Dynamische Simulation eines bestehenden Fernwärmenetzes mit Matlab/Simscape

Abstract

Die Idee Wärmeenergie zentral zu erzeugen und dann über ein Verteilernetz an Abnehmer zu distribuieren wurde bereits in der Antike genutzt. Das Grundprinzip dabei hat sich seitdem nicht verändert, wohl aber die technologische Umsetzung. Heute wird die Energie in Form von warmem oder heißem Wasser über ein Rohrnetz an die Verbraucher verteilt. Durch die große Anzahl an existierenden Netzen wird es immer wichtiger ebendiese in Simulationen von Heizkraftwerken mit einzubinden um dadurch die Systemgrenzen der Simulation auszuweiten. Heute steht eine Vielzahl an Softwarepaketen zur Verfügung, welche dazu dienen thermodynamische Problemstellungen zu modellieren. Welches unter ihnen ist aber das geeignetste um ein gesamtes Netz dynamisch zu simulieren? Mit anderen Worten: Welches der Simulationsprogramme schafft es mit ausreichender Genauigkeit (angemessene Modellbildung) und doch in relativ kurzer Zeit ein Fernwärmenetz zu simulieren? Hier wurde das Simulationspaket Matlab/Simscape auf die Bewältigung dieses Trade-Offs zwischen Simulationsgenauigkeit und Simulationsdauer geprüft. Der erforderliche Zeitaufwand für die Simulation sollte hier 5% der simulierten Zeit nicht überschreiten. Die Simulation eines Tages sollte also weniger als eine Stunde und 12 Minuten erfordern. Hauptziel dieser Arbeit war es erstens geeignete Inputdaten für die Simulation eines Fernwärmenetzes wie verbraucherseitige Leistungsabnahmefunktionen zur Verfügung zu stellen und zweitens ein Modell in Simscape zu schaffen, welches sodann die Simulation für einen beliebigen Tag des Jahres vornimmt. Als Ergebnisse liefert die Simulation einen Netzwirkungsgrad, erforderliche Kessel- und Pumpenleistungsverläufe, Netzverluste, das Temperatur- und Druckfeld des Netzes, Verbraucherinformationen wie Vorlauf- und Rücklauftemperatur sowie Massenstromverläufe. Besonderer Wert wurde auf eine möglichst geringe Anzahl an Inputparametern und einen hohen Automatisierungsgrad gelegt. Erstellt wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Komponentenbibliothek mit Blöcken, welche die einzelnen Komponenten wie Rohrleitungen und Wärmeübergabestationen eines Fernwärmenetzes repräsentieren. Auf das Verbraucherverhalten der Großverbraucher wurde besonderer Wert gelegt. Beruhend auf historischen Messdaten und Außentemperaturaufzeichnungen wird eine Methode entwickelt die den Wärmebedarfsverlauf eines beliebigen Tages des Jahres ermittelt. Um die Anforderungen bezüglich Simulationszeiten einhalten zu können wurde eine Methode zur Netzvereinfachung angewandt und in Excel und Matlab implementiert. Diese Netzaggregation vermindert die Anzahl an Verbrauchern und Rohrelementen im Netz und beschleunigt somit indirekt die Simulation. Da diese Netzvereinfachung mit einem Fehler einhergeht, wurde zusätzlich eine Methode entwickelt, die es erlaubt, den Fehler in erforderlicher Kessel- und Pumpenleistung abzuschätzen. Output dieser Arbeit ist ein Simulationstool, welches vollautomatisch Verbraucherfunktionen ermittelt, die Netztransformation durchführt, das betrachtete Fernwärmenetz simuliert und die daraus erhaltenen Ergebnisse visualisiert. Bei Bedarf kann die Simulation für Planungszwecke (offline) oder als regelungstechnisches Instrument (online) eingesetzt werden.

In the last decades the number of biomass fueled district heating networks has increased, and will gain importance in the next years due to legislative changes. However, good working tools for a proper simulation of the heat demand and distribution have not yet been developed in Simscape. Thus, the aim of this thesis is to test the software Matlab/Simscape in performing a simulation of a district heating network, keeping the simulation time short with good simulation accuracy. Furthermore, the maximum allowed time in performing the simulation of the network and the components in the power plant is targeted to 5% of the simulated time period. First, a library of block-components representing the elements of such a network is developed. In order to perform the dynamic simulation a method was developed to determine the arbitrary daily heat load curve of main customers (e.g. hotels). It is based on historical data and the ambient temperature. To keep simulation time short an aggregation method was applied to the network. The resulting deviation between original and equivalent network in energy efficiency and required boiler and pump power is estimated. Outcome of this thesis is a fully automated Simscape-model of an existing district heating network in Austria which determines heat loads, required power plant energy demands and simulated customer data like temperatures, required mass flow and pressure drop.