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Advanced Process Control (APC)

Advanced Process Control: So fahren Sie Prozesseinheiten energieoptimiert

03.02.10 | Autor / Redakteur: Norbert Meierhöfer / Jörg Kempf

Mit APC energieoptimierte Prozesse im Visier: beispielsweise in Raffinerien (Bild: AspenTech)
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Mit APC energieoptimierte Prozesse im Visier: beispielsweise in Raffinerien (Bild: AspenTech)

Energiemanagement ist derzeit eines der Top-Themen in der Prozessindustrie. Die unsichere Wirtschaftslage übt vermehrt Druck aus, die Ausgaben für Energie zu senken, um einen stärkeren Einbruch der Margen zu verhindern. Eine der effizienten Möglichkeiten, Kosten zu senken, ohne Einbußen an Produktqualität, Durchsatz oder Flexibilität hinnehmen zu müssen, bietet Advanced Process Control.

Advanced Process Control (APC) – die modellbasierte, multivariable, prädiktive Regelung – stellt untergeordnete Regelkreise der Prozessleitsysteme so ein, dass die Prozesse bestmöglich und wirtschaftlich optimal gesteuert werden. So können mehrere zu regelnde und korrelierte Größen wie Produktmenge und Produktqualität durch mehrere Einflussgrößen wie Dampfzufuhr, Temperatur oder Durchfluss gleichzeitig eingestellt werden. Dabei ist es durch einen integrierten Optimierer möglich, diese Einstellungen so vorzunehmen, dass sie unter minimalen Kosten bei gleichzeitiger Beachtung aller technischen und kommerziellen Randbedingungen realisiert werden.

Die kommerziellen Vorteile sollen am Beispiel einer chemischen Kolonne veranschaulicht werden: Ziel ist es, bei gleichzeitiger Einsparung von Energieeinsatz den Durchsatz zu erhöhen (Reduzierung der Dampfmenge).

Mithilfe des multivariablen Modells, welches das dynamische Verhalten der Kolonne wiedergibt, und des dazu eingestellten entsprechenden Reglers wird in einem ersten Schritt die Varianz einer zu regelnden Größe um ihren Sollwert reduziert. Im Allgemeinen schafft man es, die Standardabweichung um mehr als 50 Prozent zu reduzieren. Finanziell hat man dadurch zwar noch nicht unbedingt einen Vorteil, auch wenn sich technisch gesehen das ganze System wesentlich stabiler verhält. Durch die kleinere Varianz der zu regelnden Größe ist es nun aber möglich, dichter an die Grenzen des Durchflusses zu fahren, also den Zufluss des Einsatzstoffes zu erhöhen.

Doch um welchen Wert soll dies geschehen? Da es sich ja um ein multivariables System handelt, müssen alle von dem Zufluss abhängigen Größen wie Drücke, Temperaturen, Energiezufuhr und Qualitäten auf ihre Grenzen hin untersucht werden. Aufgrund der vielen Variablen gibt es im Allgemeinen unendlich viele Kombinationen dieser Variablenwerte (innerhalb harter Grenzen), um eine Erhöhung des Zuflusses zu bestimmen.

Ohne Advanced Control werden Bediener von Anlagen der Prozessindustrie sich immer in einem sicheren Bereich bewegen (siehe Grafik), um nicht zu schnell an Grenzen zu stoßen, die bei Überschreitung eine Gefährdung bedeuten könnten und fast nie finanziell optimal sind, da man z.B. zu viel Energie verbraucht.

Jetzt kommt der Optimierer (LP) zum Einsatz, der basierend auf einem statischen Modell und mithilfe einer Zielfunktion die optimalen Werte bestimmt, wie die Anlage zu fahren ist. Er bestimmt also die optimalen Zielwerte für zu regelnde Größen und auch für die Stellgrößen indem die einzelnen Parameter (finanziell) gewichtet werden. Der Regler übernimmt diese Sollwerte und fährt die zu regelnden Größen mit einer einstellbaren Dynamik auf diese Sollwerte. Der Zufluss kann so auf einen finanziell optimalen Wert gesteigert werden, der dichter an den Grenzen liegt, und zwar ohne Gefährdung der Anlage und ohne Verletzung aller Randbedingungen.

Der finanzielle Vorteil durch die erhöhte Ausbeute lag bei einer speziellen Kolonne bei 2,5 Millionen Dollar pro Jahr.

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