DE3805119A1

DE3805119A1 - Verfahren und einrichtung zum regeln von turbokompressoren

Info

Publication number: DE3805119A1
Application number: DE3805119A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Ing Blotenberg
Original assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Current assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Priority date: 1988-02-18
Filing date: 1988-02-18
Publication date: 1989-08-31
Also published as: US4944652A; DE3878886D1; EP0328729A3; EP0328729B1; EP0328729A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von Turbo kompressoren zum Verhindern des Pumpens, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Als Pumpen bezeichnet man bei Kompressoren das stoßweise oder periodische Rückströmen von Fördermedium von der Druck- zur Saugseite. Dieser Zustand tritt z. B. bei zu hohem Enddruck bzw. Enddruck/Saugdruck-Verhältnis und/oder zu niedrigem Durchsatz ein. Im Kennfeld kann deshalb eine Pumpgrenzlinie eindeutig definiert werden, die das Kennfeld in den stabilen und instabilien Bereich teilt. Die Pumpgrenzlinie ist in der Regel gekrümmt, d. h. sie hat in verschiedenen Bereichen des Kennfeldes unterschiedliche Steigungen. In der häufig verwendeten Kennfelddarstellung mit Durchsatz und Druck als Koordinaten z. B., verläuft die Pumpgrenzlinie bei steigendem Druck flacher. Für andere mögliche Kennfelddarstellungen mit Leitschaufelstellung, Drehzahl, Förderhöhe des Kompressors oder dgl. gilt Entsprechendes.

Um Kompressoren vor dem Pumpen zu schützen, wird in einem Sicherheitsabstand parallel zur Pumpgrenzlinie eine Abblaselinie definiert, und bei Annäherung des momentanen Arbeitspunktes an die Abblaselinie wird ein Abblase- bzw. Umblaseventil mehr oder weniger geöffnet, so daß der Istwert einer Regelgröße, insbesondere des Durchsatzes, einen anhand der Abblaselinie und der Führungsgröße, insbesondere des Enddrucks, ermittelten Sollwert nicht übersteigt. Es gibt auch Regelungen, bei denen der Durchsatz als Führungsgröße zur Bildung des Sollwerts dient und der Enddruck die auf den Sollwert zu regelnde Regelgröße ist.

Der gekrümmte Verlauf der Abblaselinie hat zur Folge, daß eine vorgegebene Änderung der Führungsgröße an verschiedenen Stellen der Abblaselinie unterschiedlich große Änderungen des Sollwerts für die Regelgröße zur Folge hat. Dies wirkt sich als unterschiedlich starke Verstärkung im Regelkreis aus.

Pumpgrenzregler sind Sicherheitsregler und werden in der Regel so aktiviert, daß sie nahe der Stabilitätsgrenze arbeiten, um einen bestmöglichen Kompressorschutz zu gewährleisten. Die Lage der Stabilitätsgrenze wird sehr stark von der Gesamtverstärkung des Regelkreises beeinflußt. Eine hohe Gesamtverstärkung führt am ehesten zu Instabilität.

Um eine möglichst konstante Gesamtverstärkung zu erzielen wird gemäß der EP-A-02 23 208 vorgeschlagen, den Einfluß der Abblaselinie auf den Verstärkungsfaktor zu kompensieren, indem die Steigung der Abblaselinie in verschiedenen Kennfelderbereichen berücksichtigt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine konstante Gesamtverstärkung mit diesem Regelverfahren nur bedingt erzielbar ist, da auch der nicht linieare Verlauf der Kompressorkennlinien eine Änderung der Streckverstärkung bewirkt und er somit die Gesamtverstärkung beeinflußt.

Dementsprechend liegt der Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Einrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, mit dem eine optimale Anpassung des Reglerverhaltens an die verschiedenen Bereiche des Kennfeldes und Betriebszustände des Kompressors möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben; die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Auswirkungen der sich entsprechend der Führungsgröße ändernden Steigung der gekrümmten Kennlinie des Kompressors auf die Gesamtverstärkung des Regelkreises durch eine entsprechend gegenläufige Änderung des Verstärkungsfaktors des Reglers auszugleichen, so daß sich im gesamten Arbeitsbereich eine vom Kennlinienverlauf unabhängige Gesamtverstärkung ergibt. Dieses Grundprinzip kann auch durch Umschaltung zwischen zwei oder mehreren unterschiedlichen Werten des Verstärkungsfaktors des Reglers näherungsweise verwirklicht werden.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer Einrichtung zur Regelung eines Turbokompressors zur Verhinderung des Pumpens;

Fig. 2 schematisch die Verläufe der Abblaselinie A und der Kennlinie K im Kennfeld des Kompressors;

Fig. 3 ein Detail der Regeleinrichting in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 4 ein Detail der Regeleinrichting in einer weiteren Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 wird im Saugstutzen 1 eines Kompressors durch Meßfühler 3, 5 der Druck vor und hinter einer Drosselblende gemessen, woraus ein Meßumformer 7 den Istwert für den saugseitigen Kompressordurchsatz V bildet. Am Kompressorausgang erfaßt ein Meßfühler 9 den Istwert des Enddruckes P, der über einen Meßumformer 11 in einen Rechner 13 eingegeben wird. Der Rechner 13 weist einen Speicher auf, in dem der Verlauf der Abblaselinie A in dem durch P und V gegebenen Kompressorkennfeld abgespeichert ist. Aus dem Istwert von P und der Abblaselinie ermittelt der Rechner 13 einen Sollwert für den Durchsatz V. Ist- und Sollwert werden in einem Differenzglied 15 verglichen und die Differenz als Eingangssignal einem Regler 17 zugeführt, der ein Proportional-Integral- und/oder Differentialverhalten aufweisen kann und dessen Ausgangssignal eine Stellgröße für ein vom Kompressoraustritt abzweigendes Abblaseventil 19 oder ein zum Saugstutzen zurückführendes Umblaseventil liefert.

Wie in Fig. 2 dargestellt, verlaufen im Kompressorkennfeld, das durch den Durchsatz V als Abzisse und den Enddruck P (oder das Enddruck/Saugdruck-Verhältnis) als Ordinate gegeben ist, die Abblaselinie A und die Kompressorkennlinie K gekrümmt. Dies hat zur Folge, daß einer bestimmten Änderung Δ P des als Führungsgröße dienenden Enddruckes unterschiedlich große Änderungen Δ X₁ bzw. Δ X₂ des Istwertes sowie Δ W₁ und Δ W₂ des Sollwertes für den Durchsatz entsprechen. Durch die Sollwertvorgabe bildet der Rechner 13 mit dem Speicher einen Teil des Regelkreises, und diese Unterschiede wirken sich als Änderungen in der Gesamtverstärkung des Regelkreises aus, falls der Regler 17 einen konstanten Verstärkungsfaktor aufweist. In Fig. 2 entspricht der steile untere Verlauf der Kurven einer kleinen Verstärkung und der flache obere Verlauf einer hohen Verstärkung. Wird dagegen, was ebenfalls bekannt ist, die Rolle von Führungs- und Regelgröße vertauscht und der Durchsatz V als Führungsgröße zur Bestimmung eines Sollwertes des Enddruckes P verwendet, dann kehren sich die Verhältnisse um, und die Verstärkung ist im steilen Teil groß und im flachen Teil klein.

Die Gesamtverstärkung des Regelkreises ist die Summe der sich aus der Steigung der Abblaselinie ergebenden Verstärkung und dem Verstärkungsfaktor des Reglers 17 plus der sogenannten Streckenverstärkung, d. h. den durch die Regelstrecke, insbesondere dem Kompressor und dem Abblaseventil vorgegebenen Verstärkungsfaktoren. Um den Einfluß des Kompressors auf die Verstärkung zu kompensieren, wird deshalb erfindungsgemäß der Verstärkungsfaktor im Regler 17 abhängig von der Kompressorkennlinie und ggf. dem Verlauf der Abblaselinie geändert.

Bei einer vorgegebenen Änderung des Druckes ändert sich die Regeldifferenz X _d, die die Differenz zwischen Ist- und Sollwert angibt, wie folgt:

Δ X _d = Δ W - Δ X.

Bei niedrigen Drücken ändert sich die Regeldifferenz kaum, und der Wert Δ X _d/Δ P ist klein. Im oberen Bereich ist dieser Wert aber wesentlich größer, mit der Folge, daß der Regler auf eine Druckänderung um den Betrag Δ P im oberen Kennfeldbereich wesentlich stärker reagiert als im unteren Bereich.

Das bedeutet, daß der vom Kennfeldverlauf und vom Verlauf der Abblaselinie abhängende Streckenverstärkungsfaktor nicht liniear ist. Der Gesamtverstärkungsfaktor V _R kann als Produkt aus der Proportionalverstärkung KP und dem kennlinienabhängigen Verstärkungsteil V _K dargestellt werden:

V _R = V _K × kP.

Durch Einführung eines Kompensationsterms läßt sich eine konstante Gesamtverstärkung erzielen, indem V _comp = 1/V _K gewählt wird.

Häufig läßt sich der Verlauf der druckabhängigen Kompressorkennlinie K (P) mit

K (P) = f (P + g(Y _L)) - K₂ × g(Y _L)

angeben. Bezeichnet man die Abblaselinie mit A (P), so ergibt sich bei einer Druckänderung von 2 Δ P ein druckabhängiger Kompensationsfaktor von

Dabei entsprechen für den Unterschied Δ p→0 der erste Term der reziproken Steigung der Abblaselinie und der zweite Term der reziproken Steigung der Kompressorkennlinie. Der erste Term kann geschlossen als h (P) in einem Funktionsgeber abgespeichert werden.

Fig. 3 zeigt einen Aufbau zur Realisierung eines Regelkreises mit konstanter Gesamtverstärkung. Aus den Eingangsgrößen P, Δ P und g (Y _L) werden in dem Funktionsblock 101 die Größe für f (P+Δ p+g(Y _L)), im Funktionsblock 103 die Größe f (P-Δ p+g(Y _L)) und im Funktionsblock 105 die Größe h (P) gebildet. Die so erhaltenen Größen werden anschließend im Additionsblock 107 addiert bzw. subtrahiert, und anschließend wird die voreingestellte Proportionalverstärkung kP im Divisionsblock 109 durch diese Kompensationsgröße dividiert, so daß am Ausgang des Blockes 109 die konstante Gesamtverstärkung vorliegt. Die Gesamtverstärkung V _R wird dann dem Regler 17 in Fig. 1 als Steuergröße zugeführt.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß statt der Sekantenbildung, d. h. der Differenzbildung, gleich die jeweiligen Reziprokwerte der Steigungen in entsprechenden Funktionsgebern abgespeichert sein können. Die Ausgangssignale der Funktionsgeber werden dann entsprechend verarbeitet.

In der in Fig. 4 dargestellten vereinfachten Ausführungsform wird nicht der genaue Verlauf der Kennlinie nachgebildet, sondern die Kennlinie wird durch Geradenabschnitte approximiert, und die sich ergebenden diskreten Steigungswerte der Geradenabschnitte werden zur Ermittlung der Kompensationsgröße verwendet. In Fig. 4 ist schematisch der Aufbau zur Bestimmung der diskreten Werte dargestellt; dazu wird das Eingangssignal P einem Komparator 201 zugeführt, der vergleicht, ob der Eingangswert oberhalb oder unterhalb eines Knickpunktes liegt. Der Komparator steuert einen Umschalter 203, der die entsprechenden diskreten Steigungswerte an das Subtraktionsglied 207 weitergibt. Dem Subtraktionsglied 207 wird vom Funktionsgenerator 205 die Größe h (P) zugeführt, und das Ausgangssignal dient im Divisionsglied 209 als Divisor für die Proportionalverstärkung KP, so daß ein entsprechendes Ausgangssignal V′ _R für die Gesamtverstärkung erhalten wird.

In einer weiteren Vereinfachung kann die Funktion des Blockes 205 ebenfalls dem Komparator zugeschlagen werden, so daß auch 207 entfallen kann.

Anstatt eine Umschaltung zwischen zwei diskreten Werten vorzusehen, kann der Umschalter 203 auch zur Schaltung zwischen einer Anzahl von diskreten Werten ausgelegt sein. Dies entspricht dann einer Anpassung der Kennlinie durch mehrere Geradenabschnitte.

Neben der Realisierung der Regelung mittels eines Komparators und eines Umschalters besteht die Möglichkeit, diese Funktionen einem Funktionsgeber zuzuweisen. Zudem könnte in den Funktionsgeber die Größe h(p) gebildet und die Subtraktion durchgeführt werden, so daß die Blöcke 201, 203, 205 und 207 der Fig. 4 zu einem einzigen Block zu sammengefaßt werden könnten. Die Berechnung der zuvor beschriebenen Formeln erfolgt dabei bei Inbetriebnahme der Ablage und der Funktionsgeber liefert eine vorher in ihm abgespeicherte Wertefolge für V′ _R als Funktion von P.

Bei normalen Regelalgorithmen führt eine sprungartige Umschaltung zu einer sprungartigen Änderung der Stellgröße. Um dies zu vermeiden, ist es bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, einen rekusiven Regelalgorithmus zu verwenden. Dabei ist die augenblickliche Stellgröße y(t) nicht nur abhängig von der Verstärkung V′ _R und der augenblicklichen Regeldifferenz x _d(t), sondern auch von der Regeldifferenz x _d und der Stellgröße y zum Zeitpunkt (t-T _s), d. h. einen um die Abtastzeit T _s des Reglers früheren Zeitpunkt.

Die Regelung kann z. B. nach dem folgenden Regelalgorithmus erfolgen, bei dem T _N die Nachstellzeit des Reglers ist:

Durch diese Regelung, bei der frühere Werte der Regeldifferenz und der Stellgröße berücksichtigt werden, kann eine sprungartige Änderung der Stellgröße vermieden werden.

Selbstverständlich ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur auf die hier verwendeten Kennfelddarstellungen beschränkt, sondern kann auch bei anderen Darstellungen angewendet werden, z. B. bei Druckverhältnis über Ansaugvolumentstrom, Drehzahl über Volumenstrom, Leitschaufelstellung über Volumenstrom, oder einer Kombination aus den oben genannten Darstellungen.

Claims

1. Verfahren zum Regeln eines Turbokompressors zum Verhindern des Pumpens, bei dem die Istwerte einer Führungsgröße, insbesondere des Enddruckes, und einer Regelgröße, insbesondere des Durchsatzes, die zusammen die Lage des Arbeitspunktes im Kompressorkennfeld definieren, laufend erfaßt werden, aus der Führungsgröße und einer im Kennfeld vorgegebenen Abblaselinie ein Sollwert für die Regelgröße gebildet wird, und anhand von Soll- und Istwert der Regelgröße über einen Regler ein Stellsignal für ein Abblase- oder Umblaseventil erzeugt wird, wobei der Verstärkungsfaktor des Reglers in Abhängigkeit vom Istwert der Führungsgröße verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von der zu dem jeweiligen Istwert gehörenden Steigung der Kompressorkennlinie verändert wird, derart, daß der Einfluß der Steigung der Kennlinie auf die Gesamtverstärkung des Regelkreises mindestens annäherend kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit sowohl von der zum Istwert gehörenden Steigung der Kompressorkennlinie als auch der zum Istwert gehörenden Steigung der Abblaselinie verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Reglers mindestens annähernd umgekehrt proportional zu dem zum jeweiligen Istwert der Führungsgröße gehörenden Wert der Steigung der Kompressorkennlinie gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Approximation der Kompressorkennlinie durch Geradenabschnitte der Verstärkungsfaktor des Reglers zwischen verschiedenen diskreten Werten umgeschaltet wird, wenn der Istwert der Führungsgröße vorgegebene Grenzwerte über- oder unterscheidet.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Meßfühlern für Führungs- und Regelgröße, einem von der Führungsgröße beaufschlagten, vorgegebene Daten für die Abblaselinie enthaltenen Funktionsgeber zur Erzeugung des Sollwertes der Regelgröße, einem mit Ist- und Sollwert der Regelgröße beaufschlagten Differenzglied, einem von dessen Ausgangssignal beaufschlagten Regler, der einen Steuereingang zum Verändern seines Verstärkungsfaktors aufweist, und einem vom Regler gesteuerten Abblaseventil, wobei ein mit einem Meßfühler für die Führungsgröße verbundener Signalgeber vorgesehen ist und der Ausgang des Signalgebers mit dem Steuereingang des Reglers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber Mittel (101, 103) zum Nachbilden der Kompressorkennlinie aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber Mittel zum Nachbilden der Abblaselinie aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler in einem Rekursivalgorithmus betrieben wird.