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2013
Gesamtregelkonzepte für
    thermische Prozesse




    SEMINAR




              Peter Kainhofer
Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


Autor:

Dipl. Ing. Peter Kainhofer
Automatisierungs- und Regelungstechnik
Energietechnik
Angewandte Kybernetik




.




                                 Wien, Januar 2013
                                    2. Auflage



                                                 Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
                                                                                 Seite 2 von 176
Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


Seminarziel:

Das Ziel dieses Seminares ist es, Zusammenhänge von komplexen Regelkreisen von thermischen
Prozessen zu erkennen und zu analysieren sowie das neue „Verfahren zur Temperierung eines eine
Energieverteilungseinrichtung durchströmenden Nutzmediums“ am Beispiel eines Warmwasser-
kreislaufes kennenzulernen. Es werden Methoden vorgestellt, wie man anhand der Regelung von
Energieflüssen 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 der
Ausschreibung für solche Anlagen beschäftigen. Dieses Seminar fördert das systemische Denken
und 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
    •   Anwendungsbeispiele



Dauer des Seminares:

2 Wochen


Voraussetzung:

Workshop Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik




                                                          Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
Seminarziele / Inhalte                                                                    Seite 3 von 176
Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


                                         Vorwort

Information, Energie und Regelung sind die Grundelemente der Natur. Das sind die
Ergebnisse der neuen Quantenphysik und der Kybernetik.
Die Natur funktioniert durch unzählige vernetzte und ineinander verschachtelte Regelkreise. Der
Mensch versucht immer mehr, sich die Natur unterzuordnen, indem er in diese natürlichen
Regelkreisläufe eingreift. Durch zu starkes Eingreifen gefährden wir aber den natürlichen
Regelprozess der Natur und damit auch uns selbst. Deshalb müssen wir das Verhalten der Natur
genauer 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 konkreten
Beispielen aus der Praxis üben.
Die größte Herausforderung unserer Zivilisation ist es, unsere Lebensweise und unseren Bedarf an
Energie zur Erhaltung der Lebensqualität an das Verhalten der Natur anzupassen. Großartige
Wissenschaftler wie Hans-Peter Dürr und Frederic Vester haben die Grundlagen dafür erarbeitet.
Ich möchte meine langjährige Erfahrung einbringen, einige dieser Vorschläge in die Praxis
umzusetzen.
Die Veränderungen in unserer Natur erfordern es, die Energieversorgung sowohl an die Natur als
auch an die Bedürfnisse der Menschen anzupassen. Das erfordert nicht nur eine neue Sichtweise in
der Gesamtplanung sondern auch das Zusammenwirken von verschiedenen Bereichen. Zur
Erreichung dieser Ziele ist eine autonome und intelligente regionale Energieversorgung die
wahrscheinlich ökologisch und ökonomisch beste Lösung. Wir werden uns in diesem Seminar
besonders mit dieser Form der Energieversorgung auseinandersetzen.

Damit das Ziel der Verbesserung der Qualität, der Verfügbarkeit und der
Wirtschaftlichkeit 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 Prozesse
Vorwort                                                                                      Seite 4 von 176
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                                                        Inhaltsverzeichnis


Formelzeichen ............................................................................................................................ 7
1      Regelung von komplexen thermischen Prozessen .........................................................................10
    1.1     Herkömmliche Energieregelkonzepte ...................................................................................10
    1.2     Neues Gesamtenergieregelkonzept .......................................................................................12
2      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 ...............................................................................40
3      Rechenfunktionen ..........................................................................................................................45
    3.1     Durchflusskorrektur ..............................................................................................................45
    3.2     Wärmestrom, therm. Leistung ..............................................................................................50
4      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 .....................................................75
5      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 .................................................................125
6      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 ..........................................128
7      Erkennen und Nutzen von Einsparmöglichkeiten ........................................................................130




                                                                                                   Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
Inhaltsverzeichnis                                                                                                                      Seite 5 von 176
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 ....................................................................................................................157
8    Anwendungsbeispiele ..................................................................................................................162
  8.1      Optimale Nutzung von Abwärme und Alternativenergien .................................................162
  8.2      Schnelle und energiesparende Prozessregelung ..................................................................165
  8.3      Beispiele für dezentrale Energieversorgung .......................................................................169
9    Literaturverzeichnis......................................................................................................................172
10 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................174




                                                                                                   Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
Inhaltsverzeichnis                                                                                                                     Seite 6 von 176
Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


Formelzeichen

A        Fläche                                M       spezifische Ausstrahlung
a        Absorptionskoeffizient                Ms      -, des schwarzen Körpers
a        Beschleunigung                        Md      Drehmoment
B        Anergie                               m       Masse
b        spezifische Anergie                   n       Drehzahl
c        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       Leistung
Cmp      -, konst. Druck (isobar)              Pdiss   dissipierte Leistung
Cmv      -, konst. Vol. (isochor)              Pe      Kupplungsleistung
cs       Schallgeschwindigkeit                 Pei     Eigenbedarfsleistung
d        Durchlasskoeffizient (Strahlung)      Pgen    Generatorleistung
d        Durchmesser                           Pind    indizierte Leistung
E        Exergie, Arbeitsfähigkeit             Pkl     Klemmenleistung
Eg       Exergie eines geschlossenen Systems   Pt      technische Leistung
Eq       Exergie der Wärme                     Pr      Prandtl-Zahl
Ev       Exergieverlust                        p       Druck, Absolutdruck
E*       Exergie des strömenden Fluids         pabs    Absolutdruck
e        spezifische Exergie                   pamb    atmosphärischer Bezugsdruck
F        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*      Partialdruck
g        Fallbeschleunigung                    Q       Wärme
H        Enthalpie                             ˙
                                               Q       Wärmestrom, Wärmeleistung
Hm       molare Enthalpie
                                               Qrev    Wärme bei reversiblen Vorgängen
Ho, Hu   spezifischer Brennwert, Heizwert
                                               q       auf die Masse bezogene Wärme
h        spezifische Enthalpie
                                               q       Wärmestromdichte,
h        Höhe, Länge                           ˙
                                                       Heizflächenbelastung
h        Wasserstoffanteil (Brennstoff)
                                               qa      Abgasverlust
I        elektrische Stromstärke
                                               qf      spezifische Flüssigkeitsenthalpie
k        Boltzmann-Konstante
                                               R       Gaskonstante
k        Wärmedurchgangskoeffizient
                                               Rd      Wärmedurchgabgswiderstand
l        Länge
                                               Ri      individuelle Gaskonstante
l        Verbrennungsluftmenge
                                               Rl      Wärmeleitwiderstand
la       Luftgehalt des Abgases
                                               Rm      molare (universelle) Gaskonstante
M        molare Masse


                                                       Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
Formelzeichen                                                                          Seite 7 von 176
Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


Rü       Wärmeübergangswiderstand                  z       Höhe
Re       Reynolds-Zahl
r        Radius                                    a       Wärmeübergangskoeffizient
r        Raumanteil                                b       Schaufelwinkel
r        Reflexionskoeffizient (Strahlung)         g       Volumenausdehnungskoeffizient
r        spezifische Verdampfungsenthalpie         g       Wichte
rw       Arbeitsverhältnis                         d       Wandstärke
S        Entropie
                                                   e       Emissionskoeffizient
s        spezifische Entropie
                                                   ζ       exergetischer Wirkungsgrad
T        thermodynamische Temperatur
                                                   h       dynamische Viskosität
t        Celsius-Temperatur
                                                   h       Wirkungsgrad
U        innere Energie
                                                   hc      Carnot-Faktor, hth beim Carnot-
U        elektrische Spannung
                                                           Prozess
u        spezifische innere Energie
u        Umfanggeschwindigkeit                     hf      feuerungstechnischer Wirkungsgrad
V        Volumen                                   hges    Gesamtwirkungsgrad
Vf       Volumen der feuchten Luft                 hisen   isentroper Wirkungsgrad
Vm       molares Volumen                           hK      Kesselwirkungsgrad
v        spezifisches Volumen                      hth     thermischer Wirkungsgrad
vf, vt   Abgasmenge, feucht, trocken               k       Isentropenexponent, Verhältnis cp/cv
W        Arbeit                                    l       Luftverhältnis bei der Verbrennung
Wdiss    Dissipationsenergie                       l       Wellenlänge
We       Kupplungsarbeit                           l       Wärmeleitfähigkeit
Wg       Gesamtarbeit (geschl. System)             m       Massenanteil
Wind     indizierte Arbeit                         n       kinematische Viskosität
Wk       Arbeit des irreversiblen Kreisprozesses   n       stöchiometrische Zahl
Wkrev    Arbeit des reversiblen Kreisprozesses
                                                   x       Heizzahl
Wn       Nutzarbeit an der Kolbenstange
                                                   r       Dichte
WR       Reaktionsarbeit
                                                   r       innere Verdampfungsenthalpie
Wr       Reibungsarbeit
                                                   r*      Partialdichte
Wt       techn. Arbeit (offenes System)
Wtrev    reversible techn. Arbeit                  s       spezifische Schmelzenthalpie
Wt*      techn. Arbeit (incl. kinet. und pot.      s       Stefan-Boltzmann-Konstante
         Energie)                                  t       Zeit
Wu       Verschiebearbeit                          f       Einspritzverhältnis
Wv       Volumenänderungsarbeit                            (Verbrennungsmotor)
w        spezifische Arbeit                        f       relative Feuchte
w        Geschwindigkeit                           fEQ     Energiequalitätsgrad
w        Wasseranteil (Brennstoff)                 y       äußere Verdampfungsenthalpie
x        Dampfgehalt im Nassdampf                  y       Durchflussfunktion (Düsenströmung)
x        Feuchtegehalt feuchter Luft               w       Winkelgeschwindigkeit
y        Stoffmengenanteil
Z        Realgasfaktor

                                                           Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
Formelzeichen                                                                              Seite 8 von 176
Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


Indizes                                   L, l   Luft
                                          Mi     Mischungswert
0       Zustand bei 0 K oder 0 °C         m      mechanisch
1       vor der Zustandsänderung          m      Mittelwert
2       nach der Zustandsänderung         m      molare Größe
12      Änderung vom Zustand 1 nach 2     n      physikalischer Normzustand (0 °C;
a       Abgas, Verbrennungsgas                   1,01325 bar)
a       Komponente, Gemisch               n      Nullpunkt
ab      abgeführt                         o      Otto-Prozess
ad      adiabat                           ORC    Organic Rankine Cycle
amb     Umgebungszustand                  pol    polytrop
B, b    Brennstoff                        r      Reibung
b       Bezugszustand, Umgebungszustand   rev    (hochgestellt) reversibel
b       Komponente (Gemisch)              s      Sättigungs-, Siedezustand
c       Komponente (Gemisch)              s      Seiliger-Prozess
car     Carnot-Prozess                    st     Stirling-Prozess
c/r     Clausius-Rankine-Prozess          t      total (Druck)
D       Dampfkraftanlage                  t      trocken
D, d    Dampf                             th     thermisch
diss    Dissipation                       tr     Tripelpunkt
e       effektiv (Nutz-)                  u      in Umfangrichtung
er      Ericsson-Prozess                  u      Umgebung
f       feucht, Flüssigkeit               u      unvollständig verbrannt
G       Gasturbinenanlage                 v      vor der Verbrennung
GUD     GUD-Kraftwerk                     w      Wand
g       Gas                               w      Wasser
g       geschlossen (System)              w      Welle
i       beliebige Komponente              WP     Wärmepumpe
i       Impuls                            x      beliebiger Zwischenzustand, Variable
ib      isobar                            x      Nassdampf
ich     isochor                           z      zwischenüberhitzt
id      ideal                             zu     zugeführt
ind     indiziert                         t      Taupunkt
isen    isentrop                          '      siedende Flüssigkeit
ith     isotherm                          "      Sattdampf
j       Joule-Prozess                     ˙      zeitlche Ableitung eines Wertes, z.B.
k       Kesselaustritt                           Massenstrom
k       Kreisprozess                      *      Änderung der kinet. und pot. Energie
k, kr   kritisch                                 berücksichtigt
kin     kinetisch (Druck)                 *      brennwertbezogen (Wirkungsgrad)
kon     Kondensation (im Abgas)           *      Partialgröße (Gemisch)
KM      Kältemaschine
KV      Kolbenverdichter

                                                 Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
Formelzeichen                                                                    Seite 9 von 176
Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


1 Regelung von komplexen thermischen Prozessen

1.1 Herkömmliche Energieregelkonzepte
Thermische Prozesse sind mit den herkömmlichen passiven Regelungsmethoden (Konstanthaltung
der Temperatur oder des Druckes in einem Kreislaufmedium) durch die großen Verzugszeiten
meistens sehr schwer regelbar. Die Verzugszeiten sind abhängig vom Volumen, der Dichte, der
Wärmeübertragung, der Entfernung und der Geschwindigkeit des Kreislaufmediums. Passive
Regelungssysteme reagieren erst nach der Rückmeldung auf Änderungen des Prozesses. So kann
zum Beispiel eine Änderung der Energieabnahme der Verbraucher erst mit meist großer Verspätung
beim Energieerzeuger gemessen und geregelt werden.
Um dennoch die notwendige Energie für größere Änderungen zur Verfügung zu stellen, werden
z.B. bei großen Heißwassernetzen Warmwasserspeicher verwendet. Außerdem wird die
Rücklauftemperatur in diesen Netzen hoch gehalten (zusätzlicher Energiespeicher des
Heißwassernetzes). Dies bewirkt jedoch erhebliche Energieverluste.
Vor allem in den Industriebetrieben wird ein sehr großer Aufwand für die Kühlung von
Kreislaufmedien betrieben, die enorme Energieverluste bewirken.




                    Abbildung 1-01 Beispiel für herkömmliche Regelkonzepte




                                                          Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
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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.




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Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse


1.2 Neues Gesamtenergieregelkonzept
      (2)
Bei dieser auf langjähriger Erfahrung basierenden Entwicklung handelt es sich um ein Konzept, das
auf der Energiebilanzierung als Grundlage für die Zusammenführung der einzelnen unter-
geordneten Regelungen der Energieverteilung, des Energietransportes und der Energieerzeugung
basiert. Anhand des neuen Gesamtenergieregelkonzeptes sowie der Programmierung und
Parametrierung der Softwarebausteine in einem leistungsfähigen Prozessleitsystem werden die
einzelnen Regelkreise miteinander verbunden und harmonisch abgestimmt. Damit wird das
Regelverhalten des gesamten Energiesystems sowohl bei Änderungen des Energieverbrauches als
auch bei Störungen um ein vielfaches verbessert. Es wird so viel Energie erzeugt, wie gerade
gebraucht wird. Mit dieser neuen Methode lassen sich auch andere Energieformen wie z.B.
Abwärme oder geothermische Energie ohne weiteres einbinden. Das neue System erkennt sofort
jede Änderung des Energieverbrauches im Prozess und kann deshalb sehr schnell reagieren.
Zusätzlich werden die mechanischen und elektrischen Einrichtungen geschont und die Lebensdauer
dieser Einrichtungen um ein Vielfaches verlängert. Aufgrund der schnellen Reaktionszeiten sowie
des stabilen Regelverhaltens können optimale Betriebsparameter eingestellt werden. Das
Heißwassernetz braucht kaum mehr verlustreiche Zwischenspeicher. Außerdem kann die
Rücklauftemperatur erheblich abgesenkt werden. Ebenso kann die Energieabfuhr durch die
Kühlung von Kreislaufmedien minimiert werden. Die abgeführte Energie kann wieder in die
Energieerzeugung eingebunden werden.




                Abbildung 1-02 Verbrauchsgeführtes Gesamtenergieregelkonzept

                                                            Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
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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 Störfaktoren



Das zusammenhängende und strukturiert aufgebaute Regelkonzept
der Gesamtenergieregelung basiert auf den Energieflüssen eines
energetischen Systems. Es ist das Ergebnis von jahrzehntelanger
Erfahrung im Engineering und in der Inbetriebsetzung von
komplexen Industrie- und Energieanlagen.
Die wissenschaftlichen Grundlagen für dieses Konzept ergeben sich
aus den Erkenntnissen der Naturwissenschaften Thermodynamik und
Kybernetik.




                                                            Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse
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Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

  • 1. 2013 Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse SEMINAR Peter Kainhofer
  • 2. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Autor: Dipl. Ing. Peter Kainhofer Automatisierungs- und Regelungstechnik Energietechnik Angewandte Kybernetik . Wien, Januar 2013 2. Auflage Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Seite 2 von 176
  • 3. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Seminarziel: Das Ziel dieses Seminares ist es, Zusammenhänge von komplexen Regelkreisen von thermischen Prozessen zu erkennen und zu analysieren sowie das neue „Verfahren zur Temperierung eines eine Energieverteilungseinrichtung durchströmenden Nutzmediums“ am Beispiel eines Warmwasser- kreislaufes kennenzulernen. Es werden Methoden vorgestellt, wie man anhand der Regelung von Energieflüssen 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 der Ausschreibung für solche Anlagen beschäftigen. Dieses Seminar fördert das systemische Denken und 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 • Anwendungsbeispiele Dauer des Seminares: 2 Wochen Voraussetzung: Workshop Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Seminarziele / Inhalte Seite 3 von 176
  • 4. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Vorwort Information, Energie und Regelung sind die Grundelemente der Natur. Das sind die Ergebnisse der neuen Quantenphysik und der Kybernetik. Die Natur funktioniert durch unzählige vernetzte und ineinander verschachtelte Regelkreise. Der Mensch versucht immer mehr, sich die Natur unterzuordnen, indem er in diese natürlichen Regelkreisläufe eingreift. Durch zu starkes Eingreifen gefährden wir aber den natürlichen Regelprozess der Natur und damit auch uns selbst. Deshalb müssen wir das Verhalten der Natur genauer 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 konkreten Beispielen aus der Praxis üben. Die größte Herausforderung unserer Zivilisation ist es, unsere Lebensweise und unseren Bedarf an Energie zur Erhaltung der Lebensqualität an das Verhalten der Natur anzupassen. Großartige Wissenschaftler wie Hans-Peter Dürr und Frederic Vester haben die Grundlagen dafür erarbeitet. Ich möchte meine langjährige Erfahrung einbringen, einige dieser Vorschläge in die Praxis umzusetzen. Die Veränderungen in unserer Natur erfordern es, die Energieversorgung sowohl an die Natur als auch an die Bedürfnisse der Menschen anzupassen. Das erfordert nicht nur eine neue Sichtweise in der Gesamtplanung sondern auch das Zusammenwirken von verschiedenen Bereichen. Zur Erreichung dieser Ziele ist eine autonome und intelligente regionale Energieversorgung die wahrscheinlich ökologisch und ökonomisch beste Lösung. Wir werden uns in diesem Seminar besonders mit dieser Form der Energieversorgung auseinandersetzen. Damit das Ziel der Verbesserung der Qualität, der Verfügbarkeit und der Wirtschaftlichkeit 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 Prozesse Vorwort Seite 4 von 176
  • 5. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Inhaltsverzeichnis Formelzeichen ............................................................................................................................ 7 1 Regelung von komplexen thermischen Prozessen .........................................................................10 1.1 Herkömmliche Energieregelkonzepte ...................................................................................10 1.2 Neues Gesamtenergieregelkonzept .......................................................................................12 2 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 ...............................................................................40 3 Rechenfunktionen ..........................................................................................................................45 3.1 Durchflusskorrektur ..............................................................................................................45 3.2 Wärmestrom, therm. Leistung ..............................................................................................50 4 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 .....................................................75 5 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 .................................................................125 6 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 ..........................................128 7 Erkennen und Nutzen von Einsparmöglichkeiten ........................................................................130 Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Inhaltsverzeichnis Seite 5 von 176
  • 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 ....................................................................................................................157 8 Anwendungsbeispiele ..................................................................................................................162 8.1 Optimale Nutzung von Abwärme und Alternativenergien .................................................162 8.2 Schnelle und energiesparende Prozessregelung ..................................................................165 8.3 Beispiele für dezentrale Energieversorgung .......................................................................169 9 Literaturverzeichnis......................................................................................................................172 10 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................174 Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Inhaltsverzeichnis Seite 6 von 176
  • 7. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Formelzeichen A Fläche M spezifische Ausstrahlung a Absorptionskoeffizient Ms -, des schwarzen Körpers a Beschleunigung Md Drehmoment B Anergie m Masse b spezifische Anergie n Drehzahl c 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 Leistung Cmp -, konst. Druck (isobar) Pdiss dissipierte Leistung Cmv -, konst. Vol. (isochor) Pe Kupplungsleistung cs Schallgeschwindigkeit Pei Eigenbedarfsleistung d Durchlasskoeffizient (Strahlung) Pgen Generatorleistung d Durchmesser Pind indizierte Leistung E Exergie, Arbeitsfähigkeit Pkl Klemmenleistung Eg Exergie eines geschlossenen Systems Pt technische Leistung Eq Exergie der Wärme Pr Prandtl-Zahl Ev Exergieverlust p Druck, Absolutdruck E* Exergie des strömenden Fluids pabs Absolutdruck e spezifische Exergie pamb atmosphärischer Bezugsdruck F 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* Partialdruck g Fallbeschleunigung Q Wärme H Enthalpie ˙ Q Wärmestrom, Wärmeleistung Hm molare Enthalpie Qrev Wärme bei reversiblen Vorgängen Ho, Hu spezifischer Brennwert, Heizwert q auf die Masse bezogene Wärme h spezifische Enthalpie q Wärmestromdichte, h Höhe, Länge ˙ Heizflächenbelastung h Wasserstoffanteil (Brennstoff) qa Abgasverlust I elektrische Stromstärke qf spezifische Flüssigkeitsenthalpie k Boltzmann-Konstante R Gaskonstante k Wärmedurchgangskoeffizient Rd Wärmedurchgabgswiderstand l Länge Ri individuelle Gaskonstante l Verbrennungsluftmenge Rl Wärmeleitwiderstand la Luftgehalt des Abgases Rm molare (universelle) Gaskonstante M molare Masse Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Formelzeichen Seite 7 von 176
  • 8. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Rü Wärmeübergangswiderstand z Höhe Re Reynolds-Zahl r Radius a Wärmeübergangskoeffizient r Raumanteil b Schaufelwinkel r Reflexionskoeffizient (Strahlung) g Volumenausdehnungskoeffizient r spezifische Verdampfungsenthalpie g Wichte rw Arbeitsverhältnis d Wandstärke S Entropie e Emissionskoeffizient s spezifische Entropie ζ exergetischer Wirkungsgrad T thermodynamische Temperatur h dynamische Viskosität t Celsius-Temperatur h Wirkungsgrad U innere Energie hc Carnot-Faktor, hth beim Carnot- U elektrische Spannung Prozess u spezifische innere Energie u Umfanggeschwindigkeit hf feuerungstechnischer Wirkungsgrad V Volumen hges Gesamtwirkungsgrad Vf Volumen der feuchten Luft hisen isentroper Wirkungsgrad Vm molares Volumen hK Kesselwirkungsgrad v spezifisches Volumen hth thermischer Wirkungsgrad vf, vt Abgasmenge, feucht, trocken k Isentropenexponent, Verhältnis cp/cv W Arbeit l Luftverhältnis bei der Verbrennung Wdiss Dissipationsenergie l Wellenlänge We Kupplungsarbeit l Wärmeleitfähigkeit Wg Gesamtarbeit (geschl. System) m Massenanteil Wind indizierte Arbeit n kinematische Viskosität Wk Arbeit des irreversiblen Kreisprozesses n stöchiometrische Zahl Wkrev Arbeit des reversiblen Kreisprozesses x Heizzahl Wn Nutzarbeit an der Kolbenstange r Dichte WR Reaktionsarbeit r innere Verdampfungsenthalpie Wr Reibungsarbeit r* Partialdichte Wt techn. Arbeit (offenes System) Wtrev reversible techn. Arbeit s spezifische Schmelzenthalpie Wt* techn. Arbeit (incl. kinet. und pot. s Stefan-Boltzmann-Konstante Energie) t Zeit Wu Verschiebearbeit f Einspritzverhältnis Wv Volumenänderungsarbeit (Verbrennungsmotor) w spezifische Arbeit f relative Feuchte w Geschwindigkeit fEQ Energiequalitätsgrad w Wasseranteil (Brennstoff) y äußere Verdampfungsenthalpie x Dampfgehalt im Nassdampf y Durchflussfunktion (Düsenströmung) x Feuchtegehalt feuchter Luft w Winkelgeschwindigkeit y Stoffmengenanteil Z Realgasfaktor Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Formelzeichen Seite 8 von 176
  • 9. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Indizes L, l Luft Mi Mischungswert 0 Zustand bei 0 K oder 0 °C m mechanisch 1 vor der Zustandsänderung m Mittelwert 2 nach der Zustandsänderung m molare Größe 12 Änderung vom Zustand 1 nach 2 n physikalischer Normzustand (0 °C; a Abgas, Verbrennungsgas 1,01325 bar) a Komponente, Gemisch n Nullpunkt ab abgeführt o Otto-Prozess ad adiabat ORC Organic Rankine Cycle amb Umgebungszustand pol polytrop B, b Brennstoff r Reibung b Bezugszustand, Umgebungszustand rev (hochgestellt) reversibel b Komponente (Gemisch) s Sättigungs-, Siedezustand c Komponente (Gemisch) s Seiliger-Prozess car Carnot-Prozess st Stirling-Prozess c/r Clausius-Rankine-Prozess t total (Druck) D Dampfkraftanlage t trocken D, d Dampf th thermisch diss Dissipation tr Tripelpunkt e effektiv (Nutz-) u in Umfangrichtung er Ericsson-Prozess u Umgebung f feucht, Flüssigkeit u unvollständig verbrannt G Gasturbinenanlage v vor der Verbrennung GUD GUD-Kraftwerk w Wand g Gas w Wasser g geschlossen (System) w Welle i beliebige Komponente WP Wärmepumpe i Impuls x beliebiger Zwischenzustand, Variable ib isobar x Nassdampf ich isochor z zwischenüberhitzt id ideal zu zugeführt ind indiziert t Taupunkt isen isentrop ' siedende Flüssigkeit ith isotherm " Sattdampf j Joule-Prozess ˙ zeitlche Ableitung eines Wertes, z.B. k Kesselaustritt Massenstrom k Kreisprozess * Änderung der kinet. und pot. Energie k, kr kritisch berücksichtigt kin kinetisch (Druck) * brennwertbezogen (Wirkungsgrad) kon Kondensation (im Abgas) * Partialgröße (Gemisch) KM Kältemaschine KV Kolbenverdichter Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Formelzeichen Seite 9 von 176
  • 10. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse 1 Regelung von komplexen thermischen Prozessen 1.1 Herkömmliche Energieregelkonzepte Thermische Prozesse sind mit den herkömmlichen passiven Regelungsmethoden (Konstanthaltung der Temperatur oder des Druckes in einem Kreislaufmedium) durch die großen Verzugszeiten meistens sehr schwer regelbar. Die Verzugszeiten sind abhängig vom Volumen, der Dichte, der Wärmeübertragung, der Entfernung und der Geschwindigkeit des Kreislaufmediums. Passive Regelungssysteme reagieren erst nach der Rückmeldung auf Änderungen des Prozesses. So kann zum Beispiel eine Änderung der Energieabnahme der Verbraucher erst mit meist großer Verspätung beim Energieerzeuger gemessen und geregelt werden. Um dennoch die notwendige Energie für größere Änderungen zur Verfügung zu stellen, werden z.B. bei großen Heißwassernetzen Warmwasserspeicher verwendet. Außerdem wird die Rücklauftemperatur in diesen Netzen hoch gehalten (zusätzlicher Energiespeicher des Heißwassernetzes). Dies bewirkt jedoch erhebliche Energieverluste. Vor allem in den Industriebetrieben wird ein sehr großer Aufwand für die Kühlung von Kreislaufmedien betrieben, die enorme Energieverluste bewirken. Abbildung 1-01 Beispiel für herkömmliche Regelkonzepte Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Kap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 10 von 176
  • 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 Prozesse Kap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 11 von 176
  • 12. Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse 1.2 Neues Gesamtenergieregelkonzept (2) Bei dieser auf langjähriger Erfahrung basierenden Entwicklung handelt es sich um ein Konzept, das auf der Energiebilanzierung als Grundlage für die Zusammenführung der einzelnen unter- geordneten Regelungen der Energieverteilung, des Energietransportes und der Energieerzeugung basiert. Anhand des neuen Gesamtenergieregelkonzeptes sowie der Programmierung und Parametrierung der Softwarebausteine in einem leistungsfähigen Prozessleitsystem werden die einzelnen Regelkreise miteinander verbunden und harmonisch abgestimmt. Damit wird das Regelverhalten des gesamten Energiesystems sowohl bei Änderungen des Energieverbrauches als auch bei Störungen um ein vielfaches verbessert. Es wird so viel Energie erzeugt, wie gerade gebraucht wird. Mit dieser neuen Methode lassen sich auch andere Energieformen wie z.B. Abwärme oder geothermische Energie ohne weiteres einbinden. Das neue System erkennt sofort jede Änderung des Energieverbrauches im Prozess und kann deshalb sehr schnell reagieren. Zusätzlich werden die mechanischen und elektrischen Einrichtungen geschont und die Lebensdauer dieser Einrichtungen um ein Vielfaches verlängert. Aufgrund der schnellen Reaktionszeiten sowie des stabilen Regelverhaltens können optimale Betriebsparameter eingestellt werden. Das Heißwassernetz braucht kaum mehr verlustreiche Zwischenspeicher. Außerdem kann die Rücklauftemperatur erheblich abgesenkt werden. Ebenso kann die Energieabfuhr durch die Kühlung von Kreislaufmedien minimiert werden. Die abgeführte Energie kann wieder in die Energieerzeugung eingebunden werden. Abbildung 1-02 Verbrauchsgeführtes Gesamtenergieregelkonzept Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Kap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 12 von 176
  • 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 Störfaktoren Das zusammenhängende und strukturiert aufgebaute Regelkonzept der Gesamtenergieregelung basiert auf den Energieflüssen eines energetischen Systems. Es ist das Ergebnis von jahrzehntelanger Erfahrung im Engineering und in der Inbetriebsetzung von komplexen Industrie- und Energieanlagen. Die wissenschaftlichen Grundlagen für dieses Konzept ergeben sich aus den Erkenntnissen der Naturwissenschaften Thermodynamik und Kybernetik. Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse Kap.1: Regelung von komplexen thermischen Prozessen Seite 13 von 176