DE68916554T2

DE68916554T2 - Modus und Gerät zur Vermeidung des Pumpens in einem dynamischen Verdichter.

Info

Publication number: DE68916554T2
Application number: DE68916554T
Authority: DE
Inventors: Saul Mirsky; Paul A Reinke; Naum Staroselsky
Original assignee: Compressor Controls LLC
Current assignee: Compressor Controls LLC
Priority date: 1988-10-26
Filing date: 1989-03-15
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2009-03-16
Also published as: NO891239D0; EP0500196A2; EP0500195A3; ES2056686T3; US4949276A; EP0500196A3; NO174358B; EP0500195A2; NO891239L; NO174358C; CA1291737C; ES2045411T3; DE68916554D1; EP0366219B1; ZA897281B; DE68916555T2; DE68910467T2; EP0500196B1; ES2056687T3; EP0500195B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz von dynamischen Verdichtern gegen Pumpen und insbesondere ein Regelsystem, bei dem die Größe der Reaktion von der Geschwindigkeit abhängt mit der sich der Arbeitspunkt des Verdichters der Pumpgrenziinie nähert, um so die gesamte Regelantwort an einen weiten Bereich von Störungen anzupassen.

Hintergrundtechnik

Wie es wohl bekannt ist, können sich verändernde Prozeßbedingungen den Volumenstrom durch einen dynamischen Verdichter unter den für einen stabilen Betrieb benötigten minimalen Wert verringern, was Pumpen zur Folge hat. Um diese schädliche Erscheinung zu vermeiden, muß das Regelsystem des Verdichters den Durchsatz durch den Verdichter auf eineni hinreichend hohen Niveau aufrechterhalten, um ihren Regelalgorithmen zu ermöglichen, auf jede Störung zu reagieren, bevor der Durchsatz unter die Pumpgrenze fallen kann. Dies wird erreicht durch Rückführen oder Abblasen eines Teils des Gasstromes jedesmal dann, wenn der Durchsatz an oder unter diesen gewünschten Sicherheitsabstand fällt.
Eine zu niedrige Einstellung des Sicherheitsabstandes fuhrt zu einem unzureichenden Schutz gegen Pumpen. Andererseits erhöht eine Vergrößerung des Sicherheitsabstandes die Häufigkeit und Dauer der Rückfuhrung und reduziert somit den energetischen Gesamtwirkungsgrad des Verdichterprozesses. Ein beträchtlicher Vorteil kann somit durch eine Verbesserung des Regelalgorithmus erzielt werden, um einen Pumpschutz mit einem kleineren Sicherheitsabstand vorzugeben.
Die Bedingungen, unter denen Pumpen auftritt, werden beträchtlich durch Veränderungen des Molekulargewichtes des Gases, des spezifischen Wärmequotienten und des Verdichterwirkungsgrades beeinflußt. Früher verfügbare Pumpschutz-Regelverfahren konnten diese Veränderungen nicht berücksichtigen, so daß sie einen größeren Sicherheitsabstand benötigen, um vollen Schutz unter allen möglichen Betriebsbedingungen zu erzielen.
I)ie vorliegende Erfindung überwindet diese Beschränkung durch Berechnung des Abstandes zwischen dem Verdichterarbeitspunkt und der Pumpgrenze als eine eindeutige Funktion der Eingangs- und Auslaßtemperaturen und -drucke, der volumetrischen Eingangsgröße und (bei Verdichtern mit variabler Geschwindigkeit und/oder variablen Leitschaufeln) der Drehgeschwindigkeit und der Leitschaufelstellung. Der sich ergebende Parameter ist unveränderlich gegenüber allen Verdichter-Arbeitsbedingungen einschließlich solcher (wie z.B. Molekulargewicht spezifischer Wärmequotient und polytroper Wirkungsgrad), welche schwierig oder unmöglich direkt zu messen sind.
Früher verfügbaren Pumpschutz-Regelverfahren mangelt es auch entweder an der Möglichkeit, ihre Regelreaktion auf Störungen wechselnder Größe und Geschwindigkeit abzustellen oder sie tun es in einer Weise, welche eine unnötige Rückführung bewirken kann und den Verdichter anfällig für das Pumpen beläßt.
Stabilitätsbetrachtungen schließen eine Proportional-Integral-Regelreaktion zur Vermeidung des Pumpens aufgrund schneller Störungen aus, es sei denn, der Sicherheitsabstand ist größer, als er für langsame Störungen benötigt wird, was wiederum den Wirkungsgrad absenkt. Der bekannte Proportional-Integral- Differential-Regelalgorithmus bringi eine schnellere Antwort hervor, ist aber für eine Pumpschutz-Regelung ungeeignet, da sein Differential-Regelglied das Pumpschutz-Ventil selbst dann öffnet, wenn der Verdichter weit von seiner Pumpgrenze betrieben wird.
Früher verfügbare Pumpschutz-Regler haben diese Beschränkung zu überwinden versucht, indem sie die Verstärkung des Proportional-Integral Algorithmus zu einer Funktion der Größe des Fehlers, der Ableitung des Fehlers, oder von beiden machen. Stabilitätsbetrachtungen hindern jedoch solche Verfahren an der Vermeidung von Pumpen, wenn nicht ein größerer Sicherheitsabstand vorgesehen ist oder das variable Verstärkungsmerktnal nur in einer Richtung wirkt.
Systeme, welche den letztgenannten Lösungsweg anwenden, tun dies durch Verwenden von Ventil-Positionsgebern, welche das Ventil schnell öffnen, aber sehr viel langsamer schließen. Dieses Verfahren macht jedoch den Verdichter anfällig für das Pumpen, wenn andere Störungen auftreten während das Ventil geschlossen wird. Unter derartigen Bedingungen stimmt die Ventilposition nicht mit der Ausgangsgröße des Reglers überein -- in Wirklichkeit wird es weiter geöffnet. Da die Reaktion des Reglers auf die neue Störung auf falschen Voraussetzungen bezüglich der Ventilposition basiert, erweist sich leicht seine nzulänglichkeit, das Pumpen zu verhindern.
Aus diesem Grund verwendet die vorliegende Erfindung modifizierte Regelalgorithmen (anstatt von externen Hardware-Modifikationen), um dasselbe Ziel zu erreichen, ohne im Fall von aufeinanderfolgenden Störungen das Pumpen zu riskieren.
Ein anderer Weg zur Überwindung der Stabilitätsbeschränkungen von geschlossenen Regelkreisalgorithmen besteht darin, eine Reaktion eines offenen Regelkreises zu verwenden, um einen zusätzlichen Stufenwechsel beim Öffnen des Pumpschutzventils durchzuführen, wenn die Störung sich als zu groß erweist zum Handhaben aufgrund der Reaktion der geschlossenen Regelschleife. Diese Lösung ist jedoch denselben Stabilitätsbetrachtungen unterworfen wie ein geschlossener Regelkreisalgorithmus mit variabler Verstärkung Außerdem wird eine Reaktion eines offenen Regelkreises, die groß genug ist, um gegen schnelle Störungen zu schützen, den Prozeß als Reaktion auf kleine Störungen unnötig verzerren. Wenn man die Größe der Reaktion des offenen Regelkreises zu einer Funktion der Geschwindigkeit macht, mit dem sich der Verdichter dem Pumpen annähert, und dann diese addierte Reaktion langsam bei der Wegbewegung vom Pumpen das Abklingen gegen Null gestattet, so überwindet man beide Beschränkungen.
Ein früher, für Staroselsky erteiltes Patent (US-Ritent Nr. 4,142,838) umfaßte ein Verfahren zur Vermeidung des Pumpens, das auf einer Regelung des Verhältnisses des Druckanstieges über dem Verdichter zu dem Druckabfall über einer Durchflußmeßvorrichtung basierte. Dieses Verfahren vermied das Pumpen durch die Verwendung einer Proportional-Integral-Reaktion eines geschlossenen Regelkreises in Verbindung mit einer Reaktion eines offenen Regelkreises mit einer festen Größe. Ein weiterer Schutz wurde geschaffen durch schrittweise Änderung der Sollwerte von sowohl der Reaktion des geschlossenen als auch des offenen Regelkreises, jedesmal dann, wenn ein Pumpen auftrat.
Der Betrieb, der in diesem früheren Patent vorgestellten Pumpschutzregelvorrichtung war nicht selbstanpassend an Veränderungen in der Gaszusammensetzung und dem Verdichterwirkungsgrad, noch war ihre Regelreaktion von dem Wert abhängig, mit dem sich der Verdichterarbeitspunkt seiner Pumpgrenze näherte. Die vorliegende Erfindung verbessert dieses frühere Verfahren durch:
Berechnung des Abstandes zwischen dem Verdichterarbeitspunkt und der Pumpgrenze als ein multivariabler, für weite Veränderungen in der Gaszusammensetzung und dem Verdichterwirkungsgrad automatisch ausgeglichener Kennwert.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist in den angefügten Ansprüchen genau definiert, und ihr Hauptzweck ist es, ein verbessertes Verfahren vorzugeben, um dynamische Verdichter gegen Pumpen zu schützen, ohne unnötigerweise den Gesamtwirkungsgrad zu beeinträchtigen oder den das verdichtete Gas verwendenden Prozeß zu unterbrechen. Die Hauptvorteile dieser Erfindung sind, daß sie den Gesamtwirkungsgrad, die Verdichter- und Prozeßzuverlässigkeit und die Wirksamkeit des Pumpschutzes maximiert. Diese Vorteile erweitern den Arbeitsbereich des dynamischen Verdichters.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, die relative Nähe des Verdichterarbeitspunktes zu seiner Pumpgrenze in einer Weise zu justieren, die unveränderlich gegenüber Veränderungen in der Gaszusammensetzung, dem Eingangsdruck und der Eingangstemperatur, dem Verdichterwirkungsgrad der Leitschaufelstellung und der Drehgeschwindigkeit ist.
Zu diesem Zweck kann diese Eründung den Abstand zwischen dem Arbeitspunkt und der Pumpgrenze als einen multivariablen, als eine Funktion des Ausgangs- und Eingangsdruckes des Verdichters, der Ausgangs- und Eingangstemperatur, dem Druckgefälle über einer Durchflußmeßvorrichtung, der Drehgeschwindigkeit des Verdichters und der Stellung seiner Leitschaufeln berechneten Kennwert messen. Wenn sich der Arbeitspunkt des Verdichters der Pumpgrenze annähert, so nähert sich dieser Kennwert gleichbleibend einem eindeutigen Wert, welcher derselbe für alle Eingangs- und Arbeitsbedingungen ist.
Um den Verdichter gegen Pumpen zu schützen, beeinflußt diese Erfindung den Verdichterdurchsatz, um einen angemessenen Sicherheitsabstand zwischen dem Arbeitspunkt und der Pumpgrenze aufrechtzuerhalten, welcher als eine Funktion des oben erläuterten multivariablen Kennwertes berechnet wird.
Wie es wohl bekannt ist, erhöht das Öffnen des Pumpschutzventils den Verdichterdurchsatz durch Rückführen oder Ausblasen eines zusätzlichen Stromes des Prozeßgases. Die zur Verdichtung dieses Gases verwendete Energie ist vergeudet, und beeinträchtigt so den Prozeßwirkungsgrad.
Die vorliegende Erfindung kann den inhärenten Kompromiß zwischen dem Pumpschutz und dem Prozeßwirkungsgrad optimieren.
Dies kann geschehen durch Anpassung der Größe der Sicherheitsgrenze an die Geschwindigkeit, mit der sich der Arbeitspunkt der Pumpgrenze nähert, wie durch den Betrag der Veränderung des oben beschriebenen multivariablen Kennwertes definiert. Wenn sich der Arbeitspunkt in Richtung auf das Pumpen bewegt so spiegelt der Sicherheitsabstand den größten Wert wieder, den die Ableitung erzielt hat. Wenn sich der Arbeitspunkt vom Pumpen wegbewegt, so wird der Sicherheitsabstand langsam auf einen vorläufigen Minimalwert herabgesetzt.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß das Pumpschutzventil nicht früher oder weiter öffnet als es notwendig ist, um irgendeine gegebene Störung daran zu hindern, das Pumpen zu verursachen, so daß der Prozeßwirkungsgrad unter allen Bedingungen maximiert wird.
Um den Kompromiß zwischen Pumpschutz und Prozeßwirkungsgrad noch weiter zu verbessern, kann diese Erfindung die Größe des Öffnens des Pumpschutzventils als eine Verknüpfung der Reaktionen des geschlossenen und des offenen Regelkreises berechnen. Bei kleinen Störungen, bei denen der Abstand zwischen dem Arbeitspunkt und der Pumpgrenze nur leicht unter den gewünschten Sicherheitsabstand abfällt, wird nur die Reaktion des geschlossenen Regelkreises verwendet.
Bei großen Störungen, bei denen der Abstand zwischen dem Arbeitspunkt und der Pumpgrenze weit unter den gewünschten Sicherheitsabstand abfällt, wird die Reaktion des offenen Regelkreises verwendet, um den Durchsatz schnell anzuheben. Wenn dieser Abstand unter eine vorgegebene Gefahrenschwelle sinkt, leitet die Reaktion des offenen Regelkreises einen Stufensprung im Öffnen des Ventils ein. Diese Reaktion des offenen Regelkreises wird in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt, solange wie der Verdichterarbeitspunkt jenseits der Gefahrenschwelle bleibt.
Ein Öffnen des Pumpschutzventiles weiter als notwendig, um eine vorgegebene Störung daran zu hindern, ein Pumpen zu verursachen, wird den Prozeß, welcher das verdichtete Gas verwendet, unterbrechen. Folglich ist die Größe der Reaktion des offenen Regelkreises ein Kompromiß zwischen dem Schützen des Verdichters vor großen Störungen und dem Minimieren der resultierenden Prozeßunterbrechungen.
Die vorliegende Erfindung kann den inhärenten Kompromiß zwischen dem Pumpschutz und der Prozeßunterbrechung optimieren.
Dies kann durch Anpassen der Größe jedes Reaktionsschrittes des offenen Regelkreises an die augenblickliche Geschwindigkeit erzielt werden, mit der sich der Arbeitspunkt der Pumpgrenze annähert, wie durch den Wert der Veränderung des oben beschriebenen multivariablen Kennwertes definiert.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Reaktion des offenen Regelkreises das Pumpschutzventil nur so weit öffnet, wie es notwendig ist, um jede gegebene Störung daran zu hindern, das Pumpen zu verursachen, so daß die daraus resultierende Prozeßunterbrechung ein Minimum wird.
Andere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden durch die nach1olgende ausführliche Beschreibung der Erfindung sichtbar gemacht, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines dynamischen Verdichters und eines Pumpschutzsystems; und
Fig. 2 ist ein Verdichterkennfeld, welches die Arbeitsweise des Pumpschutzsystems veranschaulicht.

Bestes Verfahren zur Verwirklichung der Erfindung

Es ist bekannt, daß eine dynamische Verdichtung durch Erhöhen der spezifischen mechanischen Energie (polytropic head) eines Gasstromes erzielt wird. Diese polytrope Verdichtungsarbeit (Hp) kann berechnet werden als:
worin
B eine Proportionalitätskonstante ist
Rc das Verdichtungsverhältnis ist.
der Polytropenexponent ist,
Ts die Ansaugtemperatur ist,
MW das Molekulargewicht ist, und
Zav der durchschnittliche Kompressibilitätskoeffizient ist.
Es ist ebenso bekannt, daß diese Erhöhung der polytropischen Verdichtungsarbeit eine Funktion alleine des Ansaugvolumenstromes (Qs) ist, welcher berechnet werden kann als:
worin:
A ein konstanter Koeffizient ist,
ΔPo das Druckgefälle über der Durchflußmeßvorrichtung ist,
Ps der Ansaugdruck ist, und
Zs der Kompressibilitätskoeffizient unter Ansaugbedingungen ist.
Das Verhältnis von Hp zu Q²s kann so ohne Messung des Molekulargewichtes berechnet werden Wenn wir voraussetzen, daß Kompressibilitätseffekte vernachlässigbar sind, können wir zeigen, daß
worin die normierte polytrope Verdichtungsarbeit (hred) und normierter Ansaugvolumenstrom zum Quadrat (q²red) definiert sind als:
Bis auf den Polytropenexponent ( ) sind alle diese Prozeß variablen einfach zu messen. Diese Variable kann jedoch indirekt durch die Verwendung der folgenden bekannten Beziehung zwischen der Temperatur und dem Verdichtungsverhältnis fär polytrope Prozesse ermittelt werden:
Rθ=R c
worin:
Rθ das Temperaturverhältnis über dem Verdichter ist.
Beachte, daß wenn das Verdichterkennfeld in den Koordinaten normierte Verdichtungsarbeit (hred) gegen reduzierten Ansaugvolumenstroms im Quadrat (q²red) aufgetragen wird, das Verhältnis dieser Variablen die Steigung einer Linie vom ülrsprung durch den Betriebspunkt definiert.
Durch Normieren dieser Steigung bezüglich ihres Wertes an der Pumpgrenze die experimentell als eine Funktion von Rotationsgeschwindigkeit und Leitschaufelstellung bestimmt werden kann, erreichen wir einen geeigneten, selbst ausgleichenden, mehrfach veränderlichen Kennwert (Srel) zur Messung der Lage des Verdichterbetriebspunktes.
Wenn sich der Betriebspunkt der Pumpgrenze nähert, wird der Wert dieses Kennwertes gleichförmig unter allen Eingangs- und Betriebsbedingungen auf Eins (1) ansteigen. Zusätzlich stellt die zeitliche Ableitung (dS/dt) dieses Kennwertes eine geeignete Messung der Geschwindigkeit bereit, mit dem sich der Betriebspunkt der Pumpgrenze nähert. Sowohl der gewünschte Sicherheitsabstand als auch die Größe der Reaktion des offenen Regelkreises können dann als Funktionen dieser Ableitung berechnet werden.
Fig. 1 zeigt einen dynamischen Verdichter 101, der Gas von der Quelle 102 zu einem Endverbraucher 106 fördert. Das Gas tritt durch die Zuleitung 103, in welcher eine Stauscheibe 104 angeordnet ist, in den Verdichter ein und verläßt diesen über die Ausströmleitung 105. Überschußströmung wird über das Pumpschutzventil 107 zu der Quelle 102 zurückgefuhrt.
Fig. 1 zeigt auch die Pumpschutz-Regelvorrichtung und ihre Verknüpfungen mit dem Verdichterprozeß. Diese Regelvorrichtung enthält den Drehgeschwindigkeits-Meßwertgeber 108, den Leitschaufelstellungs Meßwertgeber 109, den Eingangsdruck-Meßwertgeber 110, den Ausgangsdruck-Meßwertgeber 111, den Eingangstemperatur-Meßwertgeber 112, den Ausgangstemperatur-Meßwertgeber 113, den Durchfluß- Meßwertgeber 114 (welcher den Differenzdruck über der Strömungsmeßvorrichtung 104 mißt) und die Pumpschutzventil- Lagemeßeinrichtung 115.
Die Regelvorrichtung enthält auch Berechnungs und Regelmodule 116 bis 135, welche in den folgenden Absätzen beschrieben werden.
Berechnungsmodul 116 berechnet das Temperaturverhältnis (Rθ) des dynamischen Verdichters 101 als das Verhältnis von Ausgangstemperatur (Td) zur Ansaugtemperatur (Ts):
Entsprechend berechnet das Berechnungsmodul 117 das Verdichtungsverhältnis (Rc) als das Verhältnis von Ausgangsdruck (Pd) zu Ansaugdruck (Ps):
Das Modul 118 berechnet dann den Polytropenexponenten ( ) unter Verwendung der folgenden Form von Gleichung 6:
Aufgrund der relativ langsamen Dynamik von Temperaturmeßvorrichtungen können Änderungen in dem gemessenen Wert des Temperaturverhältnisses (Rθ) hinter dem für das Druckverhältnis (Rc) zurückbleiben und so falsche Ausgleichvorgänge in dem berechneten Wert des Polytropenexponenten ( ) erzeugen. Diesem Effekt wird durch Einfügen eines Phasenverschiebungsregelmoduls 119 entgegengewirkt, das den berechneten Wert von u filtert, um die Effekte der langsamen Temperaturmessungsdynamik zu minimieren.
Das Modul 120 berechnet dann die normierte polytrope Verdichtungsarbeit hred des dynamischen Verdichters 101 als eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses (Rc) und des Polytropenexponenten ( ), wie es durch die Gleichung 4 definiert ist; das Modul 121 berechnet den normierten Ansaugvolumenstrom zum Quadrat (q²red) als eine Funktion alleine des Differenzdruckes (ΔP&sub0;) und des Einlaßdruckes (Ps), wie es in Gleichung 5 definiert ist; und das Modul 122 berechnet das Verhältnis dieser zwei Variablen, welches die absolute Steigung (Sabs) einer Linie vom Ursprung zu dem Betriebspunkt ist, wenn sie in den Koordinaten hred gegen q²red aufgetragen wird:
Der Wert dieser Steigung an der Pumpgrenze (Ssl) kann in die Regeleinrichtung als eine experimentell bestirmnte Funktion der Drehgeschwindigkeit (N) und der Leitschaufelstellung (α) einprogrammiert werden. Das Modul 123 fuhrt dann den Wert dieser Funktion unter die gemessenen Betriebszustände zurück:
Ssl = f (N,α)
Das Modul 124 berechnet dann die relative Steigung der Linie vom Ursprung zum Betriebspunkt durch Normieren der absoluten Steigung (Sabs) bezüglich der Steigung der Pumpgrenze (Ssl):
Die Module 125 bis 127 berechnen drei Variablen, die sowohl von den Modulen des geschlossenen als auch des offenen Regelkreises verwendet werden:
Das Modul 125 berechnet den relativen Abstand (drel) zwischen dem Arbeitspunkt und der Pumpgrenze:
drel=1-Srel
Diese Variable ist für jede Veränderung des Verdichterwirkungsgrades, der Drehgeschwindigkeit, der Eingangsbedingungen oder der Gaszusammensetzung selbst ausgleichend;
das Modul 128 berechnet den Wert (vrel), mit dem sich der Betriebspunkt in Richtung auf die Pumpgrenze bewegt durch Nehmen der zeitlichen Ableitung der relativen Steigung (Srel):
Ein Anstieg in dem Wert dieser Ableitung wird anzeigen, daß der Betriebspunkt des Verdichters in Richtung auf die Pumpgrenze beschleunigt und
das Modul 127 berechnet einen zusätzlichen Sicherheitsabstand (b&sub3;), welcher proportional zu der Pumpanzahl ist, die durch Überwachung des Verdichterausgangsdruckes und der Zuführwertsignale für die plötzlichen Wechsel, welche einen Pumpzyklus charakterisieren, ermittelt werden.
Die Module 128 bis 131 fuhren die Reaktion des geschlossenen Regelkreises der Regeleinrichtung durch. Modul 128 berechnet die Adaptivsteuerungsvorspannung (b&sub2;) durch Verwendung eines von zwei Algorithmen:
wenn sich der Verdichterbetriebspunkt auf die Pumpgrenze zubewegt (vrel größer als Null), wird b&sub2; als der größere ihres vorhergehenden Wertes oder eines zweiten Wertes proportional zu vrel berechnet. Auf diese Weise wird b&sub2; konstant gehalten, sofern sich der Betriebspunkt nicht in Richtung auf die Pumpgrenze beschleunigt;
wenn sich der Verdichterbetriebspunkt von der Pumpgrenze wegbewegt (vrel kleiner als Null), wird b&sub2; langsam auf Null reduziert.
Das Modul 129 berechnet dann den vollständigen Sicherheitabstand (b) durch Summieren der stationären Vorspannung (b&sub1;), Adaptivsteuerungsvorspannung (b&sub2;) und Pumpzählvorspannung (b&sub3;), und der Komparator 130 berechnet die Abweichung (e) zwischen dem resultierenden Sicherheitsabstand (b) und dem relativen Abstand (drel) zwischen dem Betriebspunkt und der Pumpgrenze:
e = drel - b
Dieses Regelabweichungssignal wird dann zu dem Proportional-Integral-Regler (131) geleitet, welcher das Antipumpventil (107) zu öffnen beginnt, wenn der Abstand (drel) zwischen dem Betriebspunkt und der Pumpgrenze und den Sicherheitsabstand (b) schrumpft
Die Module 132 bis 134 führen die Reaktion des offenen Regelkreises der Regeleinrichtung durch, welche ausgelöst wird, wenn der Abstand drei zwischen dem Arbeitspunkt und der Pumpgrenze kleiner ist als ein minimaler Schwellwert (dt). Das Summierungsmodul 132 berechnet den Wert von dt durch Addieren des Ausgangs (d&sub3;) des Pumpzählers (Modul 127) auf den vom Bediener gelieferten Sollwert (d&sub1;). Das Modul 133 erzeugt dann eine binäre Ausgangsgröße, die anzeigt, ob drei kleiner ist als dt oder nicht, und die zur Auswahl des Algorithmus verwendet wird, mit dem Modul 134 den Wert der Reaktion des offenen Regelkreises berechnet:
wenn drel unter dt fällt, erhöht Modul 134 direkt seine Ausgangsgröße um einen zu vrel proportionalen Betrag. Zusätzliche Erhöhungen werden in regelmäßigen Abständen (tc Sekunden) addiert, solange wie drel kleiner als dt ist und vrel positiv ist -- wenn vrel negativ ist. wird die Ausgangsgröße des offenen Regelkreises konstant gehalten;
wenn drel größer als dt ist, verringert Modul 134 langsam den Wert der Reaktion des offenen Regelkreises unter Verwendung eines exponentiell abklingenden Algorithmus.
Schließlich berechnet Summierer 135 die benötigte Stellung des Pumpschutzventils durch Addieren der Reaktion des offenen Regelkreises vom Modul 134 auf die Reaktion des geschlossenen Regelkreises vom Modul 131. Dieses Signal wird dann zum Meßgrößenumformer 115 geschickt, welcher das Pumpschutzventil 107 entsprechend in Stellung bringt.
Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Regelvorrichtung kann an dem folgenden Beispiel erläutert werden (siehe Fig. 2).
Es wird angenommen, daß der in Fig. 1 gezeigte dynamische Verdichter anfänglich an Punkt A arbeitet, welcher am Schnittpunkt von Ladungskurve I und der Leistungskurve RPM&sub1; liegt. Der Wert von Srel an diesem Punkt ist gleich der Steigung der Linie OA geteilt durch die Steigung der Linie OG.
Wenn der Verdichter stationär arbeitet und kein Pumpen erfaßt wurde seitdem der Pumpzähler zum letzten Mal zurückgesetzt wurde, wird der Sollwert für die Reaktion des geschlossenen Regelkreises der Regeleinrichtung mit Punkt D übereinstimmen, wo die Steigung der Linie OD geteilt durch die Steigung der Linie OG gleich 1 - d&sub1; ist. Entsprechend wird der Sollwert des offenen Regelkreises am Punkt E sein, wo das Gefälle der Linie OE geteilt durch das Gefälle der Linie OG gleich 1 - d&sub1; ist.
Nun wird angenommen, daß ein Ladungswechsel die Ladungskurve von Position I zur Position II verschiebt und ein Beschleunigen des Verdichterbetriebspunktes hin zur Pumpgrenze verursacht. Als Reaktion auf diese Beschleunigung vergrößert das Adaptivsteuerungsmodul 128 den Sicherheitsabstand (b) um einen Betrag b&sub2; und verschiebt so den Sollwert des geschlossenen Regelkreises nach C. Wenn sich der Betriebspunkt seiner neuen stationären Position bei B nähert, wird der Wert der Annäherung an das Pumpen (vrel) verringert, so daß der Sicherheitsabstand auf sein normales Niveau b&sub1; zurückgeht und der Sollwert auf D zurückgeht. Das Pumpschutzventil (107) bleibt geschlossen, da der Betriebspunkt bei B stabilisiert wird, ohne sich ständig zur linken Seite weder des Sollwertes des geschlossenen Regelkreises noch des Sollwertes des offenen Regelkreises zu bewegen.
Nun wird angenommen, daß dieser Ladungswechsel statt dessen die Ladungskurve von Position I nach Position IV verschoben hat, was den Betriebspunkt immer noch veranlaßt sich auf die Pumpgrenze hin zu beschleunigen. Als Reaktion auf diese Beschleunigung würde Modul 128 den Sollwert des geschlossenen Regelkreises immer noch auf einen Punkt wie beispielsweise C hinbewegen, aber in diesem Fall würde der neue stationäre Betriebspunkt wahrscheinlich auf der linken Seite von Punkt C liegen. Sobald der Betriebspunkt sich auf die linke Seite von C bewegt, beginnt der Proportional-Integral-Regler 131 das Pumpschutzventil zu öffnen, um den Abstand (drei) zwischen dem Betriebspunkt und der Pumpgrenze zurück auf den Sicherheitsabstand (b) zu vergrößern. Als ein Ergebnis der Ventilöffnung wird sich die Gesamtladungskurve zurück nach der Position III bewegen, so daß der Betriebspunkt wahrscheinlich stabilisiert wird, bevor er den Sollwert E des offenen Regelkreises erreicht.
Sobald sich die Geschwindigkeit der Pumpannäherung (vrel) auf Null verringert, wird sich der Betriebspunkt zurück auf die rechte Seite bewegen und der Sollwert wird langsam auf seine stationäre Position D zurückkehren. Das Pumpschutzventil (107) wird an jeder Position stabilisieren, welche auch immer benötigt wird, um die Ladungskurve an oder auf der rechten Seite der Position III zu halten, um so den Betriebspunkt an oder auf der rechten Seite von Punkt D zu stabilisieren, wo der Abstand (drel) zwischen dem Betriebspunkt und der Pumpgrenze mindestens so groß ist wie der stationäre Sicherheitsabstand (b&sub2;).
Schließlich wird angenommen, daß eine noch größere Störung plötzlich die Ladungskurve von Position I nach Position V verschiebt. in diesem Fall wird es die Reaktion des geschlossenen Regelkreises vermutlich nicht schaffen, den Betriebspunkt an der Bewegung auf die linke Seite des Sollwertes des offenen Regelkreises bei E zu hindern. Sobald der Betriebspunkt sich auf die linke Seite von E bewegt wird das Regelmodul (134) des offenen Regelkreises die Öffnung des Pumpschutzventils um einen Betrag vergrößern, der proportional zu dem Betrag (vrel) ist, mit dem sich der Betriebspunkt der Pumpgrenze nähert.
Es wird angenommen daß der Betriebspunkt seine Bewegung in Richtung auf die Pumpgrenze für weitere t Sekunden fortsetzt, zu welcher Zeit er Punkt F passiert. Das Modul 134 wird dann die Öffnung des Pumpschutzventils um eine zweite Erhöhung C&sub2; vergrößern, welche proportional zu der Ableitung von Srel an diesem Punkt sein wird. Aufgrund der schon eingeleiteten Regelvorgänge wird dann vrel wahrscheinlich am Punkt F kleiner sein als es am Punkt E war. Somit sollte die zweite Zunahme (C&sub2;) kleiner sein die erste (C&sub1;).
Wenn das Pumpschutzventil weit genug geöffnet wurde, um die schwindigkeit der Pumpannäherung auf Null zu verringern, wird das Modul 134 aufhören, adaptive Erhöhung auf die Ventilöffnung zu addieren. Obwohl die akkumulierte Reaktion des offenen Regelkreises dann langsam auf Null abklingt, wird das Proportional-Integral-Modul (131) fortfahren, die Ventilöffnung zu vergrößern bis die Ladungskurve auf Position IV zurückgekehrt ist. Dieses führt den Betriebspunkt auf die Position D zurück, wo der Abstand (drel) zwischen dem Betriebspunkt und der Pumpgrenze noch einmal gleich der stationären Stufe b&sub1; des sicherheitsabstandes (b) ist.
Wenn sich die Drehgeschwindigkeit des Verdichters von RPM&sub1; auf RPM&sub2; verringert, berechnet das Modul 123 automatisch die Steigung der Linie durch den Pumpgrenzwertpunkt neu, so daß der Abstand (drel) zwischen dem Betriebspunkt und der pumpgrenze relativ zu der Steigung der Linie durch den neuen Pumpgrenzwertpunkt H berechnet werden kann. Das Modul 123 wird ebenfalls automatisch Veränderungen in der Stellung jeder Leitschaufel ausgleichen. Da jede Bewegung des Betriebspunktes aufgrund von wechselnder Gaszusammensetzung oder wechselndem Polytropenwirkungsgrad in dem berechneten Wert von Srel wiedergespiegelt wird, wird dieses Verfahren für alle diese Veränderungen selbst ausgleichend sein.
Die besondere, oben ausführlich beschriebene Kombination von geschlossenem und offenem Regelkreis paßt beide Reaktionen an die Größe von jeder einzelnen Störung an, durch Anwenden von von der Ableitung der Regelgröße abhängigen Regelreaktionen in einer Weise, die keine unnötigen Ventilbewegungen erzeugt und den Stabilitätsbedingungen genügt ohne größere Sicherheitsabstände zu benötigen.
Folglich wird es klar erkannt werden, daß das hier offenbarte bevorzugte Ausführungsbeispiel die oben erwähnte Aufgabe tatsächlich erfüllt. Es ist offensichtlich, daß viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der oben erläuterten Lehre möglich sind. Es versteht sich deshalb, daß innerhalb des Schutzbereiches der angehängten Ansprüche die Erfindung auf andere Weise realisiert werden kann als speziell beschrieben.

Claims

1. Verfahren für einen Pumpschutz für einen dynamischen Verdichter (101) mit Zuleitungs- und Ausströmleitungsnetzen (103, 105), einem Pumpschutz-Ventil (107), welches die Zuleitungs- und Ausströmleitungsnetze (103, 105) verbindet, und einem Pumpschutz-Regelsystem (108-135) für den Betrieb des Pumpschutz-Regelventils (107), um die Gasfließgeschwindigkeit durch den Verdichter (101) über einer Pumpgrenze zu halten, unter der der Verdichter (101) pumpen würde, wobei die Pumpgrenze eine Funktion verschiedener Variablen ist und wobei das Verfahren umfaßt:

eine kontinuierliche Messung des Saugdruckes, der Saugtemperatur, des Ausströmdruckes- und der Ausströmtemperatur des Verdichters, eine Berechnung (117) des Druckverhältnisses durch Teilung des Abgabedruckes durch den Saugdruck, und eine Berechnung (118) des polytropischen Exponenten des Verdichters (101) durch Teilung des Logarithmus des Temperaturverhältnisses durch den Logarithmus des Druckverhältnisses;

eine kontinuierliche Berechnung (120) der reduzierten polytropischen Druckhöhe des Verdichters durch Anhebung des Verdichterverhältnisses auf eine durch den polytropischen Exponenten festgelegte leistung, durch Verminderung des Ergebnisses um 1 und Teilen des Restes durch den polytropischen Exponenten;

eine kontinuierliche Messung des Druckabfalles über einer Fließgeschwindigkeits-Meßeinrichtung und Berechnung (121) des reduzierten quadrierten volumetrischen Saugflusses durch Teilen des Druckabfalles durch den Saugdruck;

eine kontinuierliche Berechnung (122) der Betriebs-Kennlinienneigung des Verdichters als das Verhältnis der reduzierten polytropischen Drnckhöhe und der reduzierten volumetrischen quadrierten Fließgeschwindigkeit;

eine kontinuierliche Berechnung (123) der Kennlinienneigung der Sauggrenze als eine Funktion der gemessenen oder konstanten Drehgeschwindigkeit und der gemessenen oder konstanten Leitschaufelposition des Verdichters;

eine kontinuierliche Berechnung (124) der relativen Kennlinienneigung als ein Verhältnis der Neigung des Arbeitspunktes zu der Neigung der Pumpgrenze;

eine kontinuierliche Berechnung (125) des relativen Abstandes zwischen dem Verdichterarbeitspunkt und der Pumpgrenze zwischen dem Arbeitspunkt und dem Pumpen als eine Differenz zwischen einer relativen Kennlinienneigung des Pumpens entsprechend 1 und der relativen Arbeits-Kennlinienneigung des Verdichterarbeitspunktes; und

eine kontinuierliche Manipulation (128-131) der Position des Pumpschutzventils (107) durch Einstellung des Ausganges des Pumpschutz-Regelsystems, um den relativen Abstand zwischen dem Verdichterarbeitspunkt und der Pumpgrenze daran zu hindern, unter eine vorbestimmte Sicherheitsgrenze abzunehmen.

2. Verfahren für einen Pumpschutz für einen dynamischen Verdichter (101) mit Zuleitungs- und Ausströmleitungsnetzen (103, 105) ein Pumpschutzventil (107), welches die Zuleitungs- und Ausströmleitungsnetze (103, 105) verbindet, und ein Pumpschutz-Regelsystem (108-135) für den Betrieb des Pumpschutz-regelventils (107) um die Gasfließgeschwindigkeit durch den Verdichter (101) über einer Pumpgrenze zu halten, unter der der Verdichter (101) pumpen würde, wobei die Pumpgrenze eine Funktion verschiedener Prozeßvariablen ist und wobei das Verfahren umfaßt:

eine kontinuierliche Messung des Saugdruckes, der Saugtemperatur, des Ausströmdruckes und der Ausströmtemperatur des Verdichters, eine Berechnung (116) des Temperaturverhältnisses durch Teilung der Ausströmtemperatur durch die Saugtemperatur, eine Berechnung (117) des Druckverhältnisses durch Teilung des Ausströmdruckes durch den Saugdruck, und eine Berechnung (118) des polytropischen Exponenten des Verdichters durch Teilung des Logarithmus des Temperaturverhältnisses durch den Logarithmus des Druckverhältnisses;

eine kontinuierliche Berechnung (120) der reduzierten polytropischen Druckhöhe des Verdichters durch Anhebung des Verdichtungsverhältnisses auf eine durch den polytropischen Exponenten vorgegebene Leistung, durch Verminderung des Ergebnisses um 1 und Teilung des Restes durch den polytropischen Exponenten;

eine kontinuierliche Messung des Druckabfalles über einer Fließgeschwindigkeits-Meßeinrichtung und Berechnung (121) des reduzierten quadrierten volumetrischen Saugflusses durch Teilung des Druckabfalles durch den Saugdruck;

eine kontinuierliche Berechnung (122) einer gesteuerten Variablen als das Verhältnis der reduzierten polytropischen Druckhöhe zu der reduzierten quadrierten volumetrischen Fließgeschwindigkeit;

eine kontinuierliche Berechnung (123) der Pumpgrenze als eine Funktion der gemessenen oder konstanten Drehgeschwindigkeit und der gemessenen oder konstanten Leitschaufelposition des Verdichters; und

eine kontinuierliche Einstellung (128-131) des Ausganges des Pumpschutz-Regelsystems, um die gesteuerte Variable unterhalb der Pumpgrenze zu halten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch:

eine kontinuierliche Einstellung des Ausganges des Pumpschutz- Regelsystems (108-135), um das Verhältnis zwischen der geregelten Variablen und der Pumpgrenze bei oder unter einer minimalen Sicherheitsgrenze zu halten, wobei die Sicherheitsgrenze sowohl aus konstanten als auch aus variablen Teilen besteht, Halten des variablen Teils auf Null, unter stationären Bedingungen, Erhöhung des variablen Teils, wenn sich die geregelte Variable der Pumpgrenze mit einer wachsenden Geschwindigkeit annähert und langsame Verminderung des variablen Teils, wenn sich das Differential zwischen der gesteuerten Variablen und der Pumpgrenze erhöht;

Addition einer gesteuerten Reaktion zu dem Ausgang des Pumpschutz- Regelsystems immer dann, wenn die geregelte Variable unter der Pumpgrenze liegt Halten der Steuerreaktion auf Null unter stationären Bedingungen, Erhöhung der Steuerreaktion, um einen Betrieb proportional zu der augenblicklichen Geschwindigkeit, mit der sich die geregelte Variable der Regelreaktion der Pumpgrenze der Regelreaktion immer dann nähert, wenn das Differential zwischen der geregelten Variablen und der Pumpgrenze unter einen Schwellwertpegel fällt und zu konstanten voreingestellten Zeitintervallen danach so lange, wie die geregelte Variable sich der Pumpgrenze nähert oder diese überschreitet, und Verminderung der gesteuerten Reaktion langsam gegen Null immer dann, wenn das Differential zwischen der gesteuerten Variablen und der Pumpgrenze anwächst; und

Erhöhung der geregelten Sicherheitsgrenze und/oder des gesteuerten Schwellwertpegels immer dann, wenn rasche Abfälle in der Fließgeschwindigkeit durch den Verdichter (101) und/oder im Auslaßdruck des Verdichters (101) festgestellt werden.