-
-
Regeleinrichtung für einen Turboverdichter
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Turboverdichter
mit einem ersten Regelkreis zur Volumendurc.nfiuß-oder Förderdruckregelung und einem
zweiten Regelkreis zur Pu;,pgrenzregelung.
-
In dem ersten Regelkreis ist üblicherweise der Förderdruck äS Verdichters
oder der Volumendurchfluß zum Verbraucher die Regelgröße und die Antriebsdrehzahl
des Verdichters oder, bei Antrieb mit konstanter Drehzahl, die Stellung der Leitschaufeln
i Verdichter die Stellgröße.
-
3ei großen Lastschwankungen, wenn der Verbrauch geringer ir als die
rörderleistung des Verdichters, kann das sogenannte Pumpen auftreten. Darunter versteht
man ein einmaliges oder sich periodisch wiederholendes, stoßartiges Rückströmen
des Arbeitsmittels entgegen der normalen Förderrichtung, was zu mechanischer erbeanspruchung
und zur Beschädigung der Schaufeln führen kann.
-
Die von Konstruktions- und Betriebsparametern abhängige sogenannte
Pumpgrenzlinie im Kennlinienfeld des Verdichters begrenzt den stabilen Bereich,
der vom Arbeitspunkt des Verdichters möglichst nicht verlassen werden soll.
-
Es werden deshalb Pumpgrenzregelungen eingesetzt, deren Aufgabe es
ist, die nicht vom Verbraucher abgenommene Fördermenge anderweitig, z. B. über ein
Abblaseventil, abzuführen.
-
In Figur 1 ist eine Luftverdichteranlage mit Regelkreisen zur Durchfluß-
und Pumpgrenzregelung stark vereinfacht dargestellt.
-
Der Verdichter 1 spcist über ein Lcitungssystem, das durch das Volumen
2 versinnbildlicht wird, Verbraucher 3 mit meist nicht konstantem Strömungswiderstand.
Der Durchfluß Q1 zum Verbraucher 3 wIrd vor dem Volumen 2 in der Meßstelle 4 erfaßt
und der Ver--eichsstelle 6 zugeführt, in welcher mit dem im, SollwertstelTer 5 eingestellten
Durchfluß-Sollwert wQ die RegeAdifferenz xDF als Eingangsgröße des Durchflußreglers
R1 gebildet wird. Von der Stellgröße Y1 des Durchflußreglers R1 wird die Drehzahl
r. es als Steilglied wirkenden Antriebsmotors 7 für den Verdichter 1 beeinflußt.
-
Ansteile des Durchflusses Q1 kann im ersten Regelkreis auch der Förderdruck
Regelgröße sein, dessen Istwert nach dem Verdichter gemessen und mit einem Sollwert
verglichen wird.
-
Der zweite Regelkreis zur Pumpgrenzregelung enthält den Regler R2,
dessen Regeldifferenz xD2 in der Vergleichsstelle 9 gebildet wird, und zwar aus
dem in der Druckmeßstelle 10 abgenommenen Förderdruck p als Führungsgröße und dem
am Eingang des Verdichbers 1 in der Meßstelle 12 gemessenen Durchfluß Q2 bzw. einem
funktionell von diesem abhängigen, in dem Funktionsgeber 11 gebildeten Wert als
Regelgröße. Vorzugsweise ist in dem Funktionsgeber 11 die nachstehend noch näher
erläuterte Abblaselinie als Funktion des Durchflusses Q1 hinterlegt.
-
Von dem Pumpgrenzregler R2 wird als Stellglied das Abblaseventil 8
betätigt.
-
In dem in Figur 2 dargestellten Diagramm ist das Kennlinienfeld eines
Verdichters mit dem Verdichterdurchfluß Q2 und dem Förderdruck p als Koordinaten
und der Drehzahl n als Parameter dargestellt. Man erkennt die Pumpgrenzlinie Pg,
die eine Funktion von Konstruktions- und Betriebsparametern ist, die Abblaselinie
Abl, die möglichst nahe und parallel zur Pumpgrenzlinie Pg verlaufen soll, und eine
Widerstandskennlinie W des Verbrauchers 3.
-
Bei einem bestimmten Verdichterdurchfluß Q21' zu dessen Aufrechterhaltung
der Verdichter mit der Drehzahl n5 angetrieben wird, befinde sich der Arbeitspunkt
des Verdichters in Punkt A des Kenn-
linienfeldes, rechts von der
Pumpgrenzlinie Pg und der Abblaselinie Abl im stabilen Bereich; die Regeldifferenz
xD2 der Pumpgrenzregelung ist vereinbarungsgemäß negativ und das Abblaseventil 8
geschlossen.
-
Wird z. B. durch Änderung des Sollwerts WQ1, der Durchfluß Q2 von
Q21 auf Q22 verringert, so tritt im ersten Regelkreis eine Regeldifferenz xD1 auf,
die über den Regler R1 eine Verstellung der Drehzahl n des Antriebsmotors 7 nach
kleineren Werten bewirkt. Erfolgt die Änderung sehr langsam, so wandert der Arbeitspunkt
des Verdichters entlang der Widerstandskennlinie W des Verbrauchers 3 von Punkt
A nach Punkt B. Erfolgt jedoch die Änderung relativ schnell, bewegt sich der Arbeitspunkt
aufgrund des Speichervermögens des dem Verdichter nachgeschalteten Volumens 2 z.
B. entlang der punktierten Linie nach Punkt B.
-
Bei Uberschreiten der Abblaselinie Abl im Punkt C wird die Regeldifferenz
xD2 der Pumpgrenzregelung positiv, wodurch über den Regler R2 eine Öffnung des Abblaseventils
8 bewirkt wird.
-
Ist die Speicherwirkung des Volumens 2 jedoch so groß, daß der Abbau
des Förderdrucks p trotz Pumpgrenzregelung nicht der Änaerung der Stellgröße des
ersten Regelkreises, hier der Drehzahl n des Antriebsmotors 7, folgen kann, so überschreitet
der Arbeitspunkt die Pumpgrenze (Punkt D). Es tritt Pumpen des Verdichters auf mit
seinen möglichen Schadensfolgen.
-
In solchen Fällen versuchte man bisher das Uberschreiten der Pumpgrenze
dadurch zu vermeiden, daß man den Abstand zwischen der Pumpgrenzlinie Pg und der
Abblaselinie Abl relativ groß wählte und/oder die Verstellgeschwindigkeit des Durchfluß-Sollwertstellers
5 bei Sollwertverkleinerungen oder die Stellgeschwindigkeit Y1 begrenzte. Die zulässigen
Stellgeschwindigkeiten können jedoch wegen der vielen Nichtlinearitäten, die sich
von Verdichter zu Verdichter erheblich unterscheiden, nicht allein von der Zeitkonstante
des Systems, die sich aus dem Volumen 2 und dem hydraulischen Strömungswiderstand
3 des Verbrauchers ergibt, abgeleitet werden. Sie waren deshalb von Fall zu Fall
mit großem Aufwand individuell zu ermitteln.
-
Es besteht demgemäß die Aufgabe, die Stellgeschwindigkeit des Stellglieds
des ersten Regelkreises (Drehzahl des Antriebsmotors oder Leitschaufelstellung im
Verdichter bei Antrieb mit konstan-
ter Drehzahl) so zu beeinflussen,
daß eln bberschreiten der Pumpgrenzlinie bei schnellen Änderungen des Sollwerts
oder des hydraulischen Widerstandswerts das Verbrauchers Irksarn vermieden wird.
-
Eine Lösung dieser Aufgabe wird in einer Regeleinrichtung für eie
Turboverdichter mit einem ersten Regelkreis zur Volumendurchfluß- oder Förderdruckregelung
und einem zweiten Regelkreis zur Pumpengrenzregelung gesehen, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Regeldifferenz des zweiten RegelKreises dem ersten Regel-Xreis im Sinne
einer Verringerung der Stellgeschwindigkeit seines Stellglieds bei Verstellung zu
kleineren Werten hin aufgeschaltet ist.
-
Es entsteht so eine direkte Kopplung der sonst nur über die Regelstrecke
gekoppelten Regelkreise. Durch die Begrenzung der Stellgeschwindigkeit des ersten
Regelkreises zur Volumendurchfluß- oder Förderdruckregelung in Abhängigkeit von
der Regeldifferenz der Pumpgrenzregelung kann auch bei großen nachgeschalteten Volumen
ein Uberschreiten der Pumpgrenzlinie vermieden werden. Von Vorteil ist, daß die
Abblaselinie näher an die Pumpgrenzlinie gelegt und der Verdichter so wirtschaftlicher
betrieben werden kann.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform steuert die Regeldifferenz des
zweiten Regelkreises einen Begrenzer zur kontinuierlichen Begrenzung des Betrags
der Regeldifferenz des ersten Regelkreises, wenn diese Regeldifferenz eine Verstellung
der Stellgröße nach kleineren Werten hin bewirkt.
-
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung verbesserten
Regeleinrichtung dargestellt und im folgenden beschrieben. Die bereits in Figur
1 angegebenen Teile sind entsprechend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Eine Begrenzung der Stellgeschwindigkeit im ersten Regelkreis soll
mit Annäherung der Arbeitspunkt an die Abblaselinie Abl bereits einsetzen, d. h.
wenn die Regeldifferenz des zweiten Regelkreises xD2 = p - f (Q2) gegen Null geht.
Die Schaltung muß so gewählt werden, daß die Re-
geldifferenz xD2
eine Verringerung der Anderungsgeschindigkeit der Stellgröße Y1 in der Richtung
zu kleineren Drehzahlen hin bewirkt. Die Stellgeschwindigkeit kann hiermit bis auf
Null oder bis auf einen esten Nindestbetrag begrenzt werden.
-
Dazu wird die in der Vergleichsstelle 9 gebildete Regeldifferenz xD2
des zweiten Regelkreises zur Pumpgrenzregelung einem nichtlinearen Ubertragungsglied
13 aufgeschaltet, welches nur negative Regeldifferenzen überträgt. Die negativen
Regeldifferenzen xD2 können ferner in dem nichtlinearen Glied 13 auf einen Wert
b begrenzt werden, wenn die Regeldifferenz xD2 größer als ein Betrag a, z. B. 10
% Regeldifferenz XD2, ist. Das Ausgangssignal des nichtlinearen Glieds 13 steuert
die Begrenzung der Regeldifferenz xD1 in einem Begrenzer 14 auf einen Wert d, der
sich proportional zum Ausgangs signal des nichtlinearen Ubertragungsgliedes 13 ändert.
-
Ist die Regeldifferenz xD2 am Pumpgrenzregler positiv oder gleich
Null, so ist auch das Ausgangssignal des Ubertragungsglieds 13 Null. In diesem Falle
werden negative Regeldifferenzen xD1 auf den Wert Null begrenzt, d. h. der Durchflußregler
R1 wird trotz negativer Durchflußregeldifferenz xD1 das Stellglied nicht weiter
betätigen.
-
Soll eine Mindeststellgeschwindigkeit vorgegeben werden, so ist es
auch möglich, zwischen dem nichtlinearen Ubertragungsglied 13 und dem Begrenzer
14 eine Summationsstelle 15 vorzusehen und in ihr dem Ausgangssignal des Ubertragungsglieds
13 einen Betrag e additiv zuzufügen. Dann werden negative Durchflußregeldifferenzen
XD1 auf diesen Betrag e begrenzt, ihm entspricht die Mindeststellgeschwindigkeit
im ersten Regelkreis.
-
Positive Durchflußregeldifferenzen xD1 werden vom Begrenzer 14 proportional
übertragen.
-
Wenn aufgrund der Betriebsbedingungen des Verdichters nicht auszuschließen
ist, daß trotz Begrenzung der Regeldifferenz xD1 auf einen Mindestwert diese noch
so groß ist, daß eine zu schnelle Änderung der Stellgliedstellung des ersten Regelkreises
auftritt, so kann eine weitere Aufschaltung der Regeldifferenz xD2 des zweiten Regelkreises
auf die eine Verstellung nach kleineren Werten bewirkende Regeldifferenz xD1 des
ersten Regelkreises im
entgegengesetzten Sinn vorgenommen werden.
-
Dazu wird die Regeldifferenz xD2 des zweiten Regelkreises über ein
nichtlineares Glied 16 mit positiver Durchlaßkennlinie einem Verknüpfungspunkt 17
zugeführt und der ebenfalls dort anstehenden begrenzten negativen Regeldifferenz
xD1 des ersten Regelkreises additiv zugefügt.
-
Hiermit wird erreicht, daß bei positiven Regeldifferenzen xD2 im Pumpgrenzregelkreis,
wenn die Abblaselinie also überschritten wurde, der Durchflußregler R1 trotz anstehender
negativer Durchflußregeldifferenzen XD1, die aber im Begrenzer 14 auf den Wert e
begrenzt werden, gezwungen wird, die Drehzahl zu erhöhen und damit den Arbeitspunkt
des Verdichters in den stabilen Arbeitsbereich unterhalb der Pumpgrenzlinie zu führen.
-
Es ist je nach Struktur des ersten Regelkreises zur Durchfluß-oder
Förderdruckregelung auch möglich, mittels der Regeldifferenz xD2 die Stellgröße
Y1 und damit die Stellgeschwindigkeit im ersten Regelkreis direkt zu beeinflussen.