EP0967396A2 - Verfahren zum Betreiben von Turboverdichtern - Google Patents

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EP0967396A2
EP0967396A2 EP99106086A EP99106086A EP0967396A2 EP 0967396 A2 EP0967396 A2 EP 0967396A2 EP 99106086 A EP99106086 A EP 99106086A EP 99106086 A EP99106086 A EP 99106086A EP 0967396 A2 EP0967396 A2 EP 0967396A2
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EP
European Patent Office
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controller
surge limit
control
limiter
target
Prior art date
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EP99106086A
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English (en)
French (fr)
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EP0967396A3 (de
EP0967396B1 (de
Inventor
Wilfried Dr.-Ing. Blotenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Turbo AG
Original Assignee
MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig
GHH Borsig Turbomaschinen GmbH
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Publication date
Application filed by MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig, GHH Borsig Turbomaschinen GmbH filed Critical MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig
Publication of EP0967396A2 publication Critical patent/EP0967396A2/de
Publication of EP0967396A3 publication Critical patent/EP0967396A3/de
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Publication of EP0967396B1 publication Critical patent/EP0967396B1/de
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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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method and Device for operating turbocompressors with several mutually influencing controllers.
  • Turbocompressors are often equipped with multiple controllers equipped.
  • the surge limit controller of a turbocompressor monitors z. B. the location of the compressor operating point in the map and opens if it is too small Compressor throughput a surge control valve for Suction side or to the atmosphere.
  • pressure or flow regulators are often used, whose actuator adjustable guide vanes or Throttle valves are.
  • the drive can also adjust the speed for capacity adjustment be adjusted.
  • An adjustment of the surge limit control valve is affected also the compressor end pressure or the flow to Process.
  • An adjustment of the actuator of the process variable controller has an impact on the location of the Operating point in the map and can therefore the surge limit controller intervene.
  • surge limit controller is considered more critical Turbo machine protection regulator to the fastest possible Response behavior set.
  • fastest controllers available are used that control the fastest valves available.
  • the process variable control must match the time behavior of the Process adapted.
  • pressure regulations are characterized by significantly longer time constants than those required for surge limit control.
  • the surge limit controller regulates one Fault clears much faster than the process variable controller. He has the surge limit control valve in the new one required position before the process variable controller has reacted noticeably. An additional Decoupling of the surge limiters from each other is in not necessary in these cases.
  • the surge limit controller reacts to this and opens it Pump limit control valve to protect the compressor Piece.
  • the process variable controller notices this and increases the conveying capacity of the Compressor. The result is that the working point away from the surge line.
  • the Process variable controller reacts to this by the Delivery capacity of the compressor reduced accordingly. However, this brings the working point back in again the proximity of the surge limit, so that the surge limit controller Pump limit control valve opens again.
  • the process begins from the front and can change if the time parameters are not chosen correctly and unfavorable phase position to a continuous oscillation of process size and surge limit control valve to lead.
  • the surge limit controller take place among each other. If there is a fault on the suction side of the low pressure stage the pressure ratio increased above this level the working point of this stage moves in In the direction of the surge limit, causing the surge limit controller to engage the low pressure stage may be required the pump limit control valve of the low pressure stage a piece opens. This causes a lowering the final pressure of the low pressure stage or the inlet pressure the high pressure stage. This goes along with one Increase the pressure ratio of the high pressure stage what now open the surge limit control valve of this stage has the consequence.
  • the surge limit control valves Because with gas compressors, the surge limit control valves the gas on the pressure side to the suction side relax, causes the high pressure side to open Pump limit control valve an increase in suction pressure this stage and thus an increase in the final pressure of the Low pressure stage. The surge limit control of the low pressure stage this will further intervene forced, the low pressure surge limit control valve opens further.
  • the surge limit controller acts more violently than absolutely necessary and the surge limit control valve is opened further than to protect the compressor required. This causes that after the decay pump surge control valves again getting closed. Because the fault in the low pressure part has started, the surge limit controller of the low pressure stage closes this valve again. This increases the final pressure this stage and thus also the suction pressure of the High pressure stage. The pressure ratio of the high pressure stage decreases and the corresponding surge limit controller closes the high-pressure surge limit control valve. this has now again an influence on the low pressure part etc. Are the controls set to open a transient disorder with some Overdrive can respond, a phase shift mutual influence of the two surge limit controllers cannot be excluded.
  • the object of the invention is to provide a method for Decoupling the control loops in the way to create that even with the same timing behavior of all sizes vibration-stimulating interaction of the control loops among themselves is avoided.
  • a typical machine train for compressing gas consists of three in a row in the direction of flow arranged step groups.
  • One of these stages consists of the suction line of the low pressure stage, the compressor, the pressure line and one Blow line with the surge limit control valve, further a flow calculator for calculating the intake flow and a calculator to determine the Delivery head.
  • the computers are on signal lines and with the pipes and other signal lines connected to the comparator.
  • a comparator determines the difference from the setpoint (delivery head) minus Actual value (flow) and always causes when the Actual value is too small in relation to the setpoint, one Gradual opening of the surge limit control valve until the Actual flow rate exactly that of the respective delivery head dependent target flow corresponds.
  • the adjustment takes place according to the invention via the maximum selection, the PI controller and the signal line to the surge limit control valve.
  • a check valve decouples the first Compressor from the downstream medium pressure stage.
  • the actual flow is smaller than that of the delivery head dependent target flow, is in the comparator determined control difference positive and adjusted via the control line the output of the surge limit controller in Direction of another opening surge control valve.
  • the controllers are now given a maximum selection upstream, one input of which is known Difference from the setpoint and actual value of the associated Compressor. This maximum selection becomes the control difference of the other compressor stages also impressed.
  • the effect of the system deviation is such that a positive signal lowers the controller output and so that the surge limit control valve opens and a negative one Signal the surge limit control valve closes.
  • the maximum selection now causes that whenever one of the three Machinery enters an operating area that is a Opening the surge limit control valve requires this size all three surge limit regulators are impressed and everyone Regulator its associated surge limit control valve via the Control lines opens accordingly. A mutual Influencing is prevented because everyone Pump limit control valves simultaneously and at the same Open the controller setting by the same amount.
  • the control difference is a via the signal line First order delay element and an adding Limiter activated.
  • This delimiter adds the Signed inputs, d. that is, it subtracts from the control difference that was delayed via the delay element Control difference. Is in steady state this difference zero so that the adder is only that Passes signal of maximum selection.
  • the delimiter is set to a range from 0 to 1, it limits negative values to zero.
  • the output signal of the delay element follows delayed.
  • the control difference can be the output signal of the limiter already become positive when the control difference itself is still negative.
  • a constant can be added to the limiter become. This constant causes an offset.
  • the output of the limiter only becomes greater than zero if the difference of the two other input variables exceeded the threshold set as a constant Has.
  • the correction variable acts on the process variable controller then in such a way that when approaching the surge limit or when the control line is exceeded, the entrance of the Process size controller is changed so that the Effect of the surge limit controller supports and Compressor moves out of the danger area.
  • the surge limit controllers or the process variable controller a gradient limiter with integrated input amplifier, Limiter and integrator connected downstream.
  • An additional Comparator of the process variable setpoint and the actual process variable activated.
  • the difference of this Both values have their own signal line and a limiter and a process variable controller.
  • This Process variable controller adjusts the associated actuator (Guide vanes, throttle body, speed) such that the The actual process value corresponds exactly to the setpoint.
  • the limiter limits the control difference of the process variable controller. Since the process variable controller is usually switched as a proportional integral controller (PI controller) the limiter limits the gradient for the integral adjustment of the manipulated variable. Will the Limiter set to the limit value zero, changed the manipulated variable of the process variable controller at all no more.
  • PI controller proportional integral controller
  • the upper and lower limit of the limiter depending on one Process size can be varied. This is the control difference of the surge limit controller as a manipulated variable used.
  • a function generator allows the definition a non-linear relationship between system deviation of the surge limit controller and the effective Limiter Limits.
  • the function generator can, for. B. be set so that with a system deviation greater than 20% no limitation is effective up to a control difference of 3% can limit the square decrease with the control difference and at one Control difference below 3% the lower limit to zero put. Any other, including non-linear function curve is adjustable if necessary.
  • the top and the lower limit can also be configured separately. In this case, two function generators are separated for the upper and lower limits are used.
  • the Function encoder also directly on the control parameters of the Process size controller act and this accordingly to adjust.
  • the Controller (process variable controller or surge limit controller) Gradient limiter downstream.
  • a signal line transfers the controller output variable (process variable controller or surge limit controller) to the input amplifier a gradient limiter.
  • This amplifier is on set a high gain, so that at a slight difference between the output of the Controller and the output of the gradient limiter, fed back via an additional signal line, the Limiter receives a large input signal.
  • the limits of the limiter determine the gradient for the Adjustment of the integrator.
  • the limiter is on the integrator only receives small values small input values and also adjusts its output if there is a deviation at the input of the amplifier only slowly.
  • the limit values can be set via another control line the limiter can be adjusted in the same way as previously for the limitation of the control difference of the Pump limit controller has been described.
  • the output line of the high pressure stage of the respective Final pressure can be recorded by a pressure transmitter and an additional target / actual value comparator are transferred, with another process variable controller the actuators of the guide vanes each of the three compressor stages can be addressed.
  • control parameters are between the maximum selection and the surge limit controller branched off and one Function generator supplied. This transfers its data on the above additional process variable controller.
  • an additional limiter only the specially selected controlled variables forwards.
  • the invention is based on schematic Embodiments described in more detail.
  • each compressor stage (2, 22, 42) own surge limit control valves (5, 25, 45), each in the suction lines (1, 21, 41) of the own compressor stage (2, 22, 42) blow off.
  • a machine train for compressing gas consists of three arranged one behind the other in the direction of flow Level groups (2, 22, 42).
  • the three-stage compressor consists of the suction lines (1, 21, 41), the low pressure compressor (2), the medium pressure compressor (22) and the high pressure compressor (42), the pressure lines (3, 23, 43), the blow-by lines (4, 24, 44) with the surge limit control valves (5, 25, 45), the flow computers (6, 26, 46) for calculating the intake flow and the computer (7, 27, 47) for the minimum permissible target flow, which results from the final pressure or the delivery head is determined.
  • To calculate the Head is also the respective suction pressure and Suction temperature required.
  • the associated active lines are not shown.
  • the computers (6, 7), (26, 27) and (46, 47) are over Signal lines (8 and 9), (28 and 29) and (48 and 49) with the delivery pipelines and over two each further signal lines (10 and 11), (30 and 31) as well (50 and 51) with the comparators (12, 32 and 52) connected.
  • Each comparator (12, 32, 52) determines the Difference from setpoint (delivery head) minus actual value (Flow) and always causes when the actual value in Ratio to setpoint is too small, a gradual one Opening of the corresponding surge limit control valves (5, 25 or 45) until the actual flow rate is exactly that of the respective delivery head dependent target flow corresponds.
  • the adjustment is made via a maximum selection (14, 34, 54), the surge limit controller (15, 35, 55) and the signal lines (16, 36, 56) to the surge limit control valve (5, 25, 45).
  • the check valve (17, 37) decouples the low pressure compressor (2) from the medium pressure compressor (22).
  • the measured values / signals of the target / actual value comparison (12, 32, 52) act via the control line (13, 33, 53) directly to the surge limit controller (15, 35, 55), which the Pump limit control valve (5, 25, 45) via the control line (16, 36, 56).
  • the actual flow is smaller than that of the delivery head dependent target flow, the control difference positive and adjusts the output of the surge limit controller (15, 35, 55) towards another opening Valve (5, 25, 45).
  • the surge limit regulators (15, 35, 55) become one Maximum selection (14, 34 and 54) upstream, their an input the known difference between setpoint and Actual value of the associated surge limit control Compressor stage is. This maximum selection is the Control difference of the other target / actual value comparators (32 and 52) also stamped. The effect of Control difference is such that a positive signal Controller output (15, 35, 55) and thus the Pump limit control valve (5, 25, 45) opens and on negative signal the surge limit control valve (5, 25, 45) closes.
  • the maximum selection (14, 34, 54) now causes that whenever one of the three compressor stages (2, 22 or 42) enters an operating area that includes a Opening the surge limit control valve (5, 22 or 42) requires this size for all three surge limit controllers (15, 35 and 55) and each surge limit controller (15, 35 or 55) its associated surge limit control valve (5, 25, 45) via the control line (16, 36, 56) opens accordingly. A mutual influence is prevented because all surge limit control valves (5, 25, 45) simultaneously and with the same Open the controller setting by the same amount.
  • Control difference is one over the signal line (60) First order delay element (61) and an adding Limiter (63) activated.
  • This delimiter (63) adds the inputs according to the sign, i. H. he subtracts from the control difference via the delay element (61) delayed control difference. In the stationary State, this difference is zero, so the Adder (64) only the signal of the maximum selection (14) passes on.
  • the limiter (63) is on one Range set from 0 to 1, it limits negative ones Values to zero.
  • the limiter (63) can have a constant (62) can be added. This constant (62) causes an offset. The output of the limiter (63) will only greater than zero if the difference between the two other input variables (60.1 and 60.2) as Constant set threshold value has exceeded.
  • this constant (62) can also be used without the delaying effect of the PT1 link (61) is used become.
  • the setpoint / actual value comparator (72) the process variable setpoint and the actual process value is activated. The difference these two values act via the signal line (73) and the limiter (74) on the process variable controller (78). This controller adjusts the associated actuator of the Turbo compressor (guide vanes, throttle element, Speed) in such a way that the actual process value is accurate corresponds to the setpoint.
  • the upper and lower Limit of the limiter (74) depending on one Process size can be varied.
  • the control difference of the surge limit controller (15) as a manipulated variable used.
  • the function generator (75) allows Definition of a nonlinear relationship between Control difference of the surge limit controller and the effective Limiter Limits.
  • the process variable controller (78) reacts with its set one (adjustable as a parameter set) Time behavior on the input size.
  • a big rule difference on Input causes controller (78) to output its output quickly changed, with a small control difference at the entrance the exit only changes slowly.
  • the timing behavior of the output variable can be arbitrary to be influenced.
  • the limiter (74) can change the Controller output in one direction or the other completely can be prevented by controlled limitation the controller output (78) can even have positive values in Are controlled in the direction of larger output values, even if the control difference at the input the controller output wants to lower.
  • the controller (15/78) (surge limit controller (15) or process variable controller (78)) a gradient limiter (80) downstream.
  • the signal line (79) transmits the output size of the controller (15/78) to the input amplifier (81).
  • This amplifier (81) is set to a high gain, so that at a slight difference between the output of the Controller (79) and the output of the gradient limiter (84) fed back via the signal line (85) Limiter (82) receives a large input signal.
  • the Limit values of the limiter (82) determine the gradient for the adjustment of the integrator (83). Is the Limiter (82) set to small values receives the Integrator (83) only small input values and adjusted its output (84) even if there is a deviation at the input of the amplifier (81) only slowly.
  • the limit values of the Limiter (82) can be adjusted in the same way as previously for the limitation of the control difference of the Regulator (15/78) was described.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram corresponding to FIG. 1 with one on the pressure line (43) after the check valve (57) the third compressor stage (42) arranged Pressure transmitter (20), the control data on a Signal line (88) to a target-actual value comparator (12) and process variable setpoints (89) from the control system receives.
  • a process variable controller (78) transmits the target / actual value comparisons (Controlled variables) via a control line (87) to the actuators (18) for adjusting the Guide vanes (19) in the low, medium and high pressure turbo compressor stages (2, 22, 42).
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of a low-pressure turbocompressor stage (2), in which the control differences of the Target / actual value comparator (12) or from (33) and (53) are first passed to the maximum selection (14). As in FIG. 6, these control data become shown on a surge limit controller (15) and transfer there to the surge limit control valve (5).
  • the function generator (75) can also Control data from the maximum selection (14) via a Transfer control line (76) to a limiter (74) are upstream of the process variable controller (78) is. This (78) is connected via a control line (87) the actuator (18) of the guide vanes (19) Low pressure stage (2) connected.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von mehrstufigen Turboverdichtern (2, 22, 42) mit mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Reglern (15, 35, 55), bei dem jede Verdichterstufe eigene Pumpgrenzregelventile (5, 25, 45) aufweist, die jeweils in die Ansaugleitungen (1, 21, 41) der eigenen Verdichterstufe (2, 22, 42) abblasen. Die Regelung erfolgt über Durchflußrechner (6, 26, 46) zur Berechnung des Ansaugdurchflusses sowie über Rechner (7, 27, 47) für die Ermittlung der Förderhöhe. Ein Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) ermittelt die Differenz aus Sollwert (Förderhöhe) minus Istwert (Durchfluß) und bewirkt, wenn der Istwert im Verhältnis zum Sollwert zu klein ist, eine graduelle Öffnung der entsprechenden Pumpgrenzregelventile (5, 25 bzw. 45), bis der Istdurchfluß genau dem von der jeweiligen Förderhöhe abhängigen Solldurchfluß entspricht. Die Regelung erfolgt über eine Maximalauswahl (14, 34, 54), die den Pumpgrenzreglern (15, 35, 55) mit den Signalleitungen (16, 36, 56) zum Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) vorgeschaltet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Turboverdichtern mit mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Reglern.
Turboverdichter werden häufig mit mehreren Reglern ausgerüstet. Der Pumpgrenzregler eines Turboverdichters überwacht z. B. die Lage des Kompressorarbeitspunktes im Kennfeld und öffnet bei unzulässig kleinem Kompressordurchsatz ein Pumpgrenzregelventil zur Saugseite oder zur Atmosphäre. Zur Anpassung der Turboverdichter an die prozeßseitigen Erfordernisse werden häufig Druck- oder Durchflußregler eingesetzt, deren Stellorgan verstellbare Leitschaufeln oder Drosselklappen sind. Bei Verdichtern mit drehzahlvariablem Antrieb kann auch die Drehzahl zur Kapazitätsanpassung verstellt werden.
Eine Verstellung des Pumpgrenzregelventils beeinflußt auch den Verdichterenddruck bzw. den Durchfluß zum Prozeß. Eine Verstellung des Stellorgans des Prozeßgrößenreglers hat einen Einfluß auf die Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld und kann dadurch den Pumpgrenzregler eingreifen lassen.
Üblicherweise wird der Pumpgrenzregler als kritischer Turbomaschinen-Schutzregler auf das schnellstmögliche Ansprechverhalten eingestellt. Für Pumpgrenzregelungen werden die schnellsten verfügbaren Regler verwendet, die die schnellsten verfügbaren Ventile ansteuern.
Die Prozeßgrößenregelung muß an das Zeitverhalten des Prozesses angepaßt sein. Insbesondere Druckregelungen zeichnen sich durch deutlich längere Zeitkonstanten als die für Pumpgrenzregelungen erforderlichen aus.
Hierdurch ist im Normalfall sichergestellt, daß sich die verschiedenen Regelkreise nicht gegenseitig unzulässig beeinflussen. Der Pumpgrenzregler regelt eine Störung wesentlich schneller aus als der Prozeßgrößenregler. Er hat das Pumpgrenzregelventil in die neue erforderliche Position gebracht, noch bevor der Prozeßgrößenregler merklich reagiert hat. Eine zusätzliche Entkopplung der Pumpgrenzregler untereinander ist in diesen Fällen nicht erforderlich.
Es gibt aber Anwendungen, in denen entweder die Pumpgrenzregler langsam reagieren oder der Prozeßgrößenregler schnell reagieren muß. In diesen Anwendungsfällen kann eine gegenseitige Beeinflussung der Regler untereinander nicht ausgeschlossen werden. Eine Störung auf der Verdichtersaugseite kann z. B. zur Folge haben, daß sich der Arbeitspunkt der Pumpgrenze ein Stück weiter nähert.
Der Pumpgrenzregler reagiert hierauf und öffnet das Pumpgrenzregelventil zum Schutz des Verdichters ein Stück. Dadurch wird weniger Fördermedium in den Prozeß gefördert und der Durchfluß (bzw. der Druck) auf der Verdichterdruckseite sinkt. Dies bemerkt der Prozeßgrößenregler und erhöht die Förderleistung des Verdichters. Die Folge ist, daß sich der Arbeitspunkt von der Pumpgrenze entfernt. Hierauf reagiert nun der Pumpgrenzregler und schließt das Pumpgrenzregelventil entsprechend. Dieses läßt aber nun den Druck sowie den Durchfluß auf der Verdichterdruckseite ansteigen. Der Prozeßgrößenregler reagiert hierauf, indem er die Förderleistung des Kompressors entsprechend reduziert. Dieses bringt aber in Folge den Arbeitspunkt wieder in die Nähe der Pumpgrenze, so daß der Pumpgrenzregler das Pumpgrenzregelventil wieder öffnet. Der Vorgang beginnt von vorn und kann sich bei ungünstiger Wahl der Zeitparameter und ungünstiger Phasenlage zu einer Dauerschwingung von Prozeßgröße und Pumpgrenzregelventil führen.
Turboverdichter mit mehreren Stufengruppen werden, insbesondere wenn Fördermedium zwischen den verschiedenen Stufen eingespeist oder entnommen wird, mit individuellen Pumpgrenzregelungen pro Stufengruppe geschützt. Auch hier kann eine wechselseitige Beeinflussung der Pumpgrenzregler untereinander erfolgen. Falls durch eine Störung auf der Saugseite der Niederdruckstufe das Druckverhältnis über dieser Stufe erhöht wird, bewegt sich der Arbeitspunkt dieser Stufe in Richtung Pumpgrenze, wodurch ein Eingriff des Pumpgrenzreglers der Niederdruckstufe erforderlich werden kann, der das Pumpgrenzregelventil der Niederdruckstufe ein Stück öffnet. Dieses bewirkt eine Absenkung des Enddrucks der Niederdruckstufe bzw. des Eintrittsdrucks der Hochdruckstufe. Dies geht einher mit einer Erhöhung des Druckverhältnisses der Hochdruckstufe, was nun ein Öffnen des Pumpgrenzregelventils dieser Stufe zur Folge hat. Da bei Gaskompressoren die Pumpgrenzregelventile das druckseitige Gas jeweils zur Saugseite entspannen, bewirkt ein Öffnen des hochdruckseitigen Pumpgrenzregelventils einen Anstieg des Saugdrucks dieser Stufe und damit einen Anstieg des Enddruck der Niederdruckstufe. Die Pumpgrenzregelung der Niederdruckstufe wird hierdurch zum weiteren Eingreifen gezwungen, das Niederdruck-Pumpgrenzregelventil öffnet weiter.
Bei schnellen transienten Vorgängen ist es durchaus möglich, daß der Pumpgrenzregler heftiger greift als unbedingt erforderlich und das Pumpgrenzregelventil weiter geöffnet wird als für den Schutz des Kompressors erforderlich. Dies bewirkt, daß nach dem Abklingen der ersten Störung die Pumpgrenzregelventile wieder geschlossen werden. Da die Störung im Niederdruckteil begonnen hat, schließt der Pumpgrenzregler der Niederdruckstufe dieses Ventil wieder. Damit steigt der Enddruck dieser Stufe und somit auch der Ansaugdruck der Hochdruckstufe. Das Druckverhältnis der Hochdruckstufe sinkt und der entsprechende Pumpgrenzregler schließt das hochdruckseitige Pumpgrenzregelventil. Dies hat nunmehr wieder einen Einfluß auf den Niederdruckteil usw. Sind die Regler derart eingestellt, daß sie auf eine transiente Störung mit einer gewissen Übersteuerung reagieren, kann eine phasenverschobene gegenseitige Beeinflussung der beiden Pumpgrenzregler nicht ausgeschlossen werden.
Die Gefahr von Wechselwirkungen steigt, wenn nicht nur zwei Verdichterstufengruppen hintereinander, sondern drei oder mehr Verdichterstufen angeordnet sind. Das Verfahren ist nicht nur auf Pumpgrenzregler anwendbar, sondern allgemein einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Entkopplung der Regelkreise in der Art zu schaffen, das auch bei gleichem Zeitverhalten aller Größen eine schwingungsanregende Wechselwirkung der Regelkreise untereinander vermieden wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt in der Weise, wie es in Anspruch 1 und 10 angegeben wird. Die Unteransprüche stellen jeweils eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung dar.
Erfindungsgemäß wird für eine solche Regelkreisarchitektur ein Verfahren zur Entkopplung der Regler entwickelt. Ziel dieses Entkopplungsverfahrens ist es, die Wechselwirkung der einzelnen Regler aufzuheben und in der Wahl der Reglerparamater völlig frei zu sein.
Es handelt sich daher hier nicht um ein Verfahren zum Schutz von Kompressoren vor Pumpen, sondern um ein Verfahren, mit dem Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Reglern, z. B. Pumpgrenz- und Prozeßgrößenreglern, vermieden werden.
Ein typischer Maschinenstrang zur Kompression von Gas besteht aus drei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Stufengruppen.
Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich, das Verfahren darauf ebenso anwendbar. Eine dieser Stufen besteht jeweils aus der Ansaugleitung der Niederdruckstufe, dem Verdichter, der Druckleitung und einer Umblaseleitung mit dem Pumpgrenzregelventil, ferner einem Durchflußrechner zur Berechnung des Ansaugdurchflusses sowie einem Rechner zur Ermittlung der Förderhöhe. Die Rechner sind über Signalleitungen und mit den Rohrleitungen und über weitere Signalleitungen mit dem Vergleicher verbunden. Ein Vergleicher ermittelt die Differenz aus Sollwert (Förderhöhe) minus Istwert (Durchfluß) und bewirkt immer dann, wenn der Istwert im Verhältnis zum Sollwert zu klein ist, eine graduelle Öffnung des Pumpgrenzregelventils, bis der Istdurchfluß genau dem von der jeweiligen Förderhöhe abhängigen Solldurchfluß entspricht. Die Verstellung erfolgt erfindungsgemäß über die Maximalauswahl, den PI-Regler sowie die Signalleitung zum Pumpgrenzregelventil. Eine Rückschlagklappe entkoppelt den ersten Verdichter von der nachgeschalteten Mitteldruckstufe.
Die Ergebnisse eines Soll-/Ist-Wert-Vergleiches werden über eine Steuerleitung direkt auf den Pumpgrenzregler, der das Pumpgrenzregelventil über eine Steuerleitung verstellt, übertragen.
Ist der Istdurchfluß kleiner als der von der Förderhöhe abhängige Solldurchfluß, wird die im Vergleicher ermittelte Regeldifferenz positiv und verstellt über die Steuerleitung den Ausgang des Pumpgrenzreglers in Richtung eines weiteren öffnenden Pumpgrenzreglerventils.
Erfindungsgemäß wird nun den Reglern eine Maximalauswahl vorgeschaltet, deren einer Eingang die bekannte Differenz aus Sollwert und Istwert des zugehörigen Verdichters ist. Dieser Maximalauswahl wird die Regeldifferenz der anderen Verdichterstufen ebenfalls aufgeprägt. Die Wirkung der Regeldifferenz ist derart, daß ein positives Signal den Reglerausgang sinken läßt und damit das Pumpgrenzregelventil öffnet und ein negatives Signal das Pumpgrenzregelventil schließt. Die Maximalauswahl bewirkt nun, daß immer dann, wenn eine der drei Maschinen in einen Betriebsbereich gelangt, der ein Öffnen des Pumpgrenzregelventils verlangt, diese Größe allen drei Pumpgrenzreglern aufgeprägt wird und jeder Regler sein zugehöriges Pumpgrenzregelventil über die Steuerleitungen entsprechend öffnet. Eine wechselseitige Beeinflussung ist dadurch verhindert, weil alle Pumpgrenzregelventile gleichzeitig und bei gleicher Reglereinstellung auch um den gleichen Betrag öffnen.
Haben alle drei Verdichterstufen den gefährlichen Arbeitsbereich, in dem der Durchfluß geringer als zulässig ist, durch Öffnen der Pumpgrenzregelventile wieder verlassen, schalten die Maximalauswahlglieder jeweils die Regeldifferenz auf den Regler, die das Pumpgrenzregelventil mit dem kleinsten Gradienten schließt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen den Vergleichen sowie der Maximalauswahl eine Anordnung zur Beeinflussung der Regeldifferenzen zwischengeschaltet werden.
Die Regeldifferenz wird über die Signalleitung einem Verzögerungsglied erster Ordnung und einem addierenden Begrenzer aufgeschaltet. Dieser Begrenzer addiert die Eingänge vorzeichengerecht, d. h., er subtrahiert von der Regeldifferenz die über das Verzögerungsglied verzögerte Regeldifferenz. Im stationären Zustand ist diese Differenz null, so daß der Addierer lediglich das Signal der Maximalauswahl weitergibt. Der Begrenzer ist auf einen Bereich von 0 bis 1 eingestellt, er begrenzt negative Werte auf den Wert null.
Sollte sich nun der Arbeitspunkt auf die Regellinie zubewegen, folgt das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes zeitlich verzögert. Bei einer größeren Änderung der Regeldifferenz kann das Ausgangssignal des Limitierers bereits positiv werden, wenn die Regeldifferenz selbst noch negativ ist. Andererseits verschwindet die Wirkung der Korrekturgröße, d. h. der Ausgang des Limitierers wird null, wenn die Regeldifferenz stationär einen von null verschiedenen Wert annimmt.
Dem Limitierer kann bei Bedarf noch eine Konstante aufaddiert werden. Diese Konstante bewirkt einen Versatz. Der Ausgang des Begrenzers wird erst dann größer null, wenn die Differenz der beiden anderen Eingangsgrößen den als Konstante eingestellten Schwellwert überschritten hat.
Selbstverständlich kann dieser Offset bzw. diese Konstante auch ohne die verzögernde Wirkung des Verzögerungsgliedes erster Ordnung angewendet werden.
Es versteht sich von selbst, daß der Betrag des konstanten Offsets abhängig gemacht werden kann von bestimmten Betriebszuständen oder Prozeßgrößen.
Diese Maßnahmen können selbstverständlich auch angewendet werden, wenn ein Pumpgrenzregler und ein Prozeßgrößenregler zu entkoppeln sind.
Die Korrekturgröße auf den Prozeßgrößenregler wirkt dann derart, daß bei Annäherung an die Pumpgrenze oder beim Überschreiten der Regellinie der Eingang des Prozeßgrößenreglers derart verändert wird, daß der die Wirkung des Pumpgrenzreglers unterstützt und den Kompressor aus dem Gefährdungsbereich herausfährt.
Dadurch wird verhindert, daß der Prozeßgrößenregler der Wirkung des Pumpgrenzreglers entgegenwirkt und dadurch eine wechselseitige Reglerbeeinflussung entsteht.
Durch die Parameterwahl des Limitierers kann z. B. auch erreicht werden, daß bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenze das Eingangssignal des Prozeßgrößenreglers derart beeinflußt werden kann, daß nur geringe Gradienten für eine Reduzierung der Kompressorleistung zugelassen werden. Hierdurch ist der Prozeßgrößenregler noch wirksam, kann jedoch nur mit begrenzter Wirkung eingreifen.
Eine ähnliche Wirkung läßt sich dadurch realisieren, daß einer Minimalauswahl vor dem Regler eine über einen Begrenzer beeinflußte Korrekturgröße aufgeschaltet wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung von gegenseitiger Beeinflussung verschiedener Regelkreise besteht darin, den Gradienten für Stellgrößenveränderungen zu begrenzen. Dazu werden den Pumpgrenzreglern bzw. den Prozeßgrößenreglern ein Gradientenbegrenzer mit integriertem Eingangsverstärker, Begrenzer und Integrator nachgeschaltet.
Im Soll-Ist-Wert-Vergleich wird die Differenz aus aktuellem Kompressordurchfluß und minimal zulässigen Durchfluß gebildet und über eine Signalleitung dem Pumpgrenzregler zugeleitet, der das Pumpgrenzregelventil derart verstellt, daß der Kompressor nicht im instabilen Arbeitsbereich betrieben wird.
Über die Signalleitungen werden einem zusätzlichen Vergleicher der Prozeßgrößensollwert und der Prozeßgrößenistwert aufgeschaltet. Die Differenz dieser beiden Werte wirkt über eine eigene Signalleitung und einen Begrenzer und einen Prozeßgrößenregler. Dieser Prozeßgrößenregler verstellt das zugehörige Stellorgan (Leitschaufeln, Drosselorgan, Drehzahl) derart, daß der Prozeßgrößenistwert genau dem Sollwert entspricht.
Der Limitierer begrenzt die Regeldifferenz des Prozeßgrößenreglers. Da der Prozeßgrößenregler üblicherweise als Proportional-Intergralregler (PI-Regler) geschaltet ist, begrenzt der Limitierer den Gradienten für die integrale Verstellung der Stellgröße. Wird der Begrenzer auf den Grenzwert null gestellt, verändert sich die Stellgröße des Prozeßgrößenreglers überhaupt nicht mehr.
Über eine weitere Signalleitung können die obere und untere Grenze des Begrenzers in Abhängigkeit von einer Prozeßgröße variiert werden. Hierbei wird die Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers als Stellgröße verwendet. Ein Funktionsgeber gestattet die Definition eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers und den wirksamen Grenzen des Begrenzers. Der Funktionsgeber kann z. B. derart eingestellt sein, daß bei einer Regeldifferenz größer 20 % keinerlei Begrenzung wirksam ist, bis zu einer Regeldifferenz von 3 % kann die Begrenzung quadratisch mit der Regeldifferenz abnehmen und bei einer Regeldifferenz unter 3 % die untere Grenze auf null stellen. Jeder andere, auch nichtlineare Funktionsverlauf ist bei Bedarf einstellbar. Die obere und untere Grenze sind auch getrennt variabel gestaltbar. In diesem Fall werden zwei Funktionsgeber getrennt für die obere und die untere Grenze verwendet.
Statt einer Begrenzung der Regeldifferenz kann der Funktionsgeber auch direkt auf die Regelparameter des Prozeßgrößenreglers einwirken und diese entsprechend anpassen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem Regler (Prozeßgrößenregler oder Pumpgrenzregler) ein Gradientenbegrenzer nachgeschaltet. Eine Signalleitung überträgt die Ausgangsgröße des Reglers (Prozeßgrößenregler oder Pumpgrenzregler) zum Eingangsverstärker eines Gradientenbegrenzers. Dieser Verstärker ist auf eine hohe Verstärkung eingestellt, so daß auch bei einer geringen Abweichung zwischen dem Ausgang des Reglers und dem Ausgang des Gradientenbegrenzers, rückgekoppelt über eine zusätzliche Signalleitung, der Begrenzer ein großes Eingangssignal erhält. Die Grenzwerte des Begrenzers bestimmen den Gradienten für die Verstellung des Integrators. Ist der Begrenzer auf kleine Werte eingestellt, erhält der Integrator nur kleine Eingangswerte und verstellt seinen Ausgang auch bei einer Abweichung am Eingang des Verstärkers nur langsam.
Über eine weitere Steuerleitung können die Grenzwerte des Begrenzers in gleicher Weise angepaßt werden wie dies zuvor für die Begrenzung der Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers beschrieben wurde.
Bei einer Begrenzung des Gradienten im Ausgang des Reglers ist durch sekundäre Maßnahmen sicherzustellen, daß der Ausgang des Gradientenbegrenzers nicht unzulässig vom Ausgang des Reglers abweicht. Im Regelfall ist der Reglerausgang beim Eingreifen der ausgangsseitigen Gradientenbegrenzung auf den Ausgang des Begrenzers nachzuführen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann an der Ausgangsleitung der Hochdruckstufe der jeweilige Enddruck von einem Druckmeßumformer aufgenommen werden und an einen zusätzlichen Soll-Ist-Wert-Vergleicher übertragen werden, wobei über einen weiteren Prozeßgrößenregler die Stellantriebe der Leitschaufeln jeder der drei Verdichterstufen angesprochen werden können.
Darüber hinaus kann hinter jeder Verdichterstufe der aktuelle Druck von einem Meßumformer aufgenommen werden und einem Soll-Ist-Wert-Vergleicher zugeführt werden. Parallel dazu werden Regelparameter zwischen der Maximalauswahl und dem Pumpgrenzregler abgezweigt und einem Funktionsgeber zugeführt. Dieser überträgt seine Daten auf den obengenannten zusätzlichen Prozeßgrößenregler. Schließlich kann zwischen dem Funktionsgeber und dem Prozeßgrößenregler ein zusätzlicher Begrenzer angeordnet werden, der nur speziell ausgewählte Regelgrößen weiterleitet.
Die Erfindung wird anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1
ein Schaltbild zur Reglerentkopplung eines dreistufigen Turboverdichters von Prozeßgasen,
Fig. 2
ein Schaltbild mit einer zwischengeschalteten Konstante zwischen einem Soll-/Ist-Wert-Vergleicher und einem Pumpgrenzregler,
Fig. 3
ein Schaltbild zur Begrenzung des Gradienten für die Stellgrößenveränderung,
Fig. 4
ein Schaltbild eines Gradientenbegrenzers nach einem Prozeßgrößen- oder Pumpgrenzreglers,
Fig. 5
ein Schaltbild entsprechend Fig. 1 mit einem an der Druckleitung angeordneten Druckmeßumformer,
Fig. 6
ein Schaltbild einer Turboverdichterstufe, bei dem Daten aus der Maximalauswahl zusätzlich einem Prozeßgrößenregler übertragen werden,
Fig. 7
ein Schaltbild einer Turboverdichterstufe, bei dem Daten aus der Maximalauwahl einem Begrenzer und danach einem Prozeßgrößenregler übertragen werden.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Reglerentkopplung eines dreistufigen Turboverdichters, bei dem jede Verdichterstufe (2, 22, 42) eigene Pumpgrenzregelventile (5, 25, 45) aufweist, die jeweils in die Ansaugleitungen (1, 21, 41) der eigenen Verdichterstufe (2, 22, 42) abblasen.
Ein Maschinenstrang zur Kompression von Gas besteht aus drei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Stufengruppen (2, 22, 42). Der dreistufige Verdichter besteht jeweils aus den Ansaugleitungen (1, 21, 41), dem Niederdruckverdichter (2), dem Mitteldruckverdichter (22) und dem Hochdruckverdichter (42), den Druckleitungen (3, 23, 43), den Umblaseleitungen (4, 24, 44) mit den Pumpgrenzregelventilen (5, 25, 45), den Durchflußrechnern (6, 26, 46) zur Berechnung des Ansaugdurchflusses sowie dem Rechner (7, 27, 47) für den minimal zulässigen Solldurchfluß, der aus dem Enddruck bzw. der Förderhöhe ermittelt wird. Zur Berechnung der Förderhöhe wird auch der jeweilige Ansaugdruck und die Ansaugtemperatur benötigt. Die zugehörigen Wirkleitungen sind nicht dargestellt.
Die Rechner (6, 7), (26, 27) und (46, 47) sind über Signalleitungen (8 und 9), (28 und 29) sowie (48 und 49) mit den Förderrohrleitungen und jeweils über zwei weitere Signalleitungen (10 und 11), (30 und 31) sowie (50 und 51) mit den Vergleichern (12, 32 und 52) verbunden. Jeder Vergleicher (12, 32, 52) ermittelt die Differenz aus Sollwert (Förderhöhe) minus Istwert (Durchfluß) und bewirkt immer dann, wenn der Istwert im Verhältnis zum Sollwert zu klein ist, eine graduelle Öffnung der entsprechenden Pumpgrenzregelventile (5, 25 bzw. 45), bis der Istdurchfluß genau dem von der jeweiligen Förderhöhe abhängigen Solldurchfluß entspricht. Die Verstellung erfolgt über eine Maximalauswahl (14, 34, 54), den Pumpgrenzregler (15, 35, 55) sowie die Signalleitungen (16, 36, 56) zum Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45). Die Rückschlagklappe (17, 37) entkoppelt den Niederdruckkompressor (2) vom Mitteldruckkompressor (22).
Die Meßwerte/Signale des Soll-/Ist-Wertvergleiches (12, 32, 52) wirken über die Steuerleitung (13, 33, 53) direkt auf den Pumpgrenzregler (15, 35, 55), der das Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) über die Steuerleitung (16, 36, 56) verstellt.
Ist der Istdurchfluß kleiner als der von der Förderhöhe abhängige Solldurchfluß, wird die Regeldifferenz positiv und verstellt den Ausgang des Pumpgrenzreglers (15, 35, 55) in Richtung eines weiterer öffnenden Ventils (5, 25, 45).
Den Pumpgrenzreglern (15, 35, 55) wird dabei eine Maximalauswahl (14, 34 und 54) vorgeschaltet, deren einer Eingang die bekannte Differenz aus Sollwert und Istwert der zugehörigen Pumpgrenzregelung der Kompressorstufe ist. Dieser Maximalauswahl wird die Regeldifferenz der anderen Soll-/ Ist-Wertvergleicher (32 und 52) ebenfalls aufgeprägt. Die Wirkung der Regeldifferenz ist derart, daß ein positives Signal den Reglerausgang (15, 35, 55) sinken läßt und damit das Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) öffnet und ein negatives Signal das Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) schließt. Die Maximalauswahl (14, 34, 54) bewirkt nun, daß immer dann, wenn eine der drei Verdichterstufen (2, 22 oder 42) in einen Betriebsbe-reich gelangt, der ein Öffnen des Pumpgrenzregelventils (5, 22 oder 42) verlangt, diese Größe allen drei Pumpgrenzreglern (15, 35 und 55) aufgeprägt werden und jeder Pumpgrenzregler (15, 35 oder 55) sein zugehöriges Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) über die Steuerleitung (16, 36, 56) entsprechend öffnet. Eine wechselseitige Beeinflussung ist dadurch verhindert, da alle Pumpgrenzregelventile (5, 25, 45) gleichzeitig und bei gleicher Reglereinstellung auch um den gleichen Betrag öffnen.
Haben alle drei Verdichterstufen (2, 22, 42) den gefährlichen Arbeitsbereich, in dem der Durchfluß geringer als zulässig ist, durch Öffnen der Pumpgrenzregelventile (5, 25, 45) wieder verlassen, schalten die Maximalauswahlglieder (14, 34 und 54) jeweils die Regeldifferenz auf den Pumpgrenzregler (15, 35, 55), die das Pumpgrenzregelventil (5, 25, 45) mit dem kleinsten Gradienten schließt.
Entsprechend Fig. 2 kann zwischen den Soll-/Ist-Wert-Vergleichern (12, 32 und 52) sowie der Maximalauswahl (14, 34 und 54) ein Ergänzungsbaustein zwischengeschaltet werden.
Die im Soll-/Ist-Wert-Vergleicher (12) ermittelte Regeldifferenz wird über die Signalleitung (60) einem Verzögerungsglied erster Ordnung (61) und einem addierenden Begrenzer (63) aufgeschaltet. Dieser Begrenzer (63) addiert die Eingänge vorzeichengerecht, d. h. er subtrahiert von der Regeldifferenz die über Verzögerungsglied (61) verzögerte Regeldifferenz. Im stationären Zustand ist diese Differenz null, so daß der Addierer (64) lediglich das Signal der Maximalauswahl (14) weitergibt. Der Begrenzer (63) ist auf einen Bereich von 0 bis 1 eingestellt, er begrenzt negative Werte auf den Wert null.
Sollte sich nun der Arbeitspunkt auf die Regellinie zubewegen, folgt das Ausgangssignal (60.2) des Verzögerungsgliedes (61) zeitlich verzögert. Bei einer größeren Änderung der Regeldifferenz kann das Ausgangssignal des Limitierers (63) bereits positiv werden, wenn die Regeldifferenz selbst noch negativ ist. Andererseits verschwindet die Wirkung der Korrekturgröße, d. h. der Ausgang des Limitierers (63) wird zu null, wenn die Regeldifferenz stationär einen von null verschiedenen Wert annimmt.
Zusätzlich kann dem Limitierer (63) noch eine Konstante (62) aufaddiert werden. Diese Konstante (62) bewirkt einen Versatz. Der Ausgang des Begrenzers (63) wird erst dann größer null, wenn die Differenz der beiden anderen Eingangsgrößen (60.1 und 60.2) den als Konstante eingestellten Schwellwert überschritten hat.
Selbstverständlich kann diese Konstante (62) auch ohne die verzögernde Wirkung des PT1-Gliedes (61) verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung von gegenseitiger Beeinflussung verschiedener Regelkreise besteht darin, den Gradienten für Stellgrößenveränderungen zu begrenzen.
Entsprechend Fig. 3 wird im Soll-/Ist-Wertvergleicher (12) die Differenz aus aktuellem Kompressordurchfluß und minimal zulässigen Durchfluß gebildet und über eine Signalleitung (60) dem Pumpgrenzregler (15) zugeleitet, der das Pumpgrenzregelventil (5) über die Steuerleitung (16) derart verstellt, daß der Turboverdichter nicht im instabilen Arbeitsbereich betrieben wird.
Über die Signalleitungen (70 und 71) werden dem Soll-/Ist-Wertvergleicher (72) der Prozeßgrößensollwert und der Prozeßgrößenistwert aufgeschaltet. Die Differenz dieser beiden Werte wirkt über die Signalleitung (73) und den Begrenzer (74) auf den Prozeßgrößenregler (78). Dieser Regler verstellt das zugehörige Stellorgan des Turboverdichters (Leitschaufeln, Drosselorgan, Drehzahl) derart, daß der Prozeßgrößen-Istwert genau dem Sollwert entspricht.
Über die Signalleitung (76) können die obere und untere Grenze des Begrenzers (74) in Abhängigkeit von einer Prozeßgröße variiert werden. Im gezeichneten Fall wird die Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers (15) als Stellgröße verwendet. Der Funktionsgeber (75) gestattet die Definition eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Regeldifferenz des Pumpgrenzreglers und den wirksamen Grenzen des Begrenzers.
Der Prozeßgrößenregler (78) reagiert mit seinem eingestellten (als Parametersatz einstellbar) Zeitverhalten auf die Eingangsgröße. Eine große Regeldifferenz am Eingang bewirkt, daß der Regler (78) seine Ausgangsgröße schnell verändert, bei einer kleinen Regeldifferenz am Eingang verändert sich der Ausgang nur langsam. Durch eine gesteuerte Beeinflussung der Regeldifferenz am Eingang des Prozeßgrößenreglers (78) kann das Zeitverhalten der Ausgangsgröße beliebig beeinflusst werden. Durch eine Begrenzung auf null durch den Begrenzer (74) kann eine Veränderung des Reglerausgangs in die eine oder andere Richtung völlig verhindert werden, durch gesteuerte Begrenzung auf positive Werte kann der Reglerausgang (78) sogar in Richtung größerer Ausgangswerte gesteuert werden, selbst wenn die Regeldifferenz am Eingang den Reglerausgang senken will.
Statt einer gesteuerten Beeinflussung der Regeldifferenz des Prozeßgrößenreglers (78) kann auch vom Funktionsgeber (75) aus über die Steuerleitung (76) direkt auf die Regelparameter, insbesondere die Proportionalverstärkung und die Nachstellzeit, zugegriffen werden. Durch diesen Steuereingrift wird das gleiche bewirkt wie durch den Begrenzer (74) im Eingang des Prozeßgrößenreglers (78).
Entsprechend Fig. 4 ist dem Regler (15/78) (Pumpgrenzregler (15) oder Prozeßgrößenregler (78)) ein Gradientenbegrenzer (80) nachgeschaltet. Die Signalleitung (79) überträgt die Ausgangsgröße des Reglers (15/78) zum Eingangsverstärker (81). Dieser Verstärker (81) ist auf eine hohe Verstärkung eingestellt, so daß auch bei einer geringen Abweichung zwischen dem Ausgang des Reglers (79) und dem Ausgang des Gradientenbegren- zers (84) rückgekoppelt über die Signalleitung (85) der Begrenzer (82) ein großes Eingangssignal erhält. Die Grenzwerte des Begrenzers (82) bestimmen den Gradienten für die Verstellung des Intergrators (83). Ist der Begrenzer (82) auf kleine Werte eingestellt, erhält der Integrator (83) nur kleine Eingangswerte und verstellt seinen Ausgang (84) auch bei einer Abweichung am Eingang des Verstärkers (81) nur langsam.
Über die Steuerleitung (86) können die Grenzwerte des Begrenzers (82) in gleicher Weise angepaßt werden wie dies zuvor für die Begrenzung der Regeldifferenz des Reglers (15/78) beschrieben wurde.
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild entsprechend Fig. 1 mit einem an der Druckleitung (43) nach der Rückschlagklappe (57) der dritten Verdichterstufe (42) angeordnetem Druckmeßumformer (20), der Regeldaten über eine Signalleitung (88) auf einen Soll-lst-Wert-Vergleicher (12) sowie Prozeßgrößen-Sollwerte (89) vom Leitsystem empfängt.
Ein Prozeßgrößenregler (78) überträgt die Soll-Ist-Wertvergleiche (Regelgrößen) über eine Steuerleitung (87) an die Stellantriebe (18) zur Verstellung der Leitschaufeln (19) in den Nieder-, Mittel- und Hochdruck-Turboverdichterstufen (2, 22, 42).
Gemäß Fig. 6 kann in der Druckleitung (3) des Niederdruckkompressors (2) nach der Rückschlagklappe (17) ein Druckmeßumformer (20) angeordnet werden, der über eine Steuerleitung (71) Regeldaten an einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher (72) überträgt und diese über eine Signalleitung (73) auf einen Prozeßgrößenregler (78) weiterleitet.
Von einer Maximalauswahl (14) werden Regeldaten aus dem Soll-Ist-Vergleicher (12) auf einen Funktionsgeber (75) bzw. einen Pumpgrenzregler (15) übertragen, wobei die Maximalauswahl (14) weitere Daten über die Steuerleitung (33) und (35) aus den Mittel- und Hochdruckstufen empfängt.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer Niederdruck-Turboverdichterstufe (2), bei der die Regeldifferenzen des Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12) bzw. aus (33) und (53) zunächst der Maximalauswahl (14) zugeleitet werden. Diese Regeldaten werden, wie bereits in Fig. 6 dargestellt, auf einen Pumpgrenzregler (15) und von dort auf das Pumpgrenzregelventil (5) übertragen.
Dem Funktionsgeber (75) können darüber hinaus Regeldaten aus der Maximalauswahl (14) über eine Steuerleitung (76) auf einen Begrenzer (74) übertragen werden, der dem Prozeßgrößenregler (78) vorgeschaltet ist. Dieser (78) ist über eine Steuerleitung (87) mit dem Stellantrieb (18) der Leitschaufeln (19) der Niederdruckstufe (2) verbunden.
Bezugsziffernliste:
1
Ansaugleitung
2
Niederdruckkompressor
3
Druckleitung
4
Umblaseleitung
5
Abblaseventil/Pumpgrenzregelventil
6
Durchflußrechner
7
Förderhöhenrechner und Sollwertbildner
8
Signalleitungen
9
Signalleitungen
10
Signalleitungen
11
Signalleitungen
12
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
13
Steuerleitung
14
Maximalauswahl
15
Pumpgrenzregler
16
Steuerleitung zu 5
17
Rückschlagklappe
18
Stellantrieb
19
Leitschaufeln
20
Druckmeßumformer
21
Ansaugleitung
22
Mitteldruckkompressor
23
Druckleitung
24
Umblaseleitung
25
Pumpgrenzregelventil
26
Durchflußrechner
27
Förderhöhenrechner und Sollwertbildner
28
Signalleitung
29
Signalleitung
30
Signalleitung
31
Signalleitung
32
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
33
Steuerleitung
34
Maximalauswahl
35
Pumpgrenzregler
36
Steuerleitung zu 25
37
Rückschlagklappe
38
41
Ansaugleitung
42
Hochdruckkompressor
43
Druckleitung
44
Umblaseleitung
45
Pumpgrenzregelventil
46
Durchflußmesser
47
Förderhöhenrechner und Sollwertbildner
48
Signalleitung
49
Signalleitung
50
Signalleitung
51
Signalleitung
52
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
53
Steuerleitung
54
Maximalauswahl
55
Ppmpgrenzregler
56
Steuerleitung zu 56
57
Rückschlagklappe
58
60
Signalleitung
60.1
positiver Strang
60.2
negativer Strang
61
Verzögerungsglied, 1. Ordnung
62
Konstante
63
addierender Begrenzer/Limitierer
64
Summierer/Addierer
70
Signalleitung
71
Signalleitung
72
Soll-/Ist-Wert-Vergleicher
73
Signalleitung
74
Begrenzer
75
Funktionsgeber
76
Signalleitung
77
Signalleitung
78
PI-Regler/Prozeßgrößenregler
79
Signalleitung (Reglerausgang)
80
Gradientenbegrenzer
81
Eingangsverstärker
82
Begrenzer
83
Integrator
84
Ausgangsleitung Gradientenbegrenzer
85
Signalleitung für Rückkoppelung
86
Steuerleitung
87
Signalleitung
88
Signalleitung
89
Prozeßgrößen-Sollwerte vom Leitsystem

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betreiben von Turbomaschinen mit mindestens zwei sich gegenseitig beeinflussenden Reglern,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß wechselseitig ausgetauschte Korrekturgrößen eines ersten und eines zweites Reglers, wobei der erste Regler ein Pumpgrenzregler ist, in den Soll/Istvergleich der beiden Regler eingreifen und die Stellgrößenausgänge der beiden Regler derart entkoppeln, daß eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen ist oder zumindest deutlich reduziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Regeldifferenz des ersten Reglers auf eine Extremwertauswahl vor dem zweiten Regler wirkt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuergröße, die das Pumpgrenzregelventil mit maximaler Stellgrößengeschwindigkeit verstellt, von jedem Regler aus auf jedes Stellorgan wirkt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die wirksame Korrekturgröße aus der Differenz aus einer über ein Verzögerungsglied erster Ordnung zeitlich verzögerten ursprünglichen Korrekturgröße und der unverzögerten Größe ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Korrekturgröße ein Offset aufgeprägt wird.
  6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Korrekturgröße den Gradienten für die Verstellung einer Stellgröße eines anderen Reglers begrenzt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gradient für die Begrenzung der Stellgröße eine lineare oder nichtlineare Funktion der Korrekturgröße ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Begrenzung für die Stellgröße, abhängig von einer Prozeßgröße, zu- oder abgeschaltet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Korrekturgröße auf die Reglerparameter wirkt und diese variiert.
  10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben von mehrstufigen Turboverdichtern mit mindestens zwei sich gegenseitig beeinflussenden Reglern,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jedem Pumpgrenzregler (15, 35, 55) einer Turboverdichterstufe (2, 22, 42) eine Maximalauswahl (14, 34, 54) vorgeschaltet ist, in die aus dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) wechselseitig ausgetauschte Korrekturgrößen über Steuerleitungen (13, 33, 53) übertragen werden und
    daß der Pumpgrenzregler (15, 35, 55) über Steuerleitungen (16, 36, 56) auf die Pumpgrenzregelventile (5, 25, 45) wirkt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jedem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) des Pumpgrenzreglers (15, 35, 55) jeweils ein Verzögerungsglied erster Ordnung (61) und ein addierender Begrenzer (63) nachgeschaltet wird,
    daß der Begrenzer (63) die Reglerdifferenzeingänge vorzeichengerecht addiert und auf einstellbare Grenzwerte begrenzt und
    daß der Addierer (64) die ermittelte Reglerdifferenz (Extremwertauswahl) an den Pumpgrenzregler (15, 35, 55) weitergibt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Korrekturgröße vor dem Begrenzer (63) eine Konstante (62) aufgeprägt wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) und dem Begrenzer (74) jeweils ein Funktionsgeber (75) zwischengeschaltet ist bzw.
    daß der Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12, 32, 52) über die Steuerleitung (60) direkt mit dem Pumpgrenzregler (15, 35, 55) verbunden ist,
    daß ein weiterer Soll-Ist-Wert-Vergleicher (72) mit dem Begrenzer (74) gekoppelt ist, der seine Daten an einen Prozeßgrößenregler (78) weiterleitet und
    daß der Pumpgrenzregler (15) über eine Signalleitung (60) zusätzlich mit dem Funktionsgeber (75) gekoppelt ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Regler (15 oder 78) ein Gradientenbegrenzer (80) nachgeschaltet ist, wobei die Daten des Reglers (15 oder 78) auf einen Eingangsverstärker (81) übertragen werden,
    daß der Eingangsverstärker (81) mit einem Begrenzer (82) und dieser mit einem Integrator (83) verbunden ist und
    daß dem Eingangsverstärker (81) die Ausgangsdaten (84) über eine Steuerleitung (85) rückübertragen werden.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an der Druckleitung (43) ein Druckmeßumformer (20) angeordnet ist, der Daten über eine Signalleitung (88) auf einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12) überträgt,
    daß ein Prozeßgrößenregler (78) die Soll-Ist-Wertvergleiche (Regelgrößen) über eine Steuerleitung (87) an den Stellantrieb (18) zur Verstellung der Leitschaufeln (19) in den Turboverdichterstufen (2, 22, 42) überträgt und
    daß dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (20) Prozeßgrößen Soll-Werte (89) vom Leitsystem übertragen werden.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an der Druckleitung (3) nach der Rückschlagklappe (17) ein Druckmeßumformer (20) angeordnet ist, der über eine Steuerleitung (71) Daten an einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher (72) überträgt und diese über eine Signalleitung (73) auf einen Prozeßgrößenregler (78) weiterleitet,
    daß eine Maximalauswahl (14) Daten aus dem Soll-Ist-Wert-Vergleicher (12) auf einen Funktionsgeber (75) bzw. einen Pumpgrenzregler (15) überträgt,
    daß die Maximalauswahl (14) weitere Daten über die Steuerleitung (33) und (35) empfängt,
    daß der Pumpgrenzregler (15) über eine Steuerleitung (16) mit dem Pumpgrenzregelventil (5) verbunden ist,
    daß die Daten über eine Steuerleitung (76) dem Prozeßgrößenregler (78) übertragen werden und
    daß der Prozeßgrößenregler (78) seine Daten über eine Signalleitung (87) auf den Stellantrieb (18) der Leitschaufeln (19) in den Turboverdichterstufen (2, 12, 42) überträgt.
  17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Funktionsgeber (75) Daten aus der Maximalauswahl (14) über eine Steuerleitung (76) auf einen Begrenzer (74) überträgt, der dem Prozeßgrößenregler (78) vorgeschaltet ist.
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