RS60570B1 - Postupak za rad postrojenja za biogas - Google Patents

Description

[0001] Predmetni pronalazak se odnosi na postupak za funkcionisanje postrojenja za biogas i naročito postrojenja za obradu biogasa prema preambuli patentnog zahteva 1.

[0002] Postrojenja za biogas su već dugo poznata, i u Nemačkoj, u okvirima energetske tranzicije, dobijaju sve veći značaj.

[0003] Prilikom spravljanja biogasa organski supstrati fermentiraju u prisustvu kiseonika. Prilikom fermentacije nastaje biogas. Biogas predstavlja mešavinu pretežno metana i CO2iz fermentacije. Ovaj biogas može da se koristi na licu mesta u kombinovanim termoelektranama ili destilerijama, kao izvor energije. Međutim, ako je potrebno da se korišćenje odvija na drugom mestu u odnosu na proizvodnju, neophodno je prečišćavanje biogasa u biometan i skladištenje biometana u okviru gasne mreže ili u spremištu. Postrojenja u kojima se odvaja CO2i, delimično, drugi prateći gasovi, zovu se postrojenja za obradu biogasa.

[0004] Poznati su različiti postupci za prečišćavanje biogasa u biometan koji se u praksi uspešno primenjuju. Poznati postupci su pranje vodom, organsko pranje, (npr. pomoću proizvoda Genosorb ili rastvarača na bazi amina), adsorpcija pod promenljivim pritiskom i membranski postupak permeacije gasa. U Nemačkoj se naročito ustanova Fraunhofer Umsicht-Institut bavila skladištenjem biogasa i objavljivala komparativne studije.

[0005] Značajne karakteristike postupka obrade su, pored dostupnosti, i energetske potrebe postrojenja, kao i isklizavanje metana. Energetske potrebe postrojenja se navode u kWh/Nm3 sirovog biogasa i za biogas sa 50% metana iznose oko 0,20 do 0,30 kWh/Nm<3>. Kada metan ne može u potpunosti da se odvoji od biogasa, ponekad je neophodno zadržati neku minimalnu koncentraciju metana u niskokaloričnom gasu, kako bi preostala količina metana mogla da se termički oksiduje. Energetske potrebe i isklizavanje metana zavise od vrste postupka ali takođe i od dozvola za rad i načina funkcionisanja. Isklizavanje metana za postrojenja je nula za organsko ispiranje i kriogeni membranski postupak i 0,5 do 1% za sve ostale moderne postupke.

[0006] Postupak permeacije gasa postaje sve zastupljeniji, posebno poslednjih godina. Ovladavanje ovim postupkom je lakše nego za većinu ispranja i zbog toga njime može da operiše veći broj učesnika na tržištu. Osim toga, količine za obradu mogu da se smanje bez problema, veoma je kompaktan i za odvijanje nisu neophodne visoke kolone. I vodeno ispiranje bi moglo da izgradi svoj udeo na tržištu, postupci vodenog ispiranja su veoma robustni u smislu pratećih gasova u biogasu iz otpada, posebno u postrojenjima za biogas u kojima se odvija fermentacija otpada.

[0007] Već 1990. godine, u disertaciji Hajnca Erharda Eresmana "Ispitivanje obogaćivanja metana iz biogasa putem permeacije gasa", odbranjenoj na Univerzitetu RWTH Aachen, ispitivana je mogućnost dobijanja visokokalorične gasne frakcije iz biogasa.

[0008] Mnoga su dostignuća na području prožimanja gasa posljednjih godina razvila Preduzeća i istraživači na području Beča/Austrije posljednjih godina su razvili brojna dostignuća u oblasti permeacije gasa. Dva prva komercijalna postrojenja za permeaciju gasa puštena su u rad u mestu Bruck an der Leitha 2006. godine i u mestu Magarethen am Moos kod Beča 2007. godine.

[0009] Krajem februara 2012. u Velikoj Britaniji je pušteno u pogon prvo postrojenje za obradu biogasa sa trostepenim postrojenjem za propusnost gasa. Postrojenje proizvodi 400 Nm3/h biometana.

[0010] WO 2012/000727 AI opisuje trostepeni postupak permeacije gasa, u kome se sirovi bioplin u prvom stupnju razdvaja na retentat i permentat, i oba toka se dovode na sledeći stupanj, gde se permeat na stupnju retentata i retentat na stupnju permeata ponovo mešaju sa sirovim biogasom i gde je na permeatnoj strani retentatnog stupnja instalirana vakuum pumpa. Ovaj postupak se često koristi u praksi i ranije su mnogi proizvođači imali licencu za njega.

[0011] DE 10 2013 004 079 A1 opisuje trostepeni postupak prožimanja gasa prema WO 2012/000727 A1, u kome se vakuumska pumpa reguliše prema sadržaju metana u proizvedenom gasu. U konkretnom primeru izvođenja pritisak retentata na parmeatnom stupnju dodatno se reguliše prema sadržaju metana u slabom plinu. Regulisanje vakuum pumpe prema sadržaju metana u proizvedenom gasu ima dva suštinska nedostatka. Prvo, udeo metana u proizvedenom gasu iznosi između 95% i 99% i može da se meri sa mnogo manje precizno od sadržaja CO2 u proizvedenom gasu, koji iznosi između 0,5 i 3,5%. Drugo, regulisanje ne uzima u obzir prisustvo inertnih pratećih gasova, azota i kiseonika, koji vakuumskom pumpom mogu da se uklone samo u maloj meri. Koncentracija metana od 98% u proizvedenom gasu je vrlo dobra ako su prisutni 1,5% 02 i N2, ali ako postoji samo 0,5% N2 i 02, moguće je dodatno poboljšanje. Kao što će biti pokazano kasnije, moguća su i druga rešenja, npr. da se vakuum pumpa podesi na fiksni, što niži pritisak, a da se umesto toge pritisak kompresora (pritisak retentata na stupnju 2) koristi kao podesiva veličina za održavanje koncentracije metana ili,još bolje, koncentracije C02 u proizvedenom gasu.

[0012] WO 2014/075850 A1 opisuje trostepeni postupak prožimanja gasa prema WO 2012/000727 A1, u kome se sirovi biogas u prvom stupnju razdvaja na retentat i permentat, i oba protoka se dovode na sledeći stupanj, pri čemu se kontroliše pritisak permeata na stupnju retentata i retentata na stupnju permeata, i oba toka se ponovo mešaju sa sirovim biogasom. Takođe je dodatno opisan kontrolni uređaj kod koga koncentracija jedne od gasnih komponenti u proizvedenom gasu ili pročišćenom gasu predstavlja kontrolisanu veličinu, a pritisak u sistemu predstavlja kontrolisanu veličinu koja služi da se kvalitet proizvedenog gasa i slabog gasa podese na željenu vrednost. Pokretači su, na primer, vakuum pumpa na strani permeata na drugom stupnju i/ili prigušni ventil na strani retentata na trećem stupnju. U poželjnom primeru izvođenja, kontrolisane veličine nisu koncentracije, već protoci koje je lakše izmeriti. Sistem se jednom kalibriše, a kontrolisane veličine se izračunavaju na osnovu protoka. Na ovaj način nestaje potreba za dugotrajnim i uglavnom neprekidnim merenjem kvaliteta gasa. Usled starenja membrana, bila bi neophodna ponovna kalibracija sistema. Predložena kalibracija ne uzima u obzir temperature tokom postupka.

[0013] U WO 2012 2012/175701 A1, prikazan je postupak za proizvodnju biogasa, u kome se biološki proces u postrojenju za biogas simulira pomoću simulacijskog modela. Ulazne veličine su zadate u simulacijskom modelu. Izlazne veličine se zatim izračunavaju u simulacijskom modelu. Promenom ulazne veličine mogu da se izračunavaju različite izlazne veličine. To omogućava izračunavanje lokalnog optimuma. Ako se pronađe takav optimum, odgovarajući parametri se podešavaju u postrojenju za biogas. Metoda omogućuje da se izlazne veličine procene pre nego što se podese. Nedostatak ove metode je složenost modela. Simulacijski model može pouzdano da simulira izlazne veličine u uskom rasponu parametara.

[0014] Iz DE 10 2006 053 863 A1 proizilazi postupak za funkcionisanje postrojenja za biogas, u kome se operativne veličine u postrojenju za biogas optimiziraju jednim jednostavnim postupkom. U tom cilju se inicijalno podešava jedna ili više operativnih veličina. Zatim se jedan ili više parametara definišu i operativne veličine optimiziraju na osnovu ponderisane mere kvaliteta, putem Simplex postupka. Sada se tako optimizirane operativne veličine podešavaju i postupak se ponavlja. Razlika između operativnih veličina u dva procesa može da bude veoma velika, usled čega sasvim polako dolazi do konvergencije optimizacije

[0015] U tekstu koji sledi pojmovi će biti još jednom definisani.

[0016] Biogas predstavlja smešu sačinjenu pretežno od metana i CO2, koja nastaje usled fermentacije organskih supstrata u prisustvu kiseonika. Postrojenje za biogas je postrojenje za proizvodnju biogasa iz organskih supstrata. Postrojenje za obradu biogasa je postrojenje za razdvajanje biogasa na sastavne komponente, naročito u cilju dobijanja skoro čistog toka metana sa ciljem da se on uskladišti u gasnoj mreži, u cilju upotrebe na saobraćajnom tržištu ili upotrebe metana kao sirovine. Struja CO2koja se dodatno dobija nije od velike vrednosti i većinom se ispušta u okolinu. Gas koji se oslobađa sa deponija ili tornjeva za truljenje u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda takođe može da se naziva biogasom i može da se tretira postupkom prema pronalasku. U literaturi se ponekad kao biogas opisuje i gasoviti proizvod reakcije termičke obrade drvenastih supstrata. Ovaj biogas se sastoji iz većeg broja različitih gasova koji mogu da se podele na frakciju visoke kalorične vrednosti i frakciju niske kalorične vrednosti. Iako postupak prema pronalasku može da se prilagodi i ovim procesima, oni nisu u prvom planu.

[0017] Nezavisne varijable su varijable koje mogu da se menjanju bez promene druge nezavisne varijable. Zavisna varijabla ne može slobodno da se menja. Nezavisne varijable nazivaju se i stepeni slobode. Nezavisna varijabla može da postane zavisna varijabla ako postane kontrolisana veličina regulatornog uređaja, koja je u skladu sa nekim sporednim uslovom. Razlika između zavisnih i nezavisnih varijabli nije uvek trivijalna. Na primer, ako su protok proizvedenog gasa i kvalitet proizvedenog i pustoga gasa određeni u postrojenju za preradu biogasa, ulazni protok gasa više nije nezavisna varijabla, jer proizlazi iz materijalnog bilansa oko postrojenja.

[0018] Kontrolni parametri su parametri koji se mogu da se mere pomoću senzora i menjaju direktno pomoću aktuatora. Primeri kontrolnog parametra su temperatura strujanja materijala iza izmenjivača toplote i pritisak struje materijala iza kompresora ili ventila zaklopke. Kontrolni parametri mogu da budu zavisne i nezavisne varijable. Postupak prema pronalasku utiče na nezavisne kontrolne parametre. Zavisnim kontrolne parametre upravljaju lokalni kontroleri.

[0019] Ciljni parametar je veličina koju treba optimizirati. Ciljni parametar može se meriti i zavisi o poreznim parametrima. Funkcionalni odnos između kontrolnih parametara i ciljnog parametra obično je vrlo složen i nije poznat. Primeri ciljnih parametara su potrošnja električne energije ili protok postrojenja za obradu biogasa i troškovi rada.

[0020] Parametri kvaliteta su količine koje se moraju poštivati kod optimizacije u skladu s pronalaskom. Parametri kvalitete mogu se meriti i ovisiti o upravljačkim parametrima, ali funkcionalni odnos obično nije poznat. Primeri parametara kvalitete su kvaliteta gasa, potrošnja energije ograničavajućih jedinica ili ulaznih ili izlaznih protoka.

[0021] Flash bojler je procesni inženjerski aparat u kojem se ulazni tok dijeli u izobarnim i izotermalnim uslovima na gasnu i tekuću fazu koji su u termodinamičkoj ravnoteži jedan s drugim.

[0022] U procesu inženjerstva, pročišćavajući tok je tok koji se ispušta iz kruga radi sprečavanja ili smanjenja nakupljanja inertnih tvari u ovom krugu.

[0023] Odstupanje parametra je lokalno ograničeno, tj. Parametar se odbija samo u njegovom okruženju (u smislu topologije). U praksi to znači da parametar ne može biti odbijen više od unaprijed određene vrednosti praga. Ova pražna vrednost je ponajprije 10% odgovarajuće vrednosti parametra, posebno 7,5% ili 5% odgovarajuće vrednosti parametra.

[0024] Za razliku od poznatog postupka, cilj ovog pronalaska je da se obezbedi postrojenje za biogas koje obuhvata postrojenje za preradu u kome se biogas prerađuje u biometan i ugljen dioksid, pri čemu se rad postrojenja odvija sa što većom mogućom energetskom efikasnošću, a istovremeno se parametri kvaliteta postižu ili održavaju.

[0025] Cilj se postiže postupkom koja ima svojstva iz patentnog zahteva 1.

[0026] Povoljna poboljšanja okarakterisana su u zavisnim patentnim zahtevima. U postupku prema pronalasku za upravljanje radom postrojenja za biogas, taj rad se postepeno optimizuje u odnosu na ciljni parametar. U koraku optimizacije prema postupku koji se nazniva na gradijentu, dolazi do odstupanja najmanje jednog kontrolnog parametra, a odstupanjem izazvana promena ciljnog parametra se meri. U zavisnosti od izmerene promene ciljnog parametra, izračunava se korak optimizacije u kome se vrednosti za podesive kontrolne parametre određuju na taj način što se ciljni parametri postrojenja za biogas optimizuju u smeru unapred određenog cilja postavljanjem izračunatih kontrolnih parametara na ove vrednosti. Izračunate vrednosti kontrolnih parametara primenjuju se na postrojenje za biogas. Ovaj korak optimizacije se ponavlja nekoliko puta

[0027] Postrojenje za biogas je složeno postrojenje u kome mora da se podesi veći broj kontrolnih parametara koji utiču jedni na druge. Usled toga je teško da se takvo postrojenje za biogas podešava ručno. Postupak prema pronalasku u osnovi omogućava da se optimalna podešavanja čitavog postrojenja za biogas ili delova postrojenja za biogas odvijaju automatski.

[0028] Proces se obično koristi za jedan ili više delova postrojenja za biogas, npr. B. postrojenje za obradu biogasa, postrojenje za prečišćavanje biogasa, pogon na gas upotrebljava se postrojenje, vodom pod pritiskom, upotrebljava se organsko pranje ili adsorpcija pod pritiskom. Ovi dijelovi biogasnog postrojenja mogu se postaviti pomoću jednog ili više kontrolnih parametara koji uzrokuju brzu reakciju. Brzo znači u roku od nekoliko minuta do maksimalno 1 sat. Poželjno reakcija traje ne duže od pola sata ili ne duže od 15 minuta. U postrojenjima za biogas postoje i kontrolni parametri kao što su npr. brzina mešanja, koja vrši reakciju na promenu koja traje samo nekoliko dana ili nedelja da bi se dostigla konačna vrednost. Teoretski, takvi kontrolni parametri koji sporo reaguju takođe se mogu upotrijebiti za postupak prema pronalasku. Međutim, postupak bi trajao nekoliko nedelja ili mjeseci, što u praksi nije praktično. Postupak prema pronalasku je stoga posebno prikladan za odstupanje kontrolnih parametara koja dovode do brze reakcije.

[0029] Budući da se kontrolni parametri odbijaju, menjaju se neznatno, tako da se ciljni parametar brzo može prilagoditi. To omogućava brzo merenje promijenjenog ciljnog parametra i na taj način brzi izračun koraka optimizacije. Pojedinačni koraci optimizacije mogu se brzo izvesti.

[0030] Kontrolni parametri su ponajprije nezavisne varijable. Nezavisne varijable su varijable koje se mogu promijeniti bez promene druge nezavisne varijable. Suprotno tome, ovisna varijabla se ne može slobodno menjati bez da to ima neposredan učinak na drugu nezavisnu varijablu. Kontrolni parametar postaje ovisan ako se koristi za održavanje parametra kvalitete pomoću lokalnog regulatora.

[0031] Ciljna funkcija može biti, na primer, optimizacija propusnosti postrojenja ili optimizacija potrošnje energije. No mogu se odabrati i druge korisne ciljne funkcije, poput: B. prihod od biljke.

[0032] Nekoliko kontrolnih parametara takođe može da odstupa u svakom koraku optimizacije.

[0033] Postupak optimizacije se poželjno sprovodi u potpunosti automatski, tj., kontrolni uređaji automatski odvode kontrolne uređaje pomoću odgovarajućeg izvršnog elementa, izračunavaju ih kontrolni uređaji i primenjuje na odgovarajuće elemente za podešavanje.

[0034] Korak optimizacije po mogućnosti se ponavlja sve dok ne dođe do značajne promene ciljnih parametara, s čime je nađen lokalni optimum.

[0035] Na svakom koraku optimizacije mogu se utvrditi delimična izvođenja ciljnog parametra na temelju kontrolnih parametara. Ti se delimični derivati koriste za izračunavanje novih kontrolnih parametara.

[0036] Da bi se skratilo traženje lokalnog optimuma, može se znati približna lokacija optimuma, po mogućnosti globalnog optimuma. Globalni optimum može se naći, na primer, mehaničkim modelom procesa koji se optimizuje s naknadnom optimizacijom. Budući da model nikada ne predviđa tačno stvarnost, naknadna optimizacija u tekućem sistemu uvijek je povoljna. Ako je poznato približno mesto globalnog optima, u daljnjoj rutini optimizacije mora se pronaći samo lokalni optimum. Pravi se sistem može poboljšati starošću, istrošiti se ili izmeniti. Te se promene obično ne beleže modelom.

[0037] Kontrolni parametri mogu da se mere odgovarajućim senzorima, a elementi za podešavanje mogu da se aktiviraju u skladu s odgovarajućim izmerenim vrednostima kako bi se podesile vrednosti za kontrolne parametre izračunate u koracima optimizacije.

[0038] Metode temeljene na gradijentu nude se kao algoritam optimizacije. U principu se mogu koristiti i metode koje se ne temelje na gradijentu. Metode temeljene na gradijentu uključuju metodu spuštanja gradijenta, metodu spuštanja gradijenta s ograničenjima ili kvazi Newtonovu metodu. Oni zahtevaju samo malo odstupanje kontrolnih parametara postrojenja od pogonskog stanja.

[0039] Postupci koji se zasnivaju na gradijentu imaju tu prednost što pružaju vrlo precizan model odgovarajućeg sistema za okruženje operativnog stanja, koji može jednostavno i brzo da se definše na osnovu odstupanja kontrolnog parametra.

[0040] Postupci koji se ne zasnivaju na gradijentu su npr. Simplex-Nelder-Mead postupak ili postupak diferencijalne evolucije. Oni mogu da zahtevaju da se ciljni parametri mere daleko izvan radnog stanja. Budući da su u praksi neki aktuatori fizički ograničeni (posebno gasni kompresori, koji mogu da obezbeđuju visok pritisak s malom propusnošću ili visoku propusnost sa niskim pritiskom), kod ovakvih postupaka može da dođe do toga da postrojenje više nije u stanju da, zadržavajući ograničenja, odstupi u velikoj meri i odredi ciljnu funkciju. Pregled različitih postupaka optimizacije dat je npr. u udžbeniku Optimizacija, autora Floriana Jarrea i Josefa Stoera (DOI 10.1007 / 978-3-642-18785-8).

[0041] Postrojenje za obradu biogasa ponekad može da raditi sa delimičnim opterećenjem. Za to pre svega postoje dva glavna razloga: ili na raspolaganju nema dovoljno sirovog biogasa za dugoročni rad s većim iskorišćenjem kapaciteta ili mrežni operater mora da smanji dovodni sistem jer je gasna mreža puna. Za razliku od elektroenergetskih mreža, biometan nije lako povratiti iz regionalne gasne mreže niskog pritiska u nadregionalnu distributivnu mrežu visokog pritiska. Zbog toga u toplim letnjim noćima češće dolazi do smanjenja protoka pri skladištenju u postrojenjima za preradu na malim regionalnim gasnim mrežama.

[0042] Prilikom smanjenja protoka menjaju se parametri kvaliteta željenog protoka proizvodenog gasa. U skladu sa stanjem tehnike, kontrolni parametri (nezavisne varijable) postavljeni su tako da se ograničenja (usklađenost s parametrima kvaliteta protoka proizvedenog gasa, kvaliteta proizvedenog gasa i kvaliteta niskokaloričnog gasa) nanovo uspostavljaju. Međutim, u principu ne dolazi do energetske optimizacije. Ako se uopšte i sprovode neki koraci poboljšanja, oni se sprovode ručno (stručni kontrolor). Energetska optimizacija predstavlja prednost naročito ako je potrebno ili neophodno da postrojenje za preradu radi fleksibilno, a ne da bude u stacionarnom kontinuiranom stanju rada. U slučaju kombinovanih termoelektrana, fleksibilni način rad je već prevladao nad stacionarnim u mnogim postrojenjima za biogas. Postupak za opitmizaciju, prema pronalasku, poželjno se sprovodi svaki put kada se promeni opterećenje postrojenja za preradu biogasa.

[0043] Postrojenje za biogas u smislu predmetnog pronalaska je takođe postrojenje s pogonom na gas. Kod takvog sistema takođe može da se koristi postupak optimizacije prema pronalasku. Kada je na nekom postrojenju za biogas ugrađen modul pogona na gas gasa, može da nastane vodonik koji se biološki ili katalitički pretvara u metan u prisustvu ugljen dioksida iz biogasa. Modul pogona na gas radi samo kada je cena električne energije niska (npr. tokom sunčanog i vetrovitog vikenda). Kad ovaj modul radi, protok sirovog biogasa ostaje konstantan, ali se sadržaj metana u sirovom biogasu polako povećava. Time se menja neki od bitnih parametara sirovog biogasa, što zahteva opsežna prilagođavanja u procesu obrade. Pomoću adaptivne regulacije procesa obrade prema pronalasku, parametri sistema mogu da se prilagode na takav način da se ograničenja održavaju, a da postrojenje istovremeno ima minimalne potrebe za energijom.

[0044] U posebnom primeru izvođenja prema pronalasku, koraci optimizacije se izvode tako da se sistem dovede do parametara kvalitete. U tu svrhu se razlike između ciljnih i stvarnih vrednosti parametara kvaliteta mere i smanjuju u svakom koraku. Ovaj primer izvođenja uvodi element resetovanja ukoliko u koraku optimizacije postoji malo odstupanje od pridržavanja ograničenja.

[0045] U sledećem posebnom primeru izvođenja dolazi najpre do odstupanja svih raspoloživih kontrolnih parametara, a u sledećim koracima samo manjeg broja dostupnih kontrolnih parametara. Na taj se način ubrzava približavanje optimumu. Nakon prethodno definisanog broja koraka sa smanjenim brojem kontrolnih parametara ili nakon što jedan korak više ne prikazuje približavanje optimumu, svi raspoloživi kontrolni parametri ponovo se odbacuju i sprovodi se provera da li svi kontrolni parametri značajno menjaju ciljne parametre, posebno za optimizaciju performanse ili propusnost.

[0046] Odstupanje sistema ne mora da bude ograničeno na trenutni kontrolni parametar. Na primer, analizom glavne komponente može da se poveže nekoliko kontrolnih parametara i da se formiraju novi kontrolni parametri koji su linearne kombinacije ili nelinearne kombinacije kontrolnih parametara. Na taj način se smanjuje broj slobodnih nezavisnih varijabli i iteracija brže postiže cilj. Ukoliko je potrebno, analiza glavnih komponenti mora nakon nekoliko koraka da se izvede ponovo i glavne komponente moraju ponovo da se izračunaju.

[0047] U sledećem poželjnom primeru izvođenja, kao postupak obrade gasa koristi se postupak permeacije gasa, a neke membrane su opremljene automatskim ARMATUROMnastavkom ili ventilima koji se mogu podesiti pomoću kontrolnog uređaja, tako da se moduli mogu da se dodele pojedinačnim stupnjevima. Upravljanje u skladu sa pronalaskom tada može takođe da menja površinu membrane tokom rada, kako bi bilo moguće fleksibilno reagovanje na spoljašnje promene.

[0048] Postupak može da se kombinuje sa konvencionalnim regulatorima. To je posebno korisnoSICH ANBIETEN kada regulator može da radi brzo i kada veličina koja se podešava ne uzrokuje visoku unakrsnu osetljivost s ostalim parametrima kvaliteta. Protok gasa kroz postrojenje, može, na primer, da se podešava može se postaviti, na primer, jednostavnim PID regulatorom. Tada nema ograničenja (održavaanje protoka gasa) i nezavisne varijable (brzina puhala). Problem optimizacije se na taj način značajno smanjuje.

[0049] Pronalazak se objašnjava na primeru s referencom na crtež. Pritom se prikazuju:

Na sl.1 trostepeni membranski postupak u dijagramu toka procesa;

Na sl.2 tablica toka radnih parametara pri energetskoj optimizaciji iz primera 1;

Na sl. 3 grafički pregled izvođenja optimizacije sa slike 2;

Na sl.4 tablica toka radnih parametara kod optimizacije propusnosti iz primera 3,

Na sl.5 dijagram toka ispiranja vode pod pritiskom iz primera 4

Prvi primer izvođenja

[0050] Kao postupak optimizacije odabran je postupak spuštanja gradijenta (GAV), koji se proširuje kako bi se obezbedilo pridržavanje ograničenja.

[0051] Pronalazak je objašnjen u nastavku teksta pomoću primera na osnovu postrojenja za prečišćavanje koji je konstruisan kao membranski filterski uređaj sa tri stupnja (slika 1). Pronalazak se u načelu može primeniti na poželjne delove postrojenja za biogas i drugih procesnih postrojenja, čiji rad zavisi od velikog broja parametara.

[0052] Trostepeni membranski filterski uređaj ima vakuumsku pumpu 128 (slika 1).

[0053] Uređaj sa membranskim filterom ima ulaz 1 za osušeni sirovi biogas 101, prvi odvod 2 za proizvedeni gas koji se uglavnom sastoji od metana i drugi izlaz 3 za niskokalorični gas koji ima nizak sadržaj metana. Linija 4 vodi od dovoda 1 do membranskog stadijuma 5. Membranski stadijum 5 razdvaja gas koji se dovodi na permeat i retentat. Prvi stupanj membrane ima izlaz za retentat, koji je preko linije 6 povezan u drugi membranski stadijum 7. Izlaz membranskog stadijuma 5 za permeat je povezan preko linije 8 sa trećim membranskim stadijumom 9.

[0054] Drugi membranski stadijum 7 sa svoje strane razdvaja dovedeni gas na permeat i retentat, a izlaz drugog membranskog stadijuma 7 za permeat je povezan sa vodom 10 koji vodi na ulaz 1. Izlaz drugog membranskog stadijuma 7 za retentat povezan je s vodom 11 koji vodi do prvog otvora 2 za proizvedeni gas.

[0055] Treća membranski stadijum 9 sa svoje strane razdvaja dovedeni gas na permeat i retentat. Izlaz trećeg membranskog stadijuma 9 za retentat povezan je sa ulazom 1 preko voda 12. Izlaz trećeg membranskog stadijuma 9 za permeat je povezan preko voda 13 do drugog otvora 3 za permeacioni gas.

[0056] Ovaj membranski filterski uređaj stoga ima dva KRUŽNA TOKA KRUŽENJAkruga (prvi krug: linija 4, 6, 10; drugi krug: linija 4, 8, 12), u kome deo gasa koji se obrađuje može da recirkuliše.

[0057] Kompresor 13, izmenjivač toplote 14 i termometar 15 smešteni su u liniji 4. U svim slučajevima izmenjivači toplote 16, 18 ili termometri 17, 19 su smešteni u linijama 6 i 8.

[0058] U redu 10 postoji manometar 20 za merenje pritiska permeata drugog stupnja 7 membrane. Vakuumska pumpa 21 smeštena je između manometra 20 i ulaza 1 u liniji 10 kako bi se pumpa permeata drugog stupnja membrane 7 stavila na ulaz.

[0059] U redu 12 nalazi se manometar 22 za merenje pritiska zadržavanja, stupanj 9 treće membrane. U području '69zmeđu manometra 22 i otvora 1, u liniji 12 smešten je leptirasti ventil 23, pomoću kojeg se može podesiti pritisak zadržavanja trećeg stupnja 9 membrane.

[0060] Vod 11, koji vodi od izlaza za retentat drugog membranskog stadijuma 7 do prvog izlaza 2 za proizvedeni gas, ima, jedan za drugim postavljene, merač protoka gasa 24, manometar 25, leptir ventil 26 i merni uređaj 27 za merenje sastava gasa, posebno za merenje koncentracije od CO2 do. Ovaj merni uređaj 27 za određivanje sastava gasa može biti gasni senzor koji kontinuirano meri jednu ili više specifičnih komponenti sastava gasa, ili može da bude gasni hromatograf, pri čemu je gasni hromatograf dizajniran nezavisno od uređaja za membranski filtraciju i samo je jedna tačka uzorkovanja smeštena u uređaja za membranski filtraciju. Dodatni merni uređaj 28 za merenje sastava gasa, naročito za merenje koncentracije CH4ili odgovarajućeg uzorka, smešten je u vodu 13, koji vodi do drugog otvora 3 za prečišćeni gas.

[0061] Desumporizovani i osušeni sirovi biogas 101 je pomešan sa dva recirkulišuća toka 121, 126 CO2, koji se mešaju u području ulaza 1, i pomoću kompresora 13 dovode do visokog pritiska od oko 12 do 18 bara. Temperatura ove gasne smeše, koja se označava i kao dovodni gas 103, postavlja se na specifičnu vrednost pomoću izmenjivača 14 toplote i meri se termometrom 15. Komprimovani dovodni gas predaje se na prvi membranski stupanj 5. Membranski stupanj 5 se sastoji od jednog ili više membranskih modula raspoređenih paralelno, koji se poželjno kreću u suprotnim tokovima. Retentat 108 iz prvog stupnja 5 teče do drugog membranskog stupnja 7 pod gotovo nepromenjenim pritiskom. Pre nego što uđe u drugi membranski stupanj 7, temperatura se ponovo podešava pomoću izmenjivača 16 toplote i meri se termometrom 17. Sadržaj metana u retentatu 108 iz prvog stupnja 5 iznosi približno 80%. Drugi stupanj 7 sastoji se od jednog ili više membranskih modula raspoređenih paralelno, koji se poželjno kreću u suprotnim tokovima.

[0062] U drugom stupnju 7, gas se dalje oslobađa od CO2, a proizvedeni gas 112 nastaje kao retentat sa sadržajem metana preko 95% i sadržajem CO2ispod 2%. Kvalitet proizvedenog gasa beleži se mernim uređajem 27. Maseni protok proizvedenog gasa meri se meračem 24 protoka gasa. Pritisak retentata drugog stupnja meri se manometrom 25 i podešava se prigušnim ventilom 26. Proizvedeni gas može da se prenese u postrojenje za skladištenje, gde može da se temperira, dalje prigušuje, komprimuje ili da mu se dodaje miris i da se, na kraju, prenese u mrežu ili u skladište. Odgovarajući uređaj za skladištenje nije prikazan na slici 1.

[0063] Permeat 126 drugog stupnja 7 ponovo se prenosi kroz vod 10 na ulaz 1, na kome je smešten statički mikser, kako bi se mešao sa sirovim biogasom 101. Izmereni pritisak permeata može dodatno da se smanji pomoću vakuum pumpe 21. Posebno kod visokog sadržaja metana može, pomoću visokog pritiska, da se postigne vrlo visoka čistoća retentata.

[0064] Permeat 117 prvog stadijuma 5 prevodi se u treći stadijum 9. Treći stadijum 9 sastoji se od jednog ili više paralelno postavljenih membranskih modula, koji se poželjno kreću u suprotnim tokovima. Temperatura se prethodno postavlja na definisanu vrednost pomoću izmenjivača 18 toplote i prati se pomoću termometra 19. Permeat trećeg stupnja 9 je tok 124 niskokaloričnog gasa. Ako se tok 124 niskokloričnog gasa preusmeri u okolinu, pritisak permeata trećeg stupnja 9 predstavlja gubitak pritiska u odeljku izduvnih gasova. Često se niskokalorični gas 124 meša sa vazduhom i izbacuje u okolinu kroz dimnjak. Mešanje s vazduhom je neophodno kako bi se sprečilo propuštanje gasova na tlo u blizini postrojenja za preradu.

[0065] Možda će biti potrebno naknadna obrada niskokaloričnog gasa 124 može da bude neophodna kako bi se maksimalno smanjila emisija metana. Za to može da bude potreban minimalan sadržaj metana u niskokaloričnom gasu 124. Sastav niskokaloričnog gasa nadgleda merni uređaj 28. Retentat 121 trećeg stadijuma 9 sadrži još veće količine metana i meša se sa sirovim biogasom 101 u statičkom mikseru i ponovo se komprimuje.

[0066] Izmereni pritisak retentata trećeg stupnja 9 podešava se prigušnim ventilom 23. On približno odgovara pritisku permeata prvog stupnja 5. U praksi, postrojenja rade sa pritiskom retentata trećeg stupnja 9 od oko 2 do 4 bara. Ovaj parametar ima ekstremni uticaj na gotovo sva ograničenja i na potrošnju energije.

[0067] Temperatura ima značajan uticaj na rezultat odvajanja pomoću membrane. Pri višim temperaturama, propusnost metana i CO2se poboljšava, ali propusnost metana raste brže nego propusnost CO2. Kao rezultat, odnos propusnosti opada s porastom temperature, a selektivnost odvajanja CO2/CH4opada. Zbog toga je preporučljivo instalirati izmenjivač toplote 14, 16, 18 ispred svakog membranskog stupnja 5, 7, 9 i podesiti temperature na željenu vrednost u svakom slučaju. Zarad smanjenja troškova, izmenjivači toplote 16, 188 mogu da se izostave pre druge 7 i treće 7 faze. Da bi se bar malo uticalo na proces, prostorija u kojoj se nalazi membransko postrojenje može da se zagreva ili hladi.

[0068] Potrošnja energije postrojenja u osnovi se sastoji od performansi potrošnje kompresora 13 i performansi vakuumske pumpe 21. Potrošnja pumpi za rashladnu vodu može da se zanemari. Kao kompresor 14 mogu da se koriste jednostepeni ili višestepeni klipni kompresori ili pužni vijčani kompresori. Pužni kompresori mogu da se smatraju približno izotermnim, a klipni kompresori približno isentropnim. Vakuum pumpa 21 obično je centrifugalna puhalica i funkcioniše skoro isentropno. Potrošnja energije kompresora 13 i vakuumske pumpe 21 zavisi od odnosa pritiska i zapremine protoka.

[0069] Ako se neki od membranskih modula opreme automatskim ventilima, tokom rada pojedini membranski moduli mogu da se dodele različitim stupnjevima.

[0070] Kontrolna jedinica 29 reguliše postrojenje na takav način da se održavaju parametri kvaliteta, a da postrojenje operiše s minimalnom upotrebom energije ili maksimalnom propusnošću.

[0071] U najfleksibilnijoj verziji primera izvođenja, trostepeni proces ima osam nezavisnih varijabli koje čine kontrolne parametre:

- pritisak retentata drugog stupnja 7 (podesivi prigušni ventil 26)

- pritisak permeata drugog stupnaj 7 (manipulirana vakuumska pumpa s promjenjivom brzinom 21) - povratni pritisak treći stupanj 9 (manipulirani promjenjivim leptir ventilom 23)

- Ulaz temperature prvi stupanj 5

- Unos temperature drugi stupanj 7

- unos temperature treći stupanj 9

- Broj membrana druga faza 7

- Broj membrana treća faza 9

[0072] Broj membrana u prvoj fazi 5 rezultat je ukupnog broja i broja membrana u drugom i trećem stupnju 7, 9.

[0073] Naveden je ukupni broj membrana. Pojedine membrane se mogu gurati naprijednatrag između koraka. U ovom ostvarenju dodatni regulator, npr. B. PID regulator, protok gasa proizvoda do zadane vrednosti. Manipulirana varijabla je brzina kompresora.

[0074] Lako je moguće zamisliti i druge skupove varijabli, npr. broj modula na prvom stupnju može da se odabere u vidu broja modu kao dodatni stupanj slobode ili upotrijebite dodatnu puhalicu kako biste stvorili vakuum na propusnoj strani trećeg stupnja. Međutim, algoritam osnovnog rešenja ostaje u osnovi isti.

[0075] Najpre se za sve kontrolne parametre postavljaju gornja i donja granica. Definiran je vektor stanja koji sadrži bezdimenzionalne nezavisne varijable. Ona opisuje tačku u 8-dimenzionalnom prostoru stanja. Vektor stanja sustava x prikazan na slici 1 sastoji se od 8 nezavisnih kontrolnih parametara bez dimenzija i definiran je kako slijedi:

Pia [bar] pritisak zadržavanja drugog stupnja

Ps.2. ja

[bar] minimalni pritisak zadržavanja drugog stupnja

<1> [bar] maksimalni pritisak zadržavanja drugog stupnja

[bar] propusni pritisak drugog stupnja

[bar] minimalni permeatni pritisak drugog stupnja

[bar] maksimalni permeatni pritisak drugog stupnja

PR3 [bar] Ponovno namjestite pritisak treće nivoi

PR3, min

[bar] minimalni pritisak zadržavanja trećeg stupnja

<;> [bar] maksimalni pritisak zadržavanja trećeg stupnja

71 [° C] ulazna temperatura prvog stupnja τ2 [° C] ulazna temperatura drugog stupnja

τ3 [° C] Ulazna temperatura trećeg stupnja

[° C] minimalna temperatura

Ψ

<1> maks

[° C] Maksimalna temperatura

[-] Broj membrana drugog stupnja

[-] Broj membrana treće faze

[0076] Broj membrana na prvoj fazi je rezultat

[0077] Minimalni i maksimalni pritisci i temperature rezultat su maksimalnog radnog pritiska kompresora i vakuumske pumpe i maksimalne radne temperature membranskih modula.

[0078] U ovom primeru izvođenja, sistem membranskog filtra prikazan na slici 1 treba optimizirati i, napose, svesti na minimum njegovu snagu P na takav način da proizvod i niska čistoća gasa ostanu konstantni. Snaga P tako predstavlja ciljni parametar. Parametri kvalitete opisani su sledećim vektorom y.

[0079] Gde je

P [kW] snaga postrojenja

[mol / mol] sadržaj CO2 u proizvedenom gasu

[mol / mol] CH4sadržaj slabog gasa

[0080] Optimizacija se stoga mora odvijati pod uslovom da parametar kvalitet/ ostane konstantan ili se barem ne pogorša. Stoga postoje dva dodatna uslova za održavanje sadržaja CO 2 u proizvedenom gasu i za održavanje sadržaja CH 4. Sukladnost s sekundarnim uslovima može se osigurati ako je nezavisna varijabla ili kontrolni parametar napravljen od zavisne varijable ili ovisnog kontrolnog parametra za svaki sekundarni uslov. U ovom izvođenjanom ostvarenju, permeatni pritisak drugog stupnja 7 za regulaciju sadržaja CO2 I retentatni pritisak trećeg stupnja 9 za regulaciju sadržaja metana izrađeni su ovisno promjenljivom v.

[0081] Na temelju početne točke x0ly0, sistem se sukcesivno povećava za ± 5A; odbio i zabilježio odgovarajuće parametre kvalitete y, ±. U broju membrana dodaje se modul u pozitivnom koraku u drugoj ili trećoj fazi 7, 9 i modul se uklanja u prvoj fazi 5. U negativnom koraku modul se uklanja u drugoj i trećoj fazi 7, 9 i dovodi se u prvu fazu 5.

[0082] Odbacivanjem sustava trebaju se formirati delimična izvođenja za parametre kvalitete y, koji definiraju sekundarne uslove, a za ciljni parametar P. Pri odbacivanju, nezavisni kontrolni parametri se pojedinačno odbacuju unaprijed određenim iznosom u određenom stanju sustava, a zatim se ponovo postavljaju na vrednost stanja. Odgibanje se ponajprije izvodi na takav način da se odgovarajući nezavisni kontrolni parametar prvo reducira za unaprijed određenu količinu δχ, a zatim poveća, a zatim ponovo postavi na odgovarajuću vrednost stanja x. Odvijanje se, naravno, može izvesti i na takav način da se nezavisni kontrolni parametar najprije poveća za unaprijed zadanu vrednost, a zatim smanji. Odgibanje se ponajprije izvodi na takav način da se u svakom slučaju samo jedan nezavisni kontrolni parametar odbija. U odbijenom stanju tada se mere vrednosti za ciljni parametar (u ovom primeru izvođenja snage P) i vrednosti za parametar kvalitete y.

[0083] Budući da je odstupanje sustava najsloženiji korak, kontrolni parametar može se odbiti samo s jedne strane kako bi se grubo odredili parcijalni derivati. Tada ćete doći do optimuma brže na račun točnosti. Jednostrani odgib je posebno koristan na početku postupka ponavljanja.

[0084] Delimična izvođenja derivati za parametre kvalitete yidefinisana su kao

[0085] Ako jedna od koordinata ima svoj minimum ili ako je dosegnut maksimum, korak za određivanje nagiba može da se sprovede samo u jednom smeru:

[0086] Delimični derivati varijable vrednosti koju treba optimizirati, to jest ciljni parametar, koji je

u ovom primeru izvođenja snage P, takođe postaju određena sa .

[0087] Promena vektora stanja mora se izvesti na način da su ispunjeni sekundarni uslovi i da parametri kvalitete ostaju stalni. Stoga važi:

Δx za male

dakle

J Δx = 0

J je Jakobijeva matrica, koja uključuje delimična derivate parametara kvalitete y, prema

varijablama xi:

[0088] Ako je moguće kontinuirano meriti vrednosti parametara kvalitete, tada se za svaki parametar kvalitete koji se kontinuirano meri, kontrolni parametri mogu podesiti pomoću jednostavnog regulatora, npr. B. može se regulirati PID regulator. U većini postrojenja koja koriste višestupanjski postupak prožimanja gasa ugrađen je središnji sistem za merenje gasa, koji dovodi i analizira gas iz različitih točaka procesa. Obično postoji 10 do 20 minuta između mjerenja u kojima merni uređaj usisava gas, meri, a zatim senzore ispire vazduhom. Bez ugradnje posebnih senzora, kao što su. B. FTIR spektrometar na mjestu mjerenja teško je kontinuirano meriti proizvod i nisku kvalitetu gasa. Ako se ovisne varijable mere samo povremeno, ima smisla koristiti niže opisani postupak.

[0089] Definisana su dva podprostora U i V definicijskog područja X. U je podprostor nezavisnih varijabli ili nezavisnih kontrolnih parametara. V je podprostor zavisne varijable ili kontrolnog parametra. Permeatni pritisak drugog stupnja i retentatni pritisak trećeg stupnja dodijelimo podprostoru V, a sve ostale varijable podprostoru U.

[0090] U osnovi, mogu se navesti i druge kombinacije. Međutim, preporučuje se da se prostoru U

dodele dimenzije s najmanjim iznosom promene . Kao rezultat, dolazi do velikih smanjenja ciljnih parametara s relativno malom promjenom varijable stanja Ax.

[0091] Dvije Jakobijeve matrice A, B mogu se postaviti za dva podprostora U, V, matrica A, delimični derivati parametara kvalitete y, prema nezavisnim kontrolnim parametrima Ui i matrici _5,delimični derivati parametara kvalitete y ,, prema ovisni kontrolni parametri v, uključuje.

Primjenjuje se sljedeće:

[0092] Sekundarni uslov da parametri kvaliteta ne smeju da se menjaju, može da se predstavi sa dve matrice A, B kako slijedi:

[0093] Takođe je navedena dužina koraka.

[0094] Iz skupa vazduha proizlazi:

[0095] I, na kraju

[0096] Pomoću ove formule odgovarajuća promena stanja nezavisnih kontrolnih parametara Au može se izračunati za dati APsoN.

[0097] Budući da promena stanja ovisnih kontrolnih parametara A v zavisi o promjeni stanja nezavisnih kontrolnih parametara Au, tako da se mogu ispuniti sekundarni uslovi, promena stanja ovisnih kontrolnih parametara A v može se izračunati pomoću matričnog sustava za sekundarne uslove s matricama A, _5. AJT nastaje od Δι i A i ^. Nova tačka u prostoru stanja izračunava se koristeći:

[0098] I dalje treba provjeriti nalazi li se vektor stanja izvan raspona definicije. Možda. varijabla mora biti ograničena na 0 ili 1. Tada postoji rubni optimum. Ako promena u sljedećem koraku ponavljanja vodi izvan definicijskog raspona, delimični derivati ovog kontrolnog parametra postavljaju se na nulu. Problem optimizacije se zatim smanjuje za jednu dimenziju.

[0099] Broj modula po nivou membrane mora se zaokružiti na ceo broj. Tada dolazi do neznatnog odstupanja od sekundarnih uslova.

[0100] Metoda se takođe može izmeniti tako da se vrednosti za parametre kvalitete y ne mere za svaku iteraciju. To je korisno ako je merenje vrlo složeno, kao što je. B. u određivanju sastava gasa. Parametri kvalitete y ,, tada se ne mogu promatrati kroz nekoliko, poželjno nekoliko koraka ponavljanja, zbog čega oni mogu malo odstupiti od svoje ciljne vrednosti.

[0101] Takva odstupanja mogu se pojaviti i zbog pogrešaka u zaokruživanju s trajnim nadzorom parametara kvalitete y,.

[0102] Da bi se osigurala usklađenost s sekundarnim uslovima čak i s takvim odstupanjima, postupak se može donekle izmeniti.

[0103] U tu svrhu je definiran parametar Ayder odstupanja kvaliteta y ,,,

[0104] A zatim se primjenjuje na svaki korak ponavljanja

JΔx = α· Δy,

gde faktor skaliranja a služi za samo jedan mali korak u svakom koraku ponavljanja u smeru usklađenosti s sekundarnim uslovima, dok je izvedba potvrdni odgovor mogu se svesti na najmanju moguću mjeru. Treba biti mala kad je velika i postaje 1 kad se ispune ograničenja. To rezultira drugom optimizacijom, koja je nezavisna o optimizaciji ciljne funkcije, tako što se parametri kvalitete y ,, postupno usmjeravaju u smeru njihovih ciljnih vrednosti.

[0105] I konačno

[0106] Dužina se izračunava kao:

[0107] U preostalim proračunima ništa se ne menja.

[0108] Upotreba ove metode za optimizaciju membranskog filtrirajućeg uređaja prikazanog na slici 1 objašnjena je dolje koristeći specifičan numerički primer. 2 prikazuje numeričke vrednosti pojedinih parametara u pojedinim koracima optimizacije. Parametri podebljani nalaze se na rubu područja definiranja. Ciljne vrednosti za CO2, PG i XCH4, SG su 1,0% ili 0,7%.

Membranski filterski uređaj trebao bi se sastojati od 836,5 Nm3 / h sirovog biogasa s sastavom 53% CH4, 43,2% C02, 0,3% N2, 0,2% 02 proizvodnog gasa s udjelom CO 2 od 1% i propusnog gasa sa sadržajem CH4 od 0,7%. Kao početni uslovi odabrana je membranska veza 18 membrana u prvom stupnju, 23 membrane u drugom stupnju i 29 membrana u trećem stupnju. Instalirano je ukupno 70 membranskih modula. U početku se broj modula nezaokružuje. Pritisakovi su 17 bara u drugoj fazi zadržavanja, 2,9 bara u trećoj fazi zadržavanja i 1,05 bara u drugoj i trećoj fazi permeata. Temperature su 25 ° C na ulazu prve i treće faze i 28 ° C na ulazu druge faze. Ponašanje odvajanja membrane izračunava se izotermalno I izobarično. S ovim parametrima mere se sledeći parametri kvaliteta:

[0109] Još uvijek je jasno odstupanje od ciljane vrednosti, posebno u pogledu kvaliteta proizvedenog gasa.

[0110] Sistem ima potrebnu snagu P = 215,6 kW, što odgovara 0,258 kWh / Nm3. Gornja i donja granica definiraju se za pojedine parametre, a parametri su bezdimenzijski. Temperatura može biti između 10 i 45 ° C, pritisak zadržavanja drugog stupnja između 7 i 18 bara, pritisak permeata drugog stupnja između 0,5 I 1,1 bara, pritisak zadržavanja trećeg stupnja između 1 i 5 bara. Sada se nezavisni kontrolni parametri odbijaju jedan za drugim i promatra se promena u performansama i parametrima kvalitete. Odstupanja su 5% za pritisake i temperature i jedan modul za membrane. Radi boljeg razumevanja, promene su označene dimenzijama:

[0111] Možete vidjeti različite nivoi ovisnosti parametara cilja i kvalitete o različitim nezavisnim poreznim parametrima. Ako se, na primer, pritisak zadržavanja drugog stupnja poveća za jednu bar, potrošnja energije sustava povećava se za 13,4 kW. Ako se pritisak retentata u trećem stupnju poveća za jedan bar, potrošnja energije pada za 80,9 kW, ali istodobno se koncentracija metana u otpadnom gasu povećava za 1,912%. Više temperature dovode do smanjenja gotovo svih parametara kvalitete, samo što se u trećem stupnju povećava temperatura proizvoda i kvaliteta gasa lagano pogoršava. Ako umetnete modul od prve do druge faze, potrošnja energije u sistemu lagano pada, sadržaj C02 u gasu proizvoda smanjuje se, a sadržaj metana u pročišćenom gasu lagano raste. Ako uklonite modul iz prvog stadijuma i prebacite ga u treći stupanj, potreba za energijom značajno opada I kvalitete proizvoda i mršavih gasova se pogoršavaju.

[0112] Dužina koraka Psoll postavljena je na -2 kW, što predstavlja otprilike 1% snage sustava. Faktor skaliranja «postavljen je na 1, jer su parametri kvaliteta već u neposrednoj blizini ciljnih vrednosti. Tok optimizacije prikazan je na slikama 2 i 3.

[0113] Za prvi korak, promena stanja izračunava se na

[0114] Odstupanje od parametara kvalitete je sada:

[0115] Parametri kvaliteta uglavnom se proizvode u prvom koraku. No time se povećava i snaga za 1,8 kW

P = 217,4 fcW

[0116] U sledećih 9 koraka pritisak permeata i zadržavanja drugog stupnja smanjuje se sve dok pritisak permeata konačno ne dosegne rub definicijskog područja na 0,5. Do ovog trenutka snaga je smanjena na 202,4 kW. Sada je pritisak reguliran na konstantnu vrednost, a propusni pritisak drugog stupnja se više ne smatra nezavisnim kontrolnim parametrom. Umesto toga pritisak retentata drugog stupnja sada se smatra ovisnim kontrolnim parametrom i dodijeljen je podprostoru V. U se smanjuje za jednu dimenziju.

[0117] U desetom koraku temperatura počinje padati na ulazu u prvu fazu da bi se Dođite na rub definicijskog područja (10 ° C). Za sledeći korak pretpostavlja se da je temperatura na ulazu prvog stupnja konstantna, a broj parametara slobodnog upravljanja ponovno smanjen za 1 do 4.

[0118] U 12. god Korak povećava temperaturu na ulazu u drugu fazu na 45 ° C nakon što je ostala gotovo nepromijenjena pre i tek u 11. Korak po cca 5 ° C je pala. Temperatura na ulazu drugog stupnja sada se smatra konstantnom 45 ° C. Problem optimizacije opet se smanjuje za jednu dimenziju.

[0119] U 13. god Stupnite temperaturu na ulazu u treću fazu padne s 22 ° C na 10 ° C I zadržite je konstantnom u sljedećem. Problem optimizacije sada ima samo dva nezavisna upravljačka parametra: broj membrana po fazi. Potrebna snaga sustava do sada je pala na 196,3 kW.

[0120] Sljedeća tri koraka menjaju broj modula po nivou do 19,8 su na prvom nivou, 25,6 na drugoj nivou i 24,6 na trećem nivou. Istodobno se pritisak zadržavanja u trećem stupnju povećava s 2,95 bara na 3,2 bara. 16 Korak više ne vodi smanjenju zahtjeva za napajanjem, već naprotiv, malom povećanju. 15. godine Prvi korak je optimalan s 195,05 kW. Sada se ponovno provjerava postoji li stvarno granični optimum u svim dimenzijama p2, Ti, T2 i T3. U tu svrhu se provodi kontrolni korak, u kojem se dimenzije opet odbijaju i ajir se zatim izračunava za 2 do 6 nezavisnih varijabli. Ako bi svih 6 varijabli opet bilo nezavisno, pritisak permeata drugog stupnja bi se u sljedećem koraku dodatno smanjio, a temperatura na ulazu u prvu fazu takođe bi pala na 9 ° C. Korak bi stoga bio nedopustiv. U sljedećem kontrolnom proračunu, permeatni pritisak drugog stupnja se ponovo postavlja na konstantno 0,5 bara I reakcija se izračunava. U drugom kontrolnom proračunu temperatura na ulazu u 1. Spustite na 3,2 ° C. Ovaj bi korak takođe bio nedopustiv. U trećem kontrolnom proračunu temperatura na ulazu prvog stupnja i pritisak permeata drugog stupnja održavaju se konstantnim. Rezultirajući korak optimizacije dovodi do stanja točke koje se nalazi u području definicije. Temperatura na ulazu u drugi stupanj pada s 45 ° C na 39 ° C, temperatura na ulazu u treći stupanj lagano raste za 3 ° C. Proces se može nastaviti s četiri nezavisne varijable.

[0121] U 17. koraku optimizacije, temperatura na ulazu u drugi stupanj pada s 39 ° C na 17 °C, a temperatura na ulazu u treću fazu je 16 °C. Ograničenja su još uvijek priblino ispunjena. Osip postaje vrlo velik.

[0122] U posljednjem koraku, s veličinom koraka od -2 kW, temperatura na ulazu u drugi stupanj ponovno se diže na 103 ° C, temperatura na ulazu u treću fazu pada na 4 ° C. Čak I ako je veličina koraka postavljena na 0 kW, temperatura na ulazu drugog stupnja je 53 ° C. Dakle, čak i ako se ne postigne poboljšanje, sledeći korak vodi iz domene. Rutina optimizacije se otkazuje. 17. korak je dostigao optimum.

[0123] Optimizacijom je smanjena potrebna snaga sustava sa 215,6 kW na 192,3 kW za 10,8%. Ušteda je cca.195.000 kWh / a, što je trenutno cca.30.000Odgovara € / a.

[0124] 17 koraka je potrebno za postizanje optimuma, od kojih je prvih devet otprilike u istom smeru. Metoda gradijenta u početku samo određuje smjer promene stanja, u proračunu iznad vektora xso se skalira tako da dolazi do promene. Umesto da odredite duljinu koraka, korak možete jednostavno produžiti dalje i dalje dok odstupanje od parametara kvalitete ili povećanje potrošnje energije ne postane vidljivo. U tu svrhu, prilikom promene statusa sustava, svi kontrolni parametri se odbacuju istovremeno duž vektora pravca Ajra. U tu svrhu, soii se sukcesivno povećavaju, bez da se sistem mora ponovo odbiti. U praksi, nepotrebno ponovno odstupanje dovodi do znatnih ušteda vremena.

[0125] Tokom optimizacije prvo se optimizuju pritisci, zatim temperature i na kraju broj membranskih modula po fazi. Ovo znanje može da se upotrebi za izostavljanje varijacija više ili manje nepromenjivih nezavisnih kontrolnih parametara tokom optimizacije. Prvo bi se menjali samo pritisci, zatim pritisci i temperature, a na kraju i pritisci, temperature i broj modula po stupnju.

Prva izmena prvog primera izvođenja

[0126] Ova modifikacija prvog oglednog primera odgovara gore opisanom primeru izvođenja, osim ako niže nije navedeno drugačije. Posebno, nezavisni kontrolni parametri se odražavaju tačno onako kako je gore objašnjeno. U računanje nisu uključeni samo sekundarni uslovi, ali usklađivanje s sekundarnim uslovima ostvaruje se pomoću regulatora. Parametri kvaliteta takođe se mogu podešavati pomoću kontrolera, npr. B. PID regulator regulirati. Za to je korisno ako se kontrolisana varijabla (= parametar kvalitete) meri kontinuirano. Ako biste optimizirali sistem iz primera 1, mogli biste odabrati sledeću kaskadu regulatora:

[0127] Vektor stanja ima samo četiri dimenzije:

[0128] Broj membrana po stupnju smatra se konstantnim.

[0129] Delimično izvođenje izvedba ciljne funkcije određuje se preko:

[0130] Promena prostora stanja izračunava se kao

[0131] Ako kontrolnom parametru ponestane definicijskog raspona, time upravlja kontroler, npr. PID regulator, koji se održava konstantnim. Kontrolni parametri koji se nalaze na rubu područja definicije mogu se u sljedećem koraku odbiti samo u jednom smeru. Ako se sljedeća izračunata tačka nalazi unutar definicijskog područja, korak je dp vodi. Inače je delimični derivat postavljen na nulu i korak se provodi.

Druga izmena prvog primera izvođenja

[0132] Umesto optimizacije energetske efikasnosti, propusnost postrojenja takođe se može povećati postupkom prema pronalasku. Ograničavajući element pogona za preradu obično je kompresor. Njegove su performanse ograničene. Visoki kapacitet kompresora može se postići s niskim pritiskom i visokim propusnim kapacitetom ili s visokim pritiskom i nižim protokom.

[0133] Ulazna struja odabrana je kao dodatni nezavisni kontrolni parametar. Učinak kompresora, koji je rezultat retentacijskog pritiska drugog stupnja i protoka volumena kroz kompresor, odabran je kao dodatni parametar kvalitete.

[0134] Nezavisni kontrolni parametri su:

- dotok sirovog biogasa u postrojenje (kompresor s promjenjivom brzinom)

- Drugi stupanj ponovnog pritiska (manipulirani varijabilnim ventilom za gas)

- propusni pritisak drugi stupanj (vakuumska pumpa s promjenjivom brzinom)

- Treći stupanj povratnog pritiska (manipulirani varijabilnim ventilom za gas)

- Ulaz temperature prvi stupanj

- Unos temperature drugi stupanj

- Ulaz temperature treći stupanj

- Broj membrana druge faze

- broj membrana treći stupanj

[0135] Parametri kvalitete su

- C02 u proizvedenom gasu

- lean gas sa sadržajem CH4

- rad kompresora

[0136] Ciljani parametar je

Protok gasa u proizvodu

[0137] Protok gasa proizvoda je maksimalan. Na slici 4. prikazana je optimizacija. Rezultati pojednostavljenog mehaničkog modela služe kao početne vrednosti. Broj membrana po fazi održava se konstantnim; iznosi 38/42/40. Sirovi biogas se sastoji od 63% CH4, 36,7% C02, 0,2% N2, 0,1% 02. Od 4. god Korak, permeatni pritisak drugog stupnja se održava konstantnim. Temperature se više ne menjaju algoritmom optimizacije. Na temelju prethodno pronađenog optimalnog protoka, protok gasa proizvoda može se smanjiti za otprilike. 8,8 Povećavaju se Nm <3> / h, istodobno se snaga snage kompresora smanjuje za 4,8 kW. Ušteda troškova zbog smanjenja proizvodnje iznosi oko 6000 € / a, dodatni prihod od maksimiziranog kapaciteta sustava je cca. 46.500€ / a (troškovi električne energije 15 ct / kWh, prihod od biometana 6 ct / kWh, 8400 h / a)

Drugi primer izvođenja

[0138] Biogas se prečišćava do metana vodom za ispiranje pod pritiskom (slika 5). Sirovi biogas 201 prvo se komprimuje i ohladi na pritisak fleš-bojlera 218 pomoću pred-kompresora 202, a zatim se pomeša 203 sa recirkulišućim gasom 219 iz flash bojlera 217. Gasna smeša se komprimuje glavnim kompresorom 204 do unaprijed određenog pritiska 209 u stupcu apsorpcije i hladi u izmenjivaču toplote 205 do ulazne temperature 206. Teče kroz apsorpcijski stub 207 odozdo prema gore. Tečnost 232 za pranje (voda ili drugi pogodan rastvarač) teče u suprotnom toku. Merni protok gasa 210 proizvoda meri se 211. Pritisak apsorpcijske kolone 207 je podešen na ventilu za gasni gas proizvoda 212. Proizvod 210 se mora samo osušiti i tada se može dalje koristiti. Tečnost za pranje se prenosi na dno 215 stupca 215 u spremnik za fleš-bojler 217 i tamo se proširi na leptiru ventila 216. Otopljeni metan nastaje kao recirkulacijski gas 219 i meša se sa prethodno komprimovanim sirovim biogasom 201. Recirkulirajuća struja mjerena brojilom protoka 220 važna je varijabla prilikom optimizacije sustava. Degazirana tečnost za pranje 221 prelazi se u desorpcijski stub 225. Temperatura tekućine za pranje prethodno je postavljena na izmenjivaču toplote 222 i nadzirana termometrom 223. Mlaz vazduha 234 se uduvava u desorpcijski stub 225 s pumpom za mlaz vazduha 233. U stupcu za desorpciju 225, isporučena voda za pranje ili isporučena tečnost za pranje 221 oslobađa se CO2 i delova metana u suprotnom toku. Ovde je prisutan slab gas razređen vazduhom. Sastav je analiziran 237, a maseni protok meri se meračem protoka 235. Voda za ispiranje 226 dovodi se do vrha apsorpcijske kolone 207 cirkulacijskom pumpom 228 i dovodi u nju 232. Deo vode za pranje uklanja se iz sustava kao pročišćavanje 230 i zamjenjuje ga slatkom vodom 227. Selektivnost se može poboljšati dodavanjem alkalnog rastvora 231. Jedinjenja sa Na ili K kao katjoni su pogodni kao baza.

[0139] Prema pronalasku, nezavisni kontrolni parametri najpre se identifikuju u sistemu. To su: Pritisak 218 u bojleru 217, postavljen brzinom predkompresora 202;

Pritisak 209 u stupcu apsorpcije 207, postavljenom na leptiru ventila 212 u struji gasa proizvoda 214;

Kružni protok vode 229, postavljen na cirkulacijskoj pumpi 228;

- temperatura dovoda gasa 206 na apsorpcijskom stupcu 207, postavljena na gasnom izmenjivaču toplote 205;

- temperatura 223 dovoda vode na stupcu desorpcije 225 postavljena putem vodenog izmenjivača toplote 222;

Protok vazduha 235 kroz desorpcijski stub, podešen brzinom vrtložne pumpe vazduha 233;

- Doziranje alkalnog rastvora 231 u protoku 232 cirkulacije, postavljeno putem pH u

Dno apsorpcijske kolone 207;

Protok pročišćavanja 230, podešen vremenom pražnjenja cirkulacijske pumpe 228;

- Tok gasa proizvoda 211, postavljen brzinom vrtnje glavnog kompresora 204.

[0140] Daljnji kontrolni parametri su:

- broj stadijuma ravnoteže u stupcu apsorpcije 207

- Broj stadijuma ravnoteže u stupcu desorpcije 225

[0141] Mogu se menjati samo u dizajnu sustava i fiksni su u radu sustava. Nisu svi aktuatori na uticaj razumnog stupnja slobode ili kontrolni parametri. Nivoi punjenja na dnu apsorpcijske kolone 207, u kotlu za fleš-bojler 217 i u desorpcijskom stupu 225 reguliraju se putem dovoda svježe vode 227 i leptirastih ventila 216, 224. Međutim, ne doprinose optimizaciji sustava.

[0142] Parametri kvaliteta su

Gas sa sadržajem CO2213;

- Klizanje metana (protok metana 237 u mršavom gasu 235, podeljen s metanom u sirovom biogasu 201)

- kvalitet vode (npr. pH vrednost, 208)

[0143] Ciljni parametri koje treba umanjiti su operativni troškovi. Oni se sastoje od troškova električne energije (potrošnje energije umanjene za trošak po kWh), troškova alkalije i vode.

[0144] Volumen protoka gasa 211 izravno određuje operator i regulira se pomoću PID kontrolera. Ostalo je osam nezavisnih kontrolnih parametara koji služe održavanju tri parametra kvalitete i optimiziranju operativnih troškova.

[0145] Svih osam nezavisnih kontrolnih parametara se isključuju jedan za drugim, a zatim se izračunava korak u kojem se uslovi kvalitete ne menjaju. Proces se ponavlja sve dok sistem ne optimizuje troškove.

Popis referenci

Ulaz 203 Smeša sirovog biogasa i gasa iz recirkulacije

Prvi izlaz

Drugi izlaz 204 Glavni kompresor

Vod 205 Prenosnik toplote

Prvi membranski stadijum 206 Termometar

Vod 207 Apsorpciona kolona Drugi membranski stadijum 208 Uređaj za merenje pH vrednosti Vod 209 Manometar

Treći membranski stadijum 210 Proizvedeni gas

Vod 211 Uređaj za merenje protoka Vod 212 Prigušni ventil

Vod 214 Tok proizvedenog gasa Kompresor 215 Stubac kolone

Izmenjivač toplote 216 Prigušni ventil Termometar 217 Fleš-bojler

Izmenjivač toplote 218 Manometar

Termometar 219 Gas iz recirkulacije Izmenjivač toplote 220 Uređaj za merenje protoka Termometar 221 Tečnost za pranje Manometar 222 Prenosnik toplote

Vakuum pumpa 223 Termometar

Manometar 224 Prigušni ventil

Prigušni ventil 225 Desorpciona kolona Merni uređaj za protok gasa 226 Voda za pranje Manometar 227 Sveža voda

Prigušni ventil 228 Cirkulacijska pumpa Merni uređaj- sastav gasa 229 Kružni tok vode

Merni uređaj- sastav gasa 230 Prečišćeni tok

Sirovi biogas 231 Alkalni rastvor

Dovodni gas 232 Dovod

Retentat prvog stupnja 233 Pumpa za mlaz vazduha Merenje temperature 234 Mlaz vazduha Proizvedeni gas 235 Uređaj za merenje protoka Ventil 236 Niskokalorični gas Merenje temperature 237 Uređaj za analizu sastava Retentat trećeg stupnja

Niskokalorični gas

Permeat drugog stupnja

Vakuum pumpa

Sirovi biogas

Pred-kompresor

Claims (15)

Patentni zahtevi

1. Postupak za upravljanje postrojenjem za biogas, u kome se optimizacija postrojenja odvija u koracima na osnovu ciljnog parametra, na taj način što u jednom koraku optimizacije, prema postupku na bazi gradijenta, dolazi do odstupanja najmanje jednog kontrolnog parametra i što se promena ciljnog parametra uzrokovana tim odstupanjem meri, i u zavisnosti od izmerene promene ciljnog parametra izračunava korak optimizacije pri kome se vrednosti za podesive kontrolne parametre određuju na taj način da se putem podešavanja izračunatog kontrolnog parametra na ove vrednosti ciljnog parametra, postrojenje za biogas optimizuje u pravcu prethodno zadatog cilja i preračunate vrednosti kontrolnih parametara se primenjuju na postrojenje za biogas, i

ovaj korak optimizacije se više puta ponavlja.

2. Postupak prema patentnom zahtevu 1,

naznačen time

što u svakom koraku optimizacije dolazi do odstupanja više kontrolnih parametara, i/ili što dolazi do toga da kontrolni parametri kojima upravlja kontrolni uređaj samostalno, posredstvom odgovarajućih elemenata za podešavanje, odstupaju, preračunavaju se i primenjuju na odgovarajuće elemente za podešavanje.

3. Postupak prema jednom od patentnih zahteva 1 ili 2,

naznačen time

što se, kada dođe do odstupanja jednog kontrolnog parametra, osim ciljnog parametra, meri najmanje i jedan parametar kvaliteta, pri čemu se izmerena vrednost parametra kvaliteta primenjuje kako bi se ispunilo jedno od ograničenja.

4. Postupak prema patentnom zahtevu 3,

naznačen time

što se ograničenje reguliše pomoću uređaja za regulaciju, kao npr. pomoću P-regulatora, I-regulatora, D- regulatora ili željene kombinacije ovih regulatora, pri čemu se za regulaciju svakog parametra kvaliteta upotrebljava jedan kontrolni parametar, koji se podešava pomoću uređaja za regulaciju, u zavisnosti od izmerene vrednosti parametra kvaliteta, ili se ograničenja prilikom preračunavanja koraka optimizacije uzimaju u obzir na takav način da parametar kvaliteta zadržava neku definisanu vrednost ili ne premašuje odgovarajuću graničnu vrednost.

5. Postupak prema jednom od patentnih zahteva 1 do 4,

naznačen time

što se kontrolni parametri mere odgovarajućim senzorima i što se pokreće rad elementa za podešavanje u skladu sa odgovarajućim izmerenim veličinama, kako bi se tokom koraka optimizacije preračunate vrednosti za kontrolne parametre podesile i/ili time što se koraci optimizacije ponavljaju sve dok se, u jednom koraku, ne dođe do sasvim male, unapred definisane promene ciljnih parametara.

6. Postupak prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time što se pri svakom koraku optimizacije delimična odstupanja ciljnih parametara određuju na osnovu kontrolnih parametara i delimična odstupanja se koriste za izračunavanje kontrolnih parametara.

7. Postupak prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time što korak optimizacije odgovara postupku optimizacije koji se zasniva na postupku opadanja gradijenta, sa ograničenjima, ili kvazi-Njutnovom postupku ili, što korak optimizacije odgovara algoritmu koji se ne zasniva na gradijentu.

8. Postupak prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time što najpre dolazi do odstupanja svih raspoloživih parametara dok u sledećim koracima optimizacije dolazi do odstupanja samo malog broja odabranih kontrolnih parametara, pri čemu poželjno nakon određenog, prethodno definisanog broja koraka optimizacije dolazi do odstupanja smanjenog broja kontrolnih parametara.

9. Postupak prema patentnom zahtevu 8, naznačen time

što, nakon koraka optimizacije u kome dolazi do odstupanja smanjenog broja kontrolnih parametara, i odvija se samo malo približavanje ciljnih parametra u smeru prethodno definisanog cilja, dolazi ponovo do odstupanja više, ili svih, raspoloživih kontrolnih parametara, i ponovo se proverava da li je moguća izrazitija promena ciljnih parametara.

10. Postupak prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time što se više kontrolnih parametara posredstvom analize glavnih komponenti povezuje u kombinovane kontrolne parametre, koji predstavljaju linearne kombinacije i nelinearne kombinacije pojedinačnih kontrolnih parametara, pri čemu broj kontrolnih parametara opada i ponavljanje koraka optimizacije brzo dovodi do cilja.

11. Postupak prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time što postrojenje za obradu gasa radi prema postupku membranske permeacije gasa, pranja pod pritiskom, organskog pranja ili adsorpcije pri promenljivom pritisku, i/ili, što postrojenje za obradu gasa povezano sa modulom na gasni pogon, pri čemu se sirovi biogas meša sa vodonikom koji, biološkom ili katalitičkom reakcijom sa CO2iz sirovog biogasa reaguje na metan i tako nastali sirovi biogas sa povišenim sadržajem metana dovodi se u postrojenje za obradu biogasa, und/ili, da postupak za funkcionisanje postrojenja za biogas obuhvata postupak za obradu gasa, pri čemu se kao postupak za obradu gasa koristi postupak permeacije gasa, pri čemu je jedan deo membrana obezbeđen sa podesivim ventilima, tako da moduli mogu da se dodele pojedinačnim stupnjevima, pri čemu se regulacijom menja i površina membrana uključena u rad.

12. Postrojenje za biogas koje obuhvata više komponenti za fermentaciju supstrata i/ili obradu gasa, pri čemu način rada konponenti zavisi od kontrolnih parametara koji se mogu podešavati posredstvom elemenata za podešavanje, pri čemu postrojenje za biogas ima kontrolni uređaj koji je izveden kako bi sprovodio jedan od postupaka prema patentnim zahtevima 1 do 11.

13. Postrojenje za biogas prema patentnom zahtevu 12,

naznačeno time

što, da elementi za podešavanje imaju jedan ili više sledećih elemenata za podešavanje:

- uređaj za temperiranje, kao npr. izmenjivač toplote, uređaj za grejanje ili uređaj za hlađenje, - uređaj za kontrolu pritiska, kao na primer, pumpa, prigušni ventil

- pogon za uređaj za mešanje ili vibriranje,

- pogon za pumpu.

14. Postrojenje za biogas prema patentnom zahtevu 13,

naznačeno time

što svakom elementu za podešavanje pripada po jedan senzor kojim može da se meri kontrolni parametar na koga utiče element za podešavanje.

15. Postrojenje za biogas prema jednom od patentnih zahteva 12 do 14,

naznačeno time

što postrojenje za biogas ima uređaj za membransku filtraciju sa više membranskih jedinica koje mogu pojedinačno da se uključe ili isključe, pri čemu se u dovodu uređaja za membransku filtraciju nalaze uređaj za kontrolu temperature i termometar, koji služe za podešavanje temperature gasa koji se dovodi do uređaja sa membranskim filterom, dok se u najmanje jednom odvodu iz uređaja za membransku filtraciju nalazi kontrolni uređaj za pritisak, koji služi za podešavanje pritiska retentata ili permeata, kao i manometar za merenje ovog pritiska.