EP0757180A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben von Strömungsmaschinen mit Reglern mit hoher Propertionalverstärkung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben von Strömungsmaschinen mit Reglern mit hoher Propertionalverstärkung Download PDF

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EP0757180A1
EP0757180A1 EP96110205A EP96110205A EP0757180A1 EP 0757180 A1 EP0757180 A1 EP 0757180A1 EP 96110205 A EP96110205 A EP 96110205A EP 96110205 A EP96110205 A EP 96110205A EP 0757180 A1 EP0757180 A1 EP 0757180A1
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EP
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relief valve
surge limit
valve
controller
gradient
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Wilfried Dr.-Ing. Blotenberg
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MAN Turbo AG
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MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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    • F04D27/02—Surge control
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
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    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating turbomachines to avoid regulator instabilities with high proportional gain of the regulator by blowing off via a relief valve, wherein in the method a control parameter is determined from measured values at least for the compressor flow and compressor end pressure and from predetermined or predeterminable target values , on the basis of which an immediate opening of the relief valve by means of a pneumatic or hydraulic actuating device via a pressure medium takes place by means of a surge limit controller.
  • Pump limit controls are characterized in that they require control valves that open particularly quickly.
  • throttles have always been installed in the oil circuit of hydraulic surge limit regulators or relief valves or in the supply air supply for pneumatic relief valves. Since the drives of these blow-off valves are generally constructed so that a spring opens the blow-off valves and the closing of the blow-off valves is achieved by oil or air pressure, the blow-off valves are opened Control medium (oil or air) deactivated, but control medium supplied from the supply line for closing. If it is now structurally ensured that the free cross sections in the opening direction are very large, but a throttle point is provided in the closing direction, an asymmetrical actuating behavior is obtained. This control behavior is used to avoid machine hazards caused by quick-closing blow-off valves. As a rule, the throttles are dimensioned such that the relief valve is moved from the fully open to the fully closed position in about 20 seconds.
  • a surge limit controller which has a non-linear amplifier.
  • This non-linear amplifier increases the control loop gain by a factor of 5 when the relief valves are exceeded. Since the surge limit controllers only work optimally if they operate in normal operation with max. permissible gain are operated, this gain increase by 5 means that the controller works unstably with this high gain.
  • a further significant improvement in the overall control loop behavior is achieved by using a trackable integral controller. This process is described in DE 38 09 881. The output of the controller is always compared with the current position of the relief valve.
  • a negative sign of the control difference e therefore means that the operating point of the compressor is in the safe working range, while a positive sign of the control difference e means that the working point has exceeded the blow-off line to the left, ie in the direction of the surge limit. If the operating point exceeds the surge limit, the compressor pumps. If these control differences deviate from one another inadmissible, the controller is switched to follow-up mode and its output is switched to the current blow-off valve position. This ensures that the manipulated variable of the Pump limit controller does not deviate significantly from the position of the valve.
  • the behavior of the surge limit controller is essentially determined by its proportional gain.
  • a wider-opening relief valve is more able to protect a compressor from pumps than a valve that opens only slightly.
  • the stability behavior of the surge limit control loops can be positively influenced by electronically limiting the closing speed of the relief valve.
  • surge limit controllers with a significantly higher proportional gain can be operated stably.
  • an electronic gradient limiter is inserted into the output of the surge limit controller.
  • This gradient limiter is constructed asymmetrically, i. H.
  • the best practical results have been achieved with opening times of 1 second and closing times of more than 5 minutes. With this implementation, closing times of 10 minutes or more can be set.
  • a surge limit control with such a gradient limitation is largely independent of very high controller gains.
  • a very high controller gain inevitably leads to the controller circuit becoming unstable. Without this limitation, the controller output and thus the valve position would oscillate. With this limitation in the controller output, however, this vibration would be limited to the first half-wave, ie the excessively high amplification would make the relief valve wider than an optimally set one Open the controller, but the subsequent quick closing process would not take place, and the valve would only close with the set gradient, ie slowly.
  • the time required to move the relief valve to the desired target position will be sufficient to bring the process disturbance that caused the controller deflection to subside. If this is not the case, the controller can intervene again in the direction of the valve opening. This then leads to the valve again performing a violent opening movement and the process described above repeated again. In most cases the fault subsided after a few controller swings.
  • the freely adjustable gradient in the closing direction of the valve is available as a degree of freedom, which can be selected such that this requirement is met.
  • the main advantage of the invention is that significantly larger proportional gains can be selected. As a result, the surge limit controller intervenes significantly more strongly in the event of a process malfunction and protects the compressor much better against pumps.
  • the manipulated variable limiter has to be imagined as a function block, the output of which in stationary operation is always the same as its input. This also applies to dynamic processes in the direction of valve opening. Control commands in the closing direction are also switched unaffected from the input to the output, as long as the gradient for the manipulated variable change is less than the set limit. If this change in the input occurs with a steeper gradient, the output variable changes with the gradient set as a parameter until the gradient of the input is smaller than the set limit.
  • the gradient can be made switchable. This becomes necessary if a faster closing speed is permitted at a greater distance from the working point from the surge limit and a switchover to a slower speed in the vicinity of the surge limit. This occurs when the operating point is, for example, more than 20% away from the blow-off line, then the valve can be operated with a positioning time of e.g. B. Close 20 seconds or even 1 second for the entire stroke; However, if the operating point approaches the blow-off line more closely and falls below the 20% limit, then a switching time of 5 minutes for the entire stroke is switched over, for example.
  • a positioning time e.g. B. Close 20 seconds or even 1 second for the entire stroke
  • a continuously variable limit value for the gradient can be selected, which is a function of the control difference, the distance between the working point and the blow-off line.
  • the turbocompressor (1) is connected on the intake side to an intake line (10). On the discharge side, the turbocompressor (1) is connected to an exhaust gas line (11), which conducts the medium compressed by the turbocompressor (1) to a downstream process via a check valve (12). In front of the non-return valve (12), a blow-off line (20) branches off from the discharge line (11), into which a blow-off valve (2) with a silencer (3) with a pneumatic or hydraulic actuating device (21) is switched on, which is connected to a control line (22 ) connected is.
  • the flow rate of the medium to be compressed flowing to the compressor (1) is detected by means of a flow meter (31) connected to the intake line (10).
  • the compressor end pressure can be detected by means of a pressure meter (32) connected to the discharge line (11).
  • the pressure gauge (32) is followed by a function generator (33), which is based on stored Outputs the just permissible minimum flow value for the compressor (1) which is assigned to a specific pressure.
  • the actual flow value measured by the flow meter (31) and the desired flow value output by the function generator (32) are fed to a subtractor (34), in which the difference is formed by subtracting the actual value from the desired value.
  • the control parameter generated in the subtractor (34) is passed to a surge limit controller (41) which is connected downstream of the subtractor (34).
  • the surge limit controller (41) ensures continuous control, i. H. an exact adjustment of the relief valve (2) depending on the position of the working point in the map.
  • the output of the surge limit controller (41) acts on the actuating device (21) of the relief valve (2) via a gradient limiter (50) and via a control line (22).
  • a pressure medium supply (23) leads from the actuating device (21) with a positioner to a piston-cylinder unit or membrane unit (not shown) for generating the force for the adjustment movement of the relief valve (2) in the closing and opening directions.
  • the force for the adjustment movement of the relief valve (2) in the opening direction is generally for safety reasons by means of an energy storage element, for. B. a tensioned spring to ensure automatic opening of the relief valve (2) in the event of failure of the control.
  • the output of the control line (22) acts on a pneumatic or hydraulic actuating device (21).
  • the relief valve (2) in the event of a process failure adjusted by lowering the control signal in the opening direction until the compressor operating point is reset to the safe map area with only the actuating speed dependent on the design of the valve (2) and actuator (21).
  • the surge limit controller (41) reacts too violently and the relief valve (2) opens too far, the output signal of the surge limit controller (41) rises again.
  • the gradient limiter (50) limits the rise in the control signal (22) to the set limit value and thus causes the blow-off valve (2) to close from the position last reached.
  • the position of the valve (2) is fed to the surge limit controller (41) via the return line (60). returned.
  • the surge limit controller (41) now internally limits its output variable by tracking the valve position. If there is no position measurement on the valve (2), the control signal (22) can also be fed back to the surge limit controller (41).
  • the electronic gradient limiter (50) according to the invention is shown in detail in FIG. 2. It consists of the signal input module, a control factor or gain (51), a limiter (52) and an integrator (53). A feedback line (54) branches off from the control line (22) after the integrator (53) and is directly connected to the control factor or gain (51). The limit values for the gradients are set as the upper and lower limit values of the limiter (52).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von Reglerinstabilitäten an Pumpgrenzregelungen zum Schützen eines Turboverdichters (1) vor Pumpen bei groß gewählter Proportionalverstärkung des Pumpgrenzreglers (41) mittels Abblasen über ein Abblaseventil (2). Die zeitliche Steuerung der Schließgeschwindigkeit des Abblaseventiles (2) erfolgt durch einen asymmetrisch aufgebauten Gradientenbegrenzers (50), wobei in Öffnungsrichtung keine zeitliche Begrenzung wirksam ist, in Schließrichtung jedoch eine bei parametrierbarer zeitlichen Begrenzung des Schließvorganges des Abblaseventiles (2) vorgesehen ist. Der Gradientenbegrenzer (50) ist zwischen Pumpgrenzregler (41), der die Regelsignale über Durchfluß-Istwert (31) und Durchfluß-Sollwert (33) von einem Subtrahierer (34) erhält und der Steuerleitung (22) für eine pneumatische oder hydraulische Betätigungseinrichtung (21) des Abblaseventiles (2) geschaltet. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Strömungsmaschinen zur Vermeidung von Reglerinstabilitäten mit hoher Proportionalverstärkung des Reglers mittels Abblasens über ein Abblaseventil, wobei in dem Verfahren aus Meßwerten zumindest für den Verdichterdurchfluß und Verdichterenddruck sowie aus vorgegebenen bzw. vorgebbaren Sollwerten ein Regelparameter bestimmt wird, anhand dessen durch einen Pumpgrenzregler eine sofortige Öffnung des Abblaseventiles mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung über ein Druckmedium erfolgt.
  • Pumpgrenzregelungen sind dadurch charakterisiert, daß sie besonders schnell öffnende Regelventile benötigen.
  • Aus der Fachliteratur ist bekannt, daß zum Erreichen einer guten Reglerstabilität gleiche Stelldynamik der Stellventile mit möglichst kurzen Stellzeiten in Öffnungsrichtung und Schließrichtung erforderlich ist. Dieses bedeutet, daß ein Abblaseventil, welches, bedingt durch die Prozeßanforderungen, schnell öffnen muß, zum Erreichen einer guten Reglerstabilität auch schnell schließen soll.
  • In der Praxis hat man festgestellt, daß eine gewisse Unsymmetrie zwischen Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit nicht störend ist. So werden schon seit jeher Drosseln in den Ölkreislauf hydraulischer Pumpgrenzregler oder Abblaseventile bzw. in die Zuluftversorgung von pneumatischen Abblaseventilen eingebaut. Da die Antriebe dieser Abblaseventile generell so aufgebaut sind, daß eine Feder die Abblaseventile öffnet und das Schließen der Abblaseventile durch Öl- oder Luftdruck erreicht wird, wird zum Öffnen der Abblaseventile Steuermedium (Öl oder Luft) abgesteuert, zum Schließen jedoch Steuermedium aus der Versorgungsleitung zugeführt. Wird nun konstruktiv sichergestellt, daß die freien Querschnitte in Öffnungsrichtung sehr groß sind, in Schließrichtung jedoch eine Drosselstelle vorgesehen ist, erhält man ein unsymmetrisches Stellverhalten. Dieses Stellverhalten wird eingesetzt, um Maschinengefährdungen durch schnellschließende Abblaseventile zu vermeiden. In aller Regel werden die Drosseln derart dimensioniert, daß das Abblaseventil in ca. 20 Sek. von der ganz geöffneten in die ganz geschlossene Stellung gefahren wird.
  • Einzige Aufgabe dieser Drosseln ist es, bei einem Eingriff von Hand in den Regelkreis zu vermeiden, daß aufgrund einer Fehlbedienung die Abblaseventile in 1 - 2 Sek. geschlossen sind und damit der Turbokompressor in den instabilen Bereich geraten kann. Schließen die Abblaseventile dagegen in 20 Sekunden, hat das Bedienungspersonal auch bei einer Fehlbedienung noch ausreichend Gelegenheit, den Bedienungsfehler zu korrigieren, bevor das Abblaseventil ganz geschlossen ist.
  • Es ist offensichtlich, daß die Drosselstellen im Zulauf des Steuermediums nicht beliebig klein werden dürfen. Es besteht bei zu engen Drosselstellen die Gefahr, daß sich enge Querschnitte durch kleine Schmutzpartikel verstopfen und damit jegliche Abblase-Ventilverstellung unterbleibt. Aus diesem Grunde sind praktisch längere Stellzeiten als 20 Sek. für den gesamten Schließvorgang nicht realisierbar.
  • In der Praxis hat sich gezeigt, daß diese Unsymmetrie für das Regelverhalten und die Reglerstabilität nicht unzulässig schädlich ist.
  • Aus der DE 26 23 899 ist ein Pumpgrenzregler bekannt, der einen nichtlinearen Verstärker aufweist. Dieser nichtlineare Verstärker hebt die Regelkreisverstärkung beim Überschreiten der Abblaseventile um mehr als 2 % um den Faktor 5 an. Da die Pumpgrenzregler nur dann optimal arbeiten, wenn sie im Normalbetrieb mit max. zulässiger Verstärkung betrieben werden, bedeutet diese Verstärkungsanhebung um 5, daß der Regler mit dieser hohen Verstärkung instabil arbeitet.
  • Eine weitere wesentliche Verbesserung des gesamten Regelkreisverhaltens wird dadurch erreicht, daß ein nachführbarer Integralregler eingesetzt wird. Dieses Verfahren ist in der DE 38 09 881 beschrieben. Es wird stets der Ausgang des Reglers mit der aktuellen Stellung des Abblaseventils verglichen.
  • Die im Regelverfahren verwendete Regeldifferenz e ist definiert als Differenz zwischen dem Durchfluß-Sollwert W und dem Durchfluß-Istwert X, d.h. e = W - X
    Figure imgb0001
    . Ein negatives Vorzeichen der Regeldifferenz e bedeutet demnach, daß sich der Arbeitspunkt des Kompressors im sicheren Arbeitsbereich befindet, während ein positives Vorzeichen der Regeldifferenz e bedeutet, daß der Arbeitspunkt die Abblaselinie nach links, d.h. in Richtung auf die Pumpgrenze zu überschritten hat. Überschreitet der Arbeitspunkt die Pumpgrenze, kommt es zu einem Pumpen des Kompressors. Weichen diese Regeldifferenzen unzulässig voneinander ab, wird der Regler auf Nachführbetrieb geschaltet und sein Ausgang auf die aktuelle Abblase-Ventilstellung umgeschaltet. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Stellgröße des Pumpgrenzreglers nicht wesentlich von der Stellung des Ventils abweicht.
  • Es sind Anwendungen bekannt, in denen die Stellung des Ventils nicht gemessen wird oder innerhalb der Regelung nicht zur Verfügung steht. Um auch in diesen Fällen ein "Auseinanderlaufen" von Reglerausgang und begrenzter Stellgröße zu verhindern, kann statt einer Rückmeldung der aktuellen Ventilstellung auch die begrenzte Stellgröße auf den Regler zurückgemeldet werden. Dieses führt letztendlich zu den gleichen Ergebnissen wie eine Rückmeldung der Ventilstellung.
  • Bei schnellen Prozeßstörungen wird das Verhalten des Pumpgrenzreglers im wesentlichen durch seine Proportionalverstärkung bestimmt. Je höher die Proportionalverstärkung gewählt ist, um so größer ist die Änderung des Reglerausgangssignals und damit der Stellung des Abblaseventiles. Ein weiter öffnendes Abblaseventil ist eher in der Lage, einen Kompressor vor Pumpen zu schützen als ein nur wenig öffnendes.
  • Die Proportionalverstärkung kann aber nicht beliebig groß gewählt werden, da dies zu Instabilitäten des Regelkreises führt. Ursache für diese Instabilitäten sind unvermeidbare Verzögerungen in der Regelstrecke.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, um das Regelverhalten eines Turbokompressors dadurch zu verbessern, daß die Proportionalverstärkung deutlich angehoben werden kann, ohne daß der Regelkreis instabil wird bzw. zu Schwingungen des Regelorganes (Abblaseventil) neigt.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt in der Weise, wie es im Hauptanspruch angegeben ist, die Unteransprüche 2 - 6 stellen vorteilhafte Verfahrensschritte dar, die Ansprüche 7 - 11 kennzeichnen die erfindungsgemäßen Merkmale der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Durch eine Unsymetrie für das Stellverhalten des Abblaseventiles wird ein langsames Schließen und schnelles Öffnen des Abblaseventiles erreicht.
  • Das Stabilitätsverhalten vom Pumpgrenzregelkreisen läßt sich erfindungsgemäß dadurch positiv beeinflussen, daß eine elektronische Begrenzung der Schließgeschwindigkeit des Abblaseventiles vorgenommen wird. Infolgedessen können Pumpgrenzregler mit deutlich höherer Proportionalverstärkung stabil betrieben werden. Hierzu wird in den Ausgang des Pumpgrenzreglers ein elektronischer Gradientenbegrenzer eingefügt. Dieser Gradientenbegrenzer ist asymmetrisch aufgebaut, d. h. in Öffnungsrichtung des Abblaseventils ist keinerlei zeitliche Begrenzung wirksam, in Schließrichtung wird jedoch eine frei parametrierbare zeitliche Begrenzung des Schließvorganges des Abblaseventiles vorgesehen bzw. programmiert. Beste praktische Ergebnisse haben sich mit Öffnungszeiten von 1 Sekunde und Schließzeiten von mehr als 5 Minuten ergeben. Mit dieser Realisierung lassen sich durchaus Schließzeiten von 10 Minuten oder mehr einstellen.
  • Eine Pumpgrenzregelung mit einer solchen Gradientenbegrenzung ist weitgehend unabhängig gegenüber sehr hoch eingestellten Reglerverstärkungen. Eine sehr hoch gewählte Reglerverstärkung führt zwangsläufig dazu, daß der Reglerkreis instabil wird. Ohne diese Begrenzung würde der Reglerausgang und damit die Ventilstellung schwingen. Mit dieser Begrenzung im Reglerausgang würde sich diese Schwingung jedoch auf die erste Halbwelle beschränken, d. h., die zu hohe Verstärkung würde zwar das Abblaseventil weiter als ein optimal eingestellter Regler öffnen, der anschließende schnelle Schließvorgang würde jedoch unterbleiben, und das Ventil würde nur mit dem eingestellten Gradienten, d. h. langsam, schließen.
  • In der Praxis wird die Zeit, die erforderlich ist, um das Abblaseventil in die gewünschte Zielposition zu fahren, ausreichen, um die Prozeßstörung, welche den Reglerausschlag bewirkt hat, zum Abklingen zu bringen. Sollte dies nicht der Fall sein, kann es zu einem erneuten Eingreifen des Reglers in Richtung Ventilöffnung kommen. Dieses führt dann dazu, daß das Ventil erneut eine heftige Öffnungsbewegung ausführt und sich der zuvor beschriebene Vorgang nochmals wiederholt. In den meisten Fällen ist die Störung nach einigen Reglerausschlägen abgeklungen. Als Freiheitsgrad steht hier der frei einstellbare Gradient in Schließrichtung des Ventils zur Verfügung, der derart gewählt werden kann, daß diese Forderung erfüllt wird.
  • Bei zu hoch eingestellter Proportionalverstärkung und falsch gewähltem Gradienten kann dies dazu führen, daß ein Abgleich unterbleibt und sich der beschriebene Vorgang periodisch wiederholt. Ohne die erfindungsgemäße Erweiterung führt ein solcher Vorgang zu sehr heftigen Dauerschwingungen von z. B. 1 - 3 Sek. Periodendauer und großer Amplitude. Wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren z. B. eine Schließzeit von 10 Min. gewählt, und das Abblaseventil führt während des instabilen Vorgangs einen Hub von 10 % durch, dann bedeutet dies, daß die Periodendauer auf 1 Min. vergrößert wird. Eine solche Instabilität, die zudem noch sägezahnförmig abläuft, ist prozeßtechnisch wesentlich eher akzeptabel als eine 1 - 3 Sekundenschwingung mit deutlich größeren Ventilausschlägen.
  • Der Hauptvorteil der Erfindung liegt darin, daß deutlich größere Proportionalverstärkungen wählbar sind. Dadurch greift der Pumpgrenzregler bei einer Prozeßstörung deutlich kräftiger ein und schützt den Kompressor wesentlich besser vor Pumpen.
  • Den Stellgrößenbegrenzer hat man sich als Funktionsblock vorzustellen, dessen Ausgang im stationären Betriebsfall stets gleich seinem Eingang ist. Dies gilt auch für dynamische Vorgänge in Richtung Ventilöffnung. Stellbefehle in Schließrichtung werden ebenfalls unbeeinflußt vom Eingang auf den Ausgang durchgeschaltet, solange der Gradient für die Stellgrößenänderung kleiner ist als der eingestellte Grenzwert. Erfolgt diese Änderung des Einganges mit einem steileren Gradienten, ändert sich die Ausgangsgröße mit dem als Parameter eingestellten Gradienten solange, bis der Gradient des Eingangs kleiner ist als die eingestellte Grenze.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Gradient umschaltbar gemacht werden. Dies wird erforderlich, wenn in einem größeren Abstand des Arbeitspunktes von der Pumpgrenze eine schnellere Schließgeschwindigkeit zugelassen wird und in der Nähe der Pumpgrenze auf eine langsamere Geschwindigkeit umgeschaltet wird. Dieser Fall tritt ein, wenn sich der Arbeitspunkt beispielsweise mehr als 20 % entfernt von der Abblaselinie befindet, dann kann das Ventil mit einer Stellzeit von z. B. 20 Sekunden oder sogar 1 Sekunde für den gesamten Hub schließen; nähert sich der Arbeitspunkt jedoch dichter der Abblaselinie und unterschreitet die 20-%-Grenze, dann wird beispielsweise auf eine Stellzeit von 5 Min. für den gesamten Hub umgeschaltet.
  • Erfindungsgemäß sind auch mehrere Schaltstufen möglich oder es kann auch ein stetig veränderbarer Grenzwert für den Gradienten gewählt werden, der eine Funktion von der Regeldifferenz, dem Abstand zwischen Arbeitspunkt und Abblaselinie, ist.
  • Die Erfindung wird anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Schaltschema zur Vermeidung von Reglerinstabilitäten,
    Fig. 2
    ein Schaltbild des elektronischen Gradientenbegrenzers.
  • Entsprechend Fig. 1 ist der Turboverdichter (1) ansaugseitig mit einer Ansaugleitung (10) verbunden. Abgabeseitig ist der Turboverdichter (1) mit einer Abgaseleitung (11) verbunden, die über eine Rückschlagklappe (12) das von dem Turboverdichter (1) verdichtete Medium zu einem nachgeschalteten Prozeß leitet. Vor der Rückschlagklappe (12) zweigt von der Abgabeleitung (11) eine Abblaseleitung (20) ab, in welche ein Abblaseventil (2) mit Schalldämpfer (3) mit einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung (21) eingeschaltet ist, die mit einer Steuerleitung (22) verbunden ist.
  • Ansaugseitig wird mittels eines mit der Ansaugleitung (10) verbundenen Durchflußmessers (31) der zum Verdichter (1) strömende Durchfluß des zu verdichtenden Mediums erfaßt. Mittels eines mit der Abgabeleitung (11) verbundenen Druckmessers (32) ist der Verdichterenddruck erfaßbar. Dem Druckmesser (32) ist ein Funktionsgeber (33) nachgeschaltet, der anhand von gespeicherten Daten den jeweils einem bestimmten Druck zugeordneten, gerade noch zulässigen Minimaldurchflußwert für den Verdichter (1) ausgibt. Der vom Durchflußmesser (31) aktuell gemessene Durchfluß-Istwert und der vom Funktionsgeber (32) ausgegebene Durchfluß-Sollwert werden einem Subtrahierer (34) zugeführt, in welchem die Differenz aus diesen durch Subtrahieren des Istwertes vom Sollwert gebildet wird.
  • Der in dem Subtrahierer (34) erzeugte Regelparameter wird auf einen Pumpgrenzregler (41) gegeben, der dem Subtrahierer (34) nachgeschaltet ist.
  • Der Pumpgrenzregler (41) sorgt für eine kontinuierliche Regelung, d. h. eine exakte Verstellung des Abblaseventiles (2) in Abhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld. Hierzu wirkt der Ausgang des Pumpgrenzreglers (41) über einem Gradientenbegrenzer (50) und über eine Steuerleitung (22) auf die Betätigungseinrichtung (21) des Abblaseventiles (2).
  • Von der Betätigungseinrichtung (21) mit einem Stellungsregler führt eine Druckmedienversorgung (23) zu einer nicht eigens dargestellten Kolben-Zylinder-Einheit oder Membran-Einheit für die Erzeugung der Kraft für die Verstellbewegung des Abblaseventiles (2) in Schließ- und Öffnungsrichtung. Die Kraft für die Verstellbewegung des Abblaseventiles (2) in Öffnungsrichtung wird aus Sicherheitsgründen allgemein mittels eines Kraftspeicherelementes, z. B. einer gespannten Feder erzeugt, um bei Ausfall der Regelung ein selbsttätiges Öffnen des Abblaseventiles (2) sicherzustellen.
  • Der Ausgang der Steuerleitung (22) wirkt auf eine pneumatische bzw. hydraulische Betätigungseinrichtung (21). Hierdurch wird das Abblaseventil (2) bei einer Prozeßstörung durch Absenken des Steuersignals in Öffnungsrichtung verstellt, bis der Verdichter-Arbeitspunkt in den sicheren Kennfeldbereich wieder zurückgesetzt wird mit nur von der konstruktiven Gestaltung von Ventil (2) und Antrieb (21) abhängigen Stellgeschwindigkeit.
  • Sollte der Pumpgrenzregler (41) dabei zu heftig reagieren und das Abblaseventil (2) zu weit geöffnet haben, steigt das Ausgangssignal des Pumpgrenzreglers (41) wieder an. Der Gradientenbegrenzer (50) begrenzt den Anstieg des Steuersignals (22) auf den eingestellten Grenzwert und bewirkt damit eine zeitverzögerte Schließung des Abblaseventiles (2) aus der zuletzt erreichten Stellung.
  • Um zu verhindern, daß das Ausgangssignal des Pumpgrenzreglers (41) bei einem Eingriff des Gradientenbegrenzers (50) der Stellung des Ventils (2) unzulässig vorauseilt, wird die Stellung des Ventiles (2) über die Rückführleitung (60) an den Pumpgrenzregler (41) zurückgeführt. Der Pumpgrenzregler (41) begrenzt nunmehr intern seine Ausgangsgröße durch Nachführen auf die Ventilstellung. Bei fehlender Positionsmessung am Ventil (2) kann auch das Steuersignal (22) auf den Pumpgrenzregler (41) rückgeführt werden.
  • Der erfindungsgemäße, elektronische Gradientenbegrenzer (50) ist im Detail in Fig. 2 dargestellt. Er besteht aus dem Signaleingangsbaustein, einem Stellfaktor oder Gain (51), einem Begrenzer (52) sowie einem Integrierer (53). Von der Steuerleitung (22) zweigt nach dem Integrierer (53) eine Rückkoppelungsleitung (54) ab, die direkt mit dem Stellfaktor oder Gain (51) verbunden ist. Die Grenzwerte für die Gradienten werden als oberer und unterer Grenzwert des Begrenzers (52) eingestellt.
  • Für den Gradientenbegrenzer (50) und den Pumpgrenzregler (41) können vorteilhaft an sich bekannte Komponenten verwendet werden, so daß die Durchführung des Verfahrens und die Herstellung einer hierfür geeigneten Vorrichtung vergleichsweise einfach und kostengünstig sind.
    • Bezugsziffernliste:
    • 1
    Turboverdichter
    2
    Abblaseventil
    3
    Schalldämpfer
    10
    Ansaugleitung
    11
    Abgabeleitung
    12
    Rückschlagklappe
    20
    Abblaseleitung
    21
    pneumatische/hydraulische Betätigungseinrichtung
    22
    Steuerleitung
    23
    Druckmedienleitung
    31
    Durchflußmesser
    32
    Druckmesser
    33
    Funktionsgeber (Durchfluß-Sollwert)
    34
    Subtrahierer
    41
    Pumpgrenzregler
    50
    Gradientenbegrenzer
    51
    Stellfaktor/Gain
    52
    Begrenzer
    53
    Integrierer
    54
    Rückkoppelung
    60
    Rückführung der Ventilposition

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben von Strömungsmaschinen zur Vermeidung von Reglerinstabilitäten an Pumpgrenzregelungen mit hoher Proportialverstärkung des Reglers mittels Abblasens über ein Abblaseventil, wobei in dem Verfahren aus Meßwerten zumindest für den Verdichterdurchfluß und Verdichterenddruck sowie aus vorgegebenen bzw. vorgebbaren Sollwerten ein Regelparameter bestimmt wird, anhand dessen durch einen Pumpgrenzregler eine sofortige Öffnung des Abblaseventiles mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung über ein ein Druckmedium erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine elektronische Begrenzung der Schließgeschwindigkeit des Abblaseventiles (2) durch einen asymmetrisch aufgebauten Gradientenbegrenzer (50) vorgenommen wird,
    wobei in Öffnungsrichtung des Abblaseventiles (2) keine zeitliche Begrenzung wirksam ist,
    in Schließrichtung jedoch eine frei parametrierbare zeitliche Begrenzung des Schließvorganges des Abblaseventiles (2) vorgesehen bzw. einprogrammiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß durch einen umschaltbaren Gradientenbegrenzer (50) bei einem größeren Abstand des Arbeitspunktes von der Pumpgrenze eine schnellere Schließgeschwindigkeit zugelassen und in der Nähe der Pumpgrenze eine langsamere Schließgeschwindigkeit des Abblaseventiles (2) erreicht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß durch einen Gradientenbegrenzer (50) mit mehreren Schaltstufen die Schließgeschwindigkeit bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Abblaselinie schrittweise reduziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß durch einen stetig veränderbaren Grenzwert des Gradienten bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Abblaselinie die Schließgeschwindigkeit des Abblaseventiles (2) stetig reduziert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Stellung des Abblaseventiles (2) auf den Pumpgrenzregler (41) rückgekoppelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Signal der Steuerleitung (22) auf den Pumpgrenzregler (41) rückgekoppelt wird.
  7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6,
    wobei die Vorrichtung einen Pumpgrenzregler für eine Verstellung eines Abblaseventiles über ein Druckmedium mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung mit einem Stellungsregler mit einer Kolben-Zylinder-Einheit bzw. einer Membran-Zylinder-Einheit sowie mit einer Steuerungsleitung für eine bedarfsweise Betätigung des Abblaseventiles in Öffnungs- bzw. Schließrichtung aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen Pumpgrenzregler (41) und Steuerleitung (22) ein elektronischer Gradientenbegrenzer (50) zwischengeschaltet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gradientenbegrenzer (50) aus einem Stellfaktor (51), Begrenzer (52) und Integrierer (53) besteht.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß nach dem Integrierer (53) eine Rückkoppelung (54) zu dem Stellfaktor (51) abzweigt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen der pneumatischen/hydraulischen Betätigungseinrichtung (21) des Abblaseventiles (2) und dem Pumpgrenzregler (41) eine Rückführleitung (60) für Anzeige der Ventilposition angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerleitung (22) über die pneumatische/hydraulische Betätigungseinrichtung (21) mit der Rückführleitung (60) gekoppelt ist.
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