EP2598754A1 - Verfahren zur steuerung eines verdichters - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines verdichters

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Publication number
EP2598754A1
EP2598754A1 EP11757265.1A EP11757265A EP2598754A1 EP 2598754 A1 EP2598754 A1 EP 2598754A1 EP 11757265 A EP11757265 A EP 11757265A EP 2598754 A1 EP2598754 A1 EP 2598754A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
control
model
state
theoretical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11757265.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Winkes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2598754A1 publication Critical patent/EP2598754A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00—Systems controlled by a computer
    • G05B15/02—Systems controlled by a computer electric
    • 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
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • 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
    • F04D27/007—Conjoint control of two or more different functions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0284—Conjoint control of two or more different functions
    • 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
    • F04D27/0292—Stop safety or alarm devices, e.g. stop-and-go control; Disposition of check-valves
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a compressor.
  • Compressors for providing compressed gas for industrial purposes are usually controlled by means of one or more maps. From DE 195 06 790 A such a method for controlling a compressor is known, in which by means of sensors of the compressor actual values of the
  • Compressor are measured and from these measurements and a default value for the throughput, the isentropic
  • Compressor work and the inlet flow rate is determined. Using a map stored in a computer efficiency-optimized control values for the angular positions of the nozzles during operation of the compressor are gradually adjusted.
  • EP 1 069 314 AI a compressor control known.
  • EP 1 069 314 A1 proposes for this purpose a setpoint value
  • US 2009/0274565 A1 discloses a method for controlling a compressor, in which current measured values for three parameters of the compressor are determined. Based on three characteristics of the compressor - each map describes the relationship between two of these parameters - working points of the compressor are determined for the current measured values. It is an object of the present invention to provide a
  • the invention is based on a method for controlling a compressor. According to the invention, the method comprises the following steps:
  • the inventive design a good efficiency and a large driving range of the compressor can be advantageously achieved. Furthermore, energy consumption can be kept cost-saving low.
  • each of the expert appears reasonable sense compressor, such as a motor-driven, in particular
  • Multi-stage compressor with intermediate cooling and constant speed and / or a turbine-driven gear compressor or single-shaft compressor can be understood.
  • a "setpoint" is here in particular a
  • a distance to a surge line For example, a distance to a surge line, a
  • Pinion shafts of the compressor a compliance with the intake limits of individual stages of the compressor, holding a
  • Control means a part of the compressor or an external one
  • control values of the control elements are expediently taken from a data memory, e.g. from a map, or calculated. You can each have a state of
  • Indicate actuator e.g. a position of a valve or the like, the state usually not the
  • control unit which for this purpose each, the Professional for judiciously considered investigation or
  • the setpoint value to be maintained is passed to the method as a secondary condition.
  • the determined control values are transmitted by the control unit to a model unit.
  • control values and the control elements can have different or the same parameters or different or the same
  • model-based theoretical state here represents in particular a state that is based on a
  • Computational model of the model unit and in particular based on a thermodynamic model is determined.
  • a behavior of the compressor is simulated to determine the theoretical state.
  • the model unit calculates with the transmitted control values on the basis of the thermodynamic model expediently what a state of the compressor would be if these control values were set on the control elements and the compressor would be operated with these parameters. This can be independent of direct changes to the compressor
  • Compressor can be determined. In addition, fluctuations in a flow rate during operation can be advantageously prevented.
  • Determining the state can also be understood as a determination that is undirected and / or diffuse and / or also "false "and / or in particular according to a numerical method of sequential quadratic programming.”
  • the control loop is preferably located between the control unit and the model unit
  • Model unit the information of the determined theoretical state or an associated parameter to the
  • Control unit determines this from, at a
  • At least one of the actuating elements is only actuated with a control value when a parameter of the theoretical state corresponding to the desired value reaches a predetermined proximity to the desired value.
  • a predetermined proximity to the desired value should be understood to mean, in particular, that a value is present in the control unit
  • Optimization function of the method relates.
  • the expert selects the value of the given proximity adapted to the
  • an "actual value of the state of the compressor” should in particular be a measured and / or momentary or current state value of the compressor, such as a pressure
  • Expert for pertinent state value understood that is located in a time window of less than 60 seconds, preferably less than 30 seconds, and more preferably less than 10 seconds from the time of determination removed.
  • one and more preferably at least two temperatures go into the calculation or into the thermodynamic model and in particular an inlet temperature or a measured suction temperature of the compressor or a first stage of the compressor and a measured recooling temperature of the compressor or the first stage, which corresponds to a suction temperature of at least a second stage of the compressor.
  • the state can be determined particularly simple and inexpensive.
  • the determined model-based theoretical state be corrected on the basis of at least one further actual value of the state of the compressor.
  • This further actual value preferably represents at least one pressure and / or one volume flow and in particular a measured suction pressure of the first stage and / or the second stage and / or a measured intermediate pressure and / or a measured one
  • thermodynamic model preferably compensates the determination of the theoretical state permanently by these further measured actual values, as a result of which the actual actual state of the compressor is as up-to-date and precise as possible in the actual state
  • the model-based correction is controlled directly by means of at least one uncorrected control value.
  • a predetermined state in particular, a state of
  • Compressor be understood in which a determination of the theoretical state by means of the model unit or the thermodynamic model would take too long, such as
  • an "uncorrected manipulated variable” should be understood here to mean, in particular, a manipulated variable which was determined independently of the thermodynamic model The uncorrected manipulated variable can be independent of the desired value
  • the predetermined state is a critical state of the compressor, which is converted by the direct control of at least one of the control elements in a non-critical state.
  • a critical state in particular a
  • a “non-critical state” is a state where the compressor is below the load limit
  • control values determined from the desired value or the determined control value for the actual state of the compressor are unadapted or no longer satisfy the actual state.
  • a preferred development consists in that at least one control value which is corrected as a function of the theoretical state and at least one uncorrected manipulated variable are interconnected via at least one comparator.
  • the comparator receives the at least one corrected manipulated variable from the control unit and the at least one uncorrected manipulated variable from a safety device, such as
  • a surge limit regulator for example, a surge limit regulator
  • Comparator can make a decision on the direct
  • Actuation of an applied actuating element can be realized structurally simple.
  • At least one of the uncorrected manipulated values actuate at least one valve.
  • the valve is preferably a continuous valve and particularly preferably a control valve. Through the valve can a
  • setpoint gradient This is under the phrase "change the setpoint above a
  • Determining the control values based on the target value by means of the optimization algorithm is incapable or unable to react quickly enough to this change. This value depends on a processing speed of the
  • Control unit is for example 0.5% / s.
  • model-based correction is triggered. Furthermore, it is advantageous if the direct control of at least one of the adjusting elements causes a faster adaptation of an actual value of the compressor to the desired value than by means of the model-based correction.
  • the actual value is
  • a final pressure of the compressor but in principle may be any other, the skilled worker considered useful actual value.
  • This direct control is done by means of
  • Control unit and based on at least one determined there uncorrected control value. This can be a mode of
  • provisionally still uncorrected control value passes quickly to adjust a state of the compressor to a new set point and thus to improve a workload of the compressor.
  • the compressor is controlled and the
  • Control preferably by means of a process controller, such as
  • Compressor and / or a position of a valve.
  • each guide device can be controlled with the same or with different control values.
  • a number of guide devices less than or equal to the number of stages of the compressor.
  • Value tables of maps are stored in the model unit. This could, for example, at a
  • a control value is a position of a valve and / or a rotational speed of the compressor. Consequently, it may further be advantageous if a
  • a further embodiment of the invention provides that a gas composition is measured and taken into account in the determination of the model-based theoretical state, whereby the determination or the thermodynamic model by, for example, inclusion of a real gas equation for operation with a non-ideal gas or on a
  • Model unit should be included in the determination and / or in the presence of at least one constant compressor field would be a determination of the gas composition based on at least one actual value or on the basis of measured quantities and the
  • the invention is further based on a compressor with a control unit and a model unit.
  • control unit be provided to determine at least two control values of at least two control elements of the compressor on the basis of a transmitted nominal value of a parameter of the compressor and that the
  • Model unit is provided to determine a model-based theoretical state of the compressor based on the control values and that the control unit is provided to at least one of the control values as a function of
  • the compressor 10 has a Variety Z or a first stage 64 and a second stage 66, which in each case a heat exchanger 68 for example to
  • Anstellwinkel ⁇ , a.2 of blades of the guide devices 56, 58 can be changed or adjusted.
  • the plurality Z of stages corresponds to a plurality Z of
  • Leitvortechnische 56, 58 The heat exchanger 68 of the second stage 66 downstream in the process in the flow direction 70 of a working fluid, not shown here, such as a gas, is a valve 52 in the form of a working fluid, not shown here, such as a gas, is a valve 52 in the form of a working fluid, not shown here, such as a gas.
  • Draining the fluid can be adjusted.
  • Non-return valve 76 is arranged, which separates the compressor 10 from another system not shown here. Before and during start-up of the compressor 10, the valve 52 is open and the fluid can escape, whereby in the compressor 10, a low pressure prevails. If a pressure above the pressure of the compressor 10 now prevails in the further system, the non-return valve 76 is kept closed. Now increases the pressure in the compressor 10 by a start-up of the compressor 10 and the closing of the valve 52 and the pressure exceeds a characteristic of the check valve 76, it is opened and the fluid can escape.
  • a plurality of measuring elements 78 for example in the form of temperature sensors, pressure transmitters and
  • volume flow V determined. Before the second stage 66, an actual value 34 of the suction temperature T 2 and an actual value 40 of a suction pressure P 2 are measured. Further, after the second stage 66 and in front of the check valve 76 is an actual value 42 one
  • the compressor 10 has a control unit 60 and a model unit 62, which operate a method for controlling the compressor 10.
  • a desired value 12 of a parameter 14 of the compressor 10 such as a
  • Mass flow m and thus m so ii transmitted to the control unit 60.
  • a process controller 80 in the form of a final pressure regulator, which has calculated the desired value 12 from the actual value 54 of the final pressure P E n d fed to it, whereby the compressor 10 is regulated and the desired value 12 is used as the controlled variable.
  • the process controller 80 receives a maximum value 82 of the control unit 60
  • Maximum value 82 is this as setpoint 12 to the
  • Control unit 60 given.
  • the control unit 60 now determines three control values 16, 18, 20 of the adjusting elements 22, 24, 26 or the guide devices 56, 58 and the valve 52 of the compressor 10 based on the desired value 12. This determination is carried out in a manner known to those skilled in the art by means of a The control unit 60 stored numerical algorithm in the form of a sequential quadratic programming. These three determined
  • Control values 16, 18, 20 are now transmitted to the model unit 62, which determines a model-based theoretical state of the compressor 10 based on the control values 16, 18, 20, wherein a behavior of the compressor 10 is simulated to determine the theoretical state
  • control unit 60 When the control unit 60 compares the parameter 30 or the determined mass flow m with the desired value 12 and, in the case of a deviation of the values from one another, uses the numerical method to correct the value
  • the parameter 30 compares the parameter 30 with other requirements, such as a distance to the surge limit SPG, a minimum load on individual pinion shafts of the compressor 10, a compliance with the absorption limit of the stages 64, 66, a
  • control values 16, 18, 20 on it are necessary, if necessary, the control values 16, 18, 20 on it.
  • Requirements may be stored in the control unit 60 and / or supplied from the outside.
  • Control values 16, 18, 20 are given again to the model unit 62 for determining the model-based theoretical state.
  • the behavior of the compressor 10 is gradually adjusted to the desired value 12, as in a control loop 28 between the control unit 60 and the model unit 62.
  • Control values 16, 18, 20 takes place only when the
  • Setpoint 12 corresponding parameter 30 of the theoretical state has reached a predetermined proximity to the setpoint 12.
  • thermodynamic model and the numerical algorithm. It is thus during operation of the compressor 10 constantly by variations of the three control values 16, 18, 20 and ⁇ , a. 2 and ß by the control unit 60 scenarios the
  • thermodynamic model or the model unit 62 sent.
  • the thermodynamic model determines and returns which theoretical state, for example based on the mass flow m, the efficiency ⁇ or the
  • thermodynamic model determines the effective
  • a molecular weight of the pumped fluid and a speed of the compressor 10 are assumed to be constant.
  • An overall pressure increase rges of the compressor 10 is composed of the pressure ratios ⁇ 1 , ⁇ 2 of the individual stages 64, 66 and is in accordance with
  • Compressor 10 is determined by:
  • Non-return valve 76 can be the position ß and thus the um- and / or blown off amount of fluid are taken into account and it follows:
  • control values 1 6, 1 8, 2 0, the angle of attack oii and c ⁇ 2 and the position ß are of the control elements 22, 24, 2 6th
  • ⁇ , T 2 , pi and p zw represent disturbance variables that depend on external boundary conditions.
  • the suction pressure pi can be assumed to be constant as a rule.
  • the model can determine the model-based theoretical state. Furthermore, however, the determined model-based theoretical state is corrected on the basis of further actual values 3 6, 38, 40, 42, the state of the compressor 10 or on the basis of the measured suction pressures pi, P 2 , the measured intermediate pressure p zw , and the measured volumetric flow V. ,
  • the compressor 10 has a safety device 84 in the form of a surge limit controller 8 6.
  • Pump limit controller 8 6 constantly determines whether a distance to the pumping limit S PG is maintained. For this he receives from the model unit 60 there theoretically determined parameter 30 of the distance of the pumping limit S PG and compares this with a stored in the surge limit 8 8 8 setpoint. If the parameter 30 approaches a range with, for example, 7%,
  • the comparator 50 now determines by comparing the
  • Control values 20, 48 which control value conveys a greater open position of the valve 52 and forwards this determined control value 20, 48 to the valve 52 for its control. Upon intervention of the surge limit regulator 86, this is
  • the uncorrected manipulated value 48 for example, the uncorrected manipulated value 48.
  • the actuator 26 or valve 52 is bypassed, bypassing the model-based correction directly by means of the uncorrected control value 48, whereby the
  • Compressor 10 is converted into a non-critical state and it is not operated at its load limit.
  • the surge limit regulator 86 is disengaged once the thermodynamic model has responded to the pressure change by adjusting its predictions.
  • Control value ßi St can be tracked.
  • the thermodynamic model thus has two functions; on the one hand the theoretical prediction of the state on the basis of the calculation with assumed control values 16, 18, 20 and on the other hand that of a control of the compressor 10 via the
  • the actuators 22, 24, 26, bypassing the model-based correction directly by means of uncorrected control values 44, 46, 48 driven.
  • this direct control of the adjusting elements 22, 24, 26 effects a faster adaptation of the actual values 34, 40, 42, 54 of the compressor 10 to the desired value 12 than by means of the model-based correction.
  • the control unit 60 thus determines during a large jump of the setpoint 12 during the
  • the energy savings can be via a display unit, not shown here for a
  • a control value 90 in the form of a rotational speed n of an actuating element 94, indicated only by dashed lines, in the form of a motor 96 can be determined, corrected and adjusted.
  • the actuator 94 in the presence of a predetermined state, can be controlled directly by means of an uncorrected manipulated variable 92, bypassing the model-based correction.
  • a control value 90 in the form of a rotational speed n of an actuating element 94 in the form of a motor 96 can be determined, corrected and adjusted.
  • the actuator 94 can be controlled directly by means of an uncorrected manipulated variable 92, bypassing the model-based correction.
  • thermodynamic model can be used instead of isentropic
  • Flow work or efficiencies can also be calculated with polytropic quantities.
  • other representations of the compressor map can be used, which allows a calculation of power and delivery quantity based on the given input variables.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Verdichters (10). Um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a Übermittlung zumindest eines Sollwerts (12) eines Parameters (14) des Verdichters (10), b Ermittlung von zumindest zwei Stellwerten (16, 18, 20, 90) zumindest zweier Stellelemente (22, 24, 26, 94) des Verdichters (10) anhand des Sollwerts (12), c Ermittlung eines modelbasierten theoretischen Zustands des Verdichters (10) anhand der Stellwerte (16, 18, 20, 90), d iterative Korrektur zumindest eines der Stellwerte (16, 18, 20, 90) in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand, e Steuerung zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) anhand eines Stellwerts (16, 18, 20, 90).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Steuerung eines Verdichters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verdichters .
Verdichter zur Bereitstellung von verdichtetem Gas für industrielle Zwecke werden üblicherweise mittels eines oder mehrerer Kennfelder gesteuert. Aus der DE 195 06 790 A ist solch ein Verfahren zum Steuern eines Verdichters bekannt, bei dem mittels Sensoren des Verdichters Istwerte des
Verdichters gemessen werden und aus diesen Messwerten sowie einem Vorgabewert für den Durchsatz die isentrope
Verdichterarbeit sowie der Eintrittsvolumenstrom ermittelt wird. Unter Verwendung eines in einem Rechner gespeicherten Kennfeldes werden wirkungsgradoptimierte Stellwerte für die Winkelstellungen der Leitapparate im Betrieb des Verdichters schrittweise angepasst.
Aus der EP 1 069 314 AI eine Verdichtersteuerung bekannt. Die EP 1 069 314 AI schlägt hierzu vor, einen Sollwert,
beispielweise für einen Massenstrom des Verdichters,
bereitzustellen. Daraus werden anhand zweier Kennfelder des Verdichters zwei Stellwerte ermittelt, beispielsweise ein Vorleitreihenwinkel und ein Einstellwert für einen Ventilhub. Mittels dieser beiden Stellwerte als Sollwerte zweier Regler erfolgt dann die (An-) Steuerung des Verdichters bzw. die Verstellung der Vorleitreihe und des Ventils des Verdichters.
Aus der US 2009/0274565 AI ist ein Verfahren zur Steuerung eines Verdichters bekannt, bei welchem aktuelle Messwerte für drei Parameter des Verdichters bestimmt werden. Anhand von drei Kennfeldern des Verdichters - jedes Kennfeld beschreibt den Zusammenhang von zwei dieser Parameter - werden für die aktuellen Messwerte Arbeitpunkte des Verdichters ermittelt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Steuerung eines Verdichters bereitzustellen, mit der ein guter Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Günstige Ausgestaltungen und
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Verdichters. Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf:
a Bereitstellen zumindest eines Sollwerts eines Parameters des Verdichters,
b Ermittlung von zumindest zwei Stellwerten zumindest
zweier Stellelemente des Verdichters anhand des
Sollwerts ,
c Ermittlung eines modelbasierten theoretischen Zustands des Verdichters anhand der Stellwerte,
d iterative Korrektur zumindest eines der Stellwerte in
Abhängigkeit vom theoretischen Zustand,
e Steuerung zumindest eines der Stellelemente anhand eines
Stellwerts .
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können ein guter Wirkungsgrad und ein großer Fahrbereich des Verdichters vorteilhaft erzielt werden. Ferner kann ein Energieverbrauch Kosten sparend gering gehalten werden.
In diesem Zusammenhang soll unter einem „Verdichter" jeder dem Fachmann für sinnvoll erscheinende Verdichter, wie beispielsweise ein motorbetriebener, insbesondere
mehrstufiger Verdichter mit Zwischenkühlung und konstanter Drehzahl und/oder ein turbinengetriebener Getriebeverdichter oder Einwellenverdichter verstanden werden.
Ein „Sollwert" stellt hier insbesondere eine
Leistungsanforderung an den Verdichter dar, die bei der Ermittlung der Stellwerte berücksichtigt und insbesondere angestrebt werden soll. Möglich ist auch, dass der Sollwert eine weitere oder andere Anforderung enthält, wie
beispielsweise ein Abstand zu einer Pumpgrenze, eine
Mindestbelastung einzelner Getriebebauteile wie bspw.
Ritzelwellen des Verdichters, ein Einhalten der Schluckgrenze einzelner Stufen des Verdichters, ein Halten einer
Gesamtleistung des Verdichters unterhalb eines
Leistungsmaximums des Verdichters und/oder eine andere, dem Fachmann für zweckdienlich erscheinende Anforderung. Diese Anforderungen können in der Steuerung des Verdichters fest hinterlegt sein und/oder von Außen zugeführt werden. Der Sollwert kann von einem Steuermittel oder einem Bediener vorgegeben und somit bereitgestellt werden, wobei das
Steuermittel ein Teil des Verdichters oder ein externes
Mittel sein kann.
Unter einem „Parameter" soll hier insbesondere eine
Endtemperatur, ein Enddruck, ein Wirkungsgrad, ein
Energieverbrauch, ein Volumenstrom, ein Massenstrom und insbesondere ein effektiver Massenstrom verstanden werden und/oder ein anderer, dem Fachmann sinnvoll erscheinender Parameter und/oder ein Quotient aus einem absoluten Wert eines Parameters und einem Grenzwert desjenigen Parameters, wobei der „Grenzwert" ein maximaler oder minimaler Wert ist, bei dem der Verdichter noch zuverlässig betreibbar ist.
Die Stellwerte der Stellelemente werden zweckmäßigerweise aus einem Datenspeicher übernommen, z.B. aus einem Kennfeld, oder berechnet. Sie können jeweils einen Zustand eines
Stellelements angeben, z.B. eine Stellung eines Ventils oder dergleichen, wobei der Zustand in der Regel nicht der
aktuelle Zustand des betreffenden Stellelements ist, sondern ein Sollzustand, der sich aus dem vorgegebenen Sollwert ergeben kann.
Die Ermittlung der Stellwerte anhand des Sollwerts erfolgt bevorzugt mittels einer Steuereinheit, die hierfür jedes, dem Fachmann für sinnvoll erachtetes Ermittlungs- bzw.
Berechnungsverfahren und/oder Optimierungsalgorithmus
anwenden kann, wie beispielsweise das Downhill-Simplex- Verfahren, das Gradientenverfahren, das Quasi-Newton- Verfahren und/oder, besonders bevorzugt, das numerische
Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung. Hierbei wird der einzuhaltende Sollwert als Nebenbedingung an das Verfahren übergeben. Die ermittelten Stellwerte werden von der Steuereinheit an eine Modelleinheit übermittelt.
Generell wäre hier auch eine Ermittlung von mehr als zwei Stellwerten von mehr als zwei Stellelementen denkbar. Die Stellwerte und die Stellelemente können unterschiedliche oder gleiche Parameter bzw. unterschiedlich oder gleich
ausgeführte Bauteile sein. Der Einfachheit halber wird im Folgenden nur von den Stellwerten und den Stellelementen gesprochen. Ein „modelbasierter theoretischer Zustand" stellt hier insbesondere ein Zustand dar, der anhand eines
Rechenmodells der Modelleinheit und insbesondere anhand eines thermodynamischen Modells bestimmt wird.
Vorteilhafterweise wird zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters simuliert. Hierbei berechnet die Modelleinheit mit den übermittelten Stellwerten anhand des thermodynamischen Modells zweckmäßigerweise, wie ein Zustand des Verdichters wäre, wenn diese Stellwerte an den Stellelementen eingestellt wären und der Verdichter mit diesen Parametern betrieben werden würde. Dadurch kann unabhängig von direkten Änderungen an dem Verdichter
geräteschonend und prozesssicher ein Verhalten des
Verdichters ermittelt werden. Zudem können Schwankungen bei einer Fördermenge im Betrieb vorteilhaft verhindert werden.
Ferner wird bei der Ermittlung des theoretischen Zustands das Verhalten des Verdichters in einem Regelkreis schrittweise an den Sollwert angepasst. In diesem Zusammenhang soll unter einem „Regelkreis" neben einer streng zielgerichteten
Ermittlung des Zustands auch eine Ermittlung verstanden werden, die ungerichtet und/oder diffus und/oder auch „falsch herum" und/oder insbesondere nach einem numerischen Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung erfolgt. Der Regelkreis befindet sich bevorzugt zwischen der Steuereinheit und der Modelleinheit. Liefert nun beispielsweise die
Modelleinheit die Information des ermittelten theoretischen Zustands bzw. einen zugeordneten Parameter an die
Steuereinheit, ermittelt diese hieraus, bei einer
vorbestimmten Abweichung des Parameters von dem Sollwert, erneut Stellwerte. Diese werden wieder an die Modelleinheit zur erneuten Berechnung des theoretischen Zustands das
Verhalten des Verdichters unter den neuen Bedingungen
gegeben. Bei einer Ermittlung und Modifikation der Stellwerte anhand eines numerischen Verfahrens der sequentiellen
quadratischen Programmierung erfolgt diese nach einer dem Fachmann bekannten Art und Weise. Durch die Realisierung des Regelkreises kann eine Feinabstimmung der Stellwerte
besonders effektiv und einfach erfolgen.
Bevorzugt wird zumindest eines der Stellelemente erst dann mit einem Stellwert angesteuert, wenn ein dem Sollwert entsprechender Parameter des theoretischen Zustands eine vorgegebene Nähe zum Sollwert erreicht. Hierbei soll unter der Wendung „eine vorgegebene Nähe zum Sollwert" insbesondere verstanden werden, dass in der Steuereinheit ein Wert
hinterlegt ist und/oder von dieser bestimmbar ist, der ein zulässiges Maß der Abweichung des Parameters von dem Sollwert festlegt und/oder eine Abbruchbedingung darstellt, die sich auf eine Geschwindigkeit einer Verringerung einer
Optimierungsfunktion des Verfahrens bezieht. Der Fachmann wählt den Wert der vorgegebenen Nähe angepasst an das
Verfahren und/oder die Parameter des verwendeten Verdichters zweckmäßig aus. Hierdurch kann ein unvorteilhafter oder sogar schädigender Betrieb des Verdichters Ressourcen schonend verhindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird
vorgesehen, dass in die Ermittlung des modelbasierten
theoretischen Zustands zumindest ein Istwert des Zustands des Verdichters eingeht. In diesem Zusammenhang soll unter einem „Istwert des Zustands des Verdichters" insbesondere ein gemessener und/oder momentaner bzw. aktueller Zustandswert des Verdichters, wie beispielsweise ein Druck, ein
Volumenstrom, eine Temperatur und/oder ein anderer, dem
Fachmann für sachdienlich erscheinender Zustandswert, verstanden werden, der in einem Zeitfenster von weniger als 60 Sekunden, bevorzugt weniger als 30 Sekunden und besonders vorteilhaft weniger als 10 Sekunden von dem Zeitpunkt der Ermittlung entfernt liegt. Bevorzugt geht eine und besonders bevorzugt gehen zumindest zwei Temperaturen in die Berechnung bzw. in das thermodynamische Modell ein und insbesondere eine Eingangstemperatur bzw. eine gemessene Saugtemperatur des Verdichters bzw. einer ersten Stufe des Verdichters und eine gemessene Rückkühltemperatur des Verdichters bzw. der ersten Stufe, die einer Saugtemperatur zumindest einer zweiten Stufe des Verdichters entspricht. Durch die Ermittlung des Zustands anhand eines Istwerts und insbesondere anhand einer
Temperatur kann der Zustand besonders einfach und unaufwendig bestimmt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der ermittelte modelbasierte theoretische Zustand anhand zumindest eines weiteren Istwerts des Zustands des Verdichters korrigiert wird. Dieser weitere Istwert stellt bevorzugt zumindest ein Druck und/oder ein Volumenstrom dar und insbesondere ein gemessenen Saugdruck der ersten Stufe und/oder der zweiten Stufe und/oder ein gemessenen Zwischendruck und/oder ein gemessener
Volumenstrom. Generell wäre jedoch auch jeder andere, dem Fachmann für anwendbar erscheinende Istwert denkbar.
Bevorzugt gleicht das thermodynamische Modell die Ermittlung des theoretischen Zustands permanent durch diese weiteren gemessenen Istwerte ab, wodurch der reale Istzustand des Verdichters möglichst aktuell und präzise in die
Zustandsvorhersage einbezogen wird. Hierdurch kann eine besonders exakt auf den Istzustand des Verdichters
abgestimmte Steuerung des Verdichters erreicht werden. Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn bei Vorliegen zumindest eines vorbestimmten Zustands zumindest eines der Stellelemente unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels zumindest eines unkorrigierten Stellwerts angesteuert wird. In diesem Zusammenhang soll unter einem „vorbestimmten Zustand" insbesondere ein Zustand des
Verdichters verstanden werden, bei dem eine Ermittlung des theoretischen Zustands mittels der Modelleinheit bzw. des thermodynamischen Modells zu lange dauern würde, wie
beispielsweise eine dynamische Änderung eines Enddrucks des Verdichters und/oder eine schnelle Erhöhung des Sollwerts. Unter einem „unkorrigierten Stellwert" soll hier insbesondere ein Stellwert verstanden werden, der unabhängig von dem thermodynamischen Modell bestimmt wurde. Der unkorrigierte Stellwert kann unabhängig vom Sollwert sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine besonders
zuverlässige und sichere Steuerung des Verdichters
bereitgestellt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass der vorbestimmte Zustand ein kritischer Zustand des Verdichters ist, der durch die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente in einen unkritischen Zustand überführt wird. In diesem Zusammenhang soll unter einem „kritischen Zustand" insbesondere ein
Zustand verstanden werden, bei dem der Verdichter oberhalb einer vorbestimmten Belastungsgrenze betrieben wird und/oder in dessen Betrieb eine Gefahr einer Beschädigung des
Verdichters und/oder einzelner Stufen des Verdichters
besteht. Folglich ist ein „unkritischen Zustand" ein Zustand, bei dem der Verdichter unterhalb der Belastungsgrenze
arbeitet. Insbesondere sind bei dem kritischen Zustand die aus dem Sollwert ermittelten Stellwerte bzw. der ermittelte Stellwert für den Istzustand des Verdichters unangepasst bzw. werden dem Istzustand nicht mehr gerecht. Unter einer
„direkten Ansteuerung" soll hier insbesondere eine
unmittelbare Ansteuerung ohne zwischengeschaltete Ermittlung des theoretischen Zustands verstanden werden. Durch die direkte Ansteuerung kann eine prozesssichere Steuerung realisiert und damit eine verlässliche Verdichtersteuerung vorteilhaft gestaltet werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass zumindest ein in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierter Stellwert und zumindest ein unkorrigierte Stellwert über zumindest einen Vergleicher zusammengeschaltet sind. Der Vergleicher erhält den zumindest einen korrigierten Stellwert von der Steuereinheit und den zumindest einen unkorrigierten Stellwert von einer Sicherheitsvorrichtung, wie
beispielsweise einem Pumpgrenzregler. Mittels des
Vergleichers kann eine Entscheidung über die direkte
Ansteuerung eines beaufschlagten Stellelements konstruktiv einfach realisiert werden.
Es wird zudem vorgeschlagen, dass mit zumindest einem der unkorrigierten Stellwerte zumindest ein Ventil angesteuert wird. Das Ventil ist bevorzugt ein Stetigventil und besonders bevorzugt ein Regelventil. Durch das Ventil kann eine
Überführung vom kritischen Zustand in den unkritischen
Zustand schnell und konstruktiv einfach erfolgen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der vorbestimmte
Zustand eine Änderung des Sollwerts oberhalb eines
festgelegten Sollwertgradienten umfasst. Hierbei soll unter der Wendung „Änderung des Sollwerts oberhalb eines
festgelegten Sollwertgradienten" insbesondere verstanden werden, dass sich die zeitliche Änderung des Sollwerts und/oder des Istwerts so schnell abspielt, dass die
Ermittlung der Stellwerte anhand des Sollwerts mittels des Optimierungsalgorithmus unfähig bzw. nicht in der Lage ist, schnell genug auf diese Änderung zu reagieren. Dieser Wert hängt von einer Verarbeitungsgeschwindigkeit der
Steuereinheit ab und beträgt beispielsweise 0,5 %/s.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass nur bei
gravierenden Sollwertänderungen eine Umgehung der
modelbasierten Korrektur ausgelöst wird. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente eine schnellere Anpassung eines Istwerts des Verdichters an den Sollwert bewirkt als mittels der modelbasierten Korrektur. Der Istwert ist
bevorzugt ein Enddruck des Verdichters, kann aber prinzipiell jeder andere, dem Fachmann für verwendbar erachtete Istwert sein. Diese direkte Ansteuerung erfolgt mittels der
Steuereinheit und anhand zumindest eines dort ermittelten unkorrigierten Stellwerts. Hierdurch kann ein Modus der
Steuerung bereitgestellt werden, der unabhängig von der
Modellrechnung arbeitet und so vorausschauend einen
vorläufigen noch unkorrigierten Stellwert weitergibt, um schnell einen Zustand des Verdichters an einen neuen Sollwert anzupassen und so ein Arbeitsergebnis des Verdichters zu verbessern.
Zweckmäßigerweise wird der Verdichter geregelt und der
Sollwert als Regelgröße verwendet. Hierbei erfolgt die
Regelung bevorzugt mittels eines Prozessreglers, wie
beispielsweise einem Enddruckregler und/oder jedem anderen, dem Fachmann für zweckdienlich erscheinenden Regler. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Steuerung des Verdichters besonders einfach erfolgen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass ein Stellwert zumindest ein Anstellwinkel zumindest einer Leitvorrichtung des
Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist. Hierbei werden bevorzugt mehr als eine bzw. mehrere Leitvorrichtungen mit einem Stellwert oder mit mehreren Stellwerten
beaufschlagt, wobei jede Leitvorrichtung mit demselben oder mit unterschiedlichen Stellwerten gesteuert werden kann.
Generell kann auch eine Gruppe an Leitvorrichtungen mit demselben Stellwert beaufschlagt werden und eine zweite
Gruppe mit einem anderen Stellwert. Besonders vorteilhaft wird bei einem Verdichter mit mehr als zwei Stufen jede
Leitvorrichtung einer jeden Stufe mit einem Stellwert
beaufschlagt, der sich von einem anderen Stellwert einer anderen Leitvorrichtung unterscheidet. Hierbei ist bevorzugt eine Anzahl an Leitvorrichtungen kleiner oder gleich der Anzahl der Stufen des Verdichters. Mittels der Verstellung der Leitvorrichtungen können konstruktiv einfach ein freier Querschnitt des Verdichters verändert werden und/oder einer Strömung eines Fluids des Verdichters ein Drall verpasst werden, wodurch eine geförderte Fluidmenge des Verdichters vorteilhaft moduliert werden kann. Ferner können ein Druck und/oder eine Fluidmenge im Verdichter durch das Ventil schnell und konstruktiv einfach verändert werden.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die Drehzahl des
Verdichters zu variieren. Hierfür müssen angepasste
Wertetabellen von Kennfeldern in der Modelleinheit hinterlegt werden. Hierdurch könnten beispielsweise bei einem
zweistufigen Verdichter drei Freiheitsgrade erreicht werden, was die Variationsmöglichkeiten vorteilhaft erhöht.
Somit ist es vorteilhaft, wenn ein Stellwert eine Stellung eines Ventils und/oder eine Drehzahl des Verdichters ist. Folglich kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn ein
Stellwert zumindest ein Anstellwinkel zumindest einer
Leitvorrichtung des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist. Ist nun eine Vielzahl von Leitvorrichtungen, bevorzugt in
entsprechend der Anzahl der Stufen des Verdichters,
vorgesehen, kann es zudem vorteilhaft sein, wenn die
Stellwerte eine Vielzahl von Anstellwinkeln ( n) einer
Vielzahl an Leitvorrichtungen des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Gaszusammensetzung gemessen wird und bei der Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands berücksichtigt wird, wodurch die Ermittlung bzw. das thermodynamische Modell durch beispielsweise Einbeziehung von einer Realgasgleichung an einen Betrieb mit einem nicht idealen Gas bzw. an ein
verwendetes Gas angeglichen werden kann. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine Eingabe der Gaszusammensetzung anhand von Zahlenwerten in die Steuereinheit möglich, die von der
Modelleinheit in die Ermittlung einbezogen werden und/oder bei Vorliegen zumindest eines konstanten Verdichterfelds wäre eine Ermittlung der Gaszusammensetzung anhand zumindest eines Istwerts bzw. anhand von gemessenen Messgrößen und der
Druckverhältnisse, die die Stufen schaffen, denkbar.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Verdichter mit einer Steuereinheit und einer Modelleinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Stellwerte zumindest zweier Stellelemente des Verdichters anhand eines übermittelten Sollwerts eines Parameters des Verdichters zu ermitteln und dass die
Modelleinheit dazu vorgesehen ist, einen modelbasierten theoretischen Zustand des Verdichters anhand der Stellwerte zu ermitteln und dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einen der Stellwerte in Abhängigkeit vom
theoretischen Zustand zu korrigieren und zumindest eines der Stellelemente anhand eines Stellwerts zu steuern. Durch diese Ausgestaltung kann ein optimaler Wirkungsgrad des Verdichters gleichbedeutend mit einem minimalen Energieverbrauch
realisiert werden.
Zudem wäre es möglich, die Ermittlung des modellbasierten theoretischen Zustands bzw. das thermodynamische Modell an eine polytrope Strömungsarbeit und/oder einen polytropen Wirkungsgrad in einer dem Fachmann bekannten Weise
anzupassen .
Die Erfindung wird anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische
Darstellung eines Verdichters 10 in der Form eines
zweistufigen motorbetriebenen Getriebeverdichters mit einer erfindungsgemäßen Steuerung. Der Verdichter 10 weist eine Vielzahl Z bzw. eine erste Stufe 64 und eine zweiten Stufe 66 auf, denen jeweils ein Wärmetauscher 68 z B. zur
Zwischenkühlung nachgeschaltet ist. Ferner ist an jeder Stufe 64, 66 ein Stellelement 22, 24 in der Form einer
Leitvorrichtung 56, 58 angeordnet, mittels denen ein
Anstellwinkel ι, a.2 von Schaufeln der Leitvorrichtungen 56, 58 verändert bzw. eingestellt werden kann. Somit entspricht die Vielzahl Z der Stufen einer Vielzahl Z der
Leitvorrichtungen 56, 58. Dem Wärmetauscher 68 der zweiten Stufe 66 im Prozess in Fließrichtung 70 eines hier nicht näher dargestellten Arbeitsfluids, wie beispielsweise ein Gas, nachgeschaltet ist ein Ventil 52 in der Form eines
Regelventils 72 angeordnet, über dessen Stellung ß ein
Ablassen des Fluids eingestellt werden kann.
Zudem ist am Ende der Verdichterkette 74 eine
Rückschlagklappe 76 angeordnet, die den Verdichter 10 von einem weiteren hier nicht gezeigten System trennt. Vor und bei einem Anfahren des Verdichters 10 ist das Ventil 52 offen und das Fluid kann entweichen, wodurch im Verdichter 10 ein geringer Druck herrscht. Herrscht nun in dem weiteren System ein Druck der über dem Druck des Verdichters 10 liegt, wird die Rückschlagklappe 76 geschlossen gehalten. Steigt nun der Druck im Verdichter 10 durch ein Hochfahren des Verdichters 10 und das Schließen des Ventils 52 und übersteigt der Druck eine Kennlinie der Rückschlagklappe 76 wird diese geöffnet und das Fluid kann entweichen.
Des Weiteren sind mehrere Messelemente 78, beispielsweise in der Form von Temperaturmessfühlern, Drucktransmittern und
Durchflusstransmittern, zur Messung von Istwerten 32, 34, 36, 38, 40, 42, 54 an der Verdichterkette 74 angeordnet. Hierbei werden in Fließrichtung 70 vor der ersten Stufe 64 ein
Istwert 32 einer Saugtemperatur Ti, ein Istwert 36 eines Saugdrucks pi und ein Istwert 38 eines saugseitigen
Volumenstroms V ermittelt. Vor der zweiten Stufe 66 werden ein Istwert 34 der Saugtemperatur T2 und ein Istwert 40 eines Saugdruck P2 gemessen. Ferner wird nach der zweiten Stufe 66 und vor der Rückschlagklappe 76 ein Istwert 42 eines
Zwischendrucks pzw und nach der Rückschlagklappe 76 ein
Istwert 54 eines Enddrucks pEnd ermittelt. Zudem weist der Verdichter 10 eine Steuereinheit 60 und eine Modelleinheit 62 auf, die ein Verfahren zur Steuerung des Verdichters 10 betreiben. Hierbei wird ein Sollwert 12 eines Parameters 14 des Verdichters 10, wie beispielsweise eines
Massenstroms m, und somit msoii an die Steuereinheit 60 übermittelt. Dies erfolgt von einem Prozessregler 80 in der Form eines Enddruckreglers, der den Sollwert 12 aus dem ihm zugeführten Istwert 54 des Enddrucks PEnd berechnet hat, wodurch der Verdichter 10 geregelt wird und der Sollwert 12 als Regelgröße verwendet wird. Zudem erhält der Prozessregler 80 von der Steuereinheit 60 einen Maximalwert 82 des
Parameters 14, hier mmax . Liegt der Sollwert 12 über dem
Maximalwert 82 wird dieser als Sollwert 12 an die
Steuereinheit 60 gegeben. Die Steuereinheit 60 ermittelt nun drei Stellwerte 16, 18, 20 der Stellelemente 22, 24, 26 bzw. der Leitvorrichtungen 56, 58 und des Ventils 52 des Verdichters 10 anhand des Sollwerts 12. Diese Ermittlung erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Weise anhand eines in der Steuereinheit 60 hinterlegten numerischen Algorithmus in der Form einer sequentiellen quadratischen Programmierung. Diese drei ermittelten
Stellwerte 16, 18, 20 werden nun an die Modelleinheit 62 übermittelt, die anhand der Stellwerte 16, 18, 20 einen modelbasierten theoretischen Zustand des Verdichters 10 ermittelt, wobei zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters 10 simuliert wird
(Rechnungsmodell siehe unten) .
Dieser modelbasierte theoretische Zustand bzw. diesem
zugeordnete vorausgesagte Parameter 30, beispielsweise eines Wirkungsgrads η, eines Energieverbrauchs P, eines Abstands von einer Pumpgrenze SPG oder eines Massenstroms m, wird an die Steuereinheit 60 gegeben. Hierbei kann nur ein Parameter 30 oder bevorzugt können mehrere verschiedene Parameter 30 an die Steuereinheit 60 gegeben werden, der Einfachheit halber ist hier nur ein Parameter 30 behandelt. Die Steuereinheit 60 vergleicht den Parameter 30 bzw. den ermittelten Massenstrom m mit dem Sollwert 12 und korrigiert bei einer Abweichung der Werte voneinander anhand des numerischen Verfahrens die
Stellwerte 16, 18, 20 in Abhängigkeit vom theoretischen
Zustand. Ferner vergleicht er den Parameter 30 mit weiteren Anforderungen, wie einem Abstand zu der Pumpgrenze SPG, eine Mindestbelastung einzelnen Ritzelwellen des Verdichters 10, ein Einhalten der Schluckgrenze der Stufen 64, 66, eine
Halten einer Gesamtleistung des Verdichters 10 unterhalb eines Leistungsmaximums des Verdichters 10 und passt
gegebenenfalls die Stellwerte 16, 18, 20 darauf an. Diese
Anforderungen können in der Steuereinheit 60 hinterlegt sein und/oder von Außen zugeführt werden. Die korrigierten
Stellwerte 16, 18, 20 werden erneut zur Ermittlung des modellbasierten theoretischen Zustands an die Modelleinheit 62 gegeben. Somit wird das Verhalten des Verdichters 10 wie in einem Regelkreis 28 zwischen der Steuereinheit 60 und der Modelleinheit 62 schrittweise an den Sollwert 12 angepasst.
Eine Steuerung der Stellelemente 22, 24, 26 anhand der in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierten
Stellwerte 16, 18, 20 erfolgt erst dann, wenn der dem
Sollwert 12 entsprechende Parameter 30 des theoretischen Zustands eine vorgegebene Nähe zum Sollwert 12 erreicht hat. Hierbei sind die Stellwerte 16, 18 Anstellwinkel ι, a.2 der Leitvorrichtungen 56, 58 des Verdichters 10 und der Stellwert 20 die Stellung ß des Ventils 52.
Sie Steuerung erfolg somit über ein Zusammenwirken des thermodynamischen Modells und dem numerischen Algorithmus. Es wird also während des Betriebes des Verdichters 10 ständig durch Variationen der drei Stellwerte 16, 18, 20 bzw. ι, a.2 und ß durch die Steuereinheit 60 Szenarien dem
thermodynamischen Modell bzw. der Modelleinheit 62 geschickt. Das thermodynamische Modell ermittelt und liefert dann zurück, welcher theoretische Zustand, beispielsweise bezogen auf dem Massenstrom m, den Wirkungsgrads η oder den
Energieverbrauch P, sich dann bei Verwendung dieser
Stellwerte 16, 18, 20 einstellen würde. Somit kann ermittelt werden, wie unter Wahrung einer Gesamtliefermenge diese drei Stellwerte 16, 18, 20 verändern werden müssen, damit z. B. der Energieverbrauch P möglichst klein wird. Das thermodynamische Modell ermittelt den effektiv
geförderten Massenstrom meff. Hierfür sind die folgenden
Vorbetrachtungen nötig:
Eine Molmasse des geförderten Fluids sowie eine Drehzahl des Verdichters 10 werden als konstant angenommen. Eine gesamte Druckerhöhung rges des Verdichters 10 setzt sich zusammen aus den Druckverhältnissen ττ1, π2 der einzelnen Stufen 64, 66 und ist gemäß
n ,=1
zu bestimmen. Hierbei ist die Aufteilung auf die einzelnen Stufen 64, 66 so zu bestimmen, dass eine Antriebsleitung ein Minimum annimmt. Ein gesamter Energieverbrauch P des
Verdichters 10 bestimmt sich aus:
p =-^-m
1 k, Stufe '"-> wobei es die spezifische isentrope Strömungsarbeit ist. Im
Wirkungsgrad kfS sind sowohl Verluste der isentropen
Zustandsänderung, weitere Strömungsverluste und mechanische Verluste bspw. eines Getriebes enthalten. Die spezifische isentrope Strömungsarbeit kann als esj = f{ai ^i ) und der
Wirkungsgrad als Vs ki = beschreiben werden. Die
Durchflusskennzahl φ ist bei konstanter Drehzahl proportional zum saugseitigen Volumenstrom V, wodurch sich esl = f( 1, Vi) und r]s ki = f( l, Vi) ergibt. Diese funktionalen Zusammenhänge der einzelnen Stufen 64, 66 sind als vorausberechnete und über eine Erprobung korrigierte Werte in 2-dimensionalen Wertetabellen abgelegt. Grundsätzlich könnten diese Tabellen auch im Verfahren verändert bzw. verbessert werden.
Zur Ermittlung des Energieverbrauchs P muss nun der effektive Massenstrom meff berechnet werden. Dieser bestimmt sich aus meff - f{Pi, Tl , T2,al,a2,pzw,ß) . Dies kann wie folgt hergeleitet werden :
Ein Saugdruck P2 der zweiten Stufe 66 ist abhängig von dem Saugdruck pi und dem Druckverhältnis π1 der ersten Stufe 64: ρ2=ριπι, wobei πι 1 + - und esl = /( ι,φι) ist.
K
RT,
Sinngemäß ergibt sich für den Zwischendruck pzw, dass dieser abhängig von dem Saugdruck p2 und dem Druckverhältnis π2 der zweiten Stufe 66 ist:
■ 2 wobei πΊ 1 + - "i2 und es2 = f( 2,p2) = f(a2, V2 ), V2 « Vi PlT2 ist
IC
■RT,
κ-\
Hieraus kann verallgemeinert werden, dass
= f(Pi i , T2, l,a2 , V1 ).
Fördert der Verdichter 10 nun ein druckseitiges Volumen, so ändert sich der Druck in diesem Volumen, wenn eine Bilanz einer zu- und/oder abgeführten Menge unausgeglichen bleibt. Der Zwischendruck pzw des Verdichters 10 wird durch
Integration der Massenstrombilanz erhalten, wodurch sich m = f(Pi, i, 2 > ai>a2> Pzw )
ergibt. Betrachtet man nun einen Massenstrom m nach der
Rückschlagklappe 76 kann die Stellung ß und damit die um- und/oder abgeblasene Menge an Fluid berücksichtigt werden und es ergibt sich:
Die Stellwerte 1 6 , 1 8 , 2 0 der Anstellwinkel oii und c<2 bzw. die Stellung ß sind von den Stellelementen 22 , 24 , 2 6
beeinflussbar. ΤΊ, T2, pi und pzw stellen Störgrößen dar, die von äußeren Randbedingungen abhängen. Der Saugdruck pi kann im Regelfall als konstant angenommen werden. Der
Zwischendruck pzw kann durch die oben beschriebene
errechenbare Abhängigkeit von den anderen Werten bestimmt werden. Somit gehen in die Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands mittels des thermodynamischen Modells zwei Istwerte 32 , 34 des Zustands des Verdichters 1 0 bzw. die gemessenen Saugtemperaturen ΊΊ und T2 der beiden Stufen 64 ,
66 ein. Das Modell kann mit alleiniger Kenntnis dieser beiden Istwerte 32 , 34 den modelbasierten theoretischen Zustand ermitteln. Ferner wird jedoch der ermittelte modelbasierte theoretische Zustand anhand weiterer Istwerte 3 6 , 38 , 4 0 , 42 , des Zustands des Verdichters 1 0 bzw. anhand der gemessenen Saugdrücke pi, P2, des gemessenen Zwischendrucks pzw, und des gemessenen Volumenstroms V korrigiert.
Ferner weist der Verdichter 1 0 eine Sicherheitsvorrichtung 84 in der Form eines Pumpgrenzreglers 8 6 auf. Der
Pumpgrenzregler 8 6 ermittelt ständig, ob ein Abstand zu der Pumpgrenze SPG eingehalten wird. Hierfür erhält er von der Modelleinheit 60 den dort theoretisch ermittelten Parameter 30 des Abstands der Pumpgrenze SPG und vergleicht diesen mit einem im Pumpgrenzregler 8 6 hinterlegten Sollwert 8 8 . Nähert sich der Parameter 30 einem Bereich mit beispielsweise 7 % -
1 0 % Abweichung von dem Sollwert 8 8 oder unterschreitet diesen, was beides beispielsweise bei einer dynamischen
Änderung des Drucks im Verdichter 1 0 auftreten kann, wird der Pumpgrenzregler 8 6 aktiviert. Er ermittelt nun anhand eines PI-Algorithmus einen unkorrigierten Stellwert 4 8 bzw. eine Stellung ß des Ventils 52 bei dem bzw. bei der der Abstand zur Pumpgrenze SPG eingehalten wird. Dieser unkorrigierte Stellwert 48 wird an einen Vergleicher 50 geschickt, der zudem den in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand
korrigierten Stellwert 20 von der Steuereinheit 60 erhält. Der Vergleicher 50 ermittelt nun durch Vergleich der
Stellwerte 20, 48 welcher Stellwert eine größer Offenstellung des Ventils 52 vermittelt und leitet diesen so ermittelten Stellwert 20, 48 an das Ventil 52 zu dessen Steuerung weiter. Bei einem Eingreifen des Pumpgrenzreglers 86 ist dies
beispielsweise der unkorrigierte Stellwert 48.
Somit wird bei Vorliegen eines vorbestimmten Zustands, wie eines kritischen Zustands einer schnellen Druckänderung im Verdichter 10, das Stellelement 26 bzw. das Ventil 52 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels des unkorrigierten Stellwerts 48 angesteuert, wodurch der
Verdichter 10 in einen unkritischen Zustand überführt wird und er nicht an seiner Belastungsgrenze betrieben wird. Der Pumpgrenzregler 86 wird wieder aus dem Eingriff gebracht, wenn das thermodynamische Modell durch eine Anpassung seiner Voraussagen auf die Druckänderung reagiert hat.
Während des Betriebs des Verdichters 10 anhand der
theoretischen Ermittlung der Stellwerte 16, 18, 20 wird von dem Vergleicher 50 der Stellwert 20 an das Ventil 52 gegeben. Hierbei wird ein resultierender Ansteuerwert ßiSt für die Stellung ß des Ventils 52 an den Pumpgrenzregler 86
übermittelt, so dass dieser gemäß dieses tatsächlichen
Ansteuerwert ßiSt nachgeführt werden kann. Das thermodynamische Modell hat somit zwei Funktionen; zum einen die der theoretischen Voraussage des Zustands anhand der Rechnung mit angenommenen Stellwerten 16, 18, 20 und zum anderen die einer Regelung des Verdichters 10 über den
Pumpgrenzregler 86.
Ebenso bei einem Auftreten eines vorbestimmten Zustands in der Form einer Änderung des Sollwerts 12 oberhalb eines festgelegten Sollwertgradienten, werden die Stellelemente 22, 24, 26 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels unkorrigierten Stellwerten 44, 46, 48 angesteuert. Hierbei bewirkt diese direkte Ansteuerung der Stellelemente 22, 24, 26 eine schnellere Anpassung der Istwerte 34, 40, 42, 54 des Verdichters 10 an den Sollwert 12 als mittels der modelbasierten Korrektur. Die Steuereinheit 60 ermittelt also bei einem großen Sprung des Sollwerts 12 während der
Modellberechnung der Modelleinheit 62 anhand einer
Linearisierung wie die Stellelemente 22, 24, 26 verändert werden müssten, um dem veränderten Sollwert 12 gerecht zu werden .
Eine Anzeige relevanter Stellwerte, Istwerte, Sollwerte, Angaben über Unterschiede dieser Werte zu Werten, die ohne die modelbasierte Korrektur erreicht worden wären, und/oder einer Aufsummierung z. B. der Energieersparnis kann über eine hier nicht dargestellte Anzeigeneinheit für ein
Bedienpersonal indirekt über die Verdichtersteuerung
bereitgestellt werden, wodurch Vorteile des Systems
vorteilhaft zu sehen sind.
Zudem kann zusätzlich zu den Stellwerten 16, 18, 20 auch ein Stellwert 90 in der Form einer Drehzahl n eines hier nur gestrichelt angedeuteten Stellelements 94 in der Form eines Motors 96 ermittelt, korrigiert und eingestellt werden. Auch kann hier bei Vorliegen eines vorbestimmten Zustands das Stellelement 94 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels einem unkorrigierten Stellwert 92 angesteuert werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch eine
Drehzahl einer Turbine eingestellt werden.
Ferner kann bei einer Arbeit des Verdichters 10 mit einer veränderlichen Gaszusammensetzung G diese mit einem in der Figur nur gestrichelt gezeigten Messelement 78 gemessen und bei der Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands berücksichtigt werden. Alternativ kann auf den Prozessregler 80 verzichtet werden, wobei hier der Sollwert 12 anderweitig von extern dem System zugeführt wird. Ferner ist in einer alternativen Ausführung auch der Pumpgrenzregler 86 und der Vergleicher 50
verzichtbar, wenn die Berechnung der optimierten Stellwerte 16, 18, 20 schnell genug erfolgt, um selbst bei plötzlichen Prozessänderungen adäquat zu reagieren.
Das Ausführungsbeispiel beschreibt das Verfahren exemplarisch für einen zweistufigen Verdichter mit einer
Innendruckzustandsänderung . Prinzipiell ist das Modell auf jeden mehrstufigen Verdichter anwendbar. In dem
thermodynamischen Modell kann anstatt mit isentropen
Strömungsarbeiten bzw. Wirkungsgraden auch mit polytropen Größen gerechnet werden. Des Weiteren können auch andere Repräsentationen des Verdichterkennfelds verwendet werden, die eine Berechnung von Leistung und Liefermenge anhand der gegebenen Eingangsgrößen ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Verdichters (10) mit folgenden Schritten: a Bereitstellen zumindest eines Sollwerts (12) eines
Parameters (14) des Verdichters (10),
b Ermittlung von zumindest zwei Stellwerten (16, 18, 20, 90) zumindest zweier Stellelemente (22, 24, 26, 94) des Verdichters (10) anhand des
bereitgestellten Sollwerts (12) aus einem Kennfeld des Verdichters (10),
c Ermittlung eines modellbasierten, theoretischen
Zustands des Verdichters (10) anhand der Stellwerte (16, 18, 20, 90) unter Verwendung eines
Zustandsmodells des Verdichters (10), wobei der modellbasierte, theoretische Zustand des Verdichters (10) zumindest mit einem
modellbasierten, theoretischen Sollwert des Parameters (14) des Verdichters (10) beschrieben wird,
d Ermittlung von zumindest zwei korrigierten
Stellwerten (16, 18, 20, 90) der zumindest zwei Stellelemente (22, 24, 26, 94) anhand des modellbasierten, theoretischen Sollwerts aus dem
Kennfeld des Verdichters (10),
e iterative Korrektur durch iterative Wiederholung der Schritte c und d, solange bis der in der jeweiligen Iteration ermittelte modellbasierte, theoretische Sollwert eine bestimmte Nähe zu dem bereitgestellten Sollwert (12) aufweist, f Steuerung zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) in Abhängigkeit des in der letzten Iteration korrigierten Stellwerts (16, 18, 20, 90) dieses Stellelements (22, 24, 26, 94) .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters (10) simuliert wird, wobei das Verhalten in einem Regelkreis (28) schrittweise an den bereitgestellten Sollwert (12) angepasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der
Stellelemente (22, 24, 26, 94) erst dann mit einem
Stellwerte«: (16, 18, 20, 90) angesteuert wird, wenn der in der jeweiligen Iteration ermittelte modellbasierte,
theoretische Sollwert eine bestimmte Nähe zu dem
bereitgestellten Sollwert (12) erreicht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ermittlung des
modellbasierten, theoretischen Zustands zumindest ein Istwert (32, 34) des Zustands des Verdichters (10) eingeht.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte modellbasierte, theoretische Zustand anhand zumindest eines weiteren Istwerts (36, 38, 40, 42) des Zustands des Verdichters (10) korrigiert wird .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen zumindest eines vorbestimmten Zustands zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) unter Umgehung der modellbasierten Korrektur direkt mittels zumindest einem unkorrigierten Stellwert (44, 46, 48, 92) angesteuert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Zustand ein kritischer Zustand des Verdichters (10) ist, der durch die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente (26) in einen unkritischen Zustand überführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierter Stellwert (20) und zumindest ein unkorrigierter Stellwert (48) über zumindest einen Vergleicher (50) zusammengeschaltet sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass mit zumindest einem der
unkorrigierten Stellwerte (48) zumindest ein Ventil (52) angesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Zustand eine Änderung des bereitgestellten Sollwerts (12) oberhalb eines festgelegten Sollwertgradienten umfasst und die direkte
Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) eine schnellere Anpassung eines Istwerts (34, 40, 54) des Verdichters (10) an den bereitgestellten Sollwert (12) bewirkt als mittels der modellbasierten Korrektur.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) geregelt wird und der bereitgestellte Sollwert (12) als Regelgröße verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellwert (16, 18, 20) zumindest ein Anstellwinkel ( ι, 0:2) zumindest einer
Leitvorrichtung (56, 58) des Verdichters (10) und/oder eine Stellung (ß) eines Ventils (52) ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellwerte (16, 18, 20, 90) eine Vielzahl (Z) von Anstellwinkeln ( ι, 0.2) einer Vielzahl (Z) an Leitvorrichtungen (56, 58) des Verdichters (10) und/oder eine Drehzahl (n) des Verdichters (10) und/oder eine Stellung (ß) eines Ventils (52) ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszusammensetzung (G) gemessen wird und bei der Ermittlung des modellbasierten, theoretischen Zustands berücksichtigt wird.
15. Verdichter mit einer Steuereinheit (60) und einer
Modelleinheit (62) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuereinheit (60) dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Stellwerte (16, 18, 20, 90) zumindest zweier
Stellelemente (22, 24, 26, 94) des Verdichters (10) anhand eines übermittelten Sollwerts (12) eines
Parameters (14) des Verdichters (10) aus einem Kennfeld des Verdichters (10) oder zumindest zwei korrigierte Stellwerte (16, 18, 20, 90) der zumindest zwei
Stellelemente (22, 24, 26, 94) anhand eines
modellbasierten, theoretischen Sollwerts aus dem
Kennfeld des Verdichters (10) zu ermitteln,
- die Modelleinheit (62) dazu vorgesehen ist, einen
modellbasierten, theoretischen Zustand des Verdichters (10) anhand der Stellwerte (16, 18, 20, 90) oder der korrigierter Stellwerte (16, 18, 20, 90) unter
Verwendung eines Zustandsmodells des Verdichters (10) zu ermitteln, wobei der modellbasierte, theoretische
Zustand des Verdichters (10) zumindest mit dem
modellbasierten, theoretischen Sollwert des Parameters (14) des Verdichters (10) beschrieben wird, und
- die Steuereinheit (60) dazu vorgesehen ist, zumindest eines der Stellelemente (22, 24, 26, 94) in Abhängigkeit des korrigierten Stellwerts (16, 18, 20, 90) dieses Stellelements (22, 24, 26, 94) zu steuern.
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