Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

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2013 Peter Kainhofer Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse SEMINAR

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2013

Peter Kainhofer

Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

SEMINAR

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Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

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

Wien, Januar 2013 2. Auflage

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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

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Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseVorwort Seite 4 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.

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Seminar Gesamtregelkonzepte für thermische ProzesseInhaltsverzeichnis Seite 5 von 176

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

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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

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Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

Formelzeichen A Fläche a Absorptionskoeffizient a Beschleunigung B Anergie b spezifische Anergie c Geschwindigkeit c spezifische Wärmekapazität cp -, konst. Druck (isobar) cv -, konst. Vol. (isochor) Cm molare Wärmekapazität Cmp -, konst. Druck (isobar) Cmv -, konst. Vol. (isochor) cs Schallgeschwindigkeit d Durchlasskoeffizient (Strahlung) d Durchmesser E Exergie, Arbeitsfähigkeit Eg Exergie eines geschlossenen Systems Eq Exergie der Wärme Ev Exergieverlust E* Exergie des strömenden Fluids e spezifische Exergie F Faraday-Konstante F freie Energie (Helmholtz-Funktion) F Kraft G freie Enthalpie (Gibbs-Funktion) G Gewichtskraft g Fallbeschleunigung H Enthalpie Hm molare Enthalpie Ho, Hu spezifischer Brennwert, Heizwert h spezifische Enthalpie h Höhe, Länge h Wasserstoffanteil (Brennstoff) I elektrische Stromstärke k Boltzmann-Konstante k Wärmedurchgangskoeffizient l Länge l Verbrennungsluftmenge la Luftgehalt des Abgases M molare Masse

M spezifische Ausstrahlung Ms -, des schwarzen Körpers Md Drehmoment m Masse n Drehzahl n Stickstoffanteil (Brennstoff) n Stoffmenge (kmol) o Sauerstoffanteil (Brennstoff) o Sauerstoffmenge (zur Verbrennung) P Leistung Pdiss dissipierte Leistung Pe Kupplungsleistung Pei Eigenbedarfsleistung Pgen Generatorleistung Pind indizierte Leistung Pkl Klemmenleistung Pt technische Leistung Pr Prandtl-Zahl p Druck, Absolutdruck pabs Absolutdruck pamb atmosphärischer Bezugsdruck pd Differenzdruck (allgemein) pe Überdruck (über Atmosphärendruck) pkin kinetischer Druck (Staudruck) pt Totaldruck (Strömung) p* Partialdruck Q Wärme

Wärmestrom, Wärmeleistung

Qrev Wärme bei reversiblen Vorgängen q auf die Masse bezogene Wärme

Wärmestromdichte, Heizflächenbelastung

qa Abgasverlust qf spezifische Flüssigkeitsenthalpie R Gaskonstante Rd Wärmedurchgabgswiderstand Ri individuelle Gaskonstante Rl Wärmeleitwiderstand Rm molare (universelle) Gaskonstante

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Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

Rü Wärmeübergangswiderstand Re Reynolds-Zahl r Radius r Raumanteil r Reflexionskoeffizient (Strahlung) r spezifische Verdampfungsenthalpie rw Arbeitsverhältnis S Entropie s spezifische Entropie T thermodynamische Temperatur t Celsius-Temperatur U innere Energie U elektrische Spannung u spezifische innere Energie u Umfanggeschwindigkeit V Volumen Vf Volumen der feuchten Luft Vm molares Volumen v spezifisches Volumen vf, vt Abgasmenge, feucht, trocken W Arbeit Wdiss Dissipationsenergie We Kupplungsarbeit Wg Gesamtarbeit (geschl. System) Wind indizierte Arbeit Wk Arbeit des irreversiblen Kreisprozesses Wk

rev Arbeit des reversiblen Kreisprozesses Wn Nutzarbeit an der Kolbenstange WR Reaktionsarbeit Wr Reibungsarbeit Wt techn. Arbeit (offenes System) Wt

rev reversible techn. Arbeit Wt* techn. Arbeit (incl. kinet. und pot.

Energie) Wu Verschiebearbeit Wv Volumenänderungsarbeit w spezifische Arbeit w Geschwindigkeit w Wasseranteil (Brennstoff) x Dampfgehalt im Nassdampf x Feuchtegehalt feuchter Luft y Stoffmengenanteil Z Realgasfaktor

z Höhe a Wärmeübergangskoeffizient b Schaufelwinkel g Volumenausdehnungskoeffizient g Wichte d Wandstärke e Emissionskoeffizient ζ exergetischer Wirkungsgrad h dynamische Viskosität h Wirkungsgrad hc Carnot-Faktor, hth beim Carnot-

Prozess hf feuerungstechnischer Wirkungsgrad hges Gesamtwirkungsgrad hisen isentroper Wirkungsgrad hK Kesselwirkungsgrad hth thermischer Wirkungsgrad k Isentropenexponent, Verhältnis cp/cv l Luftverhältnis bei der Verbrennung l Wellenlänge l Wärmeleitfähigkeit m Massenanteil n kinematische Viskosität n stöchiometrische Zahl x Heizzahl r Dichte r innere Verdampfungsenthalpie r* Partialdichte s spezifische Schmelzenthalpie s Stefan-Boltzmann-Konstante t Zeit f Einspritzverhältnis

(Verbrennungsmotor) f relative Feuchte fEQ Energiequalitätsgrad y äußere Verdampfungsenthalpie y Durchflussfunktion (Düsenströmung) w Winkelgeschwindigkeit

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Gesamtregelkonzepte für thermische Prozesse

Indizes

0 Zustand bei 0 K oder 0 °C 1 vor der Zustandsänderung 2 nach der Zustandsänderung 12 Änderung vom Zustand 1 nach 2 a Abgas, Verbrennungsgas a Komponente, Gemisch ab abgeführt ad adiabat amb Umgebungszustand B, b Brennstoff b Bezugszustand, Umgebungszustand b Komponente (Gemisch) c Komponente (Gemisch) car Carnot-Prozess c/r Clausius-Rankine-Prozess D Dampfkraftanlage D, d Dampf diss Dissipation e effektiv (Nutz-) er Ericsson-Prozess f feucht, Flüssigkeit G Gasturbinenanlage GUD GUD-Kraftwerk g Gas g geschlossen (System) i beliebige Komponente i Impuls ib isobar ich isochor id ideal ind indiziert isen isentrop ith isotherm j Joule-Prozess k Kesselaustritt k Kreisprozess k, kr kritisch kin kinetisch (Druck) kon Kondensation (im Abgas) KM Kältemaschine KV Kolbenverdichter

L, l Luft Mi Mischungswert m mechanisch m Mittelwert m molare Größe n physikalischer Normzustand (0 °C;

1,01325 bar) n Nullpunkt o Otto-Prozess ORC Organic Rankine Cycle pol polytrop r Reibung rev (hochgestellt) reversibel s Sättigungs-, Siedezustand s Seiliger-Prozess st Stirling-Prozess t total (Druck) t trocken th thermisch tr Tripelpunkt u in Umfangrichtung u Umgebung u unvollständig verbrannt v vor der Verbrennung w Wand w Wasser w Welle WP Wärmepumpe x beliebiger Zwischenzustand, Variable x Nassdampf z zwischenüberhitzt zu zugeführt t Taupunkt ' siedende Flüssigkeit " Sattdampf ˙ zeitlche Ableitung eines Wertes, z.B.

Massenstrom * Änderung der kinet. und pot. Energie

berücksichtigt * brennwertbezogen (Wirkungsgrad) * Partialgröße (Gemisch)

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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

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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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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

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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.