English introduction
This technical article covers an EUDP* project carried out with Aalborg University and Sønderborg Fjernvarme. The purpose was to improve the operation of a complex district heating plant consisting of four absorption heat pumps, a geothermal well and two wood chip boilers with flue gas condensation. It was important to create the right flow-conditions to prevent the heat pumps from switching off to avoid crystallization.
Results from the project:
The changes we made together with Sønderborg Fjernvarme, Frontmatec and the Chinese heat pump manufacturer have significantly reduced the number of heat pump outages. This is essential to improve the plant's availability, operational flexibility and user-friendliness.
*EUDP is a Danish abbreviation which can be translated into: Energy-technological Development and Demonstration Programme
Article (in Danish) from May 2018
I denne tekniske og lange artikel fortæller vi mere i detaljer om et EUDP-projekt, som vi har gennemført sammen med Aalborg Universitet og Sønderborg Fjernvarme.
Figur 1. diagram over anlægget i Sønderborg.
Over en længere periode har Added Values arbejdet sammen med Sønderborg Fjernvarme og Frontmatec, om at forbedre driften af et komplekst fjernvarmeanlæg, som består af fire absorptionsvarmepumper, en geotermisk brønd og to fliskedler med røggaskondensering. Figur 1 viser et diagram over anlægget.
En af anlæggets store udfordringer er at skabe de rigtige flow-forhold på fjernvarmesiden (gule streger) af anlæggets komponenter i forskellige laster og driftssituationer. Sker det ikke, vil varmepumperne udkobles for at beskytte sig selv mod krystallisering. Hvis saltopløsningen i en varmepumpe krystalliserer (størkner), kræver det et stort manuelt arbejde at rette op på skaden igen.
Projektet har bestået af følgende delopgaver:
- Udvikling af en dynamisk simuleringsmodel.
- Gennemgang af varmepumpernes interne regulering (i samarbejde med den kinesiske producent).
- Gennemgang af eksisterende reguleringer.
- Udvikling og simulering af ny analog blokleder og operatørbrugerflade.
- Gennemgang og opdatering af binær blokleder.
Fra 2013 til 2015 deltog Added Values i et EUDP-projekt sammen med Aalborg Universitet, hvor Kasper Vinther var ansat på det tidspunkt, og nu arbejder hos Added Values. I projektet udviklede vi blandt andet en dynamisk simuleringsmodel af anlægget i Sønderborg og før projektet vidste vi intet om absorptionsvarmepumper .
Modellen blev udviklet i Modelica, som er et ligningsbaseret og objekt-orienteret sprog, der gør det nemmere at modellere store komplekse dynamiske systemer. Figur 2 viser modellen med nogle af dens underkomponenter. Den består af over 20.000 ligninger (heraf over 1.000 differentialligninger) og er altså ganske kompleks.
Figur 2 — Simuleringsmodellen består af lag af komponenter og underkomponenter.
Modellen blev brugt til at give os afgørende viden om anlæggets dynamiske respons i forskellige situationer og muligheden for at simulere forskellige nye reguleringskoncepter.
I en anden sammenhæng kunne vi se, at der var store afvigelser mellem en målt og en simuleret temperatur. Temperaturføleren i Sønderborg blev derfor kalibreret men viste ingen fejl. Efter nærmere undersøgelser viste det sig, at afvigelsen skyldtes, at en af varmepumperne var begyndt at krystallisere og modellen hjalp derfor med at udpege en fejl i anlægget.
Interne varmepumpereguleringer
Fordi vi ikke havde adgang til varmepumpernes interne regulering (proprietær software fra den kinesiske varmepumpeproducent (Hope Deepblue), benyttede vi en metode kaldet RGA (Relative Gain Array) til at beregne den optimale reguleringsstrategi for vores varmepumpemodel og kunne på den måde give et kvalificeret gæt på, hvordan producentens styring sandsynligvis var opbygget. Det gav anledning til, at vi fandt nogle uhensigtsmæssige begrænsninger i styringen, som vi i samarbejde med producenten fik rettet i anlægget via en fjernforbindelse fra Kina. Ændringerne har efterfølgende gjort styringen af de enkelte varmepumper væsentlig bedre og antallet af utilsigtede udkoblinger (trip) er reduceret.
Gennemgang af eksterne reguleringer (fjernvarmesiden)
Gennem tiden har der været arbejdet en del med styringsstrategien på anlæggets fjernvarmeside. På grund af mange udfald og krystalliseringsproblemer under idriftsættelsen er der med tiden blevet opbygget en meget restriktiv styring, som har gjort det umuligt at køre anlægget på en fleksibel og robust måde.
Sammen med ændringerne i de interne varmepumpereguleringer har vi gået hele den eksisterende regulering igennem og lavet en del ændringer, som har løsnet op for restriktionerne. Det har generelt øget fleksibiliteten i driften og har reduceret antallet af utilsigtede udkoblinger af varmepumperne.
Analog blokleder
Før projektet skulle operatøren i Sønderborg selv indtaste ønskede ventilstillinger, flow-setpunkter m.m. ud fra en ønsket fjernvarmeproduktion på anlægget. I projektet har vi designet en analog blokleder som modtager operatørens ønske om samlet fjernvarmeproduktion, hvilke kedler og varmepumper der er frigivet til drift og hvilken begrænsning der aktuelt er på geotermibrønden. Ud fra disse informationer kan den analoge blokleder beregne den mulige fjernvarmeproduktion. Disse beregninger bliver så omsat til en række feedforward-værdier til systemets forskellige reguleringssløjfer.
Binær blokleder
Den binære blokleder har nogenlunde samme formål som den analoge blokleder: den styrer de underliggende systemer. Men hvor den analoge blokleder udregner analoge værdier (vandmængder m.m.), så er den binære blokleders opgave mere i retningen af “start delsystem XX og vent til betingelse YY er opfyldt” derefter “start ZZ og vent på QQ”. Den binære blokleder bruges hovedsageligt under opstart og nedlukning af anlægget.
I projektet har vi gennemgået den eksisterende binære blokleder og rettet nogle ting, som har gjort det nemmere for operatøren at starte og stoppe anlægget.
Resultater fra projektet
Med de ændringer, vi har lavet sammen med Sønderborg Fjernvarme, Frontmatec og den kinesiske varme-pumpeproducent, har vi reduceret antallet af varmepumpeudfald markant. Det er en væsentlig forudsætning for at kunne forbedre anlæggets rådighed, driftsfleksibilitet og brugervenlighed.
I den kommende varmesæson skal al den nye regulering testes og rettes til, så operatørerne nemmere kan starte anlægget og få det til at lave den ønskede fjernvarmeeffekt uden selv at skulle stille på de enkelte pumper og ventiler.
Referencer
K. Vinther, R.J. Nielsen, K.M. Nielsen, P. Andersen, T.S. Pedersen, J. D. Bendtsen, “Analysis of decentralized control for absorption cycle heat pumps”, European Control Conference, 2015.
K. Vinther, R.J. Nielsen, P. Andersen, J. D. Bendtsen, “Optimization of interconnected absorption cycle heat pumps with micro-genetic algorithms”, in Journal of Process Control, 2017.
Kontakt
Ønsker du at høre mere om projektet eller modellerne, er du velkommen til at kontakte, Rene Just Nielsen, civilingeniør med speciale i procesregulering, rjn@addedvalues.eu eller Kasper Vinther, civilingeniør med speciale i intelligente, autonome systemer, kvi@addedvalues.eu
