Verfahren zur Steuerung eines Verdichters

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verdichters .

Verdichter zur Bereitstellung von verdichtetem Gas für industrielle Zwecke werden üblicherweise mittels eines oder mehrerer Kennfelder gesteuert. Aus der DE 195 06 790 A ist solch ein Verfahren zum Steuern eines Verdichters bekannt, bei dem mittels Sensoren des Verdichters Istwerte des

Verdichters gemessen werden und aus diesen Messwerten sowie einem Vorgabewert für den Durchsatz die isentrope

Verdichterarbeit sowie der Eintrittsvolumenstrom ermittelt wird. Unter Verwendung eines in einem Rechner gespeicherten Kennfeldes werden wirkungsgradoptimierte Stellwerte für die Winkelstellungen der Leitapparate im Betrieb des Verdichters schrittweise angepasst.

Aus der EP 1 069 314 AI eine Verdichtersteuerung bekannt. Die EP 1 069 314 AI schlägt hierzu vor, einen Sollwert,

beispielweise für einen Massenstrom des Verdichters,

bereitzustellen. Daraus werden anhand zweier Kennfelder des Verdichters zwei Stellwerte ermittelt, beispielsweise ein Vorleitreihenwinkel und ein Einstellwert für einen Ventilhub. Mittels dieser beiden Stellwerte als Sollwerte zweier Regler erfolgt dann die (An-) Steuerung des Verdichters bzw. die Verstellung der Vorleitreihe und des Ventils des Verdichters.

Aus der US 2009/0274565 AI ist ein Verfahren zur Steuerung eines Verdichters bekannt, bei welchem aktuelle Messwerte für drei Parameter des Verdichters bestimmt werden. Anhand von drei Kennfeldern des Verdichters - jedes Kennfeld beschreibt den Zusammenhang von zwei dieser Parameter - werden für die aktuellen Messwerte Arbeitpunkte des Verdichters ermittelt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

Steuerung eines Verdichters bereitzustellen, mit der ein guter Wirkungsgrad erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Günstige Ausgestaltungen und

Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren

Ansprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Verdichters. Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf:

a Bereitstellen zumindest eines Sollwerts eines Parameters des Verdichters,

b Ermittlung von zumindest zwei Stellwerten zumindest

zweier Stellelemente des Verdichters anhand des

Sollwerts ,

c Ermittlung eines modelbasierten theoretischen Zustands des Verdichters anhand der Stellwerte,

d iterative Korrektur zumindest eines der Stellwerte in

Abhängigkeit vom theoretischen Zustand,

e Steuerung zumindest eines der Stellelemente anhand eines

Stellwerts .

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können ein guter Wirkungsgrad und ein großer Fahrbereich des Verdichters vorteilhaft erzielt werden. Ferner kann ein Energieverbrauch Kosten sparend gering gehalten werden.

In diesem Zusammenhang soll unter einem „Verdichter" jeder dem Fachmann für sinnvoll erscheinende Verdichter, wie beispielsweise ein motorbetriebener, insbesondere

mehrstufiger Verdichter mit Zwischenkühlung und konstanter Drehzahl und/oder ein turbinengetriebener Getriebeverdichter oder Einwellenverdichter verstanden werden.

Ein „Sollwert" stellt hier insbesondere eine

Leistungsanforderung an den Verdichter dar, die bei der Ermittlung der Stellwerte berücksichtigt und insbesondere angestrebt werden soll. Möglich ist auch, dass der Sollwert eine weitere oder andere Anforderung enthält, wie

beispielsweise ein Abstand zu einer Pumpgrenze, eine

Mindestbelastung einzelner Getriebebauteile wie bspw.

Ritzelwellen des Verdichters, ein Einhalten der Schluckgrenze einzelner Stufen des Verdichters, ein Halten einer

Gesamtleistung des Verdichters unterhalb eines

Leistungsmaximums des Verdichters und/oder eine andere, dem Fachmann für zweckdienlich erscheinende Anforderung. Diese Anforderungen können in der Steuerung des Verdichters fest hinterlegt sein und/oder von Außen zugeführt werden. Der Sollwert kann von einem Steuermittel oder einem Bediener vorgegeben und somit bereitgestellt werden, wobei das

Steuermittel ein Teil des Verdichters oder ein externes

Mittel sein kann.

Unter einem „Parameter" soll hier insbesondere eine

Endtemperatur, ein Enddruck, ein Wirkungsgrad, ein

Energieverbrauch, ein Volumenstrom, ein Massenstrom und insbesondere ein effektiver Massenstrom verstanden werden und/oder ein anderer, dem Fachmann sinnvoll erscheinender Parameter und/oder ein Quotient aus einem absoluten Wert eines Parameters und einem Grenzwert desjenigen Parameters, wobei der „Grenzwert" ein maximaler oder minimaler Wert ist, bei dem der Verdichter noch zuverlässig betreibbar ist.

Die Stellwerte der Stellelemente werden zweckmäßigerweise aus einem Datenspeicher übernommen, z.B. aus einem Kennfeld, oder berechnet. Sie können jeweils einen Zustand eines

Stellelements angeben, z.B. eine Stellung eines Ventils oder dergleichen, wobei der Zustand in der Regel nicht der

aktuelle Zustand des betreffenden Stellelements ist, sondern ein Sollzustand, der sich aus dem vorgegebenen Sollwert ergeben kann.

Die Ermittlung der Stellwerte anhand des Sollwerts erfolgt bevorzugt mittels einer Steuereinheit, die hierfür jedes, dem Fachmann für sinnvoll erachtetes Ermittlungs- bzw.

Berechnungsverfahren und/oder Optimierungsalgorithmus

anwenden kann, wie beispielsweise das Downhill-Simplex- Verfahren, das Gradientenverfahren, das Quasi-Newton- Verfahren und/oder, besonders bevorzugt, das numerische

Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung. Hierbei wird der einzuhaltende Sollwert als Nebenbedingung an das Verfahren übergeben. Die ermittelten Stellwerte werden von der Steuereinheit an eine Modelleinheit übermittelt.

Generell wäre hier auch eine Ermittlung von mehr als zwei Stellwerten von mehr als zwei Stellelementen denkbar. Die Stellwerte und die Stellelemente können unterschiedliche oder gleiche Parameter bzw. unterschiedlich oder gleich

ausgeführte Bauteile sein. Der Einfachheit halber wird im Folgenden nur von den Stellwerten und den Stellelementen gesprochen. Ein „modelbasierter theoretischer Zustand" stellt hier insbesondere ein Zustand dar, der anhand eines

Rechenmodells der Modelleinheit und insbesondere anhand eines thermodynamischen Modells bestimmt wird.

Vorteilhafterweise wird zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters simuliert. Hierbei berechnet die Modelleinheit mit den übermittelten Stellwerten anhand des thermodynamischen Modells zweckmäßigerweise, wie ein Zustand des Verdichters wäre, wenn diese Stellwerte an den Stellelementen eingestellt wären und der Verdichter mit diesen Parametern betrieben werden würde. Dadurch kann unabhängig von direkten Änderungen an dem Verdichter

geräteschonend und prozesssicher ein Verhalten des

Verdichters ermittelt werden. Zudem können Schwankungen bei einer Fördermenge im Betrieb vorteilhaft verhindert werden.

Ferner wird bei der Ermittlung des theoretischen Zustands das Verhalten des Verdichters in einem Regelkreis schrittweise an den Sollwert angepasst. In diesem Zusammenhang soll unter einem „Regelkreis" neben einer streng zielgerichteten

Ermittlung des Zustands auch eine Ermittlung verstanden werden, die ungerichtet und/oder diffus und/oder auch „falsch herum" und/oder insbesondere nach einem numerischen Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung erfolgt. Der Regelkreis befindet sich bevorzugt zwischen der Steuereinheit und der Modelleinheit. Liefert nun beispielsweise die

Modelleinheit die Information des ermittelten theoretischen Zustands bzw. einen zugeordneten Parameter an die

Steuereinheit, ermittelt diese hieraus, bei einer

vorbestimmten Abweichung des Parameters von dem Sollwert, erneut Stellwerte. Diese werden wieder an die Modelleinheit zur erneuten Berechnung des theoretischen Zustands das

Verhalten des Verdichters unter den neuen Bedingungen

gegeben. Bei einer Ermittlung und Modifikation der Stellwerte anhand eines numerischen Verfahrens der sequentiellen

quadratischen Programmierung erfolgt diese nach einer dem Fachmann bekannten Art und Weise. Durch die Realisierung des Regelkreises kann eine Feinabstimmung der Stellwerte

besonders effektiv und einfach erfolgen.

Bevorzugt wird zumindest eines der Stellelemente erst dann mit einem Stellwert angesteuert, wenn ein dem Sollwert entsprechender Parameter des theoretischen Zustands eine vorgegebene Nähe zum Sollwert erreicht. Hierbei soll unter der Wendung „eine vorgegebene Nähe zum Sollwert" insbesondere verstanden werden, dass in der Steuereinheit ein Wert

hinterlegt ist und/oder von dieser bestimmbar ist, der ein zulässiges Maß der Abweichung des Parameters von dem Sollwert festlegt und/oder eine Abbruchbedingung darstellt, die sich auf eine Geschwindigkeit einer Verringerung einer

Optimierungsfunktion des Verfahrens bezieht. Der Fachmann wählt den Wert der vorgegebenen Nähe angepasst an das

Verfahren und/oder die Parameter des verwendeten Verdichters zweckmäßig aus. Hierdurch kann ein unvorteilhafter oder sogar schädigender Betrieb des Verdichters Ressourcen schonend verhindert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird

vorgesehen, dass in die Ermittlung des modelbasierten

theoretischen Zustands zumindest ein Istwert des Zustands des Verdichters eingeht. In diesem Zusammenhang soll unter einem „Istwert des Zustands des Verdichters" insbesondere ein gemessener und/oder momentaner bzw. aktueller Zustandswert des Verdichters, wie beispielsweise ein Druck, ein

Volumenstrom, eine Temperatur und/oder ein anderer, dem

Fachmann für sachdienlich erscheinender Zustandswert, verstanden werden, der in einem Zeitfenster von weniger als 60 Sekunden, bevorzugt weniger als 30 Sekunden und besonders vorteilhaft weniger als 10 Sekunden von dem Zeitpunkt der Ermittlung entfernt liegt. Bevorzugt geht eine und besonders bevorzugt gehen zumindest zwei Temperaturen in die Berechnung bzw. in das thermodynamische Modell ein und insbesondere eine Eingangstemperatur bzw. eine gemessene Saugtemperatur des Verdichters bzw. einer ersten Stufe des Verdichters und eine gemessene Rückkühltemperatur des Verdichters bzw. der ersten Stufe, die einer Saugtemperatur zumindest einer zweiten Stufe des Verdichters entspricht. Durch die Ermittlung des Zustands anhand eines Istwerts und insbesondere anhand einer

Temperatur kann der Zustand besonders einfach und unaufwendig bestimmt werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der ermittelte modelbasierte theoretische Zustand anhand zumindest eines weiteren Istwerts des Zustands des Verdichters korrigiert wird. Dieser weitere Istwert stellt bevorzugt zumindest ein Druck und/oder ein Volumenstrom dar und insbesondere ein gemessenen Saugdruck der ersten Stufe und/oder der zweiten Stufe und/oder ein gemessenen Zwischendruck und/oder ein gemessener

Volumenstrom. Generell wäre jedoch auch jeder andere, dem Fachmann für anwendbar erscheinende Istwert denkbar.

Bevorzugt gleicht das thermodynamische Modell die Ermittlung des theoretischen Zustands permanent durch diese weiteren gemessenen Istwerte ab, wodurch der reale Istzustand des Verdichters möglichst aktuell und präzise in die

Zustandsvorhersage einbezogen wird. Hierdurch kann eine besonders exakt auf den Istzustand des Verdichters

abgestimmte Steuerung des Verdichters erreicht werden. Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn bei Vorliegen zumindest eines vorbestimmten Zustands zumindest eines der Stellelemente unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels zumindest eines unkorrigierten Stellwerts angesteuert wird. In diesem Zusammenhang soll unter einem „vorbestimmten Zustand" insbesondere ein Zustand des

Verdichters verstanden werden, bei dem eine Ermittlung des theoretischen Zustands mittels der Modelleinheit bzw. des thermodynamischen Modells zu lange dauern würde, wie

beispielsweise eine dynamische Änderung eines Enddrucks des Verdichters und/oder eine schnelle Erhöhung des Sollwerts. Unter einem „unkorrigierten Stellwert" soll hier insbesondere ein Stellwert verstanden werden, der unabhängig von dem thermodynamischen Modell bestimmt wurde. Der unkorrigierte Stellwert kann unabhängig vom Sollwert sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine besonders

zuverlässige und sichere Steuerung des Verdichters

bereitgestellt werden.

Zudem wird vorgeschlagen, dass der vorbestimmte Zustand ein kritischer Zustand des Verdichters ist, der durch die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente in einen unkritischen Zustand überführt wird. In diesem Zusammenhang soll unter einem „kritischen Zustand" insbesondere ein

Zustand verstanden werden, bei dem der Verdichter oberhalb einer vorbestimmten Belastungsgrenze betrieben wird und/oder in dessen Betrieb eine Gefahr einer Beschädigung des

Verdichters und/oder einzelner Stufen des Verdichters

besteht. Folglich ist ein „unkritischen Zustand" ein Zustand, bei dem der Verdichter unterhalb der Belastungsgrenze

arbeitet. Insbesondere sind bei dem kritischen Zustand die aus dem Sollwert ermittelten Stellwerte bzw. der ermittelte Stellwert für den Istzustand des Verdichters unangepasst bzw. werden dem Istzustand nicht mehr gerecht. Unter einer

„direkten Ansteuerung" soll hier insbesondere eine

unmittelbare Ansteuerung ohne zwischengeschaltete Ermittlung des theoretischen Zustands verstanden werden. Durch die direkte Ansteuerung kann eine prozesssichere Steuerung realisiert und damit eine verlässliche Verdichtersteuerung vorteilhaft gestaltet werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass zumindest ein in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierter Stellwert und zumindest ein unkorrigierte Stellwert über zumindest einen Vergleicher zusammengeschaltet sind. Der Vergleicher erhält den zumindest einen korrigierten Stellwert von der Steuereinheit und den zumindest einen unkorrigierten Stellwert von einer Sicherheitsvorrichtung, wie

beispielsweise einem Pumpgrenzregler. Mittels des

Vergleichers kann eine Entscheidung über die direkte

Ansteuerung eines beaufschlagten Stellelements konstruktiv einfach realisiert werden.

Es wird zudem vorgeschlagen, dass mit zumindest einem der unkorrigierten Stellwerte zumindest ein Ventil angesteuert wird. Das Ventil ist bevorzugt ein Stetigventil und besonders bevorzugt ein Regelventil. Durch das Ventil kann eine

Überführung vom kritischen Zustand in den unkritischen

Zustand schnell und konstruktiv einfach erfolgen.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der vorbestimmte

Zustand eine Änderung des Sollwerts oberhalb eines

festgelegten Sollwertgradienten umfasst. Hierbei soll unter der Wendung „Änderung des Sollwerts oberhalb eines

festgelegten Sollwertgradienten" insbesondere verstanden werden, dass sich die zeitliche Änderung des Sollwerts und/oder des Istwerts so schnell abspielt, dass die

Ermittlung der Stellwerte anhand des Sollwerts mittels des Optimierungsalgorithmus unfähig bzw. nicht in der Lage ist, schnell genug auf diese Änderung zu reagieren. Dieser Wert hängt von einer Verarbeitungsgeschwindigkeit der

Steuereinheit ab und beträgt beispielsweise 0,5 %/s.

Hierdurch kann sichergestellt werden, dass nur bei

gravierenden Sollwertänderungen eine Umgehung der

modelbasierten Korrektur ausgelöst wird. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die direkte Ansteuerung zumindest eines der Stellelemente eine schnellere Anpassung eines Istwerts des Verdichters an den Sollwert bewirkt als mittels der modelbasierten Korrektur. Der Istwert ist

bevorzugt ein Enddruck des Verdichters, kann aber prinzipiell jeder andere, dem Fachmann für verwendbar erachtete Istwert sein. Diese direkte Ansteuerung erfolgt mittels der

Steuereinheit und anhand zumindest eines dort ermittelten unkorrigierten Stellwerts. Hierdurch kann ein Modus der

Steuerung bereitgestellt werden, der unabhängig von der

Modellrechnung arbeitet und so vorausschauend einen

vorläufigen noch unkorrigierten Stellwert weitergibt, um schnell einen Zustand des Verdichters an einen neuen Sollwert anzupassen und so ein Arbeitsergebnis des Verdichters zu verbessern.

Zweckmäßigerweise wird der Verdichter geregelt und der

Sollwert als Regelgröße verwendet. Hierbei erfolgt die

Regelung bevorzugt mittels eines Prozessreglers, wie

beispielsweise einem Enddruckregler und/oder jedem anderen, dem Fachmann für zweckdienlich erscheinenden Regler. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Steuerung des Verdichters besonders einfach erfolgen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass ein Stellwert zumindest ein Anstellwinkel zumindest einer Leitvorrichtung des

Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist. Hierbei werden bevorzugt mehr als eine bzw. mehrere Leitvorrichtungen mit einem Stellwert oder mit mehreren Stellwerten

beaufschlagt, wobei jede Leitvorrichtung mit demselben oder mit unterschiedlichen Stellwerten gesteuert werden kann.

Generell kann auch eine Gruppe an Leitvorrichtungen mit demselben Stellwert beaufschlagt werden und eine zweite

Gruppe mit einem anderen Stellwert. Besonders vorteilhaft wird bei einem Verdichter mit mehr als zwei Stufen jede

Leitvorrichtung einer jeden Stufe mit einem Stellwert

beaufschlagt, der sich von einem anderen Stellwert einer anderen Leitvorrichtung unterscheidet. Hierbei ist bevorzugt eine Anzahl an Leitvorrichtungen kleiner oder gleich der Anzahl der Stufen des Verdichters. Mittels der Verstellung der Leitvorrichtungen können konstruktiv einfach ein freier Querschnitt des Verdichters verändert werden und/oder einer Strömung eines Fluids des Verdichters ein Drall verpasst werden, wodurch eine geförderte Fluidmenge des Verdichters vorteilhaft moduliert werden kann. Ferner können ein Druck und/oder eine Fluidmenge im Verdichter durch das Ventil schnell und konstruktiv einfach verändert werden.

Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die Drehzahl des

Verdichters zu variieren. Hierfür müssen angepasste

Wertetabellen von Kennfeldern in der Modelleinheit hinterlegt werden. Hierdurch könnten beispielsweise bei einem

zweistufigen Verdichter drei Freiheitsgrade erreicht werden, was die Variationsmöglichkeiten vorteilhaft erhöht.

Somit ist es vorteilhaft, wenn ein Stellwert eine Stellung eines Ventils und/oder eine Drehzahl des Verdichters ist. Folglich kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn ein

Stellwert zumindest ein Anstellwinkel zumindest einer

Leitvorrichtung des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist. Ist nun eine Vielzahl von Leitvorrichtungen, bevorzugt in

entsprechend der Anzahl der Stufen des Verdichters,

vorgesehen, kann es zudem vorteilhaft sein, wenn die

Stellwerte eine Vielzahl von Anstellwinkeln ( _n ) einer

Vielzahl an Leitvorrichtungen des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichters und/oder eine Stellung eines Ventils ist .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Gaszusammensetzung gemessen wird und bei der Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands berücksichtigt wird, wodurch die Ermittlung bzw. das thermodynamische Modell durch beispielsweise Einbeziehung von einer Realgasgleichung an einen Betrieb mit einem nicht idealen Gas bzw. an ein

verwendetes Gas angeglichen werden kann. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine Eingabe der Gaszusammensetzung anhand von Zahlenwerten in die Steuereinheit möglich, die von der

Modelleinheit in die Ermittlung einbezogen werden und/oder bei Vorliegen zumindest eines konstanten Verdichterfelds wäre eine Ermittlung der Gaszusammensetzung anhand zumindest eines Istwerts bzw. anhand von gemessenen Messgrößen und der

Druckverhältnisse, die die Stufen schaffen, denkbar.

Die Erfindung geht ferner aus von einem Verdichter mit einer Steuereinheit und einer Modelleinheit.

Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Stellwerte zumindest zweier Stellelemente des Verdichters anhand eines übermittelten Sollwerts eines Parameters des Verdichters zu ermitteln und dass die

Modelleinheit dazu vorgesehen ist, einen modelbasierten theoretischen Zustand des Verdichters anhand der Stellwerte zu ermitteln und dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einen der Stellwerte in Abhängigkeit vom

theoretischen Zustand zu korrigieren und zumindest eines der Stellelemente anhand eines Stellwerts zu steuern. Durch diese Ausgestaltung kann ein optimaler Wirkungsgrad des Verdichters gleichbedeutend mit einem minimalen Energieverbrauch

realisiert werden.

Zudem wäre es möglich, die Ermittlung des modellbasierten theoretischen Zustands bzw. das thermodynamische Modell an eine polytrope Strömungsarbeit und/oder einen polytropen Wirkungsgrad in einer dem Fachmann bekannten Weise

anzupassen .

Die Erfindung wird anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische

Darstellung eines Verdichters 10 in der Form eines

zweistufigen motorbetriebenen Getriebeverdichters mit einer erfindungsgemäßen Steuerung. Der Verdichter 10 weist eine Vielzahl Z bzw. eine erste Stufe 64 und eine zweiten Stufe 66 auf, denen jeweils ein Wärmetauscher 68 z B. zur

Zwischenkühlung nachgeschaltet ist. Ferner ist an jeder Stufe 64, 66 ein Stellelement 22, 24 in der Form einer

Leitvorrichtung 56, 58 angeordnet, mittels denen ein

Anstellwinkel ι, a.2 von Schaufeln der Leitvorrichtungen 56, 58 verändert bzw. eingestellt werden kann. Somit entspricht die Vielzahl Z der Stufen einer Vielzahl Z der

Leitvorrichtungen 56, 58. Dem Wärmetauscher 68 der zweiten Stufe 66 im Prozess in Fließrichtung 70 eines hier nicht näher dargestellten Arbeitsfluids, wie beispielsweise ein Gas, nachgeschaltet ist ein Ventil 52 in der Form eines

Regelventils 72 angeordnet, über dessen Stellung ß ein

Ablassen des Fluids eingestellt werden kann.

Zudem ist am Ende der Verdichterkette 74 eine

Rückschlagklappe 76 angeordnet, die den Verdichter 10 von einem weiteren hier nicht gezeigten System trennt. Vor und bei einem Anfahren des Verdichters 10 ist das Ventil 52 offen und das Fluid kann entweichen, wodurch im Verdichter 10 ein geringer Druck herrscht. Herrscht nun in dem weiteren System ein Druck der über dem Druck des Verdichters 10 liegt, wird die Rückschlagklappe 76 geschlossen gehalten. Steigt nun der Druck im Verdichter 10 durch ein Hochfahren des Verdichters 10 und das Schließen des Ventils 52 und übersteigt der Druck eine Kennlinie der Rückschlagklappe 76 wird diese geöffnet und das Fluid kann entweichen.

Des Weiteren sind mehrere Messelemente 78, beispielsweise in der Form von Temperaturmessfühlern, Drucktransmittern und

Durchflusstransmittern, zur Messung von Istwerten 32, 34, 36, 38, 40, 42, 54 an der Verdichterkette 74 angeordnet. Hierbei werden in Fließrichtung 70 vor der ersten Stufe 64 ein

Istwert 32 einer Saugtemperatur Ti, ein Istwert 36 eines Saugdrucks pi und ein Istwert 38 eines saugseitigen

Volumenstroms V ermittelt. Vor der zweiten Stufe 66 werden ein Istwert 34 der Saugtemperatur T ₂ und ein Istwert 40 eines Saugdruck P ₂ gemessen. Ferner wird nach der zweiten Stufe 66 und vor der Rückschlagklappe 76 ein Istwert 42 eines

Zwischendrucks p _zw und nach der Rückschlagklappe 76 ein

Istwert 54 eines Enddrucks p _E n _d ermittelt. Zudem weist der Verdichter 10 eine Steuereinheit 60 und eine Modelleinheit 62 auf, die ein Verfahren zur Steuerung des Verdichters 10 betreiben. Hierbei wird ein Sollwert 12 eines Parameters 14 des Verdichters 10, wie beispielsweise eines

Massenstroms m, und somit m _so ii an die Steuereinheit 60 übermittelt. Dies erfolgt von einem Prozessregler 80 in der Form eines Enddruckreglers, der den Sollwert 12 aus dem ihm zugeführten Istwert 54 des Enddrucks P _E n _d berechnet hat, wodurch der Verdichter 10 geregelt wird und der Sollwert 12 als Regelgröße verwendet wird. Zudem erhält der Prozessregler 80 von der Steuereinheit 60 einen Maximalwert 82 des

Parameters 14, hier m _max . Liegt der Sollwert 12 über dem

Maximalwert 82 wird dieser als Sollwert 12 an die

Steuereinheit 60 gegeben. Die Steuereinheit 60 ermittelt nun drei Stellwerte 16, 18, 20 der Stellelemente 22, 24, 26 bzw. der Leitvorrichtungen 56, 58 und des Ventils 52 des Verdichters 10 anhand des Sollwerts 12. Diese Ermittlung erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Weise anhand eines in der Steuereinheit 60 hinterlegten numerischen Algorithmus in der Form einer sequentiellen quadratischen Programmierung. Diese drei ermittelten

Stellwerte 16, 18, 20 werden nun an die Modelleinheit 62 übermittelt, die anhand der Stellwerte 16, 18, 20 einen modelbasierten theoretischen Zustand des Verdichters 10 ermittelt, wobei zur Ermittlung des theoretischen Zustands ein Verhalten des Verdichters 10 simuliert wird

(Rechnungsmodell siehe unten) .

Dieser modelbasierte theoretische Zustand bzw. diesem

zugeordnete vorausgesagte Parameter 30, beispielsweise eines Wirkungsgrads η, eines Energieverbrauchs P, eines Abstands von einer Pumpgrenze S _PG oder eines Massenstroms m, wird an die Steuereinheit 60 gegeben. Hierbei kann nur ein Parameter 30 oder bevorzugt können mehrere verschiedene Parameter 30 an die Steuereinheit 60 gegeben werden, der Einfachheit halber ist hier nur ein Parameter 30 behandelt. Die Steuereinheit 60 vergleicht den Parameter 30 bzw. den ermittelten Massenstrom m mit dem Sollwert 12 und korrigiert bei einer Abweichung der Werte voneinander anhand des numerischen Verfahrens die

Stellwerte 16, 18, 20 in Abhängigkeit vom theoretischen

Zustand. Ferner vergleicht er den Parameter 30 mit weiteren Anforderungen, wie einem Abstand zu der Pumpgrenze SPG, eine Mindestbelastung einzelnen Ritzelwellen des Verdichters 10, ein Einhalten der Schluckgrenze der Stufen 64, 66, eine

Halten einer Gesamtleistung des Verdichters 10 unterhalb eines Leistungsmaximums des Verdichters 10 und passt

gegebenenfalls die Stellwerte 16, 18, 20 darauf an. Diese

Anforderungen können in der Steuereinheit 60 hinterlegt sein und/oder von Außen zugeführt werden. Die korrigierten

Stellwerte 16, 18, 20 werden erneut zur Ermittlung des modellbasierten theoretischen Zustands an die Modelleinheit 62 gegeben. Somit wird das Verhalten des Verdichters 10 wie in einem Regelkreis 28 zwischen der Steuereinheit 60 und der Modelleinheit 62 schrittweise an den Sollwert 12 angepasst.

Eine Steuerung der Stellelemente 22, 24, 26 anhand der in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand korrigierten

Stellwerte 16, 18, 20 erfolgt erst dann, wenn der dem

Sollwert 12 entsprechende Parameter 30 des theoretischen Zustands eine vorgegebene Nähe zum Sollwert 12 erreicht hat. Hierbei sind die Stellwerte 16, 18 Anstellwinkel ι, a. ₂ der Leitvorrichtungen 56, 58 des Verdichters 10 und der Stellwert 20 die Stellung ß des Ventils 52.

Sie Steuerung erfolg somit über ein Zusammenwirken des thermodynamischen Modells und dem numerischen Algorithmus. Es wird also während des Betriebes des Verdichters 10 ständig durch Variationen der drei Stellwerte 16, 18, 20 bzw. ι, a. ₂ und ß durch die Steuereinheit 60 Szenarien dem

thermodynamischen Modell bzw. der Modelleinheit 62 geschickt. Das thermodynamische Modell ermittelt und liefert dann zurück, welcher theoretische Zustand, beispielsweise bezogen auf dem Massenstrom m, den Wirkungsgrads η oder den

Energieverbrauch P, sich dann bei Verwendung dieser

Stellwerte 16, 18, 20 einstellen würde. Somit kann ermittelt werden, wie unter Wahrung einer Gesamtliefermenge diese drei Stellwerte 16, 18, 20 verändern werden müssen, damit z. B. der Energieverbrauch P möglichst klein wird. Das thermodynamische Modell ermittelt den effektiv

geförderten Massenstrom m _eff . Hierfür sind die folgenden

Vorbetrachtungen nötig:

Eine Molmasse des geförderten Fluids sowie eine Drehzahl des Verdichters 10 werden als konstant angenommen. Eine gesamte Druckerhöhung rges des Verdichters 10 setzt sich zusammen aus den Druckverhältnissen ττ ₁ , π ₂ der einzelnen Stufen 64, 66 und ist gemäß

n , ⁼¹

zu bestimmen. Hierbei ist die Aufteilung auf die einzelnen Stufen 64, 66 so zu bestimmen, dass eine Antriebsleitung ein Minimum annimmt. Ein gesamter Energieverbrauch P des

Verdichters 10 bestimmt sich aus:

p =-^- _m

¹ k, Stufe '"-> wobei e _s die spezifische isentrope Strömungsarbeit ist. Im

Wirkungsgrad k _fS sind sowohl Verluste der isentropen

Zustandsänderung, weitere Strömungsverluste und mechanische Verluste bspw. eines Getriebes enthalten. Die spezifische isentrope Strömungsarbeit kann als e _sj = f{a _i ^ _i ) und der

Wirkungsgrad als V _{s ki} = beschreiben werden. Die

Durchflusskennzahl φ ist bei konstanter Drehzahl proportional zum saugseitigen Volumenstrom V, wodurch sich e _sl = f( ₁ , Vi) und r] _{s ki} = f( _l , Vi) ergibt. Diese funktionalen Zusammenhänge der einzelnen Stufen 64, 66 sind als vorausberechnete und über eine Erprobung korrigierte Werte in 2-dimensionalen Wertetabellen abgelegt. Grundsätzlich könnten diese Tabellen auch im Verfahren verändert bzw. verbessert werden.

Zur Ermittlung des Energieverbrauchs P muss nun der effektive Massenstrom m _eff berechnet werden. Dieser bestimmt sich aus ^m eff - f{Pi, T _l , T ₂ ,a _l ,a ₂ ,p _zw ,ß) . Dies kann wie folgt hergeleitet werden :

Ein Saugdruck P2 der zweiten Stufe 66 ist abhängig von dem Saugdruck pi und dem Druckverhältnis π ₁ der ersten Stufe 64: ρ ₂ =ρ _ι π _ι , wobei π _ι 1 + - und e _sl = /( _ι ,φ _ι ) ist.

K

RT,

Sinngemäß ergibt sich für den Zwischendruck p _zw , dass dieser abhängig von dem Saugdruck p ₂ und dem Druckverhältnis π ₂ der zweiten Stufe 66 ist:

^■ 2 wobei π _Ί 1 + - "i2 und e _s2 = f( ₂ ,p ₂ ) = f(a ₂ , V ₂ ), V ₂ « Vi Pl ^T 2 ist

IC

^■ RT,

κ-\

Hieraus kann verallgemeinert werden, dass

= f(P _{i i} , T ₂ , _l ,a ₂ , V ₁ ).

Fördert der Verdichter 10 nun ein druckseitiges Volumen, so ändert sich der Druck in diesem Volumen, wenn eine Bilanz einer zu- und/oder abgeführten Menge unausgeglichen bleibt. Der Zwischendruck p _zw des Verdichters 10 wird durch

Integration der Massenstrombilanz erhalten, wodurch sich m = f(Pi, i, ₂ > ^a i> ^a 2> Pzw )

ergibt. Betrachtet man nun einen Massenstrom m nach der

Rückschlagklappe 76 kann die Stellung ß und damit die um- und/oder abgeblasene Menge an Fluid berücksichtigt werden und es ergibt sich:

Die Stellwerte 1 6 , 1 8 , 2 0 der Anstellwinkel oii und c< ₂ bzw. die Stellung ß sind von den Stellelementen 22 , 24 , 2 6

beeinflussbar. ΤΊ, T ₂ , pi und p _zw stellen Störgrößen dar, die von äußeren Randbedingungen abhängen. Der Saugdruck pi kann im Regelfall als konstant angenommen werden. Der

Zwischendruck p _zw kann durch die oben beschriebene

errechenbare Abhängigkeit von den anderen Werten bestimmt werden. Somit gehen in die Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands mittels des thermodynamischen Modells zwei Istwerte 32 , 34 des Zustands des Verdichters 1 0 bzw. die gemessenen Saugtemperaturen ΊΊ und T ₂ der beiden Stufen 64 ,

66 ein. Das Modell kann mit alleiniger Kenntnis dieser beiden Istwerte 32 , 34 den modelbasierten theoretischen Zustand ermitteln. Ferner wird jedoch der ermittelte modelbasierte theoretische Zustand anhand weiterer Istwerte 3 6 , 38 , 4 0 , 42 , des Zustands des Verdichters 1 0 bzw. anhand der gemessenen Saugdrücke pi, P ₂ , des gemessenen Zwischendrucks p _zw , und des gemessenen Volumenstroms V korrigiert.

Ferner weist der Verdichter 1 0 eine Sicherheitsvorrichtung 84 in der Form eines Pumpgrenzreglers 8 6 auf. Der

Pumpgrenzregler 8 6 ermittelt ständig, ob ein Abstand zu der Pumpgrenze S _PG eingehalten wird. Hierfür erhält er von der Modelleinheit 60 den dort theoretisch ermittelten Parameter 30 des Abstands der Pumpgrenze S _PG und vergleicht diesen mit einem im Pumpgrenzregler 8 6 hinterlegten Sollwert 8 8 . Nähert sich der Parameter 30 einem Bereich mit beispielsweise 7 % -

1 0 % Abweichung von dem Sollwert 8 8 oder unterschreitet diesen, was beides beispielsweise bei einer dynamischen

Änderung des Drucks im Verdichter 1 0 auftreten kann, wird der Pumpgrenzregler 8 6 aktiviert. Er ermittelt nun anhand eines PI-Algorithmus einen unkorrigierten Stellwert 4 8 bzw. eine Stellung ß des Ventils 52 bei dem bzw. bei der der Abstand zur Pumpgrenze S _PG eingehalten wird. Dieser unkorrigierte Stellwert 48 wird an einen Vergleicher 50 geschickt, der zudem den in Abhängigkeit vom theoretischen Zustand

korrigierten Stellwert 20 von der Steuereinheit 60 erhält. Der Vergleicher 50 ermittelt nun durch Vergleich der

Stellwerte 20, 48 welcher Stellwert eine größer Offenstellung des Ventils 52 vermittelt und leitet diesen so ermittelten Stellwert 20, 48 an das Ventil 52 zu dessen Steuerung weiter. Bei einem Eingreifen des Pumpgrenzreglers 86 ist dies

beispielsweise der unkorrigierte Stellwert 48.

Somit wird bei Vorliegen eines vorbestimmten Zustands, wie eines kritischen Zustands einer schnellen Druckänderung im Verdichter 10, das Stellelement 26 bzw. das Ventil 52 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels des unkorrigierten Stellwerts 48 angesteuert, wodurch der

Verdichter 10 in einen unkritischen Zustand überführt wird und er nicht an seiner Belastungsgrenze betrieben wird. Der Pumpgrenzregler 86 wird wieder aus dem Eingriff gebracht, wenn das thermodynamische Modell durch eine Anpassung seiner Voraussagen auf die Druckänderung reagiert hat.

Während des Betriebs des Verdichters 10 anhand der

theoretischen Ermittlung der Stellwerte 16, 18, 20 wird von dem Vergleicher 50 der Stellwert 20 an das Ventil 52 gegeben. Hierbei wird ein resultierender Ansteuerwert ßi _St für die Stellung ß des Ventils 52 an den Pumpgrenzregler 86

übermittelt, so dass dieser gemäß dieses tatsächlichen

Ansteuerwert ßi _St nachgeführt werden kann. Das thermodynamische Modell hat somit zwei Funktionen; zum einen die der theoretischen Voraussage des Zustands anhand der Rechnung mit angenommenen Stellwerten 16, 18, 20 und zum anderen die einer Regelung des Verdichters 10 über den

Pumpgrenzregler 86.

Ebenso bei einem Auftreten eines vorbestimmten Zustands in der Form einer Änderung des Sollwerts 12 oberhalb eines festgelegten Sollwertgradienten, werden die Stellelemente 22, 24, 26 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels unkorrigierten Stellwerten 44, 46, 48 angesteuert. Hierbei bewirkt diese direkte Ansteuerung der Stellelemente 22, 24, 26 eine schnellere Anpassung der Istwerte 34, 40, 42, 54 des Verdichters 10 an den Sollwert 12 als mittels der modelbasierten Korrektur. Die Steuereinheit 60 ermittelt also bei einem großen Sprung des Sollwerts 12 während der

Modellberechnung der Modelleinheit 62 anhand einer

Linearisierung wie die Stellelemente 22, 24, 26 verändert werden müssten, um dem veränderten Sollwert 12 gerecht zu werden .

Eine Anzeige relevanter Stellwerte, Istwerte, Sollwerte, Angaben über Unterschiede dieser Werte zu Werten, die ohne die modelbasierte Korrektur erreicht worden wären, und/oder einer Aufsummierung z. B. der Energieersparnis kann über eine hier nicht dargestellte Anzeigeneinheit für ein

Bedienpersonal indirekt über die Verdichtersteuerung

bereitgestellt werden, wodurch Vorteile des Systems

vorteilhaft zu sehen sind.

Zudem kann zusätzlich zu den Stellwerten 16, 18, 20 auch ein Stellwert 90 in der Form einer Drehzahl n eines hier nur gestrichelt angedeuteten Stellelements 94 in der Form eines Motors 96 ermittelt, korrigiert und eingestellt werden. Auch kann hier bei Vorliegen eines vorbestimmten Zustands das Stellelement 94 unter Umgehung der modelbasierten Korrektur direkt mittels einem unkorrigierten Stellwert 92 angesteuert werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch eine

Drehzahl einer Turbine eingestellt werden.

Ferner kann bei einer Arbeit des Verdichters 10 mit einer veränderlichen Gaszusammensetzung G diese mit einem in der Figur nur gestrichelt gezeigten Messelement 78 gemessen und bei der Ermittlung des modelbasierten theoretischen Zustands berücksichtigt werden. Alternativ kann auf den Prozessregler 80 verzichtet werden, wobei hier der Sollwert 12 anderweitig von extern dem System zugeführt wird. Ferner ist in einer alternativen Ausführung auch der Pumpgrenzregler 86 und der Vergleicher 50

verzichtbar, wenn die Berechnung der optimierten Stellwerte 16, 18, 20 schnell genug erfolgt, um selbst bei plötzlichen Prozessänderungen adäquat zu reagieren.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt das Verfahren exemplarisch für einen zweistufigen Verdichter mit einer

Innendruckzustandsänderung . Prinzipiell ist das Modell auf jeden mehrstufigen Verdichter anwendbar. In dem

thermodynamischen Modell kann anstatt mit isentropen

Strömungsarbeiten bzw. Wirkungsgraden auch mit polytropen Größen gerechnet werden. Des Weiteren können auch andere Repräsentationen des Verdichterkennfelds verwendet werden, die eine Berechnung von Leistung und Liefermenge anhand der gegebenen Eingangsgrößen ermöglicht.