СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМПРЕССОРОМ Российский патент 2015 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к способу управления компрессором.

Компрессоры для обеспечения сжатого газа для промышленных целей обычно управляются посредством одной или нескольких характеристик. Из DE 19506790 А известен такой способ для управления компрессором, при котором посредством датчиков компрессора измеряются фактические значения компрессора, и из этих измеренных значений, а также заданного значения для пропускной способности (производительности) определяется изотропная работа компрессора, а также входной объемный расход. С применением сохраненной в компьютере характеристики оптимизированные по КПД значения регулирующего воздействия для угловых положений направляющего аппарата ступенчато регулируются при работе компрессора.

Из ЕР 1069314 А1 известно управление компрессором. Для этого в ЕР 1069314 А1 предлагается предоставлять заданное значение, например для массового расхода компрессора. Отсюда на основе двух характеристик компрессора определяются два значения регулирующего воздействия, например угол (направляющих лопаток) входного направляющего аппарата и значение регулирующего воздействия для хода клапана. Посредством этих обоих значений регулирующего воздействия в качестве заданных значений двух регуляторов осуществляется затем управление компрессором или регулировка угла входного направляющего аппарата и клапана компрессора.

Из US 2009/0274565 А1 известен способ управления компрессором, при котором определяются текущие измеренные значения для трех параметров компрессора. На основе трех характеристик компрессора - каждая характеристика описывает взаимосвязь двух из этих параметров - для текущих измеренных значений определяются рабочие точки компрессора.

Задачей настоящего изобретения является предоставить управление компрессором, с помощью которого достигается лучший КПД.

Эта задача решается в соответствии с изобретением признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения и преимущества изобретения вытекают из остальных пунктов формулы, чертежей и описания.

Изобретение исходит из способа управления компрессором. В соответствии с изобретением способ имеет следующие этапы:

а) обеспечение по меньшей мере одного заданного значения параметра компрессора,

b) определение по меньшей мере двух значений регулирующего воздействия по меньшей мере двух исполнительных элементов компрессора на основе заданного значения,

с) определение основанного на модели теоретического состояния компрессора на основе значений регулирующего воздействия,

d) итерационная коррекция по меньшей мере одного из значений регулирующего воздействия в зависимости от теоретического состояния,

е) управление по меньшей мере одним из исполнительных элементов на основе значения регулирующего воздействия.

Посредством соответствующего изобретению выполнения могут достигаться хороший КПД и большой рабочий диапазон компрессора. Кроме того, затраты на потребление энергии могут поддерживаться экономичным образом малыми.

В этой связи под «компрессором» следует понимать любой представляющийся понятным специалисту компрессор, как, например, с приводом от двигателя, в частности многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением и постоянным числом оборотов, и/или приводимый турбиной редукторный компрессор, или одновальный компрессор.

«Заданное значение» представляет здесь, в частности, требование по мощности, предъявляемое к компрессору, которое при определении значений регулирующего воздействия должно учитываться и, в частности, которого следует добиваться. Также является возможным, что заданное значение содержит дополнительное или другое требование, как, например, расстояние до границы помпажа, минимальная нагрузка отдельных компонентов редуктора, например, валов-шестерен компрессора, соблюдение границы поглощения (потока) отдельных ступеней компрессора, поддержание общей мощности компрессора ниже максимума мощности компрессора и/или другое требование, представляющееся специалисту целесообразным. Эти требования могут в управлении компрессором быть постоянно загруженными и/или подаваться извне. Заданное значение может задаваться от средства управления или вводиться обслуживающим персоналом и, таким образом, предоставляться в распоряжение, причем средство управления может быть частью компрессора или внешним средством.

Под «параметром» здесь, в частности, должны пониматься конечная температура, конечное давление, КПД, потребление энергии, объемный расход, массовый расход и, в частности, эффективный массовый расход и/или другой параметр, представляющийся специалисту целесообразным, и/или частное из абсолютного значения параметра и предельного значения такого параметра, причем «предельное значение» является максимальным или минимальным значением, при котором компрессор еще может надежным образом эксплуатироваться.

Значения регулирующего воздействия исполнительных элементов берутся рациональным образом из памяти данных, например из характеристики, или вычисляются. Они могут указывать, соответственно, состояние исполнительного элемента, например установку клапана или тому подобного, причем состояние, как правило, является не действительным состоянием соответствующего исполнительного элемента, а заданным состоянием, которое может получиться из указанного заданного значения.

Определение значений регулирующего воздействия на основе заданного значения осуществляется предпочтительным образом посредством управляющего блока, который для этого может применять любой способ определения или вычисления, рассматриваемый специалистом в качестве целесообразного, и/или алгоритм оптимизации, как, например, симплексный способ спуска, градиентный способ, квази-ньютонов способ и/или особенно предпочтительно численный способ последовательного квадратичного программирования. При этом подлежащее выдерживанию заданное значение в качестве вспомогательного условия вводится в способ. Определенные значения регулирующего воздействия передаются от управляющего блока на блок модели. В общем случае здесь также возможно определение более чем двух значений регулирующего воздействия более чем двух исполнительных элементов. Значения регулирующего воздействия и исполнительные элементы могут представлять собой различные или одинаковые параметры и, соответственно, различные или одинаково выполненные компоненты. Для простоты далее речь идет только о значениях регулирующего воздействия и исполнительных элементах. «Основанное на модели теоретическое состояние» представляет здесь, в частности, состояние, которое определяется на основе вычислительной модели блока модели и, в частности, на основе термодинамической модели.

Предпочтительным образом для определения теоретического состояния моделируется поведение компрессора. При этом блок модели вычисляет с помощью переданных значений регулирующего воздействия на основе термодинамической модели рациональным образом, каким было бы состояние компрессора, если бы эти значения регулирующего воздействия были установлены на исполнительных элементах и компрессор эксплуатировался бы с этими параметрами. Тем самым можно, независимо от непосредственных изменений на компрессоре, щадящим для приборов и надежным для процесса образом определить поведение компрессора. К тому же предпочтительным образом могут быть устранены колебания в производительности (количестве подаваемой массы) в процессе эксплуатации.

Кроме того, при определении теоретического состояния поведение компрессора в контуре регулирования поэтапно согласуется с заданным значением. В этой связи под «контуром регулирования», наряду со строго целенаправленным определением состояния, также понимается определение, которое осуществляется ненаправленно, и/или диффузно, и/или также «ложнокругом», и/или, в частности, численным способом последовательного квадратичного программирования. Контур регулирования находится предпочтительно между управляющим блоком и блоком модели. Если теперь, например, блок модели выдает информацию определенного теоретического состояния или ассоциированный параметр на управляющий блок, то последний определяет отсюда, при определенном отклонении параметра от заданного значения, обновленные значения регулирующего воздействия. Они снова будут выдавать на блок модели для повторного вычисления теоретического состояния поведение компрессора при новых условиях. При определении и модифицировании значений регулирующего воздействия на основе численного способа последовательного квадратичного программирования это осуществляется известным специалисту способом. Путем реализации контура регулирования может особенно просто и эффективно осуществляться точная настройка значений регулирующего воздействия.

Предпочтительным образом по меньшей мере один из исполнительных элементов только тогда регулируется с помощью значения регулирующего воздействия, когда соответствующий значению регулирующего воздействия параметр теоретического состояния достигает заданной близости с заданным значением. При этом под выражением «заданная близость с заданным значением» должно, в частности, пониматься то, что в управляющем блоке сохранено или может быть им определено значение, которое устанавливает допустимую меру отклонения параметра от заданного значения и/или представляет условие выхода из цикла, которое относится к скорости снижения функции оптимизации способа. Специалист рациональным образом выбирает значение заданной близости согласованно со способом и/или параметрами применяемого компрессора. Тем самым неблагоприятный или даже вредный режим работы компрессора может предотвращаться при сбережении ресурсов.

В другом выполнении изобретения предусмотрено, что в определение основанного на модели теоретического состояния входит по меньшей мере одно фактическое значение состояния компрессора. В этой связи под «фактическим значением состояния компрессора» должно пониматься, в частности, измеренное, и/или мгновенное, или фактическое значение состояния компрессора, например давление, объемный расход, температура и/или другой параметр состояния, представляющийся специалисту целесообразным, который находится во временном окне менее 60 секунд, предпочтительно менее 30 секунд и особенно предпочтительно менее 10 секунд от момента времени определения. Предпочтительным образом одна и особенно предпочтительно по меньшей мере две температуры входят в вычисление или в термодинамическую модель, в особенности входная температура или измеренная температура всасывания компрессора или первой ступени компрессора, и измеренная температура противоточного (обратного) охлаждения компрессора или первой ступени, которая соответствует температуре всасывания по меньшей мере одной второй ступени компрессора. За счет определения состояния на основе фактического значения, и в особенности на основе температуры, состояние может определяться особенно просто и без высоких затрат.

Кроме того, предлагается, что определенное, основанное на модели теоретическое состояние на основе по меньшей мере одного дополнительного фактического значения состояния компрессора корректируется. Это дополнительное фактическое значение предпочтительным образом представляет собой по меньшей мере давление и/или объемный расход и, в частности, измеренное давление всасывания первой ступени и/или второй ступени и/или измеренное промежуточное давление и/или измеренный объемный расход. В принципе, было бы возможно также любое другое фактическое значение, представляющееся применимым специалисту. Предпочтительным образом термодинамическая модель непрерывно корректирует определение теоретического состояния посредством этих дополнительных измеряемых фактических значений, благодаря чему реальное фактическое состояние компрессора по возможности актуально и точно включается в прогноз состояния. Тем самым можно особенно точно реализовать согласованное с фактическим состоянием компрессора управление компрессором.

Кроме того, может быть выгодным, если при наличии по меньшей мере одного предопределенного состояния по меньшей мере одного из исполнительных элементов, при обходе основанной на модели коррекции, выполнять управление непосредственно с помощью по меньшей мере одного нескорректированного значения регулирующего воздействия. В этой связи под «предопределенным состоянием» должно пониматься, в частности, состояние компрессора, при котором определение теоретического состояния посредством блока модели или термодинамической модели продолжалось бы слишком долго, как, например, динамическое изменение конечного давления компрессора и/или быстрое повышение заданного значения. Под «нескорректированным значением регулирующего воздействия» должно здесь пониматься, в частности, значение регулирующего воздействия, которое определялось независимо от термодинамической модели. Нескорректированное значение регулирующего воздействия может быть независимым от заданного значения. Посредством соответствующего изобретению выполнения может обеспечиваться особенно надежное и безопасное управление компрессором.

Кроме того, предлагается, что предопределенное состояние является критическим состоянием компрессора, который посредством прямого управления по меньшей мере одним из исполнительных элементов переводится в некритическое состояние. В этой связи под «критическим состоянием» должно пониматься, в частности, состояние, при котором компрессор эксплуатируется выше предопределенной границы нагрузки и/или в этом режиме существует опасность повреждения компрессора и/или отдельных ступеней компрессора. Как следствие, «некритическим состоянием» является состояние, при котором компрессор работает ниже границы нагрузки. В особенности при критическом состоянии значения регулирующего воздействия, определенные из заданного значения, или определенное значение регулирующего воздействия не согласовано с фактическим состоянием компрессора или не удовлетворяет фактическому состоянию. Под «прямым управлением» здесь должно пониматься, в частности, прямое управление без промежуточного определения теоретического состояния. Посредством прямого управления может быть реализовано надежное в работе управление и, тем самым, предпочтительно осуществляется надежное управление компрессором.

Предпочтительный вариант осуществления состоит в том, что по меньшей мере одно значение регулирующего воздействия, скорректированное в зависимости от теоретического состояния, и по меньшей мере одно нескорректированное значение регулирующего воздействия подключены через по меньшей мере один блок сравнения. Блок сравнения получает меньшей мере одно скорректированное значение регулирующего воздействия от управляющего блока и меньшей мере одно нескорректированное значение регулирующего воздействия от предохранительного устройства как, например, регулятора границы помпажа. С помощью блока сравнения можно конструктивно просто реализовать решение о прямом управлении нагружаемого исполнительного элемента.

Кроме того, предложено, что с помощью меньшей мере одного из нескорректированных значений регулирующего воздействия управляется по меньшей мере один клапан. Клапан предпочтительно представляет собой клапан пропорционального регулирования и особенно предпочтительно регулировочный клапан. С помощью клапана можно быстро и конструктивно просто осуществить перевод из критического состояния в некритическое состояние.

Кроме того, предложено, что предопределенное состояние включает в себя изменение заданного значения выше установленного градиента заданного значения. При этом под «изменением заданного значения выше установленного градиента заданного значения» должно, в частности, пониматься, что временное изменение заданного значения и/или фактического значения происходит так быстро, что определение значений регулирующего воздействия на основе заданного значения посредством алгоритма оптимизации не может или не в состоянии достаточно быстро отреагировать на это изменение. Это значение зависит от скорости обработки управляющего блока и составляет, например, 0,5%/с. Тем самым может гарантироваться, что только при весомых изменениях заданного значения инициируется обход основанной на модели коррекции.

Кроме того, является предпочтительным, если прямое управление по меньшей мере одним из исполнительных элементов осуществляет более быструю настройку фактического значения компрессора на заданное значение посредством основанной на модели коррекции. Фактическое значение предпочтительно является конечным давлением компрессора, но в принципе может быть любым другим фактическим значением, рассматриваемым специалистом как возможное для применения. Это прямое управление осуществляется посредством управляющего блока и на основе по меньшей мере одного определенного там нескорректированного значения регулирующего воздействия. Тем самым может предоставляться режим управления, который работает независимо от вычисления на модели и таким образом с упреждением воспроизводит предварительное еще нескорректированное значение регулирующего воздействия, чтобы быстро настроить состояние компрессора на новое заданное значение и таким образом улучшить рабочий результат компрессора.

Рациональным образом компрессор регулируется, и заданное значение применяется в качестве параметра регулирования. При этом регулирование предпочтительно осуществляется посредством регулятора процесса, такого как, например, регулятор конечного давления, и/или любого другого регулятора, представляющегося целесообразным специалисту. Посредством соответствующего изобретению выполнения управление компрессором может осуществляться особенно просто.

Кроме того, предложено, что значение регулирующего воздействия является по меньшей мере одним углом установки по меньшей мере одного направляющего аппарата компрессора и/или установкой (положения) клапана. При этом предпочтительно более одного или несколько направляющих аппаратов нагружаются значением регулирующего воздействия или несколькими значениями регулирующего воздействия, причем каждый направляющий аппарат может управляться с тем же или с различными значениями регулирующего воздействия. В принципе, одна группа направляющих аппаратов может также нагружаться тем же самым значением регулирующего воздействия, а вторая группа направляющих аппаратов - другим значением регулирующего воздействия. Особенно предпочтительно в компрессоре с более чем двумя ступенями каждый направляющий аппарат каждой одной ступени нагружается значением регулирующего воздействия, которое отличается от другого значения регулирующего воздействия другого направляющего аппарата. При этом предпочтительно число направляющих аппаратов может быть меньше или равно числу ступеней компрессора. Посредством регулировки направляющих аппаратов может конструктивно просто изменяться свободное сечение компрессора и/или с течением флюида в компрессоре согласовываться закрутка потока, за счет чего перемещаемое количество флюида компрессора может предпочтительно модулироваться. Кроме того, давление и/или расход флюида в компрессоре могут быстро и конструктивно просто изменяться посредством клапана.

В принципе также возможно варьировать число оборотов компрессора. Для этого согласованные таблицы значений характеристик должны загружаться в блок модели. Тем самым, например, в двухступенчатом компрессоре могли бы быть реализованы три степени свободы, что предпочтительным образом повышает возможности варьирования.

Таким образом, является предпочтительным, если значение регулирующего воздействия представляет собой положение клапана и/или число оборотов компрессора. Следовательно, может быть предпочтительным, если значение регулирующего воздействия является по меньшей мере одним углом установки по меньшей мере одного направляющего аппарата компрессора, и/или числом оборотов компрессора, и/или положением клапана. Если теперь предусмотрено множество направляющих аппаратов, предпочтительно в соответствии с числом ступеней компрессора, то может быть предпочтительным, если значения регулирующего воздействия представляют собой множество углов установки (α_n) множества направляющих аппаратов компрессора, и/или число оборотов компрессора, и/или положение клапана.

Другое выполнение изобретения предусматривает, что состав газа измеряется и учитывается при определении основанного на модели теоретического состояния, благодаря чему определение или термодинамическая модель посредством использования уравнения реального газа может приспосабливаться к режиму работы с неидеальным газом или с применяемым газом. В принципе также было бы возможно введение в управляющий блок состава газа на основе численных значений, которые блоком модели включаются в определение, и/или при наличии по меньшей мере одного постоянного поля данных компрессора было бы возможно определение состава газа на основе по меньшей мере одного фактического значения или на основе измеренных параметров измерения и соотношений давлений (степеней сжатия), которые создают ступени.

Изобретение также относится к компрессору с управляющим блоком и блоком модели.

Предложено, что управляющий блок предусмотрен для того, чтобы определять по меньшей мере два значения регулирующего воздействия по меньшей мере двух исполнительных элементов компрессора на основе переданного значения регулирующего воздействия параметра компрессора, и блок модели предусмотрен для того, чтобы определять основанное на модели теоретическое состояние компрессора на основе значений регулирующего воздействия, и управляющий блок предусмотрен для того, чтобы по меньшей мере одно из значений регулирующего воздействия корректировать в зависимости от теоретического состояния и по меньшей мере одним из исполнительных элементов управлять на основе значения регулирующего воздействия. Посредством такого выполнения может быть реализован оптимальный КПД компрессора, равносильный минимальному потреблению энергии.

К тому же было бы возможно согласовать определение основанного на модели теоретического состояния или термодинамическую модель с политропной гидродинамической работой и/или политропным КПД известным специалисту способом.

Изобретение поясняется более подробно на примере выполнения, который изображен на чертеже.

На чертеже показано схематичное представление компрессора 10 в форме двухступенчатого приводимого двигателем редукторного компрессора с соответствующим изобретению управлением. Компрессор 10 имеет множество Z или первую ступень 64 и вторую ступень 66, после которых подключен, соответственно, теплообменник 68, например, для промежуточного охлаждения. Кроме того, на каждой ступени 64, 66 размещен исполнительный элемент 22, 24 в форме направляющего аппарата 56, 58, посредством которых может изменяться или устанавливаться угол установки α₁, α₂ лопаток направляющих аппаратов 56, 58. Таким образом, множество Z ступеней соответствует множеству Z направляющих аппаратов 56, 58. За теплообменником 68 второй ступени 66 в процессе в направлении 70 потока не показанного здесь рабочего флюида, например газа, включен клапан 52 в форме регулировочного клапана 72, посредством положения β которого может устанавливаться выпуск флюида.

К тому же в конце цепи 74 компрессора расположен обратный клапан 76, который отделяет компрессор 10 от другой не показанной здесь системы. Перед и при пуске компрессора 10 клапан 52 открыт, и флюид может вытекать, из-за чего в компрессоре 10 устанавливается пониженное давление. Если теперь в остальной системе приложено давление, которое превышает давление компрессора 10, обратный клапан 76 удерживается замкнутым. Если теперь давление в компрессоре 10 из-за работы с полной нагрузкой компрессора 10 и замыкания клапана 52 возрастает, и давление превышает характеристику обратного клапана 76, последний открывается, и флюид может вытекать.

Кроме того, в цепи компрессора расположены измерительные элементы 78, например, в форме измерительных датчиков температуры, передатчиков давления и передатчиков расхода, для измерения фактических значений 32, 34, 36, 38, 40, 42, 54 на цепи 74 компрессора. При этом в направлении 70 потока перед первой ступенью 64 определяются фактическое значение температуры Т₁ всасывания, фактическое значение 36 давления всасывания р₁ и фактическое значение 38 объемного расхода $$\dot{V}$$ со стороны всасывания. Перед второй ступенью 66 измеряются фактическое значение 34 температуры Т₂ всасывания и фактическое значение 40 давления всасывания р₂. Кроме того, после второй ступени 66 и перед обратным клапаном 76 определяется фактическое значение 42 промежуточного давления p_zw и после обратного клапана 76 - фактическое значение 54 конечного давления p_End.

К тому же компрессор 10 имеет управляющий блок 60 и блок 62 модели, который реализует способ управления компрессора 10. При этом заданное значение 12 параметра 14 компрессора 10, например массовый расход $$\dot{m}$$ и, тем самым, $${\dot{m}}_{soll}$$ , передается на управляющий блок 60. Это осуществляется регулятором 80 процесса в форме регулятора конечного давления, который вычислил заданное значение 12 из поданного на него фактического значения 54 конечного давления p_End, посредством чего компрессор 10 регулируется, и заданное значение 12 применяется в качестве параметра регулирования. К тому же регулятор 80 процесса получает от управляющего блока 60 максимальное значение 82 параметра 14, в данном случае $${\dot{m}}_{\max }$$ . Если заданное значение 12 лежит выше максимального значения 82, то последнее выдается в управляющий блок 60 в качестве заданного значения 12.

Управляющий блок 60 определяет теперь три значения 16, 18, 20 регулирующего воздействия исполнительных элементов 22, 24, 26 или направляющих аппаратов 56, 58 и клапана 52 компрессора 10 на основе заданного значения 12. Это определение осуществляется известным специалисту способом на основе загруженного в управляющий блок 60 численного алгоритма в форме последовательного квадратичного программирования. Эти три определенных значения 16, 18, 20 регулирующего воздействия теперь передаются на блок 62 модели, который на основе значений 16, 18, 20 регулирующего воздействия определяет основанное на модели теоретическое состояние компрессора 10, причем для определения теоретического состояния моделируется поведение компрессора 10 (модель вычисления см. ниже).

Это основанное на модели теоретическое состояние или ассоциированные с ней предсказанные параметры 30, например КПД η, потребление энергии Р, расстояние до границы помпажа S_PG или массовый расход $$\dot{m}$$ , выдаются в управляющий блок 60. При этом только один параметр 30 или предпочтительно несколько различных параметров 30 могут выдаваться в управляющий блок 60, для простоты здесь обсуждается только один параметр 30. Управляющий блок 60 сравнивает параметр 30 или определенный массовый расход $$\dot{m}$$ с заданным значением 12 и корректирует, при отклонении значений друг от друга на основе численного способа, значения 16, 18, 20 регулирующего воздействия в зависимости от теоретического состояния. Кроме того, он сравнивает параметр 30 с другими требованиями, такими как расстояние до границы помпажа S_PG, минимальная нагрузка отдельных валов-шестерней компрессора 10, соблюдение границы поглощения (приема) ступеней 64, 66, поддержание общей мощности компрессора 10 ниже максимума мощности компрессора 10, и согласует с ними при необходимости значения 16, 18, 20 регулирующего воздействия. Эти требования могут быть загружены в управляющий блок 60 и/или подаваться извне. Скорректированные значения 16, 18, 20 регулирующего воздействия вновь подаются для определения основанного на модели теоретического состояния на блок 62 модели. Тем самым поведение компрессора 10 как в контуре регулирования 28 между управляющим блоком 60 и блоком 62 модели поэтапно регулируется до заданного значения 12.

Управление исполнительными элементами 22, 24, 26 на основе скорректированных в зависимости от теоретического состояния значений 16, 18, 20 регулирующего воздействия осуществляется только тогда, когда соответствующий заданному значению 12 параметр 30 теоретического состояния достигает заданной близости с заданным значением 12. При этом заданные значения 16, 18 представляют собой углы установки α₁, α₂ лопаток направляющих аппаратов 56, 58 компрессора 10 и заданное значение положения β клапана 52.

Управление осуществляется, таким образом, через взаимодействие термодинамической модели и численного алгоритма. Также во время работы компрессора 10 постоянно посредством вариаций трех значений 16, 18, 20 регулирующего воздействия или α₁, α₂ и β посредством управляющего блока 60 на термодинамическую модель или блок 62 модели посылаются сценарии.

Термодинамическая модель определяет и выдает затем назад, какое теоретическое состояние, например, относительно массового расхода $$\dot{m}$$ , КПД η или потребления энергии Р, должно было бы устанавливаться при применении этих значений 16, 18, 20 регулирующего воздействия. Тем самым может определяться, как при сохранении общей поставляемой массы эти три значения 16, 18, 20 регулирующего воздействия должны изменяться, чтобы, например, потребление энергии Р было по возможности малым.

Термодинамическая модель определяет эффективно переносимый массовый расход $$$$ $${\dot{m}}_{efff}$$ . Для этого необходимы следующие предварительные условия:

молярная масса переносимого флюида, а также число оборотов компрессора 10 принимаются в качестве постоянных. Общее повышение давления $${\pi }_{ges}$$ компрессора 10 составляется из отношений давлений $${\pi }_1,{\pi }_2$$ отдельных ступеней 64, 66 и определяется согласно формуле:

$${\pi }_{ges}={\displaystyle \prod _{i=1}^n{\pi }_i}$$

При этом разделение на отдельные ступени 64, 66 следует определять таким образом, что приводная мощность принимает минимальное значение. Общее потребление энергии Р компрессора 10 определяется из

$$P_{k,Stufe}=\frac{e_s}{{\eta }_{k,s}}m$$

причем e_s является удельной изотропной работой потока. В КПД η_k,s входят потери изотропного изменения состояния, другие потери течения и механические потери, например, редуктора. Удельная изотропная работа течения может описываться как e_si=f(α_i, φ_i) и КПД как η_s,ki=f(α_i, φ_i). Коэффициент расхода φ при постоянном числе оборотов пропорционален объемному расходу $$\dot{V}$$ со стороны всасывания, откуда получается $$e_{s1}=f({\alpha }_1,{\dot{V}}_1)$$ и $${\eta }_{s,ki}=f({\alpha }_1,{\dot{V}}_1)$$ . Эти функциональные взаимосвязи отдельных ступеней 64, 66 как заранее вычисленные и экспериментально скорректированные значения сохраняются в двумерных таблицах значений. В принципе эти таблицы могли бы также в способе изменяться или улучшаться.

Для определения потребления энергии Р нужно теперь вычислить эффективный массовый расход $$$$ $${\dot{m}}_{efff}$$ . Он определяется из соотношения $${\dot{m}}_{efff}$$ =f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, p_zw, β). Оно может быть выведено следующим образом:

давление р₂ всасывания второй ступени 66 зависит от давления р₁ всасывания и отношения π₁ давлений первой ступени 64:

p₂=p₁π₁, причем $${\pi }_1={\left[1+\frac{e_{s1}}{\frac{\kappa }{\kappa -1}R{T}_1}\right]}^{\frac{\kappa }{\kappa -1}}$$ и $$e_{s1}=f({\alpha }_1,{\varphi }_1)$$ .

По смыслу, для промежуточного давления p_zw получается, что оно зависит от давления р₂ всасывания и отношения π₂ давлений второй ступени 66:

P_zw=p₂π₂,

причем $${\pi }_2={\left[1+\frac{e_{s2}}{\frac{\kappa }{\kappa -1}R{T}_2}\right]}^{\frac{\kappa }{\kappa -1}}$$ и $$e_{s2}=f({\alpha }_2,p_2)=f({\alpha }_2,{\dot{V}}_2),{\dot{V}}_2\approx \frac{p_1{T}_2}{p_2{T}_1}$$ .

Отсюда может быть обобщено, что

p_zw=f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, $${\dot{V}}_1$$ ).

Если теперь компрессор 10 нагнетает некоторый объем напорной стороны, то давление в этом объеме изменяется, если сохраняется баланс подводимой и/или отводимой массы. Промежуточное давление p_zw компрессора 10 получается путем интегрирования баланса массового расхода, откуда получается:

$$$$ $$\dot{m}$$ =f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, p_zw).

Если теперь рассматривать массовый расход $$$$ $$\dot{m}$$ после обратного клапана 76, то может учитываться положение β и, тем самым, отводимое и/или выпускаемое количество флюида, и получается:

$$$$ $${\dot{m}}_{efff}$$ =f(p₁, T₁, T₂, α₁, α₂, p_zw, β).

На значения 16, 18, 20 регулирующего воздействия углов установки α₁, α₂ или положения β исполнительных элементов 22, 24, 26 может оказываться воздействие. T₁, T₂, p₁ и p_zw представляют возмущающие воздействия, которые зависят от внешних краевых условий. Давление p₁ всасывания может, как правило, приниматься постоянным. Промежуточное давление p_zw может определяться посредством описанной выше вычисляемой зависимости от других значений. Таким образом, в определение основанного на модели теоретического состояния входят два фактических значения 32, 34 состояния компрессора 10 или измеренные температуры T₁, T₂ всасывания обеих ступеней 64, 66. Модель может исключительно при знании этих обоих фактических значений 32, 34 определить основанное на модели теоретическое состояние. Однако, кроме того, определенное, основанное на модели теоретическое состояние корректируется на основе других фактических значений 36, 38, 40, 42 состояния компрессора 10 или на основе измеренных давлений p₁, р₂ всасывания, измеренного промежуточного давления p_zw и измеренного объемного расхода $$\dot{V}$$ .

Кроме того, компрессор 10 имеет предохранительное устройство 84 в форме регулятора 86 границы помпажа. Регулятор 86 границы помпажа постоянно определяет, выдерживается ли расстояние до границы S_PG помпажа. Для этого он получает от блока 60 модели теоретически определенный там параметр 30 расстояния до границы S_PG помпажа и сравнивает его с заданным значением 88, сохраненным в регуляторе 86 границы помпажа. Если параметр 30 приближается к диапазону, например, с 7%-10% отклонением от заданного значения 88 или снижается от него, что в обоих случаях может возникать, например, при динамическом изменении давления в компрессоре 10, то регулятор 86 границы помпажа активируется. Он определяет тогда на основе PI-алгоритма нескорректированное значение 48 регулирующего воздействия или положение β клапана 52, при которых, соответственно, должно выдерживаться расстояние до границы S_PG помпажа. Это нескорректированное значение 48 регулирующего воздействия подается на блок 50 сравнения, который к тому же получает скорректированное в зависимости от теоретического состояния значение 20 регулирующего воздействия от управляющего блока 60. Блок 50 сравнения определяет посредством сравнения значений 20, 48 регулирующего воздействия, какое значение регулирующего воздействия способствует большему открытому положению клапана 52, и направляет это определенное таким образом значение 20, 48 регулирующего воздействия на клапан 52 для его регулирования. При вмешательстве регулятора 86 границы помпажа это является, например, нескорректированным значением 48 регулирующего воздействия.

Таким образом, при наличии предопределенного состояния, такого как критическое состояние быстрого изменения давления в компрессоре 10, исполнительный элемент 26 или клапан 52 в обход основанной на модели коррекции управляется непосредственно с помощью нескорректированного значения 48 регулирующего воздействия, за счет чего компрессор 10 переводится в некритичное состояние и не эксплуатируется при своей границе нагрузки. Регулятор 86 границы помпажа вновь выводится из взаимодействия, если термодинамическая модель посредством настройки своего предсказания отреагировала на изменение давления.

Во время работы компрессора 10 на основе теоретического определения значений 16, 18, 20 регулирующего воздействия от блока 50 сравнения на клапан 52 выдается значение 20 регулирующего воздействия. При этом результирующее управляющее значение β_ist для положения β клапана 52 передается на регулятор 86 границы помпажа, так что последний может подстраиваться согласно этому фактическому управляющему значению β_ist.

Термодинамическая модель имеет, таким образом, две функции: с одной стороны, функцию теоретического предсказания состояния на основе вычисления с принятыми значениями 16, 18, 20 регулирующего воздействия, а с другой стороны, функцию регулирования компрессора 10 посредством регулятора 86 границы помпажа.

Также, при возникновении предопределенного состояния в форме изменения заданного значения 12 выше установленного градиента заданного значения, исполнительные элементы 22, 24, 26 в обход основанной на модели коррекции управляются непосредственно с помощью нескорректированных значений 44, 46, 48 регулирующего воздействия. При этом данное прямое управление исполнительными элементами 22, 24, 26 обуславливает более быструю настройку фактических значений 34, 40, 42, 54 компрессора 10 на заданное значение 12, чем в случае основанной на модели коррекции. Управляющий блок 60 определяет также при большом скачке заданного значения 12 во время вычисления на модели блока 62 модели на основе линеаризации, каким образом должны были бы изменяться исполнительные элементы 22, 24, 26, чтобы принимать во внимание измененное заданное значение 12.

Индикация релевантных значений регулирующего воздействия, фактических значений, заданных значений, указаний об отличии этих значений от значений, которые были бы достигнуты без основанной на модели коррекции, и/или суммирования, например, экономии энергии, может обеспечиваться не показанным здесь блоком индикации для обслуживающего персонала косвенным образом через управление компрессором, в чем выгодным образом могут усматриваться преимущества системы.

Кроме того, в дополнение к значениям 16, 18, 20 регулирующего воздействия также может определяться, корректироваться и устанавливаться значение 90 регулирующего воздействия в форме числа оборотов n показанного здесь только пунктиром исполнительного элемента 94 в форме двигателя 96. Также здесь, при наличии предопределенного состояния исполнительного элемента 94 при обходе основанной на модели коррекции, может выполняться управление непосредственно с помощью нескорректированного значения 92 регулирующего воздействия. Альтернативно и/или дополнительно может также устанавливаться число оборотов турбины.

Кроме того, при работе компрессора 10 с изменяемым составом газа G последний может измеряться с помощью показанного на чертеже только пунктиром измерительного элемента 78 и учитываться при определении основанного на модели теоретического состояния.

В качестве альтернативы также можно отказаться от регулятора 80 процесса, причем здесь заданное значение 12 иначе может подаваться на систему извне. Кроме того, в альтернативном выполнении можно также отказаться от регулятора 86 границы помпажа и блока 50 сравнения, если вычисление оптимизированных значений 16, 18, 20 регулирующего воздействия осуществляется достаточно быстро, чтобы самостоятельно адекватно реагировать при неожиданных изменениях процесса.

Пример выполнения описывает способ на примере двухступенчатого компрессора с изменением внутреннего состояния давления. В принципе модель может применяться к любому многоступенчатому компрессору. В термодинамической модели можно также, вместо изотропных работ потока или КПД, учитывать политропные величины. Кроме того, могут также применяться другие представления характеристики компрессора, которые обеспечивают возможность вычисления мощности и подаваемой массы на основе заданных входных параметров.

Изобретение относится к способу управления компрессором. Способ содержит следующие этапы: а) передача по меньшей мере одного заданного значения параметра компрессора, b) определение по меньшей мере двух значений регулирующего воздействия по меньшей мере двух исполнительных элементов компрессора на основе заданного значения, с) определение основанного на модели теоретического состояния компрессора на основе значений регулирующего воздействия, d) итерационная коррекция по меньшей мере одного из значений регулирующего воздействия в зависимости от теоретического состояния, е) управление по меньшей мере одним из исполнительных элементов на основе значения регулирующего воздействия. Изобретение направлено на повышение КПД. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления компрессором (10), содержащий следующие этапы:
a) обеспечение по меньшей мере одного заданного значения (12) параметра (14) компрессора (10),
b) определение по меньшей мере двух значений (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия по меньшей мере двух исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) компрессора (10) на основе предоставленного заданного значения (12) из характеристики компрессора (10),
c) определение основанного на модели теоретического состояния компрессора (10) на основе значений (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия с применением модели состояния компрессора (10), причем основанное на модели теоретическое состояние компрессора (10) описывается по меньшей мере одним, основанным на модели теоретическим заданным значением параметра (14) компрессора (10),
d) определение по меньшей мере двух скорректированных значений (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия по меньшей мере двух исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) на основе основанного на модели теоретического заданного значения из характеристики компрессора (10),
e) итерационная коррекция путем итерационного повторения этапов (с) и (d) до тех пор, пока определенное в соответствующей итерации, основанное на модели теоретическое заданное значение не будет иметь определенную близость к предоставленному заданному значению (12),
f) управление по меньшей мере одним из исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) в зависимости от скорректированного в последней итерации значения (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия этого исполнительного элемента (22, 24, 26, 94).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения теоретического состояния моделируется поведение компрессора (10), при этом поведение в контуре (28) регулирования поэтапно согласуется с предоставленным заданным значением (12).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) только тогда регулируется с помощью значения (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия, когда определенное в соответствующей итерации, основанное на модели теоретическое заданное значение не достигнет определенной близости к предоставленному заданному значению (12).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в определение основанного на модели теоретического состояния входит по меньшей мере одно фактическое значение (32, 34) состояния компрессора (10).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что определенное, основанное на модели теоретическое состояние на основе по меньшей мере одного дополнительного фактического значения (36, 38, 40, 42) состояния компрессора (10) корректируется.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при наличии по меньшей мере одного предопределенного состояния по меньшей мере одного из исполнительных элементов (22, 24, 26, 94), при обходе основанной на модели коррекции, управление выполняется непосредственно с помощью по меньшей мере одного нескорректированного значения (44, 46, 48, 92) регулирующего воздействия.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что предопределенное состояние является критическим состоянием компрессора (10), который посредством прямого управления по меньшей мере одним из исполнительных элементов (26) переводится в некритическое состояние.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что по меньшей мере одно значение (20) регулирующего воздействия, скорректированное в зависимости от теоретического состояния, и по меньшей мере одно нескорректированное значение (48) регулирующего воздействия подключены через по меньшей мере один блок (50) сравнения.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что с помощью меньшей мере одного из нескорректированных значений (48) регулирующего воздействия управляется по меньшей мере один клапан (52).

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что предопределенное состояние включает в себя изменение предоставленного заданного значения (12) выше установленного градиента заданного значения и прямое управление по меньшей мере одним из исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) осуществляет более быструю настройку фактического значения (34, 40, 54) компрессора (10) на предоставленное заданное значение (12), чем посредством основанной на модели коррекции.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что компрессор (10) регулируется, и предоставленное заданное значение (12) применяется в качестве параметра регулирования.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение (16, 18, 20) регулирующего воздействия является по меньшей мере одним углом (α₁, α₂) установки по меньшей мере одного направляющего аппарата (56, 58) компрессора и/или положением (β) клапана.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия представляют собой множество (Z) углов установки (α₁, α₂) множества (Z) направляющих аппаратов (56, 58) компрессора (10), и/или число оборотов (n) компрессора (10), и/или положение (β) клапана (52).

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении основанного на модели теоретического состояния измеряется и учитывается состав (G) газа.

15. Компрессор с управляющим блоком (60) и блоком (62) модели, отличающийся тем, что
управляющий блок (60) предусмотрен для того, чтобы определять по меньшей мере два значения (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия по меньшей мере двух исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) компрессора (10) на основе переданного заданного значения (12) параметра (14) компрессора (10) из характеристики компрессора (10) или по меньшей мере два скорректированных значения (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия по меньшей мере двух исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) на основе основанного на модели теоретического заданного значения из характеристики компрессора (10),
блок (62) модели предусмотрен для того, чтобы определять основанное на модели теоретическое состояние компрессора (10) на основе значений (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия или скорректированных значений (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия с применением модели состояния компрессора (10), причем основанное на модели теоретическое состояние компрессора (10) описывается по меньшей мере основанным на модели теоретическим заданным значением параметра компрессора (10), и
управляющий блок (60) предусмотрен для того, чтобы по меньшей мере одним из исполнительных элементов (22, 24, 26, 94) управлять в зависимости от скорректированного значения (16, 18, 20, 90) регулирующего воздействия этого исполнительного элемента (22, 24, 26, 94).