DE2739229B2 - Regeleinrichtung für einen Turboverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Turboverdichter mit einem ersten Regelkreis zur Volumendurchfluß- oder F.'rderdruckregelur.g und einem zweiten Regelkreis zur Pumpgrenzregelung, wobei die Regelkreise sich gegerc -itig beeinflussen.

In dem ersten Regelkreis ist üblicherweise der Förderdruck des Verdichters oder der Volumendurchfluß zum Verbraucher die Regelgröße und die Antriebsdrehzahl des Verdichters oder, bei Antrieb mit konstanter Drehzahl, die Stellung der Leitschaufeln im Verdichter die Stellgröße.

Bei großen Lastschwankungen, wenn der Verbrauch geringer wird als die Förderleistung 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 Überbeanspruchung 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 F i g. 1 ist eine Luftverdichteranlage mit Regelkreisen zur Durchfluß- und Pumpgrenzregelung stark vereinfacht dargestellt.

Der Verdichter 1 speist über ein Leitungssystem, das durch das Volumen 2 versinnbildlicht wird, Verbraucher 3 mit meist nicht konstantem Strömungswiderstand. Der Durchfluß Qt zum Verbraucher 3 wird vor dem Volumen 2 in der Meßstelle 4 erfaßt und der Vergleichsstelle 6 zugeführt, in welcher mit dem im Sollwertsteller 5 eingestellten Durchfluß-Sollwert w_Q die Regeldifferenz Xp \ als Eingangsgröße des Durchflujireglers /?, gebildet wird, Von der Stellgröße Vj des Durchflußregleijs Ry wird die Drehzahl η des als Stellglied wirkenden Antriebsmotors 7 für den Verdichter 1 beeinfiiißt,

Anstelle des; Durchflusses φ kann im ersten Regelkreis auc|ti der Förderdruck Regelgröße sein,

dessen Istwert nach dem Verdichter gemessen und mit einem Sollwert verglichen wird.

Der zweite Regelkreis zur Pumpgrenzregelung

enthält den Regler A₂, dessen Regeldifferenz xd2 in der Vergleichsstelle 9 gebildet wird, und zwar aus dem in der Druckmeßsitelle 10 abgenommenen Förderdruck ρ als Führungsgröße und dem am Eingang des Verdichters 1 in der Meßsteile 12 gemessenen Durchfluß Q₂

:5 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 Qt hinterlegt

Von dem Punnpgrenzregler R₂ wird als Stellglied das Abblaseventil 8 betätigt

in dem in Fig.2 dargestellten Diagramm ist das Kennlinienfeld eines Verdichters mit dem Verdichterdurchfluß Q₂ und dem Förderdruck ρ als Koordinaten und der Drehzahl π als Parameter dargestellt. Man erkennt die Pumpgrenzlinie Pg, die eine Funktion von Konstruktion- und Betriebsparamctern ist die Abblaselinie AbI, die möglichst nahe und parallel zur Pumpgrenzlinie Pg verlaufen soll, und eine Wider-

Standskennlinie Wdes Verbrauchers 3.

Bei einem bestimmten Verdichterdurchfluß Qn, zu dessen Aufrechterhaltung der Verdichter mit der Drehzahl /75 angetrieben wird, befinde sich der Arbeitspunkt des Verdichters in Punkt A des Kenn linienfeldes, rechts von der Pumpgrenzlinie Pg und der

Abblaselinie Abl'vm stabilen Bereich; die Regeldifferenz Xo 2 der Pumpgrenzregeiung ist vereinbarungsgemäß

negativ und das Abblaseventil 8 geschlossen.

Wird z. B. durch Änderung des Sollwerts w_Q 1, der

Durchfluß φ von Q21 auf Q₂₂ «fcrringert, so tritt im ersten Regelkreis eine Regeldifferenz xo t auf, die über den Regler Rt eine Verstellung der Drehzahl η 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 auf Grund des Speicharvermögens de? dem Verdichter nachgeschalteten Volumens 2 z. B. entlang der Punktierten Linie nach Punkt B.

Bei Überschreiten der Abblaselinie AbI im Punkt C wird die Regeldifferenz x_D2 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 Änderung der Stellgröße des ersten Regelkreises, hier der Drehzahl /1 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 Überschreiten der Pumpgrenze dadurch zu vermeiden, daß man den Abstand zwischen der Pumpgrenzlinie Pg und der Abblaselinie AbI relativ groß wählte und/oder die Verstellgeschwindigkeit des Durchfluß-Sollwertstellers 5 bei Sollwertverkleinerungen oder die Stellgeschwin-

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digkejt.:iyj begrenzte. Pie zulassigen Stellgeschwindigkeiten iftöpnen jedoch wegen der vielen Nichtlinearitftten, dje sich von Verdichter zu Verdichter erheblich unterscheiden, nicht allein von der Zeitkonstante des System«, die sich aus dem Volumen 2 und dem hydraul sehen Strömungswiderstand 3 des Verbrauchers ej gibt, abgeleitet werden. Sie waren deshalb von Fall zij Fall mit großem Aufwand individuell zu ermittejjn.

Es beisteht demgemäß die Aufgabe, die Steilgeschwin- j digkeit des Stellglieds des ersten Regelkreises (Drehzahl deli Antriebsmotors oder Leitschaufelstellung im Verdichter bei Antrieb mit konstanter Drehzahl) so zu beeinflussen, daß ein Oberschreiten der Pumpgrenzlinie bei schnellen Änderungen des Sollwerts oder des hydraulischen Widerstandswerts des Verbrauchers wirksam vermieden wird.

Eine !Lösung dieser Aufgabe wird in einer Regeleinrichtung für einen Turboverdichter mit einem ersten Regelkreis zur Volumendurchfluß- oder Förderdruckregelung und einem zweiten Regelkreis zur Pumpgrenzregeiuni; gesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daB die Regeldifferenz des zweiten Regelkreises dem ersten Regelkreis im Sinne einer Verringerung der Stellgeschwincligkeit seines Stellglieds bei Verstellung zu kleineren Werten hin aufgeschaiiei 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 Überschreiten 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 F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung verbesserten Regeleinrichtung dargestellt und im folgenden beschrieben. Die bereits in F i g. 1 angegebenen Teile sind entsprechend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Eine Begrenzung der Stellgeschwindigkeit im ersten Regelkreis soll mit Annäherung der Arbeilspunkt an die Abblaselinie AbI bereits einsetzen, d. h. wenn die Regeldifferenz des zweiten Regelkreises

gegen Null geht. Die Schaltung muß so gewählt werden, daß die Regeldifferenz xoi eine Verringerung der ^ Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße Ki in der Richtung zu kleineren Drehzahlen hin bewirkt. Die Stellgeschwindigkeit kann hiermit bis auf Null oder bis auf einen festen Mindestbetrag begrenzt werden.

Dazu wird die in der Vergleichsstelle 9 gebildete

₂5

₃₀

₃₅

40

45

50 Regeldifferenz xoi des zweiten Regelkreises zur Pumpgrenzregelung einem nichtlinearen Übertragungsglied 13 aufgeschaltet, welches mir negative Regeidtfferenzen überträgt. Die negativen Regeldifferenzen xpi können ferner in dem nichtlinearen Glied 13 auf einen Wert b begrenzt werden, wenn die Regeldifferenz xpi größer als ein Betrag a, z. B. 10% Regeldifferenz x_D 2, ist Das Ausgangssignal des nichtlinearen Glieds 13 steuert die Begrenzung der Regeldifferenz xpi in einem Begrenzer 14 auf einen Wert d, der sich proportional zum Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungsgliedes 13 ändert

Ist die Regeldifferenz xdi am Pumpgrenzregler positiv oder gleich Null, so ist auch das Ausgangssignal des Übertragungsglieds 13 Null. In diesem Falle werden negative Regeldifferenzen xd\ auf den Wert Null begrenzt, d.h. der Durchflußregler R\ wird trotz negativer Durchflußregeldiffereriz xd\ das Stellglied nicht weiter betätigen.

Soll eine Mindeststellgeschwindigkeit vorgegeben werden, so ist es auch mö^; sich, zwischen dem nichtiinearen Übertragungsglied 13 und dem Begrenzer 14 eine Summationsstelle 15 vorzusehen und in ihr dem Ausgangssignal des Übertragungsglieds 13 einen Betrag e additiv zuzufügen. Dann werden negative Durchflußrege'differenzen x_a 1 auf diesen Betrag e begrenzt, ihm entspricht die Mindeststellgeschwindigkeit im ersten Regelkreis.

Positive Durchflußregeldifferenzen xo 1 werden vom Begrenzer 14 proportional übertragsn.

Wenn auf Grund der Betriebsbedingungen des Verdichters nicht auszuschließen ist, daß trotz Begrenzung der Regeldifferenz xd ι 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 xd 2 des zweiten Regelkreises auf die eine Verstellung nach kleineren Werten bewirkende Regeldifferenz xd\ des ersten Regelkreises im entgegengesetzten S^:nn vorgenommen werden.

Dazu wird die Regeldifferenz xdi des zweiten Regelkreises über ein nichtlineares Glied 16 mit positiver Durchlaßkennlinie einem Verknüpfungspunkt 17 zugeführt und der ebenfalls dort anstehenden begrenzten negativen Regeldifferenz xd\ des ersten Regelkreises additiv zugefügt.

Hiermit wird erreicht, daß bei positiven Regeldifferenzen xd 2 im Pumpgrenzregelkreis, wenn die Abblaselinie also überschritten wurde, der Durchflußregler R\ trotz anstehender negativer Durchflußregeldifferenzen xd i, 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- ode" Förderdruckregelung auch möglich, mittels der Regeldifferenz xqi die Stellgröße Y\ und damit die Stellgeschwindigkeit im ersten Regelkreis direkt zu beeinflussen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche;

   1, Regeleinrichtung für einen Turboverdichter mit einem ersten Regelkreis zur Volumendurchflußoder Förderdruckregelung und einem zweiten Regelkreis zur Pumpgrenzregelung, wobei die Regelkreise sich gegenseitig beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeldifferenz (Vd 2) des zweiten Regelkreises dem ersten Regelkreis im Sinne einer Verringerung der Stellgeschwindigkeit seines Stellglieds (7) bei Verstellung zu kleineren Werten hin aufgeschaltet ist

   Z Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeldifferenz (x_D 2) des zweiten Regelkreises einem Begrenzer (14) zur Steuerung der Begrenzung der Regeldifferenz (xd i) des ersten Regelkreises zugeführt ist

   3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Regeldifferenz (x_D2) des zweiten Regelkreises über ein einstellbares nichtlineares Glied (16) mit positiver Durchlaßkennlinie gewichtet der eine Verstellung nach kleineren Werten bewirkenden Regeldifferenz (xdi) des ersten Regelkreises im entgegengesetzten Sinne aufgeschaltet ist