Regelverfahren zur Vermeidung des Pumpens eines Turbokompressors

Abstract

 Bei bekannten Regelverfahren kommt es nach Stö­rungen, die ein Eingreifen des aus Sicherheitsgrün­den mit hoher Proportionalverstärkung arbeitenden Reglers auslösen, vorübergehend zu einer verminder­ten Pumpsicherheit des Kompressors und zu längeren periodischen Druckschwankungen in dem dem Kompressor nachgeschalteten Verbrauchernetz. Das neue Regelver­fahren soll diese Nachteile vermeiden.
Das neue Regelverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer einen vorgebbaren Grenzwert übersteigenden Diskrepanz zwischen der Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) und der Stellgröße (u) des Reglers (5) die Stellgröße (u) des Reglers (5) durch eine Nachführschaltung (9) auf die jeweils aktuelle Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) nachgeführt wird. Hierdurch werden Einschwingvorgänge und damit verbundene Verminderungen der Pumpsicherheit sowie längere Druckschwankungen vermieden.
Das neue Verfahren eignet sich insbesondere für die Regelung von großen Turbokompressoren, z. B. für Hochofen-Winderzeugung, Luftzerlegung, Düngemittel-­Herstellung oder Wirbelbetterzeugung für Petro­chemische Prozesse.

Beschreibung

[0001] Eie Erfindung betrifft ein Regelverfahren gemäß dem Ober­begriff des Anspruchs 1.

[0002] Ein Regelverfahren der genannten Art ist aus der DE-PS 26 23 899.3 bekannt. In derartigen Regelverfahren werden üblicherweise Proportional-Integral-Regler verwendet, die aus Sicherheitsgründen mit hoher Proportionalverstärkung betrieben werden. Bei schnellen Störungen, z. B. plötzli­chen Durchflußverminderungen, wirkt der Regler hauptsäch­lich als Proportionalregler. Dies führt dazu, daß sich sein Ausgangssignal, die Stellgröße, proportional zur Eingangsgröße, der Regeldifferenz, ändert, wobei hier bei steigender Regeldifferenz die Stellgröße sinkt und umge­kehrt. Aufgrund der hohen Proportionalverstärkung, die unter Umständen noch durch die Wirkung eines nichtlinea­ren Verstärkers gesteigert wird, erreicht die Stellgrös­senänderung bereits bei kleinen Regeldifferenzänderungen von z. B. -10 % eine hohe Größe von z. B. etwa 100 %. Im Störungsfall wird hierdurch zwar der Arbeitspunkt des Kompressors zunächst relativ schnell aus dem unzulässi­gen, gefährlichen Kennfeldbereich jenseits der Abblase­linie zurückgeführt, jedoch kommt es anschließend für eine beträchtliche Zeitdauer zu einem erneuten Über­schreiten der Abblaselinie durch den Arbeitspunkt. Die Ursache hierfür liegt in der langsamen Änderung des Inte­ gralteils des Reglers. Die Folgen sind eine Verminderung der Sicherheit des Kompressors vor einem Pumpen, insbe­sondere beim Auftreten von kurzfristig aufeinanderfolgen­den Störungen im dem Kompressor nachgeschalteten Verbrau­chernetz, sowie deutliche Druckschwankungen im Verbrau­chernetz. Als Konsequenz hieraus ist entweder ein erhöh­tes Beschädigungsrisiko für den Kompressor oder ein größerer, unwirtschaftlicher Sicherheitsabstand von der Pumpgrenze hinzunehmen.

[0003] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der ein­gangs genannten Art zu schaffen, das die aufgeführten Nachteile vermeidet und das insbesondere ein Pumpen des Kompressors auch in besonderen Fällen, wie dem Auftreten von kurzfristig aufeinanderfolgenden Störungen im Ver­brauchernetz, sicher vermeidet und das einen wirtschaftli­cheren Betrieb des Kompressors, d. h. einen Betrieb in kleinerem Abstand von der Pumpgrenze ohne Sicherheitsver­lust gestattet.

[0004] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß bei Auftreten einer einen vorgeb­baren Grenzwert übersteigenden Diskrepanz zwischen der Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) und der Stell­größe (u) des Reglers (5) die Stellgröße (u) des Reglers (5) durch eine Nachführschaltung (9) auf die jeweils aktuelle Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) nachge­führt wird.

[0005] Mit dem neuen Verfahren wird erreicht, daß der Regler zu dem Zeitpunkt, an dem der Arbeitspunkt wieder über die Abblaselinie zurückkehrt, an seinem Ausgang eine Stell­größe aufweist, die im wesentlichen der momentanen Stel­lung des Abblaseventils entspricht. Die weitere Regelung erfolgt damit ohne ein störend langes Einschwingen, wo­durch ein nochmaliges Überschreiten der Abblaselinie durch den Arbeitspunkt bis zum Erreichen des neuen sta­tionären Betriebszustandes des Kompressors verhindert wird. Im Gegensatz zu bekannten regelverfahren nähert sich hier der Arbeitspunkt aus dem zulässigen, ungefähr­lichen Kennfeldbereich asymptotisch an die Abblaselinie an. Die Sicherheit vor einem Pumpen des Kompressors wird so wesentlich erhöht und es ist bei hoher Sicherheit ein Betrieb des Kompressors in kleinerem Abstand von der Pumpgrenze möglich, was eine verbesserte Wirtschaftlich­keit bedeutet. Um ein unnötiges Eingreifen der Nachführ­schaltung, das zur Instabilität der Regelung führen könn­te, zu vermeiden, ist vorgesehen, daß das Nachführen erst erfolgt, wenn zwischen der Stellgröße des Reglers und der Stellung des Abblaseventils eine einen vorgebbaren Grenz­wert überschreitende Differenz vorliegt. Ein solcher Grenzwert sorgt dafür, daß das bei aus Meßwerten bestimm­ten Regeldifferenzen auftretende Rauschen ohne Auswir­kungen auf die Nachführschaltung bleibt. Die Höhe des Grenzwertes sollte deshalb so gewählt werden, daß dieser eine vom Rauschen nicht überschreitbare Schwelle dar­stellt. Im Unterschied zu bekannten Regelverfahren, bei denen eine direkte Veränderung der Stellgröße des Reglers von Hand aus Sicherheitsgründen nicht zulässig ist, bie­tet das neue Verfahren nun die Möglichkeit, auch den Reglerausgang zu manipulieren. Wird das Abblaseventil z. B. durch Handeingriff in die Ventilsteuerung weiter ge­öffnet, als der Regler eigentlich zuläßt, erhält dieser zwar eine negative Regeldifferenz an seinem Eingang, jedoch wird infolge des nun erfolgenden Nachführens die Stellgröße der Ventilstellung angepaßt, so daß eine bei dieser Betriebsweise bisher auftretende, möglicherweise sehr große Diskrepanz zwischen Stellgröße und Ventil­stellung ausgeschlossen wird.

[0006] Eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei welcher manuell mittels einer eingangsseitig auf den Regler wirkenden Handsteuerung das Abblaseventil verstellbar ist, sieht vor, daß während der den Regler umgehenden Verstellung des Abblaseventils die Stellgröße des Reglers mittelbar durch Nachführen des Sollwertes der Handsteuerung mittels einer Nachführschaltung auf die aktuelle Stellung des Abblaseventils nachgeführt wird. In dieser Verfahrens­variante erfolgt also die Nachführung des Reglers nicht unmittelbar sondern mittelbar, was den vorteil hat, daß Eingriffe in den Regler selbst nicht erforderlich sind, sondern sich auf die Handsteuerung beschränken. Die Wir­kung dieses abgewandelten Verfahrens entspricht jedoch dem vorangehend erläuterten Verfahren nach dem Anspruch 1.

[0007] Eine Weiterbildung des Regelverfahrens, in welchem mit­tels einer Sicherheitssteuerung bei Erreichen einer zwi­schen Pumpgrenze und Abblaselinie verlaufenden Sicher­heitslinie durch den Arbeitspunkt das Abblaseventil mit maximaler Verstellgeschwindigkeit ganz oder teilweise geöffnet wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Auslösen der Sicherheitssteuerung auch das Nachführen der Stellgröße des Reglers auf die jeweils aktuelle Stellung des Abblaseventils ausgelöst wird. Hiermit wird erreicht, daß die Übernahme der weiteren Regelung durch den Regler nach dem Rücksetzen der Sicherheitssteuerung sprung- und stoßfrei erfolgt, wodurch die zuvor schon beschriebenen Nachteile auch hier vermieden werden. Dabei kann die Sicherheitssteuerung entweder unmittelbar auf den Reg­lerausgang oder alternativ auf den Handsteuerungs-Soll­wert wirken.

[0008] Bei Regelverfahren der eingangs genannten Art wird übli­cherweise als Regler ein Proportional-Integral-Regler mit einem Proportional-Verstärker und einem Nach­führ-Integrierer verwendet, deren Ausgänge in einem Summierer addiert werden. Hierfür sieht die Erfindung vor, daß als Integrierer ein durch einen von der Nachführschaltung erzeugten Steuerbefehl zwischen dem den Normalzustand darstellenden Integrieren mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten und einem praktisch verzöge­rungsfreien Nachführen seines Ausganges umschaltbarer Nachführ-Integrierer verwendet wird. Der Integrierer wird dabei nicht direkt auf eine der aktuellen Stellung des Abblaseventils entsprechenden Stellgröße nachgeführt, sondern auf die um das Produkt aus Regeldifferenz und Verstärkungsfaktor des Proportionalteils des Reglers verminderte Stellgröße, um am Ausgang des PI-Reglers genau die aktuelle Stellgröße zu erhalten, die ja durch Addition der Ausgänge von Proportionalteil und Integral­teil gewonnen wird. Diese Lösung zeichnet sich durch eine besondere Einfachheit aus und hält den Verfahrensaufwand besonders niedrig.

[0009] Für das früher beschriebene Regelverfahren mit mittelbarer Nachführung des Reglers sieht die Erfindung als Weiter­bildung vor, daß in der Handsteuerung ein durch einen von der Nachführschaltung erzeugten Steuerbefehl zwischen dem Integrieren und dem Nachführen seines Ausganges auf einen der aktuellen Stellung des Abblaseventils entsprechenden Wert umschaltbarer Nachführ-Integrierer verwendet wird. Auch diese Verfahrensvariante ist unaufwendig und damit vorteilhaft einfach realisierbar.

[0010] In einer bevorzugten Ausgestaltung des Regelverfahrens ist für die Nachführschaltung vorgesehen, daß in dieser die Differenz zwischen der Stellgröße am Ausgang des Reglers und der Stellung des Abblaseventils gebildet wird, daß diese Differenz mit einem vorgebbarem Grenz­wert verglichen wird und daß, solange ein Überschreiten des Grenzwertes durch diese Differenz vorliegt, am Aus­gang der Nachführschaltung ein den nachgeschalteten Nach­führ-Integrierer des Reglers oder der Handsteuerung in den Status des Nachführens umschaltendes und in diesem Status haltendes logisches Steuersignal aus dem Ver­gleichsergebnis und dem Ausgangssignal der Sicherheits­ steuerung durch eine logische UND-Operation erzeugt wird. Die Funktion der UND-Operation ist es, sicherzustellen, daß der Regler entweder bei Überschreiten des vorgegebe­nen differenzgrenzwertes zwischen Stellgröße und Ventil­stellung oder bei Auslösen der Sicherheitssteuerung nach­geführt wird. Der besondere Vorteil ist hier, daß im Fall des Auslösens der Sicherheitssteuerung das Nachführen des Reglers sofort beginnt und nicht erst nachdem Stellgröße und Ventilstellung bereits um den Differenzgrenzwert auseinandergelaufen sind. Auch in dieser Ausgestaltung ist das Verfahren einfach durchführbar und damit mit geringem Aufwand realisierbar, wobei dies in digitaler, analoger oder auch gemischter Form geschehen kann.

[0011] Eine Weiterbildung der vorangehend beschriebenen Verfah­rensausführung sieht vor, daß die Differenz vorzeichenab­hängig mit je einem gesondert vorgebbaren Grenzwert ver­glichen wird. Durch diese getrennte Überwachung der Dif­ferenz aus Stellgröße und Abblaseventilstellung auf Über­schreitung von unterschiedlichen Grenzwerten bei positi­vem und bei negativem Vorzeichen der Differenz wird er­reicht, daß in der einen Richtung eine andere Abweichung zugelassen werden kann als in der anderen Richtung.

[0012] In einer weiteren Variante der Verfahrensausgestaltung nach Anspruch 6 ist vorgesehen, daß aus der aus Stell­größe und Abblaseventilstellung gebildeten Differenz deren Absolutwert gebildet und in den der differenzbil­dung folgenden Verfahrensschritten anstelle der Differenz selbst verwendet wird. Der Unterschied der beiden Varian­ten liegt in der Auslösung des Nachführens. In der ersten Variante wirkt die Nachführung nur in einer Richtung, und zwar je nach Vorzeichen bei der Differenzbildung entweder wenn die Stellgröße größer wird als die Ventilstellung oder wenn die Stellgröße kleiner wird als die Ventilstel­lung. In der zweiten Variante wird das nachführen unab­hängig von der Richtung immer dann ausgelöst, wenn eine bestimmte Differenz zwischen Stellgröße und Ventilstel­lung überschritten wird.

[0013] Weiterhin ist vorgesehen daß das Umschalten des Reglers vom Nachführbetrieb in den Regelbetrieb mit einer vorgeb­baren zeitlichen Verzögerung nach dem Rücksetzen des ent­sprechenden Steuersignals erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß dem Abblaseventil noch etwas Zeit gegeben wird, eine stationäre Lage einzunehmen. Besonders zweckmäßig ist ei­ne solche Einrichtung bei Kompressoren, bei denen das Ab­blaseventil bzw. seine Antriebseinheit Zeitverzögerungen enthalten. Aus technischen Gründen ist es z. B. möglich, daß das Abblaseventil nach Aufheben eines Schnellöff­nungsbefehls nicht unmittelbar in der dann eingenommenen Stellung verharrt, sondern aufgrund von Verzögerungsef­fekten noch ein wenig weiterläuft oder auch ein Ein­schwingverhalten in die neue Position zeigt. Ohne geeig­nete Gegenmaßnahme bestünde hier die Gefahr, daß bei einer unmittelbaren Rückschaltung von Nachführ- auf Re­gelbetrieb eine Umschaltung auf eine andere als die sta­tionäre neue Ventilstellung erfolgt. Durch die erfin­dungsgemäße Zeitverzögerung kann sichergestellt werden, daß das Abblaseventil zuvor seine stationäre Lage er­reicht hat und daß der Reglerausgang mit Sicherheit auf die richtige Ventilstellung nachgeführt wird.

[0014] Bei einer unzuverlässigen oder zu aufwendigen Ventilstel­lungsmessung kann die Stellung des Abblaseventils auch indirekt ermittelt werden. Hierzu ist vorgesehen, daß das Verhalten des Abblaseventils in einer Simulationsschal­tung nachgebildet wird, deren Eingangsgröße die jeweilige Stellgröße des Reglers ist und deren Ausgangsgröße eine berechnete Abblaseventilstellung ist.

[0015] Im folgenden wird das Verfahren anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Figur 1 ein schematisches Kennfeld-Diagramm eines Turbo­kompressors,

Figur 2a das Regelverhalten eines Reglers, der nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik arbeitet, als Funktion der Zeit,

Figur 2b das Regelverhalten eines Reglers, der nach der Erfindung arbeitet, ebenfalls als Funktion der Zeit und

Figur 3 ein Blockidagramm eines Turbokompressors mit Steuer- und Regelelementen zur Durchführung des Regelverfahrens.

[0016] Das in der Figur 1 dargestellte schematische Kennfeld-­Diagramm eines Turbokompressors besitzt als Abszisse den Durchfluß durch den Kompressor und als Ordinate den Förderdruck des Kompressors. Der jeweilige Arbeitspunkt des Kompressors ist also durch ein Wertepaar bestimmt, das aus dem momentanen Durchfluß und dem momentanen Förderdruck besteht, welche üblicherweise kontinuierlich durch geeignete Meßeinrichtungen erfaßt werden. Weiterhin zeigt das Diagramm in Figur 1 eine Schar von drei paral­lelen Kurven, von denen die linke die Pumpgrenze, die mittlere die Sicherheitslinie und die rechte die Abblase­linie darstellt. Die Pumpgrenze ist durch die technischen Eigenschaften des Kompressors festgelegt und wird übli­cherweise durch Versuche ermittelt. Die Sicherheitslinie verläuft parallel zur Pumpgrenze in einem festgelegten Abstand. Sobald der Arbeitspunkt diese Sicherheitslinie erreicht bzw. überschreitet, erfolgt zur Vermeidung eines Pumpens eine vollständige Öffnung des Abblaseventils mit maximaler Stellgeschwindigkeit. Die Abblaselinie ist die Linie, bei deren Erreichen durch den Regler ein geregel­tes Öffnen des Abblaseventils beginnt, um den Arbeits­punkt wieder in den Bereich rechts von der Abblaselinie, d. h. in den sicheren Arbeitsbereich des Kompressors, zurückzuführen. Dieser sichere Arbeitsbereich ist durch die Abblaselinie und die strichpunktierte Linie im Kenn­feld-Diagramm umgrenzt.

[0017] Die im Regelverfahren verwendete Regeldifferenz e ist definiert als Differenz zwischen dem Durchfluß-Sollwert w und dem Durchfluß-Istwert x, d. h. e = w - x. Ein nega­tives Vorzeichen der Regeldifferenz e bedeutet demnach, daß sich der Arbeitspunkt des Kompressors im sicheren Arbeitsbereich befindet, während ein positives Vorzeichen der Regeldifferenz e bedeutet, daß der Arbeitspunkt die Abblaselinie nach links, d. h. in Richtung auf die Pump­grenze zu überschritten hat. Überschreitet der Arbeits­punkt die Pumpgrenze, kommt es zu einem Pumpen des Kom­pressors, wodurch dieser erheblich beschädigt werden kann. Dieser Vorgang muß also durch das Regelverfahren so sicher wie möglich vermieden werden.

[0018] In den Figuren 2a und 2b ist das Regelverhalten eines Regelverfahrens nach dem Stand der Technik (Figur 2a) und nach dem neuen Verfahren (figur 2b) veranschaulicht. Die Diagramme in den Figuren 2a und 2b zeigen jeweils von unten nach oben in gleicher Zeitauflösung die dem Regler zugeführte Regeldifferenz e, die am Ausgang des Reglers erzeugte Regler-Stellgröße u und die Abblaseventil-Stel­lung y_a. Zum Zeitpunkt t = 0 s tritt eine Störung im Verbrauchernetz ein, das dem Turbokompressor nachgeschal­tet ist, was dazu führt, daß der Regler eingreift und das Abblaseventil in Öffnungsrichtung betätigt. Dies führt weiterhin dazu, daß eine von Null auf einen positiven Wert ansteigende Regeldifferenz e festgestellt wird. Dies bedeutet, daß sich der Arbeitspunkt im unzulässigen Kenn­feld-Bereich links von der Abblaselinie und rechts von der Sicherheitslinie befindet. Der Regler ändert entspre­chend seine Regler-Stellgröße u, wodurch das Abblaseven­til in Öffnungsrichtung betätigt wird. In der Darstellung entspricht der Wert "1" einem vollständig geschlossenen Abblaseventil und der Wert "0" einem vollständig geöffne­tem Abblaseventil.

[0019] Infolge der Öffnungsbewegung des Abblaseventils nimmt die Regeldifferenz e wieder ab, bis sie zum Zeitpunkt t_ü negativ wird und mit zunehmender Öffnung des Abblaseven­tils weiter in negativer Richtung läuft. Entsprechend steigt die Regler-Stellgröße u wieder an und die Bewegung des Abblaseventils wird umgekehrt. Für eine gewisse Zeit, d. h. bis zum Zeitpunkt t_r bleibt die Regeldifferenz e nun negativ und nähert sich dem Wert 0 an, d. h. der Arbeitspunkt liegt wieder im sicheren Kennfeldbereich rechts von der Abblaselinie. Hinter dem Zeitpunkt t_r kommt es jedoch zu einem neuen Überschreiten der Regel­differenz e über die Null-Linie zu positiven Werten hin, d. h. der Arbeitspunkt liegt wieder jenseits der Abblase­linie im unzulässigen Kennfeldbereich. Erst im Verlauf einer längeren Zeitspanne, beim dargestellten Beispiel mehr als 30 s, nähert sich die Regeldifferenz e von positiven Werten her wieder der Null-Linie, d. h. dem neuen stationären Betriebszustand an. Während dieser Zeit liegt der Arbeitspunkt jenseits der Abblaselinie, was in dem Diagramm der Regeldifferenz e in Figur 2a durch eine Schraffierung veranschaulicht ist. Hiermit einher gehen große, nur langsam abklingende Schwingungen der Regler-­Stellgröße u, wie aus dem zugehörigen Diagramm ersicht­lich ist. Diese Schwingung findet sich auch im Diagramm für die Abblaseventil-Stellung y_a wieder, d. h. das Ab­blaseventil bewegt sich mit abnehmender Amplitude abwech­selnd in Öffnungs- und in Schließrichtung. Während dieser Zeitspanne nach dem Zeitpunkt t_r besteht zum einen eine verminderte Sicherheit des Turbokompressors gegen Pumpen und zum anderen tritt ein periodisches Schwanken des Drucks im dem Kompressor nachgeschalteten Verbrauchernetz auf.

[0020] In Figur 2b ist das Verhalten einer Regelung nach der Erfindung in Reaktion auf eine identische Störung darge­stellt, bei welcher zunächst wieder der Regler das Ab­blaseventil in Öffnungsrichtung bewegt. Dies ist im obe­ren Diagramm der Figur 2b durch das Absinken des Wertes y_a erkennbar. Im Unterschied zum Verfahrensablauf gemäß Figur 2a wird hier jedoch während des Öffnens des Abbla­seventils die Regler-Stellgröße u stetig auf den aktuel­len Wert der Abblaseventil-Stellung y_a nachgeführt. Zum Zeitpunkt t_ü, zu welchem die Nachführung wieder außer Funktion tritt und der Regler wieder in Regelbetrieb übergeht, hat die Regler-Stellgröße u genau den zur in diesem Moment erreichten Abblaseventil-Stellung y_a pa­senden Wert. Dies hat zur Folge, daß der Übergang des Reglers vom Nachführ- zum Regelbetrieb sprung- und stoß­frei erfolgt, was anhand des mittleren Diagrammes der Figur 2b klar ersichtlich wird. Ein Schwingen der Stell­größe u tritt praktisch nicht mehr auf, wodurch, wie anhand der Regeldifferenz e erkennbar wird, ein Rück­schwingen in positive Werte der Regeldifferenz e, d. h. ein Rücklaufen des Arbeitspunktes in den unzulässigen Kennfeldbereich, vermieden wird. Die Regeldifferenz e nähert sich nun von negativen Werten her der Null-Linie, d. h. dem neuen stationären Betriebszustand an, was be­deutet, daß der Arbeitspunkt nach dem Zeitpunkt t_ü stets im sicheren Kennfeldbereich des Turbokompressors ver­bleibt. Eine Verminderung der Sicherheit vor einem Pumpen des Kompressors wird so ausgeschlossen. Eine weitere Folge ist, daß die Verstellung des Abblaseventils eben­falls keine störenden Schwingungen mehr aufweist, sondern eine stetige Annäherung an ihre dem neuen stationären Betriebszustand des Kompressors entsprechende Stellung zeigt.

[0021] Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Regelschemas für das Verfahren nach der Erfindung. Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Turbokompressor bezeichnet, der ansaugseitig an eine Saugleitung 10′ und druckseitig an eine Druckleitung 10 angeschlossen ist. Vor der Druckleitung 10 zweigt über ein Abblaseventil 21 eine Abblaseleitung 23 ab, die hier in die freie Atmosphäre mündet. In Strömungsrichtung der Druckleitung 10 gesehen ist hinter der Abzweigung zum Abblaseventil 21 eine Rückschlagklappe 3 eingesetzt. Hieran schließt sich im weiteren Verlauf der Druckleitung 10 das dem Turbokompressor 1 nachgeschaltete Verbraucher­netz an.

[0022] Ansaugseitig wird der Durchfluß durch die Ansaugleitung 10′ mittels einer Durchflußmessung FLOW 113 erfaßt; druckseitig wird der Förderdruck P₂ des Kompressors 1 mit­tels einer Druckmessung PRESS 122 erfaßt. Im Funktions­geber FNC 303 wird aus P₂ der Sollwert der Regelung gebildet, der hier der minimal zulässige Durchluß beim jeweiligen Förderdruck ist. Im Summierer SUM 305 wird die Regeldifferenz e gebildet, und zwar als Differenz aus Sollwert und Ansaugdurchfluß aus der Messung FLOW 113. Die Blöche FNC 303 und SUM 305 lassen sich damit zu einem Regeldifferenzerzeuger 4 zusammenfassen.

[0023] Die Blöcke GAI 308, ATT 309, NFI 310 und SUM 311 bilden zusammen einen Proportional-Integral-Regler 5 (PI-Reg­ler). Im Verstärker GAI 308 wird die Proportional-Ver­stärkung, im Abschwächer ATT 309 die Nachstellzeit des Reglers eingestellt. Der Block NFI 310 ist der Integrie­rer des Reglers 5; im Block SUM 311 werden der Proportional­teil und der Integralteil des Reglers 5 zueinander ad­diert. Die Funktion des Blockes SUM 334 wird später noch erläutert.

[0024] Eine Handverstellung des Abblaseventils 21 kann über die Blöcke KEY 320, NFI 321 und SUM 322 erfolgen, die zusam­men eine Handsteuerung 7 bilden. Im Integrierer NFI 321 wird der gewünschte Sollwert für das Abblaseventil einge­stellt. Ist dieser Sollwert größer als der aktuelle Reg­ lerausgang, d. h. dessen Stellgröße u, wird die Regeldif­ferenz e′ positiv. Die Maximalauswahl MAX 312 wählt den Maximalwert zwischen e und e′ aus. Je nach Größenverhält­nis von e und e′ wird der Reglerausgang, d. h. dessen Stellgröße u durch die Handsteuerung 7 oder den Regeldif­ferenzerzeuger 4 bestimmt.

[0025] Soweit wie bisher beschrieben, entspricht das dargestell­te Beispiel des Regelschemas dem bekannten Stand der Technik.

[0026] Die Blöche CON 315, CON 316 und REL 317 bilden eine Sicherheitslinie. Überschreitet das Ausgangssignal der Maximalauswahl MAX 312 einen in der Grenzwertstufe REL 317 eingestellten Grenzwert, schaltet der Ausgang der Grenzwertstufe auf den Wert 0 und fährt dadurch den Handsteuerungs-Sollwerte′ schlagartig auf 0 . Die Folge ist, daß das Abblaseventil mit maximaler Geschwindigkeit öffnet. Hat die Grenzwertstufe REL 317 wieder zurückge­schaltet, steigt der Handsteuerungs-Sollwert langsam wieder auf seinen Maximalwert an. Wichtig ist weiter, daß der Ausgang des Blocks REL 317 auch auf den Limitierer LIM 183 wirkt. Bei Überschreiten der Sicherheitslinie nimmt der Ausgang von REL 317 ein Signal an, das dazu führt, daß im Limitierer LIM 183 die Stellgröße u um 1 reduziert wird, d. h. einen Wert 0 oder kleiner annimmt. Dadurch öffnet das Abblaseventil mit maximaler Stellge­schwindigkeit.

[0027] Neu gegenüber dem Stand der Technik ist außerdem die Einbeziehung einer Nachführschaltung 9 in das Regel­schema. Die Nachführschaltung 9 wird hier gebildet aus den Blöcken CON 330, ABS 331, SUM 332, SUM 334 und AND 333. Im Block ABS 331 wird die Differenz zwischen der Stellgröße u des Ausgangs des Reglers 5 und der Stellung y_a des Abblaseventils 21 gebildet. Die Stellung des Ab­blaseventils 21 wird durch eine Stellungsmessung POS 164 erfaßt. Übersteigt die im Block ABS 331 gebildete Diffe­renz einen Betrag, der als Konstante im Block CON 330 festgelegt ist, steuert der Summierer SUM 332 ein nega­tives Signal aus. Dieses führt dazu, daß der im Regler 5 vorhandene Integrierer NFI 310, der als Nachführ-Inte­grierer ausgebildet ist, auf Nachführbetrieb umgeschaltet wird. Dies bedeutet, daß dieser Integrierer NFI 310 nicht mehr als normaler Integrierer arbeitet, sondern stets den Wert annimmt, der an seinem zweiten Eingang, d. h. an dem Ausgang des Summierers SUM 334 anliegt. Am Nachführein­gang des Integrierers NFI 310 liegt also die Differenz aus der Stellung y_a des Abblaseventils 21 und der mit dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers GAI 308 multiplizier­ten Regeldifferenz e bzw e′ an. Diese Nachführschaltung hat zur Folge, daß der Reglerausgang, d. h. dessen Stell­größe u, bei größeren Abweichungen zwischen Abblaseven­til-Stellung y_a und Stellgröße u am Reglerausgang stets auf die aktuelle Ventilstellung y_a gesetzt wird. Hinzu kommt, daß auch ein Schnellöffnungsbefehl der Sicherheits­steuerung 6 auf den Limitierer LIM 183 dazu führt, daß, wenn das Abblaseventil 21 öffnet, die Nachführschaltung 9 den Integralteil des PI-Reglers 5 auf die aktuelle Ven­tilstellung y_a nachfährt. Es kann also auf weitere Steu­ereingriffe in den Regler 5 verzichtet werden. Außerdem hat dieses Regelverfahren den Vorteil, daß der Regleraus­gang, d. h. dessen Stellgröße u bei Ansprechen der Si­cherheitssteuerung nicht ganz auf den Wert 0 gesetzt wird, sondern nur so weit sinkt, wie es der aktuellen Stellung y _a des Abblaseventils 21 entspricht. Würde z. B. ein Schnellöffnungssignal von der Sicherheitssteuerung 6 nur so lange anstehen, bis das Abblaseventil halb geöff­net ist, würde mit dem Verschwinden des Steuersignals der Sicherheitssteuerung 6 das Abblaseventil 21 in der halb geöffneten Stellung stehen bleiben und der PI-Regler aus dieser Stellung heraus die weitere Regelung sprung- und stoßfrei übernehmen, ohne daß weitere Steuerbefehle er­forderlich sind.

[0028] Bei Reglern, bei denen die Stellgröße u am Reglerausgang identisch ist mit dem Ausgangssignal des Integrierers, genügt es, den Integrierer auf die tatsächliche Ventil­stellung y_a nachzufahren. Eine von der Ventilstellung y_a abweichende Korrekturgröße ist nur dann erforderlich, wenn die Regler-Stellgröße u durch Addition aus verschie­denen Termen gebildet wird, z. B. aus dem Integralteil und dem Proportionalteil des vorangehend beschriebenen PI-Reglers.

[0029] Eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht gemäß dem Regelschema in Figur 3 aus einem Turbokompressor 1 mit einer Ansaugleitung 10′ und einer Druckleitung 10 mit Abblaseventil 21 und Rück­schlagklappe 3. In die Ansaugleitung 10′ ist ein Durch­flußmesser 11 und in die Druckleitung 10 ein Druckmesser 12 eingesetzt. Die Blöcke FNC 303 und SUM 305 sind zweck­mäßig als Schalteinheit zu dem Regeldifferenzerzeuger 4 zusammengefaßt. Dem nachgeschaltet ist das Maximalaus­wahlglied 81, das im Regelschema dem Block MAX 312 ent­spricht.

[0030] Weitere Schalteinheiten bilden zweckmäßig der Regler 5, die Sicherheitssteuerung 6, die Handsteuerung 7 und die Nachführschaltung 9 mit ihren bereits im einzelnen erläu­terten Schaltungsblöcken.

[0031] Die Verstellung des Abblaseventils 21 erfolgt, wie üb­lich, über einen Stellantrieb 22. Die aktuelle Stellung des Ventils 21 kann über einen Stellungsmelder 24, ent­sprechend dem Block POS 164 im Regelschema, erfolgen. Die letztgenannten Elemente 22 und 24 bilden zusammen mit dem Abblaseventil 21 und der Abblasleitung 23 eine Abblase­einheit 2.

[0032] Selbstverständlich kann das in Figur 3 gezeigte Regel­schema durch zusätzliche Elemente erweitert werden, z. B. Filter zur Verminderung des Rauschens der Meßwerte aus der Durchflußmessung FLOW 113 und der druckmessung PRESS 122.

Ansprüche

1. Regelverfahren zur Vermeidung des Pumpens eines Turbo­kompressors (1), wobei der den Arbeitspunkt des Kom­pressors (1) definierende Durchfluß und Förderdruck des Kompressors (1) kontinuierlich erfaßt werden und wobei ein Regler (5) zur Vermeidung des Pumpens vor Erreichen der Pumpgrenze bei Erreichen einer parallel zur Pumpgrenze verlaufenden Abblaselinie durch den Arbeitspunkt wenigstens ein Abblaseventil (21) gere­gelt öffnet,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer einen vorgebbaren Grenzwert übersteigenden Diskrepanz zwi­schen der Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) und der Stellgröße (u) des Reglers (5) die Stellgröße (u) des Reglers (5) durch eine Nachführschaltung (9) auf die jeweils aktuelle Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) nachgeführt wird.

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei manuell mittels einer eingangsseitig auf den Regler (5) wirkenden Handsteuerung (7) das Abblaseventil (21) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß während der den Reg­ler (5) umgehenden Verstellung des Abblaseventils (21) die Stellgröße (u) des Reglers (5) mittelbar durch Nachführen des Sollwertes der Handsteuerung (7) mit­tels einer Nachführschaltung (9) auf die aktuelle Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) nachgeführt wird.

3. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, in welchem mittels einer Sicherheitssteuerung (6) bei Erreichen einer zwischen Pumpgrenze und Abblaselinie verlaufen­den Sicherheitslinie durch den Arbeitspunkt das Abbla­seventil (21) mit maximaler Verstellgeschwindigkeit ganz oder teilweise geöffnet wird, dadurch gekenn­zeichnet, daß mit dem Auslösen der Sicherheitssteue­ rung auch das Nachführen der Stellgröße (u) der Regler (5) auf die jeweils aktuelle Stellung (y_a) des Abbla­seventils (21) ausgelöst wird.

4. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei als Regler (5) ein Proportional-Integral-Regler mit einem Proportional-Verstärker (GAI 308) und einem Nachführ-­Integrierer (NFI 310) verwendet wird, deren Ausgänge in einem Summierer (SUM 311) addiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrierer ein durch einen von der Nachführschaltung (9) erzeugten Steuerbefehl zwischen dem den Normalzustand darstellenden Integrie­ren mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten und einem praktisch verzögerungsfreien Nachführen seines Ausgan­ges umschaltbarer Nachführ-Integrierer (NFI 310) ver­wendet wird, wobei im Nachführfall dessen Ausgang auf die um das Produkt aus Regeldifferenz (e) und Verstär­kungsfaktor (K_p) des Proportionalteils des Reglers (5) verminderte Stellgröße (u) nachgeführt wird.

5. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Handsteuerung (7) ein durch einen von der Nachführschaltung (9) erzeugten Steuer­befehl zwischen dem Integrieren und dem Nachführen seines Ausganges auf einen der aktuellen Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) entsprechenden Wert umschalt­barer Nachführ-Integrierer (NFI 321) verwendet wird.

6. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachführschaltung (9) die Differenz zwischen der Stellgröße (u) am Ausgang des Reglers (5) und der Stellung (y_a) des Abblaseventils (21) gebildet wird, daß diese Differenz mit einem vorgebbarem Grenzwert verglichen wird und daß, solange ein Überschreiten des Grenzwertes durch diese Diffe­renz vorliegt, am Ausgang der Nachführschaltung (9) ein den nachgeschalteten Nachführ-Integrierer (NFI 310, NFI 321) des Reglers (5) oder der Handsteuerung (7) in den Status des Nachführens umschaltendes und in diesem Status haltendes logisches Steuersignal aus dem Vergleichsergebnis und dem Ausgangssignal der Sicher­heitssteuerung (6) durch eine logische UND-Operation erzeugt wird.

7. Regelverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­net, daß die Differenz vorzeichenabhängig mit je einem gesondert vorgebbaren Grenzwert verglichen wird.

8. Regelverfahren nach anspruch 6, dadurch gekennzeich­net, daß aus der Differenz deren Absolutwert gebildet und in den der Differenzbildung folgenden Verfahrens­schritten anstelle der Differenz selbst verwendet wird.

9. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten des Reglers (5) vom Nachführbetrieb in den Regelbetrieb mit einer vorgeb­baren zeitlichen Verzögerung nach dem Rücksetzen des entsprechenden Steuersignals erfolgt.

10. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhalten des Abblaseventils (21) in einer Simulationsschaltung nachgebildet wird, deren Eingangsgröße die jeweilige Stellgröße (u) des Reglers (5) ist und deren Ausgangsgröße eine berech­nete Abblaseventilstellung (y_a) ist.

Zeichnung