DE2739229C3

DE2739229C3 - Regeleinrichtung für einen Turboverdichter

Info

Publication number: DE2739229C3
Application number: DE19772739229
Authority: DE
Inventors: Kurt Ing.(Grad.) Ewe; Edmund Dipl.-Ing. Linzenkirchner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-31
Filing date: 1977-08-31
Publication date: 1980-07-10
Also published as: DE2739229B2; DE2739229A1; JPS5448305A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Turborverdichter mit einem ersten Regelkreis zur Volumendurchfluß- oder Förüirdruckregelung und einem zweiten Regelkreis zur Pumpgrenzregelung, wobei die Regelkreise sich gegensei g 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 Fig. I 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 Q\ 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 Wq die Regeldifferenz xo \ als Eingangsgröße des Durch-

40 fluQreglers R\ gebildet wird. Von der Stellgröße Y\ des Durchflußreglers R\ wird die Drehzahl π des als Stellglied wirkenden Antriebsmotors 7 für den Verdichter 1 beeinflußt.

Anstelle des Durchflusses Q\ 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 Pumpgrenzi-'gelung enthält den Regler R₂, dessen Regeldifferenz xo2 in der Vergleichsstelle 9 gebildet wird, und zwar aus dem in der Druckmeßstelle 10 abgenommenen Förderdruck ρ als Führungsgröße und dem am Eingang des Verdichters 1 in der Meßstelle 12 gemessenen Durchfluß Qi 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 Abblaseünie als Funktion des Durchflusses φ hinterlegt

Von dem Pumpgrenzregler A₂ 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 η als Parameter dargestellt Man erkennt die Pumpgrenzlinie Pg, die eine Funktion von Konstruktion- und Betriebsparametern ist, die Abblaselinie AbI, die möglichst nahe und parallel zur Pumpgrenzlinie Pg verlaufen soll, und eine Widerstandskennlinie lVdes Verbrauchers 3.

Bei einem bestimmten Verdichterdurchfiuß Q>\, zu dessen Aufrechterhaltung der Verdichter mit der Drehzahl Π5 angetrieben wird, befinde sich der Arbeitspunkt des Verdichters in Punkt A des Kennlinienfeldes, rechts von der Pumpgrenzlinie Pg und der Abblaselinie /46/im stabilen Bereich; die Regeldifferenz XDi der Pumpgrenzregelung ist vereinbarungsgemäß negativ und das Abblaseventil 8 geschlossen.

Wird z. B. durch Änderung des Sollwerts wq \, der Durchfluß Qi von Q₂₁ auf Q₂₂ verringert, so tritt im ersten Regelkreis eine Regeldiffccnz xo 1 auf, die über den Regler R₁ 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 Speichervermögens des crem Verdichter nachgeschalteten Volumens 2 z. B. entlang der Punktierten Linie nach Punkt B.

Bei Überschreiten der Abblaseünie AbI im Punkt C wird die Regeldifferenz xdi 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 ρ trotz Pumpgrenzregelung nicht der Änderung der Stellgröße des ersten Regelkreises, hier der Drehzahl η 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 Sollwerlverkleinerungen oder die Stellgeschwin-

digkeit Y\ 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 konstanter Drehzahl) so zu beeinflussen, daß ein Überschreiten 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 Förderdruck- _x regelung und einem zweiten Regelkreis zur Pumpgrenzregelung gesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Regeldifferenz des zweiten Regelkreises dem ersten Regelkreis im Sinne einer Verringerung der Stellgeschwindigkeit seines Stellglieds bei Verstellung zu ₂s 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 Förderdruck- _J0 regelung 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 d'.s ersten Regelkreises, wenn diese Regel- _w differenz 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 Fig. 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 AbI bertiis einsetzen, d. h. wenn die <-,„ Regeldifferenz des zweiten Regelkreises

XDl = P- f(Ql)

gegen Null geht. Die Schaltung muß so gewählt werden, daß die Regeldifferenz xoi eine Verringerung der ^ Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße Vi 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 _bn Regeldifferenz xqi des zweiten Regelkreises zur Pumpgrenzregelung einem nichtlinearen Übertragungsglied 13 aufgeschaltet, welches nur negative Regeldifferenzen überträgt. Die negativen Regeldifferenzen x_Di können ferner in dem nichtlinearen Glied 13 auf einen Wert b begrenzt werden, wenn die Regeldifferenz xo2 größer als ein Betrag a, z. B. 10% Regeldifferenz x_D ₂, ist Das Ausgangssignal des nichtlinearen Glieds 13 steuert die Begrenzung der Regeldifferenz x_D\ in einem Begrenzer 14 auf einen Wert d, der sich proportional zum Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragüngsgliedes 13 ändert.

Ist die Regeldifferenz x_Di am Pumpgrenzregler positiv oder gleich Null, so ist auch das Ausgangssignal des Übertragungsglieds 13 Null. In diesem Falle werden negative Regeldifferenzen x_D ι auf den Wert Null begrenzt, d. h. der Durchflußregler R₁ wird trotz negativer Durchflußregeldifferenz x_D\ das Stellglied nicht weiter betätigen.

Soll eine Mindeststellgeschwin^'gkeit vorgegeben werden, so ist es auch möghcn, zwischen dem nichtlinearen 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 Durchflußregelüifferenzen Xp ι auf diesen Betrag e begrenzt, ihm entspricht die Mindeststellgeschwindigkeit im ersten Regelkreis.

Positive Durchflußregeldifferenzen xp ι werden vom Begrenzer 14 proportional übertragen.

Wenn auf Grund der Betriebsbedingungen des Verdichters nicht auszuschließen ist, daß trotz Begrenzung der Regeldifferenz xp 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 Xo2 des zweiten Regelkreises auf die eine Verstellung nach kleineren Werten bewirkende Regeldifferenz X₁₃ , des ersten Regelkreises im entgegengesetzten Sinn vorgenommen werden.

Dazu wird die Regeldifferenz xd 2 des zweiten Regelkreises über ein nichtlineares Glied 16 mit positiver Durchlaßkennlinie einem Verknüpfungspunkt 17 zugeführt und der ebenfalls dort anstehenden begrenzten negativen Regeldifferenz xd ι 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 Afo r, die aber im Begrenzer 14 auf den Wert e begrenzt werden, gezwungen wird, die Drehzahl zu erhöhen und dami» 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 Xp₂ die Stellgröße Y\ und damit die Stellgeschwindigkeit im ersten Regelkreis direkt zu beeinflussen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeldifferenz (x_O2) des zweiten Regelkreises einem Begrenzer (14) zur Steuerung der Begrenzung der Regeldifferenz (x_D 1) 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 (x_D\) des ersten Regelkreises im entgegengesetzten Sinne aufgeschaltet ist