[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von Turbokompressoren zum Verhindern
des Pumpens, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, sowie eine Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens
[0002] 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 instabilen 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.
[0003] Um Kompressoren vor dem Pumpen zu schützen, wird in einem Sicherheitsabstand parallel
zur Pumpgrenzlinie eine Abblaselinie definert, und bei Annäherung des momentanen
Arbeitspunktes an die Abblaselinie wird ein Abblaseventil mehr oder weniger geöffnet,
so daß der Istwert einer Regelgröße, insbesondere des Druchsatzes, einen anhand der
Abblaselinie und der Führungsgröße, insbesondere des Enddrucks, ermittelten Sollwert
nich 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.
[0004] 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.
[0005] Pumpgrenzergler 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.
[0006] Der Verstärkungsfaktor des eigentlichen Reglers wird deshalb so eingestellt, daß
er zusammen mit der sich aus der Steigung der Abblaselinie ergebenden Verstärkung
noch zu einer innerhalb der Stabilitätsgrenze liegenden Gesamtverstärkung führt. Hierbei
ist selbstverständlich auf den Bereich der Abblaselinie abzustellen, in welchem die
höchste Verstärkung wirksam ist. In anderen Bereichen der Abblaselinie, zu denen auch
die häufigsten Arbeitsbereiche gehören können, ist der Regelkreis dann nicht optimal
justiert. Der stark gekrümmte Verlauf der Abblaselinie hat deshalb zur Folge, daß
ein Pumpgrenzregler mit festeingestellten Regelparametern in weiten Arbeitsbereichen
nicht optimal justiert ist.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine
Einrichtung zu seiner Durchfürung zu schaffen, mit dem eine Anpassung des Regelverhaltens
an die Erfordernisse in den verschiedenen Bereichen des Kennfeldes möglich ist.
[0008] Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen
sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen.
[0009] Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Auswirkungen der sich entsprechend
der Führungsgröße ändernden Steigung der gekrümmten Abblaselinie auf die Gesamtverstärkung
des Regelkreises durch eine entsprechend gegenläufige Änderung des Verstärkungsfaktors
des Reglers auszugleichen, so daß sich im gesamten Arbeitsbereich eine weitgehend
konstante Gesamtverstärkung des Regelkreises ergibt. Dieses Grundprinzip kann aber
auch durch Umschaltung zwischen zwei oder wenigen unterschiedlichen Werten des Verstärkungsfaktors
des Reglers approximiert werden.
[0010] Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer Einrichtung zur Regelung eines Turbokompressors
zum Verhindern des Pumpens;
Fig. 2 schematisch den Verlauf der pumpgrenzlinie und Abblaselinie im Kennfeld des
Kompressors;
Fig. 3 eine Teil einer vereinfachten Ausführungsform der Regeleinrichtung;
Fig. 4 ein Detail einer weiteren Ausführungsform der Regeleinrichtung.
[0011] Gemäß Fig. 1 wird im Saugstutzen 1 eines Kompressors K 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 ist mit einem Speicher 15 verbunden, in welchem
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 17 verglichen
und die Differenz als Eingangssignal einem Regler 19 zugeführt, der ein Proportional-Integral-
und/oder Differentialverhalten aufweisen kann und dessen Ausgenassignal eine Stellgröße
für ein vom Kompressoraustritt abzweigendes Abblaseventil 21 oder ein zum Saugstutzen
zurückführendes Umblaseventil liefert.
[0012] Wie in Fig. 2 dargestellt, verläuft im Kompressorkennfeld, welches durch den Durchsatz
V als Abszisse und den Enddruck P (oder auch das Enddruck/Saugdruck-Verhältnis) als
Ordinate gegeben ist, die Pumpgrenzlinie PG und die in einem Sicherheitsabstand rechts
davon verlaufende Abblaselinie A jeweils gekrümmt. Dies hat zur Folge, daß eine bestimmte
Änderung Δ P des als Führungsgröße diendenden Enddrucks unterschiedlich großen Änderungen
Δ V bzw. Δ Vʹ des Sollwertes für den Durchsatz entsprechen. Da der als Sollwertgeber
dienende Speicher 15 mit dem Rechner 13 Teil des Regelkreises ist, wirken sich diese
Unterschiede als Änderungen in der Gesamtverstärkung des Regelkreises aus, falls
der Regler 19 einen konstanten Verstärkungsfaktor hat. In Fig. 2 entspricht der Steile
untere Verlauf der Abblaselinie A 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 Enddrucks P verwendet, dann kehren sich die Verhältnisse um und die
Verstärkung ist im steilen Teil der Abblaselinie Groß und im flachen Teil klein.
[0013] Die Gesamtverstärkung des Regelkreises ist die Summe der sich aus der Steigung der
Abblaselinie ergebenden Verstärkung und dem Verstärkungsfaktor des Reglers 19 plus
der sogenannten Streckenverstärkung, d.h. den durch die Regelstrecke, insbesondere
dem Kompressor und dem Abblaseventil vorgegebenen Verstärkungsfaktoren. Um eine möglichst
in allen Bereichen konstante Verstärkung zu erzielen, wird deshalb erfindungsgemäß
der Verstärkungsfaktor im Regler 19 geändert. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1
ist im Speicher 15 außer dem Verlauf der Abblaselinie A auch der Verlauf der Steigung
S der Abblaselinie A als Funktion vorgegeben. Der Rechner 13 er mittelt für jeden
Istwert der Führungsgröße P den zugehörigen Wert der Steigung der Abblaselinie und
erzeugt ein entsprechendes Steurersignal, welches einem Steuereingang des Reglers
19 zugeführt und dort eine entsprechende Änderung des Verstärkungsfaktors des Reglers
19 bewirkt.
[0014] Anstatt den jeweiligen Wert der Steigung der Abblaselinie A aus dem Speicher 15 abzurufen,
kann der Rechner 13 auch aus den zu verschiedenen Werten von P gehörenden Werten der
Abblaselinie A deren Steigung ausrechnen.
[0015] Bei der vereinfachten Ausführungsform nach Fig. 3 wird der Istwert von P nicht einem
Rechner, sondern einem einfachen Funktionsgeber 23 zugeführt, welcher jedem Istwert
von P einen Sollwert für V entsprechend einem vorgegebenen, der Abblaselinie entsprechenden
Zusammenhang fest zuordnet. Außerdem wird der Istwert von P einem zweiten Funktionsgeber
25 zugeführt, welcher jedem Istwert von P einen entsprechenden Wert für die Steigung
der Abblaselinie fest zuordnet, der dann als Steuersignal dem Regler 19 zum Steuern
des Verstärkungsfaktors zugeführt wird.
[0016] Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird der Istwert von P ebenfalls dem Funktionsgeber
23 und außerdem einem Komparator 27 zugeführt, der den Istwert von P mit vorgegebe
nen oberen und unteren Granzwerten P
max, P
min vergleicht. Solange sich der Istwert von P innerhalb dieser Grenze befindet, bleibt
der Verstärkungsfaktor des Reglers 19 unverändert. Bei Überschreiten von P
max oder Unterschreiten von P
min wird der Verstärkungsfaktor des Reglers 19 um einen fest vorgegebenen Wert erhöht
bzw. erniedrigt. Dies entspricht einer Approximation des gekrümmten Verlaufes der
Abblaselinie durch drei Geradenabschnitte mit unterschiedlicher Steigung, wobei der
mittlere Geradenabschnitt zwischen den Grenzwerten P
min, P
max verläuft. Bei einer noch einfacheren Ausführungsform, die einer Approximation der
Abblaselinie durch nur zwei Geradenabschnitte entspricht wird je nach Über- oder
Unterschreiten eines einzigen Grenzwertes der Verstärkungsfaktor zwischen zwei Werten
umgesteuert.
[0017] Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist es möglich, den gekrümmten Verlauf der
Abblaselinie bzw. ihrer Steigung durch Geradenabschnitte anzunähern, wobei im Speicher
15 lediglich die Koordinaten der Knickpunkte der Geradenabschnitte festgelegt zu
sein brauchen, aus denen dann der Rechner 13 den Verlauf des Geradenabschnittes bzw.
seine Steigung ermitteln kann. Auch kann die Abblaselinie im Speicher 15 nicht durch
eine Wertetabelle, sondern durch eine mathematische Funktion vorgegeben sein. Entsprechend
kann bei der Ausführungsform nach Fig. 3 im Funktionsgeber 25 ein durch zwei oder
mehr Geradenabschnitte approximierter Verlauf der Abblaselinie vorgegeben sein.
[0018] Selbstverständlich ist die beschriebene Funtionsweise nicht an die gewählte Kennfelddarstellung
mit den Koordinaten Enddruck un Volumenstrom gebunden, sondern ist sinngemäß auch
an jede andere, dem Fachmann geläufige Kennfelddarstellung anpaßbar.
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 Abblasventil erzeugt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Reglers in Abhängigkeit vom Istwert der Führungsgröße
derart verändert wird, daß der Einfluß der in Abhängigkeit von der Führungsgröße unterschiedlichen
Steigung der Abblaselinie auf die Gesamtverstärkung des Regelkreises mindesterns annähernd
kompensiert wird.
2. 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
Abblaselinie gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Approximation der Abblaselinie durch Geradenabschnitte der Verstärkungsfaktor
des Reglers zwischen verschiedenen diskreten Werten umgeschaltet wird, wenn der Istwert
der Führungsgröße vorgegebene Grenzwerte über- oder unterschreitet.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit
Meßfühlern für Führungs- und Regelgröße, einem von der Führungsgröße beaufschlagten,
vorgegebene Daten für die Abblaselinie enthaltenden Funktionsgeber zur Erzeugung
des Sollwertes der Regelgröße, einem mit Ist- und Sollwert der Regelgröße beaufschlagten
Differenzglied, einem von dessen Ausgangssignal beaufschlagten Regler und einem vom
Regler gesteuerten Abblaseventil, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (19) einen Steuereingang zum Verändern seines Verstärkungsfaktors
aufweist und daß der Meßfühler (9) für die Führungsgröße an einen Signalgeber (13,25,27)
mit vorgegebenen, der Steigung der Abblaselinie zugeordneten Daten angeschlossen
ist, und daß der Ausgang des Signalgebers (13,25,27) mit dem Steuereingang des Reglers
(19) verbunden ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, daß in dem Signalgeber (13,15) eine die Steigung der Abblaseline in Abhängigkeit
von der Führungsgröße wiedergebende Wertefolge vorgegeben ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, daß im Signalgaber (27) Grenzwerte Pmax, Pmin für die Führungsgröße vorgegeben sind und daß der Signalgeber (27) Umschaltsignale
zum stufenweisen Ändern des Regelfaktors des Reglers (19) bei Unterschreiten bzw.
Überschreiten der Grenzwerte erzeugt.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Reglers durch wahlweises Aufschalten eines dem Reglereingang
vorgeschalteten Verstärkers steuerbar ist und das Ausgangssignal des Signalgebers
das Aufschalten des Verstärkers steuert.