einführung und zielsetzung · bliothek für verfahrenstechnische grund-operationen (unit...
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J. Voit
Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit derBetriebsoptimierung einer Linde-eigenenl1Jftzerlegungsanlage (siehe Bild 1) unterVerwendung von OPTISIM. Für den wirt-schaftlichen Betrieb dieser Anlage sind fol-gende Randbedingungen zu berücksich.
tigen:
Einführung und Zielsetzung- Produkt- und Energiekosten- Verfügbarkeit von Anlagenteilen- Betriebsgrenzen (Begrenzung der Lei-
stungsautnahme, Pump- und Dreh-zahlgrenzen der Maschinen, S1augren-zen von Kolonnen etc.)
Die Vielzahl der unterschiedlichen Rand-bedingungen und die Schwierigkeiten beider Anpassung an den geforderten Be-triebspunkt rechtfertigen den Einsatz desBetriebsoptimierungssystems OPTISIM.
An einem Beispiel wird gezeigt, welcheEnergieeinsparung durch OPTISIM an derbetrachteten Linde-Anlage erzielt werdenkonnte.
Bereits in den 7Oer Jahren wurde im Hau-se Linde damit begonnen, ein leistungs-fähiges Simulations- und Optimierungs-system OPTISIM zu entwickeln. Seine An-wendung liegt in der Prozeß-Berechnung,ProzeB-Simulation und Prozeß-Optimie-rung. Die mit Hilfe von OPTISIM erstelltenRechenmodelle ermöglichen die wirt-schaftlichste lösung fOr Betrieb und Ausle-gung von Anlagen [1].
- Umgebungsbedingungen (Tag-Nacht.Sommer -Winter)
- Qualität der Einsatzluftmenge- Produktspezifikation (Menge und
Qualität)
Betriebso pli m ierungssystemefür den stationären
AnlagenbetriebIn dem folgenden Flußbild ist die Vorge-hensweise bei der Betriebsoptimierung
aufgegliedert (Bild 2).
Ausgegangen wird von der Modellerstel-lung durch ProzeBabbildung mit Hilfe vonOPTISIM. Bei OPTISIM handelt es sich umeinen gleichungsorientierten Simulator.Der Aufbau des FIONSheets, das die Anla-ge als Modell widerspiegelt, bildet dieGrundlage für ein in OPTISIM generiertesGleichungssystem. Erleichtert wird die Mo-dellerstellung durch eine umfangreiche Bi-bliothek für verfahrenstechnische Grund-operationen (Unit Operation) wie Maschi-nen, Wärmetauscher, Kolonnen, Regleretc.
Eine Schnittstelle zum Prozeßleitsystemsorgt für den Datentransfer zwischen Anla-
ge und OPTISIM-Modeil.Kryogene LuftzeriegungsanlageBild 1
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BERICHTE AUS TECHNIK UND WISSENSCHAFT 71/1994
für die betreffenden fehlerbehafteten MeB-stellen (Data Reconciliation). Eine weitereMöglichkeit zur Mode/lanpassung bietendie Tuning-Parameter. die automatischdem realen ProzeB angepaBt werden kön-nen. Tuning-Parameter beeinflussen z. B.Bodenwirkungsgrade ~n Kolonnen, WAr.meObergangskoeffizienten etc.
Bild 3 zeigt das Schema eines Gegen-stromwärmeauStauschers mit einemWarm- und einem Kaltstrom. Heizflächen
den kleinsten Wert hat. gilt die Funktionu(Xj) als beste Approximation ~n t(Xj).
In Bild 4 ist der Iterationsverlauf derTuning-Parameter aufgezeigt. bis die jeo.wi.Jige Temperaturabweichung der Austritts-ströme ihren kleinsten Wert angenommenhat. Die Tuning-Parameter und damit dieWärmeübergangskoeffizienten haben sichim Beispiel verdoppelt.
Nach dieSen vorbereitenden Arbeiten kön-nen eine oder mehrere Optimierungsauf-gaben formuliert werden. Typische Ziel-funktionen sind z. B. Produktausbeutenund/oder Energieverbrauch etc. DurchFestlegung einer Zielfunktion ~rden dieunabhängigen Variablen des Modells un-ter Einhaltung der eingangs erwähntenRandbedingungen solange iterativ verän-dert. bis das Extremum der Zielfunktion(Maximum oder Minimum) erreicht. ist. DieRandbedingungen werden im ~odell defi-niert. .""bei die zugehörigen Min-Max-Grenzen bei Bedarf in entsprechendenMasken veränderbar sind. Während derDurchführung der Optimierungsaufgabekann der Iterationsverlauf der interessie-renden Parameter numerisch oder gra-fisch angezeigt und verfolgt ~rden. JederÄnderungsvorschlag der unabhAngigenVariablen in Richtung Extremum der Ziel-funktion kommt aus dem OPTISIM-Modellund wird dort auf sein Konvergenzverhal-ten abgefragt. Bei zu hoher Änderungsge-schwindigkeit und damit Gefährdung derKonvergenzsicherheit wird die Gradienten-bildung automatisch limitiert. Das Optimie-rungssystem kann mit oder ohne direkte
Schema eines Gegenstrom-wSrmea usta uschers
und Wärmeübergangskoeffizienten wur-den in die entsprechende Grundoperation(Dynamic He~m Unit) eingetragen. Eswurde eine Temperatu~ichung derAustrittsströme von jeweils 1 Grad gegen-über dem Modell simuliert. Die Tuning-Parameter verändern die Wärmeüber-gangskoeffIZienten im Sinne der Methodeder kleinSten Fehlerquadrate. Wenn dieSumme
S = Li [f(Xj) - u(Xj) r
2.48
2.28BikJ 2 - Ablaufschema der Betriebs-
optimierung
Im nächsten Schritt werden die ProzeBda-ten (Meßwerte) in OPTISIM auf Plausibnitätgeprüft und automatisch vom Modell ap-proximiert. Dadurch können Meßfehlerund defekte MeßsteIlen erkannt und gege-benenfalls bei Überschreiten der Meßtole-ranzen Korrekturen vorgenommen werden(Sensitivitätsanalyse). An der modellge-stützten ProzeBdatenvaJidierung nehmennur ProzeBdaten teil, die die Vorselektie-rung zur Aussonderung der offensichtlichfalschen oder verdächtigen Werte passierthaben. Ziel der ProzeBdatenvalidierung istdas Erkennen von verdächtigen MeBdatensowie das Ermitteln von Korrekturfaktoren
:s 2. 88Q)
~ 1.88
~ 1.b8
.1 1. 48E-
1.28
1.885 11 15 20 25
Iteration~ -11IIterationsveriauf der Tuning-Parameter
38 35 41
Bild 4
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datentechnische Verbindung zum Prozeß-leitsystem der Anlage betrieben werden(On-Line- bzw. Off-Line-Betrieb).
Als Anwendungsbeispiel dient im folgen-den ein 4stuflger Stickstoffverdichter mitje einem Eintrittsleitapparat (ELA-Winkela21 a24) pro Stufe (siehe Bild 5). Furdiesen Stickstoffverdichter mit drei Zwi-schenkuhlern und einem Nachkuhler wur-de mit Hilfe von OPrISIM ein Simulations-programm auf der Basis des Originalda-tensatzes der EinzelsMenkennlinien er-stellt. Die Relation zwischen dem ELA-Win-kel der 1. Stufe (a21) als Fuhrungsgr6ßeund den ELA-Winkeln für die folgendenStufen (a22. a23, a24) wird an der Maschineuber ein internes Verstellgesetz realisiert.Dieses Verstellgesetz gemäß Maschinen-hersteller wurde durch ein Polynom appro-ximiert und in das Simulationsprogrammeingetragen (siehe Bild 6). Die Winkel-zuordnung ergab sich als annäherndlinear. Die Optimierungsaufgabe fur OPrI-SIM besteht in der Minimierung der Lei-stungsaufnahme der Maschine durch Auf-findung der jeweils optimalen Winkelzuord-nung im gesamten Lastbereich. Das heißt.die Zielfunktion ist in diesem Beispielgleichbedeutend mit der Minimierung derLeiStungsaufnahme der Maschine.
Eintritt0""
Schema eines vierstufigen VerdichtersBild 5
gangs alle von OPfISIM an das Pr0ze6leit-system weitergegebenen Parameter-Soll-Werte in sich konsistent sind. Die Umstell-zeit richtet sich insbesondere nach demRechenzyklus. den Regelabweichungenund dem dynamischen Verhalten derAnlage.
Betriebso pli mieru n gssystemefür den instationären
Anlagenbetrieb
Der automatische Lastwechsel im gesam-ten Lastbereich der Anlage erfolgt durchdie Anwendung einer der Optimierungs-routinen in OPTISIM. ~bei die durchzu-führenden Änderungen der Anlagenlastoder der Produktverteilung in den Rand-bedingungen festgelegt werden. Die ge-wählte Zielfunktion führt den App~t itera-tiv an den gewünschten Produktion$Punkt.Dieser quasi stationäre Umstellvorgangläßt keine optimalen Umstellzeiten erwar-ten. Es ist bei dieser Methode aber sicher-gestellt. daß bei Abbruch des Umstellvor-
Wenn sehr kurze Umstellzeiten gefordertsind, empfiehlt sich die Anwendung derdynamischen Simulation (sog. inverse Si-mulation). Hierbei werden die SteIlgrOßendynamisch so berechnet, daß eine ProzeB-größe wie die Produktqualität zu jedemZeitpunkt exakt spezifikationsgerechtbleibt. Man erhält auf diese Weise regei-fehlerfreie, perfekte SteIlgrOßentrajektorien.Mit der dynamischen Simulation ist einefundierte Aussage zur optimalen Fahrwei-
Die Randbedingungen wurden wie folgtdefiniert:
80
60.gti..s 40-
~20
~ 0~
- Stickstoffliefermenge (60 % bis 120 %)
- Ansaugdruck (5 bar)
- Ansaugtemperatur (297 K)
- Austrittsdruck (20 bar und 28 bar)
- Rückkühltemperatur (298 K) tür alleStufen
- Einzelstufenkennfelder mit zugehöri-gen Pumpgrenzkennlinien.
Ergebnis: Gegenüber dem annähernd li-nearen Winkelverstellgesetz gemäß Ma-schinenhersteller lassen sich je nachLastfall durch das OptimierungssystemOPTISIM zwischen 0,1 % und 5 % Ener-gie einsparen (siehe Bild 7). Im Ausle-gungspunkt verschwindet die Energieein-sparung, da hier jeweils alle Leitapparatevoll geöffnet sind. Die optimierten Winkel-verstellgesetze (siehe Bild 8) weichen ins-besondere im Unterlastbereich erheblichab von der starren linearen Zuordnung ge-mäß Bild 6.
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alpha21 in grdBik1 6 - Winkelverstellgesetze gemäß Hersteller
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Ergebnis:Optimierungsaufgabe 2:
Die Eintrittsleitapparate der einzelnen Ma-schinen sind gemäß Hersteller starr ge-koppelt.
Die Saugdruckabsenkung am Kreislauf-verdichter wird durch Androsseln einer ge-genüber der Kreislaufmenge kleinenDrucksäulenstickstoffmenge realisiert. ImUnterlastbetrieb bewirkt dies ein entspre-chend höheres effektives Ansaugvolumen,~urch der Kreislaufverdichter in seinemoptimalen Betriebspunkt gefahren werdenkann. Die Eintrittsleitapparate der Einzel-stufen werden vom MitdraJl in RK::htungNullgrad-Kennlinie geführt. Hierdurch wr-bessern sich die Wirkungsgrade der Ein-zelstufen deutlich (siehe Bild 10 am Bei-spiel der 4. Stufe). wodurch am Kreislauf-verdichter ca. 2,5% Energie eingespartwerden. Das Druckverhältnis am Feedgas-verdichter wird deutlich kleiner. so daß andiesem Verdichter ca. 9 % Energie einge-spart werden. Beide Expansionsturbinenentspannen auf einen niedrigeren Aus-trittsdruck.
nachfolgenden Tabelle im Detail wiederge-geben. Hiernach erweist sich die Fah~i-se "mit Saugdruckabsenkung am Kreis-laufverdichter" energetisch ca. 2,6 % gün-stiger.
Bei der betrachteten Luftzerlegungsanlagewurden die Leitapparate am Krefslaufver-dichter tür den Überlastbetrieb (0 bis -40Grad Gegendrall) konzipiert. Im Unterlast-betrieb (0 bis BO Grad Mitdrall) verlierensie ihren Sinn, wie im Beispiel nachge-wiesen.
Literatur
[1] P. s. Bur r: The design of optimalair separation end liquefaction proces-ses with the OPTISIM equation-orien-ted simulator, and its application to on-line and off-line plant optimization. Vor-trag .,AICHE Spring National Meeting,Houston, Texas, April 7-11, 1991"
Der Ansaugdruck des Kreislaufverdichters
(1C2) wird nicht optimiert (Stellgröße VKL= 100 0/0 geöffnet). Darüber hinaus be-
steht kein Unterschied zur Optimierung-
saufgabe 1.
Beiden Aufgaben liegen folgende Rand-
bedingungen zugrunde:
- Stationärer Unterlastbetrieb bei k0n-
stanten Umgebungsbedingungen und
konstanter Produktspezifikation
- Maschinenkennfelder mit Pumpgrenz-
kennlinien und Drehzahlgrenzen ge-
mäß Hersteller
- Feste Heizflächen der Wärmetauscherinkl. Wärmeübergangskoeffizienten ge-mäß Auslegung
- Feste Bodenverteilung der Kolonneninkl. Bodenwirkungsgrade gemäß Aus-legung
Der Vergleich der beiden Fahrweisen beiUnterlast "mit und ohne Saugdruckabsen-kung am Kreislaufverdichter" ist in der
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[2] G. Zapp und W. Sendler(1993): Nichtlineare Steuerung und Re-gelung durch inverse Simulation mitkomplexen DAE.Modellen, Chem.-lng.-Tech. 65, Nr. 9.
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Effektives Anaaugvolumen in malsBild 10 - Vergleich der Betriebskenn/inien bei gedrosselter (x) und offener (0)
Ansaugk/appe des KreisiaUfverdichters im Unter/astbetrieb
Tabelle Dirn. Fahrweise mit Fahrweise ohne
ooxGARLOXLINm.INLUFI'~is1aufmenge~gasmenge
Nm3/hNm3/hNm3/hNm3/hNm3/hNm3/hNm3/hNm3/h
1922165
242096832420
2122084<XX>11400
1922165
242096832420
212208835611780
kWkWkWkWkW
860215345850787431
838215345700722426
25.535,450,74.5
28.438.753.05.8
Darbarbarbar
! Enckirock TC2Enckirock TC3Enddrock TC4Enddrock TC5Druckdiff.Saugkiappe Dp Vu 1,3 0,0Dar
ALPHA 21ALPHA 22ALPHA 23ALPHA 24ALPHA 51ALPHA 5 2ALPHA 5 3
grd.grd.grd.grd.grd.grd.grd.
+ 2.1+7,6-8.5+0,0
+ 58,8+41,9+42;8
+ 43.2+ 56,7+ 50.2+ 56,8+41.2+52.7+41,4
Tabelle 1: \.9rgJeich der Fahrweisen bei gedrosselter und offener Ansaugkfappedes Kreisiaufverdichters im Unterlastb9trieb
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