Verfahren zur Optimierung des Betriebs mehrerer Verdichteraggregate und Vorrichtung hierzu

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Verdichtungsanlage mit mindestens zwei gesondert zu- und/oder abschaltbaren Verdichteraggregaten, mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen zur Änderung der Arbeitsleistung der Verdichteraggregate und mit einer Steuerungseinrichtung .

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Verdichtungsanlage mit mindestens zwei gesondert zu- und/oder abschaltbaren Verdichteraggrega- ten und mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen zur Änderung der Arbeitsleistung der Verdichteraggregate .

Verdichtungsanlagen, beispielsweise Erdgasverdichtungsanla ^¬ gen, für den Gastransport und/oder die Gasspeicherung sind wesentliche Einrichtungen im Sinne der nationalen und internationalen Energieversorgung . Ein System zum Gastransport besteht aus einer Vielzahl von Verdichtungsanlagen, welche sich jeweils aus mehreren Verdichteraggregaten zusammensetzen können . Den Verdichteraggregaten kommt hier die Aufgabe zu, ei- nem Fördermedium hinreichend viel mechanische Energie hinzu ^¬ zufügen um Reibungsverluste zu kompensieren und die geforderten Betriebsdrücke bzw . -flüsse sicherzustellen . Verdichteraggregate weisen oft sehr unterschiedliche Antriebe und Lauf ^¬ räder auf, da sie beispielsweise für eine Grundlast- oder ei- nen Spitzenlastbetrieb ausgelegt sind . Ein Verdichteraggregat umfasst z . B . mindestens einen Antrieb und mindestens einen Verdichter .

Der Anlagenautomatisierung kommt insbesondere für eine kos- tenoptimale Fahrweise eine große Bedeutung zu . Die Fähigkeit der Anlagenautomatisierung den Prozess zu führen, und die

Verdichtungsanlage innerhalb der Produktionszwänge zu opti ^¬ mieren, liefert entscheidende wirtschaftliche Vorteile .

Häufig werden die Verdichter einer Verdichtungsanlage über Turbinen angetrieben, die ihren Brennstoffbedarf direkt aus einer Pipeline decken . Alternativ werden Verdichter über e- lektrische Motoren angetrieben . Eine kostenoptimale Fahrweise bedeutet , den Energieverbrauch der Turbinen bzw . der elektrischen Antriebe bei gegebener Verdichtungsleistung, Förder- leistung, Förderkapazität und/oder bei gegebenem Volumenstrom zu minimieren .

Ein nutzbarer Betriebsbereich von Verdichtern wird durch nachteilige Auswirkungen innerer Strömungsvorgänge einge- schränkt . Hieraus ergeben sich Betriebsgrenzen, wie z . B . eine Temperaturbegrenzung, Überschreiten der lokalen Schallgeschwindigkeit (Verdichtungsstoß , Schluckgrenze) , das umlau ^¬ fende Abreißen der Strömung am Schaufelrad oder die Pumpgrenze .

Die Automatisierung einer Verdichtungsanlage hat primär die Aufgabe von einer Dispatching-Zentrale vorgegebene Sollwerte, wie wahlweise einen Durchfluss durch die Station oder einen Enddruck an der Ausgangsseite als Istwerte zu realisieren . Es dürfen hierbei vorgegebene Grenzwerte für die Saugdrücke an der Eingangsseite, die Enddrücke an der Ausgangsseite und die Endtemperatur am Anlagenausgang nicht überschritten werden .

Aus WO 03/036096 Al ist ein Verfahren zur Optimierung des Be- triebs mehrerer Verdichteraggregate einer Erdgasverdichtungs ^¬ station bekannt . Bei diesem Verfahren werden nach dem Anlauf eines zweiten bzw . eines weiteren Verdichteraggregats die Drehzahlen der laufenden Verdichteraggregate in einem festen Drehzahlverhältnis in Bezug auf für jedes Verdichteraggregat hinterlegte Kennfelddaten gefahren . Um eine erste Reduzierung des Energieverbrauchs zu realisieren werden nach Anlaufen eines zusätzlichen Verdichters die Drehzahlen aller in Betrieb

befindlichen Aggregate durch eine gleichprozentige Durch- flussmengenverstellung solange verändert , bis , wenn möglich, alle Pumpverhütungsventile der Anlage geschlossen sind . Erst nachdem alle Pumpverhütungsventile geschlossen sind, werden Arbeitspunkte der Verdichteraggregat in deren Kennfeldern so nahe wie möglich an eine Linie des maximalen Wirkungsgrades geschoben .

Gemäß EP 0 769 624 Bl ist ein Verfahren bekannt zur Lastaus- gleichung zwischen mehreren Verdichtern und zum Manipulieren der Arbeitsleistung der Verdichter, um eine vorbestimmte Beziehung zwischen allen Verdichtern aufrechtzuerhalten, wenn die Arbeitspunkte aller Verdichter weiter als ein spezifizierter Wert von der Pumpgrenze entfernt sind .

Mit EP 0 576 238 Bl ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lastverteilung bekannt . Mit einem als Führungsverdichter bestimmten Verdichter wird ein Regelsignal erzeugt , welches als eine Bezugsgröße für die nicht führenden Verdichter ge- nutzt wird .

Die oben beschriebenen Verfahren können den Energieverbrauch der gesamten Verdichtungsanlage noch nicht zufrieden stellend herabsetzen .

Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur weiteren Optimierung des Energieverbrauchs für einen Betrieb mehrerer Verdichteraggregate ei ^¬ ner Verdichtungsanlage zur Verfügung zu stellen .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch g e l ö s t , dass bei Vorgabe neuer Sollwerte oder Änderung des aktuellen Zu- standes der Verdichtungsanlage mittels einer Optimierungs ^¬ rechnung aus einer aktuellen Schaltkonfiguration der Verdich- teraggregate hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebe ^¬ darfs der Verdichtungsanlage eine neue Schaltkonfiguration

berechnet wird, und dass die neue Schaltkonfiguration über die Steuerungseinrichtung automatisch eingestellt wird .

An der Erfindung ist vorteilhaft , dass bei der Optimierung von allen an der jeweiligen Verdichtungsanlage verfügbaren oder betriebsbereiten Verdichteraggregaten unabhängig von ihrem jeweiligen Betriebs- oder Schaltzustand ausgegangen werden kann . Insbesondere erlaubt die Erfindung - im Gegensatz zu bekannten Steuerungen für Verdichtungsanlagen - als Ergeb- nis der Optimierung ein automatisches Zuschalten eines vorher außer Betrieb befindlichen Verdichteraggregates oder ein völ ^¬ liges Abschalten eines Verdichteraggregates sein .

Automatisch bedeutet hierbei insbesondere „online", dass heißt automatisch kann zum Beispiel heißen, dass die Schalt ^¬ konfiguration ohne manuelles Zutun vom Betriebspersonal der Verdichtungsanlage verwendet wird, vorzugsweise in Echtzeit . Echtzeit bedeutet , dass das Ergebnis einer Berechnung inner ^¬ halb eines gewissen Zeitraumes garantiert vorliegt , das heißt bevor eine bestimmte Zeitschranke erreicht ist . Dabei kann die Optimierungsrechnung auf einer gesonderten Datenverarbeitungsanlage ablaufen, welche ihre Rechendaten automatisch an die Steuerungseinrichtung weitergibt .

Die Erfindung geht von dem bekannten sequentiellen Konzept , d. h . nach dem Anlaufen eines von außen vorgegebenen, zusätzlichen Aggregates erst die Pumpverhütungsventile zu schließen und danach die Arbeitspunkte der Verdichteraggregate hin ^¬ sichtlich ihres Wirkungsgrades zu optimieren, ab . Erfin- dungsgemäß wird vorzugsweise während jeder Optimierungsrech ^¬ nung die gesamte Verdichtungsanlage betrachtet und die Schaltkonfiguration der Verdichtungsanlage, d . h . die Vorgabe eines Schaltzustands der einzelnen Verdichteraggregate, be ^¬ rechnet . Das Schließen der oder aller Pumpverhütungsventile kann durch einen minimalen Durchfluss durch die Verdichterag ^¬ gregate bei der Optimierung sichergestellt werden . Auch ein erstmaliges Anfahren der Verdichtungsanlage kann bereits mit

einer hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs günstigen Schaltkonfiguration erfolgen .

Unter der, vorzugsweise elektrisch manipulierbaren, Schalt- konfiguration einer Verdichtungsanlage versteht man eine Men ^¬ ge der jeweiligen Schaltzustände der einzelnen Verdichterag ^¬ gregate . Die Schaltkonfiguration wird durch die Schaltzustände „0" für Aus oder „1" für Ein repräsentiert , welche bei ^¬ spielsweise in einer ganzzahligen Variable bitweise abgelegt ist .

Unter Schaltvorgang versteht man den Wechsel von einem, insbesondere elektrischem, Schaltzustand in einen anderen .

Vorteilhafterweise wird eine Prognose mittels der Optimie ^¬ rungsrechnung für mindestens einen, vorzugsweise mehrere zu ^¬ künftige (n) Zeitpunkt (e) ermittelt . Da das Verfahren Progno ^¬ sen bis zu einem gegebenen Zeitpunkt zulässt , ist es möglich Kenntnisse über eine normale Fahrweise der Station, d . h . z . B , einen üblichen Lastverlauf, zu verwenden um die Schalthäufig ^¬ keit von Verdichteraggregaten zu minimieren .

Zweckmäßig ist , dass verdichteraggregat-spezifische Datensät ^¬ ze und/oder verdichteraggregat-spezifische Kennfelder ausge- wertet und für die einzelnen Verdichteraggregate Arbeits ^¬ punkte bestimmt werden, welche von vorgegebenen bzw . geänderten Werten des Massenflusses und einer spezifischen Förderarbeit abhängen, wobei die Arbeitspunkte derart eingestellt werden, dass der Gesamtenergiebedarf der Verdichtungsanlage optimiert wird .

Mit Vorteil werden die Datensätze und/oder Kennfelder als Funktion von einem Massenfluss und einer spezifischen Förderarbeit der einzelnen Verdichtungsaggregate angegeben .

Mit Vorteil wird bei der Optimierungsrechnung zusätzlich zur Schaltkonfiguration eine Lastverteilung, d . h . ein Drehzahl-

Verhältnis , zwischen den Verdichteraggregaten berechnet und gegebenenfalls geändert .

Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, dass Nebenbe- dingungen an die Optimierung, wie z . B . die Pumpgrenze nicht zu verletzen, schon bei einer Wirkungsgradoptimalen Berechnung der Drehzahlsollwerte für die einzelnen Verdichterstati ^¬ onen berücksichtigt werden können .

Zweckmäßig ist , dass die Optimierungsrechnung mit einem Re- gelzyklus , insbesondere selbstauslösend, ausgeführt wird .

Mit Vorteil werden als Ausgangsgrößen der Optimierungsrechnung mit jedem Regelzyklus Drehzahlsollwerte und/oder die neue Schaltkonfiguration für die Steuerungseinrichtung bereitgestellt .

Zweckmäßig ist , dass für die Dauer des Regelzyklus , welcher insbesondere ein Vielfaches einer Zykluszeit einer Regelung der Steuerungseinrichtung ist , die Drehzahlsollwerte und/oder die Schaltkonfiguration konstant gehalten werden .

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Drehzahlsollwerte mit einem gemeinsamen Faktor skaliert und als Sollwert für einen Verdichteraggregat-Regler genutzt .

Eine weitere Steigerung der Effektivität des Anlagenbetriebes wird erreicht indem die Steuerungseinrichtung mit der neuen Schaltkonfiguration bereits vor Ende des Regelzyklus eine Aufwärmphase der Verdichteraggregate für das spätere Zuschal ^¬ ten eines vorher außer Betrieb befindlichen Verdichteraggre ^¬ gates auslöst .

In einer besonderen Ausführungsform wird mit dem Ende der Aufwärmphase der Steuerungseinrichtung eine Lastbereitschaft für den nächsten Regelzyklus mitgeteilt . Wenn beispielsweise die Drehzahl eines anfahrenden Verdichteraggregates hinrei-

chend hoch ist und die Aufwärmphase der Turbine beendet ist , wird ein Signal "lastbereit " gesetzt . Das bedeutet , dass das Verdichteraggregat an dem Verfahren der Lastverteilung teilnimmt und in der Optimierungsrechnung für die günstigste Lastverteilung zwischen den in Betrieb befindlichen berücksichtigt wird .

In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform werden als Eingang für die Optimierungsrechnung - ein Modell der einzelnen Verdichtungsaggregate und/oder

— eine Modellbibliothek der gesamten Verdichtungsanlage und/oder

— eine aktuelle spezifische Förderarbeit der einzelnen Ver ^¬ dichtungsaggregate und/oder — eine aktuelle spezifische Förderarbeit der Verdichtungsan ^¬ lage und/oder

— einen aktuellen Massenfluss durch das einzelne Verdichtungsaggregat , insbesondere durch einen einzelnen Verdichter und/oder - einen aktuellen Massenfluss durch die Verdichtungsanlage und/oder

— die aktuelle Schaltkonfiguration und/oder

— ein Saugdruck an der Eingangsseite der Verdichtungsanlage und/oder — ein Saugdruck an der Eingangsseite des einzelnen Verdichtungsaggregates und/oder

— ein Enddruck an der Ausgangsseite der Verdichtungsanlage und/oder

— ein Enddruck an der Ausgangsseite des einzelnen Verdich- tungsaggregates und/oder

— eine Temperatur an der Ausgangsgangsseite der Verdichtungsanlage und/oder

— eine Temperatur an der Eingangsseite der Verdichtungsanla ^¬ ge und/oder — eine Temperatur an der Ausgangsgangsseite der einzelnen Verdichtungsaggregate und/oder

— eine Temperatur an der Eingangsseite der einzelnen Verdichtungsaggregate und/oder

— die aktuellen Drehzahlen der einzelnen Verdichteraggregate ausgewertet .

In zweckmäßiger Weise minimiert die Optimierungsrechnung nach dem Prinzip der modelprädiktiven Regelung mittels Prognoserechnungen den bis zu einem späteren Zeitpunkt erwarteten Gesamtenergiebedarf .

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei der Optimierungsrechnung ein Energieverbrauch eines Schaltvorgangs berücksichtigt .

Zweckmäßigerweise wird der Energieverbrauch des Schaltvorgangs aus den Datensätzen und/oder den Kennfeldern der Verdichteraggregate berechnet . Die Kenntnis über einen anteili ^¬ gen Energieverbrauch für den Schaltvorgang ermöglicht eine noch exaktere Bestimmung des minimalen Gesamtenergiever- brauchs der Verdichtungsanlage .

Eine vorteilhafte Variante der Erfindung ist , dass die spezi ^¬ fische Förderarbeit der Verdichteranlage für den Regelzyklus als konstant angenommen wird, insbesondere bei einer Paral- lelschaltung der Verdichteraggregate .

Eine alternative vorteilhafte Variante der Erfindung ist , dass der Massenfluss der Verdichteranlage für den Regelzyklus als konstant angenommen wird, insbesondere bei einer Serien- Schaltung der Verdichteraggregate .

Zweckmäßiger Weise wird ein aktives Verdichteraggregat zumin ^¬ dest mit einem vorgebbaren oder vorgegebenen minimalen Durch- fluss betrieben .

Vorteilhafterweise wird die Optimierungsrechnung mittels ei ^¬ nes Branch-and-Bound Algorithmus ausgeführt .

In einer weiteren vorteilhaften Weise wird eine Grenze für den Branch-and-Bound Algorithmus durch das Lösen eines rela ^¬ xierten Problems mittels Sequential-Quadratic-Programming bestimmt .

Eine weitere Steigerung der Effizienz des Berechnungsverfahrens wird erreicht indem die Optimierungsrechnung mittels ei ^¬ ner dynamischen Programmierung Teilprobleme löst , insbesonde ^¬ re bei einer Serienschaltung .

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird bezogen auf die ein ^¬ gangs genannte Steuerungseinrichtung gelöst durch ein Optimierungsmodul, mit dem bei Vorgabe neuer Sollwerte oder Ände ^¬ rung des aktuellen Zustands der Verdichtungsanlage mittels einer Optimierungsrechnung aus einer aktuellen Schaltkonfiguration der Verdichteraggregate hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergiebedarfs der Verdichtungsanlage eine neue Schalt ^¬ konfiguration berechenbar ist , und durch ein Stellmodul, mit welchen die neue Schaltkonfiguration automatisch einstellbar ist .

Das Optimierungsmodul zur Optimierung des Energieverbrauchs ist insbesondere dazu hergerichtet in Kombination mit der Steuerungseinrichtung und/oder der Dispatching-Zentrale die vorgegebene Gesamtlast auf die einzelnen Verdichteraggregate so zu verteilen, dass die Stationssollwerte unter möglichst geringem Energieverbrauch, d . h . mit maximalem Gesamtwirkungsgrad, verwirklicht werden . Dies umfasst beispielsweise sowohl die Entscheidung welche Verdichteraggregate aktiv und welche inaktiv geschaltet werden, als auch die Vorgabe wie viel je ^¬ des der aktiven Aggregate zur Gesamtleistung beitragen soll, also die Vorgabe der Lastverteilung .

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Op- timierungsmodul in räumlicher Entfernung, insbesondere mehre ^¬ re Km, zur Steuerungseinrichtung angeordnet .

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Optimierungsmodul zur Berücksichtigung eines Energieverbrauchs eines Schaltvorganges hergerichtet .

Eine weitere Ausgestaltung ist , dass das Optimierungsmodul zur Optimierungsrechnung für eine Mehrzahl von Steuerungseinrichtungen mehrerer Verdichtungsanlagen hergerichtet ist .

Zur Erfindung gehört auch ein Computerprogrammprodukt enthal- tend eine Software zur Durchführung eines Verfahrens nach ei ^¬ nem der Ansprüche 1 bis 21. Mit einem maschinenlesbaren Programmcode auf einem Datenträger lassen sich mit Vorteil DV- Anlagen zu einem Optimierungsmodul herrichten .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei ^¬ spiels näher erläutert , wobei in

FIG 1 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zur Optimierung des Betriebs einer Verdichtungsanlage, FIG 2 ein verdichter-spezifisches Kennfeld eines Verdich ^¬ teraggregats ,

FIG 3 eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Verdichtungsanlage und in

FIG 4 ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte

gezeigt ist .

Das Verhalten eines einzelnen Verdichtungsaggregats 3 , 4 , 5 wird durch ein Kennfeld 20 modelliert , das Kennfeld 20 be- schreibt dessen Wirkungsgrad und seine Drehzahl als Funktion seines Arbeitspunktes 22. Der Arbeitspunkt 22 wird mittels einer Zustandsvariablen m , welche einen Massenfluss durch das Verdichtungsaggregat beschreibt , und einer mit Gleichung 1 bestimmbaren spezifischen Förderarbeit

beschrieben, wobei

R eine spezifische Gaskonstante,

K ein Isentropenexponent ,

Z ein Realgasfaktor, c _E ,c _A eine Geschwindigkeit am Eingang bzw . Ausgang des Ver ^¬ dichteraggregats , z _A ,z _E ein Höhenunterschied, p _E ein Saugdruck, p _A ein Enddruck, und

T _E eine Eingangstemperatur ist .

Die Kennfelder 20 sind nicht durch eine geschlossene Formel zur Verfügung gestellt . Aus einer Messung werden eine Förderkennlinie 21 und eine Wirkungsgradkennlinie 23 ermittelt . Bei konstanter Drehzahl wird die Abhängigkeit von der Förderarbeit und einem Wirkungsgrad η. vom Volumenstrom V- oder Mas- senfluss m an Stützstellen bestimmt .

Um das Verhalten eines Verdichteraggregates 3 , 4 , 5 zu mo ^¬ dellieren, müssen zusätzlich die Betriebsgrenzen, wie z . B . eine Pumpgrenze 36 , die durch das Auftreten bestimmter Strö- mungserscheinungen im Verdichter bedingt sind, in Abhängigkeit von der Drehzahl aufgenommen werden . Aus diesen Stützstellen und den zugehörigen Werten für verschiedene Drehzahlen lassen sich durch geeignete Ansätze, wie z . B . stückweise polynomialer Interpolation oder B-Splines , die Kennfelder 20 als Funktion von Massenfluss m. und spezifischer Förderarbeit yl. und ihr Definitionsgebiet aufbauen .

Bei in Serie geschalteten Verdichteraggregaten 3 , 4 , 5 wird die gesamte Förderarbeit auf die einzelnen Verdichteraggrega- te 3 , 4 , 5 energieoptimal verteilt , wobei der Massenstrom

durch die Verdichter als gleich angenommen wird . Für eine Formulierung eines Minimierungs-Problems , insbesondere bei einer Serienschaltung, gilt Gleichung 2 :

min (S ₁₁ -S ₁ , ,) ^{2 [G1} - ²¹

Zur Anwendung einer mathematischen Programmierung wird Glei- chung 3 als Gleichungsnebenbedingung betrachtet :

- Die Serienschaltung resultiert darin, dass die Summe der spezifischen Förderarbeiten der Verdichter jeder Zeit gleich der Förderarbeit der Station sein muss :

N y ₌ Y _{y s} . y ^min (m ) < y. < _s . y ^max (m )

Bei parallel geschalteten Verdichtern ist der Gesamtstrom auf die einzelnen Verdichteraggregate 3 , 4 , 5 zu verteilen, wobei die spezifische Förderarbeit der Verdichtungsanlage für einen Optimierungszyklus R als gegeben gesetzt wird . Für eine For ^¬ mulierung eines Minimierungs-Problems , insbesondere bei einer Serienschaltung, gilt Gleichung 4 :

Zur Anwendung einer mathematischen Programmierung wird Gleichung 5 als Gleichungsnebenbedingung betrachtet :

— Im Falle der Parallelschaltung muss die Summe der Einzelflüsse zu jedem Zeitpunkt gleich dem geforderten Ge- samtfluss sein :

m ^u g,t - f \ Jvg,t )J < — m ^rn i,t < — ^Λ vi,t m ^rn i ^m ,t ^ax ( V Jv g ,t U > ^G1 - ^5]

Da der Gesamtenergieverbrauch zu minimieren ist , ergibt sich das Minimierungs-Problem als Summe des Verbrauchs aller Verdichteraggregate 3 , 4 , 5.

Ein weiterer Term ist additiv mit dem Minimierungs-Problem, welches eine Zielfunktion darstellt , verknüpft . Die Kosten des Schaltens , also der Energieverbrauch eines Schaltvorgangs , werden hierdurch berücksichtigt . Bei einem gegebenen Saugdruck p _s , einem Enddruck p _E , einer Temperatur T und dem Massenfluss rh lässt sich ein anteiliger Energieverbrauch für einen Schaltvorgang eines Verdichteraggregates 3 , 4 , 5 aus den Kennfeldern berechnen .

Bei der Optimierung der Zielfunktion werden folgende Unglei- chungsnebenbedingungen eingehalten :

- Ein aktives Verdichtungsaggregat muss , um die Pumpgrenze nicht zu verletzen, einen minimalen Durchfluss , insbe ^¬ sondere einem minimalen Massenfluss w™ ⁿ , einhalten . Dieser minimale Durchfluss ist abhängig von der augenblicklichen Förderarbeit der Verdichtungsanlage . Ebenso muss der Massenfluss unter einem maximal zulässigen Wert m ^max bleiben . i, t

— Ganz analog zum Massenfluss gelten im Fall von in Serie geschalteten Verdichtern obere und untere Grenzen für die spezifische Förderarbeit j™ ⁿ und y™* .

Die Behandlung von Verdichtungsanlagen mit parallel und seriell geschalteten Aggregaten, wird einheitlich realisiert und erfordert keine gänzlich unterschiedlichen Formulierungen des Minimierungs-Problems . Eine Lösung resultiert direkt aus der mathematischen Formulierung als Optimierungsproblem.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zur Opti- mierung des Betriebs einer Verdichtungsanlage . Die Verdich ^¬ tungsanlage ist mit drei Verdichteraggregaten 3 , 4 und 5

stark schematisiert dargestellt . Für eine Verschaltung der Verdichteraggregate 3 , 4 und 5 wird eine Parallelschaltung angenommen . Die Verdichteraggregate 3 , 4 und 5 werden über eine Steuerungseinrichtung 10 gesteuert und geregelt . Die Steuerungseinrichtung 10 umfasst eine Regelung der Steuerungseinrichtung 12 , einen ersten Verdichteraggregatsregler 13 , einen zweiten Verdichteraggregatsregler 14 und einen dritten Verdichteraggregatsregler 15. Ein Optimierungsmodul 11 steht in bidirektionaler Verbindung mit der Steuerungsein- richtung 10. Mittels des Optimierungsmoduls 11 wird ein nicht lineares gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem gelöst . Eine mathematische Formulierung des Optimierungsproblems ist im Optimierungsmodul 11 implementiert . Unter Verwendung von Gl .4 mit einer Anzahl N = 3 der Verdichteraggregate 3 , 4 und 5 und einer Reihe von Eingangsgrößen 33 , wird das Optimie ^¬ rungsmodul 11 hinsichtlich eines optimierten Gesamtenergie ^¬ verbrauches optimierte Ausgangsgrößen 32 der Regelung der Steuerungseinrichtung 12 bereitstellen . Die Eingangsgrößen 33 setzen sich aus einer Modellbibliothek 26 , mit einem Modell 24a, 24b, 24c für jedes Verdichteraggregat 3 , 4 , 5 und Pro ^¬ zessgrößen der Verdichtungsanlage zusammen .

Über Istwerte 30 und Sollwerte 31 wird die Regelung der Steu ^¬ erungseinrichtung 12 mit

- einer aktuellen Temperatur T _{g A} an der Ausgangsseite der

Verdichtungsanläge,

- einer aktuellen Temperatur T _{g E} an der Eingangsseite der

Verdichtungsanläge, - einem aktuellen Enddruck p _{g A} an der Ausgangsseite der

Verdichtungsanläge,

- einem aktuellen Saugdruck p _{g E} an der Eingangsseite der

Verdichtungsanläge,

- einem aktuellen Volumenstrom V ₁ für I = 1...3 mit je ei- ner aktuellen Temperatur für Eingang T _{1 E} und Ausgang eines Verdichteraggregates T _{1 A} ,

- einem aktuellen Druck p _{ι E} und p _{ι A} ,

der einzelnen Verdichteraggregate 3 , 4 und 5 , als Istwerte 30 versorgt .

Die Sollwerte bzw . Grenzwerte 31 für die Regelung der Steue- rungseinrichtung 12 setzen sich aus einer Maximaltemperatur 7; _,A,max einem Druck P _g,A(Soll) unά einem Volumenstrom V^ _;;) an der

Ausgangsseite der Verdichtungsanlage sowie einem maximalen Saugdruck p _g^E bzw . p , an der Eingangsseite bzw . der

Ausgangsseite der Verdichtungsanlage zusammen .

Mit den Istwerten 30 als Prozessgrößen und der Grundgleichung Gl .1 werden die Eingangsgrößen 33 für das Optimierungsmodul 11 vervollständigt .

Im Optimierungsmodul 11 wird nun ein minimaler Gesamtenergie ^¬ bedarf berechnet . Für die parallel angeordneten Verdichterag ^¬ gregate 3 , 4 und 5 wird das Minimierungsproblemmittels eines Branch-and-Bound Algorithmus (L .A. Wolsey, " Integer program- ming" , John Wiley & Sons , New York, 1998 ) gelöst , der diskre- te Variablen in einem binären Baum abläuft . Um nicht alle

Zweige des binären Suchbaumes auswerten zu müssen, werden eine untere Grenze G für das Minimum durch das Lösen eines re ^¬ laxierten Problems mittels Sequential-Quadratic-Programming (P . E . GiIl, W . Murray, M. H . Wright , "Practical Optimization" , Academic Press , London, 1995 ) bestimmt .

Im Optimierungsmodul 11 sind weiterhin spezielle Problemklas ^¬ sen und angepasste Problemformulierungen sowie effiziente Al ^¬ gorithmen implementiert , wie sie in folgender Literatur T . Jenicek, J . Kralik, "Optimized Control of Generalized Com- pressor Station" ;

S . Wright , M. Somani, C . Ditzel, "Compressor Station Optimization" , Pipeline Simulation Interest Group, Denver, Colo ^¬ rado, 1998 ; K . Ehrhardt , M. C . Steinbach, "Nonlinear Optimization in Gas Networks " , ZIB-Report 03-46 , Berlin, 2003 und

R. G . Carter, "Compressor Station Optimization : Computational Accuracy and Speed" , 1996 , zu finden sind .

Ausgehend von einer kontinuierlichen Fahrweise der Verdich- tungsanlage werden Arbeitspunkte 22 in Kennfeldern 20 , siehe Figur 2 , der Verdichteraggregate 3 , 4 und 5 in ihrem optima ^¬ len Bereich gehalten .

Bei Änderung des Volumenstroms V _g der Verdichtungsanlage wird mittels der Optimierungsrechnung im Optimierungsmodul 11 aus einer aktuellen Schaltkonfiguration S. , der Verdichteraggregate 3 , 4 und 5 hinsichtlich eines optimierten Gesamt ^¬ energiebedarfs der Verdichtungsanlage eine neue Schaltkonfi ^¬ guration S _{i t} berechnet .

Eine Herabsetzung des Volumenstroms V _g der Verdichtungsanlage um die Hälfte hat ein Optimierungsrechnungsergebnis zur

Folge, welche folgende neue Schaltkonfiguration vorgibt : Das Verdichteraggregat 5 wird durch die Vorgabe S _{5 t} = 0 herunter- gefahren . Da der geforderte Volumenstrom der Verdichtungsanlage nunmehr mit zwei von drei Verdichteraggregaten erreicht werden kann, ist das Verdichteraggregat 5 inaktiv geschaltet . Alle in Betrieb befindlichen Verdichteraggregate 3 und 4 wer ^¬ den nun solange kontinuierlich gefahren, bis die Änderung des Volumenstroms oder eine Abweichung von den Sollwerten erneut eine Optimierungsrechnung mit einer geänderter Schaltkonfiguration zum Ergebnis hat . Kontinuierliche Fahrweise bedeutet , die in Betrieb befindlichen Verdichteraggregate werden mit einer optimierten Lastverteilung und mit einer optimierten Einstellung ihrer Arbeitspunkte 22 in den Kennfeldern 20 betrieben . Die Ausgangsgrößen 32 des Optimierungsmoduls 11 ent ^¬ halten somit neben den momentan einzustellenden Schaltzuständen der Verdichteraggregate auch eine Drehzahl-Sollwertvorgabe Λ. für die einzelnen Verdichteraggregate 3 , 4 und 5.

Von der untergelagerten Stationsregelung, die höher zyklisch als die Optimierung läuft , werden die Drehzahl-Sollwerte λ _{ ,

bevor sie auf die Verdichteraggregatregler gegeben werden, mit einem gemeinsamen Faktor α skaliert , um die Sollwerte einzuregeln . Die Optimierungsrechnung wird mit einem Regel- zyklus R im Optimierungsmodul 11 selbst auslösend ausgeführt . Bei der Optimierungsrechnung werden also zyklisch neben der Berechnung einer eventuellen Schaltkonfiguration S. die

Lastverteilung zwischen den Verdichteraggregaten, d . h . die Wirkungsgrad optimalen Drehzahl-Sollwerte Λ. für die einzel ^¬ nen Verdichteraggregate 3 , 4 und 5 zyklisch ausgeführt . Für die Dauer des Regelzyklusses R werden die Drehzahl-Sollwerte λ _t und die Schaltkonfiguration S _n-1 konstant gehalten . Ver ^¬ doppelt sich nun der Volumenstrom Vö (Soll) der Gesamtanlage auf- grund von Laständerungen, so wird die Optimierungsrechnung mit dem nächsten Regelzyklus R eine neue Schaltkonfiguration S _{i t} , eine neue Lastverteilung, und eine neue Lage der wir ^¬ kungsgradoptimalen Arbeitspunkte 22 vorgeben .

Die neue Schaltkonfiguration lautet jetzt drei von drei Ver ^¬ dichteraggregaten zu betreiben . Da das Ergebnis der Optimie- rungsrechnung noch vor Ende des Regelzyklusses bekannt ist , wird für das dritte anzufahrende Verdichteraggregat 5 eine Aufwärmphase gestartet . Mit Beendigung des Regelzyklus R wer ^¬ den die neuen Werte der Steuerungseinrichtung 10 und insbesondere den Verdichteraggregatsreglern 13 , 14 , 15 bereitge- stellt . Das zuvor mit einer Aufwärmphase vorbereitete Ver ^¬ dichteraggregat 5 kann nunmehr nahtlos für den neuen Regel ^¬ zyklus R zugeschaltet werden und der optimale Gesamtenergie ^¬ verbrauch für die geforderte Förderleistung oder den geforderten Volumenstrom Vö„ (Soll) ist wieder gegeben .

Figur 2 zeigt ein verdichterspezifisches Kennfeld 20 eines Verdichteraggregates 3. Das Verdichterkennfeld 20 zeigt die drehzahlabhängigen Förderkennlinien 21 und die Wirkungsgradkennlinien 23 des Verdichters in Abhängigkeit des auf der x- Achse aufgetragenen Volumenstromes V _{3 E} am Eingang des Ver ^¬ dichters und der auf der y-Achse aufgetragenen spezifischen Förderarbeit y ₃ des Verdichters (V =m/δ, δ = Dichte) .

Zusätzlich ist eine Pumpgrenze 36 eingetragen . Wirkungsgrad optimale Arbeitspunkte 22 liegen nahe der Pumpgrenze 36 auf einer Wirkungsgradkennlinie 23 mit einem hohen Wirkungsgrad n, . Für das mit Figur 1 beschriebene Verfahren sind die Kennfelder 20 als mathematische Funktion von einem Massen- fluss (oder des Volumenstromes ) und einer spezifischen För ^¬ derarbeit der einzelnen Verdichtungsaggregate gegeben . Die mathematische Formulierung der Kennfelder 20 als Rechenfunktion ist Bestandteil des Optimierungsmoduls 11 bzw . der Opti- mierungsrechnung .

Figur 3 zeigt eine Steuerungseinrichtung 10 zur Steuerung einer Verdichtungsanlage 1. Die durch das Optimierungsmodul 11 ermittelten optimalen Drehzahlsollwerte λ. und die neue Schaltkonfiguration S ₁₁ werden, in Zusammenwirken mit der

Steuerungseinrichtung 10 , über ein Stellmodul S an den Verdichteraggregaten 3 , 4 und 5 eingestellt und/oder geregelt .

Als Regelgröße für eine Regelung der Steuerungseinrichtung 10 wird insbesondere diejenige Größe aus Durchfluss , Saugdruck, Enddruck und Endtemperatur, welche die kleinste positive Re ^¬ gelabweichung aufweist , verwendet . Die Regelung der Steue ^¬ rungseinrichtung 10 liefert als Ausgang zusammen mit dem Optimierungsmodul die Sollwerte für die einen einzelnen Ver- dichteraggregat-Regler 13 , 14 , 15 siehe Fig . 2.

Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte 40 , 42 , 44 und 46. Ausgehend von einem ersten Verfahrensschritt 40 wird das Optimierungsverfahren zyklisch angestoßen . Mit einem zweiten Verfahrensschritt 42 wird der aktuelle Zustand der Verdichterstation 1 ermittelt . Folgende Werte werden dazu erfasst : Istwerte 30 , Sollwerte 31 , Grenzwerte und Randbedin ^¬ gungen 37 und Modelle 24a, 24b, und 24c aus der Modellbiblio ^¬ thek 26. Zusätzlich wird erfindungsgemäß der aktuelle Schalt- zustand Sj_, _t -i der Verdichtungsanlage 1 ermittelt . Ein dritter Verfahrensschritt 44 stellt eine Entscheidungsstelle dar . Mit dem dritten Verfahrensschritt 44 wird die Entscheidung ge-

troffen eine Optimierungsrechnung 46 in einem vierten Verfahrensschritt durchzuführen oder das Verfahren zu beenden 48. Aufgrund der vorliegenden Istwerte 30 und Sollwerte 31 kann entschieden werden, ob eine Optimierungsrechnung notwendig ist . Für den Fall, dass der dritte Verfahrensschritt eine Ja- Entscheidung Y ergibt , wird das Verfahren mit dem vierten Verfahrensschritt 46 weiterarbeiten . In dem vierten Verfahrensschritt 46 wird das gemischt-ganzzahlige Optimierungs ^¬ problem gelöst . Eingangsgrößen für den vierten Verfahrens- schritt 46 sind wiederum Istwerte 30 , Sollwerte 31 , Grenzwer ^¬ te und Randbedingungen 37 und die Modelle aus einer Modell ^¬ bibliothek 26. Als Ergebnis des vierten Verfahrensschrittes 46 werden Drehzahlsollwerte λi und neue Schaltzustände Si, _t ausgegeben . Das Verfahren ist beendet 48. Mit dem zyklischen Anstoß aus dem ersten Verfahrensschritt 40 wird das Verfahren erneut durchlaufen .