University of Oulu

Control design for CFB boilers integrated with process design

Saved in:
Author: Hultgren, Matias1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Mechanical Engineering, Intelligent Machines and Systems (IMS)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526231372
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-11-26
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP-Pohjola auditorium (L6), Linnanmaa, on 3 December 2021, at 1 p.m.
Tutor: Professor Enso Ikonen
Docent Jenő Kovács
Reviewer: Professor Sigurd Skogestad
Associate Professor Pál Szentannai
Opponent: Associate Professor Pál Szentannai
Doctor Peter Singstad
Description:

Abstract

Integrated control and process design (ICPD) was implemented for circulating fluidized bed power plants (CFB) in this thesis to obtain fast electrical power load changes. The need to reduce global emissions has resulted in new design requirements for CFB boilers: Combustion power plants are needed for fast load changes due to renewable power variations, and process modifications like oxy-combustion have to be implemented for CFB boilers. This thesis addressed the new requirements by integrating control design with process design for CFB boilers, which was done now for the first time.

The work defined an ICPD procedure for closed-loop CFB processes that focuses on load change performance. This was done by reviewing and classifying ICPD literature to select suitable design and analysis methods. The new ICPD procedure consisted of process analysis based on dynamic simulation and state estimation, control structure selection based on relative gain methods, and simultaneous dynamic optimization of process and controller parameters.

The design stages were validated through industrial case studies. In the process analysis stage, CFB combustion and flue gas dynamics were studied to define how the boiler should be modified for oxy-combustion. In the control design stage, the relative gain methods were used to identify feasible control structures and performance-limiting interactions in a once-through CFB boiler. In the ICPD optimization stage, the CFB steam path mass storage parameters and controllers were optimized for simulated load change ramps. The goal was to achieve tight output electrical power control and satisfy selected secondary control objectives.

The results show how faster load changes and a better flexibility for process modifications are obtained through ICPD compared to sequential process and control design. The design guidelines presented in this thesis thus enable more sustainable power generation in the grid.

see all

Tiivistelmä

Tässä väitöstutkimuksessa sovellettiin integroitua säätö- ja prosessisuunnittelua (ICPD) kiertoleijupetivoimalaitoksiin (CFB) nopeiden sähkön kuormanmuutosten saavuttamiseksi. Globaalien päästöjen vähentämisen tarve on asettanut uusia suunnitteluvaatimuksia CFB-kattiloille: Uusiutuvan energiantuotannon vaihteluiden vuoksi polttovoimalaitoksia tarvitaan nopeita kuormanmuutoksia varten ja happipolton kaltaisia prosessimuunnoksia on sovellettava CFB-kattiloille. Uusista vaatimuksista johtuviin haasteisiin väitöstutkimus vastasi integroimalla säätö- ja prosessisuunnittelua CFB-kattiloille. Näin tehtiin nyt ensimmäistä kertaa.

Työssä määritettiin suljetun piirin CFB-prosesseille kuormanmuutosten suorituskykyä painottava ICPD-suunnittelumalli. Tämä suoritettiin tarkastelemalla ja luokittelemalla ICPD-kirjallisuutta sopivien suunnittelu- ja analyysimenetelmien valitsemiseksi. ICPD-suunnittelumalli koostui dynaamiseen simulointiin ja tilaestimointiin perustuvasta prosessianalyysista, suhteellisen vahvistuksen menetelmiin (”relative gain”) perustuvasta säätörakenteen valinnasta sekä prosessin ja säädinten parametrien yhtäaikaisesta dynaamisesta optimoinnista.

Suunnitteluvaiheet validoitiin teollisten tutkimusesimerkkien kautta. CFB:n poltto- ja savukaasudynamiikkaa tutkittiin prosessianalyysivaiheessa, tarkoituksena määrittää, kuinka kattilaa tulisi muuntaa happipolttoa varten. Säätörakenteen valintavaiheessa suhteellisen vahvistuksen menetelmiä käytettiin läpivirtaus-CFB-kattilalle soveltuvien säätörakenteiden ja suorituskykyä rajoittavien vuorovaikutusten määrittämiseen. CFB:n höyrypuolen massavarantoparametrit ja säätimet optimoitiin simuloiduille kuormarampeille ICPD-optimointivaiheessa. Tavoitteena oli saavuttaa tarkka tuotettavan sähkön säätö sekä valitut toissijaiset säätötavoitteet.

Tulokset osoittavat, miten ICPD:n kautta saavutetaan nopeampia kuormanmuutoksia ja parempi joustavuus prosessimuutosten osalta vaiheittaiseen prosessi- ja säätösuunnitteluun verrattuna. Työssä esitetyt CFB-kattiloiden suunnittelukäytännöt mahdollistavat täten ympäristöystävällisemmän voimantuotannon verkossa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2014). Oxidant control and air-oxy switching concepts for CFB furnace operation. Computers & Chemical Engineering, 61, 203–219. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2013.10.018

  2. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovacs, J. (2014). Circulating fluidized bed boiler state estimation with an unscented Kalman filter tool. 2014 IEEE Conference on Control Applications (CCA), 310–315. https://doi.org/10.1109/CCA.2014.6981364

  3. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2017). Integrated control and process design in CFB boiler design and control—Application possibilities. IFAC-PapersOnLine, 50(1), 1997–2004. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.180

  4. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2017). Once-through circulating fluidized bed boiler control design with the dynamic relative gain array and partial relative gain. Industrial & Engineering Chemistry Research, 56(48), 14290–14303. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b03259

  5. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2019). Integrated control and process design for improved load changes in fluidized bed boiler steam path. Chemical Engineering Science, 199, 164–178. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.01.025

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3137-2
ISBN Print: 978-952-62-3136-5
Issue: 813
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.