ENBIPRO - Energie Bilanz Programm

Zur Simulation und Optimierung von Kraftwerkskonzepten wird am Institut das Kreislauf-Simulationsprogramm ENBIPRO (Energie-Bilanz-Programm) entwickelt.

Simulation von Kraftwerksprozessen
Im Rahmen der Liberalisierung des Energiemarktes in Europa und der vermehrten Nutzung von regenerativen Energien wie Solar- und Windkraftanlagen steigen die Anforderungen an den Kraftwerkspark. Diese steigenden Anforderungen müssen schon bei der Planung der kraftwerkstechnischenAnlagen berücksichtigt werden. Sinnvoll ist es, ein Programmsystem zu nutzen, dass neben der Funktion der Auslegung die Funktionen der stationären Teil- und Volllastrechung, die dynamische Simulationund die Messwertvalidierung beherrscht, um im späteren Betrieb Erfahrungsrückflusse zu garantieren (siehe Abb.).
Diese vier Berechnungsarten werden in der Regel von unterschiedlichen Programmen durchgeführt, die unterschiedliche Wasserdampftafeln und Modelle benutzen, was dazu führt, dass sich die Berechnungsergebnisse unterscheiden.
Am Institut ist zu diesem Zweck im Rahmen mehrerer Dissertationen [Zindler08], [Apascaritei08], [Witkowski06], [Loehr99], [Stamatelopoulos96], [Rohse94] das Programmsystem ENBIPRO (Energie Bilanz PROgramm) entstanden, welches diese Modellgleichungen im stationären und instationären Fall geschlossen löst und die verschiedenen Berechnungsarten abdeckt.

Die Idee von ENBIPRO nach [EOLSS02] ist, ein allgemeingültiges Gleichungssystem der Bilanzgleichungen (Impuls, Masse, Stoff und Energie), Transportgleichungen und Beziehungen für Stoffwerte aufzustellen, das für unterschiedliche Anwendungsfälle nach unterschiedlichen Größen gelöst werden kann, wobei andere Größen vorgegeben sein müssen.
ENBIPRO stellt auf der Basis eines allgemeingültigen Gleichungssystems der Erhaltungssätze für Energie, Masse, Impuls oder Transportgleichungen für Wärme- und Stoffe sowie der Beziehungen für Stoffwerte für unterschiedliche Anwendungsfälle ein spezielles Gleichungssystem auf und löst dieses. Das Energiebilanzprogramm besteht zum einen aus einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI) und zum anderen aus dem C++ basiertem Simulationsprogramm mit den Komponentenmodellen und den mathematischen Lösungsverfahren. Es sind Stoffdaten für ideale Gase, Reale Stoffe und Gemische und die IAPWS 97-IF hinterlegt.
Bei der Betrachtung der Modelle in ENBIPRO wird nach [Zindler06] ersichtlich, dass das zu lösende Gleichungssystem ein partielles differential-algebraisches Gleichungssystem ist. Eine Ortsdiskretisierung findet im Vorfeld mit Hilfe eines finiten Volumenverfahrens statt, so dass sich ein gewöhnliches differential-algebraisches Gleichungssystem der impliziten Form ergibt, wobei der Vektor algebraische und differentielle Variablen enthalten kann. Implizite differential-algebraische Gleichungssysteme werden gelöst, indem das Differentialgleichungssystem in jedem Zeitschritt in ein algebraisches Gleichungssystem überführt wird, das dann mit Hilfe eines Newton-Verfahrens gelöst wird. Dadurch ist auch der stationäre Fall abgedeckt. Moderne Verfahren wie der Differential Algebraic System Solver (DASSL) nach als Instanz der Prädiktor-Korrektor-Verfahren bieten eine Menge Vorteile wie eine Schätzwertberechnung zur Reduzierung der Korrekturrechenzeit, eine Schrittweitensteuerung und eine Fehlerabschätzung gegenüber einfachen Integratoren. Durch das implizite Gleichungssystem können die Variablen frei gewählt werden, solange das Gleichungssystem regulär bleibt. Dadurch lassen sich alle Teilgebiete der Berechnungen abdecken.
Um die Eingabe von Kraftwerkskreisläufen möglichst effizient zu gestalten, wurde eine graphische Benutzeroberfläche auf der Basis eines plattformunabhängigen Frameworks genutzt. Diese Oberfläche kommuniziert nur über XML-Dateien mit dem Rechenkern von ENBIPRO.
Das gesamte Programm ist in C++ implementiert und daher auf allen gängigen Plattformen (Windows und Linux) lauffähig. Die Dateneingabe erfolgt über ein Graphical-User-Interface.

Auslegungsrechnung
Bei der Volllastrechnung ist das Ziel, die Geometrie der Komponenten eines Kraftwerks zu berechnen. D.h. es werden Stoffströme und Leistungen, die aufeinander abgestimmt sind, festgelegt und es werden die sich ergebenden Zustände und geometrische Daten, wie Heizflächengröße, Volumina etc. berechnet. Aufgrund der Ergebnisse können z.B. Wärmeübertrager oder Turbinen in weiteren detaillierten Berechnungen dimensioniert werden.
Im stationären Fall müssen die Massen- und Energiebilanz aufgestellt werden. Werden diese Bilanzen mit einem Simultanverfahren gelöst, so ergibt sich ein lineares Gleichungssystem der Form: AX = B mit X als Lösungsvektor und A als Koeffizientenmatrix. Die Auslegung der Heizflächen von Wärmeübertragern erfolgt i.d.R. für 100 Prozent Last. Für die wärmetechnische Auslegung von Wärmetauschern müssen Berechnungen durchgeführt werden, um Daten zur Strömungsform und Wärmeübertragung auf der Rauchgas- und Wasser/Dampf-Seite zu erhalten. Dazu müssen bestimmte Annahmen über die konstruktive Ausgestaltung gemacht werden, z.B. über die Art der Heizfläche: Strahlungsheizfläche im Feuerraum, Wand-, Bündelheizfläche oder Tragrohre, und über die Geometrie: Rohrdurchmesser, Wandstärke und das Material. Mit den aus der Vollastrechnung ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten kann nun die Heizflächengröße ermittelt werden. Die Temperaturen an den Ein- und Austritten sind gegeben, damit auch die logarithmische Temperaturdifferenz und der übertragene Wärmestrom. Als Ergebnis erhält man das Produkt aus Wärmedurchgangskoeffizient k und Heizfläche A, und mit dem berechneten Wärmedurchgangskoeffizienten die Heizfläche A.
Teillastrechnung
Bei der Teillastrechnung ist die Vorgehensweise invers. Es werden die komplette Geometrien der Kraftwerkskomponenten bzw. zusammenfassende Daten wie Flächen, Volumina, Wärmedurchgangskoeffizienten etc. und die Zustände der eintretenden Stoffströme vorgegeben und daraus die resultierenden Zustände der Stoffströme berechnet. Während im Auslegungsfall die gewünschten Austrittstemperaturen an den Wärmetauschern vorgegeben werden, und das Produkt aus Wärmedurchgangszahl k und Heizflächengröße A berechnet wird, erfolgt im Teillastfall die Berechnung der Austrittstemperaturen und der übertragenen Wärmeströme von den Eintrittstemperaturen und dem kA-Wert iterativ. Treten Phasenwechsel in den Wärmetauschern auf, so erfolgt eine fiktive Aufteilung je Phase und es ergibt sich ein entsprechender kA-Wert für jeden Teil.
Validierung
Die Validierung von Messwerten ist ein Verfahren um aus einem Satz von Messwerten einen Satz vonkorrigierten Messwerten zu berechnen, der die Bilanzgleichungen, Transportgleichungen und Stoffwertegleichungen erfüllt. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass ein genaues mathematisches Modell und ungenaue Messwerte vorliegen. Es werden möglichst viele Zustandsgrößen einer Anlage gemessen und durch die Minimierung der Summe der Fehlerquadrate (siehe VDI-Richtlinie 2048 [VDI2048]) können die wahrscheinlichsten Zustandsgrößen, die das Gleichungssystem vor allem auch die Bilanzgleichungen erfüllen, berechnet werden. Mit Hilfe des Verfahrens ist es möglich, Messfehler bzw. Ausfälle von Messgeräten zu erkennen, wenn der Messfehler außerhalb des Vertrauensbereichs ist.
Um den Zustand eines Systems eindeutig zu bestimmen muss die Anzahl der Messungen der Anzahl an Gleichungen entsprechen. Häufig enthalten die Messwerte Fehler, so dass sie das Gleichungssystem, insbesondere auch die Bilanzgleichungen, nicht erfüllen. Daher werden mehr Messstellen eingesetzt, als wirklich benötigt werden, wodurch das System ohne Messfehler überbestimmt wäre. Die Aufgabe der Messwertvalidierung ist, Korrekturen für die Messwerte innerhalb gewisser Toleranzen zu bestimmen, die das System lösen und die Messwerte geringstmöglich ändern. Die Messwertvalidierung in ENBIPRO erfolgt wahlweise mittels der L1- oder L2-Norm. Bei der L2- Norm wird die Summe der Fehlerquadrate (nach Gauß) minimiert, bei der L1-Norm die Summe der Absolutbeträge (nach Laplace).
Dynamik
Während die drei ersten Teilaufgaben alle stationär gerechnet werden, ist für die Regelung sowie die Untersuchung des instationären Verhaltens einer energietechnischen Anlage eine dynamische Rechnung erforderlich und aus den algebraischen Gleichungssystemen werden in der Regel differentialalgebraische Gleichungssysteme. Bei einer dynamischen Rechnung muss wie bei der Teillastrechnung immer die gesamte Anlagengeometrie bekannt sein.
Die instationäre Simulation basiert auf einem Finite Volumen Verfahren. Die Dampferzeugerkomponenten werden dafür in Kontrollvolumen diskretisiert und jeweils die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie gelöst. Die Rauchgas- und die Arbeitsstoffseite sind über die Rohrwand gekoppelt. Die Lösung erfolgt mit einem semi-impliciten Verfahren. Die programminterne Struktur der instationären Berechnung ist so gestaltet, daß sie dem der stationären Berechnungsteile gleicht, um für gleichartige Berechnungen auch gleiche Programmteile zu nutzen, z.B. für die konstitutiven Gleichungen.

Beispiele für Simulierte Kreisläufe und Schaltungen

Die aufgelisteten Beispiele stellen eine Auswahl an gerechneten Kreisläufen dar. Wenn Sie mehr Informationen zu den simulierten Beispielen bennötigen, stellen Sie bitte eine E-Mail Anfrage unter Kontaktaufnahme.

In ENBIPRO sind derzeit über 80 verschiedenartige Komponenten hinterlegt. Darunter sind neben den Standardbauteilen, wie Wärmeübertrager, Verzweigungen, Pumpen und Turbinen auch spezielle Bauteilgruppen, wie Speichermodelle, Brennstoffzellen und Regelungstechnische Bauteile.


Softwaresystem

Der Rechenkern ist ein auf C++ basierter Code. Die Daten werden mittels xml-Datenbanken abgesichert, siehe nachfolgende Grafik. Der Rechenkern ist daher Plattformunabhängig. Inhouse unterstützen wir die Betriebssysteme Windows und Linux.


Literatur
(Auszug)
[Apascaritei08]
Apascaritei, B.: Error Analysis for Energy Process Simulation; Dissertation, Institut für Wärme- und Brennstofftechnik, TU Braunschweig, 2008
[Brenan95]
Brenan, K. E.; Campbell, S. L.; Petzold, L. R.: Numerical Solution of Initial-Value Pro blems in Differential-Algebraic Equations; siam; 1995
[Depta08]
Depta, D.: Überblick über ORC-Prozesse für die Stromerzeugung aus Geothermie; 20. Kasseler Abfall- und Bioenergieforum Kassel 08/10.04.2008
[EOLSS02]
Leithner, R.: Encyclopedia of Life Support Systems, Kapitel 6.43.32, Automation and Control of thermal processes; 2002
[Hauschke07]
Hauschke, A.: Dynamische Simulation und Optimierung eines Abhitzedampferzeugers;Diplomarbeit, Institut für Wärme- und Brennstofftechnik, TU Braunschweig, 2007
[Ladwig08]
Ladwig, M.; Lindvall, K.; Conzelmann, R.: Gasturbinenprozess mit sequentieller Verbrennung; BWK Bd. 60 Nr. 3 S. 52-58, 2008
[Leithner07]
Leithner, R.; Schlitzberger, C.: Isobaric Adiabatic Compressed Air Energy Storage Combined Cycle with High Levels of Storage Efficiency; 2. International Renewable Energy Storage Conference (IRES 2), Bonn 19/21.11.2007
[Leithner08]
Leithner, R.; Mönnigmann, M.; Schlitzberger, C.; Chen, S.; Dietrich, R.-U.; Oelze, J.; Lindermeier, A.; Carlowitz, O.; Spitta, C.; Steffen, M.; Sch¨onbrod, B.; Beck, A.; Heinzel, H.; Stagge, H.-P.: SOFC-Brennstoffzelle mit partieller Anodenabgas-Rückführung zur Reformierung; 6. VDI Fachtagung Brennstoffzelle VDI-Berichte Nr. 2036 Brennstoffzelle, S. 217-230 Braunschweig 27/28.08.2008
[Loehr99]
Löhr, T.: Simulation stationärer und instationärer Betriebszustände kombinierter Gasund Dampfturbinenanlagen; VDI-Fortschritt-Berichte Reihe 6 Nr.: 432; 1999
[Rohse94]
Rohse, H.: Untersuchung der Vorgänge beim Ubergang vom Umwälz- zum Zwangsdurchlaufbetrieb mit einer dynamischen Dampferzeugersimulation; VDIFortschrittsberichte, Reihe 6: Energietechnik, Nr. 327, ISBN 3-18-332706-6, 1994
[Stamatelopoulos96]
Stamatelopoulos, G.: Berechnung und Optimierung von Kraftwerkskreisläufen; VDI-Fortschrittsberichte, Reihe 6: Energietechnik, Nr. 340, ISBN 3-18- 334006-2, 1996
[Strelow07]
Strelow, M.: Optimierung von Kraftwerksprozessen für solarthermische Kraftwerke Einsatz intelligenter Optimierungsverfahren zur Wirkungsgradmaximierung des Dampfkraftwerksprozesses; Diplomarbeit am Institut für Wärme- und Brennstofftechnik, TU Braunschweig, 2007
[VDI2048]
VDI-Richtlinie 2048: Messunsicherheiten bei Abnahmemessungen an energie- und kraftwerkstechnischen Anlagen;Beuth Verlag, Blatt 1, 2000, Berlin
[Witkowski06]
Witkowski, A.: Simulation und Validierung von Kraftwerksprozessen; Dissertation, Institut für Wärme- und Brennstofftechnik, TU Braunschweig, Der Andere Verlag, 2006
[Zindler06]
Zindler H.; Leithner R.: Combining FVM and PECE Algorithms with Adjoint Methodsfor the dynamical Simulation of Power Plants; WSEAS Int. Conf. on Heat Transfer, Thermal Engineering and Environment, Agios Nikolaos, Kreta, Griechenland, 2006
[Zindler08]
Zindler H.: Dynamische Kraftwerkssimulation - Kopplung von Finiten Volumenverfahren und Prädiktor-Korrektor-Verfahren mit Adjungiertenverfahren; Dissertation, Institut für Wärme- und Brennstofftechnik, TU Braunschweig, VDI-Fortschrittberichte, 2008
Weiterführende Informationen

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Letzte Änderung: August 2013