DE3811232C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zum Vermeiden des Pumpens eines Turboverdichters mittels bedarfsweisen Abblasens der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein Regelverfahren der genannten Art ist aus der DE 35 40 284 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Regelver­ fahren wird bei Überschreitung der Abblaselinie oder einer Sicherheitslinie im Verdichter-Kennfeld durch den Verdichter-Arbeitspunkt ein Korrektursignal für eine Schnellöffnung des Abblasventils erzeugt und auf den Regler gegeben. Kriterium für das Auslösen der Schnell­ öffnung ist hierbei allein die Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld relativ zur Abblase- oder Sicherheitslinie, d. h. es werden die Ortskoordinaten des Arbeitspunktes daraufhin überwacht, ob sie einen Grenzwert, der durch die Abblase- oder Sicherheitslinie definiert ist, überschreiten oder nicht. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeits­ punktes im Kennfeld relativ zur Abblase- oder Sicher­ heitslinie wird dagegen für die Entscheidung, ob eine Schnellöffnung des Abblaseventils ausgelöst wird oder nicht, nicht herangezogen. Hier beeinflußt die Bewegungs­ geschwindigkeit des Arbeitspunktes lediglich die Größe und/oder Form und/oder den zeitlichen Verlauf der Schnellöffnungslinie, nachdem die Schnellöffnung bereits ausgelöst ist. Es wird hier aber keine konkrete Lehre gegeben, wie die Schnellöffnungsgröße vom Eingangssignal des Reglers abhängen soll. Die Abblase- oder Sicherheits­ linie stellt hier also eine statische Linie mit festem Abstand von der Pumpgrenze dar und aus diesem Grund ist ein relativ großer Sicherheitsabstand von der Pumpgrenze erforderlich, was nachteilig einen unwirtschaftlichen Teillastbetrieb des Verdichters zur Folge hat.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art anzugeben, welches einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb des Verdichters bei kleinst­ möglichem Sicherheitsabstand von der Pumpgrenze gewähr­ leistet und welches für seine Durchführung einen geringen technischen Aufwand erfordert.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Das neue Verfahren bietet insbesondere den Vorteil, daß außer dem Abstand des Verdichter-Arbeitspunktes von der Pumpgrenze auch die Annäherungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze im Verdichterkennfeld für die Entscheidung über die Vornahme einer Schnellöffnung des Abblaseventils herangezogen wird. Die vorgebbare Orts-Geschwindigkeits-Funktion enthält die Informationen, in welchem von der momentanen Geschwindigkeit des Arbeitspunktes relativ zur Pumpgrenze abhängenden Abstand von der Pumpgrenze die Schnellöffnung des Abblase­ ventils ausgelöst werden muß, um ein Pumpen des Verdichters gerade noch zu verhindern. Damit liefert das neue Verfahren eine Sicherheitslinie, die nicht mehr statisch ist, sondern abhängig von der Arbeitspunktgeschwindig­ keit unterschiedlich weit und dabei immer nur soweit wie gerade nötig von der Pumpgrenze entfernt liegt. Zugleich ist der Aufwand für die Durchführung des neuen Verfah­ rens gering, da der Mehraufwand gegenüber bekannten Ver­ fahren lediglich aus einigen einfachen Rechenoperationen besteht, während die sonstigen technischen Einrichtungen weiterverwendet werden können. Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens besteht noch darin, daß hier nicht mehr die Erfordernis besteht, die Größe, die Form oder den zeitlichen Verlauf der Schnellöffnungsgröße von den erfaßten Meßwerten oder den Regeldifferenzen abhängig zu machen; vielmehr können Größe, Form und Verlauf der Schnellöffnungsgröße nach den technischen Erfordernissen des Reglers und des von ihm betätigten Abblasventils ausgewählt und optimiert werden, wodurch weiter zu einem geringen Aufwand für die Durchführung des Verfahrens bei­ getragen wird.

Weiterhin sieht das Verfahren vor, daß die Schnellöff­ nungsgröße in Form einer zeitabhängig steigenden oder fallenden Rampenfunktion, Stufenfunktion, Sprungfunktion oder Impulsfolgefunktion ausgegeben wird. Die Auswahl der Funktion richtet sich im Einzelfall nach den vorliegenden Erfordernissen, insbesondere nach der Arbeitsweise des Abblasventils und seiner zugehörigen Betätigungseinrich­ tung. Dabei ist zweckmäßig die Steilheit der Funktion an die durch technische Eigenschaften festgelegte maximale Stellgeschwindigkeit des Abblaseventil, die immer größer ist als die maximale Veränderungsgeschwindigkeit des Reglers hinsichtlich der Ventilstellgröße, angepaßt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 3 bis 8 ange­ geben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Die Fig. 1 bis 3 der Zeichnung zeigen drei Ausführungen des Verfah­ rens in Form von Regelschemata.

Fig. 1 zeigt einen Turboverdichter 1 mit einer Ansaug­ leitung 10 und einer Abgabeleitung 11, in welche eine Rückschlagklappe 13 eingebaut ist. Von der Abgabeleitung 11 zweigt vor der Rückschlagklappe 13 eine Abblaseleitung 12 ab, in welche ein Abblaseventil 2 eingeschaltet ist. Ansaugseitig wird an dem Verdichter 1 mittels eines Durchflußmessers 31 kontinuierlich der zum Verdichter 1 strömende Durchfluß des zu verdichtenden Mediums, z. B. Luft, erfaßt. Hinter dem Verdichter 1 wird durch einen mit der Abgabeleitung 11 verbundenen Druckmesser 32 ste­ tig der Verdichterenddruck erfaßt. Mittels eines dem Druckmesser nachgeschalteten Funktionsgebers 33 wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Druck jeweils der für diesen gerade noch zulässige Minimaldurchflußwert ermit­ telt. Dieser Minimaldurchflußwert, der vom Funktionsgeber 33 ausgegeben wird, dient als Sollwert, während der von dem Durchflußmesser 31 ermittelte Durchflußwert als Ist­ wert dient. Dieser Istwert wird mit einem negativen Vor­ zeichen einem Addierer 34 zugeführt, in welchem eine erste Regeldifferenz x definitionsgemäß als Differenz zwischen Sollwert und Istwert gebildet wird. Die Regel­ differenz x wird dem Eingang eines Proportional-Integral- Reglers (PI-Regler) 4 zugeführt, welcher seinerseits an seinem Ausgang eine Stellgröße y abgibt, die dem Abblase­ ventil 2 zugeführt wird und dessen geregelte Verstellung bewirkt.

Weiterhin wird bei dem in Fig. 1 beschriebenen Verfahrensbei­ spiel die erste Regeldifferenz x zusätzlich noch einer Sicherheitssteuerung 5 zugeführt. In dieser Sicherheitssteuerung 5 wird zunächst in einem Geschwin­ digkeitsmesser 51 die Änderungsgeschwindigkeit der Regel­ differenz x, d. h. die Bewegungsgeschwindigkeit des Ar­ beitspunktes des Verdichters 1 in dessen Kennfeld berech­ net. Parallel hierzu wird die Regeldifferenz x einem wei­ teren Funktionsgeber 52 zugeführt, in welchem eine vorge­ gebene Orts-Geschwindigkeits-Funktion gespeichert ist. Diese Funktion stellt eine Kurve dar, bei deren Erreichen durch den Arbeitspunkt des Verdichters 1 ein Pumpen gera­ de noch verhindert werden kann. Dies bedeutet zugleich, daß, solange der Arbeitspunkt die Kurve noch nicht er­ reicht hat, ein Eingreifen der Sicherheitssteuerung zum Schutz des Verdichters 1 noch nicht nötig ist. Die Kurve selbst bezeichnet die Punkte, an denen eine Ventilöffnung spätestens beginnen muß, um ein Erreichen der Pumpgrenze soeben noch verhindern zu können. Die Form dieser Kurve und ihr Abstand von der Pumpgrenze werden maßgeblich von den Eigenschaften des Abblaseventils, wie Stellverhalten, Nichtlinearitäten und dergleichen, bestimmt. Ausgangssei­ tig gibt der Funktionsgeber 52 jeweils den zu der aufge­ gebenen Regeldifferenz x gehörenden Geschwindigkeits- Sollwert ab. In einem weiteren Addierer 53 wird aus der vom Geschwindigkeitsmesser 51 abgegebenen Ist-Geschwin­ digkeit und der vom Funktionsgeber 52 abgegebenen, mit einem negativen Vorzeichen versehenen Soll-Geschwindig­ keit die Differenz gebildet. Diese wird als zweite Regel­ differenz x′ einer Grenzwertstufe 54 zugeführt. Diese Grenzwertstufe 54 vergleicht die aufgegebene zweite Re­ geldifferenz x′ mit einem in der Grenzwertstufe 54 ge­ speicherten vorgebbaren Grenzwert, der der zuvor erwähn­ ten Sicherheitsspanne entspricht. Überschreitet die zweite Regeldifferenz x′ diesen Grenzwert, gibt die Grenzwertstufe 54 ausgangsseitig eine sogenannte Schnell­ öffnungsgröße z ab. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wird die Schnellöffnungsgröße z durch einen Funktionsgeber 55 erzeugt, der hier eine zeitabhängig stetig ansteigende Rampenfunktion abgibt. Bei Abblaseven­ tilen 2 mit nichtlinearer Stellgeschwindigkeit kann der Funktionsgeber 55 so ausgestaltet sein, daß sich die Steigung der abgegebenen Funktion zeitabhängig genau so ändert, daß das Abblasevenil 2 jeweils mit seiner maxi­ malen Verstellgeschwindigkeit verstellt wird. Zusätzlich kann hier die Stellung des Abblaseventils 2 als Rückkopp­ lungsgröße auf den Funktionsgeber 55 gegeben werden, wodurch sichergestellt wird, daß die Stellgeschwindigkeit des Abblaseventils stets an die aktuelle Ventilstellung angepaßt wird.

Diese Schnellöffnungsgröße z wird, mit einem negativen Vorzeichen versehen, dem Ausgang des PI-Reglers 4 aufge­ geben und dort in einem Addierer 43 zu der vom PI-Regler 4 erzeugten Stellgröße zur Bildung einer geänderten Stellgröße y addiert. Da definitionsgemäß bei dem vorlie­ genden Beispiel (und auch bei den im folgenden noch zu beschreibenden Beispielen) das Abblaseventil 2 bei klei­ ner werdender Stellgröße y öffnet, wird durch das Auf­ addieren der Schnellöffnungsgröße z auf die Stellgröße am Reglerausgang eine rasche Verstellung des Abblaseventils 2 in Öff­ nungsrichtung bewirkt. Die Steilheit der Rampenfunktion des Funktionsgebers 55 ist dabei an die maximal mögliche Stellgeschwindigkeit des Abblaseventils 2 angepaßt. Die so erreichte Änderungsgeschwindigkeit für die Stellgröße y ist dabei größer als die von dem PI-Regler 4 allein erzeugbare Änderungsgeschwindigkeit für die Stellgröße am Reglerausgang. Alternativ kann der Ausgang der Grenzwertstufe 54 auch unmittelbar auf den Addierer 43 gegeben werden, d. h. der Funktionsgeber 55 kann hier entfallen. Die Größe des Ausgangssignals der Grenzwertstufe 54 muß dabei so bemes­ sen sein, daß es bei der Addition im Addierer 43 eine so große Änderung der Stellgröße y bewirkt, daß das Abblase­ ventil 2 einen Befehl zur vollständigen Öffnung erhält. Dabei läuft das Abblaseventil 2 so schnell wie möglich der Stellgröße y nach. Diese Verfahrensvariante ist damit besonders einfach, jedoch kann es hier zu einem zeitwei­ sen Differieren von Stellgröße y und aktueller Ventil­ stellung kommen.

Auch die Fig. 2 der Zeichnung zeigt den Turboverdichter 1 mit Ansaugleitung 10 und Abgabeleitung 11, in die wieder die Rückschlagklappe 13 eingesetzt ist. Auch hier zweigt wieder die Abblaseleitung 12 mit dem eingeschalte­ ten Abblaseventil 2 von der Abgabeleitung 11 ab. Auch die Bestimmung der ersten Regeldifferenz x erfolgt hier in der bereits anhand von Fig. 1 beschriebenen Weise mit­ tels Meßwerten und Sollwerten, die anhand eines Durch­ flußmessers 31, eines Druckmessers 32 und eines Funkti­ onsgebers 33 mit nachgeschaltetem Addierer 34 ermittelt wird. Weiterhin ist auch der hier verwendete Regler ein PI-Regler 4.

Neu ist bei dem hier dargestellten Beispiel, daß dem PI- Regler 4 eingangsseitig nicht nur die Regeldifferenz x zugeführt wird sondern auch die von der Sicherheits­ steuerung 5 berechnete Schnellöffnungsgröße z. Hierbei wird dem Proportionalteil 41 des PI-Reglers 4 lediglich die erste Regeldifferenz x eingangsseitig zugeführt, während dem Integralteil 42 des PI-Reglers 4 die Summe aus der ersten Regeldifferenz x und der Schnellöffnungs­ größe z eingangsseitig zugeführt wird. Die Summe aus der Regeldifferenz x und der Schnellöffnungsgröße z wird in einem Addierer 45 gebildet, der dem Integralteil 42 des PI-Reglers 4 vorgeschaltet ist. Zwischen den Addierer 45 und den Eingang des Integralteils 42 ist hier noch ein Begrenzer 44 geschaltet, der dafür sorgt, daß auch bei maximalem Eingangssignal die Zeitkonstante des Integral­ teils nicht kürzer wird als die Stellzeit des Abblaseven­ tils.

Die Berechnung der zweiten Regeldifferenz x′ erfolgt bei dem Beispiel nach Fig. 2 in der bereits in Fig. 1 be­ schriebenen Art und Weise. Auch hier wird die zweite Re­ geldifferenz x′ auf die Grenzwertstufe 54 gegeben, die bei Überschreiten eines darin gespeicherten Grenzwertes durch die zweite Regeldifferenz x′ als Ausgangssignal die Schnellöffnungsgröße z an den Addierer 45 abgibt.

Ausgangsseitig ist dem Proportionalteil 41 und dem Inte­ gralteil 42 des PI-Reglers 4 ein Addierer 43 nachgeschal­ tet, in welchem die Ausgänge des Proportionalteils 41 und des Integralteils 42 zur Bildung der Stellgröße y für die Verstellung des Abblaseventils 2 addiert werden.

Fig. 3 zeigt eine dritte vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, wobei auch hier wieder in der Darstellung der Verdichter 1 mit Ansaugleitung 10 und Abgabeleitung 11 sowie darin eingesetzter Rückschlagklappe 13 und vor dieser von der Leitung 11 abzweigender Abblaseleitung 12 mit eingeschaltetem Abblaseventil 2 dargestellt ist. Die Bestimmung der ersten Regeldifferenz x erfolgt hier in der gleichen Weise wie zuvor anhand von Fig. 1 und 2 beschrieben. Auch die Bestimmung der Schnellöffnungsgröße z durch die Sicherheitssteuerung 5 erfolgt hier genau in der anhand von Fig. 2 beschriebenen Art und Weise.

Als Regler wird auch hier wieder ein PI-Regler 4 verwen­ det, der einen Proportionalteil 41 und einen Integralteil 42 besitzt. Dem Proportionalteil 41 wird wieder nur die erste Regeldifferenz x zugeführt, während dem Integral­ teil 42 sowohl die Regeldifferenz x als auch die Schnell­ öffnungsgröße z eingangsseitig zugeführt werden. Im Un­ terschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besitzt hier jedoch der Integralteil 42 des PI-Reglers 4 zwei getrennte Integratoreingänge 42′ und 42′′. Dem ersten Eingang 42′ ist die erste Regeldifferenz x zugeordnet, während dem zweiten Eingang 42′′ die Schnellöffnungsgröße z aufgeschaltet wird. Diese Ausführung bietet den Vor­ teil, daß den beiden Eingängen 42′ und 42′′ unterschiedli­ che Integrationsverhalten, z. B. unterschiedliche Inte­ grationszeitkonstanten, zugeordnet werden können. Hier­ durch kann der Ausgang des Integralteils 42 in Abhängig­ keit von der Schnellöffnungsgröße z ohne Beeinflussung durch die erste Regeldifferenz x in effektiver Art und Weise beeinflußt werden.

Die Ausgänge des Proportionalteils 41 und des Integral­ teils 42 des PI-Reglers 4 werden auch hier wieder in einem Addierer 43 zur Bildung der Stellgröße y für die Verstellung des Abblaseventils 2 zueinander addiert.

Vorteilhaft bei den beiden zuletzt beschriebenen Verfah­ rensvarianten gemäß den Fig. 2 und 3 ist u. a., daß die Schnellöffnungsgröße z über den Integralteil 42 des Reglers 4 wirkt, da dadurch sichergestellt wird, daß während einer Schnellöffnung des Abblaseventils 2 der Ausgang des PI-Reglers 4 der Stellgrößenänderung folgt.

Allen beschriebenen Verfahrensvarianten ist gemeinsam, daß im Normalfall die Regelung allein durch die normale Regelung, hier durch den PI-Regler 4, vorgenommen wird. Lediglich beim Auftreten von Störungen tritt die Sicher­ heitssteuerung 5 in Aktion, die die Stellgröße y für die Verstellung des Abblaseventils 2 durch additive Überla­ gerung so verändert, daß sich eine Ventilverstellung mit einer erhöhten Stellgeschwindigkeit in Öffnungsrichtung ergibt.

Claims (8)

1. Regelverfahren zum Vermeiden des Pumpens eines Turbo­ verdichters mittels bedarfsweisen Abblasens, wobei der Durchfluß zum Verdichter sowie der Verdichterend­ druck stetig erfaßt und zur Berechnung einer ersten, den Ort des Verdichter-Arbeitspunktes im Verdichter­ kennfeld darstellenden Regeldifferenz verwendet werden, welche als Eingangs­ größe auf einen Regler gegeben wird, der als Ausgangs­ größe eine Stellgröße für eine geregelte Verstellung des Abblaseventils an dieses liefert, und wobei eine Sicherheitssteuerung beim Auftreten von großen und/ oder schnellen, die begrenzte Reaktionsgeschwindig­ keit des Reglers überfordernden Störungen eine Schnellöffnung des Abblaseventils auslöst, indem bei Überschreiten eines die Erfordernis einer Schnellöffnung des Abblaseventils anzeigenden Grenzwertes eine Schnellöffnungsgröße in Abhängigkeit von der ersten Regeldifferenz (x) und vorgebbaren Sollwerten erzeugt und auf den Regler aufgeschaltet wird und so durch additive Überlagerung eine eine Betätigung des Abblaseventils in Öffnungsrichtung bewirkende Veränderung der Stellgröße für das Abblaseventil mit einer erhöhten Änderungsgeschwindigkeit erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ersten Regeldifferenz (x) eine weitere, zweite Regeldifferenz (x′) berechnet wird, indem aus der ersten Regeldifferenz (x) die Ist-Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes im Kennfeld berechnet wird (51) und aus dieser Ist-Geschwindigkeit und einer dieser ortsabhängig zugeordneten Soll-Geschwindigkeit gemäß einer vorgebbaren Orts-Geschwindigkeits-Funktion (52), bei deren Erreichen durch den Arbeitspunkt ein Pumpen gerade noch verhindert werden kann, die Differenz gebildet, wird (53) und daß diese zweite Regeldifferenz (x′) anschließend einer nachgeschalteten Grenzwertstufe (54) zugeführt wird, welche im Ansprechfall die Schnellöffnungsgröße (z) ausgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellöffnungsgröße (z) in Form einer zeitab­ hängig steigenden oder fallenden Rampenfunktion, Stufenfunktion, Sprungfunktion oder Impulsfolgefunktion ausgegeben wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schnellöffnungsgröße (z) auf den Reglerausgang aufgegeben und mit angepaßtem Vorzeichen zu der vom Regler (4) ausgegebenen Stellgröße für das Abblaseventil addiert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Reglers (4) während der Ausgabe der Schnellöffnungsgröße (z) auf einen der aktuellen Stellung des Abblaseventils (2) entsprechen­ den Wert nachgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei als Regler ein Proportional-Integral-Regler verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Proportionalteil (41) des Reglers (4) nur die erste Regeldifferenz (x) zuge­ führt wird und daß dem Integralteil (42) des Reglers (4) die Summe aus der ersten Regeldifferenz (x) und der Schnellöffnungsgröße (z) zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus der ersten Regeldifferenz (x) und der Schnellöffnungsgröße (z) vor Eingang in den Integral­ teil (42) des Reglers (4) über einen Begrenzer (44) geführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, wobei als Regler ein Proportional-Integral-Regler verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß für den Integralteil (42) des Reglers (4) ein Integrierer mit einem zweiten Integratoreingang (42′′) verwendet wird, dessen Inte­ grierverhalten von dem ersten Integratoreingang (42′), dem die erste Regeldifferenz (x) zugeführt wird, unabhängig ist, und daß die Schnellöffnungs­ größe (z) diesem zweiten Integratoreingang (42′′) zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Integratoreingängen (42′, 42′′) des Integrierers (42) unterschiedliche Integrierzeitkonstanten zugeordnet werden.