DE2735246A1

DE2735246A1 - Regeleinrichtung fuer einen turboverdichter

Info

Publication number: DE2735246A1
Application number: DE19772735246
Authority: DE
Inventors: Kurt Ing Grad Ewe; Edmund Dipl Ing Linzenkirchner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-04
Filing date: 1977-08-04
Publication date: 1979-02-15
Also published as: JPS5429108A; DE2735246C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:

Berlin und Minchen ^ VPA 77 i^J 3 5 4 0 BRD

Regeleinrichtung für einen Turboverdichter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Turboverdichter mit einem Hauptregelkreis zur Durchfluß- oder Förderdruckregelung und einem zweiten Regelkreis zur Pumpgrenzregelung.
5

Bei Turboverdichtern ist üblicherweise die Regelgröße im Hauptregelkreis, der Förderdruck des Verdichters oder der Volumendurchfluß zum Verbraucher und die Stellgröße die Antriebsdrehzahl des Verdichters oder, bei Antrieb mit konstanter Drehzahl (elektrische Synchronmotoren), die Stellung der Leitschaufeln im Verdichter.

Bei großen Lastschwankungen, wenn der Verbrauch geringer wird als die Förderleistung des Verdichters in seinem stabilen Arbeitsbereich, kann das sogenannte Pumpen auftreten, das ist ein einmaliges oder sich periodisch wiederholendes, stoßartiges Rückströmen des Arbeitsmittels entgegen der normalen Förderrichtung. Die von Konstruktions- und Betriebsparametern abhängige Pumpgrenzlinie im Kennlinienfeld des Verdichters bezeichnet die Grenze zwischen stabilem und instabilem Bereich, in welchem das Pumpen auftritt, was zu mechanischer überbeanspruchung und zur Beschädigung der Schaufeln führen kann.

Es werden deshalb Pumpgrenzregelungen eingesetzt, deren Aufgabe es ist, ein Unterschreiten des Fördervolumendurchflusses unter

Sp 4 Sei, 28.7.1977

909807/0369

i Tf P 3 5 4 O 8RD

den dem jeweiligen Druck zugeordneten Pumpgrenzdurchfluß zu verhindern und die nicht vom Verbraucher abgenommene Fördermenge anderweitig, z. B. über ein Abblaseventil, abzuführen. Die Regeldifferenz der Pumpgrenzregelung wird aus dem Durchflußwert am Eingang oder Ausgang des Verdichters als Regelgröße und dem Förderdruck bzw. einem funktionell von diesem abhängigen l.'ert als Führungsgröße gebildet. Die Funktionskurve der Funktion f(p) der Führungsgröße, die sogenannte Abblaselinie, soll möglichst nahe und parallel zur Pumpgrenzlinie verlaufen, sie kann in einem Funktionsgenerator erzeugt werden.

Bei überschreiten der Abblaselinie wirkt das Stellsignal der Pumpgrenzregelung auf Abblaseventile ein, derart, daß der für den Betrieb im stabilen Bereich erforderliche Durchfluß durch den Verdichter aufrechterhalten wird.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei den an sich nicht gekoppelten Pumpgrenz- und Hauptregelkreisen eine gegenseitige Beeinflussung über die Regelstrecke erfolgt, was insbesondere bei schnellen Lastwechseln oder Eingriffen von Hand, die eine schnelle Änderung der Hauptstellgröße nach sich ziehen, zu Instabilitäten führen kann.

Ein solcher Fall tritt bei schneller Verstellung der die Hauptregelgröße (Volumendurchfluß; Förderdruck) beeinflussenden Parameter (Drehzahl, Leitschaufelstellung) nach kleineren Werten hin auf, dabei kann es nämlich infolge der Speicherwirkung der dem Verdichter nachgeschalteten Volumina vorkommen, daß der Arbeitspunkt des Verdichters die Pumpgrenze überschreitet. Dies gilt es zu vermeiden.

Eine Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art der Quotient aus der Änderungsgeschwindigkeit der Regeldifferenz des zweiten Regelkreises und dem Betrag dieser Regeldifferenz dem Hauptregelkreis im Sinne einer Verringerung der Stellgeschwindigkeit eines Stellglieds bei Verstellung zu kleineren Werten hin aufgeschaltet ist.

909807/0369

(j, 77 P 3 5 'f O BRD

Je nach Aufbau der Regeleinrichtung des Hauptregelkreises kann über den Quotienten vor oder nach dem Hauptregler auf die Stellgeschwindigkeit eingewirkt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, mit dem Quotienten einen Begrenzer zur adaptierenden Begrenzung der Regeldifferenz des Hauptregelkreises zu steuern. Durch die damit bewirkte Begrenzung der Stellgeschwindigkeit der Hauptregelung in Abhängigkeit von der Regeldifferenz der Pumpgrenzregelung kann auch bei großen, nachgeschalteten Volumen ein Überschreiten der Pumpgrenzlinie vermieden werden, die Abblaselinie kann näher an die Pumpgrenzlinie gelegt und der Verdichter so wirtschaflicher betrieben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Prinzipschaltbildes beispielsweise erläutert.

Ein Turboverdichter 1 speist über ein Leitungsnetz 2 einen oder mehrere, hier nicht dargestellte, Verbraucher, z. B. Winderhitzer, Hochöfen. Dieses System bildet eine Regelstrecke mit großen und relativ schnell veränderlichen Zeitkonstanten, bedingt durch die Volumen und die Strömungswiderstände in der Strecke.

Die Regelung des Verdichters 1 erfolgt mit Hilfe eines ersten oder Hauptregelkreises, bei dem der Durchfluß Q1 zum Verbraucher die Regelgröße und die Stellung der Leitschaufeln im Verdichter 1 die Stellgröße Y1 ist. Die Führungsgröße w_Q1 wird vorgegeben. Anstelle des Durchflusses Q1 zum Verbraucher kann auch der Förderdruck p_f in der Leitung 2 als Regelgröße dienen und als Stellgröße die Drehzahl des Verdichterantriebs.

Die aus Regelgröße Q1 und Sollwert Wq₁ in bekannter Weise gebildete Regeldifferenz Xjy. ist die Eingangsgröße des proportional-integral wirkenden Durchflußreglers 3. In dem hier dargestellten Beispiel wird der Verdichter 1 mit konstanter Drehzahl angetrieben, der Stelleingriff erfolgt über die Stellung der Leitschaufeln im Verdichter. Sinkt der Strömungswiderstand des angeschlossenen Verbrauchers, so werden, um den Durchfluß Q1 konstant zu halten, die Leitschaufeln in Richtung Schließstel-

909807/0369

S Π Ρ 3 5 4 O BRD

lung, also nach kleineren öffnungswerten, verstellt, entsprechend umgekehrt bei Erhöhung des Strömungswiderstandes in der Strecke.

Um das eingangs erwähnte Pumpen des Verdichters zu vermeiden, ist ein zweiter, mit dem ersten nicht gekoppelter Regelkreis zur Pumpgrenzregelung vorgesehen. Dieser enthält den proportionalintegral wirkenden Pumpgrenzregler 4, dessen Eingangsgröße die Regeldifferenz Xp₂ ist. Sie wird in einer Vergleichsstelle aus elektrischen Werten gebildet, wobei der Durchfluß 02 durch den Verdichter 1, gemessen an dessen Ansaugseite, die Regelgröße ist. Die FUhrungsgröße wird in einem Funktionsgenerator 5 erzeugt, in welchem die Abblaselinie als Funktion f(p^) des Förderdrucks p- gebildet wird. Von dem Pumpgrenzregler k wird über einen Stellantrieb 16 ein Abblaseventil 6 betätigt, welches in einer Abzweigleitung 7 zum Leitungsnetz 2 liegt. Befindet sich der Arbeitspunkt des Verdichters 1 im stabilen Bereich, also unterhalb der Abblaselinie, so ist die Regeldifferenz Xp₂ der Pumpgrenzregelung negativ, das Abblaseventil 6 ist geschlossen.

Ändert sich z. B. der Strömungswiderstand in den vom Verdichter 1 gespeisten Verbraucher nach größeren Werten·hin, so steigt der Förderdruck pl und der Arbeitspunkt des Verdichters wandert in Richtung auf die Abblaselinie. Wird der auf der Abblaselinie liegende Druckwert überschritten, so wird die Regeldifferenz X^₂ im zweiten Regelkreis positiv, das Abblaseventil 6 wird geöffnet und die vom Verbraucher nicht abgenommene Fördermenge wird abgeblasen.

Ändert sich der Strömungswiderstand des Verbrauchers relativ schnell nach kleineren Werten hin, so ändert sich auch die Regeldifferenz X₀₁ des Hauptregelkreises und damit auch dessen Stellgröße Y1 relativ schnell. Befindet sich dabei der Arbeitspunkt des Verdichters knapp an oder auf der Abblaselinie, so kann sich in diesem Betriebszustand infolge der Speicherwirkung des Verbraucherkreises der Förderdruck nicht rasch genug abbauen, wodurch ein Pumpen des Verdichters mit seinen bekannten schädlichen Folgen verursacht wird.

909807/0369

77 P 3 5 4 O DRD

Um dieses zu verhindern, wird eine aus der Regeldifferenz x_D2 der Pumpgrenzregelung abgeleitete Funktion im Sinne einer Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße Y1 des Hauptregelkreises diesem aufgeschaltet. In einem Differenzierglied 8 wird dazu aus der Regelabweichung χ~ρ deren Ableitung nach der Zeit Äqo» ^a^^so ihre Änderungsgeschwindigkeit, gebildet und über ein nichtlineares Glied 9, welches nur für positive Werte durchlässig ist, dem einen Eingang eines Quotientenbildners 10 zugeführt, dessen anderer Eingang mit einem, den Betrag der Regeldifferenz x^p bildenden Rechenbaustein 11 verbunden ist.

Aus dem Wert des Quotienten χ^ρ/Ιχ^ρΙ wird in der Verknüpfungsstelle 1? ein Begrenzungsfaktor A gebildet, der einen Begrenzer 13 für die Regeldifferenz x_ß1 des Hauptregelkreises steuert, derart, daß bei Ausgangssignal 0 des Quotientenbildners 10 der Begrenzungsfaktor A=1 ist, also keine Begrenzung stattfindet, im anderen Falle tritt eine von der Änderung der Regeldifferenz x_D2 der Pumpgrenzregelung abhängige Verkleinerung des Begrenzungsfaktors A und damit eine Begrenzung des Betrags der Regeldifferenz x_D1 im Begrenzer 13 auf, wie gestrichelt angedeutet ist. Mit dieser Begrenzung der Regeldif f erenz· x^ wird auch die Verstellgeschwindigkeit der Leitschaufeln begrenzt, der Druckabbau des Förderdrucks erfolgt langsamer, ein Pumpen des Verdichters wird vermieden.

Die Begrenzung der Stellgeschwindigkeit wird bedingt durch die Quotientenbildung umso stärker, je näher der Verdichterarbeitspunkt der Abblaselinie ist.

Wenn aufgrund der Betriebsbedingungen des Verdichters nicht auszuschließen ist, daß trotz Begrenzung der Regeldifferenz x_D1 mit dem kleinsten Wert A diese noch so groß ist, daß eine zu schnelle Stellungsänderung der Leitschaufeln auftritt, so kann ein in einem nichtlinearen Glied 14 mit positiver Durchlaßkennlinie einstellbarer Anteil der Regeldifferenz x^p des zweiten Regelkreises der stark negativen Regeldifferenz x** in der Verknüpfungsstelle 15 additiv aufgeschaltet werden, so daß eine Verringerung der Regeldifferenz x_D1 und damit eine Verringerung der Verstellgeschwindigkeit der Leitschaufeln eintritt. Der

909807/0369

_? 77 P 3 5 4 O BRD

über der Abblaselinie befindliche Verdichterarbeitspunkt wird in diesem Falle schnell in den stabilen Bereich zurückgeführt.

Je nach Struktur des Hauptregelkreises kann die Aufschaltung des Quotienten als Funktion der Regeldifferenz des zweiten Regelkreises auch nach dem Regler 3 in entsprechender Weise erfolgen zwecks Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße .

ÖG9807/0369

Leerseite

Claims

77 P 3 M O BRD

- JT -

Patentansprüche __. _. _Λ ,

2 7 31> 2 ^ 6

Π J Regeleinrichtung für einen Turboverdichter mit einem Hauptregelkreis zur Volumendurchfluß- oder Förderdruckregelung und einem zweiten Regelkreis zur Pumpgrenzregelung, dadurch gekennzeichnet , daß der Quotient aus der Änderungsgeschwindigkeit der Regeldifferenz des zweiten Regelkreises und dem Betrag dieser Regeldifferenz dem Hauptregelkreis im Sinne einer Verringerung der Stellgeschwindigkeit seines Stellglieds bei Verstellung zu kleineren Werten hin aufgeschaltet ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient(ifcjjp/1Xj)p'^ ^ei^nen einstellbaren Begrenzer (13) für die Regeldifferenz (x™) des Hauptreglers (3) steuert.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeldifferenz (x_D2) ^des zweiten Regelkreises über ein einstellbares, nichtlineares Glied (14) mit positiver Durchlaßkennlinie gewichtet der negativen Regeldifferenz (x™) des Hauptregelkreises additiv aufgeschaltet ist.

909807/0369