EP3167197B1

EP3167197B1 - Verfahren zur druck- und temperaturreglung eines fluids in einer serie von kryogenen verdichtern

Info

Publication number: EP3167197B1
Application number: EP15733630.6A
Authority: EP
Inventors: Can Üresin
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: CN106662112B; JP2017524101A; KR102437553B1; CN106662112A; US10215183B2; EP3167197A1; KR20170055470A; WO2016005037A1; DE102014010102A1; US20170159666A1; JP6654190B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druck- und Temperaturregelung eines Fluids, insbesondere Helium, insbesondere beim Anfahren einer kryogenen Kühlanlage, oder beim Abkühlprozess (englisch: Cool-Down) in einer Serie von kryogenen Verdichtern gemäß Anspruch 1.
Radial- oder Turbo-Verdichter (im Folgenden Verdichter genannt) in Serie werden zur Überwindung oder zur Erzeugung von großen Druckdifferenzen (in der Größenordnung von 1 bar) eingesetzt.
Verfahren zur Druck- und Temperaturregelung eines Fluids in einer Serie von kryogenen Verdichtern sind bekannt, beispielsweise von den folgenden Patentanträgen bekannt: US2005178134 , US2013232999 und US2006101836 .
Derartige Verdichter sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen in der Regel eine Welle mit mindestens einem Laufrad (Verdichterrad) bzw. direkt mit der Welle verbundenen Laufschaufeln auf, mit denen das Fluid beim Rotieren der Welle verdichtet wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei unter der Drehzahl des Verdichters die Anzahl der vollständigen Rotationen (360°) der Welle um die Wellenachse pro Zeiteinheit verstanden. Verdichter, wie z.B. Turboverdichter, unterteilen sich insbesondere in Radial- und Axialverdichter. Beim Radialverdichter strömt das Fluid axial zur Welle ein und wird in radialer Richtung nach außen abgelenkt. Beim Axialverdichter hingegen strömt das zu verdichtende Fluid in paralleler Richtung zur Welle durch den Verdichter.
Durch das Einstellen der Drehzahlen der Verdichter wird der Eintrittsdruck des Fluids an einem ersten Verdichter, also der Druck an einem Eingang des am weitesten stromauf angeordneten Verdichters der Serie, geregelt. Dadurch werden insbesondere auch die Eintrittszustände an den jeweiligen Eingang der anderen - stromab des ersten Verdichters angeordneten - Verdichter festgelegt. Ein Eintrittszustand ist durch den Druck und die Temperatur am Eingang des jeweiligen Verdichters bestimmt. Dabei entspricht der jeweilige Eintrittszustand an einem Verdichter jeweils dem Zustand des Fluids am Ausgang des vorangehenden Verdichters. Dadurch ergibt sich, dass eine Änderung der Drehzahl eines Verdichters immer auch die Eintrittszustände des Fluids der anderen Verdichter der Serie beeinflusst.
Bei kryogenen Systemen, also bei Kühlanlagen, die für sehr niedrige Temperaturen (1,5K-100K), hier insbesondere für Temperaturen zwischen 1,5K und 2,2K ausgelegt sind, wird durch die Regelung des Eintrittsdrucks die gewünschte Sättigungstemperatur für die kalte Flüssigkeit auf der Saugseite, also der Seite von der die Verdichter die Gasphase (Dampf) absaugen, erreicht. Bei dem Verdichtungsprozess in der Serie (aber auch bei einem einzelnen Verdichter) wird der Druck am Ausgang der Serie sowie die Temperatur des durch die Verdichter strömenden Fluids erhöht (polytroper Verdichtungsprozess). Um den Einfluss von Betriebspunktschwankungen zu glätten, verwendet man sogenannte reduzierte Größen, wie beispielsweise den reduzierten Massenstrom durch den Verdichter oder die reduzierte Drehzahl für den Verdichter bei der Regelung. Zur Berechnung dieser reduzierten Größen benötigt man die Größe an sich (also beispielsweise den Massenstrom oder die Drehzahl des Verdichters), die Temperatur, den Druck und die Auslegungswerte (oder auch Designpunkte) der Verdichter. Die Auslegungswerte sind die Betriebszustände eines Verdichters, bei denen der Verdichter mit größter Effizienz (am wirtschaftlichsten) arbeitet. Verdichter weisen Auslegungswerte beispielsweise bezüglich der Drehzahl, der Temperatur und des Drucks über dem jeweiligen Verdichter auf. Ziel ist es, die Verdichter der Serie nahe an ihren Designpunkten zu betreiben.
Üblicherweise wird bei Inbetriebnahme einer solchen Tiefsttemperatur Kühlanlage zunächst das Fluid auf der Saugseite der Verdichterserie sehr weit heruntergekühlt (beispielsweise von 300K auf 4K). Dies kann bei Atmosphärendruck, also 1 bar geschehen. Tiefere Temperaturen werden dann mit Unterdrücken realisiert. Diesen Prozess nennt man auch Cool-Down. Die Druckabsenkung auf der Saugseite der Anlage erfolgt durch Inbetriebnahme der Verdichterserie. Sie dient insbesondere dazu, die Temperatur über dem Fluid weiter abzusenken (Pump-Down). Die Temperaturerhöhung des Fluids aufgrund des Verdichtungsprozesses beim Durchströmen der Verdichterserie von beispielsweise drei bis vier Verdichtern liegt im Bereich von ca. 4K auf 23K.
Falls die Verdichter der Serie nicht in Betrieb sind, also keine Verdichtung stattfindet, liegt die Temperatur des Massenstroms bei 4K am Austritt der Verdichterserie, was, wie im Folgenden erläutert wird, problematisch sein kann. Ein stromab der Verdichterserie angeordneter Wärmetauscher, der zur Kühlung eines parallelen Massenstroms verwendet wird, ist beispielsweise auf 23K ausgelegt. Wenn dieser Wärmetauscher jedoch längere Zeit von dem 4K kalten Massenstrom aus der Verdichterserie durchgeströmt wird, wird der parallele Massenstrom im Wärmetauscher sehr weit abgekühlt. Da dieser parallele Massenstrom stromab jedoch noch durch eine Turbine expandiert wird, könnte eine Kondensation des parallelen Massenstroms innerhalb der Turbine stattfinden. Um diese Kondensation zu vermeiden, wird die Turbine abgeschaltet, wodurch temporär der Abkühlvorgang unterbrochen wird. Diese Betriebsbedingungen sind zu vermeiden und werden als Trip der Anlage bezeichnet. Wenn die Verdichter andererseits gleichzeitig mit der Anlage gestartet werden, also das Fluid verdichten, strömt warmes Fluid von der Saugseite durch die Verdichter, da die Anlage noch warm ist. Bei diesen Temperaturen ist die Gasdichte des Fluids sehr gering. Daher werden die Verdichter aufgrund eines vorgegebenen Solldrucks von beispielsweise 20mbar auf der Saugseite sehr hohe Drehzahlen aufweisen. Die hohe Gastemperatur führt jedoch dazu, dass die Verdichter schnell ihre maximalen Drehzahlen erreichen. Die Ursache der hohen Drehzahlen ist einerseits der niedrige vorgegebene Solldruck und andererseits die vergleichsweise hohen Temperaturen an den Verdichtern. In diesem Bereich kommt es im ungünstigsten Fall zu Überdrehzahlen. Überdrehzahlen sind Drehzahlen, für die die Verdichter nicht ausgelegt sind und die daher zu vermeiden sind. Daher müsste beim parallelen Cool-Down und Pump-Down die Verdichtung des Fluids in der Verdichterserie immer wieder unterbrochen werden, damit die Temperatur in den Verdichtern nicht zu hoch wird. Wie oben erwähnt, geht die Temperatur in die reduzierten Steuergrößen, wie beispielsweise die reduzierte Drehzahl, mit ein, d.h., ein Ansteigen der Temperatur am Verdichter bewirkt ein Ansteigen der reduzierten Drehzahl. Es wäre daher wünschenswert, über eine Temperaturregelung für den Eintritt der Verdichterserie insbesondere für die Cool-Down bzw. die Pump-down Phase zu verfügen, die einen unterbrechungsfreien Pump-down bei gleichzeitigem Cool-Down gewährleistet.
Dieses Problem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dazu sind folgende Schritte vorgesehen:

Erfassen einer Ist-Drehzahl für jeden Verdichter, wobei die Ist-Drehzahl die momentane Drehzahl des Verdichters ist,
Erfassen eines Ist-Eintrittsdrucks, sowie einer Ist-Eintrittstemperatur am Eingang des am weitesten stromauf angeordneten, ersten Verdichters der Serie, wobei die Strömungsrichtung der Serie insbesondere von der Saugseite der Verdichter in Richtung steigenden Drucks weist, und wobei die Ist-Eintrittstemperatur und der Ist-Eintrittsdruck insbesondere die momentan herrschende Temperatur bzw. der momentan herrschende Druck am Eingang des ersten Verdichters ist,
Vorgeben einer Maximaldrehzahl für jeden Verdichter der Serie sowie eines Soll-Eintrittsdrucks für den ersten Verdichter der Serie, wobei die Maximaldrehzahl insbesondere die höchste zulässige Drehzahl des jeweiligen Verdichters ist, bei der ein stabiler Betrieb des jeweiligen Verdichters gewährleistet ist, und wobei der Soll-Eintrittsdruck der am Eingang des ersten Verdichters zu erreichende Druck ist,
Bestimmung eines Drehzahlindex für jeden Verdichter der Serie aus der Maximaldrehzahl und der Ist-Drehzahl jedes Verdichters,
Bestimmung eines Proportionalwertes aus der Abweichung des Ist- vom Soll-Eintrittsdruck,
Bestimmung eines Prioritätswertes aus dem kleineren von beiden Werten: Proportionalwert und dem kleinsten Drehzahlindex aller Verdichter der Serie (bevorzugt wird der Prioritätswert dem kleineren der beiden besagten Werte gleichgesetzt)
- wobei wenn der Proportionalwert kleiner als der kleinste Drehzahlindex aller Verdichter der Serie ist, der Prioritätswert aus dem Proportionalwert bestimmt wird, und
- wobei wenn der Proportionalwert größer als der kleinste Drehzahlindex aller Verdichter der Serie ist, der Prioritätswert aus dem kleinsten Drehzahlindex aller Verdichter der Serie bestimmt wird um die Priorität der Reglung auf der Regelung der Eintrittstemperatur am ersten Verdichter zu basieren,
Ermitteln einer Soll-Eintrittstemperatur für den ersten Verdichter der Serie und einer Soll-Drehzahl für jeden Verdichter mit Hilfe des Pioritätswerts,
Einstellen der Ist-Eintrittstemperatur des ersten Verdichters, auf die ermittelte Soll-Eintrittstemperatur,
Einstellen der Ist-Drehzahl für jeden Verdichter auf die ermittelte Soll-Drehzahl.

Der Proportionalwert ist insbesondere der Differenz aus dem Soll-Eintrittsdruck und dem Ist-Eintrittsdruck proportional: $prop = - k (p_{soll} - p_{ist}),$
wobei k ein Proportionalitätsfaktor ist.
Über den Prioritätswert wird also insbesondere festgelegt, welcher der beiden Werte, der Proportionalwert oder der kleinste der Drehzahlindices, zum Regeln der Verdichterserie verwendet wird. Wenn der Prioritätswert beispielsweise dem Proportionalwert entspricht, dann liegt die Priorität der Regelung auf der Druckregelung (also insbesondere dem Pump-Down), da der Proportionalwert insbesondere die Druckdifferenz als Steuerwert widerspiegelt. Wenn der Prioritätswert dem kleinsten Drehzahlindex entspricht, dann liegt die Priorität der Reglung insbesondere auf der Regelung der Eintrittstemperatur am ersten Verdichter. Bei dieser Regelung sollen die Drehzahlen der Verdichter nicht weiter steigen.
Für die Ermittlung der Soll-Drehzahl für jeden Verdichter wird insbesondere am Eingang jedes Verdichters der Serie die jeweilige Eintrittstemperatur erfasst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, kann der Pump-Down Prozess parallel zum Cool-Down stattfinden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren, sinkt die Temperatur nicht mehr weiter ab, sobald der Abkühlprozess (Cool-Down) beendet wird. Außerdem wird so die Temperatur des Fluids am Ausgang schon in einen Temperaturbereich geregelt, der für stromab angeordnete Komponenten, wie beispielsweise Wärmetauscher günstig sind.
Ein weiterer Vorteil ist, dass Überdrehzahlen bei allen Verdichtern vermieden werden, da insbesondere eine Herabsetzung der Eintrittstemperatur geringere Drehzahlen nach sich zieht. Außerdem ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil, dass der Pump-Down Prozess ohne Unterbrechung, die beispielsweise durch zu hohe Drehzahlen der Verdichter nötig würde, von statten gehen kann.
Vorteilhaft ist des Weiteren, dass der Einfluss von unerwünschter Wärmezufuhr durch die Umwelt, also von Außen, minimiert werden kann. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, dass beim Pump-Down-Betrieb die Soll-Eintrittstemperatur transient und automatisiert geregelt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch zur Temperaturregelung bei superkritischen Heliumpumpen geeignet.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung, ist vorgesehen, dass der Drehzahlindex für jeden Verdichter dem Verhältnis (Quotient) aus der Differenz der Maximaldrehzahl n_i,max und der Ist-Drehzahl n_i des jeweiligen Verdichters und der Maximaldrehzahl gleich ist: $D_{i} = \frac{n_{i, \max} - n_{i}}{n_{i, \max}} = 1 - \frac{n_{i}}{n_{i, \max}}$
, wobei i der den jeweiligen Verdichter bezeichnende Index ist.
Besonders bevorzugt beeinflusst der Prioritätswert die Regelung derart, dass, wenn der kleinste Drehzahlindex von allen Verdichtern kleiner als der Proportionalwert ist, die Ist-Eintrittstemperatur solange abgesenkt wird, insbesondere durch stufenweise oder kontinuierliche Absenkung der ermittelten Soll-Eintrittstemperatur, bis der Proportionalwert kleiner als der kleinste Drehzahlindex wird, und dass insbesondere die Ist-Drehzahl der jeweiligen Verdichter nicht erhöht wird, solange der kleinste Drehzahlindex kleiner als der Proportionalwert ist. Der Proportionalwert wird insbesondere zur Regelung des Ist-Eingangsdrucks verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Ist-Drehzahl jedes Verdichters aus einer reduzierten Ist-Drehzahl und die Soll-Drehzahl jedes Verdichters aus einer reduzierten Soll-Drehzahl ermittelt, wobei die reduzierte Ist-Drehzahl aus der Ist-Drehzahl und einer Ist-Temperatur am Eingang des jeweiligen Verdichters ermittelt wird, und wobei die reduzierte Soll-Drehzahl aus der Soll-Drehzahl und der Ist-Temperatur am Eingang des jeweiligen Verdichters ermittelt wird. Die detaillierte Umrechnung von reduzierten Größen in reale / absolute Größen ist in einer beispielhaften Formel weiter unten aufgeführt.
In einer Variante der Erfindung wird ein Integralwert aus dem Prioritätswert bestimmt, wobei der Integralwert insbesondere zur Bestimmung der reduzierten Soll-Drehzahl verwendet wird. Der Integralwert setzt sich dabei insbesondere aus dem Proportionalwert prop oder allgemein dem Prioritätswert zu dem Integralwert int _t=n+1 zusammen. Dabei wird der Proportionalwert prop bzw. der Prioritätswert PW mit einer Zykluszeit Δt multipliziert, einer Integralzeit T_int dividiert und zu dem Integralwert des vorangegangenen Zyklus int _t=n addiert: $in t_{t = n + 1} = in t_{t = n} + prop \cdot \frac{Δ t}{T_{int}}$
bzw. $in t_{t = n + 1} = in t_{t = n} + PW \cdot \frac{Δ t}{T_{int}}$
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Ist-Gesamtdruckverhältnis ermittelt, wobei das Ist-Gesamtdruckverhältnis dem Quotienten aus einem Ist-Austrittsdruck, der dem Druck an einem Ausgang des am weitesten stromab angeordneten Verdichters entspricht, und dem Ist-Eintrittsdruck des ersten Verdichters gleich ist.
In einer Variante der Erfindung wird aus dem Ist-Gesamtdruckverhältnis und einem, aus dem Prioritätswert und dem Integralwert bestimmten, Proportional-Integral-Wert ein Kapazitätsfaktor bestimmt, wobei die reduzierte Soll-Drehzahl für jeden Verdichter als Funktionswert einer dem jeweiligen Verdichter zugeordneten Regelungsfunktion bestimmt wird, die insbesondere jedem Wertepaar aus Kapazitätsfaktor und Modell-Gesamtdruckverhältnis, das insbesondere aus dem Ist-Gesamtdruckverhältnis bestimmt wird, eine reduzierte Soll-Drehzahl zuordnet.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden vorteilhafte Ausführungsformen und Beispiele sowie weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1: eine schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Figur 1 ist ein Verfahrensschaltplan schematisch dargestellt, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Vier Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ sind in Serie angeordnet, und weisen auf Ihrer Saugseite je einen Eintrittsdruck p_ist, p₁. p₂, p₃ und eine Temperatur an ihrem Eingang T_ist, T₁, T₂, T₃ auf. Stromauf des ersten Verdichters V₁ der Serie, ist ein Einlass für kühles Fluid mit einer Temperatur T_coldbox (beispielsweise 200K, 100K, 50K, 20K und /oder 4K) das insbesondere über ein Ventil dem zu kühlenden Fluid zugeführt werden kann. Bei jedem Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ wird die Temperatur T_ist, T₁, T₂, T₃ an seinem Eingang erfasst. Beim ersten Verdichter V₁ ist dies die Ist-Eintrittstemperatur T_ist. Weiterhin wird auch der Ist-Druck p_ist, p₁,p₂,p₃ am Eingang des jeweiligen Verdichters V₁, V₂, V₃, V₄ erfasst. Aus dem Ist-Eintrittsdruck p_ist und dem Ist-Austrittsdruck p₄ wird ein Ist-Gesamtdruckverhältnis π_ist berechnet, welches zur Bestimmung der reduzierten Drehzahlen n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll, red} ,n_{4 soll, red} der Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ verwendet wird: $π_{ist} = \frac{p_{4}}{p_{ist}}$
Aus dem Ist- und Soll-Eintrittsdruck p_ist, p_soll, sowie dem Ist-Gesamtdruckverhältnis π_ist lässt sich ein Kapazitätsfaktor X bestimmen, der für alle Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ gleich ist. Mit diesem Kapazitätsfaktor X wird für jeden Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ über eine dem jeweiligen Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ zugeordnete Regelungsfunktion F, die beispielsweise in Form einer Tabelle oder eines Polynoms für jeden Verdichter vorberechnet ist, die jeweilige reduzierte Soll-Drehzahl n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll, red} ,n_{4 soll, red}, ermittelt, so dass die Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ der Serie möglichst wirtschaftlich arbeiten.
Der Kapazitätsfaktor X ist insbesondere so geartet, dass er Werte zwischen 0 (X_pump = 0 Pump-Regime) und 1 (X_sperr = 1, Sperr-Regime) annehmen kann. Sowohl das Pump als auch das Sperr-Regime sind Betriebszustände des Verdichters, die es zu vermeiden gilt. Das Pump-Regime entspricht den Betriebszuständen, bei denen der Verdichter die sogenannte Surge-Kondition erfüllt während hingegen das Sperr-Regime Betriebszuständen entspricht, die die sogenannte Choke-Kondition erfüllen. Damit die Verdichter nicht in diese Regimes gefahren werden, beschränkt man den Kapazitätsfaktor X auf Werte zwischen einem Minimalwert X _min = X_pump + 0,05 und einem Maximalwert X_max = X_sperr - 0,1;
Ebenso wird für den Integralwert int _t=n+1 ein oberer und unterer Grenzwert int_max bzw. int_min des Integralwertes int durch X_max bzw. X_min und vom natürlichen Logarithmus des Ist-Gesamtdruckverhältnisses ln(π_ist ) abgeleitet: $in t_{\max} = X_{\max} + \ln (π_{ist})$
$in t_{\min} = X_{\min} + \ln (π_{ist})$
Da das gemessene Ist-Gesamtdruckverhältnis π_ist im transienten Betrieb (Pump-down) immer größer wird (der Ist-Eintrittsdruck p_ist wird immer kleiner), werden dadurch die Grenzwerte des Integralwertes auch immer größer. Im umgekehrten Fall (Pump-up), also wenn der Soll-Eintrittsdruck p_soll kleiner als der Ist-Eintrittsdruck p_ist ist, werden diese Grenzwerte immer kleiner.
Wenn der Integralwert int _t=n+1 größer bzw. kleiner als der obere bzw. untere Grenzwert int_max , int_min wird, wird er auf den jeweiligen Grenzwert begrenzt. Prioritätswert PW und Integralwert int _t=n+1 werden addiert, um einen Proportional-Integral-Wert PI zu generieren. $PI = PW + in t_{n + 1}$
Wenn alle Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ in Serie an ihrem Designpunkt laufen, erreicht die Verdichterserie ihren Design- oder Arbeitspunkt bei einem Design-Gesamtdruckverhältnis π_Design .
Wenn der Proportional-Integral-Wert PI kleiner ist als die Summe aus dem Maximalwert des Kapazitätsfaktors X_max und aus dem natürlichen Logarithmus des Design-Gesamtdruckverhältniswertes π_Design , dann wird der Kapazitätsfaktor X aus der Differenz des Proportional-Integral-Wertes PI und dem natürlichen Logarithmus des Ist-Gesamtdruckverhältnisses π_ist berechnet. Andernfalls wird der Proportional-Integral-Wert PI auf die Summe aus dem natürlichen Logarithmus des Design-Gesamtdruckverhältnisses π_Design und dem Maximalwert des Kapazitätsfaktors X_max insbesondere zur Berechnung des Kapazitätsfaktors X beschränkt, d.h., es gilt: $\begin{matrix} X = PI - \ln (π_{ist}), & wenn PI < \end{matrix} \ln (π_{Design}) + X_{sperr}$
$X = \ln (π_{Design}) + X_{sperr} - \ln (π_{ist}),$
sonst
Anhand des so berechneten Kapazitätsfaktors X, wird nun im erfindungsgemäßen Verfahren entschieden, wie ein Modell-Gesamtdruckverhältnis π_Model ermittelt wird, das dann an die Regelungsfunktion F zur Ermittlung der reduzierten Soll-Drehzahlen n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll, red} ,n_{4 soll, red} übergeben wird. Das Modell-Gesamtdruckverhältnis π_Model ist gleich dem Ist-Gesamtdruckverhältnis n_ist, wenn der ermittelte Kapazitätsfaktor X, zwischen dem Minimal- und Maximalwert X_min, X_max liegt. Wenn der Kapazitätsfaktor X außerhalb dieses Wertebereichs liegt, dann wird das Modell-Gesamtdruckverhältnis π_Model über eine Sättigungsfunktion SF abgeändert. Anschließend wird der Kapazitätsfaktor X auf seinen Minimal, bzw. Maximalwert X_min, X_max beschränkt und dann, insbesondere zusammen mit dem Modell-Gesamtdruckverhältnis π_Model, an die Regelungsfunktion F weitergeleitet, die aus diesen Argumenten die reduzierte Soll-Drehzahl n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll, red} ,n_{4 soll, red} für den jeweiligen Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ ermittelt.
Die Sättigungsfunktion SF kann für Werte des Kapazitätsfaktors X, die nicht zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert X_min, X_max liegen, beispielsweise durch $SF = \exp (0,5 * (X - X_{\max})) für X > X_{\max}$
bzw. $SF = \exp (0,5 * (X - X_{\min})) für X < X_{\min}$
gegeben sein. Damit ergibt sich: $π_{Model} = π_{ist} \cdot SF \Leftrightarrow \ln (π_{Model}) = \ln (π_{ist}) + 0,5 \cdot (X - X_{\min / \max})$
Diese Modifikation des Modell-Gesamtdruckverhältnisses π_Model stellt sicher, dass in Betriebszuständen, in denen der Kapazitätsfaktor X in Sättigung ist, die Regelung dennoch weiter Einfluss auf die Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ hat, da dann anstelle des Kapazitätsfaktors X das Modell-Gesamtdruckverhältnis π_Model verändert wird, womit die Regelungsfunktion F reduzierte Soll-Drehzahlen n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} n_{3 soll, red} n_{4 soll, red} aufrufen kann, die aus diesen Betriebszuständen herausführen.
Die reduzierten Soll-Drehzahlen n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll, red} ,n_{4 soll, red} können für jeden Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ insbesondere in einer Tabelle (look-up Tabelle) hinterlegt sein. Diese Tabelle kann insbesondere durch Modellberechnungen unter Verwendung von Eulerschen Turbomaschinen-Gleichungen erstellt werden. Entsprechend des Kapazitätsfaktors X und des Modell-Gesamtdruckverhältnisses π_Model kann insbesondere eine Software zum Auslesen der reduzierten Soll-Drehzahlen n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll, red} ,n_{4 soll, red} n_red aus der Tabelle herangezogen werden. Diese Tabelle entspricht dann insbesondere der Regelungsfunktion F und umfasst zumindest für mehrere Kapazitätsfaktoren X (beispielsweise X = 0, 0,25, 0,5, 0,75 und 1), und Modell-Gesamtdruckverhältnisse π_Model die jeweiligen reduzierten Drehzahlen n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll,} red ,n_{4 soll, red} n_red für den jeweiligen Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄. Werte des Kapazitätsfaktors X, die nicht in der Tabelle aufgeführt sind, werden durch Interpolation ermittelt. Weiterhin ist der Kapazitätsfaktor X in Abhängigkeit des Modell-Gesamtdruckverhältnisses π_Model und der reduzierten Drehzahlen n_{1 soll, red} ,n_{2 soll, red} ,n_{3 soll, red} ,n_{4 soll, red} n_red so gewählt, dass sich durch die Regelung der Regelungsfunktion F, der Ist-Eintrittsdruck p_ist dem Soll-Eintrittsdruck p_soll angleicht.
Um beim Cool-Down der Anlage parallel einen Pump-Down zu gewährleisten, also während der Abkühlphase gleichzeitig den Druck auf der Saugseite der Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ zu verringern, muss entschieden werden, ob die Ist-Eintrittstemperatur T_ist, am Eingang des ersten Verdichters V₁ verringert werden muss, um zu hohe
Drehzahlen bei den Verdichtern V₁, V₂, V₃, V₄ zu vermeiden, oder ob der Betrieb ohne zusätzliche Kühlung am Eingang des ersten Verdichters V₁ gewährleistet werden kann. Dazu werden zwei Werte miteinander verglichen. Zum einen wird ein Proportionalwert prop aus dem Ist- und dem Soll-Eintrittsdruck p_ist, p_soll berechnet. Und zum anderen wird aus einer Drehzahlquota ein Drehzahlindex für jeden Verdichter berechnet, wobei die Drehzahlquota durch $Q_{i} = \frac{n_{i}}{n_{i, \max}}$
gegeben ist und der Drehzahlindex D_i durch $D_{i} = 1 - Q_{i} = 1 - \frac{n_{i}}{n_{i, \max}}$
gegeben ist. Dabei ist n_i,max die Maximaldrehzahl des i-ten Verdichters V_i. i ist ein Index (i = 1 - 4).
Wenn der Drehzahlindex D_i eines Verdichters V_i also gegen null strebt, bedeutet dies, dass der Verdichter V_i nahe seiner Maximaldrehzahl n_{i, max} operiert, und keine höheren Drehzahlen n_i durch eine Erhöhung der reduzierten Soll-Drehzahlen n_{1 soll, red}, n_{2 soll, red}, n_{3 soll, red}, n_{4 soll, red} eingestellt werden sollten.
Aus der Menge der Drehzahlindices D_i für jeden Verdichter V_i wird nun der kleinste Drehzahlindex D_i mit dem Proportionalwert prop verglichen. Der kleinere der beiden Werte wird dem Prioritätswert PW zugeordnet, der dann für die Ermittlung weiterer Steuerwerte (wie beispielsweise der reduzierten Soll-Drehzahlen n_{1 soll, red}, n_{2 soll}, _red, n_{3 soll}, _red, n_{4 soll}, _red, insbesondere mit Hilfe des Kapazitätsfaktors oder der Soll-Eintrittstemperatur T_soll) verwendet wird. D.h. wenn ein Verdichter V_i schon sehr hohe Drehzahlen n_i aufweist, wird sein Drehzahlindex D_i fast oder gleich null sein. Dadurch wird der Steuerung der Anlage so priorisiert, dass über ein Kältereservoir kaltes Fluid stromauf des Eingangs des ersten Verdichters V₁ zugegeben wird, so dass sich die Ist-Eintrittstemperatur T_ist verringert. Als Folge verringern sich auch die Drehzahlen n_i der Verdichter V_i, so dass der Drehzahlindex D_i dieses Verdichters V_i wieder ansteigt - und zwar insbesondere solange bis der Proportionalwert prop geringer ist. Auf diese Weise ist ein wirtschaftlicher Betrieb der Verdichterserie gewährleistet, insbesondere beim Cool-Down und Pump-Down.
Aus dem Prioritätswert PW ermittelt eine Temperaturregelungseinheit TE die Soll-Eintrittstemperatur T_soll. Die Berechnung ist dabei qualitativ so geartet, dass bei einem niedrigen Prioritätswert PW, die Soll-Eintrittstemperatur T_soll stufenweise heruntergeregelt wird. Beispielsweise wird dabei die Soll-Eintrittstemperatur T_soll auf 90% der gemessenen Ist-Eintrittstemperatur T_ist gesetzt. Die Herabstufung auf diesen Wert wird beispielsweise durch eine Rampenfunktion realisiert. Wenn während der Herabstufung der Soll-Eintrittstemperatur T_soll die Drehzahlindices immer noch Regelungspriorität haben, wird eine neue Herabstufung der Soll-Eintrittstemperatur T_soll auf 90% der zuletzt gemessenen Ist-Eintrittstemperatur T_ist ausgeführt. Bei jeder Herabstufung der Soll-Eintrittstemperatur T_soll auf 90% der gemessenen Ist-Eintrittstemperatur T_ist wird geprüft, ob die ermittelte Soll-Eintrittstemperatur T_soll grösser ist als eine Auslegungstemperatur am Eintritt der Verdichterserie. Wenn die Auslegungstemperatur 4K ist, und der Temperatursollwert 3.8K, dann wird der Wert auf 4K limitiert.
Über eine Kühlreservoir-Kontrollbox C, wird die entsprechende Menge an kaltem Fluid stromauf des Eingangs des ersten Verdichters V₁ auf das warme Fluid beaufschlagt, so dass durch Mischung der beiden unterschiedlich warmen Fluide, das Fluid eine Mischungstemperatur aufweist, die kleiner als die zuvor gemessene Ist-Eintrittstemperatur T_ist ist. Bei einem höheren Prioritätswert PW wird das Fluid am Eingang des ersten Verdichter V₁ nicht oder mit nur einer geringen Menge von kaltem Fluid beaufschlagt, da die Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ der Serie bereits nicht mit zu hohen Drehzahlen n_i laufen.
In einer Variante kann auch von einem Integrator, der insbesondere ein Teil eines PI (Proportional-Integral)-Reglers darstellt, und der eine zeitliche Integration des Prioritätswertes PW vornimmt, die Berechnung der Soll-Eintrittstemperatur T_soll beeinflusst werden - beispielsweise so, dass eine Glättung oder eine bestimmte Steilheit einer Temperaturrampe für T_soll erreicht wird.

Wichtig bei der gesamten Regelung ist, dass reduzierte Werte zum Steuern der Anlage und insbesondere der Verdichter V₁, V₂, V₃, V₄ verwendet werden. So berechnet sich beispielsweise die reduzierte Drehzahl n_i, _red eines Verdichters V_i aus der folgenden Formel:

n_{i} = n_{i, red} \cdot n_{i, Design} \cdot \sqrt{\frac{T_{i - 1}}{T_{i, Design}}}

wobei n_i die Drehzahl des Verdichters ist (Soll, oder Ist-Drehzahl), n_{i, red} die reduzierte Drehzahl (Soll- oder Ist Drehzahl) des Verdichters V_i, n_{i, Design} die Auslegungs- oder Design-Drehzahl des Verdichters V_i, T_i-1 ist die Temperatur am Eingang des Verdichters V_i und T_{i, Design} die Design- oder Auslegungstemperatur des Verdichters V_i. Wobei T₀ (i = 1) gleich der Ist-Eintrittstemperatur T_ist des ersten Verdichters V₁ ist. Analog dazu gilt für den reduzierten Massenstrom ṁ_red :

{\dot{m}}_{red} = \frac{{\dot{m}}_{ist}}{{\dot{m}}_{Design}} \cdot \frac{p_{Design}}{p_{ist}} \cdot \sqrt{\frac{T_{ist}}{T_{Design}}}

wobei ṁ_red der reduzierte Massenstrom durch den Verdichter ist, ṁ_ist der momentane Massenstrom, ṁ_Design den Massenstrom bezeichnet, für den der jeweilige Verdichter ausgelegt ist, p_Design den Designdruck am jeweiligen Verdichter darstellt, T_Design die Design-Temperatur ist und p_ist der Ist-Eintrittsdruck am jeweiligen Verdichter ist.

Bezugszeichenliste:

PW	Prioritätswert
prop	Proportionalwert
int	Integralwert
p_ist	Ist-Eintrittsdruck am ersten Verdichter
p_soll	Soll-Eintrittsdruck am ersten Verdichter
TE	Temperaturregelungseinheit
C	Kühlreservoir-Kontrollbox
F	Regelungsfunktion
X	Kapazitätsfaktor
D_i	Drehzahlindex des i-ten Verdichters (i = 1-4)
n_i	Ist-Drehzahl des i-ten Verdichters (i = 1-4)
n_{i, max}	Maximaldrehzahl i-ten Verdichters (i = 1-4)
V_i	i-ter Verdichter der Serie (i = 1-4)
p_i	Ist-Druck am Ausgang des i-ten Verdichters, bzw. am Eingang des (i+1)-ten Verdichters (i = 1-4)
n_{i, soll}	Soll-Drehzahl des i-ten Verdichters (i = 1-4)
n_{i soll, red}	reduzierte Soll-Drehzahl des i-ten Verdichters (i = 1-4)
n_{i, Design}	Auslegungs- bzw. Designdrehzahl des i-ten Verdichters (i = 1-4)
T_ist	Ist-Eintrittstemperatur (am ersten Verdichter)
T_soll	Soll-Eintrittstemperatur (am ersten Verdichter)
T_i	Ist-Temperatur am Eingang des (i+1)-ten Verdichters, bzw. am Ausgang des i-ten Verdichters (i = 1-4)
T_{i, Design}	Auslegungs- bzw. Designtemperatur des i-ten Verdichters (i = 1-4)
T_coldbox	Temperatur des kalten Fluids
SF	Sättigungsfunktion
π_Model	Modell-Gesamtdruckverhältnis
π_ist	Ist-Gesamtdruckverhältnis
π_Design	Design-Gesamtdruckverhältnis
X	Kapazitätsfaktor
X_min	Minimalwert des Kapazitätsfaktors
X_max	Maximalwert des Kapazitätsfaktors
PI	Proportional-Integral-Wert

Claims

Verfahren zur Druck- und Temperaturregelung eines Fluids, insbesondere Helium, in einer Serie von kryogenen Verdichtern, umfassend die Schritte:
- Erfassen einer Ist-Drehzahl für jeden Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄),

- Erfassen eines Ist-Eintrittsdrucks (p_ist) sowie einer Ist-Eintrittstemperatur (T_ist) am Eingang des am weitesten stromauf angeordneten, ersten Verdichters (V₁) der Serie,

- Vorgeben eines Soll-Eintrittsdrucks (p_soll) für den ersten Verdichter (V₁) der Serie,

- Bestimmung eines Drehzahlindex (D_i) für jeden Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) aus einer Maximaldrehzahl (n_{i, max}) des jeweiligen Verdichters und der Ist-Drehzahl (n_i) des jeweiligen Verdichters (V₁, V₂, V₃, V₄),

- Bestimmung eines Proportionalwertes (prop) aus der Abweichung des Ist-Eintrittsdrucks (p_ist) vom Soll-Eintrittsdruck (p_soll),

- Bestimmung eines Prioritätswertes (PW),
wobei wenn der Proportionalwert (prop) kleiner als der kleinste Drehzahlindex (D_i) aller Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) der Serie ist, der Prioritätswert (PW) aus dem Proportionalwert (prop) bestimmt wird, und

wobei wenn der Proportionalwert größer als der kleinste Drehzahlindex (D_i) aller Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) der Serie ist, der Prioritätswert (PW) aus dem kleinsten Drehzahlindex (D_i) aller Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) der Serie bestimmt wird um die Priorität der Reglung auf der Regelung der Eintrittstemperatur am ersten Verdichter zu basieren,

- Ermitteln einer Soll-Eintrittstemperatur (T_soll) für den ersten Verdichter (V₁) der Serie und einer Soll-Drehzahl (n_{1 soll}, n_{2 soll}, n_{3 soll}, n_{4 soll}) für jeden Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄), mit Hilfe des Prioritätswerts (PW),

- Einstellen der Ist-Eintrittstemperatur (T_ist) des ersten Verdichters (V₁) auf die ermittelte Soll-Eintrittstemperatur (T_soll), und

- Einstellen der Ist-Drehzahl (n_i) für jeden Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) auf die ermittelte Soll-Drehzahl (n_{1 soll}, n_{2 soll}, n_{3 soll}, n_{4 soll}).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlindex (D_i) für jeden Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) dem Verhältnis aus der Differenz der Maximaldrehzahl (n_{i, max}) und der Ist-Drehzahl (n_i) des jeweiligen Verdichters (V₁, V₂, V₃, V₄), und der Maximaldrehzahl (n_{i, max}) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prioritätswert (PW) die Regelung so beeinflusst, dass wenn der kleinste Drehzahlindex (D_i) von allen Verdichtern (V₁, V₂, V₃, V₄) kleiner als der Proportionalwert (prop) ist, die Ist-Eintrittstemperatur (T_ist) solange abgesenkt wird, insbesondere durch stufenweise Absenkung der ermittelten Soll-Eintrittstemperatur (T_soll), bis der Proportionalwert (prop) kleiner als der kleinste Drehzahlindex (D_i) wird, und dass insbesondere die Ist-Drehzahlen (n_i) der Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) nicht erhöht werden, solange der kleinste Drehzahlindex (D_i) kleiner als der Proportionalwert (prop) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Drehzahl (n_i) jedes Verdichters (V₁, V₂, V₃, V₄) aus einer reduzierten Ist-Drehzahl ermittelt wird, und dass die Soll-Drehzahl (n_{1 soll}, n_{2 soll}, n_{3 soll}, n_{4 soll}) jedes Verdichters aus einer reduzierten Soll-Drehzahl (n_{1 soll, red}, n_{2 soll, red}, n_{3 soll, red}, n_{4 soll, red}) ermittelt wird, wobei die reduzierte Ist-Drehzahl aus der Ist-Drehzahl (n_i) und einer Ist-Temperatur (T_ist, T₁, T₂, T₃) am Eingang des jeweiligen Verdichters (V₁, V₂, V₃, V₄) ermittelt wird, und wobei die reduzierte Soll-Drehzahl (n_{1 soll, red}, n_{2 soll, red}, n_{3 soll, red}, n_{4 soll, red}) aus der Soll-Drehzahl (n_{1 soll}, n_{2 soll}, n_{3 soll}, n_{4 soll}) und der Ist-Temperatur (T_ist, T₁, T₂, T₃) am Eingang des jeweiligen Verdichters (V₁, V₂, V₃, V₄) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integralwert (int) aus dem Prioritätswert (PW) bestimmt wird, wobei der Integralwert (int) insbesondere zur Bestimmung der reduzierten Soll-Drehzahl (n_{1 soll, red}, n_{2 soll, red}, n_{3 soll, red}, n_{4 soll, red}) des jeweiligen Verdichters (V₁, V₂, V₃, V₄) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ist-Gesamtdruckverhältnis (π_ist ) ermittelt wird, wobei das Ist-Gesamtdruckverhältnis (π_ist ) dem Quotienten aus einem Ist-Austrittsdruck (p₄), der dem Druck an einem Ausgang des am weitesten stromab angeordneten Verdichters (V₄) entspricht, und dem Ist-Eintrittsdruck (p_ist) des ersten Verdichters (V₁) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Ist-Gesamtdruckverhältnis (π_ist ) und einem Proportional-Integral-Wert, der aus dem Prioritätswert (PW) und dem Integralwert (int) bestimmt wird, ein Kapazitätsfaktor (X) bestimmt wird, wobei die reduzierte Soll-Drehzahl (n_{1 soll, red}, n_{2 soll, red}, n_{3 soll, red}, n_{4 soll, red}) für jeden Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) als Funktionswert einer dem jeweiligen Verdichter (V₁, V₂, V₃, V₄) zugeordneten Regelungsfunktion (F) bestimmt wird, die insbesondere jedem Wertepaar aus Kapazitätsfaktor (X) und Modell-Gesamtdruckverhältnis (π_Model ), das insbesondere aus dem Ist-Gesamtdruckverhältnis (π_ist ) bestimmt wird oder diesem gleich ist, eine reduzierte Soll-Drehzahl (n_{1 soll, red}, n_{2 soll, red}, n_{3 soll, red}, n_{4 soll, red}) zuordnet.