EP1340919A2 - Verfahren zum Regeln von mehreren Strömungsmaschinen im Parallel-oder Reihenbetrieb - Google Patents

Verfahren zum Regeln von mehreren Strömungsmaschinen im Parallel-oder Reihenbetrieb Download PDF

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EP1340919A2
EP1340919A2 EP03000483A EP03000483A EP1340919A2 EP 1340919 A2 EP1340919 A2 EP 1340919A2 EP 03000483 A EP03000483 A EP 03000483A EP 03000483 A EP03000483 A EP 03000483A EP 1340919 A2 EP1340919 A2 EP 1340919A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine
controller
process variable
compressors
control
Prior art date
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EP03000483A
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English (en)
French (fr)
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EP1340919B1 (de
EP1340919A3 (de
Inventor
Wilfried Dr. Blotenberg
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MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
MAN Turbomaschinen AG
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Publication date
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Publication of EP1340919A3 publication Critical patent/EP1340919A3/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
    • 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 for controlling several in one Flow machines interacting in parallel or Row operation to comply with at least one of the station given process variable common to all turbo machines the features of the preamble of claim 1.
  • EP-B-0 132 487 describes a method for operating several parallel turbo compressors described, each for Prevention of pumping are provided with a surge limit control.
  • the turbo compressors are shared by load distribution regulators and individually controlled by a pressure regulator.
  • the load balancing controller regulate the setting of the compressors among themselves in such a way that All compressors have the same operating point distances from the Blow-off line is present. Only one of the compressors from its pressure regulator controlled while the rest of the Load distribution control to be tracked.
  • EP-B-0 431 287 describes a method for optimized operation several compressors in parallel or series operation known. there is for any working point using algorithms always determines the combination of machine parameters in which the Total power consumption of all prime movers becomes minimal. at This process uses a higher-level master controller.
  • Master controller also called master controller
  • the Master controller has a higher-level task. He determines from the required total capacity (desired pressure or desired Flow of all compressors) the necessary control commands for the individual machine units. Especially with asymmetrical the master controller calculates different systems Control variables for the individual machine controllers.
  • Every machine unit needs a clear manipulated variable that is so related to the others It is coordinated that there are no contradictions can.
  • flow control the flow may only be one single point can be measured.
  • pressure control the Pressure can also only be measured at a single point. It may even a single setpoint for the common pressure or Give flow controller. Compliance with this rule is particularly important when used as a pressure regulator for the final pressure or the suction pressure particularly important.
  • the controller would Parallel compressors work against each other in such a way that one Controller shuts down the machine and the other starts up.
  • the Machine controllers with their downstream machines work so long against each other until one of the two machines the upper or the lower Has reached its performance limit.
  • the master controller is on elaborate component, the failure of which comes to a standstill of the entire Plant leads.
  • the invention has for its object the generic regulation to simplify, to increase the availability of the individual controllers and to avoid colliding interactions between the controllers.
  • Fig. 1 shows three compressors 1, 2, 3 in parallel operation in each case by a turbine 4, 5, 6 serving as a drive machine are driven.
  • One compressor each forms with one Driving machine a machine unit.
  • the three machine units are combined into one station, which in turn is part of a Pipeline system can be or is involved in a process.
  • Varying the turbine speed can increase the production capacity of the Compressor 1, 2. 3 can be varied.
  • the turbines also be replaced by fixed speed motors, being in this Use case adjustable guide vanes with actuators 7, 8, 9 in compressors 1, 2, 3 or throttle valves in front of the compressors (not shown) can be used.
  • the compressors 1, 2, 3 are connected by inlet lines 10, 11, 12 a suction-side busbar 13 connected, which in turn Connection to a suction process 14 or to a pipeline or has a gas storage.
  • Compressors 1, 2, 3 via outlet lines 15, 16, 17 with a pressure side Busbar 18 connected, which in turn connection to one pressure-side process 19 or to a pipeline or to a Has gas storage.
  • a station control level is superimposed over the entire station Setpoint specification 20 specifies the setpoints for the operation of the station.
  • the actual capacity of the machine usually the Final pressure or the suction pressure of the compressor system or the flow is measured with a sensor 22 and a via a signal line 23 Master controller 24 transmitted as the actual value.
  • the process variable setpoint for the entire station is setpoint 20 via a Given signal line 21 to the master controller 24, which after a given algorithm the required load of each Machine units are calculated and via the signal lines 25, 26 and 27 the respective machine controllers 28, 29, 30 the setpoint for the Speed or the position of the guide vanes or the throttle valve pretends.
  • the machine controllers 28, 29, 30 in turn now set the Speed of turbines 4, 5, 6 and the position of the throttle valves or suction throttles to this setpoint.
  • the master controller 24 has a higher-level task. He determines from the required total capacity (desired pressure or desired Flow) of all three compressors 1, 2, 3 the required Control commands for the individual machine units. In particular in the case of asymmetrically constructed systems, the master controller calculates 24 different manipulated variables for the individual machine controller 28, 29, 30.
  • Fig. 2 shows the application for three compressors 1, 2. 3 in Series operation.
  • the structure of this station largely corresponds to that of 1 shown for parallel operation station.
  • the only difference is that the first compressor 1 with the inlet line 11 and via the outlet line 15 with the second compressor 2 is connected, and this is over the Outlet line 16 and the inlet line 12 with the third Compressor 3 connected.
  • the suction-side busbar 13 is there not, process 14 is directly related to that serving as suction line Inlet line 10 connected.
  • the print page is also missing Busbar, rather the outlet of the third compressor 3 directly connected to the process 19 via the outlet line 17.
  • FIG. 3 shows a signal flow diagram for a control system for a Station with three compressors 1, 2, 3.
  • the station setpoint (Flow setpoint or pressure setpoint) is via the signal line 21 and a converter 31 is given to a target / actual comparison point 32.
  • the actual value (measured flow or pressure) reaches the Signal line 23 and a converter 33 to the same reference junction 32.
  • the Station controller 34 adjusts its output variable until the Actual value corresponds to the setpoint.
  • the output of the station controller 34 is via share 35, 36, 37 and converter 38, 39 and 40 den Signal lines 25, 26, 27 fed. These signal lines 25, 26, 27 connect the station controller 34 to the three unit controllers 41, 42, 43.
  • Each unit controller 41, 42, 43 has a converter 44, 45 and 46 for the input variable and a further input converter (not shown) for the actual machine value, typically the speed of the Drive turbine 4, 5. 6 or the position of the inlet guide vanes with vane-regulated compressors.
  • comparators 47, 48 and 49 the difference between the actual machine value and Machine setpoint and the respective unit controller 41, 42 and 43 fed.
  • the manipulated variable of the Station controller 34 divided between the individual machine units.
  • the Adjustment law can be linear or non-linear depending on the system requirements his. If necessary, it can depend on various parameters. For simplicity, a linear adjustment law should be assumed after which the turbines 4 and 6 each 30% of the total power and the Turbine 5 have to provide 40% of the total power. In the Shareholders 35 and 37 are accordingly set to a factor of 0.3 Share plate 36 is set to a factor of 0.4. Should the Station controller 34 demand 10% more power and its output therefore increase by 10%, the machine setpoint increases Turbine 4 is fed via the signal line 25 by 3% Machine setpoint of turbine 5 by 4% and the machine setpoint of Turbine 6 by 3%.
  • the elements 31 to 40 belong to the common one Master controller 24, components 44, 47, 41 and 50 belong to that Machine controller 28 of the turbine 4 with the compressor 1, the components 45 48, 42 and 51 belong to the machine controller 29 of the turbine 5 the compressor 2 and the components 46, 49, 43 and 52 belong to that Machine controller 30 of the turbine 6 with the compressor 3.
  • a pressure control loop be constructed so that the master pressure regulator flow regulator are subordinate to the respective flow through the individual Control machines. These flow regulators are again Speed controllers are subordinate, which then regulate the speed.
  • the flow controller assigned to the machines is the application Part of the respective unit controller 41, 42 43.
  • Every turbo compressor requires a surge limit control, which is part of a Every machine control is and its job is to control the compressor Protect against operation in an unstable work area.
  • the Operation in an unstable work area is called compressor pumps.
  • 6 shows a block diagram of a typical surge limit control for a compressor with variable suction pressure.
  • a compressor 53 is included a suction line 54 and a pressure line 55.
  • On Blow-by valve 56 in a blow-by line 57 can be regulated if necessary opened and thus increase the flow through the compressor, if the process gas take-off is less than the minimum permissible compressor flow.
  • a bypass valve 56, too Pump surge control valve is called, via a control line 58 from Pump limit controller 59 driven, the input variables of which with the Sensor 60 measured inlet pressure, the measured with sensor 61 Inlet flow, the final pressure measured with the sensor 62 and the is measured with the sensor 63 inlet temperature. Since the Pump limit controller 59 usually within the same controller hardware is implemented like the machine controller (it is an essential part of the machine controller), there are signals such as compressor flow as well Pressure in front of and behind the compressor within the machine controller And can therefore also be used for the load distribution controller and the Capacity regulator can be used.
  • 4 and 5 is the control method according to the invention for three Compressors 1, 2, 3 combined in one station Parallel operation and shown in series operation.
  • the compressors 1, 2, 3 coupled with turbines 4, 5, 6 as drive machines and are from this driven.
  • the Delivery capacity of the compressor 1, 2, 3 can be varied.
  • the drive turbines can also be driven by fixed speed motors can be replaced, in this application adjustable Guide vanes with the actuators 7, 8, 9 in the compressors 1, 2, 3 or throttle valves used in front of the compressors (not shown) become.
  • the compressors 1, 2, 3 shown in Fig. 4 are by the Inlet lines 10, 11, 12 with the suction-side busbar 13 connected, which in turn connects to the suction process 14 or to a pipeline or a gas storage facility.
  • the compressors 1, 2, 3 via the outlet lines 15, 16, 17 with connected to the pressure-side busbar 18, which in turn Connection to a process 19 on the pressure side or to a pipeline or has a gas storage.
  • the first compressor 1 of the compressors 1, 2, 3 connected in series with the Inlet line 11 and via the outlet line 15 with the second Compressor 2 is connected. This is via the outlet line 16 and the inlet line 12 is connected to the third compressor 3.
  • the process 14 is directly connected to the suction line 10 and the outlet of the third compressor 3 is via the outlet line 17 directly with the Process 19 linked.
  • each of the machine controllers 28, 29, 30 receives the Total setpoint from the setpoint specification 20 of the station directly via the Signal line 21 supplied.
  • the actual value is reported via signal line 23 also fed directly to each machine controller 28, 29, 30, so that each machine controller 28, 29, 30 the necessary for itself Carry out calculations and the downstream actuators as well can adjust as if a common superimposed master controller used.
  • Fig. 7 shows the signal flow diagram for a parallel or Series connection of three compressors 1, 2, 3 according to the invention.
  • the Station setpoint of setpoint specification 20 is divided, three in parallel Transducers 64, 65, 66 connected and to the comparators 70, 71, 72 forwarded.
  • the actual value from the signal line 23 becomes three Transducers 67, 68, 69 connected and to the comparators 70, 71, 72 forwarded.
  • the target value to the individual machine units, consisting of compressors 1, 2, 3 and the turbines 4, 5, 6.
  • the difference between the setpoint and actual value is formed and over each Amplifiers 73, 74, 75 are supplied to the unit controllers 76, 77, 78.
  • the Unit controllers 76, 77, 78 in turn adjust via the converters 79, 80 and 81 the turbine speed and the guide vanes of the respective Compressor 1, 2 or 3.
  • the converter 67, 64, the share controller 35, the Comparator 70, amplifier 73, unit controller 76 and Converters 79 are common parts of the machine controller 28, which the Machine unit is assigned, which consists of the turbine 4 and compressor 1 is formed.
  • the converters 68, 65, the share controller 36, the Comparator 71, amplifier 74, unit controller 77 and Transducers 80 are together parts of the machine controller 29, which the Machine unit is assigned, which consists of the turbine 5 and compressor 2 is formed.
  • the converters 69, 66, the share adjuster 37, the Comparator 72, amplifier 75, unit controller 78 and Transducers 81 are common parts of the machine controller 30, which the Machine unit is assigned, which consists of the turbine 5 and compressor 3 is formed.
  • Actual value and setpoint of the process variable as input of the converter 67 to 66 can be any size. It is often the flow through the compressors, the pressure in front of or behind the station, but it can also the load distribution of the compressors in series or Parallel operation. The pressure ratio of the is also conceivable entire station or a temperature or a liquid level in a container.
  • Three compressors 1, 2, 3 according to FIG. 2 are with a control system according to FIG. 3 in Row operation (state of the art) driven.
  • Each of the compressors 1, 2, 3 drive at the beginning of the control process with a pressure ratio of 3.
  • the controlled variable is the pressure in the pressure-side manifold 19.
  • the setpoint is 99 bar and the actual value is 90 bar.
  • the compressors 1 to 3 should each provide one third of the total pressure ratio.
  • the comparator 32 detects a deviation of 9 bar and transmits this to the station controller 34.
  • This station controller 34 increases its output by a proportion corresponding to an increase in the Pressure ratio by 10% from 90 bar to 99 bar corresponds, it should here, for example, an increase in the output signal from 45 to 50% be accepted.
  • Each of the three machine units increases theirs Power to the same extent until the measured actual value Corresponds to the setpoint.
  • the actual value on the signal line 23 is 90 bar and the setpoint on signal line 21 is 99 bar.
  • the Converters 67 to 69 receive all three unit controllers (Capacity regulators) 76, 77 and 78 the same control difference of 9 bar.
  • Each of the three unit controllers 76, 77 and 78 reacts in exactly the same way like the master controller 24 in Fig. 3.
  • Each of the three machine units increases its output to the same extent until the measured Actual value corresponds to the setpoint.
  • this problem is solved by using a Load distribution controller solved.
  • This load distribution controller works in addition to the unit controller 76 to 78 (capacity controller) and uses the same machine controller 28, 29, 30 initially only using the function of the load distribution controller the known function groups are described. Then will the combination of capacity controller and load distribution controller described.
  • This load distribution controller is constructed exactly like the unit controller 76 to 78 (capacity controller) according to FIG. 7.
  • the target value of a load distribution control is the target load component of the compressor and the actual value the current load. Common is that with compressors in parallel operation the distance of the Working point from the stability limit is the controlled variable and at Compressors in series operation the pressure ratio.
  • a Load distribution control for series operation according to FIG.
  • the actual value of the Pressure ratio can be calculated by dividing the for the Ultimate surge control measured by the for the Determine the surge limit control of the measured suction pressure.
  • the Total pressure ratio is calculated by dividing the Station outlet pressure by the station inlet pressure. It is common that all compressors in series operation with the same Pressure ratio are driven so that the setpoint for each individual load distribution controller a third of the Total station pressure ratio is. Should the ratio for individual machines can be different, a scaling factor be taken into account within the setpoint formation. Should the Load share of the individual machine units from other process variables dependent scaling factors can be introduced.
  • the load distribution algorithm computes for each of the compressors a partial load, for compressors in parallel z. B. one predetermined proportion of the total flow.
  • the Algorithm e.g. a fixed proportion of the total required pressure ratio.
  • the unit controller each The compressor now controls the individual machine unit on this Value.
  • the actual value (final pressure behind the Compressors, before the compressors or flow through the Compressors) in the respective outlet lines 15, 16 and 17 Sensors are measured, which are connected to transducers 90, 91 and 92 are.
  • the individual actual values are then via the converters 69, 64 and 65 given to the comparators 70, 71 and 72 according to FIG. 7 and the Machine controllers 28, 29, 30 fed.
  • the setpoint is also possible to be specified individually. Then all are required Functionalities individually assigned to each machine unit. Conversion errors in the setpoint and actual value acquisition when using the control method according to the invention as a capacity regulator (Flow regulator, pressure regulator) are equalized in the same way.
  • each the actual value measurements can be assigned to a machine unit and the supply of the converter with auxiliary energy from the control cabinets the assigned machine unit can take place. Farther are even in the event of a total failure of setpoint or actual value converters one machine unit the corresponding units of the other Machine units active and thereby reduce the negative ones Impact of this failure. It is also possible to setpoint and To form the actual value separately for each machine unit. Advantage is that there are no more common components and only identical machine systems without superimposed system parts come.
  • the desired final pressure is 99 bar.
  • the compressors 1 to 3 are each intended to be a third of the to provide the total service currently required. To do this, everyone Turbine 4 to 6 each 20% of the total available power. Now fall the actual value measurement in the pressure line 17 of the compressor 3 and output an actual value of 0 bar. The turbine 6 runs because of the missing actual value to its maximum output and thus yields 33% the total output .. This increases the pressure in the pressure side Manifold 18 and thus also the final pressure of all compressors 1, 2, 3.
  • Another option is to set the setpoint for the Load distribution for each of the compressors individually and to specify differently. This can e.g. B. may be required if there is an asymmetry in the machine units. It can e.g. B. Machine units of different sizes together in one Drive station. In this case, the factor must match the size of the Be adapted to machine units.
  • an optimization algorithm is a optimal combination for the respective operating point Machine load of the individual machine units determined.
  • Such Optimization algorithms are, for example, in EP-B-0 431 mentioned at the beginning 287.
  • the known method can also be based on a superimposed method Calculator and master controller are dispensed with if the algorithm is in every machine controller is programmed.
  • Another need to intervene in the choice of load sharing the individual machine units can e.g. B. also reaching one Limit of the permissible operating range on one of the components.
  • gas turbines of different types as Drive machines used for compressors can be one of the Gas turbines e.g. B. have reached the maximum exhaust gas temperature during the other gas turbines still have reserve capacity.
  • the Invention offers two approaches to this problem.
  • the one Approach is that the factor for sharing the load is based on the machine units not in the border like this is changed that the factors are no longer related to the ratio Available machine units is increased.
  • the factor for that Machine in limit operation is set to zero as long as the machine is operated in the border.
  • the method according to the invention compensates for this process even without this intervention.
  • the capacity controller detects a deviation from the setpoint and increases the performance of the other unit so that the one to be regulated Process size corresponds exactly to the setpoint.
  • Actuator or The point of intervention for all of these factors for trimming are Share-holders 35 to 37 or the addition of a fixed value to the Totalizer 70 to 72.
  • 9 to 11 are three compressors connected in parallel Low pressure stage (ND-A, ND-B, ND-C) with three connected in parallel Compressors of the medium pressure levels (MD-A, MD-B, MD-C) and three high-pressure stage compressors connected in parallel (HD-A, HD-B, HD-C) connected in series.
  • 10 and 11 is the control system for the compressor MD-B shown enlarged.
  • the other compressors are equipped with an identical control system. Any compressor is equipped with a surge limit control, which in connection with the 6 has already been described. Furthermore, everyone is from compressor and Turbine existing machine unit a machine controller 85 assigned.
  • a sensor for determination is located in the pressure-side busbar 18 the actual value of the final pressure of the station.
  • the measured value is a converter 86, which is connected via a signal line 87 to a Comparator 88 is connected.
  • This comparator 88 is also used by the setpoint of the final pressure is supplied to the setpoint.
  • the pressure-side busbar 18 there is also a sensor for Determination of the actual value of the flow of the station arranged.
  • the measured value is fed to a converter 89, which is connected via a signal line 90 is connected to a comparator 91.
  • This comparator 91 will also the setpoint of the flow from the setpoint specification fed.
  • the suction-side busbar 13 is a sensor for determining the Actual value of the suction pressure of the station arranged.
  • the measured value is a converter 92 which is connected via a signal line 93 to a Comparator 94 is connected.
  • This comparator 94 is also used by the setpoint of the suction pressure is supplied to the setpoint.
  • the signal line 93 of the suction pressure and the signal line 87 of the Final pressure are led to an arithmetic unit 95, in which the Total pressure ratio is calculated.
  • the pressure ratio can additionally with a fixed or one of other sizes dependent variable factor. In the first approach it is Factor 1/3, i.e. all three compressors are loaded equally.
  • Behind converter 62 for the final pressure of compressor MD-B is one Signal line 96 branches off, which is led to a computing center 97.
  • Signal line 98 branches off, which also leads to a computing point 97 is led.
  • the pressure ratio is one determined individual compressor.
  • the processing points 95 and 97 are included connected to a comparator 99 in which the single pressure ratio this compressor MD-B with its target share (the one with a factor evaluated) total pressure ratio is compared.
  • the signal line 100 introduces the distance signal of the operating point of a single compressor.
  • the computer 101 also receives the corresponding signals from the other compressors connected in parallel.
  • In the Computing point 101 becomes the average of the distances between the operating points determined.
  • In a comparator 102 the average of the distances compared to the single value of a compressor.
  • Comparators 88, 91, 94 are via signal lines, in each of which a changeover switch 103 is arranged, connected to a summer 104.
  • Comparators 99, 102 are via signal lines, in each of which a changeover switch 105 is connected to a summer 106.
  • the totalizer too 104 is connected to summer 106
  • the summers 104, 106 are connected via a signal line 107
  • Manual intervention 108 is arranged with which to a machine unit belonging machine controller 85 connected to the functions of a Capacity, a final pressure, a suction pressure, a flow and of a load distribution controller.
  • the control system shown in FIG. 11 also contains a maximum selection 109 and a minimum selection 110 to speed and Limit the load of the drive machine or other sizes.
  • the capacity control and the load distribution control of the station from only one assigned to each machine unit Machine controller made.
  • the Load distribution control in parallel and the Load distribution control formed in series operation With this Control system can be between three different ones Capacity control algorithms can be selected (flow control, Final pressure control behind the high pressure compressor and suction pressure control in front of the low pressure compressor).
  • Capacity control algorithms can be selected (flow control, Final pressure control behind the high pressure compressor and suction pressure control in front of the low pressure compressor).
  • the capacity regulator is only one size can regulate, the two other control differences of the Capacity control switched to zero via the switch 103.
  • mutual locking makes sense.
  • the Flow control will be active, the control difference for the Suction pressure and the final pressure control switched to zero.
  • the setpoint for the inactive controller can also be set to the actual value be switched. This also makes the control difference zero.
  • the compressors in series are low pressure (LP), medium pressure (MD) and called high pressure compressor (HD).
  • the parallel compressors are called A, B, C. It is assumed that the system is in the operating mode Flow control and all compressors are in operation.
  • compressor ND-A delivers exactly 1/3 of the total mass flow
  • Compressor ND-B 5% too little
  • compressor ND-C 5% too much
  • compressor MD-A and MD-B convey 30% of the mass flow and compressor MD-C 40%.
  • Each of the HD compressors convey the same mass flow.
  • compressor ND-A 2% is under-loaded, Compressor MD-A is loaded correctly and compressor HD-A 2% too high loaded.
  • Compressor ND-B is loaded correctly, compressor MD-B 3% high and compressor HD-B 3% too low.
  • Compressor ND-C with 29% loaded, MD-C with 36% and HD-C with 35%.
  • further algorithms can be used be added.
  • the drive machines of one or more Compressors can e.g. B. reach a performance limit. This can are additionally processed in the algorithm such that the Control difference of the machine controller of the prime movers operating on the Limit operated, be made zero (as in manual operation). These prime movers then take on another Performance increase no longer part. To compensate for this The difference from the optimal adjustment difference can influence according to the table above and the effective difference on the Control difference of the other parallel and series compressors added becomes. This also optimally compensates for this intervention. The Of course, the process also works for several Limit controller per machine unit.
  • the limit controllers can be as in 11 shows an extreme value selection (maximum selection or Minimum selection).
  • Control differences become control differences for the distances of the Operating point formed by the limits, so in Fig. 11 z. B. from the Maximum speed and the minimum speed.
  • each a further control difference for a maximum and Minimum limitation shown.
  • the control differences for limits a minimum selection is switched to maximum values, the Control differences for a minimum limit affect one Maximum selection.
  • the effective control difference for the machine controller is either the control difference according to the above algorithm or but the distance of the operating point from the border, if this Distance is less. Controls when a limit is exceeded the output of the max / min selection 109/110 also includes the machine unit conflicting requirement of capacity or The load distribution controller always has priority so that the limit in the stationary operation is not exceeded.
  • the compressor ND-C should have a control difference performance of 6.3%.
  • the drive turbine but is 3% below the maximum operating speed.
  • the effective control difference is limited to 3%. Once the turbine has reached the maximum operating speed, the control difference the speed limit control to zero and prevents over the Minimal selection any positive control difference on the Machine controller. Only negative control differences in the direction Speed reduction can happen. If the maximum is exceeded Speed, the unit controller reduces the speed.
  • controller reset time is to be adjusted individually, this can be done in a simple way. From a comparison of the individual Inputs of the maximum and minimum selection with the output can determine which size is the leading. From one position the switch for the control differences of the capacity controller and the Load distribution controller can be determined which of these controllers in Operation is. A selection matrix can now determine which one Controller combination which controller reset time should be effective. The in Machine controller effective controller time constant can now adaptively do the same be adjusted as required by the selection matrix.
  • Figure 11 shows an application with a total of nine control loops.
  • Nine individual Controllers would be extensive tracking and mutual interlocks are required to prevent individual inactive controllers run into saturation. Farther there is a great risk that the nine controllers are mutually exclusive influence dynamically. All of these disadvantages are invented bypassed.
  • the machine controllers of the other compressors can also not influence each other because all machine controllers are the same Control variables are set to the same parameters. Since all Load distribution controllers are optimized with the same parameters they have the same timing. As a result, it cannot happen that individual machines in different directions and thus diverge.

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Abstract

In einer Station wirken mehreren Strömungsmaschinen (1,2,3) zusammen, wobei jede Strömungsmaschine mit der sie antreibenden Antriebsmaschine (4,5,6) eine Maschineneinheit bildet, der ein Maschinenregler (28,29,30) zugeordnet ist. Zum Regeln dieser Strömungsmaschinen (1,2,3) im Parallel- oder Reihenbetrieb zur Einhaltung mindestens einer von der Station vorgegebenen und allen Strömungsmaschinen (1,2,3) gemeinsamen Prozessgröße, wird die vorgegebene, gemeinsame Prozessgröße direkt auf jeden der Maschinenregler (28,29,30) aufgegeben und diese vorgegebene, gemeinsame Prozessgröße wird ausschließlich über die der jeweiligen Maschineneinheit zugeordneten Maschinenregler (28,29,30) ausgeregelt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von mehreren in einer Station zusammenwirkenden Strömungsmaschinen im Parallel- oder Reihenbetrieb zur Einhaltung mindestens einer von der Station vorgegebenen und allen Strömungsmaschinen gemeinsamen Prozessgröße mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
In der EP-B-0 132 487 ist ein Verfahren zum Betreiben von mehreren parallel geschalteten Turbokompressoren beschrieben, die jeweils zur Verhinderung des Pumpens mit einer Pumpgrenzregelung versehen sind. Die Turbokompressoren werden gemeinsam von Lastverteilungsreglern und einzeln von je einem Druckregler gesteuert. Die Lastverteilungsregler regeln die Einstellung der Kompressoren untereinander derart, dass bei allen Kompressoren gleiche Abstände des Betriebspunktes gegenüber der Abblaselinie vorliegen. Dabei wird nur einer der Kompressoren von seinem Druckregler gesteuert, während die übrigen über die Lastverteilungsregelung nachgeführt werden.
Aus der EP-B-0 431 287 ist ein Verfahren zum optimierten Betreiben mehrerer Kompressoren im Parallel- oder Reihenbetrieb bekannt. Dabei wird für einen beliebigen Arbeitspunkt unter Anwendung von Algorithmen stets die Kombination von Maschinenparameter ermittelt, in der die Gesamtleistungsaufnahme aller Antriebsmaschinen minimal wird. Bei diesem Verfahren wird ein übergeordneter Masterregler verwendet.
Nach dem bisher üblichen Stand der Technik muss bei einer Reihen- oder Parallelschaltung von Strömungsmaschinen mit individuellen Regelorganen und individuellen Reglern stets ein übergeordneter Masterregler, auch Führungsregler genannt, erforderlich sein. Der Masterregler hat eine übergeordnete Aufgabe. Er ermittelt aus der geforderten Gesamtkapazität (gewünschter Druck oder gewünschter Durchfluss aller Kompressoren) die erforderlichen Stellbefehle für die individuellen Maschineneinheiten. Insbesondere bei unsymmetrisch aufgebauten Anlagen errechnet der Masterregler unterschiedliche Stellgrößen für die individuellen Maschinenregler. Nach dem einschlägigen Stand der Technik wird immer wieder betont, dass es für die Lastverteilung der Last auf verschiedene Kompressoren nur einen Regler geben darf, der nur einen Sollwert und nur einen Istwert als Messgröße verarbeitet, da es ansonsten zu Konflikten in den nachgeschaltenen Maschinenreglern kommen kann. Jede Maschineneinheit benötigt eine eindeutige Stellgröße, die derart auf die anderen Stellgrößen abgestimmt ist, dass es zu keinen Widersprüchen kommen kann. Bei Durchflussregelungen darf der Durchfluss nur ein einer einzigen Stelle gemessen werden. Bei einer Druckregelung darf der Druck ebenfalls nur an einer einzigen Stelle gemessen werden. Es darf auch nur einen einzigen Sollwert für den gemeinsamen Druck- oder Durchflussregler geben. Die Beachtung dieser Regel ist insbesondere bei Verwendung als Druckregler für den Enddruck oder den Saugdruck besonders wichtig. Wäre jede Maschineneinheit mit einem eigenen Druckregler ausgerüstet, und würden Drucksollwert und Druckistwert zwischen den verschiedenen Reglern auch nur geringfügig voneinander abweichen, was allein schon durch die Analog/Digitalwandlung der Einganssignale erfolgen kann, würden die Regler der Parallelkompressoren derart gegeneinander arbeiten, dass der eine Regler die Maschine herunterfährt und der andere herauffährt. Die Maschinenregler mit ihren nachgeschalteten Maschinen arbeiten so lange gegeneinander, bis eine der beiden Maschinen die obere oder die untere Leistungsgrenze erreicht hat. Darüber hinaus ist der Masterregler ein aufwendiges Bauteil, dessen Ausfall zu einem Stillstand der gesamten Anlage führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Regelung zu vereinfachen, die Verfügbarkeit der einzelnen Regler zu erhöhen und kollidierende Wechselwirkungen der Regler aufeinander zu vermeiden.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäße Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einen alle Strömungsmaschinen beeinflussenden Masterregler zur Regelung der Prozessgröße verzichtet, indem die Funktionität dieses Prozessgrößenreglers aufgeteilt wird auf die einzelnen Maschinenregler. Der Algorithmus für die Aufteilung der Last auf die einzelnen Kompressoren, der nach dem bekannten Stand der Technik ausschliesslich im Masterregler abläuft, ist erfindungsgemäß in jedem einzelnen Maschinenregler realisiert. Als Prozessgröße können einzeln oder in Kombination der Durchfluss, der Enddruck, der Saugdruck, das Druckverhältnis, die Temperatur, das Niveau in einem Behälter, die Leistung der Antriebsmaschine oder die Lastverteilung der Kompressoren herangezogen werden. Da Speicherplatz und Rechenleistung bei moderner Hardware in ausreichendem Maße vorhanden sind, gibt es von dieser Seite her keine Einschränkungen. Durch den Wegfall des übergeordneten Masterreglers kann eine bestehende Station problemlos durch weitere Maschineneinheiten erweitert werden. Es ist lediglich eine Maschineneinheit mit einem Maschinenregler hinzufügen, der die gleiche Steuerung und Regelung enthält wie jede der vorhandenen Maschineneinheiten. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen keine Investitions-, Betriebs- oder Wartungskosten für einen Masterregler. Ebenso wenig kann es zu Betriebsstörungen in der Station durch einen Ausfall des Masterreglers kommen. Da keine über- und untergeordneten Regler vorhanden sind, entfallen kollidierende Wechselwirkungen verschiedener Regler aufeinander. Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf den Parallelbetrieb, den Reihenbetrieb und den kombinierten Parallel- und Reihenbetrieb der Strömungsmaschinen in einer Station. Weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit nachfolgend Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung und des Standes der Technik genannt.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
ein Regelsystem für Kompressoren im Parallelbetrieb gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2
ein Regelsystem für Kompressoren im Reihenbetrieb gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3
ein Signalflussdiagramm für das Regelsystem nach Fig. 1 oder 2,
Fig. 4
ein Regelsystem für Kompressoren im Parallelbetrieb gemäß der Erfindung,
Fig. 5
ein Regelsystem für Kompressoren im Reihenbetrieb gemäß der Erfindung,
Fig. 6
ein System zur Pumpgrenzregelung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 7
ein Signalflussdiagramm für das Regelsystem nach Fig. 4 oder 5,
Fig. 8
ein Regelsystem für Kompressoren im Parallelbetrieb gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9
ein Regelsystem für Kompressoren im Parallel- und Reihenbetrieb,
Fig. 10
ein Regelsystem für Kompressoren im Parallel- und Reihenbetrieb, wobei die Regelung eines der Kompressoren aufgeblendet ist und
Fig. 11
ein Regelsystem für Kompressoren im Parallel- und Reihenbetrieb, wobei die Regelung eines der Kompressoren aufgeblendet ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt drei Kompressoren 1, 2, 3 im Parallelbetrieb, die jeweils durch eine als Antriebsmaschine dienende Turbine 4, 5, 6 angetrieben werden. Jeweils ein Kompressor bildet mit einer Antriebsmaschine eine Maschineneinheit. Die drei Maschineneinheiten sind zu einer Station zusammengefasst, die ihrerseits Teil eines Pipelinesystems sein kann oder in einen Prozess eingebunden ist. Durch Variation der Turbinendrehzahl kann die Förderkapazität des Kompressors 1, 2. 3 variiert werden. Alternativ können die Turbinen auch durch Motoren mit fester Drehzahl ersetzt werden, wobei in diesem Anwendungsfall verstellbare Leitschaufeln mit den Stellantrieben 7, 8, 9 in den Kompressoren 1, 2, 3 oder Drosselklappen vor den Kompressoren (nicht gezeigt) verwendet werden.
Die Kompressoren 1, 2, 3 sind durch Eintrittsleitungen 10, 11, 12 mit einer saugseitigen Sammelschiene 13 verbunden, die ihrerseits Verbindung zu einem saugseitigen Prozess 14 oder zu einer Pipeline bzw. zu einem Gasspeicher hat. Druckseitig sind die Kompressoren 1, 2, 3 über Austrittsleitungen 15, 16, 17 mit einer druckseitigen Sammelschiene 18 verbunden, die ihrerseits Verbindung zu einem druckseitigen Prozess 19 oder zu einer Pipeline bzw. zu einem Gasspeicher hat.
Überlagert über der ganzen Station ist eine Stationsleitebene, die als Sollwertvorgabe 20 die Sollwerte für den Betrieb der Station vorgibt. Die tatsächliche Kapazität der Maschinenanlage, üblicherweise der Enddruck oder der Saugdruck der Kompressoranlage oder der Durchfluss wird mit einem Sensor 22 gemessen und über eine Signalleitung 23 einem Masterregler 24 als Istwert übermittelt. Der Prozessgrößensollwert für die gesamte Station wird von der Sollwertvorgabe 20 über eine Signalleitung 21 an den Masterregler 24 gegeben, der nach einem vorgegebenen Algorithmus die erforderliche Belastung der einzelnen Maschineneinheiten errechnet und über die Signalleitungen 25, 26 und 27 den jeweiligen Maschinenreglern 28, 29, 30 den Sollwert für die Drehzahl oder die Position der Leitschaufeln oder die Drosselarmatur vorgibt. Die Maschinenregler 28, 29, 30 stellen nun ihrerseits die Drehzahl der Turbinen 4, 5, 6 bzw. die Stellung der Drosselklappen bzw. Saugdrosseln auf diesen Sollwert ein.
Der Masterregler 24 hat eine übergeordnete Aufgabe. Er ermittelt aus der geforderten Gesamtkapazität (gewünschter Druck oder gewünschter Durchfluss) aller drei Kompressoren 1, 2, 3 die erforderlichen Stellbefehle für die individuellen Maschineneinheiten. Insbesondere bei unsymmetrisch aufgebauten Anlagen errechnet der Masterregler 24 unterschiedliche Stellgrößen für die individuellen Maschinenregler 28, 29, 30.
Fig. 2 zeigt den Anwendungsfall für drei Kompressoren 1, 2. 3 im Reihenbetrieb. Der Aufbau dieser Station entspricht weitgehend dem der in Fig. 1 dargestellten Station für den Parallelbetrieb. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass der erste Kompressor 1 mit der Eintrittsleitung 11 und über die Austrittsleitung 15 mit dem zweiten Kompressor 2 verbunden ist, und dieser ist über die Austrittsleitung 16 und die Eintrittsleitung 12 mit dem dritten Kompressor 3 verbunden. Die saugseitige Sammelschiene 13 gibt es nicht, der Prozess 14 ist direkt mit der als Saugleitung dienenden Eintrittsleitung 10 verbunden. Ebenso fehlt die druckseitige Sammelschiene, vielmehr ist der Austritt des dritten Kompressors 3 über die Austrittsleitung 17 direkt mit dem Prozess 19 verbunden.
Für die Regelung von Kompressoren im Reihenbetrieb gelten nach dem bekannten Stand der Technik genau die gleichen Aussagen wie für den Parallelbetrieb. Sollen die Kompressoren 1, 2, 3 im Reihenbetrieb auf konstanten Durchfluss gefahren werden, ermittelt der Masterregler 24, auf welche Drehzahlen die einzelnen Maschineneinheiten zu fahren sind, damit der gewünschte Durchfluss erreicht wird. Werden die Kompressoren 1, 2, 3 auf konstanten Enddruck bzw. auf konstantes Druckverhältnis gefahren, ermittelt der Masterregler 24, welches Druckverhältnis jeder einzelne Kompressor 1, 2, 3 zu erbringen hat, um das geforderte Gesamtdruckverhältnis zu erreichen. Auch für den Reihenbetrieb gilt nach dem allgemeinen Stand der Technik, dass es nur einen Masteregler geben darf, der nur einen Sollwert und einen Istwert erhält.
Die Fig. 3 zeigt ein Signalflussdiagramm für ein Regelsystem für eine Station mit drei Kompressoren 1, 2, 3. Die Stationssollwert (Durchflusssollwert oder Drucksollwert) wird über die Signalleitung 21 und einen Wandler 31 auf eine Soll/Ist-Vergleichsstelle 32 gegeben. Der Istwert (gemessener Durchfluss oder Druck) gelangt über die Signalleitung 23 und einen Wandler 33 zu der gleichen Vergleichsstelle 32. In dieser Vergleichsstelle 32 wird die Differenz aus Sollwert und Istwert gebildet und an einen Stationsregler 34 gegeben. Der Stationsregler 34 verstellt seine Ausgangsgröße so lange, bis der Istwert dem Sollwert entspricht. Der Ausgang des Stationsreglers 34 wird über Anteilsteller 35, 36, 37 und Wandler 38, 39 und 40 den Signalleitungen 25, 26, 27 zugeleitet. Diese Signalleitungen 25, 26, 27 verbinden den Stationsregler 34 mit den drei Einheitenreglern 41, 42, 43. Jeder Einheitenregler 41, 42, 43 besitzt einen Wandler 44, 45 und 46 für die Eingangsgröße und einen weiteren Eingangswandler (nicht dargestellt) für den Maschinenistwert, typischerweise die Drehzahl der Antriebsturbine 4, 5. 6 oder die Position der Eintrittsleitschaufeln bei leitschaufelgeregelten Kompressoren. In den Vergleichern 47, 48 und 49 wird die Differenz zwischen Maschinenistwert und Maschinensollwert gebildet und dem jeweiligen Einheitenregler 41, 42 und 43 zugeführt. Diese verstellen nun ihrerseits über Wandler 50 51 52 die Drehzahl der Turbine 4, 5, 6 (oder die Stellung der Leitschaufeln) derart, dass der Maschinenistwert genau dem Maschinensollwert entspricht.
In den Anteilstellern 38, 39 und 40 wird die Stellgröße des Stationsregler 34 auf die einzelnen Maschineneinheiten aufgeteilt. Das Verstellgesetz kann je nach Anlagenerfordernis linear oder nichtlinear sein. Es kann bei Bedarf von verschiedenen Parametern abhängig sein. Es soll vereinfachend ein lineares Verstellgesetz angenommen werden, nach dem die Turbinen 4 und 6 jeweils 30% der Gesamtleistung und die Turbine 5 40 % der Gesamtleistung aufzubringen haben. In den Anteilstellern 35 und 37 ist demzufolge ein Faktor 0,3 eingestellt, im Anteilsteller 36 ist ein Faktor 0,4 eingestellt. Sollte nun der Stationsregler 34 10 % mehr Leistung verlangen und sein Ausgang deshalb um 10% ansteigen, steigt der Maschinensollwert, der der Turbine 4 über die Signalleitung 25 zugeführt wird, um 3%, der Maschinensollwert von Turbine 5 um 4% und der Maschinensollwert von Turbine 6 um 3%.
Gemäß Fig. 3 gehören die Elemente 31 bis 40 zu dem gemeinsamen Masterregler 24, die Komponenten 44, 47, 41 und 50 gehören zu dem Maschinenregler 28 der Turbine 4 mit dem Kompressor 1, die Komponenten 45 48, 42 und 51 gehören zu dem Maschinenregler 29 der Turbine 5 mit dem Kompressor 2 und die Komponenten 46, 49, 43 und 52 gehören zu dem Maschinenregler 30 der Turbine 6 mit dem Kompressor 3.
In vielen Anwendungen ist es üblich, dass der Maschinenregler eine weitere Regelfunktion enthält. So kann z. B. ein Druckregelkreis derart aufgebaut sein, dass dem Master-Druckregler Durchflussregler unterlagert sind, die den jeweiligen Durchfluss durch die einzelnen Maschinen regeln. Diesen Durchflussreglern sind nochmals Drehzahlregler unterlagert, die dann die Drehzahl regeln. In diesen Anwendungsfällen ist der den Maschinen zugeordnete Durchflussregler Teil des jeweiligen Einheitenreglers 41, 42 43.
Jeder Turbokompressor benötigt eine Pumpgrenzregelung, die Teil einer jeden Maschinenregelung ist und deren Aufgabe es ist, den Kompressor vor einem Betrieb im instabilen Arbeitsbereich zu schützen. Der Betrieb im instabilen Arbeitsbereich wird Kompressorpumpen genannt. Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer typischen Pumpgrenzregelung für einen Kompressor mit variablem Saugdruck. Ein Kompressor 53 ist mit einer Saugleitung 54 und einer Druckleitung 55 ausgerüstet. Ein Umblaseventil 56 in einer Umblaseleitung 57 kann bei Bedarf geregelt geöffnet werden und damit den Durchfluss durch den Kompressor erhöhen, wenn die Gasabnahme durch den Prozess kleiner ist als der minimal zulässige Kompressordurchfluss. Ein Umblaseventil 56, auch Pumpgrenzregelventil genannt, wird über eine Steuerleitung 58 vom Pumpgrenzregler 59 angesteuert, dessen Eingangsgrößen der mit dem Sensor 60 gemessene Eintrittsdruck, der mit dem Sensor 61 gemessene Eintrittsdurchfluss, der mit dem Sensor 62 gemessene Enddruck und die mit dem Sensor 63 gemessenen Eintrittstemperatur ist. Da der Pumpgrenzregler 59 üblicherweise innerhalb der gleichen Reglerhardware realisiert ist wie der Maschinenregler (er ist ein wesentlicher Teil des Maschinenreglers), stehen Signale wie Kompressordurchfluss sowie Druck vor und hinter dem Kompressor innerhalb des Maschinenreglers zur Verfügung und können damit auch für den Lastverteilungsregler und den Kapazitätsregler verwendet werden.
In den Fig. 4 und 5 ist das erfindungsgemäße Regelverfahren für drei zu einer Station zusammengefasste Kompressoren 1, 2, 3 im Parallelbetrieb und im Reihenbetrieb dargestellt. Wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 bereits beschrieben, sind die Kompressoren 1, 2, 3 mit Turbinen 4, 5, 6 als Antriebsmaschinen gekoppelt und werden von diesen angetrieben. Durch Variation der Turbinendrehzahl kann die Förderkapazität des Kompressors 1, 2, 3 variiert werden. Alternativ können die Antriebsturbinen auch durch Motoren mit fester Drehzahl ersetzt werden, wobei in diesem Anwendungsfall verstellbare Leitschaufeln mit den Stellantrieben 7, 8, 9 in den Kompressoren 1, 2, 3 oder Drosselklappen vor den Kompressoren (nicht gezeigt) verwendet werden.
Die in Fig. 4 gezeigten Kompressoren 1, 2, 3 sind durch die Eintrittsleitungen 10, 11, 12 mit der saugseitigen Sammelschiene 13 verbunden, die ihrerseits Verbindung zu dem saugseitigen Prozess 14 oder zu einer Pipeline bzw. zu einem Gasspeicher hat. Druckseitig sind die Kompressoren 1, 2, 3 über die Austrittsleitungen 15, 16, 17 mit der druckseitigen Sammelschiene 18 verbunden, die ihrerseits Verbindung zu einem druckseitigen Prozess 19 oder zu einer Pipeline bzw. zu einem Gasspeicher hat. Gemäß Fig. 5 ist der erste Kompressor 1 der in Reihe geschalteten Kompressoren 1, 2, 3 mit der Eintrittsleitung 11 und über die Austrittsleitung 15 mit dem zweiten Kompressor 2 verbunden ist. Dieser ist über die Austrittsleitung 16 und die Eintrittsleitung 12 mit dem dritten Kompressor 3 verbunden. Der Prozess 14 ist direkt mit der Saugleitung 10 und der Austritt des dritten Kompressors 3 ist über die Austrittsleitung 17 direkt mit dem Prozess 19 verbunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Regelverfahren entfällt der Masterregler. Stattdessen erhält jeder der Maschinenregler 28, 29, 30 den Gesamtsollwert von der Sollwertvorgabe 20 der Station direkt über die Signalleitung 21 zugeführt. Der Istwert wird über die Signalleitung 23 ebenfalls direkt jedem Maschinenregler 28, 29, 30 zugeführt, so dass jeder Maschinenregler 28, 29, 30 für sich die erforderlichen Berechnungen durchführen und die nachgeschalteten Stellorgane genauso verstellen kann als würde ein gemeinsamer überlagerter Masterregler eingesetzt.
Die Fig. 7 zeigt das Signalflussdiagramm für eine Parallel- oder Reihenschaltung von drei Kompressoren 1, 2, 3 gemäß Erfindung. Der Stationssollwert der Sollwertvorgabe 20 wird aufgeteilt, parallel drei Wandlern 64, 65, 66 aufgeschaltet und an die Vergleicher 70, 71, 72 weitergeleitet. Der Istwert aus der Signalleitung 23 wird drei Wandlern 67, 68, 69 aufgeschaltet und an die Vergleichern 70, 71, 72 weitergeleitet. In den Anteilstellern 35, 36 und 37, die zwischen den Wandlern 64, 65, 66 angeordnet sind, wird der Sollwert auf die einzelnen Maschineneinheiten, bestehend aus den Kompressoren 1, 2, 3 und den Turbinen 4, 5, 6, aufgeteilt. In der Vergleichern 70, 71, 72 wird die Differenz aus Sollwert und Istwert gebildet und über je einen Verstärker 73, 74, 75 den Einheitenreglern 76, 77, 78 zugeführt. Die Einheitenregler 76, 77, 78 verstellen ihrerseits über die Wandler 79, 80 und 81 die Turbinendrehzahl bzw. die Leitschaufeln des jeweiligen Kompressors 1, 2 oder 3. Die Wandler 67, 64, der Anteilsteller 35, der Vergleicher 70 , der Verstärker 73, der Einheitenregler 76 und der Wandler 79 sind gemeinsam Teile des Maschinenreglers 28, der der Maschineneinheit zugeordnet ist, die aus der Turbine 4 und Kompressor 1 gebildet ist. Die Wandler 68, 65, der Anteilsteller 36, der Vergleicher 71 , der Verstärker 74, der Einheitenregler 77 und der Wandler 80 sind gemeinsam Teile des Maschinenreglers 29, der der Maschineneinheit zugeordnet ist, die aus der Turbine 5 und Kompressor 2 gebildet ist. Die Wandler 69, 66, der Anteilsteller 37, der Vergleicher 72 , der Verstärker 75, der Einheitenregler 78 und der Wandler 81 sind gemeinsam Teile des Maschinenreglers 30, der der Maschineneinheit zugeordnet ist, die aus der Turbine 5 und Kompressor 3 gebildet ist.
Istwert und Sollwert der Prozessgröße als Eingang der Wandler 67 bis 66 können beliebige Größen sein. Häufig sind es der Durchfluss durch die Kompressoren, der Druck vor oder hinter der Station, es kann aber auch die Lastverteilung der Kompressoren im Reihen- oder Parallelbetrieb sein. Denkbar ist auch das Druckverhältnis der gesamten Station oder eine Temperatur bzw. ein Flüssigkeitsstand in einem Behälter.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 und der Erfindung gemäß Fig. 7 besteht darin, dass der in Fig. 3 gezeigte Masterregler 24 mit den Elementen 31 bis 40 komplett entfallen ist und seine Funktion auf die ohnehin vorhandenen Maschinenregler 28, 29, 30 aufteilt sind. Die Elemente 31 bis 34 sind ersatzlos entfallen und durch jeweils drei Elemente 64, 70 und 76; 65, 71 und 77 sowie 66, 72 und 78 ersetzt worden. Dafür entfallen die Wandler 38 bis 46. Viel wesentlicher ist jedoch, dass die dargestellten Funktionalitäten reine softwaremäßig realisierte Zusatzfunktionen in den jeweils ohnehin vorhandenen Maschinenreglern sind.
Nachfolgend sollen die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem Stand der Technik an einem Beispiel durch Vergleich des Standes der Technik mit der Erfindung beschrieben werden. Drei Kompressoren 1, 2, 3 gemäß Fig. 2 werden mit einem Regelsystem gemäß Fig. 3 im Reihenbetrieb (Stand der Technik) gefahren. Jeder der Kompressoren 1, 2, 3 fahre zu Beginn des Regelvorgangs mit einem Druckverhältnis von 3. Regelgröße sei der Druck in der druckseitigen Sammelleitung 19. Der Sollwert betrage 99 bar und der Istwert 90 bar. Die Kompressoren 1 bis 3 sollen jeweils ein Drittel des Gesamtdruckverhältnisses aufbringen. Der Vergleicher 32 stellt eine Abweichung von 9 bar fest und übermittelt dies an den Stationsregler 34. Dieser Stationsregler 34 erhöht seinen Ausgang um einen Anteil, der einer Erhöhung des Druckverhältnisses um 10% von 90 bar auf 99 bar entspricht, es soll hier beispielhaft eine Steigerung des Ausgangssignals von 45 auf 50% angenommen werden. Jede der drei Maschineneinheiten erhöht ihre Leistung im gleichen Maße so lange, bis der gemessene Istwert dem Sollwert entspricht.
Bei einem erfindungsgemäßen System nach Fig. 7 ergibt sich folgender Funktionsablauf. Der Istwert auf der Signalleitung 23 beträgt 90 bar und der Sollwert auf der Signalleitung 21 beträgt 99 bar. Über die Wandler 67 bis 69 erhalten alle drei Einheitenregler (Kapazitätsreglern) 76, 77 und 78 die gleiche Regeldifferenz von 9 bar. Jeder der drei Einheitenregler 76, 77 und 78 reagiert genau so wie der Masterregler 24 in Fig. 3. Jede der drei Maschineneinheiten erhöht ihre Leistung im gleichen Maße so lange, bis der gemessene Istwert dem Sollwert entspricht.
Bei Kompressoren im Reihenbetrieb mit variablem Saugdruck erfolgt eine Regelung des Enddrucks stets derart, dass die Regelgröße das Druckverhältnis über der gesamten Station, sprich der Reihenschaltung aller Kompressoren ist. Auch bei Kompressoren im Reihenbetrieb, die auf konstanten Durchfluss gefahren werden, ist das Verhältnis der Druckverhältnisse der einzelnen Kompressoren die zu regelnde Größe für die Einheitenregler.
Nach dem Stand der Technik muss davon ausgegangen werden, dass Probleme auftreten können, wenn die Eingangswandler für Sollwert und Istwert der einzelnen Einheitenregler eine voneinander abweichende Drift aufweisen oder durch die inkrementale Analog/Digitalwandlung unterschiedliche Zahlenwerte für Sollwert oder Istwert der einzelnen Maschinenregler ermitteln. In diesem Fall wird sich eine Abweichung der Gesamtförderleistung aller Kompressoren von der geforderten Leistung ergeben. Nach dem Stand der Technik wird dieser Nachteil als Grund dafür angesehen, dass ein überlagerter Masterregler zwingend erforderlich ist. Eingangs wurde auf diesen Nachteil bei Verwendung von drei individuellen Druckreglern bereits hingewiesen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Einsatz eines Lastverteilungsreglers gelöst. Dieser Lastverteilungsregler wirkt zusätzlich zum Einheitenregler 76 bis 78 (Kapazitätsregler) und verwendet den gleichen Maschinenregler 28, 29, 30. Nachfolgend soll zunächst nur die Funktion des Lastverteilungsreglers unter Verwendung der bekannten Funktionsgruppen beschrieben werden. Anschließend wird die Kombination aus Kapazitätsregler und Lastverteilungsregler beschrieben. Dieser Lastverteilungsregler ist genau so aufgebaut wie der Einheitenregler 76 bis 78 (Kapazitätsregler) gemäß Fig. 7. Allerdings ist der Sollwert einer Lastverteilungsregelung der Soll-Lastanteil des Kompressors und der Istwert die aktuelle Last. Üblich ist, dass bei Kompressoren im Parallelbetrieb der Abstand des Arbeitspunkts von der Stabilitätsgrenze die Regelgröße ist und bei Kompressoren im Reihenbetrieb das Druckverhältnis. Bei einer Lastverteilungsregelung für Reihenbetrieb gemäß Fig. 7 ist der Istwert für jede Maschineneinheit das jeweilige Druckverhältnis des jeweiligen Kompressors und der Sollwert ist der Soll-Anteil des jeweiligen Kompressors am Gesamtdruckverhältnis. Der Istwert des Druckverhältnisses lässt sich durch Division des für die Pumpgrenzregelung gemessenen Enddrucks durch den für die Pumpgrenzregelung gemessenen Saugdrucks ermitteln. Das Gesamtdruckverhältnis errechnet sich durch Division des Stationsaustrittsdrucks durch den Stationseintrittsdruck. Üblich ist, dass alle Kompressoren im Reihenbetrieb mit jeweils gleichem Druckverhältnis gefahren werden, so dass der Sollwert für jeden einzelnen Lastverteilungsregler ein Drittel des Gesamtstationsdruckverhältnisses ist. Sollte das Verhältnis für einzelne Maschinen unterschiedlich sein, kann ein Skalierungsfaktor innerhalb der Sollwertbildung berücksichtigt werden. Sollte der Lastanteil der einzelnen Maschineneinheiten von weiteren Prozessgrößen abhängig sein, können variable Skalierungsfaktoren eingeführt werden.
Der Lastverteilungsalgorithmus errechnet für jeden der Kompressoren eine Teillast, bei Kompressoren im Parallelbetrieb z. B. einen vorgebenden Anteil des Gesamtdurchflusses. Beim Reihenbetrieb gibt der Algorithmus z.B. einen fest vorgegebenen Anteil des gesamten geforderten Druckverhältnisses vor. Der Einheitenregler jedes Kompressors regelt nun die individuelle Maschineneinheit auf diesen Wert ein.
Weicht durch einen Messfehler oder einen Wandlerfehler der im Regler verarbeitete Istwert in einem der drei Einheitenregler vom im Kompressoren tatsächlich gefahrenen Istwert ab, erfassen alle Lastverteilungsregler diese vermeintliche Abweichung von der Soll-Lastverteilung und regelt diese durch Verstellung aller drei Kompressoren derart aus, dass die Lastverteilungsregler eine gleichmäßige Lastaufteilung sehen. Liefert der Wandler 67 für den Istwert der Einheit 1 z.B. einen 10% zu hohen Wert, so merkt jeder der jedem Kompressor zugeordneten Einheitenregler (Lastverteilungsregler) diese Abweichung und verfährt sein nachgeschaltetes Stellorgan um das vorgegebene Verhältnis. Im abgeglichenen Zustand fährt die Maschineneinheit 1 stabil mit einer 6,66% zu geringen Last und die Maschineneinheiten 2 und 3 stabil mit je einer um 3,33% zu hohen Last. Die Folge ist ein Unbalance aller drei Kompressoren. Diese ist aber geringer als der einzelne Fehler der betroffenen Maschineneinheit.
Das System arbeitet sogar robust, wenn Sollwert und Istwert für jede Maschineneinheit getrennt ermittelt werden und dadurch größere Abweichungen zwischen den Sollwerten und Istwerten der einzelnen Regler vorliegen. Dieses stellt einen weiteren Vorteil des Verfahrens gemäß Erfindung dar. Eine Störung an einer gemeinsamen Istwertmessung beeinflusst den Betrieb aller Maschineneinheiten in der Station. Gleiches gilt für eine Störung des Sollwertstellers. Nach diesem Verfahren kann die Istwertmessung jeder einzelnen Maschineneinheit zugeordnet werden. Fig. 8 zeigt z. B. eine Anordnung mit individueller Istwertmessung. Statt einer gemeinsamen Istwertmessung in der druckseitigen Sammelschiene 18 kann der Istwert (Enddruck hinter den Kompressoren, vor den Kompressoren oder Durchfluss durch die Kompressoren) in den jeweiligen Austrittsleitungen 15, 16 und 17 mit Sensoren gemessen werden, die mit Wandlern 90, 91 und 92 verbunden sind. Die einzelnen Istwerte werden dann über die Wandler 69, 64 und 65 auf die Vergleicher 70, 71 und 72 gemäß Fig. 7 gegeben und den Maschinenreglern 28, 29, 30 zugeführt. Möglich ist, auch den Sollwert individuell vorzugeben. Damit sind dann alle erforderlichen Funktionalitäten individuell jeder Maschineneinheit zugeordnet. Wandlungsfehler der Sollwert- und Istwerterfassung beim Einsatz des erfindungsgemäßen Regelverfahrens als Kapazitätsregler (Durchflussregler, Druckregler) werden in gleicher Weise ausgeglichen.
Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt zum Einen darin, dass jede der Istwertmessungen einer Maschineneinheit zugeordnet werden kann und die Versorgung der Wandler mit Hilfsenergie aus den Steuerschränken der jeweils zugeordneten Maschineneinheit erfolgen kann. Weiterhin sind selbst bei einem Totalausfall von Sollwert- oder Istwertwandlern einer Maschineneinheit die entsprechenden Einheiten der anderen Maschineneinheiten aktiv und reduzieren dadurch die negativen Auswirkungen dieses Ausfalls. Es ist auch möglich, Sollwert und Istwert getrennt für jede Maschineneinheit zu bilden. Vorteil ist, dass keinerlei gemeinsame Komponenten mehr vorhanden sind und nur identische Maschinenanlagen ohne überlagerte Anlagenteile zum Einsatz kommen.
Als Beispiel sei der zuvor beschriebene Fall bei Einsatz des Einheitenreglers als Druckregler benannt. Der gewünschte Enddruck beträgt 99 bar. Die Kompressor 1 bis 3 sollen jeweils ein Drittel der aktuell benötigten Gesamtleistung erbringen. Hierzu erbringe jede Turbine 4 bis 6 jeweils 20% der insgesamt verfügbaren Leistung. Nun falle die Istwertmessung in der Druckleitung 17 des Kompressors 3 aus und gebe einen Istwert von 0 bar aus. Die Turbine 6 fährt wegen des fehlenden Istwerts auf ihre Maximalleistung und erbringt dadurch 33% der Gesamtleistung.. Dadurch steigt der Druck in der druckseitigen Sammelleitung 18 und damit auch der Enddruck aller Kompressoren 1, 2, 3. Die beiden intakten Messeinrichtungen in den Kompressoraustrittsleitungen 15 und 16 der Kompressoren 1 und 2 bemerken diesen Anstieg und fahren die Kompressoren 1 und 2 in der Leistung so weit herunter, dass der Enddruck aller drei Kompressoren 1, 2, 3 wieder dem Sollwert 99 bar entspricht. Eine Station, die nach dem Stand der Technik mittels Masterregler geregelt wird, fährt alle Kompressoren in diesem Betriebsfall auf 100% Leistung. Gleiches passiert bei Ausfall eines Sollwerts. Ein Masterregler fährt alle Maschinen auf null und die gesamte Station bringt keine Leistung mehr. Bei einem Regelverfahren gemäß der Erfindung fährt der Kompressor, dessen Sollwert auf null fällt, fährt in seiner Leistung auf null, die beiden anderen Kompressorregelungen bemerken diese Abweichung und regeln sie durch Steigern der jeweils eigenen Leistung aus, so dass der Betrieb der Station als Gesamtheit nicht beeinflusst wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt auf der Hand, es kann auf den Masterregler verzichtet werden, dadurch werden Kosten eingespart und die Verfügbarkeit erhöht. Darüber hinaus bietet dieses Verfahren den Vorteil, auf eine gemeinsame Istwertmessung und auf eine gemeinsame Sollwertgenerierung zu verzichten und sowohl Istwertmessung als auch Sollwerteinstellung jeder Kompressoreinheit zuzuordnen. Ganz wesentlich ist außerdem, dass die Verfügbarkeit erhöht und die Gesamtanlage weniger störungsanfällig wird
Nachfolgend sollen einige Varianten und Ausgestaltungen für die Aufteilung der Last auf die einzelnen Kompressoren beschrieben werden.
In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, den Anteil der einzelnen Maschineneinheiten an der Gesamtlast beeinflussen zu können. In einigen Fällen kann z. B. das Personal, das die Fahrweise der Station vorgibt, den Anteil der Belastung einzelner Maschineneinheiten beeinflussen wollen. Soll z. B. eine Maschineneinheit außer Betrieb genommen werden, ist es sinnvoll, den Anteil dieser Einheit an der Gesamtlast herunterzufahren. Dieses kann dadurch geschehen, dass der Summierstelle 70, 71 oder 72 ein fester Wert zum Vertrimmen des Gleichgewichts aufaddiert wird. Dies führt dazu, dass der Lastverteilungsregler nicht mehr alle Maschineneinheiten gleich belastet, sondern unterschiedlich. Beispiel: Ohne diese Vertrimmung fährt jeder von drei Kompressoren im Serienbetrieb mit einem Drittel des gesamten Druckverhältnisses. Wird nun dem Summierer 71 (für den mittleren Kompressor) eine Vertrimmgröße von minus 20% aufaddiert, regeln die drei Maschinenregler so lange, bis das Druckverhältnis des mittleren Kompressors genau 20% kleiner ist als das der anderen beiden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Sollwert für die Lastverteilung für jeden der Kompressoren individuell und unterschiedlich vorzugeben. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn eine Unsymmetrie in den Maschineneinheiten vorliegt. Es können z. B. Maschineneinheiten unterschiedlicher Baugröße zusammen in einer Station fahren. In diesem Fall muss der Faktor an die Baugröße der Maschineneinheiten angepasst sein.
Eine weitere Möglichkeit ist, dass ein optimierungsalgorithmus eine für den jeweiligen Betriebspunkt optimale Kombination der Maschinenbelastung der einzelnen Maschineneinheiten ermittelt. Solche Optimierungsalgorithmen sind z B. in der eingangs erwähnten EP-B-0 431 287 beschrieben. Bei Anwendung der Erfindung auf dieses bekannte Verfahren kann auch bei dem bekannten Verfahren auf einen überlagerten Rechner und Masterregler verzichtet werden, wenn der Algorithmus in jeden Maschinenregler programmiert wird.
Ein weiteres Bedürfnis zum Eingriff in die Wahl der Lastaufteilung auf die einzelnen Maschineneinheiten kann z. B. auch das Erreichen einer Grenze des zulässigen Betriebsbereich an einer der Komponenten sein. Werden z. B. Gasturbinen unterschiedlicher Bauart als Antriebsmaschinen für Kompressoren eingesetzt, kann eine der Gasturbinen z. B. die maximale Abgastemperatur erreicht haben, während die anderen Gasturbinen noch über Stellreserven verfügen. Die Erfindung bietet zwei Lösungsansätze für dieses Problem. Der eine Ansatz besteht darin, dass der Faktor für die Aufteilung der Last auf die nicht in der Grenze befindlichen Maschineneinheiten derart verändert wird, dass die Faktoren im Verhältnis der nicht mehr zur Verfügung stehenden Maschineneinheiten erhöht wird. Der Faktor für die Maschine im Grenzbetrieb wird auf null gestellt, solange die Maschine in der Grenze betrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert diesen Vorgang aber auch ohne diesen Eingriff. Da die an der Grenze betriebene Einheit keine weitere Leistung mehr abgibt, stellt der Kapazitätsregler eine Abweichung vom Sollwert fest und erhöht die Leistung der anderen Einheit derart, dass die zu regelnde Prozessgröße genau dem Sollwert entspricht. Stellorgan bzw. Eingriffstelle für alle diese Faktoren zur Vertrimmung sind die Anteilsteller 35 bis 37 bzw. die Addition eines Festwertes auf die Summierer 70 bis 72.
In den Fig. 9 bis 11 sind drei parallel geschaltete Kompressoren der Niederdruckstufe (ND-A, ND-B, ND-C) mit drei parallel geschalteten Kompressoren der Mitteldruckstufen (MD-A, MD-B, MD-C) und drei parallel geschalteten Kompressoren der Hochdruckstufe (HD-A, HD-B, HD-C) in Reihe geschaltet. In den Fig. 10 und 11 ist das Regelsystem für den Kompressor MD-B vergrößert dargestellt. Die übrigen Kompressoren sind mit einem identischen Regelsystem ausgerüstet. Jeder Kompressor ist mit einer Pumpgrenzregelung versehen, die in Verbindung mit der Fig. 6 bereits beschrieben ist. Ferner ist jeder aus Kompressor und Turbine bestehenden Maschineneinheit ein Maschinenregler 85 zugeordnet.
In der druckseitigen Sammelschiene 18 ist ein Sensor zur Bestimmung des Istwertes des Enddruckes der Station angeordnet. Der Messwert wird einem Wandler 86 zugeführt, der über eine Signalleitung 87 mit einem Vergleicher 88 verbunden ist. Diesem Vergleicher 88 wird außerdem von der Sollwertvorgabe der Sollwert des Enddruckes zugeführt.
In der druckseitigen Sammelschiene 18 ist ferner ein Sensor zur Bestimmung des Istwertes des Durchflusses der Station angeordnet. Der Messwert wird einem Wandler 89 zugeführt, der über eine Signalleitung 90 mit einem Vergleicher 91 verbunden ist. Diesem Vergleicher 91 wird außerdem von der Sollwertvorgabe der Sollwert des Durchflusses zugeführt.
In der saugseitigen Sammelschiene 13 ist ein Sensor zur Bestimmung des Istwertes des Saugdruckes der Station angeordnet. Der Messwert wird einem Wandler 92 zugeführt, der über eine Signalleitung 93 mit einem Vergleicher 94 verbunden ist. Diesem Vergleicher 94 wird außerdem von der Sollwertvorgabe der Sollwert des Saugdruckes zugeführt.
Die Signalleitung 93 des Saugdruckes und die Signalleitung 87 des Enddruckes sind zu einer Rechenstelle 95 geführt, in der das Gesamtdruckverhältnis errechnet wird. Das Druckverhältnis kann zusätzlich mit einem festen oder auch einem von anderen Größen abhängigen variablen Faktor bewertet werden. Im ersten Ansatz ist der Faktor 1/3, das heißt alle drei Kompressoren werden gleich gelastet. Hinter dem Wandler 62 für den Enddruck des Kompressors MD-B ist eine Signalleitung 96 abgezweigt, die zu einer Rechenstelle 97 geführt ist. Hinter dem Wandler 61 für den Saugdruck des Kompressors MD-B ist eine Signalleitung 98 abgezweigt, die ebenfalls zu einer Rechenstelle 97 geführt ist. In der Rechenstelle 97 wird das Druckverhältnis eines einzelnen Kompressors ermittelt. Die Rechenstellen 95 und 97 sind mit einem Vergleicher 99 verbunden, in dem das Einzeldruckverhältniss dieses Kompressors MD-B mit seinem Soll-Anteil (des mit einem Faktor bewerteten) Gesamtdruckverhältnisses verglichen wird.
Von dem Pumpgrenzregler 59 ist eine Signalleitung 100 zu einer Rechenstelle 101 geführt. Die Signalleitung 100 führt ein den Abstand des Betriebspunktes eines einzelnen Kompressors beinhaltendes Signal. Der Rechenstelle 101 werden außerdem die entsprechenden Signale der übrigen parallel geschalteten Kompressoren zugeführt. In der Rechenstelle 101 wird der Mittelwert der Abstände der Betriebspunkte ermittelt. In einem Vergleicher 102 wird der Mittelwert der Abstände mit dem Einzelwert eines Kompressors verglichen. Die Vergleicher 88, 91, 94 sind über Signalleitungen, in denen jeweils ein Umschalter 103 angeordnet ist, mit einem Summierer 104 verbunden. Die Vergleicher 99, 102 sind über Signalleitungen, in denen jeweils ein Umschalter 105 angeordnet ist, mit einem Summierer 106 verbunden. Auch der Summierer 104 ist mit dem Summierer 106 verbunden
Die Summierer 104, 106 sind über eine Signalleitung 107, in der ein Handeingriff 108 angeordnet ist, mit dem zu einer Maschineneinheit gehörenden Maschinenregler 85 verbunden, der die Funktionen eines Kapazitäts-, eines Enddruck-, eines Saugdruck-, eines Durchfluss- und eines Lastverteilungsreglers ausübt.
Das in der Fig. 11 dargestellte Regelsystem enthält zusätzlich noch eine Maximalauswahl 109 und eine Minimalauswahl 110, um Drehzahl und Last der Antriebsmaschine oder sonstige Größen zu begrenzen.
Bei dem gezeigten Regelsystem für den Reihen- und Parallelbetrieb wird die Kapazitätsregelung und die Lastverteilungsregelung der Station von jeweils eine einzigen jeder Maschineneinheit zugeordneten Maschinenregler vorgenommen. Vor dem Maschinenregler werden Regeldifferenzen für die Kapazitätsregelung, die Lastverteilungsregelung im Parallelbetrieb und die Lastverteilungsregelung im Reihenbetrieb gebildet. Bei diesem Regelsystem kann zwischen drei verschiedenen Kapazitätsregelalgorithmen gewählt werden (Durchflussregelung, Enddruckregelung hinter dem Hochdruckkompressor und Saugdruckregelung vor dem Niederdruckkompressor). Da der Kapazitätsregler nur eine Größe regeln kann, werden die beiden anderen Regeldifferenzen der Kapazitätsregelung über die Schalter 103 zu null geschaltet. Hier ist eine gegenseitige Verriegelung sinnvoll. Soll z. B. die Durchflussregelung aktiv sein, wird die Regeldifferenz für die Saugdruck- und die Enddruckregelung zu null geschaltet. Alternativ kann auch der Sollwert für den nicht aktiven Regler auf den Istwert geschaltet werden. Auch dadurch wird die Regeldifferenz zu null.
Soll einer der Lastverteilungsregler deaktiviert werden, geschieht das Gleiche. Die zugehörige Regeldifferenz wird einfach zu null geschaltet. Dies kann auf elegante Weise dadurch geschehen, dass die Optimierungsgröße (Istwert der Lastverteilung) auf den Sollwert geschaltet wird. Gleiches geschieht auch, wenn ein Kompressor außer Betrieb ist. Die Lastverteilungsreglern der anderen Kompressoren gehen einfach davon aus, dass die außer Betrieb befindlichen Kompressoren optimiert sind und daher keinen Einfluss auf die Lastverteilung auf die anderen Kompressoren haben.
Es besteht auch die.Möglichkeit, die Maschinen ausschließlich im Handbetrieb zu betreiben. Hierzu werden alle Regeldifferenzen auf null geschaltet, d. h. alle Regler sind ausgeschaltet. Der in Bild 10 und 11 gezeigte Handeingriff kann genutzt werden, um per Hand gesteuert eine künstliche Regeldifferenz als Steuergröße aufzuprägen. Der jeweilige Maschinenregler folgt dieser Differenz so lange, wie die Größe ansteht. Da der Regler in aller Regel auch integrales Verhalten hat (PI oder PID-Regler), reagiert der Integralteil des Reglers auf diese feste Regeldifferenz im Eingang durch kontinuierliche Verstellung des Ausgangs. In einer besonderen Ausgestaltung kann diese Handverstellung nur auf den Integralteil des Reglers wirken, so dass der Proprotional (P) und der Differentialanteil (D) auf diesen Handeingriff nicht reagieren. Alternativ kann die Handverstellung auch dadurch erfolgen, dass der Regler 85 auf "Hand" geschaltet wird.
Zur Verdeutlichung soll nachfolgend ein Beispiel beschrieben werden. Die Kompressoren in Reihe werden Niederdruck- (ND), Mitteldruck- (MD) und Hochdruckkompressor (HD) genannt. Die Parallelkompressoren heißen A, B, C. Es sei angenommen, die Anlage sei in Betriebsart Durchflussregelung und alle Kompressoren sind in Betrieb.
Im Parallelbetrieb sei der Durchflusssollwert sei 2% größer als der Istwert, Kompressor ND-A fördere genau 1/3 des gesamten Massenstrom, Kompressor ND-B 5% zu wenig und Kompressor ND-C 5% zu viel. Kompressor MD-A und MD-B fördern 30% des Massenstroms und Kompressor MD-C 40%. Jeder der HD-Kompressoren fördere den gleichen Massenstrom.
Im Reihenbetrieb werde Kompressor ND-A 2% zu gering belastet, Kompressor MD-A werde richtig belastet und Kompressor HD-A 2% zu hoch belastet. Kompressor ND-B wird richtig belastet, Kompressor MD-B 3% zu hoch und Kompressor HD-B 3% zu niedrig. Kompressor ND-C werde mit 29% belastet, MD-C mit 36% und HD-C mit 35%.
Es stellen sich folgende Regeldifferenzen an den Summierern ein:
Summierer des MD-B Kompressors HD-A HD-B HD-C
Kapazität +2 +2 +2
Parallel +2 0 -2
Serie -2 +3 -1,7
MD-A MD-B MD-C
Kapazität (104) +2 +2 +2
Parallel (102) +3,3 +3,3 -6,6
Serie (99) 0 -3 -3,3
ND-A ND-B ND-C
Kapazität +2 +2 +2
Parallel 0 0 0
Serie +2 0 +5,1
Der Regelagorithmus bildet nun jeweils vor den Reglern die resultierende Regeldifferenz. Daraus ergibt sich
HD-A HD-B HD-C
Kapazität +2 +2 +2
Parallel +2 0 -2
Serie -2 +3 -1,7
Summe +2 +5 -1,7
HD-A HD-B HD-C
Kapazität +2 +2 +2
Parallel +3,3 +3,3 -6,6
Serie 0 -3 -3,3
summe +5,3 +2,3 -7,9
HD-A HD-B HD-C
Kapazität +2 +2 +2
Parallel 0 0 0
Serie +2 0 +5,1
Summe +4 +2 +7,1
Trotz der z. T. widersprüchlichen Anforderungen der einzelnen Regelaufgaben (Kapazitätsregler verlangt eine Leistungssteigerung, der Lastverteilungsregler eine Absenkung) erhält jeder Maschinenregler einen eindeutigen Stellbefehl in die erforderliche Richtung, um direkt das Optimum zu erreichen. Eine Wechselwirkung zwischen den unterschiedlichen Anforderungen ist per Design ausgeschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung können noch weitere Algorithmen zugefügt werden. Die Antriebsmaschinen eines oder mehrerer Kompressoren können z. B. eine Leistungsgrenze erreichen. Dies kann zusätzlich in dem Algorithmus dergestalt verarbeitet werden, dass die Regeldifferenz der Maschinenregler der Antriebsmaschinen, die an der Grenze betrieben werden, zu null gemacht werden (wie im Handbetrieb). Diese Antriebsmaschinen nehmen dann an einer weiteren Leistungssteigerung nicht mehr teil. Zur Kompensation dieses Einflusses kann die Differenz aus der optimalen Verstelldifferenz gemäß obiger Tabelle und der tatsächlich wirksamen Differenz auf die Regeldifferenz der anderen Parallel- und Reihenkompressoren aufaddiert wird. Hiermit wird auch dieser Eingriff optimal kompensiert. Das Verfahren funktioniert selbstverständlich auch für mehrere Begrenzungsregler pro Maschineneinheit.
In einer weiteren Ausgestaltung können die Begrenzungsregler wie in Fig. 11 dargestellt über eine Extremwertauswahl (Maximalauswahl oder Minimalauswahl) geschaltet sein. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Regeldifferenzen werden Regeldifferenzen für die Abstände des Betriebspunkts von den Grenzen gebildet, so in Fig. 11 z. B. von der Maximaldrehzahl und der Minimaldrehzahl. Zusätzlich sind die Bildung je einer weiteren Regeldifferenz für eine Maximal- und Minimalbegrenzung dargestellt. Die Regeldifferenzen für Begrenzungen auf Maximalwerte sind einer Minimalauswahl aufgeschaltet, die Regeldifferenzen für eine Minimalgrenze wirken auf eine Maximalauswahl. Die wirksame Regeldifferenz für den Maschinenregler ist somit entweder die Regeldifferenz gemäß obigem Algorithmus oder aber der Abstand des Betriebspunkts von der Grenze, wenn dieser Abstand geringer ist. Bei einer Überschreitung einer Grenze steuert der Ausgang der Max/Min-Auswahl 109/110 die Maschineneinheit auch bei widersprüchlicher Anforderung von Kapazität- oder Lastverteilungsregler vorrangig stets so, dass die Grenze im stationären Betrieb nicht überschritten wird.
Nach obigem Beispiel soll der Kompressor ND-C mit einer Regeldifferenz von 6,3% in seiner Leistung gesteigert werden. Die Antriebsturbine befinde sich aber 3 % unterhalb der maximalen Betriebsdrehzahl. Die wirksame Regeldifferenz ist damit auf 3% begrenzt. Sobald die Turbine die maximale Betriebsdrehzahl erreicht hat, wird die Regeldifferenz der Drehzahlbegrenzungsregelung zu null und verhindert über die Minimalauswahl jegliche positive Regeldifferenz auf den Maschinenregler. Nur negative Regeldifferenzen in Richtung Drehzahlabsenkung können passieren. Bei Überschreiten der maximalen Drehzahl steuert der Einheitenregler die Drehzahl herunter.
Gelegentlich kann es erforderlich sein, dass die einzelnen Regelkreise (Druckregler, Durchflussregler, Lastverteilungsregler in Reihe, Lastverteilung parallel) auf unterschiedliche Reglerparameter eingestellt werden müssen, da das Streckenzeitverhalten der Regelstrecke für die einzelnen Regelgrößen unterschiedlich ist. Dies kann auf einfache Weise dadurch geschehen, dass die jeweiligen Regeldifferenzen mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren behaftet werden. Wird z. B. die Regeldifferenz des Druckreglers mit einem Faktor 1 multipliziert, die Regeldifferenz des Durchflussreglers mit einem Faktor 2 und die des Lastverteilungsreglers mit einem Faktor 3, führt dies dazu, dass die Kreisverstärkung des Lastvereilungsreglers dreimal so groß ist wie die des Druckreglers.
Soll die Reglernachstellzeit individuell angepasst werden, kann dies durch einfache Weise geschehen. Aus einem Vergleich von der einzelnen Eingänge der Maximal- und Minimalauswahl mit dem Ausgang kann ermittelt werden, welche Größe die führende ist. Aus einer Stellung der Umschalter für die Regeldifferenzen der Kapazitätsregler und der Lastverteilungsregler kann ermittelt werden, welcher dieser Regler in Betrieb ist. Eine Auswahlmatrix kann nun bestimmen, bei welcher Reglerkombination welche Reglernachstellzeit wirksam sein soll. Die im Maschinenregler wirksame Reglerzeitkonstante kann nun adaptiv genau so engepasst werden, wie es die Auswahlmatrix verlangt.
Bild 11 zeigt eine Anwendung mit insgesamt neun Regelkreisen. Würde ein solches System nach dem Stand der Technik aus neun einzelnen Reglern aufgebaut werden, wären umfangreiche Nachführungen und gegenseitige Verriegelungen erforderlich, die verhindern, dass einzelne nicht aktive Regler in die Sättigung laufen. Weiterhin besteht die große Gefahr, dass sich die neun Regler gegenseitig dynamisch beeinflussen. Alle diese Nachteile werden erfindungsgemäß umgangen. Es gibt nur einen einzigen Maschinenregler pro Maschineneinheit. Jegliche Nachführung kann entfallen und eine Wechselwirkung zwischen Reglern kann es auch nicht geben. Die Maschinenregler der anderen Kompressoren können sich auch nicht gegenseitig beeinflussen, da alle Maschinenregler für gleiche Regelgrößen auf gleiche Parameter eingestellt sind. Da alle Lastverteilungsregler mit gleichen Parametern optimiert sind, haben sie gleiches Zeitverhalten. Es kann demzufolge nicht geschehen, dass einzelne Maschinen in unterschiedliche Richtungen und damit auseinander laufen.

Claims (31)

  1. Verfahren zum Regeln von mehreren in einer Station zusammenwirkenden Strömungsmaschinen im Parallel- oder Reihenbetrieb zur Einhaltung mindestens einer von der Station vorgegebenen und allen Strömungsmaschinen gemeinsamen Prozessgröße, wobei jede Strömungsmaschine mit der sie antreibenden Antriebsmaschine eine Maschineneinheit bildet, der ein Maschinenregler zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene, gemeinsame Prozessgröße direkt auf jeden der Maschinenregler aufgegeben wird und dass diese vorgegebene, gemeinsame Prozessgröße ausschließlich über die der jeweiligen Maschineneinheit zugeordneten Maschinenregler ausgeregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Enddruck der Kompressoren verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Durchfluss durch die Kompressoren verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Saugdruck der Kompressoren verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße das Druckverhältnis der Kompressoren verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße die Lastverteilung im Parallelbetrieb verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße die Lastverteilung im Serienbetrieb verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße die Leistung der als Antriebsmaschinen dienenden Turbinen verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Eintrittsdruck der als Antriebsmaschinen dienenden Turbinen verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Austrittsdruck der als Antriebsmaschinen dienenden Turbinen verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Entnahmedruck der als Antriebsmaschinen dienenden Turbinen verwendet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Durchfluss durch eine als Antriebsmaschine dienende Turbine verwendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße der Strom einer elektirschen Antriebsmaschine wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Prozessgrößen innerhalb einer Station kombiniert werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgrößen der Kapazitätsregler im gleichen Verhältnis zueinander stehen, um eine gleichmäßige Belastung aller Maschinen zu erreichen.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte für die Lastverteilungsregler im festen aber nicht gleichen Verhältnis zueinander stehen, um eine vorbestimmte ungleichmäßige Belastung aller Maschinen zu erreichen.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor, mit dem die Sollwerte der Lastverteilungsregler voneinander abweichen, eine Funktion einer Prozessgröße ist, um eine gewünschte Belastung aller Maschinen zu erreichen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als beeinflussende Prozessgröße die Leistung der als Antriebsmaschine dienenden Turbine verwendet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand einer Prozessgröße von einer Grenze oder einen beliebigen anderen Optimierungsalgorithmus bestimmt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor, mit dem die Sollwerte der Lastverteilungsregler voneinander abweichen, willkürlich beeinflussbar wird, um eine gewünschte Belastung aller Maschinen zu erreichen.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sollwerte und Istwerte gemeinsam für alle Maschineneinheiten vorgegeben und gemessen werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sollwerte und Istwerte individuell für jede Maschineneinheit vorgegeben und gemessen werden.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Regeldifferenzen mehrerer Prozessgrößen eine ausgewählt und die übrigen, nicht benötigten Regeldifferenzen zu null geschaltet werden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Regeldifferenzen mehrerer Prozessgrößen eine ausgewählt und der Sollwert einer der nicht ausgewählten Prozessgrößen auf den Istwert geschaltet wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeldifferenzen aller Prozessgrößen auf null geschaltet sind und dass die Regelung von Hand vorgenommen wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Maschinenregler mit einem Proportionalteil und einem Integralteil die Regelung von Hand so vorgenommen wird, dass der Eingriff von Hand nur auf den Integralteil wirkt.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeldifferenz der Maschinenregler der Maschineneinheiten, die an der oberen Leistungsgrenze betrieben werden, zu null gemacht wird und dass die tatsächlich wirksame Regeldifferenz auf die Regeldifferenz der anderen Maschineneinheiten aufaddiert wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeldifferenz über eine Extremauswahl geschaltet ist.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeldifferenzen für Begrenzungen aus Maximalwerte einer Minimalauswahl aufgeschaltet werden und dass die Regeldifferenzen für eine Minimalgrenze auf eine Maximalauswahl wirken.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeldifferenzen für unterschiedliche Prozessgrößen mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren multipliziert werden.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellzeit der Regler in der Weise individuell angepasst wird, dass aus einem Vergleich der einzelnen Eingänge der Maximal- und Minimalauswahl mit dem Ausgang ermittelt wird, welche Prozessgröße die führende ist, dass aus der Stellung der Umschalter der Regler für die Prozessgrößen ermittelt wird, welcher Regler in Betrieb ist und dass über eine Auswahlmatrix bestimmt wird, bei welcher Reglerkombination welche Nachstellzeit wirksam sein soll.
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