EP0757180B1 - 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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EP0757180B1
EP0757180B1 EP96110205A EP96110205A EP0757180B1 EP 0757180 B1 EP0757180 B1 EP 0757180B1 EP 96110205 A EP96110205 A EP 96110205A EP 96110205 A EP96110205 A EP 96110205A EP 0757180 B1 EP0757180 B1 EP 0757180B1
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EP
European Patent Office
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relief valve
regulator
valve
surge
closing
Prior art date
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EP96110205A
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English (en)
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EP0757180A1 (de
Inventor
Wilfried Dr.-Ing. Blotenberg
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MAN Turbo AG
Original Assignee
MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig
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Publication date
Application filed by MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig filed Critical MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig
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    • 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
    • F04D27/023—Details or means for fluid extraction
    • 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
    • F04D27/0223—Control schemes therefor
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for Operating turbomachines to avoid Controller instabilities with high proportional gain of the Regulator with the features of the preamble of claims 1 and 7.
  • a surge limit controller which has a nonlinear amplifier.
  • This non-linear The amplifier increases the control loop gain when the Blow-off valves by more than 2% by a factor of 5. Since the Pump limit controllers only work optimally if they are in the Normal operation operated with the maximum permissible gain , this gain increase by 5 means that the controller works unstably with this high gain.
  • EP-A-0 336 092 describes a method for protecting a Turbocompressor before pumping by blowing over a Blow-off valve known.
  • the blow-off valve is increased Adjustment speed in the opening direction and at a slower rate Adjustment speed adjusted in the closing direction.
  • Parallel the surge limit control is intervening in an emergency Safety control operated.
  • EP-A-0 477 055 describes a device or a method to protect a compressor against unstable operation under Use of a surge limit controller and one Pump limit control valve described.
  • the known device assigns an electrovalve to the surge limit control valve Drain the servo motor of the surge limit control valve and one
  • Ramp generator on in a parallel control loop is arranged.
  • This control device is in Direction of opening of the relief valve no time limit effective, but there is a time limit in the closing direction the closing process of the relief valve provided.
  • the Opening and closing movements are done by the electro valve and made the ramp generator. It does that Solenoid valve the quick opening of the relief valve during the time-limited closings over that in the parallel Control loop arranged ramp generator takes place.
  • a negative sign The control difference e therefore means that the working point the compressor is in the safe working area while a positive sign of the system deviation e means that the Operating point the blow-off line to the left, d. H. towards has exceeded the surge limit. If the exceeds Working point the surge limit, there is a pumping of the Compressor. Make these rule differences inadmissible the controller is switched to follow-up mode and its exit to the current relief valve position switched. This ensures that the manipulated variable of Pump limit controller is not significantly different from the position of the Valve deviates.
  • the stability behavior of the surge limit control loops according to the invention have a positive influence in that an electronic limitation of the closing speed of the relief valve is made. Consequently can have surge limiters with significantly higher Proportional gain can be operated stably.
  • This Gradient limiter is asymmetrical, i. H. there is none in the opening direction of the relief valve time limit is effective, in the closing direction however, a freely parameterizable time limit the closing process of the relief valve provided or programmed.
  • a surge limit control with such a gradient limitation is largely independent from very high controller gains.
  • a very high one selected controller gain inevitably leads to the fact that the controller circuit becomes unstable. Without this limitation would the controller output and thus the valve position swing. With this limitation in the controller output would however, this vibration affects the first half wave restrict, d. that is, the gain would be too high the relief valve further than an optimally set one Open the controller, the subsequent quick closing process would go away, however, and the valve would only with the set gradient, d. H. slowly, conclude.
  • the main advantage of the invention is that significantly larger proportional gains can be selected are. As a result, the surge limit controller intervenes at one Process disruption significantly more powerful and protects the Compressor much better before pumps.
  • the manipulated variable limiter is a function block imagine its output in the stationary Operating case is always the same as its entrance. This applies also for dynamic processes in the direction of valve opening. Control commands in the closing direction are also unaffected switched through from input to output, as long as the gradient for the manipulated variable change is less than the set limit. He follows this change of input with a steeper Gradient, the output size changes with the as Gradients set until the Gradient of the input is smaller than the set one Border.
  • the Gradient switchable this will required if at a greater distance from the Working point from the surge limit a faster Closing speed is allowed and close the surge limit to a slower speed is switched. This happens when the Working point, for example, more than 20% away from the blow-off line, then the valve can be used a positioning time of z. B. 20 seconds or even Close for 1 second for the entire stroke; approaches however, the working point is closer to the blow-off line and falls below the 20% limit, then for example to a positioning time of 5 minutes for the entire Hub switched.
  • the invention is based on schematic Exemplary embodiments explained in more detail.
  • the turbocompressor (1) is on the intake side connected to an intake pipe (10). Delivery side is the turbo compressor (1) with an exhaust pipe (11) connected via a check valve (12) the medium compressed by the turbocompressor (1) leads to a downstream process.
  • a check valve (12) In front of the check valve (12) branches from the discharge line (11) a blow-off line (20) into which a blow-off valve (2) with silencer (3) with a pneumatic or hydraulic actuator (21) is turned on with a control line (22) is connected.
  • the intake side is connected to the intake line (10) connected flow meter (31) to the Compressor (1) flowing flow of the to be compressed Medium recorded.
  • the pressure gauge (32) is a function generator (33) downstream, based on saved Data associated with a particular print, just permissible minimum flow value outputs for the compressor (1).
  • the one from the flow meter (31) Actually measured actual flow value and that of Function transmitter (32) output flow setpoint are fed to a subtractor (34), in which the difference from this by subtracting the actual value is formed from the setpoint.
  • the control parameter generated in the subtractor (34) is given to a surge limit controller (41), the Subtractor (34) is connected downstream.
  • the surge limit controller (41) ensures a continuous Regulation, d. H. an exact adjustment of the Blow-off valve (2) depending on the position of the Working point in the map.
  • the output works for this the surge limit controller (41) over a gradient limiter (50) and via a control line (22) to the Actuating device (21) of the relief valve (2).
  • a Positioner From the actuator (21) with a Positioner supplies pressure media (23) to a piston-cylinder unit, not shown specifically or membrane unit for generating the Force for the adjustment movement of the relief valve (2) in the closing and opening direction.
  • the power for Adjustment movement of the relief valve (2) in the opening direction is generally used for security reasons an energy storage element, e.g. B. a tense Spring generated to in the event of failure of the scheme automatic opening of the relief valve (2) ensure.
  • the output of the control line (22) acts on a pneumatic one or hydraulic actuating device (21).
  • the relief valve (2) in the event of a process failure by lowering the control signal in the opening direction adjusted until the compressor operating point in the safe map area is reset with only the constructive design of valve (2) and actuator (21) dependent actuating speed.
  • the output signal of the surge limit controller increases (41) again.
  • the gradient limiter (50) limits the rise of the control signal (22) on the set limit and thus causes a time delay Closure of the relief valve (2) from the last position reached.
  • the surge limit controller (41) limits now internally adjust its output size by tracking the valve position. If position measurement is missing on Valve (2) can also control signal (22) on the Pump limit controller (41) are returned.
  • the electronic gradient limiter according to the invention (50) is shown in detail in Fig. 2. It exists from the signal input block, a control factor or Gain (51), a limiter (52) and an integrator (53). From the control line (22) branches to the Integrator (53) from a feedback line (54), which are directly connected to the control factor or gain (51) is. The limits for the gradients are called Upper and lower limit of the limiter (52) set.
  • the gradient limiter (50) and the surge limit controller (41) can advantageously be known components be used so that the implementation of the Process and the production of a suitable Device comparatively simple and inexpensive are.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Strömungsmaschinen zur Vermeidung von Reglerinstabilitäten mit hoher Proportionalverstärkung des Reglers mit den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1 und 7.
Pumpgrenzregelungen sind dadurch charakterisiert, daß sie besonders schnell öffnende Regelventile benötigen. Aus der Fachliteratur ist bekannt, daß zum Erreichen einer guten Reglerstabilität gleiche Stelldynamik er 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 Maschinen-gefährdungen 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-A-2 623 899 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 maximal 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-A-3 809 881 beschrieben. Es wird stets der Ausgang des Reglers mit der aktuellen Stellung des Abblaseventils verglichen.
Aus der EP-A-0 336 092 ist ein Verfahren zum Schützen eines Turboverdichters vor Pumpen mittels Abblasens über ein Abblaseventil bekannt. Dabei wird das Abblaseventil mit erhöhter Verstellgeschwindigkeit in Öffnungsrichtung und mit langsamerer Verstellgeschwindigkeit in Schließrichtung verstellt. Parallel zu der Pumpgrenzregelung wird eine im Notfall eingreifende Sicherheitssteuerung betrieben.
In der EP-A-0 477 055 ist eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Schutz eines Kompressors gegen instabilen Betrieb unter Verwendung eines Pumpgrenzreglers und eines Pumpgrenzregelventils beschrieben. Die bekannte Vorrichtung weist außer dem Pumpgrenzregelventil ein Elektroventil zum Entleeren des Servomotors des Pumpgrenzregelventils und einen
Rampengenerator auf, der in einem parallelen Regelkreis angeordnet ist. Bei dieser Steuervorrichtung ist in Öffnungsrichtung des Abblaseventiles keine zeitliche Begrenzung wirksam, in Schließrichtung ist jedoch eine zeitliche Begrenzung des Schließvorganges des Abblaseventiles vorgesehen. Die Öffnungs- und Schließbewegungen werden durch das Elektroventil und den Rampengenerator vorgenommen. Dabei bewirkt das Elektroventil das schnelle Öffnen des Ablaseventils, während das zeitlich begrenzte Schließen über den in dem parallelen Regelkreis angeordneten Rampengenerator erfolgt.
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. 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-ZylinderEinheit 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 Pumpgrenzreqelungen 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 Druckmedium erfolgt, 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, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen asymmetrisch aufgebauten Gradientenbegrenzer sowohl die Begrenzung der Schließgeschwindigkeit des Abblaseventiles (2) elektronisch (50) vorgenommen wird als auch die Öffnung des Abblaseventiles (2) bewirkt 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 zum Betreiben von Strömungsmaschinen zur Vermeidung von Reglerinstabilitäten an Pumpgrenzreqelungen mit hoher Proportialverstärkung des Reglers bestehend aus einem Pumpgrenzregler (41) für die Verstellung eines Abblaseventiles (2) über ein Druckmedium mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung (21) mit einem Stellungsregler mit einer Kolben-Zylinder-Einheit bzw. einer Membran-Zylinder-Einheit und aus einer Steuerungsleitung (22) für eine bedarfsweise Betätigung des Abblaseventiles (2) in Öffnungsrichtung ohne zeitliche Begrenzung und in Schließrichtung mit einer frei parametrierbaren zeitlichen Begrenzung des Schließvorganges, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Pumpgrenzregler (41) und der Steuerleitung (22) ein elektronischer asymmetrisch aufgebauter 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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