EP0228665B1 - Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Turbokompressoren - Google Patents

Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Turbokompressoren Download PDF

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EP0228665B1
EP0228665B1 EP86117636A EP86117636A EP0228665B1 EP 0228665 B1 EP0228665 B1 EP 0228665B1 EP 86117636 A EP86117636 A EP 86117636A EP 86117636 A EP86117636 A EP 86117636A EP 0228665 B1 EP0228665 B1 EP 0228665B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
gas
monitoring parameter
actual value
composition
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP86117636A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0228665A3 (en
EP0228665A2 (de
Inventor
Wilfried Dipl.-Ing. Blotenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Original Assignee
MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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Publication date
Application filed by MAN Gutehoffnungshutte GmbH filed Critical MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Publication of EP0228665A2 publication Critical patent/EP0228665A2/de
Publication of EP0228665A3 publication Critical patent/EP0228665A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0228665B1 publication Critical patent/EP0228665B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • 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 enables changes in the gas composition and / or by e.g. changes in the compressor geometry caused by contamination to record the effects on the position of the surge limit in the map used and to make corresponding corrections in the surge limit control.
  • a characteristic curve has further unambiguous parameters such as speed, blade position, power, etc. belong so that there is a clear connection between the map coordinates of the working point and the parameters.
  • an associated setpoint value for example the speed n of the compressor, can be determined on the basis of a calculated or measured map. 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, K 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 map deviates from the presumed course. If, for example, it is based on a changed gas composition, this deviation can 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 direct application of a corresponding correction variable to the control.
  • by operating the compressor with a standard gas with known values for R and ⁇ 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 A ha d , 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 K 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 eh adr and Vr.
  • 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 control itself can work as shown in FIG. 1 as follows: according to the Ah ad form, 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 measured flow Vi st . As long as the measured flow Vi s t to larger than the minimum permissible V, the blow-off valve remains closed. Should only falls below V opens the relief valve.
  • 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.
  • This influence is usually non-linear, so that it makes sense to switch the speed deviation to a function transmitter and to have the displacement of the blow-off line controlled by the output of the function transmitter.
  • 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. Furthermore, the speed deviation is determined and a function generator is set to this relationship. 3 shows the schematic of such a surge limit control.
  • 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 final pressure is determined with a pressure sensor 25 and from this and from the suction-side measured variables, the delivery head ⁇ h adr is determined in the second computer 2 using the values Rr and ⁇ r for the normal composition of the conveying gas .
  • the calculated speed nr belonging to the values Vr and ehadr 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 Vr and nh ad r calculated by the computers 1 and 2 also serve as control variables for controlling a relief valve 31 branching off from the compressor outlet 23.
  • the value of the delivery head he A h ad r 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 ah adr the associated desired value Vsoll of the intake flow, which is determined by the blow-off line A (cf. FIG. 1).
  • This output Vsoll of the function generator 33 is compared in a differential element 35 with the actual value V r and from this a control difference is formed, 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 nr from the actual speed na, generates a fixed correction quantity which establishes the non-linear relationship between the speed deviation and the required correction of the surge limit or blow-off line in the map according to FIG. 1 considered.
  • the correction variable generated by the function generator 39 is added by a summing element 41 to the desired 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 r generated by the computer 1 or the control difference generated by the differential element 35. Furthermore, it is possible not to add the correction quantity purely additively, but rather multiplicatively or at the same time additively and multiplicatively or 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 K of which are known and identical to the data used in computers 1 and 2.
  • the target value nr and actual value n a of the speed should be the same, so that no output signal occurs at the differentiator 29. If a signal from the differentiator 29 nevertheless occurs, it can be concluded from this that the geometry of the compressor has changed, for example due to contamination.
  • 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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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.
  • 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 instabilen 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.
  • Der Verlauf der Pumpgrenze und damit der Abblaselinie im Kennfeld liegt dann eindeutig und unveränderlich und von dem momentanen Betriebszustand unabhängig fest, wenn als Kennfeldkoordinaten die adiabate Förderhöhe Ahad 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
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    wobei P1 der Saugdruck, P2 der Enddruck, AP der Wirkdruck an einer saugseitigen Drosselstelle und T1 die Temperatur an der Saugseite sind und diese Werte als ständig überwachte Meßwerte vorliegen. R1 ist die Gaskonstante und K der Isentropenexponent des jeweiligen Fördergases, während K eine von der Geometrie der Dosselstelle im Kompressoreintritt abhängige Konstante ist. Z ist ein konstanter Faktor (Reaigasfaktor).
  • 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, κ und K bekannt sind. Bei gegebener, unveränderlicher Kompressorgeometrie und bei unveränderter Zusammensetzung des Fördergases können die Größen R; κ 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 κ zur Folge haben. Diese Änderungen sind jedoch nicht direkt meßbar. In einem solchen Fall würde die Beibehaltung der bisherigen Werte für R und K zu einer fehlerhaften Berechnung der Kennfeldkoordinaten führen, so daß auch die Pumpgrenze in dem so errechneten Kennfeld nicht mehr den richtigen Verlauf hat. Entsprechendes 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.
  • 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.
  • Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen.
  • 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, K und K geändert haben. Die Abweichung zwischen Sollwert und Istwert der Drehzahl oder eines anderen Kennlinienparameters wie Schaufelstellung 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 κ 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.
  • 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.
  • Die Pumpgrenze P eines Kompressors ist im Kennfeld mit den Koordinaten V und Ahad, wie in Fig. 1 dargestellt, eindeutig definiert. Die Lage der Pumpgrenze ist unabhängig von Änderungen der Parameter Saugdruck, Enddruck, Temperatur, Gaskonstante oder Isentropenexponent.
  • Während Größen wie Drücke und Temperaturen leicht meßbar sind, sind Gaskonstante R und Isentropenexponent κ 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 κ und der Gaskonstante R besteht.
  • 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 κ besteht.
  • Erfindungsgemäß wird von einer Normzusammensetzung des Gases ausgegangen, bei der R und K 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 ehadr und Vr.
  • Wird Gas mit einer abweichenden Zusammensetzung gefahren, weichen die aktuellen Werte Ahada und Va von den rechnerischen Werten Ahadr und Vrab.
  • Gemäß Fig. 1 verläuft durch jeden Arbeitspunkt mit den Koordinaten V und AHad genau eine Kennlinie K, K' mit konstanter Drehzahl n1, n2 usw. Somit gehört auch zu den rechnerischen WertenAhadr und Vr eine eindeutige rechnerische Drehzahl nr. Es gilt ferner die Gleichung
    Figure imgb0003
    wonach zu der wirklichen Förderhöhe Δhada und dem wirklichen Durchfluß Va eine Drehzahl na gehört.
  • Diese Drehzahl ist die tatsächliche Istdrehzahl, die durch Messung der Drehzahl der Antriebsturbine sehr leicht und sehr genau meßbar ist.
  • Setzt man weiterhin voraus, daß das Kennfeld des Kompressors (Ahad über V) rechnerisch oder experimentell bestimmt wurde und bekannt ist und setzt man weiterhin voraus, daß der Isentropenexponent κ eine eindeutige Funktion von der Gaskonstanten R ist (K = F (R)) sind damit alle Daten bekannt, um K zu bestimmen. Dies geschieht gemäß Fig. 2 wie folgt:
    • Aus den Größen P1, P2, T1 bestimmt der Rechner 1 unter Zuhilfenahme von Rr und Kr die theoretische Förderhöhe beim Normzustand (Ahadr). Der Rechner 2 bestimmt aus Wirkdruck Ap, Saugdruck p1 und Saugtemperatur T1 sowie der Normgaskonstanten Rr den theoretischen Volumenstrom. Im Rechner 3 ist entweder der Verlauf der Kompressorkennlinien in Form mathematischer Gleichungen oder in Form einer Matrix mit der jeweiligen theoretischen Drehzahl nr als Inhalt der Matrix dargestellt. Der Rechner 3 berechnet entweder die rechnerische Drehzahl nr oder liest sie direkt aus dem Matrixspeicher ab.
  • 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.
  • Ein gangbarer, aber sehr schwieriger Weg wäre es, anhand der Formeln (1) und (2) sowie aus dem bekannten Zusammenhang zwischen R und K die Größen Ra und Ka, daß heißt die tatsächliche Gaskonstante und den tatsächlichen Isentropenexponenten, zu berechnen. Diese Werte für R und K 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.
  • Diese Regelung selbst kann z.B. gemäß Fig. 1 wie folgt arbeiten: Entsprechend derAhad-Formei bestimmt ein Rechner die tatsächlich Förderhöhe des Kompressors. Durch Spiegelung an der Abblaselinie A wird hieraus der minimal zulässige Ansaugdurchfluß Vsoll bestimmt. Dieser wird mit dem tatsächliche gemessenen Durchfluß Vist verglichen. Solange der gemessene Durchfluß Vist größer ist als der minimal zulässige Vsoll, bleibt das Abblaseventil geschlossen. Erst bei Unterschreiten von Vsoll öffnet das Abblaseventil.
  • 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.
  • Gibt man in eine Pumpgrenzregelung, wie zuvor beschrieben, statt der richtigen Daten für κ 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 κ eine eindeutige Funktion von R ist, wie eingangs unterstellt, ist auch diese Verschiebung eindeutig. Da außerdem festgestellt wurde, daß die Drehzahlabweichung zwischen rechnerischer Drehzahl nr und der Istdrehzahl na ausschließlich von der Gaszusammensetzung abhängt, ist die Drehzahlabweichung auch ein eindeutiges Maß für die Verschiebung der Pumpgrenze.
  • 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.
  • 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 Vr 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 Rr und κr für die Normalzusammensetzung des Fördergases die Förderhöhe Δhadr ermittelt. In einem Rechner oder Matrixspeicher 3 wird die zu den Werten Vr und ehadr 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 na in einem Differenzglied 29 verglichen.
  • Die von den Rechnern 1 und 2 errechneten Werte Vr und nhadr dienen ferner als Regelgrößen für die Regelung eines vom Kompressorauslaß 23 abzweigenden Entlastungsventils 31. Der Wert der Förderhöhe Ahadr wird einem Funktionsgeber 33 zugeführt, in welchem der Verlauf der Abblaselinie gespeichert wird. Der Funktionsgeber 33 erzeugt für jeden Wert von ahadr den zugehörigen durch die Abblaselinie A festgelegten Sollwert Vsoll des Ansaugstroms (vgl. Fig. 1). Dieser Ausgang Vsoll des Funktionsgebers 33 wird in einem Differenzglied 35 mit dem Istwert Vr 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.
  • 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.
  • Das Ausgangssignal des Differenzgliedes 29 wird einem Funktionsgeber 39 zugeführt, der aufgrund der Abweichung der rechnerischen Drehzahl nr 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 Vsoll hinzuaddiert,so daß Regelung des Entlastungsventils an die geänderte Gaszusammensetzung angepaßt wird.
  • 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 Vr oder der vom Differenzglied 35 erzeugten Regeldifferenz hinzuaddiert werden. Ferner 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.
  • 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.
  • 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. Ferner ist es möglich, anstelle der Drehzahl die Antriebsleistung des Kompressors zu verwenden.
  • 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 K bekannt und mit den im Rechner 1 und 2 verwendeten Daten identisch sind. In diesem Fall sollten der Sollwert nr und Istwert na 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.
  • Sollte ein Gas mit Normzusammensetzung (Rr, Kr) nicht verfügbar sein, kann diese Überprüfung auch mit einem anderen Gas mit bekannten Werten für R und K gemacht werden. In diesem Fall wird sich auch bei sauberem Kompressor eine Abweichung zwischen na und nr im Differenzierglied 29 einstellen.
  • 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.

Claims (8)

1. Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Turbokompressoren, bei dem :
a) laufend die Meßwerte von saug- und auslaßseitigen Drücken und Temperaturen des Kompressors gemessen werden;
b) aus den Meßwerten die Kennfeldkoordinaten des momentanen Arbeitspunktes des Kompressors in einem definierten Kennfeld errechnet werden;
c) die Kennfeldkoordinaten mit gespeicherten Daten eines für eine bestimmte Gaszusammensetzung geltenden Sollkennfeldes verglichen und der Abstand des Arbeitspunktes von einer im Sollkennfeld definierten Pumpgrenzlinie und/oder Abblaselinie errechnet wird, und
d) in Abhängigkeit von dem Abstand das Öffnen bzw. Schließen eines vom Kompressorausgang abzweigenden Entlastungsventils gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anwendung des Verfahrens beim Betrieb des Turbokompressors mit Gas von veränderlicher Zusammensetzung, wobei aber für alle Gaszusammensetzungen stets eine eindeutige Relation zwischen der Gaskonstanten (R) und dem Isentropenexponenten (K) besteht,
e) zusätzlich der Istwert eines von den saug- und druckseitigen Meßwerten unabhägigen Betriebsparameters, der eine Kennlinienschar im Kennfeld definiert, insbesondere die Drehzahl, als Überwachungsparameter laufend gemessen wird,
f) der Istwert verglichen wird mit einem Sollwert des Überwachungsparameters, der im gespeicherten Sollkennfeld derjenigen Kennlinie zugeordnet ist, die durch den momentanen Arbeitspunkt des Kompressors verläuft,
g) und bei Abweichung des Istwertes vom Sollwert des Überwachungsparameters ein die Steuerung des Entlastungsventils korrigierendes Korrektursignal und/oder ein Warnsignal erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kennfeldkoordinaten die adiabate Förderhöhe (Ahad) und der Ansaugvolumenstrom (V) aus den Meßwerten errechnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Überwachungsparameter die Drehzahl (n) des Kompressors bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder in Abständen während des Betriebes des Kompressors mit dem jeweils vorliegenden Fördergas der Kompressor mit einem Normgas bekannter Zusammensetzung betrieben wird und daß bei diesem Betrieb mit Normgas bei einer Abweichung des Istwertes vom Sollwert des Überwachungsparameters ein die Verschmutzung des Kompressors anzeigendes Warnsignal erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Änderung der Zusammensetzung des dem Kompressor zugeführten Fördergases der Überwachungsparameter gemessen und bei Abweichung seines Istwertes vom Sollwert das Korrektursignal erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der istwert (Vist) einer Kennfeldkoordinate (V) als Regelgröße mit einem durch Vergleich der anderen Kennfeldkoordinate (Ahad) mit der Abblaselinie gewonnenen Sollwert (Vson) verglichen wird und die so gewonnene Regeldifferenz einem Regler für das Entlastungsventil als Eingangsgröße zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Vergleich des Istwertes (na) und Sollwertes (nr ) des Überwachungsparameters gewonnene Korrekturgröße dem Istwert (Vist) oder dem Sollwert (Vson) der Regelgröße oder deren Regeldifferenz additiv und/oder multiplikativ aufgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Kennfeldkoordinaten des Arbeitspunktes der zu diesen gehörende Sollwert (nr) des Überwachungsparameters rechnerisch aufgrund vorgegebener, die Gaszusammensetzung berücksichtigender Formeln ermittelt wird oder in einem Matrixspeicher gespeichert ist und abgerufen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, zur Pumpgrenzregelung einer mehrstufigen Kompressoranlage, dadurch gekennzeichnet, daß es nur für eine oder einen Teil der Kompressorstufen angewendet wird.
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