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J. Voit Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Betriebsoptimierung einer Linde-eigenen l1Jftzerlegungsanlage (siehe Bild 1) unter Verwendung 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 bei der Anpassung an den geforderten Be- triebspunkt rechtfertigen den Einsatzdes Betriebsoptimierungssystems OPTISIM. An einem Beispiel wird gezeigt, welche Energieeinsparung durch OPTISIMan der betrachteten Linde-Anlage erzielt werden konnte. Bereits in den 7Oer Jahren wurde im Hau- se Linde damit begonnen, ein leistungs- fähiges Simulations- und Optimierungs- system OPTISIMzu entwickeln. Seine An- wendung liegt in der Prozeß-Berechnung, ProzeB-Simulation und Prozeß-Optimie- rung. Die mit Hilfe von OPTISIMerstellten Rechenmodelle 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 mierungssysteme für den stationären Anlagenbetrieb In dem folgenden Flußbild ist die Vorge- hensweise bei der Betriebsoptimierung aufgegliedert (Bild 2). Ausgegangen wird von der Modellerstel- lung durch ProzeBabbildung mit Hilfe von OPTISIM. Bei OPTISIM handelt es sich um einen gleichungsorientierten Simulator. Der Aufbau des FIONSheets, das die Anla- ge als Modell widerspiegelt, bildet die Grundlage für ein in OPTISIM generiertes Gleichungssystem. Erleichtert wird die Mo- dellerstellung durch eine umfangreiche Bi- bliothek für verfahrenstechnische Grund- operationen (Unit Operation) wie Maschi- nen, Wärmetauscher, Kolonnen, Regler etc. Eine Schnittstelle zum Prozeßleitsystem sorgt für den Datentransfer zwischen Anla- ge und OPTISIM-Modeil. Kryogene Luftzeriegungsanlage Bild 1 19

Einführung und Zielsetzung · bliothek für verfahrenstechnische Grund-operationen (Unit Operation) wie Maschi-nen, Wärmetauscher, Kolonnen, Regler etc. Eine ... den in die entsprechende

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Page 1: Einführung und Zielsetzung · bliothek für verfahrenstechnische Grund-operationen (Unit Operation) wie Maschi-nen, Wärmetauscher, Kolonnen, Regler etc. Eine ... den in die entsprechende

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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~ -;I) -!J -10 0 10 20 ;I) 40 50 60 ~

alpha21 in grdBik1 6 - Winkelverstellgesetze gemäß Hersteller

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~~~e..BERICHTE AUS TECHNIK UND WISSENSCHAFT 71/1994---

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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a~~~e..BERICHTE AUS TECHNIK UND WISSENSCHAFT 71/1994

[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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i i i i i i i i i i..... oS oS 18 LZ L.e 1.m 1.m 28 D 1.- 28

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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