2013Gesamtregelkonzepte für    thermische Prozesse    SEMINAR              Peter Kainhofer
Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseAutor:Dipl. Ing. Peter KainhoferAutomatisierungs- und RegelungstechnikEnergiete...
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Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseIndizes                                   L, l   Luft                          ...
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Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

  1. 1. 2013Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse SEMINAR Peter Kainhofer
  2. 2. Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseAutor:Dipl. Ing. Peter KainhoferAutomatisierungs- und RegelungstechnikEnergietechnikAngewandte Kybernetik. Wien, Januar 2013 2. Auflage Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Seite 2 von 176
  3. 3. Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseSeminarziel:Das Ziel dieses Seminares ist es, Zusammenhänge von komplexen Regelkreisen von thermischenProzessen zu erkennen und zu analysieren sowie das neue „Verfahren zur Temperierung eines eineEnergieverteilungseinrichtung durchströmenden Nutzmediums“ am Beispiel eines Warmwasser-kreislaufes kennenzulernen. Es werden Methoden vorgestellt, wie man anhand der Regelung vonEnergieflüssen verschiedene Energieerzeuger miteinander vernetzen kann.Das Seminar ist bestimmt für Prozesstechnologen, Maschinenbauer und Automatisierungstechniker,die sich mit der Planung und der Inbetriebnahme von thermischen Prozessen sowie mit derAusschreibung für solche Anlagen beschäftigen. Dieses Seminar fördert das systemische Denkenund ist deshalb auch für außertechnische Bereiche zu empfehlen.Inhalt: • Regelung von thermischen Prozessen • Einführung in die Technische Thermodynamik • Rechenfunktionen • Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik • Gesamtregelkonzepte von komplexen Energieanlagen • Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen • Erkennen und Nutzen von Einsparmöglichkeiten • AnwendungsbeispieleDauer des Seminares:2 WochenVoraussetzung:Workshop Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseSeminarziele / Inhalte Seite 3 von 176
  4. 4. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse VorwortInformation, Energie und Regelung sind die Grundelemente der Natur. Das sind dieErgebnisse der neuen Quantenphysik und der Kybernetik.Die Natur funktioniert durch unzählige vernetzte und ineinander verschachtelte Regelkreise. DerMensch versucht immer mehr, sich die Natur unterzuordnen, indem er in diese natürlichenRegelkreisläufe eingreift. Durch zu starkes Eingreifen gefährden wir aber den natürlichenRegelprozess der Natur und damit auch uns selbst. Deshalb müssen wir das Verhalten der Naturgenauer beobachten und die Zusammenhänge besser verstehen lernen. (1)Zum besseren Verstehen brauchen wir aber eine neue erweiterte Sichtweise und vernetztes Denken.Diese neue systemische Sichtweise werden wir in diesem Seminar anhand von konkretenBeispielen aus der Praxis üben.Die größte Herausforderung unserer Zivilisation ist es, unsere Lebensweise und unseren Bedarf anEnergie zur Erhaltung der Lebensqualität an das Verhalten der Natur anzupassen. GroßartigeWissenschaftler wie Hans-Peter Dürr und Frederic Vester haben die Grundlagen dafür erarbeitet.Ich möchte meine langjährige Erfahrung einbringen, einige dieser Vorschläge in die Praxisumzusetzen.Die Veränderungen in unserer Natur erfordern es, die Energieversorgung sowohl an die Natur alsauch an die Bedürfnisse der Menschen anzupassen. Das erfordert nicht nur eine neue Sichtweise inder Gesamtplanung sondern auch das Zusammenwirken von verschiedenen Bereichen. ZurErreichung dieser Ziele ist eine autonome und intelligente regionale Energieversorgung diewahrscheinlich ökologisch und ökonomisch beste Lösung. Wir werden uns in diesem Seminarbesonders mit dieser Form der Energieversorgung auseinandersetzen.Damit das Ziel der Verbesserung der Qualität, der Verfügbarkeit und derWirtschaftlichkeit erreicht werden kann, muss der Prozess der Energieversorgung,der Energielieferung und der Energieverteilung als Gesamtes betrachtet werden. Diese technischen Herausforderungen verlangen jedoch hochqualifizierte und hochmotivierte Fachkräfte. Für diese Fachkräfte wurde dieses Seminar erstellt. Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseVorwort Seite 4 von 176
  5. 5. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse InhaltsverzeichnisFormelzeichen ............................................................................................................................ 71 Regelung von komplexen thermischen Prozessen .........................................................................10 1.1 Herkömmliche Energieregelkonzepte ...................................................................................10 1.2 Neues Gesamtenergieregelkonzept .......................................................................................122 Einführung in die Technische Thermodynamik .............................................................................17 2.1 Grundlagen der Thermodynamik ..........................................................................................18 2.2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik ..................................................................................23 2.3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik ...............................................................................33 2.4 Wärmeübertragung, Wärmeaustauscher ...............................................................................403 Rechenfunktionen ..........................................................................................................................45 3.1 Durchflusskorrektur ..............................................................................................................45 3.2 Wärmestrom, therm. Leistung ..............................................................................................504 Grundlagen der Prozesstechnischen Regelungstechnik .................................................................53 4.1 Grundbegriffe ........................................................................................................................53 4.2 Die Regelstrecke ...................................................................................................................55 4.2.1 Regelstrecken mit Ausgleich .............................................................................................57 4.2.2 Regelstrecken ohne Ausgleich ...........................................................................................62 4.2.3 Kennlinien von Regelstrecken ...........................................................................................64 4.3 Stetige Regler ........................................................................................................................66 4.4 Regelkreise mit stetigen Reglern ..........................................................................................69 4.5 Dreipunkt- Schrittregler mit quasistetigem Verhalten ..........................................................74 4.6 Erhöhung der Regelgüte von komplexen Energiekreisen .....................................................755 Gesamtregelkonzepte für komplexe Prozesse ................................................................................78 5.1 Zielsetzung ............................................................................................................................81 5.2 Analyse des Ist- Zustandes....................................................................................................85 5.3 Erstellen der neuen R&I- Schemata ......................................................................................93 5.3.1 Regelkonzept Energieerzeugung .......................................................................................95 5.3.2 Regelkonzept Energietransport ..........................................................................................98 5.3.3 Regelkonzept Energieverteilung ........................................................................................99 5.4 Mechanische und elektrische Umbauten, Kosten ...............................................................100 5.5 Auswahl der Messgeräte, Stellgeräte und Antriebe ............................................................101 5.6 Erstellen einer Funktionsbeschreibung ...............................................................................102 5.6.1 Struktur und Aufbau der Funktionsbeschreibung ............................................................102 5.6.2 Mathematische Funktionen, Regelungsfunktionen ..........................................................103 5.6.3 An- und Abfahrbeschreibung...........................................................................................114 5.6.4 Protokollierung ................................................................................................................115 5.7 Engineering, Montage und Inbetriebnahme ........................................................................120 5.8 Feinoptimierung, Leistungstest ...........................................................................................120 5.9 Auswertung der Energie- und Wirtschaftsdaten .................................................................1256 Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen ..............................................126 6.1 Soll- Zustand der Dynamik eines thermischen Prozesses ...................................................126 6.2 Vergleich des Regelverhaltens vor und nach der Optimierung ..........................................1287 Erkennen und Nutzen von Einsparmöglichkeiten ........................................................................130 Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseInhaltsverzeichnis Seite 5 von 176
  6. 6. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse 7.1 Energiebilanzen...................................................................................................................130 7.2 Kesselhaus ..........................................................................................................................135 7.3 Druckluft .............................................................................................................................140 7.4 Elektrische Antriebe............................................................................................................143 7.5 Wärmerückgewinnung ........................................................................................................153 7.6 Prozessanlagen ....................................................................................................................1578 Anwendungsbeispiele ..................................................................................................................162 8.1 Optimale Nutzung von Abwärme und Alternativenergien .................................................162 8.2 Schnelle und energiesparende Prozessregelung ..................................................................165 8.3 Beispiele für dezentrale Energieversorgung .......................................................................1699 Literaturverzeichnis......................................................................................................................17210 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................174 Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseInhaltsverzeichnis Seite 6 von 176
  7. 7. Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseFormelzeichenA Fläche M spezifische Ausstrahlunga Absorptionskoeffizient Ms -, des schwarzen Körpersa Beschleunigung Md DrehmomentB Anergie m Masseb spezifische Anergie n Drehzahlc Geschwindigkeit n Stickstoffanteil (Brennstoff)c spezifische Wärmekapazität n Stoffmenge (kmol)cp -, konst. Druck (isobar) o Sauerstoffanteil (Brennstoff)cv -, konst. Vol. (isochor) o Sauerstoffmenge (zur Verbrennung)Cm molare Wärmekapazität P LeistungCmp -, konst. Druck (isobar) Pdiss dissipierte LeistungCmv -, konst. Vol. (isochor) Pe Kupplungsleistungcs Schallgeschwindigkeit Pei Eigenbedarfsleistungd Durchlasskoeffizient (Strahlung) Pgen Generatorleistungd Durchmesser Pind indizierte LeistungE Exergie, Arbeitsfähigkeit Pkl KlemmenleistungEg Exergie eines geschlossenen Systems Pt technische LeistungEq Exergie der Wärme Pr Prandtl-ZahlEv Exergieverlust p Druck, AbsolutdruckE* Exergie des strömenden Fluids pabs Absolutdrucke spezifische Exergie pamb atmosphärischer BezugsdruckF Faraday-Konstante pd Differenzdruck (allgemein)F freie Energie (Helmholtz-Funktion) pe Überdruck (über Atmosphärendruck)F Kraft pkin kinetischer Druck (Staudruck)G freie Enthalpie (Gibbs-Funktion) pt Totaldruck (Strömung)G Gewichtskraft p* Partialdruckg Fallbeschleunigung Q WärmeH Enthalpie ˙ Q Wärmestrom, WärmeleistungHm molare Enthalpie Qrev Wärme bei reversiblen VorgängenHo, Hu spezifischer Brennwert, Heizwert q auf die Masse bezogene Wärmeh spezifische Enthalpie q Wärmestromdichte,h Höhe, Länge ˙ Heizflächenbelastungh Wasserstoffanteil (Brennstoff) qa AbgasverlustI elektrische Stromstärke qf spezifische Flüssigkeitsenthalpiek Boltzmann-Konstante R Gaskonstantek Wärmedurchgangskoeffizient Rd Wärmedurchgabgswiderstandl Länge Ri individuelle Gaskonstantel Verbrennungsluftmenge Rl Wärmeleitwiderstandla Luftgehalt des Abgases Rm molare (universelle) GaskonstanteM molare Masse Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseFormelzeichen Seite 7 von 176
  8. 8. Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseRü Wärmeübergangswiderstand z HöheRe Reynolds-Zahlr Radius a Wärmeübergangskoeffizientr Raumanteil b Schaufelwinkelr Reflexionskoeffizient (Strahlung) g Volumenausdehnungskoeffizientr spezifische Verdampfungsenthalpie g Wichterw Arbeitsverhältnis d WandstärkeS Entropie e Emissionskoeffizients spezifische Entropie ζ exergetischer WirkungsgradT thermodynamische Temperatur h dynamische Viskositätt Celsius-Temperatur h WirkungsgradU innere Energie hc Carnot-Faktor, hth beim Carnot-U elektrische Spannung Prozessu spezifische innere Energieu Umfanggeschwindigkeit hf feuerungstechnischer WirkungsgradV Volumen hges GesamtwirkungsgradVf Volumen der feuchten Luft hisen isentroper WirkungsgradVm molares Volumen hK Kesselwirkungsgradv spezifisches Volumen hth thermischer Wirkungsgradvf, vt Abgasmenge, feucht, trocken k Isentropenexponent, Verhältnis cp/cvW Arbeit l Luftverhältnis bei der VerbrennungWdiss Dissipationsenergie l WellenlängeWe Kupplungsarbeit l WärmeleitfähigkeitWg Gesamtarbeit (geschl. System) m MassenanteilWind indizierte Arbeit n kinematische ViskositätWk Arbeit des irreversiblen Kreisprozesses n stöchiometrische ZahlWkrev Arbeit des reversiblen Kreisprozesses x HeizzahlWn Nutzarbeit an der Kolbenstange r DichteWR Reaktionsarbeit r innere VerdampfungsenthalpieWr Reibungsarbeit r* PartialdichteWt techn. Arbeit (offenes System)Wtrev reversible techn. Arbeit s spezifische SchmelzenthalpieWt* techn. Arbeit (incl. kinet. und pot. s Stefan-Boltzmann-Konstante Energie) t ZeitWu Verschiebearbeit f EinspritzverhältnisWv Volumenänderungsarbeit (Verbrennungsmotor)w spezifische Arbeit f relative Feuchtew Geschwindigkeit fEQ Energiequalitätsgradw Wasseranteil (Brennstoff) y äußere Verdampfungsenthalpiex Dampfgehalt im Nassdampf y Durchflussfunktion (Düsenströmung)x Feuchtegehalt feuchter Luft w Winkelgeschwindigkeity StoffmengenanteilZ Realgasfaktor Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseFormelzeichen Seite 8 von 176
  9. 9. Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseIndizes L, l Luft Mi Mischungswert0 Zustand bei 0 K oder 0 °C m mechanisch1 vor der Zustandsänderung m Mittelwert2 nach der Zustandsänderung m molare Größe12 Änderung vom Zustand 1 nach 2 n physikalischer Normzustand (0 °C;a Abgas, Verbrennungsgas 1,01325 bar)a Komponente, Gemisch n Nullpunktab abgeführt o Otto-Prozessad adiabat ORC Organic Rankine Cycleamb Umgebungszustand pol polytropB, b Brennstoff r Reibungb Bezugszustand, Umgebungszustand rev (hochgestellt) reversibelb Komponente (Gemisch) s Sättigungs-, Siedezustandc Komponente (Gemisch) s Seiliger-Prozesscar Carnot-Prozess st Stirling-Prozessc/r Clausius-Rankine-Prozess t total (Druck)D Dampfkraftanlage t trockenD, d Dampf th thermischdiss Dissipation tr Tripelpunkte effektiv (Nutz-) u in Umfangrichtunger Ericsson-Prozess u Umgebungf feucht, Flüssigkeit u unvollständig verbranntG Gasturbinenanlage v vor der VerbrennungGUD GUD-Kraftwerk w Wandg Gas w Wasserg geschlossen (System) w Wellei beliebige Komponente WP Wärmepumpei Impuls x beliebiger Zwischenzustand, Variableib isobar x Nassdampfich isochor z zwischenüberhitztid ideal zu zugeführtind indiziert t Taupunktisen isentrop siedende Flüssigkeitith isotherm " Sattdampfj Joule-Prozess ˙ zeitlche Ableitung eines Wertes, z.B.k Kesselaustritt Massenstromk Kreisprozess * Änderung der kinet. und pot. Energiek, kr kritisch berücksichtigtkin kinetisch (Druck) * brennwertbezogen (Wirkungsgrad)kon Kondensation (im Abgas) * Partialgröße (Gemisch)KM KältemaschineKV Kolbenverdichter Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseFormelzeichen Seite 9 von 176
  10. 10. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse1 Regelung von komplexen thermischen Prozessen1.1 Herkömmliche EnergieregelkonzepteThermische Prozesse sind mit den herkömmlichen passiven Regelungsmethoden (Konstanthaltungder Temperatur oder des Druckes in einem Kreislaufmedium) durch die großen Verzugszeitenmeistens sehr schwer regelbar. Die Verzugszeiten sind abhängig vom Volumen, der Dichte, derWärmeübertragung, der Entfernung und der Geschwindigkeit des Kreislaufmediums. PassiveRegelungssysteme reagieren erst nach der Rückmeldung auf Änderungen des Prozesses. So kannzum Beispiel eine Änderung der Energieabnahme der Verbraucher erst mit meist großer Verspätungbeim Energieerzeuger gemessen und geregelt werden.Um dennoch die notwendige Energie für größere Änderungen zur Verfügung zu stellen, werdenz.B. bei großen Heißwassernetzen Warmwasserspeicher verwendet. Außerdem wird dieRücklauftemperatur in diesen Netzen hoch gehalten (zusätzlicher Energiespeicher desHeißwassernetzes). Dies bewirkt jedoch erhebliche Energieverluste.Vor allem in den Industriebetrieben wird ein sehr großer Aufwand für die Kühlung vonKreislaufmedien betrieben, die enorme Energieverluste bewirken. Abbildung 1-01 Beispiel für herkömmliche Regelkonzepte Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseKap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 10 von 176
  11. 11. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Merkmale der Regelung eines Energiekreises nach der traditionellen Methode: 1.) Die Rücklauftemperatur des Energiekreises variiert je nach Energieverbrauch. Die Diffe- renzdruckregelung überwindet hauptsächlich die Rohrleitungswiderstände und ist nicht di- rekt abhängig vom Energieverbrauch. 2.) Durch die Energieerzeuger wird meistens die Netzvorlauftemperatur geregelt. Durch die meist großen Verzugszeiten von zwischen den Energieverbrauchern und den Energieerzeu- gern ist daher eine Konstanthaltung der Netzvorlauftemperatur vor allem bei großen Ände- rungen des Energieverbrauches nicht möglich. Dies führt meist zu Temperaturschwankun- gen im Netz. 3.) Bei der Energieverteilung wird die Vorlauftemperatur der einzelnen Prozesse geregelt. Durch die Verzugszeiten sowie durch die schwankende Vorlauftemperatur kommt es bei größeren Änderungen des Energieverbrauches ebenfalls zu einem instabilen Verhalten. Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseKap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 11 von 176
  12. 12. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse1.2 Neues Gesamtenergieregelkonzept (2)Bei dieser auf langjähriger Erfahrung basierenden Entwicklung handelt es sich um ein Konzept, dasauf der Energiebilanzierung als Grundlage für die Zusammenführung der einzelnen unter-geordneten Regelungen der Energieverteilung, des Energietransportes und der Energieerzeugungbasiert. Anhand des neuen Gesamtenergieregelkonzeptes sowie der Programmierung undParametrierung der Softwarebausteine in einem leistungsfähigen Prozessleitsystem werden dieeinzelnen Regelkreise miteinander verbunden und harmonisch abgestimmt. Damit wird dasRegelverhalten des gesamten Energiesystems sowohl bei Änderungen des Energieverbrauches alsauch bei Störungen um ein vielfaches verbessert. Es wird so viel Energie erzeugt, wie geradegebraucht wird. Mit dieser neuen Methode lassen sich auch andere Energieformen wie z.B.Abwärme oder geothermische Energie ohne weiteres einbinden. Das neue System erkennt sofortjede Änderung des Energieverbrauches im Prozess und kann deshalb sehr schnell reagieren.Zusätzlich werden die mechanischen und elektrischen Einrichtungen geschont und die Lebensdauerdieser Einrichtungen um ein Vielfaches verlängert. Aufgrund der schnellen Reaktionszeiten sowiedes stabilen Regelverhaltens können optimale Betriebsparameter eingestellt werden. DasHeißwassernetz braucht kaum mehr verlustreiche Zwischenspeicher. Außerdem kann dieRücklauftemperatur erheblich abgesenkt werden. Ebenso kann die Energieabfuhr durch dieKühlung von Kreislaufmedien minimiert werden. Die abgeführte Energie kann wieder in dieEnergieerzeugung eingebunden werden. Abbildung 1-02 Verbrauchsgeführtes Gesamtenergieregelkonzept Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseKap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 12 von 176
  13. 13. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Merkmale der Regelung eines Energiekreises nach der neuen Methode: 1.) Die Rücklauftemperatur des Energiekreises wird möglichst konstant gehalten. Dies erreicht man durch eine vom Energieverbrauch abhängige Änderung des Durchflusses im Energie- transport. 2.) Die Energieerzeugung wird nach der Leistung des Energieverbrauches geregelt. Die Netz- vorlauftemperatur wird lediglich durch einen speziellen Temperaturregler langsam (nach dem Zeitverhalten des Energiekreises) korrigiert. Durch die neuartige Leistungsregelung mit Temperaturkorrektur können verschiedene Ener- gieerzeuger je nach Energieverbrauch dynamisch hintereinander geschaltet werden. 3.) Bei der Energieverteilung wird die aus dem jeweiligen Energieverbrauch berechnete Vor- lauftemperatur in den Wärmetauscher geregelt. Die Vorlauftemperatur zum Prozess wird ähnlich wie bei der Energieerzeugung durch einen speziellen Temperaturregler korrigiert. Dadurch wird das Regelverhalten ebenfalls verbessert. Die Vorlauftemperatur der Kreis- laufmedien für die einzelnen Prozesse kann auch bei schnellen Änderungen der Energieab- nahme konstant gehalten werden. Dies bewirkt eine schonende Fahrweise und eine gleich- mäßige Produktqualität sowie eine Erhöhung der Produktivität (kaum mehr Einschränkun- gen in der Produktion). Struktureller Aufbau Regelung der Energieflüsse Einbindung von StörfaktorenDas zusammenhängende und strukturiert aufgebaute Regelkonzeptder Gesamtenergieregelung basiert auf den Energieflüssen einesenergetischen Systems. Es ist das Ergebnis von jahrzehntelangerErfahrung im Engineering und in der Inbetriebsetzung vonkomplexen Industrie- und Energieanlagen.Die wissenschaftlichen Grundlagen für dieses Konzept ergeben sichaus den Erkenntnissen der Naturwissenschaften Thermodynamik undKybernetik. Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseKap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 13 von 176

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