DE4122631A1 - Regulating operation of compressor - adjusting RPM or setting guide vanes according to desired value delivered by process regulator - Google Patents
Regulating operation of compressor - adjusting RPM or setting guide vanes according to desired value delivered by process regulatorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betrei ben eines Verdichters, bei dem der Abstand des Betriebs punktes des Verdichters von der Pumpgrenzlinie in ein S-Kriterium transformiert wird und ein zur Änderung der Verdichterdrehzahl oder der Stellung der Leitschaufeln geeigneter Sollwert von einem Prozeßregler geliefert wird und durch einen Pumpverhütungsregler oder ein Abblaseventil des S-Kriterium bzw. der Ausgangsdruck auf einen Wert unterhalb eines bestimmten Maximalwertes geregelt wird.The invention relates to a method for regulated operation ben of a compressor where the distance of operation point of the compressor from the surge line in one S criterion is transformed and one to change the Compressor speed or the position of the guide vanes suitable setpoint is supplied by a process controller and by an anti-pump regulator or a relief valve of the S criterion or the outlet pressure to a value is regulated below a certain maximum value.
Herkömmliche Verdichter arbeiten meist mit einem Prozeß regler, der einen Sollwert liefert, mit dem die Drehzahl oder die Stellung der Leitschaufeln des Verdichters ange steuert werden. Als Prozeßregler kommen z. B. Saugdruck- oder Ausgangsdruckregler zum Einsatz, deren Sollwerte vom jeweils gemessenen Eingangs- und/oder Ausgangsdruck abhängen. Conventional compressors usually work with one process controller that supplies a setpoint with which the speed or the position of the compressor guide vanes be controlled. As a process controller come z. B. suction pressure or output pressure regulator, the setpoints of which respectively measured inlet and / or outlet pressure depend.
Die Verdichterkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdruck oder dem Verhältnis von Ausgangs- und Eingangsdruck und dem Eingangsvolumenstrom des Verdichters. Verschiedene Drehzahlen oder Stellungs winkel der Leitschaufeln des Verdichters ergeben eine Schar von Kennlinien, die von der sogenannten Pumpgrenzlinie zu abnehmenden Volumenströmen hin begrenzt sind. Jenseits dieser Pumpgrenzlinie ist der Ausgangsdruck so groß und der Eingangsvolumenstrom so klein, daß bei vorgegebener Dreh zahl der Verdichter zu pumpen beginnt, das heißt, daß verdichtetes Gas auf die Eingangsseite des Verdichters zurückschlägt und dadurch die Verdichterschaufeln beschädigt werden können.The compressor characteristic describes the relationship between the outlet pressure or the ratio of Outlet and inlet pressure and the inlet volume flow of the compressor. Different speeds or position angles of the compressor guide vanes result in a coulter of characteristics that go from the so-called surge line to decreasing volume flows are limited. Beyond this surge line, the outlet pressure is so great and that Input volume flow so small that at a given rotation number of compressors starts pumping, that is compressed gas on the inlet side of the compressor strikes back and thereby the compressor blades can be damaged.
Das Pumpen des Verdichters ist unbedingt zu vermeiden, weshalb herkömmliche Verdichter mit einem Pumpverhütungs regler arbeiten, der eine Annäherung des Betriebspunktes des Verdichters im Kennlinienfeld maximal bis zu einer Sicherheitslinie erlaubt, die parallel zur Pumpgrenzlinie verläuft. Wird diese Sicherheitslinie erreicht, so öffnet der Pumpverhütungsregler ein Rückführventil, durch das ein Teil des verdichteten Gases von der Ausgangs- zur Eingangs seite des Verdichters zurückgeleitet wird, wodurch das Verhältnis Ausgangs- zu Eingangsdruck abnimmt, der Eingangs volumenstrom wieder zunimmt und schließlich der Betriebs punkt sich von der Sicherheitslinie entfernt.Avoid pumping the compressor, which is why conventional compressors with a pump prevention regulator work, which is an approximation of the operating point of the compressor in the characteristic field up to a maximum Safety line allowed that is parallel to the surge line runs. If this safety line is reached, opens the pump prevention regulator a recirculation valve through which a Part of the compressed gas from the outlet to the inlet side of the compressor is returned, causing the The ratio of outlet to inlet pressure decreases, the inlet volume flow increases again and finally the operating point away from the security line.
Anstatt eines Pumpverhütungsreglers werden insbesondere bei Luftkompressoren Abblaseventile verwendet, die bei Über schreiten eines Maximaldrucks geöffnet werden, dadurch den Ausgangsdruck senken und den Verdichter in einen stabilen Arbeitsbereich zurückführen. Instead of a pump prevention regulator, in particular, at Air compressors used relief valves that are used at excess maximum pressure can be opened, thereby the Lower outlet pressure and the compressor into a stable Return work area.
Mathematisch läßt sich der Abstand des Betriebspunktes des Verdichters von der Pumpgrenzlinie oder der parallel dazu verlaufenden Sicherheitslinie durch den Wert einer Größe darstellen, die im allgemeinen als Surge- oder S-Kriterium bezeichnet wird. Kurven konstanten S-Wertes verlaufen im Verdichterkennlinienfeld parallel zur Pumpgrenzlinie.The distance of the operating point of the Compressor from the surge line or parallel to it trending security line by the value of a size represent, generally as a surge or S criterion referred to as. Curves of constant S-value run in Compressor characteristic field parallel to the surge limit line.
Das S-Kriterium läßt sich anhand gemessener Prozeßgrößen errechnen. Eine geeignete Berechnungsmethode verwendet an Prozeßgrößen den Saug- und Enddruck, die Saug- und Endtemperatur sowie den Volumenstrom. Eine möglichst verzögerungsfreie Erfassung dieser Meßgrößen ist von Wichtigkeit. Einem statischen Betriebspunkt ist eindeutig ein bestimmter Wert des S-Kriteriums zugeordnet. (N. Staroselsky, L. Ladin: "Improved surge control for centrifugal compressors.", Chemical Engineering, May 21, 1979).The S criterion can be measured on the basis of measured process variables calculate. A suitable calculation method is used Process variables the suction and final pressure, the suction and Final temperature and the volume flow. One if possible delay-free acquisition of these measured variables is from Importance. A static operating point is clear assigned a specific value to the S criterion. (N. Staroselsky, L. Ladin: "Improved surge control for centrifugal compressors. ", Chemical Engineering, May 21, 1979).
Nachteile ergeben sich bei der herkömmlichen Verdichter regelung im dynamischen Verhalten der Verdichter. Dazu ist zunächst zu berücksichtigen, daß Druckänderungen in einem Gasnetz nur in Folge von Durchflußänderungen (bei konstanter Temperatur) auftreten. Der Druck ist nämlich zum Integral des Massenstroms proportional. Eine sprunghafte Änderung des Massenstroms hat folglich keine sprunghafte sondern nur eine stetige Druckänderung zur Folge (Knick im zeitlichen Druckverlauf). Hingegen folgt der Massenstrom nahezu trägheitslos einer Änderung der Verdichterdrehzahl oder der Stellung der Leitschaufeln.Disadvantages arise with the conventional compressor regulation in the dynamic behavior of the compressors. Is to First take into account that pressure changes in one Gas network only as a result of changes in flow (at constant temperature) occur. The pressure is namely Integral proportional to the mass flow. A leap The change in the mass flow therefore has no sudden changes but only a constant pressure change (kink in pressure course over time). The mass flow follows almost inertia of a change in the compressor speed or the position of the guide vanes.
Die Probleme im dynamischen Verhalten eines Verdichters werden im folgenden anhand eines saugdruckgeregelten Verdichters mit Pumpverhütungsregelung beschrieben, sind aber ohne Einschränkung auch auf andere Verdichter konstellationen übertragbar. The problems in the dynamic behavior of a compressor are regulated below using a suction pressure Compressor with pump prevention control are described but without limitation to other compressors constellations transferable.
Für einen Verdichter gibt es zwei Möglichkeiten, die zur Änderung seines Betriebspunktes führen. Entweder wird von außen ein verändertes Ausgangs- zu Eingangsdruckverhältnis vorgegeben oder die Verdichterdrehzahl ändert sich. Der Volumenstrom stellt sich in Abhängigkeit dieser Größen entsprechend ein. Erreicht ein saugdruckgeregelter Verdichter die Sicherheitslinie aufgrund von fallendem Eingangsdruck, so wird der Saugdruckregler versuchen, die Drehzahl zu vermindern, um den Volumenstrom zu reduzieren und die Pumpverhütungsregelung wird das Rückführventil öffnen. Betrachtet man nur die statischen Verdichter betriebspunkte, erscheint diese Regelungsmethode richtig. Dynamisch gesehen wirkt sich jedoch die Verminderung der Drehzahl negativ aus.There are two options for a compressor Change its operating point. Either of outside a changed output to input pressure ratio specified or the compressor speed changes. The Volume flow depends on these sizes accordingly. Reaches a suction pressure controlled Compressor the safety line due to falling Inlet pressure, so the suction pressure regulator will try that Reduce speed to reduce the volume flow and the pump prevention control becomes the return valve to open. Just look at the static compressors operating points, this control method appears correct. Seen dynamically, however, the reduction in Speed negative.
Aufgrund der in der Nähe der Pumpgrenzlinie flachen Verdichterkennlinie sind mit geringen Drehzahländerungen sehr große Volumenstromänderungen verbunden, wenn man wie oben erläutert berücksichtigt, daß sich der Ausgangsdruck im dynamischen Fall einer Drehzahländerung zunächst kaum ändert. Die Drehzahlverminderung des Saugdruckreglers bei fallendem Eingangsdruck führt also dazu, daß der Volumen strom stark abnimmt und der Betriebspunkt des Verdichters auf die Pumpgrenzlinie zusteuert. Das Vermindern der Drehzahl durch den Saugdruckregler kann den Verdichter weit in den Pumpbereich hineintreiben, bevor der Pumpverhütungs regler in der Lage ist, durch Öffnen des Rückführventils den eingangsseitigen Volumenstrom zu erhöhen. Ist das Rück führventil ganz oder teilweise geöffnet, so steigt der Saugdruck, der Saugdruckregler erhöht wieder die Drehzahl und führt dadurch den Verdichter von der Pumpgrenzlinie weg, wodurch wiederum der Pumpverhütungsregler das Rückführ ventil schließen kann. Because of the flat near the surge line Compressor characteristics are with small speed changes very large volume flow changes associated if you like explained above takes into account that the outlet pressure hardly in the dynamic case of a speed change changes. The speed reduction of the suction pressure regulator at falling inlet pressure leads to the volume current decreases sharply and the operating point of the compressor heading for the surge line. The diminishing of Speed through the suction pressure regulator can far the compressor drive into the pumping area before pump prevention controller is able to open the return valve to increase the volume flow on the input side. Is that back guide valve fully or partially open, the rises Suction pressure, the suction pressure regulator increases the speed again and thereby leads the compressor from the surge line away, which in turn causes the pump prevention controller to return valve can close.
Pumpverhütungs- und Saugdruckregler arbeiten beim Erreichen der Sicherheitslinie bei fallendem oder zu niedrigem Saug druck gegeneinander und erzeugen dadurch hohe Überschwinger im Regelverhalten. Dadurch entsteht leicht ein instabiles System, das sich beim Erreichen der Sicherheitslinie aufschaukelt.Pump prevention and suction pressure regulators work when reached the safety line in case of falling or too low suction press against each other and thereby create high overshoots in control behavior. This easily creates an unstable one System that is on reaching the security line rocking up.
Um den Verdichter wirkungsvoll zu schützen, ist es bei der konventionellen Verdichterregelung notwendig, die Reaktions zeit des Pumpverhütungsreglers zu verkürzen oder den Sicher heitsabstand zur Pumpgrenzlinie genügend hoch zu wählen, um dem Pumpverhütungsregler Zeit für den stabilisierenden Eingriff zu geben. Ein Verkürzen der Reaktionszeit ist jedoch i.a. aufgrund des resultierenden instabilen Verhaltens des Verdichters nicht möglich und eine Erhöhung des Sicherheitsabstands führt wiederum zu einem hohen Energieverbrauch durch Rückführung oder Abblasen des Gasstroms.To protect the compressor effectively, it is at conventional compressor control necessary, the response to shorten the time of the pump prevention regulator or the safety enough distance to the surge line to choose the pump prevention regulator time for the stabilizing To give intervention. Shortening the response time is however generally due to the resulting unstable Behavior of the compressor not possible and an increase the safety distance in turn leads to a high one Energy consumption by recycling or blowing off the Gas flow.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Verdichterregelung zu entwickeln, die den Verdichter auch im dynamischen Verhalten auf einem stabilen Betriebspunkt hält. Der gesamte Arbeitsbereich einschließ lich der An- und Abfahrprozesse des Verdichters soll das gewünschte stabile Verhalten aufweisen. Außerdem soll sich das verbesserte Regelungsverfahren auch für den parallelen oder seriellen Betrieb von Verdichtern eignen.The object of the present invention is therefore a to develop improved compressor control that the Compressor also in dynamic behavior on a stable Operating point stops. Include the entire work area That is what the compressor starts and stops have the desired stable behavior. In addition, should the improved control procedure also for the parallel or serial operation of compressors.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zur Änderung der Verdichterdrehzahl oder der Stellung der Leitschaufeln geeignete Sollwert des Prozeßreglers mit einem Faktor multipliziert wird und durch den derart veränderten Sollwert die Verdichterdrehzahl oder die Stellung der Leitschaufeln gesteuert werden, wobei dieser Faktor von einem Lastverteilungsregler ermittelt wird, der eine aus dem S-Kriterium berechnete Größe konstant hält. This object is achieved in that the to change the compressor speed or the position of the Guide blades with a suitable setpoint of the process controller is multiplied by a factor and by such changed setpoint the compressor speed or the Position of the guide vanes are controlled, this Factor is determined by a load distribution controller that holds a quantity calculated from the S criterion constant.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum geregelten Betreiben eines Verdichters vermeidet in erster Linie einen bei den bisherigen Regelsystemen möglichen Betriebsfall, der für den Verdichter schädliche Konsequenzen aufweisen kann und häufig auftritt. Mit diesem Betriebsfall muß immer dann gerechnet werden, wenn der eingangsseitige Druck abfällt, dagegen der Ausgangsdruck nahezu konstant bleibt.The method according to the invention for regulated operation of a compressor primarily avoids one of the previous control systems possible operating case for the compressor can have harmful consequences and occurs frequently. With this operating case must always be calculated when the inlet pressure drops, however, the outlet pressure remains almost constant.
Beispielsweise wird der Saugdruckregler eines konventionell geregelten Verdichters bei einem solchen Druckabfall die Drehzahl des Verdichters erniedrigen, um den Eingangsdruck wieder zu erhöhen und den Ausgangsdruck zu erniedrigen, wodurch im Idealfall einem Pumpen des Verdichters entgegen gewirkt werden würde. Im Realfall folgt hingegen einer Erniedrigung der Drehzahl keinesfalls eine verzögerungs freie Absenkung des Ausgangsdrucks aufgrund des eingangs beschriebenen dynamischen Verhaltens des Verdichters. Vielmehr sinkt der Ausgangsdruck im Vergleich zur Drehzahl und zum Massenstrom sehr viel langsamer ab, wodurch der Betriebspunkt des Verdichters sich schnell der Pumpgrenz linie nähert und diese im schlechtesten Fall überschreitet. Wird der Verdichter aber von vorneherein in der Nähe der Pumpgrenzlinie betrieben, um seine Leistungsfähigkeit besser auszuschöpfen, ist im oben geschilderten Fall ein Überschreiten der Pumpgrenzlinie unvermeidlich.For example, the suction pressure regulator becomes conventional regulated compressor at such a pressure drop Reduce the compressor speed to the inlet pressure increase again and lower the outlet pressure, which ideally counteracts pumping of the compressor would be knitted. In the real case, however, one follows Lowering the speed in no way a delay free reduction of the outlet pressure due to the inlet described dynamic behavior of the compressor. Rather, the outlet pressure drops compared to the speed and to the mass flow much more slowly, which makes the Operating point of the compressor quickly becomes the surge limit line approaches and exceeds it in the worst case. But if the compressor is close to the Surge line operated to its capacity in the case described above is better to exhaust Inevitably crossing the surge line.
Erfindungsgemäß wird in diesem Betriebsfall der vom Saug druckregler angestrebten Erniedrigung der Drehzahl dadurch entgegengewirkt, daß das vom Saugdruckregler gelieferte Signal zur Drehzahlsteuerung mit einem Faktor multipliziert wird, wodurch dieses Signal so verändert wird, daß ein rasches Absinken der Drehzahl nicht mehr möglich wird. Analoges gilt für den Fall der Steuerung der Stellung der Leitschaufeln des Verdichters. According to the invention in this operating case, the suction pressure regulator aimed at lowering the speed counteracted that that supplied by the suction pressure regulator Speed control signal multiplied by a factor is, whereby this signal is changed so that a rapid drop in speed is no longer possible. The same applies to the case of controlling the position of the Guide vanes of the compressor.
Dieser Faktor wird von einem sogenannten Lastverteilungs regler berechnet, der eine aus dem S-Kriterium dieses Verdichters berechnete Größe konstant hält.This factor is called a load distribution controller calculates one from the S criterion of this Compressor keeps the calculated size constant.
Durch diese Regelmethode wird im obengenannten Fall der Betriebspunkt des Verdichters entweder sehr viel langsamer als bisher an die Pumpgrenzlinie herangeführt, wodurch der Pumpverhütungsregler noch vor Überschreiten der Pumpgrenz linie einsetzen kann und das System Zeit zum Stabilisieren bekommt, oder sogar von der Pumpgrenzlinie kurzzeitig weggeführt, wenn die Multiplikation mit dem beschriebenen Faktor in Folge zu einer Drehzahlerhöhung führt. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Lastverteilungsreglers arbeiten jetzt Pumpverhütungs- und Saugdruckregler sich gegenseitig unterstützend und stabilisierend. Die Wahl der Reglerparameter, die z. B. die Reaktionszeit des Pumpver hütungsreglers bestimmen, wird aufgrund dieser stabili sierenden Wirkung unkritischer im Vergleich zu herkömmlichen Regelungen.With this control method, the Compressor operating point either much slower than previously brought up to the surge line, whereby the Pump prevention regulator before the pump limit is exceeded line and the system has time to stabilize gets, or even briefly from the surge line carried away when multiplying with the described Factor in a row leads to an increase in speed. By the Use of the load distribution controller according to the invention pump prevention and suction pressure regulators are now working mutually supportive and stabilizing. The choice of Controller parameters, e.g. B. the response time of the pumpver control regulation, is based on this stabili effect less critical compared to conventional regulations.
Da der Lastverteilungsregler den Verdichter nur kurzzeitig durch Erhöhen der Drehzahl von der Pumpgrenzlinie wegführen kann, wird der Pumpverhütungsregler wie bisher dazu eingesetzt, das S-Kriterium auf einen Maximalwert zu begrenzen, indem er beim Erreichen dieses Maximalwertes ein Rückführventil öffnet.Because the load distribution controller only briefly compresses the compressor by increasing the speed away from the surge line can, the pump prevention controller will continue to do so used the S criterion to a maximum value limit by entering when this maximum value is reached Return valve opens.
Insgesamt wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Last verteilungsreglers das negative Verhalten des Saugdruck reglers (Verminderung der Drehzahl beim Erreichen der Sicherheitslinie) kompensiert, die Regelgröße S beim Erreichen der Sicherheitslinie bzw. des zugeordneten Maximalwertes von S gedämpft und dadurch Überschwinger des S-Kriteriums über den Maximalwert ganz verhindert bzw. stark herabgesetzt. Der zusätzlich arbeitende Pumpver hütungsregler kann überdies langsamer eingestellt werden (größere Zeitkonstanten), da sich die Regelgröße S- Kriterium nicht mehr abrupt ändern kann, wenn der Last verteilungsregler zusätzlich vorzeitig eingreift. Der Pumpverhütungsregler führt den Verdichter nach Über schreiten der ihm zugeordneten Sicherheitslinie wieder auf einen statischen Betriebspunkt zurück.Overall, the use of the load according to the invention distribution controller the negative behavior of the suction pressure controller (reduction in speed when reaching the Safety line) compensated, the controlled variable S at Reaching the security line or the assigned one Damped maximum value of S and thus overshoot of the S criterion over the maximum value completely prevented or greatly reduced. The additionally working pumpver the contraceptive regulator can also be set more slowly (larger time constants) because the controlled variable S- Criterion can no longer change abruptly when the load distribution controller intervenes prematurely. The Pump prevention controller guides the compressor to over step back on the safety line assigned to him a static operating point.
Die beschriebenen Vorteile ergeben sich in analoger Weise auch bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf andere Verdichterkonstellationen, wie z. B. Verdichter, die mit einem Abblaseventil zur Pumpverhütung ausgestattet sind oder mit einem Ausgangsdruckregler, der die Drehzahl oder die Stellung der Leitschaufeln steuert.The advantages described arise in an analogous manner even when using the method according to the invention other compressor configurations, such as B. compressors are equipped with a blow-off valve for pump prevention or with an output pressure regulator that adjusts the speed or controls the position of the vanes.
Die vom Lastverteilungsregler ("Load Share Control") konstant gehaltene Größe wird vorteilhaft aus dem Verhältnis aus dem unveränderten S-Kriterium und dem auf einen Maximalwert begrenzten S-Kriterium gebildet und auf den Wert 1 konstant gehalten. Solange folglich das S- Kriterium unterhalb eines vorgegebenen Maximalwertes, im folgenden mit W(LSC) bezeichnet, liegt, ist dieses Verhältnis gleich 1 und dieser Wert wird vom Lastver teilungsregler dadurch konstant gehalten, daß auch der von ihm ermittelte Faktor gleich 1 bleibt. Der Ausgang des Prozeßreglers wird dann unverändert zur Regelung der Drehzahl des Verdichters oder der Stellung der Leit schaufeln weitergegeben. Nimmt das S-Kriterium Werte an, die größer als der vorgegebene Maximalwert W(LSC) sind, so wird der Faktor vom Lastverteilungsregler derart berechnet, daß das S-Kriterium des Verdichters auf den Wert W(LSC) zuruckgeregelt wird, d. h. daß das Verhältnis aus dem S- Kriterium und dem Maximalwert W(LSC) vorübergehend wieder auf den Wert 1 ausgeglichen wird. The from the load distribution controller ("Load Share Control") Constantly kept size is advantageous from the Relationship between the unchanged S criterion and the a maximum value limited S criterion and on kept the value 1 constant. As long as the S- Criterion below a specified maximum value, in hereinafter referred to as W (LSC), is this Ratio equal to 1 and this value is determined by the load ver dividing controller kept constant in that the of the factor determined for him remains equal to 1. The exit of the Process controller is then unchanged to regulate the Speed of the compressor or the position of the guide shovel passed. If the S criterion takes values which are greater than the predetermined maximum value W (LSC), so the factor is calculated by the load distribution controller in such a way that the S-criterion of the compressor to the value W (LSC) is reduced, d. H. that the relationship from the S- Criterion and the maximum value W (LSC) temporarily again is equalized to the value 1.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Einsatz eines Pumpverhütungsreglers dem Lastverteilungsregler und dem Pumpverhütungsregler zwei verschiedene Maximalwerte für das S-Kriterium vorgegeben.In one embodiment of the method according to the invention become the when using a pump prevention regulator Load distribution controller and the pump prevention controller two different maximum values for the S criterion are specified.
Der dem Pumpverhütungsregler ("Anti Surge Control") vorge gebene Maximalwert werde im folgenden W(ASC) bezeichnet. Im Falle W(ASC) größer W(LSC) regelt der Lastverteilungsregler die Pumpverhütung solange die Drehzahlgrenze nicht erreicht ist. Der Pumpverhütungsregler kommt nicht zum Einsatz, es sei denn, ein Überschwinger des S-Kriteriums erreicht den Maximalwert W(ASC).Pre-selected the anti-surge control The maximum value given is referred to below as W (ASC). in the If the load distribution controller controls W (ASC) greater than W (LSC) Pump prevention as long as the speed limit is not reached is. The pump prevention regulator is not used, it does unless an overshoot of the S criterion reaches the Maximum value W (ASC).
Im umgekehrten Fall W(ASC) kleiner W(LSC) nimmt der Pump verhütungsregler die Hauptaufgabe, den Verdichter vor dem Pumpen zu schützen. Die Höhe der Überschwinger des S- Kriteriums wird durch den Lastverteilungsregler im wesentlichen auf den Wert W(LSC) begrenzt und anschließend wird das S-Kriterium vom Pumpverhütungsregler auf den Wert W(ASC) zurückgeführt.In the opposite case W (ASC) less than W (LSC) the pump takes contraceptive controller the main task, the compressor before the Protect pumps. The height of the overshoot of the S- Criterion is determined by the load distribution controller in the essentially limited to the value W (LSC) and then the S-criterion from the pump prevention regulator to the value W (ASC) returned.
Meist werden zur Steigerung der Durchflußmenge an verdichtetem Gas mehrere Verdichter parallel mit gemeinsamen Ein- und Ausgang in der Gasförderleitung angebracht.Most are used to increase the flow rate compressed gas using several compressors in parallel common entrance and exit in the gas production line appropriate.
Im Falle mindestens zweier, parallel geschalteter Verdichter wird erfindungsgemäß für jeden Verdichter der zur Änderung der Verdichterdrehzahl oder der Stellung der Leitschaufeln geeignete Sollwert eines Prozeßreglers mit einem Faktor multipliziert und durch das derart veränderte Signal die Verdichterdrehzahl oder die Stellung der Leit schaufeln gesteuert, wobei dieser Faktor jeweils von einem Lastverteilungsregler berechnet wird, der eine Größe konstant hält, die aus den S-Kriterien zweier paralleler Verdichter berechnet wird. In the case of at least two, connected in parallel According to the invention, the compressor is the for each compressor to change the compressor speed or the position of the Guide blades suitable setpoint of a process controller multiplied by a factor and changed by that Signal the compressor speed or the position of the guide blade controlled, this factor of one each Load balancer is calculated which is a size holds constant that from the S criteria of two parallel Compressor is calculated.
Diese Verfahrensweise ist ähnlich der bereits für einen einzelnen Verdichter beschriebenen. Der vom Lastverteilungs regler gelieferte Faktor wird nun derart berechnet, daß eine aus dem S-Kriterium zweier paralleler Verdichter berechnete Größe konstant gehalten wird. Analog zum Einzel verdichter kann diese Größe jetzt aus dem Verhältnis aus dem unveränderten S-Kriterium eines Verdichters und dem auf einen Maximalwert begrenzten S-Kriterium eines zweiten Parallelverdichters gebildet und auf den Wert 1 konstant gehalten werden.This procedure is similar to that for one described individual compressor. The one from load balancing factor delivered by the controller is now calculated in such a way that one from the S criterion of two parallel compressors calculated size is kept constant. Analogous to the individual compressor can now measure this size from the ratio the unchanged S criterion of a compressor and the a maximum value limited S-criterion of a second Parallel compressor formed and constant to the value 1 being held.
Die Verdichter können dabei wieder mit jeweils einem Abblaseventil oder jeweils einem Pumpverhütungsregler vor dem Pumpen geschützt werden. Im letzteren Fall können dem Lastverteilungsregler und dem Pumpverhütungsregler eines jeden Verdichters zwei verschiedene Maximalwerte für das S-Kriterium vorgegeben werden.The compressors can again with one Blow-off valve or a pump prevention controller protected from pumping. In the latter case, the Load distribution controller and the pump prevention controller one two different maximum values for each compressor S criterion can be specified.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird einer der parallelen Verdichter als Führungsverdichter ausgewählt, indem von seinem Lastverteilungsregler eine aus dem S-Kriterium dieses einen Verdichters berechnete Größe konstant gehalten wird.In a particularly advantageous embodiment of the inventive method is one of the parallel Compressor selected as the lead compressor by by his load distribution controller one from the S criterion this size calculated by a compressor kept constant becomes.
Dieser Führungsverdichter arbeitet regelungstechnisch nahezu identisch zu einem oben bereits beschriebenen Einzelverdichter. Der ihm parallel zugeschaltete Verdichter wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Lastver teilungsregler auf das S-Kriterium bzw. den Betriebpunkt des Führungsverdichters ausgeregelt. Dazu wird vorteil hafterweise die vom Lastverteilungsregler des Führungs verdichters konstant gehaltene Größe wieder aus dem Verhältnis aus dem unveränderten S-Kriterium und dem auf einen Maximalwert begrenzten S-Kriterium dieses Führungs verdichters gebildet und auf den Wert 1 konstant gehalten. This lead compressor works in terms of control technology almost identical to one already described above Single compressor. The compressor switched on in parallel is by the use of Lastver division controller to the S criterion or the operating point of the leading compressor. This will be advantageous that of the load distribution controller of the guide Compressor kept constant size from the Relationship between the unchanged S criterion and the a maximum value limited S-criterion of this leadership compressor formed and kept constant at the value 1.
Die übrigen parallelen Verdichter werden dann auf indirekte Weise von ihren Lastverteilungsreglern ebenfalls auf einen gemeinsamen, vom Führungsverdichter vorgegebenen Betriebs punkt geführt.The remaining parallel compressors are then indirect Way of their load balancing controllers also in one common operation specified by the lead compressor point led.
Die unterschiedlichen Eigenschaften der in der Praxis eingesetzen Verdichter werden durch das erfindungsgemäße Verfahren optimal kompensiert.The different properties of the in practice compressors are used by the invention Process optimally compensated.
Besonders vorteilhaft ist dabei die angesprochene Verhältnisbildung aus dem unveränderten S-Kriterium des einen Verdichters und dem auf einen Maximalwert begrenzten S-Kriterium eines zweiten parallelen Verdichters. Dadurch wird vermieden, daß beim Überschreiten eines Verdichters über die Sicherheitslinie von diesem Verdichter alle anderen Verdichter mitgezogen werden würden. Durch die Begrenzung auf den Maximalwert werden die übrigen Verdichter lediglich maximal an die Sicherheitslinie herangeführt, ohne diese zu überschreiten.The one mentioned is particularly advantageous Ratio formation from the unchanged S criterion of the a compressor and the one limited to a maximum value S criterion of a second parallel compressor. Thereby it is avoided that when a compressor is exceeded over the safety line from this compressor all other compressors would be pulled. Through the The others will be limited to the maximum value Compressor only to the maximum on the safety line introduced without exceeding them.
Um das erfindungsgemäße Verfahren sinnvoll einsetzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die parallelen Verdichter von dem Sollwert eines gemeinsamen Prozeßreglers geführt werden. Dieser Prozeßregler ist z. B. ein konventioneller Saugdruckregler, der die Verdichterdrehzahl oder die Stellung der Leitschaufeln steuert. Dies stellt zugleich eine technisch komfortable und unaufwendige Lösung dar.To use the method according to the invention effectively can, it is advantageous if the parallel compressor guided by the setpoint of a common process controller will. This process controller is e.g. B. a conventional one Suction pressure regulator, which the compressor speed or the Position of the guide vanes controls. This represents at the same time is a technically comfortable and inexpensive solution.
Anhand der beiden schematischen Zeichnungen soll im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.Based on the two schematic drawings following the method according to the invention explained in more detail will.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Regelsystems an einem Verdichter 1, zu dem eine Pipeline 9 hinführt, die wiederum vom Verdichter 1 zu einem Verbraucher leitet. Fig. 1 shows schematically the structure of a composition suitable for carrying out the process control system on a compressor 1 leads to a pipeline 9, which in turn passes from the compressor 1 to a consumer.
Zur Erfassung des S-Kriteriums dient die Meßplatzvorrich tung 2, die ausgehend von den aktuellen Größen für Saug und Enddruck, Saugdruck und Endtemperatur sowie den Volumenstrom das S-Kriterium des Verdichters 1 berechnet und anschließend diesen Wert an den Ausgang legt. Mit dem Ausgang dieser Meßplatzvorrichtung 2 ist ein Pumpverhütungs regler 3 verbunden, der beim Überschreiten des S-Kriteriums über einen bestimmten vorgegebenen Wert, d. h. beim Über schreiten des Verdichterbetriebspunktes über die zur Pumpgrenzlinie parallelen Sicherheitslinie das Rückführ ventil 8 öffnet, wodurch ein Teil des verdichteten Mediums durch die Rückführleitung 10 an die Eingangsseite des Verdichters zurückgeleitet wird.To measure the S criterion, the measuring station device 2 is used , which, based on the current quantities for suction and final pressure, suction pressure and final temperature and the volume flow, calculates the S criterion of compressor 1 and then applies this value to the output. With the output of this measuring station device 2 , a pump prevention controller 3 is connected, which opens the return valve 8 when the S-criterion exceeds a certain predetermined value, ie when the compressor operating point is exceeded via the safety line parallel to the surge line, whereby part of the compressed medium is returned through the return line 10 to the inlet side of the compressor.
Der als Prozeßregler eingesetzte Saugdruckregler 4 liefert ein zur Steuerung der Verdichterdrehzahl geeigneten Sollwert. Dieser Sollwert wird erfindungsgemäß in einem Multiplikator 11 mit einem Faktor multipliziert, der von einem Lastverteilungsregler 5 geliefert wird. Anschließend wird durch diesen veränderten Sollwert am Drehzahlgeber 6 die Verdichterdrehzahl eingestellt.The suction pressure regulator 4 used as a process regulator supplies a setpoint value suitable for controlling the compressor speed. According to the invention, this target value is multiplied in a multiplier 11 by a factor which is supplied by a load distribution controller 5 . The compressor speed is then set on the speed sensor 6 by this changed setpoint.
Der vom Lastverteilungsregler 5 gelieferte Faktor wird erfindungsgemäß dadurch gebildet, daß das von der Meßplatzvorrichtung 2 gelieferte S-Kriterium in unver änderter Form durch das auf einen vorgegebenen Maximalwert beschränkte S-Kriterium im Divisor 7 geteilt wird und diese Größe an den Eingang des Lastverteilungsreglers 5 gelegt wird. Der Lastverteilungsregler 5 regelt dieses Verhältnis auf den Wert 1 aus, indem er über seinen Ausgang und den Multiplikator 11 die Drehzahl des Verdichters 1 beeinflußt.According to the invention, the factor supplied by the load distribution controller 5 is formed by dividing the S criterion supplied by the measuring station device 2 in unchanged form by the S criterion in the divisor 7 , which is limited to a predetermined maximum value, and applying this variable to the input of the load distribution controller 5 becomes. The load distribution controller 5 regulates this ratio to the value 1 by influencing the speed of the compressor 1 via its output and the multiplier 11 .
Mittels unterschiedlicher Wahl der Maximalwerte des S- Kriteriums für den Pumpverhütungsregler 3 und den Lastver teilungsregler 5 kann erfindungsgemäß die Pumpverhütung vorrangig über das Rückführventil 8 oder über die Drehzahländerung am Drehzahlgeber 6 geregelt werden. By means of different selection of the maximum values of the S criterion for the pump prevention controller 3 and the load distribution controller 5 , the pump prevention can be regulated according to the invention primarily via the feedback valve 8 or via the speed change on the speed sensor 6 .
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau des erfindungs gemäßen Regelungsverfahrens für parallel geschaltete Verdichter 1. In dieser Zeichnung sind die Pumpverhütungs regler 3, die Rückführventile 8 und die Rückführleitungen 10 eines jeden Verdichters 1 nicht mehr eingezeichnet, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen. Die Pumpverhütungs regelung wird bei den parallel geschalteten Verdichtern 1 in der gleichen Weise vorgenommen wie bei dem anhand Fig. 1 beschriebenen Einzelverdichter. Fig. 2 shows the schematic structure of the control method according to Invention for parallel compressor 1. In this drawing, the pump prevention controller 3 , the return valves 8 and the return lines 10 of each compressor 1 are no longer shown in order to increase the clarity. The pump prevention regulation is carried out in the case of the compressors 1 connected in parallel in the same way as in the case of the individual compressor described with reference to FIG. 1.
Bezugsziffern und Zeichensymbole sind in Fig. 1 und 2 einheitlich und kennzeichnen die gleichen Systemelemente.Reference numerals and symbols are uniform in FIGS . 1 and 2 and identify the same system elements.
Jeder der parallel geschalteten Verdichter 1 besitzt eine eigene Meßplatzvorrichtung 2 zur Berechnung der jeweiligen S-Kriterien SA, SB und SC.Each of the compressors 1 connected in parallel has its own measuring station device 2 for calculating the respective S criteria S A , S B and S C.
Der Lastverteilungsregler 5 eines jeden Verdichters 1 erhält als Eingangssignal das S-Kriterium des jeweiligen Verdichters 1, das über den Divisor 7 durch das auf einen Maximalwert begrenzte S-Kriterium eines parallelen Ver dichters 1 geteilt wird. Diese Begrenzung wird von dem Begrenzerbaustein 12 vorgenommen.The load distribution controller 5 of each compressor 1 receives as input the S-criterion of the respective compressor 1, which is divided on the divisor by the 7 to a maximum value S-criterion limited dichters a parallel Ver. 1 This limitation is carried out by the limiter module 12 .
Das Ausgangssignal des als Prozeßregler eingesetzten Saugdruckreglers 4, der einen Drehzahlsollwert für alle parallel geschalteten Verdichter 1 liefert, wird mit dem Ausgangssignal des Lastverteilungsreglers 5 eines jeden Verdichters 1 im Multiplikator 11 multipliziert und liefert das Signal für den Solldrehzahlgeber 6 eines jeden Verdichters 1.The output signal of the suction pressure controller 4 used as a process controller, which supplies a speed setpoint for all compressors 1 connected in parallel, is multiplied by the output signal of the load distribution controller 5 of each compressor 1 in the multiplier 11 and supplies the signal for the setpoint speed sensor 6 of each compressor 1 .
Nicht eingezeichnet sind zusätzliche Leitungen für Steuer signale, die anzeigen, ob ein Verdichter 1 in Betrieb ist, ob er sich durch vollständiges Öffnen des Rückführventils 8 vom Netz abgehängt hat oder ob ein Verdichter 1 als Führungsverdichter ausgewählt ist. Additional lines for control signals are not shown, which indicate whether a compressor 1 is in operation, whether it has disconnected from the network by completely opening the return valve 8 or whether a compressor 1 is selected as the guide compressor.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Verdichter C als Führungsverdichter ausgewählt, indem der Wert seines S-Kriteriums SC im Divisor 7 durch den auf einen Maximalwert begrenzten Wert für SC geteilt wird und dieses Signal einem Lastverteilungsregler 5 zugeführt wird. Dem Begrenzerbaustein 12 wird also hier nicht das S-Kriterium eines benachbarten Verdichters 1 eingegeben, sondern über die Datenleitung 13 das S-Kriterium des eigenen Verdichters 1.In this exemplary embodiment, the compressor C is selected as the leading compressor in that the value of its S criterion S C in the divisor 7 is divided by the value for S C limited to a maximum value and this signal is fed to a load distribution controller 5 . The limiter module 12 is therefore not entered the S criterion of an adjacent compressor 1 here , but rather the S criterion of its own compressor 1 via the data line 13 .
Diese drei parallel geschalteten Verdichter A, B, C dienen zum Anheben des Ausgangsdrucks einer Erdgasanlage auf Pipelinedruck (ungefähr 70 bar), bei einem Saugdruck um die 40 bar und einer Saugtemperatur von etwa 300 Kelvin. Das mittlere Molgewicht des Gases beträgt ungefähr 25 kg/kMol. Die Lage der Pumpgrenzlinien der drei Verdichter ist aufgrund leicht differierender Verdichterbauweisen unterschiedlich. Der durch die Pipeline zu fördernde Massenstrom beträgt 150 kg pro Sekunde.These three compressors A, B, C are connected in parallel to raise the outlet pressure of a natural gas system Pipeline pressure (about 70 bar), with a suction pressure around 40 bar and a suction temperature of around 300 Kelvin. The average molecular weight of the gas is approximately 25 kg / kMol. The location of the surge lines of the three compressors is due to slightly different compressor designs differently. The one to be promoted by the pipeline Mass flow is 150 kg per second.
Beim erfindungsgemäßen Regelungsverfahren besitzt jeder Verdichter 1 einen Reglerfunktionsblock mit drei Einheiten: Berechnung des S-Kriteriums, Lastverteilungsregelung und Pumpverhütungsregelung. Jeder Reglerfunktionsblock erhält drei verschiedene Maximalwerte für das S-Kriterium vorgegeben: S1, S2 und S3. S1 und S2 sind die unterschiedlichen Maximalwerte für den Pumpverhütungsregler 3 und den Lastverteilungsregler 5 und der Wert S3 stellt eine oberste Grenze dar, bei deren Erreichen das Rückführventil 8 des betreffenden Verdichters 1 ganz geöffnet wird. Es gilt hier: S1=0,95<S2=1,0<S3=1,05. In the control method according to the invention, each compressor 1 has a control function block with three units: calculation of the S criterion, load distribution control and pump prevention control. Each controller function block is given three different maximum values for the S criterion: S 1 , S 2 and S 3 . S 1 and S 2 are the different maximum values for the pump prevention controller 3 and the load distribution controller 5 and the value S 3 represents an upper limit, when the return valve 8 of the compressor 1 in question is fully opened. The following applies here: S 1 = 0.95 <S 2 = 1.0 <S 3 = 1.05.
Die Lastverteilungsregler 5 der nicht als Führungs verdichter selektierten Verdichter A und B erhalten als Maximalwert für das S-Kriterium den Wert S1, die zuge hörigen Pumpverhütungsregler 3 den Wert S2. Somit greift bei diesen beiden Verdichtern 1 der Lastverteilungs regler 5 vorrangig vor dem Pumpverhütungsregler 3 ein.The load distribution controller 5 of the compressors A and B not selected as the guide compressor receive the value S 1 as the maximum value for the S criterion, the associated pump prevention controller 3 the value S 2 . Thus, with these two compressors 1, the load distribution controller 5 primarily intervenes before the pump prevention controller 3 .
Der Lastverteilungsregler 5 des als Führungsverdichter selektierten Verdichters C erhält als Maximalwert den Wert S2, der zugehörige Pumpverhütungsregler 3 den Wert S1. In diesem Betriebsfall greift somit der Pumpverhütungs regler 3 vorrangig vor dem Lastverteilungsregler 5 ein. Auftretende Überschwinger des S-Kriteriums werden bei dieser Wahl durch den Lastverteilungsregler 5 auf den Wert S2 beschränkt und vom Pumpverhütungsregler 3 wird das S-Kriterium auf den Wert S1 zurückgeführt.The load distribution controller 5 of the compressor C selected as the guide compressor receives the value S 2 as the maximum value, and the associated pump prevention controller 3 receives the value S 1 . In this operating case, the pump prevention controller 3 intervenes primarily before the load distribution controller 5 . Any overshoots of the S criterion are restricted to the value S 2 by the load distribution controller 5 , and the S prevention criterion 3 is reduced to the value S 1 by the pump prevention controller 3 .
Bei den Verdichtern A und B sorgt das erfindungsgemäße Regelungsverfahren dafür, daß ihre Betriebspunkte auf den zum S-Kriterium des Führungsverdichters C gehörenden Betriebspunkt ausgeregelt werden. Einem Überschreiten des vom Führungsverdichter C vorgegebenen Maximalwertes S1 wird von den Verdichtern A und B zunächst lediglich durch Eingreifen ihrer Lastverteilungsregler 5 begegnet. Ein energieverschwendendes Öffnen der Rückführventile 8 findet deshalb meist nicht statt oder erst dann, wenn das S-Kriterium dieser Verdichter 1 auch den Wert S2 überschreitet.With the compressors A and B, the control method according to the invention ensures that their operating points are corrected to the operating point belonging to the S criterion of the guide compressor C. If the maximum value S 1 specified by the leading compressor C is exceeded, the compressors A and B initially counteract only by intervening with their load distribution controllers 5 . An energy-wasting opening of the return valves 8 therefore usually does not take place or only when the S criterion of these compressors 1 also exceeds the value S 2 .
Herkömmliche Verdichterregelungen zeigen bei plötzlicher Durchflußreduktion eine starke Neigung zu Schwingungs verhalten. Im schlechtesten Fall kommt es zu einer Dauer schwingung der Größen Massendurchfluß, rückgeführter Massenstrom und S-Kriterium. Conventional compressor regulations show sudden Flow reduction a strong tendency to vibrate behavior. In the worst case, there is a duration Vibration of the quantities mass flow, recirculated Mass flow and S-criterion.
Im Ausführungsbeispiel wird bei der anhand Fig. 2 geschilderten Anordnung der parallelen Verdichter A, B, C, die erfindungsgemäß geregelt werden, eine Reduktion des Massendurchflusses von 150 kg/sec auf 50 kg/sec vorge nommen. In diesem kritischen Fall ist festzustellen, daß im Gegensatz zur konventionellen Regelung die Pumpverhütungs regler 3 der Verdichter B und C nacheinander kontrolliert einsetzen, ohne Neigung zu Schwingungen zu zeigen. Die Überschwinghöhen der S-Kriterien sind stark reduziert, was die Möglichkeit offenläßt, die Werte der drei verschiedenen Maximalwerte S1, S2, S3 näher an die Pumpgrenzlinie heranzulegen.In the exemplary embodiment, with the arrangement of the parallel compressors A, B, C, which are regulated according to the invention and which is described with reference to FIG. 2, the mass flow rate is reduced from 150 kg / sec to 50 kg / sec. In this critical case, it should be noted that, in contrast to the conventional control, the pump prevention regulator 3 of the compressors B and C are used in succession in a controlled manner without showing any tendency to vibrate. The overshoot heights of the S criteria are greatly reduced, which leaves open the possibility of placing the values of the three different maximum values S 1 , S 2 , S 3 closer to the surge line.
Die Lastverteilungsregler 5 regeln die Unterschiede der Betriebspunkte der einzelnen Verdichter 1 im Abstand zur Sicherheitslinie sauber aus. Alle drei Verdichter erreichen einen statischen Betriebspunkt, der dem S-Kriterium S1 entspricht. Es sind weder Schwingungen im S-Kriterium noch in den Massenströmen festzustellen.The load distribution controller 5 cleanly regulates the differences in the operating points of the individual compressors 1 at a distance from the safety line. All three compressors reach a static operating point that corresponds to the S criterion S 1 . There are no vibrations in the S criterion or in the mass flows.
Dieses Ergebnis illustriert deutlich den Vorteil des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens beim Eintreten kritischer Betriebsfälle, wie die hier geschilderte plötzliche Reduktion des Massendurchflusses.This result clearly illustrates the advantage of the control method according to the invention when entering critical operating cases, such as the one described here sudden reduction in mass flow.
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1991
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