Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Turbokompressoren von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Ein solches Verfahren ist aus "Nachrichten für den Maschinenbau" 5/82 bekannt.

Als Pumpen wird ein instabiler Zustand eines Turbokompressors bezeichnet, bei dem stoßweise oder periodisch Fördergas von der Druck- zur Saugseite zurückströmt. Das Pumpen tritt bei zu hohem Enddruck und/oder zu niedrigem Durchsatz auf. In dem durch Enddruck und Durchsatz oder davon abgeleiteten Koordinaten bestimmten Kennfeld kann deshalb eindeutig eine Linie definiert werden, die den stabilen vom instabilen Bereich trennt und als Pumpgrenze bezeichnet wird. Mittels der Pumpgrenzregelung soll verhindert werden, daß der Arbeitspunkt des Kompressors die Pumpgrenze erreicht und dadurch Pumpen eintritt. Hierzu wird in einem Sicherheitsabstand von der Pumpgrenze eine Abblaselinie im Kennfeld festgelegt. Wenn der Arbeitspunkt die Abblaselinie überschreitet, wird ein vom Kompressorausgang abzweigendes Entlastungsventil mehr oder weniger geöffnet, um Fördermedium abzublasen oder zur Saugseite umzublasen und dadurch den Enddruck zu senken bzw. den Durchsatz zu steigern.

Der Verlauf der Pumpgrenze und damit der Abblaselinie im Kennfeld liegt dann eindeutig und unveränderlich und von dem momentanen Betriebszustand unabhängig fest, wenn als Kennfeldkoordinaten die adiabate Förderhöhe _Ah_ad und der Ansaugvolumenstrom V verwendet werden. Aus den laufend gemessenen Betriebsgrößen des Kompressors, insbesondere Saug-und Enddruck sowie der Druckdifferenz an einer saugseitigen Drosselstelle, können diese Koordinaten errechnet werden nach den Formelnwobei P₁ der Saugdruck, P₂ der Enddruck, _AP der Wirkdruck an einer saugseitigen Drosselstelle und T₁ die Temperatur an der Saugseite sind und diese Werte als ständig überwachte Meßwerte vorliegen. R₁ ist die Gaskonstante und K der Isentropenexponent des jeweiligen Fördergases, während K eine von der Geometrie der Dosselstelle im Kompressoreintritt abhängige Konstante ist. Z ist ein konstanter Faktor (Reaigasfaktor).

In dem durch _Ah_ad und V definierten Kennfeld ist die Lage der Pumpgrenze und damit auch der Abblaselinie unabhängig von Änderungen der in den Formeln (1) und (2) enthaltenen Parameter. Die Berechnung dieser Kennfeldkoordinaten aus den Meßwerten der Drücke und Temperaturen ist jedoch nur dann möglich, wenn die Werte für R, κ und K bekannt sind. Bei gegebener, unveränderlicher Kompressorgeometrie und bei unveränderter Zusammensetzung des Fördergases können die Größen R; κ und K einmal gemessen und dann als Konstanten behandelt werden. Eine Änderung der Zusammensetzung des Fördergases kann aber eine Änderung der zugehörigen Werte für R und/oder κ zur Folge haben. Diese Änderungen sind jedoch nicht direkt meßbar. In einem solchen Fall würde die Beibehaltung der bisherigen Werte für R und K zu einer fehlerhaften Berechnung der Kennfeldkoordinaten führen, so daß auch die Pumpgrenze in dem so errechneten Kennfeld nicht mehr den richtigen Verlauf hat. Entsprechendes gilt, wenn sich z.B. durch Verschmutzung die effektive Kompressorgeometrie ändert. Wird bei der Pumpgrenzregelung von einem solchermaßen unkorrekten Verlauf der Pumpgrenze und damit der Abblaselinie im Kennfeld Bezug genommen, dann führt dies entweder dazu, daß das Pumpen nicht mit Sicherheit verhindert wird oder daß das Öffnen des Entlastungsventils bereits in einem zu großen Sicherheitsabstand von der wahren Pumpgrenze ausgelöst wird, was zu unerwünscht hohen Leistungsverlusten des Kompressors führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Pumpgrenzregelung der genannten Art anzugeben, welches es ermöglicht, durch Änderungen der Gaszusammensetzung und/oder durch z.B. verschmutzungsbedingte Änderungen der Kompressorgeometrie verursachte Auswirkungen auf die Lage der Pumpgrenze im verwendeten Kennfeld zu erfassen und entsprechende Korrekturen bei der Pumpgrenzregelung vorzunehmen.

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

Bei der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, daß zu jedem Arbeitspunkt im stabilen Kennfeldbereich eine Kennlinie weitere eindeutige Parameter wie Drehzahl, Schaufelstellung, Leistung usw. gehören, so daß zwischen den Kennfeldkoordinaten des Arbeitspunktes und den Paramatern jeweils eine eindeutiger Zusammenhang besteht. Aus den gemäß den obigen Formeln (1) und (2) errechneten Kennfeldkoordinaten kann somit anhand eines berechneten oder gemessenen Kennfelds ein zugehöriger Sollwert z.B. der Drehzahl n des Kompressors bestimmt werden. Weicht die tatsächlich gemessene Drehzahl von diesem Sollwert ab, dann bedeutet dies, daß auch der tatsächliche Arbeitspunkt von dem nach den Formeln (1) und (2) errechneten Arbeitspunkt abweicht, weil sich eine oder mehrere der Größen R, K und K geändert haben. Die Abweichung zwischen Sollwert und Istwert der Drehzahl oder eines anderen Kennlinienparameters wie Schaufelstellung oder Kompressorleistung, dient somit als Korrekturgröße, die anzeigt, daß der tatsächliche Verlauf der Pumpgrenze im Kennfeld von dem vorausgesetzten Verlauf abweicht. Diese Abweichung kann, falls sie z.B. auf geänderter Gaszusammensetzung beruht, durch entsprechende Korrektur innerhalb der Berechnung der Kennfeldkoordinaten gemäß Formel (1) für die Bestimmung der Regelgrößen oder durch direkte Aufschaltung einer entsprechenden Korrekturgröße auf die Regelung berücksichtigt werden. Andererseits kann durch Betreiben des Kompressors mit einem Normgas mit bekannten Werten für R und κ festgestellt werden, ob eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert der Drehzahl eine Verschmutzung des Kompressorsystems anzeigt. In diesem Fall kann durch ein Warnsignal eine entsprechende Wartung oder Stillsetzung des Systems veranlaßt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

• Fig. 1 die verallgemeinerte Darstellung des Kennfeldes eines Kompressors mit Pumpgrenze, Abblaselinie und Kennlinien konstanter Drehzahl;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verlaufs des rechnersichen Vergleichs;
• Fig. 3 eine komplette schematische Darstellung der Einrichtung zur Pumpgrenzregelung eines Kompressors.

Die Pumpgrenze P eines Kompressors ist im Kennfeld mit den Koordinaten V und _Aha_d, wie in Fig. 1 dargestellt, eindeutig definiert. Die Lage der Pumpgrenze ist unabhängig von Änderungen der Parameter Saugdruck, Enddruck, Temperatur, Gaskonstante oder Isentropenexponent.

Während Größen wie Drücke und Temperaturen leicht meßbar sind, sind Gaskonstante R und Isentropenexponent κ nicht direkt meßbar, jedenfalls nicht schnell und wirtschaftlich genug. Gasanalysen nehmen oft erhebliche Zeit in Anspruch, so daß die Meßergebnisse zu spät vorliegen und für die Regelung des Entlastungsventils unbrauchbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren, das Änderungen dieser Größen erfassen und berücksichtigen kann, setzt voraus, daß bei der Variation der Gaszusammensetzung stets ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Isentropenexponenten κ und der Gaskonstante R besteht.

Dies ist z.B. dann stets gewährleistet, wenn die Gaszusammensetzung durch Zumischung eines Gases konstanter Zusammensetzung verändert wird oder auch, wenn mehrere Gase zugemischt werden, die ähnliche Gaskonstanten oder Isentropenexponenten haben. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß das Verfahren immer dann anwendbar ist, wenn für alle vorkommenden Gaszusammensetzungen eine eindeutige Relation zwischen der Gaskonstanten R und dem Isentropenexponenten κ besteht.

Erfindungsgemäß wird von einer Normzusammensetzung des Gases ausgegangen, bei der R und _K einen vorgegebenen bekannten Wert haben. Für dieses Normgas werden nun, unabhängig von der wirklichen Gaszusammensetzung, aus den Meßwerten die Förderhöhe und der Ansaugvolumenstrom als Kennfeldkoordinaten errechnet. Aus den Formeln (1) und (2) erhält man die rechnerischen Werte eh_adr und Vr.

Wird Gas mit einer abweichenden Zusammensetzung gefahren, weichen die aktuellen Werte _Ahada und V_a von den rechnerischen Werten _Ah_adr und V_rab.

Gemäß Fig. 1 verläuft durch jeden Arbeitspunkt mit den Koordinaten V und _AH_ad genau eine Kennlinie K, K' mit konstanter Drehzahl n₁, n₂ usw. Somit gehört auch zu den rechnerischen WertenAhadr und Vr eine eindeutige rechnerische Drehzahl n_r. Es gilt ferner die Gleichungwonach zu der wirklichen Förderhöhe Δh_ada und dem wirklichen Durchfluß V_a eine Drehzahl na gehört.

Diese Drehzahl ist die tatsächliche Istdrehzahl, die durch Messung der Drehzahl der Antriebsturbine sehr leicht und sehr genau meßbar ist.

Setzt man weiterhin voraus, daß das Kennfeld des Kompressors (_Ah_ad über V) rechnerisch oder experimentell bestimmt wurde und bekannt ist und setzt man weiterhin voraus, daß der Isentropenexponent κ eine eindeutige Funktion von der Gaskonstanten R ist (_K = F (R)) sind damit alle Daten bekannt, um _K zu bestimmen. Dies geschieht gemäß Fig. 2 wie folgt:

• Aus den Größen P1, P2, T1 bestimmt der Rechner 1 unter Zuhilfenahme von R_r und _Kr die theoretische Förderhöhe beim Normzustand (_Ah_adr). Der Rechner 2 bestimmt aus Wirkdruck _Ap, Saugdruck p1 und Saugtemperatur T1 sowie der Normgaskonstanten Rr den theoretischen Volumenstrom. Im Rechner 3 ist entweder der Verlauf der Kompressorkennlinien in Form mathematischer Gleichungen oder in Form einer Matrix mit der jeweiligen theoretischen Drehzahl nr als Inhalt der Matrix dargestellt. Der Rechner 3 berechnet entweder die rechnerische Drehzahl n_r oder liest sie direkt aus dem Matrixspeicher ab.

Diese rechnerische Drehzahl wird nun im Vergleicher 4 mit der tatsächlich gemessenen Drehzahl n_a verglichen. Stimmt die Istdrehzahl mit der rechnerischen Drehzahl überein, so stimmt auch die tatsächliche Gaszusammensetzung mit der Normzusammensetzung überein. Weicht jedoch die gemessene Drehzahl von der rechnerischen Drehzhal ab, liegt eine abweichende Gaszusammensetzung vor. Dann stimmt auch die Relation der im Kennfeld vorgegebenen Abblaselinie A zum errechneten Arbeitspunkt nicht mit der zum tatsächlichen Arbeitspunkt überein, und die Pumpgrenzregelung arbeitet falsch. Dies muß durch Berücksichtigung der geänderten Gaszusammensetzung korrigiert werden.

Ein gangbarer, aber sehr schwieriger Weg wäre es, anhand der Formeln (1) und (2) sowie aus dem bekannten Zusammenhang zwischen R und K die Größen R_a und _Ka, daß heißt die tatsächliche Gaskonstante und den tatsächlichen Isentropenexponenten, zu berechnen. Diese Werte für R und _K können dann in die Formeln für _Ah_ad und V eingesetzt werden, und es ergeben sich die tatsächliche Förderhöhe und der tatsächliche Durchfluß. Diese beiden Größen können als Sollwert und Istwert einer üblichen Pumpgrenzregelung aufgeschaltet werden, die den Kompressor vor dem Pumpen schützt.

Diese Regelung selbst kann z.B. gemäß Fig. 1 wie folgt arbeiten: Entsprechend derAh_ad-Formei bestimmt ein Rechner die tatsächlich Förderhöhe des Kompressors. Durch Spiegelung an der Abblaselinie A wird hieraus der minimal zulässige Ansaugdurchfluß V_soll bestimmt. Dieser wird mit dem tatsächliche gemessenen Durchfluß Vi_st verglichen. Solange der gemessene Durchfluß Vi_st größer ist als der minimal zulässige V_soll, bleibt das Abblaseventil geschlossen. Erst bei Unterschreiten von V_soll öffnet das Abblaseventil.

Eine einfachere Möglichkeit, Änderungen der Gaszusammensetzung zu berücksichtigen, besteht darin, aus der Abweichung der Drehzahlen empirisch auf eine Verschiebung der Pumpgrenze zu schließen und die Abblaselinie selbsttätig entsprechend zu verschieben. Ein solches Verfahren soll nachfolgend genauer beschrieben werden.

Gibt man in eine Pumpgrenzregelung, wie zuvor beschrieben, statt der richtigen Daten für κ und R nur die Daten des Normzustandes, so führt dies bei vom Normzustand abweichender Gaszusammensetzung zu einem Fehler. Es wird eine falsche Förderhöhe und ein flascher Durchfluß erechnet. Das Pumpen des Kompressors wird an einer anderen Stelle eintreten als auf der in Fig. 1 definierten Pumpgrenze P. Die tatsächliche Pumpgrenze verschiebt sich abhängig vom Unterschied zwischen dem aktuellen Gaszustand und dem Normzustand. Diese Verschiebung hängt eindeutig von der Variation der Gaszusammensetzung ab. Da κ eine eindeutige Funktion von R ist, wie eingangs unterstellt, ist auch diese Verschiebung eindeutig. Da außerdem festgestellt wurde, daß die Drehzahlabweichung zwischen rechnerischer Drehzahl nr und der Istdrehzahl n_a ausschließlich von der Gaszusammensetzung abhängt, ist die Drehzahlabweichung auch ein eindeutiges Maß für die Verschiebung der Pumpgrenze.

Dieser Einfluß ist in der Regel nichtlinear, so daß es sich anbietet, die Drehzahlabweichung auf einen Funktionsgeber zu schalten und vom Ausgang des Funktionsgebers die Verschiebung der Abblaselinie steuern zu lassen. Die praktischste Art und Weise, dies zu realisieren, besteht darin, daß man den theoretischen Verlauf der Pumpgrenze bei verschiedenen Gaszusammensetzungen ermittelt und graphisch aufträgt. Weiterhin wird die Drehzahlabweichung ermittelt und ein Funktionsgeber auf diesen Zusammenhang eingestellt. Fig. 3 zeigt das Schema einer solchen Pumpgrenzregelung.

Ein Kompressor 10 wird von einer Turbine 11 oder durch einen anderen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit angetrieben. In der Saugleitung 13 wird mit einem Meßumformer 15 die Druckdifferenz (Wirkdruck) an einer Drosselstelle 17 und ferner mit einem Druckfühler 19 der Saugdruck und mit einem Temperaturfühler 21 die saugseitige Temperatur gemessen. Aus diesen Größen wird im Rechner 1 (vgl. Fig. 2) unter Verwendung der Gaskonstanten R_r für die Normalzusammensetzung des Gases der rechnerische Ansaugdurchfluß V_r bestimmt. Am Kompressorauslaß 23 wird mit einem Druckfühler 25 der Enddruck bestimmt und hieraus sowie aus den saugseitigen Meßgrößen wird in den zweiten Rechner 2 unter Verwendung der Werte Rr und κ_r für die Normalzusammensetzung des Fördergases die Förderhöhe Δh_adr ermittelt. In einem Rechner oder Matrixspeicher 3 wird die zu den Werten Vr und ehadr gehörende rechnerische Drehzahl nr bei Normalzusammensetzung des Gases ermittelt. Diese wird mit der an der Welle der Turbine 11 mittels eines Drehzahlgebers 27 gemessenen tatsächlichen Drehzahl n_a in einem Differenzglied 29 verglichen.

Die von den Rechnern 1 und 2 errechneten Werte Vr und nh_adr dienen ferner als Regelgrößen für die Regelung eines vom Kompressorauslaß 23 abzweigenden Entlastungsventils 31. Der Wert der Förderhöhe _Ah_adr wird einem Funktionsgeber 33 zugeführt, in welchem der Verlauf der Abblaselinie gespeichert wird. Der Funktionsgeber 33 erzeugt für jeden Wert von ah_adr den zugehörigen durch die Abblaselinie A festgelegten Sollwert Vsoll des Ansaugstroms (vgl. Fig. 1). Dieser Ausgang Vsoll des Funktionsgebers 33 wird in einem Differenzglied 35 mit dem Istwert V_r verglichen und hieraus eine Regeldifferenz gebildet, die als Eingangssignal einem Regler 37 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal das Entlastungsventil 31 öffnet, wenn die Abblaselinie A im Kennfeld überschritten wird, so daß durch Senken des Enddruckes und/oder Erhöhen des Durchflusses durch den Kompressor das Pumpen verhindert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei anderen Pumpgrenzregelungen, bei denen andere Kennfelder benutzt werden, bzw. andere Kriterien zur Auslösung des Entlasungsventils entscheidend sind, verwendet werden.

Das Ausgangssignal des Differenzgliedes 29 wird einem Funktionsgeber 39 zugeführt, der aufgrund der Abweichung der rechnerischen Drehzahl nr von der tatsächlichen Drehzahl na eine festgelegte Korrekturgröße erzeugt, die den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Drehzahlabweichung und der erforderlichen Korrektur der Pumpgrenze bzw. Abblaselinie im Kennfeld nach Fig. 1 berücksichtigt. Die vom Funktionsgeber 39 erzeugte Korrekturgröße wird durch ein Summierglied 41 dem vom Funktionsgeber 33 erzeugten Sollwert V_soll hinzuaddiert,so daß Regelung des Entlastungsventils an die geänderte Gaszusammensetzung angepaßt wird.

Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung möglich. So kann die vom Funktionsgeber 39 erzeugte Korrekturgröße auch dem vom Rechner 1 erzeugten Istwert V_r oder der vom Differenzglied 35 erzeugten Regeldifferenz hinzuaddiert werden. Ferner ist es möglich, die Korrekturgröße nicht rein additiv, sondern multiplikativ oder gleichzeitig additiv und multiplikativ oder Regelgröße hinzuzufügen. Additive Hinzufügung bedeutet eine Parallelverschiebung, multiplikative Hinzufügung eine Drehung der Pumpgrenze P bzw. Abblaselinie A im Kennfeld nach Fig. 1.

Falls die Regelung an einer mehrstufigen Kompressoranlage durchgeführt wird, ist es möglich, das beschriebene Verfahren nicht über alle Stufen, sondern nur über eine oder mehrere Stufen anzuwenden.

Statt der Drehzahl können auch andere Parameter herangezogen werden, die eindeutig eine durch den jeweiligen Arbeitspunkt verlaufende Kennlinie definieren. Ein solcher Parameter ist z.B. die Leitschaufelstellung, insbesondere bei Kompressoren, die mit konstanter Drehzahl betrieben und durch Verändern der Leitschaufelstellung gesteuert werden. Ferner ist es möglich, anstelle der Drehzahl die Antriebsleistung des Kompressors zu verwenden.

Wie eingangs erwähnt, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur Änderungen der Gaszusammensetzung, sondern auch z.B. verschmutzungsbedingte Änderungen der Kompressorgeometrie erfaßt und berücksichtigt werden. Hierzu wird der Kompressor mit einem Fördergas mit Normzusammensetzung betrieben, dessen Werte für R und K bekannt und mit den im Rechner 1 und 2 verwendeten Daten identisch sind. In diesem Fall sollten der Sollwert nr und Istwert n_a der Drehzahl gleich sein, so daß am Differenzierglied 29 kein Ausgangssignal auftritt. Tritt trotzdem ein Signal vom Differenzierglied 29 auf, dann kann daraus geschlossen werden, daß sich die Geometrie des Kompressors z.B. durch Verschmutzung geändert hat. In diesem Fall kann das vom Differenzierglied 29 erzeugte Signal dazu verwendet werden, einen Warnsignalgeber 43 anzusteuern, welcher eine Anzeige dafür liefert, daß der Kompressor gewartet bzw. bei Gefahr auch stillgesetzt werden muß.

Sollte ein Gas mit Normzusammensetzung (R_r, _Kr) nicht verfügbar sein, kann diese Überprüfung auch mit einem anderen Gas mit bekannten Werten für R und _K gemacht werden. In diesem Fall wird sich auch bei sauberem Kompressor eine Abweichung zwischen n_a und nr im Differenzierglied 29 einstellen.

In einem separaten Rechengang außerhalb der in Fig. 3 dargestellen Anordnung muß nach dem vorn beschriebenen Verfahren diese Abweichung für einen sauberen Kompressor ermittelt werden. Ein Vergleich dieser rechnerisch ermittelten Abweichung mit dem Ausgangssignal des Differenzierglieds 29 ergibt, ob eine Verschmutzung oder eine sonstige Veränderung der Kompressorgeometrie vorliegt.