Vorrichtung und Verfahren zum Durchführen eines Stellorganfunktionstests an einer Strömungsmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Funktionstests von Stellorganen an einer Strömungsmaschine und insbesondere eines Teilhubtests bzw. partial stroke test an Ventilen.

Aus der US 2006/67810 A und der US 4,512,185 sind Testsysteme zum Testen eines von mehreren Stellventilen bekannt, durch die einer Turbine insgesamt ein Arbeitsmedium zugeführt wird. Wird das zu testende Stellventil geschlossen, wird der entsprechende Anteil an Arbeitsmedium über die verbleibenden Stellventile zugeführt, so dass keine Beeinflussung des Turbinenbetriebs auftritt.

Bei vielen technischen Systemen befinden sich bestimmte Stellorgane bzw. Pro- zessstellelemente, wie z. B. Ventile für eine längere Betriebszeit in einer unveränderten Position. Dies ist insbesondere für die Prozessstellelemente der Fall, die nur in Notfall - oder Störfallsituationen zum Einsatz kommen sollen. Durch die sel- tene Betätigung des Prozessstellelements kann beispielsweise aufgrund von Ablagerungen, Verschleiß oder thermischen Verformungen ein teilweises oder vollständiges Blockieren auftreten. Handelt es sich bei dem Prozessstellelement um ein Ventil, das nur im Notfall geöffnet werden soll, bleibt ein schadhaftes, weil blockierendes Ventil, so lange unbemerkt, bis das Ventil im Notfall betätigt werden soll.

Ein Beispiel für ein derartiges Schutzsystem ist ein Pumpgrenzregelventil an Turbokompressoren. Das heißt, das Pumpgrenzregelventil schützt vor dem so genannten Pumpen. Pumpen tritt auf, wenn der Betriebspunkt des Turbokompres- sors durch Verringern der Fördermenge oder durch einen Anstieg des Enddruckes

in den instabilen Bereich des Kennfeldes gerät. Beim Pumpen kommt es zum zyklischen Fördern und Rückströmen des komprimierten Gases. Dadurch entstehen hohe Vibrationen, Druckstöße und ein rascher Temperaturanstieg im Turbokompressor. Mögliche Folgen sind Lager-, Laufrad- oder Schaufelschäden und damit verbundene Betriebsausfälle. Das Pumpgrenzregelventil muss auf Grund seiner seltenen durch Notfälle bedingte Betätigung regelmäßig auf Funktionsfähigkeit überprüft werden.

Im Stand der Technik wird dieser Problemstellung bei Ventilen durch so genannte Teilhubtests begegnet. Bei diesen Teilhubtests wird das Ventil in regelmäßigen zeitlichen Abständen derart betätigt, dass es einen geringen Teil seines Hubweges durchfährt. Die Hubbewegung des Ventils wird überwacht und dadurch die Funktionalität geprüft.

Der Nachteil des aus dem Stand der Technik bekannten Teilhubtests ist darin zu sehen, dass die Betätigung des Ventils den Betrieb des der Turbomaschine nach gelagerten Gesamtprozesses beeinflusst. Aus diesem Grund wird nur ein geringer Hub durchfahren oder die Testdauer auf ein Minimum reduziert, um den Einfluss auf den Betrieb so gering wie möglich zu halten. Pumpgrenzregelventile sind übli- cherweise für ca. 200 % des Kompressornennförderdurchfluss ausgelegt. öffnet das Pumpgrenzregelventil nur um 5 %, gelangen 10 % weniger Förderdurchfluss zum Prozess. Dies stellt für viele Prozesse eine unakzeptable Betriebsstörung dar. Andererseits gibt ein Test von weniger als 5 % des Ventilhubs in vielen Anwendungsfällen keine ausreichende Sicherheit, dass das Ventil im Anforderungsfall auch über einem weiteren Hubbereich sicher arbeitet.

Durch den Teilhubtest ist nicht auszuschließen, dass ein Ventil, das den Teilhub regelmäßig problemlos durchfahren hat, beim Verlassen dieses Teilhubs dennoch blockiert. Bei Tests mit minimaler Testdauer und somit schlagartiger Verstellung des Ventils kann z.B. eine beginnende Blockade, die sich in einer ungleichförmi-

gen Bewegung des Ventils bei langsamer Verstellung des Ventils äußert, nicht festgestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit- zustellen, das es erlaubt, zuverlässigere Tests an Prozessstellelementen von Strömungsmaschinen durchzuführen, ohne den der Strömungsmaschine nach gelagerten Prozess wesentlich zu beeinflussen.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Strömungsmaschinen sind häufig mit mehr als einem Prozessstellelement ausgerüstet, die jeweils beispielsweise kumulativ, d.h. in der Summe, oder alternativ, d.h. unabhängig voneinander, die gleiche Prozessgröße beeinflussen. Bei einem Turbokompressor wird mit einem ersten Prozessstellelement, wie z.B. verstellbare Leitschaufeln die Förderkapazität des Kompressors variiert. Das Pumpgrenzre- gelventil als Teil des Maschinenschutzsystems hat die Aufgabe, bei einer Verringerung des Kompressordurchflusses unter die Stabilitätsgrenze (Pumpgrenze) durch geregeltes öffnen des Pumpgrenzregelventils den Durchsatz durch den Kompressor derart groß zu halten, dass die Stabilitätsgrenze nicht unterschritten wird. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass ein öffnen des Pumpgrenzregelventils bei stationärem Kompressorbetrieb dazu führt, dass weniger Durchfluss in den Prozess fließt. Die verstellbaren Leitschaufeln und das Pumpgrenzregelventil wirken insofern alternativ, da durch jedes Stellglied dem Prozess der Durchsatz deutlich verändert werden kann. Bei einer Dampf- oder Gasentspannungsturbine werden häufig mehrere Ventile parallel installiert, die zur feinfühligen Drehzahlverstel- lung gestaffelt verfahren werden. Diese Stellorgane wirken insofern kumulativ, da sie zusammen den Gesamtvolumenstrom zur Turbine definieren. Beim Betrieb mehrerer Strömungsmaschinen im Reihen- oder Parallelbetrieb besitzt jede Strömungsmaschine wenigstens ein eigenes Stellorgan zur Kapazitätsanpassung. Der gemeinsame Saugdruck und Enddruck von Kompressoren im Parallelbetrieb kann durch jedes Stellorgan zur Kapazitätsanpassung eines jeden Kompressors kumulativ beeinflusst werden. Gleiches gilt für den Durchfluss von Kompressoren im

Reihenbetrieb, bei dem die Stellorgane der einzelnen Strömungsmaschinen alternativ wirken, d.h. jeweils den Gesamtdurchsatz variieren können.

Erfindungsgemäß wird die Tatsache, das die gleiche Prozessgröße durch mehr als ein Prozessstellelement beeinflusst werden kann, dazu genutzt, einen Funktionstest von Stellelementen durchzuführen, ohne dass die Prozessgröße selbst einer änderung unterworfen wird.

Für einen Test des ersten Prozessstellelementes ändert das erfindungsgemäße Testsystem über das zweite Prozessstellelement die Prozessgröße. Dies geschieht abhängig von der Ruheposition des ersten Prozessstellelements. Das heißt, ist beispielsweise das erste Prozessstellelement ein Ventil, das im störungsfreien Betrieb geschlossen oder teilweise geöffnet ist und den durch einen Turbokompressor fließenden Durchfluss beim öffnen verringert, so wird durch das zwei- te Prozessstellelement, wie z. B. verstellbare Leitschaufeln, der durch den Turbokompressor erzeugte Durchfluss erhöht. Die änderung der Prozessgröße wird durch das erste Prozessstellelement kompensiert. D. h. bei dem gewählten Beispiel wird zur Kompensation der Durchflussänderung das Ventil als erstes Prozessstellelement geöffnet, wodurch der von der Turbomaschine erzeugte erhöhte Durchfluss wieder verringert wird.

über die erfindungsgemäße Vorrichtung erfolgt durch das Betätigen der beweglichen Teile des Prozessstellelements während des Testlaufs eine Reinigung insbesondere der Stellen des Prozessstellelements, die nur ein geringes Spiel auf- weisen. Selbst wenn über den Testlauf lediglich ein Teil des Gesamthubes durchfahren wird, so können doch über den Teilhubtest wesentlich längere Wege durchfahren werden, als dies im Stand der Technik ohne Kompensation der Testauswirkungen bisher möglich ist. Erfindungsgemäß ist ebenso ein Verfahren zum Testen der Funktionalität eines Prozessstellelementes einer Strömungsmaschine vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Rahmen konkreter Ausführungsformen der Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein übersichtsdiagramm einer Hochofenanlage mit Turbokompressor; Fig. 2 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Teilhubtestsystems für Pumpgrenzregelventile;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Teilhubtestsystems für Pumpgrenzregelventile;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform eines Teilhubtestsystems für Pumpgrenzregelventile;

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer vierten Ausführungsform eines Teilhubtestsystems für Pumpgrenzregelventile; und

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform eines Teilhubtestsystems für Pumpgrenzregelventile.

Fig. 1 zeigt eine Anwendung des Turbokompressors 2 in einer Hochofenwindversorgung. Dem Turbokompressor 2 nach geschaltet ist ein Pumpgrenzregelventil 5. Das Pumpgrenzregelventil 5 hat die Aufgabe, Kompressoren vor dem Betrieb im instabilen Arbeitsbereich durch geregeltes öffnen zu schützen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist das Pumpgrenzregelventil 5 ein auf der Druckseite des Turbokompressors 2 angeordnetes Ventil. Das öffnen des Pumpgrenzregelventils 5 bewirkt eine Erhöhung des Kompressordurchflusses und damit einen Betrieb außerhalb des Pumpbereichs. Die durch das Pumpgrenzregelventil 5 abströmen- de Gasmenge bedeutet immer eine Wirkungsgradeinbuße. Deshalb werden Anlagen in der Regel so ausgelegt, dass Pumpgrenzregelventile im störungsfreien Betrieb des Kompressors völlig geschlossen sind und nur bei Betriebsstörungen bzw. zum An- und Abfahren geöffnet werden.

Eine Funktionsprüfung des Pumpgrenzregelventils 5 des Turbokompressors im Betrieb bedeutet daher eine Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens der Gesamtanlage. Denn durch das öffnen des Pumpgrenzregelventils 5 reduziert sich der Durchfluss zum Prozess und in dessen Folge auch der Druck im Prozess, der dem Kompressor nachgeschaltet ist. Dies gilt auch für eine nur kurzzeitige öffnung und/oder einem Teilhub.

Der Turbokompressor 2 wird über eine Dampfturbine 1 angetrieben. Die Förderleistung des Kompressors wird über eine Variation der Turbinendrehzahl oder eine Verstellung der Leitschaufeln des Turbokompressors angepasst. Die Pumpgrenzregelung 4 ist aus dem Stand der Technik bekannt und verhindert, dass der Kompressor durch das Auftreten von Pumpen Schaden nimmt.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Teilhubtests an einem Pumpgrenzregelventil 5 eines Turbokompressors 2. Das Teilhubtestsystem gemäß der vorliegenden Erfindung testet das Pumpgrenzregelventil 5 derart, dass es dieses zum Test des Pumpgrenzregelventils öffnet und die sich dadurch einstellende geringere Förderkapazität des Kompressors durch öffnen der Leitschaufeln 8 in Richtung höherer Kompressorleistung kompensiert. Unabhängig von dieser konkreten Ausgestaltung kann ein Prozessstellelement jeder Aktuator zum ändern einer Prozessgröße sein, z. B. eine Vorrichtung zum ändern der Drehzahl, eine Drosselklappe o. ä. . Zur Kompensation des Kompressorförderleistungsverlusts infolge des öffnens des Pumpgrenzregelventils kann irgendein Prozessstellelement verwendet werden, das in der Lage ist, diesen Verlust auszugleichen. In der beschriebenen Anwendung ist die zu regelnde Prozessgröße der Durchfluss, der an einer geeigneten Stelle gemessen wird und zu dessen Einstellung die Leitschaufeln automatisch verstellt werden.

Der durch den Kompressor geförderte Durchfluss wird über einen Durchflussregler 9 auf den von einem Sollwertgeber für den Durchfluss 10 vorgegebenen Wert eingestellt. Der zur Regelung des Durchflusses vorgesehene Aktuator ist vorzugsweise der Leitschaufelstellantrieb, kann aber auch eine Vorrichtung zur ände-

rung der Drehzahl oder eine Kombination aus beidem sein. Das Pumpgrenzregelventil 5 ist bis zu diesem Zeitpunkt noch geschlossen oder im Teillastbetrieb um einen festen Betrag geöffnet.

Zum Stellorganfunktionstest behält der Durchflussregler 9 intern seine letzte Ausgangsgröße bei. Ein mittels Integrator über der Zeit veränderbares Testsignal 15 wird erzeugt. Die Differenz aus Durchflusssollwert vom Sollwertgeber für den Durchfluss 10 und dem Durchflussistwert von der Durchflussmessvorrichtung 7 wird dem Pumpgrenzregler 16, 17, 18 mit dem nachgeschalteten Stellungsregler für das Pumpgrenzregelventil 19 aufgeschaltet, dem nun die Aufgabe zukommt, den Durchfluss auf den Durchflusssollwert einzuregeln. Der Ausgang des Durchflussreglers 9 wird durch additive überlagerung des langsam kontinuierlich ansteigenden Testsignals 15 in Richtung weiter geöffneter Leitschaufeln und/oder höherer Drehzahl gefahren. Durch diese Steigerung der Kompressorförderleistung steigt der Durchfluss zum Prozess.

Der Durchfluss-Soll/Ist-Vergleich im Pumpgrenzregler 17 bemerkt diese Zunahme und regelt sie durch öffnen des Pumpgrenzregelventils über den Positionsregler 19 aus.

Durch einen Vergleich von Sollwert und Istwert der Stellung des Pumpgrenzregelventils 5 kann beobachtet werden, ob das Ventil der Sollwertvorgabe hinreichend genau folgt. Der Ausgang der Summierstelle hinter dem Durchflussreglerβ 9 steigt so lange kontinuierlich an, bis sein Ausgang einen oberen Grenzwert erreicht hat. Das Signal wird dann kurz gehalten. Der Pumpgrenzregler 17 bekommt so Gelegenheit, die stationäre Endlage exakt zu erreichen. Danach wird das Testsignal 15 wieder langsam bis auf null reduziert. Wenn das Testsignal 15 den Wert null erreicht hat oder das Pumpgrenzregelventil völlig geschlossen ist, wird der Durchflussregler wieder auf Automatikbetrieb geschaltet und übernimmt die weitere Re- gelung des Anlagenbetriebs.

Sollte der Kompressor mit mehreren Pumpgrenzregelventilen ausgestattet sein, kann dieser Test entweder derart erfolgen, dass alle Ventile gleichsinnig, d.h. parallel angesteuert werden. Vorzugsweise wird der Test aber derart ausgeführt, dass jedes Ventil für sich getestet wird. Dies bedeutet, dass nach Abschluss des Tests für das erste Ventil ein gleichsinniger Test für das zweite und jedes weitere Ventil erfolgen muss.

Die Funktion des Pumpgrenzregelventils 5 wird durch Vergleich der Iststellung mit der Sollstellung überprüft. Bei einem intakten Ventil weicht die gemessene Stel- lung nicht mehr als eine systemspezifische Ansprechschwelle vom Sollwert ab. Dies kann z.B. in einem Vergleicher (Grenzwertüberwachung) kontinuierlich überwacht werden. überschreitet die Differenz einen ersten Grenzwert 12, wird ein A- larm gegeben. Erreicht die Differenz einen zweiten Grenzwert 20, der z.B. doppelt so hoch sein kann wie die erste Ansprechschwelle, erfolgt ein zweiter Alarm, der den Test sofort beendet und das Bedienungspersonal zur sofortigen Inspektion des Ventils auffordert.

Der Zusammenhang zwischen Stellungssollwert für ein oder mehrere Pumpgrenzregelventile und gemessener Stellungsrückmeldung kann mit modernen Leitsys- temen digital aufgezeichnet und als Liniendiagramm oder x/y-Diagramm mit Sollwert als Ordinate und Ventilstellung als Abszisse dargestellt werden.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Vermeidung von Prozess- Störungen durch adaptive Verstellung des Pumpgrenzregelventils vor. Fig. 3 entspricht weitgehend Fig. 2 und ist lediglich durch einen Summierer erweitert, der mit einem Funktionsgeber 21 verbunden ist.

Die erste Ausführungsform gemäß Fig. 2 sollte ein langsam ansteigendes Test- Signal verwenden, damit der Pumpgrenzregler 17 die Durchflusszunahme als Folge der Verstellung von Drehzahl und/oder Leitschaufelstellung durch öffnen des

Pumpgrenzregelventils 5 ausregeln kann. Eine Verbesserung dieser Ausführungsform ist gemäß Fig. 3 dadurch möglich, dass das Testsignal 15 zusätzlich dem Ausgang des Pumpgrenzreglers vorzeichengerecht aufgeschaltet wird. Hierdurch öffnet das Pumpgrenzregelventil 5 schon, bevor der Durchfluss tatsächlich ange- stiegen ist. Diese Vorsteuerung, in der dem Pumpgrenzregler unabhängig von der Regeldifferenz aus dem Summierer zusätzlich eine sich ändernde Führungsgröße aufgeschaltet wird, verbessert das Ansprechverhalten.

Der Zusammenhang zwischen Drehzahl bzw. Leitschaufelstellung und Durchfluss durch den Kompressor ist in der Regel nichtlinear, wogegen der Zusammenhang zwischen der Stellung des Pumpgrenzregelventils und dem Durchfluss durch das Ventil linear ist. Durch eine geeignet gewählte nichtlineare Funktion, die am Funktionsgeber 21 einstellbar ist, kann sichergestellt werden, dass das Pumpgrenzregelventil 5 in Abhängigkeit vom Testsignal 5 genau so weit geöffnet wird, dass sich die Zunahme des Kompressordurchflusses durch Anheben von Drehzahl und/oder öffnen der Leitschaufeln exakt mit der Abnahme des Durchflusses durch öffnung des Pumpgrenzregelventils 5 überein stimmt. Somit muss der Pumpgrenzregler 17 nicht eingreifen und der Teilhubtest verläuft ohne nachteilige Beeinflussung des Prozesses. In den Fällen, in denen der Zusammenhang zwischen der Stellung des Pumpgrenzregelventils und dem Durchfluss durch dieses Ventil nichtlinear ist, kann dies durch geeignete Wahl der nichtlinearen Funktion ebenfalls korrigiert werden.

Sollte die Kompensation der beiden Stellgrößeneingriffe beispielsweise infolge nicht korrekt eingestellten Funktionsgebers 21 oder aufgrund eines Kalibierfehlers nicht völlig gelingen, bewirkt der Pumpgrenzregler eine Korrektur des verbleibenden Restfehlers.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 4 gezeigt ist, wird, anstatt das Testsignal 15 auf den Ausgang des Pumpgrenzreglers 17 zu addieren, das Testsignal 15 auf die Regeldifferenz am Eingang des Pumpgrenzreglers 17

vorzeichengerecht addiert. Das hat den Vorteil, dass das Ausgangssignal des Pumpgrenzreglers 17 stets mit dem Sollwert für das Pumpgrenzregelventil 5 übereinstimmt. Der Pumpgrenzregler 17 ist sozusagen immer im Eingriff.

Ferner lassen sich die Einstelldaten für den Funktionsgeber aus den Auslegungsdaten für Kompressor 2 und Pumpgrenzregelventil 5 ermitteln. Insbesondere kann die exakte Zuordnung der Größen beim ersten Test experimentell ermittelt und das System anschließend auf diese Werte eingestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser Erfindung wird die Differenz aus dem Testsignal und dem Ausgangssignal des Pumpgrenzreglers zu Beginn des Tests gebildet und als virtuelle Regeldifferenz der Minimalauswahl MIN vor dem Pumpgrenzregler aufgeschaltet. Mit steigendem Testsignal erhält der Pumpgrenzregler eine Regeldifferenz, die das Pumpgrenzregelventil genau so weit öff- net, wie es das Testsignal verlangt. Falls das Pumpgrenzregelventil vor Beginn des Tests bereits teilweise geöffnet war, wird dies dadurch kompensiert, dass die Stellung des Pumpgrenzregelventils zu Beginn des Tests als Referenzwert zugrunde gelegt wird. Sollte sich der Arbeitspunkt des Kompressors während des Tests derart in Richtung Pumpgrenze verschieben, dass das Pumpgrenzregelven- til weiter öffnen muss als vom Testsignal vorgegeben, erfolgt ein automatischer Eingriff des Pumpgrenzreglers durch die Minimalauswahl.

In all den Anwendungen, in denen der nichtlineare Zusammenhang zwischen Testsignal und Durchfluss zum Prozess eine Abhängigkeit von einem weiteren Pa- rameter, z.B. dem Kompressorenddruck aufweist, kann die Kompensation dieses Einflusses durch ein Kennlinienfeld kompensiert werden. Das Kennlinienfeld enthält eine Reihe von nichtlinearen Kompensationskurven für verschiedene Drücke und je nach gemessenem Enddruck wird die entsprechende Kurve ausgewählt. Sollte der gemessene Druck zwischen zwei Kennlinien liegen, wird zwischen die- sen Kennlinien interpoliert.

Bei einer korrekt eingestellten adaptiven Verstellung des Pumpgrenzregelventils kann das Testsignal beliebig schnell verstellt werden, da die Störungen des Prozessbetriebs durch die Entkopplung vermieden werden. Allerdings ist zu beachten, dass die Stellgeschwindigkeit der Prozessstellelemente möglicherweise begrenzt ist. Hierauf ist Rücksicht zu nehmen, die Stellgrößen dürfen nicht schneller verstellt werden als die Prozessstellelemente folgen können.

Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, ist ein Beobachter 27 vorgesehen, der die Nachteile langsamer Prozessstell- elemente kompensiert. Die Prozessstellelemente haben teils konstruktionsbedingt, teils bewusst implementiert, begrenzte Stellgeschwindigkeiten. Pneumatische Regelarmaturen können häufig nicht mehr als 10% des Gesamthubs pro Sekunde zurücklegen. Pumpgrenzregelventile und Leitschaufelstellantriebe werden bewusst in ihrer Schließgeschwindigkeit begrenzt, um eine unzulässig schnelle An- näherung des Arbeitspunkts an die Pumpgrenze zu verhindern. Dies ist bei der Durchführung des Teilhubtests zu berücksichtigen, da ansonsten ein Alarm fehlerhaft ausgelöst werden kann.

Bei Einsatz eines Beobachters 27 wird die gemessene Position des Pumpgrenz- regelventils nicht direkt mit dem Sollwert für die Position verglichen, sondern mit der Ausgangsgröße eines Beobachters. Durch eine Drossel 23 im Zulauf 24 eines elektrohydraulischen Wandlers 22 kann ein durch Federkraft öffnendes Pumpgrenzregelventil nur mit begrenzter Stellgeschwindigkeit schließen. Je enger der Querschnitt der Drossel 23 ist, um so langsamer schließt das Ventil.

Der Beobachter 27 ist ein dynamisches Simulationsmodell dieses Pumpgrenzregelventils mit Stellantrieb 28. Ein derartiger Beobachter ist z.B. in „Ein Beitrag zur digitalen Pumpschutzregelung von Turbokompressoren" Schriftenreihe des Lehrstuhls für Regelungssysteme und Steuerungstechnik Ruhr Universität Bochum, Heft 31 beschrieben.

Das Ausgangssignal des Beobachters 27 entspricht stets der Stellung des Pumpgrenzregelventils 5, sofern dieses in seiner Funktion nicht beeinträchtigt ist. Solange der Beobachter das tatsächliche Stellverhalten des Ventils richtig simuliert und das Ventil einwandfrei arbeitet, entspricht der Ausgang des Beobachters auch bei sprungförmiger änderung des Ventilsollwerts und sehr stark gedrosseltem öl- zulauf immer der tatsächlichen Ventilstellung.

Der Teilhubtest kann entweder von Hand, teilautomatisiert oder vollautomatisiert durchgeführt werden. Bei der Durchführung von Hand wird das Testsignal durch einen Operator von Hand vorgegeben. Die Beobachtung der Ventilrückmeldung erfolgt ebenfalls durch den Operator. Bei einer Vollautomatisierung wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen der Test angestoßen und läuft danach vollautomatisch ab. Nach Abschluss des letzten Testlaufs für das letzte Ventil wird die Testautomatik in einen Ausgangszustand zurückgesetzt und steht damit für den nächs- ten Testlauf zur Verfügung. Auch die Archivierung der Testergebnisse erfolgt vollautomatisch.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann bei einer nicht korrekten Kompensation der Einwirkung des Testsignals auf die Prozessgröße, der Einfluss des Testsignals reduzieren werden, indem die Geschwindigkeit, mit der die Testgröße verändert wird, in Abhängigkeit von der Differenz aus Sollwert und Istwert der Prozessgröße variiert wird. Ist die Abweichung null, wird der Test mit maximal zulässiger bzw. maximal möglicher Geschwindigkeit durchfahren. Je größer die Abweichung zwischen Sollwert und Istwert der Prozessgröße ist, um so langsamer wird die Prozessgröße verändert. Im Extremfall ist es sogar möglich, das Testsignal gar nicht mehr zu verstellen oder sogar in die entgegen gesetzte Richtung zu verstellen, bis die Differenz aus Sollwert und Istwert der Prozessgröße wieder akzeptabel ist.

Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform eines Teilhubtestsystems für Pumpgrenzregelventile nach der vorliegenden Erfindung. Mit den vor-

stehend beschriebenen Ausführungsformen übereinstimmende Elemente weisen einander entsprechende Bezugszeichen auf.

Das Teilhubtestsystem nach der fünften Ausführungsform umfasst eine Pump- grenzüberwachung 16, deren Ausgabe über eine Minimalauswahl 18 einem Pumpgrenzregler 17 zugeführt wird. Hierdurch kann auch während des Testbetriebs ein Pumpen des Kompressors 2 verhindert werden, da eine entsprechende Stellgröße für das Pumpgrenzregelventil 5, die die Pumpgrenzüberwachung 16 zur Vermeidung von Pumpen vorgibt, im Bedarfsfall auf den Positionsregler 19 durchgeschaltet wird, der das Pumpgrenzregelventil 5 entsprechend aktuiert.

Die von der Positionsmessung 6 erfasste Position des Pumpgrenzregelventils 5 wird rückgeführt und in einem Summierer von der vom Pumpgrenzregler 17 vorgegebenen Sollposition subtrahiert. überschreitet die Differenz zwischen Positi- onssoll- und -istwert betragsmäßige einen ersten oder zweiten Grenzwert 12 bzw. 20, wird ein Alarm ausgelöst und - bei überschreiten des zweiten Grenzwertes - der Test kontrolliert beendet. Durch diese Positionsüberwachung kann auch eine beginnende Schwergängigkeit des Pumpgrenzregelventils 5, die sich in einer zunehmenden Hysterese bei dessen öffnen und Schließen zeigt, rechtzeitig erkannt werden.

Vor Testbeginn wird zunächst überprüft, ob ausreichend Kapazitätsreserven zur Verfügung stehen. Nur in diesem Fall wird der Test durchgeführt. Hierzu wird geprüft, ob der Leitschaufelstellantrieb 8 nur bis zu einem bestimmten Grenzwert, der beispielsweise 95% der maximal möglichen Leitschaufelöffnung entspricht, aktuiert ist. Bevorzugt wird auch während des Tests auf diese Weise fortwährend überprüft, ob noch genügend Kapazität zur Kompensation der Abströmung durch das zu Testzwecken geöffneten Pumpgrenzregelventil 5 zur Verfügung steht, d.h. die Leitschaufeln noch nicht auf 95% oder mehr ihrer maximalen Durchströmflä- che gestellt sind. Sobald die Leitschaufeln sich stärker öffnen und somit die Gefahr besteht, dass eine noch stärkere Abströmung durch das Pumpgrenzregelven-

til 5 nicht mehr kompensiert werden kann, sondern den Prozess stört, wird der Test kontrolliert beendet.

Bei Testbeginn wird durch den Integrator 13 ein Testsignal 11 generiert, welches zunächst über der Zeit zunimmt, solange dem Integrator 13 aus dem Speicher 14 ein positiver, vorzugsweise konstanter Integrand zugeführt wird. Um den Test zu beenden, wird dem Integrator 13 anschließend ein entsprechend negativer Integrand zugeführt, der ein über der Zeit abnehmendes Testsignal 11 liefert. Dieses Testsignal 11 wird in einem Summierer dem Ausgang des Durchflussreglers 9 aufgeschaltet und führt dazu, dass der Leitschaufelstellantrieb 8 eine Stellgröße erhält, die bei zunehmendem Testsignal 11 zu einer stärkeren Leitschaufelöffnung, d.h. einem größeren Durchfluss, und bei abnehmendem Testsignal 11 zu einer geringeren Leitschaufelöffnung, d.h. einem geringeren Durchfluss führt.

Auf diese Weise können die Leitschaufeln kontrolliert zunächst stärker geöffnet werden, als es zur Einstellung des Durchflusssollwertes erforderlich wäre, und anschließend wieder in eine Stellung zurückgeführt werden, in der sich gerade wieder der Durchflusssollwert einstellt. Dies kann beispielsweise einfach dadurch realisiert werden, dass dem Integrator 13 während der ersten Hälfte des Testbetriebs ein konstanter positiver Integrad und während der zweiten Hälfte ein betragsmäßig gleicher negativer Integrand zugeführt wird. Auch zum kontrollierten Beenden des Testes kann einfach dem Integrator 13 für die seit Testbeginn verstrichene Zeitdauer ein betragsmäßig gleicher negativer Integrand zugeführt werden. In einer bevorzugten Abwandlung kann der Integrand betragsmäßig auch reziprok zur Ab- weichung zwischen Soll- und Istwert des Durchflussreglers sein, so dass das Testsignal 11 sich bei größeren Soll-Ist-Differenzen langsamer ändert und dem Durchflussregler Gelegenheit zum Ausregeln der Störung gibt.

Je nach Lage des Arbeitspunktes des Kompressors 2 in seinem Kennfeld erfordert die Kompensation einer bestimmten Leitschaufelöffnung aufgrund der Nichtlineari- täten im Prozess unterschiedliche Pumpgrenzventilöffnungen. Hierzu ist im Test-

System nach der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kompensationsfunktion vorgesehen, die rechnerisch oder experimentell bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das Kompressorkennfeld Enddruck-Volumenstrom in Bereiche unterteilt werden, die sich jeweils zwischen zwei unterschiedlichen Drücken (z.B. zwischen 2 bar und 3 bar, zwischen 3 bar und 4 bar usw.) und zwei unterschiedlichen Leitschaufelstellungen (z.B. zwischen 10% geöffnet und 20% geöffnet, zwischen 10% geöffnet und 20% geöffnet etc.) erstrecken. Für jeden dieser die Bereiche definierenden Drücke kann dann ermittelt werden, wie sich der Durchfluss bei einer änderung der Leitschaufelstellung von der einen in die andere der beiden den Bereich definierenden Leitschaufelstellungen ändert, wie stark sich also beispielsweise der Durchfluss bei einer öffnung der Leitschaufeln von 10% auf 20% bei 2 bar vergrößert. Aus der Auslegungskurve des Pumpgrenzregelventils 5 kann dann eine Ventilverstellung ermittelt und den jeweiligen Kennwertpaaren (Druck; Leitschaufelstellungsänderung) zugeordnet werden, die die Durchflussänderung gerade kompensiert.

Im Funktionsgeber 21 wird nun dem vom Kompressor 2 tatsächlich erzeugten Druck p, beispielsweise 2 bar, und dem der Leitschaufelstellantrieb 8 aufgegebenen Stellgröße, beispielsweise einer änderung von 10% auf 20% geöffnet, die entsprechende Positionsänderung des Pumpgrenzregelventils anhand dieser

Kompensationsfunktion zugeordnet, d.h. diejenige Ventilverstellung, die die Durchflussänderung aufgrund der gerade ausgeführten Leitschaufelverstellung gerade kompensiert.

Diese Ventilverstellung wird dann zur Ist-Stellung des Pumpgrenzregelventils 5 hinzuaddiert und so dem Pumpgrenzregler 17 als neuer Sollwert zugeführt. Sofern die oben erläuterte Minimalauswahl nicht die Ausgabe der vorrangigen Pumpgrenzüberwachung 16 durchschaltet, um ein Pumpen des Kompressors 2 zu verhindern, ändert der Pumpgrenzregler 17 über den Positionsregler 19 die Stellung des Pumpgrenzregelventils 5 in der Folge so, dass bei dem tatsächlich herrschenden Druck gerade die durchgeführte Leitschaufelverstellung kompensiert wird.

Durch die Aufaddition der sich aus der Kompensationsfunktion ergebenden Ventilverstellung zur Ist-Position kann einerseits den Nichtlinearitäten des Prozesses Rechnung getragen und andererseits der Test auch bei anfänglich nicht vollständig geschlossenem Pumpgrenzregelventil eingeleitet werden.

An Stelle des Enddruckes nach dem Kompressor kann der Kompensationsfunktion gleichermaßen auch dessen Druckverhältnis oder Enthalpiedifferenz zugrundegelegt werden.

In den vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen weist die zu testenden Anlage bereits eine Kapazitätsregelung auf, in der der Durchfluss mittels Durch- flussmessvorrichtung 7 erfasst, dem Durchflussregler 9 zugeführt und durch diesen einem von dem Sollwertgeber 10 vorgegebenen Solldurchfluss nachgeführt wird. In Anlagen, in denen keine solche Kapazitätsregelung vorhanden ist, kann vorteilhafterweise mittels eines Hilfs-Kapazitätsreglers, der nur während des Tests arbeitet, eine Störung des Prozessbetriebs, beispielsweise bei unvollkommener Kompensationsfunktion, ausgeregelt oder jedenfalls reduziert werden.

Hierzu wird in einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung zu Beginn eines Tests der Druckistwert nach dem Kompressor 2 erfasst und gespeichert.

Dieser Druckwert wird nun während des Tests einem Hilfs-Kapazitäts- oder Durchflussregler, der beispielsweise als Proportional-Integral (PI) Regler ausgebildet sein kann, als Drucksollwert zugeführt. Der Hilfs-Kapazitätsregler bildet aus der Differenz zwischen dem Soll- und dem aktuell vorliegenden Druckistwert eine Stellgröße für das zweite Prozessstellelement, beispielsweise den Leitschaufelstellantrieb oder die Drehzahlsteuerung. Diese Stellgröße wird zu der Stellgröße hinzuaddiert, die zu Testzwecken auf das zweite Prozessstellelement aufgeschaltet wird, also beispielsweise ein trapezförmiges öffnen und Schließen der Leitschaufeln bewirkt.

Damit wird während des Tests zum Einen das zweite Prozessstellelement be- wusst verstellt, um eine Verstellung des ersten Prozessstellelementes, etwa des Pumpgrenzregelventils, zu Testzwecken zu kompensieren. Zum anderen wird sichergestellt, dass im Prozess weiterhin, jedenfalls im Wesentlichen, die Prozess- große vorliegt, also beispielsweise der Druck herrscht, die zu Testbeginn, also im Normalbetrieb herrschte. Hierdurch können insbesondere Ungenauigkeiten, die etwa bei der Bestimmung der oben erläuterten Kompensationsfunktion vorliegen, oder andere Störungen weitgehend ausgeregelt werden.

Zum Testende wird der Sollwert des Hilfs-Kapazitätsreglers auf den aktuell herrschenden Druckwert nachgeführt, so dass die Regeldifferenz zu Null wird, d.h. der Ausgang des Hilfs-Kapazitätsreglers ebenfalls auf Null zurückfährt. Bevorzugt wird hierzu, beispielsweise über ein Relais, der Ausgang des Hilfs-Kapazitätsreglers, der über einen Begrenzer abgeschwächt sein kann, mit umgekehrtem Vorzeichen als Regeldifferenz aufgeschaltet.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich, dass auch Abweichungen hiervon möglich sind. Insbesondere können einzelne Elemente der verschiedenen Ausführungsformen mit- einander kombiniert und/oder in einzelnen Ausführungsformen weggelassen sein.

Bezugszeichenliste

1 Dampfturbine

2 Kompressor

3 Leitschaufelregelung mit Messung der Umschaltgeschwindigkeit (opti onal)

4 Pumpgrenzregelung

5 Pumpgrenzregelventil

6 Positionsmessung

7 Durchflussmessvorrichtung

8 Leitschaufelstellantrieb

9 Durchflussregler

10 Sollwertgeber für Durchfluss

11 Testsignal

12 Grenzwertgeber 1

13 Integrator

14 Speicher (Flip-Flop)

15 Test

16 Pumpgrenzüberwachung

17 Pumpgrenzregler

18 Minimalauswahl

19 Positionsregler

20 Grenzwertgeber 2

21 Funktionsgeber

22 Elektrohydraulischer Wandler

23 Drossel

24 Zulauf

25 Ablauf

26 Ventilsollwert

27 Beobachter

28 Stellantrieb