WO2013107577A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb und zur auslegung einer anlage - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betrieb und zur auslegung einer anlage Download PDF

Info

Publication number
WO2013107577A1
WO2013107577A1 PCT/EP2012/075693 EP2012075693W WO2013107577A1 WO 2013107577 A1 WO2013107577 A1 WO 2013107577A1 EP 2012075693 W EP2012075693 W EP 2012075693W WO 2013107577 A1 WO2013107577 A1 WO 2013107577A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thermal
plant
component
model
optimized
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/075693
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Kautz
Michael Metzger
Jochen SCHÄFER
Philipp Wolfrum
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE201210210063 external-priority patent/DE102012210063A1/de
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2013107577A1 publication Critical patent/WO2013107577A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a system, such as a combined heat and power plant with egg ⁇ nem thermal energy storage (heat storage) and with a motor or a turbine. Furthermore, a corresponding system and a computer program product and a computer-readable storage medium are proposed.
  • CHP combined heat and power
  • the object of the invention is to avoid the above disadvantages and in particular ge ⁇ called an effi cient ⁇ solution for modeling a plant, in particular comprising to provide a cogeneration.
  • Preferred embodiments are insbesonde ⁇ re the dependent claims.
  • a method for operating or designing a system is given, - In which by means of a state variable, a time period is detected regarding an activity or an in ⁇ activity of a component of the system;
  • the detection of the activity or the inactivity of the engine can take place in time intervals, wherein each time interval is mapped to a value of the state variables.
  • the operation of the system is optimized using the model and the plant adjusted or designed according to the optimized operating Be ⁇ example.
  • component of the system at least comprises:
  • an engine in particular an internal combustion engine
  • the system comprises a combined heat and power plant, in particular a combined heat and power plant.
  • the system comprises at least one thermal store.
  • the system is adjusted ent ⁇ speaking the optimized model or designed by an operating level of the component is preferably at discrete points in time, set or adapted.
  • the design or adjustment of the plant may e.g. after expiration of a time interval. For this time interval, a value associated with the state variable may be used, e.g. read from a memory or is measured / was.
  • the system has a thermal storage and in which the operating level of the component is set or designed so that the filling ⁇ condition of the thermal storage does not fall below a predetermined minimum threshold and / or a vorgege ⁇ benen maximum threshold not exceeds.
  • the model is optimized by optimizing a cost function, wherein the cost function takes into account at least one of the following variables:
  • the cost function is optimized with the help of dynamic programming, in particular minimized.
  • the detected duration corresponds to a thermal penalty or a thermal bonus.
  • the thermal bonus results for example by a stored amount of heat after switching off the component and the thermal Malus results from a still required by the component of the system amount of heat after switching on the component ⁇ nente, ie a quantity of heat that is initially stored in the component ,
  • the thermal Malus and the thermal bonus may have been each measured in advance or measured during loading ⁇ drive the system.
  • these parameters can be adjusted to ⁇ even during operation of the plant.
  • An embodiment is that the thermal penalty and the thermal bonus are each simulated.
  • the thermal penalty and the thermal bonus may have been simulated in advance.
  • the above-mentioned object is also achieved by a device for operating or designing a system which is set up in such a way that
  • - by means of a state variable is a period of time is easily documented ⁇ bar concerning activities or Inattentioni- ty of a component of the system;
  • the operation or the design of the plant can be optimized on the basis of the model.
  • the device is a control or control component of the system.
  • This control or rule component can be executed centrally or distributed.
  • the device is responsible for the operation or the design of several systems.
  • the presented solution further comprises a Computerpro ⁇ program product, directly loadable into a memory of a digital computer, comprising program code portions which are suitable to carry out steps of the method described herein.
  • a computer-readable storage medium e.g. any memory comprising computer-executable instructions (e.g., in the form of program code) adapted for the computer to perform steps of the method described herein.
  • Plant e.g. with a CHP.
  • V 0 means that the engine is running
  • the operating level can be either 0 (engine off) or between a minimum value and the maximum power of the engine. Normalized to the range 0 to 1 results for the operating level
  • the operating level is preferably set so that the filling state of the thermal storage does not fall below 0 and does not exceed a predetermined maximum filling state.
  • one goal is to minimize the cost of operating the CHP.
  • the cost function can be specified, for example, in the form: in which C, CHP, CAPEX costs for starting or stopping the plant (CHP: “combined heat and power"),
  • costs for maintaining and maintaining the equipment and / or costs for individual elements of the equipment could be included in the cost function.
  • the costs for starting or stopping the system can still be determined by:
  • p denotes cost per startup operation (e.g., based on a loss of life of the equipment). Accordingly, the costs for stoppages can be taken into account.
  • a H is a maximum fuel or enthalpy
  • x has a current operating state in a loading range of 0 to 1 (normalized, supra From ⁇ guides),
  • the gain R can be e.g. be specified in the form:
  • P is an electrically generated power
  • P denotes an internally required electric power p EL a price for the electric power.
  • the cost function C TOT can be minimized by means of dynamic PROGRAMMING ⁇ tion.
  • the electrical power generated by the system is ⁇ written as
  • the thermal energy stored results from the ⁇ he heat produced minus internal losses of the system (internal consumption of energy and thermal losses):
  • the state space of the Mo ⁇ dells is the combination of the states Q and V, so
  • current external variables e.g., current price for fuel or electricity, thermal load.
  • the transition to the subsequent state is advantageously independent of previous states or previous operating levels.
  • FIG. 1 shows such an exemplary transition 103 from a state 101 to a state 102, wherein the transition 103 takes place by an action u, which is associated with certain costs.
  • the dynamics of the engine can be modeled as follows:
  • v (k + 1) 0.
  • a state transition advantageously only depends on the operating level u, the thermal energy Q and the thermal load ⁇ .
  • thermal losses can be determined which, when starting the system after a standstill of i ⁇ dt over the
  • the system may be, for example a combined heat and power plant with a motor or a turbine to generate electricity and heat act.
  • a time period is recorded by means of a state variable concerning an activity or an inactivity of a component of the system (eg the engine of the CHP).
  • a model of the plant is he ⁇ provides or adjusted taking into account the state variables and in a step 403, the operation or the design of the system is optimized based on the model.
  • the proposed improved modeling of the thermal inertia of the system prevents physically impossible to ⁇ residues and thus also prevents the optimization could be unusable at ⁇ least in part.
  • the example proposed discrete-time modeling of the thermal inertia allows the description of the Optimie ⁇ tion problem with a reasonable storage cost. This allows an efficient fast and resource-conserving Be ⁇ bill or solving the optimization problem.
  • the parameters of the modeling can be measured with little effort during the operation of the system. Thus, an adaptation to a specific system without aufwendi ⁇ ge remodeling is possible.
  • the cost function describes the total cost of ownership of the plant resulting from fuel costs, plant wear and gain from electricity sales.
  • - a sub-optimal may be based on an inaccurate thermal Mo ⁇ dells optimized operation respectively.
  • An operating mode leads to inadmissible conditions of the system and thus to damage to the system or at least to discontinuation of the "optimal" mode of operation.
  • a heat plant based on a model which takes into account the thermal inertia of components of the plant with sufficient accuracy without the state space for optimizing the settings of the plant becoming too large for an efficient calculation.
  • at least one component of the plant eg a motor or a turbine
  • time intervals can be mapped to values (stored thermal energy) which are eg determined experimentally and the optimization itself can be carried out much more effectively by means of dynamic programming.
  • the invention can be used for example in CHP systems, for example in the optimization of cogeneration units.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Abstract

Es wird vorgeschlagen, insbesondere eine Wärmeanlage einzustellen basierend auf einem Modell, das die thermische Trägheit von Komponenten der Anlage mit ausreichender Genauigkeit berücksichtigt ohne dass dabei der Zustandsraum für die Optimierung der Einstellungen der Anlage zu groß für eine effiziente Berechnung wird. Zu diesem Zweck wird zumindest eine Komponente der Anlage (z.B. ein Motor oder eine Turbine) indirekt modelliert anhand einer Zeitdauer, wie lange die Komponente bereits eingeschaltet ist oder ausgeschaltet war (401). So können Zeitintervalle auf Werte (gespeicherte thermische Energie) abgebildet werden, die z.B. experimentell ermittelt werden bzw. wurden und die Optimierung (403) selbst kann mittels dynamischer Programmierung deutlich effektiver durchgeführt werden. Die Erfindung kann beispielsweise in KWK- Systemen, z.B. bei der Optimierung von Blockheizkraftwerken eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BETRIEB UND ZUR AUSLEGUNG EINER ANLAGE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Anlage, z.B. eines Blockheizkraftwerks mit ei¬ nem thermischen Energiespeicher (Wärmespeicher) und mit einem Motor oder einer Turbine. Weiterhin werden ein entsprechendes System sowie ein Computerprogrammprodukt und ein computerles¬ bares Speichermedium vorgeschlagen.
Blockheizkraftwerke (BHKW) spielen in den Energieversorgungs¬ systemen zunehmend eine bedeutende Rolle. Diese Bedeutung re¬ sultiert einerseits aus den mit der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) einhergehenden hohen Brennstoffnutzungsgraden und anderseits aus der prinzipiellen Regelbarkeit der Erzeugung in einem System mit wachsender Anzahl fluktuierender Erzeuger wie beispielsweise Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen. Um einen kostenoptimalen Betrieb der Anlage zu ermöglichen, reicht ein einfacher Standardbetrieb (z.B. wärme- oder strom¬ geführt) nicht aus, sondern es wird eine Betriebsweise benö¬ tigt, die in der jeweiligen Situation unter Berücksichtigung der Kosten und des Nutzens optimal ist. Dies erfordert eine modellbasierte optimierte Steuerung (auch bezeichnet als eine sogenannte "Optimalsteuerung") .
Wird ein einfaches Modell als Grundlage der optimierten Steu¬ erung verwendet, so ist einerseits die Berechnung einer "Op- timaltraj ektorie" einfach, andererseits steuert diese die re¬ ale Anlage aber keineswegs optimal. Soll ein realistisches Modell verwendet werden, so ist dieses zu komplex, um mit verfügbaren Algorithmen unter vertretbarem Aufwand die Optimalsteuerung berechnen zu können. Dieses Problem tritt spe- ziell bei der Berücksichtigung des thermischen Anfahrverhaltens der Anlage auf. Dieses wird stark von einer aktuellen Motortemperatur beeinflusst, da thermische Verluste auftre¬ ten, bis der Motor die Betriebstemperatur erreicht hat. Bekannt sind Modelle, die die Dynamik eines thermischen Spei¬ chers beschreiben. Unterliegt ein solches Modell keinen wei¬ teren Beschränkungen und werden konstante elektrische und thermische Wirkungsgrade angenommen, so kann es als ein line¬ ares Programm gelöst werden. Bei Beschränkungen des Betriebszustandes und/oder bei betriebsabhängigen Wirkungsgraden kann das Problem als ein sogenanntes nichtlineares Programm von einem sogenannten "Mixed Integer"-Typ gelöst werden (dies ist für reale Anwendungen regelmäßig zu aufwändig, d.h. zu Spei¬ cher- bzw. rechenintensiv), oder es kann als ein DP-Problem (DP: Dynamic Programming, dynamische Programmierung) formuliert werden. Letzteres erlaubt eine effiziente Lösung, wenn¬ gleich auch mit verhältnismäßig hohen Speicherbedarf.
In der Realität hängt der thermische Wirkungsgrad des BHKW allerdings nicht nur vom aktuellen Betriebszustand ab, son¬ dern auch von der Motortemperatur, die wiederum von der Historie des Betriebs bestimmt wird. Wird dieser Zusammenhang vernachlässigt, so ist die sich ergebende Lösung oft zu unge¬ nau. Eine explizite Modellierung der Motortemperatur erhöht aber die Dimension des Zustandsraums des Problems, so dass eine Lösung des Problems mittels DP nicht mehr mit vertretba¬ rem Aufwand möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend ge¬ nannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effi¬ ziente Lösung zur Modellierung einer Anlage, insbesondere umfassend eine KWK, anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesonde¬ re den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betrieb oder zur Auslegung einer Anlage angegeben, - bei dem mittels einer Zustandsvariable eine Zeitdauer erfasst wird betreffend eine Aktivität oder eine In¬ aktivität einer Komponente der Anlage;
- bei dem ein Modell der Anlage oder eines Teil der An- läge erstellt oder angepasst wird unter Berücksichti¬ gung der Zustandsvariable;
- bei dem der Betrieb oder die Auslegung der Anlage anhand des Modells optimiert wird. Die Erfassung der Aktivität oder der Inaktivität des Motors kann in Zeitintervallen erfolgen, wobei je ein Zeitintervall auf einen Wert der Zustandsvariablen abgebildet wird.
Insbesondere wird der Betrieb der Anlage anhand des Modells optimiert und die Anlage entsprechend der optimierten Be¬ triebsweise eingestellt oder ausgelegt.
Somit wird erreicht, dass eine thermische Trägheit bzw. eine sich hieraus ergebende Hysterese einer Komponente der Anlage, z.B. eines Motors oder einer Turbine, effizient modelliert werden kann. Durch die Zustandsvariable wird in diskretisier- ter Form (z.B. in Form eines Wertes pro Zeitintervall) er¬ fasst, wie lange die Komponente der Anlage bereits einge¬ schaltet oder bereits ausgeschaltet ist. Hierdurch erübrigt sich eine weitergehende aufwändigere Modellierung der Kompo¬ nente der Anlage und er vereinfacht sich die Einstellung bzw. Auslegung der Anlage durch das vorliegende Modell.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Komponente der Anlage mindestens umfasst:
- einen Motor, insbesondere einen Verbrennungsmotor,
- eine Gas- und/oder Dampfturbine,
- eine ORC-Turbine,
- ein Stirling-Motor,
- eine Brennstoffzelle,
- einen Klimakompressor. Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Anlage eine Kraft- Wärme-Kopplung, insbesondere ein Blockheizkraftwerk umfasst.
Insbesondere umfasst die Anlage zumindest einen thermischen Speicher.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Anlage ent¬ sprechend dem optimierten Modell eingestellt oder ausgelegt wird, indem ein Betriebsniveau der Komponente, vorzugsweise zu diskreten Zeitpunkten, eingestellt oder ausgelegt wird.
Die Auslegung oder Einstellung der Anlage kann z.B. nach Ablauf eines Zeitintervalls erfolgen. Für dieses Zeitintervall kann ein mit der Zustandsvariable verknüpfter Wert verwendet werden, der z.B. aus einem Speicher ausgelesen oder gemessen wird/wurde .
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Anlage einen thermischen Speicher aufweist und bei dem das Betriebsniveau der Komponente so eingestellt oder ausgelegt wird, dass der Füll¬ zustand des thermischen Speichers einen vorgegebenen minimalen Schwellwert nicht unterschreitet und/oder einen vorgege¬ benen maximalen Schwellwert nicht überschreitet. Ferner ist es eine Weiterbildung, dass das Modell optimiert wird, indem eine Kostenfunktion optimiert wird, wobei die Kostenfunktion mindestens eine der folgenden Größen berücksichtigt :
- Kosten für Brennstoffe,
- Kosten für den Einkauf elektrischer Energie,
- Gewinn durch den Verkauf elektrischer Energie;
- Kosten für die Abnutzung der Anlage.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird die Kosten- funktion mit Hilfe dynamischer Programmierung optimiert, insbesondere minimiert. Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die erfasste Zeitdauer einem thermischen Malus oder einem thermischen Bonus entspricht. Der thermische Bonus ergibt sich z.B. durch eine gespeicherte Wärmemenge nach dem Abschalten der Komponente und der thermische Malus ergibt sich durch eine noch von der Komponente der Anlage benötigte Wärmemenge nach dem Einschalten der Kompo¬ nente, d.h. eine Wärmemenge, die zunächst in der Komponente gespeichert wird.
Insbesondere können der thermische Malus und der thermische Bonus jeweils vorab gemessen worden sein oder während des Be¬ triebs der Anlage gemessen werden. Insbesondere können diese Parameter auch während des Betriebs der Anlage angepasst wer¬ den .
Eine Ausgestaltung ist es, dass der thermische Malus und der thermische Bonus jeweils simuliert werden.
Insbesondere können der thermische Malus und der thermische Bonus vorab simuliert worden sein.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Betrieb oder zur Auslegung einer Anlage, die derart eingerichtet ist, dass
- mittels einer Zustandsvariable eine Zeitdauer erfass¬ bar ist betreffend eine Aktivität oder eine Inaktivi- tät einer Komponente der Anlage;
- ein Modell der Anlage oder eines Teils der Anlage
erstellbar oder anpassbar ist unter Berücksichtigung der Zustandsvariable;
der Betrieb oder die Auslegung der Anlage anhand des Modells optimierbar ist.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Vorrichtung eine Steueroder Regelkomponente der Anlage ist. Diese Steuer- oder Regelkomponente kann zentral oder verteilt ausgeführt sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Vor¬ richtung für den Betrieb oder die Auslegung mehrerer Anlagen zuständig ist.
Auch wird die obige Aufgabe gelöst mittels eines Systems um¬ fassend mindestens eine solche Vorrichtung.
Die vorstehend gemachten Ausführungen betreffend das Verfah- ren gelten entsprechend auch für die Vorrichtung sowie das System.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerpro¬ grammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen .
Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z.B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Aus- führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszei¬ chen versehen sein. Es zeigen: Fig.1 einen beispielhaften Übergang von einem Zustand in einen anderen Zustand, wobei der Übergang durch eine Aktion u erfolgt; Fig.2 ein Zustandsdiagramm mit Übergängen, die aus Einbzw. Ausschaltvorgängen einer Komponente der Anlage, z.B. eines Motors, resultieren;
Fig.3 ein Diagramm, das beispielhaft über die Zeit einen
Strompreis, einen Wärmebedarf, eine optimierte Be¬ triebsführung und einen sich ergebenden Speicherzustand verdeutlicht;
Fig.4 ein schematisches Ablaufdiagramm mit Schritten eines
Verfahrens zum Betrieb und/oder zur Auslegung einer
Anlage, z.B. mit einer KWK.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht die Berechnung einer sogenannten Optimaltraj ektorie (d.h. einer optimierten Lö- sung) zum Betriebe einer Anlage mittels dynamischer Programmierung (DP) . Eine Dynamik der Motortemperatur wird dabei vorzugsweise nicht explizit modelliert, da dies einen unver¬ hältnismäßig hohen Aufwand (z.B. Rechenaufwand bzw. Speicher¬ platzbedarf) bedingen würde. Stattdessen wird eine Zustands- variable V eingeführt, die in einer diskretisierten Form be¬ schreibt, wie lange der Motor einer Anlage, z.B. einer Kraft- Wärme-Kopplung, insbesondere eines Blockheizkraftwerks
(BHKWs) , bereits ausgeschaltet ist. Damit hat das der Optimierung zugrundeliegende Modell insbe¬ sondere die folgenden Zustände:
- Q e [0, dQ, 2dQ, 1] beschreibt mit einer Diskreti- sierung dQ einen Füllzustand eines thermischen Spei¬ chers, beispielhaft normiert auf einen Bereich von 0 bis 1.
- V e [0, 1, vmax] beschreibt eine Ausschaltdauer des Motors. Hierbei bedeutet V=0, dass der Motor läuft, V=i steht für eine Ausschaltdauer von i-dt, wobei dt die zeitliche Auflösung der Optimierung ist.
Der gesamte Zustandsraum des Modells ist somit die Kombinati- 5 on der Zustände Q und V: X = Q x V.
Zu jedem Zeitpunkt der Optimierung kann eine Entscheidung über das für den nächsten Zeitschritt einzustellende Be¬ triebsniveau des Motors fallen. Das Betriebsniveau kann ent- 10 weder 0 sein (Motor aus) , oder zwischen einem Minimalwert und der Maximalleistung des Motors liegen. Normiert auf den Bereich 0 bis 1 ergibt sich für das Betriebsniveau
Figure imgf000009_0001
15
Das Betriebsniveau wird vorzugsweise so eingestellt, dass der Füllzustand des thermischen Speichers nicht unter 0 fällt und einen vorgegebenen maximalen Füllzustand nicht überschreitet.
20 Somit besteht ein Ziel darin, die Kosten für den Betrieb des BHKWs zu minimieren. Hierbei sind Vorgaben betreffend die Si¬ cherheit der Anlage einzuhalten.
Die Gesamtkosten resultieren aus
25 - den Kosten für Brennstoffe,
- Kosten für den Einkauf elektrischer Energie abzüglich Einnahmen für den Verkauf elektrischer Energie,
- Kosten durch Abnutzung der Anlage (z.B. können Kosten für Warmstarts oder Kaltstarts der Anlage veran-
30 schlagt werden) .
Damit kann die Kostenfunktion z.B. angegeben werden in der Form:
Figure imgf000009_0002
wobei C,CHP,CAPEX Kosten für das Starten bzw. Anhalten der Anlage (CHP: "combined heat and power"),
c, CHP,GAS&C02 Kosten für Treibstoff für den primären Heizkreislauf,
R einen Gewinn (Einnahmen für den Verkauf elektrischer Energie minus Kosten für den Einkauf elektrischer Energie)
bezeichnen . Weiterhin könnten Kosten für die Unterhaltung und Pflege der Anlage und/oder Kosten für einzelne Elemente der Anlage, z.B, einen Backup-Heizer, in der Kostenfunktion berücksichtigt werden . Die Kosten für das Starten bzw. Anhalten der Anlage können weiterhin bestimmt werden zu:
CcHP,START ^CHP,START ' PCHP. START wobei
n eine Anzahl von Startvorgängen und
p Kosten pro Startvorgang (z.B. basierend auf einer Einbuße der Lebensdauer der Anlage) bezeichnen. Entsprechend können die Kosten für Anhaltevorgän- ge berücksichtigt werden.
Die Treibstoffkosten können wie folgt angegeben werden:
Figure imgf000010_0001
wobei
A H eine maximale Treibstoff- bzw. Enthalpie-
Aufnahme pro Zeitschritt,
x einen momentanen Betriebszustand in einem Be- reich von 0 bis 1 (normiert, siehe obige Aus¬ führungen) ,
p einen Preis für den Treibstoff bezeichnen .
Der Gewinn R kann z.B. angegeben werden in der Form:
^— J (PcHP PlOAD ) ' P wobei
P eine elektrisch erzeugte Leistung
P eine intern benötigte elektrische Leistung pEL einen Preis für die elektrische Leistung bezeichnen .
Die Kostenfunktion CTOT kann mittels dynamischer Programmie¬ rung minimiert werden.
Nachfolgend werden die thermische und elektrische Leistung der Anlage und das Speicherverhalten ohne eine erweiterte thermische Modellierung beschrieben:
Die von der Anlage erzeugte elektrische Leistung wird be¬ schrieben als
PcHP
Figure imgf000011_0001
' cHPfiL. und die von der Anlage erzeugte Wärme wird erfasst als
Figure imgf000011_0002
wobei
I eine elektrische Effizient bzw. einen elektri sehen Wirkungsgrad und
V eine thermische Effizient bzw. einen thermi¬ schen Wirkungsgrad
bezeichnen . Die thermische gespeicherte Energie ergibt sich aus der er¬ zeugten Wärme abzüglich interner Verluste der Anlage (interner Verbrauch von Energie sowie thermische Verluste) :
Eine erweiterte thermische Modellierung der Anlage sowie das sich ergebende thermische Verhalten kann wie folgt beschrie¬ ben werden:
Wie vorstehend ausgeführt wurde, ist der Zustandsraum des Mo¬ dells die Kombination der Zustände Q und V, also
X = Q x V.
Falls X bekannt ist, hängt ein Übergang (und somit die Kos¬ ten) zu einem nachfolgenden Zustand nur ab von
- der Aktion u (Betriebsniveau) ,
- momentanen externen Größen (z.B. momentaner Preis für Treibstoff oder Elektrizität, thermische Last) .
Der Übergang in den nachfolgenden Zustand ist vorteilhaft unabhängig von vorhergehenden Zuständen oder vorherigen Betriebsniveaus .
Fig.l zeigt einen solchen beispielhaften Übergang 103 von einem Zustand 101 in einen Zustand 102, wobei der Übergang 103 durch eine Aktion u erfolgt, die mit bestimmten Kosten verbunden ist.
Die Dynamik des Motors kann wie folgt modelliert werden:
- Falls der Motor ausgeschaltet ist (d.h. das Betriebs¬ niveau u=0) gilt: v(k+l) = v(k) + 1, solange nicht vmax erreicht wurde.
- Falls der Motor eingeschaltet ist (d.h. das Betriebs¬ niveau u ist mindestens umin ) gilt:
v(k+l) = 0. Dieser Zusammenhang ist in Fig.2 veranschaulicht. So sind in Fig.2 eine Reihe von Zuständen 0, 1, vmax gezeigt, die die Ausschaltdauer V des Motors beschreiben. Wird der Motor ausgeschaltet (u=0), erfolgt ein Zustandsübergang 201. In diesem Fall wird ein thermischer Bonus Qbonus erzielt.
Wird der Motor hingegen eingeschaltet (u ^ umin ) , so ent¬ spricht das einem Zustandsübergang 202. In diesem Fall wird ein thermischer Malus QmaiUs erzielt, dessen Ausmaß von der Dauer der vorherigen Ausschaltpause abhängt.
Die Übergangsdynamik ergibt sich somit zu:
Qt+ ) = Qt + dt(PCHP,TH{u) P AD,TH.t PsTORAGE ,LOSS (Qt )) " Qmalus (U, V) + Qbonus (U, v)
Somit hängt ein Zustandsübergang vorteilhaft nurmehr ab von dem Betriebsniveau u, der thermischen Energie Q und der ther¬ mischen Last.
Die Kostenfunktion kann nun mit Mitteln der dynamischen Programmierung optimiert werden. Beispielsweise kann hierfür das Optimalitätsprinzip von Bellman (vgl. z.B.
http : //de . wikipedia . org/wiki/Optimalit%C3%A4tsprinzip_von_Bel lman) eingesetzt werden. Die Kostenfunktion kann optimiert, z.B. minimiert, werden im Hinblick auf vorgegebene Zielkos¬ ten .
Durch Messungen an einer realen Anlage, z.B. einem BHKW, können thermische Verluste ermittelt werden, die beim Anfahren der Anlage nach einem Stillstand von i · dt gegenüber dem
"Standardmodell" entstehen. Ebenso kann anhand solcher Mes¬ sungen der thermische Gewinn ermittelt werden, der beim Abschalten der Anlage aufgrund der im Motorkreislauf gespei¬ cherten Wärme entsteht.
Fig.4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zum Betrieb und/oder zur Auslegung einer Anlage, z.B. mit einer KWK. Bei der Anlage kann es sich z.B. um ein Blockheizkraftwerk mit einem Motor oder einer Turbine zur Erzeugung von Strom und Wärme handeln.
In einem Schritt 401 wird mittels einer Zustandsvariablen ei- ne Zeitdauer erfasst betreffend eine Aktivität oder eine In- aktivität einer Komponente der Anlage (z.B. des Motors des BHKWs) . In einem Schritt 402 wird ein Modell der Anlage er¬ stellt oder angepasst unter Berücksichtigung der Zustandsvariablen und in einem Schritt 403 wird der Betrieb oder die Auslegung der Anlage anhand des Modells optimiert.
Weitere Vorteile:
Die vorgeschlagene verbesserte Modellierung der thermischen Trägheit der Anlage verhindert physikalisch unmögliche Zu¬ stände und verhindert somit auch, dass die Optimierung zumin¬ dest in Teilen unbrauchbar sein könnte.
Die beispielhaft vorgeschlagene zeitdiskrete Modellierung der thermischen Trägheit ermöglicht die Beschreibung des Optimie¬ rungsproblems mit einem vertretbaren Speicheraufwand. Dies erlaubt eine effiziente schnelle und ressourcenschonende Be¬ rechnung bzw. Lösung des Optimierungsproblems. Die Parameter der Modellierung können mit geringem Aufwand während des Betriebs der Anlage gemessen werden. Somit ist auch eine Anpassung an eine spezifische Anlage ohne aufwendi¬ ge Neumodellierung möglich. Die Kostenfunktion beschreibt die sich aus Brennstoffkosten, Abnutzung der Anlage und Gewinn durch Stromverkauf ergebenden Gesamtbetriebskosten der Anlage.
Mittels Dynamischer Programmierung wird zuverlässig und effi- zient eine Betriebsstrategie gefunden, die die Gesamtkosten minimiert . Beispiel: Optimierte Steuerung einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mittels dynamischer Programmierung und mit effizienter Modellierung ihrer thermischen Trägheit Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird die Kostenoptimali- tät der vorgestellten Lösung veranschaulicht.
Für ein gegebenes Szenario wird eine optimierte Betriebsstra¬ tegie bestimmt. In Fig.3 sind beispielhaft und schematisch über der Zeit Randbedingungen (ein Strompreis 301, ein Wärmebedarf 302), eine vom System berechnete optimale Betriebsführung 303 und ein sich ergebender Speicherzustand 304 darge¬ stellt . Verglichen mit Standardbetriebsführungen wie dem "wärmegeführten" oder dem "stromgeführten" Betrieb erlaubt die gemäß der hierin vorgestellten Lösung optimierte Anlage deutlich niedrigere Gesamtkosten. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass ein Füllstand des Energiespeichers durch die Progno¬ se deutlich besser erfasst werden kann. Aufgrund der hohen Prognosegenauigkeit des thermischen Verhaltens und des Spei¬ cherfüllstandes der Anlage wird verhindert, dass
- eine auf Grundlage eines ungenauen thermischen Mo¬ dells optimierte Betriebsweise suboptimal sein kann bzw .
- eine Betriebsweise zu unzulässigen Zuständen der Anlage und damit zur Schädigung der Anlage oder zumin- dest zum Abbruch der "optimalen" Betriebsweise führt.
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, eine Wärmeanlage einzustellen basierend auf einem Modell, das die thermische Trägheit von Komponenten der Anlage mit ausreichender Genau- igkeit berücksichtigt ohne dass dabei der Zustandsraum für die Optimierung der Einstellungen der Anlage zu groß für eine effiziente Berechnung wird. Zu diesem Zweck wird zumindest eine Komponente der Anlage (z.B. ein Motor oder eine Turbine) indirekt modelliert anhand einer Zeitdauer, wie lange die Komponente bereits eingeschaltet ist oder ausgeschaltet war. So können Zeitintervalle auf Werte (gespeicherte thermische Energie) abgebildet werden, die z.B. experimentell ermittelt werden bzw. wurden und die Optimierung selbst kann mittels dynamischer Programmierung deutlich effektiver durchgeführt werden. Die Erfindung kann beispielsweise in KWK-Systemen, z.B. bei der Optimierung von Blockheizkraftwerken eingesetzt werden .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine ge¬ zeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb oder zur Auslegung einer Anlage,
- bei dem mittels einer Zustandsvariable eine Zeitdauer erfasst wird betreffend eine Aktivität oder eine In- aktivität einer Komponente der Anlage (401);
- bei dem ein Modell der Anlage oder eines Teil der An¬ lage erstellt oder angepasst wird unter Berücksichti¬ gung der Zustandsvariable (402);
- bei dem der Betrieb oder die Auslegung der Anlage anhand des Modells optimiert wird (403) .
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mittels der Zustands- variablen in diskretisierter Form erfasst wird, wie lange die Komponente bereits ausgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponente der Anlage mindestens umfasst:
- einen Motor, insbesondere einen Verbrennungsmotor,
- eine Gasturbine und/oder eine Dampfturbine,
- eine ORC-Turbine,
- ein Stirling-Motor,
- eine Brennstoffzelle,
- einen Klimakompressor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlage eine Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere ein Blockheizkraftwerk umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anlage entsprechend dem optimierten Modell ein gestellt oder ausgelegt wird, indem ein Betriebsniveau der Komponente, vorzugsweise zu diskreten Zeitpunkten, eingestellt oder ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Anlage einen thermischen Speicher aufweist und bei dem das Betriebs niveau der Komponente so eingestellt oder ausgelegt wird, dass der Füllzustand des thermischen Speichers ei¬ nen vorgegebenen minimalen Schwellwert nicht unterschreitet und/oder einen vorgegebenen maximalen Schwellwert nicht überschreitet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Modell optimiert wird, indem eine Kostenfunktion optimiert wird, wobei die Kostenfunktion mindestens eine der folgenden Größen berücksichtigt:
- Kosten für Brennstoffe,
- Kosten für den Einkauf elektrischer Energie,
- Gewinn durch den Verkauf elektrischer Energie;
- Kosten für die Abnutzung der Anlage.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kostenfunktion mit Hilfe dynamischer Programmie rung optimiert, insbesondere minimiert, wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erfasste Zeitdauer einem thermischen Malus oder einem thermischen Bonus entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der thermische Malus und der thermische Bonus an der Anlage bzw. an einer vergleichbaren Anlage abhängig von der Zeitdauer betref fend die Aktivität oder die Inaktivität der Komponente gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem der thermische Malus und der thermische Bonus simuliert werden .
Vorrichtung zum Betrieb oder zur Auslegung einer Anlage, die derart eingerichtet ist, dass
- mittels einer Zustandsvariable eine Zeitdauer erfass¬ bar ist betreffend eine Aktivität oder eine Inaktivi¬ tät einer Komponente der Anlage; - ein Modell der Anlage oder eines Teil der Anlage erstellbar oder anpassbar ist unter Berücksichtigung der Zustandsvariable ;
- der Betrieb oder die Auslegung der Anlage anhand des Modells optimierbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Vorrichtung eine Steuer- oder Regelkomponente der Anlage ist.
14. System umfassend mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13.
15. Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Pro¬ grammcodeteile, die dazu geeignet sind, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzufüh¬ ren .
16. Computerlesbaren Speichermediums umfassend von einem
Computer ausführbare Anweisungen, die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des Verfahrens nach ei¬ nem der Ansprüche 1 bis 11 durchführt.
PCT/EP2012/075693 2012-01-16 2012-12-17 Verfahren und vorrichtung zum betrieb und zur auslegung einer anlage WO2013107577A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12000224.1 2012-01-16
EP12000224 2012-01-16
DE201210210063 DE102012210063A1 (de) 2012-06-14 2012-06-14 Betrieb und Auslegung einer Anlage
DE102012210063.6 2012-06-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013107577A1 true WO2013107577A1 (de) 2013-07-25

Family

ID=47522514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/075693 WO2013107577A1 (de) 2012-01-16 2012-12-17 Verfahren und vorrichtung zum betrieb und zur auslegung einer anlage

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2013107577A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104820363A (zh) * 2015-03-09 2015-08-05 山东大学 基于生物质气的冷热电联供系统及能量优化控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4404272A1 (de) * 1993-02-10 1994-08-11 Hitachi Ltd Verfahren zum Betreiben von Anlagen und System zur Steuerung des Betriebs von Anlagen
EP1316866A1 (de) * 2001-11-29 2003-06-04 Abb Research Ltd. Optimaler Betrieb eines Kraftwerks
US20080154810A1 (en) * 2006-09-29 2008-06-26 Honeywell International Inc. Dynamic economic load dispatch
EP2159496A1 (de) * 2008-08-29 2010-03-03 Vito NV Steuerung für Energieversorgungssysteme
WO2012026229A2 (en) * 2010-08-27 2012-03-01 Mitsubishi Electric Corporation Method for scheduling the operation of power generators

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4404272A1 (de) * 1993-02-10 1994-08-11 Hitachi Ltd Verfahren zum Betreiben von Anlagen und System zur Steuerung des Betriebs von Anlagen
EP1316866A1 (de) * 2001-11-29 2003-06-04 Abb Research Ltd. Optimaler Betrieb eines Kraftwerks
US20080154810A1 (en) * 2006-09-29 2008-06-26 Honeywell International Inc. Dynamic economic load dispatch
EP2159496A1 (de) * 2008-08-29 2010-03-03 Vito NV Steuerung für Energieversorgungssysteme
WO2012026229A2 (en) * 2010-08-27 2012-03-01 Mitsubishi Electric Corporation Method for scheduling the operation of power generators

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104820363A (zh) * 2015-03-09 2015-08-05 山东大学 基于生物质气的冷热电联供系统及能量优化控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1937943B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des lebensdauerverbrauchs einzelner bauteile einer fossil befeuerten energieerzeugungsanlage, insbesondere einer gud-anlage
DE102011051673A1 (de) Energieverwaltungssystem
DE102005029818A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung einer ökonomischen Analyse von Stromerzeugung und -verteilung
EP2843788A2 (de) Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerkssystems
DE102019219111A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Rechenzentrums an einem elektrischen Netzwerk und Rechenzentrum zur Durchführung eines solchen Verfahrens
EP3683760A1 (de) Verfahren zum steuern einer energieversogungsanlage
EP3433827B1 (de) Verfahren zum steuern einer multivalenten energieversorgungsanlage
EP2808501A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer GuD-Kraftwerksanlage
WO2013135760A2 (de) Leistungsregelung und/oder frequenzregelung bei einem solarthermischen dampfkraftwerk
WO2013107577A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum betrieb und zur auslegung einer anlage
DE102012210063A1 (de) Betrieb und Auslegung einer Anlage
EP1437484B1 (de) Verfahren zur Primärregelung für ein Netz
EP3080514B1 (de) Verfahren zur leistungsregelung von dampferzeugern zur stromerzeugung und/oder wärmebereitstellung
EP2443320B1 (de) Verfahren zum betrieb eines kraftwerks
DE102007019351B3 (de) Verfahren zur hierarchischen Energieversorgung eines Warmwasserspeichers
EP3433825B1 (de) Verfahren zum steuern einer multivalenten energieversorgungsanlage
EP3433824B1 (de) Verfahren zum steuern einer multivalenten energieversorgungsanlage
DE102019006037A1 (de) Verfahren zum optimierten Betrieb eines leistungsmodulierend arbeitenden, stromgeführten Blockheizkraftwerks (BHKW) mit Hochtemperatur- Wärmeauskopplung
Bennett et al. Impacts of intermittent generation
EP2955341A1 (de) Verfahren zur Kühlung eines Kraftwerksblocks
DE102017222304B4 (de) Verfahren zur Regelung der elektrischen Netzleistungsaufnahme einer technischen Anlage und zugehörige Anlage
WO2013135761A2 (de) Leistungsregelung und/oder frequenzregelung bei einem solarthermischen dampfkraftwerk
EP2573472A2 (de) Wärmeanlage mit Wärmepumpe und Verfahren zum Betreiben einer Wärmeanlage mit Wärmepumpe
DE102008063860B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Regeln einer Wärmeerzeugungseinrichtung
DE102008005645A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Steuergerätes für wärmeempfindliche Aktoren

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12812920

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12812920

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1