EP0431287B1 - Verfahren zum optimierten Betreiben zweier oder mehrerer Kompressoren im Parallel- oder Reihenbetrieb - Google Patents
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- EP0431287B1 EP0431287B1 EP90119960A EP90119960A EP0431287B1 EP 0431287 B1 EP0431287 B1 EP 0431287B1 EP 90119960 A EP90119960 A EP 90119960A EP 90119960 A EP90119960 A EP 90119960A EP 0431287 B1 EP0431287 B1 EP 0431287B1
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- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- compressors
- input parameter
- compressor
- pressure ratio
- volume flow
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
- F04B49/007—Installations or systems with two or more pumps or pump cylinders, wherein the flow-path through the stages can be changed, e.g. from series to parallel
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- 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
- F04D27/0269—Surge control by changing flow path between different stages or between a plurality of compressors; load distribution between compressors
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
- F25B2400/07—Details of compressors or related parts
- F25B2400/075—Details of compressors or related parts with parallel compressors
Definitions
- the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
- a similar method is known from FR-A-2 108 039, which is used to control parallel, electromotive driven compressors of a cooling device.
- the aim of this method is also to equalize the load or performance of the individual compressors.
- the values for the Current consumption of the drive motors of the compressors is recorded and compared with one another, and control signals are derived therefrom which regulate the motors in such a way that their current consumption is or remains the same among one another.
- the aforementioned disadvantages occur here in the same way.
- a method for operating two compressors in series is known from US-A-4,255,089. This method distributes the load to the two compressors on the basis of fixed, predetermined storage data as a function of a control signal which represents the requirements placed by a downstream system or process.
- the required storage data is shown here in the form of a series of sequences of linear functions.
- the disadvantage of this method is that it requires very large data storage capacities and, because of the large number of required memory accesses, it is relatively slow and can therefore hardly be used for more than two compressors.
- the method cannot react to changes in the compressors after the storage data have been determined, such as that which occurs, for. B. occur as a result of aging or pollution or conversions. To take this into account, a very complex generation and input of new storage data would be required.
- EP 0 132 487 B1 discloses a method for operating at least two turbo compressors connected in parallel.
- the essence of this method is to regulate the setting of the compressors among one another by means of load distribution regulators in such a way that the operating points of all compressors are each at the same distance from their blow-off line.
- only one of the compressors is controlled by an assigned pressure regulator, while further compressors are tracked via load distribution regulators.
- a disadvantage of this method is that it can only guarantee optimal operation for compressors that are identical to one another, but not for unequal compressors.
- the optimization that can be achieved with this method is only an approximation and not the absolute optimum.
- the compressors operated in parallel or in series can be moved during operation into an optimum working point combination with regard to the selected input parameter, it being irrelevant whether the same or different compressors can be operated together. Differences can arise from different sizes or types, but also from different operating times or construction tolerances. Since the process only takes a very short time for each of its cycles, the optimization is practically continuous and without delay. The data required for the method, here operating parameters, are usually continuously recorded anyway, so that no additional effort is required. The incremental change in the individual volume flows or individual pressure ratios can also be easily achieved by appropriate adjustment of the manipulated variables, the required amount of adjustment of the manipulated variables being evident from the technical data of the individual compressors.
- manipulated variable means, in particular, a specific speed, guide vane position or throttle position of the compressor, the selection of the specific variable depending on the type of power control of the compressor, which is determined in a technical and constructive manner.
- the manipulated variable is often understood to be the command from a controller for a subsequent actuator influencing the speed, vane position or throttle position; if no transmission errors occur here, the manipulated variable are in the sense defined above and the positioning command is also identical. If there are transmission errors, they can easily be determined and appropriate corrections can be applied to eliminate their influence.
- the compressors can be turbo or screw compressors, for example, which are driven by a drive machine, e.g. B. electric motor or turbine.
- the parameters that are essential in the respective application, eg. B. the power consumption or the operating costs of the compressors can be used.
- the power consumption or operating costs of both the drive units of the compressors and additional auxiliary units, such as coolant pumps, condensate pumps when driven by turbines, transformers with electric drives, etc., can be taken into account without any problems, since the corresponding technical data are also known to the operator or can be easily determined .
- a first development of the method is specified in claim 2, it being essential here that some of the method steps are not carried out on the compressors themselves but in a simulation. It is hereby achieved that the number of adjustment processes on the compressors themselves is significantly reduced and is limited to the adjustments which bring about the desired effect, while unnecessary adjustments, ie those with an undesirable effect, do not reach the compressors. In addition, the process of each individual process cycle is significantly accelerated because the consequences of manipulated variable changes can be determined more quickly in the simulation than on real compressors. The prerequisite for this is that the input parameter map is stored, which is technically and mathematically not a problem. A number of characteristic curves suffice here save constant manipulated variable; Intermediate values between the individual characteristics can then be determined with sufficient accuracy by interpolation.
- Claim 3 specifies a specific embodiment of the method for the parallel operation of two compressors in the form of a sequence of individual method steps, from which a preferred method sequence for this application emerges in detail.
- the present method can also take over parts of the tasks of conventional control methods or regulations, as a result of which the effort for regulation and optimization of the compressor operation is kept low overall.
- the conventional control can be both a flow control and a pressure control, the latter generating the additional increments Y1 and Y2 with the same sign by comparing the total pressure setpoint and the current pressure.
- Claim 8 specifies a specific embodiment of the method for the series operation of two compressors in the form of a sequence of individual method steps analogous to claim 3. These steps result in a preferred sequence of the method for the application mentioned, with further refinements of the method being specified specifically for series operation in claims 9 and 10.
- the adjustment speed of the manipulated variable is often limited in practice to a speed that can be understood by the compressor or its actuators. It is therefore expedient to limit the speed of the changes in the manipulated variables that occur through the method. This is limited in the process the increments are reached to suitable values, which depend on the desired maximum adjustment speed and the time required for each process cycle.
- the adjustment of the manipulated variables is limited to those compressor pairs which produce the relatively greatest effect in the desired direction. This suppresses manipulated variable adjustments that contribute only slightly or insignificantly to the optimization, but which took a relatively long time.
- the method is based on the prerequisite that only one optimum exists in the working range of the compressors or the compressor combinations. However, it can also happen that several relative optima exist, which can lead to the method determining a relative optimum, which, however, is not the absolute optimum. One way to rule out this undesirable effect is specified in claim 16. In this design of the method, the entire working area is therefore checked to determine whether there are relative optima in order to select the absolute optimum from this, if necessary.
- the new method can be used for the parallel and series operation of any compressor in many technical areas, for. B. in the chemical industry, in particular petrochemicals, for gas transport in pipelines, in the iron and steel industry, in particular for blast furnace operation and in other, especially industrial areas.
Landscapes
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Aus der US-A-3 527 059 ist ein Steuerverfahren für parallel betriebene Kompressoren einer Kühleinrichtung bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Antriebsleistungen der Kompressoren in Abhängigkeit von den jeweils erfaßten Werten für die einzelnen Durchflüsse an Kühlmedium durch die Kompressoren so geregelt, daß alle Durchflüsse untereinander gleich werden bzw. bleiben. Damit wird - unter der Voraussetzung einer Verwendung gleicher Kompressoren - eine gleichmäßige Belastung bzw. Leistung der Kompressoren erreicht. Für die gemeinsame Verwendung unterschiedlicher Kompressoren ist das Verfahren nicht geeignet; auch ergibt eine gleichmäßige Belastung der Kompressoren nicht zwangsläufig einen in wirtschaftlicher Hinsicht optimalen Betrieb.
- Ein ähnliches Verfahren ist aus der FR-A-2 108 039 bekannt, welches zur Steuerung von parallelen, elektromotorisch angetriebenen Kompressoren einer Kühleinrichtung dient. Ziel dieses Verfahrens ist ebenfalls eine Vergleichmäßigung der Belastung bzw. Leistung der einzelnen Kompressoren. Hierzu werden einzeln die Werte für die Stromaufnahme der Antriebsmotoren der Kompressoren erfaßt und miteinander verglichen und es werden hieraus Steuersignale abgeleitet, welche die Motoren so regeln, daß deren Stromaufnahmen untereinander gleich werden bzw. bleiben. Die zuvor genannten Nachteile treten hier in gleicher Weise auf.
- Ein Verfahren für das Betreiben zweier Kompressoren in Reihe ist aus der US-A-4 255 089 bekannt. Dieses Verfahren nimmt eine Lastverteilung auf die beiden Kompressoren anhand festgelegter, vorbestimmter Speicherdaten in Abhängigkeit von einem Steuersignal vor, welches die von einem nachgeschalteten System oder Prozeß gestellten Anforderungen repräsentiert. Die benötigten Speicherdaten sind hier in Form von aneinandergereihten Folgen linearer Funktionen dargestellt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß es sehr große Datenspeicherkapazitäten erfordert und wegen der vielen benötigten Speicherzugriffe relativ langsam und daher kaum für mehr als zwei Kompressoren anwendbar ist. Auch kann das Verfahren nicht auf Veränderungen in den Kompressoren nach der Festlegung der Speicherdaten reagieren, wie sie z. B. infolge von Alterung oder Verschmutzung oder auch Umbauten auftreten. Um diese zu berücksichtigen, wäre eine sehr aufwendige Erzeugung und Eingabe neuer Speicherdaten erforderlich.
- In dem Artikel "Advances in Instrumentation, Band 31, Nr. 1, 1976, Seite 585.1 bis 585.7, ISA AC; A. E. Nisenfeld et al.: Control of Parallel Compressors" wird die Problematik eines Parallelbetriebes von Kompressoren diskutiert. Als Möglichkeiten für die Optimierung des Betriebes werden hier zum einen eine gleichmäßige Lastverteilung, wie vorher schon erwähnt, oder eine Maximierung des Gesamtwirkungsgrades angegeben. Zur Realisierung der zweiten Möglichkeit wird eine dynamische Simulation des Kompressor-Parallel-Betriebes in einem Hybrid-Rechner vorgeschlagen, ohne daß aber nähere Hinweise oder eine konkrete technische Lehre hierzu gegeben werden.
- Schließlich ist aus der EP 0 132 487 B1 ein Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei parallel geschalteten Turbokompressoren bekannt. Kern dieses Verfahrens ist es, durch Lastverteilungsregler die Einstellung der Kompressoren untereinander derart zu regeln, daß die Arbeitspunkte aller Kompressoren jeweils den gleichen Abstand von ihrer Abblaselinie aufweisen. Dabei wird nur einer der Kompressoren von einem zugeordneten Druckregler gesteuert, während weitere Kompressoren über Lastverteilungsregler nachgeführt werden. Als nachteilig wird bei diesem Verfahren angesehen, daß es nur für untereinander gleiche Kompressoren einen angenähert optimalen Betrieb gewährleisten kann, nicht jedoch für ungleiche Kompressoren. Zudem stellt die mit diesem Verfahren erreichbare Optimierung nur eine Annäherung und nicht das absolute Optimum dar.
- Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches mit geringem technischen und zeitlichen Aufwand einen wirtschaftlich optimierten Betrieb zweier oder mehrerer parallel oder in Reihe geschalteter, auch ungleicher Kompressoren sicherstellt.
- Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die parallel oder in Reihe betriebenen Kompressoren während des laufenden Betriebes in eine hinsichtlich des gewählten Eingangsparameters optimale Arbeitspunktkombination verfahren werden, wobei es keinerlei Rolle spielt, ob gleiche oder unterschiedliche Kompressoren gemeinsam betrieben werden. Unterschiede können von unterschiedlichen Baugrößen oder Bauarten, aber auch schon von unterschiedlichen Einsatzzeiten oder Bautoleranzen herrühren. Da das Verfahren für jeden seiner Zyklen nur eine sehr kurze Zeit benötigt, erfolgt die Optimierung praktisch stetig und verzögerungsfrei. Die für das Verfahren benötigten Daten, hier Betriebsparameter, werden üblicherweise ohnehin stetig erfaßt, so daß dafür kein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist. Auch die inkrementelle Veränderung der Einzel-Volumenströme bzw. Einzel-Druckverhältnisse ist leicht durch entsprechende Verstellung der Stellgrößen erreichbar, wobei das jeweils erforderliche Maß der Verstellung der Stellgrößen aus den technischen Daten der einzelnen Kompressoren entnehmbar ist. Diese technische Daten sind dem Betreiber für jeden Kompressor bekannt und liegen üblicherweise in Form von Kennfeldern vor. Erfolgt durch die übergeordnete Steuerung eine Verstellung der Stellgrößen, z. B. wegen geänderter Anforderungen des nachgeschalteten Prozesses, dann führt das erfindungsgemäße Verfahren umgehend die Kompressoren wieder in eine neue optimale Arbeitspunkt-Kombination. Wegen der zeitlichen Kurze der einzelnen Verfahrenszyklen können auch Systeme mit mehr als zwei Kompressoren mit ausreichender Schnelligkeit in ihrer Betriebsweise optimiert werden, indem umlaufend alle möglichen Kompressor-Paare gebildet werden. Mit dem Begriff Stellgröße ist hier insbesondere eine bestimmte Drehzahl, Leitschaufelstellung oder Drosselstellung des Kompressors gemeint, wobei die Auswahl der konkreten Größe von der Art der Leistungssteuerung des Kompressors abhängt, welche technisch-konstruktiv festgelegt ist. Unter Stellgröße wird häufig der Stellbefehl eines Reglers für ein nachfolgendes, die Drehzahl, Leitschaufelstellung oder Drosselstellung beeinflussendes Stellorgan verstanden; soweit hier keine Übertragungsfehler auftreten, sind die Stellgröße im oben definierten Sinn und der Stellbefehl auch identisch. Bei Vorliegen von Übertragungsfehlern können diese einfach festgestellt und entsprechende Korrekturen angebracht werden, um deren Einfluß zu eliminieren.
- Bei den Kompressoren kann es sich beispielsweise um Turbo- oder Schrauben-Kompressoren handeln, die von einer Antriebsmaschine, z. B. Elektromotor oder Turbine, angetrieben werden. Als Eingangsparameter können die im jeweiligen Anwendungsfall wesentlichen Größen, z. B. die Leistungsaufnahme oder die Betriebskosten der Kompressoren, herangezogen werden. Dabei können problemlos die Leistungsaufnahmen oder Betriebskosten sowohl der Antriebsmaschinen der Kompressoren als auch zusätzlicher Hilfsaggregate, wie Kühlmittelpumpen, Kondensatpumpen bei Antrieb durch Turbinen, Transformatoren bei elektrischem Antrieb usw., berücksichtigt werden, da deren entsprechende technische Daten dem Betreiber ebenfalls bekannt sind oder leicht ermittelbar sind.
- Eine erste Weiterbildung des Verfahrens ist im Patentanspruch 2 angegeben, wobei hier wesentlich ist, daß ein Teil der Verfahrensschritte nicht an den Kompressoren selbst sondern in einer Simulation durchgeführt wird. Hierdurch wird erreicht, daß die Zahl der Verstellvorgänge an den Kompressoren selbst wesentlich verringert wird und auf die Verstellungen beschränkt wird, die den gewünschten Effekt bringen, während unnötige Verstellungen, d. h. solche mit unerwünschtem Effekt, nicht bis zu den Kompressoren gelangen. Außerdem wird so eine deutliche Beschleunigung des Ablaufes jedes einzelnen Verfahrenszyklus erreicht, weil die Folgen von Stellgrößenänderungen in der Simulation schneller ermittelbar sind als an realen Kompressoren. Voraussetzung hierfür ist, daß das Eingangsparameterkennfeld in gespeicherter Form vorliegt, was technisch und rechnerisch aber kein Problem darstellt. Es genügt hier, eine Anzahl von Kennlinien konstanter Stellgröße zu speichern; Zwischenwerte zwischen den einzelnen Kennlinien können dann durch Interpolation ausreichend genau ermittelt werden.
- Im Patentanspruch 3 ist eine konkrete Ausgestaltung des Verfahrens für den parallelen Betrieb zweier Kompressoren in Form einer Folge von einzelnen Verfahrensschritten angegeben, aus denen ein bevorzugter Verfahrensablauf für diesen Anwendungsfall im Detail hervorgeht.
- Speziell für den Parallelbetrieb sind einige weitere Verfahrensausgestaltungen vorgesehen, die im folgenden erläutert werden.
- Um einerseits einen möglichst schnellen Verfahrensablauf und andererseits eine möglichst genaue Festlegung des Optimums der Eingangsparametersumme sicherzustellen, ist gemäß Anspruch 4 vorgesehen, die Inkremente bei Annäherung an das Optimum kleiner werden zu lassen. Es wird so bei größerer Entfernung vom Optimum ein rascheres Verfahren und bei kleiner werdender Entfernung vom Optimum ein zwar langsameres, aber feineres Verfahren der Kompressor-Arbeitspunkte bewirkt.
- Da in der Praxis bei zwei oder mehr parallel betriebenen Kompressoren auf der Druckseite aufgrund unterschiedlicher Leitungslängen und -führungen bis zur Einmündung in den nachgeschalteten Prozeß unterschiedliche Druckverluste auftreten und da diese zudem durchflußabhängig sind, ist nach Patentanspruch 5 eine individuelle Ermittlung des Druckverhältnisses jedes Kompressors vorgesehen. Dadurch können sich Leitungseinflüsse auf das Ergebnis der Optimierung der Betriebsweise nicht mehr auswirken.
- Beim Betrieb von Kompressoren kommt es weiterhin relativ häufig vor, daß aufgrund geänderter Prozeßanforderungen eine Änderung des Systemdruckes und damit des Druckverhältnisses der Kompressoren erforderlich wird. Zur möglichst verzögerungsfreien Berücksichtigung derartiger Änderungen in dem Verfahren dient die im Anspruch 6 dargelegte Verfahrensweiterbildung. Innerhalb des Verfahrensablaufes werden danach selbsttätig die zugehörigen neuen Werte für die Stellgrößen ermittelt und die Kompressoren in die für die neuen Prozeßanforderungen optimalen Arbeitspunkte verfahren.
- Außer Änderungen des Druckes können auch geänderte Prozeßanforderungen hinsichtlich des Volumenstromes auftreten, deren Berücksichtigung im Verfahren im Anspruch 7 angegeben ist. Bei dieser Verfahrensausgestaltung kann das vorliegende Verfahren außerdem zusätzlich Teile der Aufgaben herkömmlicher Regelverfahren bzw. Regelungen übernehmen, wodurch der Aufwand für die Regelung und Optimierung des Kompressorbetriebes insgesamt niedrig gehalten wird. Dabei kann die herkömmliche Regelung sowohl eine Durchflußregelung als auch eine Druckregelung sein, wobei letztere durch einen Vergleich zwischen dem Gesamt-Druck-Sollwert und dem aktuellen Druck die im Anspruch 7 genannten zusätzlichen Inkremente Y1 und Y2 mit gleichen Vorzeichen erzeugt.
- Im Patentanspruch 8 ist eine konkrete Ausgestaltung des Verfahrens für den Reihenbetrieb zweier Kompressoren in Form einer zum Anspruch 3 analogen Folge von einzelnen Verfahrensschritten angegeben. Aus diesen Schritten geht ein bevorzugter Ablauf des Verfahrens für den genannten Anwendungsfall hervor, wobei weitere Ausgestaltungen des Verfahrens speziell für den Reihenbetrieb in den Ansprüchen 9 und 10 angegeben sind.
- Gemäß Anspruch 9 ist, vergleichbar mit dem Merkmal des Anspruchs 4, vorgesehen, die inkrementellen Faktoren bei Annäherung an das Optimum zu verkleinern, um sowohl einen schnellen als auch im Bereich des Optimums genauen Verfahrensablauf zu erreichen.
- Analog der Verfahrensausgestaltung nach Anspruch 7 für den Parallelbetrieb ist für den Reihenbetrieb im Anspruch 10 angegeben, wie vom Prozeß herrührende Anforderungsänderungen hinsichtlich des Gesamt-Druckverhältisses im Verfahren berücksichtigt werden können. Auch hier kann also das Verfahren Teilaufgaben der herkömmlichen Regelung übernehmen. Soll bei Kompressoren im Reihenbetrieb der Durchfluß erhöht werden, so muß der zusätzlich benötigte Durchfluß zunächst in Massenstrom umgerechnet werden, sofern er noch nicht in dieser Einheit erfaßt ist. Anschließend ist dieser Massenstrom unter Berücksichtigung der Normdichte sowie des aktuellen Drucks und der aktuellen Temperatur im Eintritt des jeweiligen Kompressors der Reihe auf den jeweiligen Volumenstrom umzurechnen. Anhand dieses Volumenstromes können dann Stellgrößen und Eingangsparameter aus den entsprechenden Kennfeldern ermittelt werden. Selbstverständlich kann hier die herkömmliche Regelung nicht nur eine Druckverhältnisregelung sondern auch eine Durchflußregelung sein, wobei letztere durch Vergleich von Gesamt-Durch-fluß-Sollwert und aktuellem Durchfluß die im Anspruch 10 angegebenen zusätzlichen Inkremente Y' erzeugt.
- Im folgenden werden Verfahrensweiterbildungen behandelt, die sowohl für Parallel- als auch für Reihenbetrieb anwendbar sind.
- Aus technischen Gründen ist in der Praxis häufig die Verstellgeschwindigkeit der Stellgröße auf eine von dem Kompressor bzw. dessen Stellorganen nachvollziehbare Geschwindigkeit begrenzt. Daher ist es zweckmäßig, auch die durch das Verfahren erfolgenden Veränderungen der Stellgrößen in ihrer Geschwindigkeit entsprechend zu begrenzen. Dies wird im Verfahren durch eine Begrenzung der Inkremente auf geeignete Werte erreicht, welche von der gewünschten maximalen Verstellgeschwindigkeit und der für jeden Verfahrenszyklus benötigten Zeit abhängen.
- Da die Arbeitskosten für die Energie, z. B. den elektrischen Strom, für den Antrieb der Kompressoren und die gegebenenfalls zugehörigen Hilfsaggregate zeitlich nicht immer konstant sind, sondern vielmehr häufig tages- oder jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt, ist vorgesehen, dies durch die Vorhaltung entsprechend unterschiedlicher Eingangsparameterkennfelder im Verfahren zu berücksichtigen.
- Um das Verfahren auch bei seiner Anwendung auf mehr als zwei Kompressoren möglichst schnell und wirksam durchführen zu können, ist gemäß Anspruch 13 weiter vorgesehen, daß die Verstellung der Stellgrößen auf solche Kompressorpaare beschränkt wird, die den relativ größten Effekt in der gewünschten Richtung erbringen. Dadurch werden Stellgrößen-Verstellungen, die nur geringfügig oder unwesentlich zur Optimierung beitragen, aber relativ viel Zeit in Anspruch nehmen wurden, unterdrückt.
- Bei mehreren Kompressoren in einer Anlage treten häufig Betriebssituationen auf, bei denen die vom Prozeß vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich Druckverhältnis und Volumenstrom mit unterschiedlichen Zahlen und/oder Kombinationen von Kompressoren erfüllbar sind. Wegen der Nichtlinearität der Kennlinien der Kompressoren ist es beispielsweise nicht ohne weiteres erkennbar, ob es betrieblich günstiger ist, eine kleinere Zahl von Kompressoren im Voll- oder Überlastbereich oder eine größere Zahl von Kompressoren im Teillastbereich zu betreiben. Bei unterschiedlichen Kompressoren in einer Anlage ergibt sich zudem noch die Frage nach der optimalen Kombination, wenn nicht alle Kompressoren betrieben werden müssen. Zur Lösung dieser Fragen dient die Verfahrensvariante nach Anspruch 14, mittels welcher eine eindeutige Festlegung der bestmöglichen Kompressorzahl und -kombination zur Erfüllung der jeweils vorliegenden Prozeßanforderungen ermöglicht wird.
- Eine weitere im Betrieb von Kompressoren auftretende Situation ist das Abblasen eines oder mehrerer Kompressoren unter Kontrolle der Pumpgrenzregelung, z. B. bei schlagartiger Verminderung des vom Prozeß abgenommenen Volumenstromes. Mit der im Anspruch 15 angegebenen Verfahrensweiterbildung werden Auswirkungen eines Abblasens auf den Ablauf des Verfahrens und das Optimierungsergebnis verhindert, indem dafür gesorgt wird, daß nur der relevante, d. h. der in den Prozeß gelangende Volumenstrom in das Verfahren eingeht.
- Soweit wie bisher beschrieben, liegt dem Verfahren die Voraussetzung zugrunde, daß im Arbeitsbereich der Kompressoren bzw. der Kompressor-Kombinationen nur ein einziges Optimum extistiert. Es kann jedoch auch vorkommen, daß mehrere relative Optima existieren, was dazu führen kann, daß das Verfahren ein relatives Optimum ermittelt, welches aber nicht das absolute Optimum darstellt. Eine Möglichkeit, diesen unerwünschten Effekt auszuschließen, ist im Anspruch 16 angegeben. In dieser Verfahrensausgestaltung wird also der gesamte Arbeitsbereich daraufhin überprüft, ob relative Optima vorliegen, um gegebenenfalls hieraus das absolute Optimum auszuwählen.
- In den allermeisten in der Praxis auftretenden Anwendungsfällen des Verfahrens kann von einer im wesentlichen gleichbleibenden. Zusammensetzung und Eingangstemperatur des zu verdichtenden Mediums ausgegangen werden. Um das Verfahren auch in Fällen anwenden zu können, in denen die Zusammensetzung und Eingangstemperatur und damit die Gasdaten des Mediums stark schwanken können, ist es ratsam, statt einer Kennfelddarstellung mit dem Druckverhältnis über dem Ansaugvolumenstrom eine Kennfelddarstellung zu wählen, bei welcher anstelle des Druckverhältnisses die Förderhöhe bzw. Enthalpiedifferenz verwendet wird. Die Umwandlung des Druckverhältnisses in Förderhöhe bzw. Enthalpiedifferenz erfolgt aufgrund der bekannten physikalischen Zusammenhänge und Umrechnungsformeln. Im Verfahrensablauf werden dann weiterhin Druckverhältnisse erfaßt sowie inkrementelle Faktoren variiert; vor der nachfolgenden Bestimmung der Stellgrößen erfolgt aber die beschriebene Umrechnung.
- Das neue Verfahren läßt sich für den Parallel- und Reihenbetrieb beliebiger Kompressoren in vielen technischen Bereichen anwenden, z. B. in der Chemieindustrie, insbesondere Petro-Chemie, für den Gastransport in Pipelines, in der Eisen- und Stahlindustrie, insbesondere für den Hochofenbetrieb und in weiteren, insbesondere industriellen Bereichen.
Claims (16)
- Verfahren zum optimierten Betreiben zweier oder mehrerer Kompressoren im Parallel- oder Reihenbetrieb für die Verdichtung und Förderung gasförmiger oder dampfförmiger Medien, wobei für jeden der Kompressoren die den aktuellen Arbeitspunkt definierenden Betriebsparameter, wie der Ansaugvolumenstrom und das Druckverhältnis, die Stellgröße, wie die Kompressordrehzahl oder -leitschaufelstellung oder -drosselstellung, und die Eingangsparameter, wie die Leistungsaufnahme oder die Betriebskosten der Kompressoren, erfaßt bzw. ermittelt werden, und wobei eine übergeordnete, die Kompressoren nach Maßgabe der Anforderungen eines nachgeschalteten Prozesses regelnde Steuerung, vorzugsweise einschließlich einer Pumpgrenzregelung, vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,- daß bei Parallelbetrieb zyklisch die Arbeitspunkte je zweier Kompressoren ohne Beeinflussung des aktuellen Gesamt-Volumenstromes und des Gesamt-Druckverhältnisses durch gegenläufige additive inkrementelle Veränderung der Einzelvolumenströme jeweils mittels entsprechender Verstellung der Stellgrößen verschoben werden,- daß bei Reihenbetrieb zyklisch die Arbeitspunkte je zweier Kompressoren ohne Beeinflussung des aktuellen Gesamt-Durchflusses und des Gesamt-Druckverhältnisses durch gegenläufige multiplikative inkrementelle Veränderung der Einzeldruckverhältnisse, jeweils mittels entsprechender Verstellung der Stellgrößen, verschoben werden,- daß bei Parallelbetrieb nach Maßgabe der resultierenden Änderungsrichtung der Eingangsparametersumme bei deren Veränderung in Optimierungsrichtung, d.h. in Richtung einer Verringerung der Gesamt-Leistungsaufnahme oder- Betriebskosten, eine weitere inkrementelle Veränderung der Einzel-Volumenströme in den bisherigen Richtungen stattfindet, sowie bei deren Veränderung gegen die Optimierungsrichtung, d.h. in Richtung einer Erhöhung der Gesamt-Leistungsaufnahme oder- Betriebskosten, eine inkrementelle Veränderung der Einzel-Durchflüsse in jeweils umgekehrter Richtung durch erneute Verstellung der Stellgrößen vorgenommen wird,- daß bei Reihenbetrieb nach Maßgabe der resultierenden Änderungsrichtung der Eingangsparametersumme bei deren Veränderung in Optimierungsrichtung, d.h. in Richtung einer Verringerung der Gesamt-Leistungsaufnahme oder- Betriebskosten, eine weitere inkrementelle Veränderung der Einzel-Druckverhältnisse in den bisherigen Richtungen stattfindet sowie bei deren Veränderung gegen die Optimierungsrichtung, d.h. in Richtung einer Erhöhung der Gesamt-Leistungsaufnahme oder- Betriebskosten, eine inkrementelle Veränderung der Einzel-Druckverhältnisse in jeweils umgekehrter Richtung durch entsprechende erneute Verstellung der Stellgrößen vorgenommen wird, und daß bei Parallel- bzw. Reihenbetrieb bei mehr als zwei betriebenen Kompressoren mittels aufeinanderfolgenden Durchlaufens aller Kombinationsmöglichkeiten wechselnde Kompressor-Paare gebildet werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- daß die Verschiebung der Arbeitspunkte der Kompressoren zunächst rechnerisch erfolgt,- daß die Eingangsparametersumme aus den gespeicherten Daten der vorliegenden Eingangsparameterkennfelder der einzelnen Kompressoren entnommen und die resultierende Änderungsrichtung der Eingangsparametersumme festgestellt wird,- daß eine reale Verstellung der Stellgrößen der Kompressoren nur erfolgt, wenn erstens eine Änderung der Eingangsparametersumme in Optimierungsrichtung, d.h. in Richtung geringerer Gesamt-Leistungsaufnahme oder
-Betriebskosten, festgestellt ist, oder erst dann erfolgt, wenn zweitens ein Optimum der Eingangsparametersumme festgestellt ist,- daß in dem Eingangsparameterkennfeld bei Parallelbetrieb jeweils der Eingangsparameter über dem Ansaugvolumenstrom oder bei Reihenbetrieb über dem Druckverhältnis aufgetragen ist,- und daß Kennlinien für jeweils konstante Stellgrößen eingetragen sind. - Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Parallel-Betrieb für je zwei parallel betriebene Kompressorena) aus je einem eigenen gespeicherten Stellgrößenkennfeld, wie Drehzahlkennfeld, Leitschaufelkennfeld oder Drosselklappenkennfeld, die zum aktuellen Arbeitspunkt gehörende Stellgröße n1 bzw. n2, wie Kompressordrehzahl, Leitschaufelstellung oder Drosselklappenstellung, entnommen wird, wobei in dem Stellgrößenkennfeld jeweils das Druckverhältnis über dem Ansaugvolumenstrom aufgetragen ist und Kennlinien für jeweils konstante Stellgrößen eingetragen sind,b) zur rechnerischen Verschiebung des Arbeitspunktes der für den Ansaugvolumenstrom V1 ermittelte Zahlenwert um ein Inkrement V durch Addition vergrößert und der für den anderen Ansaugvolumenstrom V1 ermittelte Zahlenwert um das gleiche Inkrement V durch Subtraktion verkleinert wird,c) aus den gespeicherten Stellgrößenkennfeldern der beiden Kompressoren jeweils die zum verschobenen Arbeitspunkt gehörende Stellgröße n1* bzw. n2* entnommen wird,d) aus den gespeicherten Eingangsparameterkennfeldern die zu den aktuellen und die zu den verschobenen Arbeitspunkten beider Kompressoren gehörenden Eingangsparameter N1 und N2 sowie N1* und N2*, entsprechend z.B. den Einzel-Leistungsaufnahmen bzw.
-Betriebskosten, entnommen werden, wobei bei N1 dem aktuellen Eingangsparameter des ersten und N2 dem aktuellen Eingangsparameter des zweiten Kompressors und N1* dem zu dem verschobenen Arbeitspunkt gehörenden Eingangsparameter des ersten und N2* dem zu dem verschobenen Arbeitspunkt gehörenden Eingangsparameter des zweiten Kompressors entspricht,e) die Eingangsparametersummen N = N1 + N2 und N* = N1* + N2*, entsprechend z.B. den Gesamt-Leistungsaufnahmen bzw.
-Betriebskosten für die beiden Arbeitspunktkombinationen, gebildet und verglichen werden und daß entwederf1) wenn N* kleiner als N ist, der Ansaugvolumenstrom V1 des ersten Kompressors durch entsprechende Verstellung seiner Stellgröße real um ein Inkrement X erhöht und der Ansaugvolumenstrom V2 des zweiten Kompressors durch entsprechende Verstellung seiner Stellgröße real um das gleiche Inkrement X erniedrigt wird und das Verfahren mit dem Schritt a) weitergeführt wird bzw. wenn N kleiner als N* ist, der Ansaugvolumenstrom V1 rechnerisch um ein Inkrement X erniedrigt und der Ansaugvolumenstrom V2 rechnerisch um das gleiche Inkrement X erhöht wird und das Verfahren mit dem Schritt b) weitergeführt wird, oderf2) wenn N* kleiner als N ist, der Ansaugvolumenstrom V1 rechnerisch um das gleiche Inkrement X erhöht und der Ansaugvolumenstrom V2 rechnerisch um das gleiche Inkrement X erniedrigt wird und das Verfahren mit dem Schritt b) weitergeführt wird bzw. wenn N kleiner als N* ist, der Ansaugvolumenstrom V1 rechnerisch um ein Inkrement X erniedrigt und der Ansaugvolumenstrom V2 rechnerisch um das gleiche Inkrement X erhöht wird und das Verfahren mit dem Schritt b) weitergeführt wird, bzw. bei Feststellung eines Optimums der Eingangsparametersumme durch fortlaufenden Vergleich der jeweils ermittelten Werte für die Eingangsparametersummen die Stellgrößen der Kompressoren entsprechend verstellt und die Kompressoren auf die dem Optimum der Eingangsparametersumme entsprechenden Arbeitspunkte gefahren werden und das Verfahren mit dem Schritt a) weitergeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Parallel-Betrieb die Inkremente V und X in Abhängigkeit von den ermittelten Differenzen N - N* der Eingangsparametersummen von Verfahrenszyklus zu Verfahrenszyklus variiert werden, wobei die Inkremente V und X bei kleiner werdenden Differenzen N - N*, d.h. bei Annäherung an das Optimum der Eingangsparametersumme, verkleinert werden und umgekehrt. - Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Parallel-Betrieb das Druckverhältnis getrennt für jeden Kompressor in Abhängigkeit von der jeweiligen Leitungslänge zwischen dem Kompressorausgang und einem nachgeschalteten Prozeß, vom jeweiligen Volumenstrom und vom jeweiligen Druckverlustbeiwert der Leitung ermittelt wird. - Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Parallel-Betrieb während des Verfahrensablaufes das jeweils aktuelle Druckverhältnis über wenigstens einen Druckfühler als Meßwert erfaßt oder von einer vorhandenen Kompressor-Reglereinheit als Druckverhältnis-Sollwert übernommen wird. - Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Parallel-Betrieb während des Verfahrensablaufes der jeweils aktuelle Gesamt-Volumenstrom unmittelbar als Gesamt-Volumenstrom-Sollwert eingegeben oder als Betriebsparameter-Sollwert von einer vorgeschalteten Kompressor-Reglereinheit übernommen wird und daß bei einer gewünschten Änderung des Gesamt-Volumenstromes, d.h. bei Vorliegen einer Differenz zwischen dem Gesamt-Volumenstrom-Sollwert und der Summe der Einzel-Volumenströme V1 und V2, zusätzlich zu der gegenläufigen inkrementellen Veränderung der Einzel-Volumenströme V1 und V2 diese jeweils um ein dem Vorzeichen gleiches Inkrement Y1 bzw. Y2 verändert werden, wobei die Summe der Inkremente Y1 und Y2 der Differenz zwischen dem Gesamt-Volumenstrom-Sollwert und der Summe der Einzel-Volumenströme V1 und V2 entspricht. - Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Reihen- oder Serienbetrieb für je zwei in Reihenschaltung betriebene Kompressorena) aus je einem eigenen gespeicherten Stellgrößenkennfeld, wie Drehzahlkennfeld, Leitschaufelkennfeld oder Drosselklappenkennfeld, die zum aktuellen Arbeitspunkt gehörende Stellgröße n1 bzw. n2, wie Kompressordrehzahl, Leitschaufelstellung oder Drosselklappenstellung, entnommen wird, wobei in dem Stellgrößenkennfeld jeweils der Kompressorenddruck bzw. das Druckverhältnis über dem Ansaugvolumenstrom aufgetragen ist und Kennlinien für jeweils konstante Stellgrößen eingetragen sind,b) zur rechnerischen Verschiebung des Arbeitspunktes der für das eine Druckverhältnis π1 ermittelte Zahlenwert durch Multiplikation mit einem inkrementellen Faktor π, der größer als 1 ist, vergrößert und der für das andere Druckverhältnis π2 ermittelte Zahlenwert durch Division durch den gleichen inkrementellen Faktor verkleinert wird, sowie unter der Voraussetzung eines gleichbleibenden Durchflusses für beide Kompressoren jeweils der infolge der Veränderung des Druckverhältnisses entsprechend der resultierenden Dichteänderung geänderte Ansaugvolumenstrom bestimmt wird,c) aus den gespeicherten Stellgrößenkennfeldern der beiden Kompressoren jeweils die zum verschobenen Arbeitspunkt gehörende Stellgröße n1* bzw. n2* entnommen wird,d) aus den gespeicherten Eingangsparameterkennfeldern die zu den aktuellen und die zu den verschobenen Arbeitspunkten beider Kompressoren gehörenden Eingangsparameter N1 und N2 sowie N1* und N2*, entsprechend z.B. den Einzel-Leistungsaufnahmen bzw.
-Betriebskosten, entnommen werden,e) die Eingangsparametersummen N = N1 + N2 und N* = N1* + N2*, entsprechend z.B. den Gesamt-Leistungsaufnahmen bzw. Betriebskosten für die beiden Arbeitspunktkombinationen, gebildet und verglichen werden, und daß entwederf1) wenn N* kleiner als N ist, das Druckverhältnis π1 des ersten Kompressors durch entsprechende Verstellung seiner Stellgröße real um einen inkrementellen Faktor Z, der größer als 1 ist, mittels Multiplikation erhöht und das Druckverhältnis π2 des zweiten Kompressors durch entsprechende Verstellung seiner Stellgröße real um den gleichen inkrementellen Faktor Z mittels Division erniedrigt wird und das Verfahren mit dem Schritt a) weitergeführt wird, bzw. wenn N kleiner als N* ist, das Druckverhältnis π1 rechnerisch durch Division durch einen inkrementellen Faktor Z, der größer als 1 ist, erniedrigt und das Druckverhältnis π2 rechnerisch durch Multiplikation mit dem gleichen inkrementellen Faktor Z erhöht wird und das Verfahren mit dem Schritt b) weitergeführt wird, oderf2) wenn N* kleiner als N ist, das Druckverhältnis π1 rechnerisch durch Multiplikation mit einem inkrementellen Faktor Z, der größer als 1 ist, erhöht und das Druckverhältnis π2 rechnerisch durch Division durch den gleichen inkrementellen Faktor Z erniedrigt wird und das Verfahren mit dem Schritt b) weitergeführt wird, bzw. wenn N kleiner als N* ist, das Druckverhältnis π1 rechnerisch durch Division durch einen inkrementellen Faktor Z, der größer als 1 ist, erniedrigt und das Druckverhältnis π2 rechnerisch durch Multiplikation mit dem gleichen inkrementellen Faktor Z erhöht wird und das Verfahren mit dem Schritt b) weitergeführt wird und bei Feststellung eines Optimums der Eingangsparametersumme durch fortlaufenden Vergleich der jeweils ermittelten Werte für die Eingangsparametersummen die Stellgrößen der Kompressoren entsprechend verstellt und die Kompressoren auf die dem Optimum der Eingangsparametersumme entsprechenden Arbeitspunkte gefahren werden und das Verfahren mit dem Schritt a) weitergeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Reihen- oder Serienbetrieb die inkrementellen Faktoren π und Z in Abhängigkeit von den ermittelten Differenzen N - N* der Eingangsparametersummen von Verfahrenszyklus zu Verfahrenszyklus variiert werden, wobei die inkrementellen Faktoren O und Z bei kleiner werdenden Differenzen N - N*, d.h. bei Annäherung an das Optimum der Eingangsparametersumme, verkleinert werden und umgekehrt. - Verahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Reihen- oder Serienbetrieb während des Verfahrensablaufes das jeweils aktuelle Gesamt-Druckverhältnis unmittelbar als Gesamt-Druckverhältnis-Sollwert eingegeben oder als Betriebsparameter-Sollwert von einer vorgeschalteten Kompressor-Reglereinheit übernommen wird und daß bei einer gewünschten Änderung des Gesamt-Druckverhältnis-Sollwertes, d.h. bei Vorliegen einer Differenz zwischen dem Gesamt-Druckverhältnis-Sollwert und dem Produkt der Einzel-Druckverhältnisse π1 und π2, zusätzlich zu der gegenläufigen inkrementellen multiplikativen Veränderung der Einzel-Druckverhältnisse π1 und π2 diese jeweils mit einem nach Betrag und Vorzeichen gleichen Faktor Y' multipliziert werden, welcher dem gewünschten Erhöhungsfaktor des Gesamt-Druckverhältnisses entspricht. - Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 bzw. 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkremente Y1 und Y2 bzw. Y' auf einen mit einer gewünschten maximalen Verstellgeschwindigkeit der Stellgrößen korrespondierenden maximalen Wert Y1max und Y2max bzw. Y'max begrenzt wird.
- Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Kompressor mehrere Eingangsparameterkennfelder mit unterschiedlichen, in Abhängigkeit von der Tageszeit, vom Wochentag und/oder von der Jahreszeit variierenden Datensätzen verwendet werden.
- Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als zwei betriebenen Kompressoren nach jedem Durchlaufen aller Kombinationsmöglichkeiten für die Bildung wechselnder Kompressor-Paare jeweils nur die Stellgröße der Kompressoren desjenigen Kompressor-Paares verstellt wird, welches die größte Veränderung der Eingangsparametersumme in Optimierungsrichtung gezeigt hat.
- Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mehrerer Kompressoren unter vorgegebenen Prozeßanforderungen hinsichtlich Volumenstrom und Druckverhältnis für jeden einzelnen Kompressor und jede mögliche Kombination zweier oder mehrerer Kompressoren das Optimum des Eingangsparameters bzw. der Eingangsparametersumme zu den jeweiligen Anforderungen ermittelt wird, daß die Optima der Eingangsparametersumme verglichen werden und daß derjenige Kompressor oder diejenige Kompressorkombination in Betrieb bleibt oder genommen und auf den Arbeitspunkt bzw. die Arbeitspunkte gefahren wird/werden, bei dem/denen das absolute Optimum des Eingangsparameters bzw. der Eingangsparametersumme vorliegt.
- Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten eines Abblasens eines oder mehrerer Kompressoren jeweils der erfaßte Wert für den Ansaugvolumenstrom um die abgeblasene Teilmenge vermindert bzw. unmittelbar der zum Prozeß gelangende Volumenstrom erfaßt wird.
- Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,- daß nach dem Erreichen eines Optimums der Eingangsparametersumme der Kompressoren deren zugehörige Arbeitspunkte festgehalten werden,- daß nachfolgend mehrfach eine sprunghafte gegenläufige reale oder rechnerische Verschiebung der Arbeitspunkte innerhalb der Kennfeldgrenzen ohne Beeinflussung der Gesamt-Betriebsparameter vorgenommen wird, indem das Inkrement für die Einzel-Volumenströme bzw. die Einzel-Druckverhältnisse mehrfach um einen Faktor, der wesentlich größer als 1 ist, vergrößert wird,- daß ausgehend von jedem dieser neuen Arbeitspunktpaare eine erneute Feststellung eines Optimums der Eingangsparametersumme durchgeführt wird und jedes dieser neu gefundenen Optima zur Feststellung des absoluten Optimums mit dem ursprünglich gefundenen Optimum verglichen wird und- daß anschließend erforderlichenfalls die Kompressoren real durch entsprechende Veränderung der Einzel-Stellgrößen auf die Arbeitspunkte gefahren werden, die dem gegebenenfalls neu festgestellten absoluten Optimum der Eingangsparametersumme entsprechen.
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