EP1069314A1 - Control of a compressor unit - Google Patents
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- EP1069314A1 EP1069314A1 EP99810642A EP99810642A EP1069314A1 EP 1069314 A1 EP1069314 A1 EP 1069314A1 EP 99810642 A EP99810642 A EP 99810642A EP 99810642 A EP99810642 A EP 99810642A EP 1069314 A1 EP1069314 A1 EP 1069314A1
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- European Patent Office
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- compressor
- valve
- setpoint
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
- F04D27/0284—Conjoint control of two or more different functions
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Regelungstechnik. Sie bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Kompressoreinheit gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.The invention relates to the field of control engineering. It relates relates to a method and a device for regulating a compressor unit according to the preamble of claims 1 and 7.
Ein Turbokompressor ist im Normalbetrieb inhärent stabil: aufgrund von Ein- und Austrittsdruck sowie von Parametern des Kompressors stellt sich ein Massendurchfluss eines Arbeitsfluids durch den Kompressor ein. Dieser Durchfluss, der als Volumen- oder Massenstrom betrachtet werden kann, nimmt mit zunehmender Druckdifferenz ab, so dass sich die Drücke und der Durchfluss auf einen Gleichgewichtszustand hin bewegen. Bei sinkendender Druckdifferenz wird ein stabiler Arbeitsbereich durch eine sogenannte Pumpgrenze begrenzt: Bei zunehmendem Austrittsdruck sinkt der Massenstrom bis zu einem bestimmten Minimum. Nach Überschreiten der Pumpgrenze fliesst der Massenstrom rückwärts durch den Kompressor. Dadurch sinkt der Austrittsdruck, bis der Massenstrom wieder vorwärts fliesst. Dieser Zyklus, Pumpen genannt, wiederholt sich und kann den Kompressor mechanisch beschädigen oder zerstören. Deshalb ist eine Aufgabe eines Kompressorreglers, nebst einer Regelung eines Austrittsdrucks oder eines Durchflusses, das Pumpen zu vermeiden. Dazu wird, wie im US-Patent 4,807,150 beschrieben, meist ein Abblas- oder Rückführventil geöffnet, welches einen Teil des komprimierten Arbeitsfluids entweichen lässt, respektive wieder dem Eintritt des Kompressors zuführt. Gleichzeitig mit der Ventilöffnung kann auch die Drehzahl des Kompressors variiert werden, wie im US-Patent 5,306,116 offenbart wird. Der zusätzliche Massenstrom durch das Rückführventil verhindert, dass der Massenstrom durch den Kompressor die Pumpgrenze unterschreitet. Meist werden Kompressor und Rückführventil durch eigene Regelkreise geregelt.A turbo compressor is inherently stable in normal operation: due to and outlet pressure and parameters of the compressor Mass flow of a working fluid through the compressor. This Flow, which can be considered as a volume or mass flow, decreases with increasing pressure difference, so that the pressures and the Move flow to an equilibrium state. When sinking Pressure difference becomes a stable work area through a so-called Pumping limit limited: The mass flow decreases with increasing outlet pressure to a certain minimum. After exceeding the surge limit the mass flow flows backwards through the compressor. Thereby the outlet pressure drops until the mass flow flows forward again. This Cycle, called pumping, repeats itself and can mechanically compress the compressor damage or destroy. So it's a job of a compressor controller in addition to a regulation of an outlet pressure or Flow to avoid pumping. This is done, as in the US patent 4,807,150, usually a blow-off or return valve is open, which allows part of the compressed working fluid to escape, respectively feeds the compressor again. Simultaneously with the Valve opening can also vary the speed of the compressor, such as in U.S. Patent 5,306,116. The additional mass flow through the recirculation valve prevents the mass flow through the compressor falls below the surge limit. Usually compressor and recirculation valve regulated by separate control loops.
Aus Sicherheitsgründen wird das Rückführventil bereits vor Überschreiten der Pumpgrenze geöffnet. Eine entsprechende Sicherheitsgrenze sollte möglichst weit von der Pumpgrenze entfernt liegen. Zur Optimierung des Wirkungsgrades wird die Sicherheitsgrenze hingegen möglichst nahe an die Pumpgrenze gelegt. Dies bedingt Sicherheitsvorkehrungen, welche die Komplexität der Regelkreise erhöhen.For safety reasons, the return valve is opened before it is exceeded the surge limit opened. A corresponding safety limit should be possible are far from the surge line. To optimize efficiency However, the security limit is as close as possible to the Pumping limit set. This requires security precautions which add complexity of the control loops increase.
Eine Kombination eines Kompressors mit einem Rückführventil wird im Folgenden Kompressoreinheit genannt. Eine Kompressoreinheit, welche eine Gasturbine mit gasförmigem Brennstoff versorgt, muss hohen Anforderungen an eine Druckregelung genügen. Beispielsweise muss bei abrupten Laständerungen der Gasturbine und bei einer damit einhergehenden Änderung eines Gasverbrauchs ein Austrittsdruck des Kompressors gehalten werden, ohne dass eine Flamme der Gasturbine erlöscht, und ohne dass Leitungen durch übermässige Drücke beschädigt werden. Im Normalbetrieb dürfen keine Oszillationen in der Gasförderung auftreten. Je nach Reglerkonzept der Gasturbine ist es auch möglich, dass eine Kompressoreinheit einen vorgegebenen Massenstrom liefern muss. Bei hydraulischen Systemen ist dagegen eine Regelung auf einen vorgegebenen Volumenstrom von Interesse. A combination of a compressor with a recirculation valve is as follows Called compressor unit. A compressor unit, which one Gas turbine supplied with gaseous fuel has high demands pressure control are sufficient. For example, in the event of abrupt changes in load the gas turbine and in the event of an associated change an outlet pressure of the compressor of a gas consumption, without a flame from the gas turbine extinguishing and without lines damaged by excessive pressures. In normal operation none Oscillations occur in gas production. Depending on the controller concept Gas turbine, it is also possible for a compressor unit to have a predetermined one Mass flow must deliver. This is opposed to hydraulic systems regulation to a given volume flow of interest.
Axial- oder Radialkompressoren werden zur Variation der Durchflussmenge mit verstellbaren Vorleitreihen ausgerüstet. Eine andere Art der Variation der Durchflussmenge verwendet einen drehzahlvariablen Antrieb des Kompressors. In beiden Fällen ist der Massenstrom, bei konstanten Ein- und Austrittsverhältnissen, von einem Vorleitreihenwinkel respektive von einer Drehzahl abhängig. Ein entsprechender Regler für eine Kompressoreinheit steuert mindestens zwei Stellgrössen an, zum Beispiel Vorleitreihenwinkel und Rückführventil. Die bestehenden Reglerstrukturen sind komplex, und weisen entkoppelte Regler für die beiden Stellgrössen auf, was einen systematischen Reglerentwurf meist verunmöglicht. Durch Umschaltungen zwischen verschiedenen Betriebszuständen wird die Dynamik des Reglers und somit des Kompressors unüberschaubar und damit noch schwerer zu entwerfen und in Betrieb zu nehmen.Axial or radial compressors are used to vary the flow rate equipped with adjustable guide lines. Another way of varying the Flow rate uses a variable speed drive of the compressor. In both cases, the mass flow, with constant entry and exit conditions, from a leading row angle or from one Speed dependent. A corresponding controller for a compressor unit controls at least two manipulated variables, for example a guide row angle and return valve. The existing controller structures are complex, and have decoupled controllers for the two manipulated variables, which is a systematic Controller design mostly impossible. By switching between The dynamics of the controller and different operating states thus the compressor is unmanageable and therefore even more difficult to design and put into operation.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Austrittsdrucks einer Kompressoreinheit zu schaffen, welche eine einfache Struktur aufweist und einen systematischen Reglerentwurf ermöglicht.It is therefore an object of the invention, a method and an apparatus to regulate the outlet pressure of a compressor unit, which has a simple structure and a systematic controller design enables.
Diese Aufgabe lösen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Austrittsdrucks einer Kompressoreinheit mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7.This object is achieved by a method and a device for regulating the Outlet pressure of a compressor unit with the features of the claims 1 and 7.
Im erfindungsgemässen Regler für eine Kompressoreinheit, die einen Kompressor und ein Rückführventil aufweist, wird eine Kenngrösse für einen zu liefernden Gesamtdurchfluss bestimmt, und anhand dieser Kenngrösse mittels statischer Funktionen ein erster Sollwert für eine Vorleitreihe oder ein Eintrittsventil oder eine Drehzahl des Kompressors und ein zweiter Sollwert für ein Rückführventil erzeugt.In the controller according to the invention for a compressor unit, which is a compressor and has a return valve, a parameter for one delivering total flow is determined, and based on this parameter by means of static functions, a first setpoint for a preliminary series or a Inlet valve or a speed of the compressor and a second setpoint generated for a return valve.
Der zu liefernde Gesamtdurchfluss ist vorzugsweise ein Massenstrom, kann aber auch ein Volumenstrom sein.The total flow to be supplied is preferably a mass flow but also be a volume flow.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird der Gesamtdurchfluss in einem normalen Betriebsbereich durch Variation des ersten Sollwerts eingestellt, und beim Verlassen des normalen Betriebsbereichs durch Variation des zweiten Sollwerts eingestellt. Vorteilhafterweise ändert sich dabei der Gesamtdurchfluss beim Übergang zwischen diesen Betriebsbereichen stetig.In a preferred embodiment of the subject matter of the invention Total flow in a normal operating range by varying the first setpoint, and when leaving the normal operating range by varying the second setpoint. Advantageously the total flow rate changes during the transition between these operating areas steadily.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind die statischen Funktionen zur Bestimmung der ersten und zweiten Sollwerte linear.In a further preferred embodiment of the subject matter of the invention are the static functions for determining the first and second Setpoints linear.
Vorteilhafterweise werden Parameter der statischen Funktionen an einen Betriebszustand des Kompressors angepasst.Parameters of the static functions are advantageously related to an operating state of the compressor adjusted.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass die Reglerdynamik sehr einfach ist, und dass dadurch eine schnelle Regelung möglich wird. Durch die einfache Reglerdynamik wird auch die Gesamtdynamik der Kompressoreinheit nicht weiter kompliziert, und die Regelung bleibt einfach zu entwerfen, in Betrieb zu nehmen und zu warten.A major advantage of the invention is that the controller dynamics are very simple and that this enables quick regulation. Through the simple controller dynamics also becomes the overall dynamics of the compressor unit no more complicated, and the scheme remains simple to design, commission and maintain.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Further preferred embodiments result from the dependent patent claims forth.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung einer Kompressoreinheit;
- Figur 2
- ein Kennfeld eines Kompressors;
- Figur 3
- eines Struktur eines erfindungsgemässen Reglers; und
- Figur 4
- Zusammenhänge zwischen verschiedenen Grössen des erfindungsgemässen Reglers.
- Figure 1
- a schematic representation of a compressor unit;
- Figure 2
- a map of a compressor;
- Figure 3
- a structure of a controller according to the invention; and
- Figure 4
- Relationships between different sizes of the controller according to the invention.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference symbols used in the drawings and their meaning are summarized in the list of reference symbols. Basically the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.
Die Figur 1 zeigt eine Kompressoreinheit 10, auf die sich eine erfindungsgemässe Regelung bezieht. Ein Arbeitsfluid, beispielsweise Luft, ein Gas oder ein Hydrauliköl, gelangt von einem Erzeuger oder einem Speicher in einen Mischer 11, in dem das Arbeitsfluid einen Eintrittsdruck p1 und eine Eintrittstemperatur T1 aufweist. Vom Mischer gelangt das Arbeitsfluid durch einen Einlass 12 in einen Kompressor 13. Der Kompressor 13 weist einen Signaleingang für einen ersten Sollwert u1 auf. Mit diesem Sollwert wird, beispielsweise über einen unterlagerten Regelkreis, ein Kennfeldparameter des Kompressors 13 verstellt, beispielsweise ein Vorleitreihenwinkel oder eine Position eines Eingangsventils oder eine Drehzahl des Kompressors. An einem Austritt 14 des Kompressors 13 fliesst ein Kompressordurchfluss wC in eine Abzweigung 15, in der das Arbeitsfluid einen Austrittsdruck p2 aufweist. Aus der Abzweigung 15 fliesst ein Gesamtdurchfluss wT an einen Verbraucher weiter, und ein Rückfluss wR durch eine Rückflussleitung 16 und ein regelbares Rückführventil 17 zurück in den Mischer 11. Das Rückführventil 17 weist einen Signaleingang für einen zweiten Sollwert u2 auf. Mit diesem zweiten Sollwert wird, beispielsweise über einen unterlagerten Regelkreis, ein Ventilhub des Rückführventils 17 verstellt.FIG. 1 shows a compressor unit 10 to which a regulation according to the invention relates. A working fluid, for example air, a gas or a hydraulic oil, reaches a mixer 11 from a generator or a store, in which the working fluid has an inlet pressure p 1 and an inlet temperature T 1 . The working fluid passes from the mixer through an inlet 12 into a compressor 13. The compressor 13 has a signal input for a first target value u 1 . With this setpoint, a map parameter of the compressor 13 is adjusted, for example via a subordinate control loop, for example a leading row angle or a position of an input valve or a speed of the compressor. At an outlet 14 of the compressor 13, a compressor flow w C flows into a branch 15, in which the working fluid has an outlet pressure p 2 . A total flow w T flows from the branch 15 to a consumer, and a return flow w R through a return flow line 16 and a controllable return valve 17 back into the mixer 11. The return valve 17 has a signal input for a second setpoint u 2 . With this second setpoint, a valve lift of the return valve 17 is adjusted, for example via a subordinate control loop.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung gelangt das Arbeitsfluid durch das Rückführventil 17 nicht an den Kompressoreintritt sondern wird in die Umgebung abgeblasen. In diesem Fall wird das Rückführventil 17 als Abblasventil bezeichnet. Die erfindungsgemässe Regelung wird im folgenden anhand eines Rückführventils 17 vorgestellt, ist aber für beide Einsatzarten von Ventilen anwendbar.In another embodiment of the invention, the working fluid arrives through the return valve 17 not to the compressor inlet but is in blown off the environment. In this case, the return valve 17 is used as a blow-off valve designated. The regulation according to the invention is as follows presented using a feedback valve 17, but is for both types of use of valves applicable.
Die Figur 2 zeigt schematisch ein typisches Kennfeld des Kompressors 13. Entlang einer Ordinate ist ein Druckverhältnis p2/p1 zwischen Aus- und Eintrittsdruck aufgetragen. Entlang einer Abszisse ist der Kompressordurchfluss wc aufgetragen, der für die folgenden Erklärungen als Massenstrom (beispielsweise in kg/sekunde) betrachtet wird. Dieser Kompressordurchfluss wc ist üblicherweise mit der Eintrittstemperatur T1 skaliert und auf einen gegebenen Betriebszustand T0, p0 normiert, so dass die gleiche graphische Darstellung des Kennfelds für unterschiedliche Eintrittstemperaturen T1 verwendet werden kann.FIG. 2 schematically shows a typical map of the compressor 13. A pressure ratio p 2 / p 1 between the outlet and inlet pressure is plotted along an ordinate. The compressor flow wc is plotted along an abscissa, which is considered to be a mass flow (for example in kg / second) for the following explanations. Wc this compressor flow is usually scaled by the inlet temperature T 1 and at a given operating condition T 0, p 0 normalized so that the same graph of the characteristic map for various inlet temperatures T can be used. 1
In anderen Kennfelddarstellungen ist entlang der Ordinate beispielsweise ein Austrittsdruck p2 bei konstantem Eintrittsdruck, oder eine Enthalpiedifferenz des Arbeitsfluids zwischen Einlass 12 und Austritt 14 aufgetragen. Ebenso kann entlang der horizontalen Achse anstelle des Massenstroms ein Volumenstrom (beispielsweise in m3/sekunde) aufgetragen sein. In solchen anderen Kennfelddarstellungen ist das Kennfeld nur anders skaliert, ohne dass sich das Prinzip der im folgenden erklärten Regelung ändert. In other characteristic diagram representations, along the ordinate, for example, an outlet pressure p 2 with a constant inlet pressure, or an enthalpy difference of the working fluid between inlet 12 and outlet 14 is plotted. Likewise, a volume flow (for example in m 3 / second) can be plotted along the horizontal axis instead of the mass flow. In such other map representations, the map is only scaled differently without the principle of the regulation explained below changing.
Mit u1,1 bis u1,3 bezeichnete Kennlinien geben das Verhalten des Kompressors für verschiedene Werte des durch u1 bestimmten Kennfeldparameters wieder. Beispielsweise stellt sich für einen bestimmten Wert von u1 und für ein gegebenes Druckverhältnis p2/p1 ein Wert des Kompressordurchflusses wC ein, der auf der u1 entsprechenden Linie liegt. Dabei ist ersichtlich, dass bei einer Zunahme des Druckverhältnisses p2/p1, beispielsweise durch Zunahme des Austrittsdrucks p2, der Kompressordurchfluss wc abnimmt. Unterschreitet der Kompressordurchfluss wc die Pumpgrenze, das heisst die mit PG bezeichneten Linie, so tritt das eingangs beschriebene Pumpen auf. Die Pumpgrenze PG wird experimentell, beispielsweise bei einer Inbetriebnahme und/oder theoretisch ermittelt. Aus Sicherheitsgründen wird eine Sicherheitsgrenze SG eingeführt. Eine Regelung soll bereits eingreifen, wenn der Kompressordurchfluss wc die Sicherheitsgrenze SG unterschreitet, so dass die Pumpgrenze PG garantiert nie unterschritten wird.Characteristic curves denoted by u 1.1 to u 1.3 represent the behavior of the compressor for different values of the characteristic map parameter determined by u 1 . For example, for a specific value of u 1 and for a given pressure ratio p 2 / p 1, a value of the compressor flow rate w C is obtained which lies on the line corresponding to u 1 . It can be seen that with an increase in the pressure ratio p 2 / p 1 , for example due to an increase in the outlet pressure p 2 , the compressor flow wc decreases. If the compressor flow wc falls below the surge limit, that is, the line labeled PG, the pumping described at the beginning occurs. The surge limit PG is determined experimentally, for example during commissioning and / or theoretically. A security limit SG is introduced for security reasons. A regulation should intervene when the compressor flow wc falls below the safety limit SG, so that the pump limit PG is guaranteed never to be fallen below.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Regelung. Darin ist die bereits beschriebene Kompressoreinheit 10 mit ihren Ein- und Ausgangsgrössen enthalten. Ein Wert einer Messung des Austrittsdrucks p2 der Kompressoreinheit 10 führt, mit negativem Vorzeichen, zusammen mit einem Austrittsdrucksollwert p2S auf einen ersten Summationsknoten 21. Eine im ersten Summationsknoten 21 gebildete Differenz oder Regeldifferenz führt auf einen vorzugsweise dynamischen Regler 22, der beispielsweise ein PI-(Proportional-lntegral) Regler, ein PID-(Proportional-Integral-Differential) oder ein nichtlinearer Regler ist. Ein Ausgang des Reglers 22 weist einen Wert z auf und führt auf den Eingang eines statischen Sollwertbildners 23. Zwei Ausgänge dieses statischen Sollwertbildners 23, mit den Werten u1 und u2, führen zur Kompressoreinheit 10. Messwerte der Betriebsbedingungen der Kompressoreinheit, das heisst Eintrittsdruck p1, Eintrittstemperatur T1 und Austrittsdruck p2 führen auf Kompressorcharakteristiken 24 und 25. Aus einer ersten Kompressorcharakteristik 24 führt ein erster Statikparameter v auf eine Korrektureinheit 26. Aus einer zweiten Kompressorcharakteristik 25 führt ein modellierter Kompressordurchfluss wcM auf einen zweiten Summationsknoten 27. Ein gemessener Kompressordurchfluss wcM führt, mit negativen Vorzeichen, auf denselben zweiten Summationsknoten 27, und die Differenz dieser Kompressordurchflüsse führt auf die Korrektureinheit 26. Aus der Korrektureinheit 26 führt ein modifizierter erster Statikparameter v* auf den statischen Sollwertbildner 23.FIG. 3 shows a block diagram of a control system according to the invention. This includes the compressor unit 10 already described with its input and output sizes. A value of a measurement of the outlet pressure p 2 of the compressor unit 10 leads, with a negative sign, together with an outlet pressure setpoint p 2S to a first summation node 21. A difference or control difference formed in the first summation node 21 leads to a preferably dynamic controller 22 which, for example, is a PI - (Proportional-integral) controller, a PID (proportional-integral-differential) or a non-linear controller. An output of the controller 22 has a value z and leads to the input of a static setpoint generator 23. Two outputs of this static setpoint generator 23, with the values u 1 and u 2 , lead to the compressor unit 10. Measured values of the operating conditions of the compressor unit, that is to say inlet pressure p 1 , inlet temperature T 1 and outlet pressure p 2 lead to compressor characteristics 24 and 25. From a first compressor characteristic 24, a first static parameter v leads to a correction unit 26. From a second compressor characteristic 25, a modeled compressor flow wcM leads to a second summation node 27. A measured Compressor flow wcM leads, with a negative sign, to the same second summation node 27, and the difference between these compressor flows leads to correction unit 26. A modified first static parameter v * leads from correction unit 26 to static setpoint generator 23.
Das erfindungsgemässe Verfahren funktioniert wie folgt: Der erste Summationsknoten
21 bildet eine Regelabweichung p2S-p2. Der dynamische Regler
22 berechnet daraus die Kenngrösse z. Falls der dynamische Regler 22 ein
PI-Regler ist, berechnet sich z gemäss
Dabei ist v* ein modifizierter erster Statikparameter und k ein zweiter Statikparameter. Der Wert von v* ist in Abhängigkeit von den Messwerten p1, T1, p2 der Kompressoreinheit 10 derart gewählt, dass der Betriebszustand des Kompressors für u1 = v* und u2=0 auf der Sicherheitsgrenze SG liegt. Diesem Betriebszustand entspricht ein Wert von z=0, wie aus den obigen Gleichungen für u1 und u2 ersichtlich ist. Es könnte diesem Betriebszustand auch ein beliebiger anderer Wert von z zugeordnet werden, wodurch aber nur die Gleichungen komplizierter werden würden, ohne dass sich ihre Funktionalität ändert. Figur 4 zeigt beispielhaft die oben beschriebenen Zusammenhänge zwischen der Kenngrösse z, den Sollwerten u1 und u2 sowie dem Gesamtdurchfluss wT.Here v * is a modified first static parameter and k is a second static parameter. The value of v * is selected as a function of the measured values p1, T1, p2 of the compressor unit 10 such that the operating state of the compressor for u1 = v * and u 2 = 0 is on the safety limit SG. A value of z = 0 corresponds to this operating state, as can be seen from the above equations for u 1 and u 2 . Any other value of z could also be assigned to this operating state, but this would only complicate the equations without changing their functionality. FIG. 4 shows, by way of example, the relationships described above between the characteristic variable z, the target values u 1 and u 2 and the total flow w T.
Die im statischen Sollwertbildner 23 gebildeten Sollwerte u1 und u2 werden der Kompressoreinheit 10 übermittelt. Mit dem ersten Sollwert u1 wird in der Kompressoreinheit 10, beispielsweise über einen unterlagerten Regelkreis, ein Kennfeldparameter des Kompressors 13 verstellt, insbesondere ein Vorleitreihenwinkel oder eine Position eines Eingangsventils oder eine Drehzahl des Kompressors. Dabei verschiebt sich eine Kennlinie des Kompressors 13 in Figur 2 für zunehmende Werte von u1 von der mit u1,1 über die mit u1,2 zu der mit u1,3 gekennzeichneten Kennlinie. Diese Zunahme von u1 entspricht einer Öffnung der Vorleitreihe oder einer Öffnung des Eingangsventils oder einer Zunahme der Drehzahl des Kompressors 13. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen nur die Regelung mit verstellbaren Vorleitreihen beschrieben. Die Überlegungen und die Regelung sind aber ohne weiteres auch auf ein verstellbares Eingangsventil oder einen drehzahlvariablen Kompressor 13 anwendbar.The setpoints u 1 and u 2 formed in the static setpoint generator 23 are transmitted to the compressor unit 10. With the first setpoint u 1 , a map parameter of the compressor 13 is adjusted in the compressor unit 10, for example via a subordinate control loop, in particular a leading row angle or a position of an input valve or a speed of the compressor. A characteristic curve of the compressor 13 in FIG. 2 shifts for increasing values of u 1 from that with u 1.1 to that with u 1.2 to the characteristic marked with u 1.3 . This increase in u1 corresponds to an opening of the feed line or an opening of the inlet valve or an increase in the speed of the compressor 13. For the sake of simplicity, only the regulation with adjustable feed lines is described below. However, the considerations and the control are also readily applicable to an adjustable input valve or a variable-speed compressor 13.
Mit dem zweiten Sollwert u2 wird in der Kompressoreinheit 10, beispielsweise über einen unterlagerten Regelkreis, der Ventilhub des Rückführventils 17 verstellt. Dabei entspricht eine Zunahme von u2 einer Öffnung des Rückführventils 17 und eine Erhöhung des Rückflusses WR. Für u2=0 ist das Rückführventil 17 geschlossen.With the second setpoint u 2 , the valve stroke of the recirculation valve 17 is adjusted in the compressor unit 10, for example via a subordinate control loop. An increase in u 2 corresponds to an opening of the return valve 17 and an increase in the return flow W R. The return valve 17 is closed for u 2 = 0.
Entsprechend den Werten von u1 und u2 sowie einer Charakteristik des Verbrauchers stellen sich ein Gesamtdurchfluss wT und ein Austrittsdruck p2 ein. Ist dieser Austrittsdruck p2 beispielsweise höher als der Austrittsdrucksollwert p2S, so wird die Regeldifferenz negativ und der dynamische Regler 22 führt zu einer Abnahme der Kenngrösse z. Die daraus folgende Veränderung der Sollwerte u1 und u2 wird anhand von Figur 2 erklärt: Der Kompressor befinde sich in einem mit S1 bezeichneten Zustand in einem normalen Betriebsbereich des Kompressors, das heisst, der Kompressordurchfluss wc ist grösser als bei einem Punkt auf der Sicherheitsgrenze SG mit gleichem Druckverhältnis. Somit ist u2=0 und das Rückführventil 17 geschlossen, der Gesamtdurchfluss wT ist gleich dem Kompressordurchfluss wc und wird durch den ersten Sollwert u1 und Verstellung der Vorleitreihe geregelt. Die Abnahme von z führt über u1 zu einer Schliessung der Vorleitreihe und zu einer Verringerung des Gesamtdurchflusses wT. Für kleine Änderungen werden die Druckverhältnisse als konstant betrachtet, so dass sich der Zustand des Kompressors 13 entlang einer Linie L in Richtung der Sicherheitsgrenze SG verschiebt und der Gesamtdurchfluss wT abnimmt. Erreicht der Zustand einen mit S2 bezeichneten Punkt auf der Sicherheitsgrenze SG, so entspricht dies wegen der oben beschriebenen Wahl von v* und weil u1=z+v* ist, einem Wert von z=0. Wird z weiter verkleinert, bleibt u1 = v* und somit der Zustand des Kompressors im Punkt S2 auf der Sicherheitsgrenze. Es wird hingegen das Rückführventil 17 gemäss u2=-k·z geöffnet, so dass der Gesamtdurchfluss wT nun gemäss der Differenz von Kompressordurchfluss wc und Rückfluss wR weiter abnimmt. Der Wert von k ist derart gewählt, dass ein Gradient des Gesamtdurchflusses wT in Abhängigkeit von z beim Übergang zur Öffnung des Rückführventils 17 mindestens annähernd konstant bleibt, das heisst, es ist In accordance with the values of u 1 and u 2 and a characteristic of the consumer, a total flow w T and an outlet pressure p 2 are established . If this outlet pressure p 2 is, for example, higher than the outlet pressure setpoint p 2S , the control difference becomes negative and the dynamic controller 22 leads to a decrease in the parameter z. The resulting change in the setpoints u 1 and u 2 is explained with reference to FIG. 2: The compressor is in a state labeled S1 in a normal operating range of the compressor, that is to say the compressor flow rate wc is greater than at a point on the safety limit SG with the same pressure ratio. Thus u 2 = 0 and the recirculation valve 17 are closed, the total flow w T is equal to the compressor flow w c and is regulated by the first setpoint u 1 and adjustment of the preliminary line. The decrease in z leads via u 1 to a closure of the pilot line and to a reduction in the total flow w T. For small changes, the pressure conditions are considered constant, so that the state of the compressor 13 shifts along a line L in the direction of the safety limit SG and the total flow w T decreases. If the state reaches a point designated S2 on the safety limit SG, this corresponds to a value of z = 0 because of the choice of v * described above and because u 1 = z + v *. If z is reduced further, u 1 = v * and thus the state of the compressor at point S2 remains at the safety limit. The return valve 17, on the other hand, is opened according to u 2 = -kz, so that the total flow w T now decreases further according to the difference between the compressor flow wc and the return flow w R. The value of k is chosen such that a gradient of the total flow w T as a function of z remains at least approximately constant at the transition to the opening of the return valve 17, that is to say it is
In Figur 4 deuten die gestrichelten Linien den Verlauf des Gesamtdurchflusses wT an, wenn k nicht wie oben beschrieben gewählt wird. In einer weiteren Variante der Erfindung wird k mittels einer Kompressorcharakteristik an den Betriebszustand des Kompressors angepasst.In Figure 4, the dashed lines indicate the course of the total flow w T if k is not selected as described above. In a further variant of the invention, k is adapted to the operating state of the compressor by means of a compressor characteristic.
Der erfindungsgemässe Regler hat den Vorteil, dass die wesentliche Reglerdynamik durch den dynamischen Regler 22 bestimmt werden kann, und dass dieser Regler auf nur eine Kenngrösse z wirkt. Damit entfallen bei dynamischen Mehrgrössenreglern auftretende Probleme der Koordination dynamischer Vorgänge beim Entwurf und im Betrieb. Dies wird möglich durch die erfindungsgemässe Betrachtung und Regelung der Kompressoreinheit als Ganzes und durch die statische Bestimmung der Sollwerte u1 und u2 aus der einzelnen Kenngrösse z.The controller according to the invention has the advantage that the essential controller dynamics can be determined by the dynamic controller 22 and that this controller acts on only one parameter z. This eliminates the problems of coordinating dynamic processes during design and operation with dynamic multivariable controllers. This is made possible by the inventive consideration and regulation of the compressor unit as a whole and by the static determination of the setpoints u 1 and u 2 from the individual parameter z.
Im Folgenden wird beschrieben, wie der zustandsabhängige erste Statikparameter
v und der modifizierte erste Statikparameter v* bestimmt werden:
Die erste Kompressorcharakteristik 24 bestimmt den ersten Statikparameter
v aus den Messwerten der Kompressoreinheit 10, also aus Eintrittsdruck p1,
Eintrittstemperatur T1 und Austrittsdruck p2, sowie aus dem bekannten Wert
des ersten Sollwertes u1. Dazu wird beispielsweise von einer Beschreibung
der Kompressorkennlinien durch eine Gleichung der Form
Der Wert von u1, für den dieser Ausdruck Null wird, ist gleich dem gesuchten Wert des ersten Statikparameters v.The value of u 1 , for which this expression becomes zero, is equal to the value sought for the first static parameter v.
Die obigen Gleichungen zur Beschreibung der Kompressorkennlinien und des Pumpfehlers sind implizite in den Kompressorcharakteristiken 24, 25 enthalten und entsprechen einem statischen Modell des Kompressorverhaltens. Die Gleichungen werden durch Messungen und/oder theoretische Analysen bestimmt. Vorteilhafterweise werden sie skaliert, normiert und in Tabellenform gespeichert. Die Bestimmung von u1 respektive v geschieht beispielsweise durch numerische Auflösung der Gleichung für den Pumpfehler sE, oder indem Lösungen der Gleichung in voraus berechnet und tabelliert werden.The above equations for describing the compressor characteristics and the pump error are implicit in the compressor characteristics 24, 25 and correspond to a static model of the compressor behavior. The equations are determined by measurements and / or theoretical analyzes. They are advantageously scaled, standardized and stored in tabular form. U 1 and v are determined, for example, by numerically solving the equation for the pump error s E , or by calculating and tabulating solutions of the equation in advance.
Ein realer Kompressor 13 wird in seinem Verhalten von den modellierten,
erwarteten Kompressorcharakteristiken abweichen. Um diese Abweichung
der Kompressorcharakteristiken 24,25 von einem realen Kompressorverhalten
auszugleichen, wird der erste Statikparameter v aufgrund einer Messung
korrigiert, so dass der Übergang zwischen der Regelung durch die Vorleitreihe
und der Regelung durch das Rückführventil 17 auf der Sicherheitsgrenze
SG bleibt, und sich insbesondere nicht in Richtung der Pumpgrenze verschiebt.
Als Messung wird beispielsweise der Kompressordurchfluss wC gewählt.
In einer zweiten Kompressorcharakteristik 25 wird der modellierte
Kompressordurchfluss wCM gemäss der oben bereits gezeigten Gleichung
bestimmt. Von diesem modellierten Kompressordurchfluss wCM wird im
Summationsblock 21 der gemessene Kompressordurchfluss wC abgezogen.
Anhand der Differenz wCM-wC wird in der Korrektureinheit 26 der modifizierte
erste Statikparameter v* beispielsweise als
Falls die Messung des Kompressordurchflusses wc ausfällt, wird vorteilhafterweise ein Warnsignal ausgegeben und die Regelung mit einem zuletzt gemessenen Wert von wC fortgeführt. Da sich eine relevante Abweichung des realen vom modellierten Kompressorverhalten im Verlauf von Tagen bis Wochen entwickelt, ist dies nicht kritisch.If the measurement of the compressor flow wc fails, a warning signal is advantageously output and the control is continued with a last measured value of w C. Since a relevant deviation of the real from the modeled compressor behavior develops over the course of days to weeks, this is not critical.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Reglers wird anstelle des Austrittsdrucks p2 der Gesamtdurchfluss wT vorgegeben. In diesem Fall wird die gleiche Struktur wie in Figur 3 verwendet, jedoch mit anderen Koeffizienten des dynamischen Reglers 22. Der geregelte Gesamtdurchfluss WT ist wahlweise ein Massenstrom oder ein Volumenstrom. In einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Reglers ist der dynamische Regler 22 ein kombinierter Feedforward/Feedback-Regler mit p2S und wTS als Eingängen, oder eine Reglerkaskade für p2 und wT. Ebenso sind weitere Reglervarianten möglich, die alle auf der Idee einer gemeinsamen Kenngrösse für einen Kennfeldparameter und das Rückführventil 17 basieren.In a further variant of the regulator according to the invention, the total flow w T is specified instead of the outlet pressure p 2 . In this case, the same structure as in FIG. 3 is used, but with different coefficients of the dynamic controller 22. The regulated total flow W T is either a mass flow or a volume flow. In a further variant of the controller according to the invention, the dynamic controller 22 is a combined feedforward / feedback controller with p 2S and w TS as inputs, or a controller cascade for p 2 and w T. Other controller variants are also possible, all of which are based on the idea of a common parameter for a map parameter and the feedback valve 17.
Die erfindungsgemässe Regelung wird in einer bevorzugten Variante zur Regelung eines radial wirkenden Gaskompressors zur Brennstoffversorgung einer Gasturbine eingesetzt. Die erste Sollgrösse ui gibt dabei Werte für eine verstellbare Vorleitreihe vor. Diese Regelung eines Gaskompressors wurde in Simulationen getestet, wobei der Gasbedarf der Gasturbine innert 4 Sekunden von 100% auf 10% verringert wurde. Die Regelung verhält sich mindestens ebenso gut wie herkömmliche, wesentlich kompliziertere Regelstrukturen.The regulation according to the invention becomes a regulation in a preferred variant of a radially acting gas compressor for supplying fuel to a Gas turbine used. The first setpoint ui gives values for one adjustable front row. This regulation of a gas compressor was in Simulations tested, the gas requirement of the gas turbine within 4 seconds decreased from 100% to 10%. The regulation behaves at least just as good as conventional, much more complicated control structures.
In weiteren bevorzugten Varianten der erfindungsgemässen Regelung wird sie zur Regelung von Axialkompressoren, von Turboladern, oder zur Regelung der Drehzahl von drehzahlvariablen Kompressoren über die erste Sollgrösse u1 eingesetzt. In further preferred variants of the control according to the invention, it is used to control axial compressors, turbochargers, or to control the speed of variable-speed compressors via the first setpoint u 1 .
- 1010th
- KompressoreinheitCompressor unit
- 1111
- Mischermixer
- 1212th
- Einlassinlet
- 1313
- Kompressorcompressor
- 1414
- Austrittexit
- 1515
- AbzweigungJunction
- 1616
- RückflussleitungReturn line
- 1717th
- Ventil, RückführventilValve, return valve
- 2121
- erster Summationsknotenfirst summation node
- 2222
- Dynamischer ReglerDynamic controller
- 2323
- Statischer SollwertbildnerStatic setpoint generator
- 2424th
- erste Kompressorcharakteristikfirst compressor characteristic
- 2525th
- zweite Kompressorcharakteristiksecond compressor characteristic
- 2626
- KorrektureinheitCorrection unit
- 2727
- zweiter Summationsknotensecond summation node
- kk
- zweiter Statikparametersecond static parameter
- p1 p 1
- EintrittsdruckEntry pressure
- P2 P 2
- AustrittsdruckOutlet pressure
- P2S P 2S
- AustrittsdrucksollwertOutlet pressure setpoint
- PGPG
- PumpgrenzeSurge limit
- SE S E
- PumpfehlerPump failure
- SGSG
- SicherheitsgrenzeSecurity limit
- T1 T 1
- EintrittstemperaturInlet temperature
- u1 u 1
- erster Sollwertfirst setpoint
- u2 u 2
- zweiter Sollwertsecond setpoint
- vv
- erster Statikparameterfirst static parameter
- v*v *
- modifizierter erster Statikparametermodified first static parameter
- WC W C
- KompressordurchflussCompressor flow
- WCM W CM
- modellierter Kompressordurchflussmodeled compressor flow
- wR w R
- RückflussReflux
- wT w T
- GesamtdurchflussTotal flow
- WTS W TS
- GesamtdurchflusssollwertTotal flow set point
- ze.g.
- KenngrösseParameter
Claims (12)
dass aus einer einzelnen Kenngrösse z für einen zu liefernden Gesamtdurchfluss wT mittels einer ersten statischen Funktion ein erster Sollwert u1 zur Steuerung einer Vorleitreihe oder eines Eintrittsventils oder einer Drehzahl des Kompressors (13) und mittels einer zweiten statischen Funktion ein zweiter Sollwert u2 zur Steuerung des Ventils (17) berechnet wird.Control method for a compressor unit (10) which has a compressor (13) and a valve (17), the valve (17) being a recirculation valve or a relief valve, the compressor (13) having a compressor flow rate w C , the valve (17 ) has a backflow w R , and a total flow w T is equal to a difference w C -w R , characterized in that
that from a single parameter z for a total flow w T to be delivered, a first setpoint u 1 for controlling a preliminary line or an inlet valve or a speed of the compressor (13) by means of a first static function and a second setpoint u 2 for using a second static function Control of the valve (17) is calculated.
für z>0 gemäss u1=z+v* und u2=0,
für z=0 gemäss u1=v* und u2=0, und
für z<0 gemäss u1=v* und u2=-k·z geschieht, wobei der Wert von v* ein Wert des ersten Sollwertes ist, bei dem sich ein Zustand des Kompressors (13) auf einer Sicherheitsgrenze (SG) vor einer Pumpgrenze (PG) befindet, und der Wert von k derart bestimmt wird, dass ein Gradient des Gesamtdurchflusses wT in Abhängigkeit der Kenngrösse z beim Übergang über eine Stelle z=0 mindestens annähernd konstant bleibt.Control method according to claim 1, characterized in that the calculation of the target values
for z> 0 according to u 1 = z + v * and u 2 = 0,
for z = 0 according to u 1 = v * and u 2 = 0, and
for z <0 according to u 1 = v * and u 2 = -k · z, where the value of v * is a value of the first setpoint at which the compressor (13) is at a safety limit (SG) a surge limit (PG), and the value of k is determined in such a way that a gradient of the total flow w T as a function of the characteristic variable z remains at least approximately constant when passing over a point z = 0.
dass die Vorrichtung einen statischen Sollwertbildner (22) mit einer ersten statischen Funktion zur Berechnung eines ersten Sollwerts ui zur Steuerung einer Vorleitreihe oder eines Eintrittsventils oder einer Drehzahl des Kompressors und mit einer zweiten statischen Funktion zur Berechnung eines zweiten Sollwerts u2 zur Steuerung des Ventils (17) aufweist, wobei die statischen Funktionen von einer gemeinsamen Kenngrösse z für einen zu liefernden Gesamtdurchfluss wT abhängig sind. Device for controlling a compressor unit (10), the compressor unit having a compressor (13) and a valve (17), the valve (17) being a recirculation valve or a blow-off valve, the compressor (13) having a compressor flow rate wc, the valve ( 17) has a reflux w R , and a total flow w T is equal to a difference w C -w R , characterized in that
that the device has a static setpoint generator (22) with a first static function for calculating a first setpoint ui for controlling an advance line or an inlet valve or a speed of the compressor and with a second static function for calculating a second setpoint u 2 for controlling the valve ( 17), the static functions being dependent on a common parameter z for a total flow w T to be supplied.
für z>0 gleich u1=z+v* und u2=0,
für z=0 gleich u1=v* und u2=0, und
für z<0 gleich u1=v* und u2=-k·z sind,
wobei der Wert von v* ein Wert des ersten Sollwertes ist, bei dem sich ein Zustand des Kompressors (13) auf einer Sicherheitsgrenze (SG) vor einer Pumpgrenze (PG) befindet, und der Wert von k derart ist, dass ein Gradient des Gesamtdurchflusses wT in Abhängigkeit der Kenngrösse z beim Übergang über eine Stelle z=0 mindestens annähernd konstant bleibt.Apparatus according to claim 7, characterized in that the calculation of the target values u 1 and u 2
for z> 0 equal to u 1 = z + v * and u 2 = 0,
for z = 0 equal to u 1 = v * and u 2 = 0, and
for z <0 are u 1 = v * and u 2 = -kz,
wherein the value of v * is a value of the first setpoint at which a state of the compressor (13) is at a safety limit (SG) before a surge limit (PG), and the value of k is such that a gradient of the total flow w T remains at least approximately constant as a function of the parameter z when passing over a point z = 0.
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