Simulation

Ihre Anlage und das dazu gehörende Regelungskonzept kann mittels Simulationsstudien schon im Vorfeld analysiert werden. Dynamische Simulationsmodelle ermöglichen das Erkennen und Vermeiden kritischer Betriebszustände. So können Anlagenauslegung und Regelungskonzept bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit optimiert werden.

Einsatzgebiete der Simulation

• Simulation von Prozessen zur Prozessoptimierung
• Simulation von Regelungskonzepten zur Regelungsoptimierung
• Systematische Suche nach kritischen Betriebszuständen im Prozess
• Anlagen- und Störfallsimulation zur Operator-Schulung

Reglerentwurf und -optimierung mittels dynamischer Simulation

Verlässliche Prozessmodelle sind die Basis für Analyse, Simulation und Entwurf der Regelungs- und Prozessführungskonzepte sowie deren Erprobung. Vor allem im Planungsstadium neuer Anlagen, z.B. in der verfahrenstechnischen Industrie, werden umfangreiche Simulationsstudien immer häufiger vertraglich vorgeschrieben. Solche Studien dienen der Anlagenauslegung durch Analyse der Prozessdynamik verschiedener Anlagenvarianten, dem Erkennen und Vermeiden kritischer Betriebszustände und vor allem auch dem Entwurf und der Erprobung der Prozess-Führungskonzepte.

Die Intention einer Simulationsstudie ist die systematische Suche nach irgendwelchen möglichen kritischen Betriebszuständen, die in der realen Anlage auftreten können. An das zu entwickelnde Regelungskonzept wird im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit die bestmögliche Lösung gesucht. Daher soll durch Simulation einer Anlage das Systemverhalten und die Regelbarkeit der Anlage untersucht werden. Dazu ist das dynamische Verhalten der gesamten geplanten industriellen Anlage mathematisch nachzubilden, um so durch die Simulation die vielfältigen Prozessvorgänge studieren zu können.

Modellbildung zur Simulation

Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist, um realistische Prozessvorgänge nachbilden zu können, die Erstellung eines zuverlässigen, der Wirklichkeit entsprechenden Simulationsmodells. Hierbei ist ein sinnvoller Kompromiss zwischen Aufwand und geforderter Genauigkeit der Simulation zu treffen, was zwangsläufig eine Vereinfachung des sehr komplexen mathematischen Modells erfordert. Zur Untersuchung des Systemverhaltens einer verfahrenstechnischen Anlage werden sehr oft zuvor entsprechende Simulationsmodelle des gesamten Maschinenstrangs, des Prozesses und aller Regelungsfunktionen erstellt.

Zur Erstellung eines dynamischen Simulationsmodells wird die komplette Anlage in einzelne Module bzw. Teilsegmente aufgeteilt. Zur Modellbildung existiert eine umfangreiche Modellbibliothek, in der unter anderem folgende Module enthalten sind: Ventile, Klappen, Rohrleitungen, Behälter, Verdichterstufe, Dampfturbinenstufe, Expander, Gasturbine und Generator. Die Verwendung von Makrostrukturen und mehreren Simulationsebenen erleichtern zusätzlich die schnelle Umsetzung von Anlagensystemen in ein Simulationsmodell. Durch den Einsatz von Makrostrukturen können Modelle und Teilsysteme wiederverwendet werden.

Simulationsbeispiel - FCC Anlage

Bei einer FCC-Anlage wird ein Katalysat zwischen Reaktor und Regenerator umgewälzt. Im Regenerator werden durch Zugabe von Luft die Koksablagerungen abgebrannt und somit die katalytischen Eigenschaften regeneriert. Das anfallende Rauchgas kann entweder über einem Wärmetauscher direkt dem Kamin zugeführt, oder über einen Turbo-Expander zwecks Energierückgewinnung zur Stromerzeugung genutzt werden. Neben der Regelung des Differenzdruckes zwischen dem Reaktor-Regenerator-System ist das automatische An- und Abfahren des Turbo-Expanders zum Antrieb eines elektrischen Generators zu realisieren. Weiterhin muss der Lastabwurf (Umschaltung von Netz- auf Inselbetrieb) bei Volllast sicher beherrscht werden. Für alle Betriebszustände sind nur minimale Druckschwankungen im Reaktor-Regenerator-System zulässig. Hierzu wurde ein aufwendiges Regelungskonzept zur Abdeckung aller Lastfälle entwickelt und in Verbindung mit einem Simulationsmodell erprobt.

Für das gesamte Rauchgassystem ist eine dynamische Simulationsstudie erstellt worden. Die Simulationsstudie ermöglicht die detaillierte Untersuchung des Gesamtsystems, wobei unter Simulation extremer Störungen (Lastabwurf, Expander-Trip) die beste Regelungsstrategie entwickelt werden konnte. Zur Simulation wird die gleiche Programmiersprache verwendet, welche auch für das reale Regelungs- und Steuerungssystem eingesetzt wird. Eine aufwendige und fehleranfällige Übersetzung der programmierten Regelungssoftware in eine Simulationssprache und umgekehrt entfällt. Mit Hilfe der Simulation konnte bereits für eine FCC-Anlage die Stillstandzeit bei der Implementierung eines Turbo-Expanders auf wenige Stunden reduziert werden. Aufwendige und kostenintensive Feldversuche zur Erprobung und Optimierung der Regelung waren nicht mehr erforderlich.

Simulation zur Operator-Schulung

Neben der Auslegung von Anlage und Regelungskonzept kann die Simulation auch zur Schulung der Operator eingesetzt werden. Die Betreiber werden mit dem Anlagenbetrieb vertraut und in Verbindung mit der Störfallsimulation kann die richtige Reaktion auf kritische Betriebszustände trainiert werden. Zusätzlich können sowohl das Regelungs- und Steuerungssystem als auch die Leittechnik (HMI) bereits in das Simulationssystem integriert werden. Hierzu bietet das Programmiersystem TurWin neben der integrierten Modellbildung, Simulation und Prozessvisualisierung auch offene Kommunikationsschnittstellen zu Fremdsystemen.

Die im normalen System integrierte Prozessdatenaufzeichnung funktioniert natürlich auch für die Simulation. So können die Simulationsdaten später ausführlich analysiert werden. Eine Playback-Funktion ermöglicht es, beliebige aufgezeichnete Daten als Eingangssignale für die Simulation zu verwenden. Bei Vorliegen von Maschinendaten kann so z.B. ein echter Störfall in der Simulation nachgestellt werden, um das Prozessverhalten zu optimieren oder den Operator auf die richtigen Verhaltensweisen vorzubereiten.