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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines industrieübergreifenden („cross-industriellen“) Anlagenverbunds, z.B. eines aus Hütten-, Chemieproduktions- und Energieerzeugungsanlagen gebildeten Anlagenverbunds. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und eine Einrichtung, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
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Stand der Technik
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Es sind industrieübergreifende Anlagenverbünde bekannt geworden, bei denen miteinander gekoppelte Prozesse auftreten können, z.B. im Falle von Hüttenproduktions-, Chemieproduktions-, Elektrolyse- und Energieerzeugungsanlagen. Durch eine material- und energieflusstechnische Kopplung einzelner solcher Produktionsanlagen bzw. Produktionsprozesse kann eine Steigerung des wirtschaftlich ökologischen Nutzungspotentials des Gesamtsystems erzielt werden.
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Ein technisch sicherer und wirtschaftlich bzw. ökologisch effizienter Betrieb eines solchen Gesamtsystems kann aber nur dann erzielt werden, wenn die einzelnen Anlagen bzw. Prozesse ihren Betrieb aufeinander einstellen. Aufgrund der Komplexität der physikalischen Wirkungszusammenhänge in den ablaufenden Prozessen und einer ggf. komplexen Struktur stofflicher und energetischer Kopplungsflüsse ist eine effiziente Verteilung zwischen den einzelnen Anlagen durch manuelle Regelung unter einer ganzheitlichen Betrachtung der Effizienz kaum möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine auf Optimierung basierende Regelung der stofflichen Verteilung und Speicherung in industrieübergreifenden (sogenannten „cross-industriellen“) Anlagen-Netzwerken, z.B. in Hütten-, Chemieproduktions-, Energieerzeugungs- und/oder Elektrolyseprozesse beinhaltende Anlagenverbünden, unter Einbeziehung dezentral erhobener Parameter, bereitzustellen.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird das oben beschriebene Kopplungs- bzw. Verteilungsproblem mittels einer zumindest teilautomatisierten Regelung, und zwar auf der Basis eines Optimierungsansatzes zur Einstellung der prozesslogistischen Freiheitsgrade der stofflichen und energetischen Verteilung und Speicherung im jeweiligen Anlagennetzwerk, gelöst. Hierzu werden Informationen bzw. Daten über verteilungslogistische Beschränkungen aufgrund von technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Randbedingungen aufgrund der Betriebsabläufe einzelner Anlagen des Anlagenverbunds in ein Steuerungsprogramm datentechnisch übertragen. Das Steuerungsprogramm löst dann die genannte Verteilungsaufgabe als Optimierungsproblem, und zwar unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen, auf numerische Weise.
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Die vorgeschlagene Regelung weist insbesondere die folgenden Eigenschaften bzw. Verfahrensmerkmale auf:
- 1. Dezentrale Erfassung und Digitalisierung von Informationen über prozesslogistische Beschränkungen einzelner Anlagen eines hier betroffenen Anlagenverbunds;
- 2. Transformation der Informationen über die prozesslogistischen Beschränkungen in mathematische Randbedingungen einzelner prozesslogistischer Freiheitsgrade;
- 3. Darstellung der gesamten Datenflusstopologie im betroffenen Anlagenverbund z.B. in Form einer sternförmigen Netzwerktopologie und entsprechende Datenübertragung in ein Steuerprogramm;
- 4. Durchführung einer numerischen Optimierung zur Lösung der stofflichen Verteilungsaufgabe im Anlagenverbund auf der Grundlage der genannten Daten; und
- 5. direkte Ansteuerung von Stellgliedern (z.B. von Ventilen und/oder Gasweichen) zur stofflichen Verteilung im Anlagenverbund, und zwar unter Einbeziehung der Ergebnisse aus der Optimierungsrechnung, oder die Bereitstellung von entsprechenden, entscheidungsunterstützenden Informationen zur Verteilungsaufgabe z.B. über eine grafische Bildschirmausgabe.
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Zu Punkt 4. Ist anzumerken, dass die numerische Optimierung bevorzugt durch Minimierung bzw. Maximierung eines Gütefunktionals erfolgt, welches auf in einem mathematischen Modell enthaltene Variablen angewandt wird. Diese Variablen können zeitpunktbezogen oder für Zeiträume definiert werden, wie es z.B. bei den Verfahren des „Model Predictive Controls“ (MPC) üblich ist. Die zu nutzenden Informationen sind in diesem Fall dann zukunftsbezogen.
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Es ist ferner anzumerken, dass das Gütefunktional zeitlich variieren kann, d.h. zeitliche Abhängigkeiten aufweisen kann, die z.B. durch sich zeitlich ändernde, wirtschaftliche Randbedingungen, z.B. sich ändernde Energie- oder Rohstoffpreise, verursacht werden können.
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Bei der ebenfalls vorgeschlagenen Einrichtung ist vorgesehen, dass in den Anlagen des jeweiligen, industrieübergreifenden Anlagenverbunds Mittel vorgesehen sind, um dezentral Informationen über prozesslogistische Beschränkungen der jeweiligen Anlagen zu erfassen und zu digitalisieren. Die so erzeugten Daten werden einer Transformationseinheit zugeführt, mittels der diese Daten über die prozesslogistischen Beschränkungen in mathematische Randbedingungen einzelner prozesslogistischer Freiheitsgrade umgewandelt werden. Auf der Grundlage der so erzeugten mathematischen Daten wird mittels einer Optimierungseinheit eine numerische Optimierung durchgeführt, um die stoffliche Verteilungsaufgabe im Anlagenverbund auf der Grundlage der genannten Daten zu lösen.
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Die Optimierung kann dabei anhand eines genannten, für den jeweiligen Anlagenverbund im Vorfeld erstellten Gütefunktionals erfolgen.
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Mit den Ergebnissen der Optimierung kann eine direkte Ansteuerung von Stellgliedern zur stofflichen Verteilung im Anlagenverbund durchgeführt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Ergebnisse der Optimierung als entscheidungsunterstützende Informationen z.B. über eine grafische Bildschirmausgabe an Bedienpersonal ausgegeben werden, um die Verteilung der betroffenen Stoffströme (z.B. Gasströme) ggf. manuell durchführen zu können.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder in einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens auch in einem bereits vorliegenden Steuergerät, ohne an dem Steuergerät bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf einen Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller eines solchen Steuergeräts ist dieses eingerichtet, um das Verfahren auszuführen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine typische Stoffflusstopologie in einem beispielhaften Anlagenverbund zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, anhand eines Blockdiagramms.
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Einrichtung anhand eines kombinierten Block-/Flussdiagramms.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In der 1 ist eine typische stoffliche Verteilung mit einer entsprechenden Stoffflusstopologie in einem beispielhaften Anlagenverbund schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel betreffen die miteinander gekoppelten Prozesse Hüttenproduktionsprozesse in einem Hüttenwerk 100 bzw. einer Hütte, Chemieproduktionsprozesse vorliegend in einer Methanol-Anlage 105, Elektrolyseprozesse in einer Elektrolyse-Anlage 110 sowie Energieerzeugungsprozesse in einem Kraftwerk 115.
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Dabei können das Hüttenwerk 100 und die Elektrolyse-Anlage 110 als Gasquellen für die gekoppelten Anlagen verstanden werden. Die im Hüttenwerk volatil erzeugten Gase Koksgas (COG), Hochofengas (BFG) und Konvertergas (BOFG) sowie volatil erzeugter Wasserstoff (H2) sollen dabei möglichst wertschöpfend in den Prozessen der Methanol-Anlage und des Kraftwerks genutzt werden, wobei ein Gasspeichersystem mit jeweils einem Speicher 120 für jede Gassorte als Puffer zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite dient.
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Die Randbedingungen des vorliegenden Verteilungsproblems bzw. -ansatzes sind dadurch gegeben, dass das Gasaufkommen als gegeben angenommen werden kann. Das Kraftwerk 115 und die Methanol-Anlage 105 sind hinsichtlich der Verwertungskapazität und der Kombination und Zusammensetzung an zu verwertenden Gasen beschränkt, wobei sowohl deren kapazitive Änderungsraten als auch die jeweiligen Speicherkapazitäten beschränkt sind. Verschiedene dieser Begrenzungen sind zudem abhängig vom jeweiligen Betriebszustand einer der genannten Anlagen.
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Wird das Verteilungsproblem für ein Intervall [t_0,T] mit der vereinfachenden Annahme zeitlich konstanter Gaszusammensetzungen betrachtet, kann das Verteilungsproblem wie folgt als mathematisches Optimierungsproblem formuliert werden:
worin
die n Füllstände der Behälter der einzelnen Gassorten sind und
die aus den m Anlagen in die Behälter geführten Gas- bzw. Stoffströme (u_(i,j) (t)>0) oder aus den Behältern in die m Anlagen abgeführten Stoffströme (u_(i,j) (t)<0) der n Gassorten sind sowie Q(t) und R(t) zeitabhängige Gewichtungsmatrizen passender Dimension sind. Der Zusammenhang zwischen den zu steuernden Stoffströmen und Behälterfüllständen ergibt sich aus der Beziehung
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Die zu steuernden Stoffströme, wie auch die Behälterfüllstände, unterliegen den folgenden drei Beschränkungen
und
sowie
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Eine optimierungsbasierte Regelung für das oben beschriebene und in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel, welche die Stoffströme im Intervall [t_0,T] regelungsbasiert einstellt, weist die folgenden technischen Aspekte bzw. Verfahrensschritte auf:
- 1. Die dezentrale Erfassung und Digitalisierung von Informationen über die in den Anlagen Hüttenwerk 100 und Elektrolyse-Anlage 110 für den gesamten, hier gezeigten Anlagenverbund 100 - 115 bereitgestellten Gasmengen, die maximal und oder minimal aufnehmbaren Gasmengen der Methanol-Anlage 105 und des Kraftwerks 115, die kombinatorischen Beschränkungen der einzelnen Gassorten, sowie die maximalen Änderungsraten dieser Größen als zeitlich variable Größen. Diese Größen sind von den Betriebszuständen der jeweiligen Anlagen 100 - 115 im Intervall [t_0,T] abhängig, wobei auch geplante Betriebszustände berücksichtigt werden können. Ferner sind die Behälterfüllstände zum Zeitpunkt t_0 zu erfassen und digitalisieren.
- 2. Die Transformation dieser Informationen in die Variablen A_u (t),b_u,A_u (t),b_u (t) sowie in die Anfangsbedingung x_0 = x(t_0) in Gleichung (4). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel führen die eingespeisten, als gegeben vorausgesetzte Gasmengen aus dem Hüttenwerk 100 mit dem Index 1 und der Elektrolyse-Anlage 110 mit dem Index 2 zu den beiden Randbedingungen
und
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Ferner ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Gewichtungsmatrix Q(t)=0.
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- 3. Die Durchführung einer computergestützten Berechnung auf der Grundlage dieser Variablen, wobei das oben kontinuierlich formulierte Optimierungsproblem als zeitlich diskret formuliertes Optimierungsproblem gelöst wird.
- 4. Die Lösung des diskret formulierten Optimierungsproblems.
- 5. Die grafische Ausgabe der durch Optimierung berechneten Variable u(t) als Entscheidungsunterstützung oder die Nutzung der Variable u(t) als Vorsteuerungssignal der stofftreibenden Aggregate oder die direkte Nutzung der Variable u(t) zur Ansteuerung der stofftreibenden Aggregate.
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In dem nachfolgend beschriebenen, zu Anschauungszwecken stark vereinfachten Ausführungsbeispiel wird nur ein einziger Gasspeicher
120 betrachtet. Diesem Speicher
120 wird ein volatiler Gasstrom zugeführt sowie von diesem Speicher auch ein Gasstrom zu einem steuerbaren Verbraucher abgeführt. Das System kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden
worin x (t) die Änderungsrate des Speicherstandes, d(t) (>0) der volatil zugeführte und nicht steuerbare Stoffstrom (eine Störung) und u(t) (<0) der abgeführte Stoffstrom zu einem steuerbaren Verbraucher ist und wobei für die Stoffströme die Vorzeichenkonvention gilt, dass in den Speicher hinein positiven Werten und aus dem Speicher heraus negativen Werten entsprechen. Die Variable u(t) kann hier auch als die steuerbare Kapazität des Verbrauchers aufgefasst werden.
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Der steuerbare Verbraucher unterliegt Beschränkungen hinsichtlich der maximalen/minimalen Kapazität und Änderungsrate der Kapazität, und zwar gemäß den folgenden beiden Beziehungen
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Der Speicher unterliegt dagegen den folgenden Beschränkungen
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Das betrachtete System umfasst weiterhin eine Zuführung eines Stützstromes s(t), welcher in Situationen genutzt wird, in denen der Speicher gemäß Gleichung (13) leer ist und der Verbraucher aufgrund der Beschränkungen gemäß den Gleichungen (11) und (12) trotzdem versorgt werden muss. Ferner ist ein Notablassstrom n(t) enthalten, welcher genutzt wird, wenn der Speicher voll (13) ist und der Verbraucher aufgrund der Beschränkungen (11) und (12) keine weiteren Mengen des Stoffstromes aufnehmen kann. Diese Zusammenhänge können durch Erweiterung der Gleichung (10) beschrieben werden durch
mit
und
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In diesem Fall besteht die Aufgabenstellung darin, die nichtverwerteten Stoffmengen sowie eingesetzte Stützstoffmengen über ein Zeitintervall [t_0,T] zu minimieren. Es gilt
mit den Gewichtungsfaktoren a und b.
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Zur Lösung des genannten Optimierungsproblems kann ein an sich bekannter „Model Predictive Controller“ (MPC) verwendet werden, und zwar mit den folgenden technischen Aspekten bzw. Verfahrensschritten:
- 1. Die dezentrale Erfassung und Digitalisierung von zukünftigen Informationen über Beschränkungen des Verbrauchers und der zugeführten Gasmengen sowie die Information des aktuellen Speicherstands.
- 2. Die Transformation dieser Informationen in die Variablen u_min (t),u_max,u _min (t),u _max (t) sowie in die Anfangsbedingung x_0=x(t_0) in Gleichung [14].
- 3. Die Überführung dieser Variablen in eine Berechnungssoftware, welches das oben kontinuierlich formulierte Optimierungsproblem als zeitlich diskret formuliertes Optimierungsproblem lösen kann.
- 4. Die Lösung des diskret formulierten Optimierungsproblems.
- 5. Die grafische Ausgabe der berechneten Variable u(t) als Entscheidungsunterstützung oder die Nutzung der Variable u(t) als Vorsteuerungssignal der stofftreibenden Aggregate oder die direkte Nutzung der Variable u(t) zur Ansteuerung von stofftreibenden Aggregaten, z.B. von Gasweichen.
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Es ist anzumerken, dass die steuerbaren Verbraucher als die Chemieprozesse oder das Kraftwerk verstanden werden können.
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Bei dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Einrichtung sind die in 1 bereits gezeigten Anlagen eines industrieübergreifenden Anlagenverbunds nochmals gestreichelt dargestellt, nämlich das Hüttenwerk 200, die Methanol-Anlage 205, die Elektrolyse-Anlage 210 sowie das Kraftwerk 215. Auch der Gasspeicher 220 ist gestrichelt eingezeichnet.
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In den Anlagen 200 - 215 werden dezentral Informationen über prozesslogistische Beschränkungen der jeweiligen Anlagen erfasst und digitalisiert und die so erzeugten Daten gemäß den vier gestrichelten Linien einer Transformationseinheit 225 zugeführt. Mittels der Transformationseinheit 225 werden diese Daten über die prozesslogistischen Beschränkungen in mathematische Randbedingungen einzelner prozesslogistischer Freiheitsgrade umgewandelt.
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Auf der Grundlage der so erzeugten mathematischen Daten wird mittels einer Optimierungseinheit 230 eine numerische Optimierung durchgeführt, um die stoffliche Verteilungsaufgabe im Anlagenverbund auf der Grundlage der genannten Daten zu optimieren. Die Optimierung erfolgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel anhand eines für den jeweiligen Anlagenverbund im Vorfeld erstellten, vorbeschriebenen Gütefunktionals 235. Ein Beispiel für ein solches Gütefunktional ist die oben gezeigte bzw. dort beschriebene Gleichung (17).
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Mit den Ergebnissen der Optimierung 230 erfolgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel schließlich über eine Steuerleitung 245 eine direkte Ansteuerung von Stellgliedern, und zwar vorliegend einer Gasweiche 250 zur stofflichen Verteilung im Anlagenverbund, wie durch die gestrichelte Linie 255 angedeutet.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Ergebnisse der Optimierung 230 als entscheidungsunterstützende Informationen über eine grafische Bildschirmausgabe an Bedienpersonal ausgegeben werden, um die Verteilung der Gasströme ggf. manuell durchzuführen.