Verfahren zur Simulation eines Betriebes einer technischen Anlage anhand von Zustandsgrößen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation eines Betriebes einer technischen Anlage, insbesondere eines Kraftwerksbetriebes einer Kraftwerksanlage anhand von Zustandsgrößen .

Im Allgemeinen sind Verfahren zur Simulation eines Kraftwerksbetriebes einer Kraftwerksanlage bekannt, wobei anhand von bekannten Simulatoren beispielsweise ein Kraftwerkspersonal geschult und/oder ausgebildet wird. Beispielsweise ist es möglich, ein Temperaturprofil für einen Anlagenteil der

Kraftwerksanlage anhand von einer Schar ausgewählter, zeitabhängiger Trendkurven aufzuzeichnen. Die Auswahl dieser Trendkurven beschränkt sich jedoch auf Werte, die in dem Anlagenteil tatsächlich gemessen werden. Dadurch kann nur eine Aus- wähl charakteristischer Werte für das Anlagenteil beobachtet werden. Simulatoren stellen üblicherweise eine Vielzahl zusätzlicher Informationen zur Verfügung, ohne diese jedoch beispielsweise für Schulungszwecke zu nutzen. Statische Temperaturprofile für verschiedene Lastpunkte werden oftmals durch einen Anlagenbetreiber und/oder einen Anlagenhersteller bereitgestellt.

Aus der DE 196 18 745 Al ist ein Simulationsverfahren für ein Kraftwerk bekannt, bei dem zum Beispiel der Teilbereich "Primärkreislauf" in eine Anzahl von Teilvolumina gegliedert wird, wobei die Simulation der zeitlichen Entwicklung jeder Phase ("flüssig" und "gasförmig") des Kühlmediums dabei für jedes Teilvolumen separat durchgeführt wird.

Aus der DE 196 35 033 Al ist ein Verfahren zur Analyse eines Prozesszustandes einer technischen Anlage bekannt, bei dem auf der Grundlage von analytischen Vergleichen für jedes An- lagenteil der aktuelle Ist-Zustand in Abhängigkeit von den Einfluss nehmenden benachbarten Anlagenteilen bestimmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Simulation eines Betriebes einer technischen Anlage, insbesondere eines Kraftwerksbetriebes einer Kraftwerksanlage anhand von Zustandsgrößen anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 an- gegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Simulation eines Betriebes einer technischen Anlage, insbesondere eines Kraftwerksbetriebes einer Kraftwerksanlage, anhand von Zustandsgrößen sieht vor, dass ein oder mehrere Anlagenteile der Kraftwerksanlage in eine Anzahl von Segmenten unterteilt werden und zu- sätzlich zu messtechnisch erfassten Zustandsgrößen mindestens eines der Anlagenteile eine Vielzahl von Zustandsgrößen mittels eines Simulators ermittelt und ortsabhängig, insbesondere segmentweise, d.h. für das jeweilige Segment die zugehörige/n Zustandsgröße/n, bestimmt werden.

Beispielsweise kann es sich bei dem Anlagenteil um einen Ge- genstromwärmeübertrager und/oder um einen Rauchgaskanal der Kraftwerksanlage handeln. Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass anhand ermittelter Werte einer oder mehrere Zustandsgrößen für ein, mehrere oder alle Segmente einzelner Anlagenteile ein Verlauf der Zustandsgröße bzw. ein ortsabhängiges Zustands- profil entlang des Segmentes oder der Segmente ermittelt und dargestellt wird. Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht dabei vor, dass alle Werte einer Zustandsgröße für ein Segment gemittelt werden und als Segmentwert der Mittelwert, d.h. der gemittelte Wert der_betreffenden Zustandsgröße des jeweiligen Segments, verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient in Gewinn bringender Weise dazu, einen komplexen Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung beispielsweise bei Laständerung innerhalb der technischen Gesamtanlage und/oder des Anlagenteiles herzustellen und diesen komplexen Zusammenhang insbesondere einem Kraftwerkspersonal zu veranschaulichen und zu verdeutlichen. Z. B. kann anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt und visualisiert werden, wie sich eine Temperatur während eines Anfahrprozesses des simulierten Kraftwerksbetriebes verteilt und/oder welche Auswirkungen beispielsweise aus einem Zusatzfeuer innerhalb des Anlagenteiles resultieren.

Darüber hinaus kann durch eine grafische dynamische Darstellung der Zustandsgrößen in Form eines ortsabhängigen Zu- standsprofils, d.h. ortsabhängiger Verläufe mehrerer Zustandsgrößen, eine Stabilität des Kraftwerksbetriebes durch gleichzeitige Kontrolle einer Vielzahl von Zustandsgrößen mit einem vergleichsweise geringen Aufwand überprüft werden. Dadurch können Unplausibilitäten frühzeitig erkannt und Instabilitäten bereits während der Laufzeit identifiziert werden. Beispielsweise wird die jeweilige Zustandsgröße in Abhängigkeit von mindestens einem Anlagenparameter ermittelt.

In einer möglichen Ausführungsform wird z. B. als Anlagenparameter ein das Anlagenteil durchströmendes Medium bestimmt, wobei die jeweilige Zustandsgröße in Abhängigkeit einer Mate- rialeigenschaft des das Anlagenteil durchströmenden Mediums ermittelt wird.

Alternativ oder zusätzlich kann die jeweilige Zustandsgröße in Abhängigkeit einer Materialeigenschaft einer Wandung des Anlagenteiles ermittelt werden. Vorzugsweise werden als Zustandsgrößen mindestens eine Temperatur und/oder mindestens ein Druck mindestens eines Anlagenteiles, insbesondere einer Wärmetauschereinheit ermittelt. Denkbar ist auch, dass die Zustandsgrößen in Abhängigkeit von Kenngrößen mindestens einer in der Wärmetauschereinheit angeordneten Heizfläche und/oder eines in der Wärmetauschereinheit angeordneten Wärmeübertragers ermittelt wird. Ferner können anhand der ermittelten Werte einer oder mehrerer Zustandsgrößen mehrerer Anlagenteile diese Zustandsprofi- Ie zu einem dynamischen Gesamtzustandsprofil kombiniert werden . In einer möglichen Ausgestaltung werden bzw. wird ein ermittelter Verlauf der Zustandsgröße, das Zustandsprofil und/oder das Gesamtzustandsprofil grafisch ausgegeben. Vorzugsweise werden bzw. wird der Verlauf der Zustandsgröße, das Zustands- profil und/oder das Gesamtzustandsprofil grafisch in einem Koordinatensystem bevorzugt als eine Funktion vom Ort im Simulator und/oder auf der Bedien- und Beobachtungsoberfläche eines Leitsystems ausgegeben.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 ein Koordinatensystem mit einem Temperaturprofil eines Anlagenteiles, wobei das Anlagenteil in vier Segmente aufgeteilt ist,

FIG 2 ein Koordinatensystem mit einem Temperaturprofil von strömenden Medien innerhalb einer Gesamtanlage bei Volllast, wobei die Gesamtanlage aus 16 Anlagenteilen zusammengesetzt ist, welche wiederum einzeln segmentiert sind,

FIG 3 ein Koordinatensystem mit einem Temperaturprofil von strömenden Medien innerhalb einer Gesamtanlage gemäß Figur 2 bei Teillast. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist ein Koordinatensystem 1 mit einem Temperatur- profil P, welches innerhalb eines Anlagenteiles, insbesondere eines Gegenstromwärmeübertragers ermittelt wurde, dargestellt.

Das Koordinatensystem 1 wird als Resultat einer Simulation eines Kraftwerksbetriebes einer Kraftwerksanlage in besonders vorteilhafter Weise im Simulator und/oder auf einer Bedien- und Beobachtungsoberfläche eines Leitsystems ausgegeben.

Ein Gegenstromwärmeübertrager ist eine Vorrichtung, die ther- mische Energie von einem ersten Medium Ml auf ein zweites Medium M2 überträgt. Gegenstrom bezeichnet hierbei, dass die Medien Ml, M2 einander entgegenkommend aneinander vorbeiströmen und im Idealfall die Temperaturen der aneinander vorbeiströmenden Medien Ml, M2 getauscht werden. D. h., dass ein ursprünglich kaltes Medium eine Temperatur des ursprünglich heißen Mediums erreicht und umgekehrt.

Die Abszisse des Koordinatensystems 1 stellt den Ort s innerhalb des Gegenstromwärmeübertragers dar, wobei der Gegen- Stromwärmeübertrager als Anlagenteil in vier gleiche Segmente Sl bis S4 unterteilt ist und somit die Abszisse analog in vier gleiche Segmente Sl bis S4 unterteilt wird.

Die Ordinate kennzeichnet die Zustandsgröße, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Temperatur der Medien Ml, M2 ist.

Alternativ oder zusätzlich kann als Zustandsgröße beispielsweise auch ein Druck innerhalb des Anlagenteiles bestimmt werden.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in dem Koordinatensystem 1 zwei Temperaturverläufe Tl, T2 der in entgegen gesetzter Richtung strömenden Medien Ml, M2 dargestellt. Dabei stellt ein erster Temperaturverlauf Tl eine Änderung der Temperatur des ersten Mediums Ml bei Durchströmen des Anlagenteiles in Form des Gegenstromwärmeübertragers dar. Ein zweiter Temperaturverlauf T2 kennzeichnet die Änderung der Temperatur des zweiten Mediums M2.

Beispielsweise ist das erste Medium Ml ein Rauchgas und das zweite Medium M2 ein Wasser-/Dampfström, wobei innerhalb des Gegenstromwärmeübertragers anhand der Temperaturverläufe

Tl, T2 erkennbar ist, dass eine Wärme des ersten Mediums Ml auf das zweite Medium M2 übertragen wird.

Das erste Medium Ml strömt gemäß Figur 1 von links nach rechts, wobei ein Eintritt El des ersten Mediums Ml in einem ersten Segment Sl erfolgt. Das zweite Medium M2 strömt entgegen gesetzt, wobei ein Eintritt E2 des zweiten Mediums M2 in einem vierten Segment S4 des Gegenstromwärmeübertragers erfolgt.

Es ist vorgesehen, dass für jedes Segment Sl bis S4 des Gegenstromwärmeübertragers mindestens ein Wert der Zustandsgrö- ße, z. B. Temperaturwert Tl _s i bis T1 _S 4 für das erste Medium Ml, und mindestens ein Temperaturwert T2 _S i bis T2 _S4 des zwei- ten Mediums M2 ermittelt werden. Bevorzugt wird ein Mittelwert aller Werte der Zustandsgröße in dem jeweiligen Segment Sl bis S4 ermittelt und als Segmentzustandswert für die Simulation verwendet. Darüber hinaus kann die jeweilige Zustandsgröße in Abhängigkeit von mindestens einem Anlagenparameter, einer Materialeigenschaft des bzw. der das Anlagenteil durchströmenden Medien Ml, M2 und/oder einer Materialeigenschaft einer Wandung des Anlagenteiles ermittelt werden.

Aus den ermittelten Temperaturwerten Tl _S i bis T1 _S 4 und

T2 _S i bis T2 _S 4 wird für das jeweilige Medium Ml, M2 eine Interpolationskurve als Temperaturverlauf Tl, T2 der Zustandsgröße Temperatur ermittelt. Eine erste Interpolationskurve kennzeichnet hierbei den ersten Temperaturverlauf Tl des ersten Mediums Ml innerhalb der vier Segmente Sl bis S4 und eine zweite Interpolationskurve kennzeichnet den zweiten Tempera- turverlauf T2 des zweiten Mediums T2 innerhalb der vier Segmente Sl bis S4. Dabei ist der jeweilige Temperaturverlauf Tl, T2 als Funktion vom Ort s, insbesondere als Funktion von den Segmenten Sl bis S4 dargestellt. Anhand der Darstellung des ersten und des zweiten Temperaturverlaufes Tl, T2 als Zustands- oder Temperaturprofil P (im weiteren zur besseren Übersichtlichkeit kurz Temperaturprofil P genannt) kann in besonders vorteilhafter Weise eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Medien Ml, M2 visuali- siert und im Simulator und/oder auf der Bedien- und Beobachtungsoberfläche des Leitsystems ausgegeben werden.

Die Temperaturdifferenz ΔT ist hierbei ein Maß für einen möglichen Wärmeübergang zwischen dem ersten und dem zweiten Me- dium Ml, M2 und kann anhand des Verfahrens in besonders vorteilhafter Weise veranschaulicht werden. Somit können bzw. kann eine Leistungsfähigkeit und/oder ein Wirkungsgrad des simulierten Gegenstromwärmeübertragers verdeutlicht werden. Zusätzlich können die Werte der Zustandsgrößen messtechnisch erfasst werden.

In den Figuren 2 und 3 ist jeweils ein Koordinatensystem 2 gezeigt, wobei dem Koordinatensystem 2 in Figur 2 als Gesamt- zustandsprofil P' ein Temperaturprofil eines Volllastfalles

(im weiteren zur besseren Übersichtlichkeit kurz Gesamttemperaturprofil P' genannt) und dem in Figur 3 dargestellten Koordinatensystem 2 als Gesamtzustandsprofil P' ' ein Temperaturprofil eines Teillastfalles der Gesamtanlage, beispiels- weise eines Rauchgaskanals eines Kraftwerkes, als Ergebnis einer Kombination von Zustands-, insbesondere Temperaturprofilen P mehrerer Anlagenteile zugrunde liegt. Insbesondere ist in dem in Figur 2 und Figur 3 gezeigten Koordinatensystem 2 das Gesamttemperaturprofil P', P'' des Rauchgaskanals dargestellt. Dabei ist der Rauchgaskanal im vorliegenden Ausführungsbeispiel in insgesamt 16 Anlagentei- Ie, insbesondere in 16 Heizflächen Hl bis H16 unterteilt.

Hierbei ist jeder Heizfläche Hl bis H16 ein bestimmter Anlagenteil, wie z. B. ein Niederdruckverdampfer, ein Speisewasservorwärmer, ein Mitteldruckverdampfer, ein Mitteldrucküber- hitzer und/oder ein Hochdrucküberhitzer, zugeordnet.

Die Anlagenteile in Form der Heizflächen Hl bis H16 sind im Simulationsmodell analog zur eingangs beschriebenen Segmentierung eines Gegenstromwärmeübertragers jeweils in eine be- stimmte Anzahl von Segmenten Sl' bis S18' unterteilt.

Für die Segmente Sl' bis S18' wurden die darzustellenden Zu- standsgrößen, die Temperaturwerte, z. B. Temperaturmittelwerte, der durch den Rauchgaskanal strömenden Medien Ml, M2 im Simulationsmodell ermittelt und dynamisch ortsabhängig grafisch dargestellt. Hierbei wird jedes Segment Sl bis S18 eines Anlagenteiles im Gesamttemperaturprofil P' , P' ' mittels eines einzelnen Punktes, Pixels, Quadrates o. ä. repräsentiert, wobei der Punkt, das Pixel oder das Quadrat einzeln angesteuert werden kann. Eine Zusammensetzung dieser einzelnen Punkte eines Anlagenteiles, insbesondere einer Heizfläche Hl bis H16 ergibt das Temperaturprofil P dieses Anlagenteiles. Eine Kombination mehrerer oder aller Temperaturprofile P mehrerer oder aller Anlagenteilen ergibt das Gesamttem- peraturprofil P' , P' ' von Anlagenbereichen und/oder der Gesamtanlage. Ein Verlauf des Zustandsprofils eines Anlagenteiles, insbesondere einer Heizfläche Hl bis H16 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Aneinanderreihung von Einzelwerten der einzelnen Segmente Sl' bis S18 gebildet.

Dabei ergibt sich ein örtlicher erster Temperaturverlauf Tl ' des ersten Mediums Ml anhand der dicken durchgezogenen Linie und ein zweiter Temperaturverlauf T2 des zweiten Mediums M2 anhand der gestrichelten Linie dargestellt. Zusätzlich ist anhand der durchgezogenen dünnen Linie ein erster Temperaturverlauf Tl ' ' des ersten Mediums Ml entsprechend einem Wärmeschaltplan bei Volllast dargestellt.

Eine Strömungsrichtung der Medien Ml, M2 ist weitgehend Gegenstrom, wobei die Medien Ml, M2, wie oben beschrieben, sich entgegen kommend aneinander vorbeiströmen. Ein Eintritt El' des ersten Mediums Ml, beispielsweise Rauchgas, erfolgt von rechts, also im Segment S18 der Heizfläche H16. Während einer Strömung nach links kühlt sich das erste Medium Ml durch das entgegenströmende zweite Medium M2, Wasser-/Dampf, ab. Eine Strömung des zweiten Mediums M2 er- folgt außer an den Heizflächen Hl bis H16 in Form von Verdampfern, von links nach rechts, wobei sich hierbei ein stetiges Gesamttemperaturprofil P' , P' ' ergibt, wenn entsprechende Eintritte und Austritte des zweiten Mediums M2 an den Heizflächen Hl bis H16 aneinander gesetzt werden.

Beispielsweise wird die jeweilige Zustandsgröße der Medien Ml, M2 in Abhängigkeit von Kenngrößen der in dem Anlagenteil angeordneten Heizflächen Hl bis H16 ermittelt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, anhand der ermittelten Werte einer oder mehrerer Zustandsgrößen für einzelne Segmente

Sl bis S4, Sl' bis S18' einen Verlauf der Zustandsgröße, ein Zustandsprofil P und/oder ein dynamisches Gesamtzustandspro- fil P' , P' ' segmentweise zu ermitteln und mittels des Koordinatensystems 1 grafisch darzustellen.

Beispielsweise ist es während eines Trainingsszenarios für Kraftwerkspersonal möglich, durch Darstellung eines dynami- sehen ortsabhängigen Temperaturprofils P, P', P'' ein komplexes Zusammenspiel von Heizflächen Hl bis H16 bei Lastveränderung innerhalb des Anlagenteiles zu verdeutlichen. Es kann sehr anschaulich gezeigt werden, wie sich beispielsweise An- derungen der Temperatur an entsprechenden Heizflächen

Hl bis H16 auf weitere, z. B. in dem Anlagenteil angeordnete,

Heizflächen Hl bis H16 auswirken. Ferner kann durch die grafische Darstellung verdeutlicht werden, wie sich eine Temperaturverteilung während eines Anfahrprozesses z. B. des Kraftwerksbetriebes darstellt und/oder wie stark sich ein Zusatzfeuer auswirkt. Hierbei ist zu beachten, dass die ortsabhängige Darstellung des/der Zustands- profils/e P und/oder des/der Gesamtzustandsprofils/e P' , P' ' jeweils einen sehr anschaulichen Überblick über einen aktuellen Zustand eines simulierten Anlagenteiles bzw. der Gesamtanlage wiedergibt. Somit ist die ortsabhängige Darstellung des/der Zustandsprofils/e P und/oder des/der Gesamtzustands- profile P' , P' ' eine sehr gute Ergänzung zu den im Stand der Technik genannten zeitabhängigen Trendkurven.

Auch ist es möglich, das/die Zustandsprofil/e P und/oder das/die Gesamtzustandsprofile P' , P' ' im Koordinatensystem 1, 2 statisch für verschiedene Lastpunkte zu kennzeichnen, so dass anhand des/der ermittelten Zustandsprofils/e P und/oder des/der ermittelten Gesamtzustandsprofils/e P' , P' ' eine momentane Last abgeschätzt werden kann. Die beschriebenen dynamischen ortsabhängigen Zustands- und/oder Gesamtzustandsprofile P, P' , P' ' , beispielsweise in Bezug auf die Temperatur der in dem Anlagenteil strömenden Medien Ml, M2, ermöglichen einem Modellierer eine Stabilität eines simulierten Kraftwerksbetriebes durch gleichzeitige Kontrolle einer Vielzahl von Zustandsgrößen mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu überprüfen. Unplausibilitäten

und/oder Instabilitäten können während einer Laufzeit ohne großen Aufwand frühzeitig erkannt werden. Durch statisches Eintragen von verschiedenen Lastpunkten in das jeweilige Koordinatensystem 1, 2 ist es möglich, sich nach einem Anfahren verschiedener Lastpunkte einen Überblick über Güte und/oder Genauigkeit der Simulation eines Simulati- onsmodells zu verschaffen. Das/die Zustandsprofil/e P

und/oder das/die Gesamtzustandsprofile P', P'' kann bzw. können für Abnahmen berücksichtigt werden oder sie können den Modellierer während einer Feineinstellung verschiedenster Pa- rameter unterstützen.