EP0332888B1 - Verfahren zum sicheren Betreiben von Turbo-Kompressoren - Google Patents

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EP0332888B1
EP0332888B1 EP89103021A EP89103021A EP0332888B1 EP 0332888 B1 EP0332888 B1 EP 0332888B1 EP 89103021 A EP89103021 A EP 89103021A EP 89103021 A EP89103021 A EP 89103021A EP 0332888 B1 EP0332888 B1 EP 0332888B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blow
working point
valve
compressor
velocity
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP89103021A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0332888A3 (en
EP0332888A2 (de
Inventor
Wilfried Dr.-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.)
Everllence SE
Original Assignee
MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MAN Gutehoffnungshutte GmbH filed Critical MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Priority to AT89103021T priority Critical patent/ATE72304T1/de
Publication of EP0332888A2 publication Critical patent/EP0332888A2/de
Publication of EP0332888A3 publication Critical patent/EP0332888A3/de
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Publication of EP0332888B1 publication Critical patent/EP0332888B1/de
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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 safe operation of turbo-compressors, in which the flow and delivery pressure defining the operating point of the compressor are measured continuously, whereby to prevent pumping before reaching the surge limit through the operating point of the compressor when reaching a blow-off line parallel to the surge limit by means of a blow-off control controlled opening of at least one blow-off or blow-off valve ensures that the flow does not fall below a minimum flow dependent on the delivery pressure.
  • a method of the type mentioned is known from DE-PS 2623899.
  • a safety control is superimposed on a continuous blow-off control.
  • this method has proven itself in practice, in particular with regard to protecting the compressor from pumps, it still has disadvantages.
  • the safety controller responds, ie when a static safety line running between the blow-off line and surge line through the working point is exceeded, the blow-off or blow-off valve is always fully opened, since in the known method the associated control value for the movement control of the valve jumps to the value "zero""is set.
  • the valve Even if the operating point is before the valve reaches the opening end position, the blow-off line has again exceeded the safe characteristic field area, the valve opens further since its manipulated variable is at the value "zero" and from there it can only rise slowly under the influence of the normal blow-off control. This often results in a very disadvantageous drop in pressure in the consumer network fed by the compressor.
  • the second disadvantage is that the safety line runs at a fixed distance parallel to the blow-off line or surge line and therefore only has a static effect. In order to reliably rule out that the surge point is exceeded by the working point for every conceivable operating case, the distance of the safety line from the surge limit must be relatively large. In most safety control responses, this leads to the blow-off valve opening being triggered earlier than is actually necessary, which in turn leads to energy losses and thus higher operating costs of the compressor in part-load operation.
  • a method of the type mentioned at the outset which is characterized in that the speed of the movement of the working point relative to the blow-off line or surge line is continuously determined, that when a speed-dependent minimum distance of the working point from the blow-off line or is reached or exceeded Rapid opening line, which represents the surge limit, is an opening of the relief or blow-off valve superimposed on the normal blow-off control with maximum adjustment speed and that when the operating point returns via the quick-release line, the opening movement of the valve ends and its further adjustment, starting from the last position reached, again by the normal blow-off control is taken over.
  • the opening of the blow-off valve or blow-off valve is triggered at the latest possible time, taking into account the speed of movement of the working point. This means that if the operating point continues to move after this point in time, the surge limit has not just been reached and is never exceeded. It is of course the case that at a higher speed of the operating point in the direction of the surge limit, the opening of the relief valve is triggered earlier and correspondingly at a lower speed of the operating point later.
  • the quick-opening line runs parallel to the blow-off line with a distance from the surge limit that varies depending on the current operating point speed.
  • the controller is adjusted to the current position of the relief valve and that the controller takes over the further adjustment of the relief valve essentially without jumps and bumps. This ensures that a longer settling of the control, as is the case in known control methods due to larger differences between the position of the relief valve and the control variable for the relief valve at the controller output is largely avoided. As a result, the pressure curve in the consumer network becomes much more uniform, ie the effects of disturbances are greatly dampened.
  • the determination of the speed of the working point is carried out by differentiating in time the location coordinates of the working point which vary depending on the time.
  • This method delivers the current speed of the operating point in the map with practically no delay, on the basis of which, in conjunction with the current position of the operating point in the map, a decision is made as to whether the relief valve is opened quickly or not.
  • a second possibility for determining the speed of the operating point in the characteristic diagram consists in forming a difference between the current location coordinates and location coordinates delayed by a predeterminable time period with the following division of the difference by the time period.
  • This variant requires less effort in processing the data, but has a slightly lower response speed than the variant described above.
  • a low-pass filtering of the position coordinates of the operating point which varies in position depending on the time in the characteristic diagram, is expediently carried out before the speed determination, as a result of the flow measurement values mentioned and Pressure measurements are defined.
  • the noise leads to small, brief shifts in the operating point in the Map without actual changes in the operating state of the compressor. With the filtering, these short-term fluctuations in the speed value are switched off and unnecessary triggering of the quick opening of the relief valve is avoided.
  • At least one additional operating parameter of the compressor such as speed, vane position or compressor end pressure
  • the relief valve is opened at maximum adjustment speed only if at least one of the additionally detected parameters is one Approximation of the working point to the surge limit.
  • the working point is shifted to the surge line or blow-off line is associated with a decrease in the compressor speed and / or with guide vane-regulated compressors with a closing movement of the guide vanes and with an increase in the final pressure.
  • the relief valve is opened at the maximum adjustment speed only after a predeterminable speed limit value and / or a predeterminable displacement amount by the operating point in the characteristic diagram.
  • FIG. 1 of the drawing shows, a gaseous medium to be compressed is fed through a suction line 10 to a turbo compressor 1, which conveys the compressed gaseous medium into a pressure line 11.
  • a flow measuring device 4 is installed in front of the compressor 1 in the suction line 10.
  • a pressure measuring device 5 is connected into the pressure line 11 downstream of the turbo compressor 1.
  • a blow-off line 21 branches off from it, with a blow-off valve 2 switched on.
  • the relief valve 2 is adjustable in its position by means of a valve actuation device 20.
  • the line 21 can also be returned to the suction line 10.
  • a non-return valve 3 is switched on. Behind this non-return valve 3, the compressed medium is fed through the pressure line 11 to a downstream consumer network.
  • the flow measuring device 4 By means of the flow measuring device 4, the flow flowing to the compressor 1 on the intake side is measured continuously.
  • the pressure measuring device 5 uses the pressure from the compressor 1 into the pressure line 11 pumped medium continuously measured.
  • a control difference is calculated from the measured values of the flow measurement and the pressure measurement, which is used to calculate a valve manipulated variable for the relief valve 2, more precisely its actuating device 20.
  • the measured values for the flow and the pressure define the position of the compressor operating point in the compressor map.
  • the control method ensures that the blow-off valve 2 is opened more or less as required, so that the flow through the turbo compressor 1 does not fall below a just permissible minimum flow. As far as described so far, the control method corresponds to the known prior art.
  • an operating point speed is calculated from the control difference calculated from the flow and the pressure, ie the speed at which the operating point of the compressor 1 moves in the characteristic diagram. In particular, it is determined here whether and at what speed the operating point approaches the blow-off line or surge limit. From this operating point speed and from the control difference, which represents the current position of the working point in the compressor map, a quick opening control forms control commands for the valve actuation device 20 of the relief valve 2, in order to open it if necessary with the greatest possible adjustment speed by the required amount.
  • the quick opening control system always intervenes when the operating point in the map reaches or exceeds a quick opening line that represents a speed-dependent minimum distance of the operating point from the blow-off line or surge limit. After the operating point has returned to the safe map area, the normal blow-off control with the valve manipulated variable calculation takes over the further control of the compressor 1 solely from the control difference.
  • FIG. 1 A first embodiment of the part of the method which is essential to the invention in FIG. 1 with the calculation of the operating point speed and rapid opening control is shown in FIG.
  • the control difference calculated in an earlier process step i.e. the signal that corresponds to the distance of the working point from the blow-off line and thus fixes the location coordinates of the working point is differentiated according to time (DIF).
  • DIF time
  • This differential corresponds to the speed of the operating point in the map in the direction of the surge limit or blow-off line. Speeds in other directions, especially parallel to the surge line or blow-off line, are not recorded.
  • This speed is then determined by the position of the working point, i.e. multiplied by the control difference dependent, non-linear function (FNC) (MUL).
  • FNC non-linear function
  • This product which represents a speed component, is then compared with the control difference, which represents the spatial coordinate of the working point (SUM1). If the numerical value of the speed component now exceeds the numerical value of the location coordinate, the result of the comparison (SUM1) becomes positive.
  • the subsequent logical AND operation (AND1) which has the function of a switching stage, then delivers a signal on the output side that represents a valve quick opening command. This command causes the relief valve to be adjusted in the opening direction.
  • the output of the AND operation (AND1) jumps back to the value "0" and the quick opening command is canceled. From now on, the normal blow-off control takes over the further adjustment of the blow-off valve 2.
  • the normal blow-off control more precisely the valve manipulated variable generated by it, during the addition of the new one Rapid opening control effecting rapid opening of the relief valve 2 is tracked to the current valve position thereby achieved.
  • the control diagram shown in FIG. 3 shows the block diagram from FIG. 2 with an addition, with the result that a valve quick opening command is only issued when the operating point has traveled a certain minimum distance in the characteristic diagram.
  • an integration NFI
  • LIM1 limits the positioning speed of the integration.
  • FIG. 4 shows a variant of the method in which the block diagram from FIG. 2 is supplemented by filtering.
  • the individual process steps additionally required for this consist of a limitation (LIM2) of the control difference, a subsequent integration (NFI), a summation (SUM4) and a further one logical AND operation (AND2).
  • LIM2 limitation
  • NFI subsequent integration
  • SUM4 summation
  • AND2 further one logical AND operation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betreiben von Turbo-Kompressoren, in welchem der den Arbeitspunkt des Kompressors definierende Durchfluß und Förderdruck kontinuierlich gemessen werden, wobei zur Verhinderung des Pumpens vor Erreichen der Pumpgrenze durch den Arbeitspunkt des Kompressors bei Erreichen einer zur Pumpgrenze parallelen Abblaselinie durch mittels einer Abblaseregelung gesteuertes Öffnen wenigstens eines Ab- oder Umblaseventils sichergestellt wird, daß der Durchfluß einen vom Förderdruck abhängigen Minimaldurchfluß nicht unterschreitet.
  • Ein Verfahren der genannten Art ist aus der DE-PS 2623899 bekannt. Bei diesem Verfahren ist einer kontinuierlichen Abblaseregelung eine Sicherheitsteuerung überlagert. Obwohl sich dieses Verfahren in der Praxis insbesondere hinsichtlich eines Schutzes des Kompressors vor Pumpen bewährt hat, besitzt es noch Nachteile. Im Ansprechfall der Sicherheitssteuerung, d.h. bei Überschreiten einer statischen, zwischen Abblaselinie und Pumpgrenze verlaufenden Sicherheitslinie durch den Arbeitspunkt, wird das Ab- oder Umblaseventil stets vollständig geöffnet, da in dem bekannten Verfahren die zugehörige Stellgröße für die Bewegungssteuerung des Ventils sprungartig auf den Wert "Null" gesetzt wird. Auch wenn der Arbeitspunkt vor Erreichen der Öffnungsendstellung des Ventils die Abblaselinie wieder zum sicheren Kenfeldbereich hin überschritten hat, öffnet das Ventil weiter, da sich seine Stellgröße auf dem Wert "Null" befindet und von dort unter dem Einfluß der normalen Abblaseregelung nur langsam wieder ansteigen kann. Dies hat einen häufig sehr nachteiligen Druckeinbruch in dem vom Kompressor beschickten Verbrauchernetz zur Folge. Der zweite Nachteil besteht darin, daß die Sicherheitslinie in einem festen Abstand parallel zur Abblaselinie bzw. Pumpgrenze verläuft und damit nur statisch wirkt. Um ein Überschreiten der Pumpgrenze durch den Arbeitspunkt für jeden denkbaren Betriebsfall sicher auszuschließen, muß der Abstand der Sicherheitslinie von der Pumpgrenze relativ groß sein. Dies führt in den meisten Ansprechfällen der Sicherheitssteuerung zu einem früheren Auslösen der Abblaseventilöffnung als eigentlich nötig, was wiederum zu Energieverlusten und damit höheren Betriebskosten des Kompressors im Teillastbetrieb führt.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das unnötige Druck- und Energieverluste durch vorzeitiges oder zu lang andauerndes Abblasen weitestgehend vermeidet.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Geschwindigkeit der Bewegung des Arbeitspunktes relativ zur Abblaselinie oder Pumpgrenze kontinuierlich ermittelt wird, daß bei Erreichen oder Überschreiten einer einen geschwindigkeitsabhängigen Minimalabstand des Arbeitspunktes von der Abblaselinie oder Pumpgrenze darstellenden Schnellöffnungslinie eine der normalen Abblaseregelung überlagerte Öffnung des Ab- oder Umblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit erfolgt und daß bei der Rückkehr des Arbeitspunktes über die Schnellöffnungslinie die Öffnungsbewegung des Ventils beendet und dessen weitere Verstellung, ausgehend von der zuletzt erreichten Stellung, wieder durch die normale Abblaseregelung übernommen wird.
  • Mit den neuen Verfahren wird erreicht, daß beim Auftreten einer Störung, d.h. bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze bzw. Abblaselinie, die Öffnung des Abblaseventils oder Umblaseventils unter Berücksichtigung der Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitspunktes jeweils zum spätestmöglichen Zeitpunkt ausgelöst wird. Dies bedeutet, daß bei der nach diesem Zeitpunkt noch auftretenden Weiterbewegung des Arbeitspunktes die Pumpgrenze soeben nicht erreicht und keinesfalls überschritten wird. Dabei ist es selbstverständlich so, daß bei höherer Geschwindigkeit des Arbeitspunktes in Richtung auf die Pumpgrenze zu die Auslösung der Öffnung des Abblaseventils früher und entsprechend beiniedrigerer Geschwindigkeit des Arbeitspunktes später erfolgt. Bei Betrachtung des Kompressor-Kennfeldes verläuft also die Schnellöffungslinie parallel zur Abblaselinie mit einem in Abhängigkeit von der momentanen Arbeitspunktgeschwindigkeit variierenden Abstand von der Pumpgrenze. Die unerwünschten Druckeinbrüche im dem Kompressor nachgeschalteten Verbrauchernetz werden wirksam vermindert, da das Abblaseventil in dem neuen Verfahren nicht mehr stets vollständig sondern nur noch so weit wie eben erforderlich geöffnet wird. Der sichere Arbeitsbereich des Kompressors wird damit näher an die Pumpgrenze geschoben, was einen wirtschaftlicheren Betrieb des Kompressors und damit verminderte Betriebskosten ergibt.
  • Weiter ist vorgesehen, daß während der Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Verstellgechwindigkeit der Regler auf die jeweils aktuelle Stellung des Abblaseventils nachgeführt wird und daß die Übernahme der weiteren Verstellung des Abblaseventils durch den Regler im wesentlichen sprung- und stoßfrei erfolgt. Hierdurch wird erreicht, daß ein längeres Einschwingen der Regelung, wie es bei bekannten Regelverfahren infolge von größeren Differenzen zwischen der Stellung des Abblaseventils und der am Reglerausgang anstehenden Stellgröße für das Abblaseventil auftritt, weitgehend vermieden wird. Der Druckverlauf im Verbrauchernetz wird hierdurch wesentlich gleichmäßiger, d.h., daß die Auswirkungen von Störungen stark gedämpft werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Ermittlung der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes durch zeitliches Differenzieren der in Abhängigkeit von der Zeit variierenden Ortskoordinaten des Arbeitspunktes erfolgt. Dieses Verfahren liefert praktisch ohne Verzögerung die aktuelle Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im Kennfeld, anhand welcher in Verbindung mit der aktuellen Position des Arbeitspunktes im Kennfeld entschieden wird, ob eine Schnellöffnung des Abblaseventils erfolgt oder nicht.
  • Eine zweite Möglichkeit zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im Kennfeld besteht in einer Differenzbildung zwischen den aktuellen Ortskoordinaten und um eine vorgebbare Zeitspanne verzögerten Ortskoordinaten mit folgender Division der Differenz durch die Zeitspanne. Diese Variante benötigt weniger Aufwand bei der Verarbeitung der Daten, hat jedoch eine etwas geringere Reaktionsschnelligkeit als die vorangehend beschriebene Variante.
  • Um Fehler bei der Geschwindigkeitsermittlung infolge eines den Durchflußmeßwerten überlagerten Rauschens, z.B. durch Strömungsturbulenzen, zu vermindern, erfolgt zweckmäßig vor der Geschwindigkeitsermittlung eine Tiefpaß-Filterung der in Abhängigkeit von der Zeit in ihrer Lage im Kennfeld variierenden Ortskoordinaten des Arbeitspunktes, die durch die erwähnten Durchflußmeßwerte sowie Druckmeßwerte definiert sind. Das Rauschen führt zu kleinen, kurzzeitigen Verschiebungen des Arbeitspunktes im Kennfeld, ohne daß wirkliche Änderungen im Betriebszustand des Kompressors vorliegen. Mit der Filterung werden diese kurzzeitigen Schwankungen in dem Geschwindigkeitswert ausgeschaltet und es wird ein unnötiges Auslösen der Schnellöffnung des Abblaseventils vermieden.
  • Bei der zuvor beschriebenen Filterung muß neben der erwünschten Unterdrückung der kurzzeitigen Schwankungen der Arbeitspunktgeschwindigkeit in Kauf genommen werden, daß echte Arbeitspunktverschiebungen, z.B. infolge von Betriebsstörungen im nachgeschalteten Verbrauchernetz, erst verzögert festgestellt werden. Um dem abzuhelfen, ist vorgesehen, daß vor der Geschwindigkeitsermittlung eine richtungsselektive, Variationen in Richtung auf die Pumpgrenze oder Abblaselinie zu im wesentlichen unbeeinflußt durchlassende und andere Variationen mit vorgebbaren Filterparametern beeinflussende Filterung der zeitabhängig variierenden Ortskoordinaten des Arbeitspunktes im Kennfeld erfolgt. Mit dieser nichtlinearen Filterung wird erreicht, daß Störungen in Richtung auf die Abblaselinie oder Pumpgrenze hin praktisch unbeeinflußt und damit unverzögert passieren können, Arbeitspunktbewegungen in andere Richtungen jedoch mit vorgebbaren Filterparametern gefiltert werden, bevor die Geschwindigkeitsbestimmung erfolgt. Rauschanteile der Meßwerte gehen damit nur noch wesentlich vermindert in die Geschwindigkeitsbestimmung ein.
  • Eine weitere Alternative zu der zuvor beschriebenen Tiefpaßfilterung besteht darin, daß zusätzlich wenigstens ein weiterer Betriebsparameter des Kompressors, wie Drehzahl, Leitschaufelstellung oder Kompressorenddruck, erfaßt wird und daß eine Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit nur erfolgt, wenn auch wenigstens einer der zusätzlich erfaßten Parameter eine Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze anzeigt. In der Regel ist eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf die Pumpgrenze bzw. Abblaselinie zu mit einem Sinken der Kompressordrehzahl und/oder bei leitschaufelgeregelten Kompressoren mit einer Schließbewegung der Leitschaufeln sowie mit einem Anstieg des Enddrucks verbunden. Die Erfassung dieser Parameter kann auf an sich bekannte Art und Weise erfolgen.
  • Als weitere Variante zu den beiden vorher beschriebenen Verfahrensausführungen ist schließlich noch vorgesehen, daß die Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit erst nach Überschreiten eines vorgebbaren Geschwindigkeits-Grenzwertes und/oder eines vorgebbaren Verschiebungsbetrages durch den Arbeitspunkt im Kennfeld erfolgt. Mit der erstgenannten Ausgestaltung des Verfahrens wird erreicht, daß ein Auslösen der Schnellöffnung des Abblaseventils bei geringfügigen und langsamen Bewegungen des Arbeitspunktes ausgeschlossen wird, da in diesen Fällen die übliche Regelung völlig ausreichend ist. Das Verfahren erhält hier eine Ansprechschwelle in Form einer Hysterese. Mit der zweitgenannten Ausgestaltung wird das Verfahren unempfindlicher gegen Rauschen, das in den Durchflußmeßwerten auftritt.
  • Mit dem neuen Verfahren wird also ein sicherer und wirtschaftlicher Betrieb von Turbo-Kompressoren ermöglicht, wobei Eingriffe durch eine Schnellöffnung des Abblaseventils nur und erst dann erfolgen, wenn sie zum Schutz des Kompressors wirklich nötig sind und nur so lange andauern, wie sie erforderlich sind.
  • Im folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Beispielen anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    einen Turbokompressor nebst einer schematischen Blockdarstellung eines Verfahrensablaufes,
    Figur 2
    ein Blockdiagramm des erfindungswesentlichen Teils des Verfahrensablaufes,
    Figur 3
    das Blockdiagramm aus Figur 2 mit einer ersten Ergänzung und
    Figur 4
    das Blockdiagramm aus Figur 2 mit einer zweiten Ergänzung.

  • Wie die Figur 1 der Zeichnung zeigt, wird ein zu verdichtendes gasförmiges Medium durch eine Ansaugleitung 10 einem Turbokompressor 1 zugeführt, der das verdichtete gasförmige Medium in eine Druckleitung 11 fördert. Vor dem Kompressor 1 ist in die Ansaugleitung 10 eine Durchflußmeßeinrichtung 4 eingebaut. Hinter dem Turbokompressor 1 ist in die Druckleitung 11 eine Druckmeßeinrichtung 5 eingeschaltet. Im weiteren Verlauf der Druckleitung 11 zweigt von dieser eine Abblaseleitung 21 mit einem eingeschalteten Abblaseventil 2 ab. Das Abblaseventil 2 ist mittels einer Ventilbetätigungseinrichtung 20 in seiner Position verstellbar. Durch die Abblaseleitung 21 mit dem Ventil 2 kann bei Bedarf ein Teil des vom Turbokompressor 1 verdichteten und in die Druckleitung 11 geförderten Mediums, z.B. Druckluft, in die Atmosphäre abgeblasen werden. Alternativ kann die Leitung 21 auch zur Ansaugleitung 10 zurückgeführt sein.
  • Schließlich ist im weiteren Verlauf der Druckleitung 11 in diese, wie üblich, eine Rückschlagklappe 3 eingeschaltet. Hinter dieser Rückschlagklappe 3 wird das verdichtete Medium durch die Druckleitung 11 einem nachgeschalteten Verbrauchernetz zugeführt.
  • Mittels der Durchflußmeßeinrichtung 4 wird der ansaugseitig zum Kompressor 1 strömende Durchfluß kontinuierlich gemessen. Druckseitig wird mit der Druckmeßeinrichtung 5 der Druck des vom Kompressor 1 in die Druckleitung 11 geförderten Mediums kontinuierlich gemessen. Aus den Meßwerten der Durchflußmessung und der Druckmessung wird eine Regeldifferenz berechnet, die dazu verwendet wird, eine Ventilstellgröße für das Abblaseventil 2, genauer dessen Betätigungseinrichtung 20, zu berechnen. Die Meßwerte für den Durchfluß und den Druck definieren die Lage des Kompressorarbeitspunktes im Kompressor-Kennfeld. Anhand dieser Meßwerte sorgt das Regelverfahren durch eine bedarfsweise, mehr oder weniger starke Öffnung des Abblaseventils 2 dafür, daß der Durchfluß durch den Turbokompressor 1 einen gerade noch zulässigen Minimaldurchfluß nicht unterschreitet. Soweit wie bisher beschrieben, entspricht das Regelverfahren dem bekannten Stand der Technik.
  • Neu ist bei dem hier beschriebenen Verfahren, daß aus der aus dem Durchfluß und dem Druck berechneten Regeldifferenz eine Arbeitspunkt-Geschwindigkeit berechnet wird, d.h. die Geschwindigkeit, mit der sich der Arbeitspunkt des Kompressors 1 im Kennfeld bewegt. Insbesondere wird hier festgestellt, ob und mit welcher Geschwindigkeit sich der Arbeitspunkt der Abblaselinie oder Pumpgrenze nähert. Aus dieser Arbeitspunktgeschwindigkeit und aus der Regeldifferenz, die die aktuelle Position des Arbeitspunktes im Kompressorkennfeld darstellt, bildet eine Schnellöffnungssteuerung Steuerbefehle für die Ventilbetätigungseinrichtung 20 des Abblaseventils 2, um dieses bei Bedarf mit der größtmöglichen Verstellgeschwindigkeit um das erforderliche Maß zu öffnen. Die Schnellöffnungssteuerung greift immer dann ein, wenn der Arbeitspunkt im Kennfeld eine einen geschwindigkeitsabhängigen Minimalabstand des Arbeitspunktes von der Abblaselinie oder Pumpgrenze darstellende Schnellöffnungslinie erreicht oder überschreitet. Nach Rückkehr des Arbeitspunktes in den sicheren Kennfeldbereich übernimmt wieder die normale Abblaseregelung mit der Ventilstellgrößenberechnung allein aus der Regeldifferenz die weitere Regelung des Kompressors 1.
  • Eine erste Ausgestaltungsmöglichkeit des in Figur 1 mit Arbeitspunktgeschwindigkeitberechnung und Schnellöffnungssteuerung bezeichneten, erfindungswesentlichen Verfahrensteils ist in der Figur 2 dargestellt. Die in einem früheren Verfahrensschritt berechnete Regeldifferenz, d.h. das Signal, das dem Abstand des Arbeitspunktes von der Abblaselinie entspricht und damit die Ortskoordinaten des Arbeitspunktes fixiert, wird nach der Zeit differenziert (DIF). Dieses Differential entspricht der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im Kennfeld in Richtung Pumpgrenze oder Abblaselinie. Geschwindigkeiten in andere Richtungen, insbesondere parallel zur Pumpgrenze oder Abblaselinie, werden nicht erfaßt. Diese Geschwindigkeit wird anschließend mit einer von der Lage des Arbeitspunktes, d.h. von der Regeldifferenz abhängigen, nicht- linearen Funktion (FNC) multipliziert (MUL). Anschließend wird dieses Produkt, das eine Geschwindigkeitskomponente darstellt, mit der Regeldifferenz, die die Ortskoordinate des Arbeitspunktes darstellt, verglichen (SUM1). Übersteigt nun der Zahlenwert der Geschwindigkeitskomponente den Zahlenwert der Ortskoordinate, so wird das Ergebnis des Vergleiches (SUM1) positiv. Die nachfolgende logische UND-Operation (AND1), die hier die Funktion einer Schaltstufe hat, liefert dann ausgangsseitig ein Signal, das einen Ventilschnellöffnungsbefehl darstellt. Dieser Befehl bewirkt, daß das Abblaseventil in Öffnungsrichtung verstellt wird. Sobald der Zahlenwert der Geschwindigkeitskomponente wieder kleiner wird als der Zahlenwert der Ortskoordinate, springt der Ausgang der UND-Operation (AND1) zurück auf den Wert "0" und der Schnellöffnungsbefehl ist aufgehoben. Von nun an übernimmt wieder die normale Abblaseregelung die weitere Verstellung des Abblaseventils 2.
  • Ergänzend kann hier vorgesehen sein, daß die normale Abblaseregelung, genauer die von dieser erzeugte Ventilstellgröße, während der von der neu hinzu gekommenen Schnellöffnungssteuerung bewirkten Schnellöffnung des Abblaseventils 2 auf die hierdurch erreichte aktuelle Ventilstellung nachgeführt wird.
  • Das in Figur 3 dargestellte Regelschema zeigt das Blockdiagramm aus Figur 2 mit einer Ergänzung, mit welcher bewirkt wird, daß ein Ventilschnellöffnungsbefehl erst ausgegeben wird, wenn der Arbeitspunkt im Kennfeld eine bestimmte Mindestwegstrecke zurückgelegt hat. Hierzu ist eine Integration (NFI) vorgesehen, die so durchgeführt wird, daß das Ergebnis ausgangsseitig stets den Wert der Regeldifferenz annimmt. Vor der Integration erfolgt eine Begrenzung (LIM1), die die Stellgeschwindigkeit des Integrierens begrenzt. Je kleiner die Grenzwerte dieser Begrenzung (LIM1) gewählt sind, um so langsamer kann das Integral (NFI) einer Änderung der Regeldifferenz folgen. Nimmt man an, daß die Regeldifferenz sprungförmig einen um 10% größeren Wert annimmt, so führt dies dazu, daß der Ausgang der auf die Integration (NFI) folgenden Summierung (SUM2) positiv wird. Übersteigt dieser positive Wert den als Konstante (CON) vorgegebenen Grenzwert, wird auch das Ergebnis der nachfolgenden Summierung (SUM3) positiv und die Schnellöffnung des Abblaseventils 2 wird über die logische UND-Operation (AND1) freigegeben. Legt dagegen der Arbeitspunkt nur eine kleine, unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegende Wegstrecke im Kennfeld zurück, wird eine Ventilschnellöffnung nicht vorgenommen. Diese Ausführung des Verfahrens hat insbesondere den Vorteil, daß sie gegen ein den Meßwerten für den Durchfluß überlagertes Rauschen unempfindlich ist.
  • Figur 4 schließlich zeigt eine Verfahrensvariante, bei welcher das Blockdiagram aus Figur 2 um eine Filterung ergänzt ist. Die einzelnen, hierfür zusätzlich erforderlichen Verfahrensschritte bestehen in einer Begrenzung (LIM2) der Regeldifferenz, einer nachführenden Integrierung (NFI), einer Summierung (SUM4) und einer weiteren logischen UND-Operation (AND2). Dieses nichtlineare Filter arbeitet derart, daß ansteigende Signale der Regeldifferenz unverzögert durchgelassen werden und daß fallende Signale der Regeldifferenz gefiltert werden, d.h. hier ein Tiefpaßfilter durchlaufen. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Differenzierung (DIF) zur Geschwindigkeitsermittlung des Arbeitspunktes unverzögert auf Arbeitspunktverschiebungen in Richtung Pumpgrenze bzw. Abblaselinie reagiert und wesentlich unempfindlicher gegen Signalrauschen wird.
  • Außer den vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens sind noch weitere Ergänzungen denkbar, wie z.B. durch eine an sich bekannte Handsteuerung zur manuellen Beeinflussung des Abblaseventils oder eine Sicherheitssteuerung mit einer statischen Sicherheitslinie. Dabei kann auch bei der Handsteuerung eine Nachführung eines zugehörigen Handsteuerungs-Sollwertes auf die aktuelle Abblaseventilstellung beim Vorliegen von Differenzen zwischen diesen vorgesehen sein.

Claims (9)

1. Verfahren zum sicheren Betreiben von Turbo-Kompressoren mittels Abblaseregelung, in welchem der den Arbeitspunkt des Kompressors im Kompressorkennfeld definierende Durchfluß und Förderdruck kontinuierlich gemessen werden, wobei zur Verhinderung des Pumpens vor Erreichen der Pumpgrenze durch den Arbeitspunkt des Kompressors bei Erreichen einer zur Pumpgrenze parallelen Abblaselinie durch von einem Regler gesteuertes Öffnen wenigstens eines Ab- oder Umblaseventils sichergestellt wird, daß der Durchfluß einen vom Förderdruck abhängigen Minimaldurchfluß nicht unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Bewegung des Arbeitspunktes relativ zur Abblaselinie oder Pumpgrenze kontinuierlich ermittelt wird, daß bei Erreichen oder Überschreiten einer einen geschwindigkeitsabhängigen Minimalabstand des Arbeitspunktes von der Abblaselinie oder Pumpgrenze darstellenden Schnellöffnungslinie eine der normalen Abblaseregelung überlagerte Öffnung des Ab- oder Umblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit erfolgt und daß bei der Rückkehr des Arbeitspunktes über die Schnellöffnungslinie die Öffnungsbewegung des Ventils beendet und dessen weitere Verstellung, ausgehend von der zuletzt erreichten Stellung, wieder durch die normale Abblaseregelung übernommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit der Regler auf die jeweils aktuelle Stellung des Abblaseventils nachgeführt wird und daß die Übernahme der weiteren Verstellung des Abblaseventils durch den Regler im wesentlichen sprung- und stoßfrei erfolgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes durch zeitliches Differenzieren der in Abhängigkeit von der Zeit variierenden Ortskoordinaten des Arbeitspunktes erfolgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes durch Differenzbildung zwischen den aktuellen Ortskoordinaten und um eine vorgebbare Zeitspanne verzögerten Ortskoordinaten mit folgender Division der Differenz durch die Zeitspanne erfolgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Geschwindigkeitsermittlung eine Tiefpaß-Filterung der in Abhängigkeit von der Zeit variierenden Ortskoordinaten erfolgt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens ein weiterer Betriebsparameter des Kompressors, wie Drehzahl, Leitschaufelstellung oder Kompressorendruck, erfaßt wird und daß eine Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit nur erfolgt, wenn auch wenigstens einer der zusätzlich erfaßten Parameter eine Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze anzeigt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Geschwindigkeitsermittlung eine richtungsselektive,Variationen in Richtung auf die Pumpgrenze oder Abblaselinie zu im wesentlichen unbeeinflußt durchlassende und andere Variationen mit vorgebbaren Filterparametern beeinflussende Filterung der zeitabhängig variierenden Ortskoordinaten des Arbeitspunktes im Kennefeld erfolgt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit erst nach Überschreiten eines vorgebbaren Geschwindigkeits-Grenzwertes durch den Arbeitspunkt erfolgt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Verstellgeschwindigkeit erst nach Überschreiten eines vorgebbaren Verschiebungsbetrages durch den Arbeitspunkt in dem Kompressorkennfeld erfolgt.
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