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Modellprädiktive Regelung der Zementherstellung
Zement ist ein wichtiges Produkt der Grundstoffindustrie. Ein typisches Anlagenschema ist in folgender Abbildung gegeben.
- Quelle: CEMEX
Der Aufbau gliedert sich in vier Hauptabschnitte. Zu Beginn wird das Rohmehl im Gegenstrombetrieb über eine Verschaltung von Zyklonen vorgewärmt. Im darauf folgenden Kalzinator wird im Gleichstrombetrieb der Entsäuerungsvorgang (CaCO3 -> CaO + CO2) durch die Ofenabluft und zusätzliche Energieeinträge vorgenommen. Das so vorbehandelte Rohmehl wird über den Ofeneinlauf in den Ofen gegeben, in dem es im Gegenstrom zur Gasphase weiter erhitzt wird. Nach Erreichen des kritischen Temperaturfensters in der Sinterzone verlässt der dort gebrannte Klinker den Ofen, um auf einem Rostkühler abgekühlt zu werde. Der kontinuierlich betriebene Drehrohrofen wird durch Feuerung von Brennstoffen mit Energie versorgt. Stetig steigende Preise fossiler Brennstoffe für den energieintensiven Herstellungsprozess von Zement haben in den letzten Jahrzehnten zu wachsendem Einsatz von sekundären Energieträgern (Tiermehl, Hausmüll, Reifen, etc.) als Ersatzbrennstoff geführt. Dieser erhöhte Ersatzbrennstoffeinsatz führt jedoch auch zu Problemen beim stabilen Betrieb der Anlage. Speziell der nicht genau bekannte, fluktuierende Heizwert des Brennstoffes führt zu starken Prozessschwankungen. Mit immer höheren Einsatzraten wird der Prozess immer schwieriger kontrollierbar. Hinzu kommt, dass der Herstellungsprozess im Wesentlichen manuell geführt wird und der Einsatz von umfassenden Automatisierungsstrategien selten ist. Dies ist vor allem der schwierigen Messsituation in Drehrohröfen und der Anlage im Ganzen geschuldet. Sowohl Bauart als auch die heiße, stark staubbeladene Atmosphäre lassen verlässliche Messungen kaum zu.
Im Rahmen des Projektes „MoProOpt - Modellbasierte Prozessoptimierung der Zementherstellung bei Einsatz von Sekundärbrennstoffen zur Verringerung von Emissionen und Steigerung der Energieeffizienz“ (BMBF 3257) sollen Lösungen zur Automatisierung von Herstellungsprozessen der Zementindustrie entwickelt werden.
- Quelle: Aixprocess
Dabei werden hochaufgelöste CFD-Modellierungen und Berechnungen vorgenommen, um zum einen Einsichten in die physikalischen Vorgänge der Prozesse zu gewinnen und um zum anderen Informationen für eine vereinfachte Modellierung und deren Anpassung an die CFD-Berechnungen zu ermöglichen.
Das Institut für Regelungstechnik (IRT) entwickelte dabei eine vereinfachte Modellform für Drehrohröfen, Kalzinatoren und Zyklone unter Verwendung der Modellierungssprache Modelica. Diese Modelle werden an betriebliche wie bauliche Randbedingungen einer Referenzanlage der Firma CEMEX angepasst. Freie Parameter der Modelle werden über Schätzverfahren basierend auf CFD-Berechnungen ermittelt. Die so entwickelten, nichtlinearen Modelica-Modelle zur Beschreibung von Drehrohröfen und anderen Komponenten werden nun zum Entwurf der Regelungen eingesetzt. Basierend auf diesen Modellen werden für typische Betriebspunkte lineare, zeitinvariante Systeme (LTI) erzeugt. Nach Untersuchungen bzgl. der Gültigkeit um einen Arbeitspunkt werden die Systeme numerisch reduziert (Truncated Balanced Realization). Dadurch kann die Anzahl der Zustände und entsprechend der Berechnungsaufwand stark reduziert werden. Mittels der reduzierten Modelle werden Beobachter zur Schätzung der nicht messbaren, thermodynamischen Zustände ausgelegt. Weiterhin werden Störgrössenmodelle für die Schwankung des Heizwertes von sekundären Energieträgern sowie für das Messrauschen implementiert. Zum Einsatz kommen Luenberger-Beobachter ausgelegt mittels Polzuweisung sowie Kalman-Filter.
Im Anschluss an die Beobachterauslegung werden MPR-Algorithmen implementiert. Wesentliches Merkmal der Regelungen ist die Wichtung in der Gütefunktion, mit der erreicht werden soll, dass die Substitution der fossilen Brennstoffe so groß wie möglich ist, während die fossilen Brennstoffe mit ihrem bekannten, konstanten Heizwert nur noch als Steuerbrennstoff zum dynamischen Ausgleich von Störungen in den Ersatzbrennstoffen zum Einsatz kommen. Eine Erprobung der Modelle sowie vom IRT entworfene Beobachter- und Regelungsstrukturen wird in Co-Simulationen von Modelica-Modellen in Dymola und Matlab vollzogen.
Weitere Erprobungen finden statt, in dem die entworfenen Beobachter- und Regelungsstrukturen an die CFD-Berechnungen gekoppelt werden. Dazu werden Beobachter und Regler in Form von sogenannten „User defined functions“ (UDF) implementiert und zusammen mit dem CFD-Modell gelöst. Schematisch wird dies durch folgende Abbildung dargestellt.
Das Projekt schließt mit der Erprobung eines übergreifenden Automatisierungskonzepts, welches in die Automatisierungslösung der Firma KHD Humboldt Wedag integriert werden soll, um dann an der Referenzanlage getestet zu werden.
Die Projekt-Website kann unter www.moproopt.de gefunden werden. Laufzeit des Projektes ist vom 01.04.2008 - 31.03.2011
Danksagung
Das Projekt BMBF 3257 „MoProOpt“ wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Die Leitung obliegt dem Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe (PTKA). Die Projektpartner danken für das durch die Förderung entgegengebrachte Vertrauen.
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