DE102007028129B4

DE102007028129B4 - Verfahren zur Regelung einer Meerwasserentsalzungsanlage mit mechanischer Verdichtung

Info

Publication number: DE102007028129B4
Application number: DE102007028129A
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr.-Ing. Burandt; Frank Schoepe
Original assignee: INSTITUT fur LUFT- und KAELTETECHNIK GGMBH; WT ENERGIESYSTEME GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: INSTITUT fur LUFT- und KAELTETECHNIK GGMBH; WT ENERGIESYSTEME GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: WO2008155329A1; DE102007028129A1

Abstract

Verfahren zur Regelung einer Meerwasserentsalzungsanlage vom MVC-Typ, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterdrehzahl gesenkt wird, wenn der Destillatvolumenstrom einen Sollwert, der sich nach dem aktuellen Wasserbedarf bestimmt, überschreitet, und erhöht wird, wenn der Destillatvolumenstrom diesen Sollwert unterschreitet und der Anlage gezielt Wärme entzogen wird, wenn der Arbeitspunkt des Verdichters im pi-V-Diagramm des Verdichterkennfeldes links von der Linie des maximalen Wirkungsgrades liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verdichters innerhalb von Meerwasserentsalzungsanlagen vom MVC-Typ.
Die Trinkwasserversorgung des Menschen ist in vielen Teilen der Erde aus unterschiedlichen Gründen problematisch. Bevölkerung und Bedarf steigen an, das Klima wird wärmer und trockener, während sich natürliche Wasservorräte durch Übernutzung und Versalzung erschöpfen.
Nach dem Stand der Technik sind seit Langem Verfahren und Einrichtungen bekannt, die Meerwasser in die Bestandteile Salz bzw. Sole und Trinkwasser trennen, sodass diese größtenteils entweder für die Trinkwasser- oder Salzgewinnung genutzt werden.
Eine Ausführungsart solcher Anlagen sind so genannte MVC-Anlagen (mechanical vapour compression); siehe hierzu z. B. DE 79 20 133 U1 . In solchen Anlagen wird Meerwasser teilweise verdampft, wobei das Salz in der Sole zurückbleibt. Der entstehende Dampf wird verdichtet, sodass seine Phasenwechseltemperatur ansteigt. Er wird nun dem Verdampfer wieder zugeleitet und dient dort als Heizdampf. Dabei kondensiert er und das Kondensat stellt das Produktwasser dar. Nach Zudosierung von Kalk, Kohlensäure und ggf. weiteren Stoffen wird es als Trinkwasser verwendet.
Solche Systeme benötigen als Antriebsenergie lediglich Elektroenergie für den Verdichter und für Hilfsaggregate, jedoch keine Wärme, da diese vollständig im Wärmeübertrager zurückgewonnen wird. Der spezifische Energiebedarf liegt dadurch um Größenordnungen unter dem von Entsalzungsanlagen von Typ „Destillation ohne Wärmerückgewinnung”.
Dennoch liegt der Energiebedarf immer noch so hoch, dass das Wasser zu Kosten produziert wird, die einen Einsatz in vielen ärmeren Ländern und fast generell in der Landwirtschaft unmöglich machen.
Eine wesentliche Ursache des hohen Energiebedarfs ist darin zu sehen, dass der Verdichter nicht im Bereich des maximalen Wirkungsgrades betrieben werden kann.
Zum Einsatz kommen fast ausschließlich Radialverdichter. Diese haben die Eigenschaft, dass der Wirkungsgrad bei sinkendem Volumenstrom nahezu stetig steigt, dann aber ein Maximum erreicht, dahinter leicht absinkt und schließlich ein Strömungsabriss auftritt, der im Interesse einer hohen Lebensdauer des Verdichters unbedingt vermieden werden muss. Die genaue Lage des Bestpunktes und auch der Abrissgrenze ist vom Druckverhältnis abhängig. Im Allgemeinen steigen die dazugehörigen Volumenströme mit dem Druckverhältnis an.
MVC-Anlagen werden nach dem Stand der Technik so ausgelegt, dass der Arbeitspunkt sich ausreichend weit von der Abrissgrenze des Verdichters befindet. Dies ermöglicht ein Vermeiden des Strömungsabrisses auch bei Vorliegen von Störgrößen wie schwankendem Wärmeübergang im Wärmeübertrager und leicht schwankender Betriebstemperatur. Bei dieser Lage des Arbeitspunktes arbeitet der Verdichter nicht mit maximalem Wirkungsgrad. Weiterhin verbietet sich eine Teillastregelung der Anlage über eine ausschließliche Reduzierung der Verdichterdrehzahl, da dies das Risiko des Strömungsabrisses erhöht. MVC-Anlagen weisen deshalb üblicherweise nur eine unzureichende Teillastregelung auf.
Aus dem Stand der Technik sind allerdings bereits Meerwasserentsalzungsanlagen bekannt, bei denen die Verdichterdrehzahl geregelt wird.
So wird in US 3,390,057 A eine Vakuum-Flash-Destillationsanlage für die Meerwasserentsalzung offenbart, bei der, um in der Anlage definierte Druckverhältnisse zu erreichen, die Drehzahl des Verdichters geregelt wird. Als Möglichkeit, den Druck noch genauer zu kontrollieren, wird vorgeschlagen, einen Verdichter mit Synchronmotor einzusetzen, dessen Drehzahl in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren geregelt wird.
Da das Verfahren für die Steuerung eines völlig verschiedenen Typs von Meerwasserentsalzungsanlagen (Vakuum-Flash-Destillationsanlagen statt MVC-Anlagen) und für das Erreichen von definierten Druckverhältnisse (nicht für einen sicheren, effizienten Teillastbetrieb) konzipiert ist, trägt das Verfahren jedoch nicht wesentlich zur Lösung der zuvor genannten Probleme bei.
In DE 3613871 C2 wird eine mit einer Dampfverdichteranlage ausgestattete Meerwasserentsalzungsanlage, die ausschließlich mittels einer Windkraftanlage mit Energie versorgt wird, beschrieben. Damit die Meerwasserentsalzungsanlage mit der von der Windkraftanlage erzeugten, stark schwankenden Energie betrieben werden kann, wird vorgeschlagen, die Leistungsaufnahme des Dampfverdichters an die Leistungsabgabe der Windkraftanlage durch Verändern der Verdichterdrehzahl und/oder der Temperatur der zur verdichtenden Flüssigkeit anzupassen. Hierzu wird bei moderaten Windgeschwindigkeiten die so genannte Selbstregelung des Dampfverdichters (mit höheren Drehzahlen steigt der Gegendruck im Verdampfer) ausgenutzt. Sobald Drehzahlen erreicht werden, bei denen die Selbstregelung nicht mehr ausreicht, wird vorgeschlagen, eine Elektroheizung (betrieben vom Generator der Windkraftanlage) im Verdampfersumpf zuzuschalten.
Das zum Betrieb der Meerwasserentsalzungsanlage vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, eine Meerwasserentsalzungsanlage mit schwankenden Energiemengen zu speisen, jedoch nicht, einen Verdichter im Voll- und Teillastbetrieb stets bei maximalem Wirkungsgrad ohne Strömungsabriss zu betreiben.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dabei steht die Aufgabe, eine Meerwasserentsalzungsanlage vom MVC-Typ so zu regeln, dass der Verdichter im Voll- und Teillastbetrieb stets mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet und dennoch kein Strömungsabriss auftritt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7.
Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, zur Regelung einer Meerwasserentsalzungsanlage vom MVC-Typ die Verdichterdrehzahl zu senken, wenn der Destillatvolumenstrom einen Sollwert, der sich nach dem aktuellen Wasserbedarf bestimmt, überschreitet, und zu erhöhen, wenn der Destillatvolumenstrom diesen Sollwert unterschreitet. Gleichzeitig wird der Anlage gezielt Wärme entzogen, wenn der Arbeitspunkt des Verdichters im pi-V-Diagramm des Verdichterkennfeldes links von der Linie des maximalen Wirkungsgrades liegt.
Es werden also die speziellen Eigenschaften einer MVC-Anlage genutzt. So steigt der Destillatvolumenstrom bei konstanter Verdampfungstemperatur mit der Drehzahl an, während der Dampfvolumenstrom bei konstanter Drehzahl und sinkender Verdampfungstemperatur zurückgeht. Weiterhin arbeiten MVC-Anlagen generell auf einem Temperaturniveau oberhalb der Temperatur des Rohwassers. Dies ist schon im Interesse eines guten Wärmeübergangs erforderlich. Ermöglicht wird das erhöhte Temperaturniveau durch die ständige Energiezufuhr durch den Verdichter und eine Wärmerückgewinnung aus Absole und Destillatwasser mittels so genannten Vorwärmern (z. B. Plattenwärmeübertrager).
Der Vorteil der Erfindung ist, dass mit einfachen Mitteln eine beständige Einregulierung auf den maximalen Wirkungsgrad, sowohl bei Volllast auch bei Teillast, erreicht wird. Weiterhin wird ein Betrieb im Abrissgebiet sicher verhindert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die 1 und 2 näher erläutert.
1 zeigt das Verdichterkennfeld; eingezeichnet sind die Kurven konstanter Drehzahl und konstanten Wirkungsgrades sowie die Grenzkurve des Strömungsabrisses und der Betriebspunkt. Aus 2 kann eine verfahrensadäquate Schaltung einer MVC-Anlage entnommen werden.
Wie aus 1 ersichtlich, erfolgt die Regelung derart, dass beständig Solldestillatstrom und gemessener Destillatstrom verglichen werden. Ist der gemessene Destillatstrom kleiner als der Solldestillatstrom wird die Verdichterdrehzahl langsam erhöht, anderenfalls wird sie langsam gesenkt. Gleichzeitig wird die Lage des Arbeitspunktes im Verdichterkennfeld beständig überprüft. Solange der maximale Wirkungsgrad nicht erreicht ist, werden die Wärmeverluste des Systems minimiert. Ist der maximale Wirkungsgrad überschritten oder der Arbeitspunkt zu dicht an der Abrissgrenze oder die Abrissgrenze überschritten, wird dem System durch einen Regeleingriff Wärme entzogen, sodass die Betriebstemperatur absinkt.
Die Überprüfung der Lage des Arbeitspunktes ist je nach Ausgestaltung der Erfindung unterschiedlich.
Zunächst ist es möglich, das Kennfeld des Verdichters auf einem Prüfstand im Vorfeld exakt auszumessen und hierbei die Lage der Linie des maximalen Wirkungsgrades und der Abrissgrenze zu erfassen. Die tatsächliche momentane Lage des Arbeitspunktes kann durch eine Messung der Dampfgeschwindigkeit bestimmt oder aus den gemessenen Größen Destillatvolumenstrom und Dampfdruck oder aus den gemessenen Größen Drehzahl und Druckverhältnis und einem Vergleich mit dem im Vorfeld gemessenen Verdichterkennfeld berechnet werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Regelung besteht darin, eine zeitliche Aufzeichnung der Entwicklung des Wirkungsgrades vorzunehmen. Wenn die Ableitung des Wirkungsgrades nach der Zeit bei monoton steigender Betriebstemperatur und konstanter Drehzahl den Wert Null erreicht, ist der Punkt des maximalen Wirkungsgrades erreicht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Verdichterkennfeld nicht im Vorfeld auf einem Versuchsstand bestimmt werden muss.
Die Beeinflussung der Betriebstemperatur ist zudem von der konkreten Ausgestaltung der Anlage abhängig.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung besteht darin, einen Bypass mit Ventil 2 um einen Vorwärmer 1 zu legen (vgl. 2). Dabei ist es gleich, ob es sich um den Destillat- oder den Absole-Wärmeübertrager bzw. ob es sich um die Primär- oder Sekundärseite handelt. Solange das Ventil 2 geschlossen ist, liegt eine gute Wärmerückgewinnung vor und die Betriebstemperatur des Systems steigt langsam an. Wird das Ventil 2 geöffnet, verschlechtert sich die Wärmerückgewinnung und die Systemtemperatur sinkt ab.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Meerwasserentsalzungsanlage vom MVC-Typ, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterdrehzahl gesenkt wird, wenn der Destillatvolumenstrom einen Sollwert, der sich nach dem aktuellen Wasserbedarf bestimmt, überschreitet, und erhöht wird, wenn der Destillatvolumenstrom diesen Sollwert unterschreitet und der Anlage gezielt Wärme entzogen wird, wenn der Arbeitspunkt des Verdichters im pi-V-Diagramm des Verdichterkennfeldes links von der Linie des maximalen Wirkungsgrades liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Arbeitspunktes durch eine Messung von Verdichtervolumenstrom und Druckverhältnis detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Arbeitspunktes durch eine Messung des Druckverhältnisses, des Destillatvolumenstroms und des Dampfdruckes unter Nutzung von Stoffwertgleichungen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Arbeitspunktes durch eine Messung des Druckverhältnisses und der Verdichterdrehzahl unter Nutzung des Verdichterkennfeldes berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung über das Erreichen des maximalen Wirkungsgrades anhand des Vergleichs des realen Arbeitspunktes mit einer im Vorfeld unter Nutzung eines Versuchsstandes ermittelten Linie des maximalen Wirkungsgrades getroffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung über das Erreichen des maximalen Wirkungsgrades anhand des über die Zeit abgeleiteten Wirkungsgrades getroffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Wärmeabfuhr durch das Öffnen eines Bypassventils in einem der Volumenströme um einen der Rohwasservorwärmer erfolgt.