentials in der Förderleitung verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Kontrollschleife zur Steuerung der Position des Turbinenkontroll-Elements, wobei die Kontrollschleife eine Betätigungsvorrichtung für das Turbinenkontroll-Element, einen Messwertwandler zur Anzeige der Position des Turbinenkontrollelements, Mittel zur Erzeugung eines auf eine Differenz zwischen der tatsächlichen und erforderlichen Position des Turbinen-Kontroll-Elements ansprechenden Signals sowie eine Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung für die Position des Turbinen-Kontroll-Elements aufweist und wobei die Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung direkt mit der Betätigungsvorrichtung verbunden ist und die Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung und die Betätigungsvorrichtung zusammen eine negative Rückkopplung aufweisen, welche den Positionswandler aufweist; eine Geschwindigkeitskontroll-Schleife zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors, wobei die Geschwindigkeitskontrollschleife den Soliwert für die Positionsschleife des Turbinenkontrollelements entwickelt; und wobei die Geschwindigkeitskontrollschleife einen Geschwindigkeitswandler, Mittel zur Erzeugung eines auf die Differenz zwischen der tatsächlichen und der erforderlichen Geschwindigkeit ansprechenden Signals und eine Geschwindigkeitskontrollvorrichtung mit einer Übertragungsfunktion aufweist, welche die Summe der Übertragungsfunktion einer Proportional-Plus-Integral-Komponente und des Produkts der Übertragungsfunktionen einer Integral-Komponente und einer aperiodischen Komponente darstellt, während die

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Geschwindigkeitskontrollvorrichtung direkt mit dem kontrollierten Objekt verbunden i._s^, -«obei das kontrollierte Objekt die Positionsschleife des Turbinenkontrollelements, das Kontroiielement selbst und die Turbine enthält, das Ausgangssignal des kontrollierten Gegenstandes der Rotationsgeschwindigkeit entspricht und die Geschwindigkeitskontrollvorrichtung und der hierzu in Beziehung stehende Gegenstand zusammen eine negative Rückkopplung aufweisen, welche den Geschwindigkeitswandler aufweist;

eine Kontrollschleife zur Steuerung der Position der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, welche stromaufwärts der Vorrichtung zur Messung des Strömungsdifferentials in der Förderleitung mit der Rohrleitung verbunden ist, wobei die Positionskontrollschleife folgende Elemente aufweist:

eine Betätigung für die erste Einrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, einen Messwertwandler zur Anzeige der Position dieser ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Signals, welches auf eine Differenz zwischen der tatsächlichen und der erforderlichen Position der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel anspricht, und eine Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung zur Steuerung der Position der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, wobei diese Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung direkt mit der Betätigungsvorrichtung der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel verbunden ist und diese Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung und die Betätigungsvorrichtung zusammen eine negative Rückkopplung aufweisen, welche den Positionsgeber der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel enthält;

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eine Kontrollschleife zur Steuerung der Position der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, welche mit der Rohrleitung stromab der Vorrichtung zur Messung des Strömungsdifferentials in der Austragsieitung verbunden ist, wobei die Positionskontrollschleife folgende Elemente aufweist:

eine Betätigungsvorrichtung für die zweite Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, einen Messwertwandler zur Anzeige der Position der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, Mittel zur Erzeugung eines Signals, das auf eine Differenz zwischen der tatsächlichen und der erforderlichen Position der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel anspricht und eine Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung zur Steuerung der Position dieser zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, wobei die Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung direkt mit der Betätigungsvorrichtung der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel verbunden ist und die Proportional-Plus-Integral-Kontrollvorrichtung und die Betätigungsvorrichtung zusammen eine negative Rückkopplung aufweisen, welche den Positionsgeber der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel enthält; eine Kontrollschleife für die Mindestabgabe des Kompressors, wobei diese Kontrollschleife für Mindestabgabe die Mindestströmungsdifferenz in der Saugleitung entsprechend den Bedingungen zum Schutz gegen Überspannung begrenzt und die Kontrollschleife für Mindestabgabe ebenfalls den Sollwert für die Geschwindigkeitsschleife entwickelt, wobei die Kontrollschleife für Mindestabgabe folgende Elemente aufweist! einen Sender, welcher ein Signal entsprechend dem Druckdifferential am Kompressor aussendet, Mittel zur Multipli-

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zierung des Druckdifferential-Signals mit einem konstanten Koeffizienten, wodurch ein Signal entsprechend dem erforderlichen MindeststrÖmungsdifferential in der Saugleitung erzeugt wird, Mittel zur Messung des Strömungsdifferentials in der Saugleitung, Mittel zur Erzeugung eines Signals, das auf eine Differenz zwischen dem tatsächlichen und erforderlichen Strömungsdifferential in der Saugleitung anspricht, sowie eine Kontrollvorrichtung zur Kontrollierung des Mindest-Strömungsdifferentials, wobei die Übertragungsfunktion der das Mindestströmungsdifferential kontrollierenden Vorrichtung das Produkt einer Übertragungsfunktion einer Proportional-Plus-Integral-Komponente und einer Übertragungsfunktion einer aperiodischen Komponente ist, die das Mindestströmungsdifferential kontrollierende Vorrichtung mit einem kontrollierten Gegenstand verbunden ist, wobei der kontrollierte Gegenstand die geschlossene Geschwindigkeitskontrollschleife mit dem entsprechenden kontra liierten Gegenstand und dem Kompressor aufweist, das Ausgangssignal der Mindestabgabe-Kontrollschleife dem Strömungsdifferential in der Saugleitung entspricht und die das Mindest-Strömungsdifferential kontrollierende Vorrichtung und der auf sie bezogene kontrollierte Gegenstand zusammen eine negative Rückkopplung aufweisen, welche einen Wandler zur Messung des Strömungsdifferentials in der Saugleitung enthält; eine Druck-Kontrollschleife zur Begrenzung des Förderdrucks und zur Entwicklung der Sollwerte für die Geschwindigkeitskontrollschleife sowie für die Kontrollschleifen zur Steuerung der Positionen der ersten und zweiten Vorrichtungen zum Ablassen von Strömungsmittel, wobei die Druck-Kontrollschleife einen Wandler für den Förderdruck, Mittel zur Erzeugung eines auf die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem erforder-

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lichen Förderdruck ansprechenden Signals sowie eine Druckkontrollvorrichtung enthält und die Druck-Kontrollvorrichtung zwei Kanäle mit einem gemeinsamen Einlass aufweist, wobei der erste Kanal den Sollwert für die Geschwindigkeitskontrollschleife und der zweite Kanal den Sollwert für die die Positionen der ersten und zweiten Vorrichtungen zum Ablassen von Strömungsmittel steuernden Schleifen entwickelt, der erste Kanal eine Proportional-Plus-Integral-Komponente und mit einem gesteuerten Gegenstand verbunden ist, wobei der letzte gesteuerte Gegenstand die Geschwindigkeitskontrollschleife mit ihrem jeweiligen kontrollierten Gegenstand und dem Kompressor enthält, wobei das Ausgangssignal des kontrollierten Gegenstandes des ersten Kanals der Druckschleife dem Förderdruck entspricht und der erste Kanal der Druck-Kontrollvorrichtung und des auf diese bezogenen kontrollierten Gegenstands zusammen eine negative Rückkopplung aufweisen, welche einen Förderdruckwandler enthält, wobei die Übertragungsfunktion des zweiten Kanals die Summe der Übertragungsfunktion einer Proportional-Plus-Integral-Komponente und des Produkts der Übertragungsfunktion einer Integral-Komponente und einer aperiodischen Komponente darstellt, der zweite Kanal mit ersten und zweiten kontrollierten Gegenständen verbunden ist, v/obei der erste auf den zweiten Kanal bezogene kontrollierte Gegenstand die Kontrollschleife für die Positionierung der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, das erste Mittel zum Ablassen von Strömungsmittel selbst und das Fördernetz aufweist, während der zweite auf den zweiten Kanal bezogene kontrollierte Gegenstand die Kontrollschleife für die Positionierung der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, das zweite Mittel zum

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Ablassen von Strömungsmittel selbst sowie das Fördernetz enthält, wobei für jeden der beiden kontrollierten Gegenstände das Ausgangssignal des jeweiligen kontrollierten Gegenstands des zweiten Kanals dem Förderdruck entspricht und der zweite Kanal und jeder der beiden kontrollierten Gegenstände zusammen eine negative Rückkopplung aufweisen, welche einen Förderdruckwandler enthält; eine Massendurchsatzkontrollschleife zur Steuerung des Massendurchsatzes an den Verbraucher und zur Entwicklung von Sollwerten für die Druck-Kontrollschleife und für die Kontrollschleife zur Steuerung der Position der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, wobei die Massendurchsatzschleife Mittel zur Messung des spezifischen Gewichts des Gases in der Förderleitung, Mittel zur Messung des Strömungsdifferentials in der Förderleitung, Mittel zur Berechnung des tatsächlichen Massendurchsatzes zum Verbraucher, Mittel zur Erzeugung eines Signals entsprechend einem erforderlichen Massendurchsatz, Mittel zur Erzeugung eines auf die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem erforderlichen Massendurchsatz an den Verbraucher ansprechenden Signals, eine den Massendurchsatz kontrollierende Vorrichtung sowie eine Verteilervorrichtung mit zwei Kanälen aufweist: wobei der erste Kanal der Verteilervorrichtung ein Sättigungselement ist, welches die den Massendurchsatz kontrollierende Vorrichtung mit der Druckkontrollschleife verbindet, wodurch die Saturierung des Ausgangssignals des ersten Kanals dem maximal zulässigen Förderdruck entspricht, wobei der zweite Kanal ein Element mit einer Totzone ist und der zweite Kanal die den Massendurchsatz kontrollierende Vorrichtung mit der Kontroll-

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schleife zur Steuerung der Position der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel verbindet und das Ausgangssignal des zweiten Kanals erscheint, wenn das Ausgangssignal des ersten Kanals saturiert ist;

eine erste Verteilervorrichtung zur Saturierung des Sollwertes für die geschlossene Geschwindigkeitskontrollschleife, wobei dieser Sollwert von dem ersten Kanal der den Förderdruck kontrollierenden Vorrichtung oder von der Mindestleistungskontrollschleife entwickelt wird, und wobei die erste Verteilervorrichtung das Ausgangssignal des zweiten Kanals der den Förderdruck kontrollierenden Vorrichtung mit dem Eingang der Kontrollschleife zur Steuerung der Position der zweiten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel gleichzeitig zu Beginn der letzten Saturierung verbindet;

eine zweite Verteilervorrichtung zur Verbindung der Ausgangssignale des Drucks oder der Mindestabgabekontrollschleifen, je nach dem Druckdifferential am Kompressor, mit der Geschwindigkeitskontrollschleife oder der Kontrollschleife zur Steuerung der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel, wobei die zweite Verteilervorrichtung den Eingang der Geschwindigkeitskontrollschleife mit dem Ausgang des ersten Kanals der den Druck kontrollierenden Vorrichtung solange verbindet, bis das Strömungsdifferential in der Saugleitung seinen mindestzulässigen Wert entsprechend dem tatsächlichen Druckdifferential am Kompressor erreicht, zu welchem Zeitpunkt der Eingang der Geschwindigkeitskontrollschleife an den Ausgang der Mindestleistungskontrollschleife geschaltet und der Ausgang des zweiten Kanals der den Druck kontrollierenden Vorrichtung mit der Kontrollschleife zur Steuerung der Position der ersten Vorrichtung zum Ablassen von Strömungsmittel verbunden wird.

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