Forord. Theo A. Olsen Safin Menmi Daniel M. Coll. Fredrikstad, Norge, juni HiØ H12E01

Transkript

1 Forord Som avslutning for bachelorstudiet ved Høgskolen i Østfold, gjennomføres det en avsluttende prosjektoppgave. Oppgaven vil gå over en periode på to måneder, hvor det avsluttes med et foredrag og presentering av oppgaven ved EXPO-messen på Høgskolen i Østfold. Prosjektoppgaven gjennomføres av en gruppe på to til fire elever. Oppgaven blir som regel gjennomført i samarbeid med en bedrift, og er ofte et reelt problem bedriften ønsker å løse. Denne oppgaven gjennomføres i samarbeid med Voith Hydro AS. Voith Hydro leverer tjenester og produkter til vannkraftverk i hele verden. Målet for oppgaven er å optimalisere regulering for kjøling av et elvekraftverk. Denne rapporten vil ha som mål å presentere metoden som blir benyttet på elvekraftanlegget Rånåsfoss II, og andre metoder som kan forbedre reguleringen. Rapporten skal også inneholde en driftsveiledning som kan benyttes ved andre lignende kraftverk som Voith Hydro leverer tjenester og produkter til. Prosjektgruppen ønsker å takke Voith Hydro AS ved Gunnar Vik for denne problemstillingen. Ønsker også å takke til Voith Hydro ansatte Gunnar Bakken, Ørjan Ramskjell og driftspersonalet fra Akershus Energi på elvekraftverket Rånåsfoss II. Videre takker gruppen sin veileder Helge Mordt fra Høgskolen i Østfold som har bistått med anbefalinger og tilbakemeldinger under gjennomføring av prosjektet. Theo A. Olsen Safin Menmi Daniel M. Coll Fredrikstad, Norge, juni 2012 I

2 Sammendrag Innholdsfortegnelse Forord... I Sammendrag... II Figurliste... IV Tabell-liste... IV Nomenklatur... IV 1 Innledning Oppdragsgiver Voith GmbH Rånåsfoss II PID-regulatoren Virkemåte Innstilling av PID-regulatoren Ziegler-Nichols Ultimate Gain Ziegler-Nichols åpen-sløyfe-metode Skogestads metode Forsøk på Rånåsfoss II Forsøk torsdag 12. April Forberedelse Forventet resultat Utførelse Sluttresultat Konklusjon Forsøk onsdag 25. april Forberedelse Forventet resultat Utførelse Sluttresultat Konklusjon Beregninger II

3 5.1 Beregning av massestrøm Kjøleanlegget Varmevekslere Beregninger for simulering av oppvarming av generator Beregninger for simulering av oppvarming av transformatoren Modulering Simulering Reguleringsstruktur Tilbakekoblingsregulering Foroverkoblingsregulering Tilbakekobling kombinert med foroverkobling Kaskaderegulering Diskusjon Konklusjon Referanser III

4 Figurliste Figur 3.1 Kobling for PID kontroller... 4 Figur 3.2 L og R ved sprangrespons (Haugen, 2010)... 6 Figur 3.3 Viser hvordan man beregner Tc (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007)... 8 Figur 4.1 Logg for forsøk på Rånåsfoss 2. Tidsakse UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Figur 4.2 Logg for forsøk på Rånåsfoss 2. Tidsakse UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Figur 4.3 Logg for forsøk på Rånåsfoss II hentet fra systemets overvåking. Tidsakse UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Figur 4.4 Logg fra manuell avleste temperaturer for generator G7. UTC Figur 4.5 Logg over transformator 7 i tidsrommet kl. 08:00 25.april til 08:00 26.april. Tidsakse UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Tabell-liste Tabell 3.1 Formler for Ziegler-Nichols lukket-sløyfe-metode. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007)... 5 Tabell 3.2 Formler for beregning av Ziegler-Nichols åpen-sløyfe metode (Haugen, 2010)... 7 Tabell 3.3 viser Skogestad s formler for innstilling av PI(D)-regulator (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007)... 8 Nomenklatur Romerske symboler Forklaring Enhet Spesifikk varmekapasitet [ ] Merkeeffekt [ ] Volumstrøm [ ] Kraftproduksjon [ ] Kjøle- varmeeffekt [ ] Temperatur [ ] Temperaturendring [ ] IV

5 Greske symboler Forklaring Enhet ƞ Virkningsgrad [ ] Tetthet [ ] Prosessuttrykk Forklaring Enhet Avvik utsignal - settpunkt Utslignal Signal settpunkt Pådrag Proporsjonalt pådrag Kritisk forsterkning Tidskonstant [ ] Responstid [ ] Integral tiden [ ] Derivat tiden [ ] Kritisk periode [ ] Største tidskonstant [ ] Minste tidskonstant [ ] Forkortelser Forklaring Laveste regulerte vannstand [ ] Høyeste regulerte vannstand [ ] V

6 Proposjonal Integral Proposjonal Integral Derivat Generator 7 Transformator 7 Tidsangivelser UTC+1 UTC+2 Norsk standard tid Norsk sommertid VI

7 1 Innledning Denne oppgaven utføres i samarbeid med Voith Hydro AS. Oppgaven går ut på å optimalisere styring for kjøleanlegg for elvekraftverket Rånåsfoss II. Bakgrunnen for oppgaven er at det ønskes en jevn og stabil temperatur på aggregatet og transformatoren til enhver tid. Styring, overvåking og regulering av kjøleanlegget foregår ved hjelp av PLSer. Til dette brukes en PID-regulator som ligger internt i PLSen. Denne har en tilbakekobling der utgangssignalet fra prosessen sammenlignes med settpunktet, og avviket bestemmer kjølemengden. En PID-regulator har innstillingsparametere og tidskonstanter. Disse innstillingene bestemmer hvordan PID-regulatoren regulerer kjølingen. Det er derfor viktig at innstilling av disse parameterne og tidskonstantene gjøres korrekt slik at reguleringen av kjølingen blir tilfredsstillende. Denne rapporten tar for seg innstillingsmetoder for parameterne og tidskonstantene. Rånåsfoss II var i full drift under prosjektperioden noe som begrenset mulighetene for forsøk på anlegget. Dette medfører at forsøket ble begrenset til generator 7 og transformator 7. Metoden som ble benyttet tok hensyn til at anlegget var i drift slik at det aldri var fare for drifts stans. Regulatorparameterne ble bestemt ut i fra Skogestads metode da denne er en modellbasert metode som egner seg for anlegg under drift. Oppgavens består av tre deler. Del en, teoridelen, drøfter reguleringsmetoder, og beskriver metoder for innstilling av PID-regulatorer. Del to dekker identifiseringen av anlegget og innhenting av informasjon som var grunnlaget for oppgavens tredje del, løsningsdelen. Resultat som fremkommer i løsningsdelen vil undersøkes ved hjelp av simulering, da denne ikke kunne testes på Rånåsfoss II. 1

8 2 Oppdragsgiver 2.1 Voith GmbH Oppdragsgiver for oppgaven er Voith Hydro AS. Selskapet ble opprettet i april 2000 og er et fellesforetak sammen med Siemens. De er et underselskap til Voith GmbH som ligger i Heidenheim i Tyskland, og har ansvaret for den generelle driften og for underselskapenes markedsstrategi og operasjoner. Voith ble offisielt stiftet i 1867 og opererer i mer enn 50 land og leverer tjenester og produkter innenfor energi, olje og gass, papirproduksjon, råmaterialer og transport og bilindustrien. I 2011 hadde Voith konsernet mer enn ansatte, og omsatte for 44 milliarder kroner hvorav papirmaskiner stod for hoveddelen av omsetningen, etterfulgt av turbinproduksjon. Voith regnes for å være en av de største familieeide selskapene i Europa. Rundt en tredjedel av verdens vannkraftproduksjon kommer fra kraftverk med turbiner og generatorer levert av Voith Hydro. Gjennom over 100 år har de levert og installert mer enn generatorer og turbiner i verden og de anses som en ledende produsent av ren fornybar energi fra vannkraftproduksjon. I Norge har Voith Hydro AS kontor i Oslo og Trondheim, og har i tillegg et datterselskap Voith Hydro Sarpsborg AS som ligger i Sarpsborg. Denne avdelingen er spesialisert på rehabilitering av generatorer. (Voith Hydro, 2012) 2.2 Rånåsfoss II Kjøleanlegget som ble analysert var på Rånåsfoss II som er lokalisert i Sørum i Akershus. Kraftverket ble bygget i årene og gjennomgikk en større restaurering i Anlegget har en vertikal kaplanturbin med slukeevne på og et løpehjul med diameter på meter. Vannstanden på innføringssiden er regulert mellom (LRV) og (HRV), og utkastet ligger på meter over havet. Dette gir en gjennomsnittlig fallhøyde på meter. Kraftverket ligger på vestsiden av Glomma på motsatt side av Rånåsfoss stasjon, og Rånåsfoss I og III. (Aeas, 2012) Den installerte kaplanturbinen har høy virkningsgrad i et stort reguleringsområde, og benyttes derfor til reguleringen, mens de seks gamle francisturbiner på Rånåsfoss I kjøres på fast last. Dette gir totalt best virkningsgrad for Rånåsfoss I og II sett under ett. Akershus Energi selger sin kraftproduksjon til Nordpool, som igjen selger videre til sine kunder. I 2011 var gjennomsnittlig spottpris på. (Nord-pool, 2012) Fra årsproduksjonen på for Rånåsfoss II tilsvarte dette en omsetning på i overkant av millioner kroner. 2

9 Fakta Eier Hoved vassdrag : Akershus Energi (datterselskap av Akershus Kraft) : Glomma vassdraget som omfatter vassdraget i Østfold, Akershus, Hedmark, Oppland og Sør-Trøndelag Drift satt : LRV : HRV : Utkast : Brutto fallhøyde : Installasjon : Aggregat G7 : vertikal kaplanturbin Årsproduksjon : 3

10 3 Teori PID-regulatoren 3.1 Virkemåte PID-regulatorens funksjon i et system er å holde prosessen stabil selv ved forstyrrelser utenifra. Dette gjøres med en tilbakekobling som vist i figur 3.1. Verdien av utsignalet til prosessen, trekkes fra som er settpunktet. Avviket som defineres som, blir så lest inn i regulatoren. Denne foretar nødvendige justeringer på pådraget. Signalet sendes til prosessen og skal motvirke forstyrrelser. Regulatoren har flere parametere som kan justeres. Ved feil innstilling av disse verdiene kan regulatoren gjøre systemet ustabilt, og det er derfor viktig med en grundig analyse av prosessen før verdiene settes. (Åström & Hägglund, 1994, kap. 3) Figur 3.1 Kobling for PID kontroller (Haugen, 2004, s.24) En standard matematisk framstilling av en PID-kontroller er beskrevet i formel 1. ( ) ( ( ) ( ) ( ) ) (1) I formel 3.1 inngår regulering parameterne K p, T i og T d, hvor K p er proporsjonalt pådrag. Det proporsjonale leddet fører til hurtigere regulering ved. T i er integraltiden som blir justert med hensyn på tiden det tar å regulere prosessen til settpunktet. Ved stort sprik mellom gjeldende verdi og settpunktet vil I-leddet gi et stort pådrag. Når gjeldene y-verdi nærmer seg settpunktet vil pådraget fra I-leddet minske. Dette har sammenheng med at I-leddet er proporsjonalt med arealet under avviket. T d er derivatdelen av kontrolleren, den forholder seg til avviket. Derivatoren er godt egnet for å takle raske endringer. Et problem med derivatleddet er at høyfrekvente forstyrrelser på målesløyfen kan føre til unødvendig regulering og slitasje på utstyret. Ved systemer som responderer tregt løses dette ved å sette T d = 0 og bruke regulatoren kun som en PIregulator. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007) 4

11 3.2 Innstilling av PID-regulatoren For at en PID-regulator skal fungere riktig er det viktig at parameterne er riktig innstilt. Det finnes en rekke forskjellige metoder for å finne disse parameterne. Mange av metodene er videreutviklinger fra andre, og inneholder derfor mange av de samme egenskapene. De forskjellige metodene fungerer i forskjellige systemer, og for å oppnå et godt resultat må riktig metode velges. To mye brukte innstillingsmetoder av PID-regulatorer er Ziegler-Nichols luket-sløyfe- og åpen-sløyfe-metode, som har eksistert siden 1940-tallet. Disse var de første pålitelige metodene for innstilling av PID-regulatorer, og har derfor hatt stor innflytelse i reguleringsteknikken. Begge metodene er i stor grad fortsatt benyttet, enten i sin opprinnelige form, eller i modifiserte utgaver. (Åström & Hägglund, 1994, kap. 4) Ziegler-Nichols Ultimate Gain Ved Ziegler-Nichols Ultimate Gain-metode (også kalt lukket-sløyfe-metode), stilles regulatoren i manuell modus. Så justeres pådraget manuelt slik at prosessen er nær et ønsket arbeidspunkt. Deretter settes regulatoren i automatisk modus, som fører til at sløyfen er lukket. For at metoden skal fungere starter man kun med en P-regulator med innstillingene og. K p stilles slik at systemet er stabilt. Når systemet er stabilt, økes settpunktet med, for å oppnå en respons i systemet. K p økes til det oppstår en vedvarende svingning. Denne verdien av K p kalles kritisk forsterkning K pk. Periodetiden til svingningen T pk er kritisk periode. Når disse verdiene er funnet, beregnes regulatorparameterne utfra formelverket til Ziegler-Nichols lukket-sløyfemetode som presenteres i tabell 3.1. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007) Tabell 3.1 Formler for Ziegler-Nichols lukket-sløyfe-metode. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007) K p T i T d P-regulator 0,5 K pk 0 PI-regulator 0,45 K pk 0 PID-regulator 0,6 K pk 5

12 En av fordelene ved denne metoden er at regulatoren står i automatisk modus. Dette er den tilstanden den vil stå i ved normal drift, og kan derfor være mer nøyaktig enn Ziegler-Nichols andre metode som baserer seg på en åpen sløyfe, altså en prosess der regulatoren står i manuell under innstillingen. En av de større ulempene ved denne metoden oppstår ved trege systemer. Hvis systemet bruker lang tid på å respondere kan det være tidkrevende å finne en K p som gir vedvarende svingninger. (Haugen, 2010) Ziegler-Nichols åpen-sløyfe-metode Ved Ziegler-Nichols 2. metode, kalt åpen-sløyfe-metode eller steg-respons-metoden, benyttes ikke K p i beregningene. Dette fører til at innstillingen kan gå raskere. Som ved Ziegler-Nichols Ultimate Gain-metode stilles regulatoren i manuell modus, med bare P- komponenten aktiv, og prosessen bringes manuelt til arbeidspunktet. Når prosessen ligger stabilt ved arbeidspunktet, legges en verdi kalt U på settpunktet til prosessen. Haugen skriver i sin artikkel Zn Open Loop Method, at en god verdi for U ligger rundt av det opprinnelige settpunktet. Istedenfor å finne en K p som gir vedvarende svingninger, avleses systemets tidsforsinkelse L og vinkelen til den bratteste tangenten R, som vist i figur 3.2. Figur 3.2 L og R ved sprangrespons. (Haugen, 2010) 6

13 Regulatorparameterne beregnes så fra formelverket til Ziegler-Nichols, presentert i tabell 3.2, for åpen-sløyfe-metode. Tabell 3.2 Formler for beregning av Ziegler-Nichols åpen-sløyfe metode. (Haugen, 2010) K p T i T d P-regulator 0 PI-regulator 0 PID-regulator Åpen-sløyfe metoden blir mindre brukt da den ofte gir en uhensiktsmessig stor K p. (Haugen, 2010) Ziegler-Nichols metoder har blitt videreutviklet i senere tid, og en rekke andre metoder for innstillinger baserer seg derfor på disse grunnprinsippene. En av disse er Skogestads metode Skogestads metode Skogestads metode har blitt utviklet av professor Sigurd Skogestad ved NTNU. Metoden baserer seg på Ziegler-Nichols Ultimate Gain-metode. Forskjellen mellom disse er at Skogestads metode er en modellbasert utgave av Ziegler-Nichols og passer derfor til anlegg som er i drift. Professor Skogestad metode ser på hurtigheten til reguleringssystemet i form av systemets responstid T c i en gitt sprangrespons. Sprangresponsen oppnås ved for eksempel å øke settpunkt-verdien i systemet, som i eksempel vist i figur 3.3. For å få bedre resultater settes tidsforsinkelsen τ lik responstiden T c, som vist i formel 2. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007) 7

14 Figur 3.3 viser beregning av Tc. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007) (2) Når T c er funnet kan parameterne beregnes fra formelverket som vist i tabell 3.3. Tabell 3.3 viser Skogestads formler for innstilling av PI(D)-regulator. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007) Prosesstype (ekskl. tidsfors.) ( ) ( ) Integrator ( ) Tidskonstant ( ) Integrator + tidskonstant ( ) ( ) To tidskonstanter ( )( ) ( ) ( ) 0 [ ( )] 0 ( ) [ ( )] Kommentarer til tabell 3.3, gir en hurtigere kompensering for forstyrrelser i prosessen., gir en treg kompensering for forstyrrelser i prosessen. er den største tidskonstant og er den minste tidskonstanten i prosessen. (Artikkelserien Reguleringsteknikk, 2007) 8

15 4 Forsøk på Rånåsfoss II Det har blitt gjennomført tre forsøk på reguleringssystemet for å innhente informasjon om anleggets responstid og tidskonstanter. Testingen begrenset seg til aggregat 7 (G7) og transformator 7 (T7). Gjennomføring av forsøket ble foretatt ved bruk av Skogestads metode. Denne metoden er en modellbasert metode og ble benyttet siden kjølesystemet på Rånåsfoss II var under drift og er et tregt system. Som nevnt i avsnitt 3.2.3, baserer denne metoden seg på Ziegler-Nichols metoden. I motsetning til Ziegler-Nichols metode har Skogestads metode en annen fremgangsmåte for gjennomføring av forsøket. Alle klokkeslett beskrevet i forsøket er UTC+2 der ikke annet er oppgitt. Dette er for å unngå forveksling da stasjonsmaskin som fører logger følger UTC+1. Testprosedyren for innhenting av verdier for prosessen er som følger: 1. Notere innstillinger for parametere og konstanter for PI(D)-regulatoren. Sørge for at måleverdier logges. 2. Forandre settpunktet for prosessen (opp/ned). 3. Fra logg observeres systemets responstid og tidsforsinkelse. 4. Benytte avlest måledata for beregning av parametere til PI(D)-regulatoren. 5. Flere forsøk er ønskelig for å kartlegge hvordan systemet reagerer ved varierende driftsforhold. Risikovurdering I samråd med Voith ble det utført en risikovurdering for forsøkene. Denne tar for seg tre aktuelle punkter som vil være kjernen i risikovurderingen. 1. Hva kan gå galt? I. G7 og T7 kan nå sine varseltemperaturer og deretter sine alarmtemperaturer II. Redusert kraftproduksjon og i ytterste tilfelle driftsstans 2. Tiltak som for å hindre driftsstans I. Konstant overvåking av driftstemperaturer og justering av settpunkter slik at akseptabel avstand fra varseltemperaturer ble oppnådd II. Ved endring av verdier skal endringen være så liten som mulig, men tilstrekkelig for observerbar respons for prosessen 3. Tiltak ved fare for driftsstans I. Åpne strupeventiler maksimalt II. Justere ned produksjonen for å minske varmetapene En oversikt av risikovurderingen for forsøket er vist i vedlegg 1. 9

16 4.1 Forsøk torsdag 12. April I systemet lå det visse begrensninger. På grunn av høyt trykk i rørsystemet var justeringen av kjølesystemet til aggregatet begrenset innenfor og for transformatoren Forberedelser 1. Forsøket ble planlagt i henhold til testprosedyren beskrevet i avsnitt Voith Hydro og Akershus Energi ble underrettet om forsøksforløpet. 3. Kontaktperson i Akershus Energi, Rollo Ersdal, ble kontaktet på e-post for innhenting av følgende tekniske data: a. Datablad for varmevekslere b. Massestrøm til olje og kjølevann c. Plassering av termostater for inn- og ut-temperaturer d. Merkeskilt til G7 og T Forventet resultat 1. Det var forventet temperaturendringer i G7, T7 og endring av åpningsnivå til strupeventiler. Det ble også forventet observasjon på responstid og tidsforsinkelse for G7 og T7, ved endringen av settpunktene. 2. Det var forutsatt at innhenting av teknisk data som nevnt i avsnitt ville bli uproblematisk Utførelse Forsøk på G7 1. Innstilte parametere og tidskonstanter på PI-regulator for G7: K P : T i : T d : Bruker PI-regulator, dvs. derivat tid lik 0 Samplingstid : Strupeventil : Justeres mellom Driftseffekt G7 : + Ved forsøksstart ble driftstemperaturen observert til åpen., og strupeventilen var 10

17 2. Endring og observasjon Settpunkt : Endret fra til Strupeventil : Observert fra til 3. Observasjonen av temperaturendring ble gjort ved hjelp av overvåkingsskjermer på kontrollrommet, og ble logget for videre beregninger. Forsøk på T7 1. Innstilte parametere og tidskonstanter på PI-regulator for T7. K P : T i : T d : Bruker PI-regulator, dvs. derivat tid lik 0 Samplingstid : Strupeventil : Justeres mellom åpning Driftseffekt : (T7 og G7 har tilsvarende effekt) Ved forsøksstart ble driftstemperaturen observert til, og strupeventilen var åpen. 2. Endring og observasjon Settpunkt : Endret fra til Strupeventil : Observert fra til 3. Observasjonen av temperaturendring ble gjort ved hjelp av overvåkingsskjermer på kontrollrommet, og ble logget for videre beregninger. Innhenting av tekniskdata Innhenting av tekniskdata som nevnt i avsnitt 4.1.1, foregikk ved hjelp av merkeskiltene til forskjellige anleggskomponentene og strømningsmålere på kjølesystemet der dette var tilgjengelig. En del av de tekniskdataene for komponentene var ikke mulig å oppdrive Sluttresultat Sluttresultat for G7 Forventet observasjon er nærmere beskrevet i avsnitt Forsøk startet : 12. april 2012 kl. 13:20 Forsøk avsluttet : 13. april 2012 kl. 08:00 11

18 :00:00: :56:20: :52:40: :49:00: :45:20: :41:40: :38:00: :34:20: :30:40: :27:00: :23:20: :19:40: :16:00: :12:20: :08:40: :05:00: :01:20: :57:40: :54:00: :50:20: :46:40: :43:00: :39:20: :35:40: :32:00: :28:20:000 Endring av temperatur Forventet temperatur : For at ønsket temperatur skulle forekomme, måtte PI-regulatoren redusere ventilåpningen. Grunnet treghet i systemets responstid var denne prosessen tidskrevende. I samråd med Voith Hydro og Akershus Energi ble forsøket avsluttes klokken 08:00 påfølgende dag. Med dette ble det gitt tilstrekkelig tid til å observere anleggets reaksjon. Forsøksresultatet ble loggført og innhentet etter avsluttet forsøk fredag 13.april klokken 08: AGG7_T03_05 Kald luft kjøler [⁰C] AGG7_T03_12 Varm luft kjøler [⁰C] RANAS2_FEAN_M01_0 2 Effekt [MW] Figur 4.1 viser logg for forsøk på Rånåsfoss II. Tidsakse viser UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Logg for forsøket er presentert i figur 4.1. Fra loggen observeres det at ønsket resultat ikke ble oppnådd i forsøksperioden. Selv om ventilåpningen er blitt redusert fra til, økte aggregattemperaturen ikke som ønsket, men ble derimot redusert. Starttemperatur på ble redusert til avlest klokken 08:00. Endring av ventilåpning Ved settpunkt på observeres ventilåpningen til 100 %. Ved økning av settpunkt strupes ventilen til åpning. Dette ble observert ved hjelp av PLS-overvåking. En slik reaksjon var forventet siden det var ønsket en økning i temperatur, det vil si redusert kjøling. Sluttresultat for T7 Forventet observasjon er nærmere beskrevet i avsnitt Forsøk startet : 12. april 2012 kl. 14:47 Forsøk avsluttet : 13. april 2012 kl. 08:00 12

19 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :28 Endring av temperatur Forventet temperatur : For å oppnå ønsket temperatur måtte PI-regulatoren øke pådraget av kjølevann. I likhet med aggregatet var dette også en tidskrevende prosess, så forsøkene ble avsluttet samtidig klokken 08:00 påfølgende dag. Med dette ble det gitt tilstrekkelig tid til å observere anleggets reaksjon. 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 RANAS2_FEAN_M01_02 Effekt RANAS2_FEAN_T01_01 Viklingstemp RANAS2_FEAN_T01_03 Vanntemp inn Figur 4.2 viser logg for forsøk på Rånåsfoss II. Tidsakse viser UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Figur 4.2 viser at ønsket resultat ikke ble oppnådd i løpet av forsøksperioden. Selv om ventilåpningen økte fra til, ble ikke ønsket temperatur på oppnådd. Starttemperaturen på ble redusert til som var ønsket retning, men ikke tilstrekkelig. Endring av ventilåpning Ved settpunkt ble strupeventilen observert til. Da settpunktet ble senket økte strupeventilen pådraget til. Dette var en forventet reaksjon for å oppnå økt kjøling av transformatoren. Innhenting av tekniskdata a. Data for varmevekslerne G7 og T7 Type : RCP-R R.H (vann luft) Serie nr. : A-7 Effekt : Vannmengde : Tørrvekt : Produksjonsår :

20 Type : OWKL 160 (Vann-olje) Kjøleeffekt : Oljemengde : Vannmengde : Tørrvekt : Produksjonsår : 1982 b. Massestrøm til G7 og T7 Kjølevann G7 : Kjølevann T7 : c. Plassering av termostater for inn- og ut-temperaturer G7 og T7 Termostat for inn-temp. (T03_14) (kaldt kjølevann) Termostat for ut-temp. (T03_15) (varmt kjølevann) : plassert ved hovedinntak etter pumper : plassert etter varmevekslere i generatorgruben Termostat for ut-temp. (T03_04 og T03_10) (kald luft) : plassert på luft utstrømning på varmeveksler Termostat for ut temp. (T03_12 og T03_13) (varm luft) : en stk. på hver side av generatoren d. Merkeskilt for G7 og T7 G7 Nr. : S (ytelse) : Generator spenning : Effekt faktor : Bygge år : 1982 Normer : NEN Kobling : Y Nominell turtall : T7 Type : TKTOK-0 Fabr.nr : Bygge år : 1982 S(ytelse) : Kjøling : OFWF+OFAF Omsetning : Frekvens : Koblingsgruppe : YNd5 14

21 Totalvekt : Olje-vekt : Konklusjon Hensikten med forsøket var å innhente informasjon om anleggets responstid og tidsforsinkelse. På bakgrunn av dette skal PI-regulatorens parametere kunne beregnes slik at en optimal regulering av anlegget oppnås. På grunn av anleggets store masse skjedde alle endringer i temperaturen langsomt, og forsøket var tidskrevende. Forsøkets resultat ble ikke som forventet da ønsket resultat ikke ble oppnådd. Derfor kunne ikke resultatene fra dette forsøket brukes for gode beregning av parametere for PI-regulatoren. Årsaken til forsøkets utfall kan skyldes flere faktorer. For eksempel endringer av inntemperaturen til kjølevannet og variabel last i perioden for forsøket. Loggen til kjølevannstemperaturen ble undersøkt og det konkluderes med at det var for liten variasjon til at dette skal ha noen betydelig innvirkning for forsøkets utfall. Fra loggen figur 4.2, ble det observert et lastavslag på cirka i forkant av forsøket. På grunn av anleggets tidsforsinkelse utgjorde dette forstyrrelser i startfasen av forsøket. Dette utslaget ble målt i form av reduksjon på G7 og T7. En annen problemstilling som ble diskutert i etterkant i samråd med Voith Hydro, er om ventilene har åpnet/lukket ved endring av settpunkt. Da elektronikken i ventilene tidligere har tidligere, kunne dette har skjedd igjen. Denne problemstillingen ble først tatt opp etter endt forsøk, og ble dermed ikke verifiseres under forsøket. Det ble konkludert med at dette skulle undersøkes ved neste forsøk. På bakgrunn av første forsøk på anlegget kunne det ikke konkluderes noe om anleggets responstid og tidsforsinkelse. Parametere for reguleringens PI-regulator kunne derfor ikke beregnes. 4.2 Forsøk onsdag 25. april Testprosedyre 1. Noterte parametere og konstanter som PI(D)-regulatoren var innstilt på under forsøket 2. Settpunktet ble endret til ønsket verdi for G7 og T7 3. Observerte og noterte systemets respons fra loggen 4. Benyttet avlest måledata for beregning av PI(D)-regulator parametere 15

22 4.2.1 Forberedelse 1. Testprosedyre som ble brukt er nærmere beskrevet i avsnitt Risikovurdering for forsøket er nærmere beskrevet i avsnitt 4 3. Voith Hydro og Akershus Energi ble kontaktet om testprosedyren og hva som skulle utføres Forventet resultat Det var forventet temperaturendringer i G7 og T7, da settpunktet- og pådraget ble endret. Parametere for PI-regulatoren var forventet å kunne beregnes ut i fra denne informasjonen Utførelse Forsøk på G7 1. Innstilte parametere og tidskonstanter på PI-regulator for G7: K P : T i : T d : Bruker PI-regulator, dvs. derivat tid lik 0 Samplingstid : Strupeventil : Justeres mellom Driftseffekt G7 : + Ved forsøkstart ble driftstemperatur observert til, og strupeventilen var åpen. 2. Endring og observasjon Settpunkt : Endret fra til Strupeventil : Observert fra 3. Observasjonen av temperaturendring ble gjort ved hjelp av overvåkingsskjermer på kontrollrommet, og ble logget for videre beregninger. Forsøket ble avsluttet klokken 14:00. På dette tidspunktet hadde aggregattemperaturen stabilisert seg. I samråd med Voith Hydro ble det besluttet at settpunktet for temperaturene skulle settes tilbake til opprinnelig verdi. Endringer etter klokken 14:00 fremkommer i logg for aggregatet. 16

23 Forsøk på transformator T7 1. Innstilte parametere og tidskonstanter på PI-regulator for T7. K P : T i : T d : Bruker PI-regulator, dvs. derivat tid lik 0 Samplingstid : Strupeventil : Justeres mellom åpning Driftseffekt : (T7 og G7 har tilsvarende effekt) Ved forsøksstart ble driftstemperaturen observert til, og strupeventilen var åpen. 2. Endring og observasjon Settpunkt : Observeres til 40 o C (dette settpunktet ble ikke endret etter ønske fra kunde) 3. Observasjonen av temperaturendring ble gjort ved hjelp av overvåkingsskjermer på kontrollrommet, og ble logget for videre beregninger Sluttresultat Sluttresultat for G7 Forventet resultat er nærmere beskrevet i avsnitt Forsøk startet : 25.april 2012 klokken 10:00 Forsøk avsluttet : 25.april 2012 klokken 14:00 Endring av temperatur Forsøk startet i samarbeid med Voith Hydro og Akershus Energi. Forventet aggregattemperatur var etter ønsket innstiltnivå. Siden tidligere innstilt temperatur var høyere måtte pådraget av kjølevannet økes for å oppnå mer kjøling. Figur 4.3 viser logg for forsøket. 17

24 :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: RANAS2_FEAN_M01_02 Effekt Snitt Kaldt Snitt Varmt AGG7_T03_14 Kjølevann inn Figur 4.3 viser logg for forsøk på Rånåsfoss II hentet fra systemets overvåking. Tidsakse viser UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Fra loggen ble det observert at temperaturen synker fra til rundt en time etter forsøkstart for varmluft ut av aggregatet (snitt varmt). Denne holder seg så stabil frem til klokken 14:00. Fra klokken 14:00 ble settpunktet til regulatoren endret til opprinnelig verdi. Tiden anlegget bruker på å stabilisere seg rundt det opprinnelige settpunktet ble også regnet som en del av forsøket. Det ble innhentet logg for forsøket og for perioden etter settpunktet ble tilbakestilt. Dette blir vist i figur 4.3. Under forsøket ble det også avlest temperaturer manuelt fra styreboksen ved generatoren da disse har en høyere oppløsning på måleverdiene. Disse temperaturene ble notert og grafen for disse vises i figur 4.4. Snitt Varm 39,20 39,00 38,80 38,60 38,40 38,20 38,00 37, Snitt Varm Figur 4.4 viser logg fra manuell avleste temperaturer for generator G7. x-akse viser tid i minutter fra start klokken 10:00 UTC+2 18

25 Fra loggen kan det ses at temperaturen til varmluften faller mellom klokken 10:00 (0 på x- akse) og rundt klokken 13:33 (213 på x-akse), etter endringen av settpunktet fra til. Fra grafen observeres det også at temperaturen stiger etter klokken 14:04 (244 på x- aksen). Sammenlignes figur 4.3 og figur 4.4 kan det ses at det er minimalt variasjon mellom PLS-overvåkingen og de manuelt avleste temperaturene. På grunn av høyere oppløsning på måleverdiene fanger figur 4.4 bedre små forandringer som oppstår. Fra loggene ble det observert at temperaturendringen ikke var voldsom, og førte til at identifiseringen av anlegget ikke var optimal. Endring av ventilåpning Ventilåpningen ble observert endret til maksimalåpning. Da settpunktet til PI-regulatoren ble tilbakestilt til opprinnelig verdi på, ble det observert at strupeventilen reduserte åpningen til. Sluttresultat for transformator 7 Forventet resultat er nærmere beskrevet i avsnitt Forsøk startet : 25.april 2012 kl. 10:00 Forsøk avsluttet : 25.april 2012 kl. 14:00 Endring av temperatur Forsøket på T7 ble ikke gjennomført som beskrevet i testprosedyren etter ønske fra Akershus Energi. Dette medførte at identifiseringen av transformatoren var avhengig en tilstrekkelig temperaturendring i løpet av døgnet. Logg av dette er innhentet og vist i figur

26 :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: :00:00: RANAS2_FEAN_M01_02 Effekt RANAS2_FEAN_T01_01 Viklingstemp RANAS2_FEAN_T01_03 Kjølevann inn Figur 4.5 viser logg over transformator 7 i tidsrommet kl. 08:00 25.april til 08:00 26.april. Tidsakse viser UTC+1 (Voith Hydro, 2012) Fra overvåkingsgrafen vist i figur 4.5 observeres det temperaturstigning fra til etterfulgt av et temperaturfall. Tidsperioden for temperaturendringene er fra klokken 09:30 til 01:40. Temperaturøkningen på skjer over 6,5 timer, mens temperaturfallet på skjer over rundt 5,5 timer. 20

27 Ser man på effektproduksjonen fra G7 i denne perioden kan man se at effekten varierer opp og ned tilnærmet i området før og etter maksimal temperatur oppnås. Fra loggen til kjølevannet kan det ses at denne ligger uendret på gjennom hele tidsperioden. Kan gå ut ifra at effekten og kjølevann inn er tilnærmet lik i perioden for temperaturendringene. Endring av ventilåpning Ventilåpningen endres ikke. Dette kommer av kunde ikke ønsket noe forsøk på transformator T7. Denne observeres til 30 % åpning i perioden klokken 10:00 til 14:00, det er under denne tiden gruppen oppholder seg på anlegget. Logging av ventilåpning lagres ikke og er dermed utilgjengelig for innhenting Konklusjon Som foregående forsøk er hensikten å innhente informasjon om anleggets responstid og tidsforsinkelse. På bakgrunn av dette skal PI-regulatorens parametere kunne beregnes slik at en optimal regulering av anlegget oppnås. Pga. anleggets store masse er forsøk tidskrevende og vil ha lang tidsforsinkelse. Siden prosjektgruppen har begrenset oppholdstid på Rånåsfoss II, er dette blitt løst ved å hente logg for et døgn. På denne måten kan anlegget observeres over en lengre tidsaspekt enn bare når gruppen oppholder seg på anlegget. Forsøksresultatet er som forventet resultat hvor vi oppnår temperatur endringer i en tidsperiode. På bakgrunn av forsøksresultater kan gruppen identifisere anleggets responstid og tidsforsinkelse til en viss grad. Dvs. ved gjennomført forsøk har ikke innstilt settpunkt temperatur blitt oppnådd. Det oppstår et avvik på for aggregat G7 og et avvik på for transformator T7 fra innstilt ønsket settpunkt temperatur. Dette medfører at identifisering av anlegget er ikke etter optimalt nivå, men vil være en ganske bra tilnærming av optimalresultat. 21

28 5 Beregninger 5.1 Beregning av massestrøm Avledet varme (energitransport) fra trafo, generatorvikling og bærelager er avhengig av virkningsgrad til varmevekslerne og massestrømmen til kjølevannet. Tall for kjølingen av anlegget er oppgitte tall i liter per sekund fra oppdragsgiver. Disse er omgjort til massestrøm kilogram per sekund for å passe inn i beregningene. Formler og metoder er hentet fra læreboken Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences (Cengel, Turner og Cimbala). 5.2 Kjøleanlegget Kjølevannet hentes fra Glomma via et 200 mm rør og føres inn i kjølesystemet via to kjølepumper. Disse arbeider hver for seg og fungerer kun som reserve for hverandre. Temperaturen på vannet ved inntaket blir avlest og logget. Transformatorens varevekslere tilføres 7,8 liter vann per sekund via et 50 mm rør og har en egen strupeventil som kan reguleres i området prosent gjennomstrøm. Kjølevannets inn-temperatur (FEAN_T01_03) og viklingstemperaturen (FEAN_T01_01) logges, mens det kun er mulighet for avlesing av temperaturen på oppvarmet vann ut av varmeveksleren. 12 antall aggregatet, hver på 81 kw, med total kjøleeffekt på 972 kw sørger for kjøling av generatoren og mates med 40 liter per sekund via et 150 mm rør. Det er en egen strupeventil med reguleringsområde prosent for regulering av gjennomstrømmen. Temperaturen til kjølevannet inn (T03_14) og ut (T03_15) av vann/luft-varmeveksleren logges sammen med luften før (T03_05) og etter (T03_12) varmeveksleren. Det er tatt utgangspunkt i at generatoren avgir rundt to prosent tap i form av varme. Dette stemmer også fra med beregninger av opptatt energi på kjølevannet inn og ut av varmeveksleren Temperaturen på bærelager og øvre styrelager blir logget av temperaturføler T02_02 og T02_04. Disse har varsling på og utkobling ved. Kjølevannet til disse mates med 3,6 liter per sekund via et 80 mm rør. 5.3 Varmevekslere Varmevekslere er en innretning der to masser i bevegelse utveksler varme uten å blandes. I anlegget som skal reguleres er varmeveksleren til aggregatet av typen vann til luft, mens varmeveksleren til trafo og bærelager er vann til olje. Varme blir overført fra den varme massen til den kalde. Varmeoverføring innebærer konveksjon i hver masse og varmeledning gjennom medieskillene. Ved analyse av varmevekslere er det passende å benytte en samlet varmeoverføringskoeffisient U som tar for seg alle faktorer som påvirker prosessen. Denne 22

29 vil normalt være [ ] for vann til olje og [ ] for vann til luft. Generelt eksempel på beregninger gjort på en olje/vann-varmeveksler. Her blir oljen kjølt ned av vannet i varmeveksleren med oppgitte areal- og U-verdier. Det er ønskelig å holde oljetemperaturen innenfor en idealverdi. Det forutsettes at termodynamikkens første lov gjelder for systemet, det innebærer at all varme overført fra det varme mediet blir tatt opp i det kalde mediet. Tapene fra varmeveksleren er lave slik at disse kan neglisjeres. Vannet er det kalde mediet og oljen er det varme mediet, og de spesifikke varmekoeffisientene er [ ] og [ ]. Formel X.X og X.X viser varmeoverføringsraten ; ( ) (X.X) ( ) (X.X) Bruker ε-ntu metoden referert til i CT for beregninger. Første trinn er å bestemme varmekapasiteten til det varme og det kalde mediet for å finne laveste verdi. Må vite massestrømmen [ ] til begge mediene, samt inntemperaturene på vannet og oljen. 5.4 Beregninger for simulering av oppvarming av generator Tar utgangspunkt i at generatoren veier 10 tonn ( kg) og består av 30 prosent kopper og 70 prosent stål. Bruker logging av kjølevann og effekt fra kl. 05:52, effektuttak på 42 MW og kjølevannet ved 100 prosent gjennomstrøm forandres fra 8 til 15. Antar at ved dette effektuttaket er varmetapet til generatoren lik kjøleeffekten til varmeveksleren slik at temperaturen på generatoren holdes konstant på 42. Vet ikke massestrømmen til luften gjennom varmeveksleren, kun temperaturen på varm og kald luft, men benytter effekten til kjølevannet og antar 50 prosent virkningsgrad på varmeveksleren. Ved en struping av kjølevannet til 20 prosent skal temperaturen på generatoren økes til 45. Vannkjølingen fra 100 til 20 prosent gjennomstrøm tilsvarer en reduksjon på massestrømmen fra 40 til 8 kg/s. Antar at generatoren holdt jevn temperatur på 42 ved 100 prosent gjennomstrøm, og at temperaturen vil øke når effekten til nedkjøling reduseres. Formel (X.X) og (X.X) viser kjøleeffekten til varmeveksleren ved 100 og 20 prosent gjennomstrøm. ( ) ( ) [ ] (X.X) 23

30 ( ) ( ) [ ] (X.X) Formel (X.X) finner differansen mellom tapet i generatoren og kjøleeffekten til varmeveksleren. Overskuddseffekten går til oppvarming av generatoren; [ ] (X.X) Formel (X.X) beregner tiden det tar å forandre temperaturen på generatoren tre grader med denne effekten: ( [ ] [ ] [ ] [ ]) ( [ ]) [ ] [ ] (X.X) ( ) ( ) [ ] Under normal drift vil produksjonen fra generatoren normalt variere mellom 35 til 40 MW. En endring på 5 MW ved to prosent tap tilsvarer en endring på 100 kw i generert varme. Tabell (X.X) viser spesifikke varmekapasiteter [ generatoren (HM, 1999): ] gjeldende for kjølinga av Jern/stål: 0,460 Kopper: 0,385 Luft: 1,007 Vann: 4, Beregninger for simulering av oppvarming av transformatoren Tar utgangspunkt i transformatorens merkeskilt. Totalvekten er kg hvorav trafooljen utgjør 9700 kg. Antar vektfordelingen mellom kjerne (trafoblekk) 50 prosent, vikling (kopper) 40 prosent og div 10 prosent (forskjellige materialer). Bruker logging fra kl.23:26, antar effekten til generator 36,4 kw er lik effekten til transformatoren, logget kjernetemperatur er 40, og kjølevannet ved 30 prosent gjennomstrøm er 12. Kjølevannet kan reguleres mellom prosent, og massestrømmen er oppgitt til 7,8 24

31 kg/s, antar at dette gjelder høyeste regulerte verdi som er 50 prosent ventilåpning. Laveste regulering er 30 prosent som utgjør da 4,7 kg/s. Anta 2 prosent tap i trafoen, dette tilsvarer 728 kw. Oppgitt settpunkt var 40 og driftstemperaturen var ved start var 39. Nytt settpunkt ble satt til 35, regulatoren økte gjennomstrømmen av kjølevannet fra prosent. Antar at trafoen holdt jevn temperatur på 39 ved 30 prosent gjennomstrøm, og at temperaturen vil synke når effekten til nedkjøling økes til 50 prosent gjennomstrøm. Formel (X.X) og (X.X) viser beregningen. ( ) ( ) [ ] (X.X) ( ) ( ) [ ] (X.X) Finner overskuddseffekten som varmer opp generatoren med formel (X.X); [ ] (X.X) Finner ut hvor lang tid det tar å varme opp generatoren tre grader med denne effekten med formel (X.X); ( [ ] [ ]) ( [ ]) [ ] [ ] (X.X) ( ) ( ) [ ] Tabell x.x - viser spesifikke varmekapasiteter [ ] gjeldende for kjølinga av generatoren (HM, 1999) Luft: 1,007 Vann: 4,180 Matr. Prosentel Vekt [kg] Sp. varmekap Trafoblekk 40 25,04 0,5 Kopper 35 21,91 0,385 Olje 15,5 9,703 2,3 Div (Stål) 9,5 5,947 0, ,6 25

32 5.6 Modulering En enkel tilnærming til et kjølesystem vil ofte være transferfunksjonen til systemet. Transferfunksjonen forteller noe om hvordan systemet reagerer ved forandring i pådrag, og brukes derfor ofte for innstilling av regulatorer. Det er flere måter å finne transferfunksjonen til et system. Hvis systemet lar seg modulere matematisk, finner man transferfunksjonen ved Laplacetransformasjon av ligningen og sette startbetingelsene til 0. (Transferfunksjoner.pdf, jobber med å finne en bedre kilde) Siden det ofte kan være problematisk å finne en god matematisk framstilling av et stort system kan en forenklet versjon av transferfunksjonen bestemmes ut fra en stegrespons. I boken Regulering av dynamiske systemer, av Finn Haugen er det i kapittel beskrevet en metode for nettopp dette. For at metoden skal fungere må forandringen i u, og tiden det tar fra forandring i pådraget til y har stabilisert seg, være logget. Som man ser fra figur x.x trekkes det en tangent i vendepunktet til kurven. Fra denne tangenten er det lett å beregne systemets tidsforsinkelse og tidskonstant. Verdien for K kan være noe mer problematisk å finne siden dette krever at u og y har samme benevning. Siden pådraget i prosessen er fra % er det naturlig at verdien av y også benevnes i %. Figur 5.1 (Regulering av dynamiske systemer 1, Haugen 1994) 26

33 Når verdiene K, τ og T er funnet kan disse brukes til å finne en tilnærmet transferfunksjon for systemet. Denne er gjerne gitt på formen: ( ) [ ] ( ) som er en første ordens system med en transport forsinkelse [Regulering av dynamiske systemer 1, Haugen 1994]. 27

34 Modulering av generatorsystemets transferfunksjon Til å bestemme transferfunksjonen for aggregatets kjølesystem brukes loggen fra forsøk foretatt Her ble pådraget senket fra 100% til 20% og responsen logget. Fra figur x.x (over) avleses τ til =82[m], T avleses til =114[m]. For å finne K må temperaturområdet for generatoren defineres. I dette tilfellet settes dette området mellom Prosessen har 2 økning altså en økning på 8% i forhold til temperatur området som ble definert over. Forholdet mellom pådrag og utgangssignalet blir da Fra formel 2 blir transferfunksjonen: [ ] Hvor T og τ er oppgitt i minutter. ( ) [ ] Fra tabell x.x (skogestads tabell) beregnes Kp og Ti. ( ) [ ] [ ( )] [ [ ] [ ] For å verifisere at parameterne gir stabilitet kan transferfunksjonen simuleres i Matlab ved >> s = zpk('s'); 28

35 >> sys = (-0.1/(114*s+1))*exp(-82*s); >> pidtool(sys) Figur 5.2 PIDTOOL Matlab Pidtool viser at systemresponsen er stabil med de verdier som er blitt beregnet. Modulering av transformatorsystemets transferfunksjon 5.7 Simulering Ved systemer som reagerer tregt kan simulering være en god metode for å se på responsen over tid. Simulerte forsøk kan også gjennomføres hurtigere, og de forskjellige variable i systemet kan reguleres fritt. Dette gjør det mulig å simulere store lastpåslag og høye inn temperaturer på kjølevannet. Ved å ha en god simulering av systemet kan generelle beregninger verifiseres slik at PI regulatoren kan innstilles riktig ved fremtidige anlegg. For å simulere brukes Matlab med tilleggspakken Simulink gjennom skolens lisenser. Simulink er et avansert simuleringsprogram som passer godt til matematiske systemer. Det er derfor viktig at den matematiske tilnærmingen er så nære det reelle systemet som mulig Det simulerte systemet baserer seg på formlene x.x og x.x (formler under Moduleringsbiten som omhandler effekter, slett dette etter formelnr er funnet), og responstiden blir beregnet ut fra reelle forsøk på anlegg. Simuleringen av varmevekslerene er basert på beregningene gjort av Skogestad i boken Prosessteknikk (2009, Kapittel 5, side 132). Simuleringsmetoden heter ε N tu -metoden og forutsetter at kjøleeffekten av varmevekslerene er kjent. Ved hjelp av formlene (5.15) (5.20) i boken kan så T luft,ut og T vann,ut beregnes. ( ) ( ) 29

36 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ( ))) ( ( )) ( ( )) ( ( )) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Det blir forutsatt at virkningsgraden på varmevekslerene er lineær og at det ikke er noe forsinkelse fra inntaket av kjølevannet til komponentene som skal kjøles. 30

37 6 Reguleringsstruktur Dette avsnittet tar for seg en vurdering av reguleringsstrukturen som benyttes på Rånåsfoss II, men også andre reguleringsstrukturer som kan benyttes for å oppnå en optimalisert regulering for anlegget. Tilbakekobling, foroverkobling og kaskadekoblingsregulering vil vurderes i forhold til Rånåsfoss II. Tilbakekoblingsprinsippet blir i dag benyttet på Rånåsfoss II. 6.1 Tilbakekoblingsregulering Tilbakekoblingsregulering (avviksstyrtregulering) metoden baserer seg på å bestemme eller beregne pådraget ut fra prosessens utgangssignal. På Rånåsfoss II er prosessens utgangssignal avlesning av temperatur for G7 og T7. Det samme gjelder for referansesignalet. Figur x1 viser en standard oppbygging struktur av en tilbakekoblingsregulering. Figur x3 viser oppbygging skjema for en tilbakekobling, produsert i Microsoft Visio. Referanse temperaturen Y SP sendes gjennom en summasjonsoperator og deretter inn i en regulator. Denne regulerer pådraget u, som justerer åpning av strupeventilen for kjølevannet. Prosessen i tilfellet Rånåsfoss II, vil inneholde strupeventilen og anleggskomponentene G7 og T7 (reguleringen for disse to er adskilt). På anleggskomponentene vil det virke forstyrrelser v, som påvirker temperaturen i prosessutgangen Y. Forstyrrelser ved Rånåsfoss II er i form av lastvariasjon og temperatur variasjon av kjølevann inn til systemet. Navnet tilbakekobling kommer av at utgangssignalet blir sendt tilbake til summasjonsoperatoren som vist i figur x1. Det målte utgangssignalet Y m, føres gjennom et måleelement (temperaturmåler), slik at denne verdien omgjøres til samme form som referansen Y SP. Summasjonsoperatorens oppgave er å beregne reguleringsavviket e, mellom 31

38 referansesignalet og utgangssignalet. Denne sendes så videre til regulatoren, denne vil da regulere pådraget hvis dette er nødvendig. Tilbakekoblingsmetoden er en effektiv og enkel metode til regulering. Dette er pga. bare et målepunkt som blir benyttet. Metoden er veldig effektivt metode for å oppnå tilfredsstillende regulering i mange forskjellige systemer. Metoden kan også være negativt ved større systemer, spesielt ved trege systemer som for eks. Rånåsfoss II. Det kommer av at bare et målepunkt som blir benyttet, men også ikke tar hensyn til de forstyrrelsene som påvirker G7 og T7. Slik at dette ikke kompenseres for under reguleringsprosessen. Dette medfører at ventilen er enten på fult/minimum-åpning. Til dette har foroverkobling-metoden, som vi skal se på nærmere senere, en veldig viktig og effektiv egenskap hvor den kan ta hensyn til forstyrrelsene som påvirker på G7 og T Foroverkoblingsregulering Det finnes to typer foroverkobling-metoder. Den første er foroverkobling fra referansen, og den andre er foroverkobling fra forstyrrelsen(e). Disse to metodene er presenter i figur x2. Metoden baserer seg på å stille inn systemets pådrag direkte fra referansens verdi eller fra forstyrrelsene som påvirker prosessen. Figur x4 viser oppbyggingen av foroverkobling fra referanse og forstyrrelsen(e) produsert i Microsoft Visio. For Rånåsfoss II vil det fokuseres på eventuell bruk av foroverkobling fra forstyrrelsen. Kan se på figur x2 for forover-koblingen fra forstyrrelsen, her ses det bort ifra foroverkoblingen fra referansen. Med denne metoden kan det konstrueres en regulering hvor det blir tatt hensyn til forstyrrelsene som påvirker G7 og T7, dette forekommer av lastvariasjon og temperaturvariasjon av kjølevann inn til systemet. 32

39 For å benytte en slik metode, forutsettes det bra kunnskap om hvordan pådraget og forstyrrelser påvirker temperaturen i G7 og T7. Innehar en denne informasjonen kan pådraget innstilles slik at vi oppnår resultatet som er ønsket. En negativ side ved bruk av foroverkobling er at det ikke klarer å se hva nivået på prosessutgangen Y, faktisk er. Foroverkobling alene vil fungere optimalt, hvis prosessen som ønskes regulert er av mindre i størrelse og responderer hurtig for endringer. For Rånåsfoss II vil foroverkobling alene, ikke fungere optimalt grunnet størrelsen og tregheten på anlegget. Et bedre alternativ er å kombinere foroverkobling med en tilbakekobling. På denne måten vil vi oppnå en regulering som tar hensyn til forstyrrelser som virker på anlegget ved hjelp av forover-koblingen, samt det tas hensyn til hva som faktisk er på prosessutgangen ved hjelp av tilbakekoblingen. Denne kombinasjonen ses det nærmere på i avsnitt Tilbakekobling kombinert med foroverkobling Som det ble nevnt i avsnitt 6.2, at forover alene ikke ville være optimalt for reguleringen for Rånåsfoss II. Tenker man på tilbakekoblingen i avsnitt 6.1, kunne det sies at metoden var en effektiv måte å regulere anlegget Rånåsfoss II på. Det negative var at reguleringen ikke var optimalt når anleggets respons var treg. Også tok ikke reguleringen på Rånåsfoss II hensyn til forstyrrelsene, noe som faktisk innvirker mye i Rånåsfoss II tilfellet. Dette kan løses ved å kombinere tilbakekoblingen med en foroverkobling fra forstyrrelsen(e). På denne måten kan pådraget kompenseres for last av/på-slag og temperaturvariasjoner av kjølevannet inn til systemet, samtidig en kobling som tar hensyn til hva som faktisk er på prosessutgangen Y. Figur x3 viser en slik kobling. Figur x5 viser en tilbakekobling kombinert med en foroverkobling fra forstyrrelsen(e), produsert i Microsoft Visio. 33