EP1846660B1

EP1846660B1 - Verfahren zur optimierung des betriebs mehrerer verdichteraggregate und vorrichtung hierzu

Info

Publication number: EP1846660B1
Application number: EP06707973A
Authority: EP
Inventors: Michael Metzger; Helmut Liepold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: DK1846660T3; EP1846660B8; CA2597519A1; AU2006212264A1; UA88045C2; MX2007009728A; RU2381386C2; DE102005006410A1; US20080131258A1; PL1846660T3; US7676283B2; CN101155995A; RU2007133792A; DE502006003377D1; ES2321872T3; NO20074604L; BRPI0606994A2; EP1846660A1; WO2006084817A1; ATE428055T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Verdichtungsanlage mit mindestens zwei gesondert zu-und/oder abschaltbaren Verdichteraggregaten, mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen zur Änderung der Arbeitsleistung der Verdichteraggregate und mit einer Steuerungseinrichtung.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Verdichtungsanlage mit mindestens zwei gesondert zu- und/oder abschaltbaren Verdichteraggregaten und mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen zur Änderung der Arbeitsleistung der Verdichteraggregate.
Verdichtungsanlagen, beispielsweise Erdgasverdichtungsanlagen, für den Gastransport und/oder die Gasspeicherung sind wesentliche Einrichtungen im Sinne der nationalen und internationalen Energieversorgung. Ein System zum Gastransport besteht aus einer Vielzahl von Verdichtungsanlagen, welche sich jeweils aus mehreren Verdichteraggregaten zusammensetzen können. Den Verdichteraggregaten kommt hier die Aufgabe zu, einem Fördermedium hinreichend viel mechanische Energie hinzuzufügen um Reibungsverluste zu kompensieren und die geforderten Betriebsdrücke bzw. -flüsse sicherzustellen. Verdichteraggregate weisen oft sehr unterschiedliche Antriebe und Laufräder auf, da sie beispielsweise für eine Grundlast- oder einen Spitzenlastbetrieb ausgelegt sind. Ein Verdichteraggregat umfasst z.B. mindestens einen Antrieb und mindestens einen Verdichter.
Der Anlagenautomatisierung kommt insbesondere für eine kostenoptimale Fahrweise eine große Bedeutung zu. Die Fähigkeit der Anlagenautomatisierung den Prozess zu führen, und die Verdichtungsanlage innerhalb der Produktionszwänge zu optimieren, liefert entscheidende wirtschaftliche Vorteile.
Häufig werden die Verdichter einer Verdichtungsanlage über Turbinen angetrieben, die ihren Brennstoffbedarf direkt aus einer Pipeline decken. Alternativ werden Verdichter über elektrische Motoren angetrieben. Eine kostenoptimale Fahrweise bedeutet, den Energieverbrauch der Turbinen bzw. der elektrischen Antriebe bei gegebener Verdichtungsleistung, Förderleistung, Förderkapazität und/oder bei gegebenem Volumenstrom zu minimieren.
Ein nutzbarer Betriebsbereich von Verdichtern wird durch nachteilige Auswirkungen innerer Strömungsvorgänge eingeschränkt. Hieraus ergeben sich Betriebsgrenzen, wie z.B. eine Temperaturbegrenzung, Überschreiten der lokalen Schallgeschwindigkeit (Verdichtungsstoß, Schluckgrenze), das umlaufende Abreißen der Strömung am Schaufelrad oder die Pumpgrenze.
Die Automatisierung einer Verdichtungsanlage hat primär die Aufgabe von einer Dispatching-Zentrale vorgegebene Sollwerte, wie wahlweise einen Durchfluss durch die Station oder einen Enddruck an der Ausgangsseite als Istwerte zu realisieren. Es dürfen hierbei vorgegebene Grenzwerte für die Saugdrücke an der Eingangsseite, die Enddrücke an der Ausgangsseite und die Endtemperatur am Anlagenausgang nicht überschritten werden.
Aus WO 03/036096 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs mehrerer Verdichteraggregate einer Erdgasverdichtungsstation bekannt. Bei diesem Verfahren werden nach dem Anlauf eines zweiten bzw. eines weiteren Verdichteraggregats die Drehzahlen der laufenden Verdichteraggregate in einem festen Drehzahlverhältnis in Bezug auf für jedes Verdichteraggregat hinterlegte Kennfelddaten gefahren. Um eine erste Reduzierung des Energieverbrauchs zu realisieren werden nach Anlaufen eines zusätzlichen Verdichters die Drehzahlen aller in Betrieb befindlichen Aggregate durch eine gleichprozentige Durchflussmengenverstellung solange verändert, bis, wenn möglich, alle Pumpverhütungsventile der Anlage geschlossen sind. Erst nachdem alle Pumpverhütungsventile geschlossen sind, werden Arbeitspunkte der Verdichteraggregat in deren Kennfeldern so nahe wie möglich an eine Linie des maximalen Wirkungsgrades geschoben.
Gemäß EP 0 769 624 B1 ist ein Verfahren bekannt zur Lastausgleichung zwischen mehreren Verdichtern und zum Manipulieren der Arbeitsleistung der Verdichter, um eine vorbestimmte Beziehung zwischen allen Verdichtern aufrechtzuerhalten, wenn die Arbeitspunkte aller Verdichter weiter als ein spezifizierter Wert von der Pumpgrenze entfernt sind.
Mit EP 0 576 238 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lastverteilung bekannt. Mit einem als Führungsverdichter bestimmten Verdichter wird ein Regelsignal erzeugt, welches als eine Bezugsgröße für die nicht führenden Verdichter genutzt wird.
Die oben beschriebenen Verfahren können den Energieverbrauch der gesamten Verdichtungsanlage noch nicht zufrieden stellend herabsetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur weiteren Optimierung des Energieverbrauchs für einen Betrieb mehrerer Verdichteraggregate einer Verdichtungsanlage zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Vorgabe neuer Sollwerte oder Änderung des aktuellen Zustandes der Verdichtungsanlage mittels einer Optimierungsrechnung aus einer aktuellen Schaltkonfiguration der Verdichteraggregate hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs der Verdichtungsanlage eine neue Schaltkonfiguration berechnet wird, und dass die neue Schaltkonfiguration über die Steuerungseinrichtung automatisch eingestellt wird.
An der Erfindung ist vorteilhaft, dass bei der Optimierung von allen an der jeweiligen Verdichtungsanlage verfügbaren oder betriebsbereiten Verdichteraggregaten unabhängig von ihrem jeweiligen Betriebs- oder Schaltzustand ausgegangen werden kann. Insbesondere erlaubt die Erfindung - im Gegensatz zu bekannten Steuerungen für Verdichtungsanlagen - als Ergebnis der Optimierung ein automatisches Zuschalten eines vorher außer Betrieb befindlichen Verdichteraggregates oder ein völliges Abschalten eines Verdichteraggregates sein.
Automatisch bedeutet hierbei insbesondere "online", dass heißt automatisch kann zum Beispiel heißen, dass die Schaltkonfiguration ohne manuelles Zutun vom Betriebspersonal der Verdichtungsanlage verwendet wird, vorzugsweise in Echtzeit. Echtzeit bedeutet, dass das Ergebnis einer Berechnung innerhalb eines gewissen Zeitraumes garantiert vorliegt, das heißt bevor eine bestimmte Zeitschranke erreicht ist. Dabei kann die Optimierungsrechnung auf einer gesonderten Datenverarbeitungsanlage ablaufen, welche ihre Rechendaten automatisch an die Steuerungseinrichtung weitergibt.
Die Erfindung geht von dem bekannten sequentiellen Konzept, d.h. nach dem Anlaufen eines von außen vorgegebenen, zusätzlichen Aggregates erst die Pumpverhütungsventile zu schließen und danach die Arbeitspunkte der Verdichteraggregate hinsichtlich ihres Wirkungsgrades zu optimieren, ab. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise während jeder Optimierungsrechnung die gesamte Verdichtungsanlage betrachtet und die Schaltkonfiguration der Verdichtungsanlage, d.h. die Vorgabe eines Schaltzustands der einzelnen Verdichteraggregate, berechnet. Das Schließen der oder aller Pumpverhütungsventile kann durch einen minimalen Durchfluss durch die Verdichteraggregate bei der Optimierung sichergestellt werden. Auch ein erstmaliges Anfahren der Verdichtungsanlage kann bereits mit einer hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs günstigen Schaltkonfiguration erfolgen.
Unter der, vorzugsweise elektrisch manipulierbaren, Schaltkonfiguration einer Verdichtungsanlage versteht man eine Menge der jeweiligen Schaltzustände der einzelnen Verdichteraggregate. Die Schaltkonfiguration wird durch die Schaltzustände "0" für Aus oder "1" für Ein repräsentiert, welche beispielsweise in einer ganzzahligen Variable bitweise abgelegt ist.
Unter Schaltvorgang versteht man den Wechsel von einem, insbesondere elektrischem, Schaltzustand in einen anderen.
Vorteilhafterweise wird eine Prognose mittels der Optimierungsrechnung für mindestens einen, vorzugsweise mehrere zukünftige(n) Zeitpunkt(e) ermittelt. Da das Verfahren Prognosen bis zu einem gegebenen Zeitpunkt zulässt, ist es möglich Kenntnisse über eine normale Fahrweise der Station, d.h. z.B. einen üblichen Lastverlauf, zu verwenden um die Schalthäufigkeit von Verdichteraggregaten zu minimieren.
Zweckmäßig ist, dass verdichteraggregat-spezifische Datensätze und/oder verdichteraggregat-spezifische Kennfelder ausgewertet und für die einzelnen Verdichteraggregate Arbeitspunkte bestimmt werden, welche von vorgegebenen bzw. geänderten Werten des Massenflusses und einer spezifischen Förderarbeit abhängen, wobei die Arbeitspunkte derart eingestellt werden, dass der Gesamtenergiebedarf der Verdichtungsanlage optimiert wird.
Mit Vorteil werden die Datensätze und/oder Kennfelder als Funktion von einem Massenfluss und einer spezifischen Förderarbeit der einzelnen Verdichtungsaggregate angegeben.
Mit Vorteil wird bei der Optimierungsrechnung zusätzlich zur Schaltkonfiguration eine Lastverteilung, d.h. ein Drehzahlverhältnis, zwischen den Verdichteraggregaten berechnet und gegebenenfalls geändert.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, dass Nebenbedingungen an die Optimierung, wie z.B. die Pumpgrenze nicht zu verletzen, schon bei einer Wirkungsgradoptimalen Berechnung der Drehzahlsollwerte für die einzelnen Verdichterstationen berücksichtigt werden können.
Zweckmäßig ist, dass die Optimierungsrechnung mit einem Regelzyklus, insbesondere selbstauslösend, ausgeführt wird.
Mit Vorteil werden als Ausgangsgrößen der Optimierungsrechnung mit jedem Regelzyklus Drehzahlsollwerte und/oder die neue Schaltkonfiguration für die Steuerungseinrichtung bereitgestellt.
Zweckmäßig ist, dass für die Dauer des Regelzyklus, welcher insbesondere ein Vielfaches einer Zykluszeit einer Regelung der Steuerungseinrichtung ist, die Drehzahlsollwerte und/oder die Schaltkonfiguration konstant gehalten werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Drehzahlsollwerte mit einem gemeinsamen Faktor skaliert und als Sollwert für einen Verdichteraggregat-Regler genutzt.
Eine weitere Steigerung der Effektivität des Anlagenbetriebes wird erreicht indem die Steuerungseinrichtung mit der neuen Schaltkonfiguration bereits vor Ende des Regelzyklus eine Aufwärmphase der Verdichteraggregate für das spätere Zuschalten eines vorher außer Betrieb befindlichen Verdichteraggregates auslöst.
In einer besonderen Ausführungsform wird mit dem Ende der Aufwärmphase der Steuerungseinrichtung eine Lastbereitschaft für den nächsten Regelzyklus mitgeteilt. Wenn beispielsweise die Drehzahl eines anfahrenden Verdichteraggregates hinreichend hoch ist und die Aufwärmphase der Turbine beendet ist, wird ein Signal "lastbereit" gesetzt. Das bedeutet, dass das Verdichteraggregat an dem Verfahren der Lastverteilung teilnimmt und in der Optimierungsrechnung für die günstigste Lastverteilung zwischen den in Betrieb befindlichen berücksichtigt wird.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform werden als Eingang für die Optimierungsrechnung

ein Modell der einzelnen Verdichtungsaggregate und/oder
eine Modellbibliothek der gesamten Verdichtungsanlage und/oder
eine aktuelle spezifische Förderarbeit der einzelnen Verdichtungsaggregate und/oder
eine aktuelle spezifische Förderarbeit der Verdichtungsanlage und/oder
einen aktuellen Massenfluss durch das einzelne Verdichtungsaggregat, insbesondere durch einen einzelnen Verdichter und/oder
einen aktuellen Massenfluss durch die Verdichtungsanlage und/oder
die aktuelle Schaltkonfiguration und/oder
ein Saugdruck an der Eingangsseite der Verdichtungsanlage und/oder
ein Saugdruck an der Eingangsseite des einzelnen Verdichtungsaggregates und/oder
ein Enddruck an der Ausgangsseite der Verdichtungsanlage und/oder
ein Enddruck an der Ausgangsseite des einzelnen Verdichtungsaggregates und/oder
eine Temperatur an der Ausgangsgangsseite der Verdichtungsanlage und/oder
eine Temperatur an der Eingangsseite der Verdichtungsanlage und/oder
eine Temperatur an der Ausgangsgangsseite der einzelnen Verdichtungsaggregate und/oder
eine Temperatur an der Eingangsseite der einzelnen Verdichtungsaggregate und/oder
die aktuellen Drehzahlen der einzelnen Verdichteraggregate ausgewertet.

In zweckmäßiger Weise minimiert die Optimierungsrechnung nach dem Prinzip der modelprädiktiven Regelung mittels Prognoserechnungen den bis zu einem späteren Zeitpunkt erwarteten Gesamtenergiebedarf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei der Optimierungsrechnung ein Energieverbrauch eines Schaltvorgangs berücksichtigt.
Zweckmäßigerweise wird der Energieverbrauch des Schaltvorgangs aus den Datensätzen und/oder den Kennfeldern der Verdichteraggregate berechnet. Die Kenntnis über einen anteiligen Energieverbrauch für den Schaltvorgang ermöglicht eine noch exaktere Bestimmung des minimalen Gesamtenergieverbrauchs der Verdichtungsanlage.
Eine vorteilhafte Variante der Erfindung ist, dass die spezifische Förderarbeit der Verdichteranlage für den Regelzyklus als konstant angenommen wird, insbesondere bei einer Parallelschaltung der Verdichteraggregate.
Eine alternative vorteilhafte Variante der Erfindung ist, dass der Massenfluss der Verdichteranlage für den Regelzyklus als konstant angenommen wird, insbesondere bei einer Serienschaltung der Verdichteraggregate.
Zweckmäßiger Weise wird ein aktives Verdichteraggregat zumindest mit einem vorgebbaren oder vorgegebenen minimalen Durchfluss betrieben.
Vorteilhafterweise wird die Optimierungsrechnung mittels eines Branch-and-Bound Algorithmus ausgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Weise wird eine Grenze für den Branch-and-Bound Algorithmus durch das Lösen eines relaxierten Problems mittels Sequential-Quadratic-Programming bestimmt.
Eine weitere Steigerung der Effizienz des Berechnungsverfahrens wird erreicht indem die Optimierungsrechnung mittels einer dynamischen Programmierung Teilprobleme löst, insbesondere bei einer Serienschaltung.
Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird bezogen auf die eingangs genannte Steuerungseinrichtung gelöst durch ein Optimierungsmodul, mit dem bei Vorgabe neuer Sollwerte oder Änderung des aktuellen Zustands der Verdichtungsanlage mittels einer Optimierungsrechnung aus einer aktuellen Schaltkonfiguration der Verdichteraggregate hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs der Verdichtungsanlage eine neue Schaltkonfiguration berechenbar ist, und durch ein Stellmodul, mit welchen die neue Schaltkonfiguration automatisch einstellbar ist.
Das Optimierungsmodul zur Optimierung des Energieverbrauchs ist insbesondere dazu hergerichtet in Kombination mit der Steuerungseinrichtung und/oder der Dispatching-Zentrale die vorgegebene Gesamtlast auf die einzelnen Verdichteraggregate so zu verteilen, dass die Stationssollwerte unter möglichst geringem Energieverbrauch, d.h. mit maximalem Gesamtwirkungsgrad, verwirklicht werden. Dies umfasst beispielsweise sowohl die Entscheidung welche Verdichteraggregate aktiv und welche inaktiv geschaltet werden, als auch die Vorgabe wie viel jedes der aktiven Aggregate zur Gesamtleistung beitragen soll, also die Vorgabe der Lastverteilung.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Optimierungsmodul in räumlicher Entfernung, insbesondere mehrere Km, zur Steuerungseinrichtung angeordnet.
Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Optimierungsmodul zur Berücksichtigung eines Energieverbrauchs eines Schaltvorganges hergerichtet.
Eine weitere Ausgestaltung ist, dass das Optimierungsmodul zur Optimierungsrechnung für eine Mehrzahl von Steuerungseinrichtungen mehrerer Verdichtungsanlagen hergerichtet ist.
Zur Erfindung gehört auch ein Computerprogrammprodukt enthaltend eine Software zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21. Mit einem maschinenlesbaren Programmcode auf einem Datenträger lassen sich mit Vorteil DV-Anlagen zu einem Optimierungsmodul herrichten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei in

FIG 1: ein Blockschaltbild eines Verfahrens zur Optimierung des Betriebs einer Verdichtungsanlage,
FIG 2: ein verdichter-spezifisches Kennfeld eines Verdich- teraggregats,
FIG 3: eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Ver- dichtungsanlage und in
FIG 4: ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte

Das Verhalten eines einzelnen Verdichtungsaggregats 3, 4, 5 wird durch ein Kennfeld 20 modelliert, das Kennfeld 20 beschreibt dessen Wirkungsgrad und seine Drehzahl als Funktion seines Arbeitspunktes 22. Der Arbeitspunkt 22 wird mittels einer Zustandsvariablen ṁ, welche einen Massenfluss durch das Verdichtungsaggregat beschreibt, und einer mit Gleichung 1 bestimmbaren spezifischen Förderarbeit $y = \frac{κ}{κ - 1} R T_{E} Z [{(p_{A} / p_{E})}^{\frac{κ}{κ - 1}} - 1] + \frac{c_{A}^{2} - c_{E}^{2}}{2} + g \cdot (z_{A} - z_{E})$
beschrieben, wobei

R: eine spezifische Gaskonstante,
κ: ein Isentropenexponent,
Z: ein Realgasfaktor,
c_E,c_A: eine Geschwindigkeit am Eingang bzw. Ausgang des Ver- dichteraggregats,
z_A, z_E: ein Höhenunterschied,
p_E: ein Saugdruck,
p_A: ein Enddruck, und
T_E: eine Eingangstemperatur ist.

Die Kennfelder 20 sind nicht durch eine geschlossene Formel zur Verfügung gestellt. Aus einer Messung werden eine Förderkennlinie 21 und eine Wirkungsgradkennlinie 23 ermittelt. Bei konstanter Drehzahl wird die Abhängigkeit von der Förderarbeit und einem Wirkungsgrad η _i vom Volumenstrom V̇_i oder Massenfluss ṁ an Stützstellen bestimmt.
Um das Verhalten eines Verdichteraggregates 3, 4, 5 zu modellieren, müssen zusätzlich die Betriebsgrenzen, wie z.B. eine Pumpgrenze 36, die durch das Auftreten bestimmter Strömungserscheinungen im Verdichter bedingt sind, in Abhängigkeit von der Drehzahl aufgenommen werden. Aus diesen Stützstellen und den zugehörigen Werten für verschiedene Drehzahlen lassen sich durch geeignete Ansätze, wie z.B. stückweise polynomialer Interpolation oder B-Splines, die Kennfelder 20 als Funktion von Massenfluss ṁ_i und spezifischer Förderarbeit y_i und ihr Definitionsgebiet aufbauen.
Bei in Serie geschalteten Verdichteraggregaten 3, 4, 5 wird die gesamte Förderarbeit auf die einzelnen Verdichteraggregate 3, 4, 5 energieoptimal verteilt, wobei der Massenstrom durch die Verdichter als gleich angenommen wird. Für eine Formulierung eines Minimierungs-Problems, insbesondere bei einer Serienschaltung, gilt Gleichung 2: $\min = \sum_{t \geq 0} \sum_{i = 1}^{N} s_{i, t} \frac{y_{i, t} {\dot{m}}_{g, t}}{η_{i} ({\dot{m}}_{g, t}, y_{i, t})} + δ \sum_{t > 0} {(s_{i, t} - s_{i, t - 1})}^{2}$
Zur Anwendung einer mathematischen Programmierung wird Gleichung 3 als Gleichungsnebenbedingung betrachtet:

Die Serienschaltung resultiert darin, dass die Summe der spezifischen Förderarbeiten der Verdichter jeder Zeit gleich der Förderarbeit der Station sein muss:

y_{g, t} = \sum_{i = 1}^{N} y_{i, t}, s_{i, t} y_{i, t}^{\min} ({\dot{m}}_{g, t}) \leq y_{i, t} \leq s_{i, t} y_{i, t}^{\max} ({\dot{m}}_{g, t})

Bei parallel geschalteten Verdichtern ist der Gesamtstrom auf die einzelnen Verdichteraggregate 3, 4, 5 zu verteilen, wobei die spezifische Förderarbeit der Verdichtungsanlage für einen Optimierungszyklus R als gegeben gesetzt wird. Für eine Formulierung eines Minimierungs-Problems, insbesondere bei einer Serienschaltung, gilt Gleichung 4: $\min = \sum_{t \geq 0} \sum_{i = 1}^{N} s_{i, t} \frac{y_{i, t} {\dot{m}}_{g, t}}{η_{i} ({\dot{m}}_{g, t}, y_{i, t})} + δ \sum_{t > 0} {(s_{i, t} - s_{i, t - 1})}^{2}$
Zur Anwendung einer mathematischen Programmierung wird Gleichung 5 als Gleichungsnebenbedingung betrachtet:

Im Falle der Parallelschaltung muss die Summe der Einzelflüsse zu jedem Zeitpunkt gleich dem geforderten Gesamtfluss sein:

{\dot{m}}_{g, t} = \sum_{i = 1}^{N} {\dot{m}}_{i, t}, s_{i, t} {\dot{m}}_{i, t}^{\min} (y_{g, t}) \leq {\dot{m}}_{i, t} \leq s_{i, t} {\dot{m}}_{i, t}^{\max} (y_{g, t})

Da der Gesamtenergieverbrauch zu minimieren ist, ergibt sich das Minimierungs-Problem als Summe des Verbrauchs aller Verdichteraggregate 3, 4, 5.
Ein weiterer Term ist additiv mit dem Minimierungs-Problem, welches eine Zielfunktion darstellt, verknüpft. Die Kosten des Schaltens, also der Energieverbrauch eines Schaltvorgangs, werden hierdurch berücksichtigt. Bei einem gegebenen Saugdruck P_S , einem Enddruck P_E , einer Temperatur T und dem Massenfluss ṁ lässt sich ein anteiliger Energieverbrauch für einen Schaltvorgang eines Verdichteraggregates 3, 4, 5 aus den Kennfeldern berechnen.
Bei der Optimierung der Zielfunktion werden folgende Ungleichungsnebenbedingungen eingehalten:

Ein aktives Verdichtungsaggregat muss, um die Pumpgrenze nicht zu verletzen, einen minimalen Durchfluss, insbesondere einem minimalen Massenfluss ${\dot{m}}_{i, t}^{\min},$
einhalten. Dieser minimale Durchfluss ist abhängig von der augenblicklichen Förderarbeit der Verdichtungsanlage. Ebenso muss der Massenfluss unter einem maximal zulässigen Wert ${\dot{m}}_{i, t}^{\max}$
bleiben.
Ganz analog zum Massenfluss gelten im Fall von in Serie geschalteten Verdichtern obere und untere Grenzen für die spezifische Förderarbeit $y_{i, t}^{\min}$
und $y_{i, t}^{\max} .$

Die Behandlung von Verdichtungsanlagen mit parallel und seriell geschalteten Aggregaten, wird einheitlich realisiert und erfordert keine gänzlich unterschiedlichen Formulierungen des Minimierungs-Problems. Eine Lösung resultiert direkt aus der mathematischen Formulierung als Optimierungsproblem.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zur Optimierung des Betriebs einer Verdichtungsanlage. Die Verdichtungsanlage ist mit drei Verdichteraggregaten 3, 4 und 5 stark schematisiert dargestellt. Für eine Verschaltung der Verdichteraggregate 3, 4 und 5 wird eine Parallelschaltung angenommen. Die Verdichteraggregate 3, 4 und 5 werden über eine Steuerungseinrichtung 10 gesteuert und geregelt. Die Steuerungseinrichtung 10 umfasst eine Regelung der Steuerungseinrichtung 12, einen ersten Verdichteraggregatsregler 13, einen zweiten Verdichteraggregatsregler 14 und einen dritten Verdichteraggregatsregler 15. Ein Optimierungsmodul 11 steht in bidirektionaler Verbindung mit der Steuerungseinrichtung 10. Mittels des Optimierungsmoduls 11 wird ein nicht lineares gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem gelöst. Eine mathematische Formulierung des Optimierungsproblems ist im Optimierungsmodul 11 implementiert. Unter Verwendung von Gl.4 mit einer Anzahl N = 3 der Verdichteraggregate 3, 4 und 5 und einer Reihe von Eingangsgrößen 33, wird das Optimierungsmodul 11 hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergieverbrauches optimierte Ausgangsgrößen 32 der Regelung der Steuerungseinrichtung 12 bereitstellen. Die Eingangsgrößen 33 setzen sich aus einer Modellbibliothek 26, mit einem Modell 24a, 24b, 24c für jedes Verdichteraggregat 3, 4, 5 und Prozessgrößen der Verdichtungsanlage zusammen.
Über Istwerte 30 und Sollwerte 31 wird die Regelung der Steuerungseinrichtung 12 mit

einer aktuellen Temperatur T_g,A an der Ausgangsseite der Verdichtungsanlage,
einer aktuellen Temperatur T_g,E an der Eingangsseite der Verdichtungsanlage,
einem aktuellen Enddruck P_g,A an der Ausgangsseite der Verdichtungsanlage,
einem aktuellen Saugdruck P_g,E an der Eingangsseite der Verdichtungsanlage,
einem aktuellen Volumenstrom V̇_i für I = 1...3 mit je einer aktuellen Temperatur für Eingang T_i,E und Ausgang eines Verdichteraggregates T_i,_A,
einem aktuellen Druck P_i,E und P_i,A ,

Die Sollwerte bzw. Grenzwerte 31 für die Regelung der Steuerungseinrichtung 12 setzen sich aus einer Maximaltemperatur T_g,A,max einem Druck P_g,A(Soll) und einem Volumenstrom V̇_g(Soll) an der Ausgangsseite der Verdichtungsanlage sowie einem maximalen Saugdruck P _g,E(max) bzw. P_g,A(max) an der Eingangsseite bzw. der Ausgangsseite der Verdichtungsanlage zusammen.
Mit den Istwerten 30 als Prozessgrößen und der Grundgleichung G1.1 werden die Eingangsgrößen 33 für das Optimierungsmodul 11 vervollständigt.
Im Optimierungsmodul 11 wird nun ein minimaler Gesamtenergiebedarf berechnet. Für die parallel angeordneten Verdichteraggregate 3, 4 und 5 wird das Minimierungsproblemmittels eines Branch-and-Bound Algorithmus (L.A. Wolsey, "Integer programming", John Wiley & Sons, New York, 1998) gelöst, der diskrete Variablen in einem binären Baum abläuft. Um nicht alle Zweige des binären Suchbaumes auswerten zu müssen, werden eine untere Grenze G für das Minimum durch das Lösen eines relaxierten Problems mittels Sequential-Quadratic-Programming (P.E. Gill, W. Murray, M.H. Wright, "Practical Optimization", Academic Press, London, 1995) bestimmt.
Im Optimierungsmodul 11 sind weiterhin spezielle Problemklassen und angepasste Problemformulierungen sowie effiziente Algorithmen implementiert, wie sie in folgender Literatur T. Jenicek, J. Kralik, "Optimized Control of Generalized Compressor Station";
S. Wright, M. Somani, C. Ditzel, "Compressor Station Optimization", Pipeline Simulation Interest Group, Denver, Colorado, 1998;
K. Ehrhardt, M.C. Steinbach, "Nonlinear Optimization in Gas Networks", ZIB-Report 03-46, Berlin, 2003 und
R.G. Carter, "Compressor Station Optimization: Computational Accuracy and Speed", 1996, zu finden sind.
Ausgehend von einer kontinuierlichen Fahrweise der Verdichtungsanlage werden Arbeitspunkte 22 in Kennfeldern 20, siehe Figur 2, der Verdichteraggregate 3, 4 und 5 in ihrem optimalen Bereich gehalten.
Bei Änderung des Volumenstroms V̇_g(Soll) der Verdichtungsanlage wird mittels der Optimierungsrechnung im Optimierungsmodul 11 aus einer aktuellen Schaltkonfiguration S_i,t-1 der Verdichteraggregate 3, 4 und 5 hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs der Verdichtungsanlage eine neue Schaltkonfiguration S_i,t berechnet.
Eine Herabsetzung des Volumenstroms V̇_g(Soll) der Verdichtungsanlage um die Hälfte hat ein Optimierungsrechnungsergebnis zur Folge, welche folgende neue Schaltkonfiguration vorgibt: Das Verdichteraggregat 5 wird durch die Vorgabe S₅,_t = 0 heruntergefahren. Da der geforderte Volumenstrom der Verdichtungsanlage nunmehr mit zwei von drei Verdichteraggregaten erreicht werden kann, ist das Verdichteraggregat 5 inaktiv geschaltet. Alle in Betrieb befindlichen Verdichteraggregate 3 und 4 werden nun solange kontinuierlich gefahren, bis die Änderung des Volumenstroms oder eine Abweichung von den Sollwerten erneut eine Optimierungsrechnung mit einer geänderter Schaltkonfiguration zum Ergebnis hat. Kontinuierliche Fahrweise bedeutet, die in Betrieb befindlichen Verdichteraggregate werden mit einer optimierten Lastverteilung und mit einer optimierten Einstellung ihrer Arbeitspunkte 22 in den Kennfeldern 20 betrieben. Die Ausgangsgrößen 32 des Optimierungsmoduls 11 enthalten somit neben den momentan einzustellenden Schaltzuständen der Verdichteraggregate auch eine Drehzahl-Sollwertvorgabe λ _i für die einzelnen Verdichteraggregate 3, 4 und 5.
Von der untergelagerten Stationsregelung, die höher zyklisch als die Optimierung läuft, werden die Drehzahl-Sollwerte λ _i , bevor sie auf die Verdichteraggregatregler gegeben werden, mit einem gemeinsamen Faktor α skaliert, um die Sollwerte einzuregeln. Die Optimierungsrechnung wird mit einem Regelzyklus R im Optimierungsmodul 11 selbst auslösend ausgeführt. Bei der Optimierungsrechnung werden also zyklisch neben der Berechnung einer eventuellen Schaltkonfiguration S_i,t die Lastverteilung zwischen den Verdichteraggregaten, d.h. die Wirkungsgrad optimalen Drehzahl-Sollwerte λ _i für die einzelnen Verdichteraggregate 3, 4 und 5 zyklisch ausgeführt. Für die Dauer des Regelzyklusses R werden die Drehzahl-Sollwerte λ _i und die Schaltkonfiguration S_i,t-1 konstant gehalten. Verdoppelt sich nun der Volumenstrom V̇_g(Soll) der Gesamtanlage aufgrund von Laständerungen, so wird die Optimierungsrechnung mit dem nächsten Regelzyklus R eine neue Schaltkonfiguration S_i,t , eine neue Lastverteilung, und eine neue Lage der wirkungsgradoptimalen Arbeitspunkte 22 vorgeben.
Die neue Schaltkonfiguration lautet jetzt drei von drei Verdichteraggregaten zu betreiben. Da das Ergebnis der Optimierungsrechnung noch vor Ende des Regelzyklusses bekannt ist, wird für das dritte anzufahrende Verdichteraggregat 5 eine Aufwärmphase gestartet. Mit Beendigung des Regelzyklus R werden die neuen Werte der Steuerungseinrichtung 10 und insbesondere den Verdichteraggregatsreglern 13, 14, 15 bereitgestellt. Das zuvor mit einer Aufwärmphase vorbereitete Verdichteraggregat 5 kann nunmehr nahtlos für den neuen Regelzyklus R zugeschaltet werden und der optimale Gesamtenergieverbrauch für die geforderte Förderleistung oder den geforderten Volumenstrom V̇_g(Soll) ist wieder gegeben.
Figur 2 zeigt ein verdichterspezifisches Kennfeld 20 eines Verdichteraggregates 3. Das Verdichterkennfeld 20 zeigt die drehzahlabhängigen Förderkennlinien 21 und die Wirkungsgradkennlinien 23 des Verdichters in Abhängigkeit des auf der x-Achse aufgetragenen Volumenstromes V̇ _3, _E am Eingang des Verdichters und der auf der y-Achse aufgetragenen spezifischen Förderarbeit γ₃ des Verdichters (V̇ = ṁ/δ,δ = Dichte).
Zusätzlich ist eine Pumpgrenze 36 eingetragen. Wirkungsgrad optimale Arbeitspunkte 22 liegen nahe der Pumpgrenze 36 auf einer Wirkungsgradkennlinie 23 mit einem hohen Wirkungsgrad η_3,max .Für das mit Figur 1 beschriebene Verfahren sind die Kennfelder 20 als mathematische Funktion von einem Massenfluss (oder des Volumenstromes) und einer spezifischen Förderarbeit der einzelnen Verdichtungsaggregate gegeben. Die mathematische Formulierung der Kennfelder 20 als Rechenfunktion ist Bestandteil des Optimierungsmoduls 11 bzw. der Optimierungsrechnung.
Figur 3 zeigt eine Steuerungseinrichtung 10 zur Steuerung einer Verdichtungsanlage 1. Die durch das Optimierungsmodul 11 ermittelten optimalen Drehzahlsollwerte λ _i und die neue Schaltkonfiguration S_i,t werden, in Zusammenwirken mit der Steuerungseinrichtung 10, über ein Stellmodul S an den Verdichteraggregaten 3, 4 und 5 eingestellt und/oder geregelt.
Als Regelgröße für eine Regelung der Steuerungseinrichtung 10 wird insbesondere diejenige Größe aus Durchfluss, Saugdruck, Enddruck und Endtemperatur, welche die kleinste positive Regelabweichung aufweist, verwendet. Die Regelung der Steuerungseinrichtung 10 liefert als Ausgang zusammen mit dem Optimierungsmodul die Sollwerte für die einen einzelnen Verdichteraggregat-Regler 13, 14, 15 siehe Fig. 2.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte 40, 42, 44 und 46. Ausgehend von einem ersten Verfahrensschritt 40 wird das Optimierungsverfahren zyklisch angestoßen. Mit einem zweiten Verfahrensschritt 42 wird der aktuelle Zustand der Verdichterstation 1 ermittelt. Folgende Werte werden dazu erfasst: Istwerte 30, Sollwerte 31, Grenzwerte und Randbedingungen 37 und Modelle 24a, 24b, und 24c aus der Modellbibliothek 26. Zusätzlich wird erfindungsgemäß der aktuelle Schaltzustand S_i,_t-1 der Verdichtungsanlage 1 ermittelt. Ein dritter Verfahrensschritt 44 stellt eine Entscheidungsstelle dar. Mit dem dritten Verfahrensschritt 44 wird die Entscheidung getroffen eine Optimierungsrechnung 46 in einem vierten Verfahrensschritt durchzuführen oder das Verfahren zu beenden 48. Aufgrund der vorliegenden Istwerte 30 und Sollwerte 31 kann entschieden werden, ob eine Optimierungsrechnung notwendig ist. Für den Fall, dass der dritte Verfahrensschritt eine Ja-Entscheidung Y ergibt, wird das Verfahren mit dem vierten Verfahrensschritt 46 weiterarbeiten. In dem vierten Verfahrensschritt 46 wird das gemischt-ganzzahlige Optimierungsproblem gelöst. Eingangsgrößen für den vierten Verfahrensschritt 46 sind wiederum Istwerte 30, Sollwerte 31, Grenzwerte und Randbedingungen 37 und die Modelle aus einer Modellbibliothek 26. Als Ergebnis des vierten Verfahrensschrittes 46 werden Drehzahlsollwerte λ_i und neue Schaltzustände S_i,t ausgegeben. Das Verfahren ist beendet 48. Mit dem zyklischen Anstoß aus dem ersten Verfahrensschritt 40 wird das Verfahren erneut durchlaufen.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Verdichtungsanlage (1) mit mindestens zwei gesondert zu- und/oder abschaltbaren Verdichteraggregaten (i=1, ..., N), mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen zur Änderung der Arbeitsleistung der Verdichteraggregate (i=1, ..., N) und mit einer Steuerungseinrichtung (10),
dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorgabe neuer Sollwerte oder Änderung des aktuellen Zustandes der Verdichtungsanlage (1) mittels einer Optimierungsrechnung aus einer aktuellen Schaltkonfiguration (S _i,t-1) der Verdichteraggregate (i=1, ..., N) hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs (EG) der Verdichtungsanlage (1) eine neue Schaltkonfiguration (S_i,t ) berechnet wird, und dass die neue Schaltkonfiguration (S_i,t ) über die Steuerungseinrichtung (10) automatisch eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Prognose mittels der Optimierungsrechnung für mindestens einen, vorzugsweise mehrere zukünftige(n) Zeitpunkt(e) (t) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass verdichteraggregat-spezifische Datensätze und/oder verdichteraggregat-spezifische Kennfelder (20) ausgewertet und für die einzelnen Verdichteraggregate (i=1, ..., N) Arbeitspunkte (22) bestimmt werden, welche von vorgegebenen bzw. geänderten Werten des Massenflusses ṁ und einer spezifischen Förderarbeit (y) abhängen, wobei die Arbeitspunkte (22) derart eingestellt werden, dass der Gesamtenergiebedarf (E_G) der Verdichtungsanlage (1) optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Datensätze und/oder Kennfelder (20) als Funktion von einem Massenfluss (ṁ_i ) oder einem entsprechenden Volumenstrom (V̇_i ) und einer spezifischen Förderarbeit (λ _i ) der einzelnen Verdichtungsaggregate (i=1, ..., N) gegeben sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Optimierungsrechnung zusätzlich zur Schaltkonfiguration (S_i,t ) eine Lastverteilung zwischen den Verdichteraggregaten (i=1, ..., N) berechnet und gegebenenfalls geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungsrechnung mit einem Regelzyklus (R), insbesondere selbstauslösend, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
bei dem als Ausgangsgrößen (32) der Optimierungsrechnung mit jedem Regelzyklus (R) Drehzahlsollwerte (λ _i ) und/oder die neue Schaltkonfiguration (S_i,t) für die Steuerungseinrichtung bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass für die Dauer des Regelzyklus (R), welcher insbesondere ein Vielfaches einer Zykluszeit (Z) einer Regelung (12) der Steuerungseinrichtung (10) ist, die Drehzahlsollwerte (λ _i ) und/oder die Schaltkonfiguration (S_i,t ) konstant gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
bei dem die Drehzahlsollwerte (λ _i ) mit einem gemeinsamen Faktor (α) skaliert und als Sollwert für einen Verdichteraggregat-Regler (13, 14, 15) genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die Steuerungseinrichtung (10) mit der neuen Schaltkonfiguration (S_i,t =1) bereits vor Ende des Regelzyklus (R) eine Aufwärmphase der Verdichteraggregate (i=1, ..., N) für das spätere Zuschalten eines vorher außer Betrieb befindlichen Verdichteraggregates (S_i,t- 1=0) auslöst.
Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ende der Aufwärmphase der Steuerungseinrichtung (10) eine Lastbereitschaft für den nächsten Regelzyklus (R) mitgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem als Eingang (23) für die Optimierungsrechnung
- ein Modell (24) der einzelnen Verdichtungsaggregate (i=1, ..., N) und/oder

- eine Modellbibliothek (26) der gesamten Verdichtungsanlage (1) und/oder

- eine aktuelle spezifische Förderarbeit (y_i,t-1) der einzelnen Verdichtungsaggregate (i=1, ..., N) und/oder

- eine aktuelle spezifische Förderarbeit(yg, (y_g,t-1) der Verdichtungsanlage (1) und/oder

- einen aktuellen Massenfluss (ṁ _i,t-1) durch das einzelne Verdichtungsaggregat (i=1, ..., N), insbesondere durch einen einzelnen Verdichter und/oder

- einen aktuellen Massenfluss ( ṁ_g,t-1) durch die Verdichtungsanlage (1) und/oder

- die aktuelle Schaltkonfiguration (S_i,t-1) und/oder

- ein Saugdruck (p_g,E) an der Eingangsseite (E) der Verdichtungsanlage (1) und/oder

- ein Saugdruck (P _i,E ) an der Eingangsseite des einzelnen Verdichtungsaggregates und/oder

- ein Enddruck (_Pg,A) an der Ausgangsseite (A) der Verdichtungsanlage (1) und/oder

- ein Enddruck (P _i,A ) an der Ausgangsseite des einzelnen Verdichtungsaggregates (i=1, ..., N) und/oder

- eine Temperatur (T _g,A ) an der Ausgangsgangsseite (A) der Verdichtungsanlage (1) und/oder

- eine Temperatur (T_g,E ) an der Eingangsseite (E) der Verdichtungsanlage (1) und/oder

- eine Temperatur (T_i,A ) an der Ausgangsgangsseite der einzelnen Verdichtungsaggregate (i=1, ..., N) und/oder

- eine Temperatur (T_i,E ) an der Eingangsseite der einzelnen Verdichtungsaggregate (i=1, ..., N) und/oder

- die aktuellen Drehzahlen der Verdichteraggregate ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem die Optimierungsrechnung nach dem Prinzip der modellprädiktiven Regelung mittels Prognoserechnungen den bis zu einem späteren Zeitpunkt (t) erwarteten Gesamtenergiebedarf minimiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Optimierungsrechnung ein Energieverbrauch (E_s) eines Schaltvorgangs berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der Energieverbrauch (Es) des Schaltvorgangs aus den Datensätzen und/oder den Kennfeldern (20) der Verdichteraggregate (i=1, ..., N) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Förderarbeit (y _g ) der Verdichteranlage (1) für den Regelzyklus (R) als konstant angenommen wird, insbesondere bei einer Parallelschaltung der Verdichteraggregate (i=1, ..., N).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenfluss (ṁ_g ) der Verdichteranlage (1) für den Regelzyklus (R) als konstant angenommen wird, insbesondere bei einer Serienschaltung der Verdichteraggregate (i=1, ..., N).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
bei dem ein aktives Verdichteraggregat (S_i =1) zumindest mit einem vorgebbaren oder vorgegebenen minimalen Durchfluss (ṁ_imin ) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
bei dem die Optimierungsrechnung mittels eines Branch-and-Bound Algorithmus ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19,
bei dem eine Grenze (G) für den Branch-and-Bound Algorithmus durch das Lösen eines relaxierten Problems mittels Sequential-Quadratic-Programming bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
bei dem die Optimierungsrechnung mittels einer dynamischen Programmierung Teilprobleme löst, insbesondere bei einer Serienschaltung.
Steuerungseinrichtung (10) zur Steuerung einer Verdichtungsanlage (1) mit mindestens zwei gesondert zu- und/oder abschaltbaren Verdichteraggregaten (i=1, ..., N) und mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen zur Änderung der Arbeitsleistung der Verdichteraggregate (i=1, ..., N),
gekennzeichnet durch ein
- Optimierungsmodul (11), mit dem bei Vorgabe neuer Sollwerte oder Änderung des aktuellen Zustands der Verdichtungsanlage mittels einer Optimierungsrechnung aus einer aktuellen Schaltkonfiguration (S_i,t-1 ) der Verdichteraggregate (i=1, ..., N) hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs (E_G) der Verdichtungsanlage (1) eine neue Schaltkonfiguration (S_i,t ) berechenbar ist, und

- durch ein Stellmodul (S), mit welchen die neue Schaltkonfiguration (S_i,t ) automatisch einstellbar ist.
Steuerungseinrichtung (10) nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsmodul (11) in räumlicher Entfernung, insbesondere mehrere Km, zur Steuerungseinrichtung (10) angeordnet ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsmodul zur Berücksichtigung eines Energieverbrauchs (Es) eines Schaltvorganges hergerichtet ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsmodul (11) zur Optimierungsrechnung für eine Mehrzahl von Steuerungseinrichtungen mehrerer Verdichtungsanlagen hergerichtet ist.
Computerprogrammprodukt enthaltend eine Software zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21.