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Model-based optimal operation of solar thermal power cycles = Modellbasierter Optimalbetrieb von solarthermischen Kraftwerken
2018 & 2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-31
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230485
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/749997/files/749997.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Optimal operation (frei) ; data reconciliation (frei) ; operational assistance system (frei) ; process simulation (frei) ; solar thermal power cycles (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit werden modellbasierte Ansätze für den automatisierten Optimalbetrieb von Solarturmkraftwerken entwickelt und untersucht. Ziel ist die Entwicklung eines Betriebsassistenzsystems (Operational assistance system (OAS)), das das Kraftwerk optimal und betriebssicher unter sich ständig ändernden Betriebsrandbedingungen -insbesondere des solaren Wärmeeintrags über das Kollektorfeld- fährt und damit Aufgaben des Anlagenfahrers übernimmt. Im Allgemeinen sind in Kraftwerken unterschiedliche Möglichkeiten (z.B. über Ventile und Gebläse) vorhanden, um den Kraftwerksbetriebspunkt einzustellen. Entsprechend der Anzahl dieser Freiheitsgrade ist die Identifikation der optimalen Kombination der einzelnen Eingriffe nicht offensichtlich, insbesondere da gleichzeitig verschiedene Parameter in zulässigen Bereichen gehalten werden müssen (z.B. die Frischdampftemperatur) und sich einzelne Eingriffe auf verschiedene Systemparameter auswirken. Im Fokus dieser Arbeit steht beispielhaft der thermische Teil des Solarturmkraftwerks Jülich ab Receiver, bestehend aus Luftzwischenkreislauf und Wasser-/Dampfkreislauf. Unter Optimalbetrieb wird der wirkungsgradoptimale Betrieb des Kraftwerksblocks innerhalb der zulässigen Grenzen verschiedener limitierender Parameter verstanden. Auf Basis eines analytischen stationären Modells werden über den Lastbereich systematisch optimale Kombinationen von Eingriffen -also optimale Betriebspunkte- bestimmt. Auf Basis dieser Information, die vorteilhafterweise nicht online gewonnen werden muss, und unter Berücksichtigung weiterer betriebsrelevanter Aspekte fährt das Betriebsassistenzsystem das Kraftwerk situationsorientiert und automatisch. Im Rahmen der hier durchgeführten Untersuchungen wird ein detailliertes dynamisches Modell des Kraftwerks verwendet, das stellvertretend für das reale Kraftwerk steht. An diesem Modell werden die unterschiedlichen Versionen des Betriebsassistenzsystems evaluiert. Dadurch wird sichergestellt, dass die in der Realität unvermeidlichen Diskrepanzen zwischen Modellen für Optimierungszwecke und dem realen System/Kraftwerk angemessen berücksichtigt werden. Das entwickelte Betriebsassistenzsystem ist in der Lage auch herausfordernde Situationen wie spontane und signifikante Lastwechsel betriebssicher zu bewältigen. Integral über verschiedene Betriebstage werden die theoretisch erreichbaren maximalen Wirkungsgrade über das Betriebsassistenzsystem auf ungefähr 0,2%-Punkte angenähert. Das Betriebsassistenzsystem erzielt integral über die Betriebstage etwa 2%-Punkte höhere Wirkungsgrade im Vergleich zu den Wirkungsgraden, die im manuellen Betrieb in der Vergangenheit erreicht wurden.This work aims to develop and analyze model-based approaches for automated optimal operation of solar tower plants. The aim is to set up an operational assistance system (OAS) which is capable to operate solar tower plants optimally under frequently changing operational conditions -especially the discontinuous solar heat input via the solar collector field- while maintaining operational safety at all times. This way, the system takes over tasks of the plant operator. In general, different possibilities of intervention into the process are available (e.g. by valves and blowers) to establish a certain operational point. According to the number of available interventions the currently optimal combination of them is not necessarily obvious, especially as several parameter limits (e.g. the live steam temperature) must be obeyed meanwhile. The focus of this work is on the thermal part of solar towers starting at the receiver -the heat transfer fluid cycle and the water/steam cycle. Exemplary the Solar Tower Jülich is in focus. "Optimal operation" is considered to be efficiency-optimized operation under maintenance of different operational limitations. A steady-state analytic model is used to systematically identify optimal combinations of controllable inputs / interventions -operational points- over the entire load range. This information is used as a basis for the development of the OAS which operates the plant situation-oriented in an automated way. Within the evaluation process of the OAS a detailed dynamic process model of the power plant is used standing for the real plant. On this model, the different OAS versions are applied and the unavoidable differences between models for optimization and the properties of the real plant are regarded appropriately. The developed OAS is capable to maneuver the plant successfully through challenging operational situations characterized by spontaneous and significant load changes. Furthermore, the OAS achieves to approximate the theoretical maximal efficiency over entire operational days with an offset of about 0,2% points. A performance comparison between manual operation (as it was conducted at the solar tower in the past) and the OAS shows that the OAS achieves mean efficiencies which are about 2% points higher.
OpenAccess: 
PDF
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019902726
Interne Identnummern
RWTH-2018-230485
Datensatz-ID: 749997
Beteiligte Länder
Germany
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