EP0228665A2 - Limiting surge regulation method for turbocompressors - Google Patents
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- EP0228665A2 EP0228665A2 EP86117636A EP86117636A EP0228665A2 EP 0228665 A2 EP0228665 A2 EP 0228665A2 EP 86117636 A EP86117636 A EP 86117636A EP 86117636 A EP86117636 A EP 86117636A EP 0228665 A2 EP0228665 A2 EP 0228665A2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
- F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
Definitions
- the invention relates to a method for the surge limit control of turbo compressors of the type specified in the preamble of claim 1. Such a method is known from "Nachzin den Maschinenbau” 5/82.
- Pumping is an unstable condition of a turbocompressor, in which intermittent or periodic conveying gas flows back from the pressure to the suction side. Pumping occurs when the end pressure is too high and / or the throughput is too low.
- a line can therefore be clearly defined which separates the stable from the unstable area and is referred to as the surge limit.
- the surge limit control is intended to prevent the operating point of the compressor from reaching the surge limit and pumps thereby entering.
- a blow-off line is defined in the map at a safety distance from the surge limit. When the operating point exceeds the blow-off line, a relief valve branching off from the compressor outlet is opened more or less in order to blow off the conveyed medium or to blow it off to the suction side and thereby lower the final pressure or increase the throughput.
- the object of the invention is to provide a method for the surge limit control of the type mentioned, which makes it possible to record effects on the position of the surge limit in the map used caused by changes in the gas composition and / or, for example, by pollution-related changes in the compressor geometry, and corresponding corrections in the surge limit control to make.
- a characteristic curve includes further unique parameters such as speed, blade position, power, etc., so that there is a clear connection between the map coordinates of the operating point and the parameters.
- an associated target value can be calculated using a calculated or measured map, e.g. the speed n of the compressor can be determined. If the actually measured speed deviates from this nominal value, this means that the actual working point also deviates from the working point calculated according to formulas (1) and (2) because one or more of the variables R, x and K have changed.
- the deviation between the target value and the actual value of the speed or another characteristic parameter such as blade position or compressor output thus serves as a correction variable which indicates that the actual course of the surge limit in the characteristic diagram deviates from the required course.
- This deviation can, if it e.g. based on changed gas composition, be taken into account by appropriate correction within the calculation of the map coordinates according to formula (1) for the determination of the controlled variables or by directly applying a corresponding correction variable to the control.
- the compressor by operating the compressor with a standard gas with known values for R and x, it can be determined whether a deviation between the setpoint and actual value of the speed indicates contamination of the compressor system. In this case, an appropriate maintenance or shutdown of the system can be initiated by a warning signal.
- the surge limit P of a compressor is clearly defined in the map with the coordinates V and ⁇ h ad , as shown in FIG. 1.
- the location of the surge line is independent of changes in the parameters of suction pressure, final pressure, temperature, gas constant or isentropic exponent.
- a standard composition of the gas is assumed, in which R and x have a predetermined known value.
- the delivery head and the intake volume flow are calculated from the measured values as map coordinates.
- the formulas (1) and (2) give the calculated values ⁇ h adr and V r.
- This speed is the actual actual speed, which can be measured very easily and very precisely by measuring the speed of the drive turbine.
- This computed speed is now compared in comparator 4 with the actually measured speed n a . If the actual speed matches the calculated speed, the actual gas composition also matches the standard composition. However, if the measured speed deviates from the calculated speed, the gas composition is different. Then the relation of the blow-off line A specified in the characteristic diagram to the calculated working point does not match that to the actual working point, and the surge limit control works incorrectly. This must be corrected by taking into account the changed gas composition.
- This regulation itself can work as follows, for example according to FIG. 1:
- a computer determines the actual delivery head of the compressor.
- the minimum permissible intake flow V target is determined from this by mirroring on the blow-off line A. This is compared with the actual flow V measured.
- the relief valve remains closed as long as the measured flow V is greater than the minimum permissible V target. The relief valve does not open until V falls below.
- a simpler way of taking changes in the gas composition into account is to empirically deduce a shift in the surge limit from the deviation in the speeds and to automatically shift the blow-off line accordingly. Such a method will be described in more detail below.
- a compressor 10 is driven by a turbine 11 or by another variable speed drive.
- the pressure difference (differential pressure) at a throttle point 17 is measured with a measuring transducer 15 and further the suction pressure with a pressure sensor 19 and the temperature on the suction side with a temperature sensor 21.
- the arithmetic intake flow V r is determined from these variables in computer 1 (cf. FIG. 2) using the gas constants R r for the normal composition of the gas.
- the delivery head ⁇ h adr is determined in the second computer 2 using the values R, and x r for the normal composition of the conveying gas .
- the computed speed n r belonging to the values V and ⁇ h adr is determined with the normal composition of the gas. This is compared with the actual speed n a measured on the shaft of the turbine 11 by means of a speed sensor 27 in a differential element 29.
- the values V r and ⁇ h adr calculated by the computers 1 and 2 also serve as control variables for the control of a relief valve 31 branching off from the compressor outlet 23.
- the value of the delivery head ⁇ h adr is fed to a function generator 33 in which the course of the blow-off line is stored.
- the function generator 33 generates, for each value of ⁇ h adr, the associated setpoint V ′ target of the intake flow, which is determined by the blow-off line A (cf. FIG. 1).
- This output V should of the function generator 32 is compared in a differential element 35 with the actual value V, and a control difference is formed therefrom, which is fed as an input signal to a controller 37, the output signal of which opens the relief valve 31 when the blow-off line A is exceeded in the characteristic diagram, so that pumping is prevented by lowering the final pressure and / or increasing the flow through the compressor.
- the method according to the invention can also be used in other surge limit controls in which other characteristic diagrams are used or other criteria are decisive for triggering the relief valve.
- the output signal of the differential element 29 is fed to a function generator 39 which, on the basis of the deviation of the calculated speed n from the actual speed n a, generates a fixed correction quantity which reflects the non-linear relationship between the speed deviation and the required correction of the surge limit or blow-off line in the characteristic diagram Fig. 1 considered.
- the correction variable generated by the function generator 39 is added by a summing element 41 to the setpoint value V soll generated by the function generator 33, so that regulation of the relief valve is adapted to the changed gas composition.
- the correction variable generated by the function generator 39 can also be added to the actual value V generated by the computer 1 or the control difference generated by the differential element 35. It is also possible to add the correction variable not simply additively, but multiplicatively or at the same time additively and multiplicatively or the control variable.
- Additive addition means a parallel shift
- multiplicative addition means a rotation of the surge line P or blow-off line A in the map according to FIG. 1.
- control is carried out on a multi-stage compressor system, it is possible to use the described method not over all stages, but only over one or more stages.
- Such a parameter is e.g. the guide vane position, especially in compressors that are operated at constant speed and controlled by changing the vane position. It is also possible to use the drive power of the compressor instead of the speed.
- the compressor is operated with a conveying gas with a standard composition, the values for R and x are known and are identical to the data used in computers 1 and 2.
- the setpoint n, and actual value n, the speed should be the same, so that no output signal occurs at the differentiator 29. If a signal from the differentiator 29 occurs anyway, it can be concluded that the geometry of the compressor e.g. has changed due to pollution.
- the signal generated by the differentiator 29 can be used to control a warning signal generator 43, which provides an indication that the compressor has to be serviced or even stopped in the event of danger.
- this deviation must be determined for a clean compressor using the method described above.
- a comparison of this arithmetically determined deviation with the output signal of the differentiator 29 shows whether there is contamination or any other change in the compressor geometry.
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Turbokompressoren, bei dem in Abhängigkeit von der Annäherung des Arbeitspunktes im Kennfeld an eine Abblaselinie (A) ein Abblaseventil gesteuert wird, wird erfindungsgemäß zusätzlich der Istwert eines weiteren Betriebsparameters überwacht und mit dem dem momentanen Arbeitspunkt zugeordneten Sollwert dieses Parameters verglichen. Eine Abweichung vom Ist- und Sollwert zeigt an, daß die zur Berechnung des Kennfeldes verwendeten Größen nicht mehr korrekt sind und die in diesem Kennfeld definierte Abblaselinie nicht mehr den richtigen Sicherheitsabstand von der tatsächlichen Pumpgrenze (P) hat, was z.B. auf Verschmutzung oder sonstige Geometrieänderungen des Kompressors beruhen kann. Abhängig vom Ist-Sollwert-Vergleich wird dann ein Korrektursignal zur Steuerung des Abblaseventils, und/oder ein Warnsignal erzeugt.In a method for the surge limit control of turbocompressors, in which a relief valve is controlled as a function of the approach point of the operating point in the characteristic diagram to a blow-off line (A), the actual value of a further operating parameter is additionally monitored according to the invention and compared with the setpoint of this parameter assigned to the current operating point . A deviation from the actual and target value indicates that the variables used to calculate the map are no longer correct and the blow-off line defined in this map is no longer at the correct safety distance from the actual surge limit (P), which e.g. may be due to contamination or other changes in the geometry of the compressor. Depending on the actual setpoint comparison, a correction signal for controlling the relief valve and / or a warning signal is then generated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Turbokompressoren von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Ein solches Verfahren ist aus "Nachrichten für den Maschinenbau" 5/82 bekannt.The invention relates to a method for the surge limit control of turbo compressors of the type specified in the preamble of
Als Pumpen wird ein instabiler Zustand eines Turbokompressors bezeichnet, bei dem stoßweise oder periodisch Fördergas von der Druck-zur Saugseite zurückströmt. Das Pumpen tritt bei zu hohem Enddruck und/oder zu niedrigem Durchsatz auf. In dem durch Enddruck und Durchsatz oder davon abgeleiteten Koordinaten bestimmten Kennfeld kann deshalb eindeutig eine Linie definiert werden, die den stabilen vom instabi len Bereich trennt und als Pumpgrenze bezeichnet wird. Mittels der Pumpgrenzregelung soll verhindert werden, daß der Arbeitspunkt des Kompressors die Pumpgrenze erreicht und dadurch Pumpen eintritt. Hierzu wird in einem Sicherheitsabstand von der Pumpgrenze eine Abblaselinie im Kennfeld festgelegt. Wenn der Arbeitspunkt die Abblaselinie überschreitet, wird ein vom Kompressorausgang abzweigendes Entlastungsventil mehr oder weniger geöffnet, um Fördermedium abzublasen oder zur Saugseite umzublasen und dadurch den Enddruck zu senken bzw. den Durchsatz zu steigern.Pumping is an unstable condition of a turbocompressor, in which intermittent or periodic conveying gas flows back from the pressure to the suction side. Pumping occurs when the end pressure is too high and / or the throughput is too low. In the map determined by final pressure and throughput or coordinates derived therefrom, a line can therefore be clearly defined which separates the stable from the unstable area and is referred to as the surge limit. The surge limit control is intended to prevent the operating point of the compressor from reaching the surge limit and pumps thereby entering. For this purpose, a blow-off line is defined in the map at a safety distance from the surge limit. When the operating point exceeds the blow-off line, a relief valve branching off from the compressor outlet is opened more or less in order to blow off the conveyed medium or to blow it off to the suction side and thereby lower the final pressure or increase the throughput.
Der Verlauf der Pumpgrenze und damit derAbblaselinie im Kennfeld liegt dann eindeutig und unveränderlich und von dem momentanen Betriebszustand unabhängig fest, wenn als Kennfeldkoordinaten die adiabate Förderhöhe Δhad und der Ansaugvolumenstrom V verwendet werden. Aus den laufend gemessenen Betriebsgrößen des Kompressors, insbesondere Saug-und Enddruck sowie der Druckdifferenz an einer saugseitigen Drosselstelle, können diese Koordinaten errechnet werden nach den Formeln
In dem durch Ahad und V definierten Kennfeld ist die Lage der Pumpgrenze und damit auch der Abblaselinie unabhängig von Änderungen der in den Formeln (1) und (2) enthaltenen Parameter. Die Berechnung dieser Kennfeldkoordinaten aus den Meßwerten der Drücke und Temperaturen ist jedoch nur dann möglich, wenn die Werte für R, x und K bekannt sind. Bei gegebener, unveränderlicher Kompressorgeometrie und bei unveränderter Zusammensetzung des Fördergases können die Größen R; x und K einmal gemessen und dann als Konstanten behandelt werden. Eine Änderung der Zusammensetzung des Fördergases kann aber eine Änderung der zugehörigen Werte für R und/oder x zur Folge haben. Diese Änderungen sind jedoch nicht direkt meßbar. In einem solchen Fall würde die Beibehaltung der bisherigen Werte für R und x zu einer fehlerhaften Berechnung der Kennfeldkoordinaten führen, so daß auch die Pumpgrenze in dem so errechneten Kennfeld nicht mehr den richtigen Verlauf hat. Entspre chendes gilt, wenn sich z.B. durch Verschmutzung die effektive Kompressorgeometrie ändert.
Wird bei der Pumpgrenzregelung von einem solchermaßen unkorrekten Verlauf der Pumpgrenze und damit der Abblaselinie im Kennfeld Bezug genommen, dann führt dies entweder dazu, daß das Pumpen nicht mit Sicherheit verhindert wird oder daß das Öffnen des Entlastungsventils bereits in einem zu großen Sicherheitsabstand von der wahren Pumpgrenze ausgelöst wird, was zu unerwünscht hohen Leistungsverlusten des Kompressors führen kann.In the map defined by Ah ad and V, the position of the surge limit and thus also the blow-off line is independent of changes in the parameters contained in formulas (1) and (2). However, these map coordinates can only be calculated from the measured values of the pressures and temperatures if the values for R, x and K are known. Given the unchangeable compressor geometry and the unchanged composition of the conveying gas, the sizes R; x and K are measured once and then treated as constants. However, a change in the composition of the conveying gas can result in a change in the associated values for R and / or x. However, these changes cannot be measured directly. In such a case, the retention of the previous values for R and x would lead to an incorrect calculation of the map coordinates, so that the surge limit in the map thus calculated no longer has the correct course. The same applies if, for example, the effective compressor geometry changes due to contamination.
If the surge limit control refers to such an incorrect course of the surge limit and thus the blow-off line in the map, then this either means that pumping is not prevented with certainty or that the relief valve is already opened too far from the true surge limit is triggered, which can lead to undesirably high power losses of the compressor.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Pumpgrenzregelung der genannten Art anzugeben, welches es ermöglicht, durch Änderungen der Gaszusammensetzung und/oder durch z.B. verschmutzungsbedingte Änderungen der Kompressorgeometrie verursachte Auswirkungen auf die Lage der Pumpgrenze im verwendeten Kennfeld zu erfassen und entsprechende Korrekturen bei der Pumpgrenzregelung vorzunehmen.The object of the invention is to provide a method for the surge limit control of the type mentioned, which makes it possible to record effects on the position of the surge limit in the map used caused by changes in the gas composition and / or, for example, by pollution-related changes in the compressor geometry, and corresponding corrections in the surge limit control to make.
Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen.The solution to the problem is specified in
Bei der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, daß zu jedem Arbeitspunkt im stabilen Kennfeldbereich eine Kennlinie weitere eindeutige Parameter wie Drehzahl, Schaufelstellung, Leistung usw. gehören, so daß zwischen den Kennfeldkoordinaten des Arbeitspunktes und den Paramatern jeweils eine eindeutiger Zusammenhang besteht. Aus den gemäß den obigen Formeln (1) und (2) errechneten Kennfeldkoordinaten kann somit anhand eines berechneten oder gemessenen Kennfelds ein zugehöriger Sollwert z.B. der Drehzahl n des Kompressors bestimmt werden. Weicht die tatsächlich gemessene Drehzahl von diesem Sollwert ab, dann bedeutet dies, daß auch der tatsächliche Arbeitspunkt von dem nach den Formeln (1) und (2) errechneten Arbeitspunkt abweicht, weil sich eine oder mehrere der Größen R, x und K geändert haben. Die Abweichung zwischen Sollwert und Istwert der Drehzahl oder eines anderen Kennlinienparameters wie SchaufelsteIlung oder Kompressorleistung, dient somit als Korrekturgröße, die anzeigt, daß der tatsächliche Verlauf der Pumpgrenze im Kennfeld von dem vorausgesetzten Verlauf abweicht. Diese Abweichung kann, falls sie z.B. auf geänderter Gaszusammensetzung beruht, durch entsprechende Korrektur innerhalb der Berechnung der Kennfeldkoordinaten gemäß Formel (1) für die Bestimmung der Regelgrößen oder durch direkte Aufschaltung einer entsprechenden Korrekturgröße auf die Regelung berücksichtigt werden. Andererseits kann durch Betreiben des Kompressors mit einem Normgas mit bekannten Werten für R und x festgestellt werden, ob eine Abweichung zwischen Soll-und Istwert der Drehzahl eine Verschmutzung des Kompressorsystems anzeigt. In diesem Fall kann durch ein Warnsignal eine entsprechende Wartung oder Stillsetzung des Systems veranlaßt werden.In the solution of the task according to the invention, it is assumed that for each operating point in the stable map area, a characteristic curve includes further unique parameters such as speed, blade position, power, etc., so that there is a clear connection between the map coordinates of the operating point and the parameters. From the map coordinates calculated according to the formulas (1) and (2) above, an associated target value can be calculated using a calculated or measured map, e.g. the speed n of the compressor can be determined. If the actually measured speed deviates from this nominal value, this means that the actual working point also deviates from the working point calculated according to formulas (1) and (2) because one or more of the variables R, x and K have changed. The deviation between the target value and the actual value of the speed or another characteristic parameter such as blade position or compressor output thus serves as a correction variable which indicates that the actual course of the surge limit in the characteristic diagram deviates from the required course. This deviation can, if it e.g. based on changed gas composition, be taken into account by appropriate correction within the calculation of the map coordinates according to formula (1) for the determination of the controlled variables or by directly applying a corresponding correction variable to the control. On the other hand, by operating the compressor with a standard gas with known values for R and x, it can be determined whether a deviation between the setpoint and actual value of the speed indicates contamination of the compressor system. In this case, an appropriate maintenance or shutdown of the system can be initiated by a warning signal.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1 die verallgemeinerte Darstellung des Kennfeldes eines Kompressors mit Pumpgrenze, Abblaselinie und Kennlinien konstanter Drehzahl;
- Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verlaufs des rechnersichen Vergleichs;
- Fig. 3 eine komplette schematische Darstellung der Einrichtung zur Pumpgrenzregelung eines Kompressors.
- Figure 1 shows the generalized representation of the map of a compressor with surge limit, blow-off line and characteristic curves of constant speed.
- 2 shows a schematic illustration of the course of the computational comparison;
- Fig. 3 is a complete schematic representation of the device for surge control of a compressor.
Die Pumpgrenze P eines Kompressors ist im Kennfeld mit den Koordinaten V und Δhad, wie in Fig. 1 dargestellt, eindeutig definiert. Die Lage der Pumpgrenze ist unabhängig von Änderungen der Parameter Saugdruck, Enddruck, Temperatur, Gaskonstante oder Isentropenexponent.The surge limit P of a compressor is clearly defined in the map with the coordinates V and Δh ad , as shown in FIG. 1. The location of the surge line is independent of changes in the parameters of suction pressure, final pressure, temperature, gas constant or isentropic exponent.
Während Größen wie Drücke und Temperaturen leicht meßbar sind, sind Gaskonstante R und Isentropenexponent x nicht direkt meßbar, jedenfalls nicht schnell und wirtschaftlich genug. Gasanalysen nehmen oft erhebliche Zeit in Anspruch, so daß die Meßergebnisse zu spät vorliegen und für die Regelung des Entlastungsventils unbrauchbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren, das Änderungen dieser Größen erfassen und berücksichtigen kann, setzt voraus, daß bei der Variation der Gaszusammensetzung stets ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Isentropenexponenten x und der Gaskonstante R besteht.While quantities such as pressures and temperatures are easy to measure, gas constant R and isentropic exponent x cannot be measured directly, at least not quickly and economically enough. Gas analyzes often take considerable time, so that the measurement results are too late and are unusable for the control of the relief valve. The method according to the invention, which can detect and take changes in these quantities into account, presupposes that there is always a clear relationship between the isentropic exponent x and the gas constant R when the gas composition is varied.
Dies ist z.B. dann stets gewährleistet, wenn die Gaszusammensetzung durch Zumischung eines Gases konstanter Zusammensetzung verändert wird oder auch, wenn mehrere Gase zugemischt werden, die ähnliche Gaskonstanten oder Isentropenexponenten haben. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß das Verfahren immer dann anwendbar ist, wenn für alle vorkommenden Gaszusammensetzungen eine eindeutige Relation zwischen der Gaskonstanten R und dem Isentropenexponenten x besteht.This is e.g. then always guaranteed if the gas composition is changed by admixing a gas of constant composition or if several gases are admixed that have similar gas constants or isentropic exponents. In general, it can be said that the method can be used whenever there is a clear relationship between the gas constant R and the isentropic exponent x for all occurring gas compositions.
Erfindungsgemäß wird von einer Normzusammensetzung des Gases ausgegangen, bei der R und x einen vorgegebenen bekannten Wert haben. Für dieses Normgas werden nun, unabhängig von der wirklichen Gaszusammensetzung, aus den Meßwerten die Förderhöhe und der Ansaugvolumenstrom als Kennfeldkoordinaten errechnet. Aus den Formeln (1) und (2) erhält man die rechnerischen Werte Δhadr und V r.According to the invention, a standard composition of the gas is assumed, in which R and x have a predetermined known value. For this standard gas, regardless of the actual gas composition, the delivery head and the intake volume flow are calculated from the measured values as map coordinates. The formulas (1) and (2) give the calculated values Δh adr and V r.
Wird Gas mit einer abweichenden Zusammensetzung gefahren, weichen die aktuellen Werte Δhada und V a von den rechnerischen Werten Δhadr und V ab.If gas with a different composition is used, the current values Δh ada and V a deviate from the calculated values Δh adr and V.
Gemäß Fig. 1 verläuft durch jeden Arbeitspunkt mit den Koordinaten V und ΔHad genau eine Kennlinie K, K' mit konstanter Drehzahl n,, n2 usw. Somit gehört auch zu den rechnerischen WertenAhadr und V eine eindeutige rechnerische Drehzahl n,. Es gilt ferner Gleichung
Diese Drehzahl ist die tatsächliche Istdrehzahl, die durch Messung der Drehzahl der Antriebsturbine sehr leicht und sehr genau meßbar ist.This speed is the actual actual speed, which can be measured very easily and very precisely by measuring the speed of the drive turbine.
Setzt man weiterhin voraus, daß das Kennfeld des Kompres sors (Δhad über V ) rechnerisch oder experimentell bestimmt wurde und bekannt ist und setzt man weiterhin voraus, daß der Isentropenexponent x eine eindeutige Funktion von der Gaskonstanten R ist (x = F (R)) sind damit alle Daten bekannt, um x zu bestimmen. Dies geschieht gemäß Fig. 2 wie folgt:
- Aus den Größen P1, P2, T1 bestimmt der
Rechner 1 unter Zuhilfenahme von Rr und xr die theoretische Förderhöhe beim Normzustand (Ahadr). DerRechner 2 bestimmt aus Wirkdruck Ap, Saugdruck p1 und Saugtemperatur T1 sowie der Normgaskonstanten Rrden theoretischen Volumenstrom. ImRechner 3 ist entweder der Verlauf der Kompressorkennlinien in Form mathematischer Gleichungen oder in Form einer Matrix mit der jeweiligen theoretischen Drehzahl n, als Inhalt der Matrix dargestellt. DerRechner 3 berechnet entweder die rechnerische Drehzahl n, oder liest sie direkt aus dem Matrixspeicher ab.
- From the quantities P1, P2, T1, the computer 1 uses R r and x r to determine the theoretical delivery head in the normal state (Ah adr ). The
computer 2 determines the theoretical volume flow from the effective pressure Ap, suction pressure p1 and suction temperature T1 and the standard gas constant R r .Computer 3 either shows the course of the compressor characteristic curves in the form of mathematical equations or in the form of a matrix with the respective theoretical speed n, as the content of the matrix. Thecomputer 3 either calculates the calculated speed n or reads it directly from the matrix memory.
Diese rechnerische Drehzahl wird nun im Vergleicher 4 mit der tatsächlich gemessenen Drehzahl na verglichen. Stimmt die Istdrehzahl mit der rechnerischen Drehzahl überein, so stimmt auch die tatsächliche Gaszusammensetzung mit der Normzusammensetzung überein. Weicht jedoch die gemessene Drehzahl von der rechnerischen Drehzhal ab, liegt eine abweichende Gaszusammensetzung vor. Dann stimmt auch die Relation der im Kennfeld vorgegebenen Abblaselinie A zum errechneten Arbeitspunkt nicht mit der zum tatsächlichen Arbeitspunkt überein, und die Pumpgrenzregelung arbeitet falsch. Dies muß durch Berücksichtigung der geänderten Gaszusammensetzung korrigiert werden.This computed speed is now compared in
Ein gangbarer, aber sehr schwieriger Weg wäre es, anhand der Formeln (1) und (2) sowie aus dem bekannten Zusammenhang zwischen R und x die Größen Ra und xa, daß heißt die tatsächliche Gaskonstante und den tatsächlichen lsentropenexponenten, zu berechnen. Diese Werte für R und x können dann in die Formeln für Ahad und V eingesetzt werden, und es ergeben sich die tatsächliche Förderhöhe und der tatsächliche Durchfluß. Diese beiden Größen können als Sollwert und Istwert einer üblichen Pumpgrenzregelung aufgeschaltet werden, die den Kompressor vor dem Pumpen schützt.A feasible but very difficult way would be to use the formulas (1) and (2) and the known relationship between R and x to calculate the quantities R a and x a , i.e. the actual gas constant and the actual isentropic exponents. These values for R and x can then be used in the formulas for Ah ad and V, and the actual delivery head and the actual flow rate result. These two quantities can be applied as the setpoint and actual value of a conventional surge limit control, which protects the compressor from pumping.
Diese Regelung selbst kann z.B. gemäß Fig. 1 wie folgt arbeiten: Entsprechend derΔhad-Formel bestimmt ein Rechner die tatsächlich Förderhöhe des Kompressors. Durch Spiegelung an der Abblaselinie A wird hieraus der minimal zulässige Ansaugdurchfluß V soll bestimmt. Dieser wird mit dem tatsächliche gemessenen Durchfluß V ist verglichen. Solange der gemessene Durchfluß V ist größer ist als der minimal zulässige V soll, bleibt das Abblaseventil geschlossen. Erst bei Unterschreiten von V soll öffnet das Abblaseventil.This regulation itself can work as follows, for example according to FIG. 1: According to the Δh ad formula, a computer determines the actual delivery head of the compressor. The minimum permissible intake flow V target is determined from this by mirroring on the blow-off line A. This is compared with the actual flow V measured. The relief valve remains closed as long as the measured flow V is greater than the minimum permissible V target. The relief valve does not open until V falls below.
Eine einfachere Möglichkeit, Änderungen der Gaszusammensetzung zu berücksichtigen, besteht darin, aus der Abweichung der Drehzahlen empirisch auf eine Verschiebung der Pumpgrenze zu schließen und die Abblaselinie selbsttätig entsprechend zu verschieben. Ein solches Verfahren soll nachfolgend genauer beschrieben werden.A simpler way of taking changes in the gas composition into account is to empirically deduce a shift in the surge limit from the deviation in the speeds and to automatically shift the blow-off line accordingly. Such a method will be described in more detail below.
Gibt man in eine Pumpgrenzregelung, wie zuvor beschrieben, statt der richtigen Daten für x und R nur die Daten des Normzustandes, so führt dies bei vom Normzustand abweichender Gaszusammensetzung zu einem Fehler. Es wird eine falsche Förderhöhe und ein flascher Durchfluß erechnet. Das Pumpen des Kompressors wird an einer anderen Stelle eintreten als auf der in Fig. 1 definierten Pumpgrenze P. Die tatsächliche Pumpgrenze verschiebt sich abhängig vom Unterschied zwischen dem aktuellen Gaszustand und dem Normzustand. Diese Verschiebung hängt eindeutig von der Variation der Gaszusammensetzung ab. Da x eine eindeutige Funktion von R ist, wie eingangs unterstellt, ist auch diese Verschiebung eindeutig. Da außerdem festgestellt wurde, daß die Drehzahlabweichung zwischen rechnerischer Drehzahl nrund der Istdrehzahl na ausschließlich von der Gaszusammensetzung abhängt, ist die Drehzahlabweichung auch ein eindeutiges Maß für die Verschiebung der Pumpgrenze.If, instead of the correct data for x and R, only the data of the standard state are given in a surge limit control, as described above, this leads to an error if the gas composition deviates from the standard state. An incorrect delivery head and a flat flow rate are calculated. Pumping of the compressor will occur at a different location than on the surge limit P defined in FIG. 1. The actual surge limit shifts depending on the difference between the current gas state and the standard state. This shift clearly depends on the variation in the gas composition. Since x is a unique function of R, as assumed at the beginning, this shift is also unique. Since it was also found that the speed deviation between the calculated speed n r and the actual speed n a depends exclusively on the gas composition, the speed deviation is also a clear measure of the shift in the surge limit.
Dieser Einfluß ist in der Regel nichtlinear, so daß es sich anbietet, die Drehzahlabweichung auf einen Funktionsgeber zu schalten und vom Ausgang des Funktionsgebers die Verschiebung der Abblaselinie steuern zu lassen. Die praktischste Art und Weise, dies zu realisieren, besteht darin, daß man den theoretischen Verlauf der Pumpgrenze bei verschiedenen Gaszusammensetzungen ermittelt und graphisch aufträgt. Weiterhin wird die Drehzahlabweichung ermittelt und ein Funktionsgeber auf diesen Zusammenhang eingestellt. Fig. 3 zeigt das Schema einer solchen Pumpgrenzregelung.This influence is usually non-linear, so that it makes sense to switch the speed deviation to a function generator and to have the displacement of the blow-off line controlled by the output of the function generator. The most practical way of realizing this is to determine the theoretical course of the surge limit for different gas compositions and plot it graphically. The speed deviation is also determined and a function generator is set to this relationship. 3 shows the schematic of such a surge limit control.
Ein Kompressor 10 wird von einer Turbine 11 oder durch einen anderen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit angetrieben. In der Saugleitung 13 wird mit einem Meßumformer 15 die Druckdifferenz - (Wirkdruck) an einer Drosselstelle 17 und ferner mit einem Druckfühler 19 der Saugdruck und mit einem Temperaturfühler 21 die saugseitige Temperatur gemessen. Aus diesen Größen wird im Rechner 1 (vgl. Fig. 2) unter Verwendung der Gaskonstanten Rr für die Normalzusammensetzung des Gases der rechnerische Ansaugdurchfluß V r bestimmt. Am Kompressorauslaß 23 wird mit einem Druckfühler 25 der Enddruck bestimmt und hieraus sowie aus den saugseitigen Meßgrößen wird in den zweiten Rechner 2 unter Verwendung der Werte R, und xr für die Normalzusammensetzung des För dergases die Förderhöhe Δhadr ermittelt. In einem Rechner oder Matrixspeicher 3 wird die zu den Werten V und Δhadr gehörende rechnerische Drehzahl nr bei Normalzusammensetzung des Gases ermittelt. Diese wird mit der an der Welle der Turbine 11 mittels eines Drehzahlgebers 27 gemessenen tatsächlichen Drehzahl n a in einem Differenzglied 29 verglichen.A
Die von den Rechnern 1 und 2 errechneten Werte V r und Δhadr dienen ferner als Regelgrößen für die Regelung eines vom Kompressorauslaß 23 abzweigenden Entlastungsventils 31. Der Wert der Förderhöhe Δhadr wird einem Funktionsgeber 33 zugeführt, in welchem der Verlauf der Abblaselinie gespeichert wird. Der Funktionsgeber 33 erzeugt für jeden Wert von Δhadr den zugehörigen durch die Abblaselinie A festgelegten Sollwert V' soll des Ansaugstroms (vgl. Fig. 1). Dieser Ausgang V soll des Funktionsgebers 32 wird in einem Differenzglied 35 mit dem Istwert V , verglichen und hieraus eine Regeldifferenz gebildet, die als Eingangssignal einem Regler 37 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal das Entlastungsventil 31 öffnet, wenn die Abblaselinie A im Kennfeld überschritten wird, so daß durch Senken des Enddruckes und/oder Erhöhen des Durchflusses durch den Kompressor das Pumpen verhindert wird.The values V r and Δh adr calculated by the
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei anderen Pumpgrenzregelungen, bei denen andere Kennfelder benutzt werden, bzw. andere Kriterien zur Auslösung des Entlasungsventils entscheidend sind, verwendet werden.The method according to the invention can also be used in other surge limit controls in which other characteristic diagrams are used or other criteria are decisive for triggering the relief valve.
Das Ausgangssignal des Differenzgliedes 29 wird einem Funktionsgeber 39 zugeführt, der aufgrund der Abweichung der rechnerischen Drehzahl n, von der tatsächlichen Drehzahl na eine festgelegte Korrekturgröße erzeugt, die den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Drehzahlabweichung und der erforderlichen Korrektur der Pumpgrenze bzw. Abblaselinie im Kennfeld nach Fig. 1 berücksichtigt. Die vom Funktionsgeber 39 erzeugte Korrekturgröße wird durch ein Summierglied 41 dem vom Funktionsgeber 33 erzeugten Sollwert V soll hinzuaddiert,so daß Regelung des Entlastungsventils an die geänderte Gaszusammensetzung angepaßt wird.The output signal of the
Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung möglich. So kann die vom Funktionsgeber 39 erzeugte Korrekturgröße auch dem vom Rechner 1 erzeugten Istwert V oder der vom Differenzglied 35 erzeugten Regeldifferenz hinzuaddiert werden. Femer ist es möglich, die Korrekturgröße nicht rein additiv, sondern multiplikativ oder gleichzeitig additiv und multiplikativ oder Regelgröße hinzuzufügen. Additive Hinzufügung bedeutet eine Parallelverschiebung, multiplikative Hinzufügung eine Drehung der Pumpgrenze P bzw. Abblaselinie A im Kennfeld nach Fig. 1.Changes and configurations of the described embodiments are possible within the scope of the invention. The correction variable generated by the
Falls die Regelung an einer mehrstufigen Kompressoranlage durchgeführt wird, ist es möglich, das beschriebene Verfahren nicht über alle Stufen, sondern nur über eine oder mehrere Stufen anzuwenden.If the control is carried out on a multi-stage compressor system, it is possible to use the described method not over all stages, but only over one or more stages.
Statt der Drehzahl können auch andere Parameter herangezogen werden, die eindeutig eine durch den jeweiligen Arbeitspunkt verlaufende Kennlinie definieren. Ein solcher Parameter ist z.B. die Leitschaufelstellung, insbesondere bei Kompressoren, die mit konstanter Drehzahl betrieben und durch Verändern der Leitschaufelstellung gesteuert werden. Femer ist es möglich, anstelle der Drehzahl die Antriebsleistung des Kompressors zu verwenden.Instead of the speed, other parameters can be used that clearly define a characteristic curve running through the respective working point. Such a parameter is e.g. the guide vane position, especially in compressors that are operated at constant speed and controlled by changing the vane position. It is also possible to use the drive power of the compressor instead of the speed.
Wie eingangs erwähnt, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur Änderungen der Gaszusammensetzung, sondern auch z.B. verschmutzungsbedingte Änderungen der Kompressorgeometrie erfaßt und berücksichtigt werden. Hierzu wird der Kompressor mit einem Fördergas mit Normzusammensetzung betrieben, dessen Werte für R und x bekannt und mit den im Rechner 1 und 2 verwendeten Daten identisch sind. In diesem Fall sollten der Sollwert n, und Istwert n, der Drehzahl gleich sein, so daß am Differenzierglied 29 kein Ausgangssignal auftritt.Tritt trotzdem ein Signal vom Differenzierglied 29 auf, dann kann daraus geschlossen werden, daß sich die Geometrie des Kompressors z.B. durch Verschmutzung geändert hat. In diesem Fall kann das vom Differenzierglied 29 erzeugte Signal dazu verwendet werden, einen Warnsignalgeber 43 anzusteuern, welcher eine Anzeige dafür liefert, daß der Kompressor gewartet bzw. bei Gefahr auch stillgesetzt werden muß.As mentioned at the beginning, not only changes in the gas composition, but also e.g. pollution-related changes in the compressor geometry are recorded and taken into account. For this purpose, the compressor is operated with a conveying gas with a standard composition, the values for R and x are known and are identical to the data used in
Sollte ein Gas mit Normzusammensetzung (Rr, xr) nicht verfügbar sein, kann diese Überprüfung auch mit einem anderen Gas mit bekannten Werten für R und x gemacht werden. In diesem Fall wird sich auch bei sauberem Kompressor eine Abweichung zwischen na und n, im Differenzierglied 29 einstellen.If a gas with a standard composition (R r , x r ) is not available, this check can also be made with another gas with known values for R and x. In this case, even with a clean compressor, a deviation between n a and n will occur in the
In einem separaten Rechengang außerhalb der in Fig. 3 dargestellen Anordnung muß nach dem vorn beschriebenen Verfahren diese Abweichung für einen sauberen Kompressor ermittelt werden. Ein Vergleich dieser rechnerisch ermittelten Abweichung mit dem Ausgangssignal des Differenzierglieds 29 ergibt, ob eine Verschmutzung oder eine sonstige Veränderung der Kompressorgeometrie vorliegt.In a separate calculation process outside of the arrangement shown in FIG. 3, this deviation must be determined for a clean compressor using the method described above. A comparison of this arithmetically determined deviation with the output signal of the
Claims (8)
dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert eines von den saug-und druckseitigen Meßwerten unabhängigen Betriebsparameters der eine Kennlinienschar im Kennfeld definiert, als Überwaschungsparameter laufend gemessen wird, daß aus den Kennfeldkoordinaten derjenige Sollwert des Über wachungsparameters, der der durch den Arbeitspunkt verlaufenden Kennlinie zugeordnet ist, bestimmt und mit dem gemessenen Istwert des Überwachungsparameters verglichen wird, und daß bei Abweichung des Istwertes vom Sollwert des Überwachungsparameters ein die Steuerung des Entlastungsventils beeinflussendes Korrektursignal und/oder ein Warnsignal erzeugt wird.1. Method for the surge limit control of turbocompressors, in which the map coordinates of the current operating point of the compressor are calculated from continuously measured values of suction and outlet-side pressures and temperatures, and the opening as a function of the distance of the operating point from a surge limit line and / or blow-off line specified in the map or closing a relief valve branching from the compressor outlet is controlled,
characterized in that the actual value of an operating parameter independent of the suction and pressure-side measured values, which defines a family of characteristic curves in the characteristic diagram, is continuously measured as a monitoring parameter, that the setpoint value of the monitoring parameter which is assigned to the characteristic curve passing through the operating point is determined from the characteristic diagram coordinates and compared with the measured actual value of the monitoring parameter, and that if the actual value deviates from the target value of the monitoring parameter, a correction signal influencing the control of the relief valve and / or a warning signal is generated.
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