Använda GateCycle som simuleringsverktyg

Använda GateCycle som simuleringsverktyg

GateCycle är ett dataprogram som används för utvärdering av prestanda för existerande kraftverkssystem och även kraftverkssystem i konceptstadiet. En stor variation av kraftverkscykler kan modelleras i programmet, men på Avdelningen för Energiprocesser modelleras främst nya typer av gasturbincykler. Målsättningen är främst att utveckla nya cykler som skall vara mer energieffektiva och ekonomiskt konkurrenskraftiga än befintliga.

Programmet har ett användarvänligt grafiskt gränssnitt som låter användaren välja komponenter i ett bibliotek och därefter sammankoppla dem (se figur 1). Programmet kollar själv om kopplingarna är riktiga eller snarare rimliga. Därefter matas data in som beskriver komponenternas design i detalj. Makro- och tabellfunktioner finns som dels låter användaren lägga in matematiska samband i och mellan moduler i GateCycle, dels kringgå vissa automatiska beräkningar, samt för att simulera kontrollsystemfunktioner. Här visar programmet prov på en del av systemanalysens kärna, att med matematik simulera

Simulering i GateCycle som verktyg vid analys av energisystem

Mårten Bryngelsson

återkoppling och kontrollfunktioner. Mer om återkoppling i relation till en av systemanalysens föregångare Wiener redogörs för i Ingelstam (2002).

När alla komponenter kopplats ihop och alla data och makron matats in är det dags att köra GateCycles inbyggda analysmodul. Den kollar först vilka komponenter som finns i modellen och all data. Därefter listar GateCycle ut genom något som heter ”flowsheet decomposition” i vilken ordning analysverktyget skall börja räkna för att kunna genomföra analysen så snabbt som möjligt. När den letat igenom modellen efter fel och ersatt tomma fält med ”default”-värden så börjar den räkna. Komponent efter komponent räknas igenom med speciella procedurer avsedda för en viss komponent. Resultaten förs vidare till nästföljande komponent tills det att hela systemet har räknats igenom och då har en iteration genomförts. Efter varje iteration använder GateCycle ett antal kriterier för att se om beräkningen har konvergerat. Bland annat så måste mass- och värmebalanser stämma, både på komponent- och systemnivå. En vanlig körning i GateCycle konvergerar efter 2-40 iterationer beroende på hur komplext systemet är. Resultatet av körningen återfinns i en resultatrapport. Effekt och verkningsgrad är ofta ett par av de mest relevanta resultaten.

Figur 1. Exempel på modell av en ångcykel i GateCycle

När det gäller validering och verifiering så är de båda en förutsättning för att bra resultat skall erhållas. Validering görs av själva modellen och innebär en bedömning av om modellen motsvarar det ändamål den byggts för (Andersin och Sulonen, 1972). Detta görs manuellt av användaren. Validitet är ett relativt begrepp och finns inte i någon absolut mening. Andersin och Sulonen redovisar sju stycken validitetskriterier varav ett, ”återgivande av historisk beteende”, passar särskilt bra in på GateCycle. Med återgivande av historiskt beteende menas här: ”Om modellen ges ett verkligt historiskt begynnelsetillstånd, avbildar den då det verkliga historiska skeendet?” Med det

Simulering i GateCycle som verktyg vid analys av energisystem

Mårten Bryngelsson

resonemanget kan GateCycles förmåga att modellera och simulera befintliga kraftverk sägas vara en validering av dess förmåga att också modellera nya typer av kraftverk.

När det gäller verifiering av resultat så finns vissa inbyggda funktioner i GateCycle som ger varningssignaler om orimliga resultat erhålls. GateCycle hittar dock inte alla dessa felaktigheter och det ligger därför i användarens ansvar att upptäcka dessa. Ofta måste resultaten till viss del räknas också hand, med hjälp av exempelvis överslagsberäkningar och tumregler, för att en rimlighetsbedömning skall kunna göras. Det kan då hända att simuleringar i GateCycle faller på att de är alltför bra, kanske till och med bättre än en Carnot-maskin, vilket är principiellt omöjligt. Det gäller alltså att användaren är skicklig, inte bara på GateCycle som program, utan även teoretiskt termodynamiskt samt kanske även praktiskt i arbete med riktiga kraftverk och komponenter, för att kunna få ett rimligt och riktig resultat. Som när det gäller många datasystem så gäller även här principen ”skit in - skit ut”.

Vad går då gränsen för vad som kan modelleras och simuleras i GateCycle? Vilket system som helst bör givetvis inte pressas in i GateCycle, inte ens vilket energisystem som helst. Programmet har en ganska begränsad förmåga i att exempelvis hantera strömmar av olika slag. Endast de vanligaste arbetsmedierna, såsom luft, kväve, svavel, syre, koldioxid, vatten och så vidare finns och kan beräknas. Cykler som arbetar med mer okonventionella strömmar bör därför modelleras i program som är mer flexibla, till exempel Aspen Plus. Därför är det viktigt att som Churchman säger, att ”problemet skall definiera vilka matematiska och andra verktyg som bör komma till användning” (Ingelstam, 2002). Är det en ångcykel eller gasturbincykel som skall modelleras väljer man kanske GateCycle, är det en bränslecell så kanske ett annat program är mer lämpligt. En relevant fråga är varför till exempel Aspen Plus inte alltid väljs som simuleringsprogram om det är mer flexibelt. Anledningen är helt enkelt att flexibiliteten samtidigt gör programmet mer komplicerat och tidskrävande.

Bra exempel på gränsfall, då GateCycle inte är en idealisk metod för att lösa problemet, är vid modellering av så kallad befuktning, rökgaskondensering och koldioxidavskiljning. Dessa modelleringar förekommer ofta på Avdelningen för Energiprocesser. Då får användaren själv göra en modell i exempelvis Excel för att komplettera modellen i GateCycle. Fördelen med den metoden är att insynen i beräkningarna är betydligt större än

de beräkningar som GateCycle gör i programmets färdiga moduler. GateCycle är nämligen ett kommersiellt program utvecklat av General Electric, och skulle källkoden vara öppen fanns risken att programmet kopierades. Här ligger distinktionen mellan ”svarta lådor” (GateCycles egna moduler) och ”vita lådor” (egenhändigt modellerade moduler) nära till hands. Givetvis har de vita lådorna fördel gentemot de svarta rent metodmässigt sett, på grund av insynen i den innehållande matematiken. De svarta har dock fördelen att användaren själv inte behöver modellera allt från grunden. De svarta lådorna har också visat sig ge bra resultat. Att välja GateCycle innebär således att ge avkall på insyn i modellen medan tidsbesparingen ofta är en positiv faktor.

Simulering i GateCycle som verktyg vid analys av energisystem

Mårten Bryngelsson