EP2673508A2 - Verfahren und vorrichtung zum steuern bzw. regeln eines fluidförderers zum fördern eines fluides innerhalb einer fluidleitung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum steuern bzw. regeln eines fluidförderers zum fördern eines fluides innerhalb einer fluidleitung

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EP2673508A2
EP2673508A2 EP12740093.5A EP12740093A EP2673508A2 EP 2673508 A2 EP2673508 A2 EP 2673508A2 EP 12740093 A EP12740093 A EP 12740093A EP 2673508 A2 EP2673508 A2 EP 2673508A2
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EP
European Patent Office
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fluid
conveyor
flow rate
controlling
flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12740093.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad DREBINGER
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2673508A2 publication Critical patent/EP2673508A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/048—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators using a predictor
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/09—Flow through the pump

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for controlling a fluid conveyor for conveying a fluid within a fluid conduit, wherein the
  • fluid may be gas or oil and the fluid generator may be a compressor or a pump.
  • a method of controlling (which may include, in particular, rules wherein a manipulated variable may be output, for example for controlling the conveyor, and a signal relating to the flow of the fluid can be read in (feedback)) of a fluid conveyor or fluid conveyor (in particular a pump or a compressor) for conveying or conveying or transporting (in particular for compressing or transporting) a fluid (in particular a gas or an oil) within a fluid line (in particular a gas line or an oil line or a gas line system or an oil line system).
  • a fluid conveyor or fluid conveyor in particular a pump or a compressor
  • conveying or conveying or transporting in particular for compressing or transporting
  • a fluid in particular a gas or an oil
  • a fluid line in particular a gas line or an oil line or a gas line system or an oil line system
  • the method comprises obtaining (for example via an electrical signal which is connected to an information source) information (in particular in electronic form) about a desired flow quantity (in particular a flow quantity or flow rate to be achieved and optionally via a target pressure to be achieved ) of the fluid within the fluid conduit, which information in particular may define a desired flow rate of the fluid at multiple locations (and / or at multiple times) within the fluid conduit.
  • the method comprises determining (in particular having modeling, calculating or estimating) an energy consumption of the fluid conveyor during operation of the fluid conveyor within a working area of the fluid conveyor, wherein the working area of the fluid conveyor may be definable by means of different operating parameters of the fluid conveyor.
  • the method comprises controlling or regulating (in particular via supplying a electrical signal, in particular one or more manipulated variables, such as a rotational speed) of the fluid conveyor with regard to a flow (and in particular optionally a generated pressure) of the fluid (the fluid conveyor in operation transports the fluid under pressure or momentum transfer in accordance with a fluid flow) on the information about the desired flow rate of the fluid within the fluid line such that the desired flow rate of the fluid (in particular at the plurality of locations where the target flow rate are predetermined) are achieved and the energy consumption required for this (which is required by the fluid conveyor) is minimized, taking into account in the control (in particular in the regulation), that the working range of the fluid conveyor is limited by non-linear limitations.
  • the working range of the fluid conveyor is defined by a set of pairs (in particular tuples) of a flow rate and a ratio of a pressure at an inlet and an outlet of the fluid conveyor, the quantity of pairs being limited by at least one curved curve.
  • the method can thus tax shares for issuing
  • Control variables and control components for generating the manipulated variables using feedback are controlled by controlling the manipulated variables using feedback.
  • the information can also provide information about a target pressure.
  • the flow rate may e.g. expressed in standard cubic meters, taking into account the gas quality in order to be able to assign a given energy content to a standard cubic meter.
  • the flow rate may e.g. in an energy flow amount, whereby a supply of a defined amount of energy is achieved by supplying a certain amount of standard cubic meters, wherein the amount of the
  • Gas quality depends. Depending on the gas quality, the energy content of a standard cubic meter varies.
  • the energy content can be specified in Btu (British Thermal Unit).
  • Btu Blunt Thermal Unit
  • the amount of energy in the form of gas must be supplied at a lower energy content more standard cubic meters than at higher energy content.
  • a non-linear boundary can be defined as a boundary by a curved curve, which is thus not a straight line.
  • the desired flow quantity (in particular also a desired pressure) can be achieved with higher accuracy, since the modeling of the behavior of the fluid within the fluid conveyor can be modeled with higher accuracy.
  • a more accurate or reliable determination of one or more manipulated variables is possible, which are output to the fluid conveyor for controlling the fluid conveyor.
  • the permissible working range of the fluid conveyor can specify the area of the fluid conveyor in which the fluid conveyor can be operated without being damaged.
  • an operation of the fluid conveyor outside the working area can be avoided in order to protect the fluid conveyor from damage or even destruction.
  • the working range can also be defined in other ways by a set of points, for example by specifying a speed, a flow rate, only the pressure at the inlet and / or only a pressure at the outlet of the fluid conveyor.
  • the working area is limited by curved curves, which thus can not be represented exclusively by one or more straight lines. The shape of the curves is taken into account in the control of the fluid conveyor. Thus, the control of the fluid conveyor can be further improved.
  • the method further comprises obtaining information about an actual pressure (a pressure actually existing at a certain time) and an actual flow amount (a flow amount actually existing at a certain time) of the fluid within the fluid passage
  • Controlling the fluid conveyor is further based on the information about the actual pressure and the actual flow rate of the fluid within the fluid conduit.
  • the information about the actual pressure and the actual flow quantity of the fluid may have been determined, for example, via one or more measurements at one or more points along or within the fluid line.
  • the information about the actual pressure and the actual flow amount can be obtained continuously or at regular or irregular intervals (about every second, every minute, every hour).
  • the information about the target flow amount as well as the information about an actual pressure and the actual flow amount can be obtained via a network (wired or wireless).
  • the method further comprises modeling (in particular having simulations with the provision of physical equations of flow dynamics, in particular differential equations, in particular taking into account the temperature of the fluid, the wall condition of the fluid conduit, the density of the fluid and the like) of the flow (in particular the movement) of the fluid through the fluid conduit and the pressure of the fluid within the fluid conduit, wherein the controlling of the fluid conveyor is further based on modeling the flow of the fluid through the fluid conduit (and in particular the pressure of the fluid within the fluid conduit) ,
  • modeling the flow of fluid through the fluid conduit (and in particular the pressure of the fluid within the fluid conduit) may include accounting for the friction between an interior wall of the fluid conduit and the fluid, which may be described in particular by non-linearity.
  • the friction between the fluid and the fluid line or the friction between individual fluid components leads to a reduction of the flow and / or to a reduction of the pressure of the fluid within the fluid line.
  • a flow of the fluid and / or a pressure of the fluid can be reduced the more, the further the fluid within the fluid conduit is removed from the fluid conveyor.
  • Considering the friction of the fluid with the wall of the fluid conduit and taking into account the friction of the fluid in mutual interaction may improve the control of the fluid conveyor such that the desired flow rate can be achieved at one or more locations within the flow conduit while minimizing energy.
  • the flow of the fluid through the flow conduit and the pressure of the fluid within the fluid conduit are modeled using a non-linear differential differential equation system.
  • the partial differential equations the entire pipeline including friction can be modeled.
  • a friction of the fluid with a wall surface of the fluid line can be described or modeled or simulated in order to improve the control of the fluid conveyor.
  • the controlling of the fluid conveyor is based on a flow amount difference between the target flow amount and the actual flow amount (particularly, at plural places of the fluid passage).
  • the flow amount difference may represent an error signal of the flow amount, wherein the controlling of the Fluid conveyor is carried out such that the error signals are minimized.
  • the control of the fluid conveyor can be simplified and improved.
  • the information about the target flow amount over a period of time about 0 sec. - 10 sec., 0 sec. - 1 min., 0 sec.
  • Flußmengedifferenz can be an integrator (in particular an electronic module) of a conventional PI controller used. In this way, the control method of the fluid conveyor can be simplified and / or improved.
  • determining the power consumption of the fluid conveyor comprises determining (or accounting for) the power consumption of the fluid conveyor upon power up and / or power down.
  • the power consumption of the fluid conveyor upon power up and / or power down is taken into account in minimizing the required power consumption.
  • an actual or instantaneous state of the fluid conveyor can be taken into account. For example, if it turns out that turning off and turning on later has a higher energy consumption than running the fluid conveyor at lower throughput or lower power, the fluid conveyor can operate at the lower power without shutting it off and then turning it back on later , In this way, controlling or regulating the fluid conveyor can be particularly helpful. visibly minimizing energy consumption, while at the same time ensuring compliance with the target flow rate.
  • a distance between the fluid conveyor and a location along the fluid conduit where the target flow rate is to be achieved is taken into account to control the fluid conveyor. The greater the distance, the greater the dead times (eg.
  • Time difference between the output of a manipulated variable to the conveyor and the corresponding setting of a modified fluid flow can occur. Considering these dead times, which may occur, the control method can improve, in order to actually achieve the target flow amount in fact.
  • At least one constraint on a set of constraints is taken into account in controlling the fluid conveyor, wherein the set of constraints includes: avoiding a pressure in the fluid line that is above a maximum line pressure (in particular damaging the fluid line to prevent) ; Avoiding a pressure in the fluid conveyor which is above a maximum delivery pressure (in particular to prevent damage to the fluid conveyor); and Keeping the working point (the operating point at which the fluid conveyor is operated, in particular definable by speed, flow rate or pressure ratio established at the input or at the output of the fluid idenseers) from a boundary line of the working area, which delimits in particular the working range of flow rates, the below the work area (ie smaller
  • the method further comprises obtaining further information about another target flow amount of the fluid, wherein the target flow amount is different from the further target flow amount, wherein the controlling of the fluid conveyor is further based on the further target flow amount.
  • the set flow rate may define a first setpoint state
  • the further setpoint flowrate may define a second setpoint state.
  • a regulation of the fluid conveyor is made possible to move from a first desired state to a second desired state.
  • the first desired state and the second desired state can each be defined via specific set flow quantities at a plurality of delivery points of the fluid.
  • a dynamically changing flow configuration and pressure configuration within the fluid conduit can be achieved by appropriate control of the fluid conveyor (or, in particular, a plurality of fluid conveyors).
  • the fluid is a gas and the fluid conveyor is a compressor.
  • the compressor can eg by an electric motor or in particular by a gas turbine (which, for example, by the fluid can be driven, the drive being taken into account by the fluid in the energy consumption of the fluid conveyor).
  • a control method for controlling one or more compressors of a gas piping system can be provided.
  • the fluid is an oil and the fluid conveyor is a pump, in particular an electric pump, whereby a method for controlling a pump of an oil line system is provided.
  • obtaining information about the target flow amount of the fluid within the fluid conduit includes obtaining information (particularly, an electrical signal, such as a wireless or wired network) of information about a desired flow rate of the fluid at a plurality of locations or in the fluid line, in particular at a plurality of different times.
  • the method further comprises determining an energy consumption of at least one further fluid conveyor (or a plurality of further fluid conveyors) when operating within a further work area (or a plurality of further work areas) of the further fluid conveyor; and controlling the fluid conveyor and / or the at least one further fluid conveyor (s) for generated pressure and flow of the fluid based on the information about the desired flow rate of the fluid at the plurality of locations of the fluid conduit so Fluids are reached at the plurality of points and the required energy consumption, which is caused by the fluid conveyor, the at least one further fluid conveyor is minimized.
  • This allows a complex fluid line system to be controlled by nes / rules of a plurality of fluid conveyors are operated optimally in terms of total energy consumption.
  • an apparatus for controlling a fluid conveyor for delivering a fluid within a fluid conduit comprising: an input for receiving information about a desired flow rate of the fluid within the fluid conduit; a determination module for determining an energy consumption of the fluid conveyor when operating within a working range of the fluid conveyor; and a control module for controlling the fluid conveyor with respect to a generated pressure and flow of the fluid based on the information about the target flow amount of the fluid within the fluid line such that the target flow amount of the fluid is achieved and the required power consumption is minimized taking into consideration in the control in that the working area of the fluid conveyor is limited by a non-linear limitation.
  • the working range of the fluid conveyor can be defined by a set of pairs (in particular tumblers) of a flow rate and a ratio of a pressure at an inlet and an outlet of the fluid conveyor, the quantity of pairs being limited by at least one curved curve (see FIG 2).
  • a fluid delivery system may be provided, including a fluid conduit, a fluid conveyor and the apparatus for controlling the fluid conveyor.
  • the device for controlling / regulating the fluid conveyor can be remote from the fluid line and the fluid conveyor, wherein communication between the fluid conveyor control device and the fluid conveyor may be via a network and also measurements from sensing sensors on the fluid line via a network to the control device the fluid conveyor can be transmitted.
  • FIG. 1 schematically illustrates a fluid delivery system having a device for controlling a fluid conveyor according to an embodiment, and a fluid conduit system having a plurality of fluid conveyors and measuring sensors;
  • Fig. 2 illustrates a graph for defining a working range of a fluid conveyor according to an embodiment of the present invention.
  • 1 illustrates a fluid delivery system, in particular a gas delivery system, having a device 100 for controlling a fluid conveyor according to an embodiment of the present invention and a gas line system 110 having a plurality of compressors 112 provided by the device 100 for controlling a fluid conveyor to be controlled.
  • the device 100 for controlling a fluid conveyor may also be referred to as a non-linear model-based predictive controller with upstream I-portion.
  • the gas line system 110 comprises a plurality of fluid line sections 114 and branches 116, which branch off from the line sections 114 in order to supply fluid or gas 118 flowing in the gas line system 110 to specific delivery points 120.
  • the fluid 118 particularly a gas, is to be delivered at the delivery points 120 at particular times with particular flow rates or flow rates.
  • the gas line system is
  • the 110 is equipped with a plurality of compressors 112, which transport the gas 118 by pressurizing the line sections 114 and branches 116, respectively, to arrive at the delivery points 120.
  • the compressors 112 are controlled via data lines 122 by the nonlinear model-based predictive controller 100.
  • compressors or pumps may not or may not be placed.
  • the compressor 112 is (directly or near) at a feed point 112 (to which gas is fed). because pressure must initially be applied to feed points.
  • the gas line system 110 further includes a plurality of flow sensors, pressure sensors, and temperature sensors 124 that indicate the actual pressure, actual flow rate, and actual temperature of the gas 118 at the delivery points 120 or at other points or locations along or in the gas line 114 , 116 and output electrical signals via signal lines 126.
  • the predictive controller 100 Via the data line 126, the predictive controller 100, which is illustrated in FIG. 1, is supplied with information about an actual flow amount, an actual pressure and the actual temperature at the plurality of delivery points 120. In addition, the predictive controller 100 is supplied via a data line 129 or an input 129 with information 128 about a desired flow quantity (optionally also via a setpoint pressure) of the gas 118 at the plurality of delivery points 120.
  • the predictive controller 100 forms a flow rate difference signal between the desired flow rate and the actual flow rate and supplies these differences to an integration element 130.
  • the integral parts may be introduced in the model of the predictive controller 100 as additional states.
  • the integration element 130 can also be arranged at another point in the signal processing.
  • the integration element 130 integrates the pressure difference signal and / or the flow difference signal over a certain period of time in order to obtain a pressure difference sum and / or a flow quantity difference total.
  • These sum signals are then fed to a mathematical pipeline model processor 132, which can access a dynamic optimization algorithm (to minimize power consumption and define the operating range of the compressors 112) 134.
  • the processor 132 accesses various optimization criteria and constraints that are retrievable in a data structure 136, which may include, in particular, compressor characteristics including surge lines, maximum operating pressures, contractual delivery conditions, weighting factors, and others.
  • constraints 136 may define a work area 240, as illustrated in the graph in FIG. 2, and as explained in detail below.
  • the predictive controller 100 then calculates one or more manipulated variables, such as speed of the compressor 112, and outputs it via the output 138, which is connected to the data input lines 122 of the compressor 112.
  • Manipulated variables thus control, via the data lines 122, the plurality of compressors 112 in order to operate an operation of the gas line system 110 to reach target states at the delivery points 120 while minimizing the energy consumption.
  • the fluid delivery system of FIG. 1 may be configured to convey or convey oil or gas.
  • the compressors 112 are to be replaced by pumps.
  • a working area 240 which defines a permissible range of operation of the compressor 112, is limited by means of boundary lines 246, 248, 250 and 252.
  • the boundary line 252 extends along a maximum speed of the compressor 112.
  • a further line 253 runs along a smaller number of revolutions of the compressor, line 254 runs along an even smaller number of revolutions of the compressor 112 and the limit line never 248 of the working area 240 extends along a minimum rotational speed of the compressor 112.
  • An area 256 beyond the boundary line 246 represents an unstable area of operation of the compressor 112 (or surge area) and must be avoided.
  • Point 258 represents an optimum operating point with best efficiency of compressor 112.
  • Lines 260 and 262 represent lines of equal efficiency, with the efficiency associated with line 260 being higher than the efficiency associated with line 262.
  • a distance ⁇ from the boundary lines 246, 248, 250, 252 is maintained to operate the compressor 112.
  • the compressor 112 is operated only in a sub-area 264 of the working area 240 to reduce the risk of damage to the compressor.
  • a ratio of an area of the sub-area 264 and the working area 240 may be between 0.8 and 0.99.
  • the compressors 112 (including the limitations of the working area 240) and the pipelines themselves have a non-linear behavior and the pipeline may have dead-time behavior with respect to pressure and flow. on.
  • a multi-variable regulator 100 is provided which optimizes energy consumption taking into account the limitation of the compressor working range (and maximum operating pressure) and can effectively deal with dead times.
  • Nonlinear MPC (Model Predictive Control) regulations are able to effectively accomplish this task.
  • the use of the non-linear variant of the MPC allows the pipeline to operate more accurately and closer to desired limits.
  • the nonlinear MPC concept 100 presented here is based on the nonlinear model of the pipeline 114, 116 and the compressor 112.
  • the boundaries of the compressor 112 are not linearized but are modeled by non-linear functions.
  • the pipeline 114, 116 can be described by nonlinear partial differential equations (eg Weimann: Modeling and Simulation of the Dynamics of Gas Distribution Networks with Respect to Gas Network Management and Gas Network Monitoring, Dissertation TU Kunststoff, Department of Electrical Engineering, 1978) or in Combination with the Compressor be modeled as a Wiener-Hammer-Stein model (eg Wellers: Nonlinear Model-Based Predictive Control Based on Wienerstein and Hammerstein Models, VDI Verlag, Progress Reports, Series 8, No. 742, 1998).
  • Wiener-Hammer-Stein model eg Wellers: Nonlinear Model-Based Predictive Control Based on Wienerstein and Hammerstein Models, VDI Verlag, Progress Reports, Series 8, No. 742, 1998.
  • Constraints 136 may be:
  • the MPC controller 100 described here is equipped with I parts 130.
  • the individual compressors In order to achieve the energy consumption of the compressors 112, the individual compressors must be operated at the operating points with the highest efficiency. Since usually implements several compressors in a compressor station In addition, it must be decided in which configuration the compressors are operated (ie which compressors are switched on or off). For the stationary state and transient state (ie in the transition from one operating point to the next), the non-linear MPC
  • the non-linear MPC 100 described herein closes this gap by determining in each sampling step the optimal compressor constellation (i.e., which compressors are on and off) and the optimal operating points of the compressors that are on.
  • Such systems can be called hybrid because they have both binary and analog variables or states. It is considered that the switching on and off of compressors 112 requires more energy than the actual operation. The energy for switching the compressors on and off are included as additional terms in the optimization criterion.
  • the non-linear MPC controller 100 is adaptively constructed.
  • Compressors for gas are usually powered by either electric motors or gas turbines.
  • the presented principle can be applied to both drive variants.
  • When driving through gas turbines it is only necessary to take into account when modeling and optimizing that part of the gas transported via the pipeline is used for the drive.
  • the model predictive controller described here calculates the
  • the compressor constellation is optimized not only in the stationary state but also in the transient state. This further reduces the energy consumption of the compressor station.

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Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern bzw. Regeln eines Flu- idförderers zum Fördern eines Fluides innerhalb einer Fluid- leitung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers zum För- dern eines Fluides innerhalb einer Fluidleitung, wobei das
Fluid insbesondere Gas oder Öl sein kann und der Fluidförde- rer ein Verdichter oder eine Pumpe sein kann.
Durch die Deregulierung des Gasmarktes in vielen Ländern ist ein reger und dynamischer Gashandel entstanden. Gas wird heute ähnlich wie ein Wertpapier gehandelt. Diese Dynamik des Gashandels hat (neben den Wettereinflüssen) unter anderem dazu geführt, dass oft täglich der Gasdurchfluss für den unmittelbar nächsten Tag vom Pipelinebetreiber neu geplant werden muss (sogenanntes Dispatching) . Als weitere Konsequenz der
Deregulierung konkurrieren jetzt die Gasnetzbetreiber miteinander. Um seine Kosten und gleichzeitig den Profit zu optimieren sind die Gasnetzbetreiber bestrebt die Pipelinekapazität so hoch wie möglich auszulasten, die vertraglich zugesag- ten Brennwerte und Gasdurchflussmengen einzuhalten, die Begrenzungen der Verdichterarbeitsfelder einzuhalten und gleichzeitig die Transportkosten für das Gas möglichst niedrig zu halten. US 7,676,283 B2 offenbart ein Verfahren zum Optimieren der
Funktionalität einer Mehrzahl von Kompressoreinheiten, wobei die Kompressoreinheiten separat an- und abgeschaltet werden können, wobei ein Energieverbrauch optimiert wird. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern bzw. Regeln eines Fluidförderers, insbesondere eines Verdichters oder einer Pumpe, zum Fördern oder Befördern eines Fluides, insbesondere eines Ga- ses oder eines Öls, bereitzustellen, wobei ein Betrieb eines Fluidleitungsystems insbesondere hinsichtlich eines Energieverbrauchs verbessert ist und insbesondere unter sich ändernden Anforderungen zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben .
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern (was insbesondere Regeln aufweisen kann, wobei eine Stellgröße ausgegeben werden kann, etwa zur Steuerung des Förderers, und ein den Fluss des Fluids betref- fendes Signal eingelesen (rückgekoppelt) werden kann) eines Fluidförderers oder Fluidbeförderers (insbesondere einer Pumpe oder eines Verdichters) zum Fördern oder Befördern oder Transportieren (insbesondere zum Verdichten bzw. Transportieren) eines Fluids (insbesondere eines Gases oder eines Öles) innerhalb einer Fluidleitung (insbesondere einer Gasleitung oder einer Ölleitung bzw. eines Gasleitungssystems bzw. eines Ölleitungssystems) bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren auf Erhalten (beispielsweise über ein elektrisches Signal, welches mit einer Informationsquelle verbunden ist) von In- formation (insbesondere in elektronischer Form) über eine Sollflussmenge (insbesondere eine zu erzielende Flussmenge oder Flussrate und optional über einen zu erreichenden Soll- druck) des Fluids innerhalb der Fluidleitung auf, wobei diese Information insbesondere eine Sollflussmenge des Fluids an mehreren Stellen (und/oder zu mehreren Zeitpunkten) innerhalb der Fluidleitung definieren kann. Ferner weist das Verfahren Bestimmen (insbesondere aufweisend Modellieren, Berechnen oder Abschätzen) eines Energieverbrauchs des Fluidförderers bei Betrieb des Fluidförderers innerhalb eines Arbeitsberei- ches des Fluidförderers auf, wobei der Arbeitsbereich des Fluidförderers mittels verschiedener Betriebsparameter des Fluidförderers definierbar sein kann. Ferner weist das Verfahren Steuern oder Regeln (insbesondere über Zuführen eines elektrischen Signals, insbesondere einer oder mehrerer Stellgrößen, wie etwa einer Drehzahl) des Fluidförderers hinsichtlich eines Flusses (und insbesondere optional eines erzeugten Druckes) des Fluids (wobei der Fluidförderer bei Betrieb das Fluid unter Aufbau eines Druckes oder eines Impulsübertrages gemäß einem Fluidfluss transportiert) basierend auf der Information über die Sollflussmenge des Fluids innerhalb der Fluidleitung derart auf, dass die Sollflussmenge des Fluids (insbesondere an den mehreren Stellen, an denen die Soll- flussmenge vorgegeben sind) erreicht werden und der dafür erforderliche Energieverbrauch (der von dem Fluidförderer erfordert ist) minimiert wird, wobei beim Steuern berücksichtigt wird (insbesondere bei der Regelung) , dass der Arbeitsbereich des Fluidförderers durch nichtlineare Begrenzungen beschränkt ist. Dabei ist der Arbeitsbereich des Fluidförde- rers durch eine Menge von Paaren (insbesondere Tupeln) von einer Flussmenge und einem Verhältnis eines Druckes an einem Eingang und einem Ausgang des Fluidförderers definierbar, wobei die Menge von Paaren durch mindestens eine gekrümmte Kur- ve begrenzt ist.
Das Verfahren kann somit Steueranteile zum Ausgeben von
Stellgrößen sowie Regelanteile zum Erzeugen der Stellgrößen unter Verwendung von Rückkopplung aufweisen.
Insbesondere kann die Information auch über einen Solldruck Aufschluss geben.
Die Flussmenge kann z.B. in Normkubikmeter ausgedrückt wer- den, wobei die Gasqualität berücksichtigt, um einem Normkubikmeter einen bestimmten Energiegehalt zuordnen zu können. Die Flussmenge kann z.B. in einer Energieflussmenge ausgedrückt sein, wodurch eine Lieferung einer definierte Energiemenge durch Lieferung einer bestimmten Menge von Normkubikme- tern erreicht wird, wobei die Menge von der
Gasqualität abhängt. Je nach Gasqualität schwankt der Energieinhalt eines Normkubikmeters. Der Energieinhalt kann in Btu (British Thermal Unit) angegeben werden. Für eine bestimm- te Energiemenge in Form von Gas müssen bei einem niedrigeren Energieinhalt mehr Normkubikmeter geliefert werden als bei höherem Energieinhalt. Dabei kann eine nichtlineare Begrenzung eine Begrenzung durch eine gekrümmte Kurve, welche somit keine Gerade ist, definiert sein. Durch die Berücksichtigung der nichtlinearen Begrenzungen des Arbeitsbereiches des Fluidförderers (insbesondere eines Verdichters, in dem Falle, in welchem das Fluid ein Gas ist) kann eine Regelung des Fluidförderers verbessert werden, insbesondere hinsichtlich eines Energieverbrauchs. Ferner kann die Sollflussmenge (insbesondere auch ein Soll- druck) mit höherer Genauigkeit erreicht werden, da die Modellierung des Verhaltens des Fluids innerhalb des Fluidförde- rers mit höherer Genauigkeit modelliert werden kann. Dadurch ist somit eine genauere oder zuverlässigere Ermittlung von einer oder mehreren Stellgrößen ermöglicht, welche an dem Fluidförderer zum Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers ausgegeben werden.
Insbesondere kann der zulässige Arbeitsbereich des Fluidför- derers den Bereich des Fluidförderers angeben, in welchem der Fluidförderer betrieben werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Insbesondere kann ein Betreiben des Fluidförderers außerhalb des Arbeitsbereiches vermieden werden, um den Fluidförderer vor einer Beschädigung oder gar Zerstörung zu schützen. Je nach Ausführungsform kann der Arbeitsbereich auch auf andere Weise durch eine Menge von Punkten definiert werden, beispielsweise durch Angabe einer Drehzahl, einer Fördermenge, lediglich des Druckes an dem Eingang oder/und lediglich eines Druckes an dem Ausgang des Fluidförderers . Jedenfalls ist der Arbeitsbereich durch gekrümmte Kurven begrenzt, welche somit nicht ausschließlich durch eine oder mehrere Geraden darstellbar ist. Dabei wird die Form der Kurven bei dem Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers berücksichtigt. Damit kann die Regelung des Fluidförderers weiter verbessert werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner Erhalten von Information über einen tatsächlichen Druck (einen zu einer bestimmten Zeit tatsächlich vorliegenden Druck) und eine tatsächliche Flussmenge (eine zu einer bestimmten Zeit tatsächlich vorliegende Flussmenge) des Fluids innerhalb der Fluidleitung auf, wobei das Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers ferner auf der Information über den tatsächlichen Druck und die tatsächliche Flussmenge des Fluids innerhalb der Fluidleitung basiert.
Dabei kann die Information über den tatsächlichen Druck und die tatsächliche Flussmenge des Fluids beispielsweise über eine oder mehrere Messungen an einer oder mehreren Stellen entlang oder innerhalb der Fluidleitung ermittelt worden sein. Insbesondere kann die Information über den tatsächlichen Druck und die tatsächliche Flussmenge kontinuierlich oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen (etwa jede Sekunde, jede Minute, jede Stunde) erhalten werden. Insbesondere kann die Information über die Sollflussmenge als auch die Information über einen tatsächlichen Druck und die tatsächliche Flussmenge über ein Netzwerk (kabelgebunden oder kabellos) erhalten werden. Mittels der Information über den tatsächlichen Druck und die tatsächliche Flussmenge des Flu- ids kann das Steuerverfahren weiter verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf Modellieren (insbesondere aufweisend Simulieren unter Aufstellung von physikalischen Gleichungen einer Flussdynamik, insbesondere von Differentialgleichungen, insbesondere unter Berücksichtigen der Temperatur des Fluids, der Wandbeschaffenheit der Fluidleitung, der Dichte des Fluids und Ähnliches) des Flusses (insbesondere der Bewegung) des Fluids durch die Fluidleitung und des Druckes des Fluids innerhalb der Fluidleitung, wobei das Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers ferner auf dem Modellieren des Flusses des Fluids durch die Fluidleitung (und insbesondere des Druckes des Fluids innerhalb der Fluidleitung) basiert. Insbesondere kann das Modellieren des Flusses des Fluids durch die Fluidleitung (und insbesondere des Druckes des Fluids innerhalb der Fluidleitung) ein Berücksichtigen der Rei- bung zwischen einer Innenwand der Fluidleitung und dem Fluid umfassen, welche insbesondere durch eine Nichtlinearität beschrieben sein kann. Die Reibung zwischen dem Fluid und der Fluidleitung bzw. die Reibung zwischen einzelnen Fluid- bestandteilen führt zu einer Verminderung des Flusses und/oder zu einer Verminderung des Druckes des Fluids innerhalb der Fluidleitung. Insbesondere kann ein Fluss des Fluids und/oder ein Druck des Fluids umso mehr vermindert sein, je weiter das Fluid innerhalb der Fluidleitung von dem Fluidför- derer entfernt ist. Berücksichtigung der Reibung des Fluids mit der Wand der Fluidleitung und Berücksichtigung der Reibung des Fluids in wechselseitiger Interaktion kann das Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers derart verbessern, dass die Sollflussmenge an einer oder mehreren Stellen innerhalb der Flussleitung erreicht werden können unter gleichzeitiger Energieminimierung .
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Fluss des Fluids durch die Flussleitung und der Druck des Fluids innerhalb der Fluidleitung unter Benutzung eines par- tiellen nichtlinearen Differenzialgleichungssystems modelliert. Mit den partiellen Differentialgleichungen kann die gesamte Pipeline inkl. Reibung modelliert werden. Somit kann insbesondere eine Reibung des Fluids mit einer Wandfläche der Fluidleitung beschrieben oder modelliert bzw. simuliert wer- den, um ein Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers zu verbessern .
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert das Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers ferner einer Flussmengedifferenz zwischen der Sollflussmenge und der tatsächlichen Flussmenge (insbesondere an mehreren Stellen der Fluidleitung) . Die Flussmengedifferenz kann ein Fehlersignal der Flussmenge darstellen, wobei das Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers derart ausgeführt wird, dass die Fehlersignale minimiert werden. Damit kann die Regelung des Fluidförderers vereinfacht und verbessert werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Information über die Sollflussmenge über einen Zeitraum (etwa 0 Sek. - 10 Sek., 0 Sek. - 1 Min., 0 Sek. - 10 Min.) erhalten und die Information über die tatsächliche Flussmenge wird über den (selben) Zeitraum erhalten (insbesondere gemes- sen oder ermittelt) , wobei die Flussmengedifferenz über den Zeitraum aufsummiert (insbesondere integriert) wird, um eine Flussmengedifferenzsumme zu erhalten, wobei das Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers ferner auf der Flussmengedifferenz - summe basiert.
Zur Durchführung der Summenbildung bzw. Integration der
Flussmengedifferenz kann ein Integrationsglied (insbesondere ein elektronisches Modul) eines konventionellen PI-Reglers zur Anwendung kommen. Damit kann das Steuerverfahren des Flu- idförderers vereinfacht und/oder verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Bestimmen des Energieverbrauchs des Fluidförderers ein Bestimmen (oder Berücksichtigen) des Energieverbrauchs des Fluidförderers bei Einschalten und/oder Ausschalten auf.
Insbesondere wird der Energieverbrauch des Fluidförderers bei Einschalten und/oder Ausschalten bei dem Minimieren des erforderlichen Energieverbrauchs berücksichtigt. Dabei kann so- mit ein tatsächlicher oder momentaner Zustand des Fluidförde- rers (eingeschaltet oder ausgeschaltet) berücksichtigt werden. Falls sich zum Beispiel herausstellen sollte, dass ein Ausschalten und späteres Einschalten einen höheren Energieverbrauch hat als ein Laufenlassen des Fluidförderers bei ge- ringerem Durchsatz oder geringerer Leistung, kann der Fluid- förderer bei der geringeren Leistung betrieben werden, ohne ihn abzuschalten und später wieder einzuschalten. Damit kann das Steuern bzw. Regeln des Fluidförderers insbesondere hin- sichtlich einer Minimierung des Energieverbrauchs weiter verbessert werden, wobei gleichzeitig die Einhaltung der Sollflussmenge gewährleistet sein kann. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Abstand zwischen dem Fluidförderer und einer Stelle entlang der Fluidleitung, an der die Sollflussmenge zu erzielen ist, berücksichtigt, um den Fluidförderer zu steuern/regeln. Je größer der Abstand ist, umso größere Totzeiten (z. B.
Zeitdifferenz zwischen dem Ausgeben einer Stellgröße an den Förderer und entsprechendes Einstellen eines veränderten Flu- idflusses) können auftreten. Berücksichtigen dieser Totzeiten, welche auftreten können, kann das Steuerverfahren/Regelverfahren verbessern, um insbesondere Sollflussmenge tatsächlich zu erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine Nebenbedingung einer Menge von Nebenbedingungen beim Steuern/Regeln des Fluidförderers berücksichtigt, wobei die Menge von Nebenbedingungen umfasst: Vermeiden eines Druckes in der Fluidleitung, der oberhalb eines Maximallei- tungsdruckes liegt (um insbesondere eine Beschädigung der Fluidleitung zu verhindern) ; Vermeiden eines Druckes in dem Fluidförderer, der oberhalb eines Maximalförderdruckes liegt (um insbesondere eine Beschädigung des Fluidförderers zu verhindern) ; und Abstandhalten des Arbeitspunktes (des Betriebspunktes, an welchem der Fluidförderer betrieben wird, insbesondere definierbar durch Drehzahl, Durchflussrate oder aufgebautes Druckverhältnis am Eingang bzw. am Ausgang des Flu- idförderers) von einer Begrenzungslinie des Arbeitsbereiches, die insbesondere den Arbeitsbereich von Flussmengen abgrenzt, die unterhalb des Arbeitsbereichs liegen (d.h. kleinere
Flussmengen aufweisen als der Arbeitsbereich) . Damit wird insbesondere ein sich Annähern an eine Begrenzungslinie vermieden, welche den Übergang zu einem Surge- Bereich definiert. Ein Surge kann auftreten, falls der Verdichterauslassdruck bezüglich des Flusses durch den Verdich- ter oder Kompressor zu hoch ist. Der Fluss kann sich rapide schnell ändern, wenn eine plötzliche Änderung in der Belastung auftritt, welche von dem Kompressor zu bewältigen ist. Wenn der Surge nicht verhindert wird, kann der Kompressor oder Verdichter zerstört werden. Konventionellerweise wurden bei drohendem Surge automatisch Ventile geöffnet. Durch die Regelung des Fluidförderers gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung können kritische Arbeitsbedingungen des Fluidförde- rers dadurch vermieden werden, dass der Fluidförderer ledig- lieh in dem zulässigen Arbeitsbereich betrieben wird. Damit kann die Regelung des Fluidförderers verbessert werden und vereinfacht werden, ohne die Gefahr einer Beschädigung des Fluidförderers mit sich zu bringen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf Erhalten von weiterer Information über eine weitere Sollflussmenge des Fluids auf, wobei die Sollflussmenge von der weiteren Sollflussmenge verschieden ist, wobei das Steuern/Regeln des Fluidförderers ferner auf der weiteren Sollflussmenge basiert.
Insbesondere kann die Sollflussmenge einen ersten Sollzustand definieren und die weitere Sollflussmenge kann einen zweiten Sollzustand definieren. Damit ist eine Regelung des Fluidför- derers ermöglicht, von einem ersten Sollzustand zu einem zweiten Sollzustand überzugehen. Der erste Sollzustand und der zweite Sollzustand können dabei jeweils über bestimmte Sollflussmengen an einer Mehrzahl von Lieferpunkten des Fluids definiert sein. Damit kann eine sich dynamisch ändernde Flusskonfiguration und Druckkonfiguration innerhalb der Flu- idleitung durch entsprechendes Steuern bzw. Regeln des Fluid- förderers (oder insbesondere einer Mehrzahl von Fluidförde- rern) erreicht werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Fluid ein Gas und ist der Fluidförderer ein Verdichter. Der Verdichter kann dabei z.B. von einem Elektromotor oder insbesondere von einer Gasturbine (welche zum Beispiel durch das Fluid angetrieben werden kann, wobei der Antrieb durch das Fluid bei dem Energieverbrauch des Fluidförderers berücksichtigt wird) angetrieben werden. Damit kann ein Regelungsverfahren zum Steuern/Regeln einer oder mehrerer Verdichter eines Gasleitungssystems bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Fluid ein Öl und ist der Fluidförderer eine Pumpe, insbesondere eine Elektropumpe, wodurch ein Verfahren zum Steu- ern/Regeln einer Pumpe eines Ölleitungssystems bereitgestellt ist .
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Erhalten von Information über die Sollflussmenge des Flu- ids innerhalb der Fluidleitung Erhalten (insbesondere über ein elektrisches Signal, etwa über ein drahtloses oder drahtgebundenes Netzwerk) von Information über eine Sollflussmenge des Fluids an einer Mehrzahl von Stellen innerhalb oder bei der Fluidleitung auf, insbesondere zu einer Mehrzahl von ver- schiedenen Zeiten.
Damit kann ein Sollzustand genauer spezifiziert werden. Dabei weist das Verfahren ferner auf Bestimmen eines Energieverbrauchs mindestens eines weiteren Fluidförderers (oder ei- ner Mehrzahl weiterer Fluidförderer) bei Betrieb innerhalb eines weiteren Arbeitsbereiches (oder einer Mehrzahl von weiteren Arbeitsbereichen) des weiteren Fluidförderers ; und Steuern/Regeln des Fluidförderers und/oder des mindestens einen weiteren Fluidförderers (oder der Mehrzahl der weiteren Fluidförderer) hinsichtlich eines erzeugten Drucks und Flusses des Fluids basierend auf der Information über die Sollflussmenge des Fluids an der Mehrzahl von Stellen der Fluidleitung derart, Sollflussmenge des Fluids an der Mehrzahl von Stellen erreicht werden und der dafür erforderliche Energie- verbrauch, welcher durch den Fluidförderer, den mindestens einen weiteren Fluidförderer verursacht wird, minimiert wird. Damit kann ein komplexes Fluidleitungssystem durch Steu- ern/Regeln einer Mehrzahl von Fluidförderern hinsichtlich eines Gesamtenergieverbrauchs optimal betrieben werden.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass Merkmale, die indivi- duell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers offenbart, beschrieben oder eingesetzt wurden, ebenso (individuell oder in irgendeiner Kombination) für eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers gemäß einer Ausführungs- form der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können und umgekehrt .
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers zum Fördern eines Fluids innerhalb einer Fluidleitung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Eingang zum Erhalten von Information über eine Sollflussmenge des Fluids innerhalb der Fluidleitung; ein Bestimmungsmodul zum Bestimmen eines Energieverbrauchs des Fluidförderers bei Betrieb innerhalb eines Arbeitsbereiches des Fluidförderers ; und ein Steuermodul zum Steuern/Regeln des Fluidförderers hinsichtlich eines erzeugten Druckes und Flusses des Fluids basierend auf der Information über die Sollflussmenge des Fluids innerhalb der Fluidleitung derart, dass Sollflussmenge des Fluids erreicht werden und der dafür erforderliche Energieverbrauch minimiert wird, wobei beim Steuern berücksichtigt wird, dass der Arbeitsbereich des Fluidförderers durch eine nichtlineare Begrenzungen beschränkt ist. Dabei ist der Arbeitsbereich des Fluidförderers durch eine Menge von Paaren (insbesondere Tu- peln) von einer Flussmenge und einem Verhältnis eines Druckes an einem Eingang und einem Ausgang des Fluidförderers definierbar, wobei die Menge von Paaren durch mindestens eine gekrümmte Kurve begrenzt ist (siehe Fig. 2) . Ferner kann ein Fluidfördersystem bereitgestellt sein, was eine Fluidleitung, einen Fluidförderer und die Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Fluidförderers aufweist. Dabei kann die Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Fluidförderers ent- fernt von der Fluidleitung und dem Fluidförderer angeordnet sein, wobei eine Kommunikation zwischen der Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Fluidförderers und dem Fluidförderer über ein Netzwerk erfolgen kann und ebenfalls Messwerte von Mess- Sensoren an der Fluidleitung über ein Netzwerk zu der Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Fluidförderers übermittelt werden können.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfin- dung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmel- dung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen . Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die illustrierten oder beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Fig. 1 illustriert schematisch ein Fluidfördersystem, welches eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers gemäß einer Ausführungsform aufweist, sowie ein Fluidleitungs- System mit einer Mehrzahl von Fluidförderern und Messsensoren; Fig. 2 illustriert einen Graphen zum Definieren eines Arbeitsbereiches eines Fluidförderers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 illustriert ein Fluidfördersystem, insbesondere ein Gasfördersystem, welches eine Vorrichtung 100 zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie ein Gasleitungssystem 110 mit einer Mehrzahl von Verdichtern 112 aufweist, welche von der Vorrichtung 100 zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers gesteuert werden. Die Vorrichtung 100 zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers kann auch als ein nichtlinearer modellbasierter prädiktiver Regler mit vorgeschaltetem I-Anteil bezeichnet werden.
Das Gasleitungssystem 110 umfasst eine Mehrzahl von Fluidlei- tungsabschnitten 114 und Abzweigungen 116, welche von den Leitungsabschnitten 114 abzweigen, um in dem Gasleitungssystem 110 fließendes Fluid oder Gas 118 bestimmten Lieferpunk- ten 120 zuzuführen. Insbesondere ist das Fluid 118, insbesondere ein Gas, bei den Lieferpunkten 120 zu bestimmten Zeiten mit bestimmten Flussmengen oder Flussraten zu liefern.
Um die Sollflussmengen an den Lieferstellen 120 zu den vorge- gebenen Zeitpunkten zu erreichen, ist das Gasleitungssystem
110 mit einer Mehrzahl von Verdichtern 112 ausgestattet, welche das Gas 118 durch Druckbeaufschlagung durch die Leitungsabschnitte 114 bzw. Verzweigungen 116 transportieren, um zu den Lieferpunkten 120 zu gelangen. Dabei werden die Verdich- ter 112 über Datenleitungen 122 von dem nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regler 100 gesteuert.
Am Ende der Gasleitungen 114, 116 (d.h. kurz vor den Lieferpunkten 120) brauchen nicht oder können nicht Verdichter oder Pumpen platziert sein.
Der Verdichter 112 ist hingegen (unmittelbar oder nahe) an einem Einspeisepunkt 112 (an dem Gas eingespeist wird) ange- ordnet, da das mit Druck an Einspeisepunkten anfänglich mit Druck beaufschlagt werden muss.
Das Gasleitungssystem 110 umfasst ferner eine Mehrzahl von Flusssensoren, Drucksensoren und Temperatursensoren 124, welche den tatsächlichen Druck, die tatsächliche Flussmenge bzw. Flussrate und die tatsächliche Temperatur des Gases 118 an den Lieferpunkten 120 oder auch an anderen Punkten oder Stellen entlang oder in der Gasleitung 114, 116 messen und elekt- rische Signale über Signalleitungen 126 ausgeben.
Über die Datenleitung 126 wird dem prädiktiven Regler 100, welcher in Fig. 1 illustriert ist, Information über eine tatsächliche Flussmenge, einen tatsächlichen Druck und tatsäch- liehe Temperatur an der Mehrzahl von Lieferpunkten 120 zugeführt. Ferner wird dem prädiktiven Regler 100 über eine Datenleitung 129 bzw. einen Eingang 129 Information 128 über eine Sollflussmenge (optional auch über einen Solldruck) des Gases 118 an der Mehrzahl der Lieferstellen 120 zugeführt.
Basierend auf der über die Eingänge 128, 126 zugeführten Information bildet der prädiktive Regler 100 ein Flussmengedif- ferenzsignal zwischen der Sollflussmenge und der tatsächlichen Flussmenge und führt diese Differenzen einem Integrati- onselement 130 zu. Die Integralanteile (einer pro Lieferpunkt) können im Model des prädiktiven Reglers 100 als zusätzliche Zustände eingeführt werden. Das Integrationselement 130 kann auch an einer anderen Stelle in der Signalprozessie- rung angeordnet sein. Das Integrationselement 130 integriert bzw. summiert das Druckdifferenzsignal und/oder das Flussdifferenzsignal über einen gewissen Zeitraum auf, um eine Druckdifferenzsumme und/oder eine Flussmengedifferenzmengesumme zu erhalten. Diese Summensignale werden sodann einem mathematischen Pipeline-Modellprozessor 132 zugeführt, welcher auf ei- nen dynamischen Optimierungsalgorithmus (zur Minimierung des Energieverbrauchs und Definition des Arbeitsbereiches der Verdichter 112) 134 zugreifen kann. Ferner greift der Prozessor 132 auf verschiedene Optimierungskriterien und Nebenbedingungen zu, welche in einer Datenstruktur 136 abrufbar sind, welche insbesondere Verdichterkennlinien inklusive Surgelinien, maximale Betriebsdrücke, vertragliche Lieferbedingungen, Gewichtungsfaktore und anderes umfassen können.
Insbesondere können die Nebenbedingungen 136 einen Arbeitsbereich 240 definieren, wie in dem Graph in Fig. 2 illustriert ist und wie unten im Detail erläutert wird.
Der prädiktive Regler 100 errechnet daraufhin eine oder mehrere Stellgrößen, wie etwa Drehzahl des Verdichters 112, und gibt sie über den Ausgang 138 aus, welcher mit den Datenein- gangsleitungen 122 der Verdichter 112 verbunden ist. Die
Stellgrößen Steuern/Regeln somit über die Datenleitungen 122 die Mehrzahl von Verdichtern 112, um einen Betrieb des Gasleitungssystems 110 zum Erreichen von Sollzuständen an den Lieferpunkten 120 unter Minimierung des Energieverbrauchs zu betreiben.
Das Fluidfördersystem der Fig. 1 kann zum Fördern bzw. Befördern von Öl oder Gas ausgebildet sein. Im Falle von Öl sind die Verdichter 112 durch Pumpen zu ersetzen.
Fig. 2 zeigt einen Graph mit einer Abszisse 242, welche die Flussmenge des Gases 118 in einem Verdichter 112 bezeichnet, und einer Ordinate 244, welche das Druckverhältnis (Verhältnis eines Druckes an einem Eingang und einem Ausgang) des Verdichters 112 kennzeichnet. Ein Arbeitsbereich 240, welcher einen zulässigen Bereich eines Betriebs des Verdichters 112 definiert, ist mittels Begrenzungslinien 246, 248, 250 und 252 beschränkt. Insbesondere verläuft die Begrenzungslinie 252 entlang einer maximalen Drehzahl des Verdichters 112. Ei- ne weitere Linie 253 verläuft entlang einer kleineren Drehzahl des Verdichters, Linie 254 verläuft entlang einer noch kleineren Drehzahl des Verdichters 112 und die Begrenzungsli- nie 248 des Arbeitsbereichs 240 verläuft entlang einer minimalen Drehzahl des Verdichters 112.
Ein Bereich 256 jenseits der Begrenzungslinie 246 stellt ei- nen instabilen Bereich eines Betriebs des Verdichters 112 dar (oder Surge-Bereich) und muss vermieden werden. Der Punkt 258 stellt einen optimalen Arbeitspunkt mit bestem Wirkungsgrad des Verdichters 112 dar. Die Linien 260 und 262 stellen Linien gleichen Wirkungsgrades dar, wobei der Wirkungsgrad, welcher zur Linie 260 gehört, höher ist als der Wirkungsgrad, welcher zur Linie 262 gehört. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Abstand Δ von den Begrenzungslinien 246, 248, 250, 252 eingehalten, um den Verdichter 112 zu betreiben. Insbesondere wird somit der Verdichter 112 lediglich in einem Unterbereich 264 des Arbeitsbereiches 240 betrieben, um das Risiko einer Beschädigung des Verdichters zu vermindern. Ein Verhältnis einer Fläche des Unterbereich 264 und des Arbeitsbereiches 240 kann zwischen 0,8 und 0,99 liegen .
Die Verdichter 112 (inklusive der Begrenzungen des Arbeitsbereiches 240) und die Pipelinerohrreibung selbst haben ein nichtlineares Verhalten und die Pipeline kann bezüglich des Druckes und des Durchflusses ein Totzeitverhalten aufweisen. auf. Um einerseits den Energieverbrauch der Verdichter 112 bei gleichzeitiger Berücksichtung der nichtlinearen Begrenzungen des Arbeitsbereiches 240 zu regeln ist ein Mehrgrößenregler 100 bereitgestellt, der den Energieverbrauch bei Berücksichtigung der Begrenzung des Verdichterarbeitsbereiches (und des maximalen Betriebsdruckes) optimiert und effektiv mit Totzeiten umgehen kann. Nichtlineare MPC (ein modellprä- diktiver Ansatz, engl. MPC, Modell Predictive Control) Regelungen sind in der Lage diese Aufgabe effektiv zu lösen. Im Gegensatz zu konventionellen linearen MPC Reglern kann durch die Verwendung der nichtlinearen Variante des MPC die Pipeline exakter und näher an gewünschten Grenzwerten betrieben werden. Das hier vorgestellte nichtlineare MPC Konzept 100 basiert auf dem nichtlinearen Modell der Pipeline 114, 116 und des Verdichters 112. Die Begrenzungen des Verdichters 112 werden nicht linearisiert sondern durch nichtlineare Funktionen nachgebildet. Die Pipeline 114, 116 kann durch nichtlineare partielle Differentialgleichungen beschrieben werden (z. B. Weimann: Modellierung und Simulation der Dynamik von Gasverteilnetzen im Hinblick auf Gasnetzführung und Gasnetzüberwa- chung, Dissertation TU München, Fachbereich Elektrotechnik, 1978) oder in Kombination mit dem Verdichter als Wiener- HammerSteinmodell (z. B. Wellers: Nichtlineare Modellgestützte Prädiktive Regelung auf Basis von Wiener- und Hammerstein- Modellen, VDI Verlag, Fortschrittsberichte, Reihe 8, Nr. 742, 1998) modelliert werden.
Das eigentliche Optimierungskriterium beinhaltet im Wesentlichen den Energieverbrauch der einzelnen Verdichter. Nebenbedingungen 136 können sein:
· der Abstand Δ der Verdichter zur Pumpgrenzen (engl.
Surge line) . Damit können die „anti-surge" Regelungen durch Sicherheitsschalter und -ventile ersetzt werden • der maximale Betriebsdruck (engl. MAOP = MAximum Ope- rating Pressure) der Pipeline und
· die vertraglichen Drücke und Durchflüsse an den Lieferpunkten 120 mit in den Reglerentwurf integriert.
Um den Rechenaufwand in Grenzen zu halten, kann mit endlichen Prädiktionshorizonten gearbeitet werden. Um Stabiltätsproble- me bei dieser Methode zu verhindern, wird ein Verfahren mit garantierter Stabilität eingesetzt. Um Regelabweichungen an den Lieferpunkten zu vermeiden, wird der hier beschriebene MPC Regler 100 mit I -Anteilen 130 ausgestattet. Um den Energieverbrauch der Verdichter 112 zu erzielen, müssen die einzelnen Verdichter an den Betriebspunkten mit dem höchsten Wirkungsgrad betrieben werden. Da normalerweise mehrere Verdichter in einer Verdichterstation implementiert sind, muss zudem noch entschieden werden in welcher Konfiguration die Verdichter betrieben werden (d.h. welche Verdichter werden ein- bzw. ausgeschaltet) . Für den stationären Zustand und transienten Zustand (d.h. in der Transition von ei- nem Betriebspunkt zum nächsten) kann der nichtlinearen MPC
100 eingesetzt werden. Der hier beschriebene nichtlineare MPC 100 schließt diese Lücke, in dem er in jedem Abtastschritt die optimale Verdichterkonstellation (d.h. welche Verdichter sind ein- und ausgeschaltet) und die optimalen Betriebspunkte der eingeschalteten Verdichter bestimmt. Solche Systeme können als hybrid genannt werden, da sie sowohl binäre als analoge Variablen bzw. Zustände haben. Dabei wird berücksichtigt, dass das Ein- und Ausschalten von Verdichtern 112 mehr Energie benötigt als der eigentliche Betrieb. Die Energie für das Ein- und Ausschalten der Verdichter werden als zusätzliche Terme in das Optimierungskriterium aufgenommen.
Um Modellungenauigkeiten und Alterungserscheinungen zu kompensieren, ist der nichtlineare MPC Regler 100 adaptiv aufge- baut.
Verdichter für Gas werden in der Regel entweder mit Elektromotoren oder Gasturbinen angetrieben. Das vorgestellte Prinzip lässt sich auf beide Antriebsvarianten anwenden. Beim An- trieb durch Gasturbinen muss lediglich bei der Modellbildung und der Optimierung berücksichtigt werden, dass ein Teil des über die Pipeline transportierten Gases für den Antrieb genutzt wird. Der hier beschriebene modellprädiktive Regler berechnet die
Sollwerte für die einzelnen Antriebe und schickt diese an lokalen Stationsregelungen weiter. Lokale Stations- und Antriebsregelungen inklusive Steuerungs- und Regelungslogik sind notwendig um auf schnelle Ereignisse wie z.B. den Aus- fall zu reagieren. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes können modellprädiktive Regler nicht oder nur eingeschränkt geeignet sein, schnelle Prozesse zu regeln oder auf schnelle Ereignisse zu reagieren. n
Eine Anwendung eines hybriden nichtlinearen modellpradiktiven Reglers 100 mit I-Anteilen und integrierter Anti-Surge Regelung auf eine Öl- oder Gaspipeline kann folgende Vorteile bereitstellen :
• Durch die Berücksichtigung von Nichtlinearitäten wird ein besseres Optimum erzielt und dadurch der Energieverbrauch unter den gegebenen Begrenzungen noch weiter reduziert als bei linearen MPC Verfahren. Da die nichtlinearen Begrenzungen ohne Linearisierung im Reglerentwurf berücksichtigt werden, können die Sicherheitsabstände zu den Begrenzungen reduziert und damit unter Umständen bessere Optimierungsergebnisse erzielt werden .
• Mit der Einführung von I-Anteilen werden Regelabweichungen an den Lieferpunkten vermieden.
• Die Integration von „Anti-Surge" in das MPC Verfahren kann die Anti-Surge Regelung eingespart und durch Sicherheitsventile und Sicherheitsschalter ersetzt werden .
• Die Verdichterkonstellation wird nicht nur im stationären Zustand sondern auch im transienten Zustand optimiert. Dadurch wird der Energieverbrauch der Verdichterstation weiter reduziert.
• Ein separater externer Optimierer für die Verdichterkonstellation wird überflüssig.
Bisher wurde nur die Anwendbarkeit der Erfindung auf Gaspipelines beschrieben. Im Grundsatz gilt das gleiche auch für 01- pipelines. Anstelle von Verdichtern treten hier Ölpumpen. Deshalb kann der oben beschriebene Regler 100 auch auf Ölpi- pelines angewendet werden, wenn die Verdichtereigenschaften durch die Pumpencharakteristiken ersetzt werden. Bei Ölpipe- lines ist im Gegensatz zu Gaspipelines nicht nur die Ölpum- pencharakteristik sondern auch die unterschiedlichen Eigenschaften des Fluids zu berücksichtigen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines Fluidförderers (112) zum Fördern eines Fluides (118) innerhalb einer Fluidleitung (114, 116), wobei das Verfahren aufweist:
Erhalten von Information (128) über eine Sollflussmenge des Fluids (118) innerhalb der Fluidleitung (114, 116);
Bestimmen eines Energieverbrauchs des Fluidförderers (112) bei Betrieb innerhalb eines Arbeitsbereiches (240) des Fluid- förderers;
Steuern des Fluidförderers (112) hinsichtlich eines erzeugten Flusses des Fluids (118) basierend auf der Information (128) über die Sollflussmenge des Fluids (118) innerhalb der Fluidleitung (114, 116) derart, dass die Sollflussmenge des Fluids erreicht wird und der dafür erforderliche Energieverbrauch minimiert wird, wobei beim Steuern berücksichtigt wird, dass der Arbeitsbereich (240) des Fluidförderers durch eine nichtlineare Begrenzung (246, 248, 250, 252) beschränkt ist, wobei der Arbeitsbereich (240) durch eine Menge von Paaren von einer Flussmenge und einem Verhältnis eines Druckes an einem Eingang und einem Ausgang des Fluidförderers definierbar ist, wobei die Menge von Paaren durch mindestens eine gekrümmte Kurve (246, 248, 250, 252) begrenzt ist. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend:
Erhalten von Information (126) über eine tatsächliche Flussmenge des Fluids (118) innerhalb der Fluidleitung (114, 116), wobei das Steuern des Fluidförderers ferner auf der Information (126) über die tatsächliche Flussmenge des Fluids an den Lieferpunkten innerhalb der Fluidleitung basiert.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, ferner aufweisend:
Modellieren (132) des Flusses des Fluids durch die Fluidleitung und des Druckes des Fluids innerhalb der Fluidleitung, wobei das Steuern des Fluidförderers ferner auf dem Modellieren des Flusses des Fluids durch die Fluidleitung basiert.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Fluss des Fluids durch die Fluidleitung unter Benutzung einer nichtlineare Differenzialgleichung modelliert wird. 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei das
Steuern des Fluidförderers (112) ferner auf einer Flussmengedifferenz zwischen der Sollflussmenge und der tatsächlichen Flussmenge basiert. 6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Information über die Sollflussmenge über einen Zeitraum erhalten wird und die Information über den tatsächlichen Druck und die tatsächliche Flussmenge über den Zeitraum erhalten wird,
wobei die Druckdifferenz und/oder die Flussmengedifferenz über den Zeitraum aufsummiert (130) wird, um eine Druckdifferenzsumme und/oder eine Flussmengedifferenzsumme zu erhalten, wobei das Steuern des Fluidförderers ferner auf der Druckdifferenzsumme und/oder der Flussmengedifferenzsumme basiert. 7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Energieverbrauchs des Fluidförderers ein Bestimmen des Energieverbrauchs des Fluidförderers bei Einschalten und/oder Ausschalten aufweist. 8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (d) zwischen dem Fluidförderer und einer Stelle entlang der Fluidleitung, an der die Sollflussmenge zu erzielen ist, berücksichtigt wird. 9. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Nebenbedingung einer Menge von Nebenbedingungen berücksichtigt wird, wobei die Menge von Nebenbedingungen umfasst :
Vermeiden eines Druck in der Fluidleitung, der oberhalb eines Maximalleitungsdruckes liegt;
Vermeiden eines Druck in dem Fluidförderer, der oberhalb eines Maximalfördererdruckes liegt; A standhalten (Δ) des Arbeitspunktes des Fluidförderers von einer Begrenzungslinie des Arbeitsbereichs (240) , die insbesondere den Arbeitsbereich von Flussmengen abgrenzt, die unterhalb des Arbeitsbereiches liegen.
10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend :
Erhalten von weiterer Information über eine weitere Sollflussmenge des Fluids, wobei die Sollflussmenge von der wei- teren Sollflussmenge verschieden ist,
wobei das Steuern des Fluidförderers ferner auf der weiteren Sollflussmenge basiert.
11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Fluid ein Gas (118) ist und der Fluidförderer ein Verdichter (112), insbesondere eine Gasturbine oder ein
Elektromotor ist,
oder
wobei das Fluid ein Öl ist und der Fluidförderer eine Pumpe, insbesondere eine Elektropumpe , ist.
12. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erhalten von Information über die Sollflussmenge des Fluids innerhalb der Fluidleitung Erhalten von Information über eine Sollflussmenge des Fluids an einer Mehrzahl von Stellen (120) innerhalb der Fluidleitung, insbesondere zu einer Mehrzahl von Zeiten umfasst,
wobei das Verfahren ferner aufweist:
Bestimmen eines Energieverbrauchs mindestens eines weiteren Fluidförderers bei Betrieb innerhalb eines weiteren Arbeitsbereiches des weiteren Fluidförderers ;
Steuern des Fluidförderers und/oder des mindestens einen weiteren Fluidförderers hinsichtlich eines erzeugten Flusses des Fluids basierend auf der Information über die Sollflussmenge des Fluids an der Mehrzahl von Stellen (120) der Fluidleitung derart, dass Sollflussmenge des Fluids an der Mehrzahl von Stellen erreicht werden und der dafür erforderliche Energieverbrauch minimiert wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Fluss des Fluids in einer Energieflussmenge ausgedrückt ist .
14. Vorrichtung zum Steuern/Regeln eines Fluidförderers zum Fördern eines Fluides innerhalb einer Fluidleitung, wobei die Vorrichtung aufweist:
einen Eingang (129) zum Erhalten von Information (128) über eine Sollflussmenge des Fluids innerhalb der Fluidleitung; ein Bestimmungsmodul (134) zum Bestimmen eines Energieverbrauchs des Fluidförderers bei Betrieb innerhalb eines Arbeitsbereiches des Fluidförderers ; und
ein Steuermodul (132) zum Steuern des Fluidförderers hin- sichtlich eines erzeugten Flusses des Fluids basierend auf der Information (128) über die Sollflussmenge des Fluids (118) innerhalb der Fluidleitung (114, 116) derart, dass die Sollflussmenge des Fluids erreicht wird und der dafür erforderliche Energieverbrauch minimiert wird, wobei beim Steuern berücksichtigt wird, dass der Arbeitsbereich (240) des Fluid- förderers durch eine nichtlineare Begrenzung beschränkt ist, wobei der Arbeitsbereich (240) durch eine Menge von Paaren von einer Flussmenge und einem Verhältnis eines Druckes an einem Eingang und einem Ausgang des Fluidförderers definier- bar ist, wobei die Menge von Paaren durch mindestens eine gekrümmte Kurve (246, 248, 250, 252) begrenzt ist.
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