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Die Energiewende wird weltweit zunehmend umgesetzt und zwingt Kombikraftwerke (CCPPs) zu einem flexiblen Betrieb auch auf Inseln. CCPPs regeln oder werden die Last hoch- und herunterfahren, um die intermittierende Einspeisung erneuerbarer Energien in das Netz zu ermöglichen. Diese Manöver gefährden die Betriebsstabilität und gefährden die Anlagenverfügbarkeit. Anlagenfahrten auf kleinen bis mittelgroßen Inseln, die nicht mit größeren Festlandnetzen verbunden sind, führen zu größeren Ausfällen, wenn nicht sogar auf der ganzen Insel. Das ADEX Self-tuning AI (künstliche Intelligenz)-System steigert die Betriebsstabilität bei gleichzeitiger Optimierung der Anlagenleistung und ermöglicht so einen flexiblen Betrieb ohne Kompromisse bei der Zuverlässigkeit.

Inselnetze sind oft isolierte Stromsysteme, die nicht mit den Versorgungsunternehmen auf dem Festland verbunden sind und auf sehr wenige oder sogar ein einziges Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen angewiesen sind, um die Netzfrequenzstabilität zu gewährleisten. Um diesen Zweck zu erfüllen, gleichen diese Anlagen die Erzeugung mit der Nachfrage in Echtzeit ab. Geschieht dies nicht, wird die Servicequalität des Systems beeinträchtigt und im Extremfall kann das gesamte Netz zusammenbrechen. Folglich gefährdet der Mangel an Kraftwerken, die eine stabile Netzfrequenz liefern können, die Stromversorgung.

Trotz dieser inhärenten Netzfragilität stellt die aktuelle öffentliche Politik die Fähigkeit der Inselgeneratoren, die Frequenz zu stabilisieren, zusätzlich vor Herausforderungen. Die Ziele der Energiewende erfordern einen flexiblen Betrieb fossil befeuerter Kraftwerke und zwingen sie dazu, ihre Lasten zu variieren, um intermittierende erneuerbare Energieeinspeisungen in das Netz zu bewältigen und dennoch den schwankenden Bedarf zu decken. CCPPs sind die flexibelste und effizienteste Erzeugungstechnologie, die normalerweise zur Erfüllung dieser Aufgabe eingesetzt wird, und das tun sie auch, allerdings nicht ohne Schwierigkeiten und Rückschläge. Häufig führen die strengen Manöveranforderungen zu einer Instabilität der Anlage, was zu Ausfällen und ungeplanten Ausfällen führt und eine hohe Belastung für die Ausrüstung der Anlage darstellt. Die Einführung einer flexiblen, klimafreundlichen Generation gefährdet ein traditionelles, aber immer noch oberstes Ziel der Branche: Zuverlässigkeit.

Die Stromnetzbetreiber der Inseln sind sich ihrer Situation durchaus bewusst. Bei knappen Budgets versuchen sie, die Zuverlässigkeit, Stabilität und Belastbarkeit des Netzes durch zusätzliche Reservekapazitäten zu gewährleisten, da keine Verbindung zu den Stromnetzen des Festlandes zur Unterstützung verfügbar ist. Trotz dieser Bemühungen breiten sich Kraftwerksausfälle und andere Vorfälle immer noch schneller über das Stromnetz aus und haben schlimmere Folgen für die Stromnetze der Inseln.

Angesichts dieser Belastung jonglieren CCPP-Betriebe mit widersprüchlichen Flexibilitäts- und Zuverlässigkeitszielen, mit unterschiedlichen Erfolgsquoten. Auf Inseln können die Auswirkungen dieser konkurrierenden Ziele kaum genug betont werden.

In einem Kraftwerk können einige bekannte, wiederkehrende Probleme zu teilweisen oder vollständigen ungeplanten Ausfällen führen. Die wohl häufigste Auslöseursache ist die Instabilität des Trommelpegels. Dieser Artikel konzentriert sich auf wiederkehrende Probleme mit der Drum-Level-Instabilität und darauf, wie der ADEX Drum Level Optimizer diese Probleme für seine Benutzer gelöst hat.

Proportional-Integral-Derivative (PID)-Regler gibt es schon seit mehr als einem Jahrhundert. Sie wurden in den 1950er Jahren in vielen Schwerindustrien massiv eingesetzt, da sie mit weniger menschlichem Eingreifen Industrievariablen über lange Zeiträume um ihre Sollwerte aufrechterhalten konnten. Damit legen sie den Grundstein für verteilte Steuerungssysteme (DCS) und automatisierte Industrieabläufe.

Obwohl es sich damals um einen Durchbruch handelte, ist es verblüffend, dass der alte PID-Algorithmus immer noch das wichtigste Werkzeug ist, das derzeit zur Steuerung der überwiegenden Mehrheit der Prozessvariablen in jeder Branche verwendet wird, einschließlich der Trommelfüllstände in GuD-Kraftwerken. Dies ist besonders merkwürdig, da PID-Regler bekanntermaßen Schwankungen um ihre Sollwerte in den von ihnen gesteuerten Variablen hervorrufen, was gelegentlich zu Resonanzen und Betriebsinstabilität führt und einen manuellen Eingriff durch einen erfahrenen menschlichen Bediener erfordert. In Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, kann eine Einheit ausfallen, wenn es dem menschlichen Bediener nicht gelingt, die kritischen Prozessvariablen ausreichend zu stabilisieren.

Schon in den Anfängen der Automatisierung gab es Kritik an der PID-Regelung und Befürworter alternativer Lösungen. Eine gründliche Untersuchung der Probleme der Prozesssteuerung in der chemischen Industrie und der praktischen Unzulänglichkeiten der damals verfügbaren optimalen und adaptiven Methoden kam zu dem Schluss, dass es eine Lücke zwischen Theorie und Praxis in der industriellen Prozesssteuerung gab. Es fügte hinzu, dass „die Lücke tatsächlich vorhanden ist, aber entgegen der Meinung vieler ist es der Theoretiker, der sie schließen muss.“

In der Studie wurden die erforderlichen Merkmale einer Lösung hervorgehoben, die in der Lage sein könnte, diese Lücke zu schließen. Die Lösung müsste Wechselwirkungen multivariabler physikalischer Prozesse ausnutzen und adaptiv, aber stabil sein, selbst bei nicht modellierter Dynamik, unbekannten Störungen und ungenauer Kenntnis von Parametern und Messungen.

Mehr als vier Jahrzehnte später, im Jahr 2017, wandte sich der Präsident der Control System Society des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) in einer Botschaft über die Zeitschrift IEEE Control Systems an die gesamte wissenschaftliche Steuerungsgemeinschaft. In seiner Botschaft betonte er, dass die Lücke zwischen industrieller Kontrolltheorie und -praxis nicht geschlossen sei und bezeichnete dies als „KI-Kontrollproblem“. Der Präsident forderte die Gemeinschaft auf, ihre Bemühungen zu erneuern, und erklärte: „Wenn wir eine Anlage haben, die wir steuern möchten, und wir einen Controller dafür entwerfen, besteht immer das Risiko, dass sich das geschlossene System nicht wie gewünscht verhält.“ Genauer gesagt könnte es instabil sein, was zu allen möglichen unerwünschten Folgen führen könnte, die von gesättigten Verstärkern bis hin zu katastrophalen Verlusten an Menschenleben reichen.“ Die eigentliche Frage ist jedoch, ob Lösungen für das KI-Kontrollproblem gefunden werden können.

Es bedeutet jedoch nicht, dass in der langen Zeit zwischen diesen beiden Artikeln keine Fortschritte oder Anstrengungen erzielt wurden. Auf der Grundlage verschiedener Steuerungsmethoden wie Fuzzy-Logik, neuronaler Netze oder modellprädiktiver Steuerung (MPC) sind mehrere fortschrittliche Prozesssteuerungssysteme (APC) auf dem Markt erhältlich. Trotz der allgemeinen betrieblichen Verbesserungen basieren diese APC-Systeme jedoch immer noch auf PID-Reglern und sind in allen Fällen auf auf festen Parametern basierende Algorithmen angewiesen, um die Ausgänge zu erzeugen, die schließlich auf die Anlagenelemente (Ventile, Pumpen usw.) angewendet werden. .

Das zugrunde liegende Problem aktueller Festparameter-Steuerungssysteme besteht darin, dass die Steuerungsparameter auf bestimmte Betriebsbedingungen abgestimmt sind. Wenn sich die Prozessbetriebsbedingungen ändern und die Prozessdynamik während der Abstimmung von den Betriebsbedingungen abweicht, können diese Parameter verstimmt werden, was zu einer Verschlechterung der Steuerungsleistung und zu Prozessinstabilität führen kann.

In einem US-Patent wurde eine neue ADEX-Steuerungsmethodik (Adaptive Predictive Expert) definiert. Später wurden in dem Buch „ADEX Optimized Adaptive Controllers and Systems: From Research to Industrial Practice“ die Konzepte der ADEX-Steuerungsmethodik und ihre praktische Umsetzung vorgestellt durch die sogenannten ADEX-Systeme und die ADEX-Stabilitätstheorie. Tatsächlich beschreibt dieses Buch die Theorie und industrielle Praxis einer generischen multivariablen, adaptiven und stabilen Steuerungslösung für industrielle Prozesse, die trotz Änderungen in der Prozessdynamik und im Betriebskontext sowie bei Rauschen und Störungen ihre optimale Steuerungsleistung erzielen kann auf sie einwirken.

Die ADEX-Technologie basiert auf einer sich selbst optimierenden KI, die in der Lage ist, die Prozessdynamik und ihre zeitlichen Schwankungen in Echtzeit zu identifizieren. Diese selbstoptimierende KI ermöglicht es ADEX-Reglern, die Entwicklung der Prozessvariablen genau vorherzusagen und die Steueraktionen zu berechnen, die die vorhergesagte Entwicklung mit der gewünschten Entwicklung in Einklang bringen und so die Prozessleistung optimieren.

ADEX-Systeme stabilisieren und optimieren die Gesamtleistung eines Prozesses. Sie werden durch optimierte Prozessleitstrategien definiert, in die ADEX-Controller integriert sind.

ADEX-Systeme wurden bei zahlreichen anspruchsvollen Anwendungen in einer Vielzahl von Industriebereichen eingesetzt und betreiben diese derzeit mit einer Erfolgsbilanz bei der Verbesserung ihrer Prozessleistung. Diese Anwendungen haben experimentell bewiesen, dass die ADEX-Technologie die seit Jahrzehnten bestehende Kluft zwischen Theorie und Praxis in der Prozesssteuerung überbrückt und das sogenannte Steuerungsproblem industrieller Prozesse löst.

Das Streben nach ehrgeizigen Flexibilitätszielen (z. B. höhere Rampenraten und niedrigere Mindestlasten) wirkt sich auf die kritischen Stabilitätsvariablen einer Anlage aus und gefährdet die Zuverlässigkeit. Die selbstoptimierende KI von ADEX stärkt die Betriebsstabilität und mindert Zuverlässigkeitsrisiken bei der Verbesserung des flexiblen Betriebs. Für viele Anlagen, die zwischen Zuverlässigkeits- und Betriebsflexibilitätszielen kämpfen, ermöglicht ADEX Self-tuning AI die Erfüllung beider Ziele.

CCPPs, die für den Grundlastbetrieb eingesetzt werden und oft speziell dafür konzipiert sind, können bei der Umstellung des Betriebs auf eine flexible Lastfolge auf Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsprobleme stoßen. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Entwicklung der Hochdruck- (HP) und Mitteldruck- (IP) Trommelfüllstände im selben Kessel bei Grundlastbetrieb (ohne Flexibilitätseinschränkungen) bzw. Lastfolgebetrieb (flexibler Betrieb).

HP- und IP-Trommelpegel sind geschäftskritische Variablen, die die Einheiten auslösen, wenn Abweichungen von ihrem Sollwert einen Schwellenwert überschreiten, der von den konstruktiven Parametern der Trommeln abhängt. Die Zuverlässigkeit ist gefährdet, wenn dieser Schwellenwert nahe genug an den Niveauschwankungen liegt, die durch den Lastfolgebetrieb verursacht werden.

In Anlagen, die vor der Herausforderung eines flexiblen Betriebs stehen, passt sich die Multivariablentechnologie von ADEX in Echtzeit selbst an, um die sich ändernde Dynamik der kritischen Variablen bei der Lastfolge zu verfolgen, und reagiert entsprechend, um eine optimale Regelleistung und Stabilität kritischer Variablen für jedes Szenario sicherzustellen . Abbildung 3 zeigt HP-Trommel-Stabilitätstests mit und ohne ADEX Drum Level Optimizer, die an der ENEL-Kombistation Porto Corsini bei der Ausführung von Lastrampen mit 42 MW/Minute durchgeführt wurden. Abbildung 3 zeigt, wie ADEX die Stabilität der Trommelebene bei anspruchsvollen Einsätzen wie aggressiver Lastverfolgung gewährleistet.

Zu den erneuerbaren Ressourcen Puerto Ricos gehören Solar-, Wind-, Wasserkraft und Biomasse. Gemäß dem Puerto Rico Energy Public Policy Act muss die Puerto Rico Electric Power Authority (PREPA) bis 2025 40 % ihrer Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen beziehen, bis 2040 60 % und bis 2050 100 %. Im Jahr 2022 sind es nur noch 3 % Der Strom von PREPA stammte aus erneuerbarer Energie. Die dezentrale Solarstromerzeugung nimmt im Wohn- und Gewerbesektor der Insel rasch zu. Ein kleiner Teil der Energie stammt aus Wind-, Wasserkraft- und Deponiegasanlagen. Trotz der ehrgeizigen Ziele der Energiewende ist Puerto Rico ein isoliertes Stromnetz, das nicht an die Versorgungsunternehmen auf dem Festland angeschlossen ist. Heute ist es auf ein einziges CCPP angewiesen, um eine stabile und robuste Netzfrequenz sicherzustellen.

EcoEléctrica ist ein 2×1 CCPP in Peñuelas, Puerto Rico, das sich im gemeinsamen Besitz von Global Power Generation, Engie und Mitsui befindet. Die Anlage verfügt über eine Nennkapazität von 540 MW, die von zwei 501FC Siemens/Westinghouse-Verbrennungsgasturbinen und einer Toshiba-Dampfturbine erzeugt wird und etwa 20 % des Stroms der Insel produziert. EcoEléctrica ist Puerto Ricos zuverlässigstes Kraftwerk, das im AGC-Modus (Automatic Generation Control) arbeitet und letztendlich für die Aufrechterhaltung der Stabilität der Netzfrequenz der Insel verantwortlich ist.

Obwohl EcoEléctrica eine grundlegende Rolle im Stromsystem Puerto Ricos spielt, kommt es häufig zu Netzstörungen, die den Betrieb des Unternehmens gefährden und Auswirkungen auf die Stabilität der Trommeln haben. Die Stabilität des Fassfüllstands ist ein anhaltendes Problem, das alle zwei Jahre zu etwa drei Ausfällen führt. Der erwartete starke Anstieg der erneuerbaren Energien stellt den Betrieb der Anlage vor große Herausforderungen.

EcoEléctrica ging dieses Problem an, indem es den Markt nach High-Tech-Lösungen mit nachweislichen Erfolgen bei der Lösung ähnlicher Probleme in der Energiebranche durchsuchte und sich für den Einsatz der ADEX-Technologie entschied. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen Trends der HP- und IP-Trommelwerte im Betrieb mit und ohne ADEX.

Der ADEX Drum Level Optimizer reduzierte die Pegelschwankungen von Ecoeléctrica bei HP-Fässern um bis zu 90 % und bei IP-Fässern um bis zu 50 %. Abbildung 7 zeigt einen Sieben-Tage-Trend mit und ohne ADEX Drum Level Optimizer.

Eine verbesserte Stabilität geschäftskritischer Variablen, insbesondere der Trommelfüllstandsstabilität, führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit. Aber auch ohne den ADEX Drum Level Optimizer wird die Zuverlässigkeit nicht täglich beeinträchtigt, sondern erst dann, wenn sporadische Vorfälle, ausgelöst von außen oder innen, ins Spiel kommen. Im Folgenden wird die Leistung des Drum Level Optimizer von ADEX analysiert, als einer dieser Vorfälle stattfand.

Am 14. November 2022 erschütterte ein Fehler auf einer 230-kV-Leitung das Stromnetz von Puerto Rico und führte dazu, dass drei Kraftwerke außer Betrieb waren. Die Verbrennungsturbinen von EcoEléctrica mussten bis zu 300 MW/Minute hochdrehen, um die Netzfrequenz wiederherzustellen und einen Ausfall zu vermeiden. Die Auswirkungen zum Zeitpunkt des Leitungsausfalls auf einige der kritischen Variablen von EcoElectrica sind in Abbildung 8 dargestellt.

Die Folgen von Lastschwankungen, wie sie in der Abbildung dargestellt sind, sind eine längere Zeitspanne (Stunden) der Anlageninstabilität, bei der die Zuverlässigkeit auf dem Spiel steht. In dieser Situation konzentrieren sich die Bedenken auf die Schwachstelle der Pflanze: den Trommelpegel. In ähnlichen Situationen in der Vergangenheit führten Schwingungen des Trommelfüllstands dazu, dass die Anlage ausfiel und das gesamte Netz mitgerissen wurde.

Diesmal kontrollierte ADEX jedoch während des gesamten Vorfalls die Trommelfüllstände beider Abhitzedampferzeuger (HRSG) zu 100 %. ADEX hielt die Trommelfüllstände innerhalb der betrieblichen Sicherheitsbereiche um ihre Sollwerte und wirkte auf die Kesselspeisepumpen und die Speisewasserventile, die die HP- bzw. IP-Werte steuern.

Abbildung 9 vergrößert Abbildung 8 und erweitert die Zeitleiste auf der horizontalen Achse, um die Auswirkungen der Lastschwankungen auf die HP-Trommelfüllstände und die ADEX-Aktionen auf die Pumpen zur Abschwächung ihrer Schwingungen zu zeigen. Wie in der Abbildung dargestellt, dauerte es nach dem Vorfall etwa vier Stunden, bis das Gerät wieder in den regulären Betrieb überging.

Zur Verdeutlichung der Erklärung wurden der Abbildung die Beschriftungen 1, 2 und 3 hinzugefügt. Beschriftung 1 zeigt die Lastschwankungen nach dem Netzvorfall, zuvor in Abbildung 8 dargestellt, mit einer größeren Vergrößerung. Diese Lastschwankungen führen nicht nur zu einer sofortigen Abweichung der Trommelpegel von ihren Sollwerten, sondern verändern auch die Dynamik des Trommelpegelprozesses. Wie in den vorherigen Abschnitten erläutert, passt ADEX seine Steuerparameter in Echtzeit selbst an, um die Dynamik des sich ändernden Prozesses im Auge zu behalten und angemessene Reaktionen auf das sich ändernde Betriebsszenario zu erzeugen.

Der durch die Bezeichnung 2 in der Abbildung gekennzeichnete Bereich zeigt, wie die Steueraktionen von ADEX nach Lastschwankungen deutlich stärker werden, wenn sich das ADEX-System an die neue Dynamik anpasst. Beachten Sie, dass das ADEX-System bei allen Replikaten, die nach dem Vorfall stattfanden, ähnlich reagierte und seine Kontrollmaßnahmen erheblich änderte, um der neuen Dynamik Rechnung zu tragen.

Schließlich zeigt der mit 3 gekennzeichnete Bereich, wie die Kontrollmaßnahmen von ADEX wieder zu ihrem regulären Betrieb zurückgekehrt sind und denen ähneln, die vor dem Vorfall angewendet wurden. Abbildung 10 zeigt die Füllstände der IP-Trommeln und die vom ADEX-System auf die Speisewasserregelventile angewendeten Steuermaßnahmen.

Wie in Abbildung 9 zeigt Abbildung 10, dass das ADEX-System direkt nach dem Ereignis stärkere Kontrollmaßnahmen durchführte, um seine Wirkung zu kompensieren. Dadurch konnten die IP-Werte während der gesamten Veranstaltung unter Kontrolle gehalten werden.

Die „Verhaltensänderungen“ des ADEX-Systems, die in den letzten beiden Abbildungen dargestellt sind, sind auf die laufende Selbstoptimierung der ADEX-Regler als Reaktion auf dynamische Änderungen zurückzuführen, die durch den Netzvorfall verursacht werden. Diese Fähigkeit zur Selbstoptimierung hielt die Trommelpegel während des gesamten Betriebs unter Kontrolle.

Laut Miguel Velez, einem erfahrenen Betriebsleiter, der während des Vorfalls Wache hielt, „hätte ein Netzvorfall wie dieser wahrscheinlich erst die Trommeln und dann die Anlage ausgelöst und die Stabilität des gesamten Netzes gefährdet.“ Der ADEX Drum Level Optimizer gewährleistete die Pegelstabilität von EcoEléctrica, einen erheblichen Teil der Stromversorgung der Insel und die Frequenzstabilität des gesamten Netzes.

Die selbstoptimierende KI von ADEX kann die Betriebsstabilität des CCPP erhöhen und einen flexiblen Betrieb ermöglichen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Dabei handelt es sich um eine kosteneffektive Software zur Verhinderung von Ausfällen, die durch die Aufrechterhaltung des Anlagenbetriebs erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringt. Erfüllung von Versandaufträgen durch verbesserte Anlagenflexibilität; und Verringerung der Belastung, die kontinuierliche Fahrten für Anlagenelemente verursachen (thermische Schäden, abrupter Betrieb usw.). In fragilen Stromnetzen, beispielsweise auf Inseln, werden ihre Vorteile immer wichtiger, um eine umweltverträgliche und zuverlässige Versorgung sicherzustellen.

—Isaiah Martin-Hoyoist COO von ADEX in den USA,Hector Martinezist Leiter der Instandhaltung bei EcoEléctrica,Benny Albarranist Betriebsleiter bei EcoEléctrica undCarlos Reyerist der Werksleiter von EcoEléctrica.

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