Implementatie van een controlesysteem op een experimentele ...

Implementatie van een controlesysteem op een experimentele ORC testbank

Marcio Verhulst

Promotoren: prof. Martijn van den Broek, Sergei Gusev

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica

Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014

i

Voorwoord Het schrijven van een thesis en het voltooien van de masterproef wordt door velen beschouwd als de kers op de taart van de opleiding ingenieurswetenschappen. Met dit werk kan je als individu jezelf ten volle geven en tonen uit welk hout je gesneden bent. Persoonlijk ben ik ook deze mening toegedaan en wou dan ook de uitdaging aangaan om er iets speciaals van te maken.

Zo stelde ik bijna anderhalf jaar geleden ing. Bruno Vanslambrouck, docent thermodynamica, de vraag of het mogelijk was om een masterproef af te leggen in zijn vakgebied en dit te combineren met een buitenlandse stage / ervaring. Door zijn contacten en met de hulp van dr. Michael Monte is een stage van 3 maanden binnen het Korean Institute for Energy Research in Zuid-Korea mogelijk geweest. Een onvergetelijke ervaring waarvoor ik alle betrokken mensen wil bedanken, in het bijzonder dr. Byung-Sik Peter Park, mijn mentor in KIER en Usman Aslam, Imran Muhammad en Manki Heo die met hun blijvende vriendschap de ervaring extra aangenaam maakten.

Na deze stage heeft ing. Bruno Vanslambrouck ervoor gezorgd dat ik een boeiende en uitdagende masterproef kreeg toegedeeld, voortbouwend op de opgedane ervaring in Korea. Ing. Bruno Vanslambrouck dank ik dan ook graag om deze masterproefervaring op de rails te zetten.

Een masterproef onder leiding van prof. dr. Martijn van den Broek en Ir. Sergei Gusev. Prof. dr. Martijn van den Broek wil ik dan ook in het bijzonder danken voor zijn ongelofelijke begeleiding, letterlijk dag en nacht, net als Ir. Sergei Gusev voor de steun tijdens de lange dagen in het labo.

Dit werk kon niet tot stand komen zonder de hulp van de mensen van ORCNext met in het bijzonder Andres Hernandez voor het regeltechnisch gedeelte. Verder ook een dankjewel aan ingenieurs en docenten Henk Capoen en Dieter Vandenhoeke voor hun kennis en ondersteuning bij het opbouwen van het automatiseringsgedeelte en het zoeken naar oplossingen.

U merkt wellicht: de expertise van al deze mensen hielp mij enorm om dit werk tot een goed einde te brengen. Mentale steun mag echter niet onderschat worden, steun van Lazhar Abdelli, mijn vriendin en ook mijn zus was onontbeerlijk.

Maar mijn grootste dank gaat uit naar mijn mama en papa. Zij zijn het die dit alles elke dag weer mogelijk maken.

ii

Abstract As Organic Rankine Cycle (ORC) systems are designed by means of parametric calculations and simulations, tests should be performed to check if the real setup can deliver the promised specifications. Therefore the research group ORCNext has built a test bench for ORC systems which is capable of delivering thermal oil, Therminol 66, at a maximum temperature of 350°C and with heat exchange capacity of 250kW. For the cold side a cooling loop was built with a cooling capacity of 480kW at an average coolant exchange temperature of 80°C and outside air temperature of 20°C. As this system did not meet the performance level, required for the next phase of the ORCNext project, it has been modified and rebuilt to meet the requirements once again and this has been done in such a way the system can be adapted for future needs in an easy way.

Because almost every ORC setup is customer-specific, the heat source simulator is capable of simulating a wide variety of standard load patterns such as steady state with added distortion signals, block wave functions, etc. If required, custom load patterns can easily be uploaded and simulated through the LabVIEW control application which was designed in-house. As the simulator is built to simulate even very dynamic heat sources, it is capable of making large heat supply jumps within seconds (positive and negative).

This way ORCs can be tested in both steady state and dynamic behaviour and control strategies can be designed and tested in a fast, easy manner. Considering the large amount of energy for a laboratory environment, and to ensure a stable and safe operation, a Programmable Logical Controller (PLC, in this setup a Siemens S7 1200 series) takes care of the execution of the IO from the LabVIEW control application and has built-in safety procedures.

When designing new control strategies for an ORC application, not only the heat and cold source are controlled by this LabVIEW and PLC configuration, also the ORC system is controlled by the latter, offering direct control over the various ORC components and ensuring optimal measurement data.

Another benefit of this system is the continuous safety monitoring of the components and complete system. Whilst designing a controller / control strategy, a variety of errors can occur during tests, not always keeping the ORC within its design limits. Therefore it is possible to implement an algorithm in the PLC which automatically switches to a standard controller, bringing back the ORC to a steady and safe state if the application is going out of design limits.

iii

Inhoudsopgave Voorwoord i Abstract ii Lijst van figuren v Inleiding 1 Bedrijfsvoorstelling stageplaats 3 Doelstellingen 4 1 ORC technologie 5

1.1 Inleiding --------- --------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.2 (Organische) Rankine cyclus ----------------------------------------------------------------------- 5

1.2.1 Algemeen --------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.2.2 Thermodynamische cyclus ------------------------------------------------------------------ 6 1.2.3 Organische vs klassieke Rankine Cyclus --------------------------------------------------- 7

1.3 Het werkmedium --------------------------------------------------------------------------------------- 8 1.4 Expanders ----------------------------------------------------------------------------------------------- 9 1.8 Besluit ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10

2 Voorbereidende stage bij KIER 11

2.1 Inleiding --------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.2 ORC testbanken in KIER ------------------------------------------------------------------------------- 11

2.2.1 35kWe ORC ---------------------------------------------------------------------------------------- 12 2.2.2 100kWe ORC ------------------------------------------------------------------------------------ 13

2.3 Casestudies ---------------------------------------------------------------------------------------------- 13 2.4 Verschil op vloeistofmodellen in verschillende bibliotheken ------------------------------- 13 2.5 Besluit ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 15

3 Analyse ORC testopstelling van UGent Campus Kortrijk 16

3.1 Situering --------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 3.2 Omschrijving oorspronkelijke installatie ----------------------------------------------------------- 17 3.3 Probleemstelling ---------------------------------------------------------------------------------------- 18 3.3.1 Algemeen --------------------------------------------------------------------------------------- 18 3.3.2 Warme/koude-bron simulator ------------------------------------------------------------- 19 3.3.3 ORC ----------------------------------------------------------------------------------------------- 21 3.4 Besluit ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 22

Inhoudsopgave iv

4 Dimensionering en implementatie nieuw systeem 23

4.1 Situering -------------------------------------------------------------------------------------------------- 23 4.2 Ontwerp PLC systeem --------------------------------------------------------------------------------- 23

4.2.1 Algemeen ----------------------------------------------------------------------------------------- 23 4.2.2 Warme/koude-bron simulator -------------------------------------------------------------- 25 4.2.3 ORC ------------------------------------------------------------------------------------------------ 26

4.3 Industriële netwerken -------------------------------------------------------------------------------- 27 4.3.1 Profibus DP --------------------------------------------------------------------------------------- 27 4.3.2 Profibus PA --------------------------------------------------------------------------------------- 29 4.3.3 Modbus TCP ------------------------------------------------------------------------------------- 30

4.4 Vermogen elektronica -------------------------------------------------------------------------------- 32 4.4.1 3-fazige thyristorbrug -------------------------------------------------------------------------- 32 4.4.2 Drive ORC circulatiepomp -------------------------------------------------------------------- 34

4.5 Ontwerp en realisatie schakelkasten --------------------------------------------------------------- 34 4.6 Besluit ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 36

5 Regelkring op warmte (-en koude) bron 37

5.1 Situering -------------------------------------------------------------------------------------------------- 37 5.2 Identificatie van de parameters ------------------------------------------------------------------- 37

5.2.1 Invloed parameters op externe kringen ------------------------------------------------ 37 5.2.2 Invloed ORC parameters op externe kringen ------------------------------------------- 39

5.3 Systeemidentificatie ------------------------------------------------------------------------------------ 39 5.4 Implementatie controller ----------------------------------------------------------------------------- 40

5.4.1 Performantietests ---------------------------------------------------------------------------- 40 5.4.2 PI of PID? ---------------------------------------------------------------------------------------- 43

5.5 Besluit ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 43 6 Rudimentaire controller ORC 44

6.1 Situering -------------------------------------------------------------------------------------------------- 44 6.2 Automatische soft startup / shutdown ------------------------------------------------------------ 45 6.3 Normale werking ---------------------------------------------------------------------------------------- 46 6.4 Veiligheidsoverwegingen ----------------------------------------------------------------------------- 47

6.4.1 Noodstop Categorie 1 -------------------------------------------------------------------------- 47 6.4.2 Noodstop Categorie 0 -------------------------------------------------------------------------- 48

6.5 Principe lookup-tabel ----------------------------------------------------------------------------------- 48 6.6 Besluit ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 48

Besluit 49 Referenties 51 Bijlagen 53

v

Lijst van figuren Figuur 1: Totaal energieverbruik België 1960-2010 [2] ........................................................................................... 1

Figuur 2: Logo Korea Institute of Energy Research. ................................................................................................ 3

Figuur 3: Omzet KIER in 2012 [8]. ........................................................................................................................... 3

Figuur 4: stoomcyclus praktisch weergegeven [5]. ................................................................................................. 6

Figuur 5: Ts-diagram van water [9]. ........................................................................................................................ 7

Figuur 6: Ts-diagram van een stoomcyclus met isentrope expansie [5]. ................................................................ 7

Figuur 7: Rankine cyclus bij een nat medium (links) en een droog medium (rechts). ............................................ 8

Figuur 8: Swingcompressor. .................................................................................................................................... 9

Figuur 9: Scrollcompressor/expander. .................................................................................................................... 9

Figuur 10: tegenstroom koeltoren met geïnduceerde luchtstroom. .................................................................... 12

Figuur 11: Schema 30kWe ORC KIER en CAD model turbo-expander. Overgenomen en aangepast van [20]. ... 12

Figuur 12: Equivalent ORC-model opgesteld met Cycle-tempo. ........................................................................... 13

Figuur 13: spreiding resultaten bij verschillende massadebieten. ........................................................................ 14

Figuur 14: Ts diagramma voor R245fa volgens Stanmix en Refprop. ................................................................... 14

Figuur 15: T-s diagram R245fa, Stanmix en Refprop en gevisualiseerde ORC cyclus. ........................................... 15

Figuur 16: visuele voorstelling ORC-testopstelling. .............................................................................................. 17

Figuur 17: Schema opbouw initieel systeem. ....................................................................................................... 19

Figuur 18: Pieken in het temperatuursprofiel van de ingaande olie. .................................................................... 20

Figuur 19: uitgestuurde spanning voor één fase bij burst mode aansturing; Met Tm= modulation time, Tf = firing time en Tnf= non firing time. Overgenomen uit [22]. ........................................................................................... 20

Figuur 20: Modulatietijd in functie van uitgestuurd vermogen [22]. ................................................................... 20

Figuur 21: Visuele weergave aangestuurde componenten. ................................................................................. 21

Figuur 22: Lay-out van de ORC-installatie met bijbehorende componenten en sensoren. .................................. 22

Figuur 23: Siemens S7-1200 1215C. ...................................................................................................................... 24

Figuur 24: Uiteindelijke architectuur van het nieuwe systeem. ........................................................................... 24

Figuur 25: Siemens ET200S configuratie voor aansturing warme/koudebron. .................................................... 25

Figuur 26: signalen afkomstig van debietmeter en geijkte klok. .......................................................................... 25

Figuur 27: ET200S eiland externe kringen............................................................................................................. 26

Figuur 28: ET200S configuratie voor ORC. ............................................................................................................ 26

Figuur 29: Geïnstalleerde ET200S (ORC) en in achtergrond S7 1200 plc. ............................................................. 27

Lijst van figuren vi

Figuur 30: Profibusnetwerk met adressering. ....................................................................................................... 28

Figuur 31: Cyclisch afpollen van de slaves [28]. .................................................................................................... 28

Figuur 32: bepaling cyclustijd Profibus DP en cyclustijd PLC. ............................................................................... 29

Figuur 33: tijdelijke opstelling om Profibus PA sensoren uit te lezen. .................................................................. 30

Figuur 34: Algemene opbouw van een Modbus TCP frame [28]. ......................................................................... 30

Figuur 35: Opbouw van een Ethernet dataframe [29]. ......................................................................................... 31

Figuur 36: Capture van Wireshark op een ethernetbericht met Modbus TCP data in het dataframe. ................ 31

Figuur 37: ZyXEL USG 20W router. ........................................................................................................................ 32

Figuur 38: spanningsverloop bij zero-crossing (links) en fasesnijding (rechts) bij een gewenste vermogenuitsturing van 66.6%. ............................................................................................................................ 33

Figuur 39: Elektrisch schema thyristorsturing. ...................................................................................................... 33

Figuur 40: Gebruik van de USB interface voor de configuratie van de circulatiepompdrive. ............................... 34

Figuur 41: Koppeling van de DC-bus van de drives. .............................................................................................. 35

Figuur 42: afgewerkte schakelkast (code CA2). .................................................................................................... 35

Figuur 43: afgewerkte ORC schakelkast (Ca3). ...................................................................................................... 36

Figuur 44: Parameteridentificatie warmtebron. ................................................................................................... 38

Figuur 45: Stapresponsie warmtebron, gestuurd op verwarmingsvermogen. ..................................................... 39

Figuur 46: model gebruikt voor simulaties [33]. ................................................................................................... 40

Figuur 47: PI controller warmtebron. ................................................................................................................... 40

Figuur 48: Responsie met enkel PI regeling. ......................................................................................................... 41

Figuur 49: Volledig regelschema warmtebron. ..................................................................................................... 41

Figuur 50: verduidelijkende figuur bij regelschema. ............................................................................................. 42

Figuur 51: Resultaat na implementatie extra takken in de regelkring. ................................................................. 42

Figuur 52: Verloop opstartprocedure. .................................................................................................................. 46

Figuur 53: LabView dashboard voor ORC-metingen. ............................................................................................ 47

1

Inleiding De mens heeft sinds zijn bestaan altijd de behoefte gehad aan energie. Van de holbewoners die vuur maakten om de nacht warm door te kunnen brengen en roofdieren op een afstand te houden tot de eerste bruikbare stoommachine van James Watt maken ze allen gebruik van de primaire energievorm: warmte. Zelfs tot op vandaag vertrekt men in de klassieke krachtcentrales van energie onder de vorm van warmte om elektriciteit te produceren aan de hand van de klassieke Rankine Cyclus[1]. Deze maakt gebruik van warmte om water in de stoomfase te brengen, die dan onder hoge druk expandeert over een turbine en zo een generator aandrijft.

Het verbruik van elektriciteit neemt in België elk jaar toe (behalve lichte afname na 2007 door de kredietcrisis), wat ook te zien is in figuur 1. Het is dus zeker nuttig om elektriciteit te produceren indien mogelijk.

Figuur 1: Totaal energieverbruik België 1960-2010 [2]

Vaak zijn er in bedrijven grote energiebronnen onder de vorm van warmte voorhanden, maar deze is meestal te laag van kwaliteit ( te lage temperatuur) om nog verder te kunnen gebruiken of via een klassieke Rankine Cyclus op een rendabele manier elektriciteit te produceren. Een ORC of Organische Rankine Cyclus kan hier vaak een oplossing bieden [3].

Een ORC is qua werkingsprincipe gelijk aan de Rankine Cyclus maar met dat verschil dat het werkmedium water vervangen werd door een organische stof met (bijna altijd) een lager kookpunt dan water. Voorbeelden van dergelijke media zijn R134a, R245fa of speciaal voor ORC ontwikkelde media zoals Solkatherm. Hierdoor is het vaak geschikt om toch elektriciteit te produceren met een warmtebron op lage temperatuur [4, 5].

Hoofdstuk 0 2

Niet alleen in de industrie kan een ORC een nuttige en geld besparende technologie zijn, ook in het verhaal van groene stroomproductie kan deze iets betekenen. Zo bestaan er reeds geothermische centrales en zonnekrachtcentrales (of CSP of Concentrated Solar Power) die, als conversiecyclus om van warmte naar elektriciteit over ta gaan, een ORC gebruiken [6]. Verder zijn er ook toepassingen gekend waar ORC’s worden toegepast om het totaalrendement van bijvoorbeeld biogascentrales te verbeteren [7].

In het huidige klimaat is het belangrijk om uit te kijken en onderzoek te verrichten naar technologieën die het vraagstuk energie op een efficiëntere en groenere manier kunnen invullen. Zo heeft het ORCNext project als doelstelling ORC-technologie in al zijn facetten te doorgronden en indien mogelijk te verbeteren d.m.v. onderzoek. Onderzoek dat tot stand komt door de samenwerking tussen verschillende bedrijven en universiteiten, financieel bijgestaan door het IWT SBO programma. Meer informatie over het ORCNext project vindt u op www.ORCNext.be

In het kader van dit onderzoek werd reeds gedurende voorgaande projecten een testbank gebouwd. Door het reeds vergevorderd onderzoek zijn de tests die nu in het huidige project moeten uitgevoerd worden een stuk veeleisender en complexer dan deze uit voorgaande projecten en is een grondige ombouw van deze installatie noodzakelijk.

Hoofdstuk 0 3

Bedrijfsvoorstelling stageplaats: KIER

Figuur 2: Logo Korea Institute of Energy Research.

Het KIER of Korea Institute of Energy Research [8] is een toonaangevend onderzoekscentrum in Zuid-Korea, opgericht in 1977, met verschillende R&D afdelingen die zich focussen op zowat alles betreffende energie. In de jaren ‘80 lag de focus vooral op energieveiligheid en efficiënt gebruik van huishoudelijke energiebronnen, in 1990 op stabiele energievoorziening en verbruik met een hogere efficiëntie, vanaf 2000 vooral op klimaatsverandering en hernieuwbare energie, vandaag werkt men vooral rond de groei en verdere ontwikkeling van groene energiebronnen en aandrijvingstechnologieën. Kortom, KIER heeft reeds zowat alle energieproductieprocessen bestudeerd, behalve nucleaire energie. De Koreaanse overheid heeft zichzelf tot doel gesteld om tegen 2030 11% van de totale energievoorziening een groene oorsprong toe te kennen en de CO2 emissies met 30% te reduceren tegen 2020. KIER engageerde zich om hierin een belangrijke partnerrol te spelen en heeft de zware verantwoordelijkheid op zich genomen om geavanceerde technologieën te ontwikkelen en te onderzoeken om deze doelstellingen te halen. Om dit alles aan te kunnen heeft het KIER een team van om en bij de 350 onderzoekswetenschappers en ingenieurs, 400 master- en doctoraatsstudenten, en 50 technici en administratief personeel. In 2012 draaide het KIER een omzet van 104 miljoen euro, waarvan bijna de helft gegenereerd werd door de onderzoeksprojecten [8]. Deze omzetresultaten worden grafisch weergegeven in figuur 3.

Figuur 3: Omzet KIER in 2012 [8].

Gedurende het verblijf in KIER werd gewerkt in het team dat zich focust op het onderzoek naar ORC-technologie. De resultaten hiervan zijn terug te vinden in hoofdstuk 2. Het bewijs van deze stage is bijgevoegd in bijlage 1.

46%

49%

5%

Omzet KIER in 2012

Overheidsfinanciering

Eigen opbrengstprojecten

andere

Hoofdstuk 0 4

Doelstellingen Zoals eerder vermeld is er al een bestaande testopstelling voortkomend uit vorige projecten. Deze installatie is echter niet langer performant genoeg op het vlak van aansturing, beschikbaarheid van parameters, stabiliteit, enz. aangezien het ORCNext project veel diepgaandere en veeleisendere tests plant.

Het is de bedoeling om de bestaande testbank, omvattende een warmte – en koudebron en ORC dusdanig om te bouwen zodat deze een hoge bedrijfszekerheid heeft en een geïntegreerd systeem vormt die de veiligheid garandeert (zowel op het vlak van persoonsbeveiliging en beveiliging van de machine zelf). Het volledige systeem moet worden bestuurd vanuit een LabView-applicatie, draaiend op een laptop of PC. Samplefrequentie van de meetgegevens moet minimaal 2Hz bedragen (2 x per seconde) en de bekomen gegevens moeten synchroon worden ingelezen. Uitbreiding van het systeem, zowel de testbank als ORC, moet mogelijk zijn en de testbank moet compatibel / bruikbaar blijven om eveneens metingen op andere thermische applicaties te kunnen doen.

Op het vlak van sturing en simulatie van warmteprofielen met de warmtebron moet het mogelijk zijn om stabiele werkpunten te genereren, doch moeten dynamische warmteprofielen ook mogelijk zijn. Problemen met een niet-stabiele sturing van de warmtebron moeten aangepakt worden. Functionaliteiten van de koudebron of koelcircuit moeten behouden blijven.

De ORC is bij aanvang van de thesis nog te beschouwen als een black box waarvan de sensorwaarden via een omweg kunnen worden uitgelezen. Deze is namelijk als een out-of-the-box systeem voor eindgebruikers aangekocht en steeds zo gebruikt. Het is de bedoeling om de sturing van de ORC volledig in eigen beheer te krijgen via de LabView-applicatie en alle parameters moeten op een dynamische manier gemanipuleerd kunnen worden. Tabel 1 geeft kort alle vereisten weer die gesteld worden aan de uiteindelijke installatie.

Tabel 1: Vooropgestelde specificaties. Algemeen

- Hoge bedrijfszekerheid; - Geïntegreerde machineveiligheid; - Synchroon inlezen data; - Toegang tot alle parameters; - Besturing vanuit LabView; - Uitbreidbaar.

Testbank - Flexibel en compatibel met verschillende

testapplicaties (bv. Warmtepompen); - Generatie van dynamische warmteprofielen.

ORC - Besturing volledig in eigen beheer; - Piping eenvoudig toegankelijk; - Geschikt voor dynamische tests.

Verder moet ondersteuning worden gegeven bij het opnieuw in gebruik nemen van de installatie en moet de uiteindelijke thesis als een naslagwerk dienen van de ombouw van de installatie zodat bijvoorbeeld toekomstige nieuwe onderzoekers een beeld kunnen vormen hoe de installatie in elkaar zit.

5

Hoofdstuk 1 ORC technologie

1.1 Inleiding Door de klimaatsverandering is de mens meer en meer op zoek naar manieren om elektriciteit te produceren met hernieuwbare energiebronnen om de impact op het milieu zo klein mogelijk te maken. Zo krijgen biogascentrales en WKK toepassingen steeds meer aandacht, toch blijkt er nog ruimte voor verdere optimalisatie aangezien niet alle gegenereerde warmte wordt gebruikt. Een ORC kan soms een oplossing bieden. In deze thesis wordt de technologie slechts kort toegelicht, voor meer informatie wordt verwezen naar het resultatendossier van het eerste ORC-project aan de Hogeschool West Vlaanderen [5].

1.2 (Organische) Rankine Cyclus 1.2.1 Algemeen

Wanneer de lichten in een ruimte worden aangestoken mogen we de schotse natuurkundige William Rankine (19e eeuw) dankbaar zijn want tot op vandaag gebruiken elektriciteitscentrales de Rankine Cycle voor de opwekking van elektriciteit vanuit warmte [1]. De vier belangrijkste componenten voor dit proces zijn een ketel of boiler, een turbine of expander, een condensor en een circulatiepomp zoals in figuur 4 weergegeven [5]. Deze hebben elk hun specifieke functie in het kringproces:

- In de ketel of boiler zal water op hoge druk naar hogere temperatuur gaan en verdampen zodat hoogwaardige stoom gevormd wordt;

- De turbine of expander wordt aangedreven met de stoom afkomstig van de boiler en produceert nuttige energie;

- De condensor zal de stoom afkomstig van de turbine afkoelen en condenseren zodat het water zich opnieuw in de vloeistoffase bevindt;

- De circulatiepomp brengt het water afkomstig van de condensor weer tot op hoge druk .

Hoofdstuk 1 6

Figuur 4: stoomcyclus praktisch weergegeven [5].

Het rendement van deze cyclus wordt gegeven door:

boiler

pompander

in

inuit

QWW

QWW

warmteetoegevoegdarbeidgeleverdenetto −

=−

== exp

___η [9] (1)

Met: boilerQ : opgenomen warmte door het water in de boiler [kWh]

anderWexp : arbeid geleverd door de turbine [kWh]

pompW : energie verbruikt door de pomp [kWh]

1.2.2 Thermodynamische cyclus

Om de thermodynamische cyclus beter te kunnen begrijpen wordt eerst het Ts- diagram toegelicht waarbij:

T = temperatuur s= de entropie per massa-eenheid, een maat voor de wanorde in een systeem

We kijken eerst naar het werkmedium: water. De klokvormige curve geeft in de linkerhelft de grens aan tussen volledig in waterfase en de gedeeltelijke dampfase (co-existentiegebied) en in de rechterhelft de grens tussen het co-existentiegebied en volledige dampfase. Het punt waar deze twee curves elkaar snijden wordt het kritische punt genoemd en is het hoogste punt van de klokvormige curve. Fysisch geeft dit punt de temperatuur weer waarboven gas-en vloeistoffase niet meer te onderscheiden zijn. Deze zone staat beter bekend als de superkritische fase. Een verklarende figuur 5 op volgende pagina geeft deze zones weer op het Ts-diagram van water.

Hoofdstuk 1 7

Figuur 5: Ts-diagram van water [9].

Wanneer de stoomcyclus nu wordt getekend op het Ts-diagram voor water zoals in figuur 6 dan wordt een gesloten lus gemaakt waarbij in het ideale geval zonder rekening te houden met verliezen de geleverde nuttige arbeid van het systeem gelijk is aan de oppervlakte-integraal van de curve [9].

Figuur 6: Ts-diagram van een stoomcyclus met isentrope expansie [5].

Hoe de curve tot stand komt: [5]

A-B: Drukverhoging door de circulatiepomp.

B-C: Verhoging van de temperatuur waardoor de vloeistof opwarmt, verdampt bij constante temperatuur en oververhit. Dit oververhitten is cruciaal bij de Rankine cyclus aangezien tijdens de volgende stap, de expansie, er in de turbine geen dampdruppels mogen gevormd worden omdat deze tot schade kunnen leiden. (Expanderen in het ideale geval (isentroop) = via een rechte naar beneden gaan, dus kans om in het co-existentiegebied te komen zoals hierboven getekend).

C-D: Isentrope expansie over de turbine waardoor arbeid wordt geleverd door de turbine. In realiteit zal deze expansie niet isentroop verlopen aangezien elke expander een isentrope efficiëntie heeft kleiner dan 1. Hierdoor zal de expansie een verloop kennen met negatieve helling.

D-A: Condenseren van de stoom tot in de vloeistoffase.

1.2.3 Organische vs. Klassieke Rankine Cyclus

Principieel is er geen verschil tussen de Organische Rankine Cyclus en de klassieke, enkel het werkmedium water wordt vervangen door een organische stof met (bijna) altijd een lager kookpunt dan water. De bedoeling hiervan is om met ORC’s toch elektriciteit te kunnen maken met warmtebronnen die niet geschikt zijn voor energieproductie via de klassieke Rankine Cyclus omdat de temperaturen te laag zijn of het vermogen te klein.

Hoofdstuk 1 8

1.3 Het werkmedium Het werkmedium is een belangrijke parameter in ORC-systemen. Deze zijn meestal afgeleiden van media uit de koelindustrie en specifiek gekozen om een droog expanderend medium te zijn, dus een naar rechts hellende T-s karakteristiek te vertonen. Met de keuze van het werkmedium wordt de temperatuursrange vastgelegd waarbinnen de warmtebron zijn warmte moet afstaan. Zo is het dus mogelijk om een ORC te optimaliseren door een eerste goede keuze te maken van een geschikt medium, passend bij de karakteristieken van de warmtebron vooraleer technische optimalisaties aan de orde zijn. Dit verklaart ook de vele onderzoekspapers gericht enkel en alleen op de geschiktheid van bepaalde media voor ORC toepassingen [10]–[12].

Een goed medium voor ORC toepassingen moet aan een aantal voorwaarden voldoen:

- Droog expanderend medium De vorm van de grenskromme in het Ts-diagram moet overhellen naar rechts waardoor er bij expansie (3-4 in Figuur 7) geen gevaar is om druppelvorming te krijgen en oververhitting (3 naar 3’) zoals bij natte fluïda niet nodig is [13], [14].

Figuur 7: Rankine cyclus bij een nat medium (links) en een droog medium (rechts).

- Thermodynamische eigenschappen afgestemd op warmtebron Het kookpunt, kritisch punt, warmtecapaciteit van het medium zijn alle belangrijke parameters wanneer een keuze gemaakt wordt op vlak van medium [13],[11].

- Veiligheids-, toxiciteits- en milieuaspecten Deze zaken spreken voor zich, toch kunnen eventueel gevaarlijke stoffen gebruikt worden indien de juiste detectiesystemen en veiligheidsmaatregelen worden genomen[13]. Bepaalde organische stoffen zijn geschikt voor ORC-toepassingen maar mogen niet langer gebruikt worden door het Montreal-protocol (cf. CFK’s en HCFK’s).

- Beschikbaarheid en kostprijs Het medium moet in voldoende mate beschikbaar zijn of produceerbaar met een zo laag mogelijke productieprijs om commercialisatie mogelijk te houden.

- Niet-corrosief karakter Dit is gewenst zodat duurdere materialen om de ORC op te bouwen niet nodig zijn [13].

Vaak gebruikte fluïda voor ORC toepassingen zijn onder andere R245fa, Solkatherm (speciaal voor ORC ontwikkeld mengsel), R134a, Tolueen, isopentaan, … [15]

Hoofdstuk 1 9

1.4 Expanders Het onderdeel dat in een ORC voor de effectieve omzetting van thermische energie naar mechanische energie zorgt heet de expander omdat het medium hierover expandeert en zo energie van het medium wordt onttrokken en omgezet in mechanische energie.

Er zijn verschillende types expanders, elk met hun voordelen en nadelen. Vaak zijn de machines afgeleid van een compressor, aangepast om als expander te werken [16].

- Zuigerexpanders Wanneer de keuze valt op een zuigerexpander wordt best het principe van de vrije zuiger toegepast doordat deze minder bewegende componenten bevat en de lineaire beweging van de zuiger rechtstreeks wordt omgezet via een lineaire alternator. Deze types ontstaan wanneer de kleppen van een swingcompressor zoals weergegeven in Figuur 8 worden aangepast om in expanderende werking over te gaan. Dit type expanders wordt echter niet veel toegepast door de geringe efficiëntie van de systemen (maximaal rendement <32%) [5].

Figuur 8: Swingcompressor.

- Scrollexpanders Bij kleine machines wordt vaak gekozen voor scrollexpanders omdat deze een eenvoudige constructie kennen en een geluids- en trillingsarme werking kennen. Het rendement ligt tevens ook hoog, meer dan 70% [17]. De werking van dit type expander wordt gevisualiseerd in figuur 9. Wanneer het medium expandeert zorgt deze voor een excentrische beweging van de rotor (rood) ten opzichte van de stator (groen).

Figuur 9: Scrollcompressor/expander.

Hoofdstuk 1 10

- Schroefexpanders Dit type wordt vaak toegepast doordat schroefexpanders minder gevoelig zijn voor eventuele druppelvorming van het medium in de expander zelf. Hierdoor kunnen ze zelfs gebruikt worden in cyclussen waarbij geen oververhitting wordt toegepast en de expansie reeds start in het co-existentiegebied [18]. Deze expanders zijn ontworpen om op lagere snelheden te werken en maakt ze uitermate geschikt om rechtstreeks aan een alternator te koppelen. Deze expanders zijn vaak aangepaste compressoren waarbij vooral de smering is aangepast op dit omgekeerd gebruik.

- Turbo-expanders Dit type expander wordt gekenmerkt door een hoge efficiëntie maar is pas economisch interessant bij grotere installaties en installaties met stationaire regimes. Nadeel aan dit type expanders zijn de hoge rotatiesnelheden waardoor speciale alternatoren moeten worden gebruikt, maar deze kunnen vaak in eenzelfde hermetische omhulzing worden verwerkt waardoor kans op lekken nihil is. Een tweede nadeel is dat er steeds moet gezorgd worden voor een minimale oververhitting van het medium daar druppelvorming in de turbine nefaste gevolgen kan hebben [16].

Er bestaan uiteraard nog andere machines, voornamelijk types compressoren, die na aanpassing ook kunnen gebruikt worden als expander, voor meer informatie hierover wordt verwezen naar [5].

1.5 Besluit Een ORC laat optimalisatie op verschillende vlakken toe. Zo is er een brede keuze aan bruikbare media en worden zelfs speciale media ontwikkeld om aan de noden van de toepassing te voldoen. Wat echter vaak minder belangrijk wordt geacht, doch belangrijke componenten zijn voor de praktische realisatie van een ORC zijn de warmtewisselaars waarlangs de warmte wordt onttrokken van de warmtebron en afgestoten aan het koelsysteem. Deze componenten zullen een groot deel van de uiteindelijke productiekost vertegenwoordigen en is het dus van belang deze component zorgvuldig te dimensioneren [16]. Dit, samen met de brede keuze aan verschillende manieren van expanderen en eventuele varianten van de ORC-architectuur leidt ertoe dat onderzoek nodig is opdat de meest gunstige installatie wordt bekomen en deze technologie in de toekomst en misschien morgen al op de meest efficiënte manier elektriciteit kan produceren.

11

Hoofdstuk 2 Voorbereidende stage bij KIER

2.1 Inleiding In het kader van de masterproef werd ervoor gekozen om een buitenlandse stage af te leggen. Na overleg met de promotoren kwam het Korea Institute of Energy Research (KIER) naar voor als een geschikte plaats om al werkend in een onderzoeksteam meer ervaring op te doen met ORC-technologie en onderzoek. Door de beschermende cultuur ten opzichte van hun onderzoek, typerend voor Koreaanse instituten, bleek het vaak moeilijk om informatie te verkrijgen en bij te leren van hun diepgaand ORC onderzoek. Toch bleek deze stage interessant omdat de taak werd toegewezen om achtergrondonderzoek te verrichten op het vlak van vloeistofbibliotheken (die gebruikt worden om de thermische eigenschappen van ORC media te berekenen) en een aantal casestudies te berekenen met het oog op ORC-toepassing.

2.2 ORC testbanken in KIER

Gedurende de stage in KIER was het onderzoek op een kleine ORC testbank van 35 kW elektrisch al afgerond en waren er al papers gepubliceerd. De hoofdbedoeling van deze installatie was om vertrouwd te raken met ORC-installaties en van deze installatie te leren vooraleer een “grote” ORC te bouwen. Een tweede doel van deze opstelling is om een prototype expander, speciaal ontwikkeld voor ORC’s te testen.

De “grote” installatie met een verwachte elektrische output van 100kW is tijdens het verblijf van 3 maanden continu in opbouw geweest waardoor hiervan geen gegevens ter beschikking werden gesteld door het KIER. Toch werden enkele specialiteiten ter informatie medegedeeld.

KIER werkt samen met verschillende bedrijven om de onderzoekskosten te drukken en bedrijven zo de kans te bieden om samen met het KIER nieuwe technologieën te realiseren. Vooral op het vlak van expanders bleek deze samenwerking gunstig.

Hoofdstuk 2 12

2.2.1 35kWe ORC

Om vertrouwd te raken met deze opstelling van KIER werd de opdracht gegeven om samen met een andere student, Usman Aslam, de publicatie over deze installatie dieper te bestuderen.

De heat input wordt voorzien door een stoomcircuit, aangedreven door een gasboiler, de koeling door een koelcircuit met een tegenstroom koeltoren zoals weergegeven in figuur 10. Dit type koeltoren is voor kleinere applicaties relatief goedkoop en heeft kleine afmetingen t.o.v. hun prestaties, wat ook de keuze voor deze koeltoren motiveerde. Nadeel is wel dat er een hoeveelheid water naar de omgeving wordt gedissipeerd waardoor het systeem continu moet worden bijgevuld en indien gebruik gemaakt wordt van antivriesmiddelen zodat rekening moet gehouden worden met de omgeving en de milieuverontreiniging [19].

Figuur 10: tegenstroom koeltoren met geïnduceerde luchtstroom.

De ORC zelf werd opgebouwd volgens het schema in figuur 11. Het speciale aspect aan deze ORC-opstelling ligt vooral bij de expander: een experimentele turbine-expander ontworpen en gefabriceerd door het partnerbedrijf Jinsol Turbine. Een screenshot van het CAD-model is eveneens weergegeven in figuur 11 [20].

Met deze ORC kon de performantie van dit eerste ontwerp worden getest en de nauwkeurigheid van de ontwerpberekeningen afgetoetst aan de meetresultaten. Het werkmedium is R245fa.

Figuur 11: Schema 30kWe ORC KIER en CAD model turbo-expander. Overgenomen en aangepast van [20].

Echter bij de meetresultaten werden een aantal zaken opgemerkt: wanneer de cyclus opnieuw werd gesimuleerd aan de hand van de meetresultaten / ontwerppunten gegeven in de paper werden andere resultaten bekomen. Hierop dieper ingegaan bleek het verschil afkomstig te zijn van verschil in vloeistofbibliotheken. Dit wordt verder besproken in punt 2.4.

Hoofdstuk 2 13

2.2.2 100kWe ORC

Aangezien het onderzoek op de 100kWe installatie nog niet ver gevorderd was werd hierover niet veel vrijgegeven. Wat speciaal aan deze opstelling zou moeten zijn is het ontwerp van de expander: deze zou gebaseerd zijn op het model van de 35kWe installatie, maar zou centraal in een hogesnelheidsgenerator staan met langs beide kanten van de rotor een turbine waardoor axiale krachten worden gereduceerd naar nul. Verder zou de geëxpandeerde R245fa eveneens als koelmiddel dienen voor de generator.

2.3 Casestudies

Aangezien het financiële aspect een belangrijk onderdeel is in elke technologie moet uiteraard ook een beeld verkregen worden hoe een installatie correct kan beoordeeld worden op het vlak van rentabiliteit. Daarom werd de opdracht gegeven een aantal casestudies, uitgevoerd door het eerste ORC-project van de Hogeschool West-Vlaanderen, te bestuderen om voeling te krijgen met de economie achter ORC-installaties. Zo kan u in bijlage de resultaten vinden van dit werk, maar wordt hier niet verder besproken in dit werk vanwege de relevantie.

Wat echter wel opgemerkt mag worden: ORC-installaties in Korea zijn op dit moment nog niet rendabel wegens een te lage elektriciteitsprijs ten opzichte van de prijs per eenheid warmte.

2.4 Verschil op vloeistofmodellen in verschillende bibliotheken

Tijdens het bestuderen van de 30kWe installatie van KIER werd opgemerkt tijdens het simuleren van deze opstelling dat andere resultaten werden bekomen dan deze uit de paper. Hierop werd dieper ingegaan en na een aantal simulaties in Cycle-tempo, een simulatiepakket ontwikkeld door TUDelft werd duidelijk dat het selecteren van de gebruikte vloeistofbibliotheek/modellen een invloed had op de resultaten. Daarom werd elk werkpunt van de ORC in Excel nagerekend en de resultaten naast elkaar gezet voor de Refprop bibliotheek van NIST en de Stanmix bibliotheek van TUDelft. Als input werden de waardes gebruikt uit de paper [20]. Het opgestelde basismodel gebruikt in Cycle-tempo wordt weergegeven in figuur 12.

Figuur 12: Equivalent ORC-model opgesteld met Cycle-tempo.

Hoofdstuk 2 14

Wanneer alle resultaten naast elkaar gezet worden bij valt duidelijk te zien op figuur 13 dat er sprake is van een zekere spreiding.

Figuur 13: spreiding resultaten bij verschillende massadebieten.

Voor deze duidelijke verschillen werd een aantal mogelijke verklaringen onderzocht, zoals de invloed van fouttoleranties op de gebruikte sensoren. Na uitzetten van de foutvlaggen werd geen overlapping gevonden tussen de werkelijke experimentdata en de gegevens uit de simulaties met verschillende bibliotheken, ook zou dit de verschillen in de bibliotheken niet verklaren.

Het T-s diagramma voor R245fa werd daarom via beide bibliotheken getekend in Excel. Door een verschillende reference state, een arbitrair gekozen basispunt voor de enthalpie en entropiewaarde (de waardes op zich hebben geen fysische betekenis, het is de delta die betekenisvol is), vallen de twee curves in eerste instantie niet op elkaar zoals in figuur 14 duidelijk getekend.

Figuur 14: Ts diagramma voor R245fa volgens Stanmix en Refprop.

19

21

23

25

27

29

31

33

35

2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6

Verm

ogen

geg

ener

eerd

(kW

)

Massadebiet (kg/s)

Outputvermogens bij verschillende massadebieten

Refprop

Experiment

Stanmix

Lineair(Refprop)

Lineair(Experiment)

Lineair(Stanmix)

Hoofdstuk 2 15

Na correctie van de Reference State van de Refprop bibliotheek, zodat beide bibliotheken van dezelfde referentie vertrekken vallen de verschillen wel duidelijk op: voor de rechterhelft van de saturatiecurve geven beide bibliotheken een duidelijk verschillend resultaat, weergegeven door Figuur 15 . Wanneer de ORC-cyclus wordt getekend is het helemaal duidelijk dat een verschillend oppervlak wordt omsloten. Het oppervlak omsloten door de curve getekend met Stanmix is groter dan het oppervlak bekomen via Refprop, wat betekent dat het vermogen berekend via Stanmix groter moet zijn dan het vermogen via Refprop. Figuur 13 bevestigt dit.

Figuur 15: T-s diagram R245fa, Stanmix en Refprop en gevisualiseerde ORC cyclus.

Vergelijkbare resultaten werden ook gevonden voor andere media zoals R134a, R290, …

Het verschil is te verklaren uit het feit dat beide modellen worden opgebouwd aan de hand van verschillende modellen / vergelijkingen. In bijlage vindt u een presentatie waar dit item verder wordt uitgelicht door Usman Aslam die hier dieper op in ging.

2.5 Besluit

Tijdens deze stage is veel literatuuronderzoek gedaan waardoor een beter inzicht in ORC-technologie werd verkregen. Spijtig genoeg werd door de technologie-beschermende cultuur minder ervaring opgedaan met praktische ORC-installaties maar werd in de plaats dieper ingegaan op een aantal casestudies. Hierdoor is de toepasbaarheid van ORC-technologie en de beslissende factoren om uit te maken of een ORC rendabel is al dan niet duidelijker geworden. Voorts is het resultaat van onderzoek naar de verschillen op vloeistofbibliotheken een interessant gegeven waarmee in de toekomst rekening kan gehouden worden wanneer berekeningen worden gedaan.

16

Hoofdstuk 3 Analyse ORC testopstelling van UGent campus Kortrijk

3.1 Situering Gedurende het project voorafgaand aan het ORCNext project werd een testbank voor thermische applicaties ontworpen voorzien van een warmtebron met een thermisch vermogen van 250 kW op een maximale temperatuur van 340 °C en een koudebron met een koelvermogen van 480 kW bij een gemiddelde temperatuur van 80 °C en buitenluchttemperatuur van 20 °C.

Er werd eveneens een kant-en-klare ORC-installatie aangekocht bij BEP Europe met de bedoeling hierop een eerste reeks testen te kunnen doen en later eventuele aanpassingen aan te kunnen brengen.

De huidige ORC setup is gedimensioneerd om 11 kWe te kunnen leveren, zodat met de elektrische warmtebron van 250 kW thermisch er zeker voldoende vrijheid is om de ORC in zijn volledige range te kunnen testen (en zelfs off-design).

Deze installatie is te vinden op de UGent campus Kortrijk, Lab B030.

Hoofdstuk3 17

3.2 Omschrijving oorspronkelijke installatie

Zoals reeds in de doelstellingen omschreven bestaat de huidige installatie uit drie hoofddelen: een warmtebron, de ORC en een koelcircuit of koudebron. Figuur 16 is een visuele voorstelling van hoe de ORC-opstelling in realiteit is opgebouwd met links de warmtebron die een warmtestroom naar de ORC levert, de ORC die een mechanisch vermogen levert, in dit geval omgezet door een alternator in elektrisch vermogen en wisselt de condenswarmte uit met een koelcircuit (rechts) dat op zijn beurt via water-lucht warmtewisselaars op het dak van het labo de warmte afstaat aan de buitenlucht.

Figuur 16: visuele voorstelling ORC-testopstelling.

De warmtebron is volledig traploos regelbaar in zijn volledig bereik van 0 - 250 kW door middel van 10 x 25 kW weerstanden en één weerstand die door een thyristor wordt aangestuurd. Deze weerstanden warmen een thermisch oliecircuit op tot een maximum van 340 °C dat door middel van een driewegklep en circulatiepomp naar de warmtewisselaar van de ORC kan gepompt worden. Door de driewegklep, frequentie van de circulatiepomp en het vermogen dat naar de weerstanden gaat te regelen kan de ingangstemperatuur aan de warmtewisselaar van de ORC en het uitgewisseld vermogen aangepast worden naar wens. De setpoints worden wel allen manueel ingevoerd of aangestuurd via een automatische controller (echter nog niet optimaal). Deze loop wordt aangestuurd door een ET200S decentraal IO eiland van Siemens dat op zijn beurt communiceert met de soft-PLC [5]. Via een OPC-server wordt de link gelegd tussen een LabView-applicatie, die dienst doet als een HMI interface, en de soft-PLC.

De ORC zelf wordt aangestuurd door een PLC geprogrammeerd en beveiligd door BEP Europe, de constructeur van deze ORC. Doordat deze PLC beveiligd werd is het niet mogelijk om rechtstreeks toegang te krijgen tot de meetgegevens, laat staan de syntax om het systeem aan te sturen / af te regelen uit het systeem te extraheren.

Echter doordat een logfunctie in deze PLC aanwezig is kon via een omweg deze data toch naar de buitenwereld worden gebracht. Door deze logfiles op regelmatige tijdstippen naar een server weg te schrijven kon de LabView-visualisatie het debiet, drukken en temperatuurmetingen inlezen. Hierdoor kan enkel opgemeten worden in welke werkpunten de ORC actief is, maar kan hier niets aan gewijzigd worden zonder de input of output aan de warmtewisselaars te wijzigen.

Aan de start van het ORCNext-project werd de alternator van de ORC losgekoppeld van de ORC sturing omdat deze daar rechtstreeks op het net was gekoppeld via een contactor en dus altijd oversynchroon aan >3000RPM diende te roteren. Door een vierkwadrantsdrive tussen de alternator en het net te plaatsen kan er nu op verschillende snelheden gewerkt worden.

Hoofdstuk3 18

Het koelcircuit heeft als werkmedium een mix van glycol en water met een maximum werktemperatuur van 120°C. Het aanpassen van het uitgewisseld vermogen aan de koelzijde van de ORC kan gebeuren door de frequentie van de circulatiepomp aan te passen of de positie van de driewegklep te wijzigen. Een andere optie is het wijzigen van het aantal draaiende ventilatoren die luchtstroming forceren door de warmtewisselaars op het dak. Ook hier worden alle setpoints manueel ingevoerd.

3.3 Probleemstelling 3.3.1 Algemeen

Gedurende het gebruik de afgelopen jaren is de opstelling meermaals aangepast om te voldoen aan de noden van het project. Zo werd op den duur de installatie niet langer gebruikt zoals oorspronkelijk ontworpen door de verschillende leveranciers. Ook het feit dat de verschillende onderdelen, de warmtebron, ORC en koudebron van een andere fabrikant afkomstig zijn maakt het er niet eenvoudiger op om de verschillende controle-eenheden zonder problemen met elkaar te laten communiceren. Hierdoor ontstaat een complexe architectuur en is een occasionele fout in het systeem niet te voorkomen.

De hoofdsturing wordt uitgevoerd door een Siemens soft-PLC van het type HMI ipc 477C. Dit systeem is niets meer dan een touch-panel, voorzien van een vereenvoudigde dual-core PC. Deze twee cores werken afzonderlijk van elkaar waarbij de ene voor het operating system, zijnde windows XP embedded, wordt gebruikt en de andere voor de PLC functionaliteiten [21]. De oorspronkelijke bedoeling was om op het PC gedeelte de LabView-applicatie te runnen, hiervoor bleek de performantie van het systeem niet goed genoeg.

De soft-PLC wordt dus enkel gebruikt voor zijn PLC-functionaliteiten. Spijtig genoeg blijken af en toe fouten, schijnbaar afkomstig van het windows-gedeelte, de PLC stil te leggen waardoor het systeem niet langer controleerbaar is en een gevaarlijke situatie zich voordoet. Door de eerder negatieve ervaringen met deze soft-PLC wordt verkozen om deze te vervangen door een hardware-PLC. Toch is er de wens om compatibiliteit met de touchpanel-functionaliteiten te behouden zodat men in de toekomst, indien men wil, een operatorpanel kan maken van deze soft-PLC.

Aangezien op een externe PC of laptop moet gewerkt worden met de LabView-applicatie moet eveneens een OPC-server worden gebruikt om de gegevens tussen de applicatie en PLC uit te kunnen wisselen. Om een beter beeld te verkrijgen van hoe het systeem opgebouwd is werd een schema opgemaakt zoals in figuur 17. Merk op dat de gegevens van de ORC eerst naar een server van de toenmalige Hogeschool West-Vlaanderen (nu UGent Campus Kortrijk) werden geschreven en dan van deze server werden afgehaald. Dit alles zorgt uiteraard voor een vertraging en waren af en toe problemen om een stabiele connectie te onderhouden met de server over het netwerk.

Hoofdstuk3 19

Figuur 17: Schema opbouw initieel systeem.

3.3.2 Warme- / koudebron simulator

De drive die de circulatiepomp van het koelcircuit aanstuurt genereert frequent fouten op het Profibus-netwerk. Hierdoor valt het systeem uit en moet een heropstart gebeuren. Deze drive is van het type SIMATIC ET 200S FC (Frequency Converter) en wordt als uitbreidingsmodule op het ET 200S-eiland geklikt. Na contact met een vertegenwoordiger van Siemens blijkt dat deze systemen niet vaak meer worden aangeboden omdat deze problemen inderdaad kunnen voorkomen.

De opbouw van de elektrische schakelkast zoals oorspronkelijk opgebouwd is terug te vinden in de bijlagen. Op het vlak van sturing zijn er een aantal zaken gewijzigd, maar ook de vermogenkring is niet langer volledig accuraat. Troubleshooting wordt hierdoor erg moeilijk.

Bij gebruik van de warmtebron is bij bepaalde setpoints van vermogen opvallend dat er pieken waarneembaar zijn en geen constant vermogen wordt geleverd. Zoals reeds eerder vermeld schakelt het systeem in stappen van 25 kW en is één element voorzien van een thyristorsturing om tussen deze stappen in een gewenst vermogen te interpoleren. Het blijkt dat telkens rond een veelvoud van 25 kW een trage reactie is en er pieken te zien zijn in het temperatuursprofiel zoals in figuur 18. De pieken bij veranderen van de pompsnelheid zijn normaal maar de omcirkelde pieken zijn abnormaal en niet ten gevolge van de controller. (Vraag van het wensvermogen vertoont geen dergelijk gedrag).

Hoofdstuk3 20

Figuur 18: Pieken in het temperatuursprofiel van de ingaande olie.

Wanneer er een manuele setpoint wordt aangelegd van bijvoorbeeld 26 kW continu blijkt de thyristor slechts eenmalig uit te sturen en een aantal seconden niets (soms tot wel 10 à 15 seconden). Het al dan niet aansturen van de thyristorbrug wordt gevisualiseerd d.m.v. een LED waardoor het eenvoudig te bekijken valt.

Na onderzoek van het type thyristorbrug blijkt dat dit een systeem is van Eurotherm Invensys van het type TE200A. Dit betekent dat deze 2 van de drie fazen zal aansturen door middel van een thyristorbrug en de methode van aansturing is de oorzaak van het probleem: Burst-firing mode. Hiermee wordt een aantal volledige sinussen van het net doorgelaten of niet, weergegeven in figuur 19.

Figuur 19: uitgestuurde spanning voor één fase bij burst mode aansturing; Met Tm= modulation time, Tf = firing time en Tnf= non firing time. Overgenomen uit [22].

De dynamiek van het systeem hangt dus af van Tm, modulation time. Voor kleine waarden van vermogens-uitsturing wordt door de gebruikershandleiding gegeven dat deze Tm inderdaad kan oplopen, weergegeven in figuur 20.

Figuur 20: Modulatietijd in functie van uitgestuurd vermogen [22].

Hoofdstuk3 21

Het is duidelijk dat dit systeem niet de gewenste performantie heeft om de gevraagde dynamische warmteprofielen te kunnen genereren. Bijkomend nadeel is dat wanneer bijvoorbeeld een sinusoïdaal vermogen wordt verwacht met als gemiddelde waarde 25 kW en amplitude 1 kW aan een frequentie van 1 Hz er een contactor zal schakelen aan 2 Hz doordat geen overlapping is met de thyristor, zoals grafisch weergegeven in figuur 21.

Figuur 21: Visuele weergave aangestuurde componenten.

Er moet dus een nieuwe thyristorbrug gedimensioneerd worden, liefst van een dubbel vermogen zodat een dynamischere aansturing mogelijk is en contactoren minder moeten schakelen in gevallen zoals hierboven beschreven.

3.3.3 ORC

In 3.2 werd reeds vermeld dat de ORC zelf een eigen PLC stuurkring heeft die niet extern kan aangestuurd worden, enkel kunnen er meetpunten worden uitgelezen. Dit betekent dat er enkel passieve tests kunnen gedaan worden op de ORC en er zelf geen controlestrategieën kunnen ontwikkeld worden. Aangezien dit toch één van de doelstellingen is binnen het ORCNext project [23] zou de mogelijkheid moeten bestaan om de controle of sturing van de ORC in eigen beheer te kunnen nemen. Hierbij moet wel de veiligheid in acht genomen worden en, indien er een fout optreedt, moet de sturing de ORC in een veilige toestand kunnen afzetten.

Bij aanvang van deze thesis was reeds een ABB ACS800 vierkwadrantsdrive geïnstalleerd om de asynchrone generator van de ORC op verschillende toerentallen te kunnen gebruiken en het vermogen op het net te leveren. De drive wordt aangestuurd via een Profibusmodule. Deze parameter is dus reeds aanstuurbaar.

In de ORC van ORCNext zijn er nog twee andere parameters die stuurbaar moeten zijn:

- Circulatiepomp - Bypass-klep (24 VDC)

Hoofdstuk3 22

Voorts zijn er ook een aantal sensoren:

- 5 druksensoren (4-20 mA signaal, 0-16 Bar) - 6 temperatuursensoren (4-wire PT100) - 1 niveauswitch (buffervat) - Massadebietsensor (4-20 mA)

De lay-out van het systeem en plaatsing van de sensoren is weergegeven in figuur 22. Voor meer informatie over de sensoren en toleranties wordt verwezen naar de thesis van Nicolas Melotte [24].

Figuur 22: Lay-out van de ORC-installatie met bijbehorende componenten en sensoren.

3.4 Besluit Tijdens deze analyse zijn een aantal problemen en oorzaken geïdentificeerd die in het volgende hoofdstuk worden opgelost. Zo zal een nieuwe thyristorbrug nodig zijn om de stabiele sturing van de warmtebron te kunnen realiseren, moet de architectuur van het controlesysteem grondig worden aangepakt om performante en herhaalbare metingen te kunnen doen. Een heropbouw van de installatie is nodig om opnieuw een duidelijke structuur te creëren en overlapping tussen verschillende systemen weg te werken.

23

Hoofdstuk 4 Dimensionering en implementatie nieuw systeem

4.1 Inleiding In hoofdstuk 3 werd een grondige analyse van het volledige systeem samengevat, in dit hoofdstuk wordt uitgelegd hoe de keuzes werden gemaakt voor een aantal componenten en systemen om de doelstellingen te bereiken en de problemen aan te pakken.

Om van een propere lei te kunnen starten en een volledig geoptimaliseerd systeem te kunnen ontwerpen werd de hele installatie gestript tot op piping-niveau en opnieuw opgebouwd, ditmaal volledig naar wens van het ORCNext-team en rekening houdend met eventuele toekomstige uitbreidingen.

4.2 Ontwerp PLC systeem 4.2.1 Algemeen Er was nood aan een compleet nieuwe architectuur van het systeem om de perikelen van voorheen te elimineren en de eenvoud terug te brengen. Aangezien het volledige systeem vanuit LabView bestuurd dient te worden werd initieel ook overwogen om een controlesysteem van National Instruments te gebruiken zoals het PXI systeem. Dit systeem heeft als voordeel dat LabView embedded is, toch werd niet voor dit systeem gekozen door de hoge prijs en de lage benutting van de capaciteiten. Dit soort systemen is bedoeld voor integratie in opstellingen om enorm snelle metingen te kunnen uitvoeren zoals bij geluidsmetingen.

Er werd dus opnieuw gekozen voor een PLC-gebaseerde oplossing en als leverancier van de PLC componenten werd gekozen voor Siemens daar op deze manier een aantal componenten kunnen gerecupereerd worden (IO-eiland van de externe loops, vermogenmeters, enz.).

Na overleg met de Siemens-vertegenwoordiger werd beslist om de soft-PLC te vervangen door een PLC uit de nieuwe S7-1200 reeks: een 1215C. Deze kan namelijk via TIA-portal van Siemens worden geprogrammeerd

Hoofdstuk4 24

volgens de IEC-norm in SCL-taal waardoor deze eenvoudiger te begrijpen is door eenieder met enige ervaring in het programmeren. Kennis van de Siemens-specifieke STL taal is niet langer nodig [25]. Voorts is deze PLC compatibel met de reeds aanwezige hardware in het systeem (mits een extra Profibusmodule) en zijn standaard twee ethernet-poorten aanwezig zodat de link met PC eenvoudig via een ethernetnetwerk gerealiseerd kan worden. Een groot werkgeheugen en snelle processor zorgen ervoor dat toekomstige implementatie van stuuralgoritmes voor de ORC zonder problemen zal kunnen gebeuren. Er zijn ook nog enkele digitale en analoge IO op de PLC zelf voorzien wat als noodoplossing kan dienen voor tijdelijke uitbreidingen [26].

In bijlage vindt u de manual van deze PLC die afgebeeld is in figuur 23.

Figuur 23: Siemens S7-1200 1215C.

De uiteindelijke structuur die opgebouwd zal worden teneinde de doelstellingen te bekomen wordt weergegeven in figuur 24.

Figuur 24: Uiteindelijke architectuur van het nieuwe systeem.

Hoofdstuk4 25

4.2.2 Warme/koude-bron simulator

Aangezien de externe loops reeds werden aangestuurd via een ET200S eiland in het oude systeem kan dit integraal worden hergebruikt in het nieuwe systeem. Toch worden een aantal extra analoge ingangskaarten bijgeschakeld omdat enkele voorheen niet-aangesloten sensoren nu toch worden gebruikt. De ET200S FC module, of de frequentieomvormer van de koelcircuit-pomp wordt uit het systeem gehaald en vervangen door een onafhankelijke drive. Deze drive is afkomstig uit de ORC-sturing aangezien weinig functionaliteiten nodig zijn (4-20mA ingangssignaal) en deze vervangen wordt door een uitgebreidere drive. Zie punt 4.4.2. Communicatie met dit eiland loopt via Profibus DP.

Het uiteindelijke IO eiland wordt weergegeven in figuur 25.

Figuur 25: Siemens ET200S configuratie voor aansturing warme/koudebron.

De kaarten voorzien volgende functionaliteiten:

- 1-Count 24 V kaart: Debietsensor van het koelcircuit, SITRANS F M MAG, geeft een pulstrein waarbij elke stijgende flank een gemeten liter voorbijgegane vloeistof weergeeft. De breedte van de pulsen gegenereerd door de flowmeter zijn dermate klein dat een normale digitale ingangskaart hier niet snel genoeg voor is. Door dit signaal als triggersignaal te gebruiken voor het tellen van een pulstrein afkomstig van een geijkte klok op 1 kHz valt hieruit het debiet af te leiden. Figuur 26 geeft de signalen grafisch weer.

Figuur 26: signalen afkomstig van debietmeter en geijkte klok.

- Analog Out kaart: Aansturing thyristor en drive circulatiepomp koelcircuit (4-20 mA).

- RTD ingangskaarten: PT 100 temperatuursondes boiler, warmtebron en koudebron.

- AI ingangskaart: Inlezen positie driewegklep koelcircuit (4-20 mA).

Hoofdstuk4 26

- DIO kaarten: Aansturing relaisgroep ter aansturing van motoren, weerstandsgroepen, eindeloopcontacten.

- Geïntegreerde contactoren: Aansturing ventilatoren koelgroep.

Het geïnstalleerde eiland ziet er als volgt uit:

Figuur 27: ET200S eiland externe kringen.

Verder wordt nog een SENTRON PAC3200 vermogenanalyser aangesloten die het totaalvermogen doorgeeft via Profibus DP aan de PLC.

4.2.3 ORC

Voor de ORC werd een tweede ET200S eiland aangekocht en geconfigureerd om de aansluitingen in een tweede elektrische kast dicht bij de opstelling te kunnen maken en zo kabellengtes in te perken. De configuratie werd gedaan in TIA portal en de uiteindelijk geïnstalleerde ET200S is weergegeven in figuur 28 en figuur 29.

Figuur 28: ET200S configuratie voor ORC.

Hoofdstuk4 27

Figuur 29: Geïnstalleerde ET200S (ORC) en in achtergrond S7 1200 plc.

Hierbij voorzien de kaarten volgende functionaliteiten:

- 3x 2xRTD ingangskaarten. Aansluiting 6 PT100 temperatuur sensoren (4-draads)

- 4x 2x analoge ingangskaarten 5 druksensoren, 1 debietsensor, 2x temperatuursonde met stroomomvormer van extra opstelling (warmtepomp).

- Digitale IO kaarten Aansturen bypass-klep, inlezen drukknoppen.

4.3 Industriële netwerken

4.3.1 Profibus DP Decentrale IO is verbonden via Profibus DP met de PLC, de netwerkstructuur en adressering wordt eenvoudig opgebouwd in TIA-portal, zoals weergegeven in figuur 30. De adressen werden gekozen zodat een adres tussen 3-9 (2 is master) wijst op een toestel geïnstalleerd in de hoofdschakelkast, andere adressen komen overeen met toestellen gemonteerd in de schakelkast bij de ORC. Ingestelde baudrate is 12 Mbit/s. Deze kan op het maximum worden ingesteld aangezien alle Profibus DP gebruikers hiervoor geschikt zijn en geen enkele segmentlengte de maximumlengte van 100 meter overschrijdt [27].

Hoofdstuk4 28

Figuur 30: Profibusnetwerk met adressering.

In de gebouwde structuur is 1 master aanwezig zijnde de S7 1200 PLC en 6 slaves: 2 ET200S IO eilanden, 2 drives en twee SENTRON PAC 3200 vermogenmeters. Zoals het systeem nu gebruikt wordt zal de master met elke slave cyclisch data uitwisselen zoals gevisualiseerd door figuur 31.

Figuur 31: Cyclisch afpollen van de slaves [28].

De totale cyclustijd van het Profibus DP netwerk, net als de cyclustijd van de PLC kan via TIA-portal worden weergegeven zoals in figuur 32, namelijk 1.103 ms en 4 ms (7 ms komt voor tijdens opstart).

Hoofdstuk4 29

Figuur 32: bepaling cyclustijd Profibus DP en cyclustijd PLC.

Er kan dus besloten worden dat de veldbus zeker snel genoeg en performant is ten aanzien van de PLC cyclustijd. Wat echter uit bovenstaande kan afgeleid worden is dat er een tijdsverschil kan zitten tussen de meetwaardes ontvangen van slave 1 en deze van slave 6 van maximaal 1.103ms (=cyclustijd). Momenteel zijn dergelijke marges geen probleem voor de metingen van ORCNext. Mocht dit in de toekomst een probleem leveren kan men via de instructie “Freeze” (een broadcastbericht) alle slaves op eenzelfde moment hun waarden vastzetten, als het ware een foto nemen en zal de PLC dan één voor één deze gesynchroniseerde waarden inlezen [27].

4.3.2 Profibus PA Bij levering van de olieboiler bleek dat de twee temperatuursondes aan de uitgang, samen met de debietmeter voorzien waren van Profibus PA omvormers. Een buscoupler om van Profibus PA naar Profibus DP te gaan werd daarom in het systeem geïmplementeerd. Ook bij de ombouw van de installatie werd aanvankelijk geprobeerd om deze configuratie – zijnde de drie sensoren en buscoupler op Profibus PA- te configureren voor de S7-1200 via TIA portal. Vervangen van de omvormers in de sensoren zou namelijk duur uitvallen: Temperatuursondes ong. € 50 , debietmeter ong. € 1000. Na veel proberen en mailen werd duidelijk dat Profibus PA-toestellen nog niet ondersteund worden vanuit het TIA-Portal waardoor deze sensoren niet konden worden uitgelezen door de PLC.

Uiteindelijk werd een constructie opgesteld waarbij een ouder type PLC S7-300, geprogrammeerd via de vorige generatie van software zijnde Step 7 van Siemens, de sensoren uitleest en deze data verstuurt over ethernet / S7 communicatie naar de S7-1200 PLC. De S7-300 PLC werd geleend van het automatiseringsteam van de Campus omdat dit slechts een tussentijdse oplossing is. Ondertussen werden toch nieuwe omvormers besteld voor de sensoren. Een lange levertermijn liet echter niet toe om deze nog binnen de looptijd van de thesis te implementeren.

Figuur 33 toont de tijdelijke opstelling. De blauwe Profibus PA kabel is aangesloten op de coupler die ervoor zorgt dat de gegevens van de sensoren op het Profibus-PA segment door de PLC worden gezien als gegevens van een Profibus DP – slave. De coupler kan dus gezien worden als een slave van het DP-netwerk die fungeert als master van het PA-netwerk.

De coupler wordt uitgelezen door een S7-300 PLC embedded in een ET200s module die het op zijn beurt via de gele ethernetkabel verstuurt naar een DB in de S7-1200.

Hoofdstuk4 30

Figuur 33: tijdelijke opstelling om Profibus PA sensoren uit te lezen.

4.3.3 Modbus TCP Om communicatie op te zetten tussen de PLC en LabView op PC werden een aantal mogelijke oplossingen afgewogen. Zo is een OPC-server er één van. Echter na lezen van een aantal datasheets bleek dat het mogelijk moest zijn om communicatie op te zetten via Modbus TCP. Het voordeel hiervan is dat er geen bijkomende OPC-server licenties moeten aangekocht worden en geen extra investeringskosten met zich meebrengt aangezien alles verloopt via het reeds aanwezige ethernet-netwerk.

Modbus TCP heeft een Server-Client architectuur. De PLC werd als Server ingesteld aangezien het de bedoeling is dat deze kan blijven werken, ook al is er geen communicatie. In de Client-modus zou dit een fout genereren. Wel wordt uiteindelijk een handshake-principe opgesteld zodat detectie van communicatie mogelijk is en in een later stadium een veiligheid kan worden ingebouwd die hierop reageert, meer hierover in hoofdstuk 6. De ‘handshake’ bestaat uit een bit die door server en client afwisselend wordt gewijzigd van false naar true en vice versa telkens er data wordt uitgewisseld. Indien deze waardewijziging gedurende een bepaalde tijd niet gebeurt wordt een boolean hoog gezet die weergeeft dat de communicatie verloren is gegaan.

In totaal worden 39 registers, 39 Unsigned Integers, uitgewisseld of 39*2 bytes, zijnde 78 bytes die alle uitgewisselde gegevens bevatten van sensorwaarden tot wenswaarden. Deze data wordt verstuurd in een modbus-frame zoals weergegeven in figuur 34.

Figuur 34: Algemene opbouw van een Modbus TCP frame [28].

Hoofdstuk4 31

Dit Modbus frame wordt dan geplaatst in het databereik van een ethernet frame zoals weergegeven in figuur 35.

Figuur 35: Opbouw van een Ethernet dataframe [29].

Hierdoor komt het totaal aan bytes te versturen op 141 bytes, wat bevestigd wordt door een capture met Wireshark zoals in figuur 36. Met deze tool kan een volledig ethernet dataframe worden ontleed en vallen eveneens de registers te onderscheiden en de functiecode, in dit geval het lezen van de registers (functiecode 3).

Figuur 36: Capture van Wireshark op een ethernetbericht met Modbus TCP data in het dataframe.

Hoofdstuk4 32

Aangezien de netwerkcomponenten in het systeem allen minimum 100 Mbit ethernet ondersteunen kan met vergelijking (2) bepaald worden dat het 0.01 ms duurt om een dergelijk bericht te versturen.

mssbits

bitsnetwerkSnelheidDataLengteDuur 011.0

/10*1001128

__

6 === (2)

Om een volledige uitwisseling te bekomen tussen Client en Server moet dus tweemaal dit bericht verstuurd worden, plus twee maal de PLC cyclustijd (arbitrair 5ms, namelijk 4ms gemiddeld plus 1ms marge) om een antwoord te krijgen, bekomen we 10.02 ms. Twee maal de cyclustijd van de PLC omdat het kan voorkomen dat een bericht binnenkomt net op het moment dat een nieuwe cyclus gestart werd en deze data dus de volgende cyclus wordt binnengenomen. 10 ms voldoet zeker aan de vooropgestelde eisen en legt dan ook de maximale samplefrequentie van 100 Hz vast zoals berekend met vergelijking (3).

HzmsT

fs 10001.011

=== (3)

Met: sf : Samplefrequentie [Hz]

T : periode[s]

Modbus TCP is echter wel gevoelig voor andere communicatie op een ethernetnetwerk en kan enorm vertragen door veel verkeer op een netwerk daar de Modbusberichten geen voorrang krijgen. Daarom werd in het labo een eigen subnet gecreëerd met een ZyXEL USG 20W router zodat dit volledig in eigen beheer is en er geen andere communicatie over dit netwerk bestaande is.

Figuur 37: ZyXEL USG 20W router.

4.4 Vermogen elektronica

4.4.1 3-fazige thyristorbrug In 3.3.2 werd het probleem aangekaart van de 2-fazige, burst-firing mode thyristorbrug. Daarom werd een nieuwe thyristorbrug gedimensioneerd die wel voldoet aan alle eisen. Om een snelle respons te hebben werd gekozen voor een fase-angle type. Dit betekent dat elke sinus van het net wordt gestuurd door de thyristorbrug en het vermogen wordt geregeld door aan fasesnijding te doen. Figuur 38 toont duidelijk het verschil in spanningsverloop en de reden waarom dit systeem sneller zal reageren en even performant zal zijn over de gehele vermogensrange: elke spanningssinus wordt geregeld via de fasehoek alfa.

Hoofdstuk4 33

Op het vlak van bereik werd een zwaardere thyristor van Eurotherm, de 7300A, geïnstalleerd met een vermogen van 50kW, of twee thermische weerstanden, waarvan één al dan niet ingeschakeld wordt naargelang de manier van regelen zoals weergegeven in figuur 39. Hierdoor kan gewisseld worden in het bereik tussen 25 kW en 50kW. In het geval van 50 kW ontstaan zo overlappingszones waardoor in bepaalde gevallen, zoals dieper besproken in 3.3.2, een optimalere sturing mogelijk is en contactoren niet onnodig in- en uitschakelen.

Figuur 39: Elektrisch schema thyristorsturing.

Figuur 38: spanningsverloop bij zero-crossing (links) en fasesnijding (rechts) bij een gewenste vermogenuitsturing van 66.6%.

Hoofdstuk4 34

4.4.2 Drive ORC circulatiepomp Zoals in 3.3.3 werd besproken is voor de expander al een 4-kwadrantendrive gedimensioneerd en geïnstalleerd, voorzien van een Profibus communicatiemodule. Het betreft een ACS800 drive van ABB.

Aangezien voor de circulatiepomp een nieuwe drive moet worden gedimensioneerd wordt deze eveneens bij ABB besteld omwille van de goede prijs/kwaliteit en om uniformiteit binnen de installatie na te streven. Aangezien in de nabije toekomst wellicht een pomp wordt geïnstalleerd met een groter vermogen wordt de drive overgedimensioneerd op 5.5 kW in plaats van 2.2 kW. De keuze is gevallen op een ACS880 omdat deze een gebruiksvriendelijke control panel heeft met een USB-interface zodat via gratis software van ABB de drive eenvoudig kan ingesteld worden bij eventuele wijzigingen aan de setup of bij het in gebruik stellen van de installatie zoals op figuur 40. Ook hier is communicatie met de PLC via Profibus DP voorzien. Handleidingen zijn terug te vinden in bijlage.

Figuur 40: Gebruik van de USB interface voor de configuratie van de circulatiepompdrive.

4.5 Ontwerp en realisatie schakelkasten

Aangezien het systeem volledig van nul werd heropgebouwd was het noodzakelijk om ook de schakelkasten van grond af aan herop te bouwen. Om te voldoen aan alle voorschriften werd bij het dimensioneren rekening gehouden met algemene regels in de literatuur [30]. Dit voor kabelsecties, kabelkleuren en rekening houdend met de EMC-problematiek bij montage. De schakelschema’s werden getekend in Eplan en zijn terug te vinden in bijlage. Elke kabel werd genummerd zodat het volgen van een ader doorheen de kast nu eenvoudig kan gebeuren en eventuele troubleshooting gemakkelijker verloopt.

Tijdens het bouwen van de installatie werd in eerste instantie geen rekening gehouden met de mogelijkheid om de DC-bus van de ORC circulatiepomp-Drive te koppelen met deze van de Expander-Drive. Dit brengt een rendementsverbetering teweeg daar er geen vermogensverlies is van de invertertrap aan de netzijde voor het vermogen van de circulatiepomp, zoals weergegeven in de rechterhelft van Figuur 41.

Hoofdstuk4 35

Figuur 41: Koppeling van de DC-bus van de drives.

Ter illustratie volgen nog enkele foto’s van de afgewerkte schakelkasten in figuur 42 en figuur 43. Er werden eveneens thermografische foto’s genomen van de kasten om eventuele hotspots te detecteren maar zelfs tijdens zware continue belasting wordt geen enkele component te heet. Deze foto’s zijn te vinden in bijlage.

Figuur 42: afgewerkte schakelkast (code CA2).

Hoofdstuk4 36

Figuur 43: afgewerkte ORC schakelkast (Ca3).

4.6 Besluit

Het heropbouwen van de installatie heeft ervoor gezorgd dat problemen afkomstig uit verschillende overlappende systemen zijn opgelost en knelpunten in de installatie zijn geïdentificeerd en geëlimineerd waardoor een stabiel werkende testbank is bekomen. Door de goede documentatie en duidelijke lay-out van de schakelkasten is het in de toekomst eenvoudig om aanpassingen of uitbreidingen van de installatie te realiseren.

Van deze make-over werd tevens gebruik gemaakt om een aantal probleemcomponenten uit de installatie te halen of te upgraden zodat aan alle vooropgestelde eisen wordt voldaan. Een voorbeeld hiervan is de realisatie van een stabiele en performante communicatie tussen PLC en PC via Modbus TCP.

37

Hoofdstuk 5 Regelkring op warmte (- en koude) bron

5.1 Situering

Zoals aangegeven is in hoofdstuk 3 moet er een automatische aansturing geïmplementeerd worden voor de warmte – en koudebron zodat een stabiel werkpunt kan gecreëerd worden en eventueel een belastingsprofiel aanleggen mogelijk is. Het ontwerpen van de controllers valt buiten de scope van deze thesis, er werd echter wel ondersteuning verleend waardoor een toelichting van het ontwerp - en implementatieproces beschreven wordt.

In eerste instantie zal een controller ontworpen worden voor de warmtebron. Het is de bedoeling dat de ingaande temperatuur van de thermische olie in de warmtewisselaar van de ORC constant wordt gehouden voor het ontwikkelen van ORC-modellen. Eens deze op punt staat zal een conversie gebeuren zodat ook de koudebron gebruik kan maken van deze regelkring. Het ontwerpen en testen van deze controllers gebeurt volledig binnen de LabView omgeving. Pas wanneer de controllers de gewenste performantie vertonen na finetuning zullen ze worden geprogrammeerd in de PLC.

5.2 Identificatie van de parameters 5.2.1 Stuurbare parameters van externe kringen

Om een goede regelaar te kunnen ontwerpen moeten eerst alle parameters gekend zijn die in het systeem omgaan. Zo zullen er parameters zijn die aanstuurbaar zijn, zullen er stoorsignalen optreden en zijn er parameters die als input zullen dienen.

Binnen het team dat verantwoordelijk is voor het ontwerp van de controller is er de voorkeur om op de ingangstemperatuur aan de warmtewisselaar van de ORC te gaan sturen. Deze kan dus als input beschouwd worden. Temperatuur is rechtstreeks op de meten, het uitgewisseld vermogen is berekenbaar via het zeer nauwkeurig opgemeten debiet dat door de warmtewisselaar gaat en de temperatuursval (eveneens zeer nauwkeurig opgemeten via matched-pair temperatuursondes) over de warmtewisselaar zoals vergelijking (4) voor ideale systemen aangeeft op volgende pagina.

Hoofdstuk 5 38

CmTQ **)( ∆= (4)

Met: Q : Warmte [kW]

T∆ : Temperatuurverschil [K of °C] m : massadebiet [kg/s]

C : warmtecapaciteit [KJ/(kg.K)]

De dichtheid ρ van de thermische olie, gebruikt om het massadebiet te berekenen en C zijn beide afhankelijk van de temperatuur van de olie. Om deze zo nauwkeurig mogelijk te bepalen wordt gebruik gemaakt van de datasheet van Therminol 66, gediscretiseerd in de excelfile in bijlage.

De circulatiepomp van de warmtebron is niet regelbaar in frequentie daar te allen tijde het nominaal debiet door de boiler moet gegarandeerd worden zoals omschreven in de handleiding van de oorspronkelijke installatie van Maxxtec [31]. Het debiet dat door de warmtewisselaar van de ORC vloeit kan geregeld worden met de driewegklep en via het aangelegd vermogen aan de weerstanden (verwarmingselementen) kan het thermisch geïnjecteerd vermogen worden geregeld.

Stooringangen zullen ook tijdens het ontwerpproces naar boven moeten komen, vermoedelijk zal één hiervan de heat rejection naar de omgeving zijn. Deze warmte-afvoer naar de omgeving is afhankelijk van de dikte van de isolatie van de leidingen, afmetingen van de verdamper, temperatuurverschil met de omgeving, …

Een vergelijkbare studie zal ook gebeuren voor de koudebron of ook wel heat sink genaamd.

Figuur 44 toont de warmtebron en alle besproken elementen daarin opgenomen.

Figuur 44: Parameteridentificatie warmtebron.

Hoofdstuk 5 39

5.2.2 Invloed ORC parameters op externe kringen

Aangezien de ORC, warmtebron en koudebron thermisch met elkaar gekoppeld zijn zal elk systeem zijn invloed hebben op de andere systemen. In de eerste fase van het afregelen van de controllers wordt gefocust op de interactie tussen ORC en warmtebron. Zo zijn er twee stuurbare parameters in de ORC, zijnde de frequenties van expander en circulatiepomp, resulterend in een wisselend massadebiet in de ORC, wat een invloed heeft op het afgenomen vermogen van de warmtebron zoals kan worden afgeleid aan de hand van formule (5). In punt 5.4 wordt hier verder op ingegaan.

ORCmhQ *∆= (5)

Met: Q : Warmte [kW]

h∆ : enthalpieval [KJ/kg], berekend via druk en temperatuur met Coolprop

ORCm : massadebiet ORC [kg/s]

5.3 Systeemidentificatie

Om een goede controller te ontwerpen moet eerst een systeemidentificatietest gebeuren. De bedoeling hiervan is om een transfertfunctie op te kunnen bouwen. Een transfertfunctie beschrijft mathematisch het gedrag van de uitgang over de ingang. Deze wordt opgemeten door een stapresponsie op te meten [32],[33].

Concreet in dit geval betekent dit een plotse verhoging van een bepaalde parameter, in dit geval een inschakeling van een aantal verwarmingselementen. Debiet en stand van de driewegklep werden niet gewijzigd. Dit is de eerste stap in de procesidentificatie. Na het opmeten van deze transfertfunctie wordt een geschikte controller gedimensioneerd aan de hand van ontwerptools. In dit geval FRTool. Voorlopig werd een PI controller gedimensioneerd. Later zal bekeken worden of het toevoegen van de D functie (PID) een voordeel oplevert of niet. Na een finetuning zou het systeem na implementatie van deze PI controller het gedrag moeten vertonen zoals weergegeven op figuur 45. Dit is echter nog maar een simulatie, aan de hand van een model zoals weergegeven in figuur 46. Verificatie en optimalisatie van de controller zijn gaande tijdens het schrijven van dit werk.

Figuur 45: Stapresponsie warmtebron, gestuurd op verwarmingsvermogen.

Hoofdstuk 5 40

Figuur 46: model gebruikt voor simulaties [33].

Voor meer informatie over dit onderdeel wordt verwezen naar het rapport van deze test [33].

Naast het aansturen van het thermisch vermogen dat in het olie-circuit wordt geïnjecteerd kan ook het debiet door de warmtewisselaar van de ORC worden gestuurd door middel van de driewegklep. De volgende stap is het dimensioneren van een multi-variable controller die beide componenten aanstuurt aan de hand van verschillende parameters.

Uiteraard mag niet vergeten worden dat de stooringangen eveneens moeten worden geïdentificeerd. Aangezien de ORC gekoppeld is aan de warmtebron zal de ORC zijn invloeden hebben op de controller van de warmtebron. Een eerste stap hierin is reeds genomen door de pompfrequentie van de ORC te wijzigen. In een volgend stadium wordt de invloed van de expandersnelheid bestudeerd en zal uiteindelijk een controller worden ontworpen die deze twee parameters onder de vorm van een trigger voor een soort feedforwardregeling meeneemt in de afregeling van het systeem.

5.4 Implementatie controller

5.4.1 Performantietests

Na bepalen van de verschillende parameters en een eerste systeemidentificatie werd een PI controller opgebouwd zoals weergegeven in figuur 47.

Figuur 47: PI controller warmtebron.

Het valt echter op dat de stooringang, zijnde de frequentie van de circulatiepomp niet wordt meegenomen in dit model waardoor een stap in frequentie van de circulatiepomp leidt tot niet gewenst gedrag van de ingangstemperatuur. Bij verhoging van de frequentie zakt de ingangstemperatuur fel door het groter afgenomen vermogen, bij een verlaging van de frequentie stijgt de temperatuur door het verlaagde afgenomen vermogen, zoals weergegeven Figuur 48, waarbij te zien is dat de ingangstemperatuur (rood) met iets meer dan 2 graden toeneemt wanneer de pompfrequentie van 1800 RPM naar 1600 RPM zakt.

Hoofdstuk 5 41

Figuur 48: Responsie met enkel PI regeling.

Wat verder ook opvalt is de grote delay in verandering van de ingangstemperatuur. Hierdoor is de PI controller ook veel te laat in het bijsturen van het vermogen waardoor een groot doorschot wordt bekomen. Merk op dat de uitgangstemperatuur veel sneller wijzigt. Doordat de ingangstemperatuur initieel constant blijft, het afgenomen vermogen echter bijna meteen wijzigt, is de verandering in uitgangstemperatuur veel sneller.

Uiteindelijk werd een controller opgebouwd die eruit ziet als in figuur 49. In dit schema werd een tweede terugkoppeling gemaakt, namelijk de terugkeertemperatuur van de olie. Zoals hierboven beschreven zal deze veel sneller reageren op een variatie in frequentie van de circulatiepomp.

Figuur 49: Volledig regelschema warmtebron.

Hoofdstuk 5 42

Door dit schema op te bouwen wordt het vermogen opgesplitst in twee delen: via een delta T tussen Tin en Twens (Q1) en Tuit en Twens (Q2), zie hiervoor naar figuur 50. Wanneer vermenigvuldigd met de warmtecapaciteit van de olie en het massadebiet vormen ze samen het vermogen dat afgenomen wordt door de ORC. De bovenste en onderste extra kring uit figuur 49 zorgen dus voor een ontkoppeling van dit vermogen uit de PI regelaar. Dit geeft als voordeel dat de PI regelaar enkel nog het vermogen zal regelen om de olie op een wenstemperatuur te brengen (Q1).

Figuur 50: verduidelijkende figuur bij regelschema.

Wanneer een wijziging in temperatuur op Tout wordt gedetecteerd via een derivatie (dTout/dt <>0) kunnen via de switch de gewenste parameters A & C of B & D worden vermenigvuldigd met de respectievelijke vermogens Q1 en Q2 waardoor een feedforwardregeling ontstaat en meteen het vermogen wordt bijgeregeld. Via het teken van dTout/dt kan worden uitgemaakt of het opgenomen vermogen stijgt of daalt en dus de parameters A & C gewenst zijn of B & D. Deze parametergroep zal namelijk het wensvermogen meteen doen toenemen of verkleinen. Doordat deze externe kringen enkel ingeschakeld worden wanneer dTout/dt verschillend genoeg is van 0, worden de switches bij stabilisatie automatisch opnieuw naar 0 gebracht zodat deze kringen geen vermogen meer uitsturen en er opnieuw wordt overgegaan naar de regelkring uit Figuur 47. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen of deze manier van aansturen het voordeligst is of het nuttiger is om de regimestand op 1 te brengen zodat het opgenomen vermogen altijd wordt geregeld door deze extra takken. Het resultaat van de eerste manier van sturen is te zien op figuur 51.

Figuur 51: Resultaat na implementatie extra takken in de regelkring.

Hoofdstuk 5 43

Het uitgestuurde vermogen (paars) is nu bijna meteen na het wijzigen van de pompsnelheid geregeld, zowel bij een vertragende en versnellende stap. Het verloop van de Tin grafiek is schijnbaar grillig, dit komt doordat er iets te snel gemeten is en de temperatuur niet volledig is gesetteld bij wijzigen van de pompsnelheid. Toch blijft deze temperatuur binnen een band van maximaal een aantal tienden van een graad van de ingestelde wenstemperatuur.

5.4.2 PI of PID?

In het onderzoek zal binnenkort ook aandacht besteed worden in het verschil tussen een PI en een PID en eventuele voordelen van een specifieke controller. Heeft het toevoegen van de D functie een nut en zo ja, is het de langere ontwerpfase en moeilijkere afstemming waard?

Wanneer hierover een besluit is genomen kunnen deze controllers vast geïmplementeerd worden in de sturing.

5.5 Besluit

De implementatie van een controller op een bestaande installatie is als masterstudent zeker een leerrijke kans om de geziene theorie om te zetten in praktijk. Gelukkig wordt hiervoor de ondersteuning gekregen van doctoraatsstudent Andres Hernandez.

Er wordt voor dit onderdeel van het onderzoek veel getest en moeten vele aanpassingen gebeuren. Daarom is het nuttig dat het systeem online aanpasbaar is. Tijdens wijzigingen van de controllers in het LabView-programma blijft de ORC operationeel waardoor er geen tijd verloren gaat. Verder is er door de ombouw van de installatie nu toegang tot synchroon ingelezen en wijzigbare parameters die essentieel zijn om dergelijk onderzoek te doen. Voorheen was het namelijk zelfs niet mogelijk om de pompsnelheid te wijzigen via het LabView-programma.

Voor het ORCNext project is dit onderdeel eveneens van groot belang aangezien vele onderzoekers afhankelijk zijn van dit werk en er voor hun tests een stabiel in- en uitgangswerkpunt moet zijn op de ORC. Er kan gesteld worden dat er nu reeds een stabiele controller bestaande is voor de warmtebron. De ervaringen van deze controller op de warmtebron kunnen nu geëxtrapoleerd worden naar een controller van de koudebron.

44

Hoofdstuk 6 Rudimentaire controller ORC

6.1 Situering

Binnen het ORCNext project wordt eveneens onderzoek verricht naar manieren om de ORC zo optimaal mogelijk aan te sturen. In eerste instantie een controller die de ORC binnen een stabiel werkingspunt houdt en in een tweede fase een tweede controller die de ORC naar het meest efficiënte werkingspunt regelt. Het uiteindelijke doel is een Model-based Predictive Controller (MPC) te ontwikkelen en de performantie te vergelijken met een PI(D) controller. De MPC zou bij een variabele warmtebron kunnen leiden tot een rendementsverhoging van de ORC in vergelijking met klassieke stuurstrategieën [34].

Tijdens de huidige fase van het project en om controllers te kunnen ontwikkelen dient de ORC voor testdoeleinden operationeel te zijn dus werd een rudimentaire sturing in LabView ontwikkeld die de gebruiker toelaat om de ORC manueel aan te sturen, maar op de achtergrond controleert of alle parameters binnen de ontwerplimieten blijven. Wanneer de installatie zich buiten de limieten dreigt te begeven is een alarmzone ingebouwd en indien nog verder buiten design-limieten wordt gegaan schakelt de installatie automatisch uit.

Het is uiteindelijk de bedoeling om een sturing te bekomen die 4 modi kent:

1. Automatische opstart / shutdown 2. Normale werkingsmodus 3. Safety modus 4. Noodstop categorie 1

Deze sturing is tijdens het schrijven van dit werk reeds gedeeltelijk geprogrammeerd in de LabView-applicatie. Er is nog geen integratie in de PLC omdat deze sturing nog maar een eerste versie is en een optimalisatie eenvoudiger kan uitgevoerd worden in LabView. Dit komt doordat voor een aantal zaken gebruik wordt gemaakt van de Refprop vloeistofbibliotheek, mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een add-in voor LabView tijdens het ORCNext project.

Integratie van deze vloeistofbibliotheek in de PLC-sturing wordt wellicht zeer moeilijk, daarom wordt een lookup-tabel voorgesteld zoals omschreven in 6.5.

Hoofdstuk6 45

6.2 Automatische soft startup / shutdown Het automatisch opstarten van de installatie biedt de mogelijkheid om indien gewenst de installatie in bedrijf te brengen zonder dat hiervoor manuele acties nodig zijn. De grote thermische inertie van het systeem zorgen dan ook voor een lange opstarttijd (indien de warmtebron ook nog dient op te starten).

Aangezien er slechts een eenvoudige opstart noodzakelijk is die de ORC naar een vast werkingspunt moet brengen om dan vanaf dit werkingspunt de meting te starten worden enkele eenvoudige stappen ondernomen. De criteria voor deze stappen werden experimenteel bepaald zodat rechtstreeks opgemeten parameters kunnen gebruikt worden.

1) Opstarten externe circuits, wanneer de temperatuur van het oliecircuit 120° bereikt: stap 2

2) Voorverwarmen werkmedium ORC door circulatie te starten met geopende bypass-klep. Door de kleine opening van de bypassklep ontstaat toch een drukval over deze klep en zodus ook over de expander. Deze wordt niet actief geremd door de omvormer (onnodige opwarming alternator) waardoor de kans bestaat dat deze ongecontroleerd zou versnellen. Hierom wordt 5 seconden na het starten van de circulatiepomp de expander op 200 rpm geforceerd. Bijkomend voordeel van deze methode van werken is dat de expander zo eveneens opwarmt tijdens dit opstartproces, doch door het lage toerental er geen problemen zijn met smering dat verzorgd wordt door het doorstromend medium. a) Start circulatiepomp ORC, n = 1050 rpm b) Start expander ORC na 5s, n= 200 rpm

Wanneer het drukverschil over de expander 2 bar bedraagt wordt overgegaan naar volgende stap.

3) Versnellen expander naar 600 rpm, wanneer druk aan uitlaat expander 1 bar bedraagt: stap 4.

4) Sluiten bypass-klep, wanneer inlaatdruk van de expander 3 bar bedraagt: stap 5.

5) Versnellen van zowel expander als circulatiepomp. a) Versnellen circulatiepomp ORC, n = 1200 rpm, Δt = 1 s

4 s op 1200 rpm, Versnellen circulatiepomp ORC, n = 1800 rpm, Δt = 1 s

b) Versnellen expander ORC, n = 3000 rpm, Δt = 10 s

6) Systeem laten stabiliseren en wordt vrijgegeven voor normale werking.

Deze sequentie is slechts een voorlopige oplossing tot controllers voor de ORC zijn ontwikkeld. Door het afwezig zijn van enige controller in deze opstartprocedure zijn reeds enkele zaken opgedoken: wanneer de ORC moet worden heropgestart terwijl het systeem reeds op temperatuur is werkt deze manier van opstarten niet optimaal.

Figuur 52 op volgende pagina is een grafische weergave van de opgemeten data van de opstartprocedure.

Hoofdstuk6 46

Een analoge manier van werken werd toegepast om de installatie automatisch stop te zetten:

1) Warmtetoevoer afsnijden 2) Toerental circulatiepomp verlagen om oververhitting te garanderen* 3) ΔP over expander controleren: indien minder dan 3 bar: stap 4. 4) Bypass open en pomp afzetten samen met expander

* deze oververhitting wordt berekend in het LabView-programma door gebruik te maken van de Coolprop add-in beschikbaar op http://coolprop.sourceforge.net [35].

6.3 Normale werking Tijdens de normale werking, na opstart van de installatie, kunnen alle parameters gewijzigd worden door de gebruiker via het LabView-dashboard zoals weergegeven in Figuur 53. Om dit dashboard volledig weer te geven wordt gebruik gemaakt van twee schermen zodat op het hoofdscherm alle controls van de testbank beschikbaar zijn en de ORC parameters kunnen worden ingesteld, hetzij vast, hetzij door het aflopen van een tabel met setpoints. Met deze laatste kunnen bepaalde profielen worden gegenereerd. Het tweede scherm dient ter visualisatie van alle ORC-parameters met een real-time visualisatie van het T-s diagram. (nodige berekeningen via coolprop add-in)

Figuur 52: Verloop opstartprocedure.

http://coolprop.sourceforge.net/

Hoofdstuk6 47

Figuur 53: LabView dashboard voor ORC-metingen.

6.4 Veiligheidsoverwegingen Ter beveiliging van de installatie en gebruikers is reeds een noodstop Categorie 0 voorzien door middel van een veiligheidsrelais. Noodstop Categorie 1 is softwarematig ingebouwd in het LabViewprogramma. 6.4.1 Noodstop Categorie 1 Volgens de IEC60204-1 norm bestaat een noodstop Categorie 1 uit een begeleide stop van de installatie, gestuurd door veiligheidscomponenten zoals een failsafe-PLC.

Hoofdstuk6 48

De noodstop Categorie 1 implementatie in het systeem is vooral bedoeld ter beveiliging van de installatie en niet voor persoonsbeveiliging. Daarom wordt van de norm afgeweken en wordt deze noodstop uitgevoerd met een gewone PLC, wat een stuk goedkoper is. Praktisch is deze noodstop een shutdown zoals omschreven in 6.2.

6.4.2 Noodstop Categorie 0

Een noodstop Categorie 0 is volgens de IEC60204-1 norm het verwijderen van de spanning op de vermogenkring. Hierdoor wordt de installatie spanningsloos gezet en niet langer aangedreven. Nadeel van deze manier van werken is dat de expander kortstondig zal versnellen doordat deze niet langer wordt afgeremd door de drive maar door het automatisch openen van de bypass-klep is deze versnelling niet schadelijk.

Deze noodstop is geïmplementeerd volgens de norm via een veiligheidsrelais.

6.5 Principe lookup-tabel Binnenkort wordt binnen het ORCNext project gestart met dynamische metingen. Van deze metingen wordt verwacht dat de kans bestaat dat er buiten design-limieten wordt gegaan. Zoals de sturing nu is opgebouwd zal de installatie zichzelf uitschakelen. Telkens heropstarten zorgt voor tijdsverlies en werd reeds nagedacht over een mogelijke oplossing.

In plaats van de installatie uit te schakelen bij overschrijden van de grenzen zou het systeem automatisch naar een stabiel werkingspunt moeten gaan en een foutmelding sturen naar de LabView-applicatie en de controls pas teruggeven aan de LabView-applicatie wanneer deze een acknowledge geeft. Om dit stabiel werkingspunt te bereiken kan gewerkt worden met een lookup-tabel. In deze lookup-tabel staan voor een aantal stabiele werkpunten een set ingangsparameters ( temperaturen aan de warmtewisselaars bijvoorbeeld) met de setpoints van de actoren. Deze gegevens zijn verkregen door een automatische loggingsfunctie die detecteert wanneer de ORC gedurende een tijd stabiel werkt en deze parameters logt in de lookup-tabel.

Door deze manier van werken zal tijdens metingen, wanneer de ORC gedurende een bepaalde tijd stabiel draait, de tabel uitgebreid worden met nieuwe werkpunten. Wanneer voor een set ingangsparameters reeds een werkpunt is gelogd wordt de meest energie-efficiënte dataset bewaard.

Het voordeel van deze lookup-tabel is dat er geen complexe controller aan te pas komt, het nadeel is dat er eerst een tijd moet gewerkt worden met de installatie vooraleer de tabel uitgebreid genoeg is om een efficiënte aansturing van de ORC te bekomen.

6.6 Besluit De ORC-installatie is volledig stuurbaar vanuit LabView en alle parameters zijn uit te lezen. Dit laat toe om in de toekomst performante tests te doen. Hiervoor zullen enkele aanpassingen noodzakelijk zijn maar de basis werd reeds gelegd.

49

Besluit

In het begin van dit werk werden een aantal doelstellingen vooropgesteld en aangezien dit het laatste deel van het werk is wordt de balans opgemaakt. Tabel 1 wordt nogmaals weergegeven om de doelstellingen samengevat op te sommen.

Tabel 2: Vooropgestelde specificaties. Algemeen

- Hoge bedrijfszekerheid; - Geïntegreerde machineveiligheid; - Synchroon inlezen data; - Toegang tot alle parameters; - Besturing vanuit LabView; - Uitbreidbaar.

Testbank - Flexibel en compatibel met verschillende

testapplicaties (bv. Warmtepompen); - Generatie van dynamische warmteprofielen.

ORC - Besturing volledig in eigen beheer; - Piping eenvoudig toegankelijk; - Geschikt voor dynamische tests.

Doorheen de thesis werd elk punt stap voor stap aangepakt. Zo werd een volledig nieuw, geïntegreerd systeem van nul opgebouwd zodoende een testbank is bekomen waarbij veiligheid voor zowel gebruiker als systeem wordt gegarandeerd. Door de opbouw zijn alle parameters in de volledige applicatie beschikbaar vanuit het LabView-programma. Aangezien de link tussen PLC en PC automatisch wordt opgezet door de LabView-applicatie is het mogelijk om de installatie vanop gelijk welke PC / laptop waarop deze applicatie geïnstalleerd is aan te sturen: veelzijdigheid is ook op dit vlak bewezen.

Aangezien alle beperkende factoren/componenten in de testbank en ORC zijn aangepast of vervangen is een synchrone aansturing en uitlezing van de sensoren en actoren mogelijk zodat dynamische sturing mogelijk is geworden.

Gedurende het (her)ontwerpen van het besturings - / controlesysteem werd veel aandacht besteed aan eventuele toekomstige wijzigingen of uitbreidingen van de setup zodat de installatie zo eenvoudig mogelijk aangepast kan worden. Ook werd gepoogd om de ombouwkosten zo laag mogelijk te houden door hergebruik van componenten en enkel de bottlenecks vervangen waardoor onderzoeksgeld nuttig wordt geïnvesteerd.

Zoals ook geëist is de testbank nog steeds beschikbaar om ook op andere thermische processen, zoals warmtepompen, tests en metingen te kunnen doen.

Besluit 50

ORC-technologie kan de toekomst wellicht een stukje groener kleuren mits verdere optimalisatie door het juiste onderzoek. Het doel van deze thesis is dan ook om dit onderzoek mogelijk te maken door ombouw en optimalisatie van de testbank voor ORC’s van de onderzoeksgroep ORCNext.

Deze testbank had namelijk een aantal gekende problemen die een hindernis vormden voor het verdere verloop van het ORCNext project. Door identificatie van de oorzaken van deze problemen en door een heropbouw van het systeem volgens de gestelde eisen werden deze knelpunten opgelost. De robuustheid van de gebruikte industriële componenten in de installatie, gecombineerd met het veelzijdige LabView-platform zorgt dat het nieuwe, gerealiseerde systeem opnieuw een grote troef is in het onderzoek van ORCNext.

Veelzijdigheid, performantie, eenvoud en bedrijfszekerheid zijn enkele pijlers die tijdens dit werk werden nagestreefd en door realisatie van dit alles kan gesteld worden dat aan de vooropgestelde eisen en misschien zelfs meer wordt voldaan. Het enige wat spijtig genoeg niet is kunnen gebeuren wegens het beperkte tijdskader is onderzoek naar de foutpropagatie op de gemeten waardes.

Marcio Verhulst

Referenties 51

Referenties

Door auteur:

M. Verhulst, B. Vanslambrouck, M. van den Broek, M. De Paepe, "Implementation of a control system on an experimental ORC setup", 2nd International Seminar on ORC Power Systems, Proceedings. 2013.

[1] Electrabel en GDF-Suez, “Informatiefolder STEG-centrales,” 2007.

[2] “Totaal elektrisch vermogensverbruik in België,” Data from The World Bank Group visualised with Google Public. [Online]. [Accessed: 24-Nov-2013].

[3] U. Ghent, U. Antwerp, U. Liège, U. College West Flanders, Atlas Copco, “The next generation Organic Rankine Cycles,” 2011.

[4] B. F. Tchanche, G. Lambrinos, a. Frangoudakis, and G. Papadakis, “Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles – A review of various applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 15, pp. 3963–3979, Oct. 2011.

[5] B. Vanslambrouck, E. Defoer, and S. Gusev, “Restwarmterecuperatie via een Organische Rankine Cyclus bij hernieuwbare energietoepassingen,” 2009.

[6] S. Quoilin, M. Orosz, H. Hemond, and V. Lemort, “Performance and design optimization of a low-cost solar organic Rankine cycle for remote power generation,” Sol. Energy, vol. 85,, pp. 955–966, May 2011.

[7] A. Schuster, S. Karellas, E. Kakaras, and H. Spliethoff, “Energetic and economic investigation of Organic Rankine Cycle applications,” Appl. Therm. Eng., vol. 29, pp. 1809–1817, Jun. 2009.

[8] “KIER website.” [Online]. Available: www.kier.re.kr/eng/05_about/personnel.jsp. [Accessed: 20-Sep-2013].

[9] A. Kimmenaede, Warmteleer voor technici, 10th ed. 2010, pp. 211–212.

[10] T. P. Handayani, A. P. Harvey, D. A. Reay, “The selection of ORC working fluids based on Fuzzy logic,” p. 61467.

[11] U. Drescher and D. Bruggemann, “Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC) in biomass power and heat plants,” Appl. Therm. Eng., vol. 27, pp. 223–228, 2007.

[12] R. Rayegan and Y. X. Tao, “A procedure to select working fluids for Solar Organic Rankine Cycles (ORCs),” Renew. Energy, vol. 36, pp. 659–670, Feb. 2011.

[13] T. Hung, “Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids,” vol. 42, pp. 539–553, 2001.

[14] P. J. Mago, L. M. Chamra, K. Srinivasan, and C. Somayaji, “An examination of regenerative organic Rankine cycles using dry fluids,” Appl. Therm. Eng., vol. 28, pp. 998–1007, 2008.

[15] D. Maraver, J. Royo, V. Lemort, and S. Quoilin, “Systematic optimization of subcritical and transcritical organic Rankine cycles (ORCs) constrained by technical parameters in multiple applications,” Appl. Energy, vol. 117, pp. 11–29, Mar. 2014.

Referenties 52

[16] S. Quoilin, M. Van Den Broek, S. Declaye, P. Dewallef, and V. Lemort, “Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 22, pp. 168–186, Jun. 2013.

[17] H. A. Ingley, R. Reed, and D. Goswami, “Optimization of a Scroll Expander Applied to an Ammonia / Water Combined Cycle System for Hydrogen Production - Paper No . 1645,”, 2004.

[18] G. Tamm, D. Y. Goswami, S. Lu, and A. A. Hasan, “Theoretical and experimental investigation of an ammonia-water power and refrigeration thermodynamic cycle,” Sol. Energy, vol. 76, pp. 217–228, 2004.

[19] N. Petchers, Combined heating, cooling & power handbook: technologies and applications. 2002, pp. 671–680.

[20] S. H. Kang, “Design and experimental study of ORC (organic Rankine cycle) and radial turbine using R245fa working fluid,” Energy, vol. 41, pp. 514–524, May 2012.

[21] Siemens, “IPC477C PRO manual,” pp. 1–226, 2010.

[22] Invensys_Eurotherm, “TE200A Power controllers Two-phase control of three-phase loads User manual,” 1997.

[23] “WP3 – Dynamic control and optimization | ORCNext.” [Online]. Available: http://www.orcnext.be/actions-deliverables/dynamic-control-and-optimization/.

[24] M. Nicolas, “Experimental study and dynamic modeling of a Waste Heat Recovery Organic Rankine Cycle,” 2012.

[25] S. Ag, STEP 7 Professional V12.0 SP1 System Manual. 2013, p. 10066.

[26] Siemens, S7- 1200 Programmable controller S7-1200 Programmable controller. Siemens AG, 2012, p. 864.

[27] I-MOCCA, Profibuscourse - theory & practice, engineering & troubleshooting. 2013, p. 132.

[28] H. Capoen, “Cursus Factory and Proces Automation,” 2012.

[29] H. Capoen, “Cursus Factory and Proces Automation 2, Ethernet TCP/IP,” 2013.

[30] C. Debruyne, S. Dereyne, J. Desmet, L. Hespel, and B. Verhelst, Laagspanningsinstallaties: technologie en ontwerp. 2011.

[31] Maxxtec, Maxxtec hot solutions systems manual.

[32] S. Derammelaere and I. Sweertvaegher, “Module Regeltechniek en Vermogenelektronica,” 2013.

[33] A. Hernandez, “PI(D) controller for the heat source ORCNext project Andres Hernandez 29,” pp. 1–3, 2013.

[34] A. Hernandez, A. Desideri, C. Ionescu, S. Quoilin, V. Lemort, and R. De Keyser, “Multivariable EPSAC Predictive Control for Organic Rankine Cycle technology,” pp. 2011–2013, 2013.

[35] I. Bell, J. Wronski, S. Quoilin, and V. Lemort, “Pure- and Pseudo-Pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp,” Ind. Eng. Chem. Res., Jan. 2014.

Bijlagen 53

Bijlagen

Alle bijlagen zijn digitaal te vinden op bijgevoegde DVD:

Implementatie van een controlesysteem op een experimentele ...

Documents

Transcript of Implementatie van een controlesysteem op een experimentele ...