NO313926B1

NO313926B1 - Kompressorstyring

Info

Publication number: NO313926B1
Application number: NO20005676A
Authority: NO
Inventors: Jan Tommy Gravdahl; Svein Ove Vatland; Hovard Devold
Original assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-12-23
Also published as: AU2002214418A1; WO2002038963A1; NO20005676D0; NO20005676L

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for aktiv regulering av pumping i en roterende kompressor, der kompressoren drives av en elektrisk drivenhet og styres av et aktivt pumpereguleringssystem. Oppfinnelsen vedrører og-så et aktivt pumpereguleringssystem for aktiv styring av pumping i en roterende kompressor.

Driften til en roterende kompressor kan komme inn i et ustabilt område som følge av endringer i forskjellige driftsbetingelser som strømhastighet eller trykk. Dette fø-rer til en rask pulsering av strømmen som kalles pumping ("surge"). Pumping er et problem som kan oppstå i alle ty-per roterende kompressorer, så som sentrifugale eller aksielle kompressorer.

Dersom massestrømmen gjennom kompressoren av en eller annen grunn faller under en bestemt grense som kalles pumpegrensen SL ("surge line"), vil kompressoren begynne å pumpe. Dette innebærer at strømmen og trykket begynner å svinge. Kompressoren vil nå være svært ustabil. Amplituden av svingningene avhengiger av kompressorkonfigurasjonen og kan bli så stor at strømmen snur i kompressoren. Dette fenome-net er kjent som "deep surge" på engelsk. Pumping er et meget uønsket fenomen og kan føre til alvorlige skader på kompressoren. Figur 1 viser et eksempel på en kompressorkarakteristikk der pumpegrensen er angitt. Når kompressoren arbeider på høyre side av pumpegrensen, vil kompressoren befinne seg i det stabile området.

Forskjellige metoder brukes for å beskytte sentrifugale så vel som aksielle kompressorer mot pumping. På figur 1 er der angitt en pumpereguleringsgrense SCL ("surge control line") i det stabile området av kompressorkarakteristikken. Denne grensen trekkes en viss avstand fra pumpegrense SL. Denne avstanden kalles pumpemarginen SM ("surge margin") og kan bestemmes på en rekke forskjellige måter. Én typisk må-te å bestemme denne marginen på er å beregne en prosentan-del av pumpemassestrømmen (dvs. massestrømmen der kompressoren begynner å pumpe). Et typisk valg er å sette pumpemarginen til 10% av pumpemassestrømmen. Dette innebærer at en 10% reduksjon av massestrømmen når kompressoren opererer på pumpereguleringsgrensen vil føre til at kompressoren begynner å pumpe. Dersom kompressoren opererer til venstre for pumpereguleringsgrensen i et slikt system, vil reguleringssystemet ta de nødvendige skritt for å føre operasjonspunktet tilbake til høyresiden av reguleringsgrensen. Slike skritt omfatter for eksempel resirkulering av masse-strømmen, avtapning av strømmen eller en nedstrøms strup-ning av strømmen.

I US patent nr. 5 3 06 116 reguleres en avblåsningsventil kontinuerlig for å eliminere pumping. En begynnende pumpe-tilstand detekteres når utløpstrykket faller raskere enn en forhåndsbestemt verdi. Ved skiftende operasjonsforhold, reguleres kompressorhastigheten for å oppnå en minst mulig pumpemargin. I US patent nr. 4 464 72 0 anvendes en resirkuleringsventil for å holde kompressorens operasjonspunkt til høyre for pumpegrensen. En algoritme som sammenlikner det faktiske differensialtrykket med et beregnet, ønsket trykk, styrer resirkuleringsventilen. I US patent nr. 5 553 997 reguleres kompressorhastigheten og ledeskovlposisjonen for å holde kompressorens operasjonspunkt på en dynamisk eller adaptiv pumpereguleringsgrense.

Bruken av pumpemarginer og de forskjellige måtene å unngå pumping på hindrer kompressoren i å operere nær pumpegrensen. Selv om dette sikrer en stabil drift, vil man ikke kunne få maksimalt ut av kompressoren dersom man anvender en pumpemargin fordi kompressorens effekt som regel er størst i nærheten av pumpegrensen. Den maksimale trykkstigningen befinner seg også i nærheten av pumpegrensen, og denne vil ikke være tilgjengelig dersom man anvender en pumpemargin. Bruken av pumpemarginer og de forskjellige måtene å unngå pumping på ifølge de ovennevnte eksemplene krever også at det monteres ekstra utstyr, så som en resirkuleringsventil.

En såkalt aktiv pumperegulering er en alternativ innfalls-vinkel som kan anvendes for å håndtere og unngå kompressor-pumping. Ved aktiv pumperegulering anvendes en tilbakekobling av tilstandene i kompressorsystemet for å aktivt stabilisere kompressorens ustabile driftsområder. Forskjellige måter å håndtere problemene i forbindelse med kompressor-pumping er omtalt av Jager, B., i "Rotating stall end surge control: A survey", Proceedings of the 35th IEEE Conference on Decision and Control. New Orleans, LA. sidene 1857-1862.

US patent nr. 5 005 353 angir en fremgangsmåte ved kontinu-.erlig, aktiv regulering av ustabile bevegelsesfenomener så som bladflagring, pumping og stall av turbokompressorer. Dette oppnås ved å tilbakekoble én eller flere målinger av kompressorsystemtUstanden, for eksempel massestrømmen eller trykket, via en regulator til én eller flere aktuatorer. Et antall aktuatorer er antydet, innbefattet for eksempel høytalere, avtapningsventiler, strøm- og varmeinjek-torer samt drivorganer for variable, aerodynamiske elemen-ter så som statorskovler.

Ved utformningen av aktiv pumperegulering for et kompre-sjonssystem, samt ved verifiseringen av styringens stabili-tet, vil man ha behov for en modell av systemet som skal reguleres. Ved utformningen av aktive reguleringssystemer for kompressorer anvendes vanligvis modellen til Greitzer E.M., som er beskrevet i "Surge and rotating stall in axial flow compressors, Part I: Theoretical compression system model and Part II: Experimental results and comparison with theory", Journal of Engineering for Power, bind 98, sidene 190-217, eller modellen til Moore-Greitzer beskrevet i Moore F.K. og Greitzer E.M., "A theory of post-stall transi-ents in an axial compression system: Part I—development of equations.", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power., bind 108, sidene 68—76. I det ovennevnte patentet, US patent nr. 5 005 3 53, er det Moore-Greitzer modellen som anvendes. Felles for de kjente, aktive reguleringssystemene for kompressorer er at kompressorens rotasjonshastighet anses for å være konstant under utformningen av regulatoren. Antakelsen at rotasjonshastigheten er konstant gjøres både i Greitzer- og Moore-Greitzermodellen.

En kompressor som er underlagt en aktiv pumperegulering får i realiteten en forskjøvet pumpegrense, og fordelene med dette er blant annet: -Kompressoren kan drives i sitt mest effektive område. -Kompressoren kan drives der trykkstigningen er størst. -Massestrømsområdet som kompressoren kan drives i uten å begynne å pumpe utvides også.

På figur 1 er det utvidede operasjonsområdet EON ("Extended Operation Range") som oppnås ved hjelp den aktive reguleringen sammenliknet med operasjonsområdet OR ("Operation Range") som oppnås når man bare unngår pumping.

Selv om den aktive pumpereguleringen som anvender regule-ringselementene som er nevnt ovenfor overkommer de mest se-riøse ulempene nevnt ovenfor med hensyn til det å unngå pumping, vil man fremdeles ha behov for reguleringselemen-ter så som avtapningsventiler eller liknende.

I for eksempel kompressorstasjoner langs rørledninger for gass- eller fluidtransport, anvendes ofte resirkuleringsventiler for å unngå pumping. Disse ventilene kan også anvendes for den aktive reguleringen, men det er ønskelig å redusere bruken av resirkuleringsventiler til et minimum. Andre regulatorer er beheftet med den ulempen at de må monteres i kompressorsystemet som ekstrautstyr. Dette bidrar til å øke kostnadene og kompleksiteten til kompressorsystemet .

Det har i lang tid vært et behov i industrien å oppnå en aktiv pumperegulering i et kompressorsystem, uten å måtte montere ekstra aktuatorer.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for aktiv pumperegulering av en kompressor som er drevet av en elektrisk drivenhet, der fremgangsmåten ikke er beheftet med de ulempene som er nevnt ovenfor.

Dette formålet oppnås ved hjelp av et aktivt pumpereguleringssystem omfattende en aktiv pumperegulering som utfører en fremgangsmåte omfattende de følgende trinn: -å måle og /eller observere inngangsdata av i hvert fall én av kompressorens systemtUstander, Mlf M^ vs, -å beregne et kommandoutgangssignal for den elektriske drivenheten for å opprettholde en stabil drift av kompressoren,

-å sende kommandoutgangssignalet til drivenheten, og

-å justere effekten til drivenheten ifølge kommandoutgangssignalet .

En kompressorkarakteristikk viser forholdet mellom kompres-sortrykket og massestrømmen gjennom kompressoren. I denne kompressorkarakteristikken tegnes det inn en pumpegrense SL. Når kompressoren arbeider til høyre for pumpegrensen, vil kompressoren befinne seg i et stabilt område. Et fall i massestrømmen vil bevege operasjonspunktet nærmere mot pumpegrensen og muligens inn i det ustabile området til venstre for pumpegrensen. En pumpereguleringsgrense SCL tegnes inn i det stabile karakteristikkområdet en viss avstand fra pumpegrensen SL. Denne avstanden kalles pumpemarginen SM.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfatter den aktive pumpereguleringen minst en prosessor som kontinuerlig utfører de trinn: -å måle og /eller observere inngangsdata av i hvert fall én av kompressorens systemtilstander, Mlf ..., M,,, vs, -å beregne et kommandoutgangssignal for den elektriske drivenheten for å opprettholde en stabil drift av kompressoren,

-å sende kommandoutgangssignalet til drivenheten, og

-å justere effekten til drivenheten ifølge kommandoutgangssignalet .

Ifølge en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen reguleres drivenheten enten med hensyn til drivmomentet, drivhastigheten eller driveffekten.

Ifølge en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfatter de målte systemtilstandene minst én oppstrøms systemtilstand M1; ..., NL,, en nedstrøms systemtilstand M^, ..., M„ og et en intern systemtilstand. De målte systemtilstandene omfatter minst én av de følgende tilstandene: rotasjonshastighet, strøm eller trykk.

Ifølge en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfatter den aktive pumpereguleringen en pumpereguleringsalgoritme som er basert på de målte systemtilstandene Mlf ..., og de beregnede tilstandene 0lf ... , 0k av systemtilstandene M1# ..., der de estimerte tilstandene beregnes av en tilstandsestimator. Pumpereguleringsalgoritmen er utformet ved hjelp av en dynamisk kompressorsystemmodell som tar hensyn til en varierende kompressorakselhastighet samt at drivenheten justerer kompressorens rotasjonshastighet. For eksempel kan modellen angitt i "Compressor surge and rotating stall, Modeling and Control", Springer-Verlag, London, 1999, av Gravdahl J.T. og Egeland 0 anvendes. Denne modellen tar hensyn til en ikke-konstant rotasjonshastighet og er en utvidelse av Greitzer-modellen nevnt ovenfor.

Ifølge en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfatter det aktive pumpereguleringssystemet en kompressory-telsesregulering som omfatter en kompressorytelsesalgorit-me. Kompressorytelsesalgoritmen sender et signal up til den elektriske drivenheten sammen med et kommandert settpunkt. Den aktive pumpereguleringen har tilgang til kommandoene fra ytelsesregulatoren og vice versa.

Signalet us fra den aktive pumpereguleringen bygger på en tilbakekobling fra minst én systemtilstand Mlt ..., ^ i tillegg minst én beregnet tilstand C^, ..., 0k.

Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et kompressorsystem omfattende et pumpereguleringssystem for aktiv styring av pumping i en kompressor som er drevet av en elektrisk drivenhet. Det aktive pumpereguleringssystemet omfatter en aktiv pumperegulering som er anordnet for å måle minst én kompressorsystemtilstand Mx, M„ og å beregne det kommanderte signalet til den elektriske drivenheten for å opprettholde en stabil kompressoroperasjon. Den aktive pumpereguleringen er anordnet for å sende et signal uE til drivenheten sammen med det beregnede kom-mandosignalet for derved å justere drivenheteffekten etter det kommanderte signalet.

Ifølge en ytterligere utførelse av oppfinnelsen anvendes en resirkuleringsventil samt drivenheten for aktiv regulering av kompressoren.

Ett annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et datamaskinprodukt omfattende datamaskinkodingsor-ganer eller programvarekodingselementer som gjør det mulig for en datamaskin eller prosessor å utføre en fremgangsmåte for aktiv regulering av pumping i en kompressor som er drevet en elektrisk drivenhet.

Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et datamaskinprogram som i hvert fall delvis befinner seg i et datamaskinlesbart medium omfattende programva-remidler som gjør en datamaskin etter prosessor i stand til å utføre de trinn: -å måle og /eller observere inngangsdata av i hvert fall én av kompressorens systemtilstander, M1# ..., NL,, vs, -å beregne et kommandert utgangssignal for den elektriske drivenheten for å opprettholde en stabil drift av kompressoren, -å sende det kommanderte utgangssignalet til drivenheten, og -å justere effekten til drivenheten ifølge det kommandert utgangssignalet.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan for eksempel anvendes i en kompressorstasjon i forbindelse med rørledninger for gass- og fluidtransport.

Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig for kompressoren å yte maksimalt ved maksimalt trykk, idet pumpemarginen gjø-res overflødig. Massestrømsområdet som kompressoren opererer i kan også utvides, idet foreliggende oppfinnelse sikrer at kompressoren ikke begynner å pumpe selv om den opererer til venstre for pumpegrensen SL. I tillegg vil beho-vet for ytterligere prosessutstyr, så som resirkuleringsventiler for pumpebeskyttelse, reduseres slik at man sparer kostnader og plass.

Oppfinnelsen er beskrevet i det følgende under henvisning til de vedføyde tegningene, der: Fig. 1 viser et eksempel på en kompressorkarakterisktikk med en pumpegrense, en pumpereguleringsgrense og en pumpemargin, Fig. 2 viser en skjematisk fremstilling av en kompressor med en drivenhet og et reguleringssystem ifølge foreliggende oppfinnelse, Fig. 3 viser en skjematisk fremstilling av en kompressor med en drivenhet, en resirkuleringsventil og et reguleringssystem ifølge en utførelse av foreliggende oppfinnelse , Fig. 4 viser hvordan kompressoren reagerer som følge av et 35% fall i massestrømmen etter en forstyrrelse, Fig. 5 viser et detaljert plott av virkningene av masse-strømsforstyrrelsen vist på fig. 4, Fig. 6 viser en simulering av pumpingen som er plottet inn sammen en kompressorkarakteristikk, Fig. 7 viser en simulering ifølge fig. 4, men med et aktivt reguleringssystem, Fig. 8 viser en simulering av en aktiv pumperegulering der det nye operasjonspunktet i det forhenværende ustabile området forblir stabilt, Fig. 9 viser forskjellige forstyrrelser som brukes i en simulering av en aktiv pumperegulering, og Fig. 10 viser en simulering av en aktiv pumperegulering med forstyrrelser plottet sammen med en kompressorkarakteristikk. Fig. 2 viser en skjematisk fremstilling av en roterende kompressor 1 med en drivenhet 2 og et aktivt reguleringssystem 7 omfattende en aktiv pumperegulering 4 ifølge foreliggende oppfinnelse. Den roterende kompressoren er en ak-siell eller sentrifugal kompressor som drives av en aksel 3 som er forbundet med en elektrisk drivenhet 2.

Den aktive pumpereguleringen 4 på fig. 2 omfatter en aktiv pumpereguleringsalgoritme, implementert som programvare, som anvender målingene Mlt ... , M,, av minst én systemtilstand. For å utføre den aktive pumpereguleringen omfatter den aktive pumpereguleringen 4 minst én prosessor eller datamaskin. Den aktive pumpereguleringalgoritmen beregner dreiemomentet, hastigheten eller effekten som drivenheten må ha for å forhindre pumping i kompressoren. Den aktive pumpereguleringsalgoritmen er utledet ved hjelp av den ikke-lineære reguleringsteorien og er i stand til å stabilisere de tidligere ustabile likevektspunktene til venstre for pumpegrensen SL. Den aktive pumpereguleringsalgoritmen har følgende form:

der us er et reguleringssignal til drivenheten som krever en endring i drivenheteffekten når en forstyrrelse endrer operasjonskarakteristikken til kompressoren. Om man velger

å regulere hastigheten, dreiemomentet eller effekten avhengiger av drivenhetens reguleringsmekanikk. Funksjonen f kan ha ikke-lineære argumenter, idet en matematisk modell av kompressorsystemet anvendes for å utlede funksjonen f. Denne matematiske modellen er del av den aktive pumpereguleringen 4. Et eksempel på hvordan man kan utlede denne matematiske modellen er vist i "Compressor surge and rotating stall, Modeling and Control", Springer-Verlag, London, 1999, av Gravdahl J.T. og Egeland 0.

Reguleringssystemet anvender målinger av n tilstander for tilbakekoblingen. Målingene Mx til Mm måles oppstrøms for kompressoren mens målingene Mm+1 til måles nedstrøms for kompressoren. I tillegg kan det utføres målinger internt i kompressoren. Typiske målinger omfatter for eksempel temperatur, massestrøm eller volumetrisk strøm, trykk, tetthet, molekylær vekt, akselhastighet og/eller dreiemoment.

Pumpereguleringssystemet 7 omfatter en kompressorytelsesre-gulator 5 som omfatter en kompressorytelsereguleringsalgo-ritme som sikrer at en primær prosessvariabel, for eksempel trykkstigning, opprettholdes ved sitt settpunktnivå usp. Ytelsesregulatoren 5 oppnår dette ved å sende et settpunkt Up til drivenheten 2 eller ved å justere et ytterligere re-guleringselement, så som en ventil eller en ledeskovl.

I det tilfellet at ikke alle de nødvendige tilstandene er tilgjengelige for måling, beregnes de ved hjelp av en tilstandsestimator 6. Tilstandsestimatoren omfatter en til-standsestimatoralgoritme, implementert som programvare, som beregner prosessvariablene som ikke er tilgjengelige for måling. Inngangsdataen til tilstandsestimatoren omfatter de målbare systemtilstandene Mlf ..., M^ utgangssignalet us fra den aktive pumpereguleringen 4 samt utgangssignalene up fra ytelsesregulatoren 5.

De k observerte tilstandene er benevnt 01( ..., 0k på fig 2. Det heltrukne linjene på figur 2 representerer signalbaner som må være tilstede, idet minst én av signalbanene som er angitt med stiplede linjer må være tilstede.

Drivmomentet eller drivhastigheten fra drivenheten 2 beregnes delvis av den aktive pumpereguleringsalgoritmen og delvis av ytelsereguleringsalgoritmen. Det resulterende kompressorsystemet omfattende kompressoren 1, drivenheten 2, ytelsesregulatoren 5 og den aktive pumpereguleringen 4 er således i stand til å operere på venstre side av pumpegrensen uten å pumpe.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er drivenheten forsynt med et reguleringssystem som kan motta inngangsdata for kommandert hastighet, moment og effekt fra den aktive pumpereguleringen 4 og ytelsesregulatoren 5. For å unngå motstridende kommandoer, har pumpereguleringen 4 tilgang til kommandoene fra ytelsesregulatoren 5 og vise versa.

I en ytterlige utførelse av oppfinnelsen vist på figur 3, omfatter reguleringssystemet en resirkuleringsventil 8, i-det den aktive pumpereguleringen 4 sender kommandoene us,

ur både til den elektriske drivenheten 2 og resirkuleringsventilen 8. Dette gjør det mulig å anvende en mindre resirkuleringsventil, dvs. med reduserte dimensjoner og redusert resirkuleringsstrøm, enn i et konvensjonelt system for å unngå pumping.

EKSEMPLER

I det følgende er en foreslått reguleringsfremgangsmåte for å utføre oppfinnelsen simulert. I det første eksempelet er det vist at modellen er i stand til å demonstrere pumping. Dette er oppnådd ved å påtvinge en massestrømsforstyrrelse i en modell av en rørledningskompressor for naturgass, idet operasjonspunktet drives over pumpegrensen. De resulterende pumpesvingningene er klart synlige i simuleringene. I de andre og tredje eksemplene anvendes den foreliggende oppfinnelsen for å stabilisere kompressoren i det tidligere ustabile området av kompressorkarakteristikken, dvs. til venstre for pumpegrensen. De relevante parametrene for systemet er:

Naturgass:

x: = 1.3;

c = 2064—

kgK

der ;

k = cp/ cv

cp = Spesifikke varmen til gassen ved konstant trykk cv = Spesifikke varmen til gassen ved konstant volum Ved utformingspunktet vil forholdene være: m = \ 00^-

s

pn =60bar = 60*\ 0sPa

r„ = 293.15 K = 0°C

xc=\. 5

der ;

m = massestrøm

p = plenumtrykk

T = temperatur

7rc = trykkforhold

I de angitte eksemplene har kompressoren følgende hoveddimensjoner:

Utførelsen ble valgt for å tilfredsstille grenseverdiene til en elektrisk drivenhet med følgende spesifikasjoner:

EKSEMPEL 1

Et konvensjonelt kompressorsystem er simulert mens det drives til pumping ved et fall i massestrømmen. Kompressorre-sponsen til denne forstyrrelsen er vist på figur 4 og 5. Et konstant drivmoment blir anvendt. Kompressoren går inn i dyp pumping med svingninger i massestrømmen, trykkstigningen og akselhastigheten. Kompressoren drives initialt i en stabil modus med m = 100kg/s. Når massestrømmen faller med omtrent 35% på 1 sek. ved t = 5 sek., resulterer dette i dyp pumping. Et konstant drivmoment på xd = 7957 Nm, som er maks moment for drivenheten, anvendes gjennom hele simuleringen. Det destabiliserende massestrømfallet er angitt på figur 5, som også angir et mer detaljert plott av pumpe-svingningen av massestrømmen og trykkstigningen. Fallet i massestrømmen er vist i det øvre plottet på figur 5. De to nedre plottene på figur 5 viser pumpesyklusene til masse-strømmen og trykkstigningen i nærmere detalj. Som man ser er pumpefrekvensen omtrent 1,6 Hz, noe som er typisk for en kompressor av denne størrelsen. Figur 6 viser pumpesyklusen i kompressorkarakteristikken. Operasjonsgrensen OL og pumpegrensen SL er vist på figur 6. Kompressoren blir ustabil når operasjonspunktet krysser pumpegrensen og på figur 6 svinger hastigheten rundt 11250 opm. Årsaken til at kompressorens rotasjonshastighet stiger ved pumping er drivmomentet holdes konstant under simuleringen, idet kompressor-lastmomentet blir lavere med den reduserte massestrømmen.

EKSEMPEL 2

Kompressorsystemet er simulert mens kompressoren reguleres med det aktive pumpereguleringssystemet ifølge foreliggende oppfinnelse. Kompressorhastigheten reguleres med tilbake-kopling fra massestrømmen og hastigheten slik at kompressoren opererer i en stabilt modus selv om operasjonspunkter befinner seg til venstre for pumpegrensen, hvorved man un-går den ustabile operasjonen som er nevnt ovenfor i eksempel 1.

Denne aktive pumpereguleringen 4 implementeres med et kommandert drivmoment ifølge likningen:

der:

kN er en konstant forsterkning,

Ad) er avviket (fra operasjonspunktet) i rotasjonshastighet,

km er en konstant forsterkning,

A/n er avviket (fra operasjonspunktet) i massestrømshastighet,

kj er en konstant forsterkning.

Denne likningen beskriver mekanismen bak stabiliseringen.

Uttrykket - kNAco - k, jAeodt kan anses som del av ytelsereguleringssystemet som holder kompressoren ved ønsket rotasjonshastighet. Uttrykket - kmAm bidrar til pumpestabiliseringen ved å øke drivmomentet, og dermed hastigheten, når Am er negativ, dvs. mfaklisk < rhønskel . Når Am er positiv, dvs.

mfakusk<r^ onskei> vil uttrykket - kmAm bidra ved å redusere drivmomentet, og dermed hastigheten.

I det ustabile området av kompressorkarakteristikken er helningen til de konstante hastighetslinjene positiv, og i det stabile området er helningen til de konstante hastighetslinjene negativ. Dette er et velkjent faktum i littera-turen (se for eksempel [dejager95] eller [Greitzerl976]). For et operasjonspunkt som normalt er ustabilt og befinner seg til venstre for den opprinnelige pumpegrensen, vil uttrykket - kmAm regulere hastigheten på en slik måte at kompressoren opplever hastighetslinjer som har negativ helning og dermed ikke begynner å pumpe.

Integraluttrykket k,^ Acodt er tatt med for å holde kompressoren ved ønsket hastighet. Dette kan anses som en del av ytelsereguleringssystemet.

Regulatoren er aktiv til enhver tid og idet massestrømfal-let introduseres ved t = 5 sek., holder kompressoren seg stabil. Dette er vist på figur 7, der massestrømmen, trykkstigningen, akselhastigheten og drivmomentet er plottet som funksjoner av tid. Simuleringen er også vist på figur 8,

der en forstyrrelse driver det initiale operasjonspunktet

IOP over pumpegrensen til den venstre siden av kompressorkarakteristikken. Det nye operasjonspunktet NOP på venstre side av pumpegrensen er stabilisert ved hjelp av den aktive pumpereguleringen og det oppstår ingen pumpesvingninger.

EKSEMPEL 3

I det følgende er kompressorsysternet simulert mens kompressoren reguleres ved hjelp av det aktive pumpereguleringssystemet 7 og prosessforstyrrelser introduseres i systemet. Forstyrrelsene som anvendes i dette eksempelet, nærmere bestemt amplitudefrekvensen, regnes for å være meget belas-tende på systemet. Prosessforstyrrelser i form av strøm-fluktuasjoner, målestøy i massestrømmålingen og tidsforsin-kelser i målinger er tatt med i betraktningen. Massestrøm-fallet på 3 5% som driver kompressoren til pumping skjer over en tidsskala på 1 sek.. I simuleringene er dette et trinn som filtreres gjennom en tidskonstant på T = 1. En typisk forstyrrelse i en gassrørledning kan være et 10% fall i strømhastigheten over en periode på 5 minutter. Må-lestøyen er implementert i simuleringene som båndbegrenset, hvitt støy med en styrke på 0,20 og et samplingsintervall på 0,010 sek.. Dette gir en målefeil i området ±10 kg/s.

Tidsforsinkelsen for massestrømmen er satt til 0,050 sek..

Figur 9 viser de forskjellige forstyrrelsene som kompressoren opplever under simuleringene. Det øvre plottet på figur 9 er et 3 5% fall i massestrømmen som driver kompressoren til pumping. Det midterste plottet er prosessforstyrrelsene og det nederste plottet er målestøyen.

Som vist på figurene 10 og 11, holder den aktive pumpereguleringen kompressoren stabil. Regulatoren er aktiv til enhver tid og når massestrømfallet introduseres ved t = 5

sek., forblir kompressoren stabil. Dette er vist på figur 10, der massestrømmen, trykkstigningen, akselhastigheten og drivmomentet er plottet som en funksjon av tid. Simuleringen er også vist på figur 11, der en forstyrrelse driver det opprinnelige operasjonspunktet IOP over pumpegrensen til venstre. Det nye operasjonspunktet NOP på venstre side av pumpegrensen stabiliseres ved hjelp av den aktive pumpereguleringen og det oppstår ingen pumping.

Claims

1. Fremgangsmåte for aktiv pumperegulering i en roterende kompressor (1), der kompressoren drives ved hjelp av en elektrisk drivenhet (2) og reguleres av et pumpereguleringssystem (7) , karakterisert ved at pumpereguleringssystemet (7) omfatter en aktiv pumperegulator (4) som for å stabilisere kompressoren, som ellers ville ha vært ustabil, utfører de trinn: å måle parametre som representerer kompressorens sy stemtilstand (M1# ..., vs) , å beregne et kommandert utgangssignal, xd, for den elektriske drivenheten (2) fra de målte parametrene, å sende et signal (us) omfattende det kommanderte ut gangssignalet til den elektriske drivenheten, og å justere pådraget fra den elektriske drivenheten i- følge det kommanderte utgangssignalet for å opprettholde en stabil kompressoroperasjon ved et operasjonspunkt .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den aktive pumperegulatoren (4) beregner det kommanderte utgangssignalet xd for den elektriske drivenheten (2) ved hjelp av likningen: rd = u = - kNAco - kmAm - k, ^ Acodt der: kN er en konstant forsterkning, Aa er avviket (fra operasjonspunktet) i rotasjonshastighet , km er en konstant forsterkning, Am er avviket (fra operasjonspunktet) i massestrømshas-tighet, k, er en konstant forsterkning.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den aktive pumperegulatoren (4) omfatter minst en prosessor som kontinuerlig utfører de trinn: å måle kompressorens (1) parametre, å beregne det kommanderte utgangssignalet for den elektriske drivenheten (2) , å sende et signal (us) omfattende det kommanderte ut gangssignalet til den elektriske drivenheten (2), og å justere pådraget fra den elektriske drivenheten (2) ifølge det kommanderte utgangssignalet.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at pådraget fra den elektriske drivenheten enten er drivmomentet, drivhastigheten eller driveffekten.

5. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at minst én systemtilstand (M-l, ..., Mj måles oppstrøms for kompressoren.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at minst én systemtilstand (NL^, ..., Mj måles nedstrøms for kompressoren.

7. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at minst én intern systemtilstand (vs) i kompressoren måles.

8. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at systemtilstandene som måles er kompressorens rotasjonshastighet og/eller mas-sestrøm og/eller nedstrømstrykk.

9. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den aktive pumperegulatoren (4) omfatter en pumpereguleringsalgoritme som er basert på de målte systemtilstandene (Mir ..., Mj og de beregnede tilstandene (0lf ..., 0k) av systemtilstandene (Mlf Mn) , der de estimerte tilstandene beregnes av en tilstandsestimator, idet pumpereguleringsalgoritmen beregner det kommanderte utgangssignalet (us) til den elektriske drivenheten .

10. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den aktive pumpereguleringsalgoritmen er utformet ved hjelp av en dynamisk kompressorsystemmodell som tar varierende kompressoraksel-rotasjonshastigheter med i betraktningen.

11. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det aktive pumpereguleringssystemet (7) omfatter en kompressorytelsesregula-tor (5) omfattende en kompressorytelsealgoritme som regule-rer et settpunktnivå (usp) av en primær prosessvariabel, idet kompressorytelsealgoritmen sender et signal (Up) med et kommandert settpunkt til den elektriske drivenheten.

12. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den aktive pumperegulatoren (4) har tilgang til kommandoene fra ytelsesregulatoren og vice versa.

13. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at signalet (us) fra den aktive pumperegulatoren (4) er basert på tilbakekobling fra minst én systemtilstand (M17 ..., Mj i tillegg til den minst ene beregnede tilstanden (0lf ..., 0k) .

14. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at minst én resirkuleringsventil (8) og drivenheten (2) justeres for å aktivt regulere kompressoren.

15. Kompressorsystem omfattende et pumpereguleringssystem (7) for aktiv pumperegulering i en roterende kompressor (1), der kompressoren drives av en elektrisk drivenhet (2), karakterisert ved at pumpereguleringssy-sternet (7) omfatter en aktiv pumperegulator (4) som for å stabilisere kompressoren, som ellers ville ha vært ustabil, er anordnet for: å måle parametre som representerer kompressorens sy stemtilstand (M17 I^, vs) , å beregne et kommandert utgangssignal, xd, for den elektriske drivenheten (2) fra de målte parametrene, å sende et signal (us) omfattende det kommanderte ut gangssignalet til den elektriske drivenheten, og å justere pådraget fra den elektriske drivenheten i- følge det kommanderte utgangssignalet for å opprettholde en stabil kompressoroperasjon ved et operasjonspunkt.

16. Kompressorsystem ifølge krav 15, karakterisert ved at den aktive pumperegulatoren (4) omfatter minst én prosessor som er anordnet for å kontinuerlig utføre de trinn: å måle kompressorens (1) parametre, å beregne det kommanderte utgangssignalet for den elektriske drivenheten (2), å sende et signal (us) omfattende det kommanderte ut gangssignalet til den elektriske drivenheten (2), og å justere pådraget fra den elektriske drivenheten (2) ifølge det kommanderte utgangssignalet.

17. Kompressorsystem ifølge krav 15 eller 16, karakterisert ved at pådraget fra den elektriske drivenheten enten er drivmomentet, drivhastigheten eller driveffekten.

18. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-17, karakterisert ved at minst én av systemtilstandene (M1( ..., Mj,) omfatter systemtilstandene (M1# ..., Mj oppstrøms for kompressoren.

19. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-18, karakterisert ved at minst én av systemtilstandene (M1# ..., Mn) omfatter systemtilstandene (Mm+1, ..., M„) nedstrøms for kompressoren.

20. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-19, karakterisert ved at minst én av de målte og/eller observerte systemtilstandene er en intern systemtilstand (vs) .

21. Kompressorsystem ifølge krav 18, 19 eller 20, karakterisert ved at systemtilstandene som måles er kompressorens rotasjonshastighet og/eller mas-sestrøm og/eller nedstrømstrykk.

22. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-21, karakterisert ved at den aktive pumperegulatoren (4) omfatter en pumpereguleringsalgoritme som er basert på de målte systemtilstandene (M1( ..., NLJ og de beregnede tilstandene (Ox, 0k) av systemtilstandene (Mlf Mj, der de estimerte tilstandene er beregnet av en tilstandsestimator, idet det kommanderte utgangssignalet (us) til den elektriske drivenheten er beregnet av pumpereguleringsalgoritmen .

23. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-22, karakterisert ved at den aktive pumpereguleringsalgoritmen er utformet ved hjelp av en dynamisk kompressorsystemmodell som tar varierende kompressoraksel-rotasjonshastigheter med i betraktningen.

24. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-23, karakterisert ved at det aktive pumpereguleringssystemet (7) omfatter en kompressorytelsesregula-tor (5) omfattende en kompressorytelsealgoritme som regule-rer et settpunktnivå (usp) av en primær prosessvariabel, idet kompressorytelsealgoritmen et signal (Up) med et kommandert settpunkt er sendt til den elektriske drivenheten.

25. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-24, karakterisert ved at den aktive pumperegulatoren (4) har tilgang til kommandoene fra ytelsesregulatoren og vice versa.

26. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 15-25, karakterisert ved at signalet (us) fra den aktive pumperegulatoren (4) er basert på tilbakekobling fra minst én systemtilstand (M 1# ..., Mj i tillegg til den minst ene beregnede tilstanden (01( ..., 0k) .

27. Kompressorsystem ifølge ethvert av kravene 14-26, karakterisert ved at minst én resirkuleringsventil (8) og drivenheten (2) er justert for en aktiv regulering av kompressoren.

28. Datamaskinprodukt for aktiv pumperegulering av en roterende kompressor (1), der kompressoren drives av en elektrisk drivenhet (2), karakterisert ved at datamaskinproduktet omfatter datamaskinkode eller programvarekodeelementer for å stabilisere kompressoren, som ellers ville ha vært ustabil, som er anordnet for: å måle parametre som representerer kompressorens sy stemtilstand (M1# ..., Mn, vs) , å beregne et kommandert utgangssignal, xd, for den elektriske drivenheten (2) fra de målte parametrene, å sende et signal (ug) omfattende det kommanderte ut gangssignalet til den elektriske drivenheten, og å justere pådraget fra den elektriske drivenheten i- følge det kommanderte utgangssignalet for å opprettholde en stabil kompressoroperasjon ved et operasjonspunkt .

29. Datamaskinprogram for aktiv pumperegulering av en roterende kompressor (1), der kompressoren drives av en elektrisk drivenhet (2), karakterisert ved at datamaskinprogrammet i hvert fall delvis befinner seg i et datamaskinlesbart medium omfattende en datamaskinkode eller programvare som får en datamaskin eller en prosessor til å aktivt stabilisere kompressoren, som ellers ville ha vært ustabil, idet datamaskinprogrammet er anordnet for: å måle parametre som representerer kompressorens sy stemtilstand (Mlf Mn, vs) , å beregne et kommandert utgangssignal, xd, for den elektriske drivenheten (2) fra de målte parametrene, å sende et signal (us) omfattende det kommanderte ut gangssignalet til den elektriske drivenheten, og å justere pådraget fra den elektriske drivenheten i- følge det kommanderte utgangssignalet for å opprettholde en stabil kompressoroperasjon ved et operasjonspunkt .

30. Bruk av en fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1-14 i en gassrørledning for å stabilisere operasjonen av en kompressor i et ustabilt område av kompressorkarakteristikken.