V3.19

Dynamische Simulation eines Hochtemperaturbrennstoffzel-lensystems (SOFC) mit partieller Anodenabgas-RückführungDipl. -Ing. S. Chen1) (E-Mail: shaofei.chen@tu-bs.de), Dipl. -Ing. C. Schlitzberger1), Prof. Dr. techn. R. Leithner1),Prof. Dr. -Ing. M. Mönnigmann2)

1)Institut für Wärme- und Brennstofftechnik der Technischen Universität Braunschweig, Franz-Liszt-Straße 35, D-38106 Braunschweig,Germany

2)Lehrstuhl für Regelungstechnik und Embedded Systems der Ruhr-Universität Bochum, D-44780 Bochum, Germany

DOI: 10.1002/cite.200950234

Im Rahmen eines gemeinsamen For-schungsprojektes wird ein Solid OxideFuel Cell (SOFC)-Reformer-Systemmit partieller Anodenabgasrückführung(AAGR) aufgebaut und untersucht [1,2]. Dieses System (s. Abb.) unterscheidetsich von existierenden durch seinedeutlich kleinere Leistungsklasse (ca.360 Wel), den einfachen Aufbau undden Einsatz von Propan als Brenngas.

Von besonderem Interesse ist der An-fahrvorgang, bei dem das Propan zu-nächst durch exotherme partielle Oxida-tion (POX) mit Luft im Reformerreformiert werden muss, bis heißes An-odenabgas aus der SOFC in ausreichen-dem Maße für die Rezirkulation zur Ver-fügung steht. Anschließend wird dieLuftzufuhr in den Reformer sukzessivedurch die partielle Rückführung des

Anodenabgases ersetzt und das Systemin die nominale Betriebsweise umge-schaltet. Dabei können die POX und dieendotherme Dampf- und CO2-Reformie-rung in demselben Reformer durch-geführt werden, um so die System-komplexität zu reduzieren. In einemkatalytischen Nachbrenner, der baulich inden Reformer integriert ist, wird das rest-liche Anodenabgas mit dem Kathoden-abgas verbrannt. Die freigegebene Wär-me wird unmittelbar zum Reformerübertragen, ohne dass ein weiterer Hoch-temperaturwärmetauscher notwendig ist.

In diesem Beitrag werden die Si-mulationen der dynamischen Umschalt-vorgänge diskutiert, mit denen dasGesamtsystemverhalten vor der Inbe-triebnahme untersucht wurde. Die Simu-lationsergebnisse zeigen die Plausibilität

des Konzeptes und die Notwendigkeiteiner Optimalsteuerung der POX-Luft,Propanzufuhr und Bypässe hinsichtlichder Stackleistung, und zur Vermeidungvon Überhitzung und Rußbildung beider Umschaltung auf AAGR-Betrieb.

Wir bedanken uns für die Finanzie-rung durch die AiF (Vorhaben 251 ZN/1).

[1] R.-U. Dietrich et al., SOFC-Brennstoff-zelle mit partieller Anodenabgas-Rück-führung zur Reformierung, 6. VDI Fach-tagung Brennstoffzelle, VDI-Ber. 2008,2036 (5), 217.

[2] S. Chen, C. Schlitzberger, M. Mönnig-mann, R. Leithner, Modeling and Simu-lation of a Propane SOFC System withIntegrated Fuel Reformation Using Re-cycled Anode Exhaust Gas. 8th EuropeanFuel Cell Forum, Luzern 2008.

V3.20

Nichtlineare modellprädiktive Regelung – wirtschaftlichund echtzeitfähigL. W. Würth1), Prof. W. M. Marquardt1) (E-Mail: wolfgang.marquardt@avt.rwth-aachen.de)1)RWTH Aachen University, Aachener Verfahrenstechnik/Prozesstechnik, Turmstraße 46, D-52056 Aachen, Germany

DOI: 10.1002/cite.200950584

SOFC

Injektor

Reformer-Brenner -Reaktor

Elektrischer Luftvorwärmer

pel

Externer Brenner

Luft

NBRef

KaAn

Abgas

Propan

SOFC

Injektor

Reformer-Brenner -Reaktor

Elektrischer Luftvorwärmer

pel

Externer Brenner

Luft

NBRef

KaAn

Abgas

Abgas

Propan

POX-Betrieb

AAGR-Betrieb

Abbildung 1. SOFC-Reformer-Sys-tem im POX-Betrieb (oben) undAAGR-Betrieb (unten). Der Refor-mer-Brenner-Reaktor besteht auseinem Reformer (Ref) und einemkatalytischen Nachbrenner (NB).Die SOFC besteht aus Brenngaska-nal (An), Luftkanal (Ka) undMembran-Elektroden-Modul.

1108 Chemie Ingenieur Technik 2009, 81, No. 83 Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik

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Die wachsende Dynamik des Marktes er-fordert anspruchsvolle Prozessführungs-strategien, die die Produktivität untermöglichst flexiblen Betriebsbedingun-gen steigern und eine schnelle Anpas-sung der Produktion an die sich stetsändernde Marktsituation ermöglichen.In diesem Zusammenhang sind echt-zeitfähige Prozessführungsstrategien er-wünscht, anhand derer der Prozess intransienten Phasen möglichst kosten-effizient betrieben werden kann undgleichzeitig die hergestellte Menge anMaterial, das nicht den Qualitätsanfor-derungen entspricht, möglichst geringgehalten wird. In den letzten Jahren

wurden nichtlineare modellprädiktiveRegler eingeführt, die ein dynamischesOptimierungsproblem mit einer wirt-schaftlichen Zielfunktion auf einem be-wegten Horizont lösen.

Der Beitrag stellt neuere Entwicklun-gen im Bereich der Echtzeitoptimierungund der nichtlinearen modellprädikti-ven Regelung (NMPC) hinsichtlich derWirtschaftlichkeit und Echtzeitfähigkeitdar. Die dynamische Optimierung mitwirtschaftlichem Gütefunktional erlaubteine optimale Ausnutzung der Prozess-steuergrößen sowie eine schnelle Reak-tion auf mögliche Störungen und Unsi-cherheiten unter Berücksichtigung der

Wirtschaftlichkeit. Verschiedene Strate-gien zur Auslegung solcher optimie-rungsbasierten Regelungen auf eineroder auf mehreren zeitlichen Ebenenwerden vorgestellt. Die rigorose Lösungeines dynamischen Optimierungsprob-lems stellt sehr hohe Ansprüche an dieEffizienz des dynamischen Optimie-rungsalgorithmus, so dass die Re-duktion der Rechenzeiten von großerBedeutung hinsichtlich der Applizier-barkeit von NMPC ist. Methoden wer-den vorgestellt, um wirtschaftlichoptimale Lösungen in Echtzeit zu fin-den.

V3.21

Operator-Training-Systeme – Anwendungen zum Testenund TrainierenDipl.-Ing. S. L. R. Schüler1) (E-Mail: michael.schueler@siemens.com), Dr. L. O. Z. Lorenz2)

1)Siemens AG, Industriepark Höchst, G811, D-65926 Frankfurt, Germany2)Siemens AG, Oestliche Rheinbrueckenstraße 50, D-76187 Karlsruhe, Germany

DOI: 10.1002/cite.200950295

Durch den Einsatz von Simulations-werkzeugen können Teile der Steue-rungssoftware einer Anlage bereits wäh-rend der Konfiguration vom Ingenieurgetestet werden. Fehler werden so nichterst bei der Inbetriebnahme entdeckt.Diese Simulationen können auch zurAbnahme der Leittechnik (FAT) einge-setzt werden. Aufbauend auf diesen ein-fachen Simulationen können Operator-Training-Systeme (OTS) entwickelt wer-den. Kernstück eines OTS ist das verfah-renstechnische Prozessmodell, das dasVerhalten der Anlage abbildet. Ver-knüpft mit dem Prozessleitsystem kann

das Anlagenpersonal an einem Systemausgebildet werden, das in Bedienungund Verhalten dem der realen Anlageentspricht. Je nach Bedarf können jeder-zeit verschiedene Aufgaben und Situa-tionen geschult werden: Es kann sowohldas Vorgehen bei Startups und Shut-downs sowie bei Produkt- und Lastwech-seln trainiert werden. Kritische Situatio-nen und Störungen wie z. B. der Ausfallvon Pumpen oder der Einfluss durchVerschmutzung (Fouling) von Wärme-tauschern können durch einen Trainervorgegeben und von den Anlagenfah-rern ohne Gefahr immer wieder geübt

werden. Weiterhin kann die Beherr-schung aller Automatisierungseinrich-tungen trainiert werden. Anhand einesBeispiels werden die Vorteile eines OTSaufgezeigt. Dabei werden die Möglich-keiten zur Steigerung des Prozess-verständnisses, der Kosteneinsparung,Produktionssteigerung und Qualitäts-verbesserung beleuchtet. Fa. Siemensbietet z. B. für ihr Prozessleitsystem Si-matic PCS7 mit SimbaPro und Simitein skalierbares Produktspektrum an,das vom Leitsystemtest bis hin zu kom-plexen OTS eingesetzt werden kann.

Asset Management

V3.22

Der Betriebsingenieur im AufbruchR. Goedecke1), A. Noack2) (E-Mail: achim.noack@bayertechnology.com), J. Rudolph3), R. Wolfertz4), S. Zeck3)

1)DECHEMA e.v., Frankfurt am Main, Germany2)Bayer Technology Services GmbH, Leverkusen, Germany3)BASF SE, Ludwigshafen, Germany4)VDI-GVC, Düsseldorf, Germany

DOI: 10.1002/cite.200950463

Die heute in produzierenden Unterneh-men der chemischen Industrie tätigenBetriebsingenieure sind oft auf sich al-

leine gestellt, tragen eine hohe Verant-wortung und bearbeiten ein umfassen-des Aufgabengebiet. Sie bilden das

Fundament für eine erfolgreiche Pro-duktion. Immer komplexere technischeAnlagen, steigende Ersatzteilvielfalt und

3 Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik 1109Chemie Ingenieur Technik 2009, 81, No. 8

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