CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Dynamische Simulationsumgebung für ORC-Prozesse

Transkript

1 Dynamische Simulationsumgebung für ORC-Prozesse Schweizer ORC-Symposium 2014 Adrian Rettig, Ulf Christian Müller

2 Inhalt - Ausgangslage - Physikalisch basierte Rechenmodelle - Anwendungsbeispiele - Ausblick Folie 2, 20. November 2014

3 Ausgangslage - Rund 10 ORC-Anlagen in Betrieb - Hart an der Grenze zur Wirtschaftlichkeit - Förderinstrumente - KEV für Erneuerbare Energien - Wettbewerbliche Ausschreibung für ind. Abwärmenutzung - Wo liegt das Problem? Folie 3, 20. November 2014

4 Aufwände Einnahmen CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Planung Betrieb, Wartung Anlagenintegration Inbetriebnahme Gewinn Stromverkauf ORC-Modul Planung, Engineering Fördermittel Folie 4, 20. November 2014

5 Aufwände Einnahmen CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Realität Betrieb, Wartung Gewinn Anlagenintegration Inbetriebnahme Stromverkauf ORC-Modul Planung, Engineering Fördermittel Folie 5, 20. November 2014

6 Aufwände Einnahmen CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Realität Betrieb, Wartung Verlust Anlagenintegration Inbetriebnahme Stromverkauf ORC-Modul Planung, Engineering Fördermittel Folie 6, 20. November 2014

7 Einsatz physikalisch basierter Rechenmodelle Systemkonfiguration Design / Planung Umsetzung Komponentenwahl Regelstrategie/Tuning Funktionstest Inbetriebnahme Betrieb/Wartung Physikalisch basierte Rechenmodelle Adaption (geänderte RB) Quelle: Holcim Folie 7, 20. November 2014

8 Quelle: Wikioptic Quelle: Occams Razor Quelle: 3fficiency CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Einsatz physikalisch basierter Rechenmodelle Systemkonfiguration Design / Planung Umsetzung Komponentenwahl Regelstrategie/Tuning Funktionstest Inbetriebnahme Betrieb/Wartung Physikalisch basierte Rechenmodelle Adaption (geänderte RB) Folie 8, 20. November 2014

9 Einsatz physikalisch basierter Rechenmodelle Systemkonfiguration Design / Planung Umsetzung Komponentenwahl Regelstrategie/Tuning Funktionstest Inbetriebnahme Betrieb/Wartung Physikalisch basierte Rechenmodelle Suboptimal! Eingeschränkter H.spielraum Viele Randbedingungen vorgegeben Adaption (geänderte RB) Folie 9, 20. November 2014

10 Einsatz physikalisch basierter Rechenmodelle Systemkonfiguration Design / Planung Umsetzung Komponentenwahl Regelstrategie/Tuning Adaption (geänderte RB) Funktionstest Inbetriebnahme Physikalisch basierte Rechenmodelle Vorteilhaft! Antizipation versch. Szenarien Einfacherer Eingriff in Design-/Planungsphase Betrieb/Wartung Folie 10, 20. November 2014

11 Modelica als flexible Simulationsplattform - Objektorientierte Modellierungssprache - Multi-Domain gastemperature te? T=4 gasflow Rate ga? T=4 npump np? T=2 sup? S eva? S eco? S S P steamturbine con? po? G po? generatedpow er T=1 vo? voidfraction T=1 Thermo-Fluid Domain Mechanical Domain Electrical Domain Modular, hierarchisch pow ersetpoint pow erco? PID pre? duration=450 Quelle: ThermoPower Library gasflow Rate duration=10 P voidfractions? PID starttime=0 voidfract? Folie 11, 20. November 2014

12 ThermoCycle ThermoCycleApplications CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Modellierung von verschiedenen Referenzanlagen - Basis ThermoCycle-Bibliothek der Universität Liège - Ziel: Datenbank validierter Anlagen(-komponenten) Folie 12, 20. November 2014

13 Beispiel Biogas-BHKW Quelle: Axpo Power AG Neue Energien Folie 13, 20. November 2014

14 Modellierung mit ThermoCycle (Gesamtsystem) P el Heisswasserkreislauf ORC- Kreislauf Kühlwasserkreislauf Folie 14, 20. November 2014

15 Ergebnis mit konst. Expanderwirkungsgrad - Set von konkreten Betriebspunkten - Stationäre Rechnungen - Expanderwirkungsgrad anpassen bis Leistung korrekt - Expanderkennfeld erstellen Folie 15, 20. November 2014

16 Bessere Wiedergabe mit Hilfe von Wirkungsgradcharakteristik Kalibrierte Modelle für - Ertragsprognosen h e = const. - Monitoring - «Ursachenforschung» h e = f(p,p In ) Folie 16, 20. November 2014

17 Testen verschiedener Regelkonzepte Systemkonfiguration pow ersetpoint pow erco? PID Design / Planung Umsetzung Komponentenwahl Regelstrategie/Tuning Funktionstest Inbetriebnahme Betrieb/Wartung Physikalisch basierte Rechenmodelle duration=450 gasflow Rate duration=10 voidfractions? starttime=0 PID P voidfract? Quelle: Modelica, Thermopower syst? Adaption (geänderte RB) Folie 17, 20. November 2014

18 Vergleich verschiedener Regelkonzepte Konzept 1 - Konstante Verdampfertemperatur T ev (130 C) Konzept 2 - Analog Untersuchung Liège [1] - T ev anpassen, so dass optimaler Gesamtwirkungsgrad - Wie muss T ev vorgegeben werden? [1] Dynamic modeling and optimal control strategy of waste heat recovery Organic Rankine Cycles, S. Quoilin, R. Aumann, A. Grill, A. Schuster, V. Lemort, H. Spliethoff, Applied Energy, Volume 88, Issue 6, June 2011 Folie 18, 20. November 2014

19 Regelkonzept 2 (Optimierungsschritt) Folie 19, 20. November 2014

20 Vergleich Regelkonzept 1 & 2 - Konzept 2: T ev ändert in Abhängigkeit der Randbedingungen - Konzept 2 vs. 1: Verbesserte Teillastwirkungsgrade Folie 20, 20. November 2014

21 Fazit - Simulationsumgebung zur Analyse von Anlagen funktioniert - Nutzbar als virtueller Prüfstand - Einsatzbreite und Leistungsfähigkeit steigt mit der Abbildung weiterer Komponenten & Konfigurationen - Wichtiger Baustein zur wirtschaftlichen Abwärmenutzung Folie 21, 20. November 2014

22 Aufwände Einnahmen CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Ausblick Betrieb, Wartung Anlagenintegration Inbetriebnahme Gewinn Stromverkauf ORC-Modul Planung, Engineering Fördermittel Folie 22, 20. November 2014

23 Aufwände Einnahmen CC Fluidmechanik und Hydromaschinen Ausblick Gewinn Inbetriebnahmephase Komponenten-Kosten Planungszeiten Realistische Ertragsprognose Optimierte Systemkonfig. Optimierte Regelstrategie Effiz. Betrieb (Monitoring) Fördermittel nicht mehr nötig Folie 27, 20. November 2014