Verfahren zum Regeln von Turbokompressoren

Abstract

 Zum Verhindern des Pumpens eines Kompressors wird ein von dessen Auslaß abzweigendes Abblase- oder Umblase­ventil (9) durch ein von einem Regler in Anhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes relativ zu einer im Kenn­feld definierten Abblaselinie gesteuert. Erfindungsge­mäß wird der Differentialanteil des Reglerverhaltens, insbesondere die für die Differentiation maßgebliche Zeitkonstante, in Abhängigkeit von der Lage des Arbeits­punktes so gesteuert, daß nahe der Abblaselinie eine starke und in größerem Abstand von der Abblaselinie eine geringe differenzierende Wirkung vorliegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von Turbo­kompressoren von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­gebenen Art. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbeson­dere geeignet für die sogenannte Punmpgrenzregelung zum Ver­hindern des Pumpens eines Kompressors. Das kann aber auch bei anderen Regelungen wie z.B. Anti-Choke-Regelung, Tur­bindendrehzahlregelung usw. angwendet werden.

[0002] Ein Verfahren der genannten Art für die Pumpgrenzregelung ist aus der Veröffentlichung "Turbolog- das elektronische Regelsystem für GHH-Turbomaschinen" in Nachrichten für den Maschinebau Heft Nr. 3, Mai 82 sowie auch aus der US-PS 41 42 838 bekannt. Ein Verfahren der genannten Art, bei der die Differentiation durch Subtrahieren des verzöger­tem vom unverzögerten Signal realisiert wird, ist auch aus DE-PS 28 28 124 bekannt. Unter Pumpen wird ein instabiles Verhalten eines Turbokompressors verstanden, bei dem stoßweise, bzw. periodisch das Fördermedium von der Druckseite zur Saugseite zurückströmt. Dieses Verhalten tritt bei zu kleinem Durch­satz bzw. zu hohem Druckverhältnis zwischen Kompressor­eingang und -ausgang auf. Die sogenannte Pumpgrenzlinie trennt im Kennfeld des Kompressors den stabilen vom in­stabilen Bereich. Die Pumpgrenzregelung sorgt dafür, daß bei Annäherung des momentanen Arbeitspunktes an die Pump­grenzlinie bzw. eine in einem Sicherheitsabstand parallel zu dieser verlaufende Abblaselinie ein Abblas- oder Um­blasventil am Kompressorausgang geöffnet wird. Es ist bei diesem Verfahren auch bekannt, in Abhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes das Regelverhalten des das Stell­signal für das Abblasventil erzeugenden Reglers dadurch zu verändern, daß bei Überschreiten der Abblaselinie die Regelverstärkung nicht-linear erhöht wird.

[0003] Bei Regelungen dieser Art stößt die Verwendung von Reg­lern mit einem das Eingangssignal differenzierenden Regel­anteil auf verschiedene Schwierigkeiten. Eine dieser Schwierigkeiten ist die Tatsache, daß ein Istsignal, wel­ches aus dem Durchfluß abgeleitet wird, einen sehr hohen überlagerten Rauschpegel aufweist und deshalb eine Differenzierung nur schwer zuläßt. Die­se Schwierigkeit ist weniger ausgeprägt, wenn das Istwert­signal vom Enddruck abgeleitet wird.

[0004] Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung eines Regelers mit Differentialanteil ist die Tatsache, daß in dem aus Druckverhältnis und Durchsatz gebildeten Kompressorkenn­feld die Kennlinien konstanter Drehzahl und/oder konstan­ter Leitschaufelstellung gekrümmt sind. In der Nähe der Pumpgrenz verlaufen dieser Kompressorkennlinien sehr flach, weit im Kennfeld dagegen steil. Dies hat zur Folge, daß die Änderung des Kompressorenddrucks in der Nähe der Pump­grenze nur sehr gering ist. Demzufolge hat auch der Differentialanteil des Reglers in der Nähe der Pumpgrenze die geringste Wirkung. Dies ist jedoch gerade der Bereich des Kennfeldes in dem ein Differentialanteil des Reglers am nötigsten gebraucht würde, um ein schnelles Ansprechen zu erreichen, weil der Kompressor in diesem Bereich am meisten gefährdet ist.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der angegebenen Art so weiterzubilden, daß es die Mög­lichkeit einer auch und gerade in der Nähe der Pumpgrenz­linie wirksamen und gegen Rauschen möglichst unempfindli­chen Regelung mit Differentialverhalten bietet.

[0006] Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.

[0007] Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird gemäß der ersten Alternative der Vorteil erzielt, daß die differenzieren­de Wirkung gezielt dann erhöht werden kann, wenn sich der Arbeitspunkt nahe der Pumpgrenzlinie befindet, so daß hier auch kleine Ist-Wertsignaländerungen zu einem raschen Ansprechen des Regelers führen können. Gemäß der zweiten Alternative wird der Vorteil erzielt, daß die differenzierende Wirkung selektiv bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Pumpgrenzlinie, also in der "gefährlichen" Richtung, genutzt werden kann.

[0008] Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeich­nungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch und sehr vereinfacht das Schema einer Abblaseregelung gemäß der 1. Alternative;

Fig. 2 den Aufbau eines PID-Reglers gemäß der zweiten Alternative und

Fig. 3 den Verlauf des Ausgangssignals in Abhängig­keit vom Eingangssignal eines Verzögerers.

[0009] Gemäß Fig. 1 wird auf der Ansaugseite eines Kompressors K von einem ersten Istwertgeber 1 die Druckdifferenz vor und hinter einer Drosselblende erfaßt, welche gleichzeitg eine Maß für den Ansaugvolumenstrom, bzw. den Kompressordurchsatz ist. Vom einem zweiten Istwertgeber 3 wird der Enddruck P₂ am Kompressorausgang erfaßt. Ein Rechner 11 mit zugehöri­gem Speicher 13 bildet aus den Istwerten die Koordinaten des Arbeitspunktes in dem durch den Druchsatz sowie das Enddruck/Saugdruck-Verhältnis bestimmten Kennfeld und vergleicht sie mit einer im Kennfeld vorgegebenen, abge­speicherten Abblaselinie A. Im allgemeinen Fall müssen also End- und Saugdruck erfaßt werden. Vereinfachend kann aber davon ausgegangen werden, daß der Saugdruck konstant ist und deshalb nicht ständig gemessen wird. Abhängig vom Enddruck bzw. dem Druckverhältnis wird ein Sollwertsignal für den Durchfluß er­zeugt, welches im Subtrahierglied 5 mit Istwert verglichen und hieraus ein Eingangssignal für einen Regler 7 gebildet wird. Der Regler 7 hat einen Proportionalteil 7a, einen Differentialteil 7b und einen Integral­teil 7c. Die Reglerausgangsgröße dient als Stellsignal für ein Abblase­ventil 9 am Kompressorausgang. Bei Annäherung des Arbeitspunktes des Kompressors an die Abblaselinie A wird durch entsprechendes Öffnen des Abblaseventils 9 der Durchsatz erhöht bzw. der Enddruck erniedrigt.

[0010] Im Speicher 13 ist ferner für jeden Arbeitspunkt die Steigung der durch diesen Arbeitspunkt verlaufenden Kompressorkennlinie K konstanter Dreh­zahl und/oder konstanter Schaufelstelung, oder auch konstanter Drossel­ klappenstellung im Eintritt gespreichert. Auf dem Wert der zum momentanen Arbeitspunkt gehörenden Steigung der Kompressorkennlinie er­zeugt ein Steuerglied ein Steuersignal, durch wel­ches die für die Differenzierung im Differentialteil 7b wirksame Zeitkonstante T_D geändert wird, und zwar so, daß die differenzierende Wirkung der Zeitkonstante proportional zur Stei­gerung der Kompressorkennlinie ist. Hierdurch wird er­reicht, daß der Differentialanteil des Reglers 7 im ge­samten Kennfled etwa gleiche Wirksamkeit hat.

[0011] Anstatt in Abhängigkeit von der Steigung der Kompressor­kennlinie kann die Differenzierzeitkonstante T_D auch in Abhängigkeit vom Abstand des momentanen Arbeitspunktes von der Abblaselinie variiert werden, und zwar wiederum so, daß die differenzierende Wirkung mit kleiner werden­dem Abstand zwischen Abblaselinie und Arbeitspunkt ver­größert wird und umgekehrt.

[0012] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Größe der differnzierenden Wirkung, d.h. der Anteil des Dif­ferentialteils 7b im Vergleich zum Proportionalteil 7a und Integralteil 7c des Reglers verändert werden. Insbe­sondere kann die Größe der differenzierenden Wirkung in Abhängigkeit von der Steigung der Abblaselinie oder vom Wert des Enddrucks angepaßt werden. Es ist ferner möglich, den Differentialan­teil 7b abhängig von einem Grenzwert im Reglerausgang zu oder ab­zuschalten. Z.B. kann der Differentialanteil 7b abgeschal­tet werden, wenn das Reglerausgangssignal 100 % oder die Regeldifferenz einen anderen vorgegebenen Wert, der einem bestimmten Abstand von der Abblaselinie entspricht, erreicht.

[0013] Der Differntialanteil 7b des Reglers kann auch so aus­gebildet sein, daß er in einer Richtung, z.B. bei stei­gendem Eingangssignal wirksam ist, also nur positives, aber kein negatives Ausgangssignal abgeben kann.

[0014] Die Steuerung der Differenzierzeitkonstante braucht nicht exakt nach Maßgabe der tatsächlichen Kennliniensteigung zu erfolgen. Vielmehr sind Vereinfachungen möglich.

[0015] Eine Vereinfachung ergibt sich dann, wenn die Steigung der Kenn­linien von einer der Kennfeldkoordinaten, also vom Druck oder vom Druchfluß abhängt, und die Kennlinien nur zu größeren Durch­flüssen bzw. Drücken parallel verschoben sind. Dies ist dann der Fall, wenn die Kennlinien 2 im Bereich kleinerer Drehzahlen oder Leitschaufelstellungen relativ steil in die Pumpgrenze münden, im oberen Bereich dagegen flacher. Auch wenn die Kennlinien nicht ganz deckungsgleich sind, ist doch in vielen Fällen eine Annäherung durch Parallelver­schiebung einer Kennlinie zulässig.

[0016] In diesem Fall hängt die Steigung der Kennlinie und damit die Größe von der Differenzierzeitkonstante T_D nur noch vom Druck P bzw. Druckfluß Vab. Der Verlauf der Kennlinie kann entweder in einem Digitalspeicer abgelegt sein oder aber auch analog in einem Funktionsgeber 14 vorgegeben sein, der in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist. Der Eingang dieses Funktionsgebers ist der Druck, der Ausgang direkt die Größe T_D.

[0017] Weitere Vereinfachungen sind dadurch möglich, daß die Funktion nicht ideal im Funktionsgeber nachgebildet wird, sondern in Annäherung durch Geradenabschnitte. Der ein­fachste Fall ist eine Gerade aus zwei Abschnitten Diese läßt sich sehr einfach dadurch realisieren, daß ab einem vorgegebenen Druck der Wert für T_D auf einen anderen Wert umgeschaltet wird.

[0018] Als weitere Ausgestaltung ist denkbar, daß abhängig vom Durchfluß zwischen verschiedenen Steigungen umgeschaltet wird. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß auf einen weiteren Funktionsgeber mit einer anderen Funktion umge­schaltet wird, ober daß nur einzelne Parameter, z.B. die Verstärkung im gesamten Bereich oder der Knickpunkt, vari­iert werden.

[0019] Es gibt andere Kompressorkennfelder, bei denen die Stei­gung der Kennlinien in der Nähe der Pumpgrenze stets gleich oder zumindest ähnlich ist. In diesem Fall ist es möglich, die Differenzierzeitkonstante T_D abhängig vom Abstand zwischen Arbeitspunkt und Pumpgrenze oder Abblaselinie zu variieren. Der Abstand zwischen Abblaselinie und Ar­beitspunkt liegt z.B. als Regeldifferenz der Abblasere­gelung (Pumpgrenzregelung) vor.

[0020] In diesem Fall kann z.B. der die Größe T_D liefernde Funk­tionsgeber 14 abhängig von der am Subtrahierglied 5 an­liegenden Regeldifferenz verstellt werden. Selbstverständ­lich sind auch für diesen Funktionsgeber Vereinfachungen möglich, angefangen von einer einfachen Umschaltung der Größe T_D zwischen zwei Werten über mehrere Geradenabschnit­te bis hin zu einem Polygonzug.

[0021] Anstatt die Differentiation im Regler selbst vorzunehmen, kann sie auch außerhalb des Reglers erfolgen. Aus DE-PS 28 28 142 ist es bekannt, zur Erfassung der Ände­rungsgeschwindigkeit eines Ist-Wertes diesen Istwert, bzw. seine Diferenz zum Sollwert, einmal unverzögert und ein­mal verzögert einem Subtrahierglied zuzufürhen, so daß man die Differenz aus dem unverzögerten und verzögerten Ist-Wert als "quasi-differenziertes" Signal erhält. Ein solches Verfahren kann auch im Rahmen der Erfindung vor­genommen werden, wobei das "quasi-differenzierte" Signal einem nur Proportional- und Integralverhalten aufweisen­den Regler zugeführt wird und in Abhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes die bei der Gewinnung des "quasi­differenzierten" Signals verwendete Verzögerungszeit ver­ändert wird.

[0022] Während in der beschriebenen Ausführungsform die Lage des Arbeitspunktes durch Erfassung des Enddruckes und des Durchsatzes bestimmt wird, können für die Erfassung des Arbeitspunktes bzw. für die Definition des Kenn­feldes auch andere Größen, wie das Druckverhältnis zwischen End- und Saugdruck, die Drehzahl, die Leit­schaufelstellung, die Leistung, das Eingangssignal des Reglers oder das Ausgangssignal eines Prozeßreg­lers herangezogen werden. Insbesondere kann das Kenn­feld durch andere Parameter, wie z.B. die adiabate Förderhöhe und den Ansaugvolumenstrom bestimmt werden. In jedem Fall hat die Pumpgrenzlinie einen eindeutigen Verlauf im Kennfeld.

[0023] Nachfolgend soll eine Variante beschrieben werden, bei der die differenzierende Wirkung des Reglers ebenfalls beeinflußt wird, allerdings nicht durch Veränderung der Zeitkonstanten, sondern durch Zufügen weiterer Funktionsblöcke. Die hier beschriebene Variante eignet sich insbesondere für Regelungen, bei denen eines der Eingangssignale mit Signalrauschen behaftet ist, d.h. dem Eingangssignal ist ein hochfrequentes Rauschsignal mit kleiner Amplitude überlagert. Eine direkte Diffe­renzierung dieses Eingangssignals hätte deshalb unter Umständen zur Folge, daß das Rauschsignal erheblich verstärkte werden würde.

[0024] Die nachteiligen Wirkungen derartiger Rauschsignale lassen sich erheblich reduzieren, wenn die Differenzie­rung nur in einer Richtung, bei einer Pumpgrenzregelung z.B. in Richtung kleinerer Durchflußsignale, erfolgt.

[0025] In Fig. 2 ist ein modifizierter PID-Regler dargestellt, bei dem die Unterdrückung der difernzierenden Wirkung in der nichtgewollten Richtung durch die Einführung eines Begrenzers 19 am Ausgang des Differenziergliedes 7b erreicht wird. Der Begrenzer 19 ist so ausgelegt, daß nur die Signale des Differenziergliedes durchgelassen werden, die eine Verlagerung des Arbeitspunktes in Rich­tung des Stabilitätsbereiches bewirken.

[0026] Bei einer derartigen Anordnung werden alle Signalände­rungen in Richtung z.B. kleinerer Durchflüsse dirfferen­ziert, d.h. auch die Signaländerungen, die ihre Ursache lediglich in Signalrauschen haben. Um den durch das Rauschen bedingten Einfluß auf das Differenzierglied weiter zu vermindern, kann vor das Differenzierglied ein einseitig wirkender Verzögerer 17 eingefügt werden.

[0027] In Fig. 3 ist die Wirkungsweise des Verzögerers 17 an­hand eines möglichen Eingangssignals und des daraus folgenden Ausgangssignals dargestellt. Der einseitig wirkende Verzögerer ist ein Bauelement, dessen Aus­gangssignal in einer Richtung (z.B. in Richtung fallen­ der Signale) dem Eingangssignal zunächst unverzögert folgt, bis das Eingangssignal ein relatives Minimum erreicht. Ein anschließendes Ansteigen des Eingangssignals, auch wenn es schnell erfolgt, führt zu einem relativ langsamen Ansteigen des Ausgangssignals,wobei die Anstiegsrate durch eine vorge­gebene, ggf. einstellbare Zeitkonstante bestimmt wird. Das Ausgangssignal des Verzögerers 17 folgt also dem Eingangssignal in dieser Richtung nur verzögert. Sobald das Eingangssignal wieder den Signalpegel des Ausgangs­signals erreicht, folgt das Ausgangssignal dem Eingangs­signal, bis ein neuer Minimalwert eingenommen wird. Das Ausgangssignal des Verzögerers 17 verbleibt also stets auf oder in der Nähe des kleinsten Eingangswertes. Der verbleibende Rauschanteil wird durch diese Anordnung wesentlich reduziert, da nur noch kurzzeitige Signal­änderungen, die immer dann auftreten, wenn die Eingangs­größe einen neuen, noch kleineren Minimalwert annimmt, an die Differenzierschaltung weitergegeben werden.

[0028] Es ist erforderlich, daß der Verzögerer 17 eine end­liche Zeitkonstante in Richtung steigender Signale hat, um dem System Gelegenheit zu geben, nach einem einmali­gen Erreichen eines extremen Minimalwertes wieder den Normalwert zu erreichen bzw. um den Ausgang des Verzö­gerers 17 dem Anstieg des Nutzsignales nachzuführen. Um den geringen Einfluß der ansteigenden Flanke des Aus­ gangssignals des Verzögerers 17, die vom Differenzier­glied 7b registriert wird, auf die Stellgröße zu ver­meiden, kann dem Differenzierglied 7b der schon vor­her erwähnte Begrenzer 19 nachgeschaltet werden.

[0029] Da Signalrauschen durch eine hohe Frequenz gekennzeich­net ist, können verbliebende kurzzeitige Regelimpulse, die ihre Ursache im Signalrauschen haben, durch die Einfügung eines zusätzlichen Totzeitgliedes 21 am Aus­gang des Differenziergliedes 7b, wirksam unterdrückt werden.

[0030] Das Totzeitglied 17 bewirkt, daß nur die Signale weiter­gegeben werden, deren Signallängen die Totzeit überschreiten. Für die Ausgestaltung des Totzeit­gliedes 21 sind dabei zwei Alternativen vorgesehen: Bei der ersten Alternative wird das Signal für die Dauer der Totzeit blockiert und erst danach unverzö­gert auf den Ausgang weitergegeben. Bei der zweiten Alternative wird das Signal um die Totzeit verzögert weitergegeben, wenn es während der gesamten Totzeit am Eingang angestanden hat. Dies hat den Vorteil, daß der Signalverlauf des Differenziergliedes während der Totzeit nicht verlorengeht, sondern um die Totzeit ver­zögert auf die Stellgröße aufaddiert wird.

[0031] Beide Ausgestaltungen bewirken, daß Signale, die inner­halb der Totzeit wieder verschwinden, unterdrückt werden und die Stellgröße nicht beeinflussen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Regeln eines Turbokompressors, bei dem einem Regler ein Eingangssignal, das vom laufend er­faßten Istwert mindestens einer Betriebsgröße, insbe­sondere Durchfluß, Förderdruck und/oder Druckverhältnis abgeleitet ist, zugeführt wird und der Regler durch ein eine Differentiation oder gleichwertige, die Ände­rungsgeschwindigkeit erfassende Operation einschließen­des Verarbeiten des Eingangssignals ein Ausgangssignal zum Steuern mindestens einer Betriebsgröße, insbesondere zum Steuern eines Ab- oder Umblaseventils am Kompressor­ausgang, erzeugt, und bei dem das Regelverhalten des Reglers in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der differenzierenden Wirkung in Abhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes und/oder von der Richtung der Lageänderung des Arbeitspunktes geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die für die Differentiation maß­gebliche Zeitkonstante in Abhängigkeit von mindestens einer Kennfeldkoordinate des Arbeitspunktes geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die zum Arbeitpunkt gehörende Stei­gung der Kompressorkennlinie konstanter Drehzahl oder konstanter Schaufelstellung erfaßt und die Differenzier­zeitkonstante in Abhängigkeit von der Steigung, insbesonde­re umgekehrt proportional zur Steigung der Kompressorkenn­linie verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Abstand des Arbeitspunktes von einer im Kennfeld vorgegebenen Abblaselinie erfaßt und die Differenzierzeitkonstante in Abhängigkeit von dem Ab­stand verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Größe des Differentialanteils des Regelverhaltens relativ zum Proportional- und Integral­anteil in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße verändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Größe des Differentialanteils in Abhängigkeit von der Steigung der im Kennfeld vorge­gebenen Abblaselinie verändert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Größe des Differentialanteils des Regelverhaltens in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Reglers verändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Eingangssignal des Differen­tialteils des Reglers richtungsabhängig verzögert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Eingangssignal des Differen­tialteils des Reglers richtungsabhänig begrenzt wird.

10. Regler für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Differentialteil und ggf. einem Proportionalteil und/oder einem Integralteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Differentialteils (7b) mittels eines Steuergliedes (15) steuerbar ist, und daß dem Steuerglied (15) ein eine Ortskoordinate des Arbeitspunktes im Arbeitskennfeld repräsentierendes Signal von einem Koordinatenrechner (13) zuführbar ist.

11. Regler für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Differentialteil und ggf. einem Proportionalteil und/oder einem Integralteil, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differentialteil (7b) des Reglers ein Verzögerungsglied (17) mit rich­tungsabhängig unterschiedlichen Zeitkonstanten vorge­schaltet ist.

12. Regler nach Anspruch 11, dadurch gekenn­zeichnet, daß dem Differentialteil (7b) des Reglers ein Signalbegrenzer (19) mit richtungsabhängig unterschiedlichen Begrenzungswerten nachgeschaltet ist.

13. Regler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­kennzeichnet, daß dem Differentialteil (7b) des Reglers ein Totzeitglied (21) nachgeschaltet ist.

Zeichnung