WO2009092409A1 - Verfahren zur regelung einer strömungsmaschine - Google Patents

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WO2009092409A1
WO2009092409A1 PCT/EP2008/009251 EP2008009251W WO2009092409A1 WO 2009092409 A1 WO2009092409 A1 WO 2009092409A1 EP 2008009251 W EP2008009251 W EP 2008009251W WO 2009092409 A1 WO2009092409 A1 WO 2009092409A1
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WO
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state variable
nominal
limit
value
turbomachine
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PCT/EP2008/009251
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Blotenberg
Ulrich Gebhardt
Original Assignee
Man Turbo Ag
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/007—Conjoint control of two or more different functions

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a turbomachine, in particular a turbocompressor, for avoiding pumping of the turbomachine.
  • pumps When conveying fluids, in particular gases, by means of turbocompressors, so-called pumps may occur under unfavorable operating conditions, which is to be understood as meaning a cyclical conveying and return flow of the delivered fluid.
  • Such a pumping state is regularly accompanied by strong pressure surges, vibrations and temperature increases in the turbo compressor, which can damage the turbomachine.
  • a pumping limit of the turbomachine indicates, up to which flow of the funded fluid pump-free operation is possible at a given head or enthalpy difference between the output side and input side of the turbomachine.
  • surge limit control The operation of a compressor in a work area in which surge can occur is avoided by using a so-called surge limit control.
  • the task of the surge limit control is to promote the subsidized
  • a surge limit control line is deposited in the surge limit control or determined by the control, which can be defined to compensate for measurement tolerances and response delays of the control system at a suitable safety distance to the theoretically or empirically determined actual surge limit.
  • the surge limit (or thus the surge limit control line) depends not only on the enthalpy difference or head of the pumped fluid, but also on other operating parameters such as the input or suction pressure of the fluid, the input side or suction temperature of the fluid, or a material nature of the Fluids such as its molecular weight or its molar mass.
  • the enthalpy difference is usually not directly measurable, but is preferably calculated from other state variables (pressure, temperature, fluid properties).
  • a pumping limit curve for monitoring and corresponding control of the turbomachine has hitherto been selected, which is still within the safe range for all occurring value ranges of the influencing variables.
  • the actual surge limit deviates considerably from this surge limit stored in the controller for safety reasons, so that the permitted range of operating conditions of the turbomachine is unnecessarily limited and the turbomachine is not optimally utilized.
  • a surge limit generally depends on three or more state quantities, such as the enthalpy difference, the intake flow rate and the intake temperature, and material properties of the gas.
  • the present invention is based on the principle of initially determining the pumping limit for all but one of a first and a second state variable, for example the enthalpy difference and the intake volumetric flow, nominal values, for example a nominal intake temperature. Then, a one-to-one relationship results, which assigns to each first state variable that limit value of the second state variable from which the pumping occurs or does not occur. Subsequently, according to the invention, this limit value is corrected by taking into account the deviation of the third or further state variables from the nominal value used in the determination of this nominal limit value.
  • a first state variable of a fluid conveyed by the turbomachine in particular an enthalpy difference, a final pressure downstream of the turbomachine, a pressure ratio between intake and discharge pressure, or another state variable, are determined for this purpose.
  • a nominal limit value of a second state variable of the fluid is determined from a stored Nennpumpgrenzverlauf using the first state variable as the input value.
  • the stored Nennpumpgrenzverlauf thus indicates for a value of the first state variable that value of the second state variable at which just no pumping occurs, if the other state variables which also affect the surge limit, all have their nominal value.
  • Such Nennpumpgrenzverlauf can, for example, empirically by running a Characteristic map for the first and the second state variable while keeping constant the other state variables, but equally theoretically, in particular by fluidic design or simulations, determined and stored in advance or during a test phase.
  • the remaining state variables generally deviate from their values used to determine the nominal pumping limit curve.
  • a parameter-dependent limit value of the second state variable is determined from a set of pumping limit profiles parameterized with respect to the respective third state variable using the first state variable as the input value.
  • the individual pumping limit curves of the family can be determined analogously to the rated pumping limit curve described above, with the respective third state variable having the corresponding parameter instead of the nominal value.
  • the family of pumping boundary curves can be determined and stored, for example, empirically by running a characteristic map for the first and the second state variable, but equally theoretically, in particular by aerodynamic design or simulations, the third state variables that influence the surge limit, all but one have their nominal value and this is varied a third state variable to produce the individual pumping margins of the family.
  • a correction factor is determined which at least approximately compensates for the change in the surge limit or the surge limit control line due to the deviation of the value of the respective third state variable from its nominal value used for determining the nominal limit value.
  • the nominal limit value is corrected to a corrected limit value and the turbomachine is controlled so that the second state variable does not exceed the corrected limit value, if the limit value represents or does not fall below a permissible maximum value for avoiding pumping, if the limit value is a permissible minimum value to avoid pumping.
  • a pumping limit for the second state variable can advantageously be determined quickly, simply, in an easily implemented manner and / or with a small memory requirement, which nevertheless has sufficient accuracy due to the correction and in particular enables better utilization of the turbomachine.
  • the corrections are made for at least two, in particular at least three, third state quantities, i.e. determining a parameter-dependent limit value for each of these third state variables to be taken into account, determining a correction factor on the basis of this limit value and the nominal limit value, and correcting the nominal limit value with these correction factors to a corrected limit value by means of which the turbomachine is controlled.
  • the deviations of the actual surge limit from the nominal limit which result from the deviations of the different third state variables to be considered, mutually compensate each other, at least in part.
  • this is automatically taken into account by the correction with the respective, then opposing correction factors.
  • a molecular weight which is lower than the nominal value can compensate for a lower intake temperature than the nominal value, so that essentially the nominal limit value is established.
  • the correction factor for at least one, preferably for all third state variables is determined by dividing the parameter-dependent limit value by the nominal limit value and the corrected limit value is determined by multiplying the nominal limit value by the correction factors thus determined.
  • the nominal limit value can be corrected individually with correction factors of a plurality of, preferably all third state variables to be taken into account. Similarly, two or more, preferably all correction factors, for example by multiplication, can be combined into a common correction factor, with which the nominal limit value is then corrected.
  • the rated pumping limit progression can be stored as a polygonal traction and / or at least one, preferably several, in particular all parameterized flocks of pumping marginal progressions in each case as a family of traverses.
  • each polyline can be stored by means of two or more value pairs of mutually associated first and second state variables. This saves storage space.
  • the second state variable can be determined by, in particular linear, interpolation.
  • the associated parameter-dependent limit value from the family of pumping boundary curves are determined by, in particular linear, interpolation.
  • the term interpolation also includes an extrapolation beyond the last given value. In an expediently simple and, for most cases, sufficient embodiment, the interpolation takes place linearly over at least one value range.
  • the interpolation can also be a nonlinear one, at least in one value range. Under a nonlinear interpolation z.
  • interpolation by a higher order polynomial can be understood. In many cases, however, linear interpolation between the pumping margin of the family is sufficient, especially if there is a sufficiently dense amount of stored surge margin.
  • any number of third state variables can be included in a method according to the invention in an analogous manner in the calculation of the surge limit.
  • a total correction factor can also be determined from a plurality of third state variables overall, for example based on a multi-dimensional characteristic map, and multiplied by the nominal limit value.
  • one of the third state variables is a molecular weight of the pumped fluid.
  • the molecular weight of a pumped gas is one or the main influencing parameter, so that an influence of the pumping limit by the pumped gas can largely be taken into account by communicating the molecular weight to the controller.
  • the third state variable may be a temperature, in particular a suction-side temperature, of the delivered fluid.
  • the third state variable may also be a, in particular input-side, pressure of the delivered fluid.
  • thermodynamic first, second and third state variables can be measured directly (such as the temperature) or indirectly (such as an enthalpy difference).
  • the turbomachine may in particular be a multi-stage turbocompressor, in which the position of pumping limits in different characteristic map regions are determined by different compressor stages, wherein as a rule a closed universal characteristic map representation is impossible.
  • FIG. 1 shows an illustration of an inventive determination of a surge limit control line as a function of a plurality of state variables.
  • a stored Nennpumpgrenzverlauf is shown in the form of a polygon, the value pairs of a first state variable, which is selected in the embodiment, the enthalpy difference .DELTA.H a funded by a turbo compressor fluid, and a minimum second state size, as the in the embodiment, the minimum intake volume flow dV / dt of the turbo-compressor is selected with each other combines.
  • a nominal limit value dV / dt N of the second state variable dV / dt can be determined, from which the pump just does not yet occur.
  • each of these third state variables is variable at least within a certain range. If one or more third state variables in real operation have values other than those used in the determination of the nominal pumping limit, the real surge limit, i. the intake volume flow dV / dt, at which just no pumping occurs, compared to nominal pumping limit.
  • a first characteristic block KPL1 in FIG. 1 shows a family of pumping marginal profiles over the parameter of the molecular weight MW of the delivered gas.
  • the nominal pumping limit which is for the If the nominal value MW40 is set, pumping transitions in the form of polygons for a molecular weight MW of 30 ("MW30") and 35 ("MW35") are plotted, which assign to each enthalpy difference ⁇ H a limit value of the intake volume flow dV / dt, from which pumps just do not occur .
  • the other third state variables p, T are each available as nominal values.
  • a second characteristic block KPL2 in FIG. 1 shows a family of pumping marginal profiles with the intake-side temperature T as the parameterizing third state variable.
  • the pumping limit curves according to the second map block KPL2 again have the nominal values, ie p8.5 and MW40, with regard to the further third state variables MW, p.
  • the three curves are for 20 0 C ( "T20 ° C"), 45 0 C ( “T45 ° C”) and 80 0 C ( "T80 ° C").
  • a family of pumping limit curves are shown, which are parameterized via the intake-side pressure p as the third state variable, with the rated pressure at the nominal pressure p8.5 being 10.5 bar ("p10 , 5 "), 6.5 bar (“ p6.5 ”) and 4.5 bar (“ p4.5 ”) are shown.
  • the enthalpy difference ⁇ H determined by measurement on the input side and output side of the turbocompressor and the current values of the three influencing variables p (measured intake side pressure), T ( measured suction-side temperature) and MW (molecular weight of the currently conveyed gas) are used.
  • a nominal volumetric flow is determined as the nominal pumping limit value in the function block FNL from the stored nominal pump boundary curve first with ⁇ H as the input variable.
  • the respective correction factor is calculated by dividing this pumping limit value by the value determined from the nominal profile FNL. Is z. As the molecular weight 40, so the nominal molecular weight, so the block KPL1 outputs exactly the same intake flow dV / dt as the nominal curve FNL.
  • the division block DIV1 calculates the correction factor corresponding to 1.
  • a correspondingly different limit value of the volume flow is determined via the map block KPL1, taking into account the stored concrete courses for specifically differing molecular weights, resulting in a correction factor deviating from 1 , If, for example, the molecular weight is 35, then the parameter-dependent pumping limit value is determined with ⁇ H as input variables from the pumping limit profile assigned to this molecular weight from the stored family.
  • the pumping limit values are determined with ⁇ H as input variables from the pumping margins for the molecular weights MW35 and MW40 and the parameter-dependent limit value outputted to the block DIV1 as MW35 + MW40) / 2 determined.
  • the unstable operating range of the turbocompressor respectively above the curves and the stable or allowed range in which no pumping, below the curves. It is to distinguish between the course of the surge line and the surge limit control line.
  • the surge limit is the machine-specific stability limit
  • the surge limit control line is the operational left limit of the engine map. So that there is always a sufficient distance to the surge line, the rule line is preferably defined at a safe distance of, for example, 10% flow to the right of the surge line.
  • the limit value determination according to the invention can equally be applied to the surge limit and the surge limit control line.
  • the method is applied to the surge limit control line, as it must be known within the engine control to always adequately protect the compressor.
  • the values for the second state variable shifted by the safety factor can already be stored in the blocks FNL or KPL1 to KPL3 as limit values or nominal limiting values.
  • the actual surge line can first be determined and then shifted by a suitable safety factor, for example multiplied by 1, 1.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird zur Regelung einer Strömungsmaschine: a) eine erste Zustandsgröße (ΔH) eines durch die Strömungsmaschine geförderten Fluids ermittelt; b) ein Nenngrenzwert einer zweiten Zustandgröße (dV/dt) aus einem abgespeicherten Nennpumpgrenzverlauf unter Verwendung der ersten Zustandsgröße als Eingangswert ermittelt; für wenigstens eine dritte Zustandsgröße (MW, p, T): ci) ein parameterabhängiger Grenzwert der zweiten Zustandgröße aus einer bezüglich der jeweiligen dritten Zustandsgröße (p, T, MW) parametrisierten Schar von Pumpgrenzverläufen (KPL1, KPL2, KPL3) unter Verwendung der ersten Zustandsgröße als Eingangswert ermittelt; di) ein Korrekturfaktor auf Basis des Nenngrenzwerts und des jeweiligen parameterabhängigen Grenzwertes ermittelt; e) der Nenngrenzwert mit den Korrekturfaktoren zu einem korrigierten Grenzwert korrigiert; und f) die Strömungsmaschine derart gesteuert, dass die zweite Zustandgröße den korrigierten Grenzwert nicht über- oder unterschreitet.

Description

MAN TURBO AG
Beschreibung
Verfahren zur Regelung einer Strömungsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Turbokompressors, zur Vermeidung eines Pumpens der Strömungsmaschine.
Bei der Förderung von Fluiden, insbesondere Gasen, mittels Turbokompressoren kann unter ungünstigen Betriebsbedingungen sogenanntes Pumpen auftreten, worunter ein zyklisches Fördern und Rückströmen des geförderten Fluids zu verstehen ist. Ein solcher Pumpzustand geht regelmäßig mit starken Druckstößen, Vibrationen und Temperaturanstiegen im Turbokompressor einher, die die Strömungsmaschine schädigen können.
Eine Pumpgrenze der Strömungsmaschine gibt dabei an, bis zu welchem Strömungsfluss des geförderten Fluids bei einer gegebenen Förderhöhe oder Enthalpiedifferenz zwischen Ausgangsseite und Eingangsseite der Strömungsmaschine ein pumpfreier Betrieb möglich ist.
Der Betrieb eines Kompressors in einem Arbeitsbereich, in dem Pumpstöße auftreten können, wird durch Einsatz einer sogenannten Pumpgrenzregelung vermieden. Aufgabe der Pumpgrenzregelung ist es, den geförderten
Massenstrom des Fluids durch Abblasen von Gas auf der
Kompressordruckseite und/oder durch Umleiten von Fluid von der Druckseite zur Saugseite so weit zu erhöhen, dass die Fördermenge des Fluids stets größer ist als eine minimal zulässige Fördermenge, die durch die
Pumpgrenze bestimmt ist.
21.01.2008 Zu diesem Zweck ist in der Pumpgrenzregelung eine Pumpgrenzregellinie hinterlegt bzw. von der Steuerung bestimmt, die zum Ausgleich von Messtoleranzen und Ansprechverzögerungen des Regelsystems in einem geeigneten Sicherheitsabstand zur theoretisch oder empirisch bestimmten tatsächlichen Pumpgrenze definiert sein kann.
Im Regelfall hängt die Pumpgrenze (bzw. damit auch die Pumpgrenzregellinie) nicht nur von der Enthalpiedifferenz oder Förderhöhe des geförderten Fluids ab, sondern auch von weiteren Betriebsparametern wie dem eingangsseitigen oder Ansaugdruck des Fluids, der eingangsseitigen oder Ansaugtemperatur des Fluids, oder einer materiellen Beschaffenheit des Fluids wie beispielsweise seinem Molekulargewicht bzw. seiner molaren Masse. Die Enthalpiedifferenz ist in der Regel nicht direkt messbar, sondern wird bevorzugt aus anderen Zustandsgrößen (Druck, Temperatur, Fluideigenschaften) errechnet.
Hinsichtlich dieser weiteren Einflussgrößen wird bisher ein Pumpgrenzverlauf zur Überwachung und entsprechenden Steuerung bzw. Regelung der Strömungsmaschine gewählt, der für alle vorkommenden Wertebereiche der Einflussgrößen noch im sicheren Bereich liegt. Teilweise weicht die tatsächliche Pumpgrenze von dieser aus Sicherheitsgründen in der Steuerung abgelegten Pumpgrenze erheblich ab, so dass der erlaubte Bereich von Betriebsbedingungen der Strömungsmaschine unnötig eingeschränkt ist und die Strömungsmaschine nicht optimal ausgenutzt wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Ausnutzung einer Strömungsmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Regelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 14 stellt eine Strömungsmaschine, Anspruch 15 einen Steuerrechner zur Durchführung eines solchen Verfahrens unter Schutz. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Wie vorstehend ausgeführt, hängt eine Pumpgrenze allgemein von drei oder mehr Zustandsgrößen ab, beispielsweise der Enthalpiedifferenz, dem Ansaugvolumenstrom und der Ansaugtemperatur sowie Materialeigenschaften des Gases. Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Prinzip, für die Bestimmung der Pumpgrenze zunächst für alle bis auf eine erste und eine zweite Zustandsgröße, beispielsweise die Enthalpiedifferenz und den Ansaugvolumenstrom, Nennwerte, beispielsweise eine Nennansaugtemperatur zugrunde zu legen. Dann ergibt sich eine eineindeutige Beziehung, die jeder ersten Zustandsgröße denjenigen Grenzwert der zweiten Zustandsgröße zuordnet, ab der Pumpen auftritt bzw. nicht auftritt. Anschließend wird erfindungsgemäß dieser Grenzwert korrigiert, indem nun die Abweichung der dritten oder weiterer Zustandsgrößen von dem bei der Bestimmung dieses Nenngrenzwertes zugrundegelegten Nennwert berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine erste Zustandsgröße eines durch die Strömungsmaschine geförderten Fluids, insbesondere eine Enthalpiedifferenz, ein Enddruck nach der Strömungsmaschine, ein Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Enddruck, oder eine andere Zustandsgröße ermittelt.
Dann wird ein Nenngrenzwert einer zweiten Zustandgröße des Fluids, insbesondere eines Ansaugvolumenstromes oder eines Differenzdruckes über einer Drosselstelle im Ein- oder Austritt der Strömungsmaschine, aus einem abgespeicherten Nennpumpgrenzverlauf unter Verwendung der ersten Zustandsgröße als Eingangswert ermittelt. Der abgespeicherte Nennpumpgrenzverlauf gibt somit für einen Wert der ersten Zustandsgröße denjenigen Wert der zweiten Zustandsgröße an, bei der gerade noch kein Pumpen auftritt, wenn die übrigen Zustandsgrößen, die die Pumpgrenze ebenfalls beeinflussen, alle ihren Nennwert aufweisen. Ein solcher Nennpumpgrenzverlauf kann beispielsweise empirisch durch Abfahren eines Kennfeldes für die erste und die zweite Zustandsgröße unter Konstanthalten der übrigen Zustandsgrößen, aber gleichermaßen auch theoretisch, insbesondere durch strömungstechnische Auslegung oder Simulationen, ermittelt und vorab oder während einer Testphase abgespeichert werden.
Im Betrieb weichen die übrigen Zustandsgrößen in der Regel von ihren zur Bestimmung des Nennpumpgrenzverlaufs zugrundegelegten Werten ab. Um dies zu berücksichtigen, wird für wenigstens eine dritte Zustandsgröße, beispielsweise ein Molekulargewicht, einen Ansaugdruck und/oder eine Ansaugtemperatur ein parameterabhängiger Grenzwert der zweiten Zustandgröße aus einer bezüglich der jeweiligen dritten Zustandsgröße parametrisierten Schar von Pumpgrenzverläufen unter Verwendung der ersten Zustandsgröße als Eingangswert ermittelt. Die einzelnen Pumpgrenzverläufe der Schar können dabei in analoger Weise zu dem vorstehend beschriebenen Nennpumpgrenzverlauf ermittelt werden, wobei die jeweilige dritte Zustandsgröße anstelle des Nennwertes den entsprechenden Parameter aufweist. Die Schar von Pumpgrenzverläufen kann beispielsweise empirisch durch Abfahren eines Kennfeldes für die erste und die zweite Zustandsgröße, aber gleichermaßen auch theoretisch, insbesondere durch strömungstechnische Auslegung oder Simulationen, ermittelt und abgespeichert werden, wobei die dritten Zustandsgrößen, die die Pumpgrenze beeinflussen, alle bis auf eine ihren Nennwert aufweisen und diese eine dritte Zustandsgröße variiert wird, um die einzelnen Pumpgrenzverläufe der Schar zu erzeugen.
Nun wird auf Basis des Nenngrenzwerts und des jeweiligen parameterabhängigen Grenzwertes ein Korrekturfaktor ermittelt, der die Änderung der Pumpgrenze bzw. der Pumpgrenzregellinie aufgrund der Abweichung des Wertes des jeweiligen dritten Zustandsgröße von ihrem zur Ermittlung des Nenngrenzwertes zugrundegelegten Nennwert wenigstens näherungsweise kompensiert. Mit diese Korrekturfaktor wird der Nenngrenzwert zu einem korrigierten Grenzwert korrigiert und die Strömungsmaschine derart gesteuert, dass die zweite Zustandgröße den korrigierten Grenzwert nicht überschreitet, falls der Grenzwert einen zulässigen Maximalwert zur Vermeidung von Pumpen darstellt, bzw. nicht unterschreitet, sofern der Grenzwert einen zulässigen Minimalwert zur Vermeidung von Pumpen darstellt.
Somit kann vorteilhaft ein Pumpgrenzwert für die zweite Zustandsgröße rasch, einfach, in leicht zu implementierender Weise und/oder bei geringem Speicherbedarf bestimmt werden, der aufgrund der Korrektur gleichwohl eine ausreichende Genauigkeit aufweist und insbesondere eine bessere Ausnutzung der Strömungsmaschine ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführung werden die Korrekturen für wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei dritte Zustandsgrößen durchgeführt, i.e. für jede dieser zu berücksichtigenden dritten Zustandsgrößen jeweils ein parameterabhängiger Grenzwert bestimmt, auf Basis dieses Grenzwertes und des Nenngrenzwerts ein Korrekturfaktor ermittelt, und der Nenngrenzwert mit diesen Korrekturfaktoren zu einem korrigierten Grenzwert korrigiert, anhand dessen die Strömungsmaschine gesteuert wird.
Es kann insbesondere der Fall auftreten, dass die Abweichungen des tatsächlichen Pumpgrenzwertes von dem Nenngrenzwert, dies sich aufgrund der Abweichungen der verschiedenen zu berücksichtigenden dritten Zustandsgrößen ergeben, einander - wenigstens teilweise - gegenseitig kompensieren. In der bevorzugten Ausführung wird dem durch die Korrektur mit den jeweiligen, dann gegensinnigen Korrekturfaktoren automatisch Rechnung getragen. So kann beispielsweise ein gegenüber dem Nennwert geringeres Molekulargewicht eine gegenüber dem Nennwert geringere Ansaugtemperatur kompensieren, so dass sich im Wesentlichen der Nenngrenzwert einstellt. In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Korrekturfaktor für wenigstens eine, bevorzugt für alle dritten Zustandsgrößen durch Division des parameterabhängigen Grenzwerts durch den Nenngrenzwert ermittelt und der korrigierte Grenzwert durch Multiplikation des Nenngrenzwerts mit den solcherart ermittelten Korrekturfaktoren ermittelt. Weist also beispielsweise eine dritte Zustandsgröße den bei der Bestimmung des Nennpumpgrenzverlaufs zugrunde gelegten Nennwert auf, sind parameterabhängiger Grenzwert und Nenngrenzwert identisch, der Korrekturfaktor, mit dem der Nenngrenzwert multipliziert wird, entsprechend gleich 1. Ist der Grenzwert, der sich bei dem tatsächlich im Betrieb herrschenden Wert der dritten Zustandsgröße aus der Schar der Pumpgrenzverläufe ergibt, hingegen größer (kleiner) als der Nenngrenzwert, so wird dieser entsprechend mit einem Korrekturfaktor größer (kleiner) 1 multipliziert.
Der Nenngrenzwert kann mit Korrekturfaktoren mehrerer, bevorzugt aller zu berücksichtigenden dritten Zustandsgrößen jeweils einzeln korrigiert werden. Gleichermaßen können zwei oder mehr, bevorzugt alle Korrekturfaktoren, beispielsweise durch Multiplikation, zu einem gemeinsamen Korrekturfaktor zusammengefasst werden, mit dem der Nenngrenzwert dann korrigiert wird.
In besonders einfacher, für eine Pumpgrenzbestimmung gleichwohl ausreichend präzisen Näherung können der Nennpumpgrenzverlauf als Polygonzug und/oder wenigstens eine, bevorzugt mehrere, insbesondere alle parametrisierte Scharen von Pumpgrenzverläufen jeweils als Schar von Polygonzügen abgespeichert werden. Dabei kann jeder Polygonzug mittels zweier oder mehr Wertepaaren von einander zugeordneten ersten und zweiten Zustandsgrößen abgespeichert sein. Dies spart Speicherplatz.
Ist die erste Zustandsgröße nicht in diesen Wertepaaren enthalten, kann die zweite Zustandsgröße durch, insbesondere lineare, Interpolation ermittelt werden. Gleichermaßen kann, falls kein der dritten Zustandsgröße zugeordneter Pumpgrenzverlauf abgespeichert ist, der zugehörige parameterabhängige Grenzwert aus der Schar von Pumpgrenzverläufen durch, insbesondere lineare, Interpolation ermittelt werden. Liegt beispielsweise ein Wert einer dritten Zustandsgröße zwischen zwei Scharparametern, kann der parameterabhängige Grenzwert unter Wahrung des Verhältnisses aus den Grenzwerten für diese beiden Scharparameter interpoliert werden. Dabei schließt der Begriff der Interpolation vorliegend auch eine Extrapolation über den letzten gegebenen Wert hinaus mit ein. In einer zweckmäßig einfachen und für die meisten Fälle ausreichenden Ausführungsform erfolgt die Interpolation zumindest über einen Wertebereich linear. Alternativ kann die Interpolation aber auch zumindest in einem Wertebereich eine nichtlineare sein. Unter einer nichtlinearen Interpolation kann z. B. eine Interpolation durch ein Polynom höherer Ordnung verstanden werden. In vielen Fällen ist eine lineare Interpolation zwischen den Pumpgrenzverläufen der Schar jedoch ausreichend, insbesondere, wenn eine ausreichend dichte Menge von gespeicherten Pumpgrenzverläufen vorhanden ist.
Grundsätzlich können in einem erfindungsgemäßen Verfahren beliebig viele dritte Zustandsgrößen auf analoge Weise in die Berechnung der Pumpgrenze einbezogen werden. Alternativ kann auch aus mehreren dritten Zustandsgrößen insgesamt, beispielsweise auf Basis eines mehrdimensionalen Kennfeldes, ein Gesamtkorrekturfaktor ermittelt und mit dem Nenngrenzwert multipliziert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine der dritten Zustandsgrößen ein Molekulargewicht des geförderten Fluids. Bei vielen Strömungsmaschinen ist das Molekulargewicht eines geförderten Gases ein oder der wesentliche Einflussparameter, so dass sich eine Beeinflussung der Pumpgrenze durch das geförderte Gas weitgehend durch Mitteilung des Molekulargewichts an die Steuerung berücksichtigen lässt. Altemativ oder ergänzend kann die dritte Zustandsgröße eine Temperatur, insbesondere saugseitige Temperatur, des geförderten Fluids sein. Weiterhin alternativ oder ergänzend kann die dritte Zustandsgröße auch ein, insbesondere eingangsseitiger, Druck des geförderten Fluids sein. Solche thermodynamischen ersten, zweiten bzw. dritten Zustandsgrößen können direkt (wie beispielsweise die Temperatur) oder indirekt (wie beispielsweise eine Enthalpiedifferenz) gemessen werden.
Bei der Strömungsmaschine kann es sich insbesondere um einen mehrstufigen Turbokompressor handeln, bei dem die Lage von Pumpgrenzen in unterschiedlichen Kennfeldbereichen durch unterschiedliche Kompressorstufen bestimmt sind, wobei im Regelfall eine geschlossene universelle Kennfelddarstellung unmöglich ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige
Fig. 1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ermittlung einer Pumpgrenzregellinie in Abhängigkeit von mehreren Zustandsgrößen.
In einem Funktionsblock FNL in Fig. 1 ist ein abgespeicherter Nennpumpgrenzverlauf in Form eines Polygonzuges dargestellt, der Wertepaare von je einer ersten Zustandsgröße, als die im Ausführungsbeispiel die Enthalpiedifferenz ΔH eines durch einen Turbokompressor geförderten Fluids gewählt ist, und einer minimalen zweiten Zustandgröße, als die im Ausführungsbeispiel der minimale Ansaugvolumenstrom dV/dt des Turbokompressors gewählt ist, miteinander verbindet. Dadurch kann zu jedem Wert der ersten Zustandsgröße ΔH ein Nenngrenzwert dV/dtN der zweiten Zustandgröße dV/dt ermittelt werden, ab der Pumpen gerade noch nicht auftritt. Sinkt der Ansaugvolumenstrom dV/dt des Turbokompressors bei dieser Enthalpiedifferenz ΔH unter den Nenngrenzwert dV/dtN, so besteht die Gefahr von Pumpen, und die Regelung leitet entsprechende Gegenmaßnahmen ein, i.e. öffnet beispielsweise ein Ventil.
Dieser Nennpumpgrenzverlauf wurde vorab empirisch ermittelt, wobei verschiedene dritte Zustandsgrößen, die ebenfalls die Pumpgrenze beeinflussen, bei dem konkreten Ausführungsbeispiel etwa eine ansaugseitige Temperatur T, ein ansaugseitiger Druck p und ein
Molekulargewicht MW des durch den Turbokompressor geförderten Gases, vorgegebene Nennwerte aufweisen. Diese sind rein exemplarisch ein Molekulargewicht MW von 40 („MW40"), einen ansaugseitigen Druck p von
8,5 bar („p8,5") und eine ansaugseitige Temperatur T von 45°C („T45°C").
Jede dieser genannten dritten Zustandsgrößen ist jedoch zumindest in einem gewissen Bereich variabel. Weist eine oder mehrere dritte Zustandsgrößen in realen Betrieb andere als die bei der Ermittlung des Nennpumpgrenzverlaufs zugrundegelegte Werte auf, so verschiebt sich der reale Pumpgrenzverlauf, i.e. der Ansaugvolumenstrom dV/dt, bei dem gerade noch kein Pumpen auftritt, gegenüber dem Nennpumpgrenzverlauf.
Daher sind in einer Speichereinheit eines Steuerrechners für den Turbokompressor charakteristische Scharen von Pumpgrenzverläufen abgelegt, wobei innerhalb einer Schar von Pumpgrenzverläufen eine Parametrisierung durch je eine der dritten Zustandsgrößen vorliegt.
Hierzu zeigt ein erster Kennfeldblock KPL1 in Fig. 1 eine Schar von Pumpgrenzverläufen über dem Parameter des Molekulargewichts MW des geförderten Gases. Neben dem Nennpumpgrenzverlauf, der sich für den Nennwert MW40 einstellt, sind Pumpgrenzverläufe in Form von Polygonzügen für ein Molekulargewicht MW von 30 („MW30") und 35 („MW35") eingezeichnet, die jeder Enthalpiedifferenz ΔH einen Grenzwert des Ansaugvolumenstroms dV/dt zuordnen, ab der Pumpen gerade noch nicht auftritt. Die weiteren dritten Zustandsgrößen p, T liegen jeweils als Nenngrößen vor.
Entsprechend zeigt ein zweiter Kennfeldblock KPL2 in Fig. 1 eine Schar von Pumpgrenzverläufen mit der ansaugseitigen Temperatur T als parametrisierende dritte Zustandsgröße. Die Pumpgrenzverläufe gemäß des zweiten Kennfeldblocks KPL2 haben hinsichtlich der weiteren dritten Zustandsgrößen MW, p wiederum die Nennwerte, also p8,5 und MW40. Die drei Kurven gelten für 20 0C („T20°C"), 45 0C („T45°C") und 80 0C („T80°C").
In analoger Weise ist in einem dritten Kennfeldblock KPL3 in Fig. 1 eine Schar von Pumpgrenzverläufen dargestellt, die über den ansaugseitigen Druck p als dritte Zustandsgröße parametrisiert sind, wobei neben dem Nennpumpgrenzverlauf bei dem Nenndruck p8,5 Drücke von 10,5 bar („p10,5"), 6,5 bar („p6,5") und 4,5 bar („p4,5") dargestellt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Pumpgrenzverläufe für die Nennwerte in jeder der Darstellungen in den drei Kennfeldblöcken KPL1 bis KPL3 identisch sind, wobei die betreffenden Kurven sich nur aufgrund der unterschiedlichen Skalierung in ihrem Verlauf unterscheiden.
Insbesondere, da es sich um empirisch ermittelte Pumpgrenzverläufe handelt, sind die einzelnen Pumpgrenzverläufe in den Scharen als Mengen von diskreten Wertepaaren von Volumenstrom dV/dt und Enthalpiedifferenz ΔH gespeichert. Zwischenwerte können auf einfache Weise durch Interpolation ermittelt werden. Die konkrete Ermittlung einer aktuellen Pumpgrenze in Abhängigkeit von sämtlichen Einflussgrößen wird anhand der schematischen Darstellung eines Berechnungsablaufs eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens gemäß Fig. 1 erläutert:
Als Eingangswerte der Berechnung werden, wie in Fig. 1 durch den linken Eingangspfeil mit dem Bezugszeichen „ΔH" angedeutet, die durch Messung eingangsseitig und ausgangsseitig des Turbokompressors ermittelte Enthalpiedifferenz ΔH sowie die aktuellen Werte der drei Einflussgrößen p (gemessener ansaugseitiger Druck), T (gemessene ansaugseitige Temperatur) und MW (Molekulargewicht des aktuell geförderten Gases) verwendet.
Dann wird, wie in Fig. 1 durch die Pfeilfolge angedeutet, im Funktionsblock FNL aus dem gespeicherten Nennpumpgrenzverlauf zunächst mit ΔH als Eingangsgröße ein Nennvolumenstrom als Nennpumpgrenzwert ermittelt.
Dieser wird nachfolgend mit drei Korrekturfaktoren zum korrigierten Grenzwert multipliziert (Blöcke MUL1 bis MUL3), wobei jeder der Korrekturfaktoren zuvor separat berechnet wurde.
Diese separate Berechnung erfolgt mittels der drei Kennfeldblöcke KPL1 bis KPL3, in denen jeweils die Scharen von über die dritten Zustandsgrößen parametrisierten Pumpgrenzverläufen in Form von Polygonzügen abgelegt sind. Da es sich nur um eine begrenzte diskrete Menge von Polygonzügen oder Pumpgrenzverläufen handelt, wird für den Fall der konkreten dritten Zustandsgröße im Regelfall eine Interpolation durchgeführt. Bei ausreichender Dichte der Kurvenschar kann die Interpolation zweckmäßig eine einfache lineare sein, es kann sich aber auch je nach Anwendung und bekannten Rahmendaten des Turbokompressors um eine Interpolation höherer Ordnung handeln. Wie bei der vorstehende erläuterten Ermittlung des Nenngrenzwertes im Funktionsblock FNL wird, wie in Fig. 1 wiederum durch die Pfeilfolge angedeutet, im jeweiligen Kennfeldblock KPL1 , KPL2 bzw. KPL3 aus der gespeicherten Pumpgrenzverlaufschar zunächst mit ΔH und der jeweiligen dritten Zustandsgröße MW1 T bzw. p als Eingangsgrößen ein parameterabhängiger Pumpgrenzwert ermittelt.
In den Blöcken DIV1, DIV2 bzw. DIV3 wird der jeweilige Korrekturfaktor durch Division dieses Pumpgrenzwertes durch den aus dem Nennverlauf FNL ermittelten Wert errechnet. Ist z. B. das Molekulargewicht 40, also das Nenn- Molekulargewicht, so gibt der Block KPL1 genau den gleichen Ansaugdurchfluss dV/dt aus wie der Nennverlauf FNL. Der Divisionsblock DIV1 errechnet entsprechend den Korrekturfaktor zu 1. Weicht das Molekulargewicht vom Nennwert 40 ab, so wird über den Kennfeldblock KPL1 unter Berücksichtigung der gespeicherten konkreten Verläufe für konkret abweichende Molekulargewichte ein entsprechend anderer Grenzwert des Volumenstroms ermittelt, was zu einem von 1 abweichendem Korrekturfaktor führt. Beträgt beispielsweise das Molekulargewicht 35, so wird der parameterabhängige Pumpgrenzwert mit ΔH als Eingangsgrößen aus dem diesem Molekulargewicht zugeordneten Pumpgrenzverlauf aus der gespeicherten Schar ermittelt. Beträgt das Molekulargewicht hingegen beispielsweise 37,5, liegt also gerade in der Mitte zwischen MW35 und MW40, so werden die Pumpgrenzwerte mit ΔH als Eingangsgrößen aus den Pumpgrenzverläufen für die Molekulargewichte MW35 und MW40 ermittelt und der an den Block DIV1 ausgegebene parameterabhängigen Grenzwert als Mittel (MW35 + MW40)/2 ermittelt.
Die Berechnung der anderen Korrekturfaktoren für Temperatur T und Druck p erfolgt analog.
In den Blöcken MUL1 bis MUL3 werden alle drei Korrekturfaktoren mit dem Nennpumpgrenzwert aus dem Block FNL multipliziert. Das Ausgangssignal dieses Multiplikationsblocks ist der korrigierte Grenzwert bzw. effektive Pumpgrenzwert unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren. Bei Betrieb mit Nennbedingungen sind alle Korrekturfaktoren 1 und der Pumpgrenzwert entspricht dem Pumpgrenznennwert. Je mehr die einzelnen Parameter von den Nennwerten abweichen, um so größer ist der Unterschied zwischen dem Pumpgrenznennwert und dem effektiven Pumpgrenzwert. Das Verfahren gestattet es, auf einfache Weise verschiedene nichtlineare Einflussgrößen auf eine Prozessgröße derart zu kompensieren, dass eine sehr gute Übereinstimmung mit dem wirklichen Wert vorliegt.
Bei der gewählten Darstellung in dem Funktionsblock FNL bzw. den Kennfeldblöcken KPL1 bis KPL3 in Fig. 1 liegt der instabile Betriebsbereich des Turbokompressors jeweils oberhalb der Kurven und der stabile bzw. erlaubte Bereich, in dem kein Pumpen auftritt, unterhalb der Kurven. Dabei ist zwischen dem Verlauf der Pumpgrenze und der Pumpgrenzregellinie zu unterscheiden. Die Pumpgrenze ist die maschinenspezifische Stabilitätsgrenze, die Pumpgrenzregellinie ist die betriebsbedingte linke Kennfeldgrenze. Damit stets ein ausreichender Abstand zur Pumpgrenze vorliegt, wird die Regellinie bevorzugt in einem sicheren Abstand von beispielsweise 10 % Durchfluss rechts von der Pumpgrenze definiert. Die erfindungsgemäße Bestimmung des Grenzwertes kann gleichermaßen für die Pumpgrenze und die Pumpgrenzregellinie angewendet werden. In einer Ausführung wird das Verfahren beispielsweise auf die Pumpgrenzregellinie angewendet, da diese innerhalb der Maschinensteuerung bekannt sein muss, um den Kompressor immer ausreichend zu schützen. Hierzu können als Grenzwerte bzw. Nenngrenzwerte bereits die um den Sicherheitsfaktor verschobenen Werte für die zweite Zustandsgröße in den Blöcken FNL bzw. KPL1 bis KPL3 hinterlegt sein. Gleichermaßen kann auch zunächst die tatsächliche Pumpgrenze bestimmt und anschließend um einen geeigneten Sicherheitsfaktor verschoben, beispielsweise mit 1 ,1 multipliziert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Turbokompressors, umfassend die Schritte: a) Ermitteln einer ersten Zustandsgröße, insbesondere einer Enthalpiedifferenz (ΔH), eines Enddruckes nach der Strömungsmaschine oder eines Druckverhältnisses zwischen Ansaug- und Enddruck, eines durch die Strömungsmaschine geförderten Fluids; b) Ermitteln eines Nenngrenzwerts (dV/dtN) einer zweiten Zustandgröße, insbesondere eines Ansaugvolumenstromes (dV/dt) oder eines Differenzdruckes, des Fluids aus einem abgespeicherten Nennpumpgrenzverlauf unter Verwendung der ersten Zustandsgröße (ΔH) als Eingangswert; für wenigstens eine dritte Zustandsgröße, insbesondere ein Molekulargewicht (MW), einen Ansaugdruck (p) oder eine Ansaugtemperatur (T): ci) Ermitteln eines parameterabhängigen Grenzwerts der zweiten Zustandgröße aus einer bezüglich der jeweiligen dritten Zustandsgröße (p, T, MW) parametrisierten Schar von Pumpgrenzverläufen (KPL1, KPL2, KPL3) unter Verwendung der ersten Zustandsgröße (ΔH) als Eingangswert; di) Ermitteln (DIV1, DIV2, DIV3) eines Korrekturfaktors auf
Basis des Nenngrenzwerts und des jeweiligen parameterabhängigen Grenzwertes; e) Korrigieren (MUL1, MUL2, MUL3) des Nenngrenzwerts mit den
Korrekturfaktoren zu einem korrigierten Grenzwert; und f) Steuern der Strömungsmaschine derart, dass die zweite
Zustandgröße den korrigierten Grenzwert nicht über- oder unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte ci), di) für wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei dritte Zustandsgrößen durchgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor in wenigstens einem der Schritte di) durch Division des parameterabhängigen Grenzwerts durch den Nenngrenzwert (dV/dtN) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte Grenzwert (dV/dtkorr) in Schritt e) durch Multiplikation des Nenngrenzwerts (dV/dtN) mit wenigstens einem der in den Schritten di) ermittelten Korrekturfaktoren ermittelt wird.
5. Verfahren nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) mehrere Korrekturfaktoren, insbesondere durch Multiplikation, zu einem gemeinsamen Korrekturfaktor zusammengefasst werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Nennpumpgrenzverlauf als Polygonzug und/oder wenigstens eine parametrisierte Schar von Pumpgrenzverläufen als Schar von Polygonzügen abgespeichert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polygonzug mittels Wertepaaren von einander zugeordneten ersten und zweiten Zustandsgrößen (ΔH, dV/dt) abgespeichert ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zustandsgröße (dV/dt) für den Fall einer nicht in den Wertepaaren enthaltenen ersten Zustandsgröße (ΔH) durch, insbesondere lineare, Interpolation ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der parameterabhängige Grenzwert der zweiten
Zustandgröße aus der bezüglich der jeweiligen dritten Zustandsgröße (p, T, MW) parametrisierten Schar von Pumpgrenzverläufen durch, insbesondere lineare, Interpolation ermittelt wird, falls kein der dritten Zustandsgröße zugeordneter Pumpgrenzverlauf abgespeichert ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Zustandsgröße ein Molekulargewicht (MW) oder eine molare Masse des geförderten Fluids ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Zustandsgröße eine Temperatur, insbesondere eingangsseitige Temperatur (T), des geförderten Fluids ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Zustandsgröße ein, insbesondere eingangsseitiger, Druck (p) des geförderten Fluids ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in Schritt f) ein Entlastungsventil angesteuert wird, falls ein aktueller Messwert der zweiten Zustandsgröße (dV/dt) den korrigierten Grenzwert über- bzw. unterschreitet.
14. Strömungsmaschine, insbesondere Turbokompressor, zur Förderung eines gasförmigen Fluids, umfassend:
Sensoren zur Bestimmung von einer ersten, einer zweiten und wenigstens einer dritten Zustandsgröße des Fluids, und einen Steuerrechner mit einem darin gespeicherten Steuerverfahren zur Regelung eines Betriebszustands der Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerverfahren ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
15. Steuerrechner für eine Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Steuerrechner ein Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gespeichert ist.
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